Đồ án QTTB Thiết bị trao đổi nhiệt sản phẩm đỉnh trong hệ thống chưng cất ethanol nước

Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học LỜI NĨI ĐẦU Với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp nay, đặc biệt ngành cơng nghiệp hóa chất, ngành quan trọng để phát triển sản xuất giai đoạn cơng nghiệp hóa, dẫn đến nhu cầu ngày tăng số lượng chất lượng hóa chất, đặc biệt khía cạnh sản phẩm đòi hỏi chất lượng sản phẩm phải đáp ứng nhiều tiêu chuẩn khắt khe ngồi nước, trình tổng hợp sản phẩm hữu cơ, hóa dược, nhiên liệu, Độ tinh khiết sản phẩm đóng vai trị quan trọng, phương pháp nâng cao độ tinh khiết cho hóa chất trích ly, chưng cất, đặc, hấp thu,… ngày cải tiến đại đóng vai trị móng quan trọng cho ngành cơng nghiệp hóa chất Tuy nhiên, phụ thuộc yêu cầu đặc tính sản phẩm mà ta chọn lựa phương pháp quy trình thích hợp Đối với hệ Ethanol – H2O, hệ hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, có nhiệt độ sơi khác nên ta lựa chọn phương pháp chưng cất để tách cấu tử hỗn hợp nhằm thu Ethanol có độ tinh khiết cao Đồ án Quá trình Thiết bị mơn học mang tính tổng hợp tất kiến thức trình học tập kỹ sư hóa học nhằm củng cố nắm vững kiến thức học, thúc đẩy niềm say mê, tìm tịi rèn luyện kỹ giải vấn đề Đồng thời tiếp cần với quy trình thực tế thơng qua việc tính tốn, lựa chọn quy trình thiết bị với yêu cầu cụ thể Những thách thức hội để sinh viên tìm hiểu, vận dụng cơng nghệ ngành kỹ thuật hóa học nhằm giải xử lý yêu cầu đặt cho kỹ sư Đề tài em đảm nhiệm Đồ án Quá trình Thiết bị: Thiết kế thiết bị ngưng tụ hệ thống mâm chóp hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước áp suất thường với suất sản phẩm đỉnh 1000 kg/h, nhập liệu nồng độ rượu 25% mol Ethanol, nồng độ sản phẩm đỉnh 85% mol Ethanol tỷ lệ thu hồi rượu đạt 99% Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Vũ Bá Minh tận tình hướng dẫn, bảo giải đáp thắc mắc em, bạn góp ý để em hoàn thiện đồ án cách tốt Tuy nhiên, q trình thực khơng tránh khỏi sai sót thiếu sót kiến thức cịn hạn hẹp, em mong nhận ý kiến đóng góp từ quý thầy cô bạn i Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU .i DANH MỤC HÌNH iv TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu nguyên liệu 1.1.1 Ethanol 1.1.2 Nước 1.1.3 Hệ Ethanol – H2O 1.2 Quá trình chưng cất 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Các phương pháp chưng cất 1.2.3 Các thiết bị chưng cất 1.3 Lựa chọn trình chưng cất 1.3.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ (Bản vẽ đính kèm) 1.3.2 Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT 2.1 Dữ kiện đề 2.2 Các ký hiệu 2.3 Tính tốn cân vật chất CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 13 3.1 Cân nhiệt lượng lượng cho tháp chưng cất 13 3.2 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 14 3.3 Cân lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 15 3.4 Cân nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dịng nhập liệu 15 TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH – THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 17 4.1 Tính kích thước thiết bị 17 4.2 Tính khí 21 ii Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học 4.2.1 Bề dày thân 21 4.2.2 Tính chọn bề dày đáy nắp: 23 4.2.3 Bích ghép thân nắp: 23 4.2.4 Đường kính ống dẫn – Bích ghép ống dẫn 25 4.2.5 Tính vỉ ống .27 4.2.6 Chân đỡ 28 4.2.7 Tính trọng lượng tồn thiết bị 28 TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 30 5.1 Tháp chưng cất 30 5.1.1 Tính đường kính tháp 30 5.1.2 Tính chiều cao tháp 34 5.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 34 5.3 Thiết bị đun nóng dịng nhập liệu 39 5.4 Thiết bị đun sôi đáy tháp 44 5.5 Bồn cao vị 48 5.5.1 Tổn thất đường ống dẫn 48 5.5.2 Tổn thất đường ống dẫn thiết bị đun nóng dịng nhập liệu 49 5.5.3 Chiều cao bồn cao vị 50 5.6 Bơm 51 5.6.1 Tổng trở lực ống hút đẩy 51 5.6.2 Chọn bơm 52 GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 54 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 iii Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Công thức cấu tạo Ethanol Hình 1.2 Đồ thị cân x – y hệ Ethanol – Nước Hình 2.1 Đồ thị mâm lý thuyết 10 Hình 2.2 Đồ thị số mâm lý thuyết phóng to phần cất 10 iv Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học DANH MỤC BẢNG Bảng I.1 Cân lỏng – cho hệ Ethanol – H2O Bảng I.2 So sánh loại tháp chưng cất Bảng II.1 Phân mol phân khối lượng dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy tháp chưng cất Bảng III.1 Tóm tắt lượng thiết bị đun nóng dịng nhập liệu 15 Bảng IV.1 Thơng số bích ghép thân nắp 15 v Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu nguyên liệu 1.1.1 Ethanol a) Tính chất vật lý Ethanol: cịn biết đến rượu etylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, hợp chất hữu nằm dãy đồng đẳng ancol, dễ cháy, không màu, rượu thơng thường có thành phần đồ uống chứa cồn, ancol mạch hở, cơng thức hóa học C2H6O hay C2H5OH Hình 1.1: Cơng thức cấu tạo Ethanol Ethanol chất lỏng, không màu, suốt, mùi thơm dễ chịu đặc trưng, vị cay, nhẹ nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml 15oC), dễ bay (sôi nhiệt độ 78,39 oC), hoá rắn -114,15 oC, tan nước vơ hạn, hút ẩm, dễ cháy b) Tính chất hóa học Ethanol có tính chất hóa học ancol đơn chức Phản ứng với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ Ví dụ: 2C2H5OH + 2Na →2C2H5ONa + H2 Phản ứng rượu acid với mơi trường H2SO4 đặc nóng tạo este Ví dụ: C2H5OH + CH3COOH → CH3COOC2H5 + H2O Phản ứng loại nước tách nước phân tử để tạo thành olefin, môi trường H2SO4 đặc 170oC: Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học C2H5OH →C2H4 + H2O Tách nước phân tử rượu thành ether: C2H5OH + C2H5OH → C2H5-O-C2H5 + H2O Phản ứng oxi hóa CH3-CH2-OH + CuO → CH3-CHO + Cu + H2O CH3-CH2-OH + O2 → CH3-COOH + H2O C2H5OH + O2 → 3H2O + 2CO2 c) Sản xuất, điều chế Ethanol sử dụng nguyên liệu cơng nghiệp thơng thường sản xuất từ nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu thông qua phương pháp hydrate hóa ethylene xúc tác acid CH2=CH2 + H2O → C2H5OH Ethanol để sử dụng đồ uống chứa cồn phần lớn ethanol sử dụng làm nhiên liệu, sản xuất cách lên men: Khi số loại men rượu chuyển hóa đường điều kiện yếm khí thành ethanol carbon dioxide: C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 d) Ứng dụng Ethanol dung mơi linh hoạt, pha trộn với nước dung môi hữu khác acetic acid, benzene, acetone,… Ethanol sử dụng nhiên liệu cồn (thông thường trộn lẫn với xăng) hàng loạt quy trình cơng nghiệp khác Ethanol sử dụng sản phẩm chống đông lạnh điểm đóng băng thấp Kể từ ngày 1/1/2018, Việt Nam đưa xăng E5 (RON 92 95%, ethanol 5%) vào sử dụng toàn quốc Dung dịch ethanol từ 60 – 70% sử dụng làm dung dịch khử trùng có khả làm biến tính protein hịa tan lipit vi khuẩn Ethanol nguyên liệu để sản xuất nhiều hợp chất khác công nghiệp như: ethyl esters, acetic acid, ethylamine, … 1.1.2 Nước Nước hợp chất hóa học oxy hydro, có cơng thức hóa học H2O Với tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ tính lưỡng cực, liên kết hydro tính bất Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học thường khối lượng riêng), nước chất quan trọng nhiều ngành khoa học đời sống Nước tinh khiết thường mô tả không màu, không vị không mùi 1.1.3 Hệ Ethanol – H2O Bảng I.1: Cân lỏng – cho hệ Ethanol – H2O (trang 148, [8]) x y 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,442 0,531 0,576 0,614 0,654 0,699 0,753 0,818 0,898 1 Ethanol - Nước 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Hình 1.2: Đồ thị cân x – y hệ Ethanol – Nước 1.2 Quá trình chưng cất 1.2.1 Khái niệm 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 Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hòa cấu tử khác nhau) 1.2.2 Các phương pháp chưng cất - Phân loại theo áp suất làm việc: áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao - Phân loại theo nguyên lý làm việc: chưng cất đơn giản, chưng cất nước trực tiếp, chưng cất đa cấu tử - Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp gián tiếp 1.2.3 Các thiết bị chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung thiết bị giống diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất a) Tháp mâm: Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ thẳng đứng có gắn mâm có cấu tạo khác pha lỏng pha cho tiếp xúc Quá trình chung tháp xem tiếp xúc pha nghịch dòng mâm hai pha tiếp xúc giao dòng b) Tháp chêm: Tháp chêm tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Vật chêm sử dụng gồm nhiều loại khác nhau, phổ biến số loại sau: vịng Raschig, vật chêm hình n ngựa, vật chêm vòng xoắn,… Yêu cầu chung loại vật chêm phải có diện tích bề mặt riêng lớn, độ rỗng lớn để giảm trở lực pha khí Vật liệu chế tạo vật chêm phải có khối lượng riêng nhỏ bền hóa học So sánh ưu nhược điểm loại tháp Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bảng I.1 So sánh loại tháp chưng cất Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Ưu điểm - Cấu tạo đơn giản - Trở lực thấp - Làm việc với chất lỏng bẩn dùng đệm cầu có ρ ≈ ρ chất lỏng - Trở lực tương đối thấp - Hiệu suất cao - Khá ổn định - Hiệu suất cao Nhược điểm - Do có hiệu ứng thành nên hiệu suất truyền khối thấp - Độ ổn định khơng cao, khó vận hành - Khó tăng suất có hiệu ứng thành - Thiết bị nặng nề - Không làm việc với chất lỏng bẩn - Kết cấu phức tạp - Có trở lực lớn - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp 1.3 Lựa chọn trình chưng cất Ethanol tan hồn tồn nước, tạo hỗn hợp đẳng phí với nước 78,2 oC với phần mol Ethanol 0,894 Ở áp suất khí quyển, ethanol sơi 78,4 oC nhiệt độ sôi nước 100oC Đề yêu cầu chưng cất với nồng độ sản phẩm đỉnh 90% (khoảng 0,78 phần mol ethanol) nên chưa đến điểm đẳng phí Để đạt yêu cầu đề bài, ta tiến hành chưng cất liên tục hệ hai cấu tử Ethanol – nước tháp chưng cất mâm chóp, gia nhiệt gián tiếp 1.3.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ (Bản vẽ đính kèm) 1.3.2 Thuyết minh sơ đồ quy trình cơng nghệ Ngun liệu trình dung dịch ethanol – nước với nồng độ theo phần mol ethanol 25% mol, chứa bồn chứa nguyên liệu (1) nhiệt độ khoảng 30 oC Dung dịch nhập liệu bơm (2) đưa lên bồn cao vị (3), mực chất lỏng bồn cao vị khống chế nhờ vào ống chảy tràn Dòng nhập liệu tiếp tục điều chỉnh lưu lượng nhờ lưu lượng kế (4) đưa vào thiết bị đun sơi dịng nhập liệu (5) Tại đây, dòng nhập liệu gia nhiệt từ nhiệt độ ban đầu khoảng 30 oC đến nhiệt độ lỏng sơi hỗn hợp dịng nước bão hịa Sau đó, dịng nhập liệu đưa vào tháp chưng cất (8) mâm nhập liệu Tháp chưng cất gồm phần: phần mâm nhập liệu phần cất, từ mâm nhập liệu trở xuống phần chưng Ở tháp, pha lỏng từ xuống tiếp xúc với pha từ lên Hơi bốc từ mâm lên qua lỗ chóp mâm Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học • 𝑘𝑘0 : Hệ số phụ thuộc Re, 𝑘𝑘0 = 4,4 • 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐹𝐹𝐹𝐹 : Chuẩn số Prandtl cho dịng đỉnh nhiệt độ trung bình vách 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐹𝐹 = 𝐶𝐶𝐹𝐹 𝜇𝜇𝐹𝐹 = 7,57 𝜆𝜆𝐹𝐹 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐹𝐹 0,25 17,19 𝑁𝑁𝑁𝑁𝐹𝐹 = 𝑘𝑘0 𝜀𝜀1 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐹𝐹0,43 ( ) = 0,25 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐹𝐹𝐹𝐹 Hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đỉnh di ống 𝛼𝛼𝐹𝐹 = 𝑁𝑁𝑁𝑁𝐹𝐹 𝜆𝜆𝐹𝐹 470,03 = 0,25 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐹𝐹𝐹𝐹 Nhiệt tải dịng đỉnh ngồi ống: 𝑞𝑞𝐹𝐹 = 𝛼𝛼𝐹𝐹 (𝑡𝑡𝑣𝑣2 − 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 ) = 470,03 0,25 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐹𝐹𝐹𝐹 (𝑡𝑡𝑣𝑣2 − 56,15) Hệ số cấp nhiệt nước ngưng tụ mặt ngồi ống : Áp dụng cơng thức I.561/154 [8]: Đối với ống nằm ngang hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh ngưng tụ ống nhiệt độ ngưng tụ ts= 126,25oC 𝑟𝑟𝐷𝐷 ⋅ 𝜌𝜌2 ⋅ 𝜆𝜆3 𝛼𝛼ℎ = 1,28 × � 𝑑𝑑𝑛𝑛𝑛𝑛 ⋅ 𝜇𝜇 ⋅ (𝑡𝑡𝑠𝑠 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 ) • Khối lượng riêng sản phẩm đỉnh ngưng tụ ống: Ts= 126,25oC →𝜌𝜌𝑛𝑛 = 937 (kg/m3) Độ nhớt nước: 𝜇𝜇 = 0,000204 (N.s/m2) • Hệ số dẫn nhiệt nước: 𝜆𝜆 = 0,6855 (W/mK) • Nhiệt ngưng tụ 2.5at: 𝑟𝑟ℎ = 2189,5 (kJ/kg) 𝑟𝑟ℎ ⋅ 𝜌𝜌2 ⋅ 𝜆𝜆3 𝛼𝛼ℎ = 1,28 × � 𝑑𝑑𝑛𝑛𝑛𝑛 ⋅ 𝜇𝜇 ⋅ (𝑡𝑡𝑠𝑠 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 ) 4 = 1,28� = 2189,5 103 937 0,68553 0,016.0,000204 (126,25 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 ) 4828,35 𝑊𝑊 ( ) 0,25 (126,25 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 ) 𝑚𝑚 𝐾𝐾 42 Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học • Tra hình V.20/30 [8]: Hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống số ống dãy thẳng 𝜀𝜀 = 0,8 Hệ số cấp nhiệt trung bình chùm ống ∝𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝜀𝜀 ∝ℎ = 0,8 ∝ℎ = • Nhiệt tải thành ống 𝑞𝑞ℎ =∝𝑡𝑡𝑡𝑡 (𝑡𝑡𝑠𝑠 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 ) = 3826,68 𝑊𝑊 ( ) (126,25 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 )0,25 𝑚𝑚2 𝐾𝐾 3826,68 (126,25 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 ) (126,25 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 )0,25 • Xem nhiệt tải mát khơng đáng kể: 𝑞𝑞𝑡𝑡 = 𝑞𝑞𝐷𝐷 (W/m2) 𝑞𝑞ℎ = 𝑡𝑡𝑣𝑣1 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2 3826,28 ) ( = 126,25 − 𝑡𝑡 𝑣𝑣1 (126,25 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 )0,25 4,71 10−4 → 𝑡𝑡𝑣𝑣2 = 𝑡𝑡𝑣𝑣1 − 4,71 10−4 𝑞𝑞ℎ → 𝑞𝑞𝐹𝐹 = 470,03 0,25 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐹𝐹𝐹𝐹 • Kiểm tra sai số: 𝜀𝜀 = (𝑡𝑡𝑣𝑣2 − 56,15) |𝑞𝑞𝐹𝐹 − 𝑞𝑞ℎ | 100% < 0.5% 𝑞𝑞ℎ Dùng phép lặp 118,6 𝑡𝑡𝑣𝑣1 ∝ℎ 2903,243 𝑞𝑞ℎ 17767,85 𝜆𝜆𝐹𝐹 0,35 ∝𝑡𝑡𝑡𝑡 2322,594 𝑡𝑡𝑣𝑣2 110,2 𝜇𝜇𝐹𝐹 0,000377 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐹𝐹𝐹𝐹 4,19 𝐶𝐶𝐹𝐹 3894,2 𝑁𝑁𝑁𝑁𝐹𝐹 12,02 328,54 𝛼𝛼𝐹𝐹 17767,64 𝑞𝑞𝐹𝐹 𝜀𝜀 0,001144 43 Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học Kết luận: tv1= 118,6oC, tv2= 110,2oC Hệ số truyền nhiệt 𝐾𝐾 = 1 + ∑ 𝑟𝑟𝑡𝑡 + ∝𝐹𝐹 ∝ℎ = 1 + 4,71 10−4 + 2903,24 328,54 • Bề mặt truyền nhiệt: 𝑊𝑊 ) 𝑚𝑚2 𝐾𝐾 = 259,12 ( Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: 𝑄𝑄 457667,7 103 𝐹𝐹 = = = 7.35 𝑚𝑚2 𝐾𝐾 ∆𝑡𝑡𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 3600.259,12.66,71 • Cấu tạo thiết bị Chiều dài ống truyền nhiệt 𝐿𝐿′ = Chọn L= (m) 𝐹𝐹 7.35 = = 1.8 (𝑚𝑚) 0,016 + 0,0128 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 + 𝑑𝑑𝑛𝑛𝑛𝑛 90 𝜋𝜋 𝑛𝑛𝑛𝑛 2 Tra bảng V.II/49 [8]: Số ống đường chéo b=11 ống Chọn bước ngang hai ống: t=1,5.dng=1,5.0,016=0,024 (m) Áp dụng công thức V.140/49 [8]: Đường kính thiết bị: 𝐷𝐷 = 𝑡𝑡 (𝑏𝑏 − 1) + 𝑑𝑑 = 0.304 (𝑚𝑚) Chọn D= 0.4 (m)= 300 mm 5.4 Thiết bị đun sôi đáy tháp Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp nồi đun Kettle Hơi nước bão hòa ống, dịng lỏng ngồi ống Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 38x2 • Ống trong: 38x2  Đường kính ngồi: dng= 38 (mm)= 0,038 (m)  Bề dày ống: 𝛿𝛿𝑡𝑡 = (𝑚𝑚𝑚𝑚) = 0,002 (𝑚𝑚)  Đường kính trong: dtr= 0,034 (m) Chọn đốt nước bão hòa áp suất tuyệt đối 2,5 at: • Nhiệt độ ngưng tụ: ts= 126,25oC 44 Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học • Nhiệt ngưng tụ: r=2189,5 (kJ/kg) Sản phẩm đáy đun sơi 98,9oC Nhiệt độ dịng tWy= 99,98oC Nhiệt lượng cung cấp cho thiết bị đun sơi dịng nhập liệu: Q= 817 872 (kJ/h) Lượng nước cần dùng: Gh= 1835,49 (kg/h) Xác định ∆𝑡𝑡𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên ∆𝑡𝑡𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 = (126,25 − 98,9) − (126,25 − 99,89) = 26,8 126,25 − 98,9 𝑙𝑙𝑙𝑙 126,25 − 99,98 Xác định hệ số truyền nhiệt K: • Hệ số truyền nhiệt tính theo cơng thức • Trong đó: 𝐾𝐾 = 1 + ∑ 𝑟𝑟1 + 𝛼𝛼𝐹𝐹 𝛼𝛼ℎ 𝑊𝑊 𝐾𝐾) 𝑚𝑚2 ( 𝛼𝛼𝐹𝐹 : Hệ số cấp nhiệt nước (W/m2.K) 𝛼𝛼𝑛𝑛 : Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu (W/m2.K) ∑ 𝑟𝑟1 : Nhiệt trở qua thành ống lớp cáu Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: Trong đó: 𝑞𝑞𝑡𝑡 = 𝑡𝑡𝑣𝑣1 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2 ∑ 𝑟𝑟𝑡𝑡 • 𝑡𝑡𝑣𝑣1 : Nhiệt độ vách tiếp xúc nước (trong ống) oC • 𝑡𝑡𝑣𝑣2 : Nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ống) oC Bề dày ống: 𝛿𝛿𝑡𝑡 = 0,002 (m) Tra bảng XII.7/313 [8] Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: 𝜆𝜆 = 16,3 (W/mK) Tra bảng 31/419 sách ví dụ tập Nhiệt trở lớp bẩn bên ống: r1= 1/5800 (m2.K/W) Nhiệt trở lớp bẩn bên ống: r2= 1/5000 (m2.K/W) 45 Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học � 𝑟𝑟𝑡𝑡 = → 𝑞𝑞𝑡𝑡 = 𝛿𝛿𝑡𝑡 0,002 1 + 𝑟𝑟1 + 𝑟𝑟2 = + + 16,3 5800 5000 𝜆𝜆 = 4,95 10−4 (𝑚𝑚2 𝑡𝑡𝑣𝑣1 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2 𝑡𝑡𝑣𝑣1 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2 = ∑ 𝑟𝑟𝑡𝑡 4,95 10−4 𝐾𝐾 ) 𝑊𝑊 Hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy ngồi ống: Áp dụng cơng thức V.91/27 [8], sản phẩm đáy ta xem có nước 𝑊𝑊 ) 𝑚𝑚2 𝐾𝐾 ∝𝑊𝑊 = 0,145∆𝑡𝑡 2,33 𝑝𝑝0,5 ( Với ∆𝑡𝑡 = 𝑡𝑡𝑠𝑠𝑠𝑠 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2 = 98,9 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2 : Hiệu số nhiệt độ bề mặt truyền nhiệt 𝑝𝑝: áp suất tuyệt đối mặt thoáng= 101325 (N/m2) 𝑊𝑊 ) 𝑚𝑚2 𝐾𝐾 ∝𝑊𝑊 = 0,145 (98,9 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2 )2,33 1013250,5 = 46,16 (98,9 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2 )2,33 ( Nhiệt tải dịng sản phẩm đáy ngồi ống 𝑞𝑞𝑊𝑊 =∝𝑊𝑊 (𝑡𝑡𝑠𝑠𝑠𝑠 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2 ) = 46,16 (98,9 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2 )3.33 Hệ số cấp nhiệt nước ngưng tụ ống: Áp dụng công thức I.561/154 [8] 𝛼𝛼ℎ = 1,28 × � 21443,23 𝑊𝑊 𝑟𝑟𝐷𝐷 ⋅ 𝜌𝜌2 ⋅ 𝜆𝜆3 = ( ) 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 ⋅ 𝜇𝜇 ⋅ (𝑡𝑡𝑠𝑠 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 ) (126,25 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 )0,25 𝑚𝑚2 𝐾𝐾 Nhiệt tải nước ống: 𝑞𝑞ℎ =∝ℎ (𝑡𝑡𝑠𝑠 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 ) = 21443,23 (126,25 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 ) (126,25 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 )0,25 = 21443,23 (126,25 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 )0,75 Xem nhiệt tải mát không đáng kể: 𝑞𝑞𝑡𝑡 = 𝑞𝑞ℎ 𝑞𝑞ℎ = 21443,23 (126,25 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 )0,75 = → 𝑡𝑡𝑣𝑣2 = 𝑡𝑡𝑣𝑣1 − 4,95 10−4 𝑞𝑞ℎ → 𝑞𝑞𝑊𝑊 = 46,16 (98,9 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2 )3.33 Kiểm tra sai số 𝜀𝜀 = |𝑞𝑞𝑊𝑊 − 𝑞𝑞ℎ | 100% < 0.5% 𝑞𝑞ℎ 46 𝑡𝑡𝑣𝑣1 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2 4,95 10−4 Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học Tính lặp ta thu kết 122,1 𝑡𝑡𝑣𝑣1 ∝ℎ 15563,93 𝑡𝑡𝑣𝑣2 90,1 𝑞𝑞ℎ 64590,31 ∝𝑊𝑊 7272,92 63799,51 𝑞𝑞𝑊𝑊 1,22 𝜀𝜀 Kết luận: tv1= 122,1oC, tv2= 90,1oC Hệ số truyền nhiệt 𝐾𝐾 = 1 + ∑ 𝑟𝑟𝑡𝑡 + ∝𝑤𝑤 ∝ℎ = 1 + 4,95 10−4 + 7272,92 15563,93 • Bề mặt truyền nhiệt: 𝑊𝑊 = 259,12 ( ) 𝑚𝑚 𝐾𝐾 Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: 𝐹𝐹 = • Cấu tạo thiết bị 3817872 103 𝑄𝑄 = = 152,72 𝑚𝑚2 259,12.26,8 𝐾𝐾 ∆𝑡𝑡𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 Chọn số ống truyền nhiệt n= 300 (ống) Ống xép đỉnh tam giác tạo thành chùm dạng lục giác • Chiều dài ống truyền nhiệt 𝐿𝐿′ = 𝐹𝐹 152,72 = = 4,5 (𝑚𝑚) 0,038 + 0,034 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 + 𝑑𝑑𝑛𝑛𝑛𝑛 300 𝜋𝜋 𝑛𝑛𝑛𝑛 2 Chọn L= (m), dự trữ khoảng 20% bề mặt truyền nhiệt Tra bảng V.II/48 [8], số ống đường chéo b= 20 ống Chọn bước ngang hai ống: 𝑡𝑡 = 1,4 𝑑𝑑𝑛𝑛𝑛𝑛 = 1,4.0,038 = 0,057 (𝑚𝑚) Áp dụng cơng thức V.140/49 [8]: Đường kính thiết bị: 𝐷𝐷 = 𝑡𝑡 (𝑏𝑏 − 1) + 𝑑𝑑𝑛𝑛 = 1,29 (𝑚𝑚) 47 Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học Chọn 𝐷𝐷 = 1,5 𝑚𝑚 = 1500 𝑚𝑚𝑚𝑚 5.5 Bồn cao vị 5.5.1 Tổn thất đường ống dẫn Chọn ống dẫn có đường kính 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 = 40 (𝑚𝑚𝑚𝑚) = 0,04 (𝑚𝑚) Tổn thất đường ống dẫn: 𝑙𝑙1 𝑣𝑣12 ℎ1 = �𝜆𝜆1 + � 𝜉𝜉1 � (𝑚𝑚) 𝑑𝑑1 𝑔𝑔 Trong đó: • 𝜆𝜆1 : Hệ số ma sát đường ống • 𝑙𝑙1 : Chiều dài đường ống dẫn • 𝑑𝑑1 : Đường kính ống dẫn, 𝑑𝑑1 = 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 = 0,04 (𝑚𝑚) • ∑ 𝜉𝜉1 : Tổng hệ số tổn thất cục • 𝑣𝑣1 : Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn Xác định vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn: Các tính chất vật lý dịng nhập liệu tra nhiệt độ trung bình: 𝑡𝑡 = 𝑡𝑡𝐹𝐹𝐹𝐹 + 𝑡𝑡𝐹𝐹𝐹𝐹 30 + 82,3 = = 56,15𝑜𝑜 𝐶𝐶 