Luận văn Tốt nghiệp Thực hiện và giải quyết việc tính toán kỹ thuật và thiết kế tháp chưng luyện hỗn hợp

Đề tài: Thực hiện và giải quyết việc tớnh toỏn kỹ thuật và thiết kế thỏp chưng luyện hỗn hợp 1 Mục lục Lời mở đầu 3 A. Tính toán thiết bị chính 4 I. Các ph−ơng trình cân bằng vật liệu 4 II.Đ−ờng kính tháp 6 1. L−u l−ợng trung bình các dòng pha đi trong tháp 6 2. Khối l−ợng riêng trung bình 8 3. Tính vận tốc hơi đi trong tháp 11 4. Đ−ờng kính tháp 12 III. Chiều cao của tháp 12 1. Xác định số đơn vị chuyển khối 12 B. Kết lụân C. Tài liệu tham khảo 2 Lời mở đầu Trong công nghiệp việc phân tích các cấu tử từ hỗn hợp đầu là rất cần thiết nhằm mục đích hoàn thiện khai thác, chế biến . . . . , có rất nhiều ph−ơng pháp phân tích các cấu tử trong công nghiệp, trong đó ch−ng luyện là một trong những ph−ơng pháp hay đ−ợc sử dụng. Nó đ−ợc dùng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nh− chế biến dầu mỏ . . . Ch−ng là ph−ơng pháp tách các cấu tử từ hỗn hợp đầu dụa vào độ bay hơi khác nhau của chúng trong hỗn hợp. Hỗn hợp có thể là những chất lỏng hoặc chất khí, th−ờng khi ch−ng một hỗn hợp có bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu đ−ợc bấy nhiêu sản phẩm. Với hốn hợp có hai cấu tử ta sẽ thu đ−ợc hai sản phẩm là sản phẩm đỉnh gồm phần lớn là cấu tử dễ bay hơi & sản phẩm đáy chứa phần lớn cấu tử khó bay hơi. Trong thực tế có thể gặp rất nhiều kiểu ch−ng luyện khác nhau nh−; ch−ng bằng hơi n−ớc trực tiếp, ch−ng đơn giản, ch−ng luyện . . . Tuy nhiên nhằm mục đích thu đ−ợc sản phẩm có nồng độ cao, ng−ời ta tiến hành ch−ng nhiều lần hay ch−ng luyện. Ch−ng luyện là ph−ơng pháp ch−ng phổ biến nhất hay dùng để tách hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan hoàn toàn hay một phần vào nhau. Có nhiều loại tháp dùng để ch−ng luyện nh− tháp đĩa lỗ, đĩa chóp có ống chảy chuyền, tháp đệm, . . . Tháp đệm với −u điểm cấu tạo đơn giản, làm việc với năng suất lớn, hiệu suất cao, khoảng làm việc rộng, ổn định . . . đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế đặc biệt là trong ch−ng luyện hỗn hợp Etylic – n−ớc. Do thời gian có hạn và để đi sâu vào nội dung chính, đồ án chỉ thực hiện và giải quyết việc tính toán kỹ thuật và thiết kế tháp ch−ng luyện ch−a đi sâu tính toán hết thiết bị phụ. 3 A.Tính toán thiết bị chính I. Các ph−ơng trình cân bằng vật liệu vμ chỉ số hồi l−u: - Truớc hết ta đổi nồng độ phần thể tích sang nồng độ phần mol. 46 52 =OHHCM ( )3mKg 78952 =OHHCρ ( )3mKg [I – 9] 18 2 =OHM ( )3mKg 9982 =OHρ ( )3mKg [I – 9] Ta có mối liên hệ: E EE E E EE E E E M VnMnmV ρρρ ⋅=⇒⋅== Suy ra ta có: ( ) N N E E E E E E E E M V M V M V x ρρ ρ ⋅−+⋅ ⋅ = 1 áp dụng công thức trên ta có: ( ) ( ) 0442,0 18 99813,01 46 78913,0 46 78913,0 1 = ⋅−+⋅ ⋅ = −+⋅ ⋅ = N N F E E F E E F F M V M V M V x ρρ ρ ( )KmolKmol ( ) ( ) 553,0 18 9988,01 46 7898,0 46 7898,0 1 = −+⋅ ⋅ = ⋅−+⋅ ⋅ = N N P E E P E E P P M V M V M V x ρρ ρ ( )KmolKmol ( ) ( ) 00093,0 18 998003,01 46 789003,0 46 789003,0 1 = ⋅−+⋅ ⋅ = ⋅−+⋅ ⋅ = N N W E E W E E W W M V M V M V x ρρ ρ ( )KmolKmol Khối l−ợng phân tử hỗn hợp đầu: ( ) ( ) 2376,19180442,01460442,0 1 =⋅−+⋅= ⋅−+⋅= F NFEFF M MxMxM L−ợng hỗn hợp đầu đi vào tháp tính theo hKmol 87,363 2376,19 7000 == = F F F G M FG ( )hKmol - Ph−ơng trình cân bằng vật liệu: + Ph−ơng trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp: WPF GGG += [I – 144] 4 Đối với cấu tử dễ bay hơi ta có: WWPPFF xGxGxG ⋅+⋅=⋅ [I – 144] Theo quy tắc đòn bẩy ta có: FP W WF P WP F xx G xx G xx G −=−=− L−ợng sản phẩm đỉnh: 52,28 00093,0553,0 00093,00442,087,363 =− −⋅=− −⋅= WP WF FP xx xxGG ( )hKmol L−ợng sản phẩm đáy: 35,33552,2887,363 =−=−= PFW GGG ( )hKmol + Ph−ơng trình đ−ờng nồng độ làm việc của đoạn luyện: 11 ++⋅+= x P x x R xx R Ry [II – 144] +Ph−ơng trình đ−ờng nồng độ làm việc của đoạn ch−ng: Với P F G GL = [II –158] xR : Chỉ số hồi l−u thích hợp. Suy ra: 1 1 1 + −⋅−+ +⋅= x W x x R Lx R LRxy - Xác định chỉ số hồi l−u thích hợp: Theo bảng IX. 2a – Sổ tay II – Trang 148 x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 H2 đẳng phí y 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100 89,4 t 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4 78,15 Từ bảng nội suy ta có: 2935.00442,0 =⇒= ∗FF yx Theo công thức chỉ số hồi l−u tối thiểu của tháp ch−ng luyện là: Fỳ ỳP xy yxR − −= ∗ ∗ min [II – 158] 041,1 0442,02935.0 2935.0553.0 min =− −=− −= ∗ ∗ FF FP xy yxR Ta có công thức: min55,1 RR ⋅= [II – 159] 5 R = 1,55. 1,041 = 1,614 L−ợng hỗn hợp đầu tính theo 1 Kmol sản phẩm đỉnh. 76,12 52,28 87,363 === P F G GL + Ph−ơng trình đ−ờng nồng độ làm việc đoạn luyện. 2116,06174,0 1614,1 553,0 1614,1 614,1 +⋅=++⋅+= xxy + Ph−ơng trình đ−ờng nồng độ làm việc của đoạn ch−ng. 0042,045,500093,0 1614,1 176,12 1614,1 76,12614,1 −⋅=⋅+ −−⋅+ += xxy II. Đ−ờng kính của tháp: ( ) tbyy tbgD ϖρ ⋅⋅= 0188.0 [II – 181] gtb:l−ợng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h) ( ρ y.wy)tb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp 1. L−u l−ợng trung bình các dòng pha đi trong tháp : a/ Trong đoạn luyện : Số liệu : GP : L−ợng sản phẩm đỉnh (P’) = 28,52(kmol/h). R : Hệ số hồi l−u thích hợp = 1,614 GR : L−ợng hồi l−u = GP . R =28,52.1,614=46,03 (kmol/h) yđ=0,6174.xp+0,2116=0,6174.0,553+0,2116=0,553 ♦ L−ợng hơi ra khỏi đỉnh tháp gđ : gđ = GR + GP = GP . (R + 1) =28,52. (1,614+ 1) = 74,5513(kmol/h) ♦ L−ợng hơi đi vào đoạn luyện g1 , nồng độ hơi y1 , l−ợng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện, nồng độ lỏng x1 : Coi x1 = xF = 0,0442 Ph−ơng trình cân bằng vật liệu : g1 = G1 + GP (1) Ph−ơng trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi (etylic) : g1 y1 = G1 x1 + GP xP (2) Ph−ơng trình cân bằng nhiệt l−ợng : g1 r1 = gđ rđ (3) r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa luyện thứ nhất (kcal/kmol) rđ : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp (kcal/kmol) Gọi : rA : ẩn nhiệt hóa hơi của Etylic 6 rB : ẩn nhiệt hoá hơi của H2O. Từ đồ thị (t,x,y) ta có : - Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (x = xP =0,553): tP = 79,7 0C Nội suy theo bảng r – to (I-254) với to = 79,7°C : ⎩⎨ ⎧ === ===⇒ )(kcal/kmol 4,10067)(kcal/kmolM.518,5 (kcal/kg) 559,3 r )(kcal/kmol 52,9297)(kcal/kmol202,12.M (kcal/kg) 202,12 r BB AA ⇒ rđ = rA . yđ + rB (1 - yđ) = 9297,52 . 0,553 + 10067,4 .(1- 0,553) =9641,66 (kcal/kmol) - Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu (x = xF =0,0442): tF = 91,6 °C Nội suy theo bảng r – to (I-254) với to = 91,6°C : ⎩⎨ ⎧ === ===⇒ )(kcal/kmol 2,9853)(kcal/kmol547,4.M (kcal/kg) 547,4 r )(kcal/kmol 56,9078)(kcal/kmol197,36.M (kcal/kg) 197,36 r BB AA ⇒ rl = rA . yl + rB (1 – yl) = 9078,56 . yl + 9853,2 . (1 – yl) Từ (1);(2) và (3) ta có : g1= G1 + 28,52 g1.y1= 0,0442.G1 + 15,77 -774,64.y1 + 9853,2.g1 = 718798,3 Giải 3 ph−ơng trình trên ta có: G1=45,83(Kmol/h) , g1=74,35(Kmol/h) , y1=0,239 ⇒ L−ợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện : (kmol/h) 451,74 2 35,745513,74 2 1 =+=+= ggg dtbL ⇒ L−ợng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện : (kmol/h) 45,93 2 83,4503,46 2 1 =+=+= GGG RtbL b/ Trong đoạn ch−ng : Số liệu : GW : L−ợng sản phẩm đáy (W’) = 335,35(kmol/h) ♦ L−ợng hơi đi vào đoạn ch−ng ,1g , nồng độ hơi ,1y , l−ợng lỏng '1G đối với đĩa thứ nhất của đoạn ch−ng, nồng độ lỏng , 1x , l−ợng hơi ra khỏi đoạn ch−ng chính là l−ợng hơi đi vào đoạn luyện g1 : Ta có * W , 1 yy = là nồng độ cân bằng ứng với xW , nội suy theo bảng số liệu đ−ờng cân bằng (II-148) : 7 ⇒ 61752,0*,1 == Wyy Ph−ơng trình cân bằng vật liệu : W ' 1 ' 1 GgG += (1’) Ph−ơng trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi (etylic) : WW ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 xGygxG += (2’) Ph−ơng trình cân bằng nhiệt l−ợng : 11 ' 1 ' 1 rgrg = (3’) rl : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đoạn ch−ng. ⇒ rl = rA . yl + rB (1 – yl) = 9078,56 . 