ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT HÓA HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT HỖN HỢP BENZENE – TOLUEN SỬ DỤNG THÁP MÂM CHÓP VỚI NĂNG SUẤT 5m3/h GVHD: Thầy Nguyễn Sĩ Xuân Ân Lớp: HC17HLY TP. HCM, 2020 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU6 1.Chương I: Giới thiệu7 2.Chương 2: Tổng quan7 2.1Giới thiệu nguyên liệu:7 2.1.1Benzen:7 2.1.2Toluen:8 2.2Tổng quan về quá trình chưng cất:8 2.2.1Khái niệm:8 2.2.2Các phương pháp chưng cất:9 2.2.3Các thiết bị chưng cất:9 3.Chương 3: Quy trình công nghệ11 4.Chương 4: Cân bằng vật chất và năng lượng12 4.1Cân bằng vật chất:12 4.1.1Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được:12 4.1.2Xác định tỷ số hoàn lưu:14 4.1.3Xác định phương trình đường làm việc:15 4.1.4Xác định số mâm lý thuyết:15 4.1.5Xác định số mâm thực tế16 4.2Cân bằng năng lượng:19 4.2.1Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:19 4.2.2Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất:21 4.2.3Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ25 4.2.4Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội:26 5.Chương 5: Tính toán thiết bị chính26 5.1Tính đường kính tháp:26 5.1.1Tính đường kính đoạn cất:27 5.1.2Tính đường kính đoạn chưng:30 5.2Tính chiều cao tháp:33 5.3Tính kết cấu của tháp mâm chóp:34 5.3.1Phần chưng:34 5.3.1 Phần cất:37 5.4Tính trở lực của tháp:39 5.5Kiểm tra sự hoạt động của chóp:42 6.Chương 6: Tính toán cơ khí43 6.1Các thông số ban đầu:43 6.2Tính bền thân chịu áp suất trong:44 6.3Tính bền đáy và nắp:44 6.4Tính toán mặt bích nối thân nắp đáy:45 6.5Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn:46 6.6Tính toán chân đỡ49 6.6.1Tính trọng lượng tháp:49 6.6.2Tính chân đỡ tháp:50 7.Chương 7: Tính toán thiết bị phụ51 7.1Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:51 7.2Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:54 7.3Thiết bị đun sôi đáy tháp:57 7.4Thiết bị đun sôi nhập liệu:60 7.5 Bơm:63 KẾT LUẬN68 TÀI LIỆU THAM KHẢO69 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: So sánh ưu nhược điểm các loại tháp10 Bảng 2:thị thành phần cân bằng lỏng - hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen ở 760 mmHg14 Bảng 3: Trở lực mâm khô40 Bảng 4: Trở lực mâm do sức căng bề mặt41 Bảng 5: Trở lực lớp chất lỏng trên mâm42 Bảng 6: Thông số mặt bích nối thân nắp đáy45 Bảng 7: Thông số mặt bích nối ống dẫn sản phẩm đáy46 Bảng 8:Thông số mặt bích nối ống dẫn nhập liệu47 Bảng 9: Thông số mặt bích nối ống dẫn hơi ra khỏi thiết bị48 Bảng 10: Thông số mặt bích nối ống dẫn hơi vào đáy tháp48 Bảng 11: Thông số mặt bích nối ống dẫn lỏng hoàn lưu49 Bảng 12: Thông số của chân đỡ50 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Đồ thị thị thành phần cân bằng lỏng - hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen ở 760 mmHg15 Hình 2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết16 Hình 3: Giản đồ xác định hiệu suất trung bình của thiết bị17 Hình 4: Kết cấu chóp34 Hình 5: Kết cấu chân đỡ50 LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung. Một trong những ngành có đóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất các hoá chất cơ bản. Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao. Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp. Đối với hệ benzene –toluene là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzene. Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai. Môn học này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Benzene – Toluene ở áp suất thường với năng suất nhập liệu là 0,5 m3/h có nồng độ 20% phần khối lượng benzene, nồng độ sản phẩm đáy là 1% khối lượng benzene, nồng độ sản phẩm đỉnh là 95% khối lượng benzene, nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi.
Chương I: Giới thiệu
Nhiệm vụ đồ án môn học: Thiết kế tháp chưng cất hệ Benzene-Toluene hoạt động liên tục với các thông số sau:
- Tháp chưng cất: Tháp mâm chóp, hoạt động liên tục
Các thông số ban đầu:
- Nồng độ nhập liệu: x F = 0,2 phần khối lượng benzene
- Nồng độ sản phẩm đỉnh: x D = 0,95 phần khối lượng benzene
- Nồng độ sản phẩm đáy: x W = 0,01 phần khối lượng benzene
Lựa chọn các thông số để tính toán:
- Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: t bđ = 30oC
- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t pn 0oC
- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: t dlv @oC
- Trạng thái nhập liệu: lỏng sôi
Chương 2: Tổng quan
Giới thiệu nguyên liệu
Benzen, với công thức phân tử C6H6, là một hidrocacbon thơm ở trạng thái lỏng, không màu và dễ cháy, mang mùi thơm đặc trưng Chất này ít hòa tan trong nước nhưng tan tốt trong các dung môi hữu cơ, đặc biệt là một dung môi hiệu quả cho nhiều chất như mỡ, cao su và hắc ín Benzen thường có mặt trong dầu thô và là sản phẩm phụ của quá trình lọc dầu Trong ngành công nghiệp, benzen được sử dụng chủ yếu làm dung môi, chất trung gian hóa học và là thành phần quan trọng trong nhiều quá trình tổng hợp hóa học.
Toluen, một hidrocacbon thơm, có cấu trúc gồm vòng benzen liên kết với gốc methyl (C6H5CH3) Đây là chất lỏng trong suốt, không màu, với mùi thơm đặc trưng và không hòa tan trong nước Toluen thường được sử dụng làm nhiên liệu trong hàng không và ô tô, cũng như làm dung môi và trong quá trình tổng hợp các chất hóa học khác.
Tổng quan về quá trình chưng cất
Chưng cất là phương pháp tách biệt các thành phần trong hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí - lỏng dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi của từng cấu tử.
Khi chưng cất hệ benzen – toluen, quá trình sẽ thu được nhiều sản phẩm tương ứng với số lượng cấu tử có trong hỗn hợp Sản phẩm ở đỉnh chủ yếu chứa các cấu tử có độ bay hơi lớn, trong khi sản phẩm ở đáy chủ yếu là các cấu tử có độ bay hơi thấp, kèm theo một lượng nhỏ cấu tử có độ bay hơi cao.
Sản phẩm đỉnh gồm chủ yếu là benzen và lẫn ít toluen.
Sản phẩm đấy gồm chủ yếu là toluen và lẫn ít benzen.
2.2.2 Các phương pháp chưng cất:
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau.
Theo áp suất làm việc, có ba loại áp suất chính: áp suất cao được áp dụng khi hỗn hợp không hóa lỏng ở nhiệt độ thường, áp suất thường thường được sử dụng vì tính đơn giản, và áp suất thấp được dùng cho các hỗn hợp dễ phân hủy ở nhiệt độ cao.
Theo phương pháp cấp nhiệt:
Chưng cất đơn giản: một bậc
Ngoài ra ta có thể phân loại chưng cất theo số cấu tử (hai hay nhiều cấu tử), theo phương pháp chưng ( trích ly, muối, đẳng phí),
Lựa chọn chưng cất hệ Benzen – Toluen bằng phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất thường.
2.2.3 Các thiết bị chưng cất:
Trong sản xuất, nhiều loại thiết bị được sử dụng để thực hiện quá trình chưng cất, nhưng yêu cầu chung là cần có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn giữa các pha Mức độ phân tán của một lưu chất vào lưu chất khác ảnh hưởng đến hiệu quả chưng cất Các thiết bị như tháp phun, tháp mâm và tháp chêm thường được sử dụng, trong đó tháp mâm và tháp chêm là hai loại phổ biến nhất.
Tháp mâm là một thiết bị công nghiệp có cấu trúc thân tháp hình trụ thẳng đứng, trong đó gắn các mâm với cấu tạo khác nhau, cho phép pha lỏng và pha hơi tiếp xúc Tùy thuộc vào thiết kế của mâm, tháp mâm có thể được phân loại thành tháp mâm chóp và tháp mâm xuyên lỗ.
Tháp mâm chóp là một cấu trúc đặc biệt với mâm có gắn chóp, được thiết kế với các rãnh xung quanh cho phép khí lưu thông Những rãnh này có thể được tạo hình dưới dạng chữ nhật, tam giác hoặc hình tròn, giúp tối ưu hóa quá trình pha khí.
Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh và các lỗ thường được bố trí trên các đỉnh tam giác đều.
Tháp chêm là một cấu trúc hình trụ đa bậc, được kết nối bằng mặt bích hoặc hàn, với vật chêm được sắp xếp ngẫu nhiên hoặc theo thứ tự bên trong Các pha trong tháp tiếp xúc nhau qua bề mặt của vật chêm, mà có thể có nhiều hình dạng khác nhau như vòng Rasching, hình yên ngựa và vòng xoắn.
Bảng 1: So sánh ưu nhược điểm các loại tháp
Tháp Ưu điểm Nhược điểm
Tháp mâm chóp Hiệu suất truyền khối cao, ổn định, ít tiêu hao năng lượng nên có số mâm ít hơn.
Chế tạo phức tạp, trở lực lớn.
Tháp mâm xuyên lỗ Chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp hơn mâm chóp,
Yêu cầu kỹ thuật lắp đặt cho mâm phải đảm bảo độ ngang bằng, trong khi đường kính tháp lớn có thể dẫn đến sự phân phối chất lỏng không đồng đều Tháp chêm được chế tạo đơn giản và có trở lực thấp, nhưng hiệu suất không cao do ảnh hưởng của hiệu ứng thành Sự ổn định của tháp cũng kém, và hiệu ứng thành càng tăng khi năng suất tăng, điều này gây khó khăn trong việc chế tạo tháp có kích thước lớn.
Lựa chọn chưng cất hệ Benzen – Toluen bằng tháp mâm chóp.
Chương 3: Quy trình công nghệ
Hỗn hợp đầu từ thùng chứa nguyên liệu được bơm liên tục lên bồn cao vị, nơi mà mức chất lỏng được kiểm soát bằng ống chảy tràn Từ bồn cao vị, hỗn hợp đầu được chuyển qua thiết bị đun nóng, nơi dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa cho đến khi đạt nhiệt độ sôi Cuối cùng, dung dịch được đưa vào tháp chưng cất qua mâm nhập liệu.
Tháp chưng cất gồm 2 phần: phần từ mâm nhập liệu trở lên trên là đoạn cất, còn từ mâm nhập liệu trở xuống là đoạn chưng.
Trong tháp, pha lỏng di chuyển từ trên xuống và tiếp xúc với pha hơi đi từ dưới lên Hơi từ mâm dưới bốc lên qua các chóp trên mâm, tiếp xúc với pha lỏng của mâm trên và ngưng tụ một phần, dẫn đến nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tăng dần theo chiều cao của tháp Khi nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng, nồng độ của nó trong hơi cũng tăng theo Cấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi, do đó khi nồng độ của nó tăng, nhiệt độ sôi của dung dịch sẽ giảm.
Theo chiều cao của tháp, nồng độ cấu tử dễ bay hơi tăng dần trong cả pha lỏng và pha hơi, trong khi nồng độ cấu tử khó bay hơi giảm dần và nhiệt độ cũng giảm Ở đỉnh tháp, hỗn hợp hơi chủ yếu chứa cấu tử dễ bay hơi, trong khi ở đáy tháp, hỗn hợp lỏng chứa chủ yếu cấu tử khó bay hơi Để duy trì pha lỏng trong các đĩa cất, dòng hồi lưu từ hơi đỉnh tháp được bổ sung Hơi đỉnh tháp được ngưng tụ hoàn toàn, phần lỏng sau ngưng tụ được hồi lưu trở lại mâm cất trên cùng, trong khi phần còn lại được làm lạnh và chuyển vào bể chứa sản phẩm đỉnh Chất lỏng ở đáy tháp được tháo ra và một phần được đun sôi để hồi lưu, phần còn lại được đưa vào bể chứa sản phẩm đáy.
Như vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được lấy ra liên tục).
Chương 4: Cân bằng vật chất và năng lượng
Cân bằng vật chất
4.1.1 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được:
Tra bảng I.2, trang 9, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
Khối lượng riêng của toluen ở 25oC: ρN 1,25kg/m3
Tra bảng I.2, trang 9, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
Khối lượng riêng của benzen ở 25oC: ρB 3,75 kg/m3 Áp dụng CT I.2, trang 5, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
MF =x̅F.MB + (1-x̅F).MT = 0,2.78 + (1-0.2).92 = 89,2 (kg/kmol)
(kg/kmol) MW =x̅̅W̅̅.MB + (1- x̅̅W̅̅).MT = 0,01 78 + (1-
4.1.2 Xác định tỷ số hoàn lưu:
Chỉ số hồi lưu được xác định dựa vào đồ thị thành phần cân bằng lỏng - hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen - Toluen ở áp suất 760 mmHg, theo bảng IX.2a trong Sổ tay QT&TB CNHH tập 2.
Bảng 2:thị thành phần cân bằng lỏng - hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen ở 760 mmHg x (% phần mol)
Cân bằng lỏng hơi hệ benzen - toluen ở
Hình 1: Đồ thị thành phần cân bằng lỏng - hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen –
Chỉ số hoàn lưu tối thiểu: R = x D -y *
Chỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3 × Rmin + 0,3 = 1,3 × 2,8 + 0,3 = 3,94
4.1.3 Xác định phương trình đường làm việc:
Phương trình làm việc của phần cất: � = R
R+1 = 0,7976x + 0,1937 Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu: f= F = 44,41 = 4,005
Phương trình làm việc của phần chưng: � = R+f x - f-1 x = 1,6082x − 0,0073
4.1.4 Xác định số mâm lý thuyết:
Hình 2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết
Từ đồ thị ta suy ra được:
Số mâm lý thuyết là 16 mâm (7 mâm phần cất, 1 mâm nhập liệu và 8 mâm phần chưng).
Vị trí mâm nhập liệu là mâm số 8.
4.1.5 Xác định số mâm thực tế:
Có nhiều phương pháp để xác định số mâm thực của tháp, bên cạnh việc xem xét các yếu tố thiết kế cơ khí Một trong những cách hiệu quả là dựa vào hiệu suất trung bình của tháp để đưa ra con số chính xác cho số mâm thực cần thiết.
Số mâm lý thuyết η tb thể hiện hiệu suất trung bình của thiết bị, trong đó η 1, η 2 là hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ Số vị trí tính hiệu suất η tb phụ thuộc vào độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng.
Trong chưng cất, độ bay hơi tương đối của hỗn hợp tính như sau: � = �
� nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi hơn trong pha hơi và pha lỏng; � lầ độ nhớt của hỗn hợp lỏng (N.s/m 2 ).
Khi tính được tích số ( � ), tra đồ thị để tìm hiệu suất trung bình.
Hình 3: Giản đồ xác định hiệu suất trung bình của thiết bị
Trong TH này ta tính: �
, � , � lần lượt là hiệu suất mâm nhập liệu,
�� 3 � � � mâm trên cùng và mâm dưới cùng.
Sử dụng bảng I.101, trang 91, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1 tra và nội suy độ nhớt của � �
= 0,314 × 10 −3 (N.s/m 2 ); � � = 0,318 × 10 −3 (N.s/m 2 ); Độ nhớt của hỗn hợp:
Từ đồ thị suy ra � � = 0.6
Tương tự ta xác định được � � , � �
Sử dụng bảng I.101, trang 91, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1 tra và nội suy độ nhớt của � �
= 0,259 × 10 −3 (N.s/m 2 ); � � = 0,269 × 10 −3 (N.s/m 2 ); Độ nhớt của hỗn hợp:
Từ đồ thị suy ra � � = 0.55
Sử dụng bảng I.101, trang 91, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1 tra và nội suy độ nhớt của � �
= 0,259 × 10 −3 (N.s/m 2 ); � � = 0,269 × 10 −3 (N.s/m 2 ); Độ nhớt của hỗn hợp:
Từ đồ thị suy ra � � = 0.57
Số mâm thực là 28 mâm
Cân bằng năng lượng
4.2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
� �1 : Nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)
� � : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)
� � : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)
� ��1 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
�1: Ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
�1:Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)
�1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất p *t, ts= 119,62oC
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:
� � : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp.
Chọn nhiệt độ đầu của hỗn hợp là � � %°C.
Tra bảng I.153, trang 171, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra: x=0,228 � tF1,19°C
Tra bảng I.153, trang 171, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
� ��1 : Lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt (kg/h)
Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh: Lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn.
Lượng hơi đốt cần thiết:
Tra bảng I.148, trang 166, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
4.2.2 Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất: Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
� �2 : Nhiệt lượng hơi đốt mang vào tháp (J/h)
� � : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h)
� � : Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp (J/h)
� � : Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h)
� � : Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h)
� ��2 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
� ��2 : Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh (J/h)
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp:
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp:
�2: Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp (kg/h)
�2: Ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
�2:Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)
�2: Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất p *t, ts= 119,62oC
Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp:
�̅, �: Lượng sản phẩm đỉnh (kg/h) và chỉ số hồi lưu
� � : Lượng lỏng hồi lưu (kg/h)
� � : Nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu (J/kg.độ)
� � : Nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu ( o C)
Tra bảng I.153, trang 171, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp:
� đ : Nhiệt lượng riêng của pha hơi ở đỉnh tháp (J/kg)
Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra: tW0,05oC
Tra bảng I.153, trang 171, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh:
Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp đáy tháp:
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất p *t, ts= 119,62oC
Tra bảng I.148, trang 166, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
4.2.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ:
Ng ưn g tụ ho àn toà n lư ợn g hồ i lư u:
Tr a bả ng I.2 12 , trang 254, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
Chọn nhiệt độ đầu vào của nước là 30℃, nhiệt độ đầu ra của nước là 60℃.
4.2.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội:
Chọn nhiệt độ đầu của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ là � , = � � = 80,55℃, nhiệt độ đầu ra của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ là 40℃.
Tra bảng I.153, trang 171, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
Chọn nhiệt độ đầu vào của nước là 30℃, nhiệt độ đầu ra của nước là 60℃.
Chương 5: Tính toán thiết bị chính
Tính đường kính tháp
Áp dụng CT IX.90, trang 181, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2: Đường kính tháp: � = 0,0188 � � �
� � � : lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/h)
(� � � � ) �� : tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/m 2 s)
5.1.1 Tính đường kính đoạn cất:
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất có thể tính gần đúng theo CT IX.91, trang 181, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2:
� �� : lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất (kg/h hay kmol/h)
� đ : lượng hơi đi ra khỏi mâm trên cùng của tháp (kg/h hay kmol/h)
�1: lượng hơi đi vào mâm cuối cùng của đoạn cất (kg/h hay kmol/h)
Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp:
Lượng hơi đi vào đoạn cất:
CT IX.93, IX.94, IX.95, trang 181, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2:
�1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào mâm thứ nhất
� đ : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp
�1: lượng hơi đi vào mâm đầu tiên của đoạn cất (kg/h hay kmol/h)
� đ = � ������ �̅ đ + � ������ (1 − �̅ đ ) Tra bảng I.212, trang 254, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
2 Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn cất:
Thành phần khối lượng của hơi cân bằng trên đoạn cất:
Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp hơi:
Khối lượng riêng trung bình:
Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp trong đoạn cất
2 Tra bảng I.2, trang 9, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
Nồng độ phần khối lượng trung bình của đoạn cất:
Tốc độ hơi trung bình trong tháp:
((((((((((((((( ))))))))))))))) = 0,065 �[�] √ℎ ���� ���� 2.(/(/(/(/(/(/(/(/(/(/(/(/(/(/(/ �) Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp trong đoạn cất
2 Tra bảng I.242, trang 300, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
5.1.2 Tính đường kính đoạn chưng:
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng có thể tính gần đúng theo CT IX.96, trang 182,
Sổ tay QT&TB CNHH tập 2:
Trong quá trình chưng cất, lượng hơi trung bình đi vào và ra khỏi đoạn chưng được đo bằng kg/h hoặc kmol/h Cụ thể, g′ đại diện cho lượng hơi đi vào đoạn chưng, trong khi g′ cũng là lượng hơi ra khỏi đoạn chưng Việc theo dõi các thông số này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả của quá trình chưng cất.
Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng đoạn hơi đi vào đoạn cất nên g ′ g1
Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng:
Lượng hơi đi vào đoạn chưng g ′ , lượng lỏng G ′ và hàm lượng lỏng x ′ được xác định theo
1 1 1 hệ phương trình IX.98,99,100, trang 182, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2:
� ′ : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào mâm thứ nhất của phần chưng
Tra bảng I.212, trang 254, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
Lượng lỏng trung bình trong đoạn chưng: G ′ = � 1 +G 𝘍 = 3687,76+8117,42
Thành phần hơi trung bình đi trong đoạn chưng:
Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp hơi:
Khối lượng riêng trung bình:
Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp trong đoạn chưng
2 Tra bảng I.2, trang 9, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
Nồng độ phần khối lượng trung bình của đoạn chưng:
Tốc độ hơi trung bình trong tháp:
((((((((((((((( ))))))))))))))) = 0,065 �[�] √ℎ ���� ���� 2.(/(/(/(/(/(/(/(/(/(/(/(/(/(/(/ �)Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp trong đoạn cất
2 Tra bảng I.242, trang 300, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
Kết luận: Đường kính của đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau nhiều nên ta có thể chọn đường kính toàn tháp là D = 1,2 m.
Tính chiều cao tháp
Áp dụng CT IX.54, trang 169, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2:
� � : số mâm thực tế = 28 mâm;
� đ : khoảng cách giữa các mâm, h= 0,4 m
�: bề dày của mâm, chọn sơ bộ �= 0,004m
0.8 ÷1 là khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị
Tính kết cấu của tháp mâm chóp
Các CT tính chi tiết của chóp tròn tra CT trang 236, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2.
5.3.1 Phần chưng: Đường kính ống hơi của chóp chọn: � ℎ = 7555555555555555 = 0,0755555555555555 5
Số chóp phân bố trên mâm:
�à 29 D: đường kính trong của tháp (m).
Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi: ℎ 2 = 0,255555555555555 5 ℎ = 0,01875(�) Đường kính chóp:
Khoảng cách từ mặt mâm đến chân chóp: � = 0 ÷ 25�� → ℎọ�ọọ � = 1555555555555555
Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp: ℎ1 = 15 ÷ 4000000000000000 → ℎọ�ọọ ℎ1 = 3000000000000000
Trong đó � = 4� � với � là lưu lượng hơi đi trong tháp ((((((((((((((( 3 /ℎ); �là hệ số trở lực
chọn � = 2(((((((((((((( ( = 1,5 ÷ 2) ; � � , � � là khối lượng riêng trung bình pha lỏng và hơi
Số lượng khe hở của mỗi chóp:
Với c là khoảng cách giữa các khe, c=3,4 mm ((((((((((((((( = 3 ÷ 4 ��); b là chiều cao khe chóp, b=0,015 m((((((((((((((( = 10 ÷ 50 ); a là chiều rộng khe chóp � = 2 ÷ 7 Đường kính ống chảy chuyền:
Lưu lượng dòng trung bình đi trong tháp được tính bằng kg/h, với khối lượng riêng trung bình của pha lỏng là một yếu tố quan trọng Số ống chảy chuyền z cũng ảnh hưởng đến quá trình này Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền nằm trong khoảng từ 0,1 đến 0,2 m/s.
Khoảng cách từ mâm đến chân ống chảy chuyền:
Chiều cao ống chảy chuyền trên mâm:
∆ℎ: chiều cao mức chất lỏng ở bên trên ống chảy chuyền
Bước tối thiểu của chóp trên mâm:
� 2 = 12,5 + 0,25 � �ℎ -khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp, thường lấy � 2 = 3555555555555555.
Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất:
� � là bề dày ống chảy chuyền, thường lấy � � = 2 ÷ 4 , �1 là khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp và ống chảy chuyền, thường chọn �1 = 75 �� Chọn � � = 3
Chiều cao lớp chất lỏng không bọt tối đa trên mâm: hm= S + hk + b + h1
Chọn khoảng cách từ mép dưới của chóp đến mép dưới của khe chóp hk = 5mm hm= 15 +5 +15+ 30= 65 (mm)
5.3.1 Phần cất: Đường kính ống hơi của chóp chọn: � ℎ 7
Số chóp phân bố trên mâm:
Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi: ℎ 2 0,2
Khoảng cách từ mặt mâm đến chân chóp: � = 0 ÷ 2555555555555555 → ℎọ�ọọọọọọọọọọọọọọọ � = 1555555555555555
Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp: ℎ1 15 ÷ 4000000000000000 → ℎọ�ọọọọọọọọọọọọọọọ ℎ1 = 3000000000000000
4 � với � là lưu lượng hơi đi trong tháp ((((((((((((((( 3 /ℎ); �là hệ số trở lực
Số lượng khe hở của mỗi chóp:
Với c là khoảng cách giữa các khe, c=3,4 mm ((� = 3 ÷ 4
��); b là chiều cao khe chóp, b=0,015 m((((((((((((((( = 10 ÷ 50 ��); a là chiều rộng khe chóp � = 2 ÷ 7 Đường kính ống chảy chuyền:
Lưu lượng dòng trung bình đi trong tháp được tính bằng kg/h, trong đó khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được ký hiệu là ρ Số ống chảy chuyền được ký hiệu là z, và tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền được ký hiệu là v.
Khoảng cách từ mâm đến chân ống chảy chuyền:
Chiều cao ống chảy chuyền trên mâm:
∆ℎ: chiều cao mức chất lỏng ở bên trên ống chảy chuyền
Bước tối thiểu của chóp trên mâm:
� 2 = 12,5 + 0,25 � �ℎ -khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp, thường lấy � 2 = 3555555555555555
Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất:
� � là bề dày ống chảy chuyền, thường lấy
� � = 2 ÷ 4 , �1 là khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp và ống chảy chuyền, thường chọn �1 = 75 �� Chọn
Tính trở lực của tháp
36 Trở lực của tháp chóp được xác định theo CT IX.135, trang 192, Sổ tay
Trong đó � �� là số mâm thực tế của tháp, � ��
� đ là tổ ng tr ở lự c củ a
Trong đó: ∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆ � – Trở lực mâm khô (N/m 2 )
∆ � – Trở lực của mâm do sức căng bề mặt (N/m 2 )
∆ � – Trở lực của lớp chất lỏng trên mâm (N/m 2 )
Vì rằng lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp nên ta tính trở lực riêng cho từng đoạn: đoạn chưng và đoạn cất.
�: hệ số trở lực, thường � = 4,5 (4,5 ÷ 5)
� � : khối lượng riêng của pha hơi (khí) (kg/m 3 )
�0: vận tốc khí (hơi) qua rãnh chóp (m/s)
Bảng 3: Trở lực mâm khô
Trở lực của mâm do sức căng bề mặt:
� �đ : đường kính tương đương của các khe rãnh chóp (m)
Khi rãnh chóp mở hoàn toàn:
� � là diện tích tiết diện tự do của rãnh và Π là chu vi rãnh
Bảng 4: Trở lực mâm do sức căng bề mặt
Trở lực của lớp chất lỏng trên mâm:
Trong đó: � � là khối lượng riêng của bọt, chọn � � 0,
5 5 � ℎ � là chiều cao lớp bọt trên đĩa (m) (ℎ � + ∆ − ℎ � ) ((((((((((((((( − �) � � +
ℎ �ℎ là chiều cao chóp; ℎ � là chiều cao đoạn ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa (m);
ℎ � là chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa (m) ℎℎℎℎℎℎℎℎℎℎℎℎℎℎℎS + hk + 0,5b 0,0275 (m)
F là phần bề mặt đĩa có gắn chóp: F= 0,8Ft 0,8.1,13 = 0,905 (m2) ρ b là khối lượng riêng của bọt; ρX là khối lượng riêng trung bình pha lỏng
� là tổng diện tích chóp trên đĩa,
Bảng 5: Trở lực lớp chất lỏng trên mâm
Trở lực trung bình của 1 mâm trong tháp là:
Tổng trở lực của toàn tháp : ∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆ = � �� ∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆ đ = 28 263,783 = 7167,132(�/� 2 )
Kiểm tra sự hoạt động của chóp
Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn:
Tra E theo hình 5.9, trang 110, [4] ta được E= 1,008
Tra E theo hình 5.9, trang 110, [4] ta được E= 1,004
Chương 6: Tính toán cơ khí
Các thông số ban đầu
Thân tháp được ghép từ nhiều đoạn nối với nhau bằng bích, kiểu hàn giáp mối hai phía Khoảng cách giữa các mâm h@0 mm
Tháp có tổng cộng 28 mâm, với 7 mâm giữa mỗi hai mặt bích, tạo thành 4 đoạn tháp Mỗi đoạn tháp đều có 7 mâm và có 5 mặt bích tổng cộng Để bảo vệ khỏi nhiệt độ làm việc lớn hơn 100 độ C, bên ngoài tháp được bọc một lớp cách nhiệt.
Chọn vật liệu chế tạo tháp là thép không gỉ X18H10T Nhiệt độ tính toán: ttt = tmax + 20
= 110+ 20 = 130oC Áp suất tính toán: ptt = pm
Trong đó: pm là áp suất làm việc, xem tháp chưng cất làm việc ở áp suất thường.
791,401 (kg/m 2 3 ) 2 Đáy và nắp elip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép
Với Dt = 1200 mm, tra bảng XIII.10, trang 382, Sổ tay
2 ta được ht 300mm, ℎ �ờ = 25 mm, ta được F 1,66 m 2
Các thông số của thép
X18H10T: Ứng suất cho phép tiêu chuẩn:
16, [3] Hệ số hiệu chỉnh khi có bọc cách nhiệt: � 0,95 Ứng suất cho phép: [�] = � [�]* = 0,95.141 = 133,95 (N/mm 2 )
Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường, chọn Ca=1mm
Tính bền thân chịu áp suất trong
Hệ số bền mối hàn � ℎ = 0,95
*Hệ số ăn mòn của thân:
Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường Ca= 2 mm (20 năm)
Hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường Cb= 0 mm
Hệ số bổ sung do dung sai Cc= 0 mm
Hệ số bổ sung để quy tròn kích thước C0= 1,005 mm
Vậy bề dày thực của thiết bị S = S’ + C = 4 mm
* Kiểm tra áp suất cho phép:
Vậy kết luận: bề dày thân tháp S = 4mm, đường kính ngoài tháp Dn = 1200 + 2.4 08mm.
Tính bền đáy và nắp
Đáy và nắp elip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10T
Với Dt = 1200 mm, tra bảng XIII.10, trang 382, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2 ta được ht 300mm, ℎ � ờ = 25 mm, ta được F = 1,66 m 2
Trong đó S – bề dày đáy nắp, mm; R = t
Bán kính cong bên trong ở đỉnh đáy (nắp) được ký hiệu là 4.h t, trong khi t là độ dày và ϕ h là hệ số bền mối hàn, thường lấy bằng 0,95 Giới hạn bền kéo của vật liệu X18H10T được xác định là [σk] T0.106 N/m2 Áp suất tính toán được ký hiệu là P, đơn vị N/m2, và hệ số ăn mòn được ký hiệu là Ca, đo bằng mm.
Hệ số ăn mòn của đáy và nắp:
Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường Ca= 2 mm (20 năm)
Hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường Cb= 0 mm
Hệ số bổ sung để quy tròn kích thước C0= 1,005 mm
Vậy bề dày thực của thiết bị S = S’ + C = 4 mm
Kiểm tra áp suất cho phép:
Vậy: Đáy và nắp elip có bề dày 4 mm, ht = 300 mm, hgờ= 25 mm, F = 1,66 m2
Tính toán mặt bích nối thân nắp đáy
Sử dụng bích liền không cổ bằng thép và chọn sơ bộ mặt bích theo kích thước Dt00 mm theo bảng XIII.27 trong Sổ tay QT&TB CNHH tập 2, chúng ta có thể thu được các số liệu cần thiết.
Bảng 6: Thông số mặt bích nối thân nắp đáy
Dt D Db Dl Do db Z h
D là đường kính ngoài mặt bích (mm); Db khoảng cách 2 tâm của 2 bulong ngoài cùng (mm)
Dl là đường kính gờ bích, Do là đường kính trong và ngoài của tháp (mm), db là đường kính bulong (mm), Z là số bulong trên một mặt bích, và h là chiều cao mặt bích (mm) Để đảm bảo độ kín cho thiết bị, chúng ta chọn đệm a-mi-ăng với bề dày 3mm.
Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn
Sử dụng mối ghép tháo được là phương pháp hiệu quả trong việc kết nối ống dẫn Đoạn ống nối thường là đoạn ngắn, được thiết kế với mặt bích hoặc ren để đảm bảo sự kết nối chắc chắn và thuận tiện cho việc tháo lắp.
Loại có mặt bích thường dùng với ống có đường kính d > 10 mm
Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính d ≤ 10 mm, đôi khi có thể dùng với d ≤ 32 mm Ống dẫn được làm bằng thép X18H10T
Bích được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ Ống dẫn sản phẩm đáy
Nhiệt độ sản phẩm đáy: tw= 110,05 oC
Tại nhiệt độ này thì: � � = 780,94 kg/m 3 và � � = 776,95 kg/m 3
Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị Chọn vận tốt chất lỏng trong ống nối vW = 2,5m/s (bảng II.2 trang 370 [1]) Đường kính trong của ống nối:
4.3445,69= √ = 0,025 m = 25 mm � Chọn ống Dy = 25 mm
Tra bảng XIII.32, trang 434, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2 ta được chiều dài đoạn ống nối l = 90 mm
Tra bảng XIII.26, trang 412, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2 ta được các thông số của bích ứng với p = 0,25 N/mm 2
Bảng 7: Thông số mặt bích nối ống dẫn sản phẩm đáy Ống Kích thước nối Bulong
Tại nhiệt độ tF= 101,19 oC: �� = 791,57 kg/m3 và �� = 786,69 kg/m3
Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối vw = 2 m/s (bảng II.2 trang 370 [1]) Đường kính trong của ống nối:
= 0,0311 m = 31,1mm � Chọn ống Dy = 32 mm
Tra bảng XIII.32, trang 434, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2 ta được chiều dài đoạn ống nối l
Tra bảng XIII.26, trang 412, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2 ta được các thông số của bích ứng với p = 0,25 N/mm 2
Bảng 8:Thông số mặt bích nối ống dẫn nhập liệu Ống Kích thước nối
38 120 90 70 Ống dẫn hơi ra khỏi tháp
Nhiệt độ của pha hơi tại đ ỉ n h t h á p l à t
Chọn vận tốc hơi ra khỏi đỉnh tháp là vHD 20 m/s.
L ư ợ n g h ơ i đ i v ào thiết bị ngưng tụ: GD= D.(R+1) 872,91 4,94= 4312,18 (kg/h) Đường kính trong của ống nối:
= 0,168 m = 168 mm � Chọn ống Dy = 200 mm
Tra bảng XIII.32, trang 434, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2 ta được chiều dài đoạn ống nối l
Tra bảng XIII.26, trang 414, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2 ta được các thông số của bích ứng với p = 0,25 N/mm 2
Bảng 9: Thông số mặt bích nối ống dẫn hơi ra khỏi thiết bị Ống Kích thước nối Bulong
219 290 255 232 16 8 16 Ống dẫn hơi vào đáy tháp
Nhiệt độ tại đáy tháp là 110,05 o C, khối lượng riêng của pha hơi tại đáy tháp là:
Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp là vHW = 20 m/s Với lưu lượng hơi đi vào đáy tháp:
� ′ F71,73 kg/h, đường kính trong của ống nối:
= 0,1691 m = 169,1 mm� Chọn ống Dy = 200 mm
Tra bảng XIII.32, trang 434, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2 ta được chiều dài đoạn ống nối l = 140 mm
Tra bảng XIII.26, trang 415, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2 ta được các thông số của bích ứng với p = 0,25 N/mm 2
Bảng 10: Thông số mặt bích nối ống dẫn hơi vào đáy tháp Ống Kích thước nối Bulong
219 290 255 232 16 8 16 Ống dẫn lỏng hoàn lưu
Nhiệt độ tại dòng hoàn lưu là 80,55 o C, vận tốc dòng chảy v = 2,5 m/s
Tại nhiệt độ này: � � = 814,395 kg/m 3 và � � = 807,45 kg/m 3
814,395 807,45 ℎ ℎ ℎ ℎ ℎ ℎ ℎ ℎ ℎ ℎ ℎ ℎ ℎ ℎ ℎ ��� Đường kính trong của ống nối:
= 0,0244 m = 24,4mm� Chọn ống Dy = 25 mm
Tra bảng XIII.32, trang 434, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2 ta được chiều dài đoạn ống nối l
Tra bảng XIII.26, trang 412, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2 ta được các thông số của bích ứng với p = 0,25 N/mm 2
Bảng 11: Thông số mặt bích nối ống dẫn lỏng hoàn lưu Ống Kích thước nối
Tính toán chân đỡ
Khối lượng riêng của thép CT3 và X10H18T là:
Khối lượng của tấm bích ghép thân và nắp:
Khối lượng của thân thiết bị: m th ân π
Khối lượng của đáy, nắp tháp: m đáy,nắp = 2 F S ρ = 2 1,66 0,004 7900 104 ,91 kg
� â â â â â â â â â â â â â â â = khối lượng chóp + khối lượng đĩa dưới chóp + khối lượng ống chảy chuyền
(bao gồm cả phần gờ chảy tràn) + khối lượng ống hơi.
Khối lượng tổng thể của một mâm được xác định bằng 2 lần khối lượng mâm không có lỗ và ống chảy chuyền, với bề dày của mâm là 4mm.
Khối lượng toluene giả sử chứa đầy tháp trong trường hợp nguy hiểm nhất:
Khối lượng của toàn tháp
Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên y chân và được làm bằng vật liệu CT3.
Hình 5: Kết cấu chân đỡ
Tải trọng cho phép của một chân đỡ:
G P m.g 15998,24 9,81 4 c 4 4 4 Để đảm bảo an toàn ta chọn Gc = 4.10 4 N
Tra bảng XIII.35, trang 437, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2
� chọn chân đỡ có các thông số:
Bảng 12: Thông số của chân đỡ
Thể tích của một chân đỡ:
V1 ch.đỡ = [2.(H-s).s.B2 + L.s.B].10-9 = [2.(400-16).16.330+260.16.200].10-9 = 4,887.10-3 m3 Khối lượng một chân đỡ: m1 ch.đỡ = V1 ch.đỡ.���3 = 4,887.10-3 7850 = 38,36 kg ~ 40kg t t n
Tru ùc thi eát bò
Chương 7: Tính toán thiết bị phụ
Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị ngưng tụ ống chùm, đặt nằm ngang Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 25x2:
- Nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ t v = 30oC và nhiệt độ ra tr`oC
- Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ ngưng tụ: 80,55 o C
Lượng nước làm lạnh cần dung
Hiệu số nhiệt độ trung bình
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
Hệ số truyền nhiệt lo g
Với: αngưng α n là hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh W/m 2 K α ngưng là hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tụ
W/m 2 K Σr t là nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu
Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống
Nhiệt độ trung bình của dòng nước đi trong ống là 45 o C Tại nhiệt độ này thì
- Khối lượng riêng của nước: ρ n = 990 kg/m 3
- Độ nhớt động lực của nước: μ n = 0,603.10 -3 N.s/m 2
K - Hệ số dẫn nhiệt của nước: λ n = 0,641 W/mK
Chọn Re 000 � vận tốc nước đi trong ống: vn = 0,58 m/s Số ống trong một đường nước: n = G N 4
Tra bảng V.II, trang 48, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2
Chuẩn số Reynolds: Re = ν n d tr ρ = 0,575.0,021.990
Chuẩn số Nusselt: Nu = 0,021 ε Re 0,8 Pr 0,43 ( Pr N
Trong đó εl là hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN tỷ lệ giữa chiều dài ống và đường kính ống, giả sử ε l = 1
+ Pr N là chuẩn số Prandlt của nước ở 45 o C nên Pr N = 3,925 (V.12, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2)
+ Pr w là chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình vách Suy ra
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: α
= 4450,68 Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q
Với tw2 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống)
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q = t w1 −t w2 (W/m 2 ) t Σr t
Trong đó: t là nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống) và Σr = δ t + r + r w1
Bề dày thành ống: δ t = 2 (mm);
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: λ t = 16,3
Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch: r1 = 1/5000; r2= 1/5800 (m2.K/W) Suy ra Σr t = 4,95.10 -4 (m 2 K/W) Vậy � � = 2019,74 (t w1 − t w2 )(**)
Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ Áp dụng công thức (3.65), trang 120, QT & TB trong CNHH tập 10
√ ℎℎ hh Đặt A = 0,725 √ hh hh với [r R ] [J/kg] μ hh (t D −t w1 ).d ng
(80,55−t w1 ) 0, 25 μ hh d ng Ẩn nhiệt ngưng tụ: r hh =r D = 392648,06 (J/kg)
Nhiệt tải ngoài thành ống: q 1 = α 1 (80,55 − t w1 ) = A (80,55 − t w1 )0,75 (***)
Từ (*), (**), (***) ta dùng phương pháp lặp để xác định � �� , � �� Chọn � �� = 67 o C
Tại nhiệt độ trung bình: t
Khối lượng riêng: ρ hh = 821,168 kg/m 3
Sử dụng bảng I.101, trang 91, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1 tra và nội suy độ nhớt của � �
= 0,339 × 10 −3 (N.s/m 2 ); � � = 0,338 × 10 −3 (N.s/m 2 ); Độ nhớt của hỗn hợp:
Sử dụng bảng I.130, trang 134, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1 tra và nội suy λ B = 0,1319W/mK; λ T = 0,1246 W/mK λ hh = λ B ��������������� � + (1 − ��������������� � ) λ T −
Hệ số dẫn nhiệt: λ hh = 0,1318 W/mK
Từ (***): q 1 = 3897,442 (80,55 − 67)0,75= 27525,43 (W/m 2 ) Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt=q1= 35895,48 (W/m2)
Từ (**), ta có: � � 2 S,372 o C Suy ra �� � = 3,3512
Bề mặt truyền nhiệt trung bình: � ��
Chiều dài ống truyền nhiệt: L’= 18,22 = 2,47 (m)
Thiết bị dạng chữ U có 2 chặng, tổng chiều dài 2,5 m.
Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Thiết bị làm nguội sản phẩm hàng đầu hiện nay là ống chùm truyền nhiệt, được chế tạo từ thép X18H10T Ống có kích thước ống trong là 16x1,6 mm và kích thước ống ngoài phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.
- Nước làm lạnh đi trong ống 16x1,6 với nhiệt độ t 1 = 30oC và nhiệt độ ra t2`oC
- Sản phẩm đỉnh đi trong ống 25x2,5 với nhiệt độ t D ,55oC và nhiệt độ ra t’D = 40oC
Suất lượng nước cần dùng để làm mát sản phẩm đỉnh:
Hiệu số nhiệt độ trung bình
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
Hệ số truyền nhiệt lo g = (80,55−40)−(60−30)
K α n là hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh trong ống W/m 2 K α D là hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh W/m 2 K Σr t là nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu
*Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh ở ống ngoài
Tại nhiệt độ trung bình �̅ 2 `,275 o C.
� � �� Đường kính tương đương dtđ =Dtr - dng = 0,02 – 0,016 = 0,004 (m)
Chuẩn số Nusselt: Nu = 0,021 ε Re 0,8 Pr 0,43 ( Pr D
Trong đó ε l là hệ số hiệu chỉnh, chọn ε l = 1
Pr D là chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở 60,275 o C nên
Pr w1 là chuẩn số Prandlt của sp đỉnh ở nhiệt độ trung bình vách Suy ra
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống ngoài: α
Nhiệt tải phía sản phẩm đỉnh: q D α D
Với tw1 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đỉnh (ngoài ống nhỏ)
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q = t w1 −t w2 (W/m 2 ) t Σr t
Trong đó: t là nhiệt độ của vách tiếp xúc với và Σr = δ t + r + r w2
Tra bảng XII.7, trang 313, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: λ t = 16,3 (W/mK)
Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.K/W) Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh r2 = 1/5800
(m2.K/W) Suy ra Σrt = 4,7.10-4 (m2.K/W) Vậy qt 2125 (tw1 − tw2)
Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ
Vận tốc nước đi trong ống: �
Chuẩn số Nusselt: Nu = 0,021 ε Re 0,8 Pr 0,43 ( Pr N
Trong đó ε l là hệ số hiệu chỉnh, chọn ε l = 1
+ Pr N là chuẩn số Prandlt của sản phẩm nước ở 45 o C nên Pr D = 3,925
Pr w2 là chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình vách Suy ra
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: α
Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q
Chọn tw1 = 59,5oC Các tính chất lý học của sản phẩm: CR = 1925,881 (J/kg.độ); μR 0,3919.10 -3 N.s/m 2 ; λ R = 0,1359 W/mK
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt=qD= 3437.455 (W/m2)
Pr w1 là chuẩn số Prandlt của sp đỉnh ở nhiệt độ trung bình vách.
Bề mặt truyền nhiệt trung bình: � �� = 18,976.1000
Giả sử TB gồm 19 ống.
Chiều dài ống truyền nhiệt: � ′ �
Thiết bị đun sôi đáy tháp
Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp là nồi đun Kettle Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 25x2 Các thông số của ống:
Hơi đốt là hơi nước ở 2 at đi trong ống 25x2 Tra bảng 1.251, trang 314
[2] ta được: Nhiệt hóa hơi: r H2O = rN "05,6 kJ/kg và nhiệt độ sôi: tH2O
Dòng lỏng tại đáy có nhiệt độ:
- Trước khi vào nồi đun (lỏng): t s1 = 110,05oC
- Sau khi được đun sôi (hơi): ts2 = 110,5oC Nhiệt độ sôi của dòng đáy ở ngoài ống: t s t s
Suất lượng hơi nước cần dùng
Nhiệt lượng cần thiết cho thiết bị đun đáy tháp là
Hiệu số nhiệt độ trung bình
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
Hệ số truyền nhiệt lo g = (119,62−110,05)−(119,62−110,5)
Với: α n là hệ số cấp nhiệt của hơi đốt W/m 2 K α s là hệ số cấp nhiệt của dòng lỏng đáy W/m 2 K Σr t là nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q = t w1 −t w2 (W/m 2 ) t Σr t
Trong đó: t w1 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi đốt trong ống ; t w2 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy ngoài ống ( o C) và Σr
Bề dày thành ống: δ t = 2 (mm);
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: λ t = 16,3 (W/m o K)
Nhiệt trở lớp bẩn trong ống và lớp cáu ngoài ống: r1 = r2
Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ống
Khối lượng riêng của pha hơi trong dòng sản phẩm ở ngoài ống:
Khối lượng riêng: ρ hh = 776,73 kg/m 3
� ) (λ T − λ B ) = 0,1166W/mK Sức căng bề mặt: � � = 17,566.10 -3 N/m và � � = 18,321.10 -3 N/m
Nhiệt dung riêng của benzen: CB= 2150,84 J/kg.K
Nhiệt dung riêng của toluen: CT= 2100,84 J/kg.K
Nhiệt hóa hơi: rB= 370,693 J/kg; rT= 362,352 kJ/kg r = x̅ W r B + (1 − x̅ W ) r T = 362,434(kJ/kg)
Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt trong ống
Dùng phương pháp lặp để xác định t w1 , t w2 Chọn t w1 = 119,56 o C
Nhiệt độ trung bình của màng nước ngưng tụ: tm = 119,56+119,62
Tại nhiệt độ này thì: � � = 943,382 kg/m 3 ; μ N = 0,232.10 -3 N.s/m 2 ; λ N = 0.686
Nên α N = 58559,38 (W/m 2 K) qn = αN (tN − tw1) = 3513,563 (W/m2) Xem mất mát nhiệt là không đáng kể thì qt=qn Suy ra: t w2 = t w1 − � � ΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣ � = 117,733 o C
Với q=qt, ta có αS = 481,3527 (W/m2K) nên qs = αs (tw2 − ts) = 3587,497 (W/m2)
Chọn chiều dài trung bình là 7 m (phần thẳng là 3m cho mỗi chiều và phần cong với bán kính cong= 1 khoảng cách 2 ống thẳng).
= 300,1 Tra bảng V.11, trang 48, Sổ tay QT&TB CNHH tập 2
Chọn số ống là 331 ống. a= 11: số ống trên một cạnh của hình sáu cạnh ngoài cùng. b= 2a-1!: số ống trên đường chéo của hình sáu cạnh.
Bước ống t=1,5 dn =0,0375 m Khi đó,đường kính trong của thiết bị là D= t.(b+1)+4dn 0,925m
Thiết bị đun sôi nhập liệu
Chọn thiết bị đun sôi nhập liệu là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, với ống truyền nhiệt được chế tạo từ thép X18H10T, có kích thước 25x2.
Hơi đốt là hơi nước ở 2 at, đi trong ống 25x2 Ta được các thông số:
- Nhiệt độ hóa hơi: � � 2 � = � � = 2205,6 (kJ/kg)
- Nhiệt độ sôi: � � � = � � = 119,62 oC Dòng nhập liệu có nhiệt độ:
- Trước khi vào nồi đun (lỏng): 25 o C
- Sau khi được đun (lỏng sôi): 101,19 o C
Suất lượng hơi nước cần dùng:
Hiệu số nhiệt độ trung bình:
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
Với: α n là hệ số cấp nhiệt của hơi đốt W/m 2 K α F là hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu W/m 2 K Σr t là nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q = t F1 −t F2 (W/m 2 ) t Σr t
Bề dày thành ống: δ t = 2 (mm);
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: λ t = 16,3 (W/mK)
Nhiệt trở của lớp bẩn trong ống: r1 = 1/5000
(m2.K/W) Nhiệt trở lớp cáu ngoài ống: r2 = 1/5800
Suy ra Σrt = 4,95.10-4 (m2.K/W) Vậy qt= 2019,74 (tF1 − tF2)
Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống:
Tại nhiệt độ sôi trung bình của dòng nhập liệu: � � = 63,1 o C
� ℎℎ = 1919,175 J/kg.K Áp dụng công thức (V.35) trang 12, [2] ta được
Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống:
Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước đi phía vỏ:
Dùng phép lặp, chọn tF14oC
Nhiệt độ trung bình của màng nước ngưng tụ: tm= 111,81oC
Tại nhiệt độ này: � � 949,552 kg/m 3 ; μ n = 0,252.10 -
3 N.s/m 2 ; � � = 0,6852 W/mK αN = 14356,89 W/m2.K � qn = αN.(tn-tF1) = 112127 W/m2 � qt=qn= 112127 W/m2
� tF2 = tF1 – qt Σrt = 48,497oC Tại nhiệt độ này:
� ℎℎ = 1847,91 J/kg.K Áp dụng công thức (V.35) trang 12, [2] ta được �� � = � � �
Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
Khi đó, chiều dài ống truyền nhiệt: � ′ = 4,027