ĐỒ ÁN CÔNG NGHIỆP
TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM - - BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT HỖN HỢP ETHANOL – NƯỚC Khóa 6, lớp K6-LHD Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Phương Nhung Sinh viên thực hiện: Phạm Thị Như Huyền Hồ Trung Kiên Nguyễn Hữu Quang Nguyễn Đức Quảng Bà Rịa – Vũng Tàu, năm 2020 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG MỤC LỤC MỤC LỤC .1 Lời Mở Đầu Chương 1: TỔNG QUAN Giới thiệu sơ nguyên liệu: 1.1 Ethanol 1.2 Nước Lý thuyết chưng cất: 2.1 Khái niệm 2.2 Các phương pháp chưng cất: 2.3 Thiết bị chưng cất: Sơ đồ công nghệ Chương 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT .10 2.1 Thông số đầu vào: 10 2.2 Xác định lượng sản phẩm : .10 2.3 Xác định số hồi lưu: .11 2.3.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu: .11 2.3.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp: 13 2.4 Phương trình làm việc số đĩa: 13 2.4.1 Phương trình đường làm việc đoạn cất: 13 2.4.2 Phương trình đường làm việc đoạn chưng: 14 2.4.3 Vẽ biểu đồ chưng cất, xác định số mâm lý thuyết: 14 2.4.4 Số đĩa thực tế: .15 Chương 3: Thiết kế tháp chứng cất 17 3.1 Đường kính tháp(Dt): 17 3.1.1 Đường kính phần luyện: 17 3.1.2 Đường kính phần chưng 19 3.2 Mâm lỗ - Trở lực mâm 21 3.2.1 Cấu tạo mâm lỗ 21 3.2.2 Kiểm tra ngập lụt .26 CHƯƠNG CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 28 4.1 Cân nhiệt lượng tháp chưng cất .28 4.2 Nhiệt lượng cung cấp cho thiết bị ngưng tụ .33 4.3 Nhiệt lượng thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 34 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG 4.4 Nhiệt lượng thiết bị làm nguội sản phẩm đáy xuống 35oC 34 4.5 Nhiệt lượng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh xuống 35oC 35 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN CƠ KHÍ .36 5.1 Chọn vật liệu .36 5.2 Tính chiều dày tháp 36 CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 39 6.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: 39 6.1.1 Suất lượng nước tải nhiệt cần dùng: 39 6.1.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình 39 6.1.3 Hệ số truyền nhiệt 39 6.1.4 Bề mặt truyền nhiệt : 43 6.1.5 Cấu tạo thiết bị: 43 6.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 43 6.2.1 Suất lượng nước cần dùng 44 6.2.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình 44 6.2.3 Hệ số truyền nhiệt 44 6.2.4 Bề mặt truyền nhiệt 47 6.2.5 Cấu tạo thiết bị 47 6.3 Thiết bị đun sôi nhập liệu 47 6.3.1 Suất lượng nước tải nhiệt cần dùng 48 6.3.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình 48 6.3.3 Hệ số truyền nhiệt 48 6.3.4 Bề mặt truyền nhiệt 50 6.3.5 Cấu tạo thiết bị 50 6.4 Thiết bị đun sôi đáy tháp 50 6.4.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình: .51 6.4.2 Suất lượng nước tải nhiệt cần dùng 51 6.4.3 Hệ số truyền nhiệt 51 6.4.4 Bề mặt truyền nhiệt 53 6.4.5 Cấu tạo thiết bị 53 6.5 Bồn cao vị 53 6.5.1 Cấu tạo thiết bị 53 6.5.2 Chiều cao bồn cao vị: 55 6.6 Bơm 55 6.6.1 Tính suất thể tích: 55 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG 6.6.2 Tính áp suất tồn phần bơm: 56 6.6.3 Tính áp suất động học: 56 6.6.4 Tính áp suất để khắc phục trở lực ma sát : 56 6.6.5 Tính tổn thất áp suất trở lực cục : 57 6.6.6 Tính áp suất để nâng chất lỏng lên độ cao: .57 6.6.7 Công suất bơm động điện: .58 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG DANH MỤC BẢNG BI Bảng Tóm tắt thông số 11 Bảng 2 Số liệu cân lỏng 12Y Bảng 4.1 Cân nhiệt lượng 33 Bảng 1Thong số tính chất vật lý hỗn hợp Ts=81.7 .48 DANH MỤC HÌNH Hình 1 Sơ đồ cơng