THIẾT kế hệ THỐNG CHƯNG cất LIÊN tục mâm XUYÊN lỗ hỗn hợp ACETONE – nước NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 KG h

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 chủ yếu được sử dụng làm dung môi trong các ngành công nghiệp như chất nổ, nhựa, cao su, sợi, da, sơn phun… Ngoài ra, acetone còn được sử dụng làm dung môi để làm sạch trong phòng thí nghiệm, đồng thời là một chất dùng để tổng hợp các chất hữu cơ và được sử dụng trong các thành phần hoạt chất của 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 và phương pháp oxy hóa trực tiếp propylene Sản xuất acetone ở quy mô công nghiệp trên thế giới bị chi phối bởi phương pháp cumene Hai phần ba lượng acetone trên thế giới là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất phenol và là một trong những sản phẩm của quá trình oxy hóa cumene.

Trong năm 2010, sản xuất axeton trên toàn thế giới đạt 6,7 triệu tấn, Với 1,56 triệu tấn mỗi năm, Hoa Kỳ có sản lượng sản xuất cao nhất, tiếp sau là Đài Loan và Trung Quốc, Nhà sản xuất acetone lớn nhất là INEOS Phenol, mỗi năm săn xuất 17% lượng sản xuất của thế giới [1]

Trong một số loại thuốc dược phẩm, được sử dụng làm dung môi để vận chuyển acetylene an toàn.

Acetone là một nguyên liệu tổng hợp hữu cơ quan trọng để sản xuất nhựa epoxy, polycarbonate, plexiglass, dược phẩm, thuốc trừ sâu.

Là một dung môi tốt cho lớp phủ, chất kết dính, xi lanh thép, acetylene.

Được sử dụng như một chất pha loãng, chất làm sạch, tẩy rửa trong công nghiệp [2]

SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền

Tổng quan CBHD: PGS.TS.Lương Huỳnh Vủ Thanh

Nó cũng là một nguyên liệu quan trọng để sản xuất anhydrid acetic, rượu diacetone, chloroform, iodoform, nhựa epoxy, cao su polyisoprene, methyl methacrylate.

Được sử dụng làm chất chiết trong các ngành công nghiệp như dầu và mỡ.

Dùng để điều chế monome plexiglass, bisphenol A, rượu diacetone, hexanediol, methyl isobutyl ketone, methyl isobutyl methoxide, phorone, isophorone, chloroform, iodoform…

Acetone được sử dụng trong các ứng dụng y tế và mỹ phẩm khác nhau, Nó cũng được xem là hợp chất trong phụ gia thực phẩm, bao bì thực phẩm và trong tẩy sơn móng tay.[2]

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.[2]

 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.[2]

 Tính chất vật lý của acetone

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên bề mặt trái đất (3/4 diện tích bề mặt trái đất là nước), nước rất cần thiết cho sự sống Ở điều kiện bình thường nước là một chất không màu, không mùi, không vị, là dung môi hòa tan tốt các chất phân cực, nặng hơn dung môi hữu cơ, không hòa tan dung môi hữu cơ.[2]

 Các tính chất vật lý của nước,

 Khối lượng phân tử: 18 g.mol -1

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 công nghiệp khi tổng hợp acetone từ axit axetic với xúc tác ThO 2 ở nhiệt độ cao ta thu được hỗn hợp đa phần là acetone và nước Lượng acetone trong hỗn hợp này thường vào khoảng 48% khối lượng tùy thuộc vào hiệu suất của quá trình tổng hợp Vì vậy, yêu cầu bức thiết là cần phải nâng cao độ tinh khiết của acetone để có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

Dựa vào tính5℃ chất vật lý của acetone như ℃tan hoàn toàn trong nước, nhiệt độ sôi của acetone (56, ở 760 mmHg) < nước (100 ở 760 mmHg), hệ này không có điểm đẳng phí, nên trong các phương pháp tách hỗn hợp chất thì phương pháp phù hợp nhất với hệ acetone – nước đó là phương pháp chưng cất.

Tổng quan CBHD: PGS.TS.Lương Huỳnh Vủ Thanh t o C

Bảng 1-1 Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ acetone- nước ở 760mmHg [5]

Lý thuyết về chưng cất

1.2.1 Khái niệm về chưng cất

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau) Thay vì đưa vào hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất, pha mới được tạo nên từ sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

Trong quá trình chưng cất, dung môi và chất tan đều bay hơi, nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau Trong trường hợp chưng cất đơn giản hệ hai cấu tử, sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn hơn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé Sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn Đối với hệ acetone – nước, sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm acetone và rất ít nước, sản phẩm đáy chủ yếu là nước và rất ít acetone.

Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc (áp suất thường, áp suất thấp, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất), dựa vào phương pháp cấp nhiệt (gián tiếp hay trực tiếp) Việc lựa chọn các phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của hệ nguyên liệu [3] Đối với hệ acetone – nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình chưng cất, Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung cho các thiết bị vẫn giống nhau, nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, phụ thuộc vào mức độ phân tán của lưu chất này trong lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun… Hai loại tháp thường dùng hiện nay là tháp mâm và tháp chêm, kích thước của tháp, đường kính tháp, chiều cao tháp tùy thuộc vào suất lượng pha lỏng, pha khí và độ tinh khiết của sản phẩm.

Tháp chêm: hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một trong hai phương pháp là xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Vật chêm sử dụng gồm có nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một số loại vật chêm như: vòng Raschig, vật chêm vòng xoắn, vật chêm hình yên ngựa,

Tháp mâm: thân tháp hình trụ thẳng đứng, bên trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau trên đó pha hơi và pha lỏng tiếp xúc với nhau.[4]

Hình 1-2 Hình dạng tháp mâm[4]

Tùy theo cấu tạo của mâm ta có:

Tháp mâm chóp: trên mâm có gắn chóp và ống chảy chuyền, ống chảy chuyền có thể có tiết diện hình tròn, viên phân, một ống hay nhiều ống tùy suất lượng pha lỏng, Chóp có thể hình tròn hay một dạng khác,

Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ 3 ÷12 mm, tổng tiết diện các lỗ trên mâm chiếm từ 8 ÷ 15% tiết diện tháp, Trong tháp mâm xuyên lỗ pha khí đi từ dưới lên qua các lỗ trên mâm và phân tán vào lớp chất lỏng chuyển động từ trên xuống theo các ống chảy chuyền, ống chảy chuyền được bố trí như ở tháp mâm chop.[4]

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

Mâm xuyên lỗ Ưu - Trở lực tương đối thấp điểm - Hiệu suất tương đối cao

- Hoạt động khá ổn định

- Làm việc được với chất lỏng bẩn

Nhược - Yêu cầu lắp đặt khắt khe điểm

Bảng 1-2 Ưu và nhược điểm của 2 loại mâm trong tháp [4] Đối với việc chưng cất hệ acetone – nước ta nên chọn tháp mâm xuyên lỗ, vì hệ này có độ chênh lệch nhiệt độ sôi khá lớn và hệ này không có điểm đẳng phí, việc phân riêng hệ này khá dễ nên không nhất thiết yêu cầu tháp mâm chóp có hiệu suất lớn, Cấu tạo của tháp mâm xuyên lỗ không quá phức tạp và có thể làm việc được với chất lỏng bẩn,

SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 9

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Công nghệ chưng cất acetone-nước

Acetone là một chất lỏng tan vô hạn trong nước, nhiệt độ sôi 56,05℃ ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100℃ ở 760 mmHg, hơi cách biệt khá xa nên phương pháp hiệu quả để thu acetone có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất.

Trong trường hợp này chúng ta không dùng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đều bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một pha mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn.

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: PGS.TS.Lương Huỳnh Vủ Thanh

Hình 2-4 Sơ đồ quy trình công nghệ

Hỗn hợp acetone – nước có nồng độ 46% (theo khối lượng) tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Hỗn hợp nhập liệu chảy từ bồn cao vị đến thiết bị trao đổi nhiệt (4), trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy đến nhiệt 54,051 o C Hỗn hợp sau đó tiếp tục đi qua thiết bị gia nhiệt nhập liệu (5) để gia nhiệt đến nhiệt nhập liệu 64,329 o C Hỗn hợp sau đó được đưa vào tháp chưng cất (6) ở đĩa nhập liệu Trước khi vào tháp chưng cất dòng nhập liệu đi qua lưu lượng kế để điều chỉnh lưu lượng vào tháp.

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống, Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống, tại đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì bị pha hơi được tạo nên từ thiết bị gia nhiệt chất lỏng đáy tháp (11) lôi cuốn đi lên trên đỉnh tháp Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có nồng độ cấu tử dễ bay hơi chiếm 96% (nồng độ phân khối lượng).

Dòng hơi ra khỏi đỉnh tháp được dẫn qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (7) và được ngưng tụ hoàn toàn thành dòng lỏng nhưng vẫn ở nhiệt độ cao 57,626 Hỗn hợp lỏng này được cho qua bộ phận chỉnh dòng (8), một phần dòng lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (9) được làm nguội đến 35 o C, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (10) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được đưa hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu Ở phần dưới của tháp, một phần rất ít cấu tử có nhiệt độ sôi thấp (acetone) được bốc hơi và phần lớn cấu tử có nhiệt độ sôi cao (nước) trong dòng lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là nước và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (4% acetone).

Hỗn hợp sản phẩm đáy đi ra khỏi tháp vào thiết bị gia nhiệt chất lỏng(11), trong thiết bị này dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được dẫn đến thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu(4) Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là acetone, phần sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu có nhiệt độ là 50 được dẫn về bồn chứa sản phẩm đáy(12).