2 Ở 𝑡𝑡 = 56,15𝑜𝑜 𝐶𝐶: 𝜌𝜌𝑛𝑛 = 985 (kg/m3), 𝜌𝜌𝑅𝑅 = 757 (kg/m3) → 𝜌𝜌𝐹𝐹 = ���� 𝑥𝑥𝐹𝐹 𝜌𝜌𝑅𝑅 + ����) (1−𝑥𝑥 𝐹𝐹 𝜌𝜌𝑛𝑛 = →𝜌𝜌𝐹𝐹 = 865 (kg/m3) 0,46 757 + 1−0,46 985 Hệ số dẫn nhiệt dòng đỉnh: 𝜆𝜆𝐹𝐹 = 0,35 ( 𝑊𝑊 𝑚𝑚𝑚𝑚 ) Độ nhớt dòng đỉnh: 𝜇𝜇𝐷𝐷 = 0,000734 (N.s/m2) Vận tốc dòng sản phẩm đỉnh 𝑣𝑣1 = 4𝐺𝐺𝐹𝐹 𝑚𝑚 = 0,525 ( ) 𝑠𝑠 3600 𝜌𝜌𝐹𝐹 𝑛𝑛 𝜋𝜋 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 Xác định hệ số ma sát đường ống: Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑅𝑅𝑅𝐹𝐹 = 𝑣𝑣1 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 𝜌𝜌𝐹𝐹 = 24748 > 104 𝜇𝜇𝐹𝐹 48 Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học Chế độ chảy rối, tra bảng II.15/381 [7] độ nhám ống: 𝜀𝜀 = 0,1 𝑚𝑚𝑚𝑚 = 0,0001 𝑚𝑚 Chuẩn số Reynolds tới hạn: 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑔𝑔ℎ = ( 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 𝜀𝜀 )7 = 5648,51 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑛𝑛 = 220 ( 186097,34 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 𝜀𝜀 Vì 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑔𝑔ℎ < 𝑅𝑅𝑅𝑅1 < 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑛𝑛 → Chế độ chảy rối ứng với khu vực độ Áp dụng công thức II.64/379 [7]: 𝜆𝜆1 = 0,1 (1,46 𝜀𝜀 100 0,25 + ) = 0,03 𝑑𝑑1 𝑅𝑅𝑅𝑅1 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ: Chỗ uốn cong: Tra bảng 13/20 [6]: Chọn dạng ống uốn cong: 𝜑𝜑 = 90𝑜𝑜 , 𝑅𝑅𝑜𝑜 𝑑𝑑 = 𝜉𝜉𝑢𝑢1 = 0,09 Đường ống có chỗ uốn: 𝜉𝜉𝑢𝑢1 = 6.0,09 = 0,54 Van: Tra bảng 9.5/110 [1]: Chọn van cửa với độ mở hồn tồn 𝜉𝜉𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 =0,2 Đường ống có van cầu → 𝜉𝜉𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 = 0,4 Lưu lượng kế: 𝜉𝜉𝑙𝑙𝑙𝑙 = Vào tháp: 𝜉𝜉𝑡𝑡ℎá𝑝𝑝 = Nên ∑ 𝜉𝜉1 = 𝜉𝜉𝑢𝑢1 + 𝜉𝜉𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 + 𝜉𝜉𝑙𝑙𝑙𝑙 + 𝜉𝜉𝑡𝑡ℎá𝑝𝑝 = 1,94 Vậy:ℎ1 = �𝜆𝜆1 𝑙𝑙1 𝑑𝑑1 + ∑ 𝜉𝜉1 � 𝑣𝑣12 2.𝑔𝑔 = 0,15 + 0,01 𝐻𝐻𝑐𝑐𝑐𝑐 5.5.2 Tổn thất đường ống dẫn thiết bị đun nóng dịng nhập liệu Trong đó: ℎ2 = �𝜆𝜆2 𝑛𝑛𝑛𝑛2 𝑣𝑣22 + � 𝜉𝜉2 � (𝑚𝑚) 𝑑𝑑2 𝑔𝑔 • 𝜆𝜆2 : Hệ số ma sát đường ống • 𝑙𝑙2 : Chiều dài đường ống dẫn, l2=2 m 49 )8 = Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học • 𝑑𝑑2 : Đường kính ống dẫn, 𝑑𝑑1 = 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 = 0,0128 (𝑚𝑚) • ∑ 𝜉𝜉2 : Tổng hệ số tổn thất cục • 𝑣𝑣2 : Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, 𝑣𝑣2 = 0,17 𝑚𝑚/𝑠𝑠 Xác định hệ số ma sát đường ống: Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑅𝑅𝑅2 = 𝑣𝑣2 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 𝜌𝜌𝐹𝐹 𝜇𝜇𝐹𝐹 = 2577 > 2300 : Chế độ chảy độ Áp dụng công thức II.59/318 [7]: 𝜆𝜆2 = Xác định tổn hệ số tổn thất cục bộ: 0,3164 𝑅𝑅𝑅𝑅2 0,25 = 0,044 Đột thu: Có chỗ đột thu → 𝜉𝜉độ𝑡𝑡 𝑡𝑡ℎ𝑢𝑢 = 2.0,5 = Đột mở: Có chỗ đột mở→ 𝜉𝜉độ𝑡𝑡 𝑚𝑚ở = 2.1 = Nên ∑ 𝜉𝜉2 = 𝜉𝜉độ𝑡𝑡 𝑡𝑡ℎ𝑢𝑢 + 𝜉𝜉độ𝑡𝑡 𝑚𝑚ở = Vậy ℎ2 = �𝜆𝜆2 𝑛𝑛𝑛𝑛2 𝑑𝑑2 + ∑ 𝜉𝜉2 � 5.5.3 Chiều cao bồn cao vị 𝑣𝑣22 2.𝑔𝑔 = 0,308 (𝑚𝑚) Chọn: • Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị • Mặt cắt (2-2) mặt cắt vị trí nhập liệu tháp Áp dụng phương trình Bernouli cho (1-1) (2-2): Trong đó: 𝑧𝑧1 + 𝑃𝑃1 𝑣𝑣12 𝑃𝑃2 𝑣𝑣22 + = 𝑧𝑧2 + + + � ℎ𝑓𝑓𝑓𝑓−2 𝜌𝜌𝐹𝐹 𝑔𝑔 𝑔𝑔 𝜌𝜌𝐹𝐹 𝑔𝑔 𝑔𝑔 • 𝑧𝑧1 : Độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất 𝑧𝑧1 = 𝐻𝐻𝑐𝑐𝑣𝑣 • 𝑧𝑧2 : Độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu • 𝜌𝜌𝐹𝐹 = 865 kg/m3 • 𝑃𝑃1 : Áp suất mặt thống (1-1), chọn 𝑃𝑃1 = 𝑎𝑎𝑎𝑎 = 9,81 104 ( • 𝑃𝑃2 : Áp suất mặt thoáng (2-2) Xem ∆𝑃𝑃 = 𝑃𝑃2 − 𝑃𝑃1 = 𝑛𝑛𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑐𝑐ấ𝑡𝑡 ∆𝑃𝑃𝐿𝐿 = 52.310 = 15652 (N/m2) 50 𝑁𝑁 𝑚𝑚2 ) Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học • 𝑧𝑧2 = ℎđá𝑦𝑦 + (𝑛𝑛𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 + 1) ∆ℎ + 0,5 = 0,25 + (10 + 1) (0,3 + 0,004) + 0,5 = 4,1 (𝑚𝑚) • 𝑣𝑣1 : Vận tốc mặt thống (1-1), xem 𝑣𝑣1 = (m/s) 𝑚𝑚 • 𝑣𝑣2 : Vận tốc vị trí nhập liệu 𝑣𝑣2 = 𝑣𝑣𝐹𝐹 = 0,17 ( ) 𝑠𝑠 • ∑ ℎ𝑓𝑓𝑓𝑓−3 : Tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2)” � ℎ𝑓𝑓𝑓𝑓−2 = ℎ1 + ℎ2 = 0,15 + 0,01 𝐻𝐻𝑐𝑐𝑐𝑐 + 0,308 Vậy chiều cao bồn cao vị 𝐻𝐻𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑃𝑃1 − 𝑃𝑃2 𝑣𝑣22 − 𝑣𝑣12 = 𝑧𝑧2 + + + 0,01 𝐻𝐻𝑐𝑐𝑐𝑐 + 0,46 𝜌𝜌𝐹𝐹 𝑔𝑔 𝑔𝑔 → 𝐻𝐻𝑐𝑐𝑐𝑐 = 6,47 (𝑚𝑚) Chọn 𝐻𝐻𝑐𝑐𝑐𝑐 = (𝑚𝑚) 5.6 Bơm Lưu lượng nhập liệu: 𝐺𝐺𝐹𝐹 = 2054,03 (kg/h) Chọn kích thước ống đẩy, ống hút 57x3 Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra nhiệt độ trung bình: 𝑡𝑡 = 30oC → 𝜌𝜌𝑛𝑛 = 959,7 (kg/m3), 𝜌𝜌𝑅𝑅 = 779,3 (kg/m3) → 𝜌𝜌𝐹𝐹 = ���� 𝑥𝑥𝐹𝐹 𝜌𝜌𝑅𝑅 + ����) (1−𝑥𝑥 𝐹𝐹 𝜌𝜌𝑛𝑛 = →𝜌𝜌𝐹𝐹 = 867,3 (kg/m3) 0,46 779,3 + 1−0,46 959,7 Độ nhớt nước: 𝜇𝜇 = 0,00078 (N.s/m2) Vận tốc dòng nhập liệu ống hút đẩy: 𝑣𝑣ℎ = 𝑣𝑣𝑑𝑑 = 𝐺𝐺𝐹𝐹 4.2054,03 𝑚𝑚 = 0,32 ( ) = 𝑠𝑠 3600 𝜋𝜋 𝜌𝜌𝐹𝐹 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 3600 𝜋𝜋 867,3 0,0512 5.6.1 Tổng trở lực ống hút đẩy Trong đó: 𝑙𝑙ℎ + 𝑙𝑙𝑑𝑑 𝑣𝑣ℎ2 ℎℎ = ℎ𝑑𝑑 = �𝜆𝜆 + �𝜉𝜉ℎ + �𝜉𝜉𝑑𝑑 � 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 2𝑔𝑔 • 𝜆𝜆: Hệ số ma sát ống hút đẩy • 𝑙𝑙ℎ : Chiều dài đường ống hút, 𝑙𝑙ℎ = (𝑚𝑚) • 𝑙𝑙𝑑𝑑 : Chiều dài đường ống đẩy, 𝑙𝑙𝑑𝑑 = 15 (𝑚𝑚) 51 Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học • 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 : Đường kính ống dẫn, 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 = 0,051 (𝑚𝑚) • �𝜉𝜉ℎ : Tổng hệ số tổn thất cục ống hút • �𝜉𝜉đ : Tổng hệ số tổn thất cục ống đẩy Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu: 𝑅𝑅𝑅𝑅 = 𝑣𝑣ℎ 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 𝜌𝜌𝐹𝐹 = 𝜇𝜇 0,32.0,051.867,3 0,00078 = 18216 > 104 : Chế độ chảy rối Tra bảng II.15/381 [7], độ nhám ống 𝜀𝜀 = 0,1 (𝑚𝑚𝑚𝑚) = 0,0001 𝑚𝑚 Chuẩn số Reynolds tới hạn: 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 51 )7 = ( )7 = 7456 0,1 𝜀𝜀 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑔𝑔ℎ = ( Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 51 )8 = 220 ( )8 = 244590 0,1 𝜀𝜀 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑛𝑛 = 220 ( Vì 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑔𝑔ℎ < 𝑅𝑅𝑅𝑅 < 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑛𝑛 → Chế độ chảy rối ứng với khu vực độ Áp dụng công thức II.64/379 [7]: 𝜆𝜆 = 0,1 (1,46 100 0,25 0,1 100 0,25 𝜀𝜀 + ) = 0,1 (1,46 + ) = 0,03 𝑅𝑅𝑅𝑅 51 18216 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 Xác định tổng hệ số tổn thất cục Xác định �𝜉𝜉ℎ : Có chỗ đột thu 𝜉𝜉độ𝑡𝑡 𝑡𝑡ℎ𝑢𝑢 = 0,5 →�𝜉𝜉ℎ = 0,5 Xác định �𝜉𝜉𝑑𝑑 Có chỗ uốn cong: 𝜉𝜉𝑢𝑢 = 2.0,09 = 0,18 Có van cửa: 𝜉𝜉𝑢𝑢 =0,2 Có đột mở: 𝜉𝜉độ𝑡𝑡 𝑚𝑚ở = →�𝜉𝜉𝑑𝑑 = 1,38 ℎ𝑑𝑑 = �𝜆𝜆 𝑙𝑙ℎ +𝑙𝑙𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 + �𝜉𝜉ℎ + �𝜉𝜉𝑑𝑑 � 5.6.2 Chọn bơm 𝑣𝑣ℎ2 2𝑔𝑔 = �0,03 1+14 0,051 + 0,5 + 1,38� 0,322 2.9,81 = 0,06 Chọn: • Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu 52 Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học • Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernouli cho (1-1) (2-2): 𝑃𝑃1 𝑣𝑣12 𝑃𝑃2 𝑣𝑣22 + + 𝐻𝐻𝑏𝑏 = 𝑧𝑧2 + + + � ℎ𝑓𝑓𝑓𝑓−2 𝑧𝑧1 + 𝜌𝜌𝐹𝐹 𝑔𝑔 𝑔𝑔 𝜌𝜌𝐹𝐹 𝑔𝑔 𝑔𝑔 Trong đó: • 𝑧𝑧1 : Độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất 𝑧𝑧1 = (𝑚𝑚) • 𝑧𝑧2 : Độ cao mặt thống (2-2) so với mặt đất, hay chiều cao từ mặt đất đến bồn cao vị, 𝑧𝑧2 = 𝐻𝐻𝑐𝑐𝑐𝑐 = (𝑚𝑚) • 𝜌𝜌𝐹𝐹 = 865 kg/m3 • 𝑃𝑃1 : Áp suất mặt thoáng (1-1), chọn 𝑃𝑃1 = 𝑎𝑎𝑎𝑎 • 𝑃𝑃2 : Áp suất mặt thoáng (2-2), chọn 𝑃𝑃2 = 𝑎𝑎𝑎𝑎 • 𝑣𝑣1 , 𝑣𝑣2 : Vận tốc mặt thoáng (1-1) (2-2), xem 𝑣𝑣1 = 𝑣𝑣2 = (m/s) • ∑ ℎ𝑓𝑓𝑓𝑓−2 = ℎ𝑑𝑑 = 0,06: Tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2) • 𝐻𝐻𝑏𝑏 : Cột áp bơm →𝐻𝐻𝑏𝑏 = (𝑧𝑧2 − 𝑧𝑧1 ) + ∑ ℎ𝑓𝑓𝑓𝑓−2 = (7 − 2) + 0,06 = 5,06 (𝑚𝑚) Công suất bơm Hiệu suất bơm li tâm thường 0,6 – 0,8 Chọn hiệu suất bơm 𝜂𝜂𝑏𝑏 = 0,6 Công suất thực tế bơm 𝑁𝑁𝑏𝑏 = 𝑄𝑄𝑏𝑏 𝐻𝐻𝑏𝑏 𝜌𝜌𝐹𝐹 𝑔𝑔 2054,03.5,06.9,81 = = 50 𝑊𝑊 = 0,07 𝐻𝐻𝐻𝐻 3600.0,6 3600 𝜂𝜂𝑏𝑏 Với 𝑄𝑄 = � 𝑚𝑚3 ℎ � , 𝐻𝐻 = 5,06 (𝑚𝑚), 𝑁𝑁𝑏𝑏 = 0,07 𝐻𝐻𝐻𝐻 theo bảng II.39/447 [7] Chọn bơm X có thơng số: 𝑚𝑚3 • Năng suất: 𝑄𝑄 = � ℎ • Cột áp: 𝐻𝐻 = 5,06 (𝑚𝑚) � • Công suất: 𝑁𝑁𝑏𝑏 = 0,5 𝐻𝐻𝐻𝐻 53 Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học GIÁ THÀNH THIẾT BỊ Lượng thép X18H10T cần dùng: 𝑚𝑚𝑋𝑋18𝐻𝐻10𝑇𝑇 = 𝑚𝑚𝑣𝑣ỉ + 𝑚𝑚𝑡𝑡ℎâ𝑛𝑛 + 𝑚𝑚đá𝑦𝑦(𝑛𝑛ắ𝑝𝑝) + 𝑚𝑚𝑐𝑐á𝑐𝑐 ố𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑑𝑑ẫ𝑛𝑛 + 𝑚𝑚ố𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡ề𝑛𝑛 𝑛𝑛ℎ𝑖𝑖ệ𝑡𝑡 = 1103,49 𝑘𝑘𝑘𝑘 Lượng thép CT3 cần dùng: 𝑚𝑚𝐶𝐶𝐶𝐶3 = 𝑚𝑚𝑏𝑏í𝑐𝑐ℎ + 𝑚𝑚𝑐𝑐ℎâ𝑛𝑛 đỡ = 180,1 𝑘𝑘𝑘𝑘 Chiều dài ống dẫn: (ống ≥ 50 mm) 𝑙𝑙 = 115 + 115 + 115 + 80 = 425 (𝑚𝑚𝑚𝑚) = 0,425 (𝑚𝑚) Bảng VI.1 Bảng khối lượng chi phí vật tư Vật liệu Số lượng/cái Đơn giá Thành tiền Thép X18H10T 1103,49 50,000 (đ/kg) 55 174 500 Thép CT3 180,1 15,000 (đ/kg) 801 000 Ống ≥ 50 mm 0,425 (m) 100,000 (đ/m) 42 500 Tổng cộng 57 018 000 Tiền gia công chế tạo thiết bị 250% tiền vật tư: Chi phí đầu tư: 57 018 000.3,5= 199 563 000 (đồng) ≈ 200 (triệu đồng) 54 Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học KẾT LUẬN Sau ba tháng nghiên cứu, em tìm hiểu học tập vấn đề: • Thiết kế thiết bị ngưng tụ cho hệ thống mâm chưng cất Ethanol – Nước tương đối hoàn chỉnh biết trước suất, nồng độ nhập liệu nồng độ, độ thu hồi sản phẩm đỉnh • Tính tốn tương đối chi tiết trình làm việc thiết bị khả chịu bền tính ăn mịn học hóa học, điều kiện làm việc thiết bị • Tìm hiểu, thiết kế quy trình chưng cất hệ Ethanol – Nước • Sơ tính chi phí đầu tư ban đầu cho thiết bị ngưng tụ Đặc tính kỹ thuật thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh thiết kế ứng với thơng số cho ban đầu: • Chiều dài thân thiết bị: 3000 mm • Chiều dài tổng cộng thiết bị: 3480 mm • Đường kính thiết bị: 800 mm • Đường kính ngồi thiết bị: 808 mm • Thân – đáy – nắp làm thép X18H10T, có bề dày: mm • Số ống truyền nhiệt: 270 ống làm thép X18H10T • Loại ống truyền nhiệt: 25x2,5 • Chiều dài ống truyền nhiệt: 3000 mm • Số chặng nước: • Số vỉ ống: • Bề dày vỉ ống: 10 mm • Hơi ngưng tụ ống, nước ống • Bích ghép thân – đáy – nắp làm thép X18H10T, loại bích phẳng hàn • Bích ghép ống dẫn làm thép CT3, loại bích liền khơng cổ • Đường kính ống dẫn nước vào: 200 mm • Đường kính ống dẫn nước ra: 200 mm • Đường kính ống dẫn hơi: 200 mm • Đường kính ống dẫn dịng ngưng tụ: 80 mm • Số chân đỡ: 55 Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Hùng Dũng – Nguyễn Văn Lục – Hoàng Minh Nam – Vũ Bá Minh, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa học & Thực Phẩm – Tập 1, 2: Phân riêng khí động, lực ly tâm, bơm, quạt, máy nén Tính hệ thống đường ống”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM, 2005 [2] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa học & Thực phẩm – Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM, 2004 [3] Trịnh Văn Dũng, “Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa học & Thực phẩm – Bài tập Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM, 2006 [4] Phạm Văn Bơn – Nguyễn Đình Thọ, “Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa học & Thực phẩm – Tập 5: Quá trình Thiết bị Truyền Nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM, 2004 [5] Phạm Văn Bơn – Nguyễn Đình Thọ, “Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa học & Thực phẩm – Bài tập Truyền Nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM, 2004 [6] Bộ môn Quá trình Thiết bị, “Bảng tra cứu Quá trình Cơ học – Truyền Nhiệt – Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM, 2006 [7] Tập thể tác giả, “Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 1”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999 [8] Tập thể tác giả, “Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999 [9] Hồ Lê Viên, “Tính tốn, thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 1978 56 ... 5.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đình thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Dịng sản phẩm đỉnh ống ngồi, nước ống Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T • Ống trong: ... việc: chưng cất đơn giản, chưng cất nước trực tiếp, chưng cất đa cấu tử - Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp gián tiếp 1.2.3 Các thiết bị chưng cất Trong sản xuất... Cân nhiệt lượng lượng cho tháp chưng cất 13 3.2 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 14 3.3 Cân lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 15 3.4 Cân nhiệt lượng cho thiết bị