Sơ đồ công nghệ PFD và thuyết minh sơ đồ
a Sơ đồ công nghệ PFD
(được trình bày trong bản A4 đính kèm) b Các thiết bị sử dụng trong sơ đồ
Bảng 1: Các thiết bị sử dụng tronng sơ đồ STT Ký hiệu Tên các thiết bị
2 T-1 Thùng chứa hỗn hợp đầu
3 T-2 Thùng chứa sản phẩm đáy
4 T-3 Thùng chứa sản phẩm đỉnh
5 H-1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
6 H-2 Thiết bị đun sôi đáy tháp
7 C-1 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy
8 C-2 Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp
9 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 hơi ở đáy tháp
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 các van c Thuyết minh sơ đồ
Dung dịch hỗn hợp đầu từ thùng chứa T-1 được bơm liên tục vào thiết bị gia nhiệt H-1 thông qua bơm P-1, van V-1 và lưu lượng kế F-1 Bơm P-1 và P-2 được lắp đặt song song để đảm bảo hệ thống vận hành liên tục ngay cả khi bơm P-1 gặp sự cố Tại thiết bị gia nhiệt H-1, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trước khi được đưa vào tháp chưng luyện E-1 tại đĩa tiếp liệu.
Trong tháp chưng luyện, hơi từ dưới lên và lỏng từ trên xuống tạo ra sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao, với nồng độ cấu tử dễ bay hơi giảm dần xuống đáy tháp Nhiệt độ cũng giảm khi lên cao; khi hơi đi qua các đĩa, cấu tử có nhiệt độ sôi cao ngưng tụ và rơi xuống, trong khi cấu tử có nhiệt độ sôi thấp tiếp tục di chuyển lên Quá trình bốc hơi và ngưng tụ diễn ra nhiều lần trong tháp.
Phần lỏng chứa các cấu tử khó bay hơi rơi xuống đáy tháp, qua cơ cấu hồi lưu tại đáy tháp R-2, một phần được ngưng tụ thành sản phẩm qua thiết bị làm lạnh C-1 và được đưa về thùng chứa T-2 Phần còn lại được chuyển đến thiết bị đun sôi H-2, nơi được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi để hồi lưu lại tháp chưng luyện.
Hơi bay lên chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi được đưa đến thiết bị ngưng tụ ở đỉnh tháp C-2, nơi chúng được ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng Một phần lỏng sẽ được hồi lưu xuống đáy tháp, trong khi phần còn lại được chuyển đến thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh C-3 để đạt nhiệt độ cần thiết trước khi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh T-3.
Như vậy, với thiết bị chưng luyện làm việc liên tục thì hỗn hợp đầu được đưa vào liên tục, sản phẩm được tháo ra liên tục.
Hỗn hợp hai cấu tử axeton và nước
Giới thiệu chung
Axeton, hay còn gọi là dimethyl keton, là một hợp chất hữu cơ với công thức hóa học (CH3)2CO Nó là một chất lỏng trong suốt, dễ bay hơi, và rất dễ cháy, mang mùi ngọt gắt đặc trưng Axeton có nhiệt độ sôi khoảng 56°C-57°C ở áp suất thường và hòa tan vô hạn trong nước.
Một số thông số vật lý của axeton:
Mật độ tương đối (nước = 1): 0,788
Mật độ hơi tương đối (không khí = 1): 2,00
Áp suất hơi bão hòa (kPa): 53,32 (39,5°C)
Nhiệt lượng đốt cháy (kJ/mol): 1788,7
Nước, với công thức hóa học H2O, là một hợp chất vô cơ không màu, không mùi và không vị Nó là chất lỏng không bắt cháy, có nhiệt độ sôi ở áp suất thường là 100°C.
Vì vậy, để có thể tách hỗn hợp axeton-nước có thể tách bằng phương pháp chưng cất nhờ sự chênh lệch nhiệt độ sôi khá lớn.
Ứng dụng của axeton trong công nghiệp và dân dụng
Axton là hợp chất có ứng dụng đa dạng trong cả công nghiệp, y tế, thí nghiệm và dân dụng
Sử dụng làm dung môi
Aceton là một dung môi công nghiệp quan trọng, thường được sử dụng trong sản xuất chất dẻo, nhựa và plastic Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất sơn và là dung môi cho cao su tổng hợp, acrylic, nitrocellulose cùng nhiều ngành công nghiệp khác.
Axeton là một dung môi hiệu quả cho nhựa và sợi tổng hợp, thường được sử dụng để pha loãng nhựa polieste trong các sản phẩm tẩy rửa và dụng cụ làm sạch Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong việc pha keo epoxy 2 thành phần trước khi quá trình đóng rắn diễn ra Ngoài ra, axeton là một thành phần dễ bay hơi trong nhiều loại sơn và vecni Với khả năng tẩy nhờn mạnh mẽ, axeton rất hữu ích trong việc làm sạch kim loại trước khi sơn và loại bỏ nhựa thông sau khi hàn.
Axeton, mặc dù dễ cháy, được sử dụng phổ biến làm dung môi để vận chuyển và lưu trữ axetilen, do axetilen ở dạng tinh khiết dưới áp suất lớn không an toàn Các thùng chứa axetilen luôn chứa axetilen hòa tan trong axeton, với khả năng hòa tan lên tới 250 lít axetilen trong 1 lít axeton.
Dung làm hóa chất trung gian
Axeton dùng để tổng hợp metyl metacrilat
(CH 3 ) 2 CO + HCN → (CH 3 ) 2 C(OH)CN (CH 3 ) 2 C(OH)CN + CH 3 OH → CH 2 = C(CH 3 )COOCH 3 + NH 3
– Tổng hợp bisphenol A (là thành phần của nhiều loại polime polycacbonat, polyurethane, nhựa epoxy
(CH 3 ) 2 CO + 2 C 6 H 5 OH → (CH 3 ) 2 C(C 6 H 4 OH) 2 + H 2 O
Sản xuất dung môi Methyl isobutyl alcohol và Methyl iso butyl ketone
2 (CH 3 ) 2 CO → (CH 3 ) 2 C(OH)CH 2 C(O)CH 3
Trong y dược – kỹ thuật làm đẹp:
Sử dụng làm dung môi trong công nghiệp dược phẩm, là thành phần tá dược trong một số loại thuốc, và để sản xuất rượu biến tính
Được sử dụng nhiều trong các loại thuốc, được xếp vào loại phụ gia thực phẩm và đóng gói, bảo quản thực phẩm
Dùng để làm sạch và loại bỏ dầu trên da trước khi lột bỏ da khô, da chết
Được dùng trong nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ (như trong phản ứng thế nucleophin lưỡng phân tử, trong quá trình oxy hóa Jones)
Do giá thành thấp và dễ bay hơi, là dung môi có khả năng hòa tan nhiều chất mà axeton được dùng làm chất tẩy rửa thủy tinh
Dùng để duy trì nhiệt đọ thấp khi tiến hành phản ứng hóa học do axeton có thể làm lạnh bởi đá khô đến -78C mà không bị đóng băng
Ngoài ra còn được dùng như một tracer huỳnh quang trong các thí nghiệm dòng chảy
Là thành phần chính trong các chất tẩy rửa sơn móng tay, chất tẩy keo siêu dính và chất tẩy cho đồ gốm sứ, thủy tinh
Nó được sử dụng để loại bỏ vết dầu bám trên tường, các vết mực cứng đầu có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng axeton
Trong nghệ thuật in ấn, quá trình chuyển mực từ mặt sau của tấm ảnh sang một bề mặt khác được thực hiện bằng cách đổ một lượng vừa phải mực lên mặt sau, sau đó chà và cào trong một khoảng thời gian Kết quả là mực ban đầu sẽ chuyển xuống bề mặt mới, tạo ra hình ảnh độc đáo.
Các phương pháp sản xuất axeton
Trong thời gian Chiến tranh Thế giới thứ nhất, nhu cầu về axeton tăng cao, trong khi nguồn cung từ chưng cất gỗ bị hạn chế Để đáp ứng nhu cầu này, Hoa Kỳ đã sử dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH3COO)2 thông qua phản ứng khử cacboxyl.
Ca(CH 3 COO) 2 → CaO + CO 2 ↑ + (CH 3 ) 2 CO
Trong thời kỳ Chiến tranh Thế giới thứ hai, axeton được sản xuất thông qua quá trình lên men axeton-ethanol với vi khuẩn Clostridium acetonbutylicum, do Chaim Weizmann phát hiện Phát minh này đã hỗ trợ nỗ lực chiến tranh của Anh bằng cách cung cấp nguyên liệu cho thuốc nổ không khói Tuy nhiên, sau khi phương pháp mới với năng suất cao hơn được phát triển, quy trình lên men axeton-ethanol đã dần bị lãng quên.
Ngày nay, axeton được sản xuất chủ yếu từ propen, với khoảng 83% axeton được tạo ra thông qua phương pháp Cumen Phương pháp này liên kết sản xuất axeton với phenol, bao gồm quá trình alkyl hoá benzen bằng propen để tạo ra isopropylbenzene, sau đó được oxi hoá để sản xuất axeton và phenol.
Axeton còn được sản xuất trực tiếp bằng cách oxi hay hydro hoá propen, sinh ra 2-propanol (isopropanol), và khi oxi hoá isopropanol sẽ được axeton
Ngoài ra, axeton còn được sản xuất bằng việc oxi hóa trực tiếp butan – propan, lên men cacbohydrat nhờ vi khuẩn đặc biệt
Đôi khi, axeton cũng được sản xuất dưới dạng sản phẩm phụ của công nghiệp chưng cất.
Tổng quan về phương pháp chưng luyện hai cấu tử
Chưng là phương pháp tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp lỏng-khí dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi của chúng Ở cùng một nhiệt độ, các cấu tử trong hỗn hợp có áp suất hơi bão hòa khác nhau Trong quá trình chưng cất, pha mới được hình thành thông qua quá trình bay hơi hoặc ngưng tụ, thay vì đưa vào hỗn hợp một pha mới như trong hấp thụ.
Phân biệt chưng và cô đặc:
Trong quá trình chưng: cả chất tan và dung môi đều bay hơi
Trong quá trình cô đặc: chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan thì không
Khi chưng hỗn hợp hai cấu tử:
Sản phẩm đỉnh bao gồm cấu tử dễ bay hơi (axeton) và một phần nhỏ cấu tử khó bay hơi hơn (nước)
Sản phẩm đáy gồm cấu tử khó bay hơi (nước) và một phần cấu tử dễ bay hơi hơn (axeton)
Trong công nghiệp có thể gặp các phương pháp chưng sau:
Chưng đơn giản là phương pháp tách hỗn hợp các cấu tử có độ bay hơi khác nhau, thường được sử dụng để tách sơ bộ và loại bỏ tạp chất.
Chưng bằng hơi nước trực tiếp là phương pháp hiệu quả để tách các hỗn hợp chứa các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi Phương pháp này được áp dụng khi các chất không tan lẫn vào nước, giúp thu được sản phẩm tinh khiết hơn.
Chưng chân không là phương pháp hiệu quả để hạ thấp nhiệt độ sôi của các cấu tử, đặc biệt khi chúng dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc có nhiệt độ sôi quá cao.
Chưng luyện là phương pháp phổ biến nhất để tách riêng các cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp, cho phép chúng hòa tan một phần hoặc hoàn toàn với nhau.
Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao
Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường
Trong đồ án này, chúng ta thực hiện chưng cất hỗn hợp axeton và nước, hai chất lỏng hòa tan hoàn toàn với nhiệt độ sôi lần lượt là 56.5C và 100C Vì nhiệt độ sôi của chúng khá xa nhau, phương pháp chưng luyện là lựa chọn hợp lý để tách hai cấu tử này Cả axeton và nước đều là chất lỏng ở áp suất thường và không bị phân hủy ở nhiệt độ cao, cho phép tách chúng dễ dàng Đặc biệt, nước không có điểm đẳng phí, nên để đạt hiệu quả cao, phương pháp chưng luyện liên tục được khuyến nghị.
