Đồ án quá trình thiết bị Chưng cất hỗn hợp Ethanol nước bằng tháp đệm

Đồ án Quá trình thiết bị: Thiết kế tháp đệm chưng cất hỗn hợp ethanol-nước Sinh viên thực hiện: Dương Tường Vy Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

LỜI MỞ ĐẦU Nhu cầu nguồn nhiên liệu, nguyên liệu sản phẩm hóa học giới ngày tăng Nhiệm vụ tìm kiếm nguồn lượng mà phải khám phá phương pháp tinh chế hỗn hợp nguyên liệu thành sản phẩm mong muốn thân thiện với môi trường Ngành công nghệ hóa học đóng vai trò quan trọng tiên phong việc thực nhiệm vụ Các trình hóa học chưng cất, trích li, cô đặc, sấy, kết tinh, hấp phụ… ngày đổi hoàn thiện để đáp ứng nhu cầu sử sụng sản phẩm hóa học chất lượng, tinh khiết người thị trường Mỗi phương pháp tiến hành với cách thức khác có ưu, nhược điểm riêng Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp phù hợp để chưng cất hỗn hợp ethanol – nước Đồ án môn học Quá trình thiết bị môn học xương sống ngành hóa học Môn học tổng hợp hầu hết kiến thức từ Truyền nhiệt, Truyền khối, Kĩ thuật phản ứng đến Các trình học Cơ sở thiết kế máy…, trang bị cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ hóa- Thực phẩm kiến thức sở để thiết kế thiết bị hóa học cụ thể hoàn chỉnh, đáp ứng đầy đủ yêu cầu trình phản ứng, chất lượng sản phẩm, tuổi thọ cao, giá thành phù hợp quan trọng phải an toàn với người môi trường Nhiệm vụ Đồ án môn học thiết kế thiết tháp đệm chưng cất hỗn hợp ethanol – nước, hoạt động liên tục áp suất thường Em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Ngọc Pha thầy cô môn Quá trình thiết bị hướng dẫn tận tình thời gian qua Trong trình hoàn thành đồ án không khỏi xảy sai sót kinh nghiệm non mong thầy cô góp ý, giúp đỡ thêm cho em MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT VỀ CHƯNG CẤT CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 13 CHƯƠNG 5: VẬN TỐC HƠI VÀ ĐƯỜNG KÍNH 18 CHƯƠNG 6: CHIỀU CAO THÁP 22 CHƯƠNG 7: TRỞ LỰC CỦA THÁP 23 CHƯƠNG 8: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 26 CHƯƠNG 9: TÍNH TOÁN CHO THIẾT BỊ PHỤ 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT VỀ CHƯNG CẤT Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí – lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hòa cấu tử khác nhau), cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay – ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất trình dung môi chất tan bay hơi, cô đặc trình có dung môi bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét đơn giản hệ có cấu tử ta thu sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sôi nhỏ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé (nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ ethanol – nước sản phẩm đỉnh chù yếu gồm ethanol nước, ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước ethanol Các phương pháp chưng cất: phân loại theo - Áp suất làm việc: chưng cất áp suất thấp, áp suất thường áp suất cao Nguyên tắc làm việc phương pháp dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, nhiệt độ sôi cấu tử cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) trình thực liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn Phương pháp cất nhiệt đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp nước: thường áp dụng trường hợp chất tách không tan nước Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp chúng có yêu cầu diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều phụ thuộc vào độ phân tán lưu chất vaò lưu chất Tháp chưng cất phong phú kích cỡ ứng dụng ,các tháp lớn thường ứng dụng công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước tháp : đường kính tháp chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí tháp độ tinh khiết sản phẩm Ta khảo sát loại tháp chưng cất thường dùng tháp mâm tháp chêm Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác để chia thân tháp thành đoạn nhau, mâm pha lỏng pha đựơc cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: - Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chóp dạng:tròn ,xupap ,chữ s… - Tháp mâm xuyên lỗ: mâm bố trí lỗ có đường kính (3-12) mm Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG 2.1 ETHANOL 2.1.1 Tính chất vật lý: Ethanol (hay gọi rượu ethylic, ancol ethylic, cồn) chất lỏng, không màu, dễ cháy, nhẹ nước, tan vô hạn nước, hòa tan nhiều chất iodine, benzene,… Thuộc tính: Công thức phân tử: C2H6O hay C2H5OH Khối lượng phân tử: 46,07 g/mol Tỷ trọng pha: 0,789 g/cm3 Nhiệt độ sôi: 78,30C (ở 760 mmHg) Nhiệt độ nóng chảy: -114,30C Độ nhớt: 1,200 cP 200C 2.1.2 Tính chất hóa học: Tất phản ứng hóa học đa phần xảy nhóm hydroxyl (-OH) ethanol Phản ứng hydro nhóm hydroxyl CH3CH 2OH CH3CH 2O  H  Hằng số phân ly ethanol pKa=15,9 nên ethanol chất gần trung tính Tính acid rượu thể qua phản ứng với kim loại kiềm, NaH, NaNH2: CH 3CH 2OH  NaH  CH 3CH 2ONa  H 2 KCH3CH2OH  K H 2O  1014 : tính acid rượu nhỏ tính acid nước, nên muối CH3CH2ONa tan nước bị phân hủy thành rượu trở lại Tác dụng với acid tạo ester: Ethanol có tính base tương đương với nước Khi rượu tác dụng với acid vô H2SO4, HNO3 acid hữu tạo ester: CH 3CH 2OH  HSO3OH CH 3CH 2O  SO3 H  H 2O CH 3CH 2OH  CH 3COOH CH 3CO  OC2 H  H 2O Phản ưng nhóm hydroxyl: Tác dụng với HX: CH 3CH 2OH  HX CH 3CH X  H 2O Tác dụng với PCl3: CH 3CH 2OH  PCl3  CH 3CH 2Cl  POCl  HCl Al O  C2 H NH  H 2O Tác dụng NH3: CH 3CH 2OH  NH  t o Phản ứng tạo eter tách nước: H SO4 2CH 3CH 2OH  (CH 3CH ) O  H 2O 150o C H SO4 CH 3CH 2OH  H 2C  CH  H 2O 150o C 200 C 300 C Phản ứng hydro oxy hóa: CH3CH 2OH   CH3CHO  H o o 2.1.3 Ứng dụng: Ethanol sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp nặng, y tế dược, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ, nông nghiệp,… Công nghiệp cao Dung môi hữu Nhiên liệu su tổng hợp Thuốc súng không khói, Rượu mùi, nhiên liệu hỏa tiễn, bom bay Ethanol dấm Thuốc sát trùng, Thuốc trừ sâu pha chế thuốc Thuốc nhuộm, Sơn, đồ nhựa, tơ nhân tạo keo dán, hương liệu,… 2.1.4 Phương pháp điều chế: Có nhiều phương pháp điều chế ethanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen ester ethanol đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldehyt acetic; từ hợp chất kim… Trong công nghiệp, điều chế ethanol phương pháp lên men từ nguồn tinh bột rỉ đường Những năm gần đây, nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột 2.2 NƯỚC Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng không màu, không mùi, không vị Khi hóa rắn, nước tồn dạng tinh thể khác Công thức phân tử: H2O Phân tử lượng: 18,01528 g/mol Khối lượng riêng: kg/l (ở dạng lỏng), 917 kg/m3 (ở dạng rắn) Nhiệt độ nóng chảy: 0oC Nhiệt độ sôi: 100oC Nước chiếm phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất nước biển) cần thiết cho sống sinh vật Nước dung môi môi phân cực mạnh, có khả hòa tan nhiều chất dung môi quan trọng ngành kỹ thuật hóa học 2.3 ĐỒ THỊ CÂN BẰNG ETHANOL – NƯỚC Bảng số liệu: x 5,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100 y 33,2 44,3 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100 t, oC 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80,0 79,4 79,0 78,6 78,4 78,4 Điểm đẳng phí: x = y = 89,4 % t = 78,15oC Hình 1: Giản đồ lý thuyết thành phần