Thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 3000 kg-h

Thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 3000 kg-h

Chương 1

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 hồn 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 hồn tồn, 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 tốn 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 3000 kg/h, nồng độ nhập liệu là 30% khối

lượng, nồng độ sản phẩm đỉnh là 95,5% khối lượng, nồng độ sản

phẩm đáy là 0,5% khối lượng 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 pha như trongquá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốchơi hoặc ngưng tụ.

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

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

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

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

Vậy: đối với hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp 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 tiếp xúcpha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia.Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào phakhí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và thápchêm

 Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khácnhau, 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 bích hayhàn 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    của

- Do có hiệu ứng thành  khi tăng

năng suất thì hiệu ứng thành tăng

 khó tăng năng suất

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 :

Axit axetic nóng chảy ở 16,6oC, điểm sôi 118oC, hỗn hợp trong nước với mọi tỷ lệ Trongquá trình hỗn hợp với nước có sự co thể tích, với tỷ trọng cực đại, chứa 73% axit axetic (D :1,078 và 1,0553 đối với axit thuần khiết)

Người ta không thể suy ra được hàm lượng axit axetic trong nước từ tỷ trọng của nó,ngoại trừ đối với các hàm lượng dưới 43%

Tính ăn mòn kim loại:

 Axit axetic ăn mòn sắt

 Nhôm bị ăn mòn bởi axit lỗng, nó đề kháng tốt đối với axit axetic đặc và thuần khiết.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

Axit axetic thuần khiết cịn gọi là axit glaxial bởi vì nĩ dễ dàng đơng đặc kết tinh nhưnước đá ở dưới 17oC, đước điều chế chủ yếu bằng sự oxy hĩa đối với andehit axetic Khơngmàu sắc, vị chua, tan trong nước và cồn etylic.

1.2 Điều chế :

Axit axetic được điều chế bằng cách:

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

CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH

C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O

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

Sự oxy hĩa 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 thành peroxit Hiệusuất đạt 95 – 98% so với lý thuyết Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi chế axitaxetic kết tinh được

CH3CHO + ½ O2  Coban    axetat    ở  80 o  C 

CH3COOH

3) Tổng hợp đi từ cồn metylic và Cacbon oxit.

Hiệu suất cĩ 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 đơng đặc nhựa mủ cao su

 Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat – làm phim ảnh khơng nhạy lửa

 Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat

 Làm các phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp

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

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

 Khối lượng phân tử : 18 g / mol

 Khối lượng riêng d4 c : 1 g / ml

Chương 2

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

2 Bơm

3 Bồn cao vị

4 Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đỉnh

5 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

12 Thiết bị đun sôi đáy tháp

13 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

14 Bồn chứa sản phẩm đáy

15 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

A - A

GHI CHÚ SL VẬT LIỆU STT Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Khoa Công nghệ Hóa học BỘ MÔN MÁY VA Ø THIẾT BỊ THIẾT KẾ HE Ä THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC - AXIT AXETIC DÙNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ Đồ a ùn môn học Qua ù trình và Thiết bị : 2/ 2 Ngu yễn T H iền Lương

Ng uye ãn Văn Lục Ngày BV

Tỉ lệ BẢN VE Õ LẮP ĐẶT

Ho ï tên

CN BM

GV HD Chức năng

1 2

3 4 5 9 10

12 13 14

15 M10x25

TL 1:10 I

TL 4:1 I 5

5

TL 1:5

TL 1:10 11

III III

TL 1:2 II

Ống da ãn hơi ra

Na ép thi ết bị Bích nối nắp (đáy) và t hân Ống hoa øn lưu

Ống da ãn nhập liệu Ống da ãn lỏng ra

Đa ùy thi ết bị Cha ân đỡ X18H10T 1

X18H10T 1 X18H10T 1 X18H10T 1 X18H10T

Vũ B á Mi nh

Vu õ Bá Minh

B ồn chứa sa ûn phẩm đỉnh Thi ết bị la øm nguội sản phẩm đáy Thiết bị đun sôi đáy tháp

A Ùp kế Tha ùp chưng cất Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

N hi ệt kế Lưu l ượng kế

B ẩy hơi Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

TB trao đổi nhiệt với sản phẩm đỉnh

B ồn ca o vị

B ơmB ồn chứa nguyên liệu 1/ 2 Chức na êng

S VTHG VH D QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Tỉ lệBản vẽ số Nguy ễn Văn Lục

