NHẬN XÉT ĐỒ ÁN Cán hướng dẫn nhận xét: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Điểm: _ Chữ ký: Hội đồng bảo vệ nhận xét: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Điểm: _ Chữ ký: _ MỤC LỤC Tổng quan 1.1 Lý thuyết chưng cất 1.1.1 Phương pháp chưng cất 1.1.2 Thiết bò chưng cất 1.1.3 Quá trình thiết bò ngưng tụ 1.2 Tổng quan sản phẩm 1.2.1 Tính chất vật lý 1.2.2 Ứng dụng 1.2.3 Phòng chống cháy nổ, ngộ độc etanol Quy trình chưng cất Cân vật chất, lượng, số mâm thực tế 10 3.1 Các thông số ban đầu 10 3.2 Suất lượng sản phẩm đỉnh đáy 10 3.3 Chỉ số hồi lưu 11 3.3.1 Chỉ số hồi lưu cực tiểu 11 3.3.2 Chỉ số hồi lưu thực tế 11 3.4 3.4.1 Xác đònh số mâm lý thuyết 13 3.4.2 Xác đònh số mâm thực tế 14 3.5 Số mâm lý thuyết, số mâm thực tế 13 Cân lượng 15 3.5.1 Nhiệt trao đổi thiết bò ngưng tụ 15 3.5.2 Nhiệt trao đổi thiết bò gia nhiệt dòng nhập liệu 15 3.5.3 Nhiệt trao đổi thiết bò gia nhiệt nhập liệu bổ sung 16 3.5.4 Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun đáy tháp 16 Tính thiết bò ngưng tụ 17 4.1 Truyền nhiệt thiết bò ngưng tụ 17 4.1.1 Các thông số ban đầu 17 4.1.2 Hệ số cấp nhiệt phía vỏ 17 4.1.3 Hệ số cấp nhiệt bên ống 19 4.1.4 Xác đònh tổng nhiệt trở thành ống thép nhiệt trở lớp cáu 19 4.1.5 Xác đònh nhiệt độ vách 20 4.1.6 Xác đònh hệ số truyền nhiệt tổng quát 20 4.1.7 Chênh lệch nhiệt độ trung bình 20 4.1.8 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 20 4.2 4.2.1 Bố trí ống mặt sàn 21 4.2.2 Đường kính thiết bò 21 4.2.3 Tính bề dày thân thiết bò 22 4.2.4 Cấu tạo đầu đuôi thiết bò 23 4.2.5 Đường kính cửa vào 23 4.3 Kết cấu thiết bò ngưng tụ 21 Các chi tiết phụ thiết bò ngưng tụ 25 4.3.1 Kiểm tra ứng suất nhiệt thiết bò 25 4.3.2 Bích, đệm, bulông 26 4.3.3 Vách ngăn phía vỏ 28 4.3.4 Vỉ ống 28 4.3.5 Thanh giằng 28 4.3.6 Chân đỡ 28 4.3.7 Tính trở kháng thủy lực thiết bò 30 Tính thiết bò phụ quy trình 32 5.1 Bồn cao vò 32 5.2 Bơm nguyên liệu 33 5.3 Bơm sản phẩm đỉnh 34 5.4 Thiết bò gia nhiệt nhập liệu 34 5.5 Thiết bò gia nhiệt bổ sung 36 5.6 Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh 37 Tính giá thành thiết bò 38 Kết luận, đánh giá 39 7.1 Đặc tính kỹ thuật 39 7.2 Ưu, nhược điểm thiết bò 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 Tổng quan 1.1 Lý thuyết chưng cất 1.1.1 Phương pháp chưng cất Chưng cất trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng (hay nhiệt độ sôi khác áp suất), cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay - ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Phân loại phương pháp chưng cất:  Áp suất làm việc: chưng cất áp suất thấp, áp suất thường áp suất cao Nguyên tắc phương pháp dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, nhiệt độ sôi cấu tử cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử  Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chưng đơn giản) bán liên tục Đối với hệ etanol - nước, sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước etanol Đối với hỗn hợp đẳng phí hay có nhiệt độ sôi gần nhau, dung dòch loãng,… tách phương pháp chưng thông thường Khi đó, người ta tiến hành phương pháp sau: chưng chân không, chưng đẳng phí, chưng muối, chưng trích ly, … 1.1.2 Thiết bò chưng cất Tháp chưng cất phong phú cấu tạo kích cỡ, tháp lớn thường ứng dụng công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước tháp tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí tháp độ tinh khiết sản phẩm Ta khảo sát hai loại tháp chưng cất thường dùng tháp mâm tháp chêm  Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác để chia thân tháp thành đoạn nhau, mâm pha lỏng pha đựơc cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đóa, ta có: - Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chép dạng:tròn, xubap ,chữ s… - Tháp mâm xuyên lỗ: mâm bố trí lỗ có đường kính (3-12) mm  Tháp chêm: tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự 1.1.3 Quá trình thiết bò ngưng tụ Quá trình ngưng tụ trình (hay hỗn hợp hơi) chuyển pha thành dạng lỏng điều kiện đònh Tùy theo tính chất điều kiện làm việc ngưng phụ thuộc vào chất tải ẩn nhiệt ngưng tụ (dòng lạnh) mà thiết bò ngưng tụ có cấu tạo đa dạng, chủ yếu thuộc dạng sau:  Phân loại theo chất làm lạnh: TBNT nước, TBNT không khí  Phân loại theo áp suất ngưng tụ: TBNT áp suất chân không, TBNT áp suất thường, TBNT áp suất cao  Phân loại theo khả tiếp xúc hai lưu chất: kiểu gián tiếp (kiểu bề mặt), kiểu trực tiếp Trường hợp nhiệt độ yêu cầu sau ngưng tụ thấp nhiệt độ trời chất làm lạnh phải có nhiệt độ thấp Khi phải dùng đến máy lạnh (dùng loại hệ thống lạnh trực tiếp hay gián tiếp qua chất tải lạnh) 1.2 Tổng quan sản phẩm 1.2.1 Tính chất vật lý Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Là chất lỏng không màu, suốt, có mùi thơm đặc trưng, vò cay, nhẹ nước, dễ bay hơi, tan vô hạn nước, tan tốt ete clorofom, hút ẩm, dễ cháy, cháy không tạo khói có lửa màu xanh da trời Một số thông số vật lý nhiệt động etanol: + Nhiệt độ sôi 760mmHg: 78.3oC + Nhiệt độ nóng chảy: -1140C + Nhiệt dung riêng lỏng: 114 J/mol.K + Nhiệt dung riêng khí: 78 J/mol.K + Khối lượng riêng: d420 = 810 (Kg/m3) Etanol tạo với nước hỗn hợp đẳng phí 89.4% etanol, hỗn hợp sôi 78.150C 1.2.2 Ứng dụng Etanol có nhiều ứng dụng metanol, đóng vai trò quan trọng kinh tế quốc dân Nó nguyên liệu dùng để sản suất 150 mặt hàng khác ứng dụng rộng rãi ngành: công nghiệp nặng, y tế dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ nông nghiệp 1.2.3 Phòng chống cháy nổ, ngộ độc etanol - Hỗn hợp etanol nước với 50% etanol chất dễ cháy dễ bắt lửa - Etanol thể người chuyển hóa thành axetaldehyde enzyme alcohol dehydrogenas Axetaldehyde chất có độc tính cao, nguyên nhân gây bệnh xơ gan, ung thư chứng nghiện rượu, - Mặc dù etanol chất có độc tính cao, gây tử vong nồng độ cồn máu đạt 0.4% Khi nồng độ đạt khoảng 0.1% dẫn tới tình trạng say, 0.3–0.4% gây nên tình trạng hôn mê - Người ta tìm thấy mối liên quan tỉ lệ thuận etanol phát triển Acinetobacter baumannii, vi khuẩn gây viêm phổi, viêm màng não viêm nhiễm hệ tiết - Trong rượu trắng (rượu chưng cất từ dòch lên men), thành phần etanol chứa lượng đáng kể metanol, isobutanol, furfurol, acetaldehyde,… chất độc nguy hiểm Quy trình chưng cất * Thuyết minh qui trình công nghệ: Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 300GL (phần trăm thể tích), nhiệt độ khoảng 280C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vò (4) Từ đưa đến thiết bò trao đổi nhiệt (5) (trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ) Sau đun nóng tới gần trạng thái lỏng sôi thiết bò gia nhiệt bổ sung (6), hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (7) đóa nhập liệu Trên đóa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn cất tháp chảy xuống Trong tháp, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bò pha tạo nên từ nồi đun (13) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đóa từ lên cấu tử có nhiệt độ sôi cao nước ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có nồng độ cấu tử etanol cao Hơi vào thiết bò ngưng tụ (9) ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ qua thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh (11), làm nguội đến 350C , đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (12) Phần lại chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu tháp đóa với tỉ số hoàn lưu tối ưu Ở đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết nước Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ etanol 0,14 % phân mol, lại nước Dung dòch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (13) Trong nồi đun dung dòch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại khỏi nồi đun trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu thiết bò gia nhiệt (5) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh etanol, sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ 350C đem xử lý Cân vật chất, lượng, số mâm thực tế 3.1 Các thông số ban đầu  Năng suất nhập liệu : GF = 1500 (lít/h)  Nồng độ nhập liệu : xF = 300GL  Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 900GL  Tỷ lệ thu hồi etanol : η = 99%  Khối lượng phân tử rượu nước : MR =46 , MN =18 Chọn : + Nhiệt độ nhập liệu : tF =25oC + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội : tD =35oC + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt : tW = 35oC +Trạng thái nhập liệu trạng thái lỏng sôi Các kí hiệu : + GF , F : suất lượng nhập liệu tính theo kg/h , kmol/h + GD , D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h , kmol/h + GW ,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h , kmol/h + xi , xi : phân mol , phân khối lượng cấu tử i 3.2 Suất lượng sản phẩm đỉnh đáy Ở 250C: ρR = 0.785 kg/l ; ρN = 0.997 kg/l F = 1500 0,3.0, 785 (1  0,3).0,997 + 1500 = 65,8 (kmol/h) 46 18 0,3.0, 785 46 xF = 100% = 11,66% 0,3.0,785 0,7.0,997  46 18 Ở 790C: ρR = 0.737 kg/l ; ρN = 0.973 kg/l 0,9.0, 737 46 xD = 100% = 72,73% 0,9.0, 737 0,1.0,973  46 18 D= 0,99.65,8.0,1166 .F x F = = 10,4 kmol/h xD 0,7273 10  Khi bề dày St So t  Pt P.Ett 2, 2.105 10774  t    43,  t   126 N / mm2 t Ft Et Ft  Eo Fo 4976,3 4976,3  12893  Khi bề dày (St – Ca) (So – Ca) Pt P.Ett 1,5.105 10774    t    39  t   126 N / mm2 => thỏa t Ft Et Ft  Eo Fo,1 3751 3751  7162,8 t mãn điều kiện (I) Kiểm tra ứng suất tổng theo điều kiện (II)  Khi bề dày St So Pt P.Eto 2, 2.105 10774    t    17,7  o   126 N / mm2 t Fo Et Ft  Eo Fo 12893 4976,3  12893 o  Khi bề dày (St – Ca) (So – Ca) o  Pt P.Eto 1,5.105 10774  t    20  o   126 N / mm2 => thỏa t Fo.1 Et Ft  Eo Fo.1 7162,8 3751  7162,8 mãn điều kiện (II) Vậy không cần làm vòng bù dãn nhiệt cho thiết bò 4.3.2 Bích, đệm, bulông 4.3.2.1 Đệm Chọn vật liệu đệm paronit, có khả chòu lực, chòu nhiệt cao Đệm dày 3mm 4.3.2.2 Bích–bulông gắn với vỉ ống Lực nén theo chiều trục sinh siết bulông: công thức 7-10 [5]  Q1  Dt2 p   Dtb bo m p Lực cần thiết để ép chặt vòng đệm: công thức 7-11 [5] Q2   Dtb bo qo Trong đó:  Dt đường kính thiết bò = 392mm  p áp suất thiết bò = 0,1N/mm2 D2  Dn 440  408   424mm 2  b0 bề rộng tính toán vòng đệm, bo = 0,5.b = 0,5.40 = 20mm  m hệ số áp suất riêng, tra bảng 7-4 [5] ta có m = 2,0  qo áp suất riêng cần thiết để làm biến dạng đệm = 11N/mm2  Q1 = 17895 N  Q2 = 293048 N  Dtb đường kính trung bình vòng đệm = 26 Lực tác dụng lên bulông: Qb  Q2 293048   18315( N ) Z 16 ng suất tác dụng lên bulông:   4Qb  k []  db2 o  ng suất cho phép vật liệu: [σ] = 235N/mm2  ko hệ số giảm ứng suất, phụ thuộc đường kính bulông Vậy db  16mm Mặt khác, để đảm bảo kết cấu kín, t 5 db Chọn bulông M20x16, vật liệu 30XMA  Chiều dày mặt bích: h = 26mm  Chiều cao gờ mặt bích: f = 4mm  Đường kính gờ mặt bích: D2 = 465mm  Đường kính vòng bulong: Db = 495mm  Đường kính bulong: 20mm  Đường kính mặt bích: D = 557mm 4.3.2.3 Bích cửa nước vào - Dy = 60 mm Tra bảng 7-1 [5] ta có:  Chiều dày mặt bích: h = 16mm  Chiều cao gờ mặt bích: f = 3mm  Đường kính gờ mặt bích: D2 = 100mm  Đường kính vòng bulong: Db = 120mm  Đường kính mặt bích: D = 150mm  Đường kính bulong: M12 4.3.2.4 Bích cửa vào Là loại bích phẳng hàn, Dy = 100mm Tra bảng 7-1 [5] ta có:  Chiều dày mặt bích: h = 18mm  Chiều cao gờ mặt bích: f = 3mm  Đường kính gờ mặt bích: D2 = 148mm  Đường kính vòng bulong: Db = 170mm  Đường kính mặt bích: D = 205mm  Đường kính bulong: M16 27 4.3.2.5 Bích cửa nước ngưng Là loại bích phẳng hàn, Dy = 70mm Tra bảng 7-1 [5] ta có:       4.3.3 Chiều dày mặt bích: h = 16mm Chiều cao gờ mặt bích: f = 3mm Đường kính gờ mặt bích: D2 = 110mm Đường kính vòng bulong: Db = 130mm Đường kính mặt bích: D = 160mm Đường kính bulong: M12 Vách ngăn phía vỏ Vách ngăn hình viên phân:  D = 397mm  Chiều cao h = ¾.D = 300mm  Bề dày Sv = 5mm  Đường kính lỗ l = 20 +1 = 21mm  Khoảng cách ngăn khoảng  1Dt , chọn 260mm 4.3.4 Vỉ ống Chọn vỉ ống dạng phẳng tròn Đường kính lỗ vỉ: d = 1,02.dn = 20,4 mm Đối với vỉ ống thép, tính bề dày theo công thức 8-58 [5]: 4,35.dn  15 h'   17(mm) t  dn Mặt khác, vỉ ống liền với mặt bích nên chọn bề dày vỉ chiều dày mặt bích chiều cao gờ: S = 26 + = 30mm 4.3.5 Thanh giằng Theo bảng 2.4 [3], ta chọn đường kính 12, số lượng Một đầu vặn ren chặt vào vỉ ống, ngăn ta lồng đoạn ống thép, (d=21x1mm), đầu cuối có đai ốc vặn chặt vào chặn cuối 4.3.6 Chân đỡ Khối lượng riêng của:  Inox 304, ρ = 7,9 kg/dm3  Thép CT3, ρ = 7,85 kg/dm3 28 Chi tiết Kích thước Số lượng Vật liệu Khối lượng (kg) Đầu, đuôi Hình elip Sđ = 4mm ht = 100mm b = 46mm Hình trụ tròn Dt = 400mm S = 4mm L = 1434mm dn = 20mm dt = 16mm L = 1,5m S = 30mm D = 557mm Số lỗ ống: 110 Số lỗ bulong: 16 D = 100mm H = 120mm D = 205mm d = 13,2mm S = 18mm f = 3mm D = 70mm H = 110mm D = 160mm d = 13,2mm S = 16mm f = 3mm D = 60mm H = 100mm D = 150mm d = 13,2mm S = 16mm f = 3mm Thép CT3 10,8 Inox 304 57,5 110 Inox 304 147,4 Thép CT3 95,4 Inox 304 1,2 Thép CT3 3,6 Inox 304 0,8 Thép CT3 2,2 Thép CT3 1,3 Thép CT3 0,5 Bulông M12 16 0,3 Bulông M20 32 Thép 30XMA Thép 30XMA Inox 304 Thân (vỏ) ng truyền nhiệt Vỉ ống ng lấy Bích cửa vào ng nước ngưng Bích cửa nước ngưng ng nước vào/ra Bích cửa nước vào-ra Vách ngăn phía vỏ Dngăn = 397mm h = 300mm S = 5mm Φ = 21mm 29 1,0 12 Vậy khối lượng thiết bò chưa có lưu chất: m = 334 kg Khối lượng thiết bò + lưu chất: m '  400kg Phản lực chân đỡ: PA = PB = 0,5.4000= 2000 (N) Chọn bề rộng chân đỡ b = 0,2Dt = 80mm Momen chống uốn tiết diện thân nằm chân đỡ: b  8( S  Ca ).( S  Ca )2  W  156mm3 ng suất uốn thân phản lực đỡ gây nên: u  0, 02 PB Dn 0, 02.2000.408   104, N/mm2 W 156 σu < [σu] = 146 N/mm2 Vậy không cần tăng cứng cho thân nằm chân đỡ 4.3.7 Tính trở kháng thủy lực thiết bò Tổn thất áp suất tổng dòng lạnh ống tính theo công thức: p  pm  pc  pg  po Trong đó, po = 0, pg có giá trò nhỏ so với thành khác nên bỏ qua 4.3.7.1 Trở kháng ma sát pm pm   L..w dtr Với:  dtr = 0,016m : đường kính ống  L = 1,5m : chiều dài ống  ρ = 994 kg/m3 : khối lượng riêng ttb = 350C 4.Qv 4.19,9   0,5(m / s)  w : tốc độ dòng lỏng ống w  n. dtr 3600.55. 0,0162 Re  wdtr  0,5.0,016.994   10886 ( > 4000)  730,5.106 Độ nhám tuyệt đối ống dẫn nước nóng, rò (tra bảng II.15 [1]) ε = 0,2mm 30 8/7 d  Re gh     8/7  16      0,   898 9/8  16  d  Ren  220.   220.   30436   0,  Vì Regh < Re < Ren nên thuộc khu vực độ, theo công thức II.64 [1] 9/8  100     0,1 1, 46   d Re   0,25 0, 100    0,1 1, 46   16 9427   0,25  0,0412 1,5.994.0,52  pm  0,0412 = 480 (N/m2) 0,016.2 4.3.7.2 Trở kháng cục pc .w pc     1  2  3  4  5 Tra bảng II.16 [1] ta có: ξ1 : trở lực đột mở cửa vào = ξ2 : trở lực đột thu nước vào chùm ống = 0,45 (Fo/F1 = 0,19) ξ3 : trở lực đột mở nước từø chùm ống khoang nắp = 0,66 ξ4 : trở lực đột thu cửa = 0,5 ξ5 : trở lực đổi chiều 1800 chặng = 2,5   = 6,22 .w 994.0,52  6, 22 Vậy trở lực cục bộ: pc   = 773 (N/m2) 2 Tổn thất áp suất tổng p  pm  pc  480  773  1253( N / m ) p suất dùng để tính công suất bơm nước giải nhiệt 31 Tính thiết bò phụ quy trình 5.1 Bồn cao vò Bồn cao vò đặt độ cao cho thắng trở lực đường ống Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu từ bồn cao vò vào tháp 25x2mm  Vận tốc lỏng ống v  4Qv 4.1,5   1, 0(m / s) 3600 dtr 3600 0, 0232 Tổn thất áp suất đường dòng nhập liệu:  L v h        d  2g Tra bảng II.16 [1]: Bán kính co ống: R = 2dtr  Hệ số trở lực cục khúc co ống 900 : ξ1 = 10.0,15 = 1,5 Hệ số trở lực cục khúc co ống 1800 : ξ2 = 0,21 Hệ số trở lực cục van: ξ3 = 4.0,85 = 3,4 Hệ số trở lực thiết bò trao đổi nhiệt: ξ4 = 10 Vậy tổng hệ số tổn thất cục bộ:   1  2  3  4  15,32 Giả sử chiều dài đường ống từ từ bồn cao vò vào tháp: L = 20m ttb = (25 + 78,9)/2 = 520C  độ nhớt khối lượng riêng hỗn hợp nhiệt độ trung bình: log(µhh) = x.log(µR) + (1 - x).log(µN) = 0,1166.log(0,679) + 0,8834.log(0,533) µhh = 0,548 (Cp) = 0,548.10-3 (Pa.s) x  x 0, 2523  0, 2523     => ρhh = 918,2 kg/m3 hh R N 761 987 Re  v.d. 0, 433.0,035.918,   2,54.104 (> 4000) 3  0,548.10 Độ nhám tuyệt đối ống dẫn nước nóng, rò (tra bảng II.15 [1]) ε = 0,2mm 8/7 d  Re gh     8/7  35   6   0,   2196 9/8  35  d  Ren  220.   220.   73424   0,  Vì Regh < Re < Ren nên thuộc khu vực độ 9/8  100   Hệ số ma sát:   0,1 1, 46   d Re   0,25 32 0, 100    0,1 1, 46  35 2,54.104   0,25  0,0333 Tổn thất áp suất đường ống dẫn: 20   1, 02  L v h         0, 0333  15,32   1, 75(m) 0, 035  d  2g   2.9,8 Phương trình Bernoulli cho mặt cắt ống nhập liệu mặt thoáng bồn cao vò: P P v2 z1   z2    h g g g Trong đó:  P1 = P2 = 1atm  z1 : chiều cao từ mặt đất đến mặt thoáng bồn cao vò  Z2 : chiều cao từ mặt đất đến mặt cắt ống nhập liệu = 4m v2 1,02  h    1,75  5,8(m)  z1  z2  2g 2.9,8 Vậy ta chọn đặt bồn cao vò cách mặt đất 6m 5.2 Bơm nguyên liệu Công suất bơm tính theo công thức: Q g.H N v (kW)  Trong đó:  η hiệu suất bơm, chọn 0,6  Qv lưu lượng thể tích lỏng qua bơm, = 1500 l/h = 0,4167.10-3 m3/s  ρ khối lượng riêng lỏng nguyên liệu, = 930 kg/m3 Phương trình Bernoulli cho mặt thoáng bồn chứa nguyên liệu mặt thoáng bồn cao vò: P1 v12 P2 v22 z1    H  z2    h g g g g  z2 – z1 = (m)  P1 = P2 = 1atm  v1 = v2  Σh tổn thất áp suất chọn gần 1,5m H  z2  z1  h   1,5  7,5(m) Công suất bơm: Qv g.H 0,417.103.930.9,8.7,5 N   0,0475 kW  1000.0,6 33 5.3 Bơm sản phẩm đỉnh Dùng để bơm dòng sản phẩm đỉnh sau ngưng tụ vào tháp vào thiết bò làm nguội Công suất bơm tính theo công thức: Q g.H N v (kW)  Trong đó:  H cột áp bơm, m  η hiệu suất bơm, chọn 0,6 ( R  1).G D  Qv lưu lượng thể tích lỏng qua bơm, Qv  = 2,92.10-4 m3/s   ρ = 760 kg/m H  z1  z2  h   1,5  8,5(m) Với:  z1-z2 độ chênh lệch độ cao mặt cắt cửa vào dòng hồi lưu với đáy thiết bò ngưng tụ  Σh tổng tổn thất đường đi, chọn gần 1,5m N 5.4 Qv g.H 2,92.104.760.9,8.8,5   0,031(kW )  1000.0,6 Thiết bò gia nhiệt nhập liệu Q1 =F.CF (t’F - tF) + Qth = W.CN.(tW – t’W) Qth = 0.05.W.CN.(tW – t’W) nhiệt tổn thất W = 55,4 kmol/h ; F = 65,8 kmol/h tW = 350C; tWs = 99,70C  ttb = 67,350C => CN = 4,18 kJ/kg.K = 75,24 kJ/kmol.K CR ~ 2,84 kJ/kg.K CN ~ 4,18 kJ/kg.K  CF = xF.MR.CR +(1–xF).MN.CN = 0,1166.46.2,84 + (1-0,1166).18.4,18 = 81,7 kJ/kmol.K tF = 250C  Q1 = 256204 kJ/h = 71,2 kW t’F = 72,70C Chọn loại thiết bò trao đổi nhiệt ống lồng ống ngược dòng ng có kích cỡ 25x2mm Vỏ có kích thước 48x3mm 34  Hiệu số nhiệt độ trung bình tW = 350C; tWs = 99,70C tF = 250C ; t’F = 72,70C tlog  t ' t " (99,7  72,7)  (35  25)   17,1o C t ' 99,7  72,7 ln ln t " 35  25  Xác đònh hệ số truyền nhiệt  0,002 4  m K     3,88.10  Nhiệt trở thành ống: rn  rcau1   rcau   w 5800 46,5 4800  W  Hệ số cấp nhiệt phía ống: ttb  99,7  35  67,35o C  Vận tốc dòng ống: vtr  Re  4G 4.997   0,83(m / s) dtr 958.3600 0,0212 v.d. 0,83.0,021.979   40566  0, 423.103 0,25  Pr  0,8 0,43 Nu  0,021.l Re Pr    0,021.44182 2,66  155,  Prw  Nu. 155, 4.0,666    4928  W  2   dtr 0,021  m K  0,8 0,43 Hệ số cấp nhiệt phía vỏ: Vận tốc dòng chảy ống: vng  4G 4.1400   0, 473(m / s) 2  D  dn ) 918, 2.3600. (0,0422  0,0252 ) v.d. 0, 473 0,0422  0,0252 918, Re    26772  0,548.103 Nu  0,021.l Re0,8 Pr 0,43  0,021.241370,8.3,540,43  126 Nu. 126.0,    2240  W  2 dtd  m K  0, 042  0, 025 Hệ số truyền nhiệt tổng quát: 1 k   964  W  1 1  m K   rn   3,88.104  1 2 2240 4928  1  35  Diện tích bề mặt truyền nhiệt Q1 71200   4,32(m2 ) k.t 964.17,1 F 4,32   60(m)  Chiều dài ống truyền nhiệt: L   dtd  0,023 5.5 Thiết bò gia nhiệt bổ sung F Chọn loại thiết bò trao đổi nhiệt ống lồng ống ngược dòng ng có kích cỡ 25x2mm Vỏ có kích thước 48x3mm  Hệ số cấp nhiệt bề mặt ống đơn nằm ngang r.3 2 1  0,725 .t.d Giả sử tw1 = 900C Với: rN = 2258.103 J/kg ; lấy tngưng = 1000C λ, µ, ρ - lấy nhiệt độ trung bình màng ngưng tụ, t t 100  90 tm  ngung w1   950 C 2 Δt – hiệu số nhiệt độ = tngưng - tw1 W λN = 0,6815 m.K ρN = 961,5 kg/m3 µN = 0,0002985 N.s/m2 r.3.2 2258000.0,68153.961,52  W   0,725  7032   Vậy 1  0,725 .t.d 0,0002985.(100  90).0,025  m K   Hệ số cấp nhiệt bên ống 72,  86 = 79,350C 4G 4.1400 Dòng nước chảy ống: w    1, 25(m / s) dt 899.3600. 0,0212 Nhiệt độ trung bình lỏng ống t2 = Re = wdtr  1, 25.0,021.899   64302  367.106 PrN = 2,23 PrR    0,8 a 36 Giả sử Prw = Pr = 2,06  Nu = 0,021.l Re Pr 0,8  2  0,43  Pr     Prw  0,25  0,021.643020,8.2,060,43 = 201,3 Nu. 201,3.0,61  W    5847   d 0,021 m K   Tổng nhiệt trở thành ống thép nhiệt trở lớp cáu rn  rcau1   0,002  rcau     3,88.104  m K  w 5800 46,5 5800  W  Hệ số truyền nhiệt tổng quát k 1  rn  1 2  1  3,88.104  7032 5847  1426 W m2 K Hiệu số nhiệt độ trung bình t ' t " (100  72,7)  (100  86) tlog    19,90 C t ' 100  72,7 ln ln t " 100  86 Diện tích bề mặt truyền nhiệt Q1 20400   0,72(m2 ) k.t 1426.19,9 F 0,72   10(m)  Chiều dài ống truyền nhiệt: L   dtd  0,023 F 5.6 Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh Q = GD.Ctb.Δt = 400.3, 01.(78,9  35) = 14,7 kW 3600 37 Tính giá thành thiết bò Chi tiết Số lượng Vật liệu Khối lượng Giá thành (đồng) Đầu, đuôi Thép CT3 10,8 kg Thân (vỏ) Inox 304 57,5 kg ng truyền nhiệt 110 Inox 304 165 m Vỉ ống Thép CT3 95,4 kg Đệm Paronit 0,22 m2 ng lấy Inox 304 1,2 kg Bích cửa vào Thép CT3 3,6 kg ng nước ngưng Inox 304 0,8 kg Bích cửa nước ngưng Thép CT3 2,2 kg ng nước vào/ra Thép CT3 0,2 m Bích cửa nước vào-ra Thép CT3 0,5 kg Bulông M12 16 Thép 30XMA 80.000 Bulông M20 32 Thép 30XMA 160.000 Vách ngăn phía vỏ Inox 304 12 Thanh giằng Inox 304 0,4 Chân đỡ Thép CT3 4,2 4.950.000 220.000 6.000  Inox 304 = 57,5 + 1,2 + 0,8 + 12 +0,4 = 71,9 (kg) Đơn giá = 50000 đ/kg → Giá thành = 3.595.000 đồng  Thép CT3 = 10,8 + 95,4 + 3,6 + 2,2 + 0.5 + 4,2 = 116,7 (kg) Đơn giá = 10000đ/kg → Giá thành = 1.167.000 đồng Vậy giá thành thiết bò = 10.178.000 đồng Chi phí gia công, lắp đặt = 40% chi phí vật tư, suy tổng chi phí = 14.249.200 đồng 38 Kết luận, đánh giá 7.1 Đặc tính kỹ thuật Thiết bò ngưng tụ dạng ống chùm thống chưng cất etanol nước với suất nhập liệu 1500kg/h có cấu tạo sau:  Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: 8,01 m2  ng truyền nhiệt: 20x2mm, dài 1,5m  Đường kính thiết bò: 400mm  Bố trí ống dạng tam giác với 110 ống  Một chặng phía vỏ, hai chặng phía ống 7.2 Ưu, nhược điểm thiết bò Do nhiệt độ dòng nóng 78,90C nước giải nhiệt có nhiệt độ 350C nên chênh lệch nhiệt độ trung bình cao, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt giảm Thiết bò có cấu tạo gọn, chắn, đặt nằm ngang nên có hệ số truyền nhiệt cao (so với đặt thẳng đứng) 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, Hồ Lê Viên, 2006 Sổ tay trình thiết bò công nghệ hóa chất, tập NXB Khoa học Kỹ thuật, 632 trang [2] Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, Hồ Lê Viên, 2006 Sổ tay trình thiết bò công nghệ hóa chất, tập NXB Khoa học Kỹ thuật, 447 trang [3] Phạm Văn Bôn, Quá trình thiết bò công nghệ hóa học & thực phẩm – Bài tập truyền nhiệt, 2011 NXB Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 458 trang [4] Hoàng Đình Tín, Truyền nhiệt tính toán thiết bò trao đổi nhiệt, 2001 NXB Khoa học Kỹ thuật [5] Hồ Lê Viên, Tính toán, thiết kế chi tiết thiết bò hóa chất dầu khí, 2006 NXB Khoa học Kỹ thuật, 238 trang 40 [...]... là: 1.0 12 2 3.4 Số mâm lý thuyết, số mâm thực tế 3.4.1 Xác đònh số mâm lý thuyết Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất : y= x R x  D = 0,503.x + 36,15 R 1 R 1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng: y= R f f 1 x  xW = 3,636.x – 0,369 R 1 R 1 Với R = 1,01 f= 65,8 F = = 6,3 10, 4 D Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc của phần cất và phần chưng Trên đồ thò... bậc thang từ đó xác đònh được số mâm lý thuyết là: 12 mâm 100 95 y = 7E-05x3 - 0.0091x2 + 0.8086x + 38.779 y = 0.0004x3 - 0.042x2 + 1.8617x + 29.44 90 85 y = 0.5028x + 36.159 y = 3.6356x - 0.369 y = -0.444x2 + 8.86x 80 75 70 65 60 55 y 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 x 13 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 3.4.2 Xác đònh số mâm thực tế Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung... sổ tay QTTB (tập 2 – trang 171) : F = 37,5%  Tại vò trí mâm đáy: xW = 0,14% ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y*W = 1,23% tW = 99,7 oC + αW  y*W 1  xW 0, 0123 1  0, 0014 = 8,88  * 1  y W xW 1  0, 0123 0, 0014 + xW  0, 36% và tW = 99,7oC => W = N = 0,284.10-3 (N.s/m2) = 0,284 (cP)  W W = 8,88.0,284 = 2,52 => W = 39%  Tại vò trí mâm đỉnh: xD = 72,73% ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y*D... 78,9oC => D = 54.9,81.10-6 (N.s/m2) = 0,530 (cP)  D D = 1,25.0,53 = 0,66 => D = 54% Vậy hiệu suất trung bình của tháp:   W  D 37,5  39  54  tb = F = 43,5% 3 3 N 12 Số mâm thực tế của tháp: N tt  lt  = 28 (mâm) ηtb 0, 435 14 3.5 Cân bằng năng lượng 3.5.1 Nhiệt trao đổi ở thiết bò ngưng tụ QNT =(R+1)D.rD Với: tD = 78,90C => rR = 848,2 kJ/kg rN = 2312,42 kJ/kg  rD = xD.MR.rR + (1-xD).MN.rN... qua điểm lõm để xác đònh Rmin theo phương trình: Chỉ số hồi lưu tối thiểu: Rmin y0 = xD R min  1 xD  yF'  ' yF  xF xF = 11,66% => y’F = 46%  Rmin = 0,778 3.3.2 Chỉ số hồi lưu thực tế Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp, thiết bò ngưng tụ, nồi đun và công để bơm cũng tăng theo Chi phí cố đònh sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần ,lượng nhiệt và lượng nước... Trong điều kiện làm việc nhất đònh thì D sẽ không đổi, lượng lỏng hồi lưu L=R.D sẽ tỉ lệ với R ,do đó, tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với R Ngoài ra ,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vò chuyển khối mox hay số mâm lý thuyết Nlt Như vậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa R và Vtháp theo quan hệ R và Nlt*R Cho R = a.Rmin ta thu được bảng sau: a R Nlt Nlt*R 1.1 0.8558 15 12.837 1.3 1.0114 12 12.1368 1.5 1.167 11