pha y theo thành phần pha lỏng x Hình 2: Giản đồ lý thuyết nhiệt độ T theo thành phần x, y 2.4 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Số liệu ban đầu: Năng suất nguyên liệu: 0,4 kg/s Nồng độ nhập liệu: 31 % mol ethanol Nồng độ cấu tử dễ bay đỉnh tháp: 85 % mol ethanol Nồng độ cấu tử dễ bay đáy tháp: % Các ký hiệu: F , F : lưu lượng nhập liệu ban đầu theo kmol/h kg/h D, D : lưu lượng sản phẩm đỉnh theo kmol/h kg/h W ,W : lưu lượng sản phẩm đáy theo kmol/h kg/h xF , xF : nồng độ phần mol nồng độ khối lượng ethanol nhập liệu xD , xD : nồng độ phần mol nồng độ khối lượng ethanol sản phẩm đỉnh xW , xW : nồng độ phần mol nồng độ khối lượng ethanol sản phẩm đáy Phương trình cân vật chất: F  D W (1) xF  F  xD  D  xW W (2) Tính khối lượng trung bình: với M1=46 (g/mol) khối lượng mol ethanol M2=18 (g/mol) khối lượng mol nước M tbF  xF  M1  (1  xF )  M  26,68 M tbD  xD  M1  (1  xD )  M  41,8 M tbW  xW  M1  (1  xW )  M  18, 28 Lưu lượng nhập liệu theo kmol/h: F  F 0,  3600   53,97301 M tbF M tbF Từ (1) (2) giá trị vào ta có: Giải hệ phương trình tìm D W ta được: D = 19,27608 (kmol/h) W = 34,69694 (kmol/h) 3.2 Xác định số hồi lưu 3.2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu: Từ điểm (0,85; 0,85) đường cân bằng, ta vẽ đường thẳng tiếp xúc với đường cân cắt trục tung điểm có tung độ 0,28128 Ta có: xD  0, 28128 suy Rm = 2,2022 Rm  3.2.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp: Xác định số hồi lưu từ điều kiện thể tích tháp nhỏ (không tính đến tiêu kinh tế vận hành) Trong trường hợp ta cần thiết lập quan hệ số hồi lưu thể tích tháp Rx – V Thể tích tháp: V  f  H f : tiết diện tháp, m2 H: chiều cao làm việc tháp Ta biết tiết diện tháp tỉ lệ thuận với lượng tháp, mà lượng lại tỉ lệ thuận với lượng lỏng hồi lưu tháp Như vậy, tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hồi lưu Tức là: f ( Rx  1)  GD Trong điều kiện làm việc định GD không đổi, nên f ( Rx  1) Áp dụng công thức (V.89), trang 26, sổ tay 2:  r S = 7,77 × 10  h    h -2      0,033     0,333 0,75 q 0,7  0,45 c 0.117 Ts0,37 Nhiệt độ sôi trung bình dòng sản phẩm ống: tS  tS  tS  97,9696 oC = 370,9696 K Tại nhiệt độ sôi trung bình thì: Khối lượng riêng pha dòng sản phẩm ống: h  PM tbW 118, 28   1,1089 (kg/m3) 22, RTS  370,9696 273 Khối lượng riêng sản phẩm đáy: S  951,88 (kg/m3) Độ nhớt sản phẩm đáy: S  2,88 104 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt sản phẩm đáy: S  0, 659882 (W.m-1.K-1) Nhiệt dung riêng sản phẩm đáy: cS  4208,874 (J.kg-1.K-1) Sức căng bề mặt:  Sức căng bề mặt ethanol:  ethanol  0, 017973 (N/m)  Sức căng bề mặt nước:  nuoc  0,14813 (N/m) (Bảng 1.242, trang 300, sổ tay 1) Nên:    ethanol nuoc  0, 016028 (N/m)  ethanol   nuoc Nhiệt hóa sản phẩm đáy: rS  2229489 (J/kg) 9.3.2.3 Xác định hệ số cấp nhiệt đốt ống: Áp dụng công thức (3.65), trang 120, tập 10: rn  2n g.3n  n  0,7254  n (t n - t W1 ).d tr Dùng phép lặp: chọn tW1 = 117,6 (oC) Nhiệt độ trung bình màng nước ngưng tụ: tm = ½ (tn + tW1) = 118,6 (oC) 40 Tại nhiệt độ thì: Khối lượng riêng nước: n  944, 206 (kg/m3); Độ nhớt nước: n  0, 00024008 (N.s/m2); Hệ số dẫn nhiệt nước: n  0, 68572 (W/mK) Nên:  n  17649,9 (W/m2K)  qt  qn   n  tn  tw1   35045, 04072 (W/m2): xem nhiệt tải mát không đáng kể  tw  tw1  qt  r  99, 0655 (oC)   S  32814,11 (W.m-2.K-1)  qS   S  tw2  tS   35962,35 (W/m2) Kiểm tra sai số:  = qs  q n qn  0, 03 = % < % (thỏa) Kết luận: tw1 = 117,6oC tw2 = 99,0655oC Suy ra, hệ số truyền nhiệt: K = 1620 (W/m2K) 9.3.3 Bề mặt truyền nhiệt: F  Qn  41, (m2) K tlog 9.3.4 Cấu tạo thiết bị: Chọn số ống truyền nhiệt: n = 271 (ống) Ống bố trí theo hình lục giác Chiều dài ống truyền nhiệt: L = F d  d tr n n = 1,51 (m)  chọn L = (m) Tra bảng V.11, trang 48, sổ tay  Số ống đường cùng: 56 (ống) Bước ống: t = 1,2dng = 1,2 × 0,038 = 0,0456 (m) Áp dụng công thức (V.141), trang 49, sổ tay 2:  Đường kính thiết bị: D = t(2no + 1) = 0,9728 m Chọn D = m Vậy nồi đun Kettle có D = m, 271 ống 38x3, L = m 9.