Thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cầu từ rượu etylic nước

- Phần đồ án này sẽ trình bày thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa chóp để phân tách hỗn hợp gồm hai cấu tử Rượu etylic – Nước, làm việc ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào

Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ

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 đƣợc 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 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 xảy ra 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.

Tính toán kỹ thuật thiết bị chính

Tính cân bằng vật liệu

- Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp: F = P + W

- Cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi:

GF.aF = GP.aP + GW.aW

→ Lượng sản phẩm đáy GW = 𝐹.(𝑎 𝑃 −𝑎 𝐹 )

→ Lượng sản phẩm đỉnh GP = GF - GW = 3,0 – 1,58 = 1,42 kg/s

❖ Công thức đổi nồng độ % khối lượng sang nồng độ phần mol

❖ Nồng độ mol của rượu eylic trong pha lỏng của hỗn hợp đầu

❖ Nồng độ mol của rượu eylic trong pha lỏng của hỗn hợp sản phẩm đỉnh

❖ Nồng độ mol của rượu eylic trong pha lỏng của hỗn hợp sản phẩm đáy

3.1.2 Xác định chỉ số hồi lưu R th

3.1.2.1 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 hai cấu tử ở 760 mmHg (%mol) [2-149, Bảng IX.2a.]

Bảng 3.1.1 Bảng thành phần cân bằng pha lỏng – hơi và nhiệt độ sôi hỗn hợp

Hỗn hợp Rượu etylic – Nước x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Hỗn hợp đẳng phí y* 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100 89,4 t, °C 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4 78,15

Hệ hai cấu tử rượu etylic – nước trên đường cân bằng pha lỏng hơi có điểm đẳng phí Nhưng trong đồ án này các thông số tính toán nằm dưới điểm đẳng phí Nên chỉ cần sử dụng riêng phương pháp chưng luyện cũng có thể tách thu được 2 cấu tử tinh khiết riêng biệt

Sử dụng công thức nội suy tuyến tính, ta cũng có thể xác định được nhiệt độ sôi hỗn hợp 2 cấu tử trong:

= 99,24 𝑜 𝐶 b) Đồ thị đường cân bằng pha lỏng (x) - hơi (y)

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

3.1.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu nhỏ nhất R min a) Những giả thiết của Mc Cabe và Thiele [5 – 74]

- Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp được ngưng tụ hoàn toàn Vì vậy trên đường làm việc của đoạn luyện có một điểm xP = yD

- Chấp nhận quy tắc của Trouton, tức r/TS = 21 kcal/kmol 0 K = const Với nhiệt hóa hơi r không đổi có thể xác định nhiệt độ sôi

- Bỏ qua sự khác biệt về nhiệt độ sôi của các thành pần coi dòng mol trên đoạn chưng và đoạn luyện không đổi

- Để có dòng mol không đổi và đường làm việc là đường thẳng cần chấp nhận, tháp chưng luyện làm việc đoạn nhiệt, tức sẽ không có sự lấy và cấp nhiệt với môi trường

- Đường làm việc của đoạn chưng đi qua điểm xW = yW b) Phương trình đường nồng độ làm việc

* Phương trình đường làm việc của đoạn luyện

* Phương trình đường làm việc của đoạn chưng

𝑃 c) Xác định chỉ số hồi lưu nhỏ nhất R min

- Khi chỉ số hồi lưu của tháp chưng cất bằng Rmin để đạt được mức độ tách cần thiết của hỗn hợp (xF ÷ xP) thì số đĩa lí thuyết NLT của tháp sẽ tiến đến ∞ (do đường làm việc của tháp và đường cân bằng pha cắt nhau hoặc tiếp xúc với nhau)

- Dựng đồ thị y – x (đồ thị Mc Cabe – Thiele) của hỗn hợp 2 cấu tử rượu etylic – nước ở chế độ chỉ số hồi lưu nhỏ nhất Rmin (Hình 3.1.2) Đường làm việc đoạn chưng qua điểm xW = yW = 0,4 (%mol), đường làm việc đoạn luyện qua điểm xP = yP (%mol) Hai đường cắt nhau tại điểm xF = 24,3 (%mol) trên đường cân bằng pha Kéo dài đường làm việc đoạn luyện cho tới khi cắt trục tung tại điểm 𝐵̅̅̅̅̅̅̅ = 32 𝑚𝑎𝑥

3.1.2.3 Xác định số đĩa lý thuyết nhỏ nhất N LTmin

❖ Xác định N LTmin ở chế độ hồi lưu hoàn toàn bằng công thức Fenske

Trong đó α là hệ số bay hơi tương đối xác định theo công thức:

- Đối với hỗn hợp lý tưởng thì α = const không phụ thuộc vào nồng độ Còn với các trường hợp khác lí tưởng như trường hợp rượu etylic – nước đang xét thì α có giá trị trung bình:

- Trong đó αi (i = 1 ÷ k) là các giá trị tương ứng với các giá trị xi khác nhau Do đó áp dụng công thức tính α ta xây dựng được bảng số liệu các giá trị αi tương ứng với các giá trị xi như sau:

Bảng 3.1.2 Bảng giá trị các α i tương ứng với các giá trị x i

- Hệ số bay hơi tương đối 𝛼 = (𝛼 1 𝛼 2 … 𝛼 10 ) 10 1 = 2,504

- Áp dụng công thức Fenske với xP = 0,86 (phần mol); xW= 0,004 (phần mol); α=2,504 ta được:

3.1.2.4 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp R th

- Chỉ số hồi lưu R có ảnh hưởng trực tiếp đến vị trí tương đối của đường làm việc so với đường cân bằng pha trên đồ thị y-x (Mc Cabe- Thiele) vì góc nghiêng đường làm việc của đoạn luyện 𝑡𝑎𝑛 ∝= 𝑅

𝑅+1 nên sẽ ảnh hưởng đến số đĩa lý thuyết NLT và chiều cao H của tháp Mặt khác chỉ số hồi lưu cũng liên quan trực tiếp tới lượng nhiệt Q cần cấp cho thiết bị đun bay hơi ở dưới đáy tháp Q ~ G = P(R+1) Ở đây G - lưu lượng dòng hơi đi trong tháp; P - lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh

- Như vậy chỉ số hồi lưu R có ảnh hưởng trái chiều đến chiều cao của tháp (khi R tăng, chiều cao H giảm, kinh phí chế tạo tháp giảm) và ảnh hưởng xuôi chiều đến lượng nhiệt tiêu tốn Q (khi R tăng, lượng nhiệt Q tăng, chi phí vận hành tăng) Vì vậy để tháp chưng cất làm viêc đạt được hiệu quả kinh tế cao cần xác định được chỉ số hồi lưu x (phần mol) 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 y* (phần mol) 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 αi 9,443 7,129 4,529 3,170 2,386 1,890 1,548 1,307 1,124 0,978

SVTH: LÊ NGỌC ÁNH– 20190687 16 thích hợp Rth Chỉ số hồi lưu Rth có thể xác định theo 2 tiêu chí là: chiều cao H của tháp và thể tích VT của tháp Tùy theo yêu cầu mức độ chính xác, trong tính toán công nghiệp thường tính gần đúng chỉ số hồi lưu làm việc bằng:

Rx = (1,2 ÷ 2,5).Rmin [2 – 158 – IX.25a] hay Rx = 1,3.Rmin + 0,3 [2 – 159 – IX.25b] Do

Rmin = 1,688 nên chỉ số hồi lưu làm việc sẽ trong khoảng Rx = 2,03 ÷ 4,22 hoặc Rx 2,49

❖ Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp R th theo tiêu chí thể tích V T của tháp

- Để chọn Rth ta lập quan hệ NLT = f(R) sử dụng quan hệ thực nghiệm Gililand dựa trên phương trình Molokanov: 𝑦 ∗ = 1 − 𝑒𝑥𝑝 ( 1+54,4𝑥

- Đối với các tháp chuyển khối, kinh phí chế tạo tháp thông thường tỷ lệ thuận với thể tích của tháp VT ~ V = NLT(R + 1) nên để tìm được chỉ số hồi lưu thích hợp cần phải xây dựng được quan hệ V = NLT(R + 1) = f(R) Quan hệ này cũng sẽ xây dựng được bằng cách sử dụng đồ thị x – y của Mc Cabe hoặc sử dụng phương trình của

Molokanov ta có bảng sau:

Bảng 3.1.3 Bảng số liệu quan hệ N LT =f(R), V= N LT (R+1)

→ Sử dụng phương trình Molokanov có bảng số liệu 3.1.3 và dựng được đồ thị quan hệ V=NLT(R+1) như trên hình 3.1.3 Từ đồ thị hình 3.1.3 cho thấy nếu chọn thể tích của tháp làm tiêu chí tối ưu thì chỉ số hồi lưu thích hợp Rth = 2,7 ứng với NLT = 14,02 đĩa

3.1.3 Tính cân bằng vật liệu của đoạn chưng và đoạn luyện để xác định lưu lượng các dòng pha đi trong từng đoạn của tháp

3.1.3.1 Giải cân bằng vật liệu toàn tháp chưng luyện a) Tính theo lưu lượng mol (kmol/s)

• Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp: 𝑀 = ∑ 𝑛 𝑖=1 𝑀 𝑖 𝑥 𝑖

- Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu:

- Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp sản phầm đỉnh:

- Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp sản phẩm đáy:

• Lưu lượng mol hỗn hợp đầu: 𝐺 𝐹 = 𝐹

• Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp (kmol/s):

• Cân bằng vật chất với cấu tử dễ bay hơi rượu etylic:

• Lưu lượng mol hỗn hợp sản phẩm đỉnh:

• Lưu lượng mol hỗn hợp sản phẩm đáy:

𝑠 ) b) Tính theo lưu lượng khối lượng (kg/h)

• Phương trình cân bằng vật liệu cho toán tháp (kg/s): F=P+W

• Cân bằng vật chất với cấu tử dễ bay hơi rượu etylic: 𝐹 𝑎 𝐹 = 𝑃 𝑎 𝑃 + 𝑊 𝑎 𝑊

• Lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh:

• Lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đáy:

• Lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu: F = 3,0 (kg/s) = 10800 (kg/h)

Như vậy, ta có bảng số liệu: t 0 C Lưu lượng mol Lưu lượng khối lượng

Hỗn hợp đầu t 0 F = 82,555 0 C GF = 0,121 (kmol/s) F = 3,0 (kg/s)

Sản phẩm đỉnh t 0 P = 78,48 0 C GP = 0,0338 (kmol/s) P = 1,42 (kg/s)

Sản phẩm đáy t 0 W = 99,24 0 C GW = 0,0872 (kmol/s) W = 1,58 (kg/s)

Bảng 3.1.4 Bảng số liệu nhiệt độ sôi; lưu lượng các dòng hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

* Phương trình đường làm việc của đoạn luyện

* Phương trình đường làm việc của đoạn chưng

- Chọn Rth = 2,7; phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện là: y = 0,72973x + 0,23243; phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng là: y = 1,30072x - 0,0012

- Dựa vào phương trình đường làm việc, đồ thị đường cân bằng pha và công thức đổi từ phần mol sang phần khối lượng: 𝑎 𝐴 = 𝑀 𝐴 𝑥 𝐴

MA=Mrượu etylic= 46 (kg/kmol); MB=MNước = 18 (kg/kmol), ta xây dựng được bảng số liệu 3.1.5 như sau:

Hỗn hợp Phần mol Phần khối lượng x y y* x y y* Đầu xF = 0,243 yF = 0,41 y*F = 0,55 aF = 0,45 a yF = 0,64 ay*F = 0,757 Đỉnh tháp xP = 0,86 yP = 0,86 y*P = 0,866 aP = 0,94 a yP = 0,94 ay*P = 0,943 Đáy tháp xW = 0,004 yW = 0,004 y*W = 0,027 aW = 0,01 a yW = 0,01 ay*W = 0,066

Bảng 3.1.5 Bảng số liệu nồng độ cấu tử phân bố trong pha lỏng (x), trong pha hơi ra khỏi đĩa (y) và trong pha hơi cân bằng với lỏng trên đĩa (y*) trong hỗn hợp đầu, hỗn hợp sản phẩm đỉnh, hỗn hợp sản phẩm đáy

3.1.3.2 Tính toán lưu lượng các dòng pha đi trong từng đoạn tháp

- Đối với tháp chưng luyện loại đĩa, do ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử trong hỗn hợp cần tách khác nhau cho nên lượng hơi sẽ khác nhau ở các tiết diện khác nhau của tháp Để tính lượng hơi này cần giải kết hợp các phương trình cần bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng a) Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện

2 [2 − 181 − 𝐼𝑋 91 Trong đó: +) gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h)

+) gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)

+) g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h)

• Tính lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp gđ = GR + GP = GP (Rth + 1) [2-181- IX.92]

Trong đó: +) GR: lượng lỏng hồi lưu

+) GP: lượng sản phẩm đỉnh, Gp= 5109,68 (kg/h)

+) Rth: chỉ số hồi lưu, Rth = 2,7

• Cân bằng vật liệu toàn phần từ đĩa tiếp liệu đến đỉnh tháp g1 = G1 + GP [2-182-IX 93]

 Lượng lỏng đi vào đĩa tiếp liệu của đoạn luyện: G1 =g1 - GP

• Cân bằng vật liệu riêng phần cho cấu tử dễ bay hơi từ đĩa tiếp liệu đến đỉnh tháp

Trong đó: +) ay1: phần khối lượng của cấu tử phân bố (rượu etylic) trong pha hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện

+) a1 = aF = 0,45: nồng độ phần khối lượng của rượu etylic trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu

+) aP = 0,94: nồng độ phần khối lượng của rượu etylic trong pha lỏng ở hỗn hợp sản phẩm đỉnh

• Phương trình cân bằng nhiệt lượng toàn phần từ đĩa tiếp liệu đến đỉnh tháp

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

+) rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp

Chất lỏng Nhiệt độ sôi ở pa, ts, °C

Bảng 3.1.6 Bảng nhiệt hóa hơi r hh (kcal/kg) phụ thuộc vào nhiệt độ của Rượu etylic và Nước [1-254- Bảng I.212] (1 kcal/kg = 4,1868.10 3 J/kg)

- Hỗn hợp đầu 𝑡 𝐹 𝑜 = 82,555 𝑜 𝐶 => rrượu etylic = 200,98 (kcal/kg); rnước = 556,45 (kcal/kg)

- Sản phẩm đỉnh 𝑡 𝑃 𝑜 = 78,48 𝑜 𝐶 => rrượu etylic = 202,61 (kcal/kg); rnước = 560,52 (kcal/kg)

- Sản phẩm đáy 𝑡 𝑊 𝑜 = 99,24 𝑜 𝐶 => rrượu etylic = 194,30 (kcal/kg); rnước = 539,76 (kcal/kg)

- Tính ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện r1: r1 = ay1.rrượu etylic + (1 - ay1) rnước = 200,98 ay1 + (1-ay1).556,45 = 556,45 – 355,47 ay1

- Tính ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp rđ: rđ = ayP.rrượu etylic + (1-ayP) rnước = 0,94.202,61 + (1 - 0,94).560,52 = 224,08 (kcal/kg) Giải hệ:

 G1 = 7819,88 (kg/h); g1 = 12929,56 (kg/h); ay1 = 0,644 (phần khối lượng); r1 327,527 (kcal/kg) = 1371290,044 (J/kg)

• Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:

ℎ ) b) Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện:

ℎ ) c) Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

Trong đó: +) gtbC: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng (kg/h)

+) g’n: Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn chưng (kg/h)

+) g’1: Lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

+) g1: Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h)

• Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện g’n = g1 = 12929,56 (kg/h)

• Cân bằng vật liệu cho đĩa thứ nhất của đoạn chưng: G’1 = g’1+GW [2-182-IX.98]

• Cân bằng vật liệu riêng phần cho cấu tử dễ bay hơi tại đĩa thứ nhất của đoạn chưng: 𝐺′ 1 𝑎 𝑥′1 = 𝑔′ 1 𝑎 𝑦𝑤 + 𝐺 𝑊 𝑎 𝑊 [2 − 182 − 𝐼𝑋 99]

Trong đó: +) ax’1 : là phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi rượu etylic trong pha lỏng tại đĩa thứ nhất của đoạn chưng

+) ayw: là nồng độ phần khối lượng của rượu etylic trong pha hơi ở sản phẩm đáy +) aw: là nồng độ phần khối lượng của rượu etylic trong pha lỏng ở sản phẩm đáy

• Phương trình cân bằng nhiệt lượng toàn phần từ đĩa tiếp liệu đến đáy tháp:

+) r’1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

+) r’n: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

Xác định đường kính của tháp chưng luyện

3.2.1 Xác định tốc độ làm việc của pha hơi trong đoạn chưng, đoạn luyện

3.2.1.1 Khối lượng riêng trung bình a) Khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi) đi trong đoạn luyện (kg/m 3 )

2 : nồng độ phần mol của cấu tử phân bố lấy theo giá trị trung bình

+) 𝑦 đ1 , 𝑦 𝑐1 : nồng độ làm việc giữa đĩa tiếp liệu và đỉnh tháp

+) T: nhiệt độ làm việc trung bình đoạn luyện, K

- Do ay1 = 0,644 (phần khối lượng)

- Nồng độ phần mol của cấu tử phân bố trong pha hơi tại đỉnh tháp: yP = 0,86 (phần mol)

- Nồng độ làm việc trung bình của cấu tử phân bố trong pha hơi trong đoạn luyện:

- Nồng độ phần mol trung bình của cấu tử phân bố trong pha lỏng:

- Nội suy từ bảng IX 2a, [2-148] ta có nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện là:

 Khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi) đi trong đoạn luyện là:

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

Trong đó: +) 𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐿 : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện +) 𝜌 𝑥𝑡𝑏(1) , 𝜌 𝑥𝑡𝑏(2) : Khối lượng riêng của rượu etylic và nước của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình

+) 𝑎 𝑡𝑏𝐿 : Phần khối lượng trung bình của rượu etylic trong pha lỏng

- Nồng độ phần khối lượng trung bình của đoạn luyện:

- Tại 𝑡 𝑡𝑏𝐿 ° = 79,688°C, nội suy từ bảng I.2 [1-9] xác định được:

 Khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện:

𝑚 3 ) c) Khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi) đi trong đoạn chưng (kg/m 3 )

2 : nồng độ phần mol của cấu tử phân bố lấy theo giá trị trung bình +) 𝑦 đ2 , 𝑦 𝑐2 : nồng độ làm việc giữa đĩa tiếp liệu và đỉnh tháp

+) T: nhiệt độ làm việc trung bình đoạn chưng, K

- Nồng độ làm việc trung bình của cấu tử phân bố trong pha hơi trong đoạn chưng:

- Nồng độ phần mol trung bình của cấu tử phân bố trong pha hơi:

- Tại 𝑥 𝑡𝑏2 = 0,124 (𝑝ℎầ𝑛 𝑚𝑜𝑙), nội suy từ bảng IX 2a, [2-148] ta có nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng là:

 Khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi) đi trong đoạn chưng là:

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

Trong đó: +) 𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐶 : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng +) 𝜌 𝑥𝑡𝑏(1) , 𝜌 𝑥𝑡𝑏(2) : Khối lượng riêng của rượu etylic và nước của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình

+) 𝑎 𝑡𝑏𝐶 : Phần khối lượng trung bình của rượu etylic trong pha lỏng

- Nồng độ phần khối lượng trung bình của đoạn chưng:

- Tại 𝑡 𝑡𝑏𝐶 ° = 85,708°C, nội suy từ bảng I.2 [1-9] xác định được:

 Khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chưng:

3.2.1.2 Tốc độ khí (hơi) trung bình đi trong đoạn luyện của tháp chóp

- 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:

+) 𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐿 , 𝜌 𝑦𝑡𝑏𝐿 : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí trong đoạn luyện

+) h: khoảng cách giữa các đĩa (m)

+) hệ số 𝜑(𝑥) phụ thuộc vào sức căng bề mặt, khi 𝜎 < 20 (dyn/cm) thì 𝜑(𝑥)= 0,8, khi 𝜎 > 20 (dyn/cm) thì 𝜑(𝑥)= 1

Bảng 3.2.1 Sức căng bề mặt phụ thuộc nhiệt độ của rượu etylic và nước (dyn/cm)

- Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện: 𝑡 𝑡𝑏𝐿 𝑜 = 79,688 𝑜 𝐶 ; nội suy dựa vào bảng 3.2.1 có 𝜎𝑟ượ𝑢 𝑒𝑡𝑦𝑙𝑖𝑐 = 17,33 ( 𝑑𝑦𝑛

- Sức căng bề mặt trung bình của lỏng trong đoạn luyện:

+) 𝜎 𝑥𝑡𝑏1 , 𝜎 𝑥𝑡𝑏2 : lần lượt là sức căng bề mặt của rượu etylic và nước trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình

+) 𝑎 𝑡𝑏𝐴 : Phần khối lượng trung bình của rượu etylic trong pha lỏng

- Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi đi trong đoạn luyện:

3.2.1.3 Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng của tháp chóp

- Công thức tính tốc độ khí (hơi) trung bình đi trong đoạn chưng của tháp chóp:

+) 𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐶 , 𝜌 𝑦𝑡𝑏𝐶 : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí trong đoạn chưng

+) h: khoảng cách giữa các đĩa (m)

+) hệ số 𝜑(𝑥) phụ thuộc vào sức căng bề mặt, khi 𝜎 < 20 (dyn/cm) thì 𝜑(𝑥)= 0,8, khi 𝜎 > 20 (dyn/cm) thì 𝜑(𝑥)= 1

- Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng: 𝑡 𝑡𝑏𝐶 𝑜 = 85,708 𝑜 𝐶 ; nội suy dựa vào bảng 3.2.1 có 𝜎𝑟ượ𝑢 𝑒𝑡𝑦𝑙𝑖𝑐 = 16,79 ( 𝑑𝑦𝑛

- Sức căng bề mặt trung bình của lỏng trong đoạn chưng:

+) 𝜎 𝑥𝑡𝑏1 , 𝜎 𝑥𝑡𝑏2 : lần lượt là sức căng bề mặt của rượu etylic và nước trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình

+) 𝑎 𝑡𝑏𝐴 : Phần khối lượng trung bình của rượu etylic đi trong đoạn chưng

- Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi đi trong đoạn chưng:

3.2.2 Tính đường kính của tháp chóp

3.2.2.1 Tính đường kính đoạn luyện của tháp

+) (𝜌 𝑦 𝜔 𝑦 ) 𝑡𝑏𝐿 : tốc độ hơi trung bình trong đoạn luyện, (𝜌 𝑦 𝜔 𝑦 ) 𝑡𝑏𝐿 = 2,038√ℎ ( 𝑘𝑔

𝑚 2 𝑠) +) 𝑔 𝑡𝑏𝐿 : lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, 𝑔 𝑡𝑏𝐿 = 15917,69 (kg/h)

Bảng 3.2.2 Bảng chọn giá trị của khoảng cách giữa các đĩa phụ thuộc vào đường kính tháp chưng luyện [2-184]

- Giả thiết đường kính đoạn luyện DL > 1,8m Chọn h = 0,6m Do đó:

3.2.2.2 Tính đường kính đoạn chưng của tháp

+) (𝜌 𝑦 𝜔 𝑦 ) 𝑡𝑏𝐶 : tốc độ hơi trung bình trong đoạn chưng, (𝜌 𝑦 𝜔 𝑦 ) 𝑡𝑏𝐶 = 1,755√ℎ ( 𝑘𝑔

𝑚 2 𝑠) +) 𝑔 𝑡𝑏𝐶 : lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, 𝑔 𝑡𝑏𝐶 = 10560,629 (kg/h)

- Giả thiết đường kính đoạn chưng DC trong khoảng 1,2 ÷ 1,8 Chọn h = 0,45m Do đó:

 Ta quy chuẩn đường kính DC = DL = 2m

• Không quy chuẩn về 1,9m vì tỉ lệ giữa vận tốc làm việc thực tế và vận tốc giới hạn vượt quá khoảng 0,8 – 0,9 dẫn đến chế độ sặc, giải thích:

- Vận tốc giới hạn của pha hơi trong đoạn luyện

+) h: khoảng cách giữa các đĩa

+) 𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐿 , 𝜌 𝑦𝑡𝑏𝐿 : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí trong đoạn luyện

- Tỉ lệ giữa vận tốc làm việc thực tế và vận tốc giới hạn là:

1,353 = 0,93 (không thỏa mãn vì vượt quá giới hạn dẫn đến chế độ sặc)

- Vận tốc giới hạn của pha hơi trong đoạn chưng:

+) h: khoảng cách giữa các đĩa

+) 𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐶 , 𝜌 𝑦𝑡𝑏𝐶 : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí trong đoạn chưng

- Vận tốc làm việc thực tế:

- Tỉ lệ giữa vận tốc làm việc thực tế và vận tốc giới hạn là:

1,329 = 0,96 (không thỏa mãn vì vượt quá giới hạn dẫn đến chế độ sặc)

• Quy chuẩn đường kính DC = DL = 2m, tính lại vận tốc:

- Vận tốc giới hạn của pha hơi trong đoạn luyện

+) h: khoảng cách giữa các đĩa

+) 𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐿 , 𝜌 𝑦𝑡𝑏𝐿 : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí trong đoạn luyện

- Tỉ lệ giữa vận tốc làm việc thực tế và vận tốc giới hạn là:

- Vận tốc giới hạn của pha hơi trong đoạn chưng:

+) h: khoảng cách giữa các đĩa

+) 𝜌 𝑥𝑡𝑏𝐶 , 𝜌 𝑦𝑡𝑏𝐶 : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí trong đoạn chưng

- Vận tốc làm việc thực tế:

- Tỉ lệ giữa vận tốc làm việc thực tế và vận tốc giới hạn là:

Xác định chiều cao của tháp chưng luyện

- Có nhiều phương pháp xác định chiều cao của tháp đĩa trong chưng luyện:

+ Cách 1: theo số bậc thay đổi nồng độ, động học của quá trình được biểu diễn qua hiệu suất của đĩa, động lực quá trình được tính gián tiếp qua số bậc thay đổi nồng độ lí thuyết (số đĩa lí thuyết)

+ Cách 2: theo số đơn vị chuyển khối, động học quá trình được biểu diễn qua số đơn vị chuyển khối tương ứng với một đĩa, động lực được tính theo số đơn vị chuyển khối chung toàn tháp

Trong đồ án này sẽ dụng cách 1 tính chiều cao theo số bậc thay đổi nồng độ, công thức tính chiều cao:

Trong đó: H: chiều cao tháp (m)

Ntt: số đĩa thực tế

Hđ: khoảng các giữa các đĩa (m) δ: chiều dày của đĩa (m)

(0,8 ÷ 1): khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị

3.3.1 Xác định số đĩa lý thuyết dựa vào đồ thị Mc Cabe – Thiele:

- Với Rth = 2,7, phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện là: y = 0,72973x + 0,23243; phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng là: y = 1,30072x – 0,0012

- Dựa vào đồ thị xác định được:

+ Số đĩa lý thuyết đoạn chưng: Nlt(C) = 4 (đĩa)

+ Số đĩa lý thuyết đoạn luyện: Nlt(L) = 18 (đĩa)

+ Số đĩa lý thuyết toàn tháp: Nlt = 22 (đĩa)

3.3.2 Xác định số đĩa thực tế theo hiệu suất trung bình:

Trong đó: Ntt: số đĩa thực tế

Nlt: số đĩa lí thuyết, Nlt(C) = 4 đĩa, Nlt(L) = 18 đĩa ηtb: hiệu suất trung bình của thiết bị ηtb = η 1 + η 2 + η 3 +⋯+ η n n [5-171]

( với: η 1 , η 2 , η 3 , …, η n : hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ n: số vị trí tính hiệu suất)

_ η tb là một số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: Η tb = f (α, μ) [5-171]

Trong đó: α: độ bay hơi tương đối của hỗn hợp μ: độ nhớt của hỗn hợp lỏng (N.s/m 2 )

+ Do hỗn hợp rượu etylic – nước gần với hệ lí tưởng, nên α = const α = 𝑦∗/(1−𝑦∗)

Trong đó: y * : nồng độ phần mol cân bằng của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi x: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng

+ Độ nhớt của hỗn hợp lỏng:

Chất Độ nhớt ở các nhiệt độ μ.10 3 (N.s/m 2 )

Bảng 3.3.1: Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ của ethanol và nước ở trạng thái lỏng

Có công thức tính độ nhớt của hỗn hợp lỏng thường không liên hợp: lg μhh = x1 lgμA + (1 – x1) lgμB [1-84-I.12]

Trong đó: μA, μB: lần lượt là độ nhớt động lực của rượu etylic, nước (N.s/m 2 ) x1: nồng độ của rượu etylic trong hỗn hợp

- Tính toán: tại vị trí đĩa tiếp liệu, ta có: xF = 0,243 (phần mol), y F ∗ = 0,55 (phần mol), tF = 82,555°C

+ Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp: α = 𝑦 x 𝐹 ∗ F /(1−y F ∗ )

⁄ = 3,808 + Từ Bảng 7, áp dụng công thức nội suy, có: μrượu etylic = 0,425 (cP) μnước = 0,351 (cP)

 Độ nhớt của hỗn hợp: lg μF = xF lgμrượu etylic + (1 – xF) lgμnước

Từ đồ thị IX.11 [5-171], suy ra ηF = 47,34 %

+ Tính toán tương tự, ta lập được các bảng sau:

❖ Đoạn chưng: xw/1 2 3 4 x (phần mol) 0,004 0,008 0,021 0,089 y* (phần mol) 0,0266 0,0531 0,1383 0,4182 t (°C) 99,99 99,98 96,04 87,36 α 6,804 6,954 7,482 7,358 μE (cP) 0,332 0,335 0,369 0,406 μN (cP) 0,288 0,29 0,312 0,338 μhh (cP) 0,288 0,29 0,314 0,343 α μhh 1,96 2,02 2,35 2,52 η (%) 43,6 43,2 41,0 39,96

 Số đĩa thực tế đoạn chưng: Ntt(đc) = N lt(đc) η tb(đc) = 4

5 6 7 8 9 10 x (phần mol) 0,296 0,500 0,602 0,660 0,700 0,703 y* (phần mol) 0,574 0,654 0,700 0,731 0,753 0,755 t (°C) 81,76 80 79,39 79,16 79 78,99 α 3,205 1,890 1,543 1,400 1,307 1,302 μE (cP) 0,332 0,335 0,369 0,406 0,425 0,433 μN (cP) 0,288 0,290 0,312 0,338 0,351 0,356 μhh (cP) 0,300 0,311 0,345 0,381 0,401 0,408 α μhh 0,962 0,589 0,532 0,534 0,524 0,532 η (%) 50,69 57,47 58,51 58,47 58,65 58,51

11 12 13 14 15 16 x (phần mol) 0,705 0,707 0,708 0,709 0,710 0,7112 y* (phần mol) 0,756 0,757 0,758 0,759 0,7595 0,7603 t (°C) 78,98 78,973 78,968 78,963 78,96 78,955 α 1,297 1,291 1,292 1,293 1,290 1,288 μE (cP) 0,437 0,440 0,441 0,442 0,443 0,444 μN (cP) 0,359 0,3606 0,3615 0,3622 0,627 0,3632 μhh (cP) 0,413 0,415 0,416 0,417 0,418 0,419 α μhh 0,535 0,536 0,538 0,5393 0,5391 0,5394 η (%) 58,45 58,44 58,40 58,376 58,38 58,375

17 18 19 20 21 22 x (phần mol) 0,7118 0,7125 0,7132 0,714 0,7145 0,7152 y* (phần mol) 0,7607 0,7611 0,7616 0,7621 0,7624 0,7629 t (°C) 78,953 78,95 78,947 78,944 78,942 78,939 α 1,287 1,286 1,285 1,283 1,282 1,281 μE (cP) 0,4444 0,4454 0,4458 0,4461 0,4458 0,4461 μN (cP) 0,3638 0,3643 0,3647 0,3649 0,3647 0,3649 μhh (cP) 0,4195 0,4204 0,4209 0,4212 0,4210 0,4213 α μhh 0,5399 0,5404 0,5407 0,5405 0,5397 0,5398 η (%) 58,366 58,356 58,351 58,355 58,369 58,367 ηtb(đl) 50,69 + 57,47+58,51+58,47+58,65+58,51+58,45+58,44+58,40+58,376+58,38+58,375+

 Số đĩa thực tế đoạn luyện: Ntt(đl) = N lt(đl) η tb(đl) = 18

- Số đĩa thực tế của toàn tháp: Ntt = NTT(c) + NTT(l) = 10 + 32 = 42 (đĩa)

+) Ntt: số đĩa thực tế

+) h = hC = hL = 600mm = 0,6m là khoảng cách giữa hai đĩa

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

+) ∆ℎ: là khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị (0,8 – 1m), chọn ∆ℎ = 0,8m

Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

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

+) QD1 là nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)

+) Qf là nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào (J/h)

+) QF là nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang ra (J/h)

+) Qng1 là nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

+) Qxq1 là nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy (J/h)

3.4.1.1 Nhiệt lượng hơi đốt mang vào

+) QD1 là nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)

+) D1 là lượng hơi đốt (kg/h)

+) r1 là ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

+) λ1 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 nghiệp là hơi nước bão hòa

• Vì nhiệt độ của hỗn hợp đầu là 𝑡 𝐹 ° = 82,555 o C nên nhiệt độ của hơi đốt phải cao, chọn nhiệt độ hơi đốt là 119,6 o C tương ứng với áp suất 2at [1-314- Bảng I.251] Tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào áp suất

• Tra bảng tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc áp suất [1-314] có nhiệt hóa hơi r1= 527,0 (kcal/kg) = 2208.10 3 (J/kg); nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) λ1 646,9 (kcal/kg) = 2710.10 3 (J/kg)

3.4.1.2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào

+) Qf là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)

+) F là lượng hỗn hợp đầu (kg/h)

+) tf là nhiệt độ đầu của hỗn hợp ( o C)

+) Cf là nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)

• Bảng nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của rượu etylic và nước

Chất Nhiệt dung riêng Cp, J/kg ở nhiệt độ

Bảng 3.4.1 Nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ của rượu etylic và nước ở trạng thái lỏng [1-171]

• Giả sử gia nhiệt cho hỗn hợp đầu từ 𝑡 𝑓 ° = 20 o C Từ bảng số liệu 3.4.1 có nhiệt dung riêng của ethanol và nước ở 20 o C là: CE = 2480 (J/kg.độ); CN = 4180 (J/kg.độ)

• Sử dụng công thức [1-152-I.42] tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra:

3.4.1.3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra

+) QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)

+) tF là nhiệt độ hỗn hợp sau khi ra khỏi thiết bị đun nóng ( o C)

+) CF là nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra (J/kg.độ)

• Từ bảng số liệu 3.4.1 sử dụng công thức nội suy tìm giá trị nhiệt dung riêng của Ethanol và Nước ở nhiệt độ 𝑡 𝐹 ° = 82,555 o C là: CE = 3258,33 (J/kg.độ); CNước = 4195,24 (J/kg.độ)

• Sử dụng công thức [1-152-I.42], nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra:

3.4.1.4 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

+) Qng1 là nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

+) Gng1 là lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt D1 (kg/h)

3.4.1.5 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 bão hòa) cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi tF là: [2-197-IX.155]

• Nhiệt lượng hơi đốt mang vào:

• Nhiệt lượng nước ngưng mang ra:

• Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh:

3.4.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

- Tổng nhiệt lượng mang vào tháp = Tổng nhiệt lượng mang ra khỏi tháp

+) QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h)

+) QD2 là nhiệt lượng hơi đốt mang vào tháp (J/h)

+) QR là nhiệt lượng do chất lỏng hồi lưu mang vào (J/h)

+) Qy là nhiệt lượng do hơi nước mang ra ở đỉnh tháp (J/h)

+) QW là nhiệt lượng do sản phẩm mang ra (J/h)

+) Qng2 là nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

+) Qxq2 là nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh (J/h)

3.4.2.1 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào

+) QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)

+) tF là nhiệt độ hỗn hợp sau khi ra khỏi thiết bị đun nóng ( o C)

+) CF là nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)

• Từ bảng số liệu 3.4.1 sử dụng công thức nội suy tìm giá trị nhiệt dung riêng của rượu etylic và nước ở nhiệt độ 𝑡 𝐹 ° = 82,555 o C là:

CE = 3258,33 (J/kg.độ); CN = 4195,24 (J/kg.độ)

• Sử dụng công thức [2-152-IX.42], nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:

3.4.2.2 Nhiêt lượng do hơi đốt mang vào đáy tháp

+) QD2 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 là ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

+) λ2 là hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)

+) θ2 là nhiệt độ nước ngưng

+) C2 là nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)

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

• Tra bảng tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc áp suất [1-314] có nhiệt hóa hơi r2 = 527,0 (kcal/kg) = 2208.10 3 (J/kg); nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) λ2 646,9 (kcal/kg) = 2710.10 3 (J/kg)

3.4.2.3 Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào

+) QR là nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào (J/h)

+) GR = P.Rx là lượng lỏng hồi lưu (kg/h)

+) Rx = 2,7 là chỉ số hồi lưu

+) P = 5109,68 (kg/h) là lượng sản phẩm đỉnh

+) tR = tP = 78,48 o C là nhiệt độ chất lỏng hồi lưu ( o C)

+) CR là nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu (J/kg.độ)

• Lượng lỏng hồi lưu: GR = P.Rx = 5109,68.2,7= 13796,136 (kg/h)

• Từ bảng số liệu 3.4.1 sử dụng công thức nội suy tìm giá trị nhiệt dung riêng của ethanol và nước ở nhiệt độ tR = 78,48 o C là: CE = 3201 (J/kg.độ); CN = 4190 (J/kg.độ)

• Sử dụng công thức [2-152-I.42 tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp hồi lưu:

3.4.2.4 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp

+) 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/kg)

• Từ bảng số liệu 3.1.6 sử dụng công thức nội suy tìm giá trị nhiệt hóa hơi của ethanol và nước ở nhiệt độ 𝑡 𝑃 ° = 78,48 o C là: rEthanol = 202,61 (kcal/kg) = 848287,54 (J/kg) rNước = 560,52 (kcal/kg) = 2346785,1 (J/kg)

• Từ bảng số liệu 3.4.1 sử dụng công thức nội suy tìm giá trị nhiệt dung riêng của ethanol và nước ở nhiệt độ 𝑡 𝑃 ° = 78,48 o C là:

CE = 3201 (J/kg.độ); CNước = 4190 (J/kg.độ)

• Nhiệt lượng riêng của Ethanol và Nước trong hỗn hợp hơi là:

• Nhiệt lượng riêng của hỗn hợp hơi ở đỉnh tháp:

3.4.2.5 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra

+) QW là nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h)

+) tW = 99,24 o C là nhiệt độ của sản phẩm đáy ( o C)

+) CW là nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ)

+) W là lượng sản phẩm đáy tháp (kg/h), W = 1,58 (kg/s) = 5688 (kg/h)

• Từ bảng số liệu 3.4.1 sử dụng công thức nội suy tìm giá trị nhiệt dung riêng của ethanol và nước ở nhiệt độ 𝑡 𝑊 ° = 99,24 o C là:

CEthanol = 3508,6 (J/kg.độ); CNước = 4228,48 (J/kg.độ)

• Sử dụng công thức [2-152-I.42], nhiệt dung riêng của hỗn hợp sản phẩm đáy:

3.4.2.6 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

+) Qng2 là nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

+) Gng2 là lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt (kg/h)

+) θ2 là nhiệt độ nước ngưng ( o C)

+) C2 là nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)

3.4.2.7 Nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy

Trong đó: +) Qxq2 là nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh, lấy bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn ở đáy tháp (J/h)

• Nên lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp là:

• Nhiệt lượng hơi đốt mang vào tháp:

• Nhiệt lượng nước ngưng mang ra:

• Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh

3.4.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

3.4.3.1 Nếu chỉ ngưng tụ hồi lưu

+) r là ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp sản phẩm đỉnh (J/kg)

+) Gn1 là lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết (kg/h)

+) t1; t2 là nhiệt độ vào, ra của nước làm nguội ( o C)

+) Cn là nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình (J/kg.độ)

• Từ bảng số liệu 3.1.6 sử dụng công thức nội suy tìm giá trị nhiệt hóa hơi của ethanol và nước ở nhiệt độ 𝑡 𝑃 ° = 78,48 o C là: rE = 848287,54 (J/kg); rN = 2346785,1(J/kg)

• Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là:

• Ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là:

• Chọn nhiệt độ vào của nước làm nguội t1 = 20 o C, nhiệt độ ra là t2 = 45 o C để tránh đóng cặn và kết tủa các muối trên bề mặt trao đổi nhiệt

• Nội suy dựa vào bảng I.149 [1-168] Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình ttb = 𝑡 1 +𝑡 2

2 = 32,5 o C là Cn = 0,99875 (kcal/kg.độ) = 4180(J/kg.độ)

• Vậy lượng nước lạnh cần tiêu tốn là: 𝐺 𝑛1 = 𝑃.𝑅 𝑥 𝑟

3.4.3.2 Nếu ngưng tụ hoàn toàn

Trong đó: +) Cn là nhiệt dung riêng của nước làm nguội (J/kg.độ)

• Giả thiết tương tự với trường hợp chỉ ngưng tụ hồi lưu, tính được lượng nước làm nguội cần tiêu tốn là: 𝐺 𝑛1 = 𝑃.(𝑅 𝑥 +1).𝑟

3.4.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh

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

+) t’1, t’2 là nhiệt độ đầu, cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ ( o C)

+) CP là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (J/kg.độ)

• Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ chính bằng nhiệt dung riêng của lỏng hồi lưu vào tháp: CP = CR = 3260,34 (J/kg.độ)

• Ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là: rnt(P) = rhh(P) = 938197,394 (J/kg)

• Hỗn hợp sản phẩm đỉnh từ t’1 = 𝑡 𝑃 ° = 78,48 o C, giả sử được làm nguội đến t’2 o C

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

• Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình 𝑡 𝑡𝑏 ° = 32,5 o C là Cn= 4180

• Vậy lượng nước làm nguội cần tiêu tốn là:

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

+) t’1, t’2 là nhiệt độ đầu, cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ ( o C)

+) CP là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (J/kg.độ)

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

Tính cơ khí thiết bị chính

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: d = √ V

+) V là lưu lượng thể tích của dòng lỏng, m 3 /s

+) ω là tốc độ trung bình, m/s

4.1.1 Ống dẫn nhập liệu đầu:

- Nhiệt độ của hỗn hợp nguyên liệu lỏng vào tháp: 𝑡 𝐹 ° = 82,555°𝐶

- Nội suy tại 𝑡 𝐹 ° = 82,555°𝐶 từ bảng số liệu I.2 (1 – 9) và I.5 (1- 11,12) ta có khối lượng riêng của hai chất là: 𝜌𝑟ượ𝑢 𝑒𝑡𝑦𝑙𝑖𝑐 s2,573 (kg/m 3 ) và 𝜌 𝑛ướ𝑐 0,212 (kg/m 3 )

- Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng đầu vào:

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

- Từ bảng II.2 (1 – 370), với chất lỏng tự chảy ω = 0,1- 0,5 (m/s) Chọn vận tốc chất lỏng chảy trong ống là: ω = 0,25 (m/s)

- Đường kính trong của ống là: dt(F) = √ V F

 Theo bảng XIII.32 [1-434], quy chuẩn đường kính ống dẫn nhập liệu đầu là: dt(F) = 0,150(m) = 150mm

- Tốc độ thực tế của hỗn hợp đầu:

4.1.2 Ống tháo sản phẩm đáy:

- Nhiệt độ của hỗn hợp sản phẩm đáy: 𝑡 𝑊 ° = 99,24°𝐶

- Nội suy tại 𝑡 𝑊 ° = 99,24°𝐶 từ bảng số liệu I.2 (1 – 9) và I.5 (1- 11,12) ta có khối lượng riêng của hai chất là: 𝜌𝑟ượ𝑢 𝑒𝑡𝑦𝑙𝑖𝑐 = 716,722 (kg/m 3 ) và 𝜌 𝑛ướ𝑐 = 958,532 (kg/m 3 )

- Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng đầu vào:

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

- Từ bảng II.2 (1 – 370), với chất lỏng tự chảy ω = 0,1- 0,5 (m/s) Chọn vận tốc chất lỏng chảy trong ống là: ω = 0,1 (m/s)

- Đường kính trong của ống là: dt(W)= √ V W

 Theo bảng XIII.32 [1-434], quy chuẩn đường kính ống tháo sản phẩm đáy là: dt(W) =0,150(m) = 150mm

- Tốc độ thực tế của hỗn hợp đầu:

4.1.3 Ống lấy sản phẩm đỉnh:

- Nhiệt độ của hỗn hợp hơi đi ra trên đỉnh tháp: 𝑡 𝑃 ° = 78,48°𝐶 = 351,48°𝐾

- Lượng sản phẩm đỉnh: P = 5109,68 kg/h = 1,42 kg/s

- Khối lượng riêng của hỗn hợp hơi đi ra đỉnh tháp: Ρ P = 273× y P M Ethanol +(1−y P ).M Nước

Trong đó: yp = 0,86 phần mol

MEthanol, MNước: khối lượng phân tử của rượu etylic, nước

- Lượng hơi đi ra khỏi tháp: gd = P (Rx + 1) = 1,42 (2,7+1) = 5,254 (kg/s)

- Lưu lượng thể tích của hơi đi trong ống: VP = g d ρ P = 5,254

- Theo bảng II.2 [4-370], tốc độ trung bình của hơi bão hòa đi trong ống dẫn khí áp suất p = 1÷0.5at là 𝜔 = 20 ÷ 40 m/s, nên chọn tốc độ hơi chảy trong ống 𝜔P = 38 m/s

- Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh: dtP = √ V P

 Theo bảng XIII.32 [1-434], quy chuẩn đường kính ống lấy sản phẩm đỉnh là dtP

- Tốc độ thực tế của hơi ở đỉnh:

4.1.4 Đường kính ống dẫn hồi lưu lỏng từ thiết bị ngưng tụ về tháp:

- Lượng lỏng hồi lưu về tháp: GR = P.Rth = 1,42×2,7 = 3,834 kg/s

- Nhiệt độ vào hỗn hợp lỏng hồi lưu về tháp: tR = tp = 78,48°C

- Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng hồi lưu về tháp:

Trong đó: a p = 0,94 phần khối lượng Ρ A , ρ B : lần lượt là khối lượng riêng của rượu etylic, nước (kg/m 3 )

- Từ Bảng số liệu I.2[1-9], sử dụng công thức nội suy xác định được khối lượng riêng của hai chất tại tR = 78,48°C là: 𝜌𝑟ượ𝑢 𝑒𝑡𝑦𝑙𝑖𝑐 = 736,444 (kg/m 3 ) và 𝜌 𝑛ướ𝑐 = 972,836 (kg/m 3 )

- Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng hồi lưu về tháp:

- Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy trong ống: VR = G R ρ R = 3,834

- Theo bảng II.2 [4-370], tốc độ trung bình của chất lỏng tự chảy trong ống dẫn là

𝜔 = 0,1 ÷ 0,5 m/s, nên chọn tốc độ chất lỏng chảy trong ống 𝜔R = 0,30 m/s

- Đường kính ống dẫn hỗn hợp lỏng hồi lưu về tháp: dR = √ V R

 Theo bảng XIII.32 [1-434], quy chuẩn đường kính ống hồi lưu lỏng là dR = 0,150m = 150mm

- Tốc độ thực tế của hỗn hợp lỏng hồi lưu về tháp:

4.1.5 Đường kính ống dẫn hồi lưu hơi ở đáy tháp:

- Khối lượng riêng của hỗn hợp hơi hồi lưu ở đáy:

SVTH: LÊ NGỌC ÁNH– 20190687 47 ρ' = 273 y w M Ethanol +(1−y w ).M Nước

Trong đó: yw = 0,004 phần mol

MEthanol, MNước: khối lượng phân tử của rượu etylic, nước

- Lượng hơi hồi lưu vào đáy: g 1 ′ = 8191,698 (kg/h) = 2,275 (kg/s)

- Lưu lượng thể tích của hơi đi trong ống: 𝑉 ′ = g 1

- Theo bảng II.2 [1-370], tốc độ trung bình của hơi bão hòa đi trong ống dẫn khí áp suất p = 1÷0,5at là 𝜔 = 20 ÷ 40m/s, nên chọn tốc độ hơi chảy trong ống 𝜔 ′ = 40m/s

- Đường kính ống dẫn hỗn hợp hơi hồi lưu ở đáy: d ’ = √ V ′

 Theo bảng XIII.32 [1-434], quy chuẩn đường kính ống hồi lưu ở đáy tháp là d’ 0,350m = 350mm

- Tốc độ thực tế của hỗn hợp hơi hồi lưu ở đáy:

Tính chiều dày thành tháp, đáy tháp và nắp tháp

4.2.1 Tính chiều dày thân tháp:

- Thân hình trụ là bộ phận chủ yếu để tạo thành thiết bị hóa chất Tháp chưng luyện hỗn hợp hai cấu tử rượu etylic – nước đang thiết kế làm việc ở áp suất p = 760 mmHg 1,01.10 5 (N/m 2 ) là áp suất thấp (< 1,6.10 6 N/m 2 ) nên chọn phương án chế tạo thân tháp hình trụ bằng cách hàn (cuốn các tấm vật liệu với kích thước đã định, sau đó hàn ghép mối lại) và đặt thẳng đứng

- Các chú ý khi chế tạo thân tháp:

+ Đảm bảo đường hàn càng ngắn càng tốt

+ Bố trí các đường hàn dọc (ở các đoạn than 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 thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong p được xác định theo công thức sau:

Trong đó: Dt: đường kính trong (m) p: áp suất trong thiết bị (N/m 2 )

[σ]: ứng suất cho phép với loại vật liệu đã chọn (N/m 2 ) φ: hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc

C: hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (m)

SVTH: LÊ NGỌC ÁNH– 20190687 48 a Áp suất trong của thiết bị p: p = pmt + pl (N/m 2 )

Trong đó: pmt: áp suất của hơi (khí), pmt = 760 mmHg = 1,01x10 5 (N/m 2 ) pl: áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng (N/m 2 )

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

Htt: chiều cao cột chất lỏng (m) (lấy chiều cao lớn nhất)

Khối lượng riêng của lỏng trong đoạn luyện: ρ xtb(đl) = 794,327 (kg/m 3 ) Khối lượng riêng của lỏng trong đoạn chưng: ρ xtb(đc) = 900,33 (kg/m 3 ) ρtt: khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m 3 ) ρtt = ρ xtb(đl) + ρ xtb(đc)

- Áp suất trong của thiết bị: p = 1,01.10 5 + 216119,73 = 317119,73 (N/m 2 ) b Ứng suất cho phép với loại vật liệu đã chọn [σ]:

Trong đó: [σk], [σc]: lần lượt là ứng suất cho phép đối với giới hạn bền kéo và chảy (N/m 2 ) η: hệ số điều chỉnh, theo bảng XIII.2 [2-356] thì thiết bị trong đồ án này thuộc nhóm 2 loại II nên η = 1 σ k , σ c : giới hạn bền khi kéo và chảy Σ k = 550.10 6 (N/m 2 ), σ c = 220.10 6 (N/m 2 ) (Theo Bảng 10) nk, nc: hệ số an toàn theo giới hạn bền kéo và chảy theo bảng XIII.3 [5-356], có nk = 2,6, nc = 1,5

 Ứng suất cho phép đối với giới hạn bền kéo:

2,6 ×1 = 211,54.10 6 (N/m 2 ) Ứng suất cho phép đối với giới hạn bền chảy:

 Chọn ứng suất cho phép là ứng suất nhỏ nhất trong hai ứng suất trên:

[σ] = [σc] = 146,67.10 6 (N/m 2 ) c Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc φ:

Từ bảng XIII.8 [5-362], với đường kính trong D = D1 = 2m > 0,7m, xác định được phương pháp hàn là hàn tay bằng hồ quang điện với kiểu hàn là hàn mối giáp hai bên, sử dụng vật liệu thép X18H10T ta xác định được hệ số bền mối hàn φh = 0,95 Thành

SVTH: LÊ NGỌC ÁNH– 20190687 49 có khoét lỗ để lắp kính quan sát nhưng được gia cố hoàn toàn nên φ = φh = 0.95 (đối với mối hàn dọc) d Đại lượng bổ sung C:

Trong đó: C1: đại lượng bổ sung do ăn mòn xuất phát từ điều kiện môi trường và thời gian làm việc của thiết bị Vì X18H10T là loại vật liệu bền (0,05-0,1 mm/năm), nên lấy C1 = 1mm = 10 -3 m (tính theo thời gian làm việc từ 15-20 năm)

C2: đại lượng bổ sung do hao mòn khi nguyên liệu chứa các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn trong thiết bị Nguyên liệu chưng luyện không thuộc trường hợp này nên bỏ qua, C2 = 0 (m)

C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu (m) e Chiều dày thân tháp:

- Từ bảng XIII.9 (2 – 364) chọn C3 = 0,8mm → C = C1 + C2 + C3 = 1,8 mm = 0,0018m

Chiều dày của thân hình trụ là:

- Chọn chiều dày thân hình trụ là Sthân = 8 mm

❖ Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử:

- Do thiết bị không bị đốt nóng, làm nguội và có cách nhiệt bên ngoài thì lấy nhiệt độ thành bằng nhiệt độ của môi trường (2 – 362): t T = t mt = 20°C (giả sử nhiệt độ môi trường là 20°C)

- Áp suất thử tính toán được xác định theo công thức sau: po = pth + pl (N/m 2 ) [2-366]

- Trong đó: pth là áp suất thử thủy lực, lấy theo bảng XIII.5 [2-358]; pl là áp suất thủy tĩnh của lỏng trong tháp pl = 216119,73 (N/m 2 )

- Áp suât tính 0,07.10 6 < p = 317119,73 (N/m 2 ) < 0,5.10 6 nên tra bảng XIII.5 (2-358) có áp suất thủy lực là: pth = 1,5 p= 1,5 317119,73 = 475679,60 (N/m 2 )

- Áp suất thử tính toán là po = pth + pl = 475679,60 + 216119,73 = 691799,33 (N/m 2 )

- Ứng suất của thành theo áp suất thử [2-365-XIII.26]: σ = [D t +(S thân −C)].p 0

 Chọn Sthân = 8 mm là thỏa mãn

- Vậy thân tháp dày S = 8mm, khối lượng tấm thép 78,4 kg/m 2 , đường kính trong

Dt = 2000mm Đường kính ngoài Dn = Dt + 2 x Sthân = 2016 mm

4.2.2 Tính đáy và nắp thiết bị:

- Đáy và nắp tháp là những bộ phận quan trọng của thiết bị và thường được chế tạo cùng loại vật liệu với thân thiết bị (thép X18H10T) Đáy và nắp có thể nối với thân bằng cách hàn, ghép bích hoặc hàn liền với thân; và có nhiều hình dạng như elip, nón, … tùy thuộc vào hình dangh của thân thiết bị và áp suất trong Do thiết bị đặt thẳng đứng, làm việc ở áp suất khí quyển và chịu áp suất trong p = 317119,73 N/m 2 > 7×10 4 (N/m 2 ) nên sử dụng nắp và đáy dạng elip có gờ, chế tạo bằng phương pháp hàn từ hai 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 đỉnh Tính toán đáy và nắp là hoàn toàn như nhau

Hình 4.1: Đáy và nắp thiết bị có gờ

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

Trong đó: Dt = 2m: đường kính trong của thân tháp p: áp suất làm việc bên trong thiết bị (N/m 2 )

[σ] 6,67.10 6 N/m 2 : ứng suất cho phép đối với vật liệu đã chọn φh = 0,95: hệ số bền của mối hàn hướng tâm [2-362-Bảng XIII.8] hb: chiều cao phần lồi ở đáy, tra bảng XIII.10 [2-382] có hb = 500mm

C: đại lượng bổ sung, tương tự như C trong phần tính chiều dày thân tháp nhưng có tang thêm một ít tùy chiều dày nắp và đáy k: hệ số không thứ nguyên, k = 1 – d

(d: đường kính của lỗ không tăng cứng, m)

- Để có thể chịu được những sai sót trong hoạt động của thiết bị khi có những trục trặc trong quá trình thực hiện, áp suất thiết kế sẽ lấy cao hơn áp suất làm việc bình thường

5-10% [4-474] Ta chọn áp suất thiết kế cao hơn 10% so với áp suất làm việc tính toán p = 1,1 p = 1,1 317119,73 = 348831,7 (N/m 2 )

❖ Tính toán nắp thiết bị:

- Đường kính ống lấy sản phẩm đỉnh là dt(P) = 0,350m = 350mm

 Tăng thêm 2mm so với giá trị C (ở phần tính thân tháp), có: C =1,8 + 2=3,8 mm

 Chiều dày nắp tháp: Snắp = 3,2 + 3,8 = 7,0 mm

 Quy chuẩn chọn Snắp = 10mm

- Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thủy lực p0 = 691799,33 (N/m 2 ) theo công thức XIII.49 [2-386]: σ = [D t 2 +2.h b (S−C)].p 0

 Chọn Snắp = 10 mm là thỏa mãn

❖ Tính toán đáy thiết bị:

- Đường kính ống lấy sản phẩm đỉnh là dt(W) = 0,150m = 150mm

 Tăng thêm 2mm so với giá trị C (ở phần tính thân tháp), có: C =1,8 + 2=3,8 mm

 Chiều dày nắp tháp: Sđáy = 1,43 + 3,8 = 5,23 mm

 Quy chuẩn chọn Sđáy = 10mm

- Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thủy lực p0 = 691799,33 (N/m 2 ) theo công thức XIII.49 [2-386]: σ = [D t 2 +2.h b (S−C)].p 0

 Chọn Sđáy = 10 mm là thỏa mãn

- Vậy nắp và đáy thiết bị được thiết kế với các thông số; đường kính trong Dt = 2000mm; h = 40mm; hb = 500mm; S = 10mm; m = 367,64 kg; bề mặt trong F = 4,6 m 2 ; thể tích V

❖ Các thông số thiết kế nắp và đáy thiết bị

- Đường kính trong Dt = 2m = 2000mm

- Đường kính lỗ: dnắp = dp = 350 mm, dđáy = dw = 150 mm

- Chiều cao phần lồi hb = 500mm

- Chiều dày nắp và đáy tháp S = 10mm

- Khối lượng m = 367,64 kg (theo bảng XIII.11 [2 – 384])

- Bề mặt trong F = 4,6 m 2 (theo bảng XIII.10 [2 – 382])

- Thể tích V = 1173.10 3 m 3 (theo bảng XIII.10 [2 – 383])

Chọn các mặt bích

4.3.1 Chọn mặt bích nối giữa thân tháp với đáy và nắp tháp

- Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị Trong đồ án này, tháp làm việc ở áp suất khí quyển và có thân hình trụ hàn làm bằng vật liệu thép X18H10T, nên chọn mặt bích liền (kiểu I) bằng thép X18H10T để nối thân với đáy và nắp thiết bị [5-408] Giữa hai bích có một lớp lót bề mặt đệm bít kín để đảm bảo độ kín của tháp Đệm làm bằng các vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích Khi siết bu – lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên mặt bích

Hình 4.2: Bích liền bằng thép để nối thiết bị kiểu I

- Do đường kính trong Dt = 2m nên để đảm bảo bích chịu được khi gặp điều kiện bất thường, ta chọn áp suất thiết kế cao hơn 10% so với áp suất làm việc tính toán: p=1,1 p

= 1,1 256866,94 = 282553,63 (N/m 2 ) Từ đó chọn các thông số của bích ứng với py 0,3.10 6 (N/m 2 ) được bảng sau: py.10 -6

Kích thước nối Kiểu bích

Bảng 4.2 Bảng chọn các thông số bích nối thân tháp với đáy và nắp tháp [2-422]

- Tra Bảng IX.5 [2-170], ứng với Dt = 2000mm, khoảng cách giữa hai mặt nối bích là 4200mm, khoảng cách giữa hai đĩa: Hđ = 600mm, số đĩa giữa hai mặt bích nđ = 7 đĩa

Mà số đĩa thực tế NTT = 42 đĩa, chiều cao của tháp H = 26m Nên số bước bích là: H/4,2

= 26/4,2 = 6,19 ≈ 7 bước Số bích cần dùng trên thân tháp là: nb = (7+1).2 = 16 bích (hay 8 cặp bích); để nối thân với đáy và nắp ta cũng cần 4 bích = 2 cặp bích nữa Tổng sử dụng 20 bích (hay 10 cặp bích)

- Giữa hai bích có một lớp lót bề mặt đệm bít kín để đảm bảo độ kín của tháp Đệm làm bằng các vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích Khi siết bu – lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên mặt bích

4.3.2 Chọn bích nối giữa thân tháp với các ống dẫn

- Để đảm bảo bích chịu được khi gặp điều kiện bất thường, ta chọn áp suất thiết kế cao hơn 10% so với áp suất làm việc tính toán: p = 1,1 p = 1,1.317119,73 = 348831,7 (N/m 2 )

- Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo được hoặc không tháo được Nếu chọn bích liền bằng kim loại đen kiểu I (hình 15), ứng với py = 0,3.10 6 N/m 2 ; tra bảng XIII.26 [2-409] để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn với các thông số như bảng 12

- Giữa hai bích có một lớp lót bề mặt đệm bít kín để đảm bảo độ kín của tháp Đệm làm bằng các vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích Khi siết bu – lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên mặt bích

Hình 4.3: Bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn

Kích thước nối Kiểu bích

Bu – lông 1 db z (cái) h mm mm

Bảng 4.3 Bảng chọn thông số bích nối thân tháp với các ống dẫn [5-413,414,415]

- Nếu sử dụng mối ghép tháo được thì thường làm đoạn ống nối, đó là đoạn ống ngắn có mặt bích hay ren để nối với ống dẫn

- Loại có mặt bích thường dùng với ống có Dy > 10mm

- Loại ren chủ yếu dung với ống có Dy ≤ 10mm, đôi khi có thể dung với Dy ≤ 32mm Với py = 0,3.10 6 (N/m 2 ) < 2,5.10 6 (N/m 2 ), tra bảng XIII.32 [2-434] có kích thước chiều dài các đoạn ống nối như sau:

Tên ống Dy (mm) l (mm)

Bảng 4.4 Bảng chọn chiều dài đoạn ống nối với các ống dẫn

- Nếu cắm sâu ống vào thiết bị thì tra bảng số liệu XIII.33 [2-435] có:

Dy Dn L Dy (bích A) Thép bằng cacbon

Bảng 4.5 Bảng chọn chiều dài đoạn ống nối với các ống dẫn trong trường hợp cần cắm sâu ống vào thiết bị

- Ở đây các ống cần cắm sâu vào thiết bị là ống nhập liệu, ống hồi lưu lỏng về tháp, ống hồi lưu hơi ở đáy tháp với các thông số cụ thể được thể hiện trong bản vẽ lắp

4.3.3 Lắp kính quan sát: Để quan sát theo dõi hoạt động của tháp chưng luyện ta sẽ lắp thêm kính quan sát làm bằng thủy sinh silicat dày 15 mm Do đường kính tháp D = 2m, nên dọc đường sinh trên thân tháp ta khoét lỗ đường kính bằng Φ = 300 mm = 0,30m xuyên từ bên này sang bên

SVTH: LÊ NGỌC ÁNH– 20190687 55 kia tháp (tạo thành 2 lỗ ở 2 bên thành và xuyên thẳng nhau) Khoét ở các đoạn chưng và đoạn luyện, như vậy thân tháp sẽ có 4 kích thước hình dáng như nhau

Kích thước nối Kiểu bích

Bu – lông 1 db z (cái) h mm mm

Bảng 4.6 Các thông số bích lắp kính quan sát

- Để lắp kính quan sát chọn bích liền bằng kim loại đen kiểu 1, ứng với áp suất py 0,3.10 6 (N/m 2 ), tra bảng XIII.26 [2-415] để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn với các thông số như bảng 4.6.

Tính và chọn (tra cứu) kết cấu đĩa chóp

4.4.1 Tính, chọn các thông số của chóp:

Hình 4.4 Hình minh họa tính toán kết cấu của chóp a) Tính toán kết cấu chóp ở đoạn luyện

- Đường kính ống hơi của chóp chọn dh0 mm =0,1 m [2 – 236]

- Chiều cao ống dẫn hơi: hh = 1,2xdh = 1,2.0,1 = 0,12 m = 120 mm

- Số chóp phân bố trên đĩa: n = 0,1 𝐷

+ Với D là đường kính trong của tháp, D = Dt = 2m

- Chiều cao chóp phía trên ống hơi: h2 = 0,25dh = 0,25.0,1 = 0,025 (m) = 25 mm [2-236-IX.213]

- Chiều cao của chóp: hch = hh + h2 = 0,12 + 0,025 = 0,145 m = 145 mm

- Đường kính của chóp: dch = √𝑑 ℎ 2 + (𝑑 ℎ + 2𝛿 𝑐ℎ ) 2 [2-236-IX.214]

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

- Khoảng cách từ mặt đĩa tới chân chóp: S = 0 ÷ 25mm, chọn S = 20mm = 0,020m

- Khoảng cách từ chân chóp tới chân khe chóp: chọn 0,005m = 5 mm

- Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp: chọn h1 = 70mm = 0,07m

- Chiều cao của khe chóp b = 𝜀𝜔 𝑦𝜌𝑦

+ Khối lượng riêng trung bình của lỏng và khối lượng riêng trung bình của hơi đi trong đoạn luyện lần lượt là: 𝜌 𝑥𝑡𝑏(đ𝑙) = 794,327 kg/m 3 ; 𝜌 𝑦𝑡𝑏(đ𝑙) = 1,238 kg/m 3

+ Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: gtbL = 15917,69 (kg/h)

+ Lưu lượng hơi đi trong đoạn luyện: Vy = 𝑔 𝑡𝑏𝐿

3600.3,14.0,1 2 ×40 = 11,374 (m/s) + Hệ số trở lực của đĩa chóp thường là: 𝜉 = 1.5 ÷ 2, chọn 𝜉 = 2

+ Chiều cao của khe chóp: b = 𝜉.𝜔 𝑦 2 𝜌 𝑦

2 1,238 9,81.794,327 = 0,041m Amm + Chiều cao của khe chóp thường trong khoảng 10-50mm, chọn b=0,045m Emm + Chiều rộng của khe chóp: a = 2÷7(mm) chọn a = 5mm

- Số lượng khe hở của mỗi chóp: i = 𝜋

+ Khoảng cách giữa các khe c = 3÷4mm, chọn c = 4mm= 0,004m

- Chiều cao của lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa: hx = S+ 0,5 b = 20 + 0,5.45 = 42,5mm = 0,0425m

- Bước tối thiểu của chóp trên đĩa: tmin = dch + 2x𝛿 𝑐ℎ + l2 [2-237-IX.220]

+ Khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp: l2 = 12,5 +0,25 dch = 12,5 +0,25.145 = 48,75 (mm)

+ Chọn khoảng cách giữa các chóp: t = 200(mm) b) Tính toán kết cấu chóp ở đoạn chưng:

- Đường kính ống hơi của chóp chọn dh0 mm =0,1 m [2 – 236]

- Chiều cao ống dẫn hơi: hh = 1,2 dh = 1,2.0,1 = 0,12 m = 120 mm

- Số chóp phân bố trên đĩa: n = 0,1 𝐷

+ Với D là đường kính trong của tháp, D = Dt = 2m

- Chiều cao chóp phía trên ống hơi: h2 = 0,25 dh = 0,25.0,1 = 0,025 (m) = 25 mm [2-236-IX.213]

- Chiều cao của chóp: hch = hh + h2 = 0,12 + 0,025 = 0,145 m = 145 mm

- Đường kính của chóp: dch = √𝑑 ℎ 2 + (𝑑 ℎ + 2𝛿 𝑐ℎ ) 2 [2-236-IX.214]

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

- Khoảng cách từ mặt đĩa tới chân chóp: S = 0 ÷ 25mm, chọn S = 20mm = 0,020m

- Khoảng cách từ chân chóp tới chân khe chóp: chọn 0,005m = 5 mm

- Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp: chọn h1 = 70mm = 0,07m

- Chiều cao của khe chóp b = 𝜀𝜔 𝑦𝜌𝑦

+ Khối lượng riêng trung bình của lỏng và khối lượng riêng trung bình của hơi đi trong đoạn chưng lần lượt là: 𝜌 𝑥𝑡𝑏(đ𝑐) = 900,33 kg/m 3 ; 𝜌 𝑦𝑡𝑏(đ𝑐) = 0,81 kg/m 3

+ Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng: gtbC = 10560,629 (kg/h)

+ Lưu lượng hơi đi trong đoạn chưng: Vy = 𝑔 𝑡𝑏𝐶

3600.3,14.0,1 2 40 = 11,534 (m/s) + Hệ số trở lực của đĩa chóp thường là: 𝜉 = 1,5 ÷ 2, chọn 𝜉 = 2

+ Chiều cao của khe chóp: b = 𝜉.𝜔 𝑦 2 𝜌 𝑦

2 0,81 9,81.900,33 = 0,024m $mm + Chiều cao của khe chóp thường trong khoảng 10-50mm, chọn b=0,045m Emm + Chiều rộng của khe chóp: a = 2÷7(mm) chọn a = 5mm

- Số lượng khe hở của mỗi chóp: i = 𝜋

+ Khoảng cách giữa các khe c = 3÷4mm, chọn c = 4mm= 0,004m

- Chiều cao của lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa: hx = S+ 0,5 b = 20 + 0,5.45 = 42,5mm = 0,0425m

- Bước tối thiểu của chóp trên đĩa: tmin = dch + 2x𝛿 𝑐ℎ + l2 [2-237-IX.220]

+ Khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp: l2 = 12,5 +0,25 dch = 12,5 +0,25.145 = 48,75 (mm)

+ Chọn khoảng cách giữa các chóp: t = 200(mm) c) Chọn kết cấu chung cho chóp trong toàn tháp:

- Để thuận lợi cho việc chế tạo, thiết kế, ta chọn kiểu chóp chung cho toàn tháp với các thông số như sau:

+ Đường kính ống hơi: dh0 mm

+ Chiều cao ống dẫn hơi: hh = 120 mm

+ Chiều dày của ống hơi: 𝛿 𝑜ℎ = 3mm

+ Số chóp trên 1 đĩa: n = 40 chóp

+ Đường kính chóp: dch = 145 (mm)

+ Chiều cao chóp: hch = 145 mm

+ Chiều cao chóp phía trên ống hơi: h2 = 25 mm

+ Chiều dày của chóp: 𝛿 𝑐ℎ = 3mm

+ Khoảng cách từ mặt đĩa tới chân chóp: S = 20mm

+ Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp: h1 = 70mm

+ Chiều cao của khe chóp b = 45mm

+ Chiều rộng của khe chóp: a = 5mm

+ Khoảng cách giữa các khe chóp: c = 4mm

+ Số lượng khe hở của mỗi chóp: i = 71 khe

+ Khoảng cách từ chân chóp tới chân khe chóp: 5 mm

+ Chiều cao của lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa: hx = 42,5mm

+ Khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp: l2 = 48,75 (mm)

+ Khoảng cách giữa các chóp trên đĩa: t = 200(mm)

4.4.2 Tra cứu, tính chọn các đặc trưng kĩ thuật của đĩa chóp:

- Ứng với đường kính Dt = 2000mm, tra cứu bảng số liệu Bảng 7.32 Đặc trưng kĩ thuật của đĩa chóp kiểu TCK-P [4-205] ta có các thông số sau:

+ Diện tích tiết diện ngang của tháp: AT = 3,14 (m 2 )

+ Chiều dài đường sục khí: 36,4 (m)

+ Chiều dài ngưỡng chảy tràn: Lc = 1,455 (m)

+ Diện tích chảy chuyền: AD = 0,330 (m 2 )

+ Diện tích tự do của đĩa: ϕ’ = 0,385 (m 2 )

+ Diện tích tương đối của các ống hơi: 12.2%

+ Đĩa được ghép từ 2 nửa đĩa, với các thông số của khung đỡ đĩa, trụ đỡ, tay đỡ được thể hiện trong bản vẽ thiết bị chính

- Từ đó ta tính, chọn được:

+ Chiều cao của ngưỡng chảy tràn ở phía cửa ra khỏi đĩa của lỏng thường trong khoảng 40 – 80 mm, chọn: hw = 60 mm = 0,06 (m) [4 – 19]

+ Chiều cao của ngưỡng chảy tràn ở phía cửa vào của lỏng thường cao hc=0,75.hW Chọn hc = hW = 60 mm

+ Khoảng hở phía dưới kênh chảy truyền và mặt đĩa thường chọn thấp hơn ngưỡng chảy tràn 10 mm để đảm bảo kênh chảy truyền luôn ngập trong lỏng, nên chọn khoảng cách này 60 – 10 = 50 (mm) [4 – 17]

+ Chọn sử dụng chảy truyền loại tấm nghiêng có thể điều chỉnh chiều cao ngưỡng chảy tràn ở cửa ra của lỏng (có tấm di động và tấm cố định) với các kích thước cụ thể thể hiện trong bản vẽ lắp thiết bị chính

4.4.3 Tính và chọn các cơ cấu đỡ tháp (trụ đỡ, chân đỡ, tai treo…)

- Với chiều cao H = 26 m thì tháp phải đặt ngoài trời và không nên dùng chân đỡ hoặc tai treo mà phải đặt lên trụ đỡ Ngoài các tải trọng tác động vào thiết bị như khối lượng tháp, áp suất môi trường bên trong thiết bị thì còn có tải trọng của gió Nên việc xác định kích thước của các chi tiết như vỏ đỡ, vòng đỡ và bulong là rất quan trọng để tháp làm việc ổn định

4.4.3.1 Tính tải trọng của tháp khi làm việc: a) Khối lượng của thân tháp: m T = ρ X18H10T x V T = ρ X18H10T x H x π.(D n

4 (kg) Trong đó: ρ X18H10T =7,9.10 3 (kg/m 3 ): khối lượng riêng của vật liệu chế tạo tháp (thép X18H10T) (Bảng 10, mục III-7)

Dt: đường kính trong của tháp, Dt = 2m

Dn: đường kính ngoài của tháp (m)

Dn = Dt + 2 Sthân = 2 + 2.0,008 = 2,016 (m) (với Sthân = 8mm)

 Khối lượng thân tháp trụ m T : m T = ρ X18H10T H π.(D n

4 = 10360,57 (kg) b) Khối lượng của nắp và đáy tháp:

- Khối lượng của đáy và nắp chưa khoét lỗ là 367,64 kg

- Nắp dày 𝛿 = 10mm, bằng thép X18H10T có ρ X18H10T =7,9.10 3 (kg/m 3 ), khoét lỗ lắp ống sản phẩm đỉnh d = 350mm Khối lượng còn lại là (coi phần bị khoét có tiết diện tròn phẳng) mnắp= 367,64 – 𝜋 𝑑

- Đáy dày 𝛿 = 10mm, bằng thép X18H10T có ρ X18H10T =7,9.10 3 (kg/m 3 ), khoét lỗ lắp ống sản phẩm đáy d = 150mm Khối lượng còn lại là (coi phần bị khoét có tiết diện tròn phẳng) mđáy= 367,64 – 𝜋 𝑑

4 0,01.7,9.10 3 = 366,24 (kg) c) Khối lượng của đĩa chóp:

❖ Khối lượng đĩa có đục lỗ: md = ρ X18H10T 𝛿 π.(D t 2 −n.d h 2 )

4 NTT (kg) Trong đó: +) ρX18H10T= 7,9.10 3 (kg/m 3 ) khối lượng riêng của X18H10T

+) Dt = 2 (m) là đường kính trong của tháp

+) dh = 0,1 (m) là đường kính ống hơi

+) n = 40 là số chóp trên một đĩa

+) NTT = 42 là số đĩa thực tế của tháp chưng luyện

❖ Khối lượng của chóp trên đĩa: mc = ρ X18H10T x [ π×(d ch(n)

- Trong đó: +) ρX18H10T= 7,9.10 3 (kg/m 3 ) khối lượng riêng của của X18H10T

+) δch = 0,003 (m) chiều dày của chóp

+) dch(t) = 0,145 (m) là đường kính trong của chóp

+) dch(n) = dch(t) + 2 δch = 0,151 (m) là đường kính ngoài của chóp

+) hch = 0,145 (m) là chiều cao của chóp

+) a = 0,005 (m) là chiều rộng khe chóp

+) b = 0,045 (m) là chiều cao khe chóp

+) i = 71 là số khe hở mỗi chóp

+) n = 40 là số chóp trên một đĩa

+) NTT = 42 là số đĩa thực tế của tháp chưng luyện

❖ Khối lượng của ống hơi: moh = ρ X18H10T x π×(d h(n)

- Trong đó: +) ρX18H10T=7.9x10 3 (kg/m 3 ) khối lượng riêng của của X18H10T

+) hh = 0,12 (m) là chiều cao của ống hơi

+) δoh = 0,003 (m) chiều dày của ống hơi

+) dh(t) = 0,100 (m) là đường kính trong của ống hơi

+) dh(n) = dh(t) + 2 δoh = 0,106 (m) là đường kính ngoài của ống hơi

+) n = 40 là số chóp trên một đĩa

+) NTT = 42 là số đĩa thực tế của tháp chưng luyện

SVTH: LÊ NGỌC ÁNH– 20190687 61 moh = 7,9.10 3 3,14.(0,106 2 − 0,1 2 )

❖ Vậy khối lượng của đĩa chóp là:

- Khối lượng của bích bao gồm:

+ Khối lượng của bích nối thân tháp với nắp tháp và đáy tháp: mb(t)

+ Khối lượng của bích nối thân tháp với các ống dẫn: mb(od)

❖ Khối lượng của bích nối thân tháp với nắp tháp và đáy tháp: m b(t) = ρ X18H10T π.(D

- Trong đó: +) ρX18H10T=7,9.10 3 (kg/m 3 ) khối lượng riêng của của X18H10T

+) Trong phần tính toán và chọn bích có D!60mm; D0 15 mm; db'mm; số bu lông zH cái; h@mm, tổng số bích cần dùng là x bích

❖ Khối lượng của bích nối thân tháp với các ống dẫn m b(od) = ρ X18H10T × π(D 2 − D n 2 − zd b 2 )

- Trong đó: +) ρX18H10T = 7,9.10 3 (kg/m 3 ) khối lượng riêng của X18H10T

+) Các thông số D, Dn, z, db tương ứng với từng ống đã xác định trong phần tính toán và chọn bích Mỗi ống nối với thân cần 2 bích đơn nên trong công thức có nhân 2

- Thay số tương ứng với từng ống nối ta có bảng số liệu sau:

Dy Ống Kích thước nối Kiểu bích Khối lượng bích

Dn D Bu lông 1 db z Chọn h mm mm mm cái mm kg

Bảng 4.7 Bảng tính khối lượng các bích nối thân với ống dẫn

- Tổng khối lượng các bích nối thân với các ống dẫn là: m b(od) = 9,995 + 9,995 + 31,317 + 9,995 + 31,317 = 92,619 (kg)

❖ Vậy tổng khối lượng bích là: mb = mb(t) + mb(od) = 2701,49 + 92,619 = 2794,109 (kg) e) Khối lượng của lượng chất lỏng điền đầy tháp

- Giả sử trong điều kiện làm việc nguy hiểm nhất, bỏ qua sự chiếm chỗ của (đĩa, chóp, ) và lượng chất lỏng choán đầy tháp chưng luyện Khi đó khối lượng của lỏng trong tháp là: m L = (ρxtb(đl) Hđl + ρxtb(đc).Hđc) π.D 2

4 (kg) Trong đó: khối lượng riêng trung bình của lỏng đi trong đoạn luyện và đoạn chưng lần lượt là: ρxtb(đl) = 794,327 kg/m 3 , ρxtb(đc) = 900,33 kg/m 3

 Khối lượng chất lỏng điền đầy tháp: m L = (794,327.19,5 + 900,33.6,5) 3,14.2

4 = 67012,38 (kg) f) Khối lượng của lớp cách nhiệt

- Chọn lớp cách nhiệt làm từ bông thủy tính δcn = 20mm bao quanh thiết bị

❖ Khối lượng của lớp cách nhiệt bao quanh thân tháp, cả phần gờ ở đáy và nắp mcn(t) =ρ x (H + 2h) x π[(D n + δ cn )

4 (kg) Trong đó: ρ: khối lượng riêng của bông thủy tinh ρ = 200 kg/m 3

H: chiều cao tháp, H = 26m h: chiều cao gờ ở đáy nắp, h = 40mm

Dn: đường kính ngoài của tháp (m), Dn = 2,016 (m) (đã tính ở trên)

 Khối lượng lớp cách nhiệt bao quanh thân tháp, cả phần gờ ở đáy và nắp: mcn(t) 0 (26 + 2.0,04) 3,14.[(2,016 +0,02) 2 −2,016 2 ]

❖ Khối lượng của lớp cách nhiệt phủ đáy và nắp

- Bề mặt của đáy và đỉnh: Fđáy = Fđỉnh = 4,6 m 2

- Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: dđáy = 0,150 m

- Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh: dđỉnh = 0,350 m

- Coi phần nắp và đáy bị ống dẫn chiếm chỗ tiết diện tròn phẳng

- Khối lượng của lớp cách nhiệt phủ đáy: mcn(d) = ρ δcn (Fđáy – π.𝑑 đá𝑦

- Khối lượng của lớp cách nhiệt phủ nắp: mcn(n) = ρ δcn (Fđỉnh – π.𝑑 đỉ𝑛ℎ

❖ Vậy tổng khối lượng lớp cách nhiệt là: mcn = mcn(t) + mcn(n) + mcn(d) = 331,82 + 18,02 + 18,33 = 368,17 (kg) g) Tải trọng của toàn tháp

+ Khối lượng của thân tháp: mT = 10360,57 (kg)

+ Khối lượng của nắp và đáy tháp: mnắp = 360,04 (kg); mđáy = 366,24 (kg)

+ Khối lượng của đĩa, chóp và ống hơi: mdch = 7062,33 (kg)

+ Khối lượng của bích: mb = 2794,109 (kg)

+ Khối lượng của lượng lỏng trong tháp: mL = 67012,38 (kg)

+ Khối lượng của lớp cách nhiệt: mcn = 368,17 (kg)

- Khối lượng của tháp khi làm việc là: mTT = m T + m nắp + m đáy + m b + m dch + m L + mcn

- Tải trọng của tháp khi đang làm việc

- Tải trọng bé nhất của tháp khi không chứa lỏng:

= 209065,42 N e) Tải trọng do gió tạo ra

- Chọn trụ đỡ cao H=1,8m có dạng trụ θ = 90 0 , vật liệu chế tạo từ thép CT3 (có quét lớp sơn chống gỉ); được hàn phẳng với vỏ bình [4-489- hình 8.17b]

- Chọn áp suất động do gió tạo ra 𝑃 𝑤 = 0,05 𝑈 𝑤 2 = 0,05 160 2 = 1280( 𝑁

𝑚 2 ) (tương đương với tốc độ gió UW = 160km/h [4-503-8.63]

- Đường kính trung bình của tháp đã có lớp cách nhiệt là:

- Tải trọng tính theo 1m đường kính: 𝐹 𝑤 = 𝑃 𝑊 𝐷 𝑚 = 1280.2,056 = 2631,68( 𝑁

- Momen uốn tại đường chân đáy trụ đỡ:

4.4.3.2 Phân tích ứng suất Tính chiều dày của trụ đỡ

- Tại lần tính đầu tiên chọn chiều dày trụ đỡ ts = 18mm

- Đường kính trung bình của tháp đã có lớp cách nhiệt:

- Ứng suất do trọng lượng tạo ra khi thử kiểm tra tháp bằng nước tính theo công thức:

- Ứng suất do trọng lượng tạo ra ở trạng thái làm việc tính theo công thức:

- Điều kiện thử thủy lực chính là trạng thái khi tháp chứa đầy nước Như vậy khi tính trọng lượng của tháp, trọng lượng của lỏng trên đĩa đã được tính 2 lần, nhưng sai số sẽ không đáng kể, coi như là một phần của hệ số an toàn

- Ứng suất nén cực đại (công thức 8.45 [4 – 490]) là:

- Ứng suất căng nhỏ nhất (công thức 8.44 [4 – 490]) là:

- Độ bền của mối hàn sẽ phụ thuộc vào kiểu ghép nối và chất lượng của mối hàn Các mối hàn phải được kiểm tra bằng siêu âm (để tránh phá hỏng vật liệu)

Tuy nhiên cần cân đối giữa kinh phí siêu âm và kinh phí chế tạo khi tăng giá thành vật liệu Ta chọn mối hàn ghép nối đinh hoặc tương đương, mức độ siêu âm là tại một số vị trí với hệ số hàn J = 0,85

- Thép CT3 là thép cacbon (khử oxy bán phần hoặc khử silic), ứng suất thiết kế tại nhiệt độ 0-50 0 C là fk = 135 (N/mm 2 ) = 135.10 6 (N/m 2 ), mô-đun đàn hồi

❖ Tiêu chuẩn kiểm tra thiết kế:

- Kiểm tra: 𝜎 𝑠𝑚𝑎𝑥 (căng) ≤ fk.J.sin𝜃

- Cả hai tiêu chuẩn thiết kế đều thỏa mãn Để tính đến khả năng ăn mòn sẽ thêm 2mm vào chiều dày thiết kế Vậy chiều dày của trụ đỡ là: ts = 18+2 = 20 mm

4.4.3.3 Vòng chịu tải đáy trụ đỡ và các bu-lông định vị

- Chọn gần đúng đường kính vòng tròn tâm của các lỗ lắp bu-lông bằng Db=2(m)

- Chu vi vòng tròn tâm của các lỗ lắp bu-lông bằng: π.D = 2000.3,14 = 6280 (mm)

- Số bu-lông cần thiết để định vị vòng đáy trụ đỡ khi chọn bước bu-lông nhỏ nhất pmin = 600 mm; Nb = 6280

600 ,5 + Chọn số bu-lông bằng bội số chung gần nhất của 4 là: Nb = 12;

+ Chọn ứng suất thiết kế bu-lông: fb = 125 (N/mm 2 );

- Diện tích tiết diện ngang của một bu-lông tính theo công thức 8.50 [4 – 491]:

→ Chọn bu-lông M30, có tiết diện bu-lông tại chân ren Ab = 561 (mm 2 )

- Đường kính bu-lông: db = √ 4.Ab

𝜋 = 26,73 Chiều rộng thực tế của vòng đáy sẽ phụ thuộc vào thiết kế cụ thể của ghế đỡ Tra bảng và hình 8.20 [4 – 494] có Lr= B = 76 mm và các thông số như bảng sau:

Diện tích tiết diện bu lông tại chân ren, mm 2

Bảng 4.4 Thiết kế vòng chịu tải kiểu tấm ốp góc đơn

Hình 4.5 Vòng chịu tải kiểu tấm ốp góc đơn (tất cả các góc tiếp xúc đều được hàn)

Tính trở lực của tháp chưng luyện

- 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 đƣợc xác định theo công thức:

Với: NTT là số đĩa thực tế của tháp; ΔPd là tổng trở lực của một đĩa,

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

-Trong đó: +) ΔPk: trở lực của đĩa khô, N/m 2

+) ΔPL: trở lực do lớp chất lỏng không chứa khí có chiều cao hL trên đĩa tạo ra, N/m 2 +) ΔPR: trở lực bởi ảnh hưởng của các yếu tố điều kiện tạo bọt, khuấy trộn lỏng và gia tốc theo phương thẳng đứng của lỏng Đại lượng này thường rất nhỏ so với 2 trở lực trên nên thường coi ΔPR=0

4.5.1 Trở lực của đĩa khô ΔPk

Trong đó: ξ: hệ số trở lực, thường ξ = 4,5÷5, chọn ξ=5 ρ y : khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi) (kg/m 3 )

𝜔o: tốc độ khí (hơi) qua rãnh chóp (m/s)

- Tốc độ khí qua rãnh chóp là: 𝜔o = 4.V y

3600.π.𝑑 ℎ 2 𝑛 (m/s) Trong đó: +) Vy: lưu lượng hơi đi trong tháp, m 3 /h

+) dh: đường kính ống hơi, dh = 100mm = 0,1m

+) n: số chop phân bố trên một đĩa, n = 40 chóp

- Lưu lượng hơi đi trong tháp: Vy = 𝑔 𝑦

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

+) 𝜌 𝑦 : khối lượng riêng trung bình pha hơi trong tháp, kg/m 3

4.5.1.1 Trở lực của đĩa khô trên đoạn luyện

- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đi trong đoạn luyện là: 𝜌 𝑦𝑡𝑏(đ𝑙) = 1,238 kg/m 3

- Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: gtbL = 15917,69 (kg/h)

- Lưu lượng hơi đi trong đoạn luyện: Vy = 𝑔 𝑡𝑏𝐿

- Tốc độ khí qua rãnh chóp là: 𝜔o = 4.V y

- Trở lực của đĩa khô trong đoạn luyện:

4.5.1.2 Trở lực của đĩa khô trên đoạn chưng

- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đi trong đoạn chưng là: 𝜌 𝑦𝑡𝑏(đ𝑐) = 0,81 kg/m 3

- Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng: gtbC = 10560,629 (kg/h)

- Lưu lượng hơi đi trong đoạn chưng: Vy = 𝑔 𝑡𝑏𝐶

- Tốc độ khí qua rãnh chóp là: 𝜔 0 = 4.𝑉 𝑦

- Trở lực của đĩa khô trong đoạn chưng:

4.5.2 Trở lực do lớp chất lỏng không chứa khí trên đĩa tạo ra 𝛥𝑃 𝐿

Trong đó: +) hf: chiều cao lớp bọt, m

Trong đó: +) F: tải trọng của dòng khí

+) 𝐹 𝑚𝑎𝑥 : tải trọng cực đại của dòng khí

- Tải trọng của dòng khí: F = UG.√𝜌 𝐺 [4-59]

Trong đó: +) UG: tốc độ dòng khí tính theo tiết diện ngang của tháp, m/s

+) 𝜌 𝐺 : khối lượng riêng của dòng khí, kg/m 3

- Tải trọng cực đại của dòng khí: 𝐹 𝑚𝑎𝑥 = 2,5.[ϕ 2 × 𝜎 × (𝜌 𝐿 − 𝜌 𝐺 ) × 𝑔] 1 4 [4-59]

Trong đó: +) ϕ: phần tiết diện tự do của đĩa

- Chiều cao lớp bọt: hf = hw + 1,45

Trong đó: +) VL: tải trọng của lỏng, m 3 /s

+) hw: chiều cao của ngưỡng chảy tràn, m

+) Lw: chiều dài ngưỡng chảy tràn, m

Trong phần tính toán chóp có: hw = 0.06 (m); Lw = 1.455 (m)

4.5.2.1 Trở lực do lớp chất lỏng không chứa khí trên đĩa đoạn luyện

- Đoạn luyện: UG = 𝜔 𝑦𝑡𝑏(đ𝑙) = 1,136 (m/s); 𝜌 𝐺 = 𝜌 𝑦𝑡𝑏(đ𝑙) = 1,238 kg/m 3 ; 𝜌 𝐿 = 𝜌 𝑥𝑡𝑏(đ𝑙) 794,327 kg/m 3

𝜎 ℎℎ = 22,24 (dyn/cm) = 22,24.10 -3 (N/m); diện tích tự do tương đối ϕ = 0,385

- Tải trọng của dòng khí: F = UG.√𝜌 𝐺 = 1,136.√1,238 = 1,264

- Tải trọng cực đại của dòng khí: 𝐹 𝑚𝑎𝑥 = 2,5.[0,385 2 22,24.10 −3 (794,327 − 1,238) 9,81] 1 4 = 5,626

- Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện: 𝐺 𝑡𝑏𝐿 = 10808,01 (kg/h)

- Tải trọng của lỏng: VL = 𝐺 𝑡𝑏𝐿

- Chiều cao lớp bọt: hf = hw + 1,45

- Trở lực do lớp chất lỏng ở 1 đĩa của đoạn luyện:

4.5.2.2 Trở lực do lớp chất lỏng không chứa khí trên đĩa đoạn chưng

- Đoạn chưng: UG = 𝜔 𝑦𝑡𝑏(đ𝑐) = 1,152 (m/s); 𝜌 𝐺 = 𝜌 𝑦𝑡𝑏(đ𝑐) = 0,81 kg/m 3 ; 𝜌 𝐿 = 𝜌 𝑥𝑡𝑏(đ𝑐) 900,33 kg/m 3

𝜎 ℎℎ = 38,15 (dyn/cm) = 38,15.10 -3 (N/m); diện tích tự do tương đối ϕ = 0,385

- Tải trọng của dòng khí: F = UG.√𝜌 𝐺 = 1,152.√0,81 = 1,0368

- Tải trọng cực đại của dòng khí: 𝐹 𝑚𝑎𝑥 = 2,5.[0,385 2 38,15.10 −3 (900,33 − 0,81) 9,81] 1 4 = 6,645

- Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng: 𝐺 𝑡𝑏𝐶 = 16249,789 (kg/h)

- Tải trọng của lỏng: VL = 𝐺 𝑡𝑏𝐶

- Chiều cao lớp bọt: hf = hw + 1,45

- Trở lực do lớp chất lỏng ở 1 đĩa của đoạn chưng:

4.5.3 Trở lực tổng cộng của tháp chưng luyện

- Trở lực của tháp chóp được xác định theo công thức:

Với: NTT là số đĩa thực tế của tháp; ΔPd là tổng trở lực của một đĩa,

- Trở lực tổng cộng của đĩa ở đoạn luyện:

- Trở lực tổng cộng của đĩa ở đoạn chưng:

- Mà số đĩa thực tế đoạn luyện NTT(l) = 32 (đĩa); đoạn chưng NTT(c) = 10 (đĩa)

- Trở lực tổng cộng của tháp chưng luyện là:

Tính toán, lựa chọn các thiết bị phụ trợ

Tính toán thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

- Để đun nóng hỗn hợp đầu gồm 0,45 (phần khối lượng) rượu etylic và 0,55

(phần khối lượng) nước với năng suất F = 3,0 (kg/s) = 10800 (kg/h) Ta giả thiết hỗn hợp đầu có nhiệt độ ban đầu là 20 0 C, cần đun nóng tới nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu là tF = 82,555 0 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 119,6 0 C, 2 at [1 – 314 – Bảng I.251] để đun nóng hỗn hợp

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

- Chiều cao ống truyền nhiệt: h0 = 1,5 (m)

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

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

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

- Hai lưu thể chuyển động ngược chiều: hỗn hợp rượu etylic và nước đi từ dưới lên trong không gian trong ống, hơi nước bão hòa đi trong không gian ngoài ống, ngưng tụ và đi ra ngoài

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

- Yêu cầu thiết kế quan trọng nhất của việc thiết kế thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là xác định được bề mặt truyền nhiệt Ngoài ra còn xác định các thông số khác nhau: đường kính, chiều cao, số ống và số ngăn thiết bị

- Diện tích bề mặt truyền nhiệt được xác định thông qua phương trình cơ bản của truyền nhiệt

Trong đó: Q: nhiệt lượng trao đổi (W)

F: diện tích bề mặt truyền nhiệt (m 2 )

K: hệ số truyền nhiệt (W/m 2 độ) t̅̅̅: hiệu số nhiệt độ trung bình (°C)

5.1.1 Tính lượng nhiệt trao đổi

5.1.1.1 Xác định động lực của quá trình truyền nhiệt

- Nhiệt độ vào của dung dịch là: tđ = 20 0 C

- Nhiệt độ ra của dung dịch là: tc = tF = 82,555 0 C

- Hơi đốt là hơi nước bão hòa nên nhiệt độ không thay đổi và là nhiệt độ sôi ở áp suất đã chọn (2 at): tbh9,6 0 C [1 – 314 – Bảng I.251 Tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào áp suất:

- Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể:

5.1.1.2 Xác định nhiệt lượng trao đổi Q:

+) 𝐺 𝐹 , 𝐺 𝑓 : Lưu lượng hỗn hợp đầu; 𝐺 𝐹 , 𝐺 𝑓 = 10800 (kg/h)

+) 𝐶 𝑓 : là nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu ở 20 0 C, 𝐶 𝑓 415 J/kg.độ

+) 𝐶 𝐹 : là nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu ở 82,555 0 C, 𝐶 𝐹 773.63 J/kg.độ

+) 𝑡 𝐹 : là nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu, 𝑡 𝐹 = 82,555 0 C

+) 𝑡 𝐹 : là nhiệt độ dầu của hỗn hợp, 𝑡 𝑓 = 20 0 C

- Nhiệt lượng trao đổi là:

5.1.2 Tính hệ số truyền nhiệt K

❖ Quá trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn:

- Cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa cho thành ống truyền nhiệt phía bên hơi: q 1 = α 1 t1 (W/m 2 )

Trong đó: α 1 : hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (W/m 2 độ)

t1 = t bh – t T1 : hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và thành ống tiếp xúc với hơi đốt (°C)

- Dẫn nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc hơi (tường trái) sang thành ống tiếp xúc với lỏng (tường phải) (dẫn nhiệt qua 1m 2 thành ống): q T = 1

∑ r t T (W/m 2 ) Trong đó: ∑ r: tổng nhiệt trở của thành ống (m 2 độ/K)

t T = t T1 – t T2 : hiệu số nhiệt độ giữa hai thành ống t T1 , t T2 (°C) r 1 , r 2 : nhiệt trở cặn bẩn ở hai phía của thành ống (m 2 độ/K) δ: bề dày của thành ống (m) λ = 50 W/m.độ - hệ số dẫn nhiệt của thành ống tT1, tT2 là nhiệt độ 2 phía thành ống

- Cấp nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với pha lỏng cho hỗn hợp lỏng: q 2 = α 2 t2 (W/m 2 )

Trong đó: α 2 : hệ số cấp nhiệt của từ thành ống (W/m 2 độ)

t2 = t T2 – t tb : hiệu số nhiệt độ của hỗn hợp lỏng và thành ống tiếp xúc với hỗn hợp lỏng (°C)

 Hệ số truyền nhiệt K được xác định theo công thức:

Trong đó: ∑ r = ∑ δ i λ i = r 1 + δ λ +r 2 : tổng nhiệt trở của thành ống (m 2 độ/K) r 1 , r 2 : nhiệt trở cặn bẩn ở hai phía của thành ống (m 2 độ/K) δ: bề dày của thành ống (m) λ = 50 W/m.độ - hệ số dẫn nhiệt của thành ống

5.1.2.1 Xác định hệ số cấp nhiệt 𝛂 𝟐 : a) Tính chuẩn số Re, xác định chế độ chảy của hỗn hợp lỏng trong ống:

Trong đó: 𝜔: tốc độ lỏng chảy trong ống (m/s), do lỏng vào ống nhờ bơm mà tốc độ lỏng trong ống đẩy của bơm 𝜔= 0,1 – 0,5 (m/s) [1-370], chọn 𝜔= 0,3 (m/s) l = dtđ: kích thước hình học, đường kính tương đương của ống truyền nhiệt (m) ρ: khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng (kg/m 3 ) μ: độ nhớt động lực của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình (N.s/m 2 )

- Ứng với nhiệt độ ttb= 56,35 0 C Từ bảng số liệu có độ nhớt của Ethanol và nước tương ứng lần lượt là: μ Ethanol = 0,6311 (cP); μ Nước = 0,4982 (cP)

- Độ nhớt của hỗn hợp lỏng thường không liên hợp [1-84-I.12] lgμ = x F lgμ Ethanol + (1 – x F ) lgμ Nước

- Ứng với nhiệt độ ttb= 56,35 0 C Từ bảng số liệu có khối lượng riêng của

Ethanol và Nước tương ứng lần lượt là ρEthanol= 757,29; ρNước= 984,64

- Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:

- Chọn ống truyền nhiệt kích thước 25x2 (mm) (đường kính ngoài 25mm, dày 2mm) nên đường kính trong của ống: dt = 25 – 2,2 = 21 (mm) Ống dạng tròn nên đường kính tương đương dtđ = dt = 21mm = 0,021m

0,5277.10 −3 = 69040,93 > 10 4 → Chế độ chảy xoáy b) Tính chuẩn số Pran:

Trong đó: Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của hỗn hợp đầu tại ttb = 56,35°C Đã tính được ở trên Cp = 3618,14 (J/kg.độ)

SVTH: LÊ NGỌC ÁNH– 20190687 73 μ (N.s/m 2 ) là độ nhớt động lực của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình ttb 56,35°C Đã tính ở trên μhh = 0,5277.10 -3 (N.s/m 2 ) λ: hệ số dẫn nhiệt của dung dịch (W/m.độ)

❖ Tính hệ số dẫn nhiệt của dung dich λ: λ = A.Cp.ρ.√ ρ

Trong đó: Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của hỗn hợp đầu tại ttb = 56,35°C Đã tính được ở trên Cp = 3618,14 (J/kg.độ) ρhh = 867,45 (kg/m 3 ), là khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng

M = 24,804 (kg/kmol), khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu

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

Với chất lỏng liên kết (Rượu etylic – nước) nên A = 3,58.10 -8 [1-123]

- Hệ số dẫn nhiệt của dung dich λ: λ = 3,58.10 -8 3618,14.867,45 √ 867,45

0,367 = 5,20 c) Tính chuẩn số Nuyxen, xác định hệ số cấp nhiệt 𝛂 𝟐 :

Trong đó: α = α 2 : hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m 2 độ) l = dtđ = 21mm = 0,021m là kích thước hình học λ = 0,367 (W/m.độ) (đã tính ở trên)

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

Trong đó: Re = 69040,93, Pr = 5,20 (đã tính ở trên) ε 1 : hiệu 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, Re > 10 4 nên từ bảng V.2 [2-15] có ε 1 = 1

Prt: chuẩn số Pran của hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ trung bình của tường

Từ [2-15], thấy chênh lệch nhiệt độ giữa tường và dòng nhỏ nên ( Pr

- Hệ số cấp nhiệt từ thành ống là:

SVTH: LÊ NGỌC ÁNH– 20190687 74 α 2 = Nu.λ l = 317,24.0,367

5.1.2.2 Xác định tổng trở nhiệt của thành ống 𝜮𝒓

∑ r = r 1 + δ λ + r 2 (m 2 độ/W) Trong đó: r 1 , r 2 : nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của tường (m 2 độ/W) δ: bề dày của thành ống, δ = δo = 2mm (đã giả thiết ở trên) λ: hệ số dẫn nhiệt, λ = λo = 50 W/m.độ (đã giả thiết ở trên)

Từ bảng V.1 [2-4], giả sử các chất bám trên bề mặt truyền nhiệt có bề dày khoảng 0,5mm:

+ Lớp cặn bẩn phía hơi nước ngưng tụ: r 1 = 0,464.10 -3 (m 2 độ/W)

+ Lớp cặn bẩn phía hỗn hợp: r 2 = 0,116.10 -3 (m 2 độ/W)

 Tổng trở nhiệt của thành ống là:

5.1.2.3 Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hòa 𝛂 𝟏 :

- Khi tốc độ hơi trong ống nhỏ (Wh ≤ 10m/s) và màng nước ngưng chuyền động dòng thì hệ số cấp nhiệt α 1 của hơi nước bão hòa đối với ống thẳng đứng: α 1 = 2,04 x A x √ t r

Trong đó: A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm r: ẩn nhiệt ngưng tụ của màng hơi đốt (J/kg)

t 1 : hiệu số nhiệt độ giữa nước ngưng (tng = tbh = 119,6°C) và nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc (t T1 ), t 1 = tng – t T1 (°C)

H: chiều dài của ống truyền nhiệt, H = ho = 1,5m (đã giả thiết ở trên)

- Ứng với hơi nước bão hòa ở 119,6°C, 2 at, tra bảng tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc áp suất [1-314] có ẩn nhiệt ngưng tụ r = 2208.10 3 J/kg

- Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm=0,5(tT1+tbh) = 0,5 (110,7 + 119,6) 5,15 0 C, tra cứu dựa vào bảng số liệu [2 – 29] ta có: A = 185,82

- Tải nhiệt riêng phía hơi đốt: q1 = 𝛼 1 t 1 = 7644,55.8,9 = 68036,5 (W/m 2 )

- Hiệu số nhiệt độ giữa 2 phía thành ống là:

- Hiệu số nhiệt độ hỗn hợp lỏng và thành ống tiếp xúc với hỗn hợp lỏng: Δt2 = t T2 - ttb = 68,5 – 56,35 = 12,15 (°C)

- Tải nhiệt riêng phía hỗn hợp ethanol – nước:

68036,5 |= 0,99% lg𝜇hh = 0,243 lg(1,19.10 -3 ) + (1 – 0,243) lg(1,005.10 -3 ) => 𝜇hh = 1,047.10 -3 N.s/m 2

 Chất lỏng chảy ở chế độ chảy xoáy

- Từ bảng II.15 [1-381], với loại ống dẫn hơi nước bão hòa và nước nóng với điều kiện ít rò (5%) ta có 𝜀 = 0,2 mm => 𝑑 𝑡𝑑

- Tại khu vực nhẵn thủy học:

Chuẩn số Reynold giới hạn: Regh = 6( 𝑑 𝑡𝑑

+ Chuẩn số Reynold khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:

+ Ta có: Regh < Re < Ren => Hệ số ma sát 𝜆 được tính theo công thức II.64 (1-380)

5.2.1.3 Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ ∆𝑃 𝑐

- Trên đường ống có 1 van chắn tiêu chuẩn và 1 lưu lượng kế

- Từ bảng II.16 (1-399) phần N°45 (Gía trị 𝜉 khi van mở hoàn toàn) với d = 50 mm

- Hệ số trở lực cục bộ của van chắn ξ 1 = 0,5

- Gỉa sử trở lực của lưu lượng kế gấp 3 lần van chắn

- Chiều cao cột chất lỏng tương đương:

5.2.2 Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

Trong đó: ρ: khối lượng riêng của dung dịch vào ở tại ttb = 56,35°C, có ρhh = 867,45 (kg/m 3 )

𝜔: là vận tốc dòng lỏng trong ống truyền nhiệt, 𝜔 = 2 (m/s)

5.2.2.2 Áp suất để khắc phục trở lực ma sát

+) L: chiều dài ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt vào tháp (m), L =h0 = 1,5m

+) dtd: đường kính tương đương của ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt vào tháp (m)

+) P d là áp suất động học

- Chuẩn số Re = 69040,93 > 10 4 → Chế độ chảy xoáy

- Từ bảng II.15 [1-381], với loại ống dẫn hơi nước bão hòa và nước nóng với điều kiện ít rò (5%) ta có 𝜀 = 0,2 mm => 𝑑 𝑡𝑑

- Tại khu vực nhẵn thủy học:

Chuẩn số Reynold giới hạn: Regh = 6( 𝑑 𝑡𝑑

+ Chuẩn số Reynold khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:

+ Ta có: Re > Ren => Hệ số ma sát 𝜆 được tính theo công thức [I-379-II.63]

5.2.2.3 Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ ∆𝑃 𝑐

- Dòng chảy qua thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu sẽ gặp nhiều chỗ ngoặt, đột mở, đột thu

- Tiết diện ống dẫn dung dịch vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:

4 = 1,96 10 −3 m 2 Tiết diện ống hơi truyền nhiệt trong mỗi ngăn:

23 = 1,91 10 −3 m 2 Tiết diện phần dưới thiết bị nơi ống dẫn dung dịch vào là:

4 = 0,196 m 2 Trong đó: D là đường kính của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

- Khi chất lỏng chảy vào thiết bị ( Đột mở)

Nội suy từ bảng II.16.(1-387) phần N o 11 ta có 𝜉 1 = 0,981

- Khi chất lỏng chảy từ khoảng trống vào các ngăn (đột thu)

Nội suy từ bảng II.16.(1-388) phần N o 11 ta có 𝜉 2 = 0,5

- Khi chất lỏng chảy từ các ngăn ra khoảng trống (đột mở)

Nội suy từ bảng II.16.(1-387) phần N o 11 ta có 𝜉 3 = 0,982

- Khi chất lỏng chảy ra khỏi thiết bị (đột thu)

Nội suy từ bảng II.16.(1-387) phần N o 11 ta có 𝜉 4 = 0,5

- Chiều cao cột chất lỏng tương đương là:

5.2.3 Trở lực của đoạn ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến tháp chưng 5.2.3.1 Áp suất động học

Trong đó: ρ: khối lượng riêng của dung dịch vào ở tF = 82,555°C, (kg/m 3 )

𝜔: vận ốc dòng lỏng trong ống (m/s) Chọn ống có d = 50mm và chiều dài L = 3m

5.2.3.2 Áp suất để khắc phục trở lực ma sát

+) L: chiều dài ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt vào tháp (m), L = h0 = 1,5m

+) dtd: đường kính tương đương của ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt vào tháp (m)

+) P d là áp suất động học

Re = ω.d.ρ μ với μ là độ nhớt của dung dịch hỗn hợp đầu tại nhiệt độ 82,555°C

- Từ bảng I.101 (I-91) tại nhiệt độ 82,555°C ta có 𝜇 𝐸 = 0,421.10 -3 N.s/m 2 và 𝜇 𝑁 0,348.10 -3 N.s/m 2

- Độ nhớt của hỗn hợp là lg𝜇hh = xF lg𝜇 𝐸 + (1- xF) lg𝜇 𝑁

=> lg𝜇hh = 0,243 lg(0,421.10 -3 ) + (1 – 0,243) lg(0,348.10 -3 ) => 𝜇hh = 0,364.10 -3 N.s/m 2

0,364.10 −3 = 210492,1 > 10 4 Chất lỏng chảy ở chế độ chảy xoáy

- Từ bảng II.15 [1-381], với loại ống dẫn hơi nước bão hòa và nước nóng với điều kiện ít rò (5%) ta có 𝜀 = 0,2 mm => 𝑑 𝑡𝑑

- Tại khu vực nhẵn thủy học:

Chuẩn số Reynold giới hạn: Regh = 6( 𝑑 𝑡𝑑

+ Chuẩn số Reynold khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:

+ Ta có: Re > Ren => Hệ số ma sát 𝜆 được tính theo công thức [I-379-II.63]

5.2.3.3 Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ ∆𝑃 𝑐

- Trên đường ống có 1 khuỷu ghép 90° do 2 khuỷu 45° tạo thành

→ Chọn độ dài đoạn chéo a = 30mm

- Từ bảng II.16 (1-394) phần N°29 với d = 50mm, a = 30mm → a/d = 0,6 → 𝜉 = 0,6

- Chiều cao cột chất lỏng tương đương là:

5.2.3.4 Chiều cao toàn phần của bơm

+) 𝑃 2 , 𝑃 1 : là áp suất mặt thoáng chỗ hút và đẩy, do tháp làm việc dưới áp suất khí quyển nên áp suất mặt thoáng chất lỏng và áp suất tại đĩa tiếp liệu xấp xỉ bằng nhau:

+) H0: là chiều cao hình học đưa chất lỏng lên tháp, là tổng chiều cao thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu và ống, H0= 2 + 0,5 + 1,5 + 3= 7(m)

+) H1, H2, H3: là chiều cao khắc phục các trở lực

5.2.4 Công suất toàn phần của bơm

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

+) H là chiều cao toàn phần của bơm, m

+) 𝜂: hiệu suất chung của bơm, 𝜂 = 𝜂 0 𝜂 𝐻 𝜂 𝑐𝑘

Chọn: Hiệu suất thể tích 𝜂 0 = 0,96

- Công suất toàn phần của bơm

5.2.5 Công suất động cơ điện

+) ηtr là hiệu suất truyền động, chọn ηtr=0,9

+) ηdc là hiệu suất động cơ điện, chọn ηdc=0,9

- 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 𝑑𝑐 𝑐 = 𝛽 𝑁 𝑑𝑐 , 𝑘𝑊 [1 − 439 − 𝐼𝐼 191]

Tra bảng II.3 [1-440] có 𝑁 𝑑𝑐 < 1 thì hệ số dự trữ β = 1,8

- Vậy quy chuẩn chọn bơm có công suất 0,8 kW

Tính toán thiết bị ngưng tụ hồi lưu

- Để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh và để tránh hiện tượng khô đĩa ở những đĩa trên cùng ta sử dụng thiết bị ngưng tụ hồi lưu đưa một phần sản phẩm đỉnh hồi lưu trở lại tháp

- Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp: gd = P.(R +1) = 5109,68.(2,7 +1) = 18905,816 (kg/h) Ngưng tụ hơi đỉnh tháp gồm 0,94 (phần khối lượng) Ethanol và 0,06 (phần khối lượng) Nước ở nhiệt độ tP = 78,48 o 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 o C; nhiệt độ cuối chọn là 45 o 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 = 1,5 (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 Rượu etylic – Nước 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]

• Yêu cầu thiết kế quan trọng nhất của việc thiết kế thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là xác định được bề mặt truyền nhiệt Ngoài ra còn xác định các thông số khác như: đường kính, chiều cao, số ống và số ngăn thiết bị

5.3.1 Tính lượng nhiệt trao đổi

5.3.1.1 Xác định động lực quá trình truyền nhiệt

- Nhiệt độ đầu vào của nước là : td o C

- Nhiệt độ cuối của nước là: tcE o C

- Nhiệt độ ngưng tụ là: tnt=tPx,48 o C

- Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể: ∆𝑡̅̅̅ = ∆𝑡 1 −∆𝑡 2

• Nhiệt độ trung bình của dòng nước trong ống: 𝑡 𝑡𝑏 = 𝑡 𝑑 −𝑡 𝑐

• Trong phần cân bằng nhiệt lượng 3.4.3.1 đã xác định được:

+) Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi sản phẩm đỉnh: rnt8197,394(J/kg)

+) Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t2,5 o C là

Cn=0,99875(kcal/kg.độ)A80(J/kg.độ)

+) Lượng nước làm nguội cần tiêu tốn nếu ngưng tụ hoàn toàn hơi ở đỉnh:

5.3.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K

• Quá trình truyền nhiệt gồm 3 phần:

- Cấp nhiệt từ hơi cho thành ống truyền nhiệt phía bên hơi (tường trái):

+) α1 là hệ số cấp nhiệt của hơi (W/m 2 độ)

+) ∆ 𝑡1 = 𝑡 𝑛𝑡 − 𝑡 𝑇1 là hiệu số nhiệt độ của hơi và thành ống tiếp xúc với hơi

- Dẫn nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc hơi (tường trái) sang thành ống tiếp xúc với nước (tường phải) (dẫn nhiệt qua 1m 2 thành ống): 𝑞 𝑇 = 1

+) Σr là tổng nhiệt trở của thành ống (m 2 độ/W)

+) ΔtT = tT1 – tT2 là hiệu số nhiệt độ giữa 2 phía thành ống

+) tT1, tT2 là nhiệt độ 2 phía thành ống

- Cấp nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với nước (tường phải) cho nước:

+) α2 là hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m 2 độ)

+) Δt2 = tT2 – ttb là hiệu số nhiệt độ của nước và thành ống tiếp xúc với nước

• Do đó, hệ số truyền nhiệt K được xác định theo công thức:

𝜆+ 𝑟 2 là tổng nhiệt trở của thành ống (m 2 độ/W) +) r1, r2 là nhiệt trở cặn bẩn ở 2 phía của thành ống (m 2 độ/W)

+) δ là bề dày của thành ống, m

+) λP(W/m.độ) là hệ số dẫn nhiệt của thành ống

5.3.2.1 Xác định hệ số cấp nhiệt α 2 a) Tính chuẩn số Re, xác định chế độ chảy của nước

+) ω là tốc độ của nước, giả sử nước chảy xoáy ω = 1 (m/s)

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

+) ρ là khối lượng riêng của nước, (kg/m 3 )

+) μ (N.s/m 2 ) là độ nhớt động lực của nước ở nhiệt độ trung bình ttb2,5 o C

• Ở nhiệt độ ttb2,5 o C, tra bảng I.5 [1-12] có 𝜌 = 994,25( 𝑘𝑔

• Chọn ống truyền nhiệt kích thước 25x2(mm) (đường kính ngoài 20mm, dày 2mm nên đường kính trong của ống: dt%-2.2!mm Ống dạng tròn nên đường kính tương đương: dtd=dt!mm

+) Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của nước tại ttb2,5 o C Đã tính ở mục 5.3.1.2:

+) μ =0,7648.10 -3 (N.s/m 2 ) là độ nhớt động lực của nước ở ttb2,5 o C

+) λ là hệ số dẫn nhiệt của nước (W/m.độ)

• Ở nhiệt độ ttb2,5 o C, tra bảng I.29 [1-133] có hệ số dẫn nhiệt của nước 𝜆 0,527 (kcal/m.h.độ) = 0,613 (W/m.độ)

0,613 = 5,22 c) Tính chuẩn số Nuyxen, xác định hệ số cấp nhiệt α 2

• Chuẩn số Nuyxen được xác định theo công thức:

+) α = α2 là hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m 2 độ)

+) l = dtd = 0,021 (m) là kích thước hình học

+) λ = 0,613 (W/m.độ) là hệ số dẫn nhiệt của nước

• Do chế độ chảy của chất lỏng trong ống là chế độ chảy xoáy (Re > 10 4 ) nên:

+) Prt là chuẩn số Pran của nước 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 = 27300.3 nên tra bảng V.2 [2-15] có ε1=1

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

5.3.2.2 Xác định tổng trở nhiệt của thành ống ∑ 𝒓

* Giả thiết lớp cặn bẩn bám trên bề mặt truyền nhiệt (bên thường phía tiếp xúc với nước lạnh) có bề dày khoảng 0,5mm và có nhiệt trở trung bình

- Lớp cặn bẩn phía tiếp xúc nước lạnh: 𝑟 1 = 0,464 10 −3 (𝑚 2 độ

- Bên phía hơi sản phẩm đỉnh sạch nên gần như không có cặn: 𝑟 2 = 0 (𝑚 2 độ

* Thành ống dày δ=2(mm) làm bằng thép CT3 có hệ số dẫn nhiệt λP(W/m.độ)

* Do đó, tổng nhiệt trở của thành ống là: ∑ 𝑟 = ∑ 𝛿 𝑖

5.3.2.3 Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi sản phẩm đỉnh α 1

* Khi tốc độ hơi trong ống nhỏ (Wh