Chưng cất hệ acetone – nước

Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Giới thiệu sơ : .3 Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước : .5 Sơ đồ qui trình cơng nghệ thuyết minh qui trình cơng nghệ: CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT Cân vật chất Xác định số hồi lưu: 11 Phương trình đường làm việc : .13 Xác định số mâm lý thuyết số mâm thực tế : .14 CHƯƠNG 3: 18 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG .18 Cân nhiệt lượng tháp chưng cất .18 Cân lượng thiết bị truyền nhiệt: 20 CHƯƠNG 4: 23 TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH .23 Đường kính tháp (Dt): 23 1.1 Đường kính đoạn cất : .23 1.1.1 Lượng trung bình tháp : 23 1.1.2 Tốc độ trung bình tháp : 24 1.2 Đường kính đoạn chưng : 26 1.2.1 Lượng trung bình tháp : 26 1.2.2 Tốc độ trung bình tháp : 27 Chiều cao tháp: .28 Trở lực tháp: 29 Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng 3.1 Cấu tạo mâm lỗ: 29 3.2 Trở lực đĩa khô: 29 3.3 Trở lực sức căng bề mặt: 30 3.4 Trở lực thủy tĩnh chất lỏng đĩa tạo ra: 30 3.5 Tổng trở lực thuỷ lực tháp: 32 3.6 Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động: .32 3.7 Kiểm tra tính đồng hoạt động mâm 34 Tính tốn khí tháp: 34 4.1 Bề dày thân tháp : .34 4.2 Bề dày đáy nắp thiết bị : .36 4.3 Bể dày mâm : 37 4.4 Bích ghép thân, đáy nắp : .39 4.5 Đường kính ống dẫn – Bích ghép ống dẫn : 40 4.6 Chân đỡ: 45 CHƯƠNG 5: 47 CÁC THIẾT BỊ PHỤ .47 CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT: .47 1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: .47 1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: 51 1.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy: .57 1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy: 60 1.5 Thiết gia nhiệt nhập liệu : 65 Bồn cao vị: .70 Bơm 74 Tính bảo ơn thiết bị: .77 LỜI KẾT 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Giới thiệu sơ : 1.1 Khái niệm: Acetone có cơng thức phân tử : CH 3COCH3 Khối lượng phân tử 58.079 đvC Là chất lỏng không màu, dễ lưu động dễ cháy, với cách êm dịu có mùi thơm Nó hịa tan vơ hạn nước số hợp chất hữu : eter, metanol, etanol, diacetone alcohol… Được tìm thấy vào năm 1595 Libavius, chưng cất khan đường, đến năm 1805 Trommsdorff tiến hành sản xuất Acetone cách chưng cất Acetat bồ tạt sođa : phân đoạn lỏng nằm phân đoạn rượu eter 1.2 Ứng dụng : Acetone ứng dụng nhiều làm dung mơi cho cơng nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su … Nó hồ tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng Acetone nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu Từ Acetone tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), holofom Một số thông số vật lý nhiệt động Acetone :  Nhiệt độ nóng chảy : -94.6 0C ;  Nhiệt độ sôi : 56.9 0C ;  Tỷ trọng : d 20 ;  Nhiệt dung riêng Cp : 22 Kcal/mol (chuẩn 102 0C)  Độ nhớt  : 0.316 cp ( 250C)  Nhiệt trị : 0.5176 cal/g ( 200C) Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng 1.3 Tính chất hố học : Cộng hợp với natri bisunfit: OH CH3COCH3+H2O  CH3 - C - SO3Na (1-metyl-1-hydroxi etan sunfonát natri ) CH3 Cộng hợp axit HCN: OH CH3CO + HCN  CH3-C-CN CH3 ( pH= 4-8 ) Phản ứng ngưng tụ : OH O CH3-CO-CH3+HCH2C=O  CH3-C-CH3-C-CH3 (4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon) CH3 CH3 Acetone khó bị oxi hóa thuốc thử Pheling, Tôluen, HNO 3đđ, KMnO4… Chỉ bị oxi hóa hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfơcrơmic K2Cr2O7 + H2SO4… Bị gãy mạch cacbon CH3-C-CH  CH3-C-CH2-OH  CH3-C-CH=O  CH3COOH + HCOOH O O O Phản ứng khử hoá : CH3COCH3 + H2  CH3CHOH-CH3 1.4 Điều chế : Oxy hóa rượu bậc hai: CH3CHOH-CH3  CH3COCH3 + H2O Theo phương pháp Piria : nhiệt phân muối canxi axit cacboxylic: (CH3COO)2Ca  CH3COCH3 + CaCO3 Từ dẫn xuất magiê : O O CH3-C-Cl + CH3-MgBr  CH3-C-CH3 + Mg-Br Cl Trong thời kỳ chiến tranh giới lần thứ nhất, nhu cầu nguồn Acetone lớn, tong có giới hạn việc thu dược Acetone từ Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng chưng cất gỗ, nên để bổ sung nguồn Acetone Hoa Kỳ áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH3COO)2 – thu cách lên men rượu có mặt xúc tác vi khuẩn để chuyển carbohydrate thành Acetone Butyl Alcohol.Công nghệ ứng dụng chủ yếu suốt chiến tranh giới lần thứ năm 20 Tuy nhiên, đến năm 20 công nghệ thay công nghệ có hiệu (chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuất Acetone Hoa Kỳ) : Dehydro Isopropyl Alcol Ngồi ra, cịn số qúa trình sản xuất Acetone khác : - Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol Acetone - Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan - Lên men Carbo hydrate vi khuẩn đặc biệt - Cơng ty Shell sử dụng sản phẩm phụ Tổng hợp Acetone cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác:  CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 3270C ) xuctac CH3COCH3 + H2 ⃗  Xúc tác sử dụng : đồng hợp kim nó, oxit kim loại muối  Ở nhiệt độ khoảng 325 0C , hiệu suất khoảng 97%  Dịng khí nóng sau phản ứng gồm có : Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản ứng, H2 phần nhỏ sản phẩm phụ ( Propylene, diisopropyl eter …) Hỗn hợp làm lạnh khí khơng ngưng lọc nước Dung dịch lỏng đem chưng cất phân đoạn, thu Acetone đỉnh hỗn hợp nước, Isopropyl Alcol ( ) đáy Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước : Ta có Acetone chất lỏng tan vơ hạn nước nhiệt độ sôi Acetone ( 56.9 0C 760 mmHg) Nước ( 100 0C 760 mmHg) : cách xa nên phương pháp hiệu để thu Acetone tinh khiết chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng Trong trường hợp ta sử dụng phương pháp đặc cấu tử có khả bay hơi, khơng sử dụng phương pháp trích ly hấp thụ phải đưa vào pha để tách chúng, làm cho trình phức tạp hơn, hay trìng tách khơng hồn tồn Chưng cất q trình phân tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng ( hay nhiệt độ sôi ), cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay – ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại 2.1 Phương pháp thực : Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ): + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Khi khơng địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao + Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay + Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): q trình thực liên tục, nghịch dịng, nhiều đoạn Ngồi cịn có thiết bị hoạt động bán liên tục Trong trường hợp này, sản phẩm Acetone – với yêu cầu có độ tinh khiết cao sử dụng , cộng với hỗn hợp Acetone – Nước hỗn hợp khơng có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục hiệu 2.2 Loại tháp chưng cất : Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung thiết bị giống nghĩa diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở ta khảo sát loại thường dùng tháp mâm tháp chêm  Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng - Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ s… - Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh  Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Cấu tạo đơn giản Ưu điểm Nhược điểm - Trở lực tương đối - Khá ổn định thấp - Trở lực thấp - Hiệu suất cao - Làm việc với chất - Hiệu suất cao lỏng bẩn dùng đệm cầu có    chất lỏng - Do có hiệu ứng thành  - Khơng làm việc - Có trở lực lớn với chất lỏng bẩn hiệu suất truyền khối thấp - Tiêu tốn nhiều vật - Độ ổn định khơng cao, khó - Kết cấu phức tạp tư, kết cấu phức tạp vận hành - Do có hiệu ứng thành  tăng suất hiệu ứng thành tăng  khó tăng suất - Thiết bị nặng nề Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Aceton – Nước Sơ đồ qui trình cơng nghệ thuyết minh qui trình cơng nghệ: 3.1 Sơ đồ qui trình cơng nghệ (đính kèm) 3.2 Thuyết minh quy trình cơng nghệ Hỗn hợp Acetone- Nước có nồng độ Acetone 30% ( theo khối lượng) , nhiệt độ khoảng 27 0C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đưa đến thiết bị gia nhiệt (3) nước bão hòa Ở đây, hỗn hợp đun sơi đến nhiệt độ sơi Sau đó, hỗn hợp đưa qua lưu lượng kế (6) vào tháp chưng cất (8) đĩa nhập liệu Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn cất tháp chảy xuống Trong tháp