thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp benzen – toluen ở áp suất thường

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung. Một trong những ngành có đóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất các hoá chất cơ bản. Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao. Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp. Đối với hệ benzen – toluen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzen. Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai. Môn học này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen ở áp suất thưởng với năng suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene) là 5004kg/h có nổng độ 98% phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là 99% khối lượng Toluene,Nồng độ nhập liệu là 40% khối lượng Benzene, nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi.

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúcBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA- VŨNG TÀU

Khoa: Công nghệ Hóa & CN Thực phẩm

Bộ môn: CN CHẾ BIẾN DẦU

ĐỒ ÁN MÔN HỌC:

CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦUSinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Hải

Lê Trung Hiếu Nguyễn Vi VủLớp: DH08H2

1 Đầu đề đồ án: Thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen có năng suất 5004kg/h tính theo sản phẩm đỉnh

2 Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu):

- Nồng độ nhập liệu: ´xF = 40%phần khối lượng

- Nồng độ sản phẩm đỉnh: ´xD = 98% phần khối lượng

- Nồng độ sản phẩm đáy: ´xW = 1% phần khối lượng

- Nguồn năng lượng và các thông số khác tự chọn

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

Xem ở phần mục lục

4 Các bản vẽ và đồ thị (loại và kích thước bản vẽ):

Gồm 2 bản vẽ A3: bản vẽ quy trình công nghệ và bản vẽ chi tiết thiết bị

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN

Cán bộ hướng dẫn Nhận xét: Điểm: Chữ ký: _

Cán bộ chấm hay Hội đồng bảo vệ Nhận xét: Điểm: Chữ ký: _Điểm tổng kết:

MỤC LỤC

Lời mở đầu 5

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 6

I Lý thuyết về chưng cất 6

II Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu 7

CHƯƠNG 2 : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 10

CHƯƠNG 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT 11

I Các thông số ban đầu 11

II Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được 11

III Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc 12

IV Xác định phương trình đường làm việc – Số mâm lý thuyết 14

V Xác định số mâm thực tế 16

CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT 18

I Đường kính đoạn cất 18

II Đường kính đoạn chưng 20

III Trở lực của tháp 22

CHƯƠNG 5 : CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 25

I Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 25

II Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu 25

III Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 25

IV Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 26

V Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp 26

CH ƯƠ NG 6: TÍNH TỐN CƠ KHÍ 27

I Tính tốn than tháp 27

II Tính tốn chĩp 28

III Tính tốn đáy nắp thiết bị 29

IV Bích ghép thân 30

V Đường kính các ống dẫn – Bích ghép ống dẫn 32

VI Chân đỡ - tai treo 35

CHƯƠNG 7 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHU 38

I Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 38

II Thiết bị đun sôi đáy tháp 43

III Thiết bị làm nguôïi sản phẩm đỉnh 46

IV Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 50

V Thiết bị đun sơi nhập liệu 55

VI Bồn cao vị 59

VII Bơm 61

Kết luận 65

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền côngnghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung Một trong những ngành có đónggóp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuấtcác hoá chất cơ bản

Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độtinh khiết cao Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiềuphương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất,

cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọnphương pháp cho phù hợp Đối với hệ benzen – toluen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vàonhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzen

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợptrong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai Môn họcnày giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giáthành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây là lần đầu tiênsinh viên được vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuậtthực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợpBenzen – Toluen ở áp suất thưởng với năng suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene)

là 5004kg/h có nổng độ 98% phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là99% khối lượng Toluene,Nồng độ nhập liệu là 40% khối lượng Benzene, nhậpliệu ở trạng thái lỏng sôi

Chương 1 :

- Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữahai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất phamới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

- Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bảnnhất của 2 quá trình này là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đềubay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khácnhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan khôngbay hơi

- Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử

sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽthu được 2 sản phẩm :

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt

độ sôi nhỏ)

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt

độ sôi lớn)

- Đối với hệ Benzen – Toluen

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen

 Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen

Nguyên tắc làm việc : dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt

độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôicủa các cấu tử

Vậy : Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục

ở áp suất thường

3 Thiết bị chưng cất :

Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau đểtiến hành chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giốngnhau nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độphân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào phalỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có thápchêm, 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 khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đượ cho tiếp xúc với nhau.Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có :

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

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

 Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhaubằng mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một tronghai phương pháp sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp :

- Hiệu suất khá cao

- Độ ổn định không cao, khóvận hành

- Do có hiệu ứng thành  khităng năng suất thì hiệu ứngthành tăng  khó tăng năngsuất