0,239 + 9853,2 . (1 – 0,239) = 9668,06 (kcal/kmol) r1’: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa ch−ng thứ nhất. Từ bảng số liệu x – to sôi dd (II-148), nội suy ta có: Nhiệt độ sôi hỗn hợp đáy (x = xW = 0,00093): tW = 99,82°C Nội suy theo bảng r – to (I-254) với to = 99,82°C : ⎩⎨ ⎧ === ===⇒ )(kcal/kmol 24,9705)(kcal/kmol539,18.M (kcal/kg) 539,18 r )(kcal/kmol 312,8927)(kcal/kmol194,072.M (kcal/kg) 194,072 r BB AA ⇒ ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa ch−ng thứ nhất : rl’ = rA . yl’ + rB (1 – yl’) = 8927,312.0,61752 + 9705,24 . (1 – 0,61752) = 9224,854 (kcal/kmol) (kmol/h)922,77 854,9224 06,9668.35,74)'3( ' 1 1 1 ' 1 ===⇒ r rgg (kmol/h) 272,41335,335922,77)'1( '1 ' 1 =+=+=⇒ WGgG ⇒ L−ợng hơi trung bình đi trong đoạn ch−ng : (kmol/h) 136,76 2 922,7735,74 2 ' 11 =+=+= gggtbC ⇒ L−ợng lỏng trung bình đi trong đoạn ch−ng : (kmol/h)551,229 2 272,41383,45 2 ' 11 =+=+= GGGtbC 2. Khối l−ợng riêng trung bình. a/ Khối l−ợng riêng trung bình pha lỏng : 8 2xtb 1tb 1xtb 1tb xtb a1a1 ρ −+ρ=ρ [IX104a- II184] Trong đó : xtbρ : Khối l−ợng riêng trung bình pha lỏng (kg/ m3) 1xtbρ : Khối l−ợng riêng trung bình cấu tử 1 (kg/ m3) 2xtbρ : Khối l−ợng riêng trung bình cấu tử 2 (kg/ m3) 1tba : Nồng độ khối l−ợng trung bình cấu tử 1 (kg/ kg) - Đoạn luyện : Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn luyện: 2986,0 2 553,00442,0 2 =+=+= PFtbL xxx Nội suy với xtbL theo bảng số liệu nồng độ – t o sôi dung dịch (II-148) : ⇒ Nhiệt độ trung bình đoạn luyện : ttbL = 81,721°C ⇒ Khối l−ợng riêng của Etylic và N−ớc theo t = ttbL : (I-9) ρxL1 = 733,37 (kg/m3) ρxL2 = 970,8 (kg/m3) Nồng độ khối l−ợng trung bình của Etylic đoạn luyện 106,0 998)13,01(789.13,0 789.13,0 )1(. . =−+=−+= NFEF EF F vv va ρρ ρ (Kg/Kg) 76,0 998)8,01(789.8,0 789.8,0 )1(. . =−+=−+= NPEP EP P vv va ρρ ρ (Kg/Kg) 433,02 76,0106,0 2 =+=+= PFtbL aaa ⇒ 44,8518,970 433,01 37,733 433,01 11 21 =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −+= −− xL tbL xL tbL xL aa ρρρ (kg/m3) - Đoạn ch−ng : Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn ch−ng : 0226,02 0442,000093,0 2 =+=+= FWtbC xxx Nội suy với xtbC theo bảng số liệu nồng độ – t o sôi dung dịch (II-148) : ⇒ Nhiệt độ trung bình đoạn ch−ng : ttbC = 95,706°C 9 ⇒ Khối l−ợng riêng của Etylic và N−ớc theo t = ttbC :(I-9) 08,7201 =xCρ (kg/m3) 42,9612 =xCρ (kg/m3) Nồng độ khối l−ợng trung bình của Etylic đoạn luyện : 0024,0998)003,01(789.003,0 789.003,0 )1(. . =−+=−+= NwEw Ew w vv va ρρ ρ (Kg/Kg) 0542,02 106,00024,0 2 =+=+= FWtbC aaa ⇒ 27,94442,961 0542,01 08,720 0542,01 11 21 =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −+= −− xC tbC xC tbC xC aa ρρρ (kg/m3) b/ Khối l−ợng riêng trung bình pha hơi : - Đoạn luyện : Nồng độ pha hơi đầu đoạn luyện là : yđL = y1 = 0,239 Nồng độ pha hơi cuối đoạn luyện là : ycL = yP = xP = 0,553 ⇒ Nồng độ trung bình pha hơi đoạn luyện : 396,0 2 553,0239,0 2 =+=+= cLdLtbL yyy ⇒ Khối l−ợng mol trung bình hơi đoạn luyện : yLM = ytbL.M1+(1- ytbL).M2 = 0,396 . 46 + (1- 0,396).18 = 29,088 (kg/kmol) → Khối l−ợng riêng trung bình pha hơi đoạn luyện : 1 )721,81273.(4,22 273 . 29,088 ).(4,22 . =+=+= tbLO OyL yL tT TMρ (kg/m3) - Đoạn ch−ng : Nồng độ pha hơi đầu đoạn ch−ng là : 61752,0'1 == yydC Nồng độ pha hơi cuối đoạn ch−ng là : ycC = y1 = 0,239 ⇒ Nồng độ trung bình pha hơi đoạn luyện : 42826,0 2 239,061752,0 2 =+=+= cCdCtbC yyy → Khối l−ợng mol trung bình hơi đoạn ch−ng : yCM = ytbC.M1+(1-ytbC).M2 = 0,42826.46+(1– 0,42826).18 =30 (kg/kmol) → Khối l−ợng riêng trung bình pha hơi đoạn ch−ng : 10 99,0 )706,95273.(4,22 273 . 30 ).(4,22 . =+=+= tbCO OyC yC tT TMρ (kg/m3) 3. Tính vận tốc hơi đi trong tháp : a.Tính độ nhớt: - Đoạn luyện +Tra bảng (I-94) ta có độ nhớt của n−ớc ở 200C là: 1,005. 10-3 (N.s/ 2m ) +ở ttbL= 81,721 0C suy từ bảng (I-92) ta có: 310.426,0 −=Eμ (N.s/ 2m ) 310.351,0 −=Hμ (N.s/ 2m ) Vậy độ nhớt pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là: ( ) HtbLEtbLxL xx μμμ lg1lglg ⋅−+⋅= xtbL = 0,2986 ( ) )10.351,0lg(2986,01)10.426,0lg(2986,0lg 33 −− ⋅−+⋅=xLμ 43,3lg −=xLμ 310.37,0 −=xLμ (N.s/ 2m ) 8 1 4 1 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⋅⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= xL yL tbL tbL L g GX ρ ρ = =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⋅⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ 8141 44,851 1 451,74 93,45 0,38 YL = 1,2.e-4.X = 0,26 16,0 3 2 .. .. ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⋅⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= n xL xLd yLds L Vg Y μ μ ρ ρσω => ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 16,0 3 2 ).(. ... n xL yLd xLdL s VgY μ μρσ ρω = ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − 16,0 3 3 3 ) 10.005,1 10.37,0.(1.165 44,851.76,0.81,9.26,0 =6,78 (m/s)2 - Đoạn ch−ng +Tra bảng (I-94) ta có độ nhớt của n−ớc ở 200C là: 1,005. 10-3 (N.s/ 2m ) +ở ttbC= 95,706 0C suy từ bảng (I-92) ta có: 310.35,0 −=Eμ (N.s/ 2m ) 310.3,0 −=Hμ (N.s/ 2m ) Vậy độ nhớt pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là: ( ) HtbCEtbCxC xx μμμ lg1lglg ⋅−+⋅= xtbC = 0,0226 ( ) )10.3,0lg(0226,01)10.35,0lg(0226,0lg 33 −− ⋅−+⋅=xCμ 52,3lg −=xCμ 11 => 310.3,0 −=xCμ (N.s/ 2m ) =⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⋅⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= 8 1 4 1 xC yC tbC tbC C g GX ρ ρ =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⋅⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ 8141 27,944 99,0 136,76 551,229 0,56 YC = 1,2.e-4.X = 0,13 16,0 3 2 .. .. ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⋅⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= n xC xCd yCds C Vg Y μ μ ρ ρσω => ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 16,0 3 2 ).(. ... n xC yCd xCdC s VgY μ μρσ ρω = ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − 16,0 3 3 3 ) 10.005,1 10.3,0.(99,0.165 27,944.76,0.81,9.13,0 =3,93 (m/s)2 4. Đ−ờng kính tháp: +Đoạn luyện: wyL= 0,8.ws = 0,8.(6,78)1/2 = 2,083 (m/s) ( ) tbyLyL yLtbL L MgD ϖρ ⋅⋅= . 0188.0 = ( )083,21 088,29.451,740188.0 ⋅⋅ = 0,61 (m) +Đoạn ch−ng: wyC= 0,8.ws = 0,8.(3,93)1/2 = 1,586 (m/s) ( ) tbyCyC yCtbC C MgD ϖρ ⋅⋅= . 0188.0 = 586,1.99,0 30.136,760188.0 ⋅ = 0,72 (m) III. Chiều cao của tháp Chiều cao làm việc của tháp đ−ợc xác định theo công thức. [II – 175] ydv mhH ⋅= (m) Trong đó: - :dvh Chiều cao của một đơn vị chuyển khối. - ym : Số đơn vị chuyển khối. 1. Xác định số đơn vị chuyển khối: ∫ =−= p W y y cb y Syy dym [II – 176] Với M diện tích giới hạn bởi đ−ờng cong thành phần. + Dựng đồ thị ( ) yy yf cb − = 1 12 x y cby cby -y yycb − 1 Wx 0,00093 0.00087 0,0061752 0,0053052 188.5 0,01 0.0503 0,0664 0,0134 74.63 0,02 0.1048 0.1328 0,028 35.71 0,03 0.1593 0.1992 0,0399 25.06 0,04 0.2138 0,2656 0,0518 19.3 xF 0,0442 0.239 0,2935 0,0545 18.35 0,05 0.24247 0.332 0,089 11.24 0,06 0.249 0,354 0,105 9.52 0,07 0.255 0,376 0,121 8.26 0,08 0.261 0,398 0,137 7.3 0,09 0.267 0,42 0,153 6.54 0,1 0.273 0,442 0,169 5.92 0,2 0,335 0,531 0,196 5.1 0,3 0,397 0,576 0,179 5.59 0,4 0,459 0,614 0,155 6.45 0,5 0,520 0,654 0,134 7.46 xP 0,553 0,553 0,6545 0,102 9.8 Từ bảng trên ta có: =−= ∫ Py y yL yy dym 1 * 8,214 =−= ∫ 1 * y y yC W yy dym 5,752 2. Chiều cao của một đơn vị chuyển khối phụ thuộc vào đặc tr−ng của đệm và xác định theo công thức: 21 hG Gm hh x y dv ⋅ ⋅+= [I – 177] Trong đó: - ( )m a Vh yy d d 3 225,0 1 PrRe ⋅⋅⋅= σψ : Là chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi. [II – 177] - ( ) 2 3 0,25 0,5 2 256 Re Prx x x x h mμρ ⎛ ⎞= ⋅ ⋅ ⋅⎜ ⎟⎝ ⎠ : Là chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng. [II – 177] Với: 13 a : Hệ số phụ thuộc vào dạng đệm. Với đẹm vòng Ráing đổ lộn xộn 123,0=a . xμ : Độ nhớt của pha lỏng ( )2mNs . 310.37,0 −=xLμ 310.3,0 −=xCμ xρ : Khối l−ợng riêng của lỏng. ( )344,851 mKgxL =ρ ( )327,944 mKgxC =ρ PrRe, : Chuẩn số Reynol và prand. ψ : Hệ số thấm −ớt của đệm, phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ t−ới thực té lên tiết diện ngang của tháp và mật độ t−ới thích hợp. a. Tính 1h : - ψ : Hệ số thấm −ớt của đệm phụ thuộc vào th tt U U - Với: t x tt F V U = hay 4 2d G U x x tt ⋅⋅ = πρ : mật độ t−ới thực tế, ( hmm ⋅23 ) [II – 177] - Đoạn luyện: 372,5 4 61,044,851 088,29.93,45 4 2 =⋅⋅ =⋅⋅ = ππρ LxL xL ttL D GU ( hmm ⋅23 ) - Đoạn ch−ng: 92,17 4 72,027,944 30.551,229 4 2 =⋅⋅ =⋅⋅ = ππρ CxC xC ttC D GU ( hmm ⋅23 ) :dth BU σ⋅= mật độ t−ới thích hợp ,( hmm ⋅23 ) [II – 177] Ch−ng luyện B= 0,065 ( hmm ⋅3 ) 725,10165065,0 =⋅=⇒ thU ( hmm ⋅23 ) Suy ra: 5,05,0 725,10 372,5 =→== L th ttL U U ψ [II – 178] 67,167,1 725,10 92,17 =→== C th ttC U U ψ [II – 178] + Chuẩn số Râynôn của pha hơi: dy sy y σμ ϖρ ⋅ ⋅⋅= 4,0Re [II – 178] - Đoạn luyện: 65,13 1651037,0 083,214,04,0Re 3 =⋅⋅ ⋅⋅=⋅ ⋅⋅= − dyL yLyL yL σμ ϖρ 14 - Đoạn ch−ng: 4,160 195100119,0 2849,17242,04,04,0Re 3 =⋅⋅ ⋅⋅=⋅ ⋅⋅= − dyC yCyC yC σμ ϖρ + Chuẩn số Pran của pha hơi: yy y y D⋅= ρ μ Pr [II – 178] HE HE y MMVVp TD 11100043,0 2 3 1 3 1 5,14 +⋅ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +⋅ ⋅⋅= − : Hệ số khuyếch tán trong pha hơi. [II – 127] ở p = 1atm. HE VV , : Thể tích mol phân tử của Etylic và n−ớc. 2,594,717,368,142 52 =⋅+⋅+⋅== OHHCE VV ( )molcm3 9,18 2 == OHH VV ( )molcm3 KT KT C L 0 0 36727394 35427381 =+= =+= → 52 3 1 3 1 5,14 108497,1 18 1 46 1 9,182,59 354100043,0 −− ⋅=+⋅ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + ⋅⋅=yLD ( )sm2 5 2 3 1 3 1 5,14 109525,1 18 1 46 1 9,182,59 367100043.0 −− ⋅=+⋅ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + ⋅⋅=→ yCD ( )sm2 - Đoạn luyện: 5154,0 108497,11434,1 100109,0Pr 5 3 =⋅⋅ ⋅=⋅= − − yLyL yL yL Dρ μ -Đoạn ch−ng: 8416,0 109525,17242,0 100119,0Pr 5 3 =⋅⋅ ⋅=⋅= − − yCyC yC yC Dρ μ → Chiều cao của một đơn vị chuyển khối 1h . 2539,05154,07126,266 19532,0123,0 75,0PrRe 3 225,03 225,0 1 =⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅= yLyLdL d L a V h σψ ( m) 0992,08416,04,160 1951123,0 75,0PrRe 3 225,03 225,0 1 =⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅= yCyCdC d C a V h σψ (m) b. Tính 2h : + Chuẩn số Râynôn của pha lỏng: 0,04Re xx t d x G F σ μ ⋅= ⋅ ⋅ [II – 178] Hay: 2 0,04Re 4 x x d x G Dπ σ μ ⋅= ⋅ ⋅ ⋅ 15 - Đoạn luyện: 491,0 103847,0195 4 8,014,3 4626,004,0 4 04,0 Re 3 22 = ⋅⋅⋅⋅ ⋅= ⋅⋅⋅ ⋅= − xLd L xL xL D G μσπ - Đoạn ch−ng: 874,2 103072,0195 4 8,014,3 1624,204,0 4 04,0 Re 3 22 = ⋅⋅⋅⋅ ⋅= ⋅⋅⋅ ⋅= − xCd C xC xC D G μσπ + Chuẩn số Pran của pha lỏng: xx x x D⋅= ρ μ Pr [II – 178] xD : Hệ số khuyếch tán trong pha lỏng. ( )sm2 ( )[ ]20120 −⋅+⋅= tbDDt [II – 134] Với: 9 2 3 1 3 1 6 2 3 1 3 1 6 20 102707,7 9,182,59124,17,4 18 1 46 1101 11101 − −− ⋅= ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +⋅⋅⋅ +⋅⋅ = ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +⋅⋅⋅ +⋅⋅ = HEH HE VVHE MM D μ 1=Hμ : Độ nhớt của n−ớc ở 200C Hệ số nhiệt độ: 02,0 998 12,02,0 33 =⋅=⋅= ρ μ b [II – 135] Với: ρμ, là độ nhớt và khối l−ợng riêng của OH 2 ở C020 . - Đoạn luyện: ( )[ ] 9981 101409,16208102,01102707,7 −− ⋅=−⋅+⋅⋅=LD - Đoạn ch−ng: ( )[ ] 9994 100313,18209402,01102707,7 −− ⋅=−⋅+⋅⋅=CD 7904,29 101409,16053,800 103847,0Pr 9 3 =⋅⋅ ⋅=⋅=→ − − xLxL xL xL Dρ μ 0953,18 100313,18517,941 103072,0Pr 9 3 =⋅⋅ ⋅=⋅=→ − − xCxC xC xC Dρ μ Chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng là: 0718,07904,294907,0 053,800 103847,0256PrRe256 5,025,0 3 2 3 5,025,0 3 2 2 =⋅⋅⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⋅⋅=⋅⋅⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⋅= − xLxL xL xL Lh ρ μ 0672,00953,188726,2 517,941 103072,0256PrRe256 5,025,0 3 2 3 5,025,0 3 2 2 =⋅⋅⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⋅⋅=⋅⋅⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⋅= − xCxC xC xC Ch ρ μ Từ đồ thị đ−ờng làm việc: Ta có: 2 PF L mmm += 2 FW C mm m += Từ đồ thị ta suy ra: 16 514,1 2 25,2778,0 =+=Lm 46,42 25,267,6 =+=Cm - Chiều cao của một đơn vị chuyển khối: - Chiều cao của đoạn luyện: 4214,00718,0 4626,0 7128,0514,12539,021 =⋅⋅+=⋅ ⋅+= L x yL LdvL hG Gm hh (m) - Chiều cao của đoạn ch−ng: 164,00672,0 1624,2 4681,046,40992,02' ' 1 =⋅⋅+=⋅ ⋅+= C x yC CdvC hG Gm hh (m) Chiều cao của tháp: - Đoạn luyện: 3,375,74214,0 =⋅=⋅= yLdvLL mhH (m) - Đoạn ch−ng: 5,085,2164,0 =⋅=⋅= yCdvCC mhH (m) Vậy chiều cao làm việc của tháp: 8,35,03,3 =+=+= CL HHH (m) IV. Trở lực của tháp - Sức cản thủy học của tháp đệm đối với hệ hơi - lỏng ở điểm đẳng pha. ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⋅⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⋅⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⋅+⋅Δ=Δ c y x n x y m y x ku G GApp μ μ ρ ρ 1 (N/m2) [II – 189] Trong đó: upΔ - Tổn thất áp suất khi đệm −ớt tại điểm đảo pha có tốc độ của khí bằng tốc độ của khí đi qua điểm khô (N/m2). kpΔ - Tổn thất áp suất của đệm khô (N/m2). yx GG , - L−u l−ợng của lỏng và của khí (kg/s). yx ρρ , - Khối l−ợng riêng của lỏng và của khí (kg/m3). yx μμ , - Độ nhớt của lỏng và của khí (N.s/m2). Do: 7126,266Re =yL <400 4,160Re =yC <400 Tổn thất áp suất của đệm khô đ−ợc tính theo công thức: 242 2 2 ,2 , yy d dty td k V H d Hp ρωσλωρλ ⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅=Δ [II – 189] Trong đó: H - Chiều cao lớp đệm (m). 3,3=LH (m) 5,0=CH (m) ,λ - Hệ số trở lực của đệm (trở lực do ma sát và trở lực cục bộ). ,yω - Tốc độ của khí tính trên toàn bộ tiết diện tháp (m/s). 17 195=dσ (m2/m3) - Bề mặt riêng của đệm. 75,0=dV (m3/m3) - Thể tích tự do của đệm. ,λ - Hàn số phụ thuộc chuẩn số Râynôn. Với tháp đệm vòng đổ lộn xộn thì 2,0 , Re 16 y =λ [II – 189] - Đoạn luyện: 2349,5 7126,266 16 2,0 , ==Lλ - Đoạn ch−ng: 7953,5 4,160 16 2,0 , ==Cλ - Tổn thất áp suất của đệm tại đoạn luyện: 66,538 2 1434,17933,0 75,0 1953,3 4 2349,5 24 2 2 2 2 , =⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅=Δ yLyL d dLL kL V H p ρωσλ - Tổn thất áp suất của đệm tại đoạn ch−ng: 6522,61 2 7242,08234,0 75,0 1955,0 4 7953,5 24 2 2 2 2 , =⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅=Δ yCyC d dCC kL V Hp ρωσλ Trở lực của đệm khô: kCkLK ppp Δ+Δ=Δ 3122,6006522,6166,538 =+=Δ kp Theo bảng IX.7 giá trị của các hệ số A, m ,n c. A = 5,15 m = 0,342 n = 0,19 c = 0,038 - Sức cản thủy học của tháp đệm đối với đọan luyện: 856,1327 0109,0 3874,0 053,800 1434,1 7128,0 4626,015,5166,538 1 038,019,0342,0 038,019,0342,0 ã = ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⋅⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⋅⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⋅+⋅=Δ ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⋅⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⋅⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⋅+⋅Δ=Δ uL Ly x Lx y Ly G kLuL p G GApp μ μ ρ ρ - Sức cản thủy học của tháp đệm đối với đoạn ch−ng: 907,216 0119,0 3072,0 517,941 7242,0 4681,0 1624,215,516522,61 1 038,019,0342,0 038,019,0342,0 ã = ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⋅⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⋅⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⋅+⋅=Δ ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⋅⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⋅⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⋅+⋅Δ=Δ uC Cy x Cx y Cy G kCuC p G GApp μ μ ρ ρ 18 Trở lực của đệm −ớt: uCuLu ppp Δ+Δ=Δ 763,1544907,216856,1327 =+=Δ up Vậy trở lực trong tháp đệm là: uk ppp Δ+Δ=Δ 0752,2145763,15443122,600 =+=Δp V. Tính toán các thiết bị chính 1. Thân tháp. - Thân tháp là thân hình hàn, làm việc chịu áp suất trong, không bị đốt nóng trực tiếp ⇒ thiết bị loại I nhóm 2 ⇒ hệ số hiệu chỉnh 9,0=η [II – 356] - Chọn vật liệu là thép và không gỉ X18H10T Theo bảng tính chất cơ học của vật liệu chọn độ dày trong khoảng (1 – 3mm) ta có giới hạn bền kéo và bền chảy của vật liệu: 2610540 mNk ⋅=σ [II – 310] 2610220 mNch ⋅=σ Theo bảng số liệu XIII.3 hệ số an toàn bền kéo và bền chảy của vật liệu: 6,2=kn [II – 356] 5,1=cn ứng suất giới hạn bền kéo của vật liệu đ−ợc tính theo công thức: [ ] 2mN nk k k ησσ ⋅= [II – 355] [ ] 266 10923,1869,0 6,2 10540 mNk ⋅=⋅⋅=⇒ σ ứng suất giới hạn bền chảy của vật liệu đ−ợc tính theo công thức: [ ] 2mN nc c c ησσ ⋅= [II – 355] [ ] 266 101329,0 5,1 10220 mNc ⋅=⋅⋅=⇒ σ Chọn ứng suất cho phép là ứng suất bé nhất trong hai ứng suất trên: [ ] [ ] 2610132 mNk ⋅== σσ Chọn cách chế tạo; hàn tay bằng hồ quang điện, hàn giáp nối hai bên có hệ số bền mối hàn: 95,0=hϕ [II – 362] Chiều dày thân hình trụ là. [ ] Cp pDS t +−⋅ ⋅= ϕσ2 (m) [II – 360] Trong đó: 19 tD : Đ−ờng kính trong của tháp (m). 73,0=LD (m) 77,0=CD (m). 11 Hgpp mt ⋅⋅+= ρ : áp suất trong thíêt bị ( )2mN . mtp : áp suất hơi trong tháp ( )2mN Do tháp làm việc ở áp suất th−ờng nên ( )241081.91 mNamtpmt ⋅== . 111 Hgp ⋅⋅= ρ : áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng ( )2mN . 1ρ : Khối l−ợng riêng của chất lỏng trong tháp ( )3mkg . Chọn khối l−ợng riêng trung bình lớn nhất trong pha lỏng: ( )3517,941 mKg=ρ g = 9,81(m/s2): Gia tốc trọng tr−ờng. ( )mH 8,3= : Chiều cao làm vịêc của tháp. 54 1 10332,18,381,9517,9411081,9 ⋅=⋅⋅+⋅=⋅⋅+=⇒ Hgpp mt ρ [ ]σ : ứng suất cho phép với loại vật liệu đã chọn (N/m2). ϕ : Hệ số bền của thành hình trụ theo ph−ơng dọc vì tháp kín không đục lỗ nên 95,0== hϕϕ [II – 363] C : Đại l−ợng bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (m). 321 CCCC ++= (m) 1C : Bổ sung do ăn mòn (m). Do Etylic – N−ớc là những chất ăn mòn chậm ( )nammmC 1,01 =⇒ . C2 : Bổ sung do bào mòn (m) Tháp ch−ng luyện chỉ chứa lỏng và hơi nên ít bào mòn ⇒ C2 = 0 C3 : Bổ sung do dung sai về chiều dày (m) Chọn dung sai (II-364) ⇒ Chọn C3 = 0,8 mm = 0,8.10-3 (m) Suy ra: ( ) ( )mmmCCCC 3321 109,09,08,001,0 −⋅==++=++= Chiều dày thân tháp là: - Đoạn luyện với ( )mDt 8,0= . ( )mSL 3356 5 1038,1109,0 10332,195,0101322 10332,18,0 −− ⋅=⋅+⋅+⋅⋅⋅ ⋅⋅= Quy chuẩn: ( )mmSL 2= - Đoạn ch−ng với ( )mDt 8,0= . ( )mSC 3356 5 1038,1109,0 10332,195,0101322 10332,18,0 −− ⋅=⋅+⋅+⋅⋅⋅ ⋅⋅= Quy chuẩn: ( )mmSc 2= Chiều dầy trên thiết bị: ( )mmSSS CL 2=== 20 + Kiểm tra ứng súât theo áp suất thử. áp suất thử: ( )210 mNppp th += [II – 366] thp : áp suất thử thủy lực. ( )25,1 mNppth ⋅= . [II – 358] 1p : áp suất cột chất lỏng trong tháp. 111 Hgp ⋅⋅= ρ Suy ra: ( )250 2348988,3517,94181,910332,15,1 mNp =⋅⋅+⋅⋅= ứng suất theo áp suất thử: ( )[ ] ( ) ( )22,12 mNCS pCSD Cot σϕσ ≤⋅−⋅ ⋅−+= [II – 365] Ta có: ( )[ ] ( ) ( )263 3 100367,90 95,0109,022 234898109,028,0 mN⋅=⋅⋅−⋅ ⋅⋅−+= − − σ Mặt khác: ( )266 10333,183 2,1 10220 2,1 mNc ⋅=⋅=σ Vậy: 2,1 cσσ < thỏa mãn Chiều dày thân thiết bị là ( )mm2 . 2. Nắp và đáy nắp. - Chọn cùng vật liệu với thân tháp; Thép không gỉ X18H10T. - Chi tiết cấu tạo: - Đáy và nắp elip có gờ chịu áp suất trong. - Các kích thứoc: - Đ−ờng kính trong tính theo: tD = 0,8 (m)(đáy) ; tD = 0,8(m)(nắp) - Chiều cao phần lồi : bh = 0,25 . tD Nắp: bh = 0,25 . 0,8 = 0,2 (m) Đáy: bh = 0,25 . 0,8 = 0,2 (m) - Chiều cao gờ : h = 0,025 (m) - Chiều dày đáy và nắp : [ ] Ch D pk pD S b t hk t +⋅⋅−⋅⋅⋅ ⋅= 28,3 ϕσ (m) [II – 385] Trong đó : hϕ = 0,95: Hệ số bền mối hàn h−ớng tâm. 21 tD dk −= 1 : Hệ số không thứ nguyên. Vì đáy và nắp có lỗ nh−ng lỗ đã đ−ợc tăng cứng hoàn toàn 1=⇒ k p : áp suất trong. Nắp: ( )241081,91 mNatpp hoi ⋅=== Đáy: ( )241 10332,1 mNpppp hoithap ⋅=+== - Chiều dày nắp: ( )mS 3346 4 102,1109,0 225,02 8,0 1081,995,0101328,3 1081,98,0 −− ⋅=⋅+⋅⋅⋅−⋅⋅⋅ ⋅⋅= Do ( )mmCS 10<− [II – 385] Bổ sung thêm: ( )mS 333 102,3102102,1 −−− ⋅=⋅+⋅= Quy chuẩn: ( )mmS 4= - Chiều dày đáy: ( )mS 3356 4 1094,0109,0 225,02 8,0 10332,195,0101328,3 10332,18,0 −− ⋅=⋅+⋅⋅⋅−⋅⋅⋅ ⋅⋅= Do ( )mmCS 10<− [II – 385] Bổ sung thêm: ( )mS 333 1094,21021094,0 −−− ⋅=⋅+⋅= Quy chuẩn: ( )mmS 3= - Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử: Ta có: ( )[ ] ( )CShk pCShD bh bt −⋅⋅⋅⋅ ⋅−⋅⋅+= ϕσ 6,7 2 0 2 [II – 387] Với nắp tháp: ( )24 1471501081,95,15,1 mNpp hoi =⋅⋅=⋅= ( )[ ] ( ) ( )263 32 10742,18 109,04225,095,016,7 147150109,04225,028,0 mN⋅=⋅−⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅−⋅⋅+= − − σ Mà: ( )266 1033,183 2,1 10220 2,1 mNc ⋅=⋅=< σσ Vậy: ( )mmS 4= thỏa mãn. Với đáy tháp : ( )20 234898 mNpp == ( )[ ] ( ) ( )263 32 10133,44 109,03225,095,016,7 234898109,03225,028,0 mN⋅=⋅−⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅−⋅⋅+= − − σ Mà: 22 ( )266 1033,183 2,1 10220 2,1 mNc ⋅=⋅=< σσ Vậy: ( )mmS 3= thỏa mãn. 3. Chọn mặt bích. - Chọn bích bền bằng thép CT3 kiểu I [II – 417] Với các thông số chọn theo (II – 417) với ( )26101,0 mNy ⋅=ρ - Số bích: 3 căọ bích nối . Đáy với thân tháp. Nắp với thân tháp. Nối đoạn ch−ng với đoạn luyện. - B−ớc bích. - Đ−ờng kính trong: ( )0,8tD m= ( )0,8tD m= ( )930D mm= ( )930D mm= ( )880bD mm= ( )880bD mm= ( )1 850D mm= ( )1 850D mm= ( )0 811D mm= ( )0 811D mm= - Bulong: 20bd M= ( )24Z cai= - Chiều dài bích: ( )20h mm= 4. Tính đ−ờng kính các ống dẫn. - Chọn vật liệu ống dẫn cùng vật liệu tháp dày ( )mmS 2= - Đ−ờng kính ống dẫn. ω⋅= 785,0 Vd [I – 369] Trong đó: - V : L−u l−ợng thể tích ( )sm3 . - ω : Tốc độ trung bình ( )sm . a. ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp. 1,94FG = ( )sKg 4504,19=FM CtF 03,90= 23 Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng – Nhiệt độ. [I – 172] Tại: Ctt F 00 3,90== và nội suy. + Khối l−ợng riêng của r−ợi E – H ở C080 và ở C0100 . - Đối với r−ợi E: ở C080 : 735=Eρ ( )3mkg ở C0100 : 716=Eρ ( )3mkg - Đối với H : ở C080 : 972=Hρ ( )3mkg ở C0100 : 958=Hρ ( )3mkg Ta có: ( )212 80100 100 ρρρρ −⋅− −+= tx 0 80 xt 100 t0C Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa khối l−ợng riêng theo nhiệt độ Khối l−ợng riêng của r−ợi Etylic và N−ớc ở 099,5Ft C= . ( ) ( ) 215,725716735 80100 3,90100716 80100 100 212 =−⋅− −+=−⋅− −+= ρρρρ tE ( )3mkg ( ) ( ) 79,964958972 80100 3,90100958 80100 100 212 =−⋅− −+=−⋅− −+= ρρρρ tH ( )3mkg Với: 1225,0=Fa Suy ra: ( )1 1 31 0,1225 1 0,1225 927,27725,215 964,79F FF E T a af Kg mρ ρ − −⎛ ⎞− −⎛ ⎞= + = + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠ ( )3 31,94 2,1 10927,27F FV m s f −= = = ⋅ Theo [I – 369] chọn ( )0,3dauW m s= 24 ⇒Đ−ờng kính ống dẫn hỗn hợp đầu. ( ) ( )32,1 10 0,09 90 0,785 0,3 d m mm −⋅= = =⋅ Theo [II – 434] chiều dài đoạn ống nối: ( )80l mm= ( )32 22,1 10 0,030,785 0,785 0,02H V m s d ω −⋅= = =⋅ ⋅ b. ống dẫn hơi đỉnh tháp. - L−ợng hơi đỉnh tháp: ( ) ( )1 77, 27y PG R G Kmol h= + ⋅ = ( )0,0215yG Kmol s= - Nhiệt độ sản phẩm đỉnh theo 0,8165P Px y= = Từ đồ thị t – x,y suy ra: 078,6279Pt C= - L−u l−ợng hơi đỉnh tháp: ( )22,4 273 273 P P y t V G ⋅ += ⋅ ( ) ( )322,4 273 78,62790,0215 0,62273PV m s⋅ += ⋅ = Chọn ω theo [II – 369] ( )20 m sω = Đ−ờng kính ống: ( )0,62 0,199 0,785 20 d m= =⋅ Quy chuẩn: ( ) ( )0, 2 200d m mm= = Theo [II – 434] chiều dài đoạn ống nối ( )130l mm= Tốc độ thực tế: ( )2 20,62 19,750,785 0,785 0,2H V m s d ω = = =⋅ ⋅ c. ống dẫn sản phẩm đáy. - L−ợng sản phẩm đáy: ( ) ( )337,844 1,69WG Kmol h Kg s= = ( ) ( )1 46 0.0019 1 0,0019 18 18,0532W E P P HM M x x M= ⋅ + − ⋅ = ⋅ + − ⋅ = Ta có: 0,0019W Wx y= = Từ đồ thị t – x,y suy ra 099,5166Wt C= Theo [I – 9] và nội suy ở 099,5166Wt C= ( )3716,46E Kg mρ = 25 ( )3958,34H Kg mρ = 0,0048Wa = Suy ra: ( )1 30,0048 1 0,0048 956,79716, 46 958,34W kg mρ −−⎛ ⎞= + =⎜ ⎟⎝ ⎠ Theo [ II – 434] chiều dài đoạn ống ( )130l mm= Lúc đó: - L−u l−ợng thể tích của sản phẩm đáy là : 4337,844 0,98.10 956,79.3600 W W GV ρ −= = = (m3/s) Chọn tốc độ sản phẩm đáy là : w = 0,2 (m/s) Đ−ờng kính của ống dẫn sản phẩm đáy là : 40,98.10 0,025(m) 0,785.0,2 d − = = Quy chuẩn : d = 0,03 (m) = 30 (mm) Chiều dài đoạn ống nối : l = 90 (mm) [II - 434] Tốc độ thực tế của sản phẩm đáy : 4 2 2 0,98.10 0,139 (m/s) 0,785. 0,785.0,03TT Vw d − = = = d. ống dẫn hơi ng−ng tụ hồi l−u: L−ợng hơi ng−ng tụ hồi l−u là: GR = GP.R = 900,84.1,67 0, 42 3600 = (kg/s) ( )22,0458 40,862 900,84PG Kg h= ⋅ = Nhiệt độ của hơi ng−ng tụ hồi l−u tR = tP = 78,6279 oC Khối l−ợng riêng của Etylic và N−ớc (bảng I-10) theo t = tR : 755, 3Eρ = (kg/m3) 983, 75Hρ = (kg/m3) Nồng độ khối l−ợng của hơi ng−ng tụ hồi l−u aR = aP = 0,9192 Khối l−ợng riêng của hơi ng−ng tụ hồi l−u là : 1 1 1 0,9192 1 0,9192 769,74 755,3 983,75 R R R A B a aρ ρ ρ − −⎛ ⎞− −⎛ ⎞= + = + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠ (kg/m 3) L−u l−ợng thể tích của hơi ng−ng tụ hồi l−u là: 26 30, 42 0,54.10 769,74 R R GV ρ −= = = (m3/s) Chọn tốc độ hơi ng−ng tụ hồi l−u là : w = 0,3 (m/s) Đ−ờng kính của ống dẫn hơi ng−ng tụ hồi l−u là : 30,54.10 0,048 (m) 0,785.0,3 d − = = Quy chuẩn : d = 0,05 (m) = 50 (mm) Chiều dài đoạn ống nối: l = 100 (mm) [II - 434] Tốc độ thực tế của hơi ng−ng tụ hồi k−u: 3 2 2 0,54.10 0,275 (m/s) 0,785. 0,785.0,05TT Vw d − = = = e. ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi l−u: L−ợng hơi sản phẩm đáy hồi l−u là: ,xG = 415,115 (kmol/h) Nhiệt độ của hơi sản phẩm đáy hồi l−u: tW = 99,5166 oC L−u l−ợng thể tích của hơi sản phẩm đáy hồi l−u là: , .22, 4.(273 ) 273 415,115.22,4.(273 99,5166) 3,5245 273.3600 x WG tV += += = (m 3/s) Chọn tốc độ hơi sản phẩm đáy hồi l−u là: w = 30 (m/s) Đ−ờng kính của ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi l−u là: 3,5245 0,387 (m) 0,785.30 d = = Quy chuẩn: d = 0,39 (m) = 390 (mm) Chiều dài đoạn ống nối: l = 150 (mm) [II - 434] Tốc độ thực tế của hơi sản phẩm đáy: 2 2 3,5245 29,5 (m/s) 0,785. 0,785.0,39TT Vw d = = = 5. Khối l−ợng tháp: G = GT + GN-Đ + GB + Gbl + GĐ + GÔ + GL (kg) Trong đó: GT: Khối l−ợng thân tháp trụ (kg). GN-Đ: Khối l−ợng nắp và đáy tháp (kg). 27 GB: Khối l−ợng bích (kg). Gbl : Khối l−ợng bu lông nối bích (kg). GĐ: Khối l−ợng đĩa lỗ trong tháp (kg). GÔ: Khối l−ợng ống chảy chuyền (kg). GL: Khối l−ợng chất lỏng điền đầy tháp (kg). a. Khối l−ợng thân tháp trụ: - Khối l−ợng riêng của thép là ρT = 7,9.103 (kg/m3) [II - 313] - Đ−ờng kính trong của thân tháp: Theo các thông số đĩa đã chọn : Dt = 1,4 (m) - Chiều dày thân tháp : S = 2 (mm) - Chiều cao thân tháp : H = 3,8 (m) Khối l−ợng thân tháp là: 2 2 3 2 2 3 .[( ) ] . . 4 3,14.[(0,8 2.10 ) 0,8 ] .3,8.7,9.10 75.5 (kg) 4 t t T T D S DG Hπ ρ − + −= + −= = b. Khối l−ợng nắp và đáy tháp: Theo các thông số của nắp và đáy tháp đã chọn: - Bề mặt trong của nắp, đáy tháp : F = 0,76 (m2) [II - 382] - Chiều dày của nắp, đáy tháp lấy chung: S =2 (mm) = 2.10-3 (m) Khối l−ợng nắp và đáy tháp là: 3 32 . . 2.0,76.2.10 .7,9.10 24,016 (kg)N D TG F S ρ −− = = = c. Khối l−ợng bích: Theo các thông số của bích đã chọn: - Đ−ờng kính trong của bích: Dt = 0,8 (m) - Đ−ờng kính ngoài của bích: D = 0,93 (m) - Chiều dày bích: h = 0,025 (m) - Số bích: n = 3 (cặp) = 6 (chiếc) Khối l−ợng bích là: 2 2 2 2 3 .[ ] . . . 4 3,14.[0,93 0,8 ] .0,025.7,9.10 .6 209,2 (kg) 4 t B T D DG h nπ ρ−= −= = d. Khối l−ợng bu lông nối bích: Theo các thông số của bích đã chọn : Cần 3 cặp bích, mỗi cặp cần 32 bu lông loại M20 (khối l−ợng: 0,15 kg/cái). 28 Khối l−ợng bu lông nối bích là: 3.32.0,15 14, 4 (kg)blG = = e. Khối l−ợng đệm: Đệm 30 30 3,5ì ì ( )3570d Kg mρ = Số đệm trong 1m3: 25.103(đệm/1m3). Thể tích đệm: ( )( ) ( )2 2 2 6 30,03 0,03 0,07 0,03 8,737 104V mπ= ⋅ − − ⋅ = ⋅ Khối l−ợng một đệm: ( )6 38,737 10 570 4,98 10dV Kgρ − −⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ Thể tích của tháp: ( )2 30,8 0,83,8 3,14 7,642V H F m+⎛ ⎞= ⋅ = ⋅ ⋅ =⎜ ⎟⎝ ⎠ Số đệm trong tháp: N = 25.103.7,64 = 191.103(đệm) Khối l−ợng đệm: 3 34,98 10 191000 4,98 10 951,18DG N − −= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = f. Khối l−ợng lỏng điền đầy tháp: - Tính gần đúng: ( )6 37,64 8,737 10 191000 5.97l thap demV V V m−= − = − ⋅ ⋅ = - Khối l−ợng lỏng: ( )800,053 941,5175,97 5198,59 2l l l G V kgρ += ⋅ = ⋅ = Nh− vậy tính gần đúng: thap than N D B BL d lG G G G G G G−= + + + + + ( )24,016 209, 2 14, 4 951,18 5198,59 6397,386TG Kg= + + + + = Vậy khối l−ợng tháp: ( )6397,386TG Kg= 6. Tính chân đỡ: - Trọng l−ợng tháp: ( ) 46397,386 9,81 62758,36 6, 276 10P G g N= ⋅ = ⋅ = = ⋅ - Theo [II – 437] chọn chân đỡ có tải trọngcho phép trên một chân. ( )42,5 10G N= ⋅ - Bề mặt đỡ. ( )4 2811 10F m−= ⋅ - Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ. 29 - Vật liệu CT3, chân đỡ kiểu IV, số chân 6. L B B1 B2 H h s l d Tải trọng cho phép trên một chân G.10-4N Bề mặt đỡ F.104, m2 Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ q.10-6, N/m2 mm 6,0 711 0,84 300 240 260 370 450 226 18 110 34 VI. Tính cân bằng nhiệt. 1. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu. - Ph−ơng trình cân bằng nhiệt l−ợng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu. xqlngFfD QQQQQ ++=+ 11 [II – 196] Trong đó: 1D Q : Nhiệt l−ợng do hơi đốt mang vào (J/h). fQ : Nhiệt l−ợng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h). FQ : Nhiệt l−ợng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h). 1ngQ : Nhiệt l−ợng do n−ớc ng−ng mang ra (J/h). 1xqQ : Nhiệt l−ợng mất mát do môi tr−ờng xung quanh(J/h). - Chọn hơi đốt là hơi n−ớc bão hòa ở áp suất p = 2at, Cts 00 119= a. Nhiệt l−ợng do hơi đốt mang vào. Ta có: ( )1111111 CrDDQD ⋅+⋅=⋅= θλ (J/h) [II – 196] Trong đó: 1D : L−ợng hơi đốt (Kg/h). 1λ : Nhiệt l−ợng riêng của hơi đốt (J/Kg). 30 C01 119=θ : Nhiệt độ n−ớc ng−ng. 1r : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg). Theo bảng số liệu nhiệt hoá hơi nhiệt độ. [I – 301] Tại: 0 1t θ= nội suy ta có: ( )1 526,7r Kcal Kg= . ( ) ( )3 31 526,7 4,18 10 2210, 4 10r J Kg J Kg= ⋅ ⋅ = ⋅ . C : Nhiệt dung riêng của n−ớc ng−ng. ( )doKgJ ⋅ b. Nhiệt l−ợng do hỗn hợp đầu mang vào. Ta có: ffFf tcGQ ⋅⋅= ( )J h [II – 196] Trong đó: F : L−ợng hỗn hợp đầu mang vào. ( )Kg h 7000F = ( )Kg h 020ft C= fC : Nhiệt dung riêng hỗn hợp. ( )doKgJ ⋅ ở: ( )020 2480f Et C C J Kgdo= ⇒ = ( )4180HC J Kgdo= Đổi nồng độ sang phần trăm khối l−ợng. ( ) 2111 11 1 1 MxMx Mxa ⋅−+⋅ ⋅= Ta có: ( ) ( ) 1225,0180518,01460518,0 460518,0 1 =⋅−+⋅ ⋅=⋅−+⋅ ⋅= HFEF EF F MxMx Mxa ( ) ( ) 9192,0188165,01468165,0 468165,0 1 =⋅−+⋅ ⋅=⋅−+⋅ ⋅= HPEP EP P MxMx Mxa ( ) ( ) 0048,0180019,01460019,0 460019,0 1 =⋅−+⋅ ⋅=⋅−+⋅ ⋅= HWEW EW W MxMx Mx a Ta có: ( ) HfEff CaCaC ⋅−+⋅= 1 Suy ra: ( ) 75,397141801225,0124801225,0 =⋅−+⋅=fC ( )doKgJ ⋅ Vậy: 77000 20 3971,75 55,6.10f F f fQ G t c= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ( )J h c. Nhiệt l−ợng do hỗn hợp đầu mang ra. 31 Ta có: FFFF tcGQ ⋅⋅= ( )J h [II – 196] Trong đó: 090,3Ft C= : Nhiệt độ của hỗn hợp đầu mang sau đun nóng. FC : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra. ( )doKgJ ⋅ Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng – Nhiệt độ. [I – 172] Tại: 0 090,3Ft t C= = và nội suy. + Nhiệt dung riêng của r−ợi E – H ở C080 và ở C0100 . - Đối với r−ợi E: ở C080 : 3220EC = ( )doKgJ ⋅ ở C0100 : 3520EC = ( )doKgJ ⋅ - Đối với H: ở C080 : 4190HC = ( )doKgJ ⋅ ở C0100 : 4230HC = ( )doKgJ ⋅ Ta có: ( )2 1 2100100 80x tC C C C−= + ⋅ −− 0 80 xt 100 t0C Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng theo nhiệt độ 32 Nhiệt dung riêng của r−ợi Etylic và N−ớc ở 090,3Ft C= . ( )100 90,33520 3220 3520 3374,5 100 80E C −= + ⋅ − =− ( )doKgJ ⋅ ( )100 90,34230 4190 4230 4210,6 100 80H C −= + ⋅ − =− ( )doKgJ ⋅ Với: 1225,0=Fa Suy ra: ( ) 65,410742101225,015,33741225,0 =⋅−+⋅=FC ( )doKgJ ⋅ Vậy: 77000 4107,65 90,3 259,6.10FQ = ⋅ ⋅ = ( )J h d. Nhiệt l−ợng do n−ớc ng−ng mang ra. Ta có: 1 1 1 1ngQ D C θ= ⋅ ⋅ ( )J h [II – 197] đ. Nhiệt l−ợng mất ra môi tr−ờng xung quanh. Ta có: 1 5%xq tieutonQ Q= ⋅ ( )J h 1 1 10,05xqQ D r= ⋅ ⋅ ( )J h [II – 197] e. L−ợng hơi đốt cần thiết. Ta có: 1 1 1 1 10,95 F ng xq f F fQ Q Q Q Q QD rλ + + − −= = ⋅ 71 3 259,6 55,6 10 971,48 0,95 2210,4 10 D −= ⋅ =⋅ ⋅ ( )hKg 2. Tháp ch−ng luyện. - Ph−ơng trình cân bằng nhiệt của tháp ch−ng luyện. Ta có: 2 2 2F D R y w xq ng Q Q Q Q Q Q Q+ + = + + + ( )J h [II – 197] Trong đó: FQ : Nhiệt l−ợng do hỗn hợp dầu mang vào tháp. ( )J h 2D Q : Nhiệt l−ợng do hơi đốt mang vào tháp ( )J h RQ :Nhiệt l−ợng do l−ợng lỏng hồi l−u mang vào tháp. ( )J h yQ : Nhiệt l−ợng do hơi mang ra ở đỉnh tháp. ( )J h wQ : Nhiệt l−ợng sản phẩm đáy mang. ( )J h 2xqQ : Nhiệt l−ợng mất mát ra môi tr−ờng xung quanh. ( )J h 33 2ngQ : Nhiệt l−ợng do n−ớc ng−ng mang ra. ( )J h Chọn hơi đốt là hơi n−ớc bão hoà 2p at= , 0 0119t = a. Nhiệt l−ợng do hơi đốt mang vào tháp. Ta có: ( ) 2 2 2 2 2 2 2D Q D D r G Cλ ⋅= ⋅ = ⋅ + ( )J h [II – 197] Trong đó: 2D : L−ợng hơi đốt. ( )J Kg 2λ : Hàm nhiệt (nhiệt l−ợng riêng) của hơi đốt. ( )J Kg 02 119 Cθ = : Nhiệt độ n−ớc ng−ng. ( )J Kg 2r : ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt. ( )J Kg 32 1 2210,4 10r r= = ⋅ ( )J Kg 2C : Nhiệt dung riêng của n−ớc ng−ng. ( )doKgJ ⋅ b. Nhiệt l−ợng do hồi l−u mang vào. Ta có: R R R RQ G C t⋅= ⋅ ( )J Kg [II – 197] Trong đó: RG : L−ợng lỏng hồi l−u. ( )Kg h 0 1665,4453R XG G= = ( )Kg h Với: Ctaa RPR 068,779192,0 =⇒== Suy ra: ( )3282,61R PC C J Kg do= = ⋅ Vậy: 71665,4453 3282,61 77,68 42,468 10RQ = ⋅ ⋅ = ⋅ ( )W c. Nhiệt l−ợng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp. Ta có: ( )1y P x dQ G R λ= ⋅ + ⋅ ( )J h [II – 197] Trong đó: dλ : Hàm nhiệt của hơi ở đỉnh tháp. ( )1 21d a aλ λ λ= ⋅ + − ⋅ ( )J Kg [II – 197] 1 2,λ λ : Nhiệt l−ợng riêng của Etylic và N−ớc. 1 1 1 1r Cλ θ= + ⋅ ( )J Kg 2 2 2 2r Cλ θ= + ⋅ ( )J Kg Với: 34 CtR 0 21 68,77=== θθ 1 3374,5EC C= = ( )doKgJ ⋅ 2 4210,6HC C= = ( )doKgJ ⋅ Theo bảng (I – 301) và nội suy ta có: ( )1 848031, 48Er r J Kg= = ( )2 2346165,9Hr r J Kg= = ( )1 848031, 48 3374,5 77,68 1110162,64 J Kgλ = + ⋅ = ( )2 2346165,9 4210,6 77,68 2673245 J Kgλ = + ⋅ = Suy ra: ( ) ( ) ( )1 21 0,9192 1110162,64 1 0,9192 2673245 1236459,7a a J Kgλ λ λ= ⋅ + − ⋅ = ⋅ + − ⋅ = Vậy: ( ) 71236459,7 664,848 1 2,52 289,3 10 ( )yQ J h= ⋅ ⋅ + = ⋅ d. Nhiệt l−ợng do sản phẩm đáy mang ra. Ta có: WWWW tCGQ ⋅⋅= ( )J h Trong đó: WG : L−ợng sản phẩm đáy. ( )hKg 6099,17WG = ( )hKg Từ đồ thị t- x,y. 00,0019 99,5w wx t C= ⇒ = Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng – Nhiệt độ. [I – 172] Tại: 0 099,5Ft t C= = và nội suy. + Nhiệt dung riêng của r−ợi E – H ở C080 và ở C0100 . - Đối với r−ợi E: ở C080 : 3220EC = ( )J Kgdo ở C0100 : 3520EC = ( )J Kgdo - Đối với H : ở C080 : 4190HC = ( )J Kgdo ở C0100 : 4230HC = ( )J Kgdo Ta có: ( )2 1 2100100 80x tC C C C−= + ⋅ −− 35 0 80 xt 100 t0C Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng theo nhiệt độ Nhiệt dung riêng của r−ợi Etylic và N−ớc ở 099,5Ft C= . ( )100 99,53520 3220 3520 3512,5 100 80E C −= + ⋅ − =− ( )doKgJ ⋅ ( )100 99,54230 4190 4230 4229 100 80H C −= + ⋅ − =− ( )doKgJ ⋅ 0048,0=Wa Suy ra: ( ) 56,4225422948,00,015,35120048,0 =⋅−+⋅=WC ( )doKgJ ⋅ Vậy: 76099,17 4225,56 99,5 256,44 10WQ = ⋅ ⋅ = ⋅ ( )J h đ. Nhiệt l−ợng mất mát do môi tr−ờng xunh quanh. Ta có: 222 05,0 rDQxq ⋅⋅= ( )hJ [II – 198] e. Nhiệt l−ợng do n−ớc ng−ng mang ra. Ta có: 222222 θθ ⋅⋅=⋅⋅= CDCGQ ngng ( )J h [II – 198] Trong đó: 2ngG : L−ợng n−ớc ng−ng bằng l−ợng n−ớc ng−ng tụ. f. L−ợng hơi đốt cần thiết. 2 2 2y w ng xq F RD Q Q Q Q Q Q= + + + − − 2 20,95 y w F RQ Q Q QD r + − −= ⋅ 7 7 7 7 2 4 289,3 10 256, 44 10 259,6 10 42, 468 10 116,06 0,95.2210.10 D ⋅ + ⋅ − ⋅ − ⋅= = (Kg/h) 3. Thiết bị ng−ng tụ. - Ph−ơng trình cân bằng nhiệt thiết bị ng−ng tụ hoàn toàn. Ta có: ( ) ( )121 ttCGrRG nndP −⋅⋅=⋅+⋅ [II – 198] 36 Trong đó: dr : ẩn nhiệt hóa hơi của đỉnh tháp. ( )KgJ 090,3dt C= Theo [I – 301] nội suy ta có: ( )512Er Kcal Kg= ( )180Hr Kcal Kg= 0,1225a = nG : L−ợng n−ớc tiêu tốn. ( )KgJ 1 2,t t : Nhiệt độ vào và ra của n−ớc làm lạnh ở 00 C . Nhiẹt độ vào của n−ớc làm lạnh lấy ở nhiệt độ th−ờng ở 01 20t C= Nhiệt độ ra của n−ớc lamg lạnh chọn 01 40t C= 01 2 30 2tb t tt C+= = nC : Nhiêt độ riêng của n−ớc ở nhiệt độ trung bình. ( ).J Kg do Theo [I – 195] và nội suy ta có: nC = 4174,4(J/Kg.do) L−ợng n−ớc lạnh cần thiết. ( ) ( ) 42 1 1 668,84(2,505 1).1236459,7 3,47.10 4174,4.20 P n n G R r G C t t ⋅ + ⋅ += = =⋅ − ( )KgJ 4. Thiết bị làm lạnh - Ph−ơng trình cân bằng nhiệt của thiết bị làm lạnh. Theo [II – 198]: ( ) ( )2' '1 2 2 1P P n nG C t t G C t t⋅ ⋅ − = ⋅ ⋅ − Trong đó: 2n G : L−ợng n−ớc lạnh tiêu tốn. ( )Kg h ' '1 2,t t : Nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh đã ng−ng tụ 00 C Sản phẩm sau ng−ng tụ ở trạng thái sôi. Nhiệt độ vào chính bằng nhiệt độ sôi ở đỉnh tháp ' 01 90,3t C= Nhiệt độ ra của sản phẩm đáy lấy là ' 02 25t C= ' ' 0 01 2 57,65 2tb t tt C+= = PC : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh ng−ng tụ. Theo [I – 202] và nội suy ta có: 37 ở 057,65ot C= 2897EC = ( ).J Kg do 4183HC = ( ).J Kg do Nhiệt dung riêng của hỗn hợp: ( )0,1225 2897 1 0,1225 4183 4025, 465PC = ⋅ + − ⋅ = ( ).J Kg do L−ợng n−ớc lạnh cần thiết: ( ) ( )2 ' ' 1 2 2 1 668,84.4025, 464.65,3 2105,849 4174, 4.20 P P n n G C t t G C t t ⋅ ⋅ −= = =⋅ − ( )KgJ VII. thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Để đun nóng hỗn hợp đầu (theo phần khối l−ợng) với năng suất 7000 kg/h, giả thiết dung dịch đầu có nhiệt độ ban đầu t=200C, cần đun nóng đến nhiệt độ sôi tF =96 0C (nhiệt độ sôi tra theo đ−ờng cân bằng x-y-t). Để đun nóng hỗn hợp đầu ta dùng thiết bị gia nhiệt loại ống chùm loại đứng, dùng hơi n−ớc bão hoà để đun nóng hỗn hợp đầu, chọn áp suất tuyệt đối của hơi n−ớc bão hòa là P = 2at, khi đó nhiệt độ của hơi n−ớc bão hoà là tbh= 119,6 0C. Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm thẳng đứng với các thông số: - Bề mặt truyền nhiệt trên 1 đơn vị thể tích(m2/m3): 15 – 40 - L−ợng kim loại cần cho 1 đơn vị nhiệt tải: 1 - L−ợng kim loại cần cho 1 đơn vị bề mặt đốt: 30 – 80 - Chiều cao ống: hO = 1,0 (m) - Đ−ờng kính ống: d = 25 (mm) - Chiều dày thành ống: δ = 2,5 (mm) ⇒ Đ−ờng kính trong của ống là: dO = 20 (mm) - Dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống. Chọn vật liệu chế tạo ống là thép không gỉ 2X13 ⇒ Theo I-148, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là : λ = 25,4 (W/m.độ) Chọn hơi đốt là hơi n−ớc bão hoà ở áp suất 2 at, có to sôi = 119oC 1. Hiệu số nhiệt độ trung bình: Nhiệt độ vào của dung dịch là tđ = 20 oC Nhiệt độ ra của dung dịch là tc = tsôi = tF = 90,3 oC Hơi đốt là hơi n−ớc bão hoà nên nhiệt độ không thay đổi và là nhiệt độ sôi ở áp suất đã chọn (2 at): 119,62 oC Δt1 = 119 – 20 = 99 oC Δt2 = 119 – 90,3 = 28,7 oC Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai l−u thể là: 38 O1 2 1 2 99 28,7 56,8 C99lnln 28,7 tb t tt t t Δ −Δ −Δ = = =Δ Δ Nhiệt độ trung bình của hơi đốt là ttb1 = 119 oC Nhiệt độ trung bình của dung dịch là ttb2 = ttb1 - Δttb = 119 – 56,8 = 62,2 oC 2. L−ợng nhiệt trao đổi: )tt.(C.mQ dcP −= (J/s) Trong độ: m: L−ợng dung dịch đ−a vào (kg/s). m = F = 1,05 (kg/s) PC : Nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.độ). Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng – to (I-202) tại to = ttb2, nội suy ta có: CE = 2997,5(J/kg.độ) CH = 4190(J/kg.độ) Nồng độ hỗn hợp đầu : aF =0,1225 CP = C1.aF + C2.(1 – aF) = 4043,9188(J/kg.độ) tđ, tc: Nhiệt độ vào và ra của dung dịch ( oC) Q = 1,05.4043,9188.(90,3-20) = 298501,8662 (J/s) 3. Diện tích trao đổi nhiệt: Δt1 Δt2 ΔtT th tdd tT1 tT2 q1 q2 δ α1 α2 qT Ký hiệu: th: Nhiệt độ hơi đốt – hơi n−ớc bão hoà ở 2 at (oC) : th = ttb1 = 119,62 oC tT1: Nhiệt độ mặt ngoài ống ( oC) tT2: Nhiệt độ mặt trong ống ( oC) tdd: Nhiệt độ dung dịch ( oC): tdd = ttb2 = 62,2 oC Δt1: Hiệu nhiệt độ giữa hơi đốt và mặt ngoài ống (oC): Δt1 = th – tT1 39 Δt2: Hiệu nhiệt độ giữa mặt trong ống và dung dịch (oC): Δt1 = tT2 – tdd ΔtT: Hiệu nhiệt độ giữa mặt ngoài ống và mặt trong ống (oC): ΔtT = tT1 – tT2 δ: Chiều dày thành ống (m) tm: Nhiệt độ màng n−ớc ng−ng (oC): tm = 0,5.( th + tT1) q1: Nhiệt tải riêng phía hơi ng−ng tụ (W/m2) q2: Nhiệt tải riêng phía dung dịch (W/m 2) α1: Hệ số cấp nhiệt phía hơi ng−ng tụ (W/m2.độ) α2: Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch (W/m2.độ) a. Hệ số cấp nhiệt phía hơi ng−ng tụ: 4 1 H.t r .A.04,2 Δ=α (W/m2.độ) [II - 28] Trong đó: A: Phụ thuộc nhiệt độ màng n−ớc ng−ng tm r: ẩn nhiệt hoá hơi lấy theo nhiệt độ hơi bão hoà th (J/kg) Theo bảng số liệu Nhiệt hoá hơi – to (I-301), nội suy ta có: r = 2201,4.103 (J/kg) Δt: Hiệu nhiệt độ giữa hơi đốt và mặt ngoài ống (oC): Δt = Δt1 H: Chiều cao ống (m) : H = hO = 1,0 (m) b. Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch: Ph−ơng trình chuẩn số cấp nhiệt đối l−u c−ỡng bức: 25,0 t 43,08,0 1 Pr Pr.Pr.Re..021,0Nu ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ε= [ I - 14] Trong đó: ε1: Hệ số hiệu chỉnh: 150020,0 0,1 d h 1 O O =ε⇒== Nu: Chuẩn số Nuyxen : λ α= l.Nu α: Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch (W/m2.độ): α = α2 l: Kích th−ớc hình học chủ yếu (m): l = dO = 0,020 (m) λ: Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch (W/m.độ) 3 P M ..C.A ρρ=λ (W/m.độ) [I.32 – I.143] A: Hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của dung dịch Etylic và N−ớc là hỗn hợp lỏng liên kết: A = 3,58.10-8 40 CP: Nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.độ): CP = 3827,64 (J/kg.độ) ρ: Khối l−ợng riêng của dung dịch (kg/m3) Khối l−ợng riêng của Etylic và N−ớc theo ttb2 = 57,22°C: 751, 91Eρ = (kg/m3) 981, 79Hρ = (kg/m3) Nồng độ khối l−ợng của dung dịch: aF = 0,1225 Ta có: 1 1 1 0,1225 1 0,125 946,3477 751,91 981,79 F F E H a aρ ρ ρ − −⎛ ⎞− −⎛ ⎞= + = + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠ (kg/m 3) M: Khối l−ợng mol phân tử của dung dịch (kg/kmol) MF=19,4504(Kg/Kmol) ( )0,5002 . PA C M W mdo ρλ ρ= ⋅ ⋅ ⋅ = Re: Chuẩn số Reynolt Để quá trình truyền nhiệt đạt hiệu quả, dung dịch phải ở chế độ chảy xoáy ⇒ Chọn Re = 10000 Pr: Chuẩn số Prand của dòng tính theo nhiệt độ dòng: λ μ= .CPr P μ: Độ nhớt của dung dịch (N.s/m2) Theo bảng và toán đồ (I-102) với nhiệt độ dung dịch ttb2 = 57,22°C: μE = 0,5738 (cP) μH = 0,4654 (cP) Theo công thức (I-93), ta có: lg .lg( ) (1 ).lg( )F E F Hx xμ μ μ= + − μ = 0,4618 (cP) = 0,506 . 10-3 (N.s/m2) 34043,9188.0,4618.10Pr 3,7335 0,5002 − ⇒ = = Prt: Chuẩn số Prand tính theo nhiệt độ t−ờng: 3/4 t 3/1 t 3 t t t t tPt t .A M. M ..A .C Pr ρ μ=ρρ μ=λ μ= 1/3 6 8 4/3 4/3 .19,4504Pr 75,12.10 . 3,58.10 . t t t t t μ μ ρ ρ−⇒ = = 41 0,25 0,25 0,8 0,43 Pr Pr0,021.10000 .3,7335 . 58,6448. Pr Prt t Nu ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⇒ = =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ c. Tổng nhiệt trở thành ống: T 21O rrr λ δ++= (m2.độ/W) Trong đó: r1: Nhiệt trở do lớp cặn bám bên ngoài thành ống: r1 = 0,232.10 -3 (m2.độ/W) r2: Nhiệt trở do lớp cặn bám bên trong thành ống: r2 = 0,387.10 -3 (m2.độ/W) δ: Chiều dày thành ống : δ = 2,5 (mm) = 2,5.10-3 (m) λT: Hệ số dẫn nhiệt của thành ống: λT = 25,4 (W/m.độ) 33 O 10.72,010.4,25 5,2 387,0232,0r −− =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++=⇒ (m2.độ/W) d. Nhiệt tải riêng trung bình: Giả sử Δt1 = 4 oC tT1 = th - Δt1 = 119 - 4 = 115 (oC) tm = 0,5.(th + tT1) = 117 ( oC) Theo bảng số liệu A – tm (II-29), nội suy ta có: A = 186,65 3 41 2201,4.102,04.186,65. 10375,1722 4.1,0 α⇒ = = (W/m2.độ) ⇒ q1 = α1 . Δt1 = 10375,1722 . 4 = 41500,6887 (W/m2) ⇒ qT = q1 =41500,6887 (W/m2) ⇒ ΔtT = qT . rO = 29,77 (oC) ⇒ tT2 = tT1 - ΔtT = 115 – 29,77=85,23 (oC) Theo bảng và toán đồ (I-102) với nhiệt độ t−ờng tT2: μE = 0,4056 (cP) μH = 0,3375 (cP) Theo (I-93), ta có: lg .lg( ) (1 ).lg( )t F E F Hx xμ μ μ= + − ⇒ μt = 0,3408 (cP) Khối l−ợng riêng của Etylic và N−ớc (I-10) theo tT2: 730, 0315Eρ = (kg/m3) 968, 339Hρ = (kg/m3) Theo (II-183), ta có: 42 1 1 931,105F Ft E H a aρ ρ ρ −⎛ ⎞−= + =⎜ ⎟⎝ ⎠ (kg/m 3) 3 6 4 3 0,3408.10Pr 75,12.10 . 2,8157 931,1057 t − ⇒ = = 0,25 58,6448. 62,9306 PrT PrNu ⎛ ⎞⇒ = =⎜ ⎟⎝ ⎠ 2 . 62,9306.0,5002 1573,8946 0,02 Nu l λα⇒ = = = (W/m2.độ) ⇒ Δt2 = tT2 – tdd = 85,23 – 62,2 = 23,03 (oC) ⇒ q2 = α2 . Δt2 = 36246,7926 (W/m2) Ta có nhiệt tải riêng trung bình: ( )21 2 38873,742tb q qq W m+= = e. Diện tích trao đổi nhiệt: ( )2298501,8662 7,6838873,74tb QF m q = = = (m2) Số ống truyền nhiệt cần dùng là: 7,68 122 . . 3,14.0,020.1,0O O O Fn d hπ= = = (ống) Chọn cách xếp ống theo hình lục giác, gọi a là số ống trên một cạnh hình lục giác Tổng số ống là : nO = 3.a.(a-1) + 1 (ống) [V.139 – II.48] Chọn a = 7, nO = 3.7.(7-1)+1 = 127 (ống) Số ống trên đ−ờng chéo hình lục giác : b = 2a – 1 = 13 (ống) Chọn b−ớc ống là: t = 0,03 (m) (1,2d –1,5 d) Đ−ờng kính ngoài của ống là: d = 0,025 (m) Đ−ờng kính trong của thiết bị là: D = t.(b - 1) + 4.d = 0,03.(13 - 1) + 4 . 0,025 = 0,46 (m) [V.139 – II.48] Vận tốc dung dịch trong ống: Theo giả thiết ( chế độ chảy xoáy với Re = 104): 4 3Re. 10 .0,3408.10 0,183 (m/s) . 931,1058GT O w d μ ρ − = = = - Theo tính toán: 43 0,183 0,0283 84,5% 5% 0,183 GT TT GT w w w − −⇒ = = > Ta cần phải chia ngăn thiết bị, số ngăn chia là: 0,183 6,47 0,0283 GT TT w w = = (ngăn) Quy chuẩn, ta chia thiết bị làm 7 ngăn. Nh− vậy: Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu. Số ống: n0=127 chia làm 7 ngăn. Bố trí ống theo hình lục giác, số ống trên 1 cạnh = 7 ống. Chiều cao ống h= 1(m), đ−ờng kính d= 25(mm), chiều dày thành ống 2,5δ = (mm), đ−ờng kính trong của ống d0 = 20(mm). Vật liệu chế tạo ống thép không gỉ 2ì13 VIII.tính bơm Bơm làm việc liên tục trong quá trình ch−ng luyện, đ−a dung dịch từ bể chứa lên thùng cao vị, mức chất lỏng trong thùng cao vị đ−ợc giữ ở mức không đổi nhờ ống chảy tràn để duy trì áp suất ổn định cho quá trình cấp liệu. ⇒ L−u l−ợng bơm : GB = GF = 1,105 (kg/s) Kí hiệu : H0 : Chiều cao tính từ mặt thoáng bể chứa dung dịch đến mặt thoáng thùng cao vị (m) H1 : Chiều cao tính từ đáy tháp đến đĩa tiếp liệu (m) H2 : Chiều cao tính từ nơi đặt bơm đến đáy tháp (m) Z : Chiều cao tính từ đĩa tiếp liệu đến mặt thoáng thùng cao vị (m) Z H1 H2 H0 1 1 2 2 1. Các trở lực của quá trình cấp liệu: Tronh quá trình sản xuất a. Trở lực trong ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt: ΔP m1 = ΔP ms1 + ΔP cb1 + ΔPw (N/m2) Trong đó: 44 ΔP ms1: Trở lực ma sát (N/m2) ΔP cb1: Trở lực cục bộ (N/m2) Số liệu: Chiều dài ống: L1 = 2 (m) Đ−ờng kính ống: dO = 0,09 (m) L−u l−ợng: GF = 0,105 (kg/s) Thế năng vận tốc của chất lỏng trong ống: 2 w. P 2 1O1 1w ρ=Δ (N/m2) [I - 458] Trong đó: ρ1: Khối l−ợng riêng dung dịch tr−ớc khi gia nhiệt (kg/m3) Nhiệt độ của dung dịch lúc đầu: t = 20 oC Khối l−ợng riêng của Etylic và N−ớc (bảng I-10) theo t: ρE = 780 (kg/m3) ρH = 998 (kg/m3) Nồng độ khối l−ợng của dung dịch a = aF = 0,1225 Khối l−ợng riêng của dung dịch lúc đầu là: 1 1 1 1 1 1 0,1225 1 0,1225 966,6334 789 998E H a aρ ρ ρ − −⎛ ⎞− −⎛ ⎞= + = + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠ (kg/m 3) wO1: Vận tốc dung dịch trong ống (m/s) 1 2 2 1 1,05 0,171 .0,785. 966,6334.0,785.0,09 F O O Gw dρ= = = (m/s) 2 1 966,6334.0,171 14,1327 2w P⇒Δ = = (N/m2) Trở lực ma sát: 1w O 1 1ms P.d L P Δλ=Δ (N/m2) [I - 458] Trong đó: λ: Hệ số ma sát. Nhiệt độ dung dịch trong ống là: t = 20 oC Theo toán đồ xác định độ nhớt theo nhiệt độ (I-102), ta có: μE = 1,19 (cP) μH = 1 (cP) Nồng độ dung dịch: x = 0,174 lg(μ1) = x.lg(μE) + (1- x).lg(μH) = 0,0518 . lg(1,19) + (1- 0,0518) . lg(1) = 3,9133.10-3 45 μ1 = 1,009 (cP) = 1,009.10-3 (Ns/m2) 41 1 3 1 . . 0,171.966,6334.0,09Re 14743,7939 10 1,009.10 O Ow dρ μ −⇒ = = = > Chế độ chảy xoáy. Xác định λ theo công thức: ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ Δ+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−=λ 7,3Re 81,6 lg.2 1 9,0 [I - 464] Với loại ống thép không gỉ ta đã chọn, theo bảng I-466, ta có độ nhám tuyệt đối ε = 0,1 (mm) Độ nhám t−ơng đối: Δ = ε/dO = 0,1/90 = 1,11.10-3 [I - 464] 2 9,0 7,3Re 81,6 lg.2 − ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ Δ+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−=λ⇒ 20,9 36,81 1,11.102.lg 0,0299 14734,7939 3,7 −−⎛ ⎞⎡ ⎤⎛ ⎞⎜ ⎟= − + =⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠ 2 1 20,0299. .14,1327 9,3904 (N/m ) 0,09ms P⇒Δ = = Trở lực cục bộ: 1w1cb P.P Δξ=Δ ∑ (N/m2) Trong đó: ξ: Hệ số trở lực cục bộ Các trở lực cục bộ trong ống gồm: - Trở lực cửa vào từ thùng cao vị vào ống: với cạnh nhẵn ⇒ ξ = 0,5 - Trở lực do đột mở từ ống vào thiết bị gia nhiệt: Thiết bị có đ−ờng kính d = 0,46 (m). Tiết diện đầu thiết bị (chia 7 ngăn) là: 2 2 1 0,785. 0,785.0,46 0,0237 7 7 df = = = (m2) Tiết diện ống là: 2 20,785. 0,785.0,09 0,0064OOf d= = = (m2) 46 2 2 1 0,00641 1 0,5328 0,0237 Of f ξ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⇒ = − = − =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠ - Trở lực do van: Coi van mở 50% ⇒ ξ = 2,1 - Trở lực do ống chuyển h−ớng 2 lần với góc chuyển là 90o ⇒ ξ = 1,1 [I - 479] Trở lực cục bộ: 1 (0,5 0,5328 2,1 2 . 1,1).14,1327 75,3669cbPΔ = + + + = (N/m2) 1 9,3904 75,3669 84,7573mPΔ = + = (N/m2) b. Trở lực trong ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt đến tháp: ΔP m2 = ΔP ms2 + ΔP cb2 +ΔPw (N/m2) Trong đó: ΔP ms2: Trở lực ma sát (N/m2) ΔP cb2: Trở lực cục bộ (N/m2) Số liệu: - Chiều dài ống: L2 =0,5 (m) - Đ−ờng kính ống: dO = 0,09(m) - L−u l−ợng: GF = 1,05 (kg/s) - Thế năng vận tốc của chất lỏng trong ống: 2 w. P 2 2O2 2w ρ=Δ (N/m2) Trong đó: ρ2: Khối l−ợng riêng dung dịch sau khi gia nhiệt (kg/m3): ρ2 = ρF = 725,785 (kg/m3) 0ω : Vận tốc dung dịch trong ống(m/s) 2 2 2 2 1,05 0,2275 .0,785. 725,785.0,785.0,09 F O O Gw dρ= = = 2 2 725,785.0, 2275 18,782 2w P⇒Δ = = (N/m2) Trở lực ma sát: 2w O 2 2ms P.d L P Δλ=Δ (N/m2) Trong đó: λ: Hệ số ma sát. Nhiệt độ dung dịch trong ống là: t = 83,7645 oC 47 Theo toán đồ xác định độ nhớt theo nhiệt độ (I-102), ta có: μE = 0,3789 (cP) μH = 0,3194 (cP) Nồng độ dung dịch: x = 0,0518 lg(μ2) = x.lg(μE) + (1- x).lg(μH) = 0,0518 . lg(0,3789) + (1- 0,0518) . lg(0,3194) = - 0,49 ⇒ μ2 = 0,3222 (cP) = 0,322.10-3 (Ns/m2) 42 2 3 2 . . 0,2275.725,785.0,09Re 46121,8122 10 0,3222.10 O Ow dρ μ −⇒ = = = > ⇒ Chế độ chảy xoáy - Xác định hệ số ma sát λ theo công thức II-464: ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ Δ+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−=λ 7,3Re 81,6 lg.2 1 9,0 20,96,812.lg Re 3,7 λ −⎛ ⎞⎡ ⎤Δ⎛ ⎞⎜ ⎟= − +⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠ 20,9 36,81 1,11.102.lg 0,0221 46121,8122 3,7 −−⎛ ⎞⎡ ⎤⎛ ⎞⎜ ⎟= − + =⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠ 2 2 0,50,0221. .18,782 2,305 (N/m ) 0,09ms P⇒Δ = = Trở lực cục bộ: 2w2cb P.P Δξ=Δ ∑ (N/m2) Trong đó: ξ: Hệ số trở lực cục bộ. Các trở lực cục bộ trong ống gồm: - Trở lực do đột thu từ thiết bị gia nhiệt vào ống: 1 0,00785 0,27 0,401 0,0237 Of f ξ⇒ = = ⇒ = - Trở lực cửa ra từ ống vào tháp: ⇒ ξ = 1,0 - Trở lực do van: Coi van mở 50% ⇒ ξ = 2,1 - Trở lực do ống chuyển h−ớng với góc chuyển là 90o ⇒ ξ = 1,1 2 (0, 401 1,0 2,1 1,1).18,782 86, 416cbPΔ = + + + = (N/m2) Vậy: 48 2 2,306 86, 416 88,722mPΔ = + = (N/m2) c. Trở lực trong thiết bị gia nhiệt: ΔP m3 = ΔP ms3 + ΔP cb3 +ΔPw3 + ΔPH(N/m2) Trong đó: ΔP ms3: Trở lực ma sát (N/m2). ΔP cb3: Trở lực cục bộ (N/m2) Thế năng vận tốc của chất lỏng trong ống truyền nhiệt: 2 w. P 2 w ρ=Δ (N/m2) Trong đó: ρ: Khối l−ợng riêng dung dịch trong ống (kg/m3): ρ = 931,1057 (kg/m3) w: Vận tốc dung dịch trong ống truyền nhiệt (m/s). Thiết bị chia làm 7 ngăn: w = 7 . wTT = 7. 0,0283= 0,1981 (m/s) 2931,1057.0,1981 18,27 2w P⇒Δ = = (N/m2) Trở lực ma sát: 33 . w O ms Pd LP Δ=Δ λ (N/m2) Trong đó: L: Chiều dài ống truyền nhiệt do chia7 ngăn : L = 7 . 1,0 = 7,0 (m) dO: Đ−ờng kính ống truyền nhiệt (m) : dO = 0,02 (m) λ: Hệ số ma sát Độ nhớt dung dịch trong ống: μ = 0,3408 . 10-3 (N.s/m2) 4 3 . . 0,1981.931,1057.0,02Re 10824,65 10 0,3408.10 Ow dρ μ −= = = > ⇒Chế độ chảy xoáy Xác định λ theo công thức II-464: ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ Δ+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−=λ 7,3Re 81,6 lg.2 1 9,0 Với loại ống thép không gỉ ta đã chọn, theo bảng I-466, ta có độ nhám tuyệt đối ε = 0,1 (mm) Độ nhám t−ơng đối: 49 Δ = ε/dO = 0,1/20 = 5.10-3 20,96,812.lg Re 3,7 λ −⎛ ⎞⎡ ⎤Δ⎛ ⎞⎜ ⎟= − +⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠ 20,9 36,81 5.102.lg 0,0377 10824,65 3,7 −−⎛ ⎞⎡ ⎤⎛ ⎞⎜ ⎟= − + =⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠ )(N/m 828,90544,48. 02,0 0,10.0374,0 23 ==Δ⇒ msP Trở lực cục bộ: w3cb P.P Δξ=Δ ∑ (N/m2) Trong đó: ξ: Hệ số trở lực cục bộ. a b d c e h f g Các trở lực cục bộ trong thiết bị gia nhiệt gồm: - Trở lực do đột thu từ đầu thiết bị vào chùm ống. - Thiết bị có số ống truyền nhiệt nO = 127 chia làm7 ngăn - Tiết diện chùm ống ở 1 ngăn là: 2 2 2 0,785. . 0,785.0,02 .127 0,0006 7 7 O Od nf = = = (m2) 2 1 0,0006 0,0253 0,4949 0,0237 f f ξ= = ⇒ = - Trở lực do đột mở từ chùm ống ra đầu thiết bị: 50 ( ) 2 22 1 1 1 0,0253 0,95f f ξ ⎛ ⎞= − = − =⎜ ⎟⎝ ⎠ - Trở lực do dòng chuyển h−ớng 10 lần với góc chuyển là 900 1,1ξ = 3 (7.0, 4949 7.0,95 12 1,1).18, 27 425,9522cbPΔ = + + ⋅ = (N/m2) 3 241,0727 425,9523 667,025mPΔ = + = (N/m2) 2. Tính chiều cao của thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu: Viết ph−ơng trình Becnuli cho hai mặt cắt 1-1 và 2-2 (lấy 2-2 làm mặt chuẩn): 2 2 1 1 2 2 1 1 22 2 m Z g P P Pρ ω ρ ωρ ⋅ ⋅⋅ ⋅ + + = + + Δ Trong đó: P1, P2: áp suất tại mặt cắt 1 và 2 (N/m 2) P1 = Pa = 9,81.10 4(N/m2) P2 = P1 +ΔPL=1866,516 + 9,81.104 (N/m2) =93666,5(N/m2) w1: Vận tốc dung dịch tại mặt cắt 1 (m/s) Coi w1 = 0 vì tiết diện thùng cao vị rất lớn so với tiết diện ống. w2: Vận tốc dung dịch tại mặt cắt 2: w2 = 0,2275 (m/s) ρ1: Khối l−ợng riêng dung dịch tr−ớc khi gia nhiệt (kg/m3). ρ1 = 966,6334(kg/m3) ρ2 : Khối l−ợng riêng dung dịch sau khi gia nhiệt (kg/m3). ρ2 = 725,785(kg/m3) mPΔ :Tổn thất áp suất trở lực. 1 2 3 84,7573 88,722 667,025 840,50m m m mP P P PΔ = Δ + Δ + Δ = + + = 2 2 1 2 2 1 ( ) . . 2. m P P wZ h g g gρ ρ ⎡ ⎤= − + +⎢ ⎥⎣ ⎦ Hay: ( ) 22 22 1 1 1 2 m Z P P P g ρ ω ρ ⎡ ⎤⋅= ⋅ − + + Δ⎢ ⎥⋅ ⎣ ⎦ 21 725,785 0, 22751866,5 0,199 9,81 966,6334 2 Z ⎡ ⎤⋅= ⋅ + =⎢ ⎥⋅ ⎣ ⎦ 3. Tính bơm Bơm ly tâm làm việc ở áp suất th−ờng, ở 200C thì chiều cao hút của bơm là 5(m)[Bảng II.34a – I.539] Chiều cao đẩy của bơm là: 51 H0 = Z + H1 + H2 (m) H1=HC+hday=0,5+0,5=1 (m) H2=1 (m) H0 = 1+1+0,199=2,199 (m) 4. áp suất toàn phần của bơm và năng suất bơm. a. Trở lực trong ống dẫn từ bể chứa lên thùng cao vị. ΔP m0 = ΔP ms0 + ΔP cb0 (N/m2) Trong đó: ΔP ms0: Trở lực ma sát (N/m2) ΔP cb0: Trở lực cục bộ (N/m2) Số liệu: - Chiều dài ống: L0 = H0 + 0,2 = 8,7572 + 0,2 = 8,9572 (m) - Đ−ờng kính ống : dO = 0,1 (m) - L−u l−ợng : GB =0,8333 (kg/s) Thế năng vận tốc của chất lỏng trong ống: 2 w. P 2 01 0w ρ=Δ (N/m2) Trong đó: ρ1: Khối l−ợng riêng dung dịch tr−ớc khi gia nhiệt (kg/m3) w0: Vận tốc dung dịch trong ống (m/s) 1 2 2 1 1,05 0,171 .0,785. 966,6334.0,785.0,09 F O O Gw dρ= = = (m/s) 2 0 966,6334.0,171 14,133 2w PΔ = = (N/m2) Trở lực ma sát: 0 0 0 . w O ms Pd LP Δ=Δ λ (N/m2) [II.55 – I.458] Trong đó: λ: Hệ số ma sát. Nhiệt độ dung dịch trong ống là: t = 20 oC Độ nhớt dung dịch trong ống: ( )3 20 1 1,009 10 N mμ μ −= = ⋅ 52 41 1 3 0 . . 0,171.966,6334.0,09Re 14743,794 10 1,009.10 O Ow dρ μ −= = = > ⇒Chế độ chảy xoáy Xác định λ theo công thức: ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ Δ+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−=λ 7,3Re 81,6 lg.2 1 9,0 [II.65 – I.464] 20,96,812.lg Re 3,7 λ −⎛ ⎞⎡ ⎤Δ⎛ ⎞⎜ ⎟= − +⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠ 20,9 36,81 1,11.102.lg 0,0299 14743,794 3,7 −−⎛ ⎞⎡ ⎤⎛ ⎞⎜ ⎟= − + =⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠ 2 0 2,50,0299. .14,133 11,738 (N/m ) 0,09ms PΔ = = Trở lực cục bộ: 0w0cb P.P Δξ=Δ ∑ (N/m2) Trong đó: ξ: Hệ số trở lực cục bộ Các trở lực cục bộ trong ống gồm: - Trở lực do van: Coi van mở 50% ⇒ ξ = 2,1 - Trở lực do ống chuyển h−ớng với góc chuyển là 90o ⇒ ξ = 1,1 0 (2,1 1,1).14,133 45, 2256cbPΔ = + = (N/m2) 0 11,7382 45, 2256 56,9638mPΔ = + = (N/m2) Chiều cao cột chất lỏng t−ơng ứng: )(0093,0 81,9.2,908 6632,82 . 0 m g PHm ==Δ= ρ b. áp suất toàn phần của bơm: 1 1 0B moP g H Pρ= ⋅ ⋅ + Δ ( )2966,6334 9,81 2,199 56,9638 20909,4BP N m= ⋅ ⋅ + = c. Năng suất bơm: η ρ .1000 ... HgQN = (KW) Trong đó: 53 Q: L−u l−ợng thể tích của bơm (m3/s) 3 1 1,05 1,0862.10 966,6334 BGQ ρ −= = = (m3/s) η :Hiệu suất toàn phần của bơm. Theo [I – 439] 0 tl ckη η η η= ⋅ ⋅ phụ thuộc vào loại bơm và năng suất, với bơm ly tâm chọn 0,85η = Vậy 31,0862.10 21867,1132 0, 279( ) 1000.0,85b N kw − ⋅= = Chọn bơm có công suất 0,3(kw) khi đó công suất mô tơ: ηtr:hiệu suất truyền động trục ηtr=1 ηđc: hiệu suất truyền động cơ ηđc=0,85 0,279 0,328( ) 1.0,85moto N kw= = Thông th−ờng để đảm bảo an toàn ng−ời ta chọn động cơ có công suất lớn hơn công suất tính toán l−ợng dự trữ dựa vào khả năng quá tải của bơm. moto t moto NN .β= [1-439] Trong đó β hệ số dự trữ công suất và trong tr−ờng hợp này ta chọn β=2(do Nmôtơ<1) Do đó: Ntmôtơ=2.0,328=0,656(kw) Vậy ta chọn bơm có công suất 0,7 kw 54 tμi liệu tham khảo I. Bộ môn quá trình thiết bị và công nghệ hoá chất (Khoa Hoá, tr−ờng Đại học Bách Khoa Hà Nội) – Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất, Tập I – NXB Khoa học và kỹ thuật (1978). II. Bộ môn quá trình thiết bị và công nghệ hoá chất (Khoa Hoá, tr−ờng Đại học Bách Khoa Hà Nội) – Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất, Tập II – NXB Khoa học và kỹ thuật (1999). III. Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hoá học(Tr−ờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Tập 2 - 2000)