Đồ án Thiết kế tháp chưng luyện liên tục hai cấu tử Benzen và Tooluen

p đầu, m H3: khoảng cách không gian cho hồi lưu đáy và để đặt ống hồi lưu sản phẩm đáy, m. Chọn: H1 = H3 = 1m H2 = 1,2m Vậy chiều cao toàn tháp là H = 4,66 + 2,3 + 1 + 1,2 + 1 = 10,16m V. TÍNH TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM. - Trở lực đối với tháp đệm có thể được xác định theo công thức sau:                                  038,019,0342,0 ..1 y x x y y x ku G G APP     , N/m2 [II – 189] Trong đó: Pư : tổn thất áp suất tại điểm đảo pha có tốc độ của khí bằng tốc độ của khí khi đi qua đệm khô, N/m2. Pk: tổn thất áp suất của đệm khô, N/m 2 . Gx, Gy: lưu lượng của lỏng và của khí, kg/s. x, y: khối lượng riêng của lỏng và của khí, kg/m 3 A = 5,15 [II – 189] 1. Trở lực của đoạn luyện: * Tính chuẩn số Reynon: 43,0 57,0 .045,0          x y ey G G ArR [II – 188] Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 36- Líp Ho¸ GiÊy - K44   2 3 .. y yxytd gd Ar     [II – 188] 0184,0 165 76,0.4.4  d d td V d  m Ta có: y = 2,74 kg/m 3 x = 793,69 kg/m 3 y = 0,1547.10 -3 Ns/m 2 g = 9,81 m/s 2     5534029 10.1547,0 81,9.74,269,793.74,2.0184,0 23 3     Ar 448,2 3600. 4 6,1 .14,3 03,17708 3600. 2  t tb x F G G kg/m 2 .s 15,4 3600. 4 6,1 .14,3 06,30012 3600. 2  t tb y F g G kg/m 2 .s 838,403 448,2 15,4 .5534029.045,0Re 43,0 57,0        y Vì Rey > 400 nên tổn thất áp suất của đệm khô xác định theo công thức sau: 3 2,02,18,08,1 .....56,1 d ydyy k V H P   [II – 189]   97,1177 76,0 10.1547,0.165.74,2.06,1.66,4.56,1 3 2.032,18,08,1   kP N/m 2 Vậy trở lực của đoạn luyện là:                              038,0 3 319,0342,0 10.1547,0 10.298,0 . 96,793 74,2 . 33,8 919,4 15,5197,1177uP Pư = 3230,84 N/m 2 2. Trở lực của đoạn chƣng: * Tính chuẩn số Reynon: Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 37- Líp Ho¸ GiÊy - K44 43,0 57,0 .045,0          x y ey G G ArR [II – 188]   2 3 .. y yxytd gd Ar     [II – 188] 0184,0 165 76,0.4.4  d d td V d  m Ta có: y = 2,825kg/m 3 x = 783,8 kg/m 3 y = 0,3126.10 -3 Ns/m 2 g = 9,81 m/s 2     079,1379749 10.3126,0 81,9.825,28,783.825,2.0184,0 23 3     Ar 175,4 3600. 4 6,1 .14,3 879,30205 3600. 2  t tb x F G G kg/m 2 .s 659,4 3600. 4 6,1 .14,3 879,33705 3600. 2  t tb y F g G kg/m 2 .s 06,149 175,4 659,4 .079,1379749.045,0Re 43,0 57,0        y Vì Rey < 400 nên tổn thất áp suất của đệm khô xác định theo công thức sau: 3 2,02,18,08,1 .....56,1 d ydyy k V H P   [II – 189]   74,1741 76,0 10.3126,0.165.825,2.01,1.3,2.56,1 3 2.032,18,08,1   kP N/m 2 Vậy trở lực của đoạn chưng là:                              038,0 3 319,0342,0 10.3126,0 10.287,0 . 8,783 825,2 . 39,8 363,9 15,5174,1741uP Pư = 4929,4 N/m 2 Vậy trở lực của toàn tháp là: Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 38- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Pư = PưL + PưC Pư = 3230,84 + 4929,4 = 8160,24 N/m 2 PHẦN III TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƢỢNG Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 39- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Sơ đồ thiết bị chưng luyện (dùng để tính cân bằng nhiệt lượng) Mục đích của việc tính cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ, làm lạnh cũng như để xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu để đưa vào đĩa tiếp liệu và lượng hơi đáy tháp. Để tính toán cho các thiết bị đó ta cần dựa vào sơ đồ cân bằng nhiệt lượng (Sơ đồ trên) 1. Cân bằng nhiệt lƣợng cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 (J/h) [II – 196]. Trong đó: QD1: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào. J/h. Qf: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào. J/h. QF: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra. J/h. Qng1: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra. J/h. Qxq1: Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh. J/h. - Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là: D1 = 1.95,0 ).( r tCtCF ffFF  , kg/h Trong đó: D1: lượng hơi đốt, kg/h CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí đi ra, J/kg độ Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg độ tF: nhiệt độ hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng, 0 C tf: nhiệt độ của hỗn hợp đầu, 0 C F: lượng hỗn hợp đầu, kg/h Ta có: F = 12600 kg/h tF = t 0 S = 97,6 o Chọn tf = 20 o C * Tính CF, Cf: CF, Cf: được tính theo công thức: CF = aA.Ca + CB.aB , J/kg độ. Trong đó: aA.: nồng độ phần khối lượng của Benzen . aB.: nồng độ phần khối lượng của Toluen. CA: nhiệt dung riêng của Axetôn, J/kg độ Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 40- Líp Ho¸ GiÊy - K44 CB: nhiệt dung riêng của Benzen, J/kg độ Có aA = 0,28 aB = 1- aA = 1- 0,28 = 0,72. Từ tF = 97,6 0 C nội suy trong I 153 [I – 171] ta có CA = 2045,2 J/kg độ. CB = 1990,8 J/kg độ. Suy ra CF = 0,28 x 2045,2 + 0,72 x 1990,8 = 2006,032 J/kg độ. Từ tf = 20 0 C nội suy trong I.153 [I-171] ta có CA’ = 1730 J/kg độ. CB’ = 1710 J/kg độ. Suy ra Cf = 0,28 x 1730 + 0,72 x 1710 = 1715,6 J/kg độ. * Tính r1. r1: Ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt J/kg. Dùng hơi nước bão hoà nên ta chọn P = 2 at khi đó t = 119,6 (oC).  r1 = 2208.10 3 J/kg.  D1 = 1.95,0 ).( r tCtCF ffFF  = 184,1382 10.2208.95,0 )20.6,17156,97.032,2006.(12600 3   kg/h. Vậy nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: QD1 = D1.1 = D1(r1 +01C1). [II – 196]. Trong đó: 1: Hàm nhiệt của hơi đốt J/kg. r1: Ẩm nhiệt hoá hơi của hơi đốt J/kg. 01: Nhiệt độ nước ngưng = 119,6 0 C. C1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng. QD1 = 1382,184(2208.10 3 + 119,6x2156,62) = - Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào: Qf = F.Cf.tf [[II – 196]. Trong đó: F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h. Cf: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi vào, J/kg độ. tf: Nhiệt độ của hỗn hợp đầu khi vào, 0 C. Thay số ta có: Qf = 12600.1715,6.20 = 432331200 J/h. - Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra: QF = F.CF.tF [[II – 196]. Trong đó: Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 41- Líp Ho¸ GiÊy - K44 F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h. CF: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra, J/kg độ. tF: Nhiệt độ của hỗn hợp đầu khi đi ra, 0 C. Thay số ta có: Qf = 12600.2006,032.97,6 = 2466937912 J/h. 2. Cân bằng nhiệt lƣợng của tháp chƣng luyện: - Tổng nhiệt lượng mang vào bằng tổng nhiệt lương mang ra: QF + 2D Q + QR = Qy + Qw + Qm + Qng2 [II-197] Trong đó: 2D Q : nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp, J/h. QF: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp, J/h. QR: nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp, J/h. Qy: nhiệt lượng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp, J/h. Qw: nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra, J/h. Qng2: nhiệt lượng do nước ngưng mang ra tháp, J/h. Qm: nhiệt lượng do tổn thất ra môi trường xung quanh, J/h. * Tính QR: QR = GR. CR .tR: [II-197] Trong đó: GR: lượng lỏng hồi lưu, kg/h GR = P.Rx = 6339.3,17 = 20094,63 kg/h tR : nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu, o C tR = tp =82,6 o C CR: nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu, J/kg độ. CR = Ch oC 6,82/2  BAAAh CaCaC ).1(.2  Có aA = aP = 0,98 CA, CB: nhiệt dung riêng của Benzen và Toluen ở 82,6 o C. Nội suy theo to = 82,6 o C trong I.153 [I-171] ta có: CA = 2046,05 J/kg độ CB = 2004,7 J/kg độ. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 42- Líp Ho¸ GiÊy - K44 CR = Chỗn hơp = 0,98.2046,05 + (1- 0,98).2004,7 = 2045,223 J/kg độ. QR = GR . CR .tR = 8204.2045,223.82,6 = 1385946184,1 J/kg độ. * Tính Qy: Qy =P.(1 + Rx)đ , J/h [II-197] Trong đó: đ: nhiệt lương riêng của hơi ở đỉnh tháp, J/kg. đ = 1.a1 + 2.a2 [II-197] đ = 1.a1 + 2.(1 - a2) 1 , 2 :nhiệt lượng riêng của Benzen và Toluen ở đỉnh tháp, J/kg 1 = r1 + tP.C1 2 = r2 + tP.C2 Với tP = 82,6 0 C nội suy theo bảng I 153 [I –171] ta có: C1 = 2046,05 J/kg độ C2 = 2004,7 J/kg độ Với tP = 82,6 0 C nội suy theo bảng I 212 [I –154] ta có: r1 = 406,308.10 3 J/kg r2 = 387,729.10 3 J/kg  1 = 406,308.10 3 + 82,6. 2046,05 = 580507,27 J/kg.  2 = 387,729.10 3 + 82,6.2004,7 = 557744,58 J/kg.  đ = 58050,27.0,98 + (1- 0,98).557744,58 = 580052,016 J/kg.  Qy = 2800(1+2,93).580052,016 = 3682892386 J/h. *Tính Qw: Qw = W. Cw .tw ,J/h [II-197] Trong đó: W: lượng sản phẩm đáy, kg/h. W = 9800 kg/h. tw : nhiệt độ của sản phẩm đáy, o C tw = 100,5 o C Cw: nhiệt dung riêng của sản phẩn đáy, J/kg.độ Cw = a1.C1 + (1 – a1).C2 a1 = aw = 0,02 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 43- Líp Ho¸ GiÊy - K44 C1, C2. Nội suy trong bảng I.153 [I – 171] ở t o = 100,5 o C ta có: C1 = 2121,5 J/kg độ C2 = 2071,5 J/kg độ  Cw = 0,02.2121, 5 + (1 – 0,02).2071,5  Cw = 2072,5 J/kg.độ Vậy Qw = W. Cw .tw = 9800.2072,5.100,5 = 2041205250 J/h * Tính Qng2 theo D2: Qng2 = Gng2 .C2 . 2 , J/h [II – 198] Trong đó: Gng2: lượng nước ngưng tụ, kg/h C2: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ 2:nhiệt độ của nước ngưng, 0 C ta có 2 = 119,6 o C Gng2 = D2: lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp. Nội suy C2 theo 2 theo bảng I.149 [I – 168] ta có: C2 = 2156,62 J/kg độ  Qng2 = D2.2156,62.119,6 = 257931,752.D2, J/h *Tính Qm theo D2: Qm = 0,05.D2.r2, J/h [II – 198] Tra bảng I.251 [I – 314] ở to = 119,6oC ta có r2 = 2208.10 3 J/kg  Qm = 0,05.2208.10 3 D2 = 110400.D 2 J/h * Tính 2D Q theo D2: 2D Q = D2. 2 , J/h [II – 197] 2: hàm nhiệt của hơi đốt, J/kg 2 = r2 + 2.C2 2 = 2208.10 3 + 119,6.2156,62 2 = 2465931,752 J/kg  2D Q = 2465931,752 .D2 * Tính D2: - Thay các giá trị nhiệt lượng Q đã tính được vào công thức: QF + 2D Q + QR = Qy + Qw + Qm + Qng2 [II-197] Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 44- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Ta tính được D2 = 831,65 kg/h 3. Cân bằng nhiệt lƣợng cho thiết bị ngƣng tụ: - Xét thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu. P .Rx.r = Gn1.Cn (t2 – t1), kg/h [II – 198]  12. .. 1 ttC rRP G n x n   , kg/h [II – 198] Trong đó: Gn1: lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết, kg/h t1: nhiệt độ vào của nước, t1 = 20 o C t2: nhiệt độ ra của nước, ta chọn t2 = 45 o C để tránh hiện tượng đóng cặn lại trên bề mặt truyền nhiệt và tránh sự kết tủa của các muối. 5,32 2 4520 2 21      tt t otb o C Rx: chỉ số hồi lưu, Rx = 2,93 Cn : nhiệt dung riêng của nước ở t o tb = 32,5 o C. Nội suy trong bảng I.149 [I – 168] ta được Cn = 4180,1 J/kg.độ P: lượng sản phẩm đỉnh, P = 2800 kg/h r: ẩm nhiệt ngưng tụ ở hỗn hợp đầu, J/kg. r = a1.r1 + (1-a1).r2 a1 = 0,98 phần khối lượng Tại to = top = 82,6 o C, nội suy theo bảng I.212 [I – 254] ta có: r1 = 406,308.10 3 J/kg r2 = 387,729.10 3 J/kg  r = 0,98.406,308.103 + (1-0,98). 387,729.103  r = 405936,42 J/kg Lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết là: 16,31868 )2045.(1,4180 42,405936.93,2.2800 1   nG kg/h 4. Cân bằng nhiệt lƣợng cho thiết bị làm lạnh: P[r + Cp (t’1 – t’2)] = Gn3 Cn (t2 – t1) [II – 198] Trong đó: Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 45- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Gn3: lượng nước lạnh, kg/h P: lượng sản phẩm đỉnh, kg/h t’1: nhiệt độ đầu vào của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, t’1 = tp = 82,6 o C t’2: nhiệt độ cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, chọn t’2 = 25 o C t1 = 20 o C t2 = 25 o C Cn = 4180,1 J/kg.độ Cp: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/kg.độ Cp = CR = Chh = 2045,223 J/kg.độ r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp ở đỉnh tháp, J/kg r = 515954,9173 J/kg Vậy lượng nước lạnh cần thiết cho thiết bị làm lạnh là:          2045.1,4180 256,82223,204542,405936.9800. 12 ' 2 ' 1 3       ttC ttCrP G n p n Gn3 = 14129,715 kg/h PHẦN IV TÍNH TOÁN CƠ KHÍ. I. TÍNH CÁC ĐƢỜNG ỐNG DẪN: - Đường kính các ống dẫn và cửa ra vào của thiết bị được xác định từ phương trình lưu lượng.   . 4 . 2d V  [I – 369] .274,1 V d  ,m [I – 369] Trong đó: : vận tốc trung bình của lưu thể đi trong ống, m/s V: lưu lượng thể tích của lưu thể, m3/s  G V  G: lưu lượng của dòng pha, kg/s : khối lượng riêng trung bình của dòng pha đó, kg/m3 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 46- Líp Ho¸ GiÊy - K44 1. Tính đƣờng kính ống dẫn sản phẩm đỉnh: d dgV .3600  đ: khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, kg/m 3   88,2 2736,97.4,22 273.604,87 .4,22 .    T TM op d kg/m 3 gđ = gtbL = 20508,03 kg/h 978,1 3600.88,2 03,20508 .3600  d dgV  m 3 /s Chọn tốc độ hơi  = 20m/s 2786,0 20.274,1 978,1 .2745,1   V d m Quy chuẩn dt = 300mm. 2. Tính đƣờng kính ống dẫn hồi lƣu sản phẩm đỉnh: R RGV .3600  GR = P.R = 2800.2,93 = 8204kg/h; lượng sản phẩm hồi lưu. R: khối lượng riêng của sản phẩm hồi lưu tại t o = tp = 82,6 o C BA aa  11 11  Với tp = 82,6 o C. Nội suy theo bảng I.2 [I – 9] ta có: A = 812,14kg/m 3 B = 805,4kg/m 3 4,805 98,01 14,812 98,01    =>  = 812 kg/m3 00281,0 812.3600 8204 .3600  R RGV  m 3 /s Chọn vận tốc lượng hồi lưu:  = 0,5 m/s 0644,0 5,0.274,1 00281,0 .274,1   V d m Quy chuẩn dt = 100mm. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 47- Líp Ho¸ GiÊy - K44 3. Tính đƣờng kính ống dẫn liệu: - Lưu lượng hỗn hợp đầu đi vào tháp F F V .3600  F = 12600kg/h F: khối lượng riêng của hỗn hợp đầu vào tại t o = tF = 97,6 o C BA aa  11 11  Với tF = 97,6 o C. Nội suy theo bảng I.2 [I – 9] ta được A = 795,64 kg/m 3 B = 790,4 kg/m 3 4,790 28,01 64,795 28,01    =>  = 791,86 kg/m3 310.42,4 86,791.3600 12600 .3600  F F V  m 3 /s Chọn vận tốc lượng hồi lưu:  = 0,3 m/s 1075,0 3,0.274,1 10.42,4 .785,0 3    V d m Quy chuẩn dt = 150 mm. 4. Tính đƣờng kính ống dẫn sản phẩm đáy: w W V .3600  W = 9800kg/h w: khối lượng riêng của sản phẩm đáy ở t o = tF = 100,5 o C BA aa  11 11  Với tF = 100,5 o C. Nội suy theo bảng I.2 [I – 9] ta được A = 792,4 kg/m 3 B = 787,45 kg/m 3 45,787 02,01 4,792 02,01    Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 48- Líp Ho¸ GiÊy - K44 =>  = 787,45 kg/m3 310.4566,3 45,787.3600 9800 .3600  w W V  m 3 /s Chọn vận tốc lượng hồi lưu:  = 0,3 m/s 095,0 3,0.274,1 10.4566,3 .274,1 3    V d m Quy chuẩn dt = 100 mm. 5. Tính đƣờng kính ống dẫn lƣợng hồi lƣu sản phẩm đáy: y yG V .3600  y: khối lượng riêng của hơi ở đáy tháp, kg/m 3   99,2 2735,100.4,22 273.664,91 .4,22 .    T TM ow y kg/m 3 Gy = g’tbC = 30205,879 kg/h 81,2 99,2.3600 879,30205 .3600  y yG V  m 3 /s Chọn tốc độ hơi  = 20m/s 332,0 20.274,1 81,2 .274,1   V d m Quy chuẩn dt = 400mm. II. TÍNH CHIỀU DÀY CỦA THÂN THÁP HÌNH TRỤ: - Tháp chưng luyện có thân hình trụ đặt thẳng đứng làm việc ở khoảng nhiệt độ t = 25  100oC và ở áp suất thường nên ta chọn vật liệu làm thân hình trụ bằng thép cacbon ký hiệu CT3. Thép này bền nhiệt. Các hệ số trong bảng XII.4 [II – 309] và [II – 313]. Bảng 6. Vật liệu Giới hạn bền kéo k (N/m 3 ) Giới hạn bền chảy Hệ số giãn at (1/ o C) Khối lƣợng riêng  (kg/m 3 ) Hệ số dẫn nhiệt W/m.độ CT3 380.10 6 240.10 6 11,0.10 6 7,85.10 3 50,0 Tốc độ rỉ: 0,06mm/năm Thời gian làm việc từ 15  20năm Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 49- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Thiết bị hàn tay bằng hồ quang điện, kiểu hàn ghép nối hai bên. h = 0,95 bảng XIII.8 [II – 362] Giả sử thiết bị làm việc ở áp suất thường, Pmt = 10 5 N/m 2 : khối lượng riêng của hỗn hợp trong tháp, kg/m3 745,788 2 8,78369,793 2      tbCtbL xx   kg/m 3 P1: áp suất thuỷ tĩnh trong thiết bị, N/m 2 P1 = g..Ht , N/m 2 P1 = 9,81.788,745. 10,16 = 87092,66 N/m 2 Ptt: áp suất tính toán cho thiết bị Ptt = Pmt + P1 = 10 5 + 87092,66 = 187092,66 N/m 2      . k k k n  , N/m 2 [II – 355] Thiết bị thuộc nhóm 2 loại II có  = 1 bảng XIII.2 [II – 356] nk = 2,6 tra bảng XIII.3 [II – 356] k = 380.10 6   6 6 10.1461. 6,2 10.380  k N/m 2      . c c c n  , N/m 2 [II – 355] Chọn nc = 1,5  = 1 c = 240.10 6   6 6 10.1601. 5,1 10.240 c ,N/m 2 Chọn    k  = 146.10 6 , N/m 2 Trên thân hình trụ có 2 lỗ đường kính 150mm để lắp kính quan sát ở các vị trí quan sát phân phối chất lỏng và chất lỏng hồi lưu. L dL 2  [II – 362] L: chiều cao thân hình trụ, L = Ht = 10,16m. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 50- Líp Ho¸ GiÊy - K44 965,0 16,10 15,0.216,102      L dL  - Hệ số bổ xung C. C = C1 + C2 + C3 [II – 363] Trong đó: C1: bổ xung do ăn mòn xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị, (m). Với thép CT3 có vận tốc ăn mòn khoảng 0,06mm/năm, thời gian làm việc là 15  20 năm, ta chọn C1 = 1mm C2: đại lượng bổ xung bào mòn chỉ cần tính trong trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc độ lớn ở trong thiết bị, ta bỏ qua C2. C3: bổ xung do dung sai, phụ thuộc chiều dày tấm vật liệu, chọn C3 = 0,8mm.  C = 1 + 0 + 1 = 2 mm Chiều dày thiết bị được tính theo công thức sau:   C P PD S tt ttt     ..2 . [II – 360] Vì giá trị   5075,841965,0. 1575,167376 10.146 . 6   P , có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số của công thức tính chiều dày thiết bị.   CCC P PD S tt ttt    062,1 965,0.10.146.2 66,187092.6,1 ..2 . 6 S = (1,062 + 2).10 -3 = 3,062.10 -3 m Lấy S = 4mm Kiểm tra ứng suất theo công thức XIII.26 [II – 365]      2,1..2 . c h ot CS PCSD        [II – 365] Po = Pth + P1 [II – 358] P1 = g..Ht : khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ trung bình của tháp. Ta có 57,93 3 56,1006,976,82 3      wFpo tb ttt t o C. Với nhiệt độ trung bình của tháp là 93,57oC, nội suy theo bảng I.2 trong [I - 9] ta được:  = 796,85 kg/m3. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 51- Líp Ho¸ GiÊy - K44  P1 = 9,81.796,85.10,16 = 7314459 N/m 2 Pth: áp suất thuỷ lực học, theo bảng XIII.5 [II – 358] thì Pth = 1,5.P = 1,5. 7314459 = 1097168,85 N/m 2 => Po = 1097168,85 + 731445,9 = 1828614,75 N/m 2      1,94841625 965,0.10.24.2 75,1828614.10.246,1 3 3        200000000 2,1 10.240 2,1 6 c  N/m 2 2,1 c  , Vậy lấy S = 4mm là hợp lý. III. TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ: - Chọn đáy và nắp dạng elíp có gờ lắp với thân thiết bị bằng cách ghép bích, ở tâm có đục lỗ để lấy sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh. Vật liệu làm đáy và nắp bằng thép CT3. - Chiều dày của đáy và nắp được tính theo công thức:   C h D PK PD S b t hk t    .2 . ...8,3 .  , m [II – 385] Trong đó: hb: chiều cao phần nồi của đáy và nắp (m). Tra bảng XIII.10 [II – 382] ta có: hb = 400mm h: hệ số bền của mối hàn hướng tâm h: chiều cao gờ, m Chọn nắp hàn từ hai nửa tấm, hàn điện hai phía bằng tay, tra [II – 362] ta có: h = 0,95 k: hệ số không thứ nguyên tD d k 1 [II – 385] d: đường kính lỗ đáy, nắp thiết bị. Ta đã tính được dđáy = 100mm; dnắp = 300mm Dt: đường kính trong của tháp, Dt = 1,6m 8,0 2 4,0 11  tD d k Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 52- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Vì giá trị   3079,102695,0.8,0. 66,187092 10.146 .. 6 h k k P   , có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số của công thức tính chiều dày của công thức tính chiều dày đáy và nắp.   CCC h D K PD S b t hk t  136,1 5,0.2 2 . 95,0.8,0.10.146.8,3 66,187092.6,1 .2 . ...8,3 . 6 S = 1,136.10 -3 + C = (1,136+ 2).10 -3 = 3,136.10 -3 m Lấy S = 4mm S – C = 4 – 2 = 2 <10mm Thêm vào C 2mm, ta được C = 2 + 2 = 4mm  S = 4 + 2 = 6mm Thử ứng suất.      2,1...6,7 ..22 k bh bt CShK PCShD        [II – 386]      38,51891004 10.46.95,0.5,0.8,0.6,7 66,187092.10.46.5,0.26,1 3 32        N/m 2 200000000 2,1 10.240 2,1 6 k  N/m 2 Vậy ta chọn Snắp = Sđáy = S = 6mm. Tra bảng XIII.12 [II – 385] ta có h = 0,025m Tra bảng XIII. 11 [II – 384], với đường kính Dt = 1600mm, S = 6mm, không tra được khối lượng của đáy và nắp, vậy ta chọn lại S = 10mm, ta có m = 137 kg Vậy ta có đáy và nắp thiết bị với các thông số sau: Dt = 1600mm S = 6mm hb = 400mm m = 137kg h = 25mm VI. TRA BÍCH: * Chọn bích liền bằng thép nối thiết bị: Do không thể chế tạo được thân tháp với chiều dài lớn nên ta buộc phải dùng bích để nối các phần lại với nhau. Với tháp hình trụ làm việc ở điều kiện thường ta chọn mặt bích liền bằng thép CT3 để nối thân với đáy và nắp thiết bị. Theo bảng XIII.27 [II – 417] Bảng 7. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 53- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Py.10 6 Dt D Db ĐOàn Do db h Z N/m 2 Mm Cái 0,1 1600 M20  Chọn bích liền bằng thép kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống: Theo bảng XIII.26 [II – 409] Bảng 8. Tên các ống Dy Dn D D D1 db h Z mm Cái Sản phẩm đỉnh 300 325 440 400 370 M22 28 12 Hồi lưu đỉnh 100 108 215 180 168 M16 22 4 Ống dÉn liÖu 150 159 280 240 212 M20 14 8 S¶n phÈm ®¸y 100 108 215 180 168 M16 22 4 Håi l-u ®¸y 400 426 565 515 482 M22 30 16  KÝch th-íc chiÒu dµi ®o¹n èng nèi: Dùa vµo ®-êng kÝnh cña c¸c èng ta tra ®-îc c¸c sè liÖu sau: Theo b¶ng XIII.32, [II - 434] B¶ng 9. Tªn c¸c èng Dy Py < 2,5.10 - 6 N/m 2 Mm S¶n phÈm ®Ønh 300 140 Håi l-u ®Ønh 100 120 Ống dÉn liÖu 150 130 S¶n phÈm ®¸y 100 120 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 54- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Håi l-u ®¸y 400 150 V. TÍNH LƢỚI ĐỠ ĐỆM, DẦM ĐỠ ĐỆM, ĐĨA PHÂN PHỐI CHẤT LỎNG: 1. Đĩa phân phối chất lỏng, chọn kiểu đĩa loại 2, với các thông số sau: Theo số liệu trong [IV – 121] Bảng 10. Đường kính tháp Đường kính đĩa Đường kính ống Bước ống, t Số ống Mm Chiếc 1600 1170 57 95 96  Lưới đỡ đệm: - Chọn đường kính lưới là: Dl = 1520mm.  Dầm đỡ đệm.: - Chọn dầm đỡ hình chữ nhật có chiều cao bằng 2 lần chiều rộng. Dầm được làm bằng vật liệu thép CT3, hai đầu thanh dầm được hàn vào thân thiết bị. - Tính độ bền của dầm bị uốn trong giới hạn đàn hồi từ đó xác định được kích thước dầm. Coi thanh dầm bị uốn thuần tuý, sau khi xác định được kích thước ta tiến hành kiểm tra độ bền của dầm.    22 3 yz , kN/m 2 Trong đó: z: ứng suất pháp, kN/m 2 y: ứng suất tiếp, kN/m 2 - Dầm sẽ chịu tác dụng phân bố gây nên bởi khối lượng của lớp đệm của chất lỏng và của thành thiết bị. - Để đảm bảo độ bền cho thanh dầm, ta coi chất lỏng choán đầy tháp. - Vì 8HCHC 766  nên ta coi tháp chứa toàn C6H6. Đồng thời coi cả tháp là một khối tác dụng lên một thanh dầm chung. - Thể tích của đệm.   987,133,266,4. 4 6,1.14,3 H. 4 d V 2 d 2 d    m 2 - Khối lượng đệm. mđ = đ.Vđ Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 55- Líp Ho¸ GiÊy - K44 với đ = 570 kg/m 2 [II – 193] => mđ = 570.13,987 = 7972,59 kg - Khối lượng chất lỏng trong tháp (coi trong tháp chứa toàn benzen) mth = Vth. 66HC  Tại toF = 97,6 o C ta có 66HC  = 795,64 kg/m 3 628,2216,10. 4 6,1.14,3 H. 4 D. V 2 t 2 t th    m 3  mth = 22,628.795,64 = 18003,82 kg - Diện tích bao quanh tháp. S = .d.Ht = 3,14.10,16.1,6 = 56,57 m 2 - Lực phân bố tác dụng lên thanh dầm của thành thiết bị là. qth = th.S = 7850.56,57 = 444074,5 N/m 2 - Khối lượng của nắp bằng khối lượng của đáy: mn = mđ = 137 kg - Lực phân bố tác dụng lên dầm của thiết bị. 10. )( t nthd thep D mmm qq   , N/m 88,44482010. 2 )13782,1800359,7972( 428500q    N/m = 444,82 kN/m - Momen đối với trục x, Mx. 482,44 16 6,1.82,444 16 D.q M.MM 22 t BAx  kN A B Dt MA MB A B - Lực cắt ngang dầm tại 2 đầu A và B Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 56- Líp Ho¸ GiÊy - K44 857,355 2 6,1.82,444 2 D.q 2 l.q RRQ tBAy  kN Vì trạng thái ứng suất là đơn nên ta có   x x w M   : ứng suất cho phép của thép CT3   =  c = 240.10 6 N/m 2 = 240.10 3 kN/m 2 wx: kích thước dầm ảo, m 2   4 3 x x 10.8534,1 10.240 857,355M w    m 2 Lấy wx =1,8534.10 -4 m 2   6 .4 6 2. 6 . 3 22 bbbhb wx  0527,0 4 10.8534,1.6 4 w.6 b 3 4 3 x   m Ta chọn b = 100mm  h = 200mm - Kiểm tra độ bền của thanh dầm có b = 100mm, h = 200mm. Theo công thức:    22 3 yz tại vị trí 1,2,3. Ta có: max = min = 4 4 x x 10.24 10.8534,1 482,44 w M   kN/m 2 275,26689 2,0.1,0 857,355.5,1 h..b Q .5,1 y ymax  kN/m 2 Tại vị trí (1): 32max 10.240  kN/m 2  thoả mãn điều kiện bền Tại vị trí (2):        2 2 3 4 . . .6 g h hb Qy y max max Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 57- Líp Ho¸ GiÊy - K44 mà 4 h g  vậy   39,4003 4 2,0 4 2,0 . 2,0.1,0 857,355.6 22 3y                 kN/m 2 4 4 max z 10.12 2 10.24 2        32242y2z 10.5757,339,4003.310.12.3  kN/m2  thoả mãn điều kiện bền. Tại vị trí (3):   1,69343912,4003.30.30 22y  kN/m 2  thoả mãn điều kiện bền. Vậy thanh dầm với thông số: b = 100mm và h = 200mm là đạt được yêu cầu thiết kế. V. TÍNH CHỌN TAI TREO VÀ CHÂN ĐỠ:  Tai treo: - Chiều cao của toàn tháp Ht = 10,16m - Tổng khối lượng toàn tháp: M = mt + mnắp + mđệm + mđáy + mchất lỏng + mbx Với mbx: hệ số bổ xung bao gồm khối lượng các chi tiết phụ của tháp như bích, bulông.... - Khối lượng tháp: mt = t. Vt Thân thiết bị làm bằng thép CT3 với t = 7850kg/m 3 [II – 313] Thể tích tháp: 4 ).( . 22 tn tt DD HV    Dn, Dt: đường kính ngoài và trong của tháp. Dn = 1,6 + 2.0,004 = 1,608m Dt = 1,6m 1022,0 4 )6,1608,1.(14,3 .16,10 4 )DD.( .HV 222 t 2 n tt      m 3 => mt = 7850.0,1022 = 802,39kg => M = 802,39 + 137 + 7972,59 + 137 + 18003,82 + mbx => M = 27052,8 + mbx mbx: khối lượng các bộ phận khác, giả thiết chọn mbx = 2000kg Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 58- Líp Ho¸ GiÊy - K44 => M = 27052,8 + 2000 = 29052,8 kg - Trọng lượng của tháp là: P = M.g P = 29052,8 . 9,81 = 285007,968 N Ta sử dụng 8 tai treo làm bằng thép CT3, tải trọng của mỗi tai treo là: 996,35652 8 968,285007 8 P G  N Theo bảng XIII. 36 [II – 438], ta chọn tai treo có tải trọng cho phép là G = 8.10 4 N. Bề mặt đỡ là: F = 639.10-4 m2, tải trọng cho phép trên mặt đỡ là q = 1,25.106 N/m 2 . Bảng 11. L B B1 H s l a d Kl 1 tai Mm 230 200 205 350 12 100 25 34 13,2  Chân đỡ. Tra bảng XIII. 35 [II – 437] ta chọn chân đỡ với các thông số sau: Bảng 12. L B B1 B2 H h s l d Mm 300 240 260 370 450 226 18 110 34 PHẦN V TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ I. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU: - Thiết bị gia nhiệt dùng hơi nước bão hoà ở áp suất 2 at để đun nóng hỗn hợp đầu từ nhiệt độ t = 20oC đến nhiệt độ sôi là tF =97,6 o C. Hai lưu thể đi ngược chiều nhau, hơi đốt đi từ trên xuống, truyền ẩn nhiệt hoá hơi cho hỗn hợp lỏng đi từ dưới lên và ngưng tụ thành lỏng đi ra khỏi thiết bị. Nhiệm vụ của ta là phải tính được đầy đủ các thông số kỹ thuật cần thiết của thiết bị đó như: đường kính, chiều cao, bề mặt truyền nhiệt, số ống, số ngăn... - Chọn thiết bị truyền nhiệt ống chùm kiểu đứng có các thông số sau: + Đường kính ống: d = 38x2,5mm Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 59- Líp Ho¸ GiÊy - K44 + Chiều cao ống: H = 1,5m + Ống làm bằng thép CT3 có  = 50 w/m2.độ [II – 313] 1. Lƣợng nhiệt cần thiết: Hơi nước bão hoà ở 2at có t o tb = 119,6 o C [I – 197] ttb = thđ - ttb Với: ttb: hiệu số nhiệt độ trung bình của hai lưu thể thđ: nhiệt độ hơi đốt Ta có: c d cd tb t t tt t     ln     38,51 6,976,119 206,119 ln 6,976,119206,119 t tb      o C ttb = thđ - ttb = 119,6 – 51,38 = 68,22 o C - Nhiệt lượng dùng để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi là: Q = GF .Cp (tc – tđ) [II – 46] GF: lượng hỗn hợp đầu cần đun nóng hoặc làm nguội, kg/s tc, tđ: nhiệt độ đầu và cuối của hỗn hợp, o C Cp: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu ở tt b, J/kg.độ Cp = aF.Ca + (1 – aF). Cb Tại ttb = 68,22 nội suy trong bảng I.153, [I – 171] ta được Ca = 1973,16 J/kg Cb = 1932,88 J/kg  Cp = 0,28. 1973 + (1 – 0,28).1932,88  Cp = 1944,16 J/kg.độ Vậy nhiệt lượng cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi là: Q = 3,5.1944,16 (97,6 – 20) Q = 528033,856 w Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 60- Líp Ho¸ GiÊy - K44 2. Tải nhiệt trung bình cho quá trình truyền nhiệt: * Các chuẩn số cần thiết: - Khối lượng riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ trung bình ta tính bằng công thức sau: BA aa  11 11  Với tF = 68,22 o C. Nội suy theo bảng I.2 [I – 9] ta được A = 827,37 kg/m 3 B = 821,89kg/m 3 89,821 28,01 37,827 28,01       = 821,89 kg/m3 - Tính độ nhớt của dung dịch lgdd = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB [I – 84] Tại ttb = 68,22 o C. Nội suy trong bảng I.102 , [I – 91] ta có A = 0,3596.10 -3 Ns/m 2 B = 0,40397.10 -3 Ns/m 2  lgdd = 0,6485.lg(0,3596.10 -3 ) + (1 – 0,6485)lg(0,403971.10-3)  dd = x = 0,3556.10 -3 Ns/m 2 - Tính chuẩn số Reynon.   .. Re d  Chọn vận tốc của dung dịch đi trong ống là 0,5m/s 4 3 1034673 10.3556,0 89,821.033,510,0.. Re    d chế độ chảy xoáy - Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch,  3... M CA p    , w/m.độ [I – 123] Trong đó: A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng. Vì Toluen và Benzen là 2 chất lỏng không liên kết nên A = 4,22.10-8 Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, J/kg.độ : khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 61- Líp Ho¸ GiÊy - K44 M: khối lượng mol tỷ lệ giữa chất lỏng 1 phân tử chất đã cho và 1/16 khối lượng nguyên tử oxi Ta có: M = MF =78,238kg/kmol Cp = 1944,16 J/kg.