tính thiết bị cơ khí chính

- Tháp chưng luyện áp suất khí P = 760 mmHg = 1,01*105 N/m2 áp suất trung bình nên chọn thân tháp hình trụ hàn [II-360] - Ta chọn thép khơng gỉ, khơng bị ăn mòn X18H10T [tập trang 341/Bảng XII.37] Chiều dày thân hình trụ làm việc áp suất P tính theo cơng thức: S P.Dt  C [II-360/XIII.8]  .  P Trong đó:  Dt = 0,8 m: đường kính thân tháp  φ: hệ số bền thành hình trụ theo phương dọc, φ = 0,9 [Bảng XIII.8 trang 362/ tập 2]  C: hệ số bổ sung ăn mòn, bào mòn dung sai bề dày, m C = C1 + C + C Với: - C1: hệ số bổ sung ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu mơi trường thời gian làm việc thiết bị, chọn C1 = mm, vật liệu bền - C2: đại lượng bổ sung hao mòn Đối với tháp chưng cất C2 bỏ qua - C3: đại lượng bổ sung dung sai chiều dày, C3 phụ thuộc vào bề dày vật liệu, chọn C3 = 0,18 mm ứng với chiều dày thép 2mm [sổ tay tập trang 364/Bảng XIII.9] Suy ra: C = + + 0,18 = 1,18 (mm) - (σ): ứng suất thép không gỉ  k    tk  c    tc nk nc  (N/m2) [sổ tay tập trang 355/ XIII.1]  (N/m2) [sổ tay tập trang 355/XIII.2] Với: - η hệ số hiệu chỉnh η = [sổ tay tập trang 356/Bảng XIII.2] - nk, nc: hệ số an toàn theo giới hạn bền, giới hạn chảy nk = 2,6; nc = 1,5 [sổ tay tập trang 356/Bảng XIII.3] - σkt, σct: giới hạn bền kéo, giới hạn bền chảy Ứng với thép X18H10T dày 13 mm [sổ tay tập trang 309/ Bảng XII.4] thì: σkt = 540.10-6 (N/m2); σct = 220.10-6 (N/m2) Vậy ứng suất cho phép:  k    c    tk nk  tc nc   540.106  207, 7.106 (N/m2) 2, 220.106  146, 67.106 (N/m2) 1,5 Vậy (σ) nhận giá trị nhỏ (σc) = 146,67.106 N/m2 P áp suất thiết bị, N/m2 P = P1 + Pmt - P1: áp suất thủy tĩnh cột chất lỏng xác định theo công thức: P1 = ρxgH - H: chiều cao tháp, H = 9,933 m - ρx: khối lượng riêng trung bình pha lỏng đoạn chưng đoạn luyện, kg/m3 x   xtb1   xtb 2   xtbL   xtbC  773,4+804,57  788,97(kg/m3) Suy ra: P1 = ρxgH = 788,97.9,933.9,8 = 76876,897(N/m2) Pmt = Pa = 101325 (N/m2) Vậy: P = P1 + Pmt = 76876,897+ 101325 = 178201,9 (N/m2) Vậy chiều dày thép xác định: S P.Dt 178201,9.0,8 C   1,18.103  1,7.10-3 (m)  .  P 2.146,67.10 0,9  178201,9 Quy chuẩn chọn S = mm Kiểm tra áp suất thử thành lấy theo P0: Áp suất thử đươc tính theo cơng thức: P0 = P1 + Pth Với: Pth: áp suất thử thủy lực [lấy theo bảng XIII.5, sổ tay tập 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 thân thiết bị theo công thức XIII.26/365 sổ tay tập 2:   Dt  (S  C ) P0  0,8  (2  1,18).103  344179, 2( S  C ). Ta thấy:    Ct 1, 3 2.(2  1,18).10 0,9   186738497(N/m2) 220.106  183,333.106 N/m2 1, Vậy chọn chiều dài thép S = mm Xác định ứng suất thân thiết bị theo công thức XIII.26/365 sổ tay tập 2: 3 Dt  ( S  C ) P0 0,8  (3  1,18).10  344179,    2( S  C ). Ta thấy:    Ct 1, 2.