DA-QTTB

Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước

SVTH: Tô Thị Thanh Loan GVHD: Vũ Bá Minh

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN Cán bộ hướng dẫn. Nhận xét: _________________________________________________

__________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ Điểm:_________________________ Chữ ký:__________ Cán bộ chấm hay Hội đồng bảo vệ. Nhận xét: _____________________________________

__________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ Điểm:_________________________ Chữ ký:_______________ Điểm tổng kết:________________________________________

1



MỤC LỤC CHƢƠNG I : TỔNG QUAN .............................................................................................. …..5

1. Tổng quan về sản phẩm ……………………………………………………………… 7 cất…………………………………………………... …………………... .6 2. Phương pháp và thiết bị chưng cất……………………………… Nước………………………………………………. ..9 3. Công nghệ chưng cất hệ Etanol- Nước………………………………………………. CHƢƠNG II : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT - NĂNG LƢỢNG ................................... 12

1. Tính cân bằng vật chất................................................. .............................................................................................. ............................................. 12 12 2. Tính cân bằng năng lượng .................................................... ........................................................................................ .................................... 17 17 CHƢƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƢNG CẤT ..................................... 20

1. Tính đường kính tháp chưng cất.................................................... ............................................................................... ........................... 20 20 2. Tính chiều cao tháp ...................................................... .................................................................................................. ............................................ 26 26 3. Tính toán chóp và ống chảy chuyền. ...................................................... ........................................................................ .................. 26 26 4. Tính trở lực tháp .................................................. ...................................................................................................... ...................................................... 31 CHƢƠNG IV : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP .................................................. .......................................................... ........ 36

1 . Bề dày thân tháp .................................................... ........................................................................................................ ...................................................... 38 2 . Đáy và nắp thiết bị ................................................ .................................................................................................... ...................................................... 38 3 . Bích ghép thân, đáy và nắp .................................................... ........................................................................................ .................................... 36 36 4 . Đường kính các ống dẫn – Bích – Bích ghép các ống dẫn .................................................... ...................................................... 40 40

5 . Tai treo và chân đỡ ..................................................................................................... ................................................. ...................................................... 45 CHƢƠNG V : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ .................. 52 1 . Các thiết bị truyền nhiệt ................................................ ............................................................................................. ............................................. 52 52 1.1 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh ............................................... .......................................................................... ........................... 52 52

1.2 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy ......................................... 57 1.3 Thiết gia nhiệt nhập liệu .................................................... ........................................................................................ .................................... 65 65 1.4 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy .................................................. ............................................................................. ........................... 70 70 1.5 Thiết gia ngưng tụ sản phẩm đỉnh .............................................. ......................................................................... ........................... 73 73

2. Tính toàn bơm nhập liệu ................................................. .............................................................................................. ............................................. 77 77 2.1 Tính chiều cao bồn cao vị .................................................. ...................................................................................... .................................... 77 77 2.2 Chọn bơm............................................... .................................................................................................... ............................................................... .......... 82

2



CHƢƠNG VI : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ .................................................. ............................................................................. ........................... 85 CHƢƠNG VII : KẾT LUẬN ..................................................... ................................................................................................. ............................................ 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................. ..................................................................................................... ...................................................... 88

3



4



CHƢƠNG I : I : TỔNG QUAN 1. Tổng quan về sản phẩm Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol - Nước.

1.1 Etanol: Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC. Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước.

Hình 1: Cấu trúc phân tử Etanol + Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg: 78.3oC. + Khối lượng riêng: d420 = 810 Kg/m3. Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng, nó đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất nhiều mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế, dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp. 1.2 Nƣớc: Nước là một hợp chất hóa học của Hydro và Oxy, công thức hóa học là H2O. Nước là một - Nước chất quan trọng trong công nghiệp và đời sống, chiếm 70% diện tích của trái đất.

5



Hình 2: Cấu tạo phân tử nước

-Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy. Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45°. Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện. Chiều dài của liên kết O-H là 96,84 picomet. Nước có tính lưỡng cực, liên kết giữa các phân tử nước là liên kết hidro. - Nước +Nhiệt độ sôi của nước :100oC ( ở 760mmHg) +Nhiệt độ nóng chảy : 0oC ( ở 760mmHg) 1.3 Hỗn hợp Etanol – Nƣớc: – Nƣớc: Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol - Nước ở

760 mmHg: x(%phân mol)

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

y(%phân mol) t(oC)

0

33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100

100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8

80

79,4

79

78,6 78,4 78,4

6


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước H eäE eäEt anol anol -N -Nöôùc

y(%mol)

100

90 80 70 60 50 40 30 20 10

x(%mol)

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Hình 3: Đồ thị cân bằng lỏng-hơi hệ Etanol- Nước Nước 2. Phƣơng pháp và thiết bị chƣng cất: 2.1 . Phƣơng pháp chƣng cất : Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc, chưng cất là quá qu á trình trong đó cả

dung môi và ch ất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi. Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) .Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol và một ít nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm gồm nước và một ít

etanol. Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:

7



 Áp suất làm việc: việc: chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao. Nguyên tắc

của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử.  Nguyên lý làm việc: việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên tục.

Chưng cất đơn giản(gián đoạn): đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các trường hợp sau: + Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau. + Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao. + Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi. + Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử. Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.  Phƣơng pháp cấ p nhiệt ở đáy tháp:

Sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp : khi chưng cất hỗn hợp nhập kiệu thu được nước ở đáy tháp chưng cất, cấu tử còn lại đễ bay hơi thì ta có thể sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp. Sử dụng nồi đun để cấp nhiệt cho tháp chưng cất : nồi đun cho tháp chưng cất là thiết bị trao đổi nhiệt được đặt ở đáy tháp, để cung cấp nhiệt cho hệ thống. Có các loại nồi đun cho tháp chưng cất:

-

Thiết bị trao đổi nhiệt loại hai vỏ: vỏ : dùng cho tháp chưng cất năng suất nhỏ.

-

Thiết bị trao đổ nhiệt dạng ốm chùm.

- Nồi đun đặt ngoài. Chất tải nhiệt nóng đi trong ống, hơi đi vào tháp cân bằng với dòng sản phẩm đáy, do đó nồi đun được đ ược xem làm một mâm lý thuyết. Dùng cho tháp chưng cất năng suất cao.

-

Thiết bị trao đổi nhiệt đặt đứng . Chất tải nhiệt đi ngoài ống, bốc hơi hoàn toàn phần lỏng đi vào nồi đun. Do đó, hơi có cùng thành phần với dòng sản phẩm đáy.

-

Thiết bị trao đổi nhiệt nhận dòng lỏng từ mâm đáy và nó chỉ bốc hơi một phần.

8



Vậy: Vậy: đối với hệ Etanol – Nước, Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun đặt ngoài ở áp suất thường. 2.2 . Thiết bị chƣng cất: Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp tiếp xúc pha phải lớn ,điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vaò lưu chất kia .

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thước của tháp : đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác

nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: 

Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s…



Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm. Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay

hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :

THÁP CHÊM Ƣu điểm

- Đơn giản. - Trở lực thấp.

Nhƣợc điểm

- Hiệu suất thấp. - Độ ổn định kém. - Thiết bị nặng

THÁP MÂM XUYÊN LỖ - Hiệu suất tương đối cao. - Làm việc với chất lỏng bẩn. - Trở lực khá cao.

THÁP MÂM CHÓP - Hiệu suất cao. - Cấu tạo phức tạp.

► Đồ án này sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Etanol- Nước Nước . 3. Công nghệ chƣng cất Etanol-Nƣớc: Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,30C ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg : hơi cách biệt khá xa nên phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất.

9



Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ do có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn. * Sơ đồ qui trình công nghệ chƣng cất hệ Etanol – nƣớc: – nƣớc: Chú thích các kí hiệu trong qui trình: 1 . Bồn chứa nguyên liệu.

2 . Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu. 3 . Thiết bị trao đổi nhiệt.

4 . Baãy hôi 5 . Tháp chưng cất.

6 . Nồi đun. 7. Thiết bị ngưng tụ.

8 . Bộ phận chỉnh dòng. 9 . Thiết bị làm nguội. 10 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh. * Thuyết minh qui trình công nghệ: Hỗn hợp etanol – nước – nước có nồng độ etanol 11,6% ( theo phân mol), nhiệt độ khoảng 280C tại bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt (3) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ). Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi (2) , rồi đưa vào tháp chưng cất ở đĩa nhập liệu. Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chưng cất (5) chảy xuống. Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 78,1% phân mol). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (7) và được ngưng tụ hoàn toàn. Bộ phận chỉnh dòng (8) chia chất lỏng này

10



làm hai phần: một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh, được làm nguội đến 350C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (10); phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp chưng cất (5) ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu. Một phần cấu tử ethanol có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử nước có nhiệt độ

sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ etanol là 0,1367%

phân mol, còn lại là nước. Dung dịch sản phẩm đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (6) . Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị trao đổi nhiệt (3). Sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 600C được thải bỏ.

11



CHƢƠNG II :TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT NĂNG LƢỢNG 1. Tính cân bằng vật chất 1.1 Các thông số ban đầu :  Năng suất sản phẩm đỉnh: 1000 l/h = 1 m3  Nồng độ ethanol nhập liệu: 30% thể tích.  Nồng độ sản phẩm đỉnh 92% thể tích.  Tỷ lệ thu hồi rượu: 99%.

Ta có: o

Khối lượng phân tử của rượu và nước : MR =46 , MN =18 .

o

Khối lượng riêng của ethanol nguyên chất ở 250C: ρethanol = 784,75 (kg/m 3)

o

Khối lượng riêng của nước cất ở 250C: ρnước = 997,08 (kg/m 3)

1.2. Tính toán các dòng: 

Tính toán dòng sản phẩm đỉnh:

Nồng độ ethanol sản phẩm đỉnh : 92% theo thể tích. → Trong 1 m3 hỗn hợp ethanol –nước nhập liệu có 0,92 m3 ethanol + 0,08 m 3 nước. 

0,3 m3 ethanol nguyên chất có khối lượng 721,97 kg.



0,7 m3 nước nguyên chất có khối lượng 79,77 kg.

→ Trong 801,74 kg hỗn hợp ethanol – nước – nước nhập liệu có 721,97 kg ethanol +79,77 kg nước. ► Phân khối lượng ethanol trong dòng sản phẩm đỉnh:

 = 0,901 ̅ =  

► Phân mol ethanol trong dòng sản phẩm đỉnh:

̅    = ̅ =   ̅          ướ   

= 0,781

► Khối lượng riêng trung bình của dòng sản phẩm đỉnh: ρD =

̅ . ρ

ethanol

+ (1-

= 805,771 (kg/m 3)

̅) . ρ

nước =

0,901 . 784,75 + (1 – 0,901) . 997,08

► Suất lượng sản phẩm đỉnh: 1 m3 → GD = 805,771 (kg/h)

12


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước ► Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh:

MD =



̅     ̅   ướ 

=

   = 39,861 (kg/kmol).  

► Suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kmol/h:

D=



 =  = 20,215 (kmol/h)  

Tính toán dòng nhập liệu:

Nồng độ ethanol nhập liệu : 30% theo thể tích. → Trong 1 m3 hỗn hợp ethanol –nước nhập liệu có 0,3 m3 ethanol + 0,7 m 3 nước. 

0,3 m3 ethanol nguyê n chất có khối lượng 235,425 kg.



0,7 m3 nước nguyên chất có khối lượng 697,956 kg.

→ Trong 933,381 kg hỗn hợp ethanol – nước – nước nhập liệu có 235,425 kg ethanol + 697,956 kg nước. ► Phân khối lượng ethanol trong dòng nhập liệu:

 = 0,252 ̅ =  

► Phân mol ethanol trong dòng nhập liệu:

̅      = ̅ = ̅        ướ    

= 0,116

► Suất lượng dòng nhập liệu

  ̅ = 0,99 (Tỷ lệ thu hồi sản phẩm đỉnh)  ̅    = 2910,052 (kg/h) → GF =    ► Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:

 M = ̅̅   ̅̅ =   = 21,261 (kg/kmol).        F



ướ

► Suất lượng dòng nhập liệu tính tính theo kmol/h:

F=

 =  = 137,163 (kmol/h)   13





Tính toán dòng sản phẩm đáy: o

Cân bằng vật chất cho toàn tháp :

G F = GD + GW

o

Cân bằng cấu tử etanol (cấu tử nhẹ) : GF.

→ GW = 2104,281 kg/h →

(II.1)

̅ = G .̅ + G .̅ D

W

(II.2)

̅  = 3,485 . 

► Phân mol dòng sản phẩm đáy:

̅         = ̅ =    ̅                   ƣớ   

= 1,367 .



► Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy:

MW =

  = ̅     ̅     = 18,038 (kg/kmol).  ướ   

► Suất lượng dòng nhập liệu tính tính theo kmol/h:

W=

 =  = 116,658 (kmol/h)  

Thông l/h

số

Dòng F

1000

D

Phần thể tích

Phần khối lƣợng

Phần mol

0,30

0,252

0,116

137,163 2910,025 21,261

0,92

0,901

0,781

20,215

3,485 .

W



kmol/h

1,367 .



kg/h

805,771

M tb

39,86

116,658 2104,281 18,038

 Chọn : 

Nhiệt độ nhập liệu trước gia nhiệt: t’F =28oC



Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’D =35oC .



Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’W = 60oC .



Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi . → Nhiệt độ nhập liệu : t’F = 86oC .

