thiết kế tháp chưng cất hệ methanol nước

Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị MỤC LỤC Page GVHD: Tiền Tiến Nam Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam LỜI MỞ ĐẦU Một ngành có đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng giới nói chung, ngành công nghiệp hóa học Đặc biệt ngành hóa chất Hiện nay, nhiều ngành sản suất hóa học sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản suất nhu cầu sử dụng Ngày nay, phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Methanol - Nước cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Methanol Đồ án môn học Quá trình Thiết bị môn học mang tính tổng hợp trình học tập kỹ sư hoá- thự c phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ Đồ Án Môn Học (ĐAMH) thiết kế tháp chưng cất hệ Methanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1500 kg/h có nồng độ nhập liệu 20% mol methanol ,thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 94% mol methanol Em chân thành cảm ơn quí thầy cô môn Máy & Thiết Bị, bạn sinh viên giúp em hoàn thành đồ án Tuy nhiên, trình hoàn thành đồ án sai sót, em mong quí thầy cô góp ý, dẫn Page Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam CHƯƠNG I : TỔNG QUAN I Giới thiệu nguyên liệu Methanol Methanol gọi methyl alcohol, alcohol gỗ, naphtha gỗ hay rượu mạnh gỗ, có công thức hoá học CH3OH(thường viết tắt MeOH) Đây rượu đơn giản nhất, nhẹ, dễ bay hơi, không màu, dễ cháy chất lỏng với mùi đặc trưng, giống, ethanol (rượu thường) Ở nhiệt độ phòng, chất lỏng phân cực, sử dụng chất chống đông, dung môi, nhiên liệu, chất làm biến tính cho ethanol      1.1 Phân tử lượng: Khối lượng riêng: Nhiệt độ nóng chảy: Nhiệt độ sôi: Độ nhớt: Ứng dụng 32,04 g/mol 0,7918 g/cm3 -970C (1760K) 64,50C (337,80K) 0,59Ns/m2 200C Methanol dung làm chất chống đông, làm dung môi, làm nhiên liệu cho động đốt trong, ứng dụng lớn làm nguyên liệu để sản xuất hoá chất khác Khoảng 40% methanol chuyển thành forml dehyde, từ sản xuất chất dẻo, sơn,… Các hoá chất khác sản xuất từ methanol bao gồm dimeylete,… 1.2 Sản xuất Methanol sinh từ trao đổi chất yếm khí vài loài vi khuẩn Kết lượng nhỏ methanol tạo thành không khí Và sau vài ngày không khí có chứa methanol bị oxy hoa O tác dụng ánh sang chuyển thành CO H2O theo phương trình 2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O Hiện methanol sản xuất cách tổng hôp trực tiếp từ H CO, gia nhiệt áp suất thấp có mặt chất xúc tác Nước Nước hợp chất hóa học oxy hidro, có công thức hóa học H2O Với tính chất lí hóa đặc biệt (ví dụ tínhlưỡng cực, liên kết hiđrô tính bất thường khối lượng riêng) nước chất quan trọng nhiều ngành khoa học đời Page Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam sống 70% diện tích Trái Đất nước che phủ 0,3% tổng lượng nước Trái Đất nằm nguồn khai thác dùng làm nước uống Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng không màu, không mùi, không vị khối nước dày có màu xanh nhạt Khi hoá rắn tồn dạng dạng tinh thể khác Tính chất vật lý:     Khối lượng phần tử: Khối lượng riêng d40C: Nhiệt độ nóng chảy: Nhiệt độ sôi: 18 g/mol g/mol 00C 1000C Nước hợp hợp chất chiếm phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất nước biển) cần thiết cho sống Hổn hợp Methanol – nước Ta có bảng cân lỏng – cho hỗn hợp methanol – nước atm Bảng T0C 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 x y 0 26,8 10 41,8 20 57,9 30 40 66,5 72,9 50 77,9 60 82,5 70 87 67, 80 91 66 90 95, 64, 100 100 Ở X thành phần lỏng Y thành phần Biểu đồ thể thay đổi nhiệt độ, thành phần lỏng, thành phần hỗn hợp