Giáo viên hướng dẫn : Thầy Nguyễn Thế Hữu NỘI DUNG Thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ không có ống chảytruyền để phân tách hỗn hợp Nước – Axit Axetic Các thông số ban
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 trên sự khác biệt về độ bay hơi của các thành phần trong cùng một áp suất.
Phương pháp chưng luyện là quá trình nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ hỗn hợp, cho phép thu được ở đỉnh tháp một hỗn hợp với nồng độ cao của các cấu tử dễ bay hơi Với hiệu suất phân tách cao, phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, nhiều thiết bị phân tách đã được phát triển, bao gồm tháp chóp, tháp đĩa lỗ, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền và tháp đệm Trong đồ án này, em được giao nhiệm vụ thiết kế tháp chưng luyện liên tục dạng đĩa lỗ không có ống chảy truyền, với mục tiêu phân tách hai cấu tử là Nước và Axit Axetic, hoạt động ở áp suất thường và sử dụng hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi.
Nước và Axit Axetic là hai thành phần thường gặp trong thực tế Việc tách riêng chúng có ý nghĩa quan trọng, vì Axit Axetic với nồng độ cao là nguyên liệu cần thiết cho 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 dựa trên nguyên tắc điều chỉnh nhiệt độ sôi của các cấu tử Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao, cần giảm áp suất làm việc để hạ thấp nhiệt độ sôi, từ đó tối ưu hóa quá trình tách biệt.
+) 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 diện tích tiếp xúc bề mặt pha lớn Yếu tố này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất.
Tháp chưng cất có nhiều kích cỡ và ứng dụng khác nhau, với các tháp lớn thường được sử dụng trong công nghệ lọc hóa dầu Đường kính của tháp phụ thuộc vào lượng pha lỏng và pha khí cũng như độ tinh khiết của sản phẩm Các khảo sát cho thấy sự đa dạng trong thiết kế và chức năng của các tháp này.
2 loại tháp chưng:tháp đĩa và tháp đệm
Tháp đĩa là một cấu trúc có thân tháp hình trụ thẳng đứng, bên trong được gắn các đĩa phân chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau Trên các đĩa, pha lỏng và pha khí tiếp xúc với nhau, tạo ra sự tương tác cần thiết Loại đĩa sử dụng sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình này.
+ 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 Thiết kế này cho phép tháp làm việc hiệu quả ngay cả với chất lỏng bẩn, mang lại sự linh hoạt và hiệu suất tối ưu trong quá trình xử lý.
Vậy : chọn tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền để chưng hệ Nước – Axit
GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 tinh thể khác nhau.
Khối lượng phân tử : 18g/mol
Khối lượng riêng d4 oc : 1g/ml
Nước là hợp chất chứa phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống.
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
Là một chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng, trọng lượng riêng 1,0497 (ở 20 o C)
Khi haj nhiệt độ xuống 1 ít đã đông đặc thành 1 khối tinh thể có T o nc 16,635 – 0,002 o ,T o sôi = 118 o C
Tan trong nước, rượu và ete theo bất kỳ tỷ lệ nào
Là một axit yếu, hằng số phân ly nhiệt động của nó ở 25 o C là K 1,75.10 -5
Tính ăn mòn kim loại:
Axit Axetic ăn mòn sắt.
Nhôm có khả năng chống ăn mòn tốt khi tiếp xúc với axit loãng, trong khi nó vẫn bền vững với axit axetic đặc và tinh khiết Ngược lại, đồng và chì dễ bị ăn mòn khi tiếp xúc với axit axetic, đặc biệt là trong môi trường có sự hiện diện của không khí.
Thiếc và một số loại thép Nikel – Crom đề kháng tốt với axit axetic.
Axit axetic điều chế bằng cách:
1) Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành anđêhit axetic, là một giai đoạn trung gian Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa ânđêhit axetic thành axit axetic.
Oxy hóa andehit axetic được thực hiện thông qua quá trình tổng hợp từ axetylen và coban axetat Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ khoảng 80°C nhằm ngăn ngừa sự hình thành peoxit, mang lại hiệu suất cao từ 95 đến 98% so với lý thuyết Điều này trở nên dễ dàng hơn sau khi chế biến axit axetic ở dạng tinh thể.
CH3CHO + O2 Coban axetat ở 80 o C CH3COOH
3)Tổng hợp đi từ cồn metylic và Cacbon oxit.
Hiệu suất có thể đạt 50 ÷ 60% so với lý thuyết bằng cách cố định cacbon oxit trên cồn meetylic qua xúc tác.
Nhiệt độ từ 200 ÷ 500 o C, áp suất 100 ÷ 200 atm.
CH3OH + CO = CH3C với sự hiện diện của metaphotphit hoặc photpho – vonframat kim loại 2 và 3 hóa trị (chẳng hạn sắt, coban).
Axit axetic là một trong những axit quan trọng nhất trong nhóm axit hữu cơ, nổi bật nhờ vào tính ứng dụng rộng rãi và chi phí thấp Loại axit này được sử dụng để sản xuất nhiều hợp chất và este khác nhau, góp phần vào nhiều lĩnh vực công nghiệp Nguồn tiêu thụ chính của axit axetic rất đa dạng, phản ánh vai trò thiết yếu của nó trong nền kinh tế.
Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic).
Làm đông đặc nhựa mủ cao su.
Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat, làm phim ảnh không nhạy lửa.
Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat.
Làm các phẩm máu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp.
Axetat nhôm dung làm chất cắn màu (mordant trong nghề nhuộm).
Phần lớn các este axetat đều là các dung môi, ví dụ: izoamyl axetat hòa tan được nhiều loại nhựa.
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 có vai trò quan trọng trong việc nâng nhiệt độ làm việc của hỗn hợp Để đạt hiệu quả cao, thiết bị loại ống chùm được sử dụng, với hơi nước bão hoà làm nguồn nhiệt Hơi nước bão hoà có hệ số cấp nhiệt lớn và ẩn nhiệt ngưng tụ cao, giúp quá trình đun nóng diễn ra nhanh chóng Trong quá trình này, hơi nước bão hoà sẽ đi ra ngoài ống, trong khi đó, hỗn hợp lỏng sẽ được hình thành bên trong ống.
Tháp chưng luyện bao gồm hai phần chính: phần trên, từ đĩa tiếp liệu đến đỉnh tháp, được gọi là đoạn luyện; và 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 ly tâm lên thùng cao vị, nơi có cửa chảy tràn để kiểm soát mức chất lỏng Hỗn hợp tự chảy xuống thiết bị gia nhiệt và được theo dõi 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 đi từ dưới lên tiếp xúc với lỏng từ trên xuống, diễn ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần, làm thay đổi nồng độ các cấu tử theo chiều cao và nhiệt độ của tháp Hơi từ đĩa 1 với thành phần dễ bay hơi sục vào lớp lỏng trên đĩa 2, dẫn đến ngưng tụ một phần cấu tử khó bay hơi do nhiệt độ thấp hơn, làm tăng nồng độ cấu tử dễ bay hơi ở đĩa 2 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 trên 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 còn lại được chuyển vào thiết bị làm nguội và sau đó được đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh.
Chất lỏng hồi lưu từ trên xuống dưới gặp hơi có nhiệt độ cao từ dưới lên, dẫn đến một phần cấu tử có nhiệt độ cao ngưng tụ thành lỏng và đi xuống Điều này làm tăng nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng, và cuối cùng ở đáy tháp, ta thu được hỗn hợp lỏng chủ yếu là cấu tử khó bay hơi cùng 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 đáy và một phần được hồi lưu tại đáy tháp Thiết bị này có chức năng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi sản phẩm đáy, tạo ra dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp Nước ngưng từ thiết bị gia nhiệt được xả qua thiết bị nước ngưng Tháp chưng luyện hoạt động liên tục, với hỗn hợp đầu và sản phẩm được lấy ra liên tục.
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= 13,5 tấn/h = 13500 Kg/h Vậy lượng sản phẩm đỉnh là:
- Lượng sản phẩm đáy : W = 13500 - 4196,9 = 9303,1 (Kg/h) a, Chuyển đổi nồng độ:
Để chuyển đổi nồng độ phần khối lượng sang phần mol, ta có các thông số như sau: MA = 18 Kg/Kmol, MB = 60 Kg/Kmol, aF = 0,31 (phần khối lượng), aP = 0,975 (phần khối lượng), và aW = 0,01 (phần khối lượng) Từ các giá trị này, ta tính được xF = 0,5996 (phần mol), xP = 0,9923 (phần mol), và xW = 0,0325 (phần mol) Ngoài ra, cần xác định khối lượng mol trung bình trong pha lỏng.
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 trên với tốc độ không đổi trên toàn bộ chiều cao của tháp, trong khi dòng mol pha lỏng chảy từ trên xuống dưới cũng giữ nguyên tốc độ trong đoạn luyện và đoạn chưng Điều này đảm bảo rằng các điều kiện hoạt động của tháp được thỏa mãn.
+ Nhiệt hóa hơimol của các cấu tử bằng nhau theo công thức kinh nghiệm của Trouton
Trong quá trình hoạt động của tháp, không có sự hòa tan nhiệt và cũng không có nhiệt bị mất ra môi trường xung quanh Hơn nữa, sự sai khác về nhiệt lượng riêng của chất lỏng sôi trên các tiết diện khác nhau của tháp được xem là không đáng kể.
- 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
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:
( L0 + P).y = L0.x+ P.xP Đạt chỉ số hồi lưu 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 Đặt : ,
Bảng thành phần cân bằng lỏng hơi của cấu tử Nước – Axit Axetic x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 9,2 16,7 30,3 42,5 53 62,6 71,6 79,5 86,4 93 100 t 118,1 115,4 113,8 110,1 107,5 105,8 104,4 103,3 102,1 101,3 100,6 100 Đồ thị t, x-y
- 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 điểm xF, kẻ đường thẳng song song với trục y cắt đường cân bằng tại điểm A Từ A, kẻ đường thẳng song song với trục x cắt trục y tại điểm B Trên đồ thị, giá trị y*F được xác định là 0,71566 Áp dụng công thức Rmin c, ta có thể xác định chỉ số hồi lưu làm việc (R x).
Trong đó : hệ số dư
= (1,2 Rmin ứng với mỗi giá trị của ta được một giá trị Rx Thay Rx ta có đường nồng độ làm việc của đoạn luyên và đoạn chưng.
Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết Nlt cho các giá trị β khác nhau cho thấy sự biến đổi đáng kể trong số lượng đĩa lý thuyết Cụ thể, với β = 1,2, Nlt là T; β = 1,5, Nlt đạt 5; β = 1,6, Nlt giảm xuống còn 3; β = 1,7, Nlt chỉ còn 1; trong khi β = 1,8, Nlt tăng mạnh lên 30 Tiếp theo, với β = 1,9, Nlt là 29; β = 2,1, Nlt giảm xuống 27; β = 2,3, Nlt còn 26; và cuối cùng, với β = 2,5, Nlt là 25 Những dữ liệu này cho thấy mối quan hệ giữa β và số đĩa lý thuyết Nlt, cung cấp cái nhìn sâu sắc cho nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực này.
Từ các đồ thị trên ta có bảng sau
Lập được bảng kết quả sau
- Dựng đồ thị quan hệ giữa RX – Nlt(Rx + 1)
- Từ đồ thị ta thấy với RX = 4,052 thì RX(Nlt + 1) = 156,612 là bé nhất Vậy Rth= 4,052 ( Số đĩa lý thuyết là 31 )
Phương trình đường nồng độ làm việc
- Lượng hỗn hợp đầu trên 1 đơn vị sản phẩm đỉnh là
L = = = 1,6929 a, Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện:
= 0,802.x + 0,1964 b, Phương trình đường nồng độ làm việc với đoạn chưng:
2.TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP Đường kính tháp được xác định theo công thức
D=0,0188 , m (181-2) gtb: lượng hơi đi trong tháp( lượng trung bình) Kg/h 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 có thể được ước lượng gần đúng bằng trung bình cộng giữa lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (gđ) và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (g1) Công thức tính lượng hơi trung bình là gtb = (gđ + g1) / 2, với gtb, gđ và g1 được đo bằng 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 = 229,04 (4,052 + 1)= 1157,11 (Kmol/h)
Trong đoạn luyện, lượng hơi đi vào được xác định là g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 tương ứng với đĩa thứ nhất Các giá trị này được tính toán dựa trên phương trình cân bằng vật liệu và nhiệt lượng.
Lượng lỏng tại đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định bởi hàm lượng hơi đi vào đĩa 1, trong khi ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa này và ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi thoát ra từ đỉnh tháp cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình.
Trong bài viết này, chúng ta có các giá trị x1 = xF = 0,5996 (phần mol) và yđ = xP = 0,9923 (phần mol) Công thức tính r1 là rA y1 + (1 - y1) rB, trong khi rđ được tính bằng rA yđ + (1 - yđ) rB Ở đây, rA và rB đại diện cho ẩn nhiệt hóa hơi của nước và axit axetic.
Tại xP = 0,9923 (kmol/kmol) nội suy ta được t°P = 100,4°C xF = 0,5996 (kmol/kmol) nội suy ta được t°F = 103,3°C
Tra bảng nhiệt hóa hơi (công thứcI.212) ( 254-1)
Tại t°P = 100,4°C , nội suy ta được; rA = 536,855 (kcal/kg) = 536,855.18.4,1868 = 40458,68(KJ/Kmol) rB = 96,7855 (kcal/kg) = 96,7855 60.4,1868= 24313,29(KJ/Kmol)
Tại t°F = 103,3°C, nội suy ta được rA = 538,74 (kcal/kg) = 538,74.18.4,1868 = 40600,74 (KJ/Kmol) rB = 96,974 (kcal/kg) = 96,974.60.4,1868 = 24360,64 (KJ/Kmol)
Thay vào phương trình r1 ta được: r1 = 40458,68 y1 + 24313,29.( 1- y1 ) (KJ/Kmol) = 16145,39 y1 + 24313,29
Thay vào phương trình rđ ta được : rđ = 40600,74 0,9923 + 24360,64.(1-0,9923)
Thay các giá trị vào hệ trên ta được :
Giải hệ ta được kết quả sau: y1=0,667 ( phần mol)
Thay y1 ta tìm được r1 : r1= 16145,39.0,667 + 24313,29 = 35082,265 ( Kj/Kmol)
Vậy lượng hơi đi trung bình trong đoạn luyện là : gtb = = = 1246,06 ( 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
(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 ytbA = (phần mol)
Với yđA : nồng độ pha hơi đầu đoạn luyện yđA = y1 =0.667 phần mol ycA : nồng độ pha hơi cuối đoạn luyện yc = yP = xP=0,9923 phần mol
Từ sổ tay tập II dùng công thức nội suy ta tìm được nhiệt độ trung bình của pha hơi tytb 1,7°C
Khối lượng riêng của pha hơi là:
( Kg/m 3 ) b, Pha lỏng: được áp dụng theo công thức sau
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được tính bằng Kg/m³, trong đó xA và xB đại diện cho khối lượng riêng lỏng của nước và axit axetic, cũng tính bằng Kg/m³ Phần khối lượng trung bình của cấu tử nước được ký hiệu là atbA.
Ta có: atbA= ( Phần khối lượng) xtbA : Phần mol trung bình của cấu tử Nước xtbA = ( Phần mol)
Từ XtbA ta nội suy theo đồ thị x-y,t ta có t o xtb = 101,2 o C t°xtb1,2°C ( IX.2a – STQTTB 2)
Vậy khối lượng riêng trung bình của pha lỏng là :
2.1.3.Độ nhớt trung bình Độ nhớt của nước ở 20°C : , (N.s/m 2 ) Độ nhớt của pha lỏng ở txtb= 101,2°C nội suy theo bảng II.101 ( 92-1) ta được : Độ nhớt trung bình của pha lỏng được tính theo công thức sau:
Thay số vào ta được
2.1.4.Tốc độ hơi đi trong tháp
- Vận tốc giới hạn trên
Trong đó : Gx là lượng lỏng hồi lưu đi trong tháp
Gy lượng hơi 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
2,075 2,623 (m/s) Để tránh tạo bọt ta lấy giá trị wytb = ( 0,8 0,9) ta chọn là 0,9 wytb 0.8.2,623 = 2,36 (m/s)
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 = ( 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 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 quá trình chưng cất, r ’ 1 đại diện cho ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi khi nó đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng Đồng thời, Kj/Kg xw thể hiện thành phần cấu tử dễ bay hơi ở đáy sản phẩm, tính theo phần mol.
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 ’ 1= 39802,274.y’1 + (1 – y’1).24094,49 r’1= 15707,78.y’1 + 24094,49 (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
Ta có: ytbA 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 ytbA = ( phần mol)
Lại theo bảng IX.2a (145-2) ta được t°tb = 116°C
Vậy khối lượng trung bình của pha hơi
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 = (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
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
- 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
Thay số vào công thức trên ta được lg
2.2.4.Tốc độ hơi đi trong tháp , wy
Ta có : Gy = g’tb = 668,207 Kmol/h
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 wytb = 1,344 (m/s)
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
3.1.1.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
- Thể tích nguyên tử của khí A và B; cm 3 /nguyên tử Tra bảng II-127 ta có thể tích nguyên tử của :
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
Trong đó: : Độ nhớt dung môi ở 20°C ,cP ( 10 -3 N.s/m 2 )
: Khối lượng riêng của dung môi của 20°C , kg/m 2 Ở đây ta có dung môi là Nước
Vây hằng số b 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: - 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:
- Khối lượng riêng của pha lỏng ,Kg/m 3
3.2.3.Hệ số cấp khối trong pha hơi
: chuẩn số Nuyxen ở pha hơi: chuẩn số Renol ở pha hơi
: 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 :
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 = : chuẩn số Nuyxen ở pha lỏng
Wex = : chuẩn số Webe ở pha lỏng
Prx = : chuẩn số pran ở pha lỏng
Gax = : chuẩn số galile ở pha lỏng
Mx:khối lượng mol trung bình của pha lỏng, Kg/Kmol
Lx : kích thước đường dài, m
; độ nhớt trung bình của pha lỏng
Tính lx: lx Trong đó: trở lực thủy tĩnh của lơp chất lỏng trên đĩa, N/m 2
:khối lượng riêng trung bình của chất lỏng, Kg/m 3 g: gia tốc trọng trường g=9,8 m/s 2 được xác định qua công thức
Để tính toán các thông số liên quan đến bọt trên đĩa, ta sử dụng công thức N/m² (195-2) để xác định khối lượng riêng của bọt (Kg/m³) Chiều cao lớp bọt trên đĩa được ký hiệu là hb (m), với công thức tính hb = , m Vận tốc hơi đi qua lỗ của đĩa được ký hiệu là w0 (m/s) Ta có mối quan hệ Ft.wytb = Ftd.w0 Đối với đoạn luyện, vận tốc được tính là w0 L = , (m/s) và chiều cao lớp bọt hb L = 4.0,006 m Đối với đoạn chưng, vận tốc w0 C = (m/s) và chiều cao lớp bọt hb C = 4.0,006 m.
Thay các giá trị để ta tìm được các chuẩn số ta được:
Chuẩn số pha lỏng đoạn luyện
Nux Thay các giá trị tìm được vào ta tìm được các chuẩn số:
Wex Prx Gax Thay: Nux = 17.Wex 0,5.Prx 0,5.Grx 0,7 , Chuẩn số pha lỏng đoạn chưng:
Thay các giá trị vào tìm được các chuẩn số:
Wex Prx Gax Thay: Nux = 17.Wex 0,5.Prx 0,5.Grx 0,7 ,
3.2.5.Lập bảng số liệu vẽ đường cong động học
: hệ số chuyển khối trong pha hơi Kmol/m.s
- Tính : :số đơn vị chuyển khối đối với mỗi đĩa trong pha hơi
(173-2) : hệ số chuyển khối ; mặt cắt tự do trong đĩa lỗ không ống chảy truyền
: lượng hơi đi trung bình trong tháp, Kmol/s
- Tính ; = ; Bảng số liệu vẽ đường cong động học
Stt x ycb xcb y m Ky myT Cy AiCi BiCi
10 0.90 0.930 0,8820 0,9182 0,6555 0.086940 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 43 đĩa Trong đó : Số đĩa đoạn chưng là 12 đĩa
Số đĩa đoạn luyện là 29 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
Vậy chiều cao đoạn luyện là:
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:
Tổng trở lực của một đĩa trở lực khô được xác định bởi sức căng bề mặt và trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa Công thức tính tổng trở lực được biểu diễn bằng đơn vị N/m² (IX.135/192-2).
4.1.Tính trở lực đĩa khô: ( ) Áp dụng , (N/m 2 ) (IX.144/195-2)
W0 2 : tốc độ hơi đi qua đĩa, m/s
: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp hơi, Kg/m 3 : hệ số trở lực đối với đĩa lỗ không ống chảy truyền ta chọn = 2,1
4.2.Trở lực đĩa do sức căng bề mặt chất lỏng: ( ) Áp dụng = (IX.138/192-2)
- sức căng bề mặt, (N/m) dtd – đường kính tương đương của lỗ; dtd = 0,006m
4.3.Trở lực thủy tĩnh của lớp chất lỏng gây ra: ( ) Áp dụng : = (IX.138/192-2)
Trong đó hb- chiều cao lơp bọt trên đĩa,m
- khối lượng riền của bọt trên đĩa, Kg/m 3 Các thông số trên được xác định theo công thức hb = m
Kg/m 3 Chiều cao lớp bọt trên đĩa là: Đoạn luyên: h L b= 4.0,006 m đoạn chưng: hc = = 4.0,006. m
Khối lượng riêng củ bọt trên đĩa: Đoạn luyện:
=0,5.947,41 = 473,705(Kg/m 3 ) Vậy trở lực thủy tĩnh do lớp chất lỏng gây ra trên từng đoạn:
Tổng trở lực của mỗi đĩa là: Đoạn luyện
3,575 + 9,576 +460,052 = 573,203 (N/m 2 ) Vậy tổng trở lực của toàn tháo là:
5.Tính cân bằng nhiệt lượng
5.1.Cân bằng nhiệt lượng thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu
Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng
- Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:
Tổng nhiệt lượng đi vào thiết bị đun nóng bằng tổng nhiệt lượng đi ra khỏi thiết bị đun nóng.
: nhiệt lượng do hơi đốt mang vào
: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào
: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra
: nhiệt lượng do nước ngưng mang ra :nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tổn thất
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào
D1- lượng hơi đốt, Kg/h r1 - ẩn nhiệt hóa hơi , J/Kg
- hàm nhiệt của hơi đốt, J/Kg
C1 – nhiệt dung riêng của nước ngưng, 0 C
Ta coi thiết bị làm việc ở áp suất 2at
Tra bảng Pl.18/352-BTQTTB1 ta có r1 = 527 (Kcal/kg) = 2206,4.10 3 (J/Kg) Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào
F – lượng hỗn hợp đầu (Kg/h) tf – nhiệt độ đầu của hỗn hợp ( 0 C)
Cf – nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/Kg/độ)
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra
CF – nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra (J/Kg.độ) tF - nhiệt độ hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng 0 C
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra
Trong đó: Gng1 – lượng nước ngưng bằng hơi đốt Kg/h
Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh lấy 5% nhiệt tiêu tốn
Vậy lượng hơi đốt ( lượng hơi nước) cần thiết để đun sôi dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi là
+ tf – nhiệt độ hỗn hợp đầu vào bằng nhiệt độ môi trường tf = 25 0 C
Tra bảng I.154 nhiệt dung riêng CP (J/Kg.độ) (172-1)
Nhiệt dung riền của hỗn hợp là:
Cf = aF.CA + (1-aF).CB
+ tF – nhiệt độ hỗn hợp khi đi ra khỏi thiết bị đun nóng tF = 103,3 0 C
Tra bảng I.154 nhiệt dung riêng CP (J/Kg.độ) (172-1)
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp là:
CF = aF.CA + (1-aF).CB
=0,31.4237,425 + (1-0,31).2453,457 = 3006,487 (J/Kg.đô) Lượng hơi nước cần thiết là:
5.2.Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện
Tổng nhiệt lượng mang vào tháp bằng tổng nhiệt lượng mang ra khỏi tháp
Ta có cân bằng nhiệt :
: nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp : nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp : nhiệt lượng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp
: nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang đi : nhiệt lượng mất mát ra môi trường ( lấy 5% nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp)
: nhiệt lượng do nước ngưng mang ra ngoài
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra
(J/h) Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp
D2 – lượng hơi đốt cần đun sôi dung dịch đáy tháp, Kg/h r2 - ẩn nhiệt hóa hơi
- nhiệt độ và nhiệt dung riêng của nước ngưng
Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp
GR – lượng lỏng hồi lưu (GR = L)
GR = GP.Rth = 4196,9.4,052 = 17005,83 (Kg/h) tR – nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu tR = tP = 100,4 0 C
CR – nhiệt dung riêng của lượng lỏng hồi lưu tại tR = 100,4 0 C
CR = aP.CA + (1-aP).CB
Tra bảng nhiệt dung riêng của chất lỏng ta có:
Nhiệt lượng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp
: nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp
; nhiệt lượng riêng của từng cấu tử ở t 0 = tP = 100,4 0 C
Tra bảng I.212 (II-254) ta được
J/Kg.độ Nhiệt lượng riêng của Nước là:
&80,37.10 3 , J/Kg Nhiệt lượng riêng của axit axetic e0,8.10 3 J/Kg
2680,37.10 3 0,975 + (1 – 0.975).650,8.10 3 &29,63.10 3 , J/Kg Vậy nhiệt lượng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp
55,755.10 9 , J/hNhiệt lượng do sản phẩm đáy mang đi:
Cw: nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy ở tw = 116,7 0 C
Tra bảng I.153 (I-171) kết hợp phương pháp nội suy ta được
J/Kg.độ Thay số ta có:
Vậy nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang đi
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra ngoài
Gng2 – lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt (Kg/h)
C2 – nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/Kg.độ)
Vậy lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp là:
Nhiệt lượng mất mát ra môi trường:
5.3.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ
Nếu chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu
(198-2) lượng nước lạnh cần tiêu tốn là Gnl
Trong đó: r - ẩn nhiệt ngưng tụ J/Kg
Cn – nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t2,t1 – nhiệt độ ra và vào của nước làm lạnh
Vậy nhiệt độ trung bình:
Tại ttb = 35 0 C tra bảng nhiệt dung riêng I.153 (171-1)
Nội suy Cn = 4176,25 (J/Kg.độ)
Nội suy r = 582,125 (Kcal/Kg) = 2437,24095 (Kj/Kg)
Vậy lượng nước lạnh cần tiêu tốn
Nếu ngưng tụ hoàn toàn
Vậy lượng nước lạnh cẩn tiêu tôn
5.4.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh
Nếu trong thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu Áp dụng công thức:
CP: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/Kg.độ t1 ’, t2 ’ : nhiệt đọ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ.
Gn3 : lượng nước làm lạnh
Tra bảng nhiệt dung riêng I.153
CP = aP.CA + (1-aP).CB
Tra bảng nhiệt hóa hơi của I.212 (254-1)
Nội suy rn = 576,3 kcal/kg $12,85.10 3 J/Kg.độ
Vậy lượng nước lạnh cần dùng là:
Nếu ngưng tụ hoàn toàn.
TÍNH THIẾT BỊ PHỤ
Thiết bị gia nhiêt hỗn hợp đầu
Để đun nóng hỗn hợp gồm 0,31 phần nước và 0,69 phần axit axetic với năng suất 13.500 kg/h, ta giả định dung dịch có nhiệt độ ban đầu 25°C và cần đạt nhiệt độ sôi 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 ống
Chiều dày thành ống Đường kính trong của ống
Dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống
Chọn vật liệu chế tạo ống là thép không gỉ
Theo bảng I-148, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 2at, có ts 9,6 0 C
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
Do do đó áp dụng sau để tính nhiệt độ trung bình
Nhiệt độ trung bình của hơi đốt tbh1 = 119,6 0 C
Nhiệt độ trung bình của dunbg dịch là tbh2 = ttb1 - 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 tbh2 75,0733 o C được
J/Kg.độ 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 = 2876,06 (J/Kg.độ)
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
Tdd – nhiệt độ dung dịch: tdd = ttb2 = 75,0733 0 C
:hiệu số giữa hơi đốt và mặt ngoài ống = th – tT1
:hiệu nhiệt độ giữa mặt trong ống và dung dịch
: hiệu nhiệt độ giữa mặt ngoài ống và mặt trong ống( 0 C)
= tT1 – tT2 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 hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ hệ số cấp nhiệt phía dung dịch
3.1.Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ
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 th = 119,6 °C, hệ số hiệu chỉnh giữa hơi đốt và mặt ngoài ống được tính là r = 526,28 Kcal/Kg, tương đương với 2203,431 x 10^3 J/Kg.
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)
- 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:
Tra bảng V.2 STQTTB (145-2) Ứng với:
- hệ số cấp nhiệt phía dung dịch (W/m 2 độ)
L – kích thước hình học chủ yếu l = d0 = 0,025 (m)
- hệ số dẫn nhiệt của dung dịch (W/m.độ)
A – hệ số phụ thuộc mức độ kiên kết của dung dịch
CP – nhiệt dung riêng của dung dịch (J/Kg.độ) : CP = 2876,06
- 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 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)
M = xF.MA + (1-xF).MB = 18.0,5996 + (1-0,5996).60 = 34,8168 (Kg/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 - 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:
= 0,4577.10 -3 N.s/m 2 Thay số vào ta được: Pr 3.2.4 Pr t : chuẩn số Pran tính theo nhiệt độ tường với CP = 91,2108.10 6
3.3.5 Tính tải nhiệt trung bình
Gọi - nhiệt độ trênh lệch giữa thành ống và nhiệt độ trung bình của hơi nước bão hòa
tm theo bảng số liệu A – tm STQTVTB (II-129)nội suy ta có:
A vậy hệ số cấp nhiệt phía hơi nước bão hòa:
nhiệt tải riêng bên hơi nước bão hòa q1 = = 10413,341.2 = 20826,682
Khi đó hiệu số nhiệt đọ giữa 2 bề mặt thành ống được xác định theo công thức sau
Tổng nhiệt trở thành ống
R1 – nhiệt trở lớp cặn bẩn bám bên ngoài thành ống: r1 = 0,232.10 -3 (m 2 độ/W)
R2 – nhiệt trở lớp cặn bám bên trong thành ống: r2 = 0,387.10 -3 (m 2 độ/W)
- chiều dày thành ống: (mm) = 2,5.10 -3 (m)
- hệ số dẫn nhiệt của thành ống: (W/m.độ)
Theo bảng (I-101) STQTTB (91-1), với nhiệt đọ dung dịch tT2 = 101,5134 0 C Nội suy ta được:
Thay vào công thức ta có;
= 0,3393.10 -3 (N.s/m 2 ) Khối lượng riêng của Nước và Axit Axetic nội suy theo STQTVTB (9- 1) tT2 = 101,5134 0 C
Thay vào công thức ta có:
* Tính 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:
2444,054(J/Kg.độ) Nồng độ hỗn hợp đầu: aF = 0,31
Vậy hệ số dẫn nhiệt là:
3.2.6 Diện tích trao đổi nhiệt được xác định theo công thức sau:
Số ống truyền nhiệt cần dùng là:
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 : 15
Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân : 169 ống Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt:
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
Trong đó : G – khối lượng hỗn hợp đầu Kg/h G = 13500 (Kg/h)
- khối lượng riêng của hỗn hợp đầu d – đường kính trong của ống thay số ta có:
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
Ta quy chuẩn thành 4 ngăn
Khi chia lai ngăn ta tính lại chuẩn số Re 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, 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 Trong đó F: năng suất hỗn hợp đầu F = 13500 (Kg/h)
: 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
, Kg/m 3 khối lượng riênh trung bình là :
1028,0135 (Kg/m 3 ) d : đường kính ống dẫn d = 0,1 m thay số ta có : w = = (m/s) trở lực tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên ống đẩy và hút:
Hm Trong đó : áp suất toàn phần để thắng tất cả sức cản thúy lực trên dường ống khi dòng chảy đẳng nhiệt : (376-1)
Áp suất đẩy cần thiết để tạo ra tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống dẫn là yếu tố quan trọng trong hệ thống ống Đồng thời, áp suất cũng phải đủ để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng.
: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ
: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị
: áp suất bổ xung đường ống
Áp suất để thắng trở lực ma sát :
L- chiều dài ống từ thùng chứa đến thùng cao vị chọn L = 12 m dtd- đường kính tương đương dtd = 0,1 m
- hệ số trở lực ma sát xác định theo công thức khi Re >10 4
(380-2) Chọn chiều dài ống là 12m, chất liệu làm bằng thép không gỉ có
Trong đó là độ nhám tương đối:
Vậy độ nhớt trung bình của hỗn hợp là :
Ta có chuẩn số reynol là : Re 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
- hệ số trở lực cục bộ toàn bộ đường ống được xác định
- hệ số trở lực của khuỷu 90 0 do 3 khuỷu 30 0 tạo thành chọn hệ số a/b = 1 tra bảng ta có 0,3 ở đây có 2 khuỷu 90 0
- hệ số trở lực do van tiêu chuẩn mở hoàn toàn theo STQTVTB (394-2 ) ta có
Vậy tổng trở của đường ống này là : = =2.0,3 + 2.4,7 = 10 Áp suất cần thiết để khăc phục trở lực cục bộ là:
1.2.Trở lực trong ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Áp suất động học là:
Tại 25 0 C ta có theo STQTVTB (9-1) ta có khối lượng riêng của nước và axit axetic.
Dùng phương pháp nội suy (Kg/m 3 ) khối lượng trung bình: 28,0135 (Kg/m 3 )
Vận tốc dòng chảy trong ống là:
W = , m/s Áp suất động học là: N/m 2
Trở lực ma sát Áp suất để thắng trở lực ma sát :
L- chiều dài ống từ thùng chứa đến thùng cao vị chọn L = 20 m dtd- đường kính tương đương dtd = 0,1 m
- hệ số trở lực ma sát xác định theo công thức khi Re >10 4
(380-1) Chọn chiều dài ống là 20m, chất liệu làm bằng thép không gỉ có
Trong đó là độ nhám tương đối:
Vậy độ nhớt trung bình của hỗn hợp là :
Ta có chuẩn số reynol là : Re vâyl lưu thể chảy ở chế độ chảy xoáy, hệ số trở lực được xác định theo công thức trên:
Trong đó: tổng hệ số trở lực cục bộ
+ trở lực đột thu từ thùng cao vị vào ống: với cạnh nhẵn thì = 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
+ trở lực do van: trên đường ống chọn 1 van tiêu chuẩn mở hoàn toàn
STQTVTB (I-394 ) + trở lực do 2 khuỷu 90 0 do 3 khuỷu 30 0 tạo thành: chọn a/b = 1 thì
Vậy tổng tổn thất cục bộ là:
1.3.Trở lực từ thiết bị gia nhiệt đến tháp Áp suất động học là :
Trong đó: - khối lượng riêng của dung dịch sau khi ra nhiệt (Kg/m 3 )
Trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp, nhiệt độ sôi đạt 103,3 °C, khối lượng riêng của nước và axit axetic được tra cứu theo bảng I.2 STQTVTB Sử dụng phương pháp nội suy, khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp được tính toán là (Kg/m³).
(Kg/m 3 ) Vận tốc dung dịch trong ống là:
Áp suất động học là : (N/m 2 )
Trở lực ma sát Áp suất để thắng trở lực ma sát là: (N/m 2 )
Trong đó các hệ số được xác định tại tf= 103,3 0 C
Ta có : chọn khoảng cách từ thiết bị gia nhiệt đến tháp là L = 2m dtd – đường kính ống dẫn dung dịch vào trong tháp dtd = 0,1 m
- độ nhớt của hỗn hợp tại nhiệt độ sôi tra theo STQTVTB (91-1)
Nội suy ra ta có : N.s/m 2
Nồng độ dung dịch đầu vào là: xF = 0,5996 độ nhớt của hỗn hợp là:
Re Chế độ chảy xoáy
Xác định theo công thức II-464 Chọn chiều dài ống là 2m, chất liệu làm bằng thép không gỉ có
Trong đó là độ nhám tương đối:
Trở lực cục bộ Áp suất để thắng trở lực cục bộ
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
0,3 nếu chọn a/b = 1 theo STQTVTB (394-1) 0,5 trở lực ống đột thu, với cạnh nhẵn thì 0,5
Vậy trở lực cục bộ :
1.4 Trở lực trong thiết bị gia nhiệt Áp suất động học là:
Trong đó: w + w: vận tộc lưu thể đi trong thiết bị gia nhiệt
+ n :số ống trong thiết bị m = 169 ống
+ : khối lượng riêng của hỗn hợp ở tF = 103,3 0 C
Theo phần trên ta có : (Kg/m 3 )
Trở lực ma sát Áp suất để thắng trở lực ma sát là:
Trong đó các hệ số được xác định tại tf= 103,3 0 C
Ta có : chiều dài tương đương trong thiết bị gia nhiệt L = 3.2m= 6m dtd – đường kính trong của ống truyền nhiệt d0 = 0,025 m
- độ nhớt của hỗn hợp tại nhiệt độ sôi tra theo STQTVTB (91-1)
Nội suy ra ta có : N.s/m 2
Nồng độ dung dịch đầu vào là: xF = 0,5996 độ nhớt của hỗn hợp là:
Re Chế độ chảy xoáy
Xác định theo công thức II-464 chiều dài ống là 6m, chất liệu làm bằng thép không gỉ có
Trong đó là độ nhám tương đối:
Trở lực cục bộ Áp suất để thắng trở lực cục bộ
Dung dịch trong thiết bị gia nhiệt ống chùm có hướng chảy đa dạng khi vào và ra ống truyền nhiệt, với sự xuất hiện của các đột mở và đột thu.
Tiết diện ống dẫn dung dịch ra và vào thiết bị
Tiết diện ở khoảng trống 2 đầu thiết bị
Tiết diện ống truyền nhiệt trong mỗi ngăn là:
Khi chất lỏng chảy vào khoảng trống mỗi ngăn ( đột mở)
Khi chất lỏng chảy từ khoảng trống vào ngăn (đột thu)
Khi chất lỏng chảy từ ngăn ra khoảng trống (đột mở)
Khi chất lỏng trảy ra khỏi thiết bị (đột thu)
Tra bảng N 0 13 nội suy ta được
=4,483.17,1093v,701 (N/m 2 ) Áp suất trở lực thủy tĩnh :
1.5.Chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu
Theo phương trình Bernoulli, khi xem xét mặt cắt 1-1 và 2-2 so với mặt cắt chuẩn 0-0, ta thấy rằng chất lỏng chảy từ mặt cắt 1-1 sẽ giảm dần theo chiều cao Chất lỏng chỉ có thể chảy trong ống từ mặt cắt 1-1 khi đạt đến một độ cao nhất định.
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: - khối lượng riêng của hỗn hợp đầu ở 25 0 C
Khối lượng riêng của Nước và Axit Axetic bảng I.2 STQTVTB (9-1) theo t% 0 C
khối lượng riêng trung bình là :
1028,0135 (Kg/m 3 ) khối lượng riêng của hỗn hợp ở tF = 103,3 0 C vậy khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp là:
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)
Trong đó: HC - chiều cao đoạn chưng
Hb – chiều cao bệ đặt tháp ta chọn Hb = 1m
- chiều cao đáy chọn m Vậy Hđ = HC + (H1 – H2) + Hb +
= 9,1625 (m) Áp suất toàn phần là: 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 : (m)
Công suất yêu cầu trên bơm là:
STQTVTB (439-1) Trong đó: năng suất bơm khối lượng riêng của hỗn hợp đầu vào (Kg/m 3 ) áp suất toàn phần của bơm (m) hiệu suất chung của bơm.
Hiệu suất thể tích của bơm được xác định bởi sự hao hụt chất lỏng từ áp suất cao xuống áp suất thấp, cùng với sự rò rỉ qua khe hở Hiệu suất thủy lực tính đến ma sát và sự tạo dòng xoáy trong quá trình bơm, trong khi hiệu suất cơ khí xem xét 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:
Vậy công suất yêu cầu trên bơm là :
Công suất động cơ là
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 phần quan trọng trong thiết bị hóa chất, và việc lựa chọn vật liệu cũng như 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, nên vật liệu được chọn là thép không gỉ X18H10T Đây là loại vật liệu bền và chịu nhiệt, được chế tạo bằng cách cuốn tấm thép với kích thước đã định và hàn giáp mối lại.
Chiều dày thân tháp được xác định theo công thức sau
Dt – đường kính trong của thân hình trụ (m)
- 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:
Với Plv áp suất làm việc , N/m 2
Ptt áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng , N/m 2
Tính Ptt Với H : chiều cao max của cột chất lỏng (m)
: 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:
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 khi kéo và khi chảy, theo công thức cụ thể.
Trong đó: nk nc: là hệ số an toàn theo giới hạn bền và khi chảy
: giới hạn bền khi kéo và khi chảy, N/m 2
: hệ số hiệu chỉnh, đây là thiết bị loại II không bị đốt nóng trực tiếp Tra bảng XIII.3 STQTVTB (II-356) ta có nk = 2,6 ; nc = 1,5
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 theo giá trị nhỏ hơn, nên N/m 2
Chúng tôi thiết kế hàn bằng phương pháp hàn tay sử dụng hồ quang điện, với kiểu hàn giáp mối hai bên thành có lỗ Phương pháp này được gia cố hoàn toàn và tuân thủ theo tiêu chuẩn STQTVTB (362-2).
Ta lập tỉ số 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 0,05-0,1mm/năm
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:
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:
Trong đó P0 là áp suất thử tính toán
Với Ptt- áp suất thử thủy lực , vì P &4089,71 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 - khối lượng riêng của chất lỏng ở nhiệt độ trung bình g – gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s 2
Nồng độ trung bình của hỗn hợp ở trong tháp : phần mol
Nội suy theo bảng IX.2a STQTVTB (148-2)
Nội suy khối lượng riêng của Nước và Axit Axetic theo STQTVTB (9-1)
Kg/m 3 Vậy khối lượng trung bình của hỗn hợp là
Ta thấy 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 (m/s)
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 : , Kg/m 3
Do sản phẩm đỉnh tự chảy về hồi lưu lên vận tốc được tra theo II-2 STQTVTB (370-1)
(m/s) ta chọn (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 (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 (m/s)
Nội suy ta có: 945,475 (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 quan trọng, thường được chế tạo từ cùng loại vật liệu như thân tháp Đối với thiết bị thẳng đứng có áp suất lớn hơn 7.10^4, đáy và nắp nên có hình elip với gờ, đảm bảo tính an toàn và hiệu suất làm việc của thiết bị.
: hệ số bền mối hàn; k: hệ số hiệu chỉnh hb: chiều cao nắp
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)
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 bằng công thức k = 1 - (385 - 2), trong đó d là đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng, không phải hình tròn Do đường kính ống ở đáy và nắp khác nhau, cần tính toán hệ số k cho cả đáy và nắp.
ở đáy: đường kính ống tháo sản phẩm đáy là d = 100 mm = 0,1m nên k ở nắp: đường kính ống đãn sản phẩm đỉnh là d= 200 mm = 0,2 m nên k ta có : = 146,67.10 6 (N/m 2 ) xét: + ở đáy :
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.
Kiểm tra với nắp thay số vào ta có: (382-2)
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 :
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 = bích
Số bích đoan chưng là = 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
Tháp thường được đặt trên một giá đỡ gọi là chân tháp Để xác định chân đỡ, cần phải biết tổng tải trọng của toàn bộ thiết bị được đặt lên đó.
Ta có: Mtb = Mt + Mnắp + Mđáy + Mc.lỏng + Mthêm + Mđĩa (Kg)
Khối lượng nắp và đáy tra bảng XIII.11 STQTVTB (384-2)
Mđiaz = Ntt.mđĩa = Ntt đĩa.Vđĩa Kg
Trong đó: 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
: chiều dày đĩa ta chọn là 5 mm
Khối lượng đĩa toàn tháp là:
Khối lượng của chất lỏng trên đĩa Mc.lỏng
Mc.lỏng Trong đó: giả sử chứa toàn bộ chất lỏng như hỗn hợp đầu
Mc.lỏng : khối lượng riêng trung bình của chất lỏng trong tháp
(Kg/m 3 ) V: thể tích toàn tháp
Vđĩa: bằng thể tích tự do của đĩa lỗ
Vậy khối lượng của chất lỏng trên đĩa:
= 75730,1685(Kg) Khối lượng thân tháp
Mt =ML + MC Trong đó :Vt 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
N phéplên bề mặt đỡ q.10 6 N/ m 2 treo mm Kg
Tính giá đõ và tai treo
Loại tháp: tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyển.với năng suất 13,5 tấn/h. Đường kính tháp : D = 2,4 (m).
Số đĩa lí thuyết : N = 31 đĩa.
Số đĩa thực tế : N = 41 đĩa.
Quy trình công nghệ tính toán cho thấy rằng việc giải nhiệt cho sản phẩm đỉnh và đáy chưa được tận dụng hiệu quả để gia nhiệt cho dòng nhập liệu Mặc dù việc tận dụng nhiệt có thể nâng cao hiệu quả và tiết kiệm năng lượng, nhưng thực tế cho thấy không đủ nhiệt để đạt trạng thái lỏng sôi mà không cần thêm thiết bị và đường ống, từ đó làm tăng chi phí cho phân xưởng Vấn đề này rất quan trọng và cần được quan tâm hơn nữa Đồ án môn học đã giúp tôi tích lũy kinh nghiệm trong việc tính toán và thiết kế hoàn chỉnh quy trình sản xuất.