Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm chóp hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN Cán hướng dẫn nhận xét: Điểm: Chữ ký: Cán chấm hay Hội đồng bảo vệ nhận xét: Điểm: Chữ ký: MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .3 Giới thiệu đồ án Tổng quan nguyên liệu 2.1 Benzen 2.2 Toluen 2.3 Hỗn hợp Benzen – Toluen .3 Quá trình thiết bị chưng cất .4 3.1 Quá trình chưng cất 3.2 Thiết bị chưng cất .4 Quá trình thiết bị ngưng tụ 4.1 Quá trình ngưng tụ .5 4.2 Thiết bị ngưng tụ 5 Sơ đồ quy trình cơng nghệ ( đính kèm ): .5 CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT Các số liệu ban đầu Cân vật chất .6 2.1 Xác định suất lượng dòng nhập liệu dòng sản phẩm đáy Xác định số hồi lưu thích hợp 3.1 Xác định số hồi lưu tối thiểu Phương trình đường làm việc - Xác định số mâm lý thuyết 4.1 Phương trình đường làm việc đoạn cất 4.2 Phương trình làm việc đoạn chưng .8 4.3 Số đĩa lý thuyết Xác định số mâm thực tế CHƯƠNG 11 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG .11 Cân nhiệt lượng cho tháp chưng cất 11 1.1 Nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào tháp 11 1.2 Nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang khỏi tháp .11 1.3 Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang khỏi tháp 11 1.4 Nhiệt lượng hồi lưu sản phẩm đỉnh 11 1.5 Nhiệt lượng mát 12 1.6 Nhiệt lượng đốt mang vào tháp 12 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ .12 CHƯƠNG 14 TÍNH TỐN THƠNG SỐ THIẾT BỊ CHÍNH 14 Tính tốn thiết bị ngưng tụ 14 1.1 Thông số ban đầu .14 1.2 Xác định thông số vật lý nước 15 1.3 Xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát .15 1.4 Tính tốn cấu tạo thiết bị .17 Tính tốn đường kính ống dẫn 18 2.1 Ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ 18 2.2 Ống tháo lỏng ngưng khỏi thiết bị ngưng tụ .18 2.3 Ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ 19 2.4 Ống dẫn nước khỏi thiết bị ngưng tụ .19 Tính bền khí thiết bị ngưng tụ 20 3.1 Bề dày thân thiết bị 20 3.2 Bề dày đáy nắp thiết bị .21 3.3 Tính bích, đệm, bu lông, vỉ ống 22 3.4 Tính tốn khối lượng thiết bị chân đỡ 24 CHƯƠNG 27 TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 27 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh .27 Thiết bị đun sôi đáy tháp 27 Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu 28 Bơm 28 CHƯƠNG 30 TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 30 I Khối lượng thép làm thiết bị không kể ống truyền nhiệt: 30 Kết luận đánh giá 31 Tài liệu tham khảo .32 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Giới thiệu đồ án Thiết kế thiết bị ngưng tụ hệ thống tháp mâm chóp hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen áp suất thường với yêu cầu công nghệ sau: - Năng suất sản phẩm đỉnh: 2000 kg/h - Nồng độ nhập liệu: 25% mol Benzen - Nồng độ sản phẩm đỉnh: 95% mol Benzen - Tỷ lệ thu hồi Benzen: 97% - Nguồn lượng số liệu khác tự chọn Tổng quan nguyên liệu 2.1 Benzen - Là hợp chất mạch vịng, dạng lỏng khơng màu có mùi thơm nhẹ.Công thức phận tử C6H6 Benzen không phân cực, tan tốt dung môi hữu không phân cực, tan nước Trước thường sử dụng benzen