Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống và tháp chưng cất hai cấu từ

Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống và tháp chưng cất hai cấu từ

Đồ án này gồm có:

Trang

I Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Giới thiệu chung 2

1.tính toán chung 3

2 tính toán cho ống trong là ống tròn trơn 6

3 tính toán cho ống trong là ống có gân dọc 10

II Tính toán tháp chưng cất hai cấu tử Giới thiệu chung 16

1 Tính toán nồng độ phần mol và lưu lượng (kmol/h) của nguyên liệu,sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 17

2 Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y 19

3 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, đường là việc và số đĩa lý thuyết 20

4 Xác dịnh đường kính 25

5 Số đĩa thực tế và chiều cao cơ bản của tháp 29

6 Xác định nhiệt độ đỉnh ,đáy và vị trí đĩa tiếp liệu ứng với trường hợp nguyên liệu vào tháp ở trạng thái sôi 34

Kết luận 36

I Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống:

Giới thiệu chung về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống:

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống có cấu tạo rất gọn gàng do hiệu quả

trao đổi nhiệt cao, chúng có các ưu điểm nổi bật sau:

 Thường được sử dụng để trao đổi nhiệt giữa các chất lỏng với nhau hoặc chất lỏng với môi chất đang sôi hay đang ngưng tụ với khả năng trao đổi nhiệt lớn

 Cả hai môi chất khi chuyển động qua thiết bị đều chuyển động đối lưu

cưỡng bức với tốc độ rất lớn nên thời gian đạt yêu cầu trao đổi nhiệt sẽ giảm xuống

 Kết cấu gọn gàng, an toàn và dễ chế tạo

Tuy nhiên, các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống hiện nay chỉ là các ống trơn hiệu quả thấp, ít nhiều bị hạn chế , đặc biệt trong moi trường ngưng tụ môi chất , ống trơn sẽ hạn chế khả năng ngưng tụ của môi chất nên người ta thiết

kế ống lồng ống với ống trong có gân dọc mặt ngoài Một số dạng ống lồng ống trong thực tế hay gặp như hình dưới đây:

Hình 1 :Cấu tạo ống lồng ống

Yêu cầu và mục tiêu cần đạt được:

Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống dung dầu điesel đun nóng dầu thô trong hai trường hợp :

 ống trong là ống tròn trơn

 ống trong là ống tròn ,mặt ngoài có gân dọc

số liệu như sau:lưu lượng dầu thô 35000kg/h, lưu lượng diesel là 27000 kg/h

một số tính chất ban đầu được cho ở bảng dưới đây:

1,1 0,81 0,45 0,26 0,21

Đồ thị độ nhớt theo nhiệt độ được vẽ để tiện cho tính toán:

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 Tính toán chung

1.1lượng nhiệt trao đổi và tính lượng nhiệt đầu ra :

nhiệt dung riêng điesel và dầu được tính theo công thức:

0.5

9

1625 1,1886( 32)

5 ( t t)

t C

Q(dầu thô)=Q(diesel)=1744470 kcal/h

 Tại 25oc nhiệt dung riêng của dầu thô là:

Cp=1793,39j /kgo=0,429 kcal/kgo

Theo công thức :QC P  m T. =>

1744470

116,18 35000.0, 429

o p

 Độ nhớt trung bình của dầu thô được tính :

Nhiệt độ trung bình dầu thô là: (25+91,18)/2=58,09oc Theo đồ thị ta có độ nhớt động học dầu thô là:

ν = 2,1(cst)=2,8.10-6(m2/s)

độ nhớt động lực học tương ứng là:

µp=vp.ρp=2,8*10-6.860=2,408.10-3(N.s/m2)

 Độ nhớt trung bình của diesel được tính :

Nhiệt độ trung bình diesel là: (280+150)/2=215oc Theo đồ thị ta có độ nhớt động học diesel là:

2.1 hệ số cấp nhiệt diesel:

Hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức: d

d Nu d d



 

Trong đó chuẩn số Nu được tính:

0.25 0,8 0.43 Pr

Vận tốc diesel được tính theo công thức:

 

4 4.27000

5, 3145 / 3,14.0, 053 640.3600

Nên chế độ thuỷ động của diesel là chảy rối

Chuẩn số Pr của điesel tại nhiệt độ trung bình t=215oc

Tại 215oc hệ số dẫn nhiệt điesel được ngoại suy là ג=0,082 [kcal/m.h.độ]

Thay vào công thức tính chuẩn số Nu ta có :

2.2 hệ số cấp nhiệt dầu thô là:

Nhiệt độ trung bình dầu thô là :58,09oc , nhiệt dung riêng dầu thô là Cp=0,404 [kcal/m.h.độ]

