Tính toán, thiết kế thiết bị phụ

Đồ án QTTB SVTH: Phần 3: Tính Toán, thiết kế thiết bị phụ 3.1. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu. Thiết bị gia nhiệt dùng hơi nớc bão hoà ở áp suất 2 at để đun nóng hỗn hợp đầu từ nhiệt độ t = 20 o C đến nhiệt độ sôi là t F =68.7 o C. Hai lu thể đi ngợc chiều nhau, hơi đốt đi từ trên xuống, truyền ẩn nhiệt hoá hơi cho hỗn hợp lỏng đi từ dới lên và ngng tụ thành lỏng đi ra khỏi thiết bị. Nhiệm vụ của ta là phải tính đợc đầy đủ các thông số kỹ thuật cần thiết của thiết bị đó nh: đờng kính, chiều cao, bề mặt truyền nhiệt, số ống, số ngăn . Chọn thiết bị truyền nhiệt ống chùm kiểu đứng có các thông số sau: + Đờng kính ống: d = 38x2,5mm + Chiều cao ống: H = 1,5m + ống làm bằng thép CT3 có = 50 w/m 2 .độ [II.313] 3.1.1. Lợng nhiệt cần thiết: Hơi nớc bão hoà ở 2at có: t o hđ = 119,6 o C [I.314] t tb = t hđ - t tb Với: t tb : hiệu số nhiệt độ trung bình của hai lu thể t hđ : nhiệt độ hơi đốt Ta có: c d cd tb t t tt t = ln ( ) ( ) 55.72 7.686.119 206.119 ln 7.686.119206.119 = = tb t o C 1 Khoa Công Nghệ Hóa 1 Đồ án QTTB SVTH: t tb = t hđ - t tb = 119.6 72.55 = 47.05 o C - Nhiệt lợng dùng để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi là: Q = G F .C p (t c t đ ) [II.46] G F : lợng hỗn hợp đầu cần đun nóng hoặc làm nguội, kg/s t c , t đ : nhiệt độ đầu và cuối của hỗn hợp, o C C p : nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu ở t t b , J/kg.độ C p = a F .C A + (1 a F ). C N Tại t tb = 47.05 nội suy trong Bảng I.153 [I.171] ta đợc: C A = 2262.91 J/kg C N = 4180.29 J/kg C p = 0.3*2262.91 + (1 0.3)*4180.29 C p = 3605.08 J/kg.độ Vậy nhiệt lợng cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi là: Q = 1.611*3605.08* (68.7 20) Q = 282839.075 W 3.1.2. Tải nhiệt trung bình cho quá trình truyền nhiệt. * Các chuẩn số cần thiết: + Khối lợng riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ trung bình: N F A F aa += 1 1 Với t tb = 47.05 o C. Nội suy theo Bảng I.2 [I.9] ta đợc: A = 760.25 kg/m 3 N = 988.83kg/m 3 2 Khoa Công Nghệ Hóa 2 Đồ án QTTB SVTH: 83.988 3.01 25.760 3.01 += = 907.02 kg/m 3 + Tính độ nhớt của dung dịch: lgà dd = x F .lgà A + (1 x F ).lgà N [I.12 - I.84] Tại t tb = 47.05 o C. Nội suy trong bảng I.102 [I.91] ta có: à A = 0.2525*10 -3 Ns/m 2 à N = 0.5806*10 -3 Ns/m 2 lgà dd = 0.117*lg(0.2525*10 -3 ) + (1 0.117)*lg(0.5806*10 -3 ) à dd = à x = 0.5267*10 -3 Ns/m 2 + Tính chuẩn số Reynon: à Re t d = Chọn vận tốc của dung dịch đi trong ống là 0.5 m/s 4 3 103.28414 10*5267.0 02.907*033.0*5.0 Re >=== à t d chế độ chảy xoáy + Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch, 3 . M CA p = , w/m.độ [I.32 I.123] Trong đó: A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng. Vì Axeton và Nớc là 2 chất lỏng liên kết nên A = 3.58*10 -8 [I.123] C p : nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, J/kg.độ : khối lợng riêng của chất lỏng, kg/m 3 M: khối lợng mol tỷ lệ giữa chất lỏng 1 phân tử chất đã cho và 1/16 khối lợng nguyên tử oxi Ta có: M = M F =22.68 kg/kmol 3 Khoa Công Nghệ Hóa 3 Đồ án QTTB SVTH: C p = 3605.08 J/kg.độ = 907.02 kg/m 3 3 8 68.22 02.907 *02.907*08.3605*10*58.3 = = 0.74 W/m.độ + Tính chuẩn số Pran của hỗn hợp. à . Pr P C = [V.35 - II.12] 566.2 74.0 10*5267.0*08.3605 Pr 3 == + Tính chuẩn số Nuyxen 25,0 43,0 1 8,0 Pr Pr .Pr Re.021,0 = t Nu [V.40 II.12] Trong đó: Pr t : chuẩn số Pran tính theo t tb của tờng. 1 : hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hởng của tỷ số giữa chiều dài l và đờng kính. Ta có: Đờng kính ống d n = 38 mm Chiều dài H = l = 1.5 m Với 40 38 1500 == d l và Re > 10 4 . Tra Bảng V.2 [II.15] ta có 1 = 1,02 4 Khoa Công Nghệ Hóa 4 Đồ án QTTB SVTH: Do chênh lệch giữa vỏ và dòng lu thể là khá nhỏ nên ta có thể coi 1= t r r P P Nu = 0.021*28414.3 0.8 *1.02*2.566 0.43 *1 0.25 Nu = 117.39 * Tính hệ số cấp nhiệt. + Hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt 1 4 1 . .04,2 Ht r A = , w/m 2 .độ [V.101 II.28] Trong đó: r: ẩn nhiệt ngng tụ của nớc, J/kg H = l = 1.5 m A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng, t m . ( ) bhTm ttt = 1 .5,0 [II.29] t T1 : nhiệt độ của bề mặt tờng, tiếp xúc với nớc ngng, o C t bh : nhiệt độ của hơi nớc bão hoà, o C t 1 = t bh t T1 t 1 : hiệu số nhiệt độ giữa t bh và nhiệt độ phía tờng tiếp xúc với nớc ngng. Chọn t 1 = 11.25 o C Ta có nhiệt độ thành ống phía hơi ngng tụ là: t T1 = t bh - t 1 5 Khoa Công Nghệ Hóa 5 Đồ án QTTB SVTH: t T1 = 119.6 11.25 = 108.35 o C Nhiệt độ màng nớc ngng tụ là t m = 0.5*(108.35 + 119.6) = 113.975 o C Với t m = 113.975 o C. Nội suy trong [II.29] ta đợc A = 185.28875 và nội suy Bảng I.251 [I.314] ta có r = 2223.4583*10 3 J/kg Vậy hệ số cấp nhiệt phía hơi ngng tụ là: 4 3 1 5.1*25.11 10*4583.2223 *288875.185*04.2= 1 = 7201.54 w/m 2 .độ + Nhiệt tải riêng về phía hơi ngng tụ: q 1 = 1 .t 1 = 7201.54*11.25 = 81017.33 w/m 2 + Hiệu số nhiệt độ ở hai bề mặt thành ống T t = t T1 t T2 = q 1 .r Với 21 rrr ++= [II.3] Trong đó: r 1 , r 2 : nhiệt trở của cặn bẩn bám vào hai bên thành ống phía hơi đốt và phía dung dịch, m 2 .độ/w : chiều dày của thành ống, = 2.5*10 -3 m r 1 , r 2 tra Bảng PL.12 Sách Tính toán quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất Tập 1 ta có: 5800 1 21 == rr m 2 độ/w 6 Khoa Công Nghệ Hóa 6 Đồ án QTTB SVTH: 4 3 10*948.3 5800 1 50 10.5,2 5800 1 =++=r m 2 độ/w T 1 = 81017.33*3.948*10 -4 = 31.99 o C + Nhiệt độ thành ống phía dung dịch t T2 = t T1 - t T1 = 108.35 31.99 = 76.36 o C + Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch. t 2 = t T2 t tb = 76.36 47.05 = 29.31 o C + Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch 2 38.2632 033.0 74.0*39.117. 2 === t d Nu + Nhiệt tải riêng từ thành ống đến dung dịch q 2 = 2 .t 2 = 2632.38*29.31 = 77155.06 w/m 2 Ta có: %5048.0 33.81017 06.7715533.81017 1 21 <= = q qq Vậy chọn t 1 = 11.25 o C là phù hợp + Nhiệt tải riêng trung bình 195.79086 2 06.7715533.81017 2 21 = + = + = qq q tb w/m 2 * Bề mặt chuyền nhiệt. 58.3 195.79086 075.282839 === tb q Q F m 2 7 Khoa Công Nghệ Hóa 7 Đồ án QTTB SVTH: * Tổng số ống n. Tổng số ống n đợc tính theo công thức. f F n = Trong đó: f: diện tích xung quanh của một ống, m 2 f = .d n .h ,m 2 f = 3.14*0.038*1.5 = 0.17898 0023.20 17898.0 58.3 === f F n ống Quy chuẩn n = 19 ống Bảng V.11 [II.48] Ta bố trí ống sắp xếp theo hình 6 cạnh gồm 2 hình. Số ống trên đờng xuyên tâm của hình 6 cạnh là b = 5 ống.Tra bảngV.11 [II.48] * Vận tốc thực chảy trong ống t : tốc độ chất lỏng thực tế chảy trong ống, m/s. t = 2 4 3600. dn G t F t = 109.0 033.0* 4 14,3 *02.907*3600*19 5800 2 = m/s Theo lý thuyết ta chọn: t = 0.5 m/s. Do lý thuyết lớn hơn thực tế nên ta phải chia ngăn. * Số ngăn. 8 Khoa Công Nghệ Hóa 8 Đồ án QTTB SVTH: m = 58.4 109.0 5.0 == t lt Theo nguyên tắc số ngăn phải chẵn nên ta chọn m = 6 ngăn. * Tính đờng kính thiết bị. D = t(b 1) + 4.d n [II.49] Trong đó: t là bớc ống, t = (1,2 ữ 1,5).d n Chọn t = 1.5 d n = 1.5*0.038 = 0.057 m D = 0.057(5 1) + 4*0.038 = 0.38 m. Vậy thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu có các thông số sau: F = 3.58 m 2 L = 1.5 m d n =38 mm D = 380 mm n = 19 ống m = 6 ngăn 3.2. Tính toán cơ khí và lựa chon. 3.2.1. Tính các đờng ống dẫn. Đờng kính các ống dẫn và cửa ra vào của thiết bị đợc xác định từ phơng trình lu lợng. . 4 . 2 d V = *785.0 V d = ,m [II.36 I.369] Trong đó: 9 Khoa Công Nghệ Hóa 9 Đồ án QTTB SVTH: : vận tốc trung bình của lu thể đi trong ống, m/s V: lu lợng thể tích của lu thể, m 3 /s G V = G: lu lợng của dòng pha, kg/s : khối lợng riêng trung bình của dòng pha đó, kg/m 3 3.2.1.1.Tính đờng kính ống dẫn sản phẩm đỉnh. d d g V .3600 = đ : khối lợng riêng của hơi ở đỉnh tháp, kg/m 3 ( ) 98.1 2737.68*4.22 273*52.55 .4,22 . = + == T TM op d kg/m 3 g đ = g tbL = 2837.93 kg/h 398.0 98.1*3600 93.2837 .3600 === d d g V m 3 /s Chọn tốc độ hơi = 20 m/s. Bảng II.2 [I.370] 1592.0 20*785.0 398.0 .785.0 === V d m Quy chuẩn d t = 200mm. 3.2.1.2. Tính đờng kính ống dẫn hồi lu sản phẩm đỉnh. R R G V .3600 = G R = P.R th = 1734*1 = 1734 kg/h R : khối lợng riêng của sản phẩm hồi lu tại t o = t p = 57.27 o C 10 Khoa Công Nghệ Hóa 10 [...]... 3.3.1.3 Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu * Tính Pđ: - Tốc độ lu thể trung bình đi trong ống là: = V f V: thể tích của hỗn hợp V= F 3600. tb , m2/s f: tiết diện của bề mặt truyền nhiệt n d 2 f = m 4 , m2 n: số ống của thiết bị gia nhiệt, có n = 19 ống m: số ngăn của thiết bị gia nhiệt, có m = 6 ngăn Khối lợng riêng của lu thể ở totb = 47.05oC, đã tính đợc ở phần tính thiết bị phụ, ta có tb =... suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị và áp suất bổ xung ở cuối ống dẫn trong những trờng hợp cần thiết Trong trờng hợp tính toán giá trị này bỏ qua 30 Khoa Công Nghệ Hóa 30 Đồ án QTTB SVTH: 3.3.1.1 Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu tới tháp * Tính Pđ Khối lợng riêng của dung dịch tại tos = tF = 68.7oC Trong phần tính toán cơ khí cho ống dẫn liệu, ta đã tính đợc ... 20năm Thiết bị hàn tay bằng hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối hai bên h = 0,95 Bảng XIII.8 [II.362] + Giả sử thiết bị làm việc ở áp suất thờng, Pmt = 105 N/m2 : khối lợng riêng của hỗn hợp trong tháp, kg/m3 = xtbL + xtbC 2 = 816 37 + 922.3 = 869 335 2 kg/m3 + P1: áp suất thuỷ tĩnh trong thiết bị, N/m2 P1 = g..Ht , N/m2 P1 = 9.81*869.335* 7.11 = 60635.33 N/m2 + Ptt: áp suất tính toán cho thiết bị 14... của thiết bị, (m) Với thép CT3 có vận tốc ăn mòn khoảng 0.06 mm/năm, thời gian làm việc là 15 ữ 20 năm, ta chọn C1 = 1 mm C2: đại lợng bổ sung bào mòn chỉ cần tính trong trờng hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc độ lớn ở trong thiết bị, ta bỏ qua C2 C3: bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc chiều dày tấm vật liệu, chọn C3 = 0.8 mm C = 1 + 0 + 0.8 = 1.8 mm * Chiều dày thiết. .. hàn vào thân thiết bị - Tính độ bền của dầm bị uốn trong giới hạn đàn hồi từ đó xác định đợc kích thớc dầm Coi thanh dầm bị uốn thuần tuý, sau khi xác định đợc kích thớc ta tiến hành kiểm tra độ bền của dầm 2 = z2 + 3 y [ ] , kN/m2 Trong đó: z: ứng suất pháp, kN/m2 y: ứng suất tiếp, kN/m2 - Dầm sẽ chịu tác dụng phân bố gây nên bởi khối lợng của lớp đệm của chất lỏng và của thành thiết bị - Để đảm... và h = 200 mm là đạt đợc yêu cầu thiết kế 3.2.6 Tính chọn tai treo và chân đỡ: * Tai treo: - Chiều cao của toàn tháp Ht = 7.11 m - Tổng khối lợng toàn tháp: M = mt + mnắp + mđệm + mđáy + mchất lỏng + mbx 27 Khoa Công Nghệ Hóa 27 Đồ án QTTB SVTH: Với mbx: hệ số bổ xung bao gồm khối lợng các chi tiết phụ của tháp nh bích, bulông - Khối lợng tháp: mt = t Vt Thân thiết bị làm bằng thép CT3 với t = 7850kg/m3... h s l d 185 16 90 27 Mm 250 180 215 290 350 3.3 Tính thùng cao vị 3.3.1 Các trở lực trong quá trình tiếp liệu áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục tất cả sức cản thuỷ lực trong hệ thống (kể cả ống dẫn và thiết bị) khi dòng chảy đẳng nhiệt P = Pđ + Pm + PH + Pc + Pk + Pt , N/m3 [II.53 I.376] Trong đó: +Pđ : áp suất động lực học tức là áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống dẫn,... Vậy ta có đáy và nắp thiết bị với các thông số sau: Dt = 800 mm S = 5 mm hb = 200 mm m = 30.2 kg h = 25mm 3.2.4 Tra Bích * Chọn bích liền bằng thép nối thiết bị: Do không thể chế tạo đợc thân tháp với chiều dài lớn nên ta buộc phải dùng bích để nối các phần lại với nhau Với tháp hình trụ làm việc ở điều kiện thờng ta chọn mặt bích liền bằng thép CT3 để nối thân với đáy và nắp thiết bị Theo bảng XIII.27... 0.958 c 240.10 6 = = 200000000 1,2 1,2 < SVTH: c 1,2 N/m2 , Vậy lấy S = 3 mm là hợp lý 3.2.3 Tính đáy và nắp thiết bị Chọn đáy và nắp dạng elíp có gờ lắp với thân thiết bị bằng cách ghép bích, ở tâm có đục lỗ để lấy sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh Vật liệu làm đáy và nắp bằng thép CT3 Chiều dày của đáy và nắp đợc tính theo công thức: S= Dt P D t +C 3,8.[ k ].K h P 2.hb ,m [XIII.47 II.385] Trong đó:... thiết bị đợc tính theo công thức sau: S= Dt Ptt +C 2.[ ]. Ptt ,m [XIII.8 II.360] Trong đó: + Dt: đờng kính trong ,m +Ptt: áp suất toàn thiết bị ,N/m2 + [ ] : ứng suất cho phép ,N/m2 + : hệ số bền của thành hình trụ theo phơng dọc 16 Khoa Công Nghệ Hóa 16 Đồ án QTTB [ ] = Vì giá trị P 146 * 10 6 * 0.958 = 870 72 > 50 160635.33 SVTH: , vì vậy có thể bỏ qua đại l- ợng P ở mẫu số của công thức tính . Đồ án QTTB SVTH: Phần 3: Tính Toán, thiết kế thiết bị phụ 3.1. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu. Thiết bị gia nhiệt dùng hơi nớc bão hoà ở áp. ngng tụ thành lỏng đi ra khỏi thiết bị. Nhiệm vụ của ta là phải tính đợc đầy đủ các thông số kỹ thuật cần thiết của thiết bị đó nh: đờng kính, chiều cao,