Tài liệu Đồ án về máy và thiết bị hóa chất trong tách hai cấu tử

Đồ án môn học Đồ án này gồm có: Trang I. II. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống Giới thiệu chung 1.tính toán chung 2. tính toán cho ống trong là ống tròn trơn 3. tính toán cho ống trong là ống có gân dọc 2 3 6 10 Tính toán tháp chưng cất hai cấu tử Giới thiệu chung 16 1. Tính toán nồng độ phần mol và lưu lượng (kmol/h) của nguyên liệu,sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 17 2. Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y 19 3. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, đường là việc và số đĩa lý thuyết 20 4. Xác dịnh đường kính 25 5. Số đĩa thực tế và chiều cao cơ bản của tháp 29 6. Xác định nhiệt độ đỉnh ,đáy và vị trí đĩa tiếp liệu ứng với trường hợp nguyên liệu vào tháp ở trạng thái sôi . 34 Kết luận 36 Page 1 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học I. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống: Giới thiệu chung về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống: Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống có cấu tạo rất gọn gàng do hiệu quả trao đổi nhiệt cao, chúng có các ưu điểm nổi bật sau:  Thường được sử dụng để trao đổi nhiệt giữa các chất lỏng với nhau hoặc chất lỏng với môi chất đang sôi hay đang ngưng tụ với khả năng trao đổi nhiệt lớn.  Cả hai môi chất khi chuyển động qua thiết bị đều chuyển động đối lưu cưỡng bức với tốc độ rất lớn nên thời gian đạt yêu cầu trao đổi nhiệt sẽ giảm xuống.  Kết cấu gọn gàng, an toàn và dễ chế tạo. Tuy nhiên, các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống hiện nay chỉ là các ống trơn hiệu quả thấp, ít nhiều bị hạn chế , đặc biệt trong moi trường ngưng tụ môi chất , ống trơn sẽ hạn chế khả năng ngưng tụ của môi chất. nên người ta thiết kế ống lồng ống với ống trong có gân dọc mặt ngoài. Một số dạng ống lồng ống trong thực tế hay gặp như hình dưới đây: Page 2 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học Hình 1 :Cấu tạo ống lồng ống Yêu cầu và mục tiêu cần đạt được: Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống dung dầu điesel đun nóng dầu thô trong hai trường hợp :  ống trong là ống tròn trơn  ống trong là ống tròn ,mặt ngoài có gân dọc số liệu như sau:lưu lượng dầu thô 35000kg/h, lưu lượng diesel là 27000 kg/h một số tính chất ban đầu được cho ở bảng dưới đây: Thông số Dầu thô diezen Nhiệt độ đầu vào (oC) 25 280 Nhiệt độ đầu ra (oC) Cần tính 150 Tỷ khối d420 0,89 0,8 20oC 6,2 1,1 40oC 3,8 0,81 100oC 1,4 0,45 200oC 0,5 0,26 250oC 0,4 0,21 300oC 0,3 0,15 Độ nhớt(cst) Page 3 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học Đồ thị độ nhớt theo nhiệt độ được vẽ để tiện cho tính toán: 10 9 8 6 5 4 độ nhớt(cst) 7 dầu thô diezen 3 2 1 0 0 50 100 150 200 250 300 350 nhiệt độ(o C) Page 4 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học 1. Tính toán chung 1.1lượng nhiệt trao đổi và tính lượng nhiệt đầu ra : nhiệt dung riêng điesel và dầu được tính theo công thức: 1625  1,1886( C 9  32) 5t (d tt )0.5  Tại 280oc nhiệt dung riêng diesel là : Cd=1884 j/ kgo=0,497 kcal/kgo  Tại 150oc nhiệt dung riêng diesel là : Cd=1884,3 j/ kgo=0,497 kcal/kgo  Lượng nhiệt trao đổi của diesel là: Q  CP .m.T  0, 497.27000.(280  150)  1744470( Kcal / h)  Do lượng nhiệt của dầu thô nhận bằng lượng nhiệt diesel cung cấp nên theo cân bằng nhiệt: Q(dầu thô)=Q(diesel)=1744470 kcal/h  Tại 25oc nhiệt dung riêng của dầu thô là: Cp=1793,39j /kgo=0,429 kcal/kgo Theo công thức : Q  CP .m.T => T  Q 1744470   116,18o c C p m 35000.0, 429  Nhiệt độ đầu ra của dầu thô là:t= 116,18-25=91,18oC 1.2 nhiệt độ và độ nhớt :  hiệu số nhiệt độ trung bình: diesel 280o → 150o dầu thô 91,18o← 25 o 188,8o t  125o 188,8  125  154,9o c  155o c 188,8 2, 3lg 125 Page 5 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học  Độ nhớt trung bình của dầu thô được tính : Nhiệt độ trung bình dầu thô là: (25+91,18)/2=58,09oc Theo đồ thị ta có độ nhớt động học dầu thô là: ν = 2,1(cst)=2,8.10-6(m2/s) độ nhớt động lực học tương ứng là: µp=vp.ρp=2,8*10-6.860=2,408.10-3(N.s/m2)  Độ nhớt trung bình của diesel được tính : Nhiệt độ trung bình diesel là: (280+150)/2=215oc Theo đồ thị ta có độ nhớt động học diesel là: ν =0,22(cst)=0,22.10-6(m2/s) độ nhớt động lực học tương ứng là: µd=vd.ρd=2,2.10-7.640=1,408.10-4(N.s/m2) 2. phần tính toán riêng cho ống trong là ống tròn trơn: Đối với loại ống lồng ống quy định đường kính ống trong là 38-57mm, đường kính ống ngoài là 76-108 mm. nên ta chọn ống trong có kích thước 57х2 mm, ống ngoài 108х3mm được làm bằng thép X18H10T (có λ=16,3w/m0) 2.1 hệ số cấp nhiệt diesel: Hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức:  d  d Nud d 0,8 d 0.43 d Trong đó chuẩn số Nu được tính: Nud  0, 021.Re .Pr  Prd     Prw  0.25 Page 6 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học Vận tốc diesel được tính theo công thức: Wd  4.Gd 4.27000   5,3145  m / s  2  d  d 3,14.0, 0532.640.3600 Chuẩn số reynold được tính cho dầu diesel: Re  d .d . d 5, 3145.0, 053.640   1280303, 94  104 d 1, 408.104 Nên chế độ thuỷ động của diesel là chảy rối. Chuẩn số Pr của điesel tại nhiệt độ trung bình t=215oc Pr  3600.Cd . d 3600.0, 497.1, 408.10 4   3, 072 d 0, 082 Tại 215oc hệ số dẫn nhiệt điesel được ngoại suy là ‫=ג‬0,082 [kcal/m.h.độ] Thay vào công thức tính chuẩn số Nu ta có : 0,8 d 0,43 d Nud  0, 021.Re .Pr  Prd     Prw  0,25  Pr   2616,14  d   Prw  0,25 Vậy hệ số cấp nhiệt của diesel là :  Pr   0, 083  d  d Nud  .2616,14  d  d 0, 053  Prw  0,25  Pr   4097  d   Prw  0,25 2.2 hệ số cấp nhiệt dầu thô là: Nhiệt độ trung bình dầu thô là :58,09oc , nhiệt dung riêng dầu thô là Cp=0,404 [kcal/m.h.độ] Vận tốc dầu thô được tính theo công thức: Wp  4.G p 2 d p  4.35000  2, 013  m / s  3,14.(0.102  0, 057 2 ).860.3600 2 Chuẩn số reynold được tính cho dầu thô: Re   p .d . d 2, 013.(0,102  0, 057).860   32351, 78  104 3 d 2, 408.10 Page 7 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học Chế độ thuỷ động của dầu thô là chảy rối. Chuẩn số Pr của dầu thô tại nhiệt độ trung bình t=58,09oc có hệ số dẫn nhiệt ‫=ג‬ 0,12[kcal/m.h.độ] Pr  3600.C p . p p 3600.0, 404.2, 408.10 3   29,185 0,12 Chuẩn số Nu của dầu thô được tính: 0,8 p Nu p  0, 021.Re .Pr 0,43 p  Prp     Prw '  0,25  Prp   363, 2    Prw '  0,25 Hệ số cấp nhiệt phía dầu thô là: d=0,102-0,057=0,045 (m)   Prp  0,12  d  p Nu p  .363, 2   d 0, 045  Prw '  0,25  Prp   968, 5    Prw '  2.3 hệ số truyền nhiệt K khi bỏ qua Ta có 0,25  Prd     Prw  0, 25 d 2 57   2 nên có thể coi như truyền nhiệt qua tường phẳng. d1 53 Trở lực qua tường là:  r  r1  r2   2.103 2  1,16.103  1,16.103   2, 4427.103 [m .h.độ/kcal]  16,3  Pr  Khi bỏ qua  d   Prw  0,25  Prp     Prw '  0,25 1 Hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức: K 1 1   268,87( Kcal / m 2 .h.do) 1 1 1 1  r   2, 4427.103  d  p 4097 968, 5 Nhiệt tải riêng : Page 8 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học Q=K.Δt=268,87.155 =41674,85 [kcal/m2.h] 2.4 hệ số truyền nhiệt khi chú ý đến  Prd     Prw  0, 25 Giả thiết hiệt độ thành của dầu diesel là:203,8oc Tại đó độ nhớt động học µ=0,258.10-6N.m2/s, hệ số dẫn nhiệt ‫ =ג‬0,084 kcal/m2.h.độ . Chuẩn số Prw được tính 3600.Cd . d 3600.0, 497.0, 258.10 6.640 Pr    3,517 d 0, 084  Pr     Prw  0.25  0, 9668 Hệ số cấp nhiệt của dầu diesel là:   0,968.4097  3961, 063 [kcal/m2.h.độ] Nhiệt cung cấp phía dầu điesel là: Qd= α.(td-tt)=3961,063.(215-203,8)=44363,91 [kcal/m2.h] Nhiệt độ tường phía dầu thô là: twp=tt-Qd.Σr=203,8-44363,91.2,4427.103 =95,43228oC Chuẩn số Prwp phía dầu thô là: Prwp   Pr p     Prwp  0,25  29.185     15,1578  3600.Cwp . wp wp  3600.0, 404.(1, 43.10 6.860)  15,158 0,118 0,25  1,178 Hệ số cấp nhiệt của dầu thô:α=968,5.1,178=1140,855 [kcal/m2.h.độ] Nhiệt cấp phía thành ống phía dầu thô Qw=α(twp-tp)=1375,258.(95,43-58,09)=42602,13[kcal/m2.h] Sai số ε=(44363,91-42602,13)/44363,91.100 %=1,986%<5% Page 9 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học Nên chấp nhận được. khi đó Qtb=(44363,91+42602,13)/2=43483,02[kcal/m2.h] Sai số dòng nhiệt   1   p (twp  t p ) 1140,85  95, 43  58, 09   1  0, 03977  3,977%  d (td  twd ) 3961, 063(215  203,8) Vậy αd ,αp được lấy như trên.khi đó K 1 1 1  r  d p  1 1 1  2, 4427.103  3961, 063 1140,855  280( Kcal / m 2 .h.do) Diện tích trao đổi nhiệt F Q 1744470   40,118m 2 Qtb 43483, 02 Số modul : N  F 40,118   80, 4  81 ống  d1l 3,14.0, 053.3 Hiệu suất trao đổi nhiệt:   tmax 280  150   0,51  51% td  t p 250  25 1. tính toán riêng cho ống trong là ống tròn mặt ngoài có gân dọc: Page 10 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học Chọn kích thước ống 57х2 và 108х3 ống có gân h= 12,7 mm ; w=0,082mm, bước gân wr=4,02mm độ dày gân w=0,82 mm; Số gân trên bề mặt ống tỏng là: n   .d 2 3,14.57   37 w  r 0,82  4, 02 3.1Hệ số cấp nhiệt của dầu diesel chảy trong ống không thay đổi tính như 2.1  Pr   0, 083  d  d Nud  .2616,14  d  d 0, 053  Prw  0,25  Pr   4097  d   Prw  0,25 3.2 hệ số cấp nhiệt của dầu thô:  Diện tích dòng chảy dầu thô ngoài ống là : S  .( D 2  d 2 )  n.(h.  r ) 4 S  2 .(0,1022  0, 057 2 )  37.(12, 7.0,82.10 6  4,02.0,82.106 )  5,1.103 m 4  Vận tốc dầu thô được tính theo công thức: p  Gp 3600.S . p  35000  2, 217( m / s ) 3600.5,1.10 3.860 Chu vi thấm ướt : Page 11 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học C   D   d 2  2n(h   )  nr  n  1,56m Đường kính tương đương được tính: dtd  4 S 5,1.103  4.  0, 0131[m] C 1,56  Chuẩn số Reynold tính ở 58,09oC là: Re p   p .d td . p 2, 217.0, 0131.860   10372, 4  104 3 p 2, 408.10 Chế độ thuỷ động là chảy rối.  Chuẩn số Pr của dầu thô được tính như sau; Pr  3600.C p . p p 3600.0, 404.2, 408.10 3   29,185 0,12 Với λ=0,12(kcal/m.h.độ)  Chuẩn số Nu được tính theo : Nu p  0, 021.Re 0,25 p .Pr 0,43 p  Prp     Prw '  0,25  Prp   146, 2    Prw '  0,25 Hệ số cấp nhiệt của dầu thô:   Prp  0,12  d  p Nu p  .146, 2   d 0, 0131  Prw '  0,25  Prp   1339, 24    Prw '  Trở lực tường và cặn bẩn:  r  r1  r2  0,25  2,82.103  1,16.10 3  1,16.103   2, 49.103  16,3 [m2.h.đô/kcal] r1 là trở lực tường bên diesel r2 là trở lực phía tường bên dầu thô Page 12 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học δ là bề dày ống λ là độ dẫn nhiệt vật liệu chế tạo ống 3.3 tính hệ số truyền nhiệt và nhiệt tải riêng khi bỏ qua Ta có  Prd     Prw  0 , 25 d 2 57   2 nên có thể coi như truyền nhiệt qua tường phẳng. d1 53  Pr  Khi bỏ qua  d   Prw  0,25  Prp     Prw '  0,25 1 Hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức: K 1 1 1  r  d p  1 1 1  2, 49.103  4097 1339, 24  287,3( Kcal / m 2 .h.do) Nhiệt tải riêng : Q=K.Δt=287,3.155=44531,5 [kcal/m2.h] 3.4 tính hệ số truyền nhiệt và nhiệt tải riêng khi tính đến  Prd     Prw  0 , 25 Giả thiết hiệt độ thành của dầu diesel là:203,2oc Tại đó độ nhớt động học µ=0,258.10-6N.m2/s, hệ số dẫn nhiệt ‫ =ג‬0,084 kcal/m2.h.độ . Chuẩn số Prw được tính Pr  3600.Cd . d 3600.0, 497.0, 258.10 6.640   3,517 d 0, 084  Pr     Prw  0.25  0, 9668 Hệ số cấp nhiệt của dầu diesel là:   0,968.4097  3961, 063 [kcal/m2.h.độ] Page 13 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học Nhiệt cung cấp phía dầu điesel là: Qd= α.(td-tt)=3961,063.(215-203,2)=46740,55 [kcal/m2.h] Nhiệt độ tường phía dầu thô là: twp=tt-Qd.Σr=203,2-46740,55.2,49.10-3=86,81oC Chuẩn số Prwp phía dầu thô là: Prwp   Pr p   Prwp    0,25  29.185     16,96  3600.Cwp . wp wp 3600.0, 404.(1, 6.10 6.860)   16,96 0,118 0,25  1,1145 Hệ số cấp nhiệt của dầu thô:α=1339,24.1,1145=1533,887 [kcal/m2.h.độ] Nhiệt cấp phía thành ống phía dầu thô Qw=α(twp-tp)=1533,887.(88,81-58,09)=44062,49[kcal/m2.h] Sai số ε=(46740,55-44062,49)/46740,55.100 %=2,865%<5% Nên chấp nhận được. khi đó Qtb=(46740,55+44062,49)/2=45401,52[kcal/m2.h] Sai số dòng nhiệt   1   p (t wp  t p ) 1533,887  86,81  58, 09   1  0, 0575  5, 75%  10%  d (td  twd ) 3961, 063(215  203, 2) Vậy αd ,αp được lấy như trên.khi đó K 1 1 1  r  d p  1 1 1  2, 49.10 3  3961, 063 1533,887  295( Kcal / m 2 .h.do) Diện tích trao đổi nhiệt F Q 1744470   38, 423m 2 Qtb 45401,52 Số modul : N  F 38, 423   76,959  77 ống  d1l 3,14.0, 053.3 Page 14 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học Hiệu suất trao đổi nhiệt:   tmax 280  150   0,51  51% . td  t p 250  25 Page 15 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học II.Tính toán thiết bị truyền chất Giới thiệu chung: Chưng là một trong các phương pháp tách các cấu tử trong công nghiệp. nó dựa trên nguyên tắc độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp khác nhau. Tháp chưng luyện gồm có hai phần phần từ đĩa tiếp liệu đi lên gọi là đoạn luyện ,còn phần từ đĩa tiếp liệu đi xuống gọi là đoạn chưng. Nguyên lý hoạt động của tháp là lỏng đi từ trên xuống và hơi đi từ dưới lên. Hơi bốc từ dưới lên qua lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏngcảu đĩa trên, ngưng tụ một phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng nên nồng độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tăng.cấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi, nên nồng độ của nó tăng nhiệt đô sôi của dung dịch giảm. theo chiều cao tháp nồng độ của cấu tử dễ bay hơi tăng dần cả trong pha lỏng và pha hơi, nhiệt độ giảm dần. Page 16 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học Yêu cầu và mục tiêu cần đạt: Tính toán các thông số cơ bản của thiết bị (tháp) chuyển khối làm việc ở áp suất khí quyển (760mmHg) để chưng luyện hỗn hợp hai cấu tử, đảm bảo các yêu cầu về năng suất tính theo hỗn hợp đầu và thành phần nguyên liệu đỉnh và đáy.Các yêu cầu cụ thể như sau: 1. Xác định nồng độ phần mol và lưu lượng(kmol/h) của nguyên liệu, sản phầm đỉnh và sản phẩm đáy. 2. Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y. 3. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, đường làm việc và số đĩa lý thuyết của tháp. 4. Xác định đường kính, số đĩa thực tế và chiều cao cơ bản của tháp. 5. Xác định nhiệt độ đỉnh, đáy và trí đĩa tiếp liệu ứng với trường hợp nguyên liệu vào tháp ở nhiệt độ sôi. Tháp đĩa dùng để chưng cất hai cấu tử axeton và etanol với nong độ phần khối lượng của nguyên liệu là aF=0,28 , nồng độ sản phẩm đỉnh là ap=0,985, nồng độ sản phẩm đáy là aw=0,02, với lưu lượng đầu vào 4000 kg/h 1.xác định nồng độ phần mold lưu lượng nguyên liệu sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh .1.1 nguyên liệu: Gọi phần mold cấu tử dễ bay hơi hơn (axeton) trong nguyên liệu là xF theo bài ra ta có: 58.xF  0, 28 từ đó ta có xF=0,2357=23,57% 58.xF  (1  xF ).46 Lưu lượng mol đầu vào: F 4000.0, 28 4000.0, 72   81,92( kmol / h) 58 46 Page 17 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học .1.2 sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy: Gọi nồng độ phần mol pha lỏng của axeton ở đỉnh và đáy lần lượt là xP ,xW Khi đó được tính theo công thức: 58.xP  0,985 từ đó ta tính được xp=0,9812=98,12% 58.xP  (1  xP ).46 Sản phẩm đáy: 58.xw  0, 02 từ đó ta có xw=0,0159=1,59% 58.xw  (1  xw ).46 Để tính lưu lượng ta có hệ: Cân bằng vật liệu: W+P=81,92 (1) Cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi: 0,0159W+0,9812P=81,92.0,2357 (2) Từ (1) và (2) ta có W=63,27 Kmol/h và P =18,65 kmol/h 2.Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y Số liệu: x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 11,2 23,04 39,8 50,9 59,3 66 73,1 79,5 86 92,4 100 t 78,3 75,4 73 69 65,9 63,6 61,8 60,4 59,1 58 57 56,1 Đường cân bằng trên đồ thị x- được vẽ: Page 18 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học 100 90 80 nồng độ pha hơi (y) 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 nồng độ pha lỏng (x) Page 19 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án môn học Đồ thị đường hoá hơi và đường ngưng tụ được vẽ: 100 90 80 70 nhiệt độ 60 50 ngưng tụ bay hơi 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 nồng độ 3, chỉ số hồi lưu, đường làm việc và số đĩa lý thuyết của tháp: 3.1 Để tìm chỉ số hồi lưu nhỏ nhất ta xác định từ phương trình: y p  yF* Rmin 0, 9812  0, 45    0, 7124 từ đó ta có :Rmin=2,47826 Rmin  1 x p  xF 0,9812  0, 2357 Để tìm độ bay hơi tương đối: tính theo công thức:α=Pbh axeton/ Pbh etanol Page 20 Sv: Hà Minh Tiến