›
›

Đồ án Thiết kế tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử: acetone – nước

pdf 75 trang vanle 3160
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Thiết kế tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử: acetone – nước", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_thiet_ke_tinh_toan_he_thong_chung_luyen_lien_tuc_de_ta.pdf

Nội dung text: Đồ án Thiết kế tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử: acetone – nước

  1. ÁN MƠN HC GVHD: LÊ XUÂN HI MỤC LỤC Lời mở đầu 5 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ACETONE VÀ QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ 6 1. Giới thiệu sơ bộ 7 2. Sản xuất Aceton 8 3. Cơng nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước 9 4. Chọn loại tháp chưng cất và phương pháp chưng cất 9 5. Sơ đồ qui trình cơng nghệ và thuyết minh qui trình cơng nghệ 10 CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT – CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 14 1. Cân bằng vật chất 15 1.1 Đồ thị cân bằng Acetone – Nước 16 1.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp 17 1.3 Vẽ đường làm việc 19 1.4 Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế 19 2. Cân bằng năng lượng 21 2.1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 21 2.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ 23 2.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 23 2.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (trao đổi nhiệt với nhập liệu ban đầu) 24 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 25 I. Kích thước tháp 26 1. Đường kính đoạn cất 26 2. Đường kính đoạn luyện 28 3. Chiều cao tháp 30 II. Tính tốn chĩp và ống chảy chuyền 31 A. Tính cho phần cất 31 SVTH: TRN VN PHÚC Trang 1
  2. ÁN MƠN HC GVHD: LÊ XUÂN HI B. Tính cho phần chưng 32 III. Tính chi tiết ống dẫn 37 1. Đường kính ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ 37 2. Ống dẫn dịng chảy hồn lưu 38 3. Ống dẫn dịng nhập liệu 38 4. Ống dẫn dịng sản phẩm đáy 38 5. Ống dẫn từ nồi đun qua tháp 39 IV. Tính trở lực tháp 39 A. Tổng trở lực phần cất 39 1. Trở lực đĩa khơ Pk 39 2. Trở lực do sức căng bề mặt 40 3. Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa ( Trở lực thủy tĩnh Pt ) 40 B. Tổng trở lực phần chưng 41 1. Trở lực đĩa khơ Pk 41 2. Trở lực do sức căng bề mặt 41 3. Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa ( Trở lực thủy tĩnh Pt ) 42 CHƯƠNG 4: TÍNH CƠ KHÍ 44 1. Tính bề dày thân trụ của tháp 45 2. Tính - chọn bề dày đáy và nắp thiết bị 47 3. Chọn bích và vịng đệm 48 4. Tính mâm 49 5. Chân đỡ và tai treo thiết bị 50 6. Tính bảo ơn 53 CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 58 I. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu hay thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 59 1. Điều kiện nhiệt độ của quá trình 59 2. Nhiệt tải 60 3. Chọn thiết bị 60 SVTH: TRN VN PHÚC Trang 2
  3. ÁN MƠN HC GVHD: LÊ XUÂN HI II. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 64 1. Điều kiện nhiệt độ của quá trình 64 2. Nhiệt tải 65 3. Chọn thiết bị 65 III. Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 69 1. Điều kiện nhiệt độ của quá trình 69 2. Nhiệt tải 70 3. Chọn thiết bị 70 4. Xác định hệ số cấp nhiệt từ dịng sản phẩm đỉnh đến thành ống 70 5. Xác định hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nước 71 6. Nhiệt tải riêng 72 7. Hệ số truyền nhiệt 72 8. Bề mặt truyền nhiệt 72 9. Chiều dài mỗi ống 72 IV. Thiết bị nồi đun 73 1. Điều kiện nhiệt độ của quá trình 73 2. Nhiệt tải 74 3. Chọn thiết bị 74 4. Xác định hệ số cấp nhiệt từ dịng sản phẩm đỉnh đến thành ống 74 5. Tính hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy nồi 75 6. Hệ số truyền nhiệt 75 7. Bề mặt truyền nhiệt 75 8. Chiều dài mỗi ống 75 V. Tính bồn cao vị- Bơm 76 1. Tính bồn cao vị 76 2. Tính bơm 79 CHƯƠNG 6: TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 SVTH: TRN VN PHÚC Trang 3
  4. ÁN MƠN HC GVHD: LÊ XUÂN HI LỜI MỞ ĐẦU Một trong những ngành cĩ sự đĩng gĩp to lớn đến ngành cơng nghiệp nước ta nĩi riêng và thế giới nĩi chung đĩ là ngành cơng nghệ hố học. Đặc biệt là ngành hĩa chất cơ bản. Trong thực tế, chúng ta sử dụng rất nhiều dạng hố chất khác nhau: hỗn hợp nhiều chất hay đơn chất tinh khiết. Mà nhu cầu về một loại hố chất tinh khiết cũng rất lớn. Quá trình cĩ thể đáp ứng phần nào độ tinh khiết theo yêu cầu là chưng cất: la quá trình tách các cấu tử trong hỗn hợp lỏng – lỏng, hay hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng. Và đối với hệ acetone – nước, do khơmg cĩ điểm đẳng phí nên cĩ thể đạt được bất kỳ độ tinh khiết theo yêu cầu nhờ quá trình chưng cất. Nhiệm vụ thiết kế: tính tốn hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử : acetone – nước với các số liệu sau đây: Năng suất sản phẩm đỉnh : 1500 Kg/h Nồng độ sản phẩm đỉnh : 98% theo khối lượng Nồng độ nhập liệu : 30% Ap suất làm việc : áp suất thường. SVTH: TRN VN PHÚC Trang 4
  5. ÁN MƠN HC GVHD: LÊ XUÂN HI CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ACETONE VÀ QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ 1. Giới thiệu sơ bộ : Acetone cĩ cơng thức phân tử : CH3COCH3 .Khối lượng phân tử bằng 58.079 đvC Là một chất lỏng khơng màu, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm dịu và cĩ mùi thơm. Nĩ hịa tan vơ hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như : eter, metanol, etanol, diacetone alcohol Ứng dụng : Acetone được ứng dụng nhiều làm dung mơi cho cơng nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su Nĩ hồ tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung mơi pha sơn, mực in ống đồng. Acetone là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ. Từ Acetone cĩ thể tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), các holofom. Được tìm thấy đầu tiên vào năm 1595 bởi Libavius, bằng chưng cất khan đường, và đến năm 1805 Trommsdorff tiến hành sản xuất Acetone bằng cách chưng cất Acetat của bồ tạt và sođa : là một phân đoạn lỏng nằm giữa phân đoạn rượu và eter. Một số thơng số vật lý và nhiệt động của Acetone : Nhiệt độ nĩng chảy : -94.6 0C ; Nhiệt độ sơi : 56.9 0C ; d 4 Tỷ trọng : 20 ; Nhiệt dung riêng Cp : 22 Kcal/mol (chuẩn ở 102 0C) Độ nhớt  : 0.316 cp ( ở 250C) Nhiệt trị : 0.5176 cal/g ( ở 200C) Tính chất hố học : Cộng hợp với natri bisunfit: OH SVTH: TRN VN PHÚC Trang 5
  6. ÁN MƠN HC GVHD: LÊ XUÂN HI CH3COCH3 + H2O CH3 - C - SO3Na CH3 ( 1-metyl-1-hydroxi etan sunfonát natri ) Cộng hợp axit HCN: OH CH3CO + HCN CH3-C-CN CH3 ( pH= 4-8 ) Phản ứng ngưng tụ : OH O CH3-CO-CH3 + HCH2C=O CH3-C-CH3-C-CH3 CH3 CH3 ( 4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon) Acetone khĩ bị oxi hĩa bởi thuốc thử Pheling, Tơluen, HNO3đđ, KMnO4 , Chỉ bị oxi hĩa bởi hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfơcrơmic K2Cr2O7 + H2SO4 Bị gãy mạch cacbon. CH3-C-CH3 CH3-C-CH2-OH CH3-C-CH=O CH3COOH + HCOOH O O O Phản ứng khử hố : CH3COCH3 + H2 CH3CHOH-CH3 Điều chế : Oxy hĩa rượu bậc hai: CH3CHOH-CH3 CH3COCH3 + H2O Theo phương pháp Piria : nhiệt phân muối canxi của axit cacboxylic: (CH3COO)2Ca CH3COCH3 + CaCO3 Từ dẫn xuất cơ magiê : O O CH3-C-Cl + CH3-MgBr CH3-C-CH3 + Mg-Br Cl 2. Sản xuất Acetone : Trong thời kỳ chiến tranh thế giới lần thứ nhất, do nhu cầu về nguồn Acetone rất lớn, tong khi cĩ sự giới hạn trong việc thu dược Acetone từ sự chưng cất gỗ, nên để bổ sung nguồn Acetone Hoa Kỳ đã áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH3COO)2 – thu được bằng cách lên men rượu cĩ mặt xúc tác vi khuẩn để chuyển carbohydrate thành Acetone và Butyl Alcohol.Cơng nghệ này được ứng dụng chủ yếu trong suốt chiến tranh thế giới lần thứ nhất và những năm 20 . Tuy nhiên, đến giữa những năm 20 và cho đến nay cơng nghệ trên được thay bằng cơng nghệ cĩ hiệu quả hơn (chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuất Acetone của Hoa Kỳ) : Dehydro Isopropyl Alcol. Ngồi ra, cịn một số qúa trình sản xuất Acetone khác : - Oxi hĩa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol và Acetone. SVTH: TRN VN PHÚC Trang 6
  7. ÁN MƠN HC GVHD: LÊ XUÂN HI - Oxi hĩa trực tiếp Butan – Propan. - Lên men Carbo hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt. - Cơng ty Shell sử dụng nĩ như một sản phẩm phụ. Tổng hợp Acetone bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol cĩ xúc tác: 0 xuctac CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 327 C )  CH3COCH3 + H2 Xúc tác sử dụng ở đây : đồng và hợp kim của nĩ, oxit kim loại và muối. Ở nhiệt độ khoảng 325 0C , hiệu suất khoảng 97%. Dịng khí nĩng sau phản ứng gồm cĩ : Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản ứng, H2 và một phần nhỏ sản phẩm phụ ( như Propylene, diisopropyl eter ). Hỗn hợp này được làm lạnh và khí khơng ngưng được lọc bởi nước . Dung dịch lỏng được đem đi chưng cất phân đoạn, thu được Acetone ở đỉnh và hỗn hợp của nước, Isopropyl Alcol ( ít ) ở đáy. 3. Cơng nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước : Ta cĩ Acetone là một chất lỏng tan vơ hạn trong nước và nhiệt độ sơi của Acetone ( 56.9 0C ở 760 mmHg) và Nước ( 100 0C ở 760 mmHg) : là khá cách xa nhau nên phương pháp hiệu quả nhất để thu được Acetone tinh khiết là chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Trong trường hợp này ta khơng thể sử dụng phương pháp cơ đặc vì các cấu tử đều cĩ khả năng bay hơi, và khơng sử dụng phương pháp trích ly cũng như hấp thụ do phải đưa vào một pha mới để tách chúng, cĩ thể làm cho quá trình phức tạp hơn, hay quá trìng tách khơng được hồn tồn. 4. Chọn loại tháp chưng cất và phương pháp chưng cất : Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng ( hay nhiệt độ sơi ), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ, trong đĩ vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Đối với chưng cất ta cĩ hai phương pháp thực hiện : - Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ): Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp sau : + Khi nhiệt độ sơi của các cấu tử khác xa nhau . + Khi khơng địi hỏi sản phẩm cĩ độ tinh khiết cao . + Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất khơng bay hơi . + Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử . - Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dịng, nhiều đoạn. Ngồi ra cịn cĩ thiết bị hoạt động bán liên tục . Trong trường hợp này, do sản phẩm là Acetone – với yêu cầu cĩ độ tinh khiết cao khi sử dụng , cộng với hỗn hợp Acetone – Nước là hỗn hợp khơng cĩ điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất. Chọn loại tháp chưng cất : SVTH: TRN VN PHÚC Trang 7
