1. Thân tháp chưng cất
Thân tháp có hình trụ, được làm bằng thép không gỉ (X18H10T), chế tạo theo phương pháp hàn hồ quang điện, thân tháp nối ghép từ nhiều đoạn bằng mối ghép bích bằng thép khơng gỉ (X18H10T).
Dựa vào ST2_bảng XII.4/309 và bảng XII.7/313 ta có các thơng số đặc trưng của X18H10T:
Tốc độ ăn mòn < 0,1 mm/năm Giới hạn bền kéo: = 550. 106 N/m2
Giới hạn bền chảy: ℎ = 220. 106 N/m2
Hệ số dãn khi kéo ở nhiệt độ từ 20oC tới 100oC là 16,6.10-6 oC-1 Khối lượng riêng: = 7,9. 103 kg/m3
Hệ số an toàn bền kéo: nk = 2,6 Hệ số an toàn bền chảy: nch = 1,5 Nhiệt độ nóng chảy: t = 1400oC Mơ đun đàn hồi: E = 2,1.105 N/m2 Hệ số Poatxơng: =
Đường kính trong của tháp: D = 0,7 m
Điều kiện làm việc của tháp chưng cất
Áp suất bên trong tháp ( tính tại đáy tháp ), với mơi trường làm việc lỏng-khí P = Ph + PL + ∆P Áp suất hơi trong tháp:
Ph = 1at = 9,81.104 N/m2 Áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng:
PL = (ST2_XIII.10/360)
Khối lượng riêng trung bình của chất lỏng trong tháp:
= + ′ = 799,34 + 916,89 = 858,12 / 3
2 2
Chiều cao cột chất lỏng bằng chiều cao của thân tháp cộng với chiều cao phần lồi của đáy, nắp và theo (ST2_ XIII.11/381):
ht = 0,25.Dt = 0,25.0,7 = 0,175 m
36 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
′ = +2.ℎ = 7+2.0,175 = 7,35
= = 858,12.9,81.7,35 = 61873,46 N/m2
P = Ph + PL + ∆P = 9,81.104 + 61873,46 + 6142,13 = 166115,59 N/m2
Do áp suất tại đáy tháp:
P = 0,166.106 < 0,25.106 N/m
Theo (ST2_ XIII.8/362), giá trị bền hàn của thân hình trụ, hàn hồ quang điện, Dt = 0,7m, thép hợp kim ℎ = 0,95 ( kiểu hàn: hàn giáp mối hai bên).
Chiều dày của thân hình trụ ( làm việc chịu áp suất trong P)
S
thân
(ST2_XIII.8/360)
Ứng suất cho phép của vật liệu khi kéo, chảy với hệ số điều chỉnh = 0,9
[ ] = . = . 0,9 = 190,38. 10 6 N/ m2 (ST2_XIII.1/355) [ ] = ℎ ℎ ℎ
Chọn ứng suất cho phép bắng với ứng suất nhỏ nhất trong hai ứng suất trên:
ℎ
Đại lượng bổ sung: C = C1 + C2 + C3
Đại lượng bổ sung do ăn mòn: chọn thiết bị làm việc trong 15 ÷ 20 năm, tốc độ ăn mịn < 0,1(mm/năm) chọn C1 = 1 mm. Đại lượng bổ sung do hao mịn: khơng đáng kể nên C2 = 0 mm.
Đại lượng bổ sung do dung sai chiều dày C3 do:
ℎâ = . 2. [ ]. − = 4,64. 10−4 + 0,001 + 0 + 3 = 1,46. 10−3 + 3( ) = 1,46 + 3( ) →Chọn C3 = 0,18 (mm) →C = C1 + C2 + C3 = 1 + 0 + 0,18 = 1,18 (mm) →Sthân = 0,46 + 1,18 = 1,64 (mm) →Chọn bề dày của tháp là 5 mm.
