Chọn thiết bị cấp nhiệt cho đáy tháp là nồi đun Kettle, ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T. Kích thước mỗi ống là 25× 2. Các thông số khác của ống được lựa chọn như sau:
- Đường kính trong của ống: dt= 0,021 m - Đường kính ngoài của ống: dng= 0,025 m - Bề dày ống:�= 2 mm = 0,002 m
Hơi nước đưa vào là hơi nước bão hoà ở áp suất P = 3 at, tại điều kiện này ta có các thông số của hơi vào:
- Ẩn nhiệt hoá hơi: rh= 2163353 J/kg - Nhiệt độ ngưng tụ: Tngưng= 133,740C - Nhiệt độ ngưng tụ: Cngưng= 4273,85 J/kg0C
- Lượng hơi nước cần cấp cho quá trình cấp nhiệt vào đáy: D3= 463,84 kg/h Nhiệt độ dòng sản phẩm đáy đi phía ngoài ống truyền nhiệt:
- Đầu vào: Tvào= TW= 109,70C - Đầu ra: Tra= 1100C
- Nhiệt độ trung bình dòng sản phẩm đáy: TW(TB) =109,7+110
2 = 109,850C Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều:
∆Tlog= 133,74−109,7 −(133,74−110)
ln (133,74−109,7133,74−110) = 23,890C
Hệ số truyền nhiệt (CT V.5/3 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập 2):
K = 1 1
αN+ ��+�hh1
, W/m2. độ Trong đó:
��:Tổng nhiệt trở của thành ống và lớp cáu, m2. độ/W
�hh:Hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ống, W/m2. độ Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
qt =Tw1−Tw2
�� , W/m2 Trong đó:
Tw1, Tw2: Nhiệt độ bên ngoài và bên trong thành ống,0C Ta có:
�:Hệ số dẫn nhiệt của thép X18H10T,�= 16,3 W/m. độ r1: Nhiệt trở của lớp chất bẩn trong ống, r1=50001 m2. độ/W r2: Nhiệt trở của lớp cáu ngoài ống, r2=58001 m2. độ/W
Suy ra: �� =��+ r1+ r2=0,00216,3 +50001 +58001 = 4,95. 10-4(m2. độ/W)
Tại nhiệt độ 109,850C, tra bảng và tính toán các thông số của hệ Benzene và Toluene, ta có các thông số sau:
�ℎℎ = 0,675 W/m. độ;����= 777 kg/m3; ����= 2,92 kg/m3; �ℎℎ = 0,251 cP ; Chh= 2099,95 J/kg. độ ; rhh= 362785,6 J/kg ;�ℎℎ= 0,016 N/m
Hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy phía ngoài ống (CT V.89/26 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập 2):
�hh= 7,77. 10-2. ( ����. �
����− ����)0,033.(����
�ℎℎ )0,333.μ0,45λ0,75. C0,117. q0,7. T0,37 = 1,09. q0,7 Hệ số cấp nhiệt hơi nước phía trong ống:
αN = 0,725. 4 ��.��3⋅��2. � ��⋅ ���ư��−��1 ⋅���
Ta dùng phép tính lặp để tính Tw1 và Tw2. Ban đầu chọn Tw1= 1300C
Tại nhiệt độ 1300C, tra bảng thông số của nước và hơi nước bão hoà, ta được:
��= 0,686 W/m2. độ ; �� = 954,8 kg/m3;��= 0,218 Cp ; rN= 2174300 J/kg Suy ra:αN= 0,725. 4 2174300.0,6863.954,82.9,81
0,218. 133,74−130 .0,025 = 3037,16 (W/m2. độ)
⇒qN=α�.(Tngưng– Tw1) = 3037,16. (133,74 - 130) = 11358,98 (W/m2) Giả sử lượng nhiệt mất mát là không đáng kể⇒qt= qN= 11358,98 W/m2
⇒Tw2= Tw1– qt . �� = 130 – 11358,98. 4,95. 10-4= 124,380C
Hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy ngoài ống:αhh= 1,09. q0,7= 1,09. 11358,980,7= 749,86 (W/m2. độ)
⇒qhh=αhh. (Tw2– TW(TB)) = 749,86. (124,38 – 109,85) = 10895,53 (W/m2) Kiểm tra sai số:
�= qN−qhh
qhh . 100%= 10895,53−11358,9811358,98 . 100% = 4,08% < 5% => Thoả Vậy Tw1= 1300C và Tw2= 124,380C
Suy ra hệ số truyền nhiệt: K = 1 1
3037,16+4,95.10−4+749,861 = 463,43 (W/m2. độ) Diện tích bề mặt truyền nhiệt: A = Q
Tóm tắt các thông số đã tính toán trong đồ án thiết kế
Số mâm thực tế 33 mâm thực và 1 nồi đun
Lượng hơi nước cần thiết để đun sôi nhập liệu 161,17 kg/h
Lượng hơi nước cần thiết cấp nhiệt vào đáy tháp 353,4 kg/h
Lượng nước lạnh cần thiết cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
5805,28 kg/h
Lượng nước lạnh cần thiết cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
217,8 kg/h
Lượng nước lạnh cần thiết cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
1564,93 kg/h
Lượng hơi nước cần thiết dùng cho thiết bị cấp nhiệt đáy tháp
463,84 kg/h
Đường kính tháp chưng cất 0,8 m
Chiều cao tháp chưng cất 12 m
Khối lượng toàn tháp 9240,88 kg
