6.2. Tớnh bơm 64-
6.2.1. Áp suất toàn phần ΔP 66-
Áp suất toàn phần cần để khắc phục mọi sức cản thủy lực trong hệ thống: Δp = Δpd + Δpm + ΔpH + ΔpC + Δpt + Δpk [1 – 376 – II.53]
Trong đú: +) Δpd là ỏp suất động lực học (ỏp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dũng chảy ra khỏi ống dẫn), N/m2
+) Δpm là để khắc phục trở lực ma sỏt khi dũng chảy ổn định trong ống thẳng, N/m2
+) ΔpH là ỏp suất cần thiết để nõng chất lỏng lờn cao hoặc để khắc phục ỏp suất thủy tĩnh, N/m2
+) Δpc là ỏp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, N/m2
+) Δpt là ỏp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị , N/m2
+) Δpk là ỏp suất bổ sung ở cuối ống dẫn trong những trường hợp cần thiết, vớ dụ đưa chất lỏng vào thiết bị cú ỏp suất cao hơn ỏp suất khớ quyển, để phun chất lỏng trong thỏp đệm, trong phũng sấy. Với hệ thống thiết bị trỡnh bày trong đồ ỏn này, Δpk = 0.
6.2.1.1. Áp suất động lực học:
Áp suất động lực học được tớnh theo cụng thức: Δpd = 𝜌.𝜔
2
68
Trong đú: +) ρ là khối lượng riờng của chất lỏng, kg/m3 +) ω là tốc độ lưu thể, m/s
a) Đoạn ống từ hỗn hợp gia nhiệt hỗn hợp đầu vào thỏp:
Cỏc số liệu: ρF = 839,14 (kg/m3); dtb = dt(F) = 0,09 m; ω = 0,206 (m/s)
Thay số: Δpd(1) = 839,14 . 0,206
2
2 = 17,8 (N/m2)
b) Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
Cỏc số liệu: ρ = 885,39 (kg/m3); dtb = dt = 0,028 m; ω = 2 (m/s) Thay số: Δpd(2) = 885,39 . 2 2 2 = 1770,78 (N/m2) Áp suất động lực học tổng cộng là: Δpd = Δpd(1) + Δpd(2) = 17,8 + 1770,78 = 1788,58 (N/m2) 6.2.1.2. Áp suất để khắc phục trở lực do ma sỏt trờn đường ống thẳng:
Áp suất khắc phục trở lực do ma sỏt trờn đường ống thẳng tớnh theo cụng thức: Δpm = λ. 𝐿 𝑑𝑡𝑑.𝜌.𝜔 2 2 , N/m2 [1 – 377 – II.55] Trong đú: +) λ là hệ số ma sỏt +) L là chiều dài ống dẫn, m
+) dtd là đường kớnh tương đương của ống dẫn, m
a) Đoạn ống từ hỗn hợp gia nhiệt hỗn hợp đầu vào thỏp:
Cỏc số liệu: ρF = 839,14 (kg/m3); dtb = dt(F) = 0,09 m; ω = 0,206 (m/s)
Xỏc định hệ số ma sỏt λ:
- Ở nhiệt độ tF = 81,15⁰C, tra sổ tay quỏ trỡnh và thiết bị cụng nghệ húa chất tập 1 trang 90 ta được độ nhớt của metanol μ1 = 0,235 . 10-3 N.s/m2, của nước là: μ2 = 0,353 . 10-3 N.s/m2. Nờn độ nhớt của hỗn hợp là: Lg μhh = xF.lg μ1 + (1 – xF).lg μ2 = 0,35 . log(0,235.10-3) + (1 – 0,35) . log(0,353.10-3) ⇒ μhh = 0,306 . 10-3 N.s/m2 = 0,306 cP - Chuẩn số Reynold: Re = 𝜔.𝑑𝑡𝑑.𝜌 𝜇 = 0,206 . 0,09 . 839,14 0,306.10−3 = 50842,01 > 104
69