Kiểm tra ứng suất thành của thiết bị
[ ] =
Áp suất thủy lực: với thiết bị dạng hàn và làm việc ở P (N/m2) Ptl = 1,5.P = 1,5.166115,59 = 249173,39 N/m2
37 | P a g e
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Áp suất thử P0:
P0 = Ptl + PL = 249173,39 + 61873,46 = 311046,85 N/m2
2,6
Ta có: [ +( − )]. [ ] = 2.( − ). ℎ = 220.106 = 183,3. 106 N/m 1,2 1,2
→Thoả điều kiện:
[ ] = 30,16. 106 2 < 183,3. 106 2 = 1,2 ℎ
→Chọn bề dày thân tháp là 5 mm.
2. Đáy và nắp thiết bị
Sử dụng vật liệu giống như phần thân tháp, chọn loại đáy, nắp hình elip có gờ, tính tốn bề dày, kích thước của nắp và đáy giống nhau.
Dựa vào (ST2_bảng XIII.10/382) với Dt = 0,7 m và chiều cao phần lồi của đáy, nắp ht = 0,175 m
Chọn chiều cao gờ h = 0,025 m và diện tích bề mặt trong Ft = 0,59 m2 Chiều dày của đáy và nắp elip của thiết bị chịu áp suất trong:
ắ
Hệ số khơng thứ ngun:
= 1 −
d là đường kính lớn nhất của lỗ khơng tăng cứng trên nắp, lấy d = 0,18 m
→ ắ =
0,7.166115,59 0,7
= 3,8.190,38. 106. 0,743.0,95 − 166115,59 . 2.0,175 +
= 4,56.10-4 + C (m) = 0,456 + C (mm)
Vì ắ − < 10 mm => tăng 2 mm so với giá trị C tính ở phần thân tháp →Snắp = 0,456 + 2 + 1,18 = 3,636 mm
Theo bảng ST2_XIII.12/385, chọn bề dày của đáy và nắp là 5 mm.
Kiểm tra ứng suất thành nắp và đáy của thiết bị
38 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp Ta có: [ ] = . 0 7,6. . 1,2 ℎ = 220.101,26 = 183,3. 106 N/m2
→Thoả điều kiện
[ ] = 89,32. 106 2 < 183,3. 106 2 = 1,2 ℎ
→Chọn bề dày đáy và nắp là 5 mm.
AI. Tính tốn các ống dẫn
Đường kính của ống nối dẫn lỏng và ống dẫn hơi trong tháp được tính bằng cơng thức: 4
= 1000√3600 ,
Trong đó:
Q: Lưu lượng lỏng hoặc hơi tùy theo ống dẫn, kg/h. : Khối lượng riêng của lỏng hoặc hơi, kg/m3.
: Vận tốc dòng lỏng hoặc hơi, m/s.
1. Ống dẫn sản phẩm đáy
Tra ST1_bảng I.2/9, theo Tw = 99,08oC, ta có:
{ ℎ = 715,01 / 3 ướ = 958,64 / 3
→ = (
Tốc độ trung bình của chất lỏng tự chảy: Chọn = 0,25 / ( ST1_bảng II.2/370). Đường kính trong của ống nối:
= 1000√
→ Chọn ống dẫn có= 40
→Tra ST2_XIII.32/434, ta được chiều dài đoạn ống nối l = 100 mm.
2. Ống dẫn dòng nhập liệu
Tra ST1_bảng I.2/9, theo TF = 82,06oC, ta có:
{ ℎ = 733,73 / 3 ướ = 970,56 / 3
→ = (
39 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
Tốc độ trung bình của chất lỏng tự chảy: Chọn = 0,5 / ( ST1_bảng II.2/370). Đường kính trong của ống nối:
= 1000√
→ Chọn ống dẫn có Dy = 40
→Tra ST2_XIII.32/434, ta được chiều dài đoạn ống nối l = 100 mm.
3. Ống dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp
Nhiệt độ của pha hơi tại đỉnh tháp là TD = 65,03oC. Khối lượng riêng của pha hơi tại đỉnh tháp:
= 273.
. ℎ + (1 − ). ướ
Tốc độ trung bình của hơi quá nhiệt chuyển động trong ống dẫn: Chọn = 30 / ( ST1_bảng II.2/370). Đường kính trong của ống nối:
= 1000√ → Chọn ống dẫn có Dy = 70
→Tra ST2_XIII.32/434, ta được chiều dài đoạn ống nối l = 110 mm.