14



1.3 Tỉ số hoàn lƣu: 1.3.1 Tỉ số hoàn lƣu tối thiểu: Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực. Do đó ,chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu ,nước và bơm…) là tối thiểu . Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol- Nước Nước có điểm uốn ,nên xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu bằng cách : +Trên đồ thị cân bằng y-x ,từ điểm (0,781;0,781) ta kẻ một đường thẳng tiếp tuyến với đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điểm có yo = 0,43. +Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi x o = 0 thì

yo =

x D Rmin  1

= 0,43

Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : R min min = 0,82

1.3.2 Tỉ số hoàn lƣu thực: Công thức 6.12 trang 255 [2] R = 1,3 . R min + 0,3 = 1,3 . 0,82 + 0,3 = 1,366 1.4 Phƣơng trình đƣờng làm việc. Xác định số mâm. mâm.

1.4.1 Phƣơng trình đƣờng nồng độ làm việc của đoạn cất : y=

R R  1

. x 

x D R 1

=

1,366 1,366  1

.x 

0,781 781 1,366  1

→ y = 0,577.x + 0,33

1.4.2. Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết : Nlt = 15 mâm Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình : N tt 

N lt η tb

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 :  = f(,).

Ntt : số mâm thực tế. 15



Nlt : số mâm lý thuyết.  Xác định hiệu suất trung bình của tháp

tb :

+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi : α



y

1 x

*

1 y

*

x

Với : x :phân mol của rượu trong pha lỏng .

y* : phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng. * Tại vị trí nhập liệu : xF = 0,116 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*F = 0,46 tF = 86 oC α

F

Từ



y* F 1 y

*

.

1 xF xF

F

x F  0,252



0,46 1  0,46

.

1  0,116 0,116

= 6,492

và tF = 86 oC, tra tài liệu tham khảo [4(tập 1) – trang 107] :

→ F = 200 . 10 -6 . 9,81 = 1,962 . 10-3 = 1,962 (cP)

Suy ra : F

F = 6,492 . 1,962 = 12,737

Tra hình IX.11- trang 171 [4(tập 2)]: F = 0,3 * Tại vị trí mâm đáy: xW = 0,001367 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*W = 0,01 tW = 100 oC αW



* y W 1  x W

1  y W *

xW



0,01 1  0,01

.

1  0,001367 0,001367

= 7,379

+ Từ xW  0,003485 và tW = 100 oC, tra tài liệu tham khảo [4(tập 1) – trang 107]:

→ W = 29 . 10-6 . 9,81 = 2,845 . 10 -4 = 0,2845 (cP)

Suy ra : W

W = 7,379 . 0,2845 = 2,099

Tra hình IX.11- trang 171 [4(tập 2)]: W = 0,41 *Tại vị trí mâm đỉnh : xD = 0,781 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*D = 0,8 tD = 79 oC 16



+

α

D



y* D 1 y

* D

.

1  xD xD



0,8 1  0,8

.

1  0,781 0,781

= 1,122

901 và tD = 79 oC, tra tài liệu tham khảo [4(tập 1) – trang 107] : + Từ x D  0,901

→D = 58.10-6.9,81= 0,569.10-3 (N.s/m2)

= 0,569 (cP) Suy ra : D

D = 1,049.0,569 = 0,5969

Tra hình IX.11- trang 171 [4(tập 2)] : D = 0,55 ► Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp : tb =

 F   W   D 3



0,3  0,41  0,55 3

 0,42

 Số mâm thực tế của tháp Ntt : N tt 

15 0,42

= 35,71 mâm

Vậy chọn Ntt = 36 mâm , gồm :

22 mâm cất 14 mâm chưng . Nhập liệu ở mâm số 14.

2. Tính cân bằng năng lƣợng: Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất: Q F + Qđ = Q nt + QW + Q D + Q m

(IV.1)

Trong đó: ►Qnt : nhiệt lượng ngưng tụ do hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng. Chọn hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng. Q nt = G D . (R+1) . r D

(kJ/h).

Xác định r D (ẩn nhiệt hoá hơi của sản phẩm đỉnh):

Tra ([7] – trang 38) ở tD = 79 ta có: Ẩn nhiệt hoá hơi của nước: r N = 2316,245 (kJ/kg). Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu: r R = 848,075 (kJ/kg).

Suy ra: r D = r R . x D + r N . (1- x D ) = 848,075. 0,901 + 2316,245. (1-0,901) = 993,424 (kJ/kg). 17


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước 

Qnt = GD . (R+1) . rD = 805,771 . (1,366 + 1) . 993,424 = 1893917,343 (kJ/h).

► QF : nhiệt lượng do hỗn hợp rượu nhập liệu mang vào tháp. Q F = G F . H F =G F . c F . (t F – t o )

(kJ/h).

Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 20oC. Ở

t F  t o

2



86  20 2

o  53 C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)],

→ Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 2879 (J/kg.độ). → Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4183,414 (J/kg.độ).

Suy ra: c F =

x F . cR

+ (1- x F ) . cN

= 0,252 . 2879 + (1-0,252) . 4183,414 = 3854,702 (J/kg.độ). 

QF = GF . HF = GF . cF . (tF – to ) = 2910,025 . 3854,702 . (86 - 20) = 740340426 (J/h) = 740340,426 (kJ/h)

► QW : nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra từ nồi đun. QW = GW . H W – t o ) W = GW . cW . (tW –

(kJ/h).


   =    = 60oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)– trang trang 172+165]  

→ Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 2760 (J/kg.độ).

→ Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4186,093 (J/kg.độ).

Suy ra: c W = xW . cR + (1- xW ) . cN = 0,003485 . 2760 + (1 - 0,003485) . 4186,093 = 4181,957 (J/kg.độ). 

QW = GW . HW = GW . cW . (tW – to ) = 2104,281 . 4181,957 . (100 - 20) = 704001012 (J/h) = 704001,012 (kJ/h)

18



► QD : nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra từ bộ phận tách hoàn lưu. Q D = G D . H D = G D . c D . (t D – t o )

(kJ/h).


t D  t o

2



79  20 2

trang 172+165]  49,5 oC,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)– trang

→ Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 2833,5 (J/kg.độ). → Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4182,263 (J/kg.độ).

Suy ra: c D = x D . cR +(1- x D ) . cN = 0,901 . 2833,5+(1 - 0,901). 4182,263 = 2967,064 (J/kg.độ). 

QD = GD . HD = GD . cD . (tD – to ) = 805,771 . 2967,064 . (79 - 20) = 141055674 (J/h) = 141055,674 (kJ/h)

► Qm : Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh. Chọn: Q m = 0,05.Qđ ► Qđ : Nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp: Q F + Qđ = Q nt + QW + Q D + Q m 

Qđ = =

1 0,95 1 0,95

(IV.1)

.( Qnt + QW + QD – QF ) (1893917,343 + 704001,012 + 141055,674 - 740340,426)

= 2103824,846 (kJ/h) = 584,396 (kW).

19



CHƢƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƢNG CHƢNG CẤT .

1. Đƣờng kính tháp (Dt) Dt 

4Vtb π.3600.ω tb

 0,0188

g tb (  y .ω y ) tb

(m)

Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3 /h). tb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).

gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h). Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau .

1.1 Đƣờng kính đoạn cất : 1.1.1 Lƣợng hơi trung bình đi trong tháp : g tb 

g d  g1

2

(Kg/h)

gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h). g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).  Xác định gd : gd = D . (R+1) = 20,215 . (1,366+1) = 46,804 (kmol/h)

xD = 0,781 Tra ở đồ thị đường cân bằng lỏng hơi → yD = 0,805

̅  =    (  )    =   (( ) )   = 0,913   → M = ̅ = ̅    = 40,517 (kg/kmol)          ượ

→

ượ

ướ

hơiD

ướ

► gd = 46,804 (kmol/h) = 1896,358 (kg/h)

20


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước  Xác định g1 : Từ hệ phương trình :

g1 = G1 + GD g1 .

̅= G . ̅ + G . ̅ 1

(III.1)

D

g1 . r1 = gd . rd Với : G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất .

r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp . * Tính r 1 : t1 = tF = 86oC , tra bảng 45 [7]-trang 38 → Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : r N1 N1 = 2293,61 (kJ/kg) → Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu : r R1 R1 = 836,35 (kJ/kg) ► r 1 = rR1 .

̅ + (1-̅) . r

N1

= 2293,61 – 1457,26 .

= 836,35 .

̅ (kJ/kg)

̅ + (1-̅) . 2293,61

* Tính r d : tD = 79oC , tra bảng 45 [7]-trang 38 → Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : r Nd Nd = 2311,215 (kJ/kg) . → Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu : r Rd Rd = 848,075 (kJ/kg) . ► r d = rRd .

̅  + (1 - ̅) . r

Nd

= 848,075 . 0,913 + (1- 0,913) . 2311,215

= 975,368 (kJ/kg) * Ta coi:

̅ = ̅ = 0,252

Giải hệ (III.1) , ta được :

G1 = 1661,515 (kg/h)

̅ = 0,81 (phân khối lượng etanol)

̅    →  = =    ̅  ̅     ướ    

= 0,625 (phân mol ethanol)

g1 = 2467,286 (kg/h)

► g tb 

=

g d  g1

2

1896,358  2467,286 2

 2181,822 (kg/h)

21


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước 1.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : ( y . y ) tb = 0,065 .



ytb

         . .

(kg/m2.s) - Công thức IX.105 trang 184 [4]

: Khối lượng riêng trung bình của pha hơi  ytb 

 y tb .46  1  y tb .18 .273 22 ,4.t tb  273 273 

Với: + Nồng độ phân mol trung bình pha hơi : ytb = + Nhiệt độ trung bình đoạn cất : ttb = ►  ytb 

t F  t D

2

 ytb .46  1  ytb .18 .273   = 22 ,4.t tb  273 273 

=

y1  y D

2

86  79 2

=

0,625  0,805 2

= 0,715

= 82,5oC

 (( ) )        ()

= 1,303 (kg/m 3). 

xtb

: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng + Nồng độ phân khối lượng trung bình pha lỏng:

̅ = ̅ ̅ =    = 0,5765 + Nhiệt độ trung bình đoạn cất : ttb =

t F  t D

2

=

86  79 2

= 82,5oC

Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9] → Khối lượng riêng của nước : N = 970,25 (kg/m 3) → Khối lượng riêng của rượu : R = 732,625 (kg/m 3) 1

 x 1  xtb   = ►xtb =  tb     N   R

          

= 817,406 (kg/m 3)



 : Hệ số tính đến sức căng bề mặt -Khi  < 20 dyn/cm thì  = 0,8 -Khi  > 20 dyn/cm thì  = 1 Trong đó,  được tính theo công thức I.76 trang 299 [4] - tập 1 :       

22



σr, σn : Sức căng bề mặt của ethanol và nước ở nhiệt độ làm việc (dyn/cm)  ttb

= 82,50C , tra bảng I.242 trang 300 [4]- tập 1

+ Sức căng bề mặt của nước : N = 60,925 (dyn/cm). + Sức căng bề mặt của rượu : R = 16,85 (dyn/cm).

 =13,119 dyn/cm < 20 dyn/cm ►  = 0,8 →

 h : khoảng cách mâm ( m ), chọn h = 0,3 m 

( y.y )tb = 0,065 .

.      

= 0,065 . 0,8 .

         √ 

= 0,93 (kg/m 2.s)

→ y = 0,93/ 1,303 = 0,714 (m/s) ► Đƣờng kính đoạn cất :

Dcất = 0,0188 .

2181 ,822 0.93

= 0,911 (m).

1.2 Đƣờng kính đoạn chƣng : 1.2.1 Lƣợng hơi trung bình đi trong tháp : g

,

tb



g , n  g ,1 2

(kg/h)

g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/h). g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h).  Xác định g’n : g’n = g1 = 2467,286 (kg/h) 

Xác định g’1 : Từ hệ phương trình : G '1  g '1  W  ' ' G 1 . x'1  g 1 . yW  W . xW (III.2)  g ' .r '  g ' .r '  g .r n n 1 1  1 1

Với : G’1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng . r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.

23



* Tính r’1 : xW =0,001367 tra đồ thị cân cân bằng của hệ ta có :

yW =0,01 →

  ̅ =   (  )   =   ( ))   = 0,0252

t’1 = tW = 100oC , tra bảng 45 [7]-trang 38

→ Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : r’N1 = 2258 (kJ/kg) . → Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu : r’R1 = 812,9 (kJ/kg) . ► r’1 = r’R1 .

̅ + (1 - ̅) . r’

N1

= 812,9. 0,0252+ (1 – 0,0252) . 2258

= 2221,583 (kJ/kg)

* Tính r 1: r1 = 2293,61 – 1457,26 .

̅ = 2293,61 – 1457,26 . 0,81

= 1118,089 (kJ/kg) * GW = 2104,281 (kg/h) Giải hệ (III.2) , ta được :

̅ = 0,0107 (phân khối lượng ethanol)

̅     →  = ̅     ̅  =      ướ  

= 0,00421 (phân mol ethanol)

G’1 = 3346,029 (kg/h) g’1 = 1241,748 (kg/h) ►g

,

tb



g , n  g ,1 2

=

2467,286  1241,748 2

 1854,517 (kg/h)

1.2.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : Xác định 'xtb, 'ytb: 'xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3) . 'ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) . 

