đồ án chưng luyện acid axetic 1

Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sảnphẩm:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít các cấu tửcó độ bay hơi lớn..  Tháp mâm: thân tháp

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm Vì thế, các

phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi

mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng

cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự

lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ Nước – Axit axetic là 2

cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để

nâng cao độ tinh khiết

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học

tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ

thể về: quy trình công nghêä, kết cấu, giá thành của một thiết bị

trong sản xuất hóa chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh

viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải

quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 500l/h, nồng độ nhập liệu là 8%(kg

axit/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đỉnh là 95,5%(kg nước/kg hỗn

hợp), nồng độ sản phẩm đáy là 28%(kg axit/kg hỗn hợp) Sử dụng

hơi đốt có áp suất 2,5at

 Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai phanhư trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nênbằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

 Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuynhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môivà chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệkhác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bayhơi

 Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thuđược bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sảnphẩm:

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít các cấu tửcó độ bay hơi lớn

 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử cóđộ bay hơi bé

Đối với hệ Nước – Axit axetic thì:

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước

 Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic

2 Các phương pháp chưng cất:

2.1 Phân loại theo áp suất làm việc:

- Áp suất thấp

- Áp suất thường

- Áp suất cao

2.2 Phân loại theo nguyên lý làm việc:

- Chưng cất đơn giản

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp

- Chưng cất

2.3 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:

- Cấp nhiệt trực tiếp

- Cấp nhiệt gián tiếp

nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.

3 Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuynhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếpxúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưuchất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phântán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là thápmâm và tháp chêm

 Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạokhác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo củađĩa, ta có:

- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…

- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

 Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bíchhay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiênhay xếp thứ tự

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

Ưu

điểm

- Cấu tạo khá đơn giản

- Trở lực thấp

- Làm việc được với chất lỏng

bẩn nếu dùng đệm cầu có ρ≈ρ

của chất lỏng

- Trở lực tương đối thấp

- Hiệu suất khá cao - Khá ổn định.- Hiệu suất cao

Nhược

điểm

- Do có hiệu ứng thành → hiệu

suất truyền khối thấp

- Độ ổn định không cao, khó vận

hành

- Do có hiệu ứng thành → khi

tăng năng suất thì hiệu ứng thành

tăng → khó tăng năng suất

- Thiết bị khá nặng nề

- Không làm việc được với chất lỏng bẩn

- Kết cấu khá phức tạp

- Có trở lực lớn

- Tiêu tốn nhiềuvật tư, kết cấuphức tạp

Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Nước – Axit axetic.

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU :

1 Axit axetic:

1.1 Tính chất:

 Là 1 chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng, trọng lượng riêng 1,0497 (ở 20oC)

 Khi hạ nhiệt độ xuống 1 ít đã đông đặc thành 1 khối tinh thể có To

nc = 16,635 –0,002o, Tosôi = 118oC

 Tan trong nước, rượu và ete theo bất kỳ tỷ lệ nào

Tính ăn mòn kim loại:

 Axit axetic ăn mòn sắt

 Nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, nó đề kháng tốt đối với axit axetic đặc và thuầnkhiết Đồng và chì bị ăn mòn bởi axit axetic với sự hiện diện của không khí

 Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối với axit axetic

1.2 Điều chế:

Axit axetic được điều chế bằng cách:

1) Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là một giai đoạn trung gian Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic.

CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH

C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O

2) Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ acetylen.

Sự oxy hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban axetat.Người ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80oC để ngăn chặn sự hình thànhperoxit Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết Người ta đạt được như thế rất dễ dàngsau khi chế axit axetic kết tinh được

CH3CHO + ½ O2 Cobanaxetatở80o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 cồnmetylic qua xúc tác

Nhiệt độ từ 200 – 500oC, áp suất 100 – 200atm:

 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 màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp

 Axetat nhôm dùng làm chất cắn màu (mordant trong nghề nhuộm)

 Phần lớn các ester axetat đều là các dung môi, thí dụ: izoamyl axetat hòa tan đượcnhiều loại nhựa xenluloza

 Khối lượng phân tử : 18 g / mol

 Khối lượng riêng d40 c : 1 g / ml

 Nhiệt độ nóng chảy : 00C

 Nhiệt độ sôi : 1000 C

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) vàrất cần thiết cho sự sống

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rấtquan trọng trong kỹ thuật hóa học

Chương 2

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

11 Thiết bị đun sôi đáy tháp

12 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

13 Bồn chứa sản phẩm đáy

14 Bộ phận chia dòng

15 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

1 2

6 7

Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 92% (theo phần khối lượng), nhiệt độkhoảng 250C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Sau đó,hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (4), rồi đượcđưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu.

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảyxuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc vàtrao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dướicàng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi cuốncấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lênthì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là axit axetic sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thuđược hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất (có nồng độ 99,5% phần khối lượng) Hơinày đi vào thiết bị ngưng tụ (9) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần của chất lỏngngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấpđược bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuốicùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (axit axetic).Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 72% phần khối lượng, còn lại là axit axetic Dungdịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (11) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phầnsẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun đi quathiết bị làm nguội sản phẩm đáy (12), được làm nguội đến 400C, rồi được đưa qua bồnchứa sản phẩm đáy (13)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước được thải bỏ, sản phẩm đáylà axit axetic được giữ lại

Chương 3

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ

Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước

)mol/g(60MCOOHCH

:axeticAxit

N 2

A 3

 Năng suất nhập liệu: GF = 0.5 (m3/h)

 Nồng độ nhập liệu:  F = 92% (kg nước/ kg hỗn hợp)

 Nồng độ sản phẩm đỉnh:  D = 99.5% (kg nước/ kg hỗn hợp)

 Nồng độ sản phẩm đáy:  W = 72% (kg nước/ kg hỗn hợp)

 Chọn:

 Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 25oC

 Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

Đối với thiết bị đun sôi đáy tháp :

 Aùp suất hơi đốt : Ph = 2.5at

Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy :

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 40oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 25oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 35oC

Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh :

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 25oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40oC

 Các ký hiệu:

 GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h

 GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

 GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

 xi, xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH và SẢN PHẨMĐÁY THU ĐƯỢC :

Tra bảng 1.249, trang 310, [5]

⇒ Khối lượng riêng của nước ở 25oC: ρN = 996,5 (kg/m3)

Tra bảng 1.2, trang 9, [5]

⇒ Khối lượng riêng của axit axetic ở 25oC: ρAL = 1042,75 (kg/m3)

Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [5]:

75,1042

08.05,996

92,0

A

FA N

FN

hh

x x

ρρ

Năng suất nhập liệu : GF = 0,5 (m3/h) × 1000 (kg/m3) = 500 (kg/h)

Đun gián tiếp :

W D F

xGxGxG

GGG

⇔

F D

W W

F

D W

D

F

xx

Gx

x

Gx

W

x x

x x

(kg/h)Và: GW = GF – GD = 500 – 363,64 = 136,36 (kg/h)

III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC :

1 Nồng độ phần mol:

=

−+

=

−+

=

60

92,0118

92,

92,01

A

F N

F

N F F

M

x M

=

−+

=

60

72,0118

72,

72,01

A

W N

W

N W W

M

x M

=

−+

=

60

955,0118

995,

995,01

A

D N

D

N D D

M

x M

x

M

x

2 Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu:

8955,09746,0

8955,09985,0

W D

F D

x y

y x

Tỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 3,2562

IV XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA :

Coi lưu lượng mol của các dòng pha đi trong mỗi đoạn tháp (chưng và luyện) là không đổi

1 Tại đỉnh tháp:

Vì tại đỉnh tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau

⇒ Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đỉnh tháp là bằng nhau:

MHD = MLD = xD MN + (1 – xD) MA

= 0,9985 18 + (1 – 0,9985) 60 = 18,063 (kg/mol)Suất lượng khối lượng của dòng hơi tại đỉnh tháp:

2 Tại mâm nhập liệu:

Khối lượng mol của dòng nhập liệu:

n’LF = L + F = 65,55 + 26,223 = 91,773 (kmol/h)

nHF = nHD = 85,684 (kmol/h)

3 Tại đá y tháp:

Vì tại đáy tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau

⇒ Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đáy tháp là bằng nhau:

MHW = MLW = xW MN + (1 – xW) MA

= 0,8955 18 + (1 – 0,8955) 60 = 22,389 (kg/mol)Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy:

nLW

W

nHW

TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT

Chọn hơi đốt là hơi nước ở 2,5at

Tra bảng 1.251, trang 314, [5]:

 Nhiệt hóa hơi: rH2O= rn = 2189500 (J/kg)

 Nhiệt độ sôi: tH2O= tn = 126,25 (oC)

Dòng sản phẩm tại đáy có nhiệt độ:

 Trước khi vào nồi đun (lỏng): tS1 = 100,6315 (oC)

 Sau khi được đun sôi (hơi): tS2 = 100,966 (oC)

Cân bằng nhiệt cho toàn tháp:

1.1 Nhiệt dung riêng:

Tra bảng 1.249, trang 310, [5]

Nhiệt dung riêng của nước ở 100,009 oC = 4,220012 (kJ/kg.K)

Nhiệt dung riêng của nước ở 100,1524 oC = 4,220198 (kJ/kg.K)

Nhiệt dung riêng của nước ở 100,6315 oC = 4,220821 (kJ/kg.K)

Tra bảng 1.154, trang 172, [5]

Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 100,009 oC = 2,430047 (kJ/kg.K)

Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 103,1524 oC = 2,4308 (kJ/kg.K)

Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 100,6315 oC = 2,433315 (kJ/kg.K)

1.2 Enthalpy:

• hFS = ( 0,92 4,220198 + 0,08 2,4308 ) 100,1524 = 408,326 (kJ/kg)

• hWS = ( 0,72 4,220821 + 0,28 2,433315 ) 100,6315 = 374,381 (kJ/kg)

• hDS = ( 0,995 4,220012 + 0,005 2,430047 ) 100,009 = 421,144 (kJ/kg)

1.3 Nhiệt hóa hơi:

Tra bảng 1.250, trang 312, [5]

Nhiệt hóa hơi của nước ở 100,009 oC = rN = 2261,326 (kJ/kg)

Dùng toán đồ 1.65, trang 255, [5]

Nhiệt hóa hơi của axit axetic ở 100,009oC = rA = 100 (Kcal/kg) = 418,6 (kJ/kg)

Tra bảng 1.251, trang 314, [5]

Nhiệt hóa hơi của nước ở 2,5 at = rH2O= 2189,5 (kJ/kg)

Nên: rD = 0,995 2261,326 + 0,005 418,6 = 2252,112 (kJ/kg)

Nhiệt lượng cần cung cấp:

Qđ = (R+1)GDrD +GD(hDS0,−95hFS)+GW(hWS−hFS)

= 3481914,263 (kJ/h)Nếu dùng hơi nước bão hòa (không chứa ẩm) để cấp nhiệt thì: Qđ = GH2O.rH2O

Vậy lượng hơi nước cần dùng là :

O H

đ O H

Cân bằng nhiệt: Q = GW(hWS – hWR) = Gn (hR – hV)

Nhiệt dung riêng của nước ở 40oC = 4,178 (kJ/kg.K)

Nhiệt dung riêng của axit ở 40oC = 2,1(kJ/kg.K)

Nên: hWR = (0,72 4,178 + 0,28 2,1) 40 = 143,8464 (kJ/kg)

Tra bảng 1.250, p312, ST I ⇒ Enthalpy của nước ở 25oC : hV = 104,75 (kJ/kg)

⇒ Enthalpy của nước ở 35oC : hR = 146,65 (kJ/kg)Lượng nhiệt trao đổi: Q = GW(hWS – hWR) = 31435,7 (kJ/h)

Suất lượng nước lạnh cần dùng:

V R

QG

−

= = 750,255 (kg/h)

Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Chọn:

 Nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào tV = 25oC và nhiệt độ ra tR = 40oC

 Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 100,009 (oC)

Cân bằng nhiệt: Qnt = (R + 1)GDrD = Gn (hR – hV)

Nên: Qnt = (R + 1)DrD = 3485616,314 (kJ/h)

Tra bảng 1.250, p312, ST I ⇒ Enthalpy của nước ở 25oC : hV = 104,75 (kJ/kg)

⇒ Enthalpy của nước ở 40oC : hR = 167,6 (kJ/kg)Lượng nước cần dùng:

V R

nt

QG

 Hơi ngưng tụ đi trong ống ngoài có áp suất 2,5at:

 Nhiệt hóa hơi: rH2O= rn = 2189500 (J/kg)

 Nhiệt độ sôi: tH2O= tn = 126,25 (oC)

Tra bảng 1.249, trang 310, [5]

⇒ Nhiệt dung riêng của nước ở 25oC = 4,178(kJ/kg.K)

Tra bảng 1.154, trang 172, [5]

⇒ Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 25 oC = 2,0205 (kJ/kg.K)

⇒ hFV = cF.tFV = [xFcN+(1−xF)cA]tFV = (0,92 4,178 + 0,08 2,0205) 25

= 100,135 (kJ/kg)Cân bằng nhiệt: Q = GF(hFS – hFV) = Gnrn

TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH (Tháp mâm xuyên lỗ)

Phương trình đường làm việc :

Phần luyện:

12562,3

9985,012562,3

2562,31

30215,111

2562,3

30215,12562,31

1

+

−++

+

=+

−++

+

R

f x R

f R

= 1,071x – 0,06357

1 Phần luyện:

1.1 Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần luyện:

Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện:

2

9746,09985,02

Dựa vào hình 2

⇒ Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện: TLL = 100,08 (oC)

Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện:

2

92,0995,02

Tra bảng 1.249, trang 310, [5]

⇒ Khối lượng riêng của nước ở 100,08oC: ρNL = 958,341 (kg/m3)

Tra bảng 1.2, trang 9, [5]

⇒ Khối lượng riêng của axit axetic ở 100,08oC: ρAL = 957,856 (kg/m3)

Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [5]:

856,957

9575,01341,958

9575,01

AL

L NL

L

LL

x x

ρρ

1.2 Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:

Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện:

yL = 0,765xL + 0,2346 = 0,765 0,9865 + 0,2346 = 0,98927

Dựa vào hình 2

⇒ Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần luyện: THL = 100,092 (oC)

Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện :

MHL = yL MN + (1 – yL) MA

= 0,98927.18 + (1 – 0,98927) 60 = 18,45 (kg/kmol)

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:

)273092,100(273

4,22

45,181

RT

PM

ρ

= 0,6027 (kg/m3)

Hình 2: Giản đồ T – x,y của hệ Nước – Axit axetic

1.3 Tính vận tốc pha hơi đi trong phần luyện:

Tra bảng IX.4a, trang 169, [6] :Với đường kính tháp trong khoảng 0,8 ÷ 0,9(m) thì

khoảng cách mâm là: ∆h = 300 (mm) = 0,3 (m)

Tra đồ thị 6.2, trang 256, [4] ⇒ C = 0,032

Vận tốc pha hơi đi trong phần luyện:

6027,0

32,958032,0

1.4 Tính đường kính phần luyện:

Suất lượng mol của pha hơi trong phần luyện: nHL = nHD = 85,684 (kmol/h)

Suất lượng thể tích của pha hơi trong phần luyện:

13600

)273092,100(273

4,22684,85

Đường kính phần luyện:

276,1

7286,044

φ

L

HL L

Vận tốc pha hơi trong phần chưng và phần luyện theo thực tế:

2

7295,044

L

Q

=1,284 (m/s)

Phần chưngSố mâm lý thuyết : 7

Phần luyện

Đường chưng :

Y = 1,071x – 0,06357

Hình 3: Đồ thị số mâm lý thuyết

1 Phần luyện:

Dựa vào hình 3 ⇒ Số mâm lý thuyết phần luyện: nltL = 19

1.1 Tính hiệu suất mâm:

Tại nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần luyện THL = 100 092oC ,

• Tra bảng 1.250, trang 312, [5]

⇒ Aùp suất hơi bão hòa của nước PNL = 1,03666 at = 761,945 (mmHg)

• Tra hình XXIII, trang 466, [4]

⇒ Aùp suất hơi bão hòa của axit axetic PAL = 415,73 (mmHg)

Nên: = = 761413,945,73

AL

NL L

P

P

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 100,08oC ,

• Tra bảng 1.104, trang 96, [5] ⇒ Độ nhớt của nước µNL = 0,2836344 (cP)

• Dùng toán đồ 1.18, trang 90, [5] ⇒ Độ nhớt của axit axetic µAL = 0,4 (cP)

⇒ Độ nhớt của hỗn hợp lỏng:

lgµhh = x1lgµ1 + x2lgµ2 (công thức (I.12), trang 84, [5])

Tra hình 6.4, trang 257, [4] ⇒ EL = 0,56

Vì tháp có đường kính φ = 0,85m < 0,9m nên không cần hiệu chỉnh lại giá trị EL

1.2 Tính số mâm thực tế phần luyện:

3 Chiều cao tháp:

Số mâm thực tế của toàn tháp: ntt = nttL + nttC = 34 + 13 = 47

Chiều cao thân tháp: Hthân = (ntt –1)∆h + 1 = 13,8 (m)

Chọn đáy (nắp) ellip tiêu chuẩn có hφt

= 0,25 ⇒ ht = 0,25 0,85 = 0,2125 (m)Chọn chiều cao gờ: hg = 50mm = 0,05 (m)

Chiều cao đáy (nắp): Hđn = ht+ hg = 0,2625 (m)

Kết luận:

Chiều cao toàn tháp: H = Hthân + 2Hđn = 13,8 + 2 0,2625 = 14,325 (m)

III TRỞ LỰC THÁP :

1 Cấu tạo mâm lỗ:

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:

 Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm

 Đường kính lỗ: dlỗ = 3mm = 0,003 (m)

 Chiều cao gờ chảy tràn: hgờ = 50mm = 0,05 (m)

 Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm

 Lỗ bố trí theo hình lục giác đều

 Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 7mm

 Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T

Số lỗ trên 1 mâm:

N =

2 2

003,0

85,008,008

,0

mâm

d S

Gọi a là số hình lục giác

Áp dụng công thức (V.139), trang 48, [6]: N = 3a(a+1) +1

Giải phương trình bậc 2 ⇒ a = 46 ⇒ N = 6487 (lỗ)

Số lỗ trên đường chéo: b = 2a + 1 = 93 (lỗ)

2 Trở lực của đĩa khô:

Aùp dụng công thức (IX.140), trang 194, [6]:

2

.'

284,1

%

8ωL =

= 16,05 (m/s)Nên: ∆PkL =

2

6027,0.05,1682,1

2

= 141,284 (N/m2)2.2 Phần cất:

Vận tốc hơi qua lỗ: ω’C =

08,0

285575,

2

67252,0.07,1682,1

2

= 158,044 (N/m2)

3 Trở lực do sức căng bề mặt:

Vì đĩa có đường kính lỗ > 1mm

⇒ Aùp dụng công thức (IX.142), trang 194, [6]: 2

lỗ lỗ 0,08dd

,1

4P

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 100,08oC

• Tra bảng 1.249, trang 310, [5]

⇒ Sức căng bề mặt của nước σNL = 0,58834 (N/m)

• Tra bảng 1.242, trang 300, [5]

⇒ Sức căng bề mặt của axit σAL = 0,019793 (N/m)

Aùp dụng công thức (I.76), trang 299, [5]:

2 1

2 1 2

1

111

σ+σ

σσ

=σ

⇒σ

+σ

=σ

Nên:

19793,058834,0

019793,

058834,0

×+

4 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra:

Aùp dụng công thức trang 285, [4]:∆Pb = 1,3hbKρLg

Với: hb = hgờ + ∆hl

3 / 2

Trong đó:

 Lgờ : chiều dài của gờ chảy tràn, m

 K = ρb/ρL : tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng của chấtlỏng, lấy gần bằng 0,5

ρ : suất lượng thể tích của pha lỏng, m3/s.

Tính chiều dài gờ chảy tràn:

Ta có: Squạt - S∆ = Sbán nguyệt

2

%202cosR2sinR2

1.22

R

π

=αα

−α

⇔α - sinα = 0,3π

Dùng phép lặp ⇒α = 1,8915 (Rad)

Nên: Lgờ = φsinα2= 0,85 sin

2

8915,1

= 0,6893 (m)4.1 Phần luyện:

Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện:

MLL =

2

067,19063,182

Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:

QLL =

360032,958

565,1855,65

5,06893,085,1

10.5274,3

α

5 Tổng trở lực thuỷ lực của tháp:

Tổng trở lực của 1 mâm trong phần luyện của tháp là:

∆PL = ∆PkL + ∆PσL + ∆PbL = 141,284 + 19,6374 + 346,7227 = 490,4024 (N/m2)

Tổng trở lực của 1 mâm trong phần chưng của tháp là:

∆PC = ∆PkC + ∆PσC + ∆PbC = 158,044 + 19,30517 + 329,481 = 506,83017 (N/m2)

Kiểm tra hoạt động của mâm:

Kiểm tra lại khoảng cách mâm ∆h = 0,3m đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình thường của tháp: ∆h > 1,8 Pg

83017,5068,18

,1

6 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động:

Khoảng cách giữa 2 mâm: ∆h = 300 (mm)

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy

chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức (5.20), trang 120, [2]:

hd = hgờ + ∆hl + ∆P + hd’ , (mm.chất lỏng)Trong đó:

 hgờ : chiều cao gờ chảy tràn (mm)

 ∆hl : chiều cao lớp chất lỏng trên mâm (mm)

 ∆P: tổng trở lực của 1 mâm (mm.chất lỏng)

 hd’ : tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được xác

định theo biểu thức (5.10), trang 115, [2]:

2

d

L '

Q.128,0h

 QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h)

 Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

Sd = 0,8 Smâm = 0,8 4π.0,852 = 0,454 (m2) Để tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì: hd≤ 21∆h = 150 (mm)

6.1 Phần luyện:

 ∆hlL = 6,74.10-3 (m) = 6,74 (mm)

81,932,958

4024,4901000

4024,

2

'

454,0100

360010

.5274,3.128,0

100.128,0

d

S Q

83017,

2

'

454,0100

360010

.5761,1.128,0

100.128,0

Vậy: Khi hoạt động thì mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt

Kết luận: Khi hoạt động tháp sẽ không bị ngập lụt.

7 Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động của mâm.

Tính vận tốc tối thiểu qua lỗ của pha hơi vmin đủ để cho các lỗ trên mâm đều hoạt động:

vminC = 0,67

67252,082,1

)10.94,305,0(96,95781,967,0

)10.74,605,0(32,95881,967,0

⇒ Các lỗ trên mâmđều hoạt động

IV BỀ DÀY THÁP :

1 Thân tháp:

Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hànhồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía Thân tháp được ghép với nhau bằng các mốighép bích

Vì tháp hoạt động ở nhiệt độ cao (>100oC) nên ta phải bọc cách nhiệt cho tháp

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của axit axetic đối với thiết bị,

ta chọn thiết bị thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

1.1 Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán:

Từ xWN = 0,8955, Dựa vào hình 2

⇒ Nhiệt độ sôi của pha lỏng TSL = 100,6315 (oC)

Nhiệt độ sôi của pha hơiTSH = 100,966 (oC)

⇒ tmax =100,966 oC)

Tra bảng 1.249, trang 310, [5]

⇒ Khối lượng riêng của nước ở 100,966oC: ρN = 957,2755 (kg/m3)

Tra bảng 1.2, trang 9, [5]

⇒ Khối lượng riêng của axit axetic ở 100,966oC: ρA = 956,2612(kg/m3)

Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [5]:

2612,956

72,012755,957

72,01

A

W N

W

LW

x x

ρρ

⇒ t = tmax + 20oC = 100,966 + 20 = 120,966 (oC)

 Áp suất tính toán:

Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên: P = Pthủy tĩnh + ∆P

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp:

ρL =

2

96,95732,9582

Vì môi trường axit có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị là trong 20 năm

⇒ Ca = 1 2 = 2 (mm)

Vì vật liệu là X18H10T ⇒ [σ]* = 140 (N/mm2) (Hình 1.1, trang 18, [7])

Vì thiết bị có bọc lớp cách nhiệt ⇒η = 0,95 (trang 26, [7])

Vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía

⇒ϕh = 0,95 (Bảng XIII.8, trang 362, [6])

1.2 Tính bề dày:

1579,0

133]

φ

= 0,5311 ⇒ S’ + Ca = 0,5311 + 2 = 2,5311 (mm)

Quy tròn theo chuẩn: S = 3 (mm) (Bảng XIII.9, trang 364, [6])

Bề dày tối thiểu: Smin = 3 (mm) (Bảng 5.1, trang 128, [7])

⇒ Bề dày S thỏa điều kiện

1.3 Kiểm tra độ bền:

)23(95,01332)(

)(

][2]

[

−+

−

=

a

a h

C S

C S P

φ

ϕσ

= 0,297 > P= 0,1579 (thỏa)

Kết luận: S = 3 (mm)

2 Đáy và nắp:

Chọn đáy và nắp có dạng hình ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10T

Chọn bề dày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp: S = 3 (mm)

Kiểm tra điều kiện:

−ϕσ

=

≤

−

P)CS(R

)CS(][2]P[

125,0D

CS

a t

a h

t a

Trong đó: Dt = φ

Vì đáy và nắp có hình ellip tiêu chuẩn với Dh 0,25

t

t = ⇒ Rt = Dt

⇒ Điều kiện trên được thỏa như đã kiểm tra ở phần thân tháp

Kết luận: Kích thước của đáy và nắp:

 Đường kính trong: Dt = φ = 850 (mm)

 ht = 212,5 (mm)

 Chiều cao gờ: hgờ = 50 (mm)

 Bề dày: S = 3 (mm)

 Diện tích bề mặt trong: Sbề mặt = 0,92 (m2) (Bảng XIII.10, trang 382, [6])

1 Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán:

Chọn bề dày gờ chảy tràn là 3mm

Thể tích của gờ chảy tràn:

V = 0,6893 (50 + 50 + 300 – 20) 3 10-6 = 7,858.10− 4(m3)

Tra bảng XII.7, trang 313, [6]

⇒ Khối lượng riêng của thép X18H10T là: ρX18H10T = 7900 (kg/m3)

Khối lượng gờ chảy tràn: m = VρX18H10T = 6,2078 (kg)

Áp suất do gờ chảy tràn tác dụng lên mâm tròn:

4

mg

Pgờ 2

φπ

=

= 107,32 (N/m2)

Khối lượng riêng của chất lỏng tại đáy tháp: ρLW = 956,9913(kg/m3)

Áp suất thủy tĩnh:

Pthủy tĩnh = ρLWg (hgờ + ∆hlC)

= 956,9913 9,81 (0,05 + 3,94.10− 3) = 506,3933 (N/m2)

⇒ P = 506,3933 + 107,32 = 613,71 (N/m2) = 6,137.10− 4(N/mm2)

Vì môi trường axit có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị là trong 20 năm

⇒ Ca = 1 2 = 2 (mm)

Vì vật liệu là X18H10T ⇒ [σ]* = 140 (N/mm2) (Hình 1.1, trang 18, [7])

 Hệ số điều chỉnh: ϕb = t−td = 73−3= 0,571

2 Tính bề dày: Đối với bản tròn đặc ngàm kẹp chặt theo chu vi:

Ứng suất cực đại ở vòng chu vi:

2

D16

P3

(Công thức 6.36, trang 100, [8])

S

D16

P

b b

max max

=ϕ

σ

=σ

⇔ S

571,014016

10.137,63850]

[16

ϕ

Nên: S + Ca = 3,0198 (mm)

Chọn S = 3 (mm)

Kiểm tra điều kiện bền:

Độ võng cực đại ở tâm:

4 b

o

PRW

W

ϕ

=ϕ

b

2 4 b

o

)1(PR.16

3ES

64

)1(PR12WW

ϕ

µ

−

=ϕ

µ

−

=ϕ

=

Để đảm bảo điều kiện bền thì: Wlo < ½ S

3199990571

,0

)33,01(42510

.137,6.16

VI BÍCH GHÉP THÂN – ĐÁY và NẮP :

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộphận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng:

 Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích này chủ yếu

dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình

 Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng

kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệubền hơn thiết bị

 Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao

Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bíchliền không cổ

Tra bảng XIII.27, trang 417, [6]:

Ứng với Dt = φ = 850 (mm) và áp suất tính toán P = 0,1579 (N/mm2) ⇒ chọn bích cócác thông số sau:

thân

H

= 6,9

⇒ Số mặt bích cần dùng để ghép là: (7 + 1).2 = 16 (bích)

Khoảng cách giữa 2 mặt bích theo thực tế: ∆lbích =

16

8,13

16thân =

H

= 0,8625 (m)Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định Đệm làm bằng các vật liệumềm hơn so với vật liệu bích Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗgồ ghề trên bề mặt của bích Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dâyamiăng, có bề dày là 3(mm)

VII CHÂN ĐỠ THÁP :

1 Tính trọng lượng cùa toàn tháp:

Tra bảng XII.7, trang 313, [6]

⇒ Khối lượng riêng của tháp CT3 là: ρCT3 = 7850 (kg/m3)

Khối lượng của một bích ghép thân:

mbích ghép thân = ( ) (0,98 0,93 ) 0,02 7850

44

2 2

3 2

Khối lượng của thân tháp:

mđáy(nắp) = Sbề mặt .δđáy ρX18H10T = 0,92 0,003 7900 = 21,804 (kg)

Khối lượng của toàn tháp:

m = 16 mbích ghép thân + 47 mmâm + mthân + 2 mđáy(nắp)

= 16 11,776 + 47 11,082 + 876,45 + 2 21,804 = 1626,79(kg)

2 Tính chân đỡ tháp:

Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân

Vật liệu làm chân đỡ tháp là thép CT3

Tải trọng cho phép trên một chân: Gc =

4

81,979,16264

Tra bảng XIII.35, trang 437, [6] ⇒ chọn chân đỡ có các thông số sau:

Thể tích một chân đỡ:

Vchân đỡ ≈ (230 10 195 2 + 160 10 110) 10-9 = 0,001073 (m3)

Khối lượng một chân đỡ: mchân đỡ = Vchân đỡ ρCT3 = 8,423 (kg)

VIII TAI TREO THÁP :

Chọn tai treo: tai treo được gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động trongđiều kiện ngoại cảnh

Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3

Ta chọn bốn tai treo, tải trọng cho phép trên một tai treo: Gt = Gc = 0,5.104 (N)