Thiết kế tháp đệm làm việc ở áp suất thường chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử acetone – nước

Cùng với sự phát triển của khoa học nói chung và ngành công nghệ thực phẩm nói riêng có sử dụng hóa chất, con người ngày càng có những đòi hỏi cao về các hợp chất tinh khiết để sử dụng trong những thí nghiệm mô phỏng hay ngành công nghiệp của riêng nó. Vì thế các phương pháp để có thể nâng cao được độ tinh khiết của sản phẩm và phù hợp với yêu cầu sử dụng được chú trọng. Các phương pháp như cô đặc, chưng cất, hấp thu được sử dụng để phân tách các chất với mức độ tinh khiết cao. Tuy nhiên, tùy theo đặc tính của sản phẩm mà ta chọn phương pháp thích hợp để sử dụng. Đối với hệ 2 cấu tử acetone – nước là hệ 2 cấu tử lỏng tan hoàn toàn vào nhau, nên ta dùng phương pháp chưng cất để phân riêng và làm tăng độ tinh khiết cho acetone. Đồ án môn học Các quá trình và thiết bị trong Công nghệ thực phẩm là một môn học mang tính tổng hợp các kiến thức trong suốt quá trình học tập, đặc biệt là Cơ học – Thủy lực – Khí nén, Truyền nhiệt, Truyền khối và kết hợp với kiến thức vẽ kỹ thuật mà sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm đã được tìm hiểu. Môn học này giúp sinh viên hiểu được các phương pháp tính toán về kết cấu, công nghệ và hướng đi trong cách thức xây dựng mô hình máy móc hay nhà xưởng. Đồng thời, đây cũng là bước đầu giúp sinh viên vận dụng những kiến thức đã học để vận dụng tính toán một cách tổng hợp và khai thác những khả năng yêu cầu về việc tự học, phân bổ thời gian, và chịu đựng áp lực dưới hạn nộp bài của sinh viên. Nhiệm vụ của đồ án Các quá trình và thiết bị trong Công nghệ thực phẩm là: Thiết kế tháp đệm làm việc ở áp suất thường để chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử Acetone- nước với năng suất tính theo sản phẩm 5000 kg/h có nồng độ đầu là 37% , nồng độ đỉnh là 99.5% và sản phẩm đáy là 0.5% khối lượng acetone.

Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp acetone-nước có nồng độ 37% (theo khối lượng) được bơm từ thùng chứa nguyên liệu lên thùng cao vị, nơi mức chất lỏng được giới hạn bởi cửa chảy tràn Hỗn hợp này tự chảy xuống thiết bị gia nhiệt, nơi được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa cho đến khi đạt nhiệt độ sôi Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất, trong đó pha lỏng tiếp xúc với hơi từ thiết bị gia nhiệt đáy tháp, tạo ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần Khi lên cao trong tháp, nhiệt độ giảm, khiến các cấu tử có nhiệt độ sôi cao ngưng tụ, làm tăng thành phần dễ bay hơi trong pha hơi Cuối cùng, ở đỉnh tháp, thu được hỗn hợp với acetone chiếm 99.5% khối lượng, trong khi ở đáy tháp là hỗn hợp lỏng chủ yếu là nước Hỗn hợp hơi sau đó được đưa vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu, nơi nó ngưng tụ hoàn toàn nhờ nước lạnh, và phần chất lỏng không đạt sẽ được hồi lưu về đỉnh tháp, trong khi phần còn lại được làm lạnh và chuyển vào thùng chứa sản phẩm đỉnh.

Chất lỏng hồi lưu di chuyển từ trên xuống dưới, gặp nhiệt độ cao từ dưới lên, dẫn đến một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp như acetone bốc hơi lên, trong khi phần khó bay hơi như nước trong pha hơi ngưng tụ xuống Kết quả là nồng độ cấu tử khó bay hơi ngày càng tăng, và ở đáy tháp, ta thu được hỗn hợp lỏng chủ yếu là nước, cùng với một lượng nhỏ acetone Hỗn hợp này được đưa ra khỏi đáy tháp, một phần vào thùng chứa sản phẩm, phần còn lại được sử dụng cho thiết bị gia nhiệt đáy tháp để đun sôi và bốc hơi hỗn hợp Nước ngưng từ các thiết bị sẽ được xử lý qua thiết bị tháo nước ngưng.

Tháp chưng cất làm việc liên tục, hỗn hợp đầu và sản phẩm được cung cấp cũng như lấy ra liên tục.

Tính toán cân bằng vật chất

Cân bằng vật chất

- Năng suất tạo thành sản phẩm: 5000 kg/h.

- Nồng độ nguyên liệu đầu :37% khối lượng

- Nồng độ sản phẩm đỉnh: 99.5% khối lượng

- Nồng độ sản phẩm đáy: 0.5% khối lượng

Kí hiệu các đại lượng:

- G F , GF’ : lượng nguyên liệu đầu vào, kmol/h, kg/h;

- G P , GP’: lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h, kg/h;

- G W ,GW’: lượng sản phẩm đáy, kmol/h, kg/h;

- x F , xF’: nồng độ phần mol của acetone trong nhập liệu (phần mol), (phần khối lượng).

- x P , xP’: nồng độ phần mol của acetone trong sản phẩm đỉnh (phần mol), (phần khối lượng).

- x W, xW’ : nồng độ phần mol của acetone trong sản phẩm đáy (phần mol), (phần khối lượng).

Các thông số tự chọn:

- Áp suất hơi nước đun sôi ở đáy tháp: p = 2.5 at

- Nhiệt độ vào, ra của dòng nước làm nguội sản phẩm: t V = 25°C, tR = 40°C

- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: t WR 40°C Phương trình cân bằng vật chất của toàn tháp:

G F = G P + G W Đối với cấu tử dễ bay hơi (Acetone):

Chuyển đổi từ phần khối lượng sang phần mol: x F ′ x =M 1 0.37

0.005 18 Khối lượng mol sản phẩm trung bình :

Hay GF’6×05.95 kg/h; Gw’= 8605.90 kg/h

Tìm chỉ số hồi lưu tối thiểu

Đồ thị cân bằng acetone (x)-nước (y) thể hiện phần trăm mol của hai cấu tử trong hỗn hợp Trong đó, y là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi, di chuyển từ dưới lên trên, còn x là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, di chuyển từ trên xuống Bảng 2 minh họa sự thay đổi nồng độ của pha lỏng và hơi theo nhiệt độ.

