Đồ án môn học thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử benzen – toluen

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH – THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN MƠN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ BENZEN – TOLUEN Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực MSSV Lớp – khóa : : : : TS Nguyễn Văn Xá Phạm Hoàng Hiệp 20180723 Kĩ thuật hóa học 08 – K63 HÀ NỘI 2021 VIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH – THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MƠN HỌC CH3440 Họ tên: PHẠM HỒNG HIỆP MSSV: 20180723 Lớp : 710104 Khóa : K63 I Đầu đề thiết kế: Thiết kế tính tốn hệ thống chưng luyện liên tục làm việc áp suất thường để tách hỗn hợp hai cấu tử: benzen – toluen Hỗn hợp đầu vào tháp nhiệt độ sôi Tháp loại: Tháp đĩa lỗ khơng có ống chảy truyền II Các số liệu ban đầu: - Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: 9100 (kg/h) - Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay trong: + hỗn hợp đầu: 40,5 (% khối lượng) + sản phẩm đỉnh: 97,5 (% khối lượng) + sản phẩm đáy: 1,4 (% khối lượng) III Nội dung phần thuyết minh tính tốn Phần mở đầu Vẽ thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4) Bản kê ký hiệu đại lượng Tính tốn kĩ thuật thiết bị Tính chọn thiết bị phụ Kết luận Tài liệu tham khảo IV Các vẽ Bản vẽ dây chuyền công nghệ: Bản A4 Bản vẽ lắp thiết bị chính: Bản A1 V Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Xá VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày 11 tháng 10 năm 2021 VII Ngày phải hoàn thành: ngày 27 tháng năm 2022 Phê duyệt môn Ngày tháng năm Người hướng dẫn (Họ tên chữ ký) Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU PHẦN SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ cơng nghệ, thích 2.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ PHẦN BẢN KÊ CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG 3.1 Các kí hiệu đại lượng 3.2 Các số bên 10 PHẦN TÍNH TỐN CƠNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH 11 4.1 Cân vật liệu 11 4.1.1 Thông số ban đầu 11 4.1.2 Tính cân vật liệu: 11 4.1.3 Xác định số đĩa lí thuyết Nlt, tìm số hồi lưu thích hợp Rth 13 4.1.4 Xác định phương trình đường làm việc đoạn chưng, đoạn luyện 16 4.2 Xác định đường kính tháp chưng luyện 17 4.2.1 Xác định lượng lỏng trung bình tháp chưng luyện 17 4.2.2 Xác định khối lượng riêng trung bình pha lỏng pha tháp chưng luyện 20 4.2.3 Xác định vận tốc pha tháp chưng luyện 24 4.2.4 Xác định đường kính tháp chưng luyện 27 4.3 Xác định chiều cao tháp chưng luyện 28 4.4 Xác định trở lực tháp chưng luyện 32 4.4.1 Trở lực đĩa khô ( Pk ) 32 4.4.2 Trở lực đĩa sức căng bề mặt ( Ps ) 35 4.4.3 Trở lực thủy tĩnh chất lỏng đĩa ( Pt ) 36 4.4.4 Trở lực tổng cộng toàn tháp ( P ) 37 4.5 Tính cân nhiệt lượng tháp chưng luyện 38 4.5.1 Cân nhiệt lượng thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 38 4.5.2 Cân nhiệt lượng tháp chưng luyện 41 4.5.3 Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ 44 4.5.4 Cân nhiệt lượng thiết bị làm lạnh 45 4.6 Tính tốn khí 45 4.6.1 Tính chọn đường kính ống nối 46 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp – 20180723 Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá 4.6.2 Tính chiều dày thành thiết bị, đáy nắp thiết bị 49 4.6.3 Chọn bích nối thân tháp với đáy nắp tháp, với ống nối 55 4.6.4 Tính chọn phận bên tháp 58 4.6.5 Tính trụ đỡ 59 PHẦN TÍNH TỐN, LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ 67 5.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 67 5.1.1 Tính lượng nhiệt trao đổi 67 5.1.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K 68 5.1.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt 73 5.1.4 Xác định số ống cách xếp ống thiết bị trao đổi nhiệt 73 5.1.5 Tính đường kính thiết bị 74 5.1.6 Tính lại vận tốc chia ngăn thiết bị 74 5.2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 75 5.2.1 Tính lượng nhiệt trao đổi 75 5.2.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K 76 5.2.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt 80 5.2.5 Tính đường kính thiết bị 81 5.2.6 Tính lại vận tốc chia ngăn thiết bị 81 5.3 Tính bơm 81 5.3.1 Áp suất toàn phần 82 5.3.2 Tính tốn thơng số bơm li tâm 90 PHẦN KẾT LUẬN 92 PHẦN TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 SVTH: Phạm Hồng Hiệp – 20180723 Đồ án Q trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá PHẦN MỞ ĐẦU Chưng phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng hỗn hợp khí hóa lỏng) thành cấu tử riêng biệt, dựa độ bay khác cấu tử hỗn hợp Chúng ta thực nhiều phương pháp chưng khác chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, chưng luyện hỗn hợp đẳng phí, chưng phân tử, chưng nước trực tiếp, chưng trích ly Khoa học kĩ thuật ngày phát triển với nhu cầu ngày cao độ tinh khiết sản phẩm Vì thế, phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn cải tiến đổi để ngày hồn thiện hơn.Tùy theo đặc tính u cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp phù hợp Ở đồ án này, ta xét chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử benzen – toluen Khi chưng, hỗn hợp đầu chứa cấu tử ta thu nhiêu cấu tử sản phẩm Để thu sản phẩm đỉnh với độ tinh khiết cao ta tiến hành chung luyện nhiều lần hay gọi chưng luyện Phần đồ án trình bày thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ khơng có ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp gồm hai cấu tử benzen-toluen, làm việc áp suất thường với hỗn hợp đầu vào gia nhiệt đến nhiệt độ sôi Sau trình chưng luyện, ta thu sản phẩm đỉnh cấu tử có độ bay lớn (benzen) phần nhỏ cấu tử khó bay (toluen) Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay (toluen) phần nhỏ cấu tử dễ bay (benzen) Sản phẩm trình chưng cất benzen – toluen ta mong muốn thu là: benzen tinh khiết nồng độ đạt 97,5% Giới thiệu hỗn hợp chưng Benzen Benzen hợp chất mạch vịng, dạng lỏng khơng màu có mùi thơm nhẹ Công thức phân tử C6H6 Benzen không phân cực, tan tốt dung mơi hữu khơng phân cực tan nước Các tính chất vật lý benzen: • • • • Khối lượng phân tử: 78 Tỉ trọng (20oC): 0.879 Nhiệt độ sơi: 90oC Nhiệt độ nóng chảy: 5,5oC Tính chất hóa học benzen: - Về thành phần, benzen thuộc loại hidrocacbon khơng no liên hợp, khác với hidrocacbon thuộc dãy etylen, benzen thể tính chất vốn có SVTH: Phạm Hồng Hiệp – 20180723 Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP - - GVHD: TS Nguyễn Văn Xá hidrocacbon no, chẳng hạn benzen bền vững với tác dụng chất oxy hóa, dễ tham gia phản ứng phản ứng cộng,v.v…sở dĩ benzen hợp chất thơm khác có tính chất đặc biệt nhân benzen tương đối bền vững với phản ứng hóa học Benzen có vai trị quan trọng thực tế nguyên liệu đầu cho nhiều ngành công nghiệp hữu Sản xuất thuốc trừ sâu, thuốc kích thích tăng trưởng, ngành cơng nghiệp nhuộm, keo dán… Ngồi benzen cịn sử dụng làm dung mơi phịng thí nghiệm, sản xuất kháng sinh aspirin, tơ nhân tạo thủy tinh hữu Toluen Toluen hợp chất mạch vịng, dạng lỏng khơng màu có tính thơm Cơng thức phân tử C6H5-CH3 Toluen khơng phân cực, tan tốt dung mơi hữu khơng phân cực tan nước Toluen sau chưng tách hồi lưu lại để tiêp tục quy trình hidrodealkyl hóa toluen để sản xuất benzen Các tính chất vật lý toluen: • • • • Khối lượng phân tử: 92 Tỉ trọng (20oC): 0,866 Nhiệt độ sơi: 111oC Nhiệt độ nóng chảy: -95oC Tính chất hóa học toluen: - Toluen mang đầy đủ tính chất hóa học nhóm hidrocacbon dễ dàng tham gia phản ứng khó