THIẾT kế THÁP đệm HOẠT ĐỘNG LIÊN tục CHƯNG cất hỗn hợp ETHANOL – nước

Đồ án mơn học Q trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha LỜI MỞ ĐẦU Đồ án Quá trình & Thiết bị hội tốt cho sinh viên khoa Kỹ thuật Hoá học nắm vững kiến thức học; tiếp cận với thực tế thơng qua việc tính tốn, lựa chọn quy trình & thiết bị với số liệu cụ thể Đây sở để sinh viên dễ dàng nắm bắt công nghệ giải vấn đề kỹ thuật tổng hợp cách nhanh chóng, phục vụ cho cơng việc sau Thiết kế tháp đệm hoạt động liên tục chưng cất hỗn hợp ethanol – nước, đồ án thực hướng dẫn nhiệt tình thầy Bùi Ngọc Pha, mơn Q trình Thiết bị - Khoa Kỹ thuật Hóa học, trường Đại học Bách Khoa TPHCM Em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Ngọc Pha dẫn tận tình trình em thực đồ án Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô khác môn bạn giúp đỡ, cho em ý kiến tư vấn bổ ích q trình hồn thành đồ án Vì đồ án đề tài lớn em kiến thức cịn hạn hẹp nên q trình thực cịn nhiều thiếu sót, em mong nhận nhiều ý kiến đóng góp dẫn q thầy bạn Em xin chân thành cảm ơn! i Đồ án mơn học Q trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha BÁO CÁO TIẾN ĐỘ Môn học: Đồ án Kỹ thuật Hóa học – CH4007 GVHD: BÙI NGỌC PHA SVTH: TRƯƠNG TIẾN ANH - 1710534 Đề tài: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC CHƯNG CẤT HỖN HỢP ETHANOL – NƯỚC Tuần Nội dung Tổng quan chưng cất, giới thiệu chung Sơ đồ quy trình cơng nghệ Cân vật chất Cân lượng Tính thiết bị (đường kính, chiều cao) Tính tốn thiết bị (trở lực, tính tốn khí) Tính tốn thiết bị (tính tốn khí) Tính tốn thiết bị (tính tốn khí) Tính tốn thiết bị phụ (thiết bị trao đổi nhiệt, bơm) 10 Tính tốn thiết bị phụ (thiết bị trao đổi nhiệt, bơm) 11 Bản vẽ quy trình cơng nghệ 12 Bản vẽ chi tiết thiết bị chưng cất 13 Bản vẽ chi tiết thiết bị chưng cất 14 Bản vẽ chi tiết thiết bị chưng cất 15 Bản vẽ chi tiết thiết bị chưng cất Duyệt GVHD BÙI NGỌC PHA ii Đồ án môn học Quá trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU i BÁO CÁO TIẾN ĐỘ ii DANH MỤC BẢNG vii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT 1.1 KHÁI NIỆM VỀ CHƯNG CẤT 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT 1.3 THIẾT BỊ CHƯNG CẤT CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 2.1 ETHANOL 2.1.1 Tính chất vật lý 2.1.2 Tính chất hóa học 2.1.3 Ứng dụng 2.1.4 Phương pháp điều chế 2.2 NƯỚC 2.3 ĐỒ THỊ CÂN BẰNG ETHANOL-NƯỚC 2.4 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHƯƠNG CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 SỐ LIỆU BAN ĐẦU 3.2 XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU 3.2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu 3.2.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp 3.3 XÁC ĐỊNH SỐ MÂM LÝ THUYẾT VÀ THỰC TẾ 3.3.1 Số mâm lí thuyết 3.3.2 Số mâm thực tế 3.4 LƯU LƯỢNG CỦA CÁC DÒNG PHA ĐI TRONG THÁP CHƯƠNG CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 4.1 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO THÁP CHƯNG CẤT 4.1.1 Nhiệt lượng nhập liệu mang vào tháp 4.1.2 Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang iii Đồ án môn học Quá trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha 4.1.3 Nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh 4.1.4 Nhiệt lượng lượng hồi lưu mang vào tháp 10 4.1.5 Nhiệt độ đốt mang vào đáy tháp thiết bị đun đáy tháp 10 4.1.6 Nhiệt ngưng tụ nước thiết bị đun đáy tháp 10 4.1.7 Nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh 10 4.2 CÂN BẰNG NHIỆT CHO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH 10 4.3 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH 11 4.4 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ TẬN DỤNG NHIỆT DÒNG ĐÁY ĐỂ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU 11 4.5 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU TRƯỚC KHI ĐI VÀO THÁP 12 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 12 5.1 ĐƯỜNG KÍNH 12 5.1.1 Đường kính tháp chưng 12 5.1.2 Đường kính ống dẫn 15 5.2 CHIỀU CAO THÁP 18 5.2.1 Chiều cao đệm phần cất 18 5.2.2 Chiều cao phần chưng 18 5.2.3 Chiều cao toàn tháp 18 5.3 TRỞ LỰC CỦA THÁP 19 5.3.1 Trở lực phần luyện 19 5.3.2 Trở lực phần chưng 20 5.3.3 Trở lực toàn tháp 21 5.4 TÍNH TỐN CƠ KHÍ 21 5.4.1 Hình dáng thiết bị phương thức gia cơng 21 5.4.2 Chọn vật liệu 21 5.4.3 Bề dày tháp 22 5.4.4 Đáy, nắp thiết bị 23 5.4.5 Mặt bích bulong 24 5.4.6 Đĩa phân phối lỏng lưới đỡ đệm 25 iv Đồ án mơn học Q trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha 5.4.7 Lớp cách nhiệt 26 5.4.8 Khối lượng tháp 27 5.4.9 Chân đỡ 28 5.4.10 Tai treo 29 CHƯƠNG TÍNH TỐN CHO THIẾT BỊ PHỤ 29 6.1 THIẾT BỊ GIA NHIỆT CHO DÒNG NHẬP LIỆU TRƯỚC KHI VÀO THÁP 29 6.1.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 29 6.1.2 Hệ số truyền nhiệt 30 6.1.3 Bề mặt truyền nhiệt 32 6.1.4 Cấu tạo thiết bị 32 6.2 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH 33 6.2.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 33 6.2.2 Hệ số truyền nhiệt 33 6.2.3 Bề mặt truyền nhiệt 35 6.2.4 Cấu tạo thiết bị 35 6.3 THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP 36 6.3.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 36 6.3.2 Hệ số truyền nhiệt 37 6.3.3 Bề mặt truyền nhiệt 38 6.3.4 Cấu tạo thiết bị 38 6.4 THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH 39 6.4.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 40 6.4.2 Hệ số truyền nhiệt 40 6.4.3 Xác định bề mặt truyền nhiệt 41 6.4.4 Chiều dài ống truyền nhiệt 42 6.5 THIẾT BỊ TẬN DỤNG NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY CHO NHẬP LIỆU 42 6.5.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 43 6.5.2 Hệ số truyền nhiệt 43 6.5.3 Bề mặt truyền nhiệt 44 6.5.4 Chiều dài ống truyền nhiệt 45 6.6 BƠM 45 v Đồ án môn học Quá trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha 6.6.1 Năng suất bơm 45 6.6.2 Cột áp bơm 45 6.6.3 Công suất bơm 47 6.6.4 Kết luận 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 vi Đồ án mơn học Q trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha DANH MỤC BẢNG Bảng So sánh ưu, nhược điểm loại tháp chưng cất Bảng Số liệu cân hệ ethanol – nước Bảng Xác định số hồi lưu tối thiểu Bảng Lựa chọn ống nhập liệu 15 Bảng Lựa chọn ống đỉnh 16 Bảng Lựa chọn ống hoàn lưu 16 Bảng Lựa chọn ống đáy tháp 17 Bảng Lựa chọn ống dẫn lỏng vào nồi đun 18 Bảng Lựa chọn mặt bích bulong 24 Bảng 10 Lựa chọn đĩa phân phối lỏng 25 Bảng 11 Lựa chọn lưới đỡ đệm 25 Bảng 12 Lựa chọn chân đỡ 28 Bảng 13 Lựa chọn tai treo 29 Bảng 14 Thông số ống chùm nằm ngang thiết bị gia nhiệt cho dòng nhập liệu 29 Bảng 15 Thông số ống chùm nằm ngang thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 33 Bảng 16 Thông số ống chùm nằm ngang thiết bị đun sôi đáy tháp 36 vii Đồ án mơn học Q trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT 1.1 KHÁI NIỆM VỀ CHƯNG CẤT Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí – lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hòa cấu tử khác nhau), cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay – ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất q trình dung mơi chất tan bay hơi, cịn đặc q trình có dung mơi bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét đơn giản hệ có cấu tử ta thu sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu 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 sơi lớn) Đối với hệ ethanol – nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm ethanol nước, ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước ethanol 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT Theo áp suất làm việc: • Chưng cất áp suất thấp: dùng cho hỗn hợp dễ bị phân hủy nhiệt độ cao hỗn hợp có nhiệt độ sơi q cao • Chưng cất áp suất thường • Chưng cất áp suất cao: dùng cho hỗn hợp khơng hóa lỏng áp suất thường Theo ngun lí làm việc: • Chưng đơn giản: dùng để tách hỗn hợp gồm nhiều cấu tử có độ bay khác không yêu cầu sản phẩm có độ tinh khiết cao • Chưng cất nước trực tiếp: dùng để tách hỗn hợp gồm chất khó bay tạp chất khơng bay • Chưng cất phương pháp đơn giản để tách gần hoàn toàn hỗn hợp cấu tử dễ bay có tính chất hịa tan phần hoàn toàn vào 1.3 THIẾT BỊ CHƯNG CẤT Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp chúng có yêu cầu diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào độ phân tán lưu chất vào lưu chất Tháp chưng cất phong phú kích cỡ ứng dụng ,các tháp lớn thường ứng dụng cơng nghiệp lọc hố dầu Kích thước tháp: đường kính tháp chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí tháp độ tinh khiết sản phẩm Đồ án mơn học Q trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha Bảng So sánh ưu, nhược điểm loại tháp chưng cất Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Ưu điểm Chế tạo đơn giản Nhực điểm Yêu cầu lắp đặt cao Cấu tạo phức tạp (mâm lắp phải Trở lực lớn phẳng) Tháp đệm Hiệu suất truyền Chế tạo đơn giản Trở lực thấp khối cao, ổn định Trở lực thấp tháp chóp Ít tiêu hao lượng nên có số Vệ sinh dễ dàng mâm Ít tốn vật liệu Tháp có đường kính lớn (d>2,4m) chất lỏng phân phối khơng mâm Hiệu suất thấp, ổn định Khó chế tạo kích thước lớn, quy mơ cơng nghiệp Khó kiểm sốt q trình chưng cất theo khơng gian tháp CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 2.1 ETHANOL 2.1.1 Tính chất vật lý Ethanol (hay gọi rượu ethylic, ancol ethylic, cồn) chất lỏng, không màu, dễ cháy, nhẹ nước, tan vơ hạn nước, hịa tan nhiều chất iodine, benzene,… Thuộc tính: Cơng thức phân tử: C2H6O hay C2H5OH Khối lượng phân tử: 46,07 g/mol Tỷ trọng pha: 0,789 g/cm3 Nhiệt độ sôi: 78,3oC (ở 760 mmHg) Nhiệt độ nóng chảy: -114,3oC Độ nhớt: 1,200 cP 20oC 2.1.2 Tính chất hóa học Tất phản ứng hóa học đa phần xảy nhóm hydroxyl (-OH) ethanol Phản ứng hydro nhóm hydroxyl ⎯⎯ → CH3CH 2O − + H + C2 H5OH ⎯ ⎯ Đồ án môn học Quá trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha Hằng số phân ly ethanol pKa=15,9 nên ethanol chất gần trung tính Tính acid rượu thể qua phản ứng với kim loại kiềm, NaH, NaNH2: K CH3CH2OH  K H2O = 10−14 : tính acid rượu nhỏ tính acid nước, nên muối CH3CH2ONa tan nước bị phân hủy thành rượu trở lại Tác dụng với acid tạo ester: Ethanol có tính base tương đương với nước Khi rượu tác dụng với acid vô H2SO4, HNO3 acid hữu tạo ester: ⎯⎯ → CH3CH 2O − SO3H + H 2O CH3CH 2OH + HSO3OH ⎯ ⎯ ⎯⎯ → CH 3CO − OC H + H 2O CH3CH 2OH + CH3COOH ⎯ ⎯ Phản ứng nhóm hydroxyl: ⎯⎯ → CH 3CH X + H 2O Tác dụng với HX: CH3CH 2OH + HX ⎯ ⎯ ⎯⎯ → CH3CH 2Cl + POCl + HCl Tác dụng với PCl3: CH3CH 2OH + PCl3 ⎯ ⎯ Al2O3 ⎯⎯⎯ → CH3CH2 NH + H 2O Tác dụng với NH3: CH3CH 2OH + NH3 ⎯⎯ o ⎯ t Phản ứng tạo eter tách nước: H2SO4 2CH3CH2OH ⎯⎯⎯ →(CH3CH2 )2 O + H 2O 150o C H2SO4 CH3CH2OH ⎯⎯⎯ → H2C = CH + H 2O 150o C 200 C −300 C → CH3CHO + H Phản ứng hydro oxi hóa: CH3CH 2OH ⎯⎯⎯⎯⎯ o o 2.1.3 Ứng dụng Ethanol sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp nặng, y tế dược, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ, nông nghiệp,… 2.1.4 Phương pháp điều chế Có nhiều phương pháp điều chế ethanol: hydrat hóa etylen với xúc tác H2SO4; thủy phân dẫn xuất halogen ester ethanol đun nóng với nước, xúc tác dung dịch bazo; hydro hóa aldehyde acetic; từ hợp chất kim,… Trong công nghiệp, điều chế ethanol phương pháp lên men từ nguồn tinh bột rỉ đường Những năm gần đây, nước ta công nghệ sản xuất ethanol chủ yếu sử dụng chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae để lên men tinh bột 2.2 NƯỚC Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng không màu, không mùi, không vị Khi hóa tắn, nước tồn dạng tinh thể khác Đồ án môn học Quá trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha 6.2.2.1 Hệ số cấp nhiệt nước ống Nhiệt độ trung bình nước ống: t ntb = t n1 + t n = 37,5o C Tại nhiệt độ ta tra được: Khối lượng riêng nước: n = 993,18kg / m3 Hệ số dẫn nhiệt nước:  n = 0,6298 W/m.