Đồ án Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen có năng suất 200 l/h tính theo sản phẩm đỉnh

h ở phần vận tốc hơi đi trong tháp thì cất = 10,7.10-3 N/m, chưng = 10,3.10-3 N/m, suy ra = N/m Trở lực của chất lỏng trên đĩa , N/m2 (trở lực thủy tĩnh) = , N/m2 Trong đó b – chiều cao khe chóp, m; - khối lượng riêng bọt, kg/m3; hb – chiều cao của lớp bọt trên đĩa, m; g – gia tốc trọng trường, m/s2 + Khối lượng riêng bọt = 0,5 = 0,5.795,5 = 379,75 kg/m3, với - khối lượng riêng trung bình pha lỏng phần chưng và phần cất, = + hb – chiều cao lớp bọt lấy bằng hai lần chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa, theo phần tính toán cho đĩa thì chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa là 25mm, vậy hb = 50mm +b – chiều cao khe chóp, tính toán ở phần chóp ta có b = 10mm Suy ra: = Tổng trở lực của 1 đĩa: = + + = 8045,3 + 6,296 + 167,6 = 8219,2N/m2 Trở lực của toàn tháp: Kết luận: Trở lực của toàn tháp = 16438,39 N/m2 CHƯƠNG 5: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ : Qnt =(R+1)D.rD kW Qnt : nhiệt ngưng tụ, kW Vôùi rD =.rB +(1-).rT Taïi xD = 0,98 tra baûng IX-2a trang 135 STT2 ta coù TD = 80 . Taïi nhieät ñoä naøy ta coù: rB= 392,4.103 J/kg vaø rT=377,8.103 J/kg rD = 0,98 x 392,4.103 + 0,02 x 377,8.103 = 392,108.103 J/kg Do ñoù Qnt =. 392,108 (2.48+1) = 61,42 kW CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU ĐẾN NHIỆT ĐỘ SÔI : QF =CF .F(TF - TVào), kW Taïi xF = 0,44 nội suy từ bảng IX-2a trang 146 STT2 ta coù TF = 94oC Nhieät dung rieâng cuûa nhaäp lieäu tra ôû nhieät ñoä trung bình t ==59,5oC taïi nhieät ñoä naøy ta coù CB =1930 J/kgñoä , CT=1900 J/kgñoä (Baûng I.153 TR171-172 ). Ta coù CF=CB + (1-)CT = 0,4.1930+ (1-0,4).1900 = 1913,2 J/kgñoä Do ñoù QF=1913,2. (94 -25) = 15,43 kW Neáu coi toån thaát treân ñöôøng nhaäp lieäu baèng 5% thì QF = 1,05.15,43=16,2 Kw CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY TỪ NHIỆT ĐỘ 110OC XUỐNG 35OC : QW = WCW(TW- TWra), kW Nhieät dung rieâng ñöôïc xaùc ñònh ôû nhieät ñoä trung bình T==72,5oC . Taïi nhieät ñoä này ta nội suy từ baûng I.153 TR171-172- ta coù : CB=1983 J/kgñoä, CT=1952J/kgñoä Neân CW = CB + (1-)CT = 0,01. 1983 + (1-0,01).1952= 1952,31 J/kgñoä Do ñoù QW=.1952,31.(110-35)=11,86, kW CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH TỪ NHIỆT ĐỘ 80OC XUỐNG 35OC : QD =CD.D(TD- TDra), kW Nhieät dung rieâng cuõng ñöôïc xaùc ñònh ôû nhieät ñoä trung bình T= =57,5oC . Taïi nhieät ñoä naøy ta nội suy các giá trị nhiệt dung riêng ở bảng I.153 TR171-172-: CB=1877.5 J/kgñoä , CT=1850 J/kgñoä Töông töï ta tính ñöôïc CD=1877 J/kgñoä Do ñoù QD =.1877 .(80-35)=5,13 kW NHIỆT LƯỢNG CUNG CẤP CHO ĐÁY THÁP : Töø caân baèng nhieät löôïng ta coù: QT = Qnt + QW + QD – QF + Qf=1,05.( 61,42 + 11,86 + 5,13- 16,2 ) = 65,32 kW Qf : là lượng nhiệt tổn thất, ta lấy khoảng 5% tổng lượng nhiệt có ích cung cấp cho đáy tháp CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ I . THÂN THÁP : Beà daøy thaân : Vì thieát bò hoaït ñoäng ôû aùp suaát thöôøng neân ta thieát keá thaân hình truï baèng phöông phaùp haøn hoà quang ñieän, kieåu haøn giaùp moái 2 phía. Ñeå ñaûm baûo chaát löôïng cuûa saûn phaåm vaø khaû naêng aên moøn cuûa benzen ñoái vôùi thieát bò, ta choïn thieát bò thaân thieát bò laø theùp khoâng gæ maõ X18H10T. Thân tháp được ghép với nhau bằng mối ghép bích. Vì tháp làm việc với nhiệt độ lớn hơn 1000C nên cần phải bọc cách nhiệt cho tháp. Caùc thoâng soá caàn tra vaø choïn phuïc vuï cho quaù trình tính toaùn: Nhieät ñoä tính toaùn : t = tmax + 20 = 110 + 20 = 1300C AÙp suaát tính toaùn : Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta coi áp suất tính toán bằng với áp suất thủy tĩnh lớn nhất tác dụng lên đáy tháp. Điều kiện nguy hiểm nhất chọn để tính toán đó là tháp chứa đầy Toluene ở nhiệt độ 300C khi đó khối lượng riêng của Toluene ρT = 856,5 kg/m3 Nên: P = (Hthaân + 2Hnaép).g.ρT = (7,5 + 2.0,15).9,81.856,5 = 61328 N/m2 ≈ 0,0613 N/mm2 Với dung tích tháp nhỏ hơn 30m3 ta chọn theo bảng 1.1 tr10- Tính toán thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí – Hồ Lê Viên thì áp suất tính toán P = 0,01N/mm2, nên ta chọn áp suất tính toán theo điều kiện nguy hiểm nhất như trên đã tính. với Hnắp = h + ht = 125 +25 =150 mm(tính ở phần đáy nắp). Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường: Chọn hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học Ca = 1 mm Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: của X18H10T [s]* = 140 N/mm2 (Hình 1.2, trang 16, Hệ số hiệu chỉnh: η = 1 Ứng suất cho phép: [s] = h [s]* = 140 N/mm2 (chọn h = 1) Heä soá beàn moái haøn: Vì dùng phương pháp hàn hồ quang điện kiểu hàn giáp mối hai phía Þ jh = 0,95 (Bảng XIII.8, trang 362, ) Tính bề dày: Cho thân trụ hàn chịu áp suất trong Nên ta tính bề dày thân theo công thức 5.3 tr96 – Bề dày tối thiểu: S’ = Þ S’ + Ca = 0,197 + 1 = 1,197 mm Quy tròn theo chuẩn: S = 2 mm, tuy nhiên dựa vào bảng 5.1 trg 94 - Tính kiểm tra bền: Cho thân trụ hàn chịu áp suất trong Điều kiện: Û Û 0,006 £ 0,1 (thoûa) Nên: = 1,586 > P = 0,061 N/mm2 : thoûa Vậy kết luận: bề dày thân tháp S = 4mm, đường kính ngoài tháp Dn = 500 + 2.4 =508 mm II. Tính Toán Chóp : Chọn chóp sử dụng trong tháp là chóp tròn + Đường kính ống hơi: dh = 26 mm + Số chóp phân bố trên đĩa: n = 10 chóp Chọn số chóp n = 10, với khoảng cách giữa tâm của hai chóp 100mm + Chiều cao chóp tính từ mặt đĩa đến đỉnh chóp 70mm + Đường kính trong của chóp 46mm Với: - bề dày chóp, thường lấy 2 mm - 3 mm, ta chọn 2 mm Suy ra đường kính ngoài của chóp 50mm + Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp S = 15 mm + Chiều cao gờ chảy tràn 45mm + Chiều cao khe chóp Với , Vy – lưu lượng hơi đi trong tháp, m3/h; - hệ số trở lực của đĩa chóp, thường lấy bằng 1,5 -2; - khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng, kg/m3 Suy ra 0,0218 m, chọn b = 25 mm + Chọn bề rộng khe chóp 5mm + Chọn khoảng cách lớn nhất từ gờ chảy chuyền đến thân tháp 60mm(bề dày 4mm) + Chọn khoảng cách từ gờ chảy tràn đến thân tháp 80mm(bề dày 4mm) + Bố trí các chóp trên đĩa sao cho 3 chóp liên tiếp nhau tạo thành hình tam giác đều III. Tính Toán Đáy và Nắp Thiết Bị Choïn ñaùy vaø naép coù daïng hình ellip tieâu chuaån, coù gôø, laøm baèng theùp X18H10T Ta có: Nên bề dày đáy và nắp chịu áp suất trong tính theo công thức 6.9 (Tính toán các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí –Hồ Lê Viên) Trong đó S – bề dày đáy nắp, mm; – bán kính cong bên trong ở đỉnh đáy(nắp), m; - hệ số bền mối hàn (lấy bằng 0,95); - giới hạn bền kéo của vật liệu với X18H10T thì [σk] =540.106 N/m2; P – áp suất tính toán N/m2; Ca – hệ số ăn mòn, mm Ta thấy S – Ca = 0,05 < 10mm nên ta cộng thêm 2 mm nữa cho bề dày (theo hướng dẫn trg 386 – STT2) suy ra S = 3,05 mm lấy theo chuẩn S = 4 mm Vì đáy nắp tiêu chuẩn nên ta có: = 0,25 do đó Rt = Dt = 500 mm Và chọn các kích thước theo STT2 tr382: + ht =125 mm + Chieàu cao gôø: hgôø = h = 25 mm +Dieän tích beà maët trong: Sñaùy = 0,31 m2 +Theå tích chöùa cuûa ñaùy(naép):Vñaùy chöùa = 27,6.10-3 m3 Tính kiểm tra bền: Vậy thỏa điều kiện bền. Kết luận chọn kích thước đáy nắp: + ht =125 mm + Chieàu cao gôø: hgôø = h = 25 mm +Dieän tích beà maët trong: Sñaùy = 0,31m2 +Theå tích chöùa cuûa ñaùy(naép):Vñaùy chöùa = 27,6.10-3 m3 + Rt = Dt = 500 mm IV.Bích gheùp thaân vaø naép: Maët bích laø boä phaän quan troïng duøng ñeå noái caùc phaàn cuûa thieát bò cuõng nhö noái caùc boä phaän khaùc vôùi thieát bò. Caùc loaïi maët bích thöôøng söû duïng: Bích lieàn: laø boä phaän noái lieàn vôùi thieát bò (haøn, ñuùc vaø reøn). Loaïi bích naøy chuû yeáu duøng thieát bò laøm vieäc vôùi aùp suaát thaáp vaø aùp suaát trung bình. Bích töï do: chuû yeáu duøng noái oáng daãn laøm vieäc ôû nhieät ñoä cao, ñeå noái caùc boä baèng kim loaïi maøu vaø hôïp kim cuûa chuùng, ñaëc bieät laø khi caàn laøm maët bích baèng vaät lieäu beàn hôn thieát bò. Bích ren: chuû yeáu duøng cho thieát bò laøm vieäc ôû aùp suaát cao. Choïn bích ñöôïc gheùp thaân, ñaùy vaø naép laøm baèng theùp CT3, caáu taïo cuûa bích laø bích phẳng hàn kiểu 1 theo bảng XIII.27 trg417 STT2. Vôùi Dt = 500 mm vaø aùp suaát tính toaùn P = 0,061 N/mm2 Þ choïn bích coù caùc thoâng soá sau theo bảng XIII.27 trg418 STT2: Dt D Db D1 Do h Bu-loâng db Z (mm) (caùi) 500 630 580 550 511 22 20 16 Trs bảng IX.5 trang 170 ứng với đường kính trong 500mm ta chọn số đĩa giữa hai bích là 4, vậy tổng số bích cần dùng là Ta chọn 7 bích ghép thân Ñoä kín cuûa moái gheùp bích chuû yeáu do vaät ñeäm quyeát ñònh. Ñeäm laøm baèng caùc vaät lieäu meàm hôn so vôùi vaät lieäu bích. Khi xieát bu loâng, ñeäm bò bieán daïng vaø ñieàn ñaày leân caùc choã goà gheà treân beà maët cuûa bích. Vaäy, ñeå ñaûm baûo ñoä kín cho thieát bò ta choïn ñeäm laø daây amiaêng, coù beà daøy laø 3 mm. Tính kiểm tra bề dày của bích theo công thức 7.1 trg 148 Tính toán các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí -Hoà Leâ Vieân : Cánh tay đòn của môment gây uốn: l1 = = = 15 mm l2 = = = 38 mm S – bề dày thiết bị, mm P – áp suất của môi trường trong thiết bị N/mm2 db – đường kính ngoài của bulong, mm - ứng suất cho phép của vật liệu làm bulong - ứng suất cho phép của vật liệu làm bích K, hệ số. Với : hệ số Ta thấy rằng trong công thức tính t có K, nên ta chọn trước giá trị t để tính K, giá trị t được chọn theo STT2. Chọn t = 20mm suy ra K = 0,887, thay vào tính t = 18,22 ta thấy giá trị t chọn và t tính toán sai lệch không đáng kể (nhỏ hơn 5%) nên chọn bề dày bích h = t = 20 mm Tóm lại kích thước bích là: Dt D Db D1 Do h Bu-loâng db Z (mm) (caùi) 500 630 580 550 511 22 20 16 V. Ñöôøng kính caùc oáng daãn – Bích gheùp caùc oáng daãn : OÁng daãn thöôøng ñöôïc noái vôùi thieát bò baèng moái gheùp thaùo ñöôïc hoaëc khoâng thaùo ñöôïc. Trong thieát bò naøy, ta söû duïng moái gheùp thaùo ñöôïc. Ñoái vôùi moái gheùp thaùo ñöôïc, ngöôøi ta laøm ñoaïn oáng noái, ñoù laø ñoaïn oáng ngaén coù maët bích hay ren ñeå noái vôùi oáng daãn: Loaïi coù maët bích thöôøng duøng vôùi oáng coù ñöôøng kính d > 10mm. Loaïi ren chuû yeáu duøng vôùi oáng coù ñöôøng kính d £ 10mm, ñoâi khi coù theå duøng vôùi d £ 32mm. OÁng daãn ñöôïc laøm baèng theùp X18H10T. Bích ñöôïc laøm baèng theùp CT3 , caáu taïo cuûa bích laø bích lieàn khoâng coå. OÁng dẫn sản phẩm đáy: Nhieät ñoä cuûa chaát sản phẩm đáy tw = 110 oC Taïi nhieät ñoä naøy thì: Khoái löôïng rieâng cuûa benzen : rB = 780,25 kg/m3 Khoái löôïng rieâng cuûa toluen : rT = 778,39 kg/m3 Neân: Þ rF = 778,4 kg/m3 Choïn loaïi oáng noái caém saâu vaøo thieát bò. Choïn vaän toác chaát loûng trong oáng noái laø vF = 0,32 m/s. (theo bảng 2.2 trg370 STT1) Ñöôøng kính trong cuûa oáng noái: Dy = = 0,0189 m = 18,9 mm Þ Choïn oáng coù Dy = 25 mm. Tra baûng XIII.32, trang 434, Þ Chieàu daøi ñoaïn oáng noái l = 90 mm. Tra baûng XIII.26, trang 410, Þ Caùc thoâng soá cuûa bích öùng vôùi P = 0,25 N/mm2 laø: Dy Dn D Db D1 h Bu loâng db mm caùi 25 32 100 75 60 12 10 4 OÁng dẫn nguyên lieäu: Nhieät ñoä cuûa chaát loûng nhaäp lieäu laø tF = 94 oC Taïi nhieät ñoä naøy thì: Khoái löôïng rieâng cuûa benzen : rB = 802,3 kg/m3 Khoái löôïng rieâng cuûa toluen : rT = 780 kg/m3 Neân: Þ rF = 789,5 kg/m3 Choïn loaïi oáng noái caém saâu vaøo thieát bò. Choïn vaän toác chaát loûng trong oáng noái laø vF = 0,32 m/s. (theo bảng 2.2 trg370 STT1) Ñöôøng kính trong cuûa oáng noái: Dy = = 0,023 m = 23 mm Þ Choïn oáng coù Dy = 25 mm. (theo bảng XIII.32 STT2) Tra baûng XIII.32, trang 434, [6] Þ Chieàu daøi ñoaïn oáng noái l = 90 mm. Tra baûng XIII.26, trang 410, [6] Þ Caùc thoâng soá cuûa bích öùng vôùi P = 0,25 N/mm2 laø: Dy Dn D Db D1 h Bu loâng db Z mm caùi 25 32 100 75 60 12 10 4 OÁng daãn hôi ra khỏi tháp : Nhieät ñoä cuûa pha hôi taïi ñænh thaùp laø tD = 80,5 oC. Khoái löôïng rieâng cuûa pha hôi taïi ñænh thaùp: = 2,7 kg/m3 Choïn vaän toác hôi ra khoûi ñænh thaùp laø vHD = 20 m/s.(theo bảng 2.2 trg370 STT1) Lượng hơi vào thiết bị ngưng tụ : GD = D.(R + 1) = 161,8.(2,48 + 1) = 563,06 kg/h Ñöôøng kính trong cuûa oáng noái: Dy = = 0,031 m = 31 mm Þ Choïn oáng coù Dy = 40 mm.(theo bảng XIII.32 STT2) Tra baûng XIII.32, trang 434, Þ Chieàu daøi ñoaïn oáng noái l = 100 mm. Tra baûng XIII.26, trang 411, Þ Caùc thoâng soá cuûa bích öùng vôùi P = 0,25 N/mm2 laø: Dy Dn D Dd D1 h Bu loâng db Z mm caùi 40 45 130 100 80 12 12 4 Ống dẫn hơi vào đáy tháp: Nhiệt độ tại đáy tháp là 1100C khối lượng riêng của pha hơi tại đáy tháp Choïn vaän toác hôi vào đáy thaùp laø vHD = 20 m/s.(theo bảng 2.2 trg370 STT1) Đường kính trong của ống nối Với lưu lượng hơi đi vào đáy tháp g’1 = 789,7kg/h = 0,22kg/s = 0,075m3/s Suy ra Dy = 0,069 m = 69 mm Þ Choïn oáng coù Dy = 70 mm.(theo bảng XIII.32 STT2) Tra baûng XIII.32, trang 434, Þ Chieàu daøi ñoaïn oáng noái l = 110 mm. Tra baûng XIII.26, trang 412, Þ Caùc thoâng soá cuûa bích öùng vôùi P = 0,25 N/mm2 laø: Dy Dn D Dd D1 h Bu loâng db Z mm caùi 70 76 160 130 110 12 14 8 Ống dẫn lỏng hoàn lưu : Nhiệt độ dòng hoàn lưu tR = 80,5 oC. Choïn vaän toác của dòng này vào tháp là v = 0,3 m/s. (theo bảng 2.2 trg370 ) Khoái löôïng rieâng cuûa benzen : rB = 813,46 kg/m3 Khoái löôïng rieâng cuûa toluen : rT = 806,56 kg/m3 Neân: Þ rD = 813,3 kg/m3 Ñöôøng kính trong cuûa oáng noái: Dy = = 0,023 m = 23 mm Þ Choïn oáng coù Dy = 25 mm. (theo bảng XIII.32 ) Tra baûng XIII.32, trang 434, [6] Þ Chieàu daøi ñoaïn oáng noái l = 90 (mm). Tra baûng XIII.26, trang 409, [6] Þ Caùc thoâng soá cuûa bích öùng vôùi P = 0,25 N/mm2 laø: Dy Dn D Db D1 h Buloâng db Z mm caùi 25 32 100 75 60 12 10 4 Tính toán chân đỡ, tai treo : Tính troïng löôïng của toaøn thaùp: Tra baûng XII.7, trang 313, [6] Þ Khoái löôïng rieâng cuûa theùp CT3 laø: rCT3 = 7850 kg/m3 Khoái löôïng cuûa tám bích gheùp thaân vaø naép : mbích = = 159,3 kg Khoái löôïng cuûa thaân thieát bò : mthaân = .(D2ng –D2t).Hthaân . rX18H10T == 375 kg Khoái löôïng cuûa ñaùy (naép) thaùp: mñaùy(naép) =2. Sbeà maët .dñaùy . rX18H10T = 2.0,31 . 0,004 . 7900 = 19,9 kg Khối lượng mâm, ta có 25 mâm và thiết bị đun sôi Mmâm = khối lượng chóp + khối lượng đĩa dưới chóp + khối lượng ống chảy chuyền(bao gồm cả phần gờ chảy tràn) + khối lượng ống hơi Ta lấy khối tổng thể của một mâm bằng 2 lần khối lượng mâm không có lỗ và ống chảy chuyền cùng với bề dày mâm là 4mm, suy ra: Mmâm = 2. . D2t. . rX18H10T = 2. .0,52. 0,004 . 7900 = 12,4 kg Tổng khối lượng mâm M = 12,4.25 = 310 kg Khối lượng Toluene giả sử chứa đầy tháp trong trường hợp nguy hiểm nhất Mtoluene = . D2t. Ht . rtoluene = . 0,52. 7,5 . 856,5 = 1260 kg Khoái löôïng cuûa toaøn thaùp: m = Mbích + Mthaân + Mñaùy(naép) + Mmâm + Mtoluene = 159,3 +375 +19,9 + 310 +1260 = 2124,2 kg Tính chaân ñôõ thaùp: Choïn chaân ñôõ: thaùp ñöôïc ñôõ treân boán chaân. Vaät lieäu laøm chaân ñôõ thaùp laø theùp CT3. Tải trọng cho phép trên một chân đỡ: Gc = = 0,5253.104 N Để đảm bảo an toàn ta chọn Gc = 1.104 N Tra bảng XIII.35, trang 437, Þ chọn chân đỡ có các thông số sau: F.104 q.10-6 L B B1 B2 H h s l d m2 N/m2 mm 85,4 0,29 110 80 95 110 180 120 6 40 18 Tính khối lượng gần đúng một chân đỡ: Thể tích một chân đỡ: V1 chânđỡ = [2.(H – s).s. B2 + L. s. B].10-9 = [2.(180 – 6).6.110 + 110.6.80].10-9 = 2,69.10-3 m3 Khối lượng một chân đỡ: m1 chânđỡ = V1 chânđỡ . rCT3 = 2,69.10-3.7850 = 21,1kg Tính tai treo tháp: Chọn tai treo: Tai treo được gắn trên thân tháp và tựa vào giàn đỡ để giữ tháp vững trong quá trình làm việc Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3 Tải trọng trên một tai treo chọn bằng với tải trọng trên một chân đỡ Gc = 1.104 N Tra bảng XIII.36, trang 438, STT2 Þ chọn tai treo có các thông số sau: F.104 q.10-6 L B B1 H S l a d m m2 N/m2 mm 57,0 0,44 90 65 75 140 6 35 15 14 1,0 Khoái löôïng moät tai treo: mtai treo = 1,0 kg Tra baûng XIII.37, trang 439, STT2 Þ Choïn taám loùt tai treo baèng theùp CT3 coù caùc thoâng soá sau(tra theo Gc = 2,5.104 N): Chieàu daøi taám loùt: H = 260 mm Chieàu roäng taám loùt: B = 140 mm Beà daøy taám loùt: SH =6 mm Theå tích moät taám loùt tai treo: Vtaám loùt = B.SH.H = 140. 6. 260. 10-9 = 0,2184.10-3 m3 Khoái löôïng moät taám loùt tai treo: mtaám loùt = Vtaám loùt. rCT3 = 0,2184.10-3.7850 = 1,714 kg Chương 7 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ I . THIEÁT BÒ NGÖNG TUÏ SAÛN PHAÅM ÑÆNH: Choïn thieát bò ngöng tuï voû – oáng loaïi TH, ñaët naèm ngang. OÁng truyeàn nhieät ñöôïc laøm baèng theùp CT3, kích thöôùc oáng 20 x 2: Ñöôøng kính ngoaøi: dn = 20 mm = 0,02 m Beà daøy oáng: dt = 2 mm = 0,002 m Ñöôøng kính trong: dtr = 0,016 m Choïn: Nöôùc laøm laïnh ñi trong oáng vôùi nhieät ñoä vaøo tV = 30oC vaø nhieät ñoä ra tR = 40oC. Doøng hôi taïi ñænh ñi ngoaøi oáng vôùi nhieät ñoä ngöng tuï tngöng = 80,5 oC Suaát löôïng nöôùc laøm laïnh caàn duøng : Caân baèng nhieät: Qnt = (R + 1).GD.rD = Gn.(hR – hV) = Gn.CpΔT Qnt = (R + 1).D.rD = 61,42 kJ/s theo tính toán phần cân bằng nhiệt Löôïng nöôùc caàn duøng: = = 1,47 kg/s Trong đó hR, hv enthanpy của nước ở nhiệt độ trung bình Hieäu soá nhieät ñoä trung bình : Choïn kieåu truyeàn nhieät ngöôïc chieàu, neân: = 45,32 K. Heä soá truyeàn nhieät: Heä soá truyeàn nhieät K ñöôïc tính theo coâng thöùc: , W/m2.K Vôùi: an : heä soá caáp nhieät cuûa doøng nöôùc laïnh W/m2.K angöng : heä soá caáp nhieät cuûa doøng hôi ngöng tuï W/m2.K årt : nhieät trôû qua thaønh oáng vaø lôùp caùu. Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät cuûa nöôùc ñi trong oáng : Nhieät ñoä trung bình cuûa doøng nöôùc trong oáng: . Taïi nhieät ñoä naøy thì: Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc: rn = 994 kg/m3 Ñoä nhôùt cuûa nöôùc: nn = 7,23.10-7 m2/s Heä soá daãn nhieät cuûa nöôùc: ln = 0,626 W/mK Chuaån soá Prandtl: Prn = 4,90 Choïn vaän toác nöôùc ñi trong oáng: vn = 0,6 m/s Þ Soá oáng: = 18,26 ống Tra baûng V.II, trang 48, Þ choïn n = 19 oáng Þ Vaän toác thöïc teá cuûa nöôùc trong oáng: = 0,39 m/s. Chuaån soá Reynolds : = 8630,7 Ta thấy 2300 < Ren < 10000 cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy quá độ AÙp duïng coâng thöùc (10), trang 6, Hướng dẫn TNQTTB hay công thức V.44 trang 16Þ coâng thöùc xaùc ñònh chuaån soá Nusselt: Trong ñoù: e1 – heä soá tính ñeán aûnh höôûng cuûa heä soá caáp nhieät theo tyû leä giöõa chieàu daøi L vaø ñöôøng kính d cuûa oáng khi Re < 10000, tương ứng = 1,2 Hệ số C phụ thuộc Re, ứng với = 8630,7 ta có C = 30 Tính Prv: Prv được xác định ở nhiệt độ trung bình của thành ống Heä soá caáp nhieät cuûa nöôùc ñi trong oáng trong: an = Nhieät taûi qua thaønh oáng vaø lôùp caùu : , (W/m2). Trong ñoù: tw1 : nhieät ñoä cuûa vaùch tieáp xuùc vôùi hôi ngöng tuï, oC tw2 : nhieät ñoä cuûa vaùch tieáp xuùc vôùi nöôùc laïnh, oC Beà daøy thaønh oáng: dt = 0,002 m Heä soá daãn nhieät cuûa theùp khoâng gæ: lt = 16,3 W/mK Nhieät trôû lôùp baån trong oáng: r1 = 1/5000 m2.K/W Nhieät trôû lôùp caùu ngoaøi oáng: r2 =1/5800 m2.K/W Neân: årt = 0,0005 m2.K/W Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät cuûa hôi ngöng tuï ngoaøi oáng : Ñieàu kieän: Ngöng tuï hôi baõo hoøa. Khoâng chöùa khoâng khí khoâng ngöng. Hôi ngöng tuï ôû maët ngoaøi oáng. Maøng chaát ngöng tuï chaûy taàng. OÁng naèm ngang. AÙp duïng coâng thöùc (3.65), trang 120, [4]Þ Ñoái vôùi oáng ñôn chieác naèm ngang thì: Tra hình V.20, trang 30, STQTTB Tập Þ heä soá phuï thuoäc vaøo caùch boá trí oáng vaø soá oáng trong moãi daõy thaúng ñöùng laø etb = 0,7 (vì xeáp xen keõ vaø soá oáng trong moãi daõy thaúng ñöùng laø 9) Þ Heä soá caáp nhieät trung bình cuûa chuøm oáng: angöng = etba1 = 0,7a1 Duøng pheùp laëp: choïn tW1 = 52 oC Nhieät ñoä trung bình cuûa maøng chaát ngöng tuï: tm = ½ (tngöng + tW1) = ½ (80,5 + 52) = 66,25 oC Taïi nhieät ñoä naøy thì: Khoái löôïng rieâng cuûa benzene : rB = 828,92 kg/m3 Khoái löôïng rieâng cuûa toluene : rT = 820,34 kg/m3 Neân: Þ r = 828,71 kg/m3 Ñoä nhôùt cuûa benzene : mB = 3,67.10-4 N.s/m2 Ñoä nhôùt cuûa toluene : mT = 3,51.10-4 N.s/m2 Neân: lgm = xDlgmB + (1 – xD)lgmT = 0,98.lg(3,67.10-4) + (1 - 0,98)lg(3,51.10-4) Þ m = 3,67.10-4 N.s/m2 Heä soá daãn nhieät cuûa saûn phaåm ñænh : lD = 0,1436 W/mK Ẩn nhiệt ngưng tụ của sản phẩm đỉnh xác định ở tf: = 390 kJ/kg Neân: Þ angöng = .0,7 = 708,2 W/m2K Þ qngöng = angöng (tngöng – tW1) = 708,2.(80,5 - 52) = 20183,7 W/m2 Þ qt = qngöng = 20183,7 (W/m2) (xem nhieät taûi maát maùt laø khoâng ñaùng keå) Þ tw2 = tw1 - qtSrt = 52 – 20183,7.2,867.10-4 = 46,20C Þ Prw2 = 3,83 Þ Þ an = Þ qn = an (tW2 – tf) = 2966,8.(46,2 - 35) = 33228,2 W/m2 Kieåm tra sai soá: e = 100% =100% = 55,7% sai số quá lớn, không thỏa ta lập lại các bước tính như trên với các giá trị khác của tw1 Số Hơi Ngưng tụ Lần Tính tngưng tw1 tm Δt1 angưng qngưng 1 80.5 60 70.25 20.5 1414.474 28996.7191 2 80.5 61 70.75 19.5 1432.27 27929.2597 3 80.5 59 69.75 21.5 1397.732 30051.234 Keát luaän: vậy chọn lần tính lặp lại thứ nhất với: tw1 = 600C để có sai số nhỏ nhất, và tw2 = 45,60C Xaùc ñònh heä soá truyeàn nhieät: = 646,742 W/m2K Beà maët truyeàn nhieät: Beà maët truyeàn nhieät ñöôïc xaùc ñònh theo phöông trình truyeàn nhieät: F = = 2,1 m2 dự trữ bề mặt truyền nhiệt ta chọn F = 2,5 m2 Caáu taïo thieát bò: Soá oáng truyeàn nhieät: n = 19 oáng. OÁng ñöôïc boá trí theo hình luïc giaùc ñeàu. Chieàu daøi oáng truyeàn nhieät: L = = 0,604 m Þ choïn L = 0,7 m Soá chaëng : 1 chaëng Soá oáng treân ñöôøng cheùo: b = 5 oáng Tra baûng trang 21, [3] Þ Böôùc oáng: t = 1,2d = 1,2.0.02 = 0,024 m Soá oáng taát caû : 19 AÙp duïng coâng thöùc (V.140), trang 49, [6]: Þ Ñöôøng kính trong cuûa thieát bò: D = t(b-1) + 4dn = 0,024.