BẢNG THỐNG KÊ CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG
STT Đại lượng Tên các đại lượng Đơn vị
1 x Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng phần mol
2 y Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi phần mol
3 a Nồng độ cấu tử dễ bay hơi phần khối lượng
4 m F Lượng hỗn hợp đầu kg/h; kg/s
5 m P Lượng sản phẩm đỉnh kg/h; kg/s
6 m W Lượng sản phẩm đáy kg/h; kg/s
7 G F Lượng hỗn hợp đầu kmol/h; kmol/s
8 G P Lượng sản phẩm đỉnh kmol/h; kmol/s
9 G W Lượng sản phẩm đáy kmol/h; kmol/s
12 AB Hệ số bay hơi tương đối
13 N LT Số đĩa lý thuyết
14 N TT Số đĩa thực tế
15 D Đường kính tháp chưng luyện m
16 H Chiều cao tháp chưng luyện m
17 M Khối lượng mol kg/kmol
18 R ẩn nhiệt hóa hơi, ẩn nhiệt ngưng tụ kcal/kmol
20 Tốc độ dòng lỏng hoặc hơi m/s
Ngoài các ký hiệu trên, các ký hiệu cụ thể khác sẽ được ký hiệu riêng ở từng phần
TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH
Tính cân bằng vật liệu
Tháp được chọn là tháp chưng luyện loại đĩa lỗ không có ống chảy chuyền
Chưng luyện hỗn hợp axeton và nước:
Axeton (CH 3 ) 2 CO, M axeton = 58 kg/kmol Nước H 2 O, M nước = 18 kg/kmol
Cấu tử dễ bay hơi là axeton
Lượng hỗn hợp đầu: m F = 7500 kg/h
Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi (axeton) trong:
Hỗn hợp đầu: a F = 42,5% (khối lượng) Hỗn hợp đỉnh: a P = 98,5% (khối lượng) Hỗn hợp đáy: a W = 1,7% (khối lượng)
Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp: m F = m P + m W [3,144] Đối với cấu tử dễ bay hơi: m F a F = m P a P + m W a W [3,144] Lượng sản phẩm đỉnh là: m P = m F. a F −a W a P −a W [3,144] Lượng sản phẩm đáy: m W = m F - m P [3,144]
Từ số liệu ban đầu, ta có:
0,985−0,017 = 3161,16 kg/h Lượng sản phẩm đáy: m W = m F - m P = 7500 – 3161,16 = 4338,84 kg/h
Đổi các nồng độ a F , a P và a W ra nồng độ phần mol: x F , x P và x W Áp dụng công thức: x = aaxeton Maxeton aaxeton Maxeton + anước
[3,126] Với M axeton = 58 kg/kmol, M nước = 18 kg/kmol, thay số vào, ta có:
Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi (axeton) trong:
58 + (1−0,425) 18 = 0,187 phần mol Hỗn hợp đỉnh: x P =
58 + (1−0,985) 18 = 0,953 phần mol Hỗn hợp đáy: x W =
Maxeton aW Maxeton aW + (1−aW)
Tính khối lượng phân tử trung bình của:
Hỗn hợp đầu: M F = x F M axeton + (1 – x F ).M nước
M F = 25,48 kg/kmol Sản phẩm đỉnh: M P = x P M axeton + (1 – x P ).M nước
M P = 56,12 kg/kmol Sản phẩm đáy: M W = x W M axeton + (1 – x W ).M nước
Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp
2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu R min
Theo số liệu Bảng IX.2a [3,145] thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử ở 760mmHg (% mol), ta có bảng sau:
Bảng 2: Thành phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp axeton – nước x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 60,3 72,0 80,3 82,7 84,2 85,5 86,9 88,2 90,4 94,3 100 t 100 77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59,0 58,2 57,5 56,9
Từ số liệu trong bảng 1, ta có thể vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng – hơi:
Đường làm việc và đường cân bằng pha trong quá trình chưng luyện phải tiếp xúc với nhau, với đường làm việc không thể nằm trên đường cân bằng pha Vị trí cao nhất của đường làm việc tại đoạn luyện của tháp sẽ là đường tiếp tuyến với đường cân bằng pha Để xác định điểm này, cần kéo dài đường tiếp tuyến cho đến khi nó cắt trục tung trên đồ thị x-y.
Tung độ của giao điểm khi đó sẽ bằng:
Từ đồ thị đường cân bằng và đường làm việc của đoạn luyện trên đồ thị x-y ở hình 1, ta thấy B max = 65% (mol)
Vì vậy, ta có R min = x P
2.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp R TH
Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp: R TH
R TH là chỉ số hồi lưu thích hợp, được xác định dựa trên tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất Việc lựa chọn R TH theo tiêu chuẩn này nhằm đảm bảo hiệu quả tối ưu trong quá trình hoạt động của tháp.
V = H.S mà H: tỷ lệ với N LT
Q ~ G = .S = P (R + 1) S tỷ lệ với (R + 1) Như vậy, V = H.S sẽ tỷ lệ với N LT (R + 1)
Trong đó, V: là thể tích của tháp, m 3
H: chiều cao của tháp, m S: tiết diện của tháp, m 2 G: lưu lượng dòng hơi đi trong tháp, m 3 /s P: lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh, m 3 /s Q: lượng nhiệt cần cấp cho thiết bị đun sôi ở đáy tháp
N LT : số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)
Giá thành tháp tỷ lệ thuận với thể tích (V), trong khi V lại tỷ lệ với số lượng lý thuyết (N LT) nhân với (R + 1) Để đạt được giá thành tháp thấp nhất, cần tối ưu hóa thể tích tháp sao cho nhỏ nhất Do đó, việc lựa chọn chế độ làm việc thích hợp cho tháp, cụ thể là R TH, là rất quan trọng.
Ứng với mỗi giá trị R i > R min , ta được một đường làm việc tương ứng và tìm được một giá trị N LT
Với mỗi giá trị R i , ta có các giá trị B i :
Số đĩa lý thuyết N LT được xác định qua các sơ đồ:
Hình 2: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết R 1 = 0,699; N lt = 10,3 x (% mol) y (% mol)
Hình 3: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết R 2 = 0,792; N lt = 9,1 x (% mol) y (% mol)
Hình 4: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết khi R 3 = 0,885; N lt = 8,5 x (% mol) y (% mol)
Hình 5: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết khi R 4 = 0,979; N lt = 8,1 x (% mol) y (% mol)
Hình 6: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết khi R 5 = 1,072; N lt = 7,8 x (% mol) y (% mol)
Hình 7: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết khi R 6 = 1,165; N lt = 7,5
Từ các sơ đồ trên, ta có bảng sau:
Bảng 3: Bảng số liệu thể hiện quan hệ N LT (R+1) = f (R)
Hình 8: Đồ thị xác định chỉ số hồi lưu thích hợp
Qua đồ thị hình 8, ta thấy R TH = 0,93 thì N LT (R + 1) là nhỏ nhất, nghĩa là thể tích tháp nhỏ nhất, V min = 16m 3
Với giá trị R TH = 0,93 theo đồ thị Mc Cabe, ta có số đĩa lý thuyết bằng N LT = 8,3
Tính đường kính tháp chưng luyện
3.1 Tính đường kính đoạn luyện
Để tính lượng hơi trung bình trong đoạn luyện, ta có thể sử dụng công thức gần đúng, dựa trên trung bình cộng của lượng hơi thoát ra từ đĩa trên cùng và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện Cụ thể, lượng hơi trung bình được tính bằng: g tbL = g đ + g 1.
Trong quá trình luyện, lượng hơi trung bình đi qua đoạn luyện được ký hiệu là g tbL, đo bằng kg/h hoặc kmol/h Lượng hơi thoát ra từ đĩa trên cùng của tháp được ký hiệu là g đ, cũng tính bằng kg/h hoặc kmol/h Cuối cùng, lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện được ký hiệu là g 1, với đơn vị đo tương tự là kg/h hoặc kmol/h.
Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp được tính bằng công thức: g đ = G R + G P = G P (R TH + 1) Trong đó: G P – lượng sản phẩm đỉnh, kg/h hay kmol/h
G R – lượng chất lỏng hồi lưu, kg/h hay kmol/h
R TH – chỉ số hồi lưu thích hợp
Thay số, ta có: g đ = 3161,16 (0,93 + 1) = 6101,04 kg/h Lượng chất lỏng hồi lưu:
Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện:
Lượng hơi đi vào đoạn luyện g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 cho đĩa thứ nhất được xác định thông qua hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng Cụ thể, g1 được tính bằng tổng G1 và GP, trong khi y1 được xác định dựa trên G1 và x1 cộng với GP và xP Cuối cùng, mối quan hệ giữa g1 và r1 được thể hiện qua phương trình g1 r1 = gđ rđ.
Trong các phương trình, x1 và xF được xác định là 0,187 phần mol Giá trị r1 đại diện cho ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi vào đĩa thứ nhất, trong khi rđ là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp khi ra khỏi đỉnh tháp.
Để tính toán giá trị r 1 và r đ, ta sử dụng công thức r 1 = r a y 1 + (1 – y 1 ) r b, trong đó r a và r b là ẩn nhiệt hóa hơi của axeton và nước ở nhiệt độ t F Với x 1 = x F = 0,187 phần mol, từ công thức nội suy dựa trên bảng 1, ta xác định được giá trị t F là t F = 69,6 + (64,5−69,6).
Khi t F = 65,2C, từ bảng I.212 [2,254], ta xác định được ẩn nhiệt hóa hơi của axeton là r a = 122,57 kcal/kg (tương đương 513,176 kJ/kg) và của nước là r b = 573,8 kcal/kg (tương đương 2402,386 kJ/kg) Áp dụng công thức, ta có r 1 = 513,176 y 1 + (1 – y 1 ) 2402,386 = 2402,386 – 1889,21y 1 (kJ/kg) Ẩn nhiệt hóa hơi tổng quát được tính bằng r đ = r a y đ + (1 – y đ ) r b, trong đó y đ là hàm lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, tính theo phần mol, với y đ = y P = 0,973 phần mol.
Với y P = 0,973 phần mol, từ công thức nội suy từ bảng 1, ta xác định được giá trị t P : t P = 57,5 + ( 56,9−57,5
100−90 ) (95,3 – 90) t P = 57,2C Với t P = 57,2C nội suy theo bảng I.212 [2,254], ta có: r a = r axeton = 124,56kcal/kg = 521,51 kJ/kg r b = r nước = 579,35 kcal/kg = 2425,62 kJ/kg Thay số: r đ = r a y đ + (1 – y đ ) r b r đ = 521,51.0,973 + (1 – 0,973) 2425,62 = 572,29 kJ/kg
Thay các giá trị đã tính được vào hệ phương trình tính lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng đoạn luyện: g 1 = G 1 + G P g 1 y 1 = G 1 x 1 + G P x P g 1 r 1 = g đ r đ g 1 = G 1 + 3161,16
g 1 y 1 = G 1 0,187 + 3161,16 0,953 g 1 (2402,386 – 1889,21y 1 ) = 6101,04 572,29 Giải hệ phương trình, ta được: g 1 = 3936,75 kg/h y 1 = 0,802 phần khối lượng
G 1 = 775,59 kg/h Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của phần luyện: r 1 = 513,176 y 1 + (1 – y 1 ) 2402,386 = 2402,386 – 1889,21y 1
Thay y 1 = 0,802 phần khối lượng, ta có: r 1 = 2402,386 – 1889,21 0,802 = 886,914 kJ/kg
Lượng hơi trung bình của đoạn luyện là: g tbL = g đ +g 1
Lượng lỏng trung bình của đoạn luyện: G tbL = 𝐺 1 +𝐺 𝑅
Vận tốc trung bình cho phép của pha hơi đi trong đoạn luyện Tốc độ giới hạn trên được tính theo công thức: Y = 10e -4X Trong đó: Y = ω y
Với y – tốc độ của hơi, m/s
F td – mặt cắt tự do của đĩa, m 2 /m 2 Thường thấy từ (15 – 20)% mặt cắt của tháp Chọn F td = 20% = 0,2 m 2 /m 2 g – gia tốc trọng trường, g = 9,8m/s 2
x , y – khối lượng riêng của lỏng và hơi, kg/m 3
x , n – độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình và của nước ở 20C,
Lưu lượng của lỏng và hơi trong tháp được biểu thị bằng G x và G y, tính bằng kg/h Đường kính tương đương của lỗ hoặc rãnh, ký hiệu là d td, có giá trị khác nhau tùy thuộc vào loại chất lỏng: đối với chất lỏng sạch, d td dao động từ 2 đến 6 mm, trong khi đó với chất lỏng bẩn, d td nằm trong khoảng từ 8 đến 11 mm.
Khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện:
yL = [y tb1 ×M axeton +(1−y tb1 )×M nước ]×273
Trong đó: T – nhiệt độ làm việc trung bình đoạn luyện, K y tb1 – nồng độ phần mol của cấu tử axeton lấy theo giá trị trung bình: y tb1 = y đ1 +y c1
2 y đ1 , y c1 – nồng độ tại hai đầu của đoạn tháp (giữa đĩa tiếp liệu và đỉnh hoặc giữa đĩa tiếp liệu và đáy) Đổi y 1 sang phần mol: y đ1 =
58 + 1−0,802 18 = 0,557 phần mol y đ1 = 0,557 phần mol y c1 = y P = 0, 953 phần mol
2 = 0,7653 phần mol Nồng độ trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện: x tbL = x F +x P
Từ x tbL = 0,570 phần mol, nội suy theo bảng 1 ta có nhiệt độ trung bình: t tbL = 60,07C = 333,07K
1 ρ xL = a tb1 ρ xtb1 + 1 − a tb1 ρ xtb2 Trong đó: xL – khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, kg/m 3
Khối lượng riêng trung bình của axeton và nước trong pha lỏng được ký hiệu lần lượt là ρ xtb1 và ρ xtb2, được xác định dựa trên nhiệt độ trung bình, đơn vị kg/m³ Phần khối lượng trung bình của axeton trong pha lỏng được ký hiệu là a tb1, được tính bằng tổng của a F và a P.
2 = 0,705 phần khối lượng Với t tbL = 60,07C nội suy từ bảng I.2 [2,9] ta được:
Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện trong pha lỏng là:
1 ρ xL = a tb1 ρ xtb1 + 1−a tb1 ρ xtb2 = 0,705
Độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình:
Với t tbL = 60,07C độ nhớt của pha lỏng được nội suy theo bảng I.101 [2,91], ta được:
nước = 0,4686.10 -3 (N.s/m 2 ) Độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là: log hh = x tbL log axeton + (1 – x tbL ).log nước [2,84] log hh = 0,570.log(0,2299.10 -3 ) + (1 – 0,570).log(0,4686.10 -3 )
Tốc độ hơi đi trong tháp:
Trong đó: g tb – lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h
( y y ) tb – tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m 2 s g tb = 5018,89 kg/h; ytbL = 1,779kg/m 3 ; ytbL = 0,812 m/s
Quy chuẩn đường kính đoạn luyện: D L = 1,2m [3,170] Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn luyện là: ytt = 5018,89×0,0188 2
ytt = 0,692 m/s Vận tốc làm việc trên lý thuyết là: ytbL = 0,812 m/s
3.2 Tính đường kính đoạn chưng
Để tính lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, ta có thể ước lượng gần đúng bằng cách lấy trung bình cộng của lượng hơi thoát ra từ đĩa trên cùng và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp Công thức tính được thể hiện như sau: g tbC = g′ n + g′ 1.
Trong quá trình chưng cất, lượng hơi trung bình đi qua đoạn chưng được ký hiệu là g tbC, đo bằng kg/h hoặc kmol/h Lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng được ký hiệu là g’ n, cũng được tính bằng kg/h hoặc kmol/h Ngoài ra, lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp được biểu thị bằng g’ 1, với đơn vị tương tự là kg/h hoặc kmol/h.
Do lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện g’ n = g’ 1 , vì vậy: g tbC = g 1 +g′ 1
Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp:
Lượng hơi vào đoạn chưng g'1, hàm lượng lỏng x'1 và lượng lỏng G'1 cho đĩa thứ nhất được xác định thông qua hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng.
Trong các phương trình, ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi vào đĩa thứ nhất được xác định bởi r’ 1 = r a y’ 1 + (1 - y’ 1 )r b, trong khi ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp tại đĩa trên cùng của đoạn chưng là r’ n = r a y’ n + (1 - y’ n )r b Thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy được biểu thị bằng x W, và lượng hơi bốc lên từ đĩa trên cùng đoạn chưng bằng lượng hơi bốc lên từ đĩa dưới cùng đoạn luyện, với y’ 1 = y W được tìm theo đường cân bằng ứng với x W.
Tính y W theo phần khối lượng: Ứng với x W = 0,005 phần mol, theo đường cân bằng, y W = 0,06 phần mol Đổi sang phần khối lượng: y’ 1 = y W = 0,06×58
Tính toán giá trị r’ 1 được xác định bằng công thức r’ 1 = r a y’ 1 + (1 - y’ 1 )r b, trong đó r a và r b là ẩn nhiệt hóa hơi của axeton và nước ở nhiệt độ t W Với x W = 0,005 phần mol, giá trị t W được xác định từ bảng 1 là 97,79 C.
Với t w = 97,79 C nội suy theo bảng I.212 [2,254], ta có: r a = r axeton = 113,608 kcal/kg = 475,65 kJ/kg r b = r nước = 541,21 kcal/kg = 2265,938 kJ/kg Thay số: r’ 1 = 475,65 0,171 + (1 – 0,171) 2265,938 r’ 1 = 1959,799 (kJ/kg)
Thay các giá trị đã tính được vào hệ phương trình tính lượng hơi đi vào đoạn chưng:
G’ 1 x’ 1 = g’ 1 0,171 + 4338,8 0,017 g’ 1 1959,799 = 3936,75 886,914 Giải hệ phương trình, ta được: g’ 1 = 1781,591 kg/h x’ 1 = 0,062 phần khối lượng G’ 1 = 6210,43 kg/h
Lượng hơi trung bình của đoạn chưng là: g tbL = g ′1 +g 1
Lượng lỏng trung bình của đoạn chưng: G tbC = 𝐺 1 +𝐺 𝐹 +𝐺′ 1
Vận tốc trung bình cho phép của pha hơi đi trong đoạn chưng Tốc độ giới hạn trên được tính theo công thức: Y = 10e -4X [3,187]
Với y – tốc độ của hơi, m/s
F td – mặt cắt tự do của đĩa, m 2 /m 2 Thường thấy từ (15 – 20)% mặt cắt của tháp Chọn F td = 20% = 0,2 m 2 /m 2 g – gia tốc trọng trường, g = 9,8m/s 2
x , y – khối lượng riêng của lỏng và hơi, kg/m 3
x , n – độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình và của nước ở 20C, N.s/m 2 n = 1,002.10 -3 N.s/m 2
Trong tháp, lưu lượng của lỏng và hơi được biểu thị bằng G x và G y, tính bằng kg/h Đường kính tương đương của lỗ hay rãnh, ký hiệu là d td, có kích thước khác nhau tùy thuộc vào tính chất của chất lỏng: đối với chất lỏng sạch, d td dao động từ 2 đến 6mm, trong khi đối với chất lỏng bẩn, d td nằm trong khoảng 8 đến 11mm.
Khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng:
yC = [y tbC ×M axeton +(1−y tbC )×M nước ]×273
22,4T , kg/m 3 [3,183] Trong đó: T – nhiệt độ làm việc trung bình đoạn chưng, K y tbC – nồng độ phần mol của cấu tử axeton lấy theo giá trị trung bình: y tbC = y đC +y cC
2 y đC , y cC – nồng độ tại hai đầu của đoạn tháp (giữa đĩa tiếp liệu và đáy tháp) y đC = y W = 0,06 phần mol y cC = 0,531 phần mol
2 = 0,309 phần mol Nồng độ trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng: x tbC = x F +x W
Từ x tbC = 0,096 phần mol, nội suy theo bảng 1 ta có nhiệt độ trung bình t tb = 70,264 C = 343,264 K
1 ρ xC = a tb1 ρ xtb1 + 1 − a tb1 ρ xtb1 Trong đó: xC – khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, kg/m 3
Khối lượng riêng trung bình của axeton và nước trong pha lỏng được ký hiệu lần lượt là xtb1 và xtb2, được xác định dựa trên nhiệt độ trung bình, tính bằng kg/m³ Phần khối lượng trung bình của axeton trong pha lỏng được ký hiệu là a tb1, được tính theo công thức a tb1 = a F + a W.
2 = 0,221 phần khối lượng Với t tbC = 70,264C nội suy từ bảng I.2 [2,9] ta được:
Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng trong pha lỏng là:
1 ρ xC = a tb1 ρ xtb1 + 1−a tb1 ρ xtb2 = 0,221
Độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình:
Với t tbC = 70,264C độ nhớt của pha lỏng được nội suy theo bảng I.101 [2,91], ta được:
nước = 0,4115.10 -3 (N.s/m 2 ) Độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là: log hh = x tbC log axeton + (1 – x tbC ).log nước [2,84] log hh = 0,096.log(0,2146.10 -3 ) + (1 – 0,096).log(0,4115.10 -3 )
Tốc độ hơi đi trong tháp:
Trong đó: g tb – lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h
( y y ) tb – tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m 2 s g tb = 2959,17 kg/h; ytbC = 1,078kg/m 3 ; ytbC = 0,7504 m/s
Quy chuẩn đường kính đoạn chưng D C = 1,2m
Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chưng là: ytt = 2959,17×0,0188 2
ytt = 0,651 m/s Vận tốc làm việc trên lý thuyết là: ytbC = 0,7504 m/s
Như vậy, tỷ lệ ω ytt ω ytbL = 0,651
Xác định chiều cao tháp
4.1 Xác định hiệu suất chuyển khối trung bình của tháp
Với tháp đĩa ta tính chiều cao tháp theo phương pháp hiệu suất trung bình [3,170]:
N tt = N LT η tb, trong đó N LT là số đĩa lý thuyết Hiệu suất trung bình của thiết bị được tính bằng ɳ tb = 𝜂 1 + 𝜂 2 𝑛 + ⋯ + 𝜂 𝑛, với ɳ 1, ɳ 2,…ɳ n là hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ và n là số vị trí được tính hiệu suất ɳ tb là hàm của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp α và độ nhớt của hỗn hợp lỏng μ, được biểu diễn là ɳ tb = f(α, μ).
Độ nhớt động lực là một đại lượng phụ thuộc vào nhiệt độ [2,91] từ đó ta có bảng 4:
Bảng 4: Độ nhớt của một số chất lỏng
Chất Độ nhớt ở các nhiệt độ .10 3 , N.s/m 2
Một số công thức tính độ nhớt và độ bay hơi tương đối:
Công thức tính độ nhớt của hỗn hợp lỏng thường không liên hợp: log hh = x 1 log 1 + x 2 log 2 + … + x n log n [2,84]
Trong đó: 1 , 2 ,…- độ nhớt động lực của các cấu tử thành phần x 1 , x 2 ,…- nồng độ mol của các cấu tử hỗn hợp
Công thức tính hỗn hợp hai cấu tử: log hh = x a log a + (1 – x a )log nước
Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp :
Trong đó: y*, x – nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi và pha lỏng
- độ bay hơi tương đối của hỗn hợp Tính tích số . sau đó từ đồ thị IX.11 [3,171], xác định hiệu suất trung bình để tìm giá trị ɳ tương ứng
Xác định số đĩa lý thuyết dựa vào đồ thị Mc Cabe – Thiesel: Với R TH = 0,93 đồ thị Mc Cabe có dạng như sau:
Hình 9: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết khi R TH = 0,93 Dựa vào đồ thị hình 9, ta xác định được:
- Số đĩa lý thuyết đoạn chưng N LTC = 1 đĩa
- Số đĩa lý thuyết đoạn luyện N LTL = 7 đĩa
- Số đĩa lý thuyết toàn tháp N LT = 8 đĩa
Xác định số đĩa thực tế dựa trên hiệu suất trung bình: x (% mol) y (% mol)
Xét vị trí tiếp liệu x F = 0,187 (phần mol), t F = 65,163C
Nội suy từ bảng 4, ta xác định được độ nhớt của axeton và nước:
Độ nhớt của hỗn hợp là: log hh = x a log a + (1 – x a )log nước log hh = 0,187 log(0,222) + (1 – 0,187)log(0,44) log hh = -3,41
Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp :
Tra đồ thị hình IX.11 [3,171] Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị, ta được giá trị ɳ F = 31% = 0,31
Để xây dựng bảng số liệu 5, tiến hành tính toán theo các bậc thay đổi nồng độ của thiết bị Đầu tiên, xác định nồng độ axeton trong pha lỏng (x) thông qua đồ thị hình 9 Tiếp theo, xác định nhiệt độ sôi (t) và nồng độ axeton trong pha hơi cân bằng (y*) dựa vào bảng 1 Sử dụng bảng số liệu 4 để nội suy độ nhớt từ nhiệt độ sôi đã xác định Tính toán độ nhớt của hỗn hợp và xác định độ bay hơi tương đối dựa vào x và y* Tính tích số α.μ và tham khảo đồ thị hình IX.11 Cuối cùng, xác định hiệu suất trung bình của thiết bị [3,171] để tìm giá trị η tương ứng.
Vị trí x W Đĩa 1 x F Đĩa 2 Đĩa 3 Đĩa 4 Đĩa 5 Đĩa 6 Đĩa 7 Đĩa 8 x P x 0,005 0,045 0,187 0,217 0,536 0,760 0,835 0,876 0,906 0,937 0,953 y* 0,060 0,543 0,792 0,807 0,860 0,895 0,918 0,934 0,946 0,964 0,946 t 97,79 80,11 65,16 64,19 60,38 58,52 57,96 57,67 57,46 57,28 57,18
Bảng 5: Xác định hiệu suất tại bậc thay đổi nồng độ
Hiệu suất trung bình của đoạn luyện: ɳ tbL = η F +η 2 +η 3 +η 4 +η 5 +η 6 +η 7 +η 8 +η P
Hiệu suất trung bình của đoạn chưng: ɳ tbC = η W +η 1
Hiệu suất trung bình của toàn tháp: ɳ tb = η W +η 1 +η 2 +⋯+η 7 +η 8 +η P
4.2 Xác định chiều cao của tháp
Số đĩa thực tế của đoạn chưng:
Số đĩa thực tế của đoạn luyện:
Số đĩa thực tế của toàn tháp:
Chiều cao chung của tháp chưng luyện được xác định theo công thức:
H N TT h h [3,169] Trong đó: N TT – số đĩa thực tế N TT = 17 đĩa h = h chưng = h luyện = 0,35m - khoảng cách giữa hai đĩa đoạn chưng, luyện δ là chiều dày của đĩa, chọn δ = 5 mm = 0,005 m
∆h là khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị (dao động từ 0,8 – 1m), chọn ∆h = 0,9m
Chiều cao của đoạn chưng:
Chiều cao của đoạn luyện:
Chiều cao của đoạn toàn tháp:
Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện
5.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu
Q D1 - nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)
Q f - nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)
Q F - nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)
Q ng1 - nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
Q xq1 - nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy (J/h) a) Nhiệt lượng hơi đốt mang vào:
Q D1 - nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)
r 1 - ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
λ 1 - hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)
C 1 - nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Do không cần đun nóng quá 180 C ở đây ta sử dụng loại hơi đốt phổ biến trong công nghiệp là hơi nước bão hòa.
Vì nhiệt độ của hỗn hợp đầu là t F = 65,163C nên nhiệt độ của hơi đốt phải cao, chọn 119,6C tương ứng với áp suất 2 at [2,314]
Tra bảng tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc áp suất [2,314] có nhiệt hóa hơi r 1 = 527,0 (kcal/kg) = 2208 (kJ/kg)
Chọn t bh = 119,6℃ nội suy từ bảng I.249 [2,311] có nhiệt dung riêng của nước C 1 = 4249,110 -3 (kJ/kg.độ)
Q D1 = 2716,19236 D 1 (kJ/h) b) Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào
Q f - nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)
m f - lượng hỗn hợp đầu (kg/h), m F = 7500 kg/h
t f - nhiệt độ đầu của hỗn hợp (C)
C f - nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)
Giả sử nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp là 15 C, nhiệt dung riêng của axeton là 2163,75 J/kg.độ và của nước là 4192,5 J/kg.độ Nhiệt dung riêng trong hỗn hợp đầu được tính bằng công thức: C_f = a_F × C_axeton + (1 - a_F) × C_nước.
Q f 7500 15 3330,28 = 374656500 (J/h) = 374,6565.10 3 (kJ/h) c) Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra
Q F - nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)
C F - nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra (J/kg.độ)
Nhiệt độ hỗn hợp sau khi ra khỏi thiết bị đun nóng là t F = 65,163C Từ bảng I.153 [2,171], ta nội suy và nhận được nhiệt dung riêng của axeton là C axeton = 2321,78 J/kg.độ, trong khi nhiệt dung riêng của nước là C nước = 4190 J/kg.độ.
Từ công thức tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp, ta có:
Q F 1659,7.10 3 (kJ/h) d) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra
Q ng1 - nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (kJ/h)
G ng1 - lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt (kg/h)
Q ng1 D 1 C 1 1 = D 1 119,6 4249,110 -3 = 508,1924D 1 (kJ/h) e) Nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy
Q xq1 - nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh, lấy bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn (J/h)
Q xq1 0,05 D 1 r 1 = 0,05 D 1 2208 = 110,4 D 1 (kJ/h) f) Lượng hơi nước cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi t F là:
5.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện
Tổng nhiệt lượng mang vào tháp = Tổng nhiệt lượng mang ra khỏi tháp
Q F - nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp
Q D2 - nhiệt lượng hơi đốt mang vào tháp
Q R - nhiệt lượng do chất lỏng hồi lưu mang vào
Q y - nhiệt lượng do hơi nước mang ra ở đỉnh tháp
Q W - nhiệt lượng do sản phẩm mang ra
Q xq2 - nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh
Q ng2 - nhiệt lượng do nước ngưng mang ra a) Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào
Q F - nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)
C F - nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)
Nhiệt độ hỗn hợp sau khi ra khỏi thiết bị đun nóng là t F = 65,163C Từ bảng I.153 [2,171], ta có thể nội suy để xác định nhiệt dung riêng của axeton, với giá trị C axeton = 2321,78 J/kg.độ, trong khi nhiệt dung riêng của nước là C nước = 4190 J/kg.độ.
Từ công thức tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp, ta có:
Q F 1659,7.10 3 (kJ/h) b) Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào đáy tháp
Q D2 - nhiệt lượng hơi đốt mang vào đáy tháp (J/h)
D 2 - lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp (kg/h)
r 2 - ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
λ 2 - hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)
C 2 - nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Sử dụng hơi đốt là hơi nước bão hòa, ở nhiệt độ 119,6C tương ứng với áp suất 2 at [2,314]
Tra bảng tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc áp suất [2,314] có nhiệt hóa hơi r 2 = 2208 (kJ/kg); nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) λ 2 = 2716,19236 (kJ/kg)
Q D2 D 2 2 = 2716,19236 D 2 (kJ/h) c) Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào
Q R - nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu (J/h)
G R = m P R x - lượng lỏng hồi lưu (kg/h)
C R - nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu (J/kg.độ)
t R = t P = 57,182C - nhiệt độ chất lỏng hồi lưu (C)
m P = 3161,16(kg/h) - lượng sản phẩm đỉnh
R x = 0,93 - chỉ số hồi lưu Lượng lỏng hồi lưu: G R = m P R x = 3161,16 0,93 = 2939,8788 (kg/h) Ở nhiệt độ t P = 57,182C, nội suy từ bảng I.153 [2,171], ta có nhiệt dung riêng của axeton C axeton = 2295,8415 J/kg.độ; C nước = 4187,89 J/kg.độ
Từ công thức tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp, ta có:
Q R 390,72.10 3 (kJ/h) d) Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp
Q y - nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h)
λ d - hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi ở đỉnh tháp (J/kg)
d a P axeton (1 a P ) nước 3,197 Ở nhiệt độ t P = 57,182C, nội suy từ bảng I.153 [2,171], ta có nhiệt dung riêng của axeton C axeton = 2295,8415 J/kg.độ; C nước = 4187,89 J/kg.độ
Từ số liệu bảng I.212 [2,254] ta có nhiệt hóa hơi của axeton và nước ở nhiệt độ t P
= 57,182C, r axeron = 522,4078(kJ/kg), r nước = 2435,956(kJ/kg)
Nhiệt lượng riêng của nước và axeton trong hỗn hợp hơi là:
= 2675,4279 (kJ/kg) Nhiệt lượng riêng của hỗn hợp được tính theo công thức: λ d a P λ axeton (1 a P ) λ nước λ d 0,985 653,6886 + (1 – 0,985) 2675,4279 = 684,0147(kJ/kg)
Q y m P (1 R x ) d = 3161,16 (1 0,93) 684,0147 = 4173,2.10 3 (kJ/h) e) Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra
Q W - nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h)
m W = 4334,84(kg/h) - lượng sản phẩm đáy tháp (kg/h)
C W - nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ)
t W = 97,79C - nhiệt độ của sản phẩm đáy (C) Ở nhiệt độ t W = 97,79C, nội suy từ bảng I.153 [2,171], ta có nhiệt dung riêng của axeton C axeton = 2427,8175 J/kg.độ; C nước = 4225,58 J/kg.độ
Từ công thức tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp, ta có:
Q W m W C W t W = 4334,84 4195,018.10 -3 97,79 = 1778,285.10 3 (kJ/h) f) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra
Q ng2 - nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
G ng2 - lượng nước ngưng tụ, bằng lượng hơi đốt (kg/h)
C 2 - nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
θ 2 - nhiệt độ của nước ngưng (C)
2 C 2 = 508,19236 Q ng2 508,19236 D 2 (kJ/h) g) Nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy
Q xq2 0,05 D 2 r 2 3,197 Trong đó: Q xq2 - nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh, lấy bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn ở đáy tháp (J/h)
Tra bảng tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc áp suất [2,314] có nhiệt hóa hơi r 2 = 2208 (kJ/kg);
Q xq2 0,05 D 2 2208 = 110,4 D 2 (kJ/h) h) Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp là:
5.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn m P (R x 1) r G n C n t 2 t 1 [3,198] Trong đó:
C n - nhiệt dung riêng của nước làm lạnh (J/kg.độ)
r - ẩn nhiệt hóa hơi ở đỉnh tháp (J/kg)
Từ số liệu bảng I.212 [2,254] ta có nhiệt hóa hơi của axeton và nước ở nhiệt độ t P
= 57,182C, r axeron = 522,4078(kJ/kg), r nước = 2435,956(kJ/kg) Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là: r hh = a P r axeton (1 a P ) r nước r hh = 0,985 522,4078 (1 0,985) 2435,956 = 551,111(kJ/kg)
Chọn nhiệt độ vào của nước làm lạnh t 1 = 20C, nhiệt độ ra là t 2 = 45C để tránh đóng cặn và kết tủa các muối trên bề mặt trao đổi nhiệt
Nội suy dựa vào bảng I.149 [2,168], giá trị nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình: t = t 1 +t 2
2 = 32,5C Ở t = 32,5C, nhiệt dung riêng của nước là C n = 4176,9 (J/kg.độ) Vậy, lượng nước lạnh cần tiêu tốn cho thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp là:
5.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm mát m P C P (t’ 1 – t’ 2 ) = G n2 C n (t 2 – t 1 ) [3,198] Trong đó:
C P - nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (J/kg.độ)
t’ 1 , t’ 2 - nhiệt độ đầu, cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ ( C)
Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ chính bằng nhiệt dung riêng của lỏng hồi lưu vào tháp: C P C R 2324,2222 J/kg.độ
Hỗn hợp sản phẩm đỉnh từ t’ 1 = t P = 57,182C
Vậy, lượng nước lạnh cần tiêu tốn cho thiết bị làm mát là:
Trở lực của tháp
Trở lực của tháp đĩa lỗ không có kênh chảy chuyền được xác định theo công thức:
P N TT P d , N/m 2 [3,192] Trở lực tổng cộng Pd của đĩa bao gồm các hợp phần:
ΔP k – trở lực của đĩa khô, N/m 2
P s – trở lực do sức căng bề mặt
P t – trở lực thủy tĩnh của lớp chất lỏng trên đĩa
6.1 Trở lực của đĩa khô
2 , (N/m 2 ) [3,195] Trong đó: ξ - hệ số trở lực ρ y - khối lượng riêng của pha hơi, kg/m 3 ω o - tốc độ của hơi khi qua lỗ của đĩa, m/s a) Với đoạn luyện
Hệ số trở lực: Được tính bằng công thức: ξ = (1 − 𝑓 𝑡𝑑
f td – diện tích mặt cắt tự do của đĩa, m 2
f d – diện tích chung của đĩa, m 2
ξ p – hệ số trở lực phụ thuộc vào tỷ số f td /f d
d lỗ - đường kính tương đương của lỗ (d td = d lỗ ), m
Re – chuẩn số reynold: Re = ω′ o ×d td ×ρ y μ y
’ o – vận tốc khí (hơi) đi qua tiết diện tự do của đĩa, m/s
y – khối lượng riêng của khí hoặc hơi, kg/m 3
y – độ nhớt của khí hoặc hơi, N.s/m 2
Ta có: mặt cắt tự do của đĩa F td = f td /f d = 20% = 0,2 m 2 /m 2
Từ tỷ lệ f td /f d = 0,2 ta có ξ p = 0,45 (từ bảng IX.9 [3,195] Đường kính tương đương của lỗ: d td = d lỗ = 0,002m Chiều dày của đĩa δ = 0,005m
Vận tốc khí qua tiết diện tự do của đĩa là 0,812 m/s, trong khi khối lượng riêng của khí đạt 1,779 kg/m³ Độ nhớt của khí hoặc hơi được xác định theo công thức cụ thể.
y – nồng độ axeton trong pha hơi, y = 0,7653 phần mol
M hh – khối lượng phân tử của hỗn hợp khí,
A , B – độ nhớt của cấu tử axeton và nước ở nhiệt độ trung bình Với t tbL = 60,07C độ nhớt của pha hơi được nội suy theo bảng I.101 [2,91], ta được:
Khối lượng riêng của pha hơi Khối lượng riêng của khí hoặc hơi: y = 1,779kg/m 3
Tốc độ của hơi khi qua lỗ của đĩa
Hệ số trở lực: Được tính bằng công thức: ξ = (1 − 𝑓 𝑓 𝑡𝑑
f td – diện tích mặt cắt tự do của đĩa, m 2
f d – diện tích chung của đĩa, m 2
ξ p – hệ số trở lực phụ thuộc vào tỷ số f td /f d
d lỗ - đường kính tương đương của lỗ (d td = d lỗ ), m
Re – chuẩn số reynold: Re = ω′ o ×d td ×ρ y μ y
’ o – vận tốc khí (hơi) đi qua tiết diện tự do của đĩa, m/s
y – khối lượng riêng của khí hoặc hơi, kg/m 3
y – độ nhớt của khí hoặc hơi, N.s/m 2
Ta có: mặt cắt tự do của đĩa F td = f td /f d = 20% = 0,2 m 2 /m 2
Từ tỷ lệ f td /f d = 0,2 ta có ξ p = 0,45 (từ bảng IX.9 [3,195] Đường kính tương đương của lỗ: d td = d lỗ = 0,002m Chiều dày của đĩa δ = 0,005m
Vận tốc khí đi qua tiết diện tự do của đĩa là 0,7504 m/s, trong khi khối lượng riêng của khí đạt 1,078 kg/m³ Độ nhớt của khí hoặc hơi được tính toán theo công thức cụ thể.
y – nồng độ axeton trong pha hơi, y = 0,309 phần mol
M hh – khối lượng phân tử của hỗn hợp khí,
A , B – độ nhớt của cấu tử axeton và nước ở nhiệt độ trung bình Với t tbC = 70,264 C độ nhớt của pha hơi được nội suy theo bảng I.101 [2,91], ta được:
Khối lượng riêng của pha hơi Khối lượng riêng của khí hoặc hơi: y = 1,078kg/m 3
Tốc độ của hơi khi qua lỗ của đĩa
6.2 Trở lực do sức căng bề mặt
Trong đó: σ – sức căng bề mặt, N/m 2 a) Với đoạn luyện Nhiệt độ sôi t s = 60,07C sức căng bề mặt được nội suy từ bảng I.242 [2,300] σ axeton = 18,5915.10 -3 (N/m) σ nước = 66,187.10 -3 (N/m)
Nồng độ khối lượng trung bình: a L = a P +a F
0,002 = 47,194 (N/m 2 ) b) Với đoạn chưng Nhiệt độ sôi t s = 70,254C sức căng bề mặt được nội suy từ bảng I.242 [2,300] σ axeton = 17,3683.10 -3 (N/m) σ nước = 64,3525.10 -3 (N/m)
Nồng độ khối lượng trung bình: a L = a W +a F
6.3 Trở lực thủy tĩnh của lớp chất lỏng trên đĩa
h b – chiều cao lớp bọt trên đĩa
b – khối lượng riêng của bọt trên đĩa
G x , G y – lưu lượng lỏng và hơi, kg/s
x , y – khối lượng riêng của lỏng và hơi ở nhiệt độ trung bình, kg/m 3
x , y – độ nhớt của lỏng và hơi, N.s/m 2 a) Với đoạn luyện
Tốc độ hơi đi qua lỗ của đĩa: o = 4,06 m/s Lưu lượng lỏng G x = 1857,74 kg/h
Lưu lượng hơi G y = 6101,04 kg/h Khối lượng riêng của lỏng x = 803,04kg/m 3 Khối lượng riêng của hơi y = 1,779kg/m 3 Độ nhớt của hơi y = 2,4055.10 -4 N.s/m 2 Độ nhớt của lỏng x = 3,123.10 -4 N.s/m 2
Tốc độ hơi đi qua lỗ của đĩa: o = 3,752 m/s Lưu lượng lỏng G x = 7198,01 kg/h
Lưu lượng hơi G y = 2959,17 kg/h Khối lượng riêng của lỏng x = 910,0kg/m 3 Khối lượng riêng của hơi y = 1,078kg/m 3 Độ nhớt của hơi y = 2,6693.10 -4 N.s/m 2 Độ nhớt của lỏng x = 3,866.10 -4 N.s/m 2
6.4 Tổng trở lực của tháp a) Đoạn luyện
Tính toán cơ khí
Tính toán cơ khí trong thiết kế tháp chưng luyện là rất quan trọng để đảm bảo phù hợp với các thông số công nghệ của quá trình Với yêu cầu thiết kế tháp làm việc ở áp suất khí quyển 760 mmHg (1,01 x 10^5 N/m²) và nhiệt độ từ 20-100°C, vật liệu chế tạo được chọn cho toàn bộ tháp là thép X18H10T.
Thép X18H10T là loại thép không gỉ với thành phần chính gồm carbon (C) nhỏ hơn 0,1%, crom khoảng 18%, niken khoảng 10% và titan không vượt quá 1-1,5% Dựa vào các bảng số liệu, có thể xác định một số tính chất quan trọng của thép X18H10T.
25mm Độ nhớt va đập, a k , J/m 2
Hệ số dẫn nhiệt độ ở
Giới hạn bền chảy, σ c , N/m 2 Thép
Bảng 6: Các số liệu tính chất của thép X18H10T
7.1 Tính chiều dày thân tháp
Thân hình trụ đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo thiết bị hóa chất Thiết kế của tháp chưng luyện cho hỗn hợp axeton và nước được thực hiện để hoạt động ở áp suất khí quyển p =
Áp suất 760 mmHg tương đương với 1,01×10^5 N/m², được xem là áp suất thấp (< 1,6×10^6 N/m²) Do đó, phương án chế tạo thân tháp hình trụ sẽ được thực hiện bằng cách hàn, cuốn các tấm vật liệu với kích thước đã định và sau đó hàn ghép các mối lại, với vị trí đặt thẳng đứng.
Khi chế tạo cần lưu ý:
đảm bảo đường hàn càng ngắn càng tốt
bố trí các đường hàn dọc (ở các đoạn thân trụ riêng biệt lân cận) cách nhau ít nhất 100mm
bố trí các đường hàn dọc (ở các đoạn thân trụ riêng biệt lân cận) cách nhau ít nhất 100mm
bố trí các mối hàn ở vị trí dễ quan sát
không khoan lỗ qua mối hàn Chiều dày của thân trụ làm việc chịu áp suất trong được tính bằng công thức:
[σ] - ứng suất cho phép của nhiên liệu đã chọn, N/m 2
φ – hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc
C – số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m a) Áp suất làm việc với hỗn hợp hơi – lỏng: p = p mt + p l [3,360]
p mt - áp suất của hơi (khí) (N/m2)
p l - áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng (N/m2 ) Áp suất của hơi (khí): p mt = 760 mmHg = 1,01.10 5 N/m 2 Áp suất thủy tĩnh tính như sau: p l = gρH l , N/m 2 [3,360]
Với gia tốc trọng trường: g = 9,81 (m/s 2 )
Khối lượng riêng của lỏng trong tháp: ρ xtb = ρ xL +ρ xC
2 ρ xtb = 856,52 (kg/m 3 ) Chiều cao của cột chất lỏng: H = 6,935 m Áp suất thủy tĩnh: p 1 9,81 856,52 6,935 58271,0684 (N/m 2 )
p = p mt + p l = 101325 + 58271,0684 = 159596,0684 (N/m 2 ) b) Ứng suất cho phép Ứng suất cho phép của thép trong giới hạn bên khi kéo và khi chảy được tính theo công thức:
Công thức tính σ c được xác định là σ c = σ c n c × η (N/m²), trong đó ɳ là hệ số điều chỉnh Do thiết bị chưng luyện thuộc nhóm 2 loại II, ɳ được đặt bằng 1,0 Các hệ số an toàn n k và n c lần lượt là 2,6 và 1,5, phản ánh giới hạn bền khi kéo và chảy Thiết bị được chế tạo từ thép không gỉ qua các phương pháp cán, rèn dập Các giá trị giới hạn bền khi kéo và chảy được xác định là σ k = 550.10⁶ (N/m²) và σ c = 220.10⁶ (N/m²).
Hệ số bền của thành hình trụ được xác định là [σ] = [σ c ] = 146,667.10 6 (N/m 2 ) Theo Bảng XIII.8, hệ số bền hàn của thân hình trụ là 3,362, ứng với đường kính trong D t = 1,2 m (1200 mm), lớn hơn 700 mm Phương pháp hàn được sử dụng là hàn tay bằng hồ quang điện, kiểu hàn là hàn mối giáp hai bên, với vật liệu là thép X18H10T, dẫn đến hệ số bền mối hàn φ h = 0,95 Mặc dù thành có khoét lỗ để lắp kính quan sát, nhưng được gia cố hoàn toàn, vì vậy φ = φ h = 0,95 đối với mối hàn dọc.
Có thể bó qua p ở mẫu số công thức tính chiều dày thân hình trụ
2[σ]×φ + C, m d) Thông số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày
C1 là mức bổ sung cần thiết để bù đắp cho sự ăn mòn do ảnh hưởng của môi trường và thời gian hoạt động của thiết bị Với vật liệu X18H10T có độ bền cao (0,05-0,1 mm/năm), việc xác định C1 là cần thiết để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị.
= 1 mm = 0,001m (tính theo thời gian làm việc từ 15-20 năm)
C 2 là đại lượng bổ sung do hao mòn khi nguyên liệu chứa các hạt rắn di chuyển nhanh trong thiết bị Tuy nhiên, nguyên liệu chưng luyện không nằm trong trường hợp này, vì vậy C 2 được coi là bằng 0.
C 3 là đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu e) Chiều dày thân tháp
Vì bề dày S khoảng 3mm, chọn dung sai về chiều dày của vật liệu là 0,22mm (chọn theo bảng XIII.9 [3,364])
S = 6,8725.10^-4 + C = 6,8725.10^-4 + 1,22.10^-3 = 1,907.10^-3 m, với quy chuẩn S = 2mm Để kiểm tra ứng suất, áp suất thử được tính theo công thức p₀ = pₜₕ + pₗ, trong đó pₜₕ là áp suất thử thủy lực theo bảng XIII.5 và pₗ là áp suất thủy tĩnh của lỏng trong tháp, với p₁ = 58271,0684 (N/m²) Đối với thiết bị không bị đốt nóng hoặc làm lạnh, nhiệt độ được lấy bằng nhiệt độ môi trường, tₜ = tₘₜ = 15°C, giả sử nhiệt độ môi trường là 15°C < 400°C Từ đó, áp suất tính toán cho thấy 0,07.10^6 < p = 159596,0684 (N/m²) < 0,5.10^6, nên tham khảo bảng XIII.5 để xác định áp suất thử thủy lực.
p 0 = p th + p t = (159596,0684 1,25+ 58271,0684) p 0 = 257766,1539(N/m2 ) Ứng suất của thành theo áp suất thử [3,365]: σ = [D t +(S−C)]×p 0
1,2 Chọn lại chiều dày S = 3mm = 0,003m Thử lại, thấy σ = 91596159 (N/m 2 ) < 183,333.10 6 (N/m 2 )
7.2 Tính chiều dày đáy, nắp
Nắp và đáy là những bộ phận quan trọng của thiết bị, thường được chế tạo từ cùng loại vật liệu với thân thiết bị Chúng có thể được nối với thân qua hàn, ghép bích hoặc hàn liền, tùy thuộc vào loại vật liệu Các dạng của đáy và nắp có thể là elip, bán cầu, nón hoặc phẳng, và việc lựa chọn phụ thuộc vào hình dạng thân và áp suất bên trong Trong đồ án này, nắp và đáy được chế tạo từ thép X18H10T, với thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển và áp suất nội tại p = 159596,0684 > 7.10^4 (N/m²) Do đó, nắp và đáy được thiết kế theo dạng elip có gờ, chế tạo bằng phương pháp hàn từ hai nửa tấm và lắp ghép với thân thiết bị bằng ghép bích Ngoài ra, ở tâm của đáy và đỉnh có lỗ để lấy sản phẩm từ đáy và đỉnh.
Chiều dày đáy và nắp làm việc chịu áp suất trong được xác định theo công thức sau:
D t = 1,2m - đường kính trong của thân tháp
Tra bảng XIII.10 [3,382] có chiều cao phần lồi ở đáy h b = 300mm
p - áp suất làm việc bên trong thiết bị, p = 159596,0684 (N/m 2 )
[σ k ] = 211,538.10 6 (N/m 2 ) - ứng suất kéo của vật liệu (N/m 2 )
φ h = 0,95 - hệ số bền của mối hàn hướng tâm
k là hệ số không thứ nguyên xác định qua công thức: k = 1 - d
d là đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng, m
C là đại lượng bổ sung, tương tự như C trong phần tính chiều dày thân tháp nhưng có tăng thêm 1 ít tùy chiều dày nắp và đáy.
Lượng hơi axeton bão hòa thoát ra từ đỉnh tháp ở áp suất lớn hơn 1 atm có tốc độ trung bình là 20 m/s Tổng lượng hơi axeton thoát ra khỏi đỉnh tháp đạt 6101,04 kg/h.
Khối lượng riêng trung bình của hơi trong tháp: ytb = ρ yL +ρ yC
Do (S - C) < 10mm nên ta tăng thêm 2mm so với giá trị C ở phần tính thân tháp
Kiểm tra ứng suất theo phương pháp thủy lực: σ = [D t
Chiều dày nắp tháp là S = 5mm
Tính k: Lượng lỏng đi vào đáy tháp: G’ 1 = 6210,43 kg/h Khối lượng riêng của lỏng trong tháp: ρ xtb = 856,52 (kg/m 3 )
856,52 = 7,25 (m 3 /h) = 2,014.10 -3 (m 3 /s) Chọn vận tốc lỏng đi trong tháp là 0,3m/s
Do (S - C) < 10mm nên ta tăng thêm 2mm so với giá trị C ở phần tính thân tháp
Kiểm tra ứng suất theo phương pháp thủy lực: σ = [D t
Chiều dày đáy tháp là S = 5mm
7.3 Tính các ống dẫn vào và ra khỏi tháp
Ống dẫn nguyên liệu đầu
Ống dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp
Ống tháo sản phẩm đáy
Ống dẫn lượng lỏng hồi lưu ở đỉnh
Ống dẫn hơi sau khi gia nhiệt ở đáy tháp
7.3.1 Ống dẫn nguyên liệu đầu
Nhiệt độ của hỗn hợp nguyên liệu lỏng vào tháp được xác định là t F = 65,163°C, theo nội suy từ bảng I.2 Khối lượng riêng của axeton và nước phụ thuộc vào nhiệt độ, và thông qua công thức nội suy, khối lượng riêng của axeton tại nhiệt độ này là ρ axeton = 739,030 kg/m³, trong khi khối lượng riêng của nước là ρ nước = 980,1604 kg/m³.
Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:
Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy trong ống: V = m F
Vận tốc chất lỏng tự chảy được xác định là V = 2,42.10^-3 (m³/s), với vận tốc chất lỏng trong ống ω = 0,2 (m/s) theo Bảng II.2 Đường kính trong của ống được tính bằng công thức 𝑑 = √(0,785×ω V) và cho kết quả 𝑑 = 0,124(m) Quy chuẩn đường kính ống dẫn nhập liệu là d₁ = 125mm và chiều dài l = 120mm.
Vận tốc thực tế: TT = 0,00242
7.3.2 Ống dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp
Nhiệt độ của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp: t P 57,182 C
Nồng độ phần mol của cấu tử phân bố trong pha hơi ở đỉnh tháp, y P = 0,973phần mol
Khối lượng mol trung bình: M = y P M axeton + (1 – y P ) M nước
22,4×(57,182+273) = 2,101 (kg/m 3 ) Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp: g đ = 6101,04 (kg/h)
Lưu lượng thể tích hơi đi trong ống: V = g đ
Dựa trên Bảng II.2 [2, 370], khi hơi bão hòa di chuyển trong ống dẫn khí với áp suất 1 – 0,5 at, vận tốc của hơi bão hòa được chọn là ω = 30 m/s Đường kính trong của ống được tính theo công thức 𝑑 = √ V.
0,785×ω = √ 0,785×30 0,792 = 0,185(m) Quy chuẩn đường kính ống dẫn hơi ra khỏi đỉnh là: d 2 = 200mm, l = 130mm
Vận tốc thực tế: TT = 0,792
7.3.3 Ống tháo sản phẩm đáy
Nhiệt độ sản phẩm ra khỏi tháp là 97,79°C Dựa vào bảng I.2, khối lượng riêng của axeton và nước tại nhiệt độ này được xác định thông qua nội suy Cụ thể, khối lượng riêng của axeton là 695,873 kg/m³ và khối lượng riêng của nước là 968,442 kg/m³.
Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:
Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy trong ống: V = m W
TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THIẾT BỊ PHỤ TRỢ
Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Để đun nóng hỗn hợp axeton và nước với tỷ lệ 0,425 và 0,575 phần khối lượng, năng suất 7500 kg/h, cần nâng nhiệt độ từ 20C đến 65,184C Thiết bị gia nhiệt sử dụng là ống chùm thẳng đứng, làm từ thép CT3, có lớp cách nhiệt bên ngoài, sử dụng hơi nước bão hòa ở 119,6C và áp suất 2 at.
Thiết bị làm việc ngược chiều, dung dịch đi trong ống theo chiều từ dưới lên, hơi bão hòa đi từ trên xuống ở ngoài ống.
1.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình
Hiệu số nhiệt độ trung bình Xác định theo công thức:
t đ = t bh – t 1đ : hiệu số nhiệt độ đầu
t c = t bh – t 1c : hiệu số nhiệt độ cuối
= 99,6−54,416 ln 54,416 99,6 = 74,746C Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp đầu trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: t tb = t bh - t tb = 119,6 - 74,746 = 44,854C
Lượng nhiệt cần đun Nhiệt lượng cần thiết để đun sôi hỗn hợp từ nhiệt độ đầu t 1 = 20C lên nhiệt độ sôi t 2 = 65,184C:
Với m F = 7500kg/h Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp đầu trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: t tb = 44,854C
Nội suy từ bảng I.153 [2,171], ta có nhiệt dung riêng của axeton C axeton = 2255,78 J/kg.độ; C nước = 4178,64 J/kg.độ
Nhiệt dung riêng trong hỗn hợp đầu: C hh a F C axeton (1 a F ) C nước
1.2 Tính nhiệt tải trung bình
Quá trình truyền nhiệt bao gồm 3 phần:
Cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa cho thành ống truyền nhiệt phía bên hơi: q 1 1 t 1 (W/m 2 ) [1-III,59] Trong đó:
α 1 là hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (W/m 2 độ)
Δt 1 = t bh – t T1 là hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và thành ống tiếp xúc với hơi đốt
Dẫn nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc hơi (tường trái) sang thành ống tiếp xúc với lỏng (tường phải) (dẫn nhiệt qua 1m 2 thành ống): q T = 1
Σr là tổng nhiệt trở của thành ống (m 2 độ/W)
Δt T = t T1 – t T2 là hiệu số nhiệt độ giữa 2 phía thành ống
t T1 , t T2 là nhiệt độ 2 phía thành ống
Cấp nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với pha lỏng cho hỗn hợp lỏng: q 2 2 t 2 (W/m 2 ) Trong đó:
α 2 là hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m2 độ)
Δt 2 = t T2 – t tb là hiệu số nhiệt độ hỗn hợp lỏng và thành ống tiếp xúc với hỗn hợp lỏng.
Coi quá trình truyền nhiệt là ổn định: q 1 = q T = q 2
1.2.1 Xác định chế độ chảy của hỗn hợp lỏng trong ống qua chuẩn số Reynold
ω là tốc độ của lỏng chảy trong ống, chọn chế độ chất lỏng tự chảy ω = 0,1 - 0,5 (m/s) [2,370]
l = d td là kích thước hình học, đường kính tương đương của ống truyền nhiệt
ρ là khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng, (kg/m 3 )
μ (N.s/m 2 ) là độ nhớt động lực của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình
Khối lượng riêng của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình:
Với t tb = 44,854 C nội suy từ bảng I.2 [2,9] ta được:
Vậy khối lượng riêng của hỗn hợp trong pha lỏng là:
Độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình:
Với t tb = 44,854C độ nhớt của pha lỏng được nội suy theo bảng I.101 [2,91], ta được:
nước = 0,604.10 -3 (N.s/m 2 ) Độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là: log tb = x F log axeton + (1 – x F ).log nước [2,84] log tb = 0,187.log(0,257.10 -3 ) + (1 – 0,187).log(0,604.10 -3 )
Trong bài viết này, ta có thông số tb = 5,148.10^-4 N.s/m², với l = d td là kích thước hình học và đường kính tương đương của ống truyền nhiệt Kích thước ống truyền nhiệt được chọn là 25-2(mm), với đường kính d = 25mm và độ dày ống là 2mm.
Re = 10752,0979 > 10 4 Chế độ chảy xoáy
1.2.2 Tính hệ số cấp nhiệt của dung dịch 2
Hệ số cấp nhiệt 2 của hỗn hợp được tính theo công thức của chuẩn số Nuselt:
Mà chấy lỏng ở chế độ chảy xoáy nên:
Pr t – chuẩn số Pran của dòng tính theo nhiệt độ trung bình của tường
1 – hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống
2 = λ d td 0,021 1 Re 0,8 Pr 0,43 ( Pr Pr t ) 0,25
Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp lỏng λ: λ = A C P √ ρ
C P – nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, J/kg.độ
A – hệ số phụ thuộc mức độ liên kết chất lỏng đối với chất lỏng liên kết (nước, rượu)
Chuẩn số Pr t – Chuẩn số Prant của hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ thành ống Pr
Pr t = thể hiện dòng nhiệt (làm lạnh, đun nóng) Khi chênh lệch nhiệt độ giữa tường và dòng như nhau thì Pr
1.2.3 Tính hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ 1
Khi tốc độ hơi trong ống nhỏ (W h < 10 m/s) và màng nước ngưng chuyển động dòng thì hệ số cấp nhiệt α 1 của hơi nước bão hòa đối với ống thẳng đứng: α = 2,04 𝐴 √ Δt r
α = α 1 - hệ số cấp nhiệt của hơi đốt, W/m 2 độ
A - hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng t m
r (J/kg) - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt
Δt L - hiệu số nhiệt độ giữa nước ngưng (t n = t bh = 119,6C) và nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc với nước ngưng (t T1 ), Δt L = t bh – t T1
Chiều dài ống truyền nhiệt được chọn là H = 2 m, tương ứng với hơi nước bão hòa ở nhiệt độ 119,6°C và áp suất 2 at Theo bảng tính chất hóa lý, hơi nước bão hòa ở áp suất này có ẩn nhiệt ngưng tụ r = 2206,10³ J/kg Giả thiết rằng chênh lệch nhiệt độ Δt L = 5,8°C, ta tính được nhiệt độ T1 là t bh - Δt L = 119,6 - 5,8 = 113,8°C.
Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng t m = 0,5 (t T1 + t bh ) = 0,5.( 119,6 + 113,8) t m = 116,7C, nội suy dựa vào bảng số liệu [3,29] ta có: A = 186,515
1.2.4 Tổng trở nhiệt thành ống
Lớp cặn bẩn dày khoảng 0,5 mm bám trên bề mặt truyền nhiệt ở hai bên thành ống, bao gồm phía hơi đốt và phía dung dịch, có nhiệt trở trung bình Đặc biệt, lớp cặn bẩn phía hơi nước ngưng tụ có giá trị nhiệt trở là r1 = 0,464.10^-3 (m^2.độ/W).
