TỔNG QUAN
Giới thiệu về nguyên liệu
Acetone còn được gọi là Propan-2-one, có công thức phân tử là CH3COCH3.
Acetone là một chất lỏng không màu, trong suốt, có mùi cay đặc trưng và dễ bay hơi Nó hòa tan trong nước cũng như các dung môi hữu cơ như ethanol, ether, chloroform và pyridine Với tính chất dễ cháy, acetone có khả năng phản ứng với nhiều hợp chất và đơn chất hóa học khác nhau.
Acetone là một dung môi quan trọng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như sản xuất chất nổ, nhựa, cao su, sợi, da và sơn phun Ngoài ra, acetone cũng được ứng dụng trong việc làm sạch trong phòng thí nghiệm, tổng hợp các hợp chất hữu cơ và là thành phần chính trong sơn móng tay.
Các phương pháp sản xuất acetone chủ yếu bao gồm isopropanol, cumene, lên men, hydrat hóa acetylene và oxy hóa trực tiếp propylene Trong đó, phương pháp cumene chiếm ưu thế trong sản xuất acetone quy mô công nghiệp toàn cầu Khoảng hai phần ba acetone trên thế giới là sản phẩm phụ từ quá trình sản xuất phenol, diễn ra trong quá trình oxy hóa cumene.
Năm 2010, sản xuất axeton toàn cầu đạt 6,7 triệu tấn, với Hoa Kỳ dẫn đầu về sản lượng với 1,56 triệu tấn mỗi năm Đài Loan và Trung Quốc theo sau trong danh sách các quốc gia sản xuất axeton INEOS Phenol là nhà sản xuất axeton lớn nhất, chiếm 17% tổng sản lượng thế giới hàng năm.
Trong một số loại thuốc dược phẩm, được sử dụng làm dung môi để vận chuyển acetylene an toàn
Acetone là một nguyên liệu tổng hợp hữu cơ quan trọng để sản xuất nhựa epoxy, polycarbonate, plexiglass, dược phẩm, thuốc trừ sâu
Là một dung môi tốt cho lớp phủ, chất kết dính, xi lanh thép, acetylene
Được sử dụng như một chất pha loãng, chất làm sạch, tẩy rửa trong công nghiệp [2]
Tổng quan CBHD: PGS.TS.Lương Huỳnh Vủ Thanh
Nó cũng là một nguyên liệu quan trọng để sản xuất anhydrid acetic, rượu diacetone, chloroform, iodoform, nhựa epoxy, cao su polyisoprene, methyl methacrylate
Được sử dụng làm chất chiết trong các ngành công nghiệp như dầu và mỡ
Dùng để điều chế monome plexiglass, bisphenol A, rượu diacetone, hexanediol, methyl isobutyl ketone, methyl isobutyl methoxide, phorone, isophorone, chloroform, iodoform…
Acetone là một hợp chất quan trọng được ứng dụng rộng rãi trong y tế và mỹ phẩm, đồng thời cũng được sử dụng làm phụ gia thực phẩm và trong bao bì thực phẩm Ngoài ra, acetone còn là thành phần chính trong sản phẩm tẩy sơn móng tay.
Tính chất vật lý của acetone
Là một chất có công thức hóa học là (CH3)2CO, công thức phân tử là
Acetone (CH3COCH3) có khối lượng phân tử 58 đvC, là chất lỏng không màu, trong suốt với mùi thơm đặc trưng Chất này rất dễ bay hơi, hòa tan vô hạn trong nước, có điểm sôi 56,5 ℃ ở áp suất 760 mmHg và dễ cháy.
Tính chất hóa học của acetone
Phản ứng với natri hydro sulfit (Na2HSO3) tạo thành một chất phụ gia tinh thể không màu.
Phản ứng với hydro xyanua tạo thành acetone cyanohydrin.
Acetone tương đối ổn định với chất oxy hóa, Nó không bị oxy hóa bởi axit nitric ở nhiệt độ phòng.
Phản ứng ngưng tụ lưỡng phân xảy ra với sự có mặt của một bazơ để tạo thành rượu diacetone.
Phản ứng với Ca(OH)2 với natri alkoxide hoặc natri amide sản phẩm tạo thành isophorone (3,5,5-trimethyl-2-cyclohexen-1-one).
Ngưng tụ với một aldehyd hoặc ketone với sự có mặt của axit hoặc bazo để tạo thành rượu keto, ketone không bão hòa và các sản phẩm nhựa
Nó được ngưng tụ với phenol trong điều kiện axit để tổng hợp bisphenol-A,
Nó phản ứng với dung dịch kiềm của hypohalite hoặc halogen để tạo thành haloform
Acetone được thêm vào thuốc thử Grignard và sản phẩm bổ sung được thủy phân để thu được rượu bậc ba.[2]
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 2
Nước chiếm 3/4 diện tích bề mặt trái đất và là hợp chất thiết yếu cho sự sống Ở điều kiện bình thường, nước không màu, không mùi, không vị, đồng thời là dung môi hòa tan tốt các chất phân cực, nặng hơn dung môi hữu cơ và không hòa tan trong dung môi hữu cơ.
Các tính chất vật lý của nước,
Khối lượng phân tử: 18 g.mol -1
Nhiệt độ nóng chảy: 0 ℃ (ở 760 mmHg)
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là dung môi quan trọng trong kỹ thuật hóa học
Trong quá trình tổng hợp acetone từ axit axetic với xúc tác ThO2 ở nhiệt độ cao, hỗn hợp thu được chủ yếu bao gồm acetone và nước, với tỷ lệ acetone khoảng 48% khối lượng, tùy thuộc vào hiệu suất tổng hợp Do đó, việc nâng cao độ tinh khiết của acetone là rất cần thiết để phục vụ cho nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.
Acetone có tính chất vật lý đặc biệt, bao gồm khả năng tan hoàn toàn trong nước và nhiệt độ sôi thấp hơn nước (56,5℃ so với 100℃ ở 760 mmHg) Do hệ acetone - nước không có điểm đẳng phí, phương pháp chưng cất là lựa chọn tối ưu để tách hỗn hợp này.
Tổng quan CBHD: PGS.TS.Lương Huỳnh Vủ Thanh t o C x(mol.mol -1 ) y(mol.mol -1 )
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 4 t o C x(mol.mol -1 ) y(mol.mol -1 )
Bảng 1-1 Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ acetone- nước ở 760mmHg [5]
Tổng quan CBHD: PGS.TS.Lương Huỳnh Vủ Thanh
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Đường cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp Acetone-nước ở 760mmHg x (Acetone) mol/mol y (A ce to n) m ol /m ol
Hình 1-1 Đồ thị đường cân bằng hệ Aceton-nước ở 760mmHg
Lý thuyết về chưng cất
1.2.1 Khái niệm về chưng cất
Chưng cất là quá trình tách các cấu tử trong hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp lỏng – khí thành các thành phần riêng biệt, dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi của chúng Quá trình này không sử dụng một pha mới như trong hấp thu hay nhả khí, mà tạo ra pha mới thông qua bốc hơi hoặc ngưng tụ.
Trong quá trình chưng cất, cả dung môi và chất tan đều bay hơi, tạo ra sự hiện diện của các cấu tử trong cả hai pha với tỷ lệ khác nhau Đối với chưng cất đơn giản hệ hai cấu tử, sản phẩm đỉnh chủ yếu chứa cấu tử có độ bay hơi lớn, trong khi sản phẩm đáy chủ yếu là cấu tử có độ bay hơi nhỏ Cụ thể, trong hệ acetone – nước, sản phẩm đỉnh chứa chủ yếu acetone và một lượng rất nhỏ nước, còn sản phẩm đáy chủ yếu là nước với một lượng rất ít acetone.
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 6
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo áp suất làm việc (áp suất thường, áp suất thấp, áp suất cao), nguyên lý hoạt động (chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất) và phương pháp cấp nhiệt (gián tiếp hoặc trực tiếp) Việc lựa chọn phương pháp chưng cất phù hợp phụ thuộc vào tính chất lý hóa của hệ nguyên liệu Đối với hệ acetone - nước, phương pháp chưng cất liên tục với cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường được lựa chọn.
Trong sản xuất, quá trình chưng cất sử dụng nhiều loại thiết bị khác nhau, nhưng yêu cầu chung là diện tích bề mặt tiếp xúc pha lớn, phụ thuộc vào mức độ phân tán giữa các pha Khi pha khí phân tán vào lỏng, ta sử dụng tháp mâm; còn khi pha lỏng phân tán vào khí, tháp chêm và tháp phun được áp dụng Hai loại tháp phổ biến hiện nay là tháp mâm và tháp chêm, kích thước, đường kính và chiều cao của tháp được xác định dựa trên suất lượng của pha lỏng, pha khí và độ tinh khiết của sản phẩm.
Tháp chêm là một cấu trúc hình trụ với nhiều bậc được kết nối bằng mặt bích hoặc hàn Trong tháp, vật chêm được xếp đầy theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hoặc xếp theo thứ tự Các loại vật chêm phổ biến bao gồm vòng Raschig, vật chêm vòng xoắn và vật chêm hình yên ngựa.
Tháp mâm là một thiết bị công nghiệp có cấu trúc thân tháp hình trụ thẳng đứng, bên trong được trang bị các mâm với cấu tạo đa dạng Các mâm này cho phép pha hơi và pha lỏng tiếp xúc và tương tác với nhau, góp phần vào quá trình tách và tinh chế các thành phần trong công nghiệp hóa chất.
Tổng quan CBHD: PGS.TS.Lương Huỳnh Vủ Thanh
Hình 1-2 Hình dạng tháp mâm[4]
Tùy theo cấu tạo của mâm ta có:
Tháp mâm chóp là thiết bị quan trọng trong quá trình tách chất lỏng, với mâm chứa chóp và ống chảy chuyền Ống chảy chuyền có thể có tiết diện hình tròn hoặc viên phân, và có thể bao gồm một hoặc nhiều ống tùy thuộc vào suất lượng pha lỏng Chóp của tháp có thể có hình dạng tròn hoặc các dạng khác, góp phần vào hiệu suất tách chất lỏng.
Tháp mâm xuyên lỗ là một thiết bị có thiết kế đặc biệt với nhiều lỗ hoặc rãnh trên mâm, có đường kính từ 3 đến 12 mm, và tổng tiết diện các lỗ chiếm từ 8 đến 15% tiết diện của tháp Trong quá trình hoạt động, pha khí được đưa từ dưới lên qua các lỗ trên mâm, sau đó phân tán vào lớp chất lỏng đang chuyển động từ trên xuống qua các ống chảy chuyền, được bố trí tương tự như trong tháp mâm chop.
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 8
Hình 1-3 Hình dạng cơ bản cảu mâm chóp và mâm xuyên lỗ [4]
Mâm xuyên lỗ Mâm chóp Ưu điểm
- Trở lực tương đối thấp
- Hiệu suất tương đối cao
- Hoạt động khá ổn định
- Làm việc được với chất lỏng bẩn
- Yêu cầu lắp đặt khắt khe - Cấu tạo phức tạp
- Không làm việc được với chất lỏng bẩn
Trong việc chưng cất hệ acetone – nước, tháp mâm xuyên lỗ là lựa chọn tối ưu nhờ vào độ chênh lệch nhiệt độ sôi lớn và không có điểm đẳng phí Việc phân tách hệ này diễn ra dễ dàng, do đó không cần thiết phải sử dụng tháp mâm chóp với hiệu suất cao Thêm vào đó, cấu trúc của tháp mâm xuyên lỗ không phức tạp và có khả năng hoạt động hiệu quả với chất lỏng bẩn.
Mâm chóp Mâm xuyên lỗ
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Công nghệ chưng cất acetone-nước
Acetone là một chất lỏng có khả năng tan vô hạn trong nước, với nhiệt độ sôi là 56,05℃ ở áp suất 760mmHg So với nhiệt độ sôi của nước là 100℃ tại cùng áp suất, sự chênh lệch này cho thấy rằng phương pháp chưng cất là cách hiệu quả để thu được acetone với độ tinh khiết cao.
Trong trường hợp này, không áp dụng phương pháp cô đặc vì tất cả các cấu tử đều bay hơi Ngoài ra, phương pháp trích ly và hấp thụ cũng không thích hợp do cần đưa vào một pha mới để tách, điều này có thể làm phức tạp quá trình và ảnh hưởng đến hiệu quả tách.
Thuyết minh quy trình công nghệ
4 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu với sản phẩm đáy
5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
7 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
9 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
10 Bồn chứa sản phẩm đỉnh
11 Thiết bị gia nhiệt chất lỏng đáy tháp
12 Bồn chứa sản phẩm đáy
13 Bồn chứa nước làm mát
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 10
Hình 2-4 Sơ đồ quy trình công nghệ
Quy trình công nghệ CBHD: PGS.TS.Lương Huỳnh Vủ Thanh
Hỗn hợp acetone - nước với nồng độ 46% (theo khối lượng) được bơm từ bình chứa nguyên liệu lên bồn cao vị Tại đây, hỗn hợp chảy vào thiết bị trao đổi nhiệt, đạt nhiệt độ 54,051 oC khi trao đổi nhiệt với sản phẩm ở đáy Sau đó, hỗn hợp tiếp tục qua thiết bị gia nhiệt nhập liệu, nâng nhiệt độ lên 64,329 oC trước khi vào tháp chưng cất tại đĩa nhập liệu Trước khi vào tháp, dòng nhập liệu được điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế.
Trong quá trình chưng cất, chất lỏng trên đĩa nhập liệu được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống Hơi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống, tạo ra sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha Khi pha lỏng di chuyển xuống dưới, nồng độ cấu tử dễ bay hơi giảm do bị hơi từ thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp kéo lên Nhiệt độ càng cao ở đỉnh tháp, cấu tử có nhiệt độ sôi cao như nước sẽ ngưng tụ lại Cuối cùng, tại đỉnh tháp, hỗn hợp thu được có nồng độ cấu tử dễ bay hơi lên tới 96% về khối lượng.
Dòng hơi từ đỉnh tháp được dẫn qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm, nơi nó được ngưng tụ hoàn toàn thành dòng lỏng ở nhiệt độ 57,626°C Hỗn hợp lỏng này sau đó được điều chỉnh qua bộ phận chỉnh dòng, với một phần được làm nguội xuống 35°C trước khi vào bồn chứa sản phẩm Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu Tại phần dưới của tháp, một lượng nhỏ acetone được bốc hơi trong khi phần lớn nước trong dòng lỏng tăng lên Cuối cùng, ở đáy tháp, thu được hỗn hợp lỏng chủ yếu là nước với 4% acetone.
Hỗn hợp sản phẩm đáy từ tháp được chuyển đến thiết bị gia nhiệt chất lỏng, nơi một phần dung dịch lỏng bốc hơi và được cung cấp lại cho tháp, trong khi phần còn lại dẫn đến thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu Hệ thống hoạt động liên tục, tạo ra sản phẩm đỉnh là acetone, trong khi phần sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt có nhiệt độ 50°C được dẫn về bồn chứa sản phẩm đáy.
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 12
CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Quy ước các ký hiệu và thông số
F, D, W: Lần lượt là hỗn hợp đầu vào, đỉnh và đáy, (Kmol.h -1 )
GF: Lưu lượng hỗn hợp đầu vào, (L.h -1 ).
GD: lưu lượng sản phẩm đỉnh (L.h -1 ), GW: lưu lượng sản phẩm đáy (L.h -1 ),
GR: lượng chất lỏng hoàn lưu, (L.h -1 ).
MF: khối lượng phân tử trung bình hỗn hợp đầu vào, Kg.Kmol -1
MD: khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đỉnh, Kg.Kmol -1
Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy (MW) được tính bằng Kg.Kmol -1 Nồng độ phần mol của hỗn hợp đầu vào theo acetone (xF) cũng được biểu thị bằng Kg.Kmol -1, tương tự như nồng độ phần mol của hỗn hợp đỉnh (xD) và nồng độ phần mol của hỗn hợp đáy (xW) Nồng độ phần khối lượng của hỗn hợp đầu vào (x̅F), hỗn hợp đỉnh (x̅D), và hỗn hợp đáy (x̅W) đều được đo bằng Kg/Kg Ngoài ra, nồng độ phần mol của pha hơi (yi) tương ứng với nồng độ phần mol của pha lỏng (xi) được tính bằng Kmol.Kmol -1, trong khi nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi (yi *) cũng tương ứng với nồng độ phần mol của pha lỏng (xi) và được biểu thị bằng Kmol.Kmol -1.
A, N: lần lượt là ký hiệu của acetone và nước
MA, MN: lần lượt là khối lượng phân tử của acetone và nước, MA = 58 và
Các thông số ban đầu
Năng suất nhập liệu 1000 Kg.h -1
Nồng độ nhập liệu: x̅F = 46% khối lượng.
Nồng độ sản phẩm đỉnh: x̅D = 96% khối lượng.
Nồng độ sản phẩm đáy: x̅W = 4% khối lượng.
Cân bằng vật chất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Cân bằng vật chất
3.3.1 Nồng độ phần mol của acetone trong tháp x F = x F / M A x F / M A +(1− x F )/M N = 0,46 /58
Khi chọn trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng – sôi, từ bảng cân bằng lỏng – hơi của hệ acetone – nước với xF = 0,209, nhiệt độ nhập liệu vào tháp chưng cất được nội suy là tF = 64,329℃.
Tra bảng I.249 [6] ta có khối lượng riêng của nước: ρN = 980,9 Kg.m -3
Tra bảng I.2 [6] ta có khối lượng riêng của acetone: ρA = 739,1 Kg.m -3
Khối lượng riêng của hỗ hợp nhập liệu vào tháp ρ 1 F = x F ρ A + ( 1− x F ) ρ N = 0,46
Ta có: MF = xF × MA+ (1−xF) × MN = 0,209 × 58 + (1 - 0,209) × 18 = 26,364 Kg.Kmol -1
26,364 =¿ 32.339 Kmol.h -1 Phương trình cân bằng vật chất toàn tháp
Thế các giá trị vào hệ phương trình (1) ta được
MD = xD × MA+ (1−xD) × MN = 0,882×58 + (1 - 0,882) ×18 = 53,265 Kg.Kmol -1
MW = xW × MA + (1−xW) × MN = 0,013×58 + (1-0,013) × 18 = 18,511 Kg.Kmol -1
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 14
3.3.3 Các phương trình làm việc
Với xF = 0,209 từ đồ thị cân bằng ta được y * F = 0,7965
3.3.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu Động lực của quá trình chưng cất được xác định thông qua hiệu số nồng độ giữa đường cân bằng và đường làm việc theo pha hơi (∆y=y ∗ − y) hay theo pha lỏng (∆x= ∗ ).
Độ dốc của đường làm việc phần cất phụ thuộc vào chỉ số hoàn lưu R Khi đường làm việc phần cất càng gần đường cân bằng, chỉ số hoàn lưu sẽ càng nhỏ Chỉ số hoàn lưu tối thiểu là giá trị cần thiết để đảm bảo đĩa dưới cùng của phần cất, hay còn gọi là đĩa tiếp liệu, vẫn có động lực truyền khối, tức là hiệu số nồng độ ∆y = y ∗ − y phải dương.
3.3.3.2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp
Tỉ số hoàn lưu tối ưu trong thiết kế là tỉ số hoàn lưu với chi phí thấp nhất Khi tăng R, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp lại tăng, dẫn đến sự gia tăng trong thiết bị ngưng tụ, công suất bơm và nồi đun Chi phí cố định ban đầu sẽ giảm nhưng sau đó sẽ tăng lên vô cực khi đạt hoàn lưu toàn phần Đồng thời, lượng nước và nhiệt cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu.
Tổng chi phí bao gồm chi phí cố định và chi phí vận hành sẽ đạt điểm tối thiểu tại tỉ số hoàn lưu tối ưu, thường nằm trong khoảng từ 1,2 đến 1,5 lần Rmin.
Cân bằng vật chất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Khảo sát β từ1,1 đến 1,5 với khoảng nhảy 0,1 ta được bảng số liệu sau b Ri R+1 Nlt Nlt*(R+1)
Bảng 3-3 Số liệu tính toán tỷ số hoàn lưu thích hợp
Từ bảng số liệu ta có được đồ thị
Hình 3-5 Đồ thị quan hệ giữa β và Nlt(Rx+1)
Vậy chỉ số hoàn lưu thích hợp là Rth = 0,20901 với β = 1,4
3.3.3.3 Phương trình làm việc phần chưng y chưng = R th + f
Trong đó lượng mol hỗn hợp đầu tính cho 1 Kmol sản phẩm đỉnh f = F
7,259 = 4,455 Thay f vào phương trình trên ta được
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 16 ychưng = 0,20901+ 0,20901 4,455 +1 x− ( 4,455−1) 0,20901 ×0,013 +1 = 3,85771x – 0,03715
3.3.3.4 Phương trình đường làm việc phần cất y cất = R th
R th +1 Thay số liệu vào phương trình trên ta có ycất = 0,20901+ 0,20901 1 x− 0,20901+ 0,882 1 = 0,168676x + 0,732922
Số mâm lý thuyết
Hình 3-6 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết
Từ đồ thị, ta có 7 mâm lý thuyết bao gồm: 2 mâm chưng, 1 mâm nhập liệu, 4 mâm cất
Xác định số mâm thực tế
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:
Trong đó: ηtb là hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi trong đối với độ nhớt của hỗn hợp lỏng, ηtb = f(α,μ)
Cân bằng vật chất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Ntt là số mâm thực tế
Nlt là số mâm lý thuyết
3.5.1 Xác định hiệu suất trung bình của tháp η tb Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi α = y ¿
Trong đó: x: là phần mol của acetone trong pha lỏng, y*: là phần mol của acetone trong pha hơi cân bằng với pha lỏng,
3.5.1.1 Tại vị trí nhập liệu xF = 0,209 ta có y * F = 0,7965, tF = 64,329 o C
0,209 ,805 Tra bảng I.102 (trang 94, [6]) độ nhớt của nước ta có μN = 0,44 x 10 -3 (Ns.m -2 )
Tra bảng I.101 (trang 91, [6]) độ nhớt của acetone ta có μA = 0,224 x 10 -3 (Ns.m -2 ) Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu: lgμF = xF × lgμA + (1-xF) × lgμN
Tra hình IX.11 trang 171 [7] ta có ηF = 0,34
3.5.1.2 Tại vị trí mâm đáy xW = 0,013 ta có y * W = 0,2948 và tW = 94,254 o C
Độ nhớt của nước được ghi nhận là μN = 0,302 x 10 -3 (Ns.m -2) theo bảng I.102 (trang 94, [6]) Trong khi đó, độ nhớt của acetone là μA = 0,179 x 10 -3 (Ns.m -2) theo bảng I.101 (trang 91, [6]) Thông tin này là cần thiết để xác định độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu.
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 18 lgμF = xF × lgμA + (1-xF) × lgμN
Tra hình IX.11 trang 171 [7] ta có ηW = 0,3
3.5.1.3 Tại vị trí mâm đỉnh
Độ nhớt của nước được xác định là μN = 0,489 x 10^-3 (Ns.m^-2), trong khi độ nhớt của acetone là μA = 0,234 x 10^-3 (Ns.m^-2) theo bảng I.102 và I.101 Để tính độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu, công thức được sử dụng là lgμF = xF × lgμA + (1-xF) × lgμN.
Tra hình IX.11 trang 171 ta có ηW = 0,334
N tt = 70,318 ",012579Vậy chọn số mâm thực tế Ntt = 23 mâm bao gồm: 9 mâm chưng, 1 mâm nhập liệu, 13 mâm cất.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
Đường kính tháp, D t
Vtb là lượng hơi trung bình đi trong tháp, được đo bằng mét khối trên giờ (m³.h⁻¹) Tốc độ hơi trung bình trong tháp được ký hiệu là ωtb, tính bằng mét trên giây (m.s⁻¹) Lượng hơi trung bình đi trong tháp cũng có thể được biểu thị bằng gtb, tính bằng kilogam trên giờ (Kg.h⁻¹) Khối lượng riêng trung bình của pha hơi được ký hiệu là ρytb, tính bằng kilogam trên mét khối (Kg.m⁻³).
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau
Lượng hơi trung bình đi trong tháp
Trong đó: gd: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg.h -1 ) g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg.h -1 ).
Theo IX.93 - 95 trang 182, [7] ta có hệ phương trình:
Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất được ký hiệu là Gl (Kmol.h -1), trong khi ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp vào đĩa này được ký hiệu là rl (KJ.Kmol -1) Ngoài ra, ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ra ở đỉnh tháp được ký hiệu là rd (KJ.Kmol -1).
Tra bảng I.250 [6] ta có: rNl = 2346.77014 (KJ/Kg) = 42241,8625(KJ.Kmol -1 ) Tra bảng I.212 [6]ta có: rAl = 514,1789193 (KJ/Kg) = 29822,3773 (KJ.Kmol -1 ) r1 = rA1 × y1 + (1 − y1) × rN1 = 42241,8625 – 12419,4852yl (KJ.Kmol -1 )
Tra bảng I.250 [6] ta có: rND = 2362,26524(KJ.Kg -1 ) = 42520,7743 (KJ.Kmol -1 ) Tra bảng I.212 [6] ta có: rAD = 521,151093 (KJ.Kg -1 ) = 30226,7634 (KJ.Kmol -1 )
Giải hệ (IV.1), [7] ta được:
G1 = 1,717068572 (Kmol.h -1 ) y1 = 0,753494973 (phân mol acetone) − M1 = 48,13979894 (kg.Kmol -1 ) g1 = 9,012183572 (Kmol.h -1 ) = 433,8447052(Kg.h -1 )
4.1.1.4 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất
Tốc độ giới hạn hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền
Trong thiết kế tháp chưng cất CBHD, PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh nhấn mạnh việc tính toán khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (ρxtb) và pha hơi (ρytb) ở đoạn cất, với đơn vị đo là Kg.m -3 Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của tháp chưng cất.
Nồng độ phân mol trung bình: y tb =y 1 +y ¿ D
Nhiệt độ trung bình đoạn cất: t tbD = t 1 +t D
Nồng độ phân mol trung bình: x tb = x F + x D
Tra bảng I.249 [6] ta có: ρN = 982,68 (Kg.m -3 )
Tra bảng I.2 [6] ta có: ρA = 743,1 (Kg.m -3 ).
Theo IX,104a ta có: ρ xtb = ( x ρ tb A + 1− ρ N x tb ) −1 = ¿ 783.691594 (Kg.m -3 )
=> ω gh =0,05 × √ 783,691594 1.88020901 =¿ 1.020797333 (m.s -1 ) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp bằng 80% tốc độ giới hạn hơi đi trong tháp ωtb = 0,8 × ωgh = 0,8 × 1.020797333= 0.816637867 (m.s -1 )
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 22 x tb Đường kính đoạn cất:
Lượng hơi trung bình đ trong tháp
Trong đó: g’n: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg.h -1 ). g′l: lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg.h -1 ).
Theo IX.98 - 100 trang 182, [7] ta có hệ phương trình:
G′l: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng (Kmol.h -1 ) r′l: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng (KJ.Kmol -1 )
Tra bảng I.250 [6] ta có: r ′ Nl = 2669,6572 (KJ.Kg -1 ) = 48054,8296 (KJ.Kmol -1 ) Tra bảng I.212 [6] ta có: r ′ Al = 479,7242 (KJ.Kg -1 ) = 27824,0036 (KJ.Kmol -1 )
Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
4.1.2.2 Xác định r 1 r1 = rA1 × y1 + (1 − y1) × rN1 = 42241,8625 – 12419,4852yl r1 = 42241,8625 – 12419,4852 × 0,753494973 = 32883,84285 (KJ.Kmol -1 )
Giải hệ phương trình (IV.2) ta được
G′1 = 32,090019(Kmol.h -1 ) x′1 = 0,074648 (phân mol acetone) − MtbG′ = 20,9859188(Kg.kmol -1 ) g′1 = 7,0409762(Kmol.h -1 ) = 147,7613548 (Kg.h -1 )
4.1.2.3 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng
Tốc độ giới hạn hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền
𝜌′𝑥𝑡𝑏: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng ở đoạn chưng (Kg.m -3 )
𝜌′𝑦𝑡𝑏: khối lượng riêng trung bình của pha hơi ở đoạn chưng (Kg.m -3 ).
Với nồng độ phân mol trung bình: y ' tb =y 1 +y ¿ W
Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t ' tbW = t F +t W
Nồng độ phân mol trung bình:
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 24 x' tb = x F + x w
Tra bảng I.249 [6] ta có: ρ’N = 972,2 (Kg.m -3 )
Tra bảng I.2 [6] ta có: ρ’A = 720,0 (Kg.m -3 )
Theo IX,104a ta có: ρ ' xtb = ( x ' ρ' tb A + 1− ρ' x ' N tb ) −1 3,46307 (Kg.m -3 )
Để tránh tạo bọt trong quá trình chưng cất, tốc độ hơi trung bình đi trong tháp được xác định bằng 80% tốc độ giới hạn hơi, cụ thể là ωtb = 0,8 × ωgh = 0,8 × 1,28001665 (m.s -1), tương đương với 1,02401332 (m.s -1).
Kết luận: hai đường kính đoạn chưng và đoạn cất không chênh lệch nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là: Dt = 0,4 (m)
Khi đó tốc độ làm việc thực
Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Chiều cao tháp
Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền
Tổng diện tích lỗ bằng 8% diện tích mâm. Đường kính lỗ dl = 3 mm = 0,003 m
Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí theo hình lục giác đều).
Diện tích dành cho ống chảy chuyền và gờ chảy tràn bằng 20% diện tích mâm
Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 2/3
Mâm được làm bằng inox SUS304
Tính lại số lỗ trên mâm:
Gọi a là số hình lục giác Áp dụng công thức V,139 ta có: N = 3a×(a+1) + 1
Giải phương trình ta được: a = 21, N = 1387
Số lỗ trên một đường chéo: b = 2a+1 = 43 lỗ
Vậy ta chọn số lỗ trên một mâm là 1387 lỗ, bố trí lỗ theo hình lục giác đều.
4.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua mâm
4.2.2.1 Độ giảm áp qua mâm khô Độ giảm áp qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổng thất áp suất do dòng chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ h k = ( C u o 2 2 ) × ( 2 g× ρ ρ G 1 ) Q × ( C v 0 o 2 2 ) × ρ ρ G 1 (mm c hấ t l ỏng) (5.16 trang 119, [8])
Trong đó: u0: vận tốc pha hơi qua lỗ (m.s -1 ) ρ G: khối lượng riêng của pha hơi (Kg.m -3 ) ρ l: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg.m -3 )
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 26
Hệ số thắc dòng phụ thuộc vào tỷ số giữa tổng diện tích lỗ và diện tích làm việc của mâm, cũng như tỷ số giữa bề dày của mâm và đường kính lỗ.
Vận tốc hơi qua lỗ u 0 = ω lv
0,08 =6,723768588 Khối lượng riêng của pha hơi: ρG = ρytb = 1,8802091 (Kg.m -3 )
Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ1 = ρxtb = 782,302205 (Kg.m -3 )
Độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất h k Q× ( C u 2 o 2 ) × ρ ρ G 1 Q× 6,723768588 2
782,302205 ,38032442( mmchất lỏng ) Đối với phần chưng
Vận tốc qua lỗ u' 0 = ω lv '
0,08 =5,956724111m.s -1 Khối lượng riêng của pha hơi: ρG = ρ’ytb = 1,348022589 (Kg.m -3 )
Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ1 = ρ’xtb = 883,46307 (Kg.m -3 )
Độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng h' k Q× ( u' C o 0 2 2 ) × ρ ρ G 1 Q × 5,956724111 2
4.2.2.2 Độ giảm áp do chiều cao mực chất lỏng
Để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm, phương pháp đơn giản là tính toán dựa trên chiều cao gờ chảy tràn (hW), chiều cao lớp chất lỏng bọt trên gờ chảy tràn (hOW) và hệ số sục khí β.
Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh hl = β × (hW + hOW) (mm chất lỏng) (5,17 trang 120, [8])
Chiều cao gờ chảy tràn hW = 50 mm
Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được xác định theo phương trình Francis cho gờ chảy tràn phẳng, cụ thể là h = 0,4 × (qL × Lw)^(2/3) (mm) Trong đó, qL là lưu lượng của chất lỏng tính bằng m³/phút.
Lw: chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m).
Diện tích dành cho ống chảy chuyền và gờ chảy tràn là 20% diện tích mâm, nên ta có phương trình sau:
Trong đó: n 0 : góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn LW.
Giải phương trình ta được: n 0 = 93 o 12’
Suy ra: LW = Dt × sin(n 0 /2) = 0,4 × sin(93 o 12 ′ /2) = 0,29064 (m)
Xác định q L Đối với mâm phần cất q L = D× R × M D
0,29064 ) 2 3 =1,396031615 (mm) Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là h1 = 0,6 × (50 + 1,396031615) = 30,83761897 (mm) Đối với mâm phần chưng
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 28 q ' L = G ' 1 × M tbG '
Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng là h′1 = 0,6 × (50 + 5,385487 ) = 33,23129 (mm)
4.2.2.3 Độ giảm áp sức căng bề mặt
Trong đó: σ: sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn.cm -1 ) ρl: khối lượng riêng của chất lỏng (Kg.m -3 )
Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ1 = ρxtb = 783,69159 (Kg.m -3 ) ttb = 60,9775 ℃
Tra bảng I.249 trang 311: ta có sức căng bề mặt của nước: σNL= 660,3054779(dyn.cm -1 )
Tra bảng I.242 trang 301: ta có sức căng bề mặt của acetone: σAL= 18,4708125 (dyn.cm -1 ).
NL +σ AL 6,941625 (dyn.cm -1 ) Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là h R = 625,54 × 36,941625× 10 −3
Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ’1 = ρ’xtb = 883,4630676 (Kg.m -3 ) t’tb = 79,2915℃
Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Tra bảng I.249 trang 311, [6]: ta có sức căng bề mặt của nước: σ’NL= 625,1102554 (dyn.cm -1 )
Tra bảng I.242 trang 301, [6]: ta có sức căng bề mặt của acetone: σ’AL= 16,1815625 (dyn.cm -1 ). σ ' 1 = 1 σ ' NL + 1 σ ' Al
' NL × σ ' AL σ ' NL + σ ' AL ,77325702 (dyn.cm -1 ) Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là h' R = 625,54 × 15,77325702 × 10 −3
Cho nên độ giảm áp tổng của pha khí qua một mâm là
Phần cất ht = hk + hl + hR = 10,38032442+30,83761897+9,828893697
Tổng trở lực của toàn tháp, hay còn gọi là độ giảm áp tổng cộng, được xác định bằng cách xem xét độ giảm áp của pha khí qua mâm nhập liệu, tương đương với độ giảm áp của pha khí qua một mâm trong phần chưng.
4.2.3 Kiểm tra khả năng hoạt động của tháp
4.2.3.1 Kiểm tra ngập lụt khi hoạt động
Chọn khoảng cách giữa hai mâm, với đường kính tháp bằng 0,4 m là: hmâm 0,25m = 250mm
Chiều cao mực chất lỏng trong mâm xuyên lỗ được xác định bằng công thức: hd = hw + how + hl + hd’ (mm chất lỏng), trong đó cần bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền.
: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm.
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 30
Vậy chiều cao mực chất lỏng ở phần cất là: hd = 50+1,396031615+51,04683708+0,000012819 = 102,4428815 (mm)
2 5 mm, đảm bảo khi hoạt động các mâm phần cất sẽ không bị ngập lụt.
100 ×0,100531 ) 2 =0,000735918 (mm chất lỏng) Vậy chiều cao mực chất lỏng ở phần chưng là: h’d = 50+5,385487+42,13548052+0,000735918 ,52170386 (mm)
2 5 mm, đảm bảo khi hoạt động các mâm phần chưng sẽ không bị ngập lụt
4.2.4 Tính toán chiều cao tháp
Chiều cao của thân tháp
H nắp = H đáy =h b + h gờ =0,1+ 0,025=0,125( m ) Vậy chiều cao của tháp là
Tính toán cơ khí tháp
Tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường, do đó, thiết kế thân tháp hình trụ được thực hiện bằng phương pháp hàn giáp mối, cụ thể là phương pháp hồ quang Các phần của thân tháp được kết nối với nhau thông qua các mối ghép bích.
Trong thiết kế tháp chưng cất CBHD, PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh nhấn mạnh việc chọn vật liệu inox SUS 304 cho thân tháp để đảm bảo chất lượng sản phẩm và khả năng chống ăn mòn của acetone Tháp hoạt động ở áp suất khí quyển, do đó chỉ cần tính toán cho thân tháp chịu áp suất bên trong.
Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán: tt cl tl đinh
Với : áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy
Chọn áp suất sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn an toàn:
Chọn nhiệt độ tính toán là nhiệt độ đáy ttt = tđáy = 100 o C
4.3.1.2 Xác định bề dày thân chịu áp suất trong
Chúng tôi đã chọn phương pháp chế tạo thân bằng hàn hồ quang điện thủ công, với hệ số mối hàn φ h = 1 Ứng suất cho phép giới hạn bền được xác định theo công thức XIII.1 và bảng XIII.3.
2.6 8,077 × 10 6 Ứng suất cho phép giới hạn chảy xác định theo công thức XIII.2 và bảng XIII.4, [7]
Ta lấy giá trị bé hơn trong hai kết quả trên để tính toán.
Do đó, bề dày tính toán của thân theo công thức (XIII.8 trang 360, [7]):
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 32
Mà bề dày thực của thân tháp là: (mm) (4-10)
Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của chất lỏng Với tốc độ ăn mòn của acetone là 0,1 mm/năm, thiết bị sẽ hoạt động trong 20 năm, dẫn đến tổng mức ăn mòn là 2 mm.
- : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn mm.
- : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn mm
- : hệ số bổ sung qui tròn, chọn C o =1,762 mm.
400 =0,005 < 0,1 (thỏa điều kiện) Kiểm tra áp suất cho phép trong thân thiết bị: σ = [ D t ( S−C a ) ] × p o
Kết luận: Bề dày thực của thân tháp: St = 4 (mm)
4.3.2 Đáy và nắp thiết bị
Chọn đáy và nắp có dạng là elip tiêu chuẩn, có gờ inox SUS 304. Đáy và nắp làm việc chịu áp suất trong:
Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Hình 4-7 Đáy nắp elip có gờ tiêu chuẩn [7]
Do đáy (nắp) có lỗ làm việc chịu áp suất trong nên:
(4-12) Với : hệ số không thứ nguyên
Đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng, hay kích thước lớn nhất của lỗ không phải hình tròn, cần được xác định Đối với thiết kế, hãy chọn đường kính lỗ ống hơi cho đáy và nắp tháp là mm.
Chọn nhiệt độ tính toán: o C.
162836,0577 × 0,75 ×1= 912,315> 30 Chiều dày tính toán được xác định theo công thức (XIII.47 trang 385 [7]):
(4-13) Với : chiều cao phần lồi của đáy ( m) (XIII.10 trang 384).
Trong đó: h d là hiều cao phần lồi của đáy ( h d =0.1 m ¿
Tra bảng XIII.11 trang 384 [7] ta được chiều cao gờ của đái nắp hgờ = 0.025 (m).
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 34
Chiều dày thực của đáy được xác định như sau:
(4-14) được tính giống như phần xác định bề dày thân: C =2,99977 (mm), nên:
Vì mm nên tăng thêm 2 mm (trang 386, [7]).
Tháp chưng cất hoạt động ở áp suất khí quyển, do đó không cần tính toán cho đáy nắp chịu áp suất ngoài Để thuận tiện cho việc lắp ráp các bộ phận, nên chọn bề dày của thân và đáy nắp thiết bị giống nhau.
Kết luận: bề dày thân thiết bị St = Snắp = Sđáy = 5 (mm)
4.3.3 Bích ghép thân, đáy và nắp
Mặt bích là thành phần thiết yếu trong việc kết nối các bộ phận của thiết bị và liên kết với các thành phần khác Có nhiều loại mặt bích được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp.
Bích liền là bộ phận kết nối thiết bị hàn, đúc và rèn, chủ yếu được sử dụng cho các thiết bị hoạt động dưới áp suất thấp và trung bình.
Bích tự do chủ yếu được sử dụng để nối ống dẫn trong môi trường nhiệt độ cao, kết nối các bộ phận bằng kim loại màu và hợp kim Điều này đặc biệt quan trọng khi cần làm mặt bích bằng vật liệu có độ bền cao hơn so với vật liệu thông thường.
Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao.
Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng inox SUS 304, cấu tạo của bích là bích liền không cổ.
Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Bích liền không cổ ghép thân, đáy và nắp được lựa chọn với đường kính D t @0 mm và áp suất tính toán P tt = 0,16283606 N.mm -2, dựa vào bảng XIII.27 trang 417 [7].
Bảng 4-4 Thông số bích ghép thân, đáy, nắp
Tra bảng IX.5 trang 170, [7] ta chọn khoảng cách giữa hai mặt bích là 1000 mm
Số mâm giữa hai mặt bích là 4, trong khi số mặt bích ghép thân, đáy và nắp là 8 Độ kín của mối ghép bích chủ yếu phụ thuộc vào vật đệm, thường được làm bằng vật liệu mềm hơn so với bích Khi xiết bu-lông, đệm sẽ biến dạng và lấp đầy các chỗ gồ ghề trên bề mặt bích Để đảm bảo độ kín cho thiết bị, nên chọn đệm cao su cách nhiệt với độ dày 3 mm.
4.3.4 Đường kính các ống dẫn và thông số các bích ghép ống
Để tiết kiệm chi phí khi sử dụng thiết bị làm việc ở áp suất thường, chúng ta nên lựa chọn bích ghép các ống dẫn làm bằng thép CT3 Bích được sử dụng là loại bích liền không cổ.
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 36
Hình 4-9 Bích liền không cổ ghép ống dẫn với thiết bị [7]
4.3.4.1 Tại vị trí nhập liệu:
Lưu lượng chất lỏng nhập liệu: Q F 00 (Kg.h -1 ) ¿ 1 (m 3 /h)
Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu): vF 0.1 (m.s -1 ). Đường kính nhập liệu: d F = √ 3600 4 Q π v F F = √ 3600 4.1 π 0,1 ≈ 0,07(m)
Ta chọn đường kính ống nhập liệu là: d F = 0,07 m
Tra bảng XIII.32 trang 434, [7] ta chọn được chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lF = 110 mm
Tra bảng XIII.26 trang 409, [7] để xác định các thông số của bích ghép ống nhập liệu:
Bảng 4-5 Thông số bích ghép ống nhập liệu
Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: g d =¿ 481.8341132 kg.h -1
Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp ở t D W,626 o C và y D =0,9227; được tính theo công thức: ρ h = [ 58 y D +(1− y D ).18 ] 273
Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:
Chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp: m.s -1 Đường kính ống dẫn hơi: d h = √ 3600 4.Q π v h h = √ 3600 4 ×238,06 π 25 ≈ 0,07 (m)
Nên chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 0.07 (m)
Tra bảng XIII.32 trang 434, [7] ta chọn được chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lh = 110 (mm)
Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp (XIII.26 trang 409, [7])
Bảng 4-6 Thông số bích ghép ống hơi ở đỉnh tháp
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 38
Khối lượng riêng của chất lỏng hoàn lưu ở t D W,626 o C và x D =0,96
Tra bảng I.2 trang 9, [6] ta được: ρ A t8,6 (kg.m -3 )
Tra bảng I.249 trang 310, [6] ta được: ρ N 4,3 (kg.m -3 )
Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu:
Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu (tự chảy từ bộ phận tách lỏng ngưng tụ vào tháp): m.s -1 Đường kính ống hoàn lưu: d hl = √ 3600 4.Q π v hl hl = √ 3600 4 × 0,104 π 0,15 =0,019 (m)
Nên chọn đường kính ống hoàn lưu: dhl = 0.02 (m)
Chọn chiều dài đoạn ống nối ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [7]):lhl = 80 (mm) Các thông số của bích ghép ống hoàn lưu (tra bảng XIII.26 trang 409, [7])
Bảng 4-7 Thông số bích ghép ống hoàn lưu
4.3.4.4 Ống dẫn hơi vào đáy tháp:
Suất lượng hơi vào đáy tháp: g 1 ' 7,761354 (kg/h)
Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp ở t w ,254 o C và y w = 0,2948
Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
22,4 (t w + 273 ) = 0,9887(kg.m -3 ) Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:
Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp: m/s Đường kính ống dẫn hơi: d hđ = √ 3600 4 Q π v hđ hđ = √ 4 3600 × 149,456 π 25 =0,05 (m )
Nên chọn đường kính ống dẫn hơi: dhđ = 0.07 (m)
Chiều dài ống nối để ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [7]): lhđ = 110 (mm)
Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp (XIII.26 trang 409, [7])
Bảng 4-8 Thông số bích ghép ống dẫn hơi vào tháp
4.3.4.5 Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp:
Suất lượng chất lỏng vào nồi đun:
Khối lượng riêng của chất lỏng vào nồi đun với t w ,254 o C và x 1 ' =0,077
Tra bảng I.2 trang 9, [6] ta được: ρ A p0,525 (kg.m -3 )
Tra bảng I.249 trang 310, [6] ta được: ρ N 2,472 (kg.m -3 )
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 40 x' 1 = x' 1 × M A
Lưu lượng chất lỏng vào nồi đun:
Q L = G ' L ρ L =0,754 (m 3 h -1 ) Chọn vận tốc chất lỏng vào nồi đun (chất lỏng tự chảy vào nồi đun): vL = 0.1 (m.s -1 ) Đường kính ống dẫn chất lỏng: d L = √ 3600 4 Q π v L L = √ 3600 4 × 1,1499 π 0,1 =0,052( m)
Chọn đường kính ống dẫn: dL = 0.07 (m)
Chiều dài ống nối để ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [7]): lL = 110 (mm)
Các thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp (XIII.26, trang 409, [7]):
Bảng 4-9 Thông số bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp
4.3.4.6 Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy)
Suất lượng sản phẩm đáy:
Khối lượng riêng của sản phẩm đáy t w ,254 o C và x w =0,013
Xem hỗn hợp sản phẩm đáy chỉ là nước
Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Lưu lượng sản phẩm đáy:
Q w = G w ρ w =0,482 (m 3 h -1 ) Chọn vận tốc dòng sản phẩm đáy (chất lỏng tự chảy): v w =0,1 (m.s -1 ) Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: d w = √ 3600 4 Q π v w w = √ 3600 4 × 0,482 π 0,1 = 0,04 0,05(m ) Chọn đường kính ống dẫn: d w =0,05 m
Chiều dài ống nối để ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [7]): mm
Các thông số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy (XIII.26, trang 409, [7]):
Bảng 4-10 Thông số bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy
Chân đỡ và tay treo
Khối lượng của một bích ghép thân được làm bằng thép X18H10T:
4 × (0,515 2 −0 , 4 2 ) × 0,02 × 7930,1073 ¿ Khối lượng của một mâm: m 2 = π
Khối lượng của thân tháp:
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 42 m 3 = π
Khối lượng của đáy, nắp tháp: m đá y = S đá y × δ đá y × ρ SUS304 =0,2× 0,005× 7930= 4,758 (kg)
Với S đá y = 0,2 (tra bảng XIII.10 trang 384, [7])
Khối lượng chất lỏng trong tháp:
Trong trường hợp xảy ra ngập lụt, mực chất lỏng sẽ dâng lên toàn bộ chiều cao của tháp Tuy nhiên, do sự hiện diện của các mâm bên trong tháp, thể tích chất lỏng không thể chiếm hết toàn bộ thể tích của tháp.
Chọn m cl = ( π D t 2 4 H thân ) × ( ρ xtb + 2 ρ' xtb ) ¿ ( π 0.4 2 × 4 6,596 ) × ( 783,69159+ 2 883,46307 ) i0,934( kg)
Khối lượng bổ sung: chọn mbs = mống + mbulông + mbíchống + mgờ = 100 (kg)
Khối lượng của toàn tháp: m m 1 + 23 m 2 +m 3 +2 m đ + m cl + m bs m x 13,1073+ 23 x 1,435+ 332,758+ 2 x 4,758 +690,934 +100 m75 ,9298 (kg)
Trọng lượng của toàn tháp: P= m× g75,9298× 9,81497,871(N)
Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Hình 4-10 Chân đỡ tháp (trang 437, [7])
Chọn chân đỡ tháp (thép CT3): tháp được đỡ trên bốn chân Tải trọng cho phép trên một chân:
4 374,468=0,337 × 10 4 (N) Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: G c =0,5 × 10 4 N
Các kích thước chân đỡ (mm) tra bảng XIII.35 trang 437, [7]:
Bảng 4-11 Kích thước chân đỡ
Hình 4-11 Tai treo của thiết bị thằng đứng (trang 438, [7])
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 44
Khi chọn tai treo thép CT3 cho tháp, cần lưu ý rằng tai treo được gắn trên thân tháp nhằm giữ cho tháp ổn định trước các tác động từ môi trường Việc lựa chọn bốn tai treo là cần thiết, với mỗi tai treo có tải trọng cho phép riêng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sử dụng.
4 773,322 =0,377 × 10 4 (N ) Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: N
Chọn tấm lót tai teo khi ghép vào thân có kích thước (XIII.37 trang 439, [7]):
- Chiều dài tấm lót: 260 mm
- Chiều rộng tấm lót: 140 mm
- Bề dày tấm lót: 6 mm
Các kích thước của tai treo (mm), tra bảng XIII.36, trang 438, [7]:
Bảng 4-12 Kích thước tai treo tháp
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ PHỤ 46 5.1 Cân bằng nhiệt lượng thiết bị đun nóng hỗn hợp
Cân bằng nhiệt lượng toàn tháp
: nhiệt độ do dòng hơi đốt để đun sôi dung dịch trong đáy tháp
- : lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp (kg.h -1 )
- : nhiệt lượng riêng của dòng hơi mang vào đáy tháp (kJ.kg -1 )
Vì nhiệt độ sôi của đáy là 94,254 °C, nên nhiệt độ của dòng hơi cấp nhiệt cần phải lớn hơn Chúng ta chọn nhiệt độ dòng hơi cấp nhiệt cho thiết bị là 112,7 °C, tương ứng với nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 1,6 at Theo bảng I.250 trang 312, nhiệt lượng riêng của nước tại 112,7 °C là 2703 kJ/kg.
: nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp
- : nhiệt dung riêng của dòng hồi lưu (J.kg -1 độ)
- : nhiệt độ của dòng hồi lưu ( o C) Ở t R W,626 o C:
Tra bảng I.154, trang 172, [6] ⇒ C A "98,035 (J.kg.độ)
Tra bảng I.147, trang 165, [6] ⇒ C N = 4186,141 (J.kg.độ)
: nhiệt lượng do dòng hơi mang ra khỏi đỉnh tháp
Với : nhiệt lượng riêng của hơi acetone ở đỉnh tháp (J.kg -1 ). λ D = λ N y ¿ D + λ A (1− y ¿ D )
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 48 Ở t D W,626 o C:
Tra bảng I.153, trang 171, [6] ⇒ C A "98,035 (J.kg.độ)
Tra bảng I.212, trang 254, [6] ⇒ r A R1,151 (kJ.kg)
: phân khối lượng của dòng hơi ra khỏi đỉnh tháp y ¿ D = 0,9227 × 58 0,9227 × 58+(1−0,9227)× 18 =0,975
Tra bảng I.250, trang 312, [7] ta có λ N &00,442 (kJ.kg -1 )
: nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra
- : nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đáy (J.kg -1 độ)
- : nhiệt độ của dòng sản phẩm đáy ( o C)
- Tra bảng I.147, trang 165, [6] ở 94,254 o C ⇒ C N B12,197 (J.kg -1 độ)
- Xem hỗn hợp đáy chỉ gồm nước ⇒ C w =C N = 4212,197 (J/kg.độ)
: nhiệt lượng do nước ngưng ở bộ phận đun sôi hỗn hợp đáy
- Tại p=1,6 at tương đương t nt 2 2,7 o C
- Tra bảng I.148, trang 166, [6] ở 112,7 o C: C nt 2 =4,2398 (J.kg -1 độ)
: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường của toàn tháp
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Tại t 1 2,7 o C ta có r đ = 2225,128 (kJ.kg) (tra bảng I.212, trang 254, [6])
Suy ra: D đ = Q y +Q w −Q R −Q F λ 1 −0,05.r đ −C nt 2 t nt 2= 105,050 ( kg.h -1 )
Thiết bị phụ
5.3.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống loại TH đặt nằm ngang Ống truyền nhiệt làm bằng inox SUS 304, kích thước ống 25 x 2, chiều dài ống L= 2 (m)
Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ đầu t1 = 27 o C và nhiệt độ cuối t2E o C
Nhiệt độ trung bình trong thiết bị ngưng tụ hồi lưu: 36 o C
Các tính chất lý học của nước được tra ở tài liệu tham khảo [6] ứng với nhiệt độ trung bình ttbD= 36 o C:
- Nhiệt dung riêng: kJ.kg -1 độ
5.3.1.1 Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
(IX.165, trang 198, [7]) (5-15) Tra bảng I.212, trang 254, [6] ở t D W,626 o C ta được r D = 663,469 (kJ.kg -1 )
Nhiệt lượng dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 50
5.3.1.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt
- : nhiệt độ trung bình logarit
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
- : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W.m -1 độ)
- : hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W.m -1 độ)
- : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu a Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống
Chọn vận tốc nước đi trong ống: v N =0.5 m.s -1
Số ống trong một đường nước: n = G N ρ N 4 π d v 2 v N = 1,145
0,7082 × 10 −3 732,02485 >10 4 (chế độ chảy rối)Công thức xác định chuẩn số Nusselt:
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
- : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN và tỉ lệ chiều dài ống với đường kính ống.
- : chuẩn số Prandlt của nước ở 36 o C nên PrN = 4,782 (I.249, trang 310, [6])
- : chuẩn số Pandlt của nước tính theo nhiệt độ trung bình của vách
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: α N = N u N λ N d v = 131,512 × 0,6276
Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N =α N ( t w 2 −t tbN )= 3930,33
Với là nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống).
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
- : nhiệt độ vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống)
- Bề dày thành ống: mm m
- Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: W.m -2 K (XII.7, trang 313, [7])
- Nhiệt trở lớp bẩn trong nước với nước sạch: m 2 độ.m -1
- Nhiệt trở lớp cấu tử sản phẩm đỉnh với tường ngoài ống: m 2 độm -1
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 52
Vậy: (5-22) b Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ Đặt: A =0,725 4 √ r A μ λ A d 3 A ρ ng 2 A với [ ] = [J.kg -1 ] α A = 0,725 √ 4 μ A (t r A D λ −t 3 A ρ w1 ) 2 A d ng = ¿¿ A (5-23)
Nhiệt tải ngoài thành ống: q A = α A ¿ (W.m -2 ) (5-24)
Từ (5-19), (5-22), (5-24) sử dụng phương pháp lặp để xác định ,
Các tính chất lý học của acetone ngưng tụ được tra ở tài liệu tham khảo [6] ứng với nhiệt độ trung bình: t tbD = t D +t w1
- Ẩn nhiệt ngưng tụ (bảng I.250, trang 254, [6]): r A =r D f3,4692162 (kJ.kg -1 )
- Khối lượng riêng (bảng I.2, trang 9, [6]): ρ A u3,366 (kg.m -3 )
- Độ nhớt động học (bảng I.101, trang 91, [6]): μ A =0,24099.1 0 −3 (N.s.m -2 )
- Hệ số dẫn nhiệt (bảng I.130, trang 134, [6]): λ A = 0,165 (W/m.K)
Từ (5-5) ta có: q A 31,698 ¿ (W.m -2 ) Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: q A = q t 937,62 (W.m -2 )
Từ (5-22) ta có: t w 2 =t w1 −q t 5,227 10 −4 = 41,192 o C Tra bảng I.249, trang 310, [6]: Pr w ¿ 4,219
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh q N = 3930,33 4,219 0,25 ( 41,192−36)238,715562 (W.m -2 )
14238,715562 × 100=4,9% (thỏa điều kiện) Vậy: t w 1 I o C và t w 2 A,192 o C
Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
Chiều dài ống truyền nhiệt:
So với m thì số đường nước là L L ' =6 ,142 lần
Khi đó số ống tăng lên 6,142 lần: n=9 × 6,142B,996 ống nên chọn n = 61 ống
Kiểm tra hệ số cấp nhiệt của acetone cần xem xét ảnh hưởng của sự sắp xếp và bố trí ống Khi chọn cách sắp xếp ống xen kẽ theo dạng lục giác đều, số lượng ống trên đường chéo của lục giác đều là b = 9 ống.
Tra hình V.20, trang 30, [7] ta được ε tb =0,62
Tính lại hệ số truyền nhiệt K, ta có K = 549,705 (W.m -2 độ)
Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 54
3600 ×549,705 ×20,314 =7,714m 2 Khi đó chiều dài ống truyền nhiệt:
Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là một thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống với 61 ống có chiều dài 2 m Các ống được sắp xếp theo hình lục giác đều, dẫn đến số ống trên đường chéo hình lục giác là 11 ống Bước ngang giữa hai ống được chọn là t = 1,4 × d ng = 0,035 m.
Bảng 5-13: Tóm tắt thông số thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Thông số Kí hiệu Giá trị
Loại thiết bị Vỏ-ống Đường kính ngoài của ống dng 25 mm
Hệ số truyền nhiệt K 682,68 W.m -2 độ
Bề mặt truyền nhiệt trung bình Ftb 6,213 m 2 Đường kính vỏ thiết bị Dv 0,38 m
5.3.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Thiết bị làm nguội sản phẩm hiệu quả nhất là ống lồng ống truyền nhiệt Ống truyền nhiệt được chế tạo từ inox SUS 304, với kích thước ống trong là 16 x 16 mm và kích thước ống ngoài là 25 x 2,5 mm.
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
- Nước làm lạnh đi trong ống 16 x 1.6 (ống trong) với nhiệt độ đầu t1 = 27 o C, nhiệt độ cuối t2 = 45 o C.
Các tính chất lý học của nước làm lạnh được tra tài liệu [6] ứng với nhiệt độ trung bình: t tb N = t 1 + t 2
- Nhiệt dung riêng: CN = 4,181 (kJ/kg.độ) (I.147, trang 165, [6])
- Khối lượng riêng: ρN = 993,64 (kg.m -3 ) (I.5, trang 11, [6])
- Độ nhớt động học: μN = 0,7802x10 -3 (N.s.m -2 ) (I.102, trang 94, [6])
- Hệ số dẫn nhiệt: N = 0,6276 (W.m -1 độ) (I.129, trang 133, [6])
Các thông số của dòng sản phẩm đỉnh ứng với: t tbD = t D +t ' D
- Nhiệt dung riêng: C D =2,262 (kJ.kg -1 độ) (bảng I.154, trang 172, [6])
- Khối lượng riêng: ρ D v0,506 (kg.m -3 ) (bảng I.2, trang 9, [6])
- Độ nhớt động học: μ D =0,2530 × 10 −3 (N.s.m -2 ) (bảng I.101, trang 91, [6])
- Hệ số dẫn nhiệt: λ D =0,165 (W.m -1 độ) (bảng I.130, trang 134, [6])
5.3.2.1 Suất lượng hơi dùng để làm mát sản phẩm đỉnh
Suất lượng sản phẩm đỉnh:
Suất lượng nước cần dùng:
5.3.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 56
- : nhiệt độ trung bình logarit
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: Δt log = Δt 1 − Δt 2 ln Δt 1 Δt 2
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
- : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống W.m -2 K
- : hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ W.m -2 K
- : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu
Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh ở ống ngoài:
Vận tốc của sản phẩm đỉnh đi trong ống ngoài: v D = G D ρ D ⋅ 4 π ( D ng 2 − D tr 2 ) = 760,506 0,108 × π ( 0,02 2 4 −0,01 6 2 ) =1,255 (m.s -1 ) Đường kính tương đương: dtđ = Dng –Dtr = 0,02 – 0,016 = 0.004 (m) Chuẩn số Reynolds:
0,2530 ×10 −3 088,3447< 10 4 (chế độ chảy quá độ) Xác định chuẩn số Nusselt:
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
- 1 : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReD và tỷ lệ chiều dài với đường kính ống:
0.004 75>50 nên chọn (tra bảng V.2, trang 15, [7])
- : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh tính 46,313 o C nên
- : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh tính theo nhiệt độ trung bình của vách.
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống ngoài: α D = N u D λ D d t đ = 134,05× 0,165
Nhiệt tải phía sản phẩm đỉnh: q D =α D (t tbD −t w 1 )= 1727,988
Với : nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đỉnh (ngoài ống nhỏ).
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
- : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (trong ống nhỏ)
- Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: W.m -2 K -1 (XII.7, trang 313, [7])
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 58
- Nhiệt trở lớp bẩn ở tường trong của ống: m 2 độ.W -1
- Nhiệt trở lớp bẩn ở tường ngoài ống: m 2 độ.W -1
Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ:
Vận tốc nước đi trong ống: v N = G N ρ N ⋅ 4 π d tr 2 = 0,0702
(chế độ chảy quá độ)
Công thức xác định chuẩn số Nusselt:
NuN = K0𝜺1PrN 0,43 ( Prw PrN 2 ) 0,25 (V.44, trang 16, [7]) (5-32) Trong đó:
- : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào và tỉ lệ chiều dài ống với đường kính ống
- Hệ số K0 phụ thuộc vào ReN, tra bảng 10.5/218 [8] được hệ số K0= 32,564
- :chuẩn số Prandlt của nước ở 36 o C nên Pr N ¿ 4,782 (bảng I.249 trang
- : chuẩn số Pandlt của nước tính theo nhiệt độ trung bình của vách
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống trong:
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh α N = N u N λ N d tr = 94,378 × 0,6276
Pr w 0,25 2 0,0128 16,591 Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N =α N ( t W 2 −t tbN )= 1216,591
Các thông số của acetone ngưng tụ ứng với nhiệt độ t w 1 H,8 o C được tra ở tài liệu [6]:
- Nhiệt dung riêng: C A =2,253 (kJ.kg -1 độ) (I.154, trang 172, [6])
- Độ nhớt động học: μ A =0,255 × 10 −3 (N.s -1 m 2 ) (I.101, trang 91, [6])
- Hệ số dẫn nhiệt: λ A =0,165 (W.m -1 K) (I,130, trang 134, [6])
3,414 0,25 × (46,813−43,4)= 4338,873278 (W.m -2 )Giả sử tổn thất nhiệt không đáng kể nên qD = qt
Tra bảng I.249, trang 310, [6] ta có: Pr w 2 ¿ 4,134
Pr w 0,25 × (41,239−36)= 4470,13219(W.m -2 ) Kiểm tra sai số: ε = | q N −q D | q D =|4470,13219−4338,873278|
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 60
Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
F tb = 19008,392 407,056 ×10,711 × 3600 =1,211(m 2 ) Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt:
Vậy: thiết bị làm mát sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L= 32 m Chia thành 12 dãy, mỗi dãy dài 1,5 m.
Bảng 5-14: Tóm tắt thông số thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Thông số Kí hiệu Giá trị
Loại thiết bị Ống lồng ống Đường kính ống ngoài dng 25 mm
Bề dày ống ngoài 2,5 mm Đường kính ống trong dtr 16 mm
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Thông số Kí hiệu Giá trị
Bề dày ống trong 1,6 mm
Hệ số truyền nhiệt K 407,056 (W.m -2 độ)
Bề mặt truyền nhiệt trung bình Ftb 1,211 m 2
5.3.3 Thiết bị đun chất lỏng đáy tháp
Chọn nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là nồi đun Kettle, ống truyền nhiệt được làm bằng inox SUS 304, kích thước ống 25 x 2.
Dòng hơi cấp nhiệt trong ống 25 x 2 là hơi nước bảo hòa ở áp suất 1,6 at, tương ứng với nhiệt độ sôi của nước là 127,7 °C Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước này là 2225,549 kJ/kg.
Sản phẩm đáy trước khi vào nồi đun có nhiệt độ t 1 ' =t w ,254 o C, nhiệt độ ra oC.
5.3.3.1 Suất lượng hơi nước cần dùng
Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho đáy tháp:
Suất lượng hơi nước cần dùng:
5.3.3.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều ta có:
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 62 Δt log = Δt 1 − Δt 2 ln Δt 1 Δt 2
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
- : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống W.m -2 độ
- : hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ W.m -2 độ
- : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu
Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước:
Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được tính theo công thức:
- : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước (trong ống)
- : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý của nước theo nhiệt độ
Nhiệt tải ngoài thành ống: q N =α N × ( 112,7−t w 1 ) s,572 × A × ¿ (5-35) Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
- : nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ống)
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
- Bề dày thành ống: mm
- Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: (W/m 2 độ) (XII.7, trang 313, [7])
- Nhiệt trở của lớp bẩn ở tường với hơi nước sạch: (m 2 độ.W -1 )
- Nhiệt trở của lớp cáu phía sản phẩm đáy: (m 2 độ.W -1 )
Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy:
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy được xác định theo công thức (chế độ sôi sủi bọt và xem sản phẩm đáy như là nước).
Với P: áp suất để đạt nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy, khi đó at
Khi đó ở nhiệt độ trung bình: t tb = 112,7 + 111,825
Từ (5-35) ta có: q N s,572× 184,523.¿ (W.m -2 ) Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: q t = q N 279.752(W.m -2 )
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 64 ¿ 105,406 o C
Từ (5-40) ta có: q đá y = 45,853.¿ (W.m -2 ) Kiểm tra sai số: ε = | q N −q đá y | q đá y =|12279,752−12645,817|
12279,752 × 100=2,981 % (thỏa điều kiện) Vậy t w 1 1,825 o C và t w 2 5,406 o C
Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
F tb = 336113651,2 978,984 ×15,395 × 3600 =6,195(m 2 ) Chọn số ống truyền nhiệt là 61 ống.
Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt:
Chiều dài mỗi ống được chọn là 1,5 m, với nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống có 61 ống Các ống được bố trí theo hình lục giác đều, dẫn đến số ống trên đường chéo hình lục giác là 9 ống Bước ngang giữa hai ống được chọn là t = 1,4 x dng = 0,035 m.
Bảng 5-15: Tóm tắt các thông số nồi đun chất lỏng ở đáy tháp
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Thông số Kí hiệu Giá trị
Loại thiết bị Nồi đun Kettle Đường kính ngoài của ống 25 mm
Hệ số truyền nhiệt K 978,984 (W/m 2 độ)
Bề mặt truyền nhiệt trung bình Ftb 6,159 m 2 Đường kính vỏ thiết bị Dv 0,38 m
5.3.4 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy
Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy được chọn là thiết bị truyền nhiệt dạng ống lồng ống, với ống truyền nhiệt làm bằng inox SUS 304 Kích thước ống trong là 25 x 2 mm và kích thước ống ngoài là 38 x 2 mm.
Dòng nhập liệu có kích thước ống 25 x 2 và nhiệt độ đầu vào là 0 °C Sản phẩm đáy đi qua ống 38 x 2 với nhiệt độ đầu ra tW = 94,254 °C và nhiệt độ cuối t’W = 50 °C Sau khi trao đổi nhiệt, nhiệt độ dòng nhập liệu đạt được là t bW = t W + t ' W.
2 r,127 o C Nhiệt dung riêng: CW = 4,194 (kJ/kg.độ) (I.147, trang 156, [6])
Suất lượng sản phẩm đáy:
G w = 463,6737747 (kg/h) = 0,129 (kg.s -1 ) Lượng nhiệt cần tải:
Q w =G w C w ( t w −t w ' ) F3,6737747 × 4,194 × (94,254 −50) ¿ 86058,444(kJ/h) Ở 30 o C ta xem như nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu là hằng số [6]:
C A =2,210 (kJ.kg -1 độ) (bảng I.154, trang 172, [6])
CN = 4,181 (kJ.kg -1 độ)(I.147, trang 156, [6])
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 66
Nhiệt độ dòng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy: t F } = {{Q} rsub {w}} over {{C} rsub {F} {G} rsub {F}} + {t} rsub {F} rsup {'} = {86058,444} over {3,274 ×852,5923996} +30`,827 ¿
Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được xác định theo tài liệu tham khảo [6] với nhiệt độ trung bình t tbF = (t F + t rsub {F} rsup {'}) / 2 = (30 + 60,827) / 2 E,413 Khối lượng riêng của dòng nhập liệu là ρ F = 870,321 kg/m³ (bảng I.2, trang 9, [6]), và độ nhớt động học được ghi nhận là μ F = 0,498 × 10⁻³ N.s/m² (bảng I.101, trang 91, [6]).
Nhiệt dung riêng: C F =3,295 (kJ.kg -1 độ) (bảng I.154, trang 172, [6]), (I.147, trang
Hệ số dẫn nhiệt: λ F =0,4223 (W.m -1 độ) (bảng I.130, trang 134, [6]), (I.129, trang
5.3.4.1 Xác định bề mặt tuyền nhiệt
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên: Δt log = Δt 1 − Δt 2 ln Δt 1 Δt 2
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
- : hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống W.m -2 độ
- : hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy đi trong ống ngoài W/m 2 độ
- : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
5.3.4.2 Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy ở ống ngoài
Vận tốc của sản phẩm đáy đi ở ống ngoài: v W = G w ρ w ⋅ 4 π (D tr 2 −d ng 2 ) = 0,129
976,524 ⋅ 4 π (0,034 2 −0,025 2 ) = 0,316 (m.s -1 ) Đường kính tương đương: dtđ = Dtr – dng = 0.034 - 0.025 =0.009 (m) Chuẩn số Reynolds:
Nuw = K0𝜺1Prw 0,43 ( Prw Prw 1 ) 0,25 (V.44, trang 16, [7]) (5-41)
- Hệ số K0 phụ thuộc vào ReN, tra bảng 10.5/218 [8] được hệ số K0= 24,407
- : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Rew và tỷ lệ chiều dài với đường kính ống
ℜ w ¿ 7135,666467 và nên chọn (tra bảng V.2, trang 15, [7])
- : Chuẩn số Prandlt của dòng sản phẩm đáy ở 72,127 o C nên
- : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh tính theo nhiệt độ trung bình của vách
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy trong ống ngoài:
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 68 α w = N u w λ w d td = 45,3 × 0,6694
Nhiệt tải phía sản phẩm đáy: q w =α w (t tbw −t w 1 )= 1443,943
Với : nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ống nhỏ).
Nhiệt tải qua thành ống nhỏ và lớp cặn bẩn:
- : nhiệt độ của vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ)
- Bề dày thành ống: mm
- Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: (W.m -2 độ) (XII.7, trang 313, [7])
- Nhiệt trở của lớp bẩn ở tường với hơi nước sạch: (m 2 độ.W -1 )
- Nhiệt trở của lớp cáu phía sản phẩm đáy: (m 2 độ.W -1 )
5.3.4.3 Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống
Vận tốc nước đi trong ống: v F = G F ρ F × 4 π d tr 2 = 0,237
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh ¿ 28863,868>10 −4 (chế độchảy rối) Công thức xác định chuẩn số Nusselt:
- : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReF và tỷ lệ chiều dài với đường kính ống:
- : chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở 45,413 o C
- : chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu tính theo nhiệt độ trung bình của vách
Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu: α F = N u F λ F d tr = 195,461 × 0,4223
Nhiệt tải phía nhập liệu: q F =α F (t w2 −t tbF )= 3930,628
Sản phẩm đáy lúc này được xem như nước nên:
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 70
Các thông số của dòng nhập liệu ứng với nhiệt độ t tbw T,358 o C được tra ở tài liệu tham khảo [6]:
Nhiệt dung riêng: C R =3,316 (kJ.kg -1 độ) (I.154, trang 172, [6]), (I.147, trang 156, [6])
Khối lượng riêng: = 862,128 (kg.m -3 ) (I.2, trang 9, [6]), (I.5, trang 11, [6]) Độ nhớt động học: = 0,4319 x 10 -3 (N.s.m -2 ) (I.101, trang 91, [6]), (I.102, trang 94, [6])
Hệ số dẫn nhiệt: = 0,427 (W.m -1 độ) (I,130, trang 134, [6]), (I.129, trang 133, [6])
Từ (5-50) ta có: q F = 3930,628 3,349 0,25 × (50,416−45,413)535,365(W.m -2 ) Kiểm tra sai số: ε = | q w −q F | q F =|15083,1975−14535,365|
15083,1975 ⋅ 100=3,6%< 5 %(thỏa điều kiện) Vậy t w 1 X,3 o C và t w 2 P,416 o C
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
Chiều dài ống truyền nhiệt:
Thiết bị trao đổi nhiệt giữa sản phẩm đáy và dòng nhập liệu được sử dụng là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L! m, được chia thành 14 dãy, mỗi dãy dài 1,5 m.
Bảng 5-16: Tóm tắt thông số thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu
Thông số Kí hiệu Giá trị
Loại thiết bị Ống lồng ống Đường kính ngoài của ống dng 38 mm
Bề dày ống ngoài 2 mm Đường kính ống trong dtr 25 mm
Bề dày ống trong 2 mm
Hệ số truyền nhiệt K 559,101(W.m -2 độ)
Bề mặt truyền nhiệt trung bình Ftb 1,636 m 2
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 72
5.3.5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Thiết bị gia nhiệt nhập liệu được chọn là thiết bị truyền nhiệt dạng ống lồng ống, với ống truyền nhiệt làm từ inox SUS 304 Kích thước ống trong là 25 x 2 mm và kích thước ống ngoài là 38 x 2 mm.
Dòng nhập liệu đi trong ống 25 x 2 với nhiệt độ đầu t”F = 60,827 o C, nhiệt độ cuối t F ' d,329 o C.
Chọn hơi đốt là hơi nước bảo hòa ở 1,6 at, đi trong ống 38 x 2 có t sN 2,7 o C, ẩn nhiệt ngưng tụ: r N = 2226,980 (kJ.kg -1 ) Ứng với nhiệt độ trung bình t tbF b,578 o C ta có
- Nhiệt dung riêng: C F =3,322 (kJ.kg -1 độ) (I.147, trang 156, [6]), (I.147, trang
- Khối lượng riêng: ρ F 4,281 (kg.m -3 ) (bảng I.2, trang 9, [6]), (I.5, trang 11, [6])
- Độ nhớt động học: μ F = 0,3803.10 −3 (N.s.m -2 ) (bảng I.101, trang 91, [6]), (I.102, trang 94, [6])
- Hệ số dẫn nhiệt: λ F =0,432 (W/m.độ) (bảng I.130, trang 134, [6]), (I.129, trang
5.3.5.1 Suất lượng hơi nước cần dùng:
Suất lượng dòng nhập liệu:
G F = 852,5923996 (kg.h -1 ) = 0.237 (kg.s -1 ) Lượng nhiệt cần tải:
Suất lượng hơi nước cần dùng:
5.3.5.2 Xác định bề mặt tuyền nhiệt
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên:
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Δt log = Δt 1 − Δt 2 ln Δt 1 Δt 2
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
- : hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống (W.m -2 độ)
- : hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy đi trong ống ngoài (W.m -2 độ)
- : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu
5.3.5.3 Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu ở ống trong
Vận tốc của dòng nhập liệu đi trong ống: v F = G F ρ F ⋅ 4 π d 2 tr = 0,237
0,3803.10 −3 7738,419 >10 4 => (chế độ chảy rối) Chuẩn số Nusselt:
- : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào và tỷ lệ chiều dài với đường kính ống
- : Chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở 45,413 o C nên:
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 74
- : chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu tính theo nhiệt độ trung bình của vách
Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu: α F = N u F λ F d tr = 199,761 × 0,432
Nhiệt tải phía dòng nhập liệu: q F =α F × (t w 1 −t tbF )= 4109,369
Với tw2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với dòng nhập liệu.
Nhiệt tải qua thành ống nhỏ và lớp cặn bẩn:
- tw1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước
- Bề dày thành ống: mm
- Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: (W.m -2 độ) (XII.7, trang 313, [7])
- Nhiệt trở của lớp bẩn ở tường với hơi nước sạch: (m 2 độ.W -1 )
- Nhiệt trở của lớp cáu phía nhập liệu: (m 2 độ.W -1 )
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
5.3.5.4 Hệ số cấp nhiệt của hơi nước: Đường kính tương đương:
Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được tính theo công thức: α N =0,725 A ( ( t sN −t r N w 1 )d t đ ) 0,25 = 0,725 A ( (112,7−t 2225594 1 ).0,009 ) 0,25 α N = 90,93 × A ¿¿
Nhiệt tải phía hơi nước: q N =α N ( t sN −t W 1 )= 90,93× A × ¿ (5-57)
Chọn t w 2 y o C, các tính chất lý học của nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo
[6] ứng với nhiệt độ tw2:
- Nhiệt dung riêng (bảng I.154, trang 172, [6] ]), (I.147, trang 156, [6]):
- Khối lượng riêng (bảng I.2, trang 9, [6]), (I.5, trang 11, [6]): ρ A 7,700 (kg.m -3 )
- Độ nhớt động học (bảng I.101, trang 91, [6]), (I.102, trang 94, [6]): μ A =0,286 × 10 −3 (N.s.m -2 )
- Hệ số dẫn nhiệt (bảng I.130, trang 134, [6]), (I.129, trang 133, [6])
Tra bảng V.101, trang 29, [7] ta được A3,645
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 76
Từ (5-57) ta có: q N ,93 × 183,645 × (112,7−107,944) 0,75 T371,054(W.m -2 ) Kiểm tra sai số: ε = | q N −q F | q N =|54371,054−55373,224|
54371,054 × 100=1,84 %< 5%=> (thỏa điều kiện) Vậy t w 2 y o C và t w 1 7,944 o C
Khi đó: α F 371,893 (W.m -2 độ) α N 307,741 (W.m -2 độ) Nên:
Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
F tb = 9921178,44 1095,645 ×50,10 ×3600 =0,05(m 2 ) Chiều dài ống truyền nhiệt:
Vậy thiết bị gia nhiệt là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L=3 m Chia thành 3 dãy mỗi dãy dài 1 m.
Bảng 5-17: Tóm tắt thông số thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Thông số Kí hiệu Giá trị
Loại thiết bị Ống lồng ống Đường kính ngoài của ống dng 38 mm
Bề dày ống ngoài 2 mm Đường kính ống trong dtr 25 mm
Bề dày ống trong 2 mm
Hệ số truyền nhiệt K 1095,645 (W.m -2 độ)
Bề mặt truyền nhiệt trung bình Ftb 0,05 m 2
Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu: dF = 70 mm. Độ nhám của ống: mm (hình II.14, trang 380, [6])
Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo [6] ứng với nhiệt độ trung bình: t tbF = t F + t F '
- Khối lượng riêng: ρ F = 850,730 (kg.m -3 ) (bảng I.2, trang 9, [6]), (I.5, trang 11, [6])
- Độ nhớt động học: μ F = 0,482.10 −3 (N.s.m -2 )(bảng I.101, trang 91, [6]), (I.102, trang 94, [6])
Vận tốc trung bình của dòng nhập liệu trong ống dẫn: v F = G F ρ F ⋅ 4 π d tr 2 = 0,237
5.3.6.1 Tổn thất dọc đường ống
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 78
- : hệ số ma sát trong đường ống.
- : chiều dài đường ống dẫn, chọn m.
- : tổng hệ số tổn thất cục bộ.
- : vận tốc dòng nhập liệu trong ống m.s -1
Chuẩn số Renolds của dòng nhập liệu trong ống:
0,482 × 10 −3 95,746 Chuẩn số Reynolds tới hạn:
ℜ gh =6 × ( d ε F ) 8 7 =6 × ( 0.1 70 ) 8 7 707,593 (II.60, trang 378, [6]) Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
ℜ nh "0 × ( d ε F ) 9 8 "0 × ( 0.1 70 ) 8 9 49267,339 (II.61, trang 378, [6]) Suy ra:Renh>ReF>Regh: chế độ chảy rối (khu vực quá độ) khi đó:
Hệ số tổn thất của dòng nhập liệu qua đường ống dẫn (không tính các đoạn ống trong thiết bị trao đổi nhiệt và thiết bị gia nhiệt):
- 3 van cầu: (van với độ mở hoàn toàn)
- 1 lưu lượng kế: không đáng kể
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Suy ra: Vậy tổn thất dọc đường ống dẫn: h 1 = ( 0,0339 ⋅ 0,07 15 +31,83 ) ⋅ 0,072 2.9,81 2 =0,0103(m)
5.3.6.2 Tổn thất đường ống trong thiết bị trao đổi nhiệt của dòng nhập liệu và sản phẩm đáy
- : hệ số ma sát trong đường ống trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.
- : chiều dài đường ống dẫn, l 2 ' m.
- : tổng hệ số tổn thất cục bộ.
- : vận tốc dòng nhập liệu trong ống trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.
Chuẩn số Renolds của dòng nhập liệu trong ống:
ℜ F ¿ 29213,642 >10 4 Chuẩn số Reynolds tới hạn[6]
Regh2 =6.( d ε 2 ¿¿ 8 /7 = 6 ( 0,1 21 ¿¿ 8 /7 = 2704,682 (II.60, trang 378, [6]) Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám
(II.61, trang 378, [6]) Suy ra: : chế độ chảy rối (khu vực quá độ) khi đó:
Hệ số tổn thất của dòng nhập liệu qua thiết bị trao đổi nhiệt:
- 13 chỗ uống cong quay ngược: ξ u2 ×2,2
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 80
Suy ra:∑ ξ 2 ),74 Vậy tổn thất đường ống dẫn: h 2=( 0,031 ⋅ 0,021 27 +29,74 ) ⋅ 2× 1 , 174 9,81 2 =2,227 (m)
5.3.6.3 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu
- : hệ số ma sát trong đường ống trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.
- : chiều dài đường ống dẫn, l 3 =3 m.
- : tổng hệ số tổn thất cục bộ.
- : vận tốc dòng nhập liệu trong ống trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.
Chuẩn số Renolds của dòng nhập liệu trong ống:
ℜ F ¿ 29678,599> 10 4 Chuẩn số Reynolds tới hạn [6]
(II.60, trang 378, [6]) Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám
(II.61, trang 378, [6]) Suy ra: : chế độ chảy rối (khu vực quá độ) khi đó:
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Hệ số tổn thất của dòng nhập liệu qua thiết bị trao đổi nhiệt:
- 3 chỗ uống cong quay ngược:
Suy ra: Vậy tổn thất đường ống dẫn: h 3 = ( 0,031 × 0,021 3 + 7,74 ) ⋅ 2 1,196 ×9,81 2 =0,401(m )
- Mặt cắt (1 - 1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị
- Mặt cắt (2 – 2) là mặt cắt tại vị trí nhập liệu của tháp Áp dụng phương trình Bernolli cho hai mặt cắt:
- : độ cao mặt thoáng (1 – 1) so với mặt đất hay bằng chiều cao bồn cao vị
- : độ cao mặt thoáng (2 – 2) so với mặt đất hay bằng chiều cao vị trí nhập liệu z2 = hchânđỡ + hđáy + (Nchưng + 1) x (hmâm + mâm)
- : áp suất mặt thoáng (1 – 1), chọn at
- : áp suất tại mặt thoáng (2 – 2)
- : vận tốc tại mặt thoát (1 – 1), xem (m.s -1 )
- : vận tốc tại vị trí nhập liệu, v 2 =v F = 0,1 (m.s -1 )
- : tổn thất đường ống từ (1 – 1) đến (2 – 2)
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 82
Vậy chiều cao bồn cao vị là:
Dung dịch nhập liệu liên tục chảy từ bồn cao vị vào vị trí nhập liệu của tháp chưng cất khi độ cao bồn đạt từ 6,04 m trở lên Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, khoảng cách từ mặt đất đến bồn cao vị được chọn là 6,1 m.
Chọn bơm có năng suất (m 3 h -1 ) với đường kính ống hút, ống đẩy bằng 50 mm.
Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo [6] ứng với hiệt độ trung bình: o C
Khối lượng riêng: ρ F = 883,484 (kg.m -3 ) (bảng I.2, trang 9, [6]), (I.5, trang 11, [6]) Độ nhớt động lực: μ F =0,69.10 −3 (N.s.m -2 ) (bảng I.101, trang 91, [6]), (I.102, trang 94, [6])
Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống đẩy và ống hút: v h =v d = 4 Q b
3600 π d h 2 =0,283 (m s −1 ) Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy:
- : chiều dài ống đẩy, chọn m
- : chiều dài ống hút, chọn m
- : tổng tổn thất cục bộ trong ống hút
- : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy
- : hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy
Chuẩn số Reynolds của dòng nhập liệu:
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
0,69 ×10 −3 114,314 Chuẩn số Reynolds tới hạn:
(II.60, trang 378, [6]) Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
Suy ra: : chế độ chảy rối (khu vực quá độ): λ=0.1 × ( 1,46 × ε d h + 100 ℜ F ) 0.25 =0.0303
Hệ số tổn thất cục bộ trong ống hút:
Hệ số tổn thất cục bộ trong ống đẩy:
Vậy tổn thất trong ống hút và ống đẩy: h hd = ( 0,0303 ⋅ 2+12 0,05 +10,5+ 11,22 ) =0,123(m)
- Mặt cắt (1 – 1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu.
- Mặt cắt (2 – 2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị. Áp dụng phương trình Bernolli cho hai mặt cắt:
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 84
- : độ cao mặt thoáng (1 – 1) so với mặt đất
- : độ cao mặt thoáng (2 – 2) so với mặt đất
- : áp suất tại mặt thoáng (1 – 1), chọn at
- : áp suất tại mặt thoáng (2 – 2), chọn at
- , : vận tốc tại mặt thoáng (1 – 1) và (2 – 2), xem m.s -1
- : tổng tổn thất trong ống từ (1 – 1) và (2 – 2)
Chọn hiệu suất của bơm:
Công suất thực tế của bơm:
Kết luận: để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn máy bơm ly tâm Ebara 3M 32-160/1.5 với công suất 1,5 kW, lưu lượng 100 (L/phút), đường kính hút – xả từ 42-
60 mm và acetone nguyên chất là chất không độc hại.
Lớp cách nhiệt
Trong quá trình hoạt động, tháp tiếp xúc với không khí, dẫn đến tổn thất nhiệt lớn ra môi trường Để duy trì hoạt động ổn định và đúng thông số thiết kế, cần tăng lượng hơi đốt gia nhiệt cho nồi đun, tránh tình trạng tháp bị nguội, đặc biệt là sản phẩm đỉnh, ảnh hưởng đến hiệu suất Tuy nhiên, điều này sẽ làm tăng chi phí hơi đốt Để giữ cho tháp không bị nguội mà không gia tăng chi phí, việc thiết kế lớp cách nhiệt bao quanh thân tháp là cần thiết.
Chọn vật liệu cách nhiệt cho thân tháp là amiang có bề dày Tra tài liệu tham khảo [7], hệ số dẫn nhiệt của amiang là W.m -1 độ -1
Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh:
Q xq2 805,683 (kJ/h) = 4668,245 (W)Nhiệt tải mất mát riêng:
Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
- : nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt ngoài của tháp
- : nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với không khí
- : hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt của lớp cách nhiệt
Nhận thấy , nên chọn với tkk = 35 o C, Δt v 0−35e o C
- : diện tích bề mặt trung bình của tháp (kể cả lớp cách nhiệt)
Do lớp amiang trên thị trường có bề dày từ 2-3 mm nên ta chọn bề dày lớp bảo ôn a là 21 mm, quấn thành 7 lớp, mỗi lớp dày 3 mm.
Suy ra diện tích bề mặt trung bình của tháp (kể cả lớp cách nhiệt) là
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 86
Tính sơ bộ giá thành vật liệu của hệ thống chưng cất:
Bảng 6-18 Chi phí sơ bộ của hệ thống chưng cấtk
Vật liệu Số lượng Đơn giá (VNĐ/đv) Thành tiền (VNĐ)
Chiều dài ống ghép bích
8 200 Ống 25 mm 360 m 15 000 5 400 000 Ống 35 mm 24 m 20 000 480 000 Ống 50 mm 100 m 25 000 2 500 000 Ống 100 mm 50 m 40 000 2 000 000
Số tiền mua vật tư chế tạo thiết bị là 366 261 200 (VNĐ).
Phí gia công là 231 342 600 (VNĐ).
Vậy tổng chi phí phải chi là 597 603 800 (VNĐ).
Sau quá trình nghiên cứu và trao đổi với thầy hướng dẫn cùng các bạn, em đã học tập và hiểu được một số vấn đề:
Hệ thống chưng cất acetone và nước được thiết kế với tháp mâm xuyên lỗ, đảm bảo tính hoàn chỉnh khi xác định lưu lượng, nồng độ đầu vào và nồng độ sản phẩm ở đáy, cùng với độ thu hồi sản phẩm ở đỉnh.
Tính toán chi tiết quá trình hoạt động của thiết bị là rất quan trọng để đánh giá khả năng chịu bền của nó Cần xem xét các yếu tố như tính ăn mòn cơ học, hóa học và vật lý, đồng thời phân tích điều kiện làm việc của thiết bị để đảm bảo hiệu suất tối ưu và độ bền lâu dài.
Để tính toán sơ bộ tổng chi phí đầu tư cho hệ thống chưng cất acetone, cần xem xét các đặc tính kỹ thuật của thiết bị chưng cất đã được thiết kế dựa trên các thông số ban đầu đã cho.
- Tỉ số hoàn lưu thích hợp: R =0,20901
- Số mâm chưng cất thực tế: 23 mâm ( 13 mâm cất, 9 mâm chưng và 1 mâm nhập liệu)
- Đường kính tháp chưng cất: 400 (mm).
- Đường kính lỗ trên mâm: 3 (mm).
- Số lỗ trên một mâm: 1387 lỗ.
- Trở lực của toàn tháp: 8753,621 (N/m 2 ).
- Khoảng cách giữa hai mâm: 250 (mm).
- Chiều cao gờ chảy tràn: 50 mm
- Thân – đáy – nắp làm bằng inox SUS 304, có bề dày: 5 (mm).
- Bích ghép thân – đáy – nắp làm bằng thép SUS 304, loại bích liền không cổ.
SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền Trang 88