CHƯNG CẤT METANOL - NƯỚC (1)

Tổng quan

I. Giới thiệu về nguyn liệu1. Methanol

Methanol cịn gọi l rượu gỗ, cĩ cơng thức hĩa học CH3OH. L chất lỏng khơng mu, dễ bay hơi v rất độc. Cc thơng số của methanol:

- Phn tử lượng: 32,04 g/mol.- Khối lượng ring: 0,7918 g/cm3.- Nhiệt độ nĩng chảy: -97oC (176K).- Nhiệt độ sơi: 64,5oC ( 337,8K).- Độ nhớt: 0,59 Ns/m2 ở 20oC.

1.1. Ứng dụng

Methanol được dng lm chất chống đơng, lm dung mơi, lm nhin liệu cho động cơ đốt trong, nhưng ứng dụng lớn nhất l lm nguyn liệu để sản xuất cc hĩa chất khc.

Khoảng 40% metanol được chuyển thnh forml dehyde, từ đĩ sản xuất ra chất dẻo, sơn…Cc hĩa chất khc được dẫn xuất từ metanol bao gồm dimeylete…

1.2. Sản xuất

Methanol được sinh ra từ sự trao đổi chất yếm khí của 1 vi lồi vi khuẩn. Kết quả l 1 lượng nhỏ hơi methanol được tạo thnh trong khơng khí. V sau vi ngy khơng khí cĩ chứa methanol sẽ bị oxy hố bởi O2 dưới tc dụng của nh sng chuyển thnh CO2 v H2O theo phương trình:

2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O

Hiện nay methanol được sản xuất bằng cch tổng hợp trực tiếp từ H2 v CO, gia nhiệt ở p suất thấp cĩ mặt chất xc tc.

2. Nước

Trong điều kiện bình thường: nước l chất lỏng khơng mu, khơng mi, khơng vị nhưng khối nước dy sẽ cĩ mu xanh nhạt.

Khi hĩa rắn nĩ cĩ thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khc nhau.

Tính chất vật lý:

- Khối lượng phn tử : 18 g / mol

- Khối lượng ring d4oC : 1 g / ml

- Nhiệt độ nĩng chảy : 00C

- Nhiệt độ sơi : 1000 C

Nước l hợp chất chiếm phần lớn trn tri đất (3/4 diện tích tri đất l nước biển) v rất cần thiết cho sự sống.

Nước l dung mơi phn cực mạnh, cĩ khả năng hồ tan nhiều chất v l dung mơi rất quan trọng trong kỹ thuật hĩa học.

3. Hỗn hợp Methanol-nước

Ta cĩ bảng cn bằng lỏng-hơi cho hỗn hợp methanol-nước ở 1 atm

Bảng 1

toC 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,5 66 64,5x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100

Ở đy

x l thnh phần lỏng

y l thnh phần hơi

II. Lý thuyết về chưng cất: 1. Khi niệm:

Chưng cất l qu trình dng để tch cc cấu tử của một hỗn hợp lỏng (cũng như hỗn hợp khí lỏng) thnh cc cấu tử ring biệt dựa vo độ bay hơi khc nhau của cc cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa l khi ở cng một nhiệt độ, p suất hơi bo hịa của cc cấu tử khc nhau).

Thay vì đưa vo trong hỗn hợp một pha mới để tạo nn sự tiếp xc giữa hai pha như trong qu trình hấp thu hoặc nhả khí, trong qu trình chưng cất pha mới được tạo nn bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất v cơ đặc khơng khc gì nhau, tuy nhin giữa hai qu trình ny cĩ một ranh giới cơ bản l trong qu trình chưng cất dung mơi v chất tan đều bay hơi (nghĩa l cc cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khc nhau), cịn trong qu trình cơ đặc thì chỉ cĩ dung mơi bay hơi cịn chất tan khơng bay hơi.

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử v thường thì hệ cĩ bao nhiu cấu tử sẽ thu được bấy nhiu sản phẩm. Nếu xt hệ đơn giản chỉ cĩ 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:

+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử cĩ độ bay hơi lớn v một phần rất ít cc cấu tử cĩ độ bay hơi b.

+ Sản phẩm đy chủ yếu gồm cấu tử cĩ độ bay hơi b v một phần rất ít cấu tử cĩ độ bay hơi lớn.

Vậy đối với hệ methanol - nước thì:

- Sản phẩm đỉnh chủ yếu l methanol.

- Sản phẩm đy chủ yếu l nước.

2. Cc phương php chưng cất:

2.1. Phn loại theo p suất lm việc

- p suất thấp

- p suất thường

- p suất cao

2.2. Phn loại theo nguyn lý lm việc

- Chưng cất đơn giản

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp

- Chưng cất đa cấu tử

2.3. Phn loại theo phương php cấp nhiệt ở đy thp

- Cấp nhiệt trực tiếp

- Cấp nhiệt gin tiếp

Vậy đối với hệ methanol - nước, ta nn chọn phương php chưng cất lin tục cấp nhiệt gin tiếp.

3. Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thường dng nhiều loại thiết bị khc nhau để tiến hnh chưng cất. Tuy nhin yu cầu cơ bản chung của cc thiết bị vẫn giống nhau nghĩa l diện tích bề mặt tiếp xc pha phải lớn, điều ny phụ thuộc vo mức độ phn tn của một lưu chất ny vo lưu chất kia. Nếu pha khí phn tn vo pha lỏng ta cĩ cc loại thp mm, nếu pha lỏng phn tn vo pha khí ta cĩ thp chm, thp phun,… Ở đy ta khảo st 2 loại thường dng l thp mm v thp chm.

- Thp mm: thn thp hình trụ, thẳng đứng phía trong cĩ gắn cc mm cĩ cấu tạo khc nhau, trn đĩ pha lỏng v pha hơi được cho tiếp xc với nhau. Ty theo cấu tạo của đĩa, ta cĩ:

- Thp mm chĩp : trn mm bố trí cĩ chĩp dạng trịn, xupap, chữ s…

- Thp mm xuyn lỗ: trn mm cĩ nhiều lỗ hay rnh

- Thp chm (thp đệm): thp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hn. Vật chm được cho vo thp theo một trong hai phương php: xếp ngẫu nhin hay xếp thứ tự.

So snh ưu nhược điểm của cc loại thp:

Thp chm Thp mm xuyn lỗ Thp mm chĩp

Ưu điểm

- Cấu tạo kh đơn giản.

- Trở lực thấp.

- Lm việc được với chất lỏng bẩn.

- Trở lực tương đối thấp.

- Hiệu suất kh cao.

- Kh ổn định.

- Hiệu suất cao.

Nhược điểm

- Do cĩ hiệu ứng thnh nn hiệu suất truyền khối thấp.

- Độ ổn định thấp, khĩ vận hnh.

- Khĩ tăng năng suất.

- Thiết bị kh nặng nề.

- Khơng lm việc được với chất lỏng bẩn.

- Kết cấu kh phức tạp.

- Cĩ trở lực lớn.

- Tiu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp.

Trong bo co ny ta sử dụng thp mm xuyn lỗ để chưng cất hệ methanol - nước.

CHƯƠNG 2

Quy trình cơng nghệ

1. Thuyết minh quy trình cơng nghệ:

Hỗn hợp methanol - nước cĩ nồng độ nhập liệu methanol 10% (theo phần hối lượng), nhiệt độ khoảng 280C tại bình chứa nguyn liệu (13) được bơm (1) bơm ln bồn cao vị (2). Từ đĩ được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đy (12). Sau đĩ, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sơi trong thiết bị đun sơi dịng nhập liệu (3), rồi được đưa vo thp chưng cất (5) ở đĩa nhập liệu.

Trn đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của thp chảy xuống. Trong thp, hơi đi từ dưới ln gặp chất lỏng từ trn xuống. Ở đy, cĩ sự tiếp xc v trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng cng xuống dưới cng giảm nồng độ cc cấu tử dễ bay hơi vì đ bị pha hơi tạo nn từ hơi nước được cấp trực tiếp vo đy thp lơi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ cng ln trn cng thấp, nn khi hơi đi qua cc đĩa từ dưới ln thì cấu tử cĩ nhiệt độ sơi cao l nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cng trn đỉnh thp ta thu được hỗn hợp cĩ cấu tử methsanol chiếm nhiều nhất (cĩ nồng độ 95% phần khối lượng). Hơi ny đi vo thiết bị ngưng tụ (7) v được ngưng tụ hồn tồn. Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hồn lưu về thp ở đĩa trn cng. Phần cịn lại được lm nguội đến 40 0C, rồi đưa về bình chứa sản phẩm đỉnh.

Một phần cấu tử cĩ nhiệt độ sơi thấp được bốc hơi, cịn lại cấu tử cĩ nhiệt độ sơi cao trong chất lỏng ngy cng tăng. Cuối cng, ở đy thp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết l cc cấu tử khĩ bay hơi (nước). Hỗn hợp lỏng ở đy cĩ nồng độ methanol l 1,5% phần khối lượng, cịn lại l nước. Dung dịch lỏng ở đy đi ra khỏi thp đi vo thiết bị trao đổi nhiệt với dịng nhập liệu, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đy (11).

Hệ thống lm việc lin tục cho ra sản phẩm đỉnh l methanol. Sản phẩm đy l nước sau khi trao khi trao đổi nhiệt với dịng nhập liệu được thải bỏ ở nhiệt độ 600C.

Ch thích cc kí hiệu trong qui trình:

1. Bồn chứa nguyn liệu

2. Bơm

3. Bồn cao vị

4. Thiết bị trao đổi nhiệt.

5. Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu

6. Lưu lượng kế.

7. Thp chưng

8. Thiết bị đun sản phẩm đy

9. Bồn chứa sản phẩm đỉnh.

10. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

11. Thiết bị lm nguội sản phẩm đỉnh

12. Bẩy hơi

13. Bồn chứa sản phẩm đy

CHƯƠNG 3

TÍNH TỐN SƠ BỘ

I. Cc thơng số ban đầu:- Chọn loại thp l thp mm xuyn lỗ. Thiết bị hoạt động lin tục.

- Khi chưng luyện dung dịch metanol thì cấu tử dễ bay hơi l metanol.

- Hỗn hợp:

+ Methanol: CH3OH, MR = 32 (g/mol)

+ Nước: H2O, MN = 18 (g/mol)

Năng suất nhập liệu: GF = 1000 (l/h) Nồng độ nhập liệu: = 10% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)

Nồng độ sản phẩm đỉnh: = 95% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)

Nồng dộ sản phẩm đy: = 1,5% (kg Methanol/ kg hỗn hợp) Chọn:

- Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tBĐ = 28oC

- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi lm nguội: tPR = 60oC

- Nhiệt độ dịng nước lạnh đi vo: tV = 28oC

- Nhiệt độ dịng nước lạnh đi ra: tR = 40oC

- Trạng thi nhập liệu vo thp chưng cất l trạng thi lỏng sơi.

Cc ký hiệu:GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.

GP, P: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h.

GW, W: suất lượng sản phẩm đy tính theo kg/h, kmol/h.

L : suất lượng dịng hồn lưu, kmol/h.

xi, : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.

II. Cn bằng vật chất:1. Nồng độ phần mol của Methanol trong thp

Từ số liệu của bảng 1 ta xy dựng đồ thị t-x,y cho hệ Methnol- nước

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0x,y

t0C

hôi

loûng

Đồ thị 1 đồ thị t-x,y cho hệ Methnol- nước

Do ta chọn trạng thi nhập liệu vo thp chưng cất l trạng thi lỏng sơi nn từ đồ thị 1 trn, tại xF = 0.0588 ta nội suy ra nhiệt độ nhập liệu vo thp chưng cất l

TF = 91,50C

Tra bảng 1.249, trang 310, {1} ta được = 964,25 kg/m3

Tra bảng 1.2, trang 9, {1} ta được = 722.19 kg/m3

Suy ra khối lượng ring của hỗn hợp khi nhập liệu vo thp

kg/m3

Suy ra GF = 933,0 kg/h

Ta cĩ kg/kmol

Nn kmol/h

2. Suất lượng mol của cc dịng

- Phương trình cn bằng vật chất cho tồn thp

F = P + W

F.xF = P.xP + W.xW

- Thế cc gi trị vo ta được hệ phương trình sau

P = 2,67 kmol/h

W= 45,42 kmol/h

- Lại cĩ

kg/kmol

kg/kmol

- Suy ra

GP = P.MP = 2,67.31,30 = 83,57 kg/h

GW = W.MW = 45,42.18,21 = 827,1 kg/h

3. Cc phương trình lm việc

- Từ bảng số liệu 1 ta xy dựng đồ thì cn bằng pha của hệ Methanol-nước ở p suất 1atm

- Với xF = 0,0588 ta nội suy từ đồ thị 2 được = 0,295

+ Tỉ số hồn lưu tối thiểu

Rmin

+ Tỉ số hồn lưu lm việc:

R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3.2,62 + 0.3 = 3,71

+ Suất lượng mol tương đối của dịng nhập liệu

Phương trình đường lm việc của phần chưng:

Hay

Phương trình đường lm việc của phần luyện:

Hay

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1x

y

Đồ thị 2: đồ thì cn bằng pha của hệ Methanol-nước ở p suất 1atm

CHƯƠNG 4:

Thiết kế chế tạo thp chưng cấtI. Đường kính thp:

1. Phần luyện:

a. Khối lượng ring trung bình của pha lỏng trong phần luyện:

- Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện:

mol

- Nội suy từ đồ thị 1 ta được nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện

TLL = 73,4 oC

- Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện:

- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]

Khối lượng ring của nước ở 73,4oC: N = 975,76 kg/m3

- Tra bảng 1.2, trang 9, [1] Khối lượng ring của metanol ở 73,4oC: R = 739,77 kg/m3

- p dụng trong cơng thức (1.2), trang 5, [1]

w LL = 835,78 kg/m3

b. Khối lượng ring trung bình của pha hơi trong phần luyện:

- Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện:

yL = 0,788xL + 0.194 = 0,788.0,4866 + 0.194 = 0,5775

w Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần luyện: THL = 81,6 oC

- Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện:

MHL = yL. MR + (1 – yL). MN = 0,5775.32 + (1 – 0,5775). 18 = 26,085 kg/kmol

- Khối lượng ring trung bình của pha hơi trong phần luyện:

- Chọn khoảng cch mm h = 250 mm

- Tra hình 2.2, trang 42,[6]: C = 0,028

- Vận tốc pha hơi đi trong phần luyện

Lưu lượng pha hơi đi trong phần luyện của thp:

Đường kính đoạn luyện

2. Phần chưng:

a. Khối lượng ring trung bình của pha lỏng trong phần chưng:

- Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng:

(mol metanol/mol hỗn hợp)

- Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng: TLC = 94,6 oC

- Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện:

kg metanol/ kg hỗn hợp

- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]




LC = 941,39 (kg/m3).

b. Khối lượng ring trung bình của pha hơi trong phần chưng

- Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần chưng

yC = 4,61xC - 0,031 = 4,61.0,034 – 0,031 = 0,126

w Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần chưng:

THC = 96,4 oC

- Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần chưng

MHC = yC. MR + (1 – yC). MN = 0,126.32 + (1 – 0,126). 18 = 19,76 kg/kmol

- Khối lượng ring trung bình của pha hơi trong phần chưng:

- Chọn khoảng cch mm h = 250 mm

- Vận tốc pha hơi đi trong phần chưng:

- Tra hình 2.2, trang 42,[6]: C = 0,028

- Lưu lượng pha hơi đi trong thp:

- Đường kính đoạn chưng

Tra bảng IX.4a, trang 169, [2], ta chọn theo chuẩn D = 400 mm

Kết luận: đường kính thp l D = 0,4 m

Vận tốc pha hơi trong thp theo thực tế:

II. Chiều cao thp:1. Số mm lý thuyết

Ta dựng đồ thị 2 đường lm việc vo trong đồ thị 2 (đồ thị cn bằng pha).

Đồ thị 3: Đồ thị xc định số bậc lý thuyết của thp

Từ đồ thị 3 ở trn ta suy số mm lý thuyết của thp l Nlt = 10 mm. Nhưng do ta dng thiết bị đun nĩng gin tiếp nn ta xem thiết bị ny như l 1 mm lý thuyết

Vậy số mm trong thp l 9 mm, trong đĩ

+ Số mm phần chưng l 5

+ Số mm phần luyện l 4

2. Xc định số mm thực tế của thp

a. Hiệu suất trung bình của thp

+ Vị trí đỉnh

Nồng độ phần mol: xP = 0,9144

tsơi = 65,8oC

= 0,972

Độ bay hơi tương đối:

Tra bảng 1.104, trang 96, [1] w Độ nhớt của nước mN = 0,432 cP

Dng tốn đồ 1.18, trang 90, [1] w Độ nhớt của metanol mR = 0,325 cP

Cơng thức (I.12), trang 84, [1]

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lgmhh = x1lgm1 + x2lgm2

Nn: lgmhh = 0,9144.lg0,325 + (1 – 0,9144).lg0,432 = -0,478

w̃ mhh = 0,333 cP

w̃ aLmL = 3,250.0,333 = 1,082

Tra hình IX, trang 171, [2] w E = 46%

+ Vị trí nhập liệu

Nồng độ phần mol: xF = 0,0588

tsơi = 91,5oC

= 0,305






Nn: lgmhh = 0,0588.lg0,245 + (1 – 0,0588).lg0,312 = -0,512

w̃ mhh = 0,308 cP

w̃ aLmL = 7,025.0,308 = 2,161


+ Vị trí đy:

Nồng độ phần mol: xP = 0,0085

tsơi = 98,5oC

= 0,052






Nn: lgmhh = 0,0085.lg0,215 + (1 – 0,0085).lg0,289 = -0,541

w̃ mhh = 0,288 cP

w̃ aLmL = 6,40.0,288 = 1,842


+ Hiệu suất trung bình của thp

b. Chiều cao thp

- Số mm thực tế của thp

mm

Trong đĩ

mm

mm

- Chiều cao tồn thp: Sử dụng cơng thức IX.54, trang 169, [2] Hthp = Ntt.(hmm + d ) = 21.( 0,25 + 0,002 ) + 0,8 = 6,092 m

- Chọn đy (nắp) tiu chuẩn cĩ suy ra ht = 0,25.D = 0,25.0,4 = 0,10 m

- Chọn chiều cao gờ: hg = 25 mm = 0,025 m

- Chiều cao đy (nắp): Hđn = ht + hg = 0,1 + 0,025 = 0,125 m

Kết luận: Chiều cao tồn thp: H = 6,34 m

III. Trở lực thp:Cấu tạo mm lỗ:

+ Chọn thp mm xuyn lỗ cĩ ống chảy chuyền với:

- Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mm.

- Đường kính lỗ dl = 3 mm = 0,003 m

- Chiều cao gờ chảy trn: hgờ = 30mm = 0,03 m

- Diện tích của 2 bn nguyệt bằng 20% diện tích mm.

- Lỗ bố trí theo hình lục gic đều.

- Khoảng cch giữa 2 tm lỗ bằng 15 mm.

- Bề dy mm bằng 2 mm

- Mm được lm bằng thp khơng gỉ X18H10T.

+ Số lỗ trn 1 mm:

N = = 1422 lỗ

Gọi a l số hình lục gic.

p dụng cơng thức (V.139), trang 48, [2]: N = 3a(a-1) +1

Giải phương trình bậc 2 w a = 22,3 » 23 w N = 1519 lỗ

Số lỗ trn đường cho: b = 2a - 1 = 43 lỗ

2. Trở lực của đĩa khơ:

p dụng cơng thức (IX.140), trang 194, [2]:

Đối với đĩa cĩ tiết diện tự do bằng 10% diện tích mm thì x = 1,82

2.1. Phần luyện

Vận tốc hơi qua lỗ: m/s

Nn: DPkL = N/m2

2.2. Phần chưng

Vận tốc hơi qua lỗ: m/s

Nn: N/m2

3. Trở lực do sức căng bề mặt

Vì đĩa cĩ đường kính lỗ > 1mm

w̃ Ap dụng cơng thức (IX.142), trang 194, [2]:

3.1. Phần luyện

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 73,4oC thì:

· Tra bảng 1.249, trang 310, [1] w Sức căng bề mặt của nước sNL = 0,6334 N/m

· Tra bảng 1.242, trang 300, [1] w Sức căng bề mặt của rượu sRL = 0,0184 N/m

Ap dụng cơng thức (I.76), trang 299, [1]:

N/m

N/m2

3.2. Phần chưng

Tính tốn tương tự như phần luyện

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 94,6oC thì:

· Tra bảng 1.249, trang 310, [1] w Sức căng bề mặt của nước sNL = 0,5964 N/m

· Tra bảng 1.242, trang 300, [1] w Sức căng bề mặt của rượu sRL = 0,0160 N/m

Ap dụng cơng thức (I.76), trang 299, [1]:

N/m

N/m2

4. Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trn đĩa tạo ra:

Ap dụng cơng thức trang 68, [3]

DPb = 1,3hbKrLg

Với: hb = hgờ + Dhl

Trong đĩ:

Lgờ : chiều di của gờ chảy trn, m

K = rb/rL : tỷ số giữa khối lượng ring chất lỏng bọt v khối lượng ring của chất lỏng, lấy gần bằng 0,5.

: suất lượng thể tích của pha lỏng, m3/s.

Tính chiều di gờ chảy trn:

Ta cĩ: Squạt - SD = Sbn nguyệt

a - sina = 0,2p

Dng php lặp w a = 1,627 rad = 93,32o

Nn Lgờ =

4.1. Phần luyện:

Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện:

MLL = 0,4866.32 + (1 – 0,4866).18 = 24,81 kg/kmol

Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:

QLL = m3/s

m

Cho ta: DPbL = 1,3.(hgờ + DhlL).KrLLg

= 1,3.(0,03 + 0,0045). 0,5. 835,78. 9,81 = 183,86 N/m2

4.2. Phần chưng

Tính tốn tương tự như phần luyện

Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện:

MLC = 0,034.32 + (1 – 0,034).18 = 16,54 kg/kmol

Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:

QLC = m3/s

m

Cho ta: DPbC = 1,3.(hgờ + DhlC).KrLCg

= 1,3.(0,03 + 0,0032). 0,5. 941,39. 9,81 = 199,29 N/m2

5. Tổng trở lực thuỷ lực của thp

Tổng trở lực của 1 mm trong phần luyện của thp l:

DPL = DPkL + DPsL + DPbL = 84,05 + 18,36 + 183,86 = 286,27 N/m2

Tổng trở lực của 1 mm trong phần chưng của thp l:

DPC = DPkC + DPsC + DPbC = 57,33 + 12,92 + 199,29 = 269,54 N/m2

Kiểm tra hoạt động của mm:

- Kiểm tra lại khoảng cch mm h = 0,25m đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình

thường của thp: h > ( trang 70, [3] )

Với cc mm trong phần luyện trở lực thuỷ lực qua 1 mm lớn hơn trở lực thuỷ lực của mm trong phần chưng, ta cĩ:

m

w̃ Điều kiện trn được thỏa.

- Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động của mm. Từ cơng thức trang 70, [3] Ta cĩ vận tốc tối thiểu qua lỗ của pha hơi vmin đủ để cho cc lỗ trn mm đều hoạt động:

vmin = 0,67 m/s < 10,15 m/s

w̃ Cc lỗ trn mm đều hoạt động.

Kết luận:

Tổng trở lực thủy lực của thp:

DP = NttL.DPL + NttCDPC = 9. 286,27 + 14. 269,54 = 6350,0 (N/m2)

6. Kiểm tra ngập lụt khi thp hoạt động:

Khoảng cch giữa 2 mm: Dh = 250 mm

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mm xuyn lỗ được xc định theo biểu thức (5.20), trang 120, [3]:

hd = hgờ + Dhl + DP + hd’ ,mm.chất lỏng

Trong đĩ:

+ hgờ : chiều cao gờ chảy trn ,mm

+ Dhl : chiều cao lớp chất lỏng trn mm ,mm

+ DP: tổng trở lực của 1 mm ,mm.chất lỏng

+ hd’ : tổn thất thủy lực do dịng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vo mm, được xc định theo biểu thức (5.10), trang 115, [3]:

,mm.chất lỏng

+ QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h).

+ Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền v mm.

Sd = 0,8 . Smm = 0,8. .0,42 = 0,10 m2

Để thp khơng bị ngập lụt khi hoạt động thì: hd £ Dh = 125 mm

6.1. Phần luyện

DhlL = 0,0045. 1000 = 4,5 mm

DPL = mm.chất lỏng

mm.chất

lỏng

Nn: hdL = 30 + 4,5 + 34,92 + 1,11.10-4 = 69,42 mm < 125 mm

Vậy: Khi hoạt động thì mm ở phần luyện sẽ khơng bị ngập lụt.

6.2. Phần chưng

DhlC = 0,0032. 1000 = 3,2 (mm)

DPC = mm.chất lỏng

mm.chất lỏng

Nn: hdC = 30 + 3,2 + 40,02 + 3,89.10-5 = 73,22 mm < 125 mm

Vậy: Khi hoạt động thì mm ở phần chưng sẽ khơng bị ngập lụt.

Kết luận: Khi hoạt động thp sẽ khơng bị ngập lụt.

IV. Bề dy thp :

1. Thn thp

Vì thp hoạt động ở p suất thường nn ta thiết kế thn hình trụ bằng phương php hn hồ quang điện, kiểu hn gip mối 2 phía. Thn thp được ghp với nhau bằng cc mối ghp bích.

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm ta chọn thiết bị thn thp l thp khơng gỉ m X18H10T.

1.1. Cc thơng số cần tra v chọn phục vụ cho qu trình tính tốn

Nhiệt độ tính tốn: t = tmax= 100oC

p suất tính tốn: vì thp hoạt động ở p suất thường nn: P = Pthủy tĩnh + DP

Khối lượng ring trung bình của pha lỏng trong tồn thp:

rL = kg/m3

Nn: P = rLgH + DP = 888,58. 9,81. 5,17 + 6350,0 = 51416.7 N/m2

= 0,0514 N/mm2

Hệ số bổ sung do ăn mịn hĩa học của mơi trường:

Vì mơi trường cĩ tính ăn mịn v thời gian sử dụng thiết bị l trong 20 năm

w̃ Ca = 1 mm

Ứng suất cho php tiu chuẩn:

Vì vật liệu l X18H10T w [s]* = 142 (N/mm2) (Hình 1.2, trang 16, [7])

Hệ số hiệu chỉnh:

Vì thiết bị khơng bọc lớp cch nhiệt w h = 1 (trang 26, [7])

Ứng suất cho php: [s] = h [s]* = 142 (N/mm2)

Hệ số bền mối hn:

Vì sử dụng phương php hn hồ quang điện, kiểu hn gip mối 2 phía

w jh = 0,95 (Bảng XIII.8, trang 362, [2])

1.2. Tính bề dy

Ta cĩ: > 25

w̃ S’ = mm w S’ + Ca = 0,077 + 1 = 1,077 mm

Quy trịn theo chuẩn: S = 2 mm (Bảng XIII.9, trang 364, [2])

Bề dy tối thiểu: Smin = 2 mm (Bảng 5.1, trang 94, [7])

w̃ Bề dy S = 2 mm

1.3. Kiểm tra độ bền

Điều kiện: (thỏa)

Nn: > P = 0,09 (thỏa)

Kết luận: S = 2 mm

2. Đy v nắp:

Chọn đy v nắp cĩ dạng hình ellip tiu chuẩn, cĩ gờ, lm bằng thp X18H10T

Chọn bề dy đy v nắp bằng với bề dy thn thp: S = 3 mm.

Kiểm tra điều kiện:

Vì đy v nắp cĩ hình ellip tiu chuẩn với w Rt = Dt

w̃ Điều kiện trn được thỏa như đ kiểm tra ở phần thn thp.

Kết luận: Kích thước của đy v nắp:

Đường kính trong: Dt = 400 mm

ht = 100 mm

Chiều cao gờ: hgờ = 25 mm

Bề dy: S = 2 mm

Diện tích bề mặt trong: Sbề mặt = 0,2 m2 (Bảng XIII.10, trang 382, [2])

V. Bề dy mm :

1. Cc thơng số cần tra v chọn phục vụ cho qu trình tính tốn

Nhiệt độ tính tốn: t = tmax = 100 (oC)

p suất tính tốn: P = Pthủy tĩnh + Pg

Chọn bề dy gờ chảy trn l 3mm.

Thể tích của gờ chảy trn: V = 0,29.0,03.0,003= 2,61.10-5 m3

Tra bảng XII.7, trang 313, [6]:

w̃ Khối lượng ring của thp X18H10T l: rX18H10T = 7900 kg/m3

Khối lượng gờ chảy trn: m = V.rX18H10T = 2,61.10-5.7900 = 0,2062 kg

p suất do gờ chảy trn tc dụng ln mm trịn

N/m2

Khối lượng ring của chất lỏng tại đy thp:

Ta cĩ xW = 0,0085 suy ra TW = 98,5oC

- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]




Suy ra rLW = 956,44 kg/m3

p suất thủy tĩnh:

Pthủy tĩnh = rLWg(hgờ + DhlC)

= 956,44. 9,81. (0,03 + 0,0045)

= 326,75 N/m2

w̃ P = 326,75 + 11,06 = 337,81 N/m2

Hệ số bổ sung do ăn mịn hĩa học của mơi trường:

Thời gian sử dụng thiết bị l trong 20 năm

w̃ Ca = 1 mm

Ứng suất cho php tiu chuẩn:

Vì vật liệu l X18H10T w [s]* = 142 N/mm2 (Hình 1.2, trang 16, [7])

Hệ số hiệu chỉnh: h = 1 (Trang 19, [7])

Ứng suất cho php: [s] = h [s]* = 142 N/mm2

Mơđun đn hồi: E = 20.106 N/cm2 (Bảng 2.12, trang 45, [7])

Hệ số Poisson: m = 0,33 (Bảng XII.7, trang 313, [2])

Hệ số điều chỉnh: jb = 0,571

2. Tính bề dy : Đối với bản trịn đặc ngm kẹp chặt theo chu vi:

Ứng suất cực đại ở vịng chu vi: (Cơng thức 6.36, trang 100, [8])

Đối với bản cĩ đục lỗ:

S’ mm

Nn: S + Ca = 1,354 mm

Chọn S = 2 mm

Kiểm tra điều kiện bền:

Độ vng cực đại ở tm: (Cơng thức 6.35, trang 100, [8])

Đối với bản cĩ đục lỗ:

Với:

w̃

Để đảm bảo điều kiện bền thì: Wlo < ½ S

< 1,0

w̃ Bề dy S đ chọn thỏa điều kiện.

Vậy: S = 2 mm

VI. Bích ghp thn – đy v nắp :

Mặt bích l bộ phận quan trọng dng để nối cc phần của thiết bị cũng như nối cc bộ phận khc với thiết bị. Cc loại mặt bích thường sử dụng:

Bích liền: l bộ phận nối liền với thiết bị (hn, đc v rn). Loại bích ny chủ yếu dng thiết bị lm việc với p suất thấp v p suất trung bình.

Bích tự do: chủ yếu dng nối ống dẫn lm việc ở nhiệt độ cao, để nối cc bộ bằng kim loại mu v hợp kim của chng, đặc biệt l khi cần lm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bị.

Bích ren: chủ yếu dng cho thiết bị lm việc ở p suất cao.

