Đồ án môn học thiết kế và tính toán hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất thường để tách hỗ hợp hai cấu tử ( acetone – nước )

Giới thiệu sơ bộ

Acetone có công thức phân tử : CH3COCH3 Khối lượng phân tử bằng 58.079 đvC

Là một chất lỏng không màu, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm dịu và có mùi thơm

Acetone hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như ete, metanol, etanol và diacetone alcohol Được phát hiện lần đầu vào năm 1595 bởi Libavius thông qua quá trình chưng cất khan đường, acetone sau đó được sản xuất bởi Trommsdorff vào năm 1805 bằng cách chưng cất acetate của bồ tạt và sođa Nó là một phân đoạn lỏng nằm giữa phân đoạn rượu và eter.

Acetone là một dung môi quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm sản xuất vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa và cao su Nó có khả năng hòa tan tốt các chất như tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol formaldehyde, chất béo, cũng như dung môi pha sơn và mực in ống đồng Ngoài ra, acetone còn được sử dụng làm nguyên liệu trong quá trình tổng hợp thủy tinh hữu cơ.

Từ Acetone có thể tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), các holofom

Một số thông số vật lý và nhiệt động của Acetone :

• Nhiệt dung riêng Cp : 22 Kcal/mol (chuẩn ở 102 0C)

CH3CO + HCN → CH3-C-CN

CH3 ( pH= 4-8 ) Phản ứng ngưng tụ :

CH3-CO-CH3+HCH2C=O → CH3-C-CH3-C-CH3 (4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon)

Acetone khó bị oxi hóa bởi thuốc thử Pheling, Tôluen, HNO3đđ, KMnO4… Chỉ bị oxi hóa bởi hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfôcrômic K2Cr2O7 + H2SO4…

CH3-C-CH → CH3-C-CH2-OH → CH3-C-CH=O → CH3COOH + HCOOH O O O

Phản ứng khử hoá : CH3COCH3 + H2 → CH3CHOH-CH3

Oxy hóa rượu bậc hai:

CH3CHOH-CH3 → CH3COCH3 + H2O Theo phương pháp Piria : nhiệt phân muối canxi của axit cacboxylic:

(CH3COO)2Ca → CH3COCH3 + CaCO3

Từ dẫn xuất cơ magiê :

CH3-C-Cl + CH3-MgBr → CH3-C-CH3 + Mg-Br

Trong thời kỳ Chiến tranh thế giới thứ nhất, nhu cầu acetone tăng cao, trong khi nguồn cung từ chưng cất gỗ bị hạn chế Để đáp ứng nhu cầu này, Hoa Kỳ đã áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH3COO)2, được sản xuất thông qua quá trình lên men rượu với sự hỗ trợ của vi khuẩn, chuyển đổi carbohydrate thành acetone và Butyl Alcohol Công nghệ này được sử dụng chủ yếu trong suốt Chiến tranh thế giới thứ nhất và những năm 1920.

Vào giữa những năm 20, công nghệ sản xuất acetone tại Hoa Kỳ đã được cải tiến bằng phương pháp Dehydro Isopropyl Alcol, mang lại hiệu quả cao hơn.

Ngoài ra, còn một số qúa trình sản xuất acetone khác :

- Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol và Acetone

- Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan

- Lên men Carbo hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt

- Công ty Shell sử dụng nó như một sản phẩm phụ

Tổng hợp acetone bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác:

• CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 327 0 C ) → CH 𝑥𝑢𝑐𝑡𝑎𝑐 3COCH3 + H2

• Xúc tác sử dụng ở đây : đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và muối

• Ở nhiệt độ khoảng 325 0C , hiệu suất khoảng 97%

• Dòng khí nóng sau phản ứng gồm có : acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản ứng, H2 và một phần nhỏ sản phẩm phụ ( như Propylene, diisopropyl eter

Hỗn hợp được làm lạnh và khí không ngưng được lọc qua nước Sau đó, dung dịch lỏng được chưng cất phân đoạn, thu được acetone ở đỉnh và một hỗn hợp gồm nước và một lượng nhỏ Isopropyl Alcol ở đáy.

Công nghệ chưng cất hỗn hợp acetone – nước

Acetone là một chất lỏng có khả năng hòa tan vô hạn trong nước, với nhiệt độ sôi là 56.9°C ở áp suất 760 mmHg So với nước, có nhiệt độ sôi 100°C ở cùng áp suất, sự chênh lệch này cho phép sử dụng phương pháp chưng cất phân đoạn để thu được acetone tinh khiết, dựa vào độ bay hơi khác nhau của các thành phần trong hỗn hợp.

Trong tình huống này, việc áp dụng phương pháp cô đặc không khả thi vì tất cả các cấu tử đều có khả năng bay hơi Ngoài ra, phương pháp trích ly và hấp thụ cũng không được sử dụng do cần phải chuyển sang một pha mới để tách biệt, điều này có thể làm tăng độ phức tạp của quá trình và dẫn đến việc tách không hoàn toàn.

Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ):

+ Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

+ Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn

Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục

Sản phẩm acetone yêu cầu độ tinh khiết cao, và do hỗn hợp acetone - nước không có điểm đẳng phí, phương pháp chưng cất liên tục được chọn là giải pháp hiệu quả nhất.

Trong sản xuất, nhiều loại thiết bị được sử dụng để thực hiện quá trình chưng cất, với yêu cầu chung là diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất vào lưu chất khác Khi pha khí phân tán vào pha lỏng, chúng ta sử dụng tháp mâm, trong khi khi pha lỏng phân tán vào pha khí, tháp chêm và tháp phun được áp dụng Bài viết này sẽ tập trung vào hai loại thiết bị chưng cất phổ biến: tháp mâm và tháp chêm.

Tháp mâm là một thiết bị công nghiệp với thân tháp hình trụ thẳng đứng, bên trong được trang bị các mâm có cấu trúc khác nhau Các mâm này cho phép pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau, tạo điều kiện cho quá trình trao đổi nhiệt và chất diễn ra hiệu quả Tùy thuộc vào cấu tạo của từng đĩa, hiệu suất và ứng dụng của tháp mâm có thể thay đổi.

- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…

- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

Tháp chêm, hay còn gọi là tháp đệm, là một cấu trúc hình trụ được xây dựng từ nhiều bậc liên kết với nhau bằng mặt bích hoặc hàn Vật chêm có thể được đưa vào tháp thông qua hai phương pháp chính: xếp ngẫu nhiên hoặc xếp theo thứ tự.

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Ưu điểm

- Cấu tạo khá đơn giản

- Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm

- Trở lực tương đối thấp

- Hiệu suất cao cầu có    của chất lỏng

- Do có hiệu ứng thành → hiệu suất truyền khối thấp

- Độ ổn định không cao, khó vận hành

- Do có hiệu ứng thành → khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng → khó tăng năng suất

- Thiết bị khá nặng nề

- Không làm việc được với chất lỏng bẩn

- Kết cấu khá phức tạp

- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp

Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ aceton – Nước.

Sơ đồ quy trình công nghệ và thuyết minh quy trình công nghệ

3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ

STT Kí hiệu Tên 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 gia nhiệt ở đáy tháp

7 C-1 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy

8 C-2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

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 gia nhiệt ở đáy

16 F-1 Lưu lượng kế đo lưu lượng hỗn hợp đầu

17 F-2 Lưu lượng kế đo lưu lượng sản phẩm đỉnh

Dung dịch đầu từ thùng chứa hỗn hợp đầu T-1 được bơm P-1 liên tục đưa vào thiết bị gia nhiệt H-1 qua van V-2 và lưu lượng kế F-1 Bơm P-2 được lắp song song để dự phòng cho bơm P-1 trong trường hợp bơm này gặp sự cố Tại thiết bị gia nhiệt H-1, dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi tF trước khi được đưa vào tháp chưng luyện E-1 tại vị trí đĩa tiếp liệu.

Trong tháp chưng luyện E-1, hơi đi từ dưới lên và lỏng từ trên xuống, dẫn đến sự thay đổi nồng độ các cấu tử theo chiều cao tháp Trên mỗi đĩa, nồng độ chất lỏng dễ bay hơi là x1, trong khi hơi bốc lên có nồng độ y1 (y1 > x1) Hơi này tiếp xúc với chất lỏng trên đĩa kế tiếp, nơi có nhiệt độ thấp hơn, dẫn đến một phần hơi bị ngưng tụ và nồng độ chất lỏng tăng lên (x2 > x1) Quá trình này tiếp tục diễn ra trên các đĩa, với nồng độ hơi bốc lên từ đĩa 2 là y2 (y2 > x2) và từ đĩa 3 là y3 (y3 > x3) Cuối cùng, quá trình bốc hơi và ngưng tụ lặp lại nhiều lần, tạo ra sản phẩm đỉnh với nồng độ cấu tử dễ bay hơi cao và sản phẩm đáy với nồng độ cấu tử khó bay hơi cao.

Dưới đáy tháp R-1, lỏng giàu cấu tử khó bay hơi được hồi lưu, một phần sẽ được đưa ra ngoài và làm lạnh tại thiết bị C-1 Khi đạt nhiệt độ cần thiết, sản phẩm sẽ được chuyển vào thùng chứa T-2 Một phần sản phẩm đáy sẽ được gia nhiệt qua thiết bị H-2 trước khi hồi lưu về tháp.

Hơi trên đỉnh tháp giàu cấu tử dễ bay hơi đi vào thiết bị ngưng tụ C-2, nơi chúng được ngưng tụ Qua cơ cấu hồi lưu R-2, một phần chất lỏng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng, trong khi phần còn lại đi qua thiết bị làm lạnh C-3 để đạt nhiệt độ cần thiết trước khi vào thùng chứa T-3 (thùng chứa sản phẩm đỉnh).

Như vậy với thiết bị làm việc liên tục thì hỗn hợp đầu đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được tháo ra liên tục.

Cân bằng vật liệu

F : lượng nhập liệu ban đầu ( kmol/h )

P : lượng sản phẩm đỉnh ( kmol/h )

W : lượng sản phẩm đáy (kmol/h ) x F :nồng độ mol acetone trong nhập liệu x D :nồng độ mol acetone trong sản phẩm đỉnh x W : nồng độ mol acetone trong sản phẩm đáy

1.2 Các số liệu ban đầu

F: Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: 6700 ( kg/h )

Thiết bị hoạt động ở áp suất thường (P= 1at) với nồng độ acetone trong hỗn hợp đầu đạt 42% (phần khối lượng), trong khi nồng độ acetone trong sản phẩm đỉnh lên đến 98% (phần khối lượng) và nồng độ acetone trong sản phẩm đáy chỉ còn 1,6% (phần khối lượng).

Thiết bị hoạt động liên tục

1.3 Xác định hiệu suất nhập liệu và sản phẩm đáy

Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất :

GF * xF = GP * xP + Gw * xW

- GF là lượng hỗn hơp đầu đi vào tháp (kg/h)

- GP là lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)

- GW là lượng sản phẩm đáy (kg/h)

Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol: xF 𝑎𝐹 𝑀𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑒

Tính khối lượng trung bình:

MF= xF * Macetone + (1- xF ) * Mnước

MP = xP * Macetone + (1- xP ) * Mnước

MW = xW * Macetone + (1- xW ) * Mnước

Ta có hệ phương trình :

Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

Từ bảng 2.1 ta vẽ được đồ thị y-x, từ đó xác định số đĩa lý thuyết (H1)

Hình 2.1 Đồ thị cân bằng x-y hệ acetone – nước

2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu Đường làm việc và đường cân bằng pha tiếp xúc với nhau: do trong quá trình chưng luyện đường làm việc không thể nằm phía trên đường cân bằng pha nên vị trí cao nhất của đường làm việc của đoạn luyện của tháp sẽ là đường tiếp tuyến với đường cân bằng pha Kéo dài đường tiếp tuyến với đường cân bằng pha cho tới khi 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 Bmax= 68.3%

Vì vậy, ta có Rmin = 𝑥 𝑃

2.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp

Để tìm các giá trị tung độ Bi tương ứng với các giá trị Ri > Rmin, cần vẽ các đường nồng độ làm việc của đoạn luyện tương ứng với các giá trị Bi này.

𝑅𝑥 𝑖 +1 Tìm các điểm a( y= x= xP ), b( y= x= xW) và đường x = xF ( song song với trục tung )

Cứ mỗi giá trị Bi ta vẽ được đường nồng độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng

Như vậy ứng với mỗi giá trị Ri ta có số đơn vị chuyển khối chung tương ứng là Ni

Bảng 2.2 Quan hệ chỉ số hồi lưu và đơn vị chuyển khối β 1,2 1,4 1,7 1,8 1,9 2 2,3 2,4 2,5

H : chiều cao làm việc của tháp, m

Tiết diện của tháp tỉ lệ thuận với lượng hơi đi trong tháp, và lượng hơi lại tỉ lệ thuận với lượng lỏng hồi lưu Do đó, tiết diện tháp cũng tỉ lệ với lượng hồi lưu, được biểu diễn bằng công thức f  ( Rx + 1 ) * GP.

Trong một điều kiện làm việc nhất định thì GP là không đổi

Còn chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối H  Ni , nên cuối cùng ta có thể viết V = f*H  Ni ( Rx + 1)

Sự phụ thuộc giữa Rx và Ni được xác lập qua công thức (Rx _ Ni * (Rx + 1)), giúp xác định giá trị tối ưu của Rx cho thể tích thiết bị chưng cất Để tìm giá trị tối ưu Rxth, cần vẽ đồ thị mối quan hệ giữa (N * (Rxi + 1) _ Rxi).

Thiết lập quan hệ R-N(R+1) (Hình 2.2) ta xác định được Rth tại giá trị nhỏ nhất của N(R+1) Kết quả được Rth= 0,86

Đường kính tháp chưng luyện (D t )

Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp (m 3 /h)

tb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s) gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

3.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp

= (kg/h) gtbL: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h hay kmol/h)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h hay kmol/h)

• Xác định lượng hơi ra khỏi tháp g đ :

GP: Lượng sản phẩm đỉnh(P): GP= 2808,25 (kg/h)

Gđ: lượng hồi lưu: GR=Gp*R(08,25.0,86= 2415,1 (kg/h)

Suy ra: gđ= Gp*(R+1) (08,25*(0,86+1) = 5223,35 (Kg/h)

= 94,06 (Kmol/h) (Vì MP X.XP+(1-XP).18 = 55,52 Kg/Kmol)

• Xác định g 1 : Từ hệ phương trình :

Trong quá trình chưng cất, lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất G1 đóng vai trò quan trọng Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất được ký hiệu là r1, trong khi ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp được ký hiệu là rd Sự cân bằng giữa các yếu tố này quyết định hiệu suất của quá trình chưng cất.

Bảng 3.1 Bảng nhiệt hóa hơi r hh (kcal/kg) phụ thuộc vào nhiệt độ của acetone và nước [ST QTTB 2-254-Bảng I.212] (1kcal/kg = 4,1868.10 3 J/kg)

Chất lỏng Nhiệt độ sôi ở pa,ts, o C

0 20 60 100 140 acetone 56,5 135 132 124 113 - Ần nhiệt hoá hơi của nước : rN1 = 573,66 (kcal/kg) Ẩn nhiệt hoá hơi của aceton : ra1 = 122,53 (kcal/kg)

Suy ra: r1 = rA1.y1 + (1-y1).rN1 = 122,53y1 + (1-y1)*573.66 = 573,66 -451,13y1 (kcal/kg)

Với tP = 57,27 o C Nội suy từ bảng 3.1 ta có : Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : rNd = 579,34 (kcal/kg) Ẩn nhiệt hoá hơi của aceton : rAd = 124,55 (kcal/kg)

Suy ra: rd = rAd.yp + (1-yp).rNd = 124,55 *0,938+ (1- 0,938)* 579,34

Thay r1,Gp,x1,xp, gđ,rđ vào hệ (*), giải hệ, ta được :

G1 = 609,59 (kg/h) y1 = 0,846 (phần khối lượng) g1 = 3417,84 (kg/h) r1= 192,0 (kcal/kg)

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện : gtb = 5223,35+3417,84

3.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền :

Với : 𝜌 𝑥𝑡𝑏 : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m 3 )

𝜌 𝑦𝑡𝑏 : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m 3 )

• Xác định khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng 𝜌 𝑥𝑡𝑏 :

𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐵 (kg/m 3 ) Trong đó: 𝜌 𝑥𝑡𝑏 : khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng ((kg/m 3 ))

𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐴 , 𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐵 :khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng đối với cấu tử acetone, nước atbA: phần khối lượng trung bình của cấu tử aceton trong pha lỏng

Bảng 3.2 Bảng khối lượng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của acetone và nước ở trạng thái lỏng [ST QTTB 2-9-Bảng I.2]

Chất Khối lượng riêng, kg/m 3

2 = 0,561 ( phần mol) Với xtbA= 0,561 nội suy ta được txtb= 60,15 o C

Với ttb = 60.15 o C (Nội suy từ bảng 3.2) ta có :

Khối lượng riêng của nước : 𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐵 = 982,92(Kg/m 3 )

Khối lượng riêng của aceton : 𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐴 = 745,8(Kg/m 3 )

Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha lỏng:

Với yd1, yc1: nồng độ làm việc giữa đĩa tiếp liệu và đỉnh, phần mol yd1= yp= 0,938 phần mol yc1 = y1= 0,846 phần khối lượng

- Đổi sang phần mol, ta có:

2 = 0,784 (phần mol) + Với ytbL= 0,784 phần mol Nội suy ta được tytbL= 65.67 o C

+ Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là:

1,78 =1,062 (m/s) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

𝜔 ℎ = 0,8 ∗ 𝜔 𝑔ℎ = 0,8 ∗ 1,062 = 0,85 (m/s) Vậy :đường kính đoạn luyện :

Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là D L = 1m

* Thử lại điều kiện làm việc thực tế:

3.2.1.Lượng hơi trung bình đi trong tháp

Với g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/h) g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

• Xác định g’ n : Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên: g’n = g1 = 3417,84 (Kg/h)

Với : G ’ 1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

Với xW =0,005(phần mol) tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0,06 (phần mol) Đổi y’1=yw= 0.06 phần mol ra phần khối lượng ta có:

Với t’1 = tW = 97,79 o C (Nội suy từ bảng 3.2), ta có : Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : r’N1 = 541.21 (kcal/kg) Ẩn nhiệt hoá hơi của aceton : r’A1 = 113.6 (kcal/kg)

Suy ra : r’1 = r’A1,yW + (1-yW).r’N1 = 468.09 (kcal/kg)

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền : ytb xtb gh '

Với : 𝜌′ 𝑥𝑡𝑏 : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m 3 )

𝜌′ 𝑦𝑡𝑏 : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m 3 )

• Xác định khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng 𝜌 𝑥𝑡𝑏 :

𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐵 (kg/m 3 ) Trong đó: 𝜌 𝑥𝑡𝑏 : khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng ((kg/m 3 ))

𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐴 , 𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐵 :khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng đối với cấu tử acetone, nước atbA: phần khối lượng trung bình của cấu tử aceton trong pha lỏng

2 = 0.218 (phần khối lượng) Với a’1 =x’1= 0.057 phần khối lượng x’1 0.057 58 0.057

2 = 0,101 ( phần mol) Với xtbA= 0,101 nội suy ta được txtb= 69.55 o C

Với ttb = 69.55 o C (Nội suy từ bảng 3.2)ta có :

Khối lượng riêng của nước : 𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐵 = 977.75 (Kg/m 3 )

Khối lượng riêng của aceton : 𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐴 = 733.11(Kg/m 3 )

Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha lỏng:

T: Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện, K ytb : Nồng độ phần mol của acetone tính theo giá trị trung bình: ytb= 𝑦 𝑑1 +𝑦 𝑐1

Với yd1, yc1: nồng độ làm việc giữa đĩa tiếp liệu và đáy tháp, phần mol yd1= y’1=yw= 0,06 phần mol yc1 = y1= 0,63 phần mol

2 = 0,345 (phần mol) + Với ytbL= 0,345 phần mol Nội suy ta được tytbL= 87.36 o C

+ Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng là:

1,075=1,456 (m/s) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

𝜔 ℎ = 0,8 ∗ 𝜔 𝑔ℎ = 0,8 ∗ 1,456 = 1.165 (m/s) Vậy :đường kính đoạn luyện :

Quy chuẩn đường kính đoạn chưng là D c = 0.8 m

* Thử lại điều kiện làm việc thực tế:

+ Nlt là số đĩa lý thuyết

𝑛 là hiệu suất của TB của thiết bị

+ ⴄ1,…, ⴄn hiệu suất của các bậc thay đổi theo nồng độ

+ n: số vị trí tính theo hiệu suất

* Độ nhớt động lực phụ thuộc nhiệt dộ của acetone – nước ở trạng thái lỏng

(Bảng I.101 STQTTB – Tập 1 – Trang 91-91) Bảng 4.1 Độ nhớt của acetone nước

Chất Độ nhớt của nhiệt độ à.10 3 N.s/m 2

0 o C 10 o C 20 o C 30 o C 40 o C 50 o C 60 o C 80 o C 100 o C 120 o C acetone 0,395 0,356 0,322 0,393 0,268 0,246 0,23 0,2 0,17 0,15 nước 1,79 1,31 1,0 0,801 0,656 0,549 0,469 0,357 0,284 0,232 Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp:

1 − 𝑥 Xác định số đĩa lý thuyết dựa vào đồ thị McCabe- Thiesel

Dựa vào Đồ thị cân bằng x-y hệ acetone – nước ta được:

- Số đĩa lý thuyết đoạn chưng: Nlt (c) = 3

- Số đĩa lý thuyết đoạn luyện: Nlt (L) = 5

- Tổng số đĩa lý thuyết toàn tháp: Nlt = 8

Xác định số đĩa thực tế dựa trên hiệu suất trung bình:

Xét vị trí đĩa tiếp liệu xF= 0,183 (phần mol) , y * F = 0,789, t o Fe,34 o C

Nội suy từ bảng 4.1 ta có: àacetone = 0,222.10 -3 (N.S/m 2 ) ànước = 0,439.10 -3 (N.S/m 2 )

* Độ nhớt của hỗn hợp: log àF= xF log àacetone + (1-xF) log ànước

+ Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp:

Tra đồ thị hình IX 11 ( Sổ tay QTTB tập 2- trang 171) ta có hiệu suất trung bình của thiết bị có giá trị nF = 3%

- Hiệu suất trung bình của đoạn chưng:

- Hiệu suất trung bình của đoạn luyện:

- Hiệu suất trung bình của toàn tháp:

- Số đĩa thực tế của đoạn chưng:

- Số đĩa thực tế của đoạn luyện:

- Số đĩa thực tế của toàn tháp:

+ h=hc=hL= 350 mm = 0,35m: Khoảng cách giữa hai đĩa

+ 𝛿 là chiều dày của đĩa, chọn 𝛿 = 3𝑚𝑚 = 0,003𝑚

+ ∆h là khoảng các cho phép ở đỉnh và đáy tháp thiết bị (dao động từ 0,8-1m)

- Chiều cao của đoạn chưng:

- Chiều cao của đoạn luyện:

- Chiều cao của toàn tháp:

5 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

5.1 Cân bằng nhiệt lượng của hỗn thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

QD1+Qf = QF + Qng1 + Qxq1 [STQTTB 2-196 – IX.149]

Trong đó: QD1 là nhiệt lượng hơi đốt mang vào, J/h

Qf là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào, J/h

QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra, J/h

Qng1 là nhiệt lương do nước ngưng mang ra, J/h

Qxq1 là nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy, J/h

5.1.1 Nhiệt lượng hơi đốt mang vào

D1 là lượng hơi đốt, kg/h r1 ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg

1 là hàm nhiệt ( nhiệt lượng riêng) của hơi đốt, J/kg θ1 là nhiệt độ nước ngưng

C1 là nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ

- Do không cần đun nóng quá 180 o C ở đây ta sử dụng loại hơi đốt phổ biến trong công ngiệp là hơi nước bão hòa

- Vì nhiệt dộ của hỗn hợp đầu là tF= 65,34 o C nên nhiệt độ của hơi đốt phải cao, chọn 119,6 o C tương ứng với áp suất 2at [1-314-I.251]

- Tra bảng ta được nhiệt hóa hơi r1= 527 kcal/kg = 2204 10 3 J/kg

5.1.2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào

Qf = F.Cf.tf [STQTTB 2-196-IX.151]

Trong đó: Qf là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào, J/h

F là lượng hỗn hợp đầu, kg/h

Cf là nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg độ tf là nhiệt độ đầu của hỗn hợp, o C

* Bảng nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ của acetone và nước

Bảng 5.1 : Nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ của acetone và nước [STQTTB1-

Nhiệt dung riêng Cp, J/kg ở nhiệt độ -20 o C 0 o C 20 o C 40 o C 60 o C 80 o C 100 o C 120 o C acetone 2050 2115 2180 2240 2305 2370 2435 2495 nước - 4230 4180 4175 4190 4190 4230 4275

- Giả sử gia nhiệt cho hỗn hợp đầu từ tf = 20 o C Từ bảng 5.1 có nhiệt dung riêng của acetone và nước ở tf o C là Caxetone= 2180; Cnước = 4180 (J/kg.độ)

- Cf = af.Cacetone + (1-af) Cnước = 0,42 x 2180 + (1-0,42) x 4180 = 3340 (J/kg.độ)

Suy ra: Qf = F.Cf.tf = 6700 x 3340 x 20 = 447560000 J/h = 447560 kJ/h

5.1.3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra

QF = F.CF.tF [STQTTB 2-196-IX.152]

Trong đó: Q là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào, J/h

- CF = aF.Cacetone + (1-aF) Cnước = 0,42 x 2322,36 + (1-0,42) x 4190 = 3405,59 (J/kg.độ)

Suy ra: QF = F.CF.tF = 6700 x 3405,59 x 65,34 90892379 J/h

5.1.4 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

Trong đó: Qng1 là nhiệt lượng do nước ngưng mang ra, J/h

Gng1 là lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt, kg/h

5.1.5 Nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy

Qxq1 là nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh, lấy bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn, J/h

- Vậy, lượng hơi đốt( lượng hơi nước) cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi tF là:

- Nhiệt lượng hơi đốt mang vào:

- Nhiệt lượng nước ngưng mang ra:

- Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh:

5.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

Tổng nhiệt lượng mang vào tháp bằng tổng nhiệt lượng mang ra khỏi tháp

QF + QD2+QR = Qy + Qw+ Qng2 + Qxq2 [STQQTB 2-197 – IX.156]

Trong đó: QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp

QD2 là nhiệt lương hơi đốt mang vào tháp

QR là nhiệt lượng do chất lỏng hồi lưu mang vào

Q là nhiệt lượng do hơi nước mang ra ở đỉnh tháp

Qw là nhiệt lượng do sản phẩm mang ra

Qxq2 là nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh

Qng2 là nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

QF = F.CF.tF [STQTTB 2 -196-IX.152]

Trong đó: QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào, J/h

CF là nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg độ tF là nhiệt độ hỗn hợp sau khi đi ra khỏi thiết bị đun nóng, o C

- Từ bảng 2.5.1 có nhiệt dung riêng của acetone và nước ở nhiệt độ cuối tFe,34 o C là

5.2.2 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào đáy tháp

Trong đó: QD1 là nhiệt lượng hơi đốt mang vào đáy tháp , J/h

D2 là lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp, kg/h r2 ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg

2 làhàm nhiệt ( nhiệt lượng riêng) của hơi đốt, J/kg θ2 là nhiệt độ nước ngưng

- Sử dụng hơi đốt là hơi nước bão hòa, ở nhiệt độ 119,6 o C tương ứng với áp suất 2at [1- 314-I.251]

- Tra bảng ta được nhiệt hóa hơi r2= 527 kcal/kg = 2204.10 3 J/kg

CR là nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu, J/kg độ tR=tp= 57,27 o C là nhiệt độ chất lỏng hồi lưu, o C

P= là lượng sản phẩm đỉnh

Rx=0,86 là chỉ số hồi lưu

- Lượng lỏng hổi lưu: GR=P.Rx = 2808,25 x 0,86 = 2415,1 (kg/h)

- Từ bảng 2.5.1 có nhiệt dung riêng của acetone và nước ở nhiệt độ cuối tRW,27 o C là

- CR = aP.Cacetone + (1-aP) Cnước

5.2.4 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp

Trong đó: Qy là nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp, J/h λd là hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi ở đỉnh tháp, J/h λd= ap λa +(1-ap) λn

- Từ bảng số liệu 2.3.1 nội suy tìm giá trị nhiệt hóa hơi của acetone và nước ở nhiệt độ tp= 57,27 o C rnước = 579,34 (kcal/kg) = 2423960 J/kg racetone = 124,55 (kcal/kg)R1117 J/kg

- Từ bảng 2.5.1 sử dụng công thức nội suy có nhiệt dung riêng của acetone và nước ở nhiệt độ cuối tRW,27 o C là Caxetone= 2296,13; Cnước = 4187,95 (J/kg.độ)

- Nhiệt dung riêng của acetone và nước trong hỗn hợp hơi là: λacetone = raceotne +tp.Cacetone = 521117 + 57,27x 2296,13= 652616,37 (J/kg) λnước = rnước +tp.Cnước = 2423960 + 57,27x 4187,95 &63803,9 (J/kg)

- Nhiệt lượng riêng của hỗn hợp hơi ở dỉnh tháp: λd= ap λacetone +(1-ap) λnước

Qw = w.Cw.tw [STQTTB 2 -196-IX.160]

Trong đó: Qw là nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra, J/h

W là lượng sản phẩm đáy tháp, kg/h

Cw là nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy, J/kg độ tw= 97,79 o Clà nhiệt độ của sản phẩm đáy, o C

- Từ bảng 2.5.1 có nhiệt dung riêng của acetone và nước ở nhiệt độ tw,79 o C là

- Cw = aw.Cacetone + (1-aw) Cnước

C2 là nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ θ2 là nhiệt độ của nước ngưng , 0 C

Trong đó: Qxq2 là nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh, lấy bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn, J/h

- Như vậy: QF + QD2+QR = Qy + Qw+ Qng2 + Qxq2

5.3 Cân bằng nhiệt lương của thiết bị ngưng tụ

5.3.1 Nếu chỉ ngưng tụ hồi lưu

Trong đó: r là ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp sản phẩm dỉnh, J/kg

Gnl là lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết, kg/h

Cn là nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t1,t2 là nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh, o C

- Từ bảng số liệu 3.1 nội suy tìm giá trị nhiệt hóa hơi của acetone và nước ở nhiệt độ tp= 57,27 o C rnước = 579,34 (kcal/kg) = 2423960 J/kg racetone = 124,55 (kcal/kg)R1117 J/kg

- Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là: rhh(P) = aP racetone +(1-ap) rnước

- Ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là rnt(p) = rhh(P) = 559173,86 J/kg

- Chọn nhiệt độ vào của nước làm lạnh t1 o C, nhiệt độ ra là 45 o C để tránh đóng cặn và kết tủa các muối trên bề mặt trao đổi nhiệt

Nội suy từ bảng I.149 cho thấy nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t = (20+45)/2 = 32,5 °C là Cn = 0,998375 cal/kg.độ, tương đương với 4180 J/kg.độ.

- Vậy, lượng nước lạnh cần tiêu tốn là:

5.3.2 Nếu ngưng tụ hoàn toàn

Trong đó: Cn là nhiệt dung riêng của nước làm lạnh , J/kg.độ

- Giả thiết tương tự với trường hợp chỉ ngưng tụ hồi lưu, tính được lượng nước lạnh cần tiêu tốn là:

5.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh

5.4.1 Nếu trong thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu

P.[r+Cp.(t’1-t’2)] = Gn3 Cn.(t2-t1) [STQTTB 2-198 – IX.166]

Trong đó: Cp là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/kg.độ t’1,t’2 là nhiệt độ đẩu, cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, o C

- Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ chính bằng nhiệt dung riêng của lỏng hồi lưu vào tháp: Cp=CR= 2333,97 J/kg

- Hỗn hợp sản phẩm đỉnh từ t’1=tpW,27 0 C, giả sử được làm lạnh đến t’2= 20 o C

- Chọn nhiệt đọ vào của nươc làm lạnh là t1= 20 o C , nhiệt độ ra t2= 45 o C để tránh đóng cặn và kết tủa các muối trên bề mặt trao dổi nhiệt

- Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình

5.4.2 Nếu đã ngưng tụ hoàn toàn trong thiết bị ngưng tụ

- Giả thiết tương tự với trường hợp thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ hồi lưu, tính được lượng nước lạnh cần tiêu tốn là:

6 Tính trở lực của tháp chưng luyện

Chọn loại đĩa với các thông số sau: Đoạn luyện:

- Diện tích tự do tương đối: 𝜀 = 8%

- Chiều dài gờ chảy tràn: Lc=0,5m

- Chiều cao gờ chảy tràn: hc0mm

- Khoảng cách giữa các đĩa Hđ= 0,35m

- Bước lỗ tmm Đoạn chưng:

Tăng trở lực của đĩa tăng nhiệt độ ở đáy tháp, dẫn đến gia tăng khả năng phân hủy nhiệt, polyme hóa, cốc hóa và tắc nghẽn tháp Điều này cũng yêu cầu nâng cao công suất thiết bị đun bay hơi và tải trọng tại đáy tháp Do đó, cần có các giải pháp hiệu quả để giảm thiểu trở lực của đĩa đến mức tối thiểu.

Trở lực của tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền được xác định theo công thức:

Với: NTT là số đĩa thực tế của tháp; ∆Pd là tổng trở lực của một đĩa, N/m 2

Trở lực tổng cộng của đĩa bao gồm các hợp phần:

∆Pd=∆Pk +∆Ps + ∆Pt , N/m 2 [STQTTB 2-192-IX.136]

Trong đó: ∆Pk là trở lực của đĩa khô, N/m 2

∆Ps là trở lực do sức căng bề mặt N/m 2

∆P là trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra , N/m 2

𝜌 𝑦 là khối lượng riêng trung bình của pha hơi, kg/m 3

𝜀 là tốc độ hơi qua lỗ, m/s Đoạn luyện: 𝜔 𝑜 = 𝜔 𝐿

- Trở lực đĩa khô của đoạn luyện là: 𝛥𝑃 𝑘𝐿 = 1.82 10,73 2 ∗1,78

- Trở lực đĩa khô của đoạn chưng là: 𝛥𝑃 𝑘𝐶 = 1.82 15,5 2 ∗1,075

6.2 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt

Vì đĩa có đường kính lỗ > 1mm nên

Trong đó: 𝜎 là sức căng bề mặt của dung dịch trên đĩa, N/m 2

Nội suy theo bảng I.242 [2-300] được sức căng bề mặt của acetone và nước:

- Đoạn luyện: txtbL`,15 o C ta được: 𝜎 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛 ,58.10 -3 N/m

⇒Sức căng bề mặt dung dịch đoạn luyện là: 𝜎 = ( 1

⇒Trở lực do sức căng bề mặt của đoạn luyện là:

- Đoạn chưng: txtbCi,55 o C ta được: 𝜎 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛 ,45.10 -3 N/m

⇒Sức căng bề mặt dung dịch đoạn chưng là: 𝜎 = ( 1

⇒Trở lực do sức căng bề mặt của đoạn chưng là:

6.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa

Trong đó:- hc là chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa,m

- Gx là lưu lượng lỏng, kg/h

- Lc chiều dài cửa chảy tràn,m

- m là hệ số lưu lượng qua cửa chảy tràn

𝜌 𝑥 là khối lượng riêng của lỏng, kg/m 3

- K là tỉ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của lỏng không bọt Khi tính toán chấp nhận K=0,5 Đoạn luyện:

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện:

- Trở lực thủy tĩnh của đoạn luyện là:

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là:

- Trở lực thủy tĩnh của đoạn chưng là:

6.4 Tổng trở lực của tháp

- Tổng trở lực của một đĩa đoạn luyện là:

- Tổng trở lực của một đĩa đoạn chưng là:

Tính toán cơ khí là bước quan trọng để thiết kế tháp chưng luyện phù hợp với các thông số công nghệ của quá trình Tháp chưng luyện cần hoạt động ở áp suất khí quyển 1,01.10^5 N/m² và nhiệt độ trong khoảng 20-100°C Do đó, vật liệu chế tạo cho toàn bộ tháp chưng luyện được chọn là thép X18H10T.

Thép X18H10T là loại thép không gỉ với thành phần chính gồm carbon (C) dưới 0,1%, crom khoảng 18%, niken khoảng 10% và titan từ 1-1,5% Dựa trên số liệu từ Bảng XII.4 về tính chất hợp kim, thép X18H10T có nhiều đặc tính nổi bật, giúp nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu độ bền và khả năng chống ăn mòn cao.

Bảng 7.1 Bảng các thông số tính chất của thép X18H10T

25mm Độ nhớt va đập ak, J/m 2

Hệ số giãn khi kéo ở 20-

Hệ số dẫn nhiệt ở 20-100 o C λ, W/m.độ

7.1 Tính và chọn đường kính của các ống nối Đường kính ống dẫn và các cửa vào ra của thiết bị phụ thuộc vào lưu lượng dòng hơi đi trong tháp xác định theo công thức:

Trong đó: V là lưu lượng thể tích của dòng lỏng,m 3 /s

𝜔 là tốc độ trung bình, m/s

7.1.1 Ống dẫn nhập liệu đầu

- Nhiệt độ của hỗn hợp nguyên liệu lỏng vào tháp là tF = 65,34 o C

- Dựa vào bảng số liệu nội suy ta được khối lượng riêng của 2 chất tại nhiệt độ tF 65,34 o C là: 𝜌 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑒 = 738,79kg/m 3 , 𝜌 𝑛ướ𝑐 = 980,06 kg/m 3

- Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng: 1

7.1.2 Ống tháo sản phẩm đáy

- Nhiệt độ của hỗn hợp sản phẩm đáy: 𝑡 𝑤 𝑜 = 97,79 o C

- Dựa vào bảng số liệu 2.3.2 nội suy xác định được khối lượng riêng của 2 chất tại :

- Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy trong ống: 𝑉 = 𝑊

- Dựa vào bảng II.2 [2-370], với chất lỏng tự chảy 𝜔 = 0,1 − 0,5 (m/s)/ Chọn vận tốc chất lỏng chảy trong ống là 𝜔 = 0,2 m/s

- Đường kính trong của ống là: 𝑑 𝑡(𝑤) = √ 1,133.10 −3

- Quy chuẩn đường kính ống tháo sản phẩm đáy là: dt(w)= 0,1m0mm

7.1.3 Ống lấy sản phẩm đỉnh

- Nhiệt độ của hỗn hợp sản phẩm đáy: 𝑡 𝑝 𝑜 = 57,27 o C → Tp = 330,27K

- Nồng độ phần mol của cấu tử phân bố trong pha hơi tại đỉnh tháp: yP= 0,983

- Khối lượng riêng của hơi đi ra khỏi tháp

- Lượng hơi đi ra khỏi tháp là: gđ=P.(Rx+1)= 2808,25.(0,86+1)R23,35 kg/h

- Lưu lượng thể tích hơi di chuyển trong ống: 𝑉 = 𝑔 đ

- Dựa vào bảng II.2 [2-370], với hơi bão hòa đi trong ống dẫn khí ở áp suất p=1-0,5at thì 𝜔 = 20 − 40m/s/ Chọn vận tốc chất khí di chuyển trong ống dẫn là: 𝜔 = 24m/s

- Đường kính trong của ống là: 𝑑 𝑡(𝑃) = √ 0,686

- Quy chuẩn đường kính ống tháo sản phẩm đáy là: dt(P)= 0,2m 0mm

7.1.4 Ống dẫn hồi lưu lỏng từ thiết bị ngưng tụ về tháp

- Nhiệt độ của hỗn hợp sản phẩm đáy: 𝑡 𝑟 𝑜 = 𝑡 𝑃 𝑜 = 57,27 o C

- Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy trong ống:

- Đường kính trong của ống là: 𝑑 𝑡(𝑅) = √ 8,914.10 −4

- Quy chuẩn đường kính ống tháo sản phẩm đáy là: dt(R)= 0,08mmm

7.1.5 Ống dẫn hồi lưu hơi ở đáy tháp

- Nhiệt độ của hỗn hợp hơi hồi lưu về đáy tháp: 𝑡 𝑤 𝑜 = 97,79 o C → Tp = 370,79K

- Nồng độ phần mol của cấu tử phân bố trong pha hơi tại đỉnh tháp: yw= 0,005

- Đường kính trong của ống là: 𝑑 𝑡 = √ 0,654

- Quy chuẩn đường kính ống tháo sản phẩm đáy là: dt= 0,2 m 0mm

7.2 Tính chiều dày thành tháp, đáy tháp và nắp tháp

7.2.1 Tính chiều dày thân tháp

Thân hình trụ là phần chính trong việc chế tạo thiết bị hóa chất Tháp chưng luyện hỗn hợp acetone và nước đang được thiết kế để hoạt động ở áp suất khí quyển 0 mmHg.

Áp suất 1,01.10^5 N/m² là thấp, dưới 1,6.10^6 N/m², vì vậy phương án chế tạo thân tháp hình trụ được chọn là hàn Các tấm vật liệu sẽ được cuốn theo kích thước đã định và sau đó hàn ghép lại, đặt thẳng đứng.

* Khi chế tạo cần chú 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 mối hàn ở vị trí dễ quan sát

- Không khoan lỗ qua mối hàn

* Chiều dày của thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong P được xác định theo công thức sau:

Trong đó: Dt là đường kính trong, m

[𝜎] là ứng suất cho phép của vật liệu, N/m 2

𝜑 là hệ số bền của thành trụ theo phương dọc

C là bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày,m p Là áp suất trong thiết bị , N.m 2 a ) Áp suất làm việc: p=p mt +p 1

+ pmt là áp suất của hơi (khí), N/m 2

+ p1 là áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng , N/m 2 Áp suất của hơi (khí): pmtv0mmHg =1,01.10 5 N/m 2 Áp suất thủy tĩnh: p1 = g𝜌H1, N/m 2 [STQTTB 2-360-XIII.10]

Với gia tốc trọng trường: g=9,81 m/s 2

Khối lượng riêng của lỏng trong đoạn luyện: 𝜌 𝑥𝑡𝑏 𝐿= 803.99 (kg/m 3 )

Khối lượng riêng của lỏng trong đoạn chưng: 𝜌 𝑥𝑡𝑏 C= 911.45 (kg/m 3 )

Khối lượng riêng của lỏng trong tháp:

2 = 857,72 (kg/𝑚 3 ) Chiều cao của cột chất lỏng: H= 7,86 m Áp suất thủy tĩnh: p1 = 9,81 857,72 7,86 f135,87 N/m 2

+ Do đó áp suất làm việc: p=1,01.10 5 +66135,87 = 167135,87 N/m 2 b) Nhiệt độ thành thiết bị

Với thiết bị không bị đốt nóng và làm lạnh, cùng với cách nhiệt bên ngoài, nhiệt độ của thiết bị sẽ bằng nhiệt độ môi trường, tức là tT = tmt (độ C) Trong trường hợp này, chúng ta giả định nhiệt độ môi trường là một yếu tố quan trọng.

20 o C c) Hệ số bền của thành hình trụ

Phương pháp hàn được chọn là hàn tay bằng hồ quang điện với kiểu hàn mối giáp hai bên, sử dụng vật liệu thép X18H10T, cho hệ số bền mối hàn 𝜑 ℎ = 0,95 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 Đại lượng bổ sung C được tính bằng công thức C = C 1 + C 2 + C 3, m [STQTTB 2-363-XIII.17].

C1 là giá trị bổ sung do ăn mòn, được xác định bởi điều kiện môi trường và thời gian hoạt động của thiết bị Vật liệu X18H10T có độ bền cao, với tỷ lệ ăn mòn chỉ từ 0,05-0,1mm mỗi năm Do đó, C1 được tính là 1mm, tương ứng với thời gian làm việc từ 15 đến 20 năm.

