text:
- 52 trang
- Lượt xem: 711
- Download: 282
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị: Phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho methanol
Chia sẻ: meoancaran
Công nghệ hóa học là một trong những ngành đóng góp rất lớn trong sự phát triển của nền công nghiệp nước ta.Trong ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu có độ tinh khiết cao phải phù hợp với qui trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng. Ngày nay, các phương pháp được sủ dụng để nâng cao độ tinh khiết là: chưng cất, trích ly, cô đặc, hấp thu ….Tùy theo đặc tính sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp....
Thể loại:Luận Văn - Báo Cáo » Khoa Học Tự Nhiên
Chủ đề liên quan:
Nội dung Text: Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị: Phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho methanol
Quá trình và Thiết bị
" phương pháp
chưng cất để nâng
cao độ tinh khiết cho
methanol "
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
LỜI MỞ ĐẦU
Công ngh ệ hóa học là một trong những ngành đóng góp rất lớn trong sự phát
triển của nền công nghiệp nước ta.Trong ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng
sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu có độ tinh khiết cao phải phù hợp với
qui trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng.
Ngày nay, các phương pháp được sủ dụng để nâng cao độ tinh khiết là: chưng cất,
trích ly, cô đ ặc, hấp thu ….Tùy theo đ ặc tính sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp
thích hợp. Hệ methanol – nước là 2 cấu tử tan lẫn ho àn toàn, ta dùng phương pháp
chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho methanol.
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá
trình học tập của các kỹ sư hoá- thự c phẩm tương lai. Môn học giúp sinh viên giải
quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết
bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng
những kiến thức đ ã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế
một cách tổng hợp.
Em chân thành cảm ơn thầy Mai Thanh Phong và các quí thầy cô bộ môn Máy &
Thiết Bị, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình
hoàn thành đồ án không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn.
Tp HCM, ngày 18.1.2010
Trang 3
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
CHƯƠNG 1
Tổng quan
I. Giới thiệu về nguyên liệu
1. Methanol
Methanol còn gọi là rượu gỗ, có công thức hóa học CH3OH. Là chất lỏng
không màu, dễ bay hơi và rất độc. Các thông số của methanol:
- Phân tử lượng: 32,04 g/mol.
- Khối lượng riêng: 0,7918 g/cm3.
- Nhiệt độ nóng chảy: -97 oC (176K).
- Nhiệt độ sôi: 64,5oC ( 337,8K).
- Độ nhớt: 0,59 Ns/m2 ở 20 oC.
1.1. Ứng dụng
Methanol được dùng làm chất chống đông, làm dung môi, làm nhiên liệu
cho động cơ đốt trong, nhưng ứng dụng lớn nhất là làm nguyên liệu để sản xuất các hóa
chất khác.
Kho ảng 40% metanol được chuyển thành forml dehyde, từ đó sản xuất ra
chất dẻo, sơn…Các hóa chất khác đ ược dẫn xuất từ metanol bao gồm dimeylete…
1.2. Sản xuất
Methanol được sinh ra từ sự trao đổi chất yếm khí của 1 vài loài vi khu ẩn.
Kết quả là 1 lượng nhỏ hơi methanol được tạo thành trong không khí. Và sau vài ngày
không khí có chứa methanol sẽ bị oxy hoá bởi O2 dưới tác dụng của ánh sáng chuyển thành
CO2 và H2O theo phương trình:
2CH3OH + 3 O2 2CO2 + 4H2O
Hiện nay methanol được sản xuất bằng cách tổng hợp trực tiếp từ H2 và CO,
gia nhiệt ở áp suất thấp có mặt chất xúc tác.
2. Nước
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không
vị nhưng khối nước d ày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau.
Tính chất vật lý:
- Khối lượng phân tử : 18 g / mol
- Khối lượng riêng d 4oC : 1 g / ml
: 0 0C
- Nhiệt độ nóng chảy
: 100 0 C
- Nhiệt độ sôi
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đ ất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất
cần thiết cho sự sống.
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng ho à tan nhiều chất và là dung môi rất
quan trọ ng trong kỹ thuật hóa học.
3. Hỗn hợp Methanol-nước
Ta có b ảng cân bằng lỏng-hơi cho hỗn hợp methanol-nước ở 1 atm
Bảng 1
Trang 4
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
toC 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,5 66 64,5
x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100
Ở đ ây
x là thành phần lỏng
y là thành phần hơi
II. Lý thuyết về chưng cất:
1. Khái niệm:
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng (cũng như
hỗn hợp khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ b ay hơi khác nhau của các cấu tử
trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác
nhau).
Thay vì đ ưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha
như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên
bằng sự bốc hơi ho ặc ngưng tụ.
Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy
nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi
và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ
khác nhau), còn trong quá trình cô đ ặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay
hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì hệ có bao nhiêu cấu tử sẽ
thu được b ấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu đ ược 2 sản
phẩm:
+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu
tử có độ bay hơi bé.
+ Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi b é và một phần rất ít cấu tử có
độ bay hơi lớn.
Vậy đối với hệ methanol - nước thì:
- Sản phẩm đỉnh chủ yếu là methanol.
- Sản phẩm đáy chủ yếu là nước.
2. Các phương pháp chưng cất:
2.1. Phân lo ại theo áp suất làm việc
- Áp su ất thấp
- Áp su ất thường
- Áp su ất cao
2.2. Phân lo ại theo nguyên lý làm việc
- Chưng cất đơn giản
- Chưng b ằng hơi nước trực tiếp
- Chưng cất đa cấu tử
2.3. Phân lo ại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp
- Cấp nhiệt trực tiếp
- Cấp nhiệt gián tiếp
Vậy đối với hệ methanol - nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp
nhiệt gián tiếp .
3. Thiết bị chưng cất:
Trang 5
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất.
Tuy nhiên yêu cầu cơ b ản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt
tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào
lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng
phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đ ây ta khảo sát 2 loại thường dùng
là tháp mâm và tháp chêm.
- Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác
nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của
đ ĩa, ta có:
- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…
- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh
- Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay
hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay
xếp thứ tự.
So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:
Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp
- Cấu tạo khá đ ơn giản. - Trở lực tương đối thấp. - Khá ổn định.
Ưu
- Trở lực thấp. - Hiệu suất khá cao. - Hiệu suất cao.
điểm
- Làm việc đ ược với chất lỏng bẩn.
- Do có hiệu ứng thành nên hiệu - Không làm việc được - Có trở lực lớn.
suất truyền khối thấp. với chất lỏng bẩn. - Tiêu tốn nhiều
Nhược
- Độ ổn định thấp , khó vận hành. - Kết cấu khá phức tạp. vật tư, kết cấu
điểm
- Khó tăng năng suất. p hức tạp.
- Thiết bị khá nặng nề.
Trong báo cáo này ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ methanol - nước.
CHƯƠNG 2
Quy trình công nghệ
1 . Thuyết minh quy trình công nghệ:
Hỗn hợp methanol - nước có nồng độ nhập liệu methanol 10 % (theo phần hối lượng),
nhiệt độ khoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (13) được bơm (1) bơm lên bồn cao vị (2 ).
Từ đó đ ược đ ưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy (12 ). Sau đó, hỗn hợp được
Trang 6
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi d òng nhập liệu (3), rồi được đưa vào tháp
chưng cất (5 ) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy
xu ống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc và
trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xu ống dưới
càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đ ã bị pha hơi tạo nên từ hơi nước đ ược cấp
trực tiếp vào đáy tháp lôi cu ốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi
hơi đi qua các đ ĩa từ d ưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối
cùng trên đỉnh tháp ta thu đ ược hỗn hợp có cấu tử methsanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ
95 % phần khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (7) và được ngưng tụ ho àn toàn.
Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng. Phần còn lại được
làm nguội đến 400C, rồi đ ưa về b ình chứa sản phẩm đỉnh.
Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp đ ược bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao
trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đ áy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là
các cấu tử khó bay hơi (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ methanol là 1 ,5% phần
khối lượng, còn lại là nước. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp đi vào thiết bị trao đổi
nhiệt với dòng nhập liệu, rồi được đ ưa qua bồn chứa sản pham đáy (11).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là methanol. Sản phẩm đáy là nước
sau khi trao khi trao đổi nhiệt với d òng nhập liệu được thải bỏ ở nhiệt độ 60 0C.
Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1. Bồn chứa nguyên liệu
2. Bơm
3. Bồn cao vị
4. Thiết bị trao đổi nhiệt.
5. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
6. Lưu lượng kế.
7. Tháp chưng
8. Thiết bị đun sản phẩm đáy
9. Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
10. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
11. Thiết bị làm ngu ội sản phẩm đỉnh
12. Bẩy hơi
13. Bồn chứa sản phẩm đáy
Trang 7
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN SƠ BỘ
I. C ác thông số ban đầu:
- Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ. Thiết bị hoạt động liên tục.
- Khi chưng luyện dung dịch metanol thì cấu tử dễ bay hơi là metanol.
- Hỗn hợp:
+ Methanol: CH3OH, MR = 32 (g/mol)
+ Nước: H2O, MN = 18 (g/mol)
Năng su ất nhập liệu : GF = 1000 (l/h)
Nồng độ nhập liệu : x F = 10% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)
Nồng đ ộ sản phẩm đỉnh: x P = 95% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)
Nồng dộ sản phẩm đáy: xW = 1,5% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)
Chọn:
- Nhiệt độ nhập liệu b an đầu : tBĐ = 28oC
- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm ngu ội: tPR = 60oC
- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 28 oC
- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40oC
- Trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi.
Các ký hiệu:
GF, F: su ất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.
GP, P: su ất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h.
GW, W: su ất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h.
L : su ất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h.
xi, xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.
II. C ân bằng vật chất:
1. Nồng độ phần mol của Methanol trong tháp
xF / M R 0.1 / 32
xF 0.0588
x F / M R (1 x F ) / M N 0.1 / 32 (1 0.1) / 18
xP / M R 0.95 / 32
xP 0.9144
x P / M R (1 x P ) / M N 0.95 / 32 (1 0.95) / 18
xW / M R 0.0.15 / 32
xW 0.0085
xW / M R (1 xW ) / M N 0.015 / 32 (1 0.015) / 18
Từ số liệu của bảng 1 ta xây dựng đồ thị t-x, y cho hệ Methnol- nước
Trang 8
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
100
0
tC
95
90
hôi
85
loûng
80
75
70
65
60
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
x,y
Đồ thị 1 đồ thị t-x,y cho h ệ Methnol- nước
Do ta chọn trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi nên từ đồ thị
1 trên, tại xF = 0 .0588 ta nội suy ra nhiệt độ nhập liệu vào tháp chưng cất là
TF = 91,5 0C
Tra b ảng 1.249, trang 310, {1} ta được N = 964,25 kg/m3
Tra b ảng 1.2, trang 9, {1} ta được R = 722.19 kg/m3
Suy ra khối lượng riêng của hỗn hợp khi nhập liệu vào tháp
1 xF
x 1 0.1
1 0.1
1,072.10 3
F
F R N 722,19 964,25
F 933.0 kg/m3
Suy ra GF = 933,0 kg/h
Ta có M F x F .M R (1 x F ).M N 0,1.32 (1 0,1).18 19,4 kg/kmol
GF 933,0
Nên F 48,093 kmol/h
MF 19,4
Trang 9
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
2. Suất lượng mol của các dòng
- Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp
F=P+W
F.xF = P.xP + W.xW
- Thế các giá trị vào ta được hệ phương trình sau
P W 48,093
0,9144P 0,0085W 48,093.0,0588
P = 2,67 kmol/h
W= 45,42 kmol/h
- Lại có
M P x P .M R (1 x P ).M N 0,95.32 (1 0,95).18 31,30 kg/kmol
M w xW .M R (1 xW ).M N 0,015.32 (1 0,015).18 18,21 kg/kmol
- Suy ra
GP = P.MP = 2,67.31,30 = 83,57 kg/h
GW = W.MW = 45,42.18,21 = 827,1 kg/h
3. Các phương trình làm việc
- Từ bảng số liệu 1 ta xây dựng đồ thì cân bằng pha của hệ Methanol-nước
ở áp suất 1atm
- Với xF = 0,0588 ta nội suy từ đồ thị 2 đ ược y * = 0,295
F
+ Tỉ số hoàn lưu tối thiểu
x y * 0,9144 0,295
Rmin P F
2,62
*
y F x F 0,295 0,0588
+ Tỉ số hoàn lưu làm việc:
R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3.2,62 + 0.3 = 3,71
+ Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu
x xW 0,9144 0,0085
f P 18,01
0,0588 0,0588
x F xW
Phương trình đ ường làm việc của phần chưng:
R f 1 f 3,71 18,01 1 18,01
y x xW .x .0,0085 4,61.x 0,031`
R 1 R 1 3,71 1 3,71 1
Hay y 4,61.x 0,031`
Phương trình đ ường làm việc của phần luyện:
R 1 3,71 1
y x .x P .x .0,9144 0,788.x 0,194
R 1 R 1 3,71 1 3,71 1
Hay y 0,788.x 0,194
Trang 10
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
1
y
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
x
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Đồ thị 2: đồ thì cân bằng pha của hệ Methanol-nước ở áp suất 1atm
CHƯƠNG 4:
Trang 11
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Thiết kế chế tạo tháp chưng cất
I. Đ ường kính tháp:
1. Phần luyện:
a. Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần luyện:
- Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện:
x x F 0,9144 0,0588
xL P 0,4866 mol
2 2
- Nội suy từ đồ thị 1 ta được nhiệt độ trung b ình của pha lỏng trong phần luyện
TLL = 73,4 oC
- Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện:
x x F 0,95 0,1
xL P 0,525
2 2
- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]
Khối lượng riêng của nước ở 73,4oC: N = 975,76 kg/m3
- Tra b ng 1.2, trang 9, [1]
Khối lượng riêng của metanol ở 73,4oC: R = 739,77 kg/m3
- Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [1]
1 xL
x 0,525 1 0,525
1
1,196.10 3
L
LL R N 739,77 957,76
Þ LL = 835,78 kg/m3
b. Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:
- Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện:
yL = 0,788xL + 0.194 = 0,788.0,4866 + 0.194 = 0,5775
Þ Nhiệt độ trung b ình của pha hơi trong phần luyện: THL = 81,6 oC
- Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện:
MHL = yL. MR + (1 – yL). MN = 0,5775.32 + (1 – 0 ,5775). 18 = 26,085 kg/kmol
- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:
PM HL 1.26,085
0,8965 kg / m 3
HL
22,4
RTHL
(81,6 273)
273
- Chọn khoảng cách mâm h = 250 mm
- Tra hình 2.2, trang 42,[6]: C = 0 ,028
- Vận tốc pha hơi đi trong phần luyện
LL 835,78
L C 0,028 0,855 m / s
HL 0,8965
Lưu lượng pha hơi đi trong phần luyện của tháp:
G .(1 R ).22,4.THL 83,57.(1 3,71).22,4.(81,6 273)
0,102 m 3 / s
QV P
M P .To .3600 31,3.273.3600
Đường kính đoạn luyện
4.QV 4.0,102
DL 0,390 m
. L 3,14.0,855
Trang 12
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
2. Phần chưng:
a. Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần chưng:
- Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng:
x xW 0,0588 0,0085
xC F 0,034 (mol metanol/mol hỗn hợp)
2 2
- Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng: TLC = 94,6 oC
- Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện:
x xW 0,1 0,015
xC F 0,0575 kg metanol/ kg hỗn hợp
2 2
- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]
Khối lượng riêng của nước ở 94,6 oC: N = 962,78 kg/m3
- Tra b ng 1.2, trang 9, [1]
Khối lượng riêng của metanol ở 94,6oC: R = 719,18 kg/m3
- Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [1]
1 xC 0,0575 1 0,0575
x
1
1,059.10 3
C
LC R N 719,18 962,78
LC = 941,39 (kg/m3).
b. Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng
- Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần chưng
yC = 4,61xC - 0,031 = 4,61.0,034 – 0,031 = 0,126
Þ Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần chưng:
THC = 96,4 oC
- Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần chưng
MHC = yC. MR + (1 – yC). MN = 0,126.32 + (1 – 0 ,126). 18 = 19,76 kg/kmol
- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng:
PM HC 1.19,76
0,566 kg / m 3
HC
22,4
RTHC
(96,4 273)
273
- Chọn khoảng cách mâm h = 250 mm
- Vận tốc pha hơi đi trong phần chưng:
- Tra hình 2.2, trang 42,[6]: C = 0 ,028
LC 941,39
C C 0,028 1,142 m / s
HC 0,566
- Lưu lượng pha hơi đi trong tháp:
G .(1 R ).22,4.THC 83,57.(1 3,71).22,4.(96,4 273)
0,106 m 3 / s
QV P
M P .To .3600 31,3.273.3600
- Đường kính đoạn chưng
4.QV 4.0,106
DC 0,344 m
. C 3,14.1,142
Tra bảng IX.4a, trang 169, [2], ta chọn theo chuẩn D = 400 mm
Kết luận: đường kính tháp là D = 0,4 m
Trang 13
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Vận tốc pha hơi trong tháp theo thực tế:
4.QV 4.0,106
C 0,844 m / s
3,14.DC . 3,14.0,4 2
2
4.QV 4.0,102
L 0,812 m / s
3,14.DL . 3,14.0,4 2
2
II. C hiều cao tháp:
1. Số mâm lý thuyết
Ta dựng đồ thị 2 đ ường làm việc vào trong đồ thị 2 (đồ thị cân bằng pha).
Đồ thị 3: Đồ thị xác định số bậc lý thuyết của tháp
Từ đồ thị 3 ở trên ta suy số mâm lý thuyết của tháp là Nlt = 10 mâm. Nhưng do ta dùng
thiết bị đun nóng gián tiếp nên ta xem thiết bị này như là 1 mâm lý thuyết
Vậy số mâm trong tháp là 9 mâm, trong đó
+ Số mâm phần chưng là 5
+ Số mâm phần luyện là 4
2. Xác định số mâm thực tế của tháp
Trang 14
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
a. Hiệu suất trung bình của tháp
+ Vị trí đỉnh
Nồng độ phần mol: xP = 0,9144
tsôi = 65,8 oC
y * = 0,972
Độ bay hơi tương đối:
y * .(1 x) 0,972.(1 0,9144)
3,250
(1 y*).x (1 0,972).0,9144
Tra bảng 1.104, trang 96, [1] Þ Độ nhớt của nước mN = 0 ,432 cP
Dùng toán đồ 1.18, trang 90, [1] Þ Độ nhớt của metanol mR = 0,325 cP
Công thức (I.12), trang 84, [1]
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lgm hh = x1lgm1 + x2lgm2
Nên: lgmhh = 0,9144.lg0,325 + (1 – 0,9144 ).lg0,432 = -0,478
Þ mhh = 0,333 cP
Þ aLmL = 3 ,250.0,333 = 1,082
Tra hình IX, trang 171, [2] Þ E = 46%
+ Vị trí nhập liệu
Nồng độ phần mol: xF = 0,0588
o
tsôi = 91,5 C
y * = 0,305
Độ bay hơi tương đối:
y * .(1 x) 0,305.(1 0,0588)
7,025
(1 y*).x (1 0,305).0,0588
Tra bảng 1.104, trang 96, [1] Þ Độ nhớt của nước mN = 0 ,312 cP
Dùng toán đồ 1.18, trang 90, [1] Þ Độ nhớt của metanol mR = 0,245 cP
Công thức (I.12), trang 8 4, [1]
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lgmhh = x1lgm1 + x2lgm2
Nên: lgmhh = 0,0588.lg0,245 + (1 – 0,0588 ).lg0,312 = -0,512
Þ mhh = 0,308 cP
Þ aLmL = 7 ,025.0,308 = 2,161
Tra hình IX, trang 171, [2] Þ E = 41%
+ Vị trí đáy:
Nồng độ phần mol: xP = 0,0085
tsôi = 98,5 oC
y * = 0,052
Độ bay hơi tương đối:
y * .(1 x ) 0,052.(1 0,0085)
6,40
(1 y*).x (1 0,052).0,0085
Tra bảng 1.104, trang 96, [1] Þ Độ nhớt của nước mN = 0 ,289 cP
Dùng toán đồ 1.18, trang 90, [1] Þ Độ nhớt của metanol mR = 0,215 cP
Công thức (I.12), trang 84, [1]
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lgmhh = x1lgm1 + x2lgm2
Nên: lgmhh = 0,0085.lg0,215 + (1 – 0,0085 ).lg0,289 = -0,541
Þ mhh = 0,288 cP
Þ aLmL = 6 ,40.0,288 = 1,842
Trang 15
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Tra hình IX, trang 171, [2] Þ E = 43%
+ Hiệu suất trung b ình của tháp
46 41 43
E tb 43,3%
3
b. Chiều cao tháp
- Số mâm thực tế của tháp
N 9
N tt lt 21 mâm
Etb 0,433
Trong đó
N 5
N ttC C 12 mâm
Etb 0,433
N 4
N ttL L 9 mâm
Etb 0,433
- Chiều cao to àn tháp: Sử dụng công thức IX.54, trang 169, [2]
Htháp = Ntt.(hmâm + d ) = 21.( 0,25 + 0,002 ) + 0,8 = 6,092 m
h
- Chọn đáy (nắp) tiêu chu ẩn có t 0,25 suy ra ht = 0,25.D = 0,25.0,4 = 0,10 m
Dt
- Chọn chiều cao gờ: hg = 25 mm = 0,025 m
- Chiều cao đáy (nắp): Hđn = ht + hg = 0,1 + 0,025 = 0,125 m
Kết luận: Chiều cao to àn tháp: H = 6,34 m
III. Trở lực tháp:
Cấu tạo mâm lỗ:
+ Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:
- Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm.
- Đường kính lỗ dl = 3 mm = 0,003 m
- Chiều cao gờ chảy tràn: hgờ = 30mm = 0,03 m
- Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm.
- Lỗ bố trí theo hình lục giác đều.
- Kho ảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 15 mm.
- Bề dày mâm b ằng 2 mm
- Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T.
+ Số lỗ trên 1 mâm:
2 2
D
8% S m 0,4
0,08 t 0,08. = 1422 lỗ
N= d
Sl 0,003
l
Gọi a là số hình lục giác.
Áp dụng công thức (V.139), trang 48, [2]: N = 3a(a-1) +1
Giải phương trình bậc 2 Þ a = 22,3 » 23 Þ N = 1519 lỗ
Số lỗ trên đường chéo: b = 2a - 1 = 43 lỗ
2. Trở lực của đĩa khô:
Áp dụng công thức (IX.140), trang 194, [2]:
Trang 16
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
' 2 . H
Pk
2
Đối với đĩa có tiết diện tự do bằng 10 % diện tích mâm thì x = 1,82
2.1. Phần luyện
0,812
Vận tốc hơi qua lỗ: ' L L 10,15 m/s
8% 0,08
10,15 2.0,8965
84,05 N/m2
Nên: DPkL = 1,82.
2
2.2. Phần chưng
C 0,844
Vận tốc hơi qua lỗ: 'C 10,55 m/s
8% 0,08
10,55 2.0,566
57,33 N/m2
Nên: PkC 1,82.
2
3. Trở lực do sức căng bề mặt
Vì đĩa có đường kính lỗ > 1mm
Þ Ap dụng công thức (IX.142), trang 194, [2]:
4
P
1,3d loã 0,08d 2
loã
3.1. Phần luyện
Tại nhiệt độ trung b ình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 73,4oC thì:
· Tra b ảng 1.249, trang 310, [1] Þ Sức căng bề mặt của nước sNL = 0,6334 N/m
· Tra b ảng 1.242, trang 300, [1] Þ Sức căng bề mặt của rượu sRL = 0 ,0184 N/m
Ap dụng công thức (I.76), trang 299, [1]:
11 1
1 2
1 2 1 2
0,6334.0,0184
LL 0,0179 N/m
0,6334 0,0184
4 0,0179
18,36 N/m2
PL
1,3 0,003 0,08 0,003 2
3.2. Phần chưng
Tính toán tương tự như phần luyện
Tại nhiệt độ trung b ình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 94,6oC thì:
· Tra b ảng 1.249, trang 310, [1] Þ Sức căng bề mặt của nước sNL = 0,5964 N/m
· Tra b ảng 1.242, trang 300, [1] Þ Sức căng bề mặt của rượu sRL = 0 ,0160 N/m
Ap dụng công thức (I.76), trang 299, [1]:
11 1
1 2
1 2 1 2
0,5964.0,0160
LL 0,0126 N/m
0,5964 0,0160
4 0,0126
12,92 N/m2
PL
1,3 0,003 0,08 0,003 2
Trang 17
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
4. Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra:
Ap dụng công thức trang 68, [3]
DPb = 1,3hbKrLg
Với: hb = hgờ + Dhl
2/ 3
QL
h l
1,85L K
gôø
Trong đó:
Lgờ : chiều d ài của gờ chảy tràn, m
K = rb/rL : t ỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng của chất
lỏng, lấ y gần bằng 0,5.
n .M
QL L L : suất lượng thể tích của pha lỏng, m3/s.