(3  1,18).103.0,9   84239988,19(N/m2) 220.106  183,333.106 N/m2 1, Vậy chọn chiều dài thép S = mm hợp lý Nắp đáy thiết bị làm loại vật liệu với thân thiết bị, chọn đáy nắp thiết bị có gờ với Dt = 0,8 m Chiều cao phần lồi ra: hb = 0,25.Dt -0,025= 0,25.0,8 -0,025 = 0,175 (m) = 175 (mm) Chiều cao gờ: h = 25 mm Tính đáy nắp làm việc chịu áp suất trong: Chiều dày S xác định theo công thức: S P.Dt D t  C , (m) 3,8  .k h  P 2hb [II-385/XIII.47] Trong đó: - hb: chiều cao phần lồi đáy, m [II-381/ Bảng XIII.10] - φh: hệ số bền mối hàn hướng tâm, có φh = 0,9 [II-362/ Bảng XIII.8] - k: hệ số không thứ nguyên, chọn k = Ta thấy Stháp – C = – 1,18 = 1,82 (mm) < 10 (mm) Do ta tăng thêm mm vào giá trị C ban đầu tính => C = 1,18 + = 3,18 (mm) S Dt P D 0,8.178201,9 0,8 t C   0, 00318  0, 00383 3,8. .k.h  P 2.hb 3,8.146, 67.10 1.0,9 178201,9 2.0,175 Vậy bề dày đáy, nắp Sđ 3,83 (mm) Quy chuẩn chọn Sđ = Sn = mm Kiểm tra ứng suất thành áp suất thử thủy lực tháp: theo áp suất thử (II387/XIII.51)  Dt2  2.hb ( S  C )  P0 0,82  2.0,175.(4  3,18).10 3  344179,7    224518425,1(N/ m ) 3 7, 6.k h hb ( S  C ) 7, 6.1.0,9.0,175.(4  3,18).10   Ct 1,  220.106  183,333.106 N/m2 1, Vậy chọn Sđ = mm Kiểm tra ứng suất thành áp suất thử thủy lực tháp: theo áp suất thử (II387/XIII.51)  Dt2  2.hb ( S  C )  P0 0,82  2.0,175.(5  3,18).10 3  344179,7    101211948,3(N/ m ) 7, 6.k h hb ( S  C ) 7, 6.1.0,9.0,175.(5  3,18).10 3  Ct 220.106    183,333.106 N/m2 1, 1, Để tránh tổn thất nhiệt lượng cho môi trường xung quanh, đảm bảo cho trình chưng đạt hiệu suất cao ta phải trang bị cho tháp chưng luyện lớp cách nhiệt Chọn vật liệu cách nhiệt bơng thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt nhỏ với :   0,0372 W/m2.độ   200 kg/m3 Thông số thân tháp [bảng XII.7 trang 313 Sổ tay tập II] Hệ số dẫn nhiệt thép X18H10T:  =16,3 W/m2.độ Chiều dày thân tháp:  = mm = 3.10-3 m Nhiệt độ khơng khí : t2 = 30 0C Nhiệt độ trung bình tháp: to  ttbC  ttbL 71,3  61,55   66, 425 0C 2 Chấp nhận trình truyền nhiệt trình truyền nhiệt ổn định Xem nhiệt truyền từ bên bên theo tường phẳng nhiều lớp Chấp nhận nhiệt độ mặt lớp cách nhiệt: t1 = 35 0C Tính tổn thất nhiệt môi trường xung quanh theo công thức : q2   t Trong đó:  : hệ số cấp nhiệt xạ đối lưu từ bề mặt lớp cách nhiệt môi trường 2  9,3  0,057.tT (W/m2độ) [II-tr41] 𝑡𝑇2 : nhiệt độ mặt thiết bị, chấp nhận 𝑡𝑇2 = 35℃ 2  9,3  0,057.tT  9,3  0.057.35  11, 295 (W/m2độ) t2 – hiệu số nhiệt độ tường bên thiết bị với môi trường  t2  35  30  độ C  q2   t2  11, 295   56, 475 (W/m2) Nhiệt lượng truyền từ tháp mặt lớp cách nhiệt : q1  Kt1 với K: hệ số truyền nhiệt, W/m2.độ t1 : hiệu số nhiệt độ nhiệt độ tháp nhiệt độ mặt ngồi tháp Vì truyền nhiệt ổn định nên q1 = q2 = 185,535 (W/m2) K q1 56, 475   1,80 (W/m2.độ) t1 66, 425  35 Mặt khác : R  rc   b   (𝑚2 độ/𝑊) [II-tr3]  b K Trong đó: rc : nhiệt trở cặn bẩn bám bên tháp, m2.độ/W : bề dày, m, hệ số dẫn nhiệt, W/m.độ, tường 𝛿𝑏 , 𝜆𝑏 : bề dày, m, hệ số dẫn nhiệt, W/m.độ, bơng cách nhiệt 𝑟𝑐 = 0.387 × 10−3 m2.độ/W.[II-tr4]   1    3.103     b     rc    b     0,387.103    0, 0372  0.0206 (m)   1.8 16,3 K     Vậy chọn bề dày lớp cách nhiệt cn = 21 mm Từ đường kính tháp dựa vào bảng XIII.27 trang 420 Sổ tay II, ta chọn bích kiểu để nối đoạn thân tháp, nối thân với đáy nắp (Po = 328245,425 Pa) Số liệu bích cho bảng sau : Kích thước nối (mm) Py.10-6 (N/m2) 0,6 Bulơng Dt (mm) 800 D (mm ) 930 Db D1 D0 (mm) (mm) (mm) db (mm) 880 850 811 M20 Chọn mặt bích kiểu cho ống dẫn theo bảng (XIII.26/412.II): Dt D1 h Dy db Dn D Z 24 h (mm) 28 Ống dẫn Dy, Dn, (mm) (mm) Kích thước ống nối Bulông h D (mm) D D1 db Z (mm) (mm) (mm) (cái) (mm) Hơi đỉnh 250 273 370 355 312 M16 12 22 Lỏng hồi lưu 150 159 260 225 202 M16 20 Nạp liệu 150 159 260 225 202 M16 20 Sản phẩm đáy 100 108 205 170 148 M16 14 Hồi lưu đáy tháp 250 273 370 355 312 M16 12 22 Chất lỏng chảy tháp theo đệm dạng màng nên bề mặt tiếp xúc pha bề mặt thấm ướt đệm Hiệu ứng thành thiết bị (channeling effect): Chất lỏng có xu hướng chảy từ tâm thành thiết bị, gây giảm hiệu suất tiếp xúc pha Khắc phục cách: - Nếu chiều cao đệm lớn lần đường kính đệm chia đệm thành đoạn; đoạn đệm đặt phận phân phối lại chất lỏng - Chọn d/D = đường kính đệm/đường kính tháp = 1/15 – 1/8 - Xếp đệm: d < 50mm: đổ lộn xộn, d > 50mm: xếp thứ tự - Tưới lỏng phun khí từ đầu Chọn vật liệu chế tạo đĩa phân phối lưới đỡ đệm thép X18H10T, với đường kính thiết bị Dt = 800 mm, chọn đĩa phân phối loại 1, ta có bảng: Bảng kích thước đĩa phân phối lưới đỡ đệm:[II-tr230] Đĩa phân phối loại Chiều rộng Đường kính Đường tháp,mm kính đĩa Ống dẫn chất lỏng 500 bước b, Đường kính mm lưới, mm Dđ, mm 800 Lưới đỡ đệm dxS, mm T, mm 44,5 x 2,5 70 Số lượng, Đệm 120x120 37 785 98 Để tránh tổn thất nhiệt lượng cho môi trường xung quanh, đảm bảo cho trình chưng đạt hiệu suất cao nhất, ta phải trang bị cho tháp chưng luyện lớp cách nhiệt Chọn vật liệu cách nhiệt bơng có hệ số dẫn nhiệt nhỏ với: Hệ số dẫn nhiệt bông: 𝜆𝑏 = 0,057 W/m.độ.[I-tr128] Hệ số dẫn nhiệt thép CT3: 𝜆 = 50 W/m.độ.