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Quy ước các ký hiệu và thông số

F, D, W: Lần lượt là hỗn hợp đầu vào, đỉnh và đáy, (Kmol.h -1 ).

G F : Lưu lượng hỗn hợp đầu vào, (L.h -1 ).

G D : lưu lượng sản phẩm đỉnh (L.h -1 ), G W : lưu lượng sản phẩm đáy (L.h -1 ),

G R : lượng chất lỏng hoàn lưu, (L.h -1 ).

M F : khối lượng phân tử trung bình hỗn hợp đầu vào, Kg.Kmol -1

M D : khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đỉnh, Kg.Kmol -1

M W : khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đáy, Kg.Kmol -1 x F : nồng độ phần mol hỗn hợp đầu vào theo acetone, Kg.Kmol -1 x D : nồng độ phần mol hỗn hợp đỉnh theo acetone, Kg.Kmol -1 xx W : nồng độ phần mol hỗn hợp đáy theo acetone, Kg.Kmol -1 xx

F : nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu vào theo acetone,xx Kg/Kg, D : nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đỉnh theo acetone, Kg.Kg -1 , W : nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đáy theo acetone, Kg.Kg -1 y i : nồng độ phần mol của pha hơi ứng với nồng độ phần mol x i của pha lỏng, Kmol.Kmol -1 y i * : nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi ứng với nồng độ phần mol x i của pha lỏng, Kmol.Kmol -1

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 và

Các thông số ban đầu

Năng suất nhập liệuxx1000 Kg.h -1

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

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

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

Cân bằng vật chất

3.3.1 Nồng độ phần mol của acetone trong tháp x F = x F /M A +(1−x F )/M N x D = x D / M A +(1−x D )/ M N x W x W / M A +(1−x W )/M N

Do ta chọn trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng – sôi nên từ bảng cân bằng lỏng – hơi của hệ acetone – nước tại x F = 0,209 ta nội suy nhiệt độ nhập liệu vào tháp chưng cất là t F = 64,329

Tra bảng I.249 [6] ta có khối lượng

Tra bảng I.2 [6] ta có khối lượng riêng của acetone:

Khối lượng riêng của hỗ hợp nhập liệu vào tháp

Phương trình cân bằng vật chất toàn tháp

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

Các phương trình làm việc

Với = 0,209 từ đồ thị cân bằng ta được y

( 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.

∆x= ∗ ) đường cân bằng và đường làm việc theo pha hơi (

Ta có độ dốc của đường làm việc phần cất phụ thuộc vào chỉ số hoàn lưu R, Đường làm việc phần cất càng gần đường cân bằng thì chỉ số hoàn lưu càng nhỏ, Chỉ số hoàn lưu tối thiểu là chỉ số có giá trị sao cho đĩa dưới cùng của phần cất∆y=y(hay −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 để thiết kế là tỉ số hoàn lưu ứng với chi phí là thấp nhất, được gọi là tỉ số hoàn lưu tối ưu, Khi tăng R thì số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp tăng, thiết bị ngưng tụ, công suất của bơm, nồi đun cũng tăng theo, Chi phí cố định sẽ giảm rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần, lượng nước và lượng nhiệt cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu,

Tổng chi phí gồm chi phí cố định và chi phí vận hành sẽ đi qua điểm tối thiểu ứng với tỉ số hoàn lưu khi đó gọi là tối ưu, Thông thường tỉ số hoàn lưu tối ưu bằng

Khảo sát β từ 1,1 đến 1,5 với khoảng nhảy 0,1 ta được bảng số liệu sau b

Từ bảng số liệu ta có được đồ thị

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

7,259 =4,455 Thay f vào phương trình trên ta được

Cân bằng vật chất y chưng 0,20901+4,455 0,20901+1

Thay số liệu vào phương trình trên ta có

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 với độ nhớt của hỗn hợp lỏng, η tb = f(α,μ)

N lt là số mâm thực tế.

N tt 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 ×

1−0,7965 μ x × Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu:

Suy ra: hình IX.11 trang 171 [7] ta có = 0,34 x W = 0,013 ta có y *W

Tra bảng I.101 Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu:

Tra bảng I.102 (trang 94, [6]) độ nhớt của nước ta có

Tra bảng I.101 (trang 91, [6])độ nhớt của acetone ta μ x × Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu: lg

Tra μ = 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

Trong đó: V tb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3.h -1 ). ω g : tb lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg.h -1 ). ρ ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg.h -1 ).

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 ).

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

Theo IX.93 - 95 trang 182, [7] ta có hệ phương trình:

G l : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất (Kmol.h -1 ). r l : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất (KJ.Kmol -1 ). r d : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra ở đỉnh tháp (KJ.Kmol -1 ). t = t =

Tra bảng I.250 [6] ta có: r ND = 2362,26524(KJ.Kg -1 ) = 42520,7743 (KJ.Kmol -1 ) Tra bảng I.212 [6] ta có: r AD = 521,151093 (KJ.Kg -1 ) = 30226,7634 (KJ.Kmol -1 )

Giải hệ (IV.1), [7] ta được:

G 1 = 1,717068572 (Kmol.h -1 ) y 1 = 0,753494973 (phân mol acetone) − M 1 = 48,13979894 (kg.Kmol -1 ) g 1 = 9,012183572 (Kmol.h -1 ) = 433,8447052(Kg.h -1 )

1) 4.1.1.4 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất

Tốc độ giới hạn hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền

Nồng độ phân mol trung bình: y tb = y

Nhiệt độ trung bình đoạn cất: t tbD =t

Nồng độ phân mol trung bình: x tb = x

Tra bảng I.249 [6] ta có: ρ N = 982,68 (Kg.m -3 ).

Tra bảng I.2 [6] ta có: ρ A = 743,1 (Kg.m -3 ).

Theo IX,104a ta có: ρ xtb =( x ρ

=> ω gh =0,05 × √ Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp bằng 80% tốc độ giới hạn hơi đi trong tháp

Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Đường kính đoạn cất:

Lượng hơi trung bình đ trong tháp

Trong đó: g′ ’ n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg.h -1 ). l : lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg.h -1 ).

Theo IX.98 - 100 trang 182, [7] ta có hệ phương trình:

TrongG′đó: r′ l: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng (Kmol.h -1 ). l : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

Suy ra: r’ 1 SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền

 Giải hệ phương trình (IV.2) ta được x′ 1 = 0,074648 (phân mol acetone) − M tbG′ = g′

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

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

Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t ' tbW =t

Xác định phân mol trung bình:

SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền24 x' tb = x F + x w

Theo IX,104a ta có: bảng I.249 [6] ta có:

Tra bảng I.2 [6] ta có: ρ ' xtb =( x ρ' ' tb A + 1− ρ' x N ' tb ) −1 3,46307 (Kg.m -3 )

=> ω gh =0,05 × √ Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp bằng 80% tốc độ giới Đường hạn hơi đi trong tháp kính đoạn chưng:

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

SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền25

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.

N Tính lại số lỗ trên mâm:

Gọi a là số hình lục giác Áp dụng công thức V,139 ta có: N = 3a

Giải phương trình ta được: a = 21, N 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 h k =( C o 2

Tronguđó: ρ 0 : vận tốc pha hơi qua lỗ (m.s -1 ). ρ G :: khối lượng riêng của pha hơi (Kg.m -3 ). l khối lượng riêng của pha lỏng (Kg.m -3 ).

Tính toán thiết kế tháp chưng cất

: hệ số thắc dòng phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích làm việc của mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.

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

Vận tốc hơi qua lỗ u

Khối lượng riê ng của pha lỏng:ρ = ρ

Khối lượng riêng của pha hơi:

 Độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất h k Q× ( u 2 ) × ρ G Q× 6,723768588 2 × 1,8802091

Khối lượng riêng của pha hơi:

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ G = ρ’ ytb = Đối với phần chưng

 Độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng h' k Q × ( u' C 0 o

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 do lớp chất lỏng trên mâm (h l ) là tính từ chiều cao gờ chảy tràn β(h W ), chiều cao tính toán của lớp chất lỏng bọt trên gờ chảy tràn (h OW ) và hệ số sục khí

Tính toán thiết kế tháp h= chưng β× (h cất + h ) CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ

Thanh l W OW (mm chất lỏng) (5,17 trang 120, [8])

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 -1 ). 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

Suy ra: LW = Dt × s in(n0/2)n== phương trình ta được:

Xác định q L Đối với mâm phần cất q L  h ow = 43,4 ×

Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là h 1 = 0,6 × (50 + 1,396031615) = 30,83761897 (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 +5,385487 ) = 33,23129 (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 ). t = lượng riêng của pha lỏng:

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

Tra bảng I.242 trang 301: ta có sức căng bề mặt của acetone: σ AL = 18,4708125 (dyn.cm -1 ).

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

Khối 79,2915 t’ tb = lượng riêng của pha lỏng:

Tra bảng I.249 trang 311, [6]: ta có sức căng bề mặt của nước:

Tra bảng I.242 trang 301, [6]: ta có sức căng bề mặt của ace tone : σ’ σ’ AL = 16,1815625 (dyn.cm -1 ).

Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là h' R b5,54 ×

 Cho nên độ giảm áp tổng của pha khí qua một mâm là

Tổng trở lực của toàn tháp hay độ giảm áp tổng cộng của toàn tháp là: (xem độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở phần chưng).

4.2.3 Kiểm tra khả năng hoạt động của tháp

4.2.3.1 Kiểm tra ngập lụt khi hoạt động

Chọn khoảng cách giữa hai mâm, với đường kính tháp bằng 0,4 m là:

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng của mâm xuyên lỗ được xác định theo biếu thức:

: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm.

⇒h d =0,128⋅ (1000,10060392 ×0,100531 ) 2 =0,000012819 (mm chất lỏng) Vậy chiều cao mực chất lỏng ở phần cất là: h d = 50+1,396031615+51,04683708+0,000012819 = 102,4428815 (mm)

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

⇒h d ' =0,128 ⋅ ( 100 0,762271295 ×0,100531 ) 2 =0,000735918 (mm chất lỏng) h’ Vậy chiều cao mực chất lỏng ở phần chưng là: d = 50+5,385487+42,13548052+0,000735918 ,52170386 (mm)

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

4.2.4 Tính toán chiều cao tháp

Chiều cao của thân tháp

H nắp =H đáy =h b + h gờ =0,1+0,025=0,125( m ) Vậy chiều cao của tháp là

Tính toán cơ khí tháp

Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối ( phương pháp hồ quang) Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích.

Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của acetone đối với thiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là inox SUS 304 Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chỉ cần tính thân chịu áp suất 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

Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằng tay nên hệ số mối hàn: φ h =1 Ứng suất cho phép giới hạn bền xác định theo công thức XIII.1 và bảng XIII.3, [7]

= 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, [7]

Ta lấy giá trị bé hơn trong hai kết quả trên để tính toán.

Do đó, bề dày tính toán của thân theo công thức (XIII.8 trang 360, [7]):

Tính toán thiết kế tháp chưng cất CBHD: PGS.TS Lương Huỳnh Vủ Thanh

Mà bề dày thực của thân tháp là:

- : hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của chất lỏng Chọn tốc độ ăn mòn của acetone là 0,1 (mm/năm), thiết bị hoạt động trong 20 năm Do đó mm.

- : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn mm.

- : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn mm.

- : hệ số bổ sung qui tròn, chọn C o =1,762 mm.

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 [7]

Do đáy (nắp) có lỗ làm việc chịu áp suất trong nên:

(4-12) Với : hệ số không thứ nguyên

: đường kính lớn nhất ( hay kích thước lớn nhất của lỗ không phải hình tròn), của lỗ không tăng cứng Chọn đường kính lỗ ống hơi của đáy và nắp tháp mm.

Chọn nhiệt độ tính toán: o C.

Chiều dày tính toán được xác định theo công thức (XIII.47 trang 385 [7]):

(4-13) Với : chiều cao phần lồi của đáy ( m) (XIII.10 trang 384).

⇒S ' Trong đó: h d là hiều cao phần lồi của đáy ( h d =0.1 m ¿ h

Tra bảng XIII.11 trang 384 [7] ta được chiều cao gờ của đái nắp 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=2,99977 (mm), nên:

Vì mm nên tăng thêm 2 mm (trang 386, [7]).

Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất khí quyển nên ta có thể bỏ qua phần tính toán cho đáy nắp chịu áp suất ngoài Để dễ dàng cho việc lắp ráp các bộ phận của tháp chưng cất ta nên chọn bề dày của thân và bề dày của đáy nắp thiết bị như 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 bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng:

Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích này chủ yếu dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình.

Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn vật liệu.

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 =0,16283606 N.mm -2 dựa vào bảng XIII.27 trang 417, [7]

Tra bảng IX.5 trang 170, [7] ta chọn khoảng cách giữa hai mặt bích là 1000 mm

=> số mâm giữa hai mặt bích là 4 số mặt bích ghép thân – đáy – nắp là 8 bích. Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định Đệm làm bằng vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích Khi xiết bu- lông, đệm bị biến dạng và lắp đầy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt của bích Vậy để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là đệm cao su cách nhiệt có bề dày là 3 mm.

4.3.4 Đường kính các ống dẫn và thông số các bích ghép ống

Do áp thiết bị làm việc ở áp suất thường nên để tiết kiệm chi phí, ta chọn bích ghép các ống dẫn làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ.

Hình 4-9 Bích liền không cổ ghép ống dẫn với thiết bị [7]

4.3.4.1 Tại vị trí nhập liệu:

Lưu lượng chất lỏng nhập liệu: Q F 00 (Kg.h -1 ) ¿ 1 (m 3 /h)

Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu): v F 0.1 (m.s -1 ). Đường kính nhập liệu: d

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

Tra bảng XIII.32 trang 434, [7] ta chọn được chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: l F = 110 mm

Tra bảng XIII.26 trang 409, [7] để xác định các thông số của bích ghép ống nhập liệu:

Bảng 4-5 Thông số bích ghép ống nhập liệu

Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: g d =¿ 481.8341132 kg.h -1

Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp ở t D W,626 o C và y D =0,9227 ; được tính theo công thức: ρ h =[ 58 y D +(1− y D ).18 ] 273 =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 -1 Đường kính ống dẫn hơi: d h = √

Nên chọn đường kính ống dẫn hơi:

Tra bảng XIII.32 trang 434, [7] ta bích: l h = 110 (mm)

Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp (XIII.26 trang 409, [7])

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

Khối lượng riêng của chất lỏng hoàn lưu ở t D W,626 o C và x D =0,96

Tra bảng I.2 trang 9, [6] ta được: ρ A t8,6 (kg.m -3 )

Tra bảng I.249 trang 310, [6] ta được: ρ N 4,3 (kg.m -3 )

Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu:

Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu (tự chảy từ bộ phận tách lỏng ngưng tụ vào tháp): m.s -1 Đường kính ống hoàn lưu: d hl =√

Nên chọn đường kính ống hoàn lưu: d hl = 0.02 (m)

Chọn chiều dài đoạn ống nối ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [7]):l hl = 80 (mm) Các thông số của bích ghép ống hoàn lưu (tra bảng XIII.26 trang 409, [7])

Bảng 4-7 Thông số bích ghép ống hoàn lưu

4.3.4.4 Ống dẫn hơi vào đáy tháp:

Suất lượng hơi vào đáy tháp: g ' 1 7,761354 (kg/h)

Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp ở t w ,254 o C và y w =0,2948

Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:

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

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

Chiều dài ống nối để ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [7]): l hđ = 110 (mm)

Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp (XIII.26 trang 409, [7])

Bảng 4-8 Thông số bích ghép ống dẫn hơi vào tháp

4.3.4.5 Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp:

Suất lượng chất lỏng vào nồi đun:

G ' 1 × M tbG' =¿32,0900192 x 20,9859188 = 673,4385372 (kg.h -1 ) Khối lượng riêng của chất lỏng vào nồi đun với t w ,254 o C và x ' 1 =0,077

Tra bảng I.2 trang 9, [6] ta được: ρ A p0,525

Tra bảng I.249 trang 310, [6] ta được: ρ N 2,472 (kg.m -3 )

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 -1 ) Đường kính ống dẫn chất lỏng:

Chọn đường kính ống dẫn: d L = 0.07 (m)

Chiều dài ống nối để ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [7]): 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

Tính toán thiết kế tháp chưng cất

Lưu lượng sản phẩm đáy:

Q w Chọn vận tốc dòng sản phẩm đáy (chất lỏng tự chảy): v w =0,1 (m.s -1 ) Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: d w = √

Chọn đường kính ống dẫn: d w =0,05 m

Chiều dài ống nối để ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [7]): mm

Các thông số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy (XIII.26, trang 409, [7]):

Bảng 4-10 Thông số bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy

4.4 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

4 ×0 , 4 2 × 0,002× 0,72 ×7930 ¿ 1,435 (kg) Khối lượng của thân tháp:

Tính toán thiết kế tháp chưng cất m 3 = π ×(D n 2 −D t 2 )× H t hâ n × ρ

Khối lượng của đáy, nắp tháp: m đá y =S đá y × δ đá y × ρ SUS304=0,2× 0,005× 7930=4,758 (kg)

Với S đá y =0,2 (tra bảng XIII.10 trang 384, [7])

Khối lượng chất lỏng trong tháp:

Giả sử trường hợp xấu nhất xảy ra hiện tượng ngập lụt thì chất lỏng sẽ dâng lên toàn tháp, khi đó chiều cao mực chất lỏng sẽ dâng lên toàn tháp, khi đó chiều cao mực chất lỏng sẽ bằng chiều cao tháp.Tuy nhiên do bên trong tháp còn vị trí của các mâm nên thể tích chất lỏng không chiếm hết thể tích toàn tháp.

Chọn m cl = ( π D t 2 4 H thân ) × ( ρ xtb + 2 ρ' xtb ) ¿ ( π 0.4 2 ×6,596 ) × ( 783,69159+883,46307 ) i0,934( 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 m x 13,1073+ 23 x 1,435+ 332,758+ 2 x

Trọng lượng của toàn tháp: P=m× g75,9298× 9,81497,871(N)

Hình 4-10 Chân đỡ tháp (trang 437, [7])

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

4 374,468=0,337 × 10 4 (N) Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: G c =0,5 ×10 4 N Các kích thước chân đỡ (mm) tra bảng XIII.35 trang 437, [7]:

Bảng 4-11 Kích thước chân đỡ

Hình 4-11 Tai treo của thiết bị thằng đứng (trang 438, [7])

Chọn tai treo (thép CT3): tai treo được gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động trong điều kiện ngoại cảnh Ta chọn bốn tai treo, tải trọng cho phép trên một tai treo.

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, [7]):

- Chiều dài tấm lót: 260 mm

- Chiều rộng tấm lót: 140 mm

- Bề dày tấm lót: 6 mm

Các kích thước của tai treo (mm), tra bảng XIII.36, trang 438, [7]:

Bảng 4-12 Kích thước tai treo tháp

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VÀ

5.1 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 -1 )

- : nhiệt lượng riêng của dòng hơi vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (kJ.kg -1 )

Vì nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu là 64,329 o C nên nhiệt độ của dòng hơi cấp nhiệt phải lớn Chọn nhiệt độ của dòng hơi cấp nhiệt thiêt bị là 112,7 o C tương đương với nhiệt độ sôi của nước ở 1,6 at Theo bảng I.250, trang 312, [6] ta có nhiệt lượng riêng của hơi nước ở 112,7 o C là 2703 (kJ.kg -1 ) ⇒ 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 (J.kg -1 độ) (bảng I.154, trang 172, [6])

Nhiệt dung riêng của nước ở 30 o C, C A = 4181.189688 (J.kg.độ) (bảng I.147, trang 165, [6])

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

- : nhiệt dung riêng của hỗn hợp đi ra khỏi thiết bị đun sôi (J.kg -1 độ)

- t F d,329 o C Ở 64,329 o C, C A #19,381 (J.kg.độ) (bảng I.153, trang 171, [6]) Ở 64,329 o C, C N A89,186299(J.kg.độ) (bảng I.147, trang 165, [6])

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

- Ở 112,7 o C, C 1 =4,2398 (kJ.kg -1 độ) (tra bảng I.148, trang 166, [6])

: 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:

(IX.154, trang 197, [7]) (5-7) Tại t 1 2,7 o C tra bảng I.250, trang 312, [6] 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:

5.2 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. Chọn nhiệt độ của dòng hơi cấp nhiệt của thiết bị là 112,7 o C tương đương với nhiệt độ sôi của nước ở 1,6 at Theo bảng I.250 trang 312, [6] ta có nhiệt lượng riêng của nước ở 112,7 o C là 2703 (kJ.kg -1 ) ⇒ λ 2 '03 (kJ.kg -1 )

: nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp

- : nhiệt dung riêng của dòng hồi lưu (J.kg -1 độ)

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

Tra bảng I.154, trang 172, [6] ⇒C A "98,035 (J.kg.độ)

Tra bảng I.147, trang 165, [6] ⇒C N 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 -1 ). λ D =λ N y ¿ D + λ A (1− y ¿ D )

Tra bảng I.153, trang 171, [6] ⇒C A "98,035 (J.kg.độ)

Tra bảng I.212, trang 254, [6] ⇒r A R1,151 (kJ.kg)

1) : phân khối lượng của dòng hơi ra khỏi đỉnh tháp y ¿

Tra bảng I.250, trang 312, [7] ta có λ N &00,442 (kJ.kg -1 )

: nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra

- : nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đáy (J.kg -1 độ)

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

- Tra bảng I.147, trang 165, [6] ở 94,254 o C ⇒C N B12,197 (J.kg -1 độ)

- Xem hỗn hợp đáy chỉ gồm nước ⇒C w =C N 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, [6] ở 112,7 o C: C nt 2 =4,2398 (J.kg -1 độ)

: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường của toàn tháp

Tại t 1 2,7 o C ta có r đ "25,128 (kJ.kg) (tra bảng I.212, trang 254, [6])

5.3.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống loại TH đặt nằm ngang Ống truyền nhiệt làm bằng inox SUS 304, kích thước ống 25 x 2, chiều dài ống L= 2 (m)

Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ đầu t 1 = 27 o C và nhiệt độ cuối t 2 E o C

Nhiệt độ trung bình trong thiết bị ngưng tụ hồi lưu: 36 o C

Các tính chất lý học của nước được tra ở tài liệu tham khảo [6] ứng với nhiệt độ trung bình t tbD = 36 o C:

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

(IX.165, trang 198, [7]) (5-15) Tra bảng I.212, trang 254, [6] ở t D W,626 o C ta được r D f3,469 (kJ.kg -1 )

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:

Xác định hệ số truyền nhiệt K:

- : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W.m -1 độ)

- : hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W.m -1 độ)

- : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu a Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống

Chọn vận tốc nước đi trong ống: v N =0.5 m.s -1

Số ống trong một đường nước: n G

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 36 o C nên Pr N = 4,782 (I.249, trang 310, [6])

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

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: α

Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N =α N ( t w 2−t tbN )Với là nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống).

Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:

- : nhiệt độ vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống)

- Bề dày thành ống: mm m

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

- Nhiệt trở lớp bẩn trong nước với nước sạch: m 2 độ.m -1

- Nhiệt trở lớp cấu tử sản phẩm đỉnh với tường ngoài ống: m 2 độm -1

Vậy: b Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ Đặt:

Nhiệt tải ngoài thành ống: q A =α A ¿ (W.m -2 )

Từ (5-19), (5-22), (5-24) sử dụng phương pháp lặp để xác định ,

Các tính chất lý học của acetone ngưng tụ được tra ở tài liệu tham khảo [6] ứng với nhiệt độ trung bình:

- Ẩn nhiệt ngưng tụ (bảng I.250, trang 254, [6]): r A =r D f3,4692162 (kJ.kg -1 )

- Khối lượng riêng (bảng I.2, trang 9, [6]): ρ A u3,366 (kg.m -3 )

- Độ nhớt động học (bảng I.101, trang 91, [6]): μ A =0,24099.1 0 −3 (N.s.m -2 )

- Hệ số dẫn nhiệt (bảng I.130, trang 134, [6]): λ A =0,165 (W/m.K)

Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: q A =q t 937,62 (W.m -2 )

Từ (5-22) ta có: t w 2 =t w 1 −q t 5,227 10 −4 A,192 o C Tra bảng I.249, trang 310, [6]: Pr w ¿ 4,219 Từ (5-19) ta có:

SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền53 q N = 3930,33

Bề mặt truyền nhiệt trung bình:

Khi đó số ống tăng lên 6,142 lần: n=9 ×6,142B,996 ống nên chọn n = 61 ống

Lớp cách nhiệt

Trong quá trình hoạt động của tháp, do tháp tiếp xúc với không khí nên nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh ngày càng lớn Để tháp hoạt động ổn định, đúng với các thông số đã thiết kế, ta phải tăng dần lượng hơi đốt gia nhiệt cho nồi đun để tháp không bị nguội (nhất là sản phẩm đỉnh, ảnh hưởng đến hiệu suất của tháp) Khi đó, chi phí cho hơi đốt sẽ tăng Để tháp không bị nguội mà không tăng chi phí hơi đốt ta thiết kế lớp cách nhiệt bao quanh thân tháp.

Chọn vật liệu cách nhiệt cho thân tháp là amiang có bề dày Tra tài liệu tham khảo [7], hệ số dẫn nhiệt của amiang là W.m -1 độ -1

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh:

Q xq 2 805,683 (kJ/h) = 4668,245 (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, Δt v 0−35e o C

- : diện tích bề mặt trung bình của tháp (kể cả lớp cách nhiệt)

Do lớp amiang trên thị trường có bề dày từ 2-3 mm nên ta chọn bề dày lớp bảo ôn a là 21 mm, quấn thành 7 lớp, mỗi lớp dày 3 mm.

Suy ra diện tích bề mặt trung bình của tháp (kể cả lớp cách nhiệt) là

TÍNH TOÁN CHI PHÍ

Tính sơ bộ giá thành vật liệu của hệ thống chưng cất:

Bảng 6-18 Chi phí sơ bộ của hệ thống chưng cấtk

Chiều dài ống ghép bích Ống 25 mm Ống 35 mm Ống 50 mm Ống 100 mm

Số tiền mua vật tư chế tạo thiết bị là 366 261 200 (VNĐ).

Phí gia công là 231 342 600 (VNĐ).

Vậy tổng chi phí phải chi là 597 603 800 (VNĐ).

Sau quá trình nghiên cứu và trao đổi với thầy hướng dẫn cùng các bạn, em đã học tập và hiểu được một số vấn đề:

- Thiết kế được hệ thống chưng cất acetone – nước với thiết bị chính là tháp mâm xuyên lỗ tương đối hoàn chỉnh khi biết trước lưu lượng nhập liệu, nồng độ nhập liệu và nồng độ sản phẩm đáy, độ thu hồi của sản phẩm đỉnh.

- Tính toán tương đối chi tiết quá trình làm việc của thiết bị và khả năng chịu bền của thiết bị về tính ăn mòn cơ học, hoá học và vật lí, cũng như điều kiện làm việc của thiết bị.

- Tính toán sơ bộ tổng chi phí đầu tư cho một hệ thống chưng cất acetone. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị chưng cất đã thiết kế ứng với các thông số đã cho ban đầu:

- Tỉ số hoàn lưu thích hợp: R=0,20901

- Số mâm chưng cất thực tế: 23 mâm ( 13 mâm cất, 9 mâm chưng và 1 mâm nhập liệu)

- Đường kính tháp chưng cất: 400 (mm).

- Đường kính lỗ trên mâm: 3 (mm).

- Số lỗ trên một mâm: 1387 lỗ.

- Trở lực của toàn tháp: 8753,621 (N/m 2 ).

- Khoảng cách giữa hai mâm: 250 (mm).

- Chiều cao gờ chảy tràn: 50 mm

- Thân – đáy – nắp làm bằng inox SUS 304, có bề dày: 5 (mm).

- Bích ghép thân – đáy – nắp làm bằng thép SUS 304, loại bích liền không cổ.

SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền Trang 88

Tiêu đề	Thiết Kế Hệ Thống Chưng Cất Liên Tục Mâm Xuyên Lỗ Hỗn Hợp Acetone – Nước
Tác giả	Nguyễn Thị Kim Thuyền
Người hướng dẫn	PGS.TS. Lương Huỳnh Vủ Thanh
Trường học	Trường Đại học Cần Thơ
Chuyên ngành	Công nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
Thể loại	Đồ án Quá trình và Thiết bị
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Cần Thơ

Định dạng
Số trang	140
Dung lượng	1,25 MB