Đồ án Thiết kế tháp chưng cất hệ benzen - toluen hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu là 2500 kg/h

ng chênh lệch nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 0,85 (m). Khi đó tốc độ làm việc thực ở : + Phần cất : wlv = (m/s). + Phần chưng :w’lv = (m/s). Chiều cao tháp chưng cất (m) Trong đó: Nt : số đĩa thực tế d : bề dày của đĩa (m) m = 0,8 ¸ 1 (m) khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị Hđ : khoảng cách giữa các đĩa Chọn m = 0,8 (m) H = 20.(0,3 + 0,0018) + 0,8 = 6,836 (m) Hđáy = Hnắp = ht + hgờ = 0,15 + 0,05 = 0,2 (m) Chiều cao tháp là: H = 6,835 + 0,2. 0,2 = 7,235 (m) (xem phần đáy nắp) Mâm lỗ – trở lực của mâm Cấu tạo mâm lỗ Chọn : + Đường kính lỗ : dl = 3 (mm). + Tổng diện tích lỗ bằng 8% diện tích mâm. + Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo tam giác đều ). + Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 . + Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm . Số lỗ trên 1 mâm : N = == 6422 lỗ. Vậy: ta bố trí các lỗ trên 1 hàng là 47 lỗ, số lỗ trên đường chéo là 93 lỗ. Độ giảm áp của pha khí qua một mâm Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng ) là tổng các độ giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng: htl = hk + hl + hR (mm chất lỏng) Với : + hk :độ giảm áp qua mâm khô (mm chất lỏng). + hl : độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm chất lỏng). +hR : độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm chất lỏng). Trong tháp mâm xuyên lỗ, gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm D là không đáng kể nên có thể bỏ qua . Độ giảm áp qua mâm khô Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất do dòng chảy đột thu , đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ. (mm chất lỏng) Với : + uo :vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s). + rG : khối lượng riêng của pha hơi (kg/m3). + rL : khối lượng riêng của pha lỏng (kg/m3). + Co : hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ. Ta có : =0,08 và =0,6 [1] trang 111 Co = 0,735 Đối với mâm ở phần cất : + Vận tốc pha hơi qua lỗ : uo == 5,788 (m/s). + Khối lượng riêng của pha hơi : rG = rytb = 2,76 (kg/m3). + Khối lượng riêng của pha lỏng : rL = rxtb = 800,48 (kg/m3). Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất : =10,9 (mm chất lỏng) Đối với mâm ở phần chưng : + Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’o == 5,825 (m/s). + Khối lượng riêng của pha hơi : r’G = r’ytb = 2,86 (kg/m3). + Khối lượng riêng của pha lỏng : r’L = r’xtb = 783,81 (kg/m3). Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng : = 11,69 (mm chất lỏng). Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất lỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw , chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm b : hl = b.( hw + how ) , (mm.chất lỏng) Chọn : + Hệ số hiệu chỉnh : b = 0,6 + Chiều cao gờ chảy tràn : hw = 50 (mm) Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng : , (mm chất lỏng) Với : + qL : lưu lượng của chất lỏng (m3/ph). + Lw :chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m). Xác định Lw : Tính chiều dài gờ chảy tràn: Lgờ a R Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm, nên ta có phương trình sau : Với no là góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn Lw . Dùng phương pháp lặp ta được : no = 93o12’22” Suy ra: Lw = Dt . sin(no/2) = 0,618 (m). Xác định qL : * Phần cất : = 0,0428 (m3/ph). Suy ra : = 7,32 (mm). Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là: hl = 0,6.(50 + 7,32) = 34,392 (mm chất lỏng). * Phần chưng : = 0,1 (m3/ph). Suy ra : = 12,89 (mm). Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng : h’l = 0,6.