Xác định ’ytb :  ' ytb 

 y 'tb .46  1  y 'tb .18 .273 22 ,4.t 'tb 273 

24


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước Với: + Nồng Nồng độ phân mol trung bình : y’tb =

y1  yW

2

+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’tb = ►  ' ytb 

=

t F  t W

2

0,625  0,02

=

2 86  100 2

=0,323

= 93oC

() )     y'tb .46  1  y'tb .18 .273    ( =   (  ) 22,4.t ' tb 273 273 



= 0,901 (kg/m3). Xác định ’xtb :



+ Nồng độ phân mol trung bình pha lỏng : + Nhiệt độ trung bình đoạn cất : t’tb =

̅ = ̅ ̅ =

t F  t W

2

=

86  100 2

0,252  0,003485 2

= 0,128

= 93oC

Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có : → Khối lượng riêng của nước : ’N = 962,9(kg/m3) → Khối lượng riêng của rượu : ’R = 722,65(kg/m 3) 1

 x' 1  x'tb   = ►’xtb =  tb   ' '   N   R

          

= 923,597 (kg/m 3)



 : Hệ số tính đến sức căng bề mặt -Khi  < 20 dyn/cm thì  = 0,8 -Khi  > 20 dyn/cm thì  = 1 Trong đó,  được tính theo công thức I.76 trang 299 [4] - tập 1 :       



t’tb = 930C , tra bảng I.242 trang 300 [4]- tập 1 + Sức căng bề mặt của nước : ’N = 57,7 (dyn/cm). + Sức căng bề mặt của rượu : ’R = 14,87 (dyn/cm).

 = 11,823 (dyn/cm) < 20 (dyn/cm) ►  = 0,8 →

 h : khoảng cách mâm ( m ), chọn h = 0,3 m

25



.      

( y.y )tb = 0,065 .

= 0,065 . 0,8 .

    

= 0,822 (kg/m2.s)

→y = 0,773/0,772 = 1,00 (m/s) ► Đƣờng kính đoạn cất :

Dchƣng= 0,0188.

1854,517 0,822

= 0,893 (m).

Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 1 (m). Khi đó tốc độ làm việc thực ở : + Phần cất : lv =

0,01882.g tb 2



0,01882.2181,822 12.1,303

Dt .  ytb

+ Phần chưng : ’lv =

0,01882.g 'tb 2



= 0,592 (m/s).

0,01882.1854,517

Dt .  ' ytb

12.0,901

 0,727 (m/s).

2. Chiều cao tháp : 

Chiều cao tháp được xác định theo công thức sau :

H = Ntt . ( Hđ +  ) + ( 0,8  1,0 ) ( m ) Với Ntt : số đĩa thực tế 36  : chiều dày của mâm, chọn  = 4 ( mm ) = 0.004 ( m )

Hđ : khoảng cách giữa các mâm ( m ) , chọn theo bảng IX.4a- [4]-tập 2i, → Hđ = 0.3 ( m )

( 0,8  1,0 ) : khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp → 0,9 

H = 36 . ( 0,3 + 0, 004 ) + 0,9 = 11,844 ( m )

3. Tính toán chóp và ống chảy chuyền [4] - tập 2, trang 236 

Chọn đường kính ống hơi dh = 50 ( mm ) = 0.05 ( m )



Số chóp phân bố trên đĩa:

n = 0.1 .

D

2

2

d h

2

= 0.1 .

1

0.05 2

= 40 ( chóp ) 26



( D : đường kính trong của tháp ) 

Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi :

h2 = 0,25 . dh = 0,25 . 0,05 = 0.0125 (m) 

Đường kính chóp:

dch = d h2  (d h  2 *  ch ) 2 ch : chiều dày chóp, chọn bằng 2 (mm) 50 2  (50  2.2) 2

 dch =

= 73,6 (mm)

► Chọn dch = 80 (mm) 

Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp :

S = 0 25 ( mm ) ► Chọn S = 12,5 (mm) 

Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp :

h1 = 15  40 (mm) ► Chọn h1 = 30 (mm) 

Tiết diện tháp :

  F =  . D /4 =  = 0,785 ( m2 )  2



Chiều cao khe chóp :

       b=    

: hệ số trở lực của đĩa chóp  = 1,5 2 → Chọn  = 2



y =

         



Vy : lưu lượng hơi đi trong tháp

  =  = 2065,709 (m3 /h)       =    → y =              Vy =

= 7,306 (m/s)

27



 =    =    = 870,502 (kg/m )  =    =    = 1,102 (kg/m )             ►b=    =    3



3



= 0,014 (m) = 14 (mm) Chọn b = 20 ( mm )





Số lượng khe hở của mỗi chóp:

 d i = . ( dch – )  4.b 2 h



c = 3  4 mm ( khoảng cách giữa các khe ) → Chọn c = 4 ( mm )



dch : đường kính chóp = 80 (mm)



dh : đường kình ống hơi = 50 (mm)

    d ► i = . ( dch – ) =         4.b 2 h

= 38,288 (khe) 

Chọn i = 39 khe



Đường kính ống chảy chuyền: 4G x

dc = 

 .3600. z.  x . C

Gx : lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp (kg/h) Gx =



  =    = 2503,772 (kg/h)  

z : số ống chảy chuyền → Chọn z =1



ρx : khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m3) ρx =



  =    = 870,502 (kg/m3)  

ωc : tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền (m/s) → Chọn ωc = 0,2 (m/s)

28


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước ► dc =

4G x  .3600. z.  x . C

=

           

= 0,0717 (m) 

Khoảng cách từ dĩa đến chân ống chảy chuyền:

S1 = 0,25 . dc = 0,25 . 0,0717 = 0,179 (m) 

Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa: – Δh hc = (h1 + b + S) – Δh  

h1 : Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp = 30 (mm) b : Chiều cao khe chóp = 20 (mm)



S : Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp = 12,5 (mm)



Δh : Chiều cao mực chất lỏng ở bên trên óng chảy chuyền

  Δh =          



V : Thể tích chất lỏng chảy qua (m3 /h)

V=

  

+ Lưu lượng lỏng trong phần cất của tháp:

    ất           ̅ ̅      Mtb-cất tb-cất =    ướ   =      = 27,731 (kg/kmol)     ất =      = 0,000251 (m3 /s) → QL =           QL =

+ Lưu lượng lỏng trong phần chưng của tháp

                      =      =      = 19,521 (kg/kmol)       → Q’ =                    =      ư 

Q’L=

Mtb-chưng tb-chưng

ướ

L

ư 

29



= 0,00096 (m3 /s) ►V=

  =   

= 0,000601 (m3 /s) = 21,636 (m3 /h) 

dc : Đường kính ống chảy chuyền = 0,0717 (m)

        ► Δh =        =        





= 0,0144 (m) = 1,44 . 10 -5 (mm) – Δh hc = (h1 + b + S) – Δh



= (30 + 20 + 12,5) – 1,44 . 10-5 = 62,5 (mm) 

Bước tối thiểu của chóp trên dĩa :

tmin = dch + 2 . ch + l2 

l2 : khỏang cách nhỏ nhất giữa các chóp l2 = 12,5 + 0,25 . dch = 12,5 + 0,25 . 80 = 32,5 (mm) → Chọn l2 = 35 (mm) ► tmin = 73,6 + 2 . 2 + 35 = 112,6 (mm)



Chiều rộng khe chóp : a = 2 : 7 mm ; chọn a = 4 ( mm )



Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất:

 t1 = 

     



dc : Đường kính ống chảy chuyền = 0,0717 (m)



 : Bầ dày ống chảy chuyền, thường lấy 2 ÷ 4 mm → Chọn  = 3 (mm) = 0,003 (m)



dch : Đường kính chóp = 80 (mm) = 0,08 (m)



l1 : Khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền → Chọn l1 = 75 (mm) = 0,75 (m)

 ► t1 = 

      =        

= 0,154 (m) = 154 (m)

30



4. Tính trở lực tháp 4.1

Tổng trở lực phần cất : Tổng trở lực qua một dĩa : Pđ = Pk + Ps +Pt

4.1.1 Trở lực đĩa khô Pk : Pk =

  ω 

 ρ

( N/m2)



 : hệ số trở lực đĩa khô,  = 4.5 ÷ 5 , chọn  = 5



y = 1,303 (kg/m 3)



o : vận tốc hơi qua rãnh chóp ( m/s ) V y'

o = 

n.i.a.b

V’y : lưu lượng pha hơi trung bình đi trong phần cất V’y =

 =  = 1674,46 (m3 /h) = 0,465 (m3 /s)  

→ 0 = ► Pk =

0,465 34 .39 .0,004 .0,02

= 4,383 (m/s)

  ω =       

 ρ

= 62,579 (N/m2)

4.1.2 Trở lực do sức căng bề mặt : Ps = 

4. d td

 : sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp

Ở t’x = 82,5OC → hh = 13,119 . 10-3 (N/m) 

dtd : đường kính tương đương của khe rãnh : dtd = 

4. f x H

=

4.a.b 2.(a  b)

f x : diện tích tiết diện tự do của rãnh 31

Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước 


H : chu vi rãnh

→ dtd = 4.4.20 / 2(4+20) = 6,67 ( mm ) = 6,67.10 -3 (m) ► Ps =

4. d td

        =   

= 7,867 ( N/m2)

4.1.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa ( Trở lực thủy tĩnh Pt ) Pt = b . g . (hb 

 ) (N/m2) 

b : khối lượng riêng của bọt, thường b = ( 0,4  0,6 ). x

Chọn b = 0,5 . x = 0,5 . 817,406 (kg/m 3) = 408,703 (kg/m 3) 

hr : Chiều cao của khe chóp (m), hr = b = 20 (mm) = 0,02 (m)



– Công thức IX.110 [4] - tập 2 – trang 185 hb : chiều cao lớp bọt trên đĩa (m) – Công

hb = 

(hc  h  h x ).( ).( F  f ).  x  h x .  b . f  (hch  h x ). f .  b F .  b

hc : Chiều cao đoạn ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa hc = 61,967 (mm) = 0,061967 (m)



hx : Chiều cao lớp chất lỏng ( không lẫn bọt ) trên đĩa hx = S + 0,5 . b = 0.0125 + 0,5 . 0,02 = 0,0225 (m) = 22,5 (mm)



F : Phần diện tích bề mặt đĩa có gắn chóp ( nghĩa là trừ hai phần diện tích đĩa để bố trí ống chảy chuyền - Sd , với Sd = 0,04 . F)

Fo = F – 2 . Sd = 0,92 . F = 0,92 . 0,785 = 0,722 (m2) 

f : Tổng diện tích các chóp trên đĩa

f = 0.785 . dch2 . n = 0,785 . (0,08)2 . 40 = 0,201 (m2) Với n = 36 là số chóp trên đĩa 

hch : Chiều cao của chóp hch = hc + h = 0,061967 + 1,44 . 10 -5 = 0,06198 (m)

► hb =

(hc  h  h x ).( ).( F  f ).  x  h x .  b . f  (hch  h x ). f .  b F .  b

(         )  ()          (    )        32



= 0,0742 (m) = 74,2 (mm) 

 ) 

Pt = b . g . (hb -

= 435,251 . 9,81 . (0,0742 – = 274,121 (N/m 2) 

 ) 

Tổng trở lực qua một đĩa : Pđ = Pk + Ps +Pt

= 62,579 + 7,867 + 274,121 = 344,567 (N/m 2) 

Tổng trở lực phần cất: Pcất = Ntt.cất . Pđ.cất = 29 . 344,567

= 9992,443 (N/m 2)

4.2

Tổng trở lực phần chƣng : Tổng trở lực qua một đĩa : Pđ = Pk + Ps +Pt

4.2.1 Trở lực đĩa khô Pk : Pk =

  ωω 

 ρ ρ

( N/m2)



 : hệ số trở lực đĩa khô,  = 4.5  5 , chọn  = 5



’ytb= 0,901 (kg/m 3)



’o : vận tốc hơi qua rãnh chóp ( m/s ) '

’o = 

V y n.i.a.b

V”y : lưu lượng pha hơi trung bình đi trong phần chưng V’y = → 0 =

► Pk =

 =  = 2058,287 (kg/h) = 0,572 (m 3 /s)   0,572 34 .39 .0,004 .0,02

= 5,392 (m/s)

  ωω =       

 ρ ρ

= 65,488 (N/m2)

33



4.2.2 Trở lực do sức căng bề mặt : 4.

Ps = 

d td

 : sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp

Ở t”x = 930C  hh = 11,823 . 10 -3 (N/m) 

dtd : đường kính tương đương của khe rãnh : dtd =

4. f x H

=

4.a.b 2.(a  b)



f x : diện tích tiết diện tự do của rãnh



H : chu vi rãnh

→ dtd = 6,67.10-3 (m) ► Ps =

4. d td

=

       

= 7,09 (N/m2)

4.2.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa ( Trở lực thủy tĩnh Pt ) Pt = ’b . g . (hb 

 ) (N/m2) 

’b : Khối lượng riêng của bọt, thường ’b = ( 0,4  0,6 ). ’x

Chọn ’b = 0,5 . ’x = 0,5 . 923,597 (kg/m 3) = 461,799 (kg/m 3) 

hr : Chiều cao của khe chóp (m), hr = b = 20 (mm) = 0,02 (m)



hb : chiều cao lớp bọt trên đĩa (m) hb = 0,0742 (m) (m) = 74,2 74,2 (mm)

► Pt = ’b . g . (hb -

 ) 

= 461,799 . 9,81 . (0,0742 – = 290,836 (N/m 2) 

 ) 

Tổng trở lực qua một đĩa : Pđ = Pk + Ps +Pt

= 65,488 + 7,09 + 290,836 = 363,414 (N/m 2) 34



Tổng trở lực phần chưng : Pchưng = Ntt.chưng . Pđ.chưng = 7 . 363,414 = 2543,898 (N/m 2)



Tổng trở lực của tháp P : P = Pcất + Pchưng

= 9992,443 + 2543,898 = 12536,671 (N/m 2)

35



CHƢƠNG IV

TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP 1 . Bề dày thân tháp : Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang ). Thân Th ân tháp được ghép với nhau bằng các mối

ghép bích. Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của etylic đối với thiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T.  Áp suất tính toán :

Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán :

, (N/m2)

Ptt =Ph+Pcl + P 

Ph : Áp suất hơi trong tháp = 1at = 9,81.104 (N/m2)



Pcl : áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/m2). Pcl = x . g. Ht =. g . Ht 

ρx : Khối lượng riêng của pha lỏng ρx =



 xtb   ' xtb 2

=

   = 870,502 (kg/m 3) 

Ht : Chiều cao tháp chưng cất (m) Ht = 11,884 (m)

→ Pcl = x . g. Ht = 870,502 . 9,81 . 11,884 = 101484,899 (N/m 2) 

P: Tổng trở lực của tháp (N/m2) P = 12536,671 (N/m 2)

► Ptt =Ph+Pcl + P = 9,81.104 + 101484,89 + 12536,671

= 212121,561 (N/m 2) = 0,212 (N/mm2)  Nhiệt độ tính toán :

Chọn nhiệt độ tính toán : ttt = tđáy = 100oC . Tra tài liệu tham khảo [5], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T

[]* = 142 (N/mm2). Đối với rượu hệ số hiệu chỉnh :  = 1 Vậy : ứng suất cho phép : [] = .[]* = 142 (N/mm2).

