Thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử benzen axit axetic

- Phần 3: Phương pháp và các kết quả tính thiết bị chính với các nội dung chính: Tính cân bằng vật liệu, xác định các thông số của tháp đường kính, chiều cao, trở lực, ..., tính cân bằng

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

Sơ đồ công nghệ, chú thích

STT Ký hiệu Tên thiết bị

2 T-1 Thùng chứa hỗn hợp đầu

3 T-2 Thùng chứa sản phẩm đấy

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 nguội sản phẩm đáy

8 C-2 Thiết bị ngưng tụ hồi lưu sản phẩm đỉnh

10 R-1 Bộ phận hồi lưu sản phẩm đáy

11 R-2 Bộ phận hồi lưu hơi ở đỉnh tháp

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

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

Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Dung dịch đầu từ thùng chứa hỗn hợp đầu T-1 được bơm P-1 bơm liên tục đưa vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu H-1 qua van V-2 và lưu lượng kế F-1 Bơm P-2 được lắp song song dự phòng trường hợp bơm P-1 bị hỏng hóc Tại thiết bị gia nhiệt H-1, dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi tF thì 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 gặp chất lỏng đi từ trên xuống, nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi của nồng độ Cụ thể trên một đĩa chóp của tháp, chất lỏng có nồng độ của cấu tử dễ bay hơi là x1, hơi bốc lên có nồng độ y1, trong đó y1>x1 Hơi này qua ống hơi đi lên đĩa trên, qua khe chóp, sục vào (tiếp xúc pha) với lỏng trên đó Nhiệt độ của chất lỏng trên

10 đĩa 2 thấp hơn đĩa 1, nên một phần hơi được ngưng tụ lại, do đó nồng độ cấu tử dễ bay hơi trên đĩa này là x2>x1 Hơi bốc lên từ đĩa 2 có nồng độ cấu tử dễ bay hơi là y2>x2 đi lên đĩa

3, nhiệt độ của lỏng trên đĩa 3 thấp hơn đĩa 2, nên hơi được ngưng tụ một phần và chất lỏng trên đĩa 3 có nồng độ x3>x2 Trên mỗi đĩa xảyra quá trình truyền chất giữa pha lỏng và pha hơi, quá trình bốc hơi và ngưng tụ một phần lặp lại nhiều lần, cuối cùng trên đỉnh tháp thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ cấu tử dễ bay hơi cao và dưới đáy tháp thu được sản phẩm đáy có nồng độ cấu tử khó bay hơi cao Lỏng dưới đáy giàu cấu tử khó bay hơi qua cơ cấu hồi lưu đáy tháp R-1, một phần sẽ được đưa ra khỏi thiết bị và làm lạnh ở thiết bị làm lạnh C-1, khi đạt đến nhiệt độ cần thiết sẽ được đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy T-

2 Một phần sản phẩm đáy sẽ được qua thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp H-2 để hồi lưu hơi trở về tháp Hơi trên đỉnh tháp giàu cấu tử dễ bay hơi đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu C-2, ở đây nó được ngưng tụ lại Qua cơ cấu hồi lưu R-2, một phần chất lỏng hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng, một phần khác đi qua thiết bị làm lạnh C-3 để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phầm đỉnh T-3 Như vậy với thiết bị làm việc liên tục thì hỗn hợp đầu được đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được tháo ra liên tục

BẢN KÊ CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG

Các ký kiệu và đại lượng

Ký hiệu Tên gọi Đơn vị x Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng Phần mol y Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi Phần mol y* Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

Phần mol a Nồng độ cấu tử dễ bay hơi Phần khối lượng gF Lưu lượng hỗn hợp đầu kg/h, kg/s gP Lưu lượng sản phẩm đỉnh kg/h, kg/s gW Lưu lượng sản phẩm đáy kg/h, kg/s

GF Lưu lượng hỗn hợp đầu kmol/h, kmol/s

GP Lưu lượng sản phẩm đỉnh kmol/h, kmol/s

GW Lưu lượng sản phẩm đáy kmol/h, kmol/s t o Nhiệt độ sôi o C

NLTmin Số đĩa lý thuyết nhỏ nhất

NLT Số đĩa lý thuyết

NTT Số đĩa thực tế

D Đường kính tháp chưng luyện m

H Chiều cao tháp chưng luyện m

M Khối lượng mol kg/kmol α Hệ số bay hơi tương đối ρ Khối lượng riêng kg/m 3 σ Sức căng bề mặt dyn/cm; N/m ξ Hệ số trở lực λ Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) J/kg ω Tốc độ lỏng hoặc hơi m/s

12 r Ẩn nhiệt hóa hơi, ẩn nhiệt ngưng tụ kcal/kmol p Áp suất N/m 2 , at

C Nhiệt dung riêng J/kg.độ ΔP Trở lực của tháp chưng luyện N/m 2 μ Độ nhớt N.s/m 2 ; cP

TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CHÍNH

Tính cân bằng vật liệu

4.1.1: Tính nồng độ phần mol

Cấu tử dễ bay hơi A: C6H6

Cấu tử khó bay hơi B: CH3COOH

Lưu lượng hỗn hợp đầu: GFx00 kg/h

Nồng độ % khối lượng hỗn hợp đầu: aF= 41,5 % = 0,415 (phần khối lượng)

Nồng độ % khối lượng sản phẩm đỉnh : aP= 98% = 0,98 (phần khối lượng)

Nồng độ % khối lượng sản phẩm đáy : aW= 1,4% = 0,014 (phần khối lượng)

 Công thức chuyển đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol x A a A

 Nồng độ mol của C6H6 trong pha lỏng của hỗn hợp đầu x F a C6H6

 Nồng độ mol của C6H6 trong pha lỏng của hỗn hợp sản phẩm đỉnh x P a C6H6

 Nồng độ mol của C6H6 trong pha lỏng của hỗn hợp sản phẩm đáy x W a C6H6

4.1.2: Tính lưu lượng khối lượng

 Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp

 Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi

GF.aF= GP.aP+GW.aW (2)

 Từ (1) và (2) ta có đẳng thức

 Từ đó: Lưu lượng khối lượng sản phẩm đỉnh

0,98 − 0,014 = 3237,888 (kg h) Lưu lượng khối lượng sản phẩm đáy

0,98 − 0,014 = 4562,112 (kg h) Công thức tính lưu lượng mol từ lưu lượng khối lượng

M hh Trong đó Mhh= ΣMi.xi

G’- lưu lượng mol của cấu tử trong hỗn hợp G- lưu lượng khối lượng của cấu tử trong hỗn hợp

Mi- khối lượng mol của cấu tử trong hỗn hợp

 Lưu lượng mol của hỗn hợp sản phẩm đầu

 Lưu lượng mol của hỗn hợp sản phẩm đỉnh

 Lưu lượng mol của hỗn hợp sản phẩm đáy

Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

4.2.1: Biểu diễn đường cân bằng pha lỏng- hơi a,Bảng thành phần cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi hỗn hợp

15 hai cấu tử ở 750 mmHg (% mol) [2 – 146, Bảng IX.2a.]

