G=1800 L.h-1 x y 𝒙 T (oC) M(kmol) G(Kg.h-1) F 0,196 0,533 0,384 83,137 72.009 1691.34 D 0,503 0,65 0,659 79.696 15.088 650.95 W 0,010 0.112 0,025 97.255 56.921 1014.85
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 20
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN - THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
4.1 Đường kính tháp (𝑫𝒕)
Đường kính tháp được xác định theo IX.90 (trang 181, [1]):
𝐷𝑡 = √𝜋.3600.𝜔4.𝑉𝑡𝑏
𝑡𝑏 = 0,0188. √(𝜌𝑦.𝜔)𝑔𝑡𝑏
𝑡𝑏
(m) (4-1)
Với:
𝑉𝑡𝑏: lượng hơi trung bình đi trong tháp m3.h-1.
𝜔𝑡𝑏: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp m.s-1.
𝐺𝑡𝑏: lượng hơi trung bình đi trong tháp kg.h-1.
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau. Do đĩ đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau.
4.2 Đường kính đoạn cất
4.2.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất xác định theo XI.91 (trang 181[2]):
𝑔𝑡𝑏 =𝑔𝑑+𝑔1
2 (4-2) Với:
𝑔𝑑: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp kg.h-1.
𝑔𝑙: lượng hơi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất kg.h-1.
Xác định 𝒈𝒅:
Theo cơng thức IX92 (trang 181, [1]):
𝑔𝑑 = 𝐷. (𝑅 + 1) = 31.632 kmol.h-1 → 𝑔𝑑 = 1036.468 kg.h-1 Xác định 𝒈𝒍: Từ hệ phương trình: { 𝑔1 = 𝐺1+ 𝐷 𝑔1. 𝑦1 = 𝐺1. 𝑥1 + 𝐷. 𝑥𝐷 𝑔1. 𝑟1 = 𝑔𝑑. 𝑟𝑑 (4-3) Với:
𝐺𝑙: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất.
𝑟𝑙: ẩn nhiệt hĩa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất.
𝑟𝑑: ẩn nhiệt hĩa hợi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp.
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
Ẩn nhiệt hĩa hơi của nước (bảng I.250, trang 312[1]): 𝑟𝑁 = 41892.529 kJ.kmol-1
Ẩn nhiệt hĩa hơi của ethanol (bảng I.212, trang 254[1]): 𝑟𝑅 = 38663.470 kJ.kmol-1
→ 𝑟1 = 𝑟𝑅. 𝑦1+ (1 − 𝑦1). 𝑟𝑁 = 41892.529 − 3229,059𝑦1
Tính 𝒓𝒅: Từ 𝑡𝐷 = 79.695oC ta cĩ:
Ẩn nhiệt hĩa hơi của nước (bảng I.250, trang 312 [1]): 𝑟𝑁 = 42150.546 kJ.kmol-1
Ẩn nhiệt hĩa hơi của ethanol (bảng I.212 trang 254 [1]): 𝑟𝑅 =38664.470 kJ.kmol-1
→ 𝑟𝑑 = 𝑟𝑅. 𝑦𝐷+ (1 − 𝑦𝐷). 𝑟𝑁 = 40174.5 kJ.kmol-1
Cĩ 𝑥1 = 𝑥𝐹 = 0.196
Giải hệ (4-3), ta được: {
𝐺1 = 16,014 (kmol.h-1) 𝑦1 = 0,345 (phân mol etanol) 𝑔1 = 31,292 (kmol.h-1)
𝑀1 = 𝑦1𝑀𝑅 + (1 − 𝑦1)𝑀𝑁 = 0,345.46 + (1 − 0,345).18 = 27.66 (đvC) → 𝑔1 = 31,292.27,66 = 865.536 (kg.h-1)
Vậy 𝑔𝑡𝑏 =865.536+1036.468
2 = 951 (kg.h-1) Tốc độ hơi trung bình trong tháp
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ cĩ ống chảy chuyền:
𝜔𝑔ℎ = 0,05. √𝜌𝑥𝑡𝑏
𝜌𝑦𝑡𝑏 (IX111, trang 186, [1]) Với:
𝜌𝑥𝑡𝑏: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg.m-3)
𝜌𝑦𝑡𝑏: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg.m-3) Xác định 𝝆𝒚𝒕𝒃:
𝜌𝑦𝑡𝑏 =[𝑦𝑡𝑏.46+(1−𝑦𝑡𝑏).18].273
22,4.(𝑡𝑡𝑏+273) (IX.102, trang 83, [1]) Nồng độ phân mol trung bình:
𝑦𝑡𝑏 =𝑦1+𝑦𝐷
2 =0,345+0.659
2 = 0,439
Nhiệt độ trung bình đoạn cất:
𝑡𝑡𝑏 =𝑡𝐹+𝑡𝐷
2 =83.098+79,694
2 = 81,4 oC
⇒ 𝜌𝑦𝑡𝑏 =[0,439.46+(1−0,439).18].273
22,4.(81,41+273) = 1,041 kg.m-3
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh SVTH: Phạm Văn Tín Trang 22 𝑉𝑡𝑏 = 𝑔𝑡𝑏 𝜌𝑦𝑡𝑏 = 951,002 1,041.3600= 0,254 m3.s-1 Xác định 𝝆𝒙𝒕𝒃:
Nồng độ phân mol trung bình:
𝑥𝑡𝑏 =𝑥𝐹+𝑥𝐷 2 =0,196+0,503 2 = 0,35 ⇒ 𝑥̄𝑡𝑏 = 46.𝑥𝑡𝑏 46.𝑥𝑡𝑏+(1−𝑥𝑡𝑏).18= 46.0,35 46.0,35+(1−0,35).18= 0,579
𝑡𝑡𝑏 = 81,4 oC tra bảng I.2 trang 9 [1] → 𝜌𝑥𝑡𝑏 = 937,7 kg.m-3 ⇒ 𝜔𝑔ℎ = 0,05. √937,7
1,041 = 1,5 m.s-1
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:
𝜔ℎ = 0,8. 𝜔𝑔ℎ = 0,8.1,5 = 1,2 m.s-1
Vậy đường kính đoạn cất:
𝐷𝑐ấ𝑡 = 0,0188. √ 𝑔𝑡𝑏
(𝜌𝑦.𝜔𝑦)𝑡𝑏= 0,0188. √ 951
1,041.1.5 = 0,5 m
Đường kính đoạn chưng
Lượng hơi trung bình đi trong tháp:
𝑔𝑡𝑏 =𝑔𝑛′+𝑔1′
2 (4-4) Trong đĩ:
𝑔𝑛′ : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg.h-1)
𝑔1′: lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg.h-1)
Xác định 𝒈𝒏′: 𝑔𝑛′ = 𝑔1 = 865,536 kg.h-1 hay 31,405 kmol.h-1 Xác định 𝒈𝟏′: Từ hệ phương trình { 𝐺1′ = 𝑔1′ + 𝑊 𝐺1′. 𝑥1′ = 𝑔1′. 𝑦𝑤 + 𝑊. 𝑥𝑤 𝑔1′. 𝑟1′ = 𝑔𝑛′. 𝑟𝑛′ = 𝑔1. 𝑟1 (4-5) Với:
𝐺1′: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng
𝑟1′: ẩn nhiệt hĩa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng Tính : 𝑥𝑤 = 0,01 → 𝑦𝑤 = 0,112
