ĐỒ án QUÁ TRÌNH và THIẾT bị CNHH THIẾT kế hệ THỐNG CHƯNG cất LIÊN tục hỗn hợp ACETONE – nước NĂNG SUẤT 1500 LH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CƠNG NGHỆ ĐỒ ÁN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CNHH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT LIÊN TỤC HỖN HỢP ACETONE – NƯỚC NĂNG SUẤT 1500 L/H CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN: ThS, Thiều Quang Quốc Việt Đỗ Thanh Bền B1809002 Ngành CN Kỹ Thuật Hóa Học –K44 Tháng 4/2022 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập rèn luyện trường, giảng dạy thầy cô thuộc khoa công nghệ, giúp đỡ em có mơi trường học tập thật tốt Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô, người tận tâm truyền đạt kiến thức quý báu cho chúng em Đặc biệt thầy cô thuộc môn công nghệ kỹ thuật hóa học hướng dẫn em cách tận tình, giúp em tiếp cận bước thực hoàn thành học phần nghiên cứu cách tốt Trên hết, em xin chân thành cảm ơn thầy Thiều Quang Quốc Việt tận tâm giúp đỡ em qua lời dẫn, buổi họp để thảo luận đề tài, chia kinh nghiệm quý báu thầy mang lại cho em nhiều kiến thức hữu ích để hồn thành tốt học phần đồ án trình thiết bị cơng nghệ hóa học Cuối cùng, em xin cảm ơn bạn lớp cơng nghệ kỹ thuật hóa học K44 chia tài liệu hữu ích liên quan đến học phần giúp đỡ em gặp khó khăn trình thực đồ án Tuy cố gắng lúc thực chắn đồ án khơng tránh khỏi sai sót khả kiến thức thời gian có hạn, Em mong q thầy bỏ qua sai sót góp ý dẫn thêm cho em để em hồn thiện Sau cùng, em xin kính chúc quý thầy cô thật dồi sức khỏe để tiếp tục thực sứ mệnh cao đẹp người truyền đạt kiến thức cho hệ mai sau SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang LỜI NÓI ĐẦU Một ngành cơng nghiệp có đóng góp to lớn đến cơng nghiệp nước ta nói chung cơng nghiệp giới nói riêng ngành cơng nghiệp hóa chất, đặc biệt ngành cơng nghiệp hóa chất Hiện nay, nhiều ngành sản xuất chất hóa học, sử dụng sản phẩm hóa học… hầu hết ngành có nhu cầu sử dụng nguyên liệu sản phẩm có độ tinh khiết cao để phù hợp với quy trình sản xuất nhu cầu sử dụng Ngày nay, phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết sử dụng phổ biến trích ly, chưng cất, đặc, hấp thụ,… tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp cho phù hợp Đối với hệ acetone – nước hai cấu tử tan lẫn hồn 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 trình thiết bị cơng nghệ hóa học mơn học mang tính tổng hợp lại kiến thức chuyên mơn q trình học tập kỹ sư hóa chất tương lai Mơn học giúp ta giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể u cầu cơng 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 1500 L/H có nồng độ 46% khối lượng acetone, thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 96% khối lượng acetone SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii LỜI NÓI ĐẦU iv MỤC LỤC v DANH SÁCH HÌNH ix DANH SÁCH BẢNG x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu nguyên liệu 1.1.1 Aceton 1.1.2 Nước .2 1.1.3 Hỗn hợp Acetone – Nước .3 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 17 3.3.3.4 Phương trình đường làm việc phần cất 17 3.4 Số mâm lý thuyết 18 SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang 3.5 Xác định số mâm thực tế 18 3.5.1 Xác định hiệu suất trung bình tháp ηtb 18 3.5.1.1 Tại vị trí nhập liệu 19 3.5.1.2 Tại vị trí mâm đáy 19 3.5.1.3 Tại vị trí mâm đỉnh 19 3.5.1.4 Hiệu suất trung bình .20 3.5.2 Số mâm thực tế 20 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 21 4.1 Đường kính tháp, Dt 21 4.1.1 Đường kính đoạn cất 21 4.1.1.1 Xác định gd 21 4.1.1.2 Xác định r1 .22 4.1.1.3 Xác định rD .22 4.1.1.4 Tốc độ trung bình tháp đoạn cất 22 4.1.2 Đường kính đoạn chưng .24 4.1.2.1 Xác định g’n 24 4.1.2.2 Xác định r’1 24 4.1.2.3 Xác định r1 .25 4.1.2.4 Tốc độ trung bình tháp đoạn chưng 25 4.2 Chiều cao tháp .27 4.2.1 Cấu tạo mâm lỗ 27 4.2.2 Độ giảm áp pha khí qua mâm 27 4.2.2.1 Độ giảm áp qua mâm khô 27 4.2.2.2 Độ giảm áp chiều cao mực chất lỏng 29 4.2.2.3 Độ giảm áp sức căng bề mặt 30 4.2.3 Kiểm tra khả hoạt động tháp 31 4.2.3.1 Kiểm tra ngập lụt hoạt động .31 4.2.4 Tính tốn chiều cao tháp 32 4.3 Tính tốn khí tháp 32 SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang 4.3.1 Bề dày thân tháp 32 4.3.1.1 Áp suất tính tốn 33 4.3.1.2 Xác định bề dày thân chịu áp suất 33 4.3.2 Đáy nắp thiết bị .34 4.3.3 Bích ghép thân, đáy nắp 36 4.3.4 Đường kính ống dẫn thơng số bích ghép ống 37 4.3.4.1 Tại vị trí nhập liệu: 38 4.3.4.2 Ống đỉnh tháp: 39 4.3.4.3 Ống hoàn lưu 39 4.3.4.4 Ống dẫn vào đáy tháp: .40 4.3.4.5 Ống dẫn chất lỏng đáy tháp: .41 4.3.4.6 Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy) .42 4.4 Chân đỡ tay treo .43 4.4.1 Trọng lượng toàn tháp .43 4.4.2 Chân đỡ tháp 44 4.4.3 Tai treo .45 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ PHỤ 47 5.1 Cân nhiệt lượng thiết bị đun nóng hỗn hợp .47 5.2 Cân nhiệt lượng toàn tháp 48 5.3 Thiết bị phụ 51 5.3.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 51 5.3.1.1 Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh: 51 5.3.1.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 51 a Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống 52 b Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ 53 5.3.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 56 5.3.2.1 Suất lượng dùng để làm mát sản phẩm đỉnh 57 5.3.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 57 SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang 5.3.3 Thiết bị đun chất lỏng đáy tháp 63 5.3.3.1 Suất lượng nước cần dùng .63 5.3.3.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 63 5.3.4 Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy .67 5.3.4.1 Xác định bề mặt tuyền nhiệt 68 5.3.4.2 Hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy ống 69 5.3.4.3 Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống .70 5.3.5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 74 5.3.5.1 Suất lượng nước cần dùng: 74 5.3.5.2 Xác định bề mặt tuyền nhiệt 74 5.3.5.3 Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống 75 5.3.5.4 Hệ số cấp nhiệt nước: 77 5.3.6 Bồn cao vị 79 5.3.6.1 Tổn thất dọc đường ống 79 5.3.6.2 Tổn thất đường ống thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu sản phẩm đáy 81 5.3.6.3 Tổn thất đường ống dẫn thiết bị gia nhiệt nhập liệu .82 5.3.7 Bơm nhập liệu 84 5.4 Lớp cách nhiệt 86 CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN CHI PHÍ 88 KẾT LUẬN 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang 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 xun 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 [3] 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 [3] 38 Hình 4-4 Chân đỡ tháp (trang 437, [3]) .44 Hình 4-5 Tai treo thiết bị thằng đứng (trang 438, [3]) 45 SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang viii DANH SÁCH BẢNG Bảng 1-1 Số liệu cân lỏng hệ acetone- nước 760mmHg [1] 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 Thơng số bích ghép ống đỉnh tháp 39 Bảng 4-4 Thông số bích ghép ống hồn lưu 40 Bảng 4-5 Thơng số bích ghép ống dẫn vào tháp 41 Bảng 4-6 Thơng 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 thông 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 thơng số nồi đun chất lỏng đáy tháp .66 Bảng 5-4: Tóm tắt thơng số thiết bị trao đổi nhiệt với dịng nhập liệu 73 Bảng 5-5: Tóm tắt thông số thiết bị gia nhiệt nhập liệu 78 Bảng 6-1 Chi phí sơ hệ thống chưng cất 88 SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang 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 CH3COCH3 Nó chất lỏng khơng màu, suốt với mùi cay đặc biệt, acetone hòa tan nước dung môi 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… Ngồi ra, acetone cịn sử dụng làm dung môi 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 trình oxy hóa cumene Trong năm 2010, sản xuất axeton tồn 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  Ứng dụng acetone  Trong số loại thuốc dược phẩm, sử dụng làm dung môi để vận chuyển acetylene an toàn  Acetone nguyên liệu tổng hợp hữu quan trọng để sản xuất nhựa epoxy, polycarbonate, plexiglass, dược phẩm, thuốc trừ sâu  Là dung mơi tốt cho lớp phủ, chất kết dính, xi lanh thép, acetylene  Được sử dụng chất pha lỗng, chất làm sạch, tẩy rửa cơng nghiệp SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ q F =α F ×(t w 1−t tbF )= CBHD: Thiều Quang Quốc Việt 6120,894 ×(t w1−59,19) 0,25 Pr w (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/m2.độ) (XII.7, trang 313, [3]) - Nhiệt trở lớp bẩn tường với nước sạch: - Nhiệt trở lớp cáu phía nhập liệu: (m2.độ/W) (m2.độ/W) (m2.độ/W ) Vậy: 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: ( ) =0,725 A αN= 90,915 × A ¿¿ rN α N =0,725 A ( t sN −t w )d t đ 0,25 ( 2225594 (112,7−t ).0,009 ) 0,25 Nhiệt tải phía nước: q N =α N (t sN −t W )=91,915× A × ¿ SVTH: Đỗ Thanh Bền (5-57) Trang Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: Thiều Quang Quốc Việt Chọn t w 2=72,5 oC, tính chất lý học nhập liệu tra tài liệu tham khảo [2] ứng với nhiệt độ tw2: - Nhiệt dung riêng (bảng I.154, trang 172, [2] ]), (I.147, trang 156, [2]): C A=3,341 (kJ/kg.độ) - Khối lượng riêng (bảng I.2, trang 9, [2]), (I.5, trang 11, [2]): ρ A =844,407 (kg/m3) - Độ nhớt động học (bảng I.101, trang 91, [2]), (I.102, trang 94, [2]): −3 μ A =0,323 ×1 (N.s/m2) - Hệ số dẫn nhiệt (bảng I.130, trang 134, [2]), (I.129, trang 133, [2]) - : λ A=0,433 (W/m.độ) μ C Pr w ¿ A A =2,489 λA Khi đó: (V.35, trang 12, [3]) Từ (5-54) (5-56) ta có: q t=q F= 6120,894 ×(72,5−59,19)=64860,646 (W/m2) 2,4890,25 −4 −4 t w 1=t w 2+ qt 5,227 =722,5+64860,646 ×5,227.1 =106,403 oC ⇒t tbw= 106,403+112,7 =109,551 ℃ Tra bảng V.101, trang 29, [3] ta A=183,467 Từ (5-57) ta có: q N =91,915 ×183,467 × (112,7−106,403 )0,75=66370,792(W /m2) Kiểm tra sai số: ε= |q N −q F| |66370,792−64860,646| qN = 66370,792 × 100=2,18 % (thỏa điều kiện) Vậy t w 2=72,5 oC t w 1=106,403 oC Khi đó: α F =4873,076 (W/m2độ) α N =10529,425 (W/m2.độ) K= Nên: 1 −4 +5,277.1 + 4873,076 10529,425 SVTH: Đỗ Thanh Bền =1215,243(W /m2 độ) Trang Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: Thiều Quang Quốc Việt Bề mặt truyền nhiệt trung bình: F tb = 43620988 =0,187(m 2) 1215,243 ×53,35 ×3600 Chiều dài ống truyền nhiệt: L= 0,187 =2,587( m) 0,025+0,021 π⋅ Chọn L=4 m (dự trữ khoảng 35%) Kiểm tra: L = =190,476> 50thì( thỏa) d tr 0,021 Vậy thiết bị gia nhiệt thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L=4 m Chia thành dãy dãy dài m Bảng 5-17: Tóm tắt thơng số thiết bị gia nhiệt nhập liệu Thơng số Kí hiệu Loại thiết bị Đường kính ngồi ống Ống lồng ống dng Bề dày ống ngồi Đường kính ống Giá trị 38 mm mm dtr Bề dày ống 25 mm mm Chiều dài ống L 1m Số dãy ống N dãy Hệ số truyền nhiệt K 1215,243 (W.m2.độ) Bề mặt truyền nhiệt trung bình Ftb 0,187 m2 5.3.6 Bồn cao vị Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu: dF = 70 mm SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ Độ nhám ống: CBHD: Thiều Quang Quốc Việt mm (hình II.14, trang 380, [2]) Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [2] ứng với nhiệt độ trung bình: ' t F +t F 30+ 64,329 t tbF = = =47,1645 ℃ 2 - Khối lượng riêng: ρ F=850,73 (kg/m3) (bảng I.2, trang 9, [2]), (I.5, trang 11, [2]) - Độ nhớt động học: μ F=0,482.10−3 (N.s/m2)(bảng I.101, trang 91, [2]), (I.102, trang 94, [2]) Vận tốc trung bình dịng nhập liệu ống dẫn: vF= 5.3.6.1 GF 0,355 ⋅ = ⋅ =0,109(m/ s) ρF π dtr 850,73 π 0,07 Tổn thất dọc đường ống (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 Xác định : vận tốc dòng nhập liệu ống m.s-1 : Chuẩn số Renolds dòng nhập liệu ống: ℜF ¿ v F d tr ρF 0,109 × 0,07 ×850,73 = =13411,12 −3 μF 0,482× 10 Chuẩn số Reynolds tới hạn: ( ) d F 87 70 ℜgh=6 × =6 × =10707,593 ε 0.1 ( ) (II.60, trang 378, [2]) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: ℜnh=220× SVTH: Đỗ Thanh Bền ( ) ( ) dF 70 =220× =349267,339 (II.61, trang 378, [2]) ε 0.1 Trang Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: Thiều Quang Quốc Việt Suy ra:Renh>ReF>Regh: chế độ chảy rối (khu vực độ) đó: ( ) 0,25 ε 100 → λ1=0,1 ⋅ 1,46 ⋅ + d ℜF ( 0,1 100 =0,1 ⋅ 1,46 ⋅ + 70 13411,12 ) 0,25 =0,0313 (II.64, trang 380, [2]) Xác định : Hệ số tổn thất dịng nhập liệu qua đường ống dẫn (khơng tính đoạn ống thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị gia nhiệt): - chỗ uốn cong: (trang 393, [2]) - van cầu: (van với độ mở hoàn toàn) - lần đột thu: (trang 387, [2]) - lần đột mở: (trang 387, [2]) - lưu lượng kế: không đáng kể Suy ra: Vậy tổn thất dọc đường ống dẫn: ( ) 15 0,109 h1 = 0,0313 ⋅ +31,83 ⋅ =0,0231(m) 0,07 2.9,81 5.3.6.2 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=21 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 =1,174 (m/s) Xác định : Chuẩn số Renolds dòng nhập liệu ống: ℜF ¿ 43546 , 889>1 Chuẩn số Reynolds tới hạn[2] SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: Thiều Quang Quốc Việt (II.60, trang 378, [2]) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám (II.61, trang 378, [2]) Suy ra: : chế độ chảy rối (khu vực độ) đó: ( → λ2=0,1⋅ 1,46 ⋅ ε 100 + d2 ℜF ) 0,25 ( =0,1 ⋅ 1,46 ⋅ 0,1 100 + 21 43546,889 ) 0,25 =0,031 (II.64, trang 380, [2]) 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 - lần đột thu: - lần đột mỡ: Suy ra:∑ ξ2 =29,74 Vậy tổn thất đường ống dẫn: ( h2 = 0,031 ⋅ 5.3.6.3 ) 21 , 174 +29,74 ⋅ =4,271(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, l 3=4 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 =1,196 (m/s) Xác định : Chuẩn số Renolds dòng nhập liệu ống: SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: Thiều Quang Quốc Việt ℜF ¿ 44348,11>1 Chuẩn số Reynolds tới hạn [2] (II.60, trang 378, [2]) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám (II.61, trang 378, [2]) 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 44348,11 ) 0,25 =0,031 (II.64, trang 380, [2]) Xác định : 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 ⋅ =0,995(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: SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: Thiều Quang Quốc Việt - : 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 - : 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) - at (m/s) : tổn thất đường ống từ (1 – 1) đến (2 – 2) ∑ hf −2 =h1 +h2 +h3 =0,0231+4,271+0,995=5,288 (m) Xem: ΔP=P2−P 1=N c ấ t h t=13 × 482,021=6318,274 (N.m-2) Vậy chiều cao bồn cao vị là: ⇒ H cv =8,836 (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 8,836 m trở lên Ta chọn khoảng cách từ mặt đất đến bồn cao vị 8,9 m 5.3.7 Bơm nhập liệu Lưu lượng nhập liệu: G F=1,5 (m3/h) Chọn bơm có suất (m3/h) với đường kính ống hút, ống đẩy 50 mm Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [2] ứng với hiệt độ trung bình: C o Khối lượng riêng: ρ F=883,484 (kg/m3) (bảng I.2, trang 9, [2]), (I.5, trang 11, [2]) Độ nhớt động lực: μ F=0,69.10−3 (N.s/m2) (bảng I.101, trang 91, [2]), (I.102, trang 94, [2]) SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: Thiều Quang Quốc Việt Vận tốc dòng nhập liệu ống đẩy ống hút: v h=v d = 4.Q d −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: ℜ¿ v h d h ρ F 0,283× 0,05 ×883,484 = =18114,314 μF 0,69 ×1 0−3 Chuẩn số Reynolds tới hạn: (II.60, trang 378, [2]) Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: (II.61, trang 378, [2]) Suy ra: ( λ=0 × 1,46 × Xác định : chế độ chảy rối (khu vực độ): ε 100 + d h ℜF ) 0.25 =0.0303 : Hệ số tổn thất cục ống hút: - van cầu: - lần đột thu: SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ CBHD: Thiều Quang Quốc Việt 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: 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 =8,9+0,123=9,023 (m) Chọn hiệu suất bơm: Công suất thực tế bơm: Q b H b ρ F g × 9,023× 883,484 × 9,81 Nb= = =54,309(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 SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang Tính tốn thiết bị truyền nhiệt thiết bị phụ 5.4 CBHD: Thiều Quang Quốc Việt 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 khơng bị nguội mà khơng 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 [3], 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=29617,559 (kJ/h) = 8227,0998 (W) Nhiệt tải mát riêng: (IX.162, trang 198, [3]) (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 = 35 oC, Δ t v =100−35=65 oC - : diện tích bề mặt trung bình tháp (kể lớp cách nhiệt) (5-59) Suy ra: q m= Qxq 8228.0998 = => A = 0,0106 (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 mm, quấn thành lớp, lớp dày mm SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang 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 cất Vật liệu Số lượng Đơn giá (VNĐ/đv) Thành (VNĐ) tiền Inox SUS 304 1126 kg 25 000 66 434 000 Thép CT3 37 kg 15 000 555 000 Bu lông M12 16 500 24 000 Bu lông M16 000 24 000 Áp kế 600 000 600 000 Nhiệt kế 150 000 750 000 Lưu lượng kế 000 000 000 000 Bơm li tâm 16 427 000 32 854 000 Vật liệu cách nhiệt 32 m2 325 000 10 400 000 Van 29 29 000 841 000 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 Tổng cộng Số tiền mua vật tư chế tạo thiết bị 131 862 000 (VNĐ) 131 862 000 Tính tốn chi phí CBHD: Thiều Quang Quốc Việt Phí gia cơng 231 342 600 (VNĐ) Vậy tổng chi phí 363 204 600 (VNĐ) SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang 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 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:10582 , 5428 (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: Đỗ Thanh Bền Trang TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.vle-calc.com/phase_diagram.html [2] N BIN, Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1, NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT, 2006 [3] N BIN, Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2, NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT, 2006 [4] 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: Đỗ Thanh Bền Trang ... 0.9 x (Acetone) mol/mol Hình 1-1 Đồ thị đường cân hệ Aceton -nước 760mmHg 1.2 Lý thuyết chưng cất 1.2.1 Khái niệm chưng cất Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp lỏng – khí thành... pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa hệ nguyên liệu Đối với hệ acetone – nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường 1.2.2 Tháp chưng cất Trong... 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