GIỚI THIỆU CHUNG
LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN
Chưng luyện là phương pháp phân tách hỗn hợp khí đã hóa lỏng dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi của các thành phần ở cùng một áp suất.
Phương pháp chưng luyện là quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần, giúp thu được hỗn hợp chứa hầu hết các cấu tử dễ bay hơi với nồng độ mong muốn ở đỉnh tháp Phương pháp này có hiệu suất phân tách cao, nên được ứng dụng rộng rãi trong thực tế Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, nhiều thiết bị phân tách đa dạng đã được phát triển, bao gồm tháp chóp, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền và tháp đệm Các thiết bị này hoạt động dựa trên các phương pháp chưng cất với áp suất làm việc cụ thể.
- Chưng cất ở áp suất thấp
- Chưng cất ở áp suất thường
- Chưng cất ở áp suất cao
Nguyên tắc của phương pháp này dựa trên nhiệt độ sôi của các cấu tử, trong đó nếu nhiệt độ sôi quá cao, áp suất làm việc sẽ được giảm để hạ nhiệt độ sôi Phương pháp có thể hoạt động theo hai nguyên lý: liên tục hoặc gián đoạn Chưng gián đoạn được áp dụng khi cần tách các cấu tử hiệu quả hơn trong quá trình xử lý.
Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau
Không cần đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao
Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi
Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử
- Chưng liên tục: là quá trình được thực hiện liên tục nghịch dòng và nhiềuđoạn
Trong sản xuất, có nhiều loại tháp được sử dụng, nhưng tất cả đều yêu cầu một diện tích tiếp xúc bề mặt pha lớn để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Tháp chưng luyện có nhiều kích cỡ và ứng dụng khác nhau, với các tháp lớn thường được sử dụng trong công nghệ lọc hóa dầu Đường kính của tháp phụ thuộc vào lượng pha lỏng, pha khí và độ tinh khiết của sản phẩm Mỗi loại tháp chưng có cấu tạo, ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó việc lựa chọn loại tháp phù hợp với hỗn hợp cấu tử và kích cỡ thiết bị là rất quan trọng để đáp ứng yêu cầu cụ thể.
Trong đồ án này, tôi được giao nhiệm vụ thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ với ống chảy truyền Mục tiêu là phân tách hỗn hợp hai cấu tử metylic và etylic, hoạt động ở áp suất thường với nhiệt độ đầu vào ở mức sôi.
GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP ĐƯỢC CHƯNG LUYỆN
Metylic là một chất lỏng trong suốt, không màu và có khả năng hòa tan trong nước ở mọi tỷ lệ Với nhiệt độ sôi là 67,4°C, Metylic được xem là một chất độc hại cho cơ thể Việc tiêu thụ từ 8 đến 10g Metylic có thể dẫn đến ngộ độc, gây ra rối loạn và thậm chí có nguy cơ mù lòa.
Etylic là một chất lỏng không màu, có khả năng hòa tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi 78.4°C Chất này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống hàng ngày Metylic và Etylic là sản phẩm của quá trình lên men hoặc tổng hợp, với đặc điểm là ở trạng thái bình thường, chúng là chất lỏng không liên kết và có độ bay hơi khác nhau, trong đó metylic bay hơi trước do nhiệt độ sôi thấp hơn Hỗn hợp này có tính ăn mòn yếu, vì vậy khi chọn thiết bị chưng luyện, nên sử dụng thép các bon thường để tiết kiệm chi phí.
2.3 Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất:
Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền công nghê chưng luyện liên tục
1 Thùng chứa hỗn hợp đầu 7 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh
2 Bơm 8 Thùng chứa sản phẩm đỉnh
3 Thùng cao vị 9 Thiết bị gia nhiệt đáy tháp
4 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 10 Thùng chứa sản phẩm đáy
5 Tháp chưng luyện 11 Thiết bị tháo nước ngưng
6 Thiết bị ngưng tụ hồi lưu
Dung dịch đầu được bơm liên tục từ thùng chứa lên thùng cao vị, nơi mà mức chất lỏng được kiểm soát bằng ống chảy tràn Từ thùng cao vị, dung dịch được đưa vào thiết bị đun nóng qua lưu lượng kế, tại đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa Sau đó, dung dịch được chuyển vào tháp chưng luyện, nơi hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống, dẫn đến sự thay đổi về nhiệt độ và nồng độ các cấu tử theo chiều cao tháp Các cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại, và cuối cùng, tại đỉnh tháp, ta thu được hỗn hợp chủ yếu là các cấu tử dễ bay hơi Hơi sau đó được dẫn vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu, nơi nó được ngưng tụ lại.
Một phần chất lỏng được làm lạnh trong thiết bị làm lạnh (7) đến nhiệt độ mong muốn trước khi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8), trong khi phần còn lại được hồi lưu về tháp tại đĩa trên cùng.
Chất lỏng di chuyển từ trên xuống và gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, dẫn đến việc một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bay hơi, làm tăng nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng Cuối cùng, tại đáy tháp, ta thu được hỗn hợp lỏng chủ yếu là cấu tử khó bay hơi Sau đó, chất lỏng ra khỏi tháp sẽ được làm lạnh và chuyển vào thùng chứa sản phẩm ở đáy Như vậy, với thiết bị hoạt động liên tục, hỗn hợp đầu được đưa vào và sản phẩm cũng được tháo ra liên tục.
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Tính toán cân bằng vật liệu toàn thiết bị
• Kí hiệu các đại lượng như sau:
F : lượng nguyên liệu đầu (kmol/h)
P : lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)
W: lượng sản phẩm đáy (kmol/h) xF: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu xP: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh xW: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy
Trong tháp chưng cất, số mol pha hơi di chuyển từ dưới lên là đồng nhất ở mọi tiết diện, trong khi số mol chất lỏng giữ nguyên theo chiều cao của đoạn chưng và đoạn luyện Hơn nữa, hỗn hợp đầu vào tháp luôn ở nhiệt độ sôi.
+ Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra ở đỉnh tháp
+ Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp
F: Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu = 5870 kg/h
Thiết bị làm việc ở áp suất thường (P = 1 at)
Tháp chưng được sử dụng là tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền, với các điều kiện cụ thể như sau: nồng độ Metylic trong hỗn hợp đầu đạt 32,8% (phần khối lượng), nồng độ Metylic trong sản phẩm đỉnh là 79,1% (phần khối lượng) và nồng độ Metylic trong sản phẩm đáy chỉ còn 1,1% (phần khối lượng).
MA: Khối lượng phân tử của Metylic = 32 (kg/kmol)
MB: Khối lượng phân tử của Etylic = 46 (kg/kmol)
- Theo phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:
- Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi:
Từ (1) và (2) ta suy ra được lượng sản phẩm đỉnh là: kg/h
*Đổi từ khối lượng sang phần mol: x = \f(a/M, = = 0,412(phần mol) x= \f(a/M, = =0,845(phần mol) x = \f(a/M, = =0,0157(phần mol) *Tính khối lượng mol trung bình: Áp dụng công thức:M = x.M + (1 - x).M
Lượng hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy tính theo phần mol là:
2.1.1 Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu:
Từ số liệu bảng IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-2 trang 150) ta có thành phần cân bằng lỏng hơi của metylic – etylic được cho theo bảng sau :
- Tính yF* có xF= 0,412 ( phần mol)
Với giá trị xF = 0,412 ta dóng lên đường cân bằng → yF* = 0,53
- Chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng luyện Rmin :
- Tính chỉ số hồi lưu thích hợp
Chọn chỉ số hồi lưu phù hợp là rất quan trọng trong quá trình thiết kế tháp Chỉ số hồi lưu thấp dẫn đến số bậc tháp cao nhưng tiết kiệm năng lượng, trong khi chỉ số hồi lưu cao giảm số bậc tháp nhưng lại tiêu tốn nhiều năng lượng hơn.
Rth : chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tính chất thể tích tháp nhỏ nhất
Nlt : số bậc thay đổi nồng độ ( số đĩa lý thuyết )
Chỉ số hồi lưu thích hợp được xác định bằng công thức R x = β, với Rmin là giá trị tối thiểu và β là hệ số hiệu chỉnh Đối với mỗi giá trị R lớn hơn Rmin, ta có thể xây dựng một đường làm việc tương ứng Kết quả tìm được cho Nlt là β = 1,2, dẫn đến giá trị R = 3,204 và B = 0,2.