' 1
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
⇒ 𝑀𝑡𝑏𝑊 = 46. 𝑦𝑊 + (1 − 𝑦𝑤).18 = 46.0,112 + (1 − 0,112).18 = 21,126
kg.kmol-1
𝑡1′ = 𝑡𝑤 = 97.255 oC ta cĩ:
Ẩn nhiệt hĩa hơi của nước (bảng I.250, trang 312, [1]): 𝑟𝑁 = 40827,203 kJ.kmol-1
Ẩn nhiệt hĩa hơi của ethanol (bảng I.212, trang 254, [1]): 𝑟𝑅 = 37574,47 kJ.kmol-1 → 𝑟1′ = 𝑟𝑅′. 𝑦𝑤+ (1 − 𝑦𝑤). 𝑟𝑁′ = 40464.013 kJ.kmol-1 Tính 𝒓𝟏: → 𝑟1 = 40039,27 kJ.kmol-1 Ta cĩ 𝑊 = 56,921 kmol.h-1. Giải hệ (4-5), ta được: { 𝐺1′ = 88,657 (kmol.h-1) 𝑥1′ = 0,046 𝑔1′ = 31,736 (𝐾𝑚𝑜𝑙.h-1) 𝑀𝑡𝑏𝐺′ = 𝑥1′𝑀𝑅+ (1 − 𝑥1′)𝑀𝑁 = 0,046.46 + (1 − 0,046).18 = 19,288 (kg.kmol-1) → 𝑔1′ = 19,288.31,736 = 612.124 (kg.h-1) Vậy 𝑔𝑡𝑏′ =615,24+83.536 2 = 738.83 (kg.h-1)
4.3 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ cĩ ống chảy chuyền:
𝜔𝑔ℎ′ = 0,05. √𝜌𝑥𝑡𝑏′
𝜌𝑦𝑡𝑏′ (4-6)
Với:
𝜌𝑥𝑡𝑏′ : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg.m-3)
𝜌𝑦𝑡𝑏′ : khối lượng riêng trung bình củ pha hơi (kg.m-3) Xác định 𝝆𝒚𝒕𝒃′ :
𝜌𝑦𝑡𝑏′ =[𝑦𝑡𝑏′ .46+(1−𝑦𝑡𝑏′ ).18].273 22,4.(𝑡𝑡𝑏′ +273) (4-7) Nồng độ phân mol trung bình:
𝑦𝑡𝑏′ =𝑦1+𝑦𝑤
2 =0,345+0,112
2 = 0,228
Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:
𝑡𝑡𝑏′ =𝑡𝐹+𝑡𝑊
2 =83,1+97,225
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 24
⇒ 𝜌𝑦𝑡𝑏′ =[0,228.46+(1−0,228).18].27322,4.(88,47+273) = 0,823 Kg.m-3
Lưu lượng pha hơi trong phần chưng:
𝑉𝑡𝑏′ = 𝑔𝑡𝑏′
𝜌𝑦𝑡𝑏′ = 738.83
0,823.3600 = 0,25 m3.s-1
Xác định 𝝆𝒙𝒕𝒃′ :
Nồng độ phân mol trung bình:
𝑥𝑡𝑏′ =𝑥𝐹+𝑥𝑤 2 =0,196+0,012 2 = 0,103 ⇒ 𝑥𝑡𝑏′ = 46.𝑥′𝑡𝑏 46.𝑥′ 𝑡𝑏+(1−𝑥′ 𝑡𝑏).18= 0,227 Với 𝑡𝑡𝑏′ = 88,474 oC ta cĩ:
Khối lượng riêng của nước tra bảng I.249 trang 310, [1]: 𝜌𝑁′ = 963,004 Kg.m-3
Khối lượng riêng của rượu tra bảng I.2 trang 9, [1]: 𝜌𝑅′ = 891,915 Kg.m-3 ⇒ 𝜌𝑥𝑡𝑏′ = (𝑥𝑡𝑏 ′ 𝜌𝐸𝑡′ +1−𝑥𝑡𝑏′ 𝜌𝑁′ ) −1 = 945,89 (Kg.m-3) ⇒ 𝜔𝑔ℎ = 0,05. √956,515 0,85 = 1,696 (m.s-1)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:
𝜔ℎ = 0,8. 𝜔𝑔ℎ = 0,8.1,696 = 1,356 (m.s-1)
Vậy đường kính đoạn chưng:
𝐷𝑐ℎư𝑛𝑔 = 0,0188. √ 𝑔′𝑡𝑏 (𝜌′
