Đồ án Thiệu thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp Metylic-Nước để thu được Metanol có nồng độ 96%

tb K f m g = Trong đó: ytbg : lượng hơi trung bình của đoạn luyện (kmol/h) 164, 505( / ) 0, 0456( / )ytbg kmol h kmol s= = Vậy 2 2 2.1,1 .0,156 0, 931( ) 4 4c f mP P= - = Do đó: .0, 931 20, 43. 0, 0456 yc yT y K m K= = 7.3 Xác định hệ số phân bố: (mi) Vẽ đường cong cân bằng Vẽ đường làm việc của đoạn luyện, đoạn chưng Dựng các đường thẳng vuông góc với Ox tại điểm có hoành độ 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9 các đường này cắt đường làm việc tại A1,A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9, A10 và cắt đường cân bằng tại C1,C2,C3,C4,… Tại mỗi giá trị hoành độ x ta tìm tg góc nghiêng của đường cân bằng theo công thức: cbi cb y ym tg x x a -= = - 21 cby ,y , , cbx x được xác định từ đường cong cân bằng và đường làm việc. Kết quả cho ra bảng sau: x 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 ycb 0.268 0.418 0.579 0.665 0.729 0.779 0.825 0.87 0.915 0.958 y 0.132 0.273 0.421 0.491 0.561 0.631 0.7 0.77 0.84 0.909 xcb 0.021 0.049 0.102 0.137 0.184 0.255 0.352 0.4808 0.633 0.787 m 4.726 2.823 1.6 1.066 0.78 0.606 0.503 0.4562 0.45 0.431 ky 0.017 0.025 0.031 0.04 0.047 0.053 0.058 0.0598 0.06 0.061 7.4 Đường cong phụ và số đĩa thực tế: - Tìm số đơn vị chuyển khối: theo công thức đã tính được ở trên: 20, 43.cyT ym K= 22, 9.LyT ym K= - Xác định Cy theo công thức: ytm yC e= - Xác định BC theo công thức: i i i i y A CB C C = mà i i cbA C y y= - Dựa vào những công thức trên ta tính ra được bảng sau: xi ki myt Cy AiCi BiCi 0.05 0.017 0.354 1.425 0.136 0.096 0.1 0.025 0.521 1.683 0.145 0.086 0.2 0.031 0.71 2.035 0.158 0.077 0.3 0.04 0.916 2.5 0.174 0.07 0.4 0.047 1.085 2.959 0.168 0.057 0.5 0.053 1.221 3.392 0.149 0.044 0.6 0.058 1.32 3.744 0.125 0.033 0.7 0.06 1.37 3.935 0.1 0.025 0.8 0.06 1.377 3.963 0.075 0.019 0.9 0.061 1.398 4.048 0.049 0.012 Dựa vào bảng số liệu trên ta vẽ đường cong phụ, đường cong phụ đi qua các điểm Bi Vẽ số bậc nằm giữa đường cong phụ và đường làm việc. Số bậc là số đĩa thực tế. Từ đồ thị ta tìm được số đĩa thực tế là Nth=18 Trong đó có 10 đĩa chưng, 8 đĩa luyện. 7.4 Chiều cao tháp: Chiều cao tháp chưng luyện loại đĩa lỗ có ống chảy chuyền tính theo công thức [II-169]: 22 ( ) (0, 8 1)T dH N h d= + + ¸ (m) H: chiều cao tháp(m) dh :khoảng cách giữa hai đĩa(m) với đĩa tháp làm bằng thép và đường kính tháp 1,2 m; 1,1m nên ta chọn dh = 350 mm = 0,35 m d : bề dày của đĩa, chọn d=0,005 ( m ) (0, 8 1)¸ : khoảng cách cho phép ở đáy và đỉnh thiết bị, chọn khoảng cách này là 0,8 m. Vậy: Chiều cao đoạn chưng là: Hc =10(0,35 + 0,005) + 0,8= 4,35 (m) Chiều cao đoạn luyện là : HL =8(0,35 + 0,005) + 0,8= 3,64 (m) Chiều cao tháp là : H = Hc + HL = 4,35 + 3,64 = 7,99 (m) 8/ Tính trở lực của tháp: Trở lực của tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền được xác định theo công thức[II- 192] .tt dP N PD = D (N/m 2) ttN : số đĩa thực tế của tháp dPD : tổng trở lực của một đĩa (N/m 2) d k s tP P P PD = D + D + D 8.1 Trở lực của đĩa khô kPD : [II-192] 0 2 2 y kP r w xD = (N/m2) Trong đó: x :hệ số trở lực, chọn x =1,82 yr :khối lượng riêng của pha hơi (kg/m 3) 0 w :vận tốc khí qua lỗ (m/s) với: 2 0 2 Dw w n.d = d: đường kính của lỗ đĩa(m) Số lỗ của đĩa luyện: n=13,3%.D2/d2 2 2 1, 20,133. 11970 0, 004 n = = (lỗ) Số lỗ của đĩa chưng: n=13,3%.D2/d2 2 2 1,10,133. 10058 0, 004 n = = (lỗ) a/ Đoạn luyện: 30, 964( / )Ly kg mr = Lw 1,23= (m/s) Do đó: 2 2 0 2 2 D 1, 2w w 1,23 9, 248 n.d 11970.0, 004 = = = ( / )m s 23 20, 964.9, 2481, 82. 75, 026 2k PD = = 2( / )N m b/ Đoạn chưng: 30, 7006( / )Cy kg mr = cw 1, 44( / )m s= Do đó: 2 2 0 2 2 D 1,1w w 1, 44 10, 827( / ) n.d 10058.0, 004 m s= = = 20, 7006.10, 8271, 82. 74, 735 2k PD = = 2( / )N m 8.2 Trở lực của đĩa do sức căn bề mặt: sPD Dựa vào công thức [II-194] ta được: 2 4. 1, 3. 0, 08s P d d dD = + 2( / )N m d :sức căn bề mặt (N/m) Theo công thức [I-299] ta được: 1 2 1 1tb tba a d d d -= + a/ Đoạn luyện: Với tL=75,50C tra bảng [I-301] ta được: 3 ,60 3 ,75.53 ,80 19, 3.10 ( / ) 17, 98.10 ( / ) 17, 6.10 ( / ) R R R N m N m N m d d d - - - ì =ïïï Þ =íï =ïïî 2 2 2 3 0,60 3 0,75.53 0,80 66, 2.10 ( / ) 63, 41.10 ( / ) 62, 6.10 ( / ) H H H N m N m N m d d d - - - ì =ïïï Þ =íï =ïïî Thay số ta được: 3 3 3 1 0, 59 1 0, 59 17, 98.10 63, 41.10 25, 46.10 ( / )N m d d - - - -= + Þ = Vậy: 3 2 4.25, 46.10 19, 58 1, 3.0, 004 0, 08.0, 004s P - D = = + 2( / )N m b/ Đoạn chưng: Với tC=92,250C tra bảng [I-301] ta được: 3 ,80 3 ;92.253 ,100 17, 3.10 ( / ) 16, 2.10 15, 5.10 ( / ) R R R N m N m d d d - - - ì =ïïï Þ =íï =ïïî ( / )N m 2 2 2 3 0,80 3 0;92.253 0,100 62, 6.10 ( / ) 60, 33.10 ( / ) 62, 6.10 ( / ) H H H N m N m N m d d d - - - ì =ïïï Þ =íï =ïïî Thay số ta được: 3 3 3 1 0,1145 1 0,1145 16,2.10 60, 33.10 45, 987.10 ( / )N m d d - - - -= + Þ = 24 Vậy: 3 2 4.45, 987.10 35, 37 1, 3.0, 004 0, 08.0, 004s P - D = = + 2( / )N m 8.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa: Dựa vào công thức [II-194] 2 31, 3 . . . . x t c c GP k h k g m L r é ùæ öê ú÷ç ÷D = + çê ú÷ç ÷çê úè øê úë û 2( / )N m hc:chiều cao cửa chảy tràn, chọn hc=0,06m Gx: lưu lượng lỏng m3/h k: tỉ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của lỏng không bọt. Chọn k = 0,5 Lc:chiều dài cửa chảy tràn, chọn Lc=0,8m m: hệ số lưu lượng qua cửa chảy tràn phụ thuộc Gx/Lc a/ Đoạn luyện: 33 3367, 88( / ) 3327, 53 4,1005( / ) 5 821, 33821, 33( / ) xtb xtbL x G kg h G m h kg mr ü= ïïï Þ = = <ýï= ïïþ nên ta chọn m = 6400 Thay số: 2 23 4,10051, 3 0, 5.0, 06 0, 5 .9, 81.821, 33 176, 44( / ) 6400.0, 8t P N m é ùæ öê ú÷çD = + =÷çê ú÷çè øê úë û b/ Đoạn chưng: 33 9625, 65( / ) 9625, 65 10, 372( / ) 5 927, 97927, 97( / ) xtb xtbL x G kg h G m h kg mr ü= ïïï Þ = = >ýï= ïïþ nên ta chọn m = 10000 Thay số: 2 3 10, 3721, 3 0, 5.0, 06 0, 5 .9, 81.927, 97 230, 026 10000.0, 8t P é ùæ öê ú÷çD = + =÷çê ú÷çè øê úë û 2( / )N m Vậy tổng trở lực của một đĩa dPD : + Đoạn luyện: 75, 026 19, 58 176, 44 271, 046dPD = + + = 2( / )N m Do đó: . 