độ  = 821,89 kg/m3 38 238,78 89,821 .89,821.16,1944.10.22,4    = 0,219 W/m.độ - Tính chuẩn số Pran của hỗn hợp.  . Pr P C  [II – 12] - Tính chuẩn số Nuyxen 25,0 43,0 1 8,0 Pr Pr .Pr..Re.021,0        t Nu  [II – 12] Trong đó: Prt: chuẩn số Pran tính theo ttb của tường. 1: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính. Ta có: Đường kính ống dn = 38mm Chiều dài H = l = 1,5m Với 40 38 1500  d l và Re > 10 4 . Tra bảng 4.1 trong [III – 197] ta có 1= 1,02 Do chênh lệch giữa vỏ và dòng lưu thể là khá nhỏ nên ta có thể coi 1 tr r P P  Nu = 0,021.1,02.346730,8.3,1570,43.10,25  Nu = 150,49  Tính hệ số cấp nhiệt. - Hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt 1 4 1 . ...04,2 Ht r A   , w/m 2 .độ [II – 28] Trong đó: r: ẩn nhiệt ngưng tụ của nước, J/kg H = l = 1,5m Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 62- Líp Ho¸ GiÊy - K44 A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng, tm.  bhTm ttt  1.5,0 [II – 29] tT1: nhiệt độ của bề mặt tường, tiếp xúc với nước ngưng, o C tbh: nhiệt độ của hơi nước bão hoà, o C t1 = tbh – tT1 t1: hiệu số nhiệt độ giữa tbh và nhiệt độ phía tường tiếp xúc với nước ngưng. Chọn t1 = 5,2 o C Ta có nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ là: tT1 = tbh - t1 tT1 = 119,6 – 5,2 = 114,4 o C Nhiệt độ màng nước ngưng tụ là tm = 0,5.(114,4 + 119,6) = 117 o C Với tm = 117 o C. Nội suy trong [II – 29] ta được A = 186,65 Tại tT1 = 114,4 o C ta có r = 2217,497.10 3 J/kg Vậy hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ là: 4 3 1 5,1.2,5 10.497,2217 .65,186.04,2 1 = 8792,25 w/m 2 .độ - Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ q1 = 1.t = 8792,25.5,2 = 45719,7 w/m 2 - Hiệu số nhiệt độ ở hai bề mặt thành ống Tt = tT1 – tT2 = q1.r Với 21 rrr    [II – 3] Trong đó: r1, r2: nhiệt trở của cặn bẩn bám vào hai bên thành ống phía hơi đốt và phía dung dịch, m2.độ/w : chiều dày của thành ống,  = 2,5.10-3m r1, r2 tra bảng PL.12 [III – 346] ta có 5800 1 21  rr m 2độ/w Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 63- Líp Ho¸ GiÊy - K44  4 3 10.948,3 5800 1 50 10.5,2 5800 1   r m 2độ/w  T1 = 45719,7.3,948.10 -4 = 18 o C - Nhiệt độ thành ống phía dung dịch tT2 = tT1 - tT = 114,4 – 18 = 96,4 o C - Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch. t2 = tT2 – ttb = 96,4 – 46,341 = 50,059 o C - Hệ số cấp nhiệt 2 phía dung dịch   7,998 10.5,2.238 219,0.49,150. 32    d Nu   - Nhiệt tải riêng từ thành ống đến dung dịch q2 = 2.t2 = 998,7.28,189 = 28143,55 w/m 2 Ta có: %5038,0 7,45719 55,281437,45719 1 21     q qq Vậy chọn t1 = 5,2 o C là phù hợp - Nhiệt tải riêng trung bình 805,44965 2 91,442117,45719 2 21      qq qtb w/m 2 * Bề mặt chuyền nhiệt. 3,14 625,36931 856,528033  tbq Q F m 2 * Tổng số ống n. - Tổng số ống n được tính theo công thức. f F n  Trong đó: f: diện tích xung quanh của một ống, m2 f = .dn.h, m 2 f = 3,14.0,038.1,5 = 0,17898 80 17898,0 3,14  f F n ống Quy chuẩn n = 61 ống bảng V.11 [II – 48] Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 64- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Ta bố trí ống sắp xếp theo hình 6 cạnh gồm 5 hình. Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là b được tính theo. b = 2a – 1 a được tính theo công thức: n = 3a(a - 1) + 1 [II – 48]  91 = 3a(a - 1) + 1  a2 – a – 30 = 0  a = 6 và a = - 4 Vậy b = 2.6 – 1 = 11 ống - Số ngăn t n    t: tốc độ chất lỏng thực tế chảy trong ống, m/s. t = 2 4 ..3600. dn G t F   t = 0547,0 033,0 4 14,3 .89,821.3600.91 4.12600 2  m/s Theo lý thuyết ta chọn: t = 0,2 m/s. Do lý thuyết lớn hơn thực tế nên ta phải chia ngăn. * Số ngăn. m = 65,3 0547,0 2,0  t lt   Theo nguyên tắc số ngăn phải chẵn nên ta chọn m = 4 ngăn. * Tính đường kính thiết bị. D = t(b – 1) + 4.dn [II - 49] Trong đó: t là bước ống, t = (1,2  1,5).dn Chọn t = 1,5 dn = 1,5.0,038 = 0,057 m  D = 0,057(11 – 1) + 4.0,038 = 0,722 m. Vậy thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu có các thông số sau: F = 14,3 m 2 L = 1,5 m Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 65- Líp Ho¸ GiÊy - K44 dn =38 mm D = 722 mm n = 91 ống m = 4 ngăn II. TÍNH BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ. - Để tính bơm về bơm trong việc đưa hỗn hợp đầu lên thùng cao vị đảm bảo yêu cầu công nghệ thì ta phải tính các trở lực của đường ống đẫn liệu của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu từ đó tính gia chiêù cao thùng cao vị so với vị trí đĩa tiếp liệu vào tháp. Cuối cùng, tính công suất và áp suất toàn phần của bơm. Chọn bơm ly tâm. - Tính toán. - Áp suất toàn phần cần thiết đẻ khắc phục tất cả sức cản thuỷ lực trong hệ thống (kể cả ống đẫn vaò thiết bị) khi dòng chảy đẳng nhiệt. P = Pđ + Pm + PH + Pc + Pk + Pt , N/m 3 [I – 376] Trong đó: - Pđ : áp suất động lực học là áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống dẫn, N/m3 Pđ = 2 . 2 N/m 3 [I – 376] : khối lượng riêng của chất lỏng trong ống, kg/m3 : tốc độ dòng chảy, m/s - Pm: áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng, N/m3 Pm = 2 . .. 2  tdd L = tdd L . .Pđ , N/m 2 [I – 377] : hệ số ma sát L: chiều dài ống, m dtđ: đường kính tương đương của ống, m - Pc : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, N/m 3 dc PP  . 2 . . 2    , N/m2 [I – 377] Với : hệ số trở lực cục bộ. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 66- Líp Ho¸ GiÊy - K44 - PH: áp suất cần thiết để nâng cao chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất thuỷ tĩnh. PH = .g.H, N/m 2 [I – 377] - Pt, Pk: là áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị và áp suất bổ xung ở cuối ống dẫn trong những trường hợp cần thiết. Trong trường hợp tính toán giá trị này bỏ qua. 1. Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu tới tháp. * Tính Pđ . - Khối lượng riêng của dung dịch tại tos = tF = 97,6 o C Trong phần tính toán cơ khí cho ống dẫn liệu, ta đã tính được  = 791,86 kg/m 3 - Tốc độ trung bình của lưu thể.  = 3600. .4 .2d V  [I – 369]  = 3600. .4 .2d F  d = 150 mm (đường kính ống dẫn liệu, đã tính ở phần cơ khí).  = 25,0 3600.86,791.)15,0.(14,3 12600.4 3600. .4 2.2  d F  m/s 75,24 2 25,0.86,791 2  dP N/m 3 * Tính Pm. Pm = 2 . .. 2  tdd L = tdd L . .Pđ N/m 2 Chọn chiều dài ống dẫn L = 3 m Đường kính tương đương của ống dtd = d = 0,2m - Chuẩn số Re của lưu thể.   .. Re d  [I – 399] : độ nhớt của hỗn hợp ở t = 97,6oC lghh = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB [I – 84] Tại to = 97,6oC. Nội suy theo bảng I.101, [I – 91] ta được A = 0,2676.10 -3 Ns/m 2 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 67- Líp Ho¸ GiÊy - K44 B = 0,27676.10 -3 Ns/m 2  lghh = 0,6485.lg(0,2676.10 -3 ) + (1 – 0,6485)lg(0,27676.10-3)  hh = 0,27.10 -3 Ns/m 2 4 3 1055,109980 10.27,0 86,791.15,0.25,0.. Re    d Vậy dòng chảy trong ống là chế độ chảy xoáy, khi đó hệ số ma sát  được tính theo công thức sau:                 7,3Re 81,6 lg2 1 9,0  [I – 380] : độ nhám tương đối, xác định theo tdd   [I – 380] Tra bảng II.15, [I – 381], với loại ống tráng kẽm ta được  = 0,1mm 4 3 10.5 2,0 10.1,0    tdd                  7,3 10.5 55,109980 81,6 lg2 1 4 9,0    = 0,03299  25,1275,24. 2,0 3 .03299,0  mP N/m 2 * Tính Pc. - Trên ống có: + 3 khuỷu 90o, mỗi khuỷu do 3 khuỷu 30o tạo thành Chọn a/b = 1 => 1 = 0,3.3 = 0,9 [I – 394] + 2 ống nối cong có góc  = 90o Ở  = 90o => A = 1 R/dtd = 2 => B = 0,15 a/b = 1 => C = 1  2 = 0,15 + 1 van tiêu chuẩn, 3 = 4,9 [I – 397]   = 3.1 + 2.2 + 3 = 3.0,9 + 2.0,15 + 4,9 = 7,9 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 68- Líp Ho¸ GiÊy - K44   Pc = .Pd = 7,9.24,75 = 195,525 N/m 2 Vậy áp suất tổng cộng là P1 = Pd + Pm + Pc = 24,75 + 12,25 + 195,525 = 232,525 N/m 2 - Chiều cao cột chất lỏng tương ứng với P1 là: 0299,0 81,9.86,791 525,235 . 1 1    g P H  m 2. Trở lực của ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu. * Tính Pd: - Khối lượng riêng của hỗn hợp là: BA aa  11 11  Với to = 20oC. Nội suy theo bảng I.2 [I – 9] ta được A = 879kg/m 3 B = 866kg/m 3 866 28,01 879 28,01      = 869,61 kg/m3 - Tốc độ của dung dịch chảy trong ống là:  = 2279,0 3600.61,869.)15,0.(14,3 12600.4 3600. .4 2.2  d F  m/s 58,22 2 2279,0.61,869 2  dP N/m 3 * Tính Pm. - Chuẩn số Reynon của lưu thể.   .. Re d  [I – 399] : độ nhớt của hỗn hợp ở t = 20oC lghh = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB [I – 84] Tại to = 20oC. Nội suy theo bảng I.101, [I – 91] ta được A = 0,65.10 -3 Ns/m 2 B = 0,586.10 -3 Ns/m 2 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 69- Líp Ho¸ GiÊy - K44  lghh = 0,6485.lg(0,65.10 -3 ) + (1 – 0,6485)lg(0,586.10-3)  hh = 0,627.10 -3 Ns/m 2 4 3 1092,47411 10.627,0 61,869.15,0.2279,0.. Re    d Vậy dòng chảy trong ống là chế độ chảy xoáy, khi đó hệ số ma sát  được tính theo công thức sau:                 7,3Re 81,6 lg2 1 9,0  [I – 380] Có  = 5.10-4                 7,3 10.5 92,47411 81,6 lg2 1 4 9,0    = 0,0227 Chọn chiều dài đoạn ống là L = 15m  1825,5675,24. 15,0 15 .0227,0  mP N/m 2 * Tính Pc: - Trở lực cục bộ qua các đoạn ống là : + Trở lực vào ống, ta có thể chọn 1 = 0,52 + 2 khuỷu 90o, mỗi khuỷu do 3 khuỷu 30o tạo thành Chọn a/b = 1 => 2 = 0,3.3 = 0,9 [I – 394] + 1 van tiêu chuẩn, 3 = 4,9 [I – 397] h = 1 + 2.2 + 3 = 0,52 + 2.0,9 + 4,9 = 7,22 Pc =  . Pđ = 7,22.24,75 = 178,695 N/m 2 P2 = Pđ + Pm + Pc = 24,75 + 56,1825 + 178,695 = 259,6275 N/m 2 - Chiều cao cột chất lỏng tương ứng là: 03,0 81,9.6,869 6275,259 . 2 2    g P H  m 3. Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu. * Tính Pđ: - Tốc độ lưu thể trung bình đi trong ống là: Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 70- Líp Ho¸ GiÊy - K44 f V  V: thể tích của hỗn hợp tb F V .3600  , m 2 /s f: tiết diện của bề mặt truyền nhiệt. 4 . . 2d m n f   , m 2 n: số ống của thiết bị gia nhiệt, có n = 91 ống m: số ngăn của thiết bị gia nhiệt, có m = 4 ngăn Khối lượng riêng của lưu thể ở totb = 68,22 o C, đã tính được ở phần tính thiết bị phụ, ta có tb = 812,89 kg/m 3 . 310.258,4 89,812.3600 12600 V m 2 /s 013,0 4 033,0.14,3 . 4 91 2 f m 2 562,0 013,0 10.3,7 3    m/s 79,129 2 562,0.866,821 2  dP N/m 2 * Tính Pm: - Chuẩn số Reynon của lưu thể.   .. Re d  [I – 399] Ở to = 46,341oC có  = 0,3686.10-3 Ns/m2 4 3 10945,41351 10.3686,0 033,0.866,821.562,0 Re   Vậy dòng chảy trong ống là chế độ chảy xoáy, khi đó hệ số ma sát  được tính theo công thức sau:                 7,3Re 81,6 lg2 1 9,0  [I – 380]  = 033,0 10.1,0 3  d  Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 71- Líp Ho¸ GiÊy - K44                 033,0.7,3 10.1,0 945,41351 81,6 lg2 1 3 9,0   = 0,029 Pm = dP d L .. L = 4.1,5 = 6 m Pm = 35,68479,129. 033,0 6 .029,0  N/m 2 * Tính Pc. - Khi dòng chảy qua thiết bị gia nhiệt, phải qua các ngăn và nhiều chỗ ngoặt, đột thu, đột mở. Ta có tiết diện cửa vào thiết bị bằng tiết diện cửa ra thiết bị . 0314,0 4 2,0.14,3 4 . 22 1  d f  m 2 Tiết diện khoảng trống ở 2 đầu thiết bị đối với mỗi ngăn là : 0725,0 4 1 . 4 608,0.14,31 . 4 . 22 2  m D f  m 2 Tiết diện ống truyền nhiệt của một ngăn là: 013,0 4 61 . 4 033,0.14,3 . 4 . 