𝑦.𝜔′𝑦)𝑡𝑏= 0,0188. √ 738.83
0,823.1,356= 0,484 m
Do đường kính của đoạn chưng và đoạn cất khơng chênh lệch nhiều, để thuận tiện tính tốn ta chọn 𝐷𝑡 = 𝐷𝑐ấ𝑡𝑡 = 𝐷𝑐ℎư𝑛𝑔 = 0,5 m. Tốc độ làm việc thực: Phần cất: 𝜔𝑙𝑣 =0,01882.𝑔𝑡𝑏 𝐷𝑡2.𝜌𝑦𝑡𝑏 =0,01882.951,002 0,52.1.041 = 1.291 (m.s-1) Phần chưng: 𝜔𝑙𝑣′ =0,01882.𝑔𝑡𝑏′ 𝐷𝑡2.𝜌𝑦𝑡𝑏′ =0,01882.738 0,52.0,822 = 1,27 (m.s-1) Bảng 4-1: Tĩm tắt các thơng số đường kính tháp
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
Kí hiệu Đoạn cất Đoạn chưng
𝑔𝑑 (kg.h-1) 1,036.47 865.54 𝑔1 (kg.h-1) 868,54 612.12 𝑔𝑡𝑏 (kg.h-1) 951,00 738,83 𝜌𝑦𝑡𝑏 (kg.m-3) 1,04 0,82 𝜌𝑥𝑡𝑏 (kg.m-3) 937.64 945,83 𝜔𝑙𝑣 (m.s-1) 1,291 1,270 𝐷 (m) 0,5 0,5
4.4 Mâm lỗ - trở lực của mâm 4.4.1. Cấu tạo mâm lỗ
Chọn tháp mâm xuyên lỗ cĩ ống chảy chuyền. Chọn đường kính lỗ 𝑑1 = 3 mm = 0,003 m.
Tổng diện tích lỗ bằng 8% diện tích mâm.
Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ. Bố trí theo hình lục giác đều.
Tỉ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 1/1.
Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm. Số lỗ trên 1 mâm: 𝑁 =8%.𝑆𝑚â𝑚 𝑆𝑙ơ = 0,08 ⋅ (𝐷𝑡 𝑑1)2 = 0,08 ⋅ ( 0.5 0,003)2 = 2222.22 lỗ Áp dụng cơng thức V.139 trang 48, [2] 𝑁 = 3𝑎(𝑎 − 1) + 1 ⇒ 𝑎 = 28 ⇒ 𝑁 = 2269 lỗ
Số lỗ trên đường chéo:
𝑏 = 2𝑎 − 1 = 2.24 − 1 = 55 lỗ
Độ giảm áp của pha khí qua một mâm
Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng) là tổng các độ giảm áp của pha khí qua mâm khơ và các độ giảm áp do pha lỏng:
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 26
ℎ𝑡𝑙 = ℎ𝑘+ ℎ𝑙 + ℎ𝑅 (5.15, trang 118, [3])
4.4.1.1 Độ giảm áp qua mâm khơ
Độ giảm áp của pha khí qua mâm khơ được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất do dịng chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ.
ℎ𝑘 = (𝑣02 𝐶02) ⋅ ( 𝜌𝐺 2𝑔𝜌𝐿) = 51 ⋅ (𝑢02 𝐶02) ⋅𝜌𝐺 𝜌𝐿 (5.16, trang 119, [3]) Với:
𝑢0: vận tốc pha hơi qua lỗ m.s-1
𝜌𝐺: khối lượng riêng của pha hơi Kg.m-3
𝜌𝐿: khối lượng riêng của pha lỏng Kg.m-3
𝐶0: hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.