  8. ÁN MƠN HC GVHD: LÊ XUÂN HI Cĩ rất nhiều loại tháp được sử dụng, nhưng đều cĩ chung một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia . Ta khảo sát hai loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm: - Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía trong cĩ gắn các mâm cĩ cấu tạo khác nhau, trên đĩ pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Gồm cĩ : mâm chĩp, mâm xuyên lỗ , mâm van. Thường sử dụng mâm chĩp . - Tháp chêm là một tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn . Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một hay hai phương pháp : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự . Chọn loại mâm chĩp để thực hiện quá trình chưng cất vì những ưu điểm sau: - Dễ dàng làm vệ sinh thơng qua các cửa sữa chữa . - Với cùng một chức năng, tổng khối lượng tháp mâm thường nhỏ hơn so với tháp chêm. - Hiệu suất mâm khơng đổi đối với một khoảng vận tốc dịng lỏng hoặc khí. - Cĩ thể lắp đặt ống xoắn giải nhiệt trên mâm khi cần thiết . - Tháp mâm thích hợp trong trường hợp cĩ số mâm lý thuyết hoặc số đơn vị truyền khối lớn . - Tháp được thiết kế để cĩ thể giữ được một lượng lỏng nhất định trên mâm. - Chi phí tháp mâm cĩ đường kính lớn rẻ hơn so với tháp đệm . - Dễ dàng đưa vào hoặc loại bỏ các dịng bên . - Tính ổn định cao. 5. Sơ đồ qui trình cơng nghệ và thuyết minh qui trình cơng nghệ : a. Sơ đồ qui trình cơng nghệ (xem trang sau) SVTH: TRN VN PHÚC Trang 8
  9. ÁN MƠN HC GVHD: LÊ XUÂN HI 3 Hơi không ngưng Nước 8 14 15 P T Nước T 9 6 10 Nước 5 7 T Nước 11 Sản Phẩm Đỉnh Hơi Nước P T 12 T 4 Nước Lỏng 13 Sản Phẩm Đáy Nguyên Liệu 2 1 Sản Phẩm Đáy SVTH: TRN VN PHÚC Trang 9
  10. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Chú thích : 1. Bồn chứa nguyên liệu . 2. Bơm. 3. Bồn cao vị . 4. Bẩy hơi . 5. Lưu lượng kế . 6. Van . 7. Tháp chưng cất . 8. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh . 9. Bộ phận chỉnh dịng . 10. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh . 11. Bồn chứa sản phẩm đỉnh . 12. Nồi đun . 13. Đun sơi nhập liệu bằng sản phẩm đáy . 14. Ap kế . 15. Nhiệt kế . b. Thuyết minh qui trình cơng nghệ : Hỗn hợp Acetone- Nước cĩ nồng độ Acetone 30% ( theo khối lượng) , nhiệt độ khoảng 27 0C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đĩ được đưa đến thiết bị gia nhiệt (3) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy). Ở đây, hỗn hợp được đun sơi đến nhiệt độ sơi . Sau đĩ, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu. Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống. Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống . Ở đây, cĩ sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lơi cuốn cấu tử dễ bay hơi . Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử cĩ nhiệt độ sơi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp cĩ cấu tử Acetone chiếm nhiều nhất ( cĩ nồng độ 98% theo khối lượng ). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ một phần ( chỉ ngưng tụ hồi lưu). Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (10), được làm nguội đến 30 0C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11). Phần cịn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hồn lưu tối ưu . Một phần cấu tử cĩ nhioệt độ sơi thấp được bốc hơi, cịn lại cấu tử cĩ nhiệt độ sơi cao trong chất lỏng ngày càng tăng . Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khĩ bay hơi ( nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy cĩ nồng độ Acetone là 2% theo khối lượng, cịn lại là nước. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần dược đun, bốc hơi ở nồi đun (12) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần cịn lại được trao đổi nhiệt với nhập liệu ( sau khi qua bồn cao vị ). Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Acetone, sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ. SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 10
  11. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 1. Cân bằng vật chất Các số liệu ban đầu : Năng suất sản phẩm đỉnh thu được :1500 ( Kg/h ) Sản phẩm cĩ nồng độ Acetone : 98% theo khối lượng. Nhập liệu cĩ nồng độ Acetone : 30% theo khối lượng . Thiết bị hoạt động liên tục. Các ký hiệu : F : lượng nhập liệu ban đầu ( Kmol/h ) D : lượng sản phẩm đỉnh ( Kmol/h ) W : lượng sản phẩm đáy ( Kmol/h ) xF :nồng độ mol Acetone trong nhập liệu xD : nồng độ mol Acetone trong sản phẩm đỉnh xW : nồng độ mol Acetone trong sản phẩm đáy Phương trình cân bằng vật chất cho tồn bộ tháp chưng cất : F = D + W ( 1 ) F * xF = D * xD + W * xW ( 2 ) Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol: SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 11
  12. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI x F 0.30 M 1 58 xF = = = 0.117(phần molAcetone ) x F (1 x F ) 0.30 (1 0.30) 58 18 M 1 M 2 x D 0.98 M1 58 x D = = = 0.938 (phầnmolAcetone) x D (1 x D ) 0.98 (1 0.98) 58 18 M 1 M 2 x w 0.02 M 1 58 xW = = = 0.006 ( phần molAcetone) x w (1 x w ) 0.02 (1 0.02) 58 18 M 1 M 2 (Chọn sản phẩm đáy cĩ nồng độ khối lượng của Acetone là 2% ) Tính Mtb : M = x * M + (1- x ) * M tb F F 1 F 2 = 0.117 * 58 + (1 – 0.117 ) * 18 = 22.68 ( Kg/Kmol) M = x * M + (1- x ) * M tb D D 1 D 2 = 0.938* 58 + (1 – 0.938) * 18 = 55.52 ( Kg/Kmol) M = x * M + (1- x ) * M tb W W 1 W 2 = 0.006 * 58 + (1 – 0.006 ) * 18 = 18.24 ( Kg/Kmol) Suất lượng sản phẩm đỉnh : D 1500 D = = = 27.017 ( Kmol/h ) M 55,52 tbD ( 1 ) và ( 2 ) ta cĩ hệ phương trình : F D W F * x F D * x D W * x W F 27.017 W F * 0.117 27.017 *0.938 W * 0.006 F 226.84(Kmol / h) W 199.83(Kmol / h) F 5144.86(Kg / h) hay W 3644.86(Kg / h) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 12
  13. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI 1.1 Đồ thị cân bằng Acetone – Nước : Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng %mol và nhiệt độ sơi của hỗn hợp hai cấu tử ở 760 mmHg ( Acetone – nước ): x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 60.3 72 80.3 82.7 84.2 85.5 86.9 88.2 90.4 94.3 100 t 100 77.9 69.6 64.5 62.6 61.6 60.7 59.8 59 58.2 57.5 56.9 ACETONE-NƯỚC 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 y = molphân acetone hơi trong pha 0.1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 x = phân mol acetone trong pha lỏng 1.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp : a. Chỉ số hồi lưu tối thiểu : Do nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hịa, nên Rmin được xác định như sau: * xD y F Rmin = * y F xF * xF = 0.117 y F = 0.74 ( Xác định từ đường cân bằng ) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 13
  14. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Rmin = 0.3178 b. Chỉ số hồi lưu thích hợp : Cho các giá trị Rxi > Rxmin để tìm các giá trị tung độ Bi tương ứng và vẽ các đường nồng độ làm việc của đoạn luyện ứng với các giá trị Bi đĩ : x Bi = D Rxi 1 Tìm các điểm a( y= x= xD ), b( y= x= xw ) và đường x = xF ( song song với trục tung ). Cứ mỗi giá trị Bi ta vẽ được đường nồng độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng . Như vậy ứng với mỗi giá trị Rxi ta cĩ số đơn vị chuyển khối chung tương ứng là mxi. Ta cĩ bảng sau : Rx Bi mx mx* (Rx + 1) 0.8 0.5211 6.86 12.348 0.9 0.4936 6.00 11.400 0.92 0.4885 5.92 11.366 0.95 0.4810 5.91 11.524 1.0 0.4690 5.89 11.780 1.1 0.4466 5.82 12.222 1.2 0.4263 5.79 12.738 1.3 0.4078 5.74 13.202 1.4 0.3908 5.64 13.536 Thể tích tháp là V = f * H f : tiết diện tháp, m2 H : chiều cao làm việc của tháp, m Ta biết tiết diện của tháp tỉ lệ thuận với lượng hơi đi trong tháp, mà lượng hơi lại tỉ lệ thuận với lượng lỏng hồi lưu trong tháp, như vậy tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hồi lưu . Tức là f  ( Rx + 1 ) * GD Trong một điều kiện làm việc nhất định thì GD là khơng đổi, nên f  ( Rx + 1). Cịn chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối H  mx , nên cuối cùng ta cĩ thể viết V = f*H  mx ( Rx + 1) Từ đĩ ta sẽ lập được sự phụ thuộc giữa Rx _ mx * ( Rx + 1 ) . Mối quan hệ này sẽ cho ta tìm được một giá trị Rx mà thể tích của thiết bị chưng cất ứng với nĩ là tối ưu Rxth . Vẽ đồ thị quan hệ giữa (m *(Rx + 1) _ Rx ) để tìm Rx . x i i i th ( Xem trang sau) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 14
  15. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Chỉ số hồi lưu thích hợp 14 13.5 +1) i 13 12.5 *(Rx 12 i 11.5 mx 11 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Rxi 1.3 Vẽ đường làm việc : Phương trình đường làm việc làm cất : R x y = x x + D Rx 1 Rx 1 =0.479*x + 0.4885 Phương trình đường làm việc phần chưng: Rx F L 1 y = x - x Rx 1 Rx 1 L0 Với L = = 8.396 D y = 4.8521*x – 0.023 1.4 Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế : Do điều kiện nhập liệu là lỏng bão hịa, ta cĩ đường nhập liệu là đường : x = xF = 0.117 kẻ các đường làm việc của phần cất và phần chưng trên cùng đồ thị được số bậc thang là 5.92 , tương ứng với số mâm lý thuyết là 6 ( kể cả nồi đun ) Xác định hiệu suất trung bình của tháp tb : tb = f ( ,  ) y 1 x = : độ bay hơi tương đối 1 y x x, y : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, pha hơi Độ nhớt của hỗn hợp lỏng  : tra theo nhiệt độ tb = (1 + 2 + 3) / 3 1 , 2 , 3 : lần lượt là hiệu suất ở mâm đỉnh, mâm đáy, mâm nhập liệu. SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 15
  16. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Từ giãn đồ x-y, t-x,y : tìm nhiệt độ tại các vị trí và nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng : Vị trí mâm đỉnh : xD = 0.938 yD = 0.962 y D = 0.988 O tD = 57.55 C Vị trí mâm nhập liệu : xF = 0.117 yF = 0.74 y F = 0.902 O tF = 68.5 C Vị trí mâm đáy : xW = 0.006 yW = 0.09 y w = 0.242 tW = 96.00 C Xác định độ nhớt, độ bay hơi tương đối, hiệu suất tại các vị trí : Vị trí mâm đỉnh : -3 2 tD = 57.55 C nước = 0.49 * 10 Ns/m -3 2 acetone = 0.2386 * 10 Ns/m ( Tra bảng I.102 và I.101 – Sổ tay tập một ) lg hh = xD* lg acetone + ( 1 – xD ) * lg nước -3 2 hh = 0.2477*10 Ns/m = 1.6733 * = 0.4145*10-3 1 = 0.63 ( Hình IX.11- Sổ tay tập 2 ) Vị trí mâm nhập liệu : -3 2 tF = 68.5 C nước = 0.4145 * 10 Ns/m -3 2 acetone = 0.2175 * 10 Ns/m ( Tra bảng I.102 và I.101 – Sổ tay tập một ) lg hh = xF * lg acetone + ( 1 – xF ) * lg nước -3 2 hh = 0.3844 * 10 Ns/m = 21.48 * = 8.258 * 10-3 2 = 0.31 ( Hình IX.11- Sổ tay tập 2 ) Vị trí mâm đáy : -3 2 tW = 96 C nước = 0.2962 * 10 Ns/m -3 2 acetone = 0.1759 * 10 Ns/m ( Tra bảng I.102 và I.101 – Sổ tay tập một ) lg hh = xW * lg acetone + ( 1 – xW ) * lg nước -3 2 hh = 0.2953 * 10 Ns/m = 16.385 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 16
  17. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI * = 4.838 * 10-3 3 = 0.33 ( Hình IX.11- Sổ tay tập 2 ) hh = ( 1 + 2 + 3 )/3 = ( 0.64 + 0.3 + 0.33 )/3 = 0.432 5.92 Ntt = = 13 ( mâm ) 0.432 Số mâm thực tế cho phần cất : 10 Số mâm thực tế cho phần chưng : 3 Và nhập liệu ở mâm số : 10 2. Cân bằng năng lượng 2.1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất Phương trình cân bằng năng lượng : Q + Q + Q = Q + Q + Q + Q F D 2 R y w xq 2 ng 2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào QF (j/h) QF = F CFF t F = 5144.86 (Kg/h) o tF = 68.5 C : nhiệt độ đi vào của hỗn hợp đầu ( ở trạng thái lỏng sơi ) CF : nhiệt dung riêng : o tF = 68.5 C Cnước = 4190 (J/Kg.độ ) Cacetone = 2332.62 (J/Kg.độ) CF = xF .Cacetone + ( 1- xF ).Cnước = 0.3* 2332.62 + ( 1- 0.3 )*4190 = 3632.78 (J/Kg.độ ) 9 QF = 5144.86 * 3632.78 68.5 = 1.28010 (J/h) = 355.63 (KW) Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp Q (J/h): D 2 Q = D * = D * (r + C * t ) D 2 2 2 2 2 2 2 o o Dùng hơi nước ở áp suất 2at , r2 = 2173 (Kj/Kg), t = 119.6 C 2 : nhiệt lượng riêng của hơi đốt ( J/Kg) r2 : ẩn nhiệt hĩa hơi ( J/Kg) o t2 , C2 : nhiệt độ C và nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/Kg.độ) Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào : QR = GR * CR * tR CR = CD :nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh : o tD = 57.3 C Cnước = 4187.96 ( J/Kg.độ) Cacetone = 2296.06 (J/Kg.độ ) CD= CR = xD * Cacetone + ( 1 - xD ) Cnước = 0.98*2296.06 + ( 1-0.98 )*4187.94 = 2333.89 ( J/Kg.độ ) GR = D *R = 1500*0.92 = 1380( Kg/h) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 17
