Trong bối cảnh nền kinh tế Việt Nam đang trên đà phát triển mạnh mẽ như hiện nay, tăng trưởng GDP đạt 6,5% trong năm 2023 thì nền công nghiệp nói chung và nền công nghiệp hóa học nói riêng đóng một vai trò vô cùng to lớn vào đà tăng trưởng chung của đất nước. Ngành công nghệ hóa học giữ vai trò quan trọng trong việc sản xuất các sản phẩm phục vụ cho nền kinh tế quốc dân, tạo tiền đề cho nhiều ngành khác phát triển.
TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT, BIỆN LUẬN LỰA CHỌN LOẠI THÁP CHƯNG CẤT VÀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
Tổng quan về sản phẩm
Aceton là hợp chất hữu cơ dạng ceton đơn giản nhất, tồn tại ở dạng lỏng, không màu, tan tốt trong nước và dễ cháy Aceton được dùng để tổng hợp các chất hữu cơ và có trong thành phần của sơn móng tay và cũng là dung môi chủ yếu để làm sạch trong phòng thí nghiệm
Aceton có công thức hóa học là CH3COCH3.
Aceton được biết đến là 1 loại chất lỏng, trong khi các ceton khác sẽ thường là chất rắn
Aceton tan vô hạn trong nước, còn các ceton khác có độ tan được giảm dần khi mà mạch cacbon tăng.
Aceton được dùng làm dung môi và là nguyên liệu đầu để tổng hợp một số chất hữu cơ
- Nhiệt lượng đốt cháy: 1788,7 kJ/mol
- Độ Bazơ (pKb): -5,2 (với Bazơ liên hợp)
- Độ hòa tan: Tan vô hạn trong nước, có thể hòa tan được trong hầu hết các dung môi hữu cơ như ethanol, ether, chloroform, dầu mỡ động vật.
Aceton cộng với hydro tạo thành rượu bậc 2
Aceton cộng với bisunfit tạo kết tủa
Aceton bị oxi hóa: Aceton không bị oxi hóa bởi dung dịch bạc nitrat trong amonia hoặc đồng hydroxit nhưng khi gặp các chất oxi hóa mạnh như thuốc tím trong axit sulfuric, Kali dicromat trong axit sulfuric thì bị cắt mạch cacbon cạnh nhóm cacbonyl để tạo axit hữu cơ.
Aceton tác dụng với amin
Phản ứng khử: Điều kiện để phản ứng khử xảy ra, người ta dùng H trên xúc tác Niken, Platin
Aceton sẽ được sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp từ Propen
Khoảng 83% Aceton sẽ được sản xuất thông qua phương pháp cumen - dựa trên phương pháp này mà sản xuất aceton luôn gắn liền với việc sản xuất phenol Phương pháp cumen gồm việc alkyl hóa benzen với propen, từ đó sinh ra cumen, ta được oxi hóa và sinh ra axeton và phenol.
Ngoài ra, Axeton cũng được sản xuất trực tiếp theo phương thức oxi hay hidro hóa propen, từ đó sinh ra 2-propanol (isopropanol), tiếp đến khi oxi isopropanol ta sẽ được Aceton
Aceton cũng là sản phẩm phụ của quá trình lên men, nên sẽ được sản xuất dưới dạng sản phẩm phụ của công nghiệp chưng cất
Benzen là chất lỏng, không màu, không tan trong nước, nhẹ hơn nước, hòa tan nhiều chất như: dầu ăn, nến, cao su, iot Benzen độc.
Benzen là chất lỏng không màu, dễ cháy khi ở nhiệt độ thường Benzen tan rất kém trong nước và rượu Có khả năng cháy tạo ra khí CO2 và nước, đặc biệt có sinh ra muội than
Độ hòa tan trong nước: 1,79 g/L (25 °C)
- Phản ứng với axit nitric
- Các Ankylbenzen rất dễ tham gia phản ứng thế nguyên tử H của vòng Benzen hơn Benzen và sự thế ưu tiên ở các vị trí ortho và para so với nhóm Ankyl.
Thế nguyên tử H của mạch nhánh:
- Nếu đun Toluen hoặc các Ankylbenzen với Brom, sẽ xảy ra phản ứng thế nguyên tử
H của mạch nhánh tương tự như ankan.
C6H5CH3 + Cl2 C6H5CH2Cl + HCl (điều kiện ánh sáng và tỉ lệ 1:1)
- Phản ứng Oxy hoá không hoàn toàn
- Phản ứng Oxy hoá hoàn toàn
Benzen, Toluen, Xylen…được điều chế bằng cách chưng cất dầu mỏ và nhựa than đá. Ngoài ra chúng còn được điều chế từ Ankan, hoặc Xycloankan:
Etylbenzen lại được điều chế từ Benzen và Etylene.
Giới thiệu về quá trình chưng cất, phương pháp chưng cất
2.1 Khái niệm về chưng cất
Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp các cấu tử (lỏng/khí) ra khỏi nhau dựa trên độ bay hơi khác nhau giữa 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) Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần “rất” ít cấu tử có độ bay hơi bé Ngược lại, sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần “rất” ít cấu tử có độ bay hơi lớn hơn.
2.2 Các phương pháp chưng cất
Trong sản xuất ta thường gặp những phương pháp chưng cất sau đây:
Chưng đơn giản: Dùng để tách các hỗn hợp gồm có các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau Phương pháp này thường dung để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất.
Chưng bằng hơi nước trực tiếp: Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước.
Chưng chân không: Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử. Phương pháp này được sử dụng đối với các cấu tử dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao.
Chưng luyện: Là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau Về thực chất đây là quá trình chưng nhiều lần để thu được sản phẩm tinh khiết.
Trong trường hợp này ta chọn phương pháp chưng luyện do Aceton – Benzen là hai chất lỏng hòa tan hoàn toàn vào nhau và nhiệt độ sôi của Aceton là 56,1ºC, nhiệt độ sôi của Benzen là 80,1ºC ở nhiệt độ sôi này thì khả năng bay hơi dễ cùng với đó sản phẩm là Aceton với yêu cầu có độ tinh khiết cao và khi sử dụng Aceton – Benzen là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng luyện là hiệu quả nhất.
Biện luận lựa chọn tháp chưng cất và dây chuyền công nghệ
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Yêu cầu cơ bản của các thiết bị vẫn giống nhau: diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn để bảo đảm quá trình truyền khối, hiệu suất cao, năng suất lớn, dễ chế tạo, lắp đặt,vận hành, sửa chữa và thay thế, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia.
Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp đĩa
Tháp đĩa: Thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các đĩa trên đó pha lỏng và pha hơi được tiếp xúc trực tiếp với nhau Trên đĩa có gờ chảy tràn để duy trì mực chất lỏng trên đĩa.
Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: tháp đĩa chóp, tháp đĩa van hay tháp đĩa lưới (lỗ).
Hình 1 1 Các loại tháp đĩa Ưu điểm và nhược điểm của tháp đĩa
- Tháp đĩa chóp: năng suất cao, hoạt động ổn định
- Tháp đĩa lỗ: + Chế tạo đơn giản và tiêu tốn kim loại ít hơn tháp đĩa chóp - Hiệu suất tương đối cao
+ Hoạt động khá ổn định
+ Làm việc với chất lỏng bẩn
- Tháp đĩa chóp: + Chi tiết cấu tạo phức tạp
+ Tốn nhiều vật liệu kim loại
- Tháp đĩa lỗ: + Trở lực khá cao
+ Yêu cầu lắp đặt khắt khe (lắp đĩa thật phẳng, lưu lượng làm việc phải phù hợp với kích thước lỗ)
Hình 1 2 Hoạt động của tháp đĩa
Tháp đệm là một tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Đệm được xếp vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp theo thứ tự Trong tháp người ta đổ đầy đệm, tháp đệm được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ hóa học để hấp thụ, chưng luyện, làm lạnh Về vật liệu đệm tùy vào yêu cầu kĩ thuật mà tháp đệm sử dụng vật liệu làm đệm khác nhau
Tháp đệm có thể làm việc ở áp suất thường, áp suất chân không, làm việc liên tục hoặc gián đoạn Cấu tạo kích thước đệm tuỳ thuộc chế độ làm việc và yêu cầu độ tinh khiết của sản phẩm.
Nhưng nó cũng có hạn chế là khó làm ướt đều đệm Nếu tháp quá cao thì phân phối chất lỏng không đồng đều Để khắc phục, chia đệm thành nhiều tầng có đặt thêm đĩa phân phối chất lỏng đối với mỗi tầng
+ Chi phí lắp đặt thấp
+ Thiết bị nặng, năng suất thấp, độ ổn định thấp
+ Vệ sinh khó khăn nên không được sử dụng các chất lỏng bẩn
Hình 1 3 Sơ đồ công nghệ
3.3 Quá trình làm việc của tháp chưng cất
Hỗn hợp Aceton - Benzen là một hỗn hợp lỏng hòa tan hoàn toàn vào nhau theo mọi tỷ lệ
Ta có t S Aceton = 56.1 0 C < t S Benzen = 80.1 o C nên độ bay hơi của Aceton lớn hơn độ bay hơi của Benzen Vậy nên sản phẩm đáy chủ yếu là Benzzen và một phần rất ít Aceton, ngược lại sản phẩm đỉnh lại chủ yếu là Aceton và một phần rất ít là Benzen.
Tiến hành cụ thể : Trước hết hỗn hợp Aceton, Benzen từ thùng chứa (1) được bơm vào thùng cao vị (10), đi qua lưu lượng kế rồi dẫn xuống thiết bị đun nóng (4) Lưu lượng kế ở đây có vai trò điều tiết được dòng chảy, kiểm soát được tốc độ của dòng nguyên liệu xuống thiết bị đun nóng Sự có mặt của thùng cao vị đảm bảo cho lượng hỗn hợp đầu vào tháp không dao động, trong trường hợp công suất bơm quá lớn hỗn hợp đầu sẽ theo ống tuần hoàn tràn về bể chứa hỗn hợp đầu Ở (4) dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hoà Ra khỏi thiết bị đun nóng, dung dịch đi vào tháp chưng luyện (5) ở vị trí đĩa tiếp liệu Do đã được đun nóng đến nhiệt độ sôi nên tại đây Aceton thực hiện quá trình chuyển khối từ pha lỏng sang pha hơi và tiến về đỉnh tháp Benzen là cấu tử khó bay hơi ở nhiệt độ này nó vẫn đang ở thể lỏng và phân phối xuống dưới Như vậy trong tháp, hơi Aceton đi từ dưới lên gặp lỏng Benzen đi từ trên xuống Vì nhiệt độ càng lên càng thấp nên khi hơi Aceton đi từ dưới lên có mang theo một phần cấu tử Benzen, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùng ở trên đỉnh ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết cấu tử Aceton dễ bay hơi Hơi Aceton vào thiết bị ngưng tụ (6) được ngưng tụ lại Sau đó được đưa vào bình hồi lưu (11) Một phần chất lỏng đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (7) Phần còn lại hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng để tăng mức độ tách.
Tương tự quá trình dịch chuyển của Benzen sẽ kéo theo 1 phần cấu tử Aceton và càng xuống thấp nhiệt độ của tháp càng tăng khi chất lỏng Benzen đi từ trên xuống gặp hơi Aceton có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi và do đó nồng độ Benzen khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là chất lỏng Benzen khó bay hơi Benzen vào thiết bị (9) được đun nóng lại Một phần chất lỏng đi vào thùng chứa sản phẩm đáy
(8), phần còn lại hồi lưu về tháp Để tiết kiệm hơi đốt người ta có thể dùng hơi ở đỉnh tháp để đun nóng hỗn hợp ban đầu.
TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
Cân bằng vật liệu
Mục đích: Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục để phân riêng hỗn hợp Acetone – Benzene bằng tháp đĩa.
- Năng suất theo hỗn hợp đầu : 50 tấn/ngày = 2083.33 (kg/h)
- Nồng độ khối lượng của hỗn hợp đầu và sản phẩm đỉnh và đáy tương ứng là:
+ Nồng độ Aceton trong hỗn hợp đầu aF = 35% (phần khối lượng)
+ Nồng độ Aceton trong sản phẩm đỉnh ap = 96% (phần khối lượng)
+ Nồng độ Aceton trong hỗn hợp đáy aw = 7% (phần khối lượng)
- Tháp chưng cất làm việc ở áp suất thường
1.2 Các kí hiệu ban đầu
- GF: lưu lượng khối lượng dòng nguyên liệu (kg/h)
- GP: lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh (kg/h)
- GW: lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy (kg/h)
- aF: phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu (%kl)
- aP: phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đỉnh (%kl)
- aW: phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đáy (%kl)
- F: lưu lượng mol dòng nguyên liệu (kmol/h)
- P: lưu lượng mol dòng sản phẩm đỉnh (kmol/h)
- W: lưu lượng mol dòng sản phẩm đáy (kmol/h)
- xF: phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng nguyên liệu (%mol)
- xP: phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đỉnh (%mol)
- xW: phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đáy (%mol)
- yF: phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng nguyên liệu (%mol)
- MA: khối lượng phân tử của Aceton (kg/kmol)
- MB: khối lượng phân tử của Benzen (kg/kmol)
1.3 Tính toán cân bằng vật liệu
- Tính nồng độ phần mol trong cấu tử Aceton x F a F
+ Thành phần mol trong sản phẩm đỉnh: x P a P
+ Thành phần mol trong sản phẩm đáy: x W a W
- Tính khối lượng mol trung bình
- Tính lưu lượng mol các dòng
+ Lưu lượng hỗn hợp đầu theo mol:
+ Lưu lượng của dòng sản phẩm đỉnh theo mol:
+ Lưu lượng của dòng sản phẩm đáy theo mol:
- Lưu lượng khối lượng các dòng
+ Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh:
+ Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy:
Bảng 2 1: Bảng cân bằng vật liệu của tháp chưng cất
Lưu lượng khối lượng (kg/h) 655,26 1428.07 2083.3
Lưu lượng khối lượng (kg/h) 629.04
Lưu lượng khối lượng (kg/h) 99.965 1328.10
1.4 Thành phần pha của hỗn hợp 2 cấu tử Aceton – Benzen
Bảng 2 2: Bảng thành phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử
Aceton và Benzen ở áp suất 760mmHg (mol)
Từ số liệu bảng trên ta vẽ đồ thị đường cân bằng x-y và đường cân bằng T-x-y
Hình 2 2: Đường cân bằng T-x-y Bằng phương pháp nội suy ta tính được y* và t s ¿, như bảng sau:
Bảng 2 3: Bảng nội suy tuyến tính của hỗn hợp Aceton - Benzen
Sản phẩm x (phần mol) y* (phần mol) t s ¿ (◦C)
1.5 Xác định tỷ số hồi lưu và số đĩa lí thuyết
- Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện:
Do chọn ngưng tự hoàn toàn nên ta có nhận định sau
+ Lưu lượng pha hơi đi từ dưới lên không đổi trong toàn bộ chiều cao của tháp (G’y Gy), dòng mol pha lỏng đi từ trên xuống là không đổi trong đoạn luyện và đoạn chưng (Gx = const và G’x = Gx + F = const
+ Hơi đưa vào từ đáy tháp có nồng độ bằng nồng độ sản phẩm đáy (yW = xW).
+ Đun sôi đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.
Phương trình cân bằng vật liệu của đoạn luyện:
+ Gy: lưu lượng pha hơi đi từ dưới lên (kmol/h).
+ Gx: lưu lượng pha lỏng hồi lưu trở lại tháp (kmol/h).
+ P: lưu lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h).
Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử dễ bay hơi:
P : chỉ số hồi lưu của đoạn luyện.
Do đó phương trình đường nồng độ làm việc có dạng: y Ax B
Phương trình y=Ax+B là phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện.
Nó thể hiện mối quan hệ của nồng độ pha lỏng ở tiết diện bất kì trên đoạn luyện và nồng độ của pha hơi ở cùng tiết diện phụ thuộc vào chỉ số hồi lưu R và nồng độ sản phẩm đỉnh,
Phương trình cân bằng vật liệu tại vị trí bất kì của đoạn chưng:
Với G’x: lượng lỏng trong đoạn chưng từ trên xuống (kmol/h).
W: lưu lượng sản phẩm đáy (kmol/h).
Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử dễ bay hơi:
29,933 11.182 = 2.678, L gọi là lượng hỗn hợp đầu với 1 kmol hỗn hợp đỉnh
Do đó phương trình đường nồng độ làm việc có dạng: y A'x B'
- Xác định số đĩa lý thuyết
+ Đường làm việc đoạn luyện cắt trục Oy trên đồ thị cân bằng pha x-y tại B.
+ Điểm B phụ thuộc vào giá trị chỉ số hồi lưu làm việc Rx.
+ Rx được chọn qua tỷ số hồi lưu tối thiểu theo công thức
xP: nồng độ phần mol của aceton ở sản phẩm đỉnh.
xF: nồng độ phần mol của aceton ở hỗn hợp đầu.
y * F: nồng độ phần mol pha hơi cân bằng pha lỏng ở hỗn hợp đầu.
Với mỗi giá trị Rx → điểm B → đường làm việc đoạn luyện → đường làm việc đoạn chưng → Vẽ số bậc thay đổi nồng độ → Xác định Nlt.
- Chọn chỉ số hồi lưu thích hợp Để đơn giản cho việc thiếp lập đường làm việc của tháp chưng luyện, ta giả thiết:
Dòng mol pha hơi đi từ dưới lên không đổi trên toàn bộ chiều cao của tháp Dòng mol pha lỏng đi từ trên xuống không đổi trong đoạn luyện và đoạn chưng, Tức thoa mãn điều kiện sau:
- Xác định chỉ số hồi lưu làm việc (Rx)
+ Chỉ số hồi lưu làm việc thường được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu:
+ Trong đó: b : hệ số dư hay hệ số hiệu chỉnh.
+ Tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu làm việc bằng: R = (1.2 ÷ 2.5).Rmin.
+ Ta biết Rmin, cho b biến thiên bất kì trong khoảng (1.2 ÷ 2.5), tính được R tương ứng. Ở mỗi R tương ứng ta vẽ đường làm việc và vẽ các bậc thay đổi nồng độ lý thuyết N.
+ Bước 1:Vẽ đường y=x và đường cân bằng y=f(x)
+ Bước 2: Vẽ đường làm việc đoạn luyện y=Ax+B qua điểm y=x=xP
Vẽ đường làm việc đoạn chưng x=A‘y+B ́ qua điểm y=x=xW
Hai đường cắt nhau tại x=xF, từ xF ta nối lên giao điểm của 2 đường.
+ Bước 3: Vẽ các tam giác ta thu được số đĩa lý thuyết.
+ Bước 4: Lập bảng giá trị các thông số cần thiết.
+ Bước 5: Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ Rx và V ~ Nlt.(Rx+1).Rồi sau đó xác định chỉ số hồi lưu theo điều kiện tháp nhỏ nhất.