nghệ q trình chưng cất hỗn hợp ethanol nước Hình Đồ thị t-xy cho hệ Ethanol- nước .12 Hình 2 Giản đồ cân lỏng – hỗn hợp ethanol nước atm 13 Hình Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết hỗn hợp ethanol-nước 14 Hình Xác định hiệu suất trung bình thiết bị .15 YHình Tháp chưng cất 28 LỜI CẢM ƠN Đồ án Môn học chúng em hoàn thành nhờ vào hỗ trợ nhiệt tình thầy Từ bước chân vào giảng đường đại học chúng em thầy ĐỒ ÁN MƠN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG dành cho quan tâm, giúp đỡ Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô Nguyễn Thị Phương Nhung- người đồng hành hướng dẫn chúng em suốt thời gian làm đồ án môn học Cô có góp ý quan trọng từ phần nội dung đến bố cục trình bày cách hợp lý Vì lần chúng em tiếp cận với đồ án nên làm khó tránh khỏi sai sót, mong thầy mơn Loc-Hóa Dầu dạy chúng em nhiều để chúng em hoàn thiện kĩ làm đồ án Xin Chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Phương Nhung thầy mơn Lọc – Hóa Dầu ! Lời Mở Đầu Ngành cơng nhiệp hóa chất khai thác mạnh tài nguyên đất nước từ khống sản, dầu khí tới sản phẩm, phụ phẩm chí phế thải ĐỒ ÁN MƠN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG công nghiệp, nông nghiệp,… Vì vậy, cơng nghiệp hóa chất đóng vai trị quan trọng kính tế nước ta, ngành kinh tế- kỹ thuật chủ lực đất nước Song song với việc phát triển mạnh cơng nghiệp hóa chất nhu cầu nguyên liệu sản phẩm tinh khiết ngày cao cấp thiết, để đáp ứng nhu cầu sử dụng, sản xuất khác Có nhiều phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm như: trích ly, chưng cất, đặc, hấp thụ,… tùy theo đặc tính yêu cầu sẩn phẩm mà ta có lựa chọn thích hợp Đối với hệ Ethanol-Nước cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cât để nâng cao độ tinh khiết cho Ethanol Nhiệm vụ đồ án thiết kế tháp chưng cất Ethanol-Nước hoạt động liên tục với suất nhập liệu 300cc/min có nồng độ đầu vào mol Ethanol, thu sản phẩm đỉnh mol Ethanol Chương 1: TỔNG QUAN Giới thiệu sơ nguyên liệu: 1.1 Ethanol Ethanol biết đến rượu etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, hợp ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG chất hữu nằm dãy đồng đẳng ancol, dễ cháy, không màu, rượu thơng thường có thành phần đồ uống chứa cồn, bên cạnh đó, ethanol cịn dùng làm dung mơi, nhiên liệu cơng nghiệp Ethanol có cơng thức phân tử C 2H5OH, chất lỏng khơng màu, suốt, có mùi đặc trưng, nhẹ nước, dễ bay hơi, dễ cháy Phân tử lượng: 46.07 g/mol Tỷ trọng: 0.789 g/cm3 Điểm nóng chảy: -114.3oC Điểm sơi: 78.4oC Điểm bắt lửa: 13oC Phản ứng với kim loại kiềm, kiềm thổ: 2C2H5OH + 2Na 2C2H5ONa + H2 Phản ứng este hóa, phản ứng rượu axit với môi trường axit sulfuric đặc nóng tạo este: C2H5OH + CH3COOH CH3COOC2H5 + H2O Phản ứng loại nước tách nước phân tử để tạo thành olefin, môi trường axit sulfuric đặc 170oC: C2H5OH C2H4 + H2O Phản ứng oxi hóa, rượu bị oxi hóa theo mức: (hữu hạn) thành aldehyde, axit hữu oxi hóa hồn tồn (đốt cháy) thành CO2 H2O CH3-CH2-OH + CuO CH3-CHO + Cu + H2O (nhiệt độ cao) CH3-CH2-OH + O2 CH3-COOH + H2O ( có xúc tác ) CH3-CH2-OH + 3O2 2CO2 + 3H2O Phản ứng tạo butadien-1,3: cho rượu qua chất xúc tác hỗn hợp, ví dụ Cu + Al2O3 380-400oC, lúc xảy phản ứng tách loại nước: 2CH3-CH2-OH CH2=CH-CH=CH2 + 2H2O + H2 Phản ứng lên men giấm: oxi hóa rượu etylic 10oC oxi khơng khí có mặt men giấm nhiệt độ khoảng 25oC CH3-CH2-OH + O2 CH3-COOH + H2O Ứng dụng: Ethanol sử dụng nhiên liệu cồn Ethanol sử dụng sản phẩm chống đông lạnh điểm đóng băng thấp Ethanol tinh chất ethanol 95% dung môi tốt sử dụng loại nước hoa, sơn cồn thuốc, Dung dịch chứa 70% ethanol chủ yếu sử dụng chất tẩy uế ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG Cũng sử dụng gel vệ sinh kháng khuẩn phổ biến nồng độ khoảng 62% Ngoài dùng để pha vào xăng để tăng trị số octan cho xăng Hiện Việt Nam sản xuất xăng sinh học E5 với % ethanol 1.2 Nước Nước hợp chất hóa học oxy hidro, có cơng thức hóa học H 2O Với tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ tính lưỡng cực, liên kết hiđrơ tính bất thường khối lượng riêng), nước chất quan trọng nhiều ngành khoa học đời sống Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng khơng màu, khơng mùi, khơng vị Tính chất vật lý: Khối lượng phân tử: 18g/mol Khối lượng riêng : 1g/mol Nhiệt độ nóng chảy: 0oC Nhiệt độ sôi: 100oC Lý thuyết chưng cất: 2.1 Khái niệm Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng (cũng hỗn hợp khí lỏng) thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hòa cấu tử khác nhau) Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha trình hấp thu nhả khí, q trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất cô đặc không khác nhau, nhiên hai trình có ranh giới q trình chưng cất dung môi chất tan bay (nghĩa cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khác nhau), q trình đặc có dung mơi bay cịn chất tan khơng bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường thí 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 Vậy hệ Ethanol - nước thì: Sản phẩm đỉnh chủ yếu Ethanol Sản phẩm đáy chủ yếu nước ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG 2.2 Các phương pháp chưng cất: Phân loại theo áp suất làm việc: Áp suất thấp Áp suất thường Áp suất cao Phân loại theo nguyên lý làm việc Chưng cất đơn giản Chưng nước trực tiếp Chưng cất đa cấu tử Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt đáy tháp Cấp nhiệt trực tiếp Cấp nhiệt gián tiếp Vậy hệ Ethanol-nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp 2.3 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 nghĩa diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở ta khảo sát loại thường dùng tháp mâm tháp chêm Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chêm Ưu điểm Khá ổn định Trở lực tương đối Cấu tạo đơn giản Hiệu suất cao thấp Trở lực thấp Hiệu suất cao Làm việc với chất lỏng bẩn Nhược điểm Có trở lực lớn Khơng làm việc Do có hiệu ứng thành Tiêu tốn nhiều với chất lỏng nên hiệu suất truyền khối vật tư , kết cấu bẩn thấp phức tạp Kết cấu phức Độ ổn định thấp, khó tạp vận hành Khó tăng suất Thiết bị nặng Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phìa có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: Tháp mâm chóp: mâm bố trì có chóp dạng trịn, xupap, chữ s… Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG Nước làm lạnh ống 16x1.6mm (ống trong) với nhiệt độ đầu: t = 25oC, nhiệt độ cuối: t2 = 40oC Sản phẩm đỉnh ống 25x2.5mm (ống ngoài) với nhiệt độ đầu: t D = 78.6OC, nhiệt độ cuối: t’D = 35oC Các tính chất vật lý nước: -Nhiệt dung riêng: Cn = 4180.938 J/kg.độ -Khối lượng riêng: n = 994.895 kg/m3 -Độ nhớt động lực: µn = 0.00076 N.s/m2 -Hệ số dẫn nhiệt: n = 0.623 W/m.K Các tính chất vật lý hỗn hợp sản phẩm đỉnh tại: -Nhiệt dung riêng: CD = 2775.5 J/kg.độ -Khối lượng riêng: D = 804.1 kg/m3 -Độ nhớt động lực: µD = 0.00055 N.s/m2 -Hệ số dẫn nhiệt: D = 0.25 W/m.K -Chuẩn số Prandt: Pr =6.10874 6.2.1 Suất lượng nước cần dùng Công thức:(CT IX.166, [2]) QD’ = Cn*Gn*(t2 – t1) Suất lượng sản phẩm đỉnh GD= 10.102 kg/h = 2.81x10-3 kg/s Lượng nhiệt cung cấp cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: QD’ = CpD’ * GD * (TsD – Tout) = 2775.5 * 2.81x10-3 * (76.8 – 35) =326 J/s = 0.326 KJ/s = 1495193.6 kg/h Gn = 6.2.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều: 6.2.3 Hệ số truyền nhiệt Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức: Trong đó: : hệ số cấp nhiệt nước ống W/m2.K : hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh W/m2.K : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu a Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh ống nhỏ: Nhiệt độ trung bình dịng nước ống: 43 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG Tại nhiệt độ này: Nhiệt dung riêng: Cn = 4180.938 J/kg.độ Khối lượng riêng: n = 994.895 kg/m3 Độ nhớt động lực: µn = 0.00076 N.s/m2 Hệ số dẫn nhiệt: n = 0.623 W/m.K Chuẩn số Prandtl: Prn = 5,1 Vận tốc nước ống: Chuẩn số Reynolds: => Chế độ chảy độ (Dòng chảy chuyển tiếp từ chảy tầng sang chảy rối) Áp dụng công thức công thức xác định chuẩn số Nusselt [2]: Nun = C*k * Prn0.43 *( )0.25 Trong đó: k: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỉ số chiều dài l đường kính d tháp, chọn k = : chuẩn số Prandt sản phẩm đỉnh nhiệt độ trung bình vách C: hệ số phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds, ReD = 2446.4, tra bảng trang 16 C= 4.078 Suy : Nun = *Hệ số cấp nhiệt nước ống trong: = = Nhiệt tải phía sau sản phẩm đỉnh: q = αn (ttbD – tw1) = (78.6-tW1) (W/m2) Với tw1: nhiệt độ vách tiếp xúc với ngưng tụ (ngoài ống nhỏ) b Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu Trong đó: tw1: nhiệt độ vách tiếp xúc với ngưng tụ (oC) tw2: nhiệt độc vách tiếp xúc nước lạnh (oC) (trong ống nhỏ) * Bề dày thành ống: = 0.0016m Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: = 17.5 W/m.K Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1 = 1/5000 m2.K/W Nhiệt trở lớp cáu ống: r1 = 1/5800 m2.K/W Nên: 44 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG Vậy qt = 2156.1(tw1 – tw2) c Xác định hệ số cấp nhiệt nước ngưng tụ ống Vận tốc sản phẩm đỉnh ống ngồi: Đường kính tương đương: dtd = Dtr – dngoài = 0.02 -0.016 = 0.004 m Chuẩn số Reynolds: ⇒Chế độ chảy tầng Áp dụng công thức (CT V.45/17, [2], công thức xác định chuẩn số Nusselt: NuD = 0.15*εl*ReD0.33* PrD0.43 * Gr0.1*( )0.25 Trong εl hệ số hiệu chỉnh, chọn εl =1, , , Hệ số cấp nhiệt nước ống trong: Dùng phép lặp: chọn tW1 = 42.13oC ⇒NuD = 0.008*ReD0.9 * PrD0.43 = 0.008*5.5075970.43*7647.88680.9 = 52.106 qD = * (ttbD – tW1) = 2630.651 * = 20520.33 W/m2 qt = qD = 20520.33 W/m2 tW2 = tW1 - qt * = 58 - 20520.33 * 4.638*10-4 = 32.6oC *(CT V44/16, [2]): Nun = 0.021 * k * Ren0.8 * Prn0.43 * ( )0.25 = 0.021 * * 147760.8 * 5.1120.43 * ( )0.25 = 4079.376 *Xác định = = 1998112.198 W/m2.K qn = *(tW2 – ttb) = 1998112.198 *(32.6-32.5)=22149.294W/m2 Kiểm tra sai số: Chấp nhận d Hệ số truyền nhiệt 6.2.4 Bề mặt truyền nhiệt Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: 6.2.5 Cấu tạo thiết bị Chiều dài ống truyền nhiệt: Chọn L = 10m Kiềm tra: L/dtr = 10/0.0128 = 781.25 > 50 => k = thoải mãn 45 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG 6.3 Thiết bị đun sôi nhập liệu Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 38x3mm Đường kính ngồi: dn = 38mm = 0,038m Bề dày ống: t = 3mm = 0,003m Đường kính trong: dtr = 0,032m Hơi đốt nước 2,5 at ống 38*3 Tra bảng I.251/314, [1] Nhiệt hóa hơi: rH2O = rn = 2189,5 kJ/kg Nhiệt độ sôi: tH2O = tn = 126,71oC Dịng nhập liệu có nhiệt độ: Trước vào nồi đun (lỏng): tF = 25oC Sau đun: tS = 81,7oC Khối lượng riêng: (KJ/kg oC) Thơng số lấy số nhiệt độ trung bình oC 6.3.1 Suất lượng nước tải nhiệt cần dùng Công thức (CT IX.170/199, [2]): Q’F = Dn.rn Trong đó: D2 lưu lượng nước tải nhiệt cần dùng Q’F nhiệt lượng thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu Lượng nước cần dùng: 6.3.