độ Độ nhớt nước: n = 0,000688Ns / m2 Chuẩn số Prandtl nước: Prn = 4,605 Vận tốc dòng nước ống: = Gn = 0,1347m / s , Gn = 3600.n.n d tr 23607,458kg/h: lượng nước làm lạnh cấp vào Chuẩn số Re: Ren = v n d tr n = 6219,812 , chế độ chảy độ vì: 2300 < Ren < 10000 n Từ ReF, chuẩn số Nu tính theo công thức V.44, trang 16, Sổ tay QTTB tập 2: Nu n = k o l Prn 0.43  Prn     Prw  0.25 ; tra ko trang 16, Sổ tay QTTB tập 2, chọn  l = 6.2.2.2 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu Giống thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu vào tháp Suy ra: t r =  + r1 + r2 = t 0,003 1 + + = 0,000529m2 K / W 16,3 5800 5800 Nhiệt độ vách ống: t w = t w1 − q t  r 6.2.2.3 Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ Nhiệt độ ngưng tụ ống: t D = 78,6o C Ẩn nhiệt ngưng tụ ống: rD = 946862,896 J/kg.độ Đối với ống nằm ngang, hệ số cấp nhiệt  , công thức V.111, trang 30, Sổ tay QTTB tập 2:  D = 1, 28 rD23 W / m2K .t.d n 34 Đồ án môn học Quá trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha Các thông số khối lượng riêng  , hệ số dẫn nhiệt  , độ nhớt  hỗn hợp ta tra nhiệt độ màng t m = ( t D + t w1 ) Chọn t w1 = 77o C , suy nhiệt độ màng t m = 77,8o C Tại nhiệt độ ta tra thông số: Khối lượng riêng hỗn hợp lỏng: m = 753,380kg / m3 Độ nhớt hỗn hợp: m = 0,000435Ns / m Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp:  m = 0, 2655 W/m.độ Suy  D = 1, 28 rDm 2 m = 5901,328W / m2 K  m t.d n q t = q D =  D (t D − t w1 ) = 9442,126W / m (nhiệt độ mát không đáng kể) t w2 = t w1 − q t  r = 49o C Tra chuẩn số Prandtl: Prw = 3,626 , suy Nu n = 41,606 n = Nu n  n = 818,810 , suy q n =  n (t w2 − t ntb ) = 9416,3 d tr Thử sai số:  = qn − qD 100% = 0, 273% < 5% (thỏa) qD Vậy t w1 = 77o C , t w2 = 49o C Suy hệ số truyền nhiệt: K = 1 +  rt + n D = 520,938W / m K 6.2.3 Bề mặt truyền nhiệt F= Qn = 33,060m2 ; Qn = G n Cn (t n − t n1 ) = 2467594972J / h : Nhiệt 3600K.t log lượng nước lạnh nhận vào 6.2.4 Cấu tạo thiết bị Số ống truyền nhiệt 61, bố trí theo hình lục giác 35 Đồ án mơn học Q trình Thiết bị Chiều dài ống truyền nhiệt: L = GVHD: Bùi Ngọc Pha F = 4,931m , chọn L = 5m d n + d tr n Đường kính thiết bị, cơng thức V.140, trang 49, Sổ tay QTTB tập D = t(b − 1) + 4d = 1,2d(b − 1) + 4d = 0,4681m , chọn D = 0,5m Trong đó: dn = 0,038m : đường kính ngồi ống truyền nhiệt, m; t bước ống, thường chọn t = 1,2d; b = 9: số ống đường xuyên tâm 6.3 THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp nồi đun Kettle, làm thép X18H10T, kích thước 38x3 Đường kính ngồi dn = 38mm = 0,038m Bề dày ống:  t = 3mm = 0,003m Đường kính trong: d tr = d n − 2. t = 0,032m Chọn ống chùm có 11 hình cạnh, từ bảng V.11, trang 48, Sổ tay QTTB tập ta có thơng số sau: Bảng 16 Thơng số ống chùm nằm ngang thiết bị đun sôi đáy tháp Số hình cạnh 11 Số ống đường xuyên tâm, b 23 Tổng số ống, n 397 6.3.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình Hơi đốt at ống, có nhiệt độ đốt: t h = 119,6o C , ẩn nhiệt hóa hơi: rn = 2208000J / kg Dịng sản phẩm đáy ngồi ống: Chọn Nhiệt độ trước vào nồi: t s1 = 94o C Nhiệt độ dòng đáy khỏi nồi đun: t s2 = t W = 96, 2o C Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều: t1 = t h − t s1 = 25,6o C t = t h − t s2 = 23, 4o C Suy ra: t log = t1 − t = 24, 484K t1 ln t 36 Đồ án môn học Quá trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha 6.3.2 Hệ số truyền nhiệt Công thứ V.5, trang 3, Sổ tay QTTB tập 2: K = 1 +  rt + n S , W.m −2 K −1 Trong đó:  n : hệ số cấp nhiệt nước, W/m2K S : hệ số cấp nhiệt dòng đáy, W/m2K  r : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu, m2K/W t 6.3.2.1 Hệ số cấp nhiệt dịng sản phẩm đáy ngồi ống Nhiệt độ sơi trung bình dịng sản phẩm đáy ngồi ống: t s = t s1 + t s2 = 95,1o C Hệ số cấp nhiệt, công thức V.89, trang 26, Sổ tay QTTB tập 2:   r  S = 7,77.10  h    − h  0,033 −2     0,333 .t  0,75q 0.7 ; q= 0,45 0,117 0,37  c TS t Tại nhiệt độ tS này: Khối lượng riêng pha ống: n = PM tbW = 0,6145kg / m3 ; đó: RTS P = 1at: áp suất lấy áp suất khí Ẩn nhiệt hóa sản phẩm đáy: rS = 2243521,585J / kg Độ nhớt sản phẩm đáy: S = 0,0003Ns / m Hệ số dẫn nhiệt sản phẩm đáy: S = 0,6711 W/m.độ Nhiệt dung riêng sản phẩm đáy: CS = 4197,679 J/kg.độ Sức căng bề mặt sản phẩm đáy, bảng I.242, trang 300, Sổ tay QTTB tập 1: S = 0,0589N / m 6.3.2.2 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu Giống thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu vào tháp Suy ra: t r =  t + r1 + r2 = 0,003 1 + + = 0,000529m2 K / W 16,3 5800 5800 Nhiệt độ vách ống: t w = t w1 − q t  r 37 Đồ án mơn học Q trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha 6.3.2.3 Hệ số cấp nhiệt đốt ống Công thức 3.65, trang 120, Sổ tay QTTB tập 10  n = 0,725 rn n 2g n  n ( t n − t w1 ) d tr Chọn t W1 = 117o C , nhiệt độ trung bình màng nước ngưng tụ: t m = t n + t W1 = 118,3o C Tại nhiệt độ này: Khối lượng riêng nước: n = 944,692kg / m3 Độ nhớt nước: n = 0,000236Ns / m2 Hệ số dẫn nhiệt nước:  n = 0,0249W / mK rn n 2g n = 1430,868 Suy ra:  n = 0,725  n ( t n − t w1 ) d tr q t = q n =  n (t n − t w1 ) = 3720, 257W / m t w = t w1 − q t  r = 115,03o C , chọn t w = 116,95o C Suy ra: S = 162,065W / m2 K , qS = S (t w2 − t S ) = 3541,113 Kiểm tra sai số:  = qS − q n 100% = 4,815% < 5% (thỏa) qn Vậy t W1 = 117o C , t W2 = 116,95o C Suy hệ số truyền nhiệt: K = 1 +  rt + n S = 135,169W.m −2 K −1 6.3.3 Bề mặt truyền nhiệt F= Qn = 279,95m2 ; Qn = QD2 = 3335352130J / h : nhiệt lượng đốt 3600K.t log cấp vào nồi đun 6.3.4 Cấu tạo thiết bị Số ống truyền nhiệt 397, bố trí theo hình lục giác 38 Đồ án mơn học Q trình Thiết bị Chiều dài ống truyền nhiệt: L = GVHD: Bùi Ngọc Pha F = 3,076m , chọn L = 3,5m d n + d tr n Đường kính thiết bị, công thức V.140, trang 49, Sổ tay QTTB tập D = t(b − 1) + 4d = 1,2d(b − 1) + 4d = 1,155m , chọn D = 1,5m Trong đó: dn = 0,038m : đường kính ống truyền nhiệt, m; t bước ống, thường chọn t = 1,2d; b = 23: số ống đường xuyên tâm 6.4 THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống ngồi 36x2, kích thước ống 25x2 Đường kính ngồi ống ngồi: Dn = 0,036m ; đường kính ống ngồi: Dt = 0,032m Đường kính ngồi ống trong: d n = 0,025m ; đường kính ống trong: d t = 0,021m Nước làm mát ống với nhiệt độ đầu: t n1 = 25o C , nhiệt độ ra: t n = 50o C , suy t +t nhiệt độ trung bình: t ntb = n1 n = 37,5o C , nhiệt độ ta tra được: Nhiệt dung riêng nước: Cn = 4181,04 J/kg.độ Khối lượng riêng nước: n = 993,18kg / m3 Độ nhớt nước: n = 0,000688Ns / m2 Hệ số dẫn nhiệt nước:  n = 0,6298 W/m.độ Chuẩn số Prandtl nước: Prn = 4,605 Sản phẩm đỉnh ống với nhiệt độ đầu: t D1 = 78,6o C , nhiệt độ ra: t D2 = 40o C t +t , suy nhiệt độ trung bình: t Dtb = D1 D2 = 59,3o C , nhiệt độ ta tra được: Nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh: CD = 3206,086 J/kg.độ Khối lượng riêng sản phẩm đỉnh: D = 770,615kg / m3 Độ nhớt sản phẩm đỉnh: D = 0,000574Ns / m2 Hệ số dẫn nhiệt sản phẩm đỉnh:  D = 0, 2635 W/m.độ Chuẩn số Prandtl sản phẩm đỉnh: PrD = 1, 246 39 Đồ án môn học Quá trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha 6.4.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều: t1 = t D − t n = 28,6o C t = t D − t n1 = 15o C Suy t log = t1 − t = 21,074K t1 ln t 6.4.2 Hệ số truyền nhiệt Công thứ V.5, trang 3, Sổ tay QTTB tập 2: K = 1 +  rt + n D , W.m −2 K −1 Trong đó:  n : hệ số cấp nhiệt nước làm mát, W/m2K  D : hệ số cấp nhiệt dòng đỉnh, W/m2K  r : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu, m2K/W t 6.4.2.1 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu Giống thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu vào tháp Suy ra: t r =  + r1 + r2 = t 0,003 1 + + = 0,000529m2 K / W 16,3 5800 5800 Nhiệt độ vách ống: t w = t w1 − q t  r 6.4.2.2 Hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh ngồi ống Vận tốc dịng sản phẩm đỉnh: v W = 4W = 1,047m / s 3600W (Dtr − d ng ) Đường kính tương đương: d td = D t − d n = 0,007m Chuẩn số Re: ReD = v Dd tdD = 9845,683 , chế độ chảy độ 2300 < ReD < 10000 D Từ ReD, chuẩn số Nu tính theo công thức V.44, trang 16, Sổ tay QTTB tập 2: Nu D = k o l PrD l = 0.43  PrD     Prw1  0.25 ; tra ko = 32,814 trang 16, Sổ tay QTTB tập 2, chọn 40 Đồ án mơn học Q trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha Chọn t W1 = 55o C , suy nhiệt độ màng t m = t Dtb + t W1 = 57,15o C Tại nhiệt độ t m = 57,15o C , tra chuẩn số Prandtl dòng sản phẩm đỉnh: PrW1 = 1, 272 Suy ra: Nu D = k o l PrD D = 0.43  PrD     Prw1  0.25 = 35,884 Nu D D = 450,332 , q t = q D =  D (t tbD − t w1 ) = 1936, 428 d td t w2 = t w1 − q t  r = 53,976o C , chọn t w2 = 37,96o C 6.4.2.3 Hệ số cấp nhiệt nước ống nhỏ Vận tốc nước ống: v n = Chuẩn số Re: Ren = 4G n = 0,893m / s 3600n d tr v n d t n = 27082,937 , chế độ chảy rối Ren > 10000 n Cơng thức V.40, trang 14, Sổ tay QTTB tập 2: 0,25  Pr  Nu n = 0,021l Re n Prn  n  = 144,859 , t w2 = 37,96o C , tra  Prw2  chuẩn số Prandtl nước: PrW2 = 4,302 0,8 Suy ra:  n = 0,43 Nu n  n = 4344,134 , q n =  n (t w2 − t ntb ) = 1998,302 dt Kiểm tra sai số:  = qn − qD 100% = 3,195% < 5% (thỏa) qD Suy hệ số truyền nhiệt: K = 1 +  rt + n D = 335,609W.m −2 K −1 6.4.3 Xác định bề mặt truyền nhiệt F= Qn = 4,540m2 ; Qn = 115593090,5J / h : nhiệt lượng nước làm mát 3600K.t log nhận 41 Đồ án mơn học Q trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha 6.4.4 Chiều dài ống truyền nhiệt L= F = 62,863m , chọn L = 65m d n + d tr  Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt 65m chia thành 13 đoạn, đoạn 5m 6.5 THIẾT BỊ TẬN DỤNG NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY CHO NHẬP LIỆU Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống ngồi 76x3, kích thước ống 38x2 Đường kính ngồi ống ngồi: Dn = 0,076m ; đường kính ống ngồi: D t = 0,07m Đường kính ngồi ống trong: d n = 0,038m ; đường kính ống trong: d t = 0,034m Dòng nhập liệu ống với nhiệt độ đầu: t F1 = 25o C , nhiệt độ đầu ra: t +t t F2 = 63,749o C , suy nhiệt độ trung bình dịng nhập liệu: t Ftb = F1 F2 = 44,375o C , nhiệt độ ta tra được: Khối lượng riêng dòng nhập liệu: F = 908,708kg / m3 Nhiệt dung riêng dòng nhập liệu: CF = 3969,740 J/kg.độ Độ nhớt dòng nhập liệu: F = 0,000630Ns / m2 Hệ số dẫn nhiệt dòng nhập liệu:  F = 0,5689 W/m.độ Chuẩn số Prandtl dòng nhập liệu: PrF = 3,502 Dòng sản phẩm đáy ống với nhiệt độ đầu: t W1 = 96, 2o C , nhiệt độ đầu ra: t W2 = 45o C , suy nhiệt độ trung bình dịng sản phẩm đáy: t Wtb = 70,6o C , nhiệt độ ta tra được: Khối lượng riêng dòng sản phẩm đáy: W = 962, 483kg / m3 Nhiệt dung riêng dòng sản phẩm đáy: CW = 4170, 489 J/kg.độ Độ nhớt dòng sản phẩm đáy:  W = 0,000405Ns / m Hệ số dẫn nhiệt dòng sản phẩm đáy:  W = 0,6578 W/m.độ Chuẩn số Prandtl dòng sản phẩm đáy: PrW = 2, 497 42 Đồ án môn học Quá trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha 6.5.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều: t1 = t S1 − t F2 = 32, 451o C t1 = t S2 − t F1 = 20o C t1 − t = 25,725K t1 ln t Suy ra: t log = 6.5.2 Hệ số truyền nhiệt Công thứ V.5, trang 3, Sổ tay QTTB tập 2: K = 1 +  rt + F S , W.m −2 K −1 Trong đó:  F : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu, W/m2K S : hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đỉnh, W/m2K  r : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu, m2K/W t 6.5.2.1 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu Giống thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu vào tháp Suy ra: t r =  + r1 + r2 = t 0,003 1 + + = 0,000529m2 K / W 16,3 5800 5800 Nhiệt độ vách ống: t w = t w1 − q t  r 6.5.2.2 Hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy ống Vận tốc sản phẩm đáy ống ngoài: v W = 4W = 0, 2223m / s 3600W (Dtr − d ng ) Đường kính tương đương: d td = D t − d n = 0,032m Chuẩn số Re: Re W = v W d tdW = 16912,650 , chế độ chảy rối ReW > 10000 W Từ ReW, cơng thức V.40, trang 14, Sổ tay QTTB tập 2: Nu W = 0,021l Re W PrW 0,8 0,43  PrW     Prw1  0,25 43 Đồ án mơn học Q trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha Chọn t W1 = 60o C , nhiệt độ lớp màng: t m = 65,3o C , nhiệt độ ta tra chuẩn số Prandtl dòng sản phẩm đáy: PrW1 = 2,653 Suy Nu W = 0,021l Re W W = 0,8 PrW 0,43  PrW     Prw1  0,25 = 73,983 Nu W  W = 1521,053 , q W =  W (t Wtb − t W1 ) = 16123,161 d td t W = t W1 − q t  r = 51, 472o C , chọn t W2 = 49, 2o C , từ nhiệt độ ta tra chuẩn số Prandtl: PrW = 3, 453 6.5.2.3 Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ Vận tốc dòng nhập liệu: vF = Chuẩn số Re: ReF = 4F = 1,011m / s 3600F d tr v Fd tr F = 49529,360 , chế độ chảy rối ReF > 10000 F Từ ReF, công thức V.40, trang 14, Sổ tay QTTB tập 2: Nu F = 0,021 l Re F PrF 0,8 Suy ra:  F = 0,43  PrF     Prw2  0,25 = 205,904 Nu F F = 3445,370 , q F =  F (t W2 − t Ftb ) = 16625, dt Kiểm tra sai số:  = qF − qW 100% = 3,114% < 5% (thỏa) qW Suy hệ số truyền nhiệt: K = 1 +  rt + F W = 677, 250W.m −2 K −1 6.5.3 Bề mặt truyền nhiệt F= QF = 7, 224m2 ; QF = 453096067,5J / h : nhiệt lượng dòng nhập 3600K.t log liệu nhận vào 44 Đồ án mơn học Q trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha 6.5.4 Chiều dài ống truyền nhiệt L= F = 63,907m , chọn L = 65m d n + d tr  Thiết bị tận dụng nhiệt sản phẩm đáy để gia nhiệt cho nhập liệu thiết bị ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt 65m, chia thành 13 đoạn, môi đoạn 5m 6.6 BƠM 6.6.1 Năng suất bơm Nhiệt độ dòng nhập liệu: t F = 25o C Tại nhiệt độ này: Khối lượng riêng hỗn hợp: F = 919,734kg / m3 Độ nhớt hỗn hợp: F = 0,000924Ns / m2 Suất lượng thể tích dịng nhập liệu ống: QF = F = 3, 262m3 / h F Chọn bơm có suất Qb = 5m3 / h 6.6.2 Cột áp bơm Chọn: Mặt thoáng (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu Mặt thoáng (2-2) mặt thoáng chất lỏng mâm nhập liệu Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): P1 v12 P2 v 2 z1 + + + Hb = z2 + + +  h f 1−2 Fg 2g Fg 2g 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 P1: áp suất mặt thoáng (1-1), P1 = 1atm P2: áp suất mặt thoáng (2-2), P2 = 1atm V1,v2: vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy bơm, m/s  h f 1−2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2) • Hb: cột áp bơm Độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất: z2 = Hchan + Hday + h day + H demC = 1,445m Trong đó: Hchan: chiều cao chân đế, m 45 Đồ án mơn học Q trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha Hday: chiều cao đáy thiết bị, m h day : khoảng cách từ đáy thiết bị đến phần phần đệm chưng, m HdemC: chiều cao phần đệm phần chưng, m 6.6.2.1 Tổng trở lực ống Chọn đường kính ống hút ống đẩy nhau: d tr = 0,05m Tra bảng II.15, trang 381, sổ tay QTTB tập 1, độ nhám tuyệt đối ống nguyên ống hàn điều kiện ăn mịn ít:  = 0, 2mm = 0,0002m Tổng trở lực ống hút ống đẩy:  lh  v12  ld  v2 h =  +  +  +   f 1−2  d  h  2g  d  d  2g tr tr     Trong đó: lh: chiều dài ống hút, chọn lh = 2m ld: chiều dài ống đẩy, chọn ld = 8m   h : tổng tổn thất cục ống hút d : tổng tổn thất cục ống đẩy 1 ,  : hệ số ma sát ống hút ống đẩy Vận tốc dòng nhập liệu ống hút: v1 = Chuẩn số Re: Re1F = 4Qb = 0,708m / s 3600d tr v1d tr F = 35226,332 F Chuẩn số Re tới hạn: Re1gh  d 7 =  tr  = 3301,065     d 8 Chuẩn số Re bắt đầu xuất vùng nhám: Re1n = 220  tr  = 109674,381    Ta có: Re1gh  Re1F  Re1n : chế độ chảy rối ứng với khu vực độ Tra bảng II.4, trang 379, Sổ tay QTTB tập được: 1 = 0,0318 Vận tốc dòng nhập liệu ống đẩy: v = v F = 0, 45m / s Chuẩn số Re: Re2F = v 2d tr F = 22398,663 F 46 Đồ án mơn học Q trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha Ta có: Re1gh  Re2F  Re1n : chế độ chảy rối ứng với khu vực độ Tra bảng II.4, trang 379, Sổ tay QTTB tập được:  = 0,0339 Xác định tổng tổn thất cục ống hút: • Chỗ uốn cong: khơng có chỗ uốn cong • Van: Tra bảng 9.5, trang 94, Sổ tay QTTB tập Chọn van có độ mở hồn tồn thì: v1(1cai) = 10 Ống hút có van nên  v2 = 10 Suy ra:  h =  v1 = 10 Xác định tổng tổn thất cục ống đẩy: • Chỗ uốn cong: Tra bảng 9.5, trang 94, Sổ tay QTTB tập Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d =  u 2(1cho ) = 0,15 Ống đẩy có chỗ uốn: u = 0,15.5 = 0,75 • Van: Tra bảng 9.5, trang 94, Sổ tay QTTB tập Chọn van mở hồn tồn: v2(1cai) = 10 Ống đẩy có van nên  v2 = 10 Suy ra:  d = u +  v2 = 10,75 Vậy h f 1− = 0, 4662 6.6.2.2 Tính cột áp bơm P2 − P1 v22 Hb = + z − z1 + +  h f 1−2 = 1,904m g 2g 6.6.3 Công suất bơm Chọn hiệu suất bơm: b = 0,8 Công suất thực tế bơm là: N b = Q b H bFg = 29,825W = 0,04Hp 3600b 6.6.4 Kết luận Chọn bơm ly tâm có: • Năng suất bơm: Qb = 5m3 / h • Cột áp: H b = 1,929m • Công suất: N b = 0,04Hp , suy chọn công bơm Nb = 0,1Hp Để đảm bảo quy trình khơng bị gián đoạn ta chọn bơm có cơng suất 0,1Hp, bơm có chức chính, bơm cịn lại có chức dự phòng trường hợp cố 47 Đồ án mơn học Q trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khn, Hồ Lê Viên (1992), Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất - Tập 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuôn, Phạm Xuân Toản (1992), Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất - Tập 2, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [3] Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử - Tập – Tính tốn thiết kế, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội [4] Phạm Văn Bơn – Vũ Bá Minh – Hồng Minh Nam, Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học – Tập 10 – Ví dụ tập, Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [5] Hồ Lê Viên (2006), Tính tốn, thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [6] Nguyễn Bin, Các trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm – tập – Phân riêng tác dụng nhiệt (chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, trích ly, kết tinh, sấy), Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [7] Nguyễn Bin, Tính tốn q trình, thiết bị - Tập – Trong cơng nghệ hóa chất thực phẩm, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [8] Phạm Văn Bơn – Nguyễn Đình Thọ (1992), Giáo trình “Q trình & thiết bị cơng nghệ hóa học” – Tập – Quá trình & Thiết bị truyền nhiệt, Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh 48 ... tiết thiết bị chưng cất 13 Bản vẽ chi tiết thiết bị chưng cất 14 Bản vẽ chi tiết thiết bị chưng cất 15 Bản vẽ chi tiết thiết bị chưng cất Duyệt GVHD BÙI NGỌC PHA ii Đồ án môn học Quá trình Thiết. .. trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha BÁO CÁO TIẾN ĐỘ Môn học: Đồ án Kỹ thuật Hóa học – CH4007 GVHD: BÙI NGỌC PHA SVTH: TRƯƠNG TIẾN ANH - 1710534 Đề tài: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC CHƯNG CẤT... Đồ án mơn học Q trình Thiết bị GVHD: Bùi Ngọc Pha CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT 1.1 KHÁI NIỆM VỀ CHƯNG CẤT Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí – lỏng thành cấu tử riêng