22 3  m nd f  m 2 Khi dòng chảy vào thiết bị gia nhiệt, tức là đột mở. 43,0 0725,0 0314,0 2 1  f f  1 = (1 – 0,43) = 0,57 Khi dòng chảy đi từ các khoảng trống vào các ngăn, tức là đột thu 2 lần. 179,0 0725,0 013,0 2 3  f f  2 = 0,4542 Khi dòng chảy từ các ngăn ra khoảng trống, tức là đột mở 2 lần.  3 = (1 - 0,179) 2 = 0,821 Khi dòng chảy ra khỏi thiết bị, tức là đột thu. Với 43,0 2 1  f f . Tra bảng II.16, [I-388]  4 = 0,328 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 72- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Từ ngăn nọ sang ngăn kia lưu thể đổi chiều 180o  5 = 3,6   = 1 + 4.2 + 43 + 4 + 1.5   = 0,57 + 4.0,4542 + 4.0,821 + 0,328 + 3,6 = 9,5988  Pc =  . Pđ = 9,5988.129,79 = 1245,828 N/m 2 * Trở lực thuỷ tĩnh: PH = .g h = 821,866.9,81.1,5 = 12093,758 N/m 2  P3 = Pđ + Pm + Pc +PH = 129,79 + 684,35 + 1245,828 + 12093,758 = 14153,726 N/m 2 - Chiều cao cột chất lỏng tương ứng với P3 là:  H3 = 76,1 81,9.866,821 726,14153 . 3   g P  m 4. Tính chiều cao của thùmg cao vị so với đĩa tiếp liệu: Viết phương trình Becnuly cho điểm B: Chọn mặt chuẩn O - O. Xét tại 1-1 tacó; ntCz g P C a o cos . 20   (1) Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 73- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Xét tại B tacó; ntCh g P g m C aF o cos ..2 7,96 2    (2) Từ (1) và (2)  z g P C a o  . 20  = m C aF h g P g o  ..2 7,96 2   z = m C aF h g P g o  ..2 7,96 2   - g P C a o .20 Pa = 9,81.10 4 N/m 2  PB = Pa + PL = 98100 +4030,044 = 102130,044 N/m 2 Co20  = 869,8 kg/m 3 Co7,86  = 791, 68 kg/m 3 F = 0,25 m/s hm =H1 + H2 + H3 = 0,0299 + 0,03 + 1,54 hm = 1,5999 m z = 26,35999,1 81,9.6,868 98100 81,9.86,791 044,4030.98100 81,9.2 25,0 2  m 5. Tính bơm. - Bơm ly tâm làm việc ở áp suất thường, chọn chiều cao hút của bơm ở to = 20 o C là 0,5 m bảng II.34 [I - 441]. Ở chiều cao này bơm làm việc tuần hoàn đảm bảo và không xảy ra hiện tượng xâm thực. - Chiều cao đẩy của bơm là. Hđ = Hc + Z = (0,6 + 1,47 + 1,525) + 3,26 = 6,855 m - Chiều cao làm việc của bơm là. HF = Hđ + Hh = 6,855 + 0,5 = 7,355 m * Tổn thất áp suất trên đường ống. Pđ = 583,22 2 2279,0.6,869 2 . 22   N/m 3 * Tính Pm: - Ở phần tổn thất áp suất từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu ta tính được. Re = 47411,92  = 0,0227 - Chiều dài ống. L = H + 0,8 = 7,355 + 0,8 = 8,155 m  Pm = 87,27583,22. 15,0 155,8 .0227,0  N/m 2 * Tính Pc: - Trên đường ống có 2 khuỷu 90o , mỗi khuỷu do 3 khuỷu 30o tạo thành.  1 = 3.0,3 = 0,9 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 74- Líp Ho¸ GiÊy - K44 - Có 2 van tiêu chuẩn: 2 = 4,9  = 1 + 2 = 2.0,9 + 2.4,9 = 11,6 N/m 2 Pc = 11,6.22,583 = 261,96 N/m 2 P = Pđ + Pm + Pc = 22,583 + 27,87 + 261,96 = 312,413 N/m 2 . - Chiều cao cột chất lỏng tương ứng là: Hm = 0366,0 81,9.6,869 413,312 .   g P  m - Áp suất toàn phần của bơm là: H = HF + Hm = 7,355 + 0,0366 = 7,3916 m - Công suất của bơm là:   .1000 ... HgQ N  , kw [I – 439] Trong đó: Q: năng suất của bơm, m3/s : khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3 g: gia tốc trọng trường, m/s2 H: áp suất toàn phần của bơm, m : hiệu suất chung của bơm  = o . tl . ck Ta chọn: hiệu suất thể tích o = 0,96 hiệu suất thuỷ lực tl = 0,85 hiệu suất cơ khí ck = 0,96   = 0,96 . 0,85 . 0,96 = 0,78 3600. F Q  , m 3 /s Vậy năng suất của bơm là: 325,0 78,0.3600.1000 3916,7.81,9.12600 .3600.1000 ...   HgF N kw - Công suất động cơ điện dctr dc N N  .  , kw [I – 439] Với tr: hiệu suất truyền động, chọn tr = 1 đc: hiệu suất động cơ điện, chọn đc = 0,8 41,0 8,0.1 325,0 .  dctr dc N N  kw Trong thực tế chọn động cơ điện có công suất lớn hơn tính toán N c đc = .Nđc [I – 439] Dựa vào bảng II.33 [I – 439], có Nđc < 1 thì hệ số dự trữ  =1,5  Ncđc = 1,5.0,41 = 0,615 kw Vậy ta chọn bơm có công suất là 1,1 kw. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 75- Líp Ho¸ GiÊy - K44 PHẦN VI. KẾT LUẬN Qua một thời gian làm việc khá nghiêm túc, với sự hướng dẫn trực tiếp và nhiệt tình của cô Lê Ngọc Thụy cũng như các thầy cô trong bộ môn Quá trình và thiết bị công nghệ Hoá Học, em đã hoàn thành bản đồ án môn học, với nội dung tính toán và thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp Benzen – Toluen. Các công thức tính toán được tra cứu trong sổ tay và những tài liệu đúng qui định, đảm bảo việc tính toán chính xác và hợp lý. Kết quả tính toán trong bản thuyết minh này cùng với bản vẽ thuyết trình có thể có chỗ nhầm lẫn, đó là những khiếm khuyết không thể bỏ qua được. Tuy nhiên do lần đầu làm quen với quá trình tính toán và thiết kế do đó nhầm lẫn là điều không tránh khỏi. Em rất mong các thầy cô giáo trong bộ môn bỏ qua. Việc làm đồ án môn học này đã thực sự đem lại hiệu quả cho em nói riêng và cho sinh viên trong ngành nói chung, thông qua đó, sinh viên nâng cao được kỹ năng tính toán cũng như biết cách nhìn nhận vấn đề thiết kế một cách hệ thống, đặc biết giúp cho sinh viên biết cách sử dụng, tra cứu tài liệu. Có thể nói rằng đây là một sự chuẩn bị tốt cho việc làm đồ án tốt nghiệp sắp tới. Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian cũng như trình độ nên bản thuyết mình này của em còn thiếu rõ ràng mạch lạc trong việc trình bày, và cũng không tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong được sự thông cảm và giúp đỡ chỉ bảo của các thầy, các cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trường ĐHBK – Hà Nội - 76- Líp Ho¸ GiÊy - K44 TÀI LIỆU THAM KHẢO I - Tập thể tác giả Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 1992 II - Hiệu đính Pts Trần Xoa, Pts Nguyễn Trọng Khuông, Pts Phạm Xuân Toản Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 1999 III - Gs – Ts Nguyễn Bin Tính toán quá trình, thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm tập 1 Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 1999 IV - Gs – Ts Nguyễn Bin Tính toán quá trình, thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm tập 2 Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 1999 V - Nhóm tác giả Bộ môn máy hoá Hướng dẫn thiết quá trình và thiết bị chuyển khối tập 2 Trường đại học Bách Khoa xuất bản, 1975 VI - Vương Đình Nhân Sổ tay kỹ sư hoá Nhà xuất bản Giáo Dục, 1961