- Chế độ chảy của dũng chất lỏng trong ống là chế độ chảy xoỏy. Do đú hệ số ma sỏt: 1
𝜆 = -21.lg[(6,81
𝑅𝑒 )0,9 + ∆
3,7] [1 – 380 – II.65], trong đú: Δ = 𝜀
𝑑𝑡𝑑 là độ nhỏm tương đối, ε là độ nhỏm tuyệt đối (m)
+ Chọn ống nguyờn và ống hàn trong điều kiện ớt ăn mũn theo bảng II.15 [1 – 381] ta cú: ε = 0,2 (mm). Do đú độ nhỏm tương đối: Δ = 1,33.10-3
+ Thay số: 1
𝜆 = -21.lg[( 6,81
50842,01)0,9+1,33.10−3
3,7 ] ⇒ λ = 0,015
Chọn chiều dài đoạn ống L = 3 (m)
Thay số: Δpm(1) = λ. 𝐿 𝑑𝑡𝑑.𝜌.𝜔 2 2 = 0,015 . 3 0,09 . 839,14.0,206 2 2 = 8,9 (N/m2)
b) Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
Cỏc số liệu: ρ = 885,39 (kg/m3); dtb = dt = 0,028 m; ω = 2 (m/s)
Xỏc định hệ số ma sỏt λ:
- Ở nhiệt độ tF = 20⁰C, tra sổ tay quỏ trỡnh và thiết bị cụng nghệ húa chất tập 1 trang 90 ta được độ nhớt của metanol μ1 = 0,59 . 10-3 N.s/m2, của nước là: μ2 = 1,0 . 10-3 N.s/m2. Nờn độ nhớt của hỗn hợp là: Lg μhh = xF.lg μ1 + (1 – xF).lg μ2 = 0,35 . log(0,59.10-3) + (1 – 0,35) . log(1,0.10-3) ⇒ μhh = 0,831 . 10-3 N.s/m2 = 0,831 cP - Chuẩn số Reynold: Re = 𝜔.𝑑𝑡𝑑.𝜌 𝜇 = 2 . 0,028 . 885,39 0,831.10−3 = 59665,27 > 104
- Chế độ chảy của dũng chất lỏng trong ống là chế độ chảy xoỏy. Do đú hệ số ma sỏt: 1
𝜆 = -21.lg[(6,81
𝑅𝑒 )0,9 + ∆
3,7] [1 – 380 – II.65], trong đú: Δ = 𝜀
𝑑𝑡𝑑 là độ nhỏm tương đối, ε là độ nhỏm tuyệt đối (m)
+ Chọn ống nguyờn và ống hàn trong điều kiện ớt ăn mũn theo bảng II.15 [1 – 381] ta cú: ε = 0,2 (mm). Do đú độ nhỏm tương đối: Δ = 4.10-3
+ Thay số: 1
𝜆 = -21.lg[( 6,81
59665,27)0,9 +4.10−3
3,7 ] ⇒ λ = 0,016
70 Thay số: Δpm(2) = λ. 𝐿 𝑑𝑡𝑑.𝜌.𝜔 2 2 = 0,016 . 10 0,028 . 885,39 . 2 2 2 = 10118,74 (N/m2) Áp suất để khắc phục trở lực do ma sỏt trờn ống thẳng tổng cộng trờn cả 2 đoạn là: Δpm = Δpm(1) + Δpm(2) = 8,9 + 10118,74 = 10127,64 (N/m2) 6.2.1.3. Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ:
Áp suất khắc phục trở lực do ma sỏt trờn đường ống thẳng tớnh theo cụng thức: Δpc = ξ . 𝜔2.𝜌 2 = λ . 𝐿𝑡𝑑 𝑑𝑡𝑑 . 𝜌 . 𝜔 2 2 , N/m2 [1 – 37 – II.56] Trong đú: +) ξ là hệ số trở lực cục bộ
+) Ltd là chiều dài tương đương, m
a) Đoạn ống từ hỗn hợp gia nhiệt hỗn hợp đầu vào thỏp:
Cỏc số liệu: ρF = 839,14 (kg/m3); ω = 0,206 (m/s) Xỏc định hệ số ma sỏt λ: - Ở nhiệt độ ttb = 57,87⁰C, độ nhớt của hỗn hợp μ =0,428.10-3 (N.s/m2) - Chuẩn số Reynold: Re = 𝜔 .𝑑𝑡𝑑 .𝜌 𝜇 = 0,206 . 0,021 .839,14 0,428 . 10−3 = 8481,59 ⇒ Chế độ chảy của dũng chất lỏng là chế độ chảy quỏ độ:
→ Hệ số ma sỏt được tớnh theo cụng thức sau: λ = 0,3164
𝑅𝑒0,25 = 0,3164
8481,590,25 = 0,033
Thiết bị cú chiều dài ống truyền nhiệt là: H = 1,5 m, chia làm 33 ngăn nờn thực tế chiều dài đường đi của lỏng: L = 33 . 1,5 = 49,5 (m)
⇒ Δpc(1) = λ . 𝐿
𝑑𝑡𝑑 . Δptd = 0,033 . 49,5
0,021 . 17,8 = 1384,59 (N/m2)
b) Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
Cỏc số liệu: ρ = 885,39 (kg/m3); ω = 2 (m/s)
Đoạn ống cú lắp 1 van 1 chiều để điều chỉnh lưu lượng và bảo vệ bơm, cú trở lực ξ1. Lắp thờm 1 lưu lượng kế, cú trở lực ξ2=0
71
Chọn van 1 chiều kiểu đĩa khụng cú định hướng phớa dưới cú b/D0 = 0,1, tra bảng II.16-N047 [1 – 400] thỡ ξ1 = 0,55 Thay số: Δpc(2) = ξ . 𝜔2.𝜌 2 = 0,55 . 22.885,39 2 = 973,93 (N/m2) Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ trờn cả 2 đoạn là: Δpc = Δpc(1) + Δpc(2) = 1384,59 + 973,93 = 2358,52 (N/m2)
6.2.1.4. Áp suất để khắc phục ỏp suất thủy tĩnh:
Áp suất khắc phục ỏp suất thủy tĩnh được tớnh theo cụng thức: ΔpH = ρ.g.H, N/m2 [1 – 377 – II.57]
Trong đú: +) ρ là ỏp suất của chất lỏng ở 20⁰, ρ = 885,39 (kg/m3) +) H là chiều cao nõng cột chất lỏng, H = 10m
Thay số: ΔpH = 885,39 . 9,81 . 10 = 86856,76 (N/m2)
6.2.1.4. Áp suất để khắc phục trở lực trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
Áp suất cần thiết để khắc phục trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Δpt bao gồm: ỏp suất động lực học Δptd, ỏp suất do ma sỏt trờn ống truyền nhiệt Δptm, ỏp suất do trở lực cục bộ Δptc, ỏp suất thủy tĩnh ΔptH.
a) Áp suất động lực học:
Trong phần tớnh toỏn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, tốc độ lỏng thực tế đạt ωt = 0,206 (m/s); khối lượng riờng tại ttb=57,87⁰C là ρ = 839,14 (kg/m3)
Thay số: Δptd = 𝜌 . 𝜔
2
2 = 839,14 . 0,206
2
2 = 17,8 (N/m2)
b) Áp suất để khắc phục ma sỏt trờn ống truyền nhiệt:
Cỏc số liệu: ρ = 839,14 (kg/m3); đường kớnh ống truyền nhiệt dtd = d = 0,021(m); vận tốc lỏng ωt = 0,206 (m/s) Xỏc định hệ số ma sỏt λ: - Ở nhiệt độ ttb = 57,87⁰C, độ nhớt của hỗn hợp μ =0,428.10-3 (N.s/m2) - Chuẩn số Reynold: Re = 𝜔 .𝑑𝑡𝑑 .𝜌 𝜇 = 0,206 . 0,021 .839,14 0,428 . 10−3 = 8481,59
72
⇒ Chế độ chảy của dũng chất lỏng là chế độ chảy quỏ độ: → Hệ số ma sỏt được tớnh theo cụng thức sau:
λ = 0,3164
𝑅𝑒0,25 = 0,3164
8481,590,25 = 0,033
Thiết bị cú chiều dài ống truyền nhiệt là: H = 1,5 m, chia làm 33 ngăn nờn thực tế chiều dài đường đi của lỏng: L = 33 . 1,5 = 49,5 (m)
⇒ Δptm = λ . 𝐿
𝑑𝑡𝑑 . Δptd = 0,033 . 49,5
0,021 . 17,8 = 1384,59 (N/m2)
c) Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ bờn trong thiết bị:
Dũng lỏng chảy trong thiết bị phải qua cỏc ngăn và nhiều chỗ đột mở, đột thu. + Tiết diện cửa vào thiết bị (từ ống đẩy của bơm): f1=𝜋𝑑
2
4 = 3,14 . 0,028
2
4 = 6,15.10-4 (m2)
+ Tiết diện cửa ra thiết bị (dẫn về thỏp): f2 = 𝜋𝑑
2
4 = 3,14 . 0,09
2
4 = 6,36.10-3 (m2) + Giả sử 33 ngăn cú tiết diện đều nhau, tiết diện khoảng trống ở 2 đầu thiết bị ứng với mỗi ngăn là: f3 = 𝜋𝑑2
4 . 1
6 = 3,14 . 0,09
2
4 . 1
6 = 1,06 . 10-3 (m2)
+ Giả sử 61 ống được chia đều vào 33 ngăn thỡ trung bỡnh mỗi ngăn cú tổng tiết diện cỏc ống truyền nhiệt là: f4 = 𝜋𝑑
2 4 . 61 33 = 3,14 . 0,021 2 4 . 61 33 = 6,4 . 10-4 (m2) Xỏc định hệ số trở lực cục bộ:
+ Dũng chảy vào thiết bị gia nhiệt tức là đột mở f1/f3=0,6, tra bảng II.16-N011 [1 – 387] thỡ ξ1 = 0,16
+ Dũng chảy đi từ cỏc ngăn vào cỏc ống truyền nhiệt, cú 33 ngăn tức là đột thu 33 lần với f4/f3=0,6, tra bảng II.16-N013 [1 – 388] thỡ ξ2 = 0,25
+ Dũng chảy đi từ cỏc ống truyền nhiệt vào cỏc ngăn, cú 33 ngăn tức là đột mở 33 lần với f4/f3=0,6, tra bảng II.16-N011 [1 – 387] thỡ ξ3 = 0,16
+ Dũng chảy ra khỏi thiết bị gia nhiệt tức là đột mở f3/f2=0,2, tra bảng II.16- N011 [1 – 387] thỡ ξ4 = 0,64
73
+ Tổng hệ số trở lực cục bộ: ξ = ξ1 + 33. ξ2 + 33. ξ3 + ξ4
= 0,16 + 33.0,25 + 33.0,16 + 0,64 = 14,33
Δptc = ξ .Δptd = 14,33 . 17,8 = 255,074 (N/m2)
d) Áp suất để khắc phục ỏp suất thủy tĩnh:
Ống truyền nhiệt cao 1,5m
Thay số: ΔpH = ρ.g.H = 868,29 . 9,81 . 1,5 = 12776,89 (N/m2)
e) Áp suất để khắc phục trở lực trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
Δpt = Δptd + Δptm + Δptc + ΔptH = 17,8 + 1384,59 + 255,074 + 12776,89 = 14434,354 (N/m2)
6.2.1.5. Áp suất toàn phần:
Vậy ỏp suất toàn phần để khắc phục mọi sự cản trong hệ thống là: Δp = Δpd + Δpm + ΔpH + ΔpC + Δpt + Δpk
= 1788,58 + 10127,64 + 2358,52 + 12776,89 + 14434,354 + 0 = 41485,984 (N/m2)
6.2.2. Tớnh toỏn cỏc thụng số của bơm li tõm:
Chiều cao toàn phần bơm cần tạo ra: H = ∆𝑝
𝜌.𝑔 = 41485,984
885,39 . 9,81 = 4,78 (m)
Hiệu suất chung của bơm (hiệu suất toàn phần): η = η0. ηtl . ηck
- Tra bảng II.32 [1 – 439] cú hiệu suất thể tớch tớnh đến sự hao hụt chất lỏng chảy từ vựng ỏp suất cao đến vựng ỏp suất thấp và do chất lỏng rũ qua cỏc chỗ hở của bơm: η0 = 0,85-0,96; hiệu suất thủy lực, tớnh đến ma sỏt và sự tọa ra dũng xoỏy trong bơm: ηtl = 0,8-0,85; hiệu suất cơ khớ tớnh đến ma sỏt cơ khớ ở ổ bi, ổ lút trục: ηck = 0,92-0,96.
- Chọn η0 = 0,95; ηtl = 0,85; ηck = 0,95 → η = 0,767
Cụng suất yờu cầu trờn trục động cơ của bơm:
N = 𝑄.𝜌.𝑔.𝐻
1000.𝜂 , kW [1 – 439 – II.189] Trong đú: +) Q = V = 1,31 . 10-3 (m3/s)
74
+) ρ là khối lượng riờng của chất lỏng ở 20⁰C, ρ=885,39 (kg/m3) +) H là chiều cao toàn phần của bơm, m/s; H = 4,78 (m)
+) η = 0,767 là hiệu suất toàn phần Thay số: N = 1,31 .10
−3.885,39 . 9,81 .4,78
1000 . 0,767 = 0,07 (kW)
Cụng suất động cơ điện: Ndc = 𝑁
𝜂𝑡𝑟.𝜂𝑑𝑐 , kW [1 – 439 – II.190] Trong đú: +) ηtr là hiệu suất truyền động, chọn ηtr = 0,95 +) ηdc là hiệu suất động cơ, chọn ηdc = 0,85 Thay số: Ndc = 0,07
0,95 . 0,85 = 0,087
Thụng thường người ta chọn động cơ điện lớn hơn so với cụng suất tớnh toỏn (lượng dư dựa vào khả năng quỏ tải): 𝑁𝑑𝑐𝑐 = β.Ndc , kW [1 – 439 – II.191] Tra bảng II.3 [1 – 440] cú hệ số dự trữ β = 2
75
PHẦN 7: KẾT LUẬN
Như vậy trong đồ ỏn, thỏp chưng luyện loại đĩa chúp được thiết kế với cỏc thụng số chớnh, chỉ số hồi lưu R = 1,486, đường kớnh trong D = 1,25 m, chiều cao H = 7,19 m (trong đú đoạn luyện 4,05, đoạn chưng 3,14 m) ứng với 18 đĩa (10 đĩa đoạn luyện và 8 đĩa đoạn chưng), thỏp dày 10mm, nắp và thỏp cú dạng elip dày 10mm, phõn phối chúp trờn đĩa dạng tam giỏc đều với 28 chúp trờn 1 đĩa ...
Do đặc điểm quỏ trỡnh chưng luyện là hệ số phõn bố thay đổi theo chiều cao của thỏp, đồng thời quỏ trỡnh truyền nhiệt diễn ra song song với quỏ trỡnh chuyển khối vỡ vậy làm cho quỏ trỡnh tớnh toỏn và thiết kế trở nờn phức tạp. Một khú khăn nữa mà khi tớnh toỏn và thiết kế hệ thống chưng luyện gặp phải là khụng cú cụng thức cho việc tớnh toỏn cỏc hệ số động học của quỏ trỡnh chưng luyện hoặc cụng thức cụng thức chưa phản ỏnh được đầy đủ cỏc tỏc dụng động học, cỏc hiệu ứng húa học, húa lớ ... mà chủ yếu là cỏc cụng thức thực nghiệm, và trong cỏc cụng thức tớnh toỏn thỡ phần lớn phải tớnh theo giỏ trị trung bỡnh, cỏc thụng số vật lớ chủ yếu nội suy, một số cỏc kớch thước, thụng số cú nhiều cỏch xỏc định tựy thuộc vào nhà sản xuất, tiờu chuẩn của cỏc nước cụ thể như Liờn Xụ (cũ), tiờu chuẩn Anh – Mỹ ... nờn rất khú khăn cho việc tớnh toỏn chớnh xỏc.
Trong phạm vi khuụn khổ của đồ ỏn mụn học, do thời gian khụng cho phộp đồng thời do hạn chế về kiến thức lớ thuyết cũng như thực tế sản xuất và đõy cũng là lần đầu tiờn tiếp xỳc với đồ ỏn, trỡnh bày bản thuyết minh bằng Microsoft Word đặc biệt là bản vẽ lắp thiết bị chớnh vẽ tay trỡnh bày trờn giấy A1 nờn khụng trỏnh khỏi những bỡ ngỡ, sai sút. Em mong được sự giỳp đỡ và chỉ dạy của cỏc thầy cụ trong bộ mụn.
Qua đồ ỏn em cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy Vũ Kiờm Thủy đó quan tõm, giỳp đỡ, chỉ bảo tận tỡnh giỳp em hoàn thành bài đồ ỏn, hiểu rừ hơn về mụn học, phương phỏp thực hiện tớnh toỏn thiết kế, cỏch tra cứu số liệu và xử lớ số liệu ... Em xin chõn thành cảm ơn!
76
PHẦN 8: TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Tập thể tỏc giả, Sổ tay quỏ trỡnh và thiết bị cụng nghệ hoỏ chất, tập 1. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004.
[2]. Tập thể tỏc giả, Sổ tay quỏ trỡnh và thiết bị cụng nghệ hoỏ chất, tập 2. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004
[3]. Nguyễn Hữu Tựng, Kỹ thuật tỏch hỗn hợp nhiều cấu tử, tập 1: Cỏc nguyờn lý và ứng dụng, Nhà xuất bản Bỏch Khoa, Hà Nội, 2010.
[4]. Nguyễn Hữu Tựng, Kỹ thuật tỏch hỗn hợp nhiều cấu tử, tập 2: Tớnh toỏn và thiết kế, Nhà xuất bản Bỏch Khoa, Hà Nội, 2013.