làm dung mơi Tuy nhiên sau phát nồng độ benzen khơng khí cần thấp khoảng 1ppm có khả gây bệnh bạch cầu, nên ngày benzen sử dụng hạn chế - Các tính chất vật lý Benzen: + Khối lượng phân tử: 78,11 +Tỉ trọng(2000C): 0,879 + Nhiệt độ sơi: 800C + Nhiệt độ nóng chảy: 5,50C 2.2 Toluen - Là hợp chất mạch vịng,ở dạng lỏng có tính thơm ,cơng thức phân tử tương tự benzen có gắn thêm nhóm –CH3 Khơng phân cực,do toluen tan tốt benzen.Toluen có tính chất dung mơi tương tự benzen độc tính thấp nhiều, nên ngày thường sử dụng thay benzen làm dung mơi phịng thí nghiệm cơng nghiệp Các tính chất vật lý Toluen: + Khối lượng phân tử : 92,13 + Tỉ trọng (2000C) : 0,866 + Nhiệt độ sôi : 1110C + Nhiệt độ nóng chảy : -950C 2.3 Hỗn hợp Benzen – Toluen - Bảng 2.3: Bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Benzen – Toluen 760 mmHg ( Tham khảo STT1) x(%phân mol) y(%phân mol) T (0C) 10 11.8 21.4 110.6 108.3 106 20 30 40 50 60 70 80 90 100 38 51.1 61.9 71.2 79 85.4 91 95.9 100 102.2 98.6 95.2 92.1 89.4 84.4 82.3 82.3 80.2 Quá trình thiết bị chưng cất 3.1 Quá trình chưng cất - Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hay 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 ) Ngày nay, trình chưng cất ứng dụng rộng rãi để tách hỗn hợp như: dầu mỏ, tài ngun khai thác dạng lỏng, khơng khí hóa lỏng - - chưng cất nhiệt độ -1900C để sản xuất oxy nito Phân loại trình chưng cất: + Theo áp suất làm việc: chân không, áp suất thường, áp suất cao + Theo số lượng cấu tử hỗn hợp: hệ hai cấu tử, hệ nhiều cấu tử ( lớn hai cấu tử ) + Theo nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn Đối với hệ Benzen – Toluen, chọn phương pháp chưng cất liên tục áp suất thường 3.2 Thiết bị chưng cất - Trong sản xuất, người ta dùng nhiều loại thiết bị khác để thực trình chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu chung thiết bị phải có bề mặt tiếp xúc pha lớn trở lực thấp để tăng hiệu suất trình Các thiết bị thường dùng là: tháp đệm, tháp phun, tháp mâm, tháp phun, tháp bọt, tháp - Ưu điểm venturi So sánh ưu nhược điểm loại tháp: Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Cấu tạo đơn giản - Trở lực tương đối - Khá ổn định - Trở lực thấp - Hiệu suất cao thấp - Làm việc với chất lỏng bẩn - Hiệu suất cao dùng đệm cầu có    Nhược điểm chất lỏng - Do có hiệu ứng thành nên hiệu - Không làm việc suất truyền khối thấp với chất lỏng - Độ ổn định khơng cao, khó vận bẩn hành - Kết cấu phức - Khi tăng suất hiệu ứng tạp thành tăng nên khó tăng Có trở lực lớn Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp suất - Thiết bị nặng nề - Qua phân tích trên, ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen – Toluen Quá trình thiết bị ngưng tụ 4.1 Quá trình ngưng tụ - Ngưng tụ trình ( hay hỗn hợp ) 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 tụ 4.2 Thiết bị ngưng tụ - Tùy theo tính chất điều kiện làm việc ngưng phụ thuộc vào chất tải ẩn nhiệt ngưng tụ (dịng lạnh) mà thiết bị ngưng tụ có cấu - tạo đa dạng Phân loại: + Theo chất làm lạnh: thiết bị lạnh dùng NH3, freon R12, R22 + Theo điều kiện áp suất ngưng tụ: Thiết bị truyền nhiệt áp suất thấp (chân không), áp