1 Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết
Hình 2 3: Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết của hỗn hợp Aceton-Benzen tại b = 1.3
1 Đồ thị xác định số đĩa ý thuyết
Hình 2 4: Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết của hỗn hợp Aceton-Benzen tại b = 1.5
1 Đồ thị xác định số đĩa ý thuyết
Hình 2 5: Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết của hỗn hợp Aceton-Benzen tại b = 1.7
1 Đồ thị xác định số đĩa ý thuyết
1 Đồ thị xác định số đĩa ý thuyết
Hình 2 7: Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết của hỗn hợp Aceton-Benzen tại b = 2.1
1 Đồ thị xác định số đĩa ý thuyết
Hình 2 8: Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết của hỗn hợp Aceton-Benzen tại b = 2.3
1 Đồ thị xác định số đĩa ý thuyết
Hình 2 9: Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết của hỗn hợp Aceton-Benzen tại b = 2.5
Vấn đề chọn chỉ số hồi lưu thích hợp rất quan trọng vì khi chỉ số hồi lưu bé thì số bậc của tháp lớn nhưng tiêu tốn hơi ít , ngược lại khi chỉ số hồi lưu lớn thì số bậc của tháp ít hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt lại rất lớn do đó phải xác định chỉ số hồi lưu từ điều kiện tháp nhỏ nhất (V làm việc N ¿( R x +1¿
Ta có: R x =b × R xmin với b hệ số dư ∈ [ 1.2 – 2.5]
Bảng 2 4: Bảng xác định chỉ số hồi lưu thích hợp và số đĩa lí thuyết b 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5
72 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa Rx và N(Rx+1)
Từ bảng trên tìm được giá trị N(Rx+1) nhỏ nhất tại Rx = 3.25 tương ứng b = 1.9
Vậy ta tính được chỉ số hồi lưu thích hợp Rx = 3.25
Số đĩa lí thuyết đoạn chưng : 3.3
Số đĩa lí thuyết đoạn luyện : 10.7
Số đĩa lí thuyết của tháp chưng: 14
Cân bằng nhiệt lượng
• Xác định lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ và làm lạnh sản phẩm đỉnh.
• Xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu và đun sôi ở đáy tháp.
Hình 2 10: Sơ đồ hệ thống tháp chưng cất
QD1: lượng nhiệt do hơi nước cung cấp để đun nóng hỗn hợp đầu (J/h)
Qf: lượng nhiệt hỗn hợp mang vào (J/h)
QF: lượng nhiệt do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng (J/h)
Qxql: lượng nhiệt mất mát trong quá trình đun sôi (J/h)
Qy: lượng nhiệt hơi mang ra khỏi tháp (J/h)
QR: lượng nhiệt do lượng lỏng hồi lưu mang vào (J/h)
QP: nhiệt do sản phẩm đỉnh mang ra (J/h)
QD2: nhiệt lượng cần đun nóng sản phẩm đáy (J/h)
QW: nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h)
Qxq2: nhiệt lượng mất mát trong tháp chưng luyện (J/h)
Qng1: nhiệt do nước ngưng mang ra ở thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu (J/h)
Qng2: nhiệt do nước ngưng mang ra ở thiết bị đun sôi sản phẩm đáy (J/h)
2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho quá trình đun nóng:
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
- λ 1: hàm nhiệt của hơi nước (J/kg)
- r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg)
- θ 1: nhiệt độ nước ngưng (oC)
- C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:
- F: lượng hỗn hợp đầu (kg/h)
- Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi vào, J/kg.độ
Với: aF: nồng độ phần khối lượng của hỗn hợp đầu
- CA, CB: nhiệt dung riêng của Aceton và Benzen ở 25°C (J/kg.độ)
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:
- CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đi ra thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu, J/kg.độ
- tF: nhiệt độ hỗn hợp đi ra thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu (°C)
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
- Gng1: Lượng nước ngưng (lấy bằng lượng hơi đốt) (kg/h)
Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh Qm1 (thường lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn)
Như vậy lượng hơi nước bão hoà cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi:
Tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp
- tf: nhiệt độ của hỗn hợp đầu đi vào thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu, chọn bằng nhiệt độ môi trường, tf = 25° C
- tF: nhiệt độ sôi của hỗn hợp đi ra thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu
+ Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu được tính theo công thức
=C 25 A ×a F +C B 25 ×(1−a F ) Dựa vào số liệu bảng I.153/171 ST-QTTB-T1 và bằng nội suy ta có:
Thay C 25 A , C B 25 vào công thức ta có:
+ Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đi ra thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu ở nhiệt độ ts= tF 64.4oC được tính theo công thức
C F =C A F × a F +C B F ×(1−a F ) Với tF = 64.4 oC ta có:
C F 64.4 =C 64.4 A × a F +C B 64.4 ×(1−a F ) Dựa vào bảng số liệu bảng I.153/171 ST-QTTB-T1 và bằng nội suy ta có:
, C B 64.4 vào công thức ta có:
Tính ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (r1)
Sử dụng hơi nước bão hòa làm hơi đốt, chọn áp suất làm việc tra được ẩn nhiệt hóa hơi Ta chọn hơi nước bão hòa đun sôi ở nhiệt độ t = 99.1 o C áp suất p = 1 atm ta có r1
Lượng hơi đốt cần thiết:
Tính toán nhiệt lượng của các dòng
+ Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào
Nhiệt độ của nước ngưng bằng nhiệt độ hơi nước bão hòa θ1 = 99.1 °C Với θ1 = 99.1 °C, dựa vào bảng I.148/166 – ST-QTTB-T1 suy ra C1 = 4228.67 J/kg.độ
+ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào
2.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện
Tính toán nhiệt lượng các dòng
+ Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào
- D2: lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng dung dịch ở đáy tháp (kg/h)
- λ 2: hàm nhiệt của hơi nước bão hòa (J/kg)
- θ2: nhiệt độ của nước ngưng (= 99.1°C)
- C2: nhiệt dung riêng của nước ngưng (= 4228.67 J/kg.độ)
+ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào
Q F =F ×C F ×t F 83.33×2081.27×64.4'9.236×10 6 ¿ + Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào
- GR: lượng lỏng hồi lưu, kg/h
tR: nhiệt độ của lỏng hồi lưu
CR: nhiệt dung riêng của lỏng hồi lưu
Dựa vào bảng số liệu bảng I.153/173 ST-QTTB-T1 và bằng nội suy ta có:
Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp
-λd nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, (J/kg) λ d =λ A × a' P +λ B ×(1– a ' P )
-a’P : là nồng độ phần khối lượng trong hỗn hợp hơi ở đỉnh tháp a ' P y
- λ A, λ B : nhiệt dung riêng của cấu tử A và B đi ra đỉnh tháp, J/kg.độ λ A =r A +C A × t D λ B =r B +C B ×t D
- rA , rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử A và B ở nhiệt độ tD
CA, CB: nhiệt dung riêng của cấu tử A và B tại nhiệt độ tD, J/kg.độ
Dựa vào bảng I.153/171 ST-QTTB-T1 và bằng nội suy ta có: CA = 2293.65 (J/kg.độ)
CB = 1911.65 (J/kg.độ) Dựa vào bảng I.212/254 ST-QTTB-T1 và bằng nội suy ta có: rA = 522.15 × 10 3 (J/kg) rB = 410.7 × 10 3 (J/kg) Suy ra: λ A =r A +C A × t D R2.15×10 3 +2293.65×56.7e2.199×10 3 (J/kg độ) λ B =r B +C B ×t D A0.7×10 3 +1911.65×56.7Q9.555×10 3 (J/kg độ) λ d =λ A × a ' P +λ B × ( 1 – a ' P ) e2.199 ×10 3 × 0.976+519.555×10 3 ×(1–0,976)d9.015×10 3 (J/kg độ)
Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra:
- W: lượng sản phẩm đáy, kg/h
CW: Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy được xác định theo công thức:
=C 78.1 A ×a W +C 78.1 B ×(1−a W ) Dựa vào bảng số liệu bảng I.153/171 ST-QTTB-T1 và bằng nội suy ta có:
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra
- Gng2 : lượng nước ngưng tụ (kg/h) bằng lượng hơi nước cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp
C2 : nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
θ2 : nhiệt độ của nước ngưng (◦C)
Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh
Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng dung dịch ở đáy tháp là:
D = D1 + D2 = 83.62 + 688.711= 772.331(kg/h) 2.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ ở đỉnh tháp
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ
Sử dụng thiết bị ngưng tụ hoàn toàn:
Trong đó: r: ẩn nhiệt của hỗn hợp ngưng tụ, J/kg rD = rA ×a’P + rB × (100% - a’P)
Gnl: Lượng nước lạnh tiêu tốn, kg/h
Cn: Nhiệt dung riêng của nước làm lạnh (tính theo nhiệt độ trung bình) t1: nhiệt độ vào của nước lạnh, o C t2: nhiệt độ ra của nước lạnh, ◦C
Chọn nhiệt độ vào của nước lạnh t1 = 25 o C và nhiệt độ ra t2 = 45 o C
Do đó nhiệt độ trung bình: t tb =t 1 +t 2
- Cn: nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ 35 o C Tra bảng I.147/165 – ST-QTTB-T1
Cn = 0,99861 (kcal/kg.độ) = 4180,1 (J/kg.độ)
Vậy lượng nước lạnh của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn là:
2.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh
Chọn ngưng tụ hoàn toàn:
C n (t 2 −t 1 ) Trong đó : t1’: nhiệt độ đầu của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, o C t2’: nhiệt độ cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, o C t1’ = tP = 56,5 o C, t2’ = 25 o C t1 = 25 o C, t2 = 45 o C, Cn = 4180.1 (J/kg.độ)
Ta có: tD = tP = 56.7 o C, dựa vào bảng I.153/171 ST-QTTB-T1 và bằng nội suy ta có:
Nếu ngưng tụ hoàn toàn thì:
) =G n 4 ×C n ×(t 2−t 1) Tương tự, lượng nước lạnh tiêu tốn là:
Vậy tổng lượng nước ở 25 0C, 1atm cần dùng để ngưng tụ và làm lạnh là :
TÍNH KẾT CẤU CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
Tính số đĩa thực tế
Gọi: η F , η P , η W lần lượt là hiệu xuất làm việc đĩa trên cùng, đĩa tiếp liệu, đĩa cuối cùng của tháp
Hiệu suất thu tính được tại giá trị nhiệt độ dòng nhập liệu tF
Ta có: xF:0.42 phần mol yF: 0.623 phần mol tF: 64.4C Độ bay hơi tương đối của cấu tử: α= y ¿
0.42 =2.282 Độ nhớt của hỗn hợp lỏng được tính theo công thức (sổ tay QTTB, T1, tr91)
Từ nội suy ở nhiệt độ tF = 64.4 o C, ta có μ Aceton =¿0.227 × 10 3 N.s/m 2 μ Benzen =¿0.378×10 3 N.s/m 2 Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: logμ hh =x 1 lgμ A × x 2 lgμ B =0.42lg(0.227)+(1−0.42)lg(0.378)
Hiệu suất thu tính được tại giá trị nhiệt độ đỉnh tháp tP
Ta có: xP:0.97 phần mol yP: 0.976 phần mol tP: 56.7 o C Độ bay hơi tương đối của cấu tử: α= y ¿
0.97 =1.257 Độ nhớt của hỗn hợp lỏng được tính theo công thức (sổ tay QTTB, T1, tr91)
Từ nội suy ở nhiệt độ tP = 56.7 o C, ta có μ Aceton =¿0.2358 N.s/m 2 μ Benzen =¿0.4065 N.s/m 2 logμ hh =x 1 lgμ Aceton × x 2 lgμ Benzen =0.97lg(0.2358)+(1−0.97)lg(0.4065)
Hiệu suất thu tính được tại giá trị nhiệt độ đáy tháp tW
Ta có: xW:0.092 phần mol yW: 0.21 phần mol tW: 78.1 Độ bay hơi tương đối của cấu tử: α= y ¿
0.092 =2.623 Độ nhớt của hỗn hợp lỏng được tính theo công thức (sổ tay QTTB, T1, tr91)
Từ nội suy ở nhiệt độ tW = 78.1 o C, ta có μ Aceton =¿0.20 × 10 3 N.s/m 2 μ Benzen =¿0.30×10 3 N.s/m 2 Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: logμ hh =x 1 lgμ A × x 2 lgμ B =0.092lg(0.20)+ (1−0.092)lg(0.30)
Hiệu suất trung bình của đĩa được tính bằng giá trị trung bình tại 03 giá trị nhiệt độ khác nhau: η tb U+67+53.2
Số đĩa thực tế = số đĩalí thuyết η tb = 14
Tính toán đường kính thiết bị tháp chứng cất
2.1 Tính toán đường kính tháp chưng cất
Quan hệ giữa chiều cao H và đường kính trong (đối với thiết bị đặt thẳng đứng) và quan hệ giữa chiều dài L và đường kính trong Dt (đối với thiết bị nằm ngang) được xác định theo yêu cầu của công nghệ sản xuất hóa chất và thông thường là
H/Dt≤30 và L/Dt≤10Công thức tính đường kính tháp: (IX-89)
Vtb: Lượng hơi trung bình đi trong tháp (m 3 /h)
tb: Vận tốc hơi trung bình đi trong tháp (m/s)
Do lượng hơi và lượng lỏng phụ thuộc vào sự thay đổi theo chiều cao tháo và khác nhau trong đoạn chưng và đoạn luyện dẫn đến đường kính của đoạn chưng và đoạn luyện của tháp có thể khác nhau.
Hình 3 1: Sơ đồ tháp chưng cất
Lượng hơi trong bình đi mỗi đoạn tính được theo lưu lượng hơi đi vào và ra của mỗi đoạn. Đoạn luyện: g tb =g l +g d
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện g tb =g l +g d
- gtb: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h)
- gd: Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)
- gl: Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h)
Tính lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp gd=GR+GP=GP ×(Rx+1) (2)
- GR: Lượng lỏng hồi lưu (kg/h)
- GP: Lưu lượng khối lượng của sản phẩm đỉnh GP= 655.148 (kg/h)
- Rx: Tỷ số hồi lưu Rx= 3.25
gđ= GR+GP=GP ×(Rx+1) '84.379 (kg/h)
Cân bằng vật liệu toàn phần từ đĩa tiếp liệu đến đỉnh tháp: gl = Gl+GP (3)
Lượng lỏng đi vào đĩa tiếp liệu của đoạn luyện: Gl = gl - GP
Cân bằng vật liệu riêng phần cho cấu tử nhẹ từ đĩa tiếp liệu đến đỉnh tháp g l × y 1 =G l × x 1 +G P × x P (4) Trong đó
- yl: hàm lượng hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện, phần khối lượng
Phương trình cân bằng nhiệt lượng toàn phần từ đĩa tiếp liệu đến đỉnh tháp: gl × rl = gd × rd (5) Trong đó
- r1: ẩn nhiệt hóa hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện, phần khối lượng (J/kg)
- rd: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp (J/kg)
Từ phương trình (3), (4), (5) ta có hệ phương trình sau: g l =G l +G P g l × y l =G l × x l +G p × x p g l ×r l =g d ×r p
+ Nội suy trong bảng I.212 (I.254) ở nhiệt độ tF= 64.4ºC
Ta có: rA Q4.097 × 10 3 (J/kg) rB @4.989 × 10 3 (J/kg)
+ Nội suy trong bảng I.212 (I.254) ở nhiệt độ tP = 56.7ºC
Ta có: rA R2.15 × 10 3 (J/kg) rB A0.7 × 10 3 (J/kg)
+ Tính (r1) của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện ở 64.4ºC rl = rA × yl + (1-yl) × rB = 514.097 × 10 3 × yl + (1-yl) × 404.989 × 10 3
+ Tính (rP) ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ra khỏi đỉnh tháp ở 56.7ºC rp = rA ×yP + (1- yP) × rB=514.097 × 10 3 × 0.982 + (1- 0.982) × 410.7 × 10 3
Từ (3), (4), (5), (6) ta có: g l =G l +G P g l = 3126.94 (kg/h) g l × y l =G l × x l +G p × x p G l $71.729 (kg/h) g l ×r l =g d ×r p y l =0.533 (phần kl) =0.606 (phần mol) r l =r A × y l +(1− y l ) × r B r l = 467.435 × 10 3 (J/kg)
Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện: gl= 3126.94 (kg/h)
Lượng lỏng đi vào đĩa tiếp liệu của đoạn luyện: Gl= 2471.729(kg/h) Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa cuối cùng của đoạn luyện: r1= 467435 (J/kg) Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: gtb = g l + g d
Tính khối lượng trung bình
- Đối với pha hơi: Đối với pha hơi, từ phương trình cân bằng vật liệu, cân bằng nhiệt lượng tính cho cấu tử nhẹ đối với từng đoạn tháp ta tính nồng độ phần mol trung bình của cấu tử nhẹ trong đoạn đó, từ đó tính được khối lượng riêng trung bình của pha hơi theo công thức: ρ ytb =[ y tb 1 × M A +(1− y tb 1 )× M B ] ×273
-MA, MB: Khối lượng mol của Acetone và Benzene
-T: Nhiệt độ trung bình của đoạn luyện (K), ttb = t F +t p
-Nồng độ phần mol trung bình ytb1 tính theo công thức ytb1 = y d1 + y c 1
2 =0.982+ 2 0.606 =0.794 (phần mol) Với yd1= yp và yc1= y1
- Đối với pha lỏng Đối với pha lỏng, khối lượng riêng trung bình được tính theo công thức:
- ρx1, ρx2: khối lượng riêng trung bình của Acetone và Benzene của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m 3 )
Nồng độ phần mol trung bình của Acetone trong đoạn luyện: xtb1 = x F + x P
2 = 0.42+ 2 0.97 =0.695 (phần mol) Nội suy trong bảng IX.2a – (Tr145/T2) ta có: txtb = 60.55 ºC
Nội suy trong bảng I.2 (Tr9/T1) ở nhiệt độ txtb = 60.55 ºC
- atb1: phần khối lượng trung bình của Acetone trong pha lỏng: atb1 = a F +a P
Tìm vận tốc hơi trung bình đi trong đoạn luyện δA = 18.168 (dyn/cm) δB = 23.268 (dyn/cm) ¿>φ[σ]=0.8
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng
4660.016 =0.022(phần khốilượng) Vậy lượng hơi trung bình trong đoạn chưng: g tb ' =g ' n+g '1
2 =¿2422.494784 (kg/h) Tính khối lượng riêng trung bình