→ Số đĩa lý thuyết N = 34 β = 1,4→ Rx =3,738 B= 0,178
→ Số đĩa lý thuyết N = 22 β = 2,0 → Rx =5,34 B= 0,1333
→ Số đĩa lý thuyết N = 21 β = 2,2 → Rx =5,874 B= 0,123
→ Số đĩa lý thuyết N = 20 β = 2,4 → Rx =6,408 B= 0,114
→ Số đĩa lý thuyết N = 19 β = 2,5 → Rx =6,675 B= 0,11
Thiết lập quan hệ N(R+1) – R ta xác định được Rth tại giá trị nhỏ nhất của N(R+1) Kết quả được Rth = 4,272 tại = 1,6
Với Rth = 4,272 xác định được số đĩa lí thuyết Nlt = 24
Trong đó: Số đĩa đoạn chưng là 18
Số đĩa đoạn luyện là 6
2.1.5.Phương trình đường nồng độ làm việc:
Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện:
Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng: y = \f(R+f,R+1 x - \f(f-1,R+1 x
TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP
Đường kính tháp được xác định theo công thức:
Vtb: lượng hơi khí trung bình đi trong tháp (m 3 /h) ω tb : tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (m/s) gtb: lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/h)
(ρ y y ) tb : tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/m 3 s)
2.2.1.Lượng hơi trung bình các dòng pha đi trong tháp
Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi đoạn cho nên phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn
Hỉnh 2.18.Để xác định lượng hơi trung bình đi trong tháp chưng luyện
1 Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:
Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện có thể được ước tính gần đúng bằng cách tính trung bình cộng giữa lượng hơi thoát ra từ đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện.
Trong quá trình tính toán lượng hơi trong hệ thống, gtbL đại diện cho lượng hơi trung bình đi qua đoạn luyện, được đo bằng kg/h hoặc kmol/h Lượng hơi thoát ra từ đĩa trên cùng của tháp được ký hiệu là gđ, trong khi g1 là lượng hơi vào đĩa dưới cùng Công thức tính lượng hơi ra khỏi tháp gđ được xác định là g đ = G R + G P = G P (R + 1).
GP: lượng sản phẩm đỉnh (P): GP = 2385 (kg /h)
Suy ra: gđ = GP(R+ 1) #85.(4,272 + 1) = 12573,72(kg/h)
Trong đoạn luyện, lượng hơi G1, hàm lượng hơi Y1 và lượng lỏng G1 của đĩa thứ nhất được xác định thông qua hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng Các thông số này bao gồm g1, GP, y, x và các biến liên quan khác, tạo thành một hệ thống phương trình phức tạp nhằm đảm bảo sự chính xác trong quá trình tính toán và phân tích.
Trong các phương trình, x1 được xác định là a (phần khối lượng), r1 là ẩm nhiệt hóa hơi đi vào đĩa luyện thứ nhất (kcal/mol), và rđ là ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ra khỏi đỉnh tháp (kcal/mol) Công thức r1 = rA.y1 + cho thấy mối quan hệ giữa các yếu tố trong quá trình này.
(1- y1) rB rđ = rA.yđ + (1- yđ) rB yđ = yP (phần khối lượng) rA: ẩm nhiệt hóa hơi của nước rB: ẩm nhiệt hóa hơi của etylic
Xác định ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp:
Theo số liệu từ bảng IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-2 trang 150), nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu là tF = 63°C với x1 = xF = 0,412 Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh đạt tP = 45°C với yP = xP = 0,845 Cuối cùng, nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy là tW = 95°C với xW = 0,0157.
Xác định ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp: Áp dụng công thức nội suy: r = r + \f(r-r,t-t (t -t)
Xác định ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa luyện thứ nhất:
Nội suy theo bảng I.212 đối với etylic bảng I.213 đối với metylic (Sổ tay
QT&TBCNHC-T1) với tF = 72,63 0 C ta có: rCH3OH = 257,74(kcal/kg)79,16 KJ/kg rC2H5OH 4,948 (kcal/kg)8,117 kJ/kg thay số vào công thức tính r1 ta có : r179,16 y1+ 858,117.(1- y1)= 858,117+221,043.y1(kJ/kg)
Nội suy theo bảng I.212 cho etylic và bảng I.213 cho metylic (Sổ tay QT&TBCNHC-T1) với nhiệt độ tp = 66,45 °C cho thấy: RCH3OH có giá trị 1,29 (kcal/kg) tương đương 94,02 kJ/kg, trong khi rC2H5OH là 207,42 (kcal/kg) hoặc 8,47 kJ/kg Công thức tính r là r = r.y + (1 - y)r, với kết quả 94,02 * 0,845 + (1 - 0,845) * 868,475 cho ra giá trị 59,06 kJ/kg.
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: g = \f(g+g,2
Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện:
G = \f(G+G,2 = (kg/h) a Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện:
Khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha hơi: ytb y M tbAA (1 y M tbB ) B 273(kg m/ 3 )
Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp được ký hiệu là T (0 K), trong khi nồng độ phần mol của cấu tử A được biểu thị bằng ytbA Để chuyển đổi y1 sang nồng độ phần mol, ta có công thức y1 = y = f(y+y, 2) = f(y+x, 2) = 0,7 (phần mol).
Với yđA, ycA: nồng độ tại 2 đầu đoạn luyện (phần mol) nhiệt độ trung bình của đoạn luyện là :
Suy ra khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là ρ = 273 =1,29(kg/m)
Khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha lỏng:
1 a tbA 1 a tbB (kg m/ 3 ) xtb xtbA xtbB
Khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng được ký hiệu là ρ xtb (kg/m³), trong đó ρ xtbA và ρ xtbB là khối lượng riêng trung bình của các cấu tử A và B theo nhiệt độ trung bình (kg/m³) Phần khối lượng trung bình của cấu tử A trong pha lỏng được ký hiệu là atbA, với giá trị a = \f(a+a,2 = = 0,5595 (phần khối lượng) Nhiệt độ trung bình của đoạn luyện cũng cần được xác định để tính toán chính xác.
Từ bảng I.2 tr9- STQTTB I, bằng phương pháp nội suy ở txtbL= ta được: ρ xtbLCH3OH t4,93(kg/m 3 ) ρ xtbLC2H5OH t6,46(kg/m 3 )
Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha lỏng: b tốc độ hơi trung bình trong đoạn luyện
Tốc độ hơi trong tháp đĩa được xác định theo công thức [IX.111-Tr186-st II]: gh 0,05 x y
Trong đó: ωgh: tốc độ giới hạn trên (m/s)
Tốc độ hơi trong đoạn luyện: ω
= 0,05 \f(ρ,ρ ==1,202(m/s) Để tránh tạo bọt ta lấy tốc độ làm việc khoảng (80÷90%)ω gh
2 Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:
Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng được tính toán gần đúng bằng cách lấy trung bình cộng giữa lượng hơi ra khỏi và lượng hơi vào đoạn chưng.
Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện g n, g 1 nên ta có thể viết: g tb , 1 1, g g
Lượng hơi đi vào đoạn chưng g 1' , lượng lỏng G1, và hàm lượng lỏng x 1' được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:
Trong quá trình chưng cất, khi tìm đường cân bằng với x W = 0,0157 (phần mol), ta nhận được y = 0,023 (phần mol) Sau khi chuyển đổi y W từ phần mol sang phần khối lượng, ta có y = 0,016 (phần khối lượng) Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp tại đĩa thứ nhất được tính bằng công thức r 1' = r y A 1' (1 - y r 1' ) Tương tự, ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ở đĩa trên cùng được xác định qua công thức r n' = r y A n ' (1 - y r n' ).
Xác định ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng
Theo bảng I.212 trong Sổ tay QT&TBCNHC-T1, với nhiệt độ tw = 77,95 °C, giá trị nội suy cho methanol (rCH3OH) là 254,679 kcal/kg (tương đương 1066,29 KJ/kg) và cho ethanol (rC2H5OH) là 202,82 kcal/kg (tương đương 849,168 KJ/kg).
Thay các giá trị vào hệ phương trình trên ta được : lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng :
Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là:
G = \f(,2 = "095,28(kg/h) a Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng
Khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng đối với pha hơi: ytb y M tbA A (1 y M tbB ) B 273(kg m/ 3 )
T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp ( 0 K) ytbA :nồng độ phần mol của cấu tử A tính theo giá trị trung bình y1= kmol/kmol yw= kmol/kmol y = \f(y+y,2 = \f(y+y,2 = =0,2915(phần mol)
Với yđA, ycA: nồng độ tại 2 đầu đoạn chưng (phần mol)
Vậy ytbCH3OH = 0,2915 phần mol nhiệt độ trung bình của đoạn chưng là:
Suy ra khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng là: ρ = 273 = 1,467(kg/m)
Khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng đối với pha lỏng:
1 a tbA 1 a tbA (kg m/ 3 ) xtb xtbA xtbB
Khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng được ký hiệu là ρxtb (kg/m³), trong đó ρxtbA và ρxtbB đại diện cho khối lượng riêng trung bình của etanol và nước theo nhiệt độ trung bình (kg/m³) Phần khối lượng trung bình của cấu tử A trong pha lỏng được ký hiệu là atbA, với giá trị a = 0,1695 (phần khối lượng).