- Thiết bị khá nặng nề

- Không làm việcđược với chất lỏngbẩn

- Kết cấu khá phứctạp

- Có trở lựclớn

- Tiêu tốn nhiềuvật tư, kết cấuphức tạp

Vậy :qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen –

Toluen

II GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU :

1 Benzen & Toluen :

Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm

nhẹ.Công thức phận tử là C6H6 Benzen không phân cực,vì vậy tan tốt trong các

dung môi hữu cơ không phân cực và tan rất ít trong nước Trước đây người tathường sử dụng benzen làm dung môi Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện rarằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khảnăng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn

Toluen: là một hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng và có tính thơm ,công thức

phân tử tương tự như benzen có gắn thêm nhóm –CH3 Không phân cực,do đótoluen tan tốt trong benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưngđộc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làmdung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp

o Đi từ nguồn thiên nhiên

Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm,

vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầumỏ…

o Đóng vòng và dehiro hóa ankane

o Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidrocacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các lim loạichuyển tiếp như Pd, Pt

CH3(CH2)4CH3 ⃗Cr 2 O3/Al 2 O3

C6H6

o Dehidro hóa các cycloankane

Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt củacác xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảubenzen

Chương 2 :

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen là 40% (phần khối lượng),nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu là 300C tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm (2)bơm lên bồn cao vị (3) Dòng nhập liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trongthiết bị truyền nhiệt ống chùm Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (6)

ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất Lưu lượng dòng nhập liệu đượckiểm soát qua lưu lượng kế (14)

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện củatháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống Ở đây

có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trongphần chưng càng xuống phía dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì

đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (10) lôi cuốn cấu tữ dễ bay hơi Nhiệt độ cànglên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độsôi cao là toluen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp cócấu tử benzen chiếm nhiều nhất (nồng độ 98% phần khối lượng) Hơi này đi vàothiết bị ngưng tụ (7) được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ điqua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (8), được làm nguội bằng thiết bị trao đổinhiệt ống lồng ống(8) rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (9) Phần cònlại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoànlưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế(5) Cuối cùng ở đáy tháp tathu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Toluen) Hỗn hợp lỏng ởđáy có nồng độ Toluene là 99% phần khối lượng, còn lại là Benzene Dung dịchlỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (10) Trong nồi đun dung dịch lỏng mộtphần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏinồi đun được cho qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13) rồi đi vào thiết bịlàm nguội sản phẩm đáy(13) sau đó vào bồn chứa sản phẩm đáy(12)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Benzen, sản phẩm đáy

là Toluen

Chương 3 :

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Chọn loại tháp là tháp mâm chĩp

Khi chưng luyện hỗn hợp Benzen - Toluen thì cấu tử dễ bay hơi là Benzen.Hỗn hợp: { Benzen : C6H6⇒M B=78 g/mol

Toluen : C6H5CH 3⇒M T=92 g /mol

 Năng suất sản phẩm đỉnh : D = 5004kg/h

 Nồng độ nhập liệu : xF = 40% phân khối lượng

 Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 98% phân khối lượng

 Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 99% phân khối lượng

 Nhiệt độ nhập liệu: nhập liệu ở trạng thái lỏng sơi

 Chọn:

 Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 94oC

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

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 30oC

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

 Các ký hiệu:

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

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

 W , 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 DỊNG NHẬP LIỆU VÀ DỊNG SẢN PHẨM ĐÁY :

78 +

1−0,4 92

=0 , 44

F = 83,45kmol/h D = 63,92kmol/h ƯW = 24,01kmol/h

F = 7209,67kg/h D = 5004kg/h W = 2205,67kg/h

x F=0.4 x D=0,98 x ƯW=0,01

III XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP :

* Chỉ số hồi lưu tối thiểu :

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lýthuyết là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành(nhiên liệu, nước và bơm…) là tối thiểu.

giá trị Nlt.(R+1) Lần lượt cho các giá trị R và tìm thể tích tháp, ứng với giá trị nàonhỏ nhất của thể tích tháp thì R đĩ là tỉ số hồn lưu tối ưu.

Theo đồ thị trên ta chọn giá trị tỉ số hồi lưu thích hợp R = 2,48

IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC - SỐ MÂM LÝ THUYẾT:

1 Phương trình đường làm việc của đoạn cất:

y =

R R+1 x+

x D R+1 =

2,48 2,48+1 x+

0,983 2,48+1

= 0,771.x + 0,284

2 Phương trình đường làm việc phần chưng:

-Phương trình đường làm việc của phần chưng

(R+1).N lt

R

R+f R+1 x -

f −1 R+1 xW =1,37x -0.0044với f=

x D−x W

x F−x W =

0,983−0,012 0,44−0 ,012 =2,27

Hình 2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chưng hệ Benzen – Toluen tại

Từ đồ thị, ta có : 15 đĩa bao gồm : 6 mâm cất

1 mâm nhập liệuy

x

6 mâm chưng (5 mâm chưng + 1 nồiđun)

Tóm lại, số đĩa lý thuyết là Nlt = 15 mâm

V XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:

cĩ nhiều phương pháp xác định số mâm thực của tháp, ngoại trừ các ảnh hưởngcủa thiết kế cơ khí tháp thì ta cĩ thể xác định số mâm thực dựa vào hiệu suấttrung bình:

Với n D n F n W - lần lượt là hiệu suất ở đĩa trên cùng, hiệu suất ở đĩa nhập

liệu và hiệu suất ở đĩa dưới cùng

- Xác định n D

Ta cĩ: Tđ(nhiệt độ đỉnh tháp) = 800C, xD = 0,983 suy ra yD = 0,994 sử dụngbảng I.101 trang 91 STT1 tra và nội suy các giá trị độ nhớt B = 0,316.10-3 N.s/

1−0.983

 hh = 2,87.0,316 = 0,905, theo hình IX.11 trang 171 thì n D = 0,53

- Xác định n F , tương tự như trên ta cĩ:

TF(nhiệt độ đĩa nhập liệu) = 940C, xf = 0,44 suy ra yD = 0,643 sử dụng bảngI.101 trang 91 [5] tra và nội suy các giá trị độ nhớt B = 0,277.10-3 N.s/m2, T

= 0,291.10-3 N.s/m2

Độ nhớt của hỗn hợp lg hh = xD.lgB – (1- xD).lgT (theo cơng thức I.12trang 84 STT1)  hh = 0,293 10-3 N.s/m2 (= 0,293 cP)

Và độ bay hơi tương đối 

1−0.44 0.44 

 hh = 2,29.0,293 = 0,672, theo hình IX.11 trang 171 thì n D = 0,58

- Xác định n w , tương tự như trên ta có:

Tw(nhiệt độ đĩa dưới cùng) = 1100C, xw = 0,012 suy ra yD = 0,065 sử dụng bảngI.101 trang 91 [5] tra và nội suy các giá trị độ nhớt B = 0,239.10-3 N.s/m2, T

Nt = Nlt/tb = 15/0,58 = 25,8 lấy tròn 26 mâm

Chương 4 :

TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT

* Đường kính tháp chưng cất (D t ) :

D t=√4Vtb

π 3600.ωtb=0 ,0188√ g tb

(ρ y ω y)tb (m)

Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp m3/h

tb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp m/s

gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp Kg/h

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó,đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

I Đường kính đoạn cất :

1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất :

g tb=g d+g1

2 kg/h

gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp kg/h

g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất kg/h

Xác định g d:

gd = D.(R+1) =63,92.(2,48+1) = 222,4416 kmol/h

= 17412,73 kg/h(Vì MhD =78.yD+(1-yD).92 = 78,28 kg/kmol)

 Xác định g 1 : Từ hệ phương trình :

{ g 1 = G 1 + D ¿ { g 1 .y 1 = G 1 .x 1 + D.x D ¿¿¿¿

(IV.1)Với:

G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất

rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp

* Tính r1 : t1 = tFs = 94oC , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :

Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : rB1 = 383,1 kJ/kg.

Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : rT1 = 371,3 kJ/kg

Suy ra : r1 = rB1.y1 + (1-y1).rT1 = 373,1y1 - 11,8y1

 r1 = 373,1y1 - 11,8y1 kJ/kg

* Tính rd : tD = 80 oC , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :

Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : rBd = 393,3 kJ/kg

Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : rTd = 378,3 kJ/kg Suy ra : rD = rBd.yD + (1-yD).rTd = 393,3.0,99 + 378,3.0,01  rD = 393,15 kJ/kg

(với xD = 0,983 suy ra yD theo phân khối lượng là 0,99)

* x1 = xF = 0,4(ta coi n)

Giải hệ (IV.1) , ta được : G1 =35071,99 kg/h

y1 = 0,473 (phân khối lượng benzen)

g1 = 40075,99 kg/hVậy : gtb =

17412 ,73+40075 , 99

2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất :

Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn cất:

(ρ y w y)tb=0,065 ϕ[σ]√h ρ xtb ρ ytb

Với : xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng kg/m3

ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi kg/m3 h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-1,2m)

 Xác định  xtb :

Nồng độ phân mol trung bình : xtb =

x F+x D

0,44+0,983

2 = 0,692Suy ra : x tb=

II Đường kính đoạn chưng :

1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng :

g , tb=g , n

+g ,1

2 ; kg/hg’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng ; kg/h

g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng ; kg/h

Xác định g’ n : g’n = g1 = 40075,99 kg/h

 Xác định g’ 1 : Từ hệ phương trình :

{ G ' 1 = g ' 1 + W ¿ { G ' 1 .x' 1 = g ' 1 .y W + W.x W ¿¿¿¿

(IV.2)Với : G’

1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạnchưng.