methanol – nước II Lý thuyết chưng cất Khái niệm Page Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng (cũng hổn hợp khí lỏng) thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cùa cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hoà cấu tử khác) Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha trình hấp thụ nhả khí, trình chưng cất pah tạo nên bốc ngưng tụ Trong trường họp đơn giản nhất, chưng cất cô đặc không khac nhau, nhiên hai qua trình có ranh giới trình chưng cất dung môi chất tan bay (nghĩa cấu tử diện cà hai pha với tỉ lệ khác nhau), trình cô đặc có dung môi bay chất tan không bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tủ thường hệ có cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có cấu tử ta thu sản phẩm: Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn Suy ra: với quy trình chưng cất hệ methanol – nước Sản phẩm đình methanol Sản phẩm đáy nước Các phương pháp chưng cất 1.2 Phân loại theo áp suất làm việc • • • • • • • • Áp suất thấp Áp suất thường Áp suất cao 2.2 Phân loại theo nguyên lý làm việc Chưng cất đơn giản Chưng nước trực tiếp Chưng cất đa cấu tử 3.2 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt đáy tháp Cấp nhiệt trực tiếp Cáp nhiệt gián tiếp Page Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam Vậy hệ methanol – nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất lien tục cấp nhiệt gián tiếp Thiết bị chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung thiết bị giống diện tíc bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, diều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha long3ta có cac loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chem., tháp phun,… Ở ta khào sát loại thướng dùng tháp mâm tháp chem Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tuỳ theo cấu tạo đĩa, ta có:  Tháp mâm chóp: mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chử S…  Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh • Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp mặt bích hay hàn.Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự • So sánh ưu nhược điểm loại tháp: Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Cấu tạo đơn giản - Trở lực tươn đối - Khá ổn định Ưu điểm - Trở lực thấp thấp - Hiệu suất cao - Làm việc - Hiệu suất cao với chất lỏng bẩn - Do có hiệu ứng thành nên hiệu truyền khối - Không làm việc thấp - Có trở lực lớn với chất - Độ ổn định thấp, - Tiêu tốn nhiều Nhược điễm lỏng bẩn khó vận hành vật tư, kết cấu - Kết cấu phức - Khó tăng phức tạp tạp suất - Thiết bị nặng nề Quy trình chưng cất thực dựa vào nhiểu loại tháp có cấu tạo khác nhau, nhiên tuỳ vào mục đích, hiệu suất chưng cất điều kiện không gian điều kiện kinh tế mà ta lựa chọn tháp chưng cất phù hợp Qua trình nghiên cứu, thấy tháp Page Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam mâm xuyên lỗ phù hợp với hệ methanol – nước Tháp mâm xuyên lỗ có ưu điểm sau:     Chế tạo đơn giản Vệ sinh dễ dàng Trở lực tháp tháp chóp Ít tốn kim loại tháp chóp Do sản phẩm methanol với yêu cầu độ tinh khiết cao sử dụng với hỗn hợp methanol – nước hỗn hợp điểm đẳng khí nên chọn phương pháp chưng cất lien tục hiệu Page Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam CHƯƠNG II: THUYẾT MINH QUY TRÌNH I Thuyết minh quy trình công nghệ Hỗn hợp methanol – nước có nổng độ nhập liệu methanol 10% (theo phần hối lượng), nhiệt độ khoảng 280C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Sau hỗn hợp gia nhiệt thiết bị ngưng tụ (8) chuyển vào đun sôi đến nhiệt độ sôi thiết bị gia nhiệt (6), hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (7) đĩa nhập liệu Trong đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn luyện tháp chảy xuống Trong tháp, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi giửa hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng cất xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (11) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên tháp nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sôi cao nước ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử methanol chiếm nhiều (có nồng độ 95% phần khối lượng) Hơi vào thiếp bị ngưng tụ (8) ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ hoàn lưu tháp đĩa Phần lại làm nguội đến 40 0C, đưa bình chứa sản phẩm đỉnh Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bốc hơi, lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay (nước) Hỗn hợp lỏng đáy tháp có nồng độ methanol 1,5% khối lượng, lại nước Dung dịch lỏng đáy tháp vào thiết bị trao đổi nhiệt (11) với dòng nhập liệu Trong thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để làm việc lien tục, phần lại khỏi thiết bị vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (12) Sau đó, đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (13) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh methanol Sản phẩm đáy nước sau trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu thải bỏ nhiệt độ 600C II Chú thích thiết bị qui trình Bồn chứa nguyên liệu Page Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị 10 11 12 13 14 15 16 17 Bơm Bồn cao vị Van Lưu lượng kế Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Bồn chứa sản phẩm đỉnh Thiết bị gia nhiệt đáy tháp Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy Bồn chứa sản phẩm đáy Bảy Phân phối lỏng Áp kế Nhiệt kế Page GVHD: Tiền Tiến Nam Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam CHƯƠNG III: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Các thông số ban đầu I Chọn loại tháp tháp mâm xuyên lỗ Thiết bị hoạt động liên tục Khi chưng luyện dung dịch methanol cấu tử dễ bay methanol Hỗn hợp: • • Methanol: CH3OH, MR = 32 (g/mol) Nước: H2O, MN = 18 (g/mol)  Năng suất nhập liệu: GF = 1500 kg/h  Nồng độ nhập liệu: phần mol matanol  Nồng độ sản phẩm đỉnh: phần mol methanol  Nồng độ sản phẩm đáy: phần mol methanol Chọn      Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tBĐ = 280C Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: tPR = 300C Nhiệt độ dòng nước lạnh vào: tV = 280C Nhiệt độ dòng lạnh ra: tR = 400C Trang thái nhập liệu vào tháp chưng cất trạng thái lỏng sôi Các ký hiệu:      II GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h GP, P: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h L: suất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h xi, : nồng độ phần mol, phần khối lượng cấu tử i Cân vật chất Nồng độ phần khối lượng methanol tháp % (theo khối lượng) % (theo khối lượng) Page 10 Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị q N = α N ( t w − t tbN ) = GVHD: Tiền Tiến Nam 9421,714 (t w − 34) , 25 Prw (W/m2) Chọn: tw1 = 42,65oC : Các tính chất lý học sản phẩm tra bảng I.249 trang 310, [1] ứng với nhiệt độ tw1=42,65oC:    Nhiệt dung riêng: cR= 2681,93 (J/kg.