L
Tính chiều dài g ờ chảy tràn :
Ta có: Squạt - SD = Sbán nguyệt
R2 20% 2
1
R
2. R sin R cos
2 2 2 2 2
a - sina = 0,2p
Dùng phép lặp Þ a = 1,627 rad = 93,32 o
93,32
Nên Lgờ = Dt . sin( ) 0,4. sin( ) 0,290 m
2 2
4.1. Phần luyện:
Khối lượng mol trung b ình của pha lỏng trong phần luyện:
MLL = 0,4866.32 + (1 – 0,4866 ).18 = 24,81 kg/kmol
Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:
G .R.M LL 83,57.3,71.24,81
8,17.10 5 m3/s
QLL = P
M P . LL 31,30.835,78.3600
2/3
8,17.10 5
hlL
1,85.0,290.0,5 0,0045 m
Cho ta: DPbL = 1,3.(hgờ + DhlL).KrLLg
= 1,3.(0,03 + 0,0045). 0,5. 835,78. 9,81 = 183,86 N/m2
4.2. Phần chưng
Trang 18
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Tính toán tương tự như phần luyện
Khối lượng mol trung b ình của pha lỏng trong phần luyện:
MLC = 0,034.32 + (1 – 0,034).18 = 16,54 kg/kmol
Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:
G .R.M LC 83,57.3,71.16,54
4,83.10 5 m3/s
Q LC = P
M P . LC 31,30.941,39.3600
2/3
4,83.10 5
hlC
1,85.0,290.0,5 0,0032 m
Cho ta: DPbC = 1 ,3.(hgờ + DhlC).KrLCg
= 1,3.(0,03 + 0,0032). 0,5. 941,39. 9,81 = 199,29 N/m2
5. Tổng trở lực thuỷ lực của tháp
Tổng trở lực của 1 mâm trong phần luyện của tháp là:
DPL = DPkL + DPsL + DPbL = 84,05 + 18,36 + 183,86 = 286,27 N/m2
Tổng trở lực của 1 mâm trong phần chưng của tháp là:
DPC = DPkC + DPsC + DPbC = 57,33 + 12,92 + 199,29 = 269,54 N/m2
Kiểm tra hoạt động của mâm:
- Kiểm tra lại khoảng cách mâm h = 0,25m đ ảm bảo cho điều kiện hoạt
P
động b ình thường của tháp: h > 1,8 ( trang 70, [3] )
L g
Với các mâm trong phần luyện trở lực thuỷ lực qua 1 mâm lớn hơn trở lực thuỷ lực
của mâm trong p hần chưng, ta có:
PL 286,27
1,8 0,063 m
1,8
LL g 835,78.9,18
Þ Điều kiện trên được thỏa.
- Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động của mâm.
Từ công thức trang 70, [3] Ta có vận tốc tối thiểu qua lỗ của pha hơi vmin đủ để cho
các lỗ trên mâm đ ều hoạt động:
g LL hbL 9,81.835,78.(0,03 0,0045)
0,67 8,822 m/s < 10,15 m/s
vmin = 0 ,67
HL 1,82.0,8965
Þ Các lỗ trên mâm đ ều hoạt động.
Kết luận:
Tổng trở lực thủy lực của tháp:
DP = NttL.DPL + NttCDPC = 9 . 286,27 + 14. 269,54 = 6350,0 (N/m2)
6. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :
Khoảng cách giữa 2 mâm: Dh = 250 mm
Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy
chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức (5.20), trang 120, [3]:
,mm.chất lỏng
hd = hgờ + Dhl + DP + hd’
Trong đó:
+ hgờ : chiều cao gờ chảy tràn ,mm
+ Dhl : chiều cao lớp chất lỏng trên mâm ,mm
+ DP: tổng trở lực của 1 mâm ,mm.chất lỏng
Trang 19
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
+ hd’ : tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm,
được xác định theo biểu thức (5.10), trang 115, [3]:
2
QL
h d ' 0,128. 100.S
d ,mm.chất lỏng
+ QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h).
+ Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm.
Sd = 0,8 . Smâm = 0 ,8. .0,42 = 0,10 m2
4
1
Để tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì: hd £ Dh = 125 mm
2
6.1. Phần luyện
DhlL = 0,0045 . 1000 = 4,5 mm
286,27 286,27
1000 34,92 mm.chất lỏng
DPL = 1000
LL g 835,78.9,81
2 2
8,17.10 5.3600
QLL 4
hd 'L 0,128. 0,128. 100.0,10 1,11.10 mm.chất lỏng
100.S
d
Nên: hdL = 30 + 4,5 + 34,92 + 1,11.10 -4 = 69,42 mm < 125 mm
Vậy: Khi hoạt động thì mâm ở phần luyện sẽ không bị ngập lụt.
6.2. Phần chưng
DhlC = 0,0032 . 1000 = 3 ,2 (mm)
269,54 269,54
1000 1000 40,02 mm.chất lỏng
DPC =
LC g 941,39.9,81
2 2
4,83.10 5.3600
QLC 5
0,128. 100.0,10 3,89.10 mm.chất lỏng
hd 'C 0,128.
100.S d
-5
Nên: hdC = 30 + 3,2 + 40,02 + 3,89.10 = 73,22 mm < 125 mm
Vậy: Khi hoạt động thì mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt.
Kết luận: Khi ho ạt động tháp sẽ không bị ngập lụt.
IV. Bề dày tháp :
1 . Thân tháp
Vì tháp ho ạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn
hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía. Thân tháp đ ược ghép với nhau bằng các mối ghép
bích.
Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm ta chọn thiết bị thân tháp là thép không gỉ mã
X18H10T.
1.1. Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán
Nhiệt độ tính toán: t = tmax= 100oC
Áp suất tính toán: vì tháp ho ạt động ở áp suất thường nên: P = Pthủy tĩnh + DP
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp:
LC 941,39 835,78
888,85 kg/m3
rL = LL
2 2
Nên: P = rLgH + DP = 888,58. 9,81. 5,17 + 6350,0 = 51416.7 N/m2
= 0,0514 N/mm2
Trang 20
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường :
Vì môi trường có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị là trong 20 năm
Þ Ca = 1 mm
Ứng suất cho phép tiêu chuẩn :
Vì vật liệu là X18H10T Þ [s]* = 142 (N/mm2) (Hình 1.2, trang 16, [7])
Hệ số hiệu chỉnh :
Vì thiết bị không bọc lớp cách nhiệt Þ h = 1 (trang 26, [7])
Ứng suất cho phép: [s] = h [s]* = 142 (N/mm2)
Hệ số bền mối hàn:
Vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía
Þ jh = 0,95 (Bảng XIII.8, trang 362, [2])
1.2. Tính bề dày
[ ] 142
h 0,95 2443,84 > 25
Ta có:
P 0,0552
Dt P 400 0,0514
Þ S’ = 0,077 mm Þ S’ + Ca = 0,077 + 1 = 1,077 mm
2[ ] h 2 142 0,95
Quy tròn theo chu ẩn: S = 2 mm (Bảng XIII.9, trang 364, [2])
Bề d ày tối thiểu: Smin = 2 mm (Bảng 5.1, trang 94, [7])
Þ Bề dày S = 2 mm
1.3. Kiểm tra độ bền
S Ca 2 1
2,5.10 3 0,1 (thỏa)
0,1
Điều kiện:
400
2[ ]Dt ( S C a ) 2 142 0,95 (2 1)
0,673 > P = 0,09 (thỏa)
Nên: [ P]
Dt ( S C a ) 400 (2 1)
Kết luận: S = 2 mm
2 . Đáy và nắp:
Chọn đáy và nắp có dạng hình ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10T
Chọn bề d ày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp: S = 3 mm.
Kiểm tra điều kiện:
S Ca
D 0,125
t
2[] h (S C a )
[P ] P
R t (S C a )
ht
Vì đáy và nắp có hình ellip tiêu chuẩn với 0,25 Þ Rt = Dt
Dt
Þ Điều kiện trên được thỏa như đã kiểm tra ở phần thân tháp.
Kết luận: Kích thước của đ áy và nắp:
Đường kính trong: Dt = 400 mm
ht = 100 mm
Chiều cao gờ: hgờ = 25 mm
Bề dày: S = 2 mm
Diện tích bề mặt trong: Sbề mặt = 0,2 m2 (Bảng XIII.10, trang 382, [2])
Trang 21
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
V. Bề dày mâm :
1 . Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán
Nhiệt độ tính toán : t = tmax = 100 (oC)
Áp suất tính toán : P = Pthủy tĩnh + Pg
Chọn bề d ày gờ chảy tràn là 3mm.
Thể tích của gờ chảy tràn: V = 0,29.0,03.0,003= 2,61.10 -5 m3
Tra b ảng XII.7, trang 313, [6]:
Þ Khối lượng riêng của thép X18H10T là: rX18H10T = 7900 kg/m3
Khối lượng gờ chảy tràn: m = V.rX18H10T = 2,61.10-5.7900 = 0,2062 kg
Áp suất do gờ chảy tràn tác dụng lên mâm tròn
mg 0,2062.9,81
11,60 N/m2
Pg
2
0,4 2
D
t 3,14.
4
4
Khối lượng riêng của chất lỏng tại đáy tháp:
Ta có xW = 0,0085 suy ra TW = 98,5oC
- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]
Khối lượng riêng của nước ở 98,5 oC: N = 959,22 kg/m3
- Tra b ng 1.2, trang 9, [1]
Khối lượng riêng của metanol ở 98,5oC: R = 715,08 kg/m3
- Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [1]
1 xW 0,0085 1 0,0085
x
1
1,045.10 3
W
LW R N 715,08 959,22
Suy ra rLW = 956,44 kg/m3
Áp suất thủy tĩnh:
Pthủy tĩnh = rLWg(hgờ + DhlC)
= 956,44. 9,81. (0,03 + 0,0045)
= 326,75 N/m2
Þ P = 326,75 + 11,06 = 337,81 N/m2
Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường:
Thời gian sử dụng thiết bị là trong 20 năm
Þ Ca = 1 mm
Ứng suất cho phép tiêu chuẩn:
Vì vật liệu là X18H10T Þ [s]* = 142 N/mm2 (Hình 1.2, trang 16, [7])
Hệ số hiệu chỉnh: h = 1 (Trang 19, [7])
Ứng suất cho phép : [s] = h [s]* = 142 N/mm2
Môđun đàn hồi: E = 20.10 6 N/cm2 (Bảng 2.12, trang 45, [7])
Hệ số Poisson: m = 0,33 (Bảng XII.7, trang 313, [2])
Hệ số điều chỉnh: jb = 0,571
2. Tính bề dày:
Đối với bản tròn đ ặc ngàm kẹp chặt theo chu vi:
2
3P D
Ứng suất cực đại ở vòng chu vi: max (Công thức 6.36, trang 100, [8])
16 S
Trang 22
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
2
3P D
max
Đối với bản có đục lỗ: l max [ ]
b 16 b S
3 337,81.10 6
3P
S’ Dt 400 0,354 mm
16[ ] b 16 142 0,571
Nên: S + Ca = 1,354 mm
Chọn S = 2 mm
Kiểm tra điều kiện bền :
PR 4
(Công thức 6.35, trang 100, [8])
Độ võng cực đại ở tâm: Wo
64 DT
PR 4
Wo
Đối với bản có đục lỗ: Wlo
b 64 b DT
ES 3
Với: DT
12(1 2 )
Wo 12 PR 4 (1 2 ) 3 PR 4 (1 2 )
Þ Wlo .
64 b ES 3 b ES 3
b 16
Để đảm bảo điều kiện bền thì: Wlo < ½ S
3 337,811.10 6 200 4 (1 0,33 2 ) S
Wlo . 0,050 < 1,0
3
16 0,571 200000 2 2
Þ Bề dày S đ ã chọn thỏa điều kiện.
Vậy: S = 2 mm
VI. Bích ghép thân – đáy và nắp :
Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng đ ể nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ
phận khác với thiết bị. Các loại mặt bích thường sử dụng:
Bích liền : là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn). Loại bích này chủ yếu
dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung b ình.
Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng
kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn
thiết bị.
Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao.
Chọn bích đ ược ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền
không cổ.
Tra bảng XIII.27, trang 417, [2], ứng với Dt = f = 400 (mm) và áp suất tính toán P =
0,055 (N/mm2) Þ chọn bích có các thông số sau:
Bu lông
Dt D Db Dl Do h
db Z
(mm) (cái)
400 515 475 450 411 20 M16 20
Tra b ảng IX.5, trang 170, [2], với Dh = 250 mm Þ kho ảng cách giữa 2 mặt bích là 1000
mm và số mâm giữa 2 mặt bích là 4.
Trang 23
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Þ Số mặt bích cần dùng đ ể ghép là: 21/4 + 2 = 8 bích
Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định. Đệm làm bằng các vật liệu
mềm hơn so với vật liệu bích. Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ
gồ ghề trên b ề mặt của bích. Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây
amiăng, có bề d ày là 3mm.
VII. Chân đỡ tháp :
1 . Tính trọng lượng cùa toàn tháp:
Tra b ảng XII.7, trang 313, [2]:
Þ Khối lượng riêng của tháp CT3 là: rCT3 = 7850 kg/m3
Khối lượng của một bích ghép thân:
mbích ghép thân = . D 2 Dt .h. CT 3 0,515 2 0,40 2 0,02 7850 12,97 kg
2
4 4
Khối lượng của một mâm:
m mâm = Dt 2 mâm (100% 8% 10%) X 18 H 10T = .0.402.0,002.0,82.7900 = 1,63 kg
4 4
Khối lượng của thân tháp:
mthân = .(D2ng – D2t).Hthân . rX18H10T = . 0,404 2 0,40 2 .5,042.7900 100,56 kg
4 4
Khối lượng của đáy (nắp) tháp:
mđáy(nắp) = Sbề mặt .d đáy . rX18H10T = 0,20 . 0,002 . 7900 = 3,16 kg
Khối lượng của toàn tháp:
m = 8 mbích ghép thân + 21 mmâm + mthân + 2 mđáy(nắp)
= 8.12,97 + 21.1,63 + 100,56 + 2.3,16 = 243,43 kg
2 . Tính chân đỡ tháp:
Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân.
Vật liệu làm chân đ ỡ tháp là thép CT3.
P mg 243,43.9,81
Tải trọng cho phép trên một chân: Gc = 597,01 N
4 4 4
Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gc = 1000 N
Tra bảng XIII.35, trang 437, [2] Þ chọn chân đỡ có các thông số sau:
L B B1 B2 H h s l d
70 60 60 90 150 105 4 30 14
Khối lượng một chân đỡ: mchân đỡ = 3,32 kg
VIII. Tai treo tháp :
Chọn tai treo: tai treo được gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động trong
điều kiện ngoại cảnh.
Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3.
Ta chọn bốn tai treo, tải trọng cho phép trên một tai treo: Gt = Gc = 1000 (N).
Tra bảng XIII.36, trang 438, [2] Þ chọn tai treo có các thông số sau:
L B B1 H S l a d
Trang 24
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
80 55 70 125 4 30 10 14
Khối lượng một tai treo: mtai treo = 0,53 kg
IX. Cửa nối ống dẫn với thiết bị- bích nối các bộ phận của thiết bị và
ống dẫn:
Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo đ ược hoặc không tháo được.
Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo được.
Đối với mối ghép tháo đ ược, người ta làm đoạn ống nối, đó là đoạn ống ngắn có mặt
bích hay ren đ ể nối với ống dẫn:
Loại có mặt bích thường dùng với ống có đ ường kính d > 10mm.
Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính d £ 10mm, đôi khi có thể dùng với d
£ 32mm.
Ống dẫn được làm bằng thép X18H10T.
Bích được làm b ằng thép CT3 , cấu tạo của bích là bích liền không cổ.
1 . Ống nhập liệu:
Khối lượng riêng của hỗn hợp : rF = 933,0 kg/m3
Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị.
Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vF = 1 m/s
Đường kính trong của ống nối:
4.G F 4.933,0
Dy = 0,0188 m
3600 F v F 3600 933,0 1
Þ Chọn ống có Dy = 20 mm
Tra bảng XIII.26, trang 409, [2]
Þ Các thông số của bích ứng với P = 0,055 N/mm2 là:
Bu lông
Dy Dn D Dd Dl h
db Z
(mm) (cái)
20 25 90 65 50 12 M10 4
2 . Ống hơi ở đỉnh tháp:
- Nồng độ trung bình của pha hơi ở đỉnh tháp
yP = xP = 0 ,9144
Þ Nhiệt độ trung b ình của pha hơi ở đ ỉnh tháp: THP = 67,8 oC
- Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện:
MHL = yL. MR + (1 – yL). MN = 0,9144.32 + (1 – 0 ,9144). 18 = 30,80 kg/kmol
- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:
PM HL 1.30,80
1,101 kg / m 3
HL
22,4
RTHL
(67,8 273)
273
Chọn vận tốc hơi ra khỏi đỉnh tháp là vHD = 50 m/s
Đường kính trong của ống nối:
Trang 25
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
4.G HD 4.83,57
0,023 m
Dy =
3600 HDv HD 3600.1,101.3,14.50
Þ Chọn ống có Dy = 25 mm
Tra bảng XIII.32, trang 434, [2] Þ Chiều d ài đo ạn ống nối l = 90 mm
Tra bảng XIII.26, trang 409, [2]
Þ Các thông số của bích ứng với P = 0,055 N/mm2 là:
Bu lông
Dy Dn D Dd Dl h
db Z
(mm) (cái)
25 32 100 75 60 12 M10 4
3 . Ống hoàn lưu:
- Nồng độ trung bình của pha lỏng ở đ ỉnh tháp
xP = 0,9144
Þ Nhiệt độ trung b ình của pha hơi ở đ ỉnh tháp: THP = 65,8 oC
- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]
Khối lượng riêng của nước ở 65,8 oC: N = 981,2 kg/m3
- Tra b ng 1.2, trang 9, [1]
Khối lượng riêng của metanol ở 65,8oC: R = 752,8 kg/m3
- Áp dụng trong cô ng thức (1.2), trang 5, [1]
1 xC
x 0,95 1 0,95
1
1,30.10 3
C
LC R N 752,8 981,2
= 768,1 kg/m3
LC
Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị.
Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vLD = 0,5 m/s
Đường kính trong của ống nối:
4.G LP 4.83,57.3,71
Dy = 0,017 m
3600 LP v LP 3600 768,1 0,5
Þ Chọn ống có Dy = 20 mm
Tra bảng XIII.26, trang 409, [2]
Þ Các thông số của bích ứng với P = 0,055 N/mm2 là:
Bu lông
Dy Dn D Dd Dl h
db Z
(mm) (cái)
20 25 90 65 50 12 M10 4
4. Ống hơi ở đáy tháp:
- Nồng độ trung bình của pha hơi ở đáy tháp
yW = xW = 0,0085
Þ Nhiệt độ trung b ình của pha hơi ở đ áy tháp: THP = 99,6 oC
- Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện:
MHW = yW. MR + (1 – yW). MN = 0,0085.32 + (1 – 0,0085).18 = 18,12 kg/kmol
- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi tro ng phần luyện:
Trang 26
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
PM HW 1.18,12
0,593 kg / m 3
HW
22,4
RTHW
(99,6 273)
273
Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp là vHW = 120 m/s
Đường kính trong của ống nối:
4.G HW 4.827,1
0,064 m
Dy =
3600 HW v HW 3600.0,593. .120
Þ Chọn ống có Dy = 70 mm
Tra bảng XIII.32, trang 434, [2] Þ Chiều d ài đo ạn ống nối l = 110 mm
Tra bảng XIII.26, trang 409, [2]
Þ Các thông số của bích ứng với P = 0,055 (N/mm2) là:
Bu lông
Dy Dn D Dd Dl h
db Z
(mm) (cái)
70 76 160 130 110 14 M12 4
5. Ống dẫn lỏng ra khỏi đáy tháp:
- Nồng độ trung bình của pha lỏng ở đ áy tháp
xW = 0,0085
Þ Nhiệt độ của pha lỏng ở đáy tháp : TLW = 98,5 oC
- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]
Khối lượng riêng của nước ở 98,50C: N = 959,2 kg/m3
- Tra b ng 1.2, trang 9, [1]
Khối lượng riêng của metanol ở 98,5oC: R = 716,8 kg/m3
- Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [1]
1 xW 0,015 1 0,015
x
1
1,05.10 3
W
LW R N 716,8 959,2
LW = 954,4 kg/m3
Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vLW = 0,5 m/s
Đường kính trong của ống nối:
4.G LW 4.827,1
Dy = 0,025 m
3600 LW v LW 3600.954,4. .0,5
Þ Chọn ống có Dy = 25 mm
Tra bảng XIII.32, trang 434, [2] Þ Chiều dài đoạn ống nối l = 90 mm
Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]
Þ Các thông số của bích ứng với P = 0,055 N/mm2 là:
Bu lông
Dy Dn D Dd Dl h
db Z
(mm) (cái)
25 32 100 75 60 12 M10 4
Trang 27
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
CHƯƠNG 5:
Tính thiết bị phụ
I. THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP :
Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp là nồi đun Kettle.
Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3:
Đường kính ngoài: d n = 38 mm = 0,038 m
Bề dày ống: t = 3 mm = 0,003 m
Đường kính trong: dt = 0,032 m
Hơi đốt là hơi nước ở 2,0 at đi trong ố ng 38 x 3. Tra bảng 1.251, trang 314, [1 ]:
Nhiệt hóa hơi: rH 2O = rn = 2208 kJ/kg
Nhiệt độ sôi: t H2 O = tn = 119,6 oC
Dòng sản phẩm tại đáy có nhiệt độ:
Trước khi vào nồi đun (lỏng): tS1 = 98,5 oC
Sau khi được đun sôi (hơi): tS2 = 99,6 oC
1. Suất lượng hơi nước cần dùng :
Cân bằng nhiệt cho toàn tháp:
Qđ + GFhFS = (R+1) GDrD + GDhDS + GWhWS + Qm
Giả sử Qm = 0 ,05Qđ
0,95Qđ = (R+1) GDrD + GD(hDS – hFS) + GW(hWS – hFS)
hFS = cF.tFS = [ x F c N (1 x F )c A ]tFS
hWS = cW.tWS = [ x W c N (1 x W )c A ]tWS
hPS = cP.tPS = [ x P c N (1 x P )c A ]tPS
rD = x D rN (1 x D )rA
Với xF = 0,0588 tFS = 91,5oC
xW = 0,0085 tWS = 98,5 oC
xP = 0 ,9144 tPS = 65,8oC
1.1. Nhiệt dung riêng:
Tra b ảng 1.249, trang 310, [1]
Nhiệt dung riêng của nước ở 91,5oC = 4,210 kJ/kg.K
Nhiệt dung riêng của nước ở 98,5 oC = 4,218 kJ/kg.K
Nhiệt dung riêng của nước ở 65,8 oC = 4,184 kJ/kg.K
Tra b ảng 1.154, trang 172, [1]
Nhiệt dung riêng của methanol ở 91,5oC = 2,920 kJ/kg.K
Nhiệt dung riêng của methanol ở 98,5oC = 2,958 kJ/kg.K
Nhiệt dung riêng của methanol ở 65,8oC = 2,788 kJ/kg.K
1.2. Enthalpy:
hFS = (0,1. 2,920 + (1 - 0,1). 4,210). 91,5 = 373,41 kJ/kg
Trang 28
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
hWS = (0,0085. 2,958 + (1 - 0,0085). 4,218). 98,5 = 414,42 kJ/kg
hPS = (0,9144. 2,788+ (1 - 0,9144). 4,184). 65,8 = 191,31 kJ/kg
1.3. Nhiệt hóa hơi:
Tra b ảng 1.250, trang 312, [1]
Nhiệt hóa hơi của nước ở 65,8oC = rN = 2344,8kJ/kg
Dùng toán đồ 1.65, trang 255, [1]
Nhiệt hóa hơi của methanol ở 65,8 oC = rR = 330,5 Kcal/kg = 1383,74 kJ/kg
rP = x P rN (1 x P ) rA
Nên:
= 0,95. 2344,8 + (1 - 0 ,95). 1383,74 = 2296,75 kJ/kg
1.4. Tính lượng hơi nước cần dùng:
Nhiệt lượng cần cung cấp:
( R 1)G P rP G P (hPS hFS ) GW (hWS hFS )
Qđ =
0,95
(3,71 1).83,57.2296,75 83,57.(191,31 373,41) 827,1.(414,42 373,41)
=
0,95
= 971300.88 kJ/h
Nếu dùng hơi nước bão hòa (không chứa ẩm) để cấp nhiệt thì: Qđ = G H 2O . rH2 O
Tra b ảng 1.251, trang 314, [1]
Nhiệt hóa hơi của nước ở 2,0 at = rH2 O = 2208 kJ/kg
Qñ 971300,88
Vậy: G H 2O = 440,0 kg/h
rH 2O 2208
2. Hiệu số nhiệt độ trung bình:
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(119,6 98,5) (119,6 99,6)
t log = 20,545 K
119,6 98,5
ln
119,6 99,6
3. Hệ số truyền nhiệt:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức như đối với tường phẳng:
1
,W/m2.K)
K
1 1
rt
n S
Với:
n : hệ số cấp nhiệt của hơi đốt,W/m2.K.
S : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy, W/m2.K.
rt : nhiệt trở qua thành ố ng và lớp cáu.
