tính thiết bị cơ khí chính

Để tránh tổn thất nhiệt lượng cho môi trường xung quanh, đảm bảo cho quá trình chưng đạt hiệu suất cao nhất thì ta phải trang bị cho tháp chưng luyện một lớp cách nhiệt.. Chấp nhận nhiệt

- Tháp chưng luyện ở áp suất khí quyển P = 760 mmHg = 1,01*105 N/m2 là áp suất trung bình nên chọn thân tháp hình trụ hàn [II-360]

- Ta chọn thép không gỉ, không bị ăn mòn X18H10T [tập 2 trang 341/Bảng XII.37]

Chiều dày thân hình trụ làm việc dưới áp suất P được tính theo công thức:

- C1: hệ số bổ sung ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường

và thời gian làm việc của thiết bị, chọn C1 = 1 mm, do vật liệu bền

- C2: đại lượng bổ sung do hao mòn Đối với tháp chưng cất C2 có thể bỏ qua

- C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, C3 phụ thuộc vào bề dày tấm vật liệu, chọn C3 = 0,18 mm ứng với chiều dày tấm thép là 2mm [sổ tay tập 2 trang 364/Bảng XIII.9]

Suy ra: C = 1 + 0 + 0,18 = 1,18 (mm)

- (σ): ứng suất của thép không gỉ

  t k k k n



   (N/m2) [sổ tay tập 2 trang 355/ XIII.1]

  t c c n



   (N/m2) [sổ tay tập 2 trang 355/XIII.2]

Với:

- η là hệ số hiệu chỉnh η = 1 [sổ tay tập 2 trang 356/Bảng XIII.2]

- nk, nc: là hệ số an toàn theo giới hạn bền, giới hạn chảy

nk = 2,6; nc = 1,5 [sổ tay tập 2 trang 356/Bảng XIII.3]

- σkt, σct: giới hạn bền khi kéo, giới hạn bền khi chảy Ứng với thép X18H10T dày

1-3 mm [sổ tay tập 2 trang 1-309/ Bảng XII.4] thì:

σkt = 540.10-6 (N/m2); σct = 220.10-6 (N/m2) Vậy ứng suất cho phép:

Vậy (σ) nhận giá trị nhỏ hơn (σc) = 146,67.106 N/m2

P là áp suất trong thiết bị, N/m2

Vậy chiều dày thép được xác định:

Quy chuẩn chọn S = 2 mm

Kiểm tra áp suất thử của thành lấy theo P 0 :

Áp suất thử đươc tính theo công thức:

P0 = P1 + Pth

Với: Pth: áp suất thử thủy lực [lấy theo bảng XIII.5, sổ tay tập 2 trang 358], N/m2

Pth = 1,5P = 1,5.178201,9 = 267302,8456 (N/m2) Suy ra: P0 = 76876,897+ 267302,8456 = 344179,7 (N/m2)

Xác định ứng suất ở thân thiết bị theo công thức XIII.26/365 sổ tay tập 2:

1, 2 1, 2

t C



   183,333.106 N/m2

Vậy chọn chiều dài thép là S = 3 mm

Xác định ứng suất ở thân thiết bị theo công thức XIII.26/365 sổ tay tập 2:

1, 2 1, 2

t C



   183,333.106 N/m2

Vậy chọn chiều dài thép là S = 3 mm là hợp lý

Nắp và đáy thiết bị làm cùng một loại vật liệu với thân thiết bị, chọn đáy và nắp thiết

Chiều dày S được xác định theo công thức:

- hb: chiều cao phần lồi của đáy, m [II-381/ Bảng XIII.10]

- φh: hệ số bền mối hàn hướng tâm, có φh = 0,9 [II-362/ Bảng XIII.8]

Để tránh tổn thất nhiệt lượng cho môi trường xung quanh, đảm bảo cho quá trình chưng đạt hiệu suất cao nhất thì ta phải trang bị cho tháp chưng luyện một lớp cách nhiệt