Vận tốc dầu thô được tính theo công thức:

 

4. 4.35000

2, 013 / 3,14.(0.102 0, 057 ).860.3600

Chế độ thuỷ động của dầu thô là chảy rối

Chuẩn số Pr của dầu thô tại nhiệt độ trung bình t=58,09oc có hệ số dẫn nhiệt ג= 0,12[kcal/m.h.độ]

1

Pr Pr

p d

d w

Q=K.Δt=268,87.155 =41674,85 [kcal/m2.h]

2.4 hệ số truyền nhiệt khi chú ý đến

Giả thiết hiệt độ thành của dầu diesel là:203,8oc

Hệ số cấp nhiệt của dầu diesel là:  0, 968.4097  3961, 063[kcal/m2.h.độ]

Nhiệt cung cấp phía dầu điesel là: Qd= α.(td-tt)=3961,063.(215-203,8)=44363,91 [kcal/m2.h]

Nhiệt độ tường phía dầu thô là: twp=tt-Qd.Σr=203,8-44363,91.2,4427.10

Hệ số cấp nhiệt của dầu thô:α=968,5.1,178=1140,855 [kcal/m2.h.độ]

Nhiệt cấp phía thành ống phía dầu thô

Qw=α(twp-tp)=1375,258.(95,43-58,09)=42602,13[kcal/m2.h]

Sai số ε=(44363,91-42602,13)/44363,91.100 %=1,986%<5%

0 , 25

Pr Pr

d w

Nên chấp nhận được khi đó Qtb=(44363,91+42602,13)/2=43483,02[kcal/m2.h]

F N

Chọn kích thước ống 57х2 và 108х3 ống có gân h= 12,7 mm ; w=0,082mm, bước gân wr=4,02mm độ dày gân w=0,82 mm;

3.2 hệ số cấp nhiệt của dầu thô:

 Diện tích dòng chảy dầu thô ngoài ống là :



Chu vi thấm ướt :

Chế độ thuỷ động là chảy rối

 Chuẩn số Pr của dầu thô được tính như sau;

r1 là trở lực tường bên diesel

r2 là trở lực phía tường bên dầu thô

δ là bề dày ống

λ là độ dẫn nhiệt vật liệu chế tạo ống

3.3 tính hệ số truyền nhiệt và nhiệt tải riêng khi bỏ qua

Ta có 2

1

57

2 53

1

Pr Pr

p d

3.4 tính hệ số truyền nhiệt và nhiệt tải riêng khi tính đến

Giả thiết hiệt độ thành của dầu diesel là:203,2oc

d w

d w

Nhiệt cung cấp phía dầu điesel là: Qd= α.(td-tt)=3961,063.(215-203,2)=46740,55 [kcal/m2.h]

Nhiệt độ tường phía dầu thô là: twp=tt-Qd.Σr=203,2-46740,55.2,49.10-3=86,81oC

Chuẩn số Prwp phía dầu thô là:

Hệ số cấp nhiệt của dầu thô:α=1339,24.1,1145=1533,887 [kcal/m2.h.độ]

Nhiệt cấp phía thành ống phía dầu thô

F N

d l



Hiệu suất trao đổi nhiệt: 280 150 0,51 51%

II.Tính toán thiết bị truyền chất

Giới thiệu chung:

Chưng là một trong các phương pháp tách các cấu tử trong công nghiệp nó dựa trên nguyên tắc độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp khác nhau

Tháp chưng luyện gồm có hai phần phần từ đĩa tiếp liệu đi lên gọi là đoạn luyện ,còn phần từ đĩa tiếp liệu đi xuống gọi là đoạn chưng

Nguyên lý hoạt động của tháp là lỏng đi từ trên xuống và hơi đi từ dưới lên Hơi bốc từ dưới lên qua lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏngcảu đĩa trên, ngưng tụ một phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng nên nồng độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tăng.cấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi, nên nồng độ của nó tăng nhiệt đô sôi của dung dịch giảm theo chiều cao tháp nồng độ của cấu tử dễ bay hơi tăng dần cả trong pha lỏng và pha hơi, nhiệt độ giảm dần

Yêu cầu và mục tiêu cần đạt:

Tính toán các thông số cơ bản của thiết bị (tháp) chuyển khối làm việc ở áp suất khí quyển (760mmHg) để chưng luyện hỗn hợp hai cấu tử, đảm bảo các yêu cầu về năng suất tính theo hỗn hợp đầu và thành phần nguyên liệu đỉnh và đáy.Các yêu cầu cụ thể như sau:

1 Xác định nồng độ phần mol và lưu lượng(kmol/h) của nguyên liệu, sản phầm đỉnh và sản phẩm đáy

2 Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y

3 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, đường làm việc và số đĩa lý thuyết của tháp

4 Xác định đường kính, số đĩa thực tế và chiều cao cơ bản của tháp

5 Xác định nhiệt độ đỉnh, đáy và trí đĩa tiếp liệu ứng với trường hợp nguyên liệu vào tháp ở nhiệt độ sôi

Tháp đĩa dùng để chưng cất hai cấu tử axeton và etanol với nong độ phần khối lượng của nguyên liệu là aF=0,28 , nồng độ sản phẩm đỉnh là ap=0,985, nồng độ sản phẩm đáy là aw=0,02, với lưu lượng đầu vào 4000 kg/h

1.xác định nồng độ phần mold lưu lượng nguyên liệu sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh

.1.2 sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy:

Gọi nồng độ phần mol pha lỏng của axeton ở đỉnh và đáy lần lượt là xP ,xW

Khi đó được tính theo công thức:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Đồ thị đường hoá hơi và đường ngưng tụ được vẽ:

3, chỉ số hồi lưu, đường làm việc và số đĩa lý thuyết của tháp:

3.1 Để tìm chỉ số hồi lưu nhỏ nhất ta xác định từ phương trình:

* min

Ngoại suy từ đồ thị PL.26 tính toán quá trình thiết bị của Gs.Nguyễn Bin)

Ta vẽ được đồ thị:

Từ đó ngoại suy được tại nhiệtđộ trung bình (tp+tw)/2 =(56,5+78)/2=67,25oC

Ta có α=2 (độ bay hơi tưong đối)

Từ đó ta tính Nlt min theo công thức:

Ta tìm được Rop khi β=1,36 khi đó Rop=1,36Rmin= 3,37

Tanα=3,37/(3,37+1)=0,7712 hệ số góc đoạn luyện

Bằng cách vẽ theo đường làm việc và đường cân bằng ta có số đĩa lý thuyết là 26đĩa

3.4 các phương trình đường làm việc của đoạn chưng và đọn luyện:

3.4.1đoạn luyện:

p x

x R

4.1 lưu lượng trung bình các dòng trong đoạn luyện:

Lượng hơi đỉnh tháp:Dd=P(R+1)=18,65(3,37+1)=81,5 (kmol/h)

Coi nồng độ pha lỏng đĩa thứ nhất đoạn luyên băngf nồng độ nguyên

liệu.x1=xf=0,2357

Khi đó ta có phương trình cân bằng vật liệu: Do=P+Lo (*)

Cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi: DO.yO=PxP+LOxp (**)

Cân bằng nhiệt: Doro=Ddrd (***)

 Tại đỉnh nhiệt độ sôi là: x=xp=0,912 ta có t=56,5oC

Nhiệt hoá hơi axeton ra=125kcal/kg=7250kcal/kmol

Nhiệt hoá hơi của etanol re=210kcal/kg=9660kcal/kmol

rd=rayd+re(1-yd)=7250.0,99+9660(1-0,99)=7274,1kcal/kmol

 Tại đĩa thứ nhất x=x =0,2357 ta có nhiệt độ sôi t=67oC

Nhiệt hoá hơi axeton ra=122kcal/kg=7076kcal/kmol

Nhiệt hoá hơi của etanol re=207,2kcal/kg=9531,2kcal/kmol

rd=rayo+re(1-yo)=7076.yo+9531,2(1-yo)

Thay vào (*), (**), (***) ta có Do=70,03kmol/h, Lo=51,38 Kmol/h, yo=0,434

Lượng hơi trung bình : 70, 03 81, 5 75, 765

4.2 lưu lượng dòng trung bình đoạn chưng

Lượng hơi đi vào đọn chưng D L, lượng lỏng đi vào LL, nồng độ xL

Lượng hơi đi ra đoạn chưng Do,=75,765 kmol/h, lỏng W=63,27 kmol/h, nồng độ xw=0,0159

Khi đó ta có phương trình cân bằng vật liệu: LL=DL+W (*)

Cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi:LLxL=DLyL+W.xw (**)

Cân bằng nhiệt: Doro=DLrL (***)

Ta có ro=7076.0,434+9531,2(1-0,434)=8465,64 kcal/kmol

 Tại đáy xw=0,0158 ta có nhiệt độ sôi đáy là:78oC

Nhiệt hoá hơi axeton ra=119,05kcal/kg=6904,9kcal/kmol

Nhiệt hoá hơi của etanol re=203,2kcal/kg=9347,2kcal/kmol

Tại xw=0,0159 suy ra yw=0,0493

Ta có r L=0,0493.6904,9+9347,2(1-0,0493)=9226,8 (kcal/kmol)

