Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC- ACID ACETIC BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI2.. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Nước - Acid Acetic bằng
TỔNG QUAN
Acid Acetic
Là hợp chất hữu cơ có công thức là CH3COOH Là một carboxylic acid bao gồm một gốc methyl và 1 nhóm chức carboxyl Tên IUPAC của acetic acid là ethanoic acid và công thức hóa học của nó cũng có thể được viết là C2H4O2 Acetic acid còn có tên gọi khác là giấm, chứa từ 5% đến 20% acid ethanoic theo thể tích Mùi hăng và vị chua là đặc trưng của acetic acid.
Ngoài ra thì Acid Acetic có tính chất lý hoá sau:
− Khối lượng phân tử/ khối lượng mol: 60,052 g/mol
− Khối lượng riêng: 1,049 g/cm 3 (l), 1,266 g/cm 3 (s).
Acetic Acid tác dụng với base, carbonate và bicarbonate để tạo ra acetate kim loại tương ứng, nước và carbonic (phổ biến nhất là Sodium Bicarbonate với giấm ăn):
NaHCO3 + CH3COOH → CH3COONa + CO2 + H2O
Tác dụng với kiềm tạo ra nước và ethanoate kim loại:
NaOH + CH3COOH → CH3COONa + H2O
Tác dụng với rượu tạo thành ester:
ROH + CH3COOH → CH3COOR + H2O
Acetic acid làm ăn mòn các kim loại và tạo ra khí hydro và các muối acetate:
Mg + 2CH3COOH → (CH3COO)2Mg + H2
Nhôm thụ động với acetic acid do khi phản ứng, nó tạo ra lớp màng mỏng nhôm oxit trên bề mặt, ngăn chặn sự ăn mòn Vì vậy, các nhà sản xuất vẫn thường dùng bình chứa bằng nhôm để đựng dung dịch này.
Phản ứng thế halogen vào gốc hydrocacbon (90 – 100 o C):
Cl2 + CH3COOH → ClCH2COOH + HCl
Tác dụng với acetylen (xúc tác thủy ngân, nhiệt độ 70 – 80 o C) thành etyl diacetate:
C2H2 + 2CH3COOH → CH3CH(OCOCH3)2
Tác dụng với amoniac tạo thành amid:
NH3 + CH3COOH → NH3CH3COOHNH4
Phản ứng decarboxyl hóa thành aceton (Xúc tác manganese oxide, nhiệt độ):
Acetic acid được sử dụng trong nhiều quy trình công nghiệp để sản xuất chất nền và làm thuốc thử hoá học như Anhydrid Acetic, Estic, Vinyl Acetate Monome, giấm và các vật liệu polymer Ngoài ra còn được sử dụng để tinh chế các hợp chất hữu cơ do có khả năng làm dung môi để kết tinh lại.
Axit axetic có rất nhiều công dụng trong lĩnh vực y tế như:
1 Nó có thể được sử dụng như một chất khử trùng chống lại pseudomonas, enterococci, streptococci, staphylococci và những người khác.
2 Nó cũng được sử dụng trong tầm soát ung thư cổ tử cung và điều trị nhiễm trùng.
3 Nó được sử dụng như một tác nhân để lyse (phá hủy các tế bào thông qua lysin) các tế bào hồng cầu trước khi các tế bào bạch cầu được kiểm tra.
4 Giấm cũng được cho là làm giảm nồng độ đường trong máu cao.
1 Trong ngành công nghiệp thực phẩm, acetic acid được sử dụng phổ biến nhất trong các hoạt động ngâm thương mại và trong các gia vị như mayonnaise, mù tạt và sốt cà chua.
2 Nó cũng được sử dụng để nêm các mặt hàng thực phẩm khác nhau như salad, v.v.
3 Ngoài ra, giấm có thể phản ứng với các thành phần kiềm như baking soda và khi điều đó xảy ra, nó tạo ra một loại khí giúp làm cho bánh nướng trở nên phồng hơn.
Sử dụng trong gia đình
Acetic acid là một dung dịch loãng được sử dụng rộng rãi như giấm Và như chúng ta đã quen thuộc, giấm được sử dụng rộng rãi để làm sạch, giặt giũ, nấu ăn và nhiều mục đích sử dụng khác trong gia đình Nông dân thường phun acetic acid lên thức ăn ủ chua của vật nuôi để chống lại sự phát triển của vi khuẩn và nấm.
Ngoài ra, acid acetic được sử dụng để sản xuất mực và thuốc nhuộm và nó cũng được sử dụng trong sản xuất nước hoa Nó cũng tham gia vào việc sản xuất các ngành công nghiệp cao su và nhựa.
Acid Acetic được sản xuất bằng 2 phương pháp là sinh học và tổng hợp
Carbonyl hoá methanol: Đa phần Acetic acid được sản xuất bằng quy trình cho methanol và carbon monoxide phản ứng với nhau theo phương trình:
CH3OH + CO CH3COOH
Trong quy trình còn có sử dụng chất xúc tác là iodomethan và diễn ra theo 3 bước Chất xúc tác, thường là phức chất kim loại, được dùng trong bước 2.
3 CH3COI + H2O CH3COOH + HIOxy hoá acetaldehyde: Acetaldehyde có thể được sản xuất bằng cách oxy hoá butan hoặc naphtha nhẹ, hoặc hydrat hoá ethylen
Nước
Nước có công thức hoá học là H2O, là một hợp chất vô cơ phân cực ở nhiệt độ phòng là một chất lỏng không vị và không mùi, gần như không màu nhưng nếu khối nước dày hơn thì có màu xanh nhạt Nước là hợp chất rất cần thiết cho sự sống.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau
Các phân tử nước có khả năng tạo liên kết hydro với nhau và có tính phân cực mạnh, nhờ đó nước có thể hòa tan các ion trong muối và liên kết với các phân tử phân cực như rượu và axit Đặc tính liên kết hydro này cũng khiến nước ở trạng thái rắn có mật độ thấp hơn trạng thái lỏng, dẫn tới điểm sôi cao (100 độ C) và khả năng tỏa nhiệt lớn.
Nước là chất lưỡng tính, có nghĩa là nó có thể thể hiện các tính chất của acid hoặc base, tùy thuộc vào pH của dung dịch mà nó có trong đó; nó dễ dàng tạo ra cả ion H + và OH -
Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45° Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện Chiều dài của liên kết O-H là 96,84 picomet.
− Khối lượng phân tử: 18g / mol
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
Nước có khả năng dẫn nhiệt tốt Nước tinh khiết không có khả năng dẫn điện, khả năng dẫn điện của nước phụ thuộc vào tổng lượng muối có trong nước.
Hòa tan chất dinh dưỡng cho cơ thể sống.
Tham gia vào quá trình hóa học trong cơ thể người và động vật.
Có vai trò rất quan trọng trong đời sống: sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải,…
Nước là thành phần quan trọng của các tế bào sinh học và là môi trường của các quá trình sinh hóa cơ bản như quang hợp tạo thành khí oxi:
Nước rất cần thiết cho đời sống hàng ngày, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng, giao thông vận tải Sự sống trên Trái Đất đều bắt nguồn từ nước và phụ thuộc vào nước Nước có ảnh hưởng quyết định đến khí hậu một khu vực, là nguyên nhân tạo ra thời tiết.
Phương pháp chưng cất
Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng bao gồm hai cấu tử khác nhau trở lên thành các cấu tử riêng dựa trên điểm sôi khác nhau của chúng trong hỗn hợp (ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác).