tham gia phản ứng cộng bền vững với chất oxi hóa - Toluen dùng chủ yếu làm dung mơi dung mơi pha sơn, chất pha lỗng - Toluen dùng để sản xuất nhựa tổng hợp, sản xuất keo dán sản phẩm loại, dùng keo dán cao su, xi măng cao su, … Ngồi ra, Toluen cịn ứng dụng chất tẩy rửa, dùng để sản xuất thuốc nhuộm điều chế thuốc nổ TNT sản xuất mực in - SVTH: Phạm Hoàng Hiệp – 20180723 Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá PHẦN SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ cơng nghệ, thích Chú thích: – Tháp chưng luyện – Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu – Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp – Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh – Thiết bị đun sôi đáy tháp – Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy – Thùng chứa hỗn hợp đầu – Thùng chứa sản phẩm đáy – Thùng chứa sản phẩm đỉnh 10 – Bơm 11 – Bơm dự phòng 12 – Lưu lượng kế đo hỗn hợp đầu SVTH: Phạm Hoàng Hiệp – 20180723 Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá 13 – Lưu lượng kế đo sản phẩm đỉnh 14 – Bộ phận chia dòng 15 – Bộ phận tháo nước ngưng ❖ Tháp đĩa lỗ khơng có ống chảy truyền có chế độ thủy động: - Chế độ thấm ướt: chế độ vận tốc bé nên lỏng khơng qua lỗ, chúng tiếp xúc màng chất lỏng - Chế độ sủi bọt: Khi tăng vận tốc lên đến giới hạn đĩa chất lỏng cịn có bọt - Chế độ huyền phù: Nếu tiếp tục tăng vận tốc lên chất lỏng đĩa khơng cịn mà cịn lớp bọt, lớp bọt xốy mạnh - Chế độ sóng: Vận tốc tăng đến giới hạn cao xuất tia, gây chấn động, trở lực đĩa tăng nhanh Cuối chế độ tiếp tục tăng vận tốc lên có tượng chất lỏng bị theo không chảy xuống đĩa => Chế độ làm việc tốt chế độ sủi bọt 2.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ Dung dịch đầu từ thùng chứa hỗn hợp đầu bơm 10 bơm liên tục đưa vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu qua van lưu lượng kế 12 Bơm 11 lắp song song dự phòng trường hợp bơm 10 bị hỏng hóc Tại thiết bị gia nhiệt 2, dung dịch đun nóng đến nhiệt độ sơi tF đưa vào tháp chưng luyện vị trí đĩa tiếp liệu Trong tháp chưng luyện 1, từ lên gặp chất lỏng từ xuống, nồng độ cấu tử thay đổi theo chiều cao tháp, nhiệt độ sôi thay đổi tương ứng với thay đổi nồng độ Cụ thể đĩa lỗ tháp, chất lỏng có nồng độ cấu tử dễ bay xb bốc lên có nồng độ yb y1>x1 Hơi qua lỗ đĩa lên trên, sục trực tiếp với lỏng đĩa Nhiệt độ chất lỏng đĩa thấp đĩa 1, nên phần ngưng tụ lại, nồng độ cấu tử dễ bay đĩa x 2>x1 Hơi bốc lên từ đĩa có nồng độ cấu tử dễ bay y2>x2 lên đĩa 3, nhiệt độ lỏng đĩa thấp đĩa 2, nên ngưng tụ phần chất lỏng đĩa có nồng độ x3>x2 Trên đĩa xảy trình truyền chất pha lỏng pha hơi, trình bốc ngưng tụ phần lặp lại nhiều lần, cuối đỉnh tháp thu sản phẩm đỉnh có nồng độ cấu tử dễ bay cao đáy tháp thu sản phẩm đáy có nồng độ cấu tử khó bay cao Lỏng đáy giàu cấu tử khó bay qua phận chia dòng đáy tháp , phần đưa khỏi thiết bị làm lạnh thiết bị làm lạnh 6, đạt đến nhiệt độ cần thiết đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy Một phần sản phẩm đáy qua thiết bị gia nhiệt đáy tháp để hồi lưu trở tháp Hơi đỉnh tháp giàu cấu tử dễ bay vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu 3, SVTH: Phạm Hồng Hiệp – 20180723 Đồ án Q trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá ngưng tụ lại Qua phận chia dòng, phần chất lỏng hồi lưu tháp đĩa cùng, phần khác qua thiết bị làm lạnh để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết vào thùng chứa sản phẩm đỉnh Như với thiết bị làm việc liên tục hỗn hợp đầu đưa vào liên tục sản phẩm tháo liên tục SVTH: Phạm Hoàng Hiệp – 20180723 Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá PHẦN BẢN KÊ CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG 3.1 Các kí hiệu đại lượng Ký hiệu Tên gọi Đơn vị x y Nồng độ cấu tử dễ bay pha lỏng Nồng độ cấu tử dễ bay pha Nồng độ cấu tử dễ bay pha cân với pha lỏng Phần mol Phần mol y* a F P W GF GP GW t0 R  NLT NTT D H M r   Nồng độ cấu tử dễ bay Lưu lượng hỗn hợp đầu Lưu lượng sản phẩm đỉnh Lưu lượng sản phẩm đáy Lưu lượng hỗn hợp đầu Lưu lượng sản phẩm đỉnh Lưu lượng sản phẩm đáy Nhiệt độ sôi Chỉ số hồi lưu Hệ số bay tương đối Số đĩa lý thuyết Số đĩa thực tế Đường kính tháp chưng luyện Chiều cao tháp chưng luyện Khối lượng mol Ẩn nhiệt hóa hơi, ẩn nhiệt ngưng tụ Khối lượng riêng Tốc độ lỏng  Sức căng bề mặt  Độ nhớt Trở lực tháp chưng luyện Hệ số trở lực Nhiệt lượng Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) Nhiệt dung riêng Áp suất P  Q  C p SVTH: Phạm Hoàng Hiệp – 20180723 Phần mol Phần khối lượng kg/h kg/h kg/h kmol/h kmol/h kmol/h C m m kg/kmol kcal/kmol kg/m3 m/s dyn/cm; N/m N.s/m2; cP N/m2 J/h; kJ/h J/kg J/kg.độ N/m2, at Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá 5.2.2.3 Xác định tổng nhiệt trở thành ống ∑r Khi tốc độ ống nhỏ (wh = 10 m/s) màng nước ngưng chuyển động dịng hệ số cấp nhiệt α1 nước bão hòa ống thẳng đứng  = 2,04.A r , (W/m2.độ); [V.101 – – 28] t1.H Trong đó: α = α1 hệ số cấp nhiệt hơi, (W/m2.độ) A hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm r ẩn nhiệt ngưng tụ hơi, J/kg; rnt = 392,73.103 (J/kg) ∆t1 hiệu số nhiệt độ nước ngưng (tn = tP = 80,641oC) nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc (tT1) → tT1 = tn - ∆t H chiều dài ống truyền nhiệt, chọn H = ho = m Giả thiết ∆t1 = 13,2oC → tT1 = tn - ∆t = 80,641 – 13,2 = 67,44oC Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng: tm = 0,5.(tT1 + tn) = 0,5.(80,641 + 67,44) = 74,04oC Dựa vào bảng số liệu [2 – 29] ta có A = 164,83 392,73.103 = 3713,518 (W/m2.độ) → 1 = 2,04.164,83 13, 2.2 Tải nhiệt riêng phía đốt q1 = α1.∆t1 = 3713,518.13,2 = 49018,44 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ thành ống: ∆tT = tT1 – tT2 = ∑r.q1 = 5,04.10-4.49018,44 = 24,7oC → tT2 = tT1 - ∆tT = 67,44 – 24,7= 42,74oC Hiệu số nhiệt độ hỗn hợp lỏng thành ống tiếp xúc với hỗn hợp lỏng ∆t2 = tT2 – ttb = 42,74 – 32,5 = 10,24oC Tải nhiệt riêng phía hỗn hợp benzen – toluen: q2 = α2 ∆t2 = 4901,27.10,24 = 50168 W/m2 Sai số: q1 − q = 2,29% < 5% q1 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp – 20180723 79 Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá → Giả thiết đưa chấp nhận Chọn α1 = 3713,518 (W/m2.độ) Lượng nhiệt truyền cho m2 ống trung bình là: q tb = q1 + q 49018,44 + 50168 = = 49593, 22 (W/m2) q1 49018, 44 5.2.2.4 Xác định hệ số truyền nhiệt K 1 K= = = 1023, 21 (W/m2.độ) 1 1 + r + + 5,04.10−4 + 1  3713,518 4901, 27 5.2.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt Q 1338,95.103 F= = = 27 (m2) q tb 49593, 22 5.2.4 Xác định số ống cách xếp ống thiết bị trao đổi nhiệt F Số ống thiết bị xác định theo cơng thức n = f Trong đó: F = 27 m2 tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt f = π.dtb.ho diện tích bề mặt ống truyền nhiệt, m2 ho = m chiều cao ống truyền nhiệt d tb = d t + d n 20 + 16 = = 18 mm = 0,018 m đường kính trung bình ống truyền 2 nhiệt → n= F 27 = = 238,85 (ống) f .0,018.2 Chọn cách xếp ống theo hình cạnh Quy chuẩn theo bảng số liệu [VII – – 48] ta có thơng số sau: - Tổng số ống thiết bị n = 241 ống - Số hình cạnh: - Số ống đường xuyên tâm hình cạnh: b = 17 - Số ống cạnh hình cạnh a = 0,5.(b+1) = ống SVTH: Phạm Hồng Hiệp – 20180723 80 Đồ án Q trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá 5.2.5 Tính đường kính thiết bị Đường kính thiết bị xác định theo cơng thức: D = t.(b-1) + 4d Trong đó: d = dn = 20 mm đường kính ngồi ống truyền nhiệt t bước ống, thường t = 1,2 – 1,5d, chọn t = 1,2d = 24 mm → D = 24.