Thay vào (*),(**),(***) ta có:

DL=8465,64.75,765/9226,8=69,5148 99(kmol/h)

Lượng lỏng trung bình đoạn chưng là:

Tại nhiệt độ đó ρaxeton=732(kg/m3),ρetylic=740(kg/m3)

Khối lượng riêng trung bình pha lỏng đoạn luyện là:

Nhiệt độ trung bình đoạn chưng là:t=(67+78)/2=72,5oC

Tại nhiệt độ đó ρaxeton=730(kg/m3),ρetylic=737(kg/m3)

0, 28 0, 02

0,15 2

tb

Khối lượng riêng trung bình pha lỏng đoạn luyện là:

 khối lượng riêng trung bình pha hơi:

 đoạn luyện : nồng độ pha hơi trung bình đoạn luyện là:

0, 99 0, 434

0, 712 2

Đường kính là: 0, 0188 48, 8998.104, 275 1,194( )

1, 2636

Từ đó chọn đường kính tháp ltheo tiêu chuẩn là D=1,2 m

5 số đĩa thực tế và chiều cao tháp :

5.1 hệ số khuếch tán pha lỏng::

6 20

2 1/3 1/3 tan tan

10

A E x

Trong đó MA=58 MB=46 là khối lượng mol của axeton và etanol

Độ nhớt được tính theo công thức: lg hh x.lg1  (1 x) lg2

Trong đó x là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi , µ1là độ nhớt câu tử

dễ bay hơi, µ2 là độ nhớt của cấu tử còn lại

 Đoạn chưng:

Tại 72,5oC µaxeton=0,2125.10-3Ns/m2, µetanol=0,4935.10-3Ns/m2

Thay vào công thức trên ta có độ nhớt đoạn chưng µhh=4,03.10

-4Ns/m2

 Đoạn luyện:

Tại 61,75oC µaxeton=0,2274.10-3Ns/m2, µetanol=0,57735.10-3Ns/m2

Thay vào công thức trên ta có độ nhớt đoạn chưng µhh=2,974.10

 Đoạn luyện: ta có tại 61,75oC độ nhớt của các cấu tử lần lượt là:

 hệ số cấp khối pha hơi:

được tính theo công thức

m s kmol



5.4 hệ số truyền khối , đường cong động học, số đĩa thực tế:

 Hệ số truyền khối được tính theo công thức:

Trong đó diện tích làm việc của đĩa: f F (f n h m f. ch)

Trong đó fh là diện tích mặt cắt ngang của chóp, chọn dh=75mm

2 2

1,8

75 1000

h

D n

Gy=D=(Dchưng +Dluyện)/2=(104,275+75,765)/2=90,02 (kmol/h)

 Cách xác định số đĩa thực tế bằng xác định đưòng cong động học: Với mối giá trị của x, tương ứng có A là điểm thuộc đường làm việc , C là điểm thuộc đường cân bằng và B là điểm thuộc đường cong động học (chưa biết) thì:

y dh 11,2 23,04 39,8 50,9 59,3 66,3 73,1 79,5 86 92,4

Hiệu suất đĩa là

.

26

0, 65 40

lt

th t

N N

Theo các thông số của đĩa đã chọn:

Khoảng cách giữa các đĩa lỗ là: Hđ=450 mm

Chiều dày mỗi đĩa lỗ là : δ=2mm

Chiều cao tháp (tính theo công thức)

Khi đó trên đỉnh tháp xuất hiện sự ngưng tụ

Thành phần hơi đỉnh tháp là:yaxeton=0,987

Giả sử nhiệt độ đỉnh tháp là 58oC ta có bảng sau:

Cấu tử Áp suất hơi bão hoà K i =P i /760 y i x i

Tại nhiệt độ đáy giả sử là 80oC

Cấu tử Áp suất hơi bão hoà K i =P i /760 x i y i =x i k i

Kết luận

Phần đồ án này cơ bản tính toán sơ bộ được thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống với hai trường hợp ống trong là ống tròn trơn và ống trong là ống tròn mặt ngoài có gân dọc

Hoàn thành bước đầu phần tính toán cho thiết bị chưng liên tục để tách hỗn hợp axeton và etanol với mục đích và yêu cầu đề ra

Tài liệu tham khảo:

1.Sổ tay các quá trình và thiết bị công nghệ hoá học tập 1

2 Sổ tay các quá trình và thiết bị công nghệ hoá học tập 2

3 các quá trình và thiết bi trong công nghệ hoá chất và thực phẩm