Do an chung cat thiet ke mam chop hon hopEtilenglicolNuoc

o Sử dụng nồi đun để cấp nhiệt cho tháp chưng cất: nồi đun cho tháp chưng cất là thiết bị trao đổi nhiệt được đặt ở đáy tháp, để cung cấp nhiệt cho hệ thống Có các loại nồi đun cho tháp [r]

Mục Lục Chương 1: Tổng Quan Tổng quan sản phẩm .4 1.1 Nước: .4 1.2 Etilenglicol .5 Chương Sơ đồ quy trình công nghệ Quy trình: .11 Chương 3: Cân Bằng Vật Chất Năng Lượng 12 3.1 Những thông số và quy ước ban đầu 12 3.2 Cân vật chất .12 3.3 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG .17 Chương 4: Tính Toán Thiết Bị Chưng Cất .21 4.1 Đường kính tháp .21 4.1.1 Đường kính đoạn luyện: 21 4.1.2 Đường kính đoạn chưng: 23 4.2 Chiều cao tháp 26 4.3 Tính toán chóp và ống chảy chuyền 26 4.3 Tính trở lực tháp 32 Chương 5: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 36 5.1 Bề dày thân tháp: 36 5.2 Đáy và nắp thiết bị 37 5.3 Bích ghép thân, đáy và nắp: 38 5.4 Bích ghép ống dẫn 39 5.4.1 Ống dẫn dòng nhập liệu: 39 5.4.2 Ống đỉnh tháp: .40 5.4.3 Ống dẫn dòng hoàn lưu: 41 5.4.4 Ống dẫn từ nồi đun qua tháp: 42 5.4.5 Ống dẫn sản phẩm đáy: 43 5.5 Tính mâm 43 5.6 Chân đỡ: 44 5.6.1 Tính khối lượng toàn tháp .44 Trang 5.6.2 Chọn chân đỡ 47 5.6.3 Tính chiều dày lớp cách nhiệt 47 Chương 6: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT-THIẾT BỊ PHỤ 49 6.1 Thiết bị đun sôi đáy tháp 49 6.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: 53 6.3 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 57 6.4 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu .61 6.5 Tính toán bơm nhập liệu 65 6.5.1 Chiều cao bồn cao vị .65 6.5.2 Chiều cao bồn cao vị .67 6.6 Bơm 68 Chương 7: TÍNH KINH TẾ 71 Bảng tính toán vật tư 72 Lời Kết .73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 Trang Mở đầu: Trong ngành công nghiệp hóa chất để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm ta thường dùng các phương pháp cô đặc, hấp thu, chưng cất Tùy theo các yêu cầu sản phẩm và tính kinh tế mà ta chọn lựa phương pháp phù hợp Với hỗn hợp Nước-Etilenglicol là hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm mong muốn Đồ án môn học quá trình và thiết bị là môn học mang tính tổng hợp quá trình học tập các kỹ sư công nghệ hóa học tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hóa chất-thực phẩm-sinh học Đây là bước tập dược đầu tiên vận dụng kiến thức đã học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp thông qua đồ án môn học này Nhiệm vụ đồ án này là Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp Nước-Etilenglicol với số liệu ban đầu: - Năng suất nhập liệu: 1500kg/h Nồng độ nước dòng nhập liệu: 15% phân mol Nồng độ etilenglicol dòng sản phẩm: 99% phân mol Các thông số khác sinh viên tự chọn Trang Chương 1: Tổng Quan Tổng quan sản phẩm Nguyên liệu đầu vào là hỗn hợp Nước-Etilenglicol với số liệu cho trên 1.1 Nước: 1.1.1 Sơ lược - Hình 1: Cấu trúc không gian H2O Nước là hơp chất hóa học Hydro và Oxy, công thức hóa học: H 2O Nước là chất quan trọng công nghiệp và đời sống, chiếm 70% diện tích trên trái đất Bên cạnh nước thông thường còn có nước nặng và nước siêu nặng Ở các loại nước này, các nguyên tử hydro bình thường thay các đồng vị đơteri và triti Nước nặng có tính chất vật lý(điểm nóng chảy cao hơn, nhiệt độ sôi cao hơn, khối lượng riêng cao hơn) và tính chất hóa học khác với nước thường 1.1.2 Cấu tạo và tính chất phân tử nước 1.1.2.1 Hình học phân tử nước Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hydro và nguyên tử oxy Trong không gian phân tử nước có góc liên kết là 104,45 o Do các cặp điện tử tự chiếm nhiều chỗ nên sai lệch so với góc lý tưởng hình tứ diện Chiều dài liên kết O-H là 86,84 picomet 1.1.2.2Liên kết hydro Các phân tử nước tương tác lẫn thông qua liên kết hydro và nhờ lực hút phân tử lớn Trang Hình 2: Các phân tử nước tạo liên kết hydro liên phân tử - Nước có tính lưỡng cực Nhiệt độ sôi nước: 100oC (ở 760 mmHg) Nhiệt độ nóng chảy nước: 0oC (ở 760 mmhg) 1.2 Etilenglicol 1.2.1 Giới thiệu chung Hình 3: Cấu trúc không gian Etilenglicol Etilenglicol, 1,2-ethanediol, có công thức cấu tạo: HOCH 2CH2OH, khối lượng phân tử MEG = 62 (g/mol) Với tên thường gọi là Glycol là loại rượu hai nhóm chức đơn giản Được sản xuất đầu tiên WUZT cách cho phản ứng 1,2-dibromoethan với CH3COOAg để tạo sản phẩm dietilen acetat ester, sau đó sử dụng H phân hủy ester đó thành etilenglicol Trang 1.2.2 Tính chất vật lý etilenglicol Etilenglicol là chất lỏng không màu, không mùi và có vị ngọt, háo nước và có thể tan hoàn toàn nhiều dung môi phân cực nước, rượu và aceton Tuy nhiên các dung môi không phân cực Benzen, Toluen, cloroform khả hoàn tan Etilenglicol (EG) không cao Một số thông số vật lý: - Nhiệt độ điểm sôi (tại 101325 Pa): 197,60oC Điểm nóng chảy: -13oC Khối lượng riêng 20oC : 1,1135 g/ml Etilenglicol khó kết tinh dịch nó có tính nhớt cao, nhiên ta làm lạnh dung dịch đóng rắn tao thành sản phẩm có trạng thái giống thủy tinh Ứng dụng lớn EG là sử dụng làm chất chống đông vì nó có khả hạ nhiệt độ đông đặc xuống thấp 0oC hòa trộn với nước 1.2.3 Tính chất hóa học Etilen glicol có tính chất hóa học rượu hai chức thông thường Với hai nhóm chức cạnh cho phép xảy phản ứng đóng vòng ete hay thực phản ứng trùng ngưng polyeste với các acid đa chức có vai trò quan trọng công nghiệp Một số phản ứng đặc trưng như: - Phản ứng oxy hóa - Phản ứng tạo ete và ester hóa - Phản ứng epoxy -Phản ứng tạo 1,3- dioxan 1.2.4 Sản xuât etilenglicol công nghiệp Trong công nghiệp người ta sản xuất Etilenglicol qua số quá trình sau: - Sản xuất EG qua quá trình Clohydrin - Sản xuất EG tử C1 - Oxy hóa trực tiếp Etilen - Thủy phân Etilen Oxit 1.3 Phương pháp và thiết bị chưng cất 1.3.1 Phương pháp chưng cất Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng (hay nhiệt đô sôi khác cùng áp suất), cách lặp lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi-ngưng tụ, đó vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Khác với cô đặc, Trang chưng cất là quá trình đó dung môi và chất tan bay hơi, còn cô đặc là quá trình đó có dung môi là bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có cấu tử thì ta thu sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu từ có độ bay lớn (Nhiệt độ sôi nhỏ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ cấu tử Nước – Etilenglicol - Sản phẩm đỉnh là: Chủ yếu là Nước và ít là Etilenglicol - Sản phẩm đáy là: Chủ yếu là Etilenglicol và ít là Nước Các phương pháp chưng cất phân loại theo:  Áp suất làm việc: chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Nguyên tắc phương pháp này là dựa vào nhiệt đô sôi các cấu tử, nhiệt độ sôi các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi các cấu tử  Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) o Chưng cất gián đoạn(chưng đơn giản): phương pháp này sử dụng các trường hợp sau: - Khi nhiệt độ sôi các cấu tử khác xa - Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao - Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay - Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử o Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình thưc liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn  Phương pháp cấp nhiệt đáy tháp: o Sử dụng nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp: chưng cất hỗn hợp nhập liệu thu nước đáy tháp chưng cất, cấu tử còn lại dễ bay thì ta có thể sử dụng nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp o Sử dụng nồi đun để cấp nhiệt cho tháp chưng cất: nồi đun cho tháp chưng cất là thiết bị trao đổi nhiệt đặt đáy tháp, để cung cấp nhiệt cho hệ thống Có các loại nồi đun cho tháp chưng cất: - Thiết bị trao đổi nhiệt loại hai vỏ: dùng cho tháp chưng cất suất nhỏ - Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm - Nồi đun đặt ngoài: chất tải nhiệt nóng ống, vào tháp cân với dòng sản phẩm đáy, đó nồi đun xem là mâm lý thuyết Dòng cho tháp chưng cất suất cao Thiết bị trao đổi nhiệt đặt đứng: chất tải nhiệt ngoài ống, bốc hoàn toàn phần lỏng vào nồi đun Do đó, có cùng thành phần với dòng sản phẩm đáy - Thiết bị trao đổi nhiệt nhân dòng lỏng từ mâm đáy và nó bốc phần: Trang Đối với hệ Nước-Etilenglicol ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường 1.3.2 Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp chúng có yêu cầu là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán lưu chất này vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phu, đây ta khảo sát loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm - Tháp mâm: thân hình trụ, thẳng đứng phía có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: o Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ S o Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh - Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo môt hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự So sánh ưu nhược điểm các loại tháp; Ưu điểm Nhược điểm Tháp chêm Tháp xuyên lỗ - - Cấu tạo khá đơn giản Trở lực thấp Làm việc với chất lỏng bẩn dùng đệm cầu có chất lỏng - - - Do có hiệu ứng thành  hiệu suất truyền khối thấp Độ ổn định không cao, khó vận hành Do có hiệu ứng thành khi tăng suất thì hiệu ứng thành tăng  khó tăng suất Thiết bị nặng nề Tháp mâm chóp Trở lực tương đối thấp Hiệu suất khá cao Không làm việc với chất lỏng bẩn Kết cấu khá phức tạp Khá ổn định Hiệu suất cao - Yêu cầu đồ án ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất Nước-Etilenglicol Trang Trở lực lớn Tiêu tốn vật tư, kết cấu phức tạp Chương Sơ đồ quy trình công nghệ Chú thích các kí hiệu quy trình: Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bồn cao vị Thiết bị đung sôi dòng nhập liệu Bẩy Lưu lượng kế Nhiệt kế Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 10 Áp kế 11 Thiết bị đung sôi đáy tháp 12 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 13 Bồn chứa sản phẩm đáy 14 Bộ phận chia dòng 15 Bồn chứa sản phẩm đỉnh Trang 10 P T Nước làm lạn h o t=27 C 14 o t=37 C T Hôi baõo hoøa 15 P=20at T Nước ngưng 11 Hôi baõo hoøa P=20at 12 Nước làm lạnh o t=27 C Nước ngưng o 13 t=40 C 15 Bồ n a sản phẩm đỉnh 14 13 12 Boä phaän chia doøng Bồn chứa sản phẩm đáy Thiết bị làm nguội sản phẩ m đáy 11 Thiết bị đun sôi đáy thá p AÙp keá 10 Thieát bò ngöng tuï saûn phaå m ñænh Thaù p chöng caát Nhieät keá Lưu lượng kế Baãy hôi Thieát bò ñun soâi doø ng nhaäp lieäu Boàn cao vò Bôm Bồn chứa nguyên liệu TEÂN GOÏI STT ÑAËC TÍNH KYÕ THUAÄT SL VAÄT LIEÄ U Trường Đạ i học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Khoa Kyõ Thuaät Hoùa Hoï c BOÄ MOÂN Quaù Trình vaø Thieá t Bò Đồ á n môn học: Quá trình và Thiết bị THIẾT KẾ THÁ P CHƯNG CẤT HỖN HỢP NƯỚC - ETILENGLICOL LOẠI MÂM CHÓP NĂNG SUẤT 1500 KG/H SVTH GVHD CNBM Chức Trang 10 Nguyễn Đức Trung Traàn Taán Vieät Leâ Thò Kim Phuïng Hoï teân Chữ ký QUY TRÌNH COÂNG NGHEÄ Tæ leä: Baû n veõ soá : 1/2 Ngaø y HT: 25/11 Ngaøy BV: 21/12 (Hình 4: Bản vẽ quy trình công nghệ) Quy trình: Hỗn hợp Nước-Etilenglicol suất nhập liệu đầu 1500kg/h có nồng độ nước 15% phân mol, nhiệt độ khoảng 27oC bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Sau đó, hỗn hợp gia nhiệt đến nhiệt độ sôi thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (4) đưa vào tháp chưng (8) đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn luyện tháp chảy xuống Trong tháp, từ lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ơ đây, có tiếp xúc và trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng càng xuống càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay , pha tạo nên từ nồi đun (11) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ càng lên cao càng thấp, nên qua các đĩa từ lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là Etilenglicol ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu hỗn hợp cấu tử nước chiếm nhiều (nồng độ 99% theo phân mol) Hơi nước vào thiết bị ngưng tụ (9) và ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ hoàn lưu tháp đĩa trên cùng Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bốc còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay (Etilenglicol) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ nước là 1% theo phần mol, còn lại là Etilenglicol Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (11) Trong nồi đun dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại khỏi nồi đun qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (12), làm nguội 40oC, đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (13) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh là nước thải bỏ, sản phẩm đáy là Etilenglicol giữ lại Trang 11 Chương 3: Cân Bằng Vật Chất Năng Lượng 3.1 Những thông số và quy ước ban đầu Chọn loại tháp là tháp mâm chóp Hỗn hợp: - Nước : H2O, MN=18 (g/mol) - Etilenglycol: HOCH2CH2OH:, MEG=62 (g/mol) Thông số ban đầu: - Năng suất nhập liệu: GF = 1500 (kg/h) - Nồng độ nhập liệu: xF = 0,15 (mol nước/ mol hỗn hợp) - Nồng độ sản phẩm đỉnh chọn: xD = 0,99 (mol nước/ mol hỗn hợp) - Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 0,01 (mol nước/ mol hỗn hợp) - Chọn: o Nhiệt độ dòng nhập liệu: tf = 27oC o Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi o Chọn đốt là nước Ph = 20 at - Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: o Nhiệt độ sản phẩm sau làm nguội: tW = 40oC o Nhiệt độ dòng nước lạnh vào : tV = 27oC o Nhiệt độ dòng nước lạnh ra: tR = 40oC - Trong đồ án này ta quy ước các ký hiệu sau: o GF, F : suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h o GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h o GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h Trang 12 o xi, xi’: nồng độ phần mol, phần khối lượng cấu tử i o Mi: khối lượng mol trung bình dòng thứ i 3.2 Cân vật chất MF = xF.MN + (1-xF).MEG = 0,15.18 + (1 – 0,15).62 = 55,4(kg/kmol) F= G F 1500 = =27,08 (kmol/h) M F 55,4 D=F ( x F −x W 0,15−0,01 =1500 =3,87 (kmol/h) x D −xW 0,99−0,01 ) ( ) →W =F−D=27,07−3,87=23,21 (kmol/h) x 'F = xF M N 0,15.18 = =0,0487 (Khối lượng nước/khối lượng x F M N + ( 1−x F ) M EG 0,15.18+ ( 1−0,15 ) 62 hỗn hợp) Bảng 3.1: Tính toán tương tự ta có bảng số liệu sau: kg/h kmol/h phần mol phần KL Mi(g/mol) F 1500 27.08 0.15 0.0487 55.4 D 71.325 3.87 0.99 0.9664 18.44 W 1428.7 23.21 0.01 0.0029 61.56 3.3 Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc, mâm lý thuyết, mâm thực tế Tỉ số hoàn lưu làm việc tối thiểu: Rmin = xD− y ¿ F ¿ F y −x F Ơ đây y*F xác định từ đồ thị đường cân X-Y từ xF xF = 0,15 ta tìm y*F = 0,77  Rmin = 0,99−0,77 =0,355 0,77−0,15 R=1,3Rmin + 0,3 = 1,3.0,355 + 0,3 = 0,762 Trang 13 Phương trình đường làm việc phần luyện: y= x R 0,762 0,99 x+ D = x+ R+1 R+ 0,762+1 0,762+1 → y =0,432 x +0,562 Phương trình làm việc phần chưng: Trong đó: f = y= R+ f f −1 x− x R+1 R+1 W x D−x W 0,99−0,01 = =7 x F −x W 0,15−0,01 Vậy phương trình đường chưng là: y= 0,762+7 7−1 x− 0,01 0,762+1 0,762+1  y = 4,405x – 0,034 Bảng 3.2: Bảng số liệu ta dựng đường cân x-y x y t 0 197 0.154 0.949 130.1 0.277 0.974 120.5 0.378 0.984 114.3 0.463 0.988 110.8 0.596 0.992 106.3 0.697 0.995 103.5 0.775 0.995 103.2 Trang 14 0.838 0.998 101.5 0.889 0.998 101 0.932 0.999 100.6 1 100 Trang 15 - Xác định số đĩa lý thuyết-thực tế o Từ điểm xD ta dựng đường thẳng song song với trục Oy cắt đường 45o điểm a o Xác định đường làm việc phần chưng: ta xác định điểm b trên trục Oy có tọa độ - xD ( 0,562 ) Sau đó ta nối điểm a với điểm b ta có đường R+ làm việc phần luyện o Vẽ đường nhập liệu: nhập liệu là lỏng sôi nên từ xF ta kẻ đường song song với Oy cắt đường làm việc điểm c o Vẽ đường làm việc phần cất: từ điểm xW ta vẽ đường thẳng qua điểm c (giao điểm đường làm việc phần chưng và đường nhập liệu) o Xác định số đĩa lý thuyết: Từ điểm a ta vẽ đường song song với trục Ox cắt đường cân điểm, từ giao điểm đó ta vẽ đưởng thẳng song song với trục Oy gặp đường nồng độ làm việc điểm khác Cứ tiếp tục vẽ các đường song song đến điểm có tọa độ x≤xW thì dừng lại Kết ta nhận đường gấp khúc Số tam giác tạo thành đường gấp khúc và đường nồng độ làm việc là số đĩa lý thuyết o Ta xác định đĩa lý thuyết và nhập liệu đĩa số Xác định mâm thực tế o Xác định độ bay tương đối các đĩa 1, đĩa và đĩa 6, kí hiệu i tương ứng với độ bay tương đối cho các đĩa kể trên ❑1 = y 1−x 0.998 1−0,99 = =5,04 1− y x1 1−0,998 0,99 ❑3 = y 1−x3 0,77 1−0,15 = =18,971 1− y x 1−0,77 0,15 ❑6= y 1−x 0.0714 1−0,01 = =7,612 1− y x 1−0,0714 0,01 Trang 16 o Xác định độ nhớt – xác định hiệu suất mâm Bảng 3.3: bảng số liệu tính toán µi Nước EG Nước EG Nước EG F D W μtb 0.2769 1.6 0.1769 0.35 0.1438 0.15 i µtb.i i 0.2845 5,04 0.1886 0.463 0.316 18.97 5.9945 0.583 0.15 7.61 1.1415 0.5 μtb tính theo công thức: công thức (I.12), trang 84, [5]) log μtb =x i log μ N + ( 1−xi ) log μ EG i xác định dựa trên tích μtb.i và dựa vào đồ thị H.5.24 trang 125 [2] xác định hiệu suất mâm ❑D +❑F 0,583+0,463 = =0,523 2 ❑ +❑F 0,5+ 0,463 ❑c = W = =0,482 2 ❑l = Trang 17 - Số mâm thực tế phần luyện là ¿ 0,523 =3,82  chọn số mâm thực tế là - Số mâm thực tế phần chưng là =8,307 chọn số mâm thực tế là 0,482 Kết luận: Tháp chưng cất có 12 mâm thực tế với nồi đun 3.4 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG Chọn đốt nồi đun đáy thápở 20 at Tra bảng 1.251, trang 314, [5]: - Nhiệt hóa hơi: rH2O = rN = 280200 (J/kg) Nhiệt độ sôi: tH2O = tN = 211,4 oC Dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ: - Trước vào nồi đun (lỏng): tS1 = 193, oC Sau đun sôi (hơi): tS2 = 196oC Cân nhiệt cho toàn tháp: Qđ + GFHFS = (R+1)GDrD + GDHDS + GWHWS + Qm GF = G W + G D Coi Qm = 0,05Qđ HFS = HF = CF.tF =( x’FCN + (1-x’F)CEG)tF tF là dòng nhập liệu vào tháp, đây ta chọn nhập liệu là lỏng sôi HWS = CW.tWS = (x’WCN + (1-x’W)CEG)tWS HDS = CD.tDS = x’DCN + (1-x’D)CEG)tDS rD = x’DrN + (1-x’D)rEG Với : - xF= 0,15 tFS = 157,1oC xW = 0,01 tWS = 193,6oC xD = 0,99 tDS = 101,8oC Nhiệt dung riêng: Tra bảng 1.249, trang 310[5] ta nhiệt dung riêng nước Tra toán đồ 1.52, trang 166[5] ta nhiệt dung riêng Etilenglicol Cấu tử Dòng Ci(kJ/kg.độ) Ci(tb)(kJ/kg.độ) Trang 18 Enthalpy(kJ/kg) Nước(0.0487 ) EG Nước(0,9664 ) EG Nước(0,0029 ) EG F (157,1oC ) D (101,8oC ) W (193,6oC ) 4.331 3.098 486.714 4.176 425.096 3.228 624.869 3.035 4.222 2.847 4.476 3.224 Nhiệt hóa Tra bảng 1.250, trang 312[5] Nhiệt hóa nước 101,8oC: rN = 2242,96 (kJ/kg) Nhiệt hóa Etilenglycol 101,8oC: rEG = 984,70 (kJ/kg) rD = 2242,96.0,9664 + (1-0,9664).984,70 = 2200,68(kJ/kg) Nhiệt lượng cần cung cấp: ( R+ ) G D r D + GD ( H DS−H FS ) +GW ( H WS −H FS ) = 0,95 ( 0,762+1 ) 71,325 2200,68+71,325 ( 425,096−486,714 ) +1428,7 (624,869−486,714) = 0,95 Qđ =¿ 479945,362kJ/h) Chọn cấp nhiệt nước bão hòa để cấp nhiệt thì: Qđ = GN.rN Lượng nước cần dùng là: GN = Q d 479945,362 = =171,287 (kg/h) rN 2802 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: Chọn: - Nhiệt độ nước lạnh vào tV = 27oC và nhiệt độ tR = 37oC Sản phẩm đáy có nhiệt độ tWS = 193,6oC và nhiệt độ tWR = 40oC Phương trình cân nhiệt: Q=GW ( H WS −H WR )=G N (H R −H V ) Tra bảng 1.250, trang 310[5] để tìm nhiệt dung riêng nước Nhiệt dung riêng nước 40oC = 4,178 (kJ/kg.độ) Trang 19 Nhiệt dung riêng Etilenglycol 40oC = 2,512(kJ/kg.độ)  HWR = ( 0,0029.4,178 + (1-0,0029).2,5212).40 = 101,04 (kJ/kg) Tra bảng 1.250 trang 312[5] - Enthalpy nước 27oC: HV = 113,13 (kJ/kg) Enthalpy nước 37oC: HR = 155,03 (kJ/kg) Lượng nhiệt trao đổi: Q = GW(HWS-HWR) = 1428,7(624,869-101,04) = 748,4.103 (kJ/h) Suất lượng nước lạnh cần dùng là: G n= Q 748400 = =17862 (kg/h) H R −H V 155,03−113,13 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Chọn - Nước lạnh ống có nhiệt độ vào tV = 27oC và nhiệt độ tR = 37oC Dòng đỉnh ngoài ống với nhiệt độ ngưng tụ 101,8oC Cân nhiệt: Qnt = ( R+ ) G D r D =Gn ( H R−H V ) Nên Qnt = (R+1)GDrD = (0,762+1).71,325.2200,68 = 276569,689 (kg/h) Tra bảng 1.250, trang 312[5] Enthalpy nước 27oC : Hv = 113,13 (kJ/kg) Enthalpy nước 37oC: HR = 153,05 (kJ/kg) Lượng nước cần dùng: Gn= Qnt H R −H V = 276569,689 =6928,098 (kg/h) 153,05−113,13 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu: Chọn: - Dòng nhập liệu ống với nhiệt độ vào tf = 27oC và nhiệt độ trạng thái lỏng sôi có nhiệt độ tF = 157,1oC Hơi ngưng tụ ống ngoài có áp suất 20 at o Nhiệt hóa hơi: rN = 280200 (J/kg) o Nhiệt độ sôi: tN = 211,4oC Tra bảng 1.249, trang 310[5] - Nhiệt dung riêng nước 27oC = 4,178(kJ/kg.độ) Tra toán đồ nhiệt dung riêng Etilenglicol 27oC = 2,47(kJ/kg.độ) Hf = Cf.tf =( (x’F.CN + (1-x’F).CEG).tf = (0,0487.4,178+(1-0,0487).2,47).27 = 63,83 (kJ/kg) Cân nhiệt: Q=G F ( H F −H f )=G N r N Nên: Q = GF(HF-Hf) = 1500.(486,714-63,83) = 634326 (kJ/h) Trang 20 Q 634326 Lượng đốt cần dùng: Gn= r = 2802 N = 226,383(kg/h) Chương 4: Tính Toán Thiết Bị Chưng Cất 4.1 Đường kính tháp Áp dụng công thức (IX.89), (IX.90), trang 181 [6] Dt = √ V tb g tb =0,0188 3600.❑tb (❑ y ❑ y ) tb √ (m) (4.1) Vtb: lượng trung bình tháp (m3/h) tb: tốc độ trung bình tháp (m/s) gtb: lượng trung bình tháp (kg/h) Lượng trung bình đoạn chưng và đoạn cất khác nhau, vì vậy, đường kính đoạn chưng và đoạn cất khác Do đó ta tính đường kính đoạn so sánh chọn kích thước phù hợp Trang 21 4.1.1 Đường kính đoạn luyện: 4.1.1.2 Lượng trung bình tháp: gtb = g d + g1 (kg/h) (4.2) gd: lượng khỏi đĩa trên cùng tháp (kg/h) g1: lượng vào đĩa cùng đoạn luyện (kg/h) - Lượng khỏi đỉnh tháp gd: gd = GR + GD = GD(R+1) (4.3) = 71,325(0,762+1) = 125,675 (kg/h) - Xác định g1: từ hệ phương trình can vật liệu và can nhiệt sau: g1=G1 +G D ' ' g y =G1 x 1+ GD x D g1 r 1=g d r d { ' (4.4) G1: lượng đĩa thứ đoạn luyện r1: ẩn nhiệt hóa hỗn hợp vào đĩa thứ đoạn luyện rd: ẩn nhiệt hóa hỗn hợp đỉnh tháp - Xác định r1: t1 = tF = 157,1oC, tra ẩn nhiệt hóa các chất liệu DIPPR o ẩn nhiệt hóa nước: rN1 = 2097,96 (kJ/kg) o ẩn nhiệt hóa Ethylen glycol: rEG1 = 914,08 (kJ/kg)  r1= rN1.y’1 + (1-y’1).rEG1 = 2097,96y’1 + (1-y’1).914,08 = 1183,88y’1 + 914,08 - Xaùc ñònh rd: tD = 101,8oC ' xD = 0,99yD = 0,998  y D = M N y 'D ' D ' D M N y + ( 1− y ) M EG = 18.0,998 18.0,998+ ( 1−0,998 ) 62 ¿ 0,993 (khối lượng nước/khối lượng hỗn hợp) r D=r ND y 'D + ( 1− y 'D ) r EGD =2242,96.0,993+ (1−0,993 ) 984,7 = 2234,15 (kJ/kg) Ta coi x’1 = x’F = 0,0487 Giải hệ phương trình trên ta được: Trang 22 {  kg ) h y '1=0,362( phân khối lư ợngnư ớ) c kg g1 =209,197( ) h G1=137,872( y '1 MN 0,362 18 y 1= ' = ' y 1− y 0,362 + 1−0,362 + 18 62 M N M EG  gtb = g d + g1 125,675+ 209,197 = 2 = 0,662 (phân mol nước/mol hỗn hợp hơi) = 167,436 (kg/h) 4.1.1.3 Tốc độ trung bình tháp: Áp dụng công thức (IX.105), trang 184 [6] ❑ y ❑ y ¿ ¿ ¿ √ h ❑xtb ❑ ytb (kg/m2.s) (4.5) ytb: khối lượng riêng trung bình pha ❑ ytb= [ y tb 18+( 1− y tb ) 62 ] 273 (4.6) 22,4.