độ) Độ nhớt động lực: µR = 0,425.10-3 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt: λR = 0,208 (W/moK) µ R c R 0,425.10 −3.2681,93 = = 5,48 λR 0,208 Khi xem:Prw1 ~ Suy ra: 1806 ,339 ( 56,75 − 42,65) = 16646,51 5,480, 25 qD = (W/m2) Xem nhiệt tải mát không đáng kể: qt = qD =16646,51 (W/m2) qt 2034,884 =34,47oC Ta có: tw2 = tw1- Suy ra: ttbw = t w1 + t w 2 = 42,65 + 34,47 = 38,56 o C Tra tài liệu tham khảo [1], Prw2 = 4,3 Suy 9421,714 ( 34,47 − 34) = 3075,11 4,3 0, 25 qN = Kiểm tra sai số Ta có: Page 59 (W/m2) Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị qN − q D ε= qD GVHD: Tiền Tiến Nam 16646,51 − 3075,11 = 16646,51 =0,82% < 5% : thoả Vậy: tw1 = 42,65oC tw2 = 34,47oC αN = 9421,714 = 6542,79 4,3 0, 25 (W/m2.oC) Khi đó: αD = 1806 ,339 = 1180 ,6 5,480, 25 (W/m2.oC) Suy ra: K= = 670,55 1 + + 6542,79 2034,884 1180 ,6 (W/m2.oC) Vậy bề mặt truyền nhiệt trung bình: Ftb = 10,01.1000 670,55.18,478 = 0,808 (m2) Suy chiều dài ống truyền nhiệt : = L 0,808 = 17,86 0,016 + 0,0128 π (m) Chọn: L = 20(m),(dự trữ khoảng 15%) Kiểm tra: L 20 = = 1562,5 > 50 d tr 0,0128 εl = 1: thoả Vậy: thiết bị làm mát sản phẩm đỉnh thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 20(m), chia thành 10 dãy, dãy dài (m) VI Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy: Page 60 Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam Chọn thiết bị thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ong truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống trong: 25x2 ; kích thước ống ngoài: 38x2 • Dòng nhập liệu ống 25x2 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t’F = 28oC • Sản phẩm đáy ống 38x2 (ống ngoài)với nhiệt độ đầu: t W = 95,38oC, nhiệt độ cuối: t’W = 60oC • Các tính chất lý học sản phẩm tra bảng I.249 trang 310, [1] ứng với nhiệt độ trung bình ttbW =     t 'W +tW =77,7oC: Nhiệt dung riêng: cW = 4,094 (KJ/kg.độ) Khối lượng riêng: ρW = 958,1 (Kg/m3) Độ nhớt động lực: µW = 0,363.10-3 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt: λW = 0,6 (W/moK) Nhiệt độ dòng nhập liệu sau trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy: Suất lượng sản phẩm đáy: GW = W.MW = 58,65.18,42 = 1080,3 (Kg/h) Lượng nhiệt cần tải: Qt = GW 3600 cW.(tW-t’W) = 1080 ,3 3600 4,094.(95,38-60)=43,47(KW) Ở 28oC, ta xem nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh số, hay nhiệt dung riêng rượu cR = 2,595 (KJ/kg.độ) Suy ra: cF = cR xF +(1- xF ).4,18 = 2,595.0,31+(1-0,31).4,18 = 3,69 (KJ/kg.độ) Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy: Qt + t'F = c F G F t”F = 43,47 + 28 1500 3,69 3600 Page 61 = 56,27oC Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam Các tính chất lý học sản phẩm đỉnh tra bảng I.249 trang 310, [1] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF =    t" F +t ' F 56,3 + 28 = = 42,2 2 o C: Khối lượng riêng: ρF = 910,91 (Kg/m3) Độ nhớt động lực: µF = 0,55.10-3 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt: λF = 0,402 (W/moK) Xác định bề mặt truyền nhiệt : Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Qt K ∆t log ,(m2) Ftb = Với: + K : hệ số truyền nhiệt + ∆tlog : nhiệt độ trung bình logarit *Xác định ∆tlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: ∆t log = (95,38 − 56,27) − (60 − 28) = 35,44 95,38 − 56,27 Ln 60 − 28 (oK) *Xác định hệ số truyền nhiệt K: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: K= 1 + Σrt + αF αW ,(W/m2.oK) Với: + αF : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu (W/m2.oK) + αW : hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy (W/m2.oK) + ∑rt : nhiệt trở thành ống lớp cáu Page 62 Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam *Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống trong: Vận tốc dòng nhập liệu ống: vF = GF 1500 = = 1,32 3600.ρ F π d tr 3600.910,91 π 0,0212 (m/s) Chuẩn số Reynolds : Re F = v F d tr ρ F 1,32.0,021.910,91 = = 45909,9 µF 0.55.10 −3 > 104 : chế độ chảy rối, công thức xác định Nu F = 0,021.ε l Re F ,8 PrF chuẩn số Nusselt có dạng: , 43 ( PrF 0, 25 ) Prw2 Trong đó:  εl : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re F tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống: ReF=45909,9 ,chọn εl =1  PrF : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 42,2 oC, nên µ F c F 0,55.10 −3.3560,3 = λF 0,402 Pr F = = 4,87  Prw2 : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu nhiệt độ trung bình vách Nu F = Suy ra: 195,346 Prw , 25 Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống: αN = Nu F λ F 195,346.0,42 3906,92 = = , 25 , 25 d tr Prw 0,021 Prw Nhiệt tải phía dòng nhập liệu: q F = α F ( t w − t tbF ) = 3906,92 Prw , 25 Page 63 (t w − 42,2) (W/m2) Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam Với: tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ) *Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: qt = t w1 − t w Σrt , (W/m2) Trong đó:  tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (trong ống nhỏ) Σrt =      δt + r1 + r2 λt Bề dày thành ống: δt = 2(mm) Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 17,5 (W/moK) Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.oK/W) Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W) Suy ra: ∑rt = 1/1944,444 (m2.oK/W) Vậy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) *Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy ống nhỏ: Vận tốc nước ống ngoài: vW = GW 1080 ,3 = 2 3600.ρ W π ( D tr − d ng ) 3600.958,1 π ( 0,034 − 0,025 ) = 0,75(m/s) Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,034- 0,025 = 0,009 (m) Chuẩn số Reynolds : Re W = vW d td ρ W 0,75.0,009.958,1 = = 17815 ,9 µW 0,363.10 −3 > 104 : chế độ chảy rối, công thức xác định NuW = 0,021.ε l Re W ,8 chuẩn số Nusselt có dạng: Trong đó: Page 64 PrW , 43 ( PrW 0, 25 ) Prw1 Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam  εl : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re W tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReW=17815,9 ,chọn εl =1  PrW : chuẩn số Prandlt sản phẩm đáy ˆ80 oC, xem sản phẩm gần nước nên Pr W = 2,21 NuW = Suy ra: 90,58 Prw1 0, 25 Hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy ống ngoài: αW = NuW λW 90,58.0,6 6038,7 = = , 25 , 25 d td Prw1 0,009 Prw1 Nhiệt tải phía sản phẩm đáy: qW = α W ( t tbD − t w1 ) = 6038,7 Prw1 0, 25 (77,7 − t w1 ) (W/m2) Chọn: tw1 = 72,1oC : Khi xem:Prw1 ~ 2,487 (tra tw1) 6038,7 ( 77,7 − 72,1) = 26928,5 2,487 0, 25 Ta có: qW = (W/m2) Xem nhiệt tải mát không đáng kể: qt = qW =26928,5 (W/m2) qt 1944,444 =58,25oC Ta có: tw2 = tw1- Suy ra: ttbw = t w1 + t w 2 = 72,1 + 58,25 = 65,2 o C Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra bảng I.249 trang 310, [1] ứng với nhiệt độ trung bình ttbw = 65,2 oC:   Nhiệt dung riêng: cR = 3,62 (KJ/kg.độ) Độ nhớt động lực: µR = 0,407.10-3 (N.s/m2) Page 65 Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị Hệ số dẫn nhiệt: λR = 0,39 (W/moK)  Khi đó: Prw2 = c R µ R 3620.0,407.10 −3 = λR 0,39 3906,92 (58,25 − 42,2) 3,8 0, 25 Ta có : qF = GVHD: Tiền Tiến Nam = 3,8 = 44912,1(W/m2) Kiểm tra sai số: qW − q F ε= qW = 26928,5 − 44912,1 26928.5 =0,66% < 5%: thoả Vậy: tw1 = 72,1oC tw2 = 55,087oC αW = 6038,7 = 4808,7 2,487 0, 25 Khi đó: αF = K= 4808,7 = 3444,12 3,8 0, 25 (W/m2.oC) (W/m2.oC) = 987 ,6 1 + + 3444,12 1944,444 4808,7 (W/m2.oC) Suy ra: Ftb = Như bề mặt truyền nhiệt trung bình là: = Suy chiều dài ống truyền nhiệt : L 43,47.1000 987 ,6.35,44 = 1,24 (m2) 1,24 = 17,16 0,025 + 0,021 π Chọn: L = 21(m),(dự trữ khoảng 20%) Page 66 (m) Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị Kiểm tra: L 21 = = 1000 > 50 d tr 0,021 GVHD: Tiền Tiến Nam εl = 1: thoả Vậy: thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 18(m), chia thành dãy, dãy dài (m) Thiết gia nhiệt nhập liệu : VII Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ong truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống trong:25x2; kích thước ống ngoài: 38x2 Dòng nhập liệu ống 25x2 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t” F =56,27oC ,nhiệt độ cuối: tF =81,7oC Chọn đốt nước at, ống 38x2(ống ngoài) Tra tài liệu tham khảo [1]ta có:   Nhiệt độ sôi: tsN = 100oC An nhiệt ngưng tụ: rN = 2260 (KJ/kg) Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra bảng I.249 trang 310, [1] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF =     t " F +t F =69oC: Nhiệt dung riêng: cF = 3,634 (KJ/kg.độ) Khối lượng riêng: ρF = 917,59 (Kg/m3) Độ nhớt động lực: µF = 0,37.10-3 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt: λF = 0,39 (W/moK) Suất lượng nước cần dùng : Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho dòng nhập liệu: Qc = GF 3600 cF.(tF – t”F) = 1500 3600 3,634.(81,7 - 56,27)=38,5 (KW) Suất lượng nước cần dùng: GhN = Qc 38,5 = rN 2260 = 0,017 (Kg/s) Page 67 Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam Xác định bề mặt truyền nhiệt : Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Qt K ∆t log ,(m2) Ftb = Với: + K : hệ số truyền nhiệt + ∆tlog : nhiệt độ trung bình logarit *Xác định ∆tlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: ∆t log = (100 − 56,27) − (100 − 81,7) = 29,19 100 − 56,27 Ln 100 − 81,7 (oK) *Xác định hệ số truyền nhiệt K: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: K= 1 + Σrt + αF αN ,(W/m2.oK) Với: + αF : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu (W/m2.oK) + αN : hệ số cấp nhiệt nước (W/m2.oK) + ∑rt : nhiệt trở thành ống lớp cáu * Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: Vận tốc dòng nhập liệu ống ngoài: vF = GF 1500 = 3600.ρ F π d ng 3600.917,59 π 0,0212 Page 68 = 1,3 (m/s) Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị Re F = Chuẩn số Reynolds : GVHD: Tiền Tiến Nam v F d td ρ F 1,3.0,009.917,59 = = 29015,7 µF 0,37.10 −3 Nu F = 0,021.ε l Re F > 104 : chế độ chảy ,8 PrF rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: , 43 ( PrF 0, 25 ) Prw2 Trong đó:  εl : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re W tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReW=29015,7 ,chọn εl =1  PrF : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 69oC, nên PrF = Nu F = Suy ra: c F µ F 3634.0,37.10 −3 = λF 0,39 180 ,79 Prw2 0, 25 Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: αF = Nu F λ F 180 ,79.0,39 7834 ,2 = = , 25 , 25 d td Prw 0,009 Prw2 Nhiệt tải phía dòng nhập liệu: q F = α F ( t w − t tbF ) = 7834 ,2 (t w − 69) 0, 25 Prw (W/m2) (IV.24) Với tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ) * Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: qt = t w1 − t w Σrt , (W/m2) Trong đó:  tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (ngoài ống nhỏ) Page 69 = 3,44 Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị Σrt = GVHD: Tiền Tiến Nam δt + r1 + r2 λt     Bề dày thành ống: δt = 2(mm) Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 17,5 (W/moK) Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r = 1/5000 o (m K/W)  Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W) Suy ra: ∑rt = 1/1944,444 (m2.oK/W) Vậy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) * Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống nhỏ: Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,034- 0,025 = 0,009 (m) Hệ số cấp nhiệt nước xác định theo công thức: αN=  rN 0,725 A.  (t sN − t w1 ).d td =    0, 25  2260.1000   = 0,725 A.  (100 − t w1 ).0,009  , 25 91,265 A (100 − t w1 ) 0, 25 Nhiệt tải phía nước: q N = α N ( t sN − t w1 ) = 91,265 A.(100 − t w1 ) 0, 75 (W/m2) (IV.26) Chọn: tw1 = 97,44oC : Khi đó, nhiệt độ trung bình 100 + 97,44 = 98,72oC ta tra A = 178,36 Ta có: qN =91,265.178,36.(100 – 96,92)0,75 = 32944,407(W/m2) Xem nhiệt tải mát không đáng kể: qt = qW =32944,407 (W/m2) Page 70 Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam qt 1944,444 Mặc khác ta có: tw2 = tw1- =80,497oC t w1 + t w 2 97,44 + 80 ,497 = 89 Suy ra: ttbw = = o C Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra bảng I.249 trang 310, [1] ứng với nhiệt độ trung bình ttbw = 89 oC: Nhiệt dung riêng: cR = 3,69 (KJ/kg.độ) Độ nhớt động lực: µR = 0,288.10-3 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt: λR = 0,389 (W/moK)    Khi đó: Prw2 = c R µ R 3,69.0,288 10 −3 = λR 0,389 = 2,7 7834 ,2 ( 80 ,497 − 69) = 70264,9 2,7 0, 25 Suy ra: qF = (W/m2) Kiểm tra sai số: qN − q F ε= qN = 32944,407 − 70264,9 32944,407 =1,13% < 5%: thoả Vậy: tw1 = 97,44oC tw2 = 80,497oC αN = 91,265.178,36 = 12868 ,909 (100 − 97,44) 0, 25 (W/m2.oC) Khi đó: αF = 7834 ,2 = 6111,6 2,7 0, 25 (W/m2.oC) K= 1 1 + + 6111,6 1944,444 12868 ,909 = 1323,4 (W/m2.oC) Ta có: Page 71 Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị Ftb = GVHD: Tiền Tiến Nam 38,5.1000 1323,4.29,19 = 0,9966 (m2) Suy bề mặt truyền nhiệt trung bình là: = Suy chiều dài ống truyền nhiệt : L 0,9966 = 13,79 0,025 + 0,021 π (m) Chọn: L = 17(m),(dự trữ khoảng 20%) Kiểm tra: L 17 = = 809 ,5 > 50 d tr 0,021 εl = 1: thoả Vậy: thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 15(m), chia thành 10 dãy, dãy dài 1,5 (m) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sổ tay trình thiết bị công nghệ hoá chất (tập 1) – Nhà xuất khoa học kỹ thuật [2] Sổ tay trình thiết bị công nghệ hoá chất (tập 2) – Nhà xuất khoa học kỹ thuật [3] Hồ Lê Viên – Thiết kế tính toán chi tiết thiết bị hoá chất – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 1978 [4] Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ - Quá trình thiết bị công nghệ hoá học, Quá trình thiết bị truyền nhiệt(tập 5) – Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP.HCM [5] Phạm Văn Bôn, Vũ Bá Minh, Hoàng Minh Nam – Quá trình thiết bị công nghệ hoá học, Ví dụ tập(tập 10) - Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM Page 72 Đồ án môn học Quá Trình Thiết Bị GVHD: Tiền Tiến Nam [6] Tập thể giảng viên Bộ Môn Cơ Lưu Chất – Giáo Trình Cơ Lưu Chất – Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM [7] Võ Văn Ban, Vũ Bá Minh – Quá trình thiết bị công nghệ hoá học, truyền khối(tập 3) – Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM Page 73 ... Học (ĐAMH) thiết kế tháp chưng cất hệ Methanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1500 kg/h có nồng độ nhập liệu 20% mol methanol ,thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 94% mol methanol. .. Tiến Nam Vậy hệ methanol – nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất lien tục cấp nhiệt gián tiếp Thiết bị chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên... định thấp, - Tiêu tốn nhiều Nhược điễm lỏng bẩn khó vận hành vật tư, kết cấu - Kết cấu phức - Khó tăng phức tạp tạp suất - Thiết bị nặng nề Quy trình chưng cất thực dựa vào nhiểu loại tháp có cấu