Nhận thấy: cơng thức tính tốn bề dày thân, đáy và nắp chịu áp suất trong là như nhau. Nên chọn bề dày của đáy và nắp là Sđ = Sn = 3 (mm).
Các kích thước của đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, cĩ gờ(tài liệu tham khảo [4(tập 2)]: + Đường kính trong: Dt= 850 (mm). + ht=212,5 (mm). + Chiều cao gờ: hgờ = h = 50 (mm). +Diện tích bề mặt trong: sđáy = 0,92 (m2). 3.4.2.1 Bích ghép thân, đáy và nắp
Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối
Đồ án quá trình thiết bị _ Nhĩm 3 29
Chương 3 Tính tốn - thiết kế tháp chưng cất CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
Theo tài liệu tham khảo [5]- trang 417, ứng với Dt =850(mm) và áp suất tính tốn ptt= 0,158043 (N/mm2) ta chọn bích cĩ các thơng số sau :
Theo tài liệu tham khảo [5]- trang 170, chọn số mâm giữa hai mặt bích là 1 mâm.Vậy số bích ghép thân - đáy - nắp là 40 bích.
Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định. Đệm làm bằng các vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích. Khi xiết bu lơng, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chồ gồ ghề trên bề mặt của bích. Vậy, đê đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây amiăng, cĩ bề dày là 3(mm).
Đồ án quá trình thiết bị _ Nhĩm 3 30
Chương 3 Tính tốn - thiết kế tháp chưng cất CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
Vị trí nhập liệu :
Suất lượng nhập liệu: Gp = 2500 (kg/h).
Khối lượng riêng của chất lỏng nhập liệu, tra tài liệu tham khảo [4] ở tF = 100,4°c và = 22%: pF = 789,1 (kg/m3).
' n - 3
Lưu lương chât lỏng nhâp liêu đi vào tháp: - =3,168 (m/h).
PF
Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu): VF= 0,2 (m/s).
Bảng 3.2 Các thơng số của bích ghép ống dẫn nhập liệu
Đồ án quá trình thiết bị _ Nhĩm 3 31
Chương 3 Tính tốn - thiết kế tháp chưng cất CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
♦> Ơng hơi ở đỉnh tháp:
Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: gd = 2555 (kg/h).
Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo cơng thức (xác định ở tD = 81,25°c và yD = 0,986:
Í78.J>Đ + (l - yD I92Ị273
Lưu lương hơi ra khỏi tháp: Qh - = 948,71 (m3/h).
p h
Chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp: vh = 25 (m/s).
I 4~QI, _ /4.948,71 _A 1 1 c n
Đường kính ơng dãn hơi: dli =-ý SĨOOT.V, ■ V 3600 X.25 " ’ (m)'
♦♦♦ Ơng hồn lưu:
Suất lượng hồn lưu: Ghi =D.R=500.4,11 = 2055 (kg/h).
Khối lượng riêng của chất lỏng hồn lưu, tra tài liệu tham khảo [4] ở
tD= 81,25°c và ^ = 94%: phl = 813,21 (kg/m3).
Lưu lương chất lỏng hồn lưu: Qhi - ~~ = 2,527 (m3/h).
Phi
Đồ án quá trình thiết bị _ Nhĩm 3 32
Chương 3 Tính tốn - thiết kế tháp chưng cất CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
I 4 ,QU I 4.2,527
Đường kính ơng hồn lưu: dhl=^3600j; vW -^3600.^.0,15 ’ (m)-
Suy ra: chọn đường kính ống hồn lưu: dhi= 0,08 (m).
♦♦♦ Ơng dân hơi vào đáy tháp:
Suất lượng hơi vào đáy tháp: g’i = 2752,4 (Kg/h). t\v — 108,3 c và yw— 0,118:
[78.>V +(1-3V).92Ị273
Phd 22,4.^+273) 0,2,918 (Kg/m ).
s
Lưu lương hơi ra khỏi tháp: Qhd = ~~ = 943,18 (m3/h).
p h đ
Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp: Vhd = 25 (m/s).
s I 4~Qhl _ I 4.943,18 _ n i l c c
Đồ án quá trình thiết bị _ Nhĩm 3 33
Chương 3 Tính tốn - thiết kế tháp chưng cất CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
Chọn vận tốc chất lỏng vào nồi đun (chất lỏng tự chảy vào nồi đun): VL = 0,2 (m/s).
Đồ án quá trình thiết bị _ Nhĩm 3 34
❖Ồng dẫn chất lỏng ở đáy tháp:
Suất lượng chất lỏng vào nồi đun:
G’| = 4752,4 (kg/h).
Khối lượng riêng của chất lỏng chất lỏng vào nồi đun, tra tài liệu tham khảo
Chương 3 Tính tốn - thiết kế tháp chưng cất CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
♦> Ơng dân chất lỏng từ nồi đun (sản phâm đáy):
Suất lượng sản phẩm đáy: Gw = 2000 (kg/h).
Khối lượng riêng của sản phẩm đáy, tra tài liệu tham khảo [4] ở
tw= 108,3°c và xw=0,005: pw = 778,89 (kg/m3).
Lưu lương sản phẩm đáy: Qw - = 2,568 (m3/h).
Pw
Chọn vận tốc sản phâm đáy (chất lỏng tự chảy): V\v =0,12 (m/s).
Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy:
Tai treo và chân đỡ:
♦♦♦ Tỉnh trọng lượng của tồn tháp:
Khối lượng của một bích ghép thân: (thép X18H10T: PX18H10T = 7900 (kg/m3)).
m] = f ịD2 - D ,2) h . pX Ì8 W l o r = j.(o,98 2 - 0,85 2 >,0258 .7900 = 38,06 (kg). Khối lượng của một mâm: (thép X18H10T: PXIBHIOT = 7900 (kg/m3)).
Suy ra chọn đường kính ổng dẫn: dL= 0,10 (m).
Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích:
m4 = Sđáy .ỗđáy. Pxi8Hi0T = 0,92.0,003.7900 = 21,804 (kg).
Chương 3 Tính tốn - thiết kế tháp chưng cất CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
m3= J.(D2„g-D2
t).Hthén. pxl8HI0T=f .(o,856 ’ -0,85^7,235.7900 = 459,500 (kg).
Khối lượng của đáy (nắp) tháp:
Khối lượng của tồn tháp: m = 40.m|+20.m2+m3+2.m4=2138,428 (kg).
Suy ra trọng lượng của tồn tháp: p = m.g = 20977,98 (N). ♦♦♦ Chân đỡ tháp:
Chọn chân đỡ: tháp được đờ trên bổn chân. Tải trọng cho phép trên một chân:
Gc = 20977,98 = 0,5244.104 (N).
4
Bảng 3.7. Các kích thước của chân đõ’: (tính bằng mm)
♦♦♦ Tai treo:
Chọn tai treo: tai treo được gắn trên thân tháp đê giữ cho tháp khỏi bị dao động trong điều kiện ngoại cảnh. Ta chọn bốn tai treo, tải trọng cho phép trên một
Đồ án quá trình thiết bị _ Nhĩm 3 36
Chương 3 Tính tốn - thiết kế tháp chưng cất CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
Đe đảm bảo độ an tồn cho thiết bị, ta chọn: G( = 0,6.104 (N). Chọn tấm lĩt tai treo khi ghép vào thân cĩ kích thước sau:
+ Chiều dài tấm lĩt: H = 260 (mm).
Bảng 3.8. Các kích thước của tai treo: (tính bằng mm)
CHƯƠNG 4 TÍNH TỐN THIÉT BỊ TRUYỀN NHIỆT
- THIẾT BỊ PHỤ
4.1 Cân bằng năng lượng cho hệ thống
Cân bàng nhiệt lượng cho tồn tháp chưng cất:
QF + Qđ = Qw + QD + Qnt + Qm (IV. 1)
• Quí: nhiệt lượng ngưng tụ do hơi sản phẩm đinh ngưng tụ thành lỏng. Chọn hơi sản phâm đỉnh ngưng tụ hồn tồn thành lỏng.
Q„t = D.(R+1).MD . rD , (kJ/h).
(ẩn nhiệt hố hơi của sản phẩm đỉnh):
Tra tài liệu tham khảo [4], ở tD= 81,25°c ta cĩ:
Ân nhiệt hố hơi của benzen: rB = 392,64 (kJ/kg).
Ân nhiệt hố hơi của toluen: rT= 377,86 (kJ/kg).
. * o +(1 -XD ).rT= 392,64.0,94 + (1-0,94).377,86
= 391,75 (kJ/kg).
Chương 4 Tính tốn thiết bị truvển nhiệt — thiết bị phụ CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
độ chuẩn: t0 = 30°c.
2---= 69,15 c , tra tài liệu tham khảo [4], ta cĩ
Nhiệt dung riêng của benzen: CB= 1978,04 (J/kg.độ).
Nhiệt dung riêng của toluen: CT = 1936,6 (J/kg.độ)
= *»• .CB+(1-x* ).CT = 1938,26 (J/kg.độ)
Vậy: Qw= 2000 . 1938,26 .(108,3 - 30) = 303531,5(kJ/h).
• Í2D : nhiệt luợng do sản phẩm đỉnh mang ra từ bộ phận tách hồn lưu.
=D.MD .CD .(ÍD —10 ) ,(kj/h).
độ chuẩn: to = 30°c.
81,25 + 30
2---= ^^’^25 °c , tra tài liệu tham khảo [4], ta cĩ:
Nhiệt dung riêng của benzen: CB= 1907,03 (J/kg.độ)
Chương 4 Tính tốn thiết bị truvển nhiệt — thiết bị phụ CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
Ĩng truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 25x2, chiều dài ổng 1,5 (m)
Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ đầu: t| = 30°c, nhiệt độ cuối:
t2= 40°c.
Các tính chất lý học của nước làm lạnh được tra ở tài liệu tham khảo [4] ứng
t ị +t2
trung bình ttbN = —-— = 35 c
+ Nhiệt dung riêng: CN = 4,176 (kJ/kg.độ)
+ Khối lượng riêng: pN = 994,06 (kg/m3)
+ Độ nhớt động lực: pN = 0,7225.10'3 (N.s/m2)
+ Hệ số dẫn nhiệt: Ằ.N = 0,6257 (W/m.K)
a . Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Q
„, _ 1000410 ,78
°N = 3600 . cN. ( t2 - í,) “ 3600 .4,176 .(40 - 30) = 6’65 (kg/s) b . Xác định bề mặt truyền nhiệt :
Be mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Ftb= 1TẾĨ~ >(m2) (IV.2)
log
N JUN 0,7225,10“3
aN = dlr ~ Prv0,25.0,021 " Prv°’ 5
Chương 4 Tính tốn thiết bị truvển nhiệt — thiết bị phụ CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
+ CÍR : hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m2.K) + Zrt: nhiệt trở của thành ổng và lớp cáu * Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: Chọn vận tốc nước đi trong ống: VN= 0,75 (m/s). Số ống trong một đường nước:
G.v 4 _ 6,65 4 _2 5 7 5 ;
Tra bảng V.II trang 48 tập 2, chọn n = 37 ống v„ =
4G,V = 4.6,65 = 0 52
Chuân sơ Reynolds
R v,vA-Pv 0,52.0,021.994,06 thức xác định chuẩn số Nusselt cĩ dạng:
Nu„ = 0,021 .í,.Re /'8 Pr/'4J
- 15024 ,4 > 104 : chế độ chảy rối, cơng Trong đĩ:
+ Ep hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính
L _ i,5
= 15024,4 và J 0 021 > DU ’ n®n E' •
+ PrN : chuân số Prandlt của nước ớ 35°c, nên PrN = 5.
+ Prw : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách.
A/ = 137’7
Suy ra: yvMv p 0,25 Nhiệt tải phía nước làm lạnh:
4102,8 .
IN =<*N\K2 -t,bN)= 0.25 ^2-35) (W/m2) (IV.4).
Á,
aR - £lb •a\
Chương 4 Tính tốn thiết bị truvển nhiệt — thiết bị phụ CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
Với tW2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống). * Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
Trong đĩ:
+ tw) : nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu (ngồi ống). + = , + r x + r 2
Be dày thành ổng: 5t= 2 (mm).
Hệ số dẫn nhiệt của thép khơng gỉ: Ằt = 16,3 (W/m.K) Nhiệt trở trung bình của lĩp bẩn trong ống với nước sạch: r, = 1/5000 (m2.K/W)
Nhiệt trở lớp cáu ngồi ống: r2= 1/5800 (m2.K/W)
Suy ra: Sr, = 4,95.10‘4 (m2.K/W).
Vậy:qi = 4,95.10-4(twi -tw2) (IV.5)
* Hệ số cấp nhiệt của hơi ngùng tụ:
Tra hình V.20, trang 30 [5], hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống và số ống trên mồi dãy thẳng đứng là: etb = °’72 (vì xếp xen kẽ và số ống trong mồi dãy thẳng đứng là 7 ổng).
Ẩn nhiệt ngung tụ: rR = rD = 391,75 (kJ/kg)
Nhiệt tải ngồi thành ống:
qR = aR.(8 l,25-twi) = A.(81,25-twl)0-75 (IV.6).
Từ (IV.4), (IV.5), (IV.6) ta dùng phương pháp lặp đế xác định tW|, tw2 :
Đồ án quá trình thiết bị _ Nhĩm 3 42
at = 0,725.
Chương 4 Tính tốn thiết bị truvển nhiệt — thiết bị phụ CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
Chon: twl = 50,7°c
Các tính chất lý học của rượu ngưng tụ được tra ở tài liệu tham khảo [4] ứng
t £)+/ I 78,5 + 50,7 với nhiệt độ trung bình ttbD = —2— =---2---=
Từ (IV.6): qR = 601,259.(81,25-50,7)= 18368,472 (W/m2). 50,7 + 41,608
= 46,154 °c Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], Prw = 4
Từ (IV.4): qN = 4’8 -(41,608 - 35) = 19169 ,44 (W/m2). Kiêm tra sai số:
\ qN - q R I 119169 ,44 - 18368 ,472 I £ = - --- 18368 ,472 ---=4’18% < 5% : thoả' Vậy: twl = 50,7°c và tw2 = 41,608°c. Khi đĩ: aN = 2901 ,118 (W/m2.°C). aR = 601,259 (W/m2.°C). K =---]---= 399,54 Đồ án quá trình thiết bị _ Nhĩm 3 43
Chương 4 Tính tốn thiết bị truvển nhiệt — thiết bị phụ CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
L' =
15,43
Chọn L’= 6 (m)
Số ống trên đường chéo: b = 7 (ống)
Tra bảng trang 21, [3] => Bước ống: t = 32 (mm) = 0,032 (m) /. 1. ỉ Áp dụng cơng thức (V. 140), trang 49, [6]:
=> Đường kính trong của thiết bị: D = t.(b-l) + 4dng = 0,3 (m)
Vậy : Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống gồm n = 37 (ống), dài L= 6 (m).
4.2.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Ơng truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T
Chọn: + Nước làm lạnh đi trong ống 38x3 (ống trong) với nhiệt độ đầu: ti =
30°c, nhiệt độ cuối: t2 = 40°c.
+ Sản phẩm đỉnh đi trong ống 57x3 (ống ngồi) với nhiệt độ đầu: tD =
81,25°c, + Nhiệt dung riêng: nhiệt độ cuối: t’D = 35°c.CD= 1,918 (kJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: pD = 837,56 (kg/m3)
GN=C„.(Í2 -í,) ~ 4,176.(40 -38) = °’295 (kỗ/s)
Chương 4 Tính tốn thiết bị truvển nhiệt — thiết bị phụ CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
a . Suât lượng nước cân dùng đê làm mát sản phâm đỉnh:
GD = 500 (kg/h) = 0,1389 (kg/s)
Lượng nhiệt cần tải:
b . Xác đinh bề măt truyền nhiêt
Be mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt: Với: + K : hệ số truyền nhiệt.
+ Atiog : nhiệt độ trung bình logarit.
• Xác định Atloơ :
AV=(8'-255 ^°L(!L30> =17.18
Ln 81,25 - 40 35 -30
• Xác định hệ số truyền nhiệt K
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:
K = 1
J_ + 2>I+J_ ,(W/nr.K) (IV.8).
a N a n
: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2.K). + CÍD : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (W/m2.K).
VĐ ~~ pD ■ 7ĩ.{D2,r-d2„g). ~ 837,56 /z\(0,0512 -0,0382) 0,182 nQ Q13 n8337,56 = 5081,2 C I O 4: chế độ chảy quá độ, D ẴD 0,1357 5,5 Rrivl
Chương 4 Tính tốn thiết bị truvển nhiệt — thiết bị phụ CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
_G
JL 4 0,1389 _________4________
Đường kính tương đương: dtd = Dtr -dng = 0,051 - 0,038 = 0,013 (m)
JUD 0,39.10
Nu ko.£l.PvD0Ai .( D \ 0,25
Pr.
i : hệ sổ hiệu chỉnh phụ thuộc tỷ lệ chiều dài ổng với đường kính ống, chọn £| =1.
: chuân số Prandlt của sản phâm đỉnh ớ 58,125°c, nên
pr = M p - C p = 0,39■ 10 ~ 3 . 1918 =
+ Prwl : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ trung bình của vách. 50,426
0,25
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống ngồi:
NU
D . Ả D _ 50,426.0,1357 _ 526,37 Nhiệt tải phía sản phâm đỉnh:
525 37
<?D = aD.(t,bD - Ci) = p 0,25 (58,125 -twỉ) (W/m2) (IV.9).
| : nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đỉnh (ngồi ống nhỏ). * Nhiêt tái qua thành ống và lĩp cáu:
wl C’2 ______
=-ỵ^- ,(W/m2).
Á,
N pN'ĩĩ.d2,r 994,06 v.0,0322 ’ (m/s)
Chương 4 Tính tốn thiết bị truvển nhiệt — thiết bị phụ CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
Trong đĩ:
+ tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống nhỏ).
V
+ ỵ r
/= i + T+ r2
Be dày thành ống: ơt= 3 (mm).
Hệ số dẫn nhiệt của thép khơng gỉ: Ảt = 16,3 (W/m.K).
Nhiệt trở trung bình của lớp bấn trong ống với nước sạch: r, = 1/5000 (m2.K/W).
Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2= 1/5800 (m2.K/W). Suy ra: Sr, = 5,56.10‘4 (m2.K/W). Vậy qt = 1838,768 . (tw,-tw2) (IV. 10). _ G N 4 0,295 4 Chuẩn số Reynolds : Re V v,v d , r . p N _ 0,37.0,032.994,06 p N 0,7225.10 16290 ,2 > 10
4 : chế độ chảy rối, cơng
0.8 r»„ 0.43 / Pr.v NO.25
NUN = 0,021.6,.Re/'° Prv .(-^)
Pr. Trong đĩ:
+ S| : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống: RCN = 16290,2
chọn S| =1
+ PrN : chuân số Prandlt của nước ớ 35°c, nên PrN = 5.
an = 6 01o,25 = 33637 (W/m2.°C)
Chương 4 Tính tốn thiết bị truvển nhiệt — thiết bị phụ CBHD: Vũ Tnrờng Sơn
NU
N . ẮN _ 146,91.0,6257 _ 2872,55 “N=d„ ~ Pr,,0'25.0,032 “ PrJ-2i
Chon: t.,1 =41.1 °c
Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh được tra ở tài liệu tham khảo [4] ứng với nhiệt độ tW|=41,l°C:
+ Nhiệt dung riêng: CR= 1804,929 (J/kg.độ).
+ Độ nhớt động lực: pR = 0,461.10 3 (N.s/m2).
+ Hệ số dẫn nhiệt: V= 0,1384 (W/m°K).
Xem nhiệt tải mất mát là khơng đáng kể: qt = qD = 5723,32 (W/m2).
t w l + t w 2 42,65 + 36,069 39,360 °c Tra tài liệu tham khảo [4], Prw2 = 4,5