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên: 6.3.3 Hệ số truyền nhiệt Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức: Trong đó: : hệ số cấp nhiệt đốt W/m2.K : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu W/m2.K : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu a Hệ số cấp nhiệt dịng nhập liệu ngồi ống Tại nhiệt độ sơi dịng nhập Ts = 81,7 liệu ta có số liệu sau: Bảng 1Thong số tính chất vật lý hỗn hợp Ts=81.7 Ethanol Nước Hỗn hợp 46 Tra ĐỒ ÁN MÔN HỌC (W/ C (J/Kg.độ) r (J/Kg) (N/m) GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG 733,385 0,425.10-3 0,163 3245,5 873533,95 17,17.10-3 970,81 0,35.10-3 0,673 4024,89 2409922,08 62,641.10-3 844,87 0,36.10-3 0,443 3790,3 2355687,579 66,49.10-3 I.2/9 I.101/91 I.130/135 I.154/172 I.212/254 I.242/300 Ta có nhiệt độ sôi nhập liệu t = 81,7 oC, ta có cơng thức tính α (cơng thức trang 26 STQTTB) = = 0,908 kg/m3 Với: Suy ra: (Công thức trang 25,STQTTB ) = 1,194.= Suy ra: = 1,194 b Xác định hệ số cấp nhiệt đốt phía ống (công thức 3.66 trang 120 tập 10) Tại nhiệt độ dịng nóng T=126,71 ta có thơng số sau: A=190,013 (tra bảng trang 29) Nguyên tắc: Giả sử nhiệt truyền từ vỏ ống đến bề mặt ống nhiệt truyền qua bề dày ống lớp cáu nhiệt lượng từ mặt đến nước qngưng =qw=q= =(tw1 – tw2)/ nên tw2=tw1- Stt 5 5,2 5,4 5,6 5,8 Tw1 121,71 121,51 121,31 121,11 120,91 αn 8378,104 8296,356 8218,447 8144,065 8072,931 qn 41890,52 43141,05 44379,62 45606,76 46823 Tw2 78,89789 77,41984 75,95403 74,49989 73,0569 αsp 3471,439 3020,778 2608,845 2233,915 1894,336 88687,95 72709,65 58970,41 47247,05 37331,48 Trong trường hợp thứ có 3,59% thỏa mãn điều kiện truyền nhiệt ( Vậy: Tw1=121,11, Tw2= 74,5 Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: 47 111,714 68,5394 32,8772 3,59659 20,27107 ĐỒ ÁN MƠN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG Trong đó: : hệ số cấp nhiệt đốt W/m2.K : hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy W/m2.K : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu 6.3.4 Bề mặt truyền nhiệt Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: 0,019 m2 6.3.5 Cấu tạo thiết bị Số ống truyền nhiệt: n = ống Ống bố trí theo hình lục giác (Tham khảo bảng V.11 trang 48) Chiều dài ống truyền nhiệt: Số ống đường chéo: b= Bước ống: t = 1,2.dn = 1,2.0,038 = 0,0456 (m) Đường kính thiết bị: (CT.V140, trang 49) D = t.(b-1) + 4dn = 0,0456.(3-1) + 4.0,038 = 0,2432m 6.4 Thiết bị đun sôi đáy tháp *Chọn thiết bị gia nhiệt đáy tháp nồi đun Kettle *Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 38*3mm Đường kính ngồi: dn = 38mm = 0,038m Bề dày ống: t = 3mm = 0,003m Đường kính trong: dtr = 32mm = 0,032m Hơi đốt nước 2,5 at ống 38*3 Tra bảng I.251/314, [1] Nhiệt hóa hơi: rH2O = rn = 2189,5 kJ/kg Nhiệt độ sôi: tH2O = tn = 126,71oC Dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ: Trước vào nồi đun (lỏng): ts1 = 92,5 oC (do x1’ = 0,041) Sau đun (lỏng sôi): ts2 = 98oC 6.4.