Ng uye ãn T H iền Lươn g Đồ a ùn m ôn học Qua ù trình và Thiết bị : THIE ÁT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC - AXIT AXETIC DÙNG THÁP MÂM XUYE ÂN LỖ Trường Đại học B ách Khoa Tp Hồ Chí Minh BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ Khoa Công nghệ Hóa học STT TÊN GO ÏI Đ ẶC TÍNH KỸ THUẬT SL GHI CHÚ

14 16

Tha ân thiết bị X18H10T 1 Gờ chảy tràn X18H10T 71 Mâm xuyên lỗ X18H10T 71 Máng cha ûy chuyền X18H10T 71 Bích nối thân Tai treo X18H10T CT3 4 14

T 15

14 13 12

10

9 5 4 3

2 1

11 8 7 6

Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 30% (theo phần khối lượng), nhiệt độkhoảng 270C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đó đượcđưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đỉnh (4) Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt đếnnhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (5), rồi được đưa vào tháp chưng cất (9) ởđĩa nhập liệu.

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống.Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổigiữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảmnồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bayhơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt

độ sôi cao là axit axetic sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu

tử nước chiếm nhiều nhất (có nồng độ 95,5% phần khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng

tụ (10) và được ngưng tụ hồn tồn Một phần chất lỏng ngưng tụ được trao đổi nhiệt với dòngnhập liệu trong thiết bị (4) (sau khi qua bồn cao vị) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đượchồn lưu về tháp ở đĩa trên cùng Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lạicấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu đượchỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (axit axetic) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độnước là 0,5% phần khối lượng, còn lại là axit axetic Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vàonồi đun (12) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếptục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13), đượclàm nguội đến 350C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (14)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước, sau khi trao đổi nhiệt với dòngnhập liệu có nhiệt độ 35oC và được thải bỏ Sản phẩm đáy là 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 = 3000 (kg/h)

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 35oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 27oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 43oC

 Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

 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

W D F

xGxGxG

GGG



F D

W W

F

D W

D

F

xx

Gx

x

Gx

5,030G

xx

x

x

F W D

III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU LÀM VIỆC :

3,

0 18

3,0M

x1M

x

M

xx

A

F N

F

N F

005,

005,0M

x1M

x

M

xx

A

W N

W

N W

955,0M

x1M

x

M

xx

A

D N

D

N D

2 Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu :

01647,058824,0

01647,098606,0x

W D

yxR

F

* F

* F D min

Tỉ số hồn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 3,429

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

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 = 0,986 18 + (1 – 0,986) 60 = 18,585 (kg/mol)Suất lượng khối lượng của dòng hơi tại đỉnh tháp:

GHD = (R +1)GD = (3,429 + 1) 931,579 = 4126,142 (kg/h)

Suất lượng mol của dòng hơi tại đỉnh tháp:

nHD = 18,585

142,4126M

G

HD

HD

 = 222,009 (kmol/h)Suất lượng khối lượng của dòng hồn lưu:

GL = RGD = 3,429 931,579 = 3194,563 (kg/h)

Suất lượng mol của dòng hồn lưu:

L = 18,585

563,3194M

G

LD

L  = 171,885 (kmol/h)

2 Tại mâm nhập liệu :

Khối lượng mol của dòng nhập liệu:

MF = xF MN + (1 – xF) MA = 0,588 18 + (1 – 0,588) 60 = 35,294 (kg/kmol)

Suất lượng mol của dòng nhập liệu:

F = 35,294

3000M

G

F

F

 = 256,885 (kmol/h)Và: nLF = L = 171,885 (kmol/h)

n’LF = L + F = 171,885 + 256,885 = 428,770 (kmol/h)

nHF = nHD = 222,009 (kmol/h)

3 Tại đáy 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 = 0,016 18 + (1 – 0,016) 60 = 59,308

(kg/mol)Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy:

W = 59,308

421,2086M

G

LW

W  = 34,876 (kmol/h)Và: nLW = n’LF = 428,770 (kmol/h)

nHW = nHF = nHD = 222,009 (kmol/h)

Chương 4

TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH (Tháp mâm xuyên lỗ)

Phương trình đường làm việc :

Phần luyện:

1 429 , 3

986 , 0 x 1 429 , 3

429 , 3 1 R

x x 1 R

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

588,0986,02

xx

Dựa vào hình 2  Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện: TLL = 101,4 (oC)Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện:

2

3,0955,02

xx

Tra bảng 1.249, trang 310, [5]

 Khối lượng riêng của nước ở 101,4oC: NL = 957,364 (kg/m3)

Tra bảng 1.2, trang 9, [5]

 Khối lượng riêng của axit axetic ở 101,4oC: AL = 955,480 (kg/m3)

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

001,0480,955

628,01364,957

628,0x1x

1

AL

L NL

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

Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện:

4,

22 1 25,054RT

PM

HL

HL HL

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 1,4  1,6 (m) thì

khoảng cách mâm là: h = 400 (mm) = 0,4 (m)

Tra đồ thị 6.2, trang 256, [4]  C = 0,057

Vận tốc pha hơi đi trong phần luyện:

815,0

661,956057,0C

Suất lượng mol của pha hơi trong phần luyện: nHL = nHD = 222,009 (kmol/h)

Suất lượng thể tích của pha hơi trong phần luyện:

1 3600

) 273 6 , 101 ( 273

4 , 22 009 , 222 P

3600

RT n

4

L

HL L

Vì L  C  ta có thể lấy đường kính của tồn tháp là đường kính của phần chưng

Chọn theo chuẩn   m) (phù hợp với điều kiện 1,4 1,4 m) (phù hợp với điều kiện 1,4  1,6m)m)

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

2 2

HC

C

4 , 1

933 , 1 4 Q

HL

895 , 1 4 Q

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 = 101,6oC thì:

 Tra bảng 1.250, trang 312, [5]  Aùp suất hơi bão hịa của nước PNL = 1,09668 at = 806,060 (mmHg)

 Tra hình XXIII, trang 466, [4]  Aùp suất hơi bão hịa của axit axetic PAL = 150 (mmHg)

060,806P

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 101,4oC thì:

 Tra bảng 1.104, trang 96, [5]  Độ nhớt của nước NL = 0,2808 (cP)

 Dùng tốn đồ 1.18, trang 90, [5]  Độ nhớt của axit axetic AL = 0,42 (cP)

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lghh = x1lg1 + x2lg2 (cơng thức (I.12), trang 84, [5])

Chiều cao thân tháp: Hthân = (ntt –1)h + 1 = 29 (m)

Chọn đáy (nắp) ellip tiêu chuẩn cĩ



t

h

= 0,25  ht = 0,25 1,4 = 0,35 (m)Chọn chiều cao gờ: hg = 50mm = 0,05 (m)

Chiều cao đáy (nắp): Hđn = ht+ hg = 0,4 (m)

III TRỞ LỰC THÁP :

1 Cấu tạo mâm lỗ :

Chọn tháp mâm xuyên lỗ cĩ 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 khơng gỉ X18H10T.

Số lỗ trên 1 mâm:

N =

2 2

lỗ lỗ

mâm

03 , 0

4 , 1 08 , 0 d

08 , 0 S

Số lỗ trên đường chéo: b = 2a + 1 = 153 (lỗ)

2 Trở lực của đĩa khơ :

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

2

.'

231 , 1

%

8L 



= 15,392 (m/s)Nên: PkL =

2

815 , 0 392 , 15 82 ,

2.2 Phần cất :

Vận tốc hơi qua lỗ: ’C =

08 , 0

256 , 1

%

8 C 



= 15,696 (m/s)Nên: PkC =

2

449 , 1 696 , 15 82 ,

4P

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 101,4oC thì:

 Tra bảng 1.249, trang 310, [5]  Sức căng bề mặt của nước NL = 0,585756 (N/m)

 Tra bảng 1.242, trang 300, [5]  Sức căng bề mặt của axit AL = 0,019674 (N/m)

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

2 1

2 1 2

1

111

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

Aùp dụng cơng thức trang 285, [4]:Pb = 1,3hbKLg

Với: hb = hgờ + hl

3 / 2 gờ

 Lgờ : chiều dài của gờ chảy tràn, m

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

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

Tính chiều dài gờ chảy tràn:

Ta cĩ: Squạt - S = Sbán nguyệt

2

% 20 2 cos R 2 sin R 2

1 2 2

1

= 1,017 (m)4.1 Phần luyện :

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

MLL =

2

294,35585,182

Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:

940,26885,171M

.n

lL 1 , 85 1 , 017 0 , 5

00134 , 0

Kiểm tra hoạt động của mâm:

 Kiểm tra lại khoảng cách mâm h = 0,4m đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình thường của tháp: h > g

P 8 , 1

,1g

P8,1

 Điều kiện trên được thỏa

 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:

vmin = 0,67

449,182,1

)02432,005,0(928,94581,967,0hg

HC

bC LC

6 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :

Khoảng cách giữa 2 mâm: h = 400 (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 , 0

 QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h)

 Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

 hlL = 0,01269 1000 = 12,69 (mm)

81 , 9 661 , 956

638 , 577 1000

g

638 , 577

2 2

d

LL L

'

3600 00134

, 0 128 , 0 S

100

Q 128 , 0

078 , 792 1000

g

638 , 577

d

LC C

'

3600 00357

, 0 128 , 0 S

100

Q 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.

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 hàn hồquang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép 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 tốn :

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

L =

2

928,945661,956

= 0,326 (N/mm2)

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

Ta có: 0 , 95

326 , 0

133 P

Quy tròn theo chuẩn: S = 4 (mm) (Bảng XIII.9, trang 364, [6])

Bề dày tối thiểu: Smin = 4 (mm) (Bảng 5.1, trang 128, [7])

 Bề dày S thỏa điều kiện

2 4

2)CS(

)CS(][2]

P

[

a

a h

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 = 4 (mm)

Kiểm tra điều kiện:

) C S ( ] [ 2 ] P [

125 , 0 D

C S

a t

a h

t a

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

Kết luận: Kích thước của đáy và nắp:

Tra bảng XII.7, trang 313, [6]

 Khối lượng riêng của thép X18H10T là: X18H10T = 7900 (kg/m3)

Khối lượng gờ chảy tràn: m = VX18H10T = 11,572 (kg)

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

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

3 7 t

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

Ứng suất cực đại ở vòng chu vi:

2

D 16

P 3

P

b b

max max

4 b

o

PR W

b

2 4 b

o

)1(PR.16

3ES

64

)1(PR12W

lo 0 , 571 199824 5

) 33 , 0 1 ( 700 00007 16

3 W

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 liệu bền hơnthiết 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 bích liềnkhông cổ

Tra bảng XIII.27, trang 417, [6], ứng với Dt =  = 1400 (mm) và áp suất tính tốn P =0,326 (N/mm2)  chọn bích có các thông số sau:

 = 1,933 (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 chỗ gồghề trên bề mặt của bích Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây amiăng, có

bề dày là 3(mm)

VII CHÂN ĐỠ THÁP :

1 Tính trọng lượng cùa tồn tháp :

Tra bảng XII.7, trang 313, [6]

 Khối lượng riêng của tháp CT3 là: CT3 = 7850 (kg/m3)

Khối lượng của một bích ghép thân:

4 h

D D 4

2 2 3

CT

2 t 2

Khối lượng của thân tháp:





= 4042,054 (kg)Khối lượng của đáy (nắp) tháp:

Khối lượng của tồn tháp:

m = 32 mbích ghép thân + 71 mmâm + mthân + 2 mđáy(nắp) = 10786,231 (kg)

Tải trọng cho phép trên một chân: Gc = 4

81 , 9 694 , 10805 4

mg 4



Để đảm bảo độ an tồn cho thiết bị, ta chọn: Gc = 4.104 (N)

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

Thể tích một chân đỡ: Vchân đỡ  (384 16 330 2 + 260 16 200) 10-9 = 0,005 (m3)

Khối lượng một chân đỡ: mchân đỡ = Vchân đỡ CT3 = 38,363 (kg)

VIII TAI TREO THÁP :

Chọn tai treo: tai treo được gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động trong điềukiện 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 = 4.104 (N)

Tra bảng XIII.36, trang 438, [6]  chọn tai treo có các thông số sau:

Khối lượng một tai treo: mtai treo = 7,35 (kg)

Tra bảng XIII.37, trang 439, [6]

 Chọn tấm lót tai treo bằng thép CT3 có các thông số sau:

 Chiều dài tấm lót: H = 460 (mm)

 Chiều rộng tấm lót: B = 320 (mm)

 Bề dày tấm lót: SH = 8 (mm)

Thể tích một tấm lót tai treo: Vtấm lót = 460 320 8 10-9 = 0,001 (m3)

Khối lượng một tấm lót tai treo: mtấm lót = Vtấm lót CT3 = 9,244 (kg)

IX CỬA NỐI ỐNG DẪN VỚI THIẾT BỊ – BÍCH NỐI CÁC BỘ PHẬN CỦA

 Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính d  10mm, đôi khi có thể dùng với d 32mm.

Ống dẫn được làm bằng thép X18H10T

Bích được làm bằng thép CT3 , cấu tạo của bích là bích liền không cổ

1 Ống nhập liệu :

Nhiệt độ của chất lỏng nhập liệu là tFS = 103,4 (oC)

Tại nhiệt độ này thì:

 Khối lượng riêng của nước: N = 955,884 (kg/m3)

 Khối lượng riêng của axit: A = 951,880 (kg/m3)

02,998

3,01392,980

3,0x

1x1

A

F N

F F

3000.4v

3600

G.4

F F

Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]

 Các thông số của bích ứng với P = 0,326 (N/mm2) là:

Nhiệt độ của pha hơi tại đỉnh tháp là tHD = 100,1 (oC)

Khối lượng riêng của pha hơi tại đỉnh tháp:

)2731,100(273

4,22

585,181RT

PM

HD

HD HD

v3600

G.4

HD HD

Tra bảng XIII.32, trang 434, [6]  Chiều dài đoạn ống nối l = 130 (mm).

Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]

 Các thông số của bích ứng với P = 0,326 (N/mm2) là:

Nhiệt độ của chất lỏng hồn lưu là tLD = 100,1 (oC)

Tại nhiệt độ này thì:

 Khối lượng riêng của nước: N = 958,326 (kg/m3)

 Khối lượng riêng của axit: A = 957,820 (kg/m3)

820,957

955,01326,958

955,0x

1x1

A

D N

D LD

563,31944

v3600

G.4

LD LD

Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]

 Các thông số của bích ứng với P = 0,326 (N/mm2) là:

Nhiệt độ của pha hơi tại đỉnh tháp là tHW = 117,6 (oC)

Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp là vHW = 120 (m/s)

Đường kính trong của ống nối:

Dy =

1201

3600

)2736,117(273

4,22009,2224v

P3600

RTn

4

HW

HW HW

Tra bảng XIII.32, trang 434, [6]  Chiều dài đoạn ống nối l = 130 (mm).

Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]

 Các thông số của bích ứng với P = 0,326 (N/mm2) là:

5 Ống dẫn lỏng vào nồi đun :

Nhiệt độ của chất lỏng tại đáy tháp là tLW = 117,1 (oC)

Tại nhiệt độ này thì:

 Khối lượng riêng của nước: N = 945,391 (kg/m3)

 Khối lượng riêng của axit: A = 927,220 (kg/m3)

220,927

005,01391,945

005,0x

1x1

A

W N

W LW

3600

Mn.4

LW LW

LW LW

Tra bảng XIII.32, trang 434, [6]  Chiều dài đoạn ống nối l = 110 (mm).

Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]

 Các thông số của bích ứng với P = 0,326 (N/mm2) là:

G.4

W LW

Tra bảng XIII.32, trang 434, [6]  Chiều dài đoạn ống nối l = 110 (mm).

Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]

 Các thông số của bích ứng với P = 0,326 (N/mm2) là:

D D 4

2 2

3 CT

2 t 2

4 h

D D 4

2 2

3 CT

2 t 2

Để tháp không bị nguội mà không tăng chi phí hơi đốt, ta thiết kế lớp cách nhiệt baoquanh thân tháp

Chọn vật liệu cách nhiệt cho thân tháp là amiăng có bề dày là a

Tra bảng 28, trang 416, [4]: Hệ số dẫn nhiệt của amiăng là a = 0,151 (W/m.K)

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh:

Qm = 0,05.Qđ = 0,05.265,148 = 452734,492 (kJ/h) = 125759,581 (W)Nhiệt tải mất mát riêng:

a

a 2 1 a

a tb

 tv1 : nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt ngồi của tháp

 tv2 : nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với không khí

 tv : hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt của lớp cách nhiệt

Để an tồn ta lấy tv = tmax = tđáy - tkk

Chọn tkk = 27oC  tv = tmax = 117,6 – 27 = 90,6 (K)

 ftb : diện tích bề mặt trung bình của tháp (kể cả lớp cách nhiệt), m2

ftb = DtbH = H

2

2S2DDH2

581 , 125759

1 ) 404 , 1 (

191 , 98

I THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP :

Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp là nồi đun Kettle

Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3:

 Đường kính ngồi: dn = 38 (mm) = 0,038 (m)

 Bề dày ống: t = 3 (mm) = 0,003 (m)

 Đường kính trong: dtr = 0,032 (m)

Hơi đốt là hơi nước ở 2,5at đi trong ống 38 x 3 Tra bảng 1.251, trang 314, [5]:

 Nhiệt hóa hơi: rH 2 O= 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 = 117,1 (oC)

 Sau khi được đun sôi (hơi): tS2 = 117,6 (oC)

1 Suất lượng hơi nước cần dùng :

Cân bằng nhiệt cho tồn tháp: Q đ + G F h FS = (R+1) G D r D + G D h DS + G W h WS + Q m