Ta cĩ: ∑ 𝑆𝑙ơ
𝑆𝑚â𝑚 = 0,08 và 𝛿𝑚â𝑚
𝑑1 = 0,667 tra hình 5.20 trang 119, [3] ta được 𝐶0 = 0,75
Đối với mâm ở phần cất:
Vận tốc pha hơi qua lỗ: 𝑢0 =𝜔𝑙𝑣
8% =1,04
8% = 13,012 (m.s-1)
Khối lượng riêng của pha hơi: 𝜌𝐺 = 𝜌𝑦𝑡𝑏 = 1,04 kg.m-3
Khối lượng riêng của pha lỏng: 𝜌𝑙 = 𝜌𝑥𝑡𝑏 = 937.643 kg.m-3
Độ giảm áp qua mâm khơ ở phần cất:
ℎ𝑘 = 51 ⋅ (13,0122
0,752 ) ⋅ 1,27
937.643 = 17.044 (mm chất lỏng)
Đối với mâm ở phần chưng: Vận tốc pha hơi qua lỗ: 𝑢0′ =𝜔𝑙𝑣′
8% =1,22
8% = 15,875 m.s-1
Khối lượng riêng của pha hơi: 𝜌𝐺′ = 𝜌𝑦𝑡𝑏′ = 0,82 kg.m-3
Khối lượng riêng của pha lỏng: 𝜌𝑙′ = 𝜌𝑥𝑡𝑏′ = 945,9 kg.m-3
Độ giảm áp qua mâm khơ ở phần chưng:
ℎ𝑘′ = 51 ⋅ (15,8752
0,7552) ⋅ 0,82
945,9 = 19,868 (mm chất lỏng)
4.4.1.2 Độ giảm chất lỏng trên mâm
Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất lỏng trên mâm ℎ𝑙 là từ chiều cao gờ chảy tràn ℎ𝑤, chiều cao tính tốn của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn ℎ𝑜𝑤 và hệ số hiệu chỉnh theo 𝛽:
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
ℎ1 = 𝛽. (ℎ𝑤+ ℎ𝑜𝑤)
Chọn hệ số hiệu chỉnh: 𝛽 = 0,6 Chiều cao gờ chảy tràn: ℎ𝑤 = 50 mm
Chiều cao tính tốn của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng:
ℎ𝑜𝑤 = 43,4 ⋅ (𝑞𝐿 𝐿𝑤) 2 3 (5.13, trang 116, [3]) Với:
- 𝐿𝑤: lưu lượng của chất lỏng (m3.ph-1)
- 𝐿𝑤: chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m) Xác định 𝑳𝒘: Ta cĩ: 𝜋.𝑛 0 180𝑜− 𝑠𝑖𝑛 𝑛𝑜 = 0,2𝜋 Dùng phương pháp lặp ta được: 𝑛𝑜 = 93𝑜 ⇒ 𝐿𝑤 = 𝐷𝑡. 𝑠𝑖𝑛 (𝑛𝑜 2) = 0,5. 𝑠𝑖𝑛 (93𝑜 2 ) = 0,292 (m) Xác định 𝒒𝑳: Phần cất: 𝑞𝐿 =𝑅.𝐷.𝑀𝐷 60.𝜌𝑥𝑡𝑏 =1,716.15,088.43,14 60.937.64 = 0,019 (m3.ph-1) ⇒ ℎ𝑜𝑤 = 43,4 ⋅ (𝑞𝐿 𝐿𝑤) 2 3 = 43,4 ⋅ (0,019 0,292) 2 3 = 7.23 (mm chất lỏng)
Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất
ℎ𝑙 = 𝛽. (ℎ𝑤 + ℎ𝑜𝑤) = 0,6. (50 + 7,23) = 34,37 (mm chất lỏng) Phần chưng: 𝑞𝐿′ =𝐺1 ′.𝑀𝑡𝑏𝐺′′ 60.𝜌𝑥𝑡𝑏′ =88,657.19,288 60.945,899 = 0,03 (m3.ph-1) ⇒ ℎ𝑜𝑤′ = 43,4 ⋅ (𝑞𝐿′ 𝐿𝑤) 2 3 = 43,4 ⋅ (0,03 0,292) 2 3 = 9,518 (mm chất lỏng)
Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng:
