Đồ án các quá trình truyền chất trong công nghệ hóa học

LỜI MỞ ĐẦU Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm được xây dựng trên cơ sở khoa học tự nhiên và kỹ thuật. Đặc điểm của lĩnh vực này là nghiên cứu những quy luật hoạt động của các quá trình để định ra cơ cấu thiết bị, nhằm thích ứng với thực tế sản xuất. Vì vậy, hiểu sâu về quá trình và thiết bị sẽ giúp cho các kỹ sư khả năng tính toán, thiết kế thiết bị, khả năng vận hành, cải tiến hoặc đề xuất những thiết bị thích ứng nhất cho một công nghệ cụ thể, với năng suất cao. Như chúng ta đã biết kỹ thuật công nghệ hóa học bao gồm nhiều quá trình khác nhau và được thực hiện trong các dạng thiết bị khác nhau. Trong đó nguyên vật liệu thông qua các tác động tương tác về mặt vật lý, hóa lý và hóa học sẽ biến đổi chuyển hóa để thành sản phẩm. Cùng với sự biến đổi về chất có sự thay đổi về năng lượng và động lượng. Vì vậy đối tượng của kỹ thuật công nghệ hóa học là các quá trình và thiết bị. Qua nghiên cứu các quá trình được thực hiện trong thiết bị của công nghệ sản xuất các quá trình được thực hiện trong thiết bị của công nghệ sản xuất các sản phẩm hóa học, sẽ tạo điều kiện cải tiến quá trình cũ, cải tiến thiết bị, nhằm đổi mới công nghệ để tăng nhanh sản lượng, nâng cao chất lượng sản phẩm. Mặt khác nghiên cứu quá trình và thiết bị cũng nhằm tiến hành cơ giới hóa và tự động hóa các quá trình sản xuất, áp dụng kỹ thuật tiên tiến, nhằm giảm mức sử dụng nguyên vật liệu, chi phí chất đốt, năng lượng để đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Khác với các quá trình vật lý, quá trình hóa học làm thay làm biến đổi hoàn toàn cấu tạo và thành phần hóa học hay tính chất hóa học của vật chất. Trong công nghệ hóa học gồm nhiều phương pháp sản xuất rất khác nhau song nhìn chung các quá trình chế biến đều được thực hiện bởi các quá trình vật lý, hóa lý giống nhau như lắng, lọc, đun nóng, làm nguội, chưng luyện, hấp thụ, chiết, sấy khô, đông lạnh…. Các quá trình đều được tiến hành trong thiết bị. Vì vậy, các thiết bị trong nhà máy hóa chất thực phẩm cũng nhiều loại, nhiều kiểu, song khi đảm nhận cùng nhiệm vụ thì cũng có cùng nguyên tắc cấu tạo. Page 1 Dựa trên những kiến thức đã học bài đồ án này đi sâu vào việc tìm hiểu và tính toán các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học cụ thể là tính toán các thiết bị truyền nhiệt và thiết kế tháp chưng luyện với những thông số đặt ra trước đó. Page 2 NỘI DUNG PHẦN I: TRUYỀN NHIỆT I. Tổng quan về quá trình truyền nhiệt 1. Các khái niệm và các phương thức truyền nhiệt Trong công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp hóa học và thực phẩm nhiều quá trình cần tiến hành ở nhiệt độ xác định thì vận tốc của quá trình và chất lượng sản phẩm mới được đảm bảo. Để giữ được nhiệt độ của quá trình theo yêu cầu người ta tiến hành các quá trình làm nguội, đun nóng, ngưng tụ,… Đó là các quá trình nhiệt. Truyền nhiệt là sự truyền năng lượng dưới dạng nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ. Qúa trình truyền nhiệt diễn ra theo hướng nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp hơn. Quá trình truyền nhiệt gồm: - Truyền nhiệt ổn định: nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian, không thay đổi theo thời gian. Chỉ xảy ra trong thiết bị làm việc liên tục. - Truyền nhiệt không ổn định: nhiệt độ thay đổi cả theo không gian và thời gian. Xảy ra trong các thiết bị làm việc gián đoạn hay trong giai đoạn đầu và cuối của quá trình liên tục. Nhiệt được truyền từ vật này đến vật khác theo 3 phương thức: dẫn nhiệt, nhiệt đối lưu, bức xạ nhiệt. • Dẫn nhiệt: Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt từ phần tử này đến phần tử khác của vật chất khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau. Thường thì quá trình này chỉ xảy ra trong vật thể rắn. các phần tử có nhiệt độ cao hơn, có dao động mạnh hơn va chạm vào các phần tử lân cận, truyền cho chúng một phần động năng của mình và cứ như thế động năng được truyền đi mọi phía của vật thể. • Nhiệt đối lưu: nhiệt đối lưu là hiện tượng truyền nhiệt do các phần tử chất lỏng hoặc khí đổi chỗ cho nhau. Hiện tượng đỏi chỗ của các phần tử khí hoặc lỏng này xảy ra do chúng có nhiệt đọ khác nhau nên khối lượng riêng khác nhau. • Nhiệt bức xạ: là quá trình truyền nhiệt bằng dạng sóng điện từ, nghĩa là nhiệt năng biến thành tia bức xạ truyền đi, khi gặp các vật thể nào đó một phần năng lượng nhiệt sẽ bị vật thể đó hấp phụ, một phần bị phản xạ lại và một phần xuyên qua vật thể. Page 3 2.Các thiết bị trao đổi nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữa các chất mang nhiệt. trong kĩ thuật thiết bị trao đỏi nhiệt dược sử dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong các quá trình công nghệ. Theo phương pháp làm việc người ta có thể chia thiết bị trao đổi nhiệt thành 3 loại: • Trao đổi nhiệt trực tiếp: hai chất tải nhiệt tiếp xúc trực tiếp với nhau • Loại đệm: quá trình trao đổi nhiệt thực hiện trên cùng một bề mặt của vật rắn tiến hành theo hai giai đoạn nối tiếp nhau. Đầu tiên cho chất tải nhiệt nóng tiếp xúc với bề mặt vật rắn (đệm), vật rắn sẽ được đun nóng lên đến một nhiệt độ cần thiết, khi đó ngừng cung cấp chất tải nhiệt nóng, cho chất tải nhiệt lạnh, vật rắn sẽ truyền nhiệt cho chất tải nhiệt lạnh. • Loại gián tiếp: nhiệt truyền từ chất tải nhiệt này tới chất tải nhiệt khác thông qua bề mặt phân cách và trao đổi nhiệt gián tiếp( bề mặt truyền nhiệt). dựa vào cấu tạo của bề mặt trao đổi nhiệt ta có thể chia thiết bị truyền nhiệt gián tiếp thành các loại chính sau đây: - Loại có vỏ bọc. - Loại ống. - Loại tấm. - Loại xoắn ốc. - Loại ống gân. 3. Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống là loại thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp được sử dụng phổ biến trong công nghiệp. • Loại thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống gồm nhiều đoạn nối tiếp với nhau, mỗi đoạn có 2 ống lồng vào nhau, ống trong của đoạn này nối với ống trong của đoạn khác, ống ngoài của đoạn này nối với óng ngoài của đoạn khác. Page 4 Chất tải nhiệt II đi trong ống trong từ dưới lên còn chất tải nhiệt I đi trong ống ngoài từ trên xuống, khi năng suất lớn ta đặt nhiều dayc làm việc song song. Ưu điểm của loại này là hệ số truyền nhiệt lớn, cấu tạo đơn giản, nhưng cồng kềnh và tốn nhiều kim loại. • Loại thiết bị ống chùm: thiết bị loại này được sử dụng phổ biến trong công nghệ hóa chất, nó có ưu điểm là kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn. II. TÍNH TOÁN Đề bài: Tính toán và chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống dùng dầu diezen để đun nóng dầu thô trong hai trường hợp: + ống trong là ống tròn trơn + ống trong là ống tròn, mặt ngoài có gân dọc khi biết các thông số cho trong bảng 1.1 và bảng 1.2 Bảng 1.1: Số liệu ban đầu Thông số Dầu thô Diezen Nhiệt độ đầu vào ( o C) 25 290 Nhiệt độ đầu ra ( o C) Cần tính 140 Tỷ khối d 4 20 0,89 0,80 Page 5 Độ nhớt (cst) 20 o C 40 o C 100 o C 200 o C 250 o C 300 o C 6,45 3,94 1,45 0,52 0,41 0,31 1,15 0,89 0,49 0,31 0,24 0,18 Lưu lượng Dầu thô là 94300 kg/h lưu lượng Diezen là 77300 kg/h Bài làm: 1. Xác định tải nhiệt Q Ta gọi chất tải nhiệt nóng Diezen là dòng 1 có nhiệt độ dòng vào là T 11 , nhiệt độ dòng ra là T 12 . Chất tải nhiệt lạnh Dầu thô là dòng 2 có nhiệt độ dòng vào là T 21 , nhiệt độ dòng ra là T 22 . Chất tải nhiệt nóng đi trong ống nhỏ, chất tải nhiệt lạnh đi trong không gian giữa 2 ống. Để xác định tải nhiệt Q ta dựa vào phương trình cân bằng nhiệt giữa 2 chất tải nhiệt: ( ) ( ) 21221211 21 TTTT HHGHHGQ −=−= η (1) Trong đó: Q là tải nhiệt hay lượng nhiệt trao đổi [W] hay [kW] G 1 , G 2 là lưu lượng chất tải nhiệt nóng và lạnh [kg/giờ] 11 T H , 12 T H là entanpy của chất tải nhiệt nóng ở nhiệt độ 11 T và 12 T [kJ/kg] 21 T H , 22 T H là entanpy của chất tải nhiệt lạnh ở nhiệt độ 21 T và 22 T [kJ/kg] η là hệ số hiệu chỉnh hay hệ số sử dụng nhiệt ( ) 97,095,0 ÷=η Theo yêu cầu: G1= 77300 kg/giờ G2= 94300 kg/giờ Hệ số sử dụng nhiệt: chọn 95,0= η Page 6 Xác định entanpy: Coi các chất tải nhiệt là các phân đoạn dầu mỏ, dùng đồ thị hình 3.23 (trang 83- [7]) ta tìm được các giá trị entanpy của các phân đoạn dầu mỏ khi biết tỷ trọng d và nhiệt độ kgkJkgkcalHH T /77,737/5,176 563 11 =≈= kgkJkgkcalHH T /14,318/76 413 12 =≈= kg/kJ23,50kg/kcal12HH 298T 21 =≈= Từ các số liệu trên áp dụng công thức (1) ta được : Q= 77300.(737,77 - 318,14). 0,95= 30849309,15 KJ/h Q= 30849309,15KJ/h= 8569,25 KW Cũng từ công thức 1, ta tính được 22 T H và từ đó tìm được 22 T ( ) 23,50.94300 530849309,1 22 −== T HQ kgkJH T /37,377 22 = Tra bảng entanpy ta được T 22 = 447K hay 174 0 C 2. Tính hiệu số nhiệt độ trung bình Trước hết ta phải chọn chiều của chất tải nhiệt. Trong thực tế, người ta thường chọn thiết bị trao đổi nhiệt làm việc theo nguyên lý ngược chiều. Khi đó thường có lợi ích kinh tế cao hơn. Trong trường hợp này, ta cũng chọn thiết bị trao đổi nhiệt có 2 dòng chất tải nhiệt chuyển động ngược chiều. Page 7 KT 116447563 max =−=∆ KT 115298413 min =−=∆ Ta dùng hiệu nhiệt độ trung bình logarit. Áp dụng công thức min max minmax min max minmax tb T T lg3,2 TT T T ln tT T ∆ ∆ ∆−∆ = ∆ ∆ ∆−∆ =∆ Như vậy ta có: KT tb 63,115 115 116 lg3,2 115116 = − =∆ KT tb 63,115=∆ 3. Xác định hệ số truyền nhiệt Khi sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt loại “ống lồng ống”, các ống trao đổi nhiệt có thể là các ống tròn trơn hoặc có gân dọc. Ta có thể sử dụng một số công thức sau để tính hệ số truyền nhiệt K. Khi ống không có gân, bề mặt ống sạch: [ ] KK t t 2 21 W/m 11 1 αλ δ α ++ = (3) Khi ống không có gân, bề mặt ống bẩn: Page 8 [ ] KW/m 11 1 K 2 22 2 1 1 t t 1 α + λ δ + λ δ + λ δ + α = (4) Khi ống có gân, bề mặt ống sạch: [ ] K F F K t t 2 2 1 ' 21 W/m 11 1 αλ δ α ++ = (5) [ ] K F F K t t 2 2 1 ' 22 2 1 1 1 W/m 11 1 αλ δ λ δ λ δ α ++++ = Khi ống có gân, bề mặt ống bẩn: (6) Trong công thức từ (3) đến (6): k là hệ số truyền nhiệt [ Km/W 2 ] 1 α là hệ số cấp nhiệt từ chất tải nhiệt chảy trong ống nhỏ đến bề mặt trong của ống nhỏ [ Km/W 2 ]. 2 α là hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của ống nhỏ đến chất tải nhiệt chảy giữa 2 ống [ Km/W 2 ]. 21t ,, δδδ lần lượt là chiều dày của ống nhỏ, của lớp bẩn bám trên bề mặt trong và ngoài của ống nhỏ [ m ] Page 9 21t ,, λλλ lần lượt là hệ số dẫn nhiệt ống nhỏ, của lớp bẩn bám trên bề mặt trong và ngoài của ống nhỏ [ mK/W ] 21 F,F lần lượt là diện tích toàn bộ bề mặt trong và bề mặt ngoài của ống nhỏ (có gân). Trên thực tế, phải tính toán thiết bị trao đổi nhiệt đảm bảo yêu cầu vận hành trong mọi điều kiện nên thường sử dụng công thức 4 và 6 để tính toán hệ số truyền nhiệt. Đây là các công thức xác định hệ số truyền nhiệt khi bề mặt bị bám bẩn, hệ số truyền nhiệt giảm đi. a, tìm F 1 , F 2 . Việc tìm F 1 và F 2 liên quan đến TB TĐN cụ thể, do vậy ta phải chọn sơ bộ TB TĐN. Để chọn sơ bộ TB TĐN ta phải tính được bề mặt trao đổi nhiệt giả định cần thiết. Muốn thể ta giả định hệ số truyền nhiệt K. Trên cơ sở số liệu chất tải nhiệt đã chọn, ta giả sử K = 300 W/m 2 K. Biết Kt tb 63,115=∆ , biết K = 300 W/m 2 K, ta tính được bề mặt trao đổi nhiệt theo công thức tb tK Q F ∆ = (7) 2 3 248031,247 63,115.300 10. 8569,25 mF ≈== chọn F sb = 248 m 2 Trong thực tế có loại thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống có bề mặt trao đổi nhiệt là 30 m 2 với các đặc tính: đường kính ống trong d = 48x4 mm, đường kính ống ngoài D = 89 x 5 mm, nhiệt độ làm việc tối đa là 723 K, áp suất làm việc tối đa là 25 at. +) Vậy Với F=248m 2 , thì cần 9 thiết bị loại 30m 2 là đủ. Khi đó ta có: số ống N= 248.28/30 =231,47 ≈ 232 ống Thiết bị chia làm 2 ngăn, mỗi ngăn 4 hành trình, suy ra số ống mỗi hành trình là 232/8 =29 Page 10 [...]... 124,171 = = 9,0855 P 13.667 yU = 5.492x 0.0139 trong ú f = 4 Tính đờng kính tháp chng luyện: Đờng kính tháp đợc xác định theo công thức D = 0,0188 g tb ( y y ) tb ,m (tr 181- [2]) Trong đó: gtb: lợng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h (y.y)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s Vì lợng hơi và lợng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên ta phải tính lợng hơi trung... s cp nhit t cht ti nhit núng i trong ng nh n b mt trong ca ng Chn ng l ng thộp Ta cú th s dng cỏc cụng thc sau tớnh Pr 0 1 = 0,021 1 Re 1 ,8 Pr10, 43 1 Pr d t ,1 Hay: 1 nu dũng chy ri 0, 25 D 0 1 = 0,027 1 Re 1 ,8 Pr10, 4 t d d t Trong ú: 1 (8) 0 , 45 (9) : h s dn nhit ca vt liu, [W/mK] dt: ng kớnh trong ca ng nh, [m] (dt = 0,04 m) Page 11 Dt: ng kớnh trong ca ng ngoi, [m] (Dt = 0,079... - Khi lng mol trung bỡnh: p dng cụng thc : M = xMA + (1 x)MB trong ú: M : khi lng mol trung bỡnh [kg/kmol] x : Nng phn mol MA,MB : Khi lng mol ca 2 cu t A, B ta tớnh c: Trong hn hp u: MF = xFMA + (1 xF)MB= 0,1077*58 + (1 0,077)*18 = 22,308 [kg/kmol] Trong sn phm nh: MP = xPMA+ (1 xP)MB = 0,9532*58 + (1 0,9532)*18 = 56,128 [kg/kmol] Trong sn phm ỏy: MW = xWMA + (1 xW)MB = 0,0031*58 + (1 0,0031)*18... Page 33 Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là axeton v nc ở tp Từ xp = 0,9532 tra đồ thị x-t trờn ta đợc tp = 57,18 0C yđ: hàm lợng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần khối lợng yđ = yp = 0,9725 phần mol ( suy ra t xp= 0,9532 phn mol) i ra phn khi lng: y = 0,9725.58 = 0,9913 0,9725.58 + (1 0,9725).18 Với t02 = tP =57,18 0C nội suy theo bảng I.212 trong ([1] tr254) ta đợc: raxeton=132+(57,18-20)... rđ = 538,09 kJ/kg Thay các giá trị đã tính đợc vào hệ phơng trình trên ta đợc g1 = G1 + 767,077 g1.y1 = 0,28G1 + 767,077.0,985 g1(-1877,07.y1 + 2385,64) =1380,7386 538,09 Giải hệ phơng trình ta đợc: g1 =945,163 kg/h G1 = 178,086 kg/h y1 = 0,852 phần khối lợng 945,163 786,066 Thay y1 = 0,852 vào r1 ta đợc: r1 = -1877,07.0,8356 + 2385,64= 786,066 kJ/kg Vậy lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là: g... đỉnh tháp x1 = xF = 0,1077 r1 = ra.y1 + (1-y1).rb [tr 182 - [2]] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là axeton v nc th biu din mi liờn h gia x v t ở t01 = tF Từ x1= xF = 0,1077 tng ng 0,28 phn mol khi lng tra đ thị x-t ta đợc t01 = tf = 69,2 0C Với t01 = 69,2 0C nội suy theo bảng I.212 trong ([1] 254) ta đợc; raxton= kcal/kg=508,57kJ/kg raxton= kcal/kg=2385,64kJ/kg 508,57 2385 ,64... 98,5 1 T (1) suy ra: GW = GF GP = 2770 767,077= 2002,923 [kg/h] - Nng phn mol trong hn hp u: (cụng thc VIII.1 [2]) aF 0,28 MA 58 xF = = = 0,1077 aF 1 aF 0,28 1 0,28 + + MA MB 58 18 [phn mol] Nng phn mol trong sn phm nh: aP 0,985 MA 58 xP = = = 0,9532 ap 0,985 1 0,985 1 aP + + 58 18 MA MB [phn mol] Nng phn mol trong sn phm ỏy: Page 29 xW = aW MA aW 0,01 MA 58 = = 0,0031 1 aW 0,01 1 0,01 +... lợng hơi trung bình cho từng đoạn 4.1 ng kớnh on luyn a Xác định lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: Lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng của l ợng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lợng hơi đi vào đĩa dới cùng của đoạn luyện g tb = g d + g1 2 , kg/h [tr 181 - [2]] Trong đó: g lng hi ra khi a trờn cựng (a n) ca thỏp [kg/h] g1 lng hi i vo a di cựng (a... du thụ nhit trung bỡnh Page 16 Ttb 2 2 , trong ú cỏc tớnh cht 2 = 0,1346 (1 0,00047.Ttb2 ) d 28 8 277 28 293 d 2778 = d 277 0,000725( T 293) = 0,89 0,000725( 288 293) = 0,894 2 = 0,1346 (1 0,00047.372,5) = 0,1242 0,894 W/mK 2 = 0,1242 W/mK - Tớnh tiờu chun Reynold Re 2 Re 2 c tớnh theo cụng thc 11 Re 2 = Vi 2 D tb 2 2 (11) l vn tc dũng du thụ chy trong tit din hỡnh vnh khn gia 2 ng, [m/s]... 1 trong ú b l h s d, thng ly t 1,2 2,5 - Ta lp bng s liu sau xỏc nh Rth: 1.80 2.00 2.20 2.30 0.66 0.73 0.81 0.84 0.5743 0.5500 0.5277 0.5171 14.53 10.00 8.98 8.93 Nlt(Rth +1) 24.12 17.33 16.22 16.46 2.40 0.88 0.5071 8.88 2.50 0.92 0.4974 8.75 16.69 16.77 - Da vo bng s liu trờn ta lp c quan h Rth vi Nlt(Rth + 1) theo th sau: T th Rth - Nlt(Rth + 1) ta xỏc nh c Rth = 0,8 vi s a lý thuyt Nlt = 9; trong . khi đó ngừng cung cấp chất tải nhiệt nóng, cho chất tải nhiệt lạnh, vật rắn sẽ truyền nhiệt cho chất tải nhiệt lạnh. • Loại gián tiếp: nhiệt truyền từ chất tải nhiệt này tới chất tải nhiệt khác. bị truyền nhiệt và thiết kế tháp chưng luyện với những thông số đặt ra trước đó. Page 2 NỘI DUNG PHẦN I: TRUYỀN NHIỆT I. Tổng quan về quá trình truyền nhiệt 1. Các khái niệm và các phương thức truyền. được truyền từ vật này đến vật khác theo 3 phương thức: dẫn nhiệt, nhiệt đối lưu, bức xạ nhiệt. • Dẫn nhiệt: Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt từ phần tử này đến phần tử khác của vật chất khi