(t tb +273) Với nồng độ phân mol trung bình pha hơi: y tb = y 1+ y D ¿ (4.7) 0,662+ 0,77 =0,716 Nhiệt độ trung bình đoạn luyện: t tb =  ❑ ytb= t F + t D 157,1+ 101,8 = =129,45 2 o C ⌈ y tb 18+ ( 1− y tb ) 62⌉ 273 ⌈ 0,716.18+ (1−0,716 ) 62⌉ 273 = = 0,923 (kg/m3) 22,4(t tb + 273) 22,4.(129.45+273) xtb: khối lượng riêng trung bình pha lỏng Nồng độ phân khối lượng trung bình pha lỏng: x 'tb = x 'F + x 'D 0,9664+ 0,0487 = =0,5076 2 Nhiệt độ trung bình đoạn luyện ttb = 129,45oC Trang 23 Khối lượng riêng nước: N = 935,39(kg/m3) Tra bảng 7.3 trang 360[9] Khối lượng riêng Ethylen glycol: EG = 1030,9 (kg/m3) ' ' x 1−x tb ❑xtb= tb + ❑N ❑EG ( - ) -1 ( = 0,5076 1−0,5076 + 935,39 1030,9 −1 ) = 980,102 (kg/m3) []: hệ số tính đến sức căng bề mặt o Khi <20 dyn/cm thì [] = 0,8 o Khi >20 dyn/cm thì [] =  tính theo công thức I.76 trang 299,[5] 1 = + ❑ ❑EG ❑n (4.8) EG, N:sức căng bề mặt Ethylen glycol và nước nhiệt độ làm việc - ttb = 129,45oC, tra bảng tính theo DIPPR o sức căng bề mặt nước: N = 52,487 (dyn/cm) o sức căng bề mặt Ethylen glycol: EG = 38,689 (dyn/cm)   =22,3 (dyn/cm) > 20 (dyn/cm)  [] = h: khoảng cách mâm (m), chọn h = 0,3 m ( y.y )tb = 0,065 [] [ĩ ] = 0,065 √ 0,3 980,102 0,923 = 1,071(kg/m2.s) √ h ❑xtb ❑ ytb (4.9) y = 1,071/0,923 = 1,16 (m/s)  Đường kính đoạn luyện: D luyện=0,0188 4.1.2 167,436 1,071 = 0,235(m) Đường kính đoạn chưng: g 'n+ g '1 g = ' tb √ (kg/h) g’n: lượng khỏi đoạn chưng (kg/h) - g’1: lượng vào đoạn chưng (kg/h) - xác định g’n: vì lượng khỏi đoạn chưng lượng vào đoạn luyện nên : g’n = g1 = 209,197 (kg/h) xác định g’1: từ hệ phương trình cân vật liệu và cân nhiệt lượng sau: - Trang 24 G'1=g'1 +GW ' ' ' ' ' G x1 =g y W +GW xW g '1 r '1=g'n r 'n=g1 r { G’1: lượng đĩa thứ đoạn chưng r’1: ẩn nhiệt hóa hỗn hợp vào đĩa thứ đoạn chưng - Xác định y’W: xW  yW = 0,00714 '  yW= - yw MN 0,00714.18 = =¿ 0,021(kg y w M N + ( 1− y w ) M EG 0,00714.18+ (1−0,00714 ) 62 nước/kg hỗn hợp hơi) Tính r’1: t’1 = tw = 193,6oC, tra bảng 1.1250, trang 312[5] o ẩn nhiệt hóa nước: r’N1 = 1989,96 (kJ/kg) o ẩn nhiệt hóa Ethylen glycol; r’EG1 = 863,123(kJ/kg)  r '1=r 'N y'w + ( 1− y 'w ) r 'EG 1=1989,96.0,021+ ( 1−0,021 ) 863,123=886,787 (kJ/kg) - Tính r1: r1 = 1183,88.y’1 + 914,08 = 1183,88.0,362 + 914,08 = 1342,644(kJ/kg) Gw = 1428,7 (kg/h) Giải hệ ta được; x '1=0,0062(phân khối lư ợngnư ớ) c kg G '1=1745,436 ( ) h kg g '1=316,736( ) h { x1 = g'tb = x'1 MN x '1 1−x '1 + M N M EG = 0,0062 18 =0,021 0,0062 1−0,0062 + 18 60 g 'n+ g '1 209,197+316,736 = 2 (phân mol nước/mol hỗn hợp) = 262,967 (kg/h) 4.1.2.1 Tốc độ trung bình tháp - xác định ’xtb, ’ytb: ’xtb: khối lượng riêng trung bình pha lỏng (kg/m3) ’ytb: khối lượng riêng trung bình pha hơi(kg/m3) - Xác định ’ytb: Trang 25 ' ❑ ytb= ⌈ y 'tb 18+ ( 1− y'tb ) 62 ⌉ 22,4.(t 'tb + 273) Với: y 'tb = + Nồng độ phân mol trung bình: y 1+ y w 0,662+0,01 = 2 + Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t 'tb =  ❑'ytb= - t F + t W 157,1+193,6 = 2 ⌈ 0,336.18+ (1−0,336 ) 62⌉ 273 22,4(175,35+273) = 0,336 = 175,35 oC = 1,284 (kg/m3) Xác định ’xtb: + nồng độ phân khối lượng trung bình pha lỏng: x 'tb = x 'F + x 'w 0,0487+ 0,0029 = 2 + Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t’tb = 175,35oC Tra tài liệu tham khảo o Khối lượng riêng nước: ’N = 893,92 (kg/m3) o Khối lượng riêng Ethylen glycol: ’EG = 991,65(kg/m3)  ❑'xtb=( 0,0258 1−0,0258 + ) 893,92 991,65 -1 = 988,861(kg/m3) []: hệ số tính đến sức căng bề mặt - Khi <20 (dyn/cm) thì [] = 0,8 Khi >20 (dyn/cm) thì [] = : tính theo công thức sau: 1 = + ❑ ❑N ❑EG - t’tb = 175,35, tra bảng và liệu DIPPR ta có o Sức căng bề mặt nước: N = 43,054 (dyn/cm) o Sức căng bề mặt Ethylen glycol: EG = 34,599 (dyn/cm)  = 19,2 (dyn/cm)<20(dyn/cm)  [] = 0,8 h: khoảng cách mâm (m), chọn h = 0,3 m ( y.y )tb = 0,065 [] [ĩ ] = 0,065 0,8 √ 0,3.988,861 1,284 = 1,015 (kg/m2.s) y = 1,015 /1,284 = 0,79(m/s) Đường kính đoạn chưng: Trang 26 √ h ❑xtb ❑ ytb = 0,0258 Dchưng=0,0188 √ 262,967 1,015 =0,303(m) Kết luận: Đường kính đoạn chưng lớn đoạn luyện, ta chọn Dt = 0,4 (m) Tiết diện tháp: F= D2 (4.10) = 0,1257 (m2) Khi đó tốc độ làm việc thực ở: - Phần luyện: lv = - Phần chưng: ’lv = 4.2 0,0188 gtb 0,0188 167,436 = = 0,4(m/s) 2 D t ❑ ytb 0,4 0,923 0,01882 g'tb 0,0188 262,967 = = 0,45(m/s) D2t ❑'ytb 0,4 1,284 Chiều cao tháp Chiều cao tháp xác định theo công thức (IX.50), trang 168 [6] H = Ntt.(Hđ + ) + (0,8  1,0) (m) (4.11) Với: Ntt: số đĩa thực tế là 12 :chiều dày mâm, chọn  = 4(mm) = 0,004(m) Hđ: khoảng cách các mâm(m), chọn theo bảng IX.5, trang 170[5]; Hđ = 0,25 (m) (0,8 1,0) là khoảng cách cho phép đỉnh và đáy tháp H = 12(0,25 + 0,004) +(0,8  1,0) = 4(m) 4.3 Tính toán chóp và ống chảy chuyền - Chọn đường kính ống dh = 50 (mm) = 0,05(m) Số chóp phân bố trên đĩa, áp dụng công thức (IX.212),trang 236[6] n=0,1 ¿ 0,1 - D2 d 2h (4.12) 0,4 =6,4 chóp, chọn n=7 0,052 Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi, áp dụng công thức (IX.213), trang 236[6] h2=0,25 d h=0,25.0,05=0,0125(m) - Đường kính chóp, áp dụng công thức (IX.214), trang 236[6] (4.13) d ch =√ d 2h+(d 2h +2.❑ch )2 ch: chiều dày chóp, chọn ch = 2(mm) (ch = 23 mm) Trang 27 50+2.2 ¿ ¿  502+ ¿ d ch =√ ¿ - =72,6(mm) Chọn dch = 75(mm) Khoảng cách từ đĩa đến chân chóp S = 025 (mm), chọn S = 10(mm) - Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp: h1= 1540 (mm), chọn h1 = 30 (mm) - Tiết diện tháp: F = - Chiều cao khe chóp, áp dụng công thứ (IX.215), trang 236[6] D2 0,42 = 4 = 0,126(m2) b= .❑2y ❑ y g ❑x (4.14) o : hệ số trở lực đĩa chóp = 1,5 2, chọn  = o ❑y= 4Vy (4.15) 3600 dh n ' Vy: lưu lượng tháp, V y = g tb + gtb ' ytb ❑ ytb +❑ = 167,436+262,967 =¿ 0,923+1,284 195,02(m /h)  ❑y= 4.195,02 3600 0,052 = 3,941(m/s) o ❑xtb +❑'xtb 980,102+ 988,861 ❑x = = 2 o ❑y= ' ❑ ytb +❑ ytb = = 984,482 (kg/m3) 0,923+ 1,284 =1,1035 (kg/m3) b = 0,00355 (m) = 3,55 (mm) (b = 10 50 mm) Chọn b = 10 (mm) - Số lượng khe hở chóp, áp dụng công thức (IX.216), trang 235[6] d 2h ❑ i= ( d ch− ) c 4b (4.16) o c = 34 mm (khoảng cách các khe), chọn c = 4mm o dch: đường kính chóp = 75mm o dh; đường kính ống = 50mm  i= ❑ (75− 50 ) = 9,8(khe) 4.10 Trang 28 Chọn i= 10(khe) - Đường kính ống chảy chuyền, áp dụng công thức (IX.217), trang 236[6] d c= √ Gx 3600 z ❑x ❑c (4.17) o Gx: lưu lượng dòng lỏng trung bình tháp (kg/h) G1 +G'1 137,872+1745,436 Gx = = 2 = 941,654(kg/h) o z: số ống chảy chuyền, chọn z = o x: khối lượng riêng trung bình lỏng(kg/m3); x = 984,482(kg/m3) o c: tốc độ chất lỏng ống chảy chuyền (m/s)(0,1 0,5 m/s), chọn c = 0,4 (m/s)  d c= - - √ 4.941,654 3600 984,482.0,4 = 0,029 (m) = 29 (mm), chọn dc = 30 (mm) Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền, áp dụng công thức (IX.218), trang 237[6] S1 = 0,25.dc (4.18) = 0,25.0,03 = 0,0075(m) Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa, áp dụng công thức (IX.219), trang 237[6] hc =( h1+ b+ S ) −h (4.19) o h1: chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp = 30 (mm) o b: chiều cao khe chóp = 10 (mm) o S: khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp =10 (mm) o h: chiều cao mực chất lỏng bên trên ống chảy chuyền V (4.20) ) 3600.1,85 d c ' Q +Q V: thể tích chất lỏng chảy qua (m3/h) V = L L GD R M tb−luyen Lưu lượng lỏng phần luyện tháp: QL = (4.21) 3600 M D ❑xtb ' ' x tb 1−x tb -1 0,5076 1−0,5076 -1 + ) = 27,669 (kg/kmol) M tb−luyen=( + ) = ( 18 62 M N M EG G R M tb−luyen 71,325.0,762 27,669  QL = D = 0,0000231(m3/s) = 3600 M D ❑xtb 3600.18,44 980,102 √ h= ( Lưu lượng lỏng phần chưng tháp : Q'L = x 'tb 1−x 'tb M tb−chung =( + ) M N M EG ( G D R GF M + tb−chung M D M F 3600.❑'xtb ) -1 = ( (4.22) 0,0258 1−0,0128 + ) 18 62 Trang 29 -1 = 58,322(kg/kmol)  Q'L = ( G D R GF M 71,325.0,762 1500 58,322 + tb−chung = + ' M D M F 3600.❑xtb 18,44 55,4 3600.988,861 ) ( ) = 0,000492(m3/s) '  V = Q L +QL = 0,0000231+0,000492 = 0,000258 (m3/s) =0,9288(m3/h) 2 o dc: đường kính ống chảy chuyền = 0,03 (m) 0,9288 3600.1,85 0,03 (¿)  √ h= ( o - = 0,013(m) = 1,3.10-5(mm) V ) =√3 ¿ 3600.1,85 d c  hc = (h1 + b + S ) - h = (30 + 10 + 10) – 1,3.10-5 = 50 (mm) bước tối thiểu chóp trên đĩa, áp dụng công thức (IX.220), trang 237[6] t min=d ch +2❑ch +l (4.23) l2: khoảng cách nhỏ các chóp, l2 = 12,5 + 0,25.dch = 12,5 + 0,25.75 = 32,5 (mm), chọn l2 = 31,25(mm) tmin = 75 + 2.2 + 31,25  110(mm) chiều rộng khe chóp: chọn a = 13 (mm) khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất, áp dụng công thức (IX.221), trang 238[6] t1 = o o o o dc d +❑ch + ch + l (4.24) 2 dc: đường kính ống chảy chuyền = 0,03 (m) ch: bề dày ống chảy chuyền, thường lấy 24 mm, chọn ch = 2(mm) dch; đường kính chóp = 75(mm) = 0,075(m) l1: khoảng cách nhỏ chóp và ống chảy chuyền.chọn l1 = 45 (mm)= 0,045(m)  t1 = dc d 0,03 0,075 +❑ch + ch + l 1= +0,002+ +0,045=0,0995(m) 100(mm) 2 2 chiều cao lớp chất lỏng trên mâm hm = h1 + (S + hsr + b) (4.25) h1: chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp h1 = 30 mm S: khoảng cách từ đĩa đến chân chóp, S = 10 mm hsr: khoảng cách từ mép chóp đến mép lỗ chóp chọn hsr = mm b: chiều cao khep chóp, b = 10 mm -  hm = h1 + (S + hsr + b) = 30 + (10 + + 10 ) = 55 (mm) Tiết diện ống hơi: Trang 30 Srj = d h 0,052 = 4 = 0,00196 (m2) (4.26) - Saj: tiết diện vành khăn - 2 Saj = ( d ch −d h ¿ - Tổng diện tích các khe chóp S3 = i.a.b (5.16) a: chiều rộng khe chóp a = 13 (mm) b: chiều cao chóp, b = 10 (mm) i: số khe hở chóp, i = 10 (khe)  S3 = i.a.b = 10.0,013 0,01 = 0,0013 (m2) Lỗ tháo lỏng Tiết diện đĩa tháp: F = 0,1257 (m2) - = ❑ (0,0752- 0,052) = 0,00245 (m2) (4.27) Cứ m2, ta chọn cm2 lỗ tháo lỏng Do đó tổng diện tích lỗ tháo lỏng trên mâm là: 0,1257 = 0,5028 cm2 Chọn đường kính lỗ tháo lỏng là mm = 0,5 cm Nên số lỗ tháo lỏng cần thiết trên mâm là: 0,5028 : 0,52 =¿ 2,56 lỗ  chọn lỗ tháo lỏng cần thiết là lỗ - Độ mở lỗ chóp hs áp dụng công thưc (5.2), trang 108[2] 1/ 2/ ❑y Q hs =7,55.( ) h2so/3 ( G ) ❑x −❑ y Ss (4.28) hs: chiều cao hình học lỗ chóp, mâm chóp thiết kế tốt thì pha khí thổi qua toàn lỗ chóp đó chóp mở hoàn toàn và hs = hso = b = 10 (mm) QG: lưu lượng pha khí (m3/s) Ss: tổng diện tích các lỗ chóp trên mâm, m2 ' ❑x = ❑xtb +❑xtb 980,102+ 988,861 = 2 ❑ ytb +❑'ytb = ❑y= = 984,482 (kg/m3) 0,923+ 1,284 =1,1035 (kg/m3) ' QG = gtb g 167,436 262,967 + 'tb = + =¿ ❑ ytb ❑ 0,923 1,284 ytb 386,207 (m3/h) = 01073 (m3/s) Ss = n.S3 = 7.0,0013 = 0,0091 (m2) Trang 31 hs = 7,55 ( - /3 /3 1,1035 0,1073 ) 10 2/ ( ) 984,482−1,1035 0,091 = 4,4 (mm), Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn: /3 Q how = 2,84 E ( L ) Lw (4.29) QL: lưu lượng chất lỏng, m3/h, QL = V = 0,9288(m3/h) Lw: chiều dài gờ chảy tràn E: hệ số hiệu chỉnh cho gờ chảy tràn xác định E = f( Q L Lw , ¿ 2,5 Lw D Tra đồ thị IX.22-trang 186[6], chọn giá trị Lw/D = 0,65 Lw = D.0,65= 0,4.0,65 = ,26(m) E = 1,02 /3  how = - 2,84 E ( /3 QL 0,9288 ) =2,84.1,02.