Chọn vật liệu cách nhiệt bằng bông thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt nhỏ với :

t t

C

Chấp nhận quá trình truyền nhiệt trên là quá trình truyền nhiệt ổn định Xem nhiệt truyền

từ bên trong ra bên ngoài theo tường phẳng nhiều lớp

Chấp nhận nhiệt độ mặt ngoài của lớp cách nhiệt: t1 = 35 0C

Tính tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh theo công thức :

2 t

q  

2



Nhiệt lượng truyền từ trong tháp ra mặt ngoài lớp cách nhiệt :

1

1 K t

q   với

K: hệ số truyền nhiệt, W/m2.độ

: hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ trong tháp và nhiệt độ mặt ngoài tháp

Vì truyền nhiệt ổn định nên q1 = q2 = 185,535 (W/m2)

rc : nhiệt trở của cặn bẩn bám bên trong tháp, m2.độ/W

: bề dày, m, và hệ số dẫn nhiệt, W/m.độ, của tường

𝛿𝑏, 𝜆𝑏: bề dày, m, và hệ số dẫn nhiệt, W/m.độ, của bông cách nhiệt

𝑟𝑐 = 0.387 × 10−3 m2.độ/W.[II-tr4]

3 3

Từ đường kính trong của tháp dựa vào bảng XIII.27 trang 420 Sổ tay II, ta chọn bích kiểu 1 để nối các đoạn của thân tháp, nối thân với đáy và nắp (Po = 328245,425 Pa)

Số liệu của bích được cho ở bảng sau :

Db (mm)

D1(mm)

D0(mm)

Bulông

db(mm)

Ống dẫn

Dy, (mm)

Dn, (mm)

Kích thước ống nối Bulông

h (mm)

D (mm)

D

(mm)

D1(mm)

db(mm)

Z (cái)

Chất lỏng chảy trong tháp theo đệm dưới dạng màng nên bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt thấm ướt của đệm

Hiệu ứng thành thiết bị (channeling effect): Chất lỏng có xu hướng chảy từ tâm ra thành thiết

bị, gây giảm hiệu suất do tiếp xúc pha kém Khắc phục bằng cách:

- Nếu chiều cao đệm lớn hơn 5 lần đường kính đệm thì chia đệm thành từng đoạn; giữa các đoạn đệm đặt bộ phận phân phối lại chất lỏng

- Chọn d/D = đường kính đệm/đường kính tháp = 1/15 – 1/8

- Xếp đệm: nếu d < 50mm: đổ lộn xộn, d > 50mm: xếp thứ tự

- Tưới lỏng và phun khí ngay từ đầu

Chọn vật liệu chế tạo đĩa phân phối và lưới đỡ đệm là thép X18H10T, với đường kính trong của thiết bị là Dt = 800 mm, chọn đĩa phân phối loại 1, ta có bảng:

Bảng kích thước đĩa phân phối và lưới đỡ đệm:[II-tr230]

Dđ, mm

Ống dẫn chất lỏng

Đường kính lưới, mm

Chiều rộng của bước b,

Chọn vật liệu cách nhiệt bằng bông có hệ số dẫn nhiệt nhỏ với:

Hệ số dẫn nhiệt của bông: 𝜆𝑏 = 0,057 W/m.độ.[I-tr128]

Hệ số dẫn nhiệt của thép CT3: 𝜆 = 50 W/m.độ.[II-tr313]

Chiều dày thân tháp: Stháp = 3 mm = 3.10-3 m

Nhiệt độ không khí: t2 = 30oC

Nhiệt độ trung bình tháp: 𝑡𝑡𝑏 =𝑡𝑡𝑏1 +𝑡𝑡𝑏2

2

Trong đó:

ttb1 = 61,55 oC là nhiệt độ trung bình của đoạn luyện

ttb2 = 71,3oC là nhiệt độ trung bình của đoạn chưng

∆𝑡2: hiệu số giữa nhiệt độ ngoài thiết bị với nhiệt độ môi trường

𝛼2: hệ số cấp nhiệt do bức xạ và đối lưu từ bề mặt lớp cách nhiệt ra môi trường có thể tính theo công thức:

∆𝑡1 là hiệu số nhiệt độ trong tháp và nhiệt độ mặt ngoài tháp

Xem quá trình truyền nhiệt ổn định thì q1 = q2 = 56.65 W/m2

2độ Trong quá trình làm việc của tháp, lượng nhiệt truyền qua thiết bị qua 3 lớp: lớp cặn bám bên trong, lớp kim loại thân tháp và lớp bông cách nhiệt Đối với hình trụ rỗng, xem gần đúng như quá trình truyền nhiệt qua tường phẳng, tổng nhiệt trở tính theo công thức:

rc : nhiệt trở của cặn bẩn bám bên trong tháp, m2.độ/W

: bề dày, m, và hệ số dẫn nhiệt, W/m.độ, của tường

𝛿𝑏, 𝜆𝑏: bề dày, m, và hệ số dẫn nhiệt, W/m.độ, của bông cách nhiệt

−3−3 × 10

−3

50 ) × 0.057 = 0,032 𝑚 Chọn bề dày của lớp bông cách nhiệt là 𝛿𝑏= 32mm

Thông thường người ta không đặt trực tiếp thiết bị lên bệ mà phải có tai treo hay chân đỡ (trừ những trường hợp ngoại lệ) để thuận tiện cho các kết cấu bên dưới tháp Có 2 loại chân đỡ (tai treo): loại chân đỡ thiết bị thẳng đứng và loại chân đỡ thiết bị nằm ngang

Vấn đề chọn chân đỡ phụ thuộc vào điều kiện lắp đặt thiết bị ở nơi sản xuất

Khối lượng của tháp bao gồm tổng khối lượng của thân tháp, đáy, nắp, lớp cách nhiệt, chất lỏng trong tháp, các mặt bích và đệm, các cửa ống nối, các bộ phận phân phối lỏng, các lưới đỡ đệm và một số thành phần phụ trợ

Để đơn giản tính toán, ta xem tháp là các mặt kín nối với nhau bằng các bích, bỏ qua các ống nối và phần chiếm chỗ bởi các cửa nối

Các chi tiết cơ khí của tháp đều chế tạo từ thép cacbon CT3, khối lượng riêng của vật liệu là:

ρCT3 = 7,85.103 kg/m3 = 7850 kg/m3.[II-tr313]

Vỏ tháp có bề dày S = 3mm

Đường kính trong của tháp: Dt = 800 mm = 0.8 m

Đường kính ngoài của tháp Dn = 806mm = 0.806m

Chiều cao H1(m) không tính nắp và đáy tháp:

𝐻1 = 𝐻 − 0.5 × 𝐷𝑡 = 9.93 − 0.5 × 0.8 = 9.53𝑚

Khối lượng thân tháp là:

Đáy và nắp của tháp đều là dạng elip có gờ cao 25 mm với bề dày 5mm

Đường kính trong của nắp và đáy tháp là 800 mm

Ta có khối lượng mn = md = 30.2 kg.[II-tr384]

Vậy khối lượng đáy và nắp là:

𝑀2 = 2 × 30.2 = 60.4 𝑘𝑔

Lớp cách nhiệt bằng bông bao quanh thân tháp có:

Khối lượng riêng: 𝜌𝑏 = 810 𝑘𝑔/𝑚3 [I-tr128]

Bề dày: 𝛿𝑏 = 32𝑚𝑚 = 0.032𝑚

Khối lượng lớp bông cách nhiệt:

𝑀3 =𝜋 × ((𝐷𝑛+ 2 × 𝛿𝑏)

2− 𝐷𝑛2) × 𝐻1× 𝜌𝑏4

= 𝜋 × ((0.806 + 2 × 0.032)

2− 0.8062) × 9.53 × 810

Để thuận tiện cho tính toán, ta xét toàn bộ tháp chứa đầy chất lỏng ở điều kiện bình thường,

bỏ qua phần đáy và nắp và các phần chiếm chỗ bởi các bộ phận khác

Ta có:

𝜌𝑥𝐹 = 788.69 𝑘𝑔/𝑚3Khối lượng lỏng trong tháp:

Đường kính trong của bích: Dt=0.8m

Đường kính ngoài của bích: D=0.93m

h = 0.022m

khối lượng bích nối thân và đáy tháp là:

Đường kính ngoài của ống: D1=0.29m

Đường kính nối của bích: Dn1=0.219m

Đường kính ngoài của ống: D2=0.205m

Đường kính nối của bích: Dn2=0.108m

Đường kính ngoài của ống: D3=0.16m

Đường kính nối của bích: Dn3=0.076m

Đường kính nối của bích: Dn4=0.076m

Đường kính ngoài của ống: D5=0.16m

Đường kính nối của bích: Dn5=0.076m

Tải trọng của tháp lên các giá đỡ là

𝐺 = 9.8𝑀 = 9.8 × 14137.29 = 138545.41 𝑁 Chọn cơ cấu 4 chân đỡ, tải trọng lên mỗi chân là 34636.35 N

Bảng kích thước của chân đỡ:[II-tr437]

Bảng các kích thước của tai treo là:[II-tr438]

Đối với quá trình chưng luyện, để nâng cao hiệu quả làm việc thì hỗn hợp đầu thường đưa vào tháp ở trạng thái lỏng sôi nhằm tạo ra sự tiếp xúc tốt giữa hai pha lỏng – hơi Điều này được thực hiện nhờ thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu

Có nhiều loại thiết bị truyền nhiệt gián tiếp: loại ống chùm một ngăn và nhiều ngăn, loại ống lồng ống, loại nhúng chìm (ống xoắn), loại tưới hay loại xoắn ốc

Dựa vào các chỉ tiêu kinh tế, kĩ thuật, khi truyền nhiệt cho hệ lỏng – hơi ta chọn thiết bị đun sôi kiểu ống chùm Tác nhân đun nóng là hơi nước bão hòa vì nó có hệ số cấp nhiệt lớn và ẩn nhiệt ngưng tụ cao

Quá trình truyền nhiệt được mô tả như sau: nhiệt lượng q1 (W/m2) từ phía hơi ngưng tụ có hệ

số cấp nhiệt 𝛼1(W/m2.độ), nhiệt độ t1 truyền qua lớp màng nước ngưng có nhiệt độ màng tm qua lớp cặn bám vào thành rồi qua ống truyền nhiệt δ = 2 mm có nhiệt độ thành ngoài tT1 và nhiệt độ thành trong tT2 qua lớp cặn trong cùng đến chất lỏng sôi có hệ số cấp nhiệt 𝛼2 kí hiệu nhiệt lượng truyền đến là q2

Đối với quá trình cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi bão hòa khô không chứa khí không ngưng, trong nước ngưng không có lẫn dầu mỡ và bề mặt ngưng không có lớp dầu mỡ, được gọi là ngưng màng, tức là dạng nước ngưng thấm ướt bề mặt truyền nhiệt tạo thành màng nước ngưng phủ kín bề mặt Cường độ của quá trình cấp nhiệt khi ngưng phụ thuộc vào tính chất của nước ngưng, tốc độ chuyển động của hơi và chế độ chuyển động của màng nước ngưng, nghĩa là phụ thuộc vào chuẩn

số Rem của màng nước ngưng

Khi ngưng hơi trên bề mặt thẳng đứng, chuẩn số m Re tính theo công thức

𝑅𝑒𝑚 = 𝜔𝑚 𝛿 𝑚 𝜌 𝑚

𝜇𝑚 = 𝑞𝐻

𝜇𝑚𝑟 [II-tr27]

Trong đó:

𝜔𝑚: tốc độ chảy của màng nước ngưng, m/s

𝛿𝑚: bề dày của màng nước ngưng, m

𝜌𝑚: khối lượng riêng của màng nước ngưng, kg/m3

𝜇𝑚: độ nhớt của nước ngưng, m.s/m2

q : nhiệt tải riêng, W/m2

H: chiều cao của tường đứng, m

r: ẩn nhiệt hóa hơi J/kg

Lưu lượng hỗn hợp đầu vào và hỗn hợp nguyên liệu

∆𝑡𝑡𝑏 =∆𝑡𝑙− ∆𝑡𝑛

𝑙𝑛∆𝑡∆𝑡𝑙𝑛

=69.10 − 21.78𝑙𝑛3.17 = 40.99℃

Nhiệt độ trung bình của dòng nóng (hơi nước) xem như không đổi:

𝛼1 = 2.04𝐴 √∆𝑡𝑟

1 𝐻

4 [II-tr28]

Trong đó:

r: Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở 1 atm và 99.10oC

𝑟 = 2264 × 103 𝐽/𝑘𝑔 [I-tr314]

Chiều cao của tường đứng, tức chiều dài ống truyền nhiệt, chọn H = l = 0.8 m

Hiệu số giữa nhiệt độ nước ngưng (nhiệt độ bão hòa) và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi ngưng:

∆𝑡1 = 𝜃 − 𝑡𝑇1Nhiệt độ hơi nước bão hòa 99.10 oC

Hệ số cấp nhiệt của hơi nước (bên ngoài ống)

rc: nhiệt trở cặn bẩn bám bên trong ống truyền nhiệt, m2.độ/W

𝛿: bề dày của ống truyền nhiệt, m

𝜆: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt, W/m.độ

𝑟𝑚: nhiệt trở của màng nước ngưng bên ngoài ống truyền nhiệt, m2.độ/W

𝜆: hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp nguyên liệu, W/m.độ

d: đường kính ống truyền nhiệt, m

Để đạt hiệu quả truyền nhiệt cao nhất, ta chọn chế độ chảy xoáy (Re > 10000) cho dỏng chảy trong ống, chuẩn số Nusselt được tính theo công thức:

𝑁𝑢 = 0.021𝜀1𝑅𝑒0.8𝑃𝑟0.43(𝑃𝑟

𝑃𝑟 𝑡)0.25 [II-tr14]

Trong đó:

Pr: chuẩn số Prant (đặc trưng cho tính chất vật lý của dòng chất tải nhiệt)

Prt: chuẩn số Prant của dòng tính theo nhiệt độ trung bình của tường

Re: chuẩn số Reynold, chọn Re = 10000

𝜀1: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống

Chọn d = 0,02 m = 20 mm, ta có:

𝑑 =

0.80.02= 40

𝜆1, 𝜆2 hệ số dẫn nhiệt của cấu tử 1 và 2, W/m.độ và 𝜆2 > 𝜆1

a1, a2: nồng độ % khối lượng của cấu tử 1 và 2 trong hỗn hợp

Với hỗn hợp choloroforme – benzene đã có, vì 𝜆𝐴 < 𝜆𝐵 nên suy ra:

𝜆 = 0.11 × 38.5% + 0.14 × (100% − 38.5%) − 0.72 × 38.5% × (100% − 38.5%)

× (0.14 − 0.11) = 0.12 𝑊/𝑚 độ Nội suy nhiệt dung riêng của Benzen và Toluen trong nguyên liệu tại nhiệt độ 58.11oC:

CPt là nhiệt dung riêng của hỗn hợp, J/kg

𝜆1, 𝜆2 hệ số dẫn nhiệt của cấu tử 1 và 2, W/m.độ và 𝜆2 > 𝜆1

a1, a2: nồng độ % khối lượng của cấu tử 1 và 2 trong hỗn hợp

Với hỗn hợp choloroforme – benzene đã có, vì 𝜆𝐴 < 𝜆𝐵 nên suy ra:

𝜆𝑡= 0.10 × 38.5% + 0.13 × (100% − 38.5%) − 0.72 × 38.5% × (100% − 38.5%)

× (0.13 − 0.10) = 0.11 𝑊/𝑚 độ Nội suy nhiệt dung riêng của Benzen và Toluen trong nguyên liệu tại nhiệt độ 90.71oC:

= 0.021 × 1.03 × 100000.8× 5.130.43× (5.13

4.51)0.25 = 71.50

 Hệ số cấp nhiệt của hỗn hợp nguyên liệu

𝛼2 =𝑁𝑢 × 𝜆

71.50 × 0.120.02 = 442.76 (𝑊/𝑚

Δt: chênh lệch nhiệt độ vào và ra của hỗn hợp

C: nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ trung bình của hỗn hợp, J/kg

2)

Số ống truyền nhiệt:

𝑛 = 𝐹𝜋𝑑𝐻 =

5.45

𝜋 × 0.02 × 0.8≈ 108(ố𝑛𝑔) Chọn thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm, sắp xếp ống theo hình sáu cạnh đều, chọn n=127

ta có:

Bảng số ống trong thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm:[II-tr48]

Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt:

𝑑𝑛 = 𝑑 + 2𝛿 = 0.02 + 2 × 0.002 = 0.024𝑚 Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt tính theo công thức:

Bơm là máy thủy lực dùng để vận chuyển và truyền năng lượng cho chất lỏng Dựa vào nguyên

lý làm việc người ta chia bơm làm ba loại: bơm thể tích (gồm bơm pit-tông, bơm răng khía, bơm

Tổng số ống không

kể các ống trong các hình viên phân

Tổng số ống trong các hình viên phân

Tổng số ống của thiết bị

cánh trượt, bơm trục vít, bơm màng), bơm ly tâm và bơm không có bộ phận dẫn động (bơm tia, bơm sục khí…)

Trong điều kiện năng suất và yêu cầu kinh tế, kĩ thuật để vận chuyển hỗn hợp nguyên liệu từ

bể chứa lên thùng cao vị ở nhiệt độ môi trường và áp suất khí quyển, ta chọn bơm ly tâm với những

ưu điểm sau

- Vận chuyển chất lỏng liên tục và đều đặn

- Có số vòng quay lớn, có thể truyền động trực tiếp từ động cơ điện

- Có thể bơm được những chất lỏng bẩn và nhiều chất lỏng khác nhau

Hỗn hợp nguyên liệu ở nhiệt độ 30oC có lưu lượng Gf= 3666.67 kg/h thì lưu lượng thể tích của dòng ứng với năng suất thể tích của bơm là:

𝑄 =𝐺𝑓

𝜌𝑓, 𝑚

3/ℎ Trong đó:

𝜌𝑓: khối lượng riêng của hỗn hợp nguyên liệu ở 30°C

Ta có:

Nội suy khối lượng riêng choloroforme và benzene tại 30°C theo bảng:

Khối lượng riêng:[I-tr9]

3/ℎ = 0.99 × 10−3 𝑚3/𝑠 Công thức tính đường kính ống của bơm:

𝑑 = √4𝑉

𝜋𝜔 [I-tr369]

Trong đó:

d: đường kính ống, m

V: lưu lượng thể tích của dòng nguyên liệu đầu, m3/s

ω: tốc độ trung bình của dòng chảy, m/s

Áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục tất cả sức cản thủy lực trong hệ thống (kể cả ống dẫn

và thiết bị) khi dòng chảy đẳng nhiệt tính theo công thức:

∆𝑃 = ∆𝑃đ+ ∆𝑃𝑚+ ∆𝑃𝐻+ ∆𝑃𝑡+ ∆𝑃𝑘+ ∆𝑃𝑐, 𝑁/𝑚2 [I-tr376]

Trong đó:

∆𝑃đ: áp suất động lực học (áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy trong ống dẫn, N/m2

∆𝑃𝑚: áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng, N/m2

∆𝑃𝐻: áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất thủy tĩnh, N/m2

∆𝑃𝑐: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, N/m2

∆𝑃𝑡: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị, N/m2

∆𝑃𝑘: áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn trong trường hợp đầu ra của chất lỏng cần áp suất cao hơn, N/m2