Đề tài Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất thường để tách hỗn hợp axeton – nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH THIẾT BỊ TRONG CƠNG NGHIỆP HĨA CHẤT VÀ THỰC PHẨM o0o ĐỒ ÁN MƠN HỌC Đề tài: Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục làm việc áp suất thường để tách hỗn hợp axeton – nước Sinh viên thực hiện: Phan Thị Huyền Trang MSSV: 20180984 Lớp: Kỹ thuật hóa học 08 – K63 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Xá Hà Nội, 2022 VIỆN KỸ THUẬT HỐ HỌC CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MƠN Q TRÌNH - THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HỐ HỌC VÀ THỰC PHẨM _ Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC CH3440 Họ tên: Phan Thị Huyền Trang Lớp: 710104 MSSV:20180984 Khóa:k63 I Đầu đề thiết kế: Thiết kế tính tốn hệ thống chưng luyện liên tục làm việc áp suất thường để tách hỗn hợp hai cấu tử: axeton nước Hỗn hợp đầu vào tháp nhiệt độ sôi Tháp loại : kiểu c: đĩa lỗ khơng có ống chảy chuyền II Các số liệu ban đầu: - Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu : 7500 kg/h; - Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay trong: + hỗn hợp đầu 42,5% khối lượng; + sản phẩm đỉnh 98,5% khối lượng; + sản phẩm đáy 1,7% khốilượng III Nội dung phần thuyết minh tính tốn: Phần mở đầu Vẽ thuyết minh sơ đồ cơng nghệ (bản vẽ A4) Tính tốn kỹ thuật thiết bị Tính chọn thiết bị phụ Kết luận Tài liệu tham khảo IV Các vẽ - Bản vẽ dây chuyền công nghệ: khổ A4 - Bản vẽ lắp thiết bị chính: khổ A1 V Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Xá VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày 11 tháng 10 năm 2021 VII Ngày phải hoàn thành: ngày 27 tháng 01 năm 2022 Phê duyệt Bộ môn Ngày tháng năm 2021 Người hướng dẫn (Họ tên chữ ký) TS Nguyễn Văn Xá MỤC LỤC MỞ ĐẦU NỘI DUNG PHẦN I: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT AXETON VÀ NƯỚC Sơ đồ công nghệ PFD thuyết minh sơ đồ a Sơ đồ công nghệ PFD b Các thiết bị sử dụng sơ đồ c Thuyết minh sơ đồ Hỗn hợp hai cấu tử axeton nước 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Ứng dụng axeton công nghiệp dân dụng 2.3 Các phương pháp sản xuất axeton Tổng quan phương pháp chưng luyện hai cấu tử 10 PHẦN II: TÍNH TỐN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH 13 Tính cân vật liệu 13 Xác định số hồi lưu thích hợp 14 2.1 Xác định số hồi lưu tối thiểu Rmin 14 2.2 Xác định số hồi lưu thích hợp RTH 16 Tính đường kính tháp chưng luyện 23 3.1 Tính đường kính đoạn luyện 23 3.2 Tính đường kính đoạn chưng 29 Xác định chiều cao tháp 34 4.1 Xác định hiệu suất chuyển khối trung bình tháp 34 4.2 Xác định chiều cao tháp 37 Cân nhiệt lượng tháp chưng luyện 38 5.1 Cân nhiệt lượng thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 38 5.2 Cân nhiệt lượng tháp chưng luyện 40 5.3 Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ 44 5.4 Cân nhiệt lượng thiết bị làm mát 45 Trở lực tháp 45 6.1 Trở lực đĩa khô 46 6.2 Trở lực sức căng bề mặt 49 6.3 Trở lực thủy tĩnh lớp chất lỏng đĩa 50 6.4 Tổng trở lực tháp 51 Tính tốn khí 52 7.1 Tính chiều dày thân tháp 52 7.2 Tính chiều dày đáy, nắp 56 7.3 Tính ống dẫn vào khỏi tháp 58 7.3.1 Ống dẫn nguyên liệu đầu 58 7.3.2 Ống dẫn khỏi đỉnh tháp 59 7.3.3 Ống tháo sản phẩm đáy 60 7.3.4 Ống dẫn lượng lỏng hồi lưu đỉnh 60 7.3.5 Ống dẫn sau gia nhiệt đáy tháp 61 7.4 Chọn mặt bích 62 7.5 Tính chân đỡ tháp 63 7.5.1 Tải trọng cực đại toàn tháp 64 7.5.2 Tính chọn chân đỡ 67 PHẦN III: TÍNH TỐN KỸ THUẬT THIẾT BỊ PHỤ TRỢ 71 Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 71 1.