Đồ án Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton – Acid Acetic

41 trang vanle 2960

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton – Acid Acetic", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_thiet_ke_he_thong_chung_cat_aceton_acid_acetic.pdf

Nội dung text: Đồ án Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton – Acid Acetic

MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền cơng nghiệp thế giới và nước nhà, các ngành cơng nghiệp cần rất nhiều hố chất cĩ độ tinh khiết cao . Chưng cất là một trong các quá trình hay dùng để làm sạch các chất lỏng. Việc thiết kế hệ thống chưng cất, với mục đích là tách aceton ra khỏi hỗn hợp Aceton – Acid Acetic là một trong các nhiệm vụ của kỹ sư ngành cơng nghệ hĩa học . Vì thế, đề tài  Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton –Acid Acetic  của mơn  Đồ An Mơn Học Quá Trình Thiết Bị  cũng là một bước giúp cho sinh viên tập luyện và chuẩn bị cho việc thiết kế quá trình & thiết bị cơng nghệ trong lĩnh vực này. Tập thuyết minh đồ án mơn học này gồm 7 phần : Phần I : Tổng quan Phần II : Thuyết minh qui trình cơng nghệ Phần III : Cân bằng vật chất và năng lượng Phần IV : Tính tốn các kích thước cơ bản của tháp Phần V : Tính chĩp và trở lực của tháp Phần V I : Tính tốn cơ khí Phần VII : Tính thiết bị truyền nhiệt Phần VIII : Tính chiều cao bồn cao vị Phần IX : Tính cách nhiệt Phần X : Tính tốn giá thành cho thiết bị Tài liệu tham khảo Để hồn thành đồ án này , thực sự em đã cố gắng rất nhiều . Song , vì đây là bước đầu làm quen với cơng tác thiết kế nên chắc hẳn khơng tránh khỏi những sai sĩt. Cuối cùng , em xin chân thành cảm ơn các thầy cơ trong bộ mơn Máy – Thiết Bị , đặc biệt là thầy Trần Tấn Việt , người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện đồ án thiết kế này .
I-TỔNG QUAN: Aceton và acid acetic là hai loại hố chất quan trọng trong nghành cơng nghiệp hĩa chất. Aceton : Phần lớn được dùng làm dung mơi nhất là trong cơng nghiệp sản xuất nhựa, vecni, chất dẻo. Aceton làm dung mơi tốt đối với các nitro xeluloza, acetyl xenluloza. Nĩ ít độc nên được dùng làm dung mơi cả trong cơng nghiệp dược phẩm và thực phẩm. Aceton cịn được dùng làm nguyên liệu để tổng hợp một số lớn các hợp chất xeten, izopren, oxit mezytyl, rượu diacetomic Acid acetic: là một loại acid quan trọng nhất trong các loại acid hữu cơ. Nĩ rẻ nên được ứng dụng rộng rãi và là hố chất cơ bản để điều chế nhiều hợp chất quan trọng. Acid acetic được ứng dụng trong các nghành : + Làm dấm ăn. + Đánh đơng mủ cao su + Làm chất dẻo tơ lụa xeluloza acetat . + Làm phim ảnh khơng nhạy lửa. + Làm chất kết dính polyvinyl acetat . + Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp. Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách một hỗn hợp lỏng ra thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp ở cùng một nhiệt độ Về thiết bị : cĩ thể sử dụng các loại tháp chưng cất sau : -Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới -Tháp chưng cất dùng mâm chĩp -Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật chêm ) Nhận xét về ưu khuyết điểm của từng loại tháp : -Tháp mâm xuyên lỗ Ưu điểm : chế tạo đơn giản , vệ sinh dễ dàng , trở lực thấp hơn tháp chĩp , ít tốn kim loại hơn tháp chĩp Nhược điểm : yêu cầu lắp đặt cao : mâm lắp phải rất phẳng , đối với những tháp cĩ đường kính quá lớn (>2.4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đĩ chất lỏng phân phối khơng đều trên mâm -Tháp chĩp Ưu điểm : hiệu suất truyền khối cao , ổn định , ít tiêu hao năng lượng hơn nên cĩ số mâm ít hơn Nhược điểm : chế tạo phức tạp , trở lực lớn -Tháp đệm : Ưu điểm :chế tạo đơn giản , trở lực thấp Nhược điểm :hiệu suất thấp , kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết diện tháp khơng đều , sử dụng tháp chêm khơng cho phép ta kiểm sốt quá trình chưng cất theo khơng gian tháp trong khi đĩ ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâm một cách rõ ràng , tháp chêm khĩ chế tạo được kích thước lớn ở qui mơ cơng nghiệp Đề tài của đồ án mơn học : Đề tài của đồ án mơn học là :Thiết kế tháp chưng cất dùng mâm chĩp với những dữ kiện cơ bản sau: Nguyên liệu đầu vào (nhập liệu ) là hỗn hợp Aceton – Acid acetic
Nồng độ Aceton trong nhập liệu là 30% khối lượng. Năng suất nhập liệu là 3000 kg /h Nồng độ Aceton trong sản phẩm đỉnh là 97% khối lượng. Nồng độ Aceton trong sản phẩm đáy là 0,5 % khối lượng. Tháp hoạt động liên tục , chưng cất ở áp suất thường II-THUYẾT MINH QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ: Nhập nguyên liệu là hỗn hợp Aceton – Acide acetic được đưa vào bồn chứa nguyên liệu. Sau đĩ nhập liệu được bơm đưa lên bồn cao vị. Từ đây nhập liệu qua thiết bị gia nhiệt bằng hơi nước bão hịa đưa nhiệt độ nhập liệu từ 30oC lên nhiệt độ sơi 85,8oC và đưa vào tháp chưng cất tại mâm nhập liệu. -Hơi ra ở đỉnh tháp được dẫn qua thiết bị ngưng tụ, tại đây hơi được ngưng tụ hồn tồn thành lỏng bão hịa , được hồn lưu vào tháp với tỷ số hồn lưu R và phần cịn lại đưa đi làm nguội bằng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh -Lỏng ở đáy tháp được dẫn qua nồi đun kiểu Kettle được đun nĩng gián tiếp bằng hơi nước bão hịa, hơi ở nồi đun dẫn vào tháp để cấp nhiệt cho tháp. Lượng lỏng đi ra khỏi nồi đun được làm nguội làm sản phẩm đáy. -Trong tháp, cĩ quá trình tiếp xúc pha và truyền khối giữa hai pha lỏng và hơi. Thiết bị ngưng tụ, làm nguội được dùng nước để trao đổi nhiệt gián tiếp. -Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Aceton và sản phẩm đáy là Acid acetic . III. CÂN BẰNG VẬT CHẤT NĂNG LƯỢNG A-CÂN BẰNG VẬT CHẤT: a-Xác định các thơng số Ký hiệu: xF , xD , xW :phân mol Aceton trong nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy F,D,W :suất lượng mol của dịng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy (kmol/h) MA , MB :lần lượt là phân tử lượng của Aceton và Axit Acetic (kg/kmol) -Phân tử lượng trung bình của các dịng MF =xF.MA + (1-xF).MB = 0,3.58 + (1-0.3).60 = 59,4 (kg/kmol) MD =xD.MA + (1- xD).MB = 0,97.58 + (1-0,97).60 = 58,06 (kg/kmol) MW =xW.MA + (1- xW).MB = 0,005. 58 + (1-0,005).60 =59,99 (kg/kmol) -Suất lượng dịng nhập liệu F 3000 F = = =50,505 (kmol/h) M F 59 , 4
L,xL D,x F,xF W, xW Cân bằng vật chất cho tồn tháp ta cĩ hệ sau: F = D + W F.xF =D.xD + W.xW x x 0,3 0,005 D = F F W = 50,505 15,439 (kmol/h) xD xW 0,97 0,005 W= F -D =50,505 -15,439 = 35,066 (kmol/h) Tĩm lại ta cĩ bảng sau: F xF D xD W xW 50,505 0,3 15,439 0,97 35,066 0,005 -Tính chỉ số hồi lưu thích hợp: Sử dụng cơng thức thực nghiệm : R =1,3.Rmin + 0,3 (CT IX-25b tr149-STT2) * xD yF Với Rmin= * (CT IX-24 Tr 149 STT2) yF xF * Với yF là phân mol Aceton trong pha hơi cân bằng với xF . Từ số liệu bảng tra * IX-2a /tr135 STT2 , thành phần lỏng – hơi cân bằng ta cĩ : xF = 0,3 thì y F = 0,725. Do đĩ 0,97 0,725 Rmin= =0,576 0,725 0,3 Vậy R=1,3 Rmin + 0,3 =1,3.0,576 + 0,3 = 1,049 b-Xác định số mâm lý thuyết : Việc xác định số mâm lý thuyết được tiến hành trên đồ thị y-x -Phương trình đường làm việc của phần cất R x 1,049 0,97 y= x + D = x + =0,512x + 0,473 R 1 R 1 2,049 2,049