[II-tr313] Chiều dày thân tháp: Stháp = mm = 3.10-3 m Nhiệt độ khơng khí: t2 = 30oC Nhiệt độ trung bình tháp: 𝑡𝑡𝑏 = 𝑡𝑡𝑏1 +𝑡𝑡𝑏2 Trong đó: ttb1 = 61,55 oC nhiệt độ trung bình đoạn luyện ttb2 = 71,3oC nhiệt độ trung bình đoạn chưng 𝑡𝑡𝑏 = 𝑡𝑡𝑏1 + 𝑡𝑡𝑏2 61,55 + 71,3 = = 66,425℃ 2 Chấp nhận trình truyền nhiệt trình truyền nhiệt ổn định Xem nhiệt truyền từ bên bên ngồi theo tường phẳng nhiều lớp Tính tổn thất nhiệt môi trường xung quanh theo công thức: 𝑞2 = 𝛼2 ∆𝑡2 Trong đó: ∆𝑡2 : hiệu số nhiệt độ thiết bị với nhiệt độ môi trường 𝛼2 : hệ số cấp nhiệt xạ đối lưu từ bề mặt lớp cách nhiệt mơi trường tính theo cơng thức: 𝛼2 = 9.3 + 0.058𝑡𝑇2 , W/m2độ [II-tr41] 𝑡𝑇2 : nhiệt độ mặt thiết bị, chấp nhận 𝑡𝑇2 = 35℃ Ta có 𝛼2 = 9.3 + 0.058𝑡𝑇2 = 9.3 + 0.058 × 35 = 11.33 W/m2.độ ∆𝑡2 = 𝑡𝑇2 − 𝑡2 = 35 − 30 = 5℃ 𝑞2 = 𝛼2 ∆𝑡2 = 11.33 × = 56.65 W/m2 Nhiệt lượng truyền từ tháp mặt lớp cách nhiệt: 𝑞1 = 𝐾∆𝑡1 Trong đó: K hệ số truyền nhiệt W/m2.độ ∆𝑡1 hiệu số nhiệt độ tháp nhiệt độ mặt tháp Xem trình truyền nhiệt ổn định q1 = q2 = 56.65 W/m2 Ta có: ∆𝑡1 = 𝑡𝑡𝑏 − 𝑡𝑇2 = 66,425−35 = 31,425℃ 𝐾= 𝑞1 56.65 = = 1,8 𝑊/𝑚2 độ ∆𝑡1 31,425 Trong trình làm việc tháp, lượng nhiệt truyền qua thiết bị qua lớp: lớp cặn bám bên trong, lớp kim loại thân tháp lớp bơng cách nhiệt Đối với hình trụ rỗng, xem gần trình truyền nhiệt qua tường phẳng, tổng nhiệt trở tính theo cơng thức: r: ẩn nhiệt hóa J/kg Lưu lượng hỗn hợp đầu vào hỗn hợp nguyên liệu 𝐺𝑓 = 𝐺𝐹 = 3666.67kg/h Nồng độ % khối lượng nồng độ % số mol Chloroforme hỗn hợp đầu 𝑎𝐹 = 38.5% 𝑥𝐹 = 29.01% Hơi nước bão hòa áp suất P = atm, nhiệt độ đốt vào nhiệt độ nước ngưng khỏi thiết bị gia nhiệt: 𝜃 =99.10oC Hỗn hợp đầu vào thiết bị gia nhiệt nhiệt độ 30oC dạng lỏng sôi nhiệt độ sơi 77.32 oC Hiệu số nhiệt độ lớn nhiệt độ chất tải nhiệt lưu thể vào ∆𝑡𝑙 = 99.10 − 30 = 69.10℃ Hiệu số nhiệt độ nhỏ nhiệt độ chất tải nhiệt vào lưu thể ∆𝑡𝑛 = 99.10 − 77.32 = 21.78℃ Hiệu số nhiệt độ trung bình tính theo hiệu số nhiệt độ trung bình logarit:[II-tr5] ∆𝑡𝑙 69.10 = = 3.17 > ∆𝑡𝑛 21.78 ∆𝑡𝑡𝑏 = ∆𝑡𝑙 − ∆𝑡𝑛 69.10 − 21.78 = = 40.99℃ ∆𝑡𝑙 𝑙𝑛3.17 𝑙𝑛 ∆𝑡 𝑛 Nhiệt độ trung bình dòng nóng (hơi nước) xem không đổi: 𝑡1𝑡𝑏 = 𝜃 = 99.10℃ Nhiệt độ trung bình dòng lạnh (hỗn hợp ngun liệu) thiết bị gia nhiệt tính theo cơng thức: 𝑡2𝑡𝑏 = 𝑡1𝑡𝑏 − ∆𝑡𝑡𝑏 = 99.10 − 40.99 = 58.11℃ Khi tốc độ nhỏ (10m/s, xác 𝜇 = 0.40 × 10−3 𝑁 𝑠/𝑚2 Bảng hệ số dẫn nhiệt cấu tử theo nhiệt độ:[I-tr134] t (°C) -20 20 40 60 80 100 120 λCHCl3 (W/m.độ) 0.151 0.1417 0.1325 0.112 0.114 0.1023 0.0917 0.0825 λC6H6 (W/m.độ) 0.151 0.146 0.14 0.136 0.13 0.1285 0.128 Nội suy giá trị 𝜆𝐴 , 𝜆𝐵 58.11°C 𝜆𝐴 = 0.11 𝑊/𝑚 độ 𝜆𝐵 = 0.14 𝑊/𝑚 độ Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp cấu tử xác định theo phương trình Philipov Novoxelov: 𝜆ℎℎ = 𝜆1 𝑎1 + 𝜆2 𝑎2 − 0.72𝑎1 𝑎2 (𝜆2 − 𝜆1 ) [I-tr124] Trong đó: 𝜆1 , 𝜆2 hệ số dẫn nhiệt cấu tử 2, W/m.độ 𝜆2 > 𝜆1 a1, a2: nồng độ % khối lượng cấu tử hỗn hợp Với hỗn hợp choloroforme – benzene có, 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 Benzen Toluen nguyên liệu nhiệt độ 58.11oC: 𝐶𝐴 = 1078.17 𝐽/𝑘𝑔 độ 𝐶𝐵 = 1920.10 𝐽/𝑘𝑔 độ [I-tr171] Suy nhiệt dung riêng hỗn hợp 𝐶𝑃 = 𝐶𝐴 × 𝑎𝐴 + 𝐶𝐵 × (1 − 𝑎𝐴 ) = 1078.17 × 38.5% + 1920.10 × (100% − 38.5%) = 1595.96(𝐽/𝑘𝑔 độ) Chuẩn số Prant 𝐶𝑃 𝜇 1595.96 × 0.40 × 10−3 𝑃𝑟 = = = 5.13 𝜆 0.12  Tính chuẩn số Prt Chuẩn số Pr tính theo nhiệt độ trung bình tường, công thức 𝑃𝑟𝑡 = 𝐶𝑃𝑡 𝜇𝑡 𝜆𝑡 Trong đó: CPt nhiệt dung riêng hỗn hợp, J/kg μt độ nhớt hỗn hợp, N.s/m2 λt hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp, W/m.độ Các thông số xác định nhiệt độ trung bình tường 𝑡 = 𝑡𝑇2 = 90.71oC 𝜇𝐴 = 0.31 × 10−3 𝑁 𝑠/𝑚2 𝜇𝐵 = 0.29 × 10−3 𝑁 𝑠/𝑚2 [I-tr91] 𝑙𝑜𝑔𝜇𝑡 = 𝑥𝐴 𝑙𝑜𝑔𝜇𝐴 + 𝑥𝐵 𝑙𝑜𝑔𝜇𝐵 [I-tr84] => 𝜇𝑡 = 0.29 × 10−3 𝑁 𝑠/𝑚2 Nội suy giá trị 𝜆𝐴 , 𝜆𝐵 90.71°C 𝜆𝐴 = 0.10 𝑊/𝑚 độ 𝜆𝐵 = 0.13 𝑊/𝑚 độ Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp cấu tử xác định theo phương trình Philipov Novoxelov: 𝜆ℎℎ = 𝜆1 𝑎1 + 𝜆2 𝑎2 − 0.72𝑎1 𝑎2 (𝜆2 − 𝜆1 ) Trong đó: 𝜆1 , 𝜆2 hệ số dẫn nhiệt cấu tử 2, W/m.độ 𝜆2 > 𝜆1 a1, a2: nồng độ % khối lượng cấu tử hỗn hợp Với hỗn hợp choloroforme – benzene có, 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 Benzen Toluen nguyên liệu nhiệt độ 90.71oC: 𝐶𝐴 = 1126.07 𝐽/𝑘𝑔 độ 𝐶𝐵 = 2080.53 𝐽/𝑘𝑔 độ [I-tr171] Suy nhiệt dung riêng hỗn hợp 𝐶𝑃𝑡 = 𝐶𝐴 × 𝑎𝐴 + 𝐶𝐵 × (1 − 𝑎𝐴 ) = 1126.07 × 38.5% + 2080.53 × (100% − 38.5%) = 1713.06(𝐽/𝑘𝑔 độ) Chuẩn số Prant 𝐶𝑃𝑡 𝜇𝑡 1713.06 × 0.29 × 10−3 𝑃𝑟𝑡 = = = 4.51 𝜆𝑡 0.11  Tính chuẩn số Nu 𝑁𝑢 = 0.021𝜀1 𝑅𝑒 0.8 𝑃𝑟 0.43 ( 𝑃𝑟 0.25 ) 𝑃𝑟𝑡 = 0.021 × 1.03 × 100000.8 × 5.130.43 × ( 5.13 0.25 ) = 71.50 4.51  Hệ số cấp nhiệt hỗn hợp nguyên liệu 𝛼2 = 𝑁𝑢 × 𝜆 71.50 × 0.12 = = 442.76 (𝑊/𝑚2 độ) 𝑑 0.02 Chênh lệch nhiệt độ mặt ống truyền nhiệt nhiệt độ hỗn hợp ∆𝑡2 = 𝑡𝑇2 − 𝑡2𝑡𝑏 = 90.71 − 58.11 = 32.60℃ Nhiệt cấp từ ống truyền nhiệt vào hỗn hợp 𝑞2 = 𝛼2 ∆𝑡2 = 442.76 × 32.60 = 14433.93 W/m2 Hiệu suất truyền nhiệt (kiểm tra cân nhiệt) |𝑞1 − 𝑞2 | |13787.04 − 14433.93| = = 0.0469 = 4.69% < 5% 𝑞1 13787.04 Vậy ∆𝑡1 = 0.9℃ hợp lý 𝑞𝑡𝑏 = 𝑞1 + 𝑞2 13787.04 + 14433.93 = = 14110.48 𝑊/𝑚2 2 Nhiệt lượng hỗn hợp nhận để đạt nhiệt độ sôi: 𝑄 = 𝐺𝐹 𝐶∆𝑡, 𝑊 Trong đó: Δt: chênh lệch nhiệt độ vào hỗn hợp C: nhiệt dung riêng hỗn hợp nhiệt độ trung bình hỗn hợp, J/kg Ta có: GF= 3666.67 kg/h = 1.02 kg/s Δt = 77.32 – 30= 47.32oC C = 1595.96 J/kg => Q = 76917.60 W Bề mặt truyền nhiệt (bề mặt ống truyền nhiệt): 𝐹= 𝑄 76917.60 = = 5.45 (𝑚2 ) 𝑞𝑡𝑏 14110.48 Số ống truyền nhiệt: 𝑛= 𝐹 5.45 = ≈ 108(ố𝑛𝑔) 𝜋𝑑𝐻 𝜋 × 0.02 × 0.8 Chọn thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm, xếp ống theo hình sáu cạnh đều, chọn n=127 ta có: Bảng số ống thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm:[II-tr48] Sắp xếp ống theo hình sáu cạnh Số hình sáu cạnh hay số Số ống đường Tổng số ống không Tổng số ống Tổng số xuyên tâm hình kể ống trong hình ống vòng tròn sáu cạnh hình viên phân viên phân thiết bị 13 127 – 127 Đường kính ngồi ống truyền nhiệt: 𝑑𝑛 = 𝑑 + 2𝛿 = 0.02 + × 0.002 = 0.024𝑚 Đường kính thiết bị trao đổi nhiệt tính theo cơng thức: 𝐷 = 𝑡(𝑏 − 1) + 4𝑑𝑛 , 𝑚 [II-tr49] Trong đó: t: bước ống, m, thường chọn t = (1.2 ÷ 1.5)dn Chọn t = 1.2dn = 1.2x0.024 = 0.0288 b: số ống đường xuyên tâm hình cạnh => 𝐷 = 0.0288 × (13 − 1) + × 0.024 = 0.44𝑚 Chọn D = 0.45m [II-tr359] Vậy thiết bị có đường kính 200 mm, gồm 127 ống xếp theo hình lục giác gồm vòng Mỗi ống dài 0.8 m, đường kính 20 mm, dày mm Bơm máy thủy lực dùng để vận chuyển truyền lượng cho chất lỏng Dựa vào nguyên lý làm việc người ta chia bơm làm ba loại: bơm thể tích (gồm bơm pit-tơng, bơm khía, bơm cánh trượt, bơm trục vít, bơm màng), bơm ly tâm bơm khơng có phận dẫn động (bơm tia, bơm sục khí…) Trong điều kiện suất yêu cầu kinh tế, kĩ thuật để vận chuyển hỗn hợp nguyên liệu từ bể chứa lên thùng cao vị nhiệt độ môi trường áp suất khí quyển, ta chọn bơm ly tâm với ưu điểm sau - Vận chuyển chất lỏng liên tục đặn - Có số vòng quay lớn, truyền động trực tiếp từ động điện - Có thể bơm chất lỏng bẩn nhiều chất lỏng khác Hỗn hợp nguyên liệu nhiệt độ 30oC có lưu lượng Gf= 3666.67 kg/h lưu lượng thể tích dòng ứng với suất thể tích bơm là: 𝑄= 𝐺𝑓 , 𝑚 /ℎ 𝜌𝑓 Trong đó: 𝜌𝑓 : khối lượng riêng hỗn hợp nguyên liệu 30°C Ta có: Nội suy khối lượng riêng choloroforme benzene 30°C theo bảng: Khối lượng riêng:[I-tr9] t (°C) -20 ρA (kg/m3) 1563 1526 ρB (kg/m3) 900 20 40 60 80 1489 1450 1411 1380 879 858 836 815 ρA= 1469.50 (kg/m3) ρB=868.50 (kg/m3) Khối lượng riêng dòng nạp liệu 𝑎𝐴 𝑎𝐵 = + 𝜌𝑥𝐹 𝜌𝐴 𝜌𝐵 => 𝜌𝑓 = 1030.81 𝑘𝑔/𝑚3 𝑄= 𝐺𝑓 3666.67 = = 3.56 𝑚3 /ℎ = 0.99 × 10−3 𝑚3 /𝑠 𝜌𝑓 1030.81 Cơng thức tính đường kính ống bơm: 4𝑉 𝑑 = √𝜋𝜔 [I-tr369] Trong đó: d: đường kính ống, m V: lưu lượng thể tích dòng ngun liệu đầu, m3/s ω: tốc độ trung bình dòng chảy, m/s Chọn 2 m/s.[I-tr370] 4𝑉 × 0.99 × 10−3 𝑑=√ =√ = 0.025 𝑚 𝜋𝜔 𝜋×2 Chọn d = 0.025m = 25mm.[I-tr370] Áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục tất sức cản thủy lực hệ thống (kể ống dẫn thiết bị) 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 ống dẫn, N/m2 ∆𝑃𝑚 : áp suất để khắc phục trở lực ma sát dòng chảy ổn định ống thẳng, N/m2 ∆𝑃𝐻 : áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao 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 thiết bị, N/m2 ∆𝑃𝑘 : áp suất bổ sung cuối ống dẫn trường hợp đầu chất lỏng cần áp suất cao hơn, N/m2 ∆𝑃đ = 𝜌𝑓 𝜔 [I-tr377] 2 = 1030.81 × = 2061.62 𝑁/𝑚2 𝐿 ∆𝑃𝑚 = 𝜆 𝑑 ∆𝑃đ , 𝑁/𝑚2 [I-tr377] Trong đó: L: chiều dài ống dẫn, chọn L = 10 m d: đường kính ống dẫn, d = 25 mm = 0,025 m λ: hệ số ma sát Hệ số ma sát λ phụ thuộc vào chế độ chuyển động chất lỏng độ nhám thành ống dẫn, phụ thuộc vào chuẩn số Re: 𝑅𝑒 = 𝜔𝑑𝜌𝑓 𝜇𝑓 Nội suy độ nhớt chloroforme benzene nguyên liệu nhiệt độ 30oC: 𝜇𝐴 = 0.51 × 10−3 𝑁 𝑠/𝑚2 𝜇𝐵 = 0.56 × 10−3 𝑁 𝑠/𝑚2 [I-tr91] Nồng độ % chloroforme hỗn hợp đầu: xA=29.01% Nồng độ % benzene hỗn hợp đầu: xB=100% - 29.01% = 71.99% 𝑙𝑜𝑔𝜇 = 𝑥𝐴 𝑙𝑜𝑔𝜇𝐴 + 𝑥𝐵 𝑙𝑜𝑔𝜇𝐵 [I-tr84] => 𝜇 = 0.55 × 10−3 𝑁 𝑠/𝑚2 => 𝑅𝑒 = 𝜔𝑑𝜌𝑓 × 0.025 × 1030.81 = = 94567.72 𝜇𝑓 0.55 × 10−3 Chuẩn số Reynold tới hạn khu vực nhẵn thủy lực (khu vực có lớp màng chảy dòng phủ kín gờ nhám ống) tính theo cơng thức: 𝑅𝑒𝑔ℎ ≈ 𝑑 (𝜀 ) [I-tr378] Trong đó: ε độ nhám tuyệt đối, mm Chọn ống thép mới, không hàn: ε = 0,08 mm.[I-tr381] => 𝑅𝑒𝑔ℎ 𝑑 0.025 ≈ 6( ) = × ( ) = 4259.99 𝜀 0.08 × 10−3 Chuẩn số Reynold bắt đầu xuất vùng nhám xác định theo công thức: 𝑅𝑒𝑛 ≈ 𝑑 200 ( 𝜀 ) [I-tr379] 0.025 = 200 × ( ) = 140970.73 −3 0.08 × 10 Vì Regh < Re < Ren nên hệ số ma sát khu vực độ phụ thuộc vào chuẩn số Reynold độ nhám thành ống xác đinh theo công thức sau: 𝜀 0.00008 < 𝑑 = 𝜀 0.08×10−3 𝜆 = 0.1 (1.46 𝑑 + 0.025 = 0.0032< 0.0125 100 0.25 𝑅𝑒 ) [I-tr380] 0.25 100 = 0.1 (1.46 × 0.0032 + ) = 0.028 94567.72 Áp suất để khắc phục tổn thất ma sát 𝐿 10 ∆𝑃𝑚 = 𝜆 ∆𝑃đ = 0.028 × × 2061.62 = 22688.02 𝑁/𝑚2 𝑑 0.025 ∆𝑃𝐻 = 𝜌𝑓 𝑔𝐻, 𝑁/𝑚2 [II-tr360] Trong đó: H chiều cao nâng chất lỏng cột chất lỏng, chọn H = 15 m 𝑃𝐻 = 𝜌𝑓 𝑔𝐻 = 1030.81 × 9.81 × 15 = 151683.62𝑁/𝑚2 ∆𝑃𝑐 = 𝜉∆𝑃đ , 𝑁/𝑚2 [I-tr377] Trong đó: ξ: hệ số trở lực cục Hệ số trở lực cục tổng trở lực cục thành phần, theo sơ đồ cơng nghệ, đường dòng hỗn hợp lỏng bao gồm: khuỷu ghép vng góc, van điều chỉnh lưu lượng, van chiều  Hệ số trở lực 𝜉1 khuỷu ghép vng góc ba khuỷu 30o tạo thành: 𝑎 20 Chọn a = 20 mm ta có b = d = 25 mm 𝑏 = 25 = 0.8 𝑎 Bảng giá trị 𝜉1 theo giá trị 𝑏:[I-tr394] a/b 1.1 ξ1 0.6 0.58 0.3 1.16 0.19 0.2 0.2 Nội suy từ bảng: 𝜉1 = 0.44  Hệ số trở lực 𝜉2 van điều chỉnh lưu lượng, chọn kiểu van tiêu chuẩn với đường kính d = 25 mm: Bảng giá trị 𝜉2 theo đường kính trong:[I-tr397] d (mm) ξ2 13 10.8 20 40 4.9 80 100 4.1 150 4.4 200 4.7 250 5.1 350 5.5 Nội suy từ bảng: 𝜉2 = 6.45  Hệ số trở lực 3 van chiều, chọn kiểu đĩa có mặt tựa phẳng, tính theo công thức: 𝜉3 = 2,7 + β với β tra theo bảng sau: ℎ Bảng giá trị β theo 𝐷 [I-tr401] h/D0 β 0.1 0.12 0.14 1.4 ℎ 0.16 0.5 0.18 -0.1 0.2 -0.5 0.22 -0.7 Chọn h=3 mm ta có 𝐷 = 25 = 0.12 Nội suy β ta β =3 Vậy 𝜉3 = 2.7 + = 5.7  𝛿 Hệ số trở lực 𝜉4 cửa vào ống hút, đầu ống lồi phía trước 𝑏′ Chọn 𝑑 = 0.05, 𝑑 = 0.1=> 𝜉4 =0.5.[I-tr384] 𝛿 = 0.05𝑑 = 0.05 × 25 = 1.25𝑚𝑚 𝑏 ′ = 0.1𝑑 = 0.1 × 25 = 2.5𝑚𝑚 Tổng trở lực cục 𝜉 = 𝜉1 + 𝜉2 + 𝜉3 + 𝜉4 = 0.44 + 6.45 + 5.7 + 0.5 = 13.09 0.24 -0.9 0.25 -1 Áp suất khắc phục trở lực cục ∆𝑃𝑐 = 𝜉∆𝑃đ = 13.09 × 2061.62 = 26986.59 𝑁/𝑚2 Thùng cao vị làm việc áp suất khí nên ∆𝑃𝑘 = Bơm ly tâm có trở lực nhỏ, nên cách gần bỏ qua ∆𝑃𝑡 => ∆𝑃 = ∆𝑃đ + ∆𝑃𝑚 + ∆𝑃𝐻 + ∆𝑃𝑐 = 2061.62 + 22688.02 + 151683.62 + 26986.59 = 203419.85 𝑁/𝑚2 Chiều cao toàn phần H bơm cần tạo 𝐻𝑡𝑝 = ∆𝑃 203419.85 = = 20.12𝑚 𝜌𝑓 𝑔 1030.81 × 9.81 Công suất yêu cầu trục bơm xác định theo công thức: 𝑁𝑏ơ𝑚 = 𝑄𝜌𝑓 𝑔𝐻𝑡𝑝 𝜂 , 𝑊 [I-tr439] Trong đó: Q: suất bơm, m3/s ρ: khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3 g: gia tốc trọng trường Htp: chiều cao toàn phần bơm, m η: hiệu suất chung bơm, η = 0.72 ÷ 0.93, chọn η = 0,85.[I-tr439] 𝑁𝑏ơ𝑚 = 𝑄𝜌𝑓 𝑔𝐻𝑡𝑝 0.99 × 10−3 × 1030.81 × 9.81 × 20.12 = = 236.46 𝑊 𝜂 0.85 Công suất động điện tính theo cơng thức: 𝑁 𝑁đ𝑐 = 𝜂 𝑏ơ𝑚 , 𝑊 [I-tr439] 𝜂 𝑡𝑟 đ𝑐 Trong đó: 𝜂𝑡𝑟 : hiệu suất truyền động, chọn 𝜂𝑡𝑟 = 0.85 𝜂đ𝑐 : hiệu suất đông điện, chọn 𝜂đ𝑐 = 0.8 => 𝑁đ𝑐 = 𝑁𝑏ơ𝑚 236.46 = = 347.74 𝑊 𝜂𝑡𝑟 𝜂đ𝑐 0.85 × 0.8 Thơng thường người ta chọn động điện có cơng suất lớn cơng suất tính toán (lượng dự trữ dựa vào khả tải), cơng thức: 𝑡𝑡 𝑁đ𝑐 = 𝛽𝑁đ𝑐 [I-tr439] Trong đó: β hệ số dự trữ cơng suất Vì 𝑁đ𝑐 = 347.18 𝑊 < 𝑘𝑊 nên ta có β = ÷ 1,5.[I-tr440] Chọn β = 1.5 𝑡𝑡 𝑁đ𝑐 = 𝛽𝑁đ𝑐 = 1.5 × 347.74 = 521.61𝑊 Với số liệu tính tốn được,ta chọn bơm ly tâm X Bảng thông số bơm ly tâm X:[I-tr447] Các thông số Vật liệu Nhiệt Loại Năng Áp suất Số vòng độ Chiều bơm suất, toàn quay, chất cao m3/h phần, m vòng/phút lỏng, hút, m Vỏ Vỏ Bánh ngồi guồng Trục o C A, B, X 3÷288 10÷143 1450÷2900 40÷90 2,8 C, D, F Thép 45 ... 183,333.106 N/m2 1, Vậy chọn chiều dài thép S = mm hợp lý Nắp đáy thiết bị làm loại vật liệu với thân thiết bị, chọn đáy nắp thiết bị có gờ với Dt = 0,8 m Chiều cao phần lồi ra: hb = 0,25.Dt -0,025=... tiếp thiết bị lên bệ mà phải có tai treo hay chân đỡ (trừ trường hợp ngoại lệ) để thuận tiện cho kết cấu bên tháp Có loại chân đỡ (tai treo): loại chân đỡ thiết bị thẳng đứng loại chân đỡ thiết bị. .. cạnh hình viên phân viên phân thiết bị 13 127 – 127 Đường kính ngồi ống truyền nhiệt: