Đồ án Thiết kế tháp đệm chưng luyện liên tục hổn hợp hai cấu tử là CH3COOH và H2O

,6 =0,91.lg0,283 + 0,09lg0,455 lg m2hh= -0,529 ;m2hh=0,296(10-3.N.S/m3) a2= h2=a2. m2hh=1,47.0,296 = 0,435 c)Hiệu suất của đĩa dưới cùng Độ nhớt của CH3COOH ở 108,28oC m2108,28=0,5304(10-3.N.S/m3) Độ nhớt của nước ở 108,28oC là m1100,6= 0,2625(10-3.N.S/m3) Độ nhớt của hổn hợp ở 108,28 oC là lg m3hh=xw.lg m1108,28 +(1-xw).lg m2108,28 =0,27.lg0,2625 + 0,73lg0,5304 lg m2hh= -0,5378 ;m2hh=0,4387(10-3.N.S/m3) a3= h3=a3. m3hh=1,717.0,4387 = 0,753 Vậy hiệu suất trung bình của tháp là: h= Từ đây ta tính được số đĩa thực tế là: Ntt= (đĩa) Như vậy số đĩa thực tế là 32 đĩa Trong đó: Chưng :Nc = 21 đĩa Luyện: Nl =11 đĩa CHƯƠNG II TÍNH KÍCH THƯỚCTHIẾT BỊ I.Tính đường kính thiết bị: Dchưng ³ Dluyện Đường kính của thiết bị được xác định theo công thức D = 0,0188. (m) (IX.90-sô tay TII) Trong đó : gtb lượng hơi trung bình đi trong tháp ry khối lượng riêng trung bình của pha hơi đi trong tháp (Kg/m3) wy vận tốc trung bình của hơi đi trong tháp(m/s) Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi đoạn của tháp nên phải tính lượng hơi lỏng cho từng đoạn. 1. Đường kính đoạn luyện. gtb= (IX.91.ST-TII) gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h, kmol/h) gd : lượng hơi đi ra khỏi điã trên cùng của đoạn luyện. g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện. a)Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp. gd = GR+Gp= Gp(Rx+1) (IX.92 ST-TII). Gp: lượng sản phẩm đỉnh (kg/h,kmol/h). GR: lượng chất lỏng hồi lưu (kg/h,kmol/h). Rx: Chỉ số hồi lưu. Mà Gp= 1505,64.2,378 = 3580,4 (kg/h). b)Lượng hơi đi vào đoạn luyện. Giữa lượng hơi g1 hàm lượng hơi y1 và lượng hơi G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: g1=G1+Gp (1) g1.y1=G1.x1+Gp.xp (2) g1.r1 =gd.rd (3) trong đó: x1= xF = 0,91 r1 ẩn nhiệt hoá hơi của hổn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (Kcal/kg). rd ẩn nhiệt hóa hơi của hổn hợp đi ra khỏi tháp (Kcal/kg) r1=ra.y1+(1-y1).rb (đĩa thứ nhất) rd= ra.yd+(1-y1).rb (đĩa trên cùng) trong đó: ra,rb ẩn nhiệt hóa hơi của H2O và CH3COOH nguyên chất yd nồng độ của H2O trong hổn hợp đầu. y1 hàm lượng hơi đối với đĩa 1 của đoạn luyện. Dựa vào phương pháp nội suy xác định ẩn nhiệt hóa hơi của nước và của CH3COOH ở các nhiệt độ khác nhau: Ở 100oC r1a =539(kcal/kg) Ở 140oC r2a =513(kcal/kg) Ta có ở nhiệt độ tF=100,6oC (ứng với rd) ẩn nhiệt hóa hơi của nước là: r3a= 539 - 0,65.0,6 = 538,61 (kcal/kg) ở nhiệt độ tp=100,2oC (ứng với rd) ẩn nhiệt hóa hơi của nước là: r4a= 539 - 0,65.0,2 = 538,87 (kcal/kg) Ẩn nhiệt hóa hơi của CH3COOH : rb (kcal/kg) Ở 100oC có r1b =97(kcal/kg) Ở 140oC có r2b =94,4(kcal/kg) Vậy với nhiệt độ tF=100,6 suy ra r3b=96,96 (kcal/kg) Với tp =100,2 suy ra r4b= 96,98(kcal/kg) Suy ra r1=538,61.y1+(1-y1).96,96 rd= 538,87.0,9776+0,0224.96,98 = 528,97 Giãi hệ 4 phương trình: g1=G1+Gp (1) g1.y1=G1.x1+Gp.xp (2) g1.r1 =gd.rd (3) r1 = 538,61.y1+(1-y1).96,96 (4) Ta có: y1= 0,91 tương ứng: x1=0,87, t1=100,8oC G1 = 296,495(kmol/h) g1 = 218,485(kmol/h) Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện gtbl = (kg/h) gd =189,031(kmol/h) Lượng lỏng trung bình trong đoạn luyện Gtbl = Gtbl =202(kmol/h) = 2875,3(kg/h). c) Vận tỗc hơi đi trong đoạn luyện Vận tốc hơi được xác định theo công thức Lg = A - 6,75.. (Sổ tay II-IX.115) Trong đó : A hằng số A= -0,125. wx: vận tốc đặc pha (m/s). rd :Bề mặt tự do của đệm (m2/m3). Vd: Thể tích tự do của đệm (m3/m3). rytb :khối lượng riêng trung bình của hơi.(kg/m3). rxtb : Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m3). mx: Độ nhớt của hổn hợp lỏng ở điều kiện trung bình (N.S/m2). mn : Độ nhớt của nước ở 20oC (N.S/m2). Gy :Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h). Gx : Lượng lỏng trung bình đi trong doạn luyện (kg/h). Chọn loại đệm vòng có kích thước chưa có và rd =310(m2/m3), Vd =0,71(m3/m3). Xác định khối lượng riêng: rytb = (IX.102-ST TII). với ytbl = Suy ra : rytb =(kg/m3). (IX.104a-ST TII). = (phần khối lượng ứng với to trung bình). Với : nồng độ trung bình của pha lỏng tương ứng với ytbl =0,9573 rxtb1 : Khối lượng riêng của H2O tại 100,8 oC (kg/m3). rxtb2 : Khối lượng riêng của CH3COOH tại 100,8 oC (kg/m3). Dựa vào phương pháp nội suy Ở 100oC r1 của nước là 958,38 (kg/m3). r1 của CH3COOH là 958 (kg/m3). Ở 110oC r2 của nước là 951 (kg/m3). Khối lượng riêng của nước tại 100,8oC là rxtb1= (951- 958)/10 .0,8+958,38 = 957,79 Ở 120oC khối lượng riêng của là r2 = 922(kg/m3). Suy ra khối lượng riêng của CH3COOH ở 100,8oC là rxtb2 =(922-958):20.0,8+958 =956,56 Vậy Suy ra =957,51 (kg/m3). Độ nhớt của nước ở 100,8oC là m1100,8=0,2819 (10-3.N.S/m2) Độ nhớt của CH3COOH ở 100,8oC là m2100,8=0,4668 (10-3.N.S/m2) Lgmx =0,78.lgm1100,8+0,13.lgm2100,8 =0,78.lg0,2819 +0,13.lg0,4668 mx =0,5937 (10-3.N.S/m2); mn = 1,005 (10-3.N.S/m2) ở 20oC Thay các giá trị vào công thức (IX.115-ST II) Ta có : wx = 2,79 (m/s). Vận tốc thực tế chọn là : wL = 0,7. wx =1,954(m/s). Đường kính đoạn luyện là: DL =0,0188. (m). 2. Đường kính đoạn chưng. Dc =0,0188. (m) a)Lượng hơi đi trong đoạn chưng g'tb = (kg/h). gn' : lượng hơi đi ra khỏi đọan chưng. (kg/h) gn' : Lượng hơi đi vào đọa chưng (kg/h) g1 :lượng đi vào đoạn chưng trừ GF g1= gn'=218,485 (kmol/h) - 85,08(kmol/h) = 5730,599(kg/h) Nên g'tb = Ta có hệ phương trình sau (1) (2) (3) : lượng lỏng đi trong đoạn chưng [kmol/h] : hàm lượng hơi đi vào đoạn chưng : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng. : ẩn nhiệt hóa hơi của H2O ở 108,3 0C , = 534,2 [kcal/kg] : ẩn nhiệt hóa hơi của CH3COOH ở 108,3 0C , = 96,46 [kcal/kg] = 267,18 [kcal/kg] =25644,87 : ẩn nhiệt hóa ơi đi vàođĩa trên cùng của đoạn chưng , = : lượng sản phẩm đáy [kmol/h] Giãi hệ phương trình trên ta có: = 161,12 [kmol/h] = 168,19 [kmol/h] = 0,2843 [phần mol] , nồng độ pha lỏng hơi cân bằng ứng với là y*= 0,4058,= 107,90C = 161,12. [y*1.18+(1-y*1).60]=6921,135 [kg/h] = 168,19. [x'1.18+(1- x'1).60] = 8083,11 [kg/h] Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng" 6325,867 [kg/h] Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng : lượng lỏng đi vào đĩa dưới cùng của đoạn chưng =Gw=347,46 [kg/h] = = 4215,285 [kg/h] b)Xác định vận tốc hơi b )Xác định vận tốc hơi đi trong đoạn luyện Ta có =4215,285 [kg/h] lượng lỏng trungbình trong đọan chưng = 6325,867 [kg/h] lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng xác định khối lượng riêng của hổn hợplỏng và hơi 0,397 = 0,5364 [kg/m3] 0,103 Ở nhiệt độ108,01 0C : Khối lượng riêng của H2O là = 952,47 [kg/m3] Khối lượng riêng của CH3COOH là = 943,58 [kg/m3] suy ra Vậy 944,6 [kg/m3] Độ nhớt ở nhiệt độ 108,01 0C Độ nhớt của H2O là 0,263 [10-3N.s/m2] Độ nhớt của CH3COOH là 0,528 [10-3N.s/m2] Vậy lg suy ra 0,69524 [10-3N.s/m2] Thay các giá trị vào công thức (IX.115) ta có wy'=3,167 [m/s] Chọn wtbc' =0,7. wy = 0,7.3,167 = 2,217[m/s] Đường kính đoạn chưng là 0,0188. = 1,371 [m] II . Tính chiều cao của tháp H = Ntt.Htd (10_40_QT&TBCNHH II) Ntt: số đĩa thực tế Htd: chiều cao của bậc thay đổi nồng độ [m] ta có (10_41_QT&TBCNHH II) trond đó = : đường kính tương đương của đệm [m] Chuẩn số Reynon :Khối lượng riêng của hơi [kg/m3] :khối lượng riêng của lỏng [kg/m3] : Vận tốc hơi đi trong tháp : bề mặt riêng của đệm[m2/m3] : thể tích tự do của đệm [m3/m3] ,: lượng lỏng và hơi trung bình đi trong tháp [kg/h] : độ nhớt của hơi và lỏng đi trong tháp theo nhiệt độ trung bình [N.s/m2] m : giá trị trung bình trên đường cân bằng 1. Chiều cao đệm của đoạn luyện Các số liệu đã có : = 4033,066[kg/h] = 3875,3 [kg/h] wy =1,954 [m/s] = 0,5937 [10-3.N.s/m2] = 0,646 [kg/m3] =957,51 [kg/m3] Độ nhớt của pha hơi : :Nồng độ phần khối lượng của H2O trong pha hơi ở nhiệt độ 100,8oC = 0,775 : độ nhớt của H2O ở 100,80C , = 28,19 [10-3.N.s/m2] : độ nhớt của CH3COOH ở 100,8 0C , = 0,4668 [10-3.N.s/m2] suy ra = 0,3095 [10-3.N.s/m2] .103 = 52,618 m = 0,81 Thay các thông số vào công thức (10_41) ta có Htd =34,6912.0,00916 = 0,3178 [m] Suy ra chiều cao đoạn luyện là H1 = 0,3178.11 = 3,496 [m] 2. Chiều cao đoạn chưng và toàn tháp = 1215,285 [kg/h] =6325,867[kg/h] wy = 2,217 [m/s] =0,69524 [10-3.N.s/m2] = 0,5364 [kg/m3] ; = 944,6 [kg/m3 ] m = 0,69,dtd =0,00916 độ nhớt của pha hơi = 0,17 Với m1 ,m2 :là đọ nhớt của H2O và CH3COOH ở nhiệt độ 108,01oC =>my =0,45 (10-3.N.s/m2) .103 = 34,094 Thay các giá trị vào công thức (10_41) ta có => htd =34,024.0,00916 = 0,31166 (m) Chiều cao của đoạn nhưng là Hc = 0,31166.21 = 6,545 (m) Vậy chiều cao của toàn tháp là H = Hc +HL +h = 6,545 + 3,496 +0,8=10,84 (m). Chọn h=0,8 :chiều cao cho phép ở đỉnh và đáy H=10,84(m). CHƯƠNG III. TÍNH TRỢ LỰC CỦA THÁP Sức cản thủy học của tháp đệm đối với hệ hơi lỏng được xác định theo công thức sau: (N/m2) (IX.118_sổ tay II) A = 5,15: hệ số : tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha có tốc độ của khí đi qua đệm khô (N/m2) : tổn thất áp suất của đệm khô[ N/m2] ,: lượng lỏng, hơi trung bình đi trong tháp [kg/s] : độ nhớt trung bình của lỏng, hơi [N.S/m2] ,:khối lượng riêng trung bình của lỏng,hơi [kg/m3] Tổn thât áp suất của đệm kho tính theo công thức : [N/m2] (IX.119_sổ tay II) Vận tốc thực của khí trong lớp đệm (IX.120_sổ tay II) Trong đó H : chiều cao tháp đệm [m] :hệ số trở lực của đệm bao gồm cả trở lực ma sát và trở lực cục bộ,với các loại đệm khác nhau thì xác định theo công thức thực nghiệm khác nhau : Tốc độ của hơi tính trên toàn bộ tiết diện của tháp [m/s] : bề mặt riêng của đệm [m2/m3] : thể tích tự do của đệm [m3/m3] Tổn thất áp suất của đệm khô xác định theo công thức sau ( chọn > 40 nghĩa là đệm đổ lộn xộn) [N/m2] (IX.121_sổ tay II). I . Trở lực cho đoạn luyện Các số liệu đã có : Tốc độ bay hơi wy= 2,79 [m/s] = 3875,3 [kg/h] = 4033,066 [kg/h] = 975,51 [kg/m3] = 0,3095 [kg/m3] = 0,5937 [10-3.N.s/m2] = 0,3095 [10-3.N.s/m2] Vận tốc của hơi trong đệm = 3,93 [m/s] =24478,215 [N/m2] = 54799,26 [N/m2] II . Trở lực của đoạn chung Vận tốc thực của hơi trong đệm w1'= 4,46[m/s] = 53447,76 [N/m2] = 112754 [N/m2] Vậy trở lực của toàn tháp là : = 53447,76 +112754 = 167553,27 [N/m2] CHƯƠNG 4 CÂN BẰNG NHIỆT LUYỆN CHO QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN I . Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hổn hợp [J/h] Trong đó : * Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào [J/h] : lượng hơi đốt [kg/h] : Ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt [J/kg] : hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt [J/kg] : nhiệt độ nước nhưng [0C] : nhiệt dung riêng của nước ngưng [J/kg.âäü] * Nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang ra [J/h] F : lượng hổn hợp đầu [kg/h] : nhiệt dung riêng của hổn hợp khí đi ra [J/kg. độ] : nhiệt độ của hổn hợp khí ra khỏi hổn hợp khí đun nóng [0C] * Nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang vào [J/h] : nhiệt dung rieng của hổn hợp đầu [J/kg. độ] : nhiệt độ đầu của hổn hợp [0C] * Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra [J/h] : lượng nước ngưng ,bằng lượng hơi đốt [kg/h] * Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn [J/h] *Lượng hơi đốt (lượng hơi nước) cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi là : [kg/h] Để đảm bảo đun nóng ở đáy tháp được liên tụcvới hiệu suất cao,ta chọn hơi đốt là hơi nước bảo hoà có nhiệt độ là125 0C và ở áp suất 2,37 atm Nhiệt dung riêng của CH3COOH ở 100,6 0C = 2433,2 [J/kg. độ] Nhiệt dung riêng cuar H2O ở 100,6 0C = 4219,4 [J/kg.âäü] Nhiệt dung riêng của hổn hợp ra khỏi thiết bị đun nóng CF= 0,75.4219,4 + 0,25.2433,2 = 3772,85 [J/kg. độ] Chọn nhiệt độ của hổn hợp đẩu trước khi vào thiết bị đun nóng là 28 0C , ta có : Nhiệt dung riêng của nước ở 28 0C là (áp suất kq) = 4181,8 [J/kg. độ] Nhiệt dung riêng của CH3COOH ở 28 0C là (áp suất kq) = 2096,82 [J/kg. độ] Vậy nhiệt dung riêng của hổn hợp vào thiết bị gia nhiệt là : Cf = 0,75.4181,8 + 0,25.2096,82 = 3660,6 (J/kg. độ) Ở 125 0C ẩn nhiệt hoá hơi của hơi nước là r1 = 523,5 (kcal/kg) = 2194.103 [J/kg] Vậy lượng hơi đốt cần để đun hổn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là : D1== 334,193 [kg/h] Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào là: QD1 = D1.r1 = 234,193.2194.103 = 733219315 [J/h] II . Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng luyện Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hổn hợp ở đáy tháp được xác định theo biểu thức sau : D2 = [kg/h] Trong đó D2 :lượng hơi đốt cần thiết [kg/h] : Nhiệt lượng của hơi mang ra khỏi đỉnh tháp [J/h] : nhiệt lượng của sản phẩm đáy [J/h] : nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh , = 5%. [J/h] : nhiệt lượng của lỏng hồi lưu [J/h] : nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang vào [J/h] : ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt [J/kg] 1. Nhiệt lượng của hơi mang ra khỏi đỉnh tháp Hơi ra khỏi đỉnh có nhiêt độ là tp = 100,2 0C = P.(1+ Rx). [J/h] P = 1505,64 [kg/h] : lượng sản phẩm đỉnh . Rx : chỉ số hồi lưu (Rx = 1,378) : nhiệt lượng riêng của hổn hợp hơi [J/kg] Với : ,: là nồng độ phần khối và nhiệt lượng riêng của H2O trong hơi : nhiệt lượng riêng của CH3COOH trong hơi [J/kg] ở 100,20C = = 538,94 (kcal/kg) = 2256,43.103 [J/kg] = 4218,87 [J/kg. độ] = 2256,43.103 + 4218,87.100,2 = 2679,16.103 [J/kg] = 96,99.4,181.03 = 406,07.103 [J/kg] = 2430,52 [J/kg. độ] = 406,07.103 + 2430,52.100,2 = 649,608.103 [J/kg] = 0,9.2679,16.103 +0,1. 649,608.103 = 2458,2048.103 [J/kg] Vậy: = 1505,64.2,378.2458,2048 = 8801,386.106 [J/h] 2 . Nhiệt lượng của sản phẩm cháy Sản phẩm đáy sôi ở 108,3 0C = [J/h] mà: Nhiệt dung riêng của H2O ở 108,3 0C là: = 2,07467 [J/kg. độ] Nhiệt dung riêng của CH3COOH ở 108,3 0C : = 2644,18 [J/kg. độ] :nồng độ phần khối lượng của H2O trong sản phẩm đáy = 0,1.2074,67 + 0,9.2644,18 = 2587,23 [J/kg. độ] = 347,46.2587,23.108.3= 97,3573.106 [J/h] 3 . Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào tháp Ta xem quá trình ngưng tụ của sản phẩm đỉnh là đẳng nhiệt (nghĩa là nhiệt độ của lỏng hồi lưu vào tháp là100,1 0C ) P.Rx.tx.Cx [J/h] Rx =1,378, P = 1505,64 [kg/h] Cx= 0,968.4207,82 + 0,032.2373 = 4149,106 [J/kg. độ] 1505,64.1,378.90.4149,106 = 774,76.106 [J/h] Nhiệt lượng của hổn hợpđầu mang vào tháp = 1853,1.3772,85.106 = 703,34.106 [J/h] CF :nhiệt dung riêng của hổn hợp ra khỏi thiết bị đun nóng. Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hổn hợp ở đáy tháp D2 = D2= D2= 3560,3 [kg/h] Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD2 = 3560,3.2194.103 = 7811,24.106 [J/h] III . Cân băng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ Dùng chất tải nhiệt là nước lạnh Chọn : tvào =25oC ,tra =50oC Theo nguyên tắc ngược chiều ta có: Gp.Rx.r = Gn.Cn.Dt Nhiệt đọ trung bình: ttb =oC Cn :Nhiệt dung riêng của H2O ở 27,5oC ,Cn = 4181,043 [J/kg. độ] Gn : Lượng hơi nước tiêu tốn [kg/h]. r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước r = xp.+(1-xp).rax =0,968. +(1-0,968).rax rax =103 = 538003,8 [J/kg] =[Kcal/kg] =2435932,6 [J/kg] r = 2358.103 + 17,2.103 =2375,2.103 [J/kg] Lượng nước tiêu tốn là : Gn = 31430,74 [J/kg] CHƯƠNG V TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ I . Tính thiết bị gia nhiệt đầu : Chọn thiết bị gia nhiệt hổn hợp loại ống chùm và thẳng đứng có cấu tạo như hình vẽ dưới : Trong thiết bị thì hơi nước đi ngoài ống, chất lỏng chuyển động trong ống; sau khi gia nhiệt thì chất lỏng được bơm vận chuyển vào tháp . Tính toán thiết bị * Nhiệt lượng cần cung cấp cho chất lỏng sôi : Q = G.t.C [J/h] G : Lượng hổn hợp đầu [kg/h] t : Biến thiên nhiệt độ đầu và cuối [0C] C : Nhiệt dung riêng của chất lỏng [J/kg. độ] Q = 1853,1.(100,8 - 28).3660,55 [J/h] t =tF -td : tF =100,8oC : Nhiệt độ của hổn hợp sau khi dược gia nhiệt . td =28oC : Nhiệt độ của hổn hợp trước khi vào gia nhiệt. C = 3660,55[J/kg. đô.] :Nhiệt dung riêng của hổn hợp chất lỏng ở 28oC Q = 493,83.106 [J/h] . * Nhiệt độ trung bình của chất lỏng và của hơi đốt t1 = t2d- t1d= 125 - 28 = 97 [0C] t2 = t2c - t1c = 125 - 100,6 = 24,4 [0C] Với t1d, t1c : Nhiệt đọ trước và sau khi đun nóng. t2d, t2c : Nhiệt độ của hơi đôt và hơi ngưng ( xem quá trình truyền nhiệt là đẳng nhiệt nên nhiệt độ hơi ngưng bằng nhiệt độ hơi nước bảo hoà) Hiệu số nhiệt trung bình của hai môi trường : = 52,6 [0C] Nhiệt độ trung bình của chất lỏng = 100,6 - 52,6 = 48 [0C] Nhiệt độ trung bình của hơi ngưng = 125 - 52,6 = 72,4 [0C] * Tính hệ số cấp nhiệt từ hơi bảo hoà đến thành ống: Đây là quá trình cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi bảo hoà khô không chứa không khí và nước ngưng tạo thành thành màng phủ kín bề mặt truyền nhịêt đứng, trong trường hợp này nước ngưng chuyển động trên bề mặt màng ở chế độ chảy dòng . Ta có : = 2,04.A. [ W/m2. độ ] (V.101_sổ tay II) Trong đó : A : Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ của màng tm tm = 0,5.(t1 + tbh) = (125 + 120).0,5 = 122,5 [0C] và A = 188,75 t1 : Nhiệt độ bề mặt thành , ta chọn t1 = 120 [0C] t bh : Nhiệt độ hơi bảo hoà,tbh = 25 [0C] r : ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ngưng lấy theo nhiệt hơi độ báo hoà, r = 2195,47.103 [J/kg] t = tn - t = 125 - 120 = 5 [0C] tn : Nhiệt độ nước ngưng (nhiệt độ bảo hoà). t : Nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc với hơi ngưng. H : Chiều cao ống truyền nhiệt, ta chọn H = 1,2 [m] = 2,04.188,75..10 0,75 = 9470,24 [ W/m2. độ ] * Tính hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến chất lỏng Ta xem chất lỏng chuyển động trong ống thẳng ở chế độ chảy xoáy (Re >1000) Ta có = [ W/m2. độ ] (V.33_sổ tay II) : hệ số dẩn nhiệt của chất lỏng [ W/m2. độ ] = A.C. [ W/m2. độ ] (I.32_sổ tay I) Với A : hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng,hổn hợp ở dạng liên kết nên A = 3,58.10-8 C : nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng [J/kg. độ] C = 0,75.C1 + 0,25.C2 C1 : nhiệt dung riêng của H2O ở 48 0C , C1 = 4182,9 [J/kg. độ] C2 : nhiệt dung riêng của CH3COOH ở 48 0C , C2 = 2072,5 [J/kg. độ] C = 0,75.4182,9 + 0,25.2072,5 = 3655,3 [J/kg. độ] : khối lượng riêng của chất lỏng ở 48 0C được xác định theo công thức (IX.104a_sổ tay II) với : khối lượng của H2O ở 48 0C , = 988,96 [kg/m3] : khối lượng riêng của CH3COOH ở 48 0C , = 1018,37 [kg/m3] => = 996,15 [kg/m3] = 3,58.10-8.3655,3.996,15.= 0,466 [ W/m. độ ] (V.40_sổ tay II) Trong đó : chuẩn số Nuyxen của chất lỏng : hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều cao H và đường kính d của ống , ta chọn ống có đường kính là d = 30 [mm] H/d = 40 , tra bảng (V.2-sổ tay II) với Re =10000 ta được = 1,03 Pr : chuẩn số Pran của dòng tính theo nhiệt độ trung bình của dòng tức là 48 0C Pr = (V.35_sổ tay II) C : nhiệt dung riêng của chất lỏng ở 48 0C , C = 3655,3 [J/kg] : độ nhớt của chất lỏng ở 48 0C , = 0,587.10-3 [N.s/m2] : hệ số dẩn nhiệt của chất lỏng ở 48 0C , = 0,466 [ W/m. độ ] Pr = .10-3 = 4,6 Prt : chuẩn số Pran tính theo nhiệt độ trung bình của thành ống Vì chênh lệch nhiệt độ giữa thành và dòng chất lỏng nhỏ nên ta có thể xem tỉ số (Pr/Prt)0,25 = 1 = 0,021.1,03.10000 0,8.4,6 0,4 = 66,5 = 1025,2 [ W/m2. độ ] Nhiệt tải riêng từ phía hơi ngưng đến thành ống q1 = .t1 [ W/m2 ] t1: hiệu số nhiệt độ giữa nước ngưng và mặt tường tiếp xúc với nước ngưng t1 = 5 0C q1 = 9470,24.5 = 47351,2 [ W/m2 ] Nhiệt tải riêng từ tường ống đến chất lỏng q2 = t3 [ W/m2 ] t3 : hiệu số nhiệt giữa thành ống và dung dịch t3 = tT3 - t3 tT3 : nhiệt độ bề mặt tường tiếp xúc với chất lỏng [0C] t3 : nhiệt độ trung bình của chất lỏng [0C] Hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt tường tT = tT1 - tT3 tT1 : nhiệt độ thành ống với hơi ngưng , tT1 = 120 0C tT3 : nhiệt độ thành ống phía chất lỏng [0C] tT = q.R q :nhiệt tải riêng từ hơi ngưng đến thành ống [ W/m2 ] R : tổng trở nhiệt của thành ống [ m2. độ/W ] R = (V.3_sổ tay II) : nhiệt trở của cặn ở tường phía hơi ngưng chủ yếu là nước, thường ở nhiệt độ cao nên : = 0,725.10-3 [m2. độ/W ] (tra bảng V.1_sổ tay I) : nhiệt trở của cặn ở tường phía chất lỏng chủ yếu là nước sạch , ở nhiệt độ cao nên := 0,464.10-3 [m2. độ/W ] (tra bảng V.1_sổ tay I) : chiều dày của thành ống , chọn = 0,002 [m] : hệ số dẩn nhiệt của tường , chọn vật liệu làm ống là đồng có = 385 [ W/m2. độ ] Thay các số liệu vào công thức ta có R = 1,38.10-3 [ m2. độ/W ] tT = 47351,2.1,38.10-3 = 65,3 [0C] tT3 = tT1 - tT = 120 - 65,3 = 54,7 [0C] t3 = 54,7 - 48 = 6,7 [0C] q2= 1025,2.6,7 = 6868,84 [ W/m2 ] Ta có = 0,85 = 85% > 50%, nên phải tính lại các thông số trên Chọn lại t1 = 3 0C = 10760,27 , q1 = 10760,27.3 = 32280,81 [ W/m2 ] tT = 32280,81.1,38.10-3 = 44,6 [0C] tT3 = 120 - 44,6 = 75,4 [0C] t3 = 75,4 - 48 = 27,4 [0C] q2 = 1025,2.27.4 = 28090,48 [ W/m2 ] = 0,13 = 13% < 50% , kết quả này phù hợp . Nhiệt tải riêng trung bình qtb = = 30185,65 [ W/m2 ] * Tính bề mặt truyền nhiệt : F = [m2] Q : lượng nhiệt truyền qua tường phẳng trong một giây [ W ] qtb : nhiệt tải riêng trung bình [ W/m2 ] F = .106 = 4,544 [m2] * Tính số ống truyền nhiệtiãût n = F : bề mặt truyền nhiệt [m2] dn : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt [m] H : chiều cao ống truyền nhiệt [m] n = = 37,69 =38 (ống). Để cho thiết bị làm việc tốt, với hiệu suất cao ta chọn số ống trong thiết bị là 37 ống theo bảng (V.11_ sổ tay II) chọn cách sắp xếp các ống theo kiểu bàn cờ ta có: + tổng số ống trong thiết bị là 37 + số hình sáu cạnh 3 + số ống trên đường xuyên tâm 7 + tổng số ống là 37 + Số ống ở hình 6 cạnh ngoài cùng 18 Cách bố trí các ống truyền nhiệt theo hình sau cạnh * Tính đường kính thiết bị : D = t.(b - l) + 4.d [m] (V.140_sổ tay II) D : đường kính trong [m] d : đường kính ngoài của ống [m] t : bước ống , chọn t = 1,5 , d = 0,048 [m] b : số bước trên đường chéo của hình sáu cạnh b = 2.a - 1 (V.139_sổ tay II) a : số ống trên một cạnh của hình sáu cạnh ở ngoài cùng , a = 4 D = 0,048.6 + 1,5.6.0.032 = 0,576[m] . II . Tính các đường kính dẩn 1 . Đường kính ống dẩn hơi thiết bị gia nhiệt hổn hợp đầu: Sử dụng hơi đốt là hơi nước bảo hoà có nhiệt độ là 125 0C và có áp suất là 2,37 atm Đường kính ống được xác định: d1 = [m] Với: lượng hơi đốt sử dụng [kg/h] w : vận tốc hơi đi trong ống , ta chọn w= 20 m/s . : khối lượng riêng của hơi đốt , = 1,296 (kg/m3) Vậy đường kính của ống dẩn hơi là d1 = = 0,0675 [m] . Ta chọn d1 = 67,5 (mm) . 2 . Đường kính ống dẩn hơi đun sôi ở đáy tháp Hơi dùng để đun sôi hổn hợp ở đáy tháp vẩn là hơi dùng trong thiết bị gia nhiệt (hơi nước bảo hoà) có nhiệt độ là 125 0C và áp suất là 2,37 atm . Chọn vận tốc hơi đi trong ống là 20 m/s , ta xác định được đường kính ống đẩn hơi đun sôi hổn hợp đáy là d2 = 0,0188. = 0,2203 [m] Ta chọn d2 = 0,22(m) 3 . Đường kính ống dẩn hổn hợp đầu tưf thiết bị gia nhiệt vào tháp Xem sự thay đổi nồng độ các cấu tử trong hổn hợp là không đáng kể sau khi gia nhiệt đường kính ống là : d3 = 0,0188. Chọn = 2,2 m/s F =1853,1 [kg/m3] = 0,75. + 0,25. Khối lượng riêng của H2O ở 100,6 0C là = 957,93 [kg/m3] Khối lượng riêng của CH3COOH ở 100,6 0C là = 956,92 [kg/m3] Suy ra= 0,75.957,93 + 0,25.956,92 = 957,7 [kg/m3] d3 = 0,0188. = 0,0176[m] Ta chọn d3 = 18 [mm] 4 . Đường kính ống tháo sản phẩm đáy Lượng sản phẩm đáy W = 347,46 [kg/h] Chọn vận tốc tháo là 0,4 [m/s] Khối lượng riêng của sản phẩm đáy ở 108,3oC là r = 0,1. +0,9. Khối lượng riêng của H2O ở 108,3 0C [kg/m3] Khối lượng riêng của CH3COOH ở 108,3 0C [kg/m3] = 0,1.952,255 + 0,9.943,06 = 943,98 (kg/m3) Đương fkính ống là d4 = 0,0188. = 0,018 [m] Ta chọn d4 = 18 [mm] 5 . Đường kính ống thu sản phẩm đỉnh Lượng sản phẩm đỉnh P = 1050,64 [kg/h] Chọn vận tốc trong ống 10 [m/s] Khối lượng riêng của sản phẩm đỉnh ở 100,2 0C là = = 0,725 [kg/m3] Đường kính ống là d5 =0,0188. = 0,2709 [m] 6 . Đường kính ống hồi lưu Lượng hồi lưu Gx = Rx.P= 1050,64.1,378 = 2074,772 [kg/h] Chọn vận tốc hồi lưu = 0,5 [m/s] Khối lượng riêng của lỏng hồi lưu ở 90oC là = 958,3 [kg/m3] Suy ra d6 = 0,0188. = 0,039[m] 7 . Đĩa phân phối chất lỏng và hơi đở đệm *Đĩa phân phối chất lỏng. Tra bảng IX.22_sổ tay II ta có : Đường kính đĩa phân phối loại I Dd =750 mm. Kích thước ống dẩn chất lỏng : Đường kính ống dẩn: 44,5mm Chiều cao ống dẩn :70mm Bề dày của thành ống :2,5mm. Đường kính lưới đở đệm DL =1165mm. Chiều dày của lưới : b =25mm. CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 1 . Hình dáng thiết bị và phương thức gia công Thiết bị làm việc ở áp suất thấp (< 1,6.106 N/m2) nên chọn thiết bị hình trụ đúng; thiết bị được chế tạo bằng thép tấm , các tấm được hàn với nhau. Yêu cầu mối hàn : + Đường hàn càng ngắn càng tốt. + chỉ hàn giáp mối. + bố trí các đường hàn dọc dể quan sát. + không khoan lổ qua mối hàn. 2 . Chọn vật liệu Chọn thép không ghỉ : OX21H6M2T Thép có các tính chất : + độ bền hoá học, độ bền nhiệt, khả năng chịu mài mòn cao . + độ bền cơ học, độ dẻo lớn, độ giòn thấp 3. Chiều dày của tháp Chiều dày của thân tháp chịu áp suất trong được tính theo công thức sau: [m] (XIII.8_sổ tay II) Trong đó S : bề dày của vỏ thân tháp [m] : đường kính trong của thân tháp [m] : hiệu suất cho phép [N/m2] : hệ số bền của thân trụ theo phương dọc , chọn =0,95 ( XIII.8_sổ tay II) C :hệ số bổ sung do ăn mòn và dung s