C2 là đại lượng bổ sung phát sinh từ sự hao mòn khi nguyên liệu chứa các hạt rắn di chuyển với tốc độ cao trong thiết bị Tuy nhiên, nguyên liệu chưng luyện không nằm trong trường hợp này, do đó cần loại bỏ yếu tố này.

Thép X18H10T có ứng suất cho phép được xác định dựa vào bảng XIII.4 và công thức tính ứng suất cho phép cho một số vật liệu chế tạo cơ bản [STQTTB 2-357] Giá trị ứng suất cho phép là giá trị nhỏ nhất được tính từ các công thức đã nêu.

* 𝜎 𝑘 𝑡 U0.10 6 là giới hạn bền kéo của thép X18H10T [3-310-Bảng XII.4]

𝜎 𝑐 𝑡 = 220.10 6 là giới hạn bền chảy của thép X18H10T (ứng với tấm thép dày 4-

Hệ số an toàn theo giới hạn bền kéo được xác định là nk = 2,6, trong khi hệ số an toàn theo giới hạn bền chảy là nc = 1,5 Những thông số này được trình bày trong bảng XII.4 và XIII.3 của tài liệu STQTTB.

𝜂 là hệ số hiệu chỉnh, do thiết bị chưng luyện đang thiết kế thuộc nhóm 2 loại 2 nên chọn 𝜂=1 [STQTTB 2-308-Bảng XII.2]

- Vì [𝜎 𝑐 ] = 146,667 10 6 < [𝜎 𝑘 ] = 211,538 10 6 nên [𝜎 ] = [𝜎 𝑐 ] = 146,667 10 6 N/m 2 f) Tính chiều dày của thân hình trụ Đoạn luyện: D=1m

- Chọn theo bảng XIII.9 [STQTTB 2-364] giá trị C3= 0,8 mm nên C=C 1 +C 2 +C 3 =

- Chiều dày thân hình trụ là S= 0,6+ 1,8= 2,4mm

Theo quy chuẩn lấy chiều dày tháp là S=3mm g) Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử

- Áp suất thử tính toán được xác định theo công thức sau: po=pth +p1 [STQTTB 2-366]

Trong đó pth là áp suất thử thủy lực, lấy theo bảng XIII.5 [STQTTB 2-358] p1 là áp suất thủy tĩnh của lỏng trong tháp, p1= 66135,87 N/m 2

- Áp suất tính 0,07.10 6 < P = 167135,87 N/m 2 < 0,5.10 6 nên tra bảng XIII.5 [STQTTB

2 -358] có áp suất thử thủy lực pth = 1,5.p=1,5 167135,87%0703,81 N/m 2

- Áp suất thử tính toán là: po=pth +p1 = 250703,81+66135,87 = 316839,68 N/m 2

- Ứng suất của thành theo áp suất thử: [STQTTB 2-365-XIII.26]

Vậy thân tháp dày S=3 mm là phù hợp

7.2.2 Tính đáy và nắp thiết bị

Nắp và đáy là các 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 bằng hàn, ghép bích hoặc hàn liền Hình dạng của đáy và nắp có thể là elip, bán cầu, nón hoặc phẳng, tùy thuộc vào hình dạng thân tháp và áp suất bên trong Trong đồ án này, nắp và đáy được chế tạo từ thép X18H10T, với thiết bị hoạt động ở áp suất khí quyển và áp suất trong là 167135,87 N/m², lớn hơn 7.10⁴ 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 cách ghép bích Ngoài ra, ở tâm của đáy và đỉnh có lỗ để lấy sản phẩm từ đáy và đỉnh.

2 ℎ 𝑏 + 𝐶, 𝑚 Trong đó: Tra bảng XIII.10 [STQTTB 1 -382] có chiều cao phần lồi ở đáy hb = 250mm

Dt =1m là đường kính trong của thân tháp p là áp suất làm việc bên trong biết bị

[𝜎 𝑘 ]6,667.10 6 là ứng suất kéo của vật liệu (N/m 2 )

Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

5.1 Cân bằng nhiệt lượng của hỗn thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

QD1+Qf = QF + Qng1 + Qxq1 [STQTTB 2-196 – IX.149]

Qf là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào, J/h

QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra, J/h

Qng1 là nhiệt lương do nước ngưng mang ra, J/h

Qxq1 là nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy, J/h

5.1.1 Nhiệt lượng hơi đốt mang vào

D1 là lượng hơi đốt, kg/h r1 ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg

1 là hàm nhiệt ( nhiệt lượng riêng) của hơi đốt, J/kg θ1 là nhiệt độ nước ngưng

- Do không cần đun nóng quá 180 o C ở đây ta sử dụng loại hơi đốt phổ biến trong công ngiệp là hơi nước bão hòa

- Vì nhiệt dộ của hỗn hợp đầu là tF= 65,34 o C nên nhiệt độ của hơi đốt phải cao, chọn 119,6 o C tương ứng với áp suất 2at [1-314-I.251]

- Tra bảng ta được nhiệt hóa hơi r1= 527 kcal/kg = 2204 10 3 J/kg

Qf = F.Cf.tf [STQTTB 2-196-IX.151]

Trong đó: Qf là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào, J/h

F là lượng hỗn hợp đầu, kg/h

Cf là nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg độ tf là nhiệt độ đầu của hỗn hợp, o C

* Bảng nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ của acetone và nước

Bảng 5.1 : Nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ của acetone và nước [STQTTB1-

Nhiệt dung riêng Cp, J/kg ở nhiệt độ -20 o C 0 o C 20 o C 40 o C 60 o C 80 o C 100 o C 120 o C acetone 2050 2115 2180 2240 2305 2370 2435 2495 nước - 4230 4180 4175 4190 4190 4230 4275

- Giả sử gia nhiệt cho hỗn hợp đầu từ tf = 20 o C Từ bảng 5.1 có nhiệt dung riêng của acetone và nước ở tf o C là Caxetone= 2180; Cnước = 4180 (J/kg.độ)

- Cf = af.Cacetone + (1-af) Cnước = 0,42 x 2180 + (1-0,42) x 4180 = 3340 (J/kg.độ)

Suy ra: Qf = F.Cf.tf = 6700 x 3340 x 20 = 447560000 J/h = 447560 kJ/h

5.1.3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra

QF = F.CF.tF [STQTTB 2-196-IX.152]

Trong đó: Q là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào, J/h

Suy ra: QF = F.CF.tF = 6700 x 3405,59 x 65,34 90892379 J/h

Qxq1 là nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh, lấy bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn, J/h

- Vậy, lượng hơi đốt( lượng hơi nước) cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi tF là:

- Nhiệt lượng hơi đốt mang vào:

5.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

Tổng nhiệt lượng mang vào tháp bằng tổng nhiệt lượng mang ra khỏi tháp

QF + QD2+QR = Qy + Qw+ Qng2 + Qxq2 [STQQTB 2-197 – IX.156]

Trong đó: QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp

QD2 là nhiệt lương hơi đốt mang vào tháp

QR là nhiệt lượng do chất lỏng hồi lưu mang vào

Q là nhiệt lượng do hơi nước mang ra ở đỉnh tháp

Qw là nhiệt lượng do sản phẩm mang ra

Qxq2 là nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh

Qng2 là nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

QF = F.CF.tF [STQTTB 2 -196-IX.152]

Trong đó: QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào, J/h

CF là nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg độ tF là nhiệt độ hỗn hợp sau khi đi ra khỏi thiết bị đun nóng, o C

- Từ bảng 2.5.1 có nhiệt dung riêng của acetone và nước ở nhiệt độ cuối tFe,34 o C là

5.2.2 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào đáy tháp

Trong đó: QD1 là nhiệt lượng hơi đốt mang vào đáy tháp , J/h

D2 là lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp, kg/h r2 ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg

2 làhàm nhiệt ( nhiệt lượng riêng) của hơi đốt, J/kg θ2 là nhiệt độ nước ngưng

- Sử dụng hơi đốt là hơi nước bão hòa, ở nhiệt độ 119,6 o C tương ứng với áp suất 2at [1- 314-I.251]

- Tra bảng ta được nhiệt hóa hơi r2= 527 kcal/kg = 2204.10 3 J/kg

CR là nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu, J/kg độ tR=tp= 57,27 o C là nhiệt độ chất lỏng hồi lưu, o C

P= là lượng sản phẩm đỉnh

Rx=0,86 là chỉ số hồi lưu

- Lượng lỏng hổi lưu: GR=P.Rx = 2808,25 x 0,86 = 2415,1 (kg/h)

- Từ bảng 2.5.1 có nhiệt dung riêng của acetone và nước ở nhiệt độ cuối tRW,27 o C là

- CR = aP.Cacetone + (1-aP) Cnước

5.2.4 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp

Trong đó: Qy là nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp, J/h λd là hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi ở đỉnh tháp, J/h λd= ap λa +(1-ap) λn

- Từ bảng số liệu 2.3.1 nội suy tìm giá trị nhiệt hóa hơi của acetone và nước ở nhiệt độ tp= 57,27 o C rnước = 579,34 (kcal/kg) = 2423960 J/kg racetone = 124,55 (kcal/kg)R1117 J/kg

- Từ bảng 2.5.1 sử dụng công thức nội suy có nhiệt dung riêng của acetone và nước ở nhiệt độ cuối tRW,27 o C là Caxetone= 2296,13; Cnước = 4187,95 (J/kg.độ)

- Nhiệt dung riêng của acetone và nước trong hỗn hợp hơi là: λacetone = raceotne +tp.Cacetone = 521117 + 57,27x 2296,13= 652616,37 (J/kg) λnước = rnước +tp.Cnước = 2423960 + 57,27x 4187,95 &63803,9 (J/kg)

- Nhiệt lượng riêng của hỗn hợp hơi ở dỉnh tháp: λd= ap λacetone +(1-ap) λnước

Qw = w.Cw.tw [STQTTB 2 -196-IX.160]

Trong đó: Qw là nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra, J/h

W là lượng sản phẩm đáy tháp, kg/h

Cw là nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy, J/kg độ tw= 97,79 o Clà nhiệt độ của sản phẩm đáy, o C

- Từ bảng 2.5.1 có nhiệt dung riêng của acetone và nước ở nhiệt độ tw,79 o C là

- Cw = aw.Cacetone + (1-aw) Cnước

C2 là nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ θ2 là nhiệt độ của nước ngưng , 0 C

Trong đó: Qxq2 là nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh, lấy bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn, J/h

- Như vậy: QF + QD2+QR = Qy + Qw+ Qng2 + Qxq2

5.3 Cân bằng nhiệt lương của thiết bị ngưng tụ

5.3.1 Nếu chỉ ngưng tụ hồi lưu

Trong đó: r là ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp sản phẩm dỉnh, J/kg

Gnl là lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết, kg/h

Cn là nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t1,t2 là nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh, o C

- Từ bảng số liệu 3.1 nội suy tìm giá trị nhiệt hóa hơi của acetone và nước ở nhiệt độ tp= 57,27 o C rnước = 579,34 (kcal/kg) = 2423960 J/kg racetone = 124,55 (kcal/kg)R1117 J/kg

- Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là: rhh(P) = aP racetone +(1-ap) rnước

- Chọn nhiệt độ vào của nước làm lạnh t1 o C, nhiệt độ ra là 45 o C để tránh đóng cặn và kết tủa các muối trên bề mặt trao đổi nhiệt

Dựa vào bảng I.149 về nhiệt dung riêng của nước và hơi nước trong khoảng 0-500 oC, giá trị nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t = (20+45)/2 = 32,5 oC được xác định là Cn = 0,998375 cal/kg.độ, tương đương với 4180 J/kg.độ.

- Vậy, lượng nước lạnh cần tiêu tốn là:

5.3.2 Nếu ngưng tụ hoàn toàn

Trong đó: Cn là nhiệt dung riêng của nước làm lạnh , J/kg.độ

- Giả thiết tương tự với trường hợp chỉ ngưng tụ hồi lưu, tính được lượng nước lạnh cần tiêu tốn là:

5.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh

5.4.1 Nếu trong thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu

P.[r+Cp.(t’1-t’2)] = Gn3 Cn.(t2-t1) [STQTTB 2-198 – IX.166]

- Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ chính bằng nhiệt dung riêng của lỏng hồi lưu vào tháp: Cp=CR= 2333,97 J/kg

- Hỗn hợp sản phẩm đỉnh từ t’1=tpW,27 0 C, giả sử được làm lạnh đến t’2= 20 o C

- Chọn nhiệt đọ vào của nươc làm lạnh là t1= 20 o C , nhiệt độ ra t2= 45 o C để tránh đóng cặn và kết tủa các muối trên bề mặt trao dổi nhiệt

- Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình

5.4.2 Nếu đã ngưng tụ hoàn toàn trong thiết bị ngưng tụ

- Giả thiết tương tự với trường hợp thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ hồi lưu, tính được lượng nước lạnh cần tiêu tốn là:

6 Tính trở lực của tháp chưng luyện

Chọn loại đĩa với các thông số sau: Đoạn luyện:

- Bước lỗ tmm Đoạn chưng:

Tăng trở lực của đĩa tăng nhiệt độ ở đáy tháp, dẫn đến việc gia tăng khả năng phân hủy nhiệt, polyme hóa, cốc hóa và tắc nghẽn tháp Điều này cũng yêu cầu tăng công suất thiết bị đun bay hơi và tải trọng ở đáy tháp Do đó, cần có các giải pháp để giảm trở lực của đĩa xuống mức tối thiểu.

Trở lực tổng cộng của đĩa bao gồm các hợp phần:

∆Pd=∆Pk +∆Ps + ∆Pt , N/m 2 [STQTTB 2-192-IX.136]

Trong đó: ∆Pk là trở lực của đĩa khô, N/m 2

∆Ps là trở lực do sức căng bề mặt N/m 2

∆P là trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra , N/m 2

𝜌 𝑦 là khối lượng riêng trung bình của pha hơi, kg/m 3

𝜀 là tốc độ hơi qua lỗ, m/s Đoạn luyện: 𝜔 𝑜 = 𝜔 𝐿

- Trở lực đĩa khô của đoạn luyện là: 𝛥𝑃 𝑘𝐿 = 1.82 10,73 2 ∗1,78

- Trở lực đĩa khô của đoạn chưng là: 𝛥𝑃 𝑘𝐶 = 1.82 15,5 2 ∗1,075

6.2 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt

Vì đĩa có đường kính lỗ > 1mm nên

Trong đó: 𝜎 là sức căng bề mặt của dung dịch trên đĩa, N/m 2

- Đoạn luyện: txtbL`,15 o C ta được: 𝜎 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛 ,58.10 -3 N/m

⇒Sức căng bề mặt dung dịch đoạn luyện là: 𝜎 = ( 1

⇒Trở lực do sức căng bề mặt của đoạn luyện là:

- Đoạn chưng: txtbCi,55 o C ta được: 𝜎 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛 ,45.10 -3 N/m

⇒Sức căng bề mặt dung dịch đoạn chưng là: 𝜎 = ( 1

⇒Trở lực do sức căng bề mặt của đoạn chưng là:

6.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa

Trong đó:- hc là chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa,m

- Gx là lưu lượng lỏng, kg/h

- Lc chiều dài cửa chảy tràn,m

- m là hệ số lưu lượng qua cửa chảy tràn

𝜌 𝑥 là khối lượng riêng của lỏng, kg/m 3

- K là tỉ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của lỏng không bọt Khi tính toán chấp nhận K=0,5 Đoạn luyện:

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện:

- Trở lực thủy tĩnh của đoạn luyện là:

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là:

- Trở lực thủy tĩnh của đoạn chưng là:

6.4 Tổng trở lực của tháp

- Tổng trở lực của một đĩa đoạn luyện là:

- Tổng trở lực của một đĩa đoạn chưng là:

Tính toán cơ khí

Tính toán cơ khí là bước quan trọng trong thiết kế tháp chưng luyện, đảm bảo phù hợp với các thông số công nghệ của quá trình Tháp chưng luyện cần hoạt động ở áp suất khí quyển 1,01 x 10^5 N/m² và nhiệt độ từ 20-100 °C Do đó, vật liệu chế tạo toàn bộ tháp được chọn là thép X18H10T.

Thép X18H10T là loại thép không gỉ với thành phần chính bao gồm carbon dưới 0,1%, crom khoảng 18%, niken khoảng 10% và titan không vượt quá 1-1,5% Theo bảng số liệu trong Tính chất hợp kim [STQTTB 2 -313], thép X18H10T sở hữu nhiều tính chất ưu việt, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ bền và khả năng chống ăn mòn cao.

Bảng 7.1 Bảng các thông số tính chất của thép X18H10T

25mm Độ nhớt va đập ak, J/m 2

Hệ số giãn khi kéo ở 20-

Hệ số dẫn nhiệt ở 20-100 o C λ, W/m.độ

7.1 Tính và chọn đường kính của các ống nối Đường kính ống dẫn và các cửa vào ra của thiết bị phụ thuộc vào lưu lượng dòng hơi đi trong tháp xác định theo công thức:

Trong đó: V là lưu lượng thể tích của dòng lỏng,m 3 /s

𝜔 là tốc độ trung bình, m/s

7.1.1 Ống dẫn nhập liệu đầu

- Nhiệt độ của hỗn hợp nguyên liệu lỏng vào tháp là tF = 65,34 o C

- Dựa vào bảng số liệu nội suy ta được khối lượng riêng của 2 chất tại nhiệt độ tF 65,34 o C là: 𝜌 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑒 = 738,79kg/m 3 , 𝜌 𝑛ướ𝑐 = 980,06 kg/m 3

7.1.2 Ống tháo sản phẩm đáy

- Nhiệt độ của hỗn hợp sản phẩm đáy: 𝑡 𝑤 𝑜 = 97,79 o C

- Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy trong ống: 𝑉 = 𝑊

- Đường kính trong của ống là: 𝑑 𝑡(𝑤) = √ 1,133.10 −3

- Quy chuẩn đường kính ống tháo sản phẩm đáy là: dt(w)= 0,1m0mm

7.1.3 Ống lấy sản phẩm đỉnh

- Nhiệt độ của hỗn hợp sản phẩm đáy: 𝑡 𝑝 𝑜 = 57,27 o C → Tp = 330,27K

- Nồng độ phần mol của cấu tử phân bố trong pha hơi tại đỉnh tháp: yP= 0,983

- Lượng hơi đi ra khỏi tháp là: gđ=P.(Rx+1)= 2808,25.(0,86+1)R23,35 kg/h

- Lưu lượng thể tích hơi di chuyển trong ống: 𝑉 = 𝑔 đ

- Dựa vào bảng II.2 [2-370], với hơi bão hòa đi trong ống dẫn khí ở áp suất p=1-0,5at thì 𝜔 = 20 − 40m/s/ Chọn vận tốc chất khí di chuyển trong ống dẫn là: 𝜔 = 24m/s

- Đường kính trong của ống là: 𝑑 𝑡(𝑃) = √ 0,686

- Quy chuẩn đường kính ống tháo sản phẩm đáy là: dt(P)= 0,2m 0mm

7.1.4 Ống dẫn hồi lưu lỏng từ thiết bị ngưng tụ về tháp

- Nhiệt độ của hỗn hợp sản phẩm đáy: 𝑡 𝑟 𝑜 = 𝑡 𝑃 𝑜 = 57,27 o C

- Đường kính trong của ống là: 𝑑 𝑡(𝑅) = √ 8,914.10 −4

- Quy chuẩn đường kính ống tháo sản phẩm đáy là: dt(R)= 0,08mmm

7.1.5 Ống dẫn hồi lưu hơi ở đáy tháp

- Nhiệt độ của hỗn hợp hơi hồi lưu về đáy tháp: 𝑡 𝑤 𝑜 = 97,79 o C → Tp = 370,79K

- Nồng độ phần mol của cấu tử phân bố trong pha hơi tại đỉnh tháp: yw= 0,005

- Đường kính trong của ống là: 𝑑 𝑡 = √ 0,654

- Quy chuẩn đường kính ống tháo sản phẩm đáy là: dt= 0,2 m 0mm

7.2 Tính chiều dày thành tháp, đáy tháp và nắp tháp

7.2.1 Tính chiều dày thân tháp

Thân hình trụ là thành phần chính trong thiết bị hóa chất Tháp chưng luyện hỗn hợp acetone và nước đang được thiết kế để hoạt động ở áp suất khí quyển 0 mmHg.

Áp suất 1,01.10^5 N/m² là mức thấp ( 10 4 Chế độ chảy của chất lỏng trong ống truyền nhiệt là chế độ chảy xoáy b Tính chuẩn số Pr

Chuẩn số Pr được xác định theo công thức:

Trong đó: Cp,μ – đã tính được ở trên; λ- hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp ở ttb, xác định theo công thức:

- M: khối lượng mol của chất lỏng, kg/kmol;

- A là hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng

Với chất lỏng liên kế có A= 3,58.10 -8 (Sổ tay I-123)

0,346 = 5,018 c Tính hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch α 2 (W/m 2 độ)

Mà chế độ chất lỏng là chảy xoáy nên:

- Prt: Chuẩn số Prant của hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ thành ống

𝑃𝑟 𝑡 : Thể hiện ảnh hưởng của dòng nhiệt (đun nóng hay làm nguội)

Khi chênh lệch giữa tường và dòng nhỏ thì 𝑃𝑟

- ε1:: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính ống

Dựa vào bảng V.2 (Sổ tay II -trang 15) ta có:

Do đó hệ số cấp nhiệt về phía hỗn hợp lỏng: d Tính hệ số cấp nhiệt của hơi bão hòa

Khi tốc độ hơi trong ống nhỏ hơn 10 m/s và màng nước ngưng không chuyển động, hệ số cấp nhiệt α1 của hơi nước bão hòa trong ống thẳng đứng sẽ được xác định.

Trong đó: - H là chiều cao của ống trong thiết bị gia nhiệt, chọn H= 2m

∆𝑡 1 = tn – tT1: Hiệu số nhiệt giữa nước ngưng(tbh) và nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc (tT1)

- r là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi bão hòa ở t9,6 o C r = 526,964 (kcal/kg) = 2206,29.10 3 (J/kg)

- A là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm

Với ∆𝑡 1 = tbh-tT1 => tT1 = tbh-∆𝑡 1 = 119,6 – 5,2 = 114,4 o C

Theo bảng số liệu A-tm ( sổ tay II – Trang 29) nội suy ta có A= 186,65

Vậy lượng nhiệt cung cấp cho 1m 2 thành ống là: q1= 𝛼 1 ∆𝑡 1 = 8171,76 5,2 = 42493,15 (W/m 2 ) e Tính tổng trở thành ống ∑ 𝒓

𝜆 Chọn bề dày thành ống truyền nhiệt 𝛿 = 2𝑚𝑚

Hệ số dẫn nhiệt của thép X18H10T ở thành ống được xác định là 𝜆 = 16,3 W/m².độ, theo bảng XII.7 trong sổ tay II, trang 313 Nhiệt trở lớp cặn do hơi nước hình thành ở hai phía thành ống được chọn là rT2 = 0,116 x 10^-3 m².độ/W, dựa trên bảng PL.12, trang 346 trong TTQTTB tập 1.

= 0,703.10 -3 , m 2 Độ/W f Tính hiệu số nhiệt độ giữa hai thành ống

Nhiệt lượng dẫn qua 1m 2 thành ống: qo = ∆𝑡 𝑇 1

Do quá trình truyền nhiệt là ổn định nên q1=qo= 42493,15 (W/m 2 )

Với t2 là nhiệt độ hỗn hợp đầu đun nóng trong ống: t2= tbh-∆𝑡 𝑡𝑏 = 119,6 – 74,65 D,95

⇒ ∆𝑡 2 = 87,03 −44,95 = 42,08 0 C g Tính nhiệt lượng do thành ống cung cấp cho dung dịch q2= α2 ∆t2 = 1163,56 42,08 H962,6

42493,15 | = 0,15% < 5% (chấp nhận) Vậy lượng nhiệt trung bình truyền cho 1m 2 thành ống là:

2 = 45727,88 W/m 2 h Xác định bề mặt ống truyền nhiệt:

Bề mặt ống truyền nhiệt của thiết bị gia nhiệt được xác định: F= 𝑄

Theo bảng V.11 (Sổ tay II- Trang 48) , ta quy chuẩn và chọn tổng số ống với cách sắp xếp theo hình lục giác là 61 ống

- Số ống trên mỗi cạnh của hình 6 cạnh là: 4 ống

- Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là: 9 ống

- Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phấn: 61 ống j Tính đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:

Trong đó: b là số ống trên đường xuyên tâm b=9 t: bước ống t=1,2.d=1,2.0,025 =0,03 m d: đường kính ngoài của ống: d=0,025m

=> D= 0,03 (9-1)+4.0,025= 0,34 m k Tính lại vận tốc, chia ngăn:

Tính vận tốc thực của chất lỏng đi trong ống:

𝑠) Với GF = 6700 kg/h = 1,861 kg/s na ống d=0,021m

3,14.879,68.0,021 2 61= 0,1 m/s Để có vận tốc dòng chất lỏng đạt chế độ chảy xoáy thì cần tăng vận tốc thực của dòng

𝜔 𝑡 bằng phương pháp chia ngăn

Số ngăn của thiết bị là: 𝜔

Tính bơm hỗn hợp đầu

Bơm li tâm mang lại nhiều lợi ích như cung cấp lưu lượng ổn định, vận hành với tốc độ cao và khả năng kết nối trực tiếp với động cơ Thiết bị này có cấu

❖ Đoạn ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt đầu vào tháp:

- Lỏng ở nhiệt độ t 0 F = 65,34 0 C được đưa vào tháp với lưu lượng dòng F = 1,86 (kg/s)

- Khối lượng riêng của hỗn hợp: ρF = 861,85 (kg/m 3 )

- Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy trong ống: V = 2,16.10 -3 (m 3 /s)

- Đường kính trong của ống dẫn nhập liệu là: dt(F) = 0,125m = 125 mm

- Vận tốc thực tế dòng lỏng: ω = 0,176 (m/s)

❖ Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:

- Lỏng ở nhiệt độ t 0 C đưa vào thiết bị với lưu lượng dòng F = 1,86 (kg/s)

- Khối lượng riêng của các cấu tử ở 20 0 C (bảng 3.2): ρacetone = 791 (kg/m 3 ); ρnước

- Khối lượng riêng của lỏng:

- Dựa vào Bảng II.2 [1 – 370], với chất lỏng trong ống đẩy của bơm ω = 1,5- 2,5 (m/s) Chọn vận tốc chất lỏng chảy trong ống là: ω = 2 (m/s)

- Đường kính trong của ống là: 𝑑 𝑡 = √ 2,07×10 −3

- Quy chuẩn dt = 0,035m Suy ra vận tốc thực tế: ω = 1,77 (m/s)

+) Δpm là để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng, N/m 2

+) ΔpH là áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất thủy tĩnh, N/m 2

+) Δpc là áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, N/m 2

Δpt là áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị, được đo bằng N/m² Δpk là áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn trong những trường hợp cần thiết, chẳng hạn như khi đưa chất lỏng vào thiết bị có áp suất cao hơn áp suất khí quyển, nhằm phun chất lỏng trong tháp đệm hoặc trong phòng sấy Tuy nhiên, với hệ thống thiết bị được trình bày trong đồ án này, giá trị của Δpk là 0.

2.1.1 Áp suất động lực học

❖ Áp suất động lực học được tính theo công thức:

Trong đó: +) ρ là khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m 3

+) ω là tốc độ lưu thể, m/s Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp

❖ Các số liệu: ρF1,85 (kg/m 3 ); dtd=dt(F) = 0,125m; ω = 0,176 (m/s)

2 = 13,35 (N/m 2 ) Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

Các số liệu: ρ = 899,17 (kg/m 3 ); dtd = dt = 0,035m; ω = 1,77 (m/s)

❖ Áp suất động lực học tổng cộng là:

2.1.2 Áp suất để khắc phục trở lực do ma sát trên đường ống thẳng

❖ Áp suất khắc phục trở lực do ma sát trên đường ống thẳng tính theo công thức:

Trong đó: +) λ là hệ số ma sát

+) L là chiều dài ống dẫn, m

+) dtd là đường kính tương đương của ống dẫn, m Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp

❖ Các số liệu: ρF = 861,85 (kg/m 3 ); dtd = dt(F) = 0,125 m; ω = 0,176 (m/s)

❖ Xác định hệ số ma sát λ:

- Ở nhiệt độ tF = 65,34 0 C, nội suy từ bảng số liệu 4.1 có độ nhớt của các cấu tử àacetone = 0,222.10 -3 (N.S/m 2 ) ànước = 0,439.10 -3 (N.S/m 2 )

Nên độ nhớt của hỗn hợp: log àF= xF log àacetone + (1-xF) log ànước

- Chế độ chảy của dòng chất lỏng trong ống là chế độ chảy xoáy Do đó hệ số ma sát:

 =  là độ nhám tương đối; ε là độ nhám tuyệt đối (m)

+ Chọn ống nguyên và ống hàn trong điều kiện ít ăn mòn theo bảng II.15 [1 –

381] ta có: ε = 0,2 (mm) Do đó độ nhám tương đối: Δ = 1.6.10 -3

- Ở nhiệt độ tF = 20 0 C, từ bảng số liệu 4.1 có độ nhớt của các cấu tử àacetone = 0,322.10 -3 (N.S/m 2 ) ànước = 1.10 -3 (N.S/m 2 )

Nđộ nhớt của hỗn hợp: log àF= xF log àacetone + (1-xF) log ànước

381] ta có: ε = 0,2 (mm) Do đó độ nhám tương đối: Δ = 5,71.10 -3

❖ Chọn chiều dài đoạn ống L = 7 (m)

❖ Áp suất để khắc phục trở lực do ma sát trên ống thẳng tổng cộng trên cả 2 đoạn là:

2.1.3 Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ

❖ Áp suất khắc phục trở lực do ma sát trên đường ống thẳng tính theo công thức:

+) Ltd là chiều dài tương đương, m Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp

❖ Đoạn ống chỉ có 2 khuỷu ghép 90 0 do 3 khuỷu 30 0 tạo thành, có trở lực ξ1

❖ Với Re = 48867,78 >10 5 , chọn a/b=1, tra bảng II.16-N 0 30 [1 – 394] thì ξ1 = 0,3

2 = 4,00 (N/m 2 ) Đoạn ống đẩy từ bơm đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

❖ Đoạn ống có lắp 1 van 1 chiều để điều chỉnh lưu lượng và bảo vệ bơm, có trở lực ξ1 Lắp thêm 1 lưu lượng kế, có trở lực ξ2=0

❖ Chọn van 1 chiều kiểu đĩa không có định hướng phía dưới có b/D0 = 0,1, tra bảng

❖ Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ trên cả 2 đoạn là:

2.1.4 Áp suất để khắc phục áp suất thủy tĩnh

❖ Áp suất khắc phục áp suất thủy tĩnh được tính theo công thức:

Trong đó: +) ρ là khối lượng riêng của chất lỏng ở 20 0 C, ρ = 899,17 (kg/m 3 )

+) H là chiều cao nâng cột chất lỏng, H = 10(m)

2.1.5 Áp suất để khắc phục trở lực trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

❖ Áp suất cần thiết để khắc phục trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Δp bao gồm:

2 = 4,4 (N/m 2 ) Áp suất để khắc phục ma sát trên ống truyền nhiệt

Các số liệu: ρ = 879,68 (kg/m 3 ); đường kính ống truyền nhiệt dtd=d= 0,021m; vận tốc lỏng ω = 0,1 (m/s)

- Ở nhiệt độ ttb = 44,95 0 C, độ nhớt của hỗn hợp: 𝜇 ℎℎ = 0,515 10 -3 N.s/m

381] ta có: ε = 0,2 (mm) Do đó độ nhám tương đối: Δ = 4,76.10 -3

❖ Thiết bị có chiều dài ống truyền nhiệt H = 2 (m), chia làm 3 ngăn nên thực tế chiều dài đường đi của lỏng L =3.2 = 6 (m)

2 = 243,79 (N/m 2 ) Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ bên trong thiết bị

❖ Dòng lỏng chảy trong thiết bị phải qua các ngăn và nhiều chỗ đột mở, đột thu + Tiết diện cửa vào thiết bị (từ ống đẩy của bơm):

= = + Tiết diện cửa ra thiết bị (dẫn về tháp):

+ Giả sử 3 ngăn có tiết diện đều nhau, tiết diện khoảng trống ở 2 đầu thiết bị ứng với mỗi ngăn là:

3= 0,041 (𝑚 2 ) + Giả sử 61 ống được chia đều vào 3 ngăn thì trung bình mỗi ngăn có tổng tiết diện các ống truyền nhiệt là:

❖ Xác định hệ số trở lực cục bộ:

+ Dòng chảy vào thiết bị gia nhiệt tức là đột mở f1/f3=0,02; tra bảng II.16-N 0 11

+ Dòng chảy đi từ các ngăn vào các ống truyền nhiệt, có 3 ngăn tức là đột thu 3 lần với f4/f3=0,2, tra bảng II.16-N 0 13 [1 – 388] thì ξ2 = 0,45

+ Dòng chảy đi từ các ống truyền nhiệt vào các ngăn, có 3 ngăn tức là đột mở 3 lần với f4/f3=0,159, tra bảng II.16-N 0 11 [1 – 388] thì ξ3 = 0,64

+ Dòng chảy ra khỏi thiết bị gia nhiệt tức là đột mở f2/f3=0,3, tra bảng II.16-N 0 11

+ Tổng hệ số trở lực cục bộ: ξ=ξ1+3.ξ2+3.ξ3+ξ4=4,41

𝛥𝑝 𝑡𝑐 = 𝜉 𝛥𝑝 𝑡𝑑 = 4,41 4,4 = 19,4 (N/m 2 ) Áp suất để khắc phục áp suất thủy tĩnh

❖ Thay số: 𝛥𝑝 𝑡𝐻 = 𝜌 𝑔 𝐻 = 879,68.9,81.2 = 17259,32 (N/m 2 ) Áp suất để khắc phục trở lực trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

❖ Vậy áp suất toàn phần cần để khắc phục mọi sức cản thủy lực trong hệ thống là:

❖ Hiệu suất chung của bơm (hiệu suất toàn phần): η = η0 ηtl ηck

Trong bảng II.32, hiệu suất thể tích của bơm được tính đến sự hao hụt chất lỏng khi chảy từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp, cũng như sự rò rỉ qua các chỗ hở, với giá trị η0 dao động từ 0,85 đến 0,96 Hiệu suất thủy lực, bao gồm cả ma sát và sự tạo ra dòng xoáy trong bơm, có giá trị ηtl từ 0,8 đến 0,85 Cuối cùng, hiệu suất cơ khí, tính đến ma sát cơ khí tại ổ bi và ổ lót trục, đạt giá trị ηck từ 0,92 đến 0,96.

❖ Công suất yêu cầu trên trục động cơ của bơm:

 Trong đó: +) Q = V = 2,07 10 -3 (m 3 /s) là năng suất của bơm:

+) ρ là khối lượng riêng của chất lỏng ở 20 0 C, ρ = 899,17 (kg/m 3 ) +) H là chiều cao toàn phần của bơm, m/s; H = 18,05 (m)

+) η = 0,767 là hiệu suất toàn phần

❖ Công suất động cơ điện: dc tr dc

  Trong đó: +) ηtr là hiệu suất truyền động, chọn ηtr = 0,95

+) ηdc là hiệu suất động cơ điện, chọn ηdc = 0,85

❖ Thông thường người ta chọn động cơ điện lớn hơn so với công suất tính toán (lượng dư dựa vào khả năng quá tải):N c dc = .N , kW [1 439 II.191] dc − −

Tra bảng II.3 [1 – 440] có hệ số dự trữ  =1,5

Tính toán thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp

bề mặt truyền nhiệt, số ống, …

_ Chọn thiết bị truyền nhiệt ống chùm có các thông số sau:

Chiều cao ống: h0= 2 m Đường kính ống: d= 25mm

Chiều dày thành ống: 𝛿 = 2𝑚𝑚 Đường kính trong của ống là : d0 mm

Dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống

Chọn vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T

Theo bảng XII.7 (3-313), hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là: 𝜆 = 16,3 (w/m.độ)

* Lượng nhiệt cần thiết: ttb = tnt - ∆𝑡tb

∆𝑡tb : hiệu số nhiệt độ trung bình của 2 lưu thể td : nhiệt độ sản phẩm đỉnh

- Nhiệt độ vào của nước là tđ = 20 o C

- Nhiệt độ cuối của nước là tc = 45 o C

- Nhiệt độ ngưng tụ là tn = tP = 57,27 o C

Q = GP*CP(tđ-tc) [sổ tay QTTB II –

+ GP:lượng hỗn hợp đỉnh cần làm nguội, kg/h

+ tđ, tc: nhiệt độ đầu và cuối của hỗn hợp, ℃

+ CP: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu ở ttb, j/kg.độ

CP = aF.Cacetone + (1-aF) Cnước

Tại ttb4,77 ℃ nội suy theo bảng I.153 [Sổ tay QTTB I-171]

→ CP = aP.Cacetoen + (1-aP) Cnước = 0.98*2224,31 + (1-0.98)* 4176,31 = 2263,35 j/kg.độ Vậy nhiệt lượng cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là:

3.2 Tải nhiệt trung bình cho quá trình truyền nhiệt:

* Các chuẩn số cần thiết:

- Khối lượng riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ trung bình xác định bằng công thức:

Với ttb4,77℃ nội suy theo bảng I.2 [I-9] ta có: ρ acetone = 774,02 (kg/m 3 ) ρ nước = 993,57 (kg/m 3 )

_ Tính độ nhớt của dung dịch:

Tại ttb4,77℃ nội suy theo bảng I.102 [I-91] ta có: àA = 0,33*10 -3 (N.s/m 2 ) àB = 0.605*10 -3 (N.s/m 2 )

Chế độ của dòng chất lỏng trong ống là chế độ chảy xoáy(>10 4 ) Vì ở chế độ chảy xoáy hệ số truyền nhiệt lớn nhất Chọn giá trị Re= 10 4

_ Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch, 

A: hệ số phụ thuộc liên kết của chất lỏng Vì acetone và nước là 2 chất lỏng liên kết nên A= 3.58*10 -8

CP: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, j/kg.độ

𝜌: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m 3

M: khối lượng mol của dung dịch, kg/kmol

Ta có: M = MP U,52 kg/kmol

3 = 0,152(w/m.độ) _ Chuẩn số Pran của hỗn hợp:

+ 𝜀 1 : hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính

Ta có: đường kính ống dn % mm

0.025 > 50 nên tra bảng ta có 𝜀 1 = 1

Do chênh lệch giữa vỏ và dòng lưu thể khá nhỏ nên ta có thể coi 𝑃𝑟

* Tính hệ số cấp nhiệt:

- Hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt 𝛼 1 :

+ r: ẩn nhiệt ngưng tụ của nước, j/kg

+ A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng, tm tm = 0.5(tT1 + tđ) tT1: nhiệt độ của bề mặt tường tiếp xúc với nước ngưng, ℃ tđ: nhiệt độ srn phẩm đỉnh, ℃

∆𝑡 1 : hiệu số nhiệt độ giũa tbh và nhiệt độ phía tường tiếp xúc với nước ngưng, ℃ Chọn ∆𝑡 1 = 1℃

Ta có nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ là: tT1= tđ - ∆𝑡 1 = 57,27 – 1 = 56,27℃

Nhiệt độ màng nước ngưng tụ là: tm = 0.5(tT1 + tđ) = 0.5*(56,27 + 57,27 ) = 56,77℃

Với tm= 56,77℃ nội suy theo [II-29] ta có: A = 152,42

Tại tmV,77℃ và p*t theo bảng I.250 [I-314] ta có r = 2364,2.10 3 (j/kg)m

Vậy hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ là:

_ Nhiệt tải riêng vê phía hơi ngưng tụ: q1 = 𝛼 1 ∆𝑡 1 = 8621,41 *1 = 8621,41 w/m 2

_ Hiệu số nhiệt độ ở 2 bề mặt thành ống:

Chọn bề dày thành ống truyền nhiệt 𝛿 = 2𝑚𝑚

Hệ số dẫn nhiệt của thép X18H10T ở thành ống được xác định là 𝜆 = 16,3 W/m².độ, theo bảng XII.7 trong sổ tay II, trang 313 Nhiệt trở lớp cặn do hơi nước tạo thành ở hai phía thành ống được lấy từ bảng PL.12, trang 346 – TTQTTB tập 1, với giá trị rT1 = 0,464.10⁻³ m².độ/W và rT2 = 0,116.10⁻³ m².độ/W.

_ Hệ số cấp nhiệt 𝛼 phía dung dịch:

𝑑 = 67,17∗0.152 (25−2∗2)∗10 −3 = 486,18 _ Nhiệt tải riêng từ thành ống đến dung dịch: q2 = 𝛼 2 ∆𝑡 2 = 486,18 *15,44= 7506,62 w/m 2

Vậy chọn ∆𝑡 1 = 1℃ là phù hợp

_ Nhiệt tải riêng trung bình: qtb = 𝑞 1 +𝑞 2

_ Tổng số ống n được tính theo công thức: n = F f

Trong đó: f: diện tích xung quanh của 1 ống, m 2 f = 𝜋.dn.H = 3.14*0.025*2 = 0.157 (m 2 )

0.157 = 34,84 (ống) Quy chuẩn n 7 theo bảng V.II [II- 48]

- Số ống trên mỗi cạnh của hình 6 cạnh là:4 ống

- Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là: 9 ống

- Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phấn: 37 ống

𝑤 𝑡 wt: tốc độ thực tế chất lỏng chảy trong ống wt = 𝐺 𝑝

37∗3600∗777,46∗ 𝜋 4 ∗0.025 2 = 0.055 (m/s) Theo lí thuyết ta chọn wt = 0.3 m/s

Do tốc độ lý thuyết lớn hơn tốc độ thực tế nên ta phải chia ngăn:

0.055 = 5,45 Theo nguyên tắc số ngăn phải chẵn nên ta chọn m=6 ngăn

+ tính đường kính thiết bị:

Trong đó: t là bước ống t = (1.2–1.5)dn

Vậy thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp có các thông số sau:

Hệ thống chưng cất Acetone – Nước sử dụng tháp mâm xuyên lỗ mang lại nhiều ưu điểm như năng suất và hiệu suất cao Tuy nhiên, thiết bị này cũng có nhược điểm là cồng kềnh và yêu cầu vận hành với độ chính xác cao Do đó, trong quá trình sử dụng, cần chú ý đến an toàn lao động để tránh rủi ro có thể gây thiệt hại về người và tài sản.

Trong khuôn khổ đồ án môn học, do thời gian hạn chế và kiến thức lý thuyết cũng như thực tiễn sản xuất còn thiếu sót, em gặp nhiều khó khăn trong lần đầu tiếp xúc với đồ án Em rất mong nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo từ các thầy cô trong bộ môn.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo, đặc biệt là thầy Nguyễn Văn Xá, vì đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo em trong quá trình hoàn thành đồ án Sự quan tâm của thầy đã giúp em hiểu rõ hơn về môn học, phương pháp tính toán thiết kế, cũng như cách tra cứu và xử lý số liệu.

Em xin chân thành cảm ơn!

Tiêu đề	Thiết Kế Và Tính Toán Hệ Thống Chưng Luyện Liên Tục Làm Việc Ở Áp Suất Thường Để Tách Hỗn Hợp Hai Cấu Tử (Acetone – Nước)
Tác giả	Phạm Thị Huyền Trang
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Văn Xá
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Hóa Học
Thể loại	Đồ án môn học
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	94
Dung lượng	3,12 MB