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

TỔNG QUAN

Giới thiệu về nguyên liệu

Acetone còn được gọi là Propan-2-one, có công thức phân tử là

CH 3 COCH 3 Nó là một chất lỏng không màu, trong suốt với mùi cay đặc biệt, acetone hòa tan trong nước và dung môi hưu cơ như: ethanol, ether, chloroform, pyridine. Acetone là chất lỏng dễ cháy, dễ bay hơi và phản ứng với nhiều hợp chất và đơn chất hóa học,.

Acetone là một dung môi quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp như chất nổ, nhựa, cao su, sợi, da và sơn phun Nó cũng được sử dụng để làm sạch trong phòng thí nghiệm, tổng hợp các chất hữu cơ, và là thành phần chính trong sơn móng tay.

Các phương pháp sản xuất acetone bao gồm isopropanol, cumene, lên men, hydrat hóa acetylene và oxy hóa trực tiếp propylene Trong sản xuất acetone quy mô công nghiệp, phương pháp cumene chiếm ưu thế, với hai phần ba lượng acetone toàn cầu 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, trong đó Hoa Kỳ dẫn đầu 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 axeton 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.

SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang

Tổng quan CBHD: Thiều Quang Quốc Việt

 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 được ứng dụng rộng rãi trong y tế và mỹ phẩm, đồng thời cũng được công nhận là hợp chất trong phụ gia thực phẩm và bao bì thực phẩm Ngoài ra, acetone còn được sử dụng phổ biến trong tẩy sơn móng tay.

Là một chất có công thức hóa học là (CH 3 ) 2 CO, công thức phân tử là

CH 3 COCH 3 , khối lượng phân tử: 58 đvC, Acetone là chất lỏng không màu, trong suốt℃ có mùi thơm, rất dễ bay hơi, tan vô hạn trong nước, dễ bay hơi (sôi ở nhiệt độ 56,5 ở 760 mmHg) và rất dễ cháy.

 Tính chất hóa học của acetone

 Phản ứng với natri hydro sulfit (Na 2 HSO 3 ) 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.

 Tính chất vật lý của acetone

Nước, chiếm 3/4 diện tích bề mặt trái đất, là hợp chất thiết yếu cho sự sống Dưới điều kiện bình thường, nước không có màu, không mùi và không vị.

 Các tính chất vật lý của nước,

 Khối lượng phân tử: 18 g/mol.

 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 ngành công nghiệp, quá trình tổng hợp acetone từ axit axetic bằng xúc tác ThO2 ở nhiệt độ cao tạo ra hỗn hợp chủ yếu gồm acetone và nước, với lượng acetone thường chiếm khoảng 48% khối lượng, tùy thuộc vào hiệu suất của quá trình Do đó, việc nâng cao độ tinh khiết của acetone là rất cần thiết để mở rộng ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Acetone là một chất lỏng có khả năng tan hoàn toàn trong nước với nhiệt độ sôi 56°C, thấp hơn nhiệt độ sôi của nước là 100°C tại áp suất 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: Thiều Quang Quốc Việt t o C x(mol/mol) y(mol/mol)

Bảng 1-1 Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ acetone- nước ở 760mmHg [1]

Tổng quan CBHD: Thiều Quang Quốc Việt Đường cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp

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 của hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp lỏng-khí dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi Quá trình này diễn ra khi các cấu tử ở cùng một nhiệt độ, với áp suất hơi bão hòa khác nhau Khác với các phương pháp như hấp thu, chưng cất tạo ra pha mới thông qua sự bốc hơi hoặc ngưng tụ, cho phép tách biệt các thành phần riêng lẻ trong hỗn hợp.

Trong quá trình chưng cất, cả dung môi và chất tan đều bay hơi, dẫn đến sự hiện diện của các cấu tử trong cả hai pha với tỷ lệ khác nhau Đối với chưng cất đơn giản hai cấu tử, sản phẩm đỉnh chủ yếu chứa cấu tử có độ bay hơi cao hơn, trong khi sản phẩm đáy chứa cấu tử có độ bay hơi thấp hơn Cụ thể, trong hệ acetone – nước, sản phẩm đỉnh chủ yếu là acetone với một lượng nhỏ nước, trong khi sản phẩm đáy chủ yếu là nước với một lượng nhỏ acetone.

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo áp suất làm việc (áp suất thường, thấp, cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước, chưng cất), và phương pháp cấp nhiệt (gián tiếp hoặc trực tiếp) Việc chọn lựa phương pháp chưng cất phù hợp phụ thuộc vào tính chất lý hóa của nguyên liệu Đối với hệ acetone và nước, phương pháp chưng cất liên tục với cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường là sự lựa chọn tối ưu.

Trong sản xuất, quá trình chưng cất sử dụng nhiều loại thiết bị khác nhau, nhưng đều yêu cầu diện tích bề mặt tiếp xúc pha lớn, phụ thuộc vào mức độ phân tán của các lưu chất Khi pha khí phân tán vào lỏng, ta sử dụng tháp mâm, trong khi pha lỏng phân tán vào khí thường dùng tháp chêm hoặc tháp phun Hai loại tháp phổ biến hiện nay là tháp mâm và tháp chêm, với kích thước, đường kính và chiều cao phụ thuộc vào suất lượng của pha lỏng, pha khí và độ tinh khiết của sản phẩm.

Tháp chêm là một cấu trúc hình trụ có nhiều bậc, được kết nối bằng mặt bích hoặc hàn Trong tháp, vật chêm được đổ đầy theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hoặc xếp 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 cấu trúc có thân hình trụ thẳng đứng, bên trong được lắp đặt các mâm với cấu tạo đa dạng Các mâm này cho phép pha hơi và pha lỏng tiếp xúc trực tiếp với nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tách biệt và trao đổi chất.

Hình 1-2 Hình dạng tháp mâm

Tùy theo cấu tạo của mâm ta có:

Tháp mâm chóp là một thiết bị quan trọng trong quá trình tách pha, bao gồm một mâm có gắn chóp và ống chảy chuyền Ống chảy chuyền có thể có tiết diện hình tròn hoặc hình viên phân, với số lượng ống linh hoạt tùy thuộc vào suất lượng pha lỏng Chóp của tháp có thể có hình dạng tròn hoặc các dạng khác, giúp tối ưu hóa hiệu suất tách pha.

Tháp mâm xuyên lỗ là một loại thiết bị có mâm với nhiều lỗ hoặc rãnh, đường kính lỗ dao động từ 3 đến 12 mm, và tổng tiết diện các lỗ chiếm từ 8 đến 15% tiết diện tháp Trong tháp này, pha khí di chuyển từ dưới lên qua các lỗ trên mâm và được phân tán vào lớp chất lỏng đang chuyển động từ trên xuống qua các ống chảy chuyền, được thiết kế tương tự như tháp mâm chóp.

Mâm chóp Mâm xuyên lỗ

Hình 1-3 Hình dạng cơ bản cảu mâm chóp và mâm xuyên lỗ

Mâm xuyên lỗ Mâm chóp Ưu - Trở lực tương đối thấp - Hiệu suất cao điểm - Hiệu suất tương đối cao - Hoạt động ổn định

- Hoạt động khá ổn định

- Làm việc được với chất lỏng bẩn

Nhược - Yêu cầu lắp đặt khắt khe - Cấu tạo phức tạp điểm - Trở lực lớn

- Không làm việc được với chất lỏng bẩn

Trong việc chưng cất hệ acetone - nước, tháp mâm xuyên lỗ là sự lựa chọn tối ưu nhờ vào độ chênh lệch nhiệt độ sôi lớn và không có điểm đẳng phí, giúp việc phân riêng trở nên dễ dàng Tháp mâm xuyên lỗ có cấu tạo đơn giản và khả năng hoạt động hiệu quả với chất lỏng bẩn, do đó không cần thiết phải sử dụng tháp mâm chóp có hiệu suất cao.

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Công nghệ chưng cất acetone-nước

Acetone là một chất lỏng có khả năng hòa tan vô hạn trong nước, với nhiệt độ sôi khoảng 56,05 ℃ ở áp suất 760 mmHg So với nước, có nhiệt độ sôi 100 ℃ ở cùng áp suất, acetone có sự chênh lệch nhiệt độ sôi đáng kể Do đó, chưng cất là phương pháp hiệu quả để thu được acetone với độ tinh khiết cao.

Trong tình huống này, phương pháp cô đặc không được áp dụng vì tất cả các cấu tử đều bay hơi Đồng thời, phương pháp trích ly và hấp thụ cũng không khả thi, do việc đưa vào một pha mới có thể làm phức tạp hóa quá trình tách và không đảm bảo tách hoàn toàn các cấu tử.

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

Quy trình công nghệ CBHD: Thiều Quang Quốc Việt

Hình 2-4 Sơ đồ quy trình công nghệ

Quy trình công nghệ CBHD: Thiều Quang Quốc Việt

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 đến thiết bị trao đổi nhiệt, nơi nó trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy đạt nhiệt độ 54.051 °C Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt đến 64.329 °C tại thiết bị gia nhiệt nhập liệu trước khi vào tháp chưng cất ở đĩa nhập liệu Trước khi vào tháp, dòng nhập liệu đi qua lưu lượng kế để điều chỉnh lưu lượng.

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 tháp đi lên gặp chất lỏng đi xuống, tạo ra sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha Khi pha lỏng di chuyển xuống, nồng độ cấu tử dễ bay hơi giảm do bị lôi cuốn lên bởi pha hơi từ thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp Nhiệt độ giảm dần khi lên cao, khiến cấu tử có nhiệt độ sôi cao như nước ngưng tụ lại trên các đĩa Cuối cùng, tại đỉnh tháp, chúng ta thu được hỗn hợp với nồng độ cấu tử dễ bay hơi chiếm tới 96% về khối lượng.

Dòng hơi từ đỉnh tháp được dẫn qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh, nơi chúng được ngưng tụ hoàn toàn thành dòng lỏng ở nhiệt độ cao 57,626°C Hỗn hợp lỏng này sau đó được điều chỉnh qua bộ phận chỉnh dòng, với một phần đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh để giảm nhiệt độ xuống 35°C trước khi được chuyển vào bồn chứa sản phẩm Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp với tỷ số hoàn lưu tối ưu Ở đáy tháp, một lượng nhỏ acetone bốc hơi trong khi phần lớn nước trong dòng lỏng tăng lên, cuối cùng thu được hỗn hợp lỏng chủ yếu là nước với 4% acetone.

Hỗn hợp sản phẩm đáy từ tháp được đưa vào thiết bị gia nhiệt chất lỏng, nơi một phần dung dịch lỏng sẽ bốc hơi và được cung cấp lại cho tháp để tiếp tục quá trình Phần còn lại sẽ được dẫn đến thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu Hệ thống hoạt động liên tục, sản phẩm đỉnh thu được 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.

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).

G F : Lưu lượng hỗn hợp đầu vào, (L/h).

G D : lưu lượng sản phẩm đỉnh, (L/h), G W : lưu lượng sản phẩm đáy, (L/h),

G R : lượng chất lỏng hoàn lưu, (L/h).

M F : khối lượng phân tử trung bình hỗn hợp đầu vào, Kg/Kmol.

M D : khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đỉnh, Kg/Kmol.

Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy được ký hiệu là M W, tính bằng Kg/Kmol Nồng độ phần mol của hỗn hợp đầu vào theo acetone được ký hiệu là x F, cũng tính bằng Kg/Kmol Tương tự, nồng độ phần mol của hỗn hợp đỉnh theo acetone được ký hiệu là x D, và nồng độ phần mol của hỗn hợp đáy theo acetone được ký hiệu là nồng W, cả hai đều có đơn vị Kg/Kmol.

: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu vào theo acetone, Kg/Kg, : độ phần khối lượng hỗn hợp đỉnh theo acetone, Kg/Kg,

Nồng độ phần khối lượng của hỗn hợp đáy theo acetone được biểu thị bằng Kg/Kg Nồng độ phần mol của pha hơi tương ứng với nồng độ phần mol của pha lỏng được ký hiệu là x̅ y i, đơn vị Kmol/Kmol Trong khi đó, nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi, ký hiệu là y i *, cũng được tính toán dựa trên nồng độ phần mol x i của pha lỏng, với đơn vị Kmol/Kmol.

A, N: lần lượt là ký hiệu của acetone và nước.

M A , M N : lần lượt là khối lượng phân tử của acetone và nước, M A = 58; M N 18.

Các thông số ban đầu

Nồng độ nhập liệu: F = 46%x̅ khối lượng.

Nồng độ sản phẩm đỉnh:x̅ D = 96% khối lượng.

Nồng độ sản phẩm đáy: W = 4% khối lượng.

Cân bằng vật chất CBHD: Thiều Quang Quốc Việt

Cân bằng vật chất

3.3.1 Nồng độ phần mol của acetone trong tháp x F x F / M A

Trong quá trình chọn trạng thái nhập liệu cho tháp chưng cất, trạng thái lỏng – sôi được xác định Dựa vào bảng cân bằng lỏng – hơi của hệ acetone – nước tại x F = 0,209, nhiệt độ nhập liệu vào tháp chưng cất được nội suy là t F = 64,329 độ C.

= 980,9Kg/m 3 Tra bảng I.249 [2] ta có khối lượng riêng của nước:

Tra bảng I.2 [2] ta có khối lượng riêng của acetone: = 739,1Kg/m 3

Khối lượng riêng của hỗ hợp nhập liệu vào tháp ρ A

Phương trình cân bằng vật chất toàn tháp

Thế các giá trị vào hệ phương trình (1) ta được

CBHD: Thiều Quang Quốc Việt Cân bằng vật chất

Các phương trình làm việc

Với = 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

∗ hay theo pha lỏng ( đường cân bằng và đường làm việc theo pha hơi (

Độ dốc của đường làm việc trong phần cất phụ thuộc vào chỉ số hoàn lưu R Khi đường làm việc trong phần cất gần với đường cân bằng, chỉ số hoàn lưu sẽ giảm Chỉ số hoàn lưu tối thiểu là giá trị cần thiết để đảm bảo hoạt động hiệu quả của đĩa dưới cùng trong phần cất.

∆ycất =(hayy −còny gọi là đĩa tiếp liệu) tồn tại động lực truyền khối, tức hiệu số nồng độ ∗ dương,

3.3.3.2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp

Tỉ số hoàn lưu tối ưu là tỉ số hoàn lưu ứng với chi phí thấp nhất trong thiết kế Khi tỉ số hoàn lưu (R) tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp lại tăng, dẫn đến việc công suất của thiết bị ngưng tụ, bơm và nồi đun cũng tăng theo Chi phí cố định ban đầu sẽ giảm nhưng sau đó sẽ tăng đến mức 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 đến điểm tối thiểu tương ứng với tỉ số hoàn lưu tối ưu, thường nằm trong khoảng từ 1,2 đến 1,5 lần R min.

Khảo sát β từ 1 đến 3 với khoảng nhảy 0,1 ta được bảng số liệu sau b Ri R+1 Nlt Nlt*(R+1)

Cân bằng vật chất CBHD: Thiều Quang Quốc Việt 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

Cân bằng vật chất CBHD: Thiều Quang Quốc Việt Đồ thị quan hệ giữa β và Nlt(Rx+1)

Hình 3-5 Đồ thị quan hệ giữa β và Nlt(Rx+1)

Vậy chỉ số hoàn lưu thích hợp là R th = 0,20901 với β 1,4 3.3.3.3 Phương trình làm việc phần chưng y chưng = R th + f x− f +1 x W R th +1 R th + 1

Trong đó lượng mol hỗn hợp đầu tính cho 1 Kmol sản phẩm đỉnh f = F

Thay f vào phương trình trên ta được y chưng = 0,20901+4,425656 x − (4,425656−1)×0,013

3.3.3.4 Phương trình đường làm việc phần cất y cất = R R th

Thay số liệu vào phương trình trên ta có y cất 0,20901 x−

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: η tb là hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi trong đối Nvới độ nhớt của hỗn hợp lỏng, η tb = f(α,μ))

N tt là số mâm thực tế. lt 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 ¿ × 1− x 1− y ¿ x

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, x F = 0,209 3.5.1.1

Tại vị trí nhập liệu ta có y * F = 0,7965, t F = 64,329 o C ×

Tra bảng I.102 (trang 94, [2]) độ nhớt của nước ta có có = 0,445 x 10 -3 Ns/m 2

Tra bảng I.101 (trang 91, [2]) độ nhớt của acetone ta

-3 2 μ x × μ x × μ N μ A Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu: lg

= 0,32 hình IX.11 trang 171 ta có x W = 0,013 ta có y *W = 0,2948, t W = 94,254 o C

5 .2 Tại vị trí mâm đáy η ×

= 0,3 hình IX.11 trang 171 ta có

= 0,334 hình IX.11 trang 171 ta có

Vậy chọn số mâm thực tế N tt = 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

[3]) Trong đó: V tb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h). ω g : tb lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h). ρ ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/h).

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: g : g d : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h).

1 lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).

4.1.1.1 Xác định g d × (IX.92 trang 191,[3]) g d = 10,960989 (0,20901+1) = 13,184982 (Kmol/h)

Theo IX.93 - 95 trang 182, [3] ta có hệ phương trình:

Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: Thiều Quang Quốc Việt

Trong quá trình cất, lượng lỏng ở đĩa thứ nhất được ký hiệu là G l (Kmol/h) Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp vào đĩa thứ nhất là r l (KJ/Kmol), trong khi ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ra ở đỉnh tháp được ký hiệu là r d (KJ/Kmol) Để xác định giá trị r 1, ta có t 1 = t F 4 = 1.64,3291 Theo bảng I.250 [2], giá trị ẩn nhiệt hóa hơi r Nl được tính là 2364,26524 (KJ/Kg) tương đương với 42241,8625 (KJ/Kmol) cho r Al.

Trar= bảngr× Iy.212+(1[2]ta− ycó:)× r = Q42241,8625,178919(KJ/Kg)–12419,4852y)822,3773 (KJ/Kmol)

Tra bảng I.250 [2] ta có: r ND = 2362,26524(KJ/Kg) = 42520,7743 (KJ/Kmol)

Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: Thiều Quang Quốc Việt ρ ytb

: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng ở đoạn cất (Kg/m 3 ).

: khối lượng riêng trung bình của pha hơi ở đoạn cất (Kg/m 3 ). ρ xtb

Nồng độ phân mol trung bình: y tb = y

Nhiệt độ trung bình đoạn cất:

Nồng độ phân mol trung bình:

=> ω gh =0,05 × √ 782,302205 1,907251 =1,013 (m/s) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp bằng 80% tốc độ giới hạn hơi đi trong tháp

SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang Đường kính đoạn ω = 0,8 × ω = 0,8 × 1,013 =

CBHD: Thiều Quang Quốc Việt Tính toán thiết kế tháp chưng cất tb gh

Lượng hơi trung bình đ trong tháp

Trong đó: g′ ’ n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h). l : lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h).

Theo IX.98 - 100 trang 182, [3] ta có hệ phương trình:

TrongG′đó: r′ l : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng (Kmol/h). l : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

W r ′ Nl bảng I.250 [2] ta có: 2274,7904 (KJ/Kg) = 40946,2272 (KJ/Kmol). Tra bảng I.212 [2] ta có: 478,8932 (KJ/Kg) = 27775,8049 (KJ/Kmol).

Suy ra: r’ 1 = r ′ Al = 37063,58669(KJ/Kmol)

Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: Thiều Quang Quốc Việt r 1 = r A1 × y 1 + (1 − y 1 ) × r N1 = 42241,8625 – 12419,4852y l

Giải hệ phươngG′= trình48,6395(IV.2)(Kmol/h)tađược x′ 1 = 0,077076 (phân mol acetone) − M = 21,530185 (kg/kmol) g′ 1 = 11,090922(Kmol/h) = 233,830424 tbG (Kg/h) ′

4.1.2.4 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

′ : : khối lượng riêng trung bình của pha hơi ở đoạn chưng (Kg/m 3 ).

Xác ′ khối lượng riêng trung bình của pha lỏng ở đoạn chưng (Kg/m 3 ).

Với nồng độ phân mol trung bình: y ' tb = y

Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:

Xác định phân mol trung bình:

Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: Thiều Quang Quốc Việt x' tb = x F + x w

(Kg/m 3 ) ρ ' xtb =( x ρ' ' tb A + 1− ρ' x N ' tb ) −1 3,721968 (kg/m 3 )

Để tránh tạo bọt trong quá trình cất, tốc độ hơi trung bình trong tháp được chọn là 80% của tốc độ giới hạn, cụ thể là ω tb = 0,8 × ω gh = 0,8 × 1,2682 = 1,0146 (m/s).

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: D t = 0,4 (m).

Khi đó tốc độ làm việc thực

D t 2 × ρ' ytb 0,4 2 ×1,373658 Phần cất ω lv = 0,0188 2 × g tb = 0,0188 2 × 676,534845 =0,783571(m/ s)

Chiều cao tháp

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền.

Tổng diện tích lỗ bằng 8% diện tích mâm. Đường kính lỗ d l = 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. u 2 ρ G × ( v 0 2

Tronguđó: ρ 0 : vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s). ρ G :: khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m 3 ). l khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m

Hệ số thắc dòng phụ thuộc vào tỷ lệ giữa tổng diện tích lỗ và diện tích làm việc của mâm, cũng như tỷ lệ giữa bề dày mâm và đường kính lỗ.

Tra hình 5.20 =≫ C0 = 0,73 Đối với phần cất

Vận tốc hơi qua lỗ u ω lv 0,783571

Khối lượng riêng của pha hơi: ρ 1 1,907251 (Kg/m 3 )

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ G = ρ ytb =

 Độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất h k Q× ( C u 2 o2 ) × ρ ρ G 1 Q× 9,79463 0,73 2 2 × 782,302205 1,907251 ".383806(mmchất lỏng) Đối với phần chưng

Vận tốc hơi qua lỗ u' 0 ω' lv 0,693852

8 % 0,08 Khối lượng riêng của pha hơi: 1,373658 (Kg/m 3 )

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρG = ρ’ytb =

 Độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng h' k Q × ( u' 0 2 ) × ρ

4.2.2.2 Độ giảm áp do chiều cao mực chất lỏng

Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm được tính từ chiều cao gờ chảy tràn (hW) và chiều cao lớp chất lỏng bọt (hOW) Công thức tính toán cho chiều cao của lớp chất lỏng (hl) là hl = β × (hW + hOW), trong đó β là hệ số sục khí.

Chiều cao gờ chảy tràn h W = 50 mm.

Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình

Francis với gờ chảy tràn phẳng.

L L : lưu lượng của chất lỏng (m 3 /phút). w 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:

0góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn W.

Suy ra: LW = Dt × sin(n0/2)n== × sin(93o12′/2) phương trình ta được: 93 o 12’

Xác định q L Đối với mâm phần cất q L = D× R × M

Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là h 1 = 0,6 × (50 + 1,83357) = 31,100142 (mm) Đối với mâm phần chưng

Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng là h′ 1 = 0,6 × (50 + 7,126649) = 34,2761 (mm)

4.2.2.3 Độ giảm áp sức căng bề mặt

Trong đó: Ở ρ : sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm). l σ: khối lượng riêng của chất lỏng (Kg/m 3 ). mâm phần cất ρ 1 = ρ xtb t = ℃

782,3022047 (Kg/m 3 ) lượng riêng của pha lỏng:

Tra bảng I.249 trang 311: ta có sức căng bề mặt của nước:

= 18,470813 Tra bảng I.242 trang 301: ta có sức căng bề mặt của acetone:

Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là h R b5,54 × 36,941625× 10 −3

=9,84635 mm 782,3022047× 0,003 Ở mâm phần chưng ρ’ 1 = ρ’ xtb =

883,721968 (Kg/m 3 ) tb lượng riêng của pha lỏng: σ’ NL

Tra bảng I.249 trang 311, [2]: ta có sức căng bề mặt của nước: SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang

Tra bảng I.242 trang 301, [2]: ta có sức căng bề mặt của acetone: σ’AL= 16,181563 (dyn/cm).

Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là h' R b5,54 × 15,773257× 10 −3 =3,721685(mm)

 Cho nên độ giảm áp tổng của pha khí qua một mâm là Phần cất h t = h k + h l + h R = 22,383806+31,100142+9,84635 = 63,330298

Tổng trở lực của toàn tháp, hay còn gọi là độ giảm áp tổng cộng của tháp, được xác định bằng độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu, tương đương với độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm trong quá trình 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: h mâm =0,25 m mm.

Chiều cao mực chất lỏng trong mâm xuyên lỗ được xác định bằng công thức h d = h w + h ow + h l + h d’ (mm chất lỏng), trong đó h = 0,128 × ( Q L ) 2 (mm chất lỏng) và d ' = 100 × S d.

: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm.

SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang ¿250

⇒ h d ' =0,128 ⋅ (1000,151427 ×0,100531 ) 2 =0,000029041 (mm chất lỏng) Vậy chiều cao mực chất lỏng ở phần cất là: h d = 50+1,83357+63,330298+0,000029041 = 115,163897 (mm) Kiểm tra: h d 5,163897< h m

2 5 mm, đảm bảo khi hoạt động các mâm phần cất sẽ không bị ngập lụt.

⇒ h d ' =0,128 ⋅ ( 100 1,160398 ×0,100531 ) 2 =0,00170539 (mm chất lỏng) Vậy chiều cao mực chất lỏng ở phần chưng là: h’d = 50+7,12689+49,188121+0,00170539 = 106,316715 (mm) Kiểm tra: h' d 6,316715< h m

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

Vậy chiều cao của tháp là

Tính toán cơ khí tháp

Tháp chưng cất được thiết kế với thân hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối để hoạt động ở áp suất thường Các mối ghép bích được sử dụng để kết nối thân tháp, đảm bảo tính ổn định và chất lượng sản phẩm Để chống ăn mòn do acetone, vật liệu chế tạo thân tháp được chọn là inox SUS 304 Vì tháp làm việc ở áp suất khí quyển, chỉ cần tính toán cho thân chịu áp suất bên trong.

Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán:

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 t tt = t đáy = 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 bằng tay, 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.

= 515 × 10 6 8,077 ×10 6 n k 2.6 Ứng suất cho phép giới hạn chảy xác định theo công thức XIII.2 và bảng XIII.4,

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, [3]):

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 Đối với acetone, tốc độ ăn mòn được chọn là 0,1 mm/năm, và thiết bị sẽ hoạt động trong 20 năm Do đó, tổng mức độ ăn mòn sẽ 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 =1,759 mm.

Kiểm tra áp suất cho phép trong thân thiết bị: σ =[ D t ( S−C a ) ] × p o ≤ σ c 2× ( S−C a ) ×φ 1.2

Kết luận: Bề dày thực của thân tháp: S t = 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:

Hình 4-7 Đáy nắp elip có gờ tiêu chuẩn [3]

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 hình tròn, cần được xác định Việc chọn đường kính lỗ ống hơi ở đáy và nắp tháp là rất quan trọng và cần được thực hiện một cách chính xác.

Chọn nhiệt độ tính toán: o C.

Chiều dày tính toán được xác định theo công thức (XIII.47 trang 385 [3]):

(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 [3] ta được chiều cao gờ của đái nắp h gờ = 0.025 (m).

Chiều dày thực của đáy được xác định như sau:

(4-14) được tính giống như phần xác định bề dày thân: C=2,9998 (mm), nên:

Vì mm nên tăng thêm 2 mm (trang 386, [3]).

Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất khí quyển, nên không cần tính toán áp suất cho đáy nắp Để thuận tiện cho việc lắp ráp, nên chọn bề dày của thân và đáy nắp thiết bị bằng nhau.

Kết luận: bề dày thân thiết bị S t = S nắp = S đáy = 5 (mm)

4.3.3 Bích ghép thân, đáy và nắp

Mặt bích là một thành phần thiết yếu trong việc kết nối các bộ phận của thiết bị và liên kết với các bộ phận khác Có nhiều loại mặt bích được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp.

Bích liền là bộ phận kết nối thiết bị hàn, đúc và rèn, chủ yếu được sử dụng cho các thiết bị làm việc với áp suất thấp và trung bình.

Bích tự do chủ yếu được sử dụng để nối ống dẫn trong môi trường nhiệt độ cao Nó kết nối các bộ phận bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt khi cần làm mặt bích từ vật liệu bền hơn.

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.

Hình 4-8 Bích liền không cổ ghép thân, đáy và nắp Ứng với D t @0 mm và áp suất tính toán P tt =0.165035 N/mm 2 dựa vào bảng

XIII.27 trang 417, [3] ta chọn bích có các thông số sau:

Bảng 4-4 Thông số bích ghép thân, đáy, nắp

Tra bảng IX.5 trang 170, [3] 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 bị 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 cho thiết bị làm việc ở áp suất thường, nên lựa chọn bích ghép các ống dẫn bằng thép CT3 Bích sử dụng là loại bích liền không cổ, giúp đảm bảo hiệu quả và độ bền trong quá trình vận hành.

Hình 4-9 Bích liền không cổ ghép ống dẫn với thiết bị [3]

4.3.4.1 Tại vị trí nhập liệu:

Lưu lượng chất lỏng nhập liệu: Q F 00 (L/h) ¿ 1,5 (m 3 /h)

Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu): v F 0.1 (m/s). Đường kính nhập liệu: d F = √ 3600 π v 4.Q F F = √ 3600 π 0,14.1,5 ≈ 0,07(

Ta chọn đường kính ống nhập liệu là: d F =0,07 m

Tra bảng XIII.32 trang 434, [3] ta chọn được chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: l F = 110 mm

Tra bảng XIII.26 trang 409, [3] để xác định các thông số của bích ghép ống nhập liệu:

Bảng 4-5 Thông số bích ghép ống nhập liệu

Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: g d r3,961 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 =2,024 (kg /m 3 )

22,4.(t D +273) Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:

Chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp: m/s Đường kính ống dẫn hơi: d h = √ 3600 π v 4.Q h h = √ 4 ×357.6863600 π 25 ≈ 0,07

Nên chọn đường kính ống dẫn hơi: d h = 0.07 (m)

Tra bảng XIII.32 trang 434, [3] ta chọn được chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: l h = 110 (mm)

Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp (XIII.26 trang 409, [3])

Bảng 4-6 Thông số bích ghép ống hơi ở đỉnh tháp

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, [2] ta được: ρ A t7,4

Tra bảng I.249 trang 310, [2] ta được: ρ N 4,293 (kg/m 3 )

Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu:

Để chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu từ bộ phận tách lỏng ngưng tụ vào tháp, ta sử dụng công thức: \(v = \sqrt{\frac{3600 \cdot \pi \cdot Q_{hl}}{d_{hl}}}\) Tính toán với các giá trị cụ thể, ta có đường kính ống hoàn lưu \(d_{hl} = \sqrt{3600 \cdot \pi \cdot 0,154 \cdot 0,157} = 0,019\) m Do đó, đường kính ống hoàn lưu nên được chọn là \(d_{hl} = 0,02\) m.

Chọn chiều dài đoạn ống nối ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [3]):l hl = 80 (mm)

Các thông số của bích ghép ống hoàn lưu (tra bảng XIII.26 trang 409, [3])

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: (kg/h)

Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp ở t w ,254 o C và y w =0,2948 g ' 1 #3,83

Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:

Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp: m/s Đường kính ống dẫn hơi: d hđ = √

3600 π v hđ 3600 π 25 Nên chọn đường kính ống dẫn hơi: d hđ = 0.07 (m)

Chiều dài ống nối để ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [3]): l hđ = 110 (mm)

Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp (XIII.26 trang 409, [3])

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:

G ' L =¿ G ' 1 × M tbG' H.64 ×21,083 (kg/h) 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, [2] ta được: ρ A p0,525 (kg/m 3 )

Tra bảng I.249 trang 310, [2] ta được: ρ N 2,472 (kg/m 3 ) x' 1 × M A

Lưu lượng chất lỏng vào nồi đun:

Chọn vận tốc chất lỏng vào nồi đun (chất lỏng tự chảy vào nồi đun): v L = 0.1 (m/s) Đường kính ống dẫn chất lỏng: d L = √ 3600 π v 4.Q L L = √ 4 ×1,14993600 π 0,1 =0,064 ( Chọn đường kính ống dẫn: d L = 0.07 (m)

Chiều dài ống nối để ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [3]): l L = 110 (mm)

Các thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp (XIII.26, trang 409,

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

Lưu lượng sản phẩm đáy:

Chọn vận tốc dòng sản phẩm đáy (chất lỏng tự chảy): v w =0,1 (m/s) Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: d w = √ 3600 π v 4 Q w w = √ 3600 π 0,14 × 0,722 ≈ 0,05(

Chọn đường kính ống dẫn: d w =0,05 m

Chiều dài ống nối để ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [3]): mm

Các thông số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy (XIII.26, trang 409, [3]):

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:

Khối lượng của một mâm: m 2 = π

Khối lượng của thân tháp:

Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: Thiều Quang Quốc Việt m 3= π ×(D n 2−D t 2 )× H t hâ n × ρ SUS 304= π ×(0.41 2 +0,4 2 )× 6.596 ×7930

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, [3])

Khối lượng chất lỏng trong tháp:

Trong trường hợp xấu nhất xảy ra ngập lụt, mực chất lỏng sẽ dâng lên toàn bộ tháp và đạt chiều cao bằng chiều cao của tháp Tuy nhiên, do bên trong tháp còn có các mâm, nên thể tích chất lỏng không 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 ×6,596 ) × ( 782,3022+ 883,722 ) i0,465( kg)

Khối lượng bổ sung: chọn m bs = m ống + m bulông + m bíchống + m gờ = 100 (kg)

Khối lượng của toàn tháp: m m 1 + 23 m 2 +m 3 +2 m đ +m cl + m bs m75 , 462 (kg)

Trọng lượng của toàn tháp: P=m× g75,462× 9,81493,28685 (N)

Hình 4-10 Chân đỡ tháp (trang 437, [3])

Chọn chân đỡ tháp (thép CT3): tháp được đỡ trên bốn chân Tải trọng cho phép trên một chân:

4 373,322=0,337 ×1 0 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, [3]:

Bảng 4-11 Kích thước chân đỡ

Hình 4-11 Tai treo của thiết bị thằng đứng (trang 438, [3])

Khi chọn tai treo bằng thép CT3, chúng ta cần lưu ý rằng tai treo này được gắn trên thân tháp để đảm bảo tháp ổn định trước các tác động từ môi trường Việc lựa chọn bốn tai treo là cần thiết, với tải trọng cho phép trên mỗi tai treo phải được xác định rõ ràng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sử dụng.

44 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, [3]):

- 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, [3]:

Bảng 4-12 Kích thước tai treo tháp

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ PHỤ

Cân bằng nhiệt lượng thiết bị đun nóng hỗn hợp

: nhiệt lượng do hơi đốt cấp vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

- : lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp đầu (kg/h)

- : nhiệt lượng riêng của dòng hơi vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (kJ/kg)

Với nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu là 64,329 °C, dòng hơi cấp nhiệt cần có nhiệt độ cao hơn, cụ thể là 112,7 °C, tương ứng với nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 1,6 at Theo bảng I.250, trang 312, [2], nhiệt lượng riêng của hơi nước tại 112,7 °C là 2703 kJ/kg, từ đó tính được λ 1 '03 (kJ/kg).

: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun sôi

- : nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu J/kg.độ

- : nhiệt độ đầu của hỗn hợp, xét ở 30 o C

Nhiệt dung riêng của acetone ở 30 o C, C R "10,05953 (J/kg.độ) (bảng I.154, trang 172, [2])

Nhiệt dung riêng của nước ở 30 o C, C A = 4181.1897 (J.kg.độ) (bảng I.147, trang

: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun sôi

Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: Thiều Quang Quốc Việt

- : nhiệt dung riêng của hỗn hợp đi ra khỏi thiết bị đun sôi (J/kg.độ)

- t F d,329 o C Ở 64,329 o C, C A #19,38105 (J.kg.độ) (bảng I.154, trang 172, [2]) Ở 64,329 o C, C N A89,6184(J.kg.độ) (bảng I.147, trang 165, [2])

: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (kJ.h -1 )

- Ở 112,7 o C, C 1 =4,2398 (kJ/kg.độ) (tra bảng I.148, trang 166, [2])

: nhiệt lượng tỏa ra môi trường ở bộ phận gia nhiệt hỗn hợp nhập liệu

Nhiệt lượng tỏa ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn:

Tại t 1 2,7 o C tra bảng I.250, trang 312, [2] ta có r 1 "25,178 kJ.kg -1

Suy ra công thức (5-1) bằng:

Lượng hơi cần dùng để đốt nóng hỗn hợp đầu:

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 o C nên nhiệt độ của dòng hơi cấp nhiệt phải lớn.

Nhiệt độ của dòng hơi cấp nhiệt cho thiết bị được chọn 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, tương ứng với λ 2 '03 kJ/kg.

: nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp

- : nhiệt dung riêng của dòng hồi lưu (J/kg.độ)

- : nhiệt độ của dòng hồi lưu ( o C) Ở t R W,626 o C:

Tra bảng I.154, trang 172, [2] ⇒C A "98,035 (J.kg.độ)

Tra bảng I.147, trang 165, [2] ⇒C N A86,141 (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). λ D =λ N y ¿ D + λ A (1− y ¿ D ) Ở t D W,626 o C:

Tra bảng I.154, trang 172, [2] ⇒C A "98,035 (J.kg.độ)

Tra bảng I.212, trang 254, [2] ⇒r A R1,151 (kJ.kg)

Ta có: λ A =r A +C A t A R1,151+ 2298,035× 57,626e3,578 (kJ/kg) : phân khối lượng của dòng hơi ra khỏi đỉnh tháp

Tra bảng I.250, trang 312, [3] ta có λ N &00,442 (kJ/kg)

: nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra

- : nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đáy (J/kg.độ)

- : nhiệt độ của dòng sản phẩm đáy ( o C)

- Tra bảng I.147, trang 165, [2] ở 94,254 o C ⇒C N B12,197 (J/kg.độ)

- Xem hỗn hợp đáy chỉ gồm nước ⇒C w =C N B12,197 (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, [2] ở 112,7 o C: C nt 2 =4,2398 (J/kg.độ)

: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường của toàn tháp

Tại t 1 2,7 o C ta có r đ "25,128 (kJ.kg) (tra bảng I.212, trang 254, [2])

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

Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ đầu t 1 = 25 o C và nhiệt độ cuối t 2 45 o C

Nhiệt độ trung bình trong thiết bị ngưng tụ hồi lưu: o C

Các tính chất lý học của nước được tra ở tài liệu tham khảo [2] ứng với nhiệt độ trung bình o C:

- Nhiệt dung riêng: kJ/kg.độ

5.3.1.1 Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh:

Tra bảng I.212, trang 254, [2] ở t D W,626 o C ta được r D f3,469 (kJ/kg)

Nhiệt lượng dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh:

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:

!.067 (℃)(V 8 ,trang5 , [3]) ln Δtt 1 ln (57,626−25) Δtt 2 (57,626−45)

Xác định hệ số truyền nhiệt K:

- : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m.độ)

- : hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m.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

Số ống trong một đường nước: n G N

Công thức xác định chuẩn số Nusselt:

- : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re N và tỉ lệ chiều dài ống với đường kính ống.

- : chuẩn số Prandlt của nước ở 35 o C nên (I.249, trang 310, [2])

- : chuẩn số Pandlt của nước tính theo nhiệt độ trung bình của vách

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: α

Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N =α N (t w 2−t tbN )= 3925,893

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, [3])

- Nhiệt trở lớp bẩn trong nước với nước sạch: m 2 độ/m

- Nhiệt trở lớp cấu tử sản phẩm đỉnh với tường ngoài ống: m 2 độ/m

Vậy: (5-22) b Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ Đặt: 4 r λ

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 [2] ứng với nhiệt độ trung bình: t tbD

- Ẩn nhiệt ngưng tụ (bảng I.250, trang 254, [2]): r A =r D f3,469 (kJ/kg)

- Khối lượng riêng (bảng I.2, trang 9, [2]): ρ A u2,794 (kg/m 3 )

- Độ nhớt động học (bảng I.101, trang 91, [2]): μ A =0,22986.1 0 −3 (N.s/m 2 )

- Hệ số dẫn nhiệt (bảng I.130, trang 134, [2]): λ A =0,164 (W/m.K)

Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: q A =q t 300,76 (W/m 2 )

Bề mặt truyền nhiệt trung bình:

3600 ×682,292 ×21,067 Chiều dài ống truyền nhiệt:

So với m thì số đường nước là L

Khi đó số ống tăng lên 6,92 lần: n=9 ×6,92b,31 ống nên chọn n = 91 ống

Kiểm tra hệ số cấp nhiệt của acetone cần xem xét ảnh hưởng của sự sắp xếp và bố trí ống Khi lựa chọn cách sắp xếp ống xen kẽ theo dạng lục giác đều, số ống trên đường chéo lục giác đều là b = 11 ống.

Tra hình V.20, trang 30, [3] ta được ε tb =0,48

Tính lại hệ số truyền nhiệt K, ta có KG8,343 (W/m 2 độ)

Khi đó chiều dài ống truyền nhiệt:

Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống với 91 ống dài 2 m, được bố trí theo hình lục giác đều Số ống trên đường chéo của hình lục giác là 11 ống, và khoảng cách ngang giữa hai ống được chọn là 1,4 lần đường kính ống, tương đương 0,035 m.

[3]). Đường kính vỏ thiết bị:

Bảng 5-13: Tóm tắt thông số thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Loại thiết bị Vỏ-ống Đường kính ngoài của ống d ng 25 mm

Hệ số truyền nhiệt K 682,292 W/m 2 độ

Bề mặt truyền nhiệt trung

F tb 9,005 m 2 bình Đường kính vỏ thiết bị D v 0,45 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 này được chế tạo từ inox SUS 304, với kích thước ống trong là 16 x 16 mm và ống ngoài là 25 x 2,5 mm.

- Nước làm lạnh đi trong ống16 x 1.6 (ống trong) với nhiệt độ đầu t 1 = 25 o C, nhiệt độ cuối t 2 = 45 o C.

Các tính chất lý học của nước làm lạnh được tra tài liệu [2] ứng với nhiệt độ trung bình: t tbN =t

- Nhiệt dung riêng: C N = 4,181 (kJ/kg.độ) (I.147, trang 156, [2])

- Khối lượng riêng: ρ N = 994 (kg/m 3 ) (I.5, trang 11, [2])

- Độ nhớt động học: μ) N = 0,722x10 -3 (N.s/m 2 ) (I.102, trang 94, [2])

- Hệ số dẫn nhiệt: N = 0,626 (W/m.độ) (I.129, trang 133, [2])

Các thông số của dòng sản phẩm đỉnh ứng với: t tbD = t D + t ' D = 57,626+35 F,313℃

- Nhiệt dung riêng: C D =2,262 (kJ/kg.độ) (bảng I.154, trang 172, [2])

- Khối lượng riêng: ρ D v1,119 (kg/m 3 ) (bảng I.2, trang 9, [2])

- Độ nhớt động học: μ D =0,247× 1 0 −3 (N.s/m 2 ) (bảng I.101, trang 91, [2])

- Hệ số dẫn nhiệt: λ D =0,164 (W/m.độ) (bảng I.130, trang 134, [2])

5.3.2.1 Suất lượng hơi dùng để làm mát sản phẩm đỉnh

Suất lượng sản phẩm đỉnh:

Suất lượng nước cần dùng:

Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:

- : nhiệt độ trung bình logarit

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: Δtt log= Δtt 1−Δtt 2 (57,626−45)−(35−25)

- : 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

2 π ( D tr −D ng ) ) Đường kính tương đương: d tđ = D tr –D ng = 0.02 - 0.016 = 0.004 (m) Chuẩn số Reynolds:

0,247 ×1 0 Xác định chuẩn số Nusselt:

- 1 : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re D và tỷ lệ chiều dài với đường kính ống: và L 1.5 nên chọn (tra bảng V.2, trang 15,

- : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh tính 46,313 o C nên μ C −3

- : 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

Nhiệt tải phía sản phẩm đỉnh: q D =α D (t tbD −t w 1 )a62,021

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, [3])

- Nhiệt trở lớp bẩn ở tường trong của ống: m 2 độ/W

- Nhiệt trở lớp bẩn ở tường ngoài ống: m 2 độ/W

 Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ: Vận tốc nước đi trong ống: v N = G N

Với dtr = 16 – 2x1,6 = 12,8 mm Chuẩn số Reynolds:

- : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào và tỉ lệ chiều dài ống với đường kính ống

- :chuẩn số Prandlt của nước ở 35 o C nênPr

- : 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: Thiều Quang Quốc Việt α N =N u N λ N = 125,985× 0,626 = 6161,449 d tr Pr w 0,25

Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N =α N (t W 2−t tbN )= 6161,449

Các thông số của acetone ngưng tụ ứng với nhiệt độ t w 1 I,8 o C được tra ở tài liệu [2]:

- Nhiệt dung riêng: C A =2,253 (kJ/kg.độ) (I.154, trang 172, [2])

- Độ nhớt động học: μ A =0,255 ×1 0 −3 (N.s/m 2 ) (I.101, trang 91, [2])

- Hệ số dẫn nhiệt: λ A =0,164 (W/m.K) (I,130, trang 134, [2])

2 Tra bảng I.249, trang 310, [2] ta có: Pr w 2 ¿ 4,271

Kiểm tra sai số: ε =| q N − q D | =| 12138,693−11778,89| ×100=3,055 %(thỏa điềukiện) q D 11778,89

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 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 d ng 25 mm

Bề dày ống ngoài 2,5 mm

Thông số Kí hiệu Giá trị Đường kính ống trong d tr 16 mm

Bề dày ống trong 1,6 mm

Hệ số truyền nhiệt K 1048,966 (W/m 2 độ)

Bề mặt truyền nhiệt trung bình F tb 0,703 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 25,549 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:

Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều ta có:

Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: Thiều Quang Quốc Việt Δtt log= Δtt 1−Δtt 2

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

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,56 × A × ¿ (5-35) Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:

- : nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ống)

- Bề dày thành ống: mm

- Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: (W/m 2 độ) (XII.7, trang 313, [3])

- Nhiệt trở của lớp bẩn ở tường với hơi nước sạch: (m 2 độ/W)

- Nhiệt trở của lớp cáu phía sản phẩm đáy: (m 2 độ/W)

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).

(V.91, trang 26, [3]) (5-39) Với P: áp suất để đạt nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy, khi đó at (N/m 2 )

Khi đó ở nhiệt độ trung bình: t tb =112,7+ 111,825 2,2625℃ 2

Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: q t =q N 280,047 (W/m 2 )

Từ (5-40) ta có: q đá y E,853.¿ (W/m 2 ) Kiểm tra sai số: ε = | q

N − q đá y | =| 12280,047−12644,625 | × 100=2,97 % (thỏa điều kiện) q đá y 12644,625

Chọn số ống truyền nhiệt là 91 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 91 ống Các ống được bố trí 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 x d ng = 0,035 m.

[3]). Đường kính vỏ thiết bị:

Bảng 5-15: Tóm tắt các thông số nồi đun chất lỏng ở đáy tháp

Loại thiết bị Nồi đun Kettle

Thông số Kí hiệu Giá trị Đường kính ngoài của ống 25 mm

Bề mặt truyền nhiệt trung bình F tb 9,384 m 2 Đường kính vỏ thiết bị D v 0,45 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 Ống truyền nhiệt được chế tạo từ inox SUS 304 với 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 có kích thước 25 x 2 và nhiệt độ đầu vào là 0 °C Sản phẩm đáy di chuyển trong ống 38 x 2, với nhiệt độ đầu ra t W là 94,254 °C và nhiệt độ cuối t' W là 50 °C Sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy, nhiệt độ dòng nhập liệu đạt t tbW = t W + t' W = 127 °C Nhiệt dung riêng của sản phẩm là C W = 4,189 (kJ/kg.độ) (I.147, trang 156, [2]).

Suất lượng sản phẩm đáy:

G w i5,048 (kg/h) = 0,193 (kg/s) Lượng nhiệt cần tải:

Q w =G w C w (t w −t ' w )=0,193 × 4,189×(94,254−50)8849,844 (kJ/h) Ở 30 o C ta xem như nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu là hằng số [2]: C A =2,210 (kJ/kg.độ) (bảng I.154, trang 172, [2])

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 {'} = {128849,844} over {3,272 ×1278,889} +30T,05 ¿

Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo [2] ứng với nhiệt độ trung bình: t tbF =t } F + {t} rsub {F} rsup {'}} over {2} = {30+54,05} over {2} B,026 ¿ ¿

Khối lượng riêng: ρ F 3,33 (kg/m 3 ) (bảng I.2, trang 9, [2]), (I.5, trang 11, [2]) Độ nhớt động học: μ F =0,521.10 −3 (N.s/m 2 ) (bảng I.101, trang 91, [2]), (I.102, trang 94, [2])

Nhiệt dung riêng: C F =3,290 (kJ/kg.độ) (bảng I.154, trang 172, [2]), (I.147, trang

Hệ số dẫn nhiệt: λ F =0,42 (W/m.độ) (bảng I.130, trang 134, [2]), (I.129, trang

5.3.4.1 Xác định bề mặt tuyền nhiệt

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên: Δtt log= Δtt 1−Δtt 2

- : 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

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

Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: Thiều Quang Quốc Việt Đường kính tương đương: d tđ = D tr – d ng = 0.034 - 0.025 =0.009 (m) Chuẩn số Reynolds:

- : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re w và tỷ lệ chiều dài với đường kính ống

ℜ w ¿10696,382 và nên chọn (tra bảng V.2, trang

- : 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: α w

Nhiệt tải phía sản phẩm đáy: q w =α w (t tbw −t w 1)= 4788,316

(5-44) 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)

- Nhiệt trở của lớp cáu phía sản phẩm đáy: (m 2 độ/W)

5.3.4.3 Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống

Vận tốc nước đi trong ống: v G

- : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re F và tỷ lệ chiều dài với đường kính ống:

- : chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở 42,026 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

Nhiệt tải phía nhập liệu: q F =α F (t w2 −t tbF )= 5519,081

Sản phẩm đáy lúc này được xem như nước nên:

Các thông số của dòng nhập liệu ứng với nhiệt độ t tbw R,897 o C được tra ở tài liệu tham khảo [2]:

Nhiệt dung riêng: C R =3,316 (kJ/kg.độ) (I.154, trang 172, [2]), (I.147, trang 156,

Khối lượng riêng: = 863,491 (kg/m 3 ) (I.2, trang 9, [2]), (I.5, trang 11, [2]) Độ nhớt động học: = 0,442 x 10 -3 (N.s/m 2 ) (I.101, trang 91, [2]), (I.102, trang

Hệ số dẫn nhiệt: = 0,427 (W/m.độ) (I,130, trang 134, [2]), (I.129, trang 133,

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 tổng cộng là L! m Thiết bị này được chia thành 14 dãy, mỗi dãy có chiều dài 1,5 m.

Bảng 5-16: Tóm tắt thông số thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu

Loại thiết bị Ống lồng ống Đường kính ngoài của ống d ng 38 mm

Bề dày ống ngoài 2 mm Đường kính ống trong d tr 25 mm

Bề dày ống trong 2 mm

5.3.5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt dạng ống lồng ống, với ống truyền nhiệt được chế tạo 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 = 54,051 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 "25,549 (kJ/kg) Ứng với nhiệt độ trung bình t tbF Y,19 o C ta có :

- Nhiệt dung riêng: C F =3,318 (kJ/kg.độ) (I.147, trang 156, [2]), (I.147, trang 156,

- Khối lượng riêng: ρ F 7,552 (kg/m 3 ) (bảng I.2, trang 9, [2]), (I.5, trang 11, [2])

- Độ nhớt động học: μ F =0,401.10 −3 (N.s/m 2 ) (bảng I.101, trang 91, [2]), (I.102, trang 94, [2])

- Hệ số dẫn nhiệt: λ F =0,431 (W/m.độ) (bảng I.130, trang 134, [2]), (I.129, trang

5.3.5.1 Suất lượng hơi nước cần dùng:

Suất lượng dòng nhập liệu:

Suất lượng hơi nước cần dùng:

5.3.5.2 Xác định bề mặt tuyền nhiệt

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên: Δtt log= Δtt 1 −Δtt 2

- : 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)

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

- : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào và tỷ lệ chiều dài với đường kính ống

- : Chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở 59,19 o C nên:

- : 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

Nhiệt tải phía dòng nhập liệu:

Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: Thiều Quang Quốc Việt q F =α F ×(t w 1−t tbF )= 6120,894 ×(t w1−59,19) (5-54)

Với t w2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với dòng nhập liệu.

Nhiệt tải qua thành ống nhỏ và lớp cặn bẩn:

- t w1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước

- Nhiệt trở của lớp cáu phía nhập liệu: (m 2 độ/W)

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 r N

Nhiệt tải phía hơi nước: q N =α N (t sN −t W 1 ),915× A × ¿ (5-57)

Chọn t w 2 r,5 o C, các tính chất lý học của nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo

- Nhiệt dung riêng (bảng I.154, trang 172, [2] ]), (I.147, trang 156, [2]):

- Khối lượng riêng (bảng I.2, trang 9, [2]), (I.5, trang 11, [2]): ρ A 4,407 (kg/m 3 )

- Độ nhớt động học (bảng I.101, trang 91, [2]), (I.102, trang 94, [2]): μ A =0,323 ×1 0 −3 (N.s/m 2 )

- Hệ số dẫn nhiệt (bảng I.130, trang 134, [2]), (I.129, trang 133, [2])

Tra bảng V.101, trang 29, [3] ta được A3,467

Kiểm tra sai số: ε =| q N −q F | =| 66370,792−64860,646 | × 100=2,18 % (thỏa điều kiện) q N 66370,792

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=4 m Chia thành 4 dãy mỗi dãy dài 1 m.

Bảng 5-17: Tóm tắt thông số thiết bị gia nhiệt nhập liệu

Loại thiết bị Ống lồng ống Đường kính ngoài của ống d ng 38 mm

Bề dày ống ngoài 2 mm Đường kính ống trong d tr 25 mm

Bề dày ống trong 2 mm

Hệ số truyền nhiệt K 1215,243 (W.m 2 độ)

Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu: d F = 70 mm.

Tính toán thiết bị truyền nhiệt và thiết bị phụ CBHD: Thiều Quang Quốc Việt Độ nhám của ống: mm (hình II.14, trang 380, [2])

Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo [2] ứng với nhiệt độ trung bình: t tbF = t F + t ' F = 30+ 64,329 G,1645 ℃

- Khối lượng riêng: ρ F 0,73 (kg/m 3 ) (bảng I.2, trang 9, [2]), (I.5, trang 11, [2])

- Độ nhớt động học: μ F =0,482.10 −3 (N.s/m 2 )(bảng I.101, trang 91, [2]), (I.102, trang 94, [2])

Vận tốc trung bình của dòng nhập liệu trong ống dẫn: v G F

5.3.6.1 Tổn thất dọc đường ống

- : 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:

Chuẩn số Reynolds tới hạn: d F

ℜ gh =6 × ε =6 × ( 0.1 ) 7 707,593(II.60, trang 378, [2]) Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:

Suy ra:Re nh >Re F >Re gh : chế độ chảy rối (khu vực quá độ) khi đó: ε 100 0,25 0,1 100 0,25

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

Suy ra: Vậy tổn thất dọc đường ống dẫn: h 1 =( 0,0313 ⋅ 0,0715 +31,83 ) ⋅ 0,1092.9,81 2 =0,0231(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

: tổng hệ số tổn thất cục bộ.

: vận tốc dòng nhập liệu trong ống trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.

Chuẩn số Reynolds tới hạn[2]

(II.60, trang 378, [2]) Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám

(II.61, trang 378, [2]) Suy ra: : chế độ chảy rối (khu vực quá độ) khi đó: ε 100 0,25 0,1 100 0,25

Hệ số tổn thất của dòng nhập liệu qua thiết bị trao đổi nhiệt:

- 13 chỗ uống cong quay ngược: ξ u 2 ×2,2

Suy ra: ∑ ξ 2 ),74 Vậy tổn thất đường ống dẫn: h 2 =( 0,031 ⋅ 0,02121 +29,74 ) ⋅ 2× 9,811,174 2 =4,271(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

- : tổng hệ số tổn thất cục bộ.

- : vận tốc dòng nhập liệu trong ống trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.

ℜ F ¿ 44348,11>1 0 4 Chuẩn số Reynolds tới hạn [2]

(II.60, trang 378, [2]) Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám

(II.61, trang 378, [2]) Suy ra: : chế độ chảy rối (khu vực quá độ) khi đó: ε 100 0,25 0,1 100 0,25

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× 0,0214 +7,74 ) ⋅ 2 ×9,811,196 2 =0,995( Chọn:

- 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 = h chânđỡ + h đáy + (N chưng + 1) x (h mâm + 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)

- : vận tốc tại vị trí nhập liệu, v

- : tổn thất đường ống từ (1 – 1) đến (2 – 2)

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 của bồn đạt từ 8,836 m trở lên Khoảng cách từ mặt đất đến bồn cao vị được chọn là 8,9 m.

Chọn bơm có năng suất (m 3 /h) 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 [2] ứng với hiệt độ trung bình: o C

Khối lượng riêng: ρ F 3,484 (kg/m 3 ) (bảng I.2, trang 9, [2]), (I.5, trang 11, [2]) Độ nhớt động lực: μ F =0,69.10 −3 (N.s/m 2 ) (bảng I.101, trang 91, [2]), (I.102, trang

Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống đẩy và ống hút:

=0,283 v h =v d = 3600 π d h 2 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:

Chuẩn số Reynolds tới hạn:

(II.60, trang 378, [2]) 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

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 ⋅ 20,05+12

- 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:

- : 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 của tháp, việc tiếp xúc với không khí dẫn đến nhiệt lượng tổn thất ra môi trường ngày càng lớn Để duy trì hoạt động ổn định và đúng với các thông số thiết kế, cần tăng cường lượng hơi đốt gia nhiệt cho nồi đun nhằm ngăn chặn tháp bị nguội, đặc biệt là sản phẩm đỉnh, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất của tháp Tuy nhiên, điều này đồng nghĩa với việc chi phí cho hơi đốt sẽ tăng Để giữ cho tháp không bị nguội mà không làm tăng chi phí hơi đốt, giải pháp 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 [3], hệ số dẫn nhiệt của amiang là W.m -1 độ -1

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh:

Q xq 2 )617,559 (kJ/h) = 8227,0998 (W) Nhiệt tải mất mát riêng:

- : 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 t kk = 35 o C, Δtt 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 là mm, quấn thành 4 lớp, mỗi lớp dày 3 mm.

Tiêu đề	Thiết Kế Hệ Thống Chưng Cất Liên Tục Hỗn Hợp Acetone – Nước Năng Suất 1500 L/H
Tác giả	Đỗ Thanh Bền
Người hướng dẫn	ThS. Thiều Quang Quốc Việt
Trường học	Trường Đại Học Cần Thơ
Chuyên ngành	Ngành CN Kỹ Thuật Hóa Học
Thể loại	Đồ án
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Cần Thơ

Định dạng
Số trang	129
Dung lượng	1,37 MB