36


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước  Xác định bề dày thân chịu áp suất trong :

Bề dày thực của thân : St = S’t + C

(mm).

Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện nên hệ số bền mối hàn : h = 0,95

  

Xét tỷ số :

Ptt

.

h



142.106 212121,561

.0,95 = 669,427 > 25,do đó, bề dày tính tính toán

của thân được tính theo công thức (5-3) - [5] trang 96 → S 't 

Dt .Ptt

2. . h



1. 212121,561 6

2.142 142 .10 .0,95

= 7,86 . 10-4 = 0,786 (mm)

Trong đó : C :hệ số bổ sung bề dày, C = Ca + Cb + Cc + Co

+ Ca : hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của chất lỏng. Chọn tốc độ ăn mòn của rượu là 0,1 (mm/năm),thiết bị hoạt động trong 20 năm, do đó Ca = 2 mm.

+ Cb : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn Cb = 0. + Cc : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn Cc = 0. + Co : hệ số bổ sung qui tròn, chọn Co =0,4 (mm). → C = 2 + 0 + 0 + 0,4 = 2,4 (mm). ► St = S’t + C = 0,786 + 2,4 ≈ 3,186 (mm) 

Kiểm tra công th ức tính toán v ớ i St = 3,186 (mm) : S t  C a



Dt 

3,186 186  2 1000

= 0,0012 < 0,1

Kiểm tra áp su ất tính toán cho phép :

Ptt  

2. . h .S t  C a  Dt  S t  C a 



2.142 .0,95 .3,186  2 1000  3,186 186  2

= 0,32 > Ptt= 0,212

(N/mm2) → Thỏa Vậy : Bề dày thực của thân là St = 4 (mm).

37



2 . Đáy và nắp thiết bị : Chọn đáy và nắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T.

Các kích thước của đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ ( [4]-tập2- trang 382) + Đường kính trong: Dt = 1000 (mm). + Chiều cao phần lồi của đáy : hb =

250 (mm)

+ Chiều cao gờ: hgờ = h = 25 (mm). (Bảng XIII.11- [4]-tập2- trang384) + Thể tích đáy : V = 151 . 10 + Diện

-3

(m3)

tích bề mặt trong của đáy : Fđáy = 1,16 (m2)

Chiều dày S của đáy và nắp làm việc chịu áp suất trong:

   .  + C (với k =1 do đáy không có lỗ)               =          .    + 0,0024

►S=

= 0,0032 (m) = 3,2 (mm) → Chọn bề dày của đáy và nắp là Sđ = Sn = 4 (mm) 3 . Bích ghép thân, đáy và nắp : Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị. Các loại mặt bích thường sử dụng: + Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn). Loại bích này chủ yếu dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình. + Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bị. + Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao.

38



Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ.

Bảng XIII.27 [4] (tập 2)- trang 420, ứng với Dt = 1000 (mm) và áp suất tính toán Ptt =

0,212 (N/mm2) ta chọn bích có các thông số sau : Kích thước nối Ptt

Dt

D

Db

(N/mm2) 0,3

D1

Bu lông D0

h

db

(mm) 1000

1140

1090

1060

Z (Cái)

1013

22

M20

28

Bảng IX.5 [4] (tập 2)- trang 170, chọn số mâm giữa hai mặt bích là 6 mâm, ứng với đường kính trong của tháp Dt =1000m và khoàng cách giữa hai đĩa Hđ = 300mm.Vậy, số

bích ghép thân- đáy-nắp là 7 bích. Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định. Đệm làm bằng các vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích. Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt của bích. Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là Paronit, có bề

dày là 3(mm).

39


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước 4 . Đƣờng kính các ống dẫn – Bích – Bích ghép các ống dẫn :

Bích được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ.

4.1 Ống dẫn dòng nhập liệu : Suất lượng nhập liệu: G F = 2910,025 (kg/h). Dòng lỏng nhập liệu

tF = 86oC và x F  25,2% – tập 1 – trang trang 9 tF = 86oC tra bảng 1.2 [4] – tập → Khối lượng riêng của nước : N = 967,8 (kg/m 3) → Khối lượng riêng của rượu : R = 729,3 (kg/m 3) 1

 x 1  xtb   = ►xtb =  tb     N   R

     

= 894,115 (kg/h) ► Lưu lượng chất lỏng nhập liệu đi vào tháp:

QF 

GF

 F

=

 = 3,255 (m3 /h). 

► Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu): vF = 0,2

(m/s). ► Đường kính ống nhập liệu: dF = 

4.QF 3600. .vF



4.3,255 3600. .0,2

 0,0759 (m).

Chọn đườ ng ng kính ống nhập liệu: dF = 0,08 (m).

40



Bảng XIII.27 [4] (tập 2)- trang 409 ứng với Dt = 1000 (mm) và áp suất tính toán Ptt =

0,212 (N/mm2) Các thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu: Ống Ptt

Dy

Dn

Kích thước nối D

Db

(N/mm2) 0,25

Bu lông h

D1

db

Z

(mm) 80

89

185

(Cái)

150

128

14

M16

4

4.2 Ống hơi ở đỉnh tháp: Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: g d = GD . (R+1) = 805,771.(1,3153+1) = 1865,602 (kg/h). ►Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức (xác định ở

tD = 79oC và yD = 0,805):  h 

   (( ) )     273 46. y D  1  y D .18.273 =   () 22 ,4.t D  273 



= 1,404 (kg/m3). ►Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:

Qh 

gd

 h

=

 = 1328,776 (m3 /h). 

►Chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp: vh = 30 (m/s). ►Đường kính ống dẫn hơi: dh = 

4.Qh 3600. .vh



4.1328,776 3600. .30

 0,125 (m).

Chọn đườ ng ng kính ống dẫn hơ i:i: dh = 0,15 (m).

Bảng XIII.27 [4] (tập 2)- trang 409 ứng với Dt = 1000 (mm) và áp suất tính toán Ptt = 0,212

(N/mm2) Các thông số của bích ghép ống hơi ở đỉnh tháp: Ống Ptt

Dy

Dn

Kích Kích thướ thướcc n i D

(N/mm2) 0,25

Db

Bu lông D1

h

db

(mm) 150

156

260

225

Z (Cái)

16

10

M16

8

41


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước 4.3 Ống dẫn dòng hoàn lƣu:

►Suất lượng hoàn lưu: Ghl = GD . R = 805,771 . 8,7604 = 7058,876 (kg/h). ►Dòng lỏng hoàn lưu

tF = 79oC và x D  90,1% – tập 1 – trang trang 9 tF = 79oC tra bảng 1.2 [4] – tập → Khối lượng riêng của nước : N = 972,55 (kg/m 3) → Khối lượng riêng của rượu : R = 735,95 (kg/m 3) 1

 x 1  x D   = ►xhl =  D    N   R

    

= 754,112 (kg/m 3) ►Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu:

Qhl 

G hl  hl

=

 = 9,361 (m3 /h).



►Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu (tự chảy từ bộ phận tách lỏng ngưng tụ vào tháp):

vhl = 0,2 (m/s). ►Đườ ng ng kính ống hoàn l ưu: dhl = 

4.Qhl 3600. .vhl



4.9,361 3600. .0,2

 0,129 (m).

Chọn đường kính ống hoàn lưu: dhl = 0,15 (m). Bảng XIII.27 [4] (tập 2)- trang 409 ứng với Dt = 1000 (mm) và áp suất tính toán Ptt =

0,212 (N/mm2) Các thông số của bích ghép ống dẫn dòng hoàn lưu: Ống Ptt

Dy

Dn


(N/mm2) 0,25

Db

Bu lông D1

h

db

(mm) 150

159

260

225

Z (Cái)

202

16

M16

8

42



4.4 Ống dẫn từ nồi đun qua tháp: ►Khối lượng riêng của hơi vào tháp  yW 

M w.T 0

22,4.T W



18,038.273 22,4.(273  100)

 0,589 (kg/m3)

► Lưu lượng hơi vào tháp:

QL =

 =  = 0,586 (m3 /s)      

►Chọn vận tốc chất lỏng vL = 35 (m/s). ► Đường kính ống dẫn chất lỏng: dL= 

4.Q L  .v L



4.0,589  .35

 0,146 (m)

Chọn đườ ng ng kính ống dẫn: dL = 150 (mm). Bảng XIII.27 [4] (tập 2)- trang 409 ứng với Dt = 1000 (mm) và áp suất tính toán Ptt =

0,212 (N/mm2) Các thông số của bích ghép ống dẫn từ nồi đun qua tháp: Ống Ptt

Dy

Dn

Kích Kích thướ thướcc n i D

(N/mm2) 0,25

Db

Bu lông D1

h

db

(mm) 150

159

260

225

Z (Cái)

202

16

M16

8

43


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước 4.5 Ống dẫn dòng sản phẩm đáy: Suất lượng sản phẩm đáy: GW = 2104,281 (kg/h). ►Dòng sản phẩm đáy:

tW = 100oC và xW  0,3485% – tập 1 – trang trang 9 tW = 100oC tra bảng 1.2 [4] – tập → Khối lượng riêng của nước : N = 958 (kg/m 3) → Khối lượng riêng của rượu : R = 716 (kg/m 3) 1

 x 1  xW   = ►xW =  W     N   R

           

= 956,873 (kg/m 3) ►Lưu lượng sản phẩm đáy:

QW 

GW  W

=

 = 2,195 (m3 /h). 

► Chọn vận tốc sản phẩm đáy (chất lỏng tự chảy): vW = 0,12 (m/s). ► Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: dW= 

4.QW 3600. .vW



4.2,195 3600. .0,12

=0,08(m).

Chọn đườ ng ng kính ống dẫn: dW = 0,08 (m). Bảng XIII.27 [4] (tập 2)- trang 409 ứng với Dt = 1000 (mm) và áp suất tính toán Ptt =

0,212 (N/mm2) Các thông số của bích ghép ống dẫn dòng sản phẩm đáy: Ống Ptt

Dy

Dn


(N/mm2) 0,25

Db

Bu lông D1

h

db

(mm) 80

89

185

150

Z (Cái)

128

14

M16

4

44



5. Tai treo và chân đỡ:  Tính khối lƣợng của toàn tháp:

► Khối lượng của một bích ghép thân: (thép CT3: CT3 = 7850 (Kg/m3)).

m1 =



 4



m1 =

 



. D 2  Dt .h. CT 3 2



D = 1,14 (m) : Đường kính ngoài của bích.



Dt = 1 (m) : Đường kính trong của thân tháp.



h = 0,22 (m) : Chiều cao của bích.



CT3 = 7850 (Kg/m 3) : Khối lượng riêng của théo CT3.

 4



= .(



. D 2  Dt .h. CT 3 2

  ) . 0,22 . 7850

= 406,372 (kg). ► Khối lượng của một mâm: (thép X18H10T: X18H10T = 7900 (Kg/m3)).

      – z .  . m2 = (F – z  - n .  .  ) . mâm . X18H10T 

F = 0,785 (m 2) : Tiết diện tháp



z = 1 (m) : Số ống chảy chuyền ở một mâm.



dc = 0,0717 (m) :Đường kính ống chảy chuyền.



dh = 0,05 (m): Đường kính ống hơi.



mâm = 0,004: Chiều dày mâm.



X18H10T = 7900 (Kg/m 3) : Khối lượng riêng của thép X18H10T.

      – z .  .  m2 = (F – z  - n .  .  ) . mâm . X18H10T         – 1 .  .  – 40 – 40 .  .  ). 0,004 . 7900 = (0,785 – 1 = 22,197 (kg) ► Khối lượng của thân tháp:

45



m3 =  . Dt . Hthân.  thân . X18H10T =  . 1 . 11,844 . 0,004 . 7900

= 1175,805 (kg)








Hthân = 11,844 (m) : Chiều cao thân tháp



thân = 0,004 (m) : Chiều dày thân tháp.



X18H10T = 7900 (kg/m 3) : Khối lượng riêng của thép X18H10T.

m3 =  . Dt . Hthân.  thân . X18H10T =  . 1 . 11,844 . 0,004 . 7900

= 1175,805 (kg) ► Khối lượng của đáy (nắp) tháp:

m4 = Sđáy .đáy . X18H10T 




Sđáy = 1,16 (m2) : Diện tích trong của đáy (nắp)



đáy = 0,004 (m) : Chiều dày đáy (nắp).




m4 = Sđáy .đáy . X18H10T = 1,16 . 0,004 . 7900 = 36,656 (kg) ► Khối lượng chóp trên mâm của toàn tháp :

Mchóp = Ntt .n .( . d2ch. hch .ch + .d2ch.ch – i . ch b.a ) . X18H10T = 36 . 40 . ( . 0,082 . 0,0625 . 0,002 +  . 0,082 . 0,002 - 39. 0,002 . 0,02 . 0,004) . 7900

= 415,061 (kg) 

Ntt = 36 mâm : Số mâm thực tế.



n = 40 chóp : Số chóp phân bố trên đĩa.



dch = 0,08 (m): Đường kính chóp.



hch = 0,0625 (m) : Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa.



ch = 0,002 (m) : Chiều dày chóp.

46


i = 39 khe : Số khe hở của mỗi chóp.

 




b = 0,02 (m) : Chiều cao khe chóp.



a = 0,004 (m) : Chiều rộng khe chóp.




Mchóp = Ntt .n .( . d2ch. hch .ch + .d2ch.ch – i . ch b.a ) .

= 36 . 40 . ( . 0,082 . 0,0625 . 0,002 +  . 0,082 . 0,002 - 39. 0,002 . 0,02 . 0,004) . 7900

= 415,061 (kg) ► Khối lượng ống hơi :

Mống hơi =  . dh . hh .ch . n . Ntt . X18H10T 

dh = 0,05 (m) : đường kính ống hơi.



hh = hch – h2 - ch + hơi = 0.0625 – 0.0125 - 0.002 + 0.002 = 0.05 (m)

hch = 0,0625 (m) : Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa. h2 = 0,0125 (m): Chiều cao chóp phía trên ống hơi. ch = 0,002 (m) : Chiều dày chóp. hơi = 0,002 (m) : Chiều dày ống hơi.

→ hh = hch – h2 - ch + hơi = 0.0625 – 0.0125 - 0.002 + 0.002 = 0.05 (m)





ch = 0,002 (m) : Chiều dày chóp.



n = 40 : Số chóp phân bố trên đĩa.



mâ m thực tế. Ntt = 36 mâm : Số mâm



X18H10T = 7900 kg/m 3 : Khối lượng riêng của thép X18H10T.

Mống hơi =  . dh . hh .ch . n . Ntt . X18H10T =  . 0,05 . 0,05 . 0,002 . 34 . 36 . 7900

= 151,89 (kg) ► Khối lượng ống chảy chuyền :



Mchảy chuyền =  . dc . c . hch . Ntt . X18H10T  

dtb = 0,0717 m : đường kính trung bình ống chảy chuyền c = 0,003 m : chiều dày ống chảy chuyền



hch = 0,0625 (m) : Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa.



X18H10T = 7900 kg/m3 : Khối lượng riêng của thép X18H10T.

47



 . dc . c . hch . Ntt . X18H10T   =  . 0,0717 . 0,003 . 0,0625 . 7900 . 36

Mchảy chuyền =

= 6,006 (kg) ► Khối lượng bích lượng bích nối các ống dẫn :

Mống dẫn =  /4 . 2 . [(0,1852 – 0,082) . 0,014 + (0,08 2 – 0,0152) . 0,01 + (0,262 – 0,0152) . 0,016 + ( 0,26 2 – 0,0152) . 0,016 + (0,185 2 - 0,082) . 0,014] . 7850 = 36,953 (kg) ► Khối lượng dung dịch trong tháp ( xem Vdung dịch = 0,5 Vtháp )

Mdd = 0,5 ( .D2t. H/4 + Vđáy ) . x = 0,5 . (  . 12.

 + 0,151) . 894,115 

= 4226,149 (kg) 

Khối lượ ng ng của toàn tháp:

m = 7 . m1 + Ntt . m2 + m3 + 2 . m4 + Mchóp + Mống hơi + Mchảy chuyền + Mống dẫn + Mdd = 7.406,372 + 36.22,197 + 1175,805 + 2.36,656 + 415,061 + 151,89 + 6,006 + 36,953 + 4226,149 = 9728,872 (kg) a.

Chọn tai treo :

o

Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3 . Tấm lót là vật liệu làm thân: [ CT3]= 130.106 (N/m2)

o

Chọn số tai treo : n = 4

o

Tải trọng lên một tai treo ( 4 tai treo và 4 chân đỡ):

Q0 = o

Q

8

=

9728,872. 9,81 8

= 11930 (N)

Chọn tải trọng cho phép lên một tai treo là 2,5.104 N

48



Theo Bảng XIII.36 [4] (tập 2)- trang 438: tai treo thiết bị thẳng đứng. Kích thước tai treo : cho ở bảng sau (tính theo mm)

b.

L

B

B1

H

S

l

a

d

150

120

130

215

8

60

20

30

Chọn chân đỡ:

- Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3 . - Tải trọng cho phép lên một chân đỡ: 2,5.104 N

49



Theo ñaù ñaùy thieá hi eát bò

ò b t á e i h t c ï u r T

Theo bảng XIII.35 STT2 . Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng (Đơn vị là : mm)

L

B

B1

B2

H

h

s

l

d

250

180

215

290

350

185

16

90

27

50



c. Tính chiều dày lớp cách nhiệt - Trong quá trình hoạt động cua tháp, do tháp ti ếp xúc v ớ i không khí nên nhiêt l ượ ng ng tổn thất ra môi trường rất lớn. Làm chi phí vận hành cao, và tháp hoạt động không ổn định. Do đó cần bọc cách nhiệt cho tháp.

- Chọn vât liệu cách nhiệt cho than tháp là amiăng có bề dày là  a . - Hệ số dẫn nhiệt của amiăng là a = 0,151 - Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh: Qm = 0,05.Qđ = 0,05. 2315,101 = 115,755 (kW) = 115755 (W) - Nhiệt tải mất mát riêng: qm 

Qm



f tb

a a

.(tv1  tv 2 ) 

 a  a

.tv

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 = tmax = tđáy – tkk Chọn tkk = 300C → tv = tmax = 100 – 30 = 70 (K) ƒtb : diện tích bề mặt trung bình của tháp (kể cả lớp cách nhiệt); m2 ƒtb =  .Dtb.H =  .

Dt  Dn

2

. H =  .

    = .(Dtb+Sthân+  ).H  a

Ta có phương trình:

  . 70 =   ( )    →  a = 3,423 mm Vậy chọn bề dày lớp cách nhiệt là

 a = 5 mm

- Thể tích vật liệu cần dùng: V =  . Dt . (Sthân+  a ) . H =  . 1 . (0,004 + 0,005) . 11,844 = 0,335 (m3) 51



CHƢƠNG V: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT - THIẾT BỊ PHỤ.

1. Các thiết bị truyền nhiệt: 1.1.Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống trong: 16x1,6 ; kích thước ống ngoài:

25x2,5. Chọn: + Nước làm lạnh đi trong ống trong (14/16) với nhiệt độ đầu: tN = 28oC, nhiệt độ cuối: t’N = 40oC. + Sản phẩm đỉnh đi trong ống ống ngồi(26/28) với nhiệt độ đầu:tD = 79oC, nhiệt độ cuối: t’D = 35oC. Cc tính chất lý học của nước làm lạnh được tra ở [4- (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình

t2 =

28  40 2

=34oC:

+ Nhiệt dung riêng: cN = 4,181 (KJ/kg.độ). + Khối lượng riêng: N = 994,4 (Kg/m 3). + Độ nhớt động lực: N = 0,5811.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: N = 0,629 (W/moK). Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình t1 =

t D t ' D

2



79  35 2

 57 oC:

+ Nhiệt dung riêng: cD= 3055,418 (J/kg.độ). + Khối lượng riêng: D = 779,237 (kg/m 3). + Độ nhớt động lực: D = 0,6911.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: D = 0,214 (W/moK). a . Suất lƣợng nƣớc cần dùng để làm mát sản phẩm đỉnh: Suất lượng sản phẩm đỉnh:

GD = 805,771 (kg/h) = 0,224 (Kg/s). Lượng nhiệt cần tải:

52



QD = GD.cD.(tD-t’D) = 0,224 . 2889,184 . (79 - 35) = 28475,798 (J/s) = 28,476 (kJ/s). Suất lượng nước cần dùng:

GN =

Q D c N .(t 2  t 1 )



28,47 4,181 .(40  28)

= 0,567 (kg/s).

b . Xác định bề mặt truyền nhiệt : Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:

Ftb =

Qt K .t log

,(m2)

(IV.7).

Với: + K : hệ số truyền nhiệt.

+ tlog : nhiệt độ trung bình logarit.  Xác định tlog :

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều.

790C 400C

350C 280C

t log 



(79  40)  (35  28)  18,63 (oK). 79  40 ln 35  28

Xác định hệ số truyền nhiệt K: Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:

K=



     

(W/m2.oK)

Với: + N : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2.oK).

+ D : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (W/m2.oK). + : bề dày lớp cáu (m).

53



+ Cu: hệ số dẫn nhiệt của kim loại đồng(W/mK), Cu=385 (W/mK). ngo ài) * Dòng nóng (sản phẩm đỉnh ở ống ngoài) 

Vận tốc của sản phẩm đỉnh đi trong ống ngoài: v D 

G D

4

.

 D  .( D

2

tr

 d 2 ng ).



0,224

.

779,237

4  .(0,026  0,016 ) 2

2

 0,871 (m/s).

Đường kính tương đương: d td = Dtr – dng = 0,026 - 0,016 = 0,01 (m). 

Chuẩn số Reynolds : Re D 



v D. d td .  D

0,871 .0,01 .779 ,237



0,6911 .10

 D

3

 9820,799 > 2320 : chế độ quá độ.

Chuẩn số Nusselt có dạng: Nu D  C . l . Pr D

0 , 43

.(

Pr D Prw1

)

0 , 25

Trong đó: l : hệ số hiệu chỉnh, giá trị của 1 phụ thuộc vào tỉ lệ L/d khi Re < 104. Ta



có

 =  = 58 → l =1.  

C : hệ số phụ thuộc vo chuẩn số Reynolds, Re D = 9820,799 → C =



32,462. PrD : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở 57oC,



 D .c D

Pr D 

3



0,6911.10 .3055,418

 D

0,214

= 9,867

Prv1 : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ trung bình của vách.



►NuD = 32,462 . 9,867

0,43

     .   = 

* Dòng lạnh (nƣớc trong ống nhỏ) 

Vận tốc nước đi trong ống: v N 



G N

.

4 2

 N  .d

 tr

0,567

.

4

994 ,4  .0,014 2

 3,704 (m/s).

Chuẩn số Reynolds : Re N 

v N . d tr .  N  N



3,704 704 .0,014 014 .994 994 ,4 0,5811 .10

3

 88737,922 > 10 4 : chế độ chảy rối.

54


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước 

Chuẩn số Nusselt có dạng: 021 . l . Re N Nu N  0,021

0 ,8

Pr N

0 , 43

.(

Pr N Prv 2

)

0 , 25

Trong đó: 

v à ReN. Ta có l : hệ số hiệu chỉnh, giá trị của 1 phụ thuộc vào tỉ lệ L/d và



 

=  = 107 và Re N = → l =1.



PrN : chuẩn số Prandlt của nước ở 34oC → Pr N = 4,976



Prw2 : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách.

► Nu N  0,021 . l . Re N 0,8 Pr N 0, 43 .(

= 0,021 . 88737,922 0,8 . 4,9760,43 .



Pr N Prw2

) 0, 25

 

=    ● Nhiệt độ thành ống t w1 w1 và tw2

tD Δt1

ΔtV Δt2

tw1 tw2

Δtlog

tN

Sô ñoà phaân boá nhieät ñoä khi truyeàn nhieät giöõa caùc löu chaát qua vaùch ngaên.

t 1  t 1  t v1 t 2  t v 2  t 2

Ta thöïc hieän pheùp tính laëp. Khôûi ñieåm ta choïn gaàn ñuùng hieäu soá giöõa nhieät ñoä löu chaát vaø vaùch ngaên nhö sau: 55


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước t 1 Re 2 ~ t 2 Re 1

Hieäu soá nhieät ñoä log bieåu dieãn nhö sau: t log  1  2 C  t 1  t 2 0

Suy ra:

   = 15,423 C Re    1 Re t  1,5    = 1,706 C t   Re    1

t 1 

t log  1,5

0

=

D

N

0

log

2

N

Re D

→ tv1 = t1 - Δt1 = 57 – 15,423 = 41,577 0C → tv2 = Δt2 + t2 = 1,706 + 34 = 35,706 0C * Dòng nóng (sản phẩm đỉnh ở ống lớn) 

Prv1 =

   

Nhiệt độ tv1 = 41,5770C  Nhiệt dung riêng: c v1= 2460,595 (J/kg.độ).

  



Độ nhớt động lực: v1 = 0,789.10-3 (N.s/m2).



Hệ số dẫn nhiệt: v1 = 0,214 (W/moK).

   =      = 9,073    = 88,712 NuD =  Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống lớn:      = 1898,437 αD =   =   Prv1 =

* Dòng lạnh (nƣớc trong ống nhỏ) 

Prv2 =4,787

 NuN 



=   = 384,211 

Hệ số cấp nhiệt của nước làm nguội trong ống nhỏ:

αN =

   =    = 17262,051  

56





K=

         =        

= 1668,161 (W/m2.0K) 

THỬ LẠI 

   = 16,37 C Δt’ =    =   0

1

→ Sai số 5,8% (Chấp nhận)



   = 1,8 C Δt’ =   =   0

2

→Sai số 5,2% (Chấp nhận) ► Bề mặt truyền nhiệt trung bình đƣợc xác định theo phƣơng trình truyền nhiệt:

Ftb =

Qt K .t log

      = = 0,916 (m2)   

► Chiều dài ống truyền nhiệt:

L=



 = 19,438 (m)     

→ Chọn L = 20 (m) Vậy: Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 20 (m), chia thành 10 dãy, mỗi dãy dài 2 (m).

1.2.