  18. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI o tR = tD = 57.3 C 8 QR = 1380*2333.89*57.25 = 1.844*10 = 51.22(KW) Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy : Qy = D .( 1+ R).D Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp D : D = acetone. yD + nước ( 1 - yD ) Với yD = 0.988 (phần khối lượng ) acetone , nước :: nhiệt lượng riêng của acetone, nước : acetone = racetone + tD . Cacetone nước = rnước + tD . Cnước rnước, racetone , Cacetone , C nước tra ở bảng I.212 và bảng I.153 (Sổ tay tập một o ) ở tD=57.3 C Cacetone = 2296.06 ( J/Kg.độ ) Cnước = 4187.94 (J/Kg.độ ) racetone = 521.46 (Kj/Kg) nước = 2425.6 ( Kj/Kg) nước = 2665.36*103(J/Kg) acetone = 652.91 *103(J/Kg) D = 677.06 ( Kj/Kg) 9 Qy= 1.95*10 (J/h) = 541.65 (KW) * Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Qw : Qw= W Cw t w W = 3644.86 (Kg/h) o tw = 96 C xw = 0.02 ( phần khối lượng ) o Ở nhiệt độ 96 C Cacetone = 2422(J/Kg.độ) Cnước = 4222( J/Kg.độ) Cw= 4186 (J/Kg.độ ) 9 Qw = 1.465*10 ( J/h) =406.86 (KW) Nhiệt lượng tổn thất ra mơi trường xung quanh Qxq2: Lấy Q = 5%Q xq2 D 2 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng2 (J/h) Qng2 = Gng2 . C2 .t2 Vậy lượng hơi đốt cần thiết để đun sơi dung dịch ở đáy tháp : QQQQQQQQQy w xq2 F R y w F R D2 = 20.95*r 2 = 930 (Kg/h) 2.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ : Chỉ ngưng tụ hồi lưu : SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 18
  19. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI D. Rx . r D G n1 . C n 1 .( t 2 t 1 ) D Rx r D Gn1 = Cn1.( t 2 t 1 ) o 0 Chọn nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh t1 = 27 C , t2 = 40 C (t t ) 27 40 t = 1 2 =33.5 0C 2 2 Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình Cn = 4180.94 (J/Kg.độ ) 0 yD = 0.962 tD (hơi) = 57.3 C 57.30 C 3 An nhiệt hĩa hơi r acetone = 521.46 * 10 (J/Kg) 57.30 C 3 r nuoc = 2425.60*10 ( J/Kg) 3 rD = 544.31 *10 ( J/Kg) Suy ra lượng nước lạnh cần tiêu tốn Gn = 13820 (Kg/h) =3.839( Kg/s) 2.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh : Phương trình cân bằng năng lượng : '' D.( rD C D .( t1 t 2 )) G n 3 . C n .( t 2 t 1 ) ' 0 Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh t 1 =57.3 C ' Nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh t 2 = 30 0C Nước làm nguội cĩ nhiệt độ vào, ra là :t1 = 27 0C, t2 = 40 0C Nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh ttb = (27+ 40 )/2 = 33.5 0C Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ ttb là Cn = 4176.6 (J/Kg.độ ) ' 0 Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh : t tb = (57.3 + 30 )/2 = 43.65 C ' 0 Ở t tb = 43.65 C Cacetone = 2251.86 ( J/Kg.độ ) Cnước = 4177.74 (J/Kg.độ ) CD = 2290.38 ( J/Kg.độ ) 3 An nhiệt hĩa hơi rD = 544.31 *10 ( J/Kg) Suy ra lượng nước cần dùng : '' D.( rDD C ( t1 t 2 )) Gn3 = = 16764.76 ( Kg/h) Cn.( t2 t 1 ) 2.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy ( trao đổi nhiệt với nhập liệu ban đầu ): Phương trình cân bằng nhiệt lượng : '''' Q1 F. CF .( t F t f ) Q xq W . C w .( t 1 t 2 ) 0 tf = 27 C 0 tF = 68.5 C t t t f F 47.750 C 2 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 19
  20. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Cacetone = 2265.19 ( J/Kg.độ ) Cnước = 4180.81 ( J/Kg.độ ) Cf = xF. C acetone (1 x F ). C nuoc = 0.3*2265.19 + ( 1- 0.3)* 4180.81 = 3606.12 ( J/Kg.độ ) ' 0 t 1 =tw = 96 C ' 0 Chọn t 2 = 70 C t'' t t' 1 2 83 0 C 2 Cacetone = 2379.75 ( J/Kg.độ ) Cnước = 4196 ( J/Kg.độ ) Cw = xw. C acetone (1 x w ). C nuoc = 0.02 * 2379.75 + ( 1- 0.02 )*4196 = 4159.67 (J/Kg.độ) ' Chọn Qxq = 5% Q w ''' 0.95*W. Cw .( t1 t 2 ) F . C F .( t F t f ) ' F. CF .( t F t f ) 1500*3606.12*(68.5 27) W '' 2184.86( Kg / h ) 0.95*Cw *( t1 t 2 ) 0.95*4159.67*(96 70) Cịn 3644.85 - 2184.86 = 1460 (Kg/h) thải ra ngồi. SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 20
  21. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI CHƯƠNG 3 TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH I. Kích thước tháp Đường kính tháp được xác định theo cơng thức sau : g D = 0.0188 tb ( y * y )tb SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 21
  22. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Trong đĩ g tb : lượng hơi trung bình đi trong tháp ( Kg/h ) ( tb * y )tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ( Kg/h ) Vì rằng lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn cho nên ta phải tính đường kính trung bình riêng cho từng đoạn : đoạn chưng và đoạn cất . 1. Đường kính đoạn cất : Nồng độ trung bình của pha lỏng : ’ x m = ( xF + xD )/2 = (0.117 + 0.938 )/2 = 0.5257 Nồng độ trung bình của pha hơi theo phương trình đường làm việc : ’ ’ y m = 0.479 * x m + 0.4885 = 0.479 * 0.5275 + 0.4885 = 0.7412 Nhiệt độ trung bình của pha hơi, pha lỏng từ giãn đồ t-x,y: ’ ’ O x m = 0.5275 t x = 60.25 C ’ ’ O y m = 0.7412 t y = 68.3 C Khối lượng mol trung bình và khối lượng riêng pha hơi : ’ ’ ’ M m = y m * Macetone + ( 1 – y m ) * Mnước = 0.7412 * 58 + ( 1 – 0.7412 ) * 18 = 47.648 ( Kg/ Kmol ) ' ’ M m *TO 47.648* 273 3 y = ' = = 1.701 ( Kg/m ) 22.4 *Ty 22.4 *(273 68.3) Khối lượng riêng pha lỏng : ’ ’ 0.5275*58 x m = 0.5275 x m = 0.5275*58 (1 0.5275)*18 = 0.7825 ( phần khối lượng ) ’ O ’ 3 t x = 60.25 C acetone = 746 ( Kg/m ) ’ 3 nước = 983 ( Kg/m ) ( Bảng I.2 – Sổ tay tập một ) ' ' 1 x m (1 x m ) ' = ' + ' x acetone nuoc 0.7825 (1 0.7825) = + 746 983 = 1.270 * 10-3 = 787.28 (Kg/m3 ) Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện : tb = ( gđ + g1 )/2 ( Kg/h ) gđ : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng gđ = GR + GD = GD ( Rx + 1) = D ( Rx +1 ) = 1500 ( 0.92 + 1) = 2880 ( Kg/h ) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 22
  23. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất g1 = G1 + GD = G1 + D = G1 + 1500 (Kg/h ) Lượng hơi g1, hàm lượng y 1 , lượng lỏng G1 được xác định theo hệ phương trình sau : g1 G1 D g1 * y1 G1 * x1 D * xD ( x1 = xF ) g * r g * r 1 1 d d r1 = racetone * y 1 + ( 1 - y 1 ) * rnước rđ = racetone * y D + ( 1 - y D ) * rnước Tại vị trí nhập liệu : O tF = 68.5 C ra = racetone = 509.38 ( Kj/Kg ) rb = rnước = 2388.57 ( Kj/ Kg ) ( Bảng I.212-Sổ tay tập một ) r1 = ra * y 1 + ( 1 - y 1 ) * rb = 2388.57 - 1879.19 * y 1 Tại vị trí đỉnh tháp : O tD = 57.25 C ra = racetone = 521.46 ( Kj/Kg ) rb = rnước = 2425.60 ( Kj/ Kg ) ( Bảng I.212-Sổ tay tập một ) yD = 0.962 ( phần mol ) y D = 0.988 ( phần khối lượng ) rđ = ra * y D + ( 1 - y D ) rb = 544.31 ( Kj/ Kg ) g1 * r1 = gđ * rđ = 1567612.8 g1 G1 1500 g1 * y1 G1 *0.30 1500*0.98 ( r1 = 2388.57 – 1879.19* y 1 ) g1 * r1 1567612.8 y1 0.834 g1 1909.448 G1 409.448 gtb = ( g1 + gđ ) /2 = ( 1909.448 + 2880 )/2 = 2394.72 ( Kg/h) Vận tốc hơi đi trong tháp : ( *  ) = 0.065 * [] * h * * (Kg/m2*s ) y y tb xtb ytb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng: x tb ’ 3 x = 787.28 ( Kg/m ) khối lượng riêng trung bình của pha hơi: y tb : SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 23
  24. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI ’ 3 y = 1.701( Kg/ m ) h : khoảng cách mâm ( m ), chọn h = 0.3 [] : hệ số tính đến sức căng bề mặt 1 1 1 = + (acetone , nuoc tra ở bảng I.242- Sổ tay tập một )  hh  acetone  nuoc 1 1 = ( + ) 17.604 64.706 hh = 13.84 < 20 dyn/cm Nên theo sổ tay tập hai : [] = 0.8 ( y * y )tb = 0.065 * 0.8 * 0.3*787.28*1.701 = 1.042 (Kg/m2*s ) Đường kính đoạn cất : 2394.72 Dcất = 0.0188 * = 0.901 ( m ) 1.042 Chọn Dcất theo tiêu chuẩn : 0.9 ( m) 2. Đường kính đoạn luyện : Nồng độ trung bình của pha lỏng : ” x m = ( xF + xW )/2 = (0.117 + 0.006 )/2 = 0.0615 Nồng độ trung bình của pha hơi theo phương trình đường làm việc : ” ” y m = 4.8521 * x m - 0.023 = 4.8521 * 0.0615 – 0.023 = 0.2754 Nhiệt độ trung bình của pha hơi, pha lỏng từ giãn đồ t-x,y: ” ” O x m = 0.0615 t x = 73.75 C ” ” O y m = 0.2754 t y = 89.91 C Khối lượng mol trung bình và khối lượng riêng pha hơi : ” ” ” M m = y m * Macetone + ( 1 – y m ) * Mnước = 0.2754 * 58 + ( 1 – 0.2754 ) * 18 = 29.016 ( Kg/ Kmol ) " ” M m *TO 29.016 * 273 3 y = " = = 0.974 ( Kg/m ) 22.4*Ty 22.4 *(273 89.91) Khối lượng riêng pha lỏng : ” ” x m = 0.0615 x m = 0.1743 ( phần khối lượng ) ” O ” 3 t x = 73.75 C acetone = 727.44 ( Kg/m ) ” 3 nước = 975.44 ( Kg/m ) ( Bảng I.2 – Sổ tay tập một ) " '' 1 x m (1 x m ) " = " + '' x acetone nuoc 0.1743 (1 0.1743) = + 727.44 975.44 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 24
  25. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI ” 3 x = 920.73 (Kg/m ) Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng : ’ ’ ’ g tb = ( g n + g 1 )/2 ( Kg/h ) ’ g 1: lượng hơi đi vào đoạn chưng ’ g n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng ’ Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên g n = g1 ’ Hay g’tb = ( g1 + g 1 )/2 ’ ’ ’ Lượng hơi đi vào đoạn chưng g 1, lượng lỏng G 1 và hàm lượng lỏng x 1 được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng : G ' g ' W 1 1 ' ' ' G1 * x1 g1 * yW W * xW g g ' * r ' g ' * r ' g * r 1 1 n n 1 1 Với W = 3644.86 ( Kg/h ) xW = 0.02 xW = 0.006 từ đường cân bằng yW = 0.09 ( phần mol ) yW = 0.242 ( phần khối lượng ) gi * r1 = 1567612.8 ’ r 1 = ra * yW + ( 1 - yW ) rb Tại đáy tháp : O tW = 96 C ra = 477.71 ( Kj/Kg ) rb = 2273.43 ( Kj/Kg ) ( Bảng I.212- Sổ tay tập một ) ’ r 1 = 1838.86 ( Kg/Kg ) ' g1 852.49(Kg / h) ' G1 4497.35(Kg / h) ' x1 0.062 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng : ’ g’tb = ( g1 + g 1 )/2 = ( 1909.448 + 760.58 ) /2 = 1380.97 ( Kg/h) Vận tốc hơi đi trong tháp : ( *  ) = 0.065 * [] * h * * (Kg/m2*s ) y y tb xtb ytb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng = ” = 920.73 (Kg/m3) x tb x khối lượng riêng trung bình của pha hơi = ” = 0.974 ( Kg/ m3 ) y tb : y h : khoảng cách mâm ( m ), chọn h = 0.3 [] : hệ số tính đến sức căng bề mặt 1 1 1 = +  hh  acetone  nuoc SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 25