ℎ𝑙′ = 𝛽. (ℎ𝑤 + ℎ𝑜𝑤′ ) = 0,6. (50 + 9,518) = 35,71(mm chất lỏng)
4.4.1.3 Độ giảm áp do sức căng bề mặt
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh SVTH: Phạm Văn Tín Trang 28 ℎ𝑅 = 625,54 ⋅ 𝜎 𝜌𝐿⋅𝑑𝑙 (mm chất lỏng) (5.19, trang 120, [3]) Với: 𝜎: sức căng bề mặt chất lỏng (dyn.cm-1) 𝜌𝐿: khối lượng riêng của pha lỏng (kg.m-3)
4.4.1.4 Phần cất:
Khối lượng riêng của pha lỏng: 𝜌𝑙 = 𝜌𝑥𝑡𝑏 = 937,643 kg.m-3
Tại 𝑡𝑡𝑏 = 81,41 oC ta cĩ:
Tra bảng I.249 trang 310, [1] sức căng bề mặt của nước: 𝜎𝑁 = 623,45 dyn.cm-1
Tra bảng I.242 trang 300, [1] sức căng bề mặt của rượu: 𝜎𝑅 = 23,856 dyn.cm-1 𝜎ℎℎ = 𝜎𝑁⋅𝜎𝑅
𝜎𝑁+𝜎𝑅 =623,45.23,856
623,45+23,56 = 22,978 (dyn.cm-1) (I.76 trang 299, [1]) Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là:
ℎ𝑅 = 625,54 ⋅ 12,987.10−3
937,643.0,003 = 5,11 (mm chất lỏng)
Phần chưng:
Khối lượng riêng của pha lỏng: 𝜌𝑙′ = 𝜌𝑥𝑡𝑏′ = 945,89 kg.m-3
Tại 𝑡𝑡𝑏 = 88.47 oC ta cĩ:
Tra bảng I.249 trang 310, [1] sức căng bề mặt của nước:𝜎𝑁′ = 610,167 dyn.cm-1
Tra bảng I.242 trang 300, [1] sức căng bề mặt của rượu:𝜎′
𝑅 = 17.06 dyn.cm-1 𝜎ℎℎ′ = 𝜎′𝑁⋅𝜎′𝑅
𝜎′𝑁+𝜎′𝑅 =610,167.17,06
610,167.17,06 = 16,59 (dyn.cm-1) (I.76 trang 299, [1])
Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là:
ℎ𝑅′ = 625,54 ⋅ 16.59.10−3
945,89.0,003= 3,658 (mm chất lỏng)
Kết luận độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm: Phần cất:
ℎ𝑡′ = 17.04 + 34,447 + 5,11 = 54,966 (mm chất lỏng)
Hay ℎ𝑡′ = 56,966.10−3. 9,81.937,643 = 524,2 (N.m-2)
Phần chưng:
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
hay ℎ𝑡′ = 59,237.10−3. 9,81.945,89 = 549,68 (N.m-2)
Tổng trở lực của tồn tháp hay độ giảm áp tổng cộng của tồn tháp là: (xem độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở phần chưng).
∑ ℎ𝑡 = 10.524,2 + 8.549,68 = 9639,44 (N.m-2)
Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động
Chọn khoảng cách giữa hai mâm, với đường kính tháp nằm trog khoảng 0 – 0,6m là:
ℎ𝑚â𝑚 = 0,3 m = 350 mm.
Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng của mâm xuyên lỗ được xác định theo biếu thức:
ℎ𝑑 = ℎ𝑤+ ℎ𝑜𝑤+ ℎ𝑡 + ℎ𝑑′ (mm chất lỏng) (5.20 trang 120, [3]) Với: ℎ𝑑′ = 0,128 ⋅ ( 𝑄𝐿
100.𝑆𝑑)2mm chất lỏng (5.10 trang 115, [3])
𝑆𝑑: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm
𝑆𝑑 = 0,8. 𝑆𝑚â𝑚 = 0,8. 𝜋. 0,252 = 0,157 (m2)
Phần cất:
𝑄𝐿 = 60. 𝑞𝐿 = 60.0,0198 = 1,191 (m3.h-1) ⇒ ℎ𝑑′ = 0,128 ⋅ ( 1.191
100.0,157)2 = 0,000618 (mm chất lỏng)
Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần cất là:
ℎ𝑑 = 50 + 7,229 + 0.000618 + 34,337 = 91,57 (mm chất lỏng)
Kiểm tra: ℎ𝑑 = 91,57 < ℎ𝑚â𝑚
2 =350
2 = 175 mm, đảm bảo khi hoạt động các mâm
phần cất sẽ khơng bị ngập lụt. Phần chưng:
𝑄𝐿′ = 60. 𝑞𝐿′ = 60.0,03 = 1.8 (m3.h-1) ⇒ ℎ𝑑′′ = 0,128 ⋅ ( 1.8
100.0,157)2 = 0,00168 (mm chất lỏng)
Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần chưng là:
ℎ𝑑 = 50 + 9,518 + 35,71 + 0,00188 = 95,23 (mm chất lỏng)
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 30
Kiểm tra: ℎ𝑑 = 95,23 < ℎ𝑚â𝑚
2 =350
2 = 175 mm, đảm bảo khi hoạt động các mâm
phần chưng sẽ khơng bị ngập lụt.
Vậy: khi hoạt động, đảm bảo tháp sẽ khơng bị ngập lụt. Chiều cao thân tháp
Chiều cao của thân tháp: 𝐻𝑡ℎâ𝑛 = 𝑁𝑡𝑡. (ℎ𝑚â𝑚+ 𝛿𝑚â𝑚) + 1.2 (IX.54 trang 169, [2]) ⇒ 𝐻𝑡ℎâ𝑛 = 18. (0,35 + 0,002) + 1.2 = 6900 (m)
Với 𝐷𝑡 = 500 mm tra bảng XIII.10 trang 384, [2] ta được ℎ𝑡 = 162 mm
Chiều cao của đáy và nắp: 𝐻đá𝑦 = 𝐻𝑛 = ℎ𝑡+ ℎ𝑔 = 0,162 + 0,025 = 0,187 (m)
Chiều cao của tháp: 𝐻 = 𝐻𝑡ℎâ𝑛+ 𝐻đ+ 𝐻𝑛 = 6,9 + 0,187 + 0,187 = 7,214 (m) nên
chọn H=7 m
Bảng 4-2: Tĩm tắt thơng số mâm, trở lực tháp
Thơng số Phần cất Phần chưng
hk độ giảm áp qua mâm khơ (mm chấtlỏng)
17 19,8
h1 độ giảm áp do chiều cao mực chất lỏng trên mâm (mm.chấtlỏng)
34 36
hR độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm.chấtlỏng)
5 4
hd kiểm tra ngập khi tháp hoạt động (mm.chấtlỏng)
524 550
ht độ giảm áp pha khí qua một mâm(N.m-2)
92 95
how chiều cao tính tốn của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn (mm)
7,229 9,518
h’d tổn thất thủy lực do dịng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm (mm)
6,187.10-4 16,8.10- 4
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
4.5 Tính tốn cơ khí của tháp 4.5.1. Bề dày thân tháp
Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối ( phương pháp hồ quang). Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích.
Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mịn của ethanol đối với thiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép CT3. Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chỉ cần tính thân chịu áp suất trong.
Áp suất tính tốn:
Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính tốn: (N.mm-2) (4-8)
Với 𝑃𝑐𝑙: áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy