Đồ án môn học tháp chưng cất laoij mâm chóp để chưng cất hổn hợp axit axetic nước

Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Đại học Quốc gia TpHCM Trường Đại học Bách Khoa Khoa Công nghệ Hóa học & Dầu khí BỘ MƠN MÁY & THIẾT BỊ WYZXWYZX ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT LOẠI MÂM CHÓP ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN HỢP AXIT AXETIC - NƯỚC CBHD: Sinh viên: MSSV: Lớp: Ngành : Thầy HỒNG MINH NAM MAI THỊ NGỌC HẠ 60500799 HCO5KSTN HÓA HỮU CƠ Năm học : 2008 - 2009 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG : TỔNG QUAN I LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT Phương pháp chưng cất Thiết bị chưng cất: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU Acid axetic Nước Hỗn hợp Acid axetic – Nước CHƯƠNG : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHƯƠNG : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ ĐÁY III XÁC ĐỊNH TỶ SỐ HỒN LƯU LÀM VIỆC IV XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA CHƯƠNG : CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHƯƠNG : TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH I ĐƯỜNG KÍNH THÁP: Đường kính đoạn luyện Đường kính đoạn chưng II CHIỀU CAO THÁP III TÍNH TỐN CHĨP VÀ ỐNG CHẢY CHUYỀN IV TRỞ LỰC CỦA THÁP CHƯƠNG : TÍNH TỐN CƠ KHÍ I TÍNH CHIỀU DÀY THÂN THÁP II TÍNH ĐÁY, NẮP THIẾT BỊ III TÍNH ĐƯỜNG KÍNH VÀ BULON ỐNG DẪN Ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Ống dẫn dòng chảy hồn lưu Ống dẫn dòng nhập liệu Ống dẫn dòng sản phẩm đáy Ống dẫn từ nồi đun qua tháp CHƯƠNG : TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ I THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP II THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY III THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH IV THIẾT BỊ ĐUN SƠI DỊNG NHẬP LIỆU V BỒNG CAO VỊ VI BƠM CHƯƠNG : TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày phát triển với nhu cầu ngày cao độ tinh khiết sản phẩm Vì thế, phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn cải tiến đổi để ngày hồn thiện hơn, là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ Axit axetic – Nước cấu tử tan lẫn hồn tồn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết Đồ án mơn học Q trình Thiết bị mơn học mang tính tổng hợp q trình học tập kỹ sư Cơng nghệ Hóa học tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: quy trình cơng nghêä, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hóa chất - thực phẩm Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ Đồ án thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có suất 0,5m3/h, nồng độ nhập liệu 8%(kg axit/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đỉnh 95,5%(kg nước/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đáy 30%(kg axit/kg hỗn hợp), tháp làm việc áp suất thường CHƯƠNG : TỔNG QUAN I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : Khái niệm: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hịa cấu tử khác nhau) Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha trình hấp thu nhả khí, q trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất đặc khơng khác nhau, nhiên hai q trình có ranh giới q trình chưng cất dung mơi chất tan bay (nghĩa cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khác nhau), cịn q trình đặc có dung mơi bay cịn chất tan khơng bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có cấu tử ta thu sản phẩm: ƒ Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé ƒ Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn Đối với hệ Nước – Axit axetic thì: ƒ Sản phẩm đỉnh chủ yếu nước ƒ Sản phẩm đáy chủ yếu axit axetic Các phương pháp chưng cất: 2.1 Phân loại theo áp suất làm việc: - Áp suất thấp - Áp suất thường - Áp suất cao 2.2 Phân loại theo nguyên lý làm việc: - Chưng cất đơn giản - Chưng nước trực tiếp - Chưng cất 2.3 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt đáy tháp: - Cấp nhiệt trực tiếp - Cấp nhiệt gián tiếp Vậy: hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung thiết bị giống nghĩa diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở ta khảo sát loại thường dùng tháp mâm tháp chêm ƒ Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ s…, có rãnh xung quanh để pha khí qua ống chảy chuyền có hình trịn - Tháp mâm xun lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh ƒ Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự So sánh ưu nhược điểm loại tháp: Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Ưu điểm Nhược điểm - Cấu tạo đơn giản - Trở lực thấp - Làm việc với chất lỏng bẩn dùng đệm cầu có ρ ≈ ρ chất lỏng - Trở lực tương đối thấp - Hiệu suất cao - Làm việc với chất lỏng bẩn - Kết cấu phức tạp - Do có hiệu ứng thành → hiệu suất truyền khối thấp - Độ ổn định khơng cao, khó vận hành - Do có hiệu ứng thành → tăng suất hiệu ứng thành tăng → khó tăng suất - Thiết bị nặng nề - Khá ổn định - Hiệu suất cao - Có trở lực lớn - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp Vậy ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp AXIT AXETIC – NƯỚC II GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ TÍNH CHẤT NGUN LIỆU : Axit axetic: 1.1 Tính chất: Axit axetic nóng chảy 16,6oC, điểm sơi 118oC, hỗn hợp nước với tỷ lệ Trong trình hỗn hợp với nước có co thể tích, với tỷ trọng cực đại, chứa 73% axit axetic (D : 1,078 1,0553 axit khiết) Người ta suy hàm lượng axit axetic nước từ tỷ trọng nó, ngoại trừ hàm lượng 43% Tính ăn mịn kim loại: ƒ Axit axetic ăn mịn sắt ƒ Nhơm bị ăn mịn axit lỗng, đề kháng tốt axit axetic đặc khiết Đồng chì bị ăn mòn axit axetic với diện khơng khí ƒ Thiếc số loại thép nikel – crom đề kháng tốt axit axetic Axit axetic khiết gọi axit glaxial dễ dàng đơng đặc kết tinh nước đá 17oC, đước điều chế chủ yếu oxy hóa andehit axetic Khơng màu sắc, vị chua, tan nước cồn etylic 1.2 Điều chế: Axit axetic điều chế cách: 1) Oxy hóa có xúc tác cồn etylic để biến thành andehit axetic, giai đoạn trung gian Sự oxy hóa kéo dài tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O 2) Oxy hóa andehit axetic tạo thành cách tổng hợp từ acetylen Sự oxy hóa andehit tiến hành khí trời với diện coban axetat Người ta thao tác andehit axetic nhiệt độ gần 80oC để ngăn chặn hình thành peroxit Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết Người ta đạt dễ dàng sau chế axit axetic kết tinh Cobanaxetat ở80o C ⎯→ CH3COOH CH3CHO + ½ O2 ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 3) Tổng hợp từ cồn metylic Cacbon oxit LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Hiệu suất đạt 50 – 60% so với lý thuyết cách cố định cacbon oxit cồn metylic qua xúc tác Nhiệt độ từ 200 – 500oC, áp suất 100 – 200atm: CH3OH + CO → CH3COOH với diện metaphotphit photpho – vonframat kim loại hóa trị (chẳng hạn sắt, coban) 1.3 Ứng dụng: Axit axetic axit quan trọng loại axit hữu Axit axetic tìm nhiều ứng dụng loại axit hữu rẻ tiền Nó dùng để chế tạo nhiều hợp chất ester Nguồn tiêu thụ chủ yếu axit axetic là: ƒ Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic) ƒ Làm đông đặc nhựa mủ cao su ƒ Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat – làm phim ảnh không nhạy lửa ƒ Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat ƒ Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp ƒ Axetat nhôm dùng làm chất cắn màu (mordant nghề nhuộm) ƒ Phần lớn ester axetat dung mơi, thí dụ: izoamyl axetat hòa tan nhiều loại nhựa xenluloza Nước: Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng không màu, không mùi, không vị khối nước dày có màu xanh nhạt Khi hóa rắn tồn dạng dạng tinh thể khác Tính chất vật lý: ƒ Khối lượng phân tử : 18 g / mol ƒ Khối lượng riêng d40 c : g / ml ƒ Nhiệt độ nóng chảy : 00C ƒ Nhiệt độ sơi : 1000 C Nước hợp chất chiếm phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất nước biển) cần thiết cho sống Nước dung môi phân cực mạnh, có khả hồ tan nhiều chất dung môi quan trọng kỹ thuật hóa học Hỗn hợp Acid acetic – Nước: Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Acid acetic Nước 760 mmHg: x(%phân mol) y(%phân mol) t(0C) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100 118.4 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 100 HệNướ c- Acetic y % (mol) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 x% (mol) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Hình12: Giản đồ x - y hệ Axit axetic - Nước 118 117 116 115 114 113 112 111 110 109 108 107 106 105 104 103 102 101 100 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 2: Giản đồ T – x,y hệ Axit axetic–Nước LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ CHƯƠNG : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Chú thích kí hiệu qui trình: Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bồn cao vị Lưu lượng kế Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu Bẩy Nhiệt kế Áp kế Tháp chưng cất 10 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 11 Bồn chứa sản phẩm đỉnh 12 Thiết bị đun sôi đáy tháp 13 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 14 Bồn chứa sản phẩm đáy Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 92% (theo phần khối lượng), nhiệt độ khoảng 270C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Sau đó, hỗn hợp gia nhiệt đến nhiệt độ sôi thiết bị đun sơi dịng nhập liệu (5), đưa vào tháp chưng cất (9) đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn luyện tháp chảy xuống Trong tháp, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (12) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sơi cao axit axetic ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều (có nồng độ 99,5% phần khối lượng) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (10) ngưng tụ hồn tồn Một phần chất lỏng ngưng tụ hồn lưu tháp đĩa Một LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp bốc hơi, cịn lại cấu tử có nhiệt độ sơi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay (axit axetic) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ nước 70% phần khối lượng, cịn lại axit axetic Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đun dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại khỏi nồi đun qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13), làm nguội đến 400C, đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (14) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh nước thải bỏ, sản phẩm đáy axit axetic giữ lại LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 10 K hí k h o ân g n gö n g P N ö ô ùc n o ù ng N ö ô ùc l ạn h Sản p h ẩm đ ỉ nh T D ò ng hồ i l ưu 11 x = ,5 % T H ô i ñ o át P = ,5 at T P N ướ c n gư n g 12 H i đ o át P = ,5 at Sa û n p h aåm đ áy Nu? c N ướ c n g ng x = 92 % t° = 27°C 14 x = 70 % t° = 40°C Nu ? c LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB 13 14 13 12 11 10 B ? n ch ? a s? n ph ? m d áy T hi ết b ị l m ng u o ä i sản ph ẩm đ áy T hi ết b ị đ u n so âi đ áy t háp B ? n ch ? a s? n ph ? m d ?n h T hi ết b ị ng ng t u ï sản p h ẩm đ ỉ nh T ùp ch ng cất 1 1 1 2 AÙ p k eá N h i e ät k e B ẫy hơ i T hi e át bị ñ u n so âi ø n g nhaäp l i e ä u L ö u l ö ô ïn g k e B o àn cao v ị B ơm B o àn ch ùa ng uy e ân l i e ä u ST T T Ê N G O ÏI ĐẶ C T Í N H K Y ÕT H U A Ä T SL VẬ T L IỆ U T rườ n g Đ ại ho ïc B ác h K ho a T p H o àC hí M i n h K hoa C oâ n g ng he äH o ùa h o ïc B O ÄM O  N MAÙ Y V A ØT H I E Á T BỊ Đ ồá n m o ân ho ïc : Q ua ùtr ì nh v àT hi e t bị T H IẾ T K E ÁH E ÄT H O Á N G CH ÖN G CA Á T A X IT A X ETIC - N ƯỚ C DÙ NG THA Ù P M M CH Ó P 10 SV T H M T h?N g ? c H ? GV H D H o aø n g M i n h N am CN B M V u õB aùM i n h C h ö ùc n a ên g H ọtê n T ỉl e ä QU Y T RÌN H CO  N G N GH Ệ C h õk y ù B ả n v e õso /2 N gaø y HT /1 /0 N gaø y BV /1 / 08 Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ ⇒ αn = 1419,822 (W/m2K) ⇒ qn = αn (tW2 – tf) = 10532,2396 (W/m2) Kiểm tra sai số: ε= qW − qn qW 100% = 3,63% < 5% (thỏa) Kết luận: tw1 = 43,5oC tw2 = 37,418oC 3.4 Xác định hệ số truyền nhiệt: K= = 271,23 (W/m2K) 1 + 5,289.10 − + 407,561 1419,822 Bề mặt truyền nhiệt: Lượng nhiệt trao đổi: Q = GW(hWS – hWR) = 29107,556 (kJ/h) Q Suất lượng nước cần dùng: G n = = 868,46 (kg/h) hR − hV Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: 1,1Q 1,1.29107,556 × 1000 F= = 1,01 (m2) = K Δtlog 3600 × 271, 23 × 32,536 Cấu tạo thiết bị: Chiều dài ống truyền nhiệt: L = Kiểm tra: F = 9,1 (m) ⇒ chọn L = (m) d n + dtr nπ L = = 281,25 > 50 ⇒ εl = 1: thỏa d tr 0,032 Kết luận: Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = (m), chia thành dãy, dãy 3m III THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH : Chọn thiết bị ngưng tụ ống chùm, đặt nằm ngang, vật liệu thép không gỉ X18H10T Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3: ƒ Đường kính ngồi: dn = 38 (mm) = 0,038 (m) ƒ Bề dày ống: δt = (mm) = 0,003 (m) ƒ Đường kính trong: dtr = 0,032 (m) Chọn: ƒ Nước làm lạnh ống với nhiệt độ vào tV = 27oC nhiệt độ tR = 60oC ƒ Dòng đỉnh ngồi ống với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 100,009 (oC) Hiệu số nhiệt độ trung bình : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: (100,009 − 27) − (100,009 − 60) Δt log = = 54,86(K) 100,009 − 27 Ln 100,009 − 60 43 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Hệ số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức: K= ,(W/m2.K) 1 + Σrt + αn α ngöng Với: ƒ αn : hệ số cấp nhiệt dòng nước lạnh (W/m2.K) ƒ αngưng : hệ số cấp nhiệt dòng ngưng tụ (W/m2.K) ƒ ∑rt : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu 3.1 Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống : Nhiệt độ trung bình dịng nước ống: tf = ½ (tV + tR) = 43,5 (oC) Tại nhiệt độ thì: ƒ Khối lượng riêng nước: ρn = 991,5 (kg/m3) ƒ Độ nhớt nước: νn = 6,19.10-7 (m2/s) ƒ Hệ số dẫn nhiệt nước: λn = 0,6389 (W/mK) ƒ Chuẩn số Prandtl: Prn = 4,487 Chọn vận tốc nước ống:vn = (m/s) Gn 25834 = 8,999 = ⇒ Số ống: n = 3600 ρ N π d tr v n 3600 × 991,5 π 0,032 2.1 Tra bảng V.II, trang 48, [6] ⇒ chọn n = 19 (ống) ⇒ Vận tốc thực tế nước ống: 4Gn × 28534 = = = 0,52 (m/s) 3600 ρ n nπd tr 3600 × 991,5 × 19 × π × 0,032 Chuẩn số Reynolds : v d 0,52 × 0,032 Re n = n tr = = 26882,068 > 104 : chế độ chảy rối νn 6,19.10 −7 Áp dụng công thức (3.27), trang 110, [4],công thức xác định chuẩn số Nusselt: 0,25 ⎛ Pr ⎞ Nu n = 0,021.ε l Re Pr ⎜⎜ n ⎟⎟ ⎝ Prw ⎠ Trong đó: ε1 – hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ chiều dài L đường kính d ống Tra bảng 3.1, trang 110, [4] ⇒ chọn ε1 = Nu n λ n Hệ số cấp nhiệt nước ống trong: αn = d tr 0,8 n 0, 43 n 3.2 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu : t −t q t = w1 w , (W/m2) Σrt Trong đó: ƒ tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với ngưng tụ, oC ƒ tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước lạnh, oC δ Σrt = t + r1 + r2 λt 44 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ ƒ Bề dày thành ống: δt = 0,003 (m) ƒ Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 16,3 (W/mK) ƒ Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1 = 1/5800 (m2.K/W) ƒ Nhiệt trở lớp cáu ngồi ống: r2 =1/5800 (m2.K/W) Nên: ∑rt = 5,289.10-4 (m2.K/W) 3.3 Xác định hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ngồi ống : Điều kiện: - Ngưng tụ bão hòa - Khơng chứa khơng khí khơng ngưng - Hơi ngưng tụ mặt ngồi ống - Màng chất ngưng tụ chảy tầng - Ống nằm ngang Áp dụng công thức (3.65), trang 120, [4]⇒ Đối với ống đơn nằm ngang thì: α = 0,7254 r.ρ g.λ3 μ.(t ngưng - t W1 ).d n Tra bảng V.II, trang 48, [6] : Với số ống n = 19 số ống đường chéo hình cạnh là: b = Tra hình V.20, trang 30, [6] ⇒ hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống số ống dãy thẳng đứng εtb = 0,6 (vì xếp xen kẽ số ống dãy thẳng đứng 7) ⇒ Hệ số cấp nhiệt trung bình chùm ống: αngưng = εtbα1 = 0,6α1 Dùng phép lặp: chọn tW1 = 91 (oC) Nhiệt độ trung bình màng chất ngưng tụ: tm = ½ (tngưng + tW1) = 95,5045 (oC) Tại nhiệt độ thì: ƒ Khối lượng riêng nước: ρN = 961,457 (kg/m3) ƒ Khối lượng riêng axit: ρA = 963,17 (kg/m3) − xD x 0,995 0,005 = + ⇒ ρ = 961,4655 (kg/m3) Nên: = D + ρ ρN ρA 961,457 963,17 ƒ Độ nhớt nước: μN = 2,955.10-4 (N.s/m2) ƒ Độ nhớt axit: μA = 4,825.10-4 (N.s/m2) Nên: lgμ = xDlgμN + (1 – xD)lgμA = 0,9985.lg(2,955.10-4) + 0,0015.lg(4,825.10-4) ⇒ μ = 2,957.10-4 (N.s/m2) ƒ Hệ số dẫn nhiệt nước: λN = 0,6811 (W/mK) ƒ Hệ số dẫn nhiệt axit: λA = 0,156124 (W/mK) Nên: λ = λN xD + λA.(1 - xD) – 0,72 xD.(1 - xD)(λN - λA) = 0,6766 (W/mK) ƒ Nhiệt ngưng tụ dòng hơi: r = rD = 2271688,3 (J/kg) Nên: α1 = 11487,63 (W/m2K) ⇒ αngưng = 6892,5776 (W/m2K) ⇒ qngưng = αngưng (tngưng – tW1) = 62095,23167 (W/m2) ⇒ qt = qngưng = 62095,23167(W/m2) (xem nhiệt tải mát không đáng kể) ⇒ tw2 = tw1 - qtΣrt = 56,444 (oC) ⇒ Prw2 = 3,465 ⇒ Nun = 138,8677 ⇒ αn = 2677,54355 (W/m2K) ⇒ qn = αn (tW2 – tf) = 64111,10274 (W/m2) 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Kiểm tra sai số: ε= q ngöng − q n q ngöng 100% = 3,2464% < 5% (thỏa) Kết luận: tw1 = 91 oC tw2 = 56,444 oC 3.4 Xác định hệ số truyền nhiệt: K= = 954,69 (W/m2K) 1 + 5,289.10 − + 2677,54355 6892,5776 Bề mặt truyền nhiệt: Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: 1,1Qnt 1,1.3572090,293 × 1000 = 20,84 (m2) F= = 3600 × 954, 69 × 54,86 K Δtlog Cấu tạo thiết bị: Số ống truyền nhiệt: n = 19 (ống) Ống bố trí theo hình lục giác F Chiều dài ống truyền nhiệt: L = = 9,9748 (m) ⇒ chọn L = 10 (m) d n + dtr nπ Số ống đường chéo: b = (ống) Tra bảng trang 21, [3] ⇒ Bước ống: t = 48 (mm) = 0,048 (m) Áp dụng cơng thức (V.140), trang 49, [6]: ⇒ Đường kính thiết bị: D = t(b-1) + 4dn = 0,192 (m) IV THIẾT BỊ ĐUN SƠI DỊNG NHẬP LIỆU : Chọn thiết bị đun sơi dịng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T: ƒ Kích thước ống trong: 38 x ƒ Kích thước ống ngồi: 57 x Chọn: ƒ Dòng nhập liệu ống với nhiệt độ vào tV = tFV = 27 oC nhiệt độ tR = tFS = 100,1524 oC ƒ Hơi ngưng tụ ống ngồi có áp suất 2,5at: Nhiệt hóa hơi: rH 2O = rn = 2189500 (J/kg) Nhiệt độ sôi: t H 2O = tn = 126,25 (oC) Hiệu số nhiệt độ trung bình : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: (126,25 − 27) − (126,25 − 100,1524) Δt log = = 54,76 (K) 126,25 − 27 Ln 126,25 − 100,1524 Hệ số truyền nhiệt : Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức: K= ,(W/m2.K) 1 + Σrt + αF αn 46 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Với: ƒ αF : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống (W/m2.K) ƒ αn : hệ số cấp nhiệt đốt ngồi ống (W/m2.K) ƒ ∑rt : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu 3.1 Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống: Kích thước ống trong: ƒ Đường kính ngồi: dn = 38 (mm) = 0,038 (m) ƒ Bề dày ống: δt = (mm) = 0,003 (m) ƒ Đường kính trong: dtr = 0,032 (m) Nhiệt độ trung bình dịng nhập liệu ống: tF = ½ (tV + tR) = 63,5762 (oC) Tại nhiệt độ thì: ƒ Khối lượng riêng nước: ρN = 981,809 (kg/m3) ƒ Khối lượng riêng axit: ρA = 1001,037 (kg/m3) x − xF 0,92 0,08 Nên: = F + = + ⇒ ρF = 983,32 (kg/m3) ρF ρN ρA 981,809 1001,037 ƒ Độ nhớt nước: μN = 4,5145.10-4 (N.s/m2) ƒ Độ nhớt axit: μA = 6,8197.10-4 (N.s/m2) Nên: lgμF = xFlgμN + (1 – xF)lgμA = 0,9746.lg(4,5145.10-4) + 0,0254.lg(6,8197.10-4) ⇒ μF = 4,562.10-4 (N.s/m2) ƒ Hệ số dẫn nhiệt nước: λN = 0,66106 (W/mK) ƒ Hệ số dẫn nhiệt axit: λA = 0,16305 (W/mK) Nên: λF = λN.⎯xF + λA.(1 - xF) – 0,72 xF.(1 - xF)(λN - λA) = 0,59483 (W/mK) ƒ Nhiệt dung riêng nước: cN = 4183 (J/kgK) ƒ Nhiệt dung riêng nước: cA = 2221,04 (J/kgK) Nên: cF = cN x F + cA (1 - x F ) = 4026,043(J/kgK) c μ Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [6]: PrF = F F = 3,08774 λF Vận tốc dòng nhập liệu ống: 4G F × 500 vF = = = 0,1756 (m/s) 3600 ρπd tr 3600 × 983,32 × π × 0,032 Chuẩn số Reynolds : v d ρ 0,1756 × 0,032 × 983,32 Re F = F tr F = = 12113,576 > 104 : chế độ chảy rối −4 μF 4,562.10 Áp dụng công thức (3.27), trang 110, [4] ⇒ công thức xác định chuẩn số Nusselt: 0,25 ⎛ Pr ⎞ Nu F = 0,021.ε l Re Pr ⎜⎜ F ⎟⎟ ⎝ Prw ⎠ Trong đó: ε1 – hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ chiều dài L đường kính d ống Tra bảng 3.1, trang 110, [4] ⇒ chọn ε1 = Nu F λ F Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống trong: αF = d tr 0,8 F 0, 43 F 3.2 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu : t −t q t = w1 w , (W/m2) Σrt 47 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Trong đó: ƒ tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với đốt, oC ƒ tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu, oC δ Σrt = t + r1 + r2 λt ƒ Bề dày thành ống: δt = 0,003 (m) ƒ Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 16,3 (W/mK) ƒ Nhiệt trở lớp cáu ống: r1 = 1/5800 (m2.K/W) ƒ Nhiệt trở lớp cáu ngồi ống: r2 =1/5800 (m2.K/W) Nên: ∑rt = 5,289.10-4 (m2.K/W) 3.3 Xác định hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ngồi ống : Kích thước ống ngồi: ƒ Đường kính ngồi: Dn = 57 (mm) = 0,057 (m) ƒ Bề dày ống: δt = (mm) = 0,003 (m) ƒ Đường kính trong: Dtr = 0,051 (m) Áp dụng cơng thức (3.65), trang 120, [4]: α n = 0,7254 rn ρ 2n g.λ3n μ n (t n - t W1 ).d n Dùng phép lặp: chọn tW1 = 123,25 (oC) Nhiệt độ trung bình màng nước ngưng tụ: tm = ½ (tn + tW1) = 124,75 (oC) Tại nhiệt độ thì: ƒ Khối lượng riêng nước: ρn = 939,1575 (kg/m3) ƒ Độ nhớt nước: μn = 2,28.10-4 (N.s/m2) ƒ Hệ số dẫn nhiệt nước: λn = 0,686 (W/mK) Nên: αn = 15967,7555 (W/m2K) ⇒ qn = αn (tn – tW1) = 47903,2664 (W/m2) ⇒ qt = qn = 47903,2664 (W/m2) (xem nhiệt tải mát không đáng kể) ⇒ tw2 = tw1 - qtΣrt = 97,914 (oC) Tại nhiệt độ thì: ƒ Độ nhớt nước: μN = 2,88.10-4 (N.s/m2) ƒ Độ nhớt axit: μA = 4,7.10-4 (N.s/m2) Nên: lgμW2 = xFlgμN + (1 – xF)lgμA = 0,9746.lg(2,88.10-4) + 0,0254.lg(4,7.10-4) ⇒ μW2 = 2,916.10-4 (N.s/m2) ƒ Hệ số dẫn nhiệt nước: λN = 0,6816 (W/mK) ƒ Hệ số dẫn nhiệt axit: λA = 0,1555 (W/mK) Nên: λW2 = λN.⎯xF + λA.(1 - xF) – 0,72 xF.(1 - xF)(λN - λA) = 0,611633 (W/mK) ƒ Nhiệt dung riêng nước: cN = 4218,33 (J/kgK) ƒ Nhiệt dung riêng nước: cA = 2418,11 (J/kgK) Nên: cW2 = cN x F + cA (1 - x F ) = 4074,3124 (J/kgK) c μ Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [6]: PrW = W W = 1,942455 λ W2 Nên: NuF = 70,74614 ⇒αF = 1315,03(W/m2K) ⇒ qF =αF (tW2 - tF) = 46470,24 (W/m2) Kiểm tra sai số: ε= qn − qF qn 100% = 2,9915% < 5% (thỏa) Kết luận: tw1 = 123,25 oC tw2 = 97,914 oC 48 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 3.4 Xác định hệ số truyền nhiệt : K= = 739,664 (W/m2K) 1315,03 + 5,289.10 − + 15967,7555 Bề mặt truyền nhiệt : Cân nhiệt: Q = GF(hFS – hFV) = Gnrn Nên: Q = GF(hFS – hFV) = 500.(408,326 – 108,17) = 150078 (kJ/h) Q Lượng đốt cần dùng: G n = = 68,544(kg/h) rn Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: 1,1Q 1,1.150078 × 1000 = 1,132 (m2) F= = K Δtlog 3600 × 739, 664 × 54, 76 Cấu tạo thiết bị : Chiều dài ống truyền nhiệt: L = Kiểm tra: F = 10,3 (m) ⇒ chọn L = 12 (m) d + dtr nπ n L 12 = = 375 > 50 ⇒ εl = 1: thỏa d tr 0,032 Kết luận: Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 12 (m), chia thành dãy, dãy 3m V BỒN CAO VỊ : Tổn thất đường ống dẫn: Chọn ống dẫn có đường kính dtr = 80 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, [5] ⇒ Độ nhám ống: ε = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mịn ít) Tổn thất đường ống dẫn: ⎛ l ⎞ v h1 = ⎜⎜ λ 1 + Σξ1 ⎟⎟ F ⎝ d1 ⎠ 2g (m) Trong đó: ƒ λ1 : hệ số ma sát đường ống ƒ l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 30(m) ƒ d1 : đường kính ống dẫn, d1 = dtr = 0,08(m) ƒ ∑ξ1 : tổng hệ số tổn thất cục ƒ vF : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn 1.1.Xác định vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn : Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra nhiệt độ trung bình: t + t FS tF = FV = 63,5762 (oC) Tại nhiệt độ thì: ƒ Khối lượng riêng nước: ρN = 981,809 (kg/m3) ƒ Khối lượng riêng axit: ρA = 1001,037 (kg/m3) 49 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Nên: ρF = xF ρN + − xF ρA = 0,92 0,08 + ⇒ ρF = 983,32 (kg/m3) 981,809 1001,037 ƒ Độ nhớt nước: μN = 4,5145.10-4 (N.s/m2) ƒ Độ nhớt axit: μA = 6,8197.10-4 (N.s/m2) Nên: lgμF = xFlgμN + (1 – xF)lgμA = 0,9746.lg(4,5145.10-4) + 0,0254.lg(6,8197.10-4) ⇒ μF = 4,562.10-4 (N.s/m2) Vận tốc dòng nhập liệu ống: 4G F × 500 vF = = = 0,0281 (m/s) 3600 ρ F πd tr 3600 × 983,32 × π × 0,08 1.2.Xác định hệ số ma sát đường ống : Chuẩn số Reynolds : v d ρ 0,0281 × 0,08 × 983,32 = 4845,43 > 4000 : chế độ chảy rối Re F = F tr F = μF 4,562.10 − Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh = 6(d1/ε)8/7 = 5648,5125 Vì 4000 < ReF < Regh ⇒ chế độ chảy rối ứng với khu vực nhẵn thủy học Áp dụng công thức (II.61), trang 378, [5]: = 0,04 λ1= (1,8 lg Re− 1,64) 1.3.Xác định tổng hệ số tổn thất cục : ™ Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = ξu1 (1 chỗ) = 0,15 Đường ống có chỗ uốn ⇒ ξu1 = 0,15 = 0,9 ™ Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở hồn tồn ξvan (1 cái) = 10 Đường ống có van cầu ⇒ ξvan = 10 = 20 ™ Lưu lượng kế : ξl1 = (coi không đáng kể) ™ Vào tháp : ξtháp = Nên: ∑ξ1 = ξu1 + ξvan + ξll = 21,9 30 ⎛ ⎞ 0,02812 + 21,9 ⎟ = 1,485.10 −3 (m) Vậy: h1 = ⎜ 0,04 0,08 ⎝ ⎠ × 9,81 Tổn thất đường ống dẫn thiết bị đun sơi dịng nhập liệu; ⎛ ⎞ v 22 l2 h = ⎜⎜ λ + Σξ ⎟⎟ ⎝ d2 ⎠ 2g (m) Trong đó: ƒ λ2 : hệ số ma sát đường ống ƒ l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = 12 (m) ƒ d2 : đường kính ống dẫn, d2 = dtr = 0,032(m) ƒ ∑ξ2 : tổng hệ số tổn thất cục ƒ v2 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn 50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 2.1 Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn :v2 = 0,1756 (m/s) 2.2 Xác định hệ số ma sát đường ống : Chuẩn số Reynolds : Re2 = 12113,576 > 4000: chế độ chảy rối Độ nhám: ε = 0,0002 Chuẩn số Reynolds giới hạn: Regh = 6(d1/ε)8/7 = 1982,191 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren = 220(d1/ε)9/8 = 66383,120 Vì Regh < Re1 < Ren ⇒ chế độ chảy rối ứng với khu vực độ Áp dụng công thức (II.64), trang 379, [5]: 0,25 ⎛ ε 100 ⎞ ⎟ = 0,0363 λ2 = 0,1.⎜⎜1,46 + d Re2 ⎟⎠ ⎝ 2.3 Xác định tổng hệ số tổn thất cục : ™ Chữ U : Tra bảng 9.5, trang 94, [1]: ξU2 (1 chỗ) = 2,2 Đường ống có (4 – 1) = chữ U ⇒ ξU2 = 2,2 = 6,6 ™ Đột thu : Tra bảng II.16, trang 382, [5]: F 0,0322 Khi o = = 0,160 ξđột thu (1chỗ) = 0,458 F1 0,082 Có chỗ đột thu ⇒ ξđột thu = 0,458 ™ Đột mở : Tra bảng II.16, trang 382, [5]: F 0,0322 Khi o = = 0,160 ξđột mở (1chỗ) = 0,708 F1 0,082 Có chỗ đột mở ⇒ ξđột mở = 0,708 Nên: ∑ξ2 = ξU2 + ξđôt thu + ξđột mở = 7,766 12 ⎛ ⎞ 0,1756 + 7,766 ⎟ Vậy: h2 = ⎜ 0,0363 = 0,19134 (m) 0,032 ⎝ ⎠ × 9,81 Chiều cao bồn cao vị: Chọn : ƒ Mặt cắt (1-1) mặt thống chất lỏng bồn cao vị ƒ Mặt cắt (2-2) mặt cắt vị trí nhập liệu tháp Aùp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): z1 + v v P1 P + = z2 + + +∑hf1-2 2.g ρ F g 2.g ρ F g P2 − P1 v − v1 + +∑hf1-2 ρ F g 2.g ⇔ z1 = z2 + Trong đó: 51 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ ƒ ƒ z1: độ cao mặt thống (1-1) so với mặt đất, hay xem chiều cao bồn cao vị Hcv = z1 z2: độ cao mặt thống (2-2) so với mặt đất, hay xem chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu: z2 = hchân đỡ + hđáy + (nttC – 1)Δh + 0,5 = 0,24 + 0,2625 + (12 – 1).0,3 + 0,5 = 4,6025 (m) ƒ P1 : áp suất mặt thống (1-1), chọn P1 = at = 9,81.104 (N/m2) ƒ P2 : áp suất mặt thống (2-2) Xem ΔP = P2 – P1 = nttL ΔPL = 34 490,4024 = 16673,6816 (N/m2) ƒ v1 : vận tốc mặt thống (1-1), xem v1 = (m/s) ƒ v2 : vận tốc vị trí nhập liệu, v2 = vF = 0,0281 (m/s) ƒ ∑hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2): ∑hf1-2 = h1 + h2 = 0,192825 (m) Vậy: Chiều cao bồn cao vị: P2 − P1 v − v1 + +∑hf1-2 ρ F g 2.g Hcv = z2 + 16673,6816 0,02812 − + 0,192825 + 983,32 × 9,81 × 9,81 = 6,523858 (m) Chọn Hcv = 10 (m) = 4,6025+ VI BƠM : Năng suất: Nhiệt độ dòng nhập liệu tF = 27oC Tra bảng 1.249, trang 310, [5] ⇒ Khối lượng riêng nước 27oC: ρN = 996,4 (kg/m3) Tra bảng 1.2, trang 9, [5] ⇒ Khối lượng riêng axit axetic 27oC: ρA = 1040,65 (kg/m3) Áp dụng công thức (1.2), trang 5, [5]: x x 0,92 0.08 = FN + FA = + ρ hh ρ N ρ A 996, 1040, 65 ⇒ ρhh = 1000 (kg/m3) ƒ Độ nhớt nước: μN = 8,92.10-4 (N.s/m2) ƒ Độ nhớt axit: μA = 1,125.10-3 (N.s/m2) Nên: lgμF = xFlgμN + (1 – xF)lgμA = 0,9746.lg(8,92.10-4) + 0,0254.lg(1,125.10-3) ⇒ μF = 8,973.10-4 (N.s/m2) Suất lượng thể tích dịng nhập liệu ống: 500 G QF = F = = 0,5 (m3/h) ρ F 1000 Vậy: chọn bơm có suất Qb = 0,5 (m3/h) Cột áp: Chọn : ƒ Mặt cắt (1-1) mặt thống chất lỏng bồn chứa nguyên liệu ƒ Mặt cắt (2-2) mặt thống chất lỏng bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): 52 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ z1 + v v P1 P2 + + Hb = z2 + + +∑hf1-2 ρ F g ρ F g 2.g g Trong đó: ƒ z1: độ cao mặt thống (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = 1m ƒ z2: độ cao mặt thống (2-2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 10m ƒ P1 : áp suất mặt thống (1-1), chọn P1 = at ƒ P2 : áp suất mặt thống (2-2), chọn P2 = at ƒ v1,v2 : vận tốc mặt thống (1-1) và(2-2), xem v1= v2 = 0(m/s) ƒ ∑hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2) ƒ Hb : cột áp bơm 2.1 Tính tổng trở lực ống: Chọn đường kính ống hút ống đẩy nhau: dtr = 50 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, [5] ⇒ Độ nhám ống: ε = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mịn ít) Tổng trở lực ống hút ống đẩy ⎞ vF2 ⎛ lh + lñ ⎜ ∑hf1-2 = ⎜ λ + Σξ h + Σξ ñ ⎟⎟ d tr ⎠ 2g ⎝ Trong đó: ƒ lh : chiều dài ống hút Chiều cao hút bơm: Tra bảng II.34, trang 441, [5] ⇒ hh = 4,3 (m) ⇒ Chọn lh = (m) ƒ lđ : chiều dài ống đẩy, chọn lđ = 15 (m) ƒ ∑ξh : tổng tổn thất cục ống hút ƒ ∑ξđ : tổng tổn thất cục ống đẩy ƒ λ : hệ số ma sát ống hút ống đẩy ƒ vF : vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy (m/s) 4Qb × 0,5 vF = = = 0,0707 (m/s) 3600πd tr 3600 × π × 0,05 ™ Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy : Chuẩn số Reynolds : 0,0707 × 0,05 ×1000 v d ρ Re F = F tr F = = 3941,58 μF 8,973.10 −4 Vì 2320 < ReF < 4000 ⇒ chế độ chảy độ Áp dụng công thức (II.59), trang 378, [5]: λ = 0,3164 Re F , 25 = 0,04 ™ Xác định tổng tổn thất cục ống hút : ƒ Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = ξu1 (1 chỗ) = 0,15 Ống hút có chỗ uốn ⇒ ξu1 = 0,15 = 0,3 ƒ Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở hồn tồn ξv1 (1 cái) = 10 53 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Ống hút có van cầu ⇒ ξv1 = 10 Nên: ∑ξh = ξu1 + ξv1 = 10,3 ™ Xác định tổng tổn thất cục ống đẩy : ƒ Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = ξu2 (1 chỗ) = 0,15 Ống đẩy có chỗ uốn ⇒ ξu2 = 0,15 = 0,6 ƒ Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở hồn tồn ξv2 (1 cái) = 10 Ống đẩy có van cầu ⇒ ξv2 = 10 ƒ Vào bồn cao vị : ξcv = Nên: ∑ξđ = ξu1 + ξv1 + ξcv = 11,6 6+8 ⎛ ⎞ 0,0707 + 10,3 + 11,6 ⎟ Vậy: ∑hf1-2 = ⎜ 0,032 =7,862.10 −3 (m) ≈ (mm) 0,05 ⎝ ⎠ × 9,81 2.2 Tính cột áp bơm: Hb = (z2 – z1) + ∑hf1-2 = (10 – 1) +7,862.10 −3 = 9,007862 (m) Công suất: Chọn hiệu suất bơm: ηb = 0,8 Q H ρ g 0,5 × 9,007862 ×1000 × 9,81 Công suất thực tế bơm: Nb = b b F = 3600.ηb 3600 × 0,8 = 15,342 (W) = 0,0206 (Hp) Kết luận: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có: - Năng suất: Qb = 0,5 (m3/h) - Cột áp: Hb = 9,007862 (m) - Công suất: Nb = 0,0206 (Hp) CHƯƠNG 8: TÍNH KINH TẾ ƒ (kg) ƒ ƒ ƒ ƒ Lượng thép X18H10T cần dùng: M1 = 44mmâm + mthân + 2mđáy(nắp) = 44.535,51 + 840,46 + 2.0,0796.7,9.103 = 2633,65 Lượng thép CT3 cần dùng: M2 = Mchop + Mốnghơi + Mgờ + Mbíchthân + Mbich.ốngdẫn + Mong cc = 1008,45 (kg) Số bulông cần dùng: n = 16 24 + 4.2 + 4.4 = 408 (cái) Chiều dài ống 38 x 3mm: L1 = 127.4 + + 4.37 + 12 = 677 (m) Chiều dài ống 57 x 3mm: L2 = + 12 = 21 (m) 54 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ ƒ Chọn tổng chiều dài ống hồn lưu, ống dẫn lỏng vào nồi đun, ống dẫn lỏng khỏi nồi đun 30m Chiều dài ống 32mm: 20 (m) Chiều dài ống 20mm: 10 (m) L3 = 30 + 20 + 10 = 60 (m) ƒ Chiều dài ống 100mm: Chọn tổng chiều dài ống đỉnh tháp ống đáy tháp L4 = 10m ƒ Chiều dài ống 50mm: Chọn tổng chiều dài ống chảy tràn ống xả đáy từ bồn cao vị 20m L5 = + + 20 = 40 (m) ƒ Bơm ly tâm: chọn bơm ly tâm ⇒ Nb = 0,0206 = 0,0412 (Hp) ƒ Cút inox 38 x 3mm: n = (1 + 2).2 = (cái) ƒ Cút inox 57 x 3mm: n = (cái) Vật liệu Thép X18H10T Thép CT3 Bulông Vật liệu cách nhiệt Ống dẫn 38 x 3mm Ống dẫn 57 x 3mm Ống dẫn lỏng ( L3) Ống 150mm Ống 50mm Bơm ly tâm Áp kế tự động Nhiệt kế điện trở tự ghi Lưu lượng kế (≥ 50mm) Số lượng 2633,65 (kg) 1008,45(kg) 408 (cái) 0,29 (m3) 677 (m) 21 (m) 60 (m) 10 (m) 4(m) 0,0412 (Hp) (cái) (cái) (cái) Tổng chi phí vật tư 2.1.1.1.1 Đơn giá 50000 (đ/kg) 10000 (đ/kg) 5000 (đ/cái) 4000000 (đ/m3) 50000 (đ/m) 100000 (đ/m) 100000 (đ/m) 100000 (đ/m) 100000 (đ/m) 700000 (đ/Hp) 600000 (đ/cái) 200000 (đ/cái) 1500000 (đ/cái) Thành tiền (đ) 131683500 10084500 2040000 1162000 33850000 2100000 6000000 1000000 4000000 28840 600000 600000 3000000 196148840 Vậy tổng chi phí vật tư 200 triệu đồng Xem tiền cơng chế tạo 50% tiền vật tư Vậy: tổng chi phí 300.000 triệu đồng LỜI KẾT Với hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic dùng tháp chóp thiết kế, ta thấy bên cạnh ưu điểm cịn có nhiều nhược điểm Thiết bị có ưu điểm suất hiệu suất cao, hoạt động ổn định thiết bị cồng kềnh, địi hỏi phải có vận hành với độ xác cao, tiêu tốn nhiều vật tư Bên cạnh đó, vận hành thiết bị ta phải ý đến vấn đề an tồn lao động để tránh rủi ro xảy ra, gây thiệt hại người 55 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Hùng Dũng – Nguyễn Văn Lục – Hồng Minh Nam – Vũ Bá Minh, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 1, Quyển 2: Phân riêng khí động, lực ly tâm, bơm, quạt, máy nén Tính hệ thống đường ống”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 1997, 203tr [2] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 388tr [3] Phạm Văn Bơn – Nguyễn Đình Thọ, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 5: Q trình Thiết bị Truyền Nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2002, 372tr [4] Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hồng Minh Nam, “Quá trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 10: Ví dụ Bài tập”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 468tr [5] Tập thể tác giả, “Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 1”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 626tr [6] Tập thể tác giả, “Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 447tr [7] Hồ Lê Viên, “Thiết kế Tính tốn thiết bị hóa chất”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1978, 286tr [8] Nguyễn Minh Tuyển, “Cơ sờ Tính tốn Máy Thiết bị Hóa chất – Thực phẩm”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1984, 134tr [9] Trần Hữu Quế, “Vẽ kỹ thuật khí – Tập 1”, Nhà xuất Đại học Giáo dục chuyên nghiệp, 1991, 160tr [10] Phạm Đình Trị, “380 phương thức điều chế ứng dụng hóa học sản xuất đời sống”, Nhà xuất TpHCM, 1988, 144tr [11] Nguyễn Thế Đạt, “Khoa học kỹ thuật bảo hộ lao động số vấn đề môi trường”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005, 283tr [12] Thế Nghĩa, “Kỹ thuật an tồn sản xuất sử dụng hóa chất ”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2000, 299tr 56 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 57 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com .. .Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU Acid axetic Nước Hỗn hợp Acid axetic – Nước. .. luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí lỏng thành... So sánh ưu nhược điểm loại tháp: Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm