*Nhiệm vụ đồ án môn học: Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Etanol – Nước ở áp suất thường. *Các ký hiệu: 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 tính theo kg/h , kmol/h . xi , i x : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i. *Các thông số ban đầu: Hỗn hợp: • Ethanol: C2H5OH, MR = 46 (g/mol) • Nước: H2O, MN = 18 (g/mol) - Năng suất nhập liệu: GF = 5000 kg/h - Nhập liệu có nồng độ rượu: 300GL (% thể tích) - Nồng độ sản phẩm đỉnh: 900GL - Tỷ lệ thu hồi rượu: 99% *Lựa chọn các thông số để tính toán: - Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: 300C - Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: 300C - Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: 300C - Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi
GIỚI THIỆU
Nhiệm vụ của đồ án môn học là thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ, hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Etanol và Nước ở áp suất thường.
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 tính theo kg/h , kmol/h xi ,x i : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i
*Các thông số ban đầu:
- Năng suất nhập liệu: GF = 5000 kg/h
- Nhập liệu có nồng độ rượu: 30 0 GL (% thể tích)
- Nồng độ sản phẩm đỉnh: 90 0 GL
- Tỷ lệ thu hồi rượu: 99%
*Lựa chọn các thông số để tính toán:
- Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: 30 0 C
- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: 30 0 C
- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: 30 0 C
- Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi
TỔNG QUAN
Tổng quan nguyên liệu
Etanol, hay còn gọi là rượu etylic, là một ancol no, đơn chức, mạch hở với công thức phân tử C2H5OH (thường viết tắt là EtOH) Đây là một chất lỏng trong suốt, không màu, có mùi thơm dễ chịu và vị cay, nhẹ hơn nước và tan vô hạn trong nước Etanol có tính hút ẩm, dễ cháy, khi cháy tạo ra ngọn lửa xanh da trời mà không có khói.
Một số thông số vật lý:
Khối lượng phân tử: 46 đvC
Nhiệt độ nóng chảy của hợp chất này là -114,15 °C và độ nhớt đạt 1,2 cP ở 20 °C Hợp chất này được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các nguyên liệu khác như dietyl ete, acid acetic, và etyl acetate Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong việc pha chế vecni, dược phẩm, nước hoa, làm nguyên liệu đốt, và điều chế các loại nước uống.
Etanol, mặc dù ít độc hại hơn các loại rượu khác, vẫn được coi là thuốc ngủ trong y dược Nồng độ cồn trong máu vượt quá 5% có thể dẫn đến cái chết, trong khi giảm thị lực và bất tỉnh có thể xảy ra ở nồng độ thấp hơn Etanol thường được sản xuất từ nguyên liệu dầu mỏ qua phương pháp hydrat hóa etylen bằng xúc tác acid, và cũng có thể được tạo ra cho đồ uống có cồn bằng cách lên men đường hoặc ngũ cốc với men rượu.
Nước có công thức phân tử là H2O, là chất lỏng không màu, không mùi, không vị Một số thông số vật lý:
Khối lượng phân tử: 18 g/mol
Nhiệt độ nóng chảy: 0 0 C Độ nhớt: 1,0.10 3 Ns/m 2 (25 0 C)
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trờn Trỏi Đất (hơn ắ diện tớch trỏi đất được bao phủ bằng nước) và rất cần thiết cho sự sống
Nước, với tính chất phân cực mạnh, là một dung môi quan trọng trong ngành Hóa, có khả năng hòa tan nhiều chất rắn, lỏng và khí.
Bảng cân bằng lỏng – hơi cho hỗn hợp etanol – nước ở 1 atm
Trong đó: x là thành phần pha lỏng (%mol) y là thành phần pha hơi (%mol)
Hình 1: Đồ thị quan hệ giữa thành phần pha và nhiệt độ của hệ Etanol – Nước
Hình 2: Đồ thị quan hệ giữa thành phần x – y của hệ Etanol – Nước
Chưng cất
Chưng cất là phương pháp tách các thành phần trong hỗn hợp khí-lỏng dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi Quá trình này diễn ra khi các cấu tử trong hỗn hợp có áp suất hơi bão hòa khác nhau ở cùng một nhiệt độ, cho phép thu được các cấu tử riêng biệt.
2.2.2 Các phương pháp chưng cất
* Phân loại theo áp suất làm việc: áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao
* Phân loại theo nguyên lý làm việc: chưng cất đơn giản, chưng cất bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất đa cấu tử
* Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp và gián tiếp
Trong quá trình sản xuất, nhiều loại thiết bị được sử dụng cho quá trình chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu chung quan trọng nhất của các thiết bị này là cần có diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các pha lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất vào lưu chất khác.
Tháp mâm là một cấu trúc hình trụ đứng, bên trong được trang bị nhiều mâm có cấu tạo khác nhau Các mâm này cho phép pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau, tạo ra quá trình tách biệt hiệu quả Tùy thuộc vào thiết kế của các đĩa, hiệu suất hoạt động của tháp mâm sẽ khác nhau.
Tháp mâm chóp là một loại thiết bị trong quá trình chế biến, với mâm chứa chóp hình tròn, xupap hoặc chữ S, cùng với ống chảy chuyền có nhiều tiết diện khác nhau Các tiết diện này thay đổi tùy thuộc vào suất lượng pha lỏng, giúp tối ưu hóa hiệu suất tách biệt trong quá trình sản xuất.
+ 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 nối tiếp nhau thông qua mặt bích hoặc hàn Vật chêm được đưa vào tháp theo hai phương pháp chính: xếp ngẫu nhiên hoặc xếp theo thứ tự.
* So sánh ưu – nhược điểm của các loại tháp: Ưu điểm Nhược điểm
Tháp mâm chóp Hiệu suất cao
Cấu tạo phức tạp Trở lực lớn Không làm việc với chất lỏng bẩn Tháp mâm xuyên lỗ
Hiệu suất tương đối cao Hoạt động khá ổn định Làm việc với chất lỏng bẩn
Trở lực khá cao Yêu cầu lắp đặt khắt khe (lắp đĩa thật phẳng)
Hiệu suất thấp Độ ổn định kém Thiết bị nặng
Sản phẩm ethanol yêu cầu độ tinh khiết cao, đặc biệt khi kết hợp với hỗn hợp ethanol – nước Do hỗn hợp này không có điểm đẳng khí, nên phương pháp chưng cất liên tục với cấp nhiệt gián tiếp và sử dụng tháp mâm xuyên lỗ được lựa chọn là giải pháp tối ưu.
Quá trình chuyển pha từ hơi sang dạng lỏng diễn ra khi một hơi hoặc hỗn hợp hơi đạt đến điều kiện nhất định Sự chuyển đổi này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó tính tan lẫn của các chất lỏng sau khi ngưng là yếu tố chủ yếu.
Trong quá trình ngưng tụ đẳng áp, có hai dạng biến thiên nhiệt độ thường gặp: ngưng tụ đẳng nhiệt và ngưng tụ với nhiệt độ ngưng tụ giảm dần.
Thiết bị trao đổi nhiệt, hay còn gọi là thiết bị ngưng tụ, có cấu tạo đa dạng tùy thuộc vào các tính chất và điều kiện làm việc của hơi ngưng, cũng như loại chất tải ẩn nhiệt ngưng tụ (dòng lạnh) mà nó sử dụng.
Phân loại theo chất làm lạnh: thiết bị lạnh dùng NH3, các freon R-12, R-22
Phân loại theo điều kiện áp suất ngưng tụ: TBNT áp suất thấp (chân không), áp suất thường, áp suất cao
Có hai loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa trên khả năng tiếp xúc của hai lưu chất: kiểu gián tiếp (hay kiểu bề mặt) và kiểu trực tiếp (thường thấy trong thiết bị baromet cho hơi nước) Tất cả các thiết bị trao đổi nhiệt cần đáp ứng các yêu cầu cụ thể để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
- Đáp ứng yêu cầu côn nghệ, hiệu suất truyền nhiệt cao, thiết bị càng có khả năng tự điều chỉnh càng tốt
- Thiết bị làm việc ổn định, an toàn, kết cấu gọn nhẹ, dễ vận hành, lắp đặt, sửa chữa, lau chùi, vệ sinh thuận tiện
Các loại thiết bị ngưng tụ phổ biến bao gồm thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới, kiểu vỏ – ống nằm ngang và kiểu vỏ – ống thẳng đứng, cùng với một số thiết bị truyền nhiệt khác.
Sơ lược về thiết bị truyền nhiệt ống chùm:
Thiết bị trao đổi nhiệt có diện tích lớn lên đến hàng nghìn mét vuông và hệ số trao đổi nhiệt cao, phù hợp cho việc truyền nhiệt giữa các trạng thái như lỏng – lỏng, lỏng – khí và khí – khí, cũng như trong quá trình ngưng tụ Với những đặc điểm này, thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm.
Bình trao đổi nhiệt có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm hiệu quả trao đổi nhiệt ổn định và ít phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Thiết kế chắc chắn, gọn gàng giúp việc lắp đặt trong nhà trở nên tiện lợi Sản phẩm này có suất tiêu hao kim loại nhỏ, dễ dàng chế tạo, lắp đặt, vệ sinh, bảo dưỡng và vận hành Đặc biệt, một phần của bình có thể được sử dụng làm bình chứa, đồng thời ít hư hỏng và có tuổi thọ cao.
Nhược điểm của ống được chế tạo từ vật liệu không nung và hàn như gang hoặc thép silic là khó khăn trong quá trình sản xuất Bên cạnh đó, bề mặt ống dễ bị bám bẩn nhanh chóng, đặc biệt khi nguồn nước có chất lượng kém.
CHƯƠNG III QUY TRÌNH CHƯNG CẤT
(3) Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
(7) Thiết bị phân phối lỏng
(8) Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
(9) Bồn chứa sản phẩm đỉnh
(10) Thiết bị đun sôi đáy tháp
(12) Bồn chứa sản phẩm đáy
Hỗn hợp đầu từ bồn chứa nguyên liệu được bơm qua lưu lượng kế đến thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu Thiết bị gia nhiệt là một thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm sử dụng hơi nước bão hòa làm tác nhân nóng Sau khi được gia nhiệt, hỗn hợp đầu đạt đến nhiệt độ sôi và đi vào tháp ở mâm nhập liệu.
CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Cân bằng vật chất
Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F = D + W (2.1)
Cân bằng cho cấu tử dễ bay hơi: F × x F = D × x D + W × x W (2.2)
Khối lượng riêng của Ethanol ở 30 0 C: ρ C 2 H 5 OH = 0,781 (kg/l)
Khối lượng riêng của nước ở 30 0 C: ρ H 2 O = 0,995 (kg/l)
Phân mol nhập liệu: x F orượu × ρC2H5OH
= 0,116 (kmol C2H5OH/ kmol hỗn hợp)
Phân khối lượng nhập liệu: x F ̅̅̅ = x F × M C2H5OH x F × M C2H5OH + (1−x F ) × M H2O = 0,116 × 46
0,116 × 46 + (1−0,116) × 18 = 0,251 Khối lượng mol của hổn hợp nhập liệu:
Phân mol sản phẩm đỉnh: x D orượu × ρC2H5OH
= 0,734 (kmol C2H5OH/ kmol hỗn hợp)
Phân khối lượng sản phẩm đỉnh: x D ̅̅̅ = x D × M C2H5OH x D × M C2H5OH + (1−x D ) × M H2O = 0,734 × 46
0,734 × 46 + (1−0,734) × 18 = 0,876 Khối lượng mol của hổn hợp sản phẩm đỉnh:
Từ phương trình (2.3), suất lượng nhập liệu:
Từ phương trình (2.1), suất lượng sản phẩm đáy:
Từ phương trình (2.2), phân mol sản phẩm đáy: x W = F × x F − D × x D
= 0,0014 (kmol C2H5OH/ kmol hỗn hợp)
Phân khối lượng sản phẩm đáy: x W ̅̅̅̅ = x W × M C2H5OH x W × M C2H5OH + (1−x W ) × M H2O = 0,0014 × 46
0,0014 × 46+(1−0,0014) × 18 = 0,0036 Khối lượng mol của sản phẩm đáy:
Dòng Khối lượng mol (kg/kmol)
Suất lượng khối lượng (kg/h)
Phân khối lượng (kg/kg)
Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp
4.2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu R min
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chỉ số phản ánh chế độ làm việc khi số mâm lý thuyết đạt đến mức vô cực Trong trường hợp này, chi phí cố định sẽ là vô cực, trong khi chi phí điều hành như nguyên liệu, nước và bơm sẽ ở mức tối thiểu.
R min +1 = 0,465 R min = 0,578 Xác định chỉ số hoàn lưu làm việc theo công thức thực nghiệm IX.24 trang 159
Hình 3: Đồ thị xác định R min của hệ Etanol- Nước
4.2.2 Phương trình đường làm việc và số mâm lí thuyết:
*Phương trình đường làm việc của đoạn cất: y = R
*Phương trình đường làm việc của đoạn chưng y = R+f
1,0514 + 1.0,0014 = 3,628𝑥 – 0,00368 với chỉ số nhập liệu: f = F
4.2.3 Xác định số mâm lý thuyết
Dựa vào đồ thị ta xác định được số mâm lý thuyết:
Hình 3: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của hệ Etanol- Nước
Ta có 11 mâm lí thuyết bao gồm: 1 mâm nhập liệu, 4 mâm chưng, 6 mâm cất Nhập liệu tại mâm thứ 5
4.2.4 Xác định số mâm thực tế
*Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:
Trong đó: 𝑡𝑏 - hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng 𝑡𝑏 = f (𝛼, 𝜇)
N tt - số mâm thực tế
N lt - số mâm lý thuyết
*Hiệu suất trung bình của tháp chưng cất:
tb = 1 + 2 + 3 +⋯+ n n (Công thức IX.60, trang 171, [2])
Trong đó: 1 , 2 , … - hiệu suất của các mâm n - số vị trí tính hiệu suất
*Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp: α = y ∗
Công thức IX.61 (trang 171, [2]) mô tả mối quan hệ giữa phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng (x) và phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng (y ∗) Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp được ký hiệu là α, trong khi độ nhớt của hỗn hợp lỏng được biểu thị bằng μ (N.s/m²).
• Hiệu suất mâm nhập liệu, 𝐅
Từ đồ thị x - y (hình 2): x F = 0,116 y F ∗ = 0,46 Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp nhập liệu: α F = y F ∗
0,116 = 6,492 Tra bảng I.101, trang 91, [1] tại nhiệt độ t F = 85,8 o C
- Độ nhớt động lực của H2O: μ H 2 O = 0,3323 cP
- Độ nhớt động lực của C2H5OH: μ C 2 H 5 OH = 0,403 cP Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu: công thức I.12, trang 84, [1]:
𝑙ogμ F = x F logμ C 2 H 5 OH + (1 − x F )logμ H 2 O μ F = 0,340 cP
Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2] F = 41%
• Hiệu suất mâm sản phẩm đỉnh, 𝐃
Từ đồ thị x - y (hình 2): x D = 0,734 y D ∗ = 0,773 Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp sản phẩm đỉnh: α D = y D ∗
0,734 = 1,234 Tra bảng I.101, trang 91, [1] tại nhiệt độ t D = 78,8 o C
- Độ nhớt động lực của H2O: μ H 2 O = 0,3619 cP
- Độ nhớt động lực của C2H5OH: μ C 2 H 5 OH = 0,444 cP Độ nhớt của hỗn hợp sản phẩm đỉnh: công thức I.12, trang 84, [1]: logμ D = x D logμ C 2 H 5 OH + (1 − x D )logμ H 2 O μ D = 0,420 cP
Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2] D = 58%
• Hiệu suất mâm sản phẩm đáy, 𝐰
13 Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp sản phẩm đáy: α W = y W ∗
0,0014 = 5,752 Tra bảng I.101, trang 91, [1] tại nhiệt độ t W = 99,8 o C
- Độ nhớt động lực của H2O: μ H 2 O = 0,2844 cP
- Độ nhớt động lực của C2H5OH: μ C 2 H 5 OH = 0,327 cP Độ nhớt của hỗn hợp sản phẩm đáy: công thức I.12, trang 84, [1]: logμ W = x W logμ C 2 H 5 OH + (1 − x W )logμ H 2 O μ w = 0,284 cP
Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2] w = 43%
Vậy, suy ra hiệu suất trung bình của tháp chưng cất, tb là:
Số mâm thực tế tháp chưng cất:
Vậy, chọn số mâm thực tế N tt = 23 mâm, trong đó:
Phần mol Ethanol pha lỏng 0,116 0,734 0,0014
Phần mol Ethanol pha hơi 0,46 0,773 0,001
Nhiệt độ ( o C) 85,8 78,8 100 Độ nhớt động lực của H2O (cP) 0,3323 0,3619 0,2838 Độ nhớt động lực của C2H5OH (cP) 0,403 0,444 0,326 Độ nhớt của hỗn hợp 0,340 0,420 0,284 Độ bay hơi tương đối 6,492 1,234 5,752
Hiệu suất trung bình của tháp 47,33%
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dòng nhập liệu
Q D 1 + Q f = Q F + Q ng1 + Q xq1 (J/h) (Công thức IX.149, trang 196, [2])
* Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng 𝐐 𝐃 𝟏 :