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống trong: 25x2; kích thước ống ngoài: 36x2 Đường kính ống ngoài: Dng  0,036 (m); Đường kính ống ngoài: 41 Dtr  0, 036   0, 002  0, 032 (m); Đường kính ống trong: d n  0, 025 (m); Đường kính ống trong: dtr  0, 025   0, 002  0, 021 (m) Nước làm lạnh ống với nhiệt độ đầu: tn1 = 28oC, nhiệt độ cuối: tn2 = 42oC Các tính chất lý học nước làm lạnh ứng với nhiệt độ trung bình ttbN = t1  t =35oC: Nhiệt dung riêng: cn  4177, 285833 (J.kg-1K-1); Khối lượng riêng: n  994, 0563667 (kg/m3); Độ nhớt động lực: n  0, 000720003 (N.s/m2); Hệ số dẫn nhiệt: n  0, 625838836 (W.m-1K-1) Sản phẩm đỉnh ống với nhiệt độ đầu: tD = 78,5oC, nhiệt độ cuối: t’D = 40oC Các tính chất lý học sản phẩm đỉnh ứng với nhiệt độ trung bình ttbD t D  t D'   59, 25 (oC): Nhiệt dung riêng: cD  3034,872776 (J.kg-1K-1); Khối lượng riêng:  D  767, 0328001 (kg/m3); Độ nhớt động lực: D  0, 000557252 (N.s/m2); Hệ số dẫn nhiệt: D  0,196448868 (W.m-1K-1) 9.4.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình: Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều: t1  t D  tn  36,5 t1  t2  22, 02434055 (K)   tlog  ' t1 t2  t D  tn1  12,  ln t2 9.4.2 Hệ số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức sau: K  1 n   rt  , W.m-2.K-1 D Với: N: hệ số cấp nhiệt nước ống (W/m2.K); D: hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh (W/m2.K); rt: nhiệt trở thành ống lớp cáu (m2K/W) 9.4.2.1 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: q t  t w1  t w , (W/m2) rt Với: tw1: nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đỉnh (ngoài ống nhỏ), oC tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (trong ống nhỏ), oC 42 Nhiệt trở thành ống: t r    r1  r2  0, 000467527 t 9.4.2.2 Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh ống ngoài: Vận tốc dòng phẩm đỉnh ống ngoài: vD  D   0,931613833 (m/s) 3600  D   Dtr  d ng2  Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,032- 0,025 = 0,007 (m) vD dtd  D Chuẩn số Reynolds: Re D  D Chuẩn số Nu: NuD  k01 Pr 0,43 D  8976, 273786  104 : chế độ chảy độ  PrD     Prw1  0,25 (công thức V.44, trang 16, Sổ tay QTTB tập 2) Với chế độ chảy độ, tra bảng tìm k0 the Re ta k0  21, 6268  NuD  21, 62681 Pr 0,43 D  PrD     Prw1  0,25 + l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReD tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống: ReD= 8976,273786 chọn l =1 + PrD : chuẩn số Prandlt sản phẩm đỉnh 59,25oC PrD  8, 6088 + Prw1 : chuẩn số Prandlt sản phẩm đỉnh nhiệt độ trung bình vách Hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh ống ngoài:  D  NuD D , W.m-2K-1 dtd Nhiệt tải phía sản phẩm đỉnh: qD   D  ttbD  tw1  , W/m2 9.4.2.3 Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống nhỏ: Vận tốc nước ống:  Chuẩn số Reynolds: Ren  dtr n n Gn   1,3987 (m/s) 3600  D  dtr  40552, 77166  104 : chế độ chảy rối, Công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Nun  0, 021 l Pr 0,43 n 43  Prn     Prw  0,25 + l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống: Re>104 chọn l =1 + Prn: chuẩn số Prandlt nước 35oC, Prn  4, 8461 + Prw2: chuẩn số Prandlt nước nhiệt độ trung bình vách ống Hệ số cấp nhiệt nước ống:  n  Nun n , W.m-2K-1 dtr Nhiệt tải phía nước làm lạnh: qn   n  tw  ttbn  , W/m2 Dùng phép lặp: Chọn tw1 = 48,95 oC: Tại nhiệt độ này: ta có: Prw1  10, 5795  NuD  51,83665   D  1454, 75 (W.m-2K-1)  qD  14983,93 (W/m2) Xem nhiệt tải mát không đáng kể: qt  qD  14983,93 (W/m2)  tw  tw1  qt  r  42, 07068 (oC)  Prw2  4,161023  Nun  71, 69748   n  2136, 717 (W.m-2K-1)  qn  15108, 05 (W/m2) Kiểm tra sai số:   qn  qD qD  0,8283%  5% thoả Suy ra, hệ số truyền nhiệt: K  619,3775368 (W/m2K) 9.4.3 Xác định bề mặt truyền nhiệt: Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Ftb  QD 32244,17092   2,3637 (m2) K  tlog 619,3775  22, 02434 Với: K : hệ số truyền nhiệt, tlog : nhiệt độ trung bình logarit 9.4.4 Chiều dài ống truyền nhiệt: L   Chọn: L = 33 (m) Kiểm tra: Ftb  32, 7292 (m) dtr  d ng L 33   1571, 428571  50 l = 1: thoả dtr 0, 021 Vậy: thiết bị làm mát sản phẩm đỉnh thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 33 (m), chia thành 11 dãy, dãy dài (m) 44 9.5 Thiết bị tận dụng nhiệt sản phẩm đáy để gia nhiệt cho dòng nhập liệu: Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống trong: 25x2; kích thước ống ngoài: 36x2 Đường kính ống ngoài: Dng  0,036 (m); Đường kính ống ngoài: Dtr  0, 036   0, 002  0, 032 (m); Đường kính ống trong: d n  0, 025 (m); Đường kính ống trong: dtr  0, 025   0, 002  0, 021 (m) Dòng nhập liệu ống với nhiệt độ đầu: tF1 = 25oC, nhiệt độ cuối: tF2 = 52,28oC Tại nhiệt độ trung bình: ttbF  tF1  tF  38, 64 (oC): Nhiệt dung riêng: cF  3386, 425065 (J.kg-1K-1); Khối lượng riêng:  F  861,9889808 (kg/m3); Độ nhớt động lực:  F  0, 000763899 (N.s/m2); Hệ số dẫn nhiệt: F  0,383368548 (W.m-1K-1) Dòng sản phẩm đáy ống với nhiệt độ đầu: tS1 = 98,1oC, nhiệt độ cuối: tS2 = 45oC Tại nhiệt độ trung bình đáy: ttbS  tS  tS  71,55 o C: Nhiệt dung riêng: cS  4161,832394 (J.kg-1K-1); Khối lượng riêng: S  969, 2587265 (kg/m3); Độ nhớt động lực: S  0, 000397863 (N.s/m2); Hệ số dẫn nhiệt: S  0, 656197072 (W.m-1K-1) 9.5.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình: Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều: t1  tS  t F  42,85 t1  t2  31,1463 (K)   tlog  t1 t2  tS  t F  20  ln t2 9.5.2 Hệ số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức sau: K  1 F   rt  , W.m-2.K-1 S Với: F: hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống (W/m2.K); S: hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy (W/m2.K); rt: nhiệt trở thành ống lớp cáu (m2K/W) 45 9.5.2.1 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: q t  t w1  t w , (W/m2) rt Với: tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ống nhỏ), oC tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nhập liệu (trong ống nhỏ), oC Nhiệt trở thành ống: t r    r1  r2  0, 000467527 (m2K/W) t 9.5.2.2 Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy ống ngoài: Vận tốc sản phẩm đáy ống ngoài: vS  W   0,58034 (m/s) 3600  S   Dtr  d ng2  Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,032- 0,025 = 0,007 (m) Chuẩn số Reynolds: Re S  vS dtd  S S Chuẩn số Nusselt: NuS  k0 l Pr 0,43 S  9896, 613784  104 : chế độ chảy độ  PrS     Prw1  0,25 Với chế độ chảy độ, tra bảng tìm k0 the Re ta k0  29,3362  NuS  29,3362 l Pr 0,43 F  PrS     Prw1  0,25 + l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReD tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống: ReS  9896, 613784 chọn l =1 + PrS : chuẩn số Prandlt sản phẩm đáy, PrS  2,523387777 + Prw1 : chuẩn số Prandlt sản phẩm đỉnh nhiệt độ trung bình vách Hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh ống ngoài:  S  NuS S , W.m-2K-1 dtd Nhiệt tải phía sản phẩm đáy: qS   S  ttbS  tw1  , W/m2 9.5.2.3 Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: Vận tốc dòng nhập liệu ống: vF  F   1,34045 (m/s) 3600  F  dtr 46 Chuẩn số Reynolds: Re F  vF dtr  F F  31763,97628  104 : chế độ chảy rối, Công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: NuF  0, 021 l Pr 0,43 F  PrF     Prw  0,25 + l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống: Re>104 chọn l =1 + PrF: chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 38,64oC PrF  6, 747783924 + Prw2: chuẩn số Prandlt nước nhiệt độ trung bình vách ống Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống:  F  NuF F , W.m-2K-1 dtr Nhiệt tải phía dòng nhập liệu: qF   F  tw2  ttbF  , W/m2 Dùng phép lặp: Chọn tw1 = 65,45 oC: Tại nhiệt độ này: ta có: Prw1  2, 7763  NuS  42, 64683   S  3997,817649 (W.m-2K-1)  qS  24582,15879 (W/m2) Xem nhiệt tải mát không đáng kể: qt  qS  24582,15879 (W/m2)  tw  tw1  qt  r  52,9083 (oC)  Prw2  5,36214396  NuF  57,31368196   F  1708, 053715 (W.m-2K-1)  qn  24370, 77104 (W/m2) Kiểm tra sai số:   q F  qS qS  0, 0652676%  5% thoả Suy ra, hệ số truyền nhiệt: K  740,804468 (W/m2K) 9.5.3 Xác định bề mặt truyền nhiệt: Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Ftb  QW 39740,83053   1, 7224 (m2) K  tlog 740,804468  31,1463 Với: K : hệ số truyền nhiệt; tlog : nhiệt độ trung bình logarit 9.5.4 Chiều dài ống truyền nhiệt: L   Ftb  23,849 (m) dtr  d ng 47 Chọn: L = 24 (m) Kiểm tra: L 24   1142,857143  50 l = 1: thoả dtr 0, 021 Vậy: thiết bị gia nhiệt nhập liệu làm nguội sản phẩm đáy thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 24 (m), chia thành dãy, dãy dài (m) 9.6 Bồn cao vị: 6.1 Tổn thất đường ống dẫn: Chọn ống dẫn có đường kính dtr = 80 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, Sổ tay QTTB tập 1: Độ nhám ống   0, (mm)  104 (m), ăn mòn Các tính chất lý học dòng nhập liệu ứng với nhiệt độ trung bình ttbF  t F  t F 52, 28  81, 61   66,945 oC: Khối lượng riêng:  F  841, 0898 (Kg/m3); Độ 2 nhớt động lực: F  4,75 104 (N.s/m2) Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn: vF   Tổn thất đường ống dẫn: h1   1  F   0, 094612 (m/s) 3600  F  d  v2 l1   1  F , m d1  2g Trong đó: 1 : hệ số ma sát đường ống; l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 =30 (m); d1 : đường kính ống dẫn, d1 = d = 0,08 (m); 1 : tổng hệ số tổn thất cục bộ; vF : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, vF = 0,094612 (m/s) 9.6.1.1 Xác định hệ số ma sát đường ống 1 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu ống: Re1  vF d1  F F  1,34 104 Theo công thức II.60, trang 378, Sổ tay QTTB tập 1, ta có:  d 7 + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Re gh1     5, 65 103    d 8 + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren1  220    1,86 105   48 Suy ra: Regh1 < Re1< Ren1: khu vực chảy độ, theo công thức II.64, trang 380, Sổ tay   100  QTTB tập ta có: 1  0,11, 46   d1 Re   0,25  0, 032464 9.6.1.2 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ: Chỗ uốn cong: tra bảng II.16, trang 382, Sổ tay QTTB tập Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = đường ống có chỗ uốn  u1  0,15   0, Van: tra bảng 9.5, trang 94, Quá trình học tập – Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn Đường ống có van cầu  van  10 1  10 Lưu lượng kế: ll  (coi không đáng kể) Vào tháp: thap  Tổng hệ số tổn thất cục bộ:   u1  van  ll  thap  11,  Tổn thất đường ống dẫn: h1  0, 010847 (m)  9.6.2 Tổn thất đường ống thiết bị đun sôi dòng nhập liệu: h2   2  v l2   2  , m d2  2g Trong