TỔNG QUAN
Giới thiệu đồ án
Chưng cất là quá trình tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Khi chưng cất, ta thu được nhiều sản phẩm và thông thường khi chưng cất bao nhiêu cấu tử thì sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm
Trong quá trình chưng cất xảy ra quá trình truyền khối giữa pha lỏng và pha hơi, pha hơi được tạo nên từ quá trình bốc hơi, còn pha lỏng được tạo nên từ quá trình ngưng tụ. Đồng thời các cấu tử có mặt trong cả hai pha nhưng với tỉ lệ khác nhau.
Trong đồ án này chỉ xét đến trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử Acetone - Acid acetic, khi đó quá trình chưng cất sẽ cho:
- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn là Acetone.
- Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé là Acid acetic.
1.1.2 Các phương pháp chưng cất
Chưng cất ngày càng phát triển với sự đa dạng của phương pháp cũng như thiết bị. Nhưng có 4 phương pháp chưng cất phổ biến được áp dụng vào trong quá trình sản xuất:
+ Dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau.
+ Dùng để tách sơ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất.
+ Độ tinh khiết của sản phẩm sau khi chưng cất không cao.
- Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp:
+ Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi + Dùng trong trường hợp chất được tách không tan trong nước.
+ Là phương pháp phổ biến nhất.
+ Dùng dể tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi.
+ Dùng trong trường hợp các cấu tử của hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao.
1.1.3 Các thiết bị chưng cất
Trong sản xuất có rất nhiều loại tháp khác nhau được sử dụng để tiến hành chưng cất Tuy nhiên, các loại tháp này đều có một yêu cầu chung là diện tích bề mặt tiếp xúc pha lớn và điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia. Tháp chưng cất đa dạng về kích cỡ và ứng dụng Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm; nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Kích thước của tháp phụ thuộc vào chất lượng pha lỏng, pha hơi của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm.
1.1.3.1.Thiết bị chưng cất dạng tháp chêm
Thiết bị chưng cất dạng tháp chêm có cấu tạo đơn giản, cấu tạo chính là một cột thẳng đứng bên trong chứa nguyên liệu chưng cất Hơi sẽ được dẫn vào thiết bị từ phía dưới thiết bị, sau đó hơi bay lên tiếp xúc với nguyên liệu ở phía trên và đi lên phía trên đỉnh tháp ra ngoài Sự sắp xếp nguyên liệu ảnh hưởng đến hiệu quả và tốc độ chưng cất nên nguyên liệu cần được sắp xếp hợp lý khi chưng cất Thiết bị chưng cất dạng tháp chêm chủ yếu sử dụng để chưng cất tinh dầu.
1.1.3.2.Thiết bị tháp chưng cất dạng mâm chóp
Mâm chóp có thiết kế là một tấm kim loại bên trên có gắn các nắp Dòng hơi trong thiết bị sẽ đi qua nắp, sau đó đi qua các khe trên nắp và hòa vào dòng lỏng xung quanh nắp Dòng hơi và lỏng sẽ xảy ra sự truyền khối tại đây, khi đó diện tích truyền khối là rất lớn.
1.1.3.3.Thiết bị tháp chưng cất dạng mâm xuyên lỗ
Thiết bị chưng cất dạng tháp mâm xuyên lỗ là thiết bị có cấu tạo gồm một tháp thẳng đứng chứa các tấm có nhiều lỗ đục nên được gọi là mâm xuyên lỗ Số lượng và kích thước lỗ phải được tính toán và thiết kế phù hợp với từng quy trình công nghệ
1.1.3.4.So sánh thiết bị chưng cất
Bảng 1 So sánh các thiết bị chưng cất Ưu điểm Nhược điểm
Tháp chêm Có cấu tạo đơn giản.
Không ổn định, nặng nề.
Có thể làm việc với tỉ trọng thấp của khí, lỏng thay đổi mạnh.
Có cấu tạo phức tạp.
Tiêu tốn nhiều vật tư chế tạo.
Kết cấu khá đơn giản.
Trở lực tương đối thấp.
Hoạt động khá ổn định.
Yêu cầu lắp đặt nghiêm ngặt.
Không làm việc được với chất lỏng bẩn.
Khoảng làm việc của tháp hẹp hơn tháp mâm chóp.
Trong đồ án này, hỗn hợp hai cấu tử Acetone - Acid acetic đều là hai cấu tử dễ bay hơi và dễ phân tách nên ta chọn thiết bị tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hỗn hợp Mặc khác, thiết bị tháp mâm xuyên lỗ có cấu tạo đơn giản nhưng hiệu quả chưng cất hỗn hợp cao Cũng như các thành phần trong hỗn hợp dễ phân tách do có nhiệt độ sôi cách xa nhau, Acetone là cấu tử dễ bay hơi, Acid acetic là cấu tử ít bay hơi hơn và sản phẩm sau khi chưng cất đòi hỏi phải có độ tinh khiết cao Nên trong đồ án này có thể lựa chọn thiết bị tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để thực hiện chưng cất với hỗn hợp này.
Tổng quan về Acetone, Acid Acetic, hệ Acetone – Acid Acetic
Acetone (2 – Propanone hoặc Dimethyl Cetone) là một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử là (CH3)2CO hay (C3H6O), là một chất lỏng dễ cháy, không màu.
Acetone tan trong nước, dễ bay hơi và là dung môi phổ biến trong phòng thí nghiệm cũng như là hóa chất trong các ngành sản xuất khác.
- Khối lượng phân tử: 58,080 g/mol.
- Tại áp suất thường nhiệt độ sôi: 56 o C.
Acetone chủ yếu được sản xuất trong công nghiệp bằng phương pháp cumen, phương pháp này gắn liền với việc sản xuất phenol Phương pháp cumen gồm việc alkyl hóa benzen với propen, từ đó sinh ra cumen, ta được oxi hóa và sinh ra acetone và phenol. Acetone cũng là sản phẩm phụ của quá trình lên men, nên sẽ được sản xuất dưới dạng sản phẩm phụ của công nghiệp chưng cất.
Acid acetic là hợp chất hóa học có công thức hóa học C2H4O2, chất lỏng, không màu, có vị chua và tan vô hạn trong nước.
- Khối lượng phân tử: 60,05 g/mol.
- Tại áp suất thường nhiệt độ sôi: 118,1 o C.
Acid Acetic được ứng dụng để sản xuất các hợp chất hóa học như: Monomer Vinyl Acetate, Acetic Anhydride và Ester Đồng thời, Acid Acetic còn được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: chất dẻo, tơ nhân tạo, dược phẩm, phẩm nhuộm,
… Acid Acetic còn được sử dụng làm giấm ăn ở nồng độ loãng, tạo vị chua.
Trong công nghiệp, Acid Acetic được điều chế từ methanol thông qua phản ứng carbonyl hóa Methanol hoặc oxyl hóa n - Buthane Ngoài ra, Acid Acetic còn được điều chế thông qua phản ứng lên men giấm từ rượu ethanol.
1.2.3 Một số phương pháp tách hệ Acetone – Acid acetic Để phân tách hỗn hợp lỏng đồng nhất gồm Acetone – Acid acetic, ta có thể sử dụng hai phương pháp để tách hai cấu tử này: chưng cất đơn giản, chưng cất Chưng cất đơn giản thì dễ thực hiện nhưng hiệu suất quá trình không cao, sản phẩm không tinh khiết Vì vậy, trong đồ án này sẽ thực hiện phương pháp chưng cất nhằm mục đích nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm sau chưng cất lên cao nhất có thể
Bảng 2 Thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Acetone và Acid acetic ở 1 atm t ( 0 C) 118,1 110,0 103,8 93,1 85,8 79,7 74,6 70,2 66,1 62,6 59,2 56,0 x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 16,2 30,6 55,7 72,5 84 91,2 94,7 96,9 98,4 99,3 100
GIẢN ĐỒ PHA 2 CẤU TỬ HỆ ACETONE - ACID ACETIC
X - Phần mol cấu tử Acetone trong pha lỏng
Y - Phần mol cấu tử Acetone trong pha hơi
Hình 1 Đồ thị cân bằng pha hệ Acetone – Acid Acetic ở áp suất 1 atm
THUYẾT MINH QUY TRÌNH
Thuyết minh quy trình công nghệ
Hỗn hợp Acetone – Acid Acetic có nồng độ nhập liệu 35% theo số mol, nhiệt độ khoảng 25 o C tại bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đó, hỗn hợp được đưa vào đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu (4), hỗn hợp được đưa vào đĩa nhập liệu ở tháp chưng cất (8).
Trên đĩa nhập liệu, dòng lỏng chuyển động đi xuống kết hợp với dòng sản phẩm đỉnh hồi lưu sẽ tiếp xúc và trao đổi với dòng hơi đi từ dưới lên Pha lỏng chuyển động từ trên xuống nồng độ cấu tử dễ bay hơi càng giảm và dòng hơi đi từ dưới lên có nồng độ cấu tử dễ bay hơi càng tăng Trong tháp chưng cất (8) nhiệt độ càng lên trên càng thấp nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao như Acid Acetic sẽ ngưng tụ và rơi xuống, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi là Acetone chiếm nhiều nhất (98% mol Acetone) Hơi sản phẩm đỉnh đi vào thiết bị ngưng tụ (9) và được làm nguội bằng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (10) Phần còn lại được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng và được điều chỉnh bằng lưu lượng kế.
Nồng độ cấu tử bay hơi trong chất lỏng ngày càng thấp và cuối cùng ta thu được sản phẩm đáy có nồng độ cấu tử khó bay hơi là Acid Acetic chiếm hầu hết cùng với nồng độ Acetone là 1% (tính theo số mol Acetone) Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13), được làm nguội đến 50 o C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (14).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Acetone sau khi làm nguội có nhiệt độ 30 o C Sản phẩm đáy là Acid Acetic sau đó được làm nguội và thải bỏ ở nhiệt độ
Sơ đồ quy trình công nghệ
Hình 2 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất Acetone – Acid Acetic
CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Thông số đầu vào
Hỗn hợp Acetone – Acid acetic có các thông số đầu vào như sau:
- Acid acetic: C2H4O2 , MAcid acetic= 60,05 g/mol.
- Năng suất nhập liệu: GF = 2000 kg/h.
- Nồng độ của cấu tử dễ bay hơi (Acetone) trong nhập liệu: xF = 35% (mol/mol)
- Nồng độ của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: xD = 98% (mol/mol)
- Nồng độ của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: xw = 1% (mol/mol)
Các thông số khác của hỗn hợp:
- Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tbđ = 25 o C.
- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tD = 30 o C.
- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: t’w = 50 o C.
- Trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi ở áp suất thường. Một số ký hiệu:
- GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.
- GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h.
- GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h.
- L : suất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h
- xi: Nồng độ phần mol của cấu tử i.
- y: Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
Cân bằng vật chất
3.2.1 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy
Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp:
F = D + W (3.1) Đối với cấu tử dễ bay hơi (Acetone):
Khối lượng phân tử khối trung bình dòng nhập liệu:
MF = MAcetone.xF + MAcid acetic.(1-xF) (3.3)
MF = 58,08.0,35 + 60,05.0,65 = 59,361 (kg/kmol) Suất lượng nhập liệu:
Từ (3.1) (3.2), lượng sản phẩm đỉnh:
D = F ( x x D F −− x x W W ) 3,692 ( 0,35−0,01 0,98−0,01 ) = 11,810 (kmol/h) (3.4) Khối lượng phân tử trung bình ở đỉnh:
MD = MAcetone.xD + MAcid acetic.(1-xD) (3.5)
MD = 58,08.0,98 + 60,05.0,02 = 58,119 (kg/kmol) Suất lượng sản phẩm đỉnh: GD = D MD = 11,810 58,119 = 686,385 (kg/h)
W= F – D = 33,692 – 11,810 = 21,882 (kmol/h) Khối lượng phân tử trung bình ở đáy:
MW = MAcetone.xW + MAcid acetic.(1-xW) (3.6)
MW = 58,08.0,01 + 60,05.0,99 = 60,030 (kg/kmol) Suất lượng sản phẩm đáy: GW = W MW = 21,882 60,030 = 1313,576 (kg/h)
Bảng 3 Năng suất nhập liệu, đỉnh, đáy
Phân tử lượng trung bình (kg/kmol)
(kg Actone/ kg hỗn hợp)
3.2.2 Xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp
Chọn chỉ số hoàn lưu thích hợp rất quan trọng, vì khi chỉ số hoàn lưu bé thì số bậc của tháp lớn nhưng tiêu tốn hơi đốt ít, ngược lại khi chỉ số hoàn lưu lớn thì số bậc tháp có ít hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt lại rất lớn Mặt khác, chỉ số hoàn lưu thích hợp phụ thuộc vào chỉ số hoàn lưu tối thiểu Chỉ số hoàn lưu tối thiểu Rmin là tỷ số hoàn lưu ứng với chế độ làm việc khi số mâm lý thuyết nhiều vô cùng, và được xác định theo công thức:
Trong đó, y F ¿ là nồng độ cấu tử dễ bay hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng x F của hỗn hợp ban đầu
Dựa vào Bảng 2, ta có x F = 0,35; x D = 0,98; y F ¿= 0,780 thay vào công thức (3.7), ta được:
R min =0,98−0,780 0,780−0,35=0,465 Để tính toán được chỉ số hồi lưu thích hợp, ta dựa vào công thức:
3.2.3 Phương trình làm việc phần cất y= R R+1x+ x D
Thay các số đã tính toán ở trên, ta được phương trình làm việc phần cất có dạng: y=0,905 1,905x+ 0,98
3.2.4 Phương trình làm việc phần chưng y=R+1
Vậy phương trình làm việc phần chưng sẽ có dạng: y= 1,905 0,905+2,853 x+ 2,853−1
3.2.5 Xác định số mâm lý thuyết
Cách vẽ đồ thị xác định số mâm lý thuyết:
Bước 1: Vẽ đường cân bằng và đường chéo y = x.
Bước 2: Vẽ đường nhập liệu x = x F = 0,35.
Bước 3: Vẽ đường làm việc phần cất có phương trình y=0,475x+0,514.
Bước 4: Vẽ đường làm việc phần chưng có phương trình y= 0,507 x +0,493.
Bước 5: Từ điểm y = x = x D vẽ đường song song với trục hoành cắt đường cân bằng tại một điểm, từ giao điểm đó ta vẽ đường thẳng song song với trục tung gặp đường nồng độ làm việc ở một điểm khác Tiếp tục vẽ như thế cho tới khi đến điểm y = x = x W tức là x ≤ x W thì thôi Cuối cùng, ta thu được một đường gấp khúc.
Số tam giác được tạo bởi đường gấp khúc và đường nồng độ làm việc chính là số mâm lý thuyết.
GIẢN ĐỒ PHA 2 CẤU TỬ HỆ ACETONE - ACID ACETIC
X - Phần mol cấu tử Acetone trong pha lỏng
Y - Phần mol cấu tử Acetone trong pha hơi
Hình 3 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết hệ Acetone – Acid Acetic
Từ đồ thị ta có thể xác định số mâm lý thuyết : Nlt = 8,1 mâm, trong đó 5,1 mâm phần chưng, 2 mâm phần cất, nhập liệu ở mâm số 7 và 1 nồi đun.
3.2.6 Xác định số mâm thực tế
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: N tt =N ¿ ɳ tb (3.12)
Ntt : Số mâm thực tế
Nlt : Số mâm lý thuyết ɳ tb : Hiệu suất trung bình của đĩa là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng ɳ tb =f(α , μ); độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi được xác định: α= y ¿
Với: x: phần mol của acetone trong pha lỏng y * : phần mol của acetone trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
Tại vị trí nhập liệu: xF = 0,35, tra đồ thị cân bằng acetone – acid acetic, được y * F = 0,780, tF = 82,75 o C Từ (3.13), ta có độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi: α F = y ¿ F
0,35 = 6,584 Tra bảng I.101, trang 91, [1], độ nhớt của acetone: μacetone = 0,196 cP
Tra bảng I.110, trang 91, [1], độ nhớt của acid acetic: μacid acetic = 0,546 cP
Dựa vào công thức (I.12), trang 84, [1], độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lg μ hh =x F lg μ acetone +(1− x F ) lg μ acid acetic (3.14)
Tra hình IX.11, trang 171, [2], ta được hiệu suất ɳ F 9 %
Tại vị trí mâm đáy: xW = 0,01, tra đồ thị cân bằng acetone – acid acetic, được y * W = 0,04, tW = 116,48 o C Từ (3.13), ta có độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi: α W = y ¿ W
0,01 =4,125 Tra bảng I.110, trang 91,[1], độ nhớt của acetone: μacetone = 0,154 cP
Tra bảng I.110, trang 91,[1], độ nhớt của acid acetic: μacid acetic = 0,45 cP
Dựa vào công thức (3.14), độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lg μ hh =x W lg μ acetone +(1− x W ) lg μ acid acetic
Tra hình IX.11, trang 171, [2], ta được hiệu suất ɳ W B %
Tại vị trí mâm đỉnh: xD = 0,98, tra đồ thị cân bằng acetone – acid acetic, được y * D = 0,999, tD = 56,629 o C Từ (3.13), ta có độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi: α D = y ¿ D
0,980 = 20,388 Tra bảng I.110, trang 91,[1], độ nhớt của acetone: μacetone = 0,235 cP
Tra bảng I.110, trang 91,[1], độ nhớt của acid acetic: μacid acetic = 0,730 cP
Dựa vào công thức (3.14), độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lg μ hh =x D lg μ acetone +(1− x D ) lg μ acid acetic
Tra hình IX.11, trang 171, [2], ta được hiệu suất ɳ D 6 %
Hiệu suất trung bình của tháp chưng cất: ɳ tb =ɳ F +ɳ W +ɳ D
3 8,67 %Theo công thức (3.12), ta có số mâm thực tế là:
Số mâm ở đoạn chưng: N ttChưng =N ltChưng ɳ tb = 5,1
Số mâm cất: N tt cất =N ltcất ɳ tb = 20,3867≈ 5,17 mâmNhư vây, thực tế có 21 mâm, trong đó có 14 mâm phần chưng, 6 mâm phần cất và 1 mâm nhập liệu ở mâm số 7.
