Đồ án thiết kế thiết bị ngưng tụ hệ trong hệ thống chưng cất hệ aceton nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC  ĐỒ ÁNMÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ.

TỔNG QUAN

Giới thiệu tổng quan về nguyên liệu

Acetone còn được gọi là Dimethyl Formadehyde, là một hợp chất hữu cơ, có công thức là (CH3)2CO Khối lượng phân tử bằng 58.079 đvC Acetone là một chất lỏng dễ cháy, không màu, bay hơi nhanh và có mùi đặc trưng.

Acetone là một dung môi có khả năng hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như eter, metanol, etanol, diacetone alcohol Do đó, acetone thường được sử dụng làm dung môi chủ yếu để làm sạch trong phòng thí nghiệm Ngoài ra, acetone còn đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp các chất hữu cơ và là thành phần hoạt chất phổ biến trong các sản phẩm chăm sóc sắc đẹp, đặc biệt là sơn móng tay.

Acetone là một hợp chất có thể được tổng hợp trong phòng thí nghiệm và cũng có mặt trong tự nhiên, bao gồm cả trong không khí, nước uống và đất Lịch sử của Acetone bắt đầu từ năm 1595 khi Libavius lần đầu tiên tìm thấy nó thông qua quá trình chưng cất khan đường Sau đó, vào năm 1805, Trommsdorff đã phát triển phương pháp sản xuất Acetone bằng cách chưng cất Acetat của bồ tạt và soda, tạo ra một phân đoạn lỏng nằm giữa phân đoạn rượu và eter.

Trong cơ thể con người Acetone được sản xuất và thải ra thông qua quá trình trao đổi chất và thường có trong máu và nước tiểu Nó được tạo ra từ các cơ quan và quá trình chuyển hóa thực phẩm và được nước tiểu thải ra ngoài Nếu Acetone không được đào thải vì một lý do nào đó thì có thể gây choáng do lúc này acid trong máu lên cao.

Hình 1.1 Cấu trúc 2D của Aceton Hình 1.2 Cấu trúc 3D của Acetone.

Nhiệt dung riêng: 22 kcal/mol (ở 102 o C) Độ nhớt: 0,316 cp ( ở 25 o C)

Acetone chủ yếu được sử dụng làm dung môi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là sản xuất nhựa, vecni và chất dẻo Ngoài ra, nó còn là dung môi lý tưởng cho các hợp chất như nitro cellulose và acetyl cellulose Với độ độc thấp, acetone cũng được ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm và thực phẩm Bên cạnh đó, acetone còn là nguyên liệu quan trọng để tổng hợp nhiều hợp chất khác như ketene, isoprene và thủy tinh hữu cơ Nó cũng có khả năng hòa tan tốt nhiều chất như tơ acetate, nitrocellulose, nhựa phenol focmandehyde, chất béo và dung môi pha sơn, mực in ống đồng.

Các nguy hại thể chất.

Các nguy hại sức khỏe.

Tiếp xúc với chất này có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, bao gồm kích ứng da và mắt, cũng như ăn mòn nếu tiếp xúc trực tiếp Ngoài ra, việc uống hoặc hít phải chất này cũng có thể dẫn đến tình trạng độc hại nghiêm trọng.

Chất lỏng hoặc phun sương có thể gây tổn thương mô, đặc biệt niêm mạc mắt, miệng và đường hô hấp.

Tiếp xúc ngoài da có thể gây bỏng.

Hơi sương có thể gây kích thích đường hô hấp nghiêm trọng.

Không để ở nơi nhiệt độ cao/ gần nguồn lửa trần/ gần nơi có tia lửa / trên các bề mặt nóng. Thùng chứa luôn được đóng chặt.

Nối dây tiếp đất cho công te nơ và thiết bị tiếp nhận.

Chỉ sử dụng các thiết bị điện/ thiết bị thông gió/ thiết bị chiếu sáng không phát tia lửa điện. Chỉ sử dụng các dụng cụ không phát tia lửa. Áp dụng các biện pháp chống hiện tượng phóng tĩnh điện Tránh vào môi trường có bụi hoặc hơi hoá chất.

Rửa tay thật kỹ sau khi sử dụng, mang vác, tiếp xúc với hoá chất Chỉ sử dụng ngoài trời hoặc nơi thông thoáng.

Dùng găng tay, quần áo, kính, mạng che mặt phù hợp khi tiếp xúc với hoá chất.

1.1.1.5 Các đường tiếp xúc, triệu chứng và các biện pháp sơ cứu về y tế

Các đường tiếp xúc, triệu chứng: Đường mắt,

Các dấu hiệu và triệu chứng kích ứng mắt có thể bao gồm cảm giác bỏng rát, đỏ mắt phồng rộp và/ hoặc mờ mắt. Đường hô hấp,

Hít phải khí có nồng độ cao có thể gây ra các triệu chứng nghiêm trọng, bao gồm chóng mặt, choáng, đau đầu và nôn ói do hệ thần kinh trung ương (CNS) bị tê liệt Các dấu hiệu khác của sự suy yếu CNS có thể bao gồm đau đầu, buồn nôn và mất khả năng điều khiển cơ thể Nếu tiếp tục hít phải khí độc, tình trạng có thể trở nên nguy hiểm hơn, dẫn đến hôn mê và tử vong.

Các dấu hiệu viêm da và các triệu chứng có thể bao gồm cảm giác bỏng rát và/ hoặc da khô/ nứt nẻ. Đường tiêu hóa,

Nếu đi vào phổi, các dấu hiệu và triệu chứng có thể bao gồm ho, ngạt thở, thở khò khè,khó thở, tức ngực, hụt hơi và/ hoặc sốt Các dấu hiệu và triệu chứng kích ứng hô hấp có

1.1.1.6 Các biện pháp sơ cứu về y tế

Trường hợp tai nạn tiếp xúc theo đường mắt (bị văng, dây vào mắt):

Khi tiếp xúc với chất gây hại, cần thận trọng rửa mắt ngay bằng nước sạch và tháo bỏ kính áp tròng nếu đang đeo Tiếp tục rửa mắt bằng nước sạch trong ít nhất 15 phút, đồng thời giữ cho mí mắt hở Sau đó, chuyển nạn nhân đến cơ sở y tế gần nhất để có các chăm sóc tiếp theo.

Cởi bỏ ngay lập tức quần áo bị dính hóa chất Rửa bộ phận bị dính bẩn với nước sạch (và xà phòng nếu có thể).

Trường hợp tai nạn tiếp xúc theo đường hô hấp (hít thở):

Chuyển nạn nhân ra nơi thoáng khí Nếu không hồi phục nhanh chóng, chuyển nạn nhân đến cơ sở y tế gần nhất để có các điều trị tiếp theo Giữ ngực nạn nhân ở tư thế thuận lợi cho hô hấp.

Trường hợp tai nạn theo đường tiêu hóa (ăn, uống nuốt nhầm):

Khi gặp trường hợp khẩn cấp, ngay lập tức gọi trung tâm cấp cứu hoặc liên hệ với bác sĩ để được hỗ trợ kịp thời Trong trường hợp này, không nên cố gắng kích ứng nạn nhân gây nôn, trừ khi có chỉ định từ chuyên gia y tế Nếu nạn nhân nôn ói, cần giữ cho đầu thấp hơn hông để tránh hít vào và ngăn ngừa các biến chứng nghiêm trọng.

Các biện pháp sử lý khi có hỏa hoạn,

Xếp loại về tính cháy: Dễ cháy (loại 3).

Các mối nguy hại cụ thể phát sinh từ hóa chất: Không nguy hại ở điều kiện bình thường. Sản phẩm tạo ra khi bị cháy: CO, CO2.

Các tác nhân gây cháy, nổ: Sự phóng tĩnh điện; lửa trần; tia lửa.

Các chất dập cháy thích hợp và hướng dẫn biện pháp chữa cháy, biện pháp kết hợp khác bao gồm bọt chống cháy, phun nước hay sương Tuy nhiên, chỉ nên sử dụng bột hóa chất khô, cacbon dioxit, cát hay đất để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình chữa cháy.

Nước là một chất lỏng không màu, không mùi, không vị, đóng vai trò quan trọng trong đời sống và sản xuất công nghiệp.

“dung môi vạn năng” và “dung môi của sự sống” Nước là chất có nhiều trên Trái Đất và là chất phổ biến duy nhất tồn tại dưới dạng chất rắn, lỏng, khí và chiếm phần lớn (3/4 diện tích Trái Đất là nước biển).

Quá trình và thiết bị chưng cất

Quá trình chưng cất là một phương pháp tách hỗn hợp lỏng hoặc khí lỏng dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp ở cùng một nhiệt độ Đây là một kỹ thuật sử dụng nhiệt để tách các cấu tử riêng biệt, giúp phân lập và tinh chế các thành phần mong muốn.

Quá trình chưng cất là một phương pháp phân riêng các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa trên sự chuyển pha của vật chất từ lỏng sang hơi và ngược lại Quá trình này xảy ra khi pha hơi được tạo ra từ pha lỏng thông qua quá trình bốc hơi, đồng thời pha lỏng được tạo ra từ pha hơi thông qua quá trình ngưng tụ Do sự khác biệt về độ bay hơi, các cấu tử này hiện diện trong cả hai pha với tỷ lệ khác nhau.

Khi tiến hành chưng cất, quá trình này thường tạo ra nhiều cấu tử khác nhau và số lượng sản phẩm thu được thường tương ứng với số lượng cấu tử Trong trường hợp hệ đơn giản chỉ chứa 2 cấu tử, quá trình chưng cất sẽ tạo ra 2 sản phẩm chính, bao gồm sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy Sản phẩm đỉnh chủ yếu bao gồm cấu tử có áp suất hơi bão hòa cao và nhiệt độ sôi thấp, trong khi sản phẩm đáy chủ yếu bao gồm cấu tử có áp suất hơi bão hòa thấp và nhiệt độ sôi cao.

Chưng cất là một phương pháp quan trọng trong việc tạo ra hóa chất tinh khiết, đóng vai trò thiết yếu trong sự phát triển của công nghiệp Công nghệ này được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp thực phẩm, sinh học và hóa chất, giúp chế biến và sản xuất các sản phẩm như rượu, cồn, tinh dầu, oxi và lọc dầu.

Phương pháp chưng cất thường được áp dụng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau Đây là một kỹ thuật hiệu quả giúp tách sơ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất, đảm bảo độ tinh khiết cao cho sản phẩm cuối cùng.

1.2.2.2 Chưng bằng hơi nước trực tiếp

Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước.

Chưng cất là phương pháp phổ biến nhất để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau Ngoài ra, phương pháp chưng cất cũng được áp dụng trong trường hợp các cấu tử của hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao bằng cách thực hiện ở áp suất thấp Trong một số trường hợp đặc biệt, nếu các cấu tử của hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường, chưng cất sẽ được thực hiện ở áp suất cao để đạt được hiệu quả tách hỗn hợp tốt nhất.

1.2.2.4 Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp

Khi chưng cất hỗn hợp nhập liệu, việc sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp chưng cất có thể mang lại hiệu quả cao, đặc biệt khi cấu tử còn lại dễ bay hơi Phương pháp này cho phép tận dụng nhiệt từ hơi nước để làm nóng đáy tháp, từ đó tăng cường quá trình chưng cất và thu được nước ở đáy tháp.

Nồi đun là thiết bị trao đổi nhiệt quan trọng được đặt ở đáy tháp chưng cất, cung cấp nhiệt cho toàn bộ hệ thống Thiết bị này đóng vai trò then chốt trong quá trình chưng cất, giúp tách các hỗn hợp chất thành các thành phần riêng biệt dựa trên điểm sôi khác nhau.

Thiết bị trao đổi nhiệt loại hai vỏ: dùng cho tháp chưng cất năng suất nhỏ.

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ốm chùm.

Nồi đun đặt ngoài là một thiết bị quan trọng trong quy trình chưng cất, đặc biệt phù hợp với các tháp chưng cất năng suất cao Chất tải nhiệt nóng di chuyển trong ống, sau đó hơi đi vào tháp và cân bằng với dòng sản phẩm đáy, giúp nồi đun hoạt động hiệu quả như một mâm lý thuyết.

Thiết bị trao đổi nhiệt đặt đứng là loại thiết bị trao đổi nhiệt được thiết kế để đặt đứng, giúp chất tải nhiệt đi ngoài ống và bốc hơi hoàn toàn phần lỏng đi vào nồi đun Điều này giúp hơi có cùng thành phần với dòng sản phẩm đáy, đảm bảo hiệu suất trao đổi nhiệt cao và chất lượng sản phẩm tốt.

Thiết bị trao đổi nhiệt nhận dòng lỏng từ mâm đáy và nó chỉ bốc hơi một phần.

Tháp chưng cất là hệ thống nhiều đĩa, mỗi đĩa tương ứng với một nồi chưng trong quá trình chưng cất, với bộ phận đun nóng đặt ở dưới đáy Hơi nước đi từ dưới lên qua các lỗ của đĩa, trong khi chất lỏng chảy từ trên xuống qua các ống chuyền Quá trình này khiến nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ sôi tương ứng.

Các thiết bị chưng cất được sử dụng rộng rãi trong nhiều kỹ thuật khác nhau, mỗi thiết bị có đặc điểm riêng nhưng thường có bề mặt tiếp xúc pha lớn để tối ưu hóa hiệu suất quá trình Trong đó, tháp đệm và tháp mâm là hai loại thiết bị chưng cất phổ biến nhất, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.

Tháp đệm là một loại tháp hình trụ được thiết kế với nhiều bậc nối nhau bằng mặt bích hoặc hàn, thường được sử dụng trong các quá trình công nghiệp Đệm trong tháp được đổ đầy theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hoặc xếp thứ tự, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của quá trình Để đảm bảo hiệu suất tốt, đệm thường được làm từ các vật liệu rắn khác nhau với hình dạng đa dạng, đồng thời phải đáp ứng các yêu cầu như diện tích bề mặt riêng lớn, độ rỗng lớn, khối lượng riêng nhỏ, bền hóa học, rẻ tiền, dễ kiếm.

Tháp mâm là thiết bị được sử dụng rộng rãi trong các quá trình chưng cất và hấp thụ, bao gồm thân tháp hình trụ thẳng đứng với các mâm được bố trí cách nhau một khoảng nhất định Mỗi mâm có cấu tạo riêng biệt, cho phép pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau một cách hiệu quả, tùy thuộc vào thiết kế cụ thể của mâm.

Quá trình và thiết bị ngưng tụ

Quá trình ngưng tụ là quá trình một hơi (hay hỗn hợp hơi) chuyển qua thành dạng lỏng tại một điều kiện nhất định Quá trình này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, chủ yếu là tính tan lẫn các chất lỏng sau khi ngưng.

Trong quá trình ngưng tụ đẳng áp, thường xảy ra hai dạng biến thiên nhiệt độ chính, bao gồm dạng ngưng tụ đẳng nhiệt và dạng ngưng tụ với nhiệt độ ngưng tụ giảm dần.

Thiết bị ngưng tụ có cấu tạo đa dạng, phụ thuộc vào các tính chất và điều kiện làm việc của hơi ngưng cũng như chất tải ẩn nhiệt ngưng tụ (dòng lạnh).

Phân loại theo chất làm lạnh: Thiết bị làm lạnh dùng NH3, các freon R-12, R-22.

Phân loại theo điều kiện áp suất ngưng tụ: Thiết bị ngưng tụ áp suất thấp (chân không), áp suất thường, áp suất cao.

Phân loại theo khả năng tiếp xúc của hai lưu chất: Kiểu gián tiếp (hay kiểu bề mặt), kiểu trực tiếp.

Các thiết bị nhiệt nói chung phải thỏa mãn các yêu cầu sau: Đáp ứng yêu cầu công nghệ, hiệu suất truyền nhiệt cao, thiết bị có khả năng tự điều chỉnh càng tốt.

Thiết bị làm việc ổn định, an toàn, kết cấu gọn nhẹ, dễ vận hành, lắp đặt, sửa chữa, vệ sinh thuận tiện.

Một số loại thiết bị ngưng tụ thường gặp bao gồm thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới, kiểu vỏ - ống nằm ngang và kiểu vỏ - ống thẳng đứng, cùng với đó là một số thiết bị truyền nhiệt khác được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Giới thiệu về thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm:

Thiết bị trao đổi nhiệt có diện tích trao đổi nhiệt lớn, lên đến hàng nghìn mét vuông, và hệ số trao đổi nhiệt cao, giúp truyền nhiệt hiệu quả cho các ứng dụng lỏng-lỏng, lỏng-khí, khí-khí và ngưng tụ Nhờ cấu tạo gọn, chắc chắn và tốn ít kim loại, thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm Ưu điểm của thiết bị này còn bao gồm dễ làm sạch phía trong ống bằng phương pháp cơ học, trừ thiết bị có ống truyền nhiệt hình chữ U.

Nhược điểm:Khó chế tạo bằng vật liệu không nung và hàn như gang hoặc thép silic.

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Sơ bộ nguyên liệu

Nguyên liệu là hỗn hợp Acetone – nước, là một hỗn hợp đẳng phí trong đó acetone là cấu tử dễ bay hơi.

Bảng 2.1 Cân bằng lỏng – hơi cho hệ acetone – nước. t( o C) 100 77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,8 59,8 59 58,2 57,5 56,9 x 0 0,05 0,1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 y 0 0,603 0,72 0,803 0,827 0,842 0,855 0,869 0,882 0,904 0,943 1 α - 28,86 23,14 16,30 11,15 7,99 5,90 4,42 3,20 2,35 1,84 -

Trong đó: x là mol thành phần pha lỏng. y là mol thành phần pha hơi.

Hình 2.1 Đồ thị quan hệ giữa thành phần và nhiệt độ của hệ acetone – nước.

Hình 2.2 Đồ thị y - x của hệ acetone – nước.

Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất Aceton và nước

Sơ đồ qui trình chưng cất được thể hiện trong trang sau:

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình chưng cất.

Chú thích các kí hiệu trong quy trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu 7 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

2 Bơm 8 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

3 Bồn cao vị 9 Nồi đun đáy tháp

4 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 10 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

5 Tháp chưng cất 11 Bồn chứa sản phẩm đáy

6 Thiết bị ngưng tụ 12 Phân phối lỏng

Thuyết minh quy trình

Hỗn hợp acetone-nước có nồng độ acetone 25% (theo mol) được bơm từ bể chứa nhiên liệu lên bồn cao vị, sau đó qua thiết bị trao đổi nhiệt để trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy Tiếp theo, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt và được đưa vào tháp chưng cất ở mâm nhập liệu, nơi nhiệt độ khoảng 30 độ C Quá trình này giúp tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chưng cất hỗn hợp acetone-nước.

Trong quá trình chưng cất, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống mâm nhập liệu, sau đó gặp hơi đi từ dưới lên và trao đổi với nhau Quá trình này làm giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng khi xuống dưới, đồng thời hơi đi qua các mâm từ dưới lên sẽ làm ngưng tụ các cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn Kết quả là thu được hỗn hợp có cấu tử acetone chiếm nhiều nhất 95% mol acetone trên đỉnh tháp, sau đó được ngưng tụ hoàn toàn và đưa qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh để làm nguội đến 40 độ C trước khi chứa ở bồn chứa sản phẩm đỉnh Đồng thời, ở đáy tháp thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (nước), một phần được đun và bốc hơi ở nồi đun cấp lại cho tháp, phần còn lại được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu và chứa ở bồn chứa trước khi đưa về khu xử lý thải.

TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Các thông số ban đầu

Bảng 3.1 Các thông số ban đầu. Đối tượng Thông số Giá trị Thông số Giá trị

Năng suất sản phẩm đỉnh GF= 2.000 kg/h Tỷ lệ thu hồi Aceton η = 99%

Nồng độ nhập liệu XF= 25% Khối lượng riêng của

Aceton nguyên chất ở 25 o C ρAceton 785,25 (kg/m 3 )

Nồng độ sản phẩm đỉnh XD= 95% Khối lượng riêng của nước cất ở 25 oC ρnước= 996,5

Thiết bị ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnh

Nhiệt độ dòng lạnh đi vào tv = 30 o C Nhiệt độ dòng hơi sản phẩm đỉnh trước khi vào thiết bị ngưng tụ tD1= 57,30 o C

Nhiệt độ dòng lạnh đi ra tr = 40 o C

Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Nhiệt độ dòng lạnh đi vào tv = 30 o C Nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh trước khi làm nguội tD2v= 57,30 o C

Nhiệt độ dòng lạnh đi ra tr = 40 o C Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội tD2r= 40 o C

Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

Nhiệt độ vào của dòng nhập liệu tF1v= 30 o C Nhiệt độ sản phẩm đáy trước khi làm nguội tW1v= 98,3 o C

Nhiệt độ ra của dòng nhập liệu tF1r= 50 o C Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội tW1r= 60 o C

Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

Nhiệt độ dòng lạnh đi vào tv = 30 o C Nhiệt độ đầu của dòng nguyên liệu tF2v= 50 o C

Nhiệt độ dòng lạnh đi ra tr = 40 o C Nhiệt độ sau của dòng nguyên liệu tF2r= 63,3 o C Áp suất hơi đốt PF= 1at

Nồi hơi ở đáy Áp suất hơi đốt PW= 2at

Các ký hiệu quan trọng trong quá trình cần lưu ý bao gồm: xF biểu thị phân mol Acetone trong dòng nhập liệu, xD biểu thị phân mol Acetone trong sản phẩm đỉnh, và xW biểu thị phân mol Acetone trong sản phẩm đáy Ngoài ra, các ký hiệu cũng được sử dụng để biểu thị phân khối lượng Acetone tương ứng trong mỗi dòng sản phẩm, bao gồm xF cho dòng nhập liệu, xD cho sản phẩm đỉnh, và xW cho sản phẩm đáy.

GF: Suất lượng dòng nhập liệu (kg/h).

GD: Suất lượng dòng sản phẩm đỉnh (kg/h).

GW: Suất lượng dòng sản phẩm đáy (kg/h).

F: Suất lượng nhập liệu (Kmol/h).

D: Suất lượng sản phẩm đỉnh (Kmol/h).

W: Suất lượng sản phẩm đáy (Kmol/h).

Tính cân bằng vật chất

3.2.1 Tính toán các dòng cân bằng vật chất

Bảo toàn vật chất toàn tháp:

Bảo toàn đối với cấu tử dễ bay hơi (Aceton):

F xF = D xD+ W xW (IX 17, trang 144, [2]).

3.2.1.1 Tính toán dòng nhập liệu

Phân mol Aceton trong dòng nhập liệu: xF= 0,25.

Phân khối lượng Aceton của dòng nhập liệu: xF = x x F M Aceton

F M Aceton + 1−x F M Aceton = (0,25pmol).(58kg/kmol)

(0,25pmol).(58kg/kmol) + (1 - 0,25)pmol.(18kg/kmol)= 0,52(pkl). Suất lượng dòng nhập liệu: GF= 2000 (kg/h).

Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:

Mtb(F)= xF.MAceton+(1-xF).Mnước = (0,25pmol).(58kg/kmol) + (1-0,25)pmol.(18kg/kmol)= 28 kg/kmol.

Suất lượng sản phẩm đỉnh (tính theo kmol/h):

Tỷ lệ thu hồi Aceton: D.x F.x D

Hay, ta có: xD(xF− xW) x F (x D − x W ) = 0,99.

3.2.1.2 Tính toán dòng sản phẩm đỉnh

Phân mol Aceton trong dòng sản phẩm đỉnh: xD= 0,95.

Phân khối lượng Aceton của dòng sản phẩm đỉnh: xD = x x D M Aceton

D M Aceton + 1−x D M Aceton = (0,95pmol).(58kg/kmol)

(0,95pmol).(58kg/kmol) + (1 - 0,95)pmol.(18kg/kmol)= 0,98 (pkl). Khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đỉnh:

Mtb(D)= xD.MAceton+(1-xD).Mnước= (0,95pmol).(58kg/kmol) + (1-0,95)pmol.(18kg/kmol) V kg/kmol.

Suất lượng sản phẩm đỉnh (tính theo kmol/h): D = 18,6 (kmol/h).

Suất lượng sản phẩm đỉnh:

GD= D.Mtb(D)= (18,6 kg/h).(56 kg/kmol) 41,6 kg/h.

3.2.1.3 Tính toán dòng sản phẩm đáy

Phân mol Aceton trong dòng sản phẩm đáy: xW= 0,0034.

Phân khối lượng Aceton của dòng sản phẩm đáy: x W = x x W M Aceton

W M Aceton + 1−x W M Aceton = (0,0034pmol).(58kg/kmol)

(0,0034pmol).(58kg/kmol) + (1 - 0,0034)pmol.(18kg/kmol)= 0,011(pkl). Khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đỉnh:

Mtb(W)= xW.MAceton+(1-xW).Mnước = (0,0034pmol).(58kg/kmol) + (1 - 0,0034)pmol.(18kg/kmol)= 18,14 kg/kmol. Suất lượng sản phẩm đáy, ta có:

Suất lượng sản phẩm đáy (tính theo kmol/h):

Bảng 3.2.1 Kết quả tính toán cân bằng vật chất tháp chưng cất.

3.2.2.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chỉ số mà chế độ làm việc tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nguyên liệu, nước, bơm, ) là tối thiểu.

Từ bảng số liệu 1 ta xây dựng đồ thị cân bằng pha của hệ Aceton - Nước ở áp suất 1atm như ở hình 2.2.

Do đồ thị cân bằng pha của hệ Aceton - Nước có điểm uốn nên xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu bằng cách:

Trên đồ thị cân bằng pha của hệ Aceton - Nước (hình 2.2), từ điểm (0,95; 0,95) vẽ đường tiếp tuyến với đường cân bằng tại điểm uốn cắt trục y tại điểm y * = 0,66.

Năng suất nguyên liệu (kg/h) (2)

Phân tử lượng trung bình M tb (kg/kmol) (4)

Hình 3.1 Giản đồ cân bằng pha của hệ Aceton - Nước và tiếp tuyến với đường cân bằng. Mặc khác từ phương trình làm việc đoạn cất, khi x0 = 0 thì, x D

Vậy tỉ số hoàn lưu tối thiếu: Rmin = 0,44.

3.2.2.2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp

Việc chọn chỉ số hoàn lưu thích hợp rất quan trọng, vì khi chỉ số hoàn lưu nhỏ thì số bậc của tháp lớn (tăng chi phí chế tạo) nhưng ít tiêu tốn hơi đốt (giảm chi phí làm việc); ngược lại, khi chỉ số hoàn lưu càng lớn thì số bậc của tháp ít hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt lớn vì phải làm bay hơi lượng hồi lưu này.

Chỉ số hoàn lưu làm việc gần đúng:

3.2.3 Phương trình làm việc và xác định số mâm

3.2.3.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất y = R

3.2.3.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng x =R + 1

3.2.3.3 Xác định số mâm lý thuyết

Dựa trên giản đồ cân bằng lỏng hơi của hệ Aceton - Nước, chúng ta có thể xác định được số mâm lý thuyết toàn tháp là 11 và 1 nồi đun, thông qua việc phân tích đồ thị và áp dụng lý thuyết về quá trình chưng cất.

Trong đó, số mâm lý thuyết đoạn chưng là 4; số mâm lý thuyết đoạn cất là 7 và mâm nhập liệu là mâm số 8.

3.2.3.4 Xác định số mâm thực tế

Ntt =N lt η tb (IX 59, trang 170, [2]).

Trong đó:Nlt là số đĩa lý thuyết.

Nttlà số đĩa thực tế. ηtb là hiệu suất trung bình của thiết bị theo công thức: ηtb =η 1 + η 2 + η 3

3 (IX 60, trang 171, [2]). η1, η2, η3 là hiệu suất của đĩa tại vị trí đỉnh (mâm số 1), nhập liệu (mâm số 8), đáy (mâm số 11) của thiết bị. a) Vị trí đỉnh tháp (mâm số 1)

Từ giản đồ hình 3.3, ta xác định được:� � = �, ���;� � ∗ = �, ��.

Tạix1 = 0,916tra trên giản đồ nhiệt độ - thành phần ta được:�� = ��, �� � �. Độ bay hơi tương đối theo công thức IX.61, trang 171, [2]: α = y D ∗

Dựa trên dữ liệu từ bảng I.101, trang 91-92, ta có thể xác định độ nhớt của Aceton là 0,233 mPa.s và độ nhớt của nước là 0,486 mPa.s Để tính độ nhớt của hỗn hợp tại vị trí đỉnh (mâm số 1), ta sử dụng công thức I.12, trang 84, trong đó log μhh = x1log μAceton + (1 − x1) log μ nước Khi áp dụng công thức này, ta tính được log μhh = 0,916 log 0,233 + 0,084 log 0,486.

Tra theo hình IX.11, trang 171, [2], ta được:η 1 = 60,5%. b) Vị trí nhập liệu (mâm số 8)

Từ giản đồ hình 3.3, ta xác định được:� � = �, ���;� � ∗ = �, ��.

Tạix 8 = 0,195tra trên giản đồ nhiệt độ - thành phần ta được:� � = ��, �� � �. Độ bay hơi tương đối theo công thức IX.61, trang 171, [2]: α = y F ∗

Dựa trên bảng I.101, trang 91-92, chúng ta có thể xác định độ nhớt của Aceton và nước là 0,223 mPa.s và 0,443 mPa.s tương ứng Độ nhớt của hỗn hợp tại vị trí đỉnh tháp có thể được tính toán bằng công thức I.12, trang 84, thông qua việc áp dụng giá trị logarit của độ nhớt Aceton và nước, cụ thể là log μ hh = 0,195 log 0,223 + 0,805 log 0,443.

Tra theo hình IX.11, trang 171, [2], ta được:η 2 = 31%. c) Vị trí đáy tháp (mâm số 11)

Từ giản đồ hình 3.3, ta xác định được:��� = �, ����;� �� ∗ = �, ��.

Tạix 11 = 0,0023tra trên giản đồ nhiệt độ - thành phần ta được:� �� = ��, �� � �. Độ bay hơi tương đối theo công thức IX.61, trang 171, [2]: α = y W ∗

Dựa trên thông tin từ bảng I.101, độ nhớt động học của Aceton và nước lần lượt là 0,172 mPa.s và 0,289 mPa.s Để tính độ nhớt của hỗn hợp tại vị trí đỉnh tháp, ta sử dụng công thức I.12, trong đó độ nhớt của hỗn hợp (μhh) được tính bằng cách kết hợp độ nhớt của Aceton và nước theo hàm logarit Cụ thể, công thức tính độ nhớt của hỗn hợp là log μhh = x11log μ Aceton + (1 − x11) log μ nước, và khi áp dụng giá trị cụ thể, ta có log μhh = 0,0023 log 0,172 + 0,9977 log 0,289.

Tra theo hình IX.11, trang 171, [2], ta được:η 3 = 39,5%.

Hiệu suất trung bình của toàn tháp: ηtb `,5% + 31% + 39,5%

Bảng 3.2.2 Kết quả tính toán hiệu suất tại ba vị trí.

Thông số Mâm số 1 Mâm số 8 Mâm số 11

Nhiệt độ (t, o C) 57,93 64,65 98,78 Độ bay hơi tương đối (α) 1,742 16,513 8,853 Độ nhớt (μ,mPa s) 0,248 0,388 0,289

Hiệu suất trung bình của toàn tháp (η tb ,%) η tb `,5% + 31% + 39,5%

Số mâm thực tế của tháp là:

Chọn số mâm thực tế là 27 mâm.

→ Số mâm thực tế là 27 mâm và 1 nồi đun, trong đó có 10 mâm chưng, 17 mâm cất,mâm nhập liệu thuộc mâm số 18 (tính từ trên xuống).

Cân bằng năng lượng

Các thông số nhiệt độ được chọn theoBảng 3.1

3.3.1 Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ

Nhiệt độ dòng hơi sản phẩm đỉnh trước khi vào thiết bị ngưng tụ: tD1= 57,30 o C.

Nhiệt độ vào và ra của dòng nước lạnh: tv= 30 o C; tr@ o C.

Nhiệt độ trung bình của dòng nước lạnh: ttb= 35 o C.

Nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở ttb= 35 o C: Cn= 4,176 kJ/kg.độ.

Phương trình cân bằng năng lượng (ngưng tụ hoàn toàn):

Trong đó: G D - suất lượng dòng hơi sản phẩm đỉnh, kg/h.

R th - chỉ số hoàn lưu thích hợp. r D - ẩn nhiệt ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnh, kJ/kg.

C n - nhiệt dung riêng của nước lạnh, kJ/kg.độ. t r , t v - nhiệt độ nước ra, nước vào; o C.

Bảng nhiệt hóa hơi ( Tra bảng I.212, trang 254, [1]).

Nhiệt hóa hơi Nhiệt độ rAceton(kJ/kg) rnước(kJ/kg) tD1= 57,30 o C 521,4 2425,6 Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở 57,30 o C: r D = x D r Aceton + (1 − x D ) r nước = 0,98 (521,4kJ/kg) + 0,02 (2425,6kJ/kg) = 559,5 kJ/kg.

Suất lượng nước lạnh tiêu tốn để ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnh:

Nhiệt lượng hơi ngưng tụ tỏa ra Qnt:

3.3.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Phương trình cân bằng năng lượng:

GD CD2 (t D2v − t D2r ) = Gn2 Cn (t r − t v ) (IX 167, trang 198, [2]).

Trong đó: G D - suất lượng dòng sản phẩm đỉnh, kg/h.

C - nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đỉnh, kJ/kg.độ.

G n2 - suất lượng nước lạnh tiêu tốn để làm lạnh sản phẩm đỉnh, kg/h.

Nhiệt dung riêng của nước lạnh được ký hiệu là Cn, đo bằng đơn vị kJ/kg.độ Trong thiết bị làm nguội, nhiệt độ vào và ra của dòng sản phẩm đỉnh được ký hiệu lần lượt là t D2v và t D2r, với đơn vị đo là độ C Ngoài ra, nhiệt độ nước ra và nước vào cũng được ký hiệu là t r và t v, cũng với đơn vị đo là độ C.

Do ngưng tụ sản phẩm đỉnh về trạng thái lỏng sôi, nên nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh trước khi làm nguội: tD2v= 57,30 o C.

Nhiệt độ dòng sản phẩm sau khi làm nguội: tD2r= 40 o C.

Nhiệt độ trung bình của dòng sản phẩm đỉnh trong thiết bị làm nguội:t D2 = 48,65 o C.

Bảng nhiệt dung riêng (Tra bảng I.153, trang 171-172, [2]).

Thông số Nhiệt độ CpAceton(kJ/kg.độ) Cpnước(kJ/kg.độ) tD2= 48,65 o C 2,268 4,181

Nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ 48,65 o C:

C D2 = xD C pAceton + (1 − xD) C pnước = 0,98 (2,268kJ/kg độ) + 0,02 (4,181kJ/kg độ) = 2,306 kJ/kg độ.

Nhiệt lượng làm nguội sản phẩm đỉnhQ ng :

Nhiệt độ vào và ra của dòng nước lạnh: tv= 30 o C; tr@ o C.

Suất lượng nước tiêu tốn cho quá trình làm nguội:

3.3.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị trao đổi nhiệt sản phẩm đáy và nhập liệu Để tận dụng nguồn nhiệt của sản phẩm đáy ta thiết kế dòng lạnh là dòng nhập liệu để gia nhiệt cho nhập liệu.

Phương trình cân bằng năng lượng:

Trong đó:G W1 - suất lượng dòng sản phẩm đáy đi qua thiết bị trao đổi nhiệt, kg/h.

CW1 - nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đáy, kJ/kg.độ.

GF - suất lượng dòng nhập liệu, kg/h.

Trong thiết bị trao đổi nhiệt, nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu được ký hiệu là CF1, đo bằng đơn vị kJ/kg.độ Các thông số nhiệt độ quan trọng bao gồm nhiệt độ vào (tW1v) và ra (tW1r) của dòng sản phẩm đáy, nhiệt độ ra (tF1r) và vào (tF1v) của dòng nhập liệu, tất cả đều được đo bằng độ Celsius (o C).

Do suất lượng nhập liệu là 2000 kg/h không thể thay đổi nên ta chọn:

Nhiệt độ vào của dòng nhập liệu: tF1v= 30 o C.

Nhiệt độ ra của dòng nhập liệu là: tF1r= 50 o C.

Nhiệt độ trung bình của dòng nhập liệu trong thiết bị trao đổi nhiệt:t F1 = 40 o C.

Dòng sản phẩm đáy đang ở trạng thái sôi trong tháp chưng cất nên cũng là nhiệt độ đầu vào trong thiết bị trao đổi nhiệt: tW1v= 98,30 o C.

Nhiệt độ đầu ra của dòng sản phẩm đáy: tW1r= 60 o C.

Nhiệt độ trung bình của dòng sản phẩm đáy ở thiết bị trao đổi nhiệt:t W1 = 79,15 o C.

Bảng nhiệt dung riêng (Tra bảng I.153, trang 171-172, [1])

Thông số Nhiệt độ CpAceton(kJ/kg.độ) Cpnước(kJ/kg.độ) tW1= 79,15 o C 2,367 4,190 tF1= 40 o C 2,240 4,175

Nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đáy ở nhiệt độ 79,15 o C:

C W1 = xW C pAceton + (1 − xW) C pnước = 0,011 (2,367kJ/kg độ) + 0,989 (4,190kJ/kg độ) = 4,170 kJ/kg độ.

Nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu ở nhiệt độ: tF1= 40 o C:

CF1 = xF CpAceton+ (1 − xF) C pnước = 0,52 (2,240kJ/kg độ) + 0,48 (4,175kJ/kg độ) = 3,169 kJ/kg độ.

Suất lượng của dòng sản phẩm đáy vào thiết bị trao đổi nhiệt:

C W1 (t W1v − t W1r ) (2000kg/h) (3,169kJ/kg độ) (50 − 30)(4,170kJ/kg độ) (98,30 − 60) = 793,7 kg/h.

3.3.4 Cân bằng nhiệt cho thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

Phương trình cân bằng năng lượng:

QD1+ Q f = QF+ Qng1+ Qxq1, J/h (IX 149, trang 196, [2]).

Trong đó: QD1 - nhiệt lượng hơi đốt mang vào, kJ/h.

Qf - nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu ban đầu mang vào, kJ/h.

QF - nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang ra thiết bị, kJ/h.

Qng1- nhiệt lượng do nước ngưng mang ra, kJ/h.

Qxq1 - nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh; kJ/h.

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vàoQ D1 :

Trong đó, D1 là lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch nhập liệu, được tính bằng kg/h, r1 là ẩn nhiệt hóa hơi, λ1 là hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt và θ1 là nhiệt độ nước ngưng, được biểu thị bằng độ Celsius.

C1 - nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ.

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vàoQf:

Qf = GF Cf tf, J/h (IX 151, trang 196, [2]).

Trong đó: GF- suất lượng nhập liệu, kg/h.

Cf là nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu mang vào thiết bị đun, đo bằng J/kg.độ Tf là nhiệt độ dòng nhập liệu mang vào thiết bị đun, hoặc nhiệt độ đầu ra của thiết bị trao đổi nhiệt, đo bằng độ C.

Bảng nhiệt dung riêng (Tra bảng I.153, trang 171-172, [1])

Thông số Nhiệt độ CpAceton(kJ/kg.độ) Cpnước(kJ/kg.độ) tf= 50 o C 2,273 4,183 tFc,3 o C 2,316 4,190

Nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu ở nhiệt độ: tf= 50 o C:

Cf = xF CpAceton+ (1 − xF) C pnước = 0,52 (2,273kJ/kg độ) + 0,48 (4,183kJ/kg độ) = 3,190 kJ/kg độ.

Nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang vàoQf:

Nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang raQF:

QF = GF CF tF, kJ/h (IX 152, trang 196, [2]).

Nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu ra khỏi thiết bị đun nóng được ký hiệu là CF, đo bằng đơn vị kJ/kg.độ Nhiệt độ dòng nhập liệu khi ra khỏi thiết bị đun nóng được ký hiệu là tF, đo bằng đơn vị độ C Đối với dòng nhập liệu được đun nóng đến trạng thái lỏng sôi, nhiệt độ dòng nhập liệu khi ra khỏi thiết bị đun nóng sẽ là tF = 63,3 độ C.

Nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu ở nhiệt độ: tF= 63,3 o C:

CF = xF CpAceton+ (1 − xF) C pnước = 0,52 (2,316kJ/kg độ) + 0,48 (4,190kJ/kg độ) Nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang raQ F :

�� = (������/�) (�, ��� ��/�� độ) (��, �℃) = ������, � ��/�. Áp suất hơi đốt: PF= 1at; tra bảng I.250, trang 312 [1] được giá trị ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rnước= r1= 2,260 kJ/kg.

Lượng hơi đốt (lượng hơi nước) cần thiết để đun sôi dung dịch nhập liệu:

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qxq1:

� ��� = �, �� � � � � = �, �� (�����, ���/�) (�, ����� ��) = ����, � ��/�. Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào (đã trừ đi lượng tổn thất)QD1:

3.3.5 Cân bằng năng lượng cho toàn tháp chưng cất

Phương trình cân bằng nhiệt lượng toàn pháp chưng cất:

QF+ QD2+ QR = Qy+ Qw + Qxq2+ Qng2(IX 156, trang 197, [2]).

Trong đó: Q D2 - nhiệt lượng hơi đốt mang vào, kJ/h.

QF - nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang vào tháp, kJ/h.

QR - nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào, kJ/h.

Qy- nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp, kJ/h.

Q W - nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra, kJ/h.

Q ng2 - nhiệt lượng do nước ngưng mang ra, kJ/h.

Qxq2 - nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh; kJ/h.

Nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang vào tháp (hay nhiệt lượng hỗn hợp nhập liệu mang ra thiết bị đun sôi):Q F = 407145,6 kJ/h.

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vàoQD2:

Trong đó: D2 - lượng hơi đốt để đun sôi dung dịch trong đáy tháp, kg/h. r2 - ẩn nhiệt hóa hơi, kJ/kg. λ2 - hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt, kJ/kg. θ2 - nhiệt độ nước ngưng, o C.

C2 - nhiệt dung riêng của nước ngưng, kJ/kg.độ.

Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào QR:

QR = GR CR tR, kJ/h (IX 158, trang 197, [2]). trongđó:GR - lượng lỏng hồi lưuGR = GD Rth, kg/h.

C R - nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu, kJ/kg.độ. t R - nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu, o C.

Lượng lỏng hồi lưu GR:

Nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu: tR= tD2v= 56,82 o C.

Bảng nhiệt dung riêng (Tra bảng I.153, trang 171-172, [1]).

Thông số Nhiệt độ CpAceton(kJ/kg.độ) Cpnước(kJ/kg.độ) tR= 56,82 o C 2,295 4,188

Nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu tại nhiệt độ 56,82 o C.

C R = x D C pAceton + (1 − x D ) C pnước = 0,98 (2,295kJ/kg độ) + 0,02 (4,188kJ/kg độ) = 2,333 kJ/kg độ.

Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vàoQ R :

Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh thápQ y :

Qy = GD (Rth+ 1) λD, kJ/h (IX 159, trang 197, [2]).

Với:λ D - Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, J/kg (hay chính là ẩn nhiệt hóa hơi của hơi ở đỉnh).

Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra QW:

� � = (�����/�) (�, ��� ��/�� độ) (��, ��℃) = ������, � ��/�. Áp suất hơi đốt: PW= 2at; tra bảng I.250, trang 312, [1], được giá trị ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r2= 2,207 kJ/kg.

Lượng hơi đốt (lượng hơi nước) cần thiết để đun sôi dung dịch đáy là:

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vàoQ D2 :

→Chọn lượng lỏng hồi lưu thực tế�� = 750 kg/h.

→Chọn lượng hơi đốt thực tế�� = 380 tấn/h.

Bảng 3.3.1 Kết quả tính toán cân bằng năng lượng toàn tháp chưng cất. Đối tượng Giá trị

Nhiệt lượng của quá trình ngưng tụ Qnt 967406,8kJ/h

Nhiệt lượng làm nguội sản phẩm đỉnhQ ng 41553,4kJ/h

Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vàoQR 91135,7kJ/h

Nhiệt lượng do nhập liệu mang vào tháp QF 407145,6 kJ/h

Nhiệt lượng đáy mang ra QW 280547,2kJ/h

Nhiệt lượng đun sôi dung dịch đáyQ D2 789493,1kJ/h

Nhiệt lượng đun sôi nhập liệuQ D1 92785kJ/h

Bảng 3.3.2 Kết quả tính toán suất lượng trong các thiết bị. Đối tượng Kết quả tính toán Chọn giá trị thực tế

Suất lượng nước lạnh tiêu tốn để ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnh thành lỏng sôi���

Suất lượng nước tiêu tốn cho quá trình làm nguội� �� G n2 = 995,1 kg/h ��� = �, � �ấ�/�

Suất lượng của dòng sản phẩm đáy vào thiết bị trao đổi nhiệt��� GW1 = 793,7 kg/h ��� = ��� ��/�

Lượng hơi đốt (lượng hơi nước) cần thiết để đun sôi dòng nhập liệu� � D1 = 41055,3 kg/h � � = �� �ấ�/� Lượng lỏng hồi lưuG R G R = 687,5 kg/h �� = 750 kg/h

Lượng hơi đốt (lượng hơi nước) cần thiết để đun sôi dung dịch đáy� � D 2 = 357722,3 kg/h �� = 380 tấn/h

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ

Tính kích thước thiết bị

4.1.1 Lựa chọn thiết bị ngưng tụ

ChọnBình ngưng vỏ ống nằm ngangvới những ưu điểm sau:

Thiết bị này được thiết kế chắc chắn, nhỏ gọn và dễ dàng chế tạo, lắp đặt, đồng thời sở hữu hình dạng đẹp mắt phù hợp với yêu cầu thẩm mỹ công nghiệp Ngoài ra, thiết bị này còn cho phép sửa chữa và làm sạch dễ dàng bằng phương pháp cơ học hoặc hóa chất, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong quá trình sử dụng.

Suất tiêu hao kim loại nhỏ nhất của các ống nước trong hệ thống trao đổi nhiệt thường dao động khoảng 40-45 kg/m2 diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Đường kính của ống nước thường nằm trong khoảng 20-50mm, trong khi tốc độ nước chảy qua ống có thể thay đổi từ 1,2-2,5m/s, tùy thuộc vào mức độ sạch của nước, với giá trị lớn hơn áp dụng cho nước bẩn.

Nhiệt độ nước làm mát qua bình ngưng có thể tăng từ 4-10K, tức 1kg nước nhận 6-33kJ nhiệt từ môi chất Hệ số truyền nhiệt k tương đối lớn k = 800-1000W/m2.K. Ít hư hỏng và tuổi thọ cao: đối các thiết bị ngưng tụ kiểu khác do chứa cả nước và không khí nên tốc độ bào mòn ống trao đổi nhiệt khá nhanh Đối với bình ngưng luôn luôn ngập nước mà không tiếp xúc với không khí nên tốc độ bào mòn chậm hơn nhiều.

Nhưng cũng có một số nhược điểm sau:

Diện tích mặt bằng bình ngưng không chiếm quá nhiều không gian, nhưng cần phải có diện tích dự phòng ở phía đầu bình hoặc có phương án thích hợp để thuận tiện cho việc rút ống ra khi cần sửa chữa hoặc thay thế.

Yêu cầu khối lượng nước làm mát lớn và nhanh tạo cận bẩn (nhất là chất lượng nước xấu) giảm nhanh khả năng truyền nhiệt. Để tiết kiệm nước phải có tháp giải nhiệt tức phải đầu tư thêm kinh phí, chiếm thêm diện tích và thường gây ồn, ẩm môi trường lân cận.

Máy lạnh hấp thụ thường được ứng dụng rộng rãi với công suất lạnh trung bình và lớn, đặc biệt phù hợp với những khu vực có nguồn nước sạch dồi dào và giá thành nước không cao Khi kết hợp với tháp giải nhiệt, nhiệt độ nước làm mát có thể giảm xuống, giúp tăng hiệu suất làm lạnh của máy.

4.1.2 Các thông số ban đầu Để đảm bảo chất lượng của thiết bị và khả năng chống ăn mòn chọn ống truyền nhiệt được làm bằng thép INOX 304 có các thông số:

Bảng 4.1.1 Các thông số của ống truyền nhiệt được chọn trong thiết bị ngưng tụ.

Thông số Giá trị Đường kính ngoài của ống dng= 25 mm = 0,025 m Đường kính trong của ống dtr= 20 mm = 0,02 m

Bề dày thành ống δ = 2,5 mm = 0,0025 m

Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép λ = 16,3 (W/m o C )

Nhiệt độ mặt ngoài thành ống tT1= 50 o C

Dựa vào kết quả tính toán cân bằng năng lượng thiết bị ngưng tụ ta được các giá trị trong bảng dưới đây.

Bảng 4.1.2 Các thông số tính toán cân bằng năng lượng thiết bị ngưng tụ.

Nhiệt độ dòng hơi sản phẩm đỉnh trước khi vào thiết bị ngưng tụ tD1= 57,30 o C Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở đỉnh rD= 559,5 kJ/kg

Nhiệt độ vào của dòng nước làm lạnh tv= 30 o C

Nhiệt độ ra của dòng nước làm lạnh tr= 40 o C

Suất lượng nước lạnh tiêu tốn để ngưng tụ dòng Gn1#165,9kg/h sản phẩm đỉnh thành lỏng sôi

Tổng nhiệt lượng quá trình ngưng tụ tỏa ra Qnt7406,8kJ/h Độ chênh lệnh nhiệt độ trung bình của hai lưu chất∆tlog:

∆t log =(tD1v− t r ) − (tD1r− t v ) ln (t D1v − tr) (tD1r− tv)

Nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh: t ntb = t D1 − ∆t log = 57,30 − 21,92 = 35,38℃.

Bảng 4.1.3 Thông số vật lý của nước làm lạnh ở 35,38oC.

Thông số Giá trị Nội suy theo bảng

Khối lượng riêng (� � , kg/m 3 ) 993,4 Bảng I.2, tr 9, [1] Độ nhớt (� � , 10 -3 N/m 2 s) 0,723 Bảng I.101, tr 91- 92, [1] Ẩn nhiệt hóa hơi (r n , J/kg) 2427480,5 Bảng I.212 , tr 254, [1]

Hệ số dẫn nhiệt (� � , W/m.độ) 0,632 Bảng I.130, tr 134, [1]

Nhiệt dung riêng (C pn , kJ/kg.độ) 4,176 Bảng I.153, tr 171-172, [1]

Xác định chuẩn số Re của nước:

→Re n >10000 nước chảy thuộc chế độ chảy rối.

4.1.3 Xác định hệ số cấp nhiệt

Nhiệt độ màng lỏng ngưng: t m =tD1 + tT1

Bảng 4.1.3 Thông số vật lý của các cấu tử ở 53,65oC.

Khối lượng riêng (�, kg/m 3 ) 753 985,8 Độ nhớt (�,10 -3 N/m 2 s) 0,240 0,520 Ẩn nhiệt hóa hơi (r, J/kg) 524480,4 2427480,5

Hệ số dẫn nhiệt (�, W/m.độ) 0,165 0,652

Nhiệt dung riêng (C p , kJ/kg.độ) 2,284 4,185

Khối lượng riêng của lỏng ngưngρ hh :

→ ρ hh = 756,6 kg/m 3 Độ nhớt hỗn hợp lỏng ngưngμ hh (I 12,trang 84, [1]): logμ hh = � � log μ A + (1 − � � ) log μ B = 0,98 log 0,240 + 0,02 log 0,520.

→ μ hh = 100,98 log 0,240+0,02 log 0,520 = 0,244 10 −3 N/m 2 s. Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp lỏng ngưng rhh: rD = xD r Aceton + (1 − xD) r nước = 0,98 (524480,4J/kg) + 0,02 (2427480,5J/kg) = 562540,9 J/kg.

Hệ số dẫn nhiệt lỏng ngưngλ hh (I.33, trang 124,[1]): λhh = xD λ Aceton + (1 − xD) λ nước − 0,72 xD (1 − xD) (λ nước − λ Aceton ) = 0,98 (0,165W/m độ) + 0.02 (0,652W/m độ) − 0,72.0,98.0,02 (0,652 − 0,165)W/m độ = 0,175 W/m độ.

Nhiệt dung riêng của lỏng ngưngC hh :

C hh = x D C pAceton + (1 − x D ) C pnước = 0,98 (2,284kJ/kg độ) + 0,02 (4,185kJ/kg độ) = 2,322kJ/kg.độ.

Bảng 4.1.4 Thông số vật lý của hỗn hợp ở 53,65oC.

Khối lượng riêng (� �� , kg/m 3 ) 756,5 Độ nhớt (� �� , 10 -3 N/m 2 s) 0,244 Ẩn nhiệt hóa hơi (r hh , J/kg) 562540,9

Hệ số dẫn nhiệt (� �� , W/m.độ) 0,175

Nhiệt dung riêng (C phh , kJ/kg.độ) 2,322

Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ (phía mang ngưng): α 1 = C 4 r hh ρ hh λ n 3 g ν hh ∆t d ng = C 4 r hh ρ hh 2 λ hh 3 g μ hh ∆t d ng (trang 156, [7]).

Trong đó: C = 0,72 đối với bình ngưng nằm ngang. r - ẩn nhiệt hóa hơi của lỏng ngưng, J/kg. g - gia tốc rơi tự do, m/s 2

Chọn hệ số phụ thuộc vào cách bố trí và số ống trong mỗi dãy thẳng đứng là: ε = 0,75.

Nhiệt tải hơi ngưng tụ q1:

Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi ngưng:r1 = 11600 1 m 2 độ/W.

Nhiệt trở cặn bẩn phía dòng nước:r 2 = 8000 1 m 2 độ/W.

Nhiệt độ bề mặt trong của thành ống tT2: t T2 = t T1 − q 1 (r 1 + δ λ thép + r 2 ) = 50℃ − (17460,7W/m 2 ) (( 1

Chuẩn số Nu của nước:

Hệ số cấp nhiệt� 2 của nước vào mặt ống: α2 =Nun λn dtr 8,9 (0,632W/m độ)

Nhiệt tải dòng nước q2: q2 = α2 (tT2 − ttbn) = (4072,7 W/m 2 độ) (44,19℃ − 40℃) = 17055,9 W/m 2

Ta thấy tại tT1= 50 o C thỏa mãn điều kiện� � < 0,05.

Hệ số truyền nhiệt K ứng vớitT1= 50 o Clà:

Diện tích bề mặt truyền nhiệt F:

(1001,2 W/m 2 ℃) (21,92℃) 3600= 12,24 m 2 Để dữ trữ 30% diện tích bề mặt truyền nhiệt ta có F = 12,24m 2 (1+0,3) = 15,9m 2 ~ 16m 2 Chiều dài ống ứng với diện tích F:

Ta chọn cách sắp xếp ống theo kiểu hình lục giác.

Bước ống S lấy bằng khoảng từ (1,2 – 1,5).dng, ta chọn:

Số ống trên cạnh hình lục giác lớn nhất a: n = 3a.(a - 1) + 1 (V.139, trang 48, [2]).

Trong đó: n - tổng số ống trong thiết bị truyền nhiệt. a - số ống trên một cạnh của hình lục giác lớn nhất.

Xác định số ống trên đường chéo của lục giác lớn nhất b: b = 2a – 1 = 2 x 6 – 1 = 11 (V.139, trang 48, [2]).

Khi bố trí kết cấu ống trên mặt sàng với 91 ống, ta thường sắp xếp theo đường chéo chính có 11 ống và hình lục giác đều mỗi cạnh 6 ống, có thể thay đổi tùy theo bố trí chặn ở nắp Đường kính trong thiết bị được tính toán dựa trên công thức (V.140, trang 49, [2]).

Ta chọn thiết bị truyền nhiệt có đường kính trong 500 mm.

Vận tốc thực của dòng nước trong thiết bị ngưng tụ, vtt: ω tt = 4 × Gn

Do đó để vận tốc của dòng nước đúng với vận tốc thiết kế thì ta phải tăng số chặn phía ống.

Số chặn phía ống:z = ω ω tt = 0,24m/s 0,8m/s = 3,33.

Vậy ta chọn thiết bị có 4 chặng phía ống.

Kiểm tra Re ứng với 4 chặn phía ống, Re > 10000

Thiết bị này có đường kính trong 500 mm, được trang bị tổng cộng 91 ống truyền nhiệt với kích thước Φ25 x 2 mm và chiều dài 3 m Các ống truyền nhiệt này được chia thành 4 chặng phía ống, mỗi chặng bao gồm 23 ống, với khoảng cách giữa các ống là 37,5 mm.

Tính cơ khí thiết bị

Thiết bị hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thiết bị có thân hình trụ được gia công bằng phương pháp hồ quan tự động dưới lớp thuốc, kiểu hàn giáp mối hàn hai phía Để đảm bảo chất lượng sản phẩm và độ ăn mòn của thiết bị ta sẽ chọn vật liệu làm thân thiết bị là thép không gỉ INOX 304.

Chọn nhiệt độ tính toán:do nhiệt độ môi trường làm việc bé hơn 250 o C nên chọn nhiệt độ tính toán bằng nhiệt độ làm việc: ttt= tD1= 57,3 o C (trang 9, [5]).

Khi chọn áp suất làm việc cho thiết bị, cần xem xét rằng áp suất thường không có áp suất dư và chiều cao cột áp thủy tĩnh được coi là không đáng kể Do đó, áp suất tính toán được xác định là ptt = 0,1 N/mm2, như được chỉ định trong bảng 1.

Chọn ứng suất cho phép: chọn ứng suất cho phép tiêu chuẩn đối với thép INOX 304 tại 57,3 o C:[σ] ∗ = 145 N/mm 2 (tra đồ thị hình 1.2 với 4-X18H10T, X18H12T; trang 16; [5]).

Hệ số hiệu chỉnh:η = 1 (trang 17, [5]). Ứng suất cho phép:[σ] = η [σ] ∗ = 1 145 N/mm 2 = 145 N/mm 2 (1-9, trang 17, [5]). Chọn hệ số bền mối hàn:� ℎ = 0,95(tra bảng 1-8, trang 19, [5]).

Thời hạn sử dụng thiết bị là 15 năm.

Chọn hệ số bổ sung bề dày tính toán:

Ca= 1mm (trang 20, [5]): hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường, mm.

Cb= 0mm (trang 20, [5]): hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường, mm.

Cc= 0mm: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp, mm.

Co= 0mm : hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, mm.

→ C = 1mm + 0mm + 0mm + 0mm = 1mm.

Vậy bề dày thực của thiết bị:Stt = Smin+ C = 3mm + 1mm = 4mm(5-9, trang 97, [5]). Kiểm tra áp suất tính toán cho phép, [p]:

500mm+(4mm−1mm) = 1,64 N/mm 2 (6-10, trang 97, [5]).

Vì [p] > ptt nên bề dày thiết bị là S = 4 mm.

Bảng 4.2.1 Các thông số ban đầu tính toán thân thiết bị thiết bị ngưng tụ.

Thông số Giá trị Tra cứu

Nhiệt độ tính toán ttt= tD1= 57,3 0 C Trang 9, [5] Áp suất tính toán ptt= 0,1 N/mm 2 Bảng 1-1, trang 10, [5] Ứng suất cho phép [σ]= 145 N/mm 2 1-9, trang 17, [5] Đường kính thân thiết bị Dt = 500mm

Hệ số bền mối hàn φ h = 0,95 Tra bảng 1-8, trang 19, [5]

Thời hạn sử dụng thiết bị 15 năm

Bề dày tối thiểu của thân thiết bị Smin = 3mm Tra bảng 5.1, trang 94, [5]

Bề dày thực của thiết bị Stt = 4mm 5-9, trang 97, [5]

Chọn nắp (đáy) có dạng hình elip tiêu chuẩn có gờ, làm bằng thép không gỉ INOX 304.

Bảng 4.2.2 Các thông số ban đầu tính toán đáy (nắp) thiết bị ngưng tụ.

Thông số Giá trị Tra cứu

Nhiệt độ tính toán ttt = 57,3 0 C Trang 9, [5] Áp suất tính toán ptt= 0,1 N/mm 2 Bảng 1-1, trang 10, [5] Ứng suất cho phép [σ]= 127,3 N/mm 2 Bảng 2-9, trang 29, [5]

Hệ số bền mối hàn φh = 0,95 Tra bảng 1-8, trang 19, [5]

Thời hạn sử dụng thiết bị 15 năm

Bề dày thực của thiết bị Stt = 4mm 5-9, trang 97, [5]

Hệ số hiệu chỉnh η = 1, vì môi trường là nước.

Bề mặt đáy và nắp cần thỏa mãn điều kiện:

Kiểm tra áp suất tính toán cho phép, [p]: p = 2 σ φ R h S−C a t + S−C a =2.(127,3N/mm 2 ).0,95 4−1 mm

[p] > [ptt], nên bề dày nắp (đáy): S = 4 mm.

Chiều sâu bên trong của phần Elip: ht= 0,25 Dt= 0,25 500 = 125 mm.

Chiều cao gờ: h = 25 mm (bảng XIII.10, trang 382, [2]).

Diện tích bề mặt trong của nắp (đáy): Ft= 0,31 m 2

Khối lượng của nắp (đáy): mn= 10 kg (bảng XIII.11, trang 384, [2]). Đường kính phôi của nắp (đáy) elip: D’= Dt= 500mm (bảng XIII.12, trang 385, [2]).

Thể tích của nắp (đáy): Vn= 0,0115 m3

4.1.3 Bích ghép thân và nắp (đáy)

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị.

Chọn bích ghép thân, nắp (đáy) là loại bích phẳng hàn làm bằng thép INOX 304. Ứng suất cho phép của bích tại 57,3 o C: [σ] = 127,3 N/mm 2 (bảng 2-9, trang 29, [5]).

Số mặt bích cần dùng là 2 được hàn vào 2 nắp (đáy).

Bu lông làm bằng thép CT3.

Thông số của bích được chọn theo bảng XIII.27, trang 417, [2].

Bảng 4.2.3 Kích thước bích ghép thân và đáy (nắp) thiết bị ngưng tụ. Đường kính thiết bị

D t Đường kính ngoài mặt bích D Đường kính vòng bulong

D b Đường kính gờ mặt bích

D 1 Đường kính đến vành trong đệm D o

Độ kín của mối ghép bích phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu đệm, do đó việc lựa chọn đệm phù hợp là rất quan trọng Đệm được làm từ vật liệu mềm dễ biến dạng giúp lấp đầy các chỗ gồ ghề trên bề mặt bích khi siết bu lông, đảm bảo độ kín khít cho mối ghép Để đạt được hiệu quả tốt nhất, nên chọn đệm Paronit có bề dày 3 mm.

Bề rộng thực của vòng đệm:b = D 1 −D 2 0 = 550−511 2 = 19,5 mm. bo= 0,8 x b = 0,8 x 19,5 = 15,6 mm. Đường kính trung bình của vòng đệm: Dtb = D 1 +D 2 0 = 550+511 2 = 530,5 mm.

Hệ số áp suất riêng: m = 2 (tra bảng 7-4, trang 156, [5]). Áp suất riêng phần cần thiết để biến dạng vòng đệm: qo= 11 N/mm 2 (tra bảng 7-4, trang

Lực cần thiết để ép chặt vòng đệm (7-11, trang 155, [5]):

Q 2 = π D tb b o q o = π (530,5mm) (15,6mm) (11N/mm 2 ) = 285991,1 N. Lực nén chiều trục sinh do siết bu lông (7-10, trang 155, [5]):

4 (500mm) 2 (0,1N/mm 2 ) + π (530,5mm) (15,6mm) (2 (0,1N/mm 2 ) = 24834,8 N/mm 2

Lực tác dụng lên một bu lông (7-14, trang 157, [5]):

20 = 14299,6 N. Ứng suất cho phép của vật liệu làm bu lông [σ] (tra bảng 7-7, trang 158, [5]): Ứng suất cho phép của vật liệu làm bu lông tại 57,3 0 C:[σ] b = 89,2 N/mm 2

Hệ số giảm ứng suất với db= 20 là ko= 0,8 (trang 157, [5]). Ứng suất cho phép của vật liệu làm bu lông:

Ta thấy[σ] b ' < [σ] bi thỏa điền kiện.

Cánh tay đòn của momen gây uốn bích (trang152, [5]): l =Db − D1

Momen uốn tại tiết diện AB:

M = Q l = (285991,1N) (15mm) = 4289866,5 N mm. Monmen chống uốn tại tiết diện AB:

6 = 115191,7 mm 3 Ứng suất tại tiết diện AB (7-7, trang 154, [5]):

Q 6 Q l π D 1 h 2 =6 (285991,1N) (15mm) π (550mm) (20mm) 2 = 37,2 N/mm 2 Mối hàn thuộc loại hàn chồng (ngang).

Kiểm tra ứng suất uốn mối hàn bích với thân thiết bị:

[σ]u = W M u = 0,7.δ.l 6.M n 2 (trang 154, [5]). với:δ= S: bề dày thiết bị, mm. l n : chiều dài mối hàn (chu vi thiết bị), mm. l n = π d n = π (508mm) = 1596mm. Ứng suất cắt mối hàn: τ = 2.0,7.δ.l Q n = (285991,1N) 2.0,7.(4mm).(1596mm) = 32 N/mm 2 (trang 154, [5]). Ứng suất tương đương của mối hàn:

[σ] td = σ u 2 + τ 2 = (3,6N/mm 2 ) 2 + (32 N/mm 2 ) 2 = 32,2 N/mm 2 (7-8, trang 154, [5]).

[σ] td ≤ 0,8 [σ] = 0,8.σB m Với:σ B = 490 MPa: giới hạn bềnởnhiệtđộlàm việcđối với thép CT3. m = (4÷5): hệ số an toàn bền Chọn m=4.

4 = 98000 N/mm 2 Vậy[σ]td ≤ 0,8 [σ]thỏa điều kiện.

4.2.4 Đường kính các ống dẫn – bích ghép các ống dẫn Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo được hoặc không tháo được. Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo được Đối với mối ghép tháo được, người ta làm đoạn ống nối là đoạn ống ngắn có mặt bích hay ren để nối với ống dẫn; loại có mặt bích thường dùng với ống có D y > 10 mm; loại ren chủ yếu dùng với ống có D y ≤ 10 mm, đôi khi có thể dùng với ống cóDy ≤32 mm (trang 434, [2]).

Chọn ống dẫn và bích được làm bằng thép không gỉ INOX 304, cấu tạo của bích là bích liền không cổ.

4.2.5 Ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ

Nhiệt độ dòng nước vào thiết bị ngưng tụ là 30 o C.

Khối lượng riêng của nước tại 30 o C: ρn= 995 kg/m 3

Lượng nước cần dùng Gn1= 25000 kg/h.

Chọn vận tốc nước trong ống dẫn: vn= 1,0 m/s. Đường kính trong của ống:

Kết luận: Chọn ống có đường kính trong 100 mm, bích theo chuẩn, chiều dài đoạn ống nối là 120 mm (tra bảng XIII.32, trang 434, [2]).

4.2.6 Ống dẫn nước ra thiết bị ngưng tụ

Nhiệt độ dòng nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ là 40 o C.

Khối lượng riêng của nước tại 40 o C: ρn= 992 kg/m 3

Lượng nước cần dùng Gn= 25000 kg/h.

Chọn vận tốc nước trong ống dẫn: vn= 1,0 m/s. Đường kính trong của ống:

Kết luận:Chọn ống có đường kính trong 100 mm, chiều dài đoạn ống nối là 120 mm (tra bảng XIII.32, trang 434, [2]).

4.2.7 Ống dẫn lỏng ngưng ra khỏi thiết bị

Nhiệt độ lỏng ngưng ra khỏi thiết bị ngưng tụ là 57,3 o C.

Bảng khối lượng riêng (Tra bảng I.2, trang 9, [1]).

Thông số Nhiệt độ ρAceton (kg/m 3 ) ρ nước (kg/m 3 )

Chọn vận tốc nước trong ống dẫn: vn= 0,1 m/s.

Q1: lưu lượng thể tích dòng lỏng, m 3 /s.

(752,6kg/m 3 ) 3600 = 6,38 10 −4 m 3 /s. Đường kính trong ống:

Kết luận: Chọn ống có đường kính trong 100 mm, bích theo chuẩn, chiều dài đoạn ống nối là 120 mm (tra bảng XIII.32, trang 434, [2]).

4.2.8 Ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ

Nhiệt độ dòng hơi vào thiết bị ngưng tụ là 57,3 0 C.

Chọn vận tốc dòng hơi: vh= 25 m/s.

Khối lượng riêng của hỗn hợp hơi tính theo phương trình khí lí tưởng: ρhh =P M D

RT (1atm) × (56kg/kmol) (0,082 m 3 atm/kmol K) × 57,3 + 273 K = 2,068 kg/m 3

Qh: lưu lượng thể tích dòng hơi (m 3 /s).

(2,068kg/m 3 ) 3600 = 0,23m 3 /s. Đường kính trong ống:

Kết luận: Chọn ống có đường kính trong 125 mm, bích theo chuẩn, chiều dài đoạn ống nối là 120 mm (tra bảng XIII.32, trang 434, [2]).

4.2.9 Bích ghép các ống dẫn

Thông số của bích được chọn theo (tra bảng XIII.26, trang 409, [2]).

Bảng 4.1.4 Kích thước bích ghép các ống dẫn. Ống D y D n D D δ D 1 h Bulong d b Z mm cái Ống nước vào 100 108 230 190 162 14 M20 8 Ống nước ra 100 108 230 190 162 14 M20 8 Ống lỏng ngưng 100 108 230 190 162 14 M20 8 Ống hơi vào 125 133 245 210 188 14 M16 8

Chọn vỉ ống hình tròn phẳng với vật liệu làm ống là thép CT3 và bố trí theo hình tam giác đều Đường kính của vỉ ống sẽ bằng với đường kính trong của thiết bị, cụ thể là D = Dt = 500 mm Đồng thời, đường kính ngoài của ống truyền nhiệt được xác định là dng = 25 mm.

Bề dày tối thiểu của vỉ ống (8-51, trang 182, [5]). h' = dng

Vậy chọn bề dày thực của vỉ ống là 20 mm.

4.2.11 Vách ngăn lưu chất phía vỏ Để tạo chuyển động cắt ngang qua đường ống, tăng cường quá trình trao đổi nhiệt, chống rung động cho các ống và đỡ các ống khỏi bị cong xuống người ta lắp các tấm ngăn hình vành khăn, viền khăn hay đĩa. Ở đây ta chọn 1 tấm ngăn hình viên phân, INOX 304.

Tấm ngăn hình viên phân được cắt một khoản h = 25% Dngăn Các lỗ trên tấm ngăn thường có đường kính lớn hơn đường kính ống chừng 1mm.

Hình 4.4 Ngăn hình viên phân.

Các thông số kích thước (Tra bảng 1.2, 1.3 trang 22, [6]) ta được: Đường kính vách ngăn: Dngăn= 497 mm.

Bề dày tối thiểu của vách ngăn: 8 mm.

4.2.12 Bố trí tấm ngăn phía ống ở đáy (nắp)

Tấm ngăn nhằm tạo pass (chặng) cho lưu chất phía ống Chúng có thể bố trí kiểu rẽ quạt, đồng tâm hay cát tuyết.

Chọn cách bố trí song song cho các tấm ngăn ở nắp, sử dụng tấm hình elip dày 10mm bằng INOX 304.

4.2.13.1 Tổn thất do ma sát

Trong đó: ρ - khối lượng riêng của nước tại 35 0 C là 993,5 J/kg. ω tt - vận tốc dòng nước đi trong ống là 0,24 m/s.

L - chiều dài một ống truyền nhiệt nhân với số chặn 3 4 = 12 m. dtr- đường kính trong ống truyền nhiệt 0,020 m. λ - hệ số ma sát của dòng nước vào thành ống.

� = 20�� 0,1 = 200với �-độnhám tuyệtđối (bảng II.15, trang 381, [1]).

Khu vực chảy quá độ Regh< Re < Renvới � � �� = 200 (nội suy bảng II.14, trang 379, [1]).

4.2.13.2 Tổn thất trở lực cục bộ

Công thức tính trở lực của dòng chảy trong hệ thống ống là ∆pcb = ξ × ρ×ω 2 tt 2 Trong đó, ξ là tổng trở lực của dòng chảy, được tính bằng tổng của các trở lực riêng biệt, bao gồm trở lực do đột mở cửa vào (ξ1), trở lực do đột thu khi nước đi từ nắp vào chùm ống (ξ2), trở lực đột mở khi nước từ ống chùm đi ra khoang nắp (ξ3), trở lực đột thu khi nước đi từ khoang nắp vào chùm ống (ξ4), trở lực đột mở khi nước đi từ chùm ống ra nắp (ξ5), trở lực đột thu cửa ra (ξ6) và trở lực do đối chiếu 180 độ giữa các lối (ξ7) Các giá trị của ξ1, ξ2, ξ3, ξ4, ξ5, ξ6 và ξ7 được xác định dựa trên các bảng số liệu cụ thể và có thể được nội suy để tìm giá trị phù hợp.

Vậy tổng trở lực cục bộ là:

4.2.14.1 Tính toán sơ bộ khối lượng thiết bị

Bảng 4.2.6 Thông số cơ toàn thiết bị. Đối tượng Vật liệu h (mm) D t (mm) D n (mm) Z

Bích ghép nắp (đáy) INOX 304 20 630 1x2

Bu lông ghép bích CT3 M20 20x2

Vỉ ống CT3 20 630 1x2 Ống truyền nhiệt INOX 304 2,5 20 25 91 Ống D y D n D D δ D 1 h l Bulong d b Z mm cái Ống nước vào 100 108 230 190 162 14 120 M20 8 Ống nước ra 100 108 230 190 162 14 120 M20 8 Ống lỏng ngưng 100 108 230 190 162 14 120 M20 8 Ống hơi vào 125 133 245 210 188 14 120 M16 8

Khối lượng riêng của thép không gỉ INOX 304: ρ304= 7930 kg/m 3

Khối lượng riêng của thép CT3: ρCT3= 7850 kg/m 3

Khối lượng của 1 nắp (đáy): mn= 10 kg (bảng XIII.11, trang 384, [2]).

Khối lượng của 1 chặn ở nắp (đáy): m cn =π

Khối lượng 1 bích ghép thân và nắp (đáy): mbích =π

Khối lượng 1 vỉ ống: m vỉ =π

4 (0,630m) 2 (0,02m) (7850kg/m 3 ) = 48,9 kg. Khối lượng của 1 chặn ở vỏ thiết bị: m cv =3

Khối lượng của chùm ống truyền nhiệt: m ống = n.π

4 (0,025m) 2 − (0,020m) 2 (3m) (7930kg/m 3 ) = 382,6 kg. Khối lượng của ống dẫn nước vào và bích ghép: m 1 = π

+ π 4 (0,230m) 2 − (0,108m) 2 (0,014m) (7930kg/m 3 ) = 4,8 kg. Khối lượng của ống dẫn nước ra và bích ghép: m 2 = m 1 = 4,8 kg.

Khối lượng của ống dẫn lỏng ngưng ra khỏi thiết bị và bích ghép: m3 = m1 = 4,8 kg.

Khối lượng của ống dẫn hơi vào thiết bị và bích ghép: m 4 = π

Khối lượng của 1 bộ bu lông M20: mM20 = 0,259 kg.

Khối lượng của 1 bộ bu lông M16: m M16 = 0,125 kg.

Vậy khối lượng của toàn thiết bị ngưng tụ là: m = 2m nắp + 3m cn + 2m bích + m thân + m cv + 2m vỉ + m ống + 3m 1 + m 4 + 64m M20 + 8m M16 =

= 2 (10 kg) + 3 (4,4 kg) + 2 (17,3 kg) + (150,7kg) + (7,1kg) + 2 (48,9kg) +

+(382,6kg) + 3 (4,8kg) + (5,2kg) + 64 (0,259kg) + 8 (0,125kg) = 743,2 kg.

4.2.14.2 Chọn chân đỡ (tai treo)

Thiết bị gồm có 2 chân đỡ, được chế tạo bằng phương pháp hàn, các tấm chân đỡ được hàn vào nhau, vật liệu là thép CT3.

Chọn thông số chân đỡ theo hình 13.26, trang 847, [7].

Trọng lượng của toàn thiết bị là:

Ta lựa chọn kích thước chân đỡ cho thiết bị có đường kính 0,5m và trọng lượng 7,3kN.

Bảng 4.2.5 Thông số kích thước chân đỡ. Đường kính thiết bị

Khoảng cách giữa 2 chân đỡ được tính theo sơ đồ hình 8.24a, trang 196, [5].

Khối lượng riêng của vật liệu làm thân và khối lượng riêng của môi trường chứa trong thiết bị lần lượt là: ρ304= 7930 kg/m 3 và ρn= 1000 kg/m 3

Chiều dài nắp (đáy) khi chứa đầy môi trường trong thiết bị:

Chiều dài thân trụ, Lt= 3000 mm

Chiều dài thiết bị có hai đáy giống nhau: L = Lt+ 2Ln= 3000 + 2.87 = 3174 mm. Khoảng cách giữa hai chân đỡ, l: l = 1 − 2 0,207 L = 1 − 2 0,207 3174mm = 1860 mm.

Kết luận:Khoảng cách giữa hai chân đỡ là 1860 mm.

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