3.1. Nhiệt tải qua thành ố ng và lớp cáu:
t t
q t w1 w2 , W/m2
rt
Trong đó:
tw1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi đ ốt (trong ống), oC
Trang 29
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ố ng), oC
rt t r1 r2
t
Bề d ày thành ống: t = 0,003 m
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ:
t = 16,3 W/mK (Bảng XII.7, trang 313, [6])
Nhiệt trở lớp bẩn trong ống:
r1 = 1/5800 m2.K/W (Bảng 31, trang 419, [4])
Nhiệt trở lớp cáu ngo ài ống:
r2 =1/5800 m2.K/W
Nên: rt = 5,289.10-4 m2.K/W
3.2. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ố ng:
Áp dụng công thức (V.89), trang 26, [2]:
0,033 0,333
0 ,75 .q 0,7
.r
-2
S = 7,77 . 10 . h . . 0, 45 0.117 0,37
.c .Ts
h
Nhiệt độ sôi trung bình của dòng sản phẩm ở ngoài ố ng:
t t 98,5 99,6
= 99,05 oC
t S S1 S 2
2 2
TS = 99,05 + 273 = 372,05 K
Tại nhiệt độ sôi trung bình thì:
- Khối lượng riêng của pha hơi trong dòng sản phẩm ở ngo ài ống:
PM HW 1.18,12
= 0,594 kg/m3
h
22,4
RTS
.372,05
273
- Khối lượng riêng của nước:
N = 959,2kg/m3 (Bảng 1.249, trang 310, [1])
- Khối lượng riêng của methanol:
R = 715,0 kg/m3 (Bảng 1.2, trang 9, [1])
1 xW 0,015 1 0,015
1x
1,05.10-3
Nên: W
R A 715,0 959,2
3
= 954,3 kg/m
- Độ nhớt của nước:
N = 2,85.10 -4 N.s/m2 (Tra bảng 1.104, trang 96, [1])
- Độ nhớt của methanol:
A = 2,45.10 -4 N.s/m2 (Dùng toán đồ 1.18, trang 90, [1])
Sử dụng công th ức (I.12), trang 84, [1] suy ra độ nhớt của hỗn hợp lỏng:
lgmhh = x1lgm1 + x2lgm2
Nên: lgmhh = 0 ,0085.lg(2,45.10-4) + (1 – 0,0085).lg(2,85.10-4)
mhh = 2,846.10 -4 N.s/m2
- Hệ số dẫn nhiệt của nước:
N = 0,680 W/mK (Bảng 1.249, trang 310, [5])
- Hệ số dẫn nhiệt của methanol:
R = 0,188 W/mK (Bảng 1.130, trang 134, [5])
Áp dụng công thức (1.33), trang 123, [5]):
Trang 30
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
= R .xW N .(1 xW ) 0,72.xW .(1 xW ).( N R ) = 0,667 W/mK
- Nhiệt dung riêng của nước:
cN = 4219,2 J/kgK (Bảng 1.249, trang 310, [1])
- Nhiệt dung riêng của methanol:
cR = 2906,0 J/kgK (Bảng 1.154, trang 172, [1])
Nên: c = cR x W + cN. (1 - x W ) = 4199,3 J/kgK
- Sức căng bề mặt của nước:
N = 0,59022 N/m (Bảng 1.249, trang 310, [1])
- Sức căng bề mặt của methanol:
A = 0,01578 N/m (Bảng 1.242, trang 300, [1])
NA
Nên: = 0,0158 N/m
N A
- Nhiệt hóa hơi của nước:
rN = 2262,2 kJ/kg (Bảng 1.250, trang 312, [5])
- Nhiệt hóa hơi của methanol:
rR = 1032,3 kJ/kg (Toán đồ 1.65, trang 255, [5])
Nên: r = rR x W + rN.(1 - x W ) = 2243,8 kJ/kg
3.3. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của hơi đốt trong ống:
Áp dụng công thức (3.65), trang 120, [4]:
rn . 2 .g.3n
n
n 0,7254
n .(t n - t W1 ).d tr
Dùng phép lặp: chọn tW1 = 119,4 oC
t n t W1
119,5 oC
Nhiệt độ trung bình của màng nước ngưng tụ: t m =
2
Tại nhiệt độ này thì:
- Khối lượng riêng của nước: n = 943,4 kg/m3
- Độ nhớt của nước: n = 2,33.10-4 N.s/m2
- Hệ số dẫn nhiệt của nước: n = 0,685 W/mK
Nên: n = 31342 W/m2K
qn = n (tn – tW1) = 6268,4 W/m2
qt = q n = 6268,4 W/m2 (xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể)
tw2 = tw1 - qtrt = 116,08 oC
S = 362,84 W/m2K (với q = qt)
qS = S (tW2 – tS) = 6126,5 W/m2
Kiểm tra sai số:
qn qS
= 100% = 2,26% < 5% (thỏa)
qn
Kết luận: tw1 = 119,4oC và tw2 = 116,08 oC
3.4. Xác đ ịnh hệ số truyền nhiệt:
Trang 31
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
1
= 301,5 W/m2K
K
1 1
5,289.10 4
31342 326,84
4. Bề mặt truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Qñ 971300.1000
= 43,56 m2
F=
K .t log 3600.301,5.20,545
5. Cấu tạo thiết bị:
Chọn số ống truyền nhiệt: n = 217 ố ng. Ống được bố trí theo hình lục giác đều.
F
- Chiều dài ố ng truyền nhiệt: L = = 1,83 m chọn L = 2 m
d dt
n n
2
Tra bảng V.II, trang 48, [2] Số o ng trên đường chéo: b = 17 ống
- Bước ống: t = 1, 2dn = 0,046 m
- Đường kính trong của thiết bị (Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [2])
D = t.(b -1) +4d n= 0,934 m
II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ố ng loại TH, đặt nằm ngang.
Ống truyền nhiệt đ ược làm b ằng thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3:
- Đường kính ngo ài: d n = 38 mm = 0,038 m
- Bề d ày ố ng: t = 3 mm = 0,003 m
- Đường kính trong: d tr = 0,032 m
Chọn:
- Nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào tV = 28 oC và nhiệt độ ra tR = 40 oC.
- Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ố ng với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 65,8 oC
1. Suất lượng nước làm lạnh cần dùng :
Cân bằng nhiệt: Qnt = (R + 1).GP.rP = GN.cN.(t2 – t1)
rD: nhiệt lượng riêng của hơi ở đ ỉnh tháp:
rD = x .rR + (1 - x ).rN
rR, rN : nhiệt lượng riêng của cấu tử rượu và nước ở đỉnh, J/kg.
x phần khối lượng của cấu tử rượu trong pha hơi ở đ ỉnh.
Tra bảng 1 .213, trang 256, [1] :
rR = 675,2 kcal/kg = 2826,25 kJ/kg
Tra bảng 1.250, trang 312, [1] :
rN = 559,5 kcal/kg = 2341,96 kJ/kg
Suy ra: rD = 0,95.2826,25 + (1 - 0,95).2341,96 = 2801,1 kJ/kg
Þ Qnt = (1 + 3,71).83,57.2801,1 = 1102,55 kW
Nên: Qnt = (R + 1).DcP = 1102,55 kW
1102,55.3600.10 3
Qnt
Lượng nước cần d ùng: G N 79221,4 kg/h
c N .(t 2 t1) 4175,5.(40 28)
Trang 32
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
tV t R 28 40
34 oC
Nhiệt dung riêng của nước cN đ ược đo ở nhiệt độ t f
2 2
2. Hiệu số nhiệt độ trung bình :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(65,8 28) (65,8 40)
t log = 31,42 K
65,8 28
ln
65,8 40
3. Hệ số truyền nhiệt:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
1
,W/m2.K
K
1 1
rt
n ngöng
Với:
n : hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh ,W/m2.K
ngưng : hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tụ ,W/m2.K
rt : nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu.
3.1. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống :
Nhiệt độ trung bình của dòng nước trong ống: tf = 34 oC
Tại nhiệt độ này thì:
- Khối lượng riêng của nước: n = 994,42 kg/m3
- Độ nhớt của nước: n = 7,23.10 -7 m2/s
- Hệ số dẫn nhiệt của nước: n = 0,626 W/mK
- Chu ẩn số Prandtl: Prn = 4 ,9
Chọn vận tốc nước đi trong ống: vn = 1 m/s
Gn 4 79221,4 4
n
. .
Số ống: = 27,53
3600 N .d tr .v n 3600 994,42 .0,032 2.1
2
Tra b ảng V.II, trang 48, [2] chọn n = 37 ống
Vận tốc thực tế của nước trong ống:
4Gn 4.79221,4
= 0,744 m/s
vn
3600 n nd tr 3600.994,42.37. .0,032 2
2
Chuẩn số Reynolds :
v n. d tr 0,744.0,032
= 32929,5 > 104 Chế độ chảy rối
Re n 7
n 7,23.10
Áp dụng công thức (1.74), trang 28, [5] công thức xác định chuẩn số Nusselt:
0 , 25
Pr
Nu n 0,021. l . Re 0,8 Prn0, 43 . n
Pr
n
P2
Trong đó: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều d ài L
và đường kính d của ống.
Tra bảng 1.1, trang 29, [5] chọn 1 = 1
Nu n . n
Hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống trong: n =
d tr
Trang 33
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
3.2. Nhiệt tải qua thành ố ng và lớp cáu :
t t
q t w1 w2 ,W/m2
rt
Trong đó:
tw1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi ngưng tụ, oC
tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước lạnh, oC
rt t r1 r2
t
Bề d ày thành ống: t = 0,003 m
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: t = 16,3 W/mK
Nhiệt trở lớp bẩn trong ống: r1 = 1/5000 m2.K/W
Nhiệt trở lớp cáu ngo ài ống: r2 =1/5800 m2.K/W
Nên: rt = 5,565.10-4 m2.K/W
3.3. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ố ng :
Điều kiện:
- Ngưng tụ hơi bão hòa.
- Không chứa không khí không ngưng.
- Hơi ngưng tụ ở mặt ngo ài ống.
- Màng chất ngưng tụ chảy tầng.
- Ống nằm ngang.
Áp dụng công thức (3.65), trang 120, [4] Đối với ống đơn chiếc nằm ngang thì:
r. 2 .g.3
1 0,7254
.(t ngöng - t W1 ).d n
Tra b ảng V.II, trang 48, [2] với số ống n = 37 thì số ống trên đường chéo của hình 6
cạnh là: b = 7
Tra hình V.20, trang 30, [2] hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống và số ống trong mỗi
dãy thẳng đứng là tb = 0 ,72 (vì xếp xen kẽ và số ống trong mỗi dãy thẳng đứng là 7)
Hệ số cấp nhiệt trung b ình của chùm ống: ngưng = tb1 = 0,721
Dùng phép lặp: chọn tP1 = 59,0 oC
Nhiệt độ trung bình của màng chất ngưng tụ: tm = ½ (tngưng + tW1) = 62,4 oC
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: N = 982,0 kg/m3
Khối lượng riêng của methanol: R = 753,5 kg/m3
Nên khối lượng riêng hỗn hợp là
1 xP 1 x P 0,95 1 0,95
1,31.10 3
R N 753,5 982,0
3
= 762,4 kg/m
Độ nhớt của nước: N = 4 ,496.10 -4 N.s/m2
Độ nhớt của methanol: R = 3,424.10 -4 N.s/m2
Nên: lg = xPlgR + (1 – xP)lgN
= 0,9144.lg(3,424.10 -4) + (1 - 0,9144).lg(4,496.10-4)
Trang 34
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
= -3,45
= 3,50.10 -4 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt của nước: N = 0,661 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của methanol: R = 0 ,205 W/mK
Nên: = R .x P N .(1 x P ) 0,72.x P .(1 x P ).( N R ) = 0,212 W/mK
Nhiệt ngưng tụ của dòng hơi: r = rD = 2801100 J/kg
Nên: 1 = 4295,4 W/m2K
ngưng = 3092,7,3 W/m2K
qngưng = ngưng (tngưng – tP1) = 21030,3 W/m2
qt = q ngưng = 21030,3 W/m2 (xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể)
tP2 = tP1 - qtrt = 46,35 oC
PrP2 = 3,90
Nu n = 161,5
n = 1700,2 W/m2K
qn = n (tP2 – tf) = 20998,7 W/m2
Kiểm tra sai số:
q ngöng q n
= 100% = 0,15% < 5% (thỏa)
q ngöng
Kết luận: tP1 = 59 ,0oC và tP2 = 46,3 oC
3.4. Xác đ ịnh hệ số truyền nhiệt:
1
= 726,0 W/m2K
K
1 1
5,565.10 4
4295,4 1700,2
4. Bề mặt truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Qnt 1102550 .1000
= 13,4 m2
F=
K .t log 3600.726,0.31,42
5. Cấu tạo thiết bị:
Số ống truyền nhiệt: n = 61 (ống). Ống được bố trí theo hình lục giác đều.
F
Chiều d ài ống truyền nhiệt: L = = 3,3 m chọn L = 4 m
d n d tr
n
2
Số ống trên đường chéo: b = 7 ống
Bước ống: t = 48 mm = 0,048 m
Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [6]:
Đường kính trong của thiết bị: D = t(b-1) + 4dn = 0,44 m
III. THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH :
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ố ng loại TH, đặt nằm ngang.
Ống truyền nhiệt đ ược làm b ằng thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3:
Trang 35
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
- Đường kính ngo ài: d n = 38 mm = 0,038 m
- Bề d ày ố ng: t = 3 mm = 0,003 m
- Đường kính trong: d tr = 0,032 m
Chọn
- Nước làm lạnh đi trong ống trong với nhiệt độ vào tV = 28 oC và nhiệt độ ra tR = 40oC.
- Sản phẩm đáy đi trong ống ngo ài với nhiệt độ vào tPS = 65,8oC và nhiệt độ ra tPR =
o
35 C.
1. Su ất lượng nước làm lạnh cần dùng:
Cân bằng nhiệt: Q = GP(hPS – hPR) = Gn (hR – hV)
Nhiệt dung riêng của nước ở 35oC = 4,178 kJ/kg.K
Nhiệt dung riêng của methanol ở 35oC = 2,645 kJ/kg.K
Nên: hWR = (0,05. 4,178 + 0,95. 2,645 ). 35 = 95,26 kJ/kg
Enthalpy của nước ở 28oC = hV = 117,3 kJ/kg
Enthalpy của nước ở 40oC = hR = 167,6 kJ/kg
Lượng nhiệt trao đổi: Q = GW(hWS – hWR) = 8040,4 kJ/h
Q
Suất lượng nước cần dùng: G n = 159,9 kg/h
hR hV
2. Hiệu số nhiệt độ trung b ình:
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(65,8 40) (35 28)
t log = 14,40 K
65,8 40
Ln
35 28
3. Hệ số truyền nhiệt:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
1
,W/m2.K
K
1 1
rt
n W
Với:
n : hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh, W/m2.K.
W : hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy, W/m2.K
rt : nhiệt trở qua thành ố ng và lớp cáu.
3.1. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
Kích thước của ống trong:
Đường kính ngoài: d n = 38 (mm) = 0,038 m
Bề dày ống: t = 3 (mm) = 0,003 m
Đường kính trong: dtr = 0,032 m
Nhiệt độ trung bình của dòng nước trong ống: tf = ½ (tV + tR) = 34 oC
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: n = 994,34 kg/m3
Độ nhớt của nước: n = 7,39.10 -7 m2/s
Hệ số dẫn nhiệt của nước: n = 0,624 W/mK
Chu ẩn số Prandtl: Prn = 5,004
Vận tốc nước đi trong ống:
Trang 36
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
4G n 4.159,9
= 0,056 m/s
vn
3600 nd tr 3600.994. .0,032 2
2
Chuẩn số Reynolds :
v n. d tr 0,056.0,032
= 2424,9 < 10 4 : chế độ chảy quá độ
Re n
7,39.10 7
n
Áp dụng công thức V.44,trang 16, [2] công thức xác định chuẩn số Nusselt:
Pr
Nu n k o . 1 . Prn0, 43 .( n ) 0, 25
Prw 2
Trong đó: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều d ài L
và đường kính d của ống. Tra bảng V.2, trang 15, [2] . Chọn e1 = 1
ko – hệ số phụ thuộc Re, tra bảng trang 16, [2]. Chọn ko = 1
Nu n . n
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: n =
d tr
3.2. Nhiệt tải qua thành ố ng và lớp cáu:
t t
q t w1 w2 , W/m2
rt
Trong đó:
tP1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (trong ống trong), oC
tP2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước lạnh (ngoài ống trong), oC
rt t r1 r2
t
Bề dày thành ố ng: t = 0,003 m
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: t = 16,3 W/mK
Nhiệt trở lớp bẩn trong ố ng: r1 = 1 /5000 m2.K/W
Nhiệt trở lớp cáu ngoài ố ng: r2 =1/5800 m2.K/W
rt = 5,565.10-4 m2.K/W
Nên
3.3. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ố ng:
Kích thước của ống ngoài:
Đường kính ngoài: Dn = 57 mm = 0,057 m
Bề dày ống: t = 3 mm = 0,003 m
Đường kính trong: Dtr = 0 ,051 m
Nhiệt độ trung bình của dòng sản phẩm đáy ngo ài ống:
tP = ½ (tPS + tPR) = 50,4 oC
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: N = 987,9 kg/m3
Khối lượng riêng của methanol: R = 764,6 kg/m3
1 xP
1x 0,95 1 0,95
= 773,4 kg/m3
Nên: P
R N 764,6 987,9
Độ nhớt của nước: N = 5 ,46.10-4 N.s/m2
Độ nhớt của methanol: R = 3,19.10-4 N.s/m2
Nên: lg = xPlgR + (1 – xP)lgN = 0,9144.lg(3,19.10-4) + (1 - 0,9144)lg(5,46.10 -4)
= 3,343 .10-4 (N.s/m2)
Trang 37
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Hệ số dẫn nhiệt của nước: N = 0,647 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của methanol: R = 0 ,207 W/mK
Nên: = R .x P N .(1 x P ) 0,72.x P .(1 x P ).( N R )
= 0 ,214 (W/mK)
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4178,2 J/kgK
Nhiệt dung riêng của methanol: cA = 2716,8 J/kgK
Nên: c = cN x P + cA. (1 - x P ) = 2789,8 J/kgK
Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [6]:
c
Pr = 4,365
Vận tốc của dòng sản phẩm đáy ngo ài ống:
4G P 4.83,57
= 0,0346 m/s
v
3600 ( Dtr d n ) 3600.773,4. .(0,0512 0,038 2 )
2 2
Đường kính tương đương: dtđ = Dtr – d n = 0,051 – 0,038 = 0,013 m
Chuẩn số Reynolds :
vd tñ 0,0346.0,013.773,4
Re = 986,8 < 2300 : chế độ chảy màng
3,343.10 4
Áp dụng công thức (V.45), trang 17, [2] công thức xác định chuẩn số Nusselt:
0 , 25
Pr
0 , 33 0 ,1 0 , 43
Nu P 0,015. l . Re .Gr . Pr . Pr
P1
Trong đó: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều d ài L
và đường kính d của ống.
Tra b ảng V.2, trang 15, [2] chọn 1 = 1
Chuẩn số Grashof
g 2 l 3 t
Gr .
2
l = d td =0,013 m
b = hệ số dãn nở thể tích
Hệ số dẫn nhiệt của nước: b N = 4 ,514.10 -4 1 /K
Hệ số dẫn nhiệt của methanol: b R = 1,322.10 -4 1 /K
Dt = chênh lệch nhiệt độ giứa thành ống vad dòng sản phẩm đáy
Dt = tP1 - tP , oC
Nu P .
Hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngo ài ống: P =
d tñ
o
Dùng phép lặp: chọn tW1 = 43,3 C
Tại nhiệt độ này thì:
Độ nhớt của nước: N = 6 ,167.10 -4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: R = 4,322.10-4 N.s/m2
Nên:
lgP1 = xPlgR + (1 – xP)lg N = 0,9144.lg(4,322.10-4) + (1 - 0,9144).lg(6,167.10-4)
W1 = 4,50.10 -4 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt của nước: N = 0,639 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của rượu: R = 0,208 W/mK
Trang 38
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Nên: P1 R .x D N (1 x D ) 0,72 x P .(1 x P )( N R ) = 0,214 W/mK
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4178,0 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 2865,0 J/kgK
Nên: cP1 = cR x P + cN. (1 - x P ) = 2759,5 J/kgK
c
Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: PrP1 P1 P1 = 5 ,73
P1
Gr = 1020040,5
Nên Nu P = 10,45
aP = 171,8 W/m2K
qP = aP (tP – tP1) = 1217,98 W/m2
qt = q P = 1217,98 W/m2 (xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể)
tP2 = tP1 - qtrt = 42,622 oC
PrP2 = 5,796
Nu n = 7,32
an = 142,78 W/m2K
qn = an (tP2 – tf) = 1231,2 W/m2
Kiểm tra sai số:
qW qn
= 100% = 1,085% < 5% (thỏa)
qW
tw1 = 43,3oC và tP2 = 42,6 oC
Kết luận:
3.4. Xác đ ịnh hệ số truyền nhiệt:
1
= 74,73 W/m2K
K
1 1
5,565.10 4
171,8 142,78
4. Bề mặt truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Q 8040,4.1000
= 2,075 m2
F=
K .t log 3600.74,73.14,40
5. Cấu tạo thiết bị:
Chọn số ống truyền nhiệt: n = 19 ống. Ống được bố trí theo hình lục giác đều.
F
- Chiều dài ố ng truyền nhiệt: L = = 0,966 m chọn L = 1 m
dn dt
n
2
Tra bảng V.II, trang 48, [2] Số o ng trên đường chéo: b = 5 ống
- Bước ống: t = 1 ,2d n = 0,046 m
- Đường kính trong của thiết bị (Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [2])
D = t.(b-1) +4dn= 0,336 m
IV. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa sản phẩm đáy và nhập liệu:
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ố ng, đ ặt ngang
Ống truyền nhiệt được làm b ằng thép hợp kim X18H10T, kích thước ống 38 x 3:
Trang 39
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Đường kính ngo ài: dn = 38 mm = 0,038 m
Bề d ày ố ng: dt = 3 mm = 0,003 m
Đường kính trong: d tr = 0,032 m
Nhiệt trở lớp bẩn trong ống: r1 = 1/5000 m2.K/W
Nhiệt trở lớp cáu ngo ài ống: r2 =1/5800 m2.K/W
Chọn:
Nhập liệu đi ngoài ố ng với nhiệt độ vào tFV = 28oC và ra ở nhiệt độ
Sản phẩm đáy đi trong ố ng với nhiệt độ tv = 98,5 oC, tr = 65 oC.
1 . Nhiệt độ ra của dòng nhập liệu :
Cân bằng nhiệt: Q = GF.cF.(tFr – tFv) = GW.cW.(tWv – tWr)
Ở nhiệt độ trung bình t = 81,75 oC, thì:
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 41,95 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 28,32 J/kgK
Nên: cW = cR xW + cN.(1 - xW ) = 41,75 J/kgK
Þ Q = 827,1.41,75.(98,5 – 65) = 115,7 kW
Ở 28oC, thì:
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4181,48 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 2610 J/kgK
Nên: cF = 3596,89 J/kgK
Q
t Fv 60,0 oC
Þ tFr =
G F .c F
2 . Hiệu số nhiệt độ trung bình :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(98,5 60,0) (65,0 28,0)
t log 37,75 K
98,5 60,0
ln
65,0 28,0
3 . Hệ số truyền nhiệt:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
1
K
1 1
rt
n ngöng
, W/m2.K)
Với:
an : hệ số cấp nhiệt cua dòng nước lạnh, W/m2.K
angưng : hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tu , W/m2.K
rt : nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu.
3.1. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy đ i trong ố ng :
Nhiệt độ trung bình của dòng nước trong ống: tf = ½ (tV + tR) = 81,75 oC
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: rn = 970,2 kg/m3
Khối lượng riêng của rượu: rR = 731,3 kg/m3
1 xW 0,0085 1 0,0085
1x
Nên: W
R N 731,3 970,2
3
Þ r = 967,5 kg/m
Trang 40
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Độ nhớt của nước: mN = 3,348.10 -4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: mR = 2,552.10-4 N.s/m2
Nên: lgm = xWlgmR + (1 – xW)lgm N = 0 ,015.lg(2,552.10 -4) + (1 - 0,015).lg(3,348.10-4)
Þ m = 3,33.10 -4 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt của nước: lN = 0,679 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của rượu: lR = 0,200 W/mK
Nên: R .xW N .(1 xW ) 0,72.xW .(1 xW ).( N R ) = 0,675 (W/mK) (công
thức 1.37, trang 124,[1])
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 41,95 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 28,32 J/kgK
Nên: cW = cR xW + cN.(1 - xW ) = 41,75 J/kgK
c
Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: Pr = 2,03
Vận tốc thực tế của sản phẩm đáy trong ống:
4GW 4.827,1
0,016 m/s
vw
3600 W n .d tr 3600.964,18.19. .0,032 2
2
Chuẩn số Reynolds :
v d . 0,016.0,032.964,18
Re w W . tr W 1470,0 < 2300 : chế độ chảy tầng
3,27.10 4
W
Áp dụng công thức (1.80), trang 31, [5] Þ công thức xác định chuẩn số Nusselt:
0 , 25
Pr
0 , 33 0 , 43 0 ,1
Nu w 0,15. l . Re Pr .Gr . n Pr
n n
w2
Trong đó: e1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều d ài L
và đường kính d của ống.
Tra b ảng 1.2, trang 31, [5] Þ chọn e1 = 1
Chọn t2 = 8,25 oC Þ tw2 = 81,75 + 8 ,25 = 90oC
Tại nhiệt độ này:
Độ nhớt của nước: mN = 3,276.10 -4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: mR = 2,3.10-4 N.s/m2
Nên: lgm = xWlgmR + (1 – xW)lgm N = 0 ,015.lg(2,3.10 -4) + (1 - 0,015).lg(3,276.10-4)
Þ m = 3,27.10 -4 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt của nước: lN = 0,679 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của rượu: lR = 0,2008 W/mK
Nên: R .xW N .(1 xW ) 0,72.xW .(1 xW ).( N R ) = 0,675 (W/mK) (công
thức 1.37, trang 124,[1])
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 42,05 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 28,99 J/kgK
Nên: c = cR. xW + cN.(1 - xW) = 41,93 J/kgK
c
Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: PrW 2 = 2,55
Trang 41
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
g .d o . 2 . .t
3
Gr
2
1 1
2,755.10 3 ( K 1 )
T 90 273
9,81.0,032 3.964,18 2.2,755.10 3.8,25
61,59.10 6
Gr 3 2
(0,327.10 )
Þ NuW = 12,19
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy đ i trong ố ng trong:
Nu W .W 12,19.0,675
257,20 W/m2độ
aW =
d tr 0,032
Þ qW = aW. t2 = 257,2.8 ,25 = 2121,6 W/m2
3.3. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu ngo ài ống :
Nhiệt độ trung bình của dòng nhập liệu: tf = ½ (tV + tR) = 44,0 oC
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: rN = 990,2 kg/m3
Khối lượng riêng của rượu: rR = 768 ,8 kg/m3
1 xF
1x 0,1 1 0,1
1,02.10 3 Þ r = 962,5 kg/m3
Nên: F
R N 768,8 990,2
Độ nhớt của nước: mN = 5,68.10-4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: mR = 4,05.10 -4 N.s/m2
Nên: lgm = xFlgmR + (1 – xF)lgmN
Þ m = 5,22.10 -4 (N.s/m2)
Hệ số dẫn nhiệt của nước: lN = 0,650 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của rượu: lR = 0,212 W/mK
Nên: l = R .xW N .(1 xW ) 0,72.xW .(1 xW ).( N R ) = 0,482 W/mK (công thức
1.37, trang 124,[1])
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 41,78 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 26,86 J/kgK
Nên: c = cR.xF + cN. (1 – xF) = 40,90 J/kgK
c
Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: Pr = 4,43
Đường kính tương đương của khoảng không ngo ài ống:
D 2 n.d o2 0,7 2 127.0,032 2
d td t 0,076m
Dt n.d o 0,7 127.0,032
Vận tốc thực tế của dòng nhập liệu đi ngoài ố ng:
4G F 4.1000
3,57.10 3 m/s
vF
2 2 2 2
3600 ( Dt n.d o ) 3600.962,5. .(0,7 127.0,032 )
Chuẩn số Reynolds :
3,57.10 3.0,076.962,5
v d .
Re F F . td F 710,9 < 2300 : chế độ chảy tầng.
5,22.10 4
F
Áp dụng công thức (V.56), trang 20, [2] Þ công thức xác định chuẩn số Nusselt:
Trang 42
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Nu D 1,16.d td,6 . Re 0, 6 PrD,33
0 0
D
1,16.0,108 0,6.710,9 0, 6.4,430,33 25,64
Chọn t1 = 18oC
Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu ngo ài ống:
Nu F . F 25,64.0,482
114,43 W/m2độ
aF =
d td 0,108
Þ qF = aF. t1 = 112,75.18 = 2059,7 W/m2
Kiểm tra sai số:
qW q F
100% = 2,92 % < 5% (thỏa)
e=
qW
3.4. Xác đ ịnh hệ số truyền nhiệt:
1
75,85 W/m2K
K
1 1
5,565.10 4
257,20 114,43
4 . Bề mặt truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Q 115,7.1000
40,41 m2
F=
K .t log 75,85.37,75
5 . Cấu tạo thiết bị:
Số ống truyền nhiệt: n = 127 ố ng. Ống đ ược bố trí theo hình lục giác đều.
F
Chiều dài ống truyền nhiệt: L = = 2,51 (m) Þ chọn L = 2,5 m
d n d tr
n
2
So ố ng trên đường chéo: b = 13 ống
Bước ống: t = 48 (mm) = 0,048 m
Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [2 ]:
Þ Đường kính trong của thiết bị: D = t(b-1) + 4dn = 0,7 m.
V. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu:
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ố ng, đặt ngang.
Ống truyền nhiệt được làm b ằng thép hợp kim X18H10T, kích thước ống 38 x 3:
Đường kính ngo ài: dn = 38 mm = 0,038 m
Bề d ày ố ng: dt = 3 mm = 0,003 m
Đường kính trong: d tr = 0,032 m
Nhiệt trở lớp bẩn trong ống: r1 = 1/5000 m2.K/W
Nhiệt trở lớp cáu ngo ài ống: r2 =1/5800 m2.K/W
Chọn:
Nhập liệu đi trong ống với nhiệt độ vào tV = 60,0oC và nhiệt độ ra tR = 68,5 oC.
Dòng hơi ngưng tụ đi ngoài ố ng với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 126,25 oC, có áp suất 2at,
ẩn nhiệt hóa hơi r = 2189500 J/kg.
1 . Lượng hơi nước cần dùng :
Trang 43
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Cân bằng nhiệt: Q = GF.cF.(tr – tv) = Gn.rn
Ở nhiệt độ trung b ình ttb = 64,25 oC thì:
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 41,83 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 28,20 J/kgK
Nên: cF = cR.xF + cN. (1 – xF) = 41,02 J/kgK
Q = 1000.41,02.( 68,5 - 60) = 34,87 kW
Gn = 15,93 (kg/h)
2 . Hiệu số nhiệt độ trung bình :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(126,25 60,0) (126,25 68,5)
62,15 K
t log
126,25 60,0
Ln
126,25 68,5
3 . Hệ số truyền nhiệt:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
1
K
1 1
rt
n ngöng
, W/m2.K
Với:
an : hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh, W/m2.K
angưng : hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tu , W/m2.K
rt : nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu.
Bề dày thành ố ng: t = 0,003 m
Hệ số d ẫn nhiệt của thép không gỉ: t = 16,3 W/mK
Nhiệt trở lớp cáu trong ống: r1 = 1 /5800 m2.K/W
Nhiệt trở lớp cáu ngoài ố ng: r2 =1/5800 m2.K/W
Nên: rt = 5 ,289.10 -4 m2.K/W
3.1. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu đ i trong ống :
Nhiệt độ trung b ình của dòng nhập liệu trong ố ng: tf = ½ (tV + tR) = 64,25oC
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: rN = 979,8 kg/m3
Khối lượng riêng của rượu: rR = 746,2 kg/m3
1 xF
1x 1 0,1
0,1
Þ r = 950,06 kg/m3
Nên: F
R N 746,2 979,8
Độ nhớt của nước: mN = 3,88 .10-4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: mR = 3,12.10 -4 N.s/m2
Nên: lgm = xF.lgmR + (1 – xF).lgm N
Þ m = 3,65.10 -4 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt của nước: lN = 0,661 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của rượu: lR = 0,105 W/mK
Nên: l = R .x F N .(1 x F ) 0,72.x F .(1 x F ).( N R ) = 0,569 W/mK (công thức
1.37, trang 124,[1])
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 41,83 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 28,20 J/kgK
Nên: c = cR.xF + cN. (1 – xF) = 40,475 J/kgK
Trang 44
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
c
Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: Pr = 2,60
Vận tốc thực tế của dòng nhập liệu trong ống:
4G F 4.1000
0,003 m/s
vF
3600 F nd tr 3600.950,06.127. .0,032 2
2
Chuẩn số Reynolds :
v d . 0,003.0,032.950,06
Re F F . tr F 250,0 < 2300 : chế độ chảy tầng
3,65.10 4
F
Áp dụng công thức (1.80), trang 31, [5] Þ công thức xác định chuẩn số Nusselt:
0 , 25
Pr
0 , 33 0 , 43 0 ,1
Nu w 0,15. l . Re Pr .Gr . n Pr
n n
w2
Trong đó: e1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều d ài L
và đường kính d của ống.
Tra b ảng 1.2, trang 31, [5] Þ chọn e1 = 1
Chọn t2 = 20oC Þ tw2 = 84 ,25 oC
Tại nhiệt độ này:
Độ nhớt của nước: mN = 3,03 .10-4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: mR = 2,26.10 -4 N.s/m2
Nên: lgm = xFlgmR + (1 – xF)lgmN
Þ m = 2,98.10 -4 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt của nước: lN = 0,677 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của rượu: lR = 0,178 W/mK
Nên: l = R .x F N .(1 x F ) 0,72.x F .(1 x F ).( N R ) = 0,595 W/mK (công thức
1.37, trang 124,[1])
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4201,8 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 2922,0 J/kgK
Nên: c = cR. xF + cN.(1 – xF) = 4126,5 J/kgK
c
Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: PrW 2 = 2,067
g .d o . 2 . .t
3
Gr
2
1 1
2,96.10 3 K 1
T 64,25 273
9,81.0,032 3.950,06 2.2,96.10 3.20
193,4.10 6
Gr 3 2
(0,298.10 )
Þ NuF = 11,4
Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu đi trong ống trong:
Nu F . F 11,4.0,595
212,0 W/m2độ
aF =
d tr 0,032
Þ qF = aF. t2 = 212,0.20 = 4240,0 W/m2
Trang 45
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
3.3. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ố ng :
Áp dụng công thức (1.110), trang 38, [5]Þ Đối với ống đơn chiếc nằm ngang thì:
r. 2 .g.3
1 0,7254
.(t ngöng - t W1 ).d n
Tra b ảng V.II, trang 48, [2] Þ với số ống n = 127 thì số ống trên đường chéo của hình 6
cạnh là: b = 13
Tra hình V.18, trang 19, [4] Þ hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống và số ống trong mỗi
dãy thẳng đứng là etb = 1,1
Þ Hệ số cấp nhiệt trung bình của chùm ống: angưng = etba1 = 1,1a1
Chọn t1 = 0,2oC Þ tW1 = 126,05oC
Tra các thông số của hơi ngưng tụ:
Khối lượng riêng của hơi: rN = 939,16 kg/m3
Độ nhớt của hơi: m N = 2 ,28.10-4 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt của hơi: lN = 0,686 W/mK
Þ a1 = 19886,13 W/m2K
Þ an = 21874,74 W/m2K
Þ qn = an (tn – tW1) = 4374,94 W
Kiểm tra sai số:
qn q F
100% = 3,08 % < 5% (thỏa)
e=
qn
3.4. Xác đ ịnh hệ số truyền nhiệt:
1
188,0 W/m2K
K
1 1
5,565.10 4
212,0 21874,74
4 . Bề mặt truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Qnt 15,93.1000
1,36 m2
F=
K .t log 188,0.62,15
5 . Cấu tạo thiết bị:
Số ống truyền nhiệt: n = 127 ố ng. Ống đ ược bố trí theo hình lục giác đều.
F
Chiều d ài ống truyền nhiệt: L = = 0,09 (m) Þ chọn L = 0,1 m
d n d tr
n
2
So ố ng trên đường chéo: b = 13 ống
Tra b ảng trang 21, [3] Þ Bước ống: t = 48 mm = 0,048 m
Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [2 ]:
Þ Đường kính trong của thiết bị: D = t(b -1) + 4dn = 0,7 m.
V I. Bồn cao vị:
Trang 46
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
1. Tổn thất đường ống dẫn:
Chọn ống dẫn có đ ường kính trong là dtr = 80 mm
Tra bảng II.15, trang 381, [1 ] Þ Độ nhám của ống: e = 0,2 mm = 0,0002 m
Tổn thất đ ường ống dẫn:
v 2
l
h1 1 1 1 . F
2g m
d
1
Trong đó:
l1 : hệ số ma sát trong đường ống.
l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 30 m
d 1 : đ ường kính ống dẫn, d1 = d tr = 0,08 m
x1 : tổng hệ số tổn thất cục bộ.
vF : vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn
1.1. Xác đ ịnh vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn :
Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở nhiệt độ trung b ình:
t t FS 28 65,8
= 46,9 oC
tF = FV
2 2
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: rN = 989,2 kg/m3
Khối lượng riêng của rượu: rR = 768,4 kg/m3
1 xF
x 1 0,1
1 0,1
Þ rF = 961,6 kg/m3
F
Nên:
F R N 768,4 989,2
Độ nhớt của nước: mN = 5,15 .10-4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: mR = 3,75.10 -4 N.s/m2
Nên: lgmF = xFlgmN + (1 – xF)lgm A
Þ mF = 4,65.10-4 N.s/m2
Vận tốc của dòng nhập liệu đi trong ống:
4G F 4.1000
= 0,057 m/s
vF
3600 F d tr 3600.961,6. .0,08 2
2
1.2. Xác đ ịnh hệ số ma sát trong đường ống :
Chuẩn số Reynolds :
vd 0,057.0,08.961,6
Re F F tr F = 9429,9 > 4000 : chế độ chảy rối
4,65.10 4
F
Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh = 6(d 1/e)8/7 = 5648,513
Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
Ren = 220 .(d1/e)9/8 = 186097,342
Vì Regh < ReF < Ren Þ chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ.
0 , 25
100
Áp dụng co ng thức (II.64), trang 379, [1]: l1= 0,1.1,46. = 0,035
d1 Re F
1.3. Xác đ ịnh tổng hệ số tổn thất cục bộ :
Chỗ uốn cong :
Tra b ảng II.16, trang 382, [1]:
Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = 2 thì xu1 (1 chỗ) = 0,15.
Đường ống có 6 chỗ uốn Þ xu1 = 0,15. 6 = 0 ,9
Trang 47
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Van :
Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn thì xvan (1 cái) = 10.
Đường ống có 2 van cầu Þ xvan = 10. 2 = 20
Lưu lượng kế : xl1 = 0 (coi như không đáng kể).
Vào tháp : xtháp = 1
Tại miệng ra của bồn cao vị: Tra bảng 10, trang 385, [1]: x = 11
Nên: x1 = 33,05
0,057 2
30
= 7,65.10 -3 (m)
Vậy: h1 0,035. 33,05 .
0,08 2.9,81
2 . Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt giữa dòng nhập liệu và
sản phẩm đáy:
v2
l
h 2 2 2 2 . 2
d 2g
2 m
Trong đó:
l2 : hệ số ma sát trong đường ống.
l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = 2,5 m
d 2 : đ ường kính ống dẫn, d2 = d tr = 0,032 m
x2 : tổng hệ số tổn thất cục bộ.
v2 : vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn
2.1. Vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn :v2 = 3 ,57.10-3 m/s
2.2. Xác định hệ số ma sát trong đường ống :
Chuẩn số Reynolds : Re2 = 710,9 < 2300 : chế độ chảy tầng.
Độ nhám: e = 0,0002
64 64
Áp dụng công thức (II.64), trang 379, [1]: 0,09
Re 710,9
2.3. Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ :
Đột thu :
0,032 2
F
Tra b ảng II.16, trang 382, [1]: Khi o = 0,160 thì xđột thu 2 (1chỗ) = 0,458
0,08 2
F1
Có 1 chỗ đột thu Þ xđột thu 1 = 0,458
Đột mở :
0,032 2
F
Tra b ảng II.16, trang 382, [1]: Khi o = 0,160 thì xđột mở 2 (1chỗ) = 0,708
0,08 2
F1
Có 1 chỗ đột mở Þ xđột mở 2 = 0,708
Nên: x2 = xđôt thu 2 + xđột mở 2 = 1,166
(3,57.10 3 ) 2
2,5
0,68.10 3 m
Vậy: h2 127. 0,09. 1,166 .
0,032 2.9,81
3 . Tổn thất đư ờng ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu:
v2
l
h3 3 3 3 . 3 ,m
d 2g
3
Trang 48
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Trong đó:
l3 : hệ số ma sát trong đường ống.
l3 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = 0,5 m.
d 3 : đ ường kính ống dẫn, d3 = d tr = 0,032 m.
x3 : tổng hệ số tổn thất cục bộ.
v3 : vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn
3.1. Vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn :v2 = 0,003 m/s
3.2. Xác đ ịnh hệ số ma sát trong đường ống :
Chuẩn số Reynolds : Re2 = 250 < 2300 : chế độ chảy tầng
Độ nhám: e = 0,0002
64 64
Áp dụng công thức (II.64), trang 379, [1]: 0,256
Re 250
3.3. Xác đ ịnh tổng hệ số tổn thất cục bộ :
Đột thu :
0,032 2
F
Tra b ảng II.16, trang 382, [1]: Khi o = 0,160 thì xđột thu 3 (1chỗ) = 0,458
0,08 2
F1
Có 1 chỗ đột thu Þ xđột thu 3 = 0,458
Đột mở :
0,032 2
F
Tra b ảng II.16, trang 382, [1]: Khi o = 0,160 thì xđột mở 3 (1chỗ) = 0,708
0,08 2
F1
Có 1 chỗ đột mở Þ xđột mở 3 = 0,708
Nên: x3 = xđôt thu 3 + xđột mở 3 = 1,166
0,003 2
0,5
0,30.10 3 m
Vậy: h3 127. 0,256. 1,166 .
0,032 2.9,81
4 . Chiều cao bồn cao vị:
Chọn :
Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị.
Mặt cắt (2-2) là mặt cắt tại vị trí nhập liệu ở tháp.
Ap dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2):
2 2
P1 v P2 v
+ 1 = z2 + + 2 +hf1-2
z1 +
F .g F .g
2.g 2 .g
2 2
P2 P1 v2 v1
z1 = z2 + +hf1-2
F .g 2.g
Trong đó:
z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem như là chiều cao bồn cao vị Hcv =
z1 .
z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem như là chiều cao từ mặt đất đến vị
trí nhập liệu:
z2 = hchân đỡ + hđáy + (nttC – 1 ).Dh
= 0,105 + 0,02 + (12 – 1).0,25 = 2,875 m
P1 : áp suất tại mặt thoáng (1 -1), chọn P1 = 1 at = 9,81.10 4 N/m2
P2 : áp suất tại mặt thoáng (2 -2)
Xem DP = P2 – P1 = nttL .DPL = 9. 286,27 = 2576,4 N/m2
Trang 49
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
v1 : vận tốc tại mặt thoáng (1-1), xem v1 = 0 m/s
v2 : vận tốc tại vị trí nhập liệu, v2 = vF = 0 ,057 m/s
hf1-2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2):
hf1-2 = h1 + h2 + h3 = 8,63.10 -3 m
2 2
P P v v1
Vậy: Chiều cao bồn cao vị: Hcv = z2 + 2 1 2 +hf1-2
F .g 2.g
0,057 2 0
2576,4
+ 8,63.10-3
= 2,875 +
9,81.961,6 2.9,81
= 3,16 m
Chọn Hcv = 5 m
VII. Bơm:
1 . Năng suất:
Nhiệt độ dòng nhập liệu là tF = 28oC.
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: rN = 996,3 kg/m3
Khối lượng riêng của rượu: rR = 784,8 kg/m3
1 xF
x 1 0,1
1 0,1
Þ rF = 970,2 kg/m3
F
Nên:
F R N 784,8 996,3
Độ nhớt của nước: mN = 8,36.10-4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: mR = 0,51.10 -3 N.s/m2
Nên: lgmF = xF.lgm N + (1 – xF).lgm A
Þ mF = 7,35 .10-4 N.s/m2
Suất lượng thể tích của dòng nhập liệu đi trong ống:
G 1000
= 1,03 m3/h
QF F
F 970,2
Vậy: chọn b ơm có năng suất Qb = 2 m3/h
2 . Cột áp:
Chọn :
Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu.
Mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị.
Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2):
2 2
v v
P1 P2
+ 1 + Hb = z2 + + 2 +hf1-2
z1 +
F .g F .g
2.g 2.g
Trong đó:
z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = 1 m.
z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 5m.
P1 : áp suất tại mặt thoáng (1 -1), chọn P1 = 1 at.
P2 : áp suất tại mặt thoáng (2 -2), chọn P2 = 1 at.
v1,v2 : vận tốc tại mặt thoáng (1-1) và(2-2), xem v1= v2 = 0 m/s
hf1-2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đ ến (2 -2).
Hb : cột áp của bơm.
2.1. Tính tổng trở lực trong ống:
Chọn đ ường kính trong của ống hút và ống đẩy bằng nhau: dtr = 50 mm
Trang 50
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Tra b ảng II.15, trang 381, [1] Þ Độ nhám của ống: e = 0,2 mm = 0,0002
Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy
v 2
l l
hf1-2 = h ñ h ñ . F
2g
d tr
Trong đó:
lh : chiều dài ố ng hút.
Chiều cao hút của bơm: Tra bảng II.34, trang 441, [1] Þ hh = 4,2 m
Þ Chọn lh = 6 m
lđ : chiều dài ố ng đẩy, chọn lđ = 8 m
xh : tổng tổn thất cục bộ trong ống hút.
xđ : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy.
l : hệ số ma sát trong ống hút và ố ng đẩy.
vF : vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút và ống đẩy m/s
4Qb 4 .2
vF 0,283 m/s
3600d tr 3600. .0,050 2
2
11 Xác đ ịnh hệ số ma sát trong ống hút và ố ng đẩy :
Chuẩn số Reynolds :
vd 0,283.0,05.970,2
Re F F tr F = 17053,8 > 4000 : chế độ chảy rối
8,05.10 4
F
Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh = 6(d tr/e)8/7 = 3301,065
Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
Ren = 220(dtr/e)9/8 = 109674,381
Vì Regh < ReF < Ren Þ chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ.
0, 25
100
Áp dụng công thức (II.64), trang 379, [1]: l = 0,1.1,46.
= 0,033
d tr Re F
12 Xác đ ịnh tổng tổn thất cục bộ trong ống hút :
§ Chỗ uốn cong :
Tra b ảng II.16, trang 382, [1]: Chọn dạng ống uốn cong 90 o có bán kính R với R/d = 2
thì xu1 (1 chỗ) = 0,15.
Ống hút có 2 chỗ uốn Þ xu1 = 0,3
§ Van :
Chọn van cầu với độ mở ho àn toàn thì xv1 (1 cái) = 10.
Ống hút có 1 van cầu Þ xv1 = 10
Nên: xh = xu1 + xv1 = 10,3
13 Xác đ ịnh tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy :
§ Chỗ uốn cong :
Tra b ảng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90 o có bán kính R với R/d = 2
thì xu2 (1 chỗ) = 0,15.
Ống đẩy có 4 chỗ uốn Þ xu2 = 0,15. 4 = 0,6
§ Van :
Tra b ảng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở ho àn toàn thì xv2 (1 cái) = 10.
Ống đẩy có 1 van cầu Þ xv2 = 10
§ Vào bồn cao vị : xcv = 1
Trang 51
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Nên: xđ = xu1 + xv1 + xcv = 11,6
0,2832
68
Vậy: hf1-2 = 0,033 = 0,127 m
10,3 11,6 .
0,05 2.9,81
2.2. Tính cột áp của bơm:
Hb = (z2 – z1) + hf1-2 = ( 5 – 1) + 0,127 = 4 ,127 m
3 . Công suất:
Chọn hiệu suất của bơm: hb = 0,8.
Q H .g 2.4,127.970,5.9,81
Công suất thực tế của bơm: Nb = b b F
3600. b 3600.0,8
= 27,3 W
Kết luận: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn 2 bơm li tâm, có:
Năng suất: Qb = 2 m3/h
Cột áp: Hb = 4 ,127 m
Công suất: Nb = 27,3 W
CHƯƠNG 6:
Tính kinh tế
Lượng thép X18H10T cần dùng:
M1 = 21 mmâm + mthân + 2mđáy(nắp) = 243,43 kg
Lượng thép CT3 cần dùng:
M2 = 8mbích nối thân + mbích ghép ống lỏng + mbích ghép ống hới
+ 4. mchân đỡ + 4. mtai treo + 4. mtấm lót = 163,82 kg
Số bulông cần dùng:
n = 164 (cái)
Chiều dài ố ng 38 x 3mm:
L1 = 837m
Chiều dài ố ng 7 0mm: Chọn tổng chiều d ài ống dẫn lỏng vào tháp là 10m.
Chiều dài ố ng 150mm: Chọn tổng chiều dài ống hơi ở đ ỉnh tháp và ố ng hơi ở đ áy
tháp là L4 = 10m.
Chiều dài ố ng 50mm: Chọn tổng chiều dài ố ng chảy tràn và ố ng xả đáy từ bồn cao
vị, ống nhập liệu và ố ng hoàn lưu là 40m.
Bơm ly tâm: chọn 2 b ơm ly tâm Þ Nb = 2. 27,3 = 54,6 W
Trang 52
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Vật liệu Số lượng Thành tiền (đ)
Đơn giá
50000 (đ/kg)
Thép X18H10T 243,43 (kg) 12171500
10000 (đ/kg)
Thép CT3 163,82 (kg) 1638200
2500 (đ/cái)
Bulông 164 (cái) 410000
Ống dẫn 38 x 3mm 50000 (đ/m)
837 (m) 41850000
Ống 70mm 100000 (đ/m)
10 (m) 1000000
Ống 150mm 100000 (đ/m)
10 (m) 1000000
Ống 50mm 100000 (đ/m)
40 (m) 4000000
Bơm ly tâm 700000 (đ/Hp)
54,6 (W) 56000
Áp kế 200000 (đ/cái)
2 (cái) 400000
Nhiệt kế 150000 (đ/cái)
3 (cái) 450000
Lưu lượng kế (³ 50mm) 1000000 (đ/cái)
2 (cái) 2000000
64975700
Tổng chi phí vật tư
Vậy tổng chi phí vật tư là 65 triệu đồng.
Xem tiền công chế tạo bằng 200% tiền vật tư.
Vậy: tổng chi phí là 195 triệu đồng.
CHƯƠNG 7:
Kết luận
Với hệ thống chưng cất metanol - nước dùng tháp mâm xuyên lỗ như đã thiết kế, ta
thấy bên cạnh những ưu điểm cũng còn có nhiều nhược điểm. Thiết bị có ưu điểm là năng
suất và hiệu suất cao nhưng thiết bị còn rất cồng kềnh, đòi hỏi phải có sự vận hành với độ
chính xác cao. Bên cạnh đó, khi vận hành thiết bị này ta cũng phải hết sức chú ý đến vấn
đề an toàn lao động để tránh mọi rủi ro có thể xảy ra, gây thiệt hại về người và của.
Trang 53
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Tài liệu tham khảo
[1]. Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học Tập 1, ĐHBK Hà Nội.
[2]. Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học Tập 2, ĐHBK Hà Nội.
[3]. Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh, “ Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học –
Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM, 2004.
[4]. Phạm Văn Bôn – Nguyễn Đình Thọ, “Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa
Học – Tập 5: Quá trình và Thiết bị Truyền Nhiệt”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia
TpHCM, 2002.
[5]. Phạm Văn Bôn , “Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học – Bài tập
Truyền nhiệt”, Nhà xu ất bản Đại học Quốc gia TpHCM,2004.
[6]. Trịnh Văn Dũng , “Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học – Bài tập
Truyền khối”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM,2004.
[7]. Hồ Lê Viên, “Thiết kế và Tính toán các thiết bị hóa chất”, Nhà xu ất bản Khoa học
và K ỹ thuật, Hà Nội, 1978.
[8]. Nguyễn Minh Tuyển, “Cơ sở Tính toán Máy và Thiết bị Hóa chất – Thực phẩm”,
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1984.
Trang 54
Top Download Khoa Học Tự Nhiên
-
-
-
-
-
-
-
-
Tiểu luận: Sử dụng tài nguyên thiên nhiên nước
14p 396 195
-
Luận văn: Hiện tượng làm thay đổi vận tốc phản ứng
102p 321 223
-
Báo cáo thực tập: Hóa phân tích - Trường ĐH Đà Lạt
36p 1010 295
-
35p 661 220
Tài Liệu Khoa Học Tự Nhiên Mới Xem thêm » Tài Liệu mới cập nhật Xem thêm »
-
-
-
-
17p 3 1
-
-

markdown:
52 trang
Lượt xem: 711
Download: 282
# Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị: Phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho methanol
Chia sẻ:
[meoancaran](http://tailieu.vn/user/meoancaran)
Công nghệ hóa học là một trong những ngành đóng góp rất lớn trong sự phát triển của nền công nghiệp nước ta.Trong ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu có độ tinh khiết cao phải phù hợp với qui trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng. Ngày nay, các phương pháp được sủ dụng để nâng cao độ tinh khiết là: chưng cất, trích ly, cô đặc, hấp thu ….Tùy theo đặc tính sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp....
![](images/graphics/blank.gif)
![](images/graphics/blank.gif)
## Thể loại:
[Luận Văn - Báo Cáo](http://tailieu.vn/luan-van-bao-cao/)» [Khoa Học Tự Nhiên](http://tailieu.vn/luan-van-bao-cao/khoa-hoc-tu-nhien/)
## Chủ đề liên quan:
**Nội dung Text: Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị: Phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho methanol**
Quá trình và Thiết bị
" phương pháp
chưng cất để nâng
cao độ tinh khiết cho
methanol "
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
LỜI MỞ ĐẦU
Công ngh ệ hóa học là một trong những ngành đóng góp rất lớn trong sự phát
triển của nền công nghiệp nước ta.Trong ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng
sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu có độ tinh khiết cao phải phù hợp với
qui trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng.
Ngày nay, các phương pháp được sủ dụng để nâng cao độ tinh khiết là: chưng cất,
trích ly, cô đ ặc, hấp thu ….Tùy theo đ ặc tính sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp
thích hợp. Hệ methanol – nước là 2 cấu tử tan lẫn ho àn toàn, ta dùng phương pháp
chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho methanol.
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá
trình học tập của các kỹ sư hoá- thự c phẩm tương lai. Môn học giúp sinh viên giải
quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết
bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng
những kiến thức đ ã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế
một cách tổng hợp.
Em chân thành cảm ơn thầy Mai Thanh Phong và các quí thầy cô bộ môn Máy &
Thiết Bị, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình
hoàn thành đồ án không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn.
Tp HCM, ngày 18.1.2010
Trang 3
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
CHƯƠNG 1
Tổng quan
I. Giới thiệu về nguyên liệu
1. Methanol
Methanol còn gọi là rượu gỗ, có công thức hóa học CH3OH. Là chất lỏng
không màu, dễ bay hơi và rất độc. Các thông số của methanol:
- Phân tử lượng: 32,04 g/mol.
- Khối lượng riêng: 0,7918 g/cm3.
- Nhiệt độ nóng chảy: -97 oC (176K).
- Nhiệt độ sôi: 64,5oC ( 337,8K).
- Độ nhớt: 0,59 Ns/m2 ở 20 oC.
1.1. Ứng dụng
Methanol được dùng làm chất chống đông, làm dung môi, làm nhiên liệu
cho động cơ đốt trong, nhưng ứng dụng lớn nhất là làm nguyên liệu để sản xuất các hóa
chất khác.
Kho ảng 40% metanol được chuyển thành forml dehyde, từ đó sản xuất ra
chất dẻo, sơn…Các hóa chất khác đ ược dẫn xuất từ metanol bao gồm dimeylete…
1.2. Sản xuất
Methanol được sinh ra từ sự trao đổi chất yếm khí của 1 vài loài vi khu ẩn.
Kết quả là 1 lượng nhỏ hơi methanol được tạo thành trong không khí. Và sau vài ngày
không khí có chứa methanol sẽ bị oxy hoá bởi O2 dưới tác dụng của ánh sáng chuyển thành
CO2 và H2O theo phương trình:
2CH3OH + 3 O2 2CO2 + 4H2O
Hiện nay methanol được sản xuất bằng cách tổng hợp trực tiếp từ H2 và CO,
gia nhiệt ở áp suất thấp có mặt chất xúc tác.
2. Nước
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không
vị nhưng khối nước d ày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau.
Tính chất vật lý:
- Khối lượng phân tử : 18 g / mol
- Khối lượng riêng d 4oC : 1 g / ml
: 0 0C
- Nhiệt độ nóng chảy
: 100 0 C
- Nhiệt độ sôi
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đ ất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất
cần thiết cho sự sống.
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng ho à tan nhiều chất và là dung môi rất
quan trọ ng trong kỹ thuật hóa học.
3. Hỗn hợp Methanol-nước
Ta có b ảng cân bằng lỏng-hơi cho hỗn hợp methanol-nước ở 1 atm
Bảng 1
Trang 4
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
toC 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,5 66 64,5
x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100
Ở đ ây
x là thành phần lỏng
y là thành phần hơi
II. Lý thuyết về chưng cất:
1. Khái niệm:
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng (cũng như
hỗn hợp khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ b ay hơi khác nhau của các cấu tử
trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác
nhau).
Thay vì đ ưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha
như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên
bằng sự bốc hơi ho ặc ngưng tụ.
Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy
nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi
và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ
khác nhau), còn trong quá trình cô đ ặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay
hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì hệ có bao nhiêu cấu tử sẽ
thu được b ấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu đ ược 2 sản
phẩm:
+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu
tử có độ bay hơi bé.
+ Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi b é và một phần rất ít cấu tử có
độ bay hơi lớn.
Vậy đối với hệ methanol - nước thì:
- Sản phẩm đỉnh chủ yếu là methanol.
- Sản phẩm đáy chủ yếu là nước.
2. Các phương pháp chưng cất:
2.1. Phân lo ại theo áp suất làm việc
- Áp su ất thấp
- Áp su ất thường
- Áp su ất cao
2.2. Phân lo ại theo nguyên lý làm việc
- Chưng cất đơn giản
- Chưng b ằng hơi nước trực tiếp
- Chưng cất đa cấu tử
2.3. Phân lo ại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp
- Cấp nhiệt trực tiếp
- Cấp nhiệt gián tiếp
Vậy đối với hệ methanol - nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp
nhiệt gián tiếp .
3. Thiết bị chưng cất:
Trang 5
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất.
Tuy nhiên yêu cầu cơ b ản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt
tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào
lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng
phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đ ây ta khảo sát 2 loại thường dùng
là tháp mâm và tháp chêm.
- Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác
nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của
đ ĩa, ta có:
- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…
- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh
- Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay
hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay
xếp thứ tự.
So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:
Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp
- Cấu tạo khá đ ơn giản. - Trở lực tương đối thấp. - Khá ổn định.
Ưu
- Trở lực thấp. - Hiệu suất khá cao. - Hiệu suất cao.
điểm
- Làm việc đ ược với chất lỏng bẩn.
- Do có hiệu ứng thành nên hiệu - Không làm việc được - Có trở lực lớn.
suất truyền khối thấp. với chất lỏng bẩn. - Tiêu tốn nhiều
Nhược
- Độ ổn định thấp , khó vận hành. - Kết cấu khá phức tạp. vật tư, kết cấu
điểm
- Khó tăng năng suất. p hức tạp.
- Thiết bị khá nặng nề.
Trong báo cáo này ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ methanol - nước.
CHƯƠNG 2
Quy trình công nghệ
1 . Thuyết minh quy trình công nghệ:
Hỗn hợp methanol - nước có nồng độ nhập liệu methanol 10 % (theo phần hối lượng),
nhiệt độ khoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (13) được bơm (1) bơm lên bồn cao vị (2 ).
Từ đó đ ược đ ưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy (12 ). Sau đó, hỗn hợp được
Trang 6
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi d òng nhập liệu (3), rồi được đưa vào tháp
chưng cất (5 ) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy
xu ống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc và
trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xu ống dưới
càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đ ã bị pha hơi tạo nên từ hơi nước đ ược cấp
trực tiếp vào đáy tháp lôi cu ốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi
hơi đi qua các đ ĩa từ d ưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối
cùng trên đỉnh tháp ta thu đ ược hỗn hợp có cấu tử methsanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ
95 % phần khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (7) và được ngưng tụ ho àn toàn.
Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng. Phần còn lại được
làm nguội đến 400C, rồi đ ưa về b ình chứa sản phẩm đỉnh.
Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp đ ược bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao
trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đ áy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là
các cấu tử khó bay hơi (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ methanol là 1 ,5% phần
khối lượng, còn lại là nước. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp đi vào thiết bị trao đổi
nhiệt với dòng nhập liệu, rồi được đ ưa qua bồn chứa sản pham đáy (11).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là methanol. Sản phẩm đáy là nước
sau khi trao khi trao đổi nhiệt với d òng nhập liệu được thải bỏ ở nhiệt độ 60 0C.
Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1. Bồn chứa nguyên liệu
2. Bơm
3. Bồn cao vị
4. Thiết bị trao đổi nhiệt.
5. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
6. Lưu lượng kế.
7. Tháp chưng
8. Thiết bị đun sản phẩm đáy
9. Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
10. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
11. Thiết bị làm ngu ội sản phẩm đỉnh
12. Bẩy hơi
13. Bồn chứa sản phẩm đáy
Trang 7
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN SƠ BỘ
I. C ác thông số ban đầu:
- Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ. Thiết bị hoạt động liên tục.
- Khi chưng luyện dung dịch metanol thì cấu tử dễ bay hơi là metanol.
- Hỗn hợp:
+ Methanol: CH3OH, MR = 32 (g/mol)
+ Nước: H2O, MN = 18 (g/mol)
Năng su ất nhập liệu : GF = 1000 (l/h)
Nồng độ nhập liệu : x F = 10% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)
Nồng đ ộ sản phẩm đỉnh: x P = 95% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)
Nồng dộ sản phẩm đáy: xW = 1,5% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)
Chọn:
- Nhiệt độ nhập liệu b an đầu : tBĐ = 28oC
- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm ngu ội: tPR = 60oC
- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 28 oC
- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40oC
- Trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi.
Các ký hiệu:
GF, F: su ất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.
GP, P: su ất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h.
GW, W: su ất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h.
L : su ất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h.
xi, xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.
II. C ân bằng vật chất:
1. Nồng độ phần mol của Methanol trong tháp
xF / M R 0.1 / 32
xF 0.0588
x F / M R (1 x F ) / M N 0.1 / 32 (1 0.1) / 18
xP / M R 0.95 / 32
xP 0.9144
x P / M R (1 x P ) / M N 0.95 / 32 (1 0.95) / 18
xW / M R 0.0.15 / 32
xW 0.0085
xW / M R (1 xW ) / M N 0.015 / 32 (1 0.015) / 18
Từ số liệu của bảng 1 ta xây dựng đồ thị t-x, y cho hệ Methnol- nước
Trang 8
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
100
0
tC
95
90
hôi
85
loûng
80
75
70
65
60
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
x,y
Đồ thị 1 đồ thị t-x,y cho h ệ Methnol- nước
Do ta chọn trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi nên từ đồ thị
1 trên, tại xF = 0 .0588 ta nội suy ra nhiệt độ nhập liệu vào tháp chưng cất là
TF = 91,5 0C
Tra b ảng 1.249, trang 310, {1} ta được N = 964,25 kg/m3
Tra b ảng 1.2, trang 9, {1} ta được R = 722.19 kg/m3
Suy ra khối lượng riêng của hỗn hợp khi nhập liệu vào tháp
1 xF
x 1 0.1
1 0.1
1,072.10 3
F
F R N 722,19 964,25
F 933.0 kg/m3
Suy ra GF = 933,0 kg/h
Ta có M F x F .M R (1 x F ).M N 0,1.32 (1 0,1).18 19,4 kg/kmol
GF 933,0
Nên F 48,093 kmol/h
MF 19,4
Trang 9
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
2. Suất lượng mol của các dòng
- Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp
F=P+W
F.xF = P.xP + W.xW
- Thế các giá trị vào ta được hệ phương trình sau
P W 48,093
0,9144P 0,0085W 48,093.0,0588
P = 2,67 kmol/h
W= 45,42 kmol/h
- Lại có
M P x P .M R (1 x P ).M N 0,95.32 (1 0,95).18 31,30 kg/kmol
M w xW .M R (1 xW ).M N 0,015.32 (1 0,015).18 18,21 kg/kmol
- Suy ra
GP = P.MP = 2,67.31,30 = 83,57 kg/h
GW = W.MW = 45,42.18,21 = 827,1 kg/h
3. Các phương trình làm việc
- Từ bảng số liệu 1 ta xây dựng đồ thì cân bằng pha của hệ Methanol-nước
ở áp suất 1atm
- Với xF = 0,0588 ta nội suy từ đồ thị 2 đ ược y * = 0,295
F
+ Tỉ số hoàn lưu tối thiểu
x y * 0,9144 0,295
Rmin P F
2,62
*
y F x F 0,295 0,0588
+ Tỉ số hoàn lưu làm việc:
R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3.2,62 + 0.3 = 3,71
+ Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu
x xW 0,9144 0,0085
f P 18,01
0,0588 0,0588
x F xW
Phương trình đ ường làm việc của phần chưng:
R f 1 f 3,71 18,01 1 18,01
y x xW .x .0,0085 4,61.x 0,031`
R 1 R 1 3,71 1 3,71 1
Hay y 4,61.x 0,031`
Phương trình đ ường làm việc của phần luyện:
R 1 3,71 1
y x .x P .x .0,9144 0,788.x 0,194
R 1 R 1 3,71 1 3,71 1
Hay y 0,788.x 0,194
Trang 10
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
1
y
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
x
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Đồ thị 2: đồ thì cân bằng pha của hệ Methanol-nước ở áp suất 1atm
CHƯƠNG 4:
Trang 11
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Thiết kế chế tạo tháp chưng cất
I. Đ ường kính tháp:
1. Phần luyện:
a. Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần luyện:
- Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện:
x x F 0,9144 0,0588
xL P 0,4866 mol
2 2
- Nội suy từ đồ thị 1 ta được nhiệt độ trung b ình của pha lỏng trong phần luyện
TLL = 73,4 oC
- Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện:
x x F 0,95 0,1
xL P 0,525
2 2
- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]
Khối lượng riêng của nước ở 73,4oC: N = 975,76 kg/m3
- Tra b ng 1.2, trang 9, [1]
Khối lượng riêng của metanol ở 73,4oC: R = 739,77 kg/m3
- Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [1]
1 xL
x 0,525 1 0,525
1
1,196.10 3
L
LL R N 739,77 957,76
Þ LL = 835,78 kg/m3
b. Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:
- Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện:
yL = 0,788xL + 0.194 = 0,788.0,4866 + 0.194 = 0,5775
Þ Nhiệt độ trung b ình của pha hơi trong phần luyện: THL = 81,6 oC
- Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện:
MHL = yL. MR + (1 – yL). MN = 0,5775.32 + (1 – 0 ,5775). 18 = 26,085 kg/kmol
- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:
PM HL 1.26,085
0,8965 kg / m 3
HL
22,4
RTHL
(81,6 273)
273
- Chọn khoảng cách mâm h = 250 mm
- Tra hình 2.2, trang 42,[6]: C = 0 ,028
- Vận tốc pha hơi đi trong phần luyện
LL 835,78
L C 0,028 0,855 m / s
HL 0,8965
Lưu lượng pha hơi đi trong phần luyện của tháp:
G .(1 R ).22,4.THL 83,57.(1 3,71).22,4.(81,6 273)
0,102 m 3 / s
QV P
M P .To .3600 31,3.273.3600
Đường kính đoạn luyện
4.QV 4.0,102
DL 0,390 m
. L 3,14.0,855
Trang 12
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
2. Phần chưng:
a. Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần chưng:
- Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng:
x xW 0,0588 0,0085
xC F 0,034 (mol metanol/mol hỗn hợp)
2 2
- Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng: TLC = 94,6 oC
- Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện:
x xW 0,1 0,015
xC F 0,0575 kg metanol/ kg hỗn hợp
2 2
- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]
Khối lượng riêng của nước ở 94,6 oC: N = 962,78 kg/m3
- Tra b ng 1.2, trang 9, [1]
Khối lượng riêng của metanol ở 94,6oC: R = 719,18 kg/m3
- Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [1]
1 xC 0,0575 1 0,0575
x
1
1,059.10 3
C
LC R N 719,18 962,78
LC = 941,39 (kg/m3).
b. Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng
- Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần chưng
yC = 4,61xC - 0,031 = 4,61.0,034 – 0,031 = 0,126
Þ Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần chưng:
THC = 96,4 oC
- Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần chưng
MHC = yC. MR + (1 – yC). MN = 0,126.32 + (1 – 0 ,126). 18 = 19,76 kg/kmol
- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng:
PM HC 1.19,76
0,566 kg / m 3
HC
22,4
RTHC
(96,4 273)
273
- Chọn khoảng cách mâm h = 250 mm
- Vận tốc pha hơi đi trong phần chưng:
- Tra hình 2.2, trang 42,[6]: C = 0 ,028
LC 941,39
C C 0,028 1,142 m / s
HC 0,566
- Lưu lượng pha hơi đi trong tháp:
G .(1 R ).22,4.THC 83,57.(1 3,71).22,4.(96,4 273)
0,106 m 3 / s
QV P
M P .To .3600 31,3.273.3600
- Đường kính đoạn chưng
4.QV 4.0,106
DC 0,344 m
. C 3,14.1,142
Tra bảng IX.4a, trang 169, [2], ta chọn theo chuẩn D = 400 mm
Kết luận: đường kính tháp là D = 0,4 m
Trang 13
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Vận tốc pha hơi trong tháp theo thực tế:
4.QV 4.0,106
C 0,844 m / s
3,14.DC . 3,14.0,4 2
2
4.QV 4.0,102
L 0,812 m / s
3,14.DL . 3,14.0,4 2
2
II. C hiều cao tháp:
1. Số mâm lý thuyết
Ta dựng đồ thị 2 đ ường làm việc vào trong đồ thị 2 (đồ thị cân bằng pha).
Đồ thị 3: Đồ thị xác định số bậc lý thuyết của tháp
Từ đồ thị 3 ở trên ta suy số mâm lý thuyết của tháp là Nlt = 10 mâm. Nhưng do ta dùng
thiết bị đun nóng gián tiếp nên ta xem thiết bị này như là 1 mâm lý thuyết
Vậy số mâm trong tháp là 9 mâm, trong đó
+ Số mâm phần chưng là 5
+ Số mâm phần luyện là 4
2. Xác định số mâm thực tế của tháp
Trang 14
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
a. Hiệu suất trung bình của tháp
+ Vị trí đỉnh
Nồng độ phần mol: xP = 0,9144
tsôi = 65,8 oC
y * = 0,972
Độ bay hơi tương đối:
y * .(1 x) 0,972.(1 0,9144)
3,250
(1 y*).x (1 0,972).0,9144
Tra bảng 1.104, trang 96, [1] Þ Độ nhớt của nước mN = 0 ,432 cP
Dùng toán đồ 1.18, trang 90, [1] Þ Độ nhớt của metanol mR = 0,325 cP
Công thức (I.12), trang 84, [1]
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lgm hh = x1lgm1 + x2lgm2
Nên: lgmhh = 0,9144.lg0,325 + (1 – 0,9144 ).lg0,432 = -0,478
Þ mhh = 0,333 cP
Þ aLmL = 3 ,250.0,333 = 1,082
Tra hình IX, trang 171, [2] Þ E = 46%
+ Vị trí nhập liệu
Nồng độ phần mol: xF = 0,0588
o
tsôi = 91,5 C
y * = 0,305
Độ bay hơi tương đối:
y * .(1 x) 0,305.(1 0,0588)
7,025
(1 y*).x (1 0,305).0,0588
Tra bảng 1.104, trang 96, [1] Þ Độ nhớt của nước mN = 0 ,312 cP
Dùng toán đồ 1.18, trang 90, [1] Þ Độ nhớt của metanol mR = 0,245 cP
Công thức (I.12), trang 8 4, [1]
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lgmhh = x1lgm1 + x2lgm2
Nên: lgmhh = 0,0588.lg0,245 + (1 – 0,0588 ).lg0,312 = -0,512
Þ mhh = 0,308 cP
Þ aLmL = 7 ,025.0,308 = 2,161
Tra hình IX, trang 171, [2] Þ E = 41%
+ Vị trí đáy:
Nồng độ phần mol: xP = 0,0085
tsôi = 98,5 oC
y * = 0,052
Độ bay hơi tương đối:
y * .(1 x ) 0,052.(1 0,0085)
6,40
(1 y*).x (1 0,052).0,0085
Tra bảng 1.104, trang 96, [1] Þ Độ nhớt của nước mN = 0 ,289 cP
Dùng toán đồ 1.18, trang 90, [1] Þ Độ nhớt của metanol mR = 0,215 cP
Công thức (I.12), trang 84, [1]
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lgmhh = x1lgm1 + x2lgm2
Nên: lgmhh = 0,0085.lg0,215 + (1 – 0,0085 ).lg0,289 = -0,541
Þ mhh = 0,288 cP
Þ aLmL = 6 ,40.0,288 = 1,842
Trang 15
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Tra hình IX, trang 171, [2] Þ E = 43%
+ Hiệu suất trung b ình của tháp
46 41 43
E tb 43,3%
3
b. Chiều cao tháp
- Số mâm thực tế của tháp
N 9
N tt lt 21 mâm
Etb 0,433
Trong đó
N 5
N ttC C 12 mâm
Etb 0,433
N 4
N ttL L 9 mâm
Etb 0,433
- Chiều cao to àn tháp: Sử dụng công thức IX.54, trang 169, [2]
Htháp = Ntt.(hmâm + d ) = 21.( 0,25 + 0,002 ) + 0,8 = 6,092 m
h
- Chọn đáy (nắp) tiêu chu ẩn có t 0,25 suy ra ht = 0,25.D = 0,25.0,4 = 0,10 m
Dt
- Chọn chiều cao gờ: hg = 25 mm = 0,025 m
- Chiều cao đáy (nắp): Hđn = ht + hg = 0,1 + 0,025 = 0,125 m
Kết luận: Chiều cao to àn tháp: H = 6,34 m
III. Trở lực tháp:
Cấu tạo mâm lỗ:
+ Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:
- Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm.
- Đường kính lỗ dl = 3 mm = 0,003 m
- Chiều cao gờ chảy tràn: hgờ = 30mm = 0,03 m
- Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm.
- Lỗ bố trí theo hình lục giác đều.
- Kho ảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 15 mm.
- Bề dày mâm b ằng 2 mm
- Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T.
+ Số lỗ trên 1 mâm:
2 2
D
8% S m 0,4
0,08 t 0,08. = 1422 lỗ
N= d
Sl 0,003
l
Gọi a là số hình lục giác.
Áp dụng công thức (V.139), trang 48, [2]: N = 3a(a-1) +1
Giải phương trình bậc 2 Þ a = 22,3 » 23 Þ N = 1519 lỗ
Số lỗ trên đường chéo: b = 2a - 1 = 43 lỗ
2. Trở lực của đĩa khô:
Áp dụng công thức (IX.140), trang 194, [2]:
Trang 16
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
' 2 . H
Pk
2
Đối với đĩa có tiết diện tự do bằng 10 % diện tích mâm thì x = 1,82
2.1. Phần luyện
0,812
Vận tốc hơi qua lỗ: ' L L 10,15 m/s
8% 0,08
10,15 2.0,8965
84,05 N/m2
Nên: DPkL = 1,82.
2
2.2. Phần chưng
C 0,844
Vận tốc hơi qua lỗ: 'C 10,55 m/s
8% 0,08
10,55 2.0,566
57,33 N/m2
Nên: PkC 1,82.
2
3. Trở lực do sức căng bề mặt
Vì đĩa có đường kính lỗ > 1mm
Þ Ap dụng công thức (IX.142), trang 194, [2]:
4
P
1,3d loã 0,08d 2
loã
3.1. Phần luyện
Tại nhiệt độ trung b ình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 73,4oC thì:
· Tra b ảng 1.249, trang 310, [1] Þ Sức căng bề mặt của nước sNL = 0,6334 N/m
· Tra b ảng 1.242, trang 300, [1] Þ Sức căng bề mặt của rượu sRL = 0 ,0184 N/m
Ap dụng công thức (I.76), trang 299, [1]:
11 1
1 2
1 2 1 2
0,6334.0,0184
LL 0,0179 N/m
0,6334 0,0184
4 0,0179
18,36 N/m2
PL
1,3 0,003 0,08 0,003 2
3.2. Phần chưng
Tính toán tương tự như phần luyện
Tại nhiệt độ trung b ình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 94,6oC thì:
· Tra b ảng 1.249, trang 310, [1] Þ Sức căng bề mặt của nước sNL = 0,5964 N/m
· Tra b ảng 1.242, trang 300, [1] Þ Sức căng bề mặt của rượu sRL = 0 ,0160 N/m
Ap dụng công thức (I.76), trang 299, [1]:
11 1
1 2
1 2 1 2
0,5964.0,0160
LL 0,0126 N/m
0,5964 0,0160
4 0,0126
12,92 N/m2
PL
1,3 0,003 0,08 0,003 2
Trang 17
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
4. Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra:
Ap dụng công thức trang 68, [3]
DPb = 1,3hbKrLg
Với: hb = hgờ + Dhl
2/ 3
QL
h l
1,85L K
gôø
Trong đó:
Lgờ : chiều d ài của gờ chảy tràn, m
K = rb/rL : t ỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng của chất
lỏng, lấ y gần bằng 0,5.
n .M
QL L L : suất lượng thể tích của pha lỏng, m3/s.
L
Tính chiều dài g ờ chảy tràn :
Ta có: Squạt - SD = Sbán nguyệt
R2 20% 2
1
R
2. R sin R cos
2 2 2 2 2
a - sina = 0,2p
Dùng phép lặp Þ a = 1,627 rad = 93,32 o
93,32
Nên Lgờ = Dt . sin( ) 0,4. sin( ) 0,290 m
2 2
4.1. Phần luyện:
Khối lượng mol trung b ình của pha lỏng trong phần luyện:
MLL = 0,4866.32 + (1 – 0,4866 ).18 = 24,81 kg/kmol
Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:
G .R.M LL 83,57.3,71.24,81
8,17.10 5 m3/s
QLL = P
M P . LL 31,30.835,78.3600
2/3
8,17.10 5
hlL
1,85.0,290.0,5 0,0045 m
Cho ta: DPbL = 1,3.(hgờ + DhlL).KrLLg
= 1,3.(0,03 + 0,0045). 0,5. 835,78. 9,81 = 183,86 N/m2
4.2. Phần chưng
Trang 18
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Tính toán tương tự như phần luyện
Khối lượng mol trung b ình của pha lỏng trong phần luyện:
MLC = 0,034.32 + (1 – 0,034).18 = 16,54 kg/kmol
Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:
G .R.M LC 83,57.3,71.16,54
4,83.10 5 m3/s
Q LC = P
M P . LC 31,30.941,39.3600
2/3
4,83.10 5
hlC
1,85.0,290.0,5 0,0032 m
Cho ta: DPbC = 1 ,3.(hgờ + DhlC).KrLCg
= 1,3.(0,03 + 0,0032). 0,5. 941,39. 9,81 = 199,29 N/m2
5. Tổng trở lực thuỷ lực của tháp
Tổng trở lực của 1 mâm trong phần luyện của tháp là:
DPL = DPkL + DPsL + DPbL = 84,05 + 18,36 + 183,86 = 286,27 N/m2
Tổng trở lực của 1 mâm trong phần chưng của tháp là:
DPC = DPkC + DPsC + DPbC = 57,33 + 12,92 + 199,29 = 269,54 N/m2
Kiểm tra hoạt động của mâm:
- Kiểm tra lại khoảng cách mâm h = 0,25m đ ảm bảo cho điều kiện hoạt
P
động b ình thường của tháp: h > 1,8 ( trang 70, [3] )
L g
Với các mâm trong phần luyện trở lực thuỷ lực qua 1 mâm lớn hơn trở lực thuỷ lực
của mâm trong p hần chưng, ta có:
PL 286,27
1,8 0,063 m
1,8
LL g 835,78.9,18
Þ Điều kiện trên được thỏa.
- Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động của mâm.
Từ công thức trang 70, [3] Ta có vận tốc tối thiểu qua lỗ của pha hơi vmin đủ để cho
các lỗ trên mâm đ ều hoạt động:
g LL hbL 9,81.835,78.(0,03 0,0045)
0,67 8,822 m/s < 10,15 m/s
vmin = 0 ,67
HL 1,82.0,8965
Þ Các lỗ trên mâm đ ều hoạt động.
Kết luận:
Tổng trở lực thủy lực của tháp:
DP = NttL.DPL + NttCDPC = 9 . 286,27 + 14. 269,54 = 6350,0 (N/m2)
6. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :
Khoảng cách giữa 2 mâm: Dh = 250 mm
Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy
chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức (5.20), trang 120, [3]:
,mm.chất lỏng
hd = hgờ + Dhl + DP + hd’
Trong đó:
+ hgờ : chiều cao gờ chảy tràn ,mm
+ Dhl : chiều cao lớp chất lỏng trên mâm ,mm
+ DP: tổng trở lực của 1 mâm ,mm.chất lỏng
Trang 19
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
+ hd’ : tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm,
được xác định theo biểu thức (5.10), trang 115, [3]:
2
QL
h d ' 0,128. 100.S
d ,mm.chất lỏng
+ QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h).
+ Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm.
Sd = 0,8 . Smâm = 0 ,8. .0,42 = 0,10 m2
4
1
Để tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì: hd £ Dh = 125 mm
2
6.1. Phần luyện
DhlL = 0,0045 . 1000 = 4,5 mm
286,27 286,27
1000 34,92 mm.chất lỏng
DPL = 1000
LL g 835,78.9,81
2 2
8,17.10 5.3600
QLL 4
hd 'L 0,128. 0,128. 100.0,10 1,11.10 mm.chất lỏng
100.S
d
Nên: hdL = 30 + 4,5 + 34,92 + 1,11.10 -4 = 69,42 mm < 125 mm
Vậy: Khi hoạt động thì mâm ở phần luyện sẽ không bị ngập lụt.
6.2. Phần chưng
DhlC = 0,0032 . 1000 = 3 ,2 (mm)
269,54 269,54
1000 1000 40,02 mm.chất lỏng
DPC =
LC g 941,39.9,81
2 2
4,83.10 5.3600
QLC 5
0,128. 100.0,10 3,89.10 mm.chất lỏng
hd 'C 0,128.
100.S d
-5
Nên: hdC = 30 + 3,2 + 40,02 + 3,89.10 = 73,22 mm < 125 mm
Vậy: Khi hoạt động thì mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt.
Kết luận: Khi ho ạt động tháp sẽ không bị ngập lụt.
IV. Bề dày tháp :
1 . Thân tháp
Vì tháp ho ạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn
hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía. Thân tháp đ ược ghép với nhau bằng các mối ghép
bích.
Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm ta chọn thiết bị thân tháp là thép không gỉ mã
X18H10T.
1.1. Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán
Nhiệt độ tính toán: t = tmax= 100oC
Áp suất tính toán: vì tháp ho ạt động ở áp suất thường nên: P = Pthủy tĩnh + DP
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp:
LC 941,39 835,78
888,85 kg/m3
rL = LL
2 2
Nên: P = rLgH + DP = 888,58. 9,81. 5,17 + 6350,0 = 51416.7 N/m2
= 0,0514 N/mm2
Trang 20
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường :
Vì môi trường có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị là trong 20 năm
Þ Ca = 1 mm
Ứng suất cho phép tiêu chuẩn :
Vì vật liệu là X18H10T Þ [s]* = 142 (N/mm2) (Hình 1.2, trang 16, [7])
Hệ số hiệu chỉnh :
Vì thiết bị không bọc lớp cách nhiệt Þ h = 1 (trang 26, [7])
Ứng suất cho phép: [s] = h [s]* = 142 (N/mm2)
Hệ số bền mối hàn:
Vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía
Þ jh = 0,95 (Bảng XIII.8, trang 362, [2])
1.2. Tính bề dày
[ ] 142
h 0,95 2443,84 > 25
Ta có:
P 0,0552
Dt P 400 0,0514
Þ S’ = 0,077 mm Þ S’ + Ca = 0,077 + 1 = 1,077 mm
2[ ] h 2 142 0,95
Quy tròn theo chu ẩn: S = 2 mm (Bảng XIII.9, trang 364, [2])
Bề d ày tối thiểu: Smin = 2 mm (Bảng 5.1, trang 94, [7])
Þ Bề dày S = 2 mm
1.3. Kiểm tra độ bền
S Ca 2 1
2,5.10 3 0,1 (thỏa)
0,1
Điều kiện:
400
2[ ]Dt ( S C a ) 2 142 0,95 (2 1)
0,673 > P = 0,09 (thỏa)
Nên: [ P]
Dt ( S C a ) 400 (2 1)
Kết luận: S = 2 mm
2 . Đáy và nắp:
Chọn đáy và nắp có dạng hình ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10T
Chọn bề d ày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp: S = 3 mm.
Kiểm tra điều kiện:
S Ca
D 0,125
t
2[] h (S C a )
[P ] P
R t (S C a )
ht
Vì đáy và nắp có hình ellip tiêu chuẩn với 0,25 Þ Rt = Dt
Dt
Þ Điều kiện trên được thỏa như đã kiểm tra ở phần thân tháp.
Kết luận: Kích thước của đ áy và nắp:
Đường kính trong: Dt = 400 mm
ht = 100 mm
Chiều cao gờ: hgờ = 25 mm
Bề dày: S = 2 mm
Diện tích bề mặt trong: Sbề mặt = 0,2 m2 (Bảng XIII.10, trang 382, [2])
Trang 21
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
V. Bề dày mâm :
1 . Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán
Nhiệt độ tính toán : t = tmax = 100 (oC)
Áp suất tính toán : P = Pthủy tĩnh + Pg
Chọn bề d ày gờ chảy tràn là 3mm.
Thể tích của gờ chảy tràn: V = 0,29.0,03.0,003= 2,61.10 -5 m3
Tra b ảng XII.7, trang 313, [6]:
Þ Khối lượng riêng của thép X18H10T là: rX18H10T = 7900 kg/m3
Khối lượng gờ chảy tràn: m = V.rX18H10T = 2,61.10-5.7900 = 0,2062 kg
Áp suất do gờ chảy tràn tác dụng lên mâm tròn
mg 0,2062.9,81
11,60 N/m2
Pg
2
0,4 2
D
t 3,14.
4
4
Khối lượng riêng của chất lỏng tại đáy tháp:
Ta có xW = 0,0085 suy ra TW = 98,5oC
- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]
Khối lượng riêng của nước ở 98,5 oC: N = 959,22 kg/m3
- Tra b ng 1.2, trang 9, [1]
Khối lượng riêng của metanol ở 98,5oC: R = 715,08 kg/m3
- Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [1]
1 xW 0,0085 1 0,0085
x
1
1,045.10 3
W
LW R N 715,08 959,22
Suy ra rLW = 956,44 kg/m3
Áp suất thủy tĩnh:
Pthủy tĩnh = rLWg(hgờ + DhlC)
= 956,44. 9,81. (0,03 + 0,0045)
= 326,75 N/m2
Þ P = 326,75 + 11,06 = 337,81 N/m2
Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường:
Thời gian sử dụng thiết bị là trong 20 năm
Þ Ca = 1 mm
Ứng suất cho phép tiêu chuẩn:
Vì vật liệu là X18H10T Þ [s]* = 142 N/mm2 (Hình 1.2, trang 16, [7])
Hệ số hiệu chỉnh: h = 1 (Trang 19, [7])
Ứng suất cho phép : [s] = h [s]* = 142 N/mm2
Môđun đàn hồi: E = 20.10 6 N/cm2 (Bảng 2.12, trang 45, [7])
Hệ số Poisson: m = 0,33 (Bảng XII.7, trang 313, [2])
Hệ số điều chỉnh: jb = 0,571
2. Tính bề dày:
Đối với bản tròn đ ặc ngàm kẹp chặt theo chu vi:
2
3P D
Ứng suất cực đại ở vòng chu vi: max (Công thức 6.36, trang 100, [8])
16 S
Trang 22
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
2
3P D
max
Đối với bản có đục lỗ: l max [ ]
b 16 b S
3 337,81.10 6
3P
S’ Dt 400 0,354 mm
16[ ] b 16 142 0,571
Nên: S + Ca = 1,354 mm
Chọn S = 2 mm
Kiểm tra điều kiện bền :
PR 4
(Công thức 6.35, trang 100, [8])
Độ võng cực đại ở tâm: Wo
64 DT
PR 4
Wo
Đối với bản có đục lỗ: Wlo
b 64 b DT
ES 3
Với: DT
12(1 2 )
Wo 12 PR 4 (1 2 ) 3 PR 4 (1 2 )
Þ Wlo .
64 b ES 3 b ES 3
b 16
Để đảm bảo điều kiện bền thì: Wlo < ½ S
3 337,811.10 6 200 4 (1 0,33 2 ) S
Wlo . 0,050 < 1,0
3
16 0,571 200000 2 2
Þ Bề dày S đ ã chọn thỏa điều kiện.
Vậy: S = 2 mm
VI. Bích ghép thân – đáy và nắp :
Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng đ ể nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ
phận khác với thiết bị. Các loại mặt bích thường sử dụng:
Bích liền : là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn). Loại bích này chủ yếu
dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung b ình.
Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng
kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn
thiết bị.
Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao.
Chọn bích đ ược ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền
không cổ.
Tra bảng XIII.27, trang 417, [2], ứng với Dt = f = 400 (mm) và áp suất tính toán P =
0,055 (N/mm2) Þ chọn bích có các thông số sau:
Bu lông
Dt D Db Dl Do h
db Z
(mm) (cái)
400 515 475 450 411 20 M16 20
Tra b ảng IX.5, trang 170, [2], với Dh = 250 mm Þ kho ảng cách giữa 2 mặt bích là 1000
mm và số mâm giữa 2 mặt bích là 4.
Trang 23
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Þ Số mặt bích cần dùng đ ể ghép là: 21/4 + 2 = 8 bích
Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định. Đệm làm bằng các vật liệu
mềm hơn so với vật liệu bích. Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ
gồ ghề trên b ề mặt của bích. Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây
amiăng, có bề d ày là 3mm.
VII. Chân đỡ tháp :
1 . Tính trọng lượng cùa toàn tháp:
Tra b ảng XII.7, trang 313, [2]:
Þ Khối lượng riêng của tháp CT3 là: rCT3 = 7850 kg/m3
Khối lượng của một bích ghép thân:
mbích ghép thân = . D 2 Dt .h. CT 3 0,515 2 0,40 2 0,02 7850 12,97 kg
2
4 4
Khối lượng của một mâm:
m mâm = Dt 2 mâm (100% 8% 10%) X 18 H 10T = .0.402.0,002.0,82.7900 = 1,63 kg
4 4
Khối lượng của thân tháp:
mthân = .(D2ng – D2t).Hthân . rX18H10T = . 0,404 2 0,40 2 .5,042.7900 100,56 kg
4 4
Khối lượng của đáy (nắp) tháp:
mđáy(nắp) = Sbề mặt .d đáy . rX18H10T = 0,20 . 0,002 . 7900 = 3,16 kg
Khối lượng của toàn tháp:
m = 8 mbích ghép thân + 21 mmâm + mthân + 2 mđáy(nắp)
= 8.12,97 + 21.1,63 + 100,56 + 2.3,16 = 243,43 kg
2 . Tính chân đỡ tháp:
Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân.
Vật liệu làm chân đ ỡ tháp là thép CT3.
P mg 243,43.9,81
Tải trọng cho phép trên một chân: Gc = 597,01 N
4 4 4
Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gc = 1000 N
Tra bảng XIII.35, trang 437, [2] Þ chọn chân đỡ có các thông số sau:
L B B1 B2 H h s l d
70 60 60 90 150 105 4 30 14
Khối lượng một chân đỡ: mchân đỡ = 3,32 kg
VIII. Tai treo tháp :
Chọn tai treo: tai treo được gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động trong
điều kiện ngoại cảnh.
Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3.
Ta chọn bốn tai treo, tải trọng cho phép trên một tai treo: Gt = Gc = 1000 (N).
Tra bảng XIII.36, trang 438, [2] Þ chọn tai treo có các thông số sau:
L B B1 H S l a d
Trang 24
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
80 55 70 125 4 30 10 14
Khối lượng một tai treo: mtai treo = 0,53 kg
IX. Cửa nối ống dẫn với thiết bị- bích nối các bộ phận của thiết bị và
ống dẫn:
Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo đ ược hoặc không tháo được.
Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo được.
Đối với mối ghép tháo đ ược, người ta làm đoạn ống nối, đó là đoạn ống ngắn có mặt
bích hay ren đ ể nối với ống dẫn:
Loại có mặt bích thường dùng với ống có đ ường kính d > 10mm.
Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính d £ 10mm, đôi khi có thể dùng với d
£ 32mm.
Ống dẫn được làm bằng thép X18H10T.
Bích được làm b ằng thép CT3 , cấu tạo của bích là bích liền không cổ.
1 . Ống nhập liệu:
Khối lượng riêng của hỗn hợp : rF = 933,0 kg/m3
Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị.
Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vF = 1 m/s
Đường kính trong của ống nối:
4.G F 4.933,0
Dy = 0,0188 m
3600 F v F 3600 933,0 1
Þ Chọn ống có Dy = 20 mm
Tra bảng XIII.26, trang 409, [2]
Þ Các thông số của bích ứng với P = 0,055 N/mm2 là:
Bu lông
Dy Dn D Dd Dl h
db Z
(mm) (cái)
20 25 90 65 50 12 M10 4
2 . Ống hơi ở đỉnh tháp:
- Nồng độ trung bình của pha hơi ở đỉnh tháp
yP = xP = 0 ,9144
Þ Nhiệt độ trung b ình của pha hơi ở đ ỉnh tháp: THP = 67,8 oC
- Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện:
MHL = yL. MR + (1 – yL). MN = 0,9144.32 + (1 – 0 ,9144). 18 = 30,80 kg/kmol
- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:
PM HL 1.30,80
1,101 kg / m 3
HL
22,4
RTHL
(67,8 273)
273
Chọn vận tốc hơi ra khỏi đỉnh tháp là vHD = 50 m/s
Đường kính trong của ống nối:
Trang 25
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
4.G HD 4.83,57
0,023 m
Dy =
3600 HDv HD 3600.1,101.3,14.50
Þ Chọn ống có Dy = 25 mm
Tra bảng XIII.32, trang 434, [2] Þ Chiều d ài đo ạn ống nối l = 90 mm
Tra bảng XIII.26, trang 409, [2]
Þ Các thông số của bích ứng với P = 0,055 N/mm2 là:
Bu lông
Dy Dn D Dd Dl h
db Z
(mm) (cái)
25 32 100 75 60 12 M10 4
3 . Ống hoàn lưu:
- Nồng độ trung bình của pha lỏng ở đ ỉnh tháp
xP = 0,9144
Þ Nhiệt độ trung b ình của pha hơi ở đ ỉnh tháp: THP = 65,8 oC
- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]
Khối lượng riêng của nước ở 65,8 oC: N = 981,2 kg/m3
- Tra b ng 1.2, trang 9, [1]
Khối lượng riêng của metanol ở 65,8oC: R = 752,8 kg/m3
- Áp dụng trong cô ng thức (1.2), trang 5, [1]
1 xC
x 0,95 1 0,95
1
1,30.10 3
C
LC R N 752,8 981,2
= 768,1 kg/m3
LC
Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị.
Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vLD = 0,5 m/s
Đường kính trong của ống nối:
4.G LP 4.83,57.3,71
Dy = 0,017 m
3600 LP v LP 3600 768,1 0,5
Þ Chọn ống có Dy = 20 mm
Tra bảng XIII.26, trang 409, [2]
Þ Các thông số của bích ứng với P = 0,055 N/mm2 là:
Bu lông
Dy Dn D Dd Dl h
db Z
(mm) (cái)
20 25 90 65 50 12 M10 4
4. Ống hơi ở đáy tháp:
- Nồng độ trung bình của pha hơi ở đáy tháp
yW = xW = 0,0085
Þ Nhiệt độ trung b ình của pha hơi ở đ áy tháp: THP = 99,6 oC
- Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện:
MHW = yW. MR + (1 – yW). MN = 0,0085.32 + (1 – 0,0085).18 = 18,12 kg/kmol
- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi tro ng phần luyện:
Trang 26
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
PM HW 1.18,12
0,593 kg / m 3
HW
22,4
RTHW
(99,6 273)
273
Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp là vHW = 120 m/s
Đường kính trong của ống nối:
4.G HW 4.827,1
0,064 m
Dy =
3600 HW v HW 3600.0,593. .120
Þ Chọn ống có Dy = 70 mm
Tra bảng XIII.32, trang 434, [2] Þ Chiều d ài đo ạn ống nối l = 110 mm
Tra bảng XIII.26, trang 409, [2]
Þ Các thông số của bích ứng với P = 0,055 (N/mm2) là:
Bu lông
Dy Dn D Dd Dl h
db Z
(mm) (cái)
70 76 160 130 110 14 M12 4
5. Ống dẫn lỏng ra khỏi đáy tháp:
- Nồng độ trung bình của pha lỏng ở đ áy tháp
xW = 0,0085
Þ Nhiệt độ của pha lỏng ở đáy tháp : TLW = 98,5 oC
- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]
Khối lượng riêng của nước ở 98,50C: N = 959,2 kg/m3
- Tra b ng 1.2, trang 9, [1]
Khối lượng riêng của metanol ở 98,5oC: R = 716,8 kg/m3
- Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [1]
1 xW 0,015 1 0,015
x
1
1,05.10 3
W
LW R N 716,8 959,2
LW = 954,4 kg/m3
Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vLW = 0,5 m/s
Đường kính trong của ống nối:
4.G LW 4.827,1
Dy = 0,025 m
3600 LW v LW 3600.954,4. .0,5
Þ Chọn ống có Dy = 25 mm
Tra bảng XIII.32, trang 434, [2] Þ Chiều dài đoạn ống nối l = 90 mm
Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]
Þ Các thông số của bích ứng với P = 0,055 N/mm2 là:
Bu lông
Dy Dn D Dd Dl h
db Z
(mm) (cái)
25 32 100 75 60 12 M10 4
Trang 27
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
CHƯƠNG 5:
Tính thiết bị phụ
I. THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP :
Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp là nồi đun Kettle.
Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3:
Đường kính ngoài: d n = 38 mm = 0,038 m
Bề dày ống: t = 3 mm = 0,003 m
Đường kính trong: dt = 0,032 m
Hơi đốt là hơi nước ở 2,0 at đi trong ố ng 38 x 3. Tra bảng 1.251, trang 314, [1 ]:
Nhiệt hóa hơi: rH 2O = rn = 2208 kJ/kg
Nhiệt độ sôi: t H2 O = tn = 119,6 oC
Dòng sản phẩm tại đáy có nhiệt độ:
Trước khi vào nồi đun (lỏng): tS1 = 98,5 oC
Sau khi được đun sôi (hơi): tS2 = 99,6 oC
1. Suất lượng hơi nước cần dùng :
Cân bằng nhiệt cho toàn tháp:
Qđ + GFhFS = (R+1) GDrD + GDhDS + GWhWS + Qm
Giả sử Qm = 0 ,05Qđ
0,95Qđ = (R+1) GDrD + GD(hDS – hFS) + GW(hWS – hFS)
hFS = cF.tFS = [ x F c N (1 x F )c A ]tFS
hWS = cW.tWS = [ x W c N (1 x W )c A ]tWS
hPS = cP.tPS = [ x P c N (1 x P )c A ]tPS
rD = x D rN (1 x D )rA
Với xF = 0,0588 tFS = 91,5oC
xW = 0,0085 tWS = 98,5 oC
xP = 0 ,9144 tPS = 65,8oC
1.1. Nhiệt dung riêng:
Tra b ảng 1.249, trang 310, [1]
Nhiệt dung riêng của nước ở 91,5oC = 4,210 kJ/kg.K
Nhiệt dung riêng của nước ở 98,5 oC = 4,218 kJ/kg.K
Nhiệt dung riêng của nước ở 65,8 oC = 4,184 kJ/kg.K
Tra b ảng 1.154, trang 172, [1]
Nhiệt dung riêng của methanol ở 91,5oC = 2,920 kJ/kg.K
Nhiệt dung riêng của methanol ở 98,5oC = 2,958 kJ/kg.K
Nhiệt dung riêng của methanol ở 65,8oC = 2,788 kJ/kg.K
1.2. Enthalpy:
hFS = (0,1. 2,920 + (1 - 0,1). 4,210). 91,5 = 373,41 kJ/kg
Trang 28
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
hWS = (0,0085. 2,958 + (1 - 0,0085). 4,218). 98,5 = 414,42 kJ/kg
hPS = (0,9144. 2,788+ (1 - 0,9144). 4,184). 65,8 = 191,31 kJ/kg
1.3. Nhiệt hóa hơi:
Tra b ảng 1.250, trang 312, [1]
Nhiệt hóa hơi của nước ở 65,8oC = rN = 2344,8kJ/kg
Dùng toán đồ 1.65, trang 255, [1]
Nhiệt hóa hơi của methanol ở 65,8 oC = rR = 330,5 Kcal/kg = 1383,74 kJ/kg
rP = x P rN (1 x P ) rA
Nên:
= 0,95. 2344,8 + (1 - 0 ,95). 1383,74 = 2296,75 kJ/kg
1.4. Tính lượng hơi nước cần dùng:
Nhiệt lượng cần cung cấp:
( R 1)G P rP G P (hPS hFS ) GW (hWS hFS )
Qđ =
0,95
(3,71 1).83,57.2296,75 83,57.(191,31 373,41) 827,1.(414,42 373,41)
=
0,95
= 971300.88 kJ/h
Nếu dùng hơi nước bão hòa (không chứa ẩm) để cấp nhiệt thì: Qđ = G H 2O . rH2 O
Tra b ảng 1.251, trang 314, [1]
Nhiệt hóa hơi của nước ở 2,0 at = rH2 O = 2208 kJ/kg
Qñ 971300,88
Vậy: G H 2O = 440,0 kg/h
rH 2O 2208
2. Hiệu số nhiệt độ trung bình:
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(119,6 98,5) (119,6 99,6)
t log = 20,545 K
119,6 98,5
ln
119,6 99,6
3. Hệ số truyền nhiệt:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức như đối với tường phẳng:
1
,W/m2.K)
K
1 1
rt
n S
Với:
n : hệ số cấp nhiệt của hơi đốt,W/m2.K.
S : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy, W/m2.K.
rt : nhiệt trở qua thành ố ng và lớp cáu.
3.1. Nhiệt tải qua thành ố ng và lớp cáu:
t t
q t w1 w2 , W/m2
rt
Trong đó:
tw1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi đ ốt (trong ống), oC
Trang 29
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ố ng), oC
rt t r1 r2
t
Bề d ày thành ống: t = 0,003 m
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ:
t = 16,3 W/mK (Bảng XII.7, trang 313, [6])
Nhiệt trở lớp bẩn trong ống:
r1 = 1/5800 m2.K/W (Bảng 31, trang 419, [4])
Nhiệt trở lớp cáu ngo ài ống:
r2 =1/5800 m2.K/W
Nên: rt = 5,289.10-4 m2.K/W
3.2. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ố ng:
Áp dụng công thức (V.89), trang 26, [2]:
0,033 0,333
0 ,75 .q 0,7
.r
-2
S = 7,77 . 10 . h . . 0, 45 0.117 0,37
.c .Ts
h
Nhiệt độ sôi trung bình của dòng sản phẩm ở ngoài ố ng:
t t 98,5 99,6
= 99,05 oC
t S S1 S 2
2 2
TS = 99,05 + 273 = 372,05 K
Tại nhiệt độ sôi trung bình thì:
- Khối lượng riêng của pha hơi trong dòng sản phẩm ở ngo ài ống:
PM HW 1.18,12
= 0,594 kg/m3
h
22,4
RTS
.372,05
273
- Khối lượng riêng của nước:
N = 959,2kg/m3 (Bảng 1.249, trang 310, [1])
- Khối lượng riêng của methanol:
R = 715,0 kg/m3 (Bảng 1.2, trang 9, [1])
1 xW 0,015 1 0,015
1x
1,05.10-3
Nên: W
R A 715,0 959,2
3
= 954,3 kg/m
- Độ nhớt của nước:
N = 2,85.10 -4 N.s/m2 (Tra bảng 1.104, trang 96, [1])
- Độ nhớt của methanol:
A = 2,45.10 -4 N.s/m2 (Dùng toán đồ 1.18, trang 90, [1])
Sử dụng công th ức (I.12), trang 84, [1] suy ra độ nhớt của hỗn hợp lỏng:
lgmhh = x1lgm1 + x2lgm2
Nên: lgmhh = 0 ,0085.lg(2,45.10-4) + (1 – 0,0085).lg(2,85.10-4)
mhh = 2,846.10 -4 N.s/m2
- Hệ số dẫn nhiệt của nước:
N = 0,680 W/mK (Bảng 1.249, trang 310, [5])
- Hệ số dẫn nhiệt của methanol:
R = 0,188 W/mK (Bảng 1.130, trang 134, [5])
Áp dụng công thức (1.33), trang 123, [5]):
Trang 30
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
= R .xW N .(1 xW ) 0,72.xW .(1 xW ).( N R ) = 0,667 W/mK
- Nhiệt dung riêng của nước:
cN = 4219,2 J/kgK (Bảng 1.249, trang 310, [1])
- Nhiệt dung riêng của methanol:
cR = 2906,0 J/kgK (Bảng 1.154, trang 172, [1])
Nên: c = cR x W + cN. (1 - x W ) = 4199,3 J/kgK
- Sức căng bề mặt của nước:
N = 0,59022 N/m (Bảng 1.249, trang 310, [1])
- Sức căng bề mặt của methanol:
A = 0,01578 N/m (Bảng 1.242, trang 300, [1])
NA
Nên: = 0,0158 N/m
N A
- Nhiệt hóa hơi của nước:
rN = 2262,2 kJ/kg (Bảng 1.250, trang 312, [5])
- Nhiệt hóa hơi của methanol:
rR = 1032,3 kJ/kg (Toán đồ 1.65, trang 255, [5])
Nên: r = rR x W + rN.(1 - x W ) = 2243,8 kJ/kg
3.3. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của hơi đốt trong ống:
Áp dụng công thức (3.65), trang 120, [4]:
rn . 2 .g.3n
n
n 0,7254
n .(t n - t W1 ).d tr
Dùng phép lặp: chọn tW1 = 119,4 oC
t n t W1
119,5 oC
Nhiệt độ trung bình của màng nước ngưng tụ: t m =
2
Tại nhiệt độ này thì:
- Khối lượng riêng của nước: n = 943,4 kg/m3
- Độ nhớt của nước: n = 2,33.10-4 N.s/m2
- Hệ số dẫn nhiệt của nước: n = 0,685 W/mK
Nên: n = 31342 W/m2K
qn = n (tn – tW1) = 6268,4 W/m2
qt = q n = 6268,4 W/m2 (xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể)
tw2 = tw1 - qtrt = 116,08 oC
S = 362,84 W/m2K (với q = qt)
qS = S (tW2 – tS) = 6126,5 W/m2
Kiểm tra sai số:
qn qS
= 100% = 2,26% < 5% (thỏa)
qn
Kết luận: tw1 = 119,4oC và tw2 = 116,08 oC
3.4. Xác đ ịnh hệ số truyền nhiệt:
Trang 31
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
1
= 301,5 W/m2K
K
1 1
5,289.10 4
31342 326,84
4. Bề mặt truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Qñ 971300.1000
= 43,56 m2
F=
K .t log 3600.301,5.20,545
5. Cấu tạo thiết bị:
Chọn số ống truyền nhiệt: n = 217 ố ng. Ống được bố trí theo hình lục giác đều.
F
- Chiều dài ố ng truyền nhiệt: L = = 1,83 m chọn L = 2 m
d dt
n n
2
Tra bảng V.II, trang 48, [2] Số o ng trên đường chéo: b = 17 ống
- Bước ống: t = 1, 2dn = 0,046 m
- Đường kính trong của thiết bị (Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [2])
D = t.(b -1) +4d n= 0,934 m
II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ố ng loại TH, đặt nằm ngang.
Ống truyền nhiệt đ ược làm b ằng thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3:
- Đường kính ngo ài: d n = 38 mm = 0,038 m
- Bề d ày ố ng: t = 3 mm = 0,003 m
- Đường kính trong: d tr = 0,032 m
Chọn:
- Nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào tV = 28 oC và nhiệt độ ra tR = 40 oC.
- Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ố ng với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 65,8 oC
1. Suất lượng nước làm lạnh cần dùng :
Cân bằng nhiệt: Qnt = (R + 1).GP.rP = GN.cN.(t2 – t1)
rD: nhiệt lượng riêng của hơi ở đ ỉnh tháp:
rD = x .rR + (1 - x ).rN
rR, rN : nhiệt lượng riêng của cấu tử rượu và nước ở đỉnh, J/kg.
x phần khối lượng của cấu tử rượu trong pha hơi ở đ ỉnh.
Tra bảng 1 .213, trang 256, [1] :
rR = 675,2 kcal/kg = 2826,25 kJ/kg
Tra bảng 1.250, trang 312, [1] :
rN = 559,5 kcal/kg = 2341,96 kJ/kg
Suy ra: rD = 0,95.2826,25 + (1 - 0,95).2341,96 = 2801,1 kJ/kg
Þ Qnt = (1 + 3,71).83,57.2801,1 = 1102,55 kW
Nên: Qnt = (R + 1).DcP = 1102,55 kW
1102,55.3600.10 3
Qnt
Lượng nước cần d ùng: G N 79221,4 kg/h
c N .(t 2 t1) 4175,5.(40 28)
Trang 32
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
tV t R 28 40
34 oC
Nhiệt dung riêng của nước cN đ ược đo ở nhiệt độ t f
2 2
2. Hiệu số nhiệt độ trung bình :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(65,8 28) (65,8 40)
t log = 31,42 K
65,8 28
ln
65,8 40
3. Hệ số truyền nhiệt:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
1
,W/m2.K
K
1 1
rt
n ngöng
Với:
n : hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh ,W/m2.K
ngưng : hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tụ ,W/m2.K
rt : nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu.
3.1. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống :
Nhiệt độ trung bình của dòng nước trong ống: tf = 34 oC
Tại nhiệt độ này thì:
- Khối lượng riêng của nước: n = 994,42 kg/m3
- Độ nhớt của nước: n = 7,23.10 -7 m2/s
- Hệ số dẫn nhiệt của nước: n = 0,626 W/mK
- Chu ẩn số Prandtl: Prn = 4 ,9
Chọn vận tốc nước đi trong ống: vn = 1 m/s
Gn 4 79221,4 4
n
. .
Số ống: = 27,53
3600 N .d tr .v n 3600 994,42 .0,032 2.1
2
Tra b ảng V.II, trang 48, [2] chọn n = 37 ống
Vận tốc thực tế của nước trong ống:
4Gn 4.79221,4
= 0,744 m/s
vn
3600 n nd tr 3600.994,42.37. .0,032 2
2
Chuẩn số Reynolds :
v n. d tr 0,744.0,032
= 32929,5 > 104 Chế độ chảy rối
Re n 7
n 7,23.10
Áp dụng công thức (1.74), trang 28, [5] công thức xác định chuẩn số Nusselt:
0 , 25
Pr
Nu n 0,021. l . Re 0,8 Prn0, 43 . n
Pr
n
P2
Trong đó: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều d ài L
và đường kính d của ống.
Tra bảng 1.1, trang 29, [5] chọn 1 = 1
Nu n . n
Hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống trong: n =
d tr
Trang 33
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
3.2. Nhiệt tải qua thành ố ng và lớp cáu :
t t
q t w1 w2 ,W/m2
rt
Trong đó:
tw1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi ngưng tụ, oC
tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước lạnh, oC
rt t r1 r2
t
Bề d ày thành ống: t = 0,003 m
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: t = 16,3 W/mK
Nhiệt trở lớp bẩn trong ống: r1 = 1/5000 m2.K/W
Nhiệt trở lớp cáu ngo ài ống: r2 =1/5800 m2.K/W
Nên: rt = 5,565.10-4 m2.K/W
3.3. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ố ng :
Điều kiện:
- Ngưng tụ hơi bão hòa.
- Không chứa không khí không ngưng.
- Hơi ngưng tụ ở mặt ngo ài ống.
- Màng chất ngưng tụ chảy tầng.
- Ống nằm ngang.
Áp dụng công thức (3.65), trang 120, [4] Đối với ống đơn chiếc nằm ngang thì:
r. 2 .g.3
1 0,7254
.(t ngöng - t W1 ).d n
Tra b ảng V.II, trang 48, [2] với số ống n = 37 thì số ống trên đường chéo của hình 6
cạnh là: b = 7
Tra hình V.20, trang 30, [2] hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống và số ống trong mỗi
dãy thẳng đứng là tb = 0 ,72 (vì xếp xen kẽ và số ống trong mỗi dãy thẳng đứng là 7)
Hệ số cấp nhiệt trung b ình của chùm ống: ngưng = tb1 = 0,721
Dùng phép lặp: chọn tP1 = 59,0 oC
Nhiệt độ trung bình của màng chất ngưng tụ: tm = ½ (tngưng + tW1) = 62,4 oC
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: N = 982,0 kg/m3
Khối lượng riêng của methanol: R = 753,5 kg/m3
Nên khối lượng riêng hỗn hợp là
1 xP 1 x P 0,95 1 0,95
1,31.10 3
R N 753,5 982,0
3
= 762,4 kg/m
Độ nhớt của nước: N = 4 ,496.10 -4 N.s/m2
Độ nhớt của methanol: R = 3,424.10 -4 N.s/m2
Nên: lg = xPlgR + (1 – xP)lgN
= 0,9144.lg(3,424.10 -4) + (1 - 0,9144).lg(4,496.10-4)
Trang 34
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
= -3,45
= 3,50.10 -4 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt của nước: N = 0,661 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của methanol: R = 0 ,205 W/mK
Nên: = R .x P N .(1 x P ) 0,72.x P .(1 x P ).( N R ) = 0,212 W/mK
Nhiệt ngưng tụ của dòng hơi: r = rD = 2801100 J/kg
Nên: 1 = 4295,4 W/m2K
ngưng = 3092,7,3 W/m2K
qngưng = ngưng (tngưng – tP1) = 21030,3 W/m2
qt = q ngưng = 21030,3 W/m2 (xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể)
tP2 = tP1 - qtrt = 46,35 oC
PrP2 = 3,90
Nu n = 161,5
n = 1700,2 W/m2K
qn = n (tP2 – tf) = 20998,7 W/m2
Kiểm tra sai số:
q ngöng q n
= 100% = 0,15% < 5% (thỏa)
q ngöng
Kết luận: tP1 = 59 ,0oC và tP2 = 46,3 oC
3.4. Xác đ ịnh hệ số truyền nhiệt:
1
= 726,0 W/m2K
K
1 1
5,565.10 4
4295,4 1700,2
4. Bề mặt truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Qnt 1102550 .1000
= 13,4 m2
F=
K .t log 3600.726,0.31,42
5. Cấu tạo thiết bị:
Số ống truyền nhiệt: n = 61 (ống). Ống được bố trí theo hình lục giác đều.
F
Chiều d ài ống truyền nhiệt: L = = 3,3 m chọn L = 4 m
d n d tr
n
2
Số ống trên đường chéo: b = 7 ống
Bước ống: t = 48 mm = 0,048 m
Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [6]:
Đường kính trong của thiết bị: D = t(b-1) + 4dn = 0,44 m
III. THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH :
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ố ng loại TH, đặt nằm ngang.
Ống truyền nhiệt đ ược làm b ằng thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3:
Trang 35
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
- Đường kính ngo ài: d n = 38 mm = 0,038 m
- Bề d ày ố ng: t = 3 mm = 0,003 m
- Đường kính trong: d tr = 0,032 m
Chọn
- Nước làm lạnh đi trong ống trong với nhiệt độ vào tV = 28 oC và nhiệt độ ra tR = 40oC.
- Sản phẩm đáy đi trong ống ngo ài với nhiệt độ vào tPS = 65,8oC và nhiệt độ ra tPR =
o
35 C.
1. Su ất lượng nước làm lạnh cần dùng:
Cân bằng nhiệt: Q = GP(hPS – hPR) = Gn (hR – hV)
Nhiệt dung riêng của nước ở 35oC = 4,178 kJ/kg.K
Nhiệt dung riêng của methanol ở 35oC = 2,645 kJ/kg.K
Nên: hWR = (0,05. 4,178 + 0,95. 2,645 ). 35 = 95,26 kJ/kg
Enthalpy của nước ở 28oC = hV = 117,3 kJ/kg
Enthalpy của nước ở 40oC = hR = 167,6 kJ/kg
Lượng nhiệt trao đổi: Q = GW(hWS – hWR) = 8040,4 kJ/h
Q
Suất lượng nước cần dùng: G n = 159,9 kg/h
hR hV
2. Hiệu số nhiệt độ trung b ình:
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(65,8 40) (35 28)
t log = 14,40 K
65,8 40
Ln
35 28
3. Hệ số truyền nhiệt:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
1
,W/m2.K
K
1 1
rt
n W
Với:
n : hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh, W/m2.K.
W : hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy, W/m2.K
rt : nhiệt trở qua thành ố ng và lớp cáu.
3.1. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
Kích thước của ống trong:
Đường kính ngoài: d n = 38 (mm) = 0,038 m
Bề dày ống: t = 3 (mm) = 0,003 m
Đường kính trong: dtr = 0,032 m
Nhiệt độ trung bình của dòng nước trong ống: tf = ½ (tV + tR) = 34 oC
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: n = 994,34 kg/m3
Độ nhớt của nước: n = 7,39.10 -7 m2/s
Hệ số dẫn nhiệt của nước: n = 0,624 W/mK
Chu ẩn số Prandtl: Prn = 5,004
Vận tốc nước đi trong ống:
Trang 36
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
4G n 4.159,9
= 0,056 m/s
vn
3600 nd tr 3600.994. .0,032 2
2
Chuẩn số Reynolds :
v n. d tr 0,056.0,032
= 2424,9 < 10 4 : chế độ chảy quá độ
Re n
7,39.10 7
n
Áp dụng công thức V.44,trang 16, [2] công thức xác định chuẩn số Nusselt:
Pr
Nu n k o . 1 . Prn0, 43 .( n ) 0, 25
Prw 2
Trong đó: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều d ài L
và đường kính d của ống. Tra bảng V.2, trang 15, [2] . Chọn e1 = 1
ko – hệ số phụ thuộc Re, tra bảng trang 16, [2]. Chọn ko = 1
Nu n . n
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: n =
d tr
3.2. Nhiệt tải qua thành ố ng và lớp cáu:
t t
q t w1 w2 , W/m2
rt
Trong đó:
tP1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (trong ống trong), oC
tP2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước lạnh (ngoài ống trong), oC
rt t r1 r2
t
Bề dày thành ố ng: t = 0,003 m
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: t = 16,3 W/mK
Nhiệt trở lớp bẩn trong ố ng: r1 = 1 /5000 m2.K/W
Nhiệt trở lớp cáu ngoài ố ng: r2 =1/5800 m2.K/W
rt = 5,565.10-4 m2.K/W
Nên
3.3. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ố ng:
Kích thước của ống ngoài:
Đường kính ngoài: Dn = 57 mm = 0,057 m
Bề dày ống: t = 3 mm = 0,003 m
Đường kính trong: Dtr = 0 ,051 m
Nhiệt độ trung bình của dòng sản phẩm đáy ngo ài ống:
tP = ½ (tPS + tPR) = 50,4 oC
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: N = 987,9 kg/m3
Khối lượng riêng của methanol: R = 764,6 kg/m3
1 xP
1x 0,95 1 0,95
= 773,4 kg/m3
Nên: P
R N 764,6 987,9
Độ nhớt của nước: N = 5 ,46.10-4 N.s/m2
Độ nhớt của methanol: R = 3,19.10-4 N.s/m2
Nên: lg = xPlgR + (1 – xP)lgN = 0,9144.lg(3,19.10-4) + (1 - 0,9144)lg(5,46.10 -4)
= 3,343 .10-4 (N.s/m2)
Trang 37
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Hệ số dẫn nhiệt của nước: N = 0,647 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của methanol: R = 0 ,207 W/mK
Nên: = R .x P N .(1 x P ) 0,72.x P .(1 x P ).( N R )
= 0 ,214 (W/mK)
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4178,2 J/kgK
Nhiệt dung riêng của methanol: cA = 2716,8 J/kgK
Nên: c = cN x P + cA. (1 - x P ) = 2789,8 J/kgK
Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [6]:
c
Pr = 4,365
Vận tốc của dòng sản phẩm đáy ngo ài ống:
4G P 4.83,57
= 0,0346 m/s
v
3600 ( Dtr d n ) 3600.773,4. .(0,0512 0,038 2 )
2 2
Đường kính tương đương: dtđ = Dtr – d n = 0,051 – 0,038 = 0,013 m
Chuẩn số Reynolds :
vd tñ 0,0346.0,013.773,4
Re = 986,8 < 2300 : chế độ chảy màng
3,343.10 4
Áp dụng công thức (V.45), trang 17, [2] công thức xác định chuẩn số Nusselt:
0 , 25
Pr
0 , 33 0 ,1 0 , 43
Nu P 0,015. l . Re .Gr . Pr . Pr
P1
Trong đó: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều d ài L
và đường kính d của ống.
Tra b ảng V.2, trang 15, [2] chọn 1 = 1
Chuẩn số Grashof
g 2 l 3 t
Gr .
2
l = d td =0,013 m
b = hệ số dãn nở thể tích
Hệ số dẫn nhiệt của nước: b N = 4 ,514.10 -4 1 /K
Hệ số dẫn nhiệt của methanol: b R = 1,322.10 -4 1 /K
Dt = chênh lệch nhiệt độ giứa thành ống vad dòng sản phẩm đáy
Dt = tP1 - tP , oC
Nu P .
Hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngo ài ống: P =
d tñ
o
Dùng phép lặp: chọn tW1 = 43,3 C
Tại nhiệt độ này thì:
Độ nhớt của nước: N = 6 ,167.10 -4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: R = 4,322.10-4 N.s/m2
Nên:
lgP1 = xPlgR + (1 – xP)lg N = 0,9144.lg(4,322.10-4) + (1 - 0,9144).lg(6,167.10-4)
W1 = 4,50.10 -4 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt của nước: N = 0,639 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của rượu: R = 0,208 W/mK
Trang 38
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Nên: P1 R .x D N (1 x D ) 0,72 x P .(1 x P )( N R ) = 0,214 W/mK
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4178,0 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 2865,0 J/kgK
Nên: cP1 = cR x P + cN. (1 - x P ) = 2759,5 J/kgK
c
Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: PrP1 P1 P1 = 5 ,73
P1
Gr = 1020040,5
Nên Nu P = 10,45
aP = 171,8 W/m2K
qP = aP (tP – tP1) = 1217,98 W/m2
qt = q P = 1217,98 W/m2 (xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể)
tP2 = tP1 - qtrt = 42,622 oC
PrP2 = 5,796
Nu n = 7,32
an = 142,78 W/m2K
qn = an (tP2 – tf) = 1231,2 W/m2
Kiểm tra sai số:
qW qn
= 100% = 1,085% < 5% (thỏa)
qW
tw1 = 43,3oC và tP2 = 42,6 oC
Kết luận:
3.4. Xác đ ịnh hệ số truyền nhiệt:
1
= 74,73 W/m2K
K
1 1
5,565.10 4
171,8 142,78
4. Bề mặt truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Q 8040,4.1000
= 2,075 m2
F=
K .t log 3600.74,73.14,40
5. Cấu tạo thiết bị:
Chọn số ống truyền nhiệt: n = 19 ống. Ống được bố trí theo hình lục giác đều.
F
- Chiều dài ố ng truyền nhiệt: L = = 0,966 m chọn L = 1 m
dn dt
n
2
Tra bảng V.II, trang 48, [2] Số o ng trên đường chéo: b = 5 ống
- Bước ống: t = 1 ,2d n = 0,046 m
- Đường kính trong của thiết bị (Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [2])
D = t.(b-1) +4dn= 0,336 m
IV. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa sản phẩm đáy và nhập liệu:
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ố ng, đ ặt ngang
Ống truyền nhiệt được làm b ằng thép hợp kim X18H10T, kích thước ống 38 x 3:
Trang 39
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Đường kính ngo ài: dn = 38 mm = 0,038 m
Bề d ày ố ng: dt = 3 mm = 0,003 m
Đường kính trong: d tr = 0,032 m
Nhiệt trở lớp bẩn trong ống: r1 = 1/5000 m2.K/W
Nhiệt trở lớp cáu ngo ài ống: r2 =1/5800 m2.K/W
Chọn:
Nhập liệu đi ngoài ố ng với nhiệt độ vào tFV = 28oC và ra ở nhiệt độ
Sản phẩm đáy đi trong ố ng với nhiệt độ tv = 98,5 oC, tr = 65 oC.
1 . Nhiệt độ ra của dòng nhập liệu :
Cân bằng nhiệt: Q = GF.cF.(tFr – tFv) = GW.cW.(tWv – tWr)
Ở nhiệt độ trung bình t = 81,75 oC, thì:
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 41,95 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 28,32 J/kgK
Nên: cW = cR xW + cN.(1 - xW ) = 41,75 J/kgK
Þ Q = 827,1.41,75.(98,5 – 65) = 115,7 kW
Ở 28oC, thì:
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4181,48 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 2610 J/kgK
Nên: cF = 3596,89 J/kgK
Q
t Fv 60,0 oC
Þ tFr =
G F .c F
2 . Hiệu số nhiệt độ trung bình :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(98,5 60,0) (65,0 28,0)
t log 37,75 K
98,5 60,0
ln
65,0 28,0
3 . Hệ số truyền nhiệt:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
1
K
1 1
rt
n ngöng
, W/m2.K)
Với:
an : hệ số cấp nhiệt cua dòng nước lạnh, W/m2.K
angưng : hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tu , W/m2.K
rt : nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu.
3.1. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy đ i trong ố ng :
Nhiệt độ trung bình của dòng nước trong ống: tf = ½ (tV + tR) = 81,75 oC
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: rn = 970,2 kg/m3
Khối lượng riêng của rượu: rR = 731,3 kg/m3
1 xW 0,0085 1 0,0085
1x
Nên: W
R N 731,3 970,2
3
Þ r = 967,5 kg/m
Trang 40
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Độ nhớt của nước: mN = 3,348.10 -4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: mR = 2,552.10-4 N.s/m2
Nên: lgm = xWlgmR + (1 – xW)lgm N = 0 ,015.lg(2,552.10 -4) + (1 - 0,015).lg(3,348.10-4)
Þ m = 3,33.10 -4 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt của nước: lN = 0,679 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của rượu: lR = 0,200 W/mK
Nên: R .xW N .(1 xW ) 0,72.xW .(1 xW ).( N R ) = 0,675 (W/mK) (công
thức 1.37, trang 124,[1])
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 41,95 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 28,32 J/kgK
Nên: cW = cR xW + cN.(1 - xW ) = 41,75 J/kgK
c
Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: Pr = 2,03
Vận tốc thực tế của sản phẩm đáy trong ống:
4GW 4.827,1
0,016 m/s
vw
3600 W n .d tr 3600.964,18.19. .0,032 2
2
Chuẩn số Reynolds :
v d . 0,016.0,032.964,18
Re w W . tr W 1470,0 < 2300 : chế độ chảy tầng
3,27.10 4
W
Áp dụng công thức (1.80), trang 31, [5] Þ công thức xác định chuẩn số Nusselt:
0 , 25
Pr
0 , 33 0 , 43 0 ,1
Nu w 0,15. l . Re Pr .Gr . n Pr
n n
w2
Trong đó: e1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều d ài L
và đường kính d của ống.
Tra b ảng 1.2, trang 31, [5] Þ chọn e1 = 1
Chọn t2 = 8,25 oC Þ tw2 = 81,75 + 8 ,25 = 90oC
Tại nhiệt độ này:
Độ nhớt của nước: mN = 3,276.10 -4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: mR = 2,3.10-4 N.s/m2
Nên: lgm = xWlgmR + (1 – xW)lgm N = 0 ,015.lg(2,3.10 -4) + (1 - 0,015).lg(3,276.10-4)
Þ m = 3,27.10 -4 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt của nước: lN = 0,679 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của rượu: lR = 0,2008 W/mK
Nên: R .xW N .(1 xW ) 0,72.xW .(1 xW ).( N R ) = 0,675 (W/mK) (công
thức 1.37, trang 124,[1])
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 42,05 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 28,99 J/kgK
Nên: c = cR. xW + cN.(1 - xW) = 41,93 J/kgK
c
Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: PrW 2 = 2,55
Trang 41
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
g .d o . 2 . .t
3
Gr
2
1 1
2,755.10 3 ( K 1 )
T 90 273
9,81.0,032 3.964,18 2.2,755.10 3.8,25
61,59.10 6
Gr 3 2
(0,327.10 )
Þ NuW = 12,19
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy đ i trong ố ng trong:
Nu W .W 12,19.0,675
257,20 W/m2độ
aW =
d tr 0,032
Þ qW = aW. t2 = 257,2.8 ,25 = 2121,6 W/m2
3.3. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu ngo ài ống :
Nhiệt độ trung bình của dòng nhập liệu: tf = ½ (tV + tR) = 44,0 oC
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: rN = 990,2 kg/m3
Khối lượng riêng của rượu: rR = 768 ,8 kg/m3
1 xF
1x 0,1 1 0,1
1,02.10 3 Þ r = 962,5 kg/m3
Nên: F
R N 768,8 990,2
Độ nhớt của nước: mN = 5,68.10-4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: mR = 4,05.10 -4 N.s/m2
Nên: lgm = xFlgmR + (1 – xF)lgmN
Þ m = 5,22.10 -4 (N.s/m2)
Hệ số dẫn nhiệt của nước: lN = 0,650 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của rượu: lR = 0,212 W/mK
Nên: l = R .xW N .(1 xW ) 0,72.xW .(1 xW ).( N R ) = 0,482 W/mK (công thức
1.37, trang 124,[1])
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 41,78 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 26,86 J/kgK
Nên: c = cR.xF + cN. (1 – xF) = 40,90 J/kgK
c
Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: Pr = 4,43
Đường kính tương đương của khoảng không ngo ài ống:
D 2 n.d o2 0,7 2 127.0,032 2
d td t 0,076m
Dt n.d o 0,7 127.0,032
Vận tốc thực tế của dòng nhập liệu đi ngoài ố ng:
4G F 4.1000
3,57.10 3 m/s
vF
2 2 2 2
3600 ( Dt n.d o ) 3600.962,5. .(0,7 127.0,032 )
Chuẩn số Reynolds :
3,57.10 3.0,076.962,5
v d .
Re F F . td F 710,9 < 2300 : chế độ chảy tầng.
5,22.10 4
F
Áp dụng công thức (V.56), trang 20, [2] Þ công thức xác định chuẩn số Nusselt:
Trang 42
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Nu D 1,16.d td,6 . Re 0, 6 PrD,33
0 0
D
1,16.0,108 0,6.710,9 0, 6.4,430,33 25,64
Chọn t1 = 18oC
Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu ngo ài ống:
Nu F . F 25,64.0,482
114,43 W/m2độ
aF =
d td 0,108
Þ qF = aF. t1 = 112,75.18 = 2059,7 W/m2
Kiểm tra sai số:
qW q F
100% = 2,92 % < 5% (thỏa)
e=
qW
3.4. Xác đ ịnh hệ số truyền nhiệt:
1
75,85 W/m2K
K
1 1
5,565.10 4
257,20 114,43
4 . Bề mặt truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Q 115,7.1000
40,41 m2
F=
K .t log 75,85.37,75
5 . Cấu tạo thiết bị:
Số ống truyền nhiệt: n = 127 ố ng. Ống đ ược bố trí theo hình lục giác đều.
F
Chiều dài ống truyền nhiệt: L = = 2,51 (m) Þ chọn L = 2,5 m
d n d tr
n
2
So ố ng trên đường chéo: b = 13 ống
Bước ống: t = 48 (mm) = 0,048 m
Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [2 ]:
Þ Đường kính trong của thiết bị: D = t(b-1) + 4dn = 0,7 m.
V. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu:
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ố ng, đặt ngang.
Ống truyền nhiệt được làm b ằng thép hợp kim X18H10T, kích thước ống 38 x 3:
Đường kính ngo ài: dn = 38 mm = 0,038 m
Bề d ày ố ng: dt = 3 mm = 0,003 m
Đường kính trong: d tr = 0,032 m
Nhiệt trở lớp bẩn trong ống: r1 = 1/5000 m2.K/W
Nhiệt trở lớp cáu ngo ài ống: r2 =1/5800 m2.K/W
Chọn:
Nhập liệu đi trong ống với nhiệt độ vào tV = 60,0oC và nhiệt độ ra tR = 68,5 oC.
Dòng hơi ngưng tụ đi ngoài ố ng với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 126,25 oC, có áp suất 2at,
ẩn nhiệt hóa hơi r = 2189500 J/kg.
1 . Lượng hơi nước cần dùng :
Trang 43
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Cân bằng nhiệt: Q = GF.cF.(tr – tv) = Gn.rn
Ở nhiệt độ trung b ình ttb = 64,25 oC thì:
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 41,83 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 28,20 J/kgK
Nên: cF = cR.xF + cN. (1 – xF) = 41,02 J/kgK
Q = 1000.41,02.( 68,5 - 60) = 34,87 kW
Gn = 15,93 (kg/h)
2 . Hiệu số nhiệt độ trung bình :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(126,25 60,0) (126,25 68,5)
62,15 K
t log
126,25 60,0
Ln
126,25 68,5
3 . Hệ số truyền nhiệt:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
1
K
1 1
rt
n ngöng
, W/m2.K
Với:
an : hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh, W/m2.K
angưng : hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tu , W/m2.K
rt : nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu.
Bề dày thành ố ng: t = 0,003 m
Hệ số d ẫn nhiệt của thép không gỉ: t = 16,3 W/mK
Nhiệt trở lớp cáu trong ống: r1 = 1 /5800 m2.K/W
Nhiệt trở lớp cáu ngoài ố ng: r2 =1/5800 m2.K/W
Nên: rt = 5 ,289.10 -4 m2.K/W
3.1. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu đ i trong ống :
Nhiệt độ trung b ình của dòng nhập liệu trong ố ng: tf = ½ (tV + tR) = 64,25oC
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: rN = 979,8 kg/m3
Khối lượng riêng của rượu: rR = 746,2 kg/m3
1 xF
1x 1 0,1
0,1
Þ r = 950,06 kg/m3
Nên: F
R N 746,2 979,8
Độ nhớt của nước: mN = 3,88 .10-4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: mR = 3,12.10 -4 N.s/m2
Nên: lgm = xF.lgmR + (1 – xF).lgm N
Þ m = 3,65.10 -4 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt của nước: lN = 0,661 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của rượu: lR = 0,105 W/mK
Nên: l = R .x F N .(1 x F ) 0,72.x F .(1 x F ).( N R ) = 0,569 W/mK (công thức
1.37, trang 124,[1])
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 41,83 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 28,20 J/kgK
Nên: c = cR.xF + cN. (1 – xF) = 40,475 J/kgK
Trang 44
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
c
Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: Pr = 2,60
Vận tốc thực tế của dòng nhập liệu trong ống:
4G F 4.1000
0,003 m/s
vF
3600 F nd tr 3600.950,06.127. .0,032 2
2
Chuẩn số Reynolds :
v d . 0,003.0,032.950,06
Re F F . tr F 250,0 < 2300 : chế độ chảy tầng
3,65.10 4
F
Áp dụng công thức (1.80), trang 31, [5] Þ công thức xác định chuẩn số Nusselt:
0 , 25
Pr
0 , 33 0 , 43 0 ,1
Nu w 0,15. l . Re Pr .Gr . n Pr
n n
w2
Trong đó: e1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều d ài L
và đường kính d của ống.
Tra b ảng 1.2, trang 31, [5] Þ chọn e1 = 1
Chọn t2 = 20oC Þ tw2 = 84 ,25 oC
Tại nhiệt độ này:
Độ nhớt của nước: mN = 3,03 .10-4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: mR = 2,26.10 -4 N.s/m2
Nên: lgm = xFlgmR + (1 – xF)lgmN
Þ m = 2,98.10 -4 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt của nước: lN = 0,677 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của rượu: lR = 0,178 W/mK
Nên: l = R .x F N .(1 x F ) 0,72.x F .(1 x F ).( N R ) = 0,595 W/mK (công thức
1.37, trang 124,[1])
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4201,8 J/kgK
Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 2922,0 J/kgK
Nên: c = cR. xF + cN.(1 – xF) = 4126,5 J/kgK
c
Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: PrW 2 = 2,067
g .d o . 2 . .t
3
Gr
2
1 1
2,96.10 3 K 1
T 64,25 273
9,81.0,032 3.950,06 2.2,96.10 3.20
193,4.10 6
Gr 3 2
(0,298.10 )
Þ NuF = 11,4
Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu đi trong ống trong:
Nu F . F 11,4.0,595
212,0 W/m2độ
aF =
d tr 0,032
Þ qF = aF. t2 = 212,0.20 = 4240,0 W/m2
Trang 45
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
3.3. Xác đ ịnh hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ố ng :
Áp dụng công thức (1.110), trang 38, [5]Þ Đối với ống đơn chiếc nằm ngang thì:
r. 2 .g.3
1 0,7254
.(t ngöng - t W1 ).d n
Tra b ảng V.II, trang 48, [2] Þ với số ống n = 127 thì số ống trên đường chéo của hình 6
cạnh là: b = 13
Tra hình V.18, trang 19, [4] Þ hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống và số ống trong mỗi
dãy thẳng đứng là etb = 1,1
Þ Hệ số cấp nhiệt trung bình của chùm ống: angưng = etba1 = 1,1a1
Chọn t1 = 0,2oC Þ tW1 = 126,05oC
Tra các thông số của hơi ngưng tụ:
Khối lượng riêng của hơi: rN = 939,16 kg/m3
Độ nhớt của hơi: m N = 2 ,28.10-4 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt của hơi: lN = 0,686 W/mK
Þ a1 = 19886,13 W/m2K
Þ an = 21874,74 W/m2K
Þ qn = an (tn – tW1) = 4374,94 W
Kiểm tra sai số:
qn q F
100% = 3,08 % < 5% (thỏa)
e=
qn
3.4. Xác đ ịnh hệ số truyền nhiệt:
1
188,0 W/m2K
K
1 1
5,565.10 4
212,0 21874,74
4 . Bề mặt truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Qnt 15,93.1000
1,36 m2
F=
K .t log 188,0.62,15
5 . Cấu tạo thiết bị:
Số ống truyền nhiệt: n = 127 ố ng. Ống đ ược bố trí theo hình lục giác đều.
F
Chiều d ài ống truyền nhiệt: L = = 0,09 (m) Þ chọn L = 0,1 m
d n d tr
n
2
So ố ng trên đường chéo: b = 13 ống
Tra b ảng trang 21, [3] Þ Bước ống: t = 48 mm = 0,048 m
Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [2 ]:
Þ Đường kính trong của thiết bị: D = t(b -1) + 4dn = 0,7 m.
V I. Bồn cao vị:
Trang 46
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
1. Tổn thất đường ống dẫn:
Chọn ống dẫn có đ ường kính trong là dtr = 80 mm
Tra bảng II.15, trang 381, [1 ] Þ Độ nhám của ống: e = 0,2 mm = 0,0002 m
Tổn thất đ ường ống dẫn:
v 2
l
h1 1 1 1 . F
2g m
d
1
Trong đó:
l1 : hệ số ma sát trong đường ống.
l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 30 m
d 1 : đ ường kính ống dẫn, d1 = d tr = 0,08 m
x1 : tổng hệ số tổn thất cục bộ.
vF : vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn
1.1. Xác đ ịnh vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn :
Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở nhiệt độ trung b ình:
t t FS 28 65,8
= 46,9 oC
tF = FV
2 2
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: rN = 989,2 kg/m3
Khối lượng riêng của rượu: rR = 768,4 kg/m3
1 xF
x 1 0,1
1 0,1
Þ rF = 961,6 kg/m3
F
Nên:
F R N 768,4 989,2
Độ nhớt của nước: mN = 5,15 .10-4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: mR = 3,75.10 -4 N.s/m2
Nên: lgmF = xFlgmN + (1 – xF)lgm A
Þ mF = 4,65.10-4 N.s/m2
Vận tốc của dòng nhập liệu đi trong ống:
4G F 4.1000
= 0,057 m/s
vF
3600 F d tr 3600.961,6. .0,08 2
2
1.2. Xác đ ịnh hệ số ma sát trong đường ống :
Chuẩn số Reynolds :
vd 0,057.0,08.961,6
Re F F tr F = 9429,9 > 4000 : chế độ chảy rối
4,65.10 4
F
Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh = 6(d 1/e)8/7 = 5648,513
Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
Ren = 220 .(d1/e)9/8 = 186097,342
Vì Regh < ReF < Ren Þ chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ.
0 , 25
100
Áp dụng co ng thức (II.64), trang 379, [1]: l1= 0,1.1,46. = 0,035
d1 Re F
1.3. Xác đ ịnh tổng hệ số tổn thất cục bộ :
Chỗ uốn cong :
Tra b ảng II.16, trang 382, [1]:
Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = 2 thì xu1 (1 chỗ) = 0,15.
Đường ống có 6 chỗ uốn Þ xu1 = 0,15. 6 = 0 ,9
Trang 47
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Van :
Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn thì xvan (1 cái) = 10.
Đường ống có 2 van cầu Þ xvan = 10. 2 = 20
Lưu lượng kế : xl1 = 0 (coi như không đáng kể).
Vào tháp : xtháp = 1
Tại miệng ra của bồn cao vị: Tra bảng 10, trang 385, [1]: x = 11
Nên: x1 = 33,05
0,057 2
30
= 7,65.10 -3 (m)
Vậy: h1 0,035. 33,05 .
0,08 2.9,81
2 . Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt giữa dòng nhập liệu và
sản phẩm đáy:
v2
l
h 2 2 2 2 . 2
d 2g
2 m
Trong đó:
l2 : hệ số ma sát trong đường ống.
l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = 2,5 m
d 2 : đ ường kính ống dẫn, d2 = d tr = 0,032 m
x2 : tổng hệ số tổn thất cục bộ.
v2 : vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn
2.1. Vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn :v2 = 3 ,57.10-3 m/s
2.2. Xác định hệ số ma sát trong đường ống :
Chuẩn số Reynolds : Re2 = 710,9 < 2300 : chế độ chảy tầng.
Độ nhám: e = 0,0002
64 64
Áp dụng công thức (II.64), trang 379, [1]: 0,09
Re 710,9
2.3. Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ :
Đột thu :
0,032 2
F
Tra b ảng II.16, trang 382, [1]: Khi o = 0,160 thì xđột thu 2 (1chỗ) = 0,458
0,08 2
F1
Có 1 chỗ đột thu Þ xđột thu 1 = 0,458
Đột mở :
0,032 2
F
Tra b ảng II.16, trang 382, [1]: Khi o = 0,160 thì xđột mở 2 (1chỗ) = 0,708
0,08 2
F1
Có 1 chỗ đột mở Þ xđột mở 2 = 0,708
Nên: x2 = xđôt thu 2 + xđột mở 2 = 1,166
(3,57.10 3 ) 2
2,5
0,68.10 3 m
Vậy: h2 127. 0,09. 1,166 .
0,032 2.9,81
3 . Tổn thất đư ờng ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu:
v2
l
h3 3 3 3 . 3 ,m
d 2g
3
Trang 48
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Trong đó:
l3 : hệ số ma sát trong đường ống.
l3 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = 0,5 m.
d 3 : đ ường kính ống dẫn, d3 = d tr = 0,032 m.
x3 : tổng hệ số tổn thất cục bộ.
v3 : vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn
3.1. Vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn :v2 = 0,003 m/s
3.2. Xác đ ịnh hệ số ma sát trong đường ống :
Chuẩn số Reynolds : Re2 = 250 < 2300 : chế độ chảy tầng
Độ nhám: e = 0,0002
64 64
Áp dụng công thức (II.64), trang 379, [1]: 0,256
Re 250
3.3. Xác đ ịnh tổng hệ số tổn thất cục bộ :
Đột thu :
0,032 2
F
Tra b ảng II.16, trang 382, [1]: Khi o = 0,160 thì xđột thu 3 (1chỗ) = 0,458
0,08 2
F1
Có 1 chỗ đột thu Þ xđột thu 3 = 0,458
Đột mở :
0,032 2
F
Tra b ảng II.16, trang 382, [1]: Khi o = 0,160 thì xđột mở 3 (1chỗ) = 0,708
0,08 2
F1
Có 1 chỗ đột mở Þ xđột mở 3 = 0,708
Nên: x3 = xđôt thu 3 + xđột mở 3 = 1,166
0,003 2
0,5
0,30.10 3 m
Vậy: h3 127. 0,256. 1,166 .
0,032 2.9,81
4 . Chiều cao bồn cao vị:
Chọn :
Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị.
Mặt cắt (2-2) là mặt cắt tại vị trí nhập liệu ở tháp.
Ap dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2):
2 2
P1 v P2 v
+ 1 = z2 + + 2 +hf1-2
z1 +
F .g F .g
2.g 2 .g
2 2
P2 P1 v2 v1
z1 = z2 + +hf1-2
F .g 2.g
Trong đó:
z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem như là chiều cao bồn cao vị Hcv =
z1 .
z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem như là chiều cao từ mặt đất đến vị
trí nhập liệu:
z2 = hchân đỡ + hđáy + (nttC – 1 ).Dh
= 0,105 + 0,02 + (12 – 1).0,25 = 2,875 m
P1 : áp suất tại mặt thoáng (1 -1), chọn P1 = 1 at = 9,81.10 4 N/m2
P2 : áp suất tại mặt thoáng (2 -2)
Xem DP = P2 – P1 = nttL .DPL = 9. 286,27 = 2576,4 N/m2
Trang 49
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
v1 : vận tốc tại mặt thoáng (1-1), xem v1 = 0 m/s
v2 : vận tốc tại vị trí nhập liệu, v2 = vF = 0 ,057 m/s
hf1-2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2):
hf1-2 = h1 + h2 + h3 = 8,63.10 -3 m
2 2
P P v v1
Vậy: Chiều cao bồn cao vị: Hcv = z2 + 2 1 2 +hf1-2
F .g 2.g
0,057 2 0
2576,4
+ 8,63.10-3
= 2,875 +
9,81.961,6 2.9,81
= 3,16 m
Chọn Hcv = 5 m
VII. Bơm:
1 . Năng suất:
Nhiệt độ dòng nhập liệu là tF = 28oC.
Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của nước: rN = 996,3 kg/m3
Khối lượng riêng của rượu: rR = 784,8 kg/m3
1 xF
x 1 0,1
1 0,1
Þ rF = 970,2 kg/m3
F
Nên:
F R N 784,8 996,3
Độ nhớt của nước: mN = 8,36.10-4 N.s/m2
Độ nhớt của rượu: mR = 0,51.10 -3 N.s/m2
Nên: lgmF = xF.lgm N + (1 – xF).lgm A
Þ mF = 7,35 .10-4 N.s/m2
Suất lượng thể tích của dòng nhập liệu đi trong ống:
G 1000
= 1,03 m3/h
QF F
F 970,2
Vậy: chọn b ơm có năng suất Qb = 2 m3/h
2 . Cột áp:
Chọn :
Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu.
Mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị.
Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2):
2 2
v v
P1 P2
+ 1 + Hb = z2 + + 2 +hf1-2
z1 +
F .g F .g
2.g 2.g
Trong đó:
z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = 1 m.
z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 5m.
P1 : áp suất tại mặt thoáng (1 -1), chọn P1 = 1 at.
P2 : áp suất tại mặt thoáng (2 -2), chọn P2 = 1 at.
v1,v2 : vận tốc tại mặt thoáng (1-1) và(2-2), xem v1= v2 = 0 m/s
hf1-2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đ ến (2 -2).
Hb : cột áp của bơm.
2.1. Tính tổng trở lực trong ống:
Chọn đ ường kính trong của ống hút và ống đẩy bằng nhau: dtr = 50 mm
Trang 50
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Tra b ảng II.15, trang 381, [1] Þ Độ nhám của ống: e = 0,2 mm = 0,0002
Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy
v 2
l l
hf1-2 = h ñ h ñ . F
2g
d tr
Trong đó:
lh : chiều dài ố ng hút.
Chiều cao hút của bơm: Tra bảng II.34, trang 441, [1] Þ hh = 4,2 m
Þ Chọn lh = 6 m
lđ : chiều dài ố ng đẩy, chọn lđ = 8 m
xh : tổng tổn thất cục bộ trong ống hút.
xđ : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy.
l : hệ số ma sát trong ống hút và ố ng đẩy.
vF : vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút và ống đẩy m/s
4Qb 4 .2
vF 0,283 m/s
3600d tr 3600. .0,050 2
2
11 Xác đ ịnh hệ số ma sát trong ống hút và ố ng đẩy :
Chuẩn số Reynolds :
vd 0,283.0,05.970,2
Re F F tr F = 17053,8 > 4000 : chế độ chảy rối
8,05.10 4
F
Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh = 6(d tr/e)8/7 = 3301,065
Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
Ren = 220(dtr/e)9/8 = 109674,381
Vì Regh < ReF < Ren Þ chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ.
0, 25
100
Áp dụng công thức (II.64), trang 379, [1]: l = 0,1.1,46.
= 0,033
d tr Re F
12 Xác đ ịnh tổng tổn thất cục bộ trong ống hút :
§ Chỗ uốn cong :
Tra b ảng II.16, trang 382, [1]: Chọn dạng ống uốn cong 90 o có bán kính R với R/d = 2
thì xu1 (1 chỗ) = 0,15.
Ống hút có 2 chỗ uốn Þ xu1 = 0,3
§ Van :
Chọn van cầu với độ mở ho àn toàn thì xv1 (1 cái) = 10.
Ống hút có 1 van cầu Þ xv1 = 10
Nên: xh = xu1 + xv1 = 10,3
13 Xác đ ịnh tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy :
§ Chỗ uốn cong :
Tra b ảng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90 o có bán kính R với R/d = 2
thì xu2 (1 chỗ) = 0,15.
Ống đẩy có 4 chỗ uốn Þ xu2 = 0,15. 4 = 0,6
§ Van :
Tra b ảng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở ho àn toàn thì xv2 (1 cái) = 10.
Ống đẩy có 1 van cầu Þ xv2 = 10
§ Vào bồn cao vị : xcv = 1
Trang 51
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Nên: xđ = xu1 + xv1 + xcv = 11,6
0,2832
68
Vậy: hf1-2 = 0,033 = 0,127 m
10,3 11,6 .
0,05 2.9,81
2.2. Tính cột áp của bơm:
Hb = (z2 – z1) + hf1-2 = ( 5 – 1) + 0,127 = 4 ,127 m
3 . Công suất:
Chọn hiệu suất của bơm: hb = 0,8.
Q H .g 2.4,127.970,5.9,81
Công suất thực tế của bơm: Nb = b b F
3600. b 3600.0,8
= 27,3 W
Kết luận: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn 2 bơm li tâm, có:
Năng suất: Qb = 2 m3/h
Cột áp: Hb = 4 ,127 m
Công suất: Nb = 27,3 W
CHƯƠNG 6:
Tính kinh tế
Lượng thép X18H10T cần dùng:
M1 = 21 mmâm + mthân + 2mđáy(nắp) = 243,43 kg
Lượng thép CT3 cần dùng:
M2 = 8mbích nối thân + mbích ghép ống lỏng + mbích ghép ống hới
+ 4. mchân đỡ + 4. mtai treo + 4. mtấm lót = 163,82 kg
Số bulông cần dùng:
n = 164 (cái)
Chiều dài ố ng 38 x 3mm:
L1 = 837m
Chiều dài ố ng 7 0mm: Chọn tổng chiều d ài ống dẫn lỏng vào tháp là 10m.
Chiều dài ố ng 150mm: Chọn tổng chiều dài ống hơi ở đ ỉnh tháp và ố ng hơi ở đ áy
tháp là L4 = 10m.
Chiều dài ố ng 50mm: Chọn tổng chiều dài ố ng chảy tràn và ố ng xả đáy từ bồn cao
vị, ống nhập liệu và ố ng hoàn lưu là 40m.
Bơm ly tâm: chọn 2 b ơm ly tâm Þ Nb = 2. 27,3 = 54,6 W
Trang 52
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Vật liệu Số lượng Thành tiền (đ)
Đơn giá
50000 (đ/kg)
Thép X18H10T 243,43 (kg) 12171500
10000 (đ/kg)
Thép CT3 163,82 (kg) 1638200
2500 (đ/cái)
Bulông 164 (cái) 410000
Ống dẫn 38 x 3mm 50000 (đ/m)
837 (m) 41850000
Ống 70mm 100000 (đ/m)
10 (m) 1000000
Ống 150mm 100000 (đ/m)
10 (m) 1000000
Ống 50mm 100000 (đ/m)
40 (m) 4000000
Bơm ly tâm 700000 (đ/Hp)
54,6 (W) 56000
Áp kế 200000 (đ/cái)
2 (cái) 400000
Nhiệt kế 150000 (đ/cái)
3 (cái) 450000
Lưu lượng kế (³ 50mm) 1000000 (đ/cái)
2 (cái) 2000000
64975700
Tổng chi phí vật tư
Vậy tổng chi phí vật tư là 65 triệu đồng.
Xem tiền công chế tạo bằng 200% tiền vật tư.
Vậy: tổng chi phí là 195 triệu đồng.
CHƯƠNG 7:
Kết luận
Với hệ thống chưng cất metanol - nước dùng tháp mâm xuyên lỗ như đã thiết kế, ta
thấy bên cạnh những ưu điểm cũng còn có nhiều nhược điểm. Thiết bị có ưu điểm là năng
suất và hiệu suất cao nhưng thiết bị còn rất cồng kềnh, đòi hỏi phải có sự vận hành với độ
chính xác cao. Bên cạnh đó, khi vận hành thiết bị này ta cũng phải hết sức chú ý đến vấn
đề an toàn lao động để tránh mọi rủi ro có thể xảy ra, gây thiệt hại về người và của.
Trang 53
Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh
Phong
Tài liệu tham khảo
[1]. Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học Tập 1, ĐHBK Hà Nội.
[2]. Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học Tập 2, ĐHBK Hà Nội.
[3]. Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh, “ Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học –
Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM, 2004.
[4]. Phạm Văn Bôn – Nguyễn Đình Thọ, “Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa
Học – Tập 5: Quá trình và Thiết bị Truyền Nhiệt”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia
TpHCM, 2002.
[5]. Phạm Văn Bôn , “Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học – Bài tập
Truyền nhiệt”, Nhà xu ất bản Đại học Quốc gia TpHCM,2004.
[6]. Trịnh Văn Dũng , “Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học – Bài tập
Truyền khối”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM,2004.
[7]. Hồ Lê Viên, “Thiết kế và Tính toán các thiết bị hóa chất”, Nhà xu ất bản Khoa học
và K ỹ thuật, Hà Nội, 1978.
[8]. Nguyễn Minh Tuyển, “Cơ sở Tính toán Máy và Thiết bị Hóa chất – Thực phẩm”,
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1984.
Trang 54
![](images/graphics/blank.gif)
![](images/graphics/blank.gif)
## Top Download Khoa Học Tự Nhiên
-
-
-
-
-
-
-
-
[Tiểu luận: Sử dụng tài nguyên thiên nhiên nước](http://tailieu.vn/doc/tieu-luan-su-dung-tai-nguyen-thien-nhien-nuoc-721344.html)
14p
396
195
-
[Luận văn: Hiện tượng làm thay đổi vận tốc phản ứng](http://tailieu.vn/doc/luan-van-hien-tuong-lam-thay-doi-van-toc-phan-ung-151892.html)
102p
321
223
-
[Báo cáo thực tập: Hóa phân tích - Trường ĐH Đà Lạt](http://tailieu.vn/doc/bao-cao-thuc-tap-hoa-phan-tich-truong-dh-da-lat-196732.html)
36p
1010
295
-
35p
661
220
Tài Liệu Khoa Học Tự Nhiên Mới
[Xem thêm »](http://tailieu.vn/luan-van-bao-cao/khoa-hoc-tu-nhien/)
Tài Liệu mới cập nhật
[Xem thêm »](http://tailieu.vn/tai-lieu/)
-
-
-
-
17p
3
1
-
-

Server: Apache/2.2.3 (CentOS)