Chung cat mam xuyen lo he EtanolNuocvu ba minh

Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1000 kg/h có nồng độ 10% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol [r]

ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh MUÏC LUÏC trang LỜI MỞ ĐẦU CHÖÔNG I : TOÅNG QUAN I LYÙù THUYEÁT VEÀ CHÖNG CAÁT Phöông phaùp chöng caát Thieát bò chöng caát: II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU Etanol Nước Hỗn hợp Etanol – Nước III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC CHÖÔNG II : CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VAØ SẢN PHẨM ĐÁY III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOAØN LƯU THÍCH HỢP Tỉ số hoàn lưu tối thiểu Tỉ số hoàn lưu thích hợp IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LAØM VIỆC – SỐ MÂM LÝ THUYẾT Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn cất Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng Soá maâm lyù thuyeát V XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT I ĐƯỜNG KÍNH THÁP Đường kính đoạn cất Đường kính đoạn chưng II MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM Caáu taïo maâm loã Độ giảm áp pha khí qua mâm Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động : ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP Beà daøy thaân thaùp : Đáy và nắp thiết bị : Bích ghép thân, đáy và nắp : Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn : Tai treo và chân đỡ: CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHUÏ I CAÙC THIEÁT BÒ TRUYEÀN NHIEÄT Thieát bò ngöng tuï saûn phaåm ñænh Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu và sản phẩm đáy Thieát gia nhieät nhaäp lieäu II TÍNH BAÛO OÂN CUÛA THIEÁT BÒ III TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU Tính chieàu cao boàn cao vò Choïn bôm CHÖÔNG V : GIAÙ THAØNH THIEÁT BÒ I TÍNH SÔ BOÄ GIAÙ THAØNH CUÛA THIEÁT BÒ II KEÁT LUAÄN TAØI LIEÄU THAM KHAÛO ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh LỜI MỞ ĐẦU Một ngành có đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng và giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học Đặc biệt là ngành hóa chaát cô baûn Hiện nay, nhiều ngành sản suất hóa học sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản suất nhu cầu sử dụng Ngày nay, các phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Etanol - Nước là cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là môn học mang tính tổng hợp quá trình học tập các kỹû sư hoá- thự c phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng kiến thức đã học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹû thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1000 kg/h có nồng độ 10% mol etanol ,thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol là 99% Em chaân thaønh caûm ôn caùc quí thaày coâ boä moân Maùy & Thieát Bò, caùc baïn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, quá trình hoàn thành đồ án khoâng theå khoâng coù sai soùt, em raát mong quí thaày coâ goùp yù, chæ daãn ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh CHÖÔNG I : TOÅNG QUAN I LYÙù THUYEÁT VEÀ CHÖNG CAÁT: Phöông phaùp chöng caát : Chưng cất là qua ùtrình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng (hay nhiệt độ sôi khác cùng áp suất), cách lặp lặp lại nhiều lần quá trình bay - ngưng tụ, đó vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình đó dung môi và chất tan bay hơi, còn cô đặc là quá trình đó có dung môi 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 hệ cấu tử thì ta thu sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé(nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol và ít nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và ít etanol 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 độ 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) và liên tục * Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc 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 * Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình thực liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn  Phương pháp cất nhiệt đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp nước: thường áp dụng trường hợp chất tách không tan nước Vậy: hệ Etanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Thieát bò chöng caát: 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 phaân taùn cuûa löu chaát naøy vaoø löu chaát Tháp chưng cất phong phú kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn thường ứng dụng công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước tháp : đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí tháp và độ tinh khiết sản phẩm Ta khảo sát loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và thaùp cheâm  Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn các mâm có cấu tạo khác để chia thân tháp thành đoạn nhau, trên mâm pha lỏng và pha đựơc cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta coù: * Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s… * Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm  Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự * So sánh ưu và nhược điểm các loại tháp : Thaùp cheâm Öu ñieåm: - Ñôn giaûn - Trở lực thấp Nhược điểm: - Hieäu suaát thaáp - Độ ổn định kém Thaùp maâm xuyeân lo.ã - Hiệu suất tương đối cao - Hoạt động khá ổn ñònh - Làm việc với chất lỏng baån - Trở lực khá cao - Yeâu caàu laép ñaët khaét khe -> laép ñóa thaät phaúng - Thieát bò naëng Thaùp maâm choùp - Hieäu suaát cao - Hoạt động ổn định - Cấu tạo phức tạp - Trở lực lớn - Không làm việc với chaát loûng baån Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian tháp chêm và thaùp maâm choùp Neân ta choïn thaùp chöng caát laø thaùp maâm xuyeân loã Vậy: Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp đáy tháp II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU : Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol - Nước ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Etanol: (Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm) Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều nước  Một số thông số vật lý và nhiệt động etanol: + Nhiệt độ sôi 760(mmHg): 78.3oC + Khối lượng riêng: d420 = 810 (Kg/m3)  Tính chaát hoùa hoïc: Tất các phản ứng hoá học xảy nhóm hydroxyl (-OH) etanol là thể tính chất hoá học nó * Phản ứng hydro nhóm hydroxyl: CH3-CH2-OH CH3-CH2-O- + H+ − 18 Haèng soá phaân ly cuûa etanol: K CH − CH − OH=10 , cho neân etanol laø chaát trung tính + Tính acid rượu thể qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua(NaH), Natri amid(NaNH2): CH3-CH2-OH + NaH CH3-CH2-ONa + H2 Natri etylat −14 Do K CH − CH − OH < K H O =10 : tính acid rượu nhỏ tính acid nước, nên muối Natri etylat tan nước bị thuỷ phân thành rượu trở lại + Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với nước Khi rượu tác dụng với acid vô H2SO4, HNO3 và acid hữu taïo ester Laïnh CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 CH3-COO-C2H5 + H2O H * Phản ứng trên nhóm hydroxyl: + + Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O + Tác dụng với Triclo Phốt pho: CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl 3 2 + Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 + Phản ứng tạo eter và tách loại nước: 2CH3-CH2-OH CH3-CH2-OH H2SO4 >150oC H2SO4 >150oC (CH3-CH2)2O CH2=CH2 Al2O3 to + C2H5-NH2 + H2O H2O + H2O ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh * Phản ứng hydro và oxy hoá: CH3-CH2-OH Cu 200-300oC CH3-CHO + H2  Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng metanol, nó đóng vai trò quan trọng kinh tế quốc dân Nó là nguyên liệu dùng để sản suất 150 mặt hàng khác và ứng dụng rộng rãi các ngành: công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghieäp + Công nghiệp cao su tổng hợp + Động lực + Dung môi hữu cơ:pha sơn + Nguyeân lieäu + Rượu mùi + Daám + Động lực + Thuốc trừ sâu Nhieân lieäu + Thuoác suùng khoâng khoùi + Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay Etano l + Đồ nhựa + Keo daùn + Höông lieäu + Thuoác nhuoäm + Tô nhaân taïo + Saùt truøng + Pha cheá thuoác + Sôn + Vecni Sơ đồ tóm tắt vị trí etanol các ngành công nghiệp  Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester etanol đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất kim… Trong công nghiệp, điều chế etanol phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ đường Những năm gần đây, nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men Naám men tinh boät: Zymaza C6H6O6 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO2 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò Nước: GVHD : Vuõ Baù Minh 5% nguyeân lieäu chuyeån thaønh saûn phaåm phuï: glyxeârin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ(lactic, butylic…) Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị khối nước dày có màu xanh nhạt Khi hóa rắn nó có thể tồn dạng dạng tinh thể khác nhau: Khối lượng phân tử : 18 g / mol Khối lượng riêng d4 c : g / ml Nhiệt độ nóng chảy : 0C Nhiệt độ sôi : 1000 C Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và cần thiết cho sống Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả hoà tan nhiều chất và là dung moâi raát quan troïng kyõ thuaät hoùa hoïc Hỗn hợp Etanol – Nước: Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) và nhiệt độ sôi hỗn hợp Etanol Nước 760 mmHg: ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò x(%phaân mol) y(%phaân mol) t(oC) GVHD : Vuõ Baù Minh 0 33,2 10 44,2 20 53,1 30 57,6 40 61,4 50 65,4 60 69,9 70 75,3 80 81,8 90 89,8 100 100 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4 III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC: Etanol là chất lỏng tan vô hạn H2O, nhiệt độ sôi là 78,30C 760mmHg, nhiệt độ sôi nước là 100oC 760mmHg : cách biệt khá xa nên phương pháp hiệu để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử có khả bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly phương pháp hấp thụ phải đưa vào khoa để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hay quá trình tách không hoàn toàn * Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – nước: Chuù thích caùc kí hieäu qui trình: Bồn chứa nguyên liệu Bôm Boàn cao vò Lưu lượng kế Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy Thieát bò gia nhieät nhaäp lieäu Baåy hôi Thaùp chöng caát Nhieät keá 10 Aùp keá 11 Thieát bò ngöng tuï saûn phaåm ñænh 12 Noài ñun 13 Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh 14 Bồn chứa sản phẩm đỉnh 15 Bồn chứa sản phẩm đáy 16 Boä phaän phaân doøng 10 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh 11 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh 12 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh * Thuyeát minh qui trình coâng ngheä: Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ khoảng 280C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đó đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (5) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ) Sau đó, hỗn hợp đun sôi đến nhiệt độ sôi thiết bị gia nhiệt(6)ù, hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (8) đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn cất tháp chảy xuống Trong tháp hơi, từ lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở 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 vì đã bị pha tạo nên từ nồi đun (12) lôi cấu tử dễ bay hơi.Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên qua các đĩa từ lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều (có nồng độ 85% phân mol) Hơi này vào thiết bị ngưng tụ (11) và ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (13), làm nguội đến 350C , đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14) Phần còn lại chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu tháp đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bốc hơi, 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 các cấu tử khó bay ( nước) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ etanol là 0,11 % phân mol, còn lại là nước Dung dịch lỏng đáy khoûi thaùp vaøo noài ñun (12) Trong noài ñun dung dòch loûng moät phaàn seõ boác hôi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại khỏi nồi đun trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu thiết bị (5) (sau qua bồn cao vị) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 600C thải bỏ 13 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh CHÖÔNG II : CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :  Naêng suaát nhaäp lieäu : GF = 1000 (Kg/h)  Nồng độ nhập liệu : xF = 10%mol etanol  Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 85%mol etanol  Tyû leä thu hoài etanol : 99%  Khối lượng phân tử rượu và nước : MR =46 , MN =18  Choïn : + Nhiệt độ nhập liệu : t’F =28oC + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội : t’D =35oC + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt : t’W = 35oC +Traïng thaùi nhaäp lieäu laø traïng thaùi loûng soâi  Caùc kí hieäu : + GF , F : suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h , Kmol/h + GD , D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h , Kmol/h + GW ,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h , Kmol/h + xi , x i : phân mol , phân khối lượng cấu tử i II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VAØ SẢN PHẨM ĐÁY :  Cân vật chất cho toàn tháp : F=D+W (II.1)  Cân cấu tử etanol (cấu tử nhẹ) : F.xF = D.xD + W.xW (II.2)  Tyû leä thu hoài (99%) : F.xF  D.xD (II.3) Với : * Phân mol nhập liệu : xF = 0,10 (phân mol etanol ) xF = 46 x F 46 x F +(1 − x F ) 18 =22,12%(theo khối lượng ) Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu : MF = 46 x F +(1 − x F ) 18 = 20,8 (Kg/Kmol) GF 1000 F= M = 20 =48,077 (Kmol/h) F * Phaân mol saûn phaåm ñænh : xD =0,85 (phaân mol etanol) Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh : MD = 46 x D +(1− x D ).18 =41,8 (Kg/Kmol) Giaûi phöông trình (II.1),(II.2),(II.3),ta coù : 14 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh D = 5,600 (Kmol/h) W = 42,477 (Kmol/h) xW = 0,0011 (phaân mol etanol ) Suy , khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy : MW = 46 x W +(1 − x W ) 18 = 18,032 (Kg/Kmol) III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOAØN LƯU THÍCH HỢP: Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực Do đó ,chi phí cố định là vô cực chi phí điều hành (nhiên liệu ,nước và bơm…) là tối thiểu Do đồ thị cân hệ Etanol-Nước có điểm uốn ,nên xác định tỉ số hoàn löu toái thieåu baèng caùch : +Trên đồ thị cân y-x ,từ điểm (0,85;0,85) ta kẻ đường thẳng tiếp tuyến với đường cân điểm uốn , cắt trục Oy điểm có yo = 0,26 +Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , xo =0 thì yo = xD R +1 =0,26 Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : Rmin = 2,269 Tỉ số hoàn lưu thích hợp: Khi R tăng, số mâm giảm đường kính tháp ,thiết bị ngưng tụ ,nồi đun và công để bơm tăng theo.Chi phí cố định giảm dần đến cực tiểu tăng đến vô cực hoàn lưu toàn phần ,lượng nhiệt và lượng nước sử dụng tăng theo tỉ số hoàn lưu Tổng chi phí bao gồm : chi phí cố định và chi phí điều hành Tỉ số hoàn lưu thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu Tuy nhiên ,đôi các chi phí điều hành phức tạp ,khó kiểm soát nên người ta có thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ Để tính tỉ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ (không tính đến chi phí điều hành),ta cần lập mối quan hệ tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn Rth ứng với thể tích tháp là nhỏ Nhận thấy ,tiết diện tháp tỉ lệ với lượng tháp ,mà lượng lại tỉ lệ với lượng lỏng hồi lưu tháp ,do điều kiện làm việc định thì G D không đổi nên lượng lỏng hồi lưu tỉ lệ với (R+1) ,do đó , tiết diện tháp tỉ lệ với (R+1) Ngoài ,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối m ox hay số mâm lý thuyết Nlt Cho nên ,thể tích làm việc tháp tỉ lệ với tích số mox*(R+1) Như vậy, ta có thể thiết lập quan hệ R và Vtháp theo quan hệ R và mox*(R+1) Từ đồ 15 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh thị quan hệ này ,ta xác định điểm cực tiểu mox*(R+1) ứng với tỉ số hoàn lưu thích hợp R R 2.496 2.723 2.973 3.023 mox 47.818 37.733 32.801 33.545 mox*(R+1) 167.173 140.480 130.320 134.952 Vậy : Tỉ số hoàn lưu thích hợp là R= 2,973 IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LAØM VIỆCSỐ MÂM LÝ THUYẾT: Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn cất : y= x R .x+ D R+ R +1 , 973 , 85 = , 973+1 x + , 973+1 =0,7483 x + 0.2139 Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng : y= R+f f −1 x+ x R+1 R +1 W = , 973+8 , 586 ,586 − x+ ,0011 2, 973+1 , 973+1 = 2,9094 x – 0.0022 F xD ,85 Với : f = D = x η = 0,1 , 99 F = 8,586 : chæ soá nhaäp lieäu Soá maâm lyù thuyeát : Đồ thị xác định số mâm lý thuyết :(Xem hình trang sau ) 16 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Từ đồ thị ,ta có : 29 mâm bao gồm : 19 mâm cất 17 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh maâm nhaäp lieäu maâm chöng(4 maâm chöng+1 noài ñun) Toùm laïi ,soá maâm lyù thuyeát laø Nlt = 28 maâm V XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ: Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình : N tt = N lt ηtb đó: tb : hiệu suất trung bình đĩa, là hàm số độ bay tương đối và độ nhớt hỗn hợp lỏng :  = f(,) Ntt : số mâm thực tế Nlt : soá maâm lyù thuyeát  Xaùc ñònh hieäu suaát trung bình cuûa thaùp tb : + Độ bay tương đối cấu tử dễ bay : α= y❑ − x ❑ x 1− y Với : x :phân mol rượu pha lỏng y* : phân mol rượu pha cân với pha lỏng * Taïi vò trí nhaäp lieäu : xF = 0,10 ta tra đồ thị cân hệ : y*F = 0,442 tF = 86,5 oC + α F= ❑ − xF y , 442 1− , 10 = = 7,129 ❑ x − , 442 , 10 1− y F x F =22 ,12 % vaø tF = 86,5 oC ,tra taøi lieäu tham khaûo [4(taäp 1) – F F + Từ trang 107] : F =43.10-6.9,81 = 0,422.10-3 (N.s/m2) =0,422 (cP) Suy : F F = 7,129.0,422 =3,007 Tra taøi lieäu tham khaûo [4(taäp 2) – trang 171] : F = 0,395 * Tại vị trí mâm đáy : xW = 0,0011 ta tra đồ thị cân hệ : y*W = 0,018 tW = 100 oC ❑ 1− x W y ,018 1− , 0011 = = 16,177 ❑ x −0 , 018 , 0011 1− y W 46 x W xW= =0 , 29 % vaø tW = 100 oC ,tra taøi lieäu tham 46 x W +(1− x W ) 18 + α W= + Từ W W khaûo [4(taäp 1) – trang 107] : W =25.10-6.9,81= 0,245.10-3 (N.s/m2) = 0,245 (cP) Suy : W W = 16,177.0,245 = 3,967 18 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Tra taøi lieäu tham khaûo [4(taäp 2) – trang 171] : W = 0,365 *Taïi vò trí maâm ñænh : xD = 0,85 ta tra đồ thị cân hệ : y*D = 0,856 tD = 78,5 oC ❑ 1− x D y , 856 −0 ,85 = = 1,049 ❑ xD 1− , 856 ,85 1− y 46 x D xD = =93 , % vaø tD = 78,5 oC ,tra taøi lieäu tham 46 x D +(1− x D ).18 + α D= + Từ D D khaûo [4(taäp 1) – trang 107] : D =51.10-6.9,81= 0,500.10-3 (N.s/m2) = 0,500 (cP) Suy : D D = 1,049.0,500 = 0,525 Tra taøi lieäu tham khaûo [4(taäp 2) – trang 171] : D = 0,600 Suy ra: hieäu suaát trung bình cuûa thaùp : tb = ηF + ηW +η D , 395+0 , 365+0 , 600 = =0 , 4567 3  Số mâm thực tế tháp Ntt : N tt = 28 , 4567 =52,55 maâm Vaäy choïn Ntt = 53 maâm , goàm : 42 maâm caát maâm nhaäp lieäu 10 maâm chöng 19 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHÖNG CAÁT I ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(Dt) ρ y ω y ¿ tb ¿ ¿ g tb ¿ √ ❑ Dt = (m) 4V tb =0 , 0188 √ ¿ π 3600 ω tb 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.Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất khác Đường kính đoạn cất : a Lượng trung bình tháp : gtb = gd + g (Kg/h) gd : lượng khỏi đĩa trên cùng tháp (Kg/h) g1 : lượng vào đĩa cùng đoạn cất (Kg/h)  Xaùc ñònh gd : gd = D.(R+1) =5,600.(2,973+1) = 22,247 (Kmol/h) = 933,662(Kg/h) (Vì MthD =46.yD+(1-yD).18 = 41,968 Kg/Kmol)  Xác định g1 : Từ hệ phương trình : ¿ g1=G1 + D g1 y 1=G x + D x D g r 1=g d r d ¿ {{ ¿ (III.1) Với : G1 : lượng lỏng đĩa thứ đoạn cất r1 : ẩn nhiệt hoá hỗn hợp vào đĩa thứ đoạn cất rd : ẩn nhiệt hoá hỗn hợp đỉnh tháp * Tính r1 : t1 = tF = 86,5oC , tra taøi lieäu tham khaûo [4 (taäp 1)] ta coù : Aån nhiệt hoá nước : rN1 = 41280 (KJ/kmol) Aån nhiệt hoá rượu : rR1 = 37395 (KJ/kmol) Suy : r1 = rR1.y1 + (1-y1).rN1 = 41280 – 3885.y1 (KJ/kmol) * Tính rd : tD = 78,5oC , tra taøi lieäu tham khaûo IV (taäp 1) ta coù : 20 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Aån nhiệt hoá nước : rNd = 41628 (KJ/kmol) Aån nhiệt hoá rượu : rRd = 37988 (KJ/kmol) Suy : rd = rRd.yD + (1-yD).rNd =37988.0,856 + (1- 0,856).41628 = 38512,16 (KJ/kmol) * x1 = xF = 0,10 Giải hệ (III.1) , ta : G1 = 15,751 (Kmol/h) y1 = 0,297 (phaân mol etanol) _ M1 =26,316 g1 = 21,351 (Kmol/h) = 561,873(Kg/h) Vaäy : gtb = 933 , 662+ 561, 873 =747 , 758 (Kg/h) b Tốc độ trung bình tháp : Tốc độ giới hạn tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền : √ ωgh =0 , 05 ❑ ρ xtb ρ ytb Với : xtb : khối lượng riêng trung bình pha lỏng (Kg/m3) ytb : khối lượng riêng trung bình pha (Kg/m3)  Xaùc ñònh ytb : ρ ytb = [ y tb 46 + ( 1− y tb ) 18 ] 273 22 , ( t tb+ 273 ) y1 + y D ,297+ , 856 = =0,5765 2 t F +t D 86 , 5+78 , + Nhiệt độ trung bình đoạn cất : ttb = = =82,5oC 2 Với: + Nồng độ phân mol trung bình : ytb = Suy : ytb =1,171 (Kg/m3)  Xaùc ñònh xtb : Nồng độ phân mol trung bình : xtb = 46 x x F+ xD = ,10+ ,85 = 0,475 tb Suy : x tb =46 x +(1 − x ) 18 =69,81% tb tb o ttb = 82,5 C , tra taøi lieäu tham khaûo [4 (taäp 1)-trang 9], ta coù : xtb = 821,25 (Kg/m3) √ Suy : ωgh =0 , 05 ❑ 821 ,25 =1,324 (m/s) , 171 Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ trung bình tháp : ω h=0,8 ωgh =0,8 ,324 = 1,060 (m/s) Vậy :đường kính đoạn cất : Dcaát = , 0188 √ 747 , 758 = 0,462 (m) , 171 , 060 Đường kính đoạn chưng : 21 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh a Lượng trung bình tháp : g, = tb ,n ,1 g +g (Kg/h) g’n : lượng khỏi đoạn chưng (Kg/h) g’1 : lượng vào đoạn chưng (Kg/h)  Xaùc ñònh g’n : g’n = g1 = 561,873 (Kg/h)  Xác định g’1 : Từ hệ phương trình : ¿ G' =g' +W G' x ' 1=g' y W +W x W g ' r ' 1=g ' n r ' n=g r ¿{{ ¿ 1 1 (III.2) Với : G’1 : lượng lỏng đĩa thứ đoạn chưng r’1 : ẩn nhiệt hoá hỗn hợp vào đĩa thứ đoạn chưng * Tính r’1 : xW =0,0011 tra đồ thị cân hệ ta có : yW =0,018 Suy :Mtbg’ =46.yW +(1-yW).18=18,504 (Kg/kmol) t’1 = tW = 100oC , tra taøi lieäu tham khaûo [4 (taäp 1)], ta coù : Aån nhiệt hoá nước : r’N1 = 40680 (KJ/kmol) Aån nhiệt hoá rượu : r’R1 = 36394,3 (KJ/kmol) Suy : r’1 = r’R1.yW + (1-yW).r’N1 = 40543,9 (KJ/kmol) * Tính r1: r1 = 41280 – 3885.y1 =41280–3885.0,297 =40126,155(KJ/kmol) * W = 42,477 (Kmol/h) Giải hệ (III.2) , ta : x’1 =0,0067(phân mol etanol) _ MtbG’ =18,189 G’1 = 63,608 (Kmol/h) = g’1 = 21,131 (Kmol/h) = 391,008(Kg/h) Vaäy : g’tb = 561 ,873+391 , 008 =476 , 441 (Kg/h) b Tốc độ trung bình tháp : Tốc độ giới hạn tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền : √ ω ' gh=0 , 05 ❑ ρ ' xtb ρ ' ytb Với : 'xtb : khối lượng riêng trung bình pha lỏng (Kg/m3) 'ytb : khối lượng riêng trung bình pha (Kg/m3)  Xaùc ñònh ’ytb : ρ ' ytb = [ y 'tb 46+( − y 'tb ) 18 ] 273 22 , ( t ' tb + 273 ) Với: + Nồng độ phân mol trung bình : 22 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh y1 + yW ,297+ , 018 = =0,1575 2 t F +t W 86 , 5+100 + Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’tb = = =93,25oC 2 y’tb = Suy : ’ytb =0,746 (Kg/m3)  Xaùc ñònh ’xtb : Nồng độ phân mol trung bình : x’tb = 46 x ' x F + xW = ,10+ ,0011 = 0,051 tb Suy : x ' tb=46 x ' +(1 − x ' ) 18 =11,98% tb tb o t’tb = 93,25 C , tra taøi lieäu tham khaûo [4 (taäp 1)-trang 9], ta coù : Khối lượng riêng nước : ’N = 963,117(Kg/m3) Khối lượng riêng rượu : ’R = 720,365(Kg/m3) Suy :’xtb = ( x ' tb − x ' tb + ρ 'R ρ' N √ Suy : ω ' gh=0 , 05 ❑ −1 ) =925,744 (Kg/m3) 925 , 744 =1,762 (m/s) ,746 Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ trung bình tháp : ω ' h=0,8 ω ' gh =0,8 ,762 = 1,409 (m/s) Vậy :đường kính đoạn cất : Dchöng= , 0188 √ 476 , 441 = 0,400 (m) ,746 , 409 Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch quá lớn nên ta chọn đường kính toàn tháp là : Dt = 0,500 (m) Khi đó tốc độ làm việc thực : ,0188 g tb , 01882 747 , 768 = =0 , 903 (m/s) + Phaàn caát : lv = Dt ρytb 0,52 ,171 ,0188 g ' tb , 01882 476 , 441 = =0 , 903 (m/s) + Phaàn chöng :’lv = Dt ρ' ytb 0,52 , 746 2 II MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM : Caáu taïo maâm loã : Chọn : + Đường kính lỗ : dl = (mm) + Toång dieän tích loã baèng 9,77% dieän tích maâm + Khoảng cách hai tâm lỗ 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo tam giác ) + Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 + Dieän tích daønh cho oáng chaûy chuyeàn laø 20% dieän tích maâm Soá loã treân maâm : 23 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò N= GVHD : Vuõ Baù Minh ,77 % S mâm S lo Dt 0,5 = , 0977 d =0 ,0977 , 003 l ( ) ( ) ~2716 loã Vậy: ta bố trí các lỗ trên mâm thành 51(hàng), số lỗ trên đường chéo là 66 lỗ Độ giảm áp pha khí qua mâm : Độ giảm áp tổng cộng pha khí (tính mm.chất lỏng ) là tổng các độ giảm áp pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp pha lỏng : htl = hk + hl + hR (mm.chaát loûng) Với : + hk :độ giảm áp qua mâm khô (mm.chất lỏng) + hl : độ giảm áp chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm.chất lỏng) +hR : độ giảm áp sức căng bề mặt (mm.chất lỏng) Trong tháp mâm xuyên lỗ ,gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm  là không đáng kể nên có thể bỏ qua a Độ giảm áp qua mâm khô : Độ giảm áp pha khí qua mâm khô tính dựa trên sở tổn thất áp suất dòng chảy đột thu , đột mở và ma sát pha khí chuyển động qua loã vo u ρG ρ =51 , o G Co g ρL Co ρ L ( )( hk = ( ) ) 2 (mm.chaát loûng) Với : + uo :vận tốc pha qua lỗ (m/s) + G : khối lượng riêng pha (Kg/m3) + L : khối lượng riêng pha lỏng (Kg/m3) + Co :hệ số orifice ,phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số bề dày mâm với đường kính lỗ Ta coù : ∑ S lo Smâm =0,0977 vaø trang 111] : Co = 0,745  Đối với mâm phần cất : + Vaän toác pha hôi qua loã : uo = δ mâm =0,6 Tra taøi lieäu tham khaûo [1 – dl ωlv , 903 = =9,243 (m/s) ,77 % , 0977 + Khối lượng riêng pha : G = ytb = 1,171 (Kg/m3) + Khối lượng riêng pha lỏng : L = xtb = 821,25 (Kg/m3) Suy độ giảm áp qua mâm khô phần cất : hk =51, ( , 2432 ,171 , 745 821 , 25 )  Đối với mâm phần chưng : + Vaän toác pha hôi qua loã : u’o = =10,683 (mm.chaát loûng) ω ' lv , 903 = =9,243 (m/s) ,77 % , 0977 + Khối lượng riêng pha : ’G = ’ytb = 0,746 (Kg/m3) 24 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh + Khối lượng riêng pha lỏng : ’L = ’xtb = 925,744 (Kg/m3) Suy độ giảm áp qua mâm khô phần chưng : h ' k =51, ( , 2432 , 746 , 745 925 , 744 ) = 6,039 (mm.chaát loûng) b Độ giảm áp chiều cao mức chất lỏng trên mâm : Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp pha qua mâm lớp chất lỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw , chiều cao tính toán lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm  : hl = .( hw + how ) , (mm.chaát loûng) Choïn : + Heä soá hieäu chænh :  = 0,6 + Chiều cao gờ chảy tràn : hw = 50 (mm) Chiều cao tính toán lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng : q how =43 , L Lw 23 ( ) , (mm.chaát loûng) Với : + qL : lưu lượng chất lỏng (m3/ph) + Lw :chiều dài hiệu dụng gờ chảy tràn (m)  Xaùc ñònh Lw : Dieän tích daønh cho oáng chaûy chuyeàn laø 20% dieän tích maâm , neân ta coù phöông trình sau : o π n − sin no=0,2 π o 180 Với : no :góc tâm chắn chiều dài đoạn Lw Dùng phương pháp lặp ta : no = 93o12’22” Suy : Lw = Dt sin(no/2) = 363,305(mm) ~ 364 (mm) = 0,364 (m)  Xaùc ñònh qL : R D M D , 973 , 60 41 = 0,01412 (m3/ph) 60 821 , 25 xtb ,01412 Suy : how =43 , = 4,978 (mm) , 364 * Phaàn caát : q L =60 ρ ( = ) Vậy :Độ giảm áp chiều cao mức chất lỏng trên mâm phần cất là: hl = 0,6.(50+4,978) = 32,987 (mm.chaát loûng) '1 G M tbG ' 63 ,608 18 ,189 = * Phaàn chöng : q ' L= = 0,02083 (m3/ph) 60 ρ' xtb 60 925 , 744 ,02083 Suy : h ' ow =43 , = 6,445 (mm) , 364 ( ) Vậy :Độ giảm áp chiều cao mức chất lỏng trên mâm phần chưng : h’l = 0,6.(50+6,445) = 33,867 (mm.chaát loûng) 25 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh c Độ giảm áp sức căng bề mặt : Độ giảm áp sức căng bề mặt xác định theo biểu thức : h R=625 , 54 σ ρ L dl , (mm.chaát loûng) Với : +  : sức căng bề mặt chất lỏng (dyn/cm) + L : khối lượng riêng pha lỏng (Kg/m3)  Phaàn caát : * Khối lượng riêng pha lỏng : L = xtb = 821,25 (Kg/m3) * ttb = 82,5oC ,tra taøi lieäu tham khaûo [4 (taäp 1)], ta coù : + Sức căng bề mặt nước : N = 62,138 (dyn/cm) + Sức căng bề mặt rượu : R = 17,075 (dyn/cm) Suy :Sức căng bề mặt chất lỏng phần cất : σ= σN σ R σ N +σ R = 13,394 (dyn/cm) Vậy : Độ giảm áp sức căng bề mặt phần cất là : h R=625 , 54 13 ,394 821 ,25 , 003 = 3,401 (mm.chaát loûng)  Phaàn chöng : * Khối lượng riêng pha lỏng : ’L = ’xtb = 925,744 (Kg/m3) * t’tb = 93,25oC ,tra taøi lieäu tham khaûo [4 (taäp 1)], ta coù : + Sức căng bề mặt nước : ’N = 60,149 (dyn/cm) + Sức căng bề mặt rượu : ’R = 16,108 (dyn/cm) Suy :Sức căng bề mặt chất lỏng phần chưng : σ '= σ 'N σ 'R σ ' N +σ ' R = 12,705 (dyn/cm) Vậy : Độ giảm áp sức căng bề mặt phần chưng là : h ' R=625 , 54 12, 705 925 , 744 ,003 = 2,862 (mm.chaát loûng) Tóm lại : Độ giảm áp tổng cộng pha khí qua mâm : + Phaàn caát : htl = 10,683+32,987+3,401 = 47,071 (mm.chaát loûng) hay htl = 47,071 10-3 9,81 821,25 = 379,226 (N/m2) + Phaàn chöng : h’tl = 6,039+33,867+2,862 = 42,768 (mm.chaát loûng) hay h’tl = 42,768 10-3 9,81 925,744 = 388,400 (N/m2) Suy :Tổng trở lực toàn tháp hay độ giảm áp tổng cộng toàn tháp là :(xem độ giảm áp tổng cộng pha khí qua mâm nhập liệu độ giảm áp tổng cộng pha khí qua mâm phần chưng ) htl = 42 htl + 11 h’tl = 42 379,226+11 388,400 = 20199,9(N/m2) 26 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động : Chọn khoảng cách hai mâm là hmâm =250 (mm) Bỏ qua tạo bọt ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng ống chảy chuyền mâm xuyên lỗ xác định theo biểu thức : hd = hw + how + htl + hd’ , (mm.chaát loûng) Với : hd’ : tổn thất thuỷ lực dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, xác định theo biểu thức sau : QL hd ' =0 ,128 100 S d ( ) , (mm.chaát loûng) đó : + QL : lưu lượng chất lỏng (m3/h) + Sd : tiết diện ống chảy chuyền và mâm, đó : Sd = 0,8 Smaâm = 0,8 .0,252 = 0,1571 (m2)  Phaàn caát : QL = 60.qL = 60 0,01412 = 0,8472 (m3/h) , 8472 Suy : hd ' =0 ,128 100 , 1571 ( ) = 0,0004 (mm.chaát loûng) Vậy : chiều cao mực chất lỏng ống chảy chuyền mâm xuyên lỗ phaàn caát : hd =50+4,978+47,071+0,0004 =102,0494 (mm.chaát loûng) Kieåm tra : hd = 102,0494 < hmâm 250 = =125 2 (mm) : đảm bảo hoạt động các mâm phần cất không bị ngập lụt  Phaàn chöng : Q’L = 60.q’L = 60 0,02083 = 1,2498 (m3/h) Suy : h ' d ' =0 ,128 ( ,2498 100 , 1571 ) = 0,0008 (mm.chaát loûng) Vậy : chiều cao mực chất lỏng ống chảy chuyền mâm xuyên lỗ phaàn chöng : h’d =50+6,445+42,768+0,0008 =99,2138 (mm.chaát loûng) Kieåm tra : h’d = 99,2138 < hmâm 250 = =125 2 (mm) : đảm bảo hoạt động các mâm phần chưng không bị ngập lụt Vậy : hoạt động đảm bảo tháp không bị ngập lụt Chieàu cao cuûa thaân thaùp :Hthaân =Ntt (hmaâm+maâm ) + 0,8 =53.(0,250+0,0018) +0,8 =14,2(m) Chiều cao đáy và nắp : Hđ = Hn =ht +hgờ =0,125+0,025=0,150(m) (Xem phần (III.2) : Đáy và Nắp thiết bị ) Chieàu cao cuûa thaùp : H = Hthaân + Hñ + Hn = 14,5(m) 27 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP : Beà daøy thaân thaùp : Vì tháp chưng cất hoạt động áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang ) Thân tháp ghép với baèng caùc moái gheùp bích Để đảm bảo chất lượng sản phẩm và khả ăn mòn etylic thieát bò, ta choïn vaät lieäu cheá taïo thaân thaùp laø theùp khoâng gæ maõ X18H10T  Aùp suất tính toán : Tháp làm việc áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán : Ptt =Pcl + htl , (N/mm2) Với : Pcl : áp suất thủy tĩnh chất lỏng đáy (N/mm2) Chọn áp suất tính toán cho tháp hoạt động điều kiện nguy hiểm mà an toàn nên : Pcl = x g.H = ρxtb + ρ ' xtb 821 ,25+ 925 ,744 g.H= 9,81 14,5 2 =124250,58 (N/m2) Suy : Ptt = 124250,58 + 20199,9 = 144450,48(N/m2) ~0,14446(N/mm2)  Nhiệt độ tính toán : Chọn nhiệt độ tính toán : ttt = tđáy = 100oC Tra tài liệu tham khảo [5], ứng suất tiêu chuẩn thép X18H10T : []* = 142 (N/mm2) Đối với rượu hệ số hiệu chỉnh :  = Vậy : ứng suất cho phép : [] = .[]* = 142 (N/mm2)  Xaùc ñònh beà daøy thaân chòu aùp suaát : Ta choïn phöông phaùp cheá taïo thaân laø phöông phaùp haøn hoà quang ñieän baèng tay neân heä soá beàn moái haøn : h = 0,9 [σ ] 142 Xét tỷ số : P ϕh= , 14446 0,9 =884,674 > 25,do đó, bề dày tính toán tt thân tính theo công thức sau : S 't = D t P tt [ σ ] ϕh = 500 , 14446 142 0,9 = 0,2826 (mm) Suy : bề dày thực thân : St = S’t + C ,(mm) Trong đó : C :hệ số bổ sung bề dày, C = Ca + Cb + Cc + Co Với : + Ca : hệ số bổ sung ăn mòn hoá học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn chất lỏng Chọn tốc độ ăn mòn rượu là 0,1 (mm/năm),thiết bị hoạt động 20 năm, đó Ca = mm +Cb : heä soá boå sung baøo moøn cô hoïc, choïn Cb = +Cc : heä soá boå sung sai leäch cheá taïo, choïn Cc = 28 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh +Co : heä soá boå sung qui troøn, choïn Co =0,7174 (mm) Suy : C = + + + 0,7174 = 2,7174 (mm) Vaäy : St = 0,2826 + 2,7174 = (mm) * Kiểm tra công thức tính toán với St = (mm) : S t −C a −2 = Dt 500 = 0,002 < 0,1 : đúng * Kiểm tra áp suất tính toán cho phép : [ σ ] ϕh ( S t −C a ) 142 0,9 (3 − ) [ Ptt ]= D t + ( St − Ca ) = 500+ ( −2 ) =0,5102 > Ptt : đúng Vậy : Bề dày thực thân là St = (mm) Đáy và nắp thiết bị : Chọn đáy và nắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ thép X18H10T Nhận thấy: công thức tính toán bề dày thân, đáy và nắp chịu áp suất là Nên chọn bề dày đáy và nắp là Sđ = Sn = (mm) Các kích thước đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ(tài liệu tham khảo [4(tập 2)]: + Đường kính trong: Dt = 500 (mm) + ht =125 (mm) + Chiều cao gờ: hgờ = h = 25 (mm) +Diện tích bề mặt trong: Sđáy = 0,31 (m2) Bích ghép thân, đáy và nắp : Mặt bích là phận quan trọng dùng để nối các phần thiết bị nối các phận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng: + Bích liền: là phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích này chủ yếu dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình + Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc nhiệt độ cao, để nối các kim loại màu và hợp kim chúng, đặc biệt là cần làm mặt bích baèng vaät lieäu beàn hôn thieát bò + Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc áp suất cao Chọn bích ghép thân, đáy và nắp làm thép X18H10T, cấu tạo bích laø bích lieàn khoâng coå 29 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 2)- trang 417], ứng với Dt =500(mm) và áp suất tính toán Ptt = 0,14446(N/mm2) ta chọn bích có các thông số sau : Dt D Db D1 h Bu loâng db (mm) 500 630 580 550 Z (caùi) 20 20 16 Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 2)- trang 170], chọn số mâm hai mặt bích là mâm.Vậy, số bích ghép thân-đáy-nắp là (15.2) bích Độ kín mối ghép bích chủ yếu vật đệm định Đệm làm các vật liệu mềm so với vật liệu bích Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt bích Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây amiaêng, coù beà daøy laø 3(mm) Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn : Bích làm thép CT3 , cấu tạo bích là bích liền không cổ a Vò trí nhaäp lieäu : Suất lượng nhập liệu: GF = 1000 (Kg/h) Khối lượng riêng chất lỏng nhập liệu, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] tF = 86,5oC vaø x F =22 ,12 % : F = 920,1 (Kg/m3) G F Lưu lượng chất lỏng nhập liệu vào tháp: QF = ρ = 1,087 (m3/h) F 30 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu): vF = 0,2 (m/s) √ Đường kính ống nhập liệu: dF = QF ,087 = =0 , 044 3600 π v F 3600 π 0,2 √ (m) Suy ra: chọn đường kính ống nhập liệu: dF = 0,050 (m) Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lF = 100 (mm) Caùc thoâng soá cuûa bích gheùp oáng daãn nhaäp lieäu: Dt Db Dn D D1 Bu loâng h db 50 110 57 (mm) 140 90 12 12 Z (caùi) b Oáng đỉnh tháp: Suất lượng đỉnh tháp: gd = 933,662 (Kg/h) Khối lượng riêng đỉnh tháp tính theo công thức (xác định tD = 78,5oC vaø yD = 0,856): ρ h= [ 46 y D +( − y D ) 18 ] 273 = 1,453 (Kg/m3) 22 , ( t D +273 ) g d Lưu lượng khỏi tháp: Qh= ρ h = 642,483 (m3/h) Chọn vận tốc đỉnh tháp: vh = 25 (m/s) Đường kính ống dẫn hơi: dh = √ Qh 642 , 483 = =0 , 095 3600 π v h 3600 π 25 √ (m) Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 0,100 (m) Tài liệu tham khảo [4(tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lh = 120 (mm) Các thông số bích ghép ống dẫn đỉnh tháp: Dt Db Dn D D1 h Bu loâng db 100 170 (mm) 108 205 148 14 16 Z (caùi) c Oáng hoàn lưu: Suất lượng hoàn lưu: Ghl =D.MD.R=5,600 41,8 2,973 = 695,864 (Kg/h) Khối lượng riêng chất lỏng hoàn lưu, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] tD = 86,5oC vaø x D =93 , % : hl = 771,55 (Kg/m3) G hl Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu: Qhl = ρ = 0,902 (m3/h) hl 31 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu (tự chảy từ phận tách lỏng ngưng tụ vào thaùp): vhl = 0,15 (m/s) Đường kính ống hoàn lưu: dhl = √ Q hl , 902 = =0 , 046 3600 π vhl 3600 π ,15 √ (m) Suy ra: chọn đường kính ống hoàn lưu: dhl = 0,050 (m) Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhl = 100 (mm) Các thông số bích ghép ống dẫn hoàn lưu: Dt Db Dn D D1 Bu loâng h db 50 110 57 (mm) 140 90 12 12 Z (caùi) d Oáng dẫn vào đáy tháp: Suất lượng vào đáy tháp: g’1 = 391,008 (Kg/h) Khối lượng riêng vào đáy tháp tính theo công thức (xác định tW = 100oC vaø yW = 0,018): ρh = d [ 46 yW + ( 1− y W ) 18 ] 273 = 0,605 (Kg/m3) 22 , ( t W +273 ) g '1 Lưu lượng khỏi tháp: Q hd= ρ = 646,722 (m3/h) hd Chọn vận tốc vào đáy tháp: vhd = 25 (m/s) Đường kính ống dẫn hơi: dhd = √ Qhl 646 , 722 = =0 , 096 3600 π v hl 3600 π 25 √ (m) Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dhd = 0,100 (m) Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhd = 120 (mm) Các thông số bích ghép ống dẫn vào đáy tháp: Dt Db Dn D D1 Bu loâng h db 100 170 (mm) 108 205 148 14 16 Z (caùi) e Oáng dẫn chất lỏng đáy tháp: Suất lượng chất lỏng vào nồi đun: G’1 =63,608.MG’=63,608 18,189 =1156,973 (Kg/h) Khối lượng riêng chất lỏng chất lỏng vào nồi đun, tra tài liệu tham khảo [4(tập 1)] tW = 100oC và x’1=0,0067: L = 898,257 (Kg/m3) G' Lưu lượng chất lỏng vào nồi đun: QL = ρ = 1,288 (m3/h) L Chọn vận tốc chất lỏng vào nồi đun (chất lỏng tự chảy vào nồi đun): 32 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh vL = 0,2 (m/s) Đường kính ống dẫn chất lỏng: dL= √ QL ,288 = =0,048(m) 3600 π v L 3600 π 0,2 √ Suy ra: chọn đường kính ống dẫn: dL = 0,050 (m) Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lL = 100 (mm) Các thông số bích ghép ống dẫn chất lỏng đáy tháp: Dt Db Dn D D1 Bu loâng h db 50 110 (mm) 140 57 90 12 12 Z (caùi) f Oáng dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy): Suất lượng sản phẩm đáy: GW = W.MW = 42,477 18,032= 765,939(Kg/h) Khối lượng riêng sản phẩm đáy, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] tW= 100oC vaø xW=0,0011: W = 957,726 (Kg/m3) G W Lưu lượng sản phẩm đáy: QW = ρ = 0,800 (m3/h) W Chọn vận tốc sản phẩm đáy (chất lỏng tự chảy): vW = 0,12 (m/s) Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: dW= √ QW , 800 = 3600 π vW 3600 π ,12 √ =0,049(m) Suy ra: chọn đường kính ống dẫn: dW = 0,050 (m) Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lW = 100 (mm) Các thông số bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy: Dt Db Dn D D1 h Bu loâng db 50 110 (mm) 140 57 90 12 12 Z (caùi) Tai treo và chân đỡ:  Tính trọng lượng toàn tháp: Khối lượng bích ghép thân: (thép X18H10T: X18H10T = 7900 (Kg/m3)) m1 = π π ( D2 − D t ) h ρ X 18 H 10T = ( ,63 − 0,52 ) ,02 7900 4 = 18,144(Kg) Khối lượng mâm: (thép X18H10T: X18H10T = 7900 (Kg/m3)) m2 = π D δ 0,7 ρ X 18 H 10T = t mâm π 0,5 0,0018.0,7.7900 =1,955(Kg) Khối lượng thân tháp: 33 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò m3 = GVHD : Vuõ Baù Minh π π 2 2 ( , 506 −0,5 ) 14 , 7900 (D ng –D t).Hthaân X18H10T = 4 = 531,808 (Kg) Khối lượng đáy (nắp) tháp: m4 = Sđáy đáy X18H10T = 0,31 0,003 7900 = 7,347 (Kg) Khối lượng toàn tháp: m = 30.m1+53.m2+m3+2.m4=1193,537(Kg) Suy trọng lượng toàn tháp: P = m.g = 11708,598 (N)  Chân đỡ tháp: Chọn chân đỡ: tháp đỡ trên bốn chân Tải trọng cho phép trên chân: P 11708 ,598 Gc = = = 0,293.104 (N) Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gc = 0,5.104 (N) Truïc thieát bò Theo đáy thieát bò Các kích thước chân đỡ: (tính mm) L 160 B 110 B1 135 B2 195 H 240 h 145 s 10 l 55 d 23  Tai treo: Chọn tai treo: tai treo gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động điều kiện ngoại cảnh Ta chọn bốn tai treo, tải trọng cho phép trên moät tai treo laø Gt = 0,293.104 (N) Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gt = 0,5.104 (N) Chọn lót tai treo ghép vào thân có kích thước sau: + Chieàu daøi taám loùt: H = 260 (mm) + Chieàu roäng taám loùt: B = 140 (mm) +Beà daøy taám loùt laø (mm) 34 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Các kích thước tai treo: (tính mm) L 100 B 75 B1 85 H 155 S l 40 a 15 d 18 35 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIEÄT- THIEÁT BÒ PHUÏ I CAÙC THIEÁT BÒ TRUYEÀN NHIEÄT: Cân nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất: QF + Qñ = QW + QD + Qnt + Qm (IV.1) Trong đó:  Qnt : nhiệt lượng ngưng tụ sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng Chọn sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng Qnt = D.(R+1).MD rD , (KJ/h) Xác định rD (ẩn nhiệt hoá sản phẩm đỉnh): Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], tD = 78,5oC ta có: Aån nhiệt hoá nước: rN = 2346,253 (KJ/kg) Aån nhiệt hoá rượu: rR = 848,084 (KJ/kg) Suy ra: rD = rR x D +(1- x D ).rN = 848,084.0,935+(1-0,935).2346,253 = 945,465 (KJ/kg) Vaäy: Qnt =5,600 (2,973+1) 41,8 945,465=879211,642 (KJ/h)  QF : nhiệt lượng hỗn hợp rượu nhập liệu mang vào tháp QF = GF HF =GF cF (tF –to ) ,(KJ/h) o Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 20 C Ở t F +t o 86 , 5+20 = =53 ,25 2 o C , tra taøi lieäu tham khaûo [4 (taäp 1)], ta coù nhiệt dung riêng rượu: cR =2882,25 (J/kg.độ) Suy ra: cF = x F cR +(1- x F ).4186 =22,12%.2882,25+(1-22,12%).4186 = 4055,625(J/kg.độ) Vaäy: QF = 1000.4055,625.(86,5-20) = 269699,063 (KJ/h)  QW : nhiệt lượng sản phẩm đáy mang từ nồi đun QW = GW HW =W MW.cW (tW –to ) ,(KJ/h) o Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 20 C Do sản phẩm đáy chứa nhiều nước nên nhiệt dung riêng sản phẩm đáy có thể tính gần đúng theo công thức sau: cW = (1- x W ).4186=(1- 0,0029).4186= 4173,861 (J/kg.độ) Vaäy: QW = 42,477 18,032 4173,861 (100-20)=255753,898(KJ/h)  QD : nhiệt lượng sản phẩm đỉnh mang từ phận tách hoàn lưu QD = GD HD =D.MD cD (tD –to ) ,(KJ/h) o Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 20 C 36 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò Ở GVHD : Vuõ Baù Minh t D +t o 78 ,5+20 = =49 ,25 2 o C , tra taøi lieäu tham khaûo [4 (taäp 1)], ta coù nhiệt dung riêng rượu: cR =2830,25 (J/kg.độ) Suy ra: cD = x D cR +(1- x D ).4186 =0,935.2882,25+(1-0,935).4186 = 3033,613(J/kg.độ) Vậy: Từ (IV.1), ta được: QF = 5,600 41,8 3033,613 (78,5-20) =41537,988 (KJ/h)  Qm : nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh Choïn: Qm = 0,05.Qñ Vậy: nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun đáy tháp: ,95 (QW + QD + Qnt – QF ) = ,95 (255753,898+41537,988+879211,642-269699,063) Qñ = = 954531,016 (KJ/h) = 265,148 (KW) Chọn: + Nhiệt độ nguyên liệu ban đầu: t’F = 28oC + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: t’D = 35oC + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt với nguyên liệu ban đầu: t’W = 60oC Thieát bò ngöng tuï saûn phaåm ñænh: Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ống loại TH đặt nằm ngang Oáng truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống: 25x2, chiều daøi oáng laø L = 1,5 (m) Chọn nước làm lạnh ống với nhiệt độ đầu: t1 = 28oC, nhiệt độ cuối: t2 = 40oC Các tính chất lý học nước làm lạnh tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbN = t +t =34oC: + Nhiệt dung riêng: cN = 4,181 (KJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: N = 994,4 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: N = 0,7371.10-3 (N.s/m2) + Heä soá daãn nhieät: N = 0,6242 (W/moK) a Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Qnt 879211 , 642 GN = 3600 c (t −t ) =3600 181 (40− 28) = 4,868 (Kg/s) N b Xaùc ñònh beà maët truyeàn nhieät : Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Ftb = Q nt K Δt log ,(m2) (IV.2) 37 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Với: + K : hệ số truyền nhiệt + tlog : nhiệt độ trung bình logarit  Xaùc ñònh tlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: Δt log = (78 , −28)−(78 , − 40) =44 229 o 78 , −28 ( K) Ln 78 , − 40  Xaùc ñònh heä soá truyeàn nhieät K: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: K= 1 + Σrt + αN αR ,(W/m2.oK) (IV.3) Với: + N : hệ số cấp nhiệt nước ống (W/m2.oK) + R : heä soá caáp nhieät cuûa hôi ngöng tuï (W/m2.oK) + rt : nhiệt trở thành ống và lớp cáu * Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống: Chọn vận tốc nước ống: vN = 0,4 (m/s) Số ống đường nước: n= GN 4 ,868 = ~19 (oáng) ρN π d v N 994 , π , 0212 , 75 tr Chuaån soá Reynolds : Re N = v N d tr ρ N , 75 , 021 994 , = =21247 ,86 −3 μN , 7371 10 > 104 : chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Pr N , 25 ¿ Pr w Nu N =0 ,021 ε l ReN Pr N ¿ 0,8 ,43 Trong đó: + l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN và tỷ lệ chiều dài ống với L 1,5 đường kính ống:ReN=21247,86 và d = , 021 >50 ,nên l =1 tr + PrN : chuẩn số Prandlt nước 34oC, nên PrN = + Prw : chuẩn số Prandlt nước nhiệt độ trung bình vách 181 , 707 Suy ra: Nu N = Pr w 0,25 Hệ số cấp nhiệt nước ống: N = Nu N λ N 181 , 707 , 6242 5401 , 024 = = d tr Pr N , 021 Pr N ,25 0,25 Nhiệt tải phía nước làm lạnh: 38 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh q N =α N (t w − t tbN )= 5401 , 024 ( t w −34) Pr N ,25 (W/m2) (IV.4) Với tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (trong ống) * Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q t= t w1 −t w Σrt , (W/m2) Trong đó: + tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống) δ t + Σrt = λ +r c t Beà daøy thaønh oáng: t = (mm) Heä soá daãn nhieät cuûa theùp khoâng gæ: t = 17,5 (W/moK) Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: rc = 1/5000 (m2.oK/W) Suy ra: rt = 1/3181,818 (m2.oK/W) Vaäy: qt = 3181,818.(tw1-tw2) (IV.5) * Heä soá caáp nhieät cuûa hôi ngöng tuï: ,25 78 ,5 − t w ¿ ¿ r R λ R ρ❑2 A α R =0 , 725 =¿ μ R (t −t w 1) d ng r R λR ρ R Ñaët: A= , 725 với [rR]=[J/kg] μR d ng √ √ 3 Aån nhieät ngöng tuï: rR = rD = 945,465 (KJ/ ;kg) Nhiệt tải ngoài thành ống: qR = R.(78,5-tw1) = A.(78,5-tw1)0,75 (IV.6) Từ (IV.4), (IV.5), (IV.6) ta dùng phương pháp lặp để xác định tw1, tw2 : Choïn: tw1 = 53,7oC : Các tính chất lý học rượu ngưng tụ tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbD = t +t w 78 , 5+53 , = =66 , 2 o C: + Khối lượng riêng: R = 767,68 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: R = 0,6018.10-3 (N.s/m2) + Heä soá daãn nhieät: R = 0,2073 (W/moK) Khi đó: A = 3090,099 Từ (IV.6): qR = 3090,099.(78,5-53,7)0,75 = 34340,859 (W/m2) Xem nhiệt tải mát là không đáng kể: qt = qR =34340,859 (W/m2) 39 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh qt =42,907oC 3181 ,818 53 ,7 +42 , 907 =48 , 304 = Từ (IV.5), ta có: tw2 = tw1t w +t w2 Suy ra: ttbw = o C Tra taøi lieäu tham khaûo [4 (taäp 1)], Prw = 3,672 Từ (IV.4): qN = Kieåm tra sai soá: 5401 ,024 (42 , 907 −34)=34752, 167 , 6720 ,25 ¿ 34752 ,167 −34340 , 859∨ = ¿ 34340 ,859 ¿ q N − q∨ ¿ =¿ q ¿ (W/m2) =1,2% < 5% : thoả Vaäy: tw1 = 53,7oC vaø tw2 = 42,907oC 5401 ,024 =3901, 669 (W/m2.oC) , 6720 ,25 78 ,5 − 53 ,7 ¿ ,25 ¿ ¿ (W/m2.oC) 3090 , 099 α R= ¿ K= =773 ,540 1 Từ (IV.3): (W/m2.oC) + + 3901 ,669 3181, 818 1384 ,712 Khi đó: αN= Từ (IV.2), bề mặt truyền nhiệt trung bình: F tb = 879211 , 642 1000 3600 773 , 540 44 , 229 = 7,1384 (m2) Suy chieàu daøi oáng truyeàn nhieät : ,1384 =5,2 ,025+ ,021 L’= (m) π 19 L ' 5,2 So với L = 1,5(m) thì số đường nước là L = 1,5 ~ (đường nước) ¿ Khi đó số ống tăng lên lần: n=19.4 =76 (ống) ~ chọn n=91(ống) * Kiểm tra hệ số cấp nhiệt rượu có kể đến ảnh hưởng seáp, boá trí oáng Choïn caùch xeáp oáng thaúng haøng, boá trí theo daïng luïc giaùc đều,vậy với 91 ống thì ta sếp hàng Soá oáng trung bình haøng: 91 =10 ,11 , tra taøi lieäu tham khaûo II, ta coù tb = 0,58 Khi đó: R = 0,58.1384,712 = 803,133 (W/m2.oC) Tính lại hệ số truyền nhiệt K từ CT(IV.3), ta có: K = 550,749 (W/m 2.oC) 879211, 642 1000 Suy ra: beà maët trung bình: F tb =3600 550 , 749 44 ,229 =10 , 026 (m2) 40 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Khi đó: chiều dài ống truyền nhiệt: 10 , 026 =1 , 403(m) L’= π 91 ,025+ , 021 < 1,5(m) : thoả Vaäy : Thieát bò ngöng tuï saûn phaåm ñænh laø thieát bò truyeàn nhieät voû – oáng goàm n=91(oáng), daøi L=1,5(m) Oáng bố trí theo hình lục giác Nên ta có số ống trên đường chéo hình lục giác: b = 9(ống) Chọn bước ngang hai ống: t = 1,4.dng = 1,4.0,025 = 0,035 (m) Đường kính vỏ thiết bị: Dv = t.(b-1)+4.dng = 0,035(9-1)+4.0,025 = 0,380(m) Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh: Choïn thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh laø thieát bò truyeàn nhieät oáng loàng oáng Oáng truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống trong: 16x1,6 ; kích thước ống ngoài: 25x2,5 Chọn: + Nước làm lạnh ống 16x1,6 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t1 = o 28 C, nhiệt độ cuối: t2 = 40oC + Sản phẩm đỉnh ống 25x2,5 (ống ngoài) với nhiệt độ đầu:tD = o 78,5 C, nhiệt độ cuối: t’D = 35oC Các tính chất lý học nước làm lạnh tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbN = t +t =34oC: + Nhiệt dung riêng: cN = 4,181 (KJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: N = 994,4 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: N = 0,7371.10-3 (N.s/m2) + Heä soá daãn nhieät: N = 0,6242 (W/moK) Các tính chất lý học sản phẩm đỉnh tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbD = t +t ' D 78 ,5+35 = =56 , 75 2 o C: + Nhiệt dung riêng: cD= 3014,63 (J/kg.độ) + Khối lượng riêng: D = 775,95 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: D = 0,6988.10-3 (N.s/m2) + Heä soá daãn nhieät: D = 0,2029 (W/moK) a Suất lượng nước cần dùng để làm mát sản phẩm đỉnh: Suất lượng sản phẩm đỉnh: GD = D.MD = 5,600.41,8 = 234,08 (Kg/h) = 0,065 (Kg/s) Lượng nhiệt cần tải: Qt = GD.cD.(tD-t’D) = 0,065.3014,63.(78,5-35) =8526(J/s) =8,526(KJ/s) 41 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Suất lượng nước cần dùng: QD , 526 Qt K Δt log ,(m2) GN = c (t − t ) = 181 (40 − 28) = 0,170 (Kg/s) N b Xaùc ñònh beà maët truyeàn nhieät : Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Ftb = (IV.7) Với: + K : hệ số truyền nhiệt + tlog : nhiệt độ trung bình logarit  Xaùc ñònh tlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: Δt log = (78 , − 40)−(35 −28) =18 , 478 o 78 , − 40 ( K) Ln 35 − 28  Xaùc ñònh heä soá truyeàn nhieät K: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: K= ,(W/m2.oK) 1 + Σrt + αN αD (IV.8) Với: + N : hệ số cấp nhiệt nước ống (W/m2.oK) + D : heä soá caáp nhieät cuûa saûn phaåm ñænh (W/m2.oK) + rt : nhiệt trở thành ống và lớp cáu * Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh ống ngoài : Vận tốc sản phẩm đỉnh ống ngoài: v D= GD ,065 = =0 , 741 (m/s) ρD π (D − d ) 775 , 95 π (0 ,022 −0 , 016 2) tr ng Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,02- 0,016 = 0,004 (m) Chuaån soá Reynolds : Re D= v D d td ρD , 651 ,004 775 , 95 = =3291 ,24 −3 μD , 6988 10 > 2320 : chế độ quá độ, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Pr D ,25 ¿ Pr w Nu D=C ε l Pr D ¿ ,43 Trong đó: + l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc tỷ lệ chiều dài ống với đường kính oâng1, choïn l =1 + C : heä soá phuï thuoäc vaøo chuaån soá Reynolds, ReD = 3291,24 neân C = 7,252 42 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh + PrD : chuẩn số Prandlt sản phẩm đỉnh 56,75oC, nên Pr D= μ D c D ,6988 10−3 3014 ,63 = λD , 2029 = 10,383 + Prw1 : chuẩn số Prandlt sản phẩm đỉnh nhiệt độ trung bình vaùch 35 , 610 Suy ra: Nu D= Pr w 10 , 25 Hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh ống ngoài: D = Nu D λ D 35 , 610 , 2029 1806 ,339 = = d td Pr w1 , 004 Pr w ,25 Nhieät taûi phía saûn phaåm ñænh: q D =α D (t tbD − t w )= 0,25 1806 , 339 (56 , 75 −t w 1) (W/m2) (IV.9) Pr w ,25 Với tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đỉnh (ngoài ống nhỏ) * Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q t= t w1 −t w Σrt , (W/m2) Trong đó: + tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (trong ống nhỏ) δ t + Σrt = λ +r 1+r t Beà daøy thaønh oáng: t = 1,6 (mm) Heä soá daãn nhieät cuûa theùp khoâng gæ: t = 17,5 (W/moK) Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.oK/W) Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W) Suy ra: rt = 1/2034,884 (m2.oK/W) Vaäy: qt = 2034,884.(tw1-tw2) (IV.10) * Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống nhỏ: Vận tốc nước ống: v N= GN ,170 = =1, 329 (m/s) ρN π d 994 , π , 01282 tr Chuaån soá Reynolds : Re N = v N d tr ρ N ,329 , 0128 994 , = =22941 , 04 μN , 7371 10−3 > 104 : chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Pr N ,25 ¿ Pr w Nu N =0 ,021 ε l ReN Pr N ¿ 0,8 ,43 43 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Trong đó: + l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReN=22941,04 ø,chọn l =1 + PrN : chuẩn số Prandlt nước 34oC, nên PrN = + Prw2 : chuẩn số Prandlt nước nhiệt độ trung bình vách 193 , 204 Suy ra: Nu N = Pr w 20 , 25 Hệ số cấp nhiệt nước ống: Nu N λ N 193 , 204 ,6242 9421 , 714 = = d tr Pr w2 , 0128 Pr w N = ,25 ,25 Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N =α N (t w − t tbN )= 9421 , 714 (t w2 −34) Pr w2 ,25 (W/m2) (IV.11) Choïn: tw1 = 42,65oC : Các tính chất lý học sản phẩm đỉnh tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ tw1=42,65oC: + Nhiệt dung riêng: cR= 2841,64 (J/kg.độ) + Độ nhớt động lực: R = 0,9049.10-3 (N.s/m2) + Heä soá daãn nhieät: R = 0,1966 (W/moK) μ R c R , 9049 10− 2841 ,64 =13 , 081 Khi đó xem:Prw1 ~ λ = , 1966 R 1806 , 339 (56 ,75 − 42 ,65)=13392, 391 (W/m2) Từ (IV.9): qD = ,25 13 , 081 Xem nhiệt tải mát là không đáng kể: qt = qD =13392,391 (W/m2) Từ (IV.10), ta có: tw2 = tw1Suy ra: ttbw = t w +t w2 qt =36,069oC 2034 , 884 42 , 65+36 , 069 =39 ,360 = o C Tra taøi lieäu tham khaûo [4 (taäp 1)], Prw2 = 4,386 Từ (IV.11): qN = Kieåm tra sai soá: 9421 ,714 (36 , 069 −34)=13470 , 483 , 3860 , 25 ¿ 13470 , 483 −13392 ,391∨ = ¿ 13392 , 391 ¿ q N − q∨ ¿ =¿ q ¿ (W/m2) =0,58% < 5% : thoả Vaäy: tw1 = 42,65oC vaø tw2 = 36,069oC Khi đó: αN= 9421 ,714 =6510 ,625 (W/m2.oC) , 3860 , 25 44 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh 1806 , 339 =949, 815 (W/m2.oC) 13 , 0810 ,25 K= =588 , 977 1 (W/m2.oC) + + 6510 , 625 2034 , 884 949 , 815 α D= Từ (IV.8): Từ (IV.7), bề mặt truyền nhiệt trung bình: F tb = ,526 1000 588 , 977 18 , 478 = 0,7834 (m2) Suy chieàu daøi oáng truyeàn nhieät : L ¿ , 7834 =17 , 317 , 016+0 ,0128 (m) π Chọn: L = 20(m),(dự trữ khoảng 15%) Kieåm tra: L 20 = =1562 ,5>50 d tr , 0128 thì l = 1: thoả Vậy: thiết bị làm mát sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chieàu daøi oáng truyeàn nhieät L = 20(m), chia thaønh 10 daõy, moãi daõy daøi (m ) Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy: Chọn nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là nồi đun Kettle, ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 25x2 Chọn đốt là nước at, ống 25x2 Tra tài liệu tham khảo [4(taäp1)], ta coù: + Nhiệt độ sôi: tsN = 119,6oC + Aån nhieät ngöng tuï: rN = 2208 (KJ/kg) Sản phẩm đáy trước vào nồi đun có nhiệt độ là t’1 = 99oC (do x1’=0,0067 ), nhiệt độ là tW = 100oC a Suất lượng nước cần dùng : Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho đáy tháp: Qđ = 265,148 (KW) Suất lượng nước cần dùng: Q d 265 , 148 GhN = r =2208 = 0,120 (Kg/s) N b Xaùc ñònh beà maët truyeàn nhieät : Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Ftb = Qd K Δt log ,(m2) (IV.12) Với: + K : hệ số truyền nhiệt + tlog : nhiệt độ trung bình logarit  Xaùc ñònh tlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: 45 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò Δt log = GVHD : Vuõ Baù Minh (119 ,6 − 99)−(119 ,6 −100) =20 , 096 119 , 6− 99 Ln 119 , 6− 100 (oK)  Xaùc ñònh heä soá truyeàn nhieät K: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: K= 1 + Σrt + αN αD ,(W/m2.oK) (IV.13) Với: + N : hệ số cấp nhiệt nước (W/m2.oK) + D : hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy (W/m2.oK) + rt : nhiệt trở thành ống và lớp cáu * Xác định hệ số cấp nhiệt nước: Hệ số cấp nhiệt nước xác định theo công thức: rN N = , 725 A (t − t ) d sN w1 tr ( 119 , −t w ¿ ¿ = 73 , 415 A ¿ ,25 ) =0 ,725 A ( 2208 1000 (119 , −t w 1) ,021 ,25 ) ,25 Với: + tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước(trong ống) + A : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ, tra tài liệu tham khảo [2] Nhieät taûi phía hôi: ,75 119, −t w ¿ q N =α N (t sN − t w1 )=73 , 415 A ¿ (W/m2) (IV.14) * Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q t= t w1 −t w Σrt , (W/m2) Trong đó: + tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ống) δ t + Σrt = λ +r 1+r t Beà daøy thaønh oáng: t = (mm) Heä soá daãn nhieät cuûa theùp khoâng gæ: t = 17,5 (W/moK) Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.oK/W) Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đáy: r2 =1/500(m2.oK/W) Suy ra: rt = 1/1944,444 (m2.oK/W) Vaäy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) (IV.15) * Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy: 46 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy xác định theo công thức (chế độ sôi sủi bọt và xem sản phẩm đáy là nước): 4186 , D = 3600 39.p0,5.(tw2 – 100)2,33 Với: + p: áp suất để đạt nhiệt độ sôi sản phẩm đáy, đó p = at = 105 (N/m2) Suy ra: D = 14343,143(tw2 – 100)2,33 Nhiệt tải phía sản phẩm đáy: t w2 −100 ¿3 , 33 (W/m2) q D =α D (t w −100)=14343 ,143 ¿ Choïn: tw1 = 116,655oC : Khi đó, nhiệt độ trung bình (IV.16) 119 , 6+116 ,655 = upload.123doc.net,128oC ta tra A = 187,1574 Từ (IV.14): qN =73,415.187,1574.(119,6-116,655)0,75 = 30889,133(W/m2) Xem nhiệt tải mát là không đáng kể: qt = qN =30889,133 (W/m2) Từ (IV.15), ta có: tw2 = tw1- qt 1944 , 444 =100,769oC Từ (IV.16): qD =14343,143.(100,769-100)3,33=31708,196(W/m2) Kieåm tra sai soá: ¿ 30889 ,133 −31708 , 196∨ = ¿ 30889 ,133 ¿ q N − q∨ ¿ =¿ q ¿ =2,65% < 5% : thoả Vaäy: tw1 = 116,655oC vaø tw2 = 100,769oC ,25 119 , −116 ,655 ¿ ¿ ¿ Khi đó: (W/m2.oC) 73 , 415 187 , 1574 αN= ¿ 100 ,769 −100 ¿ ,33=24986 , 758 (W/m2.oC) α D =14343 ,143 ¿ K= =1539 , 295 1 Từ (IV.13): (W/m2.oC) + + 10488 , 670 1944 , 444 24986 , 758 Từ (IV.12), bề mặt truyền nhiệt trung bình: F tb = 265 ,148 1000 1539 ,295 20 ,096 = 8,572 (m2) Choïn soá oáng truyeàn nhieät: n = 91 (oáng) Chieàu daøi oáng truyeàn nhieät: 47 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò L ¿ GVHD : Vuõ Baù Minh , 572 =1 ,304 ,025+ , 021 (m) π 91 Chọn: L = 1,5(m),(dự trữ khoảng 10%) Vậy: nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống với số oáng n = 91, chieàu daøi oáng truyeàn nhieät L = 1,5(m) Oáng bố trí theo hình lục giác Nên ta có số ống trên đường chéo hình lục giác: b = 9(ống) Chọn bước ngang hai ống: t = 1,4.dng = 1,4.0,025 = 0,035 (m) Đường kính vỏ thiết bị: Dv = t.(b-1)+4.dng = 0,035(9-1)+4.0,025 = 0,380(m) Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu và sản phẩm đáy: Chọn thiết bị thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu và sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Oáng truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống trong: 25x2 ; kích thước ống ngoài: 38x2 Dòng nhập liệu ống 25x2 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t’F = 28oC Sản phẩm đáy ống 38x2 (ống ngoài)với nhiệt độ đầu: tW = 100oC, nhiệt độ cuối: t’W = 60oC Các tính chất lý học sản phẩm đáy tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbW = t ' W +t W =80oC: + Nhiệt dung riêng: cW = 4,195 (KJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: W = 971,8 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: W = 0,355.10-3 (N.s/m2) + Heä soá daãn nhieät: W = 0,675 (W/moK) a Nhiệt độ dòng nhập liệu sau trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy : Suất lượng sản phẩm đáy: GW = W.MW = 42,477.18,032 = 765,939 (Kg/h) Lượng nhiệt cần tải: Qt = GW 765 , 939 cW.(tW-t’W) = 3600 4,195.(100-60)=35,701(KW) 3600 Ở 28oC, ta xem nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh là số, hay nhiệt dung riêng rượu cR = 2,595 (KJ/kg.độ) Suy ra: cF = cR x F +(1- x F ).4,18 = 2,595.0,2212+(1-0,2212).4,18 = 3,829 (KJ/kg.độ) Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy: Qt 35 , 701 +t ' = + 28 t”F = c F GF F ,829 1000 = 61,566oC 3600 48 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Các tính chất lý học sản phẩm đỉnh tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF = o ¿ t lSub \{ size 8\{D\} \} +t' rSub \{ size 8\{D\} \} \} over \{2\} \} = \{ \{ 61, 566 + 28 \} over \{ ¿ ¿ C: + Khối lượng riêng: F = 954,37 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: F = 1,06.10-3 (N.s/m2) + Heä soá daãn nhieät: F = 0,5184 (W/moK) b Xaùc ñònh beà maët truyeàn nhieät : Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Qt K Δt log Ftb = ,(m2) (IV.17) Với: + K : hệ số truyền nhiệt + tlog : nhiệt độ trung bình logarit  Xaùc ñònh tlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: Δt log = (100 − 61, 566)−(60 − 28) =35 , 119 o 100 − 61, 566 ( K) Ln 60− 28  Xaùc ñònh heä soá truyeàn nhieät K: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: K= 1 + Σrt + αF αW ,(W/m2.oK) (IV.18) Với: + F : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu (W/m2.oK) + W : hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy (W/m2.oK) + rt : nhiệt trở thành ống và lớp cáu * Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống trong: Vaän toác doøng nhaäp lieäu ñi oáng: v F= GF 1000 = =0 , 84 (m/s) 3600 ρ F π d 3600 954 , 37 π , 0212 tr Chuaån soá Reynolds : Re F= v F d tr ρ F , 84 ,021 954 , 37 = =15888 , 48 −3 μF 1, 06 10 > 104 : chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Pr F , 25 ¿ Pr w Nu F=0 ,021 ε l ReF Pr F ¿ 0,8 0,43 49 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Trong đó: + l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReF và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReF=15888,48 ø,chọn l =1 + PrF : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 44,783oC, nên PrF = μ F c F , 06 10− 3829 = = 7,829 λF ,5184 + Prw2 : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu nhiệt độ trung bình cuûa vaùch 195 , 346 Suy ra: Nu F= Pr w 20,25 Heä soá caáp nhieät cuûa doøng nhaäp lieäu oáng: Nu F λ F 195 , 346 ,5184 4822 ,267 = = d tr Pr w , 021 Pr w N = ,25 ,25 Nhieät taûi phía doøng nhaäp lieäu: q F =α F (t w − t tbF)= 4822 ,267 (t w − 44 , 783) (W/m2) Pr w 0,25 (IV.19) Với: tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhoû) * Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q t= t w1 −t w Σrt , (W/m2) Trong đó: + tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (trong ống nhỏ) δ t + Σrt = λ +r 1+r t Beà daøy thaønh oáng: t = 2(mm) Heä soá daãn nhieät cuûa theùp khoâng gæ: t = 17,5 (W/moK) Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.oK/W) Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W) Suy ra: rt = 1/1944,444 (m2.oK/W) Vaäy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) (IV.20) * Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy ngoài ống nhỏ: Vận tốc nước ống ngoài: 50 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh ng D2 −d ¿ 2 , 034 −0 , 025¿ ¿ π ¿ π ¿ GW vW = ¿ 3600 ρW tr ¿ = 0,525(m/s) Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,034- 0,025 = 0,009 (m) Chuaån soá Reynolds : ReW = v W d td ρW , 525 , 009 971 ,8 = =12394 ,52 −3 μW ,355 10 > 104 : chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Pr W ,25 ¿ Pr w Nu W =0 , 021 ε l ReW Pr W ¿ 0,8 ,43 Trong đó: + l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReW và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReW=12394,52 ø,chọn l =1 + PrW : chuẩn số Prandlt sản phẩm đáy ˆ80oC, xem sản phẩm gần là nước nên PrW = 2,21 70 ,114 Suy ra: Nu W =Pr w 10,25 Hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy ống ngoài: W = Nu W λW 70 ,114 ,675 5258 , 569 = = d td Pr w ,009 Pr w1 0,25 ,25 Nhiệt tải phía sản phẩm đáy: qW =α W (t tbD −t w 1)= 5258 ,569 (80 −t w 1) (W/m2) Pr w 0,25 (IV.21) Choïn: tw1 = 72,1oC : Khi đó xem:Prw1 ~ 2,487 (tra tw1) Từ (IV.21): qW = 5258 ,569 ( 80− 72, 1)=33080 , 779 (W/m2) 2, 487 ,25 Xem nhiệt tải mát là không đáng kể: qt = qW =33080,779 (W/m2) qt =55,087oC 1944 , 444 72 ,1+55 , 087 =63 , 594 oC = Từ (IV.20), ta có: tw2 = tw1Suy ra: ttbw = t w +t w2 51 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbw = 63,594 oC: + Nhiệt dung riêng: cR = 3,947 (KJ/kg.độ) + Độ nhớt động lực: R = 0,6987.10-3 (N.s/m2) + Heä soá daãn nhieät: R = 0,5479 (W/moK) c R μ R 3947 , 6987 10− Khi đó: Prw2 = λ = = 5,033 ,5479 R 4822 , 267 (55 , 087 −44 ,783)=33174 , 028 (W/m2) Từ (IV.19): qF = , 0330 ,25 Kieåm tra sai soá: ¿ 33080 ,779 −33174 , 028∨ = ¿ 33080 , 779 ¿ qW − q∨ ¿ =¿ q ¿ =0,282% < 5%: thoả Vaäy: tw1 = 72,1oC vaø tw2 = 55,087oC 5258 , 569 =4187 , 440 (W/m2.oC) , 4870 , 25 4822 , 267 α F= =3219 ,529 (W/m2.oC) ,25 , 033 K= =940 , 145 1 Từ (IV.18): (W/m2.oC) + + 3219 ,529 1944 , 444 4187 , 440 Khi đó: α W= Từ (IV.17), bề mặt truyền nhiệt trung bình: F tb = 35 ,701 1000 940 , 145 35 , 119 = 1,0813 (m2) Suy chieàu daøi oáng truyeàn nhieät : L ¿ , 0813 =14 , 965 , 025+0 , 021 (m) π Chọn: L = 18(m),(dự trữ khoảng 20%) Kieåm tra: L 18 = =857 , 14>50 d tr , 021 thì l = 1: thoả Vậy: thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 18(m), chia thành dãy, dãy dài (m) Thieát gia nhieät nhaäp lieäu : Choïn thieát bò gia nhieät nhaäp lieäu laø thieát bò truyeàn nhieät oáng loàng oáng Oáng truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống trong:25x2; kích thước ống ngoài: 38x2 52 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Dòng nhập liệu ống 25x2 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t”F =28oC ,nhiệt độ cuối: tF =86,5oC Chọn đốt là nước at, ống 38x2(ống ngoài) Tra tài liệu tham khaûo [4 (taäp 1)], ta coù: + Nhiệt độ sôi: tsN = 100oC + Aån nhieät ngöng tuï: rN = 2260 (KJ/kg) Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF = ¿ t rSub \{ size 8\{F\} \} +t rSub \{ size 8\{F\} \} \} over \{2\} \} \} \{ =74,033oC: ¿ ¿ + Nhiệt dung riêng: cF = 3,968 (KJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: F = 937,58 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: F = 0,5786.10-3 (N.s/m2) + Heä soá daãn nhieät: F = 0,5652 (W/moK) a Suất lượng nước cần dùng : Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho dòng nhập liệu: Qc = GF 1000 cF.(tF – t”F) = 3600 3,968.(86,5 -61,566)=27,484 (KW) 3600 Suất lượng nước cần dùng: Q c 27 , 484 GhN = r =2260 = 0,0122 (Kg/s) N b Xaùc ñònh beà maët truyeàn nhieät : Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Ftb = Qt K Δt log ,(m2) (IV.22) Với: + K : hệ số truyền nhiệt + tlog : nhiệt độ trung bình logarit  Xaùc ñònh tlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: Δt log = (100 − 61, 566)−(100 − 86 ,5) =23 , 832 o 100 − 61, 566 ( K) Ln 100 − 86 ,  Xaùc ñònh heä soá truyeàn nhieät K: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: K= 1 + Σrt + αF αN ,(W/m2.oK) (IV.23) Với: + F : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu (W/m2.oK) 53 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh + N : hệ số cấp nhiệt nước (W/m2.oK) + rt : nhiệt trở thành ống và lớp cáu * Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät cuûa doøng nhaäp lieäu oáng nhoû: Vận tốc dòng nhập liệu ống ngoài: v F= GF 1000 = = 0,855 (m/s) 3600 ρ F π d 3600 937 ,58 π , 0212 ng Chuaån soá Reynolds : Re F= v F d td ρF , 855 , 009 937 , 58 = =2910841 −3 μF , 5786 10 > 104 : chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Pr F , 25 ¿ Pr w Nu F=0 ,021 ε l ReF Pr F ¿ 0,8 0,43 Trong đó: + l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReW và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReW=10360,42 ø,chọn l =1 + PrF : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 74,033oC, nên c F μ F 3968 , 5786 10− PrF = λ = = 4,062 , 5652 F 249, 521 Suy ra: Nu F= Pr w2 0,25 Heä soá caáp nhieät cuûa doøng nhaäp lieäu oáng nhoû: F = Nu F λ F 249 , 521 , 5652 6715 , 679 = = d td Pr w , 009 Pr w ,25 ,25 Nhieät taûi phía doøng nhaäp lieäu: q F =α F (t w − t tbF)= 6715 ,679 (t w2 −74 ,033) Pr w 0,25 (W/m2) (IV.24) Với tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ) * Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q t= t w1 −t w Σrt , (W/m2) Trong đó: + tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (ngoài ống nhỏ) δ t + Σrt = λ +r 1+r t Beà daøy thaønh oáng: t = 2(mm) Heä soá daãn nhieät cuûa theùp khoâng gæ: t = 17,5 (W/moK) Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.oK/W) 54 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W) Suy ra: rt = 1/1944,444 (m2.oK/W) Vaäy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) (IV.25) * Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống nhỏ: Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,034- 0,025 = 0,009 (m) Hệ số cấp nhiệt nước xác định theo công thức: rN N= , 725 A (t − t ) d sN w1 td ( ,25 ) =0 , 725 A ( 2260 1000 (100 − t w ) , 009 , 25 ) , 25 100 −t w ¿ ¿ = 91 , 265 A ¿ Với: + A : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ, tra tài liệu tham khảo [2] Nhiệt tải phía nước: , 75 100 −t w ¿ (W/m2) (IV.26) q N =α N (t sN − t w1 )=91 , 265 A ¿ Choïn: tw1 = 97,44oC : Khi đó, nhiệt độ trung bình 100+97 , 44 = 98,72oC ta tra A = 178,36 Từ (IV.26): qN =91,265.178,36.(100 – 96,92)0,75 = 32944,407(W/m2) Xem nhiệt tải mát là không đáng kể: qt = qW =32944,407 (W/m2) Từ (IV.25), ta có: tw2 = tw1Suy ra: ttbw = t w +t w2 qt =80,497oC 1944 , 444 97 , 44 +80 , 497 =88 , 969 = o C Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbw = 88,969 oC: + Nhiệt dung riêng: cR = 4,0204 (KJ/kg.độ) + Độ nhớt động lực: R = 0,4517.10-3 (N.s/m2) + Heä soá daãn nhieät: R = 0,588 (W/moK) c R μ R ,0204 , 4517 10−3 = = 3,088 λR , 588 6715 , 679 (80 , 497 −74 ,033)=32747 ,033 Từ (IV.24): qF = , 0880 ,25 Khi đó: Prw2 = (W/m2) Kieåm tra sai soá: 55 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh ¿ 32944 , 407714 ¿ =0,6% < 5%: thoả ¿ q N − q∨ =¿ q ¿ ¿ 32944 , 407 −32747 ,033∨ = Vaäy: tw1 = 97,44oC vaø tw2 = 80,497oC ,25 100 −97 , 44 ¿ ¿ ¿ Khi đó: (W/m2.oC) 91 , 265 178 , 36 αN= ¿ 6715 , 679 α F= =5066 , 063 (W/m2.oC) ,25 , 088 K= =1266 , 810 1 Từ (IV.23): (W/m2.oC) + + 5066 , 063 1944 , 444 12868 , 909 Từ (IV.22), bề mặt truyền nhiệt trung bình: F tb = 27 , 484 1000 1266 , 81 23 , 832 = 0,9103 (m2) Suy chieàu daøi oáng truyeàn nhieät : L ¿ , 9103 =12, 598 , 025+0 , 021 (m) π Chọn: L = 15(m),(dự trữ khoảng 20%) Kieåm tra: L 15 = =714 , 29>50 thì l = 1: thoả d tr , 021 Vậy: thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chieàu daøi oáng truyeàn nhieät L = 15(m), chia thaønh 10 daõy, moãi daõy daøi 1,5 (m) II TÍNH BAÛO OÂN CUÛA THIEÁT BÒ: Trong quá trình hoạt động tháp, tháp tiếp xúc với không khí nên nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh ngày càng lớn Để tháp hoạt động ổn định, đúng với các thông số đã thiết kế, ta phải tăng dần lượng đốt gia nhiệt cho nồi đun để tháp không bị nguội (nhất là sản phẩm đỉnh, ảnh hưởng đến hiệu suất tháp) Khi đó, chi phí cho đốt tăng Để tháp không bị nguội mà không tăng chi phí đốt, ta thiết kế lớp cách nhieät bao quanh thaân thaùp Choïn vaät lieäu caùch nhieät cho thaân thaùp laø amiaêng coù beà daøy laø a Tra taøi lieäu tham khaûo [2], heä soá daãn nhieät cuûa amiaêng laø a = 0,151 (W/m.oK) Nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh: Qm = 0,05.Qd = 0,05.265,148 = 13,2574 (KW) Nhieät taûi maát maùt rieâng: 56 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò qm = Q m λa λ = (t v − t v 2)= a Δt v f tb δ a δa GVHD : Vuõ Baù Minh (W/m2) (IV.27) Với: + tv1 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt ngoài tháp + tv1 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với không khí + tv : hiệu số nhiệt độ hai bề mặt lớp cách nhiệt Nhận thấy: qm = const, nên chọn tv = tmax = tđáy -tkk ,tkk = 28oC Suy tv = 100 – 28 = 72oC + ftb : diện tích bề mặt trung bình tháp (kể lớp cách nhiệt) ftb = .H.Dtb = .H.(Dt + Sthaân + a) Từ (IV.27), ta có phương trình: 13 ,2574 1000 ,151 = 72 δa π 14 ,5 ( ,500+ ,003+ δ a ) Suy ra: a = 0,0195(m) Vaäy: choïn a = 20 (mm) 57 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh III TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU: Tính chieàu cao boàn cao vò: Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu (nhập liệu): d = 50 (mm), độ nhám oáng =0,1(mm) Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF = t F +t ' F = 57,25 oC: + Khối lượng riêng: F = 947,513 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: F = 0,7978.10-3 (N.s/m2) Vaän toác cuûa doøng nhaäp lieäu oáng daãn: QF 1000 = vF = 3600 ρ = 0,149 (m/s) 3600 947 , 513 π , 052 F π d a Tổn thất đường ống dẫn: ( h1= λ1 v l1 + Σξ F d1 g ) (m) Với: + 1 : hệ số ma sát đường ống + l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 20(m) + d1 : đường kính ống dẫn, d1 = d = 0,05(m) + 1 : toång heä soá toån thaát cuïc boä + vF : vaän toác doøng nhaäp lieäu oáng daãn, vF = 0,149(m/s) * Xaùc ñònh 1 : Chuaån soá Reynolds cuûa doøng nhaäp lieäu oáng: Re1= v F d ρF ,149 ,05 947 , 513 = = 8848,05 μF , 7978 10− Theo taøi lieäu tham khaûo [4 (taäp 1)], ta coù: d1 + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh1= ε 87 ( ) = 50 0,1 87 ( ) =7289,343 + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren1= 220 d1 ε 98 ( ) = 220 50 0,1 98 ( ) =23,9.104 Suy ra: Regh1 < Re1< Ren1: khu vực chảy quá độ, đó (tài liệu tham khaûo [4 (taäp 1)]): ε 100 1= 0,1 , 46 d + Re 1 ( , 25 ) =0 , 0345 * Xaùc ñònh 1: Heä soá toån thaát cuûa doøng nhaäp lieäu qua: + 10 choã uoán cong: u1=10.1,1 = 11 + van (van caàu): v1= 3.10 = 30 58 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh + lần đột thu: t1 = 0,5 + lần đột mở: m1 = + lưu lượng kế: l1 = (không đáng kể) Suy ra: 1 = u1 + v1 + t 1+ m1 + l1 = 42,5 Vậy:Tổn thất đường ống dẫn: h1= ( , 0345 20 ,1492 + 42 , =0,064(m) , 05 ,81 ) b Tổn thất đường ống dẫn thiết bị trao đổi nhiệt: ( h2= λ v l2 + Σξ d2 g ) (m) Với: + 2 : hệ số ma sát đường ống + l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = 18(m) + d2 : đường kính ống dẫn, d2 = 0,021(m) + 2 : toång heä soá toån thaát cuïc boä + v2 : vaän toác doøng nhaäp lieäu oáng daãn, v2 = 0,84(m/s) * Xaùc ñònh 2 : Chuaån soá Reynolds cuûa doøng nhaäp lieäu:(xem laïi muïc IV.I.4) Re2= 15888,48 Theo taøi lieäu tham khaûo [4 (taäp 1)], ta coù: d2 + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh2= ε 87 ( ) 21 = 0,1 87 ( ) =2704,68 + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren2= 220 d2 ε 98 ( ) = 220 21 0,1 98 ( ) =90140,38 Suy ra: Regh2 < Re2 < Ren2: khu vực chảy quá độ, đó (tài liệu tham khaûo [4 (taäp 1)]): ( ε 100 , 25 ) =0 , 0334 2= 0,1 , 46 d + Re 2 * Xaùc ñònh 2: Heä soá toån thaát cuûa doøng nhaäp lieäu qua: + 11 chỗ ống cong quay ngược: q2=11.2,2 = 24,2 + choã uoán cong: u2= 1,1 + laàn co heïp: c2 = 0,385 + lần mở rộng: m2 = ( 2 , 021 1− ,05 ) =0 , 6783 Suy ra: 2 = u2 + q2 + c2+ m =26,363 Vậy:Tổn thất đường ống dẫn thiết bị trao đổi nhiệt: h2= ( , 0334 18 , 84 +26 , 363 =1,978(m) ,021 , 81 ) 59 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh c Tổn thất đường ống dẫn thiết bị gia nhiệt nhập liệu: ( h3= λ v l3 + Σξ d3 2.g ) (m) Với: + 3 : hệ số ma sát đường ống + l3 : chiều dài đường ống dẫn, l3 = 15(m) + d3 : đường kính ống dẫn, d3 = 0,021(m) + 3 : toång heä soá toån thaát cuïc boä + v3 : vaän toác doøng nhaäp lieäu oáng daãn, v3 = 0,855(m/s) * Xaùc ñònh 3 : Chuaån soá Reynolds cuûa doøng nhaäp lieäu:(xem laïi muïc IV.I.5) Re3= 29108,41 Theo taøi lieäu tham khaûo [4 (taäp 1)], ta coù: d3 + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh3= ε 87 ( ) = 21 0,1 87 ( ) =2704,68 + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: d3 Ren3= 220 ε 98 ( ) 98 21 = 220 0,1 ( ) =90140,38 Suy ra: Regh3 < Re3 < Ren3: khu vực chảy quá độ, đó (tài liệu tham khaûo [4 (taäp 1)]): ε 100 3= 0,1 , 46 d + Re 3 ( , 25 ) =0 , 0319 * Xaùc ñònh 3: Heä soá toån thaát cuûa doøng nhaäp lieäu qua: + chỗ ống cong quay ngược: q3=9.2,2 = 19,8 + choã uoán cong: u3= 1,1 + laàn co heïp: c2 = 0,385 + lần mở rộng: m2 = ( 1− , 0212 =0 , 6783 ,05 ) Suy ra: 3 = u3 + q3 + c3+ m =21,963 Vậy:Tổn thất đường ống dẫn thiết bị gia nhiệt: h3= ( , 0319 15 , 8552 +21 , 963 =1,667(m) , 021 , 81 ) 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 Aùp duïng phöông trình Bernolli cho (1-1) vaø (2-2): z1 + P1 ρF g + v1 2.g = z2 + P2 ρF g + v2 +hf1-2 2.g 60 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò hay z1 = z2 + GVHD : Vuõ Baù Minh P2 − P1 v − v + +hf1-2 ρF g 2.g 2 Với: + z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem là chiều cao boàn cao vò Hcv = z1 + z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem là chiều cao từ vị trí nhập liệu tới mặt đất: z2 = hchân đỡ + hnắp + (Nchưng+1) (h + mâm ) = 0,145 + 0,15 + 11.(0,25 + 0,0018) = 3,0648 (m) + P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at + P2 : áp suất mặt thoáng (2-2) Xem P=P2 –P1 =Ncaát htl = 42 379,226 = 15927,492 (N/m2) + v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = 0(m/s) + v1 : vaän toác taïi vò trí nhaäp lieäu, v1 = vF = 0,149 (m/s) + hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2): hf1-2 = h1 + h2 + h3 = 0,064 + 1,978 + 1,667 = 3,709(m) P2 − P1 v − v + +hf1-2 ρF g 2.g 15927 , 492 , 1492 − + =2,813 + + 4,307 947 , 513 , 81 , 81 Vaäy: Chieàu cao boàn cao vò: Hcv = z2 + 2 = 8,489(m) Choïn Hcv = 10(m) Choïn bôm: Lưu lượng nhập liệu: VF = G F 1000 = =1 , 055 (m3/h) ρF 947 ,513 Chọn bơm có suất là Qb = 1,2 (m3/h).Đường kính ống hút, ống đẩy vaø baèng 21(mm),nghóa laø choïn oáng 25x2 Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình t’F = 28 oC: + Khối lượng riêng: F = 964,2 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: F = 1,772.10-3 (N.s/m2) Vận tốc dòng nhập liệu ống hút và đẩy: Qb 1,2 vh = vd = 3600 π d = = 0,962(m/s) 3600 π , , 0212 h Tổng trở lực ống hút và ống đẩy: hhd = ( λ v l h +l d + Σξ h + Σξ d h dh g ) Với: + lh : chiều dài ống hút, chọn lh = 1,5 (m) + ld : chiều dài ống đẩy, chọn ld = 11,5 (m) 61 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh + h : toång toån thaát cuïc boä oáng huùt + d : tổng tổn thất cục ống đẩy +  : hệ số ma sát ống hút và ống đẩy * Xaùc ñònh : Chuaån soá Reynolds cuûa doøng nhaäp lieäu: v h d h ρF , 962 , 021 964 , = =10992,53 −3 μF ,772 10 Re= Theo taøi lieäu tham khaûo [4 (taäp 1)], ta coù: dh + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh= ε 87 ( ) = 21 0,1 87 ( ) =2704,68 + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: dh Ren= 220 ε 98 ( ) = 220 21 0,1 98 ( ) =90140,38 Suy ra: Regh < Re < Ren: khu vực chảy quá độ, đó (tài liệu tham khaûo [4 (taäp 1)]): ε 100 = 0,1 , 46 d + Re h ( ,25 ) =0 , 0356 * Xaùc ñònh h: Heä soá toån thaát cuïc boä oáng huùt qua: + van caàu: vh= 10 + laàn vaøo mieäng thu nhoû: t = Suy ra: h = vh + t =10,5 * Xaùc ñònh d: Hệ số tổn thất cục ống đẩy qua: + van caàu: vd= 10 + laàn uoán goùc: u =2ø.1,1 = 2,2 Suy ra: h = vd + u =12,2 Vậy:Tổn thất ống hút và ống đẩy: hhd = ( , 0356 1,5+11 , , 9622 +10 ,5+12 , =2,110(m) , 021 , 81 ) Chọn : + Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu + Mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Aùp duïng phöông trình Bernolli cho (1-1) vaø (2-2): z1 + P1 ρF g + v1 + Hb= z2 + 2.g P2 ρF g + v2 +hf1-2 2.g Với: + z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất + z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất + P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at 62 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh + P2 : áp suất mặt thoáng (2-2), chọn P2 = at + v1,v2 : vận tốc mặt thoáng (1-1) và(2-2), xem v1=v2= 0(m/s) + hf1-2 =hhd: tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2) + Hb : coät aùp cuûa bôm Suy ra: Hb = (z2 – z1) + hhd = Hcv + hhd = 10 +2,11 =12,11(m.chaát loûng) Choïn hieäu suaát cuûa bôm: b = 0,8 Qb Hb ρF g 1,2 12 ,11 964 ,2 ,81 = Công suất thực tế bơm: Nb = 3600 η 3600 0,8 b = 47,73(W) = 0,064 (hp) Tóm lại: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM vì Qb = 1,2 (m3/h) và rượu là chất không độc hại 63 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh CHÖÔNG V : GIAÙ THAØNH THIEÁT BÒ I TÍNH SÔ BOÄ GIAÙ THAØNH CUÛA THIEÁT BÒ:  Lượng thép X18H10T cần dùng: G1 = 53.m2+ m3+ 2.m4 = 53.1,955 + 531,808 + 2.7,347 = 650,117(Kg)  Lượng thép CT3 cần dùng: G2 = Gbích gheùp thaân + Gbích gheùp oáng daãn π π = 30.18,144 +(2.4 (0,1402-0,0502).0,012 + 2.2 (0,20520,1002) 0,014) 7850 = 565,498(Kg)  Số lượng bulông cần mua: n = 15.20 + 4.5 = 320 (buloâng)  Theå tích vaät lieäu caùch nhieät caàn duøng: V = .(Dt + St ).a H = .(0,5 + 0,003).0,02.14,5 = 0,4583(m3)  Chieàu daøi oáng daãn: * Oáng 25mm: L1= Lb +LTBTÑN +LTBGN +Lnoài ñun +LTBnt +LTBln = 13 + 18 + 15 + 91.1,5 + 91.1,5 + 20.2 =359(m)~360(m) * Oáng (31-50)mm: L2= Ldaãn + LTBGN +LTBTÑN +l1 = 40 +15 +18 +20 = 93(m) ~ 95(m) * Oáng 100mm: chọn ống dẫn đỉnh và đáy tháp: L3 = 10(m)  Kính quan sát: đường kính là:100(mm), dày 5(mm) π S = 0,12 = 0,0157(m2)  Boä phaän noái cong oáng: Những chỗ quay ngược ống ta dùng phận nối ống cong 90o * Noái oáng 25mm: 11.2 + + 2.2 = 27 (caùi) * Noái oáng (31-50)mm: 10 + 11.2 + = 33 (caùi)  Vậy: số tiền mua vật tư chế tạo thiết bị là 55394934 (đồng) Tiền gia công chế tạo thiết bị(gia công phức tạp, độ chính xác cao) 500% tiền vật tư: 500%.55394934 = 276974670 (đồng) Tóm lại: Chi phí đầu tư: 55394934 + 276974670 = 332369604 (đồng) Tổng chi phi đầu tư (bao gồm chi phí phát sinh) chọn là 400 (triệu đồng) 64 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh Vaät lieäu Số lượng Ñôn gía Theùp X18H10T 650,117 (kg) 50000 (ñ/kg) 32505850 Theùp CT3 565,498 (kg) 10000 (ñ/kg) 5654980 Buloâng 320 (buloâng) 3000 (ñ/buloâng) 960000 Vaät lieäu caùch nhieät 0,4583 (m ) 4000000 (ñ/m ) 1833200 Oáng daãn 25mm 360 (m) 15000 (ñ/m) 5400000 Oáng daãn (31-50)mm 95 (m) 20000 (ñ/m) 1900000 Oáng daãn 100mm 10 (m) 40000 (ñ/m) 400000 Boä phaän noái 25mm 27 (caùi) 30000 (ñ/caùi) 810000 Boä phaän noái (31-50)mm 33 (caùi) 50000 (ñ/caùi) 1650000 Bôm 2.0,064 (hp) 700000 (ñ/hp) 89600 Aùp kế tự động (caùi) 600000 (ñ/caùi) 600000 Nhiệt kế điện trở tự ghi (caùi) 200000 (caùi) 1000000 Lưu lượng kế (<50mm) (caùi) 1000000 (ñ/caùi) 2000000 Kính quan saùt daøy 5mm 6.0,0157 (m2) 120000 (ñ/m2) 11304 Van theùp 25mm (caùi) 20000 (ñ/caùi) 100000 Van theùp (31-50)mm (caùi) 30000 (ñ/caùi) 240000 Racco noái oáng (caùi) 30000 (ñ/caùi) 240000 Toång coäng Thaønh tieàn 55394934 II KEÁT LUAÄN: Sau ba tháng nghiên cứu, em đã tìm hiểu và học tập các vấn đề: + Thiết kế tháp chưng cất Etanol – Nước tương đối hoàn chỉnh biết trước suất, nồng độ nhập liệu và nồng độ, độ thu hồi sản phẩm đỉnh + Tính toán tương đối chi tiết quá trình làm việc thiết bịvà khả chịu bền thiết bị tính ăn mòn học và hoá học, điều kiện làm vieäc cuûa thieát bò + Sơ tính chi phí đầu tư ban đầu cho tháp chưng cất Đặc tính kỹ thuật thiết bị chưng cất đã thiết kế ứng với các thông số đã cho ban đầu: + Tỉ số hoàn lưu thích hợp: R = 2,973 + Số mâm chưng cất thực tế: 53 mâm + Đường kính tháp chưng cất: 500 mm + Đường kính lỗ trên mâm: mm + Beà daøy maâm: 1,8 mm + Soá loã treân moät maâm: 2716 loã + Trở lực toàn tháp: 20199,9 N/m2 65 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh + Khoảng cách hai mâm: 250 mm + Chieàu cao thaùp: 14,5 m + Thân – đáy – nắp làm thép X18H10T, có bề dày: mm + Bích ghép thân – đáy – nắp làm thép X18H10T, loại bích liền không coå + Bích ghép ống dẫn làm thép CT3, loại bích liền không cổ + Đường kính ống dẫn chất lỏng: 50 mm + Đường kính ống dẫn hơi: 100 mm Ưu và nhược điểm tháp chưng cất mâm xuyên lỗ tóm tắt phần đầu (chöông I, muïc I.2) 66 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh TAØI LIEÄU THAM KHAÛO [1] Võ Văn Ban, Vũ Bá Minh – Quá trình và thiết bị công nghệ hoá học, truyền khối(tập 3) – Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM [2] Phạm Văn Bôn, Vũ Bá Minh, Hoàng Minh Nam – Quá trình và thiết bị công nghệ hoá học, Ví dụ và bài tập(tập 10) - Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM [3] Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ - Quá trình và thiết bị công nghệ hoá học, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt(tập 5) – Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP.HCM [4] Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất (tập 1, 2) – Nhà xuất khoa hoïc vaø kyõ thuaät [5] Hồ Lê Viên – Thiết kế và tính toán các chi tiết thiết bị hoá chất – Nhà xuaát baûn khoa hoïc vaø kyõ thuaät Haø Noäi 1978 [6] Taäp theå giaûng vieân Boä Moân Cô Löu Chaát – Giaùo Trình Cô Löu Chaát – Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM 67