hơi, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (11) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sơi cao nước ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử Acetone chiếm nhiều ( có nồng độ 95% theo khối lượng ) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (9) ngưng tụ phần ( ngưng tụ hồi lưu) Một phần chất lỏng ngưng qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (15), làm nguội đến 30 0C , đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (16) Phần lại chất lỏng ngưng hồi lưu tháp đĩa với tỷ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp bốc hơi, cịn lại cấu tử có nhiệt độ sơi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay ( nước) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ Acetone 1% theo khối lượng, lại nước Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp, phần dược đun, bốc nồi đun (11) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại làm nguội đến 30 0C thiết bị trao đổi nhiệt (12) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh Acetone, sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt với nhập liệu thải bỏ Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT Cân vật chất 1.1 Các số liệu ban đầu : Năng suất sản phẩm đỉnh thu :1500 ( Kg/h ) Sản phẩm có nồng độ Acetone : 95% theo khối lượng Nhập liệu có nồng độ Acetone : 30% theo khối lượng Thiết bị hoạt động liên tục 1.2 Các ký hiệu : F : lượng nhập liệu ban đầu ( Kmol/h ) D : lượng sản phẩm đỉnh ( Kmol/h ) W : lượng sản phẩm đáy ( Kmol/h ) xF :nồng độ mol Acetone nhập liệu xD : nồng độ mol Acetone sản phẩm đỉnh xW : nồng độ mol Acetone sản phẩm đáy 1.3 Xác định suất lượng nhập liệu sản phẩm đáy: Phương trình cân vật chất cho tồn tháp chưng cất : F=D+W(1) F * x F = D * xD + W * xW (2) Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol: xF = = = 0.117 (phần mol Acetone ) Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng x = = = 0.855 (phần molAcetone) xW = = = 0.003125 (phần molAcetone) Tính Mtb : Mtb = xF * M1 + (1- xF ) * M2 = 0.117 * 58 + (1 – 0.117 ) * 18 = 22.68 ( Kg/Kmol) Mtb = xD * M1 + (1- xD ) * M2 = 0.855* 58 + (1 – 0.855) * 18 = 52.2 ( Kg/Kmol) Mtb = xW * M1 + (1- xW ) * M2 = 0.003125 * 58 + (1 – 0.003125 ) * 18 = 18.125 ( Kg/Kmol) Suất lượng sản phẩm đỉnh : D= = = 28.736 ( Kmol/h ) ( ) ( ) ta có hệ phương trình :   Trang 10 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng Suất lượng nước cần dùng: D1 = 0,0245 (Kg/s) 1.5.1 Xác định hệ số truyền nhiệt : Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Ftb = ,(m2) (IV.22) Với: + K : hệ số truyền nhiệt + tlog : nhiệt độ trung bình logarit  Xác định tlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: (oK)  Xác định hệ số truyền nhiệt K: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: ,(W/m2.oK) (IV.23) Với: + F : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu (W/m2.oK) + N : hệ số cấp nhiệt nước (W/m2.oK) + rt : nhiệt trở thành ống lớp cáu  Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: Vận tốc dòng nhập liệu ống trong: = 1,882 (m/s) Chuẩn số Reynolds : > 104 : chế độ chảy rối Công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Trang 70 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng Trong đó: + l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReW tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReW= ,chọn l =1 + PrF : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 63,15oC, nên PrF = = 3,468 Suy ra: Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: F = Nhiệt tải phía dòng nhập liệu: (W/m2) (IV.24) Với tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ)  Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: , (W/m2) Trong đó: + tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (ngoài ống nhỏ) + Bề dày thành ống: t = 3(mm) Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: t = 17,5 (W/moK) Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.oK/W) Trang 71 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W) Suy ra: rt = 1/1750 (m2.oK/W) Vậy: qt = 1750.(tw1-tw2) (IV.25)  Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống ngồi: Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,051- 0,038 = 0,013 (m) Hệ số cấp nhiệt nước xác định theo công thức: N = = Với: + A : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ, tra tài liệu tham khảo [2] Nhiệt tải phía nước: (W/m2) (IV.26)  Chọn: tw1 = 112,3oC : = 115,95oC ta tra Khi đó, nhiệt độ trung bình A=186,18 Từ (IV.26): qN = 82,436.186,18.(119,6 – 112,3)0,75 = 68161,05 (W/m2) Xem nhiệt tải mát không đáng kể: qt = qW =68161,05 (W/m2) Từ (IV.25), ta có: tw2 = tw1Suy ra: ttbw = =73,35oC o = C Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình ttbw = o C: + Nhiệt dung riêng: cR = 3433,128 (J/kg.độ) Trang 72 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng + Độ nhớt động lực: R = 0,291.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: R = 0,440 (W/moK) Khi đó: Prw2 = = 2,27 (W/m2) Từ (IV.24): qF = Kiểm tra sai số: = =0,288% < 5%: thoả Vậy: tw1 = 112,3oC tw2 = 73,35oC (W/m2.oC) Khi đó: (W/m2.oC) (W/m2.oC) Từ (IV.23): 1.5.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt: Từ (IV.22), bề mặt truyền nhiệt trung bình: = 0,745 (m2) Suy chiều dài ống truyền nhiệt : L (m) Chọn: L = 6(m),(dự trữ khoảng 15%) Kiểm tra: l = 1: thoả Vậy: thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 6(m), chia thành dãy, dãy dài (m) Trang 73 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng Bồn cao vị: 2.1 Tổn thất đường ống dẫn: Chọn ống dẫn có đường kính dtr = 100 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, [1]  Độ nhám ống:  = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mịn ít) Tổn thất đường ống dẫn: (m) Trong đó:  1 : hệ số ma sát đường ống  l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 30(m)  d1 : đường kính ống dẫn, d1 = dtr = 0,1(m)  1 : tổng hệ số tổn thất cục  vF : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn 2.1.1 Xác định vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn : Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra nhiệt độ trung bình: tF = = 47,65(oC) Tại nhiệt độ thì:  Khối lượng riêng nước: N = 988,558(kg/m3)  Khối lượng riêng acetone: A = 759,585 (kg/m3)  F = 906,573 (kg/m3) Nên:  Độ nhớt nước: N = 5,741.10-4 (N.s/m2)  Độ nhớt acetone: A = 2,512.10-4 (N.s/m2) Nên: lgF = xFlgA + (1 – xF)lgN = 0,117.lg(2,512.10-4) + 0,883.lg(5,741.10-4)  F = 5,212.10-4 (N.s/m2) Trang 74 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng Vận tốc dòng nhập liệu ống: = 0,19 (m/s) 2.1.2 Xác định hệ số ma sát đường ống : Chuẩn số Reynolds : = 33048 > 4000 : chế độ chảy rối Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh = 6(d1/)8/7 = 7289,343 Vì 4000 < ReF < Regh  chế độ chảy rối ứng với khu vực nhẵn thủy học Áp dụng công thức (II.61), trang 378, [1]: 1= 2.1.3 = 0,02 Xác định tổng hệ số tổn thất cục :  Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = u1 (1 chỗ) = 0,15 Đường ống có chỗ uốn  u1 = 0,15 = 0,9  Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [8]: Chọn van cầu với độ mở hồn tồn van (1 cái) = 10 Đường ống có van cầu  van = 10 = 20  Lưu lượng kế : l1 = (coi không đáng kể)  Vào tháp : tháp = Nên: 1 = u1 + van + ll = 21,9 Vậy: = 0,05 (m) Trang 75 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng 2.2 Tổn thất đường ống dẫn thiết bị đun sơi dịng nhập liệu; (m) Trong đó:  2 : hệ số ma sát đường ống  l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = (m)  d2 : đường kính ống dẫn, d2 = dtr = 0,032(m)  2 : tổng hệ số tổn thất cục  v2 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn 2.2.1 Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn : v2 = 1,882 (m/s) 2.2.2 Xác định hệ số ma sát đường ống : Chuẩn số Reynolds : Re2 = 12113,576 > 4000: chế độ chảy rối Độ nhám:  = 0,0002 Chuẩn số Reynolds giới hạn: Regh = 6(d2/)8/7 = 1982,191 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren = 220(d2/)9/8 = 66383,120 Vì Ren < Re1  chế độ chảy rối ứng với khu vực nhám Áp dụng công thức (II.63), trang 379, [1]: 2 = 2.2.3 = 0,0334 Xác định tổng hệ số tổn thất cục :  Đột thu : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Khi = 0,160 đột thu (1chỗ) = 0,458 Có chỗ đột thu  đột thu = 0,458 Trang 76 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng  Đột mở : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Khi = 0,160 đột mở (1chỗ) = 0,708 Có chỗ đột mở  đột mở = 0,708 Nên: 2 = U2 + đôt thu + đột mở = 5,566 Vậy: = 1,3 (m) 2.3 Chiều cao bồn cao vị: Chọn :  Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị  Mặt cắt (2-2) mặt cắt vị trí nhập liệu tháp Ap dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): z1 + +  z1 = z2 + = z2 + + +hf1-2 +hf1-2 Trong đó:  z1: độ cao mặt thống (1-1) so với mặt đất, hay xem chiều cao bồn cao vị Hcv = z1  z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu: z2 = hchân đỡ + hđáy + (nttC – 1)h + 0,5 = 0,24 + 0,2625 + (8 – 1).0,3 + 0,5 = 3,1025 (m)  P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at = 9,81.104 (N/m2)  P2 : áp suất mặt thoáng (2-2) Xem P = P2 – P1 = nttL PL = 503,657 = 2518,285 (N/m2)  v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = (m/s)  v2 : vận tốc vị trí nhập liệu, v2 = vF = 0,19 (m/s) Trang 77 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng  hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2): hf1-2 = h1 + h2 = 0,192825 (m) Vậy: Chiều cao bồn cao vị: Hcv = z2 + +hf1-2 = 3,1025 + + 1,35 = 4,75 (m) Chọn Hcv = (m) Bơm 3.1 Năng suất: Nhiệt độ dòng nhập liệu tF = 27oC Tại nhiệt độ thì: + Khối lượng riêng: F = 910,353 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: F = 0,653.10-3 (N.s/m2) Suất lượng thể tích dịng nhập liệu ống: = 5,255 (m3/h) Vậy: chọn bơm có suất Qb = 10 (m3/h) 3.2 Cột áp: Chọn :  Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu  Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): z1 + + + Hb = z2 + Trong đó: Trang 78 + +hf1-2 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng  z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = 1m  z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 5m  P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at  P2 : áp suất mặt thoáng (2-2), chọn P2 = at  v1,v2 : vận tốc mặt thoáng (1-1) và(2-2), xem v1= v2 = 0(m/s)  hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2)  Hb : cột áp bơm 3.2.1 Tính tổng trở lực ống: Chọn đường kính ống hút ống đẩy nhau: dtr = 100 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, [1]  Độ nhám ống:  = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mịn ít) Tổng trở lực ống hút ống đẩy hf1-2 = Trong đó:  lh : chiều dài ống hút Chiều cao hút bơm: Tra bảng II.34, trang 441, [1]  hh = 4,5 (m)  Chọn lh = (m)  lđ : chiều dài ống đẩy, chọn lđ = (m)  h : tổng tổn thất cục ống hút  đ : tổng tổn thất cục ống đẩy   : hệ số ma sát ống hút ống đẩy  vF : vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy (m/s) = 0,35 (m/s)  Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy : Chuẩn số Reynolds : = 48793,8 Vì ReF > 4000  chế độ chảy rối Trang 79 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng Chuẩn số Reynolds giới hạn: Regh = 6(d2/)8/7 = 7289,3 Vì Regh > Re1  chế độ chảy rối ứng với khu vực nhẵn thủy lực Áp dụng công thức (II.61), trang 378, [1]:  = = 0,021  Xác định tổng tổn thất cục ống hút :  Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = u1 (1 chỗ) = 0,15 Ống hút có chỗ uốn  u1 = 0,15 = 0,3  Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [8]: Chọn van cầu với độ mở hồn tồn v1 (1 cái) = 10 Ống hút có van cầu  v1 = 10 Nên: h = u1 + v1 = 10,3  Xác định tổng tổn thất cục ống đẩy :  Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = u2 (1 chỗ) = 0,15 Ống đẩy có chỗ uốn  u2 = 0,15 = 0,6  Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [8]: Chọn van cầu với độ mở hồn tồn v2 (1 cái) = 10 Ống đẩy có van cầu  v2 = 10  Vào bồn cao vị : cv = Nên: đ = u1 + v1 + cv = 11,6 Vậy: hf1-2 = =0,15 (m) Trang 80 Chưng cất hệ Acetone – Nước 3.2.2 GVHD: Lê Thị Kim Phụng Tính cột áp bơm: Hb = (z2 – z1) + hf1-2 = (5 – 1) + 0,15 = 4,15 (m) 3.3 Công suất: Chọn hiệu suất bơm: b = 0,8 Công suất thực tế bơm: Nb = = 128,69 (W) = 0,17 (Hp) Kết luận: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có: - Năng suất: Qb = 10 (m3/h) - Cột áp: Hb = 4,15 (m) - Công suất: Nb = 0,5 (Hp) Tính bảo ơn thiết bị: Trong trình hoạt động tháp, tháp tiếp xúc với khơng khí nên nhiệt lượng tổn thất mơi trường xung quanh ngày lớn Để tháp hoạt động ổn định, với thông số thiết kế, ta phải tăng dần lượng đốt gia nhiệt cho nồi đun để tháp không bị nguội (nhất sản phẩm đỉnh, ảnh hưởng đến hiệu suất tháp) Khi đó, chi phí cho đốt tăng Để tháp khơng bị nguội mà khơng tăng chi phí đốt, ta thiết kế lớp cách nhiệt bao quanh thân tháp Chọn vật liệu cách nhiệt cho thân tháp amiăng có bề dày a Tra tài liệu tham khảo [2], hệ số dẫn nhiệt amiăng a = 0,151 (W/m.oK) Nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh: Qm = 0,05.Qd = 0,05.506,119 = 25,306 (KW) Nhiệt tải mát riêng: (W/m2) qm = (IV.27) Với: + tv1 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt tháp + tv1 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với khơng khí Trang 81 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng + tv : hiệu số nhiệt độ hai bề mặt lớp cách nhiệt Nhận thấy: qm = const, nên chọn tv = tmax = tđáy -tkk ,tkk = 27oC Suy tv = 98,6 – 27 = 71,6oC + ftb : diện tích bề mặt trung bình tháp (kể lớp cách nhiệt) ftb = .H.Dtb = .H.(Dt + Sthân + a) Từ (IV.27), ta có phương trình: Suy ra: a = 0,005132(m) Vậy: chọn a = (mm) Trang 82 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng LỜI KẾT Với hệ thống chưng cất Acetone – Nước dùng tháp mâm xuyên lỗ thiết kế, ta thấy bên cạnh ưu điểm cịn có nhiều nhược điểm Thiết bị có ưu điểm suất hiệu suất cao thiết bị cồng kềnh, đòi hỏi phải có vận hành với độ xác cao Bên cạnh đó, vận hành thiết bị ta phải ý đến vấn đề an tồn lao động để tránh rủi ro xảy ra, gây thiệt hại người TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tập thể tác giả, “Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 1”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 626tr [2] Tập thể tác giả, “Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 447tr [3] Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hồng Minh Nam, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 10: Ví dụ Bài tập”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 468tr [4] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 388tr [5] Hồ Lê Viên, “Thiết kế Tính tốn thiết bị hóa chất”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1978, 286tr [6] Nguyễn Minh Tuyển, “Cơ sờ Tính tốn Máy Thiết bị Hóa chất – Thực phẩm”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1984, 134tr [7] Phạm Văn Bơn – Nguyễn Đình Thọ, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 5: Quá trình Thiết bị Truyền Nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2002, 372tr [8] Trần Hùng Dũng – Nguyễn Văn Lục – Hoàng Minh Nam – Vũ Bá Minh, “Quá trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 1, Quyển 2: Phân riêng khí động, lực ly tâm, bơm, quạt, máy nén Tính hệ thống đường ống”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 1997, 203tr [9] Trần Hữu Quế, “Vẽ kỹ thuật khí – Tập 1”, Nhà xuất Đại học Giáo dục chuyên nghiệp, 1991, 160tr Trang 83 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng [10] Phạm Đình Trị, “380 phương thức điều chế ứng dụng hóa học sản xuất đời sống”, Nhà xuất TpHCM, 1988, 144tr Trang 84 ... ? ?acetone Với + ? ?nước ( - ) = 0.9748 (phần khối lượng ) ? ?acetone , ? ?nước :: nhiệt lượng riêng acetone, nước : ? ?acetone = racetone + tD Cacetone ? ?nước = rnước + tD Cnước rnước, racetone , Cacetone... nguồn Acetone lớn, tong có giới hạn việc thu dược Acetone từ Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng chưng cất gỗ, nên để bổ sung nguồn Acetone Hoa Kỳ áp dụng phương pháp chưng cất. .. đoạn, thu Acetone đỉnh hỗn hợp nước, Isopropyl Alcol ( ) đáy Cơng nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone ? ?Nước : Ta có Acetone chất lỏng tan vô hạn nước nhiệt độ sôi Acetone ( 56.9 0C 760 mmHg) Nước ( 100