THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT LIÊN TỤC MÂM XUYÊN LỖ HỖN HỢP ACETONE – NƯỚC NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 KG.H-1, NỒNG ĐỘ NHẬP LIỆU 46%, NỒNG ĐỘ SẢN PHẨM ĐỈNH 96%, NỒNG ĐỘ SẢN PHẨM ĐÁY 4%

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯỜNG BÁCH KHOA ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CNHH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT LIÊN TỤC MÂM XUYÊN LỖ HỖN HỢP ACETONE – NƯỚC NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 KG.H-1, NỒNG ĐỘ NHẬP LIỆU 46%, NỒNG ĐỘ SẢN PHẨM ĐỈNH 96%, NỒNG ĐỘ SẢN PHẨM ĐÁY 4% CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Nguyễn Thị Kim Thuyền B1909732 Ngành CN Kỹ Thuật Hóa Học –K45 Tháng 12 năm 2022 i LỜI CẢM ƠN Để hồn thành tốt học phần Đồ án Q trình Thiết bị hồn thiện ngày hôm điều khó khăn địi hỏi thân phải cố gắng nhiều Nhưng cố gắng hoàn thiện thiếu dẫn dắt giúp đỡ từ cán hướng dẫn Vậy nên, lời em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ bảo tận tình thầy Lương Huỳnh Vủ Thanh thơng qua buổi báo cáo nhóm Ngoài việc hướng dẫn đồ án giải đáp thắc mắc cho sinh viên thầy cịn cung cấp lý thuyết thực tiễn thiết bị mà sinh viên thiết kế Bên cạnh đó, em xin chân thành cảm ơn Khoa Kỹ thuật Hóa học, trường Bách Khoa, trường Đại học Cần Thơ tạo điều kiện tốt để em học tập thực đồ án cách tốt Song với từ tận đáy lòng, em xin gửi lời cảm ơn đến tất quý thầy cô giảng dạy ngành Công nghệ Kỹ thuật hóa học cung cấp cho em kiến thức để em hồn thành đồ án hồn chỉnh ngày hơm Tiếp đến, em xin gửi lời cảm ơn đến anh chị khóa trên, bạn ngành cơng nghệ kỹ thuật hóa học K45 chia tài liệu hữu ích liên quan đến học phần giúp đỡ em gặp khó khăn q trình thực đồ án Mặc dù cố gắng chắn khơng tránh khỏi thiếu sót nên em mong q thầy bỏ qua em mong nhận đóng góp ý kiến từ q thầy để đồ án em hồn thiện nữa! Sau cùng, em xin kính chúc q thầy thật nhiều sức khỏe để thực sứ mệnh “trồng người” đào tạo thật nhiều lớp kỹ sư tiềm tương lai Một lần em xin chân thành cảm ơn! ii LỜI NĨI ĐẦU Ngành cơng nghiệp hóa chất số ngành công nghiệp phát triển giới nói chung Việt Nam nói riêng Đây ngành cơng nghiệp có đa đạng sản phẩm nhằm phục vụ tất ngành khác liên quan đến kinh tế kỹ thuật Từ cho thấy ngành cơng nghiệp hóa chất có đủ mạnh đóng vai trị quan trọng kinh tế đất nước Hiện nay, nhu cầu sử dụng nguyên liệu sản phẩm có độ tinh khiết cao để đảm bảo phù hợp với tiêu chí quy trình sản xuất nhu cầu sử dụng Có nhiều phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết sử dụng phổ biến trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thụ,… tùy theo đặc tính u cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp cho phù hợp Đối với hệ acetone – nước hai cấu tử tan lẫn hoàn tồn vào có độ bay tương đối khác nên phương pháp thích hợp để nâng cao độ tinh khiết acetone phương pháp chưng cất Đồ án q trình thiết bị cơng nghệ hóa học mơn học mang tính tổng hợp lại kiến thức chun mơn q trình học tập kỹ sư hóa chất tương lai Mơn học giúp ta giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành số thiết bị sản xuất hóa chất – thực phẩm, bước để sinh viên làm quen việc 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 tháp chưng cất hệ acetone – nước hoạt động liên tục với xuất nhập liệu 1000 L.H -1 có nồng độ 46% khối lượng acetone, thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 96% khối lượng acetone iii MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH viii DANH SÁCH BẢNG .ix CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu nguyên liệu 1.1.1 Aceton 1.1.2 Nước 1.1.3 Hỗn hợp Acetone – Nước 1.2 Lý thuyết chưng cất 1.2.1 Khái niệm chưng cất 1.2.2 Tháp chưng cất CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 10 2.1 Công nghệ chưng cất acetone-nước .10 2.2 Thuyết minh quy trình cơng nghệ 10 CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT .13 3.1 Quy ước ký hiệu thông số 13 3.2 Các thông số ban đầu 13 3.3 Cân vật chất 14 3.3.1 Nồng độ phần mol acetone tháp 14 3.3.2 Suất lượng dòng .14 3.3.3 Các phương trình làm việc .15 3.3.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu 15 3.3.3.2 Tỉ số hồn lưu thích hợp 15 3.3.3.3 Phương trình làm việc phần chưng 16 3.3.3.4 Phương trình đường làm việc phần cất 17 3.4 Số mâm lý thuyết 17 3.5 Xác định số mâm thực tế 17 iv 3.5.1 Xác định hiệu suất trung bình tháp ηtb 18 3.5.1.1 Tại vị trí nhập liệu 18 3.5.1.2 Tại vị trí mâm đáy 18 3.5.1.3 Tại vị trí mâm đỉnh 19 3.5.1.4 Hiệu suất trung bình 19 3.5.2 Số mâm thực tế .19 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 20 4.1 Đường kính tháp, Dt 20 4.1.1 Đường kính đoạn cất 20 4.1.1.1 Xác định gd .20 4.1.1.2 Xác định r1 .21 4.1.1.3 Xác định rD .21 4.1.1.4 Tốc độ trung bình tháp đoạn cất .21 4.1.2 Đường kính đoạn chưng 23 4.1.2.1 Xác định r’1 23 4.1.2.2 Xác định r1 .24 4.1.2.3 Tốc độ trung bình tháp đoạn chưng 24 4.2 Chiều cao tháp .26 4.2.1 Cấu tạo mâm lỗ 26 4.2.2 Độ giảm áp pha khí qua mâm 26 4.2.2.1 Độ giảm áp qua mâm khô 26 4.2.2.2 Độ giảm áp chiều cao mực chất lỏng 28 4.2.2.3 Độ giảm áp sức căng bề mặt 29 4.2.3 Kiểm tra khả hoạt động tháp 30 4.2.3.1 Kiểm tra ngập lụt hoạt động .30 4.2.4 Tính tốn chiều cao tháp 31 4.3 Tính tốn khí tháp 31 4.3.1 Bề dày thân tháp .31 4.3.1.1 Áp suất tính tốn 32 v 4.3.1.2 Xác định bề dày thân chịu áp suất 32 4.3.2 Đáy nắp thiết bị 33 4.3.3 Bích ghép thân, đáy nắp .35 4.3.4 Đường kính ống dẫn thơng số bích ghép ống 36 4.3.4.1 Tại vị trí nhập liệu: 37 4.3.4.2 Ống đỉnh tháp: 38 4.3.4.3 Ống hoàn lưu 38 4.3.4.4 Ống dẫn vào đáy tháp: .39 4.3.4.5 Ống dẫn chất lỏng đáy tháp: 40 4.3.4.6 Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy) 41 4.4 Chân đỡ tay treo .42 4.4.1 Trọng lượng toàn tháp 42 4.4.2 Chân đỡ tháp 43 4.4.3 Tai treo 44 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ PHỤ 46 5.1 Cân nhiệt lượng thiết bị đun nóng hỗn hợp .46 5.2 Cân nhiệt lượng toàn tháp 47 5.3 Thiết bị phụ 50 5.3.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 50 5.3.1.1 Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh: 50 5.3.1.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 50 a Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống 51 b Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ 52 5.3.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 55 5.3.2.1 Suất lượng dùng để làm mát sản phẩm đỉnh 56 5.3.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 56 5.3.3 Thiết bị đun chất lỏng đáy tháp 61 5.3.3.1 Suất lượng nước cần dùng 62 vi 5.3.3.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 62 5.3.4 Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy 66 5.3.4.1 Xác định bề mặt tuyền nhiệt .67 5.3.4.2 Hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy ống .67 5.3.4.3 Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống 69 5.3.5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu .72 5.3.5.1 Suất lượng nước cần dùng: 73 5.3.5.2 Xác định bề mặt tuyền nhiệt .73 5.3.5.3 Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống 74 5.3.5.4 Hệ số cấp nhiệt nước: 75 5.3.6 Bồn cao vị 78 5.3.6.1 Tổn thất dọc đường ống 78 5.3.6.2 Tổn thất đường ống thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu sản phẩm đáy 79 5.3.6.3 Tổn thất đường ống dẫn thiết bị gia nhiệt nhập liệu .80 5.3.7 Bơm nhập liệu 82 5.4 Lớp cách nhiệt 85 CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN CHI PHÍ 86 KẾT LUẬN 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 vii DANH SÁCH HÌNH Hình 1-1 Đồ thị đường cân hệ Aceton-nước 760mmHg Hình 1-2 Hình dạng tháp mâm Hình 1-3 Hình dạng cảu mâm chóp mâm xuyên lỗ .9 Hình 2-1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ 11 Hình 3-1 Đồ thị quan hệ β Nlt(Rx+1) .17 Hình 3-2 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết 18 Hình 4-1 Đáy nắp elip có gờ tiêu chuẩn [7] 35 Hình 4-2 Bích liền khơng cổ ghép thân, đáy nắp 37 Hình 4-3 Bích liền không cổ ghép ống dẫn với thiết bị [7] 38 Hình 4-4 Chân đỡ tháp (trang 437, [7]) .44 Hình 4-5 Tai treo thiết bị thằng đứng (trang 438, [7]) 45 i DANH SÁCH BẢNG Bảng 1-1 Số liệu cân lỏng hệ acetone- nước 760mmHg [5] Bảng 1-2 Ưu nhược điểm loại mâm tháp .9 Bảng 3-1 Số liệu tính tốn tỷ số hồn lưu thích hợp 16 Bảng 4-1 Thơng số bích ghép thân, đáy, nắp 37 Bảng 4-2 Thơng số bích ghép ống nhập liệu .38 Bảng 4-3 Thông số bích ghép ống đỉnh tháp 39 Bảng 4-4 Thơng số bích ghép ống hoàn lưu 40 Bảng 4-5 Thơng số bích ghép ống dẫn vào tháp 41 Bảng 4-6 Thông số bích ghép ống dẫn chất lỏng đáy tháp .42 Bảng 4-7 Thơng số bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy 43 Bảng 4-8 Kích thước chân đỡ .45 Bảng 4-9 Kích thước tai treo tháp .45 Bảng 5-1: Tóm tắt thơng số thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 56 Bảng 5-2: Tóm tắt thơng số thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 62 Bảng 5-3: Tóm tắt thông số nồi đun chất lỏng đáy tháp .66 Bảng 5-4: Tóm tắt thơng số thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu 73 Bảng 5-5: Tóm tắt thơng số thiết bị gia nhiệt nhập liệu 78 Bảng 6-1 Chi phí sơ hệ thống chưng cất 88 ii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu nguyên liệu 1.1.1 Aceton Acetone cịn gọi Propan-2-one, có cơng thức phân tử CH 3COCH3 Nó chất lỏng không màu, suốt với mùi cay đặc biệt, acetone hịa tan nước dung mơi hưu như: ethanol, ether, chloroform, pyridine Acetone chất lỏng dễ cháy, dễ bay phản ứng với nhiều hợp chất đơn chất hóa học, Acetone chủ yếu sử dụng làm dung môi ngành công nghiệp chất nổ, nhựa, cao su, sợi, da, sơn phun… Ngoài ra, acetone cịn sử dụng làm dung mơi để làm phịng thí nghiệm, đồng thời chất dùng để tổng hợp chất hữu sử dụng thành phần hoạt chất sơn móng tay Các phương pháp sản xuất acetone chủ yếu bao gồm: phương pháp isopropanol, phương pháp cumene, phương pháp lên men, phương pháp hydrat hóa acetylene phương pháp oxy hóa trực tiếp propylene Sản xuất acetone quy mô công nghiệp giới bị chi phối phương pháp cumene Hai phần ba lượng acetone giới sản phẩm phụ trình sản xuất phenol sản phẩm q trình oxy hóa cumene Trong năm 2010, sản xuất axeton toàn giới đạt 6,7 triệu tấn, Với 1,56 triệu năm, Hoa Kỳ có sản lượng sản xuất cao nhất, tiếp sau Đài Loan Trung Quốc, Nhà sản xuất acetone lớn INEOS Phenol, năm săn xuất 17% lượng sản xuất giới [1]  Ứng dụng acetone  Trong số loại thuốc dược phẩm, sử dụng làm dung mơi để vận chuyển acetylene an tồn  Acetone nguyên liệu tổng hợp hữu quan trọng để sản xuất nhựa epoxy, polycarbonate, plexiglass, dược phẩm, thuốc trừ sâu  Là dung môi tốt cho lớp phủ, chất kết dính, xi lanh thép, acetylene  Được sử dụng chất pha loãng, chất làm sạch, tẩy rửa công nghiệp [2] SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ Pr F ¿ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh μF C F 0,3803.1 0−3 ×3322 = =2,924 λF 0,432 (V.35, trang 12, [7]) (5-52) - : chuẩn số Prandlt dịng nhập liệu tính theo nhiệt độ trung bình vách Suy ra: N uF = 199,761 0,25 Pr w Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu: α F= N u F λ F 199,761× 0,432 4109,369 = = d tr 0,021× Pr 0,25 Pr 0,25 w2 w2 (5-53) Nhiệt tải phía dịng nhập liệu: q F =α F ×(t w 1−t tbF )= 4109,369 ×(t w1−62,578) Pr 0,25 w2 (5-54) Với tw2: nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu Nhiệt tải qua thành ống nhỏ lớp cặn bẩn: (5-55) Trong đó: - tw1: nhiệt độ vách tiếp xúc với nước - Bề dày thành ống: mm - Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: (W.m-2.độ) (XII.7, trang 313, [7]) - Nhiệt trở lớp bẩn tường với nước sạch: - Nhiệt trở lớp cáu phía nhập liệu: (m2.độ.W-1) (m2.độ.W-1) (m2.độ.W-1 ) Vậy: SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 75 Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh W.m-2 (5-56) 5.3.5.4 Hệ số cấp nhiệt nước: Đường kính tương đương: (m) Hệ số cấp nhiệt nước tính theo cơng thức: ( rN α N =0,725 A ( t sN −t w )d t đ ) 0,25 αN= =0,725 A ( 2225594 (112,7−t ).0,009 ) 0,25 90,93 × A ¿¿ Nhiệt tải phía nước: q N =α N (t sN −t W )=90,93× A × ¿ (5-57) Chọn t w 2=79 oC, tính chất lý học nhập liệu tra tài liệu tham khảo [6] ứng với nhiệt độ tw2: - Nhiệt dung riêng (bảng I.154, trang 172, [6] ]), (I.147, trang 156, [6]): C A=3,353 (kJ.kg-1.độ) - Khối lượng riêng (bảng I.2, trang 9, [6]), (I.5, trang 11, [6]): ρ A =837,700 (kg.m-3) - Độ nhớt động học (bảng I.101, trang 91, [6]), (I.102, trang 94, [6]): −3 μ A =0,286 ×1 (N.s.m-2) - Hệ số dẫn nhiệt (bảng I.130, trang 134, [6]), (I.129, trang 133, [6]) - : λ A=0,435 (W.m-1.độ) Pr w ¿ μA C A =2,206 λA Khi đó: (V.35, trang 12, [7]) Từ (5-54) (5-56) ta có: q t=q F= 4109,369 ×(79−62,578)=55373,224 (W.m-2) 0,25 2,206 t w 1=t w 2+ qt 5,227 0−4 =79+55373,224 ×5,227.1 0−4=107,944 oC ⇒ t tbw= 107,944+ 112,7 =110,322℃ Tra bảng V.101, trang 29, [7] ta A=183,645 SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 76 Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Từ (5-57) ta có: q N =91,93 ×183,645 × ( 112,7−107,944 ) 0,75 =54371,054(W.m-2) Kiểm tra sai số: ε= |q N −q F| |54371,054−55373,224| qN = 54371,054 ×100=1,84 %< %=> (thỏa điều kiện) Vậy t w 2=79 oC t w 1=107,944 oC Khi đó: α F =3371,893 (W.m-2.độ) α N =11307,741 (W.m-2.độ) Nên: K= 1 −4 +5,277.1 + 3371,893 11307,741 =1095,645 (W.m-2.độ) Bề mặt truyền nhiệt trung bình: F tb = 9921178,44 =0,05(m2) 1095,645 ×50,10 ×3600 Chiều dài ống truyền nhiệt: L= 0,05 =0,692(m) 0,025+0,021 π⋅ Chọn L=3 m (dự trữ khoảng 35%) Kiểm tra: L = =143>50 thì( thỏa) d tr 0,021 Vậy thiết bị gia nhiệt thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L=3 m Chia thành dãy dãy dài m Bảng 5-17: Tóm tắt thơng số thiết bị gia nhiệt nhập liệu SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 77 Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Kí Thơng số hiệu Loại thiết bị Giá trị Ống lồng ống Đường kính ngồi ống dng Bề dày ống ngồi 38 mm mm Đường kính ống dtr Bề dày ống 25 mm mm Chiều dài ống L 1m Số dãy ống N dãy Hệ số truyền nhiệt K 1095,645 (W.m-2.độ) Bề mặt truyền nhiệt trung bình Ftb 0,05 m2 5.3.6 Bồn cao vị Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu: dF = 70 mm Độ nhám ống: mm (hình II.14, trang 380, [6]) Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [6] ứng với nhiệt độ trung bình: t F +t 'F 30+ 64,329 t tbF = = =47,1645 ℃ 2 - 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 dịng nhập liệu ống dẫn: vF= 5.3.6.1 GF 0,237 ⋅ = ⋅ =0,072(m.s-1) ρF π dtr 850,73 π 0,07 Tổn thất dọc đường ống SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 78 Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh (m) (5-60) Trong đó: - : hệ số ma sát đường ống - : chiều dài đường ống dẫn, chọn - m : đường kính ống dẫn (m) : tổng hệ số tổn thất cục - : vận tốc dòng nhập liệu ống m.s-1 Xác định : Chuẩn số Renolds dòng nhập liệu ống: ℜF ¿ v F d tr ρF 0,072 × 0,07× 850,73 = =8895,746 −3 μF 0,482× 10 Chuẩn số Reynolds tới hạn: ℜg h=6 × ( ) d F 87 70 87 =6 × =10707,593 ε 0.1 ( ) (II.60, trang 378, [6]) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: ℜn h=220 × ( ) ( ) dF 70 =220 × =349267,339 (II.61, trang 378, [6]) ε 0.1 Suy ra:Renh>ReF>Regh: chế độ chảy rối (khu vực độ) đó: ( → λ1=0,1 ⋅ 1,46 ⋅ ε 100 + d ℜF ) 0,25 ( =0,1 ⋅ 1,46 ⋅ 0,1 100 + 70 8895,746 ) 0,25 =0,0339 (II.64, trang 380, [6]) Xác định : Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua đường ống dẫn (khơng tính đoạn ống thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị gia nhiệt): - chỗ uốn cong: - van cầu: - lần đột thu: (trang 393, [6]) (van với độ mở hoàn toàn) (trang 387, [6]) - lần đột mở: (trang 387, [6]) - lưu lượng kế: không đáng kể SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 79 Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ Suy ra: Vậy tổn thất dọc đường ống dẫn: ( h1 = 0,0339 ⋅ 5.3.6.2 CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh ) 15 0,072 +31,83 ⋅ =0,0103(m) 0,07 2.9,81 Tổn thất đường ống thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu sản phẩm đáy (5-61) Với: - : hệ số ma sát đường ống trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy - : chiều dài đường ống dẫn, l 2=27 m - : đường kính ống dẫn, d 2=0,021m - : tổng hệ số tổn thất cục : vận tốc dòng nhập liệu ống trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy - v F =0,786 (m.s-1) Xác định : Chuẩn số Renolds dòng nhập liệu ống: ℜF ¿ 29213,642>1 04 Chuẩn số Reynolds tới hạn[6] d2 21 /7 /7 Regh2 =6.