đó: 2 : hệ số ma sát đường ống; l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2  12 (m); d : đường kính ống dẫn, d  dtr  0, 032 (m);  : tổng hệ số tổn thất cục bộ; v2 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, m/s 9.6.2.1 Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn: v2  F   0,591327 (m/s) 3600  F  dtr 9.6.2.2 Hệ số ma sát đường ống: Chuẩn số Re: Re2  3,35 104  104 : chế độ chảy rối Độ nhám:   0, (mm)  104 (m) Chuẩn số Reynolds giới hạn: Re gh  d 7     1,98 103    d 8 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren  220    6, 64 104   49 Suy ra: Regh2 < Re2< Ren2: khu vực chảy độ, theo công thức II.64, trang 380, Sổ tay   100  QTTB tập ta có: 2  0,11, 46   d Re   0,25  0, 033172 9.6.2.3 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ: Chữ U: tra bảng 9.5, trang 94, Quá trình học tập – 2: Đường ống có chữ U  u   2,  6, Đột thu: Bảng II.16, trang 382, Sổ tay QTTB tập Khi F0 0, 0322   0, 016 F1 0, 082 dt 2(1cho)  0, 458 Có chỗ đột thu  dt  0, 458 Đột mở: Bảng II.16, trang 382, Sổ tay QTTB tập Khi F0 0, 0322   0, 016 F1 0, 082 dm2(1cho)  0,708 Có chỗ đột mở  dm  0, 708  Tổn thất đường ống thiết bị gia nhiệt: h2  0,3601 (m) 9.6.4 Chiếu cao bồn cao vị: Chọn: Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Mặt cắt (2-2) mặt cắt vị trí nhập liệu tháp Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): 2 2 P1 P2 P2  P1 v2  v1 v1 v2  z1 + + = z2 + + +hf1-2 hay z1 = z2 + +hf1-2  F g  F g  F g 2.g 2.g 2.g Với: z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, xem chiều cao bồn cao vị Hcv = z1; z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, xem chiều cao từ vị trí nhập liệu tới mặt đất: z2 = hchân đỡ + hnắp + hđệm chưng + hđáy  0,35  (0,  0,025)  0,6  0,7  1,875 (m) + P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at; P2 : áp suất mặt thoáng (2-2) Xem P  P2  P1  Ncat pcat  1498, 299421  3620, 457 (N/m2) + v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = 0(m/s) + v2 : vận tốc vị trí nhập liệu, v2 = vF = 0,94612 (m/s) + hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2): hf1-2 = h1 + h2  0,370946 (m) 50 P  P v  v1 Vậy: Chiều cao bồn cao vị: Hcv = z2 +  +hf1-2  2, 685188 (m)  F g 2.g 2 Chọn Hcv = (m) 9.7 Chọn bơm: 9.7.1 Năng suất bơm: Nhiệt độ dòng nhập liệu: tF1 = 25 oC Tại nhiệt độ này: Khối lượng riêng hỗn hợp:  F  871, 249 (kg/m3) Độ nhớt hỗn hợp: F  9,51104 Lưu lượng thể tích nhập liệu: QF  F F  1, 7358408 (m3/h) Chọn bơm có suất Qb = (m3/h) chọn ống hút, đẩy 38x2 9.7.2 Cột áp: Chọn: + Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu + Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernolli cho (1-1) (2-2): z1 + 2 P1 P v v + + Hb= z2 + + +hf1-2  F g  F g 2.g 2.g Với: + z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất (chọn =2m) + z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất + P1: áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at + P2: áp suất mặt thoáng (2-2), chọn P2 = at + v1, v2: vận tốc mặt thoáng (1-1) (2-2), xem v1=v2= 0(m/s) + hf1-2 =hhd: tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2) + Hb: cột áp bơm 9.7.2.1 Tổng trở lực ống: Chọn đường kính ống hút ống đẩy nhau: dtr = 50 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, Sổ tay QTTB tập 1: Độ nhám ống   0, (mm)  104 (m) 51 Tổng trở lực ống hút ống đẩy:  lh  ld  vF h        f 12  d  h  d  g tr   Với: + lh: chiều dài ống hút, m + ld: chiều dài ống đẩy, m Tra bảng II.34, trang 441, Sổ tay QTTB tập 1: lh = (m) ld = (m) + h: tổng tổn thất cục ống hút + d: tổng tổn thất cục ống đẩy +  : hệ số ma sát ống