8.271, 046 2168, 368L Ltt dP N PD = D = = 2( / )N m + Đoạn chưng: 74, 735 35, 37 230, 027 340,132dPD = + + = 2( / )N m Do đó: . 10.340,132 3401, 32C Ltt dP N PD = D = = 2( / )N m 25 Phần 2: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ - Ở đây hỗn hợp cần chưng là rượu Metylic-Nước, thiết bị làm việc ở áp suất thường. Chọn vật liệu làm thân là thép X18H10T là thép không rỉ. Thân tháp hình trụ, làm việc chịu áp suất trong. Khi chế tạo loại tháp này cần chú ý: + Đảm bảo đường hàn càng ngắn càng tốt. + Chỉ hàn giáp mối. + Bố trí các đường hàn dọc ( ở các đoạn thân trụ riêng biệt lân cận cách ít nhất là 100 mm. + Bố trí mối hàn ở vị trí dể quan sát. + Không khoang lỗ qua mối hàn. - Giới hạn bền của vật liệu tra theo [II-309] : 6 2 6 2 520.10 ( / ) 220.10 ( / ) k ch N m N m d d = = - Hệ số bền mối hàn ta tra trong bảng [II-362]: 0, 95hj j= = - Thiết bị thuộc nhóm loại II. - Giá trị có hệ số hiệu chỉnh tra trong bảng [II-356]: 1h = 1/ Chiều dày của thân: Chiều dày của thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong được xác định theo công thức: [II-360] [ ] . 2. . tD PS C Pd r = + - ( )m Trong đó: tD :đường kính trong. r :hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc. C:hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai âm về chiều dày(m) P:áp suất trong thiết bị (N/m2). P=Pmt+PL Pmt:áp suất làm việc thiết bị, Pmt =1at = 1,03.105 (N/m2). PL: áp suất thủy tĩnh của nước Theo công thức [II-360] ta được: 1. .LP g Hr= H: chiều cao của cột chất lỏng ( chiều cao lớn nhất) với: ( )dH N h d= + + Hệ số bổ sung ăn mòn, bào mòn và dung sai âm về chiều dài (m) C = C1 + C2 + C3 C1:bổ sung do ăn mòn, với thép X18H10T chọn C1 = 1 mm C2: bổ sung do ăn mòn trong, chọn C2 = 0 C3:dung sai âm do chiều dày. Phụ thuộc vào chiều dày tấm thép Tra [II-364] ta được C3= 0,8mm 26 Vậy C =1+0+0,8 =1,8 (mm) + Ứng suất của thép X18H10T theo giới hạn bền được xác định theo công thức [II-356]: c c [ ]= nc dd h c b [ ]= nk dd h h :hệ số hiệu chỉnh nb,nc:hệ số an toàn theo giới hạn bền, giới hạn chảy 2, 6 1, 5 b c n n ì =ïïíï =ïî Do đó: 6 6 2 6 6 2 220.10[ ]= .1 146, 667.10 ( / ) 1,5 550.10[ ]= .1 211, 538.10 ( / ) 2,6 k c N m N m d d = = Để bảo đảm bền ta lấy giá trị bé hơn trong hai giá trị trên để tính tức là: 6[ ]= 146, 667.10kd 2( / )N m 1.1/ Đoạn luyện: HL= 8(0,35+0,005) = 2,84 (m) 3821, 33( / ) xtb L kg mr = Do đó: 5 2 5 5 5 2 821, 33.9, 81.2, 84 0,2288.10 ( / ) 1, 03.10 0,2288.10 1,2588.10 ( / ) L L L P N m P N m = = = + = Vì [ ] 6146, 667.10 .0, 95 30 1, 2588LP d j = > nên ta bỏ đại lượng P ở mẫu số trong công thức tính S. [ ] 5 3 3 6 . 1, 2.1,2588.10 1, 8.10 2, 3.10 ( ) 2, 3( ) 2. . 2.146, 667.10 L tD PS C m mm d r - -= + = + = = Vậy dựa vào kết quả tính được và bảng[II-380] ta chọn S = 4 mm . 1.2/ Đoạn chưng: Hc= 10(0,35+0,005) = 3,55 (m) 3927, 97( / ) xtb C kg mr = Do đó: 5 2 5 5 5 2 927, 97.9, 81.3, 55 0, 32317.10 ( / ) 1, 03.10 0, 32317.10 1, 353.10 ( / ) C L C P N m P N m = = = + = Vì [ ] 6146, 667.10 .0, 95 30 1, 353CP d j = > nên ta cũng bỏ đại lượng P ở mẫu số trong công thức tính S: [ ] 5 3 3 6 . 1,1.1, 353.10 1, 8.10 2, 307.10 ( ) 2, 307 2. . 2.146, 667.10 C tD PS C m d r - -= + = + = = (mm ) Vậy dựa vào kết quả tính được và bảng [II-380] ta chọn S = 4 mm 27 2/ Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử( dùng H2O): 2.1/ Đoạn luyện: - Áp suất thử P được xác định như sau:[II-366] P0 = Pth + PL Pth:áp suất thử thủy lực N/m2. Pth được xác định theo bảng [II-358] ta được: Pth = 1,5.PL = 1,5.1,2588.105 = 1,1888.105 (N/m2) PL = 0,2288.105 (N/m2) P0 = Pth + Pl = 1,1888.105 + 0,2288.105 = 1,4176.105 (N/m2). - Kiểm tra ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử, tính toán theo công thức sau[II-367]: ( )[ ] ( ) 6 0 6. 211, 538.10 176,28.10 ( / ) 2 . 1,2 1, 2 t CD S C P N m S C dd j + + = < = = - ( ) ( ) 3 3 6 6 3 3 1, 2 4.10 1, 8.10 .1, 4176 40, 77.10 176,28.10 ( / ) 2 4.10 1, 8.10 .0, 95 N md - - - - é ù+ -ê úë û= = < - Vậy đối với đoạn luyện thì S = 4 mm là phù hợp 2.2/ Đoạn chưng: - Áp suất thử P được xác định như sau:[II-366] P0 = Pth + PL Theo công thức [II-358] ta được: Pth = 1,5.PC = 1,5.1,353.105 = 2,0295.105 (N/m2) Pl = 0,32317.105 (N/m2) P0 = Pth + Pl = 2,0295.105 + 0,32317.105 = 2,3526.105 (N/m2). - Kiểm tra ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử, tính toán theo công thức sau [II-367]: ( )[ ] ( ) 6 0 6. 211, 538.10 176,28.10 ( / ) 2 . 1,2 1, 2 t CD S C P N m S C dd j + + = < = = - ( ) ( ) 3 3 6 6 3 3 1,1 4.10 1, 8.10 .1, 4176 62,23.10 176,28.10 ( / ) 2 4.10 1, 8.10 .0, 95 N md - - - - é ù+ -ê úë û= = < - Vậy đối với đoạn chưng thì S = 4 mm cũng phù hợp 3/ Tính đường kính ống dẫn: Đường kính ống dẫn phụ thuộc vào lưu lượng dòng hơi hoặc dòng lỏng đi trong tháp. Xác định theo công thức: 2 Vw d= 4 0,785w dV P= Þ w: tốc độ trung bình(m/s) V: lưu lượng thể tích (m3/s) Theo bảng II.2[I-370] 28 + Chất lỏng tự chảy: w=0,1 ¸ 0,5(m/s) + Chất lỏng trong ống hút của bơm: w=0,8 ¸ 2,0(m/s) + Chất lỏng trong ống đẩy của bơm:w=1,5 ¸ 2,5(m/s) + Hơi bảo hòa đi trong ống dẫn khi P>1at:w=15 ¸ 25(m/s) Vs: lưu lượng hơi hoặc lỏng đi trong tháp( m3/s) GV r = G: lưu lượng tính theo kg/s r : khối lượng riêng (kg/m3) 3.1/ Đường kính ống dẫn hỗn hợp hơi sản phẩm đỉnh: Vd= 0,785w Với 065, 5 338, 5Pt C K= = Ta có: gd=GP(Rx +1)=1757,22(2,3+1)=5798,83(kg/h)=1,6107(kg/s) .273 22, 4.338, 5ytb Mr = M: khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp hơi ở sản phẩm đỉnh Trong đó M = 0,97.32+(1-0,97).18 = 31,58 31, 58.273 1,137 22, 4.338, 5ytb r = = 3( / )kg m 1, 6107 1, 416 1,137 d ytb gV r = = = 3( / )m s Chọn w = 20(m/s) Vậy 1,416d= 0, 300( ) 300 0,785.20 m= = ( )mm Quy chuẩn d = 300 mm, chiều dài l = 140 mm 3.2/ Đường kính ống hồi lưu đáy: Lượng hơi đi vào đĩa đầu tiên của đoạn chưng: , 1 160, 46g = ( / )kmol s Ở tw=990C .273 22, 4.(99 273)ytb Mr = + M: khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp hơi đi vào đĩa đầu tiên của đoạn chưng. M = 32.0,00508+18.(1-0,00508) = 18,07 ,1 160, 46.18, 07 2899, 69( / ) 0, 805g kg h= = = ( / )kg s 18, 07.273 0, 592 22, 4.(99 273)ytb r = = + 3( / )kg m chọn w = 20(m/s) 0, 805 1, 359 0, 592 d ytb gV r = = = 3( / )m s 1,359d= 0, 294( ) 294 0,785.20 m= = ( )mm Quy chuẩn d = 300 mm, chiều dài l =140 mm 29 Vận tốc dòng lỏng tính lại là: w = 19,23(m/s) 3.3/ Ống dẫn hỗn hợp đầu từ thiết bị đun nóng vào đĩa tiếp liệu: Ở tF=85,50C 3 3 20 729, 9( / ) 968,15( / ) R H kg m kg m r r = = 3 1 0,1369 1 0,1369 729, 9 968,15 926, 737( / ) xtb xtb kg m r r -= + Þ = Lượng hỗn hợp đầu: F = 2,2 kg/s 32,2 0, 00237( / ) 926, 737 V m s= = chọn w = 0,35 (m/s) Vậy 0,00237d= 0, 093( ) 93( ) 0,785.0,35 m mm= = Quy chuẩn d =100 mm, chiều dài l =120 mm Vận tốc dòng lỏng tính lại là: w = 0,349 (m/s) 3.4/ Đường kính ống hồi lưu sản phẩm đỉnh: Với 065, 5 338, 5Pt C K= = 3 3 20 750, 5( / ) 979, 97( / ) R H kg m kg m r r = = 3 1 0, 931 1 0, 931 750, 5 979, 97 762, 825( / ) xtb xtb kg m r r -= + Þ = Lượng lỏng hồi lưu là: Gx = GP(Rx +1) = 1757,22.2,3 = 4041,606(kg/h) Do đó: 34041, 606 0, 00147( / ) 762, 825.3600 V m s= = chọn w = 0,25(m/s) Vậy 0,00147d= 0, 0874( ) 87, 4( ) 0,785.0,25 m mm= = Quy chuẩn d = 100 mm, chiều dài l = 120 mm Vận tốc dòng lỏng tính lại là: w = 0,187 (m/s) 3.5/ Ống dẫn sản phẩm đáy: Ở tw = 990C 3 3 20 715,1( / ) 958, 7( / ) R H kg m kg m r r = = 3 1 0, 00508 1 0, 00508 715,1 958, 7 957, 04( / ) xtb xtb kg m r r -= + Þ = Lượng lỏng ra khỏi tháp: ,1 502, 84( / ) 502, 84.18, 07 9086, 31( / )G kmol h kg h= = = 30 39086, 31 0, 00263( / ) 957, 04.3600 V m s= = Chọn w = 0,25(m/s) Vậy 0,00263d= 0,115( ) 115 0,785.0,25 m= = ( )mm Quy chuẩn d =125 mm, chiều dài l=120 mm Vận tốc dòng lỏng tính lại là: w = 0,214 (m/s) 4. Tính đáy và nắp thiết bị: 4.1. Tính chiều dày đáy và nắp: Chiều dày S được xác định theo công thức: [II-385] [ ] . . 3, 8 . . 2 t t k h b D P DS C k P hd j = + - (m) Trong đó: bh :chiều cao phần lồi của đáy tháp(m) hj : hệ số bền của mối hàn hướng tâm k: hệ số không thứ nguyên t 1 D dk = - d: đường kính lớn hay là kích thước lớn nhất (của lỗ không phải hình tròn) của lỗ không tăng cường. a/ Bề dày nắp: Tra trong bảng [ II-388], với Dt = 1,2 m ta được hb = 300 mm = 0,3 m t 0, 31 1 0, 75 D 1, 2 dk = - = - = Vì : [ ] 6 5 146, 667.10. . .0, 75.0, 95 1014, 5 30 1, 03.10h k P d j = = > nên ta bỏ đại lượng P ở mẫu số trong công thức tính S. Vậy 5 6 1,2.1,2588.10 1, 2. 3, 8.146, 667.10 .0, 75.0, 95 2.0, 3 0, 00076 ( ) 0, 76 ( ) 0, 76( ) 10( ) S C S C m S C mm S C mm mm = + = + = + Þ - = < Do đó ta phải tăng thêm 1,44 mm so với giá trị C đã tính C = 1,8 + 1,44 = 3,24 (mm) Vậy S = 0,76+3,24 = 4 (mm) Do đó theo bảng [II-384] ta quy chuẩn bề dày đáy: S = 4 mm b/ Bề dày đáy: Tra trong bảng [ II-388], với Dt = 1,1 m ta được hb = 275 mm = 0,275 m t 0, 31 1 0, 72 D 1,1 dk = - = - = Ở đáy tháp nên ta có: P = Pmt + PL 31 Pmt: áp suất làm việc thiết bị Pmt = 1,03.105 (N/m2) PL: áp suất thủy tỉnh PL = . . . .c c L Lg h g h  = 821,33.9,81.4,35 + 927,97.9,81.3,64 = 0,412.10 5 (N/m2) Do đó: P = 1,03.105 + 0,412.105 = 1,442.105 (N/m2) Vì : [ ] 6 5 146, 667.10. . .0, 72.0, 95 695, 7 30 1, 442.10h k P d j = = > nên ta bỏ đại lượng P ở mẫu số trong công thức tính S. Vậy 5 6 1,1.1, 442.10 1,1. 3, 8.146, 667.10 .0, 72.0, 95 2.0,275 0, 0008 ( ) 0, 8 ( ) 0, 8( ) 10( ) S C S C m S C mm S C mm mm = + = + = + Þ - = < Do đó ta phải tăng thêm 2 mm so với giá trị C đã tính C = 1,8 + 2 = 3,8 (mm) Vậy S = 0,8+3,8 = 4,6 (mm) Do đó theo bảng [II-384] ta chọn bề dày đáy: S = 6 mm 4.2. Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thử thủy lực: Kiểm tra ứng suất bằng công thức sau:[II-386] 2 02. .( ) . 7, 6. . . ( ) 1,2 t b c h b D h S C P k h S C dd r é ù+ -ë û= £ - (N/m2) a/ Đối với nắp: 6 6211, 538.10 176,29.10 1,2 1, 2 cd = = (N/m2) 2 3 3 5 6 6 3 3 1, 2 2.0, 3.(4.10 3, 24.10 ) .1, 4176.10 165, 4.10 176, 29.10 7, 6.0, 75.0, 95.0, 3(4.10 3, 24.10 ) d - - - - é ù+ -ë û= = < - (N/m2) Do đó S = 4 mm là phù hợp. b/ Đối với đáy: 6 6211, 538.10 176,29.10 1,2 1, 2 cd = = 2 3 3 5 6 6 3 3 1,1 2.0,275.(5.10 3, 8.10 ) .2, 3526.10 166,1.10 176, 29.10 7, 6.0, 72.0, 95.0, 275(5.10 3, 8.10 ) d - - - - é ù+ -ë û= = < - Do đó S = 6 mm là phù hợp. 32 5. Chọn mặt bích: 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. Ta chọn bích liền làm bằng thép để nối thiết bị( dùng cho thân hình trụ hàn) theo kiểu 1. Bích nối thân tháp: vật liệu là thép Các thông số về bích nối như sau[II-421] Đoạn luyện: Dt =1200mm db=M20 D=1340mm z=32 cái Db=1290mm h=25mm DI=1260mm 6 20,1.10 ( / )y N mr = D0=1213mm hg=3mm Đoạn chưng: Dt =1100mm db = M30 D=1300mm z = 28 cái Db=1225mm h = 40mm DI=1175mm D0=1113mm Bước bích là khoảng cách giữa hai bính. Chọn 6 bích Bích cho ống dẫn vật liệu kim loại đen Chọn kiểu bích liền bằng thép kiểu1 Dựa vào đường kính ống tính toán được ta có các thông số [II-409] Dựa vào đường kính ống ta tra [II-434] , ta được chiều dài của các đoạn ống nối Ống Dt (mm) Dn (mm) D (m) Dd (mm) D1 (mm) Db (mm) z (cái) Ống dẫn sản phẩm đỉnh 300 325 440 400 370 M20 12 Ống hồi lưu đáy 300 325 440 400 370 M20 12 Ống tiếp liệu 100 108 205 170 148 M16 4 Ống hồi lưu đỉnh 100 108 205 170 148 M16 4 Ống dẫn sản phẩm đáy 125 133 235 200 178 M16 8 33 6. Chọn chân đỡ và tai treo của thiết bị: Thông thường người ta dùng tai treo hoặc chân đỡ hoặc cả hai để giữ thăng bằng cho thiết bị trong quá trình làm việc. Để tính được tai treo hoặc chân đỡ người ta phải tính tải trọng của thiết bị. Trọng lượng của tháp gồm trọng lượng của: - Nắp thiết bị. - Thân tháp. - Đáy tháp. - Đĩa và lỗ trên đĩa. - Bích - Lượng chất lỏng điền đầy tháp. 6.1 Khối lượng thân tháp: mtháp=Vtháp. r tháp V=H.F H: chiều cao F:tiết diện cắt ngang của tháp (m2) 2 4 dF P= Trong đó 2 2 2( )n td D D= - Dn: đường kính trong của tháp,m 2.n tD D S= + 2 2( ) . 4 n t m D D HrP= - Tháp làm bằng vật liệu X18H10T ta có: 37900( / )kg mr = a/ Đoạn luyện: HL=3,64 m 1, 2 2.0, 004 1, 208( )nD m= + = 2 2 2 2( ) . (1, 208 1, 2 )7900.3, 64 435, 076( ) 4 4L n t m D D H kgrP P= - = - = b/ Đoạn chưng: HC = 4,35 m 1,1 2.0, 004 1,108( )nD m= + = 2 2 2 2( ) . (1,108 1,1 )7900.4, 35 476, 755( ) 4 4C n t m D D H kgrP P= - = - = Vậy khối lượng của toàn thân tháp: Mtháp = mL + mC = 435,076 + 476,755 = 911,831 (kg) 6.2/ Khối lượng đáy và nắp: Tra bảng [II-384] ta được: Khối lượng nắp: 36,0 kg Khối lượng đáy: 67,0 kg 34 Vậy khối lượng cả đáy và nắp là: 36,0 + 67,0 = 103,0 (kg) 6.3/ Khối lượng đĩa: a/ Đoạn luyện: + Khối lượng đĩa khi chưa đục lỗ: Khi chưa đục lỗ thì tiết diện của đĩa là: 2 2, ( ) 4 DS mP= d : chiều dày của đĩa (m) , 0, 005( )md = Khối lượng của đĩa khi chưa đục lỗ: 1 2.1,2 .0, 005.7900.8 357, 388( ) 4 Lm kgP= = + Khi đã đục lỗ: Tiết diện của đĩa khi đã đục lỗ: 2 2.( ) 4 t l S D dP= - Khối lượng của đĩa khi đục lỗ: 2 2 2.(1, 2 0, 003 ).0, 005.7900.8 357, 385( ) 4 Lm kgP= - = b/ Đoạn chưng: + Khối lượng đĩa khi chưa đục lỗ: Khi chưa đục lỗ thì tiết diện của đĩa là: 2 2, ( ) 4 DS mP= d : chiều dày của đĩa (m) , 0, 005( )md = Khối lượng của đĩa khi chưa đục lỗ: 1 2.1,1 .0, 005.7900.10 375, 381( ) 4 Cm kgP= = + Khi đã đục lỗ: Tiết diện của đĩa khi đục lỗ: 2 2.( ) 4 t l S D dP= - Khối lượng của đĩa khi đục lỗ: 2 2 2.(1,1 0, 003 ).0, 005.7900.10 357, 378( ) 4 Cm kgP= - = Vậy : Khối lượng đĩa cả đoạn chưng là luyện khi chưa đục lỗ là: 11 1 357, 88 375, 38 733, 258( )L Cm m m kg= + = + = Khối lượng đĩa cả đoạn chưng là luyện khi đục lỗ là: 2 2 2 357, 385 375, 378 732, 763( )L Cm m m kg= + = + = 6.4/ Khối lượng của chất lỏng: 22 2 2 ... . . 4 4 .1,2 .1,1821, 33.3, 64 927, 97.4, 35 4 4 7217, 379( ) C xtb xtb L CL Long L C DDm H H kg r r PP= + P P= + = 35 6.5/Khối lượng của bích: Khối lượng của bích ở đoạn chưng xác định như sau: 2 2( ) . 4B t m D D h   ( kg ) D =1300 mm = 1,3 m tD = 1100 mm = 1,1 m h = 40 mm = 0,04 m X18H10T 7900 kg/m 3 2 2(1,3 1,1 )0,04.7900 119,13( ) 4B m kg   Khối lượng của bích ở đoạn luyện xác định như sau: 2 2( ) . 4B t m D D h   , kg D =1340 mm = 1,34 m tD = 1200 mm = 1,2 m h = 25 mm = 0,025 m 37900( / )thep kg m  2 2(1,34 1, 2 )0,025.7900 55,15( ) 4B m kg   6.6/ Khối lượng ống chảy chuyền: Khối lượng của ống chảy chuyền: 2 2 2 2( ) . .28 (0,099 0,097 ).0,08.7900.28 5,448( ) 4 4B t m D D h kg      Vậy khối lượng của toàn tháp: M= mthântháp+mnắp+ mĐĩa+mBích + mlỏng +mống chảy chuyền 911,831 103,0 732,763 7217,397 55,15 5, 448 9025,589( )M kg       49012,989.9,81 8,84.10 ( )M N  Ta không đặt trực tiếp thiết bị lên bệ mà phải có tai treo hay chân đỡ. Ở đây ta chọn 3 tay treo. Tải trọng phân bố đều do đó mỗi một tay treo phải chịu tải trọng là 2,95.104 ( N). Dựa vào [II-438] ta chọn tay treo có tải trọng cho phép là 4,0.104 (N). Vật liệu là thép CT3. Do vậy phía bề mặt của tay treo phải có lớp sơn chống rỉ, chống ăn mòn. 36 Phần 3: TÍNH CÂN BẰNG VÀ NHIỆT LƯỢNG 1. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: [II-196] 1 ( / )D f F ng xqQ Q Q Q Q J h+ = + + a/ Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1 [II-196] 1 1 1 1 1 1 1. .( . )DQ D D r Cl q= = + 1D :lượng hơi đốt kg/h 1l :hàm nhiệt của hơi đốt J/kg 1q :nhiệt độ nước ngưng, 0C r :ẩn nhiệt hóa hơi J/kg C:nhiệt dung riêng của nước ngưng J/kg.độ Ta chọn hơi nước bảo hòa ở điều kiện tbh=119,60C và P = 2 at Ở điều kiện tbh = 119,60C và P = 2 at, ta tra bảng [I-254] ta chọn: r1 = 2203,345(kJ/kg) C1=1,0414 (kcal/kg.độ) =1,0414.4,18.103(J/kg.độ) Ta có: 3 3 1 1 1 1 3 . 2203, 345.10 119, 6.1, 014.4,18.10 2711, 097.10 ( / ) r C J kg l q= + = + = Vậy: QD1=2711,097.103.D1 (J/h) b/ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào Qf: [II-196] Qf=F.Cf.tf (J/h) Cf:nhiệt dung riêng của hỗn hơp đầu (J/kg độ) tf:nhiệt độ đầu của hỗn hợp (0C), tf=250C Ở tF=85,50C tra bảng [I-172] và nội suy ta được: CR=2888,875 (J/kg.độ) CH2O= 4201 (J/kg.độ) Cf = a1CR+(1-a1)CH2O = 0,22.2888,875+(1-0,22).4201=3912,332 (J/kg.độ) Vậy Qf=F.Cf.tf =2,2.3600.3912,332.25=77,464.107(J/h) c/ Nhiệt độ do hỗn hợp đầu mang ra QF: QF=F.CF.tF (J/h) CF:nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí đi ra (J/kg độ) tF=85,50C ta có CF= Cf=3912,332 (J/kg.độ) Vậy QF=F.CF.tF =2,2.3600.3912,332.85,5=264,927.107 (J/h) d/ Nhiệt độ do nước ngưng mang ra Qng1: 1 1 1 1 1 1 1. . . . ( / )ng ngQ G C D C J hq q= = Vậy : Qng1=D1( 31, 014.4,18.10 ).119,6 Qng1=506,927.103D1 (J/h) e/ Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiên liệu tiêu tốn: Qxq1=0,05.r1.D1 (J/h) Qxq1=0,05.2203,345.103.D1=110,176.103D1 f/ Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi: 37 Từ phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có: 1 1 1 ( / ) 0, 95. F ng xq f F fQ Q Q Q Q QD kg h rl + + - - = = Thay số: 7 7 1 3 264,927.10 77,464.10 895, 59( / ) 0, 95.2203,345.10 D kg h-= = Vậy QD1 = 2711,097.103.895,59 = 242,803.107(J/h) Qng1 = 506,927.103.895,59 = 45,399.107 (J/h) Qxq1 = 110,176.103.895,59 = 9,867.107 (J/h) 2. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện: Tổng nhiệt lượng mang vào tháp bằng tổng nhiệt lượng nhiệt mang ra, tính theo công thức: [II-197] 2 w xq2 ng2+ Q + QF D R yQ Q Q Q Q+ + = + a/ Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp: 2 2 2 2 2 2 2. .( . )DQ D D r Cl q= = + D2: lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp 2 1 3 2 1 3 2 1 119, 6 2203, 345.10 ( / ) 2711, 097.10 ( / ) o bht C r r J kg J kg q q l l = = = = = = = Vậy QD2=2711,097.103.D2 (J/h) b/ Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp QR QR=GR.CR.tR (J/h) Với GR=Gx=gd - GP=5798,83-1757,22=4041,61(kg/h) tR=tP= 65,50C Ở tP=65,50C tra bảng [I-172] và nội suy ta được: C1=2787,5 (J/kg.độ) C2= 4190 (J/kg.độ) CR = a1C1+(1-a1)C2 = 0,96.2787,5+(1-0,96).4190=2843,6 (J/kg.độ) Vậy QR=4041,61.2843,6 .65,5=75,277.107 (J/h) c/ Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy: [II-197] (1 )y x dQ P R l= + P,Rx:lượng sản phẩm đỉnh và chỉ số hồi lưu 1 1 2 2d a al l l= + Trong đó 1 1 1 2 2 2 P P r C t r C t l l = + = + Ở tP=65,50C ; ta dùng bảng [II-254] và nội suy ta được: r1= 261,837.4,1868.103=1096,25.103 (J/kg) r2=573,5.4,1868.103=2401,12.103 (J/kg) Do đó: 3 3 1 1 1 3 3 2 2 2 1096,25.10 + 2787,5.65,5= 1278,83.10 ( / ) 2401,12.10 4190.65,5= 2675,565.10 ( / ) P P r C t J kg r C t J kg l l = + = = + = + Vậy 1 1 2 2d a al l l= + = 31278,83.10 .0,97+ 32675,565.10 .(1-0,97)=1320,73.10 3(J/kg) Vậy 3 7(1 ) 1757,22(1 2, 3)1320, 73.10 765, 868.10 ( / )y x dQ P R J hl= + = + = 38 d/ Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra: Qw w wW wQ C t= tw=990C tra bảng [I-172] và nội suy ta được: C1=2945,5 (J/kg.độ) C2=4228 (J/kg.độ) Cw=aw.C1+(1-aw).C2=0,009.2945,5+(1-0,009).4228=4216,45(J/kg.độ) Qw=6162,8.4216,45.99=257,25.107 (J/h) e/ Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: Qng2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1. . . . . .ng ngQ G C D C D Cq q q= = = Vậy Qng2 = D2.1,0414.4,18.103.119,6=506,926.103.D2 (J/h) f/ Nhiệt tổn thất : Theo công thức [II-198] Qxq2 = 0,05.D2.r2 = 0,05.2203,345.103.D2=110,16.103D2 (J/h) g/ Lượng nhiệt cần thiết để đun sôi dịch đáy tháp: w ng2 F R xq22 2 + Q -Q -Q + QyQ QD l + = 7 7 3 7 7 3 2 2 2 3 765, 868.10 257,25.10 + 506,926.10 .D -264,927.10 -75,277.10 + 110,16.10 D 2675,565.10 D += 3 3 2 2 3 6829250,16.10 616,066.10 .D 2675,565.10 D += 2 3315, 97( / )D kg h= Vậy: QD2=2711,097.103.3315,97 =898,99.107(J/h) Qng2=506,926.103.3315,97 =168,095.107(J/h) Qxq2=110,16.103.3315,97=36,528.107 (J/h) 3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ: + Nếu chỉ ngưng tụ hồi lưu thì: [II-198] PRxr = Gn1.Cn(t2-t1) Do đó: 1 1 2 . . , ( / ) ( ) x n n P R rG kg h C t t = - r:ẩn nhiệt ngưng tụ Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh (J/kg.độ) 3 335324,9.10 1118, 584.10 ( / ) 31,58d r r J kg= = = Chọn : nhiệt độ vào của nước làm lạnh: t1=200C nhiệt độ ra của nước làm lạnh : t2=450C 01 (20 45) 32, 5 2tb t C= + = Ttb=23,50C ,tra bảng [I-195] ta được Cn=0,998 (kcal/kg.độ) Cn = 0,998.4,18.103 = 4180,98(J/kg.độ) 39 Vậy 3 1 1757,2.2, 3.1118, 584.10 43251, 336( / ) 4180,98(45 20)n G kg h= = - + Nếu ngưng tụ hoàn toàn thì: [II-198] P(Rx+1)r = Gn1.Cn(t2-t1) 1 1 2 .( 1). ,( / ) ( ) x n n P R rG kg h C t t +Þ = - Vậy 3 1 1757,2.(2, 3 1).1118, 584.10 62056, 26( / ) 4180,98(45 20)n G kg h+= = - 40 Phần 4: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 1/ Tính toán và chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: ta chọn thiết bị gia nhiệt ống chùm loại thẳng đứng vì nó có rất nhiều ưu điểm và phù hợp với yêu cầu công nghiệp. Chọn vật liệu làm là thép không rỉ có vỏ cách nhiệt 46, 5l = W/m.độ Dùng hơi nước bão hòa đễ đun nóng hỗn hợp đầu áp suất tuyệt đối của hơi nước bão hòa là P=2at, nhiệt độ của hơi nước bão hòa là t=119,60C [I-314] 1.1/ Xác định nhiệt lượng để đun sôi dung dịch đầu: Hiệu số nhiệt độ trung bình được xác định theo công thức [II-5]: 1 2 1 2 ln tb t tt t t D - DD = D D 0 1 119, 6 25 94, 6t CD = - = 0 2 119, 6 25 33, 7t CD = - = Do đó: 094, 6 33, 7 5994, 6ln 33, 7 tbt C -D = = Nhiệt độ trung bình của dung dịch được xác định theo công thức [II-9]: 0119, 6 59 60, 6tb bh tbt t t C= + D = - = Lượng nhiệt để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi tF = 85,50C được xác định theo công thức [II-3]: Q = G.C.(t1-t2) (W) G = F = 2,2 (kg/s) C: nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ t1,t2:nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch Theo công thức [I-152] ta được: C = a1.C1 + a2.C2 C1,C2: nhiệt dung riêng của từng cấu tử trong dung dịch,J/kg.độ a1,a2: phần khối lượng của từng cấu tử. Ở nhiệt độ ttb=60,60C nội suy từ [I-172] ta được: C1 =2763 (J/kg.độ) C2 =4190 (J/kg.độ) Do đó C = 0,22.2763+ 0,78.4190 = 3876,06 (J/kg.độ) Vậy Q = 2,2.3876,06.(85,5-25)= 515903,586 (W) 1.2/ Xác định hệ số cấp nhiệt 1 2,a a và nhiệt tải riêng q1, q2: 1.2.1 Khối lượng riêng của dung dịch tại nhiệt độ trung bình: [I-5] 1 2 dd 1 2 1 a a r r r = + Tại ttb=60,60C tra bảng và nội suy từ [I-9] được Do đó: dd 1 0,22 0, 78 755, 4 982, 669r = + 3dd 921, 665( / )kg mr = 41 1.2.2 Độ nhớt của dung dịch tại nhiệt độ trung bình: [I-84] dd 1 1 2 2lg lg lgx xm m m= + Tại ttb=60,60C tra bảng và nội suy từ [I-92] được -3 2 1 -3 2 2 0, 33.10 ( / ) 0,4656.10 ( / ) Ns m Ns m m m = = Do đó 3 3 dd 3 2 dd lg 0,1369 lg 0, 33.10 (1 0,1369) lg 0, 4656.10 0, 444.10 ( / )Ns m m m - - - = + - Þ = 1.2.3 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được xác định theo công thức: [I-123] 1 3 . . .A C M rl r æ ö÷ç= ÷çè ø Trong đó A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng. Đối với chất lỏng liên kết rượu nước thì A= 3,58.10-8 Cdd = 3876,06 (J/kg.độ) 3dd 921, 665( / )kg mr = M=19,92 (kg/kmol) 1 3 8 921, 6653, 58.10 .3876, 06.921, 665. 19, 92 l - æ ö÷ç= ÷ç ÷çè ø Vậy 0, 459l = (W/m.độ) 1.2.4 Chuẩn số Prant của dung dịch: Chuẩn số Prant của dung dịch được xác định theo công thức [ II-12] .r CP m l = Thay số ta có: 33876,06.0, 444.10 3, 749 0, 459r P - = = 1.2.5 Chuẩn số Reynold của dung dịch: Chuẩn số Reynold của dung dịch được xác định theo công thức[ II-13] w.d.Re r m = Chọn ống chùm có: + Chiều cao: H=1,5(m) + Kích thước: 30 x 2,5 (mm) + Đường kính trong d = 35 (mm) + Chiều dày S = 2,5 (mm) Giả sử chất lỏng chảy trong ống ở chế độ chảy xoáy thì w > 0,5 (m/s). Chọn Re = 104 1.2.6/ Chuẩn số Nuxen của dung dịch : Chuẩn số Nuxen của dung dịch được xác định theo công thức [II-14] 0,8 0,43 0,251 Pr0, 021 . Re . P r .( ) P rt Nu e= Prt: chuẩn số Pran của dòng tính theo nhiệt độ trung bình của tường 42 1e : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào quan hệ giữa chiều dài và đường kính ống Ta có: 1, 5 42, 857 0, 035 H d = = Theo bảng [II-15] ta có 1 1, 02e = Vậy 0,8 0,430, 021.1, 02.10000 .3, 749 59, 92Nu = = 1.2.7/ Xác định hệ số cấp nhiệt : 1 2,a a Chọn hệ số cấp nhiệt về phía hơi ngưng tụ đối với ống chùm thẳng đứng: Theo công thức [II-28] ta được: 1 4 1 2, 04. . . rA t H a æ ö÷ç= ÷çè øD (W/m2.độ) A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm của nước ngưng tụ [ II-29] ( ) 2 T tb m t tt += tT: nhiệt độ thành ống có màng nước ngưng, 0C bh Tt t tD = - :hiệu số giữa nhiệt độ ngưng (nhiệt độ bảo hòa và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi ngưng, oC r: ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo tbt ,J/kg H: chiều cao ống chảy chuyền, H=1,5 m a/ Giả thiết độ chênh lệch nhiệt độ giữa hơi bảo hòa và hơi ngưng tụ là: 01 1, 5t CD = - Nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ được xác định theo công thức: 1 0 1 119, 6 1, 5 118,1T bht t t C= + D = - = Vậy 0118,1 119, 6 118, 85 2m t C+= = Ở tm=118,85oC theo bảng[II-29] và nội suy ta có A=187,145 Tại tbh=119,60C theo [II-254] nội suy: H2O,100 H2O,119.6 H2O,140 r = 539(kcal/ kg) r = 526,26(kcal/ kg) r = 513(kcal/ kg) ìïïï Þíïïïî Do đó r =526,26(kcal/kg) = 526,26.4,1868.103 = 2203,345.103(J/kg) Vậy: 13 4 1 2203, 345.102, 04.187,145.( ) 1, 5.1, 5 a = 1 12009, 735aÞ = (W/m 2.độ) - Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ: 2 1 1 1. 12009, 735.1, 5 18014, 602(W/ m )q ta= D = = - Hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt thành ống được xác định theo công thức: 1 2 1.T T Tt t t q rD = - = å 2Tt : nhiệt độ thành ống phía dung dịch, 0C rå : tổng nhiệt trở (m2.độ/W) 43 với: 1 2 3r r r r= + +å [III-294] r1: nhiệt trở về phía hơi ngưng tụ (m2.độ/W). r2: nhiệt trở giữa hai thành ống (m2.độ/W). r3: nhiệt trở về phía dung dịch (m2.độ/W). Tra bảng [II-4] ta có: 3 1 0,116.10r  (m2.độ/W) 2r    (m2.độ/W)  : chiều dày ống(m), tra [II-310] 0,0025( )m   : hệ số dẫn nhiệt của thép không rỉ X18H10T, tra [II-313] 16,3  (W/m.độ) 32 0,0025 0,153.10 16,3 r      Tra bảng[II-4] ta được: 3 3 0,464.10r  (m2.độ/W) Do đó: r  0,116.10-3+0,153.10-3+0,464.10-3=0,733.10-3(m2.độ/W) Vậy: 3 01. 18014, 602.0, 733.10 13, 204Tt q r C-D = = =å - Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch được xác định: 2 2T tbt t tD = - Với 2 1 118,1 13, 204 104, 896oT T Tt t t C= - D = - = Do đó 2 2 104, 896 60, 6 44,296oT tbt t t CD = - = - = - Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch: 2 . 59,92.0,459 785,808 0,035 Nu d      (W/m2.độ) - Nhiệt tải riêng từ thành ống đến dung dịch được xác định: 2 2 2. 785,808.44,296 34808,15q t    (W/m 2) Vì truyền nhiệt là ổn định nên 1 2q q và cho phép sai khác <5% Xét: 1 2 1 18014,602 34808,15 0,93 93% 5% 18014,602 q q q       Do đó với 01 1, 5t CD = là không hợp lí. b/ Giả thiết độ chênh lệch nhiệt độ giữa hơi bảo hòa và hơi ngưng tụ là 01 2, 8t CD = - Nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ được xác định theo công thức: 1 0 1 119, 6 2, 8 116, 8T bht t t C= + D = - = Vậy 1 119, 6 116, 8 118,2 2 2 obh T m t tt C+ += = = Ở tm=118,2 theo bảng[II-29] và nội suy ta có A=187,189 Vậy: 13 4 1 2203, 345.102, 04.187,189.( ) 1, 5.2, 8 a = 1 10277, 057aÞ = (W/m 2.độ) 44 - Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ: 2 1 1 1. 10277, 05.2, 8 28775, 762(W/ m )q ta= D = = - Hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt thành ống được xác định theo công thức: 1 2 1.T T Tt t t q rD = - = å 3 01. 28775, 762.0, 733.10 21, 0926Tt q r C-D = = =å - Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch được xác định: 2 2T tbt t tD = - Với 2 1 117 21, 0926 95, 907oT T Tt t t C= - D = - = Do đó 2 2 95, 907 60, 6 35, 307oT tbt t t CD = - = - = - Nhiệt tải riêng từ thành ống đến dung dịch được xác định: 2 2 2. 785,808.35,307 27744,811q t    ( W/m 2 ) Xét: 1 2 1 28775,762 27744,811 0,0358 3,58% 5% 28775,762 q q q       Do đó với 01 2, 8t CD = là hợp lí. Do đó qtb được xác định theo công thích hợp: 1 2 2tb q qq  qtb = (28775,762 + 27744,811)/2 = 28260,29 ( W/m2) 1.3/ Xác định bề mặt truyền nhiệt F, số ống n, số ngăn m và đường kính D của thiết bị gia nhiệt: 1.3.1 Xác định bề mặt truyền nhiệt F: Ta có: 2515903,586 18,255( ) 28260,29tb QF m q    1.3.2 Số ống của thiết bị gia nhiệt: . .tb Fn d H   tbd : đường kính trung bình của ống, (m) ( 2 ) 0,035 (0,035 2.0,0025) 0,0375( ) 2 2tb d dd m      Thay vào ta có: 18, 255 103,30 . . .0,0375.1,5tb Fn d H      (ống) Xếp theo hình 6 cạnh, theo quy chuẩn [II-48] thì số ống sẻ là: n = 127 ống Gọi a là số ống trên một cạnh của hình 6 cạnh: Theo công thức[ II-48] ta đuợc: n = 3.a(a-1) +1 127 =3.a(a-1) +1 Do đó a = 7 Gọi b là số ống trên đường chéo hình 6 cạnh: 45 b = 2.a - 1 = 2.7 – 1 = 13 1.3.3 Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt [ II-49] D = t(b-1) + 4.d Trong đó t: bước ống, chọn t = 1,5d d: đường kính ngoài của ống, d = 0,04(m) t = 1,5.d =1,5.0,04=0,06 (m) Do đó: D = 0,06(13-1) + 4.0,04 = 0,88 (m) 1.3.4 Số ngăn của thiết bị gia nhiệt: Tốc độ chảy thực tế của hỗn hợp trong thiết bị gia nhiệt được xác định theo công thức: T 2 4.w . . . G n d   T 2 4.2, 2w 0,0195( / ) 921,655.127. .0,035 m s   Tốc độ chảy giả thiết ứng với chế độ chảy xoáy Re=104 là: 4 3Re. 10 .0, 444.10w = 0,13 .d 921,655.0,035      (m/s) So sánh ta thấy w > wT do vậy ta phải chia ngăn trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, số ngăn được xác định theo công thức: T w 0,13 6,7 w 0,0195 m    Ta chọn số ngăn m = 7 ngăn Vậy thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu có 7 ngăn, 127 ống. Mỗi ngăn có 18 ống. 2/ Tính chọn bơm: 2.1 Xác định chiều cao thùng cao vị: Áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực trong hệ thống: Theo công thức [I-376] ta được: d m c t kP P P P P PD = D + D + D + D + D (N/m 2) Trong đó: dPD : áp suất động học (N/m 2) 2w 2d P rD = (N/m2) mPD : áp suất để khắc phụ lực ma sát (N/m 2) cPD : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ (N/m 2) kPD :áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn kPD =0 (N/m 2) tPD :áp suất cần thiết để khắc phục trở lực thiết bị (N/m 2) 2.1.1 Trở lực đoạn ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị truyền nhiệt: a/ Áp suất động học: 2w 2d P rD = (N/m2) xtbr :khối lượng riêng của chất lỏng 1 2 dd 1 2 1 a a r r r = + 46 Tại t = 250C tra bảng và nội suy từ [I-9] được Do đó: dd 1 0,22 0, 78 787,5 996,49r = + 3dd 941, 51( / )kg mr = Có: 2 2 F 2, 2w= 0,1322 0,785.d . 0, 785.0,15 .941, 51r = = (m/s) 20,1322941, 51 8,239 2d PD = = 2( / )N m b/ Áp suất khắc phục trở lực ma sát: [I-377] 2w. . . 2m tb LP d l rD = L: chiều dài ống dẫn (m), L = 7,99 (m) dtb = 0,15m Chuẩn số: . .wRe dr m = m: độ nhớt của dung dịch ở 25oC Tra bảng [I-92] tại 250C ta có: 3 21 0, 5.10 ( / )Ns mm -= 2m =0,904.10 -3 (Ns/m2) Thay vào công thức[I-84]: 1 1 2 2lg . lg . lgx xm m m= + 3 3lg 0,1369. lg 0, 5.10 (1 0,1369). lg 0, 904.10m - -= + - m=0,833.10-3(Ns/m2) Do đó: 3 941, 51.0,15.0,1322Re 22413,13 10000 0, 833.10- = = > Vậy lưu thể cháy xoáy. Hệ số trở lực ma sát l : [I-380] 0,9 1 2 1 6, 812 lg Re 3, 7l é ùæ ö D÷ê úç= - +÷ç ÷ê úè øë û Trong đó : D :độ nhám tương đối, tdd eD = e : độ nhám tuyệt đối Tra bảng [I-381] ta được 30,1( ) 0,1.10 ( )mm me -= = Do đó: 3 30,1.10 0, 667.10 ( ) 0,15 m - -D = = Thay vào 0,9 3 1 2 1 6, 81 0, 667.102 lg 22413,13 3, 7l -é ùæ ö÷ê úç= - +÷çê ÷ úçè øê úë û Suy ra 0, 0266l = 47 Do đó: 2 27,99 0,13220, 0266. .941, 51. 11, 67( / ) 0,15 2m P N mD = = c/ Áp suất để khắc phục trở lực cuc bộ: [I-377] 2w. . 2c P x rD = x : hệ số trở lực cục bộ của toàn bộ đường ống + Đột thu từ thùng cao vị tới ống dẫn, chọn đường kính thùng cao vị là: 5 m f1,f2: tiết diện mặt cắt ngang của thùng cao vị và đường ống. Ta có: 2 42 1 0,15 9.10 5 f f -æ ö÷ç= =÷ç ÷è ø Tra bảng [I-388] ta được: 1 0, 5x = + Ta chọn từ thùng cao vị đến thiết bị truyền nhiệt có 3 trục khuỷu 900,tra [I-394] ta được: 2 3.1,1 3, 3x = = + Một van tiêu chuẩn d=0,15m ,tra bảng [I-397] 3 4, 4x = + Đột mở từ ống dẫn vào thiết bị gia nhiệt:[I-387] 2 1 2 0,15 0, 039 0, 76 f f æ ö÷ç= =÷ç ÷çè ø Tra [I-388] ta được: 4 1x = Vậy 2 20,1322(0, 5 3, 3 4, 4 1).941, 51. 76, 51( / ) 2c P N mD = + + + = Do đó: 28, 239 11, 67 76, 51 96, 419( / )P N mD = + + = Tương ứng với chiều cao 1 96, 419 0, 01( ) . 941, 51.9, 81 PH m gr D= = = 2.1.2 Trở lực trong ống dẫn chất lỏng từ thiết bị đun sôi vào đĩa tiếp liệu: a/ Áp suất động học: 2w. 2d P rD = 3926, 737( / )xtb kg mr = w=0,13(m/s) Do đó 2 20,13926, 737. 7, 838( / ) 2d P N mD = = b/ Áp suất khắc phục trở lực ma sát: 2w. . . 2m td LP d l rD = Chọn L = 4m dtd = 0,15m Chuẩn số: . .wRe dr m = 48 m: độ nhớt của dung dịch ở tF = 85,50C Tra bảng [I-92] tại tF = 85,50C ta có: 3 21 0, 23.10 ( / )Ns mm -= 2m =0,3369.10 -3 (Ns/m2) Thay vào công thức[I-84]: 1 1 2 2lg . lg . lgx xm m m= + 3 3lg 0,1369. lg 0,23.10 (1 0,1369). lg 0, 3369.10m - -= + - m=0,319.10-3(Ns/m2) Do đó: 3 926, 737.0,15.0,13Re 56650, 06 10000 0, 319.10- = = > Vậy lưu thể cháy xoáy. Hệ số trở lực ma sát l : [I-380] 0,9 1 2 1 6, 812 lg Re 3, 7l é ùæ ö D÷ê úç= - +÷ç ÷ê úè øë û Trong đó : D :độ nhám tương đối, tdd eD = e : độ nhám tuyệt đối Tra bảng [I-381] ta được 30,1( ) 0,1.10 ( )mm me -= = Do đó: 3 30,1.10 0, 667.10 ( ) 0,15 m - -D = = Thay vào 0,9 3 1 2 1 6, 81 0, 667.102 lg 56650, 06 3, 7l -é ùæ ö÷ê úç= - +÷çê ÷ úçè øê úë û Suy ra 0, 0226l = Do đó: 2 24 0,130, 0226. .926, 737. 4, 731( / ) 0,15 2m P N mD = = c/ Áp suất để khắc phục trở lực cuc bộ: [I-377] 2w. . 2c P x rD = x : hệ số trở lực cục bộ của toàn bộ đường ống + Đột mở từ ống dẫn vào đĩa tiếp liệu của tháp: 2 1 2 0,15 0f f æ ö÷ç= =÷ç ÷è ø¥ Tra bảng [I-388] ta được: 1 1x = + Ta chọn 1 trục khuỷu 900,tra [I-394] ta được 2 1,1x = + Một van tiêu chuẩn d=0,15m ,tra bảng [I-397] 3 4, 4x = + Đột mở từ ống dẫn vào thiết bị gia nhiệt: 49 2 2 1 0,15 0, 038 0, 76 f f æ ö÷ç= =÷ç ÷çè ø Tra [I-388] ta được: 4 1x = Vậy : 2 20,13(1 1,1 4, 4 1).926, 737. 58, 731( / ) 2c P N mD = + + + = Do đó: 27, 838 4, 737 58, 731 71, 306( / )P N mD = + + = Tương ứng với chiều cao 2 71, 306 0, 0078( ) . 926, 737.9, 81 PH m gr D= = = 2.1.3 Xác định trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: Thiết bị có 7 ngăn, 127 ống. Mỗi ngăn có 18 ống. xtbr :khối lượng riêng của chất lỏng 1 2 dd 1 2 1 a a r r r = + Tại ttb = 60,60C tra bảng và nội suy từ [I-9] được Do đó: dd 1 0, 22 0, 78 755,4 982,669r = + 3dd 921, 66( / )kg mr = - Tốc độ dung dịch trong ống là: 2 2,2w = 0,137( ) 0,785.921,66.0,035 .18 m Chuẩn số: . .wRe dr m = m: độ nhớt của dung dịch ở ttb = 60,60C Tra bảng [I-92] tại 60,60C ta có: 3 21 0, 3.10 ( / )Ns mm -= 2m =0,465.10 -3 (Ns/m2) Thay vào công thức[I-84]: 1 1 2 2lg . lg . lgx xm m m= + 3 3lg 0,1369. lg 0, 3.10 (1 0,1369). lg 0, 465.10m - -= + - m=0,437.10-3(Ns/m2) 3 0,137.0,035.921,66Re 10112,95 0, 437.10   > 4000 Do đó tính  theo công thức [I-378]: 2 1 (1,8.lg Re 1,64)    2 1 0,032 (1,8lg10112,95 1,64)     - Áp suất khắc phục trở lực ma sát: 2w. . . 2m td LP d l rD = 2(6.1, 5) 0,1550, 032. .921, 66. 85, 03 0, 0375 2m PD = = 50 - Áp suất để khắc phục trở lực cuc bộ: [I-377] 2w. . 2c P x rD = + Tiết diện ở cửa vào: 2 2 2 1 . .0,15 0,0177( ) 4 4 df m    + Tiết diện ở khoảng trống ở 2 đầu ống đối với 1 ngăn: 2 2 2 2 . .0,76 0,0756( ) 4. 4.6 df m m      + Tiết diện của 18 ống trong 1 ngăn: 2 2 3 .0,035 .18 0,0173( ) 4 f m  + Đột mở từ ống dẫn vào thiết bị gia nhiệt: 1 1x = + Khi dòng chất lỏng này chảy từ khoang trống vào ngăn thứ nhất: (đột thu) 3 2 0,0152 0, 201 0,0756 f f   2 0, 45x = + Khi dòng chảy ngăn thứ nhất ra khoảng trống ( đột mở): 3 2 0,0152 0, 201 0,0756 f f   2 0, 64x = + Khi chất lỏng chảy vào ngăn 2,3,4,5,6 4 4 4 4 4(2) (3) (4) (5) (6) 0, 45x x x x x= = = = = + Khi chất lỏng chảy từ các ngăn 2,3,4,5,6 ra: 5 5 5 5 5(2) (3) (4) (5) (6) 0, 64x x x x x= = = = = + Khi chất lỏng ra khỏi thiết bị vào ống dẫn: (đột mở) 2 1 2 0, 75 0, 036 0,15 f f æ ö÷ç= =÷ç ÷çè ø 6 0,491x = + Tốc độ dung dịch tại cửa vào và cửa ra: 2 2,2w = 0,135( / ) 0,785.0,15 .921,66 m s + Hệ số trở lực của cửa ra vào: 7x = 0,9.2=1,8 + Tổng trở lực cửa vào và ra: 1,8.ac dP P   Với: 2 2 2w 0,135. 921, 66. 8, 398( / ) 2 2d P N mrD = = = 1,8.8,398 15,118acP   + Trở lực của đường ống do chia ngăn: 8 4 57( ) 7(0, 45 0, 64) 7, 63x x x= + = + = + Tổn thất áp suất: 2 20,157,63.921,66. 79,12( / ) 2b P N m   51 Khi đi từ vách ngăn này sang vách ngăn khác chất lỏng đồi chiều 1800, 6 lần qua 7 ngăn. 9 6.0, 5 3x = = 2 2 180 0,153.921,66. 31,11( / ) 2 P N m   Vậy tổn thất trên toàn thiết bị: 180ac b m dP P P P P PD = D + D + D + D + D 15,118 79,12 31,11 85, 03 8, 398 218, 776= + + + + = (N/m2) Tương ứng với chiều cao 3 218,776 0,024 921,66.9,81 H   (m) Vậy tổng chiều cao H tương ứng là: Htt = 0,01 + 0,0078 + 0,024 = 0,041 (m) Tính chiều cao thùng cao vị: Chọn mặt cắt 1-1 là vị trí mặt thoáng của thùng cao vị và mặt cắt 2- 2 là vị trí của đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện như hình vẽ trên. Theo định luật Becnuli: . Ta có: 2 2 1 2 1 2 w w . 2.g . 2.g a a t tt P Pz z H g g        z: chiều cao bề mặt chất lỏng so với đĩa tiếp liệu w1: vận tốc chất lỏng đi trong thùng cao vị, w1 = 0 m/s w2: vận tốc chất lỏng đi trong đoạn luyện (m/s) 52 zt :thế năng của đĩa tiếp liệu zt = 0 ( m ) Htt : thế năng riêng tổn thất do thiết bị gia nhiệt (m) Pa : áp suất khí quyển (N/m2) 21,2391800 918000 0,041 941,51.9,81 821,33.9,81 2.9,81 1,57( ) z z m        Vậy chiều cao của thùng cao vị: Hcv = z + h + Hc = 1,57+1+ 4,35 = 6,92 (m) 2.2 Xác định trở lực đường ống từ thùng chứa dung dịch đầu tới thùng cao vị: Áp suất tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên đường ống hút và đẩy được xác định: .m Ph g   (m) Theo công thức [I-376] ta được: d m cP P P PD = D + D + D (N/m 2) Tính dPD : 2 2w 2941, 51. 1883, 02 2 2d P rD = = = (N/m2) Chọn vận tốc lưu thể: w = 2 m/s Tính mPD : 2w. . 2m td LP d l rD = Với L = 6,92 (m) 43 . .w 941, 51.0, 02.2Re 45210, 564 10 0, 833.10 dr m - = = = > Vậy lưu thể chảy xoáy. 0,9 3 1 2 1 6, 81 0, 667.102 lg 45210, 564 3, 7l -é ùæ ö÷ê úç= - +÷çê ÷ úçè øê úë û 0, 0234l = Do đó 26, 92 20, 0234 .941, 51. 15245, 68 0, 02 2m PD = = (N/m2) Tính cPD : 2w. . 2c P x rD = (N/m2) 1 2 3 4x x x x x= + + + 1x : hệ số trở lực của khúc cua 90 o, 1 1,1x = 2x : hê số trở lực của van 1 chiều , 2 7, 3x = 3x : hệ số trở lực của chất lỏng từ thùng chứa vào ống 4x : hệ số trở lực của chất lỏng từ ống vào thùng cao vị. 3 4 1x x= = Do đó: 1,1 7, 3 1 1 10, 4x = + + + = Vậy: 2 2w 2. . 10, 4.941, 51. 19583, 408 2 2c P x rD = = = (N/m2) 53 Do đó: 1883, 02 19583, 41 21654, 73 43121,16d m cP P P PD = D + D + D = + + = (N/m 2) Vậy áp xuất tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên đường ống hút và đẩy là: 43121,16 4,67( ) . 941,51.9,81m Ph m g     2.3 Áp suất toàn phần do bơm tạo ra: H = Hcv+hm = 6,92+ 4,67 = 11,59 (m) Do dung dịch ta chưng là hỗn hợp rượu Metylic- Nước, là hỗn hợp không gây cháy nổ nên ta chọn bơm ly tâm. Công suất yêu cầu của bơm:[I-439] . . . . . 1000. 102.b Q g H F g HN      ( kW ) Trong đó: Q: năng suất của bơm (m3/s) 0. .r ck    0 : hiệu suất thể tích r :hiệu suất thủy lực ck :hiệu suất cơ khí 0,080.0,95.0,95 0,72   Do đó 2, 2.9,81.11,59 3, 4 102.0,72b N   (kW) Chọn bơm có công suất 4 kW Công suất của môtơ:[I-439] oto . b m tr dc NN    (kW) tr :hiệu suất truyền động, chọn 1tr  dc : hiệu suất động cơ, 0,85dc  oto 4 4,7 1.0,85m N   (kW) Thường ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công thức tính toán. Dựa vào [I-440] ta chọn hệ số hiệu chỉnh 1, 2  Do đó ta chọn động cơ có công suất: oto.cdc mN N = 1,2.4,7 = 5,64( kW) 54 KẾT LUẬN Sau một thời gian hướng dẫn nhiệt tình của cô Lê Ngọc Thụy cùng với các thầy cô trong bộ môn hóa dầu đã giúp em hoàn thành được đồ án môn quá trình thiết bị này. Và qua đồ án này em xin có một số kết luận như sau: Đồ án đã giúp cho em biết rõ trình tự tính toán của một thiết bị chưng luyện liên tục, và hình dung cấu tạo của thiết bị và cách hoạt động của thiết bị một các rõ ràng và chi tiết hơn, đồng thời giúp em thêm kĩ năng tính toán, tra bảng và tra đồ thị một cách có hiệu quả và chính xác. Đồ án của em thiết kế lần này là tháp chưng luyện liên tục hỗn hợp rượu Metylic-Nước với năng suất thiết bị 2,2 kg/s. Tháp chưng luyện có độ cao 7,99 m trong đó có 10 đĩa chưng và 8 đĩa luyện. Sản phẩm đỉnh thu được có nồng độ 96% khối lượng. Metylic với nồng độ như thế này có thể đáp ứng cho việc dùng để làm dung môi, để tổng hợp thuốc nhuộm, formaldehit, hương liệu, dùng làm dung môi pha sơn. Nhưng cần chú ý rằng rượu Metylic lại là một chất rất độc hại đối với sức khỏe con người do đó khi dùng metylic để làm nguyên liệu thì cần phải chú ý đến việc bảo vệ môi trường. Một lần nửa em xin chân thành ơn các quý thầy cô! 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Các tác giả. Sổ tay quá trình thiết bị tập I. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2004 2. Các tác giả. Sổ tay quá trình thiết bị tập II. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2006 3. Nguyễn Bin. Tính toán quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập I. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2000 4. Nguyễn Bin. Tính toán quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập II. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2000 5. Nguyễn Bin. Tính toán quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập III. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2000 6. Nguyễn Bin. Tính toán quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập IV. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2000 7. Hồ Lê Viên. Tính toán các chi tiết trong công nghệ hóa chất và thực phẩm. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội. 8. Nguyễn Thị Minh Hiền. Công nghệ chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2005