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 71 1.2 Tính nhiệt tải trung bình 72 1.2.1 Xác định chế độ chảy hỗn hợp lỏng ống qua chuẩn số Reynold 72 1.2.2 Tính hệ số cấp nhiệt dung dịch 2 74 1.2.3 Tính hệ số cấp nhiệt ngưng tụ 1 75 1.2.4 Tổng trở nhiệt thành ống 76 1.2.5 Nhiệt tải riêng trung bình 76 1.3 Bề mặt trao đổi nhiệt đường kính thiết bị 76 Tính bơm hỗn hợp đầu 77 2.1 Áp suất toàn phần bơm 78 2.1.1 Áp suất động lực học, Δpđ 78 2.1.2 Áp suất để khắc phục trở lực ma sát dòng chảy ổn định ống thẳng, Δpm 79 2.1.3 Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, Δpc 81 2.1.4 Áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao để khắc phục áp suất thủy tĩnh, pH 81 2.1.5 Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực thiết bị, pt 82 2.1.6 Áp suất bổ sung cuối ống dẫn trường hợp cần thiết, Δpk 84 2.2 Công suất lắp đặt cho bơm 84 Tính tốn thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp 85 3.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 85 3.2 Tính nhiệt tải trung bình 86 3.2.1 Xác định chế độ chảy hỗn hợp lỏng ống qua chuẩn số Reynold 87 3.2.2 Tính hệ số cấp nhiệt dung dịch 2 87 3.2.3 Tính hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh, 1 89 3.2.4 Tổng trở nhiệt thành ống 89 3.2.5 Nhiệt tải riêng trung bình 90 3.3 Bề mặt trao đổi nhiệt đường kính thiết bị 90 KẾT LUẬN 92 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 MỞ ĐẦU Trong thời đại cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước, ngành cơng nghiệp hóa chất ngành có lịch sử đâu đời, có đóng góp quan trọng hầu hết ngành công nghiệp Với ứng dụng rộng lớn, ngành cơng nghiệp hóa chất khai thác mạnh từ tài ngun khống sản, dầu khí, sản phẩm, chí phế phẩm cơng, nơng nghiệp Mặc dù nay, nhìn chung ngành hóa chất lạc hậu, phát triển so với nước khác, nhiên, bước phát triển mạnh mẽ, công ty, nhà máy sản xuất liên tục xây dựng với công nghệ tiên tiến Trong trình sản xuất, pha chế sản phẩm hóa học khơng thể khơng kể đến dung mơi cơng nghiệp, chúng hóa chất thiếu ngành công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ Và dung môi phổ biến axeton Axeton chất lỏng suốt, bay nhanh có mùi gắt, có khả tan vơ hạn nước nhiều loại dầu mỡ động, thực vật Nhờ có khả bay nhanh mà axeton sử dụng nhiều sản xuất sơn mau khơ, sơn móng tay và loại mỹ phẩm…Ngồi ra, axeton cịn dung mơi nhiều loại chất tẩy rửa, ngành công nghệ tổng hợp hữu hóa dầu, hay làm hóa chất trung gian Là hóa chất phát từ lâu, đó, để sản xuất axeton, người ta chưng cất khô muối axetat nhờ phản ứng decarboxyl hay lên men hỗn hợp axeton-etanol nhờ vi khuẩn Clostridium acetobutylicum Tuy nhiên hai phương pháp không cho hiệu cao Hiện nay, axeton đa phần sản xuất trực tiếp gián tiếp từ propen, phải đến 82% axeton tạo phương pháp cumen Hay sản xuất trực tiếp từ propen cách oxi hóa hidro hóa Ngồi ra, axeton cịn sản phẩm phụ q trình lên men Trong phương pháp kể trên, để tạo axeton, phương pháp phải thực bước cuối tách axeton nước để tăng độ tinh khiết axeton Hỗn hợp axeton hỗn hợp lỏng đồng có nhiệt độ sơi khác xa nhau, nhiệt độ sôi nước áp suất thường 100C axeton 56,5C Vì vậy, ta tách hai cấu tử độc lập với phương pháp chưng luyện Trong thời đại tự động hóa, q trình chưng cất cần tiến hành liên tục đồng thời có biện pháp khắc phục hỏng hóc mà khơng làm gián đoạn q trình Cùng với nâng cao hiệu suất, giảm chi phí đầu tư, gia tăng giá trị kinh tế cho sản phẩm Để làm điều đó, trước tiên cần phải có nghiên cứu, thí nghiệm dần vào sản xuất với quy mô công nghiệp Nhiệm vụ mục tiêu đồ án để nghiên cứu thiết kế, tính tốn hệ thống chưng luyện liên tục làm việc áp suất thường để tách hỗn hợp hai cấu tử axeton nước với kiểu tháp đĩa lỗ khơng có ống chảy chuyền Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Xá dẫn tận tình bảo em suốt trình thực đồ án Đồng thời, em xin gửi cảm ơn đến thầy cô bạn giúp em có kiến thức bổ ích để em có khả hồn thiện đồ án Tuy nhiên, kiến thức nhiều hạn chế nên đồ án cịn nhiều sai sót, em mong nhận ý kiến đóng góp từ quý thầy cô bạn NỘI DUNG PHẦN I: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT AXETON VÀ NƯỚC Sơ đồ công nghệ PFD thuyết minh sơ đồ a Sơ đồ cơng nghệ PFD (được trình bày A4 đính kèm) b Các thiết bị sử dụng sơ đồ Bảng 1: Các thiết bị sử dụng tronng sơ đồ STT Ký hiệu Tên thiết bị E-1 Tháp chưng luyện T-1 Thùng chứa hỗn hợp đầu T-2 Thùng chứa sản phẩm đáy T-3 Thùng chứa sản phẩm đỉnh H-1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu H-2 Thiết bị đun sôi đáy tháp C-1 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy C-2 Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp C-3 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 10 R-1 Cơ cấu hồi lưu sản phẩm đỉnh 11 R-2 Cơ cấu hồi lưu đáy tháp 12 P-1 Bơm 13 P-2 Bơm dự phòng 14 X-1 Thiết bị tháo nước ngưng sau thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 15 X-2 Thiết bị tháo nước ngưng sau thiết bị đun sôi đáy tháp 16 F-1 Lưu lượng kế đo lưu lượng hỗn hợp đầu 17 F-2 Lưu lượng kế đo lượng sản phẩm đỉnh 18 V-1,…V-7 Hệ thống van c Thuyết minh sơ đồ Dung dịch hỗn hợp đầu từ thùng chứa T-1 bơm P-1 bơm liên tục vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu H-1 qua van V-1 lưu lượng kế F-1 Bơm P-1 P-2 lắp song song với bơm P-1 bị hỏng để hệ thống vận hành liên tục Tại thiết bị gia nhiệt H-1, hỗn hợp gia nhiệt đến nhiệt độ sôi tiếp tục đưa vào tháp chưng luyện E-1 đĩa tiếp liệu Trong tháp chưng luyện, từ lên gặp lỏng từ xuống, có tiếp xúc trao đổi hai pha với Nồng độ cấu tử thay đổi theo chiều cao tháp, xuống phía đáy tháp, nồng độ cấu tử dễ bay giảm Nhiệt độ thay đổi theo độ cao, lên cao nhiệt độ giảm, qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sơi cao ngưng tụ lại rơi xuống đáy tháp, cấu tử có nhiệt độ sôi thấp tiếp tục lên Quá trình bốc ngưng tụ lặp lại nhiều lần bên tháp Phần lỏng rơi xuống đáy tháp giàu cấu tử khó bay hơn, qua cấu hồi lưu đáy tháp R-2, phần ngưng tụ lại thành sản phẩm qua thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy C-1 thùng chứa sản phẩm đáy T-2, phần đưa qua thiết bị đun sôi đáy tháp H-2, gia thiệt đến nhiệt độ sôi để hồi lưu lại tháp chưng luyện Phần bay lên có nhiều cấu tử dễ bay đưa đến thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp C-2 ngưng tụ hoàn toàn lượng bay thành lỏng Một phần lỏng hồi lưu lại tháp chưng rơi xuống đáy tháp, phần đưa đến thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh C-3 đến nhiệt độ cần thiết vào thùng chứa sản phẩm đỉnh T-3 Như vậy, với thiết bị chưng luyện làm việc liên tục hỗn hợp đầu đưa vào liên tục, sản phẩm tháo liên tục Hỗn hợp hai cấu tử axeton nước 2.1 Giới thiệu chung  Axeton gọi dimethyl keton, hợp chất hữu cơ, có cơng thức hóa học (CH3)2CO Đó chất lỏng suốt, dễ bay dễ cháy với mùi gắt đặc trưng, dạng axeton Axeton có nhiệt độ sôi khoảng 56C-57C áp suất thường, hợp chất tan vô hạn nước  Một số thông số vật lý axeton:  Điểm nóng chảy (°C): -94,6  Điểm sôi (°C): 56,5  Độ nhớt : 0.316cP (25C)  Mật độ tương đối (nước = 1): 0,788  Mật độ tương đối (khơng khí = 1): 2,00  Áp suất bão hòa (kPa): 53,32 (39,5°C)  Nhiệt lượng đốt cháy (kJ/mol): 1788,7  Nhiệt độ giới hạn (°C): 235,5  Nước hợp chất vơ có cơng thức hóa học H2O, chất lỏng không màu, không mùi, không vị, không bắt cháy, có nhiệt độ sơi áp suất thường 100C  Vì vậy, để tách hỗn hợp axeton-nước tách phương pháp chưng cất nhờ chênh lệch nhiệt độ sôi lớn 2.2 Ứng dụng axeton công nghiệp dân dụng Axton hợp chất có ứng dụng đa dạng cơng nghiệp, y tế, thí nghiệm dân dụng  Trong công nghiệp: Sử dụng làm dung môi Aceton dung môi công nghiệp phổ biến, dùng nhiều sản xuất chất dẻo, nhựa, plastic, sản xuất sơn, Đặc biệt cịn dung mơi cho cao su tổng hợp, acrylic, nitrocellulose nhiều ngành công nghiệp khác  Axeton dung môi tốt cho nhựa số sợi tổng hợp Axeton dùng để pha loãng nhựa polieste, sử dụng chất tẩy rửa, dụng cụ làm Dùng để pha keo epoxy thành phần trước đóng rắn sử dụng thành phần dễ bay số loại sơn vecni Như chất tẩy nhờn nặng, axeton hữu ích việc làm kim loại trước sơn đê loại bỏ nhựa thông sau hàn xong  Mặc dù dễ cháy, axeton sử dụng rộng rãi dung môi để vận chuyển lưu trữ axetilen, chất chịu áp suất lớn dạng hợp chất tinh khiết khơng an tồn Các thùng chứa chứa axetilen hòa tan axeton Một lít axeton hịa tan khoảng 250 lít axetilen  Dung làm hóa chất trung gian  Axeton dùng để tổng hợp metyl metacrilat (CH3)2CO + HCN → (CH3)2C(OH)CN (CH3)2C(OH)CN + CH3OH → CH2= C(CH3)COOCH + NH3 Ở nhiệt độ đầu t = 15C, khối lượng riêng hỗn hợp lỏng: axeton = 796,5 kg/m3 nước = 998,5 kg/m3  hh2 = 901,349 kg/m3 Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy ống: V = mF/ = 7500/901,349 = 8,32 (m3/h) = 0,002311(m3/s) Vận tốc chất lỏng ống đẩy bơm xác định theo bảng II.2 [2,370] Chọn vận tốc trung bình  = 1,5m/s Đường kính ống là: d = √ V 0,785×ω =√ 0,002311 0,785×1,5 = 0,0443m Quy chuẩn đường kính, d6 = 0,05m = 50mm  Δpđ2 = (901,349  1,52)/2 = 1014,018N/m2 Tổng áp suất động lực trung bình Δpđ = Δpđ1 + Δpđ2 = 16,70 + 1014,018  Δpđ = 1030,721 N/m2 2.1.2 Áp suất để khắc phục trở lực ma sát dòng chảy ổn định ống thẳng, Δpm Được tính theo cơng thức sau: Δpm = λ   Δpm = λ  L dtd L dtd  ρ×ω2 , N/m2 [2,377]  Δpđ, N/m2 Trong đó: λ – hệ số ma sát, L – chiều dài ống dẫn, m dtd – đường kính tương đương ống, m  Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp: Khối lượng riêng chất lỏng ống: hh1 = 860,795 kg/m3 Vận tốc thực tế ống TT = 0,197m/s Đường kính ống d1 = 0,125m Δpđ1 = 16,70 N/m2 Ở nhiệt độ sau khỏi thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, tF = 65,163C Độ nhớt cấu tử: 79 μaxeton = 0,222 10-3 (N.s/m2) μnước = 0,44.10-3 (N.s/m2)  μhh = 3,29.10-4(N.s/m2) Re = ω×d×ρ μ = 0,197×0,125×860,795 3,29×10−4 = 64430,38 > 4000 => Chảy xoáy Ở chế độ chảy xoáy, hệ số ma sát xác định theo công thức: √𝜆 = -2  log [( 6,81 0,9 𝑅𝑒 ) + ∆ ] [2,380] 3,7 Trong đó:  - độ nhám tương đối xác định công thức:  = /dtđ  - độ nhám tuyệt đối, dtd – đường kính tương đương Độ nhám tuyệt đối chiều cao trung bình gờ nhám hay chiều sâu trung bình rãnh, xác định qua bảng II.15 [2,381] Chọn ống nguyên ống hàn điều kiện ăn mịn, ta có  = 0,2mm  = /ddt = 0,0002/0,125 = 0,0016m  √𝜆 = -2   √𝜆 log [( 6,81 0,9 𝑅𝑒 ) + ∆ 3,7 ] = -2  log [( 6,81 64430,38 ) 0,9 + 0,0016 3,7 ] = 6,31 => λ = 0,025 Chọn chiều dài đoạn ống dẫn: L = 3m  Δpm1 = 0,025   0,125  16,70 = 10,05 N/m2 Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: Khối lượng riêng chất lỏng ống: hh2 = 901,349 kg/m3 Đường kính ống là: d6 = 0,05m Vận tốc trung bình  = 1,5m/s Δpđ2 = 1014,018N/m2 Ở nhiệt độ môi trường, t = 15C Độ nhớt cấu tử: μaxeton = 0,339 10-3 (N.s/m2) μnước = 1,155.10-3 (N.s/m2)  μhh = 6,86.10-4(N.s/m2) 80 Re = ω×d×ρ μ = 1,5×0,04×901,349 6,86×10−4 = 98543,987 > 4000 => Chảy xốy  = /ddt = 0,0002/0,05 = 0,004m  √𝜆 = -2  log [(  √𝜆 6,81 0,9 𝑅𝑒 ) + ∆ 3,7 ] = -2  log [( 6,81 98543,987 ) 0,9 + 0,004 3,7 ] = 5,798 => λ = 0,030 Chọn chiều dài đoạn ống dẫn: L = 3m  Δpm2 = 0,030  0,05  1014,018 = 1825,2324 N/m2 Tổng áp suất để khắc phục trở lực ma sát dòng chảy ổn định ống thẳng: Δpm = Δpm1 + Δpm2 = 10,05 + 1825,2324  Δpm = 1835,2824 N/m2 2.1.3 Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, Δpc Cơng thức tính áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ: Δpc = ζ  ρ×ω2 = ζ  Δpđ, N/m2 [2,377] Trong đó, ζ – hệ số trở lực cục  Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp: Trong đoạn ống có khuỷu ghép 90, chọn khuỷu khuỷu 30 tạo thành Khi đó, trở lực cục ζ xác định theo bảng N30 [2,394], chọn a/b = => ζ1 = 0,3  Δpc1 = 0,3  16,70 = 5,01 N/m2  Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: Đoạn ống có lắp van chiều để điều chỉnh lưu lượng bảo vệ bơm, có trở lực ξ2 Lắp thêm lưu lượng kế, có trở lực ξ3 = Chọn van chiều kiểu đĩa khơng có định hướng phía có b/D0 = 0,1 (b – chiều rộng vành đĩa, D0 – đường kính ống dẫn trước van); tra bẳng N47 [2,400] ξ2 = 0,55 + 15,5 = 16,05  Δpc2 = 16,05  1014,018 = 16274,99 N/m2 Vậy áp suất toàn phần để thắng trở lực cục là: Δpc = 16280 N/m2 2.1.4 Áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao để khắc phục áp suất thủy tĩnh, pH 81 Được tính theo cơng thức: pH = gH, N/m2 [2,377] Trong đó: H – chiều cao cột chất lỏng, chọn H = 10m,  - khối lượng riêng chất lỏng  pH = (860,795 + 901,349)  9,81  10 = 86433,16 N/m2 2.1.5 Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực thiết bị, pt pt bao gồm áp suất động lực thiết bị ptđ, áp suất ma sát với ống truyền nhiệt ptm, áp suất để thắng trở lực cục thiết bị ptc áp suất thủy tĩnh ptH Cơng thức cách tính tương tự ống dẫn: (2)/2, N/m2 Với ttb = 40,08C khối lượng riêng axeton nước là: 767,91 kg/m3 991,963 kg/m3 Khối lượng riêng hỗn hợp lỏng là: 882,528 kg/m3  ptđ = Vận tốc dòng lỏng bên thiết bị  = 0,112233m/s  ptđ = (2)/2 = (882,528  0,1122332)/2 = 5,55827 N/m2  Áp suất ma sát với ống truyền nhiệt ptm Với ttb = 40,08C độ nhớt axeton nước là: 0,2678.10-3 N.s/m2 0,655.10-3 N.s/m2 Độ nhớt hỗn hợp lỏng là: 0,554.10-3 N.s/m2 Chuẩn số Reynold: Re = ω×d𝑡đ×ρ μ = 0,112233×0,021×882,528 0,554×10−3 = 3499,297 Ta thấy: 2320 < 3499,297 < 4000  Dòng chảy thiết bị chế độ chảy độ Sử dụng công thức thực nghiệm Braziut [2,378], ta có: λ= 0,3164 Re0,25 λ= 0,3164 3499,2970,25 = 0,0404 Chọn chiều dài đoạn ống truyền nhiệt: H = 2m Ta có: Δptm = λ  L dtd  Δptđ, N/m2  Δptm =  0,0404   0,021 [2,377]  5,55827 = 64,19 N/m2 Áp suất để thắng trở lực cục thiết bị ptc Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ: Δptc = ζ  Δptđ Bên thiết bị có lần đột mở, lần đột thu: 82  Tiết diện cửa thiết bị (từ ống dẫn nguyên liệu đầu): f1 = f1 =  = 12,27.10-3 (m2) = π×0,052 π×D2 = π×0,342 = 1,963.10-3 (m2) = 90,789.10-3 (m2) Giả sử ngăn có tiết diện nhau, tiết diện ngăn là: f4 =  π×d26 Tiết diện toàn thân tháp: f3 =  4 Tiết diện cửa vào thiết bị (từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu): f2 =  𝜋×0,1252 π×d21 π×D2  = π×0,342  = 30,263.10-3 (m2) Tiết diện tổng ống truyền nhiệt ngăn (giả sử số ống chia vào ngăn): f5 = π×d2tđ  61 = π×0,0212  61 = 7,042.10-3 (m2) Dòng chảy từ ống truyền nhiệt ngăn, có ngăn Với đột mở f5/f4 = 0,232 theo bảng N11[2,387] ta có ζ4 = 0,594 Dòng chảy từ ngăn khoảng trống hai đầu thiết bị truyền nhiệt Với đột mở f4/f3 = 1/3, đó, ta có ζ5 = 0,453 Dịng chảy từ thiết bị vào đường ống dẫn Với đột thu f3/f1 = 0,135; theo bảng N13 [2,388], ta có: ζ6 = 0,462 Dịng từ đường ống dẫn ngun liệu đầu vào thân thiết bị trao đổi nhiệt Với đột mở f3/f2 = 0,0216, đó, ta có ζ7 = 0,959 Dòng từ khoảng trống đầu thiết bị trao đổi nhiệt vào ngăn Với đột thu f4/f3 = 1/3, theo bảng N13 [2,388], đó, ta có ζ8 = 0,367 Dịng từ ngăn vào ống truyền nhiệt Với đột thu f5/f4 = 0,232; ta có ζ9 = 0,427 Tổng hệ số trở lực cục đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: ζT =  ζ4 + ζ5 + ζ6 + ζ7 + ζ8 +  ζ9 ζT =  0,594 + 0,453 + 0,462 + 0,959 + 0,367 +  0,427 = 5,305  Δptc = ζ  Δptđ = 5,305  5,55827 = 29,487 N/m2  Áp suất thủy tĩnh ptH ptH = gH = 882,528  9,81  = 17315,20 N/m2  Áp suất toàn phần để khắc phục trở lực bên thiết bị: pt = 5,55827 + 64,19 + 29,487 + 17315,20 = 17414,435 N/m2 83 2.1.6 Áp suất bổ sung cuối ống dẫn trường hợp cần thiết, Δpk Ví dụ đưa chất lỏng vào thiết bị có áp suất cao áp suất khí quyển, để phun chất lỏng tháp đệm, phịng sấy… Δpk = N/m2 2.2 Cơng suất lắp đặt cho bơm Chọn bơm ly tâm làm việc áp suất thường  Áp suất toàn phần bơm: p  pđ  pm  pH  pC  pt  pk Thay số: p  1030,721  1835,2824  86433,16  16280 17414,435   p  122993,5987 N/m2  Chiều cao toàn phần bơm: H =  Công suất yêu cầu trục bơm: N= QρgH 1000η ∆p ρg = 122993,5987 882,528×9,81 = 14,206m , kW [2,439] Trong đó:  Q=V= mF (m3/s) - suất bơm ρ×3600  ρ - khối lượng riêng chất lỏng 15C, (kg/m3)  H - chiều cao toàn phần bơm, m; H = 14,206 (m)  η = η0 ηtl ηck - hiệu suất chung bơm η – hiệu suất thể tích tính đến hao hụt chất lỏng chảy từ nơi áp suất cao đến nơi có áp suất thấp chất lỏng rò qua chỗ hở bơm, ηtl – hiệu suất thủy lực tính đến ma sát tạo thành dịng xốy bơm, ηck – hiệu suất khí tính đến ma sát khí ổ bi, ổ lót trục Với bơm ly tâm, theo bảng II.32 [2,439], chọn η0 = 0,91; ηtl = 0,83; ηck = 0,94 Khi đó, hiệu suất chung bơm: η = η0 ηtl ηck = 0,91  0,83  0,94 = 0,710 N=  QρgH 1000η = mF ×gH 3600×1000η = Cơng suất động điện: Nđc = 7500×9,81×14,206 3600×1000×0,71 N ηtr ×ηđc ,kW = 0,4089kW [2,439] Trong đó: ηtr – hiệu suất truyền động, chọn ηtr = 0,95 η đc – hiệu suất động điện, chọn ηđc = 0,83 84  Nđc =  0,4089 0,95×0,83 = 0,518624kW Chọn công suất lắp đặt cho bơm: Ncđc = β  Nđc ,kW [2,439] Với β – hệ số dự trữ công suất xác định dựa vào giá trị Nđc theo bảng II.33 [2.440] Với Nđc = 0,518624kW β = – 1,5 Chọn β = 1,7  Ncđc = β  Nđc = 1,7  0,518624 = 0,882kW Tính tốn thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp Để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm đỉnh để tránh tượng khô đĩa đĩa ta sử dụng thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp, ngưng tụ hoàn toàn lượng khỏi đỉnh tháp thành lỏng hồi lưu phần lỏng trở lại tháp chưng, phần lại tiếp tục vào thiết bị làm nguội sản phẩm Lượng khỏi đỉnh tháp, gđ  GP.(R 1)  3161,16 (0,93  1)  6101,04 (kg/h) Ngưng tụ đỉnh tháp có nồng độ axeton 0,985 phần (khối lượng) 0,015 phần (khối lượng) nước nhiệt độ tP = 57,2C Để ngưng tụ ta dùng thiết bị ngưng tụ loại ống chùm, kiểu thẳng đứng, chế tạo từ thép CT3, có bọc lớp cách nhiệt bên sử dụng nước lạnh làm tác nhân lạnh Giả thiết nhiệt độ đầu nước 20C; nhiệt độ cuối chọn 45C, để tránh tượng muối dễ kết tủa đóng cặn lại bề mặt ống trao đổi nhiệt Tại thiết bị ngưng tụ hồi lưu xảy trình trao đổi nhiệt từ đỉnh tháp với nước làm lạnh, lượng nhiệt trao đổi nhiệt lượng cần cung cấp để hóa lượng khỏi đỉnh tháp Thiết bị làm việc ngược chiều, hỗn hợp khỏi đỉnh tháp có độ tinh khiết cao nên ta cho bên ngồi chùm ống, cịn tác nhân làm lạnh nước lạnh ta cho bên ống để dễ làm vệ sinh chất bẩn bám ống Hơi từ xuống, nước từ lên 3.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình  Hiệu số nhiệt độ trung bình Xác định theo công thức: ttb = ∆tđ−∆tc ∆t ln đ [3,5] ∆tc Trong đó: tđ = tbh – t1đ : hiệu số nhiệt độ đầu tc = tbh – t1c : hiệu số nhiệt độ cuối Nhiệt độ đầu vào nước là: tđ = 20C 85 Nhiệt độ cuối nước là: tc = 45C Nhiệt độ hỗn hợp ngưng tụ là: tnt = 57,2C tđ = tnt – t1đ = 57,2 – 20 = 37,2C tc = tnt – t1c = 57,2 - 45 = 12,2C ttb = ∆tđ −∆tc ∆t ln đ ∆tc = 37,2−12,2 ln 37,2 12,2 = 22,424C Nhiệt độ trung bình dịng nước ống: ttb = tđ +tc = 20+45 = 32,5C  Lượng nhiệt ngưng tụ Một số thơng số tính phần 2: Ẩn nhiệt ngưng tụ sản phẩm đỉnh rnt = rđ = 572,29 kJ/kg (phần 2, 3.1) Lượng nước lạnh cần tiêu tốn cho thiết bị ngưng thụ đỉnh tháp: Gn = 32199,474 (kg/h) (phần 2, 5.3) Nội suy từ bảng I.153 [2,171], nhiệt độ trung bình ttb = 32,5C ta có nhiệt dung riêng nước Cn = 4176,9 J/kg.độ Q = Gn  Cn  (t2 – t1), J/h [2,11] Q = 32199,474  4176,9  (45 – 20) = 336,235.107 J/h = 933085,9982 W 3.2 Tính nhiệt tải trung bình Q trình truyền nhiệt bao gồm phần:  Cấp nhiệt hỗn hợp axeton nước cho thành ống truyền nhiệt phía bên hơi: q1  1  t1 (W/m2) [1-III,59] Trong đó:  α1 hệ số cấp nhiệt (W/m2.độ)  Δt1 = tnt – tT1 hiệu số nhiệt độ thành ống tiếp xúc với  Dẫn nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc (tường trái) sang thành ống tiếp xúc với lỏng (tường phải) (dẫn nhiệt qua 1m2 thành ống): qT = ∑r ∆𝑡𝑇 (W/m2) Trong đó:  Σr tổng nhiệt trở thành ống (m2.độ/W)  ΔtT = tT1 – tT2 hiệu số nhiệt độ phía thành ống 86  tT1, tT2 nhiệt độ phía thành ống Cấp nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với pha lỏng cho hỗn hợp lỏng:  q2  2  t2 (W/m2) Trong đó:  α2 hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m2 độ)  Δt2 = tT2 – ttb hiệu số nhiệt độ hỗn hợp lỏng thành ống tiếp xúc với hỗn hợp lỏng Coi trình truyền nhiệt ổn định: q1 = qT = q2 3.2.1 Xác định chế độ chảy hỗn hợp lỏng ống qua chuẩn số Reynold Re = ω×l×ρ μ Trong đó:  ω tốc độ lỏng chảy ống, chọn chế độ chất lỏng tự chảy ω = 0,1 - 0,5 (m/s) [2,370]  Chọn ω = 0,3 (m/s)  l = dtd kích thước hình học, đường kính tương đương ống truyền nhiệt  ρ khối lượng riêng nước, (kg/m3)  μ (N.s/m2) độ nhớt động lực nước nhiệt độ trung bình  Khối lượng riêng nước nhiệt độ trung bình ttb = 32,5C, nội suy từ bảng I.2 [2,9] ta được: nước = 994,25 kg/m3  Độ nhớt nước nhiệt độ trung bình ttb = 32,5C, độ nhớt nội suy theo bảng I.101 [2,91], ta được: nước = 0,765.10-3 (N.s/m2) l = dtd kích thước hình học, đường kính tương đương ống truyền nhiệt Chọn kích thước ống truyền nhiệt 30-2(mm) với d = 30mm, ống có độ dày 2mm  dtd = 30 – 2.2 = 26mm = 0,026m  Re = ω×l×ρ μ = 0,3×0,026×994,25 0,765×10−3 Re = 10137,45 > 104  Chế độ chảy xốy 3.2.2 Tính hệ số cấp nhiệt dung dịch 2  Hệ số cấp nhiệt 2 hỗn hợp tính theo cơng thức chuẩn số Nuselt: 87 Nu = 2  dtd [3,11] λ Mà chấy lỏng chế độ chảy xoáy nên: Nu = 0,0211  Re 0,8  Pr 0,43 ( Pr 0,25 Prt ) [3,14] Trong đó:  Prt – chuẩn số Pran dịng tính theo nhiệt độ trung bình tường  1 – hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỷ số chiều dài l đường kính d ống  2 = λ dtd  0,0211  Re 0,8  Pr 0,43 ( Pr 0,25 Prt ) Giả sử l/d = 50, Re = 10137,45  1 = [3,15]  Chuẩn số Prandlt Pr = Cp ×μnước [3,12] λ Trong đó: Cp – nhiệt dung riêng đẳng áp nhiệt độ trung bình, J/kg.độ λ – hệ số dẫn nhiệt nước, W/m.độ Cp = Cn = 4176,9 (J/kg.độ) nước = 0,765.10-3 (N.s/m2) λ xác định theo bảng I.129 [2,133] nhiệt độ trung bình, ttb = 32,5C, λ = 0,5345 kcal/m.h.độ = 0,622W/m.độ Pr =  4176,9×0,765×10−3 0,622 = 5,137 Chuẩn số Prt – Chuẩn số Prant hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ thành ống Pr = thể dịng nhiệt (làm lạnh, đun nóng) Khi chênh lệch nhiệt độ Prt tường dịng  Pr Prt = [3,15] Hệ số cấp nhiệt 2: 2 = λ dtd  0,0211  Re 0,8  Pr 0,43 ( Pr 0,25 Prt ) 88 2 = 0,622 0,026  0,021   10137,450,8  5,1370,43  2 = 1627,013 (W/m2.độ) 3.2.3 Tính hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh, 1 Khi tốc độ ống nhỏ (Wh < 10 m/s) màng nước ngưng chuyển động dịng hệ số cấp nhiệt α1 nước bão hòa ống thẳng đứng: α = 2,04  𝐴  r √∆t×H , W/m2.độ [3,28] Trong đó:  α = α1 - hệ số cấp nhiệt, W/m2.độ  A - hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm  r (J/kg) - ẩn nhiệt ngưng tụ  Δt - hiệu số nhiệt độ nước ngưng (nhiệt độ bão hịa/nhiệt độ ngưng tụ) nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc với nước ngưng (tT1), Δt = tnt – tT1  H - chiều dài ống truyền nhiệt Chọn H = 2,5 (m) Ẩn nhiệt ngưng tụ hỗn hợp khỏi đỉnh tháp r = 572,29.103 (J/kg) Giả thiết Δt = 3,2C  tT1 = tnt – Δt = 57,2 – 3,2 = 54,0C Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm = 0,5 (tT1 + tnt) = 0,5.( 54,0 + 57,2) tm = 55,6C, nội suy dựa vào bảng số liệu [3,29] ta có: A = 143,16  α = 2,04  𝐴  r 572,29×103 √Δt×H = 2,04  143,16 √ 3,2×2,5  α1 = 7551,851 W/m2.độ  q1 = α1  Δt1 = α1  ΔtL = 7551,851  3,2 = 24165,92 (W/m2) 3.2.4 Tổng trở nhiệt thành ống Giả thiết lớp cặn bẩn bám bề mặt truyền nhiệt (ở bên thành ống phía đốt phía dung dịch) có bề dày khoảng 0,5 mm có nhiệt trở trung bình Lớp cặn bẩn phía tiếp xúc với nước lạnh: r1 = 0,232.10-3 (m2.độ/W) [3,4] Bên phía sản phẩm đỉnh nên gần khơng có cặn, chọn r2 = Thành ống dày δ = (mm) = 0,002 (m); làm thép CT3 có hệ số dẫn nhiệt λ = 50 (W/m.độ) Do đó, tổng nhiệt trở thành ống là: 89 ΣrT = rT1 + 𝛿/𝜆 + rT2  ΣrT = 0,232.10-3 + 0,002/50 = 2,72.10-4 (m2.độ/W) 3.2.5 Nhiệt tải riêng trung bình Ta có, hiệu số nhiệt độ hai thành ống là: ΔtT = tT1 – tT2 = ΣrT  q1 = 2,72.10-4  24226,07 = 6,573C  tT2 = 54,0 – 6,573 = 47,427C Hiệu số nhiệt độ hỗn hợp lỏng thành ống tiếp xúc với hỗn hợp lỏng: Δt2 = tT2 – ttb = 47,427– 32,5 = 14,93C  q2 = α2  Δt2 = 1627,013 14,93 = 24286,22(W/m2) q1 −q2 Xét: | q1  qtb = 24165,92 −24286,22 |=| q1 −q2 = 24226,07 | = 0,005 < 0,05 (thỏa mãn) 24165,92 +24286,22 = 24226,07 W/m2 3.3 Bề mặt trao đổi nhiệt đường kính thiết bị - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: F = Q q [3,3] F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2 Q – Nhiệt lượng cần thiết để đun sôi hỗn hợp từ nhiệt độ đầu lên nhiệt độ sôi, W Q = 933985,9982 W q – Nhiệt tải riêng trung bình, W/ m2 Qtb = 24226,07W/m2 F= 933985,9982 24226,07 = 38,553 m2 Tổng số ống thiết bị xác định theo cơng thức: n= F f Trong đó:  F = 38,553 m2 – tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt  d =   dtb  H – diện tích bề mặt ống truyền nhiệt, m2,  H = 2,5m – Chiều cao ống truyền nhiệt  dtb = 0,028m – đường kính trung bình ống truyền nhiệt n= F f = 38,553 ×0,028×3 = 175,32 Chọn cách xếp ống theo kiểu bàn cờ cạnh, quy chuẩn theo bảng V.11 [3,48]: Chọn thiết bị có tổng số ống 187 ống Số hình sáu cạnh: 90 Số ống đường xuyên tâm hình sáu cạnh: b = 15 ống Số ống cạnh hình sáu cạnh: a = (15 + 1)/2 = ống - Tính đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: D = t  (b – 1) +4d [3,49] Trong đó:  t – bước ống, m Chọn t = 1,2 – 1,5d d – đường kính ngồi ống, m  b – số ống đường xuyên tâm hình sáu cạnh   D = 1,2  0,03  (15 – 1) +  0,03 = 0,625m - Tính vận tốc thực tế lỏng cháy ống: wt = 4×Gn ρ×π×n×d 2= 4×32199,474 994,25×π×187×0,0262 = 326,193 (m/h) = 0,09 (m/s) Ta thấy vận tốc thực tế lỏng chảy ống 0,09 (m/s) mà vận tốc lỏng chọn 0,3m/s Vì để thiết bị đảm bảo suất truyền nhiệt, ta cần chia ngăn thiết bị Số ngăn x = w wt = 0,3 0,09 = 3,31 Quy chuẩn số ngăn thiết bị ngăn 91 KẾT LUẬN Trong đồ án, tháp chưng luyện loại đĩa lỗ khơng có ống chảy chuyền thiết kế với thơng số chính: số hồi lưu R = 0,93, đường kính đoạn chưng đoạn luyện D = 1,2 m, chiều cao H = 6,935 m (trong đoạn chưng 1,065m, đoạn luyện 4,97m) ứng với 17 đĩa Tháp chế tạo loại thép không gỉ X18H10T với chiều dày thân tháp 3mm, chiều dày đáy nắp tháp 5mm Do đặc điểm trình chưng luyện hệ số phân bố thay đổi theo chiều cao tháp, đồng thời trình truyền nhiệt diễn song song với trình chuyển khối làm cho q trình tính tốn thiết kế trở nên phức tạp Một khó khăn mà tính tốn thiết kế hệ thống chưng luyện số cơng thức cho việc tính tốn hệ số động học q trình chưng luyện cơng thức thực nghiệm, cơng thức tính tốn phần lớn phải tính theo giá trị trung bình, thơng số vật lí chủ yếu nội suy, số kích thước, thơng số có nhiều cách xác định tùy thuộc vào nhà sản xuất, tiêu chuẩn nước khác nên khó khăn cho việc tính tốn xác Trong phạm vi khn khổ đồ án môn học, thời gian không cho phép đồng thời hạn chế kiến thức lí thuyết thực nghiệm.Và lần tiếp xúc với đồ án, đặc biệt vẽ lắp thiết bị vẽ tay trình bày giấy A1 nên khơng tránh khỏi cịn nhiều sai sót Em mong giúp đỡ dạy thầy cô môn Qua đồ án em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo mơn Q trình Thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, đặc biệt thầy TS Nguyễn Văn Xá quan tâm, giúp đỡ, bảo tận tình giúp em hồn thành đồ án, hiểu rõ môn học, phương pháp thực tính tốn thiết kế, cách tra cứu xử lí số liệu để em hồn thiện đồ án Em xin chân thành cảm ơn 92 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Bin, Các q trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, tập 1,2,3,4, NXB khoa học kỹ thuật, 2004 [2] Tập thể tác giả, Sổ tay trình thiết bị cơng nghiệp hóa chất, tập 1, NXB khoa học kỹ thuật, 2006 [3] Tập thể tác giả, Sổ tay q trình thiết bị cơng nghiệp hóa chất, tập 2, NXB khoa học kỹ thuật, 2006 [4] Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử, tập 1, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2012 [5] Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử, tập 2, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2012 93 ... Khóa:k63 I Đầu đề thiết kế: Thiết kế tính tốn hệ thống chưng luyện liên tục làm việc áp suất thường để tách hỗn hợp hai cấu tử: axeton nước Hỗn hợp đầu vào tháp nhiệt độ sôi Tháp loại : kiểu c: đĩa... gặp phương pháp chưng sau: Chưng đơn giản: dùng để tách hỗn hợp cấu tử có độ bay khác nhau, thường dùng để tách sơ tách cấu tử khỏi tạp chất  Chưng nước trực tiếp: dùng để tách hỗn hợp gồm chất... 2.1.3 Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, Δpc 81 2.1.4 Áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao để khắc phục áp suất thủy tĩnh, pH 81 2.1.5 Áp suất cần thiết để khắc