BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ METH. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ METH.
TỔNG QUAN
Giới thiệu sơ bộ nguyên liệu và sản phẩm
Nguyên liệu là hỗn hợp Methanol - Nước.
Methanol là một chất lỏng không màu, dễ bay hơi và dễ cháy nổ, với mùi cồn đặc trưng Nó tan vô hạn trong nước, có khả năng phân hủy sinh học và rất độc hại Chỉ cần một lượng nhỏ methanol cũng có thể gây mù lòa, trong khi lượng lớn có thể dẫn đến tử vong Công thức phân tử của methanol là CH3OH, với phân tử lượng 32.04 đvC.
− Hệ số dẫn nhiệt ở 20°C: = 0.179 kcal/m.h.độ = 0.2082 w/m.độ
− Nhiệt dung riêng ở 20°C: Cp = 2570 J/kg.độ.
Methanol, hay còn gọi là rượu gỗ, thường được sử dụng trong sản xuất nhiên liệu, nhiên liệu sinh học, chất chống đông và dung môi Tuy nhiên, ứng dụng lớn nhất của methanol là làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất các hóa chất khác.
Approximately 40% of methanol is converted into formaldehyde, which is then used to produce plastics and paints Other chemicals derived from methanol include dimethyl ether and various other derivatives.
Methanol được sản xuất thông qua quá trình trao đổi chất yếm khí của một số loài vi khuẩn, dẫn đến sự hình thành một lượng nhỏ hơi Methanol trong không khí Sau vài ngày, Methanol trong không khí sẽ bị oxy hóa bởi O2 dưới tác động của ánh sáng, chuyển hóa thành CO2.
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.
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau
− Khối lượng phân tử : 18g / mol
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tìch trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống.
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
Ta có bảng cân bằng lỏng-hơi cho hỗn hợp Methanol-nước ở 1 atm.
Bảng 1 1 Bảng cân bằng lỏng hơi cho hỗn hợp Methanol-nước ở 1 atm t o C 100 92.3 87.7 81.7 78 75.3 73.1 71.2 69.3 67.5 66 64.5
Chú thích: x là thành phần lỏng y là thành phần hơi
Lý thuyết về chưng cất
Chưng cất là phương pháp tách các thành phần trong hỗn hợp lỏng hoặc khí lỏng dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi Quá trình này diễn ra khi các cấu tử ở cùng một nhiệt độ, nhưng có áp suất hơi bão hòa khác nhau, cho phép thu được các thành phần riêng biệt từ hỗn hợp.
Trong quá trình chưng cất, một pha mới được hình thành thông qua các quá trình bốc hơi hoặc ngưng tụ, thay vì thêm một pha mới vào hỗn hợp như trong các phương pháp hấp thu hoặc nhả khí.
Chưng cất và cô đặc đều là các quá trình tách chất, nhưng có sự khác biệt quan trọng Trong chưng cất, cả dung môi và chất tan đều bay hơi, dẫn đến sự hiện diện của chúng trong cả hai pha với tỷ lệ khác nhau Ngược lại, trong quá trình cô đặc, chỉ dung môi bay hơi, trong khi chất tan không bị bay hơi.
Khi tiến hành chưng cất, chúng ta thu được nhiều cấu tử, và thông thường, số lượng cấu tử trong hệ sẽ tương ứng với số lượng sản phẩm thu được Đối với hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử, chúng ta sẽ thu được 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 bé 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.
1.2.2 Các phương pháp chưng cất
1.2.2.1 Phân loại theo áp suất làm việc
1.2.2.2 Phân loại theo nguyên lý làm việc
− Chưng bằng hơi nước trực tiếp
− Chưng cất đa cấu tử
1.2.2.3 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp
Vậy đối với hệ Methanol - nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp.
Trong sản xuất, việc chưng cất thường sử dụng nhiều loại thiết bị khác nhau, nhưng tất cả đều yêu cầu có diện tích bề mặt tiếp xúc pha lớn, phụ thuộc vào mức độ phân tán giữa các lưu chất Khi pha khí phân tán vào pha lỏng, ta sử dụng tháp mâm, trong khi khi pha lỏng phân tán vào pha khí, tháp chêm hoặc tháp phun sẽ được áp dụng Bài viết này sẽ tập trung khảo sát hai loại thiết bị chưng cất phổ biến là tháp mâm và tháp chêm.
Tháp mâm là một thiết bị công nghiệp với thân tháp hình trụ, đứng thẳng và bên trong được gắn các mâm có cấu tạo khác nhau Các mâm này cho phép pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau, tạo điều kiện cho quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng Tùy thuộc vào cấu trúc của đĩa, hiệu suất và chức năng của tháp mâm có thể thay đổi.
− 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, hay còn gọi là tháp đệm, là một cấu trúc hình trụ được thiết kế với nhiều bậc liên kết với nhau bằng mặt bích hoặc hàn Vật chêm được đưa vào tháp thông qua hai phương pháp chính: xếp ngẫu nhiên hoặc xếp theo thứ tự.
Bảng 1 2 So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp
Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Ưu điểm
- Cấu tạo khá đơn giản.
- Làm việc được với chất lỏng bẩn.
- Trở lực tương đối thấp.
- Do có hiệu ứng thành nên hiệu suất truyền khối thấp.
- Độ ổn định thấp, khó vận hành.
- Thiết bị khá nặng nề.
- Không làm việc được với chất lỏng bẩn.
- Kết cấu khá phức tạp.
- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp.
Trong báo cáo này ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Methanol - nước.
Quy trình công nghệ
Hỗn hợp Methanol - nước với nồng độ 30% Methanol (theo phần khối lượng) ở nhiệt độ khoảng 28°C được bơm từ bể chứa nguyên liệu lên bồn cao vị Sau đó, hỗn hợp này được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu và được đưa vào tháp chưng cất tại đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được kết hợp với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống Trong tháp, hơi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống, tạo ra sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha Pha lỏng di chuyển trong phần chưng, càng xuống dưới càng hiệu quả.
Quá trình giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi diễn ra khi hơi nước được cấp vào đáy tháp, kéo theo các cấu tử này lên Nhiệt độ giảm dần từ dưới lên trên, khiến nước - cấu tử có nhiệt độ sôi cao - ngưng tụ lại Cuối cùng, tại đỉnh tháp, hỗn hợp thu được có nồng độ methanol lên tới 90% phần khối lượng Hơi methanol sau đó được dẫn vào thiết bị ngưng tụ và hoàn toàn được ngưng tụ Một phần chất lỏng ngưng tụ sẽ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng, trong khi phần còn lại được làm nguội xuống 35°C trước khi chuyển đến bồn chứa sản phẩm đỉnh.
Trong quá trình chưng cất, phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp sẽ được bốc hơi, trong khi cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng tăng lên Kết quả là, ở đáy tháp, ta thu được hỗn hợp lỏng chủ yếu là các cấu tử khó bay hơi, cụ thể là nước Hỗn hợp lỏng này có nồng độ Methanol chỉ 2% phần khối lượng, phần còn lại chủ yếu là nước Sau đó, dung dịch lỏng ở đáy sẽ được đưa ra khỏi tháp và chuyển đến bồn chứa sản phẩm với nhiệt độ 98 độ C.
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Methanol Sản phẩm đáy chủ yếu là nước.
1.3.2 Chú thích các kí hiệu trong qui trình
5 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu.
9 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
11 Thiết bị đun sôi ở đáy tháp.
12 Bồn chứa sản phẩm đáy.
14 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.
15 Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
Hình 1 1 Sơ đồ quy trình công nghệ
CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Các thông số ban đầu
Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ Thiết bị hoạt động liên tục.
Khi chưng luyện dung dịch Methanol thì cấu tử dễ bay hơi là Methanol.
− Methanol: CH3OH, MR = 32.04 (g/mol)
− Năng suất nhập liệu: GF = 1500 (kg/h)
− Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: = 30% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)
− Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: = 90% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)
− Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy:(kg Methanol/ kg hỗn hợp)
- Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tBĐ = 28 o C
- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tPR = 35 o C
- Trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi.
GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.
GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h
GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tình theo kg/h, kmol/h L: suất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h.
L : suất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h
, xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.
y *: Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
Cân bằng vật chất
2.2.1 Nồng độ phần mol của Methanol trong tháp
Khối lượng trung bình của dòng nhập liệu
MF = MR×xF + MN(1-xF)2.04×0.194 + 180.194) = 20.72 (kg/kmol)
2.2.2 Suất lượng mol của các dòng vật chất
Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp
Thế các giá trị vào ta được hệ phương trình sau:
Giải hệ phương trình, ta được:
W= 56.32 kmol/h Khối lượng trung bình sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy lần lượt là:
MD = MR×xD + MN×(1-xD) = 32.04×0.835+18×(1- 0.835) = 29.72 (kg/kmol)
MW = MR×xW + MN×(1-xW) = 32.04×0.011+18×(1- 0.011) = 18.15 (kg/kmol) Suy ra :
Từ số liệu từ bảng cân bằng lỏng-hơi cho hỗn hợp Methanol-nước ở 1 atm (bảng 1):
Bảng 2 1 Bảng cân bằng lỏng hơi cho hỗn hợp Methanol-nước ở 1 atm. t o C 100 92.3 87.7 81.7 78 75.3 73.1 71.2 69.3 67.5 66 64.5
Từ số liệu của bảng 1 ta xây dựng đồ thị t-x,y và đồ thị cân bằng pha cho hệ Methnol- nước
Hình 2 1 Đồ thị t - x, y cho hệ Methnol- nước
Hình 2 2 Đồ thì cân bằng pha của hệ Methanol-nước ở áp suất 1atm
Trong quá trình chọn trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất, trạng thái lỏng sôi được xác định Từ đồ thị (hình 3.1), tại xF = 0.194, nhiệt độ nhập liệu vào tháp chưng cất được nội suy là TF = 82 °C Đồng thời, từ đồ thị (hình 2), giá trị y*F được nội suy là 0.577, tương ứng với phần mol Methanol.
Bảng 2 2 Bảng thể hiện các thông số cân bằng vật chất.
Thông số ban đầu xF xD xW y * F MF MD MW
2.2.3 Các phương trình làm việc
2.2.3.1 Phương trình làm việc của phần luyện
(1) Trong đó: R là tỷ số hoàn lưu, R = 1.3Rmin + 0.3
- Tỷ số hoàn lưu tối thiểu :
Vậy tỷ số hoàn lưu làm việc R = 1.3×0.674+0.3 = 1.176
− Thay số vào phương trình (1), ta được: hay : y = 0.54x+0.384
Vậy phương trình làm việc của phần luyện là: y = 0.54x+0.384
2.2.3.2 Phương trình làm việc của phần chưng
- Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu
- Phương trình làm việc của đoạn chưng hay: y = 2.61� – 0.0177
2.2.3.3 Vẽ biểu đồ chưng cất, xác định số mâm lý thuyết
Bước 1: Vẽ đường cân bằng lỏng-hơi của hỗn hợp Methanol – Nước đem chưng cất Bước 2: Vẽ đường nhập liệu có phương trình: x = xF = 0.194
Bước 3: Vẽ đường làm việc phần luyện có phương trình y = 0.54x+0.384 đi qua 2 điểm
D (xD ; yD) và (0; xD/(R+1)) hay D (0.835;0.835) và điểm (0;0.384)
Bước 4: Vẽ đường làm viêc phần chưng đi qua 2 điểm W (xW ; yW = xW) và giao điểm F của đường nhập liệu và đường làm việc phần luyện.
Bước 5: Vẽ các đường bậc thang giới hạn bởi 2 đường làm việc và đường cân bằng, đếm số bậc thang là số mâm lý thuyết của tháp chưng cất.
Hình 2 3 Biểu đồ chưng cất xác định số mâm lý thuyết
Dựa vào đồ thị, chúng ta xác định được số mâm lý thuyết là 7 mâm Tuy nhiên, vì thiết bị sử dụng là loại đun nóng gián tiếp, nên chúng ta coi thiết bị này như một mâm lý thuyết.
Vậy số mâm trong tháp là 6 mâm, trong đó 3 mâm phần luyện và 3 mâm phần chưng.
2.2.3.4 Xác định số mâm thực tế
- Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:
ηtb: hiệu suất trung bính của đĩa là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: η = f(α,μ).
Ntt: số mâm thực tế, Nlt: số mâm lý thuyết a Xác định hiệu suất trung bình của tháp η tb :
- Độ bay hơi tương đối của cấ tử dễ bay hơi
Với: x: phân mol của rượu trong pha lỏng y * : phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng b Tại vị trí nhập liệu
xF =0.194, tra đồ thị cân bằng hệ Methanol-nước ta được tF = 82 o C
Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi :
- Tra bảng I.102, trang 95, [1], Độ nhớt của nước: N = 0.3478 cP
- Dùng toán đồ I.18, trang 90, [1], Độ nhớt của methanol : R =0.250 cP
- Dựa vào công thức (I.12), trang 84, [1]
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lgF = (1 – xF)lgN + xFlgR
Tra hình IX.11, trang 171, [2], ta được hiệu suất: F = 42% c Tại vị trí mâm đáy
xw = 0.011, Tra đồ thị cân bằng hệ Methanol-nước: y * w = 0.06, tw = 98 o C
Tra bảng I.102, trang 95, [1], Độ nhớt của nước: N = 0.2899 cP
Dùng toán đồ I.18, trang 90, [1], Độ nhớt của methanol R =0.225 cP Dựa vào công thức (I.12), trang 84, [1] Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lgW = (1 – xw)lgN + xwlgR
Tra hình IX.11, trang 171, [2], ta được hiệu suất: W = 43% d Tại vị trí mâm đỉnh
xD = 0.835, Tra đồ thị cân bằng của hệ: y * D = 0.93, tD = 67 o C
Tra bảng I.102, trang 95, [1], Độ nhớt của nước: N = 0.4233 cP
Dùng toán đồ I.18, trang 90, [1], Độ nhớt của methanol R =0.310 cP Dựa vào công thức (I.12), trang 84, [1] Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lgD = (1 – xD)lgN + xDlgR
Tra hình IX.11, trang 171, [2], ta được hiệu suất D = 51%
Suy ra: Hiệu suất trung bình của tháp:
Vậy tổng số mâm thực tế là 14 mâm, trong đó có 7 mâm của đoạn chưng và 7 mâm của đoạn luyện.
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất
Phương trình cân bằng năng lượng (công thức IX.156, trang 197 [2]):
QF + QD2 + QR = Qy +Qw (3.1)
Q R : nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào:
Trong đó :GR - lượng lỏng hồi lưu:
GD, Rx: suất lượng sản phẩm đỉnh và chỉ số hồi lưu
cR, tR: nhiệt dung riêng, J/kg.độ và nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu, o C.
Tại: tD = 67 o C (bảng I.153 và I.154, trang 172, [1]) ta có:
Vậy nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào QR:
QR = GR CR tR = 561.662938.86710 -3 = 110590.63 (kJ/h)
Q y : nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp:
Qy = GD (1 + R x ) đ , ( J/h) (3.3) Với: GD = 477.60 (kg/h) và tD = 67 o C
Trong đó: đ – nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, J/kg:
Tại tD = 67 o C (bảng I.212, trang 254, [1]) ta có:
Tại tD = 67 o C (bảng I.153 và I.154, trang 172, [1]) ta có:
Vậy nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy:
Q w : nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra:
GW: suất lượng sản phẩm đáy tháp, kg/h
cw: nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy, J/kg.độ
tw: nhiệt độ của sản phẩm đáy, o C
Tại tW = 98 o C (bảng I.153 và I.154, trang 172, [1]) ta có:
Vậy nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp QW:
Qw = GWCWtW = 1022.214200.559810 -3 = 420796.7 (kJ/h)
Q D2 : nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp:
Trong đó D2: lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp, kg/h
2: hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt, J/kg
ϴ2, c2: nhiệt độ ( o C), và nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Chọn hơi đốt là hơi bão hòa: p = 2at (bảng I.148, trang 166, [1]) ta có: tS = ϴ1 = 119.62 o C
Tra bảng I.212 (trang 254, [1]) ta có: r1 = 529.36 (kcal/kg) = 2216.3 (kJ/kg)
Tra bảng I.148 (trang 166, [1]) ta có: c1 = 0.506 (kcal/kg.độ) = 2.1185 (kJ/kg.độ)
Vậy nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp QD2:
Q F : nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp:
cF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu khi đi vào tháp, J/kg.độ.
tF: nhiệt độ hỗn hợp nhập liệu khi đi vào tháp, o C.
Tại tF = 82 o C, (tra bảng I.153 và I.154, trang 172, [1]) ta có:
Vậy nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp QF:
QF = 15003814.648210 -3 = 469200.72 (kJ/h) Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp là:
Bảng 3 1 Kết quả tính toán cân bằng năng lượng cho toàn tháp chưng cất
Nội dung Công thức Kết quả tính
Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp
(công thức IX.163, trang 198 [2]) 616.32 (kg/h)
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp
QD2 = D2 2 = D2(r 1 + c1ϴ 1 ) (công thức IX.157, trang 197 [2])
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp
Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp
QR = GR c R t R (công thức IX.158, trang 197 [2])
Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp
Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp
Cân bằng năng lượng các thiết bị truyền nhiệt
3.2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ
Qnt = GD(Rx + 1)rD = Gn1cn (t2-t1) (3.10)
Suy ra lượng nước lạnh tiêu tốn Gn:
cn: Nhiệt dung riêng của nước làm lạnh, J/kg.độ.
rD: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở đỉnh tháp, J/kg.
t1, t2: nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh, o C.
Tại tD = 67 o C, (tra bảng I.212, trang 254, [1]) ta có:
Qnt = GD(Rx + 1)rD = 477.60(1.176 + 1) 1204.75= 1252044.55 (kJ/kg)
Chọn nhiệt độ của nước vào là: t1 = 30 o C.
Chọn nhiệt độ của nước ra là: t2 = 40 o C.
Nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở nhiệt độ trung bình 35 o C:
Tra (bảng I.249, trang 310, [1]) ta có:
3.2.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Dòng sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ hoàn toàn trong thiết bị ngưng tụ nên ta có công thức:
cp: nhiêt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/kg.độ.
t’1, t’2: nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, o C.
Gn4 : lượng nước làm lạnh, kg/h,
Chọn nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh ra khỏi thiết bị làm nguội là: t’2 = 35 o C.
Nhiệt dung riêng của dòng nóng ở nhiệt độ trung bình:
Tại t’tb = 51 o C (tra bảng I.153 và I.154, trang 172, [1]) ta có:
Chọn nhiệt độ vào của nước lạnh là t3 = 30 o C.
Chọn nhiệt độ ra của nước lạnh là t4 = 40 o C.
Nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở nhiệt độ trung bình:
Tại ttb = 35 o C, (tra bảng I.249, trang 310, [1]) ta có:
3.2.3 Cân bằng nhiệt lượng thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
Cân bằng nhiệt lượng (công thức IX.149, trang 196, [2]):
QD1 + Qf = QF + Qxq1 + Qng1 (3.14)
Q ng1 : nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
Gng1: lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt, kg/h
Q D1 : nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
r1: ẩn nhiệt hóa hơi, J/Kg
1: hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt, J/kg
c1: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ.
Q f : nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:
F: lượng hỗn hợp đầu, kg/h
tf : nhiệt độ đầu của hỗn hợp, o C
cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg.độ
Q f : nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:
cF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra, J/kg.độ
tF: nhiệt độ hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng, o C
Q xq1 :Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn:
Tại: tf = 28 o C, (tra bảng I.153 và I.154, trang 172, [1]) ta có:
Tại tF = 82 o C, (tra bảng I.153, trang 171, [1]) ta có:
Vậy lượng hơi nước cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi là:
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa: p = 2 at, (ta bảng I.148, trang 166, [1]) ta có: tS = ϴ1 = 119.62 o C Tra bảng I.212 (trang 254, [1]) ta có: r1 = 529.36 (kcal/kg) = 2216.3 (kJ/kg)
Vậy nhiệt lượng hơi đốt mang vào QD1:
THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
Đường kính tháp (D t )
Theo công thức (IX.89, IX.90 trang 181, [2]) ta có:
Trong đó: Vtb: lượng hơi (khí) trung bính đi trong tháp, m 3 /h
��: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, m/s g��: Lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h
(�×�)��: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m 2 s
- Lượng hơi trung bình đi trong phần chưng và phần luyện khác nhau, do đó đường kính đoạn chưng và đoạn luyện cũng khác nhau.
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện của tháp
Theo công thức IX.91, trang 181, [2]:
Trong đó: gđ -lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h g1 -lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h
Lượng hơi đi vào đoạn luyện, lượng hơi g1 và hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với
30 đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trính cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: g1 = G1 + D g1×y1 = G1×x1 + D×xD g1×r1 = gd×rđ
r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp.
T1 = TF = 82 o C, (tra bảng I.212, trang 254, [1]) ta được :
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rN1 = 41636 (KJ/kmol)
Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: rM1 = 33386 (KJ/kmol)
Suy ra: r1 = rM1×y1 + (1 - y1)×rN1 = 41636 – 8250×y1 (KJ/kmol)
Với xD = 0.835, nội suy từ hình 1: tD = 67 o C, yD = 0.93 tD = 67 o C
Tại tD = 67 o C (tra bảng I.212, trang 254, [1]) ta được:
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rNđ = 42351 (KJ/kmol)
Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: rMđ = 34513 (KJ/kmol)
Suy ra: rd = rMđ×yD + (1-yD) ×rNđ = 34513×0.93 + (1- 0.93) ×42351 = 35062 (KJ/kmol) x1 = xF = 0.194, thay số vào hệ phương trính ta được:
Giải hệ trên ta được :
G1 = 16.68 (Kmol/h) y1 = 0.508 (phần mol methanol) g1 = 32.75 (Kmol/h)
Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp
Theo công thức IX.111, trang 186, [2]:
xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m 3 ).
ytb: khối lượng riêng trung bính trong pha hơi (Kg/m 3 ).
Theo công thức IX.102, trang 183, [2]:
Nồng độ phân mol trung bình:
Nhiệt độ trung bình đoạn luyện:
Theo công thức IX.104a, trang 183, [2]:
Nồng độ phần mol trung bình:
Suy ra: ttb = 74.5 o C, tra bảng I.2, trang 9, [I], ta được:
Khối lượng riêng trung bình của methanol: ���M = 739.1 (Kg/m 3 )
Khối lượng riêng trung bình của nước: ���N = 971.8 (Kg/m 3 )
Suy ra : Để tránh tạo bọt, ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp: ωytb =0.8×ωgh = 0.8×1.43 =1.144 (m/s) Vậy đường kính phần luyện:
4.1.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp
Trong đó: g’n: Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h). g’1: Lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h).
Theo các công thức IX.98 – IX.100, trang 182, [2] ta có hệ phương trình:
Với: G ’ 1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng r’1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng
Tính r’ 1 : xW = 0.011 tra đồ thị hệ cân bằng ta có: yW = 0.07
.98 (kg/kmol) t’1 = tW = 98 o C, Tra bảng 1.212, trang 254, [1], ta được:
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r’N1 = 40874 (kJ/kmol)
Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: r’M1 = 32184 (kJ/kmol)
4.1.2.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp
Theo công thức IX.111, trang 186, [2]:
ρ 'xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m 3 ).
ρ 'ytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m 3 ).
Nồng độ phần mol trung bình:
Nhiệt độ trung bình của đoạn chưng:
Thay số vào công thức tính ’ytb
- Theo công thức IX.104a, trang 183, [2]:
- Nồng độ phân mol trung bình:
Suy ra: t’tb = 90 o C, tra bảng I.2 trang 9 [1], ta có:
- Khối lượng riêng trung bình của methanol: ’���M = 723.4 (Kg/m 3 )
- Khối lượng riêng trung bình của nước: ’���N = 963.25 (Kg/m 3 )
Suy ra : Để tránh tạo bọt, ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:
Vậy đường kính đoạn chưng:
Kết luận: Hai đường kình đoạn chưng và đoạn luyện không chênh lệch nhau quá lớn,
36 nên ta chọn đường kính của toàn tháp là Dt = 0.6 m
Khi đó, tốc độ làm việc thực ở:
Mâm lỗ - Trở lực của mâm
Đường kính lỗ: dl = 3 (mm).
Tổng diện tích lỗ bằng 9% diện tích mâm.
Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 2.5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo hình lục giác đều).
Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10.
Diện tích dành cho ống chảy truyền là 20% diện tích mâm.
Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T
Vậy, số lỗ trên một mâm là: Áp dụng công thức (V.139), trang 48, [2]: n = 3a(a-1) + 1, trong đó a là số hình lục giác.
Giải phương trình bậc 2 suy ra: a 6, Tổng số lỗ N781.
Vậy ta bố trí các lỗ trên một mâm thành 36 hàng, vậy số lỗ trên đường chéo: b = 2a - 1 = 236 – 1 = 71 lỗ.
4.2.1.1 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm
Độ giảm áp tổng cộng của pha khí, tính bằng mm chất lỏng, được xác định bằng tổng các độ giảm áp qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng Công thức tính là htl = hk + hl + hR (mm chất lỏng).
hk: độ giảm áp qua mâm khô (mm chất lỏng).
hl: độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm (mm chất lỏng).
hR:độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm chất lỏng).
Trong tháp mâm xuyên lỗ, Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆ là không đáng kể nên có thể bỏ qua.
4.2.1.2 Độ giảm áp qua mâm khô Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất do dòng chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ (công thức 5.16, trang
vo: vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s).
G: khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m 3 ).
L: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m 3 ).
Co: hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.
Tra tài liệu tham khảo, hình 5.20, trang 119, [3]: Co = 0.745
Đối với mâm ở phần cất
− Vận tốc của pha hơi qua lỗ:
− Khối lượng riêng của pha hơi: G = ytb = 0.985 (Kg/m 3 ).
− Khối lương riêng của pha lỏng: L = xtb = 806 (Kg/m 3 ).
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất : hk = 51.011.94 (mm chất lỏng)
Đối với mâm ở phần chưng
− Vận tốc pha hơi qua lỗ :
− Khối lượng riêng của pha hơi: ’G = ’ytb = 0.74 (Kg/m 3 ).
− Khối lượng riêng của pha lỏng: ’L = ’xtb = 912.14 (Kg/m 3 ).
− Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng
4.2.1.3 Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm
Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm là sử dụng chiều cao gờ chảy tràn hw, chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh β Công thức tính được thể hiện như sau: hl = β( hw + how ), với hl tính bằng milimét chất lỏng.
Chiều cao gờ chảy tràn: hw = 50 (mm)
Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng.
qL: lưu lượng của chất lỏng (m 3 /ph).
Lw: Chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m).
Diện tích dành cho ống chảy truyền bằng 20% diện tìch mâm, nên ta có phương trình sau:
Với: n o : Góc ở tâm chắn bởi chiều dài Lw.
Dùng phương pháp lặp, ta được: n o = 93 o 12’22”
Vậy, độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất: hl = 0.6(50+3.868) = 32.32 (mm chất lỏng).
Vậy: Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng h’l = 0.6(50+4.59) = 32.754 (mm chất lỏng).
4.2.1.4 Độ giảm áp do sức căng bề mặt Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác định theo công thức 5.19, trang 120, [3]:
σ : sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm).
ρL: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m 3 ).
− Khối lượng riêng của pha lỏng: ρL = ρxtb = 806 (Kg/m 3 ).
− ttb = 74.5 o C, Tra bảng I.249, trang 311, [1], ta có:
Sức căng bề mặt của nước: σN = 68960 (dyn/cm).
Tra bảng I.242, trang 301, [1], ta có:
Sức căng bề mặt của methanol: σM = 18067.5 (dyn/cm).
Suy ra sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần cất:
Vậy: Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là:
− Khối lượng riêng của pha lỏng ở phần chưng: ρ’L = ρ’xtb = 912.14 (Kg/m 3 ).
− t’tb = 90 o C, Tra bảng I.249, trang 311, [1], ta có:
+ Sức căng bề mặt của nước: σ’N = 60750 (dyn/cm).
Tra bảng I.242, trang 301, [1], ta có:
+ Sức căng bề mặt của methanol: σ’M = 16650 (dyn/cm).
Vậy, sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng là
Vậy, độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần chưng là
Tóm lại: Độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua 1 mâm là:
Phần cất: htl = 11.94+32.32+3.7 = 47.96 (mm.chất lỏng). hay htl = 47.96 × 10 -3 × 9.81 × 806 = 379.2 (N/m 2 ).
Phần chưng: h’tl = 10.22+32.754+3 = 45.974 (mm.chất lỏng). hay h’tl = 45.974 × 10 -3 × 9.81 × 912.14 = 411.4 (N/m 2 )
Tổng trở lực của toàn tháp, hay độ giảm áp tổng cộng, được tính bằng cách xem độ giảm áp của pha khí qua mâm nhập liệu tương đương với độ giảm áp của pha khí qua một mâm ở phần chưng Cụ thể, tổng trở lực được xác định bằng công thức Ʃhtl = 7×htl + 7×h’tl, trong đó htl = 379.2 và h’tl = 411.4, dẫn đến kết quả tổng cộng là 5534.2 N/m².
4.2.2 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động
Để tính chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy truyền, chọn khoảng cách giữa hai mâm hâm là 250mm và bỏ qua sự tạo bọt Chiều cao mực chất lỏng được xác định theo công thức: hd = hw + how + htl + hd’ (mm chất lỏng) (công thức 5.20, trang 120, [3]).
Với: hd’ là tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy truyền vào mâm, được xác định theo biểu thức sau (công thức 5.10, trang 115, [3]):
QL: lưu lượng của chất lỏng, (m 3 /h).
Sd: tiết diện giữa ống chảy truyền và mâm, (m 2 )
Sd = 0.8×Smâm = 0.8×π×0.6 2 = 0.905 (m 2 ) Để đảm bảo tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì: hd ≤ 0.5× hmâm
Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy truyền của mâm xuyên lỗ ở phần cất. hd = 50 + 3.868 + 47.96 + 7.6×10 -6 1.8 (mm chất lỏng)
Kiểm tra : hd = 101.8 < : Đảm bảo các chất lỏng khi hoạt động các mâm ở phần cất sẽ không bị ngập lụt.
Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy truyền của mâm xuyên lỗ ở phần chưng là: h’d P + 4.59 + 45.974 + 1.26×10 -5 0.6 (mm chất lỏng).
Kiểm tra : h’d = 100.6 < = : Đảm bảo khi hoạt động các mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt
Vậy khi tháp hoạt động đảm bảo tháp không bị ngập lụt.
4.2.3 Kiểm tra hoạt động của mâm
Kiểm tra lại khoảng cách giữa hai mâm, hmâm = 0.25 (m), đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình thường ở trong tháp (công thức trang 70, [3]).
Với các mâm trong phần chưng trở lực thủy lực của một mâm lớn hơn trở lực thủy lực của mâm trong phần cất nên:
Kết luận: Điều kiện trên được thỏa nên mâm hoạt động bình thường.
4.2.4 Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động của mâm
Ta có vận tốc của pha hơi qua lỗ tối thiểu Vmin đảm bảo cho các lỗ trên mâm đều hoạt động bình thường, (công thức 5.21, trang 121, [3]) ta có:
Kết luận: Các lỗ trên mâm được đảm bảo hoạt động bình thường.
4.2.5 Kiểm tra tốc độ rò rỉ qua lỗ đĩa
Xem như lưu lượng dòng lỏng nhỏ nhất trên mâm bằng 70% lưu lượng tối đa dòng lỏng qua mâm ta có: qLmin = q’L × 70% = 0.015 70% = 0.0105 (m 3 /ph).
Chiều cao nhỏ nhất của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng (công thức 5.18, trang 120, [3]).
Khi lưu lượng nhỏ nhất: how min + hw = 50 + 3.62 = 53.62 (mm chất lỏng).
Từ hình 7.45 (trang 112, [9]) tại giá trị how min + hw = 53.62 (mm chất lỏng) tìm được giá trị đại lượng K2 = 28.1
Tốc độ nhỏ nhất của dòng hơi đi trong lỗ đĩa ( giới hạn rò rỉ lỏng qua lỗ) được tính theo công thức (7.87a, trang 113, [9]):
Kết luận: Tốc độ làm việc của dòng hơi đi trong lỗ đĩa lớn hơn so với giới hạn rò rỉ lỏng nên mâm hoạt động bình thường.
4.2.6 Chiều cao của tháp chưng cất
- Chiều cao của thân tháp ( công thức IX.54, trang 169, [2]):
- Chiều cao của đáy và nắp:
(Xem phần chọn trong phần tính đáy và nắp thiết bị 4.3.2).
- Chiều cao của toàn tháp chưng cất:
Tính toán cơ khí của tháp
Tháp chưng cất được thiết kế với thân hình trụ, sử dụng phương pháp hàn giáp mối để hoạt động ở áp suất thường Các phần của thân tháp được kết nối với nhau bằng các mối ghép bích Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, vật liệu chế tạo thân tháp được chọn là thép không gỉ mã X18H10T.
Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán
Với: Pcl : Áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy, (N/mm 2 ).
Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn an toàn:
Chọn nhiệt độ tính toán : ttt = tW = 98 o C
Tra tài liệu tham khảo [5] ứng với tiêu chuẩn thép X18H10T: [σ] * = 142 (N/mm 2 ). Đối với rượu hệ số hiệu chỉnh bằng 1: η = 1
Vậy ứng suất cho phép:
• Xác định bề dày thân chịu áp suất trong
Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hồ quang điện bằng tay nên hệ số mối hàn φh = 0.9
Do đó, bề dày tính toán của thân được tính theo công thức sau:
Suy ra, bề dày thực của thân:
Trong đó: C là hệ số bổ sung bề dày:
Ca là hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của chất lỏng.
Chọn tốc độ ăn mòn của rượu là 0.1 (mm/năm), thiết bị hoạt động trong 20 năm Do đó Ca = 2 mm.
Cb: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn Cb = 0.
Cc: hệ số bổ sung do sai lệch, chọn Cc = 0.
Co: hệ số bổ sung qui tròn, chọn Co =0.5 (mm).
* Kiểm tra công thức tính toán với St = 2.6055 (mm):
* Kiểm tra áp suất tính toán cho phép
Vậy: Bề dày thực của thân tháp là St = 3 (mm).
4.3.2 Đáy và nắp thiết bị
Chọn đáy và nắp có dạng là elipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T.
Hình 4 1 Hình dáy và nắp thiết bị
Công thức tính toán bề dày cho thân, đáy và nắp chịu áp suất là giống nhau Do đó, bề dày của đáy và nắp nên được chọn là Sđ = Sn = 3 mm.
Các kìch thước của đáy và nắp Ellipise tiêu chuẩn có, có gờ (tra tài liệu tham khảo bảng XIII.10, trang 382, [2]).
Đường kính trong: Dt = 600 (mm).
Chọn đáy và nắp tiêu chuẩn có: ht = Dt 0.25 0 (mm).
Chiều cao gờ: hgờ = h = 25 (mm).
Diện tích bề mặt trong: Sđáy = 0.44 (m 2 ).
4.3.3 Bích ghép thân đáy và nắp
Mặt bích là một thành phần thiết yếu trong việc kết nối các phần của thiết bị và các bộ phận khác Có nhiều loại mặt bích được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp.
Bích liền là bộ phận kết nối thiết bị như hàn, đúc và rèn, thường được sử dụng cho các thiết bị hoạt động dưới áp suất thấp và trung bình.
Bích tự do là giải pháp lý tưởng cho việc nối ống dẫn ở nhiệt độ cao, giúp kết nối các bộ phận bằng kim loại màu và hợp kim Đặc biệt, bích tự do rất hữu ích khi cần sử dụng vật liệu bền hơn cho thiết bị.
Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao.
Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích là bích liền không cổ.
Hình 4 2 Hình bích ghép thân, đáy và nắp
Theo tài liệu tham khảo (bảng XIII.27, trang 419, [2]), ứng với Dt = 600 mm và áp suất tính toán Ptt = 0.04493 N/mm 2 , ta chọn bích có các thông số sau.
Bảng 4 1 Thông số bích ghép thân đáy và nắp
Dt D Db D1 H Bu lông db Z
Theo tài liệu tham khảo, số mâm giữa 2 mặt bích được chọn là 3, dẫn đến số bích ghép thân-đấy-nắp là 7 Độ kín của mối ghép bích phụ thuộc chủ yếu vào vật đệm, thường được làm từ vật liệu mềm hơn bích Khi xiết bu lông, đệm sẽ biến dạng và lấp đầy các chỗ gồ ghề trên bề mặt bích Để đảm bảo độ kín cho thiết bị, đệm được chọn là dây amiăng với bề dày 3 mm.
4.3.4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn
Chọn ống dẫn được làm bằng thép X18H10T.
Bích được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ.
Suất lượng nhập liệu : GF = 1500 (kg/h), tF = 82 o C và = 30%
Khối lượng riêng của chất lỏng nhập liệu, (tra bảng I.2, trang 9, [2]) ta có:
Khối lượng riêng của methanol: M1 = 731.5 (Kg/m 3 )
Khối lượng riêng của nước: N1 = 967.7 (Kg/m 3 )
Lưu lượng chất lỏng nhập liệu đi vào tháp :
Chọn vận tốc nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu), vF = 0.2 (m/s). Đường kính ống nhập liệu:
Suy ra: chọn đường kính ống nhập liệu: dF = 0.070 (m).
Tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.32, trang 434, [2]), chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích lF = 110 (mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu Tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.26, trang
412, [2]), ứng với Dy = 70 (mm) và Ptt = 0.04493 (N/mm 2 )
Bảng 4 2 Thông số của bích ghép ống dẫn vị trí nhập liệu
Dy Dn D Dd Dl H Bu lông db Z
Suất lượng hơi ở đỉnh tháp gd = 1039 (Kg/h).
Khối lương riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức (xác định ở tD = 67 o C và
Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:
Chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp: vh = 25 (m/s). Đường kính ống dẫn hơi:
Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 0.20 (m).
Tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.32, trang 434, [2]): lh = 80 (mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp, tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.26, trang 410, [2]).
Bảng 4 3 Thông số bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp
Dy Dn D Dd Dl h Bu lông db Z
Khối lượng riêng của chất lỏng hoàn lưu, (tra bảng I.2, trang 9, [2]), ta có:
Khối lượng riêng của methanol: M2 = 746.7 (Kg/m 3 )
Khối lượng riêng của nước: N2 = 976 (Kg/m 3 )
Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu:
Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu (tự chảy từ bộ phận tách lỏng ngưng tụ vào tháp): vhl = 0.3 (m/s).
Đường kính ống hoàn lưu:
Suy ra: chọn đường kính ống hoàn lưu: dhl = 0.032 (m).
Tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.32, trang 434, [2]): lhl = 90 (mm).
Các thông số của bích ghép ống hoàn lưu, tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.26, trang 411, [2]).
Bảng 4 4 Thông số bích ghép ống hoàn lưu
Dy Dn D Dd Dl h Bu lông db Z
4.3.4.4 Ống dẫn hơi vào đáy tháp
Suất lượng hơi vào đáy tháp: g’1 = 765.35 (Kg/h).
Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp được tình theo công thưc (xác định ở tW = 98 o C và yW = 0.07):
Lưu lượng hơi vào đáy tháp:
Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp: vhd = 100 (m/s).
Đường kính ống dẫn hơi :
Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dhd = 0,070 (m)
Tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.32, trang 434, [2]): lhl = 110 (mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đáy tháp, tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.26, trang 412, [2]).
Bảng 4 5 Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đáy tháp
Dy Dn D Dd Dl h Bu lông db Z
4.3.4.5 Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp
Suất lượng chất lỏng vào nồi đun: G’1 1.67 (Kg/h).
Với : tW = 98 o C và x’1 = 0.066 (phần mol methanol) => = 11.2%
Khối lượng riêng của chất lỏng vào nồi đun, (tra bảng I.2, trang 9, [2]), ta có:
Khối lượng riêng của methanol: M3 = 715.3 (Kg/m 3 )
Khối lượng riêng của nước: N3 = 958.8 (Kg/m 3 )
Lưu lượng chất lỏng vào nồi đun:
Chọn vận tốc chất lỏng vào nồi đun (chất lỏng tự chảy vào nồi đun): vL = 0.2 (m/s).
Đường kính ống dẫn chất lỏng :
Suy ra: chọn đường kính ống dẫn: dL = 0.040 (m)
Tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.32, trang 434, [2]): lhl = 100 (mm)
Các thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp, tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.26, trang 411, [2]).
Bảng 4 6 Các thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp
Dy Dn D Dd Dl h Bu lông db Z
4.3.4.6 Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun
Suất lượng sản phẩm đáy: GW = 1022.21 (Kg/h).
Khối lượng riêng của sản phẩm đáy, tra (bảng I.2, trang 9, [1]), ta có:
Khối lượng riêng của methanol: M4 = 715.3 (Kg/m 3 )
Khối lượng riêng của nước: N4 = 958.8 (Kg/m 3 )
Lưu lượng sản phẩm đáy :
Chọn vận tốc sản phẩm đáy (chất lỏng tự chảy): vW = 0.5 (m/s).
Đường kính ống sản phẩm đáy :
Suy ra: chọn đường kính ống dẫn: dW = 0.032 (m)
Tra tài liệu tham khảo (bảng XIII.32, trang 434, [2]): lhl = 90 (mm)
Các thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp, tra tài liệu tham khảo (bảng
Bảng 4 7 Các thông số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy
Dy Dn D Dd Dl h Bu lông db Z
4.3.5 Tai treo và chân đỡ
4.3.5.1 Tính trọng lượng của toàn tháp
Tra bảng XII.7, trang 313, [2] ta có: ρX18H10T = 7900 (Kg/m 3 )
Khối lượng của 1 bích ghép thân: m1 = 23.28 (Kg)
Khối lượng của 1 mâm: (thép X18H10T: ρX18H10T = 7900 (Kg/m 3 )). m2 = 3.66 (Kg)
Khối lượng của thân tháp:
Khối lượng của đáy (nắp) tháp:
Khối lượng của toàn tháp: m =7m1+14m2+m3+2m4 = 429.256 (Kg).
Suy ra trọng lượng của toàn tháp:
Chọn chân đỡ: Tháp được đỡ trên 4 chân, tải trọng cho phép trên 1 chân: Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gc = 2500 (N).
Hình 4 3 Hình chân đỡ tháp
Tra bảng XIII.35 trang 437, [2], chọn chân đỡ có các thông số sau:
Bảng 4 8 Các thông số kích thước của chân đỡ (mm)
- Khối lượng một chân đỡ: mchân đỡ = 6.0 (Kg).
Khi chọn tai treo cho tháp, cần gắn 4 tai treo để đảm bảo tháp không bị giao động trong điều kiện ngoại cảnh Tải trọng cho phép trên mỗi tai treo là 1053.75 N, tuy nhiên để đảm bảo an toàn cho thiết bị, nên chọn tải trọng Gt là 2500 N.
Tra bảng XIII.36, trang 438, [2], chọn tai treo có các thông số sau:
Bảng 4 9 Các thông số kích thước của tai treo (mm)
- Khối lượng một tai treo: mtai treo = 1.0 (Kg).
Chọn kính quan sát có các thông số sau:
Đường kính trong Dqst = 100 (mm).
Đường kính ngoài Dqsn = 210 (mm).
Số bulông gắn kính với tháp z = 6 (bulông).
Đường kính bulông db = M8 (mm).
Khoảng cách giữa 2 bulông đối nhau qua tâm h = 160 (mm).
Chọn số lượng kính quan sát là 3 (kính) đặt tại các vị trí : ống nhập liệu, ống hoàn lưu và ống dẫn hơi vào đáy tháp.
TÍNH THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT, THIẾT BỊ PHỤ
Các thiết bị truyền nhiệt
5.1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ-ống loại TH, đặt nằm ngang.
Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước 25×2 mm, chiều dài ống L=1.5 m
Đường kính ngoài: dn = 25 mm = 0.025m
Chọn nước làm lạnh đi vào trong ống với nhiệt độ t1 = 30 o C, và đi ra với nhiệt độ t2 40 o C.
Các tính chất vật lý của nước làm lạnh được tra trong tài liệu tham khảo (Bảng I.249, trang 310, [1]) ứng với nhiệt độ trung bình
- Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4.178 (KJ/kg.độ).
- Khối lượng riêng của nước: N = 994.0 (Kg/m 3 ).
- Độ nhớt động lực của nước: N = 0.72210 -3 (N.s/m 2 ).
- Hệ số dẫn nhiệt của nước: 0.626 (W/m.độ).
5.1.1.1 Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh
5.1.1.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt
tlog: nhiệt độ trung bình logarit
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều
Xác định hệ số truyền nhiệt K
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức
N: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m 2 o K).
R: hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m 2 o K).
r t : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu
Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống
Chọn vận tốc nước đi trong ống vN = 1 (m/s)
Chuẩn số Reynolds : Áp dụng công thức (1.74), trang 28, [5] công thức xác định chuẩn số Nusselt:
l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống : ReN = 28911 và > 50, tra tài liệu tham khảo (bảng 1.1, trang 29, [5]) ta có: l = 1.
PrN: chuẩn số Prandlt của nước tại 35 o C, tra (bảng I.249, trang 310, [1]):
Prw: chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách
Hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống trong:
Nhiệt tải phía nước làm lạnh:
Với tw2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống)
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu
tw1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi ngưng tụ, o C (ngoài ống)
Bề dày thành ống: t = 2 (mm).
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ tra (bảng XII.7, trang 313, [2]):
Nhiệt trở trung bình của lớp cáu bẩn trong ống với nước sạch (bảng 31, trang 419, [4]): rc = 1/5000 (m 2 o K/W).
Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ống Điều kiện:
- Ngưng tụ hơi bảo hòa.
- Không chứa khí không ngưng.
- Hơi ngưng tụ ở mặt ngoài ống.
- Màng chất ngưng tụ chảy tầng.
- Ống năm ngang. Áp dụng công thức (3.65, trang 120, [4]), đối với ống đơn chiếc nằm ngang: Đặt :
Ẩn nhiệt ngưng tụ: rR = rD = 1204.75 (KJ/kg).
Nhiệt tải ngoài thành ống: qR = R(67-tw1) = A (67-tw1) 0,75 (V.6)
Từ phương trình (V.4), (V.5), (V.6) ta dùng phương pháp lặp để xác định tw1, tw2 :
Các tính chất vật lý của rượu ngưng tụ được tra trong tài liệu tham khảo [1], ứng với nhiệt độ trung bình :
Khối lượng riêng của Methanol: M = 753.5 kg/m 3
Khối lượng riêng của nước: N = 982.0 kg/m 3
Nên khối lượng riêng của hỗn hợp là:
Nên: lg = xDlg M + (1-xD)lg N
Hệ số dẫn nhiệt của Methanol: M = 0.205 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của nước: N = 0.661 W/mK
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qR 3097 (W/m 2 ).
Từ phương trình (V5) ta có:
Tra tài liệu tham khảo (bảng I.249, trang 310, [1]): Prw = 3.7
Từ (V.2), bề mặt truyền nhiệt trung bình:
Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt :
So với L = 1.5(m) thì tỉ lệ số đường ống nước là:
Khi đó số ống tăng lên 3.2 lần, n = 3.2×30 = 96 (ống), theo (bảng V.11 trang 48, [2]), chọn n7 ống
Kiểm tra hệ số cấp nhiệt của rượu cần xem xét sự sắp xếp theo hình lục giác đều Trong trường hợp này, với 127 ống được bố trí, số ống nằm trên đường chéo là 13 ống.
Vậy n7 (ống), L=1.5 (m), ống được bố trí theo hình lục giác, bước ngang giữa 2 ống: t = 1.4dng = 1.40.025 = 0.035 (m). Đường kính vỏ thiết bị:
5.1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị làm nguội ống lồng ống, đặt nằm ngang. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống trong 24×2 (mm); kích thước ống ngoài: 37×3 (mm).
Nước lạnh đi trong ống 24x2.0 (mm) (ống trong) với nhiệt độ đầu: t1 = 30 o C, nhiệt
Sản phẩm đỉnh đi trong ống 37x3.0 (mm) (ống ngoài) với nhiệt độ đầu: t’1 = tD = 67 oC, nhiệt độ cuối: t’2 = t’D = 35 o C.
Các tính chất lý học của nước làm lạnh đươc tra trong (Bảng I.249, trang 311, [1])
Với nhiệt độ trung bình :
- Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4.178 (KJ/kg.độ).
- Khối lượng riêng của nước: N = 994.0 (Kg/m 3 ).
− Độ nhớt động lực của nước: N = 0.72210 -3 (N.s/m 2 ).
- Hệ số dẫn nhiệt của nước: 0.626 (W/m.độ).
Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh ứng với nhiệt độ trung bình :
Nhiệt dung riêng: cD= 2866.22 (J/kg.độ).
Khối lượng riêng của Methanol: M = 764.6 kg/m 3
Khối lượng riêng của nước: N = 987.9 kg/m 3
Nên khối lượng riêng của hỗn hợp là:
Nên: lg D = xDlg M + (1-xD)lg N
Hệ số dẫn nhiệt của Methanol: M = 0.207 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của nước: N = 0.647 W/mK
5.1.2.1 Suất lượng nước cần dùng để làm mát sản phẩm đỉnh
Suất lượng sản phẩm đỉnh:
Suất lượng nước cần dùng:
5.1.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trính truyền nhiệt
tlog: nhiệt độ trung bình logarit.
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
N : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m 2 o K).
D : hệ số cấp nhiệt của sản đỉnh phẩm (W/m 2 o K).
rt: nhiệt trở của thành ống và lớp cáu
Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh ở ống ngoài:
Vận tốc của sản phẩm đỉnh đi trong ống ngoài : Đường kính tương đương: dtd = Dtr – dng = 0.031 – 0.024 = 0.007 (m).
= 7963.2 > 2320 : Chế độ chảy quá độ, áp dụng (công thức V.44, trang 16, [2]) xác định chuẩn số Nusselt có dạng:
: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống, tra (bảng V2, trang 15, [2]) chọn = 1
ko: hệ số phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds, ReD = 7963.2, tra bảng trang 16, [2] ta được: ko = 26.68
PrD: chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở 51 o C, nên
Prw1: chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ trung bình của vách
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống ngoài :
Nhiệt tải phía sản phẩm đỉnh:
Với tw1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đỉnh (ngoài ống nhỏ)
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cá
tw2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống nhỏ)
Bề dày thành ống: t = 2.0 (mm).
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ (tra bảng XII.7, trang 313, [2]):
Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m 2 o K/W).
Nhiệt trở lớp cáu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5800 (m 2 o K/W).
Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ:
Vận tốc nước đi trong ống:
= 25662.3 > 10 4 : chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng:
Ɛl: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc ReN và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:
ReN%662.3, tra (bảng V2, trang 15, [2]) chọn Ɛl =1.
PrN: chuẩn số Prandlt của nước ở 35 o C, tra (bảng I.249, trang 310, [1]):
Prw2: chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách.
− Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
− Nhiệt tải phía nước làm lạnh:
Từ phương trình (V.9), (V.10), (V.11) ta dùng phương pháp lặp để xác định tw1, tw2
Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh được tra trong tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ tw1 = 43.3 o C:
Hệ số dẫn nhiệt của Methanol: M = 0.208 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt của nước: N = 0.639 W/mK
Nhiệt dung riêng của Methanol: cM = 2685.0 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4178.0 (J/kg.độ)
Khi đó xem (công thức V.35, trang 12, [2]):
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qD = 12480.3 (W/m 2 ).
Tra tài liệu tham khảo (bảng I.249, trang 310, [1]), ta có Prw2 = 4.272
Từ (V.7), Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
- Chọn số ống truyền nhiệt: 19 ống Ống được bố trí theo hình lục giác đều.
Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt :
Thiết bị làm nguội sản phẩm tối ưu được thiết kế dưới dạng ống chùm nằm ngang, bao gồm tổng cộng 19 ống, trong đó có 5 ống nằm trên đường chéo b (theo Bảng V.11 trang 48, [2]) Chiều dài mỗi ống truyền nhiệt là 1 mét.
Bước ống: t = 1.2Dn = 0.0444 m Đường kính trong của thiết bị (áp dụng công thức (V.140), trang 49, [2]):
5.1.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy
Chọn nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là nồi đun Kettle, ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 25x2 (mm).
Chọn hơi đốt la hơi nước 2 at, đi trong ống 25x2 (mm)
Nhiệt độ sôi của nước ở 2 at: tsN = 119.62 o C.
Ẩn nhiệt ngưng tụ: rN = 2208 (kJ/kg)
Sản phẩm đáy trước khi vào nồi đun có nhiệt độ vào là t’1 = 90.8 o C (do x1’=0.066), nhiệt độ ra là tW = 98 o C.
5.1.3.1 Suất lượng hơi nước cần dùng
Lượng nhiệt cần tải để cung cấp cho đáy tháp:
Suất lượng hơi nước cần dùng
5.1.3.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trính truyền nhiệt
t log : nhiệt độ trung bình logarit.
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều:
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tình theo công thức:
N : hệ số cấp nhiệt của hơi nước (W/m 2 o K).
D : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy (W/m 2 o K).
rt: nhiệt trở của thành ống và lớp cáu.
Xác định hê số cấp nhiệt của hơi nước trong ống:
Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được tính theo công thức
Với: tw1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước (trong ống).
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
tw2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ống)
Σrt Bề dày thành ống: t = 2 (mm).
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ (tra bảng XII.7, trang 313, [2]):
Nhiệt trở thiết bị của lớp bẩn trong ống với nước sạch (tra bảng 31, trang 419, [5])
Nhiệt trở lớp cáu phía sản phẩm đáy: r2 = 1/5800 (m 2 o K/W).
Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy (ngoài ống):
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy được xác định theo công thức (chế độ sủi bọt , công thức V.89, trang 26, [2]):
Nhiệt độ sôi trung bình của dòng sản phẩm ở ngoài ống:
Tại nhiệt độ sôi trung bình:
- Khối lượng riêng của pha hơi trong dòng sản phẩm ở ngoài ống:
- Khối lượng riêng của nước (tra bảng I.149, trang 311, [1]): ρN = 962.2 (kg/m 3 )
- Khối lượng riêng của Methanol (tra bảng I.2, trang 9, [1]): ρM = 720.16 (kg/m 3 ) Nên khối lượng riêng của hỗn hợp là:
- Độ nhớt của Methanol (dùng toán đồ I.18, trang 90, [1]):
- Độ nhớt của nước (tra bảng I.102, trang 95, [1]):
Nên (sử dụng công thức I.12, trang 84, [1]): lg = xwlg M + (1-xw)lg N
- Hệ số dẫn nhiệt của Methanol (tra bảng I.130, trang 135, [1]):
- Hệ số dẫn nhiệt của nước (tra bảng I.249, trang 311, [1]):
Nên (sử dụng công thức I.33, trang 124, [1]):
- Nhiệt dung riêng của Methanol (tra bảng I.154, trang 172, [1]): cM = 2935.6 (J/kgK)
- Nhiệt dung riêng của nước (tra bảng I.249, trang 311, [1]): cN = 4222.2 (J/kgK) Nên: c = cM + c N (1 – ) = 2935.60.02 + 4222.2(1 – 0.02)
- Sức căng bề mặt của Methanol (tra bảng I.142, trang 301, [1]): σM = 0.01623 (N/m)
- Sức căng bề mặt của nước (tra bảng I.249, trang 311, [1]): σN = 0.5995 (N/m) Nên:
- Nhiệt hóa hơi của Methanol (tra bảng I.213, trang 257, [1]): rM = 1046.1 (kJ/kg)
- Nhiệt hóa hơi của nước (tra bảng I.250, trang 312, [1]): rN = 2274.4 (kJ/kg)
Nhiệt tải phía sản phẩm đáy : qD = αD (W/m2) (V.16)
Từ phương trình (V.14), (V.15), (V.16) ta dùng phương pháp lặp để xác định tw1, tw2. Chọn: tw1 = 117.4 o C:
Khi đó, nhiệt độ trung bình:
Tại nhiệt độ này (tra bảng I.149, trang 311, [1]):
- Khối lượng riêng của nước: ρN = 962.2 (kg/m 3 )
- Hệ số dẫn nhiệt của nước:
- Nhiệt hóa hơi của nước (tra bảng I.250, trang 312, [1]): rN = 2211.2 (kJ/kg)
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể:
Từ (V.12), bề mặt truyền nhiệt trung bình:
Chọn số ống truyền nhiệt: n = 169 (ống), số ống trên đường chéo, b = 15 ống (Bảng V.11 trang 48, [2]).
Chiều dài ống truyền nhiệt:
Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm, bao gồm 169 ống có chiều dài 1 mét Các ống được sắp xếp theo hình lục giác, với 15 ống nằm trên đường chéo.
75 ngang giữa 2 ống t = 1.4dng = 1.40.025 = 0.035 (m). Đường kính trong của vỏ thiêt bị (Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [2]):
5.1.4 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu dạng ống lồng ống, ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống trong: 25x2 (mm); kích thước ống ngoài: 38x2 (mm).
Dòng nhập liệu đi trong ống 25x2 (ống trong) với nhiệt độ đầu: tf = 28 o C, nhiệt độ cuối: tF o C.
Chọn hơi đốt là hơi nước 2 at, đi trong ống 38x2 (ống ngoài) Tra tài liệu tham khảo[1], ta có nhiệt độ sôi: tsN = 119.62 o C.
Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra [1], với nhiệt độ trung bình
- Nhiệt dung riêng của Methanol (tra bảng I.154, trang 172, [1]): cM = 2737.5 (J/kgK)
- Nhiệt dung riêng của nước (tra bảng I.249, trang 311, [1]): cN = 4178 (J/kgK) Nên: c = cM + cN(1 – ) = 2737.50.3 + 4178(1 – 0.3)
- Khối lượng riêng của nước (tra bảng I.149, trang 311, [1]): ρN = 985.6 (kg/m 3 )
- Khối lượng riêng của Methanol (tra bảng I.2, trang 9, [1]): ρM = 760.5 (kg/m 3 )
Nên khối lượng riêng của hỗn hợp là:
- Độ nhớt của Methanol (dùng toán đồ I.18, trang 90, [1]):
- Độ nhớt của nước (tra bảng I.102, trang 95, [1]):
Nên (sử dụng công thức I.12, trang 84, [1]): lgF = xFlg M + (1 - xF)lg N
- Hệ số dẫn nhiệt của Methanol (tra bảng I.130, trang 135, [1]):
- Hệ số dẫn nhiệt của nước (tra bảng I.249, trang 310, [1]):
Nên (sử dụng công thức I.33, trang 124, [1]):
5.1.4.1 Suất lượng hơi nước cần dùng:
Lượng nhiệt hơi đốt cung cấp cho dòng nhập liệu:
Suất lượng hơi nước cần dùng
5.1.4.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trính truyền nhiệt:
t log : nhiệt độ trung bình logarit.
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
αF: hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu (W/m 2 o K).
αN: hệ số cấp nhiệt của hơi nước (W/m 2 o K).
Σrt: nhiệt trở của thành ống và lớp cáu.
Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống nhỏ
Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống:
=> Chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng:
Ɛl: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReF và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:
ReF = 22763.1, tra (bảng V2, trang 15, [2]) chọn Ɛl =1.
PrF: chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở 55 o C, nên:
Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống nhỏ
Nhiệt tải phía dòng nhập liệu:
Với tw2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ)
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu
tw1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước (ngoài ống nhỏ)
Σrt Bề dày thành ống: ẟt = 2(mm).
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: λt = 16.3 (W/m o K)
Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m 2 o K/W).
Nhiệt trở lớp cáu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m 2 o K/W)
Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước trong ống nhỏ: Đường kình tương đưuong: dtd = Dtr –dng = 0.034- 0.025 = 0.009 (m)
Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được xác định theo công thức:
Nhiệt tải phía hơi nước:
Từ phương trình (V.24), (V.25), (V.26) ta dùng phương pháp lặp để xác định tw1, tw2
Khi đó, nhiệt độ trung bình :
Tại nhiệt độ này (tra bảng I.149, trang 311, [1]):
- Khối lượng riêng của nước: ρN = 962.2 (kg/m 3 )
- Hệ số dẫn nhiệt của nước:
- Nhiệt hóa hơi của nước (tra bảng I.250, trang 312, [1]): rN = 2211.2 (kJ/kg)
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qF = 54866 (W/m 2 ).
Tra tài liệu tham khảo [1] với nhiệt độ trung bình ttbw = 103.16 o C:
- Nhiệt dung riêng của Methanol (tra bảng I.154, trang 172, [1]): cM = 2980.8 (J/kgK)
- Nhiệt dung riêng của nước (tra bảng I.249, trang 311, [1]): cN = 4224.1 (J/kgK)
- Độ nhớt của Methanol (dùng toán đồ I.18, trang 90, [1]):
- Độ nhớt của nước (tra bảng I.104, trang 96, [1]):
Nên (sử dụng công thức I.12, trang 84, [1]): lgR = xFlg M + (1 - xF)lg N
- Hệ số dẫn nhiệt của Methanol (tra bảng I.130, trang 135, [1]):
- Hệ số dẫn nhiệt của nước (tra bảng I.249, trang 311, [1]):
Nên (sử dụng công thức I.33, trang 124, [1]):
Từ (V.22), bề mặt truyền nhiệt trung bình:
Chọn số ống truyền nhiệt: n = 37 (ống), số ống trên đường chéo: b = 7 ống (Bảng V.11 trang 48, [2]).
Chiều dài ống truyền nhiệt:
Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm với 37 ống có chiều dài 1 m, được sắp xếp theo hình lục giác Số ống trên đường chéo là 7, và khoảng cách ngang giữa hai ống được tính toán là t = 1.2√Dng = 1.2√0.038 = 0.0456 m Đường kính trong của vỏ thiết bị được xác định theo công thức (V.140), trang 49, [2].
Tính toán bồn cao vị và bơm nhập liệu
5.2.1 Tính chiều cao bồn cao vị
Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu (nhập liệu): d = 70 (mm), Tra bảng II.15, trang
381, [1] độ nhám của ống Ɛ = 0.1(mm).
Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo [1] với nhiệt độ trung bình :
Vận tốc của dòng nhập liệu trong ống dẫn:
5.2.1.1 Tổn thất đường ống dẫn:
λ1: hệ số ma sát trong đường ống.
l1: chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 20 (m).
Σξ 1 : tổng hệ số tổn thất cục bộ.
vF: vận tốc dòng nhập liệu trong ống, vF = 0.12 (m/s).
Chuẩn số Reynolds của dòng nhập liệu trong ống:
Theo tài liệu tham khảo [1], ta có:
Chuẩn số Reynolds tới hạn :
Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
Suy ra: Regh1 < Re1< Ren1: chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ. Áp dụng (công thức II.64, trang 380, [1]):
Hệ số tổn thất của dòng nhập liệu (tra bảng II.16, trang 382-401, [1]):
3 van (van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn): ξv1= 34.1 = 12.3
1 lưu lượng kế: ξ ll = 0 (không đáng kể)
Suy ra: Σξ 1 = ξ u1 + ξ v1 + ξ t1 + ξ m1 + ξ l1 = 17.8 Vậy, tổn thất đường ống dẫn :
5.2.1.2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu:
λ2: hệ số ma sát trong đường ống.
l2: chiều dài đường ống dẫn, l2 = 37(m).
Σξ2: tổng hệ số tổn thất cục bộ.
v2: vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn
Chuẩn số Reynolds của dòng nhập liệu
Theo tài liệu tham khảo [1], ta có:
Chuẩn số Reynolds tới hạn :
Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
Suy ra: Regh2 < Re2 < Ren2: chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ, khi đó. Áp dụng (công thức II.64, trang 380, [1]):
Hệ số tổn thất của dòng nhập liệu:
Vậy tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt:
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.
85 Áp dụng phương trính Bernoulli cho (1-1) và (2-2): z1 + = z2 + + Σhf1-2 hay z1 = z2 + Σhf1-2
z1: Độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem như là chiều cao bồn cao vị
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 + hnắp + (Nchưng+1).(h + ẟmâm )
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: vận tốc tại mặt thoáng (1-1), xem v1 = 0 (m/s).
v2: vận tốc tại vị trí nhập liệu, v2 = vF = 0.12 (m/s).
Σhf1-2: tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2): Σhf1-2 = h1 + h2 = 0.02 + 0.042 = 0.062 (m).
Vậy: Chiều cao bồn cao vị:
Lưu lượng dòng nhập liệu:
Chọn bơm có năng suất là Qb = 2 (m 3 /h) Đường kính ống hút, ống đẩy bằng nhau và bằng 21(mm), nghĩa là chọn ống 25x2.
Các tính chất lý học được tra trong tài liệu tham khảo[1] với nhiệt trung bình tf = 28 o C:
Vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút và đẩy:
Tổng trở lực trong ống hút và đẩy:
lh: chiều dài ống hút, chọn lh = 1.5 (m).
ld: chiều dài ống đẩy, chọn ld = 14 (m).
Σξ h : tổng tổn thất cục bộ trong ống hút.
ΣΣd: tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy.
λ: hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy.
Chuẩn số Reynolds của dòng nhập liệu:
Tra tài liệu tham khảo[1], ta có:
Chuẩn số Reynolds tới hạn :
Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám :
Suy ra: Regh < Re < Ren: chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ. Áp dụng (công thức II.64, trang 380, [1]):
Hệ số tổn thất cục bộ trong ống hút:
1 lần vào miệng thu nhỏ: ξt = 0.5
Hệ số tổn thất cục bộ trong ống đẩy:
Vậy tổn thất trong ống hút và ống đẩy:
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 trính Bernolli cho (1-1) và (2-2):
z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất.
z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất.
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).
Σhf1-2 = hhd: tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2).
Hb: cột áp của bơm.
Hb = (z2 – z1) + hhd = Hcv + hhd = 3 + 4.9 = 7.9 (m chất lỏng) Chọn hiệu suất bơm: ηb = 0.95.
Công suất thực tế của bơm: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn 2 bơm li tâm, với:
Cột áp: Hb = 7.9 (m chất lỏng)