( ) Lw 0,26 = 5,894 (mm) Gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm từ biểu thức (5.5), trang 111[2]  = Cg.’.nh (4.30) Với: nh: số hàng chóp mà pha lỏng phải chảy qua ’: gradient chiều cao mực chất lỏng qua hàng chóp Cg- hệ số hiệu chỉnh cho suất lượng pha khí - Chiều rộng trung bình mâm Bm: o Bề rộng ống chảy chuyền: dw = 0,125.D = 0,125.0,4 = 0,05 (m) o Diện tích ống chảy chuyển Sd = 0,072.F o Khoảng cách hai gờ chảy tràn l = D – 2dw = 0,75D o Diện tích gờ chảy tràn A = F – 2.0,072F = 0,856F A l o bề rộng trung bình: B m= = - 0,856 F 0,856.0,1257 = 0,75 D 0,75.0,4 hệ số điều chỉnh tốc độ pha khí Cg phụ thuộc hai giá trị: Q L 0,9288 = =¿ 2,6 (4.31) Bm 0,358 4.QG 4.0,1073 v= = = 0,854 (m/s) (4.32) 0,4 D o 0,82.v √❑G =0,82.0,854 √ 1,1035=¿ 0,736 o x = 1,34 Tra đồ thi 5.10, trang 111[2] Cg = 0,63 - Giá trị 4.’ tra từ 5.11a-trang 112[2] với: Trang 32 = 0,358 (m) x = 2,6 hsc = 12,5 (mm) hm = 55 (mm) 4.’ = ’ = 6/4 = 1,5 - Số hàng chóp nh = Khi đó  = Cg.’.nh = 0,63.1,5.3 = 2,835 (m) - - Chiều cao gờ chảy tràn: hm = hw + how + 0,5 (4.33) hw = hm – how –0,5 = 55 – 5,894-0,5.2,835 = 47,689 (mm).chọn hw = 50mm Kiểm tra ổn định mâm: <0,5 (hfv + hs) (4.34) Độ giảm áp ma sát và biến đổi vận tốc pha khí thổi qua chóp không có chất lỏng, áp dụng công thức(5,8), trang115[2] ❑y QG hfv =274 K ( )( ) ❑x −❑ y Sr (4.35) K- hệ số trên đồ thị 5.16-trang 115[2] S aj 0,00245 = Srj 0,00196 = 1,53 , tra đồ thị ta K = 0,43 Sr: tổng diện tích hởi mâm: Sr = n.Srj = 7.0,00196 = 0,01372 (m2) hfv = 274.0,43.( 1,1035 0,1073 ¿( ) 984,482−1,1035 0,01372 = 8,086 (mm) 0,5(hfv + hs) = 0,5(8,086 + 4,4) = 6,243 (mm) >  (2,835 (mm)) Vậy mâm ổn định - Độ giảm áp pha khí qua mâm áp dụng công thức (5.7),trang 114[2] ht = hfv + hs + hss + how + 0,5 ,mm chất lỏng (4.36) o Chiều cao thủy tĩnh lớp chất lỏng trên lỗ chóp gờ chảy tràn hss: hss = hw – (hsc + hsr + Hs) = 50 –(5 + 12,5 + 10) = 22,5 (mm) ht = 8,086 + 4,4 + 22,5 + 5,894 + 0,5.2,835= 42,3 (mm) - Chiều cao mực chất lỏng không bọt ống chảy chuyền, hd hd = hw + how +  + ht + hd’, mm chất lỏng hd’: tổn thất thủy lực dòng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm đươc xác định theo biểu thức (5.10), trang 115[2]: hd’ = 0,128 ( QL ) 100 Sd , mm chất lỏng (4.37) khoảng cách gờ chảy tràn l = 0,75D = 300 (mm) , khoảng cách mép trên gờ chảy tràn và mép ống chảy chuyền chọn là 12,5 mm Trang 33 đó khoảng cách mép ống chảy chuyền và mâm: hw – 12,5 = 50 – 12,5 = 37,5(mm) = 0,0375(m)  Tiết diện ống chảy chuyền và mâm dưới: Sd = 0,072 (m2) QL 0,9288 ) =0,128.( ) = 0,0754 (mm)  hd = 0,128 ( 100 Sd 100.0,072 ’ hd = hw + how +  + ht + hd’ = 50 + 5,894 + 2,835 + 42,3 + 2,13  103 (mm) Chiều cao hd dùng để kiểm tra khoảng cách mâm, để đảm bảo điều kiện tháp không bị ngập lụt hoạt động, ta có: hd ≤ - 4.4 H = 0,5.0,25 = 125 (mm) Chất lỏng chảy ống chảy chuyền: kiểm tra xem chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền có không và chất lỏng va đập vào thành thiết bị theo biểu thức (5.12), trang 116[2] dtw = 0,8 √ how h o (4.38) ho: khoảng cách rơi tự do, ho = H + hw - hd (H: khoảng cách mâm) ho = 250 + 50 - 103 = 197 (mm) dtw = 0,8 √ 5,894.197 = 27,26 dw = 0,05 (m) = 50 (mm) dtw/dw = 27,26/50 = 0,5452, giá trị dtw không nên vượt quá 60%bề rộng ống chảy chuyển (trang 116[2]) với giá trị trên ta chấp nhận Tính trở lực tháp 4.4.1 Tổng trở lực phần luyện Tổng trở lực qua đĩa, áp dụng công thức (IX.136),trang 192[6] Pđ =Pk + Ps + Pt (4.39) 4.4.1.1Trở lực đĩa khô Pk áp dụng công thức (IX.137), trang 192[6] ❑ ytb ❑2o Pk = (N/m2) (4.40) - : hê số trở lực đĩa khô,  = 4,55, chọn =5 - ytb = 0,923(kg/m3) - V 'y o: vận tốc qua rãnh chóp (m/s): ❑o= n i a b o V’y: lưu lượng pha trung bình phần luyện Trang 34 ' V y= g tb 167,436 = =181,404 ❑ ytb 0,923 (m3/h) = 0,0504(m3/s) - a:chiều rộng khe chóp = 13(mm) = 0,013(m) - b: chiều cao khe chóp = 10 (mm) = 0,01(m)  ❑o= 0,0504 =3,96 (m/s) 7.14 0,013.0,01 2  Pk = ❑ ytb ❑o = 5.0,923 3,96 2 = 36,18 (N/m2) 4.4.1.2Trở lực sức căng bề mặt áp dụng công thức(IX.38), trang 192[2] P s= d tđ (4.41) o : sức căng bề mặt trung bình hỗn hợp nhiệt độ trung bình phần luyện = 129,45 oC hh = 22,3.10-3(N/m) o dtđ: đường kính tương đương khe rãnh: d tđ = f x a b = H 2(a+ b)  fx: diện tích tiết diện tự rãnh  H: chu vi rãnh dtđ = 4.13.10 2( 13+10) = 11,3(mm) = 11,3.10-3 (m) −3  Ps= = 4.22,3 10−3 = 7,89 (N/m2) d tđ 11,3 10 4.4.1.3Trở lực lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh Pt) áp dung công thức (IX.139), trang 194[6] Pt =❑b g (h b− hr ) (N/m2) (4.42) - b: khối lượng riêng bọt, thường b = (0,40,5).xtb - Chọn b = 0,5.xtb = 0,5.980,102 (kg/m3) = 490,051(kg/m3) hr: chiều cao khe chóp(m), hr = b = 10(mm) = 0,01(m) h ¿ c +h−h (¿ x ) ( F o −f ) ❑ xtb+ hx ❑b f + ( hch −h x ) f ❑b F ❑b hb =¿ Trang 35 (4.43) (áp dụng công thức IX.110), trang 185[2]) o hc: chiều cao đoạn ống chảy chuyền nhô lên trên dĩa hc = 50 (mm) = 0,05(m) o hx: chiều cao lớp chất lỏng (không lẫn bọt) trên đĩa hx = S + 0,5.b = 0,01 + 0,5.0,01 = 0,015(m) = 15 (mm) o Fo: phần diện tích bề mặt đĩa có gắn chóp (nghĩa là trừ hai phần diện tích đĩa để bố trí ống chảy chuyền)- Sd, với Sd = 0,072.F Fo = F-2.Sd = 0,856.0,1257 = 0,108(m2) o F: tổng diện tích các chóp trên đĩa ❑ f = d 2ch n=0,785 0,0752 = 0,0031(m2) với n =7 là số chóp trên đĩa o hch: chiều cao chóp −5 hch =hc +h=0,05+1,053.10 =0,05( m) h (¿ ¿ c +h−h x ) ( F o −f ) ❑ xtb+ hx ❑b f + ( hch −h x ) f ❑b F ❑b hb =¿  −5 hb = (0,05+1,053.10 −0,015) ( 0,108−0,0031 ) 980,102+ 0,015.490,051.0,0031+ ( 0,05−0,015 ) 0,0031 490 0,108.490,051 = 0,0694(m) = 69,4 (mm) (  Pt =❑b g hb− hr 0,01 =490,051.9,81 0,0694− =¿ 308,15(N/m2) 2 ) ( )  Tổng trở lực qua đĩa: Pđ = Pk + Ps + Pt = 36,18 + 7,89+ 308,15 = 352,22 (N/m2)  Tổng trở lực phần luyện: P luyện = Ntt luyện Pđ luyện = 4.352,22 = 1408.88 (N/m2) 4.4.2 Tổng trở lực phần chưng: Tổng trở lực qua đĩa: Pđ = Pk + Ps + Pt 4.4.2.1Trở lực đĩa khô Pk ' '2 .❑ ❑ Pk = ytb o (N/m2) o : hệ số trở lực đĩa khô,  = 4,55, chọn  = o ’ytb = 1,284(kg/m3) o ’o: vận tốc qua rãnh chóp (m/s) V 'y ❑= n i a b ' o  V’y; lưu lượng pha trung bình phần chưng Trang 36 ' g tb 262,967 = V’y = = 204,593 (m3/h) = 0,0568(m3/s) ' 1,284 ❑tb 0,0568 ’o = = 4,46(m/s) 7.14 0,013 0,01 ' '2  Pk = ❑ ytb ❑o = 5.1,284 4,46 2 = 63,85(N/m2) 4.4.2.2Trở lực sức căng bề mặt Ps= - d tđ : sức căng bề mặt trung bình hỗn hợp nhiệt độ = 175,35oC hh = 19,2.10-3(N/m) dtđ: đường kính tương đương = 8,23.10-3(m) −3  Ps = 4.19,2 10 = d tđ 11,3.10−3 = 6,79(N/m2) 4.4.2.3Trở lực lớp chất lỏng trên đĩa(trở lực thủy tĩnh Pt) Pt =❑'b g (h b− hr ) (N/m2) o ’b: khối lượng riêng bọt, thường ’b = (0,40,6).’xtb Chọn ’b = 0,5.’xtb = 0,5.988,861(kg/m3) = 494,431(kg/m3) o hr: chiều cao khe chóp(m), hr = b = 10(mm) = 0,01(m) o hb: chiều cao lớp bọt trên đĩa(m): hb = 0,0694 (m) = 69,4 (mm) (  Pt =❑'b g hb− hr 0,01 = 311,393(N/m2) =494,431.9,81.(0,0692− ) 2 ) Tổng trở lực qua đĩa: Pđ = Pk + Ps + Pt = 63,85 + 6,79 + 311,393 = 382,033 (N/m2)  Tổng trở lực phần chưng: P chưng = Ntt chưng.P đ chưng = 8.382,033 = 3056,264 (N/m2)  Tổng trở lực tháp P = P luyện + P chưng = 1408.88 + 3056,264 = 4465,144(N/m2) Kiểm tra hoạt động mâm Kiểm tra lại khoảng cách mâm với 0,25 (m) đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình P thường tháp: h > 1,8 ❑ g L (công thức trang 287 [4]) (4.44) P chưng > P luyện(1 mâm) ta lấy P chưng để kiểm tra 1,8 P ❑L g = 1,8 382,033 988,861.9,81 = 0,071 < h (0,25) Trang 37  mâm hoạt động bình thường Chương 5: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 5.1 Bề dày thân tháp: Thân tháp thiết kế hình trụ phương pháp hàn giáp mối Thân tháp ghép với các mối ghép bích Chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T - Áp suất tính toán: Ptt = Ph + Pthủy tĩnh + P (N/m2) (5.1) o Ph: áp suất tháp = 1at = 9,81.104 (N/m2) o Pthủy tĩnh: áp suất thủy tĩnh (N/m2) P thủy tĩnh = x.g.H (5.2)  x: khối lượng riêng pha lỏng ' ❑ +❑xtb 980,102+ 988,861 ❑x = xtb = =984,482 (kg/m ) 2  H: chiều cao tháp chưng cất (m) H = 4(m) - P thủy tĩnh = x.g.H = 984,482.9,81.4 = 38631,074 (N/m2) - P: Tổng trở lực tháp (N/m2): P = 4465,144 (N/m2)  Ptt = Ph + P thủy tĩnh + P = 9,81.104 + 28631,189 + 4465,144 = 131196 (N/m2) = 0,132(N/mm2) Chọn áp suất tính toán là 0,25 (N/mm2) - Nhiệt độ tính toán Trang 38 Chọn nhiệt độ tính toán: ttt = t đáy = 193,6oC Chọn t = 195oC Tra tài liệu tham khảo, ứng suất tiêu chuẩn thép X18H10T []* = 142 (N/mm2) Chọn hệ số hiệu chỉnh:  = [] = .[]* = 142 (N/mm2)(công thức ((1-9), trang 17[7]) (5.3) - Xác định bề dày thân chịu áp suất trong: Bề dày thực thân: St = S’t + C (mm) (5.4) Ta chọn phương pháp chế tạo than là phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn là hàn giáp mối bên có lót khắp chu vi nên hệ số bền mối hàn: h = 0,9 Xét tỉ số: [] 142.106 ❑h= 0,9=¿ 511,2 > 25 , Ptt 250000 vì bề dày tính toán thân tính theo công thức (5-3), trang 98[7] (5.5) ' St = D t Ptt 0,4.250000 = =¿ [].❑h 2.142 106 0,9 3,912.10-4 (m) = 0,391 (mm) (5.6) Bề dày thực thiết bị: St = S’ + C Trong đó: o o o o C = Ca + Cb + Cc + Co (5.7) Ca: hệ số bổ sung ăn mòn hoá học môi trường Chọn tốc độ ăn mòn là 0,1 (mm/năm), thiết bị hoạt động khoảng 20 năm, đó Ca = mm Cb: hệ số bổ sung ăn mòn học, chọn Cb = Cc: hệ số bổ sung sai lệch chế tạo, lắp ráp, chọn Cc = Co: hệ số bổ sung để qui tròn kích thước, chọn Co = mm  C = Ca + Cb + Cc + Co = + + + = mm  St = S’ + C = 0,391 + = 3,391 mm Kiểm tra công thức tính toán với S = 3,391 mm S t−C a 3,391−2 = =¿ Dt 400 0,00348 < 0,1 (5.8) Kiểm tra áp suất cho phép theo biểu thức (6-11), trang 97[7] [Ptt] = []❑h ( St −C a ) 2.142 0,9 (3,391−2) = D t +(S t−C a ) 400+(3,391−2) = 0,886 (N/mm2) > Ptt = 0,25 (N/mm2) (5.9) Vậy ta chọn bề dày thực thân là St = (mm) 5.2 Đáy và nắp thiết bị Trang 39 Chọn đáy và nắp có dạng là elip tiêu chuẩn (ht/Dt = 0,25), có gờ thép X18H10T Các kích thước đáy và nắp elip tiêu chuẩn, có gờ (trang 382[6]) - Đường kính trong: Dt = 400 (mm) Chiều cao phần lồi đáy (đoạn khum đáy) ht = 100 (mm) Chiều cao gờ (đoạn trụ): h = 25 (mm) (Bảng XIII.1.1, trang 384[6]) Thể tích đáy: V = 11,5.10-3 (m3) Diện tích mặt đáy: Fđáy = 0,2 (m2) Chiều dày Sđn đáy và nắp làm việc chịu áp suất trong: Tính theo công thức (XIII.47), trang 385[6] Sđn = D t Ptt 3,8 [ ❑k ] k ❑h Dt 2.h + C (5.10) K: hệ số không thứ nguyên Đối với đáy không có lỗ hay có lỗ tăng cứng hoàn toàn thì k =  Sđn = = Dt Ptt 3,8 [ ❑k ] k ❑h Dt 2.h 0,4.250000 0,4 +0,003 3,8.142 10 0,9 2.0,25 + C (5.11) = 0,00316  3,2 (mm) Chọn bề dày đáy và nắp Sđn = (mm) 5.3 Bích ghép thân, đáy và nắp: Chọn bích ghép thân, đáy và nắp làm thép CT3, cấu tạo bích là bích liền không cổ Trang 40 - D: đường kính ngoài mặt bích Db: Đường kính vòng đến tâm bulong D1: Đường kính gờ bích D0: Đường kính gọi Dt: Đường kính thân thiết bị h: Chiều dày bích Tra bảng XIII.27 -trang 417[2] Kích thước nối Ptt Dt D Db (N/mm2) 0,25 D1 Bu lông D0 h db (mm) 400 515 475 450 Z (Cái) 408 20 M16 20 Tra bảng IX.5 trang 170[6], chọn số mâm hai mặt bích là mâm, ứng với đường kính tháp Dt = 400 (mm) và khoảng cách hai đĩa Hđ = 250 (mm) số mặt bích dùng để ghép thân-đáy-nắp là: (bích) Trang 41 Độ kín mối ghép bích chủ yếu vật liệu đệm định Đệm làm các vật liệu mềm dễ biến dạng Khi xiết bulong, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt bích Tăng áp suất riêng tác dụng lên đệm thì độ kín mối ghép bích tăng Với cùng lực nén bề rộng đệm càng bé thì áp suất riêng tác dụng lên đệm càng lớn Để đảm bảo độ kín và điều kiện làm việc thiết bị ta chọn đệm paronit làm vật liệu đệm.bề dày lớp đệm mm 5.4 Bích ghép ống dẫn Chọn vật liệu chế tạo là thép CT3, cấu tạo bích là bích liền không cổ 5.4.1 Ống dẫn dòng nhập liệu: - suất lượng dòng nhập liệu GF = 1500 (kg/h) - Dòng lỏng nhập liệu:  tF = 157,1oC  x’F = 0,0487  Tra bảng khối lượng riêng nước và Ethylenglycol nhiệt độ này: o Khối lượng riêng nước: N = 911,7 (kg/m3) o Khối lượng riêng Ethylen glycol: EG = 1007,6 (kg/m3) xF = ( x 'F 1−x 'F + ) ❑N ❑EG -1 = ( 0,0487 1−0,0487 + ) 911,7 1007,6 -1 = 1002,465 (kg/m3) G - F Lưu lượng chất lỏng nhập liệu vào tháp: QF = ❑ = - Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu ống nối: xF 1500 1002,465 = 1,496(m3/h) vF = 0,2 (m/s) - Đường kính ống nhập liệu: dF = √ Q F 4.1,496 = 3600 v F 3600 0,1 √ = 0,051 (m)  chọn đường kính ống nhập liệu: dF = 0,05 (m) = 50(mm) Tra bảng XIII.32 trang 434[2] chiều dài ống nối lF = 100 (mm) Tra bảng XIII.27 –trang 409[2] ứng với Dt = 400 (mm) và áp suất tính toán Ptt = 0,25 (N.mm2) Các thông số bích ghép ống nhập liệu: Ống Kích thước nối Trang 42 Bu lông Ptt Dy Dn D Db (N/mm2) 0,25 D1 h db (mm) 50 57 140 Z (Cái) 110 90 12 M12 5.4.2 Ống đỉnh tháp: - Suất lượng đỉnh tháp: gd = 125,675 (kg/h) - tD = 101,8oC - yD = 0,77 Khối lượng riêng đỉnh tháp: ❑ yD = [ 18 y D +( 1− y D ) 62 ] 273 = 18.0,77+ ( 1−0,77 ) 62 22,4.( t D +273) = 0,974 (kg/m3) 22,4 (101,8+273) g Lưu lượng khỏi tháp: Qh= ❑ d = yD 125,675 =¿ 0,974 129,03 (m3/h) - Chọn vận tốc đỉnh tháp: vh = 25 (m/s) - Đường kính ống dẫn hơi: dD = √ Qh 4.129,03 = 3600 v h 3600 .25 √ = 0,0427 (m)  chọn đường kính ống dẫn hơi: dD = 0,05 (m) = 50 (mm) Tra bảng XIII.32 trang 434[2] chiều dài ống nối lD = 100 (mm) Tra bảng XIII.27- trang 409[2] ứng với Dt = 400 (mm) và áp suất tính toán Ptt = 0,25 (N.mm2) Các thông số bích ghép ống đỉnh tháp: Ống Ptt Dy Dn Kích thước nối D (N/mm2) 0,25 Db Bu lông D1 h db (mm) 50 57 140 110 (Cái) 90 12 5.4.3 Ống dẫn dòng hoàn lưu: - Suất lượng hoàn lưu: Ghl = GD.R = 71,325.0,762 = 54,35 (kg/h) Trang 43 Z M12 - thl = 101,8oC Tra bảng khối lượng riêng nước nhiệt độ đó được: - Khối lượng riêng nước: N = 955,49 (kg/m3) - Khối lượng riêng Ethylen glycol: EG = 1053 (kg/m3) 0,9664 1−0,9664 + )-1 = 958,472 (kg/m3) 955,49 1053 ¿ Ghl 54,35 Lưu lượng dòng hoàn lưu: Qhl = ❑ = = 0,0567 (m3/h) 958,472 hl  xhl = ( - x'D 1−x 'D + ) ❑N ❑EG -1 = - Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu ống nối: vhl = 0,1 (m/s) - Đường kính ống hoàn lưu: dhl = √ Qhl 4.0,0567 = 3600 v hl 3600 .0,1 √ = 0,0142 (m)  chọn đường kính ống hoàn lưu: dhl = 0,015 (m) = 15 (mm) Tra bảng XIII.32-trang 434[2]: Chọn chiều dài ống nối dòng hoàn lưu lhl = 80 (mm) Tra bảng XIII.27 –trang 409[2] ứng với Dt = 400 (mm) và áp suất tính toàn Ptt = 0,25(N/mm2) Các thông số bích ghép ống dẫn dòng hoàn lưu: Ống Ptt Dy Dn Kích thước nối D Db (N/mm2) 0,25 Bu lông D1 h db (mm) 15 18 80 55 5.4.4 Ống dẫn từ nồi đun qua tháp: - Khối lượng riêng vào tháp: Trang 44 Z (Cái) 40 10 M10 ❑ yW = - Mw.T o 18.273 = = 0,47 (kg/m3) 22,4 T w 22,4.(273+193,6+ 273) Lưu lượng vào tháp: g'1 316,736 Qnd= = ❑ yw 0,47 = 673,906 (m3/h) - Chọn vận tốc vào v = 50 (m/s) - Đường kính ống dẫn: dn = √ Qnd 4.673,906 = =¿ 0,069 (m) 3600 v 3600 50 √  chọn đường kính ống dẫn: dn = 0,07 (m) = 70 (mm) Tra bảng XIII.32 trang 434[2]: Chọn chiều dài ống nối ln = 110 (mm) Tra bảng XIII.27 –trang 409[2], ứng với Dt = 400 (mm) và áp suất tính toán Ptt = 0,25 (N/mm2) Các thông số bích ghép ống dẫn từ nồi đun qua tháp: Ống Ptt Dy Kích thước nối Dn D (N/mm2) 0,25 Bu lông Db D1 h db (mm) 70 76 160 130 (Cái) 110 14 M12 5.4.5 Ống dẫn lỏng đáy tháp: - suất lượng sản phẩm đáy: G’1 = 1745,436 (kg/h) - Dòng sản phẩm đáy:  tw = 193,6oC  x’w = 0,0029 Tra bảng số liệu tìm khối lượng riêng các chất nhiệt độ tw là: - Khối lượng riêng nước: N = 874,29 (kg/m3) - Khối lượng riêng Ethylen glycol: EG = 975,08 (kg/m3)  xw = ( x 'w 1−x 'w + ) ❑N ❑ EG -1 = ( 0,0029 1−0,0029 + ) 874,29 975,08 Trang 45 Z -1 = 974,754 (kg/m3) - G '1 1745,436 Lưu lượng sản phẩm đáy: Qw = ❑ = 974,754 xw - Chọn vận tốc sản phẩm đáy ống nối vw = 0,4 (m/s) - Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: dw = √ = 1,791 (m3/h) 4.Q w 4.1,791 = =¿ 0,0398 (m) 3600 v w 3600 0,4 √  chọn đường kính ống dẫn: dw = 0,04 (m) = 40 (mm) Tra bảng XIII.32 trang 434[2]: Chọn chiều dài ống nối sản phẩm đáy lw = 100 (mm) Tra bảng XIII.27- sổ tay tập 2[2] ứng với Dt = 400 (mm) và áp suất tính toán Ptt = 0,25(N/mm2) Các thông số bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy: Ống Ptt Dy Dn Kích thước nối D (N/mm2) 0,25 5.5 Db Bu lông D1 h db (mm) 40 45 130 100 Z (Cái) 80 12 M12 Tính mâm Chọn bề dày mâm bề dày thân S = (mm) và vật liệu là thép X18H10T Chiều cao mực chất lỏng lớn trên mâm mâm bị ngập lụt: hd = 129,432 (mm) P1 = x.g.hd = 984,482.9,81.0,12943 = 1250,02 (N/m2) - Đối với tròn đặc ngàm theo chu vi (công thức 6.36, trang 100[8]) Ứng suất cực đại vòng chu vi theo công thức (6-36), trang 100[8]: ❑max= 3P D ( ) 16 S (5.11) Mâm không đục lỗ công thức (6-35), trang 100 [8] ❑max= 3(3+ μ) 3(3+0,33) P R 2t = 1250,02 0,22 = 3,902.106 (N/m2) 2 S 0,004 = 3,902(N/mm2) μ=0,33: hệ số Poat xông - Độ giảm sức bền các lỗ trên mâm gây thể hệ số hiệu chỉnh: b Trang 46 ❑b= t−d h t (5.12) dh: đường kính ống t: khoảng cách lỗ chóp trên mâm ❑b= t−d h 110−50 = t 110 = 0,545 Ưng suất cực đại mâm có đục lỗ: ❑'max= ❑max 3,902 = ❑b 0,545 = 7,16 (N/mm2) < [] = 140 (N/mm2) (5.13) Vậy bề dày mâm là (mm) 5.6 Chân đỡ: 5.6.1 Tính khối lượng toàn tháp - Khối lượng bích ghép thân: (thép CT3: CT3 = 7850 (kg/m3)) m1= ❑ ( D2−D 2t ) h ❑CT (5.14)  D: đường kính ngoài bích D = 0,515 (m)  Dt: Đường kính thân tháp, Dt = 0,4 (m)  h : chiều cao bích, h = 0,02 (m)  CT3: khối lượng riêng thép CT3 CT3 = 7850 (kg/m3)  - 2 2 m1= ❑ ( D −D t ) h ❑CT 3= ❑ ( 0,515 −0,4 ) 0,02.7850 4 = 12,975 (kg) Khối lượng mâm: Đường kính tháp Dt = 0,4 (m) Bề dày mâm S = m = 0,003 (m) Đường kính ống dh = 0,05 (m) Số ống n=7 Diện tích ống chảy chuyền hình viên phân : Sd = 0,072.F = 0,1256.0,072 = 0,009043 (m2) Số ống chảy chuyền trên mâm: z = Số mâm Ntt = 12 mâm Khối lượng riêng thép X18H10T X18H10T = 7900 (kg/m3) Trang 47  m mâm = Ntt.(F-z.Sd – n. dh ).m.X18H10T (5.15) 0,052 = 12(0,1256 – 1.0,009043 - 7 ).0,003.7900 = 30,384 (kg) - Khối lượng chóp trên mâm toàn tháp: ❑ M chóp = Ntt.n.( d ch +2.❑ch ¿ (¿ ¿ ( hch +❑ch )−i b a ❑ch) ❑ X 18 H 10 T (5.16) Ntt = 12 Số chóp phân bố trên đĩa n=7 Đường kính chóp dch = 0,075 (m) Chiều cao chóp: hch = 0,05 (m) Chiều dày chóp ch = 0,002 (m) Số khe chóp i = 10 khe Chiều cao khe chóp b = 0,01 (m) Chiều rộng khe chóp a = 0,013 (m) ❑  M chóp = Ntt.n.( d ch +2.❑ch ¿ (¿ ¿ ( hch +❑ch )−i b a ❑ch).❑ X 18 H 10 T 0,08+2.0,002 ❑ ¿ = 12.7.( )2.(0,05+0,002) – 10.0,013.0,01.0,002).7900 = 190 (kg) - Khối lượng thân tháp M thân = = ❑ ( D2 −D2) t n .H thân.X18H10T (5.17) ❑ 2 (0,408 – 0,4 ).4.7900 = 119,962 (kg) Trong đó Dn = Dt + 2.S = 0,4 + 2.0,004 = 0,408 (m) - Khối lượng đáy và nắp Mđáy-nắp: Khối lượng đáy và nắp (giả sử đường ống dẫn vào đáy và nắp nhau) Với đáy nắp elip có Dt = 400 (mm), chiều dày S = (mm), chiều cao gờ h = 25 (mm) Tra bảng XIII.11 trang 384[6] Mđáy = M nắp = 1,01 6,6 = 6,666 (kg) M đáy-nắp = 6,666 = 13,332 (kg) Trang 48 - Khối lượng ống Mống hơi: M ống = .dh hh ch.n.Ntt.X18H10T (5.18) Đường kính ống hơi: dh = 0,05(m) hh = hch – h2 - ch + hơi chiều cao chóp: hch = 0,05 (m) chiều cao chóp phía trên ống dẫn : h2 = 0,0125 (m) chiều dày chóp: ch = 0,002 (m) chiều dày ống hơi: hơi = 0,002 (m) hh = 0,05 – 0,0125 – 0,002 + 0,002 = 0,0375 (m) = 37,5 (mm) Số chóp phân bố trên đĩa: n = chóp Số đĩa thực tế: Ntt = 12 đĩa Khối lượng riêng thép X18H10T: X18H10T = 7900 (kg/m3) M ống = .0,05.0,0375.0,002.7.12.7900 = 8,335 (kg) - Khối lượng ống chảy chuyền: M chảy chuyền = .dc.hc.ch.X18H10T.Ntt Đường kính ống chảy chuyền: dc = 0,03 (m) Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa hc = 0,05(m) Bề dày ống chảy chuyền ch = 0,002 (mm) M chảy chuyền = .0,03.0,05.0,002.12.7900 = 0,89 (kg) - Khối lượng bích nối các ống dẫn: Mống dẫn (Thép CT3) Mống dẫn = ❑ 2 2 2 2[(0,14 – 0,05 ).0,012 + (0,14 – 0,05 ).0,012+(0,08 – 0,015 ).0,01 + (0,162 – 0,072).0,014 + (0,132 – 0,042).0,012].7850 = 13,93 (kg) - Khối lượng dung dịch tháp(lấy V dung dịch = 0,5 thể tích tháp) Mdd = 0,5(Dt2.H/4 + Vđáy).x = 0,5(.0,42.4/4 + 0,0151).984,482 = 254,86 (kg) Khối lượng toàn tháp: M = 5.m1 + M mâm + M chóp + M thân + M đáy-nắp + M ống + M chảy chuyền + M ống dẫn + M dd = 5.12,975 + 30,384 + 190 + 119,962 + 13,332 + 8,335 + 0,89 + 13,93 + 254,86 = 696,568 (kg) 5.6.2 Chọn chân đỡ Trang 49 - Chọn vật liệu làm chân đỡ là thép CT3 - Tải trọng lên chân đỡ (4 chân đỡ) G= - M 696,568 10 = 4 = 1741,142(N) (5.17) Tải trọng cho phép lên chân đỡ là G = 2500(N) Truïc thieát bò Theo đáy thieát bò Tra bảng XIII.35-trang 437[2], ta có: Tải trọng cho phép trên tai treo G.10-4.N Bề mặt đỡ F.104,m2 Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10-6,m2 0,25 85,5 0,29 L B B1 B2 H h 11 80 95 11 180 120 s l d 40 18 5.6.3 Tính chiều dày lớp cách nhiệt - Trong quá trình tháp hoạt động, tiếp xúc với không khí nên nhiệt lượng tổn thất môi trường lớn chi phí vận hành cao, tháp hoạt động không ổn định và để đảm bảo an toàn cho công nhân vận hành vì ta cần bọc cách nhiệt cho tháp Chọn vật liệu cách nhiệt cho tháp là amiang có bề dày a Hệ số dẫn nhiệt amiang là a = 0,151(W.m/K) Nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh: Qm = 0,05.Qđ = 0,05 479945,362kJ = 23997,268 (kJ/h) = 6666 (W) - Q ❑ ❑ m a a Nhiệt tải mát nhiệt: q m= f = ❑ ( t v 1−t v 2) = ❑ t v (5.18) a a tb  tv1: nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt ngoài tháp  tv2: nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với không khí Trang 50  tv: hiệu số nhiệt độ hai bề mặt lớp cách nhiệt Để an toàn ta lấy tv = tđáy – tkk = 193,6oC – 27oC = 166,6oC ftb: diện tích bề mặt trung bình tháp(kể lớp cách nhiệt) ftb = .Dtb.H =  Dt + Dn +2❑a Dt + Sthan +2 a H =  .H = .(Dt + Sthan + a).H (5.19) 2 = 12,566(0,404 + a)  6666 0,151 = ❑a 166,6 12,566 (0,404+❑a) a = 0,02011 (m) = 20,11 (mm) Chọn bề dày lớp cách nhiệt a = 20(mm) Thể tích vật liệu cách nhiệt cần dùng: V = (Dt + 2S thân + a).a.H = (0,4 + 2.0,004 + 0,02).0,02.4 = 0,1076 (m3) Trang 51 Chương 6: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆTTHIẾT BỊ PHỤ 6.1Thiết bị đun sôi đáy tháp - Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp là nồi đun Kettle Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T kích thước ống 38x3, đường kính ngoài dn = 38 (mm) = 0,038(m), bề dày ống = 3(mm) = 0,003(m) đường kính dtr = 32 (mm) = 0,032 (m) - Thiết bị gồm 187 ống, xếp thành vòng, bố trí theo hình lục giác, số ống xuyên tâm b = 15 (ống) - Chọn nước bão hòa áp suất 20 at đun sôi sản phẩm đáy ống o Nhiệt hóa hơi: rH2O = rN = 2802000 (J/kg) o Nhiệt độ sôi: tH2O = tN = 211,4 oC - Dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ o Trước vào nồi đun (lỏng): tS1 = 193,6 oC o Sau đun sôi (hơi): tS2 = 196oC 6.1.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình: Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên: - Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn: tl = 211,4 – 193,6 = 17,8 oC - Chênh lệch nhiệt độ đầu nhỏ: tn = 211,4 – 196 = 15,4 oC tlog = t l−t n 17,8−15,4 = =¿ tl 17,8 ) ln ⁡( ) ln ⁡( 15,4 tn 16,57 (oC) (6.0) - Nhiệt lượng đun sôi sản phẩm đáy bốc Q = 479945,362 (kJ/h) - Lượng nước bão hòa cân dùng là: GN = 171,287 (kg/h) Xác định hệ số cấp nhiệt đốt - Xác định chuẩn số Re: Khi ngưng mặt ngoài ống nằm ngang ℜ= .d z q .r Trang 52 (6.1) Trong đó: - : độ nhớt nước ngưng, N.m/s2 - q: nhiệt tải riêng,W/m2 - d: đường kính ngoài ống,m; dn = 0,038 (m) - r: ẩn nhiệt ngưng, J/kg; r = 2802000 (J/kg) - z: soá oáng moät daõy oáng z =8 nhiệt độ 211,4 oC ta có các thông số sau: - độ nhớt  = 1,33.10-4 (N.s/m2) r = 2802000 (J/kg) Nhiệt dung riêng C = 4545,86 (J/kg.độ) Hệ số dẫn nhiệt  = 0,657 (W/m2.độ) Khối lượng riêng  = 853,02 (kg/m3) chọn K = 1200 (W/m2.độ) q = K.tlog = 1200.16,57 = 19884 (6.2) Re = Pr = .0,038 19884 2.1,33 10− 2802000 Cμ 4545,86.1,33 10−4 = ❑ 0,657 = 3,18 <50 = 0,92 > 0,5 Do đó hệ số cấp nhiệt n xác định theo công thức (V.111-trang 30[6]) Ta chọn t = oC (t1 = 210,4oC là nhiệt độ vách tiếp xúc với đốt) r ❑2 ❑3 2802000.853,02 0,657 ❑n=1,28 =1,28 μ t d 1,33.10−4 0,038 √ √ = 23460 (W/m2.độ) (6.3) Tính hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy nồi - Hệ số cấp nhiệt s cho chế độ sủi bọt áp dụng theo công thức V.80 , trang 24[2] ❑s=7,77 10−2 ( ❑h r 0,033 ❑ 0,333 ❑0,75 q0,7 ) ( ) 0,45 0,117 0,37 −❑h ❑ μ C T s Trong đó: - : hệ số dẫn nhiệt chất lỏng, W/m2.độ μ: độ nhớt chất lỏng, N.s/m2  và h: khối lượng riêng lỏng và hơi, kg/m3 r: ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg Trang 53 (6.4) - : sức căng bề mặt (lỏng-hơi), N/m C: nhiệt dung riêng chất lỏng, J/kg/độ Nhiệt đô sôi trung bình dòng sản phẩm ngoài ống: t s= t s 1+t s 193,6+196 = =¿ 194,8 (oC) 2 Ts = ts + 273 = 194,8 + 273 = 467,6 (K) Khối lượng riêng pha dòng sản phẩm ngoài ống: ❑h= P M HW 1.61,56 = =¿ 1,604 (kg/m3) RTs 22,4 467,6 273 Tra khối lượng riêng nước và Etilenglicol nhiệt độ 194,8 oC - Khối lượng riêng nước N = 872,93 (kg/m3) - Khối lượng riêng Etilenglicol EG = 973,97 (kg/m3) Nên: ' ' x w 1−x w 0,0029 1−0,0029 = + = + ❑ ❑N ❑EG 872,93 973,97  = 973,643 (kg/m3) Tra độ nhớt nước và Etilenglicol nhiệt độ 194,8 oC - Độ nhớt nước μN = 1,406.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt Etilenglicol μEG = 1,5.10-4 (N.s/m2) Ta có: logμhh = xw.logμN + (1-xw).logμEG = 0,01.log(1,406.10 - 4) + (1 - 0,01).log(1,5.10-4) μhh = 1,499.10-4 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt nước và Etilenglicol nhiệt độ 194,8 oC - Hệ số dẫn nhiệt nước N = 0,669 (W/m.độ) Hệ số dẫn nhiệt Etilenglicol EG = 0,244 (W/m.độ) Áp dụng công thức 1.33, trang 124[5], ta có: ¿❑N x 'w +❑ EG ( 1−x 'w )−0,72 x 'w ( 1−x 'w ) (❑ N −❑EG ) = 0,669.0,0029 + 0,244(1-0,0029) – 0,72.0,0029(1-0,0029)(0,669-0,244)  = 0,244 (W/m.độ) Nhiệt dung riêng nước và Etilenglicol nhiệt độ 194,8oC - Nhiệt dung riêng nước CN = 4459,689 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng Etilenglicol CEG = 3214,447 (J/kg.độ) Trang 54 C = C N x'w +C EG (1−x 'w ) = 4459,689.0,0029 + (1-0,0029).3214,447 = 3218,058 (J/kg.độ) Tra sức căng bề mặt nước và Etilenglicol nhiệt độ 194,8oC - Sức căng bề mặt nước N = 0,039 (N/m) Sức căng bề mặt Etilenglicol EG = 0,033 (N/m) ❑N ❑EG 0,039.0,033  = ❑ +❑ = 0,039+0,033 N EG = 0,0179 (N/m) Nhiệt hóa nước và Etilenglicol nhiệt độ 194,8oC - Nhiệt hóa nước rN = 1958200 (J/kg) Nhiệt hóa Etilenglicol rEG = 866220 (J/kg) r = r N x 'w +r EG ( 1−x 'w )=¿ 1958200.0,0029 + (1- 0,0029).866220 r = 869386,742 (J/kg) q = qn : giả sử truyền nhiệt ổn định q = qn = n.t1 = 23460 (W/m2) s = 3713,42 (W/m2.độ) Chọn t2 = 210 oC (nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đáy ngoài ống) t2 = 201 – 194,8 = 6,2 oC qs =s.t2 = 3713,42.6,2 = 23023,204 (W/m2) Kiểm tra sai số: ¿ qn−qs 23460−23023,204 = qn 23460 = 0,0186<0,05 (thỏa) (6.5) Vậy các thông số đã chọn phù hợp 6.1.2 Hê số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức tường phẳng: K= 1 + r+ ❑n ∑ t ❑s , (W/m2.độ) (6.6) Với: - n: hệ số cấp nhiệt đốt (W/m2.đô) s: hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy (W/m2.độ) ∑ r t : nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu ❑ ∑ r t = ❑tt +r +r - bề dày thành ống: t = 0,003 (m) Trang 55 (6.7)  hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: t = 16,3 (W/m.độ) (tra bảng XII.7, trang 313[2]) Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1 = 1/5800 (m2.độ/W)(tra bảng 31 trang 419[4]) Nhiệt trở lớp cáu ngoài ống: r2 = 1/5800 (m2.độ/W)(tra bảng 31 trang 419[4]) ∑ r1 K = = 5,289.10-4 (m2.độ/W) 1 +5,289.10−4 + 23460 3713,42 = 1189,3 (W.m2.độ) Bề mặt truyền nhiệt Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: F= Qđ 479945,362.1000 = =¿ 6,765 (m2) (6.6) K ❑log 3600.1189,3 16,57 Cấu tạo thiết bị: n = 187 ống ống bố trí theo hình lục giác Chiều dài ống truyền nhiệt: L = F 6,765 = n d n 187 0,038 = 0,303 (m) (6.7) Chọn chiều dài ống truyền nhiệt 0,5 (m) 6.2Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: Chọn chất giải nhiệt là nước: - Nhiệt độ nước lạnh vào tv = 27oC Nhiệt độ nước lạnh tR = 37oC Nhiệt độ sản phẩm đáy tws = 193,6 oC Nhiệt độ dòng sản phẩm cần làm nguội đạt yêu cầu twR = 40oC Nhiệt độ trung bình nước: tn = (tv + tR )/2 = 30oC Nhiệt độ trung bình sản phẩm đáy: tw =(tws + twR)/2 = 116,8oC - tlog = Hệ số nhiệt độ trung bình: Nhiệt độ đầu lớn tl = 193,6 – 37 = 156,6 oC Nhiệt độ đầu nhỏ tn = 40-27 = 13oC 156,6−13 156,6 ln ⁡( ) 13 = 57,744 oC Nhiệt tải cần thiết để làm nguội sản phẩm đáy: Q = 748,4.104 (kJ/h) = 207,9 (KW) Trang 56 Lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đáy: Gn = 17862 (kg/h) Tại nhiệt độ trung bình sản phẩm đáy 116,8oC, ta có: Nên: - Khối lượng riêng nước: N = 945,01 (kg/m3) Khối lượng riêng Etilenglicol: EG = 1041,1 (kg/m3) ' ' x w 1−x w 0,0029 1−0,0029 = + = + ❑ ❑N ❑EG 945,01 1041,1  = 1040,793 (kg/m3) Độ nhớt nước: μN = 2,397.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt Etilenglicol: μEG = 1,1.10-3 (N.s/m2) Nên: logμhh = xwlogμN + (1-xw)logμEG = 0,01.log(2,397.10-4) + (1-0,01).log(1,1.10-3) μ = 1,083.10-3 (N.s/m2) - Hệ số dẫn nhiệt nước : N = 0,683 (W/m.độ) Hệ số dẫn nhiệt Etilenglicol: EG = 0,2598 (W/m.độ) Nên:  = N.xw + EG.(1 – xw) = 0,683.0,01 + (1- 0,01).0,2598 = 0,264 (W/m.độ) - Nhiệt dung riêng nước: CN = 4245,808 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng Etilenglicol: CEG = 2866,01 (J/kg.độ) Nên: C = C N x 'w + C EG (1−x 'w ) = 4245,808.0,0029 + (1- 0,0029).2866,01 = 2870,011(J/kg.độ) - Hệ số dãn nở thể tích nước: N = 7,719.10-4 (1/độ) Hệ số dãn nở thể tích Etilenglicol: EG = 6,5.10-4 (1/độ) Nên:  = xw.N + (1- xw)EG = 0,01.7,719.10-4 + (1 – 0,01).6,5.10-4 = 6,512.10-4 (1/độ) Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đáy là thiết bị ống chùm, đặt nằm ngang, vật liệu X18H10 T , hệ số dẫn nhiệt  = 16,3 W/m.độ Chọn đường kính ngoài ống dn = 0,038 (m) loại ống 38x3, đường kính dtr = 0,032 (m) Chọn thiết bị gồm 187 ống, bố trí các ống hình lục giác với vòng, số ống trên đường xuyên tâm hình cạnh là b = 15 (ống), số ống vòng ngoài cùng là 43 (ống) Chọn bước ống t = 1,5dn = 1,5 0,038 = 0,057 (m)  Đường kính thiết bị: Dtr = t(b-1) + 4dn = 0,057(15-1) + 4.0,038 = 0,95 (m) Chọn Dtr = (m) - Tiết diện ngang khoảng ngoài ống: S= ❑ (D2 −n d 2) = 0,785(12 – 187.0,0382) = 0,573 (m2) tr n Trang 57 - Tốc độ dòng chảy dòng sản phẩm thiết bị: Gw Vw = = n 3600.❑w d 2tr - 1428,7 187 3600.1040,793 0,0322 = 2,537.10 -3 (m/s) Tính chuẩn số Re V w d dt 2,537.10−3 0,032 1040,793 = ì 1,083.10−3 Re = = 78,02 (6.8) 10< Re<2300: chế độ chảy màng - Tính chuẩn số Pr Chọn t1 = 2,5oC tt1 = tw - t1 = 116,8 – 2,5 = 114,3oC Tra hình V.12 trang 12[6] Pr 116,8 = Pr = Cμ 2807,011.1,083 10−3 = =¿ 11,515 (6.9) ❑ 0,264 Pr 114,3:Tra các giá trị cần thiết ta được: - Hệ số dẫn nhiệt nước N= 0,682 (W/m.độ) Hệ số dẫn nhiệt Etilenglicol EG = 0,258 (W/m.độ)  = 0,262 (W/m.độ) - Nhiệt dung riêng nước CN = 4241(J/kg.độ) Nhiệt dung riêng Etilenglicol CEG = 2854 (J/kg.độ) C = 2858 (J/kg.độ) - Độ nhớt nước μN = 2,46.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt Etilenglicol μEG = 1,1.10-3 (N.s/m2) μ = 1,083.10-3 (N.s/m2) −3 Cμ 2858.1,083 10 = ❑ 0,262 Pr 114,3 = 0,25  ( Pr 116.8 ) Pr 114,3 - = 0,993 Tính chuẩn số Gr Gr= 0,25 11,515 =( ) 11,814 = 11,814 g d td ❑ t 9,81.0,0323 1040,7932 6,512 10−4 2,5 = −3 ì (1,083 10 ) Gr 0,1 = 3,70 - Chuẩn số Nu cho chế độ chảy dòng Trang 58 = 483331,56 (6.10) Nu=0,15❑1 ℜ0,33 Pr 0,43 Gr 0,1 ( Pr 116,8 ) Pr 108,8 0,25 (6.11) 1: hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt phụ thuộc theo tỉ lệ chiều dài L với đường kính d Tra bảng V.2 trang 15[6]: 1 = Nu = 7,54 - Hệ số cấp nhiệt s = Nu 7,32.0,264 = d 0,032 = 62,205(W/m2.độ) Xác định hệ số cấp nhiệt N thiết bị Tại nhiệt độ này thì: - Khối lượng riêng nước: N = 995,7 (kg/m3) Độ nhớt nước: μN = 8,007.10-4 (m2/s) Hệ số dẫn nhiệt nước: n = 0,617 (W/mK) Nhiệt dung riêng nước CN = 4181,843 (J/kg.độ) Vận tốc nước chảy thiết bị Vn = - Gn 17862 = 3600 ❑N S 3600.995,7 0,573 = 8,696.10-3 (m/s) Tính chuẩn số Re Re = - Xác định dtd dtd = đó: 4f ❑ V N d dt μ (6.12) f: thiết diện dòng chảy f = ❑ (D2 −n d 2) n = ❑ (12−187 0,0382 ) = 0,573 (m2) : chu vi thấm ướt dòng  = (D + ndn) = (1 + 187.0,038) = 25,465 (m) dtd = 0,573/25,465 = 0,0225 (m) Re = 243,310 10<Re<2300 : chế độ chảy dòng - Tính chuẩn số Pr Chọn t2 =1oC t2 = tn + t2 = 30 + = 31 oC Tra hình V.12 trang 12[6] Pr 30 = Pr = C N μ N 4181,843.8,007 10− = =¿ 5,427 ❑N 0,617 Pr 31:Tra các giá trị cần thiết ta được: Trang 59 - Hệ số dẫn nhiệt nước N= 0,61450 (W/mK) Nhiệt dung riêng nước CN = 4181,233 (J/kg.độ) Độ nhớt nước μN = 7,84.10-4 (N.s/m2) C N μ N 4181,233.7,84 10−4 = ❑N 0,61450 Pr 31 = 0,25 Pr  ( 30 ) Pr 31 - 5,427 ) 5,335 = 1,004 Tính chuaån soá Gr Gr= - 0,25 =( = 5,335 g d 3td ❑2 t 9,81.0,02253 3,0263 10−4 995,72 = μ2 ( 8,007.10−4)2 = 52293,282 Trong đó  hệ số nở khối  = 3,0263.10-4 (1/độ) Gr 0,1 = 2,964 - Chuẩn số Nu cho chế độ chảy dòng Nu=0,15❑1 ℜ 0,33 Pr 0,43 0,1 Gr ( Pr 30 ) Pr 31 0,25 1: hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt phụ thuộc theo tỉ lệ chiều dài L với đường kính d Tra baûng V.2 trang 15[6]: 1 = Nu = 5,66 - Heä soá caáp nhieät αs = Nu 5,66.0,617 = d 0,0225 = 155,21 (W/m2.độ) Nhieät taûi rieâng: - q1 = αs.t1 = 62,205.2,5 = 155,51 (W/m2) - q2 = αn.t2 =155,21.1 = (W/m2) Sai số q1 và q2 q1−q2 q1 = = 0,00193<0,05 (hợp lý) Vậy các thông số đã chọn phù hợp - Heâ soá truyeàn nhieät: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức tường phẳng: Trang 60 K= 1 + r+ αn ∑ t αs Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: ∑ r1 , (W/m2.độ) = 5,289.10-4 (m2.độ/độ) K = 43,388 (W/m2.độ) F= Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt Q 748400.1000 = K t log 3600.43,388.57,744 - = 86,923 (m2) Caáu taïo thieát bò F 86,923 Chieàu daøi oáng truyeàn nhieät: L= n d = 187 0,038 = 3,894 (m) Choïn chieàu daøi oáng truyeàn nhieät L = (m) 6.3 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Chọn thiết bị ngưng tụ với chất làm lạnh là nước để ngưng tụ - Dòng nóng sản phẩm đỉnh(đi ngoài) vào tDv =107,1oC (hơi)  sản phẩm đỉnh tDR = 101,8oC (lỏng) Dòng lạnh nước(đi trong) vào tv = 27oC  nước tR = 37oC Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn: tl = 101,8 – 27 = 74,8 oC Chênh lệch đầu nhiệt độ đầu nhỏ: tn = 107,1 – 37 = 70,1oC Hiệu số nhiệt độ trung bình: tlog = t l−t n 74,8−70,1 = tl 74,8 ) ln ⁡( ) ln ⁡( 70,1 tn = 72,424 Nhiệt độ trung bình dòng nước: tt1 = 30oC Nhiệt độ trung bình sản phẩm đáy: tt2 = 104,45oC Theo tính toán cần truyền nhiệt thì: - Lượng nhiệt cần thiết để ngưng tụ sản phẩm đỉnh tháp: Q = 276569,689 (kg/h) Lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đỉnh là Gn = 6928,098 (kg/h) Chọn loại thiết bị ống chùm, đặt nằm ngang vật liệu là thép X18H10T Thiết bị gồm 187 ống, xếp thành hình cạnh, số ống vòng ngoài là 43 ống, số ống trên đường xuyên tâm là b = 15 (ống) Trang 61 Chọn đường ống có kích thước 38 x 3, đường kính ngoài ống dn = 0,038 (m), bề dày 0,003(m), đường kính dtr = 0,032 (m) Chọn bước ống t = 1,5dn = 1,5.0,038 = 0,057 (m) Đường kính thiết bị: Dtr = t.(b-1) + 4.dn = 0,057(15-1) + 4.0,038 = 0,95 (m) Ta chọn đường kính thiết bị Dtr = (m) - Tiết diện ngang khoảng ngoài ống: S= ❑ (D2 −n d 2) = 0,785(12 – 187.0,0382) = 0,573 (m2) tr n Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh đến thành ống Tại nhiệt độ trung bình 104,45oC, ta tra các thông số: - Khối lượng riêng nước: N = 953,71 (kg/m3) Khối lượng riêng Etilenglicol: EG = 1051(kg/m3) ' ' x D 1−x D 0,9664 1−0,9664 = + = + ❑ ❑N ❑ EG 953.71 1051  = 956,686 (kg/m3) - Hệ số dẫn nhiệt nước: N = 0,678 (W/m.độ) Hệ số dẫn nhiệt Etilenglicol:EG = 0,2587 (W/m.độ) ¿ x D ❑N + ( 1−x D ) ❑EG =0,99.0,678+ ( 1−0,99 ) 0,2587  = 0,674(W/m.độ) - Độ nhớt nước: μN = 2,72.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt Etilenglicol: μEG = 1,5.10-3 (N.s/m2) −4 −3 logì = x D log μN + ( 1−x D ) log μ EG=0,99 log ⁡( 2,72 10 )+ ( 1−0,99 ) log ⁡( 1,5.10 ) μ = 2,767.10-4 (N.s/m2) - Nhiệt dung riêng nước CN = 4226,87 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng Etilenglicol CEG = 2807,32 (J/kg.độ) C = x 'D C N + ( 1−x 'D ) C EG =0,9664.4226,87+ ( 1−0,9664 ) 2807,32 C = 4179,144 (J/kg.độ) - Hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh ngưng trên ống nằm ngang theo công thức (V.111),trang 30[6] s= 1,28 √ r ❑2 ❑3 μ t d td Trang 62 đó: - r = rD =2200,68 (kJ/kg) ddt: đường kính tương đương 4f ❑ Xác định dtd dtd = đó: f: thiết diện dòng chảy f = ❑ (D2 −n d 2) n = ❑ (12−187 0,0382 ) = 0,573 (m2) : chu vi thấm ướt dòng  = (D + ndn) = (1 + 187.0,038) = 25,465 (m) dtd = 0,573/25,465 = 0,0225 (m) - chọn t1 = 1oC s = 17740,708(W/m2độ) Hệ số cấp nhiệt trung bình chùm ống ch = .s tra bảng V.20 trang 30[6]   = 0,68 ch = 12063,68 Xác định hệ số cấp nhiệt tử thành ống đến nước nhiệt độ 30oC, ta có các số liệu sau: Vn = Re = Khối lượng riêng nước: N = 995,7 (kg/m3) Độ nhớt nước: μN = 8,007.10-4 (m2/s) Hệ số dẫn nhiệt nước: n = 0,617 (W/m.độ) Nhiệt dung riêng nước CN = 4181,843 (J/kg.độ) Vận tốc nước ống: Gn 3600 n n d = 4.6928,098 3600.995,7 187 0,032 = 0,0128 (m/s) Tính chuẩn số Re V n d ❑n 0,0128.0,032 995,7 = μn 8,007.10−4 = 509,35 10<Re<2300: chế độ chảy dòng - Tính chuẩn số Pr: Chọn nhiệt độ vch tiếp xc với nước lạnh l 73oCt1 = 43oC Pr30 = Cμ 4181,843.8,007 10−4 = =¿ 5,427 ❑ 0,617 Trang 63 Tra các thông số nước nhiệt độ 73oC, ta được: - Khối lượng riêng nước: N = 969 (kg/m3) Độ nhớt nước: μN = 3,9.10-4 (m2/s) Hệ số dẫn nhiệt nước: n = 0,659 (W/m.độ) Nhiệt dung riêng nước CN = 4190 (J/kg.độ) Pr73 = Cμ 4190.3,9 10−4 = ❑ 0,659 0,25  ( - Pr 30 ) Pr 73 0,25 =( 5,427 ) 3,603 = 2,48 = 1,22 Tính chuẩn số Gr g d 3td ❑2 t 9,81.0,0323 3,0263 10−4 995,72 43 Gr= = μ2 ( 8,007.10−4)2 - = 6468695,87 Trong đó  hệ số nở khối  = 3,0263.10-4 (1/độ) Gr 0,1 = 4,8 - Chuẩn số Nu cho chế độ chảy dịng Nu=0,15❑1 ℜ0,33 Pr 0,43 Gr 0,1 ( Pr 30 ) Pr 31 0,25 1: hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt phụ thuộc theo tỉ lệ chiều di L với đường kính d Tra bảng V.2 trang 15[6]: 1 = Nu = 14,22 Hệ số cấp nhiệt n = = Nu 14,22.0,617 = d 0,032 = 274,18 (W/m2.độ) Nhiệt tải q1=n.t1 = 274,18.43 = 11789,7(W/m2) q2= ch.t2 = 12063,8 (W/m2) sai số q1 và q2: q2−q1 12063,8−11789,7 = =¿ q2 12063,8 = 0,023 < 0,05 Vậy các thông số đã chọn phù hợp - Hê số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức tường phẳng: Trang 64 K= 1 + r+ ❑n ∑ t ❑ch Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: ∑ r1 , (W/m2.độ) = 5,289.10-4 (m2.độ/W) K = 234,795 (W/m2.độ) F= Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt Q 276569,689.1000 = K t log 3600.234,795.72,424 - = 4,523 (m2) Cấu tạo thiết bị Chiều dài ống truyền nhiệt: L= F 4,523 = n d 187 0,038 = 0,202 (m) Chọn chiều dài ống truyền nhiệt L = 0,5 (m) 6.4 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu Hơi đốt đun sôi dòng nhập liệu(đi ngoài ống) thành lỏng sôi làm việc áp suất 20at - Nhiệt hóa hơi: rH2O = rN = 2802000 (J/kg) Nhiệt độ sôi: tH2O = tN = 211,4 oC Nhiệt độ dòng nhập liệu (đi ống): - Dòng nhập liệu vào tf = 27oC Dòng nhập liệu vào tháp tF = 157,1oC Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn: tl = 211,4 – 27 = 184,4oC Chênh lệch đầu nhỏ tn = 211,4 – 157,1 = 54,3 oC Hệ số nhiệt độ trung bình t log = t l−t n 184,4−54,3 = tl 184,4 ) ln ⁡( ) ln ⁡( 54,3 tn = 106,4oC Nhiệt độ trung bình dòng sản phẩm đáy: tnl = (tf + tF)/2 = 92,05oC Trang 65 Nhiệt lượng cung cấp Q = 634326 (kJ/h) Lượng đốt cần dùng Gn = 226,383 (kg/h) Chọn thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm làm thép không gỉ X18H10T , tổng số ống là 187, xếp thành hình lục giác đều, số ống trên đường xuyên tâm b = 15 (ống), kích thước ống 38x3, đường kính ngòai ống dn = 0,038 (m), bề dày ống 0,003(m) và đường kính ống dtr = 0,032(m) Chọn bước ống t = 1,5dn = 1,5.0,038 = 0,057 (m) Đường kính thiết bị: Dtr = t.(b-1) + 4.dn = 0,057(15-1) + 4.0,038 = 0,95 (m) Ta chọn đường kính thiết bị Dtr = (m) - Tiết diện ngang khoảng ngoài ống: S= ❑ (D2 −n d 2) = 0,785(12 – 187.0,0382) = 0,573 (m2) tr n Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy Tại nhiệt độ trung bình 92,05oC, ta tra các thông số: - Khối lượng riêng nước: N = 961,77 (kg/m3) Khối lượng riêng Etilenglicol: EG = 1060,6(kg/m3) ' ' x F 1−x F 0,0487 1−0,0487 = + = + ❑ ❑N ❑EG 961,77 1060,6  = 1055,32 (kg/m3) - Hệ số dẫn nhiệt nước: N = 0,672 (W/m.độ) Hệ số dẫn nhiệt Etilenglicol:EG = 0,2591 (W/m.độ) ¿ x F ❑N + ( 1−x F ) ❑ EG=0,15.0,672+ ( 1−0,15 ) 0,2591  = 0,321(W/m.độ) - Độ nhớt nước: μN = 3,093.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt Etilenglicol: μEG = 2,25.10-3 (N.s/m2) −4 −3 logμ = x F log μN + ( 1−x F ) log μ EG =0,15 log ⁡( 3,093 10 )+ ( 1−0,15 ) log ⁡( 2,25 10 ) μ = 1,671.10-3 (N.s/m2) - Nhiệt dung riêng nước CN = 4210 (J/kg.độ) Nhiệt dung riên Etilenglicol CEG = 2747,5 (J/kg.độ) C = x 'F C N + ( 1−x 'F ) C EG=0,0487.4210+ ( 1−0,0487 ) 2747,5 C = 2818,72(J/kg.độ) Trang 66 - Hệ số dãn nở thể tích nước: N = 6.746.10-4 (1/độ) Hệ số dãn nở thể tích Etilenglicol: EG = 6,5.10-4 (1/độ) Nên:  = xF.N + (1- xF)EG = 0,15.6,746.10-4 + (1 – 0,15).6,5.10-4 = 6,54.10-4 (1/độ) V F= Re = Vận tốc dòng nhập liệu ống GF 3600 n d tr = 4.1500 =¿ 5,394.10-3 (m/s) 3600.1055,32.91 0,032 Tính chuẩn số Re V F d dt 5,394.10−3 0,032 1055,32 = ì 1,671.10−3 = 109 10< Re<2300: chế độ chảy màng - Tính chuẩn số Pr Chọn t1 = 100oC tt1 = tF + t1 = 92,05 + 100 = 192,05oC Tra hình V.12 trang 12-sổ tay tập Pr 92,05 = Pr = Cμ 2818,72.1,671 10−3 = =¿ ❑ 0,321 14,67 Pr 192,05:Tra các giá trị cần thiết ta được: - Hệ số dẫn nhiệt nước N= 0,671 (W/m.độ) Hệ số dẫn nhiệt Etilenglicol EG = 0,2587 (W/m.độ)  = 0,321 (W/m.độ) - Nhiệt dung riêng nước CN = 4448,2(J/kg.độ) Nhiệt dung riêng Etilenglicol CEG = 2807,32 (J/kg.độ) C = 2887,23 (J/kg.độ) - Độ nhớt nước μN = 1,45.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt Etilenglicol μEG = 1,5.10-4 (N.s/m2) μ = 1,49.10-4 (N.s/m2) Cì 2887,23.1,49 10−4 = ❑ 0,321 Pr 192,05 = 0,25 Pr  ( 92,05 ) Pr 192,05 - 0,25 =( 14,67 ) 1,34 = 1,34 = 1,82 Tính chuẩn số Gr g d 3td ❑2 t 9,81.0,0323 1055,322 6,54 10−4 100 Gr= = μ2 (1,671 10−3 )2 Trang 67 = 8310956,854 Gr 0,1 = 4,92 - Chuẩn số Nu cho chế độ chảy dòng Nu=0,15❑1 ℜ 0,33 Pr 0,43 0,1 Gr ( Pr 92,05 ) Pr 94,55 0,25 1: hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt phụ thuộc theo tỉ lệ chiều dài L với đường kính d Tra bảng V.2 trang 15-sổ tay tập 2:  1 = Nu = 20,05 - Hệ số cấp nhiệt f = Nu 7,83.0,321 = d 0,032 = 201(W/m2.độ) Xác định hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ngoài ống - Hệ số cấp nhiệt ngưng trên ống nằm ngang s= 1,28 √ r ❑2 ❑3 μ t d td đó: - r = rD =280200 (J/kg) ddt: đường kính tương đương Xác định dtd dtd = 4f ❑ đó: f: thiết diện dòng chảy f = ❑ (D2 −n d 2) n = ❑ (12−187 0,0382 ) = 0,573 (m2) : chu vi thấm ướt dòng  = (D + ndn) = (1 + 187.0,038) = 25,465 (m) dtd = 0,573/25,465 = 0,0225 (m) - chọn t2 = 2,5oC. t2 = 211,4 – 2,5 = 208,9 nhiệt độ này thì - khối lượng riêng nước n =856,29 (kg/m3) độ nhớt nước μ= 1,3.10-4 (N.s/m2) hệ số dẫn nhiệt nước n = 0,659(W/m.độ) s = 12121(W/m2độ) Hệ số cấp nhiệt trung bình chùm ống ch = .s tra bảng V.20 trang 30[6]  = 0,7 Trang 68 ch = 84847 Nhiệt tải q1= n.t1 =201.100 = 20100 q2= ch.t2 = 84847.2,5 = 21211,75 (W/m2) sai số q1 và q2: q2−q1 21211,75−20100 = =¿ q2 21211,75 = 0,052  0,05 Vậy các lựa chọn trên phù hợp - Hê số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức tường phẳng: K= 1 +∑ rt + ❑f ❑ch Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: ∑ r1 , (W/m2.độ) = 5,289.10-4 (m2.độ/W) K = 181,3 (W/m2.độ) F= - Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt Q 634326.1000 = K t log 3600.181,3.106,04 = 9,17 (m2) Cấu tạo thiết bị Chiều dài ống truyền nhiệt: L= F 9,17 = n d 187 0,038 = 0,41 (m) Chọn chiều dài ống truyền nhiệt L = 0,5 (m) 6.5 Tính toán bơm nhập liệu 6.5.1 Chiều cao bồn cao vị - Chọn đường kính ống dẫn nhập liệu d = 40 (mm) = 0,04(m) Độ nhám ống  = 0,2(mm) = 0,0002 (m) Trang 69 6.5.1.1Tổn thất đường ống dẫn ❑1 ❑1 l1 v2 +∑ ¿ F d1 2g h1=¿ (m) (6.12) Trong đó: - 1: hệ số ma sát đường ống l1: chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 20 (m) d1: đường kính ống dẫn, d1 = d = 0,04(m) ∑ ❑1 : tổng hệ số tổn thất cục vF : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn Vận tốc dòng nhập liệu chảy ống v F = GF 3600❑ F d Nhiệt độ trung bình dòng nhập liệu ttbF = 0,5(tf + tF) = 0,5(27 + 157,1) = 92,05 oC Tại nhiệt độ này ta tra các thống số Khối lượng riêng nước : N = 961,77 (kg/m3) Khối lượng riêng Etilenglicol: EG = 1060,6(kg/m3) ' ' x 1−x F 0,0487 1−0,0487 = F+ = + ❑F ❑ N ❑EG 961,77 1060,6 F = 1055,32(kg/m3) Độ nhớt nước μN = 3,093.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt Etilenglicol μEG = 2.10-3 (N.s/m2) Nên: log μF =x F log μ N + ( 1−x F ) log μ EG=0,15 log ( 3,093.10−4 ) + (1−0,15 ) log ⁡( 10−3 ) μF = 1,512.10-3 (N.s/m2) vF = 0,314 (m/s) 6.5.1.2 xác định hệ số ma sát đường ống chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu ống: ℜ1= v F d ❑ F 0,314.0,04 1055,32 = =8725>4000 μF 1,512.10−3 : chế độ chảy xoáy rối, hệ độ Chuẩn số Regh khu vực nhẵn thủy học Regh  6(d/)8/7 = 2558 Chuẩn số Ren bắt đầu xuất vùng chảy nhám Ren  220(d/)9/8 = 85326 Nhận xét: Regh < Re < Ren Trang 70  khu vực chảy quá độ(là khu vực nằm khu vực nhẵn thủy lực và khu vực nhám) Hệ số ma sát khu vực quá độ phụ thuộc vào chuẩn số Renolds và độ nhám ống Áp dụng công thức (11.64), trang 380[5], ta có: 100 ❑1 =0,1 1,46 ❑ + ℜ d ( ) 0,25 = 0,037 6.5.1.3 xác định hệ số tổn thất cục Hệ số tổn thất nhập liệu qua  chỗ uốn cong 90o có R/d = 0,15 u1 = 6.0,15 = 0,9 van cầu, cho van cầu với độ mở hoàn toàn van (1 cái) = 10 v1 = 2.10 = 20 lần đột thu t1 = 0,5 lần đột mở m1 = = u1 + v1 + t1 + m1 = 0,9 + 20 + 0,5 + = 22,4 ∑ ❑1 Vậy h1 = ( 0,037 20 0,3142 + 22,4 0,04 2.9,81 ) = 0,206(m) 6.5.1.4 Tổn thất đường ống thiết bị đun sôi dòng nhập liệu ❑2 l v ❑2 + ∑ ¿ d2 2g h2 =¿ (m) Trong đó: - 2: hệ số ma sát đường ống l2: chiều dài đường ống dẫn, chọn l2 = 12(m) d2: đường kính ống dẫn, d2 = 0,0032(m) ∑ ❑2 : tổng hệ số tổn thất cục v2= VF = 0,0054(m/s) Chuẩn số Renolds chảy thiết bị truyền nhiệt dòng nhập liệu là 109 Re <2320 (chế độ chả dòng), tra bảng II.11-trang 378[5] 2 = 0,6112 Xác định tổng hệ sô tổn thất cục Hệ số trở lực dòng chảy dọc theo trục ống Tra bảng II.16 trang 382-sổ tay tập 1,xét cho ống với b/d = thì o (1 ống) = 0,5 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu có 187 ống nên ch = 187.0,5 = 93,5 - Đột thu Trang 71 Hệ số đột thu sau thiết bị gia nhiệt(chọn đường kính lỗ mở thiết bị gia nhiệt 60(mm),10<Re<10000) tra bảng II.16, trang 382-sổ tay tập F o 0,042 = =¿ F 0,062 0,44 thì đột thu1 = 0,839 hệ số đột thu bồn cao vị chảy vào thiết bị gia nhiệt chọn đường kính lỗ mở bồn cao vị là 100(mm) F o 0,042 = =¿ F 0,12 0,16, tra bảng ta đột thu = 1,19 đột thu =đột thu + đột thu = 0,839 + 1,19 = 2,029 - Đột mở hệ số đột mở trước vào thiết bị gia nhiệt(chọn đường kính lỗ mở thiết bị gia nhiệt 60(mm), 10<Re<3500) F o 0,042 = =¿ F 0,062 ∑ ❑2 0,44 , tra bảng II.16, trang 382-sổ tay tập 1, ta đột mở = 1,01 = ch + đột thu + đột mở = 93,5 + 2,029 + 1,01= 96,539 h2 = (0,6112 12 0,0054 +96,539 ¿ 0,032 2.9,81 = 4,84.10-4 (m) 6.5.2 Chiều cao bồn cao vị - Chọn mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị - Mặt cắt (2-2) là mặt cắt vị trí nhập liệu tháp Ap dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2): z 1+ P1 v1 P2 v2 + =z + + +∑ h f 1−2 ❑ F g g ❑F g g Trong đó: - z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, ta xem chiều cao bồn cao vị z1= Hcv - z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, xem là chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu z2 = h chân đỡ + h đáy + (nttc +1)(h + mâm) + 0,5 = 0,15 + 0,125 + (8+1).(0,25+0,004) = 2,561 (m) - P1: áp suất mặt thoáng 1-1; P1 = 9,81.104 (N/m2) - P2: áp suất mặt 2-2 Trang 72 Xem P = P2 – P1 = P luyện = 2819,64 (N/m2) - v1: vận tốc mặt thoáng 1-1, v1 = - v2: vận tốc mặt thoáng 2-2, v2 = vF = 0,314 (m/s) - ∑ h f 1−2 ∑ h f 1−2 : tổng tổn thất ống từ 1-1 đến 2-2 = h1 + h2 = 0,206 + 4,84.10-4 = 0,2065 (m) Vậy chiều cao bồn cao vị: Hcv = z2 + P2 −P v 2−v + + ∑ h f 1−s ❑F g g = 2,561 + 2819,64 0,314 2−0 + 1055,32.9,81 2.9,81 + 0,2065 = 3,045 (m) Chọn Hcv = (m) 6.6 Bơm 6.6.1 Năng suất Nhiệt độ dòng nhập liệu là tF = 27oC, nhiệt độ này ta có: - Khối lượng riêng nước: N = 993,96 (kg/m3) - Khối lượng riêng Etilenglicol: EG = 1108,8(kg/m3) Nên: x' 1−x'F 0,0487 1−0,0487 = F+ = + ❑F ❑ N ❑EG 993,96 1108,8  F = 1102,6(kg/m3) - Độ nhớt nước: μN = 8,545.10-4 (N.s/m2) - Độ nhớt Etilenglicol: μEG = 0,016 (N.s/m2) logμF = xF.logμN + (1 – xF).logμEG = 0,15.log(8,545.10-4) + (1-0,15).log(0,016) μF = 0,0103 (N.s/m2) Suất lượng dòng nhập liệu ống: QF = GF/F = 1500/1102,6 = 1,36 (m3/h) Chọn bơm có suất 1,4 (m3/h) 6.6.2 Cột áp Chọn: - Mặt cắt 1-1 là mặt thoáng chất lỏng bồn nguyên liệu - Mặt cắt 2-2 là mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Trang 73 Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2): 2 P1 v1 P2 v2 z 1+ + + H b =z2 + + + ∑ h f 1−2 ❑ ❑ F g g F g g (6.13) Trong đó: - z1: độ cao mặt thoáng 1-1 so với mặt đất, chọn z1 = 1m - z2: độ cao mặt thoáng 2-2 so với mặt đất, z2 = Hcv = 4m - P1: áp suất mặt thoáng 1-1, chọn P1 = 1at - P2: áp suất mặt thoáng 2-2, chọn P2 = 1at - v, v2: vận tốc mặt thoáng 1-1 và 2-2, xem v1 =v2 = (m/s) - ∑ h f 1−2 : tổng tổn thất ống từ 1-1 đến 2-2 Hb: cột áp bơm 6.6.3 Tính tổng trở lực ống Chọn đường kính ống hút và ống đẩy nhau: dtr = 50 (mm) = 0,05(m) Chọn độ nhám ống = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ống nguyên và ống hàn điều kiên ăn mòn ít) Tổng trở lực ống hút và ống đẩy l h +l đ v 2F ∑ h f 1−2= d +∑ ❑h +∑ ❑đ g tr ( ) (6.14) Trong đó : - lh: chiều dài ống hút Chiều cao ống hút: tra bảng II.34 trang 441 [5]  hh = 4,3(m), chọn chiều dài ống hút lh = 6(m) - lđ: chiều dài ống đẩy, chọn lđ = 15 (m) ∑ ❑h ∑ ❑đ : tổng tổn thất cục ống hút : tổng tổn thất cục ống đẩy - : hệ số ma sát ống hút và ống đẩy - vF; vận tốc dòng nhập liệu ống hút và ống đẩy vF = - GF 3600 ❑F d tr = 4.1500 3600 1102,6.0,05 = 0,192(m/s) xác định hệ số ma sát ống hút và ống đẩy Trang 74 chuẩn số Reynolds: ℜ F= v F d tr ❑F 0,192.0,05 1102,6 = ìF 0,0103 = 1027,7 ReF < 2320 chế độ chảy dòng Tra bảng II.11-trang378[5]  = 0,0623 - xác định tổn thất cục ống hút o chọn dạng uốn cong 90o có bán kính R với R/d =2 thì u1 (1 chỗ) = 0,15 ống hút uốn cong chỗ nên u1 = 0,15.2 = 0,3 - van: o chọn van cầu với độ mở hoàn toàn v1(1 cái) = 10 ống hút có van cầu v1 = 10 h = u1 + v1 = 0,3 + 10 = 10,3 - xác định tổng tổn thất cục ống đẩy o chỗ uốn cong chọn dạng uốn cong 90o có bán kính R với R/d = thì u2 (1 chỗ) = 0,15 ống đẩy có chỗ uốn u2 = 4.0,15 = 0,6 - van o chọn van cầu với độ mở hoàn toàn thì v2(1 cái) = 10 ống đẩy có van cầu v2 = 10 - đột mở vào bồn cao vị: cv = đ = u2 + v2 + cv = 10 + 0,6 + = 11,6 0,032 6+15 0,032 Vậy: h =(¿+10,3+ 11,6) 0,192 f 1−2 = 0,08(m) = 80(mm) 2.9,81 ∑¿ Tính cột áp bơm Hb= (z2 – z1) + ∑ h f 1−2 = (4-1) + 0,08 = 3,08 (m) 6.6.4 công suất chọn hiệu suất công suất bơm: b = 0,85 cống suất bơm thực tế: N b= Trang 75 Qb H b ❑F g 3600.❑b (6.15) ¿ 1,4.3,08 1102,6 9,81 3600.0,85 = 15,242 (W) = 0,0203 (Hp) Kết luận: để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có - suất: Qb = 1,46 (m3) - cột áp: Hb = 3,08(m) - công suất: Nb = 0,0203 (Hp) Chương 7: TÍNH KINH TẾ - Lượng thép X18H10T cần dùng M1 = m thân + m đáy(nắp) + m mâm + m chóp + m ống + m ống chảy chuyền = 119,962 + 13,322+ 30,384 + 190 + 8,335 + 0,89 = 362,893 Tính dư bảm đảm đủ lượng thép ta lấy M1  375 (kg) - Lượng thép CT3 cần dùng M2 = m bích ghép thân + m chân đỡ + m bích ghép ống nhập liệu + m bích ghép ống hoàn lưu + m bích ghép ống dẫn vào nồi đun + m bích ghép ống dẫn nồi đung + m bích ghép ống = 101,562 (kg) - Số lượng bu lông cần mua: n = 216 - Chiều dài ống 38x3, L1 = 1028,5 (m) - Chiều dài ống dẫn nhập liệu =80(mm) là 12(m) - Chọn chiều dài ống dẫn từ nồi đung qua tháp = 100(mm) là 10(m) - Chọn chiều dài ống dẫn sản phẩm đáy =80(mm) là 10(m) Vậy tống chiều dài ống có >50 (mm) là 32(m) - Chọn chiều dài ống đỉnh tháp =50(mm) là 12(m) - Chiều dài ống từ bồn cao vị =40(mm) là 20(m) Vậy tổng chiều dài ống có =(31-50) là 1060,5(m) Trang 76 - Chiều dài ống hoàn lưu =15(mm) là 10(m) Vậy tổng chiều dài ống có <30 là 10(m) S1 = Chọn kính thủy tinh dày 10(mm), đường kính 150(mm) ❑ 0,152 = 0,0176 (m2) Chọn kính quan sát S = 2S1 = 0,0353(m2) - Chọn bơm ly tâm Nb = 2.0,0203 = 0,0406 (Hp) - Lưu lượng kế cái <30(mm), cái >50(mm) - Vật liệu cách nhiệt V = 0,1076(m3) Bảng tính toán vật tư Vật liệu Số lượng Đơn giá Thép X18H1OT 375 kg 50000(đ/kg) 18750000 Thép CT3 101,562 kg 10000(đ/kg) 1015620 Bulong 216 cái 5000(đ/cái) 1080000 Vật liệu cách nhiệt 0,1076 m2 4000000(đ/m3) 430400 ống dẫn f<30mm 10m 30000(đ/m) 300000 ống dẫn f=(31-50)mm 1060.5m 50000(đ/m) 53025000 ống dẫn f>50mm 32m 100000(đ/m) 3200000 Kính quan sát dày 10mm 0,0353m3 250000(đ/m2) 8335 Bơm ly tâm 0.0406 Hp 700000(đ/Hp) 28420 Ap kế tự động cái 600000(đ/cái) 1200000 Nhiệt kế tự ghi cái 200000(đ/cái) 600000 Trang 77 Thành tiền(đ) Lưu lượng kế f<30 cái 500000 (đ/cái) 500000 Lưu lượng kế f>50 cái 1500000(đ/cái) 1500000 Van inox 50mm cái 150000(đ/cái) 900000 Cút ion 50mm caí 30000(đ/cái) 180000 Van inox 20mm cái 150000(đ/cái) 600000 Cút inox 20mm cái 30000(đ/cái) 120000 Van inox(31-50)mm cái 150000(đ/cái) 750000 Cút inox (31-50)mm cái 30000(đ/cái) 150000 Tổng chi phí vật tư 84533365 Tiền gia công chế tạo lấy tiền vật từ = 84533365 (đ) Vậy giá thành tháp chưng là: 169066730 (đ) Tính thêm chi phí phát sinh làm tròn thì giá thành tháp trưng vào khoảng 170 triệu đồng Lời Kết Với hệ thống chưng cất Nước-Etilenglicol dùng tháp mâm chóp thiết kế theo yêu cầu đồ án ta tính các thông số sau: - Tỉ số hoàn lưu thích hợp: R = 0,762 - Số mâm thực tế: 12 mâm - Đường kính tháp chưng cất: 400 (mm) - Chiều cao tháp chưng cất: 4000 (mm) - Bề dày mâm: 4(mm) - Trở lực toàn tháp: 4465,144 (N/m2) - Đường kính chóp 75(mm) - Số chóp trên mâm là Để thiết kế tháp tương đối hoàn chỉnh ta cần biết trước suất, nồng độ nhập liệu và nồng độ sản phẩm đỉnh, đáy đặc tính yêu cầu kỹ thuật thiết bị.Ngoài cần chú ý đến tính kinh tế tiến hành thiết kế Trang 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Trần Hùng Dũng- Nguyễn Văn Lục-Hoàng Minh Nam-Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bị Công Nghệ Hóa Học-tập 1, Quyển 2: Phân riêng khí động, lực ly tâm, bơm, quạt, máy nén Tính hệ thống đường ống”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 1997,203tr [2].Võ Văn Bang- Vũ Bá Minh,” Quá trình và Thiết bị Công Nghệ Hóa Học-tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2004,388tr [3]: Phạm Văn Bôn-Nguyễn Đình Thọ,”Quá trình và Thiết bị Công Nghệ Hóa Học- tập 5: Quá trình và Thiết bị Truyền Nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2002,372 tr [4].Phạm Văn Bôn-Vũ Bá Minh-Hoàng Minh Nam, “Quá trình và Thiết bị Công Nghệ Hóa Học-tập 10: ví dụ và Bài tập”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 468tr [5] Tập thể tác giả “Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất-tập 1”, Nhà xuất và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006, 626tr [6] Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình và Thiết bị hóa chất – tập 2”, Nhà xuất Khoa học và kỹ thuật,Hà Nội, 2006, 447 tr [7] Hồ Lê Viên, “Thiết kế và Tính toán các thiết bị hóa chất”, Nhà xuất Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1978, 286tr Trang 79 [8] Nguyễn Minh Tuyển, “Cơ sở tính toán Máy và thiết bị hóa chất-thực phẩm”, Nhà xuất Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1984,134tr [9] Ernest W.Flick, “INDUSTRIAL SOLVENTS HANDBOOK”, Noyes Data Corporation, Westwood,New Jersey,USA,1998, 963tr Trang 80