(50 + 12,89) = 37,734 (mm chất lỏng). Độ giảm áp do sức căng bề mặt Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác định theo biểu thức : , (mm.chất lỏng) Với : + s : sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm). + rL : khối lượng riêng của pha lỏng (kg/m3). Phần cất : * Khối lượng riêng của pha lỏng : rL = rxtb = 800,48 (kg/m3). * ttb = 90,825oC, [4 (tập 1)], ta có : + Sức căng bề mặt của benzen : sB = 19,95 (dyn/cm). + Sức căng bề mặt của toluen : sT = 20,36 (dyn/cm). Suy ra: Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần cất : = 10,07 (dyn/cm). Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là : = 2,623 (mm chất lỏng). Phần chưng : * Khối lượng riêng của pha lỏng : r’L = r’xtb = 783,81 (kg/m3). * t’tb = 104,35oC ,tra tài liệu tham khảo [4], ta có : + Sức căng bề mặt của benzen : s’B = 18,278 (dyn/cm). + Sức căng bề mặt của toluen : s’T = 18,94 (dyn/cm). Suy ra sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng: = 9,3 (dyn/cm). Vậy : Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần chưng là: = 2,474 (mmchất lỏng). Tóm lại: Độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở: + Phần cất: htl = 10,94 + 34,932 + 2,623 = 47,955 (mm chất lỏng). hay htl = 376,58 (N/m2). + Phần chưng: h’tl = 11,69 + 37,734 + 2,474 = 51,898 (mm chất lỏng). hay h’tl = 399,05 (N/m2). Suy ra: Tổng trở lực của toàn tháp hay độ giảm áp tổng cộng của toàn tháp (xem độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở phần chưng ) åhtl = 11. htl + 8. h’tl = 11 . 376,58 + 8. 399,05 = 7334,78 (N/m2) Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động : Chọn khoảng cách giữa hai mâm là hmâm = 300 (mm). Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức : hd = hw + how + htl + hd’ , (mm chất lỏng) Với : hd’ là tổn thất thuỷ lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được xác định theo biểu thức sau : , (mm chất lỏng) trong đó : + QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h). + Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đó : Sd = 0,8 . Smâm = 0,8 . p. 0,4252 = 0,454 (m2) Phần cất : QL = 60.qL = 60 . 0,0428 = 2,568 (m3/h). Suy ra : = 4,095.10-4 (mm chất lỏng). Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần cất : hd =50 + 7,32 + 47,955 + 4,095.10-4 =105,275 (mm chất lỏng). Kiểm tra : hd = 105,275 < (mm) đảm bảo khi hoạt động các mâm ở phần cất sẽ không bị ngập lụt. Phần chưng : Q’L = 60.q’L = 60 . 0,1= 6 (m3/h). Suy ra : = 2,236.10-3 (mm chất lỏng). Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần chưng : h’d =50 + 12,89 + 51,898 + 2,236.10-3 = 114,79 (mm chất lỏng). Kiểm tra: h’d = 114,79 < (mm): đảm bảo khi hoạt động các mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt. Vậy khi hoạt động đảm bảo tháp sẽ không bị ngập lụt. Chiều cao của thân tháp: Hthân = Ntt .(hmâm+ dmâm ) + 0,8 =20.(0,3 + 0,0018) + 0,8 = 6,835 (m) Chiều cao của đáy và nắp: Hđ = Hn =ht +hgờ =0,15 + 0,05 = 0,2 (m). (Xem ở phần : Đáy và Nắp thiết bị ). Chiều cao của tháp : H = Hthân + Hđ + Hn = 7,235 (m) Kích thước ống chảy chuyền: - Chọn số ống chảy chuyền: z = 1 ống - Đường kính ống chảy chuyền Tốc độ chất lỏng chảy trong ống chảy chuyền: chọn wc = 0,1 m/s Lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp: Gx (kg/h). Khối lượng riêng trung bình của lỏng:(kg/m3) - Lượng lỏng trung bình trong tháp: Lượng lỏng trung bình trong phần luyện: Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất đoạn cất: G1 = 2195,98 (kg/h) Lượng lỏng hoàn lưu: Gh = Rth.D = 4,11.500 = 2055 (kg/h) => (kg/h) Lượng lỏng trung bình trong phần chưng: Lượng sản phẩm đáy: W = 2000 kg/h Lượng lỏng mâm nhập liệu: G2 = G1’ + F = 2500 + 4752,4 = 72525,4 kg/h => (kg/h) => (kg/h) Đường kính ống chảy chuyền Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền h3 = 0,25.dc = 0,25.122 = 30 mm Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa hc = hw – h1’ = 50 - 37 = 13 mm Tính toán cơ khí của tháp 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 tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích. Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của Benzen 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 : Ptt =Pcl + åhtl + 9,81.10-2 , (N/mm2) Với : Pcl : áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm2). Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn an toàn nên : Pcl = rx .g.H =.g.H =. 9,81 . 7,235 =56222,77 (N/m2). Suy ra Ptt = 56222,77 + 3719,92 + 9,81.104 = 158042,68 (N/m2) ~0,158043 (N/mm2). Nhiệt độ tính toán : Chọn nhiệt độ tính toán : ttt = tđáy = 108,3oC . Tra tài liệu tham khảo [6], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T : [s]* = 142 (N/mm2). Đối với rượu hệ số hiệu chỉnh : h = 1 Vậy : ứng suất cho phép : [s] = h.[s]* = 142 (N/mm2). Xác định bề dày thân chịu áp suất trong Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằng tay nên hệ số bền mối hàn : jh = 0,9 Xét tỷ số : =808,6427 > 25,do đó, bề dày tính toán của thân được tính theo công thức sau : = 0,5256 (mm). Suy ra : bề dày thực của thân : St = S’t + C ,(mm). Trong đó : C :hệ số bổ sung bề dày, C = Ca + Cb + Cc + Co Với : + 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 Benzen 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 =0,4746 (mm). Suy ra : C = 2 + 0 + 0 + 0,4746 = 2,4746 (mm). Vậy : St = 0,5256 + 2,4746 = 3 (mm). * Kiểm tra công thức tính toán với St = 3 (mm) : = 0,00176 < 0,1 : đúng. * Kiểm tra áp suất tính toán cho phép : =0,300 > Ptt : đúng. Vậy : Bề dày thực của thân là St = 3 (mm). Đáy và nắp thiết bị Chọn đáy và nắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T. Nhận thấy: công thức tính toán bề dày thân, đáy và nắp chịu áp suất trong là như nhau. Nên chọn bề dày của đáy và nắp là Sđ = Sn = 3 (mm). Các kích thước của đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ(tài liệu tham khảo [4(tập 2)]: + Đường kính trong: Dt = 850 (mm). + ht =212,5 (mm). + Chiều cao gờ: hgờ = h = 50 (mm). +Diện tích bề mặt trong: Sđáy = 0,92 (m2). 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. Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích là bích liền không cổ. Theo tài liệu tham khảo [5]- trang 417, ứng với Dt =850(mm) và áp suất tính toán Ptt = 0,158043 (N/mm2) ta chọn bích có các thông số sau : Bảng 3.1 Kích thước của bích ghép thân, đáy nắp Dt D Db D1 h Bu lông db Z (mm) (cái) 850 980 930 900 20,58 20 24 Theo tài liệu tham khảo [5]- trang 170, chọn số mâm giữa hai mặt bích là 1 mâm.Vậy số bích ghép thân – đáy - nắp là 40 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 dây amiăng, có bề dày là 3(mm). Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn : Bích được làm bằng thép CT3 , cấu tạo của bích là bích liền không cổ. Vị trí nhập liệu : Suất lượng nhập liệu: GF = 2500 (kg/h). Khối lượng riêng của chất lỏng nhập liệu, tra tài liệu tham khảo [4] ở tF = 100,4oC và : rF = 789,1 (kg/m3). Lưu lượng chất lỏng nhập liệu đi vào tháp: = 3,168 (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 = (m). Suy ra: chọn đường kính ống nhập liệu: dF = 0,080 (m). Tài liệu tham khảo [5], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lF = 110 (mm). Bảng 3.2 Các thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu Dt Db Dn D D1 h Bu lông db Z (mm) (cái) 80 150 89 185 128 14 16 4 Ống hơi ở đỉnh tháp: Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: gd = 2555 (kg/h). Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức (xác định ở tD = 81,25oC và yD = 0,986: = 2,693 (kg/m3). Lưu lượng hơi ra khỏi tháp: = 948,71 (m3/h). Chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp: vh = 25 (m/s). Đường kính ống dẫn hơi: dh = (m). Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 0,125 (m). Tài liệu tham khảo [5], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lh = 120 (mm). Bảng 3.3. Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp: Dt Db Dn D D1 h Bu lông db Z (mm) (cái) 125 200 133 235 178 14 16 1 Ống hoàn lưu: Suất lượng hoàn lưu: Ghl =D.R=500 . 4,11 = 2055 (kg/h). Khối lượng riêng của chất lỏng hoàn lưu, tra tài liệu tham khảo [4] ở tD = 81,25oC và : rhl = 813,21 (kg/m3). Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu: = 2,527 (m3/h). Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu (tự chảy từ bộ phận tách lỏng ngưng tụ vào tháp): vhl = 0,15 (m/s). Đường kính ống hoàn lưu: dhl = (m). Suy ra: chọn đường kính ống hoàn lưu: dhl = 0,08 (m). Tài liệu tham khảo [5], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhl = 110 (mm). Bảng 3.4. Các thông số của bích ghép ống dẫn hoàn lưu: Dt Db Dn D D1 h Bu lông db Z (mm) (cái) 80 150 89 185 128 14 16 4 Ống dẫn hơi vào đáy tháp: Suất lượng hơi vào đáy tháp: g’1 = 2752,4 (Kg/h). Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp được tính theo công thức (xác định ở tW = 108,3oC và yW = 0,118: = 0,2,918 (Kg/m3). Lưu lượng hơi ra khỏi tháp: = 943,18 (m3/h). Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp: vhd = 25 (m/s). Đường kính ống dẫn hơi: dhd = (m). Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dhd = 0,125 (m). Tài liệu tham khảo [5], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhd = 120 (mm). Bảng 3.5. Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp: Dt Db Dn D D1 h Bu lông db Z (mm) (cái) 125 200 133 235 178 14 16 1 Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp: Suất lượng chất lỏng vào nồi đun: G’1 = 4752,4 (kg/h). Khối lượng riêng của chất lỏng chất lỏng vào nồi đun, tra tài liệu tham khảo [4(tập 1)] ở tW = 108,3oC và x’1=0,089: rL = 779,24 (kg/m3). Lưu lượng chất lỏng vào nồi đun: = 6,098 (m3/h). Chọn vận tốc chất lỏng vào nồi đun (chất lỏng tự chảy vào nồi đun): vL = 0,2 (m/s). Đường kính ống dẫn chất lỏng: dL== 0,1(m). Suy ra chọn đường kính ống dẫn: dL = 0,10 (m). Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lL = 120 (mm). Bảng 3.6. Các thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp: Dt Db Dn D D1 h Bu lông db Z (mm) (cái) 100 170 108 205 148 14 16 4 Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy): Suất lượng sản phẩm đáy: GW = 2000 (kg/h). Khối lượng riêng của sản phẩm đáy, tra tài liệu tham khảo [4] ở tW= 108,3oC và xW=0,005: rW = 778,89 (kg/m3). Lưu lượng sản phẩm đáy: = 2,568 (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==0,087 (m). Suy ra: chọn đường kính ống dẫn: dW = 0,090 (m). Tài liệu tham khảo [5], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lW = 110 (mm). Bảng 3.7. Các thông số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy Dt Db Dn D D1 h Bu lông db Z (mm) (cái) 90 110 57 140 90 12 12 4 Tai treo và chân đỡ: Tính trọng lượng của toàn tháp: Khối lượng của một bích ghép thân: (thép X18H10T: rX18H10T = 7900 (kg/m3)). m1 = = 38,06 (kg). Khối lượng của một mâm: (thép X18H10T: rX18H10T = 7900 (kg/m3)). m2 = = .0,852.0,0018.0,7.7900 =5,646(kg). Khối lượng của thân tháp: m3 = .(D2ng –D2t).Hthân . rX18H10T = = 459,500 (kg). Khối lượng của đáy (nắp) tháp: m4 = Sđáy .dđáy . rX18H10T = 0,92 . 0,003 . 7900 = 21,804 (kg). Khối lượng của toàn tháp: m = 40.m1+20.m2+m3+2.m4=2138,428 (kg). Suy ra trọng lượng của toàn tháp: P = m.g = 20977,98 (N). Chân đỡ tháp: Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân. Tải trọng cho phép trên một chân: Gc = = 0,5244.104 (N). Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gc = 0,6.104 (N). Bảng 3.7. Các kích thước của chân đỡ: (tính bằng mm) L B B1 B2 H h s l d 160 110 135 195 240 145 10 55 23 Tai treo: Chọn tai treo: tai treo được gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động trong điều kiện ngoại cảnh. Ta chọn bốn tai treo, tải trọng cho phép trên một tai treo là Gt = 0,5244.104 (N). Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gt = 0,6.104 (N). Chọn tấm lót tai treo khi ghép vào thân có kích thước sau: + Chiều dài tấm lót: H = 260 (mm). + Chiều rộng tấm lót: B = 140 (mm). +Bề dày tấm lót là 6 (mm). Bảng 3.8. Các kích thước của tai treo: (tính bằng mm) L B B1 H S l a d 100 75 85 155 6 40 15 18 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ Cân bằng năng lượng cho hệ thống Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất: QF + Qđ = QW + QD + Qnt + Qm (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. Qnt = D.