suất thường, áp suất cao + Theo khả tiếp xúc hai lưu chất: kiểu gián tiếp (kiểu bề mặt), kiểu trực tiếp ( TBTN nước kiểu baromet) Sơ đồ quy trình cơng nghệ ( đính kèm ):  Thuyết minh quy trình cơng nghệ: - Hỗn hợp Benzen – Toluen có suất sản phẩm đỉnh 2000 kg/h, nồng độ nhập liệu 25% (phần mole Benzen), nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu 250C bình chứa nguyên liệu (1), bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Dòng nhập liệu gia nhiệt tới nhiệt độ sôi thiết bị truyền nhiệt ống chùm Sau hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (6) đĩa nhập liệu bắt đầu q trình chưng cất Lưu lượng dịng nhập liệu kiểm soát qua lưu - lượng kế (14) Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn luyện tháp chảy xuống Trong tháp, lên gặp lỏng từ xuống Ở có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống phía giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (10) lôi cấu tữ dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sơi cao toluen ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều (nồng độ 95% mole) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (7) ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (8), làm nguội thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống(8) đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (9) Phần lại chất lỏng ngưng tụ hoàn lưu tháp đĩa với tỉ số hồn lưu thích hợp kiểm soát lưu lượng kế(5) Cuối đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay (Toluen) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ Toluene phần lớn, cịn lại Benzene Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (10) Trong nồi đun dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại khỏi nồi đun cho qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13) vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy(13) sau vào - bồn chứa sản phẩm đáy(12) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh Benzen, sản phẩm đáy Toluen CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT Các số liệu ban đầu - Chọn loại tháp tháp mâm chóp - Hỗn hợp gồm: Benzen C6H6, MA= 78 g/mole Toluen C6H5CH3, MB = 92 g/mole - Năng suất sản phẩm đỉnh: 2000 kg/h - Nồng độ nhập liệu: 25% phần mole Benzen - Tỷ lệ thu hồi Benzen 97% - Chọn: + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: tFV= 450C + Nhiệt độ dòng nước lạnh vào: tV=250C + Nhiệt độ dòng nước lạnh ra: tR=450C - Các ký hiệu: + , F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h + , D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h + ,W: suất lượng dịng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h + i ,xi: nồng độ phần mol, phần khối lượng cấu tử i Cân vật chất 2.1 Xác định suất lượng dòng nhập liệu dịng sản phẩm đáy Khối lượng mol trung bình dòng nhập liệu dòng sản phẩm đỉnh: MF = xF.MB + (1-xF).MT = 0,25.78 + 0,75.92 = 88,5 kg/kmol MD = xD MB + (1- xD ).MT = 0,95.78 + (1-0,95).92 = 78,7 kg/kmol Theo đề:  =2000 kg/h => D = ==25,41 kmol/h 10 =103 mm Kết luận: chọn ống nối có đường kính 125 mm, chiều dài đoạn ống nối 120 mm (Bảng XIII.32 [7]) 2.4 Ống dẫn nước khỏi thiết bị ngưng tụ Chọn