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 y 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 x -Phương trình đường làm việc của phần chưng R f f 1 1,049 3,271 2,271 y= x - xW = x + 0,005 =2,108x – 0,0055 R 1 R 1 2,049 2,409 x x 0,97 0,005 với f= D W = =3,271 xF xW 0,3 0,005 Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc của phần cất và phần chưng . Trên đồ thị y-x ta lần lượt vẽ các đường bậc thang từ đĩ xác định được số mâm lý thuyết là 12 mâm B-CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG: a-Nhiệt trao đổi ở thiết bị ngưng tụ QD =(R+1)D.rD (CT 6.15 /TR 256- T10) Với rD = xD.MA.rA + (1-xD)MB.rB
o Tại xD = 0,97 tra bảng IX-2a trang 135 STT2 ta cĩ TD = 56,96 C . Tại nhiệt độ này ta cĩ: rA= 522,146 (kj/kg) và rB=373,023(kj/kg) (bảng 45 tr.431 T10) rD = 0,97 x 522,146 x 58 + 0,03 x 373,023 x 60 = 30047,376(kj/kmol) Do đĩ QD = 2,049.15,437.30047,376 = 264 (kw) b-Nhiệt trao đổi ở thiết bị gia nhiệt cho nhập liệu từ nhiệt độ 30oC đến nhiệt độ sơi QF =CF .F(TF - 30) o Tại xF = 0,3 tra bảng IX-2a trang 135 STT2 ta cĩ TF = 85,8 C 85,8 30 Nhiệt dung riêng của nhập liệu tra ở nhiệt độ trung bình T= =57,9oC 2 tại nhiệt độ này ta cĩ CA =2,298 (kj/kgđộ) , CB=2,196 (kj/kgđộ) (Bảng I.153 TR171-STT1). Ta cĩ CF=xFCAMA + (1-xF)CBMB = 0,3.2,298.58 + (1-0,3).2,196.60 = 132,217 (kj/kmolđộ) Do đĩ QF=132,217.50,505 (85,8 -30) = 104(kw) Nếu coi tổn thất trên đường nhập liệu bằng 5% thì QF = 1,05.104=109,2(kw) c-Nhiệt làm nguội sản phẩm đay từ nhiệt độ sơi là 117,3oC xuống 30oC QW = WCW(TW-30) 117,3 30 Nhiệt dung riêng được xác định ở nhiệt độ trung bình T= =73,65oC . Tại 2 nhiệt độ này tra bảng I.153 TR171-STT1 ta cĩ : CA=2,349(kj/kgđộ) , CB=2,281(kj/kgđộ) Nên CW = xWMACA + (1-xW)MBCB = 0,005.58.2,349 + (1-0,005).60.2,281 = 136,857 (kj/kmolđộ) Do đĩ QW=35,066.136,857.(117,3-30)=116,4(kw) d-Nhiệt làm nguội sản phẩm đỉnh từ 56,96oC xuống 30oC Qsp =CD.D(TD-30) 56,96 30 Nhiệt dung riêng cũng được xác định ở nhiệt độ trung bình T= =43,48oC . 2 Tại nhiệt độ này ta cĩ : CA=2,251 (kj/kgđộ) , CB=2,119 (kj/kgđộ) Tương tự ta tính được CD=130,455(kj/kmolđộ) Do đĩ Qsp = 130,455.15,439.(56,96-30)=15,083(kw) e-Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp Từ cân bằng nhiệt lượng ta cĩ Qđ = DCDTD + WCWTW + QD – FCFTF=15,439.130,455.56,96 + 35,066.136,857.117,3 + 2,049.15,437.30047,376 – 50,505.132,217.85,8 = 293,1 (kw) Tuy nhiên nếu coi tổn thất nhiệt chiếm khoảng 10% nhiệt lượng ta cĩ Qđ = 1,1.293,1 = 322,41 (kw) IV. TÍNH TỐN CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA THÁP a-Khối lượng riêng trung bình của pha hơi Phần cất : gọi xpcất là nồng độ phần mol trung bình của cấu tử A(benzen) trong pha lỏng của phần cất
xD xF 0,97 0,3 Ta cĩ : xpcất = = =0,635 (phân mol) 2 2 Từ đường làm việc của phần cất ta cĩ nồng độ của pha hơi tương ứng là ypcất = 0,512 xpcất + 0,473 = 0,512 x 0,635 + 0,473 = 0,798 (phân mol) Phần chưng : gọi xpchưng là nồng độ phân mol trung bình của cấu tử A trong pha lỏng của phần chưng xW xF 0,005 0,3 Ta cĩ : xpchưng = = =0,153 (phân mol) 2 2 Do đĩ ypchưng=2,108xpchưng – 0,0055 = 2,108 x 0,153 – 0,0055 = 0,317(phân mol) Tra đồ thị T-xy ta cĩ nhiệt độ của pha hơi tương ứng là o Từ ypcất = 0,798 (phân mol) TG(cất) = 82 C o Từ ypchưng = 0,317 (phân mol) TG(chưng) = 103,3 C Khối lượng phân tử trung bình của pha hơi trong phần chưng và phần cất là Mpcất = ypcấtMA + (1-ypcất)MB = 0,798.58 +(1-0,798)60 = 58,404 (kg/kmol) Mpchưng = ypchưngMA + (1-ypchưng)MB =0,317.58 + (1-0,317)60 = 59,366 (kg/kmol) Giả thiết rằng hơi trong tháp là khí lý tưởng , khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng và phần cất là : Phần cất : M pcat .273 58,404.273 3 G(cất) = = = 2,005 (kg/m ) 22,4(TG(cat) 273) 22,4(82 273) Phần chưng : M pchung .273 59,366.273 3 G(chưng) = = =1,923 (kg/m ) 22,4(TG(chung) 273) 22,4(103,3 273) Do đĩ khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong tồn tháp là : 3 G = ( G(cất) + G(chưng) )/2 =(2,005 + 1,923)/2 = 1,964 (kg/m ) b-Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng o Ở đỉnh : ứng với xD= 0,97 tra đồ thị T-xy ta cĩ TD = 56,96 C . Ở nhiệt độ này , khối 3 3 lượng riêng của aceton và axit acetic là: A=749,3 (kg/m ) và B = 807,2(kg/m ) . Khối lượng riêng của sản phẩm đỉnh là 3 L(đỉnh) = xD . A + (1- xD) B = 0,97.814,2 + (1-0,97)807,2 = 1083,95 (kg/m ) o Ở đáy : ứng với xW= 0,005 tra đồ thị T-xy ta cĩ TW = 117,3 C . Ở nhiệt độ này , khối 3 3 lượng riêng của aceton và acid acetic là: A=668,78 (kg/m ) và B = 926,86(kg/m ) . Khối lượng riêng của sản phẩm đáy là 3 L(đáy) = xW . A + (1- xW) B = 0,005. 668,78 + (1-0,005). 926,86= 925,57 (kg/m ) Do đĩ khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong tồn tháp tính gần đúng là : 3 L =( L(đỉnh) + L(đáy))/2=(1083,95 + 925,57)/2=1004,76 (kg/m ) c-Vận tốc hơi trung bình trong tồn tháp Theo sổ tay tập II trang 175 cơng thức (IX-105) ta cĩ ( Gy)tb =0,065 [] h G L Trong đĩ y : vận tốc trung bình của pha hơi (m/s) 3 G , L: khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng (kg/m )
h: khoảng cách giữa các mâm (m). Giá trị h được chọn sao cho để giảm đến mức thấp nhất lượng lỏng bị hơi cuốn theo [] là hệ số cĩ tính đến sức căng bề mặt Khi  20 (dyn/cm) thì [] = 1 Ở đây ta tra bảng cĩ được  = 18,99 (dyn/cm) < 20 nên [] = 0,8 Chọn khoảng cách giữa các mâm là h=0,35 (m) Do đĩ ( Gy)tb =0,065 [] h G L (1,958. y) = 0,065 .0,8 . 0,35.1,958.1004,76 y = 0,697 (m/s) d-Lưu lượng hơi qua tháp : Phương trình cân bằng vật chất cho bao hình ta cĩ: gF + gy = Lx + D gtl = Lx + D Phương trình cân bằng cho cấu tử dễ bay hơi ta cĩ : gtlytl = LxxF + DxD (2) Ở đây coi nhiệt độ trung bình trong tồn tháp là nhiệt độ trung bình của đỉnh và đáy tháp 56,96 117,3 T = = 87,13oC 2 -Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp : gđỉnh = D + Lo = D(R+1) = 15,439.(1,049 +1) = 31,635 (kmol/h) Cân bằng năng lượng ta cĩ : gtlrtl = gđỉnhrđỉnh (3) với rtl = ytlrAMA + (1-ytl)rBMB = ytl.522,146.58 + (1-ytl).373,023.60 = 7903,088ytl +22381,38 (kj/kmol) rđỉnh = xDrAMA + (1-xD)rBMB = 0,97.522,146.58 + (1-0,97).373,023.60 =30047,375 (kj/kmol) Tĩm lại ta cĩ hệ phương trình sau : Lx = gtl –15,439 (1) gtlytl = Lx.0,3 + 15,439.0,97 (2) gtl. (7903,088ytl +22381,38) = 31,635 . 30047,375 (3) gtl = 35,1 (kmol/h) ytl = 0,595 (mol) Lx = 19,661 (kmol/h) e-Lượng hơi vào phần chưng : Cân bằng vật chất và năng lượng ta cĩ hệ sau : Lđáy = gđáy + W Lđáyxđáy = gđáyyđáy + WxW
gtlrtl = gđáyrđáy Với rđáy = yđáyrAMA + (1-yđáy)rBMB = 0,005.522,146.58 + (1-0,005)373,023.60 = 22420,9 (kj/kmol) Lđáy = gđáy + 35,066 Lđáyxđáy = 0,005gđáy + 0,175 22420,9.gđáy = 950556,524 Lđáy = 77,462 (kmol/h) gdáy = 42,396 (kmol/h) f-Lưu lượng hơi trung bình trong tồn tháp : -Lưu lượng hơi trung bình trong phần cất : gdinh gtl 31,635 35,1 gpcất = = = 33,368 (kmol/h) 2 2 -Lưu lượng hơi trung bình trong phần chưng : gday gtl 42,396 35,1 gpchưng = = =38,748(kmol/h) 2 2 -Lưu lượng hơi trung bình trong tồn tháp : g g 38,748 33,368 g = pchung pcat = = 36,058 (kmol/h) 2 2 Ở nhiệt độ trung bình là 87,13oC thì lưu lượng hơi trung bình (m3/h) là : g.22,4.T 36,058.22,4(87,13 273) 3 Qv = = =1065,482(m /h) To 273 g-Đường kính tháp : Q 1065,482 / 3600 D= v = = 0,736 (m) 0,785 y 0,785.0,697 Dựa vào bảng đường kính tiêu chuẩn của các loại tháp chưng luyện ta chọn D = 0,8(m) h-Xác định số đĩa thực và chiều cao tháp : Tại đỉnh : o Ta cĩ xD = 0,97 TD = 56,96 C * yD = 0,998(phân mol) -Độ bay hơi tương đối : * y D (1 xD ) 0,998.(1 0,97) D = * = =15,433 (1 y D )xD (1 0,998).0,97 -Độ nhớt động học Tại nhiệt độ đỉnh ta cĩ : A = 0,235 (Cp) , B = 0,727 (Cp) lg = xDlgA + (1-xD)lgB lg = 0,97lg(0,235) + (1-0,97)lg(0,727) = -0,614  = 0,243 (Cp) Vậy D D = 15,433.0,243 = 3,754.Tra giản đồ Tập 3-Truyền khối trang 93 ta cĩ E1 = 0,38 Tại đáy : Tương tự ta cĩ :