* Tính r’1 : xW =0,012(phần mol) tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : y*W

=0,016(phần mol), tương đương với nồng độ khối lượng là y*W = 0,014(phầnkhối lượng)

t’1 = tW = 110oC, tra bảng I.212, trang 254, [5], ta có

Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : r’B1 = 370,56 kJ/kg

Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : r’T1 = 362,20 kJ/kg

 r’1 = r’B1.yW + (1-yW).r’T1 =362,3 kJ/kg

* Tính r1 : t1 = tFs = 94oC , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :

Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : rB1 = 383,1 kJ/kg

Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : rT1 = 371,3 kJ/kg

Vậy : g’tb =

40075 ,99+41912,21

2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng :

Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn chưng:

(ρ y w y)tb=0,065 ϕ[σ]√h.ρ xtb ρ ytb

Với : xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng kg/m3

ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi kg/m3 h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-1,2m)

+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : ttb =

Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch

nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 3 m

Khi đó tốc độ hơi ở chế độ làm việc thực:

+ Phaàn caát : lv =

0 ,01882 g tb D

H = (26-1).0,6=15 m Vậy kết luận chiều cao tháp H = 15 m

III Tr ở lực của tháp chóp :

Trở lực của tháp chóp bao gồm: tổn thất áp suất khi dòng khí đi qua đĩa khô,tổn thất do sức căng bề mặt, tổn thất thất do lớp chất lỏng trên đĩa và bỏ qua

sự biến đổi chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa

Trở lực của tháp chóp được xác định the công thức:

ΔPP=N tt ΔPP d ,N /m2

Trong đó Ntt – số đĩa thực tế của tháp; ΔPP d - tổng trở lực của một đĩa, N/m2

ΔPP d = ΔPP k + ΔPP s + ΔPP t ΔPP k - trở lực đĩa khô, N/m2

ΔPP s - trở lực đĩa do sức căng bề mặt, N/m2

ΔPP t - Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa, N/m2

 Trở lực của đĩa khô ΔPP k :

ΔPP k = ξ ρ y w

2

2

Trong đó: ξ - hệ số trở lực, thường chọn ξ = 4,5 – 5(ở đây ta chọn ξ

= 5); ρ y - khối lượng riêng của pha hơi, kg/m3; w0 – tốc độ khí qua rãnhchóp, m/s

Với khối lượng riêng pha hơi đi trong toàn tháp:

10=47 ,7 m/s

Ở đây f x - diện tích tiết diện tự do của rãnh f x = a.b = 5.10 = 50mm2 vớia,b là bề rộng và chiều cao của rãnh chóp, mm Π - chu vi rãnh chóp, Π

2

, với σ là sức căng bề mặttrung bình của phần chưng và phần cất, như ta đã tính ở phần vận tốc hơi đitrong tháp thì

+ Khối lượng riêng bọt ρ b = 0,5 ρ x = 0,5.795,5 = 379,75 kg/m3, với

ρ x - khối lượng riêng trung bình pha lỏng phần chưng và phần cất,

+b – chiều cao khe chóp, tính toán ở phần chóp ta có b = 10mm

Suy ra:

CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

I CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ :

Nhiệt dung riêng của nhập liệu tra ở nhiệt độ trung bình

t =

94+25

2 =59,5oC tại nhiệt độ này ta có CB =1930 J/kgđộ , CT=1900 J/kgđộ

QF = 1,05.15,43=16,2 Kw

III CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM

ĐÁY TỪ NHIỆT ĐỘ 110 O C XUỐNG 35 O C :

QW = WCW(TW- TWra), kWNhiệt dung riêng được xác định ở nhiệt độ trung bình

T=

110+35

2 =72,5oC Tại nhiệt độ này ta nội suy từ bảng I.153 TR171-172- [5] ta có : CB=1983 J/kgđộ,

80+35 2

=57,5oC Tại nhiệt độ này ta nội suy các giá trị nhiệt dung riêng ở bảng I.153TR171-172- [5] : CB=1877.5 J/kgđộ , CT=1850 J/kgđộ