4. Ống dẫn hơi vào đáy tháp
Nhiệt độ của pha hơi tại đỉnh tháp là Tw = 99,08oC. Khối lượng riêng của pha hơi tại đỉnh tháp:
= 273.
. ℎ + (1 − ). ướ
Tốc độ trung bình của hơi bão hoà chuyển động trong ống dẫn: Chọn = 40 / ( ST1_bảng II.2/370). Đường kính trong của ống nối:
= 1000√ → Chọn ống dẫn có Dy = 150
→Tra ST2_XIII.32/434, ta được chiều dài đoạn ống nối l = 130 mm.
5. Ống dẫn lỏng hoàn lưu
Tra ST1_bảng I.2/9, theo TD = 65,03oC, ta có:
{ ℎ = 750,97 / 3 ướ = 980,24 / 3
40 | P a g e
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Tốc độ trung bình của chất lỏng tự chảy: Chọn = 0,2 / ( ST1_bảng II.2/370). Đường kính trong của ống nối:
= 1000√ → Chọn ống dẫn có Dy = 40
→Tra ST2_XIII.32/434, ta được chiều dài đoạn ống nối l = 100 mm.
III. Chọn bích và vịng đệm
1. Bích và đệm để nối và bít kín thiết bị
Mặt bích là bộ phận dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị.
Chọn loại bích liền khơng cổ bằng thép CT3. Chọn sơ bộ mặt bích theo Dt = 700 mm theo ST2_bảng XIII.27/421 cho kiểu bích liền bằng thép CT3 (kiểu I), ta được các số liệu sau:
Dt
700 Trong đó:
D là đường kính ngồi mặt bích (mm). Db là đường kính đường bulong (mm). Dl là đường kính gờ bích (mm).
Dt. Do là đường kính trong, ngồi của tháp (mm). db là đường kính bulong (mm).
z là số bulong của một mặt bích. h là chiều cao mặt bích (mm).
Tra ST2_bảng IX.5/170, ta có đường kính trong của tháp Dt = 700 mm, khoảng cách mâm hđ = 300 mm, chọn được khoảng cách giữa hai mặt nối bích là 1200 mm và số mâm giữa hai mặt bích là 4.
41 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
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 chỗ gồ ghề trên bề mặt của bích. Tra ST6_Bảng 7-2/146, với áp suất tính tốn ptt = 0,17 N/mm2 và nhiệt độ tính tốn 100oC, chọn vật liệu đệm là đệm bằng dây amiang ( áp suất tối đa 0,3 N/mm2 và nhiệt độ tối đa 300oC), loại đệm phẳng, chọn bề dày đệm là 3 mm. Theo ST2_Bảng XIII.31/433 và ST2_Bảng XIII.27/417, kích thước bề mặt đệm:
- Đường kính ngồi của đệm: D2 = 750 mm
- Đường kính trong của đệm: D4 = 730 mm
- Do Dt < 1m nên: D3 = D2 + 1 = 751 mm; D5 = D4 – 1 = 729 mm
2. Bích để nối các ống dẫn
Chọn vật liệu là thép CT3, kiểu 1, theo ST2_Bảng XIII.26/409, ta có bảng số liệu sau:
STT Loại ống dẫn
1 Dòng sản phẩm đáy
2 Dòng nhập liệu
3 Hơi vào tb ngưng tụ
4 Hơi vào đáy tháp
5 Dịng hồn lưu
Tra ST2_Bảng XIII.30/432, tương ứng với ST2_Bảng XIII.26/409, kích thước bề mặt đệm bích ta được bảng số liệu sau:
STT Dy 1 40 2 40 3 70 4 150 5 40
42 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
IV. Tai treo và chân đỡ
1. Tính sơ bộ khối lượng tháp
Do đĩa, chóp, ống hơi,… của thiết bị làm bằng thép khơng rỉ (X18H0T), có khối = 7,9. 103 kg/m3, bích ghép thân làm bằng thép CT3 có khối
lượng riêng là ρCT3 = 7,85. 103 kg/m3
Khối lượng của nắp và đáy:
Xem khối lượng đáy bằng khối lượng nắp
Tra ST2_Bảng XIII.11/382 có khối lượng của đáy và nắp là như nhau: với đáy elip có Dt = 700 mm, chiều dày Snắp = 5 mm, chiều cao gờ h = 25 mm
Khối lượng của đáy và nắp:
đá + ắ = 2. . . = 2.0,005.0,59.7900 = 46,61
Khối lượng của thân tháp:
= . (
ℎâ
4
Khối lượng của mâm: Bỏ qua khối lượng bị hụt do các lỗ trên mâm
= .
â 4
Khối lượng của chóp: Bỏ qua khối lượng do các khe làm hụt
ℎó =. . ℎ ℎó . 10 18 .
= 17.19.0,0725.7900.
= 112,01
Khối lượng của ống hơi:
Chọn bề dày ống hơi bằng 2 mm ố ℎơ = . . ℎ ố ℎơ . 10 18 . 4 . (( ố ℎơ )2 à − ( ố ℎơ )2 ) = 17.19.0,06.7900. 4 . ((0,05 + 2.0,002)2 − 0,052) = 50,02
Khối lượng ống chảy chuyền:
Chọn bề dày ống chảy chuyền bằng 2mm Mỗi mâm sẽ có 2 ống chảy chuyền
ố = . . ℎố . 10 18 . 4 . (( ố )2 à − ( ố )2 )
= 17.2.0,045.7900. 4 . ((0,05 + 2.0,002)2 − 0,052) = 3,95
43 | P a g e
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
Khối lượng của các bích ghép thân
Chọn số mâm giữa hai mặt bích là 4, vậy ta có 8 bích ghép thân
= . (
í ℎ
4 í ℎ
Khối lượng chất lỏng trong tháp:
Trường hợp xấu nhất tháp lụt 100%, chất lỏng ngập đầy tháp là nước do khối lượng riêng của nước luôn lớn hơn hỗn hợp methanol - nước.
ỏ = ℎ ℎâ .
Vậy tổng khối lượng của tháp là:
m = mđáy+nắp + mthân + mmâm + ℎó + ố ℎơ + ố + mbích + ỏ
= 46,61 + 321,96 + 155,05 + 112,01 + 50,02 + 3,95 + 215,83 + 2367,18 = 3272,61 kg
2. Tai treo
Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3, tấm lót là vật liệu làm thân:
3 = 130. 106(
2)
Chọn số tai treo là 4
Tải trọng trên 1 tai treo là: do ta chọn 4 tai treo, 4 chân đỡ nên
= 8 = 3272,61.10 = 4090,76 N 8
Theo ST2_Bảng XIII.36/438:
Chọn tải trọng cho phép lên 1 tai treo là GN = 5000 N Bề mặt đỡ: Ftreo = 72,5.10-4 m2
Khối lượng một tai treo: mtreo = 1,23 kg
Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ: q = 0,69.106 (N/m2) ( )1 mm 100 7 5 85 155 6 40 15 18 3. Chân đỡ Chọn vật liệu chân đỡ là thép CT3. Theo ST2_Bảng XIII.35/437
Chọn tải trọng cho phép lên 1 chân là: Gchân = 5000 N
44 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
Bề mặt đỡ: Fchân = 172.10-4 m2
Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ: q = 0,29.106 (N/m2)
ℎâ ℎâ ( ℎâ )1 ( ℎâ )2 ℎâ ℎ ℎâ ℎâ ℎâ ℎâ
mm
160 110 135 195 240 145 10 55 23
45 | P a g e TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ
I. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống loại tuần hoàn nằm ngang
Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống: 25x2 mm
Chọn cách xếp ống thẳng hàng, bố trí theo hình lục giác đều, 91 ống (ST2_V.11/49) Nhiệt độ của nước vào là tLV = 25oC, nhiệt độ đầu ra của nước là tLR = 40oC
Dòng sản phẩm đỉnh ngưng tụ tại nhiệt độ tN = 65,03oC
Diện tích bề mặt truyền nhiệt được tính theo cơng thức: = ̅̅̅ (ST2_V.1/3)
.∆
Hiệu số nhiệt độ trung bình:
̅̅̅
∆ =
(
∆
Nhiệt lượng cần thiết để ngưng tụ sản phẩm ở đỉnh tháp:
= ̅. . ( + 1) = 447,17.1107,85. 103. (1,673 + 1) = 367832,48 ( ) Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:1
= 1 +∑ + 1 (ST2_V.5/3) Trong đó:
: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2.K)
: hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m2.K)
∑ : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu (m2.K/W)
- Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống ( ) Các thông số của nước ở nhiệt độ trung bình=
Lưu lượng nước: GN = 5,87 kg/s
Nhiệt dung riêng: CN = 4180,9 J/kg.oC
Khối lượng riêng: ρ
Độ nhớt động lực: µN = 0,765.10-3 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt: λN = 0,62 W/m.oC
Vận tốc thực tế của nước trong ống:
Chuẩn số Reynolds:
46 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
→Chế độ chảy quá độ, chuẩn số Nusselt được tính theo cơng thức:
Chuẩn số Nusselt: = 0. 1. 0,43. ( )0,25 (ST2_V.44/16)
2 Trong đó:
0: phụ thuộc vào ReN, với ReN = 5108,7 thì 0 = 15,5
1: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN tỷ lệ giữa chiều dài ống và đường kính
ống, giả sử 1 = 1.
PrN: chuẩn số Prandlt của nước ở 32,5oC nên PrN = 4,75 (ST2_V.12/12) Prw: chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình vách. Suy ra NuN =
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
Nhiệt tải phía nước làm lạnh:=
Với tw2 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống)
* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
=
Trong đó:
: nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu (ngồi ống) và ∑
1
= 2 mm: bề dày thành ống
= 17,5 (W/m.oK): hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ
r = 1/5000 (m2.oK/W): Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống (ST2_V.1/4)
Suy ra: ∑ = 5,14.10-4 (m2.oK/W). Vậy qt = 1944,44 (
* Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ
= 0,725. √
4
Trong đó: Ẩn nhiệt ngưng tụ: rhh = rD = 1107,85 (kJ/kg)
Hệ số cấp nhiệt ngồi thành ống có bị ảnh hưởng bởi sự sắp xếp ống. Bố trí ống theo hình lục giác với 91 ống → số đường chéo của đường 6 cạnh là 11 ống. Tra (ST2_Hình V.20/30), ta có = 0,55.
Khi đó: = .
Nhiệt tải ngoài thành ống:
1 = . (65,03 − 1) = . . (65,03 − 1)0,75 = 0,55. . (65,03 − 1)0,75 (***)
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
Từ (*), (**), (***) ta dùng phương pháp lặp để xác định 1, 2 Chọn 1 = 58,35oC Tại nhiệt độ trung bình:
Khối lượng riêng hỗn hợp: {
1 → = ℎℎ Độ nhớt động lực hỗn hợp: { ℎ = 0,346. 10−3 . / 2 ướ = 0,46. 10−3 . / 2 →µℎℎ = . µ ℎ + (1 − ). µ ướ →µℎℎ = 0,965. (0,346. 10−3) + (1 − 0,965). ( 0,46. 10−3) →µℎℎ = 0,349. 10−3 . / 2
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp: { ( ℎ ) = 2767,7 / ( ướ ) = 4190 /
→ ℎℎ = ℎ . ̅ + ướ . (1 − ̅) = 2767,7.0,98 + 4190. (1 − 0,98) = 2796,15 ( ) . độ Hệ số dẫn nhiệt: ℎℎ = 3,58. 10−8. ℎℎ. ℎℎ. 3√ ℎℎ ℎℎ 3 757,97 = 3,58. 10−8. 2796,15.757,97. √ 31,51 = 0,219 / Khi đó: = 0,725. √ Từ (***): = 6750,61.0,55. (65,03 − 58,35) 1
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = q1 = 15427,23 (W/m2) Từ (**), ta có: tw2 = 50,42oC. Suy ra ttbw = 54,39oC
Suy ra Prw = 4,65
Từ (*), tính được qN = 16111,92 (W/m2)
Kiểm tra sai số: =