Tổng trở lực của tháp 17106,72 N/m2
Bề dày thân tháp và đáy, nắp 3,5 mm
Thể tích lớp cách nhiệt 0,34 m3
Năng suất, cột áp và công suất bơm 3 m3/h ; 7,033 m ; 0,1 Hp
Đường kính và chiều dài của ống dẫn dòng nhập liệu, ống dẫn dòng sản phẩm đáy và ống dẫn dòng
hoàn lưu
50 mm và 100 mm
Đường kính và chiều dài ống dẫn hơi sản phẩm đỉnh và ống dẫn hơi vào đáy tháp
100 mm và 120 mm
Tính toán sơ bộ chi phí nguyên vật liệu và lắp đặt quy trình chưng cất
Vật liệu Số lượng Đơn giá (đồng) Thành tiền (đồng)
Thép X18H10T 4178,49 kg 250 000/kg 1 044 622 500
Thép CT3 439,47 kg 120 000/kg 52 736 400
Thiết bị trao đổi nhiệt 5 thiết bị 21 700 000/ thiết bị 108 500 000
Bơm ly tâm 3D - 40 (0,1 Hp) 2 thiết bị 1 700 000/ thiết bị 3 400 000
Lớp cách nhiệt bằng bông thuỷ tinh 4,08 kg 100 000/kg 408 000
Lưu lượng kế 2 thiết bị 2 000 000/ thiết bị 4 000 000
Nhiệt kế 3 thiết bị 1 000 000/ thiết bị 3 000 000
Áp kế 3 thiết bị 500 000/ thiết bị 1 500 000
Van tay DN50 12 thiết bị 500 000/ thiết bị 6 000 000
Tổng chi phí nguyên vật liệu ước tính:1 224 166 900 đồng
Tiền lắp đặt các thiết bị ước tính khoảng 80% chi phí nguyên vật liệu: 979 333 250 đồng. Vậy tổng chi phí cho nguyên vật liệu và lắp đặt toàn quy trình chưng cất là2 203 500 150 đồng.
Tính toán sơ bộ chi phí vận hành quy trình chưng cất trong 1 năm (xem rằng 1 năm hoạt động 8640 giờ)
Loại chi phí Số lượng Đơn giá (đồng) Thành tiền (đồng)
Nước 65560,41 m3 12 000/m3 786 724 877
Điện (dưới 6 kV) 20000 kWh 1 800/ kWh 36 000 000
Nhân công (2000 giờ/ năm)
6 người 100 000/giờ 1 200 000 000
Thay hoặc sửa chữa - bảo trì thiết bị (bơm, thiết bị trao đổi nhiệt, nhiệt kế,...)
50 000 000 50 000 000
KẾT LUẬN
Kết quả đạt được:
Thiết kế được tháp chưng cất mâm xuyên lỗ hệ Benzene – Toluene với năng suất nhập liệu 2000 kg/h.
Tính toán được các thông số cơ bản của một quy trình chưng cất và các chi tiết cơ bản trong một thiết bị chưng cất
Tính toán được các thông số về các thiết bị phụ liên quan trong quy trình chưng cất.
Hiểu rõ và vận dụng được các quá trình và các thiết bị chưng cất.
Hạn chế trong đồ án thiết kế:
Một số kết quả tính toán như tính toán chỉ số hồi lưu từ chỉ số hồi lưu tối thiểu và tính toán số mâm thực tế chỉ mang tính tương đối vì công thức sử dụng là công thức kinh nghiệm.
Kết quả tính toán có thể lệch một lượng nhỏ so với kết quả thực tế do quá trình lấy chữ số có nghĩa trong quá trình tính toán và quá trình tra bảng cũng có sai số.
Phần tính toán thiết bị phụ như thiết bị đun sôi nhập liệu, ngưng tụ, làm nguội, cấp nhiệt phải dùng phương pháp tính lặp có sai số, phức tạp và mất khá nhiều thời gian.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh,Quá trình và Thiết bị trong Công nghệ Hoá Học và Thực phẩm – Tập 3: Truyền khối, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM, 2004. [2]Phạm Văn Bôn - Nguyễn Đình Thọ,Quá trình và Thiết bị trong Công nghệ Hoá Học và Thực phẩm – Tập 5: quá trình và Thiết bị Truyền nhiệt - Quyển 1: Truyền nhiệt ổn định,Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM, 2004.
[3]Tập thể tác giả,Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ Hoá chất – Tập 1, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 1999.
[4]Tập thể tác giả,Sổ tay quá trình và Thiết bị Công nghệ Hoá chất - Tập 2, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 1999.
[5]Hồ Lê Viên,Thiết kế và tính toán các chi tiết thiết bị hoá chất, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 1978.
[6]Nguyễn Hữu Tùng,Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử - Tập 1: Các nguyên lý và ứng dụng, Nhà xuất bản Bách Khoa – Hà Nội, 2011.
[7]Nguyễn Hữu Tùng,Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử - Tập 2: Tính toán và thiết kế, Nhà xuất bản Bách Khoa – Hà Nội, 2011.