hút ống đẩy + vF: vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy, m/s vF  4Qb  0, 4246285 (m/s) 3600 dtr2 9.7.2.2 Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy: Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu: Re F  vF dtr  F F  19460,164  104 : chế độ chảy rối d  + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh= 6. h      3301, 0653 d  + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren= 220  h      109674,38 Suy ra: Regh < ReF< Ren: khu vực chảy độ, đó:   100    0,11, 46   d h Re F   0,25  0, 0323696 9.7.2.3 Xác định tổn thất cục ống hút: Chỗ uốn cong: tra bảng II.16, trang 382, Sổ tay QTTB tập Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = đường ống có chỗ uốn  u1  0,15   0,3 Van: tra bảng 9.5, trang 94, Quá trình học tập – Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn Đường ống có van cầu  van  10 1  10 52 Tổng hệ số tổn thất cục bộ:  h  u1  van  10,3 9.7.2.4 Xác định tổn thất cục ống đẩy: Chỗ uốn cong: tra bảng II.16, trang 382, Sổ tay QTTB tập Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = đường ống có chỗ uốn  u  0,15   0, Van: tra bảng 9.5, trang 94, Quá trình học tập – Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn Đường ống có van cầu  van  10 1  10 Vào bồn cao vị: cv  Tổng hệ số tổn thất cục bộ:  d  u  van  cv  11, Thế giá trị tính vào phương trình tổng trở lực, ta có h f 1  0, 2845569 (m) Suy ra, cột áp bơm: H b  ( z2  z1 )   h f 12   5,8  1  0, 2845569  5, 0845569  (m) 9.7.3 Công suất bơm: Chọn hiệu suất bơm: b  0,8 Lưu lượng thể tích nhập liệu: QF  1, 7358408 (m3/h) Chọn bơm có suất Qb = (m3/h) Công suất thực tế bơm: Nb  Qb H b  F g  53, 418453 (W)  0, 07265 (Hp) 3600b Tóm lại: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại X 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]- Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuôn, Phạm Xuân Toản- Sổ tay Quá trình thiết bị công nghệ hóa chất,tập 1- NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1999 [2]- Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuôn, Phạm Xuân Toản- Sổ tay Quá trình thiết bị công nghệ hóa chất,tập 2- NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1999 [3]- Hồ Lệ Viên- Thiết kế tính toán chi tiết thiết bị hoá chất- NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1978 [4]- Nguyễn Minh Tuyển- Tính toán máy thiết bị hoá chất, tập 1- NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1984 [5]- Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ - Quá trình thiết bị công nghệ hóa học, tập 5- truyền nhiệt- NXB Khoa học Kỹ thuật TPHCM, 1991 [6]- Phạm Văn Bôn, Vũ Bá Minh, Hoàng Minh Nam- Quá trình thiết bị công nghệ hóa học, tập 10- ví dụ tập- NXB Khoa học Kỹ thuật TPHCM, 1991 [7]- Nguyễn Văn Lụa- Quá trình thiết bị công nghệ hóa học, tập 1, 1Khuấy, lắng, lọc- NXB Khoa học Kỹ thuật TPHCM, 1991 [8]- Gs Ts Nguyễn Bin- Tính toán trình, thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm, tập 2- Nhà xuất khoa học kỹ thuật 54 ... thước tháp : đường kính tháp chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí tháp độ tinh khiết sản phẩm Ta khảo sát loại tháp chưng cất thường dùng tháp mâm tháp chêm Tháp mâm: thân tháp. .. liệu, (J.kg-1.đ -1 ) Tại tF = 81,61oC, Cnuoc  4198, 2888 (J.kg-1.đ -1 ) Cethanol  3245,0188 (J.kg-1.đ -1 ) xF  0,31  xF  0,5345   CF  xF  Cethanol   xF Cnuoc  3688, 782429 (J.kg-1.K-1) Suy... (J.kg-1.đ -1 ) Tại tW = 98,1oC, Cnuoc  4217,5624 (J.kg-1.đ -1 ) Cethanol  3489,0915 (J.kg-1.đ -1 ) xW  0, 01  xW  0, 02516   CW  xW  Cethanol   xW Cnuoc  4199, 231078 (J.kg-1.đ -1 ) Suy