PHẦN III TÍNH THIẾT BỊ PHỤ
II. Tính bơm và thùng cao vị
Bơm làm việc liên tục trong quá trình chưng luyện, đưa dung dịch từ bể chứa lên thùng cao vị , mức chất lỏng trong thùng cao vị được giữ ở mức không đổi nhờ ống chảy tràn để duy trì áp suất ổn định cho quá trình cấp liệu
1.Các trở lực của quá trình cấp liệu
1.1 Xác định trở lực đường ống từ thùng chứa dung dịch đầu đến thùng cao vị
Xác định tốc độ chảy từ thùng cao chứa đến thùng cao vị:
w =
4 .F 3600.ρ.d2.π
Trong đó F: năng suất hỗn hợp đầu F = 13500 (Kg/h)
ρ: khối lượng riêng của dung dịch trước khi gia nhiệt (Kg/m3) Nhiệt độ dung dịch lúc đầu t0 = 250C
Khối lượng riêng của nước và axit axetic bảng I.2 STQTVTB (9-1) theo t=250C
{ ρ A = 996 ,5 ¿¿¿¿, Kg/m3
khối lượng riênh trung bình là :
1 ρhh=aF
ρA+1−aF
ρB ⇒ρhh=1028,0135 (Kg/m3) d : đường kính ống dẫn d = 0,1 m
thay số ta có : w =
4 .F
3600.ρ.d2.π =
4 .13500
3600.1028,0135.0,12.π =0,4644
(m/s) trở lực tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên ống đẩy và hút:
Hm = ΔP ρ.g
Trong đó ΔP: áp suất toàn phần để thắng tất cả sức cản thúy lực trên dường ống khi dòng chảy đẳng nhiệt : ΔP=ΔPđ+ΔPm+ΔPcb+ΔPt+ΔPk(376-1)
ΔPđ: áp suất đẩy cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống dẫn
ΔPm: áp suất để khắc phục trở lực ma sát sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng
ΔPcb: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ
ΔPt: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị ΔPt=0 ΔPk: áp suất bổ xung đường ống ΔPk=0
Áp suất động học: ΔPđ= ρ.w2
2 =1028,0135.0,46442
2 =110,85
(N/m2)
Áp suất để thắng trở lực ma sát : ΔPm=λ. L
dtd.ρ.w2
2 =λ. L dtd.ΔPđ L- chiều dài ống từ thùng chứa đến thùng cao vị chọn L = 12 m dtd- đường kính tương đương dtd = 0,1 m
λ- hệ số trở lực ma sát xác định theo công thức khi Re >104 1
λ1/2=−2.lg[ (Re6,81)0,9+3Δ,7] (380-2)
Chọn chiều dài ống là 12m, chất liệu làm bằng thép không gỉ có ε=0,1.10−3 Trong đó Δ là độ nhám tương đối: Δ=
ε
dtd=0,1.10−3
0,1 =1.10−3
Tại t0 = 250C ta có { μ A = 0 ,9004.10 − 3 ¿¿¿¿ (N.s/m2) Vậy độ nhớt trung bình của hỗn hợp là :
lgμ=xF. lgμA+(1−xF). lgμB
⇒ μ = 0,9843.10-3 (N.s/m2) Ta có chuẩn số reynol là : Re =
w.d.ρ
μ =0,4644 .0,1,1028,0135
0,9843.10−3 =48502,43>104
vâyl lưu thể chảy ở chế độ chảy xoáy, hệ số trở lực được xác định theo công thức trên:
1
λ1/2=−2.lg[ (Re6,81)0,9+3Δ,7]= λ11/2=−2.lg[ (485026,81,43)0,9+1.103,7−3]
⇒λ = 0,0242
⇒ΔPm=0,0242.12
0,1.110,85=321,9084
(N/m2)
Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ
ΔPcb=∑ζ.ρ.2w2=∑ζ.ΔPd
ζ - hệ số trở lực cục bộ toàn bộ đường ống được xác định
∑ζ= 2.ζ1+2.ζ2
ζ1- hệ số trở lực của khuỷu 900 do 3 khuỷu 300 tạo thành chọn hệ số a/b = 1 tra bảng ta có ζ1=0,3 ở đây có 2 khuỷu 900
ζ2- hệ số trở lực do van tiêu chuẩn mở hoàn toàn theo STQTVTB (394-2 ) ta có ζ2=4,7
Vậy tổng trở của đường ống này là : ∑ζ= 2.ζ1+2.ζ2=2.0,3 + 2.4,7 = 10 Áp suất cần thiết để khăc phục trở lực cục bộ là:
ΔPcb=∑ζ.ρ.2w2=∑ζ.ΔPd=10.110,85=1108,5 N/m2
Vậy : H
'= ΔP
ρ.g=1108,5
1028,0135.9,8=0,11 (m)
1.2.Trở lực trong ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Áp suất động học là: ΔPđ= ρ.w2
2
Tại 250C ta có theo STQTVTB (9-1) ta có khối lượng riêng của anxendehit và benzen
Dùng phương pháp nội suy { ρ A = 996 ,5 ¿¿¿¿ (Kg/m3)
⇒khối lượng trung bình:
1 ρ=aF
ρA+1−aF
ρB ⇒ρ=1028,0135 (Kg/m3) Vận tốc dòng chảy trong ống là:
W = 4 .V
π.d2.ρ= 4 .13500
π.0,12.1028,0135.3600=0,4644
, m/s Áp suất động học là: ΔPđ=
ρ.w2
2 =110,85
N/m2 Trở lực ma sát
Áp suất để thắng trở lực ma sát : ΔPm=λ. L
dtd. ρ.w2
2 =λ. L dtd.ΔPđ
L- chiều dài ống từ thùng chứa đến thùng cao vị chọn L = 20 m dtd- đường kính tương đương dtd = 0,1 m
λ- hệ số trở lực ma sát xác định theo công thức khi Re >104 1
λ1/2=−2.lg[ (Re6,81)0,9+3Δ,7] (380-1)
Chọn chiều dài ống là 20m, chất liệu làm bằng thép không gỉ có ε=0,1.10−3 Trong đó Δ là độ nhám tương đối: Δ=
ε
dtd=0,1.10−3
0,1 =1.10−3
Tại t0 = 250C ta có { μ A = 0 ,9004.10 − 3 ¿¿¿¿ (N.s/m2)
Vậy độ nhớt trung bình của hỗn hợp là :
lgμ=xF. lgμA+(1−xF). lgμB
⇒ μ = 0,9843.10-3 (N.s/m2)
Ta có chuẩn số reynol là : Re = w.d.ρ
μ =48502,43>104
vâyl lưu thể chảy ở chế độ chảy xoáy, hệ số trở lực được xác định theo công thức trên:
1
λ1/2=−2.lg[ (Re6,81)0,9+3Δ,7]⇒ λ11/2=−2.lg[ (485026,81,43)0,9+1.103,7−3]
⇒λ = 0,0242
⇒ΔPm=0,0242.20
0,1.110,85=
536,514 (N/m2) Trở lực cục bộ
ΔPcb=∑ζ.ρ.2w2=∑ζ.ΔPd
Trong đó: ∑ζ=tổng hệ số trở lực cục bộ
+ trở lực đột thu từ thùng cao vị vào ống: với cạnh nhẵn thì ζ1= 0,5 + trở lực do đột mở từ ống vào thiết bị gia nhiệt với D = 0,7 m
Trở lực đột mở :
ζ2=(1−ff01)2
Tiết diện đầu thiết bị chia làm 4 ngăn f1=0,785.d2
4 =0,785.0,72
4 =0,0962
(m2) Tiết diện ống là:
f0=0,785 .d
02=0,785 . 0,22=0,0314
(m2)
ζ2=(1−ff01)2=(1−00,,03140962)2=0,4537
+ trở lực do van: trên đường ống chọn 1 van tiêu chuẩn mở hoàn toàn ζ3=4,7 STQTVTB (I-394 )
+ trở lực do 2 khuỷu 900 do 3 khuỷu 300 tạo thành: chọn a/b = 1 thì ζ4=0,3
Vậy tổng tổn thất cục bộ là:
∑ζ=ζ1+ζ2+ζ3+2.ζ4 =0,5+0,4537+4,7+2.0,3=6,2537
ΔPcb=∑ζ.ρ.2w2=∑ζ.ΔPd= 6,2537.110,85=693,222
Vậy: H1'= ΔP
ρ.g=110,85+536,514+693,222
1028,0135.9,8 =0,133 (m) 1.3.Trở lực từ thiết bị gia nhiệt đến tháp
Áp suất động học là : ΔPđ= ρ.w2
2
Trong đó: ρ- khối lượng riêng của dung dịch sau khi ra nhiệt (Kg/m3) Trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp được đưa đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp tức là tF = 103,30C
khối lượng riêng của axendehit và benzenđược tra theo bảng I.2 STQTVTB (9-1)
dùng phương pháp nội su ta có :{ ρ A = 953 , 01 ¿¿¿¿ (Kg/m3)
vậy khối lượng riênh trung bình của hỗn hợp là:
1 ρ=aF
ρA+1−aF
ρB ⇒ρ=954,905
(Kg/m3) Vận tốc dung dịch trong ống là:
W = 4 .V
π.d2.ρ= 4 .13500
π.0,12.954,905.3600=0,5
(m/s)
Áp suất động học là : ΔPđ= ρ.w2
2 =954,905.0,52
2 =119,363
(N/m2) Trở lực ma sát
Áp suất để thắng trở lực ma sát là: ΔPm=λ. L
dtd.ρ.w2
2 =λ. L dtd.ΔPđ
(N/m2) Trong đó các hệ số được xác định tại tf= 103,30C
Ta có : chọn khoảng cách từ thiết bị gia nhiệt đến tháp là L = 2m
dtd – đường kính ống dẫn dung dịch vào trong tháp dtd = 0,1 m
μ - độ nhớt của hỗn hợp tại nhiệt độ sôi tra theo STQTVTB (91-1)
Nội suy ra ta có :{ μ A = 0 ,2754.10 − 3 ¿¿¿¿ N.s/m2 Nồng độ dung dịch đầu vào là: xF = 0,5996
⇒độ nhớt của hỗn hợp là:
lgμ=xF. lgμA+(1−xF). lgμB
μ=0,3332.10-3 (N.s/m2)
Re = w.d.ρ
μ =0,5.0,1.954,905
0,3332.10−3 =143293,06>104
Chế độ chảy xoáy
Xác định λ theo công thức II-464 Chọn chiều dài ống là 2m, chất liệu làm bằng thép không gỉ có ε=0,1.10−3
Trong đó Δ là độ nhám tương đối: Δ=
ε
dtd=0,1.10−3
0,1 =1.10−3
1
λ1/2=−2.lg[ (Re6,81)0,9+3Δ,7]⇒ λ11/2=−2.lg[ (1432936,81,06)0,9+1.103,7−3]
λ=0,0216
ΔPm=λ. L
dtd. ρ.w2
2 =λ. L dtd.ΔPđ
= 0,0216.
2
0,1.119,363=51,5648
(N/m2) Trở lực cục bộ
Áp suất để thắng trở lực cục bộ ΔPcb
ΔPcb=∑ζ.ρ.2w2=∑ζ.ΔPd
Chiều dài tương đương cho trở lực cục bộ gồm 1 van tiêu chuẩn mở hoàn toàn + 1 khuỷu 900 do 3 khuỷu 300 tạo thành + 1 đột mở
Trong đó: ζ1=4,7theo STQTVTB (394-1)
ζ2=0,3 nếu chọn a/b = 1 theo STQTVTB (394-1) ζ3=0,5 trở lực ống đột thu, với cạnh nhẵn thì ζ3=0,5
∑ζ=ζ1+ζ2+ζ3=4,7+0,3+0,5=5,5
Vậy trở lực cục bộ :
ΔPcb=∑ζ.ρ.2w2=∑ζ.ΔPd= 5,5.119,363=656,4965(N/m2)
Vậy: H2'= ΔP
ρ.g=119,363+51,5648+656,4965
954,905.9,8 =0,0884 (m)
1.4. Trở lực trong thiết bị gia nhiệt Áp suất động học là: ΔPđ=
ρ.w2 2
Trong đó: w =
V f
+ w: vận tộc lưu thể đi trong thiết bị gia nhiệt +V : thể tích hỗn hợp
+ n :số ống trong thiết bị m = 169 ống +m : số ngăn m = 4
+ ρ: khối lượng riêng của hỗn hợp ở tF = 103,3 0C
Theo phần trên ta có : ρ=954,905 (Kg/m3)
f=π.d2 4 . n
m=π.0,0252
4 .169
4 =20,739.10−3 (m2)
w = V
ρ.f.3600=13500
954,905.20,739.10−3.3600=0,1893
(m/s)
ΔPđ= ρ.w2
2 =954,905.0,18932
2 =17,1093
(N/m2) Trở lực ma sát
Áp suất để thắng trở lực ma sát là: ΔPm=λ. L
dtd.ρ.w2
2 =λ. L dtd.ΔPđ Trong đó các hệ số được xác định tại tf= 103,30C
Ta có : chiều dài tương đương trong thiết bị gia nhiệt L = 3.2m= 6m dtd – đường kính trong của ống truyền nhiệt d0 = 0,025 m
μ - độ nhớt của hỗn hợp tại nhiệt độ sôi tra theo STQTVTB (91-1)
Nội suy ra ta có :{ μ A = 0 ,2754.10 − 3 ¿¿¿¿ N.s/m2 Nồng độ dung dịch đầu vào là: xF = 0,5996
⇒độ nhớt của hỗn hợp là:
→μ=0,3332.10-3 (N.s/m2)
Re = w.d.ρ
μ =0,1893.0,025.954,905
0,3332.10−3 =13562,68>104
Chế độ chảy xoáy
Xác định λ theo công thức II-464 chiều dài ống là 6m, chất liệu làm bằng thép không gỉ có ε=0,1.10−3
Trong đó Δ là độ nhám tương đối: Δ=
ε
dtd=0,1.10−3
0,1 =1.10−3 lgμ=xF. lgμA+(1−xF). lgμB
1
λ1/2=−2.lg[ (Re6,81)0,9+3Δ,7]⇒ λ11/2=−2.lg[ (135626,81,68)0,9+1.103,7−3]
λ=0,0303
ΔPm=λ. L
dtd. ρ.w2
2 =λ. L dtd.ΔPđ
=0,0303.
6
0,025.17,1093
=124,418 (N/m2) Trở lực cục bộ
Áp suất để thắng trở lực cục bộ ΔPcb
ΔPcb=∑ζ.ρ.2w2=∑ζ.ΔPd
Vì dung dịch chảy trong thiết bị gia nhiệt ống chùm nên hướng dòng chảy khi vào và ra ống truyền nhiệt đa dạng và có đột mở đột thu
Tiết diện ống dẫn dung dịch ra và vào thiết bị f1=π.d2
4 =π.0,12
4 =7,853.10−3 Tiết diện ở khoảng trống 2 đầu thiết bị
f2=π.D2 4 . 1
m=π.0,72 4 .1
4=96,211.10−3 Tiết diện ống truyền nhiệt trong mỗi ngăn là:
f3=π.d2 4 . n
m=π.0,0252
4 .169
4 =20,7394 .10−3 Khi chất lỏng chảy vào khoảng trống mỗi ngăn ( đột mở)
ζ1=(1−ff12)2=0,8434
Khi chất lỏng chảy từ khoảng trống vào ngăn (đột thu)
f3
f2=0,2155
Nội suy theo bảng N013 (388-1) ⇒ζ2=0,4391
Khi chất lỏng chảy từ ngăn ra khoảng trống (đột mở)
ζ3=(1−ff32)2=0,6076
Khi chất lỏng trảy ra khỏi thiết bị (đột thu)
f1
f2=0,0816
Tra bảng N013 nội suy ta được ⇒ζ2=0,4761 Vậy ta có ∑ζ=ζ1+3.ζ2+3.ζ3+ζ4= 4,483
ΔPcb=∑ζ.ρ.2w2=∑ζ.ΔPd=4,483.17,1093=76,701 (N/m2) Áp suất trở lực thủy tĩnh :ΔPH
ΔPH=ρ.g.H=954,905.9,8.2=18716,138 (N/m2) Vậy ΔP=ΔPd+ΔPc+ΔPm+ΔPH=18934,3663 (N/m2)
H3'= ΔP
ρ.g=18934,3663
954,905.9,8=2,0233 (m) 1.5.Chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu
Theo phương trình Becnuli với mặt cắt 1-1 và 2-2so với mặt cắt chuẩ 0-0. ta coi chất lỏng chảy hết tùng cao vị thì chất lỏng chảy được ở trong ống từ mặt cắt 1-1 Ta có phương trình becnuli
H1+ w12 2.g+ P1
ρ.g=H2+ w22 2.g+ P2
2.g+∑hm
Do đường kính của thùng răt lớn so với đường kính của ống dẫn liệu lên coi vận tốc trên mặt thoáng của thùng là w1 = 0
Trong đó: ρ1- khối lượng riêng của hỗn hợp đầu ở 250C
Khối lượng riêng của Axendehit và benzen bảng I.2 STQTVTB (9-1) theo t=250C
khối lượng riêng trung bình là :
⇒ρhh=1028,0135 (Kg/m3)
ρ2−khối lượng riêng của hỗn hợp ở tF = 103,30C vậy khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp là:
ρ2=954,905 (Kg/m3)
P1- áp suất tại mặt cắt 1-1 P1 = Pa= 105 (N/m2)
P2 – áp suất tại mặt cắt 2-2 P2 = Pa + PL = 105 + 983,0514 = 100983,0514 (N/m2)
∑hm=H1'+H2'+H3'=0,133+0,0884+2,0233= 2,2447 (m)
⇒H1−H2=100983,0514
954,905.9,8−10000
954,905.9,8+ 0,52
2.9,8+2,2447
= 2,3625 (m)
hm
g w g P g H P
H . . 2.
2 1 2 2
1
Vậy thùng cao vị đặt cao hơn ống tiếp liệu ≥2,3625 m thì chất lỏng tự chảy 2 .Tính bơm
Ta thiết kế bơm đặt sát mặt đất tức là hh = 0 ⇒chất lỏng tự chảy vào bơm Chiều cao đẩy của bơm là Hđ (m)
Hđ = HC + (H1 – H2) + Hb + ΔHđ Trong đó: HC - chiều cao đoạn chưng
Hb – chiều cao bệ đặt tháp ta chọn Hb = 1m ΔHđ- chiều cao đáy chọn ΔHđ=0,5m Vậy Hđ = HC + (H1 – H2) + Hb + ΔHđ
= 5,3+ 2,3625 +1 +0,5
= 9,1625 (m) Áp suất toàn phần là: HTP=Hđ+H'
H'−tổn thất áp suất trên đường ống hút từ thùng chứa đến thùng cao vị Theo tính toán ở phần trước thì H’ = 0,11 m
Vậy áp suất toàn phần là : HTP=Hđ+H'=9,1625+0,11=9,2725 (m) Công suất yêu cầu trên bơm là:
Nb=H.Q.g.ρ
1000.η STQTVTB (439-1)
Trong đó: Q−năng suất bơm Q=F
ρ=13500
3600.1028,0135=3,6478.10−3
ρ−khối lượng riêng của hỗn hợp đầu vào ρ=1028,0135 (Kg/m3)
H−áp suất toàn phần của bơm H=9,2725 (m)
η−hiệu suất chung của bơm.
→η=η0.ηtl.ηck
η0- hiệu suất thể tích tính đến sự hao hụt chất lỏng từ P cao P thấp và chất lỏng rò rỉ qua khe hở
ηtl−hiệu suất thủy lực tính đến ma sát và tạo dòng xoáy trong bơm ηck−hiệu suất cơ khí tính đến ma sát co khí của bơm
Yêu càu chọn bơm phải năng suất cao và liên tục ta chọn bơm li tâm Các thông số của bơm li tâm là:
η0=0,85÷0,96 η0=0,9
ηtl=0,8÷0,85 ηtl=0,82 ηck− ηck=0,92÷0,96
⇒ η=η0.ηtl.ηck=0,9.0,82.0,94=0,694 Vậy công suất yêu cầu trên bơm là :
Nb=H.Q.g.ρ
1000.η =9,2725.3,6478.10−3.9,8.1028,0135
1000.0,694 =0,4910
Công suất động cơ là
Nđc= Nb ηtr.ηdk
Có ηtr=1 ; ηdk=0,8
Nđc=
Nb
ηtr.ηdk=0,4910
1.0,8 =0,6137
(kw)
Thông thường ngườ ta chọn động cơ điện có N lớn hơn so với ta tính Ntt = β.Ndc β=1,2−2
Ta chọn β=2
Vậy công suất hoạt động thực tế của bơm là
Ntt = β.Ndc=2.0,6137 = 1,2275 (kw)