( ε ¿ ¿ = ( 0,1 ¿ ¿ = 2704,682 (II.60, trang 378, [6]) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám (II.61, trang 378, [6]) Suy ra: : chế độ chảy rối (khu vực độ) đó: ( → λ2=0,1⋅ 1,46 ⋅ ε 100 + d2 ℜ F ) 0,25 ( =0,1 ⋅ 1,46 ⋅ 0,1 100 + 21 29213,642 ) 0,25 =0,032 (II.64, trang 380, [6]) Xác định : Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua thiết bị trao đổi nhiệt: - 13 chỗ uống cong quay ngược: ξ u 2=13 ×2,2 SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 80 Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh - lần đột thu: - lần đột mỡ: Suy ra:∑ ξ2 =29,74 Vậy tổn thất đường ống dẫn: ( h2 = 0,031 ⋅ 5.3.6.3 ) 27 , 1742 +29,74 ⋅ =2,227(m) 0,021 2× 9,81 Tổn thất đường ống dẫn thiết bị gia nhiệt nhập liệu (5-62) Với: - : hệ số ma sát đường ống trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy - : chiều dài đường ống dẫn, l3=3 m - : đường kính ống dẫn, - m : tổng hệ số tổn thất cục : vận tốc dòng nhập liệu ống trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy - v F =0,8 (m.s-1) Xác định : Chuẩn số Renolds dòng nhập liệu ống: ℜF ¿ 29678,599>1 04 Chuẩn số Reynolds tới hạn [6] (II.60, trang 378, [6]) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám (II.61, trang 378, [6]) Suy ra: : chế độ chảy rối (khu vực độ) đó: ( → λ3=0,1⋅ 1,46 ⋅ ε 100 + d3 ℜ F ) 0,25 ( =0,1 ⋅ 1,46⋅ 0,1 100 + 21 29678,599 ) 0,25 =0,032 (II.64, trang 380, [6]) Xác định : SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 81 Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua thiết bị trao đổi nhiệt: - chỗ uống cong quay ngược: - lần đột thu: - lần đột mỡ: Suy ra: Vậy tổn thất đường ống dẫn: ( h3 = 0,031× ) 1,196 + 7,74 ⋅ =0,401(m) 0,021 ×9,81 Chọn: - Mặt cắt (1 - 1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị - Mặt cắt (2 – 2) mặt cắt vị trí nhập liệu tháp Áp dụng phương trình Bernolli cho hai mặt cắt: (5-63) Hay: Với: - : độ cao mặt thoáng (1 – 1) so với mặt đất hay chiều cao bồn cao vị - : độ cao mặt thoáng (2 – 2) so với mặt đất hay chiều cao vị trí nhập liệu z2 = hchânđỡ + hđáy + (Nchưng + 1) x (hmâm + mâm) ⇒ z 2=0,16+ 0,125+( 9+1)×(0,25+0,002)=2,79 (m) - : áp suất mặt thoáng (1 – 1), chọn at - : áp suất mặt thoáng (2 – 2) - : vận tốc mặt thoát (1 – 1), xem - : vận tốc vị trí nhập liệu, v 2=v F=0,1 (m.s-1) - : tổn thất đường ống từ (1 – 1) đến (2 – 2) (m.s-1) ∑ hf −2 =h1 +h2 +h3 =0,0103+2,227+0,401=2,638 (m) Xem: ΔP=P2−P 1=N c ấ t h t=13 × 392,448825=5101,835 (N.m-2) SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 82 Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Vậy chiều cao bồn cao vị là: ⇒ H cv =6,04 (m) Dung dịch nhập liệu chảy liên tục từ bồn cao vị vào vị trí nhập liệu tháp chưng cất độ cao bồn cao vị từ 6,04 m trở lên Ta chọn khoảng cách từ mặt đất đến bồn cao vị 6,1 m 5.3.7 Bơm nhập liệu Lưu lượng nhập liệu: G F=1 (m3.h-1) Chọn bơm có suất (m3.h-1) với đường kính ống hút, ống đẩy 50 mm Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [6] ứng với hiệt độ trung bình: C o 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 ống đẩy ống hút: v h=v d = Qb −1 3600 π d h =0,283(m s ) Tổng trở lực ống hút ống đẩy: (5-64) Trong đó: - : chiều dài ống đẩy, chọn - : chiều dài ống hút, chọn - m m : tổng tổn thất cục ống hút : tổng tổn thất cục ống đẩy : hệ số ma sát ống hút ống đẩy Xác định λ : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu: SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 83 Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ ℜ¿ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh v h d h ρ F 0,283× 0,05 ×883,484 = =18114,314 −3 μF 0,69 ×1 Chuẩn số Reynolds tới hạn: (II.60, trang 378, [6]) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: (II.61, trang 378, [6]) Suy ra: : chế độ chảy rối (khu vực độ): ( λ=0 × 1,46 × Xác định ε 100 + d h ℜF ) 0.25 =0.0303 : Hệ số tổn thất cục ống hút: - van cầu: - lần đột thu: Hệ số tổn thất cục ống đẩy: - van cầu: - lần uốn ống: - lần đột mở: Vậy tổn thất ống hút ống đẩy: ( h hd = 0,0303 ⋅ ) 2+12 +10,5+11,22 =0,123(m) 0,05 Chọn: - Mặt cắt (1 – 1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu - Mặt cắt (2 – 2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernolli cho hai mặt cắt: SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 84 Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Với: - : độ cao mặt thoáng (1 – 1) so với mặt đất - : độ cao mặt thoáng (2 – 2) so với mặt đất - : áp suất mặt thoáng (1 – 1), chọn - : áp suất mặt thoáng (2 – 2), chọn - , - at at : vận tốc mặt thoáng (1 – 1) (2 – 2), xem m.s-1 : tổng tổn thất ống từ (1 – 1) (2 – 2) : cột áp bơm ⇒ H b =(z 2−z )+ hh d =H cv +hh d =6,1+0,123=6,223 (m) Chọn hiệu suất bơm: Công suất thực tế bơm: Q b H b ρ F g ×6,223 × 883,484 ×9,81 Nb= = =37,455(W ) 3600.ηb 3600× 0,8 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 4260 mm acetone nguyên chất chất không độc hại 5.4 Lớp cách nhiệt Trong trình hoạt động tháp, tháp tiếp xúc với khơng khí nên nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh ngày lớn Để tháp hoạt động ổn định, với thông số thiết kế, ta phải tăng dần lượng đốt gia nhiệt cho nồi đun để tháp không bị nguội (nhất sản phẩm đỉnh, ảnh hưởng đến hiệu suất tháp) Khi đó, chi phí cho đốt tăng Để tháp không bị nguội mà không tăng chi phí đốt ta thiết kế lớp cách nhiệt bao quanh thân tháp Chọn vật liệu cách nhiệt cho thân tháp amiang có bề dày khảo [7], hệ số dẫn nhiệt amiang Tra tài liệu tham W.m-1.độ-1 Nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh: Q xq 2=16805,683 (kJ/h) = 4668,245 (W) Nhiệt tải mát riêng: SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 85 Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh (IX.162, trang 198, [7]) (5-58) Với: - : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt tháp - : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với khơng khí - : hiệu số nhiệt độ hai bề mặt lớp cách nhiệt Nhận thấy , nên chọn với tkk = 35oC, Δ t v =100−35=65oC - : diện tích bề mặt trung bình tháp (kể lớp cách nhiệt) (5-59) Suy ra: q m= Qxq 4668,245 = => A = 0,0194 (m) f tb π ×6,596 ×(0,4+2.0,005+ δ a ) Do lớp amiang thị trường có bề dày từ 2-3 mm nên ta chọn bề dày lớp bảo ôn a 21 mm, quấn thành lớp, lớp dày mm Suy diện tích bề mặt trung bình tháp (kể lớp cách nhiệt) =𝝅.6,596.(0,4+2.0,005+2.0,0194)= 9,3( m2) SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 86 CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN CHI PHÍ Tính sơ giá thành vật liệu hệ thống chưng cất: Bảng 6-18 Chi phí sơ hệ thống chưng cấtk Vật liệu Số lượng Đơn giá (VNĐ/đv) Thành tiền (VNĐ) Inox SUS 304 1376 kg 77 000 105 952 000 Thép CT3 61 kg 15 000 915 000 Bu lông M12 20 500 30 000 Bu lông M16 168 000 504 000 Bu lông M10 1000 000 Áp kế 600 000 600 000 Nhiệt kế 150 000 900 000 Lưu lượng kế 000 000 000 000 Bơm li tâm 16 427 000 32 854 000 Vật liệu cách nhiệt 9,3 m2 325 000 30 225 000 Van 21 29 000 609 000 Chiều dài ống ghép bích 0,82m 10000 200 Ống 25 mm 360 m 15 000 400 000 Ống 35 mm 24 m 20 000 480 000 Ống 50 mm 100 m 25 000 500 000 Ống 100 mm 50 m 40 000 000 000 Nối 25 mm 36 m 30 000 080 000 Nối 35 mm 24 m 50 000 200 000 Nồi đun 150000000 150 000 000 Chiller 25000000 25 000 000 Tổng cộng Số tiền mua vật tư chế tạo thiết bị 366 261 200 (VNĐ) Phí gia cơng 231 342 600 (VNĐ) Vậy tổng chi phí 597 603 800 (VNĐ) 366 261 200 KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu trao đổi với thầy hướng dẫn bạn, em học tập hiểu số vấn đề: - Thiết kế hệ thống chưng cất acetone – nước với thiết bị tháp mâm xuyên lỗ tương đối hoàn chỉnh biết trước lưu lượng nhập liệu, nồng độ nhập liệu nồng độ sản phẩm đáy, độ thu hồi sản phẩm đỉnh - Tính tốn tương đối chi tiết q trình làm việc thiết bị khả chịu bền thiết bị tính ăn mịn học, hố học vật lí, điều kiện làm việc thiết bị - Tính tốn sơ tổng chi phí đầu tư cho hệ thống chưng cất acetone Đặc tính kỹ thuật thiết bị chưng cất thiết kế ứng với thông số cho ban đầu: - Tỉ số hồn lưu thích hợp: R=0,20901 - Số mâm chưng cất thực tế: 23 mâm ( 13 mâm cất, mâm chưng mâm nhập liệu) - Đường kính tháp chưng cất: 400 (mm) - Đường kính lỗ mâm: (mm) - Bề dày mâm: (mm) - Số lỗ mâm: 1387 lỗ - Trở lực toàn tháp: 8753,621 (N/m2) - Khoảng cách hai mâm: 250 (mm) - Chiều cao gờ chảy tràn: 50 mm - Chiều cao tháp: 6,846 (m) - Thân – đáy – nắp làm inox SUS 304, có bề dày: (mm) - Bích ghép thân – đáy – nắp làm thép SUS 304, loại bích liền khơng cổ SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền Trang 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đồ án quy trình sản xuất acetone, https://123doc.org/document/2439291-do-anquy-trinh-cong-nghe-san-xuat-acetone.htm [2] Tính chất vật lý hóa học acetone, https://thuvienkhoahoc.net/acetone-lagi.html? fbclid=IwAR13qAjY2pK_dDnXZL7Qr56WdsAGYJ0OrRD1InfeppBXfAq8E 1_LLldZxWo [3] https://text.123docz.net/document/9933808-tieu-luan-ve-phuong-phap-chung-catchung-cat-la-phuong-phap-tach-hon-hop-chat-long-thanh-cac-cau-tu-rieng-biet-duavao-su-khac-nhau-ve-do-bay-hoi-cua-chung.htm [4] http://thietbicongnghiep.vn/home/print.php?module=news&iData=179&iCat=1321 [5] http://www.vle-calc.com/phase_diagram.html [6] N BIN, Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1, NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT, 2006 [7] N BIN, Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2, NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT, 2006 [8] V.V.B.-V.B MINH, Quá trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm tập 3, NXB ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH, 2013 SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền Trang 89