Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị

Là môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ hoá học tương lai

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 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 nhưtrong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằngsự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiêngiữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi vàchất 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 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 tửcó độ bay hơi bé

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

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

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 cấutạo của đĩa, ta có:

 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 ngẫunhiên hay 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 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 :

Axit axetic nóng chảy ở 16,6oC, điểm sôi 118oC, hỗn hợp trong nước với mọi tỷ lệ.Trong quá trình hỗn hợp với nước có sự co thể tích, với tỷ trọng cực đại, chứa 73% axitaxetic (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 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

Axit axetic thuần khiết còn gọi là axit glaxial bởi vì nó dễ dàng đông đặc kết tinh nhưnước đá ở dưới 17oC, đước điều chế chủ yếu bằng sự oxy hóa đối với andehit axetic.Không màu sắc, vị chua, tan trong nước và cồn etylic

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  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 cồnmetylic qua xúc tác

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

 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

2 Nước :

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vịnhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt

Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau

Tính chất vật lý:

 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

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

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 đóđược đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đỉnh (4) Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệtđến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (5), rồi được đưa vào tháp chưng cất(9) 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 (12) 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 95,5% phần khối lượng) Hơinày đi vào thiết bị ngưng tụ (10) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưngtụ được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (4) (sau khi qua bồn cao vị) Phầncòn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng Một phần cấu tử cónhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngàycàng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bayhơi (axit axetic) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 0,5% phần khối lượng, còn lại làaxit axetic Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đun dungdịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại rakhỏi nồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13), được làm nguội đến 350C , rồiđược 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 vớidòng nhập liệu có nhiệt độ 35oC và được thải bỏ Sản phẩm đáy là axit axetic được giữ lại

Chương 3

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :

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)

 Nồng độ nhập liệu: xF = 30% (kg nước/ kg hỗn hợp)

 Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 95,5% (kg nước/ kg hỗn hợp)

 Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 0,5% (kg nước/ kg hỗn hợp)

 Áp suất hơi đốt: Ph = 2,5at

 Chọn:

 Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 27oC

 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

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

Đun gián tiếp :

W D F

xGxGxG

GGG



F D

W W

F

D W

D

F

xx

Gx

x

Gx

W F

III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC :

1 Nồng độ phần mol :

3,

0 18

3,0M

x1M

x

M

xx

A

F N

F

N F

118

005,

005,0M

x1M

x

M

xx

A

W N

W

N W

955,

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

Hình 1: Đồ thị cân bằng pha của hệ Nước – Axit axetic

xF

yF*

Dựa vào hình 1  yF* = 0,705

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: R yx xy 00,,98606705 0,588240,705

F

* F

* F D min

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

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 khôngđổi

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

2 Tại mâm nhập liệu :

Khối lượng mol của dòng nhập liệu:

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:

TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH (Tháp mâm xuyên lỗ)

Phương trình đường làm việc :

1 429 , 3

429 ,

3 1 R

x x 1 R

696 , 1 1 x 1 429 , 3

696 , 1 429 , 3 x 1 R

f 1 x 1 R

f 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:

yL = 0,774xL + 0,223 = 0,832

Dựa vào hình 2  Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần luyện: THL = 101,6 ( oC)Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện:

MHL = yL MN + (1 – yL) MA = 0,832 18 + (1 – 0,832) 60 = 25,054 (kg/kmol)

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

)2736,101(273

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

1.4 Tính đường kính phần luyện :

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

Kết luận: đường kính tháp là 1,4m)

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

2 2

HC

933 , 1 4 Q

HL

895 , 1 4 Q

Hình 3: Số mâm lý thuyết

II CHIỀU CAO THÁP :

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 = 101,6oC thì:

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

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

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 toán 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 (công thức (I.12), trang 84, [5])Nên: lgL = 0,787 lg0,2808 + (1 – 0,787)lg0,42 = -0,514  L = 0,306 (cP)

 LL = 1,644

Tra hình 6.4, trang 257, [4]  EL = 0,42

Vì tháp có đường kính lớn:  = 1,4m > 0,9m  phải hiệu chỉnh lại giá trị EL

Tra hình 6.5, trang 258, [4]   = 0,14

Nên: ECL = EL(1 + ) = 0,479

1.2 Tính số mâm thực tế phần luyện :

Số mâm thực: nttL = En 0,19479

CL ltL  = 39,683  40

3 Chiều cao tháp :

Số mâm thực tế của toàn tháp: ntt = nttL + nttC = 40 + 31 = 71

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

Chọn đáy (nắp) ellip tiêu chuẩn có



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 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:

2 lỗ lỗ

mâm

03 , 0

4 , 1 08 , 0 d

08 , 0 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 = 75,706  76  N = 17557 (lỗ)

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

2 Trở lực của đĩa khô :

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

2

.'

P 2 H k

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

3,1

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 công thức (I.76), trang 299, [5]:

2 1

2 1 2

1

111

Cho ta: L 1 , 3 0 , 003 0 , 08 0 , 003 2

019 , 0 4 P

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

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

Với: hb = hgờ + hl

3 / 2 gờ

L

Q h

 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

 QL =

L

L

L.Mn

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

Tính chiều dài gờ chảy tràn:

Ta có: Squạt - S = Sbán nguyệt

2

% 20 2 cos R 2 sin R 2

1 2 2

Dùng phép lặp   = 1,626753345 (Rad)

Nên: Lgờ = sin2 = 1,4 sin1,6267533452 = 1,017 (m)

LgờR



Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:

5 Tổng trở lực thuỷ lực của tháp :

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

PL = PkL + PL + PbL = 175,724 + 19,519 + 382,396 = 577,638 (N/m2)

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

PC = PkC + PC + PbC = 324,829 + 18,988 + 448,261 = 792,078 (N/m2)

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 > 1,8 Pg

 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 g h 0,67 9,81 945,9281,82 (10,449,05 0,02432)

HC

bC LC

 Các lỗ trên mâmđều hoạt động

Kết luận:

Tổng trở lực thủy lực của tháp:

P = nttL.PL + nttCPC = 40 577,638 + 31 792,078 = 47659,953 (N/m2)

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

Sd = 0,8 Smâm = 0,8 4.1,42 = 1,232 (m2) Để tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì: hd  21 h = 200 (mm)

d

LL L

'

3600 00134

, 0 128 , 0 S

100

Q 128 , 0

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 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 :

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

L =

2

928,945661,9562

= 0,326 (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  []* = 140 (N/mm2) (Hình 1.1, trang 18, [7])

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

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

 h = 0,95 (Bảng XIII.8, trang 362, [6])

1.2 Tính bề dày :

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

1.3 Kiểm tra độ bền :





 0,001  0,1 (thỏa)Nên: [P] 2[ ] (S(SCC) ) 2 13314000,95(4 (24) 2)

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:

 Đường kính trong: Dt =  = 1400 (mm)

 ht = 350 (mm)

 Chiều cao gờ: hgờ = 50 (mm)

 Bề dày: S = 4 (mm)

 Diện tích bề mặt trong: Sbề mặt = 2,35 (m2) (Bảng XIII.10, trang 382, [6])

V BỀ DÀY MÂM :

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 = 1,017 (50 + 50 + 400 – 20) 3 10-6 = 0,00146 (m3)

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:

Khối lượng riêng của chất lỏng tại đáy tháp: LW = 927,309 (kg/m3)

Áp suất thủy tĩnh:

Pthủy tĩnh = LWg(hgờ + hlC)

= 927,309 9,81 (0,05 + 0,02432)

= 676,059 (N/m2)

 P = 73,747 + 676,059 = 749,806 (N/m2) = 0,0007 (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  []* = 141 (N/mm2) (Hình 1.1, trang 18, [7])

 Môđun đàn hồi : E = 199824 (N/mm2) (Bảng 2.12, trang 45, [7])

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

Ứng suất cực đại ở vòng chu vi: max S 2

D 16

P 3

P

3 2

b b

max max

P 3 D

Kiểm tra điều kiện bền:

Độ võng cực đại ở tâm:

4 b

o

PR W

b

2 4 b

o

)1(PR.16

3ES

64

)1(PR12W

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:

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

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

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 =  = 1400 (mm) và áp suất tính toán P =0,326 (N/mm2)  chọn bích có các thông số sau:

Tra bảng IX.5, trang 170, [6], với h = 400 (mm)  khoảng cách giữa 2 mặt bích là

2000mm và số mâm giữa 2 mặt bích là 5

Ta có:

2

292

Hthân

 = 14,5

 Số mặt bích cần dùng để ghép là: (15 + 1).2 = 32 (bích)

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

15

2915

Hthân

 = 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 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: CT3 = 7850 (kg/m3)

Khối lượng của một bích ghép thân:

mbích ghép thân =   1 , 55 1 , 4  0 , 035 7850

4 h

D D 4

2 2 3

CT

2 t 2

Khối lượng của thân tháp:

mthân = 4.(D2 ng –D 2 t).Hthân X18H10T = 1 , 408 1 , 4  29 7900

4

2 2





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

mđáy(nắp) = Sbề mặt đáy X18H10T = 2,35 0,004 7900 = 74,26 (kg)

Khối lượng của toàn tháp:

m = 32 mbích ghép thân + 71 mmâm + mthân + 2 mđáy(nắp) = 10786,231 (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 =P4 mg4 10805,6944 9,81 = 2,645.104 (N)Để đảm bảo độ an toàn 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 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 = 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 THIẾT BỊ và ỐNG DẪN :

Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo được hoặc không tháo được.Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo được

Đối với mối ghép tháo được, người ta làm đoạn ống nối, đó là đoạn ống ngắn có mặtbích hay ren để nối với ống dẫn:

 Loại có mặt bích thường dùng với ống có đường kính d > 10mm

 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)

Nên: 1 x 1 x 9800,,3923 9981 0,02,3 0,001

A

F N

F F

Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị

Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vF = 0,2 (m/s)

Đường kính trong của ống nối:

Dy = 36004.G v 3600 9534.3000,078 0,2

F F

 Chọn ống có Dy = 80 (mm)

Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]

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

2 Ống hơi ở đỉnh tháp :

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

Chọn vận tốc hơi ra khỏi đỉnh tháp là vHD = 120 (m/s)

Đường kính trong của ống nối:

Dy = 36004.G v 36004 04126,607,142 120

HD HD

 Chọn ống có Dy = 150 (mm)

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:

150 159 260 225 202 20 16 8

3 Ống hoàn lưu :

Nhiệt độ của chất lỏng hoàn 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)

Nên: 1 x 1 x 9580,955,326 19570,,820955 0,001

A

D N

D LD

Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị

Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vLD = 0,2 (m/s)

Đường kính trong của ống nối:

Dy = 36004.G v 360049583194,303,563 0,2

LD LD

 Chọn ống có Dy = 80 (mm)

Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]

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

4 Ống hơi ở đáy tháp :

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

 Chọn ống có Dy = 150 (mm)

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)

Nên: 1 x 1 x 9450,005,391 19270,,220005 0,001

A

W N

W LW

Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vLW = 1 (m/s)

Đường kính trong của ống nối:

Dy = 36004.n Mv 36004 256927,885,30959,3081

LW LW

LW LW

 Chọn ống có Dy = 80 (mm)

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:

6 Ống dẫn lỏng ra khỏi nồi đun :

Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vW = 0,15 (m/s)

Đường kính trong của ống nối:

Dy = 36004.G v 3600 49272068,309,421 0,15

W LW

 Chọn ống có Dy = 80 (mm)

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:

Khối lượng một bích ghép ống dẫn lỏng:

mbích ghép ống lỏng =   0 , 185 0 , 08  0 , 018 7850

4 h

D D 4

2 2

3 CT

2 t 2

mbích ghép ống nước =   0 , 260 0 , 150  0 , 02 7850

4 h

D D 4

2 2

3 CT

2 t 2

X LỚP CÁCH NHIỆT :

Trong quá trình hoạt động của tháp, do tháp tiếp xúc với không khí nên nhiệt lượngtổn thất ra môi trường xung quanh ngày càng lớn Để tháp hoạt động ổn định, đúng vớicác thông số đã thiết kế, ta phải tăng dần lượng hơi đốt gia nhiệt cho nồi đun để thápkhông bị nguội (nhất là sản phẩm đỉnh, ảnh hưởng đến hiệu suất của tháp) Khi đó, chi phícho hơi đốt sẽ tăng

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 ngoài 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 toàn ta lấy tv = tmax = tđáy - tkk

581 , 125759

1 ) 404 , 1 (

191 , 98