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình: Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên: 6.4.2 Suất lượng nước tải nhiệt cần dùng Công thức:(CT IX.170/199, [2]) QD2 = Dn rn Trong đó: D2 lưu lượng nước tải nhiệt cần dùng 48 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG : Nhiệt lượng thiết bị gia nhiệt đáy tháp Lượng nước cần dùng: 6.4.3 Hệ số truyền nhiệt Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức: (W/m2.K) Trong đó: : hệ số cấp nhiệt đốt W/m2.K : hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy W/m2.K : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu 6.4.3.1 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu Trong đó: tw1: nhiệt độ vách tiếp xúc với đốt ống (oC) tw2: nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (oC) Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: (W/m.K)( trang 313 sổ tay qttb ) Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1= 0,387.10-3(K/W) Nhiệt trở lớp cáu ống: r2= 0,464.10-3(K/W) =1,022 (K/W) 6.4.3.2 Xác định hệ số cấp nhiệt phía sản phẩm đáy Tại nhiệt độ sản phẩm đáy Tw = 98 liệu ta có số liệu sau: (W/ C (J/Kg.độ) r (J/Kg) (N/m) Ethanol 717,9 0,531.10-3 0,161 3490 815588,64 15,68.10-3 Nước 959,4 0,292.10-3 0,679 4226 2265058,8 59,27.10-3 Hỗn hợp 871,453 0,316.10-3 0,445 4005,2 1830217,752 46,19.10-3 Ta có nhiệt độ sản phẩm đáy Tw = 98, ta có cơng thức tính α: (CT trang 26 STQTTB) = = 0,6 kg/m3 Với: Suy ra: (CT trang 25,STQTTB) = 1,126.= 0,159 49 Tra I.2/9 I.101/91 I.130/135 I.154/172 I.212/254 I.242/300 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG Nên: 6.4.3.3 Xác định hệ số cấp nhiệt đốt phía ống (cơng thức 3.66 trang 120 tập 10) Tại nhiệt độ dịng nóng T=126,71 ta có thông số sau: A=190,013 (tra bảng trang 29) Nguyên tắc: Giả sử nhiệt truyền từ vỏ ống đến bề mặt ống nhiệt truyền qua bề dày ống lớp cáu nhiệt lượng từ mặt đến nước qngưng =qw=q= =(tw1 – tw2)/ nên tw2=tw1- Stt 1 1.2 1.3 1.4 1.5 Tw1 125.7 125.5 125.4 125.3 125.2 αn 12528.1 1.6 125.11 11139.31 11969.97 11732.82 11517.45 11320.49 qn 12528.1 14363.9 15252.6 16124.4 16980.7 17822.8 Tw2 αsp 112.9062 1205.65 900.438 110.83 109.821 770.295 108.830 653.566 107.855 549.266 456.513 106.895 Trong trường hợp thứ có 2,33% thỏa mãn điều kiện truyền nhiệt ( Vậy: Tw1=125,51, Tw2= 110,83 Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức: Trong đó: : hệ số cấp nhiệt đốt W/m2.K : hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy W/m2.K : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu 6.4.4 Bề mặt truyền nhiệt Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: 50 21287.1 14028.8 11224.57 8875.98 6923.87 5316.10 69.9143 2.332861 26.40914 44.95319 59.22515 70.17262 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG 0,377m2 6.4.5 Cấu tạo thiết bị Số ống truyền nhiệt: n = ống Ống bố trí theo hình lục giác (Tham khảo bảng V.11 trang 48) Chiều dài ống truyền nhiệt: Số ống đường chéo: b=3 Bước ống: t = 1,2.dn = 1,2.0,038 = 0,0456 (m) Đường kính thiết bị: (CT.V140, trang 49) D = t.(b-1) + 4dn = 0,0456.(3-1) + 4.0,038 = 0,2432m 6.5 Bồn cao vị 6.5.1 Cấu tạo thiết bị Chọn ống dẫn có đường kính dtr = 50 mm Tra bảng II.15/381, [1] Độ nhám ống: =0.2 mm = 0.0002 m Tổn thất đường ống dẫn: Trong đó: : hệ số ma sát đường ống l1: chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 20 m d1: đường kính ống dẫn, d1 = dtr = 0.015 m : tổng hệ số tổn thất cục vF: vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn a Xác định vận tốc nhập liệu ơng dẫn Nhiệt độ trung bình dịng feed: Tại nhiệt độ thì: Khối lượng riêng ethanol: 759.985 kg/m3 Khối lượng riêng nước: 985.993 kg/ m3 Khối lượng riêng hỗn hợp: Tra độ nhớt trang 92, [1] Độ nhớt ethanol: 0.00066415 N.s/m2 Độ nhớt nước: 0.0005222 N.s/m2 Độ nhớt hỗn hợp: Lg = xDlgM + (1 – xD)lgE => = 0.000633 N.s/m2 Vận tốc dòng nhập liệu ống: b Xác định hệ số ma sát đường ống 51 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG Chuẩn số Reynolds: ⇒ Chế độ chảy rối Áp dụng công thức