2. GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP ĐƯỢC CHƯNG LUYỆN:
3.3. CHỌN MẶT BÍCH
Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như các bộ phận khác với thiết bị
Có nhiều kiểu bích khác nhau, nhưng do tháp làm việc ở áp suất thường nên ta chọn kiểu mặt bích liền bằng thép loại 1 để nối đáy, nắp… với thân.
3.3.1. Chọn mặt bích để nối thân tháp và nắp, đáy
Ta dùng mặt bích liền bằng thép không gỉ kiểu 1, (XIII.27 - T II - 417)
Mặt bích liền bằng thép không gỉ, với đường kính tháp: Dt= 2,2m, áp suất tính toán P=0,165266.10-6 N/m2 Theo bảng XIII.27-421-II ta có
Đường kính, D t , m Chiều dày S,mm Chiều cao gờ h,mm Chiều cao phần lồi h b , mm Bề mặt trong F,m 2 V.10 -3 m 3 Đường kính phôi, mm 2 ,2m 10 mm 40 mm 0 ,55m 5 ,53m 2 1991 2900
Tra bảng IX.5 trang 170 sổ tay tập 2 ta có: khoảng cách giữa 2 bích liên tiếp là 2m. vậy số bích để nối thân thiết bị là: n = 19,7 : 2 = 9,85, ta chọn số bích n = 10
3.5. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN
Chọn vật liệu ống dẫn cùng loại vật liệu đáy tháp. Đường kính các ống dẫn và cửa ra vào tính theo công thức d = \f(V, (m)
Trong đó:
V : Lưu lượng thể tích (m/s) ω : Tốc độ lưu thể (m/s)
3.5.1.Đường kính ống chảy chuyền
Đường kính ống chảy truyền đã tính ở trên d = 0,22 m, d = 0,23 m Khoảng cách từ chân đĩa đến ống chảy chuyền : S = 0,25.d
Đoạn luyện: S = 0,25. 0,22 = 0,055(m) Đoạn chưng: S = 0,25.0,23 = 0,0575(m)
3.5.2.Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp
Lượng hỗn hợp đầu vào tháp là F = 5870kg/h Nhiệt độ của hỗn hợp đầu t =72,63C
Khối lượng riêng của metylic và etylic (bảng I.2, sổ tay T1 tr 9) t=72,63oC ρC2H5OH = 771,52 (kg/m); ρCH3OH =743,37 (kg/m) =>Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu là:
Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu là: V = \f(F,3600.ρ = = 2,14.10 (m/s) P y .10 6 D t D D b D 1 D o h Bu-lông N/m 2 d b Z 3 0 , ( mm ) ( cái ) 2350 2200 2260 2215 40 25 M27 56
Chọn tốc độ hỗn hợp đầu là ω = 0,25 (m/s) Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu là: d= =0,104(m)
Quy chuẩn d = 0,1 (m) = 100 (mm)
Theo bảng XIII.32 (T II - 434), chiều dài đoạn ống nối là:l = 120 (mm) Tốc độ thực tế của hỗn hợp đầu: ω = \f(V, = = 0,272(m/s) 3.5.3. Đường kính ống dẫn hơi đỉnh tháp. Lượng hơi đỉnh tháp là g = 12573,72 (kg/h) M = 34,17 (kg/kmol)
Nhiệt độ của hơi đỉnh tháp t = 66,45C Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp: ρ = \f(M.T, = = 1,226(kg/m)
=> Lưu lượng thể tích của hơi đỉnh tháp là: V = \f(g,3600.ρ = = 2,849(m/s) Chọn tốc độ hơi ở đỉnh tháp là ω = 25 (m/s) Đường kính của ống dẫn hơi đỉnh tháp là: d = = 0,381(m)
Quy chuẩn: d = 0,4 (m) = 400 (mm)
Theo bảng XIII.32 (T II - 434), chiều dài đoạn ống nối là :l = 150 (m)
Tốc độ thực tế của hơi đỉnh tháp:
ω = \f(V, = = 50,069 (m/s)
3.5.4. Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy. Nhiệt độ của hỗn hợp đáy t = 77,95C
Khối lượng riêng của metylicvà etylic ρC2H5OH = 767,53 (kg/m); ρCH3OH = 738,05(kg/m) =>Khối lượng riêng của hỗn hợp đáy là:
=> Lưu lượng thể tích của sản phẩm đáy là: V = \f(W,ρ = = 1,26.10 (m/s)
Chọn tốc độ sản phẩm đáy là : ω = 0,25 (m/s) Đường kính của ống dẫn sản phẩm đáy là: d = = 0,0812 (m)
Quy chuẩn d = 0,08 (m) = 80 (mm)
Theo bảng XIII.32 (T2 - 434), chiều dài đoạn ống nối là :l = 110 (mm)
Tốc độ thực tế của sản phẩm đáy là:
ω = \f(V, = = 0,16(m/s)
3.5.5.Đường kính ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu
Lượng hơi ngưng tụ hồi lưu là G = G.R=10188,72 (kg/h)
Nhiệt độ của hơi ngưng tụ hồi lưu là t = t =
66,45C => Khối lượng riêng của nước và etylic: ρC2H5OH = 776,1625(kg/m); ρCH3OH = 749,55(kg/m) =>Khối lượng riêng của hỗn hợp hồi lưu đỉnh là:
Lưu lượng thể tích của hơi ngưng tụ hồi lưu là: V = \f(G,ρ = = 3,753.10-3 (m/s)
Chọn tốc độ hơi ngưng tụ hồi lưu là ω = 0,25 (m/s) Đường kính của ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu là:
d = = 0,138(m)
Quy chuẩn d = 0,15 (m) = 150 (mm)
Theo XIII.32 (T2 trang 434), chiều dài đoạn ống nối là : l = 130 (mm)
Tốc độ thực tế của hơi ngưng tụ hồi lưu:
ω = \f(V, = = 2,83. (m/s)
3.5.6. Đường kính ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu.
Lượng hơi sản phẩm đáy hồi lưu là g = (kg/h) Nhiệt độ của hơi sản phẩm đáy hồi lưu t = 77,95C Khối lượng riêng của hơi ở đáy: ρ = \f(M.T, = = 1,5(kg/m)
=> Lưu lượng thể tích của hơi sản phẩm đáy hồi lưu là: V = \f(g,ρ = = 3,27(m/s)
Chọn tốc độ hơi sản phẩm đáy hồi lưu là: ω = 25 (m/s) Đường kính của ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu là: d =
= 0,408 (m)
Quy chuẩn : d = 0,4 (m) = 400 (mm)
Theo bảng XIII.32 (T2 - 434), chiều dài đoạn ống nối là : l = 150 (mm)
Tốc độ thực tế của hơi sản phẩm đáy:
ω = \f(V, = = 26,035m/s)
Ta dùng kiểu mặt bích bằng kim loại đen.Theo bảng XIII.26 (II - )409 ta có bảng bích cho các loại ống với áp suất 0,25.10 N/m
Tên các ống Dy Dn D Dδ D1 db h z mm C¸i Sản phẩm đỉnh 400 426 535 495 465 M20 22 16 Hồi lưu sản 150 159 260 225 202 M16 16 8 phẩm đỉnh Ống dẫn liệu 100 108 205 170 148 M16 14 4 Sản phẩm đáy 80 89 185 150 128 M16 14 4 Hồi lưu đáy 400 426 536 495 465 M20 22 16
3.6. TÍNH VÀ CHỌN GIÁ ĐỠ, TAI TREO
Thường người ta không đặt trực tiếp thiết bị lên mà phải có tai treo hay chân đỡ (trừ trường hợp ngoại lệ). Muốn xác định giá đỡ và tai treo cần phải xác định được khối lượng của toàn thiết bị.
3.6.1. Tính khối lượng toàn bộ tháp
Để tính toán khối lượng toàn thiết bị người ta tính khối lượng tháp khi cho nước đầy tháp, và khối lượng của tháp khi không có nước. G = G + G + G + G
+ G + G + G (kg) Trong đó:
G : Khối lượng thân tháp trụ (kg) G : Khối lượng nắp và đáy tháp (kg) G : Khối lượng bích (kg)
G : Khối lượng bu lông nối bích (kg) G : Khối lượng đĩa lỗ trong tháp (kg) G : Khối lượng ống chảy truyền (kg)
G : Khối lượng chất lỏng điền đầy tháp (kg)
a. Khối lượng thân tháp trụ:
Khối lượng riêng của vật liệu làm thân tháp là ρ = 7900 (kg/m) Đường kính trong của thân tháp: Dt=2,2m
Chiều dày thân tháp S = 8 (m) Chiều cao tháp : Ht= 19,7m - Vth: thể tích của thân tháp, m3
Dn, Dt: đường kính ngoài và trong của tháp Dn= 1,2+ 2. 0,003= 2,206 m
Dt= 2,2 m
b.Khối lượng nắp và đáy tháp
Khối lượng của đáy (nắp): m=79 kg Khối lượng nắp và đáy tháp là:
G = 79.2 = 158 (kg)
c. Khối lượng bích
Theo các thông số của bích đã chọn:
- Đường kính trong của bích : Dt= 2,3 (m) - Đường kính ngoài của bích Dn= 2,35 (m) - Chiều dày bích : h = h = 40 (mm) = 0,04 (m)
- Số bích: n = 5 (cặp) = 10 (chiếc)=> Khối lượng bích là: G = \f(π.[D-D],4 .h.ρ.n
= .0,04.7900.20 = 1153,479 (kg)
d. Khối lượng bu lông nối bích
Theo các thông số của bích đã chọn:
Cần 10 cặp bích, mỗi cặp cần 56 bu lông loại M 27 (khối lượng 0,15 kg/cái).
=> Khối lượng bu lông nối bích là: G = 5.56.0,15 = 42(kg) e. Khối lượng đĩa lỗ trong tháp
Theo các thông số đĩa đã chọn:
- Chiều dày đĩa δ = 0,003(m)
- Số đĩa n = 31 (chiếc) => Khối lượng đĩa lỗ trong tháp:
G = \f(π.D,4.δ.ρ.n = .0,003.7900.16= 2791,419 (kg)
f. Khối lượng ống chảy chuyền
- dcc: đường kính ống chảy chuyền;
- S: bề dày ống chảy chuyền; chọn S= 2mm
- hcc; chiều cao ống chảy chuyền; chiều cao ống chảy chuyền = khoảng cách của 2 đĩa- khoảng cách từ đĩa tới chân ống chảy chuyền + khoảng cách ống chảy chuyền nhô lên+ bề dày đĩa
+ h: khoảng cách của 2 đĩa, h= 0,35m
+ Sl: khoảng cách từ đĩa tới chân ống chảy chuyền Sl= 0,25.dcc ( IX.218-TR237-STT II)
+ hc: khoảng cách ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa + δ: bề dày đĩa, δ=0,003m
đoạn luyện
- dccL= 0,22 m
- SLl= 0,25. 0,22=0,055 m - hcL= 0,03m
vậy khối lượng ống chảy chuyền ở đoạn luyện là:
đoạn chưng
- dccC= 0,23m
- SCl= 0,25. 0,23= 0,0575 m - hCc=0,03m
Vậy khối lượng ống chảy chuyền ở đoạn chưng là:
Tháp có 10 đĩa chưng, 6 đĩa luyện, mối đĩa chưng có 1 ống chảy chuyền, mỗi đĩa luyện có 1 ống chảy chuyền:
Khối lượng của ống chảy chuyền là:
G = 24.3,748+7.4,826 = 123,734 (kg)
g. Khối lượng chất lỏng điền đầy tháp =>
Khối lượng chất lỏng chứa trong tháp là:
=> Khối lượng tháp là: G = G + G + G + G + G + G + G (kg) = 3231,312+158+1153,479+42+2791,419+123,734+87726,654 =95226,628kg 3.6.2. Tính tai treo Trọng lượng tháp là: P = G.g = 95226,628.9,81 = 934173,22(N)
Chọn 4 tai treo bằng thép X18H10T, tải trọng trên tai treo là: 6,0.10 (N) Các thông số của tai treo
Tải trọng trên một tai treo G.10 4 ) N ( Bề mặt đỡ F.10 4 ( N ) Tải trọn g trên tai treo q.10 6 ( N ) L B B 1 H S l a d Khối lượn g một tai treo kg Mm
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
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 :