  26. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI ” O (acetone , nuoc tra ở bảng I.242 ở nhiệt độ t y = 89.91 C- Sổ tay tập một ) 1 1 = ( + ) 15 60.75 hh = 12.03 < 20 dyn/cm Nên theo sổ tay tập hai : [] = 0.8 ( y * y )tb = 0.065 * 0.8 * 0.3*920.73*0.974 = 0.853 (Kg/m2*s ) Đường kính đoạn chưng : 1380.97 Dchưng = 0.0188 * = 0.756 ( m ) 0.853 Chọn Dchưng theo tiêu chuẩn = 0.8 ( m) Do đĩ chọn Dtháp = 0.8 ( m ) 3. Chiều cao tháp : Chiều cao tháp được xác định theo cơng thức sau : H = Ntt * ( Hđ +  ) + ( 0.8  1.0 ) ( m ) Với Ntt : số đĩa thực tế = 13  : chiều dày của mâm, chọn  = 4 ( mm ) = 0.004 ( m ) Hđ : khoảng cách giữa các mâm ( m ) , chọn theo bảng IX.4a- Sổ tay tập hai, Hđ = 0.3 ( m ) ( 0.8  1.0 ) : khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp H = 13 * ( 0.3 + 0.004 ) + ( 0.8  1.0 ) = 5 ( m ) II. Tính tốn chĩp và ống chảy chuyền Chọn đường kính ống hơi dh = 47 ( mm ) = 0.047 ( m ) Số chĩp phân bố trên đĩa : D 2 0.82 N = 0.1 * 2 = 0.1 * 2 = 29 ( chĩp ) d h 0.047 ( D : đường kính trong của tháp ) Chiều cao chĩp phía trên ống dẫn hơi : h2 = 0.25 * dh = 0.01175 ( m ) Đường kính chĩp: 2 2 dch = d h (d h 2 * ch ) ch : chiều dày chĩp, chọn bằng 2 ( mm ) 2 2 dch = 47 (47 2 * 2) = 69.39 ( mm ) Chọn dch = 70 (mm) Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân tháp : S = 0 25 ( mm ), chọn S = 12.5 ( mm ) Chiều cao mực chất lỏng trên khe chĩp : h1 = 15 40 ( mm ), chọn h1 = 30 ( mm ) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 26
  27. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Tiết diện tháp : F = * D2/4 = 3.1416 * 0.82/4 =0.5062 ( m2 ) Bước tối thiểu của chĩp trên mâm : tmin = dch + 2*ch + l2 l2 : khỏang cách nhỏ nhất giữa các chĩp l2 = 12.5 + 0.25*dch = 12.5 + 0.25*71 = 36.25 (mm) chọn l2 = 35 (mm) tmin =70 + 2*2 + 35 = 109 (mm) A. Tính cho phần cất : Chiều cao khe chĩp : 2 b = ( *  y * y)/ (g * x )  : hệ số trở lực của đĩa chĩp  = 1.5 2 , chọn  = 2 2 y = ( 4* Vy )/ ( 3600 * * d h * n ) Vy : lưu lượng hơi đi trong tháp V = g / = 2193.16/1.701 = 1407.83 ( m3/h) y tb ytb 2 y = ( 4* 1407.83) / ( 3600 * * 0.047 * 29 ) = 7.772 ( m/s) b = ( 2 * 7.7722 * 1.701 ) / ( 9.81 * 787.28 ) = 26.6 * 10-3 ( m ) Chọn b = 20 ( mm ) ( 10  50 mm ) Chiều rộng khe chĩp : a = 2 : 7 mm ; chọn a = 2 ( mm ) Số lượng khe hở của mỗi chĩp : 2 d h i = /c * ( dch – ) 4*b c = 3  4 mm ( khoảng cách giữa các khe ) , chọn c = 3 ( mm ) 47 2 i = 3.1416/3 * ( 70 - ) = 44.4 ( khe ) 4* 20 Chọn i = 45 ( khe ) Gx : lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp ( Kg/h ) 1 Gx = * ( G1 + GF ) 2 1 = * (409.448 + 5144.86 ) 2 = 2777.15 ( Kg/h) z : số ống chảy chuyền , chọn z = 1 c : tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền , c = 0.1  0.2 ( m/s ) Chọn c = 0.15 ( m/s ) 3 x = 787.28 ( Kg/m ) B. Tính cho phần chưng : Chiều cao khe chĩp : 2 b = ( *  y * y)/ (g * x ) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 27
  28. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI  : hệ số trở lực của đĩa chĩp  = 1.5  2 , chọn  = 2 ’ 2 y = ( 4* V y )/ ( 3600 * * d h * n ) ’ V y : lưu lượng hơi đi trong tháp V’ = g’ / ' = 1380.97 / 0.984 = 1407.83 ( m3/h) y tb ytb 2 y = ( 4* 1417.83) / (3600 * 3.1416 * 0.047 * 29 ) = 7.828 ( m/s) b = ( 2 * 7.828 * 0.974 ) / ( 9.81 * 920.73 ) = 0.0132 ( m ) Chọn b = 20 ( mm ) ( 10  50 mm ) Chiều rộng khe chĩp : a = 2 : 7 mm ; chọn a = 2 ( mm ) Số lượng khe hở của mỗi chĩp : 2 d h i = /c * ( dch – ) 4*b c = 3 : 4 mm ( khoảng cách giữa các khe ) , chọn c = 3 ( mm ) 47 2 i = 3.1416/3 * ( 70 - ) = 44.4 ( khe ) 4* 20 Chọn i= 45 ( khe ) ’ G x : lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp ( Kg/h ) ’ 1 ’ G x = * ( G 1 + GF ) 2 1 = * ( 4405.44 + 5144.86 ) 2 = 4775.15 ( Kg/h) z : số ống chảy chuyền , chọn z = 1 c : tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền , c = 0.1  0.2 ( m/s ) Chọn c = 0.15 ( m/s ) 3 x = 920.73 ( Kg/m ) l1 : khoảng cách nhỏ nhất giữa chĩp và ống chảy chuyền Chọn l1 = 75 ( mm ) c : bề dày ống chảy chuyền, chọn c = 2 ( mm ) Chiều cao lớp chất lỏng trên mâm : hm = h1 + ( S + hsr + b ) = 30 + 12.5 + 5 + 20 = 67.5 (mm) hsr : khoảng cách từ mép dưới của chĩp đến mép dưới của khe chĩp chọn hsr = 5 mm Tiết diện ống hơi : 2 2 2 Srj = S1= * dh, t /4 = 3.1416*0.047 /4 = 0.001735 m Tiết diện hình vành khăn : 2 2 2 2 Saj = S2 = *( d ch,t - d h,n )/4 = 3.1416*(0.07 - 0.051 ) = 0.001805 (m2 ) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 28
  29. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Tổng diện tích các khe chĩp : 2 S3 = i.a.b = 45*0.002*0.02 =0.0018 m Tiết diện lỗ mở trên ống hơi : S4 = .dhơi.h2 = 3.1416 * 0.047*0.01175 = 0.001735 m2 Nên ta cĩ S1  S2  S3  S4 ( hợp lý ) Lỗ tháo lỏng : Tiết diện cắt ngang của tháp F = 0.5026 m2 Cứ 1 m2 chọn 4 cm2 lỗ tháo lỏng . Do đĩ tổng diện tích lỗ tháo lỏng trên một mâm là:0.5026 *4 /1 = 2.0104 cm2 Chọn đường kính lỗ tháo lỏng là 5mm = 0.5cm Nên số lỗ tháo lỏng cần thiết trên một mâm là : 2.0104  10 lỗ *d 2 4 Kiểm tra khoảng cách giữa các mâm : 2 y F *  y hmin = 23300* * x n d ch, t y , x : khối lượng riêng trung bình của pha hơi, pha lỏng ' " 3 y = ( y+ y)/2 = 1.3375 ( Kg/m ) " 3 x = ( 'x+ x)/2 = 854.005 (Kg/m ) y : vận tốc hơi trung bình đi trong tháp '   y y tb y y tb '" y y y = = 0.7441 (m/s) 2 2 1.3775 0.5026*0.7441 hmin = 23300* * = 0.12 (m) < 0.3 (m) 854.005 29* *0.071 Vậy khoảng cách giữa hai mâm là 0.3 m là hợp lý. Độ mở lỗ chĩp hs : 1/ 3 2/3 V h = 7.55* y H 2/ 3 G s s x y S s Hs = hso = b = 20 (mm) ' 3 VG = ( Vy + V y) /2 = 0.3924 (m /s) 2 Ss = n * S3= 29*0.0018 = 0.0522 (m ) 1/ 3 2/3 1.3375 2/3 0.3924 hs = 7.55* *20 * = 24.805 (mm) 854.005 1.3375 0.0522 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 29
  30. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI h Nên ta cĩ s 1.24  1 : khá hợp lý hso Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn : 2/3 QL hwo = 2.84 * K* h Lw Với K : hệ số hiệu chỉnh cho gờ chảy tràn , phụ thuộc vào 2 giá trị : QL 4.772 x = 0.226* 2.5 0.226* 2.5 6.685 Lw 0.48 Trong đĩ : QL :lưu lượng pha lỏng trung bình trong tháp được tính như sau : + Lưu lượng chất lỏng trong phần cất của tháp : '' 'GRMDRMD x m x m 1500*0.92*47.648 3 QL ' 0.00042( m / s ) 3600*M D * x 3600*55.52*787.28 3600*55.52*787.28 + Lưu lượng chất lỏng trong phần chưng của tháp : GRMDRM GF"" Q" ()*()*D x F m x m L MMMM3600* "" 3600* D F x D F x 1500*0.92 5144.86 29.016 ( )* 0.00220(/)m3 s 55.52 22.68 3600*920.73 + Lưu lượng chất lỏng trung bình trong tháp : ' " 3 QL = ( Q L + Q L) /2 = 0.0013 ( m /s) = 4.772 ( m3/h) Lw : chiều dài gờ chảy tràn = 0.6*D = 0.48 (m) L w 0.6 D Tra đồ thị hình IX22 trang 186 Sổ tay tập hai, được K = 1.12 2/3 4.722 Do đĩ how = 2.84 * 1.12 * 14.60(mm ) 0.48 Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm : ' = Cg * *nh -Chiều rộng trung bình của mâm Bm : + Chiều rộng của ống chảy chuyền : dw = 0.08* D= 0.064 (m) 2 + Diện tích của ống chảy chuyền Sd = 0.04*F = 0.02 (m ) Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn l = D - 2.dw= D ( 1 -2*0.08)=0.84D + Diện tích giữa hai gờ chảy tràn : A = F - 2*Sd = F(1 -2*0.04 ) = 0.92F AF0.92* Chiều rộng trung bình : Bm = 0.86D = 0.688(m) l0.84* D - Hệ số điều chỉnh tốc độ pha khí Cg phụ thuộc hai giá trị : SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 30
  31. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Q 4.722 + x = 1.34 * L 1.34* 9.197 Bm 0.688 + 0.82* v* G = 0.82*0.7806*1.3375 = 0.74 4*V 4*0.3924 Với v= G 0.7806(m / s ) *D2 3.1416*0.8 2 Tra đồ thị hình 5.10 trang 80 Tập 3 (Kỹ thuật phân riêng ) được Cg = 0.71 - Giá trị 4* ' tra từ hình 5.14a trang 81 Tập 3 với: x = 9.179 hsc = 12.5 hm = 67.5 được 4. ' = 6.5 hay ' = 6.5/4 = 1.625 - Số hàng chĩp nh = 5 Khi đĩ = 0.71 * 1.625 * 5 = 5.77 (mm) o Chiều cao gờ chảy tràn hw : Do hm = hw + how + 0.5 = Suy ra hw = hm - how - 0.5* = 67.5 - 14.6 - 0.5*5.77 = 50.015 (mm) o Kiểm tra sự ổn định của mâm : ( = 5.77 ) Vậy mâm ổn định . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm ht : - Chiều cao thủy tĩnh lớp chất lỏng trên lỗ chĩp gờ chảy tràn hss : hss = hw - (hsc + hsr + Hs ) = 50.015 - ( 12.5 + 5 +20 ) = 12.915 (mm) - Độ giảm áp của pha khí qua một mâm : ht = hfv + hs + hss + how + 0.5* = 16.645 + 24.805 + 12.515 + 15.71 + 0.5*5.77 = 72.56 (mm) Chiều cao lớp chất lỏng khơng bọt trên ống chảy chuyền : ' hd = hw + how + + h d +ht SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 31
  32. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI - Tổn thất thủy lực do dịng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm ' h dđược xác định theo biểu thức sau : 2 QL h'd = 0.128* , mmchất lỏng 100* Sd Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn l = 0.84D = 0.84*800 =672 <1500 nên khoảng cách giữa mép trên của gờ chảy tràn và mép dưới của ống chảy chuyền được chọn là 12.5 mm Do đĩ khoảng cách giữa mép dưới ống chảy chuyền và mâm : S1 = 50.015 - 12.5 = 37.515 (mm)=0.0375 (m) Nên tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm dưới : 2 Sd = 0.0375*Lw = 0.0375*0.48 = 0.018 ( m ) 2 ' 4.722 Và h d = 0.128 * = 0.88 100*0.018 Ta tính được hd = 50.015 + 14.6 + 5.77 + 0.88 + 74.955 = 147.10(mm) Chiều cao hd dùng để kiểm tra mâm : Để đảm bảo điều kiện tháp khơng bị ngập lụt khi hoạt động, ta cĩ : hd = 147.10 < 0.5 H = 150 Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền tc : dtw = 0.8* how* h o + Khoảng cách rơi tự do trong ống chảy chuyền : ho = H + hw - hd = 300 +50.015 -147.1 = 202.91 mm + how = 14.60(mm) Suy ra dtw = 0.8* 14.60*202.9 43.54 (mm) - Đại lượng này để kiểm tra chất lỏng chảy vào tháp cĩ đều khơng và chất d lỏng khơng va đập vào thành : tỷ số tw 0.6 dw 43.54/64 = 0.68  0.6 Độ giảm áp tổng cộng của pha hơi giữa tháp : -3 Ht = Nt * ht = 13*74.955*10 =0.9744 mchất lỏng Vậy ổng trở lực tồn tháp : 2 P = *g*Ht = 854.01 * 9.81*0.9744 = 8163.49 N/m = 0.102 at III. Tính chi tiết ống dẫn 1. Đường kính ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ : 4*Q d = y *v 3 Qy : lưu lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp ( m /s) G y 2880 3 Qy = = = 0.470 ( m /s) 3600 * y 3600 *1.701 v : vận tốc hơi đi qua ống, chọn v = 30 ( m/s ) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 32
  33. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI 4*0.470 d1 = = 0.141 ( m ) = 141 ( mm ) 3.1416*30 Chọn d1 = 150 ( mm ) Theo sổ tay tập hai – Bảng XIII-32 trang 434 , chọn l1 = 130 ( mm ) ( chiều dài đoạn nối ống ) 2. Ống dẫn dịng chảy hồn lưu : 4*Q d = *v Lượng hồn lưu G = GD * R = 1500 * 0.92 = 1380 ( Kg/h) G 1380 Q = = = 4.869 * 10-4 ( m3 /h ) 3600 * x 3600 *787.28 ’ 3 ( x : khối lượng riêng pha lỏng trong đoạn cất = x = 787.28 Kg/m ) Chọn v = 0.6 ( m/s ) 4*4.869*10 4 d2 = = 0.035 ( m ) = 35 ( mm ) 3.1416*0.5 Chọn d2 = 40 Theo sổ tay tập hai – Bảng XIII-32 trang 434 , chọn l2 = 100 ( mm ) 3. Ống dẫn dịng nhập liệu : 4*Q d = *v G 5144.86 Q = F = 3600* F 3600* F O 3 tF = 68.5 C ( bảng I.2 – Sổ tay tập một ) acetone = 734.52 ( Kg/m ) 3 nước = 978.32 ( Kg/m ) F = 0.117 * 734.52 + ( 1 – 0.117 ) * 978.32 = 949.80 ( Kg/m3) Q = 1.505 * 10-3 ( m3/s ) Chọn v = 0.5 ( m/s ) 4*1.505*10 3 d3 = = 0.062 ( m ) = 62 ( mm ) 3.1416*0.5 Chọn d3 = 80 ( mm ) l3 = 110 ( mm ) 4. Ống dẫn dịng sản phẩm đáy : 4*Q d = *v G 3644.86 Q = W = 3600* W 3600* W O 3 tW = 96 C ( bảng I.2 – Sổ tay tập một ) acetone = 698.2 ( Kg/m ) 3 nước = 960.8 ( Kg/m ) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 33
  34. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI W = 0.006*698.2 + (1 – 0.006 ) * 960.8 = 959.22 ( Kg/m3) Q = 1.056 * 10-3 ( m3/s ) Chọn v = 1.0 ( m/s ) 4*1.056*10 3 d4 = = 0.0366 ( m ) = 36.6 ( mm ) 3.1416*1.0 Chọn d3 = 40 ( mm ) l3 = 100 ( mm ) 5. Ống dẫn từ nồi đun qua tháp : 4*Q d = *v GW 3644.86 3 Q = " = = 1.039 ( m /s ) 3600 * y 3600 *0.974 Chọn v = 35 ( m/s ) 4*1.039 d5 = = 0.194 ( m ) = 194 ( mm ) 3.1416*35 Chọn d5 = 200 ( mm ) l5 = 130 ( mm ) IV. Tính trở lực tháp Trở lực tháp chĩp được xác định theo cơng thức : 2 P = Ntt * Pđ ( N/m ) Ntt : số mâm thực của tháp Pđ : tổng trở lực qua một mâm Ở phần chưng và phần cất, trở lực qua các đĩa khơng đồng đều . Do đĩ để chính xác , trở lực sẽ được tính riêng cho từng phần . A. Tổng trở lực phần cất : Tổng trở lực qua một dĩa : Pđ = Pk + Ps + Pt 1. Trở lực đĩa khơ Pk : 2 2 Pk =  * y*  0 ( N/m )  : hệ số trở lực đĩ a khơ,  = 4.5 : 5 , chọn  = 5 ’ 3 y = y = 1.701 ( Kg/m ) o : vận tốc hơi qua rãnh chĩp ( m/s ) ' Vy o = n *i * a *b ’ V y : lưu lượng pha hơi trung bình đi trong phần cất ’ 3 3 V y = 1407.83 (m /h) = 0.3911 (m /s) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 34
  35. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI 0.3911 O = = 7.492 (m/s) 29* 45*0.002*0.02 2 2 Pk = 5*1.701* 7.492 /2 = 238.67 ( N/m ) 2. Trở lực do sức căng bề mặt : 4* Ps = dtd  : sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp ’ O -3 Ở t x = 60.25 C acetone = 18.6*10 (N/m) -3 nước = 66.2*10 (N/m) ( Tra bảng I-242 Sổ tay tập một ) 1 1 1 = +  hh  acetone  nuoc -3 hh = 14.52*10 (N/m) dtd : đường kính tương đương của khe rãnh : 4. f x 4.a.b dtd = = H 2.(a b) fx : diện tích tiết diện tự do của rãnh H : chu vi rãnh -3 dtd = 4.2.20 / 2(2+20) = 3.64 ( mm ) = 3.64*10 (m) -3 -3 2 Ps = 4. / dtd = 4*14.52 10 / ( 3.6410 ) = 15.972 ( N/m ) 3. Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa ( Trở lực thủy tĩnh Pt ) 2 Pt = b.g.( hb – hr /2) (N/m ) b : khối lượng riêng của bọt, thường b = ( 0.4  0.6 ). x 3 3 Chọn b = 0.5* x = 0.5*787.28 ( Kg/m ) = 393.64 ( Kg/m ) hr : chiều cao của khe chĩp (m), hr = b = 20 (mm) = 0.02 (m) hb : chiều cao lớp bọt trên đĩa (m) (hc hx ).(F f ). x hx . b . f (hch hx ). f . b hb = F. b hc : chiều cao đoạn ống chảy chuyền nhơ lên trên đĩa hc = 50.015 (mm) = 0.05 (m) hx : chiều cao lớp chất lỏng ( khơng lẫn bọt ) trên đĩa hx = S + 0.5*b = 0.0125 + 0.5* 0.02 = 0.0225 (m) = 22.5 (mm) F : phần diện tích bề mặt đĩa cĩ gắn chĩp ( nghĩa là trừ hai phần diện tích đĩa để bố trí ống chảy chuyền ) 2 Fo = F – 2*Sd = 0.92 * F = 0.4624 (m ) f : tổng diện tích các chĩp trên đĩa 2 f = 0.785* dch *n = 0.785 * (70/100)2*29 = 0.115 (m2) hch : chiều cao của chĩp hch = hc + = 0.05 + 0.0157 = 0.0657 (m) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 35
  36. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI (0.05 0.0157 0.0225)*(0.4624 0.115)*787.28* 0.0225*393.64*0.115 hb = 0.4624*393.64 (0.0657 0.0225) *0.115*393.64 + 0.4624*393.64 = 0.0786 (m) = 78.6 (mm) 2 Pt = 393.64 * 9.81 * ( 0.0786 – 0.02/2 ) = 275.14 (N/m ) o Tổng trở lực qua một đĩa : Pđ = Pk + Ps + Pt = 238.67 + 15.972 + 275.14 = 529.79 (N/m2) o Tổng trở lực phần cất: 2 Pcất = Ntt.cất * Pđ.cất = 10* 529.79 = 2 (N/m ) B. Tổng trở lực phần chưng : Tổng trở lực qua một dĩa : Pđ = Pk + Ps + Pt 1. Trở lực đĩa khơ Pk : ” 2 2 Pk =  * y*  0 ( N/m )  : hệ số trở lực đĩ a khơ,  = 4.5  5 , chọn  = 5 ” 3 y = y = 0.974 ( Kg/m ) o : vận tốc hơi qua rãnh chĩp ( m/s ) " Vy o = n *i * a *b ” V y : lưu lượng pha hơi trung bình đi trong phần chưng : 3 V”y =1417.83 (m /h) = 0.3938 (m3/s) 0.3938 O = = 7.545 (m/s) 29* 45*0.002*0.02 2 2 Pk = 5* 0.974 * 7.545 /2 = 138.61 ( N/m ) 2. Trở lực do sức căng bề mặt : 4* Ps = dtd  : sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp ” O -3 Ở t x = 73.75 C acetone = 16.95*10 (N/m) -3 nước = 63.72*10 (N/m) ( Tra bảng I-242 Sổ tay tập một ) 1 1 1 = +  hh  acetone  nuoc -3 hh = 13.39*10 (N/m) dtd : đường kính tương đương của khe rãnh : 4. f x 4.a.b dtd = = H 2.(a b) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 36
  37. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI fx : diện tích tiết diện tự do của rãnh H : chu vi rãnh -3 dtd = 4.2.20 / 2(2+20) = 3.64 ( mm ) = 3.64*10 (m) -3 -3 2 Ps = 4. / dtd = 4*13.39* 10 / ( 3.6410 ) = 14.71 ( N/m ) 3. Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa ( Trở lực thủy tĩnh Pt ) ’ 2 Pt = b.g.( hb – hr /2) (N/m ) ’ ” ’b : khối lượng riêng của bọt, thường b = ( 0.4  0.6 ). x ’ ’ 3 3 Chọn b = 0.5* x = 0.5* 920.73 ( Kg/m ) = 460.365 ( Kg/m ) hr : chiều cao của khe chĩp (m), hr = b = 20 (mm) = 0.02 (m) hb : chiều cao lớp bọt trên đĩa (m) (hc hx ).(F f ). x hx . b . f (hch hx ). f . b hb = F. b : chiều cao của chất lỏng trên ống chảy chuyền = h = 15.71 (mm) = 0.0157 (m) hc : chiều cao đoạn ống chảy chuyền nhơ lên trên đĩa hc = 50.015 (mm) = 0.05(m) hx : chiều cao lớp chất lỏng ( khơng lẫn bọt ) trên đĩa hx = S + 0.5*b = 0.0125 + 0.5* 0.02 = 0.0225 (m) = 22.5 (mm) F : phần diện tích bề mặt đĩa cĩ gắn chĩp ( nghĩa là trừ hai phần diện tích đĩa để bố trí ống chảy chuyền ) 2 Fo = F – 2*Sd = 0.92 * F = 0.4624 (m ) 3 b = 393.64 (Kg/m ) f : tổng diện tích các chĩp trên đĩa 2 f = 0.785* dch *n = 0.785 * (70/100)2* 29 = 0.115 (m2) hch : chiều cao của chĩp hch = hc + = 0.05 + 0.0157 = 0.0657 (m) (0.05 0.0157 0.0225)*(0.4624 0.115)*920.73* 0.0225*460.365* 0.115 hb = 0.4624 * 460.365 (0.0657 0.0225) * 0.115* 460.365 + 0.4624 * 460.365 = 0.08125 (m) = 81.25 (mm) 2 Pt = 460.365 * 9.81 * ( 0.08125 – 0.02/2 ) = 321.78 (N/m ) o Tổng trở lực qua một đĩa : Pđ = Pk + Ps + Pt = 138.61 + 8.03 + 321.78 = 4576.11 (N/m2) o Tổng trở lực phần chưng : 2 Pchưng = Ntt.chưng * Pđ.chưng = 3*457.11 = 1425.32 (N/m ) Tổng trở lực của tháp P : P = Pcất + Pchưng = 5297.9 + 1425.32 = 6723.22 (N/m2) = 0.068 (at) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 37
  38. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Kiểm tra lại khoảng cách mâm h = 0.3 m đảm bảo điều kiện hoạt động P bình thường của tháp : h > 1.8* d x .g Vì Pđ-cất > Pđ-chưng nên ta lấy Pđ-cất để kiểm tra : 529.79 1.8* =0 0.106 < 0.3 thỏa 920.73*9.81 Vậy chọn h= 0.3 là hợp lý . SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 38
  39. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI CHƯƠNG 4 TÍNH TỐN CƠ KHÍ 1. Tính bề dày thân trụ của tháp Thân của tháp được chế tạo bằng phương pháp hàn hồ quang. Thân tháp được ghép từ nhiều đoạn bằng mối ghép bích. Tra bảng IX.5 ta chọn với đường kính trong của tháp D = 800(mm), khoảng cách giữa các đĩa Hđ =300 (mm), chọn khoảng cách giữa hai mặt nối bích 1200(mm), số đĩa giữa hai mặt bích nđ = 4 Chọn vật liệu làm thân là thép khơng gỉ X18H10T. Ở nhiệt độ làm việc t = 0C . Tốc độ ăn mịn của thép 0.1 mm/năm . Dựa vào bảng XII.4 và bảng XII.7 ( Tính chất vật lý của kim loại đen và hợp kim của chúng ), các thơng số đặc trưng của X18H10T ( với chiều dày tấm thép 4  25 mm): 6 2 Giới hạn bền kéo : k = 550.10 N/m Giới hạn bền chảy : ch = 550.106 N/m2 Hệ sốdãn khi kéo ở nhiệt độ 20  100 0C là 16.6*10-6 1/0C Khối lượng riêng = 7.9*103 ( Kg/m3) Hệ số an tồn bền kéo : nk = 2.6 Hệ số an tồn bền chảy : nch = 2.6 Nhiệt độ nĩng chảy : t = 1400 0C Mơ đun đàn hồi : E = 2.1*105 N/mm2 Hệ số Poatxơng  = 0.33 Điều kiện làm việc của tháp chưng cất : Ap suất bên trong tháp ( tính tại đáy tháp ) với mơi trường làm việc lỏng -khí: P = Ph + PL + P 4 2 Ap suất hơi trong tháp : Ph = 1 at = 9.81*10 ( N/m ) Ap suất thủy tĩnh của cột chất lỏng :PL = L . g .H 3 L = 854.01 (Kg/m ) H= 1.1 H0 = 4.347 (m) ( Cĩ kể đến cột chất lỏng ở đáy, nắp ) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 39
  40. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI 4 2 PL = 854.01 *9.81 * 4.347 = 3.6420 *10 (N/m ) Tổng trở lực của tháp : P = 7780.45 ( N/m2) Do đĩ áp suất tại đáy tháp : P = 1.423 * 105 (N/m2) 25 nên : P 1.423*105 P.D 1.423*105 * 0.8 S’= t = = 6.01*10-4( m) 2[ ]. 2*139.33*106 * 0.68 = 0.601 (mm) Bề dày thực tế của thân tháp : S = S’ + C Trong đĩ C = Ca + Cb + Co Chọn thiết bị làm việc trong 15 năm : Hệ số bổ sung do ăn mịn : Ca = 15*0.1 = 1.5 (mm) Hệ số bổ sung do bào mịn cơ học của mơi trường Cb = 0 Hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo và lắp ráp : C0 = 0.4 (mm) Hệ số quy trịn bầng 1.499 (mm) Do đĩ C = 1.5 + 0.4 + 1.499 = 3.399(mm) Khi đĩ S = S’ +C = 4 (mm) Kiểm tra bề dày của thân : - Kiểm tra điều kiện : SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 40
  41. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI S C a 0.1 D ( thỏa ) 4 1.5 0.003 0.1 800 - Kiểm tra áp suất tính tốn bên trong thiết bị : 2.[ ]. .(S C ) 2 *139.33*106 *0.68*(4 1.5) [P] = a 5.90*105 (N / m 2 ) D (S Ca ) 800 (4 1.5) Như vậy [P] > P (hợp lý) Nên chiều dày của thân S = 4(mm) 2. Tính - chọn bề dày đáy và nắp thiết bị Đáy và nắp cũng là một bộ phận quan trọng thường được chế tạo cùng loại vật liệu với thân thiết bị . Sử dụng thép khơng gỉ X18H10T . - Chọn loại đáy nắp hình elip cĩ gờ - Tính bề dày đáy và nắp giống nhau : Các thơng số đáy và nắp : Đáy- nắp elip cĩ : h t 0.25 Dt ht = 0.25 * Dt = 0.25 * 0.8 = 0.2 (m) = 200(mm) Chọn chiều cao gờ h = 25 (mm) Nên diện tích bề mặt trong 0.76(m2 ) tra bảng XIII.10 trang 382 Sổ tay tập 2 D = 800 25 h= 200 Bán kính cong bên trong đáy- nắp tháp : Rt =Dt = 800(mm) Chiều dày đáy và nắp elip của thiết bị chịu áp suất trong : D .P D S’ = t * t 3.8*[ k ].k. h P 2.hb Hệ số khơng thứ nguyên : d 0.2 k = 1 - = 1- = 0.75 Dt 0.8 ( Đường kính lỗ ở nắp : d = 0.2 m) Do đĩ : SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 41
  42. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI 0.8*1.423*105 0.8 S’ = * 3.8* 200.95*106 *0.75*0.95 1.423*105 2*0.2 = 0.419*10-3 (m) = 0.419 (mm) C = Ca + Cb + C0 = 1.5 + 0.4 + 0 +C0 + 2 = 4.581 (mm) ( Đối với đáy nắp dập thì đại lượng bổ sung tăng thêm 2 mm khi S’ < 10 mm Theo sổ tay tập 2 ) Kiểm tra áp suất dư cho phép tính tốn : . Bề dày đáy nắp cần thỏa biểu thức sau : S C a 0.125 Dt 5 1.5 0.0041 0.125 (thỏa) 800 . Do đĩ áp suất dư cho phép tính theo cơng thức : 2.[ ]. .(S C ) 2 * 200.96*106 *0.95*(5 1.5) [P] = a 1.66*1065 (N / m 2 ) Rt .(S Ca ) 800 (54 1.5)  P = 1.423*105 (N/mm2) (thỏa) Vậy bề dày đáy nắp thiết bị là 5 (mm) 3. Chọn bích và vịng đệm a. Bích và đệm để nối và bít kín thiết bị : Mặt bích là bộ phận dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị . Chọn loại bích liền khơng cổ bằng thép CT3 . Bảng XIII-27 trang 417 Sổ tay tập hai . Cho các kiểu bích liền bằng thép CT3 (Kiểu I )với thiết bị đáy nắp như sau : Đường kính bên trong của thiết bị Dt = 800 (mm) Đường kính bên ngồi của thiết bị Dn = 808 (mm) Đường kính tâm bu lơng Db = 880 (mm) Đường kính mép vát D1 = 850 (mm) Đường kính bích D = 930 (mm) Chiều cao b1ch h = 22 (mm) Đường kính bu lơng db = M20 (mm) Số bu lơng z = 24 (cái) Theo bảng XIII-31 _ Tương ứng với bảng XIII-27 : kích thước bề mật đệm bít kín : Dt = 800 (mm) H = h = 22 (mm) D1 = 850 (mm) D2 = 847 (mm) D4 = 827 (mm) Và do Dt < 1000 (mm) nên D3 = D2 +1 = 848(mm) D5 = D4 – 1 = 826 (mm) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 42
  43. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI b. Bích để nối các ống dẫn ( Bảng XIII-26 trang 409 Sổ tay tập hai ) Chọn vật liệu là thép CT3 , chọn kiểu 1 Ta cĩ bảng sau : STT Loại Dy Kích thước nối h l ống (mm) Dw D Db D1 Bulơng (mm) (mm) dẫn (mm) (mm) (mm) (mm) db z (mm) (con) 1 Vào TBNT 150 159 260 225 202 M16 8 16 130 2 Hồn lưu 40 45 130 100 80 M12 4 12 100 3 Nhập liệu 80 89 185 150 128 M16 4 14 110 4 Dịngspđáy 40 45 130 100 80 M12 4 12 100 5 Hơivàođáy 200 219 290 255 232 M16 8 16 130 Theo bảng XIII.30 tương ứng với bảng XIII-26 : kích thước bề mặt đệm bít kín : D1 tra theo bảng XIII-26 . z : số rãnh Ta cĩ bảng sau : STT D D1 D2 D3 D4 D5 b b1 z f (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (rãnh) (mm) 1 150 202 191 192 171 170 5 11 3 4.5 2 40 80 69 70 55 54 4 1 2 4 3 80 128 115 116 101 100 5 1 3 4 4 40 80 69 70 55 54 5 1 3 4 5 200 232 249 250 229 228 5 1 3 4.5 4. Tính mâm Chọn bề dày mâm bằng bề dày thân S = 4 (mm) và vật liệu là thép X18H10T  Chiều cao mực chất lỏng lớn nhất trên mâm khi mâm bị ngập lụt : hd = 145.49 (mm) 2 Pl = l .g . hd = 854.01 * 9.81 * 0.1455 = 1218.98 (N/mm )  Nếu mâm khơng đục lỗ : 3(3 ) 2 3(3 0.33) 2 6 2 max = * P * R t *1218.98* 0.4 = 15.222*10 (N/mm ) 8.S 2 8*0.0042  = 0.33 : hệ số Poat xơng  Độ giảm sức bền do các lỗ trên mâm gây ra thể hiện bằng hệ số hiệu chỉnh: b SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 43
  44. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI t d h 194 47 b = 0.758 t 194 dh : đường kính ống hơi bằng 47 (mm) t : ( hình vẽ chĩp ) = 2*112*cos30 = 194 . Ứng suất cực đại của mâm cĩ đục lỗ : 6  max 15.222*10 6 2 ’max = = 20.1 *10 (N/mm ) b 0.758 < [] = 139.33(N/mm2 ) Vậy bề dày mâm là 4 (mm) 5. Chân đỡ và tai treo thiết bị a. Tính sơ bộ khối lượng tháp : Khối lượng nắp bằng khối lượng đáy ( Giả sử đường ống dẫn vào nắp và đáy gần như nhau ) ; Với nắp đáy elip cĩ Dt = 800(mm), chiều dày S = 5(mm), chiều cao gờ h = 25 (mm) .Tra bảng XIII.11 trang 384 Sổ tay tập hai , ta cĩ Gnắp = Gđáy = 1.01*30.2 (Kg) = 30.504 (Kg) Gnắp – đáy = 2*30.502 = 61 (Kg) Khối lượng mâm : Đường kính trong của tháp Dt = 0.8 (m) Bề dày mâm m = 0.004(m) Đường kính ống hơi dh = 0.047 (m) Số ống hơi n = 29 (ống ) Diện tích ống chảy chuyền hình viên phân Sd = 0.04*F Số ống chảy chuyền trên mỗi mâm z = 1 Số mâm Nt = 13 mâm 2 Mm = Nt .(F – z.Sd – n. .d h/4) * * = 13 ( 0.5026*1 – 0.04*0.5026 – 29* *0.0472/4)*0.004*7.93*103 (Kg/m3) = 177.514 (Kg) Khối lượng chĩp trên mâm của tồn tháp : 2 2 3 Mchĩp = Nt *n *( * d ch* hch *ch * + *d ch*ch – i * ch b*a )7.9*10 = 13*29 (3.1416*0.070*0.0567*0.002 + 3.1416*0.072*0.002/4 - - 45* 0.002*0.02*0.002 )*7.0*103 = 98.26 (Kg) Khối lượng mâm : M mâm = * D* Hthân * thân *  = 3.1416* 0.8 (5 – 2( 0.2 + 0.025) – 0.130) 0.004*7.9*103 = 351.03(Kg) Khối lượng ống hơi : Mống hơi = *dh*hhơi * h *n * Ntt * = 3.1416*0.047*0.054*0.002*29*13*7.9*103 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 44
  45. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI = 47.49(Kg) Với hh = hchĩp – h2 - chĩp +hơi = 0.0657 – 0.01175 +2 – 2 = 0.054 (m) và h2 : chiều cao chĩp phía trên ống hơi Khối lượng máng chảy chuyền : Mm = lw*hcc*cc * *Nt hcc = h – S1 + hw +mâm = 0.3 – 0.0375 + 0.05 + 0.004 = 0.316 (m) 3 Mmâm = 0.48*0.3165*0.002*0.004 * 7.9*10 = 31.20( Kg) Khối lượng bích nối thân : Đường kính bên ngồi của tháp Dn = 0.808 (m) Đường kính mặt bích của thân Db = 0.930(m) Chiều cao bích h = 0.022(m) Chia tháp làm 4 đoạn , nên số mặt bích là 8 3 3 CT3 = 7.85*10 (Kg/m ) 2 2 3 Mbích = 0.785*(0.93 – 0.808 )*8*0.0222*7.85*10 = 229.96 (Kg) Khối lượng bích nối các ống dẫn : 2 2 2 2 Mb = 0.785* [(0.26 – 0.15 )*0.016 + 2*(0.13 – 0.04 )*0.012 + (0.1852 – 0.082)*0.016 + ( 0.292 – 0.22* 0.016 ]*7.85*103 = 12.56 (Kg) Khối lượng dung dịch trong tháp ( xem Vdung dịch = 0.85 Vtháp ) 2 Mdd = 0.85 ( * D t Ho/4 + Vđáy ) * xtb = 0.85*( 3.1416*0.82 *5/4 + 2*79.6*10-3 )*854.005 = 1939.96(Kg) Vậy tổng khối lượng của tồn tháp : Mtháp = 2949(Kg) b. Chọn tai treo :  Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3 . Tấm lĩt là vật liệu làm thân: 6 2 [CT3]= 130 *10 ( N/m )  Chọn số tai treo : n = 4  Tải trọng lên một tai treo ( 4 tai treo và 4 chân đỡ): Q 2949*9.81 4 Q0 = = = 0.413*10 ( N) 8 8  Chọn tải trọng cho phép lên một tai treo là 0.5 *104 N Theo bảng XIII.36 Sổ tay tập hai : tai treo thiết bị thẳng đứng . Bề mặt đỡ F = 72.5*104(m2) Kích thước tai treo : cho ở bảng sau : Khối Tảitrọng L B B1 H S l a d lượng chophép (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) taitreo lênbềmặtđỡ (Kg) q.106(N/m2) 1.23 0,69 100 75 85 155 6 40 15 18 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 45
  46. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI 15 155 40 15 18 20 75 BỘ PHẬN TAI TREO c. Chọn chân đỡ : Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3 .Tải trọng cho phép lên một chân đỡ:0.5*104 N Theo bảng XIII.35 Sổ tay tập hai. Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng : Bềmặtđỡ Tảitrọngcho L B B1 B2 H h S l d F.10-4m2 phéplênbềmặtđế q.106(N/m2) 172 0.29 160 110 135 195 240 145 10 55 23 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 46
  47. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Trục thiết bị 195 135 10 10 10 236 145 55 280 160 23 10 110 BỘ PHẬN CHÂN ĐỠ 6. Tính bảo ơn Với vận tốc hơi trung bình trong cả 2 phần của tháp : chưng và cất : y = 0.7441 < 10 (m/s) và màng nước ngưng chuyển động dịng, hệ số cấp nhiệt trong tháp : r. 2 .g.3 = 1.15* ( W/m2.độ) . t.H Nhiệt ngưng tụ ( ẩn nhiệt hĩa hơi ) của hơi trong tháp: 0 ( Ở nhiệt độ cao nhất t = tw = 96 C) r = r * x + r * r nuoc acetone acetone nước Thành phần khối lượng tính ở giá trị trung bình của tháp và đỉnh tháp : 0.98 0.02 x acetone 0.5(phần trăm khối lượng) 2 x acetone = 0.273 ( phần mol)  .Chọn nhiệt độ ngưng để tính là nhiệt độ cao nhất trong tháp 0 tngưng = 96 C racetone = 114.1 (Kcal /Kg) rnước = 543 (Kcal /Kg) Do đĩ r = 0.5*114.1 + 0.5*543 = 328.55 (Kcal/Kg) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 47
  48. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI  Để xác định cường độ nhiệt khi chưa cĩ lớp cách nhiệt, chọn nhiệt độ tường 0 bên trong tháp là tw1 = 80 C . Từ cơng thức trên : 2 3 2 3 328.55*9.81* *  * 4186.8 *  2 = 1.15 * 4 46.61* 4 (W/m .độ) 5*  * t  * t Các giá trị (Kg/m3),  (W/m.độ),  ( Ns/m2) tra ở nhiệt độ trung bìng của màng : tng tw1 96 80 0 Tm = 88 C 2 2 Mhh = xacetone * 58 + ( 1-xacetone)*18 = 27.48 (Kg/Kmol) 1 1 hh = 817.66 ( Kg/Kmol) x acetone x nuoc 0.5 0.5 708.6 966.4 acetone nuoc  = arclog ( xacetone * log acetone + (1- xacetone )log nuoc ) = arclog ( 0.273* log 0.188 + ( 1- 0.273 )*log 0.328)*10-3 = 0.287*10-3 (Ns/m2) Cphh = 0.5 * Cacetone + ( 1- 0.5) * Cnước = 0.5 * 2396 + 0.5* 4206 = 3301 ( J/Kg.độ) -8 hh 2 hh = 3.58*10 *Chh * hh * 3 (W/m .độ) M hh -8 817.66 = 3.58*10 * 3301*817.66 * 3 27.48 = 0.311 ( Kcal/W.h.0C ) 0 t1 = tng – tw1 = 96 – 80 = 16 C 817.662 *0.3113 = 46.61* 2132.24 ( W/m2.độ) 0.287 *10 3 *16 2 . qng = ng * t1 = 2132.24*16= 35115.78 (Kcal/m .h) Tổng nhiệt trở của thành ống và lớp cặn :  w rw = rcặn1 + rcặn2 w Cường độ nhiệt trung bình : qng qkk 12878.36 2144.11 2 qtb = 7511.23 (Kcal/m .h.độ) 2 2 Sai số giữa qtb và qng : 12878.36 7511.3 0.42 42% 5% . Do đĩ ta phải tính lặp. 12878.36 o Tính lặp lần 1 : 0 0 Chọn t1 = 6 C tw1 = 90 C SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 48
  49. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI 0 tm = 93 C 3 hh = 812.97 (Kg/m )  = 0.272 *10-3 ( Ns/m2) 0 Cphh = 3314.12 ( J/Kg. C) 0 hh = 0.309 9 ( Kcal/m.h. C) 0 t1 = 6 C 2 ng = 2738.83 ( Kcal/m .h.độ) 2 qng = 16432.96 ( Kcal/m .h) 0 tw = 13.61 ( C ) 0 tw2 = 82.4 ( C ) 0 t2 = 53.4 ( C) 2 qkk = 1976.2 ( Kcal/m .h) 2 qtb = 9204.56 (( Kcal/m .h) Sai số giữa qtb và qng = 0.44 > 0.05 . Do đĩ ta phải tính lặp lần 2. o Tính lặp lần 2 : 0 0 Chọn t1 =4 C tw1 = 92 C 0 tm = 94 C 3 hh = 810.95 (Kg/m )  = 0.269 *10-3 ( Ns/m2) 0 Cphh = 3316.75 ( J/Kg. C) 0 hh = 0.308 ( Kcal/m.h. C) 0 t1 = 4 C 2 ng = 2737.89 ( Kcal/m .h.độ) 2 qng = 10951.56 ( Kcal/m .h) 0 tw = 9.068 ( C ) 0 tw2 = 86.93 ( C ) 0 t2 = 57.93 ( C) 2 qkk = 2187.93 ( Kcal/m .h) 2 qtb = 6569.74 (( Kcal/m .h) Sai số giữa qtb và qng = 0.4 > 0.05 . Do đĩ ta phải tính lặp lần 3 : o Tính lặp lần 3 : 0 Vẽ đồ thị qua qkk và qng xác định được tw1 = 95.5 C 0 t1 = 96 –96.5 = 0.5 C 0 tm = 95.75 C 3 hh = 809.27 (Kg/m )  = 0.265 *10-3 ( Ns/m2) 0 Cphh = 3320.69 ( J/Kg. C) 0 hh = 0.3075 ( Kcal/m.h. C) 0 o t1 = 0.5 C 2 ng = 5103.35 ( Kcal/m .h.độ) 2 qng = 2551.68 ( Kcal/m .h) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 49
  50. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI 0 tw = 2.11 ( C ) 0 tw2 = 93.89 ( C ) 0 t2 = 64.89 ( C) 2 qkk = 2521.31 ( Kcal/m .h) 2 qtb = 2536.495 (( Kcal/m .h) Sai số giữa qtb và qng = 0.006 < 0.05 ( Thỏa)  Khi cĩ lớp cách nhiệt, nhiệt lượng tỏa ra mơi trường : 2 qtt = 5%qtb = 0.05*2536.495 = 126.28 (Kcal/m .h) - Hệ số cấp nhiệt của hơi : 2 0 ng = 5103.35 ( Kcal/m .h. C) 2 0 kk = 2521.31 ( Kcal/m .h. C) 2 1 Do qtt = ng (tw1 – tw2 ) = (tw2 tw3 ) (tw1 t w2 )  2  rwi - Nhiệt độ của thành phía trong thiết bị : qtt 126.82 0 tw1= tng - 96 = 95.975 C ng 5103.35 - Nhiệt trở của thành thiết bị và lớp cáu :  w 1 0.004 2 0  rw1 rcau1 0.0004705 (m .h. C/Kcal) w 5000 14.785 - Nhiệt độ lớp tiếp xúc giữa thành thiết bị và tấm cách nhiệt tw2 : 1 qtt = (t w1 tw2 )  rwi 0 tw2 = tw1 – qtt* rw1 = 95.975 – 126.82*0.0004705 = 95.915 C - Nhiệt độ lớp cáu tiếp xúc với khơng khí : qtt 126.82 0 tw4= tkk + 29 = 29.050 C kk 2521.31 - Nhiệt độ tw3 : 1 qtt = (tw3 tw4 )  rcau 2 tw3 = qtt * rcáu 2 + tw4 1 = 126.82* + 29.050 = 29.0956 0C 2800 Do đĩ bề dày lớp cách nhiệt 2 tính theo cơng thức : 2  2 (tw2 t w3 ) qtt Chọn lớp cách nhiệt là amiăng cactơng cĩ hệ số dẫn nhiệt là  = 0.144 (W/m.0C) = 0.124 (Kcal/m.h.0C) 0.124  (95.915 29.0956) 0.065(m) 65(mm) 2 126.82 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 50
  51. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI CHƯƠNG 5 TÍNH THIẾT BỊ PHỤ SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 51
  52. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI I. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu hay thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 1. Điều kiện nhiệt độ của quá trình : Nguyên liệu Sản phẩm đáy Nguyên liệu Sản phẩm đáy Chênh lệch nhiệt độ đầu nhỏ : 0 tn = 96 - 68.5 = 27.5 C 960C 700C 68.50C 270C Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn : 0 tL = 70 -27 = 43 C t 43 Tỷ số L 1.56 < 2 nên cĩ thể tính hiệu số nhiệt độ trung tn 27.5 tL 0 bình : ttb =35.25 C tn Nhiệt độ trung bình của từng lưu thể : Do T1 - T2 < t2 - t1 nên : 0 Ttb = ( T1 + T2)/2 = 83 C SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 52
  53. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI 0 ttb = Ttb - tb = 83 - 35.25 = 47.75 C 2. Nhiệt tải : Nhiệt lượng cần thiết đun nĩng nhập liệu ( đã tính ở phần cân bằng nhiệt ) : ' ' Qw W .Cw .(T2 T1 ) = 2184.86*4159.67*( 96 - 70) = 2.363*108 (J/h) =65.64(KW) 3. Chọn thiết bị : a. Chọn loại thiết bị ống chùm, đặt nằm ngang vật liệu là đồng thau, hệ số dẫn nhiệt  = 93 W/h.độ. Thiết bị gồm 91 ống, xếp thành 5 hình sáu cạnh, số ống ở vịng ngồi càng là 31 ống. Chọn đường kính ngồi của ống dh = 0.025m, loại ống là 25x2mm. Đường kính trong của thiết bị : Dtr =T.(b –1) +4.dh t : bước ống, chọn t =1.2dh =1.2*0.025 = 0.03 (m) b = 2.a –1 =2.6 –1 =11 (a =6 :số ống trên một cạnh của hình sáu cạnh ngồi cùng Dtr = 0.03*(11-1) + 4*0.025 = 0.4(m) b. Các lưu chất đều ở trạng thái lỏng . Vì sản phẩm đáy cĩ độ bẩn cao hơn nên cho chảy bên trong ống, cịn nhập liệu cho chảy ở ngồi ống c. Xác định hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến dịng nhập liệu : - Tiết diện ngang của khoảng ngồi ống là : 2 2 S = 0.785*(D tr – n.d ) = 0.785*(0.42 – 91.0.0252) = 0.081 m2 - Tốc độ chảy của dịng nhập liệu : F w = 3600 * F * S 0 Ở nhiệt độ trung bình cuả dịng nhập liệu ttb = 47.75 C, ta tra các thơng số : 3) acetone =759.48 (Kg/m 3 nưĩc =988.51 (Kg/m ) 3 F =919.80 ( Kg/m ) -3 2 acetone = 0.251*10 (Ns.m ) -3 2 nước = 0.573*10 (Ns.m ) -3 2 F = 0.520*10 (Ns.m ) w = 0.019 (m/s) - Đường kính tương đương khoảng ngồi ống : D 2 n.d 2 0.42 91*00252 dtđ = = = 0.038 (m) D n.d 0.4 91*0025 - Tính chuẩn số Re : .d . Re = td = 1277.11  F SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 53
  54. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI - Tính chuẩn số Pr : 0 0 + Chọn t1 = 4 C tt1 = ttb + t1 = 47.75 + 4 = 51.75 C Tra hình V.12 trang 12 Sổ tay tập hai : Pr47.75 = 3.55 Pr51.75 = 3.45 0.25 0.25 Pr46.75 3.55 1.007 Pr51.75 3.45 - Chuẩn số Gr : g.d 3 . 2 .. t Gr td 1  2  : hệ số giãn nở thể tích,  = 0.574*10-3 (1/độ) (tra bảng 33 trang 420 tập 10) 9.81*0.0383 *919.802 * 0.574*10 3 * 4 Gr = 3866978.92 (0.052 *10 3 ) 2 (Gr)0.1 = 4.56 - Chuẩn số Nu : 033 0.43 0.1 0.25 Nu = 0.15* 1* Re * Pr *Gr (Pr/Prt ) 1 : hệ số hiệu chỉnh tra theo bảng V.2 trang 15 , sổ tay tập hai (l/d > 50 nên chọn 1 = 1) Nu = 0.15* 1* 1277.110.33*3.6560.43*4.56*1.007 = 11.00 Nu.. 11.00* 0.591 2 - Hệ số cấp nhiệt 1 = 171.08 (W/m .độ ) d td 0.038 (  tra ở 47.75 0C bằng 0.591 W/m.độ) d. Xác định hố cấp nhiệt từ dịng sản phẩm đáy đến thành ống : 0 Ttb = 83 C , tra các thơng số : 3) acetone =571 (Kg/m 3 nưĩc =969.9 (Kg/m ) 3 w =964.8 ( Kg/m ) -3 2 acetone = 0.20*10 (Ns.m ) -3 2 nước = 0.35*10 (Ns.m ) -3 2 w = 0.349*10 (Ns.m ) - Vận tốc trong dịng ống : W ' 2184.86 w = 2 2 w * n *0.785* d 3600*960.86*91*0.785* 0.021 w = 0.02 (m/s) - Tính chuẩn số Re : SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 54
  55. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI .d. Re = = 1163.97  w 10 50 nên chọn 2 = 1) Nu = 0.15* 1* 1163.970.33*2.60.43*4.27*0.995 = 9.875 Nu.. 9.875*0.673 2 - Hệ số cấp nhiệt 2 = 316.47 (W/m .độ ) d 0.021 (  tra ở 47.75 0C bằng 0.673 W/m.độ) e. Nhiệt tải riêng : 2 q1 = 1* t1 = 171.08*4 = 648.32 (W/m ) 2 q2 = 2* t2 = 361.47*4 = 1265.88 ( W/m ) Sai số giữa q1 và q2 : q q 1265.88 684.32 2 1 0.495 > 0.05 ( 5% ) , Nên ta phải tính lặp q2 1265.88 o Tính lặp lần 1 : 0 Chọn t1 = 4.(1 + 0.459) = 6 C 0 tt1 = 47.75 + 6 = 53.75 C Pr53.75 = 3.35 Pr47.75 = 3.55 0.25 0.25 Pr47.75 3.55 1.015 Pr53.75 3.35 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 55
  56. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI - (Gr)0.1 = 4.75 - Nu = 13.2 2 - 1 = 205.29 (W/m .độ) ’ 2 - q 1 = 205.26*6 = 1231.72 (W/m ) q q ' 1265.88 1231 - 2 1 0.0265 < 0.05 (Hợp lý ) q2 1265.88 f. Hệ số truyền nhiệt tổng quát : 1  1 -1 K = [ r1 r2 ] 1  2  = Cu = 93 (W/m2.độ)  = 2 (mm)= 0.002 (m) 1 = 205.29 (W/m2.độ ) 2= 316.47 ( W/m2.độ) -3 2 Xem hệ số cáu bẩn của nước bẩn r1 = 0.8455*10 (W/m .độ) -3 2 Xem hệ số cáu bẩn của nước thường r2 = 0.5945*10 (W/m .độ) 1 0.002 1 0.8455*10 3 0.5945*10 3 -1 K = [ 205.29 93 316.47 ] = 105.11 g. Bề mặt truyền nhiệt : Q 65.64 *1000 F = 17.72 (m2) K. tlog 105.11*35.25 h. Chiều dài mỗi ống : F 17.72 L = 2.48 (m) .n.d h 3.1416 *0.025*91 Chọn L = 2.5 (m) II. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 1. Điều kiện nhiệt độ của quá trình : SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 56
  57. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Sản phẩm đỉnh Nước Nước Sản phẩm đỉnh 57.30C 400C 300C 270C Chênh lệch nhiệt độ đầu nhỏ : 0 tn = 30 –27= 3 C Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn : 0 tL = 57.3 –40 = 17.3 C Hiệu số nhiệt độ trung bình : 17.3 3 t 8.16 0C log 17.3 ln 3 Nhiệt độ trung bình của từng lưu thể : 0 t2tb = ( 27 +40)/2 = 33.5 C 0 t1tb = t2tb + tlog = 33.5 + 8.16 = 41.66 C 2. Nhiệt tải : Nhiệt lượng cần thiết để làm nguội sản phẩm đỉnh ( đã tính ở phần cân bằng nhiệt ): SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 57
  58. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI 16764.76 Q1N = * 4176.6(40 27) 252.85 (KW) 1000 *3666 3. Chọn thiết bị : a. Chọn giá trị K : tra bảng 4.4 Sách Tính tốn quá trình và thiết bị, Nguyễn Bin , được K ( ở chế độ đối lưu cưỡng bức ) = 300 (Kcal/m2.độ ) hay K = 300*4.1868*1000/3600 = 348.9 (W/m2.độ) - Bề mặt truyền nhiệt : Q 252.85*1000 F = 88.812 (m2) K. tlog 348.9*8.16 - F = .d.n.L Chọn L = 4 (m) d = 0.032 (m) F n = = 220.86 (ống ) .d.L Chọn theo tiêu chuẩn : thiết bị ống chùm, đặt nằm ngang, vật liệu là đồng thau, hệ số dẫn nhiệt  = 93 W/h.độ . Thiết bị gồm 241 ống, xếp thành 8 hình sáu cạnh, số ống ở vịng ngồi cùng là 50 ống. Chọn đường kính ngồi của ống dh = 0.032m, loại ống là 32x3mm.Chiều dài L = 3.66 (m) + Đường kính trong của thiết bị : Dtr =t.(b –1) +4.dh t : bước ống, chọn t =1.5dh =1.5*0.032 = 0.048 (m) b = 2.a –1 =2.9 –1 =17 (a = 9 :số ống trên một cạnh của hình sáu cạnh ngồi cùng Dtr = 0.048* (17-1) + 4*0.032 = 0.896(m) Chọn D = 900(mm) = 0.9 (m) b. Các lưu chất đều ở trạng thái lỏng . Vì sản phẩm đáy cĩ độ bẩn cao hơn nên cho chảy bên trong ống, cịn nhập liệu cho chảy ở ngồi ống . c. Xác định hệ số cấp nhiệt từ dịng sản phẩm đỉnh đến thành ống - Tiết diện ngang của khoảng ngồi ống là : 2 2 S = 0.785*(D tr – n.d ) = 0.785*(0.92 – 241*0.0322) = 0.442 m2 - Tốc độ chảy của dịng sản phẩm đỉnh : D w = 3600* D * S 0 Ở nhiệt độ trung bình cuả dịng sản phẩm đỉnh t1tb = 41.66 C, ta tra các thơng số : 3) acetone =766.17 (Kg/m 3 nưĩc =991.25 (Kg/m ) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 58
  59. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI 3 D =770.67 ( Kg/m ) -3 2 acetone = 0.26*10 (Ns.m ) -3 2 nước = 0.63*10 (Ns.m ) -3 2 D = 0.27*10 (Ns.m ) w = 1.223*10-3 (m/s) - Đường kính tương đương khoảng ngồi ống : D 2 n.d 2 0.9 2 241*0.0322 dtđ = = = 0.065 (m) D n.d 0.9 241*0.032 - Tính chuẩn số Re : .d . Re = td = 226.9  F 10 50 nên chọn 1 = 1) Nu = 0.15* 1* 226.90.33* 3.60.43* 6.767* 0.986 = 10.4 Nu.. 10.4*0.165 2 - Hệ số cấp nhiệt 1 = 26.4 (W/m .độ ) d td 0.065 (  tra ở 41.66 0C bằng 0.165 W/m.độ) d. Xác định hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nước : 0 ttb2 = 33.5 C , tra các thơng số : 3 nưĩc =993.95 (Kg/m ) -3 2 nước = 0.75*10 (Ns.m ) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 59
  60. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI -3 2 w = 0.349*10 (Ns.m ) - Vận tốc nước trong ống : Gn 16764.76 w = 2 2 n * n *0.785* d 3600*993.95* 241*0.785*0.026 w = 0.0366 (m/s) - Tính chuẩn số Re : .d. Re = = 1261.12  10 50 nên chọn 2 = 1) Nu = 15.71 Nu.. 2 - Hệ số cấp nhiệt 2 = 378.85 (W/m .độ ) d (  tra ở 33.5 0C bằng 0.627 W/m2.độ) e. .Nhiệt tải riêng : - q1 = 1* t1 = 26.4*6 = 158.4 (W/m2) - q2 = 2* t2 = 378.85*1 = 378.85 (W/m2) Sai số giữa q1 và q2 : q q 2 1 0.58 > 0.05 ( 5% ) . Do đĩ ta phải tính lặp : q2 o Tính lặp lần 1 : - Tính chuẩn số Pr : 0 0 + Chọn t1 = 11 C tt1 = t1tb - t1 = 41.66 - 11 = 30.66 C SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 60
  61. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Tra hình V.12 trang 12 Sổ tay tập hai : Pr30.66 = 3.9 Pr41.66 = 3.6 0.25 0.25 Pr41.66 3.6 0.980 Pr30.66 3.9 - Chuẩn số Gr : g.d 3 . 2 .. t Gr td 1  2 Gr = 369404832 (Gr)0.1 = 7.19 -Chuẩn số Nu : 033 0.43 0.1 0.25 Nu = 0.15* 1* Re * Pr *Gr (Pr/Prt ) Nu = 10.98 Nu.. 2 - Hệ số cấp nhiệt 1 = 27.88 (W/m .độ ) d td ’ 2 - q 1 = 1* t1 = 27.88*11 = 306.69 (W/m ) Sai số giữa q’1 và q2 : q q ' 2 1 0.19 > 0.05 ( 5% ) q2 o Tính lặp lần 2 : Chọn t1 = 13 0 tt1 = 41.66 -13 = 28.86 C Pr28.86 = 3.85 Pr41.66 = 3.60 0.25 0.25 Pr41.66 3.6 0.983 Pr28.66 3.85 - Gr = 436569346.9 - (Gr)0.1 = 7.31 - Nu = 11.2 2 - 1 = 28.43 (W/m .độ) ’ 2 - q 1 = 369.58 (W/m ) q q ' - 2 1 0.024 < 0.05 (Hợp lý ) q2 Vậy các thơng số chọn là phù hợp . III. Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 1. Điều kiện nhiệt độ của quá trình SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 61
  62. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Nước Sản phẩm đỉnh Nước Sản phẩm đỉnh 57.30C 57.30C 400C 270C Thơng thường người ta chọn loại thiết bị ngưng tụ với chất làm lạnh bằng nước để ngưng tụ hơi. Dịng nĩng 57.3 0C (hơi ) 57.3 0C (lỏng ) Dịng lạnh 27 0C (lỏng ) 40 0C (lỏng ) Chênh lệch nhiệt độ đầu nhỏ : 0 tn = 57.3 – 40 = 17.3 C Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn : 0 tL = 57.3 –27 = 30.3 C Hiệu số nhiệt độ trung bình : 30.3 17.3 t 23.20 0C log 30.3 ln 17.3 Nhiệt độ trung bình của từng lưu thể : 0 tt1 = 57.3 = 33.5 C 0 tt2 = 57.3 – 23.2 = 34.1 C 2. Nhiệt tải Nhiệt lượng cần thiết để ngưng tụ sản phẩm ra ở đỉnh tháp ( tiếp theo ở phần cân bằng nhiệt ): Q = 1500 *0.92 *544.31 *1000/3600 = 208652.17(W) 3. Chọn thiết bị SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 62
  63. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Chọn loại thiết bị ống chùm, đặt nằm ngang vật liệu là đồng thau, hệ số dẫn nhiệt  = 93 W/h.độ . Thiết bị gồm 187 ống, xếp thành 7 hình sáu cạnh, số ống ở vịng ngồi càng là 43 ống. Chọn đường kính ngồi của ống dh = 0.032m, loại ống là 32x3mm. Đường kính trong của thiết bị : Dtr =t.(b –1) +4.dh t : bước ống, chọn t =1.5dh =1.5*0.032 = 0.048 (m) b = 2.a –1 =2.8 –1 =15 (a = 8 :số ống trên một cạnh của hình sáu cạnh ngồi cùng ) Dtr = 0.048*(15-1) + 4*0.032 = 0.8(m) 4. Xác định hệ số cấp nhiệt từ dịng sản phẩm đỉnh đến thành ống 0 Ở nhiệt độ trung bình cuả dịng nĩng tt1 = 57.3 C, ta tra các thơng số : 3) =748.97 (Kg/m  = 0.23*10-3(Ns.m2) r = 521.42 *10-3 : ẩn nhiệt ngưng tụ của Acetone c = 2296.22 J/Kg : nhiệt dung riêng của Acetone  = 0.165 W/m.độ : hệ số cấp nhiệt của Acetone D 2 n.d 2 0.82 187 * 0.0322 dtđ = = = 0.066 (m) D n.d 0.8 187 *0.032 0 0 + Chọn t = 3 C tw1 = 57.3 - 3 = 54.3 C - Hệ số cấp nhiệt 1 = r * 2 *3 521.42 *103 *784.97 2 *0.1653 4 4 .28* 1.28* 3  * t * d td 0.23*10 *3* 0.066 = 2966.56 (W/m2.độ ) - Hệ số cấp nhiệt trung bình của chùm ống : ch =  * 1 Tra đồ thị V.18 trang 29 Sổ tay tập 2 :  = 0.90 2 ch = 0.90*2966.56 = 2669.90 ( W/m .độ ) 5. Xác định hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nước 0 - Nhiệt độ trung bình của dịng lạnh ttb2 = (40 + 27)/2 = 33.5 C , tra các thơng số : 3 nưĩc =993.95 (Kg/m ) -3 2 nước = 0.75*10 (Ns.m ) - Vận tốc nước trong ống : Gn 3.893 w = 2 2 n * n *0.785* d 993.95*187 * 0.785*0.032 Trong đĩ Gn = 3.893 (Kg/s) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 63
  64. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI w = 0.039 (m/s) - Tính chuẩn số Re : .d. Re = = 1343.46  10 50 nên chọn 2 = 1) Nu = 22.69 Nu.. 2 - Hệ số cấp nhiệt 2 = 547.18 (W/m .độ ) d 0 2 ( nước tra ở 33.5 C bằng 0.627 W/m .độ) 6. Nhiệt tải riêng 2 - q1 = ch* t1 = 2669.90*3 = 8009.7 (W/m ) 2 - q2 = 2* t2 = 547.18*15 = 8207.67 (W/m ) Sai số giữa q1 và q2 : q q 2 1 0.024 < 0.05 ( 5% ) q2 7. Hệ số truyền nhiệt 1  1 -1 K = [ r1 r2 ] 1  2  = Cu = 93 (W/m2.độ)  = 3 (mm)= 0.003 (m) 1 = 2966.56 (W/m2.độ ) 2 2= 547.18 ( W/m .độ) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 64
  65. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI -3 2 Xem hệ số cáu bẩn của nước bẩn r1 = 0.387*10 (W/m .độ) -3 2 Xem hệ số cáu bẩn của nước thường r2 = 0.464*10 (W/m .độ) 1 3 0.003 3 1 -1 K = [ 0.387 *10 0.464 *10 ] 2966.56 93 547.18 2 = 328.09 (W/m .độ ) 8. Bề mặt truyền nhiệt Q 208652.17 F = 27.41 (m2) K. tlog 328.09 * 23.20 9. Chiều dài mỗi ống F 27.41 L = 1.489 (m) n. .d h 3.1416 *0.032 *187 Chọn L = 1.5 (m) Tĩm lại : Thiết bị ngưng tụ hồi lưu – Thiết bị chùm ống cĩ : Đường kính thiết bị D = 0.8 (marketing) = 800(mm) Số ống n = 187 ống Chiều dài của ống L = 1.5 (m), đường kính d = 32(mm) = 0.032 (m) Nước đi trong ống, dịng sản phẩm đỉnh đi ngồi ống , thiết bị đặt nằm ngang. IV. Thiết bị nồi đun 1. Điều kiện nhiệt độ của quá trình Đáy tháp (hơi) Hơi Nước Đáy tháp Sản phẩm đáy Nước SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 65
  66. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI 119.60C 119.60C 106.50C 90.60C Ta dùng hơi nước bão hịa cĩ áp suất tuyệt đối là 2at, nhiệt độ sơi 119.6 0C, để cấp nhiệt cho dung dịch. Dịng nĩng 119.6 0C (hơi ) 119.6 0C (hơi ) Dịng lạnh 96 0C (lỏng ) 106.5 0C (hơi ) (Tra nhiệt độ sơi của Acetone ở áp suất 2at. Bảng I.207 trang 246 Sổ tay tập 1) Chênh lệch nhiệt độ đầu vào : 0 tn = 23.6 C Chênh lệch nhiệt độ đầu ra : 0 tL = 13.1 C Hiệu số nhiệt độ trung bình : 23.6 13.1 t 17.84 0C log 23.6 ln 13.1 2. Nhiệt tải Nhiệt lượng hơi nước cần cung cấp (tiếp theo ở phần cân bằng nhiệt ): QD2 = Qy + Qw + Qxq2 + Qng2 – QF - QR = 208652.17(W) Hay QD2 = 1.05 ( Qy + Qw – QF - QR ) = 1.05* ( 1.95*109 + 1.465*109 –1.280*109 – 1.844*108 ) = 2.048*109 (J/h) = 5,689*105 (J/s) 3. Chọn thiết bị Đặt nồi đun Kette riêng biệt với tháp . Nồi đun tiếp nhận dịng lỏng đi ra bên dưới tháp. Nhờ hơi nước bão hịa cĩ nhiệt độ cao hơn nhiệt độ dịng lỏng trên sẽ giúp hĩa hơi một phần lỏng ở đáy tháp mục đích tạo hơi cho phần này cĩ điều kiện đi lên đỉnh tháp. Ống dùng ttrong nồi cĩ kích thước : đường kính ngồi của ống dh = 0.032m, loại ống là 32x3mm. Thiết bị gồm 187 ống, xếp thành 7 hình sáu cạnh, số ống ở vịng ngồi càng là 43 ống. 4. Xác định hệ số cấp nhiệt từ dịng sản phẩm đỉnh đến thành ống - Xác định chuẩn số Re : Khi ngưng hơi ở mặt ngồi ống nằm ngang : SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 66
  67. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI .d.z.q Rem = ( Trang 27 Sổ tay tập 2) 2..r Độ nhớt của nước ngưng : = 0.233*10-3(Ns.m2) ở nhiệt độ 119.0 0C r = 2173 *10-3 ( nhiệt hĩa hơi ) z : số ống trong một dãy ống ( ống nọ xếp lên trên ống kia ), z = 8 ống. 2 Chọn Ksb = 700 (W/m .độ ) 2 qsb = K. tlog = 700*17.84 = 12488 (W/m ) 3.14 *0.032*8*12488 Rem = 9.94 0.5 Do đĩ hệ số cấp nhiệt 1 được xác định theo cơng thức : r * 2 *3 2173*103 *9442 * 0.6843 4 4 1 = 1.28* 1.28* 3  * t * d td 0.208*10 *3*0.032 = 16513.77 (W/m2.độ ) 3 Trong đĩ 1 = 944 (Kg/m )  = 0.684 (W/m.độ ) 0 Chọn t1 = 3 C 5. Tính hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy nồi - Hệ số cấp nhiệt 2 cho chế độ sủi bọt được áp dụng theo cơng thức V.94 Sổ tay tập2 - Xem sản phẩm đáy là nước vì nồng độ Acetone rất nhỏ . Khi đĩ tính hệ số cấp nhiệt theo cơng thức V.95 Sổ tay tập 2 0.7 0.5 2 2 = 0.56* q *p (W/m .độ) Với p = 1.114 at : áp suất làm việc trên bề mặt thống dung dịch q = q1 :giả thiết truyền nhiệt là ổn định 2 q = q1 = 1 * t1 16513.77 *3 49541.31(W / m ) 0.7 0.15 2 2 = 0.56 * 49541.31 *1.114 1100.77 (W/m .độ) 0 - Chọn t2 = 14.5 C 0 ttw2 = (96 +106.5)/2 + 14.5 = 115.75 C 2 q2 = 1100.77*14.5 = 15961.165 (W/m ) Sai số giữa q1 và q2 : q q 2 1 0.033 < 0.05 ( 5% ) q2 Vậy các thơng số đã chọn là phù hợp . 6. Hệ số truyền nhiệt 1  1 -1 K = [ r1 r2 ] 1  2 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 67
  68. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI  = Cu = 93 (W/m2.độ)  = 2 (mm)= 0.002 (m) 1 = 16513.77 (W/m2.độ ) 2= 1100.77 ( W/m2.độ) Xem hệ số cáu bẩn của nước bẩn r1 = 0.387*10-3 (W/m2.độ) -3 2 Xem hệ số cáu bẩn của nước thường r2 = 0.464*10 (W/m .độ) 1 3 0.002 3 1 -1 K = [ 0.387 *10 0.464*10 ] 16513.77 93 1100.77 2 = 539.88 (W/m .độ ) 7. Bề mặt truyền nhiệt Q 5.689*105 F = 59.067 (m2) K. tlog 539.88*17,84 8. Chiều dài mỗi ống F 59.067 L = 3.142 (m) n. .d h 3.1416 *0.032 *187 Chọn L = 3.25 (m) V. Tính bồn cao vị- Bơm 1. Tính bồn cao vị: (xem trang sau) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 68
  69. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI - Tính sơ bộ z2 : ( chiều cao từ đế chân đỡ đến vị trí nhập liệu ) z2 = Ho – [ l1 + ht + h + 386 + 8*(H + m ) + 100 ] (mm) Với Ho : chiều cao tháp so với đế chân đỡ , Ho = 5105 (mm) l1 : chiều cao ống dẫn hơi ở đỉnh ,l1 = 130 (mm) ht , h : chiều cao đáy và gờ , ht = 200 (mm), h = 25(mm) 386 : chiều cao của mâm thứ nhất H, m : khoảng cách giữa các mâm và chiều dày của mâm H = 300, m = 4 (mm) 8 : số mâm (tính đến vị trí nhập liệu) 100 : khoảng cách từ mâm thứ 9 đến vị trí nhập liệu z2 = 5105 – [ 130 + 200 + 25 + 386 + 8( 300 + 4 ) + 100] = 1832 (mm) - Xét hai mặt cắt 1-1 và 2-2 : 2 2 P1 v 1 P2 v 2 z1 + z  h  2g 2  2g w1 2 2 2 P2 P1 v 2 v 1 z1= z2 +  h  2g w1 2 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 69
  70. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Trong đĩ : v1 =0 (m/s) P P P 5297.9 2 1 cat 0.568 (m) = 568 (mm)   949.8*9.81 0 68.5C 3 = F = 949.8 (Kg/m ) Chọn đường kính ống dẫn : d = 40 (mm) = 0.04 (m) 3 4QF 4 *1.505*10 v2 = 1.2 (m/s) .d 2 3.1416*0.04 2 Tổng trở lực trên đường ống : 24 2 .l v2  hw1 2 (i ). i 1 d 2.g Chọn sơ bộ chiều dài chiều dài ống dẫn l = 15 (m) + Tính hệ số  : v2 .d. F 1.2*0.04*949.8 4 Re = 2 118601.4 10  F 0.3844 *0.04 100 Nên  (1.46. ) 0.25 Re Chọn  = 0.2 (mm) ( độ nhám tuyệt đối của ống dẫn )  0.2 0.005 d 40 100  (1.46 *0.005 )0.25 0.03 118601.4 + Các hệ số tổn thất cục bộ : . Hệ số trở qua thiết bị gia nhiệt nhập liệu : 0.03 0.26 1 (6 9 * m)(S / d) * Re .Số dãy ống m = 11 dống = 0.021 (m) .Khoảng cách giữa hai tâm ống :S = t.cos30 = 26 (mm) 0.03 0.26 1 (6 9 *11)(26 / 21) *118601.4 4.79 . Hệ số trở lực qua đoạn uốn ống : ’  = 2 = 4 = 5 = 6 = 7 = 11 = 12 = 13 = 14 = 14 = 15 = 17 = A.B.C Gĩc uốn  = 900 A = 1 a a = 40 (mm) = 1 B = 0.21 d R 1 C = 1 d ' 1 = 1 * 0.21 * 1 = 0.21 . Hệ số trở lực của lưu lượng kế khơng đáng kể : 20 = 0 . Hệ số trở lực của van cơn trong ống trịn và thẳng : ” = 3 = 18 = 19 = 21 = 0.05 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 70
  71. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI . Hệ số đột mở 24 = 0.57 do : Re= 118601.4 104 2 2 F0 d 0 0.04 2 2 0.25 F1 d1 0.08 . Hệ số đột mở trước khi vào thiết bị gia nhiệt : 7 = 0.31 do : Re= 118601.4 104 2 2 F0 d 0 0.04 2 2 0.44 F1 d1 0.06 ( Chọn đường kính lỗ mở ở thiết bị gia nhiệt 60 (mm)) . Hệ số đột thu sau thiết bị gia nhiệt : 10 = 0.32 do : Re= 118601.4 104 2 2 F0 d 0 0.04 2 2 0.44 F1 d1 0.06 . Chọn đường kính lỗ mở ở bồn cao vị : 100(mm) Hệ số đột thu 1 = 0.46 do : Re= 118601.4 104 2 2 F0 d 0 0.04 2 2 0.16 F1 d1 0.1 . Hệ số tổn thất ở ống 3 ngã : 16 = 23 = n = A.’ + o F Do 3 0.5 A 0.72 F2 V Tỷ số lưu lượng 3 0.5 V2 F Và 3 0.5 F2 ’ = 1.63 0 = 0.53 16 = 23 = 0.72*1.63 + 0.53 = 1.70  cb = 1 + 7 + 10 + 2.n +  + 11. ’ + 4. ” = 0.46 + 0.31 + 0.32 + 2*1.7 + 4.79 + 11*0.21 + 4*0.05 = 11.79 0.03*1.5 1.2 2  h (11.79 ). 1.691(m) 1691(mm) w1 2 0.04 2.9.81 1.2 2 z1 = 1.832 + 0.568 + 1.691= 4.164 (m) = 4164 (mm) 2*9.81 o Khoảng cách từ mâm nhập liệu đến đế chân thiết bị : o H1 = z2 = 1832 (mm) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 71
  72. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Vậy khoảng cách từ mực chất lỏng trong bồn cao vị đến bơm ( giả sử đặt ngay đế chân đỡ ) Hcv = z1 = 4164 (mm) 2. Tính bơm Áp dụng phương trình Bernulli cho mặt cắt (1-1) và (3-3) : 2 2 v3 P3 v1 P1 Hb + z3 + = z1 +  h1 3 2.g  3 2.g  1 Trong đĩ : P1 = P3 = 1 at 1 = 3 v1 = v3 : chọn đường kính ống hút bằng đường kính ống đẩy . Hb = z1 – z3 + h1-3 + Chọn chiều cao mực chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu cao hơn đế chân đỡ 0.3 (m) = 300 (mm) 11 .l v 2 h1-3 = (i ). i 1 d 2.g Chọn chiều dài ống dẫn l= 8 (m) Chọn đường kính ống dẫn d = 40 (mm) Vận tốc v= 1.5 (m/s) - Tính hệ số  : v.d. 1.5* 0.04*978.98 Re = 74690.77 104  0.78*10 3 100 Nên  (1.46. ) 0.25 Re Chọn  = 0.2 (mm) ( độ nhám tuyệt đối của ống dẫn )  0.2 0.005 d 40 100  (1.46 *0.005 )0.25 0.03 74690.77 - Tương tự khi tính ở bồn cao vị ta cĩ các hệ số trở lực cục bộ : 1 = 0.32 ; 2 = 4 = 6 = 7 = 9 = 10 = 0.21 ; 3 = 5 = 0.05 ; 8 = 1.7; 10 = 0.31 cb = 0.32 + 6*0.21 + 2*0.05 + 1.7 + 0.31 = 3.69 8 1.52 h1-3 = ( 3.69 + 0.03* )* = 1.111(m) = 1111 (mm) 0.04 2 *9.81 Hb= 4164 – 300 + 1111 = 4975 (mm) = 4.975 (m) Cơng suất bơm ly tâm : Q.H b . .g Nt = 1000. SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 72
  73. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI d 2 0.042 Q = . .v 3.1416* *1.5 1.855*10 3 (m3/s) 4 4 Hb = 4.975 (m) = 970.98 (Kg/m3)  = 75% (Hiệu suất bơm) 1.885*10 3 * 4.975*970.98*9.81 Nt = = 0.12( KW) 1000 *0.75 Cơng suất động cơ điện : Nt 0.12 Ndc = = 0.15 (KW) tr .dc 0.9*0.9 Với tr : hiệu suất truyền động . đc : hiệu suất động cơ . Đề phịng quá tải, ta chọn bơm cĩ cơng suất N = 2.Nt = 2*0.12 = 0.24 (KW) . SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 73
  74. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI CHƯƠNG 6 TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ Khối lượng vật liệu (Kg) Chi tiết Thép X18H10T Thép CT3 Vỏ tháp 351.03 Nắp-đáy 61 Mâm 17.54 Chĩp 98.26 Ong hơi 47.49 Ong chảy chuyền 31.20 Bích nối thân 229.96 Bích nối các ống dẫn 12.56 Tổng 606.52 242.52 Giá vật liệu Thành tiền Vật liệu ( Đồng/Kg) ( Đồng) Thép X18H10T 50000 30326000 Thép CT3 10000 2425200 Số lượng Thành tiền Bulơng Đồng/con ( Con) (Đồng) M5 500 150 75000 M8 1000 857 857000 M16 2000 48 96000 M20 2500 360 900000 Chi tiết khác Đồng/Đơnvị Đơn vị Thành tiền SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 74
  75. ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI ( Đồng) Kiếng thủy tinh 250000/m2 0.318 m2 80000 Ap kế 600000/cái 2 cái 1200000 Nhiệt kế 150000/cái 4 cái 600000 Lưu lượng kế 1000000/cái 1 cái 1000000 Vật liệu cách nhiệt 4000000/m3 0.44m3 1750000 - Tổng tiền vật tư chế tạo tháp và các thiết bị cĩ liên quan đến họat động của tháp : 39309000 ( Đồng ). - Tiền gia cơng chế tạo và lắp đặt :( lấy bằng 1.5 tiền vật tư ) : 58963500 ( Đồng ). - Vậy giá thành tháp chưng : 98272500 ( Đồng). TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Văn Ban, Vũ Bá Minh,Giáo trình Quá trình và thiết bị cơng nghệ hĩa học Tập 3, ĐHBK Tp.HCM. [2] Phạm Văn Bơn, Giáo trình Quá trình và thiết bị cơng nghệ hĩa học Tập 5, ĐHBK Tp.HCM. [3] Giáo trình Quá trình và thiết bị cơng nghệ hĩa học Tập 10 – Ví dụ và Bài tập , ĐHBK Tp.HCM. [4] Sổ tay Quá trình và thiết bị cơng nghệ hĩa học Tập 1 và Tập 2, ĐHBK Hà Nội. [5] Gs,Ts Nguễn Bin, Thiết bị trong cơng nghệ hố chất và thực phẩm, Tập 1 và Tập 2. [6] Raymond E.KIPK and Donald F.Othmer, Volume 1, Encyclopedia of Chemcial technology. SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 75