(5-1) + 4.0.02 = 0,17m lấy tròn 0,2m II . THIEÁT BÒ ÑUN SOÂI ÑAÙY THAÙP : Choïn thieát bò ñun soâi ñaùy thaùp laø noài ñun Kettle. OÁng truyeàn nhieät ñöôïc laøm baèng theùp X18H10T, kích thöôùc oáng 38 x 3: Ñöôøng kính ngoaøi: dn = 38 mm = 0,038 m Beà daøy oáng: dt = 3 mm = 0,003 m Ñöôøng kính trong: dtr = 0,032 m Hôi ñoát laø hôi nöôùc ôû 2,5at ñi trong oáng 38 x 3. Tra baûng 1.251, trang 314,: Nhieät hoùa hôi: = rn = 2189500 J/kg Nhieät ñoä soâi: = tn = 126,25 oC Doøng saûn phaåm taïi ñaùy coù nhieät ñoä: Tröôùc khi vaøo noài ñun (loûng): tS1 = 110,2 oC Sau khi ñöôïc ñun soâi (hôi): tS2 = 110,6 oC Suaát löôïng hôi nöôùc caàn duøng: Tra baûng 1.251, trang 314, [5] Þ Nhieät hoùa hôi cuûa nöôùc ôû 2,5 at = = 2189,5 kJ/kg Hieäu soá nhieät ñoä trung bình: Choïn kieåu truyeàn nhieät ngöôïc chieàu, neân: = 15,85 K. Heä soá truyeàn nhieät: Heä soá truyeàn nhieät K ñöôïc tính theo coâng thöùc nhö ñoái vôùi töôøng phaúng: ,W/m2.K Vôùi: an : heä soá caáp nhieät cuûa hôi ñoát W/m2.K aS : heä soá caáp nhieät cuûa saûn phaåm ñaùy W/m2.K. årt : nhieät trôû qua thaønh oáng vaø lôùp caùu. Nhieät taûi qua thaønh oáng vaø lôùp caùu: , W/m2. Trong ñoù: tw1 : nhieät ñoä cuûa vaùch tieáp xuùc vôùi hôi ñoát trong oáng, oC tw2 : nhieät ñoä cuûa vaùch tieáp xuùc vôùi saûn phaåm ñaùy ngoaøi oáng, oC Beà daøy thaønh oáng: dt = 0,003 m Heä soá daãn nhieät cuûa theùp khoâng gæ: lt = 16,3 W/mK (Baûng XII.7, trang 313, STQTTB ) Nhieät trôû lôùp baån trong oáng: r1 = 1/5800 m2.K/W (Baûng 31, trang 419, [4]) Nhieät trôû lôùp caùu ngoaøi oáng: r2 =1/5800 m2.K/W Neân: årt = 5,289.10-4 m2.K/W Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät cuûa doøng saûn phaåm ñaùy ngoaøi oáng: AÙp duïng coâng thöùc (V.89), trang 26, [6]: aS = 7,77 . 10-2. Nhieät ñoä soâi trung bình cuûa doøng saûn phaåm ôû ngoaøi oáng: = 110,4 (oC) Þ tS = 110,4 + 273 = 383,4 K Taïi nhieät ñoä soâi trung bình thì: Khoái löôïng rieâng cuûa pha hôi trong doøng saûn phaåm ôû ngoaøi oáng: = 2,91 kg/m3 Khoái löôïng rieâng cuûa benzen : rB = 780,52 kg/m3 Khoái löôïng rieâng cuûa toluen : rT = 781,64 kg/m3 Neân: Þ r = 781,636 kg/m3 Ñoä nhôùt cuûa toluen : mT = 2,994.10-4 N.s/m2 Ñoä nhôùt cuûa benzen : mB = 2,71.10-4 N.s/m2 Neân: lgm = xWlgmB + (1 - xW)lgmT = 0,0043.lg(2,71.10-4) + (1 - 0,0043)lg(2,994.10-4) Þ m = 2,993.10-4 N.s/m2 Heä soá daãn nhieät cuûa hỗn hợp : l = 0,149 W/mK Söùc caêng beà maët cuûa benzen : sB = 0,01755 N/m Söùc caêng beà maët cuûa toluen : sT = 0,0183 N/m Neân: = 0,009 N/m Nhieät dung rieâng cuûa benzen : cB = 2157,45 J/kg.K Nhieät dung rieâng cuûa toluen : cT = 2108,19 J/kg.K Neân: c = cN + cA. (1 - ) = 2108,37 J/kgK Nhieät hoùa hôi cuûa Benzen: rB = 370636,47 J/kg Nhieät hoùa hôi cuûa toluen : rT = 362262,87 J/kg Neân: r = rN + rA. (1 - ) = 362293,45 J/kg Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät cuûa hôi ñoát trong oáng: AÙp duïng coâng thöùc (3.65), trang 120, [4]: Duøng pheùp laëp: choïn tW1 = 124,8 (oC) Nhieät ñoä trung bình cuûa maøng nöôùc ngöng tuï: tm = 126,525 oC Taïi nhieät ñoä naøy thì: Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc: rn = 937,935 kg/m3 Ñoä nhôùt cuûa nöôùc: mn = 2,25.10-4 (N.s/m2) Heä soá daãn nhieät cuûa nöôùc: ln = 0,686 W/mK Neân: an = 10849,76103 (W/m2K) Þ qn = an (tn – tW1) = 15732,15 W/m2 Þ qt = qn = 15732,15349 W/m2 (xem nhieät taûi maát maùt laø khoâng ñaùng keå) Þ tw2 = tw1 - qtSrt = 116,68 oC Þ aS = 2481,544 W/m2K (vôùi q = qt) Þ qS = aS (tW2 – tS) = 15579,58 W/m2 Kieåm tra sai soá: e = 100% = 0,97% < 5% (thoûa) Keát luaän: tw1 = 124,8oC vaø tw2 = 116,68