(R+1).MD . rD , (kJ/h). Xác định rD (ẩn nhiệt hoá hơi của sản phẩm đỉnh): Tra tài liệu tham khảo [4], ở tD = 81,25oC ta có: Ẩn nhiệt hoá hơi của benzen: rB = 392,64 (kJ/kg). Ẩn nhiệt hoá hơi của toluen: rT = 377,86 (kJ/kg). Suy ra: rD = rB .+(1-).rT = 392,64.0,94 + (1-0,94).377,86 = 391,75 (kJ/kg). Vậy: Qnt = 6,35 .(4,11 + 1) .78,7 . 391,75 = 1000410,78 (kJ/h). QF : nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang vào tháp QF = GF .HF =GF .cF .(tF –to ) ,(kJ/h) Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 30oC. Ở oC , tra tài liệu tham khảo [4], ta có Nhiệt dung riêng của benzen: cB = 1957,3 (J/kg.độ). Nhiệt dung riêng của toluen: cT = 1920,8 (J/kg.độ) Suy ra: cF = .cB +(1-).cT = 0,22 . 1957,3 + (1- 0,22) . 1920,8 = 1928,83 (J/kg.độ). Vậy: QF = 2500 . 1928,83 . (100,4 - 30) = 339474,08 (kJ/h). QW : nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra từ nồi đun. QW = GW .HW =W .MW.cW .(tW –to ) ,(kJ/h). Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 30oC. Ở oC , tra tài liệu tham khảo [4], ta có Nhiệt dung riêng của benzen: cB = 1978,04 (J/kg.độ). Nhiệt dung riêng của toluen: cT = 1936,6 (J/kg.độ) Suy ra: cF = .cB +(1-).cT = 1938,26 (J/kg.độ) Vậy: QW = 2000 . 1938,26 .(108,3 - 30) = 303531,5(kJ/h). QD : nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra từ bộ phận tách hoàn lưu. QD = GD .HD =D.MD .cD .(tD –to ) ,(kJ/h). Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 30oC. Ở oC , tra tài liệu tham khảo [4], ta có: Nhiệt dung riêng của benzen: cB = 1907,03 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của toluen: cT = 1878,125 (J/kg.độ) Suy ra: cD = .cB +(1-).cT =0,94 . 1907,03 + (1-0,94). 1878,125 = 1905,55 (J/kg.độ). Vậy: Từ (IV.1), ta được: QD = 500 . 1905,55 .(81,25 - 30) = 48829,72 (kJ/h). Qm : nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh. Chọn: Qm = 0,05.Qđ Vậy: nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp: Qđ = .(QW + QD + Qnt – QF ) =(303531,5 + 48829,72 + 1000410,78 – 339474,08) = 779050,44 (kJ/h) = 216,4 (kW). Tính toán thiết bị phụ: Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ống loại TH đặt nằm ngang. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 25x2, chiều dài ống 1,5 (m) Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ đầu: t1 = 30oC, nhiệt độ cuối: t2= 40oC. Các tính chất lý học của nước làm lạnh được tra ở tài liệu tham khảo [4] ứng với nhiệt độ trung bình ttbN = = 35oC + Nhiệt dung riêng: cN = 4,176 (kJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: rN = 994,06 (kg/m3) + Độ nhớt động lực: mN = 0,7225.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: lN = 0,6257 (W/m.K) a . Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh GN == 6,65 (kg/s) b . Xác định bề mặt truyền nhiệt : Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt: Ftb = ,(m2) (IV.2) Với: + K : hệ số truyền nhiệt + Dtlog : nhiệt độ trung bình logarit Xác định Dtlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: (K) Xác định hệ số truyền nhiệt K: Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức: ,(W/m2.K) (IV.3) Với: + aN : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2.K) + aR : hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m2.K) + årt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu * Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: Chọn vận tốc nước đi trong ống: vN = 0,75 (m/s). Số ống trong một đường nước: (ống) Tra bảng V.II trang 48 tập 2, chọn n = 37 ống Vận tốc thực tế đi trong ống (m/s) Chuẩn số Reynolds : > 104 : chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Trong đó: + el: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống: ReN = 15024,4 và, nên el =1. + PrN : chuẩn số Prandlt của nước ở 35oC, nên PrN = 5. + Prw : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách. Suy ra: Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: aN = Nhiệt tải phía nước làm lạnh: (W/m2) (IV.4). Với tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống). * Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: , (W/m2). Trong đó: + tw1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống). + Bề dày thành ống: dt = 2 (mm). Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: lt = 16,3 (W/m.K) Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.K/W) Nhiệt trở lớp cáu ngoài ống: r2 = 1/5800 (m2.K/W) Suy ra: årt = 4,95.10-4 (m2.K/W). Vậy: qt = 4,95.10-4.(tw1 - tw2) (IV.5) * Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ: Đặt: A= với [rR] = [J/kg] Tra hình V.20, trang 30 [5], hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống và số ống trên mỗi dãy thẳng đứng là: (vì xếp xen kẽ và số ống trong mỗi dãy thẳng đứng là 7 ống). Ẩn nhiệt ngưng tụ: rR = rD = 391,75 (kJ/kg) Nhiệt tải ngoài thành ống: qR = aR.(81,25-tw1) = A.(81,25-tw1)0,75 (IV.6). Từ (IV.4), (IV.5), (IV.6) ta dùng phương pháp lặp để xác định tw1, tw2 : Chọn: tw1 = 50,7oC Các tính chất lý học của rượu ngưng tụ được tra ở tài liệu tham khảo [4] ứng với nhiệt độ trung bình ttbD = oC: + Khối lượng riêng: rR = 829,26 (kg/m3). + Độ nhớt động lực: mR = 0,368.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: lR = 0,116 (W/m.K). Khi đó: Từ (IV.6): qR = 601,259.(81,25-50,7) = 18368,472 (W/m2). Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qR =18368,472 (W/m2). Từ (IV.5), ta có: tw2 = tw1- = 41,608oC Suy ra: ttbw = =oC Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], Prw = 4 Từ (IV.4): qN = (W/m2). Kiểm tra sai số: e = =4,18% < 5% : thoả. Vậy: tw1 = 50,7oC và tw2 = 41,608oC. Khi đó: (W/m2.oC). (W/m2.oC). Từ (IV.3): (W/m2.oC). Từ (IV.2), bề mặt truyền nhiệt trung bình: = 15,43 (m2). Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt : (m). Chọn L’= 6 (m) Số ống trên đường chéo: b = 7 (ống) Tra bảng trang 21, [3] Þ Bước ống: t = 32 (mm) = 0,032 (m) Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [6]: Þ Đường kính trong của thiết bị: D = t.(b-1) + 4dng = 0,3 (m) Vậy : Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt vỏ – ống gồm n = 37 (ống), dài L= 6 (m). 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 Chọn: + Nước làm lạnh đi trong ống 38x3 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t1 = 30oC, nhiệt độ cuối: t2 = 40oC. + Sản phẩm đỉnh đi trong ống 57x3 (ống ngoài) với nhiệt độ đầu: tD = 81,25oC, nhiệt độ cuối: t’D = 35oC. Các tính chất lý học của nước làm lạnh được tra ở tài liệu tham khảo [4] ứng với nhiệt độ trung bình ttbN = = 35oC + Nhiệt dung riêng: cN = 4,176 (kJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: rN = 994,06 (kg/m3) + Độ nhớt động lực: mN = 0,7225.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: lN = 0,6257 (W/m.K) Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh được tra ở tài liệu tham khảo [4] ứng với nhiệt độ trung bình ttbD = oC + Nhiệt dung riêng: cD= 1,918 (kJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: rD = 837,56 (kg/m3) + Độ nhớt động lực: mD = 0,39.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: lD = 0,1357 (W/m.K) a . Suất lượng nước cần dùng để làm mát sản phẩm đỉnh: Suất lượng sản phẩm đỉnh: GD = 500 (kg/h) = 0,1389 (kg/s) Lượng nhiệt cần tải: Qt = GD.cD.(tD-t’D) = 0,1389 . 1918 . (81,25-35) = 12320,49 (J/s) = 12,32 (kJ/s) Suất lượng nước cần dùng: GN == 0,295 (kg/s) b . Xác định bề mặt truyền nhiệt Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt: Ftb = ,(m2) (IV.7). Với: + K : hệ số truyền nhiệt. + Dtlog : nhiệt độ trung bình logarit. Xác định Dtlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: (K) Xác định hệ số truyền nhiệt K Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức: ,(W/m2.K) (IV.8). Với: + aN : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2.K). + aD : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (W/m2.K). + årt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu. * Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh ở ống ngoài Vận tốc của sản phẩm đỉnh đi trong ống ngoài: (m/s) Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,051- 0,038 = 0,013 (m) Chuẩn số R