Tương tự ta tính được CD=1877 J/kgđộ

Do đó QD =

2,07.86,4

3600 1877 (80-35)=5,13 kW

V NHIỆT LƯỢNG CUNG CẤP CHO ĐÁY THÁP :

Từ cân bằng nhiệt lượng ta có:

1 Bề dày thân :

Vì thiết bị hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằngphương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía Để đảm bảo chấtlượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của benzen đối với thiết bị, ta chọnthiết bị thân thiết bị là thép không gỉ mã X18H10T Thân tháp được ghép vớinhau bằng mối ghép bích Vì tháp làm việc với nhiệt độ lớn hơn 1000C nên cầnphải bọc cách nhiệt cho tháp

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

 Nhiệt độ tính toán : t = tmax + 20 = 110 + 20 = 1300C

 Áp suất tính toán :

Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta coi áp suất tính tốn bằng với áp suấtthủy tĩnh lớn nhất tác dụng lên đáy tháp Điều kiện nguy hiểm nhất chọn để tínhtốn đĩ là tháp chứa đầy Toluene ở nhiệt độ 300C khi đĩ khối lượng riêng củaToluene ρT = 856,5 kg/m3

Nên: P = (Hthân + 2Hnắp).g.ρT = (15 + 2.0,775).9,81.856,5 = 139057 N/m2 ≈0,1391 N/mm2

Với dung tích tháp nhỏ hơn 30m3 ta chọn theo bảng 1.1 tr10- Tính tốn thiết kếchi tiết thiết bị hĩa chất dầu khí – Hồ Lê Viên thì áp suất tính tốn P =0,01N/mm2, nên ta chọn áp suất tính tốn theo điều kiện nguy hiểm nhất như trên

đã tính

với Hnắp = h + ht = 750 +25 =775 mm(tính ở phần đáy nắp)

Hệ số bổ sung do ăn mịn hĩa học của mơi trường:

Chọn hệ số bổ sung do ăn mịn hĩa học Ca = 1 mm

 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: của X18H10T

[]* = 140 N/mm2 (Hình 1.2, trang 16, [7] Hệ số hiệu chỉnh: η = 1

 Ứng suất cho phép: [] =  []* = 140 N/mm2 (chọn  = 1)

 Hệ số bền mối hàn:

Vì dùng phương pháp hàn hồ quang điện kiểu hàn giáp mối hai phía

0 ,105 3000 2.140 0 ,95=1 ,184mm

 S’ + Ca = 1,184 + 1 = 2,184 mm

Quy trịn theo chuẩn: S’ = 2 mm, tuy nhiên dựa vào bảng 5.1 trg 94 - [7]

Tính kiểm tra bền: Cho thân trụ hàn chịu áp suất trong

2[ σ ]ϕ h(S−Ca)

D t+(S−C a) =

2×140×0 , 95×( 4−1)

3000+( 4−1) = 0,2657 > P = 0,061 N/mm2 :thỏa

Vậy kết luận: bề dày thân tháp S = 4mm, đường kính ngồi tháp Dn = 3000 + 2*4

=3008 mm

II Tính Tốn Chĩp :

Chọn chĩp sử dụng trong tháp là chĩp trịn

+ Đường kính ống hơi: dh = 26 mm

+ Số chĩp phân bố trên đĩa: n = 10 chĩp

Chọn số chĩp n = 10, với khoảng cách giữa tâm của hai chĩp 100mm

+ Chiều cao chĩp tính từ mặt đĩa đến đỉnh chĩp 70mm

+ Đường kính trong của chĩp 46mm

Với: δ ch - bề dày chĩp, thường lấy 2 mm - 3 mm, ta chọn 2 mm

Suy ra đường kính ngồi của chĩp 50mm

+ Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chĩp S = 15 mm

+ Chiều cao gờ chảy tràn 45mm

+ Chiều cao khe chĩp

3600 π 0 , 052 10=3,5 , Vy – lưu lượng hơi đi trong tháp,

m3/h; ξ - hệ số trở lực của đĩa chĩp, thường lấy bằng 1,5 -2; ρ y ρ x - khốilượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng, kg/m3

+ Chọn khoảng cách từ gờ chảy tràn đến thân tháp 80mm(bề dày 4mm)

+ Bố trí các chĩp trên đĩa sao cho 3 chĩp liên tiếp nhau tạo thành hình tam giác đều

III

Tính Tốn Đáy và Nắp Thiết Bị

Chọn đáy và nắp có dạng hình ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thépX18H10T

Ta cĩ:

[σ ]

0 ,105×0, 95=940>25

Nên bề dày đáy và nắp chịu áp suất trong tính theo cơng thức 6