Trong đó: D 1 – lượng hơi đốt (kg/h) r 1 - ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
1 – hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng của hơi đốt) (J/kg) t 1 – nhiệt độ nước ngưng ( 0 C)
C 1 – nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 2 at
Tra bảng I.197, trang 230, [1], nhiệt độ của hơi nước là t 1 = 119,62 0 C
Tra bảng 49, trang 45, [3], nhiệt hóa hơi của nước ở 119,62 0 C là r 1 = 2204,98 kJ/kg
* Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun nóng 𝐐 𝐟 :
Trong đó: G F – lượng hỗn hợp đầu (kg/h)
C f - nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ) t f – nhiệt độ đầu của hỗn hợp ( 0 C)
Chọn nhiệt độ đầu của hỗn hợp là t f = 30 0 C
Tra bảng I.154, trang 172, [1]: {C C 2 H 5 OH = 2595(J/kg độ)
C H 2 O = 4177,5 (J/kg độ) Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:
* Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng 𝐐 𝐅 :
Trong đó: C F - nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra (J/kg.độ) t F – nhiệt độ của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng ( 0 C)
Với thành phần hỗn hợp đầu: xF = 0,116 tF = 85,8 0 C
Tra bảng I.153, trang 172, [1]: {C C 2 H 5 OH = 3307 J/kg độ
C H 2 O = 4202 J/kg độ Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng tại 85,8 0 C:
* Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra 𝐐 𝐧𝐠𝟏 :
Q ng1 = G ng1 × C 1 × t 1 = D 1 × C 1 × t 1 (J/h) (Công thức I.153, trang 197, [2])
Trong đó: Q ng1 – lượng hơi nước ngưng, bằng lượng hơi đốt (kg/h)
*Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh Q xq1 lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn:
Vậy, lượng hơi nóng cần thiết để đun nóng hỗn hợp đến nhiệt độ sôi:
Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất
*Tổng nhiệt lượng mang vào tháp bằng tổng nhiệt lượng mang ra:
Q D 2 + Q F + Q R = Q Y + Q W + Q ng2 + Q xq2 (Công thức I.156, trang 197, [2])
* Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng 𝐐 𝐃 𝟐 :
Trong đó: D 2 – lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp (kg/h) r 2 - ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
2 – hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng của hơi đốt) (J/kg) t 2 – nhiệt độ nước ngưng ( 0 C)
C 2 – nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 2 at
Tra bảng I.97, trang 230, [1] ta được nhiệt độ của hơi nước là t 1 = 119,6 0 C
Tra bảng 49, trang 45, [3] nhiệt hóa hơi của nước ở 119,62 0 C là r 2 = 2204,98 kJ/kg
*Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào tháp Q R :
Trong đó: G R – lượng lỏng hồi lưu (kg/h)
Với thành phần sản phẩm đỉnh: x D = 0,734 t D = 78,8 0 C
Tra bảng I.153, trang 172, [1]: {C C 2 H 5 OH = 3205 J/kg độ
C H 2 O = 4190 J/kg độ Nhiệt độ dòng hồi lưu: t R = t D = 78,8 0 C
Nhiệt dung riêng của dòng hồi lưu:
*Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp 𝐐 𝐘 :
Trong đó: D là nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp
Với thành phần sản phẩm đỉnh: x D = 0,734 y D = 0,773
Tại t D = 78,8 0 C tra bảng I.212, trang 254, [1]: {r C 2 H 5 OH = 848,41 kJ/kg r H 2 O = 2311,72 kJ/kg
*Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp 𝐐 𝐖 :
Trong đó: G W – lượng sản phẩm đáy (kg/h)
C W – nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ) t W – nhiệt độ của sản phẩm đáy ( 0 C)
Với thành phần sản phẩm đáy: x W = 0,0014 t W = 99,8 0 C
Tra bảng I.153, trang 172, [1]: {C C 2 H 5 OH = 3517 J/kg độ
C H 2 O = 4229,6 J/kg độ Nhiệt dung riêng của hỗn hợp sản phẩm đáy tại 100 0 C:
*Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra 𝐐 𝐧𝐠𝟐 :
Q ng2 = G ng2 × C 2 × t 2 = D 2 × C 2 × t 2 (J/h) (Công thức IX.161, trang 198, [2]) Trong đó: G ng2 – lượng nước ngưng (kg/h) t 2 – nhiệt độ nước ngưng ( 0 C)
C 2 – nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
*Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh Q xq2 lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp: Q xq2 = 0,05 × D 2 × r 2 (J/h) (Công thức I.162, trang 198, [2])
Vậy, lượng hơi nóng cần thiết để cấp nhiệt cho tháp là:
Cân bằng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Giả sử trong hệ thống ngưng tụ hoàn toàn:
Trong đó: r D - ẩn nhiệt ngưng tụ của sản phẩm đỉnh (J/kg)
C N1 – nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t 1 , t 2 – nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh ( 0 C)
Chọn nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh lần lượt là: t 1 = 30 0 C, t 2 = 50 0 C
Tra bảng 1.153, trang 172 [1] tại t = 40 0 C ta được C N1 = C N = 4175 (J/kg.độ)
*Ẩn nhiệt ngưng tụ tại nhiệt độ 78,8 0 C: r D = y̅̅̅ × r D C 2 H 5 OH + (1 − y̅̅̅) × r D H 2 O
*Nhiệt do dòng sản phẩm đỉnh mang vào thiết bị ngưng tụ:
Vậy, lượng nước lạnh tiêu tốn là:
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Vì đã ngưng tụ hoàn toàn nên:
Nhiệt độ vào, ra của nước làm nguội lần lượt là: t 3 = 25 0 C, t 4 = 40 0 C
Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh: t D = 78,8 0 C
Nhiệt độ đầu ra của sản phẩm đỉnh: t D1 = 30 0 C
Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh: t̅̅̅̅̅ = Dtb t D +t D1
Tại t̅ = 54,4 ′ 0 C, tra bảng I.153, trang 172, [1]: {C C 2 H 5 OH = 2897,2 J/kg độ
C H 2 O = 4185,8 J/kg độ Tại t̅ = 32,5 o C, tra bảng I.153, trang 172, [1]: C N = 4176,9 J/kg độ
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp sản phẩm đỉnh:
*Nhiệt do dòng sản phẩm đỉnh mang ra khỏi thiết bị ngưng tụ:
Vậy, lượng nước lạnh cần dùng là:
Cân bằng nhiệt lượng cho nồi đun đáy tháp
*Nhiệt lượng cần để cấp cho nồi đun sản phẩm đáy:
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Tính toán cấu tạo thiết bị ngưng tụ
Chọn thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm, đặt nằm ngang (vỏ - ống loại TH) Ống truyền nhiệt được làm bằng thép INOX 304 (X18H10T) với các thông số:
- Đường kính ngoài của ống: dng = 25mm = 0,025m
- Đường kính trong của ống: dtr = 21mm = 0,021m
- Bề dày thành ống: = 2mm = 0,002m
- Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép không gỉ: = 16,3 W/m 0 C (Bảng XII.7, trang
Dùng nước để làm lạnh, đi bên trong ống với:
- Nhiệt độ đầu vào là t 1 = 30 0 C và nhiệt độ đầu ra t 2 = 50 0 C
- Lượng nước cần dùng: G N1 = 33709,7 kg/h
Hơi ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng sôi bên ngoài ống với nhiệt độ t D 1 = 78,8 0 C Nhiệt lượng tỏa ra khi dòng hơi ngưng tụ: Q nt = 2908,5.10 6 J/h
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên chênh lệch nhiệt độ trung bình:
∆T log = (t D1 −t 1 )−(t D1 −t 2 ) ln( tD1−t1 tD1−t2 ) = (78,8−30)−(78,8−50) ln( 78,8−30 78,8−50 ) = 37,93 0 C Nhiệt độ trung bình của nước: t N = t D 1 − ∆T log = 78,8 – 37,93 = 40,87 0 C
Bảng 6.1 Thông số nhiệt vật lí của nước tại nhiệt độ trung bình 40,87 0 C
Khối lượng riêng ρ N (kg/m 3 ) 991,843 Độ nhớt μ N (Ns/m 2 ) 644,26.10 -6
Chọn vận tốc dòng nước v N = 0,7 m/s
Xác định chuẩn số Re: Re = v N d tr ρ N μ N = 0,7 0,021.991,843
644,26.10 −6 = 22631 > 10000 Vậy thuộc chế độ chảy rối
*Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng ở mặt ngoài ống chùm nằm ngang, 𝛂 𝟏 :
Thực hiện các phép tính lặp và thử sai số
Chọn nhiệt độ bề mặt thành ngoài ống là t V1 = 66,43 0 C
Hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ bề mặt thành ngoài ống:
Nhiệt độ màng lỏng ngưng: t m = t D1 +t V1
2 = 72,615 0 C Tại t D 1 = 78,8 0 C, ẩn nhiệt ngưng tụ của dòng hơi là: r D = 999130 J/kg
+ Khối lượng riêng của lỏng ngưng 𝜌 D 1 :
Khối lượng riêng của C2H5OH: ρ C 2 H 5 OH = 742,02 kg/m 3
Khối lượng riêng của H2O: ρ H 2 O = 976,06 kg/m 3
0,876×976,06+(1−0,876)×742,02 = 764,75 kg/m 3 + Nhiệt dung riêng của lỏng ngưng C P D1 :
Nhiệt dung riêng của C2H5OH: C C 2 H 5 OH = 3128 J/kg.độ
Nhiệt dung riêng của H2O: C H 2 O = 4190 J/kg.độ
+ Độ nhớt của lỏng ngưng μ D1 :
Tra bảng I.101, trang 91, [1]: Độ nhớt động lực của C2H5OH: μ C 2 H 5 OH = 4,926.10 -4 N.s/m 2 Độ nhớt động lực của H2O: μ H 2 O = 3,931.10 -4 N.s/m 2 logμ D1 = x D logμ C 2 H 5 OH + (1 − x D )logμ H 2 O μ D1 = 4,639.10 -4 N.s/m 2
+ Hệ số dẫn nhiệt của lỏng ngưng D1 :
3 = 0,242 (W/m.độ) Suy ra, hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng ở mặt ngoài một ống chùm nằm ngang: α = 1,28 × √ r D ×ρ D1 2 × D1 3 μ D1 ×d ng ×∆t
Chọn hệ số phụ thuộc cách bố trí ống và số ống trong mỗi dãy thẳng đứng là 𝜀 = 0,5
*Nhiệt tải của hơi ngưng tụ ngoài thành ống, 𝐪 𝟏 : q 1 = q = α 1 × (t D 1 − t V1 ) = 1761,75 × (78,8 – 66,43) = 21792,85 (W/m 2 )
Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi r 1 = 1
5800 (m 2 độ/W) Nhiệt trở cặn bẩn phía dòng nước: r 2 = 1
5000 (m 2 độ/W) Tổng nhiệt trở là: r = r 1 + δ + r 2 = 1
5000 = 4,95.10 -4 (m 2 độ/W) Suy ra, nhiệt độ bề mặt thành trong của ống là: t V2 = t V1 − q ×r = 66,43 – 21792,85 × 4,95.10 -4 = 55,64 0 C
*Hệ số cấp nhiệt của dòng nước bên trong ống, 𝛂 𝟐 :
Tại t V2 = 55,64 0 C, ta có Prt = 3,224 (Phụ lục 7, trang 540, [4])
Chuẩn số Nu của dòng nước trong ống (Re > 10000):
Chuẩn số Pran (Prt) được tính theo nhiệt độ trung bình của tường và có giá trị là 0,25 (theo công thức V.40, trang 14, [2]) Các thông số khác cũng được xác định dựa trên nhiệt độ trung bình của dòng, trong đó hệ số điều chỉnh ε1 tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài (l) và đường kính (d) của ống, với ε1 = 1 khi L/d = 2.
*Nhiệt tải của dòng nước q 2 : q 2 = α 2 × (t V2 − t 2 ) = 3850,768 × (55,64 – 50) = 21797,82 (W/m 2 )
*Kiểm tra điều kiện sai số ε 0 < 0,05: ε 0 = | q 1 −q 2 q 2 | = |21792,85 −21797,82
*Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F:
*Chiều dài ống ứng với diện tích F là:
*Tổng số ống truyền nhiệt có chiều dài l = 2 m là n = L l = 389,58
2 = 194,79 ống Vậy, để dự trữ khoảng 20% diện tích bề mặt truyền nhiệt an toàn, ta chọn tổng ống truyền nhiệt là n = 241 ống dài 2m
Các ống được bố trí ở đỉnh tam giác, tạo thành một chùm lục giác đều Trong tổng số 241 ống, có 217 ống không bao gồm các ống trong các hình viên phân.
+ Số ống trên đường xuyên tâm của lục giác đều là b = 17 ống
+ Số ống trong các hình viên phân ở dãy thứ nhất là 4 ống
- Chọn bước ống t bằng 1,4 lần đường kính ngoài của ống truyền nhiệt: t = 1,4 × d ng = 1,4 × 25 = 35 (mm)
- Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ là, D tr :
Vậy, chọn đường kính trong của thiết bị ngưng tụ là D tr = 700 mm
- Vận tốc thực của dòng nước trong thiết bị ngưng tụ, v N t : v N t = 4×G N1
Do đó, để vận tốc của dòng nước đúng với vận tốc thiết kế thì ta phải tăng số chặn phía ống
- Số chặn phía ống, z: z = v N v Nt = 0,7
0,113 = 6,19 Vậy, ta chọn thiết bị có 6 chặn phía ống
Kiểm tra Re ứng với 6 chặn phía ống, Re > 10000:
Kết luận, thiết bị có đường kính trong D tr = 700 mm, bao gồm 241 ống truyền nhiệt kích thước 25×2mm và dài 2m, được chia thành 6 chặn phía ống.
40 ống, bước ống t = 35mm (bảng 16.2, [4])
Tính toán cơ khí thiết bị
Thiết bị được thiết kế với thân trụ hàn hồ quang điện ở áp suất thường, sử dụng kiểu hàn giáp mối 2 phía Để đảm bảo chất lượng sản phẩm và độ bền ăn mòn, vật liệu chế tạo thân thiết bị là thép không gỉ INOX 304 (X18H10T).
Khi hơi ngưng tụ, thể tích giảm dẫn đến áp suất giảm, khiến thân thiết bị chịu áp lực từ bên ngoài Do thiết bị hoạt động ở áp suất thường, áp suất dư không xuất hiện và chiều cao cột áp thủy tĩnh được xem là không đáng kể Do đó, áp suất tính toán được xác định là Ptt = Pngoài = 1 atm ≈ 0,1 N/mm².
- Nhiệt độ tính toán: t tt = t D 1 = 78,8 0 C
- Đường kính trong của thân trị thiết bị: D tr = 700 mm
- Bề dày tối thiểu của thân trụ với D tr = 700mm là S min = 3mm (Bảng 5-1, trang 94, [5])
- Sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía, nên hệ số mối hàn là: φ h = 0,95 (Bảng XIII.8, trang 362, [2])
- Thời hạn sử dụng thiết bị là 10 năm
+ Ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu X18H10T tại nhiệt độ t tt = 78,8 0 C là: [σ]* = 143 N/mm 2 (Hình 1-2, trang 16, [5])
+ Hệ số điều chỉnh: = 1 (Trang 17, [5])
+ Vậy, ứng suất cho phép là: [σ] = × [σ]* = 143 N/mm 2
- Hệ số bổ sung bề dày tính toán:
+ Chọn tốc độ ăn mòn là 0,1 mm/năm
+ Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường là: Ca = 1 mm
+ Hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường: Cb = 0
+ Hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp rắp: Cc = 0
+ Hệ số bổ sung để quy tròn kích thước C0 = 0
Vậy, hệ số bổ sung bề dày tính toán là: C = Ca + Cb + Cc + C0 = 1 mm
- Bề dày thực của thân thiết bị: S = S min + C = 3 + 1 = 4 mm
- Kiểm tra áp suất tính toán cho phép:
Vì [P] > Ptt nên bề dày thân thiết bị là S = 4 mm
Chọn nắp (đáy) có dạng hình Elip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép không gỉ INOX 304 (X18H10T)
- Nắp (đáy) Elip tiêu chuẩn nên bán kính cong bên trong ở đỉnh nắp (đáy):R tr = D tr 700 mm
- Chọn bề dày nắp (đáy) bằng bề dày thân thiết bị: S = 4 mm
700 = 0,00429 (thỏa) + Kiểm tra áp suất tính toán cho phép:
- Vì [P] > Ptt nên bề dày nắp (đáy) là S = 4 mm
- Chiều sâu bên trong của phần Elip: h tr
- Chiều cao gờ: h = 25 mm (Bảng XIII.10, trang 382, [2])
- Nên diện tích bề mặt trong của nắp (đáy): F tr = 0,59 m 2
- Thể tích của nắp (đáy): V n = 0,0545 m 3 (Bảng XIII.10, trang 383, [2])
- Khối lượng nắp (đáy): m n = 19 kg (Bảng XIII.11, trang 384, [2])
6.2.3 Bích ghép thân và nắp (đáy):
Mặt bích là một thành phần thiết yếu trong việc kết nối các bộ phận của thiết bị và các thành phần khác Các loại mặt bích phổ biến thường được sử dụng bao gồm nhiều kiểu dáng và kích thước khác nhau, phục vụ cho các nhu cầu kết nối đa dạng trong ngành công nghiệp.
Bích liền là bộ phận kết nối thiết bị như hàn, đúc và rèn, chủ yếu được sử dụng cho các thiết bị hoạt động ở áp suất thấp và trung bình.
Bích tự do chủ yếu được sử dụng để nối ống dẫn trong các hệ thống làm việc ở nhiệt độ cao Chúng giúp kết nối các bộ phận bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn so với thiết bị.
+ Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao
Chọn loại bích liền phẳng không cổ (kiểu 1) để ghép thân và nắp (đáy) làm bằng thép không gỉ INOX 304 (X18H10T)
+ Số mặt bích cần dùng là 2 được hàn vào 2 nắp (đáy)
+ Bulong làm bằng thép CT3
+ Với D tr = 700 mm và Ptt = 0,1 N/mm 2 nên theo Bảng X.III.27, trang 419, [2] chọn bích có các thông số sau:
Độ kín của mối ghép chủ yếu được quyết định bởi vật liệu đệm, thường được làm từ các vật liệu mềm hơn so với bích, giúp dễ dàng biến dạng Khi bulong được xiết chặt, đệm sẽ biến dạng và lấp đầy các chỗ gồ ghề trên bề mặt bích Việc lựa chọn đệm phù hợp cần xem xét đến nhiệt độ, áp suất và tính chất của môi trường làm việc Đệm phải đảm bảo độ dẻo và khả năng biến dạng khi bị nén, đồng thời giữ nguyên độ dẻo trong suốt thời gian hoạt động.
25 bền đối với môi trường ăn mòn Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là Paronit có bề dày 3 mm
+ Bề rộng thực của vòng đệm: b = D 1 −D tr
2 = 25 mm + Bề rộng tính toán của vòng đệm: b 0 = 0,6 × b = 0,6 × 25 = 15 mm
+ Hệ số áp suất riêng: m = 2 (Bảng 7-4, trang 156, [5])
+ Áp suất riêng cần thiết để làm biến dạng dẻo đệm: qo = 11 N/mm 2
+ Đường kính trung bình của vòng đệm: D tb = D 1 − b = 750 − 25 = 725 mm
+ Lực tác dụng lên mỗi bulong, Qb:
Lực nén chiều trục sinh ra do xiết bulong:
4× P tt × D tr 2 + π × D tb × b o × m × P tt (Công thức 7-10, trang 155, [5])
Lực cần thiết để ép chặt đệm ban đầu:
Vậy, lực tác dụng lên mỗi bulong là:
20 = 17082,41 (N) + Ứng suất tác dụng lên bulong σ ≤ k o [σ] (Công thức 7-15, trang 157, [5]) Ứng suất cho phép của vật liệu làm bulong ở 100 0 C: [σ]= 86 N/mm 2
Hệ số giảm ứng suất với db = 20 mm: k o = 0,8 (Bảng 7-3, trang 150, [5]) Ứng suất tác dụng lên bulong: σ = π Q b
+ Đường kính chân ren của bulong: d t = 1,13 × √ k Q b o [σ] ′ = 1,13 × √ 17082,41
0,8×86 = 17,8 (mm) (Công thức 7-16, trang 157, [5]) + Cánh tay đòn của momen gây uốn bích: l = D b −D l
2 = 15 mm (Trang 148, [5]) + Bề dày của bích liền, t: t = 0,41 × D l × √ P tt σ b× {1 + 7,3 × l
P tt− 1]} = 20,14 mm (Công thức 7-1, trang 148, [5])
6.2.4 Đường kính các ống dẫn – bích ghép các ống dẫn: Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo được hoặc không tháo được Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo được Đối với mối ghép tháo được, người ta làm đoạn ống nối, đó là đoạn ống ngắn có mặt bích hay ren để nối với ống dẫn:
+ 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 10mm, đôi khi có thể dùng với d
32 mm Ống dẫn được làm bằng thép không gỉ INOX 304 (X18H10T)
Bích được làm bằng thép không gỉ INOX 304 (X18H10T), cấu tạo của bích là bích liền không cổ a Ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ :
Nhiệt độ của nước vào thiết bị ngưng tụ là t1 = 30 0 C
Khối lượng riêng của nước : N = 995,68 (kg/m 3 )
Chọn loại ống dẫn cắm sâu vào thiết bị
Chọn vận tốc nước trong ống dẫn là vN = 1,5 m/s Đường kính trong của ống dẫn:
Chiều dài đoạn ống nối l = 120 mm Vì ống cắm sâu vào thiết bị b Ống dẫn nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ:
Nhiệt độ của nước ra khỏi thiết bị là t2 = 50 o C
Khối lượng riêng của nước : ρN = 988,07 kg/m 3
Chọn loại ống dẫn cắm sâu vào thiết bị
Chọn vận tốc chất lỏng trong ống dẫn là vN = 1,5 m/s Đường kính trong của ống dẫn:
Chiều dài đoạn ống nối l = 120 mm Vì ống cắm sâu vào thiết bị c Ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ:
Nhiệt độ của dòng hơi tại đỉnh tháp là tD1 = 78,8 o C
Chọn vận tốc dòng hơi đi ra từ đỉnh tháp là vh = 20 (m/s)
Khối lượng riêng của dòng hơi: ρ h = PM h
273 ×(78,8+273) = 1,34 (kg/m 3 ) Lượng hơi vào thiết bị ngưng tụ:
G h = G D × (R + 1) = 1419,03× (1,0514 + 1) = 2911 (kg/h) Đường kính trong của ống dẫn:
Chọn ống có Dy = 200 mm
Chiều dài đoạn ống nối l = 130 mm d Ống dẫn lỏng ngưng ra khỏi thiết bị ngưng tụ :
Nhiệt độ của lỏng ngưng trong thiết bị ngưng tụ tD1 = 78,8 o C
Chọn vận tốc dòng lỏng đi ra là vl = 0,5 (m/s)
Khối lượng riêng của etanol : ρ C 2 H 5 OH = 736,14 kg/m 3
Khối lượng riêng của nước : ρ H 2 O = 972,66 kg/m 3
1 ρ D = x̅ D ρ C2H5OH + 1 − x̅ D ρ H2O D = 759,03 kg/m 3 Lượng lỏng ngưng tụ qua thiết bị ngưng tụ:
G l = G D × (R + 1) = 1419,03× (1,0514 + 1) = 2911 (kg/h) Đường kính trong của ống nối:
Chọn ống có Dy = 70 mm
Chiều dài đoạn ống nối l = 110 mm e Bích ghép các ống dẫn:
Tra Bảng XIII.26, trang 409, [2]: Ống Dy Dn D Dt Dl h Bulong db Z
(mm) (cái) Ống dẫn nước vào 100 108 205 170 148 14 M16 4 Ống dẫn nước ra 100 108 205 170 148 14 M16 4 Ống dẫn hơi vào 200 219 290 255 232 16 M16 8 Ống dẫn lỏng ngưng ra 70 76 160 130 110 14 M12 4
6.2.5 Vỉ ống: Đường kính vỉ ống bằng đường kính trong của thiết bị: Dv = Dtr = 700mm
Bề dày tối thiểu của vỉ ống: h ′ = d ng
Vậy, chọn vỉ ống có bề dày là 24 mm Đường kính lỗ ống truyền nhiệt là 25,4 mm
6.2.6 Vách ngăn lưu chất phía vỏ: Để tảo sự chuyển động cắt ngang qua chùm ống, tăng cường quá trình trao đổi nhiệt, chống rung động cho các ống và đỡ các ống khỏi bị cong xuống người ta lắp các tấm ngăn hình viên phân hay hình vành khăn và đĩa
Chọn tấm ngăn có hình vành khăn với thông số e, trang 189, [6]:
+ Đường kính vách ngăn: 696 mm
+ Khoảng cách tối đa giữa các vách ngăn: 760 mm Chọn khoảng cách: 400 mm + Bề dày tối thiểu của vách ngăn: 9 mm Chọn bề dày: 10 mm
+ Được cắt một khoảng h ≈ 25%Dngăn = 163 mm
+ Cách lỗ trên vách ngăn có đường kính lớn hơn đường kính ngoài của ống khoảng 1mm dvách = 26 mm
+ Số lỗ trên mỗi tấm ngăn: 208 lỗ
Thanh giằng được sử dụng để gia cố và cố định tấm ngăn lưu chất, giúp ngăn chặn hiện tượng dòng chảy xô lệch Cấu tạo của nó bao gồm một thanh thép tròn với một đầu vặn ren, được chặn vào vỉ ống Ở vị trí giữa hai tấm ngăn, có một đoạn ống thép được lồng vào, và ở đầu cuối, có đai ốc được vặn chặt vào tấm chặn cuối cùng.
+ Đường kính ống thép: 18 mm
Chọn vật liệu làm chân đỡ tháp là thép CT3
Thiết bị gồm 2 chân đỡ, được thiết kế bằng phương pháp hàn, các tấm gân đỡ được hàn vào với nhau
Chọn thông số chân đỡ theo hình 9.5a, trang 91, [7]:
Khoảng cách giữa 2 chân đỡ:
+ Khối lượng riêng của vật liệu làm thân: 𝜌 304 = 7900 kg/m 3
+ Khối lượng riêng của môi trường chứa trong thiết bị: 𝜌 𝑚 = 1000 kg/m 3
+ Chiều dài nắp (đáy) khi chứa đầy môi trường trong thiết bị:
+ Chiều dài thân trụ: Lt = 2000 mm
+ Chiều dài thiết bị có 2 đáy (nắp) giống nhau: L = Lt + Ln + Lđ = 2323,43 mm
+ Khoảng cách giữa 2 chân đỡ: l = 0,5× (L − 2 × 0,207) = 1162 mm
Vậy, khoảng cách giữa 2 chân đỡ là 1162 mm
6.2.9 Trọng lượng của thiết bị:
+ Khối lượng riêng của thép không gỉ INOX 304 (X18H10T): ρ 304 = 7900 kg/m 3 + Khối lượng riêng của thép CT13: ρ CT13 = 7850 kg/m 3
Khối lượng của đáy (nắp): m đáy(nắp) = 19 kg
Khối lượng của thân thiết bị: m thân = π
4× (0,708 2 − 0,7 2 ) × 2 × 7900 = 139,7 kg Khối lượng của một bích ghép thân và nắp (đáy): m bích = π
4× (0,83 2 − 0,7 2 ) × 0,024 × 7900 = 29,62 kg Khối lượng vỉ ống: m vỉ = π
Khối lượng các ống truyền nhiệt: mống truyền nhiệt = n ×π
4× (0,025 2 − 0,021 2 ) × 2 × 7900 = 548 kg Khối lượng của một ống dẫn nước vào và bích ghép: m 1 = [ π
Khối lượng của một ống dẫn nước ra và bích ghép: m 2 = [π
Khối lượng của một ống dẫn hơi vào và bích ghép: m 3 = [π
Khối lượng của một ống dẫn lỏng ngưng ra và bích ghép: m 4 = [π
Vậy, khối lượng của toàn thiết bị (không kể khối lượng chân đỡ) là:
M = m thân + 2m bích + 2m vỉ + 2m đáy(nắp) + mống truyền nhiệt + m 1 + m 2 + m 3 + m 4 = 865,8 kg
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
Thiết bị đun nóng dòng nhập liệu
Dòng nhập liệu đi trong ống, hơi nước bão hòa ngưng tụ ở mặt ngoài ống ngang Chọn thiết bị truyền nhiệt vỏ – ống loại TH đặt nằm ngang
Chọn ống truyền nhiệt được làm bằng thép không gỉ INOX 304 (X18H10T) có các thông số sau:
+ Đường kính ngoài của ống: dng = 25 mm = 0,025 m
+ Đường kính trong của ống: dtr = 21 mm = 0,021 m
+ Bề dày thành ống: 𝛿 = 2 mm = 0,002m
+ Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép: = 16,3 W/m 0 C
+ Nhiệt độ vào (lỏng) là t f 0 0 C
+ Nhiệt độ ra (lỏng sôi) là t F = 85,8 0 C
+ Lượng nhập liệu cần gia nhiệt: GF = 5000 kg/h
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 2 at
Tra bảng I.197, trang 230, [1], nhiệt độ ngưng tụ của hơi nước là t n = 119,62 0 C Tra bảng 49, trang 45, [3], ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở 119,62 0 C là r n 2204,98 J/kg
Lượng hơi đốt cần dùng: Gh = 541,01 kg/h
Nhiệt lượng cần thiết cho thiết bị đun đáy tháp là QD3 = 5164,24.10 6 J/h
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên:
∆T log = (t n − t f ) − (t n − t F ) ln( tn − tf tn − tF ) = (119,62 − 30) − (119,62 − 85,5) ln( 119,62 − 30 119,62 − 85,5 ) = 57,47 o C Nhiệt độ trung bình của dòng nhập liệu: t F tb = t f + t F
2 = 57,75 o C Khối lượng riêng của rượu: ρ R = 756,03 kg/m 3
Khối lượng riêng của nước: ρ N = 976,14 kg/m 3
986,21 ρ = 909,66 kg/m 3 Độ nhớt của rượu: μ rượu = 0,616.10 -3 N.s/m 2 Độ nhớt của nước: μ nước = 0,485.10 -3 N.s/m 2 log(μ) = x F log (μ rượu ) + (1 − x F )log (μ nước ) μ = 5.10 -4 N.s/m 2
Nhiệt dung riêng của rượu: C r = 2940,75 J/kg.K
Nhiệt dung riêng của nước: C n = 4188,31 J/kg.K
Hệ số dẫn nhiệt: λ hh = 3,58.10 −8 × C hh × ρ × √ M ρ
3 = 0,441 W/mK Áp dụng công thức (V.35) trang 12, [2] ta được Pr F = C F × μ F λ F = 4,377
Bảng 7.1.1 Thông số vật lí của dòng nhập liệu tại nhiệt độ trung bình 57,75 0 C
Khối lượng riêng ρ NL (kg/m 3 ) 909,66 Độ nhớt μ NL (Ns/m 2 ) 5.10 -4
Nhiệt dung riêng C P NL (J/kg.độ) 3875,17
Hệ số dẫn nhiệt NL (W/m.độ) 0,441
Chuẩn số Pr Pr NL 4,377
Vận tốc thực của dòng nhập liệu: v NL = 4 × G F
Chuẩn số Re NL = v NL × d tr × ρ NL μ NL = 4,408 × 0,021 × 909,66
5.10 −4 = 168862 > 10000 Vậy thuộc chế độ chảy rối
*Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng bên ngoài ống, 𝛼 1 :
Thực hiện các phép tính lặp và thử sai số
Chọn nhiệt độ bề mặt ngoài thành ống là t F 1 = 117,53 o C
Hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ bề mặt thành ngoài ống:
Nhiệt độ màng lỏng ngưng: t m = t n + t F1
2 = 118,575 o C Tại t n = 119,62 o C, ẩn nhiệt ngưng tụ của dòng hơi là rn = 2204980 J/kg
Bảng 7.1.2 Thông số vật lí của nước ngưng tại nhiệt độ 𝑡 𝑚 = 118,575 o C
Khối lượng riêng ρ N (kg/m 3 ) 944,07 Độ nhớt μ N (Ns/m 2 ) 0,236.10 -3
Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng ở mặt ngoài ống nằm ngang: α = 1,28 × √ r h ×ρ NL 2 × NL
Chọn hệ số phụ thuộc cách bố trí ống và số ống trong mỗi dãy thẳng đứng là ε = 0,75
*Nhiệt tải của hơi đốt ngưng tụ ngoài thành ống: q 1 = q = α 1 × (t n − t F1 ) = 56599,32
- Nhiệt trở cặn bẩn phía ngoài ống: r 1 = 1
- Nhiệt trở cặn bẩn phía trong ống: r 2 = 1
Suy ra, nhiệt độ bề mặt thành trong của ống là: t F2 = t F1 − q ×r = 89,5 0 C
*Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu bên trong ống, 𝛼 2 :
Khối lượng riêng của rượu: ρ R = 725,96 kg/m 3
Khối lượng riêng của nước: ρ N = 965,34 kg/m 3
1 ρ= x̅ F ρ R + (1−x̅ F ) ρ N ρ = 891,55 kg/m 3 Độ nhớt của rượu: μ rượu = 0,383.10 -3 N.s/m 2 Độ nhớt của nước: μ nước = 0,322.10 -3 N.s/m 2 log(μ) = x F log (μ rượu ) + (1 − x F )log (μ nước ) μ = 0,329.10 -3 N.s/m 2
Nhiệt dung riêng của rượu: C r = 3362,7 J/kg.K
Nhiệt dung riêng của nước: C n = 4209,03J/kg.K
Hệ số dẫn nhiệt: λ hh = 3,58.10 −8 × C P D1 × ρ D1 × √ ρ M D1
3 0,443 W/mK Áp dụng công thức (V.35) trang 12, [2] ta được Pr t = C F μ F λ F = 2,96 Chuẩn số Nu của dòng nhập liệu trong ống (Re > 10000):
Nu = 0,021 × ε 1 × Re 0,8 × Pr NL 0,43 × ( Pr NL
Pr t ) 0,25 (Công thức V.40, trang 14, [2]) Trong đó: Prt – chuẩn số Pran của dòng tính theo nhiệt độ trung bình của tường
Hệ số điều chỉnh ε 1 = 1 được tính toán dựa trên nhiệt độ trung bình của dòng, với ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống.
*Nhiệt tải của dòng nước q 2 : q 2 = α 2 × (t F2 − t F ) = 13962,26 × (89,5 – 85,8) = 56035,25 (W/m 2 )
*Kiểm tra điều kiện sai số 𝜀 0 < 0,05: ε 0 = | q 1 − q 2 q 2 | = |56599,32 − 56035,25
*Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F:
*Chiều dài 1 ống ứng với diện tích F: l = F n × π × dtr + dng
Vậy, để dự trữ khoảng 20% diện tích bề mặt truyền nhiệt an toàn ta chiều dài mỗi ống truyền nhiệt là 2m.
Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống
Dòng nước giải nhiệt chảy vào không gian bên trong ống trong, trong khi dòng sản phẩm đỉnh đi vào khoảng trống giữa ống trong và ống ngoài Ống truyền nhiệt được chế tạo từ thép không gỉ INOX 304 (X18H10T), với ống trong (ống 1) đóng vai trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt.
+ Đường kính ngoài của ống: dng1 = 16 mm
+ Đường kính trong của ống: dtr1 = 12,8 mm
+ Bề dày thành ống: δ 1 = 1,6 mm
+ Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép: = 16,3 W/m o C Ống ngoài (ống 2):
+ Đường kính ngoài của ống: dng2 = 25mm
+ Đường kính trong của ống: dtr2 = 20 mm
+ Bề dày thành ống: δ 2 = 2,5 mm
Dòng nước giải nhiệt có:
+ Nhiệt độ vào của nước làm nguội: t3 = 25 o C
+ Nhiệt độ ra của nước làm nguội: t4 = 40 o C
+ Suất lượng là: GN = 3378,9 kg/h
Dòng sản phẩm đỉnh có:
+ Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh: t D = 78,8 0 C
+ Nhiệt độ đầu ra của sản phẩm đỉnh: t D1 = 30 0 C
Nhiệt lượng tỏa ra từ dòng sản phẩm đỉnh: QD = 211,7.10 6 (J/h)
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên:
∆T log = (t D − t 4 ) − (t D1 − t 3 ) ln( tD − t4 tD1 − t3 ) = (78,8 − 40) − (30 − 25) ln( 78,8 − 40
30 − 25 ) = 16,5 0 C Nhiệt độ trung bình của nước giải nhiệt: t N tb = t 3 +t 4
Bảng 7.2.1 Thông số nhiệt vật lí của nước giải nhiệt tại nhiệt độ trung bình 32,5 0 C
Khối lượng riêng ρ N (kg/m 3 ) 994,25 Độ nhớt μ N (Ns/m 2 ) 7,601.10 -4
Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh: t D tb = t D + t D1
2 = 54,4 o C Khối lượng riêng của rượu: ρ R = 759,04 kg/m 3
Khối lượng riêng của nước: ρ N = 985,5 kg/m 3
985,5 ρ = 781,3 kg/m 3 Độ nhớt của rượu: μ rượu = 0,653.10 -3 N.s/m 2 Độ nhớt của nước: μ nước = 0,510.10 -3 N.s/m 2 log(μ) = x D log (μ rượu ) + (1 − x D )log (μ nước ) μ = 6,11.10 -4 N.s/m 2
Nhiệt dung riêng của rượu: C r = 2897,2 J/kg.K
Nhiệt dung riêng của nước: C n = 4185,8 J/kg.K
Hệ số dẫn nhiệt: λ hh = 3,58.10 −8 × C hh × ρ × √ M ρ
3 = 0,233 W/mK Áp dụng công thức (V.35) trang 12, [2] ta được Pr D = C D × μ D λ D = 8,016
Bảng 7.2.2 Thông số vật lí của dòng sản phẩm đỉnh tại nhiệt độ trung bình 54,4 0 C
Khối lượng riêng ρ D (kg/m 3 ) 781,3 Độ nhớt μ D (Ns/m 2 ) 6,11.10 -4
Chuẩn số Pr Pr D = (C P D × μ D )/ D 8,016 Đường kính tương đương: dtđ = dtr2 – dng1 = 20 – 16 = 4 (mm)
Vận tốc thực của dòng sản phẩm đỉnh, v D : v D = 4 × G D
Chuẩn số Re = v D × d tđ × ρ D μ D = 22812 > 10000 Vậy thuộc chế độ chảy rối
*Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng ở mặt ngoài một ống nằm ngang, 𝛼 1 :
Thực hiện các phép tính lặp và thử sai số
Chọn nhiệt độ bề mặt ngoài thành ống là t D V = 50,287
Khối lượng riêng của rượu: ρ R = 762,74 kg/m 3
Khối lượng riêng của nước: ρ N = 987,37 kg/m 3
985,5 ρ = 784,88 kg/m 3 Độ nhớt của rượu: μ rượu = 0,698.10 -3 N.s/m 2 Độ nhớt của nước: μ nước = 0,54.10 -3 N.s/m 2 log(μ) = x D log (μ rượu ) + (1 − x D )log (μ nước ) μ = 6,52.10 -4 N.s/m 2
Nhiệt dung riêng của rượu: C r = 2843,7 J/kg.K
Nhiệt dung riêng của nước: C n = 4182,7 J/kg.K
Hệ số dẫn nhiệt của hh: λ hh = 3,58.10 −8 × C hh × ρ × √ M ρ
3 = 0,231 W/mK Áp dụng công thức (V.35) trang 12, [2] ta được Pr Dv = C D × μ D λ D = 8,5
Bảng 7.2.3 Thông số vật lí của dòng sản phẩm đỉnh tại nhiệt độ 𝑡 𝐷 𝑉 = 50,287 0 C
Khối lượng riêng ρ D V (kg/m 3 ) 784,88 Độ nhớt μ D V (Ns/m 2 ) 6,52.10 -4
DV (J/kg 0 C) 3009,7 Chuẩn số Pr Pr D V = (C P
DV × μ D V )/ D V 8,5 Chuẩn số Nu của dòng nhập liệu trong ống (Re > 10000):
Trong công thức V.40 (trang 14, [2]), Prt là chuẩn số Pran của dòng được tính theo nhiệt độ trung bình của tường Các thông số khác cũng được xác định dựa trên nhiệt độ trung bình của dòng, với ε1 = 1 – hệ số điều chỉnh phản ánh ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống.
*Nhiệt tải của sản phẩm đỉnh: q D = α 1 × (t n − t F1 ) = 37204,82
*Nhiệt tải qua thành ống và lớp cấu: q t = t Dv − t Nv Σr t (W/m 2 )
Trong đó: t w2 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với và r = r 1 + δ
- Nhiệt trở cặn bẩn phía ngoài ống: r 1 = 1
- Nhiệt trở cặn bẩn phía trong ống: r 2 = 1
5000 = 4,7.10 -4 (m 2 độ/W) Xem nhiệt mất mát là không đáng kể nên: q D = q t
- Nhiệt độ bề mặt thành trong của ống là: t Nv = t Dv − q t ×r = 32,8 0 C
*Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu bên trong ống, 𝛼 2 :
Tại t Nv = 32,8 0 C: tra [4] Pr Nv = 5,11
Chuẩn số Nu của dòng nhập liệu trong ống (Re > 10000):
Pr Nv) 0,25 (Công thức V.40, trang 14, [2])
*Nhiệt tải của dòng nhập liệu: q N = α N × (t Nv − t Ntb ) = 37319,63 (W/m 2 )
*Kiểm tra điều kiện sai số 𝜀 0 < 0,05: ε 0 = | q N − q D q D | = |37319,63 − 37204,82
*Hệ số truyền nhiệt K ứng với 𝑡 𝐷 𝑉 = 50,287 0 C là:
*Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F:
*Chiều dài ống ứng với diện tích F là:
Vậy, để dự trữ khoảng 10% diện tích bề mặt truyền nhiệt an toàn ta chọn chiều dài ống truyền nhiệt là 51 m.
Nồi đun đáy tháp
Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp là nồi đun Kettle
Hơi nước bão hòa đi trong ống, còn dòng lỏng đi ngoài ống Ống truyền nhiệt được làm bằng thép INOX 304 (X18H10T) với các thông số:
+ Đường kính ngoài: dn= 25 mm = 0,025 m;
+ Đường kính trong: dtr = 21 mm = 0,021 m;
+ Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép: = 16,3 W/m 0 C
Dòng hơi đốt có áp suất 2,5 at có:
+ Nhiệt ngưng tụ: rh = 2189500 J/kg (Tra bảng 1.251, trang 314, [2])
Dòng sản phẩm đáy có:
+ Nhiệt độ vào tW = 99,8 0 C, nhiệt độ ra là tW’ = 30 0 C
+ Nhiệt độ dòng hơi vào tháp là: tWy = 100 0 C
2189500 = 2358,64 kg/h Nhiệt lượng trao đổi giữa 2 dòng là: Qh = Gh × rh = 2358,64 × 2189,5 = 51,6×10 5 kJ/h
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
∆T log = (t h − t W )− (t h − t Wy ) ln( th − tW th − tWy )
*Hệ số cấp nhiệt của dòng hơi đốt, 𝛼 ℎ
+ Giả sử, chọn nhiệt độ bề mặt thành trong của ống là tW1 = 123,19 O C
+ Nhiệt độ trung bình của màng nước ngưng: t m = t h + t W1
Bảng 7.3 Thông số nhiệt vật lí của nước giải nhiệt tại nhiệt độ trung bình 124,72 0 C
Khối lượng riêng ρ N (kg/m 3 ) 943,97 Độ nhớt μ N (Ns/m 2 ) 2,3.10 -3
Hệ số dẫn nhiệt N (W/m 0 C) 0,716 Áp dụng công thức 3.65, trang 120, [6]: α h = 0,725 × √ r h ×ρ N 2 ×g× N 3 μ N ×d tr ×(t h −t W1 )
Nhiệt tải của hơi đốt trong ống: q h = α h × (t h − t W1 ) = 32740,91 (W/m 2 )
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cấu:
+ Nhiệt trở cặn bẩn phía ngoài ống: r 1 = 1
5800 (m 2 độ/W) + Nhiệt trở cặn bẩn phía trong ống: r 2 = 1
5000 (m 2 độ/W) + Tổng nhiệt trở là: r = 𝑟 1 + 𝛿 + r 2 = 1
5000 = 4,95.10 -4 (m 2 độ/W) + Xem nhiệt mất mát là không đáng kể nên: q = q h
Vậy, nhiệt độ bề mặt thành trong của ống là: t W2 = t W1 − q h ×r = 106,98 0 C
*Hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy, 𝛼 𝑊
Xem như sản phẩm đáy chỉ có nước
+ Hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và nước sôi: ∆t = t W2 − t W = 7,18 0 C + Áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng: P 5 N/m 2
+ Áp dụng công thức V.91, trang 26, [2]: α W = 0,145 × ∆t 2,33 × P 0,5 = 4535,197 Nhiệt tải của dòng sản phẩm đáy: q W = α W × (t W2 − t W ) = 32577,46 (W/m 2 )
Kiểm tra điều kiện sai số ε 0 < 0,05: ε 0 = | q W − q h q h | = |32577,46 − 32740,91
*Hệ số truyền nhiệt K ứng với t 𝑊1 = 123,19 0 C là:
*Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F:
*Chiều dài ống ứng với diện tích F là:
*Tổng số ống truyền nhiệt có chiều dài l = 3m là n = L l = 609
Vậy, để dự trữ khoảng 20% diện tích truyền nhiệt ta chọn tổng ống truyền nhiệt là n 244 ống dài 3m.
Bơm
Tại nhiệt độ nhập liệu tF = 30 0 C:
Khối lượng riêng của Ethanol: ρ C 2 H 5 OH = 781 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của nước: ρ H 2 O = 995 (kg/m 3 )
1 ρ= x̅ F ρ R + (1 − x̅ F ) ρ N ρ = 930,97 kg/m 3 Độ nhớt của rượu: μ C 2 H 5 OH = 10 -3 N.s/m 2 Độ nhớt của nước: μ H 2 O = 8,01.10 -4 N.s/m 2 log(μ) = x F log (μ rượu ) + (1 − x F )log (μ nước ) μ = 8,22.10 -4 N.s/m 2
Suất lượng thể tích của dòng nhập liệu đi trong ống: QF = G F ρ F = 5000
930,97 = 5,37 m 3 /h Vậy chọn bơm có năng suất Qb= 6 (m 3 /h)
- Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu
- Mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng từ vị trí nhập liệu Áp dụng phương trình Bernouli cho (1-1) và (2-2) z 1 + P 1 ρ F g+v 1 2
2g+ Σh f1−2 Trong đó: z 1 - độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn z 1 = 0,5m z 2 - độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất
(Chọn khoảng cách giữa các mâm là 0,3 m, chiều cao của đáy là 0,4 m, mâm nhập liệu là mâm 11 Vậy chiều cao từ mâm nhập liệu tới mặt đất là: z2 = 0,3×11 + 0,4 = 3,7 m)
P1 - áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn P1 = 1at = 9,81.10 4 N/m 2
P2 - áp suất tại mặt cắt (2-2), chọn P2 = 1at = 9,81.10 4 N/m 2 v1 - vận tốc tại mặt thoáng (1-1), xem v1 = 0 m/s v2 - vận tốc tại mặt cắt (2-2), xem v2 = 0,6 m/s Σh f1−2 – tồng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2)
7.4.2.1 Tổng trở lực đường ống
Chọn đường kính trong ống hút và ống đẩy bằng nhau d = 50 mm
Tra bảng II.15 [2] ta có độ nhám của ống ε = 0,2 mm Σh f1−2 = (λ×l h + l đ d tr + Σξ h + Σξ đ )×v F
2g Trong đó: lh - chiều dài đường ống hút, chọn lh = 2m lđ - chiều dài đường ống đẩy, chọn lđ = 4m
∑ξh - tổng hệ số tổn thất cục bộ ống hút
Hệ số tổn thất cục bộ ống đẩy được ký hiệu là ∑ξđ, trong khi hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy được ký hiệu là λ Vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn, ký hiệu là vF, được tính theo công thức vF = GF / (ρhh × 4 × π × dtr²), với giá trị vF bằng 5000.
8,22 × 10 −4 = 43038 chế độ chảy rối Chuẩn số Re tới hạn: Re gh = 6( d tr ε ) 8/7 = 3301 Chuẩn số Re khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám: Re n = 220( d tr ε ) 9/8 = 109674
Vì Re gh < Re F < Re n nên chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ Áp dụng công thức 11.64 [1] ta có: λ ≈ 0,1 × (1,46 × ε d tđ+ 100
* Tổn thất áp suất cục bộ trong ống hút:
- Chỗ uốn cong: Tra bảng II.16, trang 382, [1]: chọn dạng ống uốn cong 90 o có bán kính R với R/d = 2 thì ξ u1 (1 chỗ) = 0,15 Ống hút có 2 chỗ uốn → ξ u1 = 0,15× 2=0,3
- Van: Tra bảng 9.5, trang 94, [1]: chọn van cầu với độ mở hoàn toàn thì ξ v1 (1 chỗ) Ống đẩy có 2 van cầu → ξ v1 = 20
* Tổn thất áp suất cục bộ trong ống đẩy:
- Chỗ uốn cong: Tra bảng II.16, trang 382, [1]: chọn dạng ống uốn cong 90 o có bán kính R với R/d = 2 thì ξ u2 (1 chỗ) = 0,15 Ống đẩy có 2 chỗ uốn → ξ u1 = 0,15×2=0,3
- Van: Tra bảng 9.5, trang 94, [1]: chọn van cầu với độ mở hoàn toàn thì ξ v2 (1 chỗ) Ống đẩy có 2 van cầu → ξ v2 = 20
3600 × 0,8 = 85,62 W Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn 2 bơm li tâm loại XM, có:
SƠ BỘ GIÁ THÀNH THIẾT BỊ
- Lượng thép tấm INOX 304 cần dùng: m304 = mthân + 2mvỉ + 2mnắp(đáy) + 2mbích + mbích ghép các ống dẫn = 308,33 kg
- Lượng ống thép INOX 304 21 không hàn cần dùng: L = 240×2 = 480 m
- Lượng ống nối bằng thép INOX 304 (≥50) cần dùng: 2.0,13+0,12+0,11 = 0,49 m
- Số lượng bulong cần dùng: 20×2 + 4 + 4 + 8 + 4 = 60 cái
Vật liệu Số lượng Đơn giá Thành tiền
- Tiền gia công chế tạo thiết bị bằng 200% tiền vật tư:
