Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Etanol – Nước ở áp suất thường

*Nhiệm vụ đồ án môn học: Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Etanol – Nước ở áp suất thường. *Các ký hiệu: 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 , i x : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i. *Các thông số ban đầu: Hỗn hợp: • Ethanol: C2H5OH, MR = 46 (g/mol) • Nước: H2O, MN = 18 (g/mol) - Năng suất nhập liệu: GF = 5000 kg/h - Nhập liệu có nồng độ rượu: 300GL (% thể tích) - Nồng độ sản phẩm đỉnh: 900GL - Tỷ lệ thu hồi rượu: 99% *Lựa chọn các thông số để tính toán: - Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: 300C - Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: 300C - Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: 300C - Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ -o0o - ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT HÓA HỌC MSMH: CH4007 THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ TRONG HỆ THỐNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN HỢP ETANOL – NƯỚC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG GVHD : Thầy VŨ BÁ MINH SVTH : NGUYỄN PHÚC HOÀNG PHỤNG MSSV : 1612678 Lớp : HC16HLY TP.HỒ CHÍ MINH, 12/2019 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập- Tự do- Hạnh phúc NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ Tên: Nguyễn Phúc Hoàng Phụng MSSV: 1612678 Lớp: HC16HLY Nhận xét giáo viên hướng dẫn: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Vũ Bá Minh MỤC LỤC CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHƯƠNG II TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan nguyên liệu 2.1.1 Etanol .2 2.1.3 Hệ Etanol – Nước 2.2 Chưng cất 2.2.1 Quá trình chưng cất 2.2.3 Thiết bị chưng cất 2.3.1 Quá trình ngưng tụ 2.3.2 Thiết bị ngưng tụ CHƯƠNG IV CÂN BẰNG VẬT CHẤT 4.1 Cân vật chất 4.2 Xác định số hồi lưu thích hợp 4.2.1 Xác định số hồi lưu tối thiểu Rmin 4.2.2 Phương trình đường làm việc số mâm lí thuyết 10 4.2.3 Xác định số mâm lý thuyết 10 CHƯƠNG V CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 14 5.1 Cân nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dịng nhập liệu: 14 5.2 Cân nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất 15 5.3 Cân nhiệt cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 17 5.4 Cân nhiệt lượng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 17 5.5 Cân nhiệt lượng cho nồi đun đáy tháp 18 CHƯƠNG VI TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH .19 6.1 Tính tốn cấu tạo thiết bị ngưng tụ 19 6.2 Tính tốn khí thiết bị 22 6.2.1 Bề dày thân 22 6.2.2 Bề dày nắp (đáy: 23 6.2.3 Bích ghép thân nắp (đáy) 24 6.2.4 Đường kính ống dẫn – bích ghép ống dẫn .26 6.2.5 Vỉ ống 27 6.2.6 Vách ngăn lưu chất phía vỏ 28 6.2.7 Thanh giằng 28 6.2.8 Chân đỡ 28 6.2.9 Trọng lượng thiết bị .29 CHƯƠNG VII TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ .31 7.1 Thiết bị đun nóng dòng nhập liệu 31 7.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 34 7.3 Nồi đun đáy tháp 37 7.4 Bơm 39 7.4.1 Năng suất .39 7.4.2 Cột áp .39 7.4.3 Công suất 41 CHƯƠNG VIII SƠ BỘ GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU *Nhiệm vụ đồ án môn học: Thiết kế thiết bị ngưng tụ hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Etanol – Nước áp suất thường *Các ký hiệu: 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 : nồng độ phần mol, phần khối lượng cấu tử i *Các thơng số ban đầu: Hỗn hợp: • Ethanol: C2H5OH, MR = 46 (g/mol) • Nước: H2O, MN = 18 (g/mol) - Năng suất nhập liệu: GF = 5000 kg/h - Nhập liệu có nồng độ rượu: 300GL (% thể tích) - Nồng độ sản phẩm đỉnh: 900GL - Tỷ lệ thu hồi rượu: 99% *Lựa chọn thông số để tính tốn: - Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: 300C - Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: 300C - Nhiệt độ sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt: 300C - Trạng thái nhập liệu trạng thái lỏng sôi CHƯƠNG II TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan nguyên liệu 2.1.1 Etanol Etanol hay gọi rượu etylic, ancol etylic ancol no, đơn chức, mạch hở, có cơng thức phân tử C2H5OH (thường viết tắt EtOH) Là chất lỏng, không màu, suốt, mùi thơm dễ chịu đặc trưng, vị cay, nhẹ nước tan vô hạn nước Có tính hút ẩm, dễ cháy, cháy khơng có khói lửa có màu xanh da trời Một số thông số vật lý: Khối lượng phân tử: 46 đvC Khối lượng riêng: 0,7936 g/ml (150C) Nhiệt độ sơi: 78,390C Nhiệt độ nóng chảy: -114,150C Độ nhớt: 1,2 cP (200C) Ứng dụng: làm nguyên liệu sản xuất hợp chất khác như: dietyl ete, acid acetic, etyl acetate, ; pha chế vecni, dược phẩm, nước hoa; dùng làm nguyên liệu đốt; điều chế loại nước uống Về mặt y dược, etanol thuốc ngủ, độc hại so với rượu khác Cái chết thường xảy nồng độ cồn máu vượt khoảng 5% Có thể giảm thị lực, bất tỉnh xảy nồng độ thấp Điều chế: Etanol sử dụng nguyên liệu công nghiệp thông thường sản xuất từ nguyên liệu dầu mỏ, thông qua phương pháp hydrat hóa etylen xúc tác acid Ngồi ra, etanol để sử dụng đồ uống chứa cồn sản xuất cách lên men đường hay ngũ cốc với men rượu 2.1.2 Nước Nước có cơng thức phân tử H2O, chất lỏng không màu, không mùi, không vị Một số thông số vật lý: Khối lượng phân tử: 18 g/mol Khối lượng riêng: 997,08 kg/m3 (250C) Nhiệt độ sơi: 1000C (760mmHg) Nhiệt độ nóng chảy: 00C Độ nhớt: 1,0.103 Ns/m2 (250C) Nước hợp chất chiếm phần lớn Trái Đất (hơn ¾ diện tích trái đất bao phủ nước) cần thiết cho sống Nước hợp chất phân cực mạnh, dùng làm dung mơi hịa tan nhiều chất rắn, lỏng, khí dung mơi quan trọng ngành Hóa 2.1.3 Hệ Etanol – Nước Bảng cân lỏng – cho hỗn hợp etanol – nước atm ToC 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,15 78,4 78,4 x 10 20 30 40 50 60 70 80 89,4 90 100 y 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,4 89,8 100 Trong đó: x thành phần pha lỏng (%mol) y thành phần pha (%mol) Hình 1: Đồ thị quan hệ thành phần pha nhiệt độ hệ Etanol – Nước Hình 2: Đồ thị quan hệ thành phần x – y hệ Etanol – Nước 2.2 Chưng cất 2.2.1 Quá trình chưng cất Chưng cất trình dùng để tách cấu tử 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) 2.2.2 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 2.2.3 Thiết bị chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu chung thiết bị giống diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất - Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tuỳ theo cấu tạo đĩa, ta có: + Tháp mâm chóp: mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ S,…và ống chảy chuyền có nhiều tiết diện khác phụ thuộc vào suất lượng pha lỏng + Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh - Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp mặt bích hay hàn.Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự * So sánh ưu – nhược điểm loại tháp: Ưu điểm Tháp mâm chóp Hiệu suất cao Hoạt động ổn định Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chêm Hiệu suất tương đối cao Hoạt động ổn định Làm việc với chất lỏng bẩn Đơn giản Trở lực thấp Nhược điểm Cấu tạo phức tạp Trở lực lớn Không làm việc với chất lỏng bẩn Trở lực cao Yêu cầu lắp đặt khắt khe (lắp đĩa thật phẳng) Hiệu suất thấp Độ ổn định Thiết bị nặng Do sản phẩm ethanol với yêu cầu độ tinh khiết cao sử dụng với hỗn hợp ethanol – nước hỗn hợp khơng có điểm đẳng khí nên đồ án lựa chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp, sử dụng tháp mâm xuyên lỗ 2.3 Ngưng tụ 2.3.1 Quá trình ngưng tụ Là trình (hay hỗn hợp hơi) chuyển pha thành dạng lỏng điều kiện định Quá trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chủ yếu tính tan lẫn chất lỏng sau ngưng Người ta nhận thấy thường xảy hai dạng biến thiên nhiệt độ trình ngưng tụ đẳng áp là: dạng ngưng tụ đẳng nhiệt, dạng ngưng tụ với nhiệt độ ngưng tụ giảm dần 2.3.2 Thiết bị ngưng tụ Là thiết bị trao đổi nhiệt, tùy theo tính chất điều kiện làm việc ngưng phụ thuộc vào chất tải ẩn nhiệt ngưng tụ (dòng lạnh) mà thiết bị ngưng tụ có cấu tạo đa dạng  Phân loại theo chất làm lạnh: thiết bị lạnh dùng NH3, freon R-12, R-22  Phân loại theo điều kiện áp suất ngưng tụ: TBNT áp suất thấp (chân không), áp suất thường, áp suất cao  Phân loại theo khả tiếp xúc hai lưu chất: kiểu gián tiếp (hay kiểu bề mặt), kiểu trực tiếp (TBNT nước kiểu baromet) Đối với thiết bị trao đổi nhiệt nói chung phải thỏa mãn yêu cầu sau: - Đáp ứng yêu cầu côn nghệ, hiệu suất truyền nhiệt cao, thiết bị có khả tự điều chỉnh tốt - Thiết bị làm việc ổn định, an toàn, kết cấu gọn nhẹ, dễ vận hành, lắp đặt, sửa chữa, lau chùi, vệ sinh thuận tiện Một số loại thiết bị ngưng tụ thường gặp như: thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới, kiểu vỏ – ống nằm ngang, kiểu vỏ – ống thẳng đứng số loại thiết bị truyền nhiệt khác Sơ lược thiết bị truyền nhiệt ống chùm: - Có diện tích trao đổi nhiệt lớn, đến hàng nghìn mét vng, hệ số trao đổi nhiệt cao, thích hợp dùng làm thiết bị truyền nhiệt lỏng – lỏng, lỏng – khí khí – khí, thiết bị ngưng tụ Vì vậy, loại thiết bị ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp hóa chất thực phẩm - Ưu điểm: hiệu trao đổi nhiệt ổn định, phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường; cấu tạo chắn, gọn tiện lợi việc lắp đặt nhà, có suất tiêu hao kim loại nhỏ; dễ chế tạo, lắp đặt, vệ sinh, bảo dưỡng vận hành; sử dụng phần bình để làm bình chứa; hư hỏng tuổi thọ cao - Nhược điểm: khó chế tạo vật liệu khơng nong hàn gang thép silic; trình bám bẩn bề mặt đường ống tương đối nhanh, đặc biệt chất lượng nguồn nước Khối lượng ống truyền nhiệt: π mống truyền nhiệt = n × × (d2ng − d2tr ) × l × ρ304 π = 240 × × (0,0252 − 0,0212 ) × × 7900 = 548 kg Khối lượng ống dẫn nước vào bích ghép: π π 4 m1 = [ × (D2ng − D2y ) × l × ρ304 ] + [ × (D2 − D2ng ) × h × ρ304 ] π π 4 = [ × (0,1082 − 0,12 ) × 0,12 × 7900] + [ × (0,2052 − 0,1082 ) × 0,014 × 7900] = 3,87 kg Khối lượng ống dẫn nước bích ghép: π π m2 = [ × (D2ng − D2y ) × l × ρ304 ] + [ × (D2 − D2n ) × h × ρ304 ] 4 π π 2 = [ × (0,108 − 0,1 ) × 0,12 × 7900] + [ × (0,2052 − 0,1082 ) × 0,014 × 7900] 4 = 3,87 kg Khối lượng ống dẫn vào bích ghép: π π m3 = [ × (D2ng − D2y ) × l × ρ304 ] + [ × (D2 − D2n ) × h × ρ304 ] 4 π π 2 = [ × (0,219 − 0,2 ) × 0,13 × 7900] + [ × (0,292 − 0,2192 ) × 0,016 × 7900] 4 = 10 kg Khối lượng ống dẫn lỏng ngưng bích ghép: π π m4 = [ × (D2ng − D2y ) × l × ρ304 ] + [ × (D2 − D2n ) × h × ρ304 ] 4 π π = [ × (0,0762 − 0,072 ) × 0,11 × 7900] + [ × (0,162 − 0,0762 ) × 0,014 × 7900] 4 = 2,32 kg Vậy, khối lượng tồn thiết bị (khơng kể khối lượng chân đỡ) là: M = mthân + 2mbích + 2mvỉ + 2mđáy(nắp) + mống truyền nhiệt + m1 + m2 + m3 + m4 = 865,8 kg 30 CHƯƠNG VII TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 7.1 Thiết bị đun nóng dòng nhập liệu: Dòng nhập liệu ống, nước bão hịa ngưng tụ mặt ngồi ống ngang Chọn thiết bị truyền nhiệt vỏ – ống loại TH đặt nằm ngang Chọn ống truyền nhiệt làm thép khơng gỉ INOX 304 (X18H10T) có thơng số sau: + Đường kính ngồi ống: dng = 25 mm = 0,025 m + Đường kính ống: dtr = 21 mm = 0,021 m + Bề dày thành ống: 𝛿 = mm = 0,002m + Hệ số dẫn nhiệt thành ống thép:  = 16,3 W/m.0C + Số lượng ống: n = 127 ống Dòng nhập liệu: + Nhiệt độ vào (lỏng) t f =300C + Nhiệt độ (lỏng sôi) t F = 85,80C + Lượng nhập liệu cần gia nhiệt: GF = 5000 kg/h Gia nhiệt nước bão hòa áp suất tuyệt đối at Tra bảng I.197, trang 230, [1], nhiệt độ ngưng tụ nước t n = 119,620 C Tra bảng 49, trang 45, [3], ẩn nhiệt hóa nước 119,620 C rn = 2204,98 J/kg Lượng đốt cần dùng: Gh = 541,01 kg/h Nhiệt lượng cần thiết cho thiết bị đun đáy tháp QD3 = 5164,24.106 J/h Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên: ∆Tlog = (tn − tf ) − (tn − tF ) tn − tf ln( ) tn − tF = (119,62 − 30) − (119,62 − 85,5) 119,62 − 30 ln(119,62 − 85,5) Nhiệt độ trung bình dịng nhập liệu: t Ftb = tf + tF = 57,47oC = 57,75oC Khối lượng riêng rượu: ρR = 756,03 kg/m3 Khối lượng riêng nước: ρN = 976,14 kg/m3 ρ = x̅F ρR + (1 − x̅F ) ρN = 0,432 761,4 + (1 − 0,432) 986,21  ρ = 909,66 kg/m3 Độ nhớt rượu: μrượu = 0,616.10-3N.s/m2 Độ nhớt nước: μnước = 0,485.10-3 N.s/m2 log(μ) = xF log (μrượu ) + (1 − xF )log (μnước )  μ = 5.10-4 N.s/m2 Nhiệt dung riêng rượu: Cr = 2940,75 J/kg.K Nhiệt dung riêng nước: Cn = 4188,31 J/kg.K  Chh = x̅F CC2H5OH + (1 − x̅F )CH2O = 3875,17 J/kg.K ρ Hệ số dẫn nhiệt: λhh = 3,58.10−8 × Chh × ρ × √ = 0,441 W/mK M D Áp dụng công thức (V.35) trang 12, [2] ta PrF = 31 CF × μF λF = 4,377 Bảng 7.1.1 Thơng số vật lí dịng nhập liệu nhiệt độ trung bình 57,750C Thông số Giá trị 909,66 Khối lượng riêng ρNL (kg/m ) 5.10-4 Độ nhớt μNL (Ns/m2) 3875,17 Nhiệt dung riêng CPNL (J/kg.độ) Hệ số dẫn nhiệt NL (W/m.độ) Chuẩn số Pr PrNL 0,441 4,377 Vận tốc thực dòng nhập liệu: vNL = × GF Chuẩn số ReNL = × 5000 = 3600 × π× ρNL × d2tr = 4,408 (m/s) 3600 × π × 909,66 × 0,0212 vNL × dtr × ρNL 4,408 × 0,021 × 909,66 = μNL 5.10−4 = 168862 > 10000 Vậy thuộc chế độ chảy rối *Hệ số cấp nhiệt ngưng bên ống, 𝛼1 : Thực phép tính lặp thử sai số Chọn nhiệt độ bề mặt thành ống t F1 = 117,53oC Hiệu số nhiệt độ ngưng nhiệt độ bề mặt thành ống: ∆t = t n − t F1 = 119,62 – 117,53 = 2,09oC Nhiệt độ màng lỏng ngưng: t m = tn + tF1 = 119,62 + 117,53 = 118,575oC Tại t n = 119,62 oC, ẩn nhiệt ngưng tụ dòng rn = 2204980 J/kg Bảng 7.1.2 Thơng số vật lí nước ngưng nhiệt độ 𝑡𝑚 = 118,575oC Thông số Giá trị 944,07 Khối lượng riêng ρN (kg/m ) 0,236.10-3 Độ nhớt μN (Ns/m2) 0,68 Hệ số dẫn nhiệt N (W/m.0C) Hệ số cấp nhiệt ngưng mặt ngồi ống nằm ngang: α = 1,28 × √ rh ×ρ2NL ×3NL μNL ×dng ×∆t = 1,28 × √ 2204980 × 909,662 × 0,4413 5.10−4 × 0,025 × 2,09 = 36108,02 (W/m2.độ) (Công thức V.111, trang 30, [2]) Chọn hệ số phụ thuộc cách bố trí ống số ống dãy thẳng đứng ε = 0,75  α1 = α × ε = 36108,02 × 0,75 = 27081,01 (W/m2.độ) *Nhiệt tải đốt ngưng tụ thành ống: q1 = q = α1 × (t n − t F1 ) = 56599,32 Tra Bảng 32, trang 32, [3]: - Nhiệt trở cặn bẩn phía ngồi ống: r1 = - Nhiệt trở cặn bẩn phía ống: r2 = δ - Tổng nhiệt trở là: r = r1 + + r2 =  (m2.độ/W) 5800 5000 5800 32 (m2.độ/W) + 0,002 16,3 + 5000 = 4,95.10-4 (m2.độ/W) Suy ra, nhiệt độ bề mặt thành ống là: t F2 = t F1 − q × r = 89,5 0C *Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu bên ống, 𝛼2 : Tại t F2 = 89,50C: Khối lượng riêng rượu: ρR = 725,96 kg/m3 Khối lượng riêng nước: ρN = 965,34 kg/m3 ρ = x̅F ρR + (1−x̅F ) ρN  ρ = 891,55 kg/m3 Độ nhớt rượu: μrượu = 0,383.10-3 N.s/m2 Độ nhớt nước: μnước = 0,322.10-3 N.s/m2 log(μ) = xF log (μrượu ) + (1 − xF )log (μnước )  μ = 0,329.10-3 N.s/m2 Nhiệt dung riêng rượu: Cr = 3362,7 J/kg.K Nhiệt dung riêng nước: Cn = 4209,03J/kg.K  Chh = x̅F CC2H5OH + (1 − x̅F )CH2O 3996,6 J/kg.K ρ Hệ số dẫn nhiệt: λhh = 3,58.10−8 × CPD1 × ρD1 × √ D1 0,443 W/mK M D Áp dụng công thức (V.35) trang 12, [2] ta Prt = CF μF λF = 2,96 Chuẩn số Nu dòng nhập liệu ống (Re > 10000): 0,43 Nu = 0,021 × ε1 × Re0,8 × PrNL ×( PrNL 0,25 Prt ) (Công thức V.40, trang 14, [2]) Trong đó: Prt – chuẩn số Pran dịng tính theo nhiệt độ trung bình tường Các thơng số khác tính theo nhiệt độ trung bình dòng ε1 = – Hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng tỉ số chiều dài l đường kính d ống  Nu = 0,021 × × 1688620,8 × 4,3770,43 × (  α2 = Nu × NL dtr = 664,17 × 0,441 0,021 4,377 0,25 2,96 ) = 664,17 = 13962,26 (W/m2.