Chọn bích được ghp thn, đy v nắp lm bằng thp CT3, cấu tạo của bích l bích liền khơng cổ.

Tra bảng XIII.27, trang 417, [2], ứng với Dt = f = 400 (mm) v p suất tính tốn P = 0,055 (N/mm2) w chọn bích cĩ cc thơng số sau:

Dt D Db Dl Do hBu lơng

db Z

(mm) (ci)

400 515 475 450 411 20 M16 20

Tra bảng IX.5, trang 170, [2], với Dh = 250 mm w khoảng cch giữa 2 mặt bích l 1000 mm v số mm giữa 2 mặt bích l 4.

w̃ Số mặt bích cần dng để ghp l: 21/4 + 2 = 8 bích

Độ kín của mối ghp bích chủ yếu do vật đệm quyết định. Đệm lm bằng cc vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích. Khi xiết bu lơng, đệm bị biến dạng v điền đầy ln cc chỗ gồ ghề trn bề mặt của bích. Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm l dy amiăng, cĩ bề dy l 3mm.

VII. Chn đỡ thp :

1. Tính trọng lượng ca tồn thp:

Tra bảng XII.7, trang 313, [2]: w̃ Khối lượng ring của thp CT3 l: rCT3 = 7850 kg/m3

Khối lượng của một bích ghp thn:

mbích ghp thn = kg

Khối lượng của một mm:

mmm = = .0.402.0,002.0,82.7900 = 1,63 kg

Khối lượng của thn thp:

mthn = .(D2ng –D2

t).Hthn . rX18H10T = kg

Khối lượng của đy (nắp) thp:

mđy(nắp) = Sbề mặt .dđy . rX18H10T = 0,20 . 0,002 . 7900 = 3,16 kg

Khối lượng của tồn thp:

m = 8 mbích ghp thn + 21 mmm + mthn + 2 mđy(nắp)

= 8.12,97 + 21.1,63 + 100,56 + 2.3,16 = 243,43 kg

2. Tính chn đỡ thp:

Chọn chn đỡ: thp được đỡ trn bốn chn.

Vật liệu lm chn đỡ thp l thp CT3.

Tải trọng cho php trn một chn: Gc = N

Để đảm bảo độ an tồn cho thiết bị, ta chọn: Gc = 1000 N

Tra bảng XIII.35, trang 437, [2] w chọn chn đỡ cĩ cc thơng số sau:

L B B1 B2 H h s l d

70 60 60 90 150 105 4 30 14

Khối lượng một chn đỡ: mchn đỡ = 3,32 kg

VIII. Tai treo thp :

Chọn tai treo: tai treo được gắn trn thn thp để giữ cho thp khỏi bị dao động trong điều kiện ngoại cảnh.

Chọn vật liệu lm tai treo l thp CT3.

Ta chọn bốn tai treo, tải trọng cho php trn một tai treo: Gt = Gc = 1000 (N).

Tra bảng XIII.36, trang 438, [2] w chọn tai treo cĩ cc thơng số sau:

L B B1 H S l a d

80 55 70 125 4 30 10 14

Khối lượng một tai treo: mtai treo = 0,53 kg

IX. Cửa nối ống dẫn với thiết bị- bích nối cc bộ phận của thiết bị v ống dẫn:

Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghp tho được hoặc khơng tho được. Trong thiết bị ny, ta sử dụng mối ghp tho được.

Đối với mối ghp tho được, người ta lm đoạn ống nối, đĩ l đoạn ống ngắn cĩ mặt bích hay ren để nối với ống dẫn:

Loại cĩ mặt bích thường dng với ống cĩ đường kính d > 10mm.

Loại ren chủ yếu dng với ống cĩ đường kính d £ 10mm, đơi khi cĩ thể dng với d £ 32mm.

Ống dẫn được lm bằng thp X18H10T.

Bích được lm bằng thp CT3 , cấu tạo của bích l bích liền khơng cổ.

1. Ống nhập liệu :Khối lượng ring của hỗn hợp: rF = 933,0 kg/m3

Chọn loại ống nối cắm su vo thiết bị.

Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối l vF = 1 m/s

Đường kính trong của ống nối:

Dy = m

w̃ Chọn ống cĩ Dy = 20 mm

Tra bảng XIII.26, trang 409, [2]

w̃ Cc thơng số của bích ứng với P = 0,055 N/mm2 l:

Dy Dn D Dd Dl hBu lơng

db Z

(mm) (ci)

20 25 90 65 50 12 M10 4

2. Ống hơi ở đỉnh thp:

- Nồng độ trung bình của pha hơi ở đỉnh thp

yP = xP = 0,9144

w Nhiệt độ trung bình của pha hơi ở đỉnh thp: THP = 67,8 oC


MHL = yL. MR + (1 – yL). MN = 0,9144.32 + (1 – 0,9144). 18 = 30,80 kg/kmol


Chọn vận tốc hơi ra khỏi đỉnh thp l vHD = 50 m/s


Dy = m


Tra bảng XIII.32, trang 434, [2] w Chiều di đoạn ống nối l = 90 mm




db Z

(mm) (ci)

25 32 100 75 60 12 M10 4

3. Ống hồn lưu:

- Nồng độ trung bình của pha lỏng ở đỉnh thp

xP = 0,9144

w Nhiệt độ trung bình của pha hơi ở đỉnh thp: THP = 65,8 oC

- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]




LC = 768,1 kg/m3

Chọn loại ống nối cắm su vo thiết bị.

Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối l vLD = 0,5 m/s


Dy = m





db Z

(mm) (ci)

20 25 90 65 50 12 M10 4

4. Ống hơi ở đy thp:

- Nồng độ trung bình của pha hơi ở đy thp

yW = xW = 0,0085

w Nhiệt độ trung bình của pha hơi ở đy thp: THP = 99,6 oC


MHW = yW. MR + (1 – yW). MN = 0,0085.32 + (1 – 0,0085).18 = 18,12 kg/kmol


Chọn vận tốc hơi vo đy thp l vHW = 120 m/s


Dy = m




w̃ Cc thơng số của bích ứng với P = 0,055 (N/mm2) l:


db Z

(mm) (ci)

70 76 160 130 110 14 M12 4

5. Ống dẫn lỏng ra khỏi đy thp:

- Nồng độ trung bình của pha lỏng ở đy thp

xW = 0,0085

w Nhiệt độ của pha lỏng ở đy thp: TLW = 98,5 oC

- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]

Khối lượng ring của nước ở 98,50C: N = 959,2 kg/m3



LW = 954,4 kg/m3

Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối l vLW = 0,5 m/s


Dy = m






db Z

(mm) (ci)

25 32 100 75 60 12 M10 4

CHƯƠNG 5:

Tính thiết bị phụ

I. THIẾT BỊ ĐUN SƠI ĐY THP :Chọn thiết bị đun sơi đy thp l nồi đun Kettle.

Ống truyền nhiệt được lm bằng thp X18H10T, kích thước ống 38 x 3:

Đường kính ngồi: dn = 38 mm = 0,038 mBề dy ống: t = 3 mm = 0,003 mĐường kính trong: dt = 0,032 m

Hơi đốt l hơi nước ở 2,0 at đi trong ống 38 x 3. Tra bảng 1.251, trang 314, [1]:

Nhiệt hĩa hơi: = rn = 2208 kJ/kg

Nhiệt độ sơi: = tn = 119,6 oCDịng sản phẩm tại đy cĩ nhiệt độ:

Trước khi vo nồi đun (lỏng): tS1 = 98,5 oC

Sau khi được đun sơi (hơi): tS2 = 99,6 oC

1. Suất lượng hơi nước cần dng :Cn bằng nhiệt cho tồn thp:

Qđ + GFhFS = (R+1) GDrD + GDhDS + GWhWS + Qm

Giả sử Qm = 0,05Qđ

0,95Qđ = (R+1) GDrD + GD(hDS – hFS) + GW(hWS – hFS)

hFS = cF.tFS = [ ]tFS

hWS = cW.tWS = [ ]tWS

hPS = cP.tPS = [ ]tPS

rD = Với xF = 0,0588 tFS = 91,5oC xW = 0,0085 tWS = 98,5oC xP = 0,9144 tPS = 65,8oC

1.1. Nhiệt dung ring:

Tra bảng 1.249, trang 310, [1] Nhiệt dung ring của nước ở 91,5oC = 4,210 kJ/kg.K Nhiệt dung ring của nước ở 98,5oC = 4,218 kJ/kg.K

Nhiệt dung ring của nước ở 65,8oC = 4,184 kJ/kg.KTra bảng 1.154, trang 172, [1] Nhiệt dung ring của methanol ở 91,5oC = 2,920 kJ/kg.K Nhiệt dung ring của methanol ở 98,5oC = 2,958 kJ/kg.K Nhiệt dung ring của methanol ở 65,8oC = 2,788 kJ/kg.K

1.2. Enthalpy:

hFS = (0,1. 2,920 + (1 - 0,1). 4,210). 91,5 = 373,41 kJ/kghWS = (0,0085. 2,958 + (1 - 0,0085). 4,218). 98,5 = 414,42 kJ/kg

hPS = (0,9144. 2,788+ (1 - 0,9144). 4,184). 65,8 = 191,31 kJ/kg

1.3. Nhiệt hĩa hơi:

Tra bảng 1.250, trang 312, [1] Nhiệt hĩa hơi của nước ở 65,8oC = rN = 2344,8kJ/kgDng tốn đồ 1.65, trang 255, [1] Nhiệt hĩa hơi của methanol ở 65,8oC = rR = 330,5 Kcal/kg = 1383,74 kJ/kgNn: rP =

= 0,95. 2344,8 + (1 - 0,95). 1383,74 = 2296,75 kJ/kg

1.4. Tính lượng hơi nước cần dng:

Nhiệt lượng cần cung cấp:

Qđ =

=

= 971300.88 kJ/h

Nếu dng hơi nước bo hịa (khơng chứa ẩm) để cấp nhiệt thì: Qđ = .

Tra bảng 1.251, trang 314, [1] Nhiệt hĩa hơi của nước ở 2,0 at = = 2208 kJ/kg

Vậy: = 440,0 kg/h

2. Hiệu số nhiệt độ trung bình :Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nn:

= 20,545 K

3. Hệ số truyền nhiệt :Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức như đối với tường phẳng:

,W/m2.K)

Với:

n : hệ số cấp nhiệt của hơi đốt,W/m2.K. S : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đy, W/m2.K. rt : nhiệt trở qua thnh ống v lớp cu.

3.1. Nhiệt tải qua thnh ống v lớp cu :

, W/m2

Trong đĩ:

tw1 : nhiệt độ của vch tiếp xc với hơi đốt (trong ống), oC

tw2 : nhiệt độ của vch tiếp xc với sản phẩm đy (ngồi ống), oC

Bề dy thnh ống: t = 0,003 m

Hệ số dẫn nhiệt của thp khơng gỉ:

t = 16,3 W/mK (Bảng XII.7, trang 313, [6])

Nhiệt trở lớp bẩn trong ống:

r1 = 1/5800 m2.K/W (Bảng 31, trang 419, [4])

Nhiệt trở lớp cu ngồi ống:

r2 =1/5800 m2.K/W

Nn: rt = 5,289.10-4 m2.K/W

3.2. Xc định hệ số cấp nhiệt của dịng sản phẩm đy ngồi ống :p dụng cơng thức (V.89), trang 26, [2]:

S = 7,77 . 10-2.

Nhiệt độ sơi trung bình của dịng sản phẩm ở ngồi ống:

= 99,05 oC

TS = 99,05 + 273 = 372,05 KTại nhiệt độ sơi trung bình thì:- Khối lượng ring của pha hơi trong dịng sản phẩm ở ngồi ống:

= 0,594 kg/m3

- Khối lượng ring của nước: N = 959,2kg/m3 (Bảng 1.249, trang 310, [1])

- Khối lượng ring của methanol:R = 715,0 kg/m3 (Bảng 1.2, trang 9, [1])

Nn: 1,05.10-3

= 954,3 kg/m3

- Độ nhớt của nước: N = 2,85.10-4 N.s/m2 (Tra bảng 1.104, trang 96, [1])

- Độ nhớt của methanol: A = 2,45.10-4 N.s/m2 (Dng tốn đồ 1.18, trang 90, [1])

Sử dụng cơng thức (I.12), trang 84, [1] suy ra độ nhớt của hỗn hợp lỏng:

lgmhh = x1lgm1 + x2lgm2

Nn: lgmhh = 0,0085.lg(2,45.10-4) + (1 – 0,0085).lg(2,85.10-4) mhh = 2,846.10-4 N.s/m2

- Hệ số dẫn nhiệt của nước: N = 0,680 W/mK (Bảng 1.249, trang 310, [5])

- Hệ số dẫn nhiệt của methanol: R = 0,188 W/mK (Bảng 1.130, trang 134, [5])

p dụng cơng thức (1.33), trang 123, [5]): = = 0,667 W/mK

- Nhiệt dung ring của nước: cN = 4219,2 J/kgK (Bảng 1.249, trang 310, [1])

- Nhiệt dung ring của methanol: cR = 2906,0 J/kgK (Bảng 1.154, trang 172, [1])

Nn: c = cR + cN. (1 - ) = 4199,3 J/kgK

- Sức căng bề mặt của nước: N = 0,59022 N/m (Bảng 1.249, trang 310, [1])

- Sức căng bề mặt của methanol: A = 0,01578 N/m (Bảng 1.242, trang 300, [1])

Nn: = 0,0158 N/m

- Nhiệt hĩa hơi của nước:rN = 2262,2 kJ/kg (Bảng 1.250, trang 312, [5])

- Nhiệt hĩa hơi của methanol:rR = 1032,3 kJ/kg (Tốn đồ 1.65, trang 255, [5])

Nn: r = rR + rN.(1 - ) = 2243,8 kJ/kg

3.3. Xc định hệ số cấp nhiệt của hơi đốt trong ống :p dụng cơng thức (3.65), trang 120, [4]:

Dng php lặp: chọn tW1 = 119,4 oC

Nhiệt độ trung bình của mng nước ngưng tụ: tm = 119,5 oC

Tại nhiệt độ ny thì:- Khối lượng ring của nước: n = 943,4 kg/m3 - Độ nhớt của nước: n = 2,33.10-4 N.s/m2 - Hệ số dẫn nhiệt của nước: n = 0,685 W/mK

Nn: n = 31342 W/m2K qn = n (tn – tW1) = 6268,4 W/m2

qt = qn = 6268,4 W/m2 (xem nhiệt tải mất mt l khơng đng kể) tw2 = tw1 - qtrt = 116,08 oC S = 362,84 W/m2K (với q = qt) qS = S (tW2 – tS) = 6126,5 W/m2

Kiểm tra sai số:

= 100% = 2,26% < 5% (thỏa)

Kết luận: tw1 = 119,4oC v tw2 = 116,08oC

3.4. Xc định hệ số truyền nhiệt :

= 301,5 W/m2K

4. Bề mặt truyền nhiệt :Bề mặt truyền nhiệt được xc định theo phương trình truyền nhiệt:

F = = 43,56 m2

5. Cấu tạo thiết bị :Chọn số ống truyền nhiệt: n = 217 ống. Ống được bố trí theo hình lục gic đều.

- Chiều di ống truyền nhiệt: L = = 1,83 m chọn L = 2 m

Tra bảng V.II, trang 48, [2] Số ống trn đường cho: b = 17 ống

- Bước ống: t = 1, 2dn = 0,046 m

- Đường kính trong của thiết bị (p dụng cơng thức (V.140), trang 49, [2])

D = t.(b-1) +4dn= 0,934 m

II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ống loại TH, đặt nằm ngang.


- Đường kính ngồi: dn = 38 mm = 0,038 m- Bề dy ống: t = 3 mm = 0,003 m- Đường kính trong: dtr = 0,032 mChọn:

- Nước lm lạnh đi trong ống với nhiệt độ vo tV = 28 oC v nhiệt độ ra tR = 40 oC.

- Dịng hơi tại đỉnh đi ngồi ống với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 65,8 oC

1. Suất lượng nước lm lạnh cần dng :Cn bằng nhiệt: Qnt = (R + 1).GP.rP = GN.cN.(t2 – t1)

rD: nhiệt lượng ring của hơi ở đỉnh thp:

rD = .rR + (1 - ).rN

rR, rN : nhiệt lượng ring của cấu tử rượu v nước ở đỉnh, J/kg.

phần khối lượng của cấu tử rượu trong pha hơi ở đỉnh.

Tra bảng 1.213, trang 256, [1] :

rR = 675,2 kcal/kg = 2826,25 kJ/kg

Tra bảng 1.250, trang 312, [1] :

rN = 559,5 kcal/kg = 2341,96 kJ/kg

Suy ra: rD = 0,95.2826,25 + (1 - 0,95).2341,96 = 2801,1 kJ/kg

w Qnt = (1 + 3,71).83,57.2801,1 = 1102,55 kW

Nn: Qnt = (R + 1).DcP = 1102,55 kW

Lượng nước cần dng: kg/h

Nhiệt dung ring của nước cN được đo ở nhiệt độ oC


= 31,42 K

3. Hệ số truyền nhiệt :Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:

,W/m2.K

Với:

n : hệ số cấp nhiệt của dịng nước lạnh ,W/m2.K

ngưng : hệ số cấp nhiệt của dịng hơi ngưng tụ ,W/m2.K

rt : nhiệt trở qua thnh ống v lớp cu.

3.1. Xc định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống :Nhiệt độ trung bình của dịng nước trong ống: tf = 34oC

Tại nhiệt độ ny thì:

- Khối lượng ring của nước: n = 994,42 kg/m3 - Độ nhớt của nước: n = 7,23.10-7 m2/s - Hệ số dẫn nhiệt của nước: n = 0,626 W/mK - Chuẩn số Prandtl: Prn = 4,9

Chọn vận tốc nước đi trong ống: vn = 1 m/s

Số ống: = 27,53

Tra bảng V.II, trang 48, [2] chọn n = 37 ống

Vận tốc thực tế của nước trong ống:

= 0,744 m/s

Chuẩn số Reynolds :

= 32929,5 > 104 Chế độ chảy rối

p dụng cơng thức (1.74), trang 28, [5] cơng thức xc định chuẩn số Nusselt:

Trong đĩ: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều di L v đường kính d của ống.

Tra bảng 1.1, trang 29, [5] chọn 1 = 1

Hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống trong: n =


,W/m2

Trong đĩ:

tw1 : nhiệt độ của vch tiếp xc với hơi ngưng tụ, oC

tw2 : nhiệt độ của vch tiếp xc với nước lạnh, oC

Bề dy thnh ống: t = 0,003 m

Hệ số dẫn nhiệt của thp khơng gỉ: t = 16,3 W/mK

Nhiệt trở lớp bẩn trong ống: r1 = 1/5000 m2.K/W

Nhiệt trở lớp cu ngồi ống: r2 =1/5800 m2.K/W

Nn: rt = 5,565.10-4 m2.K/W

3.3. Xc định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngồi ống :Điều kiện:

- Ngưng tụ hơi bo hịa.

- Khơng chứa khơng khí khơng ngưng.

- Hơi ngưng tụ ở mặt ngồi ống.

- Mng chất ngưng tụ chảy tầng.

- Ống nằm ngang.

p dụng cơng thức (3.65), trang 120, [4] Đối với ống đơn chiếc nằm ngang thì:

Tra bảng V.II, trang 48, [2] với số ống n = 37 thì số ống trn đường cho của hình 6 cạnh l: b = 7

Tra hình V.20, trang 30, [2] hệ số phụ thuộc vo cch bố trí ống v số ống trong mỗi dy thẳng đứng l tb = 0,72 (vì xếp xen kẽ v số ống trong mỗi dy thẳng đứng l 7)

Hệ số cấp nhiệt trung bình của chm ống: ngưng = tb1 = 0,721

Dng php lặp: chọn tP1 = 59,0 oCNhiệt độ trung bình của mng chất ngưng tụ: tm = ½ (tngưng + tW1) = 62,4 oCTại nhiệt độ ny thì:

Khối lượng ring của nước: N = 982,0 kg/m3

Khối lượng ring của methanol: R = 753,5 kg/m3

Nn khối lượng ring hỗn hợp l

= 762,4 kg/m3

Độ nhớt của nước: N = 4,496.10-4 N.s/m2 Độ nhớt của methanol: R = 3,424.10-4 N.s/m2

Nn: lg = xPlgR + (1 – xP)lgN

= 0,9144.lg(3,424.10-4) + (1 - 0,9144).lg(4,496.10-4)

= -3,45

= 3,50.10-4 N.s/m2

Hệ số dẫn nhiệt của nước: N = 0,661 W/mK Hệ số dẫn nhiệt của methanol: R = 0,205 W/mKNn: = = 0,212 W/mK Nhiệt ngưng tụ của dịng hơi: r = rD = 2801100 J/kgNn: 1 = 4295,4 W/m2K

ngưng = 3092,7,3 W/m2K qngưng = ngưng (tngưng – tP1) = 21030,3 W/m2

qt = qngưng = 21030,3 W/m2 (xem nhiệt tải mất mt l khơng đng kể) tP2 = tP1 - qtrt = 46,35 oC PrP2 = 3,90 Nun = 161,5 n = 1700,2 W/m2K qn = n (tP2 – tf) = 20998,7 W/m2


= 100% = 0,15% < 5% (thỏa)

Kết luận: tP1 = 59,0oC v tP2 = 46,3oC


= 726,0 W/m2K


F = = 13,4 m2

5. Cấu tạo thiết bị :Số ống truyền nhiệt: n = 61 (ống). Ống được bố trí theo hình lục gic đều.

Chiều di ống truyền nhiệt: L = = 3,3 m chọn L = 4 m

Số ống trn đường cho: b = 7 ống

Bước ống: t = 48 mm = 0,048 m

p dụng cơng thức (V.140), trang 49, [6]: Đường kính trong của thiết bị: D = t(b-1) + 4dn = 0,44 m

III. THIẾT BỊ LM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH :Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ống loại TH, đặt nằm ngang.


- Đường kính ngồi: dn = 38 mm = 0,038 m- Bề dy ống: t = 3 mm = 0,003 m- Đường kính trong: dtr = 0,032 mChọn- Nước lm lạnh đi trong ống trong với nhiệt độ vo tV = 28oC v nhiệt độ ra tR = 40oC.

- Sản phẩm đy đi trong ống ngồi với nhiệt độ vo tPS = 65,8oC v nhiệt độ ra tPR = 35oC.

1. Suất lượng nước lm lạnh cần dng :Cn bằng nhiệt: Q = GP(hPS – hPR) = Gn (hR – hV)Nhiệt dung ring của nước ở 35oC = 4,178 kJ/kg.KNhiệt dung ring của methanol ở 35oC = 2,645 kJ/kg.KNn: hWR = (0,05. 4,178 + 0,95. 2,645). 35 = 95,26 kJ/kg

Enthalpy của nước ở 28oC = hV = 117,3 kJ/kgEnthalpy của nước ở 40oC = hR = 167,6 kJ/kg

Lượng nhiệt trao đổi: Q = GW(hWS – hWR) = 8040,4 kJ/h

Suất lượng nước cần dng: = 159,9 kg/h


= 14,40 K

3. Hệ số truyền nhiệt :Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:

,W/m2.K

Với:

n : hệ số cấp nhiệt của dịng nước lạnh, W/m2.K. W : hệ số cấp nhiệt của dịng sản phẩm đy, W/m2.K rt : nhiệt trở qua thnh ống v lớp cu.

3.1. Xc định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống :Kích thước của ống trong: Đường kính ngồi: dn = 38 (mm) = 0,038 m Bề dy ống: t = 3 (mm) = 0,003 m Đường kính trong: dtr = 0,032 mNhiệt độ trung bình của dịng nước trong ống: tf = ½ (tV + tR) = 34 oC


Khối lượng ring của nước: n = 994,34 kg/m3 Độ nhớt của nước: n = 7,39.10-7 m2/s Hệ số dẫn nhiệt của nước: n = 0,624 W/mK Chuẩn số Prandtl: Prn = 5,004 Vận tốc nước đi trong ống:

= 0,056 m/s


= 2424,9 < 104 : chế độ chảy qu độ

p dụng cơng thức V.44,trang 16, [2] cơng thức xc định chuẩn số Nusselt:

Trong đĩ: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều di L v đường kính d của ống. Tra bảng V.2, trang 15, [2] . Chọn e1 = 1

ko – hệ số phụ thuộc Re, tra bảng trang 16, [2]. Chọn ko = 1

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: n =


, W/m2

Trong đĩ:

tP1 : nhiệt độ của vch tiếp xc với sản phẩm đy (trong ống trong), oC tP2 : nhiệt độ của vch tiếp xc với nước lạnh (ngồi ống trong), oC

Bề dy thnh ống: t = 0,003 m Hệ số dẫn nhiệt của thp khơng gỉ: t = 16,3 W/mK Nhiệt trở lớp bẩn trong ống: r1 = 1/5000 m2.K/W Nhiệt trở lớp cu ngồi ống: r2 =1/5800 m2.K/WNn rt = 5,565.10-4 m2.K/W

3.3. Xc định hệ số cấp nhiệt của dịng sản phẩm đy ngồi ống :Kích thước của ống ngồi: Đường kính ngồi: Dn = 57 mm = 0,057 m Bề dy ống: t = 3 mm = 0,003 m Đường kính trong: Dtr = 0,051 mNhiệt độ trung bình của dịng sản phẩm đy ngồi ống:

tP = ½ (tPS + tPR) = 50,4 oC


Khối lượng ring của nước: N = 987,9 kg/m3

Khối lượng ring của methanol: R = 764,6 kg/m3

Nn: = 773,4 kg/m3

Độ nhớt của nước: N = 5,46.10-4 N.s/m2 Độ nhớt của methanol: R = 3,19.10-4 N.s/m2

Nn: lg = xPlgR + (1 – xP)lgN = 0,9144.lg(3,19.10-4) + (1 - 0,9144)lg(5,46.10-4)

= 3,343.10-4 (N.s/m2)

Hệ số dẫn nhiệt của nước: N = 0,647 W/mK Hệ số dẫn nhiệt của methanol: R = 0,207 W/mKNn: =

= 0,214 (W/mK) Nhiệt dung ring của nước: cN = 4178,2 J/kgK Nhiệt dung ring của methanol: cA = 2716,8 J/kgKNn: c = cN + cA. (1 - ) = 2789,8 J/kgK

p dụng cơng thức (V.35), trang 12, [6]:

= 4,365

Vận tốc của dịng sản phẩm đy ngồi ống:

= 0,0346 m/s

Đường kính tương đương: dtđ = Dtr – dn = 0,051 – 0,038 = 0,013 m


= 986,8 < 2300 : chế độ chảy mng

p dụng cơng thức (V.45), trang 17, [2] cơng thức xc định chuẩn số Nusselt:

Trong đĩ: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều di L v đường kính d của ống.

Tra bảng V.2, trang 15, [2] chọn 1 = 1

Chuẩn số Grashof

l = dtd =0,013 m

b = hệ số dn nở thể tích

Hệ số dẫn nhiệt của nước: bN = 4,514.10-4 1/K

Hệ số dẫn nhiệt của methanol: bR = 1,322.10-4 1/K

Dt = chnh lệch nhiệt độ giứa thnh ống vad dịng sản phẩm đy

Dt = tP1 - tP , oC

Hệ số cấp nhiệt của dịng sản phẩm đy ngồi ống: P =

Dng php lặp: chọn tW1 = 43,3 oCTại nhiệt độ ny thì: Độ nhớt của nước: N = 6,167.10-4 N.s/m2 Độ nhớt của rượu: R = 4,322.10-4 N.s/m2

Nn:

lgP1 = xPlgR + (1 – xP)lgN = 0,9144.lg(4,322.10-4) + (1 - 0,9144).lg(6,167.10-4)

W1 = 4,50.10-4 N.s/m2

Hệ số dẫn nhiệt của nước: N = 0,639 W/mK Hệ số dẫn nhiệt của rượu: R = 0,208 W/mKNn: = 0,214 W/mK Nhiệt dung ring của nước: cN = 4178,0 J/kgK Nhiệt dung ring của rượu: cR = 2865,0 J/kgKNn: cP1 = cR + cN. (1 - ) = 2759,5 J/kgK

p dụng cơng thức (V.35), trang 12, [2]: = 5,73

Gr = 1020040,5Nn NuP = 10,45 aP = 171,8 W/m2K qP = aP (tP – tP1) = 1217,98 W/m2

qt = qP = 1217,98 W/m2 (xem nhiệt tải mất mt l khơng đng kể) tP2 = tP1 - qtrt = 42,622 oC PrP2 = 5,796 Nun = 7,32 an = 142,78 W/m2K qn = an (tP2 – tf) = 1231,2 W/m2


= 100% = 1,085% < 5% (thỏa)

Kết luận: tw1 = 43,3oC v tP2 = 42,6oC


= 74,73 W/m2K


F = = 2,075 m2

5. Cấu tạo thiết bị :Chọn số ống truyền nhiệt: n = 19 ống. Ống được bố trí theo hình lục gic đều.

- Chiều di ống truyền nhiệt: L = = 0,966 m chọn L = 1 m

Tra bảng V.II, trang 48, [2] Số ống trn đường cho: b = 5 ống

- Bước ống: t = 1,2dn = 0,046 m

- Đường kính trong của thiết bị (p dụng cơng thức (V.140), trang 49, [2])

D = t.(b-1) +4dn= 0,336 m

IV. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa sản phẩm đy v nhập liệu:Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ống, đặt ngang

Ống truyền nhiệt được lm bằng thp hợp kim X18H10T, kích thước ống 38 x 3:

Đường kính ngồi: dn = 38 mm = 0,038 m

Bề dy ống: dt = 3 mm = 0,003 m

Đường kính trong: dtr = 0,032 m



Chọn:

Nhập liệu đi ngồi ống với nhiệt độ vo tFV = 28oC v ra ở nhiệt độ

Sản phẩm đy đi trong ống với nhiệt độ tv = 98,5 oC, tr = 65oC.

1. Nhiệt độ ra của dịng nhập liệu :

Cn bằng nhiệt: Q = GF.cF.(tFr – tFv) = GW.cW.(tWv – tWr)

Ở nhiệt độ trung bình t = 81,75oC, thì:

Nhiệt dung ring của nước: cN = 41,95 J/kgK

Nhiệt dung ring của rượu: cR = 28,32 J/kgK

Nn: cW = cR + cN.(1 - ) = 41,75 J/kgK

w Q = 827,1.41,75.(98,5 – 65) = 115,7 kW

Ở 28oC, thì:


Nhiệt dung ring của rượu: cR = 2610 J/kgK

Nn: cF = 3596,89 J/kgK

w tFr = 60,0 oC

2. Hiệu số nhiệt độ trung bình :

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nn:

K

3. Hệ số truyền nhiệt:

Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:

,W/m2.K)

Với:

an : hệ số cấp nhiệt của dịng nước lạnh, W/m2.K

angưng : hệ số cấp nhiệt của dịng hơi ngưng tu, W/m2.K


3.1. Xc định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đy đi trong ống :

Nhiệt độ trung bình của dịng nước trong ống: tf = ½ (tV + tR) = 81,75 oC


Khối lượng ring của nước: rn = 970,2 kg/m3

Khối lượng ring của rượu: rR = 731,3 kg/m3

Nn:

w̃ r = 967,5 kg/m3

Độ nhớt của nước: mN = 3,348.10-4 N.s/m2

Độ nhớt của rượu: mR = 2,552.10-4 N.s/m2

Nn: lgm = xWlgmR + (1 – xW)lgmN = 0,015.lg(2,552.10-4) + (1 - 0,015).lg(3,348.10-4)

w m = 3,33.10-4 N.s/m2

Hệ số dẫn nhiệt của nước: lN = 0,679 W/mK

Hệ số dẫn nhiệt của rượu: lR = 0,200 W/mK

Nn: = 0,675 (W/mK) (cơng thức 1.37, trang 124,[1])



Nn: cW = cR + cN.(1 - ) = 41,75 J/kgK


Vận tốc thực tế của sản phẩm đy trong ống:

m/s


< 2300 : chế độ chảy tầng

p dụng cơng thức (1.80), trang 31, [5] w cơng thức xc định chuẩn số Nusselt:

Trong đĩ: e1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều di L v đường kính d của ống.

Tra bảng 1.2, trang 31, [5] w chọn e1 = 1

Chọn t2 = 8,25oC w tw2 = 81,75 + 8,25 = 90oC

Tại nhiệt độ ny:



Nn: lgm = xWlgmR + (1 – xW)lgmN = 0,015.lg(2,3.10-4) + (1 - 0,015).lg(3,276.10-4)

w m = 3,27.10-4 N.s/m2



Nn: = 0,675 (W/mK) (cơng thức 1.37, trang 124,[1])



Nn: c = cR. xW + cN.(1 - xW) = 41,93 J/kgK


w̃ NuW = 12,19

Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đy đi trong ống trong:

aW = W/m2độ

w̃ qW = aW. t2 = 257,2.8,25 = 2121,6 W/m2

3.3. Xc định hệ số cấp nhiệt của dịng nhập liệu ngồi ống :

Nhiệt độ trung bình của dịng nhập liệu: tf = ½ (tV + tR) = 44,0 oC


Khối lượng ring của nước: rN = 990,2 kg/m3


Nn: w r = 962,5 kg/m3



Nn: lgm = xFlgmR + (1 – xF)lgmN

w m = 5,22.10-4 (N.s/m2)



Nn: l = = 0,482 W/mK (cơng thức 1.37, trang 124,[1])



Nn: c = cR.xF + cN. (1 – xF) = 40,90 J/kgK


Đường kính tương đương của khoảng khơng ngồi ống:

Vận tốc thực tế của dịng nhập liệu đi ngồi ống:

m/s


< 2300 : chế độ chảy tầng.

p dụng cơng thức (V.56), trang 20, [2] w cơng thức xc định chuẩn số Nusselt:

Chọn t1 = 18oC

Hệ số cấp nhiệt của dịng nhập liệu ngồi ống:

aF = W/m2độ

w̃ qF = aF. t1 = 112,75.18 = 2059,7 W/m2


e = 100% = 2,92% < 5% (thỏa)

3.4. Xc định hệ số truyền nhiệt:

W/m2K

4. Bề mặt truyền nhiệt:

Bề mặt truyền nhiệt được xc định theo phương trình truyền nhiệt:

F = m2

5. Cấu tạo thiết bị:

Số ống truyền nhiệt: n = 127 ống. Ống được bố trí theo hình lục gic đều.

Chiều di ống truyền nhiệt: L = = 2,51 (m) w chọn L = 2,5 m


Bước ống: t = 48 (mm) = 0,048 m

p dụng cơng thức (V.140), trang 49, [2]:w̃ Đường kính trong của thiết bị: D = t(b-1) + 4dn = 0,7 m.

V. Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu:Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ống, đặt ngang.

Ống truyền nhiệt được lm bằng thp hợp kim X18H10T, kích thước ống 38 x 3:

Đường kính ngồi: dn = 38 mm = 0,038 m

Bề dy ống: dt = 3 mm = 0,003 m

Đường kính trong: dtr = 0,032 m



Chọn:

Nhập liệu đi trong ống với nhiệt độ vo tV = 60,0oC v nhiệt độ ra tR = 68,5oC.

Dịng hơi ngưng tụ đi ngồi ống với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 126,25oC, cĩ p suất 2at, ẩn nhiệt hĩa hơi r = 2189500 J/kg.

1. Lượng hơi nước cần dng :

Cn bằng nhiệt: Q = GF.cF.(tr – tv) = Gn.rn

Ở nhiệt độ trung bình ttb = 64,25oC thì:



Nn: cF = cR.xF + cN. (1 – xF) = 41,02 J/kgK

Q = 1000.41,02.( 68,5 - 60) = 34,87 kW Gn = 15,93 (kg/h)2. Hiệu số nhiệt độ trung bình :

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nn:

K

3. Hệ số truyền nhiệt:

Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:

,W/m2.K

Với:

an : hệ số cấp nhiệt của dịng nước lạnh, W/m2.K

angưng : hệ số cấp nhiệt của dịng hơi ngưng tu, W/m2.K


Bề dy thnh ống: t = 0,003 m Hệ số dẫn nhiệt của thp khơng gỉ: t = 16,3 W/mK Nhiệt trở lớp cu trong ống: r1 = 1/5800 m2.K/W Nhiệt trở lớp cu ngồi ống: r2 =1/5800 m2.K/WNn: rt = 5,289.10-4 m2.K/W

3.1. Xc định hệ số cấp nhiệt của dịng nhập liệu đi trong ống :

Nhiệt độ trung bình của dịng nhập liệu trong ống: tf = ½ (tV + tR) = 64,25oC




Nn: w r = 950,06 kg/m3



Nn: lgm = xF.lgmR + (1 – xF).lgmN

w m = 3,65.10-4 N.s/m2






Nn: c = cR.xF + cN. (1 – xF) = 40,475 J/kgK


Vận tốc thực tế của dịng nhập liệu trong ống:

m/s


< 2300 : chế độ chảy tầng

p dụng cơng thức (1.80), trang 31, [5] w cơng thức xc định chuẩn số Nusselt:

Trong đĩ: e1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều di L v đường kính d của ống.

Tra bảng 1.2, trang 31, [5] w chọn e1 = 1

Chọn t2 = 20oC w tw2 = 84,25oC

Tại nhiệt độ ny:



Nn: lgm = xFlgmR + (1 – xF)lgmN

w m = 2,98.10-4 N.s/m2






Nn: c = cR. xF + cN.(1 – xF) = 4126,5 J/kgK


w̃ NuF = 11,4

Hệ số cấp nhiệt của dịng nhập liệu đi trong ống trong:

aF = W/m2độ

w̃ qF = aF. t2 = 212,0.20 = 4240,0 W/m2

3.3. Xc định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngồi ống :

p dụng cơng thức (1.110), trang 38, [5]w Đối với ống đơn chiếc nằm ngang thì:

Tra bảng V.II, trang 48, [2] w với số ống n = 127 thì số ống trn đường cho của hình 6 cạnh l: b = 13

Tra hình V.18, trang 19, [4] w hệ số phụ thuộc vo cch bố trí ống v số ống trong mỗi dy thẳng đứng l etb = 1,1

w̃ Hệ số cấp nhiệt trung bình của chm ống: angưng = etba1 = 1,1a1

Chọn t1 = 0,2oC w tW1 = 126,05oC

Tra cc thơng số của hơi ngưng tụ:

Khối lượng ring của hơi: rN = 939,16 kg/m3

Độ nhớt của hơi: mN = 2,28.10-4 N.s/m2

Hệ số dẫn nhiệt của hơi: lN = 0,686 W/mK

w a1 = 19886,13 W/m2K

w̃ an = 21874,74 W/m2K

w̃ qn = an (tn – tW1) = 4374,94 W


e = 100% = 3,08% < 5% (thỏa)

3.4. Xc định hệ số truyền nhiệt:

W/m2K

4. Bề mặt truyền nhiệt:

Bề mặt truyền nhiệt được xc định theo phương trình truyền nhiệt:

F = m2

5. Cấu tạo thiết bị:

Số ống truyền nhiệt: n = 127 ống. Ống được bố trí theo hình lục gic đều.

Chiều di ống truyền nhiệt: L = = 0,09 (m) w chọn L = 0,1 m


Tra bảng trang 21, [3] w Bước ống: t = 48 mm = 0,048 m

p dụng cơng thức (V.140), trang 49, [2]:w̃ Đường kính trong của thiết bị: D = t(b-1) + 4dn = 0,7 m.

VI. Bồn cao vị:1. Tổn thất đường ống dẫn:

Chọn ống dẫn cĩ đường kính trong l dtr = 80 mm

Tra bảng II.15, trang 381, [1] w Độ nhm của ống: e = 0,2 mm = 0,0002 m

Tổn thất đường ống dẫn:

m

Trong đĩ:

l1 : hệ số ma st trong đường ống.

l1 : chiều di đường ống dẫn, chọn l1 = 30 m

d1 : đường kính ống dẫn, d1 = dtr = 0,08 m

x1 : tổng hệ số tổn thất cục bộ.

vF : vận tốc dịng nhập liệu trong ống dẫn

1.1. Xc định vận tốc dịng nhập liệu trong ống dẫn :

Cc tính chất lý học của dịng nhập liệu được tra ở nhiệt độ trung bình:

tF = = 46,9 oC




Nn: w rF = 961,6 kg/m3



Nn: lgmF = xFlgmN + (1 – xF)lgmA

w mF = 4,65.10-4 N.s/m2

Vận tốc của dịng nhập liệu đi trong ống:

= 0,057 m/s

1.2. Xc định hệ số ma st trong đường ống :


= 9429,9 > 4000 : chế độ chảy rối

Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh = 6(d1/e)8/7 = 5648,513

Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vng nhm:

Ren = 220.(d1/e)9/8 = 186097,342

Vì Regh < ReF < Ren w chế độ chảy rối ứng với khu vực qu độ.

p dụng cơng thức (II.64), trang 379, [1]: l1= = 0,035

1.3. Xc định tổng hệ số tổn thất cục bộ :

Chỗ uốn cong :

Tra bảng II.16, trang 382, [1]:

Chọn dạng ống uốn cong 90o cĩ bn kính R với R/d = 2 thì xu1 (1 chỗ) = 0,15.

Đường ống cĩ 6 chỗ uốn w xu1 = 0,15. 6 = 0,9

Van :

Chọn van cầu với độ mở hồn tồn thì xvan (1 ci) = 10.

Đường ống cĩ 2 van cầu w xvan = 10. 2 = 20

Lưu lượng kế : xl1 = 0 (coi như khơng đng kể).

Vo thp : xthp = 1

Tại miệng ra của bồn cao vị: Tra bảng 10, trang 385, [1]: x = 11

Nn: x1 = 33,05

Vậy: = 7,65.10-3 (m)

2. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt giữa dịng nhập liệu v sản phẩm đy:

m

Trong đĩ:


l2 : chiều di đường ống dẫn, l2 = 2,5 m

d2 : đường kính ống dẫn, d2 = dtr = 0,032 m


v2 : vận tốc dịng nhập liệu trong ống dẫn

2.1. Vận tốc dịng nhập liệu trong ống d ẫn :v2 = 3,57.10-3 m/s


Chuẩn số Reynolds : Re2 = 710,9 < 2300 : chế độ chảy tầng.

Độ nhm: e = 0,0002

p dụng cơng thức (II.64), trang 379, [1]:


Đột thu :

Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Khi = 0,160 thì xđột thu 2 (1chỗ) = 0,458

Cĩ 1 chỗ đột thu w xđột thu 1 = 0,458

Đột mở :

Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Khi = 0,160 thì xđột mở 2 (1chỗ) = 0,708

Cĩ 1 chỗ đột mở w xđột mở 2 = 0,708

Nn: x2 = xđơt thu 2 + xđột mở 2 = 1,166

Vậy: m

3. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sơi dịng nhập liệu:

,m

Trong đĩ:


l3 : chiều di đường ống dẫn, l2 = 0,5 m.

d3 : đường kính ống dẫn, d3 = dtr = 0,032 m.


v3 : vận tốc dịng nhập liệu trong ống dẫn

3.1. Vận tốc dịng nhập liệu trong ống dẫn :v2 = 0,003 m/s


Chuẩn số Reynolds : Re2 = 250 < 2300: chế độ chảy tầng

Độ nhm: e = 0,0002

p dụng cơng thức (II.64), trang 379, [1]:


Đột thu :

Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Khi = 0,160 thì xđột thu 3 (1chỗ) = 0,458

Cĩ 1 chỗ đột thu w xđột thu 3 = 0,458

Đột mở :

Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Khi = 0,160 thì xđột mở 3 (1chỗ) = 0,708

Cĩ 1 chỗ đột mở w xđột mở 3 = 0,708

Nn: x3 = xđơt thu 3 + xđột mở 3 = 1,166

Vậy: m

4. Chiều cao bồn cao vị:

Chọn :

Mặt cắt (1-1) l mặt thống chất lỏng trong bồn cao vị.

Mặt cắt (2-2) l mặt cắt tại vị trí nhập liệu ở thp.

Ap dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) v (2-2):

z1 + + = z2 + + +hf1-2

z1 = z2 + +hf1-2

Trong đĩ:

z1: độ cao mặt thống (1-1) so với mặt đất, hay xem như l chiều cao bồn cao vị Hcv = z1.

z2: độ cao mặt thống (2-2) so với mặt đất, hay xem như l chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu:

z2 = hchn đỡ + hđy + (nttC – 1).Dh

= 0,105 + 0,02 + (12 – 1).0,25 = 2,875 m

P1 : p suất tại mặt thống (1-1), chọn P1 = 1 at = 9,81.104 N/m2

P2 : p suất tại mặt thống (2-2)

Xem DP = P2 – P1 = nttL .DPL = 9. 286,27 = 2576,4 N/m2

v1 : vận tốc tại mặt thống (1-1), xem v1 = 0 m/s

v2 : vận tốc tại vị trí nhập liệu, v2 = vF = 0,057 m/s

hf1-2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2):

hf1-2 = h1 + h2 + h3 = 8,63.10-3 m

Vậy: Chiều cao bồn cao vị: Hcv = z2 + +hf1-2

= 2,875 + + 8,63.10-3

= 3,16 m

Chọn Hcv = 5 m

VII. Bơm:1. Năng suất:

Nhiệt độ dịng nhập liệu l tF = 28oC.




Nn: w rF = 970,2 kg/m3



Nn: lgmF = xF.lgmN + (1 – xF).lgmA

w mF = 7,35.10-4 N.s/m2

Suất lượng thể tích của dịng nhập liệu đi trong ống:

= 1,03 m3/h

Vậy: chọn bơm cĩ năng suất Qb = 2 m3/h

2. Cột p:

Chọn :

Mặt cắt (1-1) l mặt thống chất lỏng trong bồn chứa nguyn liệu.

Mặt cắt (2-2) l mặt thống chất lỏng trong bồn cao vị.

p dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) v (2-2):

z1 + + + Hb = z2 + + +hf1-2

Trong đĩ:

z1: độ cao mặt thống (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = 1m.

z2: độ cao mặt thống (2-2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 5m.

P1 : p suất tại mặt thống (1-1), chọn P1 = 1 at.

P2 : p suất tại mặt thống (2-2), chọn P2 = 1 at.

v1,v2 : vận tốc tại mặt thống (1-1) v(2-2), xem v1= v2 = 0 m/s

hf1-2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2).

Hb : cột p của bơm.

2.1. Tính tổng trở lực trong ống:

Chọn đường kính trong của ống ht v ống đẩy bằng nhau: dtr = 50 mm

Tra bảng II.15, trang 381, [1] w Độ nhm của ống: e = 0,2 mm = 0,0002

Tổng trở lực trong ống ht v ống đẩy

hf1-2 =

Trong đĩ:

lh : chiều di ống ht.

Chiều cao ht của bơm: Tra bảng II.34, trang 441, [1] w hh = 4,2 m

w̃ Chọn lh = 6 m

lđ : chiều di ống đẩy, chọn lđ = 8 m

xh : tổng tổn thất cục bộ trong ống ht.

xđ : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy.

l : hệ số ma st trong ống ht v ống đẩy.

vF : vận tốc dịng nhập liệu trong ống ht v ống đẩy m/s

m/s

11 Xc định hệ số ma st trong ống ht v ống đẩy :Chuẩn số Reynolds :

= 17053,8 > 4000 : chế độ chảy rối

Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh = 6(dtr/e)8/7 = 3301,065

Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vng nhm:

Ren = 220(dtr/e)9/8 = 109674,381

Vì Regh < ReF < Ren w chế độ chảy rối ứng với khu vực qu độ.

p dụng cơng thức (II.64), trang 379, [1]: l = = 0,033

12 Xc định tổng tổn thất cục bộ trong ống ht :§ Chỗ uốn cong :

Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Chọn dạng ống uốn cong 90o cĩ bn kính R với R/d = 2 thì xu1 (1 chỗ) = 0,15.

Ống ht cĩ 2 chỗ uốn w xu1 = 0,3

§ Van :

Chọn van cầu với độ mở hồn tồn thì xv1 (1 ci) = 10.

Ống ht cĩ 1 van cầu w xv1 = 10

Nn: xh = xu1 + xv1 = 10,3

13 Xc định tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy :§ Chỗ uốn cong :

Tra bảng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90o cĩ bn kính R với R/d = 2 thì xu2 (1 chỗ) = 0,15.

Ống đẩy cĩ 4 chỗ uốn w xu2 = 0,15. 4 = 0,6

§ Van :

Tra bảng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở hồn tồn thì xv2 (1 ci) = 10.

Ống đẩy cĩ 1 van cầu w xv2 = 10

§ Vo bồn cao vị : xcv = 1

Nn: xđ = xu1 + xv1 + xcv = 11,6

Vậy: hf1-2 = = 0,127 m

2.2. Tính cột p của bơm:

Hb = (z2 – z1) + hf1-2 = ( 5 – 1) + 0,127 = 4,127 m

3. Cơng suất:

Chọn hiệu suất của bơm: hb = 0,8.

Cơng suất thực tế của bơm: Nb =

= 27,3 W

Kết luận: Để đảm bảo thp hoạt động lin tục ta chọn 2 bơm li tm, cĩ:

Năng suất: Qb = 2 m3/h

Cột p: Hb = 4,127 m

Cơng suất: Nb = 27,3 W

CHƯƠNG 6:

Tính kinh tếLượng thp X18H10T cần dng:

M1 = 21mmm + mthn + 2mđy(nắp) = 243,43 kg

Lượng thp CT3 cần dng:

M2 = 8mbích nối thn + mbích ghp ống lỏng + mbích ghp ống hới

+ 4. mchn đỡ + 4. mtai treo + 4. mtấm lĩt = 163,82 kg

Số bulơng cần dng:

n = 164 (ci)

Chiều di ống 38 x 3mm:

L1 = 837m

Chiều di ống 70mm: Chọn tổng chiều di ống dẫn lỏng vo thp l 10m.

Chiều di ống 150mm: Chọn tổng chiều di ống hơi ở đỉnh thp v ống hơi ở đy thp l L4 = 10m.

Chiều di ống 50mm: Chọn tổng chiều di ống chảy trn v ống xả đy từ bồn cao vị, ống nhập liệu v ống hồn lưu l 40m.

Bơm ly tm: chọn 2 bơm ly tm w Nb = 2. 27,3 = 54,6 W

Vật liệu Số lượngĐơn gi

Thnh tiền (đ)

Thp X18H10T 243,43 (kg) 50000 (đ/kg) 12171500

Thp CT3 163,82 (kg) 10000 (đ/kg) 1638200

Bulơng 164 (ci) 2500 (đ/ci) 410000

Ống dẫn 38 x 3mm 837 (m) 50000 (đ/m) 41850000

Ống 70mm 10 (m) 100000 (đ/m) 1000000

Ống 150mm 10 (m) 100000 (đ/m) 1000000

Ống 50mm 40 (m) 100000 (đ/m) 4000000

Bơm ly tm 54,6 (W) 700000 (đ/Hp) 56000

p kế 2 (ci) 200000 (đ/ci) 400000

Nhiệt kế 3 (ci) 150000 (đ/ci) 450000

Lưu lượng kế (³ 50mm) 2 (ci) 1000000 (đ/ci) 2000000

Tổng chi phí vật tư 64975700

Vậy tổng chi phí vật tư l 65 triệu đồng.

Xem tiền cơng chế tạo bằng 200% tiền vật tư.

Vậy: tổng chi phí l 195 triệu đồng.

CHƯƠNG 7:

Kết luận

Với hệ thống chưng cất metanol - nước dng thp mm xuyn lỗ như đ thiết kế, ta thấy bn cạnh những ưu điểm cũng cịn cĩ nhiều nhược điểm. Thiết bị cĩ ưu điểm l năng suất v hiệu suất cao nhưng thiết bị cịn rất cồng kềnh, địi hỏi phải cĩ sự vận hnh với độ chính xc cao. Bn cạnh đĩ, khi vận hnh thiết bị ny ta cũng phải hết sức ch ý đến vấn đề an tồn lao động để trnh mọi rủi

Documents

CHƯNG CẤT METANOL - NƯỚC (1)