- Đối với pha hơi ρ ytb ' = [ y tb1 ' × M A +(1− y tb1 ' ) × M B ] × 273
- MA, MB: Khối lượng môn của Aceton và Benzen
- T: Nhiệt độ trung bình của đoạn chưng (K), ttb = t F +t w
- Nồng độ phần mol trung bình ytb1’ tính theo công thức ytb1’ = y l + y w
2 = 0.3575 +0.0864 2 = 0.222 (phần mol) Vậy ρ ytb ' = 3.02 (kg/m 3 )
- Đối với pha lỏng Đối với pha lỏng, khối lượng riêng trung bình được tính theo công thức:
Tính toán và chọn đĩa
- ρx1’, ρx2’: khối lượng riêng trung bình của Acetom và Benzen của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m 3 )
Nồng độ phần mol trung bình của Aceton trong đoạn chưng: xtb1’ = x F + x w
2 = 0.42 +0.092 2 = 0.256 (phần mol) Nội suy trong bảng IX.2a – (Tr145/T2) ta có: t x tb1 ' = 71.25℃
Nội suy trong bảng I.2 (I.9) ở nhiệt độ: t x tb1' = 71.25℃
- atb1’: phần khối lượng trung bình của Aceton trong pha lỏng: atb1’ = a F + a w
Tính đường kính đoạn chưng
Chọn đường kính toàn tháp là 1 m
2.4 Tính toán chiều cao tháp chưng cất
Chọn chiều cao giữa các đĩa: h = 0.3
Chọn khoảng cách từ nắp đến đĩa cuối cùng của đoạn luyện: ∆ H = 0.8m
Chọn chiều dày mỗi đĩa: δ =¿ 0.005m
Chiều cao thân tháp chưng cất: H = Ntt(h+δ) + ∆ H
3 Tính toán kết cấu đĩa
3.1 Đoạn luyện Đường kính ống hơi chảy truyền trong đoạn chưng: d c=√ 3600 πρ xtb ω c z c 4 Gxtb
Lưu lượng lỏng đi trong đoạn chưng: G xt #00.48kg/h
Chọn số ống chảy truyền phụ thuộc vào đường kính tháp: zc = 1
Chọn tốc độ chất lỏng trong ống chảy truyền (m/s): ω c = 0.1 m/s
Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m 3 ): ρ xtb = 771.94 kg/m 3 dc = 0.1026 m/s
Đường kính ống hơi của chóp (chọn): dh = 0.075 (mm) = 0,075 (m)
Số chóp phân bố trên đĩa: n=0,1 D
2 d h 2 ; (ϕ: đường kính trong của tháp) ϕ =1( m) ⇒ n=n=0,1 D
Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi: h2 = 0,01855 (m)
2+¿ ¿ δ ch : chiều dày chóp, chọn δ ch = 0,003 (m)
Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp : Chọn S = 0,02 (m) = 2 (mm)
Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp : Chọn h1 = 0,03 (m)
Chiều cao khe chóp: Chọn hr = 30 (mm) = 0,03 (m)
Đường kính tương đương của khe rãnh chop khi rãnh chop mở hoàn toàn: d td=4 f ( x ) Π = 0.005454 m = 5.454 mm
Số lượng khe hở của mỗi chóp : i = 67 khe
Chiều rộng khe chóp: Chọn b = 2 (mm) = 0,002 (m)
Lượng hơi đi trong tháp (m 3 /h) Vy = 1392.62 m 3 /h
Vận tốc hơi qua rãnh chóp ω o=3600 4 πd Vy 2 h n = 5.119 m 3 /s
Chiều cao ống chảy truyền nhố lên trên đĩa: h c=(h1+hr+S)-Δ
Chiều cao mức chất lỏng bên trên ống chảy truyền (m) Δ=3√ ( 3600.1,85 V x πd c )2 = 0.0124 m
Thể tích chất lỏng chảy qua:
Chiều cao lớp bọt trên đĩa h x=S+ h r 2 = 0.035 m
- Chiều cao của chop hch = 0.135 m
- Phần bề mặt có gắn chop F = 0.527 m 2
- Tổng diện tích các chop trên đĩa f = 0.153
- Khối lượng riêng của bọt ρ b=0.5 ρ x = 385.97 kg/m 3
3.2 Đoạn chưng Đường kính ống hơi chảy truyền trong đoạn chưng: d c=√ 3600 πρ xtb ωc z c 4 Gxtb
Lưu lượng lỏng đi trong đoạn chưng: G xt $87.9kg/h
Chọn số ống chảy truyền phụ thuộc vào đường kính tháp: zc = 1
Chọn tốc độ chất lỏng trong ống chảy truyền (m/s): ω c = 0.1
Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m 3 ): ρ xtb = 791.18 kg/m 3 dc = 0.105 m/s
Đường kính ống hơi của chóp (chọn): dh = 0.075 (mm) = 0,075 (m)
Số chóp phân bố trên đĩa: n=0,1 D
2 d h 2 ; ( ϕ : đường kính trong của tháp) ϕ =1( m) ⇒ n=n=0,1 D
Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi: h2 = 0,019 (m)
2+¿ ¿ δ ch : chiều dày chóp, chọn δ ch = 0,003 (m)
Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp : Chọn S = 0,02 (m) = 2 (mm)
Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp : Chọn h1 = 0,03 (m)
Chiều cao khe chóp: Chọn hr = 30 (mm) = 0,03 (m)
Đường kính tương đương của khe rãnh chop khi rãnh chop mở hoàn toàn: d td=4 f ( x ) Π = 0.005454 m = 5.454 mm
Số lượng khe hở của mỗi chóp : i = 67 khe
Chiều rộng khe chóp: Chọn b = 2 (mm) = 0,002 (m)
Lượng hơi đi trong tháp (m 3 /h) Vy = 1310.27m 3 /h
Vận tốc hơi qua rãnh chóp ω o=3600 4 πd Vy 2 h n = 4.848 m 3 /s
Chiều cao ống chảy truyền nhố lên trên đĩa: h c=(h1+hr+S)- Δ Chiều cao mức chất lỏng bên trên ống chảy truyền (m) Δ=3√ ( 3600.1,85 V x πd c )2 = 0.013 m
Thể tích chất lỏng chảy qua:
Chiều cao lớp bọt trên đĩa
- Chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa (không lẫn bọt): h x=S+ h r 2 = 0.035m
- Chiều cao của chóp hch = 0.1m
- Phần bề mặt có gắn chop F = 0.735 m 2
- Tổng diện tích các chop trên đĩa f = 0.0.1626
- Khối lượng riêng của bọt ρ b=0.5 ρ x = 395.59 kg/m 3 hb = 0.1006 m = 100.6 mm
Trở lực
Trở lực của tháp chóp được tính theo công thức sau ( ∆ P )
Với: - N TT: số đĩa thực tế của tháp
-∆ P d: tổng trở lực của một đĩa (N/m 2 ), giá trị tổng trợ lực được tính theo công thức:
- ∆ P s : Trở lực do sức căng bề mặt của hỗn hợp (N/m 2 )
- ∆ P t : Trở lực thủy tĩnh do lớp chất lỏng trên đĩa (N/m 2 )
4.1 Trở lực đối với đoạn chưng
Tổn thất áp suất đĩa khô ∆ P k được xác định theo công thức IX-119/189.Tập II
2 9.69(N/m 2 ) Trở lực do sức căng bề mặt của hỗn hợp:
Trở lực của lớp lỏng trên đĩa
Tổng trở lực trên đoạn chưng
4.2 Trở lực đối với đoạn luyện
Tổn thất áp suất đĩa khô ∆ P k được xác định theo công thức IX-119/189.Tập II
2 8.641(N/m 2 ) Trở lực do sức căng bề mặt của hỗn hợp:
Trở lực của lớp lỏng trên đĩa
Tổng trở lực trên đoạn chưng
Trở lực trên mỗi chóp của đĩa:
(n) = 31.217 (N/m 2 ) Tổng trở lực trên toàn tháp: ∆ P=∆ P c +∆ P l = 11758.536 (N/m 2 )
Một số lưu ý khi chế tạo tháp:
- Đảm bảo đường hàn càng ngắn càng tốt
- Bố trí mối hàn ở vị trí dễ quan sát
- Không khoan lỗ qua mối hàn.
Tháp chưng luyện có thân hình trụ đặt thẳng đứng làm việc ở khoảng nhiệt độ 25- 100
℃ và ở áp suất thường nên ta chọn vật liệu làm thân hình trụ bằng thép cacbon ký hiệu
CT3 Thép này bền nhiệt (Tr309/Tập 2).
- Tốc độ rỉ: 0.06 mm/năm
- Thời gian làm việc từ 15- 20 năm
- Thiết bị hàn tay bằng hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối hai bên
5.1 Tính chiều dày thân hình trụ hàn, thẳng đứng
Chiều dày thân tháp được tính theo công thức:
(XIII.8-Tr360/2) Trong đó: Dt: đường kính thân tháp (m)
[ σ ] ứng suất cho phép N/m 2 φ hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc
P áp suất trong thiết bị N/m 2
C hệ số bổ sung do ăn mòn, dung sai về chiều dày (m) Chọn vật liệu CT3 (σk = 380.10 6 N/m 2 , σc = 240.106 N/m 2 ) (tr309/tập 2) Áp suất làm việc của tháp:
P = Pmt+P1 Trong đó: P áp suất làm việc
Pmt 131025 N/m 2 áp suất hơi P1 áp suất thủy lực Áp suất thủy tĩnh (Tháp chưng luyện ở áp suất khí quyển P = 760 mmHg = 101325 N/ m2 là áp suất thấp và trung bình nên chọn thân tháp hình trụ hàn (theo II.360)).
Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc: φ=φ h ×H+∑ d
Trong đó: H: Chiều cao thân hình trụ, (m)
∑ d : Tổng số lớn nhất của đường kính các lỗ trên một đường sinh, (m)
C2 = 0 (tra Bảng XIII.9-Tr364/Tập 2) C3 = 0.0003m Ứng suất cho phép của vật liệu CT3 theo giới hạn bền kéo
[σ]k = σ k n k × η n k , n c : Hệ số an toàn theo giới hạn bền khi kéo, chảy n k =2.6 n c =1.5 η : Hệ số hiệu chỉnh, khi thiết bị thuộc nhóm 2 loại II: η = 1
Vậy [σ] nhận giá trị nhỏ hơn 1.46 Bar
163820.8 ×0.95=¿ 892.15 > 50 thì bỏ qua đại lượng P ở mẫu XIII.8 Suy ra chiều dày thân trụ S
Do đó ta chọn S = 4mm
Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử Áp suất thử được tính theo công thức
Trong đó: Pth: Áp suất thử thủy lực (N/m2), Pth=1.5 x P = 0.0245 Bar
Pl: Áp suất thủy tĩnh của cột nước 0.00062 Bar
P0 = 0.0030 Bar Xác định ứng suất ở thân thiết bị theo công thức σ= [ D t +( S−C) ] x P O
1.2 2 Bar Nên giá trị S = 4mm thỏa mãn điều kiện
5.2 Tính đáy tháp và nắp thiết bị
Nắp và đáy thiết bị làm cùng loại vật liệu với thân thiết bị, chọn đáy và nắp thiết bị kiểu elip có gờ.
Tính chiều dày của đáy và nắp được tính theo công thức (XIII.47/385.II):
Với: D = 1 dựa vào bảng XIII.10 (II.382) Ta có: hb: Chiều cao phần lồi ra, hb = 0,25 x 1 = 0.25 m
Chiều cao của gờ: h = 25 mm φh: Hệ số bền mối hàn hướng tâm, chọn φh = 0,95 (bảng XIII.8/362.II) k: Hệ số không thứ nguyên, k = 1 − d/Dt (Với đáy (nắp) không hoặc có lỗ được tăng cứng
163820.8528 ×1×0.957.548>30nên có thể bỏ qua p ở mẫu số
Ta có: Stháp – C = 4 – 1.3 = 2.7 < 10mm bổ sung thêm 2mm vào giá trị C ban đầu tính Vậy bề dày đáy, nắp là: Sđ = 3.921 mm
Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thử thủy lực bằng công thức XIII.49/386.II σ=[ D t
= 1.0053 bar Như vậy nhỏ hơn σ ≤ σ c
5.3 Tính bề dày lớp cách nhiệt Để tránh tổn thất nhiệt cho môi trường xung quanh, đảm bảo cho quá trình chưng luyện đạt hiệu suất cao nhất thì ta phải trang bị cho tháp chưng luyện một lớp cách nhiệt.
Chọn vật liệu cách nhiệt bằng bông thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt nhỏ với: λcn = 0.0372 (W/m2.độ) (Bảng I.126 – STQTTB-T1/128) ρcn = 200 (kg/m3) (Bảng I.1-STQTTB-T1/8)
Tính tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh theo công thức: q2 = α2 x Δtt2, (W/m2)
Trong đó: Δtt2: hiệu số nhiệt độ giữa tường bên ngoài của thiết bị với môi trường. α2: hệ số cấp nhiệt do bức xạ và đối lưu từ bề mặt lớp cách nhiệt ra môi trường α2 = 9,3 + 0,058 x Δtt2, (W/m2.độ) (V.136 – STQTTB-T2/41)
Chấp nhận quá trình truyền nhiệt trên là quá trình truyền nhiệt ổn định Xem nhiệt truyền từ bên trong ra ngoài theo tường phẳng nhiều lớp
Chấp nhận nhiệt độ mặt ngoài của lớp cách nhiệt t1 = 35 o C
Nhiệt độ môi trường t2 = 25 o C Δtt2 = t1 – t2 = 10 o C α2 = 9,3 + 0,058 x Δtt2 = 9.88 W/m 2 độ
Nhiệt lượng truyền từ trong tháp ra mặt ngoài lớp cách nhiệt q 2 =K ×∆ t 1
Trong đó: Δtt1: hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ trong tháp và nhiệt độ mặt ngoài tháp
K: hệ số truyền nhiệt, W/m2 độ Nhiệt độ trung bình tháp: tp = 56.7 o C tF = 64.4 o C tW = 78.1 o C t 0 =t tbL +t tbC
Khi quá trình truyền nhiệt ổn định q1 = q2 = q
Mặt khác: K= r cặn +δ t λ t +δ cn λ cn
Với: rcặn: Nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của tường, m2 độ/W (Bảng V.1-
STQTTB-T2/4) δt , δcn : chiều dày thân tháp, lớp cách nhiệt, m λt , λcn: hệ số dẫn nhiệt vật liệu của thân tháp, vật liệu cách nhiệt, W/m2 độ (Bảng XII.7-STQTTB-T2/313)
Tra số liệu ở các bảng ta có: rcặn = 0.000387 (m2 độ/W)
Hệ số dẫn nhiệt của thép CT3 là λt = 50 (W/m.độ)
Chiều dày thân tháp δt = 0.004mt = 0.004m
Suy ra bề dày lớp cách nhiệt: δcn=[ K 1 – ( r cặn + δ λ t t ) × λ cn ] = [ 3.197 1 – ( 0.387 ×10 −3 + 4.10 50 −3 ) ] 0,0372
Vậy chọn bề dày lớp cách nhiệt: δcn = 12mm
5.4 Tính đường kính ống dẫn Đường kính ống dẫn được tính theo công thức: d =√ π ×ω 4 V = √ 0.785× ω V (m)
+ V: Lưu lượng thể tích lưu chất trong ống, (m 3 /s)
+ ω : Tốc độ trung bình của lưu chất trong ống, (m/s)
Đường kính ống dẫn hơi đỉnh:
+ gđ: Lưu lượng khối lượng hơi ra khỏi đỉnh, (kg/s)
+ρ 𝑦𝑡𝑏𝑃: Khối lượng riêng sản phẩm đỉnh, (kg/m 3 ) ρ 𝑦𝑡𝑏𝑃 = y P × M A +(1− y P ) × M B
+ yP: phần mol của cấu tử dễ bay hơi A tại đỉnh 0 991 (phần mol)
+ tP: nhiệt độ hơi tại đỉnh tháp, 329.5 (K)
+ MA, MB: khối lượng mol của cấu tử A và B, (kg/mol) ¿>ρ 𝑦𝑡𝑏𝑃 = y P × M A +(1− y P ) × M B
22.4×329.7 ×273 = 2.157 (kg/m 3 ) + Giá trị tốc độ: chọn từ bảng II.2-Tr370/1: ω = 20 (m/s)
Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu
+ GF: Lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu, (kg/s)
+ ρ xtbF : Khối lượng riêng hỗn hợp đầu, (kg/m 3 )
+ a F : Phần khối lượng của chất dễ bay hơi trong hỗn hợp vào
+ ρ A , ρ B :Khối lượng riêng của Avà B trong hỗn hợp tại nhiệt độ đầu vào, (kg/m 3 ) Nội suy trong bảng I.2 (I.9) ở nhiệt độ tF = 63.3℃ ta có: ρ A = 744 (kg/m 3 ) ρ B = 834 (kg/m 3 )
B = 742 0.4 +1−0.4 833 => ρ xtbF = 800.12 (kg/m 3 ) + Giá trị tốc độ: chọn từ bảng II.2-Tr370/1 ω = 0.2 (m/s)
Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy
+ G’l: Lưu lượng khối lượng sản phẩm ra khỏi đáy, (kg/s)
+ ρ 𝑥𝑡𝑏𝑊: Khối lượng riêng sản phẩm đáy, (kg/m 3 ).
+ a W : Phần khối lượng của chất dễ bay hơi trong sản phẩm đáy
+ ρ A , ρ B :Khối lượng riêng của chất dễ bay hơi và chất khó bay hơi trong hỗn hợp tại nhiệt độ đáy, (kg/m 3 ) Nội suy trong bảng I.2 (I.9) ở nhiệt độ tW x.1℃ ta có: ρ A = 720 (kg/m 3 ) ρ B = 780.67 (kg/m 3 )
B => ρ xtbW = 776.1 (kg/m 3 ) + Giá trị tốc độ: chọn từ bảng II.2-Tr370/1 ω = 0.2 (m/s)
Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh sau khi ngưng tụ hoàn toàn
+ GP: lưu lượng khối lượng sản phẩm ra khỏi đỉnh, (kg/s)
+ ρ 𝑥𝑡𝑏𝑃: khối lượng riêng sản phẩm đỉnh, (kg/m 3 )
+ a p : Phần khối lượng của chất dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh
+ ρ A , ρ B :Khối lượng riêng của chất dễ bay hơi và chất khó bay hơi trong hỗn hợp tại nhiệt độ đáy, (kg/m 3 )
B => ρ xtbP = 753.07 (kg/m 3 ) + Giá trị tốc độ: chọn từ bảng II.2-Tr370/Tập 1: ω = 0.2 (m/s)
Đường kính ống hồi lưu sản phẩm đỉnh
+ GR: lưu lượng khối lượng sản phẩm đỉnh, (kg/s)
+ ρ 𝑥𝑡𝑏𝑃: khối lượng riêng sản phẩm đỉnh, (kg/m 3 )
+ a p : Phần khối lượng của chất dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh
+ ρ A , ρ B :Khối lượng riêng của chất dễ bay hơi và chất khó bay hơi trong hỗn hợp tại nhiệt độ đáy, (kg/m 3 )
B => ρ xtbP = 753.07(kg/m 3 )+ Giá trị tốc độ: chọn từ bảng II.2-Tr370/1 ω = 0.2 (m/s)
Đường kính ống dẫn hồi lưu đáy
V = ρ g ' l xtbw g’l: Lưu lượng khối lượng hơi hồi lưu đáy, (kg/s) ρ xtbW : Khối lượng riêng sản phẩm hồi lưu đáy, (kg/m3) ¿>ρ 𝑦𝑡𝑏w = y w × M A +(1− y w ) × M B
22.4×t L 273 = 2.561 (kg/m 3 ) + Giá trị tốc độ: chọn từ bảng II.2-Tr370/1 ω = 20(m/s)
Mặt bích là bộ phần quan trọng dùng để nối các bộ phân quan trọng của thiết bị cũng như nối các thiết bị khác với thiết bị Công nghệ chế tạo bích phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo mặt bích, phương pháp nối và áp suất môi trường
Chọn kiểu bích (XIII.20/tr408.Tập 2) Bích để nối thiết bị: Từ đường kính trong của tháp dựa vào bảng (XIII.27/tr420.Tập 2) ta chọn bích kiểu 1 để nối các đoạn của thân tháp, nối thân với đáy và nắp (Po = 487547 (N/m 2 ) Số liệu của bích được cho ở bảng sau
Hình 3 2: Bích liền kiểu 1 bằng thép để nối thiết bị Bảng 3 1: Bảng bích liền kiểu 5 bằng thép để nối thiết bị ρ y 10 6
Kích thước nổi (mm) Kiểu bích
Chọn mặt bích để nối thiết bị với ống
Chọn mặt bích kiểu 1 cho các ống dẫn theo bảng (XIII.26/412 Tập 2)
Bảng 3 2: Bảng bích liền kiểu 1 bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn Ống dẫn
Dn m m Đường kính ống nối Bulông h, m
Z (cái ) Ống dẫn hơi đỉnh 160 150 159 260 225 202 M1
6 8 18 Ống dẫn hỗn hợp đầu 70 70 76 160 130 110 M1
2 4 16 Ống dẫn sản phảm đáy
6 8 18 Ống dẫn sản phẩm đỉnh sau ngưng tụ hoàn toàn
2 4 14 Ống hồi lưu sản phẩm đỉnh
6 4 16 Ống dẫn 160 200 219 290 255 232 M1 8 20 hồi lưu đáy 6
Hình 3 3: Bích liền kiểu 1 bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn 5.6 Tính khối lượng toàn tháp
Khối lượng của tháp bao gồm tổng khối lượng của thân tháp, đáy, nắp, lớp cách nhiệt, chất lỏng trong tháp, bích và đĩa.
+ Dt: Đường kính trong của tháp, (m), Dt = 1 (m)
+ Dn: Đường kính ngoài của tháp, (m), Dn = 1+ (2 × 0.004) = 1.008 (m)
+ Vỏ tháp có bề dày 4 mm
Thân thiết bị làm bằng thép CT3 với ρ = 7850 (kg/m 3 )
Khối lượng phần gờ dư của đáy và nắp tháp
Trong đó h là chiều cao của gờ dư của đáy và nắp tháp, (m)
Tra bảng XIII.12 (II.385) ta có h = 0.025 (m)
Khối lượng một đĩa m đĩa=(F-zSd-n π d h 4 2 ¿ δ đĩa ρ X 18 H 10 T = 18.389 kg
Khối lượng chóp trên một đĩa m chóp=n[ π 4 ¿ ,n 2-dch 2)(hch-δ ch)+ π 4 d ch 2δ ch -iabδ ch]ρ X18H10T= 18.8087kg
Giả sử lượng Benzen chứa đầy tháp trong trường hợp nguy hiểm nhất: m dd= πDt 4 2 H ρ Benzen = 5417.17 kg
Khối lượng lớp cách nhiệt
Khối lượng gờ chảy tràn trên 1 đĩa h ct=h-S5+hw+ δ mâm = 0.343 m m gờ ct=Lw(hct+hw) δ tràn ρ X 18 H 10 T = 3.1045 kg
Khối lượng đáy và nắp
Tra bảng XIII.11.11-Tr384/tập 2 Chọn nắp và đáy elip có gờ ta có được khối lượng của nắp = khối lượng của đáy = 24.2 (kg)
Suy ra khối lượng nắp + đáy: M7 = 2 x khối lượng nắp (đáy) với bề dày S= 4 mm, Dt = 1m thì khối lượng đáy (nắp) = 19kg
Tổng khối lượng đáy và nắp = 38kg
Tổng khối lượng toàn tháp mtháp=m+mdd= 1950.21 + 5417.17 = 7367.38 kg
5.7 Chọn chân đỡ và tai treo
Tải trọng của tháp lên các giá đỡ
G = M x 9.8 = 12860.6 x 9.8 = 18067 (N) Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị ta chọn Gc = 25000N
Các thông số của chân đỡ tra theo bảng XIII.35 trang 437 QTTB t2
Tải trọng và các thông số cho phép trên một chân đỡ được tra từ bảng XIII.35-Tr437/2. Theo bảng XIII.35-Tr437/2 ta chọn chân đỡ có tải trọng cho phép là G = 4.0 x 10 4 (N)
Bề mặt đỡ F = 514 x 10 -4 (m 2 ) tải trọng cho phép trên mặt đỡ là q = 0.78 x 10 6 (N/m 2 )
Bảng 3 3: Thông số chọn chân đỡ
Khối lượng một chân đỡ m 1 chân đỡ=Vchân đỡ ρ CT3= 26.365 kg
Tải trọng và các thông số cho phép trên một tai treo được tra từ bảng XIII.36- Tr438/2
Theo bảng XIII.36-Tr438/2 ta chọn tai treo có tải trọng cho phép là G = 4.0 x 10 4 (N).
Bề mặt đỡ F = 297 x 10 -4 (m 2 ) tải trọng cho phép tai treo là q = 1.34 x 10 6 (N/m 2 )
Bảng 3 4: Thông số chọn tai treo
Thể tích một tấm lót tai treo
Khối lượng một tấm lót tai treo m tấm lót = V tấm lót x ρtấm lót = 1.714kg
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
Tính thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu
Đối với quá trình chưng luyện, để nâng cao hiệu quả làm việc thì hỗn hợp đầu thường được đưa vào tháp ở trạng thái lỏng sôi (xét đến ảnh hưởng của trạng thái nhiệt động) nhằm tạo ra sự tiếp xúc tốt giữa 2 pha lỏng - hơi Điều này thực hiện nhờ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu.
Dựa trên các tiêu chuẩn kinh tế, kỹ thuật ta chọn thiết bị truyền nhiệt ống chùm kiểu đứng Tác nhân đun nóng là hơi nước bão hoà ở 1 at và nhiệt độ 99.10C để đun nóng hỗn hợp đầu từ nhiệt độ 200C tới nhiệt độ sôi của hỗn hợp là 64.40C vì nó có hệ số cấp nhiệt lớn và ẩn nhiệt ngưng tụ cao.
Trong thiết bị 2 lưu thể đi ngược chiều nhau, hơi đốt đi từ trên xuống, truyền ẩn nhiệt hoá hơi cho hỗn hợp lỏng đi từ dưới lên và ngưng tụ thành lỏng đi ra khỏi thiết bị Để đảm bảo cho quá trình cấp nhiệt tốt ta thường chọn chuyển động của chất tải nhiệt ở trạng thỏi xoỏy (Re > 10000), đối với chất lỏng lấy wl = 0,1 á 1 m/s, khụng quỏ 3 m/s; đối với chất khớ wk = 2 á 20 m/s
Chọn: Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm thẳng đứng với các thông số:
Chiều cao ống H0= 1.5m Đường kính ống d = 30mm
Chiều dày thành ống 2mm
Vậy đường kính trong của ống d0 = 26mm
Dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống
Chọn vật liệu chế tạo ống là thép không gỉ CT3
Vậy hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là: 50 (W/m.độ)
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hoà ở áp suất 1 at, có t0 sôi = 99.1 oC
Sử dụng hơi nước bão hoà để đun nóng hỗn hợp đầu: Chọn áp suất P = 1atm, T0 = 99.1 oC, Ẩn nhiệt hóa hơi r = 2264000 (J/kg)
Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình Dttb và nhiệt độ trung bình ttb hỗn hợp đầu.62 3 Tính lượng nhiệt trao đổi dùng để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt đội sôi
Nhiệt độ vào của dung dịch: tđ = 25 oC
Nhiệt độ ra của hỗn hợp: tc = tF = 64.4 oC
Vậy nhiệt độ trung bình của hai lưu thể: 51.93 o C
Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp đầu được xác định theo công thức: t tb2 = tbh - ∆t tb = 99.1−51 93 = 47.17 o C
3 Tính lượng nhiệt trao đổi dùng để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt đội sôi
Phương trình cân bằng nhiệt: Q = F.CP.(tF – tf), [II-46]
Tra nhiệt dung riêng của các cấu tử trong hỗn hợp tại nhiệt độ trung bình ttb 46.45oC: (bảng I.153/171-ST-QTTB-T1) ta có:
Nhiệt dung riêng của cấu tử A: CA = 2272.5 (J/kgK)
Nhiệt dung riêng của cấu tử B: CB = 1877.5 (J/kgK)
Nhiệt dung riêng hỗn hợp:
Diện tích trao đổi nhiệt α=2 , 04 A 4 √ Δt 1 r H , V.101 [II-28]
- Δt 1 :chênh lệch nhiệt độ giữa hơi bão hòa và thành ngoài ống
- A: hệ số tra theo t o m (nhiệt độ màng nước ngưng)
- r: ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo t o bh , (J/kg)
Với t hd o 1 o C nội suy (bảng I-250/312.I)
Từ t o m = 98.45 o C tra theo [II-29] ta có A8.225 o C
Như vậy, hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ là
Hệ số cấp nhiệt của hỗn hợp chảy xoáy α 2 = 0.021×ε k × λ d ×Re 0 8 ×Pr 0.43 ( Pr Pr t ) 0 25 (V-40 15-II) Chọn d = 30 × 2 mm, H= 1.5 m
Chuẩn số Reynolt: Re Để quá trình truyền nhiệt đạt hiệu quả, dung dịch phải ở chế độ chảy xoáy
Chuẩn số Prand của dòng tính theo nhiệt độ dòng:
- CP : Nhiệt dung riêng của dung dịch ở ttb, (J/kg độ) = 2100.12(J/kg.độ)
- μ : Độ nhớt của dung dịch ở t o tb, (N.s/m 2 )
Tại t o tb = 46.452 o C nội suy theo I.101[I-91]
à B = 0.455ì10 -3 (N.s/m 2 ) lgμhh = xF ×lgμA + (1-xF) × lgμB =0.4727 × lg(0.202 × 10 -3 ) + (1-0.4727) × lg(0.455× 10 -3 ) =- 3.49
Công thức tính hệ số dẫn nhiệt: λ=A.C P ρ 3 √ M ρ , I.32 [I-123]
Theo IX 104a [II-183], ta có:
- M: Khối lượng mol phân tử của dung dịch, (kg/kmol)
Nồng độ phần mol của dung dịch là: xF = 0.44727(kmol/kmol)
M = MAaF + (1 – aF).MB = 78 × 0.42 + (1 – 0.42) × 58 = 69.6(kg/kmol)
Như Vậy, chuẩn số Pr là:
Chuẩn số Prand tính theo nhiệt độ tường:
- Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: q1=t1 α 1 =1.3 ¿ 11934.63 515.02 W/m 2 -Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống;: Δt t =t T 1 −t T 2 =q t ∑ r t
δ : bề dày của thành =2 mm
λ : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống (W/m độ)
Theo bảng [II-313] với thép CT3 thì λ = 50(W/m độ)
Tra bảng V.1 trong (II-4) ta có:
+ r1 : Nhiệt trở do lớp cặn bã bám bên ngoài thành ống: r T 1 = 0.232 ¿ 10 -3 (m 2 độ/W) + r2 : Nhiệt trở do lớp cặn bã bám bên trong thành ống: r T 2 = 0.387 ¿ 10 -3 (m 2 độ/W)
Tại tT2 = 87.576 ( o C) nội suy theo I.153 [I-171]
Như vậy, nhiệt dung riêng của tường là:
Tại tT2 = 87.576 ( o C) nội suy theo I.2[I-9]
Như vậy khối lượng riêng của tường là: ρ t =( a ρ F A
Tại tT2 = 87.576 ( o C), nội suy theo bảng I.101[I-91]
Như vậy, độ nhớt của hỗn hợp là:
Như Vậy, Chuẩn số Pr của tường là:
Từ đây, ta tính được giá trị hệ số cấp nhiệt của hỗn hợp α 2 =0.021× λ d ×Re 0.8 Pr 0 43 × ( Pr Pr t ) 0.25
- Nhiệt cấp từ ống truyền nhiệt vào hỗn hợp q2 = α2∆tt2 = 393.819 × 40.406 = 15960.753 W/m 2
- Sai số dòng nhiệt truyền đi được tính theo công thức:
- Giá trị dòng nhiệt trung bình là : q tb 515.019+15960.63
Tính bề mặt truyền nhiệt
- qtb: giá trị dòng nhiệt trung bình, (W/m 2 )
Như vậy, bề mặt truyền nhiệt là
5 Tính số ống truyền nhiệt n= F π×d tđ ×H (ống)
Như vậy, số ống truyền nhiệt là: n= 3.401 π ×0.026+0.03
Theo bảng V.11/48-ST-QTTB-T2, ta chọn số ống là 37 và sắp xếp theo hình sáu cạnh thì ta bố trí 37 ống thành 3 vòng sáu cạnh.
Ta chọn 37 ống, chia thành 6 ngăn
Chiều dài ống Ho = 1.5m, đường kính ngoài 0.03m, đường kính trong 0.026m, chiều dày thành ống 2mm
Đường kính ngoài của thiết bị trao đổi nhiệt 450mm, đường kính trong 442mm
TÍNH TOÁN VÀ CHỌN BƠM
Chọn bơm
Để vận chuyển hỗn hợp đầu từ bể chứa lên thùng cao vị ta phải sử dụng bơm thủy lực Trong điều kiện năng suất và yêu cầu về kinh tế, kỹ thuật để vận chuyển hỗn hợp Aceton-Benzen ở nhiệt độ môi trường ta chọn bơm ly tâm Loại bơm này có những ưu điểm sau:
- Vận chuyển chất lỏng liên tục và đều đặn
- Có số vòng quay lớn, có thể truyền động trực tiếp từ động cơ điện
- Có thể bơm được chất lỏng bẩn và nhiều loại chất lỏng khác
- Không có suppape nên ít bị tắc và hư hỏng
Tính chiều cao bồn cao vị
Tổn thất trên đường ống dẫn
Chọn ống dẫn có đường kính trong d = 50 (mm)
Tra bảng II.15/tr381, tập 1 => Độ nhám của ống: ε = 0.1 (mm) = 0.0001 (m)
Tổn thất đường ống dẫn: h1 = ( λ 1 × l 1 d 1 + ∑ ξ ) × v F
+ λ 1: Hệ số ma sát trong đường ống
+ l 1 : Chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 25 (m)
+ d 1 : Đường kính ống dẫn, d = 50 (mm) = 0.05 (m)
+ ∑ ξ : Tổng hệ số tổn thất cục bộ
+ vF: Vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn
- Xác định vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn
Nhiệt độ trung bình dòng nhập liệu: ttb = t F ' +t F
2 = 25+63.3 2 = 44.7 o C Nội suy trong bảng I.2 (tr9, tập 1) ở nhiệt độ ttb = 44.7 o C ta có: ρ A = 763.8 (kg/m 3 ) ρ B = 853.6(kg/m 3 )
B = 763.8 0.35 +1−0.35 853.6 → ρ = 819.86 (kg/m 3 ) μA = 0.265×10 -3 (N.s/m 2 ) μB = 0.475 × 10 -3 (N.s/m 2 ) Độ nhớt của hỗn hợp tính theo công thức: lgμhh = xF ×lg μA + (1–xF) × lgμB= - 3.43
Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống: vF = 4 ×G F
- Xác định hệ số ma sát trong đường ống
Chuẩn số Reynold tới hạn của khu vực nhẵn thủy lực
7 = 7289.34 Chuẩn số Reynold khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám
=> Regh 10 4 Vậy chất lỏng chảy rối
So sánh Re với Regh để xác định chế độ chảy của dòng => công thức tính hệ số ma sát.
* Chuẩn số Reynold tới hạn của khu vực nhẵn thủy lực được tính theo công thức II.60- 378/1
Với ε : độ nhám tuyệt đối với điều kiện ống mới không hàn
Tra bảng II.15-381/1, Ta có ε = 0.08 (mm) = 0.08 × 10 -3 (m)
* Chuẩn số Reynold khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám được tính theo công thức II.62-379/ tập 1
=> Regh < Re < Ren nên hệ số ma sát λ phụ thuộc vào chuẩn số Re và độ nhám của thành ống theo công thức II-64/380.I λ¿0.1×(1.46× ε d+100
- Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ theo công thức II-56/377.I
+ ξ: hệ số trở lực cục bộ của hệ thống ống gồm: 2 đoạn ống dài 1m; 1 đoạn ống dài 10m; hai khuỷu ghép vuông góc có hệ số trở lực 1 ; một van chắn trước ống đẩy để điều chỉnh lưu lượng có hệ số trở lực 2; 2 khuỷu 90 o mỗi khuỷu do 3 khuỷu 30 o tạo thành 3; đầu vào thùng cao vị có hệ số trở lực4.
Trở lực cục bộ bằng tổng trở lực cục bộ thành phần, hệ số này được tra ở bảng II.16- Tr382/tập 1.
- Tính 1: khuỷu ghép vuông góc hai khuỷu 45 o tạo thành, theo bảng II -16N 0 29/ 394.tập I chọn tỷ số: a/b 1 => 1=0.38
- Tính 2: Chọn van tiêu chuẩn, theo bảng II-16 N 0 37/397.I tacó:
- Tính 3: 2 khuỷu 90 o mỗi khuỷu do 3 khuỷu 30 o tạo thành II -16N 0 30/ 394.tập I
Vậy tổng trở lực cục bộ của hệ thống ống dẫn:
+ Áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để thắng áp suất thủy tĩnh theo công thức II.57/378.
Trong đó: H: Chiều cao nâng chất lỏng hoặc cột chất lỏng, H (m) ¿>∆ P H =ρ× g × H100.37 (N/m 2 )
+ Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị, Bơm ly tâm có trở lực trong nhỏ, nên một cách gần đúng bỏ qua ( ∆ PT)
+Áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn trong trường hợp cần thiết Thùng cao vị làm việc ở áp suất khí quyển nên ∆ PK = 0
Tính toán công suất của bơm và động cơ điện
Chiều cao toàn phần H bơm cần tạo ra ΔP=ρgH=¿H=ΔP ρg= 124455.9 836.06×9.81.573(m)
Công suất yêu cầu trên trục bơm:
ρ: khối lượng riêng của chất lỏng, ρ = 836.06 kg/m 3
H: áp suất toàn phần của bơm, m
η: hiệu suất chung của bơm, η = 0.85
η = ηo.ηlt ηck = 0.96×0.85×0.96 = 0.78 (các giá trị η chọn từ bảng II.32/439-ST-QTTB- T1 đối với bơm lý tâm)
Công suất của động cơ điện
ηtr: hiệu suất truyền động, ηtr = 0.95
ηđc: hiệu suất động cơ điện, ηđc = 0.75
Thông thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn công suất tính toán:
Trong đó β là hệ số dự trữ công suất = 1.2
Như vậy dựa vào các thong số của bơm ta có thể chọn loại bơm li tâm một cấp XM có áp suất toàn phần là 20-35 m, năng suất 2m 3 /h, số vòng quay 2900 vòng/phút, nhiệt độ chất lỏng -40 đến 80 o C ( tra bảng II.39/447- tập 1).