mình có bản vẽ autocad của tháp nhé.liên hệ để lấy ............................................................................................................................................................................
ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Viện khoa học & Cơng nghệ Mơi trường CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ tên sinh viên: Đỗ Thị Nguyệt Lớp: Công nghệ môi trườngA – K46 I ĐẦU ĐỀ THIẾT KẾ: Thiết kế hệ thống tháp chưng luyện sản xuất II CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU: Hỗn hợp cần tách: Etylic – nước Lưu lượng hỗn hợp đầu vào tháp( Kg h ): F = 3000 Kg h Nồng độ hỗn hợp đầu (phần khối lượng): aF = 35% aP = 95% Nồng độ sản phẩm đỉnh (phần khối lượng): Nồng độ sản phẩm đáy (phần khối lượng): aW= 2% Thiết bị chưng luyện: Tháp chóp III NỘI DUNG CÁC PHẦN THUYẾT MINH TÍNH TỐN: Mở đầu Tính tốn thiết kế tháp chưng luyện (mơ theo số điều kiện) Đường kính Chiều cao Trở lực tháp Các chi tiết tháp Tính tốn thiết bị truyền nhiệt đun sơi hỗn hợp đầu Tính tốn hệ thống bơm hỗn hợp đầu Tính chọn khí Kết luận IV CÁC BẢN VẼ VÀ ĐỒ THỊ - Bản vẽ sơ đồ dây chuyền - Bản vẽ hệ thống tháp V Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Thu Thuỷ VI Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: Ngày 16 tháng 08 năm2004 VII Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Ngày 08 tháng 11 năm 2004 Chủ nhiệm khoa Cán hướng dẫn (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) Đánh giá kết qủa: Điểm thiết kế : Điểm bảo vệ : ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 Ngày tháng năm 2004 Cán bảo vệ (Họ tên chữ ký) ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG MỤC LỤC Phần mở đầu Vẽ thuyết minh dây chuyền Tính tốn thiết bị I.Tính cân vật liệu II.Đường kính tháp .9 III.Số đĩa thực tế chiều cao tháp .15 IV Tính tốn khí 22 V Trở lực 37 Cân nhiệt 42 I Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 42 II.Tháp chưng luyên .43 III Thiết bị ngưng tụ 46 IV.Thiết bị làm lạnh 47 Tính chọn thiết bị phụ 46 I Tính chọn thiết bị gia nhiệt 48 II.Tính bơm 54 Kết lụân .65 Tài liệu tham khảo 67 ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG Phụ lục 65 PHẦN MỞ ĐẦU Trong công nghiệp, việc phân tách cấu tử từ hỗn hợp ban đầu cần thiết nhằm mục đích hồn thiện, khai thác, chế biến Có nhiều phương pháp phân tách cấu tử cơng nghiệp, có phương pháp chưng luyện phương pháp hay sử dụng Chưng phương pháp tách cấu tử từ hỗn hợp ban đầu dựa vào độ bay khác chúng hỗn hợp Hỗn hợp chất lỏng chất khí, thường chưng hỗn hợp có cấu tử ta thu nhiêu sản phẩm Với hỗn hợp có hai cấu tử ta thu hai sản phẩm sản phẩm đỉnh gồm phần lớn cấu tử dễ bay sản phẩm đáy chứa phần lớn cấu tử khó bay Trong thực tế gặp nhiều kiểu chưng khác : Chưng nước trực tiếp, chưng đơn giản, chưng luyện Chưng luyện phương pháp chưng phổ biến dùng để tách hỗn hợp cấu tử dễ bay có tính chất hồ tan hoàn toàn phần vào Chưng luyện phương thức sản xuất ứng dụng rộng rãi thực tế đem lại hiệu kinh tế cao Do dó việc nghiên cứu thiết bị qui trình cơng nghệ cơng việc có ý nghĩa quan trọng Do thời gian có hạn để sâu vào nội dung ,đồ án thực giải việc tính tốn kỹ thuật thiết kế tháp chưng luyện chưa sâu tính tốn hết thiết bị phụ Nội dung đồ án bao gồm phần sau : Sơ đồ ngun lý dây chuyền sản xuất tính tốn cân vật liệu tháp xác định đường kính tháp xác định số đĩa thực tế phương pháp đường cong động học từ xác định chiều cao tháp tính tốn chọn thiết bị phụ tính tốn khí VẼ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT I Thuyết minh dây chuyền sản xuất : Hỗn hợp đầu từ thùng chứa bơm bơm liên tục lên thùng cao vị Mức chất lỏng cao thùng cao vị khống chế nhờ ống chảy tràn Từ thùng cao vị, hỗn hợp đầu (được điều chỉnh nhờ van lưu lượng kế) qua thiết bị đun nóng dung ĐỖ THỊ NGUYỆT – MƠI TRƯỜNGA- K46 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MÔI TRƯỜNG dịch Tại đây, dung dịch gia nhiệt nước bão hồ đến nhiệt độ sơi Sau đó, dung dịch đưa vào tháp chưng luyện qua đĩa tiếp liệu Tháp chưng luyện gồm hai phần : Phần từ đĩa tiếp liệu trở lên đoạn luyện, từ đĩa tiếp liệu trở xuống đoạn chưng Như tháp, pha lỏng từ xuống tiếp xúc với pha từ lên Hơi bốc từ đĩa lên qua lỗ đĩa tiếp xúc với pha lỏng đĩa trên, ngưng tụ phần, nồng độ cấu tử dễ bay pha lỏng tăng dần theo chiều cao tháp Vì nồng độ cấu tử dễ bay lỏng tăng nên nồng độ lỏng bốc lên tăng Cấu tử dễ bay có nhiệt độ sơi thấp cấu tử khó bay nên nồng độ tăng nhiệt độ sơi dung dịch giảm Tóm lại, theo chiều cao tháp nồng độ cấu tử dễ bay (cả pha lỏng pha hơi) tăng dần, nồng độ cấu tử khó bay (cả pha lỏng pha hơi) giảm dần, nhiệt độ giảm dần Cuối cùng, đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có thành phần hầu hết cấu tử dễ bay đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay chiếm tỷ lệ lớn Để trì pha lỏng đĩa đoạn luyện, ta bổ xung dòng hồi lưu ngưng tụ từ đỉnh tháp Hơi đỉnh tháp ngưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 6, dung dịch lỏng thu sau ngưng tụ phần dẫn hồi lưu trở lại đĩa luyện để trì pha lỏng đĩa đoạn luyện, phần lại đưa qua thiết bị làm lạnh để vào bể chứa sản phẩm đỉnh Chất lỏng đáy tháp tháo đáy tháp, sau phần đun sôi thiết bị gia nhiệt đáy tháp hồi lưu đĩa đáy tháp, phần chất lỏng lại đưa vào bể chứa sản phẩm đáy 10 Nước ngưng thiết bị gia nhiệt tháo qua thiết bị tháo nước ngưng 11 Như vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đưa vào liên tục sản phẩm lấy liên tục) ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG II Sơ đồ dây chuyền : N íc N c lạ nh Hơi đốt N íc N í c l¹ nh 11 N c ng ng Hơi đốt 11 N í c ng ng 10 Chú thích : 1- Thùng chứa hỗn hợp đầu 3- Thùng cao vị 5- Tháp chưng luyện 7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 11- Thiết bị tháo nước ngưng ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 2- Bơm 4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh 10- Thùng chứa sản phẩm đáy ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG TÍNH TỐN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH - Giả thiết : - Số mol pha từ lên tất tiết diện tháp - Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chưng đoạn luyện - Hỗn hợp đầu vào tháp nhiệt độ sôi - Chất lỏng ngưng tụ thiết bị ngưng tụ có thành phần thành phần đỉnh tháp - Cấp nhiệt đáy tháp đốt gián tiếp - Yêu cầu thiết bị : F : Năng suất thiết bị tính theo lượng hỗn hợp đầu = 3000(kg/h) Thiết bị làm việc áp suất thường, P = at Tháp loại : Tháp chóp - Điều kiện : aF : Nồng độ Etylic hỗn hợp đầu = 35% khối lượng aP : Nồng độ Etylic sản phẩm đỉnh = 95% khối lượng aW : Nồng độ Etyic sản phẩm đáy = % khối lượng M1 : Khối lượng phân tử rượu Etylic = 46 kg/kmol M2 : Khối lượng phân tử H2O =18 kg/kmol I TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU : 1/ Tính cân vật liệu : Theo phương trình cân vật liệu cho tồn tháp : F=P+W Và phương trình cân vật liệu cho riêng cấu tử dễ bay (Etylic): F.aF = P.aP + W.aW ⇒ Lượng sản phẩm đáy : W= F (a P − a F ) 3000 (95 − 35) = = 1935,4839 (kg/h) a P − aW 95 − ⇒ Lượng sản phẩm đỉnh : P = F – W = 3000 – 1935,4839 = 1064,5161 (kg/h) Tính lượng hỗn hợp đầu F’, lượng sản phẩm đỉnh P’, lượng sản phẩm đáy W’ theo kmol/s : a − aF F ' = F + M2 M1 0,35 0,65 .F = + .3000 = 131,1594 (kmol / h) 18 46 ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG a − aP 0,95 0,05 .P = P' = P + + .1064,1561 = 24,8876 (kmol / h) M M 46 18 W ' = F '− P' = 131,1594 − 24,8876 = 106,2718 ( kmol / h) 2/ Tính số hồi lưu thích hợp, số đĩa lý thuyết : Đổi nồng độ từ phần khối lượng sang phần mol : aF / M 35 / 46 xF = = = 0,1740 a F / M + (100 − a F ) / M 35 / 46 + 65 / 18 aP / M 95 / 46 xP = = = 0,8814 a P / M + (100 − a P ) / M 95 / 46 + / 18 aW / M / 46 xW = = = 0,0079 aW / M + (100 − aW ) / M 2 / 46 + 98 / 18 Dựa vào đường cân lỏng-hơi (nội suy), ta có : y F* = 0,3021 a/ Chỉ số hồi lưu tối thiểu : Rmin xP − y *F 0,8814 − 0,3021 = * = = 4,5222 y F − xF 0,3021 − 0,1740 b/ Chỉ số hồi lưu thích hợp : Cho R biến thiên (R >Rmin), với giá trị R ta xác định số đĩa lý thuyết tương ứng : β 1,3 1,4 1,5 1,75 2,0 2,25 2,5 R 5,8789 6,3311 6,7833 7,9139 9,0444 10,1750 N 25 23 22 20 19 18 N(R+1) 171,9725 168,6153 171,2326 178,278 Hệ số hiệu chỉnh : β = 190,8436 201,15 11,3055 17 209,1935 R R Từ bảng số liệu, ta xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ R – N(R+1) Dựa vào đồ thị , ta xác định Rth = 6,3311 c/ Phương trình đường nồng độ làm việc : - Đường nồng độ làm việc đoạn chưng : Lượng hỗn hợp đầu tính theo kmol sản phẩm đỉnh : f = F ' 131,1594 = = 5,27 P' 24,8876 ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG Phương trình : y= R+ f f −1 6,3311 + 5,27 5,27 − x− xW = x− 0,0079 R +1 R +1 6,3311 + 6,3311 + ⇒ y = 1,58 x − 0,0046 - Đường nồng độ làm việc đoạn luyện : Phương trình : x R 6,3311 0,8814 x+ P = x+ R +1 R + 6,3311 + 6,3311 + ⇒ y = 0,86 x + 0,12 y= d/ Số đĩa lý thuyết : Với Rth = 6,3311 dựa vào đường cân đường làm việc, ta xác định số đĩa lý thuyết NLT =23 Trong : số đĩa đoạn chưng :2 số đĩa đoạn luyện : 21 II ĐƯỜNG KÍNH CỦA THÁP : 1/ Lưu lượng trung bình dòng pha tháp : a/ Trong đoạn luyện : Số liệu : GP : Lượng sản phẩm đỉnh (P’) = 28,52(kmol/h) R : Hệ số hồi lưu thích hợp = 1,614 GR : Lượng hồi lưu = GP R =28,52.1,614=46,03 (kmol/h) yđ=0,6174.xp+0,2116=0,6174.0,553+0,2116=0,553 ♦ Lượng khỏi đỉnh tháp gđ : gđ = GR + GP = GP (R + 1) =28,52 (1,614+ 1) = 74,5513(kmol/h) ♦ Lượng vào đoạn luyện g1 , nồng độ y1 , lượng lỏng G1 đĩa thứ đoạn luyện, nồng độ lỏng x1 : Coi x1 = xF = 0,0442 Phương trình cân vật liệu : g1 = G1 + GP (1) Phương trình cân vật liệu với cấu tử dễ bay (etylic) : g1 y1 = G1 x1 + GP xP (2) Phương trình cân nhiệt lượng : g1 r1 = gđ rđ (3) r1 : ẩn nhiệt hóa hỗn hợp vào đĩa luyện thứ (kcal/kmol) rđ : ẩn nhiệt hoá hỗn hợp khỏi đỉnh tháp (kcal/kmol) Gọi : rA : ẩn nhiệt hóa Etylic rB : ẩn nhiệt hoá H2O Từ đồ thị (t,x,y) ta có : - Nhiệt độ sơi hỗn hợp đỉnh (x = xP =0,553): tP = 79,70C ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG Nội suy theo bảng r – to (I-254) với to = 79,7°C : rA = 202,12 (kcal/kg) = 202,12.M A (kcal/kmol) = 9297,52 (kcal/kmol) ⇒ rB = 559,3 (kcal/kg) = 518,5.M B (kcal/kmol) = 10067,4 (kcal/kmol) ⇒ rđ = rA yđ + rB (1 - yđ) = 9297,52 0,553 + 10067,4 (1- 0,553) = 9641,66 (kcal/kmol) - Nhiệt độ sôi hỗn hợp đầu (x = xF =0,0442): tF = 91,6 °C Nội suy theo bảng r – to (I-254) với to = 91,6°C : rA = 197,36 (kcal/kg) = 197,36.M A (kcal/kmol) = 9078,56 (kcal/kmol) ⇒ rB = 547,4 (kcal/kg) = 547,4.M B (kcal/kmol) = 9853,2 (kcal/kmol) ⇒ rl = rA yl + rB (1 – yl) = 9078,56 yl + 9853,2 (1 – yl) Từ (1);(2) (3) ta có : g1= G1 + 28,52 g1.y1= 0,0442.G1 + 15,77 -774,64.y1 + 9853,2.g1 = 718798,3 Giải phương trình ta có: G1=45,83(Kmol/h) , g1=74,35(Kmol/h) , ⇒ Lượng trung bình đoạn luyện : g tbL = y1=0,239 g d + g1 74,5513 + 74,35 = = 74,451 (kmol/h) 2 ⇒ Lượng