Nó không những yêu cầu người thiết kế phải có những kiến thức thực sựsâu về quá trình chưng luyện mà còn phải biết về một số lĩnh vực khác như: cấu tạocác thiết bị phụ khác, các quy định
TỔNG QUAN
LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT
Chưng luyện là phương pháp chưng cất dùng để phân tách hỗn hợp khí đã hóa lỏng, dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi giữa các thành phần trong cùng một áp suất.
Phương pháp chưng luyện là quá trình lặp đi lặp lại việc bốc hơi và ngưng tụ hỗn hợp, cho phép thu được ở đỉnh tháp một hỗn hợp chứa hầu hết các cấu tử dễ bay hơi với nồng độ mong muốn Phương pháp này mang lại hiệu suất phân tách cao, vì vậy nó được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn.
Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, có nhiều thiết bị phân tách như tháp chóp, tháp đĩa lỗ và tháp đệm Trong đồ án này, tôi được giao nhiệm vụ thiết kế tháp chưng luyện liên tục dạng đĩa lỗ không có ống chảy truyền, nhằm phân tách hai cấu tử Axetandehit và Benzen Tháp hoạt động ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi.
Axetandehit-Benzen là hỗn hợp lỏng phổ biến trong thực tế, và việc tách riêng hai thành phần này rất quan trọng Axetandehit với nồng độ cao được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất các hợp chất và thực phẩm hiện nay.
Các phương pháp chưng cất
Chưng cất áp suất thấp
Chưng cất áp suất thường
Chưng cất áp suất cao
Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên tắc nhiệt độ sôi của các cấu tử; nếu nhiệt độ sôi của chúng quá cao, áp suất làm việc sẽ được giảm xuống để hạ nhiệt độ sôi.
+) Nguyên lý làm việc : liên tục ,gián đoạn
* Chưng gián đoạn : phương pháp này sử dụng trong các trừong hợp :
+ Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau
+ Không 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 được thực hiện liên tục nghịch dòng và nhiều đoạn
Trong sản xuất, có nhiều loại tháp khác nhau được sử dụng, nhưng tất cả đều yêu cầu một diện tích tiếp xúc bề mặt pha lớn Yếu tố này chủ yếu phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất.
Tháp chưng cất có nhiều kích cỡ và ứng dụng khác nhau, trong đó các tháp lớn thường được sử dụng trong công nghệ lọc hóa dầu Đường kính của tháp phụ thuộc vào lượng pha lỏng, lượng pha khí và độ tinh khiết của sản phẩm Theo khảo sát, có hai loại tháp chưng cất chính: tháp đĩa và tháp đệm.
Tháp đĩa là một thiết bị công nghiệp với thân tháp hình trụ thẳng đứng, bên trong được gắn các đĩa để phân chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau Các đĩa này cho phép pha lỏng và pha khí tiếp xúc với nhau, tạo điều kiện cho quá trình tách biệt hoặc phản ứng hóa học diễn ra hiệu quả Tùy thuộc vào loại đĩa sử dụng, hiệu suất và khả năng xử lý của tháp sẽ khác nhau.
+ Tháp đĩa lỗ :trên đĩa có các lỗ có đường kính (2-12 mm) có 2 loại tháp đĩa lỗ
- Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền
- Tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền
Tháp đệm :tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn
Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền hoạt động với hiệu suất cao và ổn định, khắc phục nhược điểm của các loại tháp khác, đồng thời có khả năng làm việc hiệu quả với chất lỏng bẩn.
Vậy : chọn tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền để chưng hệ Axetandehit-Benzen
GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG
Axetandehit, hay còn gọi là anđehit axetic, có công thức hóa học là CH3CHO Đây là một hợp chất hữu cơ lỏng, không màu và có mùi trái cây nhưng hăng Chất này được phát hiện một cách tình cờ bởi nhà hóa học Thụy Điển Carl Wilhelm Scheele trong những năm 1770, khi ông thực hiện phản ứng giữa mangan dioxit (MnO2), axit sunfuric (H2SO4) và rượu.
Vào năm 1835, Liebig đã giải thích cấu tạo của hợp chất này và tạo ra anđehit axetic tinh khiết thông qua quá trình oxi hóa rượu etylic (C2H6O) bằng cromic (CrO).
3) Từ đó, anđehit axetic là một trong những sản phẩm hóa học trung gian quan trọng của công nghệ hữu cơ.
Axetndehit là một chất lỏng dễ bay hơi, có nhiệt độ sôi khoảng 21 ℃ và hòa tan vô hạn trong nước Chất này tương đối độc hại và có khả năng tạo thành hỗn hợp nổ với không khí khi nồng độ đạt từ 4-5% thể tích.
Axetandehit được sử dụng để sản xuất nhiều hợp chất quan trọng như axit axetic, andehit axetic, n-butyl andehit, n-butanol, 2-ethylhexanol, etylaxetat, cloral và piridin Tuy nhiên, hiện nay, các sản phẩm này thường được điều chế bằng các phương pháp hiệu quả hơn, chẳng hạn như axit axetic được sản xuất qua quá trình cacbonyl hóa, và n-butyl andehit, n-butanol được tạo ra từ hidrofomyl hóa propilen Do đó, việc sử dụng axetandehit đã giảm đáng kể.
Axetandehit có thể được điều chế từ hai nguồn nguyên liệu chính là axetilen và etilen Bên cạnh đó, quá trình đề hiđro hóa etanol hoặc oxi hóa ankan cũng là những phương pháp khả thi để sản xuất axetandehit.
Benzen là hợp chất vòng thơm, là chất lỏng không màu với mùi thơm đặc trưng, nhẹ hơn nước và tan nhiều trong dung môi hữu cơ Nó cũng là một dung môi hiệu quả cho nhiều chất như iốt, lưu huỳnh và chất béo Nhiệt độ sôi của benzen là 80,1 ℃ ở áp suất 1 atm, trong khi nhiệt độ đông đặc của nó là 5,5 ℃, với tỷ khối d4.
Benzen là một hợp chất vòng bền vững, có khả năng tham gia các phản ứng thế một cách dễ dàng, nhưng lại khó tham gia các phản ứng cộng và oxi hóa Đặc tính hóa học này được gọi là tính thơm.
Clobenzen là một ứng dụng quan trọng trong việc điều chế nitro-benzen và anilin, đồng thời đóng vai trò trong tổng hợp phẩm nhuộm và dược phẩm Ngoài ra, benzen còn được sử dụng làm dung môi trong quá trình tổng hợp DDT, hexacloaran (thuốc trừ sâu) và Stiren (monome để tổng hợp chất dẻo), cùng nhiều sản phẩm quan trọng khác.
Nguồn cung cấp Benzen cho ngành công nghiệp chủ yếu đến từ nhựa chưng cất, than đá, hexan và toluen trong dầu mỏ Quá trình nung than béo ở nhiệt độ cao giúp thu được nhựa than đá, trong đó chứa nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau Qua quá trình chưng cất phân đoạn, Benzen được tách ra từ nhựa than đá.
III SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ:
Hệ thống thiết bị công nghệ chưng luyện liên tục tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền tổng quát gồm có :
Thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu được sử dụng để nâng nhiệt độ của hỗn hợp đầu đến mức làm việc Thiết bị này thường là loại ống chùm, sử dụng hơi nước bão hoà để gia nhiệt nhờ vào hệ số cấp nhiệt lớn và ẩn nhiệt ngưng tụ cao Hơi nước bão hoà sẽ đi qua ống và chuyển thành dạng lỏng bên trong ống.
Tháp chưng luyện bao gồm hai phần chính: phần trên, từ đĩa tiếp liệu đến đỉnh, được gọi là đoạn luyện; phần dưới, từ đĩa tiếp liệu trở xuống, được gọi là đoạn chưng.
(6): Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh, nước lạnh đi trong ống.
(7) : Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh
(8) : Thùng chứa sản phẩm đỉnh.
(9) : Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đáy Bộ phận đun bốc hơi đáy tháp, có thể đặt trong hay ngoài tháp
(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.
NƯỚ C NÓ NG NƯỚ C NÓ NG
Sơ đồ dây chuyền công nghệ tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền.
Hỗn hợp được chứa trong thùng chứa và được bơm lên thùng cao vị qua bơm ly tâm, có cửa chảy tràn để kiểm soát mức chất lỏng Hỗn hợp tự chảy xuống thiết bị gia nhiệt và quá trình này được giám sát bằng đồng hồ lưu lượng sử dụng hơi nước bão hòa Sau khi gia nhiệt đến nhiệt độ sôi, hỗn hợp được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện.
Trong tháp hơi, quá trình bốc hơi và ngưng tụ diễn ra nhiều lần khi hơi từ dưới lên tiếp xúc với lỏng từ trên xuống, dẫn đến sự thay đổi nồng độ các cấu tử theo chiều cao và nhiệt độ của hỗn hợp Khi hơi từ đĩa 1, có thành phần cấu tử dễ bay hơi y, sục vào lớp lỏng trên đĩa 2 với thành phần x1 (x1x1 và y2>y1, tiếp tục cho hơi ở đĩa 2 sục vào đĩa kế tiếp Quá trình này lặp lại nhiều lần, cuối cùng thu được hầu hết cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi ở đỉnh tháp.
Hơi từ đỉnh tháp được dẫn vào thiết bị hồi lưu ngưng tụ, nơi một phần hơi được ngưng tụ và quay trở lại tháp Phần hơi còn lại được chuyển đến thiết bị làm nguội trước khi được đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh.
Chất lỏng hồi lưu từ trên xuống dưới gặp hơi nóng từ dưới lên, dẫn đến một phần cấu tử có nhiệt độ cao ngưng tụ thành lỏng và tiếp tục đi xuống Kết quả là nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng tăng lên, và cuối cùng ở đáy tháp thu được hỗn hợp lỏng chủ yếu là cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi Hỗn hợp lỏng này được đưa ra khỏi đáy tháp qua thiết bị phân dòng, trong đó một phần được chuyển đến thùng chứa sản phẩm và một phần được hồi lưu vào đáy tháp Thiết bị này có chức năng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi sản phẩm, tạo ra dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp Nước ngưng từ thiết bị gia nhiệt được thoát ra qua thiết bị nước ngưng, và tháp chưng luyện hoạt động liên tục, với hỗn hợp đầu vào và sản phẩm được lấy ra liên tục.
2.Ưu nhược điểm của tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền
2.1Ưu điểm của tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền
Cấu tạo đơn giản, tốn ít nguyên liệu
Bề mặt tiếp xúc pha lớn nên có hiệu quả cao
Làm việc được với chất lỏng bẩn và khí bẩn
Có khả năng tự động hóa và điều khiển tự động
Giới hạn làm việc tương đối rộng
2.2Nhược điểm của tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền
Khó vận hành, đòi hỏi người vận hành phải có trình độ cao
Không làm việc được với chất lỏng bẩn
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Tính toán cân bằng vật liệu toàn thiết bị
1.1 Phương trình cân bằng vật liệu của toàn tháp
- Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử đẽ bay hơi
GF.aF = GP.aP + GW.aW (2)
- Theo đề ra F= 4,39 tấn/h = 4390 Kg/h Vậy lượng sản phẩm đỉnh là:
0,891 − 0,011 = 1296,8(Kg/h) Lượng sản phẩm đáy : W = 4390-1296,8093,2 (Kg/h) a, Chuyển đổi nồng độ:
Chuyển nồng độ phần khối lượng sang phần mol ta có: x x A = a A
M B với MA = 44 Kg/Kmol, MB = 78 Kg/Kmol, aF = 0,271 (phần khối lượng), aP = 0,891 (phần khối lượng), aW = 0,011 (phần khối lượng) Tính toán cho thấy xF = 0,3972 (phần mol), xP = 0,8964 (phần mol), và xW = 0,0193 (phần mol) Khối lượng mol trung bình trong pha lỏng được xác định dựa trên các giá trị này.
Vậy lưu lượng trung bình của chất lỏng trên là:
1.2 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp (R th ) Để đơn giản cho việc thiếp lập đường làm việc của tháp chưng luyện, ta giả thiết:
Dòng mol pha hơi di chuyển từ dưới lên với tốc độ không đổi trên toàn bộ chiều cao của tháp, trong khi dòng mol pha lỏng chảy từ trên xuống với tốc độ không đổi trong đoạn luyện và đoạn chưng, đảm bảo đáp ứng các điều kiện cần thiết.
+ Nhiệt hóa hơimol của các cấu tử bằng nhau theo công thức kinh nghiệm của Trouton r
Trong quá trình hoạt động của tháp, không xảy ra hiện tượng mất nhiệt ra môi trường xung quanh Đồng thời, sự khác biệt về nhiệt lượng riêng của chất lỏng sôi ở các tiết diện khác nhau của tháp cũng được xem nhẹ.
- 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 a, Phương trình đường nồng độ làm việc của 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 cáu tử dễ bay hơi là:
R + 1 x P b, Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng
- Phương trình cân bằng vật liệu:
- Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi:
Thay vào ta có : (P+ L0).y’= (F+L0).x’ – (F-P).xw
Từ số liệu bảng IX.2a (Sổ tay QT & TBCNHC – 2, trang 145) ta có thành phần cân bằng lỏng – hơi của Axetanđehit – Benzen được cho theo bẳng sau: x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 31,3 52,2 69,4 76,7 81,6 85,4 88,7 91,6 94,4 96,8 100 t 80,1 71,0 63,0 54,2 49,4 46,2 44 42 39,8 37,7 36 20,8
Từ bảng số liệu trên ta vẽ được đồ thị y – x, từ đó xác định được chỉ số hồi lưu tối thiểu:
Với giá trị xF = 0,4706, chúng ta kẻ đường song song với trục y và cắt đường cân bằng Tiếp theo, ta kẻ đường song song với trục x, cắt trục y tại điểm B, từ đó xác định được giá trị y * F.
= 0,8428 Từ đó ta tính được Rmin:
0,8428−0,4706 = 0,1878 c Tính chỉ số hồi lưu thích hợp
Chỉ số hồi lưu làm việc thường được xác đị nh thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu:
Hình Error: Reference source not found.1: Đồ thị y - x xác định số đĩa lý thuyết
Trong đó: β: hệ số dư hay hệ số hiệu chỉnh.
Tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu làm việc bằng:
Biết Rmin và cho β biến thiên trong khoảng (1,2÷2,5), ta có thể tính được giá trị R tương ứng Với mỗi giá trị R này, chúng ta sẽ vẽ đường làm việc và các bậc thay đổi nồng độ lý thuyết N.
Dưới đây là các đồ thị xác định số đĩa lí thuyết trên cơ sở đường cân bằng, x P , x F , x W
Đường làm việc đoạn luyện đi qua điểm (x P , y P ) và cắt trục tung tại điểm có tung độ : B = x P
R + 1 là đường làm việc đoạn chưng, đi qua giao điểm của đường làm việc đoạn luyện và đường xF = const tại điểm (xW, yW) Việc vẽ các tam giác theo hình đã cho sẽ giúp chúng ta xác định số đĩa lý thuyết.
Với β 1 = 1,2, ta có: Rth = β Rmin = 0,2254; B1 = 0,7448
Hình Error: Reference source not found.2: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với β 1 1,2; Không xác định được sốđĩaVới β 4 = 1,5, ta có: Rth = β Rmin = 0,2817; B4 = 0,7121
Hình Error: Reference source not found.3: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với β 4 = 1,5; Không xác định được số đĩa
Với β 8 = 1,9, ta có: Rth = β R min = 0,3568; B 8 = 0,6727
Với β 9 = 2,0, ta có: Rth = β R min = 0,3756; B 9 = 0,6635
Với β 10 = 2,1, ta có: Rth = β R min = 0,3945; B 10 = 0,6545
Với β 11 = 2,2, ta có: Rth = β R min = 0,4132; B 11 = 0,6458
Với β 12 = 2,3, ta có: Rth = β R min = 0,4319; B 12 = 0,6374
Với β 13 = 2,4, ta có: Rth = β R min = 0,4507; B 13 = 0,6291
Với β 14 = 2,5, ta có: Rth = β R min = 0,4695; B 14 = 0,6253
Từ các đồ thị trên ta có bảng sau
Lập được bảng kết quả sau
Bảng tổng hợp kết quả: β RX B Nlt Nth( RX + 1)
- Dựng đồ thị quan hệ giữa RX – Nlt(Rx + 1)
- Từ đồ thị ta thấy với RX = 0,4695 thì RX(Nlt + 1) = 36,7375 là bé nhất Vậy Rth= 0,4695 ( Số đĩa lý thuyết là 25 )
Phương trình đường nồng độ làm việc
- Lượng hỗn hợp đầu trên 1 đơn vị sản phẩm đỉnh là
27 ,29= 2,494 a, Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện: y =
R x +1 = 0,319.x + 0,61 b, Phương trình đường nồng độ làm việc với đoạn chưng: x =
2.TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP Đường kính tháp được xác định theo công thức
D=0,0188.√ ( ρ y g ω tb y ) tb , m (181-2) gtb: lượng hơi đi trong tháp( lượng trung bình) Kg/h ρ y: khối lượng riêng trung bình Kg/m 3 wy: 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
2.1.1 Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện
Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện GTB gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi thoát ra từ đĩa trên cùng của tháp GD và lượng hơi đi vào từ dưới cùng của đoạn luyện, được biểu diễn bằng công thức: g1 GTB = gd + g1.
Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp là 2 Kmol/h (181-2), trong khi lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện là g1 (kmol/h) Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện được ký hiệu là gtb (kmol/h).
lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp gd= GR + GP = GP(Rx + 1) (181-2) Với GR : Lượng lỏng hồi lưu
GP : Lượng sản phẩm đỉnh
Thay số ta được gd = 27,29.(0,4695+ 1)= 40,10(Kmol/h)
Trong đoạn luyện, lượng hơi vào được xác định là g1, hàm lượng hơi y1, và lượng lỏng G1 cho đĩa thứ nhất Các giá trị này được tính toán dựa trên phương trình cân bằng vật liệu và nhiệt lượng.
Lượng lỏng trên đĩa thứ nhất của đoạn luyện y1 là hàm lượng hơi đi vào đĩa 1, trong khi r1 đại diện cho ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi này Ngoài ra, rđ là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi khi ra khỏi đỉnh tháp.
Trong bài viết này, chúng ta có các thông số sau: x1 = xF = 0,3972 (phần mol) và yđ = xP = 0,8964 (phần mol) Công thức cho r1 được tính bằng rA y1 + (1 - y1) rB, trong khi rđ được xác định qua rA yđ + (1 - yđ) rB Ở đây, rA và rB đại diện cho ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử nguyên chất Axetandehit và Benzen.
Tại xP = 0,3972 (kmol/kmol) nội suy ta được t°P = 46C xF = 0,8964 (kmol/kmol) nội suy ta được t°F = 36,3°C
Tra bảng nhiệt hóa hơi (công thứcI.212) ( 254-1)
Tại nhiệt độ t°P = 46°C, nội suy cho kết quả rA = 237,287 (kcal/kg) tương đương với 4922,17 (KJ/Kmol) và rB = 69,2755 (kcal/kg) tương đương với 2536,42 (KJ/Kmol) Ở nhiệt độ t°F = 36,3°C, kết quả nội suy là rA = 235,040 (kcal/kg) tương đương với 4873,08 (KJ/Kmol) và rB = 68,7040 (kcal/kg) tương đương với 2544,29 (KJ/Kmol).
Thay vào phương trình r1 ta được: r1 = 4922,17.y1 + 2536,42( 1- y1 ) (KJ/Kmol) = 2385,75 y1 + 2536,42
Thay vào phương trình rđ ta được : rđ = 4873,08 0,8964+ 2544,29.(1-0,8964) = 4631,817 (Kj/Kmol)
Thay các giá trị vào hệ trên ta được :
Giải hệ ta được kết quả sau:
Thay y1 ta tìm được r1 : r1= 2385,75 0,604 + 2536,42 = 3977,413 ( Kj/Kmol)
Vậy lượng hơi đi trung bình trong đoạn luyện là : gtb g đ +g 1
2 = 70,085 ( Kmol/h) Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện:
2.1.2 Tính khối lượng riêng của đoạn luyện a, Pha hơi: được áp dụng theo công thức sau ρ ytb = y tbA M A +(1− y tbA ) M B
(IX.102 /183 – 2) ytbA ; (1- ytbA) : Nồng độ phần mol trung bình của hơi Nước và hơi axit axetic trong đoạn luyện
T= tytb + 273 :nhiệt độ làm việc trung bình của tháp
Với yđA : nồng độ pha hơi đầu đoạn luyện yđA = y1 =0.604 phần mol ycA : nồng độ pha hơi cuối đoạn luyện yc = yP = xP=0,8964 phần mol
Từ sổ tay tập II dùng công thức nội suy ta tìm được nhiệt độ trung bình của pha hơi tytb S,2°C
⇒ Khối lượng riêng của pha hơi là: ρ ytb =[ 0,7502.44 +( 1 − 0,7502 ) 78 ]
22 , 4 ( 273 +53 ,2 ) 273=1,961 ( Kg/m 3 ) b, Pha lỏng: được áp dụng theo công thức sau
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được tính bằng công thức: ρ xtb = a tbA ρ xA + (1−a tbA) ρ xB, với ρ xtb là khối lượng riêng trung bình (Kg/m³), ρ xA và ρ xB lần lượt là khối lượng riêng của Axetandehit và Benzen (Kg/m³), và atbA là phần khối lượng trung bình của Axetandehit.
2 =0.581 ( Phần khối lượng) xtbA : Phần mol trung bình của cấu tử Axetandehit xtbA = x F + x P
Từ XtbA ta nội suy theo đồ thị x-y,t ta có t o xtb = 72,8 o C t°xtbr,8°C ⇒ { ρ ρ xB xA Y2 = 606 , , 04 3 ( IX.2a – STQTTB 2)
Vậy khối lượng riêng trung bình của pha lỏng là :
2.1.3.Độ nhớt trung bình Độ nhớt của Axetandehit ở 20°C : μ=0.243 10 −3 , (N.s/m 2 ) Độ nhớt của pha lỏng ở txtb= 72,8°C nội suy theo bảng II.101 ( 92-1) ta được :
⇒ { μ μ B A =0 =0 , ,1.10 48 10 −3 −3 ( ( N s/ N s / m m 2 2 ) ) Độ nhớt trung bình của pha lỏng được tính theo công thức sau: lg μ x = x tbA lg μ A +( 1 − x tbA ) lg μ B
Thay số vào ta được lgμ x = 0,6468.lg(0,1.10 -3 ) + (1-0,6468).lg(0,48.10 -3 )
2.1.4.Tốc độ hơi đi trong tháp
- Vận tốc giới hạn trên
ρ y ρ x ( μ μ x n ) 0,16 ( IX.113/187-2)Trong đó : Gx là lượng lỏng hồi lưu đi trong tháp g = 9,8 (m/s 2 ) dtd : đường kính tương đương của hỗn hợp ( d= 2 ¿ 6 mm chọn dtd = 6 mm)
Ftd : mặt cắt tự do = 15% ¿ 20% chọn Ftd = 20 %
Từ các dữ liệu đã có ta tính được x và Y :
Thay vào phương trình Y ta có
⇒w yt = 2,623 (m/s) Để tránh tạo bọt ta lấy giá trị wytb = w yt ( 0,8 ¿ 0,9) ta chọn là 0,9
2.1.5.Đường kính đọan luyện là:
- Tính khối lượng trung bình:
Mytb= (ytb.MA + (1 – ytb).MB = 0.8296.18 + (1 – 0,8296).60%,1568
Ta quy chuẩn là DL = 2,4 m
Xét vận tốc giới hạn dưới là
Wytd < wlv < 0,9.wyt ⇒ thỏa mãn
Vậy chọn đường kính là DL = 2,4 m là chấp nhận được
2.2.1 xác định lượng hơi đi trong tháp g ’ tb g ' n + g ' 1
2 ( Kg/h) g ’ n : lượng hơi đi ra khỏi đoan chưng đi vào đoạn luyện vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên g ’ n= g ’ 1 g ’ tb g 1 + g ' 1
2 , g ’ 1 là lượng hơi đi vào đoạn chưng
Lượng hơi đi vào đoạn chưng g ’ 1, lượng lỏng G ’ 1 và kàm lượng lỏng x ’ 1 Xác định theo phương trình cân bằng vật liệu và nhiệt lượng :
Trong đoạn chưng, ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi được đưa vào đĩa thứ nhất, với giá trị tính bằng Kj/Kg Thành phần cấu tử dễ bay hơi ở đáy sản phẩm được xác định bằng phần mol xw.
Gw = w= 158,66 (Kmol/h) aw = 0,01 phần khối lượng, xw = 0,0325 phần mol y ’ 1 = yw = 0,065 phần mol tra bảng (IX.a: 145-2) ,
Với xw = 0,0325 phần mol tra bảng ra ta có t ° w = 116,7°C
Tra bảng nhiệt hóa hơi ta được { r A = 528 , 145 ( kcal / kg )= 39802 , 274 ( Kj / Kmol ) ¿¿¿¿
Thay vào hệ phương trình ta có :
Với y’1=yw=0,065 phần mol; y1=0,667 phần mol
Giải hệ phương trình ta được
Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng:
2.2.2 Tính khối lượng riêng trung bình a, Đối với pha hơi ρ ytb = y tbA M A +( 1 − y tbA ) M B
Ta có: ytbA y dA + y cA
2 ydA , ycA nồng độ làm việc tại 2 đầu làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn chưng, ( phần mol) ydA = y’1 = yw = 0,065 ycA = y1 = 0,667
( phần mol) Lại theo bảng IX.2a (145-2) ta được t°tb = 116°C
Vậy khối lượng trung bình của pha hơi ρ ytb = 0.366 18 +( 1 − 0 , 366 ) 60
(Kg/m 3 ) Tính Mhh = 0,366.18 + (1 - 0,366).60 = 44,628 ( Kg/Kmol) b,Đối với pha lỏng
Khối lượng riêng được tính theo công thức sau
Với phần mol trung bình là : xtbA x F + x ' 1
(phần mol) Dùng phương pháp nội suy theo bảng IX.2a (II-145) ta được t°xtb = 107,2°C
Từ nhiệt độ có được dùng phương pháp nội suy ta được khối lượng riêng là t°xtb = 107,2°C ⇒ { ρ xA = 952 , 6 ( Kg / m 3 ) ¿¿¿¿
Khối lượng riêng của hỗn hợp là
2.2.3.Tính độ nhớt trung bình Độ nhớt của pha lỏng được xác định theo công thức sau lgμ x =x tbA lgμ A +(1−x tbA ) lgμ B
- Độ nhớt tại pha lòng ở nhiệt độ t°xtb = 107,2°C
Tra bảng I.102 (I-91) kết hợp phương pháp nội suy ta có t°xtb = 104,12°C ⇒ { μ A = 0 ,265.10 − 3 ( Ns / m 2 ) ¿¿¿¿
Thay số vào công thức trên ta được lg μ x =0 ,3162 lg (0 , 265.10 −3 )+(1−0 , 3162) lg (0 , 39.10 −3 )
2.2.4.Tốc độ hơi đi trong tháp , wy
Ta có : Gy = g’tb = 668,207 Kmol/h
Ta có Y w 2 yt g d td F 2 td
Giải phương trình trên ta được
Wyt = 1,68 (m/s) Để tránh tạo bọt ta lấy wytb = (0,8 ¿ 0,9) Wyt Ta chọn wytb = 0,8 Wyt
2.2.5 Đường kính đoạn chưng Áp dụng công thức:
Ta quy chuẩn là DC = 2,4 (m)
Thử điều kiện làm việc :
Xét vận tốc giới hạn dưới:
Ta thấy : wytd < wytv < 0,8.wyt
Vậy chọn đường kính đoạn chưng là 2,4 m thỏa mãn điều kiện làm việc dưới
3.TÍNH CHIỀU CAO THÁP XÁC ĐỊNH THEO ĐƯỜNG CONG ĐỘNG HỌC 3.1.Hệ số khuếch tán
3.1.1.Hệ số khuếch tán trong pha hơi
Từ sổ tay tập II trang 127 ta có
T - nhiêtl độ trung bình của hơi , K
P - áp suất trung bình của hơi ; P t
MA,MB- Khối lượng mol của khí A và B; Kg/Kmol
MA = 78 MB = 44 ν A , ν B - Thể tích nguyên tử của khí A và B; cm 3 /nguyên tử Tra bảng II-127 ta có thể tích nguyên tử của :
C = 14,8: H = 3,7; O = 12 Vậy : ν A = 3,7.2 + 12 = 19,4( cm 3 / nguyên tử) ν B = 14,8.2 + 3,7.4 + 12.2 = 68,4( cm 3 / nguyên tử)
Trong đoạn luyện ta có
Trong đoạn chưng ta có
3.1.2 Hệ số khuếch tán trong pha lỏng Được xác định theo công thức sau : Dx = D20[ 1 + b ( t − 20 ) ]
3 √ ρ A - Hệ số lấy ở 20°CTrong đó: μ : Độ nhớt dung môi ở 20°C ,cP ( 10 -3 N.s/m 2 ) ρ : Khối lượng riêng của dung môi của 20°C , kg/m 2 Ở đây ta có dung môi là BENZEN
Tại nhiệt độ 20°C { μ A = 10 − 3 Ns / m 2 = 1 ( cP ) ¿ { μ B = 1,21.10 − 3 Ns / m 2 = 1, 21cP ¿¿¿¿
Hệ số khuếch tán pha lỏng được tính theo :
A, B hệ số liên hợp phụ thuộc vào tính chất của chất tan và dung môi.
Tra bảng VIII.7 ( 134-2) ta được A =1,27, B = 4,7
Hệ số khếch tán trong đoạn luyện
Hệ số khuếch tán trong đoạn chưng:
3.2.1.Tính kích thước đường dài thông qua sức căng bề mặt
Ta có sức căng bề mặt được tính: (I.76)
Trong đó: σ A , σ B - sức căng bề mặt cấu tử thành phần
Tra băng sức căng bề mặt I-301 ta có
Đối với đoạn luyện:t o ytb1,7 o C
Đối với đoạn chưng: t 0 xtb = 107,2 0 C
Kích thước dường dài dược xác định theo công thức: l y =( ρ 2 x σ g ) 0 ,5
Trong đó: σ - Sức căng bề mặt ,N/m ρ x - Khối lượng riêng của pha lỏng ,Kg/m 3
3.2.3.Hệ số cấp khối trong pha hơi
D y : chuẩn số Nuyxen ở pha hơi
Re y = w y l y ρ y μ y : chuẩn số Renol ở pha hơi
Pr y = μ y ρ y D y : chuẩn số Pran ở pha hơi
-Tại đoạn luyện:ytb=0,8296 phần mol nội suy theo x-y,t ta có t o tb1,7 o C
-Tại đoạn chưng:ytb=0,366 phần mol nội suy theo x-y,t có t o tb6 o C
Thay số vào ta có : β yL = 2
3.2.4 Hệ số cấp khối trong pha lỏng
Nux = 17.Wex 0,5.Prx 0,5.Grx 0,7 (165-2) Trong đó:
Nux β x l x μ x ρ x D x : chuẩn số Nuyxen ở pha lỏng
Wex σ ρ x g l x 2: chuẩn số Webe ở pha lỏng
Prx μ x ρ x D x : chuẩn số pran ở pha lỏng
Gax l x 3 ρ x 2 g μ x 2 : chuẩn số galile ở pha lỏng Mx:khối lượng mol trung bình của pha lỏng, Kg/Kmol
Lx : kích thước đường dài, m μ x ; độ nhớt trung bình của pha lỏng
Trong bài viết này, chúng ta xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến trở lực thủy tĩnh ΔP t của lớp chất lỏng trên đĩa, được tính bằng công thức ΔP t = ρ b g.h b, trong đó ρ b là khối lượng riêng của bọt trên đĩa và h b là chiều cao lớp bọt Gia tốc trọng trường g được xác định là 9,8 m/s² Để tính chiều cao lớp bọt h b, ta sử dụng công thức h b = 4 d td (g w d 02 td) 0,2 Cuối cùng, chúng ta có mối quan hệ Ft.wytb = Ftd w0, trong đó w0 là vận tốc hơi đi qua lỗ của đĩa.
, (m/s) hb L = 4.0,006.( 11, 9 , 8.0 8 2 , 006 ) 0,2 = 0 , 1135 , m Đối với đoạn chưng: w0 C w C y
Thay các giá trị để ta tìm được các chuẩn số ta được:
Chuẩn số pha lỏng đoạn luyện
= β L x 1 , 5348 10 5 Thay các giá trị tìm được vào ta tìm được các chuẩn số:
Thay: Nux = 17.Wex 0,5.Prx 0,5.Grx 0,7 = β x 1 , 5348 10 5
Chuẩn số pha lỏng đoạn chưng:
Thay các giá trị vào tìm được các chuẩn số:
Thay: Nux = 17.Wex 0,5.Prx 0,5.Grx 0,7 = β xC 2 , 6602.10 5
3.2.5.Lập bảng số liệu vẽ đường cong động học
1 β y + m β x : hệ số chuyển khối trong pha hơi Kmol/m.s Trong đó : m = tg α = y cb − y x − x cb
G y :số đơn vị chuyển khối đối với mỗi đĩa trong pha hơi (173-2)
K y , f : hệ số chuyển khối ; mặt cắt tự do trong đĩa lỗ không ống chảy truyền f=F t π D t 2
G y : lượng hơi đi trung bình trong tháp, Kmol/s
- Tính C y = e m yT ; AC = y cb − y ; BC = AC C y
Bảng số liệu vẽ đường cong động học
Stt x ycb xcb y m Ky myT Cy AiCi BiCi
1,13640 3,1155 0,0118 0,00378 Đồ thị đường cong động học
Qua đồ thị ta xác định được đường cong phụ: xác định số đĩa thực tế là 45 đĩa Trong đó : Số đĩa đoạn chưng là 18 đĩa
Số đĩa đoạn luyện là 27 đĩa
Từ đường kính là D = 2,4m , tra bảng IX.4a (169-2)
Ta chọn khoảng cách giữa các đĩa là Hđ = 0,4 m
Số đĩa giữa 2 mật bích là : 5 đĩa
Chiều cao tháp được tính bởi công thức sau
H = Nt (Hđ + δ ) + ( 0,8 ¿ 1) Vậy chiều cao đoạn luyện là:
HL = 29.(0,4 + 0,005) + (0,555) = 12,3 m Vậy chiều cao đoạn chưng là:
⇒ Ta có chiều cao của tháp là
4.Tính trở lực của tháp
Trở lực của tháp làm việc được xác định theo công thức sau: ΔP=N tt ΔP đ , (N/m 2 ) (IX.135/192-2)
Trong đó: ΔP đ : tổng trở lực của 1 đĩa ΔP đ = ΔP k +ΔP s +ΔP t ΔP k :trở lực đĩa khô ΔP s :trở lực đĩa do sức căng bề mặt gây ra ΔP t :trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa
4.1.Tính trở lực đĩa khô: ( ΔP k ) Áp dụng ΔP k =ε w 02 ρ ytb
TÍNH THIẾT BỊ PHỤ
Thiết bị gia nhiêt hỗn hợp đầu
Để đun nóng hỗn hợp đầu gồm 0,31 Nước và 0,69 Axit Axetic với năng suất 13500 Kg/h, dung dịch có nhiệt độ ban đầu là 25 °C cần được đun nóng tới nhiệt độ sôi tF = 103,3 °C (theo bảng đường cân bằng x,y-t với xF = 0,5996 phần mol) Thiết bị gia nhiệt sử dụng là loại ống chùm đứng, với hơi nước bão hòa để đun sôi hỗn hợp.
Thiết bị trao đổ nhiệt loại ống chùm thẳng đứng với các thông số:
Chiều cao ống Đường kính ốngChiều dày thành ống Đường kính trong của ốngDung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống
Chọn vật liệu chế tạo ống là thép không gỉ để đảm bảo độ bền và khả năng chịu nhiệt tốt Theo bảng I-148, hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ cho thấy hiệu suất truyền nhiệt cao Hơi đốt được chọn là hơi nước bão hòa ở áp suất 2at, với nhiệt độ sôi là 9,6 °C, giúp tối ưu hóa hiệu quả trong quá trình truyền nhiệt.
1.Hiệu số nhiệt độ trung bình
Nhiệt độ vào cảu dung dịch là tf = 25 0 C
Nhiệt độ ra của dung dịch là tF = 103,3 0 C
Hơi đốt là hơi nước bão hòa nên nhiệt độ không thay đổi và nhiệt độ ở áp suất đã chọn (2at) : tbh = 119,6 0 C Δt d = t bh − t f = 119,6 – 25 = 94,6 Δt c =t bh −t F = 119,6 – 103,3 = 16,3 0 C
16 ,3 ¿ 2 ¿ do đó áp dụng sau để tính nhiệt độ trung bình Δt tb = Δt d − Δt c ln Δt d Δt c 94,6−16,3 ln94,6
16,3 = 44,5267 0 C Nhiệt độ trung bình của hơi đốt tbh1 = 119,6 0 C
Nhiệt độ trung bình của dunbg dịch là tbh2 = ttb1 - Δt tb 9,6-44,5267 = 75,0733 0 C
Trong đó: m – lượng dung dịch cần đun nóng (Kg/s) m =F = 13500 (Kg/h) =3,75(Kg/s)
CP – nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.độ) theo bảng số liệu này nhiệt dung riêng được tra theo bảng (I.153) kết hợp với nội suy tại tbh275,0733 o C được
Nồng độ hỗn hợp đẫu là: aF = 0,31 phần khối lượng
⇒Vậy CP = aF.CA + (1-aF).CB = 0,31.4180,14+ (1 – 0,31).2290,176
3 Diện tích trao đổi nhiệt
Th – nhiệt đôh hơi đốt – hơi nước bão hòa ở 2at: th = ttb1 = 119,6 0 C
TT1 – nhiệt độ mặt ngoài ống
TT2 – nhiệt độ mặt trong ống
Nhiệt độ dung dịch được xác định là tdd = ttb2 = 75,0733 °C Hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và mặt ngoài ống được tính bằng Δt1 = th – tT1 Hiệu nhiệt độ giữa mặt trong ống và dung dịch là Δt2 = tT2 – tdd Cuối cùng, hiệu nhiệt độ giữa mặt ngoài ống và mặt trong ống là ΔtT = tT1 – tT2, với δ là chiều dày thành ống (m).
Tm: nhiệt độ màng nước ngưng: tm = 0,5(th + tT1)
Q1: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ
Q2;nhiệt tải riêng phía dung dịch α 1 :hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ α 2 :hệ số cấp nhiệt phía dung dịch
3.1.Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ α 1 =2,04 A 4 √ Δt r H (W/m 2 độ)
A – phụ thuộc màng nước ngưng tm r - ẩn nhiệt hóa hơi lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa th (J/Kg)
Theo bảng số liệu nhiệt hóa hơi (I-254) và phương pháp nội suy ở nhiệt độ 119,6 °C, giá trị r được xác định là 526,28 Kcal/Kg, tương đương với 2203,431.10³ J/Kg Hệ số hiệu chỉnh giữa hơi đốt và mặt ngoài ống được ký hiệu là Δt, với Δt = Δt 1.
3.2.Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch Để xác định hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch thì cần phải dựa vào chế đọ chảy của dung dịch và cấu tạo thiết bị
Chọn chế độ chảy xoáy Re = 10 4
Phương trình cấp nhiệt đối lưu cững bức STQTTB (14-2)
Nu=0,021.ε 1 Re 0, 8 Pr 0, 43 ( Pr Pr t ) 0,25
Trong đó: ε 1 - hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính ống ta có tỉ lệ
Ta có tỉ lệ giữa đường kính và chiều dài của ống là:
0,025>50 Tra bảng V.2 STQTTB (145-2) Ứng với: Re = 10000 ¿ } ¿¿ ⇒ ε 1 = 1 ¿
Nu= α l α =α 2 - hệ số cấp nhiệt phía dung dịch (W/m 2 độ)
L – kích thước hình học chủ yếu l = d0 = 0,025 (m) λ - hệ số dẫn nhiệt của dung dịch (W/m.độ)
A – hệ số phụ thuộc mức độ kiên kết của dung dịch A = 3,58.10 -8
CP – nhiệt dung riêng của dung dịch (J/Kg.độ) : CP = 2876,06 ρ - khối lượng riêng của dung dịch
Khối lượng riêng của Nước và Axit Axetic được nội suy theo STQTVTB(I-9) Theo nhiệt độ
Tại ttb2 = 75,0733 0 C tra bảng khối lượng riêng của hỗn hợp STQTVTB.I bảng (I.2)
Nội suy { ρ A = 974 ,7520 ¿¿¿¿ Kg/m 3 aF = 0,31 phần khối lượng
Vậy khối lượng riêng của hỗn hợp là:
M - khối lượng mol phân tử của dung dịch ( Kg/Kmol)
Nồng độ phần mol của dung dịch xF = 0,5996 (kmol/Kmol)
3.2.2 Re: chuẩn số Reynolt Để quá trình truyền nhiệt đạt hiệu quả, dung dịch phaii ở chế độ chảy xoáy chọn Re = 10000
3.2.3 Pr: chuẩn số Pran của dòng tính theo nhiệt độ dòng Pr C P μ λ μ - độ nhớt của dung dịch (N.s/m 2 )
Theo bảng (I-101) STQTVTB (91-1), với nhiệt độ dung dịch ttb2 75,0733 0 C
Vậy độ nhớt trung bình của hỗn hợp là: lg μ = x F lg μ A +( 1 − x F ) lg μ B
= 0,4577.10 -3 N.s/m 2 Thay số vào ta được: Pr C P μ λ (76,06.0,4577.10 − 3
3.2.4 Pr t : chuẩn số Pran tính theo nhiệt độ tường
Nu=0,021.ε 1 Re 0, 8 Pr 0 ,43 ( Pr Pr t ) 0,25
Nu=0,021.1.10000 0,8 4,2711 0, 43 ( Pr Pr t ) 0,25 = 62, 1371 ( Pr Pr t ) 0,25
3.3.5 Tính tải nhiệt trung bình
Gọi Δt 1 - nhiệt độ trênh lệch giữa thành ống và nhiệt độ trung bình của hơi nước bão hòa
2 ( 119 , 6 + 117 , 6 )= 118 , 6 0 C theo bảng số liệu A – tm STQTVTB (II-129)nội suy ta có:
120 − 100 ( 118 , 6 − 100 )+ 179 = 187 , 37 vậy hệ số cấp nhiệt phía hơi nước bão hòa: α 1 =2 , 04 A √ 4 Δt r H =2 , 04 187 , 37 4 √ 2203 , 2.2 431.10 3 413 , 341 (W/m 2 độ)
nhiệt tải riêng bên hơi nước bão hòa q1 = α 1 Δt 1 = 10413,341.2 = 20826,682
Khi đó hiệu số nhiệt đọ giữa 2 bề mặt thành ống được xác định theo công thức sau Δt T =t T 1 −t T 2 =q 1 ∑ r
Tổng nhiệt trở thành ống
R1 – nhiệt trở lớp cặn bẩn bám bên ngoài thành ống: r1 = 0,232.10 -3
R2 – nhiệt trở lớp cặn bám bên trong thành ống: r2 = 0,387.10 -3 (m 2 độ/W) δ - chiều dày thành ống: δ=2,5 (mm) = 2,5.10 -3 (m) λ T - hệ số dẫn nhiệt của thành ống: λ T = 16 ,3 (W/m.độ)
Theo bảng (I-101) STQTTB (91-1), với nhiệt đọ dung dịch tT2 = 105,000 0 C
Thay vào công thức ta có; lg μ t = x F lg μ A +( 1 − x F ) lg μ B
⇒μ t = 0,3393.10 -3 (N.s/m 2 ) Khối lượng riêng của Anxendehit và benzen nội suy theo STQTVTB (9-1) tT2 = 101,5134 0 C ρ A = 957 ,10 ( Kg / m 3 ) ρ B = 956 , 228 ( Kg / m 3 )
Thay vào công thức ta có:
√ 3 M ρ với nhiệt độ dung dịch tT2 = 101,5134 0 C
CP – nhiệt dung riêng của dung dịch ( J/Kg.độ) theo bảng số liệu nhiệt dung riêng bảng(I.153) STQTVTB (171-1) nội suy ta có:
C B = 2444,054(J/Kg.độ) Nồng độ hỗn hợp đầu: aF = 0,31
Vậy hệ số dẫn nhiệt là: λ=3,58.10 − 8 2998,7528.956,498 3 √ 956 34 , 8168 , 498 = 0 , 3098 (W/m.độ)
3.2.6 Diện tích trao đổi nhiệt được xác định theo công thức sau:
Nhiệt lượng trung bình: q tb =K Δt dd F1 , 44 75 , 07334641 , 854 (W / m 2 ) ⇒ F =
Số ống truyền nhiệt cần dùng là: n 0 = F π d 0 H
(ống) Dựa vào bảng V.11 số ống truyền nhiệt loại ống chùm STQTVTB (48-2)
Ta quy chuẩn số ống và tính đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt
Số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh là 15, trong khi tổng số ống không bao gồm các ống trong hình viên phân là 169 ống Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt cần được xác định để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
D = t.(b-1) + 4.d Trong đó: Đường kính ngoài của ống là d = 0,03(m) Bước ống thường chọn là : t = 1,4.d = 1,4.0,03 = 0,042 (m)
Vận tốc dung dịch trong ống
Theo giả thiết ( chế độ chảy xoáy với Re = 10 4 )
(m/s) Tốc độ chảy thực tế của thiết bị gia nhiệt được xác định theo công thức sau w t = G ρ n π d 2
4 3600 Trong đó : G – khối lượng hỗn hợp đầu Kg/h G = 13500 (Kg/h) ρ - khối lượng riêng của hỗn hợp đầu d – đường kính trong của ống thay số ta có: w t = G ρ n π d 2
Vì vậy ta phải tiến hành chia ngăn ngoài thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, số ngăn được xác định theo công thức sau w gt w t = 0 , 1862
Ta quy chuẩn thành 4 ngăn
Khi chia lai ngăn ta tính lại chuẩn số Re
= 15433 , 34 > 10 4 Điều kiện thỏa mãn vậy số ngăn chia là hợp lý
Tính bơm và thùng cao vị
Bơm hoạt động liên tục trong quá trình chưng luyện, chuyển dung dịch từ bể chứa lên thùng cao vị Mức chất lỏng trong thùng cao vị được duy trì ổn định nhờ ống chảy tràn, giúp đảm bảo áp suất ổn định cho quá trình cấp liệu.
1.Các trở lực của quá trình cấp liệu
1.1 Xác định trở lực đường ống từ thùng chứa dung dịch đầu đến thùng cao vị
Xác định tốc độ chảy từ thùng cao chứa đến thùng cao vị: w 4 F
Trong đó F: năng suất hỗn hợp đầu F = 13500 (Kg/h) ρ : khối lượng riêng của dung dịch trước khi gia nhiệt (Kg/m 3 )
Nhiệt độ dung dịch lúc đầu t 0 = 25 0 C
Khối lượng riêng của nước và axit axetic bảng I.2 STQTVTB (9-1) theo t% 0 C
{ ρ A = 996 ,5 ¿¿¿¿ , Kg/m 3 khối lượng riênh trung bình là :
1 ρ hh = a F ρ A + 1 − a F ρ B ⇒ρ hh 28,0135 (Kg/m 3 ) d : đường kính ống dẫn d = 0,1 m thay số ta có : w 4 F
(m/s) trở lực tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên ống đẩy và hút:
Áp suất toàn phần ΔP cần thiết để vượt qua tất cả sức cản thủy lực trên đường ống trong điều kiện dòng chảy đẳng nhiệt được xác định bởi công thức ΔP = ΔP đ + ΔP m + ΔP cb + ΔP t + ΔP k Trong đó, ΔP đ là áp suất đẩy cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống dẫn, ΔP m là áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng, ΔP cb là áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, và ΔP t là áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị, với ΔP t = 0 Cuối cùng, ΔP k là áp suất bổ sung cho đường ống, với ΔP k = 0.
Áp suất để thắng trở lực ma sát : ΔP m = λ
L- chiều dài ống từ thùng chứa đến thùng cao vị chọn L = 12 m dtd- đường kính tương đương dtd = 0,1 m λ - hệ số trở lực ma sát xác định theo công thức khi Re >10 4
Chọn chiều dài ống là 12m, chất liệu làm bằng thép không gỉ có ε=0,1.10 −3 Trong đó Δ là độ nhám tương đối: Δ= ε d td = 0 , 1.10 − 3
Vậy độ nhớt trung bình của hỗn hợp là : lg μ = x F lg μ A +( 1 − x F ) lg μ B
Ta có chuẩn số reynol là : Re w d ρ μ = 0 , 4644 0 ,1 , 1028 , 0135
0 , 9843.10 − 3 H502 , 43>10 4 vâyl lưu thể chảy ở chế độ chảy xoáy, hệ số trở lực được xác định theo công thức trên:
Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ
ΔP cb = ∑ ζ ρ 2 w 2 = ∑ ζ ΔP d ζ - hệ số trở lực cục bộ toàn bộ đường ống được xác định
Hệ số trở lực tổng cộng ∑ ζ được tính bằng công thức ∑ ζ = 2 ζ 1 + 2 ζ 2, trong đó ζ 1 là hệ số trở lực của khuỷu 90 độ do ba khuỷu 30 độ tạo thành, với hệ số a/b = 1 cho ra ζ 1 = 0,3 Đồng thời, có hai khuỷu 90 độ ζ 2 là hệ số trở lực do van tiêu chuẩn mở hoàn toàn theo STQTVTB (394-2), cho giá trị ζ 2 = 4,7.
Vậy tổng trở của đường ống này là : ∑ ζ = 2 ζ 1 +2 ζ 2 =2.0,3 + 2.4,7 = 10 Áp suất cần thiết để khăc phục trở lực cục bộ là: ΔP cb = ∑ ζ ρ 2 w 2 = ∑ ζ ΔP d 110 , 8508 , 5 N/m 2
1.2.Trở lực trong ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Áp suất động học là: ΔP đ = ρ w 2
2 Tại 25 0 C ta có theo STQTVTB (9-1) ta có khối lượng riêng của anxendehit và benzen
Dùng phương pháp nội suy { ρ A = 996 ,5 ¿¿¿¿ (Kg/m 3 )
1 ρ = a F ρ A + 1 − a F ρ B ⇒ ρ 28,0135 (Kg/m 3 ) Vận tốc dòng chảy trong ống là:
, m/s Áp suất động học là: ΔP đ = ρ w 2
N/m 2 Trở lực ma sát Áp suất để thắng trở lực ma sát : ΔP m = λ
L- chiều dài ống từ thùng chứa đến thùng cao vị chọn L = 20 m dtd- đường kính tương đương dtd = 0,1 m λ - hệ số trở lực ma sát xác định theo công thức khi Re >10 4
Chọn chiều dài ống là 20m, chất liệu làm bằng thép không gỉ có ε=0,1.10 −3 Trong đó Δ là độ nhám tương đối: Δ= ε d td = 0 , 1.10 − 3
Vậy độ nhớt trung bình của hỗn hợp là : lg μ = x F lg μ A +( 1 − x F ) lg μ B
Ta có chuẩn số reynol là : Re w.d.ρ μ H502,43>10 4 vâyl lưu thể chảy ở chế độ chảy xoáy, hệ số trở lực được xác định theo công thức trên:
0,1.110,85536,514 (N/m 2 ) Trở lực cục bộ ΔP cb = ∑ ζ ρ 2 w 2 = ∑ ζ ΔP d
Trong đó: ∑ ζ =tổng hệ số trở lực cục bộ
+ trở lực đột thu từ thùng cao vị vào ống: với cạnh nhẵn thì ζ 1 = 0,5 + trở lực do đột mở từ ống vào thiết bị gia nhiệt với D = 0,7 m
Tiết diện đầu thiết bị chia làm 4 ngăn f 1 = 0 , 785 d 2
+ trở lực do van: trên đường ống chọn 1 van tiêu chuẩn mở hoàn toàn ζ 3 =4,7 STQTVTB (I-394 )
+ trở lực do 2 khuỷu 90 0 do 3 khuỷu 30 0 tạo thành: chọn a/b = 1 thì ζ 4 = 0 , 3
Vậy tổng tổn thất cục bộ là:
1.3.Trở lực từ thiết bị gia nhiệt đến tháp Áp suất động học là : ΔP đ = ρ w 2
2 Trong đó: ρ - khối lượng riêng của dung dịch sau khi ra nhiệt (Kg/m 3 )
Trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp, nhiệt độ sôi của hỗn hợp đạt tF = 103,3 °C Khối lượng riêng của axetandehit và benzen được tra cứu theo bảng I.2 STQTVTB Sử dụng phương pháp nội suy, khối lượng riêng của axetandehit là ρA = 953,01 kg/m³ Do đó, khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp được xác định.
(Kg/m 3 ) Vận tốc dung dịch trong ống là:
Áp suất động học là : ΔP đ = ρ w 2
Trở lực ma sát Áp suất để thắng trở lực ma sát là: ΔP m = λ
(N/m 2 ) Trong đó các hệ số được xác định tại tf= 103,3 0 C
Khoảng cách từ thiết bị gia nhiệt đến tháp được chọn là L = 2m, trong khi đường kính ống dẫn dung dịch vào tháp là dtd = 0,1m Độ nhớt của hỗn hợp tại nhiệt độ sôi được tra cứu theo tiêu chuẩn STQTVTB (91-1).
Nội suy ra ta có :{ μ A = 0 ,2754.10 − 3 ¿¿¿¿ N.s/m 2
Nồng độ dung dịch đầu vào là: xF = 0,5996
⇒độ nhớt của hỗn hợp là: lg μ = x F lg μ A +( 1 − x F ) lg μ B
Xác định λ theo công thức II-464 Chọn chiều dài ống là 2m, chất liệu làm bằng thép không gỉ có ε=0,1.10 − 3
Trong đó Δ là độ nhám tương đối: Δ= ε d td = 0 , 1.10 −3
(N/m 2 ) Trở lực cục bộ Áp suất để thắng trở lực cục bộ ΔP cb ΔP cb = ∑ ζ ρ 2 w 2 = ∑ ζ ΔP d
Chiều dài tương đương cho trở lực cục bộ gồm 1 van tiêu chuẩn mở hoàn toàn +
1 khuỷu 90 0 do 3 khuỷu 30 0 tạo thành + 1 đột mở
Trong đó: ζ 1 = 4 , 7 theo STQTVTB (394-1) ζ 2 =0,3 nếu chọn a/b = 1 theo STQTVTB (394-1) ζ 3 =0,5 trở lực ống đột thu, với cạnh nhẵn thì ζ 3 =0,5
Vậy trở lực cục bộ : ΔP cb = ∑ ζ ρ 2 w 2 = ∑ ζ ΔP d = 5,5.119,363e6,4965(N/m 2 )
1.4 Trở lực trong thiết bị gia nhiệt Áp suất động học là: ΔP đ = ρ w 2
+ w: vận tộc lưu thể đi trong thiết bị gia nhiệt +V : thể tích hỗn hợp
+ n :số ống trong thiết bị m = 169 ống +m : số ngăn m = 4
+ ρ : khối lượng riêng của hỗn hợp ở tF = 103,3 0 C
Theo phần trên ta có : ρ4,905 (Kg/m 3 ) f = π d 2
Trở lực ma sát Áp suất để thắng trở lực ma sát là: ΔP m = λ
Trong đó các hệ số được xác định tại tf= 103,3 0 C
Chiều dài thiết bị gia nhiệt là L = 3.2m, tương đương với 6m dtd Đường kính trong của ống truyền nhiệt được xác định là d0 = 0,025 m Độ nhớt của hỗn hợp tại nhiệt độ sôi được tra cứu theo STQTVTB (91-1).
Nội suy ra ta có :{ μ A = 0 ,2754.10 − 3 ¿¿¿¿ N.s/m 2
Nồng độ dung dịch đầu vào là: xF = 0,5996
⇒độ nhớt của hỗn hợp là:
Xác định λ theo công thức II-464 chiều dài ống là 6m, chất liệu làm bằng thép không gỉ có ε=0,1.10 −3
Trong đó Δ là độ nhám tương đối: Δ= ε d td = 0 , 1.10 −3
Trở lực cục bộ Áp suất để thắng trở lực cục bộ ΔP cb ΔP cb = ∑ ζ ρ 2 w 2 = ∑ ζ ΔP d
Dòng chảy của dung dịch trong thiết bị gia nhiệt ống chùm có hướng vào và ra ống truyền nhiệt đa dạng, với sự xuất hiện của hiện tượng đột mở và đột thu.
Tiết diện ống dẫn dung dịch ra và vào thiết bị f 1 = π d 2
4 =7 , 853.10 −3 Tiết diện ở khoảng trống 2 đầu thiết bị f 2 = π D 2
4 = 96 , 211.10 − 3 Tiết diện ống truyền nhiệt trong mỗi ngăn là: f 3 = π d 2
4 = 20 , 7394 10 − 3 Khi chất lỏng chảy vào khoảng trống mỗi ngăn ( đột mở) ζ 1 = ( 1− f f 1 2 ) 2 =0 , 8434
Khi chất lỏng chảy từ khoảng trống vào ngăn (đột thu) f 3 f 2 =0 , 2155
Khi chất lỏng chảy từ ngăn ra khoảng trống (đột mở) ζ 3 =( 1 − f f 3 2 ) 2 = 0 , 6076
Khi chất lỏng trảy ra khỏi thiết bị (đột thu) f 1 f 2 = 0 ,0816
Tra bảng N 0 13 nội suy ta được ⇒ ζ 2 = 0 , 4761
ΔP cb = ∑ ζ ρ 2 w 2 = ∑ ζ ΔP d =4,483.17,1093v,701 (N/m 2 ) Áp suất trở lực thủy tĩnh : ΔP H ΔP H = ρ g H 4 , 905.9, 8.2716 , 138 (N/m 2 ) Vậy ΔP = ΔP d + ΔP c + ΔP m + ΔP H =18934,3663 (N/m 2 )
1.5.Chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu
Theo phương trình Bernoulli, khi so sánh mặt cắt 1-1 và 2-2 với mặt cắt chuẩn 0-0, ta nhận thấy rằng chất lỏng sẽ chảy hết từ mặt cắt 1-1 khi đạt đến một độ cao nhất định Điều này cho thấy mối liên hệ giữa áp suất, tốc độ và độ cao của chất lỏng trong ống.
Ta có phương trình becnuli
Do đường kính của thùng răt lớn so với đường kính của ống dẫn liệu lên coi vận tốc trên mặt thoáng của thùng là w1 = 0
Trong đó: ρ 1 - khối lượng riêng của hỗn hợp đầu ở 25 0 C
Khối lượng riêng của Axendehit và benzen bảng I.2 STQTVTB (9-1) theo t% 0 C
khối lượng riêng trung bình là :
⇒ρ hh 28,0135 (Kg/m 3 ) ρ 2 −khối lượng riêng của hỗn hợp ở tF = 103,3 0 C vậy khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp là: ρ 2 = 954 , 905 (Kg/m 3 )
P1- áp suất tại mặt cắt 1-1 P1 = Pa= 10 5 (N/m 2 )
P2 – áp suất tại mặt cắt 2-2 P2 = Pa + PL = 10 5 + 983,0514 100983,0514 (N/m 2 )
Vậy thùng cao vị đặt cao hơn ống tiếp liệu ≥2,3625 m thì chất lỏng tự chảy
Ta thiết kế bơm đặt sát mặt đất tức là hh = 0 ⇒ chất lỏng tự chảy vào bơm Chiều cao đẩy của bơm là Hđ (m)
Hđ = HC + (H1 – H2) + Hb + ΔH đ Trong đó: HC - chiều cao đoạn chưng
Hb – chiều cao bệ đặt tháp ta chọn Hb = 1m ΔH đ - chiều cao đáy chọn ΔH đ = 0 , 5m
= 9,1625 (m) Áp suất toàn phần là: H TP =H đ + H '
H ' − tổn thất áp suất trên đường ống hút từ thùng chứa đến thùng cao vị
Theo tính toán ở phần trước thì H’ = 0,11 m
Vậy áp suất toàn phần là : H TP =H đ + H ' =9 , 1625+0 ,11=9 ,2725 (m)
Công suất yêu cầu trên bơm là:
Trong đó: Q−năng suất bơm
3600.1028,0135=3,6478.10 − 3 ρ−khối lượng riêng của hỗn hợp đầu vào ρ28,0135 (Kg/m 3 )
H −áp suất toàn phần của bơm H=9,2725 (m) η −hiệu suất chung của bơm.
Hiệu suất thể tích (η) được xác định bởi công thức η = η0 ηtl ηck, trong đó η0 là hiệu suất tính đến sự hao hụt chất lỏng từ áp suất cao xuống thấp, ηtl là hiệu suất thủy lực phản ánh ma sát và sự tạo dòng xoáy trong bơm, và ηck là hiệu suất cơ khí liên quan đến ma sát co khí của bơm.
Yêu càu chọn bơm phải năng suất cao và liên tục ta chọn bơm li tâm Các thông số của bơm li tâm là: η 0 =0,85÷0,96 η 0 = 0 , 9 η tl =0,8÷0,85 η tl = 0 ,82 η ck − η ck = 0 ,92 ÷ 0 ,96
⇒ η=η 0 η tl η ck =0,9.0,82.0,94=0,694 Vậy công suất yêu cầu trên bơm là :
Công suất động cơ là
(kw) Thông thường ngườ ta chọn động cơ điện có N lớn hơn so với ta tính
Vậy công suất hoạt động thực tế của bơm là
TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN
Tính toán thân tháp
Chọn vật liệu làm thân tháp.
Thân hình trụ là thành phần chính trong thiết bị hóa chất, và việc lựa chọn vật liệu cùng phương pháp chế tạo phụ thuộc vào điều kiện làm việc Trong trường hợp này, tháp hoạt động ở áp suất thường và nhiệt độ không cao, với dung dịch chứa nước và axit axetic Do đó, thép không gỉ X18H10T được chọn làm vật liệu cho thân tháp, nhờ vào tính bền và khả năng chịu nhiệt của nó Quy trình chế tạo bao gồm việc cuốn tấm thép theo kích thước đã định và hàn các mối ghép lại với nhau.
Chiều dày thân tháp được xác định theo công thức sau s = D t P
Dt – đường kính trong của thân hình trụ (m) ϕ - hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc;
C – số bổ xung do ăn mòn, bảo mòn và dung sai về chiều dày (m)
P – áp suất trong của thiết bị (N/m 2 )
Do môi trường lam việc là hỗn hợp lỏng-hơi nên:
P = Plv + Ptt (N/m 2 ) Với Plv áp suất làm việc , N/m 2
Ptt áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng , N/m 2
Với H : chiều cao max của cột chất lỏng (m) ρ : khối lượng riêng của cột chất lỏng (Kg/m 3 ) g : gia tốc trọng trường , g = 9,8 m/s 2
Ta có chiều cao cột chất lỏng HL = Htháp = 17,6 (m) khối lượng riêng của chất lỏng trong tháp: ρ tb = ρ tbL + ρ tbC
Để tính toán sức bền của thiết bị, trước tiên cần xác định ứng suất cho phép của vật liệu thép X18H10T Ứng suất cho phép này được xác định dựa trên giới hạn bền kéo và bền chảy của thép, theo công thức cụ thể.
Hệ số an toàn theo giới hạn bền và khi chảy được xác định bằng các ký hiệu nk và nc, trong đó nk = 2,6 và nc = 1,5 theo bảng XIII.3 STQTVTB (II-356) Giới hạn bền khi kéo và khi chảy được ký hiệu là σ k và σ c, với đơn vị tính là N/m² Hệ số hiệu chỉnh η là 1, áp dụng cho thiết bị loại II không bị đốt nóng trực tiếp.
Tra giới hạn bền khi chảy cà khi kéo ở STQTVTB (310-2) ta có
So sánh hai kết quả ứng suất cho phép theo giới hạn bền khi kéo và giới hạn bền khi chảy ta chọn [ σ ] theo giá trị nhỏ hơn, nên [σ]6,67 10 6 N/m 2
Để tính ϕ, chúng ta thiết kế và chọn phương pháp hàn bằng tay sử dụng hồ quang điện, với kiểu hàn giáp mối hai bên thành có lỗ, nhưng được gia cố hoàn toàn Khi đó, giá trị ϕ sẽ được xác định là ϕ = ϕ h = 0,95 theo tiêu chuẩn STQTVTB (362-2).
264089,71 R7,61>50 do vậy ta có thể bỏ qua P ở dưới mẫu của công thức tính chiều dày tháp
C1: bổ xung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn của vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị
C1 = 1 mm = 0,001m : do thép có tốc độ ăn mòn của thép là
C2 bổ xung do hao mòn C2 = 0 ( vì nguyên liệu đầu là lỏng hơi không phải là rắn nên có thể bỏ qua C2
C3 bổ xung theo dung sai chiều dày
Khi đó chiều dày của tháp là: s = D t P
2[ 146 , 67 10 6 ] 0 , 95 + 1 , 5.10 −3 = 3 , 39.10 −3 , mm Chuẩn hóa chọn s = 8 mm
Kiểm tra ứng suất cho thành thiết bị bằng nước theo áp suất thử
Theo STQTVTB (366-2) ứng suất tĩnh theo áp suất thử phải thỏa mãn điều kiện: σ = [ D t +( s − C ) ] P 0
Trong đó P0 là áp suất thử tính toán
Với Ptt- áp suất thử thủy lực , vì P &4089,71 ∈ [0 , 07÷0,5].10 6 N/m 2 tra ở bảng XIII.5 nên Ptt =1,5.P = 1,5.264089,7196134,565 N/m 2 (358-2)
Tính P1 – áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng
P1 = ρ 1 g H L ρ 1 - khối lượng riêng của chất lỏng ở nhiệt độ trung bình g – gia tốc trọng trường g = 10,00 m/s 2
Nồng độ trung bình của hỗn hợp ở trong tháp : x tb = x F + x P + x W
Nội suy theo bảng IX.2a STQTVTB (148-2) ⇒ t tb 3 , 9 0 C
Nội suy khối lượng riêng của Nước và Axit Axetic theo STQTVTB (9-1)
Vậy khối lượng trung bình của hỗn hợp là
1,2 3,33.10 6 thỏa mãn điều kiện Vây chiều dày tháp là 8 mm
2.Tính đường kính ống dẫn:
Trong đó: V: lưu lượng trong ống (m 3 /s)
w: vận tốc lỏng trong ống (m/s)
2.1.Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh
Hình biểu diễn ống dẫn sản phẩm đỉnh.
Tra sách tính toán quá trình và thiết bị tập 1
Trong ống có áp suất thường chọn ν = 25 (m/s)
V = gđ = P.(Rx + 1) = 1157,11 (kmol/h) Tại đỉnh tháp tP = 100,4 0 C tra bảng I.2 ta có khối lượng riêng của hỗn hợp hơi
Chiều dài ống nối là: 130 mm
2.2.Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh
Hình biểu diễn ống hồi lưu sản phẩm đỉnh.
Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng khi hồi lưu về đỉnh tháp là:
Ta có : aP = 0,975 (phần khối lượng)
Nội suy khối lượng riêng của từng cấu tử :{ ρ A = 957 ,7 ¿¿¿¿ , Kg/m 3
Do sản phẩm đỉnh tự chảy về hồi lưu lên vận tốc được tra theo II-2 STQTVTB (370-1) ν=0,1÷0,5 (m/s) ta chọn ν=0,5(m/s) Lượng lỏng hồi lưu về đỉnh tháp
Chiều dài ống nối là 120 mm
2.3.Đường kính ống dẫn nguyên liệu đầu
Hình biểu diễn ống nhập liệu. Ống nối giữa thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu với tháp tại đĩa tiếp liệu
Hỗn hợp dầu vào là hỗn hợp lỏng aF = 0,31 (Kg/Kg)
Chất lỏng tự chảy ở ống ν=0,5 (m/s)
Chiều dài ống nối là 120 mm
2.4.Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy
Hình biểu diễn ống dẫn sản phẩm đáy.
- Lưu lượng sản phẩm đáy w= 9303,1 (kg/h)
- Sản phẩm đáy là hỗn hợp lỏng tự chảy ν=0,2(m/s)
Nội suy ta có: ρ A = 945,475 (kg/m 3 ) ρ B = 927 , 94 (Kg/m 3 )
Chiều dài ống nối là 120 mm
2.5.Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đáy
- Ta có yw = 0,065 (kmol/kmol)
- Lượng hồi lưu ở đáy tháp là g1 ’ = 1,3968 Kg/s
Chiều dài ống nối là 130 mm
Tính đáy và nắp thiết bị
Đáy và nắp thiết bị là những bộ phận thiết yếu, thường được chế tạo từ cùng loại vật liệu với thân tháp Do tháp hoạt động ở áp suất thường và thân trụ được hàn, nên đáy và nắp thiết bị thường có hình elip với gờ, đặc biệt là đối với thiết bị thẳng đứng có áp suất lớn hơn 7.10^4.
Trong đó: Pn = P= 264089,71N/m 2 ϕ h : hệ số bền mối hàn; k: hệ số hiệu chỉnh hb: chiều cao nắp C: hệ số hiệu chỉnh C= 1,5.10 -3 m
Và có tăng thêm một chút tùy thuộc chiều dày:
Hb chiều cao phần lồi của đáy, với Dt= 2,4 ⇒ hb = 600 mm (382-2)
ϕ h hệ số bền của mối hàn hướng tâm nếu có.
Chọn hàn theo phương pháp hàn bằng tay bằng hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối hai bên.
Hệ số hàn không thứ nguyên , được xác định: k = 1- d
Trong bài viết này, chúng ta xem xét hệ số k của đáy và nắp trong trường hợp ống có đường kính lớn nhất không phải hình tròn Đường kính ống tháo sản phẩm ở đáy là d = 100 mm (0,1 m), do đó hệ số k được tính bằng công thức k = 1 - 0,1 Việc tính toán này là cần thiết để đảm bảo tính chính xác trong thiết kế và hiệu suất của hệ thống.
ở nắp: đường kính ống đãn sản phẩm đỉnh là d= 200 mm = 0,2 m nên k = 1−0,2
264089 ,71 = 483 , 2912 > 30 Nên ta có thể bỏ qua ở mẫu số của công thức tính chiều dày của đáy và nắp Suy ra:
Nên phải tăng C lên 2 mm, khi đó C = 3,5 mm
Kiểm tra ứng suất ở thành tháp ở áp suất thử thủy lực theo công thức. σ = [ D t 2 +2 h b ( S−C ) ] P 0
Kiểm tra với nắp thay số vào ta có: (382-2) σ = [ D t 2 +2 h b ( S −C ) ] P 0
1,2 3,33.10 6 Thỏa mãn diều kiện bền vậy chiều dày của nắp là 10 mm
Tương tự ta có P = 560377,8861 (N/m 2 ) và k = 0,9583; C = 1,5.10 -3 (m)
S – C < 10 mm nên phải tăng C thêm 2 mm
Kiểm tra ứng suất ở áp suất thử thủy lực theo công thức : σ = [ D t 2 +2 h b ( S −C ) ] P 0
Thỏa mãn điều kiện bền, vậy chiều dày của đáy là 10 mm
Vậy chiều dày đáy là : 10 mm
Chiều dày nắp là : 10 mm
Có chiều cao gờ là 40 mm
Khối lượng của nắp là mn = 519 Kg
Khối lượng của đáy tháp là mđ = 519 Kg
Vậy nắp và đáy có thông số như sau
DL = DC = 2,4 m hb = 600 mm h = 40 mm
Chọn bích liền bằng thép để nối thiết bị
Dt mm D Db D1 D0 Bu lông mm
Tên các ống Dy Dn D Ds D1 Db Z h mm Cái mm
Hồi lưu đỉnh 100 108 205 170 148 M16 4 20 ống dẫn liệu 100 108 205 170 148 M16 4 18
+ Ta chọn số bích Đối với tháp có đường kính là 2,4 m
Khoảng cách giữa 2 bích là 4200 mm
Số bích đoan luyện là H L
4 , 2 = 2 , 938 bích Làm tròn là 3 bích
Số bích đoan chưng là H C
4 , 2 =1 , 26 bích Làm tròn thành 1 bích
Vậy tổng số bích của tháp là: 3+1+2 = 6 (bích)
Trong đó 2 bích để nối nắp và đáy chóp với tháp
5 Tính giá đỡ và tai treo
Thông thường, tháp được đặt trên một cấu trúc gọi là chân tháp Để xác định chân đỡ, cần phải biết tổng tải trọng của toàn bộ thiết bị được đặt lên nó.
Ta có: Mtb = Mt + Mnắp + Mđáy + Mc.lỏng + Mthêm + Mđĩa (Kg)
Khối lượng nắp và đáy tra bảng XIII.11 STQTVTB (384-2)
Mnắp = Mđáy = 519 Kg Khối lượng của đĩa:
Mđiaz = Ntt.mđĩa = Ntt ρ đĩa V đĩa Kg
Trong đó: ρ đĩa : khối lượng riêng của vật liệu làm đĩa- do đĩa làm bằng vật liệu thép không gỉ X18H10T tra bảng XII.7 (313-2)
Trong đó: Ftd diện tích đĩa bằng 80% diện tích mặt cắt tháp
(m 2 ) δ : chiều dày đĩa ta chọn là 5 mm Khối lượng đĩa toàn tháp là:
Mđĩa = Ntt ρ Vđĩa = 41.7900.3,6191 5.10 -3 = 5861,13(Kg) Khối lượng của chất lỏng trên đĩa Mc.lỏng
Trong đó: giả sử chứa toàn bộ chất lỏng như hỗn hợp đầu
Mc.lỏng = ρ F (V−V đia ) ρ F : khối lượng riêng trung bình của chất lỏng trong tháp ρ F = ρ xC + ρ x L
(Kg/m 3 ) V: thể tích toàn tháp
Vđĩa: bằng thể tích tự do của đĩa lỗ
(m 3 ) Vậy khối lượng của chất lỏng trên đĩa:
= 75730,1685(Kg) Khối lượng thân tháp
Dn: đường kính ngoài cùng vỏ thiết bị
Khối lượng thêm chi tiết phụ như bu lông, ốc vít, thanh đỡ, bích, kẹp đĩa… Chọn Mthêm = 500, Kg
Vậy khối lượng toàn tháp là:
Mtb = Mt + Mnắp + Mđáy + Mc.lỏng + Mthêm + Mđĩa
* Chọn tai treo và chân đỡ:
Vì trọng lượng của tháp rất lớn nên ta cần chọn cả chân đỡ và tai treo.
Chọn vật liệu CT3, giả sử tải trọng cho phép trên một chân đỡ hay tai treo là 8.10 4 N
Ta chọn số chân đỡ là 4, số tai treo là 4
Vậy tải trọng mỗi chân đỡ và mỗi tai treo phải chịu là : 224282,67 N
Chân đỡ: tải trọng cho phép trên mỗi chân đỡ là 8.10 4 N
Tải trọng cho phép trên 1 chân
Tải trọng cho phép trên đất
Tải trọng 1 tai treo cho phép là 8.10 4 (N) Được tra theo bảng XIII.36 STQTVTB (II-438)
L `B B 1 H S l a d k.lg tai trên 1 tai treo
F.10 4 N phéplên bề mặt đỡ q.10 6 N/ m 2 treo mm Kg
Loại tháp: tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyển.với năng suất 4,39 tấn/h. Đường kính tháp : D = 2,8 (m).
Số đĩa lí thuyết : N = 45 đĩa.
Số đĩa thực tế : N = 37 đĩa.
Quy trình công nghệ tính toán cho thấy cần giải một lượng nhiệt đáng kể từ ngưng tụ sản đỉnh, giải nhiệt sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, nhưng chưa tận dụng hiệu quả để gia nhiệt cho dòng nhập liệu Việc tính toán gia nhiệt tới trạng thái lỏng sôi gặp khó khăn do nhiệt không đủ, dẫn đến việc phải đầu tư thêm thiết bị và đường ống, làm tăng chi phí phân xưởng Tận dụng nhiệt là một giải pháp quan trọng để nâng cao hiệu quả quá trình và tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, do giới hạn về thời gian, khả năng và kinh nghiệm thực tế, tôi chưa thể phân tích và đánh giá đầy đủ các quá trình Đồ án môn học đã mang lại cho tôi nhiều kinh nghiệm quý báu trong việc tính toán và thiết kế hoàn chỉnh một quy trình sản xuất.