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Cân bằng năng lượng cho toàn tháp
Phương trình cân bằng năng lượng cho toàn tháp: Tổng nhiệt lượng vào tháp bằng tổng nhiệt lượng ra (Công thức IX 156, trang 197 [2]):
Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp: Q y :
Trong đó: λ d nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, (J/kg) λ d =λ 1 α 1 +λ 2 α 2 (4.3) λ 1 , λ 2 : nhiệt lượng riêng của acetone và acid acetic ở đỉnh, J/kg α 1 , α 2 : phần khối lượng của acetone và acid acetic trong hơi ở đỉnh tháp Với: λ 1 =r acetone +C acetone θ acetone (4.4) λ 2 =r acid acetic +C acid acetic θ acid acetic (4.5)
Ta có: θ acetone =θ acid acetic =t D V,629 o C
(bảng I.212, trang 254, [1]), r acetone =¿553,716 (kJ/kg)
(bảng I.213, trang 256, [1]) , r acid acetic = 373,444 (kJ/kg)
(bảng I.176, trang 183,[1]), C acetone = 2294,044 (J/kg.độ)
(bảng I.154, trang 172, [1]), C acid acetic =¿2188,965 (J/kg.độ) λ 1 U3,716+56,629.2,294=¿ 683,625 (kJ/kg) λ 2 73,444+56,629.2,188=¿ 497,403(kJ/kg) λ d =¿ 683,625.0,98 + 497,403.(1 - 0,98) = 679,900 (kJ/kg)
Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào: Q R :
G R : lượng lỏng hồi lưu: G R =G D R x ,(kg/h)
G D , R x : suất lượng sản phẩm đỉnh và chỉ số hồi lưu c R ,t R : nhiệt dung riêng (J/kg.độ) và nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu ( o C) Tại t D V,629 o C, ta có: c R =C acetone α 1 +C acid acetic α 2 = 2,294.0,979 + 2,188.(1 – 0,979)
Lượng lỏng hồi lưu: G R =G D R x h6,385.0,905b1,178(kg/h)
Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Q W
W: lượng sản phẩm đáy, kg/h
C W : nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy, (J/kg.độ) t W : nhiệt độ của sản phẩm đáy, o C.
(bảng I.153, trang 171, [1]), C acetone = 2484,44 (J/kg.độ)
(bảng I.154, trang 172, [1]), C acid acetic =¿2516,52 (J/kg.độ) c W =C acetone α 1 +C acid acetic α 2 $84,44 0,00967+2516,22.(1–0,00967)
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp Q D2
D 2 : lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp, kg/h r 2 : ẩn nhiệt hóa hơi, J/h λ 2 : hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt, J/kg
C 2 , θ 2 : nhiệt dung riêng (J/kg.độ) và nhiệt độ ( oC) của nước ngưng.
Chọn hơi đốt là hơi bão hòa: p = 1at (Bảng I.148, trang166, [1]), ta có: θ 2 ,09 o C, C 2=2,039(kJ/kg.độ) Tra bảng I.212, trang 254, [1], ta có r 2S9,91 (kcal/kg) = 2260,495 (kJ/kg.độ)
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp: Q F
F lượng hỗn hợp đầu (kg/h) c F ,t F : nhiệt dung riêng (J/kg.độ) và nhiệt độ ( o C) của hỗn hợp nhập liệu Tại t F ,75 o C, ta có:
(bảng I.153, trang 171, [1]), C acetone = 2378,938 (J/kg.độ)
(bảng I.154, trang 172, [1]), C acid acetic =¿ 2331,675 (J/kg.độ) c F =C acetone α 1 +C acid acetic α 2 #78,938×0,342+2331,675×(1−0,342)
Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp :
Cân bằng năng lượng cho thiết bị truyền nhiệt
4.2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu
Cân bằng nhiệt lượng vào và ra của thiết bị đun nóng, (IX.149, trang 196, [2]):
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
D 1 : lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp, kg/h r 1 : ẩn nhiệt hóa hơi, J/h λ 1 : hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt, J/kg
C 1 , θ 1 : nhiệt độ o C và nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra: Q F
F: lượng hỗn hợp đầu (kg/h); c F ,t F : nhiệt dung riêng (J/kg.độ) và nhiệt độ ( o C) của hỗn hợp nhập liệu khi ra khỏi thiết bị
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào: Q f
F: lượng hỗn hợp đầu (kg/h); c f ,t f : nhiệt dung riêng (J/kg.độ) và nhiệt độ ( o C) đầu của hỗn hợp
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q ngl
G ngl : lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt (kg/h)
Chọn nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn:
Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi:
(bảng I.153, trang 171,[1]), C acetone = 2195 (J/kg.độ)
(bảng I.154, trang 172,[1]), C acid acetic =¿ 2020,5 (J/kg.độ)
(bảng I.153, trang 171,[1]), C acetone = 2378,938 (J/kg.độ)
(bảng I.154, trang 172,[1]), C acid acetic =¿ 2331,675 (J/kg.độ)
⇒c F =C acetone α 1 +C acid acetic α 2 #78,938×0,342+2331,675×(1−0,342) ¿2347,839(J/kg.độ)
Chọn hơi đốt là hơi bão hòa: p = 1at (Bảng I.148, trang166, [1]), ta có: θ 1 ,09 o C, C 1=2,039(kJ/kg.độ)
Tra bảng I.212, trang 254, [1], ta có r 1S9,91 (kcal/kg) = 2260,495 (kJ/kg.độ)
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
4.2.2 Cân bằng nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ (IX.165, trang 198, [2]):
Q nt =G D ( R x +1) r D =G n c n (t 2 −t 1 ) (4.17) Trong đó: r D : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở đỉnh tháp, J/kg c n : nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình (t ¿¿ 2+t 1 )
2 ¿, J/kg.độ t1, t2: nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh, o C Tại t D = 56,629℃, ta có:
(bảng I.212, trang 254, [1]), r acetone = 553,716 (kJ/kg)
(bảng I.213, trang 256, [1]), r acid acetic = 373,444 (kJ/kg)
⇒r D =r acetone α 1 +r acid acetic α 2 U3,716×0,979+373,444×(1−0,979) ¿549,930 (kJ/kg)
Chọn nhiệt độ nước vào: t1 = 25 o C
Chọn nhiệt độ nước ra: t2 = 40 o C
Ta có nhiệt độ trung bình: t n =t 1 +t 2
2 = 32,5 o C Nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở nhiệt độ 32,5 o C ( tra bảng I.249, trang 310, [1]), c n =4,178 (kJ/kg.độ) Lượng nước lạnh cần tiêu tốn:
THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
Đường kính tháp chưng cất
Theo công thức IX.89 và IX.90, trang 181, [2]
Dt = √ π 3600 4 V tb ω tb = 0,0188 √ ( p y g ω tb y ) tb (m) (5.1)
Vtb: Lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp (m 3 /h) ω tb : Tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (m/h) gtb: Lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/h) (p y ω y ) tb : Tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/m 2 s) Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất là khác nhau Do đó, đường đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau.
5.1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất
Theo công thức IX.91, trang 181, [2] gtb = g d + 2 g 1 (kg/h) (5.2)
Trong đó: gd: Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cũng của tháp (kg/h) gl: Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h)
Xác định g d : (Công thức IX.92, trang 181, [2])
Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp: gd¿D (R+1),810.(0,905+1) = 22,499 (kmol/h) (5.3)
Mặt khác, MD = 58,08 (kg/kmol) gd¿22,499.58,08 = 1306,568 (kg/h)
Xác định g l : (Công thức IX.93 – 94 – 95, trang 182, [2])
Lượng hơi đi vào đoạn cất, lượng hơi g1 và hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn cất được xác định theo hệ phương trính cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:
Trong đó: g1: Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất (kmol/h; kg/h) r1: Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất (kJ/kmol; kJ/kg) rd: Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp (kJ/kmol; kJ/kg)
Ta có: t1 = tF = 82,75 o C, tra bảng ta được: Ẩn nhiệt hóa hơi của Acetone: (bảng I.212, trang 254, [1]) rA1 = 121,194 (kcal/kg) = 507,414 (kJ/kg) = 29470,605 (kJ/kmol) Ẩn nhiệt hóa hơi của Acid Acetic: (bảng I.213, trang 256, [1]) rAA1 = 91,820 (kcal/kg) = 384,432 (kJ/kg) = 23085,142 (kJ/kmol) Vậy: r1 = rA1.y1 + (1 – y1).rAA1 = 29470,605 y1 + (1 - y1) 23085,142 (kJ/kmol) (5.5)
Ta có: tD = 56,629 o C Ẩn nhiệt hóa hơi của Acetone: (bảng I.212, trang 254,[1]) rAd = 553,716 (kJ/kg) = 32159,825 (kJ/kmol) Ẩn nhiệt hóa hơi của Acid Acetic: (bảng I.213, trang 256,[1]) rAAd = 373,444 (kJ/kg) = 22425,312 (kJ/kmol) Suy ra: rd = rAd y D + (1 - y D ¿.rAAd (5.6)
Ta có: yD = 0,999 r d 2159,825×0,999+(1−0,999)×22425,3122150,090(kJ/kmol)
Thay số vào hệ phương trình (*), ta được:
5.1.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất
Tích số tốc độ hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ cố ống chảy chuyền: ω gh = 0,05 √ ρ ρ xtb ytb (kg/m 2 s) (công thức IX.111, trang 186, [2]) (5.7)
Trong đó: ρ xtb , ρ ytb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí (kg/m 3 ) ω gh : Tốc độ giới hạn trên (m/s)
Nồng độ phần mol trung bình của pha hơi y tb = y 1 + y D
Nhiệt độ trung bình đoạn cất: ttb = t F +t D
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi: ρ ytb = ( y tb M A +(1− y tb ) M AA ) 273
Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng: xtb = x F + x D
Khối lượng riêng của acetone : ρ xtbA s2,919kg/m 3 (bảng I.2, trang 9, [1])
Khối lượng riêng của acid acetic: ρ xtbAA 2,857 kg/m 3 (bảng I.2, trang 9, [1]) ρ xtb =( x´ tb ρ xtbA +1− ´x tb ρ xtbAA )
= 805,460 (kg/m 3 ) (công thức IX.104a, trang193, [2])
Suy ra: ω gh = 0,05 √ ρ ρ xtb ytb =0,05 √ 805,460 2,073 = 0,986 (m/s) (5.14) Để tránh bọt khí, ta chọn tốc độ làm việc khoảng 80-90% của ω gh : ω C =0,85.ω gh =¿ 0,85 0,986 = 0,838 (m/s) (5.15) Đường kính đoạn cất:
5.1.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng
Theo công thức IX.96, trang 182, [2]: g tb , =g n , +g 1 ,
Trong đó: g n , : Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/h) g 1 , : Lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)
Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn cất g n , =g 1 = 1499,215 (kg/h) = 25,639 (kmol/h)
Lượng hơi đi vào đoạn chưngg 1 , , lượng lỏngG 1 , và hàm lượng lỏng x 1 , được xác định theo hệ phương trính cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:
G 1 , :Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng (kmol/h; kg/h) r 1 , : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng (kJ/kmol; kJ/kg)
Ta có:t 1 , =t w , 6,48 o C, tra bảng ta được: Ẩn nhiệt hóa hơi của Acetone: (bảng I.212, trang 254, [1]) r , A 1 = 113 (kcal/kg) = 473,11(kJ/kg) = 27478,113 (kJ/kmol) Ẩn nhiệt hóa hơi của Acid Acetic: (bảng I.213, trang 256,[1]) r , AA1 = 93,270 (kcal/kg) = 390,504 (kJ/kg) = 23449,765 (kJ/kmol)
Thay số vào hệ phương trình (**), ta được:
5.1.2.2.Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng
Tích số tốc độ hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ cố ống chảy chuyền: ω gh , = 0,05 √ ρ ρ xtb , , ytb (kg/m 2 s) (công thức IX.111, trang 186, [2]) (5.21)
, ρ , ytb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí (kg/m 3 ) ω gh , : Tốc độ giới hạn trên (m/s)
Nồng độ phần mol trung bình của pha hơi: y tb ,
2 = 0,780+ 2 0,033 = 0,407 (mol/mol) (5.22) Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t tb ,
2 = 82,75 +116,48 2 = 99,615 o C (5.23) Khối lượng riêng trung bình của pha hơi: ρ , ytb
Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng: x tb ,
Khối lượng riêng của acetone: ρ , xtbA i3,501(kg/m 3 )(bảng I.2, trang 9,[1])
Khối lượng riêng của acid acetic: ρ , xtbAA = 958,443 (kg/m 3 )(bảng I.2, trang 9,[1]) ρ , xtb =( x´ tb , ρ xtbA , +1− ´x tb , ρ xtbAA , )
Suy ra: ω gh , = 0,05 √ ρ ρ xtb , , ytb = 0,05 √ 950,095 1,938 = 1,107 (m/s) (5.27) Để tránh bọt khí, ta chọn tốc độ làm việc khoảng 80-90% của ω gh : ω tb , =0,85.ω gh =¿ 0,85 1,107 = 0,941 (m/s) (5.28) Đường kính đoạn chưng:
Qua tính toán, ta thu được kết quả đường kính tháp đoạn chưng Dt= 0,569 m, đường kính tháp đoạn cất Dt= 0,534 m Vậy ta chọn đường kính trong của tháp là Dt= 0,6 m. Khi đó, tốc độ làm việc mỗi phần được xác định:
Chiều cao tháp
Chiều cao tháp đĩa được xác định theo công thức (IX.54, trang 169, [2]):
Ntt: Số mâm thực tế (21 mâm)
Hđĩa: Khoảng cách giữa 2 mâm (m)
Tra bảng (IX.5,trang 170, [2]) ta có Hđĩa= 400 (mm) = 0,4 (m) δ : Chiều dày của mâm (m)
Chọn δ = 3 (mm)= 0,003 (m) (0,8 ÷ 1) : Khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị Suy ra:
H=N t ( H đ +δ)+ 1! ( 0,4+ 0,003)+1=9,463(m) (5.33)Qua tính toán, ta thu được kết quả chiều cao tháp chưng cất là 9,463(m) Vậy chọn chiều cao của tháp là 9,500 (m).
Trở lực của mâm xuyên lỗ
5.3.1 Cấu tạo mâm xuyên lỗ
Tham khảo trang 116, [3], ta có:
Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền.
Đường kính lỗ 3 ÷ 12 mm, chọn đường kính lỗ d1= 8 mm = 0, 008 m.
Chiều cao gờ chảy tràn hgờ = 25 mm = 0,025 m.
Tổng tiết diện các lỗ trên mâm chiếm 8 ÷ 15% tiết diện tháp, chọn tổng tiết diện các lỗ trên mâm bằng 10% diện tích mâm.
Tổng diện tích của hai bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm.
Lỗ trên mâm bố trí theo hình tam giác đều.
Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5÷5 lần đường kính, chọn 4, khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 0,032 m.
Bề dày mâm thường bằng 0,4 ÷ 0,8 đường kính lỗ, chọn 0,4, bề dày mâm bằng 0,003m
Mâm làm bằng thép không gỉ
Diện tích của một lỗ:
Diện tích của một mâm: s mâm =πD t 2
Số lỗ trên một mâm:
Gọi a là số lỗ trên mỗi cạnh của hình lục giác
Ta có: n = 3a (a - 1) + 1 (công thức V.139, trang 48, [2]) (5.37)
Số lỗ trên đường chéo: b = 2a -1 = 2 13 – 1 = 25 lỗ (5.38)
5.3.2 Trở lực của đĩa khô
2 , (N/m 2 ) (IX.140, trang194, [2]) (5.39) Trong đó: ωo: Tốc độ qua lỗ hơi (m/s) ρH: Khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi) (kg/m 3 ) ξ : Hệ số trở lực - ξ = 1,82 (tiết diện lỗ từ 7 – 10% diện tích chung), ξ = 1,45 (tiết diện lỗ từ 15 – 20% diện thích chung)
Vận tốc hơi qua lỗ: ω o cất=10 % ω cất = 0,664 10 % = 6,64 (m/s) (5.40)
Vận tốc hơi qua lỗ: ω o chưng= ω 10 % chưng = 0,846 10 % = 8,46 (m/s) (5.42) Suy ra:
5.3.3 Trở lực do sức căng bề mặt
Do đĩa có đường kính lỗ lớn hơn 1(mm) nên ta áp dụng công thức (IX.142, trang194, [2]):
Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng là 99,615 o C
Sức căng bề mặt của acetone: σ a = 13,846.10 -3 (N/m) (I.242, trang 300, [1])
Sức căng bề mặt của Acid acetic: σ aa = 19,839.10 -3 (N/m) (I.242, trang 300, [1])
Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần cất là 69,690 o C
Sức căng bề mặt của acetone: σ a = 17,437.10 -3 (N/m) (I.242, trang 300, [1])
Sức căng bề mặt của Acid acetic: σ aa = 22,831.10 -3 (N/m) (I.242, trang 300,[1])
5.3.4 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra
∆ P t =1,3K h b ρ x g (N/m 2 ) (IX.143, trang 194, [2]) (5.49) Trong đó: hb: Chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa (m) ρx: Khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m 3 ) g: Gia tốc trọng trường (9,81 m/s 2 )
K = 0,5: Tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng chất lỏng
Gx: Lưu lượng của dòng lỏng (m 3 /h)
L gờ : chiều dài gờ chảy tràn (m) khi tính toán chấp nhận K = 0,5
Q L =n L M L ρ L : Suất lượng thể tích của pha lỏng (m 3 /s)
Xác định chiều dài của gờ chảy tràn:
Hình 4 Chiều dài của gờ chảy tràn
Dùng phép lặp suy ra α =1,627 (rad) = 93,32 o
Nồng độ mol trung bình của phần cất: x tb =x F +x D
Khối lượng mol trung bình của phần cất:
Suất lượng thể tích pha lỏng của phần cất:
Ta có: G D = 686,385 kg/h; R = 0,905; ρ xtb =¿805,460 kg/m 3 ; M D = 58,119 kg/kmol
Nồng độ mol trung bình của phần chưn g: x tb =x F +x W
Khối lượng mol trung bình của phần chưng:
Suất lượng thể tích pha lỏng của phần chưng:
Mặt khác, ta có: G W = 1313,576 kg/h; R = 0,905; ρ , xtb =¿950,095 kg/m 3
5.3.5 Tổng trở thủy lực của tháp chưng cất
Trở lực trung bình của 1 mâm trong tháp chưng cất:
Trở lực toàn tháp chưng cất:
Kiểm tra ngập lụt cho tháp
Kiểm tra lại khoảng cách mâm h mâm = 0,4 (m) đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình thường của tháp hmâm ¿1,8 ρ ∆ P x g (5.69)
Với ρ x : khối lượng riêng pha lỏng (kg/m 3 )
Vậy cả phần chưng và phần cất đều thỏa mãn điều kiện nhỏ hơn h mâm
Chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền khi tháp mâm xuyên lỗ hoạt động: h d =h gờ +∆ h 1 +∆ P+h d , (mm chất lỏng) (5.72)
∆ h 1 : Chiều cao lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn (m)
∆ P: tổng trở lực trên một mâm (N/m 2 ) h d , : Tổn thất thủy lực do dòng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm hd’ = 0,128.( Q L
Q L : Suất lượng của chất lỏng (m 3 /h)
S d : Tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm
S d =0,1.S mâm =0,1 0,226=0,0226 (m 2 ) Để tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì: hd P = 81234,7 (N/m 2 ) Kết luận: Bề dày thực của thân là St = 3 (mm)
6.1.2 Đáy và nắp thiết bị
Hình 5 Đáy tháp chưng cất
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 S = 3 (mm)
Vì đáy và nắp có hình elip tiêu chuẩn với D h t t
Suy ra: điều kiện trên được thoả như đã kiểm tra ở phần thân tháp.
Kích thước của đáy và nắp
Đường kính trong : Dt = 0,6 m = 600 mm
Bề dày thân tháp: St = 3 mm
Chiều sâu bên trong của phần elip: ht = 0,25.Dt = 0,25 600 = 150 mm
Chiều cao bên ngoài của phần gờ elip: hgờ = 25 mm
Bán kính cong bên trong đáy – nắp tháp: Rt = Dt = 0,6 m = 600 mm
Diện tích bề mặt trong: S bề mặt trong = 0,44 m 2 (bảng XIII.10, trang 382, [2])
6.1.3 Bích ghép đáy, thân 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.
Chọn bích liền nối thân và nắp hình kiểu 1 (Bảng XIII.27, trang 417, [2]).
Chọn vật liệu làm bích ghép thân là thép CT3 để tiết kiệm chi phí
Hình 6.Bích ghép thân, đáy và nắp
Tra bảng XIII.27, trang 419, [2], ứng với 𝐷𝑡 = 600 (𝑚𝑚) và áp suất tính toán 𝑃 = 423000
= 0,423.10 6 (𝑁/𝑚 2 ) ⇒ Ta chọn bích có các thông số sau:
Bảng 4 Các kích thước của bích ghép đáy, thân và nắp
D t (mm) Kích thước nối Kiểu bích
Dt: Ðường kính bên trong của thiết bị (mm) D: Ðường kính bích (mm)
Db: Ðường kính tâm Bulong (mm)
D1: Ðường kính mép vát (mm) db: Ðường kính bulong (mm) Z: Số bulong (cái)
Theo (bảng IX.5, trang 170, [2]), ta có: Dt = 0,6 (mm)
⇒Số đĩa giữa hai mặt bích nđ = 3
Tổng số mặt bích cần dùng là:
Vì giữa 6 bích có 5 khoảng trống nên khoảng cách giữa 2 mặt bích là:
Kích thước bề mặt bịt kín (bảng XIII.31, trang 433, [2]), với Dt = 600 mm
Vì Dt < 1000 mm, D3 = D2 + 1= 651 mm, D5 = D4 – 1 = 629 mm
Bề dày mâm
Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán
Nhiệt độ tính toán: t = tw = 116,48 o C
Áp suất tính toán: P = Pthủy tĩnh + Pgờ
Chọn bề dày của gờ chảy tràn là 3 mm
Thể tích của gờ chảy tràn:
Khối lượng riêng của thép X18H10T, (bảng XII.7, trang 313, [2]) ρ X 18H 10T =¿ 7900 (kg/m 3 )
Khối lượng gờ chảy tràn: m = V ρ X 18H 10T =3,27 10 −5 7900=0,258 (kg) (6.15) Áp suất do gờ chảy tràn tác dụng lên mâm tròn:
Khối lượng riêng của chất lỏng ở đáy tháp:
Tra bảng I.2, trang 9, [1], với x ´ w =0,00967, tw = 116,48 o C, ta có:
Khối lượng riêng của acetone: ρ a = 669,928 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của acid acetic: ρ aa = 928,336 (kg/m 3 )
Suy ra áp suất tính toán: P = 309,394 + 8,952 = 318,346 (N/m 2 )
Ta có những thông số:
- Ca = 2 mm: Hệ số bổ sung bề dày do ăn mòn hóa học của môi trường
- [σ]2(N/mm 2 ): Ứng suất cho phép của vật liệu
- Mô đun đàn hồi: E = 2,1.10 5 N/cm 2 ( bảng 2-29, trang 45, [4])
- Hệ số Poat xông: μ = 0,33 (bảng XII.7, trang 313, [2])
- Hệ số hiệu chỉnh: φ b = 0,571 Đối với bản tròn đặc ngầm kẹp chu vi: σ max =3P
2 ( Công thức 6.36, trang 100, [8]) (6.19) Đối với bản đục lỗ: σ lmax =σ max φ b = 3P
Vậy việc lựa chọn bề dày mâm ở chương trước là phù hợp, có nghĩa bề dày mâm là 3 mm
Kiểm tra điều kiện bền: Độ võng cực đại ở tâm:
64D t (Công thức 6.35, trang 100, [6]) (6.22) Đối với bản đục lỗ:
64 0,571.2,1 10 5 3 3 = 0,133 Để đảm bảo điều kiện bền: W lỗ < ẵ S, tức là W lỗ =0,133< 1,5
Vậy bề dày mâm thỏa mãn điều kiện bền.
Đường kính các ống dẫn – bích ghép ống dẫn
Bích được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích liền không cổ.
Hình 7 Mối hàn dưới bích ghép ống dẫn 6.3.1 Ống nhập liệu
Khối lượng riêng của chất lỏng nhập liệu ở tF = 82,75 o C và x ´ F = 0,342, (bảng I.2, trang 9, [1]):
Khối lượng riêng của Acetone: ρ A = 715,425 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của Acid Acetic: ρ AA = 977,838 (kg/m 3 )
Chọn vận tốc chất lỏng tự chảy trong ống nối là: vF = 0,3 (m/s) (bảng II.2, trang 370, [1]) Đường kính ống nhập liệu:
Tham khảo bảng XIII.32, trang 434, [2], chọn ống có: Dy = 50 (mm), kích thước đoạn ống nối lF = 100 (mm)
Tra bảng XIII.26, trang 412, [2], các thông số của ống tương ứng với P = 0,087 N/mm 2 được trình bày ở bảng sau:
Bảng 5 Kích thước kĩ thuật và loại Bulng của ống nhập liệu
Nồng độ trung bình của pha hơi ở đỉnh tháp: yD = 0,9986; tD = 56,629 o C
Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức IX.102, trang 183, [2]: ρ ytb =[ y D M 1 + ( 1− y D ) M 2 ] 273
Thay số vào, ta được: ρ h =ρ ytb =2,148 (kg/m 3 )
Theo bảng II.2, trang 370, [1], chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp: vh = 25 (m/s) Đường kính trong của ống dẫn hơi:
Tham khảo bảng XIII.32, trang 434, [2], chọn ống có Dy = 70 (mm), kích thước chiều dài đoạn ống là lD = 110 (mm)
Tra bảng XIII.26, trang 413, [2], các thông số của ống tương ứng với P = 0,087 (N/mm 2 ) được trình bày ở bảng sau:
Bảng 6 Kích thước kĩ thuật và loại Bulông của ống dẫn hơi đỉnh tháp
Khối lượng riêng của chất lỏng hoàn lưu ở tD = 56,629 o C và x ´ D = 0,979 (bảng I.2, trang 9, [1]):
Khối lượng riêng của Acetone: ρ A = 749,708 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của Acid Acetic: ρ AA = 1007,877 (kg/m 3 )
Chọn vận tốc chất lỏng tự chảy trong ống nối: vhl = 0,3 (m/s) (bảng II.2, trang 370, [1]) Đường kính ống nhập liệu:
Tham khảo bảng XIII.32, trang 434, [2], chọn ống có: Dy = 40 (mm), kích thước đoạn ống nối lD’ = 100 (mm)
Tra bảng XIII.26, trang 411, [2], các thông số của ống tương ứng với P = 0,087 N/mm 2 được trình bày ở bảng sau:
Bảng 7 Kích thước kĩ thuật và loại Bulông của ống hoàn lưu
6.3.4 Ống dẫn hơi ở đáy tháp
Nồng độ trung bình của pha hơi ở đáy tháp: yW = 0,04; tW = 116,48 o C
Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức IX.102,[2], trang 183: ρ y tb =[ y W M 1 + ( 1− y W ) M 2 ] 273
Thay số vào, ta được: ρ h =ρ ytb =[0,04.58,08+(1−0,04).60,05] 273
22,4.(116,48+273) = 1,877 (kg/m 3 ) Theo bảng II.2, trang 370, [1], chọn vận tốc hơi ở đáy tháp: vh = 25 (m/s) Đường kính trong của ống dẫn hơi:
Tham khảo bảng XIII.32, trang 434, [2], chọn ống có Dy = 100 (mm), kích thước chiều dài đoạn ống là lW = 120 (mm)
Tra bảng XIII.26 trang 413, [2], các thông số của ống tương ứng với P = 0,087 (N/mm 2 ) được trình bày ở bảng sau:
Bảng 8 Kích thước kĩ thuật và loại Bulông của ống dẫn hơi ở đáy tháp
6.3.5 Ống dẫn lỏng ra khỏi đáy tháp
Khối lượng riêng của chất lỏng hoàn lưu ở tW = 116,48 o C và x ´ W =0,00967; (bảng I.2, trang
Khối lượng riêng của Acetone: ρ A = 669,928 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của Acid Acetic: ρ AA = 928,336 (kg/m 3 )
Theo bảng II.2, trang 370, [1], chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là: vđ = 0,3 (m/s) Đường kính ống nhập liệu:
Tham khảo bảng XIII.32, trang 434, [2], chọn ống có: Dy = 50 (mm), kích thước đoạn ống nối lW’ = 100 (mm)
Tra bảng XIII.26, trang 411, [2], các thông số của ống tương ứng với P = 0,087 N/mm 2 được trình bày ở bảng sau:
Bảng 9 Kích thước kĩ thuật và loại Bulông của ống dẫn lỏng ở đáy
Tính toán chân đỡ
6.4.1 Trọng lượng của toàn tháp
Tra XII.7, trang 313, [2] ta có khối lượng riêng của:
Khối lượng của một mâm m mâm =π
Khối lượng của thân tháp m tháp =π
Khối lượng của đáy (nắp) tháp m đáy (nắp) =S δ ρ X18H 10 T =0,44.0,003 7900,428(kg) (6.37)
Khối lượng của 1 bích ghép thân, vì bích ghép thân được m bích ghép thân =π
Khối lượng chất lỏng trong tháp: mlỏng = π ρ tb D t
Khối lượng bích nối ống dẫn m b =π
Vì tháp có 2 đáy/nắp, 12 bích ghép thân và 21 mâm thực tế, cho nên khối lượng của toàn tháp: m m bích ghépthân +21.m mâm +m tháp +2.m đáy +m lỏng +m b (6.40) m = 12 21,490 + 21 5,361 + 212,730 + 2 10,428 + 2357,765 + 8,266
Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân
Vật liệu làm chân đỡ tháp là thép CT3
Tải trọng cho phép trên một chân là:
4 = 7284,116 (N) Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị ta chọn GC = 1.10 4 (N)
Tra bảng XIII.35 trang 437, [2] ta thu được bảng số liệu sau:
Bảng 10 Kích thước chân đỡ tháp F.10 4 , m 2 q.10 -6 ,
Thể tích một chân đỡ:
Khối lượng một chân đỡ: mchân đỡ = Vchân đỡ ρ CT 3 = 0,0024 7850 = 18,840 (kg) (6.42)
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống loại nằm ngang.
Chọn đường kính ngoài của ống : dn = 0,038 (m), loại 38x2 mm. Ống truyền nhiệt được làm bằng: thép X18H10T. Đường kính ngoài: dn = 38 mm = 0,038 m.
Bề dày ống: t = 3 mm = 0,003 m. Đường kính trong: dtr = 32 mm = 0,032 m.
Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ đầu t1 = 25℃, nhiệt độ cuối t2 = 40℃. Nhiệt độ trung bình: t tbN =t 1 +t 2
Các tính chất lý hóa của nước làm lạnh tại nhiệt độ 32,5℃ :
- Nhiệt dung riêng: CN = 4179,6 (J/kg.độ) (bảng I.135, trang 172, [1])
- Khối lượng riêng: ρN = 994,25 (kg/m 3 ) (bảng I.2, trang 9, [1])
- Dộ nhớt động lực: μN = 0,76.10 -3 (N.s/m 2 ) (bảng I.101, trang 91, [1])
- Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆N = 0,624 (W/m.K) (bảng I.130, trang 135, [1])
- Chuẩn số Prandtl: PrN = 5 (bảng V.12 trang 12, [2]) Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ tD = 56,629℃.
7.1.1 Xác định hệ số truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
K ∆ t log , (m 2 ) (công thức V.28, trang11, [2]) (7.2) Trong đó:
∆tlog: Nhiệt độ trung bình logarit
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiểu, theo công thức 3.15, trang 106, [5], Ta có:
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức (3.11), trang 105, [5] như sau:
Trong đó: α N : Hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh (W/m 2 K) α ntu : Hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tụ (W/m 2 K)
∑ r t : Nhiệt trở của thành ống và lớp cáu Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
Tra bảng II.20, trang 370, [1] với vận tốc chất lỏng tự chảy nên chọn vận tốc đi trong ống: vN = 0,5 (m/s).
Số ống trong một đường nước: ta có lượng nước tiêu tốn G N = 3,187 (kg/s) n N =G N ρ N 4 π d tr 2 v N = 3,187
Tra bảng V.II, trang 48, [2] chọn nN = 7 ống
Vậy, vận tốc thực tế của nước trong ống: v N = 4G n ρ N n π d tr 2 = 4.3,187
Xác định chuẩn số Nusselt:
Nu N =0,021.ε 1 ℜ 0,8 Pr N 0,43 ( Pr Pr N w ) 0,25 (công thức 3.27, tr.110, [5]) (7.6) Trong đó: ε 1 : Hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt phụ thuộc theo tỷ lệ giữa chiều dài L với đường kính d của ống, dựa vào bảng 3-1, trang 110, [5], ta có:
PrN: Chuẩn số Prandtl của nước ở 32,5℃, nên PrN = 5
Prw: Chuẩn số Prandtl của nước ở nhiệt độ trung bình của vách.
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: α N =Nu N λ N d tr 9,381.0,624
Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N =α N (t w 2 −t tbN )887,923
Trong đó : tw2: Nhiệt độ của vách ngăn tiếp xúc với nước (trong ống) Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: q t =t w 1 −t w 2
Trong đó: tw1: Nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi ngưng tụ, ℃ (Ngoài ống) tw2: Nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước lạnh (trong ống
Hệ số dẫn nhiệt của thép không rỉ: λt= 17,5(W/m.K) (bảng 28, trang 417, [5])
Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch: rc =1/4000 (m 2 K/W) (bảng 31, trang 419, [5]) Suy ra:
rt = 0,003 17,5 + 4000 1 = 1/4214 (m 2 K/W) Vậy: qt = 4214.(tw1 – tw2)
Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ: Điều kiện:
- Ngưng tụ hơi bão hòa.
- Không chứa không khí không ngưng.
- Hơi ngưng tụ ở mặt ngoài ống.
- Màng chất ngưng tụ chảy tầng.
Theo công thức 3.65, trang 120, [5], ta có: α R =0,725.√ 4 μ R r (t R D λ − R 3 t ρ w 1 ) d 2 R ng = (56,32−t A w 1 ) 0,25 (7.10) Đặt: A=0,725 √ 4 r R μ λ R d 3 R ρ ng 2 R v ớ i[ r R ]=(J / kg) (7.11)
Kiểm tra hệ số cấp nhiệt của nước khi có kể đến sự ảnh hưởng của sự sắp xếp, bố trí ống. Chọn cách xếp ống thẳng hàng, bố trí ống Chọn cách xếp ống thẳng hàng, bố trí theo dạng lục giác đều, với số ống là 7 thì ta có: n = 3a.(a – 1) + 1 = 7 suy ra a = 2
Số ống trên đường chéo của đường 6 cạnh: b = 2a – 1 = 3 ống (công thức V.139, trang 48, [2]) Ẩn nhiệt ngưng tụ: rN = rA = 957,30 (kJ/kg)
Nhiệt ngoài thành ống: qR = αntu.(56,629 – tw1) = A.(56,629 – tw1) 0,75
Các tính chất lý học của nước ngưng tụ ứng với nhiệt độ trung bình: t tbD =t D +t w1
- Khối lượng riêng của Acetone: ρA = 755,350 (kg/m 3 ) (bảng I 2, trang 9, [1])
- Khối lượng riêng Acid Acetic: ρAA = 1013,775 (kg/m 3 ) (bảng I.2, trang 9, [1])
- Độ nhớt của Acetone: A = 0,244.10 -3 (N.s/m 2 ) (bảng I.101, trang 91, [1])
- Độ nhớt của Acid Acetic: AA = 0,777.10 –3 (N.s/m 2 ) (bảng I.101,trang 91, [1])Nên: logμ = x ´ D logμN + (1 – x ´ D ).logμA
- Hệ số dẫn nhiệt của Acetone: A = 0,165 (W/m.K) (bảng I.130, trang 134 -135, [1])
- Hệ số dẫn nhiệt của Acid Acetic: AA = 0,165 (W/m.K) (bảng I.130, trang 134 -135, [1]) Áp dụng công thức I.33, trang 124, [1]:
A=0,725 √ 4 r nt μ λ nt nt d 3 ρ ng nt 2 = 0,725 √ 4 957300.0,165 3 759,415 2
7,070 10 −3 0,038 = 1263,72 (7.14) Suy ra: qN = 1263,727 (56,629 – 46,371) 0,75 = 7243,529 (W/m 2 ) Xem nhiệt tải mất mát không đáng kể: qt = qN = 7243,529 (W/m 2 )
Dựa vào bảng I.249, trang 311, [1], suy ra: Prw = 3,900 q A 887,923 3,900 0,25 (45,512−32,5)6021,03(W/m 2 ) Kiểm tra sai số: ε=| q A −q N | q N =3,97 % 10000, dựa vào bảng 3-1, trang 110, [5]:
PrW: Chuẩn số Prandtl của sản phẩm đáy ở 83,24℃, nên:
Prw1: Chuẩn số Prandtl của sản phẩm đáy ở nhiệt độ trung bình của vách.
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy trong ống ngoài α W =Nu W λ W d td
Pr w 0,25 1 (W/m 2 K) (7.58) Nhiệt tải phía sản phẩm đáy: q W =α W (t tbW −t w 1 )210,894
Pr 0,25 w1 (83,24−t w 1 )(W/m 2 ) (7.59) Trong đó: tw1: Nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (℃)
Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ:
Vận tốc nước đi trong ống: v N =G N ρ N 4 π d tr 2 = 0,901
Công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng:
ℇ1: Hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt phụ thuộc theo tỷ lệ giữa chiều dài L với đường kính d của ống khi Re >10000
PrN: Chuẩn số Prandtl của nước ở 32,5℃ nên PrN = 5 (hình V.12, trang 12, [2])
Prw2: Chuẩn số Prandtl của nước tra ở nhiệt độ trung bình vách.
Suy ra: Nu N =0,021 1 44479,605 0,8 5 0,43 ( Pr 5 w 2 ) 0,25 ¿ 312,664 Pr w 0,25 2 (7.61)
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: α N =Nu N λ N d tr 12,664.0,624
Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N =α N (t w 2 −t tbN )W38,313
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu q t =t w 1 −t w 2
Trong đó: tw2: Nhiệt độ của vách tiếp xúc với Nước (trong ống nhỏ) (℃)
Hệ số dẫn nhiệt của thép không rỉ: λt = 17,5 (W/m.K) (bảng 28, trang 417, [5])
Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m 2 K/W) (bảng 31, trang 419, [5])
Nhiệt trở lớp cáu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m 2 K/W) Suy ra: rt =1/1944,44 (m 2 K/W)
Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh tương ứng với nhiệt độ sản phẩm đáy tại 82℃:
- Nhiệt dung riêng: cW = 2337,192 (J/kg.độ) (bảng I.153, trang 171, [1])
- Độ nhớt động lực: μW = 0,549.10 -3 (N.s/m 2 ) (bảng I.10, trang 91, [1])
- Hệ số dẫn nhiệt: λW = 0,159 (W/m.K) (bảng I.130, trang 134, [1]) Khi đó:
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qW = 7528,293 (W/m 2 )
7.4.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
= 56,646.10001011,236 46,04 ¿1,217(m 2 ) (7.65)Chiều dài ống truyền nhiệt:
0,034 ¿323,53>50thì ε 1 =1(thỏamãn) (7.67)Vậy thiết bị làm nguội sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt là L = 11 (m), chia thành 5 dãy, mỗi dãy 2,2 (m).
Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T.
Dòng nhập liệu đi trong ống 38x2 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t’F = 25℃, nhiệt độ cuối: tF = 82,75℃.
Chọn hơi đốt là hơi nước 2 at, đi trong ống 57x2 (ống ngoài)
Tra bảng I.251, trang 314, [1] ta có:
- Ẩn nhiệt ngưng tụ: rN = 2203,29 (kJ/kg).
Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF = 2
- Khối lượng riêng: ρF = 908,497 (kg/m 3 ) (Bảng I.2, trang 9, [1])
- Độ nhớt động lực: μF = 0,510 (N.s/m 2 ) (Bảng I.101, trang 91, [1])
- Hệ số dẫn nhiệt: λF = 0,164 (W/m.K) (Bảng I.130, trang 134, [1])
- Nhiệt dung riêng: cF = 1977,557 (kJ/kg.độ) (Bảng I.153, trang 172, [1])
Suất lượng hơi nước cần dùng:
7.5.1 Xác định hệ số truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
tlog: Nhiệt độ trung bình logarit.
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: t log=(119,6−25)−(119,6−82,75) ln( 119,6−25 119,6−82,75) a,253(K)
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
Trong đó: αF: Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu (W/m 2 K) αN: Hệ số cấp nhiệt của hơi nước (W/m 2 K)
∑rt: Nhiệt trở của thành ống và lớp cáu.
Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống nhỏ:
Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống: v F =¿ 4.F´
0,523.1 0 −3 ¿43358,33>10 4 :c h ế độ c h ảy rối (7.73) Công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng:
NuF = 0,021.ℇ1.ReF 0,8.PrF 0,43.( Pr Pr F w2) 0,25 (công thức 3.27, trang 110, [5]) (7.74) Trong đó:
ℇ1: Hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReW và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống: ReW = 43358,33, chọn ℇ1 = 1.
PrF: Chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở 53,875℃, nên:
Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống nhỏ: α F =Nu F λ F d tr 70,101.0,164
Nhiệt tải phía dòng nhập liệu: q F =α F ( t W 2−t tbF )= 1896,916
Pr 0,25 W 2 (t W 2 −53,875) (W/m 2 ) (7.77) Trong đó: tw2: Nhiệt độ của vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ).
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: qt = t w 1 ∑r −t w 2 t , (W/m 2 ) (7.78)
Trong đó: tw1: Nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước (ngoài ống nhỏ),
Bề dày thành ống: δt = 2 (mm)
Hệ số dẫn nhiệt của thép không rỉ:
t = 17,5 (W/m.K) (bảng 28, trang 417, [5]) Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m 2 K/W) (bảng 31, trang 419, [5])
Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m 2 K/W).
Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước trong ống ngoài: Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,051- 0,038 = 0,013 (m)
Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được xác định theo công thức: α N =0,725.A ¿ (7.79) ¿0,725.A ¿
A: Hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ, tra ở trang 29,[2].
Nhiệt tải phía hơi nước: q N =α N ( t sN −t W 1 ),712 A ¿ , (W/m 2 )
Khi đó, ở nhiệt độ trung bình 116,2℃ tra trang 29, [2] ta có: A = 186 qN ,712 186.(119,6 – 109,9) 0,75 = 84559,53 (W/m 2 ).
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qW = 84559,53 (W/m 2 )
Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở [1] ứng với nhiệt độ trung bình 88,156℃.
- Độ nhớt động lực: μtbW= 0,367 (N.s/m 2 ) (Bảng I.101, trang 91, [1])
- Hệ số dẫn nhiệt: λtbW= 0,156 (W/m.K) (Bảng I.130, trang 134, [1])
- Nhiệt dung riêng: c tbW = 2374.123 (kJ/kg.độ) (Bảng I.153, trang 172, [1]) Khi đó:
Pr 0,25 W 2 (t W 2 −53,875), (W/m 2 ) (7.80) Suy ra: q F 96,9165,585 0,25 (66,412−53,875)469,830,¿ ¿ (7.81)Kiểm tra sai số: ε=|15469,830−84559,530|
7.5.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt (Lấy dư 10%)
Vậy, thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài truyền nhiệt L = 18 (m) chia thành 6 dãy, mỗi dãy dài 3(m).
Bơm
1000.η ,(kW) (công thức II.189, trang 439, [1]) (7.82)
H: Cột áp của bơm; (m) η: Hiệu suất của bơm Chọn η = 0,80. ρ: Khối lượng riêng của dung dịch Acetone 35% khối lượng ở 25 o C, (kg/ m 3 )
Tra bảng I.2, trang 9, [1], ta có:
Khối lượng riêng của Acetone: ρA = 785,25 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của Acid Acetic: ρAA = 1042,75 (kg/m 3 )
Q: lưu lượng thể tích của dung dịch Acetone 35% khối lượng được bơm vào thiết bị gia nhiệt; (m 3 /s)
Q = G F ρ = 937,600.36002000 = 0,00059 (m 3 /s) Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu) và 2 –2 (mặt thoáng của thiết bị gia nhiệt):
𝑧 1 + p γ 1 + α 2 1 v g 1 2 + H = 𝑧 2 + p γ 2 + α 2 1 v g 1 2 + ℎ 1-2 (7.84) Trong đó: v1 = v2 = 0 m/s p1 = 1 at p2 = 2 at μ = 0,00036 (Ns/m 2 ): Độ nhớt động lực của dung dịch Acetone 35% khối lượng ở 25 o C (bảng I.101, trang 91, [1]) z1 = 2 m: Khoảng cách từ mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu đến mặt đất z2 = 5 m: Khoảng cách từ mặt thoáng của thiết bị gia nhiệt đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy = 50 mm = 0,05 m ⇒ v1 = v2 = v
Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị gia nhiệt là l = 10 m
Tốc độ của dòng chảy trong ống: v Q π d 2
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (Tra bảng II.15, trang 381, [1])
⇒ Độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 (mm)
Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]:
Re được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]:
⇒ Regh < Re < Ren (khu vực quá độ)
⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: λ = 0,1.(1,46.ε d+100
Bảng 11 Các hệ số trở lực cục bộ của bơm nhập liệu Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào ξvào 0,5 1 Đầu ra ξra 1 1
⇒ Tổng tổn thất trên đường ống: h1-2 = v 2
1000 0,80 1000 ≈ 95,660 (W) = 0,128 (hP) Vậy chọn bơm ly tâm có công suất tối thiểu là 0,128 hP
1000.η , (kW) (công thức II.189, trang 439, [1]) (7.87)
H: Cột áp của bơm; (m) η: Hiệu suất của bơm Chọn η = 0,8 ρ: Khối lượng riêng của dung dịch Acetone 98% khối lượng ở 56,629 o C, (kg/m 3 )
Tra bảng I.2, trang 9, [1], ta có:
Khối lượng riêng của Acetone: ρA = 749,708 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của Acid Acetic: ρAA = 1007,877 (kg/m 3 )
Q: Lưu lượng thể tích của dung dịch Acetone 98% khối lượng được bơm vào tháp chưng cất; (m 3 /s)
Q = Lo ρ = R G D ρ = 0,905.686,385 753,763.3600 = 0,00023 (m 3 /s) (7.89) Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bể chứa dòng hoàn lưu ) và 2 – 2 (mặt thoáng của mâm hoàn lưu):
Trong đó: v1 = v2 = 0 m/s p1 = 1 at p2 = 0,97 at μ (N.s/m 2 ): Độ nhớt động lực của dung dịch Acetone 98% khối lượng ở 56,629 o C
Tra bảng I.101, trang 92, [1], ta có: Độ nhớt của Acetone: A = 0,235.10 -3 (N.s/m 2 ) Độ nhớt của Acid Acetic: AA = 0,730.10 -3 (N.s/m 2 ) log μ =x D logμ A +(1− x D ) log μ AA ¿0,98 log(0,235.10 −3 )+(1−0,98).log(0,730 10 −3 )
⇒μ=0,24.10 −3 (N s/m 2 ) z1 = 5 m: Khoảng cách từ mặt thoáng của bể chứa dòng hoàn lưu đến mặt đất z2 = 10 m: Khoảng cách từ mặt thoáng của mâm hoàn lưu đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy = 50 mm = 0,05 m ⇒ v1 = v2 = v
Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến mâm hoàn lưu là l = 10 m
Tốc độ của dòng chảy trong ống: v Q π d 2
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1])
⇒ độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 (mm)
Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]:
Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]:
⇒ Regh < Re < Ren (khu vực quá độ)
⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: λ = 0,1 ( 1,46 d ε +100
Bảng 12 Các hệ số trở lực cục bộ của bơm hoàn lưu Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào ξvào 0,5 1 Đầu ra ξra 1 1
⇒ Tổng tổn thất trên đường ống: h1-2 = v 2
Vậy chọn bơm ly tâm có công suất tối thiểu là 0,013 hP.
Bồn cao vị
7.7.1 Tổn thất đường ống dẫn
Tổn thất đường ống dẫn được tính theo công thức: h 1 =( λ 1 d l 1 1
Trong đó: λ1: Hệ số ma sát đường ống l1: Chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 30 (m) d1: Đường kính ống dẫn, d1 = dtr = 80 (mm) = 0,08 (m) Ʃξ1: Tổng hệ số tổn thất cục bộ vF: vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn Chọn ống dẫn có đường kính trong là 80 (mm)
Tra bảng II.15, trang 381, [1], ta được: Độ nhám của ống: ε=0,2mm=0,0002m (ăn mòn ít)
7.7.1.1 Xác định vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn
Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở nhiệt độ trung bình. t F =t FV +t FS
- Độ nhớt động lực: àF = 0,510.10 -3 (N.s/m 2 )
Vận tốc của dòng nhập liệu đi trong ống: v F = G F
7.7.1.2.Xác định hệ số ma sát trong đường ống
Regh1 được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]:
Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám Ren1 được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]:
ℜ n1 "0.¿ Suy ra: Regh1 < ReF < Regh chế độ chảy rối ứng với khu vực nhẵn thủy học.
Hệ số ma sát của khu vực chảy quá độ phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds và độ nhám của thành ống.
Hệ số ma sát được xác định theo công thức II.64, trang 380, [1], ta có: λ 1 =0,1.¿
7.7.1.3.Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ
Tra bảng II.16, trang 382, tài liệu tham khảo [1] cho dạng ống uốn cong 90 o có bán kính R với d R td = 2, tỉ lệ a b =1 thì u1(1 chỗ) = 0,15. Đường ống có 6 chỗ uốn => u1 = 0,15 6 = 0,9.
Tra bảng 9.5, trang 94, tài liệu tham khảo [8]
Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn với: van(1 cái) = 10 Đường ống có 2 van cầu => van 10 2 = 20
Lưu lượng kế:l1 = 0 (coi như không đáng kể).
7.7.2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt
Trong đó: λ2: Hệ số ma sát trong đường ống l2: Chiều dài đường ống dẫn, l2 = 45 (m) d2: Đường kính ống dẫn, d2 = dtr = 0,032 (m)
2:Tổng hệ số tổn thất cục bộ v2: Vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn Vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn: v2 = 0,382 (m/s)
7.7.2.1.Xác định hệ số ma sát trong đường ống
Re2 = 21775,43 > 4000: chế độ chảy rối Chuẩn số Reynolds giới hạn:
Regh2 =6 ¿ =6 ¿ = 1982,191 Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
Ren2 = 220 ¿= 66383,12 Vì: Regh đột thu 2 = 0,458
Có một chỗ đột mở => đột mở 2 = 0,708
Nên: 2 = U2 + đôt thu 2 + đột mở 2 = 30,8 + 0,458 + 0,708 = 31,966
7.7.3 Chiều cao bồn cao vị
- Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị
- Mặt cắt (2-2) là mặt cắt tại vị trí nhập liệu ở tháp Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2): z1 + g P
Trong đó: z1: Độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem như là chiều cao bồn cao vị Hcv = z1. z2: Độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem như là chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu: z2 = hchân đỡ + hđáy + Nchưng hmâm+0,5 = 0,30 + 0,15 + 13 0,4 +0,5= 6,55(m)
P1: áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn P1 = 1 at = 9,81.10 4 (N/m 2 )
P2: áp suất tại mặt thoáng (2-2) Xem: P = P2 – P1 = Ncất tt.∆Pmâm =Ncất tt ∆ P N tháp tt = 8 6210,141 21 = 2365,768(N/m 2 ) v1: vận tốc tại mặt thoáng (1-1), xem v1 = 0 (m/s). v2: vận tốc tại vị trí nhập liệu, v2 = vF = 0,121 (m/s).
hf1-2: tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2):
Vậy, chiều cao bồn cao vị:
Từ kết quả tính toán, ta có chiều cao bồn cao vị là Hcv = 7,371 (m) Vậy ta chọn chiều cao bồn cao vị là 8 (m).
Qua nhiều tháng nghiên cứu và hoàn thành đồ án môn học, chúng em đã tìm hiểu và học tập được các vấn đề sau:
- Thiết kế hệ thống chưng cất Acetone – Acid Acetic tương đối hoàn chỉnh khi biết trước các số liệu ban đầu như năng suất nhập liệu là 2000 kg/h, nồng độ Acetone nhập liệu là 35% mol, nồng độ Acetone sản phẩm đỉnh là 98% mol, nồng độ Acetone sản phẩm đáy là 1% mol
- Tính toán tương đối chi tiết quá trình làm việc của thiết bị và khả năng chịu bền của thiết bị về tính ăn mòn cơ học, hóa học cũng như điều kiện làm việc của thiết bị. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị chưng cất đã thiết kế ứng với thông số ban đầu:
- Tỷ số hoàn lưu thích hợp: R = 0,905
- Số mâm thực tế: 21 mâm
- Đường kính tháp chưng cất: 600 mm
- Đường kính lỗ trên mâm: 8 mm
- Số lỗ trên một mâm: 450 lỗ
- Trở lực của toàn tháp: 5426,72 N/m 2
- Khoảng cách giữa 2 mâm: 400 mm
- Thân, đáy và nắp tháp làm bằng thép X18H10T, bề dày: 3 mm
- Bích ghép thân, đáy, nắp làm bằng thép CT3, loại bích liền không cổ
- Bích ghép ống dẫn làm bằng thép CT3, loại bích liền không cổ
Mục Ký hiệu Ý nghĩa Thứ nguyên
F Suất lượng mol nhập liệu kmol/h
D Suất lượng mol sản phẩm đỉnh kmol/h
W Suất lượng mol sản phẩm đáy kmol/h
F , G´ F Suất lượng khối lượng nhập liệu kg/h
D , G´ D Suất lượng khối lượng sản phẩm đỉnh kg/h
W , G´ W Suất lượng khối lượng sản phẩm đáy kg/h xF Phần mol nhập liệu mol/mol xD Phần mol sản phẩm đỉnh mol/mol xW Phần mol sản phẩm đáy mol/mol x´ F Phần khối lượng nhập liệu kg/kg x´ D Phần khối lượng sản phẩm đỉnh kg/kg x´ W Phần khối lượng sản phẩm đáy kg/kg
Mtb Khối lượng mol trung bình kg/kmol
R Tỷ số hoàn lưu t Nhiệt độ 0 C hoặc K
Độ nhớt động lực N.s/m 2 hay cP α Độ bay hơi tương đối
D Lượng hơi đốt kg/h r Ẩn nhiệt hóa hơi kJ/kmol hoặc kJ/kg
C Nhiệt dung riêng J/kg.độ
Nhiệt lượng riêng kJ/kg
Tính toán thiết bị chính
Ntt Số mâm thực tế mâm
Hđĩa Khoảng cách giữa 2 mâm mm
Độ dày mm hgờ Chiều cao gờ chảy tràn mm
Lgờ Chiều dài gờ chảy tràn mm
Chiều cao lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn mm
∆ P k Trở lực của đĩa khô N/m 2
∆ P σ Trở lực do sức căng bề mặt N/m 2
Ứng suất N/mm 2 φ h Hệ số bền mối hàn
Wo Độ võng cực đại ở tâm
SH Bề dày tấm lót mm
Tính toán thiết bị phụ
Ftb Diện tích bề mặt truyền nhiệt m 2
K Hệ số truyền nhiệt α Hệ số cấp nhiệt W/m 2 0 K