(17-1) + 4.20 = 464 mm = 0,464 m 5.2.6 Tính lại vận tốc chia ngăn thiết bị 4.VF Vận tốc lỏng chảy ống cần đạt t = .d 2t n Trong đó: VF lưu lượng thể tích chất lỏng, m3/s dt = 0,016 m đường kính ống Khối lượng riêng hỗn hợp nhiệt độ trung bình ttb = 32,5oC ρhh = 994,895 (kg/m3) → Lưu lượng thể tích chất lỏng VF = G n 32947,95 = = 33,11 m3/h = 9,2.10-3 hh 994,895 (m3/s) → t = 4.VF 4.9, 2.10−3 = = 0,19 (m/s) .d 2t n 3,14.0,0162.241 Với tốc độ nước chảy ống chọn ω = m/s ωt < ω , phải chia ngăn thiết bị để đảm bảo suất truyền nhiệt Số ngăn thiết bị = 5, 26 ≈ ngăn, chia khơng gian ống thành ngăn 0,19 5.3 Tính bơm Bơm ly tâm có nhiều ưu điểm: Thiết bị đơn giản, khơng có supap nên bị tắc hư hỏng cung cấp đều, quay với tốc độ nhanh, gắn trực tiếp với động cơ, phù hợp với nhiều loại chất lỏng, có hỗn hợp benzen – toluen Do ta sử dụng bơm ly tâm để vận chuyển nguyên liệu đến gia nhiệt thiết bị đun sơi hỗn hợp đầu, sau dung dịch tự chảy từ thiết bi gia nhiệt đầu vào tháp Cần xác định chiều cao đặt SVTH: Phạm Hồng Hiệp – 20180723 81 Đồ án Q trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá thiết bị gia nhiệt đầu để đưa chất lỏng vào tháp đĩa tiếp liệu Chiều cao phụ thuộc vào trở lực ống, tức phụ thuộc vào chiều dài ống dẫn • Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp: - Lỏng nhiệt độ tF = 93,8050C đưa vào tháp với lưu lượng dòng F = 9100 kg/h - Khối lượng riêng hỗn hợp F = 794, 46 (kg/m3) - Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy ống: 3,18.10-3 (m3/h) - Đường kính ống dẫn nhập liệu: dt(F) = 125 mm = 0,125 m - Vận tốc thực tế dòng lỏng:  = 0,25 (m/s) • Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: - Lỏng nhiệt độ t = 250C đưa vào tháp với lưu lượng dòng F = 9100 kg/h - Khối lượng riêng benzen toluen 250C: Từ bảng [I.2 – – 9] ta có A = 873,75 (kg/m3), B = 870,75 (kg/m3) - Khối lượng riêng hỗn hợp lỏng: hh aF A aF B 0, 405 873,75 0, 405 870,75 => hh = 871,96 (kg/m3) - Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy ống: 2,9.10-3 (m3/h) - Dựa vào bảng [II.2 – – 370], với chất lỏng ống đẩy bơm  = 1,5 − 2,5 (m/s) chọn vận tốc chảy ống  = (m/s) 2,9.10−3 = 0,0429 m - Đường kính ống là: d t = 0,785.2 Quy chuẩn dt = 0,045 m = 45 mm => Vận tốc thực tế  = 1,82 (m/s) 5.3.1 Áp suất toàn phần Áp suất toàn phần cần để khắc phục sức cản thủy lục hệ thống: P = Pd + Pm + Pc + PH + Pt + Ptk [II.53 – – 376] Trong đó: Pd áp suất động lực học (áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy khỏi ống dẫn), N/m2 Pm để khắc phục trở lực ma sát dòng chảy ổn định ống thẳng, N/m2 PH áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao để khắc phục áp suất thủy tĩnh, N/m2 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp – 20180723 82 Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá Pc áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, N/m2 Pt áp suất cần thiết để khắc phục trở lực thiết bị , N/m2 Apk áp suất bổ sung cuối ống dẫn truờng hợp cần thiết, ví dụ đua chất lỏng vào thiết bị có áp suất cao áp suất khí quyển, để phun chất lỏng tháp đệm, phịng sấy Với hệ thống thiết bị trình bày đồ án này, Pk = 5.3.1.1 Áp suất động lực học Áp suất động lực học tính theo công thức: Pd = .2 ,N/m2 [II.54 – – 377] Trong đó:  khối lượng riêng dung dịch, kg/m3  tốc độ lưu thể, m/s a) Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp Các số liệu: F = 796, 46 (kg/m3) d td = d F = 0,125 (m)  =  (m/s) Pd1 = .2 796, 46.0, 252 = = 26,71 (N/m2) 2 b) Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Các số liệu:  = 871,96 (kg/m3) d td = d t = 0,045 (m)  = (m/s) .2 871,96.1,822 Pd1 = = = 1444,14 (N/m2) 2 => Áp suất tổng cộng: Pd = Pd1 + Pd2 = 26,71 + 1444,14 = 1470,85 (N/m2) 5.3.1.2 Áp suất để khắc phục trở lực ma sát đường ống thẳng Áp suất để khắc phục trở lực ma sát đường ống thẳng tính theo cơng thức: SVTH: Phạm Hoàng Hiệp – 20180723 83 Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá L .2 ,N/m2 [II.55 – – 377] Pm =  d td Trong đó:  hệ số ma sát L chiều dài ống dẫn, m dtd đường kính tương đương ống dẫn, m a) Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp Các số liệu: F = 796, 46 (kg/m3) d td = d F = 0,125 (m)  =  (m/s) Xác định hệ số ma sát  : Ở tF = 93,8050C từ bảng [I.10 – – 91] ta có  A = 0, 278 (cP), B = 0,286 (cP) logF = x F log A + (1 − x F )log B => F = 0, 282 (cP) = 0,282.10-3 (N.s/m2) Chuẩn số Reynold: Re = .l. 0, 25.0,125.796, 46 = = 88260, > 104  0, 282.10−3 => chế độ dịng chế độ chảy xốy Do hệ ma sát  6,81 0,9   = −2.log   [II.65 – – 380]  +  3,7   Re  Trong đó: =  độ nhám tương đối,  độ nhám tuyệt đối (m) d td Chọn ống nguyên ống hàn điều kiện ăn mịn theo bảng [II.15 – – 381]  = 0,2 (mm) Do dó độ nhám tương đối  = 0, = 1,6 (mm) 0,125  6,81 0,9 1,6.10−3  = −2.log   + 3,7  =>  =    88260,   SVTH: Phạm Hoàng Hiệp – 20180723 84 Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá Chọn chiều dài đoạn L = (m) Pm1 =  L .2 796, 46.0, 252 = 0,15 = 89,6 (N/m2) d td 0,125 b) Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Các số liệu:  = 871,96 (kg/m3) d td = d t = 0,045 (m)  = (m/s) Xác định hệ số ma sát  : Ở tF = 250C từ bảng [I.10 – – 91] ta có A = 0,605 (cP), B = 0,554 (cP) logF = x F log A + (1 − x F )log B => F = 0,576 (cP) = 0,576.10-3 (N.s/m2) Chuẩn số Reynold: Re = .l. 1,82.0,045.871,96 = = 123981,8 > 104 −3  0,576.10 => chế độ dòng chế độ chảy xốy Do hệ ma sát  6,81 0,9   = −2.log   [II.65 – – 380]  +  Re 3,7     Trong đó: =  độ nhám tương đối,  độ nhám tuyệt đối (m) d td Chọn ống nguyên ống hàn điều kiện ăn mòn theo bảng [II.15 – – 381]  = 0,2 (mm) Do dó độ nhám tương đối  = 0, = 4, 44 (mm) 0,045  6,81 0,9 4, 44.10−3  = −2.log   + 3,7  =>  =   123981,8     Chọn chiều dài đoạn L = (m) Pm1 =  L .2 871,96.1,822 = 0,166 = 37290,9 (N/m2) d td 0,045 SVTH: Phạm Hồng Hiệp – 20180723 85 Đồ án Q trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá => Áp suất tổng cộng: Pm = Pm1 + Pm2 = 89,6 + 37290,9 = 37380,5 (N/m2) 5.3.1.3 Áp suất để khắc phục trở lực cục Áp suất để khắc phục trở lực cục tính theo công thức: Pc =  L .2 .2 ,N/m2 [II.56 – – 377] =  td d td Trong đó:  hệ số trở lực cục Ltd chiều dài tương tương, m a) Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp Các số liệu: F = 796, 46 (kg/m3)  =  (m/s) Đoạn ống có khuỷu ghép 900 khuỷu 300 tạo thành, có trở lực 1 Với Re = 88260,2 chọn a = , tra bảng [II.16 – N030 – – 394] ta có 1 = 0,3 b .2 796, 46.0, 252 = 0,3 = 7, 47 (N/m2) => Pc1 = 1 2 b) Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Các số liệu:  = 871,96 (kg/m3)  = (m/s) Đoạn ống có lắp thêm van chiều để điều chỉnh lưu lượng bảo vệ bơm, có trở lực 1 , lắp thêm lưu lượng kế có trở lực 2 = Chọn van chiều kiểu đĩa khơng có định hướng phía có b = 0,1 từ [II.16 – N047 D0 – – 400] ta có 1 = 0,55 .2 871,96.1,822 = 0,55 = 794,3 (N/m2) => Pc2 = 2  2 => Áp suất tổng cộng: Pc = Pc1 + Pc2 = 7, 47 + 794,3 = 801,77 (N/m2) SVTH: Phạm Hoàng Hiệp – 20180723 86 Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá 5.3.1.4 Áp suất để khắc phục áp suất thủy tĩnh Áp suất để khắc phục áp suất thủy tĩnh tính theo cơng thức: PH = .g.H ,N/m2 [II.57 – – 377] Trong dó:  khối lượng riêng chất lỏng 250C,  =  (kg/m3) H chiều cao nâng cột chất lỏng, H = 10 (m) => PH = .g.H = 871,96.9,81.10 = 85539,3 (N/m2) 5.3.1.5 Áp suất để khắc phục trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Áp suất để khắc phục trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu tính theo cơng thức: Pt = Ptd + Ptm + Ptc + PtH Trong đó: Áp suất động lực học: Ptd Áp suất ma sát ống truyền nhiệt: Ptm Áp suất trở lực cục bộ: Ptc Áp suất thủy tĩnh: PtH a) Áp suất động lực học Trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:  = 824,44 (kg/m3)  =  (m/s) => Ptd = .2 824, 44.0, 252 = = 25,76 (N/m2) 2 b) Áp suất khắc phục ma sát ống truyền nhiệt  = 824,44 (kg/m3)  =  (m/s) d td = d t = 0,031 (m) Xác định hệ số ma sát  : Ở ttb = 66,650C từ bảng [I.10 – – 91] ta có A = 0,365 (cP), B = 0,36 (cP) SVTH: Phạm Hồng Hiệp – 20180723 87 Đồ án Q trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá logF = x F log A + (1 − x F )log B => F = 0,362 (cP) = 0,362.10-3 (N.s/m2) Chuẩn số Reynold: Re = .l. 0, 25.0,031.824, 44 = = 17650,3 > 104 −3  0,362.10 => chế độ dịng chế độ chảy xốy Do hệ ma sát  6,81 0,9   = −2.log   [II.65 – – 380]  +  3,7   Re  Trong đó: =  độ nhám tương đối,  độ nhám tuyệt đối (m) d td Chọn ống nguyên ống hàn điều kiện ăn mịn theo bảng [II.15 – – 381]  = 0,2 (mm) Do dó độ nhám tương đối  = 0, = 6, 45 (mm) 0,031  6,81 0,9 6, 45.10−3  = −2.log   + 3,7  =>  =    17650,3   Thiết bị có chiều dài ống truyền nhiện H = (m) chia làm ngăn nên thực tế chiều dài đường lỏng L = 2.6 = 12 (m) => Ptm =  L .2 12 824, 44.0, 252 = 0,18 = 1795,1 (N/m2) d td 0,031 c) Áp suất khắc phục trở lực cục thiết bị Dòng lỏng chảy thiết bị phải qua ngăn nhiều chỗ đột mở, đột thu +) Tiết diện cửa vào thiết bị (từ ống đẩy bơm): f1 = .d 3,14.0,0452 = = 0,0016 (m2) 4 +) Tiết diện cửa thiết bị (dẫn tháp): .d 3,14.0,1252 f2 = = = 0,0123 (m2) 4 +) Giả sử ngăn có tiết diện nhau, tiết diện khoảng trống đầu thiết bị ứng với ngăn là: SVTH: Phạm Hồng Hiệp – 20180723 88 Đồ án Q trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá .d 3,14.0,562 f3 = = = 0,041 (m2) 6 +) Giả sử 91 ống chia vào ngăn ngăn có tổng diện tích ống truyền nhiệt là: f4 = .d 91 3,14.0,0312 91 = = 0,0114 (m2) 6 Xác định hệ số trở lực cục bộ: +) Dòng chảy vào thiết bị gia nhiệt tức đột mở, với f1 = 0,039 tra bảng [II.16 – N011 f3 – – 387] => 1 = 0,88 +) Dòng chảy từ ngăn vào ống truyền nhiệt, có ngăn tức đột thu lần, với f4 = 0, 278 tra bảng [II.16 – N013 – – 387] => 2 = 0,3954 f3 +) Dòng chảy từ ống truyền nhiệt vào ngăn, có ngăn tức đột mở lần, với f4 = 0, 278 tra bảng [II.16 – N011 – – 387] => 3 = 0,5308 f3 +) Dòng chảy khỏi thiết bị gia nhiệt tức đột thu, với f2 = 0,3 tra bảng [II.16 – N011 f3 – – 387] => 4 = 0,38 Tổng hệ số trở lực cục bộ:  = 1 + 6.2 + 6.3 + 4 = 0,88 + 6.0,3954 + 6.0,5308 + 0,38 = 6,82 => Ptc = Ptd = 6,82.25,76 = 175,7 (N/m2) d) Áp suất để khắc phục áp suất thủy tĩnh thiết bị PtH = .g.H ,N/m2 [II.57 – – 377] Ống truyền nhiệt cao (m) => PtH = .g.H = 824,44.9,81.2 = 16175,513 (N/m2) Áp suất để khắc phục trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là: Pt = Ptd + Ptm + Ptc + PtH = 25,76 + 1795,1 + 175,7 + 16175,513 = 18172,07 (N/m2) 5.3.1.6 Áp suất toàn phần Vậy áp suất toàn phần cần để khắc phục sức cản thủy lục hệ thống: SVTH: Phạm Hoàng Hiệp – 20180723 89 Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá P = Pd + Pm + Pc + PH + Pt => P = 1470,85 + 37380,5 + 801,77 + 85539,3 + 18172,07 = 143364,04 (N/m2) 5.3.2 Tính tốn thơng số bơm li tâm Chiều cao toàn phần bơm cần tạo ra: H = Cơng suất tồn phần bơm: N = P 143364,05 = = 16,76 (m) .g 871,96.9,81 Q..g.H , KW [II.189 – – 439] 1000. Trong đó: Q suất bơm, Q = V = 10,44 (m3/h) ρ khối lượng riêng chất lỏng, ρ = 871,96 (kg/m3) g gia tốc trọng trường, m/s2 H áp suất toàn phần bơm, m η hiệu suất chung bơm η = ηo ηtl ηck Chọn: hiệu suất thể tích ηo = 0,96 hiệu suất thủy lực ηtl = 0,85 hiệu suất khí ηck = 0,96 → η = 0,95 0,85 0,95 = 0,767 → Cơng suất tồn phần bơm là: N= Q..g.H 10, 44.871,96.9,81.16,76 = = 0,542 (kW) 1000. 3600.1000.0,767 Công suất điện: Ndc = N , KW [II.190 – – 439] tr dc Trong dó: ηtr : hiệu số truyền động, chọn ηtr = 0,95 ηđc : hiệu số động điện, chọn ηđc = 0,85 → Công suất điện bơm là: N dc = 0,542 = 0,671 0,95.0,85 Trong thực tế phải chọn động điện có cơng suất lớn tính tốn: Ncdc = .Ndc [1 – 439] Dựa vào bảng [II.33 – – 440] ta có ηđc < hệ số dự trữ β = 1,5 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp – 20180723 90 Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá → Ncdc = .Ndc = 1,5.0,671 = 1,0065 (kW) Vậy ta chọn bơm có cơng suất 1,0065 (kW) SVTH: Phạm Hồng Hiệp – 20180723 91 Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá PHẦN KẾT LUẬN Như đồ án, tháp chưng luyện loại đĩa chóp thiết kế với thơng số chính, số hồi lưu R = 2,315, đường kính D = 1,5 m, chiều cao H = 14,481 m (trong đoạn luyện 6,486; đoạn chưng 7,995 m) ứng với 27 đĩa (12 đĩa đoạn luyện 15 đĩa đoạn chưng), tháp dày mm, nắp tháp có dạng elip dày mm, đặt đế đỡ cao l,8 m dày 20 mm, chiều dày vòng đáy trụ 15 mm có gắn thêm gân tăng cứng Do đặc điểm trình chưng luyện hệ số phân bố thay đổi theo chiều cao tháp, đồng thời trính truyền nhiệt diễn song song với trình chuyển khối làm cho q trình tính tốn thiết kế trở nên phức tạp Một khó khăn mà tính tốn thiết kế hệ thống chưng luyện gặp phải cơng thức cho việc tính tốn hệ số động học q trình chưng luyện cơng thức chưa phản ánh đầy đủ tác dụng động học, hiệu ứngg hóa học, hóa lí mà chủ yếu công thức thực nghiệm, cơng thức tính tốn phần lớn phải tính theo giá trị trung bình, thơng số vật lý chủ yếu nội suy, số kích thước, thơng số có nhiều cách xác định tùy thuộc vào nhà sản xuất, tiêu chuẩn nước cụ thể Liên xô(cũ), tiêu chuẩn Anh – Mỹ nên khó khăn cho việc tính tốn xác Trong phạm vi khuôn khổ đồ án môn học, thời gian không cho phép đồng thời hạn chế kiến thức lí thuyết thực tế sản xuất lần tiếp xúc với đồ án, trình bày thuyết minh Microsoft Word, vẽ sơ đồ công nghệ khổ giấy A4, đặc biệt vẽ lắp thiết bị vẽ tay trình bày khổ giấy A1 nên không tránh khỏi bỡ ngỡ, sai sót Em mong giúp đỡ dạy thầy cô môn Qua đồ án em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Văn Xá quan tâm, giúp đỡ, bảo tận tình giúp em hồn thành đồ án, hiểu rõ môn học, phương pháp thực tính tốn thiết kế, cách tra cứu số liệu xử lí số liệu Em xin chân thành cảm ơn ! SVTH: Phạm Hoàng Hiệp – 20180723 92 Đồ án Quá trình – Thiết bị CNHH TP GVHD: TS Nguyễn Văn Xá PHẦN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tập thể tác giả, Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hố chất, tập Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [2] Tập thể tác giả, Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hố chất, tập Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [3] Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử, tập 1: Các nguyên lý ứng dụng, Nhà xuất Bách Khoa, Hà Nội, 2010 [4] Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử, tập 2: Tính tốn thiết kế, Nhà xuất Bách Khoa, Hà Nội, 2013 [5] Nguyễn Bin, Các trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm tập 4, Phân riêng duới tác dụng nhiệt Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2008 [6] Bộ mơn Q trình - Thiết bị Cơng nghệ Hóa học Thục phẩm, Huớng dẫn thực Đồ án mơn học Q trình thiết bị Cơng nghệ hóa học, Hà Nội, 2016 [7] Phạm Xuân Toản, Các q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm tập 3, Các trình thiết bị truyền nhiệt Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2003 [8] Trần Hữu Quế, Vẽ kỹ thuật, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2000 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp – 20180723 93