vận tốc dòng nước ống dẫn vn= 2m/s Nhiệt độ dòng nước thiết bị ngưng tụ tR=450C có ρ = 990 kg/m3 Lượng nước cần dùng Gn = 16,69 kg/s Đường kính ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ là: =104 mm Kết luận: chọn ống nối có đường kính 125 mm, chiều dài đoạn ống nối 120 mm (Bảng XIII.32 [7]) Bảng: Thơng số đường kính ống dẫn (tra XIII.26, trang 409 [7]) Ống D h Bu lông Z Ống dẫn nước vào 12 Ống dẫn nước 12 Ống dẫn lỏng ngưng 10 Ống dẫn vào 30 133 24 Mm 210 188 133 24 210 188 24 M16 108 21 180 158 26 M16 325 44 400 370 28 M20 12 0 Tính bền khí thiết bị ngưng tụ 22 24 M16 3.1 Bề dày thân thiết bị Các thông số:  Chiều dài phần trụ: l= m  Đường kính thân trụ thiết bị: Dt= 1000 mm =39,37 in  Áp suất làm việc P = atm, ngưng tụ thể tích giảm => thân chịu áp suất Để tính tốn an tồn ta lấy áp suất làm áp suất tính tốn  Mối hàn: hệ số bền mối hàn thân, nắp hàn giáp mối hai phía - Tân thiết bị chế tạo thép INOX 304 (18Cr – 8Ni), lấy hệ số an tồn η=1(do khơng có bọc cách nhiệt) Do ứng suất cực đại cho phép tính tốn vật liệu chế tạo thiết bị ngưng tụ: [σ]*= η.[σ]= 1.128,9= - 128,9 (N/mm2) (Tra bảng 2-9 để chọn σ ) Tính kiểm tra thân thiết bị:  Kiểm tra bền theo áp suất Thông số làm việc: Dt=1000 mm Do ngưng tụ thể tích giảm nên lúc áp suất giảm dần gần cân áp suất khí => thân chịu áp suất Thơng số tính tốn: Ptt = Ptrong = at = 0,1013 N/mm2 ttt = tnt = 81,250C L: chiều dài tính tốn thân thiết bị, mm Vì thân thiết bị ngưng tụ thân trụ lắp với mặt bích nên L khoảng cách mặt bích Các thơng số cần tra chọn: Et: modul đàn hồi vật liệu nhiệt độ làm việc, N/mm2 Tra bảng 2-12 [5] => Et = 2,01.105 N/mm2 Vì nên bề dày tối thiểu thân chịu áp suất tính theo cơng thức: S’= Thế số vào công thức : S’= Bề dày thực thân trụ là: Với C hệ số bổ sung bề dày tính tóa, cơng thức 1-10 [5] cho ta: C = Ca+ Cb+ Cc+ C0 mm Ca : hệ số bổ sung ăn mịn hóa học mơi trường, mm  Chọn a = mm Cb : hệ số bổ sung bào mịn học mơi trường, mm  Chọn b = mm 23 Cc : hệ số bổ sung sai lệch chế tạo, lắp ráp, mm  Chọn c = C0: hệ số bổ sung để quy trịn kích thước, mm  Chọn c = 2,59 mm Vậy : 0,41 + +3,59 = mm Kiểm tra bảng 5-1 [5] với Dt= 1000 mm => chọn S= mm hợp lý  Kiểm tra bền thân chịu áp suất trong: Kiểm tra bề dày thỏa mãn công thức 5.10 [5]  Kiểm tra áp suất cho phép thân thiết bị theo công thức 5-11 [5] Tức lớn p = 0,1013 N/mm2 Kết luận: Chọn thép 304 có bề dày mm để chế tạo thân thiết bị 3.2 Bề dày đáy nắp thiết bị - Chọn đáy nắp thiết bị có dạng hình Elip tiêu chuẩn có gờ: Rt = Dt = 1000 - mm Làm thép không gỉ INOX 304 (18Cr – 8Ni) => hệ số hiệu chỉnh η=1, mơi trường nước Bề dày tối thiểu thành đáy (nắp) xác định theo công thức sau: S’== Rt: bán kính cong bên đỉnh đáy (nắp), mm Bề dày thực đáy (nắp) tính theo cơng thức 5-9 [5]: S = S’ + C = 0,41 + 3,59 = mm Kiểm tra bề dày thành đáy nắp thỏa 6-10: (thỏa mãn điều kiện) Tính kiểm tra áp suất cho phép tính tốn [p] thỏa mãn điều kiện 6-10 theo công thức sau: 0,1013 N/mm2 Chiều cao phần elip đáy: h Ta có: => h= 0,25.1000=250 mm Đường kính đoạn trụ nối với thân: chọn 25 mm 3.3 Tính bích, đệm, bu lơng, vỉ ống a Mặt bích - Chọn bích liền kiểu 1, chịu áp suất tối đa 0,6 N/mm2 24 - Chọn bích ghép thân, nắp, đáy loại bích phẳng liền hàn ( khơng cổ ) làm thép INOX 304 (18Cr – 8Ni) với đường kính gọi Dy = 1000 mm, ta xác định thông số mặt bích Bảng thơng số bích Kích thước Đường kính thân Dt (mm) Đường kính vành ngồi bích D - Bích nối nắp với thân thiết bị 1000 1140 (mm) Đường kính đến tâm bu-lơng Db 1090 (mm) Đường kính đến vành ngồi đệm DI 1060 (mm) Đường kính đến vành đệm D0 1013 (mm) Bề dày bích h (mm) Đường kính bu-lơng db Số lượng bu-lơng Z (cái) 27 M20 24 b Đệm: Độ kín mối ghép bích chủ yếu vật liêu đệm định Đệm làm vật liệu mềm dễ biến dạng, xiết bu-lông đệm bị biến dạng điền - đầy lên chỗ gồ ghề bề mặt bích Với thiết bị có áp suất nhiệt độ làm việc khơng cao ta chọn vật liệu paronit, S= mm Bề rộng thực vịng đệm: Bề rộng tính tốn vòng đệm: Hệ số áp suất riêng: m = 2,75 (Bảng 7-4 [5]) Đường kính trung bình vịng đệm: =1030m - Áp suất riêng phần cần thiết để biến dạng vịng đệm: q0 = 25 N/mm2 c Tính bu-lơng ghép bích Xác định lực nén chiều trục sinh xiết bu-lơng: Với: Dt: đường kính thiết bị, mm p: áp suất môi trường bên thiết bị, N/mm2 Dtb: đường kính trung bình vịng đệm, mm b0: bề rộng tính tốn vịng đệm, mm 25 b: bề rộng thực vòng đệm, mm m: hệ số áp suất riêng (Bảng 7-4 [4]) Thay số: - Xác định lực cần thiết để ép chặt vòng đệm: - Lực tác dụng lên bu-lông: - Chọn bu-lông có đường kính = 20 mm Ứng suất tác dụng lên bu-lông: -  Thỏa mãn điều kiện Chọn vật liệu làm bu-lông thép CT3 nên [ (Bảng X.II [5]) Thơng thường bu-lơng ghép mặt bích bị xiết chặt ta không định lực cần thiết, bu-lơng có đường kính bé bị kéo q căng Vì vậy, tính tốn thực tế người ta giảm bớt ứng suất cho phép vật liệu làm bu-lơng ta lấy sau; - Với đường kính bu-lông chọn Ta thấy => thỏa mãn điều kiện Cánh tay địn momen gây uốn bích: - d Vỉ ống Chọn vỉ ống có dạng hình trịn phẳng vật liệu làm ống thép INOX 304 - (18Cr – 8Ni), bố trí theo hình tam giác Đường kính vỉ ống đường kính thiết bị: Dvỉ = Dt = 1000 mm Bề dày vỉ ống tính sơ là: Chọn bề dày thực vỉ ống: S= 20 mm dùng vỉ làm mặt bích Kết luận: chọn vỉ ống có bề dày t4 = 20 mm 3.4 Tính tốn khối lượng thiết bị chân đỡ a Tính tốn khối lượng thiết bị - Khối lượng riêng thép không gỉ INOX 304: - Khối lượng riêng thép CT3: - Khối lượng thân thiết bị: - Khối lượng nắp elip: tra bảng XIII.11 [2] 26 - Khối lượng vỉ ống: - Khối lượng bích ghép thân với nắp – đáy: Mbích = (D2 – ).h =.(1,142 – 1,0082 ).0,04.7900 = 70,37 (kg) Khối lượng chùm ống truyền nhiệt: - = 3768,2 kg Khối lượng bích ghép thân với nắp – đáy: - = 47,5 kg Khối lượng ống dẫn nước vào bích ghép: +[ = 7,84 kg - Khối lượng ống dẫn nước bích ghép: +[ = 7,84 kg - Khối lượng ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ bích ghép: +[ - = 28,86 kg Khối lượng ống dẫn lỏng ngưng thiết bị ngưng tụ bích ghép: +[ - = 6,81 kg Tổng khối lượng thiết bị: = 70,36 + + 3768,2 + 7,84 + 7,84 + 28,86 + 6,81 = 5065,74 kg - Tải trọng tháp chịu: 5065,74.9,8= 49644,252 N b Chân đỡ 27 Thiết bị gồm chân đỡ, chế tạo phương pháp hàn, gân đỡ hàn vào nhau, vật liệu thép CT3 Một chân đỡ chịu trọng : Chọn thơng số chân đỡ theo hình 13.26, trang 848 [12]: Đườn V Y C E J G t2 t1 Bu-lơng g kính thiết bị 1000 680 150 910 mm 390 310 95 11 M CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ - Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh a Thông số ban đầu Chọn thiết bị truyền nhiệt dạng ống lồng ống, dòng nước giải nhiệt vào không gian ống (ống trong), dòng sản phẩm đỉnh vào ko gian - ống ống (ống ngoài), bố trí hai dịng chảy ngược chiều Ống truyền nhiệt làm thép INOX 304 (18Cr – 8Ni) có thơng số: Ống 1:  Đường kính ngồi ống: dn1 = 38 mm = 0,038 m  Bề dày ống:  Đường kính ống: dt1 = 32 mm = 0,032 m 28  Hệ số dẫn nhiệt thành ống thép: W/m.K Ống 2: - -  Đường kính ngồi ống: dn2 = 57 mm = 0,057 m  Bề dày ống:  Đường kính ống: dt2 = 51 mm = 0,051 m Dòng nước giải nhiệt có:  Nhiệt đầu vào: tv= 250C, nhiệt độ đầu tr = 300C  Lưu lượng nước cần dùng là: Gn2= 1,06 kg/s Dòng sản phẩm đỉnh có:  Nhiệt độ đầu vào tD=81,250C, nhiệt độ đầu tD1= 400C  Lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh là: GD=25,41 kmol/h = 2000 kg/h b Nhiệt lượng trao đổi hai dòng: 2000.1931,66.(81,25-40) = 44267 (J/s) - Thiết bị đun sôi đáy tháp a Thông số ban đầu Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp nồi đun Kettle, đốt ống truyền - nhiệt, dịng sản phẩm đáy bên ngồi ống truyền nhiệt Ống truyền nhiệt làm thép INOX 304 (18Cr – 8Ni) có thơng số sau:  Đường kính ngồi ống: dn1 = 38 mm = 0,038 m  Bề dày ống:  Đường kính ống: dt1 = 32 mm = 0,032 m  Hệ số dẫn nhiệt thành ống thép: W/m.K Dịng đốt có áp suất at có:  Nhiệt độ đầu vào đầu th= 142,90C  Ẩn nhiệt hóa là: rh=2136 kJ/kg  Lượng đốt cần dùng là: Dịng sản phẩm đáy có:  Nhiệt độ đầu vào đầu ra: tW = 110,120C  Lưu lượng dòng sản phẩm đáy là: b Nhiệt lượng trao đổi hai dòng: - Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu a Thơng số ban đầu Chọn thiết bị đun sơi dịng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống 29 - Ồng truyền nhiệt đưuọc làm INOX 304 (18Cr – 8Ni) với thơng số:  Đường kính ngồi ống: dn1 = 38 mm = 0,038 m  Bề dày ống:  Đường kính ống: dt1 = 32 mm = 0,032 m  Hệ số dẫn nhiệt thành ống thép: W/m.K - Dùng nước để đun sôi, không gian hai ống với nhiệt độ - ts= 132,90C Dòng nhập liệu bên ống với nhiệt độ đầu vào 250C, đun nóng lên nhiệt nhiệt độ sơi 100,40C với suất nhập liệu: 8809,29 kg/h b Nhiệt lượng trao đổi hai dòng 2083,7.(100,4-25) =384 454,5 (W) - Bồn cao vị Bồn cao vị đặt độ cao cho thắng trở lực đường ống Phương trình Bernoulli cho mặt cắt 1-1 mặt thống bồn cao vị mặt cắt 2-2 mặt cắt ống nhập liệu tháp chưng cất Trong đó:  w1 =  w2= w , m/s  P1 = 1at  P2 = 1at Dung dịch nhập liệu 250C, có: Z1: chiều cao từ bồn cao vị xuống đất, m Z2: chiều cao từ vị trí nhập liệu xuống đất, m H1-2: tổng tổn thất áp suất, m Xác định hệ số ma sát ống: Chọn đường kính cửa vào: D = 30 mm Chọn đường kính ống dẫn: d = 30 mm Chuẩn số Reynolds: Chọn vật liệu làm ống thép CT3 => độ nhám = 0,2mm Bảng II.15 [1] Re giới hạn là: Vì < Re, theo cơng thức II.63, ta có: 30 Chọn chiều dài ống: L= 20 m Các hệ số trở lực tra bảng II.16 [1] + Hệ số cục co 900: = 0,8 + Hệ số cục van: = 7,2 + Hệ số cục chỗ quay 180 thiết bị gia nhiệt ban đầu: 180 = 0,7 Tổng hệ số tổn thất cục bộ:  6 2 2180  6.0,8 + 2.7,2+ 2.0,7 = 20,6 Chọn chiều đường ống từ bồn cao vị đến cửa nhập liệu nồi I: L=20 m Tổn thất áp suất đường ống dẫn: Chiều cao từ cửa nhập liệu đến mặt thoáng bồn cao vị: = 15,1 m Chiều cao bồn cao vị (tính từ đáy tháp tới mặt thoáng bồn cao vị): Hbcv = Hcửa nhập liệu + H = 4,5 +15,1 = 19,6 m Bơm Cơng suất bơm tính theo cơng thức: Trong đó: H: cột áp bơm, m : hiệu suất bơm, : khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3 Qm: lưu lượng khối lượng chất lỏng vào bơm, kg/s QV: lưu lượng thể tích chất lỏng vào bơm, m3/s m3/s - Chọn mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu Chọn mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng vị trí nhập liệu Phương trình Bernoulli cho mặt cắt (1-1) (2-2):  Trong đó:  Z1: độ cao mặt cắt (1-1) so với mặt đất, Z1= 0,7 m  Z2: độ cao mặt cắt (2-2) so với mặt đất, Z2= 4,5 m  P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at = 9,81.10 N/m2  P2 : áp suất mặt thoáng (2-2), chọn P2 = at = 9,81.104 N/m2  v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = m/s  v : vận tốc mặt thoáng (2-2), xem v = m/s  : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2) - Xác định hệ số ma sát ống: Chọn đường kình ống dẫn: dhút = dđẩy = d= 50 mm 31 Vận tốc dòng chảy ống: = Chuẩn số Reynolds: Chọn vật liệu làm ống thép CT3 => độ nhám = 0,2mm Bảng II.15 [1] Re giới hạn là: II.60 [1] (VI.60 [1] < < => hệ số ma sát tính theo cơng thức II.64 [1]: Chọn chiều dài ống: L=15 m Các hệ số trở lực tra bảng II.16 [1] + Hệ số cục co 900: = 0,8 + Hệ số cục van: = 7,2 Tổng hệ số tổn thất cục bộ: Tổng thất áp suất đường ống dẫn: Cột áp bơm: =5,65 m Suy công suất bơm: CHƯƠNG TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH THIẾT BỊ Khối lượng thép làm thiết bị không kể ống truyền nhiệt:  Thân thiết bị: 598,03 kg  Vỉ ống: 217,72 kg  Nắp elip: 36 kg  Chân đỡ:  Bích : 70,36 kg  Vách : Ống truyền nhiệt: 241 ống dài 6m có d = 38 mm Thiết bị phụ khác:      Bu-lông: 24 Đệm: 0,00623 m2/cái Van an toàn: Van xả lỏng: Van xả khí: 32 Bảng tính toán chi tiết STT Tên thiết bị Đơn giá Thân thiết bị 52 000 đ/kg Vỉ ống 52 000 đ/kg Nắp e-lip 52 000 đ/kg Bích 52 000 đ/kg Ống truyền nhiệt 52 000 đ/kg Bu-lông 000 đ/con Đệm triệu/ m2 Tổng chi phí vật tư lý thuyết Tổng chi phí vật tư thực tế ( hao phí 50%) Chi phí chế tạo (100% tiền vật tư) Tổng cộng Thiết bị phụ Áp kế 600 000 đ/cái Van xả lỏng 500 000 đ/cái Van xả khí 500 000 đ/cái Van an tồn 25 000 đ/cái Tổng chi phí Chi phí lắp đặt (10% tiền vật tư) TỔNG ĐẦU TƯ Tổng giá thành thiết bị 33 Số lượng 598,03 kg 217,72 kg 36 kg 70,36 kg 3768,2 kg 24 0,00623 m2 Thành tiền 31 097 560 đ 11 321 440 đ 872 000 đ 658 720 đ 195 946 400 đ 72 000 đ 230 đ 243 974 350 đ 121 987 175 đ 243 974 350 đ 609 935 875 đ cái cái 600 000 đ 000 000 đ 000 000 đ 25 000 đ 625 000 đ 262 500 đ 837 000 đ 612 772 875 đ Kết luận đánh giá Thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm hệ thống tháp chưng cất mâm chóp Benzen – Toluen với suất sản phẩm đỉnh 2000kg/h có cấu tạo sau:  Bề mặt trao đổi nhiệt:  Kết cấu ống truyền nhiệt:  Đường kính thiết bị:  Sắp xếp lục giác đều:  pass, pass 40 ống Do đặc thù trình ngưng tụ nên hệ số truyền nhiệt phía cao α= (W/m0C) Do dịng nước lạnh chế độ chảy rối nên hệ số cấp nhiệt tương đối cao ( (W/m0C)) Vì hệ số truyền nhiệt tổng quát lớn nên trình trao đổi nhiệt xảy hiệu giảm kích thước thiết bị Thiết bị đặt nằm ngang nên trình ngưng tụ xảy tốt so với đặt đứng, hiệu suất truyền nhiệt cao Ống truyền nhiệt dễ bị lỏng giãn nở thực trình 34 Tài liệu tham khảo [1] Trần Xoa – Nguyễn Trọng Khương – Hồ Lê Viên tập thể, Sổ tay trình thiết bị Cơng nghệ Hố chất tập 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật, 2006, 632 trang [2] Trần Xoa – Nguyễn Trọng Khuông – Phạm Xuân Toản tập thể, Sổ tay trình thiết bị Cơng nghệ Hố chất tập 2, Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật, 2004, 448 trang [3] Phạm Văn Bơn – Nguyễn Đình Thọ, Q trình & thiết bị cơng nghệ hóa chất & thực phẩm – tập 5, 1: Truyền nhiệt ổn định, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2010, 418 trang [4] Bộ môn Máy & Thiết bị, Bảng tra cứu trình học – truyền nhiệt – truyền khối, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2006, 68 trang [5] Hồ Lê Viên, Tính tốn, thiết kế chi tiết thiết bị hoá chất dầu khí, Nhà xuất Khoa học & Kỹ thuật, 1978, 288 trang [6] Phạm Văn Bơn, Q trình & thiết bị cơng nghệ hóa học & thực phẩm – Bài tập truyền nhiệt, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2008, 149 trang [7] Trịnh Văn Dũng, Q trình & thiết bị cơng nghệ hóa học & thực phẩm – Bài tập truyền khối, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2010, 162 trang [8] Nguyễn Bin, Các trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm – tập 4: Phân riêng tác dụng nhiệt, Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội, 395 trang [9] Phạm Xuân Toản, Các trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm – tập 3: Các trình thiết bị truyền nhiệt, Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội, 262 trang [10] Bùi Hải – Dương Đức Hồng – Hà Mạnh Thư, 2001 Thiết bị trao đổi 35 nhiệt, Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội, 469 trang [11] Nguyễn Văn May, Thiết bị truyền nhiệt chuyển khối, Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội, 289 trang [12] Nguyễn Minh Tuyển, 1984 Tính tốn máy thiết bị hóa chất - tập 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội, 263 trang [13] Coulson & Richardson ‘s, 1983 Chemical Engineering Design, 4th edition, Copyright Licensing Agency Ltd, London, England, 1038 pages 36 ... XIII.32 [7]) Bảng: Thông số đường kính ống d? ??n (tra XIII.26, trang 409 [7]) Ống D h Bu lông Z Ống d? ??n nước vào 12 Ống d? ??n nước 12 Ống d? ??n lỏng ngưng 10 Ống d? ??n vào 30 133 24 Mm 210 188 133 24 210... ống: dn1 = 38 mm = 0,038 m  Bề d? ?y ống:  Đường kính ống: dt1 = 32 mm = 0,032 m  Hệ số d? ??n nhiệt thành ống thép: W/m.K - D? ?ng nước để đun sôi, không gian hai ống với nhiệt độ - ts= 132,90C D? ?ng... thức V.140 [7]: Dt = t.(b-1) +4dn = 0,0475.(17-1) + 4.0,038= 0.912 (m) Chọn đường kính thiết bị ngưng tụ Dt= 1000 mm Vận tốc thực d? ?ng nước thiết bị ngưng tụ là: Do đó, để vận tốc d? ??ng nước với