Lớp cặn bẩn phía hỗn hợp: r 2 = 0,116.10 -3 (m 2 độ/W) [3,4]
Thành ống dày δ = 2 (mm) = 0,002 (m); làm bằng thép CT3 có hệ số dẫn nhiệt λ
Do đó, tổng nhiệt trở của thành ống là: Σr T = r T1 + 𝛿/𝜆 + r T2
1.2.5 Nhiệt tải riêng trung bình
Ta có, hiệu số nhiệt độ giữa hai thành ống là: Δt T = t T1 – t T2 = Σr T q 1 = 6,2.10 -4 46084,917 = 28,573C
t T2 = 116,7 – 28,573= 85,227C Hiệu số nhiệt độ hỗn hợp lỏng và thành ống tiếp xúc với hỗn hợp lỏng: Δt 2 = t T2 – t tb = 85,227 - 44,854 = 40,373C
1.3 Bề mặt trao đổi nhiệt và đường kính thiết bị
- Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: F = Q q [3,3]
F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m 2
Q – Nhiệt lượng cần thiết để đun sôi hỗn hợp từ nhiệt độ đầu lên nhiệt độ sôi, W Q = 316422,093W q – Nhiệt tải riêng trung bình, W/ m 2 q = 46413,4744 W/m 2
46413,4744 = 6,82 m 2 Tổng số ống trong thiết bị được xác định theo công thức: n = F f
F = 6,82m 2 – tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
f = d tb H – diện tích bề mặt của một ống truyền nhiệt, m 2 ,
H = 2m – Chiều cao của ống truyền nhiệt
d tb = 0,023m – đường kính trung bình của một ống truyền nhiệt
×0,023×2 = 47,18 Chọn cách sắp xếp ống theo kiểu bàn cờ 6 cạnh, quy chuẩn theo bảng V.11 [3,48]: Chọn thiết bị có tổng số ống là 61 ống
Số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh: b = 9 ống
Số ống trên 1 cạnh của hình sáu cạnh: a = (9 + 1)/2 = 5 ống
- Tính đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
d – đường kính ngoài của ống, m
b – số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh
- Tính vận tốc thực tế của lỏng cháy trong ống: w t = 4×m F ρ×π×n×d 2 = 4×7500
Vận tốc thực tế của chất lỏng chảy trong ống là 0,112233 m/s, trong khi vận tốc đã chọn là 0,3 m/s Để thiết bị đảm bảo năng suất truyền nhiệt, cần chia thiết bị thành nhiều ngăn, với số ngăn x được tính theo công thức x = w w t = 0,3.
0,112233 = 2,673 Quy chuẩn số ngăn của thiết bị là 3 ngăn
Tính bơm hỗn hợp đầu
Bơm ly tâm mang lại nhiều lợi ích như cung cấp lưu lượng ổn định, vận hành với tốc độ cao và dễ dàng kết nối trực tiếp với động cơ Thiết kế đơn giản và không có xunap giúp giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn và hư hỏng, cho phép bơm hoạt động hiệu quả với nhiều loại chất lỏng, bao gồm cả hỗn hợp axeton và nước Do đó, bơm ly tâm được lựa chọn để vận chuyển nguyên liệu đến thiết bị gia nhiệt, nơi dung dịch sẽ tự chảy vào tháp Việc xác định chiều cao lắp đặt thiết bị gia nhiệt là cần thiết để đảm bảo chất lỏng được đưa vào tháp ở đĩa tiếp liệu, chiều cao này phụ thuộc vào trở lực của ống dẫn, hay nói cách khác là chiều dài của ống.
2.1 Áp suất toàn phần của bơm Áp suất toàn phần cần để khắc phục mọi sức cản thủy lực trong hệ thống (kể cả ống dẫn và thiết bị) khi dòng chảy đẳng nhiệt:
Δp đ - áp suất động lực học (áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống dẫn), N/m 2
Δp m - áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng, N/m 2
Δp c - áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, N/m 2
Δp H là áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất thủy tĩnh, N/m 2
Δp t - áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị , N/m 2
Δp k là áp suất bổ sung cần thiết ở cuối ống dẫn khi đưa chất lỏng vào thiết bị có áp suất cao hơn áp suất khí quyển, như trong quá trình phun chất lỏng trong tháp đệm hoặc trong phòng sấy.
2.1.1 Áp suất động lực học, Δp đ Được tính theo công thức: Δp đ = ( 2 )/2, N/m 2 [2,377] Trong đó: - khối lượng riêng của chất lỏng hoặc khí, kg/m 3
Đoạn ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp vào tháp có nhiệt độ sau khi ra khỏi thiết bị là 65,163°C Khối lượng riêng của chất lỏng trong ống được xác định là 860,795 kg/m³.
Lưu lượng thể tích chất lỏng trong ống: V = 2,42.10 -3 (m 3 /s) Đường kính của ống d 1 = 0,125m
Vận tốc thực tế trong ống TT = 0,197m/s
Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: Ở nhiệt độ đầu t = 15C, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:
hh2 = 901,349 kg/m 3 Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy trong ống:
Vận tốc chất lỏng trong ống đẩy của bơm được xác định theo bảng II.2 [2,370] Chọn vận tốc trung bình = 1,5m/s Đường kính trong của ống là: d = √ V
0,785×ω = √ 0,785×1,5 0,002311 = 0,0443m Quy chuẩn đường kính, d 6 = 0,05m = 50mm
Tổng áp suất động lực trung bình Δp đ = Δp đ1 + Δp đ2 = 16,70 + 1014,018
2.1.2 Áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng, Δp m Được tính theo công thức sau: Δp m = λ L d td ρ×ω 2
Δp m = λ L d td Δp đ , N/m 2 Trong đó: λ – hệ số ma sát,
L – chiều dài ống dẫn, m d td – đường kính tương đương của ống, m
Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp:
Khối lượng riêng của chất lỏng trong ống được xác định là 860,795 kg/m³, với vận tốc thực tế trong ống là 0,197 m/s và đường kính ống là 0,125 m Chênh lệch áp suất tại điểm đầu ống là 16,70 N/m² Nhiệt độ của hỗn hợp sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt đạt 65,163°C Độ nhớt của axeton là 0,222 x 10^-3 (N.s/m²) và của nước là 0,44 x 10^-3 (N.s/m²).
3,29×10 −4 = 64430,38 > 4000 => Chảy xoáy Ở chế độ chảy xoáy, hệ số ma sát được xác định theo công thức:
3,7 ] [2,380] Trong đó: - độ nhám tương đối được xác định bằng công thức: = /d tđ
Độ nhám tuyệt đối, ký hiệu là ε, được định nghĩa là chiều cao trung bình của gờ nhám hoặc chiều sâu trung bình của rãnh, với giá trị ε = 0,2mm cho ống nguyên và ống hàn trong điều kiện ít ăn mòn Đường kính tương đương được ký hiệu là d td Thông tin này được xác định qua bảng II.15 [2,381].
√𝜆 = 6,31 => λ = 0,025 Chọn chiều dài đoạn ống dẫn: L = 3m
Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
Khối lượng riêng của chất lỏng trong ống là 901,349 kg/m³, với đường kính trong ống là 0,05m Vận tốc trung bình của chất lỏng đạt 1,5m/s, trong khi chênh lệch áp suất Δp đ2 là 1014,018 N/m² Nhiệt độ môi trường được ghi nhận là 15°C Độ nhớt của axeton là 0,339 x 10^-3 (N.s/m²) và độ nhớt của nước là 1,155 x 10^-3 (N.s/m²).
√𝜆 = 5,798 => λ = 0,030 Chọn chiều dài đoạn ống dẫn: L = 3m
Tổng áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng: Δp m = Δp m1 + Δp m2 = 10,05 + 1825,2324 Δp m = 1835,2824 N/m 2
2.1.3 Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, Δp c
Công thức tính áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ: Δp c = ζ ρ×ω 2
2 = ζ Δp đ , N/m 2 [2,377] Trong đó, ζ – hệ số trở lực cục bộ
Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp:
Trong đoạn ống có 2 khuỷu ghép 90, chọn mỗi khuỷu do 3 khuỷu 30 tạo thành Khi đó, trở lực cục bộ ζ được xác định theo bảng N30 [2,394], chọn a/b = 1 => ζ 1 = 0,3
Đoạn ống dẫn từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu được trang bị một van một chiều nhằm điều chỉnh lưu lượng và bảo vệ bơm, với trở lực ξ2 Ngoài ra, đoạn ống còn được lắp thêm một lưu lượng kế có trở lực ξ3 = 0.
Chọn van một chiều kiểu đĩa không có định hướng phía dưới có b/D 0 = 0,1 (b – chiều rộng của vành đĩa, D 0 – đường kính ống dẫn trước van); tra bẳng N47 [2,400] thì ξ 2 = 0,55 + 15,5 = 16,05
Vậy áp suất toàn phần để thắng trở lực cục bộ là: Δp c = 16280 N/m 2
2.1.4 Áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất thủy tĩnh, p H Được tính theo công thức: p H = gH, N/m 2 [2,377] Trong đó: H – chiều cao cột chất lỏng, chọn H = 10m, - khối lượng riêng của chất lỏng
2.1.5 Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị, p t
Áp suất tổng trong thiết bị bao gồm áp suất động lực (Δptđ), áp suất do ma sát với ống truyền nhiệt (Δptm), áp suất để thắng trở lực cục bộ (Δptc) và áp suất thủy tĩnh.
p tH Công thức cách tính tương tự như trong ống dẫn:
p tđ = ( 2 )/2, N/m 2 Với t tb = 40,08C khối lượng riêng của axeton và nước lần lượt là: 767,91 kg/m 3 và 991,963 kg/m 3 Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng là: 882,528 kg/m 3
Vận tốc dòng lỏng bên trong thiết bị = 0,112233m/s
Áp suất do ma sát với ống truyền nhiệt p tm
Với t tb = 40,08C độ nhớt của axeton và nước lần lượt là: 0,2678.10 -3 N.s/m 2 và 0,655.10 -3 N.s/m 2 Độ nhớt của hỗn hợp lỏng là: 0,554.10 -3 N.s/m 2
Dòng chảy trong thiết bị ở chế độ chảy quá độ
Sử dụng công thức thực nghiệm của Braziut [2,378], ta có: λ = 0,3164
3499,297 0,25 = 0,0404 Chọn chiều dài đoạn ống truyền nhiệt: H = 2m
Ta có: Δpt m = λ L d td Δpt đ , N/m 2 [2,377]
Áp suất để thắng trở lực cục bộ trong thiết bị p tc Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ: Δp tc = ζ Δp tđ
Bên trong thiết bị có 3 lần đột mở, 3 lần đột thu:
Tiết diện cửa ra thiết bị (từ ống dẫn nguyên liệu đầu): f 1 = π×d 1
Tiết diện cửa vào thiết bị (từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu): f 2 = π×d 6
Tiết diện toàn thân tháp: f 3 = π×D
Giả sử 3 ngăn có tiết diện đều nhau, tiết diện của mỗi ngăn là: f 4 = π×D
Tiết diện của tổng các ống truyền nhiệt trong mỗi ngăn là (giả sử số ống được chia đều vào mỗi ngăn): f 5 = π×d tđ
3 = 7,042.10 -3 (m 2 ) Dòng chảy từ các ống truyền nhiệt ra các ngăn, có 3 ngăn Với đột mở f 5 /f 4 = 0,232 theo bảng N11[2,387] ta có ζ 4 = 0,594
Dòng chảy từ các ngăn ra khoảng trống ở hai đầu thiết bị truyền nhiệt, với tỷ lệ đột mở f 4/f 3 = 1/3, dẫn đến ζ 5 = 0,453 Dòng chảy từ thiết bị vào đường ống dẫn có tỷ lệ đột thu f 3/f 1 = 0,135, theo bảng N13 [2,388], cho ta ζ 6 = 0,462.
Dòng từ đường ống dẫn nguyên liệu đầu vào thân thiết bị trao đổi nhiệt Với đột mở f 3 /f 2 = 0,0216, khi đó, ta có ζ 7 = 0,959
Dòng từ khoảng trống đầu thiết bị trao đổi nhiệt vào các ngăn Với đột thu f 4 /f 3 = 1/3, khi đó theo bảng N13 [2,388], khi đó, ta có ζ 8 = 0,367
Dòng từ các ngăn vào các ống truyền nhiệt Với đột thu f 5 /f 4 = 0,232; ta có ζ 9 = 0,427
Tổng hệ số trở lực cục bộ của đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: ζ T = 3 ζ 4 + ζ 5 + ζ 6 + ζ 7 + ζ 8 + 3 ζ 9 ζ T = 3 0,594 + 0,453 + 0,462 + 0,959 + 0,367 + 3 0,427 = 5,305
Áp suất thủy tĩnh p tH
Áp suất toàn phần để khắc phục trở lực bên trong thiết bị:
2.1.6 Áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn trong những trường hợp cần thiết, Δp k
Ví dụ đưa chất lỏng vào thiết bị có áp suất cao hơn áp suất khí quyển, để phun chất lỏng trong tháp đệm, trong phòng sấy… Δp k = 0 N/m 2
2.2 Công suất lắp đặt cho bơm
Chọn bơm ly tâm làm việc ở áp suất thường
Áp suất toàn phần của bơm:
Chiều cao toàn phần của bơm: H = ∆p ρg = 122993,5987
Công suất yêu cầu trên trục bơm:
ρ - khối lượng riêng của chất lỏng ở 15C, (kg/m 3 )
H - chiều cao toàn phần của bơm, m; H = 14,206 (m)
Hiệu suất chung của bơm được xác định bởi công thức η = η 0 η tl η ck, trong đó η 0 là hiệu suất thể tích, tính đến sự hao hụt chất lỏng do chảy từ nơi áp suất cao đến nơi có áp suất thấp và rò rỉ qua các chỗ hở của bơm η tl là hiệu suất thủy lực, phản ánh tác động của ma sát và sự hình thành dòng xoáy trong bơm Cuối cùng, η ck là hiệu suất cơ khí, liên quan đến ma sát cơ khí tại các ổ bi và ổ lót trục.
Với bơm ly tâm, theo bảng II.32 [2,439], chọn η 0 = 0,91; η tl = 0,83; η ck = 0,94 Khi đó, hiệu suất chung của bơm: η = η 0 η tl η ck = 0,91 0,83 0,94 = 0,710
Công suất động cơ điện: N đc = N η tr ×η đc ,kW [2,439] Trong đó: η tr – hiệu suất truyền động, chọn η tr = 0,95 η đc – hiệu suất động cơ điện, chọn η đc = 0,83
Khi chọn công suất lắp đặt cho bơm, công thức tính là N c đc = β N đc, kW, trong đó β là hệ số dự trữ công suất Hệ số này được xác định dựa trên giá trị N đc theo bảng II.33 Với N đc = 0,518624 kW, nhỏ hơn 1 kW, ta có β = 2 – 1,5 Do đó, chọn β = 1,7 để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho bơm.
Tính toán thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp
Để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm và tránh hiện tượng khô đĩa ở đỉnh tháp, chúng ta sử dụng thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp để ngưng tụ hoàn toàn lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp thành lỏng Lượng hơi thoát ra được tính toán là 6101,04 kg/h, với nồng độ axeton là 0,985 phần (khối lượng) và 0,015 phần (khối lượng) nước ở nhiệt độ 57,2°C Thiết bị ngưng tụ là loại ống chùm, thẳng đứng, làm từ thép CT3 và bọc lớp cách nhiệt, sử dụng nước lạnh làm tác nhân lạnh Nhiệt độ nước đầu vào là 20°C và nhiệt độ cuối là 45°C, nhằm ngăn ngừa kết tủa muối trên bề mặt ống trao đổi nhiệt Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra giữa hơi từ đỉnh tháp và nước lạnh, cung cấp nhiệt lượng cần thiết để hóa hơi lượng hơi thoát ra Hơi di chuyển từ trên xuống, trong khi nước lạnh di chuyển từ dưới lên, giúp dễ dàng vệ sinh khi có chất bẩn bám trong ống.
3.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình
Hiệu số nhiệt độ trung bình Xác định theo công thức:
t đ = t bh – t 1đ : hiệu số nhiệt độ đầu
t c = t bh – t 1c : hiệu số nhiệt độ cuối Nhiệt độ đầu vào của nước là: t đ = 20C
Nhiệt độ cuối của nước là: t c = 45C
Nhiệt độ hỗn hợp ngưng tụ là: t nt = 57,2C
= 37,2−12,2 ln 37,2 12,2 = 22,424C Nhiệt độ trung bình của dòng nước đi trong ống: t tb = t đ +t c
Lượng nhiệt ngưng tụ của hơi sản phẩm đỉnh r nt được tính là 572,29 kJ/kg, và lượng nước lạnh cần sử dụng cho thiết bị ngưng tụ ở đỉnh tháp là 32.199,474 kg.
(kg/h) (phần 2, 5.3) Nội suy từ bảng I.153 [2,171], ở nhiệt độ trung bình t tb = 32,5C ta có nhiệt dung riêng của nước là C n = 4176,9 J/kg.độ
3.2 Tính nhiệt tải trung bình
Quá trình truyền nhiệt bao gồm 3 phần:
Cấp nhiệt bằng hơi hỗn hợp axeton và nước cho thành ống truyền nhiệt phía bên hơi: q 1 1 t 1 (W/m 2 ) [1-III,59] Trong đó:
α 1 là hệ số cấp nhiệt của hơi (W/m 2 độ)
Δt 1 = t nt – t T1 là hiệu số nhiệt độ của hơi và thành ống tiếp xúc với hơi
Dẫn nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc hơi (tường trái) sang thành ống tiếp xúc với lỏng (tường phải) (dẫn nhiệt qua 1m 2 thành ống): q T = 1
Σr là tổng nhiệt trở của thành ống (m 2 độ/W)
Δt T = t T1 – t T2 là hiệu số nhiệt độ giữa 2 phía thành ống
t T1 , t T2 là nhiệt độ 2 phía thành ống
Cấp nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với pha lỏng cho hỗn hợp lỏng: q 2 2 t 2 (W/m 2 ) Trong đó:
α 2 là hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m2 độ)
Δt 2 = t T2 – t tb là hiệu số nhiệt độ hỗn hợp lỏng và thành ống tiếp xúc với hỗn hợp lỏng.
Coi quá trình truyền nhiệt là ổn định: q 1 = q T = q 2
3.2.1 Xác định chế độ chảy của hỗn hợp lỏng trong ống qua chuẩn số Reynold
ω là tốc độ của lỏng chảy trong ống, chọn chế độ chất lỏng tự chảy ω = 0,1 - 0,5 (m/s) [2,370]
l = d td là kích thước hình học, đường kính tương đương của ống truyền nhiệt
ρ là khối lượng riêng của nước, (kg/m 3 )
μ (N.s/m 2 ) là độ nhớt động lực của nước ở nhiệt độ trung bình
Khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t tb = 32,5 C, nội suy từ bảng I.2 [2,9] ta được: nước = 994,25 kg/m 3
Độ nhớt của nước ở nhiệt độ trung bình 32,5 °C được xác định là 0,765 x 10^-3 N.s/m² theo bảng I.101 Kích thước hình học của ống truyền nhiệt được chọn là 30-2 mm, với đường kính tương đương d = 30 mm và độ dày ống là 2 mm.
Re = 10137,45 > 10 4 Chế độ chảy xoáy
3.2.2 Tính hệ số cấp nhiệt của dung dịch 2
Hệ số cấp nhiệt 2 của hỗn hợp được tính theo công thức của chuẩn số Nuselt:
Mà chấy lỏng ở chế độ chảy xoáy nên:
Pr t – chuẩn số Pran của dòng tính theo nhiệt độ trung bình của tường
1 – hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống
2 = λ d td 0,021 1 Re 0,8 Pr 0,43 ( Pr Pr t ) 0,25
Trong đó: C p – nhiệt dung riêng đẳng áp ở nhiệt độ trung bình, J/kg.độ λ – hệ số dẫn nhiệt của nước, W/m.độ
nước = 0,765.10 -3 (N.s/m 2 ) λ được xác định theo bảng I.129 [2,133] ở nhiệt độ trung bình, t tb = 32,5 C, λ = 0,5345 kcal/m.h.độ = 0,622W/m.độ
Chuẩn số Pr t – Chuẩn số Prant của hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ thành ống Pr
Pr t = thể hiện dòng nhiệt (làm lạnh, đun nóng) Khi chênh lệch nhiệt độ giữa tường và dòng như nhau thì Pr
3.2.3 Tính hệ số cấp nhiệt của hơi ở sản phẩm đỉnh, 1
Khi tốc độ hơi trong ống nhỏ hơn 10 m/s và màng nước ngưng chuyển động dòng, hệ số cấp nhiệt α1 của hơi nước bão hòa cho ống thẳng đứng được tính bằng công thức: α = 2,04 × A × 4 √(∆t × Hr), với đơn vị là W/m².độ.
α = α 1 - hệ số cấp nhiệt, W/m 2 độ
A - hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng t m
r (J/kg) - ẩn nhiệt ngưng tụ
Δt - hiệu số nhiệt độ giữa nước ngưng (nhiệt độ bão hòa/nhiệt độ ngưng tụ) và nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc với nước ngưng (t T1 ), Δt
H - chiều dài của ống truyền nhiệt
Chọn H = 2,5 (m) Ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp r = 572,29.10 3 (J/kg) Giả thiết Δt = 3,2C t T1 = t nt – Δt = 57,2 – 3,2 = 54,0C
Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng t m = 0,5 (t T1 + t nt ) = 0,5.( 54,0 + 57,2) t m = 55,6C, nội suy dựa vào bảng số liệu [3,29] ta có: A = 143,16
3.2.4 Tổng trở nhiệt thành ống
Giả thiết rằng lớp cặn bẩn có độ dày khoảng 0,5 mm bám trên bề mặt truyền nhiệt ở cả hai bên thành ống, bao gồm phía hơi đốt và phía dung dịch, sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt do có nhiệt trở trung bình.
Lớp cặn bẩn phía tiếp xúc với nước lạnh: r 1 = 0,232.10 -3 (m 2 độ/W) [3,4]
Bên phía hơi của sản phẩm đỉnh sạch nên gần như không có cặn, chọn r 2 = 0 Thành ống dày δ = 2 (mm) = 0,002 (m); làm bằng thép CT3 có hệ số dẫn nhiệt λ
Do đó, tổng nhiệt trở của thành ống là: Σr T = r T1 + 𝛿/𝜆 + r T2
3.2.5 Nhiệt tải riêng trung bình
Ta có, hiệu số nhiệt độ giữa hai thành ống là: Δt T = t T1 – t T2 = Σr T q 1 = 2,72.10 -4 24226,07 = 6,573C
t T2 = 54,0 – 6,573 = 47,427C Hiệu số nhiệt độ hỗn hợp lỏng và thành ống tiếp xúc với hỗn hợp lỏng: Δt 2 = t T2 – t tb = 47,427– 32,5 = 14,93C
3.3 Bề mặt trao đổi nhiệt và đường kính thiết bị
- Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: F = Q q [3,3]
F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m 2
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/ m 2 Q tb = 24226,07W/m 2
24226,07 = 38,553 m 2 Tổng số ống trong thiết bị được xác định theo công thức: n = F f
F = 38,553 m 2 – tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
d = d tb H – diện tích bề mặt của một ống truyền nhiệt, m 2 ,
H = 2,5m – Chiều cao của ống truyền nhiệt
d tb = 0,028m – đường kính trung bình của một ống truyền nhiệt
×0,028×3 = 175,32 Chọn cách sắp xếp ống theo kiểu bàn cờ 6 cạnh, quy chuẩn theo bảng V.11 [3,48]: Chọn thiết bị có tổng số ống là 187 ống
Số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh: b = 15 ống
Số ống trên 1 cạnh của hình sáu cạnh: a = (15 + 1)/2 = 8 ống
- Tính đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
d – đường kính ngoài của ống, m
b – số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh
- Tính vận tốc thực tế của lỏng cháy trong ống: w t = 4×G n ρ×π×n×d 2 = 4×32199,474
Vận tốc thực tế của chất lỏng chảy trong ống là 0,09 m/s, trong khi vận tốc đã chọn là 0,3 m/s Để đảm bảo thiết bị đạt hiệu suất truyền nhiệt, cần chia thiết bị thành nhiều ngăn Số ngăn tính toán được là x = 0,3 / 0,09 = 3,31, do đó quy chuẩn số ngăn của thiết bị là 4 ngăn.