Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏngcũng như các hỗn hợp khí đã hóa lỏng thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bayhơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.. Kết
GIỚI THIỆU CHUNG
Lý thuyết về chưng luyện
Chưng luyện là một phương pháp nhằm để phân tách hỗn hợp khí đã hóa lỏng dựa trên độ bay hơi tương đối khác nhau giữa các cấu tử thành phần ở cùng một áp suất.
Phương pháp chưng luyện này là một quá trình trong đó hỗn hợp được bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần Kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp ta thu được một hỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi và nồng độ đạt yêu cầu Phương pháp chưng luyện đạt hiệu suất phân tách cao, vì vậy nó được sử dụng nhiều trong thực tế Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, người ta đưa ra nhiều thiết bị phân tách đa dạng như tháp chóp, tháp đĩa lỗ không ống chảy chuyền, tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền, tháp đệm,… Cùng với các thiết bị ta có các phương pháp chưng luyện là:
- Chưng cất ở áp suất thấp
- Chưng cất ở áp suất thường
- Chưng cất ở áp suất cao
Nguyên tắc của phương pháp này dựa trên nhiệt độ sôi của các cấu tử: nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử.
B Nguyên lý làm việc: có thể làm việc theo nguyên lý liên tục hoặc gián đoạn:
- Chưng gián đoạn: phương pháp này được sử dụng khi:
Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.
Không cần đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử
- Chưng liên tục: là quá trình thực hiện liên tục nghịch dòng và nhiều đoạn.
Dựa trên tính chất vật lí về độ bay hơi của các cấu tử khác nhau là khác nhau Độ bay hơi của các cấu tử được thể hiện qua 2 thông số là T sôi và P bão hòa của chúng.
- Trong 1 hỗn hợp gồm 2 cấu tử, cấu tử nào có độ bay hơi lớn hơn (tức là cấu tử nhẹ, dễ bay hơi hơn) là cấu tử có T sôi thấp hay P hơi bão hòa cao hơn so với cấu tử kia.
- Cấu tử còn lại có độ bay hơi nhỏ hơn (tức là cấu tử nặng, khó bay hơi hơn) là cấu tử có T sôi cao hơn hay P hơi bão hòa thấp hơn so với cấu tử kia.
- Quá trình phân riêng các thành phần của hỗn hợp lỏng có nhiều thành phần cũng tương tự như hỗn hợp lỏng có hai thành phần Đối với trường hợp hai cấu tử ta có: sản phẩm đỉnh gồm có cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé, còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn.
Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp khác nhau nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích tiếp xúc bề mặt pha lớn.
Tháp chưng luyện phong phú về kích cỡ và ứng dụng Các tháp lớn thường được sử dụng trong công nghệ lọc hóa dầu Đường kính tháp phụ thuộc vào lượng pha lỏng và lượng pha khí, độ tinh khiết của sản phẩmMỗi loại tháp chưng lại có cấu tạo riêng, có ưu điểm và nhược điểm khác nhau, vậy ta phải chọn loại tháp nào cho phù hợp với hỗn hợp cấu tử cần chung và tính toàn kích cỡ của thết bị cho phù hợp với yêu cầu.
Trong đồ án này em được giao thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗcó ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp hai cấu tử là metylic – etylic, chế độ làm việc ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi.
Giới thiệu chung về hỗn hợp chưng
Chloroform – benzen là hai loại hóa chất quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất.
Chloroform hay còn gọi là triloromethan và metyl trichloride, là một hợp chất hóa học thuộc nhóm trihalomethane có công thức CHCl ₃.
Một số tính chất và thông số vật lí của chloroform
- Khối lượng riêng: 1,48 g/cm 3 , chất lỏng
- Độ hòa tan trong nước: 0,8 g/100 ml ở 20֯C
Chloroform không cháy trong không khí, trừ khi tạo thành hỗn hợp với các chất dễ bắt cháy hơn.
Chloroform dễ tan trong benzene, acetaldehyde, aceton, ethanol, có thể trộn lẫn trong dầu, rượu, dietyl ete,…
Chloroform còn là một chất độc với môi trường.
Chloroform có thể điều chế bằng nhiều phản ứng
Với quy mô lớn người ta sử dụng phương pháp đốt nóng hỗn hợp gồm khí methan CH4 và khí Clo Cl2 ở nhiệt độ 400 - 500 độ C Quá trình halogen hóa gốc tự do sẽ chuyển methan thành triclomethan qua các bước sau:
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl
CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl
Sau đó phản ứng tiếp tục diễn ra ta sẽ thu được CCl4:
Sau phản ứng ta sẽ thu được hỗn hợp gồm chloromethan, dichloromethan, chloroform (trichloromethan), và cacbon tetrachloride Để tách được Chloroform ta sử dụng phương pháp chứng cất
Khi cần điều chế Chloroform với lượng nhỏ trong phòng thí nghiệm thường sẽ sử dụng phản ứng giữa acetone và natri hypoclorit:
NaClO + (CH3)2CO → CHCl3 + NaOH + CH3COONa.
- Cloroform dùng trong công nghiệp: Ban đầu, hóa chất Chloroform được sử dụng nhiều nhất để tổng hợp R22 - chất làm lạnh không khí trong máy điều hòa nhiệt độ Tuy nhiên vì R22 gây ra sự suy giảm tầng ozon, gây ảnh hưởng lớn đến sự biến đổi khí hậu trên trái đất nên ngày nay Chloroform gần như không được sử dụng với mục đích này.
Hiện tại Chloroform là 1 nguồn dichlorocarbene tham gia tổng hợp các tiền chất cho các ứng dụng sau này Ví dụ như Chloroform tổng hợp ra tiền chất polytetrafluoroethylene (PTFE), ứng dụng tạo màng Teflon trong đường uống chống ăn mòn.
- Cloroform dùng làm dung môi: Ngày nay ứng dụng chính của Chloroform là làm dung môi Nhờ đặc tính trơ, ít phản ứng trộn hợp với hầu hết các chất lỏng hữu cơ và dễ dàng bay hơi, nên Chloroform được dùng làm dung môi để giúp sản xuất thuốc nhuộm và thuốc trừ sâu.
- Cloroform có tác dụng gây mê
Cloroform là hóa chất gây kích ứng da, có hại cho phổi cũng như các cơ quan khác trong cơ thể Nếu vô tình dính vào mắt đã gây kích ứng nghiêm trọng Tiếp xúc với da kéo dài có thể dẫn đến sự phát triển của các vết loét và gây hại cho các cơ quan nếu tiếp xúc nếu dùng kéo dài hoặc lặp đi lặp lại Đặc biệt, Chloroform nghi ngờ ảnh hưởng đến khả năng sinh sản hoặc tổn hại đến thai nhi.
Một số tính chất và thông số vật lí của benzen
Benzen là một hợp chất hữu cơ có công thức hóa học C6H6 Benzen là một hợp chất vòng thơm, có mùi thơm nhẹ đặc trưng, nhẹ hơn nước, không phân cực vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực, đồng thời là một dung môi tốt cho nhiều chất như iot, lưu huỳnh, chất béo,…
- Bề ngoài: chất lỏng không màu
- Khối lượng riêng: 0,8786 g/cm 3 , chất lỏng
- Độ hòa tan trong nước: 1,79 g/L
- Độ nhớt: 0,7528 cP (10֯C); 0,6076 cP (25֯C); 0,4965 cP (40֯C); 0, 3075 cP (80֯C)
Benzen là một hợp chất vòng bền vững, tương đối dễ tham gia phản ứng thế, khó tham gia các phản ứng cộng, oxi hóa Đặc tính hóa học này gọi là tính thơm.
- Phản ứng cháy của benzen
Tương tự các hidrocacbon khác, benzen cháy trong O2 tạo ra CO2 và hơi nước. tuy nhiên, khi benzen cháy trong không khí, ngoài CO2 và hơi nước thì còn có muội than sinh ra.
- Phản ứng thế của Benzen
Benzen cho phản ứng thế với halogen khi có mặt của bột sắt và đung nóng.
C6H6 + Br2 C6H5Br (không màu) + HBr (điều kiện t֯, xúc tác: bột Fe)
- Phản ứng cộng của benzen
Benzen không có phản ứng cộng với dung dịch Br2 như C2H4 và C2H2. Trong điều kiện t֯ và xúc tác thích hợp.
Tuy benzen có mùi thơm nhẹ, nhưng mùi này có hại cho sức khỏe (gây bệnh bạch cầu) Ngoài ra, khi hít Benzen vào, có thể gây vô sinh, cần lưu ý khi tiếp xúc trực tiếp với benzen Có thể gây bệnh ung thư máu.
Benzen thường được tách bằng cách chưng cất dầu mỏ và nhựa than đá Chúng còn được điều chế từ anken hoặc xicloankan.
Dùng điều chế nitro benzen,anilin, tổng hợp phẩm nhuộm, dược phẩm,…. Clobenzen là dung môi tổng hợp DDT, hexancloaran (thuốc trừ sâu), Stiren (monome để tổng hợp chất dẻo) và nhiều sản phẩm quan trọng khác… Benzen còn được dùng làm dung môi…
Benzen cho công nghiệp là chất chưng cất, than đá, hexan và toluen của dầu mỏ Khi nung than béo ở nhiệt độ cao để luyện than cốc được nhựa than đá Trong nhựa than đá Trong nhựa than đá có chứa rất nhiều các chất hữu cơ khác nhau khi chưng cất phân đoạn thu được benzen.