Hỗn hợp x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Hỗn hợp đẳng phí

Bảng 4.1.1: Bảng thành phần pha lỏng – hơi của hỗn hợp benzen-axitaxetic b, Đồ thị đường cân bằng pha lỏng(x)- hơi(y * )

Hình 4.1.1 Đồ thị đường cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) hỗn hợp 2 cấu tử C 6 H 6 -

Dựa vào đồ thị hình 4.1.1 xác định được nồng độ C6H6 trong pha hơi cân bằng với pha lỏng tại xF5,3 (%mol), xP,4 (%mol), xW=1,1 (%mol) lần lượt là: y*F q,2 (%mol); y*P,3 (%mol); y*W=5,6 (%mol)

Sử dụng công thức nội suy tuyến tính, cũng có thể xác định được nồng độ C6H6 trong pha hơi cân bằng với pha lỏng trong ở:

5 − 0 = 5,72(%mol) Hai phương pháp có sai lệch nhỏ, chọn giá trị y*F= 0,7105 (phần mol) y*P= 0,9749 (phần mol) y*W= 0,0572 (phần mol)

4.2.2: Xác định chỉ số hồi lưu nhỏ nhất a, Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu bằng phương pháp đồ thị Mc Cabe – Thiele

Dựng đồ thị y – x (đồ thị Mc Cabe – Thiele) của hỗn hợp 2 cấu tử C6H6 – CH3COOH ở chế độ chỉ số hồi lưu nhỏ nhất Rmin (Hình 4.1.1) Đường làm việc đoạn chưng qua điểm xW=yW=1,1 (%mol), đường làm việc đoạn luyện qua điểm xP=yP,4 (%mol) Hai đường cắt nhau tại điểm xF5,3 (%mol), (y*Fq,05 %mol) trên đường cân bằng pha Kéo dài đường làm việc đoạn luyện cho tới khi cắt trục tung tại điểm BmaxV

56 − 1 = 0,74 b,Ngoài ra đường cân bằng pha không có điểm uốn nên có thể xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu bằng công thức:

 Nhận xét: cả hai phương pháp đều cho giá trị chỉ số hồi lưu tối thiểu là 0,74

4.2.3: Xác định số đĩa lý thuyết nhỏ nhất N LTmin a, Xác định NLTmin ở chế độ hồi lưu hoàn toàn ở chế độ hồi lưu hoàn toàn bằng phương pháp đồ thị

Khi chỉ số hồi lưu R→ ∞ (chế độ hồi lưu hoàn toàn) đường làm việc của tháp chưng luyện liên tục sẽ trùng với đường chéo của hình vuông (y = x) trên đồ thị Mc Cabe- Thiele và số đĩa lí thuyết NLT của tháp sẽ là nhỏ nhất Dựng đồ thị y – x (đồ thị Mc Cabe – Thiele) Từ điểm có tọa độ (xP;yP) vẽ đường thẳng song song với trục hoành cắt đường cân bằng pha tại 1 điểm; rồi từ giao điểm đó vẽ đường thẳng song song với trục tung gặp đường làm việc (y=x) ở một điểm khác Cứ tiếp tục dựng các đường song song cho tới khi đến điểm (xW;yW) (tức là x rhhC6H6= 94,09 (kcal/kg); rhhC2H4O2 101,48(kcal/kg)

Hỗn hợp sản phẩm đáy: tW= 117,09 o C => rhhC6H6= 87,42(kcal/kg); rhhC2H4O2 97,11(kcal/kg)

Tính ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện r1:

24 r1= rhhC6H6.ayl+(1-ayl) rhhcC2H4O2,93×ayl+(1-ayl)× 100,070,07-8,14.ayl (kcal/kg)

Tính ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp rđ: rđ= rhhC6H6.ayP+(1-ayP) rhhcC2H4O2,09×0,98+(1-0,98) 101,48,24 (kcal/kg)

Giải hệ gl = Gl+GP gl = Gl+3237,888 gl × ayl=Gl × al+GP × aP gl × ayl=Gl × 0,415+GP × 0,98 gl × rl =gđ × rđ gl × (100,07-8,14.ayl)w70,9312×94,24 r10,07-8,14.ayl r10,07-8,14.ayl rđ,24 (kcal/kg) rđ,24 (kcal/kg)

Suy ra: glw41,1542 (kg/h); GlE03,2662 (kg/h); ayl= 0,651 (phần khối lượng); rl,771 (kcal/kg)

 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện g tbL =g đ + g l

 Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện

 Vận tốc trung bình cho phép của pha hơi đi trong đoạn luyện

- Khi tính toán đường kính cần biết trước tốc độ khí đi trong tháp Tốc độ khí phụ thuộc vào cấu tạo tháp, chế độ làm việc, khối lượng riêng, mật độ tưới Công thức tính tốc độ khí (hơi) trung bình đi trong đoạn luyện của tháp chóp

(ρyωy)tb(đl)=0,065 × φ(σ) × √h × ρxtb(đl)× ρ ytb(đl) (kg/m s) [2 – 184 – IX.105]

Trong đó: - ρxtb, ρytb: khối lượng riêng trung bình của hơi trong đoạn luyện, khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện (kg/m 3 )

- h : khoảng cách giữa các đĩa, giá trị h chọn theo đường kính tháp (m)

- φ(σ): hệ số tính đến sức căng bề mặt khi σ 20 dyn/cm thì φ(σ)=1

 Khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi) đi trong đoạn luyện (kg/m 3 ) ρ ytb(đl) =[y tbđl M 1 + (1 − y tbđl ) M 2 ]273

- Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện: t tbđl =t F + t P

Do ay1 = 0,651 (phần khối lượng) nên sử dụng công thức đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol ta có nồng độ phần mol của cấu tử phân bố trong pha hơi tại đĩa dưới cùng của đoạn luyện (đĩa tiếp liệu): y1=0,589 (phần mol)

- Nồng độ phần mol của cấu tử phân bố trong pha hơi tại đỉnh tháp: yP=0,974 (phần mol)

- Nồng độ làm việc trung bình của cấu tử phân bố trong pha hơi trong đoạn y tbđl =y l + y P

2 = 0,7815 (phần mol) Thay số: ρ ytb(đl) =[0,7815.78 + (1 − 0,7815) 60]273

 Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng đi trong đoạn luyện (kg/m 3 )

1 ρ xtbđl = a tbđl ρ xtb(1) +1 − a tbđl ρ xtb(2) [2 – 183 – IX 104]

- Nồng độ phần khối lượng trung bình của đoạn luyện: a tbđl =a F + a P

Bảng 4.3.3 Bảng khối lượng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của C 6 H 6 và CH 3 COOH ở trạng thái lỏng [1 – 9 – Bảng I.2]

- Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện: ttbl,06 o C

- Dựa vào bảng số liệu 4.3.3 sử dụng công thức nội suy xác định được ρtbC6H68,031 (kg/m 3 ) ; ρtbCH3COOH4,031 (kg/m 3 )

Bảng 4.3.4 Sức căng bề mặt phụ thuộc nhiệt độ của C 6 H 6 và CH 3 COOH, (dyn/cm)[1 –

Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện: ttbl,06 o C

- Dựa vào bảng số liệu 4.3.4 sử dụng công thức nội suy xác định được σtbC6H6= 20,54 (dyn/cm); σtbCH3COOH= 21,19 (dyn/cm)

- Sức căng bề mặt của hỗn hợp:

Chất Khối lượng riêng (kg/m 3 )

- Khoảng cách giữa các đĩa h (m) chọn theo đường kính như sau:

Bảng 4.3.5 Bảng chọn giá trị của khoảng cách giữa các đĩa phụ thuộc vào đường kính tháp chưng luyện [2 – 184]

Từ các số liệu trên ta có:

(ρyωy)tb(đl)=0,065 × φ(σ) × √h × ρxtb(đl)× ρ ytb(đl) 0,065×0,8×√h × 851,952 × 2,514~2,4065 × √h (kg/m 2 s)

 Đường kính đoạn luyện của tháp

- Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn luyện: (ρyωy)tb(đl)= 2,4065 × √h(kg/m 2 s)

- Lượng hơi trung bình dòng hơi đi trong đoạn luyện: g tbL = 7756,043( kg h)

- Giả thiết đường kính đoạn luyện 1,2 rhhC6H6,09 kcal/kg=3,93936×10 5 (J/kg); rhhC2H4O21,48(kcal/kg) = 4,248765 ×10 5 J/kg (bảng 4.3.2)

 Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là: rhh = ap rC6H6 + (1-ap) rCH3COOH = 0,98×3,93936×10 5 +(1-0,98)×4,248765 ×10 5 94554,81 J/kg

 Ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là ẩn nhiệt hóa hơi sản phẩm đỉnh: rntP = rhhP = 394554,81 J/kg

 Chọn nhiệt độ vào của nước làm lạnh t1 o C, nhiệt độ ra là t2E o C để tránh đóng cặn và kết tủa các muối trên bề mặt trao đổi nhiệt

Vậy nhiệt độ trung bình của nước làm mát là t=(20+45)/2 2,5 o C, tra bảng I.149 [1-168]

Ta có nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình 32,5 o C, áp suất khí quyển 1at là Cn=0,998375 kcal/kg.độA79,996 J/kg.độ

 Vậy lượng nước lạnh cần tiêu tốn là:

= 17115,174kg h [2 − 198 − IX164] b, Nếu ngưng tụ hoàn toàn

Trong đó Cn là nhiệt dung riêng của nước làm lạnh

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

Tính trở lực của tháp chưng luyện loại đĩa chóp

Trở lực của đĩa tăng sẽ làm tăng nhiệt độ ở đáy tháp và kết quả sẽ làm tăng khả năng phân hủy nhiệt, tăng khả năng polyme hóa các chất, tăng khả năng cốc hóa và tăng khả năng tắc nghẽn tháp Ngoài ra tăng trở lực của tháp cũng đòi hỏi phải tăng công suất thiết bị đun bay hơi đáy tháp cũng như tăng tải trọng cần thiết ở đáy tháp Vì các lí do trên nên trọng lượng thực tế luôn cần các giải pháp để giảm trở lực của đĩa đến mức thấp nhất

Trở lực của tháp chóp tính theo công thức ΔP=NTT×ΔPđ N/m 2 [2 - 192 IX.135]

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

Trở lực tổng cộng của đĩa bao gồm các hợp phần: ΔPđ = ΔPk + ΔPs + ΔPt [2-192- IX.136]

Trong đó: ΔPk :trở lực đĩa khô ΔPs : trở lực của đĩa do sức căng bề mặt ΔPt : trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh)

4.6.1 Trở lực của đĩa khô ΔPk ΔP k = ξρ y w o 2

Trong đó: +) ξ: hệ số trở lực, thường ξ = 4,5-5, chọn ξ = 5

+) ρy: khối lượng riêng của pha hơi, kg/m 3 +) ω0: tốc độ của khí khi qua rãnh chóp, m/s

 Tốc độ của khí đi qua rãnh chóp: w 0 = 4 V y

3600 π n d h 2 , m/s Trong đó: +) Vy: lưu lượng hơi đi trong tháp, m3/h

+) dh: đường kính ống hơi, m +) n: số chóp phân bố trên một đĩa, n = (chóp)

 Lưu lượng hơi đi trong tháp

V y =g y ρ y , m 3 /h Trong đó: +) gy: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h

+) ρy: khối lượng riêng trung bình pha hơi trong tháp, kg/m 3 a, Trở lực của đĩa khô trên đoạn luyện

- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đi trong đoạn luyện: ρytbđl=2,514 kg/m 3

- Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: gtbđlw56,043 kg/h

- Lưu lượng hơi đi trong đoạn luyện:

- Đường kính ống hơi của chóp chọn dh0mm=0,1m

- Số chóp phân bố trên đĩa n = 0,1D 2 d h 2 = 0,11,4 2

- Tốc độ của khí đi qua rãnh chóp: w 0 = 4 V y

3600 𝜋 20 0,1 2 = 5,456m/s Suy ra :Trở lực của đĩa khô ΔPk trong đoạn luyện

2 = 187,091 N m 2 b, Trở lực của đĩa khô trên đoạn chưng

- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đi trong đoạn chưng: ρytbđl=2,111 kg/m 3

- Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng: gtbđlv75,669 kg/h

- Lưu lượng hơi đi trong đoạn chưng:

- Tốc độ của khí đi qua rãnh chóp: w 0 = 4 V y

3600 𝜋 20 0,1 2 = 6,430m/s Suy ra :Trở lực của đĩa khô ΔPk trong đoạn chưng ΔP k = ξρ y w o 2

4.6.2 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt ΔPs ΔPs=4σ/dtđ , N/m 2 [2-192-IX.138]

Trong đó: σ- sức căng bề mặt, N/m dtđ- đường kính tương đương của khe rãnh chóp, m Khi rãnh chóp mở hoàn toàn:dtđ = 4fx/п, ở đây fx là diện tích tự do của rãnh fx=a.b; a,b là chiều cao và chiều rộng rãnh; п là chu vi của rãnh

- Chiều cao khe chóp: b =ξ ρ y w y 2 g ρ x [2 − 236 − IX 215]

Hệ số trở lực của đĩa chóp ξ, thường là 1,5-2, chọn ξ=2 w y = 4 V y

3600 π n d h 2 Chiều rộng khe chóp: a=2-7mm, chọn a=5mm=0,005m; chọn g=9,81m/s 2

- đường kính tương đương: dtđJb/п=(4×18×5)/46=7,83 mm = 7,83.10 -3 m

- sức căng bề mặt σ hh = 10,43 ( dyn cm) = 10,43 10 −3 N/m Suy ra trở lực ΔPs của đoạn luyện: ΔP s =4 σ d tđ =4 × 10,43 × 10 −3

- đường kính tương đương: dtđJb/п=(4×20×5)/50=8 mm = 8.10 -3 m

- sức căng bề mặt σ hh = 9,4 ( dyn cm) = 9,4 10 −3 N/m

- Suy ra trở lực ΔPs của đoạn chưng: ΔP s =4 σ d tđ =4 × 9,4 × 10 −3

4.6.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) ΔP t = ρ b g (h b −h r

Trong đó: hr =b – chiều cao khe chóp, m

47 ρb – khối lượng riêng của bọt, thường ρb=(0,4-0,6)ρx, kg/m 3 , chọn ρb=0,5ρx g – gia tốc trọng trường, m/s 2 lấy g=9,81 m/s 2 hb – chiều cao của lớp bọt trên đĩa, m h b =(h c + Δ − h x )(F − f)ρ x + h x ρ b f + (h ch − h x )f ρ b

Trong đó: hc-chiều cao đoạn ống chảy truyền nhô lên trên mặt đĩa, m Δ-chiều cao của chất lỏng trên ống chảy truyền, m hx-chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa, m

F-phần bề mặt đĩa có gắn chóp (trừ hai phần diện tích đĩa để bố trí ống chảy truyền), m 2 ρb-khối lượng riêng của bọt, kg/m 3 hch-chiều cao của chóp, m f-tổng diện tích các chóp trên đĩa, m 2

 f=0,785d 2 chn.n, m 2 trong đó dchn- đường kính ngoài của chóp; n- số chóp trên đĩa d ch = √d h 2 + (d h + 2 δ ch ) 2 , δ ch là chiều dày của chóp, chọn δ ch = 0,003m d ch = √d h 2 + (d h + 2 δ ch ) 2 = √0,1 2 + (0,1 + 2 × 0,003) 2 = 0,146 m

Nên đường kính ngoài: dchn=dch+2δch=0,146+2×0,003=0,152m f=0,785d 2 chn.n=0,785×0,152 2 ×20=0,363 m 2

 chiều cao chóp: hch=hh+h2=1,2dh+0,25dh=1,45dh=0,145 m h2-chiều cao chóp phía trên ống hơi, h2=0,25dh[2 -236 -IX.213] hh-chiều cao ống hơi, hh=1,2dh

 chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa

48 hx=S+0,5×b; S-Khoảng cách từ mặt đĩa tới chân chóp, S=0-25mm, chọn Smm

 chiều cao đoạn ống chảy truyền nhô lên trên mặt đĩa hc=(h1+b+S)-Δ, h1- chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp h1-40mm, chọn h10mm

 chiều cao của chất lỏng trên ống chảy truyền Δ = √( V

Với V- thể tích chất lỏng chảy qua , V=Gx/ρx dc- đường kính ống chảy truyền, d c = √ 4 G x

Với Gx – lưu lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện, chưng ρx- khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện, chưng z- số ống chảy truyền, chọn z=1 wc-tốc độ chất lỏng trong ống chảy truyền, chọn wc=0,15 m/s

 phần bề mặt đĩa gắn chóp

4 − 2S chảy tràn Trong đó D là đường kính trong của tháp

Schảy tràn = Squạt – SOAB, chọn α= 50 [2-360-chú thích (1)] Nên bỏ qua giá trị p dưới mẫu số của công thức tính chiều dày thân tháp hình trụ

 Chọn theo Bảng XIII.9 [2–364] giá trị C3=0,8mm nên CC2+C3=1,8 mm

 Chiều dày thân hình trụ là: S = 0,96 + 1,8 = 2,76 mm

Suy ra chọn S= 5 mm g, Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử Áp suất thử tính toán được xác định theo công thức sau: p0=pth+pt [2-366]

Trong đó: pth là áp suất thủy lực lấy theo bảng XIII.5 [2 – 358]; pt là áp suất thủy tĩnh của lỏng trong tháp pt550,29 N/m 2

54 Áp suất tính p1550,29 N/m 2 nằm trong đoạn áp suất 0,07.10 6 -0,5.10 6 N/m 2 nên tra bảng XIII.5 [2 – 358] có áp suất thử thủy lực pth=1,5p=1,5×191550,29(7325,44 N/m 2 Áp suất thử tính toán là: p0=pth+pt(7325,44+90550,2977875,73 N/m 2 Ứng suất của thành theo áp suất thử [2 -365 – XIII.26]: σ =[D t + (S − C)] × p 0

 Vậy thân tháp dày S = 5 mm, khối lượng tấm thép 62,8 kg/m 2 , đường kính trong

Dt 00 mm Đường kính ngoài Dn=Dt+2×S00+2×510 mm

4.7.2 Tính đáy và nắp thiết bị

Nắp và đáy cũng là bộ phần quan trọng của thiết bị và thường được chế tạo cùng loại vật liệu với thân thiết bị Đáy, nắp có thể nối với thân bằng cách hàn, ghép bích hoặc hàn liền với thân (thiết bị đúc bằng vật liệu vỏ giòn) Đáy, nắp có nhiều dạng elip, bán cầu, nón, phẳng Chọn phụ thuộc vào hình dạng thân và áp suất trong Tính toán đáy và nắp hoàn toàn như nhau Trong đồ án này, nắp và đáy được chọn chế tạo từ thép X18H10T Do thiết bị đặt thẳng đứng làm việc ở áp suất khí quyển, chịu áp suất trong p = 191550,29 > 7.10 4 (N/m 2 ) nên ta sử dụng nắp và đáy dạng elip có gờ, chế tạo bằng phương pháp hàn từ

2 nửa tấm, lắp với thân thiết bị bằng cách ghép bích Ở tâm của đáy và đỉnh có đục lỗ để lấy sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh

Chiều dày S của đáy và nắp được xác định theo công thức sau:

+) Tra bảng XIII.10 [2 – 382] có chiều cao phần lồi ở đáy hb50mm tương ứng đường kính trong của tháp Dt = 1,4 (m)

+) p là áp suất làm việc bên trong thiết bị

+) [σk] = 146,667.10 6 là ứng suất kéo của vật liệu (N/m 2 )

+) φh = 0,95 :hệ số bền của mối hàn hướng tâm [2–362–Bảng XIII.8]

+) k là hệ số không thứ nguyên xác định qua công thức k=1− d

D t +) d là đường kính của lỗ không tăng cứng, (m)

+) C là đại lượng bổ sung, tương tự như C trong phần tính chiều dày thân tháp nhưng có tăng thêm 1 ít tùy chiều dày nắp và đáy

 Tính toán nắp thiết bị

- Đường kính ống lấy sản phẩm đỉnh dn00mm=0,3m

191550,29 = 571,74 > 30 nên bỏ qua p ở mẫu của công thức tính chiều dày

Do (S-C)=1,29.10 -3 m = 1,29 mm < 10 mm nên ta tăng thêm 2 mm so với giá trị C ở phần tính thân tháp Như vậy C = 1,8 + 2 = 3,8 mm

Tra bảng XIII.11 [2 – 384] chọn S=7 mm tương ứng với chiều cao gờ h% mm Tra bảng XIII.10 [2 – 383] được các thông số tương ứng: bề mặt trong F=2,24 (m 2 ); thể tích V = 398.10 3 (m 3 ), đường kính phôi D = 1693(mm)

- Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thủy lực p0 = 377875,73 (N/m 2 ) theo công thức XIII.49 [2 – 386]: σ = [D t 2 + 2 × h b × (S − C)] × p o

= 116,66 10 6 N/m 2 suy ra σ < σc/1,22,22.10 6 (N / m 2 ) nên thỏa mãn

 Tính toán đáy thiết bị

- Đường kính ống tháo sản phẩm đáy là: dđ0 mm = 0,1 m

191550,29 = 675,75 > 30 nên bỏ qua p ở mẫu của công thức tính chiều dày

Do (S-C)=1,09.10 -3 m = 1,09 mm < 10 mm nên ta tăng thêm 2 mm so với giá trị C ở phần tính thân tháp Như vậy C = 1,8 + 2 = 3,8 mm

- Tra bảng XIII.11 [2 – 384] chọn S= 7 mm tương ứng với chiều cao gờ h% mm, khối lượng m2.1,013,42 kg Tra bảng XIII.10 [2 – 383] được các thông số tương ứng: bề mặt trong F=2,24 (m 2 ); thể tích V = 398.10 3 (m 3 ), đường kính phôi D 1693(mm)

- Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thủy lực p0 = 377875,73 (N/m 2 ) theo công thức XIII.49 [2 – 386]: σ = [D t 2 + 2 × h b × (S − C)] × p o

= 98,71 10 6 N/m 2 suy ra σ < σc/1,22,22 10 6 (N / m 2 ) nên thỏa mãn

 Tra bảng XIII.16.[2 – 391] về độ sai lệch cho phép về hình dạng và kích thước của đáy và nắp elip có gờ được các thông số: ΔD = ±3mm; C= 4mm; f =4mm; Δh =±8mm

 Vậy nắp và đáy thiết bị được thiết kế với các thông số: đường kính trong Dt = 1400 mm; h = 25mm; hb = 350 mm; S = 7 mm ; m = 125,24 kg; bề mặt trong F = 2,24 (m 2 ); thể tích V = 398.10 3 (m 3 ), đường kính phôi D = 1693 mm

4.7.3 Tính đường kính các loại ống dẫn Đường kính ống dẫn

Trong đó V- lưu lượng thể tích, ω- tốc độ trung bình của chất lỏng và khí, cho theo bảng II.2-370 a, Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào đĩa tiếp liệu

Nhiệt độ của hỗn hợp đầu vào tháp là tF,04 o C, nội suy theo bảng 4.3.3 được khối lượng riêng của benzen và axit axetic: ρC6H61,756 kg/m 3 ; ρCH3COOH7,154 kg/m 3

Khối lượng riêng của hỗn hợp

967,154 => ρ hh = 890,883 kg/m 3 Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy trong ống

890,883= 8,755 m 3 /h Hỗn hợp tự chảy vào tháp nên chọn vận tốc chất lỏng đi trong ống là ω=0,2m/s

Vậy đường kính ống dẫn:

Vậy vận tốc thực tế w = 4V

3600π.0,125 2 = 0,198 m/s b, Đường kính ống dẫn từ thiết bị ngưng tụ hồi lưu về tháp tR = tP = 80,08 o C là nhiệt độ chất lỏng hồi lưu, tra bảng 4.3.3 và nội suy ta có khối lượng riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ 80,08 o C là: ρC6H64,912 kg/m 3 ; ρCH3COOH0,908 kg/m 3

980,908 => ρ hh = 817,679 kg/m 3 Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy trong ống

Hỗn hợp tự chảy vào tháp nên chọn vận tốc chất lỏng đi trong ống là ω=0,25m/s (II.2-1-

Vậy đường kính ống dẫn:

Vậy vận tốc thực tế w = 4V

59 c, Đường kính ống dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp

Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp gđw70,9312 kg/h

Phân tử lượng trung bình của hơi đi ra khỏi đỉnh tháp

MTB=MC6H6×xP+MCH3COOH×(1-xP)x×0,974+60×0,026w,532 kg/mol

Khối lượng riêng của hơi ra khỏi đỉnh tháp ở 80,08 o C ρ = Mtb

80,08 + 273= 2,677 kg m 3 [1 − 5 − I 3] Lưu lượng hơi đi trong ống:

2,677 = 2902,85 m 3 /h Chọn vận tốc hơi đi trong ống là ω m/s

Vậy đường kính ống dẫn hơi:

Vậy vận tốc thực tế w = 4V

3600π.0,25 2 = 16,42 m/s d, Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy

Khối lượng riêng của sản phẩm đáy tại tW7,09 o C là ρhh4,64 kg/m 3

Lưu lượng lỏng đi trong ống:

924,64 = 4,934 m 3 /h Hỗn hợp tự chảy vào tháp nên chọn vận tốc chất lỏng đi trong ống là ω=0,26m/s Vậy đường kính ống dẫn:

Vậy vận tốc thực tế w = 4V

3600π.0,1 2 = 0,175 m/s e, Đường kính ống dẫn hơi nước bão hòa vào đáy tháp để đun sôi lại

Với lượng hơi đốt đi vào đun sôi đáy tháp D230,127 kg/h ta chọn đường kính ống dẫn hơi là 200mm và đường kính ống dẫn nước ngưng là 100mm

4.7.4.1 Chọn bích nối giữa thân tháp với đáy và nắp tháp

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

5.1.1 Tính hiệu số nhiệt độ trung bình Δt tb , o C Để đun nóng hỗn hợp đầu gồm 0,415 (phần khối lượng) C6H6 và 0,585 (phần khối lượng) CH3COOH với năng suất F = 7800 (kg/h) Ta giả thiết hỗn hợp đầu có nhiệt độ ban đầu là 20 o C, cần đun nóng tới nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu là tF = 92,04 o C Để đun nóng hỗn hợp ta dùng thiết bị gia nhiệt loại ống chùm, kiểu thẳng đứng, chế tạo từ thép CT3, có bọc lớp cách nhiệt bên ngoài và dùng hơi nước bão hòa ở 142,9 o C [1 – 314 – Bảng I.251] để đun sôi hỗn hợp

Suy ra Δt1=thbh-tđ2,9-202,9 o C; Δt2=thbh-tc2,9-92,04P,86 o C

 Hiệu số nhiệt độ của hai lưu thể: Δt tb =Δt 1 − Δt 2 lnΔt 1 Δt 2

Nhiệt độ trung bình của dung dịch: ttb = thbh – Δttb = 142,9 – 81,65 = 61,25 o C

Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu từ nhiệt độ tđ o C đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu tc = tF = 92,04 o C, tính theo công thức: Q =F.C.(tc – tđ), W

Trong đó: +) Q là nhiệt lượng cần thiết đun sôi hỗn hợp đầu, W

+) F = 7800 (kg/h) là lượng hỗn hợp đầu

+) C là nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ) tại ttba,25 o C Ứng với nhiệt độ ttba,25 o C Từ bảng số liệu 4.5.1 có nhiệt dung riêng của C6H6và

CH3COOH tương ứng là CC6H636,56 J/kg; CCH3COOH"13,81 J/kg

Suy ra nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu: C = aF CC6H6 +(1-aF) CPCH3COOH=0,415 1936,56 +(1-0,415) 2213,81 98,75 J/kg.độ

5.1.2 Tính nhiệt tải trung bình

 Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ được tính: α 1 = 2,04 A √ r Δt H

4 , W m 2 độ Trong đó: +) α = α1 là hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (W/m 2 độ)

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

+) r (J/kg) là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt

+) Δt là hiệu số nhiệt độ giữa nước ngưng (tn = thbh = 142,9 o C) và nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc (tT1) → Δt = thbh – tT1

+) H là chiều dài của ống truyền nhiệt, chọn H = h0 = 2(m) Ứng với hơi nước bão hòa nhiệt độ thbh2,9 o C, 4at, tra bảng tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc áp suất [1-314] có ẩn nhiệt ngưng tụ r!41.10 3 J/kg

Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm=0,5(tT1+thbh)=0,5.(139,7+142,9)1,3 o C, tra cứu dựa vào bảng số liệu [2 – 29] ta có: A = 194,2

Tải nhiệt riêng phía hơi ngưng tụ: q1 = α1×Δt = 9527,71×3,2 = 30488,67 W/m 2

Hiệu số nhiệt độ giữa 2 phía thành ống là: ΔtT=tT1-tT2=Σr×q1 Σr- tổng trở nhiệt của thành ống

Giả thiết lớp cặn bẩn bám trên bề mặt truyền nhiệt (ở 2 bên thành ống phía hơi đốt và phía dung dịch) có bề dày khoảng 0,5 mm và có nhiệt trở trung bình

- Lớp cặn bẩn phía hơi nước ngưng tụ: r1 = 0,464.10 -3 (m 2 độ/W) [2 – 4]

- Lớp cặn bẩn phía hỗn hợp: r2 = 0,116.10 -3 (m 2 độ/W) [2 – 4]

Thành ống dày δ = 2 (mm) = 0,002 (m); làm bằng thép CT3 có hệ số dẫn nhiệt λ = 50 (W/m.độ)

 Do đó, tổng nhiệt trở của thành ống là: Σr = Σδ i λ i = r 1 +δ λ+ r 2 = 0,464 × 10 −3 +0,002

= 6,2 × 10 −4 (m 2 độ/W) Suy ra hiệu số nhiệt độ giữa 2 phía thành ống là: ΔtT=tT1-tT2=Σr×q1=6,2×10 -4 ×30488,67,9 o C Vậy tT29,7-18,90,8 o C

Hiệu số nhiệt độ hỗn hợp lỏng và thành ống tiếp xúc với hỗn hợp lỏng: Δt2 = tT2 – ttb = 120,8-61,25 = 59,55 o C

 Hệ số cấp nhiệt của dung dịch

Chuẩn số Nuyxen được xác định theo công thức:

Nu = α l λ [2 − 11 − V 33] suy ra α = Nu λ l Trong đó: +) α = α2 là hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m2.độ)

+) l = dtd là kích thước hình học +) λ là hệ số dẫn nhiệt của dung dịch

 Tính chuẩn số Re, xác định chế độ chảy của hỗn hợp lỏng trong ống, chọn Re 4

+) ω là tốc độ của lỏng chảy trong ống

+) l = dtd là kích thước hình học, đường kính tương đương của ống truyền nhiệt

+) ρ là khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng, (kg/m 3 )

+) μ (N.s/m 2 ) là độ nhớt động lực của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình ttba,25 o C

- Nội suy từ bảng số liệu 4.4.1 có độ nhớt μC6H6= 0,3854 (cP) ; μCH3COOH=0,6913 (cP)

- Độ nhớt của hỗn hợp: lg μhh= lg μC6H6 × xC6H6 + lg μCH3COOH × xCH3COOH =lg0,3854× 0,353 + lg0,6913 × (1-0,353)

Dựa vào bảng số liệu 4.3.3 sử dụng công thức nội suy xác định được khối lượng riêng tại 61,25 o C ρtbC6H64,69 (kg/m 3 ) ; ρtbCH3COOH02,56 (kg/m 3 )

+) Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của hỗn hợp đầu tại ttba,25 o C Đã tính được ở trên Cp = 2098,75 J/kg.độ

+) μ (N.s/m 2 ) là độ nhớt động lực của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình ttba,25 oC Đã tính ở trên μ = 3,194.10 -4 N.s/m 2 +) λ là hệ số dẫn nhiệt của dung dịch (W/m.độ)

 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch xác định theo công thức λ = A C p ρ √ρ

+) Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của hỗn hợp đầu tại ttba,25 o C Đã tính được ở trên Cp = 2098,75 J/kg.độ

+) ρ = 925,33 (kg/m 3 ).là khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng

+) M = 66,354 (kg/kmol) là khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu

+) A là hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng Với chất lỏng không liên kết benzen-axit axetic A = 4,22.10 -8 [1 – 123]

Do chế độ chảy của chất lỏng trong ống là chế độ chảy xoáy nên:

+) Prt là chuẩn số Pran của hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ trung bình của tường

+) ε1 là hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống Do tỉ số l/d >50 và Re> 4 nên tra bảng V.2 [2 – 15] có ε1 = 1

Tỉ số Pr/Prt thể hiện ảnh hưởng của dòng nhiệt (đun nóng hay làm nguội) Khi chênh lệch giữa tường và dòng nhỏ thì ( Pr

Thay số Nu = 0,021 ɛ 1 Re 0,8 Pr 0,43 ( Pr

0,021 = 528,65 W m 2 độ Tải nhiệt riêng phía hỗn hợp benzen-axit axetic: q2 = α2×Δt2 = 528,65×59,551481,11 W/m 2

30488,67 = 3,26% < 5% Giả thiết đưa ra chấp nhận được Nhiệt lượng truyền cho 1m 2 ống trung bình là: q =q 1 + q 2

5.1.3 Tính bề mặt trao đổi nhiệt và đường kính của thiết bị

 Diện tích bề mặt truyền nhiệt xác định thông qua nhiệt tải riêng:

 Số ống của thiết bị được xác định theo công thức:n= F f

Trong đó: +) F = 10,57 m 2 là tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

+) f=π.dtb.h0 là diện tích bề mặt 1 ống truyền nhiệt, m 2 +) h0 = 2 m là chiều cao ống truyền nhiệt dtb=(dt+dn)/2=(21+25)/2# mm là đường kính trung bình của một ống truyền nhiệt

Chọn sắp xếp ống theo hình 6 cạnh (kiểu bàn cờ) Quy chuẩn theo bảng số liệu V.II [2 –

Tổng số ống của thiết bị là: n = 91 ống

- Số hình 6 cạnh là: 5 ống

- Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là: b = 11(ống)

- Số ống trên 1 cạnh của hình 6 cạnh: a = 0,5.(11+1) = 6(ống) [2 – 48 – V.139]

 Đường kính trong của thiết bị được xác định theo công thức:

D = t.(b-1)+4d Trong đó: +) d = dn = 25mm là đường kính của ống truyền nhiệt

+) t là bước ống, thường t = 1,2 – 1,5d Chọn t = 1,4d = 35 mm Thay số D = t.(b-1)+4d = 35×(11-1)+4×25 = 450mm =0,45m

 Số ngăn của thiết bị

Khi Re 4 thì tốc độ chảy của dung dịch cần phải đạt được là: ω gt =Re μ d ρ 4 × 3,194 × 10 −4

0,021 × 925,33 = 0,164 m/s Tốc độ chảy theo tính toán ω tt = 4 G F

3600 × 91 × π × 925,33 × 0,021 2 = 0,074 m/s Suy ra số ngăn thiết bị m = ω gt ω tt =0,164

Tính bơm hỗn hợp đầu

Bơm li tâm có nhiều ưu điểm: cung cấp đều, quay với tốc độ nhanh, có thể gắn trực tiếp với động cơ, thiết bị đơn giản, không có xupap nên ít bị tắc và hư hỏng, phù hợp với

75 nhiều loại chất lỏng, trong đó có hỗn hợp benzen-axit axetic Do đó, ta chọn sử dụng bơm li tâm vận chuyển nguyên liệu đến gia nhiệt ở thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu, sau đó dung dịch sẽ tự chảy từ thiết bị gia nhiệt đầu vào tháp

5.2.1 Áp suất toàn phần của bơm Áp suất toàn phần cần để khắc phục mọi sức cản thủy lực trong hệ thống: Δp=Δpđ+ Δpm+ ΔpH+ ΔpC+ Δpt+ Δpk [1- 376 -II.53]

+) Δpđ là áp suất động lực học (áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống dẫn), N/m 2

+) 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 , N/m 2

+) Δpk là áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn trong những trường hợp cần thiết, ví dụ đưa chất lỏng vào thiết bị có áp suất cao hơn áp suấtkhí quyển, để phun chất lỏng trong tháp đệm, trong phòng sấy Với hệ thống thiết bị trình bày trong đồ án này, Δpk = 0 a, Áp suất động lực học Áp suất động lực học được tính theo công thức: Δp đ =ρ × ω 2

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

Khối lượng riêng của hỗn hợp: ρ0,883 kg/m 3

Vận tốc lưu thể: ω=0,198 m/s, đường kính ống dẫn: d=0,125 m

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

Lỏng ở nhiệt độ t o C đưa vào thiết bị với lưu lượng dòng F = 7800kg/h Khối lượng riêng của các cấu tử ở 20 o C nội suy theo bảng 4.3.3 được khối lượng riêng của benzen và axit axetic: ρC6H69 kg/m 3 ; ρCH3COOH48 kg/m 3

Khối lượng riêng của lỏng:

1048 => ρ hh = 970,56 kg/m 3 Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy trong ống

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:

Vậy vận tốc thực tế w = 4V

 Áp suất động lực học tổng cộng là: Δpđ=Δp1+Δp255,02 N/m 2 b, 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: Δp m = λ L d tđ ρ × ω 2

+) 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

Khối lượng riêng của hỗn hợp: ρ0,883 kg/m 3

Vận tốc lưu thể: ω=0,198 m/s, đường kính ống dẫn: d=0,125 m

Xác định hệ số ma sát λ Ở nhiệt độ tF,04 o C có độ nhớt hỗn hợp μhh=0,409 (cP)=0,409.10 -3 N.s/m 2

0,409 × 10 −3 = 53910,402 > 10 4 Chế độ chảy của dòng chất lỏng trong ống là chế độ chảy xoáy Do đó hệ số ma sát:

+ Δ 3,7] [1 − 380 − II 65], trong đó Δ = ɛ d tđ − độ nhám tương đối, ɛ − độ nhám tuyệt đối

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

+1,6 × 10 −3 3,7 ] => λ = 0,0255 Chọn chiều dài đoạn ống L = 3 (m)

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

Khối lượng riêng của hỗn hợp: ρ0,56 kg/m 3

Vận tốc lưu thể: ω=1,78 m/s, đường kính ống dẫn: d=0,04 m

Xác định hệ số ma sát λ Ở nhiệt độ tF o C có độ nhớt hỗn hợp μhh=0,972 (cP)=0,972.10 -3 N.s/m 2

0,972 × 10 −3 = 71094,52 > 10 4 Chế độ chảy của dòng chất lỏng trong ống là chế độ chảy xoáy Do đó hệ số ma sát:

+ Δ 3,7] [1 − 380 − II 65], trong đó Δ = ɛ d tđ − độ nhám tương đối, ɛ − độ nhám tuyệt đối

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 = 1,12.10 -4

3,7 ] => λ = 0,0197 Chọn chiều dài đoạn ống L = 10 (m)

 Áp suất để khắc phục trở lực do ma sát trên ống thẳng tổng cộng trên cả 2 đoạn Δpm=Δp1+Δp2u83,18 N/m 2 c, 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: Δp c = ξ ×ω 2 × ρ

Trong đó: +) ξ là hệ số trở lực cục bộ

+) Ltđ là chiều dài tương đương, m

 Đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào tháp

Khối lượng riêng của hỗn hợp: ρ0,883 kg/m 3

Vận tốc lưu thể: ω=0,198 m/s, đường kính ống dẫn: d=0,125 m Đoạn ống có 2 khuỷu ghép 90 o 3 khuỷu 30 o tạo thành, có trở lực ξ1, chọn a/b=1 tra bảng II.16-N 0 30 [1 – 394]thì ξ1=0,3

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

Khối lượng riêng của hỗn hợp: ρ0,56 kg/m 3

Vận tốc lưu thể: ω=1,78 m/s, đường kính ống dẫn: d=0,04 m 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 II.16N 0 47, II.16N 0 48 [1 – 400] thì ξ1 = 0,55+15,5,05

 Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ trên ống thẳng tổng cộng trên cả 2 đoạn Δpc=Δp1+Δp2$683,099 N/m 2 c, Áp suất để khắc phục áp suất thủy tĩnh Áp suất khắc phục áp suất thủy tĩnh được tính theo công thức: ΔpH=ρ.g.H, N/m 2 [1 -377 -II.57]

Trong đó: +) ρ là khối lƣợng riêng của chất lỏng ở 20 o C, ρ53,1 (kg/m 3 )

+) H là chiều cao nâng cột chất lỏng, H(m) Thay số: ΔpH=ρ.g.H53,1×9,81×102549,11 N/m 2 d, 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 Δpt bao gồm: áp suất động lực học Δptd, áp suất do ma sát trên ống truyền nhiệt Δptm, áp suất do trở lực cục bộ Δptc, áp suất thủy tĩnh ΔptH

 Áp suất động lực học

Trong phần tính toán thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, tốc độ lỏng thực tế đạt ωtt = 0,074 (m/s); khối lượng riêng tại ttba,25 o C là ρ = 925,33 (kg/m 3 )

 Áp suất để khắc phục ma sát trên ống truyền nhiệt

+) μ (N.s/m 2 ) là độ nhớt động lực của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình ttba,25 o C Đã tính ở trên μ = 3,194.10 -4 N.s/m 2

+)Trong phần tính toán thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, tốc độ lỏng thực tế đạt ωtt 0,074 (m/s); khối lượng riêng tại ttba,25 o C là ρ = 925,33 (kg/m 3 ); dtđ=d=0,021m Chuẩn số Reynold:

3,194 × 10 −4 = 4502,08 > 4.10 3 Suy ra chất lỏng chảy trong ống truyền nhiệt là chế độ chảy xoáy, chọn ɛ=0,2mm- độ nhám tuyệt đối

Ren"0.(dtđ/ɛ) 9/8 A329,55>Re Suy ra λ phụ thuộc vào chỉ số Reynold và độ nhám của thành ống λ = 0,1 (1,46.ɛ d+100

Re) 0,25 = 0,0436 Suy ra: Δp tm = λ L d tđ ρ × ω 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):f 1 = π×d 2

Tiết diện cửa ra thiết bị (dẫn về tháp): f 2 = π×d 2

Giả sử 3 ngăn có tiết diện đều nhau, tiết diện khoảng trống ở 2 đầu thiết bị ứng với mỗi ngăn là: f 3 = π×d 2

3 = 0,0041 m 2 Giả sử 91 ống được chia đều vào 3 ngăn thì trung bình mỗi ngăn có tổng tiết diện các ống truyền nhiệt là: f 4 = π×d 2

- Xác định hệ số trở lực cục bộ:

Dòng chảy vào thiết bị gia nhiệt tức là đột mở f1/f3=0,4, tra bảng II.16-N 0 11 [1 -387] thì ξ1 = 0,36

Dòng chảy đi từ các ngăn vào các ống truyền nhiệt, có 3 ngăn tức là đột thu 3 lần với f3/f4=0,4, tra bảng II.16-N 0 13 [1 – 388] thì ξ2 = 0,34

Dòng chảy đi từ các ngăn vào các ống truyền nhiệt, có 3 ngăn tức là đột mở 3 lần với f3/f4=0,4, tra bảng II.16-N 0 11 [1 – 388] thì ξ3 = 0,36

Dòng chảy ra khỏi thiết bị gia nhiệt tức là đột mở f3/f2=0,4, tra bảng II.16-N 0 11 [1-

Tổng hệ số trở lực cục bộ: ξ=ξ1+3.ξ2+3.ξ3+ξ4=2,82

 Áp suất để khắc phục áp suất thủy tĩnh Ống truyền nhiệt cao 2m ΔpH=ρ.g.H5,33×9,81×2154,97 N/m 2

 Áp suất để khắc phục trở lực trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Δpt= Δptđ+ Δptm+ Δptc+ ΔptH196,195 N/m 2

Vậy áp suất toàn phần cần để khắc phục mọi sức cản thủy lực trong hệ thống: Δp=Δpđ+ Δpm+ ΔpH+ ΔpC+ Δpt+ Δpk 4566,604 N/m 2 Hiệu suất chung của bơm (hiệu suất toàn phần): η = η0 ηtl ƞck

Tra bảng II.32 [1 – 439] có hiệu suất thể tích tính đến sự hao hụt chất lỏng chảy từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp và do chất lỏng rò qua các chỗ hở của bơm: η0 = 0,85-0,96;

82 hiệu suất thủy lực, tính đến ma sát và sự tọa ra dòng xoáy trong bơm: ηtl = 0,8-0,85; hiệu suất cơ khí tính đến ma sát cơ khí ở ổ bi, ổ lót trục: ηck = 0,92-0,96

Chiều cao toàn phần bơm cần tạo ra:H = Δp ρ×g = 194566,604

970,56×9,81= 20,44 m Công suất yêu cầu trên trục động cơ của bơm:

Trong đó: +) Q = V = 8,037 (m 3 /h)=2,232.10 -3 (m 3 /s) là năng suất của bơm:

+) ρ là khối lượng riêng của chất lỏng ở 20 0 C, ρ0,56 (kg/m3) +) H là chiều cao toàn phần của bơm, m/s; H = 20,44 (m)

+) η = 0,767 là hiệu suất toàn phần Công suất yêu cầu trên trục động cơ của bơm:

Tính toán thiết bị ngưng tụ hồi lưu đỉnh tháp

Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp gđw70,9312 kg/h

Ngưng tụ hơi đỉnh tháp gồm 0,98(phần khối lượng) benzen và 0,02 (phần khối lượng) axetic ở nhiệt độ tP = 80,08 0 C Để ngưng tụ hơi ta dùng thiết bị ngưng tụ loại ống chùm, kiểu thẳng đứng, chế tạo từ thép CT3, có bọc lớp cách nhiệt bên ngoài và sử dụng nước lạnh làm tác nhân lạnh Giả thiết nhiệt độ đầu của nước là 20 0 C; nhiệt độ cuối chọn là 45 0 C, để tránh hiện tượng các muối dễ kết tủa và đóng cặn lại trên bề mặt ống trao đổi nhiệt Tại thiết bị ngưng tụ hồi lưu xảy ra quá trình trao đổi nhiệt giữa hơi đi ra từ đỉnh tháp với nước làm lạnh, lượng nhiệt trao đổi ở đây đúng bằng nhiệt lượng cần cung cấp để hóa hơi lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp

Ta chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm thẳng đứng với các thông số:

- Chiều cao ống trao đổi nhiệt: H = 2 (m)

- Đường kính ngoài của ống trao đổi nhiệt: dn = 25 (mm)

- Chiều dày thành ống trao đổi nhiệt: δ = 2 (mm)

- Đường kính trong của ống trao đổi nhiệt: dt = 21 (mm)

- Tác nhân nóng là hỗn hợp benzen-axetic đi ra khỏi đỉnh tháp có độ tinh khiết cao nên ta cho đi bên ngoài chùm ống, còn tác nhân làm lạnh là nước lạnh ta cho đi bên trong các ống để dễ làm vệ sinh khi các chất bẩn bám trong ống Hơi đi từ trên xuống, nước đi từ dưới lên

- Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu: λ = 50 (W/m.độ) [2 – 313]

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

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

- Nhiệt độ ngưng tụ là: tnt = tP = 80,08 o C

Suy ra Δt1=tnt-tđ,08-20`,08 o C; Δt2=tnt-tc,08-455,08 o C

 Hiệu số nhiệt độ của hai lưu thể: Δt tb =Δt 1 − Δt 2 lnΔt 1 Δt 2

Nhiệt độ trung bình của dòng nước trong ống: ttb = (tđ+tc)/2= 32,5 o C Ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là ẩn nhiệt hóa hơi sản phẩm đỉnh: rntP = rhhP = 394554,81 J/kg

Ta có nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình 32,5 o C, áp suất khí quyển 1at là

Cn=0,998375 kcal/kg.độA79,996 J/kg.độ

Lượng nước lạnh cần tiêu tốn là:Gnl115,174 kg/h

5.3.2 Tính nhiệt tải trung bình

 Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ được tính: α 1 = 2,04 A √ r Δt H

4 , W m 2 độ Trong đó: +) α = α1 là hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (W/m 2 độ)

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

+) r (J/kg) là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi

+) Δt là hiệu số nhiệt độ giữa nước ngưng (tnt = 80,08 o C) và nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc (tT1) → Δt = tnt – tT1

+) H là chiều dài của ống truyền nhiệt, chọn H = h0 = 2(m) Ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là ẩn nhiệt hóa hơi sản phẩm đỉnh: rntP = rhhP = 394554,81 J/kg Lấy Δt = 3,5 o C, duy ra tT1v,58

Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm=0,5(tT1+tnt)=0,5.(75,98+80,08)x,33 o C, tra cứu dựa vào bảng số liệu [2 – 29] ta có: A = 167,831

Tải nhiệt riêng phía hơi ngưng tụ: q1 = α1×Δt = 5275,39×3,5 = 18463,87 W/m 2

Hiệu số nhiệt độ giữa 2 phía thành ống là: ΔtT=tT1-tT2=Σr×q1 Σr- tổng trở nhiệt của thành ống

Giả thiết lớp cặn bẩn bám trên bề mặt truyền nhiệt (ở 2 bên thành ống phía hơi đốt và phía dung dịch) có bề dày khoảng 0,5 mm và có nhiệt trở trung bình

- Lớp cặn bẩn phía tiếp xúc nước lạnh: r1 = 0,464.10 -3 (m 2 độ/W) [2 – 4]

- Bên phía sản phẩm đỉnh sạch nên gần như không có cặn r2=0

Thành ống dày δ = 2 (mm) = 0,002 (m); làm bằng thép CT3 có hệ số dẫn nhiệt λ = 50 (W/m.độ)

 Do đó, tổng nhiệt trở của thành ống là: Σr = Σδ i λ i = r 1 +δ λ+ r 2 = 0,464 × 10 −3 +0,002

= 5,04 × 10 −4 (m 2 độ/W) Suy ra hiệu số nhiệt độ giữa 2 phía thành ống là: ΔtT=tT1-tT2=Σr×q1=5,04×10 -4 ×18463,87=9,31 o C Vậy tT2v,58-9,31g,27 o C

Hiệu số nhiệt độ hỗn hợp lỏng và thành ống tiếp xúc với hỗn hợp lỏng: Δt2 = tT2 – ttb = 67,27-32,5 = 34,77 o C

Chuẩn số Nuyxen được xác định theo công thức:

Nu = α l λ [2 − 11 − V 33] suy ra α = Nu λ l Trong đó: +) α = α2 là hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m2.độ)

+) l = dtd là kích thước hình học +) λ =0,613 (W/m.độ) là hệ số dẫn nhiệt của nước

 Tính chuẩn số Re, xác định chế độ chảy nước trong ống, chọn Re 4

Re =ω l ρ μ [2 − 13 − V 36] Ở nhiệt độ ttb2,5 0 C tra bảng I.5 [1 – 12] có ρ = 994,895 (kg/m 3 ); bảng I.102 có μ 0,7601.10 -3 (N.s/m 2 )

86 Ở nhiệt độ ttb2,50C tra bảng I.129 [1 – 133] có hệ số dẫn nhiệt của nước λ=0,527 (kcal/m.h.độ) = 0,613 (W/m.độ)

+) Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của nước tại ttb2,5 o C Ta có nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình 32,5 o C, áp suất khí quyển 1at là Cn=0,998375 kcal/kg.độA79,996 J/kg.độ

Do chế độ chảy của chất lỏng trong ống là chế độ chảy xoáy nên:

+) Prt là chuẩn số Pran của hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ trung bình của tường

+) ε1 là hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống Do tỉ số l/d >50 và Re> 4 nên tra bảng V.2 [2 – 15] có ε1 = 1

Tỉ số Pr/Prt thể hiện ảnh hưởng của dòng nhiệt (đun nóng hay làm nguội) Khi chênh lệch giữa tường và dòng nhỏ thì ( Pr

Thay số Nu = 0,021 ɛ 1 Re 0,8 Pr 0,43 ( Pr

Tải nhiệt riêng phía hỗn hợp benzen-axit axetic: q2 = α2×Δt2 = 524,16×34,77225,04 W/m 2

18463,87 = 1,29% < 5% Giả thiết đưa ra chấp nhận được Nhiệt lượng truyền cho 1m 2 ống trung bình là: q =q 1 + q 2

5.3.3 Tính bề mặt trao đổi nhiệt và đường kính của thiết bị

 Diện tích bề mặt truyền nhiệt xác định thông qua nhiệt tải riêng:

 Số ống của thiết bị được xác định theo công thức:n= F f

Trong đó: +) F = 46,43 m 2 là tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

+) f=π.dtb.h0 là diện tích bề mặt 1 ống truyền nhiệt, m 2 +) h0 = 2 m là chiều cao ống truyền nhiệt dtb=(dt+dn)/2=(21+25)/2# mm là đường kính trung bình của một ống truyền nhiệt

Chọn sắp xếp ống theo hình 6 cạnh (kiểu bàn cờ) Quy chuẩn theo bảng số liệu V.II [2 –

Tổng số ống của thiết bị là: n = 367 ống

- Số hình 6 cạnh là: 10 ống

- Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là: b = 21(ống)

- Số ống trên 1 cạnh của hình 6 cạnh: a = 0,5.(21+1) = 11(ống) [2 – 48 – V.139]

 Đường kính trong của thiết bị được xác định theo công thức:

D = t.(b-1)+4d Trong đó: +) d = dn = 25mm là đường kính của ống truyền nhiệt

+) t là bước ống, thường t = 1,2 – 1,5d Chọn t = 1,4d = 35 mm Thay số D = t.(b-1)+4d = 35×(21-1)+4×25 = 800mm =0,8m

 Số ngăn của thiết bị

Khi Re 4 thì tốc độ chảy của dung dịch cần phải đạt được là: ω gt =Re μ d ρ 4 × 7,601 × 10 −4

0,021 × 994,895 = 0,364 m/s Tốc độ chảy theo tính toán ω tt = 4 G P

3600 × 367 × π × 994,895 × 0,021 2 = 0,071m/s Suy ra số ngăn thiết bị m = ω gt ω tt =0,364