Thiết bị trao đổi nhiệt giữ a nhập liệu và s ản phẩm đáy: Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Ống truyền

nhiệt được làm bằng thép X18H10T. Chọn: + Dòng nhập liệu liệu đi trong ống trong (25/27) với nhiệt độ đầu: t F = 28oC, nhiệt độ cuối: t’F chưa biết.

57



+ Sản phẩm đáy đi trong ống ngoài (38/40) với nhiệt độ đầu:tW = 100oC, nhiệt độ cuối: t’W = 60oC. Các tính chất lý học của sản phẩm đáy được tra ở [4- (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung

bình t1 =

   = 

100 100  60 2

= 80oC

+ Nhiệt dung riêng: c W = 4,187 (kJ/kg.độ). + Khối lượng riêng: W = 971,174 (kg/m 3). + Độ nhớt động lực: W = 0,358.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: W = 0,655 (W/moK). a . Nhiệt độ dòng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy: Suất lượng sản phẩm đáy:

GW = 2104,281 (kg/h) = 0,585 (kg/s) Lượng nhiệt cần tải:

Qt =

GW

3600

.cW.(tW-t’W) =

2104,281 3600

.4,187.(100-60) = 97,896 (kW).

Ở 28oC, ta xem nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu là hằng số

cF = cR . x F +(1- x F ).cN = 2,572 . 0,252 + (1- 0,252) . 4,178 = 3,773 (kJ/kg.độ). Nhiệt độ dòng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy: đá y:

tF =

Qt c F .GF

 t F 

97,896  28 2910,025 3,773. 3600

= 60,098oC.

Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh được tra ở [4- (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung

bình t1 =

t ' F t F

2



60,098  28 2

 44,049 oC

+ Nhiệt dung riêng: cF = 3,821 (kJ/kg.độ). + Khối lượng riêng: F = 934,279 (kg/m 3). + Độ nhớt động lực: F = 0,634.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: F = 0,524 (W/moK).


58



Ftb =

Qt

,(m2)

K .t log

(IV.7).



Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều.

1000C 60,098 0

600C 280C

t log 



(100  60,098)  (60  28) o  35,806 ( K). 100  60,098 ln 60  28

Xác định hệ số truyền nhiệt K: Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:

K=



(W/m2.oK)

     


+ D : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (W/m2.oK). + : bề dày lớp cáu (m). + Cu: hệ số dẫn nhiệt của kim loại đồng(W/mK), Cu=385 (W/mK). n goài) * Dòng nóng (sản phẩm đáy ở ống ngoài) 

Vận tốc của sản phẩm đáy đi trong ống ngoài: vW 

GW

.

 W  .( D

4 2

tr

 d

2

 ng

).

0,585 971,174

.

4  .(0,038  0,027 ) 2

2

 1,073 (m/s).


Chuẩn số Reynolds :

59


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước Re W  

vW . d td .  W



1,073 .0,011 011 .971,174 3

0,358 .10

 W

 32018,901 > 10 4 : chế độ chảy rối.

Chuẩn số Nusselt có dạng: 021 . l . Re W NuW  0,021

0 ,8

PrW

0 , 43

.(

PrW Prw1

)

0 , 25

Trong đó: l : hệ số hiệu chỉnh, giá trị của 1 phụ thuộc vào tỉ lệ L/d và v à ReN. Ta có





=  = 39 và Re N = 32018,90 → l =1,02

PrW : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đáy ở 80oC.



             PrW = = 2,288  =  Prv1 : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách.



0 ,8 0 , 43 021 . l . Re W PrW .( ► NuW  0,021

PrW Prv1

0,8

= 0,021 . 1,02 . 32018,901 . 2,288

) 0, 25

0,43



    . 

=   

* Dòng lạnh (dòng nhập liệu trong ống nhỏ) 

Vận tốc nước đi trong ống: v F 



GF

4 2

 F  .d

 tr

2910 ,025 025

4

.

3600 .934 ,279  .0,025 2

 1,763 (m/s).

Chuẩn số Reynolds : Re F 



.

v F . d tr .  F



1,763 .0,025 .934 ,279 0,634 634 .10

 F

3

 64950,074 > 10 4 : chế độ chảy rối.

Chuẩn số Nusselt có dạng: NuF  0,021 . l . Re F

0 ,8

PrF

0 , 43

.(

PrF Prv 2

)

0 , 25

Trong đó:

60

 



l : hệ số hiệu chỉnh, giá trị của 1 phụ thuộc vào tỉ lệ L/d và v à ReN. Ta có





=  = 60 và Re N = 64950,074 → l =1.

PrF : chuẩn số Prandlt của dóng nhập liệu ở 44,0490C



            PrF = = 4,623  =  Prv2 : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách.



0,8 0 , 43 021 . l . Re F PrF .( ► Nu F  0,021

PrF Prv 2

) 0, 25

0,8

= 0,021 . 64950,074 . 4,623



0,43

    . 

=    ● Nhiệt độ thành ống t v1 v1 và tv2

tW Δt1

ΔtV

tv1

Δt2

Δtlog

tv2 tF Sơ đồ phân bố nhiệt độ khi truyền nhiệt giữa các lưu chất qua vách ngăn. t 1  t 1  t v1 t 2  t v 2  t 2

Ta thực hiện phép tính lặp. Khởi điểm ta chọn gần đúng hiệu số giữa nhiệt độ lưu chất và vách ngăn như sau: t 1 Re 2 ~ t 2 Re 1

Hiệu số nhiệt độ log biểu diễn như sau: t log  1  2 C  t 1  t 2 0

61

 



Suy ra:

   = 22,978 C Re    1 Re t  1,5    = 11,328 C t   Re    1

t 1 

t log  1,5

0

=

W F

0

log

2

F

ReW

→ tv1 = t1 - Δt1 = 80 – 22,978 = 57,022 0C → tv2 = Δt2 + t2 = 11,328 + 44,049 = 55,377 0C * Dòng nóng (sản phẩm đáy ở ống ngoài) 

Prv1 =

   

Nhiệt độ tv1 = 57,0220C  Nhiệt dung riêng: c v1= 4,184 (J/kg.độ). 





              Prw1 = = 3,159  =   = 113,419 NuW =  

Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống lớn:

αD =

   =   = 6753,586  


Prv2 =

   






              Prv2 =  =  = 3,931  = 299,093  NuF =  62



Hệ số cấp nhiệt của nước làm nguội trong ống nhỏ:



   =    = 6268,989    K=         =         αF =

= 3223,911 (W/m2.0K) 

THỬ LẠI 

   = 17,092 C Δt’ =   =   0

1

→ Sai số 26% (Không chấp nhận)



   = 18,414 C Δt’ =     =   0

2

→Sai số 63% (Không chấp nhận) 

TÍNH LẶP LẦN 2:

Với:

Δt = 17,092 C Δt = 18,414 C 0

1

0

2

→ tv1 = t1 - Δt1 = 80 – 17,092 = 62,908 0C → tv2 = Δt2 + t2 = 18,414 + 44,049 = 62,463 0C * Dòng nóng (sản phẩm đáy ở ống 

Prv1 =

   

ngoài)

Nhiệt độ tv1 = 62,9080C -3 2  Độ nhớt động lực: v1 = 0,453.10 (N.s/m ). 

Nhiệt dung riêng: cv1= 4,186 (J/kg.độ).




   =      = 2,886    = 116,011  NuW =  

Prw1 =

63


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước 

Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống lớn:

   =   = 6907,928  

αD =


Prv2 =

   






              Prv2 = = 4,058  =   = 296,725  NuF =   Hệ số cấp nhiệt của nước làm nguội trong ống nhỏ:       = 6219,356 αF =   =    K=         =         = 3245,205 (W/m2.0K) 

THỬ LẠI 

   = 16,821 C Δt’ =   =   0

1

→ Sai số 1,6% (Chấp nhận) 

   = 18,683C Δt’ =     =   2

→Sai số 1,5% (Chấp nhận) ► Bề mặt truyền nhiệt trung bình đƣợc xác định theo phƣơng trình truyền nhiệt:

Ftb =

Qt K .t log

      = = 0,842 (m2)    64


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước ► Chiều dài ống truyền nhiệt:

L=



     = 10,308 (m) 

→ Chọn L = 11 (m) Vậy: Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 11 (m),.

1.3. Thiết gia nhiệt nhập liệu : Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T. + Dòng nhập liệu đi trong ống trong (25/27) với nhiệt độ đầu: t’F = 60,098oC, nhiệt độ cuối: t’’F = 860C. + Chọn hơi gia nhiệt là hơi nước 1 at, đi trong ống ngoài (38/40) . Các tính chất vật lý của hơi gia nhiệt tra ở [4- (tập 1)], ta có: + Nhiệt độ sôi: tsN = 100oC. + Ẩn nhiệt ngưng tụ: r N = 2260 (kJ/kg). Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình t 2 =

t "F t ' F

2

=73,049oC:

+ Nhiệt dung riêng: cF = 3,924 (kJ/kg.độ). + Khối lượng riêng: F = 916,8 (kg/m 3). + Độ nhớt động lực: F = 0,419.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: F = 0,54 (W/moK). a . Suất lƣợng hơi nƣớc cần dùng : Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho dòng nhập liệu:

Qc =

G F

3600

– t”F) = .cF.(tF – t”

2910,025 3600

. 3,924 . (86 – 60,098) = 82,159 (kW).

Suất lượng hơi nước cần dùng:

65



GhN =

Qc



r N

82,159 2260

= 0,0364 (kg/s).


Ftb =

Qt

(m2)

K .t log

(IV.22).



Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:

1000C

1000C

860C 60,098 0C

t log 

(100  60,098)  (100  86)  100  60.098 Ln 100  86

24,73 (oK).

 Xác định hệ số truyền nhiệt K:

Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức: K 

1 1  F

 r t 

,(W/m2.oK)

1

(IV.23).

 N

Với: + F : hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu (W/m2.oK).

+ N : hệ số cấp nhiệt của hơi nước (W/m2.oK). + rt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu. * Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống nhỏ : 

v F 

Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống ngoài: GF

.

4

3600 .  F  .( D 2 tr  d 2 ng ).



2910 ,025 3600.916,8

.

4  .(0,038  0,027 ) 2

2

 1,57 (m / 66 s)




Chuẩn số Reynolds : Re F 



v F d td .  F



1,57 .0,011 .916,8 0,419 .10

 F

 37787 ,914 > 104 : chế độ chảy rối.

3

Chuẩn số Nusselt có dạng: Nu F  0,021 . l . Re F

0 ,8

PrF

0 , 43

.(

PrF Prv 2

)

0 , 25

Trong đó: 



l : hệ số hiệu chỉnh, giá trị của 1 phụ thuộc vào tỉ lệ L/d và ReN. Ta có

 = 39 và ReN = 37787,914 → l =1,02 

PrF : chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở 74,033 oC, nên PrF =



= 

cF . F

 F



3924.0,419.103 0,54

= 3,045

Prv1 : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách.

► Nu F  0,021 . l . Re F 0,8 PrF 0, 43 .(

PrF Prv 2

= 0,021 . 1,02 . 37787,914 =

0,8

) 0, 25

. 3,045

 

0,43

    . 

Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống nhỏ: F =

Nu F . F d td



209 209 ,672 672 .0,54 Prv 2

0 , 25



.0,011 011

10292 ,989 989 Prv 2

0 , 25

Nhiệt tải phía dòng nhập liệu: q F   F .(t v 2  t 2 ) 

10292 ,989 Prv 2

0 , 25

(t v 2  73,049 049 )

(W/m2) (IV.24).

Với tv2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ). * Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:

67


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước qt 

t v1  t v 2

r t

, (W/m2).

Trong đó:

+ tv1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước (ngoài ống nhỏ). + r t 

 t  t

 r 1  r 2

Bề dày thành ống: t = 2(mm). Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: t = 17,5 (W/moK). Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch:

r1 = 1/5000 (m 2.oK/W). Nhiệt trở lớp cáu phía sản phẩm đỉnh: r 2 = 1/5000 (m2.oK/W).

Suy ra: rt = 1/1944,444 (m 2.oK/W). Vậy: qt = 1944,444.(t v1-tv2)

(IV.25).

* Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nƣớc trong ống nhỏ: Đường kính tương đương: d td = Dtr – dng = 0,038- 0,027 = 0,011 (m) Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được xác định theo công thức:   r N  N= 0,725. A. t  t d ( ).  1 v1 td 

=

0, 25

 2260.1000    0,725. A.  t ( 100 ). 0 , 011 v1  

0, 25

86,799 799 . A (100 100  t v1 )

0 , 25

Với: + A : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ màng tm =

 , được tra ở [4- (tập 1) – trang 29] 

Nhiệt tải phía hơi nước: 799 . A.(100 100  t v1 ) 0, 75 (W/m2) (IV.26). q N   N .(t 1  t v1 )  86,799

Chọn: tv1 = 98oC Khi đó, ở nhiệt độ trung bình

100  98 2

= 99oC ta tra được A = 178,5

Từ (IV.26): qN = 86,799 . 178,5 . (100 – 98)0,75

= 26057,0616 (W/m 2). 68



Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qN =26057,0616 (W/m 2). Từ (IV.25), ta có: tv2 = tv1-

Suy ra: t tbv =

t v1  t v 2

2

qt 1944 ,444 444

=

98  84,6 2

= 98 -

 = 84,6oC 

 91,3 oC

Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở [4- (tập 1)], 1)], ứng với nhiệt độ

trung bình t tbv = 91,3oC: + Nhiệt dung riêng: cR = 4,006 (kJ/kg.độ). + Độ nhớt động lực: R = 0,33.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: R = 0,547 (W/moK). Khi đó: Pr v2 v2 =

c R . R

 R

Từ (IV.24): qF =



4006.0,33.103 0,547

10292 ,989 2,416

0, 25

= 2,416

.(84,6  73,049 )  95364 ,527

(W/m2).

Kiểm tra sai số: q N  q F

=



35705,52  35903,98 35903,98

q N

=0,54% < 5%: thoả.

Vậy: tw1 = 97,15oC và t w2 = 78,79oC. Khi đó:  N 

91,265 265 .178 178 ,36 (100 100  97,15)

 F 

Từ (IV.23):

K 

6715 ,679 3,088

0, 25

1 5066 ,063

0, 25

909 (W/m2.oC).  12868 ,909

 5066 ,063 (W/m2.oC). 1 1



1944 ,444

1



 1266 ,810 (W/m2.oC).

12868 ,909

Từ (IV.22), bề mặt truyền nhiệt trung bình: F tb 

43,48.1000 1266 ,81.26,13

= 1,314 (m2).

Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt :

69



L  .

1,314  18,18 (m). 0,025  0,021 2

Chọn: L = 20(m),(dự trữ khoảng 20%). Kiểm tra:

L



20 0,021

d tr

952 ,38  50 thì l = 1: thoả.  952

Vậy: thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 20(m), chia thành 10 dãy, mỗi dãy dài 2 (m). 1.4. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy: Chọn nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là nồi đun Kettle, ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 25x2. + Sản phẩm đáy trước khi vào nồi đun có nhiệt độ đầu t’1 = 99oC nhiệt độ ra là tW =

100oC. + Chọn hơi đốt là hơi nước 2 at, đi trong ống 25x2. Các tính chất của hơi nước gia nhiệt tra ở [4- (tập1)], ta có: + Nhiệt độ sôi: tsN = 119,6oC. + Ẩn nhiệt ngưng tụ: r N = 2208 (kJ/kg). a . Suất lƣợng hơi nƣớc cần dùng : Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho đáy tháp: Qđ = 584,396 (kW). Suất lượng hơi nước cần dùng:

GhN =

Qd



584 584 ,396 396

r N

2208

= 0,265 (kg/s).


Ftb =

Qd K .t log

,(m2)

(IV.12).



Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:

70



(119,6  99 )  (119 ,6  100 )  20,096 (oK). 119 ,6  99 Ln 119 ,6  100

t log 


Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức: 1

K 

1  N

 r t 

1

,(W/m2.oK)

(IV.13).

 D

Với: + N : hệ số cấp nhiệt của hơi nước (W/m2.oK).

+ D : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy (W/m2.oK). + rt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu. * Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nƣớc:

Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được xác định theo công thức:   r N  N = 0,725. A. ( t  t ). d  sN w1 tr 

=

0, 25

 2208.1000    0,725. A. ( 119 , 6  t ). 0 , 021 w1  

0, 25

73,415 415 . A (119 119 ,6  t w1 ) 0, 25

Với: + tw1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước(trong ống). + A : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ, được tra ở tài liệu tham khảo [2]. Nhiệt tải phía hơi: 0 , 75 q N   N .(t sN  t w1 )  73,415 . A.(119 ,6  t w1 )

(W/m2) (IV.14).

* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q t 

t w1  t w 2

r t

, (W/m2).

Trong đó:

+ tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ống). + r t 

 t  t

 r 1  r 2

Bề dày thành ống: t = 2 (mm).

71



Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: t = 17,5 (W/moK). Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch: r 1 = 1/5000

(m2.oK/W). Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đáy: r 2 =1/500(m 2.oK/W).

Suy ra: rt = 1/1944,444 (m 2.oK/W). Vậy: qt = 1944,444.(t w1-tw2)

(IV.15).

* Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy:

Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy được xác định theo công thức (chế độ sôi sủi bọt và xem sản phẩm đáy như là nước): D =

4186,8 3600

.39.p0,5.(tw2 – 100)2,33

Với: + p: áp suất để đạt nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy, khi đó

p = 1 at = 10 5 (N/m2). Suy ra: D = 14343,143(t w2 – 100)2,33 Nhiệt tải phía sản phẩm đáy: 3, 33 q D   D .(t w 2  100 )  14343 ,143 (t w 2  100 )

(W/m2) (IV.16).

Chọn: tw1 = 116,655oC : Khi đó, ở nhiệt độ trung bình

119,6  116,655 2

= 118,128oC ta tra được

A = 187,1574 Từ (IV.14): qN =73,415.187,1574.(119,6-116,655) 0,75

= 30889,133(W/m 2). Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qN =30889,133 (W/m 2). Từ (IV.15), ta có: tw2 = tw1-

qt 1944 ,444 444

=100,769 oC

Từ (IV.16): qD =14343,143.(100,769-100) 3,33=31708,196(W/m 2). Kiểm tra sai số: =

q N  q D q D



30889,133 31708,196 30889,133

=2,65% < 5% : thoả.

Vậy: tw1 = 116,655oC và tw2 = 100,769oC.

72


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước 73,415 .187 ,1574

Khi đó:  N 

(119 ,6  116 116 ,655)

0 , 25

 10488 ,670 (W/m2.oC).

 D  14343 ,143 .(100 ,769  100 ) 3,33  24986 ,758

Từ (IV.13):

K 

1

1 1



10488 ,670

1



1944 ,444

(W/m2.oC).

2o  1539 ,295 295 (W/m . C).

24986 ,758

Từ (IV.12), bề mặt truyền nhiệt trung bình: F tb 

584 584 ,396 396 .1000 1539 ,295 295 .20,096 096

= 18,89 (m2).

Chọn số ống truyền nhiệt: n = 91 (ống). Chiều dài ống truyền nhiệt:

L  .91.

18,89  2,87 0,025  0,021

(m).

2

Chọn: L = 2,87 (m) Vậy: nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống với số ống n = 91, chiều dài ống truyền nhiệt L = 11,5 (m). Ống được bố trí theo hình lục giác đều. Nên ta có số ống trên đường chéo hình lục giác: b = 9(ống). Chọn bước ngang giữa hai ống: t = 1,4.dng = 1,4.0,025 = 0,035 (m). Đường kính vỏ thiết bị: D v = t.(b-1)+4.dng = 0,035(9-1)+4.0,025

= 0,380(m). 1.5. Thiết bị ngƣng tụ sản phẩm đỉnh: Chọn thiết bị ngưng tụ ống lồng ống . Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống: 25x2, chiều dài ống là

L = 1,5 (m). Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ đầu: t1 = 28oC, nhiệt độ cuối: t2 = 40oC. Các tính chất lý học của nước làm lạnh được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbN =

t 1  t 2

2

=34oC:

+ Nhiệt dung riêng: cN = 4,181 (KJ/kg.độ).

73


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước + Khối lượng riêng: N = 994,4 (Kg/m 3). + Độ nhớt động lực: N = 0,7371.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: N = 0,6242 (W/m oK). a . Suất lƣợng nƣớc cần dùng để ngƣng tụ sản phẩm đỉnh:

GN =

Qnt

3600 .c N .(t 2  t 1 )



1893917 ,343 3600 .4,181 .(40  28)

= 10,49 (kg/s).


Ftb =

Qnt

,(m2)

K .t log

(IV.2).



Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: t log 

(86  28)  (86  40)  86  28 Ln 86  40

51,77( oK).


Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức: K 

1 1  N

 r t 

,(W/m2.oK)

1

(IV.3).

 R


+ R : hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m2.oK). + rt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu. * Xác định hệ số cấp nhiệt của nƣớc trong

ống :

Chọn vận tốc nước đi trong ống: vN = 0,75 (m/s). Số ống trong một đường nước: n

G N

.

4

2  N  .d tr .v N



43,26

.

4

994 994 ,4  .0,021 2.0,75

~ 167 ,47 (ống).

74


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước Chuẩn số Reynolds : Re N 

v N . d tr .  N



0,75 .0,021 .994 994 ,4

 N

0,7371 .10

3

 21247 ,86 > 104 : chế độ chảy rối,

công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Nu N  0,021 021 . l . Re N

0 ,8

Pr N

0 , 43

.(

Pr N Prw

)

0 , 25

Trong đó:

+ l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReN=21247,86 và

L



d tr

1,5 0,021 021

 50 ,nên l =1.

+ PrN : chuẩn số Prandlt của nước ở 34oC, nên PrN = 5. + Prw : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách. Suy ra: Nu N 

181 181 ,707 707 Prw

0 , 25

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: N =

Nu N . N d tr



181,707.0,6242 Pr N

0, 25



.0,021

5401,024 Pr N

0, 25

Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N   N .(t w2  t tbN ) 

5401 ,024 Pr N

0, 25

(t w 2  34 )

(W/m2)

(IV.4).

Với tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống).

* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q t 

t w1  t w 2

r t

, (W/m2).

Trong đó:

+ tw1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống). + r t 

 t  t

 r c

Bề dày thành ống: t = 2 (mm). Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: t = 17,5 (W/moK).

75



Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch:

rc = 1/5000 (m 2.oK/W). Suy ra: rt = 1/3181,818 (m 2.oK/W). Vậy: qt = 3181,818.(t w1-tw2)

(IV.5)

* Hệ số cấp nhiệt của hơi ngƣng tụ : 3

r R . R .  R

725 .4  R  0,725

 R .(t D t w1 ).d ng 3

Đặt: A= 0,725 .4

2

r R . R .  R



A

(78,5  t w1 ) 0, 25

2

với [r R]=[J/kg].

 R .d ng

An nhiệt ngưng tụ: r R = rD = 945,465 (kJ/kg). Nhiệt tải ngoài thành ống:

qR = R.(78,5-t w1) = A.(78,5-tw1)0,75

(IV.6).

Từ (IV.4), (IV.5), (IV.6) ta dùng phương pháp lặp để xác định tw1, tw2 : Chọn: tw1 = 53,7oC : Các tính chất lý học của rượu ngưng tụ được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbD =

t D t w1

2

78,5  53,7



2

 66,1 oC:

+ Khối lượng riêng: R = 767,68 (Kg/m 3). + Độ nhớt động lực: R = 0,6018.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: R = 0,2073 (W/m oK). Khi đó: A = 3090,099 Từ (IV.6): qR = 3090,099.(78,5-53,7) 0,75 = 34340,859 (W/m 2). Xem nhiệt tải mất mát là không đáng đán g kể: qt = qR =34340,859 (W/m 2). qt

Từ (IV.5), ta có: tw2 = tw1-

Suy ra: t tbw =

t w1  t w 2

2

3181 ,818

=

=42,907 oC

53,7  42,907 2

 48,304 oC

Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], Pr w = 3,672 Từ (IV.4): qN =

5401 ,024 3,672

0, 25

.(42,907  34 )  34752 ,167

(W/m2). 76


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước Kiểm tra sai số: q N  q R

=

34752,167  34340,859



q R

34340,859

=1,2% < 5% : thoả.

Vậy: tw1 = 53,7oC và t w2 = 42,907oC. 5401 ,024

Khi đó:  N 

3,672

 3901 ,669 (W/m2.oC).

3090 ,099 099

 R 

Từ (IV.3):

0, 25

(78,5  53,7)

K 

1

0 , 25

1 1



3901 ,669

 1384 ,712 (W/m2.oC).

1



3181 ,818 818

 773 ,540 (W/m2.oC).

1384 ,712

Từ (IV.2), bề mặt truyền nhiệt trung bình: 1893917 ,343 .1000

F tb 

3600 .773 ,540 .51,77

= 13,14 (m2).

Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt : L’   .39.

13,14  0,025  0,021

4,66 (m).

2

2. Tính toán bơm nhập liệu 2.1 Tính chiều cao bồn cao vị: Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu (nhập liệu): d = 50 (mm), độ nhám của ống =0,1(mm).

Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF =

t F  t ' F

2

= 56,425 oC:

+ Khối lượng riêng: F = 947,513 (Kg/m 3). + Độ nhớt động lực: F = 0,7978.10-3 (N.s/m2). Vận tốc của dòng nhập liệu trong ống dẫn:

vF =

QF

.

4 2

3600 .  F  .d



2910 ,025 025

.

4

3600 .947 947 ,513 513  .0,05 2

= 0,434 (m/s). 77



a . Tổn thất đƣờng ống dẫn:  l1  v F 2 h1    1 .   1 . d 1   2.g

(m).

Với: + 1 : hệ số ma sát trong đường ống.

+ l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 20(m). + d1 : đường kính ống dẫn, d1 = d = 0,05(m). + 1 : tổng hệ số tổn thất cục bộ. + vF : vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn, vF = 0,434 (m/s). * Xác định 1 : Chuẩn số Reynolds của dòng nhập liệu trong ống: Re 1 

v F .d 1 .  F



0,434 .0,05 .947 ,513 513 0,7978 .10

 F

3

= 25772,164

Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có:  d  + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh1= 6. 1    

8

7

8

 50  7 = 6.  =7289,343  0,1 

+ Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám: 9

9

 50  8  d 1  8 Ren1= 220.  = 220.  =23,9.10 4.     0,1 

Suy ra: Re gh1 < Re1< Ren1: khu vực chảy quá độ, khi đó (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]):   100   1= 0,1.1,46.  d Re  1 1 

0, 25

 0,0345

* Xác định 1: Hệ số tổn thất của dòng nhập liệu qua: + 10 chỗ uốn cong: u1=10.1,1 = 11. + 3 van (van cầu): v1= 3.10 = 30. + 1 lần đột thu: t1 = 0,5. + 1 lần đột mở: m1 = 1. + 1 lưu lượng kế: l1 = 0 (không đáng kể).