0 Đồ thị cân bằng pha lỏng(x) và hơi(y) y x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 60.3 72 80.3 82.7 84.2 85.5 86.9 88.2 90.4 94.3 100 t 100 77.9 69.6 64.5 62.6 61.6 60.7 59.8 59 58.2 57.5 56.9

Dựa vào số liệu từ bảng, chúng ta có thể vẽ đồ thị đường cân bằng giữa lỏng (x) và hơi (y) Giá trị xp được xác định là 0.984, và đường tiếp xúc với đường cân bằng cắt trục tung tại điểm y* = 0.5.

Với y* là nồng độ acetone trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng, Rmin được xác định theo công thức sau:

Chỉ số hồi lưu thích hợp

Chỉ số hồi lưu thích hợp của tháp chưng luyện được xác định qua chỉ số hồi lưu tối

R X = β ∗ R min Với β là hệ số dư

Để xác định chỉ số hồi lưu tối ưu nhằm giảm thiểu thể tích tháp, cần thiết lập mối quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và thể tích tháp Rx -V.

Thể tích tháp tỷ lệ với tích số Nlt(Rx +1), với Nlt là số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết).

Để thiết lập mối quan hệ giữa Rx và Nlt(Rx + 1) trên đồ thị, cần xác định các trị số Nlt cho từng RX khác nhau Điểm cực tiểu của đường cong sẽ cung cấp giá trị thể tích thiết bị nhỏ nhất, đồng thời chỉ ra chỉ số hồi lưu thích hợp Rx tương ứng với điểm đó.

Với mỗi giá trị Rx, ta vẽ đường làm việc của 2 đoạn tháp, từ đó xác định số bậc thay đổi nồng độ Nlt

Mỗi giá trị Rx sẽ tìm được y* là trục tung của đồ thị cân bằng để suy ra phương trình làm việc và xác định số đĩa lý thuyết. y ∗ = x P

Từ các đồ thị trên, ta thu được bảng số liệu sau:

Bảng 3: Số đĩa lý thuyết tương ứng với số bậc thay đổi nồng độ

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa R x và N lt (R x +1)

 Từ đồ thị trên ta xác định được Rth= 1.84 => Số bậc thay đổi nồng độ hay số đĩa lý thuyết là 10.

Ta có: Chỉ số nhập liệu L = G F = 563.16 = 6.46

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng đường thẳng:

 y = 2.924x -0.00398 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất có dạng đường thẳng:

Vậy phương trình làm việc của tháp là:

- Phần chưng: y = 2.924x -0.00398 Đồ thị cân bằng pha lỏng (x) và hơi (y)

3.4 Cân bằng năng lượng a Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất

- Phương trình cân bằng năng lượng toàn tháp chưng cất:

- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp Q F :

Ta có: GF = 13605.95 (kg/h) tF = 67°C là nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp

CF là nhiệt dung riêng đầu vào của hỗn hợp (J/kg.độ)

100 Đồ thị thị pha lỏng- hơi phụ thuộc theo nhiệt độ

Tại 67°C, ta có: Cnước = 4190.31 (J/kg.độ)

- Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp Q D2 :

- Hơi nước làm việc ở điều kiện áp suất 2.5 at: t2 = 126.56℃; r2 = 2184.40 kJ/kg (Bảng 39/35, [3]; I.212/255, [1])

- Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu vào tháp QR

Q R = G R × C R × t R Với: CR = Cp là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh (J/kg.độ)

Tại tp = 56.8°C, ta có: Cnước = 4185.8 J/kg.độ; CAcetone = 2242.6 J/kg.độ

- Lượng lỏng hồi lưu: G R = GPR = 5000 × 1.65 = 8250 (kg/h)

- Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy:

J/h Trong đó: λ p là nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, J/kg

- Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp λP: λ P = λ aceton y P1 ′ + λ nước y P2 ′) = λ aceton y P1 ′ + λ nước (1 − y P1 ′)

0.995×58+(1−0.995)×18 λ acetone , λ nước là nhiệt lượng riêng của acetone và nước ở đỉnh tháp (J/kg) y ′ , y ′ : phần khối lượng của cấu tử acetone và nước ở đỉnh tháp p1 p2

Ta có: λ acetone = r acetone + t P c acetone λ nước = r nước + t P c nước Ở nhiệt độ tP = 56.8°C, ta có: c acetone = 2242.6(J/kg.độ); c nước = 4185.8 (J/kg.độ) r acetone = 521842.75 (J/kg); r nước = 2425831.92(J/kg)

- Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp Qw

G ′ : lượng sản phẩm đáy (kg/h).

C W : nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg) tW: nhiệt độ của sản phẩm đáy (℃)

Ta có: tw = 98.6°C; xW′ = 0.005 (phần khối lượng) Ở nhiệt độ tw, ta có: c nước = 4217.05 (J/kg.độ); c acetone = 2430.45 (J/kg.độ) c w = x w ′ × c acetone + (1 − x w ) × c nước

- Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qxq2:

Ta có Qxq2 bằng 5% lượng nhiệt lượng tiêu tốn ở đáy tháp:

- Nhiệt lượng do hơi nước ngưng mang ra khỏi tháp Qng2

Q ng2 = G ng2 × C 2 × t 2 = D 2 × C 2 × t 2 Với: G ng2 là lượng nước ngưng tụ (kg/h)

C2, t2 là nhiệt dung riêng và nhiệt độ hơi nước ngưng

Vậy: lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp:

0.95×2184.40×1000 b Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

Phương trình cân bằng nhiệt thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:

- Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1

- Dùng hơi nước làm việc ở áp suất 2.5 at:

D1: lượng hơi đốt, kg/h r1: ẩn nhiệt hóa hơi, 2184.40 kJ/kg λ : hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng của hơi đối), J kg t1: nhiệt độ nước ngưng, 126.56℃;

C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ.

- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào Q f :

- Suất lượng hỗn hợp đầu: G F = 13906.95 (kg/h)

Chọn nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp: t’F = 25°C, ta có: c acetone = 2195 J/kg ; c nước = 4182.29J/kg; (Bảng I.147/165; I.153/172, [1]) c F = x ′ × c acetone + (1 − x F ) × c nước

- Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng1:

Q ng1 = G ng1 × c 1 × t 1 = D 1 × c 1 × t 1 Với: Gng1 là lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt D1

- Nhiệt lượng thất thoát ra môi trường xung quanh Qxq1

- Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh bằng 5% nhiệt tiêu tốn:

1 0.95r 1 0.95×2184.40×1000 c Cân bằng nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ

- Phương trình cân bằng năng lượng:

Trong đó: Gnl là lượng nước lạnh tiêu tốn để ngưng tụ (kg/h)

Nhiệt dung riêng của nước (Cn) ở nhiệt độ trung bình được đo bằng đơn vị J/kg.độ Trong đó, t1 và t2 lần lượt là nhiệt độ đầu vào và đầu ra của thiết bị ngưng tụ, được tính bằng độ Celsius (°C) Ẩn nhiệt ngưng tụ (r) được xác định bằng đơn vị J/kg.

TB 2 2 Ở 32.5°C, Cn = Cnước = 4180.98 (J/kg.độ) (Bảng I.147/171, [1])

- Ở thiết bị ngưng tụ, t P = 56.8°C, ta có: r acetone = 521842.75 (J/kg); r nước = 2425831.92(J/kg) (Bảng I.212/254, [1]) r P = r acetone y P ′ + (1 − y P ) r nước

= 521842.75 × 0.995 + (1 − 0.995) × 2425831.92 = 531362.69 (J/kg) Vậy: lượng nước lạnh cần tiêu tốn để ngưng tụ là:

= 120312.31(kg/h)4180.98 × (40 − 25) d Cân bằng nhiệt lượng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

G n2 = c n (t 2 − t 1 ) Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh t ′ 1 = t P = 56.8℃

Nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh, ta chọn t ′ 2 = 30℃

Nhiệt độ vào, ra của nước làm nguội sản phẩm đỉnh: t1 = 25°C, t2 = 40°C

Nhiệt độ trung bình sản phẩm đỉnh: t

= 56.8+30 2 = 43.4℃ c acetone = 2251.05 (J/kg độ); c nước = 4163.65(J/kg độ) (Bảng I.147/166,

 c P = x P ′ × c acetone + (1 − x P ′) × c nước c P = 0.995 × 2251.05 + (1 − 0.995) × 4163.65 = 226V0.61(J/kg độ) Vậy: lượng nước làm nguội sản phẩm cần dùng là:

= 6479.08(kg/h) 4163.65 × (40 − 25) e Cân bằng nhiệt lượng thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

Nhiệt độ vào của sản phẩm đáy: t " 1 = t W = 98.6℃

Nhiệt độ ra của sản phẩm đáy, chọn: t " 2 = 40℃

Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đáy: t " TB = 98.6+40 2 = 69.3℃

Suy ra: c acetone = 2335.23 (J/kg độ) ; c nước = 4197.15 (J/kg độ)

(Bảng I.153/172, [1]); (Bảng I.147/166, [1]) c W = x W ′ × c acetone + (1 − x W ′) × c nước c W = 0.005 × 2335.23 + (1 − 0.005) × 4197.15 = 4187.84(J/kg)

- Nhiệt độ vào, ra của nước làm nguội sản phẩm đáy: t1 = 25°C, t2 = 40°C

Vậy: lượng nước cần để làm nguội sản phẩm đáy:

Tính toán thiết kế thiết bị chính

Tính toán đường kính tháp

Công thức tính đường kính tháp Dt:

D = √ G h t 0.785 × ω h Trong đó: ω h là tốc độ hơi trung bình (m/s)

Gh là lưu lượng của pha hơi (m3/s)

Do sự biến đổi của lượng hơi và lượng lỏng theo chiều cao của tháp, cũng như sự khác biệt giữa các đoạn, đường kính của đoạn chưng và đoạn cất sẽ được tính toán một cách khác nhau.

Ta có nhiệt độ trung bình đoạn cất: t = t F +t P = 67+56.8 = 61.9℃ tb 2 2

Ta có: ρ acetone = 743.43 (kg/m 3 ); ρ nước = 981.96 (kg/m 3 ) (Bảng I.2/9;I.5/11,

Nồng độ phần mol trung bình của chất lỏng: x

 Xác định � ��� (pha hơi) ρ yTB

= [M1×y tb1 +(1−y 22.4T tb1 )×M2]×237 (kg/m 3 )Với nồng độ phần mol trung bình đoạn cất là xtb = 0.57, dựa theo phương trình đường làm việc đoạn cất y = 0.623x + 0.371, ta có y tb = 0.648 × 0.57 + 0.346 = 0.715

0 Đồ thị thị pha lỏng- hơi phụ thu cô theo nhiệt đô

Dựa vào đồ thị T-xy, ta tìm được tại ytb = 0.715, thì nhiệt độ ttb = 58.84°C ρ yTB ρ yTB

- Tốc độ trung bình đi trong đoạn cất là: ω 2 ×σ d

Trong đó: ω s : tốc độ sặc, m/s σ d : bề mặt riêng của đệm, m 2 /m 3

Vd: thể tích tự do của đệm, m3/m3 g: gia tốc trọng trường

Trong đó: ω ′ - tốc độ là đảo pha, m/s

Chọn vòng thép có kích thước 100×100×10 mm làm vật đệm, theo bảng phụ lục 17 [3], thể tích tự do đạt 0.72 m³/m³ và bề mặt tự do riêng là 60 m²/m³.

G y R+1 1.84+1 μX: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình μ n : độ nhớt của nước ở 20℃ μX=0.448 × 10 −3 ; μ n =1× 10 −3 (Bảng I.101/93, [1])

- Lưu lượng pha hơi đi trong phần cất của tháp là:

=> Quy về đường kính tiêu chuẩn là 1.2m.

Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t

Tại 82.8°C, ta có: ρ acetone = 715.36 (kg/m 3 ) ; ρ nước = 970.04(kg/m 3 )

Nồng độ phần mol trung bình: x

Với x’tb = 0.078, theo phương trình đường làm việc đoạn chưng, ta có: y’tb = y = 0.648 × 0.214 + 0.346 = 0.485

 Dựa vào đồ thị T-xy, tại y’tb ta tìm được nhiệt độ làm việc là t’tb = 61°C ρ′ = [58y′ tb +(1−y′ tb )18]×273 = [58×0.485+(1−0.485)×18]×273

- Tốc độ trung bình đi trong đoạn chưng là: ω 2 ×σ ×ρ μ 0.16

Trong đó: ω s : tốc độ sặc, m/s σ d : bề mặt riêng của đệm, m 2 /m 3

VD: thể tích tự do của đệm, m2/m3 g: gia tốc trọng trường, g=9.81m/s 2 lg [ ′2 s d ytb g × V 3 × ρ X tb μ X × ( )0.16 μ n

Với ω ′ : tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương còn gọi là đảo pha, m/s

G y R+1 1.84+1 μX: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình μ n : độ nhớt của nước ở 20℃ μ X =0.217 × 10 −3 ; μ n =1× 10 −3 (Bảng I.101(93)[1]) lg [ ω ′2 × 60 ×

- Lưu lượng pha hơi đi trong phần chưng của tháp là:

 Kết quả tính gần với giá trị đường kính theo tiêu chuẩn là: 1.2 m

=> Quy về đường kính tiêu chuẩn Dtc = 1.2m

Vì Dchưng = Dcất , nên đường kính của tháp chưng cất là 1.2m

Ta có: Đường kính của đệm là 100mm, đường kính tháp là 1.2m

=> D đệm = 0.2 = 1 , đường kính đệm nằm trong khoảng 1 < D đệm < 1

Chiều cao

a Chiều cao tương đương của phần cất

Ta có m là gía trị trung bình của các góc nghiêng của đường cân bằng y=f(x) với mặt phẳng ngang, ta tính gần đúng theo tỷ lệ thu được: m= 0.28 h td

1.84 Trong khoảng từ xP tới xF, số bậc thay đổi nồng độ là: N1=7, vậy chiều cao của phần

H 2 = h td × N2 = 1.81 × 7 = 12.6m b Chiều cao tương đương của phần chưng

Giá trị trung bình của các góc nghiêng của đường cân bằng y=f(x) với mặt phẳng ngang được ký hiệu là m, và được tính gần đúng theo tỷ lệ: m = 2.2 h td.

Trong khoảng từ xP tới xF, số bậc thay đổi nồng độ là: N=3 vậy chiều cao của phần

 Vậy chiều cao của phần thân tháp là H= H1 + H2 7.

Trong phần cất của tháp ta chia làm 3 đoạn đệm, giữa các đoạn đệm có khoảng không gian là 0.3m.

Khoảng không gian phần đỉnh tháp để đặt đĩa phân phối và ống hồi lưu sản phẩm đỉnh là 1m.

Khoảng không gian giữa đoạn cất và đoạn chưng là 1m.

Khoảng cách không gian cho hồi lưu đáy và để đặt ống hồi lưu sản phẩm đáy là 1m Vậy tổng chiều cao của toàn bộ tháp là : H t = H + H3 +3+0.3×2= 18.3 (m).

Tính trở lực cho tháp

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất được tính bằng công thức g tb = g d + g 1 2 gtb, trong đó g d là lượng hơi đi ra khỏi tháp tính bằng kg/h hoặc kmol/h, và g1 là lượng hơi đi vào từ phần dưới cùng của đoạn cất cũng tính bằng kg/h hoặc kmol/h.

Xác định lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp: g d = G R + G P = G P (R + 1) = 5000 × (1.65 + 1) = 13250 (kg/h) Xác định lượng hơi đi vào vào đoạn cất: lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng g 1 = G 1 + G P

Từ hệ phương trình {g1y1 = G1x1 + GPxP và g1r1 = gdrd, với G1 là lượng lỏng đi vào của đoạn cất, r1 là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào và rd là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra ở đỉnh tháp, ta có thể tính r1 tại t1 = tF g℃ Cụ thể, ẩn nhiệt hóa hơi của acetone là 511.1 kJ/kg và của nước là 2394.85 kJ/kg (theo Bảng I.212/254, [1]).

Tính rd tại tP = 58.6°C, xP = 0.984, yd = 0.981 r acetone = 520.34 (kJ/kg); r nước = 2424.89 (kJ/kg) (Bảng I.212/254,

=> {g1y1 = 0.154G1 + 5000 × 0.984 g 1 (2394.85 − 1883.75y 1 ) = 13250 × 556.53 g1 = 7217.75 (kg/h) Giải hệ phương trình, ta được: {y1 = 0.729

- Lượng hơi đi vào đoạn chưng: g′ tb g′ n + g

Do lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng g′ n = g 1 g′ tb

= g 1 2 +g′ 1 Lượng hơi đi vào đoạn chưng g′1, lượng lỏng G′1 và hàm lượng lỏng x’1 được xác định theo hệ phương trình sau:

Tại đáy phần chưng có tw = 96.8℃: r acetone = 474.72 (kJ/kg); r nước = 2262.55(kJ/kg); (Bảng I.212/254, [1]). r ′ 1 = r a y ′ + (1 − y ′ ) × r b = 474.72 × 0.0545 + (1 − 0.0545) × 2262.55

- Trở lực với tháp đệm được xác định theo công thức sau:

∆P ư : Tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha có tốc độ bằng tốc độ khí khi đi qua đệm khô, N/m 2

∆P k : Tổn thất áp suất của đệm khô, N/m 2 ρX, ρ y : Khối lượng riêng của pha pha lỏng và hơi kg/m 3 μX, μ y : độ nhớt của lỏng và hơi (N.s/m 2 )

Ta có: A = 515 ; m = 0.342; n=0.19; c = 0.038 (Tra bảng IX.7-II.189) Đoạn cất với t = 61.9℃, μ y = 82.7 × 10 −7 , μX = 0.457 × 10 −3

- Trở lực của đoạn cất:

Với Rey>400, tổn thất áp suất của đệm khô xác định theo công thức sau:

- Trở lực của đoạn chưng:

Với Rey>400, tổn thất áp suất của đệm khô xác định theo công thức sau:

)Vậy tổng lượng áp suất tổn thất là: ∆P ư (tháp) = 370742N/m 2

Chọn và thiết kế kết cấu thiết bị

Tính các đường kính ống

Để tính toán đường kính của các ống trong hệ thống, bao gồm ống nhập liệu, ống dẫn sản phẩm đỉnh, ống hồi lưu sản phẩm đỉnh, ống dẫn sản phẩm đáy và ống hồi lưu sản phẩm đáy, ta sử dụng công thức d = √(0.785 × V × ω), trong đó d là đường kính ống, V là lưu lượng và ω là vận tốc dòng chảy.

G: lưu lượng của dòng pha, kg/s ρ: khối lượng riêng trung bình của pha đó (kg/m 3 )

5.1.1 Tính đường ống dẫn sản phẩm đỉnh dd = √ , (Bảng II.36/369, [1])

=> d = 0.203=> quy chuẩn lấy đường kính 0.2 m 0 mm

5.1.2 Tính đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh

Tại tpV.8C, ta có ρ acetone = 749.52 (kg/m 3 ); ρ nước = 984.44 (kg/m 3 )

Với chất lỏng tự chảy từ bộ phận tách lỏng vào tháp, ω = 0.1-0.5 m/s, ta chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu ω = 0.3 m/s.

 dhld = 0.119=> chọn đường kính ống bằng 0.1m với d = 0.1 m 0 mm

Tại tF = 67C, ta có ρacetone = 736.5 (kg/m3); ρnước = 979.15(kg/m3)

Với chất lỏng tự chảy vào tháp, ω=0.1-0.5 m/s, ta chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu ω=0.3m/s.

 dhld = 0.184=> chọn đường kính ống bằng 0.2 m = 200 mm

5.1.4 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy

- Tại tF.6C, ta có ρacetone = 694.82 (kg/m3); ρnước958.98 = 958.98 (kg/m3)

958.82 ω=0.1-0.5 m/s, ta chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu ω=0.3 m/s.

 Dw = 0.140=> chọn đường kính ống bằng 0.15 m0 cm với d=0.2 m khi làm việc ở áp suất

5.1.5 Đường ống hồi lưu sản phẩm đáy

 d = 0.34 > quy chuẩn lấy đường kính 0.2 m 00 mm

Tháp chưng luyện được thiết kế với hình trụ thẳng đứng, hoạt động hiệu quả trong khoảng nhiệt độ từ 20-100℃ và áp suất bình thường Để đảm bảo độ bền và tính năng, vật liệu làm thân hình trụ được chọn là thép cacbon CT3, loại thép này nổi bật với khả năng chịu nhiệt tốt và các đặc tính ưu việt.

Bảng 4: Các thông số kỹ thuật của bề dày thiết bị

Chiều dày tấm thép (mm)

Hệ số kéo dãn ở 20- 100C at (1/C)

Hệ số dẫn nhiệt W/m.độ CT3 4-20 380.10 -6 240.10 -6 11.10 6 7.85.10 3 50

Tốc độ rò rỉ là 0.06mm/năm

Thời gian làm việc từ 15-20 năm Loại thiết bị này sử dụng hàn hồ quang điện với hàn mối giáp 2 bên.

Tính bề dày thiết bị chính

Môi trường làm việc p là áp suất pmt của khí, được xác định bằng tổng áp suất môi trường và áp suất thủy tĩnh pl của hệ chất lỏng.

Ta có p1=g.ρlHl =9.81×840.39×12.684502 (N/m2) Áp suất tính toán cho thiết bị của tháp chưng:

Thiết bị này hoạt động ở áp suất thường và không chứa vật cháy nổ, do đó thuộc loại 2 Ứng suất cho phép được xác định theo công thức Pc = Pmt + Pl = 25.104 + 96918.11 = 354501.6 (N/m2).

- Với nhiệt độ cao nhất tw= tmax.6C, ta có ứng suất như sau: Ứng suất kéo:

[σk ]= σ k ƞ, N/m2 ( Bảng XIII.2/356[1]) n k với ƞ là hệ số hiệu chỉnh ƞ = 1, n k = 2.6 (Bảng XII.3/256, [2])

[σc ]= σ c ƞ, N/m2 (Bảng XIII.2/356, [2]) n c với ƞ là hệ số hiệu chỉnh ƞ = 1, n c = 1.5 (Bảng XII.3/256, [2])

Ta có: [σk ]< [σc ]=> [σk ]tính theo ứng suất bền kéo.

Xét tỷ số: [σk ] × 0.95 90.70> 50 nên có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số của công p thức tính chiều dày thiết bị.

C1 là giá trị bổ sung do ăn mòn, phụ thuộc vào điều kiện ăn mòn của vật liệu trong môi trường và thời gian hoạt động của thiết bị Đối với thép có tốc độ ăn mòn 0.06mm/năm và thời gian sử dụng từ 15-20 năm, ta xác định C1 bằng 1 mm.

C2: ăn mòn do nguyên liệu có hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn trong thiết bị, nên trong trường hợp này có thể bỏ qua, C2=0.

C3: Bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào độ dày tấm vật liệu, C3 = 0.8 mm.

Vì đường kính lớn hơn 1m, nên ta có hệ số bền mối hàn φh = 0.95

Bề dày của thân tháp được tính như sau:

Hệ số quy tròn Ccất = 0.16

 Bề dày thật của phần cất là S t = S′ t + C + C0 = 1.54 + 1.8 + 0.66

=> Vậy bề dày của tháp là 4m đạt yêu cầu.

Tính đáy và nắp thiết bị

-Nắp và đáy của thiết bị được tính theo công thức sau:

- Tra bảng chọn được chiều cao phần nắp và đáy: hn 00 mm, hđ 00 mm φ h : hệ số bền của mối hàn hướng tâm

Chọn nắp từ 2 nửa tấm, hàn điện hai phía bằng tay, tra bảng XIII.10/362[2], ta có: φ h = 0.95. k: hệ số thứ nguyên, k = 1- d

D t Đối với nắp tháp có đường ống dẫn sản phẩm d 0 mm

= 0.83. Đối với đáy có đường ống dẫn sản phẩm đáy d 0 mm

Xét [σk] k φ = 146×10 6 × 0.83 × 0.95 = 324.74 > 30, có thể bỏ qua P ở mẫu

Ta có: S+C-C 1.89× 10 −3 m S= 6.35 mm

Vậy chọn bề dày thực của nắp là 8 mm. Đối với đáy:

Ta có: S + C – C < 10 mm=> 1.81× 10 −3 m Bề dày của nắp 8 mm là hợp lý.

= 80599300.47 (N/m 2 ) σ (= 80599300.47)< σ c (200000000)=> Bề dày của nắp 8 mm là hợp lý.

Vậy với nắp và đáy: hn= 0.3m; Sn=8 mm; Dn=1.2 m; mn6×1.017.06kg, hđ = 0.3m; Sn=8 mm; mđ6×1.017.06kg

=> Chiều cao của phần đáy, nắp và gờ là H3 = + hn + hđ = 0.3+0.3 = 0.6(m)

Tra bích

Do hạn chế trong việc chế tạo thân tháp dài, cần sử dụng bích để nối các phần Đối với tháp hình trụ hoạt động trong điều kiện bình thường, mặt bích CT3 được chọn để kết nối giữa thân tháp, đáy và nắp tháp.

Bảng 5: Thông số bích nối

Dt D Db Dl Do db H Z mm Cái

Đường kính bên trong của thiết bị (Dt) là 1200, đường kính bên ngoài (Dn) là 1340, và đường kính tâm bu lông (Db) là 1290 Đường kính mép vát (D1) là 1260, trong khi đường kính bích (D) là 1213 và chiều cao bích (h) là 25 Đường kính bu lông (db) là 32, với tổng số bu lông (Z) là 8 cái.

Chọn bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống:

Bảng 6: Thông số của bích nối ống

Tên các ống Dy Dn D D δ D1 db h Z mm Cái

Hồi lưu đỉnh 100 108 290 255 232 M16 14 4 Ống dẫn liệu 200 219 260 225 202 M16 16 8

Bảng 7: Kích thước của các đoạn ống nối (Tra bảng XIII.32 (II.434)

Tên các ống Dy Py>2.5× 10−6 mm

Hồi lưu đỉnh 100 120 ống dẫn liệu 200 130

Tính lưới đỡ đệm, dầm đỡ đệm, đĩa phân phối chất lỏng

- Chọn kiểu đĩa loại 1, loại 2, với các thông số sau (BảngIX.22/232, [2])

Bảng 8: Thông số đĩa phân phối lỏng Đường kính tháp Đường kính đĩa Đường kính ốngx bề dày

Bước ống, t Số ống Loại 1 Loại 2 mm Chiếc

- Chọn đường kính lưới là Dl 65mm

Dầm đỡ đệm hình chữ nhật có chiều cao gấp đôi chiều rộng, được chế tạo từ vật liệu CT3, với hai đầu được hàn vào thân thiết bị Để xác định kích thước dầm, cần tính toán độ bền uốn trong giới hạn đàn hồi Dầm sẽ chịu tác động phân bố từ khối lượng lớp đệm chất lỏng và thành thiết bị Để đảm bảo độ bền cho dầm, cần giả định rằng chất lỏng đã được khoán đầy trong tháp.

Vì ρ Nước > ρ Acetone nên ta coi tháp chứa toàn nước, đồng thời coi cả tháp là một khối tác dụng lên một thanh dầm chung.

Thể tích của phần cất: π

Khối lượng phần cất của đệm: md = ρd × Vd g0 × 14.32 = 9594.4kg

Ta có: tại nhiệt độ t = 74.17, ρ nước = 974.51 (kg/m 3 );

 Khối lượng chất lỏng trong tháp mth= 974.51 × 14.32 = 13954.98kg

Diện tích bao quanh phần cất của tháp:

- Lực phân bố tác dụng lên thanh dầm của thành thiết bị là: q thép = ρthép × S x50× 69.22 T3377 N/m cất t

 Khối lượng của nắp bằng khối lượng của đáy: mn=mđ7.06kg

- Lực phân bố tác dụng lên dầm của thiết bị q = qthép+ (m n +m th+ m d ) × 10 = 543377 + 107.06+13954.98+9594.4

Vì trạng thái ứng suất đơn nên ta có:

Ta chọn b = 0.1 m và h = 0.2 m là kích thước của thanh dầm trong thiết bị.

Tính chân đỡ

Chiều cao của toàn tháp là: Ht 3

Tổng khối lượng của toàn tháp là: m = mt+mn+mđ+ml+mđệm+mbx mbx: khối lượng của các bộ phận khác, chọn mbx P0 kg

M = q mt =ρt × Vt, với ρt = 7850 kg/m3 (Bảng II/313, [1]) π ×(D 2 −D 2 )

Trọng lượng của tháp là: P = mg = 26445.8×9.81= 259433.3 N

Tra bảng XIII.35/437,[2], ta chọn chân đỡ có tải trọng cho phép G = 8× 10 4 N, bề mặt đỡ là 840× 10 4 m 2 , tải trọng cho phép là 0.96 N/m 2

Bảng 9: Thông số kích thước chân đỡ

- Thể tích một chân đỡ:

- Khối lượng một chân đỡ: m chân đỡ = V chân đỡ × ρ CT3 = 7.34 × 10 −3 × 7850 = 57.62 (kg)

=> Tháp này sử dụng 3 chân với khối lượng mỗi chân là 57.62 kg, tổng khối lượng của 3 chân là 172.86 kg

Tính lớp cách nhiệt

Trong quá trình hoạt động, tháp tiếp xúc với không khí, dẫn đến nhiệt lượng tổn thất ra môi trường ngày càng tăng Để đảm bảo tháp hoạt động ổn định và hiệu quả, cần có các biện pháp kiểm soát nhiệt độ và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

Để duy trì thể tích tháp theo thông số thiết kế mà không làm tăng chi phí hơi đốt, cần tăng dần lượng hơi đốt gia nhiệt cho nồi đun Tuy nhiên, để tránh tình trạng tháp bị nguội mà vẫn kiểm soát chi phí, việc thiết kế lớp cách nhiệt bao quanh thân tháp là giải pháp hiệu quả.

Chọn vật liệu cách nhiệt cho thân tháp là có bề dày là b

Hệ số dẫn nhiệt của bông thủy tinh là b = 0,053(W/m.K).

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh:

Nhiệt tải mất mát riêng: q = Q m = λ b = (tv1- tv2) = λ b ∆t m f tb δ b δ b v

Trong đó: tv1 : nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt ngoài của tháp tv2 : nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với không khí.

tv : hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt của lớp cách nhiệt Để an toàn ta lấy tv

Chọn tkk = 40oC  tv = tmax = 98.6 – 40 = 58.6 oC ftb : diện tích bề mặt trung bình của tháp (kể cả lớp cách nhiệt), m2. f tb = π × D tb × H × π ×

Thể tích vật liệu cách nhiệt cần dùng:

Chọn kính quan sát: Số lượng 1 cái với đường kính dc0 mm

Chọn cửa tháo đệm: Số lượng 5 cửa với đường kính dtháo 0 mm

Chọn cửa nạp đệm: Số lượng 5 cửa với đường kính dnạp 0 mm

Tính toán thiết bị phụ

Bồn cao vị

Đường kính ống dẫn liệu đến bồn cao vị được chọn là dtr mm với độ nhám ε = 0.2 mm, dựa trên chất liệu ít ăn mòn (trang 381, [1]) Tổng chiều dài ống dẫn là l = 1 %m Độ nhớt của các cấu tử trong hỗn hợp ở nhiệt độ 25℃ được xác định là μ Acetone = 0.358× 10 −3 N/s.m² và μ Nước = 0.901× 10 −3 N/s.m².

Tra bảng I.2/10, [1] ta được, Khối lượng riêng của các cấu tử trong hỗn hợp ở

Vận tốc dòng nhập liệu đi trong hỗn hợp:

6.1.1 Hệ số ma sát trong đường ống

Chuẩn số Reynols dòng nhập liệu trong ống dẫn:

Chuẩn số Reynolds giới hạn là: d tr

Chuẩn số Reynolds nhám là:

Ta có: Re gh < Re F khu vực quá độ (nằm giữa khu vực nhẵn thủy lực và khu vực nhám)

Chỗ uốn cong cho đoạn ống cong có góc 90◦, bán kính R sao cho R d tr

= 2, ta được ξ = 0.15. Đường ống có 4 vị trí uốn cong nên ξ = 0.6

Chọn van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn ξ = 4, đường ống có 2 van nên ξ = 8 + Độ thu: 1 lần ξ = 0.5

Tổn thất đường ống dẫn: h =(λ × d

6.1.3 Tổn thất đường ống dẫn qua thiết bị đun sôi nhập liệu

Nhiệt độ nhập liệu từ bồn cao vị là

25℃ Nhiệt độ nhập liệu là 67℃

Khối lượng riêng của hỗn hợp là ρ Acetone v1.4 (kg/m3) , ρ Nước 9.3 (kg/m3)

 ρ hh 4.98 (kg/m3) Độ nhớt của các cấu tử trong hỗn hợp ở 46℃: μ Acetone =0.256× 10 −3 N/s m 2 ; μ Nước = 0.591× 10 −3 N/s m 2

 μ hh = 0.467× 10 −3 N/s m 2 Đường kính ống dẫn d2=dtr0mm

Vận tốc dòng nhập liệu: v

13605 v F 3600 × ρ× π × d 2 3600 × 904.98 × 3.14 × 0.15 2 = 0.24m/s Chuẩn số Reynols dòng nhập liệu trong ống dẫn:

Chuẩn số Reynolds giới hạn là: d tr

Chuẩn số Reynolds nhám là:

Ta có: Re gh < Re F < Re n

⇒ thuộc khu vực quá độ (nằm giữa khu vực nhẵn thủy lực và khu vực nhám)

Tỷ số nằm trong khoảng từ 0.008 đến 0.0125 nên ta tính theo công thứu: ε 100 0.25

- Đường ống cong chữ U có 3 vị trí uốn cong nên ξ = 2.2 × 3 = 6.6

Chiều cao bồn cao vị:

+ 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. Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2): z + P 1

Trong đó: + z1 là độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem như là chiều cao bồn cao vị Hcv = z1. d

+ z2 là độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem như là chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu: z2 = hchân đỡ + hđáy + (Nlt(chưng) – 1)h + 0.5

= 0.5 + 0.3 +(3 - 1) × 0.7 +0.5 = 2.7 (m) + P1 là áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn P1 = 1 at = 9.81.104 (N/m2) + P2 là áp suất tại mặt thoáng (2-2), P2= 212957

+ v1 là vận tốc tại mặt thoáng (1-1), xem v1 = 0 (m/s).

+ v2 là vận tốc tại vị trí nhập liệu, v2 = 0.82 (m/s).

+ ∑ h f12 là tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2):

∑ h f12 = h 1 + h 2 = 0.028 + 0.62 = 0.648 m Vậy chiều cao bồn cao vị:

Vậy ta chọn chiều cao bồn cao vị Hcv = 16 m

Bơm

- Nhiệt độ dòng nhập liệu là tF = 25℃ Tra bảng I.2/10, [1], ta được:

+ Khối lượng riêng của các cấu tử trong hỗn hợp ở 25℃: ρ Acetone = 785.25 (kg/m3) , ρ Nước 6.5 (kg/m3)

+ Độ nhớt của các cấu tử trong hỗn hợp ở 25℃: μ Acetone = 0.358× 10 −3 N/s m 2 ; μ Nước =0.901× 10 −3 N/s m 2

- Suất lượng thể tích của dòng nhập liệu:

 Vậy chọn bơm năng suất: Qb (m3/h)

 z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = 0.5 m.

 z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 16 m.

 P1 : áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn P1 = 1 at.

 P2 : áp suất tại mặt thoáng (2-2), chọn P2 = 1 at.

 v1,v2 : vận tốc tại mặt thoáng (1-1) và(2-2), xem v1= v2 = 0(m/s).

 hf1-2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2).

 Hb : cột áp của bơm.

- Tính tổng trở lực trong ống:

+ Chọn đường kính trong của ống hút và ống đẩy bằng nhau: dtr = 50 (mm)

+ Độ nhám của ống: ε = 0.2 (mm) = 0.0002 (m) (ăn mòn ít)

- Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy:

Trong đó: lh : chiều dài ống hút.

-Chiều cao hút của bơm tại nhiệt độ 25℃; hh = 4,5 (m); Chọn lh = 5 (m) (Tra bảng II.34/441)

 lđ : chiều dài ống đẩy, chọn lđ = 8 (m).

 h : tổng tổn thất cục bộ trong ống hút.

 đ : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy.

  : hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy.

 vF : vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút và ống đẩy (m/s). v = 4×Q h

 Xác định hệ số ma sát trong ống hút và đẩy:

Chuẩn số Reynolds giới hạn là: d tr Re 8/7 5

Chuẩn số Reynolds nhám là:

Ta có: Re gh < Re n < Re thuộc khu vực nhám Khi đó hệ số ma sát được tính như

-Xác định tổng tổn thất cục bộ ống hút:

 Chỗ uốn cong: Tra bảng II.16/ 382, [2]:

 Chọn dạng uốn cong 90◦ có bán kính R với R = 2 => μ1 d

 Do ống có 2 chỗ uốn cong nên μ1× 2 = 0.3

 Van : Chọn va tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn thì 

 Ống hút có 1 van cầu=>  nên h=0.3+4=4.3

- Xác định tổng tổn thất trong cục bộ ống đẩy:

 Chỗ uốn cong: Tra bảng II.16/ 382, [2]:

 Chọn dạng uốn cong 90◦ có bán kính R với R = 2 => μ1 d

 Do ống có 2 chỗ uốn cong nên μ1× 2 = 0.3

 Van : Chọn va tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn thì v2  cái)

 Ống hút có 1 van cầu=>   ở bồn cao vị: cv=1 nên h= 0.3+4+1=5.3

- Tính cột áp của bơm

 Công suất thực tế của bơm:

=> Vậy chọn bơm ly tâm có năng suất 15m 3 /h với công suất 957.2 W.

Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

Thiết bị gia nhiệt dùng hơi nước bão hòa ở áp suất 2.5 at để đun nóng hỗn hợp đầu từ nhiệt độ t %℃ để nhiệt độ sôi tF là 67℃.

Hơi lưu thể di chuyển ngược chiều nhau, với hơi đốt đi từ trên xuống và truyền ẩn nhiệt hóa hơi cho hỗn hợp lỏng từ dưới lên, dẫn đến quá trình ngưng tụ thành khí lỏng thoát ra khỏi thiết bị.

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp là: CF = 3876.25 J/kg

Chọn thiết bị ống chùm có các thông số sau:

- Chiều cao ống: H=1.5m Ống được làm bằng thép CT3 có λ 50W/m 2 độ Hơi nước bão hòa ở 2.5 at: t hđ = 126.25 (Trang 134, [1])

- Tại nhiệt độ trung bình:

+ Nhiệt lượng dùng để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi là:

+ Các chuẩn số cần thiết:

Khối lượng riêng của hỗn hợp là ρ Acetone = 759.34(kg/m 3 ); ρ Nước = 988.46(kg/m 3 ) => ρ F = 889.19(kg/m 3 ) Độ nhớt động lực μ Acetone = 0.2251 × 10 −3 N s/m 2 ; μ Nước = 0.571 × 10 −3 Ns/m 2

- Chọn chuẩn số Reynon >10 4 là chế độ chảy xoáy.

- Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch là:

A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng Vì Acetone và nước là 2 chất lỏng liên kết nên A=3.58×10 -8 (Trang 132, [1]). oxi.

Cp: Nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, kg/m3

M: Khối lượng mol tỷ lệ chất lỏng 1 phân tử chất đã cho 1/16 khối lượng nguyên tử

- Chuẩn số Pran của hỗn hợp: (BảngV35/12, [2])

Re 0.8 ε 1 Pr 0.43 ( Prt Pr ) 0.25 Trong đó:

Chuẩn số Pran được tính theo ttb của tường ε1, với hệ số hiệu chỉnh để xem xét ảnh hưởng của tỷ số chiều dài l và đường kính Đường kính ống là dn8mm.

Với l = 1500 = 40 và Re > 10 4 Tra bảng V 2 [II

Do chênh lệch giữa vỏ và dòng lưu thể là khá nhỏ nên ta có thể coi Pr = 1

-Hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt � = 2.04A√ r , w/m 2 độ (BảngV.101/28, [2])

Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ của màng tm được xác định bằng công thức tm = 0.5(tT1 - tbn), trong đó tT1 là nhiệt độ của trường tiếp xúc với nước ngưng (℃) và tbh là hiệu số nhiệt độ giữa tbh và nhiệt độ phía trước trường tiếp xúc với nước ngưng Cần chọn ∆t1C để đảm bảo tính chính xác trong tính toán.

Ta có nhiệt độ thành ống phía hơi nước ngưng tụ là:

Nhiệt độ màng nước ngưng tụ được tính bằng công thức tm=0.5×(114.25+126.25)0.25 Từ giá trị tm0.25, tra bảng II/29, ta nhận được A8.4 Theo bảng I/134, giá trị r đạt 06.9 ×10^3 J/kg, từ đó xác định hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt.

Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: q1=�1× ∆t1q91.82 × 12 = 84301.84 w/m2 Hiệu số nhiệt độ 2 bên thành ống

∑ r = r 1 + λ + r 2 r1, r2: nhiệt trở của cặn bẩn bám vào hai bên thành ống phía hơi đốt và phía dung dịch, m 2 độ/w δ: Chiều dài của thành ống δ = 2.5 × 10 -3 r 1 = r 2

Nhiệt độ thành ống phía dung dịch tT2 = tT1-∆tT1 = 114.25-34.09 = 80.16 Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch

Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch �2

Nhiệt tải riêng từ thành ống tới dung dịch q2 = �2× ∆t2 = 2798.26× 32.29 y989.35 w/m2

Vậy chọn ∆t1℃ là phù hợp Nhiệt tải trung bình: qth= 84301.84 +79989

= 10.8m 2 n =F f Trong đó: f diện tích xung quanh của một ống , m 2 f = π × d × 1.5 = 3.14 × 0.038 × 1.5 = 0.179=> n

= F = 10.8 = 60 ống, n quy về tiêu chuẩn bảng V.II/48, [2] ta có số ống là 61 ống. f 0.179

Số ống hình 6 cạnh vòng tròn là 4 ống, số ống trên đường xuyên tâm là 9 ống, hình Vận tốc chảy thực trong ống: ω ω = t t G F π = 13605 = 0.025 × 10 −3 (m/s)

 Vì ω t D=1.064 m, quy chuẩn về 1 m Vậy thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu có các thông số sau: