2. GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP ĐƯỢC CHƯNG LUYỆN:
4.1 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU
Đối với quá trình chưng luyện, để nâng cao hiệu quả làm việc thì hỗn hợp đầu đưa vào ở trạng thái lỏng sôi nhằm tạo sự tiếp xúc tốt giữa 2 pha lỏng – hơi. Điều này được thực hiện nhờ thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu.
Ta giả thiết dung dịch đầu có nhiệt độ ban đầu là 25C, cần đun nóng tới nhiệt độ sôi của hỗn hợp là t = 72,63C. Để đun nóng hỗn hợp đầu ta dùng thiết bị gia nhiệt loại ống chùm kiểu đứng, dùng hơi nước bão hòa ở 2 at để đun sôi hỗn hợp.
Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm thẳng đứng với các thông số: Chiều cao ống: h = 2 (m)
Đường kính ống: d = 25 (mm) Chiều dày thành ống: δ = 2,5 (mm) Đường kính trong của ống là: d = 20 (mm) Dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống. Chọn vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T
Theo XII.7 (Sổ tay II – 313), hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là: λ = 16,3 (W/m.độ)
4.1.1. Tính hiệu số nhiệt độ trung bình
Nhiệt độ vào của dung dịch là t = 25C
Nhiệt độ ra của dung dịch là t = t = t = 72,63C
L B1
Hơi đốt là hơi nước bão hòa nên nhiệt độ không thay đổi và là nhiệt độ sôi ở áp suất đã chọn (2 at) : 119,6C =>
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể tích theo công thức: Δ\a\ac\vs0( = \f(Δt,Δt\f(Δt-Δt,ln = =68,02C
Vậy nhiệt độ trung bình của dung dịch là: t = 119,6 – 68,02= 51,58C
4.1.2. Tính lượng nhiệt trao đổi
Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu từ nhiệt độ 25C đến nhiệt sôi của hỗn hợp đầu 72,63C, tính theo công thức: Q = m.C.(t - t) (J/s) Trong đó: m: Lượng dung dịch đưa vào (kg/s) m = F = 5870kg/h=1,6305 (kg/s)
t1: nhiệt độ đầu của dung dịch, oC; t1= 25oC t2 : nhiệt độ cuối của dung dịch, oC; t2= 72,63oC
C: Nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.độ) ở t = 48,81 Nội suy theo bảng I.153 và I.154 (Sổ tay I - 171) ta có: CCH3OH = 2709,78(J/kg.độ); CC2H5OH = 2824,53 (J/kg.độ) Nồng độ đầu hỗn hợp là: a = 32,8% C = C.a+C.(1 - a) = 2709,78.0,328+ 2824,53.(1 - 0,328) = 2223,26 (J/kg.độ) t, t : Nhiệt độ vào và ra của dung dịch (C) Vậy : Q = 1,6305.2223,26.( 72,63- 25) = 172607,014 W
4.1.3. Tính hệ số cấp nhiệt.
Quá trình truyền nhiệt gồm 3 phần:
• Cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa cho thành ống truyền nhiệt: q =
α : Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (Wm.độ)
Δ\a\ac\vs0( : Hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và thành ống tiếp xúc với với hơi đốt
Δ\a\ac\vs0( = t - t\a\ac\vs0(
• Dẫn nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với hơi sang thành ống tiếp xúc với lỏng (dẫn nhiệt qua 1m thành ống) Lượng nhiệt của quá trình này:
q = \f(1,Σr .Δt (W/m)
Σ r : Tổng nhiệt trở của thành ống (m.độ/W)
Δt = t\a\ac\vs0( - t\a\ac\vs0( : Hiệu số nhiệt độ giữa hai phía thành ống (C)
t\a\ac\vs0( , t\a\ac\vs0( : Nhiệt độ hai phía thành ống Cấp nhiệt từ thành ống phía tiếp với pha lỏng cho
hỗn hơi lỏng q = α.Δt
α : Hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m.độ) Δt = t\a\ac\vs0( - t
a. Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy
Chuẩn số Re của dung dịch
- ω: vận tốc dòng chảy trong ống, m/s - d: đường kính trong của ống, m
- ρ: khối lượng riêng của dung dịch ở nhiệt độ trung bình, kg/m3 - μ: độ nhớt của dung dịch ở ttb, Ns/m2
để quá trình truyền nhiệt đạt hiệu quả, dung dịch phải ở chế độ chảy xoáy Re>10000, ω>0,5 m/s. Chọn Re = 10500.
Hệ số cấp nhiệt α được tính theo công thức:
Pr : chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình của tường còn các thông số khác tính theo nhiệt độ trung bình dòng.
εk:: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính ống. dựa vào bảng (1.3 – tr 25- qttb tập 3) ta có:
tính chuẩn số Pr theo công thức:
Trong đó: Cp- nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở ttb; μ – độ nhớt của hỗn hợp ở ttb; λ- hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp ở ttb;
- ρ: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3; - M: khối lượng mol của chất lỏng, kg/kmol;
- ε: hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng, đối với nước và etylic là chất lỏng kết hợp với nhau thì ε= 3,58.10-8.
Tại nhiệt độ ttb= 51,58 oC nội suy theo bảng (I.153- tr 171 st I) Ta có nhiệt dung riêng của hỗn hợp là:
CCH3OH= 2722,11J/kg.độ CC2H5OH= 2860,51J/kg.độ
Tại nhiệt độ ttb= 51,58oC nội suy theo bảng (I.2-tr9- ST I), thì khối lượng riêng của chất lỏng là: ρCH3OH= 763,578 kg/m3, ρC2H5OH761,578 kg/m3
Vậy hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng là:
Tại nhiệt độ ttb= 51,58oC nội suy theo bảng (I.101-tr91,92 –ST I) ta xác định độ nhớt của chất lỏng là:
Vậy :
Tính chuẩn số Prt:
b. Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ đối với ống chùm:
(W/m2.độ) [V.101-tr28-II]
A: hệ số phụ thuộc màng nước ngưng.
r: ẩn nhiệt nước ngưng, J/kg.độ r= 2208. 103 J/kg H: chiều cao ống chùm: H=ho= 2 m
∆t1: hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và hơi ngưng tụ mặt ngoài ống,
+ th: nhiệt độ hơi bão hòa
+ tT1: nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ
Giả sử độ chênh lệch nhiệt độ giữa hơi bão hòa và hơi ngưng tụ là: ∆t1= 4,7oC
Nhiệt độ màng:
Theo bảng số liệu A-tm (II-tr29) nội suy ta có: A= 186,7625 Vậy hệ số cấp nhiệt ngưng tụ là:
Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
Hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt thành ống là:
tT2: nhiệt độ thành ống phía dung dịch lỏng, oC
∑rt: nhiệt trở hai bên ống truyền nhiệt, m2.oC/W Tổng nhiệt trở thành ống:
δ: bề dày của ống truyền nhiệt, chọn δ = 2mm=0,002m
λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/m.độ. với thép X18H10T có hệ số dẫn nhiệt: λ=16,3 W/m.độ dựa vào bảng PL.12-tr 346- TTQTTB tập 1 ta chọn :
+ rt1=0,464.10-3 m2.độ/W . + rt2= 0,116.10-3 m2.độ/W.
Vậy
tại tT2=87,19836oC nội suy theo bảng (I.153- tr 171 st I) Ta có nhiệt dung riêng của hỗn hợp là:
CCH3OH= 2897,791 J/kg.độCC2H5OH= 3527,9754 J/kg.độ
Tại nhiệt độ ttb= 87,19836oC nội suy theo bảng (I.2-tr9- ST I), thì khối lượng riêng của chất lỏng là: ρCH3OH= 728,081 kg/m3, ρC2H5OH= 728,16156 kg/m3
Tại nhiệt độ ttb= 87,19836oC nội suy theo bảng (I.101-tr91,92 –ST I) ta xác định độ nhớt của chất lỏng là:
μCH3OH=0,42385.10-3 N/s.m2, μC2H5OH=0,39577.10-3 N/s.m2
Xét: Vậy giả sử ∆t=4,7oC là đúng. Do đó qtb được xác định: [V.2.tr3-ST II] K : hệ số truyền nhiệt, W/m2.độ c. xác định bề mặt truyền nhiệt 1. Số ống truyền nhiệt
Dựa vào bảng ( V.11-tr48- ST II), ta quy chuẩn và chọn tổng số ống với cách sắp xếp theo hình lục giác là n= 37 ống.
Số ống trên mỗi cạnh của hình 6 cạnh là: 3 ống Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: 7 ống
Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phấn : 37 ống
2. Đường kính trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
t: bước ống, thường lấy t= (1,2÷1,5).dn ;
dn : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m ; b : số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh ; vậy :
D= 1,2.0,025.(7- 1)+ 4. 0,025 = 0,28 m.
Quy chuẩn đường kính D= 0,3m = 300mm. 3. Tính lại vận tốc và chia
ngăn Xác định vận tốc thực :
- n = 37 ống - d = 0,02 m
ρ : khối lượng riêng dung dịch ở t = ttb= 51,58oC
Xác định vận tốc giả thiết :
Nên ta cần phải chia số ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ xoáy : • Số ngăn :
Quy chuẩn m= 2 ngăn
• Tính lại chuẩn số Reynolds :
Vậy kích thước của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu là : F = 30 m2 – bề mặt truyền nhiệt ;
N= 37 ống – số ống truyền nhiệt ;
D= 300 mm – đường kính trong của thiết bị ; H= 2m – chiều cao giữa hai mặt bích;
4.2. TÍNH BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ
Sơ đồ bơm và thùng cao vị Ký hiệu:
H : Chiều cao tính từ mặt thoáng của bề chứa dung dịch đến mặt thoáng thùng cao vị (m)
H : Chiều cao tính từ đáy tháp đến đĩa tiếp liệu (m) H : Chiều cao tính từ nơi đặt bơm đến đáy tháp (m)
Z: Chiều cao tính từ đĩa tiếp liệu đến mặt thoáng thùng cao vị (m) Trong quá trình sản xuất, muốn tính toán đưa hỗn hợp đầu lên thùng cao vị, đảm bảo yêu cầu công nghệ cần phải tính các trở lực của các đường. ống dẫn liệu của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu từ đó tính chiều cao của thùng cao vị so với vị trí tiếp liệu của tháp và xác định công suất, áp suất toàn phần của bơm.
ΔP = ΔP + ΔP + ΔP + ΔP + ΔP + ΔP (Sổ tay I - 376)
ΔP : Áp suất động học hay áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy khi ra khỏi ống dẫn
ΔP : Áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng ổn định trong ống thẳng
ΔP : Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ
ΔP : Áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất thủy tĩnh
ΔP : Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị ΔP : Áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn
Trong thiết bị chưng luyện tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền thì ΔP = ΔP = 0
3.2.1 Tính các trở lực từ thùng cao vị đến thiết bị truyền nhiệt a- tính áp suất động học
(I-377)(N/m2 )
: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3 : vận tốc của lưu thể (m/s)
Hỗn hợp đầu vào tháp ở tF =250C có: = 787,5kg/m3 )
=784,75 (kg/m3 )
Tốc độ trung bình của lưu thể đi trong ống dẫn liệu có d=150(mm) ,
ω ==0,059(m/s)
Vậy : ΔPd=1,36(N/m2) b-áp suất khắc
khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng
N/m2
: hệ số ma sát( phụ thuộc vào chế độ chảy) L: chiều dài ống dẫn(m)
: đường kính tác dụng của ống (m) Với d=dtd =0,15m
Với =0,059 (m/s) ,
*Tính độ nhớt của dung dịch: lg tại t=250C nội suy theo ( I.91) ta được:
=0,095.10(Ns/m) =0,2051.10(Ns/m)
Re= =33900,11>10-4 chế độ chảy trong ống là chế độ chảy xoáy *Hệ số trở lực ma sát: (I-380)
Trong đó :-độ nhám tương đối được xác định theo công thức := là độ nhám tuyệt đối của ống dẫn=0,1.10(m) d :đường kính tác dụng của ống d=0,15(m) Vậy ==0,67.10 Thayvàocôngthức trêncó =0,0246 Vậy :ΔРm=0,0246.=2,69(N/m2) c-Tính áp suất để khắc phục trở lực cục bộ Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ
. : hệ số trở lực cục bộ *Trở lực cục bộ của đoạn ống gồm: Trở lực vào ống có (đột thu) : d : đường kính ống dẫn liệu d =0,15(m) d : chọn thùng cao vị có đường kính là 1(m) Ta có = 0,0224
Tra sổ tay tập I-388 ta có : =0,45
Trở lực của ba trục khuỷu 900 : ξ2= 3.1,1 = 3,3
Một van tiêu chuẩn với đường kính ống dẫn liệu d=0,15m có :ξ3=4,5 Từ ống dẫn vào thiết bị gia nhiệt ( đột mở) :
ξ4 = 1
ξ = ξ1+ξ2+ξ3+ξ4 = 9,25 C = =12,717 (N/m2) ΔP
Nên áp suất toàn phần cần thiết để thắng trở lực trong ống dẫn từ thùng cao vị tới thiết bị gia nhiệt :
ΔРt= 16,767(N/m2)
Chiều cao cột chất lỏng tương ứng là : H==0,00217(m)
3.2. 2- Trở lực của ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt tới tháp ở đĩa tiếp liệu:
a. tính áp suất động học (I-
377)(N/m2 )
: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3 : vận tốc của lưu thể (m/s)
= 743,37 (kg/m3 ) = 742,0015 (kg/m3 ) =742,45 kg/m
Tốc độ trung bình của lưu thể đi trong ống dẫn liệu có d=150(mm) ,
ΔPd=1,29(N/m2)
b- áp suất khắc phục trở lực do ma sát
Áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng
N/m2
: hệ số ma sát( phụ thuộc vào chế độ chảy) L: chiều dài ống dẫn = 3(m)
: đường kính tác dụng của ống = 0,15(m)
Với =0,059(m/s) ,
*Tính độ nhớt của dung dịch: lg
Tại t=72,630C nội suy theo ( I.101- trang 91) ta được: µA=0,334.10-3(Ns/m2) µB=0,492.10-
3(Ns/m2) µhh=0,426.10-3(Ns/m2) Re=16321,194>104 chế độ chảy trong ống là chế độ chảy xoáy *Hệ số trở lực ma sát:
(I-380)
Trong đó :-độ nhám tương đối được xác định theo công thức := là độ nhám tuyệt đối của ống dẫn=0,1.10(m)
Vậy ==0,67.10 Thayvàocôngthức trêncó =0,0284 Vậy : =0,776(N/m2) ΔPm= c-Tính áp suất để khắc phục trở lực cục bộ Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ . : hệ số trở lực cục bộ *Trở lực cục bộ của đoạn ống gồm: Trở lực vào ống có : d : đường kính ống dẫn liệu d =0,15(m) d : đường kính thiết bị gia nhiệt d2 =1,1 (m) Ta có
Tra sổ tay tập I-388 ta có : =1
Trở lực của một khuỷu 900 do 3 khuỷu 300 tạo thành ξ2 = 1,1 Một van tiêu chuẩn với đường kính ống dẫn liệu d=150mm có : =4,5 Trở lực ra khỏi ống :
ξ4= 1
ξ = ξ1+ξ2+ξ3+ξ4 = 7,6 ΔPC = = 10,39(N/m2) Nên áp suất toàn phần cần thiết để thắng trở lực trong ống dẫn từ thiết bị
gia nhiệt hỗn hợp đầu tới đĩa tiếp liệu :
ΔPt= ΔPd+ ΔPm+ ΔPC=12,456
Chiều cao cột chất lỏng tương ứng là : H2=0,0016(m)
3.2.3-Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Thiết bị có 2 ngăn, với 37 ống đun nóng 1,6055kg/s từ 250C tới 72,630C
a. trở lực động học
Tốc độ lưu thể trung bình đi trong ống Mà (m3/s)
Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là
Tại ttb =48,810C →p=767,72(kg/m3) ω ===0,117(m/s)
đường kính ống của thiết bị gia nhiệt , phần trước ta đã chọn d= 0,035m
số ống của thiết bị gia nhiệt n= 37 ống số ngăn của thiết bị gia nhiệt m=2 ngăn Do đó:
ΔPd=5,25(N/m2)
c- áp suất khắc phục trở lực do ma sát
mỗi ngăn cao 1,5m, L = 7,5 m dtb= 0,035m ω = 0,117m/s
767,72(kg/m) µhh=0,428.10- 3(Ns/m2)
Re=31480,107
hệ số được tính theo công thức sau:
Trong đó :-độ nhám tương đối được xác định theo công thức := là độ nhám tuyệt đối của ống dẫn=0,1.10(m) d:đường kính tác dụng của ống d=0,035(m) Vậy ==2,857.10 Thayvàocôngthức trên có λ= 0,0298 y: Vậ c-Tính áp suất để khắc phục trở lực cục bộ Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ .
Có : tiết diện cửa vào thiết bị gia nhiệt bằng tiết diện cửa ra =f1 (m2)
(đường kính ống dẫn d=0,15 m
Tiết diện khoảng trống 2 đầu thiết bị gia nhiệt đối với mỗi ngăn
D: đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, D= 1,1 m Tiết diện ống truyền nhiệt của mỗi ngăn , d=0,035m : đường kính truyền nhiệt - ở cửa vào:
Khi dòng chảy từ khoảng trống 2 đầu thiết bị vào các ngăn của thiết bị (có 8 ngăn
0,443
=>ξ2= 8.ξ’2= 3,544
- khi dòng chảy từ ống truyền nhiệt ra các khoảng trống đột mở
ξ3= 5.ξ3’ = 3,2
- khi dòng chảy ra khỏi thiết bị thì đột thu 0,4649
- khi chất lỏng chảy từ ngăn này sang ngăn kia đổi chiều 90C 4.1,1=4,4
Trở lực đổi chiều là:ΔPd=152,092 Vận tốc dòng chảy tại cửa vào và ra là: ω ==0,118(m/s)
Hệ số trở lực ở cửa vào và ra là : ξ14= ξ1 + ξ4 = 1,2301 Trở
lực tại cửa vào và ra là : ΔPω=35,92(N/m2)
Trở lực tại các điểm còn lại là: ΔPC=ξ3+ ξ2.=22,14(N/m2)
VậyTổng trở lực của dòng qua thiết bị là:
PĐ + Pm +Pac+P’ac + Pđc = 278,175 (N/m2) Có chiều cao cột chất lỏng 3 ==0,0369(m) H Tổng chiều cao: H= H1 + H2 + H3 = 0,00217+0,0016+0,0369=0,0407(m)
3.2.5-Chiều cao thùng cao vị và năng suất của bơm
Ta có phương trình Becluli cho mặt cắt 1-1, 2-2 , so với mặt chuẩn 0-0
Coi chất lỏng chảy từ thùng cao vị ( mặt cắt 1-1) (1)
Trong đó
H1: chiều cao chất lỏng so với đĩa tiếp liệu H2: thế năng của đĩa tiếp liệu (= 0) ω1: vận tốc chất lỏng trong thùng cao vị (=0)
ω2: vận tốc chất lỏng đi trong ống dẫn vào đĩa tiếp liệu (= 0,293) Pa: áp suất khí quyển
ρ1: khối lượng riêng của dung dịch trước khi gia nhiệt
P=P=0,98.105 (N/m2) =767,72 (kg/m3) ρ2 : khối lượng riêng của dung dịch sau khi gia nhiệt ở90,50C ρ2=785,64 (kg/m3) hm: = 0,0467m z+=++0,0407 z=8,07 m
Vậy chiều cao của thùng cao vị: H = 8 m
2. Xác định trở lực ống từ thùng chứa dung dịch đầu tới thùng cao vị.