Hỗn hợp có bao nhiêu cấu tử thì khi chưng cất sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Ở đây, xét đơn giản ở hệ 2 cấu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phẩm:
Sản phẩm bay hơi lên đỉnh tháp gọi là sản phẩm đỉnh, chủ yếu bao gồm cấu tử có điểm sôi thấp hơn
Sản phẩm đáy chủ yếu bao gồm các cấu tử có điểm sôi cao hơn có xu hướng ngưng tụ với tỷ lệ lớn hơn vật liệu dễ bay hơi.
Bản chất của chưng cất chính là dựa vào nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bay hơi khác nhau để tách các cấu tử bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ
Từ đó ta suy ra:
- Sản phẩm đỉnh là nước và sản phẩm đáy là acid acetic.
1.3.2 Các phương pháp chưng cất:
*Phân loại theo áp suất làm việc
* Phân loại theo nguyên lý làm việc
- Chưng bằng hơi nước trực tiếp
- Chưng cất đa cấu tử
*Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp
Vậy đối với hệ Acid Acetic - Nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp ở áp suất thường.
Trong chưng cất, lựa chọn thiết bị phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc pha và mức độ phân tán của các lưu chất Tháp mâm được dùng khi pha khí phân tán vào pha lỏng, trong khi tháp chêm, tháp phun được sử dụng khi pha lỏng phân tán vào pha khí Hai loại tháp thường dùng nhất là tháp mâm và tháp chêm.
Tháp mâm: thân tháp có hình trụ, thẳng đứng ở phía trong, có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có:
- Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…
- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh
Tháp chêm (Tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
B ẢNG 1 1: B ẢNG SO SÁNH ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI THÁP
Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Ưu điểm
- Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có của chất lỏng.
- Trở lực tương đối thấp
- Do có hiệu ứng thành hiệu suất truyền khối thấp.
- Độ ổn định không cao, khó vận hành.
- Do có hiệu ứng thành
khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng khó tăng năng suất.
Thiết bị khá nặng nề
- Không làm việc được với chất lỏng bẩn.
- Kết cấu khá phức tạp.
- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp
Vậy, ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Nước – Acid Acetic.
THUYẾT MINH QUY TRÌNH
Sơ đồ quy trình công nghệ
H ÌNH 2 1: S Ơ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Chú thích quy trình công nghệ:
V-101: Bồn chứa nhập liệu E-101: Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
V-102: Bồn cao vị E-102: Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
V-103: Bồn chứa sản phẩm đáy E-103: Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
V-104: Bồn chứa sản phẩm đỉnh E-104: Nồi đun Kettle
P-101 A/B: Bơm E-105: Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
Thuyết minh quy trình công nghệ
Hỗn hợp axit axetic ban đầu có 36% nồng độ phần mol nước ở nhiệt độ 27 độ C Sau khi được bơm vào bồn cao vị và gia nhiệt, hỗn hợp được đun sôi từ 27 độ C lên đến 106,8 độ C và được đưa vào tháp chưng cất ở mâm nhập liệu Tại đây, hỗn hợp được trộn với phần lỏng từ đoạn cất chảy trong tháp.
Hơi đi lên từ các mâm ở dưới gặp dòng hỗn hợp chảy từ trên xuống Khi đó sẽ xảy ra sự trao đổi nhiệt giữa hai pha với nhau Acid Acetic mất dần năng lượng và sẽ ngưng tụ lại thành pha lỏng chảy xuống dưới, còn nước sẽ nhận thêm phần năng lượng đã mất đó mà chuyển sang trạng thái hơi, bay lên trên.
Nồng độ nước trong pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm vì đã tạo thành pha hơi và bị lôi cuốn đi lên phần đỉnh tháp Các mâm trên đỉnh tháp, càng đi lên nhiệt độ sẽ càng giảm nên khi hơi có nhiệt độ sôi cao hơn là Acid Acetic đi qua các mâm từ dưới lên sẽ ngưng tụ lại Cuối cùng, trên đỉnh tháp sẽ thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất.
Hơi từ đỉnh tháp ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ, một phần chảy vào thiết bị làm nguội rồi vào bồn chứa sản phẩm ở đỉnh Phần hơi còn lại được hoàn lưu trở lại tháp.
Còn dung dịch lỏng ở đáy tháp sẽ bao gồm phần nhiều cấu tử Acid Acetic có nhiệt độ sôi cao hơn và một lượng nhỏ nước Dung dịch sau đó được đi đun nóng cho bốc hơi ở nồi đun Kettle cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại sẽ đi qua thiết bị làm nguội đén bồn chứa sản phẩm đáy Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước, sản phẩm đáy là Acid acetic.
CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
Cân bằng vật chất
Hỗn hợp Acid acetic và nước
Năng suất nhập liệu F00( ´ kg h ) x F 6 %phần mol nước x D %phần mol nước x W %phần mol nước
3.1.1 Tính cân bằng vật chất
B ẢNG 3 1: T HÀNH PHẦN CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỆ NƯỚC – ACID ACETIC
3.1.2 Xác định chỉ số hoàn lưu
Tỉ số hoàn lưu là chỉ số mà chế độ làm việc tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nguyên liệu, nước…) là tối thiểu
Từ bảng ta sử dụng phương pháp nội suy ta có: y ¿ F 6−30
Tỉ số hồi lưu (IX.24/158 [1])
Tỉ số hoàn lưu làm việc (IX.25b/158 [1])
3.1.3 Phương trình làm việc đoạn cất (IX.20/144 [1]) y= R
3.1.4 Phương trình làm việc đoạn chưng (IX.22/158 [1]) y=R+L
3.1.5 Xác định số mâm lý thuyết
H ÌNH 3 1: G IẢN ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG – HƠI VÀ SỐ MÂM LÝ THUYẾT CỦA HỆ NƯỚC –
100 đường cân bằng đường phân giác 45 nhập liệu phương trình làm việc đoạn cất phương trình làm việc đoạn chưng mâm lý thuyết
Từ đồ thị ta xác định được 15 mâm lý thuyết
Trong đó có 9 mâm phần cất
1 mâm nhập liệu tại mâm số 10
3.1.6 Xác định số mâm thực tế
Ta tính số mâm thực tế dựa vào hiệu suất trung bình (IX.59/170 [1])
Ntt: số mâm thực tế
Nlt: số mâm lý thuyết η tb : hiệu suất trung bình
3 η D , η F ,η W lần lượt là hiệu suất của mâm trên cùng, hiệu suất của mâm nhập liệu và hiệu suất của mâm dưới cùng
Xác định η i : Ta xác định η i dựa vào hình (IX.11/171 [1]):
H ÌNH 3 2: Đ Ồ THỊ XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT TRUNG BÌNH CỦA THIẾT BỊ
Sau khi tính được tích số giữa độ bay hơi tương đối α và độ nhớt của hỗn hợp lỏng μ hh ta tra đồ thị trên để tìm η i
Xác định độ nhớt của hỗn hợp theo công thức (I.12/84 [2]): logμ hh =x D ×logμ nước +(1− x D ) × log μ acid acetic
Trong đó: μ hh : độ nhớt của hỗn hợp lỏng μ nước : độ nhớt của nước μ acid acetic : độ nhớt của acid acetic
Xét tại vị trí nhập liệu:
+t F 6,8 o C Độ bay hơi tương đối α = y F ¿
+ μ acid acetic =0,46(cP), μ nước =0,26(cP) Độ nhớt hỗn hợp: lg( μ hh )= x F × lg( μ nước )+(1− x F ) × lg ( μ acid acetic ) → μ hh =0,37(cP)
Tra đồ thị (IX.11/171 [1]): ta có η F V %
Xét tại vị trí mâm đỉnh
+t D 0,54 o C Độ bay hơi tương đối α = y D ¿
+ μ acid acetic =0,46(cP), μ nước =0,28(cP) Độ nhớt hỗn hợp: lg( μ hh )= x D × lg( μ nước )+(1− x D ) × lg ( μ acid acetic ) → μ hh =0,29(cP)
Tra đồ thị (IX.11/171 [1]): ta có η D b%
Xét tại vị trí mâm đáy
+t W 4 o C Độ bay hơi tương đối α = y W ¿
+ μ acid acetic =0,46(cP), μ nước =0,24(cP) Độ nhớt hỗn hợp: lg( μ hh )= x W ×lg( μ nước )+(1− x W ) ×lg ( μ acid acetic ) → μ hh =0,43(cP)
Tra đồ thị (IX.11/171 [1]): ta có η W S %
Hiệu suất trung bình: η tb =η F +η D +η W
Số mâm chưng và cất thực tế:
Cân bằng năng lượng
3.2.1 Cân bằng năng lượng cho toàn tháp chưng cất
Q Đ =Q D +Q W −Q F +Q C +Q L ¿D × H´ DS + ´W × H WS − ´F × H FS +Q C +Q L ¿D × H´ DS + ´W × H WS − ´F × H FS + ´D ×(R+1)× r D +Q L
Q Đ :Nhiệt đun nóng thápchưng cất
Q D :Nhiệt lượng sản phẩm đỉnhmang ra
Q W :Nhiệt lượng sản phẩmđáy mang ra
Q F :Nhiệt lượng hỗnhợp nhập liệu mang vào
Q C :Nhiệt lượng ngưngtụ sản phẩmđỉnh
B ẢNG 3 2: N HIỆT DUNG RIÊNG CỦA NƯỚC VÀ ACID ACETIC THEO NHIỆT ĐỘ
Nhiệt độ c nước (kJ/kg.độ) c acid acetic (kJ/kg.độ)
H Fs =c F × t Fs =[ x ´ F × c nước + ( 1− ´ x F ) ×c acid acetic ] × t Fs ¿[ 0,144 × 4,230 +( 1−0,144 ) ×2,466 ] × 106,8)0,5kJ/kg
H Ds =c D × t Ds =[ x ´ D × c nước + ( 1− ´ x D ) ×c acid acetic ] × t Ds ¿[ 0,752 ×4,224 +( 1−0,752 ) × 2,433 ] × 100,5480 kJ / kg
H Ws =c W × t Ws =[ x ´ W × c nước + ( 1− ´ x W ) ×c acid acetic ] × t Ws ¿[ 0,032 ×4,237 + ( 1−0,032 ) × 2,504 ] × 114)1,8 kJ / kg
B ẢNG 3 3: N HIỆT HÓA HƠI CỦA NƯỚC VÀ ACID ACETIC THEO NHIỆT ĐỘ
Nhiệt hóa hơi r nước (kJ/kg) r acid acetic (kJ/kg)
TD0,54 o C 2258,70 389,86 r D = ´x D ×r nước +(1− ´ x D ) ×r acid acetic =0,752×2258,70+(1−0,752)×389,8695,23kJ kg
Q Đ =2,82×10 6 (kJ h ) Nếu dùng hơi nước bão hòa ở 2at để cấp nhiệt thì: Q Đ =G nước ×r nước
Nhiệt hóa hơi của nước ở 2at là r h "08kJ kg
3.2.2 Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ
Ngưng tụ hồi lưu hoàn toàn
Nhiệt độ nước vào t V 0 o C, nhiệt độ nước ra t R @ o C t tb =t R +t V
2 5 o C Nhiệt lượng tỏa ra khi dòng hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ
Q nt = ´D×( R th +1) × r D &4,84×(4,59+1)×1795,23=2,66×10 6 (kJ h ) (Bảng I.249/310 [2]) Nhiệt dung riêng của nước ở 35 o C là cn=4,178 kJ/kg.K
Lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh là:
3.2.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Phương trình cân bằng năng lượng
Nhiệt độ sản phẩm đỉnh vào 100,54 o C, nhiệt độ sản phẩm đỉnh ra 30 o C
Nhiệt độ nước vào 30 o C, nhiệt độ nước ra 40 o C t tb e,27 o C
B ẢNG 3 4: N HIỆT DUNG RIÊNG CỦA NƯỚC VÀ ACID ACETIC TẠI 65.27 O C.
Nhiệt độ cnước (kJ/kg.độ) cacid acetic (kJ/kg.độ) t tb e,27 o C 4,183 2,236
Nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh c D = ´x D × c nước +(1− ´ x D ) ×c acid acetic =0,752×4,183+(1−0,752)×2,236=3,70( kJ kg h) Nhiệt lượng cần cung cấp cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Lượng nước cần dùng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
3.2.4 Cân bằng nhiệt cho thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
Phương trình cân bằng năng lượng
Nhiệt độ dòng nhập liệu vào 27 o C, nhiệt độ dòng nhập liệu ra 106,8 o C t tb f,9 o C
B ẢNG 3 5: NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA NƯỚC VÀ ACID ACETIC TẠI NHIỆT ĐỘ 66.9 O C.
Nhiệt độ cnước (kJ/kg.độ) cacid acetic (kJ/kg.độ) t tb f,9 o C 4,184 2,245
Nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu c F = ´x F ×c nước +(1− ´ x F ) × c acid acetic =0,144×4,184+(1−0,144)×2,245=2,52( kg h kJ )
Nhiệt lượng cung cấp để đun sôi dòng nhập liệu
Q=G r × r h = ´F × c F ×( t Fr −t Fv )00 ×2,52 × (66,9−27 )0,93× 10 3 (kJ /h) Lượng hơi đốt cần là
B ẢNG 3 6: BẢNG TỔNG KẾT CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG Đơn vị Giá trị
Lượng nước tiêu tốn G nước =1,27(m 3 h ) Nhiệt lượng cung cấp để đun sôi dòng nhập liệu Q F 0,93 ×10
3(kJ h ) Lượng hơi đốt cần đun sôi dòng nhập liệu G r ,49(kg h ) Nhiệt lượng làm nguội sản phẩm đỉnh 69,12 ×10 3 ( kJ h ) Nước tiêu tốn để làm nguội sản phẩm đỉnh
G n =1,6(m 3 h ) Nhiệt lượng ngưng tụ sản phẩm đỉnh Q nt =2,66×10 6 (kJ h ) Lượng nước cần cung cấp để ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnh G n c,67 ( m
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Đường kính tháp (D t )
Theo công thức IX.89, IX.99/181 [1] ta có:
Với V tb :lượng hơi trung bìnhđi trong tháp(m 3 /h) ω tb :tốc độ hơi trung bìnhđi trong tháp(m s ) g tb :lượng hơi trung bìnhđi trong tháp(kg h )
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau Do đó, đường kính của đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau.
4.1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp g tb =g d +g 1
Trong đó: g d :lượng hơi ra khỏi mâm trên cùng của tháp ( kg h ) g 1 :lượnghơi đi vào mâm dưới cùng của đoạn cất ( kg h )
Xác định g d : g d =D ×(R+1)(IX.92/181 [1]) g d =D ×(R+1),16×(4,59+1)g,97( kmol h ) 80,39 ( kg h ) = 67,97( kmol h )
Với G 1:lượng lỏng ở mâmthứ nhất của đoạn cất r 1 :ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào mâm thứ nhất của đoạn cất r d :ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợphơi đi raở đỉnhtháp
Nhiệt hóa hơi của acid acetic là: r acid acetic 90,64( kJ kg ) #438,4 ( kmol kJ )
Nhiệt hóa hơi của nước là: r nước "42,96( kJ kg ) = 40373,28( kmol kJ ) r 1 =r nước × y 1 +(1− y 1) × r acid acetic #438,4+16934,88y 1
Nhiệt hóa hơi của nước là: r nước "58,7( kJ kg ) = 40656,6( kmol kJ )
Nhiệt hóa hơi của acid acetic là: r acid acetic 89,86( kJ kg ) #391,6( kmol kJ ) r d =r nước × y D +(1− y D ) × r acid acetic ¿40656,6×0,937+(1−0,937)×23391,69568,905( kJ kmol) x 1 =x F =0,36
Giải hệ phương trình ta được
G 1 u,07(kmol h ) y 1 =0,44(phân mol nước)→ M 1 A,52( kg kmol) g 1 ,23( kmol h ) 621,79( kg h ) g tb 621,79+1480,39
4.1.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền: (IX.105/185 [1]) ω gh =0,05× √ ρ ρ xtb ytb
Với ρ xtb : khốilượng riêngtrung bình của pha lỏng ( kg m 3 ) ρ ytb :khối lượngriêng trung bìnhcủa pha hơi ( m kg 3 )
Xác định ρ ytb : (IX.102/183 [1]) ρ ytb =[ y tb ×18+ ( 1− y tb ) × 60 ] × 273
Với: + Nồng độ phân mol trung bình: y tb =y 1 +y D
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất: t tb =t F +t D
Nồng độ phân mol trung bình: x tb =x F +x D
18× x tb +(1−x tb )×60=0,3429phần khốilượng t tb 3,67 o C tra bảng I.2/9 [2] ta có
Khối lượng riêng của acid acetic: ρ acid acetic 1,39(kg m 3 )
Khối lượng riêng của nước: ρ nước 5,25(kg m 3 )
Vậy tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp là ω gh =0,05× √ 952,71 1 =1,543 ( m s ) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình trong tháp: ω h =0,8× ω gh =0,8×1,543=1,2344(m s ) Vậy đường kính đoạn cất:
4.1.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp g ' tb =g ' n +g ' 1
2 (kg h ) (IX.97/182 [1]) Trong đó: g ' n :lượng hơi ra khỏi đoạn chưng ( kg h ) g ' 1 :lượnghơi đivào đoạn chưng ( kg h )
Xác định g ' n : g ' n =g 1 621,79(kg h ) Xác định g ' 1:
Với G ' 1:lượng lỏng ở mâmthứ nhất của đoạn chưng r ' 1 :ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào mâm thứ nhất của đoạn chưng
Với x W =0,1tra đồ thị cân bằng của hệ tacó y W =0,167 t ' 1 =t W 4 o C ta có
Nhiệt hóa hơi của acid acetic là: r ' acid acetic 90,71( kJ kg ) #442,6 ( kmol kJ )
Nhiệt hóa hơi của nước là: r ' nước "23,6( kJ kg ) @024,8 ( kmol kJ ) r ' 1 =r ' nước × y W +(1− y W ) × r ' acid acetic @024,8×0,167+(1−0,167)×23442,6&211,83( kJ kmol) Tính r 1: r 1 =r nước × y 1 +(1− y 1) × r acid acetic ¿40024,8× y 1 +(1− y 1) × 23442,6#442,6+16582,2y 1 #442,6+16582,2×0,440738,8( kJ kmol)
Giải hệ phương trình ta được
G ' 1 8,02(kmol h ) x ' 1 =0, 154(phần mol nước)→ M ' 1 S.53( kg kmol) g ' 1 2,30( kmol h ) F77,2( kg h ) g ' tb 621,79+4677,2
4.1.2.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền: ω ' gh =0,05× √ ρ ' ρ ' xtb ytb (IX.111/186 [1])
Với ω ' gh :tốc độ giới hạn của hơi đitrong tháp(m s) ρ ' xtb :khốilượng riêngtrung bình của pha lỏng ( kg m 3 ) ρ ' ytb :khối lượngriêng trung bìnhcủa pha hơi ( m kg 3 )
Xác định ρ ' ytb : ρ ' ytb =[ y ' tb × 18+ ( 1− y ' tb ) × 60 ] × 273
Với: + Nồng độ phân mol trung bình: y ' tb =y 1 +y W
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t ' tb =t F +t W
Nồng độ phân mol trung bình: x ' tb =x F +x W
18× x ' tb +(1−x ' tb )×60=0,082phần khốilượng t ' tb 0,4 o C
Khối lượng riêng của acid acetic: ρ ' acid acetic 9,28(kg m 3 ) (9)
Khối lượng riêng của nước: ρ ' nước 0,2(kg m 3 )
Vậy tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp là ω ' gh =0,05× √ 940,16 1,51 =1,248 ( m s ) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình trong tháp: ω ' h =0,8× ω ' gh =0,8×1,248=0,9984(m s) Vậy đường kính đoạn chưng:
Kết luận: hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là D t =1(m)
Tốc độ làm việc thực tế:
Mâm lỗ - trở lực của mâm
Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với: Đường kính lỗ: d lỗ =3mm=0,003(m)
Chiều cao của gờ chảy tràn trên mâm h gờ chảytràn Pmm
Tổng diện tích lỗ bằng 8% diện tích mâm
Diện tích 2 bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm
Khoảng cách 2 tâm lỗ bằng 7 mm
Bề dày mâm bằng 6/10 đường kính lỗ
Lỗ bố trí theo hình lục giác đều
Gọi a là số hình lục giác
Giải phương trình trên ta thu được aU, suy ra n11 (lỗ)
Số lỗ trên đường chéo: b=2a−1=2×55−19(lỗ)
4.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm chất lỏng) là tổng các độ giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng: h tl =h k +h l +h R (mm chất lỏng)
+ h k :độ giảm áp qua mâm khô(mm chất lỏng)
+ h l :độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trênmâm(mm chất lỏng)
+ h R :độ giảm áp do sức căng bề mặt(mm chất lỏng)
Do trong tháp mâm xuyên lỗ, gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm là không đáng kể nên có thể bỏ qua.
4.2.2.1 Độ giảm áp qua mâm khô Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất do dòng chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ. h k =( v c 0 0 2 2 ) × 2 ρ g ρ G L Q× ( u c 0 0 2 2 ) × ( ρ ρ G L ) (mm chất lỏng)
S mâm =0,08vàδ mâm d lỗ =0,6.Tra tài liệu tham khảo[2]/111C 0 =0,745 Đối với mâm ở phần cất
Vận tốc pha hơi qua lỗ: u 0 =ω lv
0,08 ,275(m/s) Khối lượng riêng của pha hơi: ρ G =ρ ytb =1(kg/m 3 )
Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ L =ρ xtb 2,71(kg/m 3 )
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất: h k Q× ( u c 0 0 2 2 ) × ( ρ ρ G L ) Q × ( 11,275 0,745 ) 2 × 952,71 1 ,26( mmchấtlỏng) Đối với mâm ở phần chưng
Vận tốc pha hơi qua lỗ: u 0 =ω ' lv
Khối lượng riêng của pha hơi: ρ ' G =ρ ' ytb =1,51(kg/m 3 )
Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ ' L =ρ' xtb 0,16(kg/m 3 )
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng: h ' k Q× ( u c 0 0 2 2 ) × ( ρ' ρ ' G L ) = 51× ( 18,325 0,745 ) 2 × 940,16 1,51 I,56(mmchấtlỏng)
4.2.2.2Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm
- Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất lỏng trên mâm h 1=β ×( h W +h OW )( mmchất lỏng)
Chọn hệ số hiệu chỉnh β=0,6, chiều cao gờ chảy tràn h W Pmm
- Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ dạng phương trình Francis với gờ chảy tràn thẳng h OW C,4×(q L
3(mm chất lỏng) Xác định L W :
H ÌNH 4 1: X ÁC ĐỊNH CHIỀU DÀI L.
Vậy h ' l =0,6×(50+11,5)6,9(mm) Độ giảm áp do sức căng bề mặt:
- Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác định theo biểu thức: h R b5,54× σ ρ L × d l (mm chất lỏng) σ:sức căng bề mặt của chất lỏng(dyn/cm) ρ L :khốilượng riêng của phalỏng(kg/m 3 )
Khối lượng riêng của pha lỏng ρ L 2,71(kg/m 3 ) t tb 3,67 o C
Sức căng bề mặt của nước: σ nước X,17×10 −3 (N/m)
Sức căng bề mặt của acid acetic: σ acid acetic ,47×10 −3 (N/m) Áp dụng công thức I.76/299 [2] ta có σX,17×10 −3 ×19,47×10 −3
Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất: h R b5,54× 14,59×10 −3
Khối lượng riêng của pha lỏng ρ ' L 0,16(kg/m 3 ) t ' tb 0,4 o C
Sức căng bề mặt của nước: σ ' nước V,82×10 −3 (N/m)
Sức căng bề mặt của acid acetic: σ ' acid acetic ,86×10 −3 (N/m) Áp dụng công thức I.76/299 [2] ta có σ 'V,82×10 −3 ×18,86×10 −3
Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần chưng: h ' R b5,54× 14,16×10 −3
940,16×0,003=3,14 (mm chất lỏng). Độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở:
Phần cất: h tl =h k +h l +h R ,26+32,34+3,19G,79(mm chấtlỏng)
Phần chưng: h ' tl =h' k +h ' l +h ' R I,56+36,9+3,14,6(mm chấtlỏng)
Suy ra: Tổng trở lực của toàn bộ tháp hay độ giảm áp tổng cộng của toàn tháp là:
4.2.3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động
Chọn khoảng cách giữa 2 mâm là h mâm 50(mm)
Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức: h d =h W +h OW +h tl +h d ' (mmchấtlỏng)
Với h d ' là tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được xác định theo biểu thức sau: h d ' =0,128× ( 100 Q × S L d ) 2 (mmchấtlỏng)
S d :tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, S d =0,8× S mâm =0,8× π ×0,35 2 =0,30788(m 2 )
Vật chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần cất: h d P+3,9+47,79+0,000191,690(mmchấtlỏng)
2 5(mm) (Thỏa) Đảm bảo khi hoạt động các mâm ở phần cất sẽ không bị ngập lụt
Vật chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần chưng: h ' d P+11,5+89,6+0,004861,10486(mmchấtlỏng)
2 5(mm) (Thỏa) Đảm bảo khi hoạt động các mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt
Vậy: khi hoạt động đảm bảo tháp sẽ không bị ngập lụt.
Tổng độ giảm áp của pha hơi qua tháp = 1+0,15=1,15 atm < 2 atm Áp suất hơi đốt ban đầu chọn 2 atm là hoàn toàn hợp lý.
Tính toán cơ khí của tháp
Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường (1atm) nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp giáp mối (phương pháp hồ quang) Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích. Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của acid acetic đối với thiết bị ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T. Áp suất tính toán:
Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán: P tt =P cl +∑ h tl ( N / mm 2 )
Với P cl là áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm 2 )
Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm mà vẫn an toàn nên:
Chọn nhiệt độ tính toán: t tt =t đáy 4 o C Ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T: [σ]∗¿143(N/mm 2 ) trang 16 tài liệu tham khảo [3] Đối với acid acetic hệ số hiệu chỉnh:¿1
Vậy ứng suất cho phép [σ]=×[σ]∗¿143(N/mm 2 )
Xác định bề dày thân chịu áp suất trong:
Vì sử dụng phương pháp hồ quang điện, kiểu hàn giáp nối 1 bên có tấm lót khắp chu vi, hệ số bền mối hàn ta có φ h =0,95
0,1155 76,19≫50, do đó bề dày tính toán của thân được tính theo công thức sau: S ' t = D t × P tt
Bề dày thực của thân: S t =S ' t +C(mm)
Trong đó C là hệ số bổ sung bề dày, C=C a +C b +C c +C O
Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học (C a) phản ánh tốc độ ăn mòn của chất lỏng Dựa trên tốc độ ăn mòn của nước là 0,1 mm/năm và thời gian hoạt động thiết bị là 20 năm, ta có thể tính toán C a = 2 mm.
C b : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn C b =0
C c : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn C c =0
C O : hệ số bổ sung qui tròn, chọn C O =0,5(mm)
Vậy bề dày thực của thân: S t =S ' t +C=0,424+2,5=2,924(mm)≈3(mm)
Kiểm tra công thức tính toán với S t =3(mm):S t −C a
1000=0,001P tt =0,1155(N/mm 2 )(Thỏa)¿ ¿Kết luận: S t =3(mm) thỏa yêu cầu dữ liệu chọn và tính toán.
H ÌNH 4 2: Đ ÁY VÀ NẮP CỦA THIẾT BỊ
Chọn đáy và nắp có dạng hình elip tiêu chuẩn có gờ, làm bằng thép X18H10T Chọn bề dày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp 3 mm
Vậy bề dày đáy, nắp S đáy =S nắp =3(mm)
Vì đáy và nắp có hình elip tiêu chuẩn nên ta có: h t
Các kích thước của đáy và nắp elip tiêu chuẩn có gờ (bảng XIII.10/382 [1]) Chiều cao gờ: h gờ P(mm)
Bề dày: S=3(mm) Đường kính trong D t 00(mm)
Diện tích bề mặt trong: S bề mặt trong =1,24(m 2 )
Chiều cao của đáy (nắp):
Kiểm tra áp suất cho phép
1000+(3−2) =0,27>P tt (thỏa) Vậy bề dày thực của đáy và nắp là 3 (mm)
Chiều cao của đáy (nắp):
Chiều cao của thân tháp:
H=H thân +H đ +H n ,178+0,3+0,3,778(m)=> chọn chiều cao tháp là 11m
4.3.4 Bích ghép thân, đáy và nắp
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 Các loại mặt bích thường sử dụng:
Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích này chủ yếu dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình.
Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bị. Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao.
Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp được làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích là bích liền không cổ (bích có 2 mối hàn).
Bích được dùng để ghép nắp, thân và đáy của bồn áp lực Bích có các thông số sau khi tính toán áp suất theo tài liệu tham khảo [1] là Ptt = 0,1155 N/mm2 và Dt00 = 417 mm.
B ẢNG 4 1: T HÔNG SỐ BÍCH GHÉP THÂN – ĐÁY – NẮP
Theo tài liệu tham khảo [1]/170 chọn số mâm giữa 2 mặt bích là 6 mâm.
Vậy số bích ghép thân – đáy – nắp là N tt
Độ kín khít của mối ghép bích phụ thuộc chủ yếu vào gioăng đệm, được làm từ vật liệu mềm hơn bích như dây amiăng dày 3 mm Khi xiết bu lông, gioăng đệm sẽ bị biến dạng và lấp đầy các khuyết điểm trên bề mặt bích, đảm bảo độ kín khít cho thiết bị.
4.3.5 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn
Bích được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ.
H ÌNH 4 4: BÍCH LIỀN KHÔNG CỔ
Suất lượng nhập liệu F ´ 00 ( kg h )
Khối lượng riêng của chất lỏng nhập liệu ở t F 6,8 o C và ´x F = 0,36×18
Lưu lượng chất lỏng nhập liệu đi vào tháp:
Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ thiết bị gia nhiệt vào mâm nhập liệu) ω F =0,5(m/s) bảng II.2/370 [2] Đường kính ống nhập liệu là:
Suy ra chọn đường kính ống nhập liệu d F =0,04(m)
Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích l F 0(mm) (bảng XIII.32/434 [1])
Các thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu tra ở tài liệu tham khảo [1]/411
B ẢNG 4 2: T HÔNG SỐ BÍCH GHÉP ỐNG DẪN LIỆU
4.3.5.2 Ống dẫn hơi sản phẩm đỉnh vào thiết bị ngưng tụ:
Suất lượng hơi ở đỉnh tháp:
Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức xác định ở tD0,54 o C, y D =0,937 ρ h =[18× y D +(1−y D )×60]×273
22,4×(100,54+273) =0,674(kg/m 3 ) Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:
Chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp (hơi bão hòa đi trong ống dẫn khí có áp suất Pt): ω h (m/s) bảng II.2/370 [2] Đường kính ống dẫn hơi:
Suy ra chọn đường kính ống dẫn hơi d h =0,2(m) 0(mm)
Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: l h 0(mm) (bảng XIII.32/434 [1])
Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp tra bảng XIII.26/414 [1]
B ẢNG 4 3: T HÔNG SỐ BÍCH GHÉP ỐNG DẪN HƠI Ở ĐỈNH THÁP
4.3.5.3 Ống dẫn dòng hoàn lưu:
Suất lượng hoàn lưu: G ´ R=D × R ´ &4,84×4,5915,62(kg/h) tD0,54 o C, ´ x D = 0,91×18
0,91×18+(1−0,91)×60×100u,21%→ ρ R 7,45(kg/m 3 ) Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu:
Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu (tự chảy từ thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh vào tháp): ω R =0,2(m/s) bảng II.2/370 [2] Đường kính ống hoàn lưu:
Suy ra: chọn đường kính ống hoàn lưu: d R =0,05(m)P(mm)
Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lR0 (mm) (bảng XIII.32/434 [1])
Các thông số của bích ghép ống hoàn lưu vào tháp tra trong bảng XIII.26/412 [1]
B ẢNG 4 4: THÔNG SỐ BÍCH GHÉP ỐNG HOÀN LƯU VÀO THÁP
4.3.5.4 Ống dẫn hơi từ nồi đun qua đáy tháp:
Suất lượng hơi vào đáy tháp: g' 1F77,2 (kg h ) Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp tại tW4 o C, y W =0,167 ρ h =[ 18 × y W + ( 1− y W ) × 60 ] ×273
22,4×(114+273) =1,67(kg/m 3 ) Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:
Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp (hơi bão hòa đi trong ống dẫn khí có áp suất Pt): ω hd (m/s) bảng II.2/370 [2]
Suy ra chọn đường kính ống: dhd=0,25 (m) = 250 (mm)
Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhd = 140 (mm) (bảng XIII.32/434 [1])
Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi tra trong bảng XIII.26/415 [1]
B ẢNG 4 5: THÔNG SỐ BÍCH GHÉP ỐNG DẪN HƠI
4.3.5.5 Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun: (sản phẩm đáy)
Suất lượng sản phẩm đáy: W ´ 35,18( kg h ) với tW = 114 o C và ´x W = 0,1×18
Lưu lượng sản phẩm đáy:
Chọn vận tốc đi ra từ nồi đun (tự chảy từ nồi đun vào bồn chứa sản phẩm đáy) ω W =0,15(m/s) bảng II.2/370 [2] Đường kính ống dẫn chất lỏng đi ra từ nồi đun:
Suy ra: chọn đường kính ống dẫn chất lỏng đi ra từ nồi đun d W =0,07(m)p(mm)
Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích l W 0(mm) (bảng XIII.32/434 [1])
Các thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng đi ra từ nồi đun tra trong bảng XIII.26/412 [1]
B ẢNG 4 6: T HÔNG SỐ BÍCH GHÉP ỐNG DẪN CHẤT LỎNG ĐI RA TỪ NỒI ĐUN
4.3.5.6 Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp
Suất lượng chất lỏng vào nồi đun: G ' 1X53,07(kg/h)
Phần mol của chất lỏng vào nồi đun x 1 ' =0,34(phầnmol)→x´ 1 ' =0,133(phần khốilượng)
Lưu lượng chất lỏng vào nồi đun:
Chọn vận tốc chất lỏng vào nồi đun (chất lỏng tự chảy vào nồi đun): ω L =0,2(m/s) bảng II.2/370 [2] Đường kính ống dẫn chất lỏng:
Suy ra chọn đường kính ống dẫn chất lỏng ra khỏi tháp: d L =0,1(m)0(mm)
Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: l L 0(mm) (bảng XIII.32/434 [1])
Các thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng đi vào nồi đun tra trong bảng XIII.26/413 [1]
B ẢNG 4 7: THÔNG SỐ BÍCH GHÉP ỐNG DẪN CHẤT LỎNG Ở ĐÁY THÁP
4.3.6 Tính toán lớp cách nhiệt
Khi vận hành tháp, môi trường xung quanh sẽ tiếp xúc với tháp gây thất thoát lượng nhiệt lớn Điều này sẽ làm cho chi phí của hơi đốt tăng, vì để tháp hoạt động ổn định, ta phải tăng lượng hơi đốt lên để gia nhiệt cho nồi đun nhằm duy trì cho tháp không nguội. Để giải quyết vấn đề ở trên, ta cần thiết kế lớp cách nhiệt bao quanh tháp.
Chọn vật liệu cách nhiệt là amiăng có bề dày là δ cn
Hệ số dẫn nhiệt của amiăng là λ cn =0,151(W/m K) Bảng 28/416 [4]
Nhiệt tải thất thoát riêng: q xq =Q xq
F tb =λ cn δ cn ×(t v 1 −t v2 )=λ cn δ cn × ∆ t v (*) Trong đó:
F tb : Diện tích bề mặt trung bình của tháp t v 1 : Nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt ngoài của tháp t v 2 : Nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với không khí Để đảm bảo an toàn ta lấy ∆ t v =∆ t max =t đáy −t kk chọn t kk 0℃
Nhiệt lượng thất thoát ra môi trường:
Diện tích bề mặt trung bình của tháp:
Thể tích lớp cách nhiệt cần dùng:
4.3.7 Chân đỡ và tai treo
4.3.7.1 Tính trọng lượng của toàn tháp
Khối lượng của một bích ghép thân: (Thép X18H10T: ρ X 18H 10T y00(kg/m 3 )) m 1 =π
Khối lượng của một mâm: m 2 =π
Khối lượng của thân tháp: m 3 =π
Với Dng là đường kính ngoài của thân.
Khối lượng của đáy (nắp) tháp: m 4 =F × δ đáy × ρ X 18H 10T =1,24×0,003×7900),388(kg)
Khối lượng của lớp cách nhiệt: ( ρ cn =ρ amiăng &00(kg/m 3 )) bảng 2/395 [4] m cn =ρ cn ×V cn &00×0,51539(kg)
Khối lượng của toàn tháp m=6× m 1 +26× m 2 +m 3 +2×m 4 m=6×39,04+26×16,75+760,08+2×29,388+1339(27,596(kg)
Suy ra trọng lượng của toàn tháp: P= m× g(27,596×9,81'738,72(N)
Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân Tải trọng cho phép trên một chân:
4 i34,68(N) Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn G c 000(N)
Tra bảng XIII.35/437 [1] ta có các kích thước của chân đỡ như sau
B ẢNG 4 8: T HÔNG SỐ KÍCH THƯỚC CỦA CHÂN ĐỠ
Chọn tai treo: tai treo được gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động trong điều kiện ngoại cảnh Ta chọn bốn tai treo, tải trọng cho phép trên một tai treo là G r i34,68(N) Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn G t 000(N)
Chọn tấm lót tai treo khi ghép vào thân có kích thước sau:
Chiều dài tấm lót: H&0 (mm)
Chiều rộng tấm lót: B0 (mm)
Bề dày tấm lót: 6 (mm)
Tra bảng XIII.36/438 [1] ta có
B ẢNG 4 9: THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC CỦA TAI TREO
Chọn đường kính trong của kính quan sát là Dtr$0 (mm) ta có các thông số sau:
+ Đường kính ngoài Dng60 (mm)
+ Số bulông gắp kính với tháp z
+ Khoảng cách giữa hai bulông là h20 (mm)
TÍNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ
Các thiết bị truyền nhiệt
5.1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống loại TH đặt nằm ngang. Ống truyền nhiệt là được làm thép X18H10T, kích thước ống: 32x3mm.
Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ đầu: t1= 30 o C, nhiệt độ cuối: t2= 40 o C
Các tính chất lý học của nước làm lạnh ứng với nhiệt độ trung bình ttbN= 35 o C (bảng I.249/310 [2])
+ Nhiệt dung riêng: cN= 4,178 (KJ/kg.K)
5.1.1.1 Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
Xác định hệ số truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt: (V.1/3 [1])
Với: +K: hệ số truyền nhiệt
+ ∆ t log: nhiệt độ trung bình logarit
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
5.1.1.3 Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Với: + α N : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/K × m 2 ¿
+ α R : hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/K × m 2 )
+∑ r t : nhiệt trở của thành ống và lớp cặn.
Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
Chọn vận tốc nước đi trong ống v n =0,3(m/s) (bảng II.2/370 [2])
Số ống trong thiết bị: n= G n ×4 π × ρ N × d tr 2 × v n = 4×17,68 π ×993,5×0,026 2 ×0,31,72(ống)
Tra bảng V.II/48 [1], ta chọn n0(ống )
Vận tốc thực tế của nước trong ống
Ta thấy 2300< ℜ N Hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống và số ống trong mỗi dãy thẳng đứng là ε tb =0,5 (vì xếp xen kẽ và số ống trong mỗi dãy thẳng đứng là 13)
Hệ số cấp nhiệt trung bình của chùm ống: a ngưng =ε tb × a 1 =0,5α 1
Dùng phương pháp lặp: chọn t w 1,5 o C.
Nhiệt độ trung bình của màng chất ngưng tụ: t m =t D +t w 1
2 ,02 o C Tại nhiệt độ này thì:
Khối lượng riêng của hỗn hợp
Tra bảng I.2/9 [2] ρ acid acetic 2,57(kg m 3 ), ρ nước 0,78(kg m 3 )
→ ρ hh 1,22(kg m 3 ) Độ nhớt hỗn hợp
Tra bảng I.101/92 [2] μ acid acetic =0,479×10 −3 (N s/m 2 ), μ nước =0,298×10 −3 (N s/m 2 ) Độ nhớt của hỗn hợp: lg μ hh =x D ×lg μ nước +(1−x D )× lg μ acid acetic
→ μ hh x D ×lg μ nước +(1−x D )×lg μ acidacetic 0,91×lg(0,298 ×10 −3 )+(1−0,91)× lg(0,479× 10 −3 )=0,311×10 −3 (N s/m 2 )
Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp:
Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp λ= ´x D × λ n +(1− ´x D )× λ a =0,752×0,678+(1−0,752)×0,155=0,548(W/m K) Ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp r hh =r nt 95,23(kJ/kg) α 1 =0,725× 4 √ μ R × ( t r × λ ngưng −t 3 × ρ w 1 2 ) ×d ng =0,725 × √ 4 0,311× 1795,23 10 −3 × ×( 10100,54−91,5 3 ×0,548 3 ×961,22)×0,032 2 S80,778(W/m 2 K) α ngưng =0,5×5380,778&90,389(W/m 2 K) q ngưng =α ngưng ×( t ngưng −t w 1 )&90,389 × (100,54 −91,5)$321,116(W /m 2 ) q t =q ngưng $321,116(W/m 2 ) (xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể) t w 2 =t w 1 −q t × ∑ r t ,5 −24321,116 ×5,565 × 10 −4 = 77,96 o C q n =α N ×(t w 2 −t tbN )V1,57×(77,96−35)$125,047(W/m 2 )
Kiểm tra sai số: ε=| q ngưng −q n | q ngưng ×100=|24321,116−24125,047|
Xác định hệ số truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt
Chiều dài ống truyền nhiệt:
Số ống trên đường chéo b ống Đường kính thiết bị ngưng tụ
Trong đó: D là đường kính thiết bị ngưng tụ t là bước ống, thường chọn bước ống t=(1,2-1,5)d d đường kính ngoài của ống b số ống trên đường xuyên tâm của hình lục giác
Vậy: đường kính của thiết bị: Dt`0 (mm)
Số ống truyền nhiệt: n0 (ống)
5.1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Ống truyền nhiệt là ống lồng ống được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống trong: 16x2, kích thước ống ngoài 30x2.
Chọn nước lạnh đi trong ống 16x2 với nhiệt độ đầu: t10 o C, nhiệt độ cuối: t2@ o C.
Các tính chất của nước làm lạnh ứng với nhiệt độ trung bình: ttbN5 o C.
+ Nhiệt dung riêng: cN= 4,178 (kJ/kg.K)
Sản phẩm đỉnh đi trong ống 30x2 với nhiệt độ đầu: tD0,54 o C, nhiệt độ cuối: tD’0 o C. Các tính chất của sản phẩm đỉnh ứng với nhiệt độ trung bình ttbDe,27 o C
+ Nhiệt dung riêng cD=3,705 (kJ/kg.K) (tra bảng I.153, I.154/171 [2])
+ Khối lượng riêng ρ D 4,46(kg/m 3 ) (tra bảng I.2/9 [2])
+ Độ nhớt động lực μ D =0,455×10 −3 (N s/m 2 ) (tra bảng I.101/92 [2])
+ Hệ số dẫn nhiệt λ D =0,54(W/m× K) (tra bảng I.13/134 [2])
Suất lượng đỉnh: G D &4,84(kg/h)=0,0736(kg/s)
Nhiệt lượng cần cung cấp cho thiết bị làm nguội: Q D i,12×10 3 (kJ/h)200(W)
5.1.2.1 Suất lượng nước tiêu tốn tối thiểu
Xác định hệ số truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Với: +K: hệ số truyền nhiệt
+ ∆ t log: nhiệt độ trung bình logarit
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
5.1.2.3 Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Với: + α N : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/K × m 2 ¿
+ α R : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (W/K × m 2 )
+∑ r t : nhiệt trở của thành ống và lớp cặn.
Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh ở ống ngoài:
Vận tốc của sản phẩm đỉnh đi trong ống ngoài: v D =G D ρ D × 4 π ×(D tr 2 −d ng 2 )=0,0736
984,46× 4 π ×(0,026 2 −0,016 2 )=0,226(m/s) Đường kính tương đương: dtd=Dtr-dng=0,026-0,016=0,01 (m)
0,455×10 −3 H89,84 (V.36/13 [1]) 230010 4 Chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng:
+ε l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReD và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống: chọn ε l =1 (bảng V.2/15 [1])
+Pr D : chuẩn số Prandlt của nước ở 35 o C, nên PrD=4,9 (tra bảng 15/384 [5]) Suy ra:
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: α N =Nu N × λ N d tr "575,75
Pr W 0,25 2 (W/m 2 K) Nhiệt tải phía nước làm lạnh sản phẩm đỉnh: q N =α N ×( t w2−t tbN )= 22575,75
+ Nhiệt dung riêng: cw1=3,67 (kJ/kg.K) (bảng I.153/171 [2])
+ Độ nhớt động lực: μ w 1=0,596×10 −3 (N s/m 2 ) (bảng I.101/91 [2])
+ Hệ số dẫn nhiệt: λ w 1=0,53(W/m× K) (bảng I.130/134 [2])
4,127 0,25 ×(65,27−47,25)2177,37(W/m 2 ) Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt=qD2177,37 (W/m 2 ) q t =t w 1 −t w 2
32177,37 ×100 %=3,27 % Số ống trên đường chéo: b (ống)
Trong đó: D là đường kính thiết bị trao đổi nhiệt t là bước ống, thường chọn bước ống t=(1,2-1,5)d d đường kính ngoài của ống b số ống trên đường xuyên tâm của hình lục giác
Vậy: đường kính của thiết bị: Dtp0 (mm)
Số ống truyền nhiệt: n7 (ống)
5.1.5 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt dạng ống lồng ống Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống trong 25x2, kích thước ống ngoài 38x2
Nước làm lạnh đi trong ống 25x2 với nhiệt độ đầu t10 o C, nhiệt độ cuối t2@ o C.
Các tính chất của nước lạnh được tra bảng I.249/310 [2], ứng với nhiệt độ trung bình là
Nhiệt dung riêng: C N =4,178(kJ/kg K)
Khối lượng riêng: ρ N 3,5(kg/m 3 ) Độ nhớt động lực: μ N =0,722×10 −3 (N s/m 2 )
Chuẩn số Pr=4,9 (tra bảng 15/384 [5])
Sản phẩm đáy đi trong ống 38x2 với nhiệt độ đầu: tW4 o C, nhiệt độ cuối: t’W@ o C, ttbWw o C
Các tính chất của dòng sản phẩm đáy được làm lạnh ứng với nhiệt độ ttbW= 77 o C
Nhiệt dung riêng: C w =2,36(kJ/kg K) (tra bảng I.153, I.154/171 [2])
Khối lượng riêng: ρ w 4,1(kg/m 3 ) (tra bảng I.2/10 [2]) Độ nhớt động lực: μ w =0,556×10 −3 (N s/m 2 )(tra bảng I.101/92 [2])
Hệ số dẫn nhiệt: λ w =0,176(W/m K) (tra bảng I.130/134 [2])
Nhiệt lượng cần cung cấp cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy là
Suất lượng sản phẩm đáy: W ´ 35,18(kg/h)
5.1.5.1 Lượng nước lạnh cần thiết để thực hiện quá trình làm nguội dòng sản phẩm đáy
Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Với: +K: hệ số truyền nhiệt
+ ∆ t log: nhiệt độ trung bình logarit
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
5.1.5.3 Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Với: + α N : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/K × m 2 ¿
+ α W : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy (W/K × m 2 )
+∑ r t : nhiệt trở của thành ống và lớp cặn.
Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy đi trong ống ngoài
Vận tốc của sản phẩm đáy đi trong ống ngoài v w = 4×G w π × ρ w × ( D tr
3600× π ×984,1×(0,034 2 −0,025 2 )=0,971 ( m / s ) Đường kính tương đương: dtd=Dtr-dng=0,034-0,025=0,009 (m)
0,556×10 −3 467,72>10 4 Suy ra chế độ chảy rối
Chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng:
+ε l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReD và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống: chọn ε l =1(bảng V.2/15[1])
+Pr w : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đáy ở 77 o C
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: α w =Nu w × λ w d td 616,54
Pr t 0,25 (W/m 2 K) Nhiệt tải của sản phẩm đáy chảy trong ống ngoài: q w =α w ×( t tbW −t w1 )= 3616,54
Pr t 0,25 ×(77−t w 1) ( W / m 2 )Với tw1 là nhiệt độ của vách ống trong tiếp xúc với sản phẩm đáy
Xác định nhiệt trở của ống và lớp cặn
Bề dày thành ống: δ t =0,002m Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: λ t ,5(W/m K) (bảng I.125/127 [2])
Nhiệt trở trung bình lớp cặn trong ống: r c = 1
Nhiệt tải của ống và lớp cặn là q t =t w 1 −t w 2
2) Vận tốc của nước đi trong ống nhỏ v n = 4×G w π × ρ n × d tr 2 = 4×6000
=4,84×0,021×993,5 0,722×10 −3 9860,58>10 4 Suy ra chế độ chảy rối
Chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng:
+ε l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Ren và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống: chọn ε l =1 (bảng V.2/15 [1])
+Pr n : chuẩn số Prandlt của nước ở 35 o C, Pr=4,9 (bảng 15/384 [5])
+Pr v : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách.
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ: α n =Nu n × λ n d tr #893,32
Pr v 0,25 (W/m 2 K) Nhiệt tải của nước trong ống nhỏ: q n =α n ×( t w 2−t tbN )= 23893,32
Chọn tw1S,3 o C Độ nhớt hỗn hợp sản phẩm đáy: μ ' w =0,000732(N s/m 2 ) (tra bảng I.101/92 [2])
Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp sản phẩm đáy: λ ' w =0,181(W/m K) (tra bảng I.130/134 [2])
Nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đáy: C ' w =2,235(kJ/kg K) (tra bảng I.153, I.154/171 [2])
Ta có chuẩn số Prandlt của sản phẩm đáy tại nhiệt độ vách
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy trong ống ngoài: α w =Nu w × λ w d td 616,54
9,03 0,25 86,273(W/m 2 K) Suy ra nhiệt tải của sản phẩm đáy chảy trong ống ngoài: q w =α w ×( t tbW −t w1 ) 86,273 ×(77−53,3)I444,670(W/m 2 )
Nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước t w 2 =t w 1 −q t × ∑ r t S,3−49444,670×0,0003147,77 o C
2 E,5 o C Chuẩn số Prandlt tại nhiệt độ trung bình vách là Prv=3,88 (bảng 15/384 [5])
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ: α n =Nu n × λ n d tr
3,88 0,25 024,27 (W/m 2 K) Suy ra nhiệt tải của nước trong ống nhỏ: q n =α n ×(t w 2 −t tbN )024,27×(37,77−35)G157,227(W/m 2 )
Vậy hệ số truyền nhiệt K bằng:
5.1.5.4 Xác định bề mặt truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt
Chiều dài ống truyền nhiệt (lấy dư 10%) là:
Vậy thiết bị làm nguội sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L) (m), chia thành 29 dãy, mỗi dãy dài 1 m.
Tính toán bơm nhập liệu
5.2.1 Bồn cao vị Đoạn ống dẫn đoạn từ bồn chứa đến bồn cao vị
Chọn đường kính ống nhập liệu từ bồn chứa đến bồn cao vị là dP mm, độ nhám của ống ε=0,1mm, tra bảng II.15/381 [2]
Chiều dài tổng đường ống dẫn l (m)
Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở tài liệu [2] ứng với nhiệt độ t ' F ' o C
+ Khối lượng riêng ρ F = 1033,96 ( kg m 3 ) (tra bảng I.2/10 [2]) + Độ nhớt động lực μ F =1×10 −3 (N s/m 2 ) (tra bảng I.101/92 [2])
Vận tốc của dòng nhập liệu đi trong ống dẫn: v F = G F
5.2.1.1 Tổn thất đường ống dẫn
Hệ số ma sát trong đường ống λ
Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu trong ống dẫn
1×10 −3 045,63 Chuẩn số Reynolds giới hạn
Ta thấy Regh 4000 => Chế độ chảy rối
Chuẩn số Reynolds tới hạn: ℜ th =6× ( d ε tr ) 8 7 =6 × (0,00020,05 ) 7 8 301,06 (II.60/378 [2])
Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
Vì Reth