Sơ đồ hệ thống chưng luyện
1.3.1 Sơ đồ quy trình và chú thích các kí hiệu trong quy trình
Sơ đồ dây chuyền công nghệ chưng luyện liên tục Chú thích:
(3) Thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu dùng để đưa hỗn hợp đầu đến nhiệt độ làm việc Sử dụng thiết bị loại ống chùm, dùng hơi nước bão hòa để đun nóng
(6) Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh
(7) Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh
(8) Thùng chứa sản phẩm đỉnh
(9) Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đáy
(10) Thiết bị tách nước ngưng
(11) Thùng chứa hỗn hợp đầu
(12) Bộ phận phân phối lỏng
(13) Van xả khí không ngưng
(14) Thùng chứa sản phẩm đáy
1.3.2 Thuyết minh dây chuyền công nghệ sản xuất
Hỗn hợp Clorofom – Benzen từ thùng chứa (11) được bơm vào thùng cao vị
(2) nhờ bơm (1) rồi dẫn xuống thiết bị đun nóng (3) Sự có mặt của thùng cao vị đảm bảo cho lượng hỗn hợp đầu vào tháp không dao động, trong trường hợp công suất bơm quá lớn hỗn hợp đầu sẽ theo ống tuần hoàn tràn về bể chứa hỗn hợp đầu Ở (3) dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hoà Ra khỏi thiết bị đun nóng, dung dịch đi vào tháp chưng luyện (5) ở vị trí đĩa tiếp liệu Do đã được đun nóng đến nhiệt độ sôi nên tại đây Clorofom thực hiện quá trình chuyển khối từ pha lỏng sang pha hơi và tiến về đỉnh tháp.Benzen là cấu tử khó bay hơi ở nhiệt độ này nó vẫn đang ở thể lỏng và phân phối xuống dưới Như vậy trong tháp, hơi Clorofom đi từ dưới lên gặp Benzen đi từ trên xuống Vì nhiệt độ càng lên càng thấp nên khi hơi
Clorofom đi từ dưới lên có mang theo một phần cấu tử Benzen , cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùng ở trên đỉnh ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết cấu tử Clorofom dễ bay hơi Hơi Clorofom vào thiết bị ngưng tụ (6) được ngưng tụ lại Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm lạnh (7) đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8) Một phần khác hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng để tăng mức độ tách.
Tương tự quá trình dịch chuyển của Clorofom sẽ kéo theo 1 phần cấu tử và Clorofom càng xuống thấp nhiệt độ của tháp càng tăng, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi và do đó Benzen khó bay hơi lượng chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là chất lỏng là Benzen Chất lỏng ở đáy tháp khi ra khỏi tháp được làm lạnh rồi đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy (14) Để tiết kiệm hơi đốt người ta có thể dùng hơi ở đỉnh tháp để đun nóng hỗn hợp ban đầu Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm được lấy ra liên tục.
Tính toán thiết bị chính
Thống kê kí hiệu thường sử dụng trong đồ án
XF: Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu
Xp : Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đỉnh
Xw : Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đáy
aF: Nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu
ap : Nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đỉnh
aw: Nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đáy
GF: Lượng hỗn hợp đầu vào, kg/h (kg/s hoặc kmol/h)
Gp: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (kg/s hoặc kmol/h)
Gw: Lượng sản phẩm đáy, kg/h (kg/s hoặc kmol/h)
M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol
ρ: Khối lượng riêngKhối Khối lượng riênglượng Khối lượng riêngriêng
Tính toán cân bằng vật liệu toàn thiết bị
2.2.1 Hệ cân bằng phương trình vật liệu
- Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp
GF = Gp + Gw (STQTTB II-trang 144)
- Đối với cấu tử dễ bay hơi
GF aF = Gp ap + Gw aw (STQTTB II-trang 144 )
- Lượng sản phẩm đỉnh là:Gp = GF a F −a W a p −a w (STQTTB II-trang 144)
Theo đề bài thì: GF = 3,8 tấn/h = 3800 kg/h aF = 0,44 (phần khối lượng) ap = 0,95 (phần khối lượng) aw = 0,035 (phần khối lượng)
- Lượng sản phẩm đáy là:
- Chuyển đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol Áp dụng công thức: x = a A
M B trong đó aA, aB: là nồng độ phần khối lượng của Cloroform và Benzen
MA, MB: là khối lượng mol phân tử của Cloroform và Benzen Với MA= 119,5 kg/kmol; MB = 78 kg/kmol.
Ta có: aF = 0,44 (phần khối lượng)
78 = 0,34 kmol/ kmol hỗn hợp đầu aP = 0,95 (phần khối lượng)
78 = 0,925 kmol/kmol hỗn hợp đầu aw = 0,035 (phần khối lượng)
78 = 0,023 kmol/ kmol hỗn hợp đầu
Ta có khối lượng mol trung bình trong pha lỏng theo công thức sau:
MP = xP MA + (1 – xP) MB
Mw = xw MA + ( 1 – xw) MB
= 78,95 (kg/kmol) Vậy lưu lượng trung bình của chất lỏng trên là:
2.2.3 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp (R th ) Để đơn giản cho việc thiết lập đường làm việc của tháp chưng luyện, ta giả thiết:
- Dòng mol pha hơi đi từ dưới lên không đổi trên toàn bộ chiều cao của tháp Dòng mol pha lỏng đi từ trên xuống không đổi trong đoạn luyện và đoạn chưng, Tức thỏa mãn điều kiện sau:
+ Nhiệt hóa hơi mol của các cấu tử bằng nhau theo công thức kinh nghiệm của Trouton r
T ≈ 21 kcal kmol ° K ≈ const + Không có nhiệt hòa tan ∆Q = 0
+ Không có nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh
+Sự sai khác về nhiệt lượng riêng của chất lỏng sôi trên các tiết diện khác nhau của tháp đwợc bỏ qua
- Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi
- Chất lỏng đi ra khỏi tháp thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi đi ra ở đỉnh tháp
- Hơi bốc lên từ đáy tháp có nồng độ bằng nồng độ sản phẩm đỉnh
- Đun sôi tháp bằng hơi đốt trực tiếp
2.2.4 Phương trình đường nồng độ làm việc vủa đoạn luyện
- Phương trình cân bằng vật liệu
D0 = L0 + P Trong đó: D0 : Lượng hơi đi từ dưới lên
L0 : Lượng lỏng hồi lưu đi từ trên xuống
- Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi là:
2.2.5 Phương trình đường nồng làm việc đoạn chưng
- Phương trình cân bằng vật liệu:
- Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi:
Từ số liệu bảng IX.2a (STQTTB II – trang 148) ta có thành phần cân bằng chất lỏng hơi của 2 cấu tử ở 760 mmHg (tính theo % số mol) của Cloroform – Benzen:
5 Đồ thị cân bằng lỏng hơi
- Vẽ đường thẳng y=x, xác định xp, xF, xw trên đồ thị và vẽ đường cân bằng y f(x)
Dựa vào bảng số liệu trên
- Từ xF = 0,34 kẻ đường thẳng song song với trục y và cắt đường cân bằng tại A. từ A kẻ đường thẳng song song với trục x cắt trục y tại B Xác định trên đồ thị ta có y*F = 0,464 Áp dụng công thức
2.2.6 Xác định chỉ số hồi lưu làm việc (Rx)
Trong đó: hệ số dư β = ( 1,2 – 2.5 ) ứng với mỗi giá trị của β ta được một giá trị Rx Thay Rx ta có nồng độ làm việc vủa đoạn chưng và đoạn luyện.
Vẽ đồ thị xác định được số đĩa lý thuyết Nlt Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết với β = 1,8; Nlt = 32 Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết với β = 1,9; Nlt= 30 Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết với β = 2,0; Nlt= 29 Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết với β = 2,1; Nlt= 27 Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết với β = 2,2; Nlt= 26 Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết với β = 2,3; Nlt= 25 Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết với β = 2,4; Nlt= 25 Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết với β = 2,5; Nlt= 24
Từ các đồ thị trên ta được bảng sau:
Lập được bảng kết quả sau Β Rx B Nlt Nlt (Rx +
- Bằng cách vẽ đồ thị Rx và Nlt (Rx + 1) ta xác định được Rth và Nlt chính xác ứng với điểm Nlt (Rx + 1) nhỏ nhấ khi Rth = 7,805 và Nlt = 27 đĩa.
Phương trình đường nồng độ làm việc
Lượng hỗn hợp đầu trên 1 đơn vị sản phẩm đỉnh là: f = F P = 41,25 14,45 = 2,85 a, Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện: yL = R R x x +1 x + R x p x +1 = 0,886 x + 0,105 b, Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng: yC = R R x + f x +1 x + R 1− f x +1 x w = 1,21x - 0,0048
2.2.7 Tính đường kính tháp Đường kính tháp được xác định theo công thức:
D = 0,0188 √ ( ρ y g ω tb y ) tb m IX.90[II.181] gtb : lượng hơi đi trong tháp (lượng trung bình) Kg/h ρy : khối lượng riêng trung bình, kg/m 3 ωy : tốc độ hơi đi trung bình trong tháp, Kg/m 2 s vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn.
2.2.7.1Xác định lượng hơi trung bình
(a) Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện
Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện gtb có thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp gđ và lượng hơi đi vào dưới cùng của đoạn luyện gl gtb = g đ +g l
2 kmol/h (IX.91 – T181 – STQTTB2) gđ : lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kmol/h) gl : lượng hơi đi vào đĩa cuối cùng của đoạn luyện (kmol/h) gtb : lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kmol/h)
Lượng hơi trung bình đi ra khỏi tháp: gđ = GR + GP = GP (Rx + 1) (IX 92 – T181-STQTTB2) với:
GR : Lượng lỏng hồi lưu (kg/h)
GP : Lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)
Rx : chỉ số hồi lưu thích hợp Thay số ta được: gđ = GR + GP = GP (Rx + 1) = 1681,96.(7,805 + 1) = 14809,65 (kg/h)
Lượng hơi đi vào đoạn luyện
Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo phương trình cân bằng vật liệu cho đoạn luyện:
Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi: g1 = G1 + GP ( 1 )
Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi: g1.y1 = G1a1+ GPaP ( 2 )
Phương trình cân bằng nhiệt lượng: g1 r1 = gđ.rđ ( 3)
Ta có hệ phương trình:
Trong đó r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ở đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kcal/kg) rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra đỉnh tháp (kcal/kg) a1 = aF = 0,44 phần khối lượng
Từ bảng cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ của hỗn hợp 2 cấu tử Cloroform và
Benzen ở 1 at bảng IX.2a trang 148 – STQTTB II: t F = t 2 −t 1 x 2 −x 1 ( x F −x 1 )+t 1 (a) x% x1 xF x2 x% 30 34 40 t°C t1 tF t2 t°C 77,2 ? 75,9
Nội suy nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu ta có: tF = 75,9−77,2 40−30 (34 – 30) + 77,2 = 76,68 °C
Lại có: r1 = rA y1 + ( 1 - y1 ).rB rđ = rA yđ + ( 1 – yđ ).rB
Với rA : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất Cloroform ( kcal kg ) rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất Benzen ( kcal kg ) yđ : Hàm lượng hơi sản phẩm đỉnh, yđ = aP = 0,95 phần khối lượng
Từ t°F = 76,68 °C tra bảng I.216 – STQTTB T1 – trang 260, Sử dụng công thức nội suy ẩn nhiệt hóa hơi cho Cloroform và Benzen: r x=r 2 −r 1 t 2 −t 1 (t F −t 1 )+r 1 (b) Áp dụng công thức (b) cho CHCl3 và C6H6 ta có:
Thay giá trị rA và rB vào biểu thức r1 ta có:
r1 = rA y1 + ( 1 - y1 ).rB = (rA – rB) y1 + rB
Từ bảng thành phần cân bằng lỏng – hơi (Cloroform – Benzen) ở 1 at bảng IX.2a trang 148 – STQTTB II, nội suy theo công thức (a) với tF thay bằng tP ta có: tp = 61,5−65,7 100−90 (92,5 – 90) + 65,7 = 64,65 °C
Nội suy theo bảng r - t°C (I-254 STQTTB I) với tp = 64,566 °C, áp dụng công thức nội suy (b) cho Cloroform và Benzen (thay tF bằng tp ) ta có: r x =r 2 −r 1 t 2 −t 1 (t p −t 1 )+ r 1
Thay các giá trị vừa tính được vào hệ phương trình ta có:
Giải hệ phương trình ta được: { y 1 =0,492 G g 1 1 = 748,79 16430,75 phần khối lượng kg/ kg /h h
Thay y1 vào r1 ta được: r1 = - 37,221 y1 + 94,725 = 76,412 (kcal/kg)
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là : gtbL = 2 g 1 g đ
2 = 15620,2(kg / h ) Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là :
(b) Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng g tb ' = g 1 ' + g n '
Trong đó : g’tb: lượng hơi trung bình của đoạn chưng ( kg/h) g’n: lượng hơi đi 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 luyện ta có: g’n= g1 , nên ta có thể viết : g’tb = g 1 + g ' 1
Phương trình cân bằng vật liệu :
Phương trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi :
Phương trình cân bằng nhiệt lượng : g’1 r’1 = g1 r1 (3’)
Lượng hơi đi vào đoạn chưng, lượng lỏng G’1 và hàm lượng lỏng x’1 được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng như sau :
- G’1: lượng lỏng đi vào đoạn chưng (kg/h)
- g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)
- a’1 : hàm lượng lỏng (phần khối lượng)
- r ’ n : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng (kcal/kg)
- r ’ 1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào lớp đệm thứ nhất của đoạn chưng ( kcal/kg)
- aw : thành phần cấu tử dễ bay hơi (Cacbondisunfua) trong sản phẩm đáy ;
- r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào lớp đệm trên cùng của đoạn chưng (kcal/kg)
- rA : ẩn nhiệt hóa hơi của Cacbondisunfua (kcal/kg)
- rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cacbontetraclorua (kcal/kg)
- Ta có: GW = 2118,04kg/h aW = 0,035 phần khối lượng
- Tính r1 Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng đoạn chưng bằng ẩn nhiệt hóa hơi đi vào đoạn luyện → r1 = 76,193 (kcal/kg)
- Tính r’1 r’1 = rA y’1 + ( 1 – y’1 ) rB rA, rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất ở t o = tW r’1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ra khỏi đoạn chưng y’1 = y * W xác định theo đường cân bằng ứng với aW = 0,035, xW = 0,023 nội suy theo bảng cân bằng lỏng hơi
→ tw = 80,1−80,6 5−0 (2,3 - 0) + 80,6= 80,37 o C ta được tW = 80,37 o C x x1 xw x2 x% 0 2,3 5 y y1 yw y2 y% 0 yw = ? 6,5
0,0299.119,5+(1−0,0299).78 = 0,0451 ( phần khối lượng)Với tw = 80,37 o C ta sử dụng bảng số liệu (trang 255 – STQTTB tập 1) và công thức nội suy ta có: t o C t1 tw t2
R r1 rx r2 rA = rCloroform 59,1 rA = rCloroform
= ? 55,2 rB = rBenzen 97,5 rB = rBenzen = ? 90,5 rx = r t 2 −r 1
2−t 1 (tw – t1 ) + r1 rA = 55,2−59,1 100−60 (80,37 – 60) + 59,1 = 57,114 (kcal/kg) rB = 90,5−97,5 100−60 (80,37 – 60) + 97,5 = 93,935 (kcal/kg)
Mặt khác, ta có: r’1 = rA y’1 + ( 1 – y’1 ) rB
→ r’1 = 54,114 0,0451 + ( 1 – 0,0451) 93,935 = 92,139 (kcal/kg) Thay vào hệ phương trình ta có:
Giải hệ phương trình ta được:
Lượng hơi trung bình của đoạn chưng: g’tbC = g 1 + g ' 1
Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng:
2.2.7.2Vận tốc hơi đi trong tháp
Tốc độ hơi ( khí ) trung bình đi trong tháp chóp xác định theo:
: khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m 3 )
: khối lượng riêng trung bình của hơi (kg/ m 3 ) h: khoảng cách giữa các đĩa (m)
2.2.7.3Tính khối lượng riêng trung bình của pha hơi
(a) Đoạn luyện được áp dụng theo công thức sau: ρytb = y tbA M A +(1− y tbA ) M B
22,4.(t ytb +273) 273 (IX.102/183-2) ytbB ; (1 – ytbA ): Nồng độ phần mol trung bình của hơi Cloroform và Benzen trong đoạn luyện
T = tytb + 273: nhiệt độ trung bình của tháp
2 Với: ydA : nồng độ hơi đầu của đoạn luyện ydA = y1 = 0,493 phần khối lượng Đổi ra phần mol: y1 0,492 119,5 0,492 119,5+1−0,492
= 0,39 phần mol y cA : Nồng độ hơi cuối của đoạn luyện ycA = yP = xP = 0,925 phần mol
Từ sổ tay tập II dùng công thức nội suy ta tìm được nhiệt độ trung bình của pha hơi: y% Y1 ytbL Y2 y% 54,6 65,8 66 t 0 C t1 t o ytb t2 t 0 C 75,9 t o ytb =? 74,5
Sử dụng công thức nội suy để tính t o ytb t o ytb = y t 2 −t 1
Khối lượng mol trung bình của hơi trong đoạn luyện :
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là: ρytbL
(kg/m 3 ) Với: ytbC : Nồng độ trung bình pha hơi trong đoạn chưng. ytbC = 2 cC đC y y yđC : Nồng độ pha đầu đoạn chưng yđC = y’1 = yw = 0,0299 phần mol ycc: Nồng độ pha cuối đoạn chưng ycC = y1 = 0,392 phần mol ytbC = 2 cC đC y y
2 = 0,26 phần mol Với ytbC =0,209 phần mol, tra bảng số liệu IX.2a_STQTTB Tập II_145 x% Y y Y x% 20 26 30 t 0 C t1 t o ytb t2 t 0 C 78,4 t o ytb =? 77,2
Sử dụng công thức nội suy để tính t o ytb t o ytb = t 2 −t 1 y 2−y 1.( y tbc −y 1 ¿+t 1
Khối lượng mol trung bình của hơi trong đoạn chưng :
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng là: ρytbC
2.2.7.4Tính khối lượng riêng trung bình của pha lỏng
(kg/m 3 ) Trong đó: ρxtb: khối lượng riêng trung bình của lỏng ( kg/ m 3 ) ρxtb1, ρxtb2 : khối lượng riêng trung bình của Cloroform và Benzen trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình ( kg/ m 3 ) atb1: phần khối lượng trung bình của Cloroform trong pha lỏng: atb1 = a F +a P
2 =0,44+0,95 2 = 0,695 ( phần khối lượng) a, Khối lượng riêng trung bình pha lỏng đoạn luyện
Nồng độ trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện: xtbL = 2
2 = 0,6325 (phần mol) Bảng số liệu trong bảng IX 2a_ATQTTB Tập II_145: x% x1 xtb1 x2 x% 60 63,25 70 t 0 C t1 t o xtb t2 t 0 C 73,1 ? 71
Nội suy từ bảng số liệu trong bảng IX 2a_STQTTB Tập II_145 ta được: t o xtb 2 1 tb 1 1
→t o xtbL = 71−73,1 70−60 (63,25 - 60) + 73,1 = 72,417 o C Ứng với t o = 72,417 o C Nội suy theo số liệu từ bảng I.2 trong STQTTB Tập I_9 t 0 C t1 t o xtbL t2
Thay số ta có: ρ cloroform =ρ xtb(cloroform) =1380−1411 80−60 (72,417− 60)+1411 91,75 ρ benzen =ρ xtb(Benzen) =815−836 80− 60 (72,417 −60)+836 = 822,962
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện:(
Thay số vào ta có: xtb
= 8,699.10 -4 → ρ xtbL = 1149,55 (kg/m 3 ) b, Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng:
: Khối lượng riêng trung bình pha lỏng ở đoạn chưng (kg/m3)
Tính toán cơ khí
Tính toán thân tháp
Thân trụ là bộ phận chủ yếu để tạo thành thiết bị hóa chất Tùy theo điều kiện ứng dụng làm việc mà người ta chọn loại vật liệu, kiểu đặt và phương pháp chế tạo. Theo điều kiện đầu bài tháp làm việc ở áp suất thường, nhiệt độ khoảng trên dưới 100oC Chọn vật liệu là thép không gỉ X18H10T phù hợp cho chưng luyện Cloroform và Benzen, thân hình trụ đặt thẳng đứng, đƣợc chế tạo bằng trụ hàn vì loại này thường dùng với thiết bị làm việc ở áp suất thấp và trung bình Chiều dày thân tháp hình trụ được tính theo công thức XIII.9 ( Sổ tay QT&TBCNHC - T2 trang 360)
Dt : Đường kính trong của tháp (m)
P: áp suất trong thiết bị (N/m2 )
[ σ ] : Ứng suất cho phép với loại vật liệu đã chọn (N/m2 ) φ : Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc
C : Số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (m)
Áp suất trong thiết bị
Môi trường làm việc là hỗn hợp lỏng nên hơi áp suất làm việc phải bằng tổng số áp suất hơi (Pmt) và áp suất thủy tĩnh (P1) của cột chất lỏng:
P = Pmt + P1 (N/m 2 ) Áp suất hơi: Pmt = 1at = 9,81.104 (N/m 2 ) Áp suất thủy tĩnh được tính theo công thức:
H1 : Chiều cao cột chất lỏng trong tháp (m) lấy : H1 = H = 51,1 (m) ρ 1 : Khối lượng của chất lỏng trong tháp (kg/m 3 ) ρ 1 =ρ xtbL +ρ xtbC
2 27,345(kg/m 3 ) Suy ra : P1 = g Khối lượng riêng ρ 1 Khối lượng riêngH1 = 9,81 1207,345 51,1 = 605231,18 (N/m 2 ) Áp suất trong thiết bị :
3.2.1.1Ứng suất cho phép Ứng suất cho phép của thép trong giới hạn bền khi kẽo khi chảy được tính theo công thức :
Trong đó : η: Hệ số hiệu chỉnh, theo bảng XIII.2 (sổ tay T2 trang 356) đây là thiết bị loại 2 đốt nóng gián tiếp chọn η = 1 n k , n c : Hệ số an toàn theo giới hạn bền và chảy, (XIII.3 - T II - 356) n k = 2,6; n c = 1,5 σ k , σ c : Giới hạn bền khi kéo và chảy theo tiêu chuẩn của X18H10T (bảng XIII.4 - T II - 356) ta có: k = 550.10 6 (N/m2 ) ch = 220.10 6 (N/m2 )
=> ứng suất giới hạn bền kéo là:
= > Ứng suất giới hạn bền chảy là :
= > Chọn ứng suất cho phép là ứng suất nhỏ trong hai ứng suất trên :
3.2.1.2Tính hệ số bền của thành hình trụ theo phương pháp dọc :
Chọn phương pháp chế tạo theo phương pháp hàn tay bằng hồ quan điện kiểu hàn giáp mối 2 bên, thành có lỗ nhưng được gia cố hoàn toàn Khi đó hệ số mối hàn được chọn như sau: φ = φh = 0,95 (sổ tay T2 trang 362)
703331,18 >50 như vậy có thể bỏ qua P ở mẫu của công thức tính chiều dày.
3.2.1.3Đại lượng bổ sung Đại lượng bổ sung được tính theo công thức sau:
C1 : Bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn của vật liệu, của môi trường và của thời gian làm việc của thiết bị, (m) đối với vật liệu thép không gỉ mã X18H10T chọn C1 = 1(mm) = 10 -3 (m)
C2 : Bổ sung do bào mòn (m), Tháp chưng luyện chỉ chứa lỏng và hơi nên ít ăn mòn => C2 = 0
C3 : Bổ sung do dung sai về chiều dày (m) Chọn dung sai: C3 = 0,8 mm = 0,8.10-
Chiều dài thân tháp được tính theo công thức:
= > Theo quy chuẩn lấy chiều dày tháp là S = 7 mm
Kiểm tra ứng suất theo phương pháp thử: Áp suất thử tính toán: P0 = Pth + P1 (N/m)
Pth : Áp suất thủy lực (N/m 2 )
Theo bảng áp suất thủy lực khi thử (sổ tayy T2 trang 358)
= > P1 : Áp suất cột chất lỏng trong tháp (N/m 2 ):
P1 = g Khối lượng riêng ρ 1 Khối lượng riêngH1 = 9,81 1207,345 51,1 = 605231.18 (N/m 2 )
Po = 1054996,77+ 605231,18 = 1660227,95(N/m 2 ) Ứng suất theo áp suất thử: σ=[ D t +( S−C) ] P 0
1,2 3,33 10 6 (N/m 2 ) ¿>Vậy chọn S=7mm là phù hợp 3.2.1.4Tính đáy và nắp thiết bị Đáy và nắp thiết bị cũng là những bộ phận quan trọng của thiết bị và thường được chế tạo cùng loại với vật liệu của than tháp, vì tháp làm việc ở áp suất thường và được thân trụ hàn nên ta chọn đáy và nắp hình elip có gờ.
- Chiều cao phần lồi : dựa vào đường kính Dt = 0,9m tra bảng XIII.10- TR382_II, ta có : ht = 225 mm
- Đường kính lỗ : dđáy = 150 (mm), dnắp = 150 (mm)
Chiều dày đáy và nắp :
- φ h : Hệ số bền mối hàn hướng tâm, φ h =0,95
- k: Hệ số không thứ nguyên k = 1 - D d t , [XIII.48 – Tr385 – II]
- Như vậy có thể bỏ qua P ở mẫu trong công thức tính chiều dày
Ta thấy S – C < 10 (mm) nên phải tăng C lên 2 mm
Quy chuẩn lấy chiều dày nắp tháp là : S = 5 mm
Kiểm tra ứng suất thành ở áp suất thử thủy lực theo công thức : σ=[0,9 2 +2 0,2.(10−3,8).10 −3 ].286,317 10 3
⇒ Thỏa mãn điều kiện bền nên chọn S = 5mm
Do chiều dày của nắp và đáy bằng 5 mm nên ta có chiều cao gờ h%mm và khối lượng bằng 38,0 kg (bảng XIII.11 _Tr384 -II)
Vậy các thông số của đáy và nắp thiết bị : Đ ư ờ
V 1 Đ ườ ng n g kí n h, m u d à y, m u ca o g ờ, m m ca o ph ần lồ i, m m ặt tr o n g, m
Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng nhƣ các bộ phận khác với thiết bị
Có nhiều kiểu bích khác nhau, nhưng do tháp làm việc ở áp suất thường nên ta chọn kiểu mặt bích liền bằng thép loại 1 để nối đáy, nắp… với thân.
3.2.2.1Chọn mặt bích để nối thân tháp với nắp, đáy
Ta dùng mặt bích liền bằng thép không gỉ kiểu 1, (XIII.27 – T II – 417)
Mặt bích liền bằng thép không gỉ, với đường kính tháp: Dt = 0,9m, áp suất tính toán P = 0,153767 10 -6 N/m 2
Theo bảng XIII.27-421-II ta có:
Tra bảng IX.5 trang170 sổ tay tập 2 ta có: khoảng cách giữa 2 mặt bích liên tiếp là 1500mm
Số bích đoạn luyện là: n1 =
Số bích đoạn chưng là: n2 =
Vậy tổng số bích là: n = n1 + n2 + 2 = 5 + 20 + 2 = 27 bích
3.2.3 Tính đường kính ống dẫn
Chọn vật liệu ống dẫn cùng loại vật liệu đáy tháp Đường kính các ống dẫn và cửa ra vào tính theo công thức:
V: Lưu lượng thể tích (m 3 /s) ω: Tốc độ lưu thể (m/s)
3.2.3.1Đường kính ống chảy chuyền Đường kính ống chảy truyền đã tính ở trên dchL = 0,17 m, dchc = 0,2 m
Khoảng cách từ chân đĩa đến ống chảy chuyền: S= 0,25 D Đoạn luyện: Sl = 0,25 0,17 = 0,0425 (m) Đoạn chưng: Sc = 0,25 0,2 = 0,05 (m)
3.2.3.2Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp
Lượng hỗn hợp đầu vào tháp là F = 3800 kg/h
Nhiệt độ của hỗn hợp đầu: tF = 77,466 °C
Khối lượng riêng của Cloroform và Benzen (bảng I.2, sổ tay T1 tr9) nội suy ở tF = 77,466 ρ Cloroform =¿1383,927 (kg/m 3 ) ρ Benzen 7,66 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu là:
Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu là:
Chọn tốc độ hỗn hợp đầu là: ω=0,3(m/s)
Đường kính hỗn hợp đầu là: d = √ 1,058 10 0,785 0,3 −3 =0,067 (m)
Theo bảng XIII.32 (T II – 434), chiều dài đoạn ống nối là: l = 110 (mm)
Tốc độ thực tế của hỗn hợp đầu là: ω TT = V
0,785 0,7 2 =0,275(m/s) 3.2.3.3Đường kính ống dẫn hơi đỉnh tháp
Lượng hơi đỉnh tháp là: gđ = 14809,65 (kg/h)
Nhiệt độ của đỉnh tháp: tP = 64,65°C
Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp là: ρ=M p T 0
Lưu lượng thể tích của hơi đỉnh tháo là:
3600 6,005=0,68(m 3 /s) Chọn tốc độ hơi ở đỉnh tháp là ω0(m/s)
Đường kính của ống dẫn hơi đỉnh tháp là: d = √ 0,785.30 0,68 = 0,17 (m) = 170 mm
Tra bảng XIII.32 (T II – 434), chiều dài đoạn ống nối: l = 130 mm
Tốc độ thực tế của hơi đỉnh tháp: ω TT = V
3.2.3.4Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy
Nhiệt độ của hỗn hợp đáy: tw = 80,37 °C
Khối lượng riêng của Cloroform và Benzen (bảng I.2, sổ tay T1 tr9) nội suy ở tw = 80,37 °C ρ Cloroform 80,99(kg/m 3 ) ρ Cloroform 4,593(kg/m 3 )
Khối lượng riêng của hỗn hợp đáy là:
Lưu lượng thể tích của sản phẩm đáy là:
Chọn tốc độ sản phẩm đáy là: ω = 0,3 (m/s)
Đường kính của ống dẫn sản phẩm đáy là: d=√ 0,711.10 0,785.0,3 −3 =0,055 (m)
Theo bảng XIII.32 (T2 - 434), chiều dài đoạn ống nối là :l 0 mm
Tốc độ thực tế của sản phẩm đáy là: ω tt = V
3.2.3.5Đường kính ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu
Lượng hơi ngưng tụ hồi lưu là:
Nhiệt độ của hơi ngưng tụ hồi lưu là: tR = tP = 64,65 °C
Khối lượng riêng của Clorofom và Benzen là: ρ Clorofom 03,79(kg/m 3 ) ρ Benzen 1,11(kg/m 3 )
Khối lượng riêng của hỗn hợp hồi lưu đỉnh là:
Lưu lượng thể tích của hơi ngưng tụ hồi lưu là:
Chọn tốc độ hơi ngưng tụ hồi lưu là: ω = 0,3 m/s
Đường kính của ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu là: d=√ 2,617.10 0,785 0,3 −3 =0,1( m)
Theo XIII.32 (T2 trang 434), chiều dài đoạn ống nối là : l = 120 (mm)
Tốc độ thực tế của hơi nước ngưng tụ hồi lưu là: ω tt = V
0,785.0,1 2 =0,33(m/s) 3.2.3.6Đường kính ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu
Lượng hơi sản phẩm đáy hồi lưu là: gđ = 14809,65 (kg/h)
Nhiệt độ của hơi sản phẩm đáy hồi lưu: tw = 80,37 °C
Khối lượng riêng của hơi ở đáy: ρ=M w T 0
Lưu lượng thể tích của hơi sản phẩm đáy hồi lưu là:
Chọn tốc đọp hơi sản phẩm đáy hồi lưu là: ω = 30 m/s
Đường kính của ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu là: d=√ 0,785.30 1,51 =0,25( m )
Theo bảng XIII.32 (T2 - 434), chiều dài đoạn ống nối là : l = 140 (mm)
Tốc độ thực tế của hơi sản phẩm đáy: ω tt = V
3.2.3.7Chọn mặt bích để nối ống dẫn thiết bị:
Ta dùng kiểu mặt bích bằng kim loại đen Theo bảng XIII.26 (II – 409) ta có bảng bích cho các loại ống với áp suất 0,25 106 N/m2
Tên các ống Dy Dn D Dδ Dl db h z mm C,i
Hồi lưu sản phẩm đỉnh
3.2.4 Tính và chọn giá đỡ, tai treo
Thường người ta không đặt trực tiếp thiết bị lên mà phải có tai treo hay chân đỡ (trừ trường hợp ngoại lệ) Muốn xác định giá đỡ và tai treo cần phải xác định được khối lượng của toàn thiết bị.
3.2.4.1Tính khối lượng toàn bộ tháp Để tính toán khối lượng toàn thiết bị người ta tính khối lượng tháp khi cho nước đầy tháp, và khối lượng của tháp khi không có nước.
GT : Khối lượng thân tháp trụ (kg)
GN-Đ : Khối lượng nắp và đáy tháp (kg)
GB : Khối lượng bích (kg)
Gbl : Khối lượng bu lông nối bích (kg)
GĐ : Khối lượng đĩa lỗ trong tháp (kg)
GÔ : Khối lượng ống chảy truyền (kg)
GL : Khối lượng chất lỏng điền đầy tháp (kg) a, Khối lượng thân tháp trụ:
Khối lượng riêng của vật liệu làm thân tháp là ρth = 7900 (kg/m3 ) Đường kính trong của thân tháp: Dt=0,9 m
- Vth: thể tích của thân tháp, m 3
D n , D t : đường kính ngoài và trong của tháp
4 51,1.7900435,63kg b, Khối lượng nắp và đáy tháp
- khối lượng của đáy ( nắp): m = 38,0 kg
Khối lượng nắp và đáy tháp là:
GN-Đ = 38,0 2 = 76 (kg) c, Khối lượng bích
Theo các thông số của bích đã chọn:
- Đường kính trong của bích: Dt = 900 (mm) = 0,9 m
- Đường kính ngoài của bích: D = 1030 (mm) = 1, 030 m
- Chiều dày bích: hL = hC = 25 (mm) = 0,025 (m)
4 0,025.7900.2750,8(kg) d, Khối lượng bu lông nối bích
Theo các thông số của bích đã chọn:
Cần 27 bích, mỗi cặp cần 24 bu lông loại M20 (khối lượng 0,15 kg/cái).
=> Khối lượng bu lông nối bích là:
Gbl = 27 2 24.0,15 = 48,6 (kg) e, Khối lượng đĩa lỗ trong tháp
Theo các thông số đĩa đã chọn:
- Đường kính đĩa : DL = DC = 0,9 m
= > Khối lượng đĩa lỗ trong tháp:
4 0,003.7900 162$42,52(kg) f, Khối lượng ống chảy chuyền m=π
- d cc : đường kính ống chảy chuyền
- S : bề dày ống chảy chuyền, chọn S = 2mm
- h cc : chiều cao ống chảy chuyền, chiều cao ống chảy chuyền = khoảng cách của 2 đĩa – khoảng cách từ đĩa tới chân ống chảy chuyền + khoảng cách ống chảy chuyền nhô lên + bề dày đĩa
- S1 : Khoảng cách từ đĩa tới chân ống chảy chuyền
- hc : khoảng cách ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa
= > hccL = 0,3 – 0,0425 + 0,03 + 0,003 = 0,2905 (m) Vậy khối lượng ống chảy chuyền ở đoạn luyện là: m L =π
= > hccC = 0,3 – 0,05 + 0,03 + 0,003 = 0,283 (m) Vậy khối lượng ống chảy chuyền ở đoạn chưng là: m C =π
Tháp có 130 đĩa chưng, 32 đĩa luyện, mỗi đĩa chưng có 1 ống chảy chuyền và mỗi đĩa luyện có 1 ống chảy chuyền:
Khối lượng ống chảy chuyền là:
Gô = 130.2,83 + 32.2,48= 447,26 (kg) g, Khối lượng chất lỏng điền đầy tháp m=(ρ xtbL H L +ρ xtbC H C ).π D 2
Khối lượng chất lỏng chứa trong tháp là: m = (1149,55 10,696 + 905,141 40,39) π 0,9 2
G = GT + GN-Đ + GB + Gbl + GĐ + Gô + GL (kg)
Trọng lượng của tháp là: P = G.g = 38580,53 9,81 = 378474,99 (N)
Chọn 4 tai treo bằng thépCT3, tải trọng trên tai treo là: 2,5.10 4 (N)
Các thông số của tai treo ( Kiểu VIII – Sổ tay T2)
Tả i trọ ng ch o ph ép trê n 1 tai tre o
Tấm lót tai treo bằng thép: bảng XIII.37 (Sổ tay T2)
Tải trọng cho phép lên một tai treo
Chiều dày tối thiểu của thành thiết bị khi không có lót
Chiều dày tối thiểu của thành thiết bị khi có lót S
Chọn chân đỡ thép: bảng XIII.35 ( Sổ tay T2)
-4 m n g ch o p hé p lê n bề m ặt đ ỡ Q.
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
Tính toán gia nhiệt hỗn hợp đầu
Đối với quá trình chưng luyện, để nâng cao hiệu quả làm việc thì hỗn hợp đầu đưa vào ở trạng thái lỏng sôi nhằm tạo sự tiếp xúc tốt giữa 2 pha lỏng – hơi Điều này được thực hiện nhờ thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu.
Ta giả thiết dung dịch đầu có nhiệt độ ban đầu là 25oC, cần đun nóng tới nhiệt độ sôi của hỗn hợp là tF = 45,58°C Để đun nóng hỗn hợp đầu ta dùng thiết bị gia nhiệt loại ống chùm kiểu đứng, dùng hơi nước bão hòa ở 2 at để đun sôi hỗn hợp.
Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm thẳng đứng với các thông số:
Chiều cao ống: ho = 1 (m) Đường kính ống: d = 25 (mm)
Chiều dày thành ống: δ = 2,5 (mm) Đường kính trong của ống là: do = 20 (mm)
Dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống
Chọn vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T
Theo XII.7 (Sổ tay II – 313), hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là: λ = 16,3 (W/m.độ)
4.1.1 Tính hiệu số nhiệt dộ trung bình
Nhiệt độ vào của dung dịch là t = 25C
Nhiệt độ ra của dung dịch là t = t = t = 76,68 ℃
Hơi đốt là hơi nước bão hòa nên nhiệt độ không thay đổi và là nhiệt độ sôi ở áp suất đã chọn (2 at) : 119,62C
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể tích theo công thức: Δ\a\ac\vs0( = \f(Δt,Δt\f(Δt-Δt,ln =
94,62−42,94 ln 94,62 42,94 = 65,41 ° C Vậy nhiệt độ trung bình của dung dịch là: t = 119,62 – 65,41 = 54,21 ℃
4.1.2 Tính lượng nhiệt trao đổi
Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đàu từ nhiệt độ 25C đến nhiệt sôi của hỗn hợp đầu 76,68 ℃ , tính theo công thức:
Q = m.C.(t - t) (J/s) Trong đó: m: Lượng dung dịch đưa vào (kg/s) m=F800
C: Nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.độ) ở t = 54,21 ℃
Nội suy theo bảng I.153 (Sổ tay QT & TB 1- trang 171) ta có:
Nồng độ đầu hỗn hợp là: a =0,44
C = 1029,68 0,44 + 1899,60 (1 – 0,44) = 1516,83 (J/kg.độ) t, t : Nhiệt độ vào và ra của dung dịch (C)
4.1.3 Tính hệ số cấp nhiệt
Quá trình truyền nhiệt gồm 3 phần:
Cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa cho thành ống truyền nhiệt: q = α Δ\a\ac\vs0( (W/m) α : Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (Wm.độ) Δ\a\ac\vs0( : Hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và thành ống tiếp xúc với với hơi đốt Δ\a\ac\vs0( = t - t\a\ac\vs0(
Dẫn nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với hơi sang thành ống tiếp xúc với lỏng (dẫn nhiệt qua 1m thành ống)
Lượng nhiệt của quá trình này: q = \f(1,Σrr Δt (W/m) Σr r : Tổng nhiệt trở của thành ống (m.độ/W) Δt = t\a\ac\vs0( - t\a\ac\vs0( : Hiệu số nhiệt độ giữa hai phía thành ống (C) t\a\ac\vs0( , t\a\ac\vs0( : Nhiệt độ hai phía thành ống
Cấp nhiệt từ thành ống phía tiếp với pha lỏng cho hỗn hơi lỏng q = α.Δt α : Hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m.độ) Δt = t\a\ac\vs0( - t
4.1.3.1 Xác định chế độ chảy của hỗn hợp chất lỏng trong ống (tính chuẩn số Re)
Re = \f(W.l.ρ,μ (Sổ tay QT & TB 2-trang 359)
W : Tốc độ dòng chảy lỏng tự chảy trong ống
Ta chọn tốc độ chảy của chất lỏng trong ống là chế độ tự chảy
Chọn W = 0,3 (m/s) l : Kích thước hình học (l = d) μ : Độ nhớt của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình t trong thiết bị truyền nhiệt μ được xác định theo công thức: lg μ = x.lgμ + (1 - x).lg μ μ, μ : Độ nhớt của Clorofom và Benzen ở nhiệt độ t = 54,21 ℃
Nội suy theo bảng I.101 (Sổ tay QT & TB 1 -trang 91) ta có:
Suy ra: lg μ = 0,34.lg(0,41.10) + (1 - 0,34).lg(0,416.10)
→ μ = 4,139.10 -4 (N.s/m 2 ) ρ : Khối lượng riêng của hỗn hợp ở t = 54,21 ℃
\f(1,ρ = \f(a,ρ + \f(1-a,ρ ρ, ρ : Khối lượng riêng của Clorofom và Benzen ở nhiệt độ t
Nội suy theo bảng I.2 (Sổ tay QT & TB 1 -trang 9) ta có: ρ = 1422,29 (kg/m); ρ = 842,369 (kg/m)
Thay số vào ta được:
842,369 ρ x = 1026,53 (kg/m) l = d : Đường kính tương đương của ống truyền nhiệt
Chọn kích thước của ống truyền nhiệt là 25 x 2 mm
Trong đó 25 là đường kính của ống và 2 là bề dày của ống
Vậy đường kính trong của ống là: d td = 25-2 × 2 ! (mm)= 0,021m
→ Chế độ chảy của chất lỏng trong ống truyền nhiệt là chế độ chảy xoáy
Chuẩn số Pr được xác định theo công thức:
Pr = C P μ λ (Sổ tay QT & TB 2-trang 12)
C, μ đã tính được ở trên λ : Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch λ = ε C.ρ √ 3 M ρ (I.32 Sổ tay QT & TB 1 -trang 123)
M: khối lượng mol trung bình của hỗn hợp lỏng
M = 119,5 0,34 + (1-0,34) 78 = 92,11 (kg/kmol) ε : hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng, đối với Clorofom và Benzen là chất lỏng kết hợp với nhau thì ε =¿ 3,58.10 -8
4.1.3.3Tính hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch α 2 (W/m 2 độ)
Mà chế độ chất lỏng chảy xoáy nên:
Nu=0,021.ε 1 ℜ 0,8 Pr 0,43 ( Pr Pr t ) 0,25 (Sổ tay T 1) ε1: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số chiều dài và đường kính d của ống
Prt : chuẩn số prant của hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ thành ống Pr/ Prt: thể hiện ảnh hưởng của dòng điện ( đun nóng hay làm nguội ) Khi chên lệch giữa tường và dòng nhỏ thì Pr/Prt ≈ 1 (theo sổ tay T20
4.1.3.4 Tính hệ số cấp nhiệt của hơi bão hòa
Khi tốc độ hơi trong ống nhỏ (W< 10 m/s) và màng nước ngưng chuyển động dòng thì hệ số cấp nhiệt α của hơi nước bão hòa đối với ống thẳng đứng α = 2,04.A \f(r,Δ.H (W/m.độ) (Sổ tay QT & TB 2 -trang 28)
- H: Chiều cao của ống trong thiết bị gia nhiệt, chọn H = 1 m
- A: hệ số phụ thuộc màng nước ngưng
- r: ẩn nhiệt nước ngưng, J/kg.độ r = 2208 10 3 J/kg
- ∆t 1 : hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và hơi ngưng tụ mặt ngoài ống, Δt = t h - t + t h : nhiệt độ hơi bão hòa
+ t T1 : nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ
Giả sử độ chênh lệch nhiệt độ giữa hơi bão hòa và hơi ngưng tụ là Δt
Theo bảng số liệu A-tm (II-tr29) nội suy ta có: A = 186,7625
Vậy hệ số cấp nhiệt ngưng tụ là:
Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: q 1 =α 1 (t h −t T 1 )74,59.4,7F880,58W/m 2
Hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt thành ống là:
- t T 2: nhiệt độ thành ống phía dung dịch lỏng, eq¿(¿ ¿(o ,))C
- ∑r : nhiệt trở hai bên ống truyền nhiệt, m 2 eq ¿ (¿ ¿( o ,)) C /W
Tổng nhiệt trở thành ống:
- rt1 , rt2 : nhiệt trở do lớp cặn bám trên ngoài thành ống, m 2 eq ¿ (¿ ¿( o ,))C /W
- δ : bề dày của ống truyền nhiệt, chọn δ =2,5 mm=0,0025 m
- λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/m.độ với thép X18H10T có hệ số dẫn nhiệt: λ,3 W/m.độ dựa vào bảng PL.12-tr 346- TTQTTB tập 1 ta chọn :
Tại tT2 = 96,8 ℃ nội suy theo bảng (I.153 – tr 171 st I) Ta có nhiệt dung riêng của hỗn hợp là:
CA = 1135,2 J/kg.độ ; CB = 2106,4 J/kg.độ
Tại tT2 = 96,8 ℃ nội suy theo bảng (I.2-tr9 – St 1), thì khối lượng riêng của chất lỏng là: ρ A 34,64kg/m 3 ; ρ B y6,52kg/m 3 ¿> 1 ρ hh =a F ρ A +1−a F ρ B = 0,44 1334,64+1−0,44
Tại nhiệt độ tT2 = 96,8 ℃ nội suy theo bảng (I.101-tr91,92 – stI) ta xác định độ nhớt của chất lỏng là: μ A =0,2964.10 −3 N/s m 2 ;μ B =0,2698.10 −3 N/s m 2
⇒lg μ hh =x F lg μ A +(1− x F ) lg μ B ¿0,34.lg(0,2964 10 −3 )+(1−0,34) lg(0,2698 10 −3 )
Vậy giả sử ∆ t = 4,7 ℃ là đúng.
4.1.3.5Diện tích trao đổi nhiệt
Nhiệt lượng của quá trình truyền nhiệt biến nhiệt ổn định qua tường ống được xác định theo công thức:
Q = K.F ∆ t tb (W) Trong đó: K là hệ số truyền nhiệt (W/m 2 độ).
F là bề mặt trao đổi nhiệt (m 2 ).
∆ t tb là hiệu số nhiệt độ trung bình ( 0 C). Đối với tường ống 1 lớp, K được tính theo công thức:
K 1 1 α 1 r 1 + 1 α 2 r 2 +1 λ.ln(r 2 r 1 ) Với: α 1, α 2 là hệ số tỏa nhiệt ở phía trong và phía ngoài của thành ống (W/ m 2 độ). r1, r2 là bán kính trong, bán kính ngoài của ống truyền nhiệt (m). λ là hệ số dẫn nhiệt của vách (W/m.độ).
Do các ống truyền nhiệt có chiều dày thành ống bé (dn/dt = 40/35= 1,14 < 1,5) nên có thể tính hệ số truyền nhiệt tương tự như trong tường phẳng một lớp:
918,69+0,386.10 −3 = 635,016(W/m 2 độ) Xét nhiệt lượng truyền trên 1m 2 bề mặt truyền nhiệt: q = α1.∆ t = K ∆ t tb
1 = 635,016 9974,59 65,41 = 4,16 0 C Chênh lệch không đáng kể so với giả thiết nên ∆ t = 4,7 0 C là phù hợp
4.1.3.6Số ống truyền nhiệt cần dùng
Bề mặt truyền nhiệt F đúng bằng tổng bề mặt truyền nhiệt của m ống với đường kính tương đương dtđ và chiều dài l của mỗi ống truyền nhiệt:
Do α1 = 9974,59 ≫ α2 = 668,45 (W/m 2 độ) nên dtđ = dn (tra theo [IV – 63])
Số ống truyền nhiệt cần thiết: m = π d F tđ h = π 0,02 2 2 = 15,91(ống)
Dựa vào bảng ( V.11-tr48- ST II), ta quy chuẩn và chọn tổng số ống với cách sắp xếp theo hình lục giác là n= 18 ống.
- Chọn cách sắp xếp ống trên vỉ ống theo hình lục giác đều, bước ống t bằng khoảng từ (1,2 ÷1,5)dn (tra [II – 49]):
- Xác định số ống trên cạnh lục giác lớn nhất là S từ công thức sau:
- Xác định số ống trên đường chéo của lục giác lớn nhất là m từ công thức:
- Số hình sáu cạnh là: 3 (hình).
4.1.3.7Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt
Trong đó : Đường kính ngoài của ống d = 0,04 m.
Bước ống thường chọn là t =0,048 m.
4.1.3.8Vận tốc dung dịch trong ống
Tốc độ chảy thực tế của thiết bị gia nhiệt được xác định theo công thức sau w TT G ρ m π d 2
4 3600 Trong đó: G : Lượng hỗn hợp đầu ( kg/ h ) = 3800 (kg/h). ρ : Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp đầu ( kg/ m 3 ). d : Đường kính trong của ống truyền nhiệt ( m ).
Thay số vào ta có : w TT 3800
4 3600 = 0,08 (m/s) Để có vận tốc dòng chất lỏng đạt chế độ chảy xoáy thì cần tăng vận tốc thực của dòng WTT bằng phương pháp chia ngăn.
Số ngăn của thiết bị = W W
TT =0,08 0,2 = 2,5 Chọn số ngăn là 3.
Tính bơm và thùng cao vị
Bơm làm việc liên tục trong quá trình chưng luyện, đưa dung dịch từ bể chứa lên thùng cao vị, mức chất lỏng trong thùng cao vị được giữ ở mức không đổi nhờ ống chảy tràn để duy trì áp suất ổn định cho quá trình cấp liệu.
Lưu lượng bơm GB = F 800 (kg/h).
Ho là chiều cao tính từ mặt thoáng bể chứa dung dịch đến mặt thoáng thùng cao vị (m).
H1 chiều cao tính từ đáy tháp đến đĩa tiếp liệu
H2 chiều cao tính từ nơi đặt bơm đến đáy tháp
Z chiều cao tính từ đĩa tiếp liệu đến mặt thoáng thùng cao vị (m).
Hình IV.1 Hệ thống bơm, thùng cao vị.
Trong quá trình sản xuất, muốn tính toán đưa hỗn hợp đầu lên thùng cao vị, đảm bảo yêu cầu công nghệ cần phải tính các trở lực của các đường ống dẫn liệu của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu từ đó tính chiều cao của thùng cao vị so với vị trí tiếp liệu của tháp và xác định công suất, áp suất toàn phần của bơm. ΔP = ΔP + ΔP + ΔP + ΔP + ΔP + ΔP [I –
Trong đó: ΔP : Áp suất động học hay áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy khi ra khỏi ống dẫn (N/m 2 ). ΔP : Áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng ổn định trong ống thẳng (N/ m 2 ). ΔP : Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ (N/m 2 ). ΔP : Áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất thủy tĩnh (N/m 2 ). ΔP : Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị (N/m 2 ). ΔP : Áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn (N/m 2 ).
Trong thiết bị chưng luyện tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền thì ΔP = ΔP = 0
4.2.1 Trở lực của ống dẫn từ thùng chứa dung dịch đến thùng cao vị.
4.2.1.1Tính áp suất động học ΔP = \f(ρω,2 (N/m 2 ) [I – 377]
Trong đó : ρ là khối lượng riêng của dung dịch trước khi gia nhiệt (kg/m 3 ). ω là tốc độ của dung dịch đi trong ống dẫn liệu (m/s).
Tính khối lượng riêng của dung dịch trước khi gia nhiệt.
Nhiệt độ của dung dịch trước khi gia nhiệt là 25 0 C Nội suy theo bảng I.2 [I – 9], ta có khối lượng riêng của Clorofom và Benzen ở 25 0 C : ρ xA = 1535,25 (kg/m 3 ), ρ xB = 894,75 (kg/m 3 )
+1−a F ρ xB ρ = 1095,92 (kg/m 3 ) Tính tốc độ của dung dịch đi trong ống dẫn. ω= 4.G F π d 2 ρ.3600 (m/s) trong đó: - G F = 3800 (kg/h). d là đường kính ống dẫn liệu, d = 150mm.
4.2.1.2Tính áp suất để khắc phục trở lực ma sát ∆ P m
Trong đó: λ : là hệ số ma sát
L là chiều dài ống dẫn (m), chọn L = 17 (m). dtđ là đường kính tương đương của ống dtđ = 0,15(m).
Tính chuẩn số Re: Re = \f(ω.d.ρ,μ
Với ω = 0,055 (m/s), ρ = 1095,92 (kg/m 3 ), dtđ = 0,15 (m). à là độ nhớt của dung dịch trước khi gia nhiệt (N.s/m 2 ) tại nhiệt độ t = 25 0 C: Nội suy theo bảng I.101 [I – 91], độ nhớt của cấu tử Clorofom và Benzen là: àA = 0,515.10 -3 (N.s/m 2 ), àB = 0,54.10 -3 (N.s/m 2 ) lg à = xF.lg àA + (1 – xF).lg àB
0,531.10 −3 = 17027,005>10 4 chế độ chảy xoáy. ở chế độ chảy xoáy, hệ số ma sát được tính theo công thức:
Δ là độ nhám tương đối: Δ = d ε tđ với ε là độ nhám tuyệt đối tra theo bảng II.15 [I – 381], ε = 0,1mm ứng với ống thép mới, không hàn (thép nguyên).
Vậy áp suất để khắc phục trở lực do ma sát: Δ Pm = 0,0282 0,15 17 1095,92 0,055 2
4.2.1.3Tính áp suất khắc phục trở lực cục bộ ∆ P C Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ được xác định theo công thức: Δ P C =ξ ω 2 ρ
Với ξ là hệ số trở lực cục bộ. ρ là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m 3 ). ω là tốc độ của chất lỏng chảy trong ống (m/s).
Hệ số trở lực cục bộ Σ ξ=ξ 1+2.ξ 2 +ξ 3 +ξ 4 +ξ 5
- ξ 1 là hệ số trở lực đột thu (từ thùng chứa ra ống dẫn) Chọn đường kính thùng chứa là 2 m Tra bảng N o 13 (bảng II.16 [I – 388]), ta chọn ξ 2 = 0,5.
- ξ 2 là hệ số trở lực của van, khóa: trên ống dẫn có 2 van, tra bảng N 0 37 (bảng II.16 [I – 397]) ứng với đường kính ống là 150 mm, ta có ξ = 4,4
- ξ 3 là hệ số trở lực của đoạn ống vòng 90 0 Với d/R =1, α 0
ξ 4 là hệ số trở lực của khuỷu ghép 90 0 do 3 khuỷu 30 0 tạo thành, chọn ξ 4 = 0,3
(tra bảng N 0 30 (bảng II.16 [I – 394]), ứng với a/b =1)
ξ 5 là hệ số trở lực đột mở (từ ống dẫn vào thùng cao vị) ξ 5 = 0,98.(Tra bảng 2.3 [VI – 95]) Σ ξ = 0,5 + 2.4,7 + 0,29 + 0,3+ 0,98 = 10,87
2 = 18,017 (N/m 2 ) Vậy tổng áp suất để thắng trở lực trong hệ thống ống dẫn dung dịch từ thùng chứa nguyên liệu đến thùng cao vị là: ΔP = ΔP + ΔP + ΔPc =1,65 +5,297+18,017 $,964(N/m 2 )
Năng lượng mất mát hay thế năng riêng tổn thất: hm = ∆ P ρ g = 1095,92.9,8124,964 = 0,0032 (m)
4.2.1.4Trở lực trong ống dẫn hỗn hợp tưg thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt
Trở lực trong ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt được xác định theo công thức: ΔP1 = ΔPms1 + ΔPcb1 + ΔPđ
Trong đó:ΔPms1 là áp suất khắc phục trở lực ma sát (N/m 2 ). ΔPcb1 là áp suất khắc phục trở lực cục bộ (N/m 2 ). Áp suất động học: Δ Pđ = 1,65 (N/m 2 )
(a) Áp suất để khắc phục trở lực ma sát.
Trong đó: λ là hệ số ma sát.
L là chiều dài ống dẫn (m), chọn L = 13 m. dtđ là đường kính tương đương của ống dtđ = 0,15 m.
Tính chuẩn số Re: Re = \f(ω.d.ρ,μ
0,531.10 −3 = 17027,005 chế độ chảy xoáy ở chế độ chảy xoáy, hệ số ma sát được tính theo công thức:
Δ là độ nhám tương đối: Δ = d ε tđ với ε là độ nhám tuyệt đối tra theo bảng II.15 [I – 381], ε = 0,1mm ứng với ống thép mới, không hàn (thép nguyên).
Vậy áp suất để khắc phục trở lực do ma sát: Δ Pm = 0,0282 0,15 13 1095,92 0,055 2
(b) Áp suất khắc phục trở lực cục bộ Δ P cb1 Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ được xác định theo công thức: Δ P cb1 =ξ ω 2 ρ
Với ξ là hệ số trở lực cục bộ. ρ là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m 3 ). ω là tốc độ của chất lỏng chảy trong ống (m/s).
Hệ số trở lực cục bộ Σ ξ=ξ 1+ξ 2 +2.ξ 3 +ξ 4
- ξ 1 là hệ số trở lực đột thu (từ thùng cao vị ra ống dẫn) Chọn đường kính thùng chứa là 2 m Chọn ξ 1 = 0,5 (Tra bảng N o 13 (bảng II.16 [I – 388])).
- ξ 2 là hệ số trở lực của van, khóa: trên ống dẫn có 1 van, chọn van tiêu chuẩn tra bảng N 0 37 (bảng II.16 [I – 397]) ứng với đường kính ống là 150 mm, ta có ξ 2 4,4.
- ξ 3 là hệ số trở lực của đoạn ống vòng 90 0 (trên ống dẫn có 2 đoạn cong).
ξ 4 là hệ số trở lực đột mở (từ ống dẫn vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu). Đường kính của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu d1= 0,6 (m), đường kính ống dẫn hỗn hợp d = 0,15 (m) ξ 4 = (1 - f f 0
Vậy tổng áp suất để thắng trở lực trong hệ thống ống dẫn dung dịch từ thùng chứa nguyên liệu đến thùng cao vị là: ΔPm1 = ΔPđ + ΔPms1+ ΔPcb1 = 1,65 + 4,051 + 10,558 = 16,259 (N/m 2 )
Thế năng riêng tổn thất: hm1 = ∆ P ρ g = 1095,92.9,8116,259 = 0,0151 (m)
4.2.1.5Trở lực đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
2 , (N/m 2 ) Trong đó : ρ là khối lượng riêng của chất lỏng chảy trong ống truyền nhiệt (kg/ m 3 ) ρ = 1095,92 (kg/m 3 ). ω là tốc độ chảy của dung dịch trong ống truyền nhiệt (m/s) Thiết bị chia 3 ngăn nên vận tốc của dung dịch là ω = 3 ω tt = 3.0,055 = 0,165 (m/s), với ω tt = 0,055 (m/s).
(b) Tổn thất áp suất qua trở lực ma sát ∆ P ms2
2 , (N/m 2 ) Trong đó: L là chiều dài ống truyền nhiệt do chia 3 ngăn nên L = 2.3 = 6(m) dt là đường kính trong của ống truyền nhiệt, d1 = 0,035 (m) λ là hệ số ma sát.
Tính chuẩn số Re: Re = \f(ω.d.ρ,μ
Theo tính toán thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đáy, có: ρ = 1095,92 (kg/m 3 ), ω = 0,165 (m/s), độ nhớt của dung dịch chảy trong ống μ = 0,531.10 -3 (Ns/m) Đường kính trong của ống truyền nhiệt d = 0,035 (m/s)
Δ là độ nhám tương đối: Δ = d ε tđ với ε là độ nhám tuyệt đối tra theo bảng II.15 [I – 381], ε = 0,1mm ứng với ống thép mới, không hàn (thép nguyên).
(c) Áp suất khắc phục trở lực cục bộ Δ P cb2 Δ P cb 2 =ξ ω 2 ρ
Với ξ là hệ số trở lực cục bộ. ρ là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m 3 ). ω là tốc độ của chất lỏng chảy trong ống (m/s).
Hệ số trở lực cục bộ: Σ ξ=ξ 1+3.ξ 2 +3.ξ 3 +ξ 4 +2.ξ 5
- ξ 1 là hệ số trở lực do đột mở ở cửa vào thiết bị gia nhiệt, ξ 1 =¿0,89
−ξ 2 là trở lực đột thu khi nước đi vào ống chùm: ξ 2 = 0,47 , tra bảng N 0 13 (bảng II.16 [I – 388]) ứng với tỉ lệ f0/f1 = 0,0969 ≈ 0,1 Với:
Tiết diện của một chùm ống chùm ống trong một ngăn: f0 = π d 2 18
Tiết diện của thiết bị: f1 = π 0,6 2
−ξ 3 là trở lực đột mở khi nước từ ống chùm đi ra khoang nắp: ξ 3 = 0,81(tra bảng
N 0 11 (bảng II.16 [I – 387]) với tỉ lệ f0/f1 = 0,1.
−ξ 4 là trở lực đột thu ở cửa ra: ξ 4 = 0,5.(1 – f0/f1) 2 = 0,44 với: f0 là tiết điện ống dẫn có đường kính là 0,15 (m) f1 là tiết diện của thiết bị với đường kính trong của thiết bị là 0,6 (m)
−ξ 5 là trở lực do đổi chiều 180 0 C giữa các lối: ξ 5 = 2,5 Σ ξ= 0,79 + 3.0,47+3.0,81+ 0,395 + 2,5.2 = 10,17 Δ P cb 2 =ξ ω 2 ρ
2 = 151,71(N/m 2 ) Vậy tổn thất áp suất do trở lực trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là: Δ P 2 = Δ P đ 2 Δ P cb2+ Δ P ms2 = 14,92 +87,463 + 151,71 = 254,093(N/m 2 )
Vậy thế năng riêng tổn thất: hm2 = ∆ P ρ g = 1095,92.9,81254,093 = 0,0236 (m)
4.2.1.6Trở lực từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến tháp chưng luyện
2 , (N/m 2 ) Trong đó : ρ là khối lượng riêng của hỗn hợp đầu sau khi gia nhiệt (kg/m 3 ) ở nhiệt độ tF = 76,68 0 C, ρ = 583,95 (kg/m 3 ). ω là tốc độ chảy của dung dịch trong ống dẫn (m/s)
Tốc độ chảy của dung dịch trong ống dẫn: ω= 4.G F π d 2 ρ.3600 (m/s) với GF = 3800 (kg/h), chọn đường kính ống dẫn là 150 (mm), ρ = 583,95 (kg/m 3 ).
(a) Tổn thất áp suất do trở lực ma sát.
2 , (N/m 2 ) Trong đó: λ là hệ số ma sát.
L là chiều dài ống dẫn, L = 1 (m) dt là đường kính trong của ống dẫn, dt = 0,15 (m) ω = 0,023 (m/s), ρ = 583,95 (kg/m 3 ).
0,066.10 −3 = 30524,65 chế độ chảy xoáy Với à là độ nhớt của hỗn hợp ở nhiệt độ tF = 76,68 0 C, nội suy theo bảng I.101[I – 91]: àA = 0,3399 10 -3 (N.s/m 2 ), àB = 0,3282.10 -3 (N.s/m 2 ) lg à = xFlg àA + (1 – xF)lg àB à = 0,066.10 -3 (N.s/m 2 )
Δ là độ nhám tương đối: Δ = d ε tđ với ε là độ nhám tuyệt đối tra theo bảng II.15 [I – 381], ε = 0,1mm ứng với ống thép mới, không hàn (thép nguyên).
(b) Tổn thất áp suất do trở lực cục bộ. Δ P cb3 =ξ ω 2 ρ
Hệ số trở lực cục bộ: Σ ξ=ξ 1+ξ 2 +ξ 3 +ξ 4
−ξ 1 là hệ số trở lực do ống cong 90 0 C, ξ 1 = 0,29 ([VI – 96])
−ξ 2 là hệ số trở lực do van, chọn van tiêu chuẩn, chọn van tiêu chuẩn tra bảng
N 0 37 (bảng II.16 [I – 397]) ứng với đường kính ống là 150 mm, ta có ξ 2 = 4,4.
−ξ 3 là hệ số trở lực do đột mở từ ống dẫn vào ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp: ξ 3 = (1 – f 0 /f 1 ) 2 = (1 - d o
Với d 0 là đường kính ống dẫn, d 0 = 0,15 (m), d 1 là đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu
−ξ 4 là hệ số trở lực cửa ra từ ống dẫn liệu vào tháp, chọn đầu ống cắm sâu vào thành thiết bị, cạnh vát ξ 4 = 0,56 (bảng 2.2 [VI – 94]). Σ ξ = 0,29 + 4,4 + 0,19 + 0,56 = 5,44 Δ P cb3 =5,44 0,023 2 583,95
2 = 0,84 (N/m 2 ) Vậy tổng áp suất để khắc phục trở lực trong ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt đến tháp là : Δ P 3 = 0,154 + 0,025 + 0,84 = 1,019(N/m 2 )
Vậy thế năng riêng tổn thất: h m3 = ∆ P ρ g = 583,95.9,811,019 = 0,00177 (m)
4.2.1.7 Chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu Áp dụng phương trình Becnuli trong chất lỏng cho hai mặt phẳng (1-1) và (2-2), lấy 2-2 làm mặt chuẩn ( xem hình IV.1)
Do chọn mặt phẳng (2 – 2) là mặt phẳng chuẩn nên z =0.
P 1 là áp suất trên mặt thoáng thùng cao vị, P 1 = P a = 9,81.10 4 (N/m 2 )
P 2 là áp suất trong tháp. ω 1 là tốc độ chảy của hỗn hợp chất lỏng trên mặt cắt (1 – 1), coi ω 1 = 0 do tiết diện thùng cao vị rất lớn so với tiết diện ống. ω 2 là tốc độ chảy của hỗn hợp chất lỏng trên mặt cắt (2 – 2).Tốc độ của chất lỏng trong ống dẫn hỗn hợp đầu ω 2 = 0,023 (m/s) ρ 1 là khối lượng riêng của chất lỏng trước khi gia nhiệt ở nhiệt độ 25 0 C, ta có ρ 1 = 1095,92 (kg/m 3 ). ρ 2 là khối lượng riêng của chất lỏng sau khi gia nhiệt ở nhiệt độ 78,86 0 C, ta có ρ 2
= 583,95 (kg/m 3 ). g là gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s 2 )
Z là chiều cao của thùng cao vị đến mặt phẳng chuẩn (m) h m là tổng tổn thất áp suất do ma sát và lực ỳ trên đường ống dẫn.
Tính P 2 : do trong tháp làm việc với hệ hơi – lỏng nên áp suất tại mặt cắt (2 – 2) là:
P 2 = P lv + P tt , (N/m 2 ) với: P lv = 1 at = 9,81.10 4 (N/m 2 )
P tt là áp suất thủy tĩnh của chất lỏng trong đoạn luyện (N/m 2 )
Tính tổng tổn thất áp suất: Σ h m = h m + h m1 + h m2 + h m3 = 0,0032 + 0,0151 + 0,0236 + 0,00177 = 0,04367 (m)
4.2.1.8 Chiều cao làm việc bơm
Chiều cao hút của bơm: chọn h h = 4 (m)
H 0 : chiều cao tính từ mặt thoáng bể chứa đến mặt thoáng thùng cao vị (m)
H 1 : Chiều cao tính từ đáy tháp đến đĩa tiếp liệu (m)
H 2 : Chiều cao tính từ nơi đặt bơm đến đáy tháp (m): H 2 = 0,5 (m)
Z : Chiều cao tính từ đĩa tiếp liệu đến mặt thoáng thùng cao vị (m )
+H c : khoảng cách từ đĩa dưới cùng đến đĩa tiếp liệu
Chiều cao làm việc của bơm: H lv = H 0 + h h = 59,69 + 4 = 63,62(m)
4.2.1.9 Áp suất toàn phần của bơm - Năng suất của bơm Áp suất toàn phần của bơm: được tính theo công thức II.185 [I – 438]:
Trong đó: H là áp suất toàn phần do bơm tạo ra, tính bằng mét cột chất lỏng được bơm
P 2 , P 1 là áp suất bề mặt trong không gian đẩy và hút (N/m 2 )
H o là chiều cao nâng cột chất lỏng (m) h m là áp suất tiêu tổn để thắng toàn bộ trở lực trên đường ống dẫn (m) coi P 2 = P 1 , ta có áp suất toàn phần của bơm là:
Công suất yêu cầu trên trục bơm:được xác định theo công thức II.189 [I – 439] :
Trong đó: Q là năng suất của bơm: Q = G F
3600.ρ = 3600.1095,923800 = 0,963.10 -3 (m 3 /s) ρ là khối lượng riêng của chất lỏng vào bơm (kg/m 3 ), ρ = 1095,92 (kg/m 3 ) g là gia tốc trọng trường (m/s 2 ), lấy g = 9,81 (m/s 2 )
H là áp suất toàn phần của bơm (m), H = 63,62 (m) η là hiệu suất chung của bơm: η=η 0 η tl η ck = 0,69372
Với η 0 là hiệu suất thể tích tính đến sự hao hụt chất lỏng η tl là hiệu suất thủy lực, tính đến ma sát và tạo ra dòng xoáy trong bơm η ck là hiệu suất cơ khí tính đến ma sát cơ khí ở ổ bi, ổ lót trục η phụ thuộc vào loại bơm và năng suất bơm, chọn bơm li tâm, tra bảng II.32 [I –
439] ta có: η 0 = 0,85 ÷ 0,96% chọn η 0 = 0,9 η tl = 0,8 ÷ 0,85% chọn η tl = 0,82 η ck = 0,92 ÷0,96 % chọn η ck = 0,94 công suất yêu cầu trên bơm :
Công suất của động cơ điện: được tính theo công thức II.190 [I – 439]:
Trong đó: N là công suất trên trục bơm (kW) η tr là hiệu suất truyền động, chọn η tr = 1. η đc là hiệu suất động cơ điện, chọn η đc = 0,85.
Thường chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán: Ncđc = β.Nđc [I – 439] β là hệ số dự trữ công suất Tra bảng II.33 [I – 440], có β = 1,5 ÷ 2.
Tra bảng II.39 [I – 447], áp suất toàn phần là 20,3 (m) chọn loại bơm II X ∏ là loại bơm ly tâm một cấp thẳng đứng có:
+ số vòng quay: 735 -2900 (vòng/phút)