độ) *Nhiệt tải dịng nước q2: q2 = α2 × (t F2 − t F ) = 13962,26 × (89,5 – 85,8) = 56035,25 (W/m2) *Kiểm tra điều kiện sai số 𝜀0 < 0,05: ε0 = | q1 − q2 q2 |=| 56599,32 − 56035,25 56035,25 | = 0,01 (thỏa) *Hệ số truyền nhiệt K: K= 1 δ + r1 +  + r2 + α α1 = 1 0,002 1 + + 16,3 + 5000 + 13962,26 27081,01 5800 *Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F: F= QD3 K × ∆Tlog × 3600 = 5164,24 × 106 1656,56 × 57,47 × 3600 = 15,07 (m2) *Chiều dài ống ứng với diện tích F: l= F dtr + dng n×π× = 15,07 127 ×π × 0,021 + 0,025 = 1,64 (m) 33 = 1656,56 (W/m2.độ) Vậy, để dự trữ khoảng 20% diện tích bề mặt truyền nhiệt an tồn ta chiều dài ống truyền nhiệt 2m 7.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Dịng nước giải nhiệt vào khơng gian ống cịn dịng sản phẩm đỉnh vào khơng gian ống ống Ống truyền nhiệt làm thép không gỉ INOX 304 (X18H10T) Ống (ống 1): + Đường kính ngồi ống: dng1 = 16 mm + Đường kính ống: dtr1 = 12,8 mm + Bề dày thành ống: δ1 = 1,6 mm + Hệ số dẫn nhiệt thành ống thép:  = 16,3 W/m.oC Ống (ống 2): + Đường kính ngồi ống: dng2 = 25mm + Đường kính ống: dtr2 = 20 mm + Bề dày thành ống: δ2 = 2,5 mm Dòng nước giải nhiệt có: + Nhiệt độ vào nước làm nguội: t3 = 25oC + Nhiệt độ nước làm nguội: t4 = 40oC + Suất lượng là: GN = 3378,9 kg/h Dịng sản phẩm đỉnh có: + Nhiệt độ vào sản phẩm đỉnh: t D = 78,80C + Nhiệt độ đầu sản phẩm đỉnh: t D1 = 300C + Suất lượng: GD = 1419,03 kg/h Nhiệt lượng tỏa từ dòng sản phẩm đỉnh: QD = 211,7.106 (J/h) Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên: ∆Tlog = (tD − t4 ) − (tD1 − t3 ) t −t ln( D ) tD1 − t3 = (78,8 − 40) − (30 − 25) 78,8 − 40 ln( 30 − 25 ) = 16,50C Nhiệt độ trung bình nước giải nhiệt: t Ntb = t3 +t4 = 32,5oC Bảng 7.2.1 Thơng số nhiệt vật lí nước giải nhiệt nhiệt độ trung bình 32,50C Thông số Giá trị 994,25 Khối lượng riêng ρN (kg/m3) 7,601.10-4 Độ nhớt μN (Ns/m ) 0,622 Hệ số dẫn nhiệt N (W/m.0C) 4176,9 Nhiệt dung riêng CPN (J/kg C) Chuẩn số Pr PrN 5,104 34 Nhiệt độ trung bình sản phẩm đỉnh: t Dtb = tD + tD1 = 54,4oC Khối lượng riêng rượu: ρR = 759,04 kg/m3 Khối lượng riêng nước: ρN = 985,5 kg/m3 ρ = x̅D ρR + (1 − ̅xD ) ρN = 0,876 759,04 + (1 − 0,876) 985,5  ρ = 781,3 kg/m3 Độ nhớt rượu: μrượu = 0,653.10-3N.s/m2 Độ nhớt nước: μnước = 0,510.10-3 N.s/m2 log(μ) = xD log (μrượu ) + (1 − xD )log (μnước )  μ = 6,11.10-4 N.s/m2 Nhiệt dung riêng rượu: Cr = 2897,2 J/kg.K Nhiệt dung riêng nước: Cn = 4185,8 J/kg.K  Chh = x̅D CC2H5OH + (1 − x̅D )CH2O = 3057 J/kg.K ρ Hệ số dẫn nhiệt: λhh = 3,58.10−8 × Chh × ρ × √ = 0,233 W/mK M D Áp dụng công thức (V.35) trang 12, [2] ta PrD = CD × μD λD = 8,016 Bảng 7.2.2 Thơng số vật lí dịng sản phẩm đỉnh nhiệt độ trung bình 54,40C Thơng số Giá trị 781,3 Khối lượng riêng ρD (kg/m ) 6,11.10-4 Độ nhớt μD (Ns/m2) 0,233 Hệ số dẫn nhiệt D (W/m.0C) 3057 Nhiệt dung riêng CPD (J/kg.0C) PrD = (CPD × μD )/ D Chuẩn số Pr 8,016 Đường kính tương đương: dtđ = dtr2 – dng1 = 20 – 16 = (mm) Vận tốc thực dòng sản phẩm đỉnh, vD : vD = × GD 3600 × π × ρD × (d2tr2 −d2ng1 ) Chuẩn số Re = vD × dtđ × ρD μD = × 1419,03 3600 × π × 781,3 × (0.022 − 0.0162 ) = 4,46 (m/s) = 22812 > 10000 Vậy thuộc chế độ chảy rối *Hệ số cấp nhiệt ngưng mặt ống nằm ngang, 𝛼1 : Thực phép tính lặp thử sai số Chọn nhiệt độ bề mặt thành ống t DV = 50,287 Khối lượng riêng rượu: ρR = 762,74 kg/m3 Khối lượng riêng nước: ρN = 987,37 kg/m3 ρ = x̅D ρR + (1 − x̅D ) ρN = 0,876 759,04 + (1 − 0,876) 985,5  ρ = 784,88 kg/m3 Độ nhớt rượu: μrượu = 0,698.10-3N.s/m2 Độ nhớt nước: μnước = 0,54.10-3 N.s/m2 log(μ) = xD log (μrượu ) + (1 − xD )log (μnước )  μ = 6,52.10-4 N.s/m2 Nhiệt dung riêng rượu: Cr = 2843,7 J/kg.K 35 Nhiệt dung riêng nước: Cn = 4182,7 J/kg.K  Chh = x̅D CC2 H5OH + (1 − x̅D )CH2O = 3057 J/kg K = 3009,7 J/kg.K ρ Hệ số dẫn nhiệt hh: λhh = 3,58.10−8 × Chh × ρ × √ = 0,231 W/mK M D Áp dụng công thức (V.35) trang 12, [2] ta PrDv = CD × μD λD = 8,5 Bảng 7.2.3 Thông số vật lí dịng sản phẩm đỉnh nhiệt độ 𝑡𝐷𝑉 = 50,2870C Thông số Khối lượng riêng ρDV (kg/m3) Giá trị 784,88 Độ nhớt μDV (Ns/m2) 6,52.10-4 Hệ số dẫn nhiệt DV (W/m.0C) 0,231 Nhiệt dung riêng CPD (J/kg.0C) 3009,7 V Chuẩn số Pr PrDV = (CPD × μDV )/ DV 8,5 V Chuẩn số Nu dòng nhập liệu ống (Re > 10000): Nu = 0,021 × ε1 × Re0,8 × PrD0,43 × ( PrD PrDv ) 0,25 (Cơng thức V.40, trang 14, [2]) Trong đó: Prt – chuẩn số Pran dịng tính theo nhiệt độ trung bình tường Các thơng số khác tính theo nhiệt độ trung bình dịng ε1 = – Hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng tỉ số chiều dài l đường kính d ống  Nu = 0,021 × × 228120,8 × 8,0160,43 × (  αD = Nu × D dtđ = 155,29 × 0,233 0,004 8,016 0,25 8,5 ) = 155,29 = 9045,67 (W/m2.độ) *Nhiệt tải sản phẩm đỉnh: qD = α1 × (t n − t F1 ) = 37204,82 *Nhiệt tải qua thành ống lớp cấu: qt = tDv − tNv Σrt (W/m2) δ Trong đó: t w2 nhiệt độ vách tiếp xúc với r = r1 + + r2  Tra Bảng 32, trang 32, [3]: - Nhiệt trở cặn bẩn phía ngồi ống: r1 = - Nhiệt trở cặn bẩn phía ống: r2 = δ - Tổng nhiệt trở là: r = r1 + + r2 =  (m2.độ/W) 5800 5000 5800 (m2.độ/W) + 0,0016 16,3 + 5000 = 4,7.10-4 (m2.độ/W) Xem nhiệt mát không đáng kể nên: qD = qt - Nhiệt độ bề mặt thành ống là: t Nv = t Dv − qt × r = 32,80C *Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu bên ống, 𝛼2 : Tại t Nv = 32,80C: tra [4] PrNv = 5,11 36 Chuẩn số Nu dòng nhập liệu ống (Re > 10000): Nu = 0,021 × ε1 × Re0,8 × PrN0,43 × ( PrN PrNv ) 0,25 Nu = 0,021 × × 228120,8 × 5,1040,43 × (  αN = Nu × N dtr1 = 2553,74 × 0,622 0,0128 (Công thức V.40, trang 14, [2]) 5,104 0,25 5,11 ) = 2553,74 = 124095,8 (W/m2.độ) *Nhiệt tải dòng nhập liệu: qN = αN × (t Nv − t Ntb ) = 37319,63 (W/m2) *Kiểm tra điều kiện sai số 𝜀0 < 0,05: ε0 = | qN − qD qD |=| 37319,63 − 37204,82 37204,82 | = 0,003 (thỏa) *Hệ số truyền nhiệt K ứng với 𝑡𝐷𝑉 = 50,2870C là: K= 𝛿 + r1 +  + r2 + α αD N = 1 0,0016 1 + 5800 + 16,3 + 5000 + 124095,8 9045,67 =1697,27(W/m2.độ) *Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F: F= Q K × ∆Tlog × 3600 = 211,7.106 1697,27 × 16,5 × 3600 = 2,1 (m2) *Chiều dài ống ứng với diện tích F là: L= F dtr + dng π× = 2,1 0,016 + 0,0128 π× = 46,42 (m) Vậy, để dự trữ khoảng 10% diện tích bề mặt truyền nhiệt an tồn ta chọn chiều dài ống truyền nhiệt 51 m 7.3 Nồi đun đáy tháp: Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp nồi đun Kettle Hơi nước bão hòa ống, cịn dịng lỏng ngồi ống Ống truyền nhiệt làm thép INOX 304 (X18H10T) với thông số: + Đường kính ngồi: dn= 25 mm = 0,025 m; + Đường kính trong: dtr = 21 mm = 0,021 m; + Bề dày ống: δt = mm = 0,002 m; + Hệ số dẫn nhiệt thành ống thép:  = 16,3 W/m.0C Dịng đốt có áp suất 2,5 at có: + Nhiệt độ vào: th = 126,250C + Nhiệt ngưng tụ: rh = 2189500 J/kg (Tra bảng 1.251, trang 314, [2]) Dịng sản phẩm đáy có: + Nhiệt độ vào tW = 99,80C, nhiệt độ tW’ = 300C + Nhiệt độ dòng vào tháp là: tWy = 1000C + Suất lượng là: Gh = Qh rh = 5164,24.106 2189500 = 2358,64 kg/h Nhiệt lượng trao đổi dòng là: Qh = Gh × rh = 2358,64 × 2189,5 = 51,6×105 kJ/h 37 Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: ∆Tlog = (th − tW )− (th − tWy ) t −t ln(t h− t W ) = (126,25 − 99,8) − (126,25 − 100) 126,25 − 99,8 ln( 126,25 − 100 ) Wy h = 26,35 (K) *Hệ số cấp nhiệt dòng đốt, 𝛼ℎ + Giả sử, chọn nhiệt độ bề mặt thành ống tW1 = 123,19 OC + Nhiệt độ trung bình màng nước ngưng: t m = th + tW1 = 124,720C Bảng 7.3 Thơng số nhiệt vật lí nước giải nhiệt nhiệt độ trung bình 124,720C Thơng số Giá trị 943,97 Khối lượng riêng ρN (kg/m ) 2,3.10-3 Độ nhớt μN (Ns/m2) 0,716 Hệ số dẫn nhiệt N (W/m.0C) Áp dụng cơng thức 3.65, trang 120, [6]: rh ×ρ2N ×g×3N αh = 0,725 × √ μN ×dtr ×(th −tW1 ) = 10699,64 (W/m2.độ) Nhiệt tải đốt ống: qh = αh × (t h − t W1 ) = 32740,91 (W/m2) Nhiệt tải qua thành ống lớp cấu: Tra Bảng 32, trang 32, [3]: + Nhiệt trở cặn bẩn phía ngồi ống: r1 = + Nhiệt trở cặn bẩn phía ống: r2 = 𝛿 + Tổng nhiệt trở là: r = 𝑟1 + + r2 =  (m2.độ/W) 5800 5000 5800 (m2.độ/W) + 0,002 16,3 + 5000 = 4,95.10-4 (m2.độ/W) + Xem nhiệt mát không đáng kể nên: q = qh Vậy, nhiệt độ bề mặt thành ống là: t W2 = t W1 − qh × r = 106,98 0C *Hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy, 𝛼𝑊 Xem sản phẩm đáy có nước + Hiệu số nhiệt độ bề mặt truyền nhiệt nước sôi: ∆t = t W2 − t W = 7,180C + Áp suất tuyệt đối mặt thống: P =105 N/m2 + Áp dụng cơng thức V.91, trang 26, [2]: αW = 0,145 × ∆t 2,33 × P0,5 = 4535,197 Nhiệt tải dịng sản phẩm đáy: qW = αW × (t W2 − t W ) = 32577,46 (W/m2) Kiểm tra điều kiện sai số ε0 < 0,05: ε0 = | qW − qh qh |=| 32577,46 − 32740,91 32740,91 | = 0,005 (thỏa) *Hệ số truyền nhiệt K ứng với t 𝑊1 = 123,190C là: K= 1 𝛿 + r1 + + r2 + αh  αW = 1 0,002 1 + + + + 10699,64 5800 16,3 5000 4535,197 *Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F: F= Q × 1000 K × ∆Tlog × 3600 = 51,6.105 × 1000 1236,16 × 26,35 × 3600 = 44 (m2) 38 =1236,16(W/m2.độ) *Chiều dài ống ứng với diện tích F là: L= F dtr + dng π× = 44 0,021 + 0,025 π× = 609 (m) L 609 l *Tổng số ống truyền nhiệt có chiều dài l = 3m n = = = 203 ống Vậy, để dự trữ khoảng 20% diện tích truyền nhiệt ta chọn tổng ống truyền nhiệt n = 244 ống dài 3m 7.4 Bơm 7.4.1 Năng suất Tại nhiệt độ nhập liệu tF = 300C: Khối lượng riêng Ethanol: ρC2 H5OH = 781 (kg/m3) Khối lượng riêng nước: ρH2 O = 995 (kg/m3) ρ = x̅F ρR + (1 − x̅F ) ρN  ρ = 930,97 kg/m3 Độ nhớt rượu: μC2 H5OH = 10-3 N.s/m2 Độ nhớt nước: μH2O = 8,01.10-4 N.s/m2 log(μ) = xF log (μrượu ) + (1 − xF )log (μnước )  μ = 8,22.10-4 N.s/m2 Suất lượng thể tích dịng nhập liệu ống: QF = GF ρF = 5000 930,97 = 5,37 m3/h Vậy chọn bơm có suất Qb= (m3/h) 7.4.2 Cột áp Chọn: - Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu - Mặt cắt (2-2) mặt thống chất lỏng từ vị trí nhập liệu Áp dụng phương trình Bernouli cho (1-1) (2-2) P1 v12 P2 v22 z1 + + + Hb = z2 + + + Σhf1−2 ρF g 2g ρF g 2g Trong đó: z1 - độ cao mặt thống (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = 0,5m z2 - độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất (Chọn khoảng cách mâm 0,3 m, chiều cao đáy 0,4 m, mâm nhập liệu mâm 11 Vậy chiều cao từ mâm nhập liệu tới mặt đất là: z2 = 0,3×11 + 0,4 = 3,7 m) P1 - áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = 1at = 9,81.104 N/m2 P2 - áp suất mặt cắt (2-2), chọn P2 = 1at = 9,81.104 N/m2 v1 - vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = m/s v2 - vận tốc mặt cắt (2-2), xem v2 = 0,6 m/s Σhf1−2 – tồng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2) Hb - cột áp bơm 39 7.4.2.1 Tổng trở lực đường ống Chọn đường kính ống hút ống đẩy d = 50 mm Tra bảng II.15 [2] ta có độ nhám ống ε = 0,2 mm lh + lđ vF2 Σhf1−2 = (λ × + Σξh + Σξđ ) × dtr 2g Trong đó: lh - chiều dài đường ống hút, chọn lh = 2m lđ - chiều dài đường ống đẩy, chọn lđ = 4m ∑ξh - tổng hệ số tổn thất cục ống hút ∑ξđ - tổng hệ số tổn thất cục ống đẩy λ - hệ số ma sát ống hút ống đẩy vF - vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn vF = GF ρhh × π.d2tr = 5000 3600.930,97 × π.0,052 =0,76 (m/s) Chuẩn số Reynolds: ReF = v × dtr × ρ μF = 0,76 × 0,05 × 930,97 8,22 × 10−4 Chuẩn số Re tới hạn: Regh = 6( = 43038  chế độ chảy rối dtr 8/7 ) ε = 3301 Chuẩn số Re bắt đầu xuất vùng nhám: Ren = 220( dtr 9/8 ) ε = 109674 Vì Regh < ReF < Ren nên chế độ chảy rối ứng với khu vực độ Áp dụng công thức 11.64 [1] ta có: λ ≈ 0,1 × (1,46 × ε dtđ + 100 0,25 ) = Re 0,03 * Tổn thất áp suất cục ống hút: - Chỗ uốn cong: Tra bảng II.16, trang 382, [1]: chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = ξu1 (1 chỗ) = 0,15 Ống hút có chỗ uốn → ξu1 = 0,15× 2=0,3 - Van: Tra bảng 9.5, trang 94, [1]: chọn van cầu với độ mở hồn tồn ξv1 (1 chỗ)=10 Ống đẩy có van cầu → ξv1 = 20 Nên: Σξh = ξu1 + ξv1 = 20,3 * Tổn thất áp suất cục ống đẩy: - Chỗ uốn cong: Tra bảng II.16, trang 382, [1]: chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = ξu2 (1 chỗ) = 0,15 Ống đẩy có chỗ uốn → ξu1 = 0,15×2=0,3 - Van: Tra bảng 9.5, trang 94, [1]: chọn van cầu với độ mở hồn tồn ξv2 (1 chỗ) =10 Ống đẩy có van cầu → ξv2 = 20 Nên: Σξđ = ξu2 + ξv2 = 20,3 Vậy: Σhf1−2 = (0,03 × 2+4 0,05 + 20,3 + 20,3) × 0,762 2.9,81 7.4.2.2 Cột áp bơm Hb = (z2 - z1) + Σhf1−2 = (3,7 - 0,5) + 1,3 = 4,5 m 40 = 1,3 m 7.4.3 Công suất Chọn hiệu suất bơm: ηb = 0,8 Công suất bơm: Nb = Qb × Hb × ρF × g 3600 × ηb = × 4,5 × 930,97 × 9,81 3600 × 0,8 = 85,62 W Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có: - Năng suất: Qb = (m3/h) - Cột áp: Hb = 4,5 m - Công suất Nb = 85,62 W 41 CHƯƠNG VIII SƠ BỘ GIÁ THÀNH THIẾT BỊ - Lượng thép INOX 304 cần dùng: m304 = mthân + 2mvỉ + 2mnắp(đáy) + 2mbích + mbích ghép ống dẫn = 308,33 kg - Lượng ống thép INOX 304 21 khơng hàn cần dùng: L = 240×2 = 480 m - Lượng ống nối thép INOX 304 (≥50) cần dùng: 2.0,13+0,12+0,11 = 0,49 m - Số lượng bulong cần dùng: 20×2 + + + + = 60 Vật liệu Số lượng Đơn giá Thành tiền Thép 304 308,33 kg 80 000 đ/kg 24 666 400 đ 480 m 70 000 đ/m 33 600 000 đ Thép 304 21 0,49 m 70 000 đ/m 34 300 đ Thép 304 (≥50) Bulong 60 000 đ/cái 300 000 đ Tổng cộng 58 600 700 đ - Tiền gia công chế tạo thiết bị 200% tiền vật tư: 200% × 58 600 700 = 117 201 400 đ - Chi phí đầu tư = 117 201 400 + 58 600 700 = 175 802 100 đ 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tập thể tác giả, Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất - Tập 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999 [2] Tập thể tác giả, Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất - Tập 2, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999 [3] Bảng tra cứu Quá trình học Truyền nhiệt - Truyền khối, Nhà xuất Đại học Quốc Gia TPHCM, 2017 [4] Hồng Đình Tín, Truyền Nhiệt Tính Tốn Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2001 [5] Hồ Lê Viên, Tính tốn, thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1978 [6] 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 TPHCM, 2013 [7] Nguyễn Hữu Hiếu, Thiết kế Cơ khí Thiết bị áp lực, Nhà xuất Đại học Quốc Gia TPHCM, 2017 43 44 ... *Nhiệm vụ đồ án môn học: Thiết kế thiết bị ngưng tụ hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Etanol – Nước áp suất thường *Các ký hiệu: GF , F : suất lượng nhập liệu tính... Etanol – Nước 2. 2 Chưng cất 2. 2.1 Quá trình chưng cất 2. 2.3 Thiết bị chưng cất 2. 3.1 Quá trình ngưng tụ 2. 3 .2 Thiết bị ngưng tụ ... với hỗn hợp ethanol – nước hỗn hợp khơng có điểm đẳng khí nên đồ án lựa chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp, sử dụng tháp mâm xuyên lỗ 2. 3 Ngưng tụ 2. 3.1 Quá trình ngưng tụ