Độ bay hơi tương đối : W = 3,277 Độ nhớt động học :  = 0,373 WW =1,223 E2 = 0,49 Tại mâm nhập liệu : Tương tự ta cĩ : Độ bay hơi tương đối : F = 6,152 Độ nhớt động học :  = 0,390 FF =2,401 E3 = 0,42 i-Hiệu suất trung bình của tồn tháp : E E E 0,38 0,49 0,42 E = 1 2 3 = =0,43 3 3 j-Số mâm thực tế : N LT 12 Nth= = = 29 (mâm) E 0,43 k- Số mâm thực tế phần cất : N LTPC 3 Nthpc= = = 7 (mâm) E 0,43 l- Số mâm thực tế phần chưng: Nthpch = Nth – Nthpc = 29 -7 = 22 (mâm) m-Chiều cao tháp : H = (Nth –1)h + Nth + (0,8-1) Chọn  :chiều dày mâm ( =4mm) , h:khoảng cách giữa các mâm (h=0,35m) Do đĩ : H = 28.0,35 + 29.0,004 + 0,8 = 10,7 (m) V-TÍNH CHĨP VÀ TRỞ LỰC CỦA THÁP : -Chọn đường kính trong của ống hơi theo tiêu chuẩn là: dh= 50(mm ) -Số chĩp phân bố trên một mâm : Trong thực tế thường chọn tổng tiết diện ống hơi trên mỗi mâm =10% . tiết diện tháp nên ta cĩ: 2 2 .d h .D t n. = 0,1 4 4 2 2 D t 0,8 n = 0,1 2 = 0,1 2 = 25,6 d h 0,05 Chọn thiết kế n = 27 chĩp / mâm -Chiều cao chĩp trên ống dẫn hơi h2 = 0,25dh = 0,25.50 = 12,5(mm)
-Đường kính chĩp : 2 2 2 2 dch = d h (d h 2 ch ) = 50 (50 2.2) = 73,5(mm) -Khoảng cách từ chân chĩp đến mặt mâm hsc : chọn hsc = 12,5(mm) -Chiều cao mực chất lỏng trên khe chĩp hts = 15-40(mm) chọn hts=29(mm) -Chiều cao hình học của khe chĩp : 2  y .. y hso = g. x Trong đĩ :  :hệ số trở lực của mâm chĩp  = 1,5-2 , chọn  =2 y: vận tốc pha hơi (m/s) Qv 1065,482 / 3600 y = 2 = 2 = 5,59 (m/s) 0,785.d h .n 0,785.(0,05) .27 3 x, y : Khối lượng riêng của pha lỏng và pha hơi (kg/m ) Do đĩ : 5,59 2.2.1,964 hso = = 0,0125(m) = 12,5(mm) 9,81.1004,76 chọn hso = 15,5 mm -Số lượng khe trên mỗi chĩp : 2 2 d h 3,14 50 i= (d ch ) = (73,5 ) = 25 khe c 4hso 3 4.12,5 Với c:khoảng cách giữa các khe (3-4mm) . Chọn c=3 mm -Chiều rộng khe chĩp được xác định từ liên hệ : i(c+a) = dch .d .73,5 a = ch - c = - 3 = 7 (mm) i 25 -Khoảng cách từ mâm đến chân ống chảy chuyền Chọn S1 = 28 (mm) -Chiều cao ống chảy chuyền hc = (hts + hso + hsc) - h + hsr Trong đĩ : h : chiều cao mực chất lỏng bên trên ống chảy chuyền . Chọn h = 17 (mm) Do đĩ : hc = (27 + 12,5 + 12,5 + 5) – 17 = 40 (mm) . -Bước tối thiểu của chĩp trên mâm : tmin = dch + 2ch + l2 Trong đĩ : ch : bề dày của chĩp (mm) .Chọn ch = 2(mm) l2 : khoảng cách nhỏ nhất giữa các chĩp được xác định theo cơng thức sau : l2 = 12,5 + 0,25dch = 12,5 + 0,25.73,5 = 31 (mm) tmin = 73,5 + 2.2 + 31 = 108 (mm) -Chọn lỗ chĩp hình chữ nhật , độ mở lỗ chĩp được xác định theo cơng thức sau:
G 1/ 3 2 / 3 Qv 2/ 3 hs = 7,55.( ) .(hso ) .( ) L G Ss Trong đĩ : 3 Qv : lưu lượng pha hơi (m /s) 2 Ss : tổng diện tích các lỗ chĩp trên một mâm , m -6 2 Ss = n.i.hso.a = 27.25.12,5.7.10 = 0,059 (m ) Do đĩ : 1,964 1/ 3 2 / 3 1065,482 / 3600 2 / 3 hs=7,55.( ) .(12,5) .( ) =14,9 (mm) 1004,76 1,964 0,059 -Phần trăm độ mở lỗ chĩp : h 14,9 s .100% .100% 96,13% hso 15,5 -Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn : QL 2 / 3 how = 2,84.E.( ) Lw Trong đĩ: 3 QL : lưu lượng lỏng (m /h) E : hệ số hiệu chỉnh cho gờ chảy tràn QL Lw E = f( 2,5 , ) Lw D Lw : chiều dài gờ chảy tràn Chọn Lw = 0,6D = 0,6.0.8 = 0,48 (m) Tính QL: -Lưu lượng lỏng phần chưng : M pchung 59,366 3 Qch = (RD + F). = (1,049.15,439 + 50,505). = 3,862 (m /h) L,ch 1025,38 -Lưu lượng lỏng phần cất: M cat 58,404 3 Qcất = RD. =1,409.15,439. = 1,343 (m /h) L,cat 946,19 Do đĩ : Qcat Qchung 3,862 1,343 3 QL= 2,602 (m /h) 2 2 Tra bảng phụ lục IX-22 –Sổ tay quá trình và thiết bị tập II trang 177 ta cĩ : E=1,035 Do đĩ : 2,602 2 / 3 how = 2,84.1,035.( ) 9,07 (mm) 0,48 -Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm : / = Cg. .m Trong đĩ : Cg : hệ số hiệu chỉnh cho suất lượng pha khí
QL Cg = f(1,34 ,0,82wy G ) Bm Bm: bề rộng trung bình của mâm A Bm = . Với A: phần diện tích mâm nằm giữa hai hình viên phân chảy chuyền l A = Smâm – 2Sd 2 2 Dt 0,8 2 Smâm = = . =0,50265 (m ) 4 4 Sd : diện tích ống chảy chuyền hình viên phân Sd = SOAmB - S OAB 2 2 2 Dt Lw Dt 0,48 0,8 2 SOAmB= = arcsin . =arcsin . =0,103 (m ) 4 Dt 4 0,8 4 2 S OAB=h.Lw/2 = 0,32.0,48/2 = 0,0768 (m ) L 2 0,482 (do h = R 2 w = 0,42 = 0,32 (m) t 4 4 Do đĩ : 2 Sd = 0,103 – 0,0768 = 0,0262 (m ) S 0,0262 Ta cĩ : d 0,052 Smam 0,50265 Vậy diện tích hai phần ống chảy chuyền chiếm 10,5% tổng diện tích một mâm 2 A = Smâm – 2Sd =0,50265 – 2.0,0262 = 0,45025 (m ) -Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn l = Dt – 2dw = 0,8 – 2.0,08 = 0,64 (m) A 0,45025 Do vậy B 0,7(m) m l 0,64 Q 2,602 Giá trị : 1,34 L 1,34 4,981 Bm 0,7 0,82 wy G = 0,82.0,697. 1,964 = 0,801 Tra giản đồ 5.10 tập 3-truyền khối trang 80 ta cĩ : Cg =0,7 Tính / : Ta cĩ / 4 = f(hm,QL,Bm,hsc) Trong đĩ : hm : chiều cao mực chất lỏng trung bình trên mâm hm = hts + hsc + hsr + hso hts : khoảng cách từ mép trên khe chĩp đến bề mặt chất lỏng (15-40mm) Chọn hts = 27 (mm) hsc : khoảng cách từ mép dưới chĩp đến mâm (0-25 mm) Chọn hsc = 12,5 (mm) hsr : Khoảng cách từ mép dưới khe chĩp đến mép dưới chĩp . Chọn hsr = 5mm hso : chiều cao khe chĩp hm = 27 + 12,5 + 5 + 15,5 = 60 (mm)
Tra giản đồ hình 5.13a-truyền khối tập 3 trang 81 ta cĩ : 4 / = 6 / =1,5 m: số hàng chĩp phải trải qua của pha lỏng m = 5 = 0,7.1,5.5 = 5,25 (mm) -Độ giảm áp của pha khí trên một mâm ht =hfv + hs + hss + how + /2 mm chất lỏng Trong đĩ : hfv : độ giảm áp do ma sát nội và biến đổi vận tốc khi pha khí thổi qua chĩp lúc khơng cĩ chất lỏng được xác định theo cơng thức sau: G QV 2 hfv = 274K( ) .( ) L G Sr 2 với Sr : tổng diện tích hơi của mỗi mâm , m 2 2 .d h .0,05 2 Sr =n.Srj = n. = 27. 0,053 (m ) 4 4 -Diện tích hình vành khăn giữa thân chĩp và ống hơi 2 2 2 2 6 3 2 Saj = (d d ) = (73,5 50 ).10 1,952.10 (m ) 4 ch h 4 S aj 1 . Tra đồ thị trang 83 truyền khối –Tập 3 ta cĩ : K=0,65 Srj K: hệ số tổn thất áp suất cho tháp khơ 1,964 0,296 2 hfv = 0,65.274. ( ).( ) =11 mm 1004,76 1,964 0,053 hss : chiều cao thủy tĩnh lớp chất lỏng trên khe chĩp đến gờ chảy tràn Ta cĩ : hw = hss + hso + hsr + hsc Mà : hm= hw + how + /2 hss = hw – ( hso + hsr + hsc ) = hm – ( how + /2 + hso + hsr + hsc ) hss = 60 - (9,07 + 5,25/2 + 15,5 +5 +12,5) = 20,31 (mm) Do đĩ : ht =hfv + hs + hss + how + /2 = 11 + 14,9 +20,31 + 9,07 + 5,25/2 = 57,9 (mm) -Kiểm tra sự hoạt động ổn định của mâm Điều kiện :  ( hfv + hs )/2 Ta cĩ : (hfv + hs )/2 = (11+14,9)/2 =13 > . Chứng tỏ mâm hoạt động ổn định -Chiều cao gờ chảy tràn : hw = hm – (how + /2) = 60 - (9,07 + 5,25/2) = 48,3 (mm) -Chiều cao mực chất lỏng khơng bọt trong ống chảy chuyền hd =hw + how + ht + hd’ + (mm chất lỏng) Trong đĩ : hd’ : tổn thất thủy lực do dịng chảy từ trong ống chảy chuyền vào mâm QL 2 2,602 2 hd’ = 0,128 ( ) =0,128. ( ) = 0,126 (mm) 100Sd 100.0,0262 hd = 48,3 + 9,07 + 57,9 + 0,126 + 5,25 =120,6 (mm) Chiều cao hd là thơng số để kiểm tra khoảng cách mâm . Nếu hd hd nên mâm hoạt động bình thường
-Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền : Để kiểm tra xem chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền cĩ đều hay khơng và chất lỏng khơng va đập vào thành bình ta tính thơng số dtw = 0,8 how.h o = 0,8 how (H hw hd ) = 0,8 9,07(350 48,3 120,6) =40,1 dtw < 0,6.dw = 0,6.80 = 48 Điều này chứng tỏ chất lỏng khơng va đập thành bình và xem như chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền là đều -Độ lơi cuốn chất lỏng e  = L e Trong đĩ : e: lượng chất lỏng bị lơi cuốn (mol/h) L :lượng chất lỏng chảy xuống (mol/h)  được xác định theo cơng thức thực nghiệm : ' L G 1/ 2 4203,615 2,815 1/ 2  = f( ' ( ) ) = f( ( ) ) f (0,073) G L 2,815.1204 795,8 h 160,5 d .100% .100% 91,7% H / 2 175 Tra giản đồ 5.15 trang 82 –truyền khối tập 3 ta cĩ :  = 0,1 .L 0,1.4203,615 e 467(kg / h) 1  0,9 -Tính tốn trở lực của tháp chĩp : Trở lực của tháp chĩp được xác định theo cơng thức : p = Nt . pd Với : Nt: số đĩa thực 2 pd : tổng trở lực của một đĩa (N/m ) pd = pk + p + pt pk : trở lực của đĩa khơ được xác định theo cơng thức 2 y .wo pk =. 2 Trong đĩ :  : hệ số trở lực thường  = 4,5-5 . Chọn  = 5 3 y: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m ) wo: vân tốc khí qua rãnh chĩp được xác định theo cơng thức : Qv 0,296 wo 2 = 2 = 5,59 (m/s) 0,785.d h .n 0,785.0,05 .27 1,964.5,59 2 Do vậy : pk= 5. 27,43 (N/m ) 2 p : trở lực do sức căng bề mặt được xác định theo cơng thức sau: 4. p = d td Trong đĩ: : sức căng bề mặt (N/m).Tra sổ tay ta cĩ  =18,99 (dyn/cm) = 18,99 .10-3 (N/m)
6 4. f x 4.a.hso 4.2.15,5.10 -3 dtd = 3 =3,5.10 (m) =3,5 mm 2(a hso ) 2(2 15,5).10 3 4.18,99.10 2 Do vậy : p = =21,7 (N/m ) 3,5.10 3 pt : trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) được xác định theo cơng thức 2 pt = b.g.(hb – hso/2) (N/m ) Trong đĩ : b : khối lượng riêng của bọt b= (0,4-0,6) L 3 Chọn b= 0,5. L=1004,76/2=502,38 (kg/m ) hb:chiều cao lớp bọt trên đĩa , m được xác định theo cơng thức : (hc hx )(F 1) x hx . b . f (hch hx ). f . b hb = F. b Trong đĩ : hc:chiều cao phần chảy chuyền viên phân trên mâm ,m hx : chiều cao lớp chất lỏng khơng bọt trên mâm , m : chiều cao mực chất lỏng trên mâm , m F:phần bề mặt đĩa cĩ gắn chĩp , m2 f: tổng tiết diện của chĩp trên đĩa , m2 2 2 -6 2 f =0,785.dch .n = 0,785.73,5 .27.10 = 0,1145 m hch: chiều cao của chĩp , m Ta cĩ : hh=hsc + hsr + hso + hts - - h2 = 12,5 + 5 + 15,5 + 27- 5,25 –12,5 =42,25(mm) hch = hh +12,5 = 42,25 + 12,5 = 54,75 (mm) Do vậy : hb= (40 5,25 60).(0,45025 1).1004,76 60.502,38.0,1145 (54,75 60).0,1145.502,38 0,45025.502,38.1000 hb= 0,05 m =50 mm Vậy: 2 pt = 502,38.9,81.(0,05 –0,0155/2) = 208,22 N/m 2 pd = 27,43 + 21,7 + 208,22= 557,35 N/m Trở lực của tháp chĩp : 2 p = Nt . pd = 29.557,35 =16163 N/m VI-TÍNH TỐN CƠ KHÍ : a-Tính bề dày thân thiết bị : -Nhiệt độ tính tốn trong tháp lấy bằng nhiệt độ cao nhất trong thiết bị : T = 117,3oC. -Ap suất tính tốn : tính cho trường hợp xấu nhất là chất lỏng dâng lên đầy tháp 5 2 p= pmt + p +pcl = 10 + 16163 + 10,7.1004,76.9,81 = 221629,643 N/m = 0,222 N/mm2 -Điều kiện làm việc của thân tháp : chịu áp suất trong -Chọn vật liệu làm tháp là thép khơng gỉ với mác thép X18H10T Ở nhiệt độ 117,3oC tra giản đồ 1-2 trang 22-Chế tạo máy hĩa chất ta cĩ :
[]*=140 (N/mm2 ) -Ứng suất cho phép của vật liệu : [] = []* = 0,9.140 = 126 (N/mm2) Với  = 0,9 là hệ số hiệu chỉnh ( chọn cho thiết bị loại I-nhĩm II) trang 26 –Chế tạo máy hĩa chất –Thiết bị làm việc với chất độc hại , dễ cháy nổ , dễ cháy , khơngtiếp xúc trực tiếp với nguồn đốt nĩng -Chọn hệ số bền mối hàn h = 0,95 Ta cĩ : [ ] 126.0,95 = 539,19 25 p h 0,222 Do đĩ bề dày tối thiểu của thân được tính theo cơng thức : D .p 800.0,222 S ' t 0,742 (mm) 2.[ ]. h 2.0,95.126 -Chọn hệ số bổ sung : + Do ăn mịn hĩa học : Ca = 1 (mm ) + Quy trịn kích thước : Co =0,4 mm Bề dày thân : ’ S = S + Ca + Co = 0,742 + 1 + 0,4 = 2,142 (mm) Để an tồn khi tính tốn ta chọn S = 4 mm -Kiểm tra bền : S C 4 1 + a 3,75.10 3 p Dt (S Ca ) 800 3 b-Tính bề dày đáy nắp : -Chọn đáy nắp ellipse tiêu chuẩn , loại cĩ gờ và làm bằng thép khơng gỉ X18H10T Tra sổ tay tập II trang 370 với Dt = 800 (mm) ta cĩ : hB = 200 (mm) , h = 50(mm) -Chọn sơ bộ Sn = Sđ = Sth = 4 mm -Kiểm tra bền ta cĩ : S C 3 + a 3,75.10 3 p Dt (S Ca ) 800 3 Vậy Sn = Sđ = 4 mm c-Tính bích cho thiết bị: Ta tính bích theo phương pháp tải trọng giới hạn : -Chọn vật liệu làm bích là thép CT3 , vật liệu làm bulơng là CT4 Dựa vào sổ tay tập II-trang 408 ta chọn các thơng số bích như sau :
Ký hiệu Dt Db D D1 h db Z mm 800 880 930 850 20 20 24 -Chọn bích liền kiểu phẳng Khi xiết bulơng sẽ sinh ra lực nén chịu trục Q1 , lực này nhằm khắc phục tải trọng do áp suất bên trong thiết bị và áp suất phụ sinh ra ở trên đệm để giữ cho mối ghép được kín Q1 = Qa + Qk Trong đĩ : Qa : lực do áp suất trong thiết bị gây ra (N) 2 Qa = .D .p .0,8 2 .221629,643 111346,733 (N) 4 t 4 Qk : lực cần thiết để giữ được kín trong đệm. Qk = .Dtb.bo.m.p Trong đĩ : Dtb : đường kính trung bình của đệm -Chọn đường kính ngồi đệm Dn = 847 mm -Chọn đường kính trong đệm =827 mm 847 827 Dtb = 837 mm 2 -Bề rộng thật của đệm b = 20 mm bo : bề rộng tính tốn của đệm , bo = (0,5-0,8)b . Chọn bo = 0,8b = 0,8.20=16mm m : hệ số áp suất riêng Chọn đệm loại paronit cĩ bề dày o = 3 mm theo bảng 7-2 Hồ Lệ Viên trang 192 ta cĩ : m=2 2 qo:áp suất riêng cần thiết để làm biến dạng dẻo đệm , qo=10 (N/mm ) Do đĩ : Qk = .0,837.0,016.2.221629,643 = 18639,443 (N) Q1 = Qa + Qk = 111346,733 + 18639,443 = 129986,176 (N) -Lực cần thiết để ép chặt đệm ban đầu: 7 Q2 = .Dtb.bo. qo = .0,837.0,016.10 = 420722 (N) -Lực tác dụng lên các bulong : Q = max(Q1, Q2) = Q2 = 420722 (N) -Lực tác dụng lên một bulong: Q 420722 qb= 17530 (N) Z 24 -Kiểm tra việc chọn đường kính bulong: + Đường kính bulong được xác định theo cơng thức :
qb db = 1,13. [ ] ’ Với [] = ko. [ ] [’] : ứng suất cho phép của vật liệu làm bulong , được xác định theo bảng 7-5- Hồ Lệ Viên trang 194 ở T=117,3oC cĩ giá trị là : [’] = 86 (N/mm2) ko: hệ số làm giảm ứng suất chọn theo bảng trang 193 –Hồ Lệ Viên –Chế tạo máy hố chất ta cĩ ko = 0,8 ’ 2 Do vậy : [] = ko. [ ]= 0,8.86 = 68,8 (N/mm ) qb 17530 db = 1,13. 1,13. 18 mm [ ] 68,8 -Kiểm tra ứng suất : q 17530  b 56 (N/mm2) < [’] .d 2 .202 4 b 4 Nên việc chọn db = 20 mm là hồn tồn phù hợp -Tính bề dày bích : Bề dày bích được xác định theo cơng thức : p l d [ ] t 0,41.D . {1 7,3. .[0,57.Z.( b ) 2 . 1]} n [ ] D D p bi b n 0,222 16,5 20 68,8 t 0,41.847. .{1 7,3. .[0,57.24.( )2 . 1]} 19,2mm 85,84 880 847 0,222 Trong đĩ : ’ 2 [bi] = ko. [bi ] = 0,8.107,3 = 85,84 (N/mm ) ’ với [bi ] : ứng suất cho phép của vật liệu làm bích (tra ở bảng 7-6 –Hồ Lệ Viên) l: cánh tay địn được xác định theo cơng thức : D D 880 847 l b n 16,5mm 2 2 Chọn t =18,5 mm d-Tính các đường ống dẫn : -Để tính đường kính tối ưu của các đường ống dẫn khí và lỏng , ta cĩ tiêu chuẩn về vận tốc thích hợp của khí và lỏng trong đường ống : Vận tốc khí : 15-30 m/s Vận tốc dịng lỏng : 1-3 m/s -Đường kính ống dẫn được xác định theo cơng thức : Q d = 0,785.v Trong đĩ : Q : lưu lượng thể tích (m3/s) v : vận tốc dịng lỏng hoặc khí (m/s)-chọn theo bảng II-2 -Sổ tay tập I trang 369 d: đường kính ống dẫn – Chọn theo bảng XIII-32-Sổ tay tập II trang 422
-Chọn bích nối loại bích liền (kiểu bích phẳng) . Sau khi chọn , tính và qui chuẩn ta cĩ bảng sau: Bulong Tên gọi Dy Dn D Db D1 h db Z Ống dẫn hơi ra ở đỉnh 150 159 260 225 202 16 M16 8 Ống hồn lưu 25 32 100 75 60 12 M10 4 Ống nhập liệu 50 57 140 110 90 12 M12 4 Ống dẫn lỏng ra ở đáy 50 57 140 110 90 12 M13 5 Ống dẫn hơi vào ở đáy 100 108 205 170 148 14 M16 4 e-Tính tai đỡ , chân treo : e1-Tính khối lượng tháp : G = Gthân + Gđáy + Gnắp + Gmâm + Gchĩp + Gbích + Glỏng -Khối lượng thân tháp : 2 2 Gthân = (Dn - Dt ).Hthân. thép 4 Với Hthân = Htháp – (hnắp + hđáy) = 10,7 – 0,5 = 10,2 m 2 2 Gthân = .( 0,808 – 0,8 ).10,2.7900 = 814 (kg) 4 -Khối lượng đáy và nắp : Gđáy = Gnắp Với ellipse tiêu chuẩn cĩ gờ , Dt = 800 mm , S = 4 mm , h = 20 mm tra bảng XIII-11 trang 373 ta cĩ : Gđáy = Gnắp = 24,2.1,01 = 24,5 (kg) -Khối lượng mâm : 2 2 Gmâm = Nt. . Dt .mâm . = 29. . 0,8 .0,004.7900 = 461 (kg) 4 4 -Khối lượng các chĩp : Gchĩp = Nt.n.G1chĩp 2 2 2 2 2 G1chĩp =[ (d d ).h .d . i.h .a (d d ).h ]. 4 ch,n ch ch 4 ch ch so 4 h,n h h 2 2 2 G1chop [ (0,0775 0,0735 ).0,05475 .0,0735 .0,002 25.0,0155.0,002 4 4 (0,0542 0,052 ).0,05475].7900 0,394kg 4 Gchĩp = 29.27.0,394 = 308,5 kg -Khối lượng chất lỏng trên mâm: 2 2 Glỏng,max = .D .(N 1).H. .0,8 .28.0,35.1004,76 4947kg 4 t t L 4
