V. Bồn cao vị
1. Tổn thất đường ống dẫn
Chọn ống dẫn có đường kính trong là dtr = 50 (mm)
Tra ST1_II.15/381 → Độ nhám của ống: 𝜀 = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mịn ít) Tổn thất đường ống dẫn: ℎ1 = (𝜆1.𝑙1
𝑑1+ ∑ 𝜉1) .𝜈𝐹2
2𝑔 (𝑚) 𝜆1: hệ số ma sát trong đường ống
𝑙1: chiều dài đường ống dẫn, chọn 𝑙1 = 30 (m) 𝑑1: đường kính ống dẫn, 𝑑1 = 𝑑𝑡𝑟 = 0,05 (m) 𝜈𝐹: vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn
59 | P a g e
1.1. Vận tốc dòng nhập liệu
Dòng nhập liệu là dung dịch methanol 30% ở nhiệt độ 25oC có các thơng số : Khối lượng riêng 𝜌𝐹 = 932,25 kg/m3
Độ nhớt động lực 𝜇𝐹 = 1,605.10-3 N.s/m2
Năng suất nhập liệu F = 1500 kg/h Vận tốc của dòng nhập liệu đi trong ống:
𝜐𝐹 = 4𝐹 3600.𝜋.𝜌𝐹.𝑑𝑡𝑟2 = 4.1500 3600.𝜋.932,25.0,052 = 0,228 m/s 1.2. Xác định hệ số ma sát trong đường ống Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝐹 =𝜐𝐹. 𝑑𝑡𝑟. 𝜌𝐹 𝜇𝐹 = 0,228.0,05.932,25 1,605. 10−3 = 6610,8 > 2300
→ Chế độ chảy quá độ, hệ số ma sát được xác định theo công thức: 𝜆𝐹 =0,3164 𝑅𝑒0,25 = 0,3164 6610,80,25 = 0,035 (ST1_II.59/378) 1.3. Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ *Chỗ uốn cong: Tra bảng ST1_II.16/382:
Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = 2 thì 𝜉𝑢1 = 0,15 Đường ống có 4 chỗ uốn → 𝜉𝑢1 = 0,15.4 = 0,6
- Van: Chọn van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn: 𝜉𝑣𝑎𝑛(1 𝑐á𝑖) = 5; 2 van → 𝜉𝑣𝑎𝑛 = 5.2 = 10
- Lưu lượng kế: 𝜉11 = 0 ( coi như không đáng kể ) - Vào tháp: 𝜉𝑡ℎá𝑝 = 1 Nên: ∑ 𝜉1 = 𝜉𝑢1+ 𝜉𝑣𝑎𝑛+ 𝜉11 = 0,6 + 10 + 1 = 11,6 →ℎ1 = (𝜆1.𝑙1 𝑑1+ ∑ 𝜉1) .𝜈𝐹2 2𝑔 = ℎ1 = (0,035. 30 0,05+ 11,6) .0,2282 2.9,81 = 0,086 m
2. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sơi dịng nhập liệu
ℎ2 = (𝜆2.𝑙2 𝑑2+ ∑ 𝜉2) . 𝜈22 2𝑔 (𝑚) Trong đó: 𝜆2: hệ số ma sát trong đường ống
𝑙2: chiều dài đường ống dẫn, chọn 𝑙2 = 6 (m) 𝑑2: đường kính ống dẫn, 𝑑2 = 𝑑𝑡𝑟 = 0,032 (m)
60 | P a g e ∑ 𝜉2: tổng hệ số tổn thất cục bộ
𝜈2: vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn, 𝜈2 = 1,328 m/s
2.1. Xác định hệ số ma sát trong đường ống
Chuẩn số Reynolds: Re2 = 51667,51 > 10000: chế độ chảy rối. Độ nhám: 𝜀 = 0,0002 m Chuẩn số Reynolds giới hạn:
𝑅𝑒𝑔ℎ = 6. (𝑑2
𝜀)87 = 1982,19 (ST1_II.60/378) Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
𝑅𝑒𝑛 = 220. (𝑑2
𝜀)98 = 66383,12 (ST1_II.62/379)
Vì 𝑅𝑒𝑔ℎ < 𝑅𝑒2 < 𝑅𝑒𝑛 → chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ Áp dụng công thức ST1_II.64/380: 𝜆2 = 0,1. (1,46. 𝜀 𝑑𝑡𝑟+100 𝑅𝑒2)0,25= 0,032 2.2. Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ - Tra bảng ST1_II.16/382: Khi F0/F1 = 0,0322/0,082 = 0,16 thì 𝜉độ𝑡 𝑡ℎ𝑢 (1 𝑐ℎỗ) = 0,458. Có 1 chỗ đột thu → 𝜉độ𝑡 𝑡ℎ𝑢 = 0,458 - Tra bảng ST1_II.16/382: Khi F0/F1 = 0,0322/0,082 = 0,16 thì 𝜉độ𝑡 𝑚ở (1 𝑐ℎỗ) = 0,708 Có 1 chỗ đột mở → 𝜉độ𝑡 𝑚ở = 0,708. Nên: ∑ 𝜉2 = 𝜉độ𝑡 𝑡ℎ𝑢 + 𝜉độ𝑡 𝑚ở = 1,166 →ℎ2 = (𝜆2.𝑙2 𝑑2+ ∑ 𝜉2) .𝜈22 2𝑔 = (0,032. 6 0,032+ 1,166) .1,3282 2.9,81 = 0,644 (𝑚)
2.3. Chiều cao bồn cao vị
Chọn:
- Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị - Mặt cắt (2-2) là mặt cắt tại vị trí nhập liệu của tháp Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2):
𝑧1 = 𝑧2+𝑃2− 𝑃1 𝜌𝐹. 𝑔 +
𝜐22− 𝜐12
2𝑔 + ∑ ℎ𝑓1−2
Trong đó:
𝑧1: độ cao mặt thống (1-1) so với mặt đất, hay xem như chiều cao bồn cao vị Hcv
𝑧2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem như là chiều cao từ mặt đất đến vị
trí nhập liệu:
61 | P a g e 𝑃1: áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn P1 = 1 at = 9,81.104 (N/m2)
𝑃2: áp suất tại mặt thoáng (2-2)
Xem ∆𝑃 = 𝑃2− 𝑃1 = 𝑛𝑡𝑡 𝑐ấ𝑡. ∆𝑃𝐿 = 10.360,96 = 3609,6 (N/m2) 𝜐1: vận tốc tại mặt thoáng (1-1), xem 𝜐1 = 0 (m/s)
𝜐2: vận tốc tại vị trí nhập liệu, 𝜐2= 𝜐𝐹 = 1,328 m/s ∑ ℎ𝑓1−2: tổng tổn thất trong hệ thống đường ống: → ∑ ℎ𝑓1−2 = 0,086 + 0,664 = 0,75 m → 𝑧1 = 𝑧2+𝑃2−𝑃1 𝜌𝐹.𝑔 +𝜐22−𝜐12 2𝑔 + ∑ ℎ𝑓1−2 = 2,74 + 3609,6 932,25.9,81+1,3282 2.9,81 + 0,75 = 3,97 𝑚 → Chọn Hcv = 4 m VI. Bơm 1. Cột áp Chọn:
Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu Mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị
Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2):
𝑧1+ 𝑃1 𝜌𝐹. 𝑔+ 𝜐12 2𝑔 = 𝑧2+ 𝑃2 𝜌𝐹. 𝑔+ 𝜐22 2𝑔 + ∑ ℎ𝑓1−2 Trong đó:
𝑧1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn 𝑧1 = 0,5 m 𝑧2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, chọn 𝑧2 = 𝐻𝑐𝑣 = 4 m 𝑃1: áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn 𝑃1 = 1 at
𝑃2: áp suất tại mặt thoáng (2-2), chọn 𝑃2 = 1 at
𝜐1, 𝜐2: vận tốc tại mặt thoáng (1-1) và (2-2), xem 𝜐1 = 𝜐2 = 0 m/s ∑ ℎ𝑓1−2: tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2)
𝐻𝑏: cột áp của bơm
Chọn đường kính trong của ống hút và ống đẩy bằng nhau dtr = 50 mm Tra ST1_II.15/381, độ nhám của ống 𝜀 = 0,0002 (m) (ăn mịn ít) Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy: ∑ ℎ𝑓1−2 = (𝜆.𝑙ℎ+𝑙đ
𝑑𝑡𝑟 + ∑ 𝜉ℎ + ∑ 𝜉𝑛) .𝜐𝐹2
2𝑔
𝑙ℎ: chiều dài ống hút, ở 25oC, tra bảng ST1_II.34/441, ta có chiều cao hút = 4,5 m
62 | P a g e 𝑙đ: chiều dài ống đẩy → chọn 𝑙đ = 7,5 m
∑ 𝜉ℎ và ∑ 𝜉𝑛 là tổng tổn thất cục bộ trong ống hút và ống đẩy 𝜆: hệ số ma sát trong ống 𝜐𝐹: vận tốc dòng nhập liệu: 𝜐𝐹 = 4𝐹 3600.𝜋.𝜌𝐹.𝑑𝑡𝑟2 = 4.1500 3600.𝜋.932,25.0,052 = 0,228 m/s 1.1. Xác định hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝐹 =𝜐𝐹. 𝑑𝑡𝑟. 𝜌𝐹 𝜇𝐹 = 0,228.0,05.932,25 0,547. 10−3 = 19428,98 > 10000 → Chế độ chảy rối