78



Suy ra: 1 = u1 + v1 + t 1+ m1 + l1 = 42,5. 20   0,4342 Vậy:Tổn Vậy:Tổn thất đường ống dẫn: h1=  0,0345. = 0,54 (m).  42,5 . 0,05   2.9,81

b . Tổn thất đƣờng ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt:  l 2  v2 2   2 . h2    2 . d   2.g 2

(m).


+ l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = 11 (m). + d2 : đường kính ống dẫn, d2 = 0,021(m). + 2 : tổng hệ số tổn thất cục bộ. + v2 : vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn, v2 = 1,26(m/s). * Xác định 2 : Chuẩn số Reynolds của dòng nhập liệu:(xem lại mục IV.I.4)

Re2= 32320,9 Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: 8

8

 21  7  d  7 + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh2= 6. 2  = 6.  =2704,68.     0,1 


9

 21  8  d  8 Ren2= 220. 2  = 220.  =90140,38.     0,1 

Suy ra: Re gh2 < Re2 < Ren2: khu vực chảy quá độ, khi đó (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]):   100    2= 0,1.1,46. Re d 2 2  

0, 25

 0,0334

* Xác định 2: Hệ số tổn thất của dòng nhập liệu qua: + 9 chỗ ống cong quay ngược: q2=9.2,2 = 19,8. + 1 chỗ uốn cong: u2= 1,1. + 1 lần co hẹp: c2 = 0,385.

79


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước 2

 0,0212    0,6783 . + 1 lần mở rộng: m2 = 1  2  0 , 05  

Suy ra: 2 = u2 + q2 + c2+ m 2 =21,963. Vậy:Tổn Vậy:Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt: 11   1,262 h2=  0,0334. = 3,193 (m).  21,963. 0,021   2.9,81

c . Tổn thất đƣờng ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu:  l3  v3 2 h3    3 .   3 . d 3   2.g

(m).


+ l3 : chiều dài đường ống dẫn, l3 = 20(m). + d3 : đường kính ống dẫn, d3 = 0,021(m). + 3 : tổng hệ số tổn thất cục bộ. + v3 : vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn, v3 = 1,2825(m/s). * Xác định 3 : Chuẩn số Reynolds của dòng nhập liệu:(xem lại mục IV.I.5)

Re3= 32898,059 Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: 8

8

 21  7  d  7 + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh3= 6. 3  = 6.  =2704,68.     0,1 


9

 21  8  d 3  8 Ren3= 220.  = 220.  =90140,38.     0,1 

Suy ra: Re gh3 < Re3 < Ren3: khu vực chảy quá độ, khi đó (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]):   100   3= 0,1.1,46.  Re d 3 3  

0, 25

 0,0319

* Xác định 3: Hệ số tổn thất của dòng nhập liệu qua:

80


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước + 9 chỗ ống cong quay ngược: q3=9.2,2 = 19,8. + 1 chỗ uốn cong: u3= 1,1. + 1 lần co hẹp: c2 = 0,385. 2

 0,0212    0,6783 . + 1 lần mở rộng: m2 = 1  2  0 , 05  

Suy ra: 3 = u3 + q3 + c3+ m 3 =21,963. Vậy:Tổn Vậy:Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt: 20   1,28252 h3=  0,0319. =4,388(m).  21,963. 0 , 021 2 . 9 , 81  

Chọn : + 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.

Á p dụng phương trình Bernolli cho (1-1) và (2-2): z1 +

P1  F .g

hay z1 = z2 +

+

v1

2

2.g

P2  P1

 F .g

= z2 +

P2  F .g

v2  v1 2



2.g

+

v2

2

2. g

+hf1-2

2

+hf1-2

Với: + z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem như là chiều cao bồn cao vị

Hcv = z1. + z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem như là chiều cao từ vị trí nhập liệu tới mặt đất:

z2 = hchân đỡ + hnắp + (Nchưng+1) .(h + mâm ) = 0,145 + 0,215 + 11.(0,3 + 0,003) = 3,693 (m). + P1 : áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn P1 = 1 at. + P2 : áp suất tại mặt thoáng (2-2). Xem P=P2 – P1 =Ncất .htl = 42 . 419,25 = 17608,5 (N/m 2). + v1 : vận tốc tại mặt thoáng (1 -1), xem v 1 = 0(m/s). + v1 : vận tốc tại vị trí nhập liệu, v1 = vF = 0,217 (m/s). + hf1-2 : tổng tổn thất trong ống từ (1 -1) đến (2-2): hf1-2 = h1 + h2 + h3 = 0,54 + 3,193 + 4,388 = 8,121 (m).

81


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước Vậy: Chiều cao bồn cao vị: Hcv = z2 +

P2  P1

 F .g

=3,693 +

v2  v1 2



2

2.g

+hf1-2

17608 ,5



0,217 217 2  0

947 947 ,513 513 .9,81

2.9,81

+ 8,121

= 13,71 (m). Chọn Hcv = 14(m).

2.2 Chọn bơm: Lưu lượng nhập liệu: V F =

GF



2910 ,025 947 ,513

 F

071 (m3 /h).  3,071

Chọn bơm có năng suất là Qb = 4 (m3/h).Đường kính ống hút, ống đẩy bằng nhau và bằng 21(mm),nghĩa là chọn ống 25x2. Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình t’F = 28 oC: + Khối lượng riêng: F = 964,2 (Kg/m3). + Độ nhớt động lực: F = 1,772.10-3 (N.s/m2). Vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút và đẩy:

vh = vd =

4.Qb 3600 . .d h

2

4.4



3600 . ,0,021

2

= 3,208 (m/s).

Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy:  l h  l d  vh 2 hhd =   .   h   d . d h   2.g

Với: + l h : chiều dài ống hút, chọn lh = 2,5 (m).

+ ld : chiều dài ống đẩy, chọn ld = 15,5 (m). + h : tổng tổn thất cục bộ trong ống hút. + d : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy. +  : hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy. * Xác định : Chuẩn số Reynolds của dòng nhập liệu:

Re=

vh .d h .  F

 F



3,208 .0,021 .964 ,2 1,772 .10

3

= 36657 82


Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: 8

8

 21  7  d h  7 + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh= 6.  = 6.  =2704,68.     0,1 


9

 21  8  d  8 Ren= 220. h  = 220.  =90140,38.     0,1 

Suy ra: Re gh < Re < Ren: khu vực chảy quá độ, khi đó [4 (tập 1)] :   100   = 0,1.1,46.    Re d h  

0, 25

 0,162

* Xác định h: Hệ số tổn thất cục bộ trong ống hút qua: + 1 van cầu: vh= 10. + 1 lần vào miệng thu nhỏ: t = 5.

Suy ra: h = vh =10. * Xác định d: Hệ số tổn thất cục bộ trong ống đẩy qua: + 1 van cầu: vd= 10. + 2 lần uốn góc: u =2.1,1 = 2,2.

Suy ra: h = vd + u =12,2. Vậy:Tổn Vậy:Tổn thất trong ống hút và ống đẩy: 2,5  15,5   3,2082 hhd =  0,034. = 26,93(m).  10  12,2 . 0 , 021 2 . 9 , 81  

Chọn : + Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu. + Mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị.

Á p dụng phương trình Bernolli cho (1-1) và (2-2): z1 +

P1  F .g

+

v1

2

2.g

+ Hb= z2 +

P2  F .g

+

v2

2

2.g

+hf1-2

Với: + z 1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất.

+ z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất. 83



+ 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 v 1=v2= 0(m/s). + hf1-2 =hhd: tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2). + Hb : cột áp của bơm. Suy ra: Hb = (z2 – z1) + hhd = Hcv + hhd = 15 + 26,93 =41,93 (m.chất lỏng) Chọn hiệu suất của bơm: b = 0,8. Công suất thực tế của bơm: Nb =

Qb H b  F .g

3600 . b



4.41,93 .964 ,2.9,81 3600 .0,8

= 550,84 (W) = 0,74 (hp). Tóm lại: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn 2 bơm li tâm loại XM vì Qb = 4

(m3/h) và rượu là chất không độc hại.

84



CHƢƠNG VI: GIÁ THÀNH THIẾT BỊ.

1. Tính sơ bộ giá thành thiết bị:  Lượng thép X18H10T cần dùng:

G1 = 328.8+627.096+36.024+231.189+104.978+43.253= 1371.34 (Kg).  Lượng thép CT3 cần dùng:

G2 = Gbích ghép thân + ống dẫn= 137.287 (Kg).  Số lượng bulông cần mua:

n = 832 (bulông).  Thể tích vật liệu cách nhiệt cần dùng:

V = 0,327(m3).  Chiều dài ống dẫn:

* Ống 25mm: L1= Lb +LTBTĐN +LTBGN +Lnồi đun +LTBnt +LTBln

= 18+ 20 + 20 + 91.2,8 + 117.2 + 20.2 ~587(m). * Ống (31-50)mm: L2= Ldẫn + LTBGN +LTBTĐN +l1 = 40 +20 +20 +20

= 100(m) * Ống 100mm: chọn ống dẫn hơi ở đỉnh và đáy tháp: L3 = 10(m).  Kính quan sát: đường kính là:100(mm), dày 5(mm). 

S = 2. 0,12 = 0,0157(m2). 4

 Bộ phận nối cong ống:

Những chỗ quay ngược ống ta dùng 2 bộ phận nối ống ốn g cong 90o. * Nối ống 25mm: 11.2 + 1 + 2.2 = 27 (cái). * Nối ống (31-50)mm: 10 + 11.2 + 1 = 33 (cái).  Vậy: số tiền mua vật tư chế tạo thiết bị là 91.689.774 (đồng).

Tiền gia công chế tạo thiết bị(gia công phức tạp, độ chính xác cao) bằng 500% tiền vật tư: 500% x 91.689.774 = 458.448.870 (đồng). Tóm lại: Chi phí đầu tư: 458.448.870 (đồng). Tổng chi phi đầu tư (bao gồm chi phí phát sinh) được chọn là 500 (triệu đồng).

85



Vật liệu

Số lượng

Đơn gía

Thép X18H10T

1371.34 (kg)

50000 (đ/kg)

68567000

Thép CT3

137.287 (kg)

10000 (đ/kg)

1372870

Bulông

832 (bulông)

3000 (đ/bulông)

2496000

Vật liệu cách nhiệt

0,327 (m3)

4000000 (đ/m3)

1308000

Ống dẫn 25mm

587 (m)

15000 (đ/m)

8805000

Ống dẫn (31-50)mm

100 (m)

20000 (đ/m)

2000000

Ống dẫn 100mm

10 (m)

40000 (đ/m)

400000

Bộ phận nối 25mm

27 (cái)

30000 (đ/cái)

810000

Bộ phận nối (31-50)mm

33 (cái)

50000 (đ/cái)

1650000

Bơm

2.0,148 (hp)

700000 (đ/hp)

89600

Á p kế tự động

1 (cái)

600000 (đ/cái)

600000

Nhiệt kế điện trở tự ghi

5 (cái)

200000 (cái)

1000000

Lưu lượng kế (<50mm)

2 (cái)

1000000 (đ/cái)

2000000

Kính quan sát dày 5mm

6.0,0157 (m 2)

120000 (đ/m2)

11304

Van thép 25mm

5 (cái)

20000 (đ/cái)

100000

Van thép (31-50)mm

8 (cái)

30000 (đ/cái)

240000

Racco nối ống

8 (cái)

30000 (đ/cái)

240000

Tổng cộng

Thành tiền

91.689.774

86



CHƢƠNG VII: KẾT LUẬN.

Các vấn đề về thiết kế: + Thiết kế được tháp chưng cất Etanol – Nước Nước tương đối hoàn chỉnh khi biết trước năng suất, nồng độ nhập liệu và nồng độ của sản phẩm đỉnh,đáy. + Tính toán tương đối chi tiết quá trình làm việc của thiết bị và khả năng chịu bền của thiết bị về tính ăn mòn cơ học và hoá học, cũng như điều kiện làm việc của thiết bị. + Sơ bộ tính được chi phí đầu tư ban đầu cho tháp chưng cất. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị chưng cất đã thiết kế ứng với các thông số đã cho ban đầu: + Tỉ số hoàn lưu thích hợp: R = 1,366. + Số mâm chưng cất thực tế: 36 mâm. + Đường kính tháp chưng cất: 1000 mm. + Đường kính chóp: 80 mm. + Bề dày mâm: 3 mm. + Trở lực của toàn tháp: 12536,671 (N/m 2) + Khoảng cách giữa hai mâm: 300 mm. + Chiều cao tháp: 12 m. – đáy – nắp – nắp làm bằng thép X18H10T, có bề dày: 4 mm. + Thân – đáy – đáy – nắp – nắp làm bằng thép CT3, loại bích liền không cổ. + Bích ghép thân – đáy + Bích ghép ống dẫn làm bằng thép CT3, loại bích liền không cổ.

87



TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] . Võ Văn Ban, Vũ Bá Minh – Quá – Quá trình và thiết bị công nghệ hoá học, truyền khối(tập 3) – Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM. [2] . Phạm Văn Bôn, Vũ Bá Minh, Hoàng Minh Nam – Quá – Quá trình và thiết bị công nghệ hoá học, Ví dụ và bài tập(tập 10) - Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM. [3] . Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ - Quá trình và thiết bị công nghệ hoá học, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt(tập 5) – Nhà Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM. [4] . Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất (tập 1, 2) – Nhà Nhà xuất bản khoa học và kỹ kỹ thuật. [5] . Hồ Lê Viên – Thiết – Thiết kế và tính toán các chi tiết thiết bị hoá chất – Nhà Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 1978. [6] . Tập thể giảng viên Bộ Môn Cơ Lưu Chất – Giáo – Giáo Trình Cơ Lưu Chất – Trường – Trường Đại Học

Bách Khoa TP.HCM.

88



89

DA-QTTB

Recommend Documents