TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
NGANH QUA TRINH - THIET BI TRONG CONG NGHE HOA HOC
DO AN MON HOC
TINH TOAN THIET KE HE THONG CHUNG LUYEN HON HOP HAI CAU TU CS, - CCl,
Người thiết kế: Đậu Văn Viên Lớp: Hóa dầu - QN
Lớp: K48
Người hướng dẫn: Nguyên Hữu Tùng
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ;
BO MON QT - TB CONG NGHE HOA THUC PHAM NHIEM VU
THIET KE MON HOC
Ho va tén: Dau Van Vién
Lớp: Hóa dau — K48 QN
Nhom 2
L Đầu đề thiết kế
Thiết kế và tính toán hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất thường dé tách hôn hợp hai câu tử CS — CCH,
Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi Lọai tháp:
II Các số liệu ban đầu
- _ Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: - _ Nông độ tính theo cấu tử dễ bay hơi: + Hỗn hợp đầu(ap): + Sản phẩm đỉnh(a,): + Sản phẩm đáy(ay): II Yêu cầu thiết kế 1 Phần mở đầu 2 Vẽ thuyết minh dây chuyển sản xuất 3 Tính toán thiết bị chính:
a Tinh can bang vat liệu toàn thiết bị
b Tín đường kính và chiều cao tháp
c Tính trở lực d Tính toán cơ khí
Trang 35 Kết luận 6 Tài liệu tham khảo IV Các bản vẽ và đồ thị Bản vẽ dây chuyền sản xuất: A¿ Bản vẽ thiết bị chính: A;
V Cán bộ hướng dẫn: Nguyễn Hữu Tùng
VI Ngày giao nhiệm vụ thiết kế:
Trang 4Loi mé dau
Trong lịch sử loài người việc chưng tách các câu tử được ứng dụng từ rất sớm để tách các loại tỉnh dau, khi axit sunfuric, axit nitric và đặc biệt là từ khi rượu được khám phá thì chưng cất trở thành phương pháp hết sức quan trọng Ngày nay chưng cất phát triển rất mạnh được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sông Đặc biệt đối với nhiều ngành trong công nghệ hóa chất thì chưng cất là một khâu quan trọng không thẻ thiếu
Đối với nhiều quá trình công nghệ yêu cầu tách hỗn hợp các chất với nồng độ cao, năng suất lớn do đó người ta sử dụng phương pháp chưng luyện liên tục
Chưng luyện là phương pháp dùng nhiệt dé tách hỗn hợp các cầu tử có nhiệt độ sôi
khác nhau có hồi lưu trở lại một lượng sản ở sản phẩm đỉnh Do đó chỉ số hồi lưu là thông số quan trọng nhất quyết định tính kinh tế và kĩ thuật của quá trình chưng luyện
Đồ án này tính toán và thiết kế tháp chưng luyện liên tục ở áp suất khí quyên
hỗn hợp hợp gồm hai cấu tử CS; —- CCl¿ Thông thường người ta điều chế CCI¿ bằng
cách clo hóa CS; nên việc chưng tách hỗn hợp này là rất quan trọng và có ý nghĩa
lớn trong thực tế Đây là hỗn hợp hai cấu tử ở dạng lỏng tan lẫn vào nhau có nhiệt độ sôi cách xa nhau CS; có nhiệt độ sôi là 42,2”C, rất độc nên dùng làm thuốc trừ sâu trong nông nghiệp, là dung môi rất tốt cho nhiều chất như brom, iot, lưu huỳnh, photpho, chất béo, sáp, nhựa, cao su v.v Trên thực tế CS; thường dùng được làm dung môi và chất chiết Phần lớn lượng CS; được sản xuất là để dùng vào công nghiệp sợi CCl¿ có nhiệt độ sôi là 77°C thường được dùng để làm dung môi không cháy đối với các chất béo và dùng để dập tắt lửa
Đồ án tính toán, thiết kế này nhằm giúp thành thạo và ngày càng hoàn thiện hơn
các kỹ năng tính toán, khả năng tra cứu tài liệu Đồng thời giúp hiệu sâu sắc hơn về
Trang 5Chú thích: 1 Thùng chứa hỗn hợp đầu Bơm Thùng cao vị Thiết bị ng chùm để gia nhiệt hỗn hợp đầu Tháp chưng luyện Thiết bị ống chùm ngưng tụ sản phẩm đỉnh Thiết bị phân chia đòng hồi lưu Thiết bị ống chùm làm lạnh sản phẩm đỉnh Thiết bị đun bốc hơi đáy tháp 10 Thùng chứa sản phẩm đỉnh oO NAAR WH 11 Cửa tháo nước ngưng 12 Thùng chứa sản phẩm đáy Nguyên lí hoạt động
Hỗn hợp CS; và CC1¿ từ thùng chứa ban đầu (1) được bơm lên thùng cao vị bằng bơm (2) Chất lỏng trên thùng cao vi nếu vượt quá mức quy định thì sẽ được cho chảy trở lại thùng chứa (1) đầy thùng chứa Hỗn hợp CS; - CCl, tir thing cao
vị sẽ đi qua thiết gia nhiệt hỗn hợp đầu Ở đây hỗn hợp đầu được đun nóng đến
nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa sau đó đi và tháp chưng luyện (5) tai dia tiép liệu Trong tháp chưng luyện hơi đi từ dưới lên và lòng đi từ trên xuống quá trình chuyển khối xảy ra trong các lớp đệm của thiết bi Theo chiều cao tháp thì càng lên cao nhiệt độ càng giảm do đó CC, có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ ngưng tụ lại thành lỏng đi xuống phía đáy tháp đồng thời nhiệt tỏa ra khi ngưng tụ sẽ giúp làm bay hơi
CS; Do đó hơi đi lên từ đáy tháp chứa chủ yếu là CS; và ở đáy tháp là hỗn hợp giàu
Trang 6Phần III TÍNH TỐN KĨ THUẬT VÀ THIẾT BỊ CHÍNH I.Đỗi nơng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol
Ta có nông độ mol của cấu tử dễ bay hơi: Ga x= — #¿ — phần mol [II — 126] Ga, 0g M, Mỹ Nông đô mol của CS; trong hỗn hợp đầu Gr 0.22 M cs 716 x = 2 = =V, ha 1: Xn ar, ay 022 1-022 0.36 phan mol; Mes, Mca, 76 154 Nông độ mol của CS; trong hỗn hợp sản phẩm đỉnh: Gp 0.97 Me 16 x = 2 = = 0.98 phan mol; “ea, 1-4, 097 1-097 P Mes, Mca, 76 154 Nông độ mol của CS; trong hỗn hợp sản phẩm đáy: a, 0.005 Mẹ 16 ` - "a, 1-4, 0005, 1-0005 "- = 0.01 phần pap me mol Mis Meg, 76 154 I/ Biểu diễn đường cân bằng pha Hình IIL2.1
HI Giải cân bằng vật liệu
IIT.1 Tinh theo phan khéi lwong (kg/s)
Trang 7Œz.xy =Œp.x, +Ớy Xự- [H-144] W=G,-2 “5 [II - 144] Xp — Xyw = 5,2 0:78-0:22 _ 404 kg/s 0,98 — 0,005 G,=-— M, M,: Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu, kg/mol Mp = Xp M cs, + q - Xp) M cụ, = 0,36.76 + (1— 0,36a).154 = 125,92 kg/mol G,- 2 = 2 =0,0413 kmol/s M, 12592 G,, = 0,0413, 228-96 _ 0026 kmol⁄s 0,98 — 0,005 Gp =G; +Gy = 0,041 -—0,026 = 0,015 kmol/s IV.Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu và chỉ số hồi lưu thích hợp IV.1 Tính chỉ số hồi lưu toi thiếu
Chỉ số hôi lưu tối thiểu được xác định theo công thức:
LÊ —- [II-158]
Yr Xe
y,: Phan mol cau tir dé bay hoi 6 trang thái cân bằng, phần mol
Xp, Xp: Phan mol ctia cau tir dé bay hơi ở hỗn hợp đầu và sản phẩm đỉnh Từ số liệu thành phần cân bằng lỏng-hơi của bảng L.X.2a[2-145] ta vẽ được đồ thị đường cân băng như hình IV.1 và từ đô thị ta xác định được y;„ = 0,61
— 0,98-0,61 mm 061-0,36
IV.2.Xác định chỉ số hôi lưu thích hợp
Tính chỉ số hồi lưu thích hợp ( R„„) dựa vào hệ số hồi lưu ( hệ số hiệu chỉnh): = 1,48 R h = II - 158 B R [ ]
Thông thường Ø có giá trị từ l- 2,5
Chỉ số hồi lưu thích hợp ứng với giá trị cực tiêu trên đường cong biểu quan hệ giữa N„(R+1) và R Trong đó: N„: Sô đĩa lí thuyêt,
R: Chỉ số hồi lưu
Bằng phương pháp đồ thị ta xác định được số bậc thay đổi nồng độ (N) khác nhau tương Ứng với các giá trị 8 khác nhau theo đô thị từ hình IV.2.1 - IV.2.6
Trang 8Kết quả được tông hợp đưới bảng sau: 8 1,2 1,3 1,4 1,5 1,8 2,0 R, 1,77 | 1,92 2,07 2,22 | 2,67 | 2,96 B 35,5 | 33/7 32 306 | 266 | 248 Nụ 21 19,5 18 17 15 14 N,(R+1) | 58,17 | 56,94 | 55,26 | 54/74 | 55,00 | 56,44
Từ bảng số liệu trên ta xây dựng được đồ thị quan hệ giữa N„(R +1) và R như hình IV.2.7 Điểm cực tiểu trên đồ thị ứng với giá trị chỉ số hồi lưu R„= 2.4
Đồ thị IV.2.8 biểu điễn quan hệ y — x, đường làm việc đoạn chưng, đoạn luyện
và số bậc thay đổi nồng độ ứng với R„= 2,4 và N„ = 16,Nj¿=9,N£ =7
IY.3 Phương trình dường làm việc của dụan chưng và đoạn luyện * Phương trình đường làm việc đoạn luyện Ry 1 x + Xp [H-15§] R„ +1 R„ +1 => Y =0,7/x + 0,29 x, * Phuong trinh lam viéc doan chung y= Rt, , bs, R+1 R+1 [11-158] - # - >2 =448 P— 116 => Y = 2,02x —1,02x, V Tính đường kính thiết bị Đường kính thiết bị được tính theo công thức sau: 4V D= ———.-m [I-181] 7.3600 a tb Hay 1a: D = 0,0188 |2“— , m (pyØ,) Trong đó: D: Đường kính tháp
Trang 9(8,05) :Tốc độ hơi (khí) trung bình di trong thap, kg/m’s
V.1 Tính lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện và đoạn chưng của tháp Công thức tính lượng dòng lỏng: Gl = PRL, kg/s [II - 117] M, Gi = PR, kg/s [II - 118] M, Va cho dong hoi: G! = PR +1), ke/s [II - 118] M, M Gi = PR 41) “=, ke/s [II - 118] M, Trong đó:
G, G,: Luong dòng lỏng và dòng hơi trong đoạn luyện, kg/s;
G,, Œ;: Lượng dong lỏng và dòng hơi trong đoạn chưng, kg/s; M, Khối lượng mol của sản phẩm đỉnh, kg/kmol;
M,,M ,: Khối lượng mol trung bình của lỏng trong đoạn luyện và đoạn chưng của tháp, kg/mol
Ta có:
M,= Mẹ, x„ + M u„ (1— x„) (III — 118] M, = Mos, -X_ + Mca, d- Xp) [II — 118]
Trang 10M, 139,57 Go = P(R+1 y (R+1) = 1,16(2,4+1) 76 = 7,24 kg/s P V.2 Vận tốc hơi di trong tháp Vận tốc hơi đi trong tháp được tính theo công thức sau: wo o 0,16 G 0,25 p 0,125 Ig| | “2 aP» [2] =-0,125—1,75| — (| [II-187] 8-Vu:Ðy„ Ñ tu G y Px Trong do: œ,: Vận tốc sặc, m/s; Ơg: Bà mặt riêng của đệm, m'/mẺ: V4: Thể tích tự do của đệm, m/mỶ; ø: Gia tốc trọng trường, m/s”;
Є›Ðy : Khối lượng riêng của pha lỏng và pha hơi, kg/mỷ;
a„ u„: Độ nhớt của pha lỏng và độ nhớt của nước ở 20°C, N.s/m”; G,, Gy: Luong long và lượng hơi trung bình, kg/s
V.2.]1 Nhiệt độ trung bình của đoạn luyện và đoạn chưng
Từ số liệu trong bang I.X.2a[2-145] ta xây dựng được đồ thị quan hệ t-x,y như
hình V.21 Qua đồ thị ta xác định được: t„ = 76,08°C, tp = 60,29°C, tp= 46,62°C.Ta có: ¡ _Íz +†p — 60/29+46,62 L = 53,45°C 2 2 I = ty +t, _ 60,29+ 76,08 _ 68,18°C 2 V.2.2 Khối lượng riêng của pha hơi và pha lỏng trong tháp * Pha lỏng Dựa vào số liệu quan hệ ø - t trong bảng I.2[I-9] và bằng phương pháp nội suy trên đồ thị V.2.2 ta xác định được: Pls, =1211kg/m* Pec, = 1530 kg/m" pis, =1186kg/m* Pea, = 1498 kg/m” Trong do:
Pres, : Khối lượng riêng của CS; lở đoạn luyện; Øcạ, : Khối lượng riêng của CCl¿ ở đoạn luyện;
ĐQs, : Khối lượng riêng của CC; ở đoạn chung;
Trang 11Pect, ' Khối lượng riêng của CCL¿ ở đoạn chưng
Khối lượng riêng của hỗn hợp CS,- CCl, 6 đoạn luyện và đoạn chưng được xác
định theo công thức sau: 1 _ x 1 4 x 2 i od l Px Pos, Pcci, 1 as x, x, c ~ c c P, Pcs, Pca, Với:
XỊ X2: Nong độ phần khối lượng của C5; và CCl¿ ở đoạn luyện;
Trang 12Hs, 0.234.107 Ns/m”: 0,543.10 Ns/m c Kea, Trong do:
Mcs, : DO nhét cua CS, ở đoạn luyện, N.sm7 Hee, ' Độ nhớt của CCl¿ ở đoạn luyên, N.s/m7
#cs, : Độ nhớt của CS; ở đoạn chưng, N.s/m?
Mic, 1 DO nhét cua CCl, 6 đoạn chưng, N.s/m” Độ nhớt của hỗn hợp lỏng được xác định như sau:
Ig uw, = x„lg uy + (Ì— x„)ÌE Hee, - Đoạn luyện: lgu,= xplg dị + (1-x,lg = 0,67.1g0,263.10° + (1- 0,67).Ig0,63.107 = -3,45 => / =0,350.10” N.s/m” - Đoạn chưng: Igui = xz.lg% + (1x5) Ig ui, = 0,181g0,234.10° + (1 - 0,18)1g0,543.107 = -3,33 => uo = 0,465.10° N.s/n’
V.2.4 Chon loai đệm(Thể tích tự do va bé mat riêng của đệm)
Trang 13(o:Ÿø ø° c`0/16 G: 0,25 0 0,125 lg ee =- 0,125- 1,75) =| | 2 8VÐ, Hạ G, Ð, cÀ 135.4,98 107 0,16 0,25 : 0,125 : kiến (sass 10 | = -0125— 175 (2) (228) 9,81.0,78°.1455 10° 7,24 1455 Ig0,088 (ø:Ÿ = - 0,91 œ = ]1,lSm/s Vận tốc làm việc thường bang (0,7 = 0,8) @ øœ, =0,75.1,1,32 = 0,99m/s; o, = 0,75.1,18 = 0,86m/s Vay ta co: D, = 0,0188 [27830 11738 _ 1 34m: D, = 0,0188, 2243600 0,99.4,98 —1 14m Quy chuẩn đường kính ta có: D, = 1,4m; Chon œ=0,75.œ, ta có: Ay D_ = 1,4m Tính lại vận tốc phun ta có: œ, = 0,91m/s x0,70% ø,; œ, =0,94m/s x 0,80%ø,
Như vậy tốc độ phun hơi nằm trong khoảng (0,8 + 0,9)øœ nên ta chọn đường kính của thiết bị D,= D, =1,4m là chấp nhận được
VI Tính chiều cao tháp chưng luyện
Đối với tháp chưng luyện loại đệm chiều cao tháp thường được tính theo số đơn
vị chuyên khôi:
H, =h,,.m ! y>M;
Hay:
H, =h,,.m, ,™ [II-175]
hay: chiéu cao ca 1 don vi chuyén khối, m;
m,, My: Số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha lỏng và pha
hơi
VI.] Xác định số đơn vị chuyển khối
Trang 1432 m,= | ay , [1-176] Bởi Xe} Trong đó:
y„ : Thành phần mol của pha hơi;
y: Thành phần làm việc của pha hơi
- Phương pháp xác định:
Cho nhiều giá trị của x, theo đồ thị đường cân bằng và đường làm việc ở R„ xác
định được các giá trị của y„ và y Tính được giá trị , xây dựng đồ thị quan
Y„p —Ỳ
hệ giữa và y (hình V,1) Giá trị m chính là diện tích giới hạn bởi đường X„p ~ y
Trang 15Yay Hinh VI.1 Quan hệ giữa Y„p — Từ đồ thị hình VI.1 ta xác định được: + Số đơn vị chuyên khối đoạn luyện: 3p m = (© = 8,18 y Ya —y + Số đơn vị chuyên khối đoạn chưng: yy ms=|—“ —= 6,48 w Jcb —}
VI.2 Xác định chiều cao của 1 đơn vi chuyén khé
Chiều cao của 1 đơn vị chuyên khối được xác định như sau:
mG
h, =h, + hn [H-177]
x
Trong do:
h,: Chiều cao cua 1 don vi churyén khối đối với pha hơi, m;
h,: Chiều cao của 1 đơn vị chuyền khối đối với pha lỏng, m;
Ớ, : Lưu lượng pha hoi, kg/s;
G,: Luu lugng pha long, kg/s;
m : Giá trị tg của góc nghiêng đường cân bằng tạo với mặt phẳng ngang;
Va
h, = —4—Re}” Pre’, m; [H-177]
ayo,
Trang 162/3 3 Re?,Pr"',m; [I-177] h, = | Ð, Với: a: Hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, đối với đệm vòng a = 0,123; V4 : Thê tích tự do của đệm, m”/m; Ơg: Bé mat riêng của đệm, mỶ/mỶ; ự : Hệ số thấm ướt của đệm;
ø„: Khối lượng riêng của lỏng, kg/m? u,,: D6 nhét cia pha long, Ns/m7;
Re,, Rey: Chuẩn số Reynon của pha lỏng và pha hơi; Pr,, Pry: Chuẩn số Pran của pha lỏng và pha hơi;
VI2.1 Xác định giả trị m
Đề xác định giá trị hệ số phân bố m ta chia đường cân bằng ra làm nhiều đoạn
va tim giá trị tg góc nghiêng của những đoạn đã chia, khi đó m được xác định theo công thức: mẶ= HT THỊ [1-168] í Trong đó: m,,m,,m,: Gia tri tg góc nghiêng tương ứng với những đoạn khác nhau trên đường cân bằng:
i: S6 doan duoc chia (i = 3 — 6)
Trang 17Hệ số thâm ướt phụ thuộc vào tỉ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp Mật độ tưới thực tế: V U,=—, m*/m*h; F, Mật độ tưới thích hợp: U„, =B.ơ, , m nh;
: Diện tích mặt cắt ngang của tháp; m7;
B: Hắng số, đối với chưng luyện lấy giá trị 8 = 0,065 V,: Lưu lượng thể tích chất lỏng, m”h; F U,, =B.o, = 0,065.135 = 8,77 m*/m’h 2 2 F = aа _ 314.14 _ 1s mổ 4 4 - Đoạn luyện: G! = 3,73.3600 = 13428kg/h 1 _% -134Š _1o16 m/h ‘pl 1322 l t— + = 106 — 660 mẺ/nÊh F 1,54 i ` U‡, 8,77 Dựa vào đồ thị hình IX.16[II-178] ta xác định được ự =0,75 - Đoạn chưng: Gy =5,11.3600 = 18396 kg/h ve = Ox _ 18396 _ 12,64m7/h * pf 1455 c= "+ =Ì^5“ —g21mˆ/m”h F, 1,54 US 8,77
Dựa vào đồ thị hình IX.16[I-178] ta xác định duoc y = 0,96
Trang 180,4p)øœ, `“ HO Với: p; =3,80kg/m” œ, =1,32m/s nu = 0,328.10 Ns/m* ơ, =135m mÏ 0,4:3,80 1,32 -4531 0,328.10””.135 - Chuẩn số Reynon pha lỏng: 0,04G; Fo, H, => Re L— Re, = VỚI: GŒ¿ =3,73 kg/s F, =1 54 mF u° =0,35.102Ns/m” o, =135 m?/m° 1 0,04.3,73 _ * — 1,54.0,35.107°.135 e Xac dinh chuan so Pran doan luyén => Re 2,05 - Chuan s6 Pran pha hoi: l u I Pry = Tri pyD, Trong đó: uj = 0,328.10 Ns/m’; p, =38 kg/m’; D;: Hệ số khuyếch tán pha hơi đoạn, m”/s; pị_ 00043.102/2 [ 1 = + 1 ,mfs 2
" (v2 tvs ) Mes, Mca, s, + Veci,
Trang 22on 0,046 = 1,00m c x , møG, hệ =h‡ +———hệ =116+117 G
VI.2.5 Chiêu cao toàn tháp
Chiều cao làm việc của đoạn luyện: H,= him, =8,18.1,19 =9,77m Chiều cao làm việc của đoạn chưng: H, = him‘ =6,48.1,002 =6,49m y Chiều cao đệm của tháp của tháp: H, =H,+H,= 9,77 + 6,49 = 16,26m
Chiều cao đệm đoạn luyện của tháp là 9,77 do đó:
“ = Tác = 6,08 > 5Š nên ta chia đoạn làm 2 ngăn.khoảng cách giữa hai ngăn là 0.9 m
Khoảng cách từ đỉnh tháp đến lớp đệm đoạn luyện là 0.9 m Khoảng cách từ đáy tháp đến lớp đệm đoạn chưng là 0.9m
khoảng cách giữa lớp đệm đoạn chưng và đoạn luyện là 1m
Vậy chiêu cao của tháp là: H =H,+H, +3.0.9+1=19.96m VHI Tính trở lực của tháp VIHI.I Trở lực đệm khô AP _,H Py _ 2 Ho, 0y toc đg 2 4 V` 2 [II - 189] Trong do: œ,: Vận tốc thực của khí trong lớp đệm: O, = oy m/s d
1: Hé s6 tro luc cha đệm(gồm trở lực ma sát và trở lực cục bộ);
O,: Tốc độ của khí tinh trên toàn bộ tiết diện tháp(vận tốc làm việc của khí
trong tháp);
O,: Bé mặt riêng của đệm, mm; V„: Thẻ tích tự do của đệm, mÌ/m
a/ Đi với đoạn luyện
Trang 234! I Re! = Oy Py 409138 _ 31938 Ø,.u, 135.0/328.10 [II - 189] VớI: o, =0,91m/s p, =3,8 kg/m? ut! = 0,328.10 “Ns/m? Re, > 40 nên sô trở lực của đệm được xác định theo cơng thức: A=_k®8 _—s0 (Re, PY Trở lực đệm khô của đoạn luyện là: | AH,o, ®,Py 5,07 135 0,917.38 AP, —_— 3 + = 9, h^ o3" 4 VỆ ` 2 4 0,78 Trở lực đối với 1m đệm khô là: ỉ AP, = AP; _ 5542,79 H, 9,77 b/ Đối với đoạn luyện = 5542,79 N/m? = 567,33 N/m” Chuẩn số Renon đoạn chưng: Re = 4.0,.P, , = 4.0,94.4,98 = = 397,43 Ø,.u} — 135.0,349.10 Với: a, =0,94 m/s p, =4,98 kg/m? us =0,439.10°Ns/m* Re‘, > 40 nên trở lực của đệm được xác định: 16 16 02 — a7 = 483 (Re;}” 69743” Trở lực đệm khô đoạn chưng là: A, = 2 2
ape = 4 HeFa PoP _ 483 6 yo 139 _ 9:94 498 _ 490497 Nim? 4 VỆ 2 4 0,78 2
Trở đối với 1m đệm đoạn chưng là: AP2 = 7 = 755,77 N/m?
c
VIIL2 Trở lực dêm ướt
Trở lực đệm ướt được xác định theo công thức sau:
Trang 24K: Hệ số đặc trưng cho mật độ tưới a/ Trở lực ướt đoạn luyện:
Thông số tưới đoạn luyện A : ri? 1 A, =34 lS 6 [II - 191] P,) Va 28 G‡: Mật độ tưới đoạn luyện, kg/m”s; / có =“— DPV, 1420/78 [II - 191] b': Hệ số, là hàm của Re: _ 4G, — 42.44 Re! ou 135.0,35.10 = — = 206,56 [H - 191] u‡ =0,35.102Ns/mF m ¬ _ 35 (Re! ye 206,56"? 2 A, =3al 244) 135.0352 _ 9077 1322) 0,78° '2.9,81 A, < 0,3 nén hé số K duoc xác định theo công thức sau: K= Ị = ! = 1,27 (-A,}` (1-0077 Vậy: Trở lực đệm ướt của đoạn luyện là: AP! =1,27 5542,79 = 7039,34 N/m? Trở lực đệm ướt đối với 1m đệm đoạn luyện là: l api, = Au _ 703934 _ 799 50 N/m? H, 9,77
Trang 26Phần IV: TÍNH TỐN CƠ KHÍ
Tính toán cơ khí là nhằm thiết kế được tháp chưng luyện phù hợp với các thông sô công nghệ của quá trình Vật liệu chê tạo được chọn cho thiệt kê toàn bộ tháp chưng là thép CT3 với các ưu điệm và nhược điêm sau:
© Uudiém:
- Rẻ tiền, dễ gia công chế tạo
- Phù hợp với điều kiện làm việc(hỗn hợp chưng là CS; - CCl) e© Nhược điểm:
- Là thép bị ăn mòn trong môi trường không khí â âm đặc biệt là khi tháp để ngoài
trời với nhiêu biến đổi của thời tiết và độ âm không khí
de khac phuc nhuge điểm này thì ta sơn bên ngoài bề mặt của các chỉ tiết và thiệt bị một lớp son chong gi
L, Tính thân hình trụ
Thân hình trụ là 1 bộ phận chủ yếu câu thành thiết bị hóa chất Tháp chưng hỗn hop CS, — CCl, dugc thiệt kê theo phương pháp hàn, làm việc trong điều kiện chịu áp 1.1 Tính chiều dày thân hình trụ làm việc với áp suất P được xác định theo công thức sau: D,.P “2løzp-P P +C,m [II-360] Trong do:
D,: Duong kinh trong cua thiét bi, m;
o: Hé s6 bén cua thanh hinh tru theo phuong doc, m;
C: Hằng số đo ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m P: Áp suất trong của thiết bị, N/m”;
[o]: Ung suat cho phép của vật liệu chế tạo, N/m’
Trang 27p,: Khối lượng riêng của lỏng, kg/m? I c 2, = Par Pe =1388 kg/m? > P = 1388.9,81.19.96= 2,72.10°N/m? P =1,03.10° + 2,72.10° = 3,75.10° N/m” - Hằng số C: C=C¡+C;+CŒ Trong đó:
C¡: Bồ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi
trường và thời gian làm việc của thiết bị, mm Chọn C¡ = 1mm
C¿: Bồ sung do ăn mòn(Nguyên liệu chứa các hạt rắn chuyển động)
Chon C, = 0
C: Bố sung do dung sai chiều dày phụ thuộc vào chiều dày của tâm thép
Theo bang XIII.9[II-364] ta chon C3; = 0,5mm
Vay: C=1+0+0,5=1,5 mm
- Ứng suất cho phép của thép CT:;
Do tháp làm việc chỊu tác dụng của tải trọng đọc trục nền ta có: + Ứng suất cho phép của vật liệu theo giới hạn bền:
lơ, ]= “En ny
ơ, : Giới hạn bền khi kéo, N/m”;
Theo bảng XII4[IH-309] ta có ơ,= 380.10” N/m”;
Trang 286 lo], _ 146.10" PT 37510 9 95 36087 Nim? > 50N/m2 Nên có thể bỏ qua P ở mẫu số Vay ta co: = 14.3,75.10"_ +1,5.10 7 =3,39.10”m 2.146.10°.0,95 = 3,39mm
Lay chiều dày của thân thiết bị là ý = 4mm
1.2 Kiểm tra ứng suất thử của thành theo áp suất thử(dùng nước):
Ấp suất thử được xác định như sau:
Po = Py +P,
P„: Áp suất thử thủy luc, N/m?
Theo bang XIIL.5[II-358] ta chon P, = 1,25 P = 1,25.3,75.10° = 4,69.10° N/m” P, = P, + P= 4,69.10° + 2,72.10° = 7,41.10°N/m” Ung suất thử được xác định: JÐ.+=OE, ; oO 0 < lộ = _ =200.105 N/m? {1400+ (4-15)] 9 1 105 = 218,79.10° > 200.10°N/m? 2(4—1,5).0,95 Chọn lại giá trị S = 5mm JI400+G- 19] 5 41 10° = 156,39.105< 200.10”N/m7 2(5 —1,5).0,95 Chiều dày của thân thiết bị là 5mm là phù hợp II Tính các đường kính dẫn Đường kính ống dẫn phụ thuộc vào lưu lượng dòng hơi hoặc đi trong tháp xác định theo công thức: 2 V.= mo 4 d= | Vs om 0,7850 [1-369] Trong do:
œ: Vận tốc thích hợp của khí(hơi) hoặc lỏng di trong thap, m/s;
Đối với chất lỏng tự chảy œ= 0,1 — 0,5m/s;
Hơi bão hòa đi trong ống dẫn khí áp suất lớn hơn lat ø= 15 — 20m/s;
Trang 29y= p
G : Lưu lượng tính theo kg/S;
o: Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng hoặc hơi đi trong ống, kg/mỶ II.1 Đường kính Ống dẫn hỗn hợp dầu d, — Vir , m 0,7850, Trong do: Gr , m°/s F Vor — F =5,2kg/S, Xp= 0,36phan mol; Nội suy bang 1.2[I - 9] ta c6: pps, =1199kg/m*, pea, > p„ =1385kg/mÏ Vi = >? 3.75107 1385 m/s =1516kg/mÏ Chon ø„ =0,2m/s Nên ta có: -3 d, = 3/310 = 0,158m =158mm 0,785.0,2
Quy chu4n theo bang PL.8[I - 343] ta có:
Duong kinh trong: 158mm
Trang 31f„ +t„ = 46,62”C, Nội suy từ bảng L.2[I - 9] ta có: Pcs, =1222kg/m"; Peo, = 1544kg/m* > p,, =1227kg/m° 2,78 | 7 Vor ~ 1997 = 2,27.10 m/s Nên ta có: -3 d pp = 2.27.10" = 0,123m = 123mm 0,785.0,2 Quy chuẩn theo bảng I.2[HI - 343] ta có: Đường kính trong: 123mm Đường kính ngoài: 133mm Bè dày của ống: 5mm II.5 Đường kính hồi lưu sản phẩm đáy 4.V dip — 0,785.0, we ? m, Trong đó: G V„„=—*=, m/s: Py G,, = G,.R, = 4,04.2,4 = 9,70kg/s _ Xces, Mes, + Xcc,M Cci = *T, = 1475kg/s Py 22A4T 0 £ = 0,02.76 + 0,98.154 ,_., = 5,32= kg/s 22,4.349.08 Vin = 7570 _182m3/s 5,32 O,p = 20m/s d,, =| 82_ = 0,34m = 340mm 0,785.20 Quy chuẩn theo bảng I.2[HI - 343] ta có: Đường kính trong: 340mm Đường kính ngoài: 37mm Bè dày của ống: 15,5mm II Tính đáy và nắp thiết bi
Ấp suất làm việc của thiết bị P = 3,82.10”N/mỂ > 7.10 N/mỸ nên ta chọn đáy và nap dang elip có gờ, chiêu cao của gờ A= 50mm
HI.1 Chiều dày đáy tháp
Trang 32D,.P D “38lc, kp Pm, °O°™ [II-385] Với: h,: Chiều cao phần lồi của đáy, chọn b,= 0,25 D,= 0,35m k : Hệ số không thứ nguyên k=1-& D
d,: Đường kính lớn nhất(hay kích thước lớn nhất của lỗ không phải hình
tròn) lỗ không tăng cứng của đáy d,= 0,137m 11 0137 = 0,90 P = 3,82.10°N/m” [ơ, |= 146.105N/m” ọ =0,95 Ta có: 6 lơ, |k.ø _ 146.10/.0,9.0,95 _ 326,78 > 30N/m? P 3,82.10° Nên có thể bỏ qua đai lượng P ở mẫu số 1,4.3,82.10° 1,4 = : +C =2,2510°+C,m 3,8.146.10°.0,9.0,95 2.0,35 Ta c6 S— C =2,25.10° - 1,5.10° = 0,75.10°m = 0,75mm < 10mm Do đó tăng thêm 2 đơn vị cho đại lượng C: C = 1,5.10° + 2.10% = 3,5.10°m = 3,5mm S =2,25.10° +3,5.10° = 5,75.10°m = 5,75mm
Chọn chiều dày của đáy S = 7mm
b/ Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thử thủy lực
_ [D7 +2.4,(S-O)]P) _ ø, _ 240.101 7,6.4.9h,(S—C) ` 1⁄2 < € 12 = 200.10° N/m?
_ |I400?+2.350(7-3,5)|7,57.10
7,6.0,90.0,95.350.(7 — 3,5)
Vậy chiều dày của đáy S = 7mm là thỏa mãn III.2 Chiều dày nắp tháp
=186,63.105< 200N/mZ
Trang 33D,.P D, = — 3,8.|ơ, Ìk.o— P` 2h, Trong đó: D,= 1,4m =1400mm lơ, |= 146.105 N/m” op =0,95 h, = 0,35m =350mm Œ,m P: Áp suất tác dụng lên nắp thiết bị, coi P là áp suất của hơi đi trong tháp P = 1,03.10°N/m” d, 0,259 k=—2 =" = 0,815 D, 14 Ta có: 6 lơ, |k.ø _ 146.10 0,815.0,95 _ 509,64> 30N/mÊ P 1,03.10 Nên có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số 1,4.1,03.10° 1,4 ~ 3,8.146.10°.0,815.0,95 2.035 0,67.10°+C,m |S —C| < 10mm nén ta tang thém 2 don vi cho hé số C: C= 1,5.10” + 2.107 = 3,5.10°m = 3,5mm S+C =0,67.10™ +3,5.10° =417.10°m = 4,17mm Chọn chiều dày của nắp là 5mm
b/ Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thử thủy lực 6 „-ÌD,+(š=Ư]#, : i ie 0 < lô - or = 200.105 P, = (1,03 +0,3).10° = 1,33.10°N/m? _ [14007 +2.3506 -3,5)|1,33.107 7,6.0,815.0,95.350(5 — 3,5) Vậy chiều dày của nắp § = 5mm là chấp nhận được IV.Tra bích
Thiết bị gồm có bích của thân thiết bị, bích đề nỗi thân với các bộ phận của thiết bị, bích để nỗi các ông ‹ dẫn thiết bị Tuy nhiên ở đây chỉ đề cập đến bích của thân
thiết bị vì nó là cần thiết nhất liên quan trực tiếp đến thân thiết bị còn các bích khác tùy thuộc vào đường kính ống dẫn ta sẽ chọn được bích phù hợp
= 84,43105< 200.10 ”N/m7
Trang 34
D = 1600mm D,= 1525mm D, = 1475mm Dạ= 1475mm h= 1419mm Chọn bulông với đ,:M30; số bulông: Z = 40 D Ds Bich để nối thiết bị V, Tính và chọn bệ đỡ
Với chiều cao tháp H, = 19,96m thì tháp phải đặt ngoài trời và không thể dùng
chân đỡ hoặc tai treo mà phải đặt lên bệ đỡ Ngoài các tải trọng tác động vào thiết bị
như trọng lượng tháp, áp suất môi trường bên trong thiết bị thì còn có tải trọng của
gió Nên việc xác định kích thước của các chỉ tiết như vỏ đỡ, vòng đỡ và bulong là
rất quan trọng đề tháp làm việc ôn định
V.1.Khối lượng của tháp khi làm việc Bao gồm:
- Khối lượng của thân thiết bị - Khối lượng của đệm
- Khối lượng của đáy và nắp - Khối lượng của bích
- Khối lượng của hơi và lỏng đi trong tháp V.1.1 Khối lượng của thân tháp
Khối lượng của thân tháp được tính:
Mr = Pcr3Vr> kg
0ø.;› : Khối lượng riêng của thép CT3 được chọn làm thành thiết bị, kg/m” Theo bảng XII7[I - 313] ta có: o„„„= 7,85.10” kg/m”
V, : Thê tích của tháp, m”
Trang 35V, =H, Sm S,: Dién tich mat cat ngang cua thanh thiết bị, m7 a Sy = qo d; =D, —D; D, =D, +28 =1,4+2.6.10° =1,42m S,= 20427 -1,4?)= 0,0265m? V„ =0,0265.20,46= 0,62m”
Khối lượng của thân tháp là: mm„= 0,54.7852 = 4257kg
V.1.2 Khối lượng của đệm
Khối lượng của đệm được xác định theo công thức: m„ = p,V„H, kg Theo bang IX.8[II - 193] ta cd: p, =135 m”/m; v= 0,78m°/m’; H ,=16,26m m, =135.0,78.16,26 =1712kg IV.1.3 Khối lượng của đáy và nắp Theo bảng XII.10[H — 384] ta có:
Khối lượng của nắp: M„= 85kg
Khối lượng của đáy: M„= 124kg
V.1.4 Khối lượng lỏng đi trong tháp Giả sử chất lỏng choán tháp ta có: m, =m, +m, = pV, + pry, , aD? zd)? = Pr] H,+p, l Px 4 H 314.147 314.1,4? 4 c =1455 9,77 +1322 6,49 = 35072kg V.1.5 Khối lượng của bích
Do khối lượng của bích ống nối không đáng kể nên ta ta có thể bỏ qua khi tính khôi lượng tháp
Khối lượng bích của thân tháp được xác định như sau:
m„ = nà - D})hp, kg
Trang 36D,= 1400mm = 1,4m h=50mm =0,05m 0 = Pers = 7850kg/m” m, = 3,14 4 Do thân tháp có bích nên khối lượng của bích là: m„ = 2.185 = 370kg Khối lượng nhỏ nhất của tháp: M,=m,+m,+m,+m, +m, = 4257+ 1712 +85 + 124 + 370 = 6548kg Khối lượng lớn nhất của tháp khi chất lỏng chiếm đây tháp là: M, =M, +m, = 35072 + 6548 = 41620kg (1,6? —1,47)0,05.7850 = 185kg Tải trọng bé nhất của tháp: G, =M,.g = 6540.9,81 = 64245,88N Tải trọng lớn nhất của tháp: G, =M,.g =41620.9,81 = 408293,20N V.2 Bê dày của vỏ đỡ Chọn: Chiều dày của vở đỡ là 5mm Đường kính của vỏ đỡ 1400mm
Trang 382 M = 140.3,14.1410°.5 u = 1077,02.10°N.mm Ta có: M,< M,nén thiết bị làm việc an toàn với các thông số đã chọn V.3 Tính vòng đỡ Chọn vòng đỡ với: - - Đường kính ngoai: D, = D-60mm D: Đường kính trong của vỏ đỡ,mmm Vậy: D, = 1400 - 60 = 1340mm - Đường kính ngoài của vỏ đỡ: D, = D+ 2.5 + 200 S:Bé dày của vỏ đỡ, S= 5mm Vậy: D, = 1400 + 2.5 + 200 = 1610mm Bè dày tối thiêu của vòng đỡ được xác định theo công thức: S„ =1/73b | me [IV - 211] lơ, | Trong đó: b: Khoảng cách từ mép ngoài của vòng đỡ đến đường kính ngoài của vỏ đỡ b= 1610 - 1410 = 200mm [z„1: Ứng suất cho phép của vật liệu làm vòng đỡ Voi thép CT3 :[o,] = 140N/mm
ơ,„.: Ứng suất cực đại lên bề mặt vòng đỡ được xác định theo công thức:
Trang 39Vậy: 5 = 408293,20 | 476,29.10° m™ 625252,50 212,29.10° Bê dày tôi thiêu của vòng đỡ là: S,= 1,73.200, [20 = 50mm 140 Kiém tra bén: Tháp làm việc an toàn thì ứng suât cực đại lên bê mặt đỡ phải thỏa mãn điêu kiện: = 2,90N/mm? Om ee esl [q]: Tải trọng riêng cho phép lên bề mặt đỡ Theo bảng 8.8[TV - 189] với thép CT: ta có: [q] = 200N/mm7 VAY Ono, = 2,90 < [4| nên thiết bị làm việc đảm bảo độ tin cậy
Đề độ bên và độ ôn định của tháp khi làm việc ta có thể thiết kế thêm 4 gân tăng
cửng
V.4 Xác định các thông số của bulông
Tải trọng tác dụng lên các bulông bệ được xác định như sau:
P, =0,785|D? - D?)Iø], N [IV - 213]
P, = 0,785(1610 - 13407).2,90 = 1813232,25N
_ Dựa vào đường kính vòng đỡ, tải trọng tác dụng lên các bulông bệ và gia tri Ứng
suât cho phép [ø] ta chọn sô bulông là Z = 14 Tải trọng tác dụng lên 1 bulông bệ: P=2,N [IV - 213] py = 87535350 _ 199516,59N Đường kính chân ren bulông: d, = [+7 +C.,mm Z[ø ] [IV- 213] C,: Hệ số bố sung do ăn mòn lẫy băng 2mm d, =2” CS” +2 = 36,33mm 3,14.140
Vậy ta chọn bulông loại M36
Đường kính vòng bulông trên vòng đỡ:
D, =D+2S+4.d,, mm [IV - 213]
= 1400 + 2.5 + 4.36 = 1554mm
Trang 40Ta chọn đường kính ngoài theo đường kính bulông là:
D, = D, +3.d,, mm [IV - 213]
= 1554 + 3.36 = 1662mm
Phan V: Tính toán và chọn thiết bị phụ
Tính và chọn thiết bị phụ là một khâu quan trọng trong việc thiết kế nhằm mục
đích lựa chọn cho phù hợp các thiết bị đi kèm của tháp chưng luyện Trong trường
hợp này ta tính và chọn đôi với các thiệt bị quan trọng nhât là thiệt bị gia nhiệt hôn
hợp đâu và bơm
I Tính toán thiết kế thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Yêu cầu công nghệ:
e©_ Thiết bị gia nhiệt dùng để đun nóng hỗn hợp đầu từ nhiệt độ 25°C đến nhiệt độ 60,29°C
«eẮ Dễ chế tạo, rẻ tiền
e Dễ làm vệ sinh
se _ Bê mặt truyền nhiệt lớn
Vậy ta chọn thiết bị kiểu ồng chùm:
- _ Dùng hơi nước bão hòa ở áp suất 2at, nhiệt độ 119,6°C để đun nóng hỗn hợp đâu
- _ Thiết bị được đặt thắng đứng
-_ Hai lưu thể chuyên động ngược chiều nhau: Hỗn hợp CS; — CCl, di tir dưới
lên trong không gian ông Hơi nước bão hòa đi trong khơng gian ngồi ơng,
ngưng tụ và đi ra ngoài
- _ Thiết bị được chế tạo từ thép CT3
Yêu cầu quan trọng nhất của việc thiết kế thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là xác định được bê mặt truyền nhiệt Ngoài ra còn xác định các thông sô khác như: Đường kính, chiêu cao, sô ông và sô ngăn của thiệt bị,
Bè mặt riêng của quá trình truyền nhiệt được xác định thông qua phương trình cơ bản của truyền nhiét: Q = K.F.At,,W [II - 3] = Q 5 m K At, Trong do:
Q: Lượng nhiệt trao déi, W:
F : Dién tich bé mat truyén nhiệt, mỸ;
K: Hệ số truyền nhiệt, W/m độ; At, : Hiệu số nhiệt độ trung bình, °C