Chuẩn số Reynolds tới hạn: 𝑅𝑒𝑔ℎ = 6. (𝑑2
𝜀)87 = 3301,07 (ST1_II.60/378)
Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám: 𝑅𝑒𝑛 = 220. (𝑑2
𝜀)98 = 109674,4 (ST1_II.62/379)
Vì 𝑅𝑒𝑔ℎ < 𝑅𝑒𝐹 < 𝑅𝑒𝑛 → chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ Áp dụng công thức ST1_II.64/380: 𝜆𝐹 = 0,1. (1,46. 𝜀
𝑑𝑡𝑟+100
𝑅𝑒𝐹)0,25 = 0,032
1.2. Xác định tổng tổn thất cục bộ trong ống hút
Chỗ uốn cong: Tra ST1_II.16/382. Chọn dạng ống uốn cong 90o với R/d = 2 thì 𝜉𝑢1(1 𝑐ℎỗ) = 0,15. Ống hút có 2 chỗ uốn: 𝜉𝑢1 = 0,15.2 = 0,3
Van: Chọn van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn 𝜉𝑣1 = 5
→ ∑ 𝜉𝑛 = 0,3 + 5 = 5,3
1.3. Xác định tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy
Chỗ uốn cong: Tra ST1_II.16/382. Chọn dạng ống uốn cong 90o với R/d = 2 thì 𝜉𝑢2(1 𝑐ℎỗ) = 0,15. Ống đẩy có 2 chỗ uốn: 𝜉𝑢2 = 0,15.2 = 0,3
Van: Chọn van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn 𝜉𝑣2 = 5 Vào bồn cao vị: 𝜉𝑐𝑣 = 1 → ∑ 𝜉ℎ = 0,3 + 5 + 1 = 6,3 → ∑ℎ𝑓1−2 = (𝜆.𝑙ℎ+𝑙đ 𝑑𝑡𝑟 +∑𝜉ℎ +∑𝜉𝑛).𝜐𝐹 2 2𝑔 = 0,05 m
63 | P a g e
2. Công suất
Chọn hiệu suất của bơm: 𝜂𝑏 = 0,8 Công suất thực tế của bơm: 𝑁𝑏 = 𝐹̅.𝐻𝑏.𝑔
3600.𝜂𝑏 =1500.3,58.9,81
3600.0,8 = 18,29 (𝑊) = 0,025 𝐻𝑝 Vậy để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có:
Năng suất: 𝑄𝑏 = 1500
932,25 = 1,61 m3/h Cột áp: 𝐻𝑏 = 3,58 m
64 | P a g e
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình và Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 1”, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 626tr.
[2]. Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình và Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2”, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 447tr.
[3]. Tập thể tác giả, “Bảng tra cứu Quá trình cơ học Truyền nhiệt – Truyền khối”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM, 2012.
[4]. Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bị trong Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 388tr.
[5]. Phạm Văn Bơn – Vũ Bá Minh – Hồng Minh Nam, “Quá trình và Thiết bị trong Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 10: Ví dụ và Bài tập”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM, 468tr.
[6]. Phạm Văn Bơn – Nguyễn Đình Thọ, “Q trình và Thiết bị trong Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 5: Quá trình và Thiết bị Truyền Nhiệt”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM, 2002, 372tr.