II.58/377, [1]: Với mặt cắt ngang ống hình trịn tra bảng II.10/378, [1]: Ta có A 64 === 0.1088 c Xác định tổng hệ số tổn thất cục Tra bảng II.16/382, [1]: Chổ uốn cong: Chọn dạng ống cong ξ1 =0.64 Có chổ uốn nên ξ1 = 0.64 = 1.28 Van cầu với độ mở hồn tồn ξvan = 10 Đường ống có van cầu nên ξvan = 10 Tháp: ξtháp = Nên ∑ ξ = ξu1 + ξvan + ξtháp = 1.28 + 10 +1 = 12.28 6.5.2 Chiều cao bồn cao vị: Chọn: mặt thoáng chát lỏng bồn cao vị (2-2) vị trí nhập liệu tháp Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): Trong đó: z1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, coi chiều cao bồn cao vị z = hcv z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay coi chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu, z = hchân dỡ + hgờ đáy + ( Nchưng +1)hđ = 0.3 + 0.025 + (9+1)0.25 = 2.825 m P1: áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at P2: áp suất (2-2) , ta chọn P2= at v1: vận tốc mặt thoáng (1-1), coi v1 = m/s v2: vận tốc vị trí đĩa nhập liệu (2-2), v2 = vF =0.02908 m/s h1: tổn thất đường ống, h1 = 0.00678 m Nên chiều cao bồn cao vị là: Chọn Hcv = 3.5 m 6.6 Bơm 52 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG 6.6.1 Tính suất thể tích: Theo đề lưu lượng nhập liệu Q= 5(m3/s) Đường kính ống bơm tính theo II-36/369, [1] : vận tốc chất lỏng ống, theo bảng II-2/ 369, [1] ta chọn =1.5m/s Do : =0.021(m)=21(mm) Chọn: d = 23 mm 6.6.2 Tính áp suất toàn phần bơm: Áp suất toàn phần bơm tính theo hệ thống cơng thức II.53/376, [1] : : áp suất động lực học : áp suất để khắc phục lực ma sát dòng chảy ổn định ống thẳng : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục : áp suất để nâng chất lỏng lên cao để khắc phục áp suất thủy tĩnh : áp suất để bổ sung cần thiết 6.6.3 Tính áp suất động học: Theo công thức II-54/376, [1] : , N/m2 Với khối lượng riêng hỗn hợp đầu 25oC : vận tốc chất lỏng, theo = 1.5(m/s) ==982.485(N/m2) 6.6.4 Tính áp suất để khắc phục trở lực ma sát : Theo công thức II-55/376, [1] : , N/m2 Với L : chiều dài ống dẫn : chọn L = 10m d: đường kính ống tương đương : d = 0,023m = 23mm : hệ số ma sát phụ thuộc vào độ nhẵn thành ống chế độ chất lỏng, phụ thuộc vào Re : : độ nhớt hổn hợp đầu 25oC, tính theo cơng thức: lglg+ (1-lg xF =0.3 (phần mol) Tra độ nhớt trang 92, [1] =0.001095(Ns/m2 =0.0009(Ns/m2) = 0.0009545(Ns/m2) Re= 31565 Mà Re > 4000 nên chất lỏng chảy rối 53 ĐỒ ÁN MƠN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG Tính chuẩn số Reynold giới hạn khu vực nhẵn thủy lực Regh : =6 Với : độ nhám tuyệt đối, tra bảng II -15/ 381, [1] với điều kiện ống mới, không hàn: =6= 3872 Tính chuẩn số Reynold bắt đầu xuất vùng nhám Ren : =220 = 220 = 128348 hệ số ma sát khu vực độ phụ thuộc vào hệ số Râynôn độ nhám khu vực thành ống II.64/380, [1] ==0.0301 =0.0301= 12857(N/m2) 6.6.5 Tính tổn thất áp suất trở lực cục : Theo công thức II- 56/377, [1]: == hệ số trở lực cục hệ thống ống gồm: hai khuỷu hệ số trở lực ; van chắn trước ống đẩy để điều chỉnh lưu lượng có hệ số trở lực đầu vào thùng cao vị có hệ số trở lực Tính : theo bảng II -16.N033/ 395, [1] chọn tỷ số: =1 =0.15 Tính: Chọn van tiêu chuẩn, theo bảng II-16 N037/397, [1] ta có:= 10.8 Tính Chọn = 0.04; = 0.1 Theo bảng II -16N0 /384, [1] : =0.51 Vậy tổng trở lực cục hệ thống ống dẫn : 11.46 =11.4611259(N/m2) 6.6.6 Tính áp suất để nâng chất lỏng lên độ cao: Theo công thức II -57/377, [1] : H : chiều cao nâng chất lỏng cột chất lỏng : Hcv = 3.5 m (N/m2) Vậy áp suất toàn phần bơm tạo cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực =982.485+12857+11259+= 55084(N/m2) 6.6.7 Công suất bơm động điện: Chiều cao toàn phần H bơm cần tạo : H=== 6.43(m) Công suất yêu cầu trục bơm tính theo công thức II -189/439, [1]: N= : hiệu suất bơm : chọn Q =510-4(m3/s) 54 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG N ==0.035(Kw) Công suất động điện tính theo cơng thức : : hiệu suất động : == 0.05 (Kw) Ta chọn công suất thực tế động với hệ số dự trữ công suất Theo bảng II-33/440, [1] với Ndc < ta chọn = 2= (kW) Vậy công suất bơm : N = 0,035 (kW)= 35 W Công suất động :Ntt = 0,1(Kw) =100W Như kết luận ta chọn bơm với suất 30 lít/giờ với cơng suất suất bơm đạt 35(W) cơng suất động đạt 100(W) KẾT LUẬN Sau thời gian dài miệt mài tìm hiểu tra cứu tài liệu tham khảo, với giúp đỡ hướng dẫn nhiệt tình từ Nhung, nhóm em hồn thành đồ án thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp Ethanol-Nước Trong suốt q trình làm đồ án nhóm em rút số nhận xét sau: Tính tốn thiết kế tháp chưng cất q trình phức tạp, địi hỏi tính tỉ mỉ, kiên trì Người làm đồ án cần có kiến thức chưng cất tính tốn thiết bị phụ tính tốn khí 55 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG Hơn nữa, việc làm đồ án thiết kế thiết bị chưng cất cịn giúp chúng em có thêm kiến thức trình chưng cất, nâng cao kỹ mềm kỹ tra cứu, tìm kiếm, xử lý số liệu, kỹ làm việc nhóm thực hành vẽ vẽ autocad Đồ án môn học trình thiết bị hội tốt cho sinh viên năm chúng em tiếp cận gần với thực tế đúc kết thêm kinh nghiệm thực đồ án Để hoàn thành đồ án chúng em vô cảm ơn cô Nguyễn Thị Phương Nhung người hướng dẫn tận tình giúp đỡ, bảo chúng em suốt thời gian qua Đây lần đầu làm đồ án, chúng em cố gắng hoàn thành đồ án cách tốt khơng tránh khỏi sai sót q trình tính tốn thiết bị cách trình bày đồ án Chúng em mong thầy xem xét bảo chúng em thêm Chúng em xin chân thành cảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS TSKH Nguyễn Bin Tập thể tác giả (1999), “Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất – tập 1”, nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 626 tr [2] GS TSKH Nguyễn Bin Tập thể tác giả (1999), “Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất – tập 2”, nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 447 tr [3] GS TSKH Nguyễn Bin (2008), “Các trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm – tập 4: Phần riêng tác dụng nhiệt ( chưng luyện, hấp 56 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS.NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG thụ, hấp phụ, trích ly, kết tinh, sấy)” Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 395 tr [4] GS TSKH Nguyễn Bin (2008), “Các trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm – tập 1: Các trình thủy lực, bơm, quạt, máy nén” Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 262 tr [5] Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam (2009), “ Quá trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – tập 10: Ví dụ Bài tập”, Nhà xuất Đại học Quốc gia tpHCM, 468tr 57 ... lý hỗn hợp Ts=81.7 .48 DANH MỤC HÌNH Hình 1 Sơ đồ cơng nghệ q trình chưng cất hỗn hợp ethanol nước Hình Đồ thị t-xy cho hệ Ethanol- nước .12 Hình 2 Giản đồ cân lỏng – hỗn hợp ethanol nước. .. chọn thích hợp Đối với hệ Ethanol- Nước cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cât để nâng cao độ tinh khiết cho Ethanol Nhiệm vụ đồ án thiết kế tháp chưng cất Ethanol- Nước hoạt... nghệ Hình 1 Sơ đồ cơng nghệ q trình chưng cất hỗn hợp ethanol nước Hình 1.1.Sơ đồ cơng nghệ q trình chưng cất hỗn hợp ethanol nước Chú thích: Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bồn cao vị Van Thiết bị đun