Nội suy từ bảng I.2- tr9 - STQTTB I (với t’xtb=) ta được
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng ở đoạn chưng là: b Vận tốc hơi đi trong đoạn chưng
Tốc độ hơi trong tháp đĩa được xác định theo công thức: gh 0,05 x y
Trong đó: ω gh : tốc độ giới hạn trên (m/s)
Tốc độ hơi trong đoạn chưng: ω = 0,05 \f(ρ,ρ = 0,05 =1,123(m/s) Để tránh tạo bọt ta lấy tốc độ làm việc khoảng (80÷90%)ω gh
2.2.4 Tính đường kính tháp a Đường kính đoạn luyện:
Lượng hơi trung bình: gytbL 115,81(kg/h) Khối lượng riêng trung bình của pha hơi: ρ =(kg/m 3 ) Vậy đường kính đoạn luyện là:
Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là D = 2,2 (m)
Thử lại điều kiện thực tế :
\f(ω,ω = = 0,8(thỏa mãn) b.Đường kính đoạn chưng
Lượng hơi trung bình: gytbC = /h)
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi: ρ = 1,467 (kg/m)
Vậy đường kính đoạn chưng là:
Quy chuẩn đường kính đoạn chưng là D = 2,2 (m)
Thử lại điều kiện thưc tế:
Vậy đường kính đoạn chưng D = 2,2 m
TÍNH CHIỀU CAO THÁP
2.3.1 Hệ số khuếch tán a Hệ số khuếch tán trong pha lỏng (D x )
Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20 0 C:
D 20 = \f(1,M\f(1,M\f(1.10., (m/s) (VIII.14 - STT II - trang 133) Trong đó:
- A,B : là hệ số liên hợp kế đến ảnh hưởng của metylic và etylic
- Ta có A=Bo 2 cấu tử không lien kết với nhau
- VA,VB : thể tích mol của metylic và etylic theo sổ tay tập 2- tr 127 có thể tích nguyên tử :C,8; H= 3,7; O=7,4 Ta có V7 (cm/mol)
- B=1.19 cp: độ nhớt của etylic ở 20 o C
Hệ số khuếch tán ở nhiệt độ xác định t:
D = D 20 [1 + b.(t - 20] Hệ số nhiệt độ: b = \f(, [VII.15-TR134-ST II] ρ: Khối lượng riêng của dung môi ở 20C (kg/m ) từ bảng I.2 - Sổ tay QT&TBCHHC - T 1 ta có:x9(kg/m) (I-9)
=>Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn luyện: t = t = 69,54C
=>Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn chưng: t = t = C
DxC = [ 1 + 0,0236.(- 20)] = 9,3.10 -9 (m/s) b Hệ số khuếch tán trong pha hơi:
Trong đó: p: áp suất tuyệt đối của hỗn hợp: p = p = 1 (atm)
T: Nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp : T = 273 + t (K)
Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn luyện: t = t = 69,54C
Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn chưng: t = t = C
1 Hệ số cấp khối trong pha hơi
Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (II-164): β = \f(D, (0,79.Re + 11000) \f(kmol,kmol\f(kmol,ms. Trong đó:
D : Hệ số khuếch tán trong pha hơi (m/s) a Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi
Trong đó: ω : Tốc độ hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp
(m/s) h : Kích thước dài, chấp nhận h = 1 m ρ :
Khối lượng riêng trung bình của hơi (kg/m) μ : Độ nhớt trung bình của hơi (Ns/m) Độ nhớt của hỗn hợp hơi: μ = M.\f(Y.M,μ\f(,μ [I.18- TR85-ST I]
Trong đó: y : Nồng độ metylic trong pha hơi Đoạn luyện có y = y = 0,76 ; Đoạn chưng: y = y =0,2915
M : Trọng lượng phân tử của hỗn hợp khí: Đoạn luyện :
Độ nhớt của metylic và etylic được tính toán với công thức: μ = 0,2915.32 + (1 - 0,2915).46, cho kết quả 41,919 (kg/kmol) Ở đoạn luyện, nhiệt độ t = 69,54°C, theo toán đồ I.35 – Tr117, với độ nhớt của metylic μCH3OH = 0,008.10^-3 (Ns/m) và etylic μC2H5OH = 0,01.10 (Ns/m) Tại đoạn chưng, nhiệt độ t = 75,29°C, theo toán đồ hình I.35 - T1, độ nhớt của metylic μCH3OH = 0,0085.10 (Ns/m) và etylic μC2H5OH = 0,012 Độ nhớt của hỗn hợp hơi ở đoạn luyện được xác định là μ = 5,36 = 8,532.10^-6 (Ns/m).
=> Độ nhớt hỗn hợp hơi của đoạn chưng là: μ A,919.(= 10,99.10 -6 (Ns/m 2 )
Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn luyện là:
Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn chưng là:
=> Hệ số cấp khối pha hơi đoạn luyện là: β = (0,79 145389,59+ 11000) = 0,067\f(kmol,kmol\f(kmol,m.s
=> Hệ số cấp khối pha hơi đoạn chưng là: β = (0,79.119922,91+ 11000) = 0,058\f(kmol,kmol\f(kmol,m.s
2 Hệ số cấp khối trong pha lỏng:
Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (II-165): β = \f(38000.ρ.D,M.h Pr \f(kmol,kmol\f(kmol,m.s
D : Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m/s)
M : Khối lượng mol trung bình của pha lỏng (kg/kmol) Đoạn luyện có: x = x => M = 0,6285.32 + (1 - 0,6285).46 = 37,201 (kg/kmol) Đoạn chưng có x = x => M = 32 + (1 - ).46 C,004 (kg/kmol)
H: Kích thước dài, chấp nhận bằng 1 m
Pr : Chuẩn số prand đối với pha lỏng a Chuẩn số Prand đối với pha lỏng: Pr
Trong đó: ρ : Khối lượng riêng trung bình của lỏng
(kg/m) D : Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m/s) μ : Độ nhớt trung bình của lỏng (Ns/m)
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng được xác định bằng công thức lg μ = x.lg μ + (1 - x).lg μ, trong đó x là nồng độ phần mol của metylic trong hỗn hợp Đối với đoạn luyện, giá trị x = x và trong đoạn chưng, x cũng có giá trị x Độ nhớt động lực của metylic và etylic được ký hiệu lần lượt là μ và μ Đối với đoạn luyện, nhiệt độ t được xác định là 69,54°C, nội suy theo bảng I.101 –tr92- st I: μCH3OH.
= 0,32 (cP), μ C2H5OH = 0,52 (cP) Đoạn chưng có: t = t = 75,29C nội suy theo bảng I.100 I.101 đối với etylic và metylic ( Sổ tay QT&TBCNHC - T1) ta được: μCH3OH = 0,28(cP) và μC2H5OH = 0,473 (cP)
=> Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn luyện:
(Ns/m) Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn chưng:
Lg (μ) = lg(0,28) + (1 – ).lg(0,473) μ = 0,422 (cP) = 0,422 10 (Ns/m)
=> Chuẩn số Prand đối với pha lỏng đoạn luyện là:
=> Chuẩn số Prand đối với pha lỏng đoạn chưng là:
=> Hệ số cấp khối trong pha lỏng đoạn luyện là β =.= 0,083\f(kmol,kmol\f(kmol,m.s
=> Hệ số cấp khối trong pha lỏng đoạn chưng là: β = =0,078\f(kmol,kmol\f(kmol,m.s
2.3.3 Hệ số chuyển khối, đường cong động học, số đĩa thực tế: a Hệ số chuyển khối k = \f(1,β\f(m,β\f(1,+ ( IX.33-TR162-STT II) m : Hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào t, áp suất, nồng độ của các pha m = tg α = \f(y-y,x- x β: Hệ số cấp khối
=> Hệ số chuyển khối trong đoạn luyện:
=> Hệ số chuyển khối trong đoạn chưng: b Tính đường kính ống chảy chuyền: d = \f(4.G,3600.π.ρ.ω.z (m) (sbt II - trang 122)
G : Lưu lượng lỏng đi trong tháp Đoạn luyện G115,81 (kg/h) Đoạn chưng:
G "095,28(kg/h) ρ: Khối lượng riêng trung bình pha lỏng z : Số ống chảy chuyền phụ thuộc vào đường kính tháp, chọn z = 1 ω : Tốc độ chất lỏng trong ống chảy truyền, chọn ω = 0,15 (m/s)
=> Đường kính ống chảy chuyền trong đoạn luyện:
Tính ngược lại ta được ω = 0,148 (m/s)
Từ d ta tính được f = \f(,4 =0,031 (m) chọn ω C = 0,2 m/s
=> Đường kính ống chảy truyền trong đoạn chưng:
Tính ngược lại ta được ω = 0,199 (m/s)
Diện tích làm việc của đĩa: f = F - f.m m : số ống chảy chuyền, m=1 ;
F : Diện tích mặt cắt ngang của tháp (m): F = \f(π.D,4 (m) Đoạn luyện : f = – 1.0,031= 3,433 (m) Đoạn chưng : f= - 1.0,031 = 3,433(m) e Tính số đơn vị chuyển khối m = \f(k.f,g g : Lượng hơi trung bình (kg/h) Đoạn luyện g = 12730,81 (kg/h) = = 0,1 (kmol/s) Đoạn chưng g = 20987,858 (kg/h) = = 0,146
Hệ số chuyển khối (kmol/s) k được xác định dựa trên diện tích làm việc của đĩa, với f = F - f.m, trong đó F là diện tích mặt cắt ngang của tháp và f là diện tích mặt cắt ngang của ống chảy chuyền Số ống chảy chuyền trên mỗi đĩa được chọn là m = 1, dẫn đến số đơn vị chuyển khối đoạn luyện là m = 4,33.k.