-Khối lượng bích : 2 2 2 2 Gbích = số mặt bích . .(D -Dt ).2.h. CT3 = 5. .(0,93 -0,8 ).2.0,02.7850=277,5 4 4 kg -Tổng khối lượng của tồn tháp : G = 814 + 2.24,5 + 461 + 308,5 + 277,5 + 4947 = 6857 (kg) e2-Tải trọng của tháp : Gmax = G.9,81 = 6857.9,81 = 67267,2 (N) g-Tính tai treo : -Chọn vật liệu làm tai treo là CT3 , tấm lĩt là vật liệu làm thân thiết bị -Diện tích tai đỡ : G 67267,2 F = max 33633,6 (mm2) = 0,0336 m2  be 2 -Chọn số tai treo n = 4 + Tải trọng lên 1 tai treo là : G 6857 G* = 1714,25 (N) n 4 + Các thơng số của tai treo được chọn theo sổ tay tập II và được lập thành bảng sau: Tải trọng cho phép Tải Khối trên 1 tai treo(N) trọng lượng Bề cho 1 tai mặt phép lên L B B1 H S l a d treo,kg đỡ bề mặt ,m2 đỡ,q.10-6 N/m2 2,5 173 1,45 150 120 130 215 8 60 20 30 3,48 -Tấm lĩt tai treo làm bằng vật liệu làm thân tháp cĩ các thơng số sau : + Chiều cao tấm lĩt : H = 260 mm + Chiều rộng tấm lĩt : B = 140 mm + Chiều dày tấm lĩt : SH = 6 mm h-Tính chân đỡ : -Chọn số chân đỡ là 4 -Vật liệu chế tạo chân đỡ là CT3 -Chọn chân đỡ cĩ các thơng số sau:(chọn theo sổ tay tâp II bảng XIII-35 trang 425) Tải trọng cho phép Tải trên 1 tai treo(N) trọng Bề cho mặt phép lên L B B1 H S l h d B2 đỡ bề mặt ,m2 đỡ,q.10- 6 N/m2 2,5 144 0,56 250 18 21 42 16 90 18 27 290
0 5 2 5 m-Kiểm tra khả năng tăng cứng cho các lỗ : -Đường kính lớn nhất cho phép khơng cần tăng cứng được xác định theo cơng thức sau: S Ca dmax =2[ ( 0,8) D .(S C ) C )] S ' t a a 4 1 dmax = 2.[ ( 0,8). 800.(4 1) 1] 315,8mm 0,742 dmax là đường kính lớn nhất khơng cần tăng cứng . Ta nhận thấy rằng các lỗ trên thân đều cĩ đường kính nhỏ hơn đường kính dmax , vì thế nên ta khơng cần tăng cứng Riêng đối với ống dẫn hơi đỉnh và ống dẫn dịng lỏng đáy nếu khơng cần tăng cứng thì phải thỏa mãn điều kiện sau: d 0,6 Dt S 0,05 Dt Đối với ống dẫn hơi cĩ dngồi = 0,159 m , S = 4mm thì hai điều kiện trên hiển nhiên thỏa , do đĩ đối với ống dẫn lỏng cĩ đường kính nhỏ hơn đường kính ống dẫn hơi nên cũng thỏa mãn hai điều kiện trên .Do vậy ta khơng cần tăng cứng . VII-TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT: 1-Tính thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: NƯỚC RA HƠI SP ĐỈNH NƯỚC VÀO HƠI NGƯNG Đường đi của lưu chất: -Dịng hơi sản phẩm đỉnh đi ngồi vỏ , nước đi trong vỏ do nước bẩn hơn hơi sản phẩm đỉnh Dịng nĩng : 57oC (hơi) 57oC (lỏng) Dịng lạnh : 40oC 28oC o -Chênh lệch nhiệt độ đầu vào : tv = 57 – 40 =17 C o -Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: tr = 57 – 28 = 29 C -Chênh lệch nhiệt độ trung bình :
t t 29 17 t = r v 22,468 oC log t 29 ln r ln tv 17 40 28 o -Nhiệt độ trung bình của dịng lạnh : t1= 34 C . Tại nhiệt độ này ta cĩ các 2 thơng số vật lý của dịng lạnh như sau: 1=0,62 (W/m.độ ) C1=4174,1 (J/kg.độ ) -3 2 1=0,76.10 (N.s/m ) 3 1= 994,6 (kg/m ) QD = 264 kw : nhiệt trao đổi ở thiết bị ngưng tụ . -Lượng nước cần giải nhiệt : QD 264000 Gn = 5,3 (kg/s) C1 (tra tvao ) 4174,1.(40 28) -Chọn ống tiêu chuẩn cĩ đường kính là :25 x 2mm , ống được xếp thành vịng trịn đồng tâm cĩ số ống n = 37 ống a-Hệ số cấp nhiệt từ ngồi vỏ đến thành ống : Hệ số cấp nhiệt được xác định theo cơng thức : r 1,28.A.( )0,25 2 t.d o o -Chọn t2 = 6 C = tngưng – tw2 tw2 = 51 C tmàng = (tw2 + tngưng)/2 =(51+57)/2 =54 Tra sổ tay tập II-trang 28 ta cĩ : A = 150,2 . Do đĩ : 527134 1,28.150,2.( )0,25 7826 (W/m2.độ) 2 6.0,025 -Hệ số cấp nhiệt trung bình của chùm ống : ch = tb. 2 Tra tập 10 –Ví Dụ và bài tập trang 121 ta cĩ : tb = 0,7 2 Do vậy : ch = tb. 2 = 0,7.7826 = 5478,2 (W/m .độ) b-Hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nước : -Tính chuẩn số Reynoylds: 4.G 4.5,3 Re = n =11433 > 10.000 nên chuẩn số Nuselt được d.n. . 0,021.37.0,76.10 3. 0,8 0,43 0,25 tính theo cơng thức : Nu = 0,021.(Re) .(Pr) .(Pr/Prw) -Tính chính xác nhiệt tải q: Nguyên tắc : Giả sử nhiệt lượng truyền từ ngồi vỏ đến bề mặt bằng tường bằng nhiệt lượng truyền qua bề dày ống và lớp cáu và bằng luơn nhiệt lượng truyền từ mặt trong đến nước . Dựa trên nguyên tắc đĩ ta cĩ cách tính nhiệt độ tường bên trong thành ống như sau: qngưng= qw = q = ch. t2 =(tw2 – tw1)/rw tw1= tw2 - ch. t2. rw Trong đĩ : rw: tổng nhiệt trở của thành ống và lớp cáu được xác định theo cơng thức sau:
 v rw = rcáu1 + rcáu2 + v -Dựa vào sổ tay tập II-bảng V-1 trang 4 ta cĩ : -3 2 rcáu1:nhiệt trở cặn bẩn lấy bằng 0,387.10 (m .độ/W) -3 2 rcáu2:nhiệt trở của nước thường lấy bằng 0,464.10 (m .độ/W) v: bề dày tường lấy bằng 2 mm v = 93 (W/m.độ) – chọn vật liệu là đồng thau Do đĩ :  v -3 -3 2 rw = rcáu1 + rcáu2 + = (0,387 + 0,464 + 2/93 ).10 = 0,877.10 (m .độ/W) v -3 o tw1= tw2 - ch. t2. rw = 51 – 5478,2.6.0,877.10 = 22, C Tại nhiệt độ này ta cĩ : Pr = 5 Pr 5 ( ) 0,25 ( ) 0,25 1,09 Prw= 3,6 Prw 3,6 Do vậy : 0,8 0,43 0,25 0,8 0,43 Nu = 0,021.(Re) .(Pr) .(Pr/Prw) = 0,021.(11433) .(5) .1,09 = 80,7 Nên hệ số cấp nhiệt từ thành trong của ống đến nước : Nu.1 80,7.0,62 2 1= 2582,6 (W/m .độ) dtr 0,021 o -Chênh lệch nhiệt độ : t1= t1 - tw1 = 34 – 22 = 12 C -Nhiệt tải q: 2 Dịng lạnh : q1= 1. t1=2582,6.12 = 30991,2 (W/m ) 2 Dịng nĩng: q2 = ch. t2 = 5478,2.6 =32069,2 (W/m ) q q 32069,2 30991,2 Chênh lệch nhiệt tải q: 2 1 3,4% 5% q2 32069,2 c-Hệ số truyền nhiệt : -Hệ số truyền nhiệt được xác định theo cơng thức : 1 1 1 1 1 3 1 2 K =( rw ) ( 0,877.10 ) 718,4 (W/m .độ) 1 2 2582,6 7826 d-Bề mặt truyền nhiệt: Q 264000 F= 16,33(m2) K. tlog 718,4.22,5 e-Chiều dài thiết bị: F 16,33 L= 5,6 (m) n.d. 37.0,025. g-Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ : D = t.(2no +1) Trong đĩ : t = (1,2-1,5).d , chọn t =1,5.d = 1,5.0,025=0,0375 m no : số vịng trịn đồng tâm D = t.(2no +1) = 0,0375.(2.3 +1) = 0,2625 (m)
Ta cĩ tỷ số : L/D = 5,6/0,2625 =21,3 > 4 . Do vậy ta thay thiết bị loại 1-1 bằng thiết bị loại 1-2 , chiều dài mỗi pass là 2,8 m 2-Tính thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: dung dịch vào nước vào nước ra sản phẩm đỉnh Đường đi của lưu chất : Dịng sản phẩm đỉnh đi ngồi vỏ , nước đi trong vỏ do nước bẩn hơn sản phẩm đỉnh Dịng nĩng 57oC 40oC Dịng lạnh : 38oC 28oC o -Chênh lệch nhiệt độ đầu vào : tv = 57 – 38 = 19 C o -Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: tr = 40 – 28 = 12 C -Chênh lệch nhiệt độ trung bình : t t 19 12 t = r v 15,2 oC log t 19 ln r ln tv 12 38 28 o -Nhiệt độ trung bình của dịng lạnh : t1= 33 C . Tại nhiệt độ này ta cĩ các 2 thơng số vật lý của dịng lạnh như sau: 1=0,636 (W/m.độ ) C1=4174,1898 (J/kg.độ ) -3 2 1=0,77.10 (N.s/m ) 3 1= 995 (kg/m ) -Lượng nước cần giải nhiệt : QD 15083 Gn = 0,36 (kg/s) C1 (tra tvao ) 4174,1898.(38 28) -Chọn ống tiêu chuẩn cĩ đường kính là :25x2mm , ống được xếp thành vịng trịn đồng tâm cĩ số ống n = 37 ống a-Hệ số cấp nhiệt từ dung dịch đến thành ống : 57 40 o -Nhiệt độ trung bình của dịng nĩng : t2tb = 48,5 C 2 Tại nhiệt độ này ta cĩ các thơng số của dịng nĩng như sau: 2= 0,165 (W/m.độ )
C2= 2302,7 (J/kg.độ ) -3 2 2 = 0,246.10 (N.s/m ) 3 1= 756 (kg/m ) -Tiết diện ngang của khoảng ngồi ống : S = .(D 2 n.d 2 ) (0,26252 37.0,0252 ) = 0,036 m2 4 4 Với : D: đường kính thiết bị D = 1,5.d.( 2no + 1 ) = 1,5.0,025.(2.3+1) = 0,2625 (m) -Tốc độ aceton phía vỏ: D 859,462 v = 9,1.10 3 (m/s) D .S 3600.756.0,036 -Đường kính tương đương của khoảng ngồi ống : D 2 n.d 2 0,26252 37.0,0252 dtđ = 0,0385 m D n.d 0,2625 37.0,025 -Chuẩn số Reynolds: v.d . 9,1.10 3.0,0385.756 Re = td 1076,68 < 2300  0,246.10 3 o o -Chọn t2 = 22,5 C tw2 = t2tb - t2 = 48,5 – 22,5 = 26 C -Chuẩn số Gr : d 3 . 2 .. t 0,03853.756 2.1,3.10 3.22,5 Gr0,1 = ( td )0,1 ( )0,1 4,17  2 .g (0,246.10 3 )2 .9,81 o Pr 0,25 Tại nhiệt độ tw2 =26 C ta cĩ Prw= 6 và xem ( ) 1 -Chuẩn số Nuselt: Prw 0,33 0,43 0,1 0,25 0,33 0,43 Nu = 0,15.l.Re .Pr .Gr .(Pr/Prw) = 0,15.1.602,1076,68 .6 .4,17.1 = 21,7 -Hệ số cấp nhiệt từ dung dịch đến thành ống : Nu.2 21,7.0,136 2 2= 76,7 (W/m .độ) d tr 0,0385 b-Hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nước: -Chuẩn số Reynolds : 4.Gn 4.0,36 Re = 3 881,7 < 2300 .n. .d tr 0,246.10 .37. .0,021 Ta cĩ: qngưng= qw = q = 2. t2 =(tw2 – tw1)/rw tw1= tw2 - 2. t2. rw -3 o o tw1= 26 – 37.22,5.0,877.10 = 25,27 C t1= 33 -25,27 = 7,73 C o Tại nhiệt độ tw1 =25,27 C ta cĩ Pr = 6,5 và xem : Pr ( ) 0,25 1 Prw -Chuẩn số Gr: d 3. 2 .. t 0,0213.9952.0,314.10 3.7,73 Gr0,1 = ( tr ) 0,1 ( )0,1 2,28  2 .g (0,77.10 3 ) 2 .9,81
-Chuẩn số Nuselt: 0,33 0,43 0,1 0,25 0,33 0,43 Nu = 0,15.l.Re .Pr .Gr .(Pr/Prw) = 0,15.1.881 .6,5 .2,28.1 = 7,17 Nên hệ số cấp nhiệt từ thành trong của ống đến nước : Nu.1 7,17.0,636 2 1= 217,15(W/m .độ) dtr 0,021 -Nhiệt tải q: 2 Dịng lạnh : q1= 1. t1=217,15.7,73 = 1678,6 (W/m ) 2 Dịng nĩng: q2 = 2. t2 = 76,7.22,5 =2837,9 (W/m ) q q 2837,9 1678,6 Chênh lệch nhiệt tải q: 1 2 2,7% 5% q1 2837,9 c-Hệ số truyền nhiệt : -Hệ số truyền nhiệt được xác định theo cơng thức : 1 1 1 1 1 3 1 2 K =( rw ) ( 0,877.10 ) 54 (W/m .độ) 1 2 217,15 76,7 d-Bề mặt truyền nhiệt: Q 15083 F= 18,38 (m2) K. tlog 54.15,2 e-Chiều dài thiết bị: F 18,38 L= 6,4 (m) n.d. 37.0,025. g-Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ : D = 0,2625 m Ta cĩ tỷ số : L/D = 6,4/0,2625 = 24,4 > 4 . Do vậy ta thay thiết bị loại 1-1 bằng thiết bị loại 1-4 , chiều dài mỗi pass là 1,6 m .Lúc này ta cĩ : L1pass/Dtđ = 1,6/1,05 = 1,52 < 4 3-Thiết bị nồi đun: -Thiết bị được chọn là nồi đun Kettle -Để đun sơi đáy tháp ta dùng hơi nước bão hịa cĩ áp suất tuyệt đối là 3 at
-Đường đi của lưu chất : Hơi nước bão hịa đi trong ống cịn dịng lỏng đáy đi ngồi ống Dịng nĩng : 132,9 oC(hơi bão hịa) 132,9oC (lỏng ngưng) Dịng lạnh : 117,3oC(lỏng sơi) 117,3 oC (hơi) -Chênh lệch nhiệt độ trung bình : o tlog = 132,9 – 117,3 = 15,6 C -Lượng hơi cần cung cấp : QD 322410 Gh = 0,149 (kg/s) r 2171.103 Trong đĩ : r : ẩn nhiệt hĩa hơi của hơi nước ở áp suất bão hịa 3 at 2 -Chọn sơ bộ Ksb = 400 (W/m .độ) -Chọn ống thép tiêu chuẩn loại thép khơng gỉ mác thép X18H10T ,số ống n= 130, đường kính 32x2,5mm a-Hệ số cấp nhiệt của dịng hơi đi trong ống : Tại nhiệt độ của dịng nĩng T = 132,9oC ta cĩ: -3 2 = 0,208.10 (pa.s) 2 = 0,052 (N/m) : khối lượng riêng của nước ngưng = 932,65 (kg/m3) *: khối lượng riêng của hơi =1,625 (kg/m3) -Chuẩn số Nuselt: 2 2 0,5 g. .d 0,3 l 0,35 Nu = C.Rek .( ) .( )  . * d -Chuẩn số Reynolds: q.d K. tlog .d 400.15,6.0,027 Rek = 3 3 0,37 r. 2 r. 2 2171.10 .0,208.10 Hệ số C = 1,26 , l/d = 50 -225 , chọn l/d =50 Do vậy : 9,81.932,652.0,027 2 Nu = 1,26.0,370,5.( )0,3.(50)0,35 87 0,052.1,625 -Hệ số cấp nhiệt từ hơi nước đến thành ống : Nu.2 87.0,686 2 2= 2210,4 (W/m .độ) d tr 0,027 b- Hệ số cấp nhiệt cho dịng lưu chất lỏng đi ngồi ống : Tại nhiệt độ của dịng lỏng đáy T=117,3oC ta cĩ: 1= 0,153 (W/m.độ ) C1= 2485(J/kg.độ ) -3 2 1=0,451.10 (N.s/m ) -3 1= 25,6.10 (N/m) r1=408413 (j/kg) : khối lượng riêng của dung dịch đáy = 925,57 (kg/m3)
*: khối lượng riêng của hơi M .273 59,99.273 *= w 1,874 (kg/m3) 22,4.(T 273) 22,4.(117,3 273) Hệ số cấp nhiệt cho dịng lưu chất lỏng đi ngồi ống được xác định theo cơng thức : *.r .0,75 q0,7 7,77.10 2.( )0,033 .( )0,333 . 1 *   0,45.C 0,117 .T 0,37 1,874.408413 925,57 0,117 0,75.8190 0,7 7,77.10 2.( ) 0,033 .( )0,333 . 1 925,57 1,874 25,6.10 3 (0,451.10 3 ) 0,45 .24850,117.390,30,37 496,20 c-1Hệ số truyền nhiệt : -Hệ số truyền nhiệt được xác định theo cơng thức : 1 1 K ( r ) 1  w 1 2 1 1 K ( 0,116.10 3 0,464.10 3 0,0025 /17) 1 313(W / m 2 .do) 2210,4 496,20 Ta nhận thấy K  Ksb d-Bề mặt truyền nhiệt: Q 322410 F= 53(m2) K. tlog 400.15,2 e-Chiều dài thiết bị: F 53 L= 4,1 (m) n.d. 130.0,032. g-Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ : D = t.(2no +1) Trong đĩ : t = (1,2-1,5).d , chọn t =1,5.d = 1,5.0,032=0,048 m no : số vịng trịn đồng tâm D = t.(2no +1) = 0,048.(2.6 +1) = 0,624 (m) Ta cĩ tỷ số : L/D = 3,2/0,624 = 5 > 4 (phù hợp ) 4-Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: NƯỚC RA SẢN PHẨM ĐÁY -Đường đi của lưu chất : Dịng nĩng là dịng dung dịch đáy đi ngồi ống , dịng lạnh NƯỚC VÀO đi trong ống DD.ĐÁY Dịng nĩng : 117,3oC 40oC Dịng lạnh : 38oC 27oC o -Chênh lệch nhiệt độ đầu vào : tv = 117,3 – 38 = 79,3 C
o -Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: tr = 40 – 27 = 13 C -Chênh lệch nhiệt độ trung bình : t t 79,3 13 t = r v 36,7 oC log t 79,3 ln r ln tv 13 38 27 o -Nhiệt độ trung bình của dịng lạnh : t1= 32,5 C . Tại nhiệt độ này ta cĩ các 2 thơng số vật lý của dịng lạnh như sau: 1=0,6246 (W/m.độ ) C1=4175,05 (J/kg.độ ) -3 2 1=0,63.10 (N.s/m ) 3 1= 994,8035 (kg/m ) -Lượng nước cần giải nhiệt : Qsp 116400 Gn = 2,53 (kg/s) C1 (tra tvao ) 4175,05.(38 27) -Chọn ống tiêu chuẩn cĩ đường kính là :32x2,5mm , ống được xếp thành vịng trịn đồng tâm cĩ số ống n = 130 ống a-Hệ số cấp nhiệt từ dung dịch đến thành ống : 117,3 40 o -Nhiệt độ trung bình của dịng nĩng : t2tb = 78,65 C 2 Tại nhiệt độ này ta cĩ các thơng số của dịng nĩng như sau: 2= 0,1612 (W/m.độ ) C2= 2297 (J/kg.độ ) -3 2 2 = 0,53.10 (N.s/m ) 3 1= 978,31 (kg/m ) -Tiết diện ngang của khoảng ngồi ống : S = .(D 2 n.d 2 ) (0,6242 130.0,0322 ) = 0,201 m2 4 4 Với : D: đường kính thiết bị D = 1,5.d.( 2no + 1 ) = 1,5.0,032.(2.6+1) = 0,624 (m) -Tốc độ dịng sản phẩm đáy phía vỏ: W 2103,96 v = 0,00314 (m/s) W .S 3600.925,57.0,201 -Đường kính tương đương của khoảng ngồi ống : D 2 n.d 2 0,6242 130.0,0322 dtđ = 0,0535 m D n.d 0,624 130.0,032 -Chuẩn số Reynolds: v.d . 0,00314.0,0535.925,57 Re = td 293,37 < 2300  0,53.10 3 o o -Chọn t2 = 36 C tw2 = t2tb - t2 = 78,65 – 36 =42,65 C -Chuẩn số Gr :
d 3 . 2 .. t 0,05353.925,57 2.1,2.10 3.42,65 Gr0,1 = ( td )0,1 ( ) 0,1 4,35  2 .g (0,53.10 3 ) 2 .9,81 o Tại nhiệt độ tw2 = 42,65 C ta cĩ Pr = 12,125 và xem : Pr ( ) 0,25 1 -Chuẩn số Nuselt: Pr 0,33 0,43w 0,1 0,25 Nu = 0,15.l.Re .Pr .Gr .(Pr/Prw) = 0,15.1.(293,37)0,33.(12,125)0,43.(4,35).0,96 Nu = 10,04 -Hệ số cấp nhiệt từ dung dịch đến thành ống : Nu.2 10,04.0,125 2 2= 46,48(W/m .độ) d tr 0,027 b-Hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nước: -Chuẩn số Reynolds : 4.Gn 4.2,53 Re = 3 1732,48 < 2300 .n. .d tr 0,53.10 .130. .0,027 Ta cĩ: qngưng= qw = q = ch. t2 =(tw2 – tw1)/rw tw1= tw2 - 2. t2. rw -3 o o tw1= 48,65 – 55,27.36.0,877.10 =40,9 C t1= 40,9 – 32,5 =8,4 C o Tại nhiệt độ tw1 =40,9 C ta cĩ Pr = 4,528 và xem : Pr ( ) 0,25 1,01 Prw -Chuẩn số Gr: d 3. 2 .. t 0,0273.994,82.0,314.10 3.8,4 Gr0,1 = ( tr )0,1 ( )0,1 2,6733  2 .g (0,53.10 3 ) 2 .9,81 -Chuẩn số Nuselt: 0,33 0,43 0,1 0,25 Nu = 0,15.l.Re .Pr .Gr .(Pr/Prw) = 0,15.1.(1732,48)0,33.(3,95)0,43.(2,6733).1,01 Nu= 8,566 Nên hệ số cấp nhiệt từ thành trong của ống đến nước : Nu.1 8,566.0,6246 2 1= 198,16 (W/m .độ) dtr 0,027 -Nhiệt tải q: 2 Dịng lạnh : q1= 1. t1=198,16.8,4 = 1667,54 (W/m ) 2 Dịng nĩng: q2 = 2. t2 = 53,27.36 = 1673,28 (W/m ) q q 1673,28 1667,54 Chênh lệch nhiệt tải q: 2 1 3,43% 5% q2 1673,28 c-Hệ số truyền nhiệt : -Hệ số truyền nhiệt được xác định theo cơng thức : 1 1 1 1 1 3 1 2 K =( rw ) ( 0,877.10 ) 43,055(W/m .độ) 1 2 1198,16 46,48 d-Bề mặt truyền nhiệt:
Q 116400 F= 73,66 (m2) K. tlog 43,055.36,7 e-Chiều dài thiết bị: F 73,66 L= 5,6 (m) n.d. 130.0,032. g-Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ : D = 0,624 m Ta cĩ tỷ số : L/D = 5,6/0,624 = 8,97 > 4 . Do vậy ta thay thiết bị loại 1-1 bằng thiết bị loại 1-2 , chiều dài mỗi pass là 2,8m .Lúc này ta cĩ : L1pass/Dtđ = 2,8/2.0,624 = 2,24 <4 (phù hợp) 5-Thiết bị gia nhiệt cho nhập liệu : DUNG DỊCH RA HƠI BÃO HÒA DUNG DỊCH VÀO NƯỚC NGƯNG -Để đun sơi dung dịch nhập liệu để đưa vào tháp ta dùng hơi nước bão hịa cĩ áp suất tuyệt đối là 3 at -Đường đi của lưu chất : Hơi nước bão hịa đi ngồi ống cịn dịng nhập liệu đi trong ống Dịng nĩng : 132,9 oC(hơi bão hịa) 132,9oC (lỏng ngưng) Dịng lạnh : 85,8 oC(lỏng sơi) 30 oC (dung dịch) o Chênh lệch nhiệt độ đầu vào : tv = 132,9 – 85,8 = 47,1 C o -Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: tr = 132,9 – 30 = 102,9 C -Chênh lệch nhiệt độ trung bình : t t 102,9 47,1 t = r v 71,4 oC log t 102,9 ln r ln tv 47,1 -Lượng hơi cần cung cấp : QF 109200 Gh = 0,05 (kg/s) r 2171.103 Trong đĩ : r : ẩn nhiệt hĩa hơi của hơi nước ở áp suất bão hịa 3 at -Chọn thiết bị cĩ số ống n = 62 ống , đường kính ống 20x2mm, xếp theo kiểu đường trịn đồng tâm a-Hệ số cấp nhiệt từ hơi nước đến thành ống: Hệ số cấp nhiệt được xác định theo cơng thức : r 1,28.A.( )0,25 2 t.d
o o -Chọn t2 = 1,9 C = tngưng – tw2 tw2 = 131 C tmàng = (tw2 + tngưng)/2 tmàng=(131+132,9)/2 =132,95 Tra sổ tay tập II-trang 28 ta cĩ : A = 191,435 . Do đĩ : 2471.103 1,28.191,435.( )0,25 5249,128 (W/m2.độ) 2 1,9.0,016 -Hệ số cấp nhiệt trung bình của chùm ống : ch = tb. 2 Tra tập 10 –Ví Dụ và bài tập trang 121 ta cĩ : tb = 0,7 2 Do vậy : ch = tb. 2 = 0,7.5249,128 = 3674,39 (W/m .độ) b-Hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến dung dịch nhập liệu: 85,8 30 o -Nhiệt độ trung bình của dịng lạnh : t1= 57,9 C . Tại nhiệt độ này ta cĩ các 2 thơng số vật lý của dịng lạnh như sau: 1=0,1644 (W/m.độ ).b C1=2244,1 (J/kg.độ ) -3 2 1=0,387.10 (N.s/m ) 3 1= 930 (kg/m ) -Tính chuẩn số Reynoylds: 4.G 4.3000 Re = F =2765,2 > 2300 nên chuẩn số Nuselt d.n. . 0,016.62.0,387.10 3. .3600 0,43 0,25 được tính theo cơng thức : Nu =ko.l.(Pr) .(Pr/Prw) Ta cĩ: qngưng= qw = q = ch. t2 =(tw2 – tw1)/rw tw1= tw2 - ch. t2. rw -3 o o tw1= 131 – 3674,39.1,9.0,877.10 = 125 C t1= 125 – 64,3 = 60,7 C o Tại nhiệt độ tw1 =125 C ta cĩ Pr = 6,5 và xem : Pr ( ) 0,25 1 Prw Hệ số ko = 5,68 (giá trị được chọn phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds) Do vậy : Nu =5,68.1.(6,5)0,43.1,067 = 13,55 Nên hệ số cấp nhiệt từ thành trong của ống đến nước : Nu.1 13,55.0,1289 2 1= 109,16 (W/m .độ) d tr 0,016 -Nhiệt tải q: 2 Dịng lạnh : q1= 1. t1=109,16.60,7 = 6625 (W/m ) 2 Dịng nĩng: q2 = ch. t2 = 3674,39.1,9 =6981,34 (W/m ) q q 6981,34 6625 Chênh lệch nhiệt tải q: 2 1 4,8% 5% q2 6981,34 c-Hệ số truyền nhiệt : -Hệ số truyền nhiệt được xác định theo cơng thức : 1 1 1 1 1 3 1 2 K =( rw ) ( 0,877.10 ) 97 (W/m .độ) 1 2 109,16 3674,39 d-Bề mặt truyền nhiệt:
Q 109200 F= F 15,76 (m2) K. tlog 97.71,4 e-Chiều dài thiết bị: F 15,76 L= 4,04 (m) n.d. 62.0,02. g-Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ : D = t.(2no +1) Trong đĩ : t = (1,2-1,5).d , chọn t =1,5.d = 1,5.0,02=0,03 m no : số vịng trịn đồng tâm D = t.(2no +1) = 0,03.(2.4 +1) = 0,27 (m) Ta cĩ tỷ số : L/D = 4,04/0,27 = 14,96 > 4 . Do vậy ta thay thiết bị loại 1-1 bằng thiết bị loại 1-2 , chiều dài mỗi pass là 2,02 m. VIII-TÍNH CHIỀU CAO BỒN CAO VỊ: Phương trình Bernoulli ch 2 mặt cắt 1-1 và 2-2 ta cĩ :
P .v 2 P .v 2 z 1 1 1 z 2 2 2 h 1  2.g 2  2.g  f 1 2 2 2 P2 P1 2 .v2 1.v1 H = z1 – z2 = h  2.g  f 1 2 -Chọn P1 = Pa , P2 = Pa + P , 1 = 2 =1 ,v1 = 0 (m/s) , vF = v2 -Tính vF : F.4 3000.4 vF 2 2 0,4566 (m/s) .d F . F .0,05 .3600.930 .l v 2 h =(  ). F  f 1 2  l d 2.g -Tính : Chuẩn số Reynolds: vF .d F . F 0,4566.0,05.930 Re F 3 54862,8 10.000  F 0,387.10 Chuẩn số Reynolds giới hạn : d 50 Re 6.( F )8/ 7 6.( )8/7 3301 gh  0,2 d 50 Re 220.( F )9/ 8 220.( )9/ 8 109674 n  0,2 Ta cĩ: Regh 3.105  = 0,79 -Hệ số trở lực của ống ba ngã :  = 1,2 Vậy : l = 0,5.2 + 1,1.8 + 0,79.4 + 1,2.2 + 0,5.2 = 16,36 -Chọn l=20 m Do vậy: .l v 2 0,08.20 0,4566 2 h =(  ). F = (16,36 ). 0,5138  f 1 2  l d 2.g 0,05 2.9,81 -Chiều cao H:
2 2 2 P2 P1 2 .v2 1.v1 P vF H = z1 – z2 = h = h  2.g  f 1 2 .g 2.g  f 1 2 16163 0,45662 H = 0,5138 2,3m 930.9,81 2.9,81 -Để đạt giá trị dự phịng cho những tổn thất phát sinh , chọn H= 2,5 m -Vậy khoảng cách từ mặt chất lỏng bồn cao vị so với mặt phẳng nằm ngang tại vị trí mâm nhập liệu là H = 2,5 m -Khoảng cách từ mâm nhập liệu tới chân thiết bị , chọn chân đỡ cách mặt đất 1 m -3 z1= 22.(354).10 + 0,25 + 0,185 = 8,223 (m) -Qui trịn H = 8 ,5 m Vậy khoảng cách từ mực chất lỏng trong bồn cao vị đến bơm HB = H + z1 = 2,5 + 8,5 = 11 m Nghĩa là cột áp bơm là 11 m Với thơng số : HB = 11 m Q = 3000/930 =3,23 (m3/h) -Từ giản đồ hình II.32 trang 443 sổ tay tập I –QTTB ta chọn vùng áp dụng của bơm thuộc vùng hoạt động của bơm ly tâm -Cơng suất bơm :  .Q.H 930.9,81.3,23.11 N b 0,12(kW ) 1000. 3600.1000.0,75 Trong đĩ : : hiệu suất bơm = 0,72-0,93 , chọn  = 0,75 Tuy nhiên để dự phịng ta chọn bơm cĩ cơng suất 0,2 kW , chọn bơm ly tâm X : Đây là loại bơm ly tâm 1-3 cấp , nằm ngang , để bơm chất lỏng cĩ khối lượng riêng 1850(kg/m3) Các thơng số của bơm : Loại Năng suất Ap suất tồn Số vịng Nhiệt độ của Chiều cao bơm (m3/h) phần (m) quay(v/ph) chất lỏng (oC) hút (m) X 3,23 10-143 1450- -40-90 2,8 2900 IX-TÍNH CÁCH NHIỆT: -Chọn vật liệu cách nhiệt là Carton cĩ cn = 0,064 (W/m.độ) -Đối với vật liệu làm nguội : Cách nhiệt làm dịng nĩng ít giảm nhiệt độ hơn . Do đĩ với thiết bị này khơng nên cách nhiệt . Tuy nhiên để an tồn lao động ta nên bố trí khung lưới bảo vệ và bảng cảnh báo -Đối với thiết bị ngưng tụ : bố trí cách nhiệt làm giảm hiệu suất ngưng tụ hơi . Do đĩ cũng khơng nên cách nhiệt mà áp dụng điều kiện an tồn lao động như trên -Đối với những thiết bị sau cần bọc cách nhiệt để tiết kiệm năng lượng và an tồn năng lượng và an tồn lao động : -Tháp chưng cất -Nồi đun Kettle -Thiết bị gia nhiệt cho nhập liệu
Tổn thất nhiệt là do thiết bị truyền nhiệt cho khơng khí chuyển động tự do ( đối lưu tự nhiên). Hệ số cấp nhiệt của khơng khí trong những trường hợp này là : -Đối với bề mặt nằm ngang truyền nhiệt ra phía trên nắp thiết bị 2,5.4 t -Đối với bề mặt ngang truyền nhiệt xuống dưới (đáy thiết bị ) 1,31.4 t -Đối với thành thiết bị : 1,98.4 t -Đối với ống ngang t 1,08.4 d Trong đĩ : t : hiệu số nhiệt độ giữa bề mặt tường và khơng khí xung quanh . Để tính tốn cĩ hiệu quả kinh tế cao , để đơn giản khi tính cách nhiệt cho tháp ta dùng cơng thức tính hệ số cấp nhiệt của khơng khí đối với nắp thiết bị (giá trị max để tính tốn ) a-Tháp chưng cất : -Nếu coi những tổn thất khác khơng đáng kể thì năng lượng các dịng đưa vào tháp là : Q = QĐ + QF = 264000 + 109200 =373200 (W) Nếu coi nhiệt độ tính tốn bằng nhiệt độ cao nhất của tháp và bằng 117,3oC , coi gần đúng nhiệt độ mặt trong và mặt ngồi vỏ thiết bị là bằng nhau -Tổng diện tích tháp mà qua đĩ nhiệt cĩ thể thất thốt : 2 S = Sđáy + Sthân + Snắp = 0,82.2 + 3,14.0,8.10,7 = 28,5 m -Để hạn chế tổn thất nhiệt cho mơi trường xung quanh là 2% thì mật độ mất nhiệt là Q / 2%.Q 2%.373200 q / 261,9 (W/m2) S S 28,5 -Chênh lệch nhiệt độ giữa khơng khí và mặt ngồi lớp cách nhiệt q / 261,9 t t = 41oC 2,5.4 t -Nhiệt độ mặt ngồi lớp cách nhiệt là: o Tcn = 30 + 41 = 71 C -Nếu coi nhiệt độ mặt trong của lĩp cách nhiệt bằng nhiệt độ của vỏ tháp thì chiều dày lớp cách nhiệt là : t . (117,3 71).0,064  cn cn 11,31.10 3 m cn q / 261,9 -Để an tồn ta chọn cn = 4 mm . Riêng đối với những nơi cần bọc cách nhiệt để đảm bảo an tồn lao động như ở đáy tháp , đoạn thân cuối , nắp , đoạn thân đầu ( nơi người tiếp xúc với tháp khi làm việc ) thì chọn mặt ngồi lớp cách nhiệt là 40oC thì hệ số cấp nhiệt của khơng khí ở những chỗ này là : 2,5.4 t 2,5.4 40 30 4,45 (W/m2.độ) Chiều dày lớp cách nhiệt :
t . (117,3 40).0,064  cn cn 18,9.10 3 m cn q / 261,9 b-Thiết bị gia nhiệt cho nhập liệu : Coi thiết bị là hình trụ nằm ngang (dạng ống ), hệ số cấp nhiệt của khơng khí trong trường hợp này là: t 40 30 2 1,08.4 1,08.4 2,24 (W/m .độ) d 0,27.2 Chiều dày lớp cách nhiệt : t . (117,3 40).0,064  cn cn 0,22m cn q 2,24.(40 30) Nhận thấy chiều dày lớp cách nhiệt là khá lớn, khi khơng cách nhiệt : coi nhiệt độ mặt ngồi của vỏ bằng nhiệt độ mặt trong T=132,9oC , lúc này hệ số cấp nhiệt của khơng khí chuyển động tự do quanh thiết bị là : t 132,9 30 2 1,08.4 1,08.4 4 (W/m .độ) d 0,27.2 -Lượng nhiệt tổn thất ra mơi trường xung quanh : / Q = Svỏ. . t = l. .D. . t = 2,02. .0,54.4.(132,9-30)=1409,77W Ta cĩ : Q / 1409,77 .100% .100% 1,29% Q 109200 Ta thấy lượng nhiệt thất thốt nhỏ nên khơng cần bọc lớp cách nhiệt . Tuy nhiên để đảm bảo an tồn lao động ta cần làm biển báo và khung lưới ngăn cách thiết bị với mơi trường xung quanh c-Nồi đun Kettle: Tương tự thiết bị gia nhiệt cho nhập liệu khi khơng cách nhiệt : coi nhiệt độ mặt ngồi của vỏ bằng nhiệt độ mặt trong T=132,9oC , lúc này hệ số cấp nhiệt của khơng khí chuyển động tự do quanh thiết bị là : t 132,9 30 2 1,08.4 1,08.4 3,87 (W/m .độ) d 0,624 -Lượng nhiệt tổn thất ra mơi trường xung quanh : / Q = Svỏ. . t = l. .D. . t = 4,1. .0,624.3,87.(132,9-30)=3199W Ta cĩ : Q / 3199 .100% .100% 0,99% Q 322410 Ta thấy lượng nhiệt thất thốt nhỏ nên khơng cần bọc lớp cách nhiệt . Tuy nhiên để đảm bảo an tồn lao động ta cần làm biển báo và khung lưới ngăn cách thiết bị với mơi trường xung quanh. X-TÍNH TỐN GIÁ THÀNH CHO THIẾT BỊ: 1-Chi phí cho tháp chính: -Chi phí cho vật liệu làm tháp + Khối lượng của tồn tháp : chọn vật liệu làm tháp là thép khơng gỉ (inox)
Gthân = 814 (kg) , Gđáy = Gnắp = 24,5 (kg) , Gchĩp = 308,5 (kg), Gmâm = 461 (kg) -Tổng khối lượng thép khơng gỉ : G = 814 + 24,5.2 + 308,5 + 461 = 1632,5 (kg) -Thực tế phải mua với lượng lớn hơn 20% nên Ginox ,mua = G.1,2 =1632,5 .1,2 = 1959 (kg) -Đơn giá 50.000 đồng/kg nên chi phí cho thép khơng gỉ là : 1959.50000 = 97 triệu 950 ngàn -Đối với vật liệu CT3 Gbích = 277,5 (kg) , Gtay = 4.3,48= 14 (kg) , Gchân = 40 (kg) -Khối lượng thép CT3: GCT3 = 277,5 + 14 + 40 =331,5 (kg) -Đơn giá 10.000 đồng/kg nên chi phí cho thép CT3 là : 331,5.10000 = 3 triệu 315 ngàn triệu -Thực tế phải mua với lượng lớn hơn nên chi phí thực tế cho thép CT3 là : 4 -Số bulong , ốc vít dùng cho tháp chính : Chĩp : 783 con Bich nối thiết bị : 24.9 = 216 con Bích nối ống dẫn : 24 con Cửa quan sát : 8 con Ngăn giữ mâm : 9.29 = 252 con Vậy tổng số là : 500 con Giá của bulong , ốc , vít là : 500-5000 d/con -Bulong , ốc , vít trong tháp là loại thường nên ta tính là 2000 đ/con -Tổng số tiền mua bulong , ốc ,vít là : 2000 . 500 = 1 triệu đồng -Cút nhập liệu và cút hồn lưu đều làm bằng thép khơng gỉ nên ta cĩ : + Cút ở vị trí nhập liệu d = 50 mm giá 15000/cút + Cút ở vị trí hồn lưu d = 25 mm giá 10000/cút -Tổng tiền cút 25.000 đồng Đệm lĩt bích cĩ diện tích : .(8472 8272 ).10 6.5 0,1315 m2 4 -Giá đệm 1 triệu /m2 nên giá đệm cần trả 131.500 đồng -Kính thủy tinh dày 5 mm cĩ diện tích là : .0,16 2. 0,02 m2 4 -Giá 120.000 đồng /m2 nên giá kính phải trả 2400 đồng 2-Tính giá tiền các thiết bị phụ : a-Bơm: Ta mua hai bơm , một bơm hoạt động , một bơm dự phịng -Cơng suất bơm là 0,2 kW =0,68 Hp -Giá bơm :700 ngàn / Hp -Nên giá tiền của bơm là : 0,268.700000 = 187600 đồng -Tổng tiền mua bơm là : 187600.2 = 375200 đồng b-Tính tiền các ống truyền nhiệt : -Chiều dài các ống cĩ đường kính 30 mm là :
12.37 + 62.4,04 = 694,48m .Lấy trịn : 695m -Giá tiền ống đồng thau: 20000 đồng/m -Tổng tiền là : 695.20000 = 13 triệu 900 ngàn -Chiều dài các ống cĩ đường kính từ 30-50 mm là : +Ống đồng thau cĩ chiều dài: 5,6.130 = 728 m , giá tiền 25000 đồng/m Tổng tiền là : 728.25000 =18 triệu 200ngàn +Ống thép khơng gỉ cĩ chiều dài :4,1.130 = 533 m, giá tiền 50000 đồng/m Tổng tiền là : 533. 50000 = 26 triệu 650ngàn c-Tính tiền các ống dẫn : -Giá tiền mua ống 6 triệu đồng d-Lưu lượng kế : Giá một lưu lượng kế cĩ đường kính d 50 mm là 1,5 triệu đồng , ta cần hai lưu lượng kế nên tổng tiền cần mua lưu lượng kế là 3 triệu đồng e-Van : Cần 16 van cĩ đường kính d 50 mm làm bằng thép thường cĩ giá 50000 đồng/van Tổng tiền mua van là 800 ngàn đồng g-Khối lượng vật liệu để làm vỏ các thiết bị và bồn chứa khoảng 500 kg thép CT3 Tổng tiền là : 5 triệu đồng -Cần khoảng 30 cút inox để nối các hệ thống đường ống trong hệ thống chưng cất giá mỗi cút là 30.000 đồng /cút . Vậy tổng số tiền mua cút là 900 ngàn đồng Tĩm lại ta cĩ bảng sau : STT Tên vật liệu Giá tiền 1 Bơm 376 ngàn 2 Ống truyền nhiệt 58 triệu 750 ngàn 3 Ống dẫn 6 triệu 4 Lưu lượng kế 3 triệu 5 Van 800 ngàn 6 Vỏ TBị phụ và các bồn chứa 5 triệu 7 Cút nối đường ống 900 ngàn 8 Tổng tiền cho TBị phụ 74 triệu 776 ngàn 9 Thiết bị chính 102 triệu 250 ngàn 10 Tiền gia cơng 204 triệu 500 ngàn 11 Tiền gia cơng chế tạo TBị phụ 149 triệu 532 ngàn 12 Tiền gia cơng xây lắp và bố trí TBị 25 triệu 13 Tiền vận chuyển 5 triệu 531 triệu 088 ngàn 14 TIỀN TỔNG CỘNG
TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Sổ tay “ Quá trình và thiết bị cơng nghệ hố chất “_tập 1.Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 2.Sổ tay “ Quá trình và thiết bị cơng nghệ hố chất “_tập 2.Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 3.Phạm Văn Bơn- Vũ Bá Minh –Hồng Minh Nam “Quá trình và thiết bị cơng nghệ hố chất tập 10 Ví dụ và Bài tập “,TPHCM 4.Phạm Văn Bơn (chủ biên) –Nguyễn Đình Thọ “Quá trình và thiết bị cơng nghệ hố chất tập 5 :Quá trình và thiết bị truyền nhiệt“ Trường đại học kỹ thuật TPHCM 5. Trần Hùng Dũng –Nguyễn Văn Lục-Hồng Minh Nam –Vũ Bá Minh “Quá trình và thiết bị cơng nghệ hố học tập 2 “, TPHCM 6. Hồ Lê Viên “ Thiết kế và tính tốn các chi tiết thiết bị hĩa chất “ 7.Võ Văn Bang –Vũ Bá Minh “Các quá trình và thiết bị cơng nghiệp hố chất và thực phẩm “ tập 3 : truyền khối 8.G.S Tiến sĩ Nguyễn Bin “ Tính tốn quá trình thiết bị trong cơng nghệ hố chất và thực phẩm” Tập 2.NXB KH & K Thuật Hà Nội, 2000 9.Sổ tay thiết kế “Thiết bị hố chất & chế biến thực phẩm đa dụng “ Biên soạn :Phan văn Thơm ,1992