lỏng trung bình đoạn luyện : GtbL = GR + G1 46,03 + 45,83 = = 45,93 (kmol/h) 2 b/ Trong đoạn chưng : Số liệu : GW : Lượng sản phẩm đáy (W’) = 335,35(kmol/h) ♦ Lượng vào đoạn chưng g1, , nồng độ y1, , lượng lỏng G1' đĩa thứ đoạn chưng, nồng độ lỏng x1, , lượng khỏi đoạn chưng lượng vào đoạn luyện g1 : Ta có y1, = y*W nồng độ cân ứng với xW , nội suy theo bảng số liệu đường cân (II-148) : ⇒ y1, = yW* = 0,61752 Phương trình cân vật liệu : G1' = g1' + GW ĐỖ THỊ NGUYỆT – MƠI TRƯỜNGA- K46 (1’) ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG Phương trình cân vật liệu với cấu tử dễ bay (etylic) : (2’) G1' x1' = g1' y1' + GW xW Phương trình cân nhiệt lượng : g1' r1' = g1r1 (3’) rl : ẩn nhiệt hóa hỗn hợp khỏi đoạn chưng ⇒ rl = rA yl + rB (1 – yl) = 9078,56 0,239 + 9853,2 (1 – 0,239) = 9668,06 (kcal/kmol) r1’: ẩn nhiệt hoá hỗn hợp vào đĩa chưng thứ Từ bảng số liệu x – to sôi dd (II-148), nội suy ta có: Nhiệt độ sơi hỗn hợp đáy (x = xW = 0,00093): tW = 99,82°C Nội suy theo bảng r – to (I-254) với to = 99,82°C : rA = 194,072 (kcal/kg) = 194,072.M A (kcal/kmol) = 8927,312 (kcal/kmol) ⇒ rB = 539,18 (kcal/kg) = 539,18.M B (kcal/kmol) = 9705,24 (kcal/kmol) ⇒ ẩn nhiệt hóa hỗn hợp vào đĩa chưng thứ : rl’ = rA yl’ + rB (1 – yl’) = 8927,312.0,61752 + 9705,24 (1 – 0,61752) = 9224,854 (kcal/kmol) (3' ) ⇒ g1' = g1 r1 9668,06 = 74,35 = 77,922(kmol/h) ' r1 9224,854 (1' ) ⇒ G1' = g1' + GW = 77,922 + 335,35 = 413,272 (kmol/h) ⇒ Lượng trung bình đoạn chưng : g tbC g1 + g1' 74,35 + 77,922 = = = 76,136 (kmol/h) 2 ⇒ Lượng lỏng trung bình đoạn chưng : GtbC (G1 + GF ) + G1' (45,83 + 363,87) + 413,272 = = = 411,486(kmol/h) 2 2/ Vận tốc tháp : Tốc độ khí tháp chóp xác định theo: ( ρY ω Y )tb= 0, 065.ϕ [σ ] h.ρ xtb ρ ytb ρ xtb (Kg/m2.s) [IX105 – II184] : Khối lượng riêng trung bình pha lỏng (kg/ m3) ρ ytb : Khối lượng riêng trung bình pha (kg/ m3) h : Khoảng cách đĩa (m) a/ Khối lượng riêng trung bình pha lỏng : a − a tb1 = tb1 + ρ xtb ρ xtb1 ρ xtb [IX104a- II184] Trong : ĐỖ THỊ NGUYỆT – MƠI TRƯỜNGA- K46 10 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG Theo bảng toán đồ (I-102) với nhiệt độ dung dịch ttb2 = 57,22°C : µ1 = 0,65 (cP) µ2 = 0,48 (cP) Theo cơng thức (I-93), ta có : lg µ = x F lg( µ1 ) + (1 − x F ) lg( µ ) = 0,174 lg(0,65) + (1 − 0,174) lg(0,48) = −0,295 ⇒ µ = 0,506 (cP) = 0,506 10-3 (N.s/m2) 3827,64.0,506.10 −3 ⇒ Pr = = 4,69 0,413 ♦ Prt : Chuẩn số Prand tính theo nhiệt độ tường : C µ Prt = Pt t = λt µ t M 1/ = A ρ 4t/ ρt A.ρ t M µ t 22,8721/ µt ⇒ Prt = = 79 , 10 4/3 3,58.10 −8.ρ t4 / ρt ⇒ Nu = 0,021.10000 4,69 ,8 µt Pr Prt 0, 43 c/ Tổng nhiệt trở thành ống : rO = r1 + r2 + , 25 Pr = 64,69. Prt , 25 δ (m2.độ/W) λT Trong : r1 : Nhiệt trở lớp cặn bám bên thành ống : r1 = 0,232.10-3 (m2.độ/W) r2 : Nhiệt trở lớp cặn bám bên thành ống : r2 = 0,387.10-3 (m2.độ/W) δ : Chiều dày thành ống : δ = 2,5 (mm) = 2,5.10-3 (m) λT : Hệ số dẫn nhiệt thành ống : λT = 25,4 (W/m.độ) 2,5 −3 −3 ⇒ rO = 0,232+ 0,387+ .10 = 0,72.10 (m2.độ/W) 25,4 d/ Nhiệt tải riêng trung bình : ♦ Giả sử ∆t1 = 2,3 oC ⇒ tT1 = th - ∆t1 = 119,62 – 2,3 = 117,32 (oC) ⇒ tm = 0,5.(th + tT1) = 0,5.(119,62 + 117,32) = 118,47 (oC) ⇒ Theo bảng số liệu A – tm (II-29), nội suy ta có : A = 187 2201,4.103 ⇒ α1 = 2,04.187,0 = 11932,04 (W/m2.độ) 2,3.1,0 ⇒ q1 = α1 ∆t1 = 11932,04 2,3 = 27443,68 (W/m2) ⇒ qT = q1 = 27443,68 (W/m2) ĐỖ THỊ NGUYỆT – MƠI TRƯỜNGA- K46 49 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MÔI TRƯỜNG ⇒ ∆tT = qT rO = 27443,68 0,72.10-3 = 19,76 (oC) ⇒ tT2 = tT1 - ∆tT = 117,32 – 19,76 = 97,56 (oC) Theo bảng toán đồ (I-102) với nhiệt độ tường tT2 : µ1 = 0,33 (cP) µ2 = 0,26 (cP) Theo (I-93), ta có : lg µ t = x F lg( µ1 ) + (1 − x F ) lg( µ ) = 0,174 lg(0,33) + (1 − 0,174) lg(0,26) = −0,567 ⇒ µt = 0,271 (cP) = 0,271 10-3 (N.s/m2) Khối lượng riêng Etylic Nước (I-10) theo tT2 : ρA = 715 (kg/m3) ρB = 959,71 (kg/m3) ⇒ Theo (II-183), ta có : a − aF ρ t = F + ρB ρA −1 −1 0,35 − 0,35 = + = 857,05 (kg/m3) 715 959,71 0,271.10 −3 ⇒ Prt = 79,3.10 = 2,64 857,054 / , 25 4,69 ⇒ Nu = 64,69. = 74,68 , 64 Nu.λ 74,68.0,413 ⇒ α2 = = = 1542,14 (W/m2.độ) l 0,020 ⇒ ∆t2 = tT2 – tdd = 97,56 – 57,22 = 40,34 (oC) ⇒ q2 = α2 ∆t2 = 1542,14 40,34 = 62209,93 (W/m2) Ta thấy q1 q2 khác nhiều q1 < q2 nên giả thuyết chưa thoả mãn Giả thuyết ∆t1=5°C Tương tự ta có tT1=114,62°C tm=117,12 theo bảng (II- 29) ta nội suy A=186,7 2201,410 Nên hệ số cấp nhiệt: α = 2,04.186,7. 0, 25 =9810,852 W/m2.độ Suy q1 = 9810,852.5 = 49054,26 W/m2 ∆tT = tT1- tT2 = q1.Σr = 49054,26.0,72.10 –3 = 35,32°C; suy tT2=114,62 – 35,32 = 79,3°C Theo bảng toán đồ (I-102) với nhiệt độ tường tT2 : µ1 = 0,44 (cP) µ2 = 0,35 (cP) Theo (I-93), ta có : ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 50 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG lg µ t = x F lg( µ1 ) + (1 − x F ) lg( µ ) = 0,174 lg(0,44) + (1 − 0,174) lg(0,35) = −0,4386 ⇒ µt = 0,6449 (cP) = 0,6449 10-3 (N.s/m2) Khối lượng riêng Etylic Nước (I-10) theo tT2 : ρA = 702 (kg/m3) ρB = 972,1 (kg/m3) ⇒ Theo (II-183), ta có : a − aF ρ t = F + ρB ρA −1 −1 0,35 − 0,35 = + = 856,728 (kg/m3) 972,1 702 0,649.10 −3 ⇒ Prt = 79,3.10 = 6,325 856,728 / , 25 4,69 ⇒ Nu = 64,69. = 60,03 6,325 Nu.λ 60,03.0,413 ⇒ α2 = = = 1239,62 (W/m2.độ) l 0,020 ⇒ ∆t2 = tT2 – tdd = 79,3 – 57,22 = 22,08 (oC) ⇒ q2 = α2 ∆t2 = 1239,62 22,08 = 27370,8 (W/m2) Ta thấy q1 q2 khác xa ta phải xác định theo phương pháp đồ thị Từ số liệu vừa tính ta vẽ đồ thị q ∆t theo giá trị trên,ta đồ thị sau Vậy ta chọn ∆t1 = 3,962876 C Khi nhiệt tải trung bình qTB = 0,5.(q1+q2) = 40753,21(W/m2) e/ Diện tích trao đổi nhiệt : Q 20338,269 F= = = 4,99 (m2) qtb 40753,21 ⇒ Số ống truyền nhiệt cần dùng : F 4,99 nO = = = 80 (ống) π d O hO 3,14.0,020.1,0 Chọn cách xếp ống theo hình lục giác, gọi a số ống cạnh hình lục giác ⇒ Tổng số ống : nO = 3.a.(a-1) + (ống) [V.139 – II.48] ⇒ Chọn a = 6, nO = 3.6.(6-1)+1 = 91 (ống) Số ống đường chéo hình lục giác : b = 2a – = 11 (ống) Chọn bước ống : t = 0,03 (m) (1,2d –1,5 d) Đường kính ngồi ống : d = 0,025 (m) ⇒ Đường kính thiết bị : ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 51 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG D = t.(b - 1) + 4.d = 0,03.(11 - 1) + 0,025 = 0,4 (m) [V.139 – II.48] ⇒ Vận tốc dung dịch ống : - Theo giả thiết ( chế độ chảy xoáy với Re = 104) : wGT Re µ 10 4.0,506.10 −3 = = = 0,284 (m/s) ρ d O 889,7.0,02 - Theo tính tốn : m 0,8333 = = 0,033 (m/s) π d O2 3,14.0,02 889,7.91 ρ nO 4 w − wTT 0,284 − 0,033 ⇒ GT = = 88% > 5% wGT 0,284 ⇒ Ta cần phải chia ngăn thiết bị, số ngăn chia : wGT 0,284 = = 8,6 (ngăn) wTT 0,033 Quy chuẩn, ta chia thiết bị làm 10 ngăn wTT = II TÍNH BƠM : Bơm làm việc liên tục trình chưng luyện, đưa dung dịch từ bể chứa lên thùng cao vị, mức chất lỏng thùng cao vị giữ mức khơng đổi nhờ ống chảy tràn để trì áp suất ổn định cho trình cấp liệu ⇒ Lưu lượng bơm : GB = GF = 3000 (kg/h) Kí hiệu : H0 : Chiều cao tính từ mặt thoáng bể chứa dung dịch đến mặt thoáng thùng cao vị (m) H1 : Chiều cao tính từ đáy tháp đến đĩa tiếp liệu (m) H2 : Chiều cao tính từ nơi đặt bơm đến H đáy tháp (m) Z : Chiều cao tính từ đĩa tiếp liệu đến mặt thoáng thùng cao vị (m) Z 2 H1 H2 1/ Các trở lực trình cấp liệu : Tronh trình sản xuất a/ Trở lực ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt : ∆P m1 = ∆P ms1 + ∆P cb1 + ∆Pw (N/m2) Trong : ∆P ms1 : Trở lực ma sát (N/m2) ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 52 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MÔI TRƯỜNG ∆P cb1 : Trở lực cục (N/m2) Số liệu : - Chiều dài ống : L1 = 22 (m) - Đường kính ống : dO = 0,1 (m) - Lưu lượng : GF = 0,833 (kg/s) ♦ Thế vận tốc chất lỏng ống : ρ1.w2O1 (N/m2) ∆Pw1 = [II.54 – I.458] Trong : ρ1 : Khối lượng riêng dung dịch trước gia nhiệt (kg/m3) Nhiệt độ dung dịch lúc đầu : t = 20 oC ⇒ Khối lượng riêng Etylic Nước (bảng I-10) theo t : ρA = 780 (kg/m3) ρB = 998,23 (kg/m3) Nồng độ khối lượng dung dịch a = aF = 35% ⇒ Khối lượng riêng dung dịch lúc đầu : −1 −1 a − a1 0,35 − 0,28 = ρ1 = + + = 908,2 (kg/m3) ρB 780 998,23 ρA wO1 : Vận tốc dung dịch ống (m/s) GF 0,833 wO1 = = = 0,117 (m/s) ρ1 0,785.d O2 908,2.0,785.0,12 908,2.0,117 ⇒ ∆Pw1 = = 6,216 (N/m2) ♦ Trở lực ma sát : ∆Pms1 = λ L1 ∆Pw1 (N/m2) dO [II.55 – I.458] Trong : λ : Hệ số ma sát Nhiệt độ dung dịch ống : t = 20 oC Theo toán đồ xác định độ nhớt theo nhiệt độ (I-102), ta có : µA = 1,19 (cP) µB = (cP) Nồng độ dung dịch : x = 0,174 ⇒ lg(µ1) = x.lg(µA) + (1- x).lg(µB) = 0,174 lg(1,19) + (1- 0,174) lg(1) = 0,0143 ⇒ µ1 = 1,031 (cP) = 1,031.10-3 (Ns/m2) w ρ d 0,117 908,2.0,1 ⇒ Re = O1 O = = 1,0626.10 > 10 −3 µ1 1,031.10 ⇒ Chế độ chảy xốy ⇒ Xác định λ theo cơng thức : ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 53 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG 6,81 0,9 ∆ = −2.lg + [II.65 – I.464] Re , λ Với loại ống thép không gỉ ta chọn, theo bảng I-466, ta có độ nhám tuyệt đối ε = 0,1 (mm) Độ nhám tương đối : ∆ = ε/dO = 0,1/100 = 1.10-3 [II.66 – I.464] 6,81 0,9 ∆ ⇒ λ = − 2.lg + 3,7 Re −2 6,81 0,9 1.10 −3 = − lg + 3,7 10626 ⇒ ∆Pms1 = 0,032 −2 = 0,032 10 6,216 = 19,9 (N/m ) 0,1 ♦ Trở lực cục : ∆Pcb1 = ∑ ξ.∆Pw1 (N/m2) Trong : ξ : Hệ số trở lực cục Các trở lực cục ống gồm : - Trở lực cửa vào từ thùng cao vị vào ống : với cạnh nhẵn ⇒ ξ = 0,5 - Trở lực đột mở từ ống vào thiết bị gia nhiệt : Thiết bị có đường kính d = 0,4 (m) Tiết diện đầu thiết bị (chia 10 ngăn) : 0,785.d 0,785.0,4 f1 = = = 0,01256 (m2) 10 10 Tiết diện ống : f O = 0,785.d O2 = 0,785.0,12 = 0,00785 (m2) 2 f 0,00785 ⇒ ξ = 1 − O = 1 − = 0,141 f , 01256 - Trở lực van : Coi van mở 50% ⇒ ξ = 2,1 - Trở lực ống chuyển hướng lần với góc chuyển 90o ⇒ ξ = 1,19 [Bảng số 14 – I.479] ⇒ ∆Pcb1 = (0,5 + 0,141 + 2,1 + 1,19).6,216 = 31,832 (N/m2) ⇒ ∆Pm1 = 19,9 + 31,832 = 51,732 (N/m2) ∆Pcb1 + ∆Pm1 + ∆Pw1 51,72 + 6,216 = = 0,0065(m) ρ g 908,2.9,81 b/ Trở lực ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt đến tháp : ∆P m2 = ∆P ms2 + ∆P cb2 +∆Pw (N/m2) hm1 = ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 54 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG Trong : ∆P ms2 : Trở lực ma sát (N/m2) ∆P cb2 : Trở lực cục (N/m2) Số liệu : - Chiều dài ống : L2 =1,5 (m) - Đường kính ống : dO = 0,1(m) - Lưu lượng : GF = 0,833 (kg/s) ♦ Thế vận tốc chất lỏng ống : ρ2.w2O2 (N/m2) ∆Pw2 = Trong : ρ2 : Khối lượng riêng dung dịch sau gia nhiệt (kg/m3) : ρ2 = ρF = 870,797 (kg/m3) GF 0,833 wO = = = 0,122 ρ 0,785.d O 870,797.0,785.0,12 870,797.0,122 ⇒ ∆Pw = = 6,466 (N/m2) ♦ Trở lực ma sát : ∆Pms2 = λ L2 ∆Pw2 (N/m2) dO Trong : λ : Hệ số ma sát Nhiệt độ dung dịch ống : t = 83,7645 oC Theo toán đồ xác định độ nhớt theo nhiệt độ (I-102), ta có : µA = 0,415 (cP) µB = 0,343 (cP) Nồng độ dung dịch : x = 0,174 ⇒ lg(µ2) = x.lg(µA) + (1- x).lg(µB) = 0,174 lg(415) + (1- 0,174) lg(343) = - 0,45 ⇒ µ2 = 0,355 (cP) = 0,355.10-3 (Ns/m2) ⇒ Re = wO ρ d O 0,122.870,797.0,1 = = 2,9926.10 > 10 −3 µ2 0,355.10 ⇒ Chế độ chảy xoáy ⇒ Xác định λ theo công thức II-464 : 6,81 0,9 ∆ = −2.lg + Re , λ 6,81 0,9 ∆ ⇒ λ = − 2.lg + 3,7 Re ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 −2 55 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG 6,81 0,9 1.10 −3 = − lg + 3,7 29925,98 ⇒ ∆Pms = 0,026 −2 = 0,026 1,5 6,466 = 2,52 (N/m ) 0,1 ♦ Trở lực cục : ∆Pcb2 = ∑ ξ.∆Pw2 (N/m2) Trong : ξ : Hệ số trở lực cục Các trở lực cục ống gồm : - Trở lực đột thu từ thiết bị gia nhiệt vào ống : f 0,00785 ⇒ O = = 0,625 ⇒ ξ = 0,25 f1 0,01256 - Trở lực cửa từ ống vào tháp : ⇒ ξ = 1,0 - Trở lực van : Coi van mở 50% ⇒ ξ = 2,1 - Trở lực ống chuyển hướng với góc chuyển 90o ⇒ ξ = 1,19 ⇒ ∆Pcb = (0,25 + 1,0 + 2,1 + 1,19).6,466 = 29,36 (N/m2) ⇒ ∆Pm = 2,52 + 29,36 = 31,88 (N/m2) ∆Pcb + ∆Pm + ∆PW 31,88 + 6,466 = = 0,0484(m) ρ g 80,797.9,81 c/ Trở lực thiết bị gia nhiệt : ∆P m3 = ∆P ms3 + ∆P cb3 +∆Pw3 + ∆PH(N/m2) Trong : ∆P ms3 : Trở lực ma sát (N/m2) ∆P cb3 : Trở lực cục (N/m2) ♦ Thế vận tốc chất lỏng ống truyền nhiệt: hm = ∆Pw = ρ.w2 (N/m2) Trong : ρ : Khối lượng riêng dung dịch ống (kg/m3) : ρ = 889,7 (kg/m3) w : Vận tốc dung dịch ống truyền nhiệt (m/s) : Thiết bị chia làm 10 ngăn : w = 10 wTT = 10 0,033= 0,33 (m/s) 889,7.0,332 ⇒ ∆Pw = = 48,444 (N/m2) ♦ Trở lực ma sát : ∆Pms = λ L ∆Pw3 (N/m2) dO Trong : L : Chiều dài ống truyền nhiệt chia10 ngăn : L = 10 1,0 = 10,0 (m) ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 56 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG dO : Đường kính ống truyền nhiệt (m) : dO = 0,02 (m) λ : Hệ số ma sát Độ nhớt dung dịch ống : µ = 0,506 10-3 (N.s/m2) w.ρ d O 0,33.889,7.0,02 ⇒ Re = = = 1,1605.10 > 10 −3 µ 0,506.10 ⇒ Chế độ chảy xốy ⇒ Xác định λ theo cơng thức II-464 : 6,81 0,9 ∆ = −2.lg + Re 3,7 λ Với loại ống thép khơng gỉ ta chọn, theo bảng I-466, ta có độ nhám tuyệt đối ε = 0,1 (mm) Độ nhám tương đối : ∆ = ε/dO = 0,1/20 = 5.10-3 6,81 0,9 ∆ ⇒ λ = − lg + 3,7 Re −2 6,81 0,9 5.10 −3 = − lg + 3,7 11605 ⇒ ∆Pms = 0,0374 −2 = 0,0374 10,0 48,44 = 905,828 (N/m ) 0,02 ♦ Trở lực cục : ∆Pcb3 = ∑ ξ.∆Pw (N/m2) Trong : ξ : Hệ số trở lực cục Các trở lực cục thiết bị gia nhiệt gồm : - Trở lực đột thu từ đầu thiết bị vào chùm ống : Thiết bị có số ống truyền nhiệt nO = 91 chia làm10 ngăn Tiết diện chùm ống ngăn : 0,785.d O2 nO 0,785.0,02 2.91 f2 = = = 0,0029 (m2) 10 10 f2 0,0029 = = 0,231 ⇒ ξ = 0,448 f1 0,01256 - Trở lực đột mở từ chùm ống đầu thiết bị: ⇒ 2 f 0,0029 ⇒ ξ = 1 − = 1 − = 0,592 f , 01256 - Khi dòng chảy từ ống vào thiết bị, ta có đột mở: ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 57 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG 2 f 0,00785 ⇒ ξ = 1 − O = 1 − = 0,141 f , 01256 - Khi dòng chảy từ ngồi thiết bị, ta có đột thu: f 0,00785 ⇒ O = = 0,625 ⇒ ξ = 0,25 f1 0,01256 Trở lực dòng chuyển hướng 14 lần với góc chuyển 90o ⇒ ∆Pcb3 = (10.0,448 + 10.0,592 + 2,1 + 14 1,19 + 0,25 + 0,141).48,44 = 1431,45 (N/m2) - ⇒ ∆Pm = 905,28 + 1431,45 = 2336,73 (N/m2) + ∆Ph : áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao để khắc phục áp suất thuỷ tĩnh, N/m2 ∆PH = ρ g.H = 889,7.9,81.1 = 8727,9757 (N/m2) hm = ∆Pcb + ∆Pm + ∆PH + ∆Pw 2336,73 + 8727,9757 + 48,44 = = 1,27(m) ρ g 889,7.9,81 2/ Tính chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu: Viết phương trình Becnuli cho hai mặt cắt 1-1 2-2 (lấy 2-2 làm mặt chuẩn) : P1 w12 P2 w22 Z+ + = + + ∆hm ρ1.g 2.g ρ g 2.g Trong : P1, P2 : áp suất mặt cắt (N/m2) P1 = Pa = 105 (N/m2) P2 = P1 +∆PL=530,797 + 105 (N/m2) =10530,797(N/m2) hm=hm1 + hm2 + hm3 = 0,0065 + 0,0484 + 1,27 = 1,3249(m) w1 : Vận tốc dung dịch mặt cắt (m/s) Coi w1 = tiết diện thùng cao vị lớn so với tiết diện ống w2 : Vận tốc dung dịch mặt cắt : w2 = 0,122 (m/s) ρ1 : Khối lượng riêng dung dịch trước gia nhiệt (kg/m3): ρ1 = 908,2(kg/m3) ρ2 : Khối lượng riêng dung dịch sau gia nhiệt (kg/m3) : ρ2 = 894,03(kg/m3) ĐỖ THỊ NGUYỆT – MÔI TRƯỜNGA- K46 58 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MƠI TRƯỜNG P2 P1 w22 ⇒ Z = ( − )+ + hm g ρ g ρ1.g 123361,44 105 0,122 = ( − )+ + 1,3249 = 4,1672 (m) 894,03.9,81 908,2.9,81 2.9,81 3/ TÍNH BƠM: Bơm ly tâm làm việc áp suất thường, 20 0C chiều cao hút bơm 5(m)[Bảng II.34a – I.539] Chiều cao đẩy bơm là: H0 = Z + Hc + h’ + hnắp h’ : Khoảng cho phép từ đĩa với nắp chọn h’ = 0,4(m) hnắp = 0,35(m) H0 = 4,1672 + 8.0,48 + 0,4 + 0,35 = 8,7572(m) Chiều cao làm việc bơm: HF = H0 + Hh = 8,7572 + = 13,7572(m) a/ Trở lực ống dẫn từ bể chứa lên thùng cao vị : ∆P m0 = ∆P ms0 + ∆P cb0 (N/m2) Trong : ∆P ms0 : Trở lực ma sát (N/m2) ∆P cb0 : Trở lực cục (N/m2) Số liệu : - Chiều dài ống : L0 = H0 + 0,2 = 8,7572 + 0,2 = 8,9572 (m) - Đường kính ống : dO = 0,1 (m) - Lưu lượng : GB =0,8333 (kg/s) ♦ Thế vận tốc chất lỏng ống : ρ1.w20 (N/m2) ∆Pw0 = Trong : ρ1 : Khối lượng riêng dung dịch trước gia nhiệt (kg/m3) w0 : Vận tốc dung dịch ống (m/s) GF 0,8333 wO1 = = = 0,117 (m/s) ρ1 0,785.d O 908,2.0,785.0,12 908,2.0,117 ⇒ ∆Pw0 = = 6,216 (N/m2) ♦ Trở lực ma sát : ∆Pms = λ L0 ∆Pw0 (N/m2) dO [I.458] Trong : λ : Hệ số ma sát Nhiệt độ dung dịch ống : t = 20 oC Theo toán đồ xác định độ nhớt theo nhiệt độ (I-102), ta có : µA = 1,19 (cP) µB = (cP) ĐỖ THỊ NGUYỆT – MƠI TRƯỜNGA- K46 59 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MÔI TRƯỜNG Nồng độ dung dịch : x = 0,174 ⇒ lg(µ0) = x.lg(µA) + (1- x).lg(µB) = 0,174 lg(1,19) + (1- 0,174) lg(1) = 0,0143 ⇒ µ0 = 1,031 (cP) = 1,031.10-3 (Ns/m2) w ρ d 0,117 908,2.0,1 ⇒ Re = O1 O = = 1,0626.10 > 10 −3 µ0 1,031.10 ⇒ Chế độ chảy xốy ⇒ Xác định λ theo cơng thức : 6,81 0,9 ∆ = −2.lg + [I.464] 3,7 λ Re Với loại ống thép không gỉ ta chọn, theo bảng I-466, ta có độ nhám tuyệt đối ε = 0,1 (mm) Độ nhám tương đối : ∆ = ε/dO = 0,1/100 = 1.10-3 [II.66 – I.464] 6,81 0,9 ∆ ⇒ λ = − 2.lg + Re , −2 6,81 0,9 1.10 −3 = − lg + 3,7 10626 ⇒ ∆Pms = 0,032 −2 = 0,032 8,9572 6,216 = 17,82 (N/m ) 0,1 ♦ Trở lực cục : ∆Pcb0 = ∑ ξ.∆Pw0 (N/m2) Trong : ξ : Hệ số trở lực cục Các trở lực cục ống gồm : - Trở lực van : Coi van mở 50% ⇒ ξ = 2,1 - Trở lực ống chuyển hướng với góc chuyển 90o ⇒ ξ = 1,19 ⇒ ∆Pcb = (2,1 + 1,19).17,82 = 58,6278 (N/m2) ⇒ ∆Pm = 6,216 + 17,82 + 58,6272 = 82,6632 (N/m2) Chiều cao cột chất lỏng tương ứng: Hm = ∆P0 82,6632 = = 0,0093(m) ρ g 908,2.9,81 b/ Áp suất toàn phần bơm : H = HF + Hm = 13,7572 + 0,0093 = 13,7665 (N/m2) c/ Năng suất bơm : N= Q.ρ g H (KW) 1000.η Trong : ĐỖ THỊ NGUYỆT – MƠI TRƯỜNGA- K46 60 ĐỒ ÁN QÚA TRÌNH CƠ BẢN TRONG MÔI TRƯỜNG Q : Lưu lượng thể tích bơm (m3/s) G 0,8333 Q= B = = 9,175.10 −3 (m3/s) ρ1 908,2 η: Hiệu suất toàn phần bơm, η=η0.ηtl.ηck η0 : Hiệu suất thể tích (do hao hụt chuyển từ Pcao → Pthấp, η0=0,88 ηtl: Hiệu suất thuỷ lực tính đến ma sát tạo dòng xốy bơm η tl =0,8 ηck: Hiệu suất khí, tính đến ma sát khí ổ bi ổ lót trục, ηck=0,92 *Hiệu suất tồn phần bơm: η=0,880,80.0,92=0,64768 Vậy N b = 13,7665.3000.9,81 = 0,174( kw) 1000.0,64768.3600 Chọn bơm có cơng suất 0,2(kw) công suất mô tơ: ηtr:hiệu suất truyền động trục ηtr=1 ηđc: hiệu suất truyền động ηđc=0,8 N moto = 0,174 = 0,218(kw) 1.0,8 Thông thường để đảm bảo an tồn người ta chọn động có cơng suất lớn cơng suất tính tốn lượng dự trữ dựa vào khả tải bơm: t N moto = β N moto (1-439) Trong β hệ số dự trữ công suất trường hợp ta chọn β=2(do Nmơtơ