=> Số đơn vị chuyển khối đoạn chưng: m = %,51.k f Đường cong động học
Xác định số đĩa thực tế bằng đường cong động học theo các bước sau:
- Vẽ đường cong cân bằng y = f(x) và vẽ đường làm việc của đoạn chưng, đoạn luyện với R
- Dựng các đường thẳng vuông góc với Ox, các đường này cắt đường làm việc tại : A; A; A;…; A và cắt đường cân bằng y = f(x) tại C; C ;…; C
- Tại mỗi giá trị của x tìm tg góc nghiêng của đường cân bằng: m = tgα = \f(y-y,x-x
- Tính hệ số chuyển khối ứng với mỗi giá trị của x:
- Tính đơn vị chuyển khối:
- Xác định C theo công thức: C = e\a\ac\vs2(m
Đối với mỗi giá trị của x, A là điểm trên đường làm việc, C là điểm trên đường cân bằng, và B là điểm trên đường cong động học cần xác định Để tìm đoạn, ta sử dụng công thức: = \f(,C.
- Vẽ đường cong phụ đi qua các điểm B ( i = 1 ÷ 9)
- Vẽ số bậc nằm giữa đường cong phụ và đường làm việc, số bậc là số đĩa thực tế của tháp
Bảng tổng hợp kết quả:
Hình 2.10 : Xác định số đĩa thực tế
Từ đường nồng độ làm việc và đường cong động học ta vừa vẽ được, ta tìm được số đĩa thực tế của tháp là N = 31 Trong đó:
2.3.4 Hiệu suất tháp, chiều cao tháp a Hiệu suất thápŋ = \f(N,N =.100% = 77,4 % b Chiều cao tháp tính theo công thức:
H : Khoảng cách giữa các đĩa (m) Nội suy theo bảng IX.4a (Sổ tay
QT&TBCNHC - T2) Ta có: DT= 2,2 m Hđ= 0,6m
(0,4 ÷ 0,5): khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị δ: Chiều dày đĩa (m) chọn δ = 3 mm Suy ra: Đoạn chưng: H = 24.(0,6 + 0,003) + 0,5 = 14,972 (m)
=>đoạn luyện: HL= 7.(0,6 +0,003)+0,5= 4,721 m chiều cao toàn tháp: Ht= 14,972+4,721= 19,693 m
Quy chuẩn chiều cao tháp là H = 19,7 (m)
2.3.5 Chọn loại đĩa a Cấu tạo đĩa lỗ
- tổng diện tích lỗ bằng 9,77% diện tích đĩa Đường kính : D = 2,2 m
- khoảng cách giữa 2 tâm lỗ = 2,5 đường kính lỗ ( bố trí theo tam giác đều) dtâm lỗ=2,5 3= 7,5 mm
Diện tích dành cho ống chảy chuyền chiếm 20% diện tích của mâm Số lỗ trên mỗi mâm cần được xác định Chiều cao của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính theo phương trình Francis đối với gờ chảy tràn phẳng.
+ qL: lưu lượng của chất lỏng (m 3 /ph)
+ LW: Chiều dài gờ chảy tràn, m Đoạn luyện G730,81(kg/h) Đoạn chưng: G "095,28 (kg/h)
Xác định LW giả sử diện tích dành cho ống chảy chuyền chiếm
+β: góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn L w sử dụng phép lặp ta xác định được: β= 93 o 12’ 22’’ chiều cao lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn là: đoạn chưng: đoạn luyện:
TÍNH TRỞ LỰC THÁP
∆P : Tổng trở lực của một đĩa (N/m)
∆P : Trở lực của đĩa khô (N/m)
∆P : Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (N/m)
∆P : Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) (N/m)
2.4.1 Trở lực của đĩa khô
∆P = ξ \f(ρ.ω,2 (N/m) (IX.140 - T2 trang 194) Trong đó: ξ : Hệ số trở lực, theo thông số của đĩa đã chọn, tiết diện tự do của lỗ là ε 8% => ξ = 1,82 ω : Tốc độ khí qua lỗ (m/s): ω
= ω /ε (m/s) Đoạn luyện: Đoạn chưng: ρ : Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg/m)
=> Trở lực đĩa khô đoạn luyện là:
=> Trở lực đĩa khô đoạn chưng là:
2.4.2 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt Đĩa có đường kính lớn hơn 1mm được tính theo công thức:
Trong đó: σ : Sức căng bề mặt của dung dịch trên đĩa (N/m) Có: \f(1,σ = \f(1,σ +
\f(1,σ σ; σ : Sức căng bề mặt của etylic và nước
Nội suy theo bảng I.242 của metylic và etyli (Sổ tay QT&TBCNHC - T1) ta được: Đoạn luyện: t = 69,540C σCH3OH = 18,489.10-3 (N/m); σC2H5OH = 18,189.10 (N/m); Đoạn chưng: t = 75,29oC σCH3OH = 18.10 (N/m); σC2H5OH = 17,7.10 (N/m)
=> Sức căng bề mặt dung dịch đoạn chưng là: d : Đường kính lỗ (m): theo thông số đã chọn d = 3 mm = 3.10 (m)
=> Trở lực do sức căng bề mặt đoạn luyện là:
=> Trở lực do sức căng bề mặt đoạn chưng là:
2.4.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa
Trong đó: hC : chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa, hC = 30mm
Tỷ số K được xác định là tỷ lệ giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của chất lỏng không bọt, với giá trị K được chấp nhận là 0,5 Hệ số lưu lượng chảy qua gờ chảy tràn trong đoạn chưng cũng cần được tính toán chính xác.
=> Trở lực thủy tĩnh của đoạn luyện là:
=> Trở lực thủy tĩnh đoạn chưng là:
Tổng trở lực của một đĩa đoạn luyện là:
Tổng trở lực của một đĩa đoạn chưng là:
=> Trở lực toàn tháp là:
TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt lượng là xác định lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu và lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ làm lạnh Việc này cũng giúp xác định lượng hơi bốc hơi ở đáy tháp.
Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nguyên liệu rẻ tiền, phổ biến trong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ
2.5.1 Tính cân bằng nhiệt trong thiết bị gia nhệt hỗn hợp đầu:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu Q
+ Q = Q + Q + Q(J/h) (IX.149- Sổ tay QT&TBCHHC - T2- trang 196)
Q : Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào (J/h)
Q : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)
Q : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)
Q : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
Q : Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh
(J/h) Chọn hơi đốt là hơi nước ở áp suất 2 at, có t 119,6C a Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
Lượng hơi đốt (kg/h) được ký hiệu là D, trong khi hàm nhiệt của hơi đốt (J/h) được ký hiệu là λ Nhiệt độ nước ngưng được biểu thị bằng θ, với giá trị là 119,6°C Nhiệt dung riêng của nước ngưng được ký hiệu là C (J/kg.độ), và ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt, ký hiệu là r, có giá trị là 2208,10 J/kg tại nhiệt độ θ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào cũng cần được xem xét trong quá trình tính toán.
F: Lượng hỗn hợp đầu (kg/h) Theo đề bài : F = 5870kg/h) t : Nhiệt độ đầu của hỗn hợp (C) t = 25C
C : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)
Từ bảng số liệu( I.153,154- Tr 172-ST I)Ta xác định nhiệt dung riêng của metylic và etylic: ở 25 0 C CA= 2508,75 (J/kg.độ)
Nồng độ hỗn hợp đầu: a = a = 0,328
Vậy lương nhiệt do hỗn hợp đầu mang vào là:
Q = 5870.2566,71.25 = 376,664.10 (J/h) c Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:
Trong đó: t : Nhiệt độ của hỗn hợp đầu sau khi đun nóng (C): t = 90,5C
C : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra (J/kg.độ)
Từ bảng số liệu( I.153,154- Tr 172-ST I) Ta xác định nhiệt dung riêng của metylic và etylic:
Nồng độ hỗn hợp đầu a 2,8%
Vậy lượng nhiệt do hỗn hợp đầu mang ra là:
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: Q G.C.θ = D.C.θ (J/h) (IX.153 - T2- trang 197)
G : Lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt D (kg.h) a Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh
Lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn:
Q = 0,05D.r (J/h) (IX.154 - T2- trang 197) b Lượng hơi đốt cần thiết:
Thay các giá trị đã tính vào phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có:
2.5.2 Tính cân bằng nhiệt lượng toàn tháp chưng luyện
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện :
Q : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h)
Q : Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp (J/h)
Q : Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào (J/h)
Q : Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h)
Q : Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h)
Q : Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh (J/h)
Q : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 2 at có t = 119,6C a Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp
D : Lượng hơi đốt cần thiết λ : Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg) θ : Nhiệt độ nước ngưng (C): θ = 119,6C r : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg) r = r = 2208.10 (J/kg)
C : Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ) b Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào:
Q = G.C.t (J/h) (IX.158 - Sổ tay II - 197) Trong đó:
G : Lượng lỏng hồi lưu (kg/h) G P.R = = 188,72 (kg/h) t : Nhiệt độ của lượng lỏng hồi lưu (C) t = t 66,45C
C : Nhiệt dung riêng của lượng lỏng hồi lưu (J/kg.độ)
Từ bảng số liệu( I.153,154- Tr 172-ST I) Ta xác định nhiệt dung riêng của metylic và etylic :
Nồng độ lượng lỏng hồi lưu bằng nồng độ sản phẩm đỉnh: a = a = 79,1%
Vậy nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào là: Q
188,72.2846,25.66,45270,263.10 (J/h) c Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp
Trong đó: λ : Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi ở đỉnh tháp
(J/kg) λ = λ.a + λ.(1 - a) (J/kg) ( T2- trang 197) Với: λ, λ : Nhiệt lượng riêng của etylic và nước (J/kg) θ = θ = t = 66,45 C r, r : Nhiệt hóa hơi của etylic và nước Nội suy theo bảng I.212 (Sổ tay I - 254) ta có:
RCH3OH = 261,29(kcal/kg) = 1093,9.10 3 (J/kg)
RC2H5OH= 207,42 (kcal/kg) = 868,4.10 3 (J/kg) λ 1093,9.10 3 + 2792,25.66,45 = 1,279.10 6 (J/kg) λ 868,4.10 3 + 3050,25.66,45 = 1,071.10 6 (J/kg) λ = 1,279.10 6 0,791 + 1,071.10 6 (1 - 0,791) = 1,235.10 6 (J/kg)
Vậy Q X70.(1 + 4,272) 1,235.10 6 = 3,82.10 10 (J/h) d Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra
C : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ) tWw,95 o C
Từ bảng số liệu( I.153,154- Tr 172-ST I) Ta xác định nhiệt dung riêng của metylic và etylic :
Nồng độ sản phẩm đáy: a = 1,1 %
= 2849,75.0,011+(1-0,011).3194,375 (J/kg.độ) Vậy: Q = 5870.3190,58.77,95599,025.10 (J/h) e.Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh
Lượng nhiệt mất mát ra môi trường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp:
Q = 0,05.D.r (J/h) (IX.162 - T2 - 198) c Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
G : Lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt (kg/h) d Lượng hơi đốt cần thiết:
2.5.3 Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị ngưng tụ:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ:
Trong đó: r : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đỉnh tháp (J/kg)
Nhiệt độ của hơi đỉnh tháp là t = t f,45C rCH3OH
= 261,29 (kcal/kg) = 1093,9.10 3 (J/kg) rC2H5OH 207,42 (kcal/kg) = 868,4.10 3 (J/kg)
Nồng độ phần khối lượng của hơi ở đỉnh tháp là: a = 79,1%
G : Lượng nước lạnh tiêu tốn (kg/h) t, t : Nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh (C)
Nhiệt độ vào của nước lạnh lấy là nhiệt độ thường: t = 25C
Nhiệt độ ra của nước lạnh chọn t = 45C t = 35C
C : Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t (J/kg.độ)
Theo bảng I.147 (Sổ tay QT&TBCNHC - T1 trang 165) có:
C = 0,99859 (kcal/kg.độ) = 4180,896 (J/kg.độ)
Lượng nước lạnh cần thiết là G= \f(,
2.5.4 Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị làm lạnh
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:
G : Lượng nước lạnh tiêu tốn (kg/h) t, t : Nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh ngưng tụ (C)
Sản phẩm đỉnh sau khi ngưng tụ ở trạng thái sôi:
Nhiệt độ vào chính bằng nhiệt độ sôi ở đỉnh tháp: t = 66,45 o C
Nhiệt độ ra của sản phẩm lấy là : t = 25C t = 45,725C
C : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (J/kg.độ)
Từ bảng số liệu( I.153,154- Tr 172-ST I) Ta xác định nhiệt dung riêng của metylic và etylic : ở ttb= 45,725 o C
Có nồng độ sản phẩm đỉnh a = 0,791
C : Nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở 25C
Tra bảng I.125 (Sổ tay QT&TBCNHC- T1 trang 166) ta có
C = 1,0 (kcal/kg.độ) = 4186,8 (J/kg.độ)
Lượng nước lạnh cần thiết là:
TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
Thân trụ là thành phần chính trong thiết bị hóa chất, được lựa chọn dựa trên điều kiện ứng dụng làm việc Đối với bài tháp hoạt động ở áp suất thường và nhiệt độ khoảng 100°C, vật liệu thép không gỉ X18H10T là sự lựa chọn phù hợp cho quá trình chưng cất nước - etylic Thân trụ được thiết kế theo kiểu thẳng đứng và chế tạo bằng phương pháp hàn, thường được sử dụng cho thiết bị hoạt động ở áp suất thấp và trung bình.
Chiều dày thân tháp hình trụ được tính theo công thức XIII.9 ( Sổ tay QT&TBCNHC - T2 trang 360)
D : Đường kính trong của tháp (m)
P: áp suất trong thiết bị (N/m)
[σ] : Ứng suất cho phép với loại vật liệu đã chọn (N/m) φ : Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc
C : Số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (m)
3.1.1 Áp suất trong thiết bị
Môi trường làm việc là hỗn hợp lỏng, trong đó áp suất làm việc cần phải bằng tổng áp suất hơi (P) và áp suất thủy tĩnh (P) của cột chất lỏng.
P P P mtl N/ m 2 Áp suất hơi : P = 1at = 9,81.10 (N/m)
P g H N m l l l ( / 2 ) Áp suất thủy tĩnh được tính theo công thức:
H : Chiều cao cột chất lỏng trong tháp (m) lấy : H = H = 19,7 (m) ρ : Khối lượng của chất lỏng trong tháp (kg/m) ρ = \f(ρ+ρ,2 = = 743,0465(kg/m)
Suy ra: P = g.ρ.H = 9,81.743,0465.19,7 3598,94 (N/m) Áp suất trong thiết bị:
3.1.2 Ứng suất cho phép Ứng suất cho phép của thép trong giới hạn bền khi kẽo và khi chảy được tính theo công thức:
Hệ số hiệu chỉnh η cho thiết bị loại 2 đốt nóng gián tiếp được chọn là η = 1, với n là hệ số an toàn theo giới hạn bền và chảy, trong đó n có thể là 2,6 hoặc 1,5 Giới hạn bền khi kéo và chảy của vật liệu X18H10T được xác định theo tiêu chuẩn, với σ = 550.10^6 (N/m²) cho giới hạn bền kéo và σ = 220.10^6 (N/m²) cho giới hạn bền chảy.
[σ] = \f(σ,n.η = \f(550.10, 1 = 211,538.10 (N/m) Ứng suất giới hạn bền chảy là:
Chọn ứng suất cho phép là ứng suất nhỏ nhất trong hai ứng suất trên: [σ] [σ]= 146,667.10 (N/m)
3.1.3 Tính hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc:
Chọn phương pháp chế tạo bằng hàn tay sử dụng hồ quang điện theo kiểu hàn giáp mối hai bên, với thành có lỗ nhưng được gia cố hoàn toàn Hệ số mối hàn được xác định là φ = 0,95 (theo sổ tay T2 trang 362).
Lập tỉ số : \f([σ].φ,P = = 576,476> 50 như vậy có thể bỏ qua P ở mẫu của công thức tính chiều dày
3.1.4 Đại lượng bổ sung Đại lượng bổ sung được tính theo công thức
Bổ sung do ăn mòn phụ thuộc vào điều kiện ăn mòn của vật liệu, môi trường và thời gian làm việc của thiết bị Đối với vật liệu thép không gỉ mã X18H10T, giá trị C được chọn là 1 mm tương đương với 10 m.
C : Bổ sung do bào mòn (m), Tháp chưng luyện chỉ chứa lỏng và hơi nên ít ăn mòn => C = 0
C : Bổ sung do dung sai về chiều dày (m)
Chọn dung sai: C = 0,8 mm = 0,8.10 (m) (XIII.9-TR364-II)
Theo quy chuẩn lấy chiều dày tháp là S = 8 mm
Kiểm tra ứng suất theo tháp thử: Áp suất thử tính toán: P = P + P (N/m) Trong đó:
Theo bảng áp suất thủy lực khi thử (sổ tay T2 trang 358)
P : Áp suất cột chất lỏng trong tháp (N/m): P = g.ρ.H3598,94 N/m 2
P = 0,362.10 + 143598,94 = 0,505.10 (N/m) Ứng suất theo áp suất thử: σ = \f(, σ Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu là:
Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu là:
Chọn tốc độ hỗn hợp đầu là ω = 0,25 (m/s) Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu là: d=0,104(m)
Theo bảng XIII.32 (T II - 434), chiều dài đoạn ống nối là:l = 120
Tốc độ thực tế của hỗn hợp đầu: ω = \f(V, = = 0,272(m/s)
3.5.3 Đường kính ống dẫn hơi đỉnh tháp
Lượng hơi đỉnh tháp là g = 12573,72 (kg/h)
Nhiệt độ của hơi đỉnh tháp t = 66,45C
Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp: ρ = \f(M.T, = = 1,226(kg/m)
=> Lưu lượng thể tích của hơi đỉnh tháp là:
Chọn tốc độ hơi ở đỉnh tháp là ω = 25 (m/s) Đường kính của ống dẫn hơi đỉnh tháp là: d = 0,381(m)
Theo bảng XIII.32 (T II - 434), chiều dài đoạn ống nối là :l = 150 (m)
Tốc độ thực tế của hơi đỉnh tháp: ω = \f(V, = = 50,069 (m/s)
3.5.4 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy
Nhiệt độ của hỗn hợp đáy t = 77,95C
Khối lượng riêng của metylicvà etylic ρC2H5OH 767,53 (kg/m); ρ CH3OH = 738,05(kg/m) =>Khối lượng riêng của hỗn hợp đáy là:
=> Lưu lượng thể tích của sản phẩm đáy là:
V = \f(W,ρ = = 1,26.10 (m/s) Chọn tốc độ sản phẩm đáy là : ω = 0,25 (m/s) Đường kính của ống dẫn sản phẩm đáy là: d = 0,0812 (m)
Theo bảng XIII.32 (T2 - 434), chiều dài đoạn ống nối là :l = 110 (mm)
Tốc độ thực tế của sản phẩm đáy là: ω = \f(V, = = 0,16(m/s)
3.5.5.Đường kính ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu
Lượng hơi ngưng tụ hồi lưu là
Nhiệt độ của hơi ngưng tụ hồi lưu là t = t 66,45C => Khối lượng riêng của nước và etylic: ρC2H5OH
= 776,1625(kg/m); ρCH3OH = 749,55(kg/m) =>Khối lượng riêng của hỗn hợp hồi lưu đỉnh là:
Lưu lượng thể tích của hơi ngưng tụ hồi lưu là:
Chọn tốc độ hơi ngưng tụ hồi lưu là ω = 0,25 (m/s) Đường kính của ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu là: d = = 0,138(m)
Theo XIII.32 (T2 trang 434), chiều dài đoạn ống nối là : l = 130 (mm)
Tốc độ thực tế của hơi ngưng tụ hồi lưu: ω = \f(V, = = 2,83 (m/s)
3.5.6 Đường kính ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu.
Lượng hơi sản phẩm đáy hồi lưu là g = (kg/h)
Nhiệt độ của hơi sản phẩm đáy hồi lưu t = 77,95C
Khối lượng riêng của hơi ở đáy: ρ = \f(M.T, =
=> Lưu lượng thể tích của hơi sản phẩm đáy hồi lưu là:
Chọn tốc độ hơi sản phẩm đáy hồi lưu là: ω = 25 (m/s) Đường kính của ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu là: d = 0,408 (m)
Theo bảng XIII.32 (T2 - 434), chiều dài đoạn ống nối là : l = 150 (mm)
Tốc độ thực tế của hơi sản phẩm đáy: ω = \f(V, = = 26,035m/s)
3.5.7 Chọn mặt bích để nối ống dẫn thiết bị:
Ta dùng kiểu mặt bích bằng kim loại đen.Theo bảng XIII.26 (II - )409 ta có bảng bích cho các loại ống với áp suất 0,25.10 N/m
Tên các ống Dy Dn D Dδ D 1 db h z mm
Sản phẩm đỉnh 400 426 535 495 465 M20 22 16 Hồi lưu sản 150 159 260 225 202 M16 16 8 phẩm đỉnh Ống dẫn liệu 100 108 205 170 148 M16 14 4
3.6 TÍNH VÀ CHỌN GIÁ ĐỠ, TAI TREO
Thông thường, thiết bị không được đặt trực tiếp lên bề mặt mà cần sử dụng tai treo hoặc chân đỡ, trừ một số trường hợp ngoại lệ Để xác định giá đỡ và tai treo, việc đầu tiên là cần xác định khối lượng tổng của thiết bị.
3.6.1 Tính khối lượng toàn bộ tháp Để tính toán khối lượng toàn thiết bị người ta tính khối lượng tháp khi cho nước đầy tháp, và khối lượng của tháp khi không có nước G = G + G + G + G
G : Khối lượng thân tháp trụ (kg)
G : Khối lượng nắp và đáy tháp (kg)
G : Khối lượng bu lông nối bích (kg)
G : Khối lượng đĩa lỗ trong tháp (kg)
G : Khối lượng ống chảy truyền (kg)
G : Khối lượng chất lỏng điền đầy tháp (kg) a Khối lượng thân tháp trụ:
Khối lượng riêng của vật liệu làm thân tháp là ρ = 7900 (kg/m) Đường kính trong của thân tháp: Dt=2,2m
- Vth: thể tích của thân tháp, m 3
Dn, Dt: đường kính ngoài và trong của tháp
Dt= 2,2 m b Khối lượng nắp và đáy tháp
Khối lượng của đáy (nắp): my kg Khối lượng nắp và đáy tháp là:
Theo các thông số của bích đã chọn:
- Đường kính trong của bích : Dt= 2,3 (m)
- Đường kính ngoài của bích D n = 2,35 (m)
- Số bích: n = 5 (cặp) = 10 (chiếc)=> Khối lượng bích là:
= 0,04.7900.20 = 1153,479 (kg) d Khối lượng bu lông nối bích
Theo các thông số của bích đã chọn:
Cần 10 cặp bích, mỗi cặp cần 56 bu lông loại M 27 (khối lượng 0,15 kg/cái)
=> Khối lượng bu lông nối bích là: G = 5.56.0,15 = 42(kg) e
Khối lượng đĩa lỗ trong tháp
Theo các thông số đĩa đã chọn:
=> Khối lượng đĩa lỗ trong tháp:
G = \f(π.D,4.δ.ρ.n = 0,003.7900.16= 2791,419 (kg) f Khối lượng ống chảy chuyền
- dcc: đường kính ống chảy chuyền;
- S: bề dày ống chảy chuyền; chọn S= 2mm
Chiều cao ống chảy chuyền được xác định bằng tổng khoảng cách giữa hai đĩa, khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền, khoảng cách ống chảy chuyền nhô lên và bề dày của đĩa.
+ Sl: khoảng cách từ đĩa tới chân ống chảy chuyền
Sl= 0,25.dcc ( IX.218-TR237-STT II)
+ hc: khoảng cách ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa
+ δ: bề dày đĩa, δ=0,003m đoạn luyện
- hcL= 0,03m vậy khối lượng ống chảy chuyền ở đoạn luyện là: đoạn chưng
Vậy khối lượng ống chảy chuyền ở đoạn chưng là:
Tháp có 10 đĩa chưng, 6 đĩa luyện, mối đĩa chưng có 1 ống chảy chuyền, mỗi đĩa luyện có 1 ống chảy chuyền:
Khối lượng của ống chảy chuyền là:
G = 24.3,748+7.4,826 = 123,734 (kg) g Khối lượng chất lỏng điền đầy tháp =>
Khối lượng chất lỏng chứa trong tháp là:
Chọn 4 tai treo bằng thép X18H10T, tải trọng trên tai treo là: 6,0.10 (N)
Các thông số của tai treo
Tải trọng trên một tai treo
Tải trọn g trên tai treo q.10 6 ( N )
L B B 1 H S l a d Khối lượn g một tai treo kg
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
4.1 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU Đối với quá trình chưng luyện, để nâng cao hiệu quả làm việc thì hỗn hợp đầu đưa vào ở trạng thái lỏng sôi nhằm tạo sự tiếp xúc tốt giữa 2 pha lỏng – hơi Điều này được thực hiện nhờ thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu
Giả sử dung dịch ban đầu có nhiệt độ 25°C, cần đun nóng đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp là 72,63°C Để thực hiện việc này, chúng ta sử dụng thiết bị gia nhiệt loại ống chùm kiểu đứng, sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất 2 at để đun sôi hỗn hợp Thiết bị trao đổi nhiệt được thiết kế theo kiểu ống chùm thẳng đứng với các thông số kỹ thuật cụ thể.
Chiều cao ống: h = 2 (m) Đường kính ống: d = 25 (mm)
Chiều dày thành ống: δ = 2,5 (mm) Đường kính trong của ống là: d = 20 (mm)
Dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống
Chọn vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T
Theo XII.7 (Sổ tay II – 313), hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là: λ = 16,3
4.1.1 Tính hiệu số nhiệt độ trung bình
Nhiệt độ vào của dung dịch là t = 25C
Nhiệt độ ra của dung dịch là t = t = t = 72,63C
Hơi đốt là hơi nước bão hòa nên nhiệt độ không thay đổi và là nhiệt độ sôi ở áp suất đã chọn (2 at) : 119,6C =>
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể tích theo công thức: Δ\a\ac\vs0( = \f(Δt,Δt\f(Δt-Δt,ln = h,02C
Vậy nhiệt độ trung bình của dung dịch là: t = 119,6 – 68,02= 51,58C
4.1.2 Tính lượng nhiệt trao đổi
Để tính lượng nhiệt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu từ 25°C đến 72,63°C, ta sử dụng công thức Q = m.C.(t2 - t1) Trong đó, m là lượng dung dịch đưa vào, được xác định là 1,6305 kg/s (từ 5870 kg/h) Nhiệt độ đầu của dung dịch là t1 = 25°C và nhiệt độ cuối là t2 = 72,63°C.
C: Nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.độ) ở t = 48,81
Nội suy theo bảng I.153 và I.154 (Sổ tay I - 171) ta có:
Nồng độ đầu hỗn hợp là: a = 32,8%
= 2223,26 (J/kg.độ) t, t : Nhiệt độ vào và ra của dung dịch (C) Vậy :
4.1.3 Tính hệ số cấp nhiệt
Quá trình truyền nhiệt gồm 3 phần:
Cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa cho thành ống truyền nhiệt được xác định bởi công thức q = α.Δ\a\ac\vs0(, trong đó α là hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (W/m.độ) và Δ\a\ac\vs0( là hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống tiếp xúc, được tính bằng Δ\a\ac\vs0( = t - t\a\ac\vs0(.
Dẫn nhiệt từ thành ống tiếp xúc với hơi sang thành ống tiếp xúc với lỏng diễn ra qua 1m thành ống, với lượng nhiệt được tính bằng công thức q = \f(1,Σr Δt (W/m), trong đó Σr là tổng nhiệt trở của thành ống (m.độ/W) và Δt là hiệu số nhiệt độ giữa hai phía thành ống (C) Nhiệt độ hai phía thành ống được ký hiệu là t\a\ac\vs0( và t\a\ac\vs0(.
Cấp nhiệt từ thành ống tiếp xúc với pha lỏng cho hỗn hợp hơi lỏng được xác định bằng công thức q = α.Δt, trong đó α là hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m.độ) và Δt là chênh lệch nhiệt độ giữa các pha, được tính bằng t_a - t_v Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy cũng ảnh hưởng đến quá trình này.
Chuẩn số Re của dung dịch
- ω: vận tốc dòng chảy trong ống, m/s
- d: đường kính trong của ống, m
- ρ: khối lượng riêng của dung dịch ở nhiệt độ trung bình, kg/m 3
- μ: độ nhớt của dung dịch ở ttb, Ns/m 2 để quá trình truyền nhiệt đạt hiệu quả, dung dịch phải ở chế độ chảy xoáy Re>10000, ω>0,5 m/s Chọn Re = 10500
Hệ số cấp nhiệt α được tính theo công thức:
Số Prandtl (Pr) được tính dựa trên nhiệt độ trung bình của tường, trong khi các thông số khác sử dụng nhiệt độ trung bình của dòng chảy Hệ số hiệu chỉnh εk phản ánh ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính ống Để tính chuẩn số Pr, có thể tham khảo bảng 1.3 trong tài liệu qttb tập 3.
Trong đó: C p - nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở ttb; μ – độ nhớt của hỗn hợp ở t tb ; λ- hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp ở ttb;
- ρ: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m 3 ;
- M: khối lượng mol của chất lỏng, kg/kmol;
- ε: hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng, đối với nước và etylic là chất lỏng kết hợp với nhau thì ε= 3,58.10 -8
Tại nhiệt độ ttb= 51,58 o C nội suy theo bảng (I.153- tr 171 st I) Ta có nhiệt dung riêng của hỗn hợp là:
Tại nhiệt độ ttb= 51,58 o C nội suy theo bảng (I.2-tr9- ST I), thì khối lượng riêng của chất lỏng là: ρCH3OH= 763,578 kg/m 3 , ρC2H5OH761,578 kg/m 3
Vậy hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng là:
Tại nhiệt độ ttb= 51,58 o C nội suy theo bảng (I.101-tr91,92 –ST I) ta xác định độ nhớt của chất lỏng là: μC2H5OH= 0,559.10 -3 N/s.m 2 , μCH3OH=0,382.10 -3 N/s.m 2
Tính chuẩn số Prt: b Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ đối với ống chùm:
A: hệ số phụ thuộc màng nước ngưng r: ẩn nhiệt nước ngưng, J/kg.độ r= 2208 10 3 J/kg H: chiều cao ống chùm: H=ho= 2 m
∆t1: hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và hơi ngưng tụ mặt ngoài ống,
+ th: nhiệt độ hơi bão hòa
+ tT1: nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ
Giả sử độ chênh lệch nhiệt độ giữa hơi bão hòa và hơi ngưng tụ là: ∆t 1 = 4,7 o C
Theo bảng số liệu A-tm (II-tr29) nội suy ta có: A= 186,7625
Vậy hệ số cấp nhiệt ngưng tụ là:
Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
Hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt thành ống là: tT2: nhiệt độ thành ống phía dung dịch lỏng, o C
Nhiệt trở hai bên ống truyền nhiệt được xác định là rt: m².o C/W, trong đó tổng nhiệt trở thành ống bao gồm rt1 và rt2, là nhiệt trở do lớp cặn bám bên ngoài Độ dày của ống truyền nhiệt được chọn là δ = 2mm (0,002m) Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, cụ thể là thép X18H10T, có giá trị λ = 3 W/m.độ, dựa vào bảng PL.12-tr 346- TTQTTB tập 1.
Vậy tại tT2,19836 o C nội suy theo bảng (I.153- tr 171 st I) Ta có nhiệt dung riêng của hỗn hợp là:
CCH3OH= 2897,791 J/kg.độCC2H5OH= 3527,9754 J/kg.độ
Tại nhiệt độ ttb= 87,19836 o C nội suy theo bảng (I.2-tr9- ST I), thì khối lượng riêng của chất lỏng là: ρCH3OH= 728,081 kg/m 3 , ρC2H5OH= 728,16156 kg/m 3
Tại nhiệt độ t tb = 87,19836 o C nội suy theo bảng (I.101-tr91,92 –ST I) ta xác định độ nhớt của chất lỏng là: μCH3OH=0,42385.10 -3 N/s.m 2 , μC2H5OH=0,39577.10 -3 N/s.m 2
Vậy giả sử ∆t=4,7 o C là đúng
Do đó q tb được xác định:
K : hệ số truyền nhiệt, W/m 2 độ c xác định bề mặt truyền nhiệt
Dựa vào bảng ( V.11-tr48- ST II), ta quy chuẩn và chọn tổng số ống với cách sắp xếp theo hình lục giác là n= 37 ống
Số ống trên mỗi cạnh của hình 6 cạnh là: 3 ống
Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: 7 ống
Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phấn : 37 ống
2 Đường kính trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu t: bước ống, thường lấy t= (1,2÷1,5).dn ; dn : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m ; b : số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh ; vậy :
Quy chuẩn đường kính D= 0,3m 300mm 3 Tính lại vận tốc và chia ngăn Xác định vận tốc thực :
- n = 37 ống - d = 0,02 m ρ : khối lượng riêng dung dịch ở t = ttb= 51,58 o C
Xác định vận tốc giả thiết :
Nên ta cần phải chia số ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ xoáy :
• Tính lại chuẩn số Reynolds :
Vậy kích thước của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu là :
N= 37 ống – số ống truyền nhiệt ;
D= 300 mm – đường kính trong của thiết bị ;
H= 2m – chiều cao giữa hai mặt bích;
4.2 TÍNH BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ
Sơ đồ bơm và thùng cao vị
H : Chiều cao tính từ mặt thoáng của bề chứa dung dịch đến mặt thoáng thùng cao vị (m)
H : Chiều cao tính từ đáy tháp đến đĩa tiếp liệu (m)
H : Chiều cao tính từ nơi đặt bơm đến đáy tháp (m)
Z: Chiều cao tính từ đĩa tiếp liệu đến mặt thoáng thùng cao vị (m) Trong quá trình sản xuất, muốn tính toán đưa hỗn hợp đầu lên thùng cao vị, đảm bảo yêu cầu công nghệ cần phải tính các trở lực của các đường ống dẫn liệu của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu từ đó tính chiều cao của thùng cao vị so với vị trí tiếp liệu của tháp và xác định công suất, áp suất toàn phần của bơm ΔP = ΔP + ΔP + ΔP + ΔP + ΔP + ΔP (Sổ tay I - 376)
Áp suất động học (ΔP) là áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy khi ra khỏi ống dẫn Ngoài ra, ΔP còn được sử dụng để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng Bên cạnh đó, ΔP cần thiết để vượt qua trở lực cục bộ và nâng chất lỏng lên cao, cũng như để khắc phục áp suất thủy tĩnh Cuối cùng, ΔP còn đóng vai trò là áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn.
Trong thiết bị chưng luyện tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền thì ΔP = ΔP
3.2.1 Tính các trở lực từ thùng cao vị đến thiết bị truyền nhiệt a- tính áp suất động học
(I-377)(N/m 2 ) : khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m 3 : vận tốc của lưu thể (m/s)
Hỗn hợp đầu vào tháp ở tF % 0 C có:
Tốc độ trung bình của lưu thể đi trong ống dẫn liệu có d0(mm) , ω ==0,059(m/s)
Vậy : ΔPd=1,36(N/m 2 ) b-áp suất khắc phục trở lực do ma sát Áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng N/m 2
: hệ số ma sát( phụ thuộc vào chế độ chảy)
L: chiều dài ống dẫn(m) : đường kính tác dụng của ống (m) Với d=d td =0,15m
Với =0,059 (m/s) , *Tính độ nhớt của dung dịch: lg tại t% 0 C nội suy theo ( I.91) ta được:
Re= 3900,11>10 -4 chế độ chảy trong ống là chế độ chảy xoáy *Hệ số trở lực ma sát:
Trong đó :-độ nhám tương đối được xác định theo công thức := là độ nhám tuyệt đối của ống dẫn=0,1.10(m) d :đường kính tác dụng của ống d=0,15(m)
=0,0246 Vậy :ΔРm=0,0246.=2,69(N/m 2 ) c-Tính áp suất để khắc phục trở lực cục bộ Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ
: hệ số trở lực cục bộ
*Trở lực cục bộ của đoạn ống gồm:
Trở lực vào ống có (đột thu) : d : đường kính ống dẫn liệu d =0,15(m) d : chọn thùng cao vị có đường kính là 1(m)
Ta có = 0,0224 Tra sổ tay tập I-388 ta có : =0,45 Trở lực của ba trục khuỷu 90 0 : ξ2= 3.1,1 = 3,3 Một van tiêu chuẩn với đường kính ống dẫn liệu d=0,15m có :ξ3=4,5
Từ ống dẫn vào thiết bị gia nhiệt ( đột mở) : ξ4 = 1 ξ = ξ1+ξ2+ξ3+ξ4 = 9,25
Áp suất toàn phần cần thiết để vượt qua trở lực trong ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt là ΔРt = 16,767 (N/m²) Chiều cao cột chất lỏng tương ứng với áp suất này là H = 0,00217 (m).
3.2 2- Trở lực của ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt tới tháp ở đĩa tiếp liệu: a tính áp suất động học (I-
: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m 3 : vận tốc của lưu thể (m/s)
Hỗn hợp đầu vào tháp ở t F r,63 0 C có:
Tốc độ trung bình của lưu thể trong ống dẫn liệu có đường kính d0 (mm) là 742,0015 kg/m³ với áp suất khắc phục trở lực do ma sát ΔPd = 1,29 N/m² Áp suất này cần thiết để duy trì dòng chảy ổn định trong ống thẳng, đảm bảo hiệu quả truyền dẫn và giảm thiểu tổn thất năng lượng.
N/m 2 : hệ số ma sát( phụ thuộc vào chế độ chảy) L: chiều dài ống dẫn = 3(m)
: đường kính tác dụng của ống = 0,15(m)
Với =0,059(m/s) , *Tính độ nhớt của dung dịch: lg Tại tr,63 0 C nội suy theo ( I.101- trang 91) ta được: àA=0,334.10 -3 (Ns/m 2 ) àB=0,492.10 -
3(Ns/m 2 ) àhh=0,426.10 -3 (Ns/m 2 ) Re321,194>10 4 chế độ chảy trong ống là chế độ chảy xoáy *Hệ số trở lực ma sát:
(I-380) Trong đó :-độ nhám tương đối được xác định theo công thức : là độ nhám tuyệt đối của ống dẫn=0,1.10(m) d :đường kính tác dụng của ống d=0,15(m)
=0,776(N/m 2 ) ΔPm c-Tính áp suất để khắc phục trở lực cục bộ Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ
: hệ số trở lực cục bộ
*Trở lực cục bộ của đoạn ống gồm:
Trở lực vào ống có : d : đường kính ống dẫn liệu d =0,15(m) d : đường kính thiết bị gia nhiệt d2 =1,1 (m)
Trong nghiên cứu về trở lực trong hệ thống ống dẫn, ta xác định được rằng trở lực của một khuỷu 90 độ được tạo thành từ ba khuỷu 30 độ có hệ số ξ2 = 1,1 Đối với một van tiêu chuẩn với đường kính ống dẫn d0 mm, hệ số trở lực ξ4 = 1, dẫn đến tổng trở lực ξ = ξ1 + ξ2 + ξ3 + ξ4 = 7,6 Từ đó, áp suất cần thiết để vượt qua trở lực trong ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt đến đĩa tiếp liệu được tính toán là ΔPt = ΔPd + ΔPm + ΔPC, với ΔPC = 10,39 (N/m²).
Chiều cao cột chất lỏng tương ứng là :
3.2.3-Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Thiết bị có 2 ngăn, với 37 ống đun nóng 1,6055kg/s từ 25 0 C tới 72,63 0 C a trở lực động học
Tốc độ lưu thể trung bình đi trong ống
Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là
Đường kính ống của thiết bị gia nhiệt được chọn là d = 0,035m với số ống n = 37 và số ngăn m = 2 Áp suất khắc phục trở lực do ma sát mỗi ngăn là 1,5m, với chiều dài L = 7,5m Tốc độ dòng chảy trung bình ω là 0,117m/s, dẫn đến ΔPd = 5,25(N/m²).
3(Ns/m 2 ) Re1480,107 hệ số được tính theo công thức sau:
Trong đó :-độ nhám tương đối được xác định theo công thức := là độ nhám tuyệt đối của ống dẫn=0,1.10(m) d:đường kính tác dụng của ống d=0,035(m)
Vậ c-Tính áp suất để khắc phục trở lực cục bộ Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ
Có : tiết diện cửa vào thiết bị gia nhiệt bằng tiết diện cửa ra =f1
(đường kính ống dẫn d=0,15 m Tiết diện khoảng trống 2 đầu thiết bị gia nhiệt đối với mỗi ngăn
D: đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, D= 1,1 m Tiết diện ống truyền nhiệt của mỗi ngăn , d=0,035m : đường kính truyền nhiệt - ở cửa vào:
Khi dòng chảy từ khoảng trống 2 đầu thiết bị vào các ngăn của thiết bị (có 8 ngăn
- khi dòng chảy từ ống truyền nhiệt ra các khoảng trống đột mở ξ3= 5.ξ3’ = 3,2
- khi dòng chảy ra khỏi thiết bị thì đột thu
- khi chất lỏng chảy từ ngăn này sang ngăn kia đổi chiều 90C 4.1,1=4,4
Trở lực đổi chiều là:ΔP d 2,092 Vận tốc dòng chảy tại cửa vào và ra là: ω ==0,118(m/s)
Hệ số trở lực ở cửa vào và ra là : ξ14= ξ1 + ξ4 = 1,2301 Trở lực tại cửa vào và ra là : ΔPω5,92(N/m 2 )
Trở lực tại các điểm còn lại là: ΔPC=ξ3+ ξ2.",14(N/m 2 )
VậyTổng trở lực của dòng qua thiết bị là:
PĐ + Pm +Pac+P ’ ac + Pđc = 278,175 (N/m 2 )
Có chiều cao cột chất lỏng
3.2.5-Chiều cao thùng cao vị và năng suất của bơm
Ta có phương trình Becluli cho mặt cắt 1-1, 2-2 , so với mặt chuẩn 0-0
Coi chất lỏng chảy từ thùng cao vị ( mặt cắt 1-1)
H1: chiều cao chất lỏng so với đĩa tiếp liệu
H2: thế năng của đĩa tiếp liệu (= 0) ω1: vận tốc chất lỏng trong thùng cao vị (=0) ω2: vận tốc chất lỏng đi trong ống dẫn vào đĩa tiếp liệu (= 0,293)
Pa: áp suất khí quyển ρ1: khối lượng riêng của dung dịch trước khi gia nhiệt
P=P=0,98.10 5 (N/m 2 ) v7,72 (kg/m 3 ) ρ2 : khối lượng riêng của dung dịch sau khi gia nhiệt ở90,5 0 C ρ2x5,64 (kg/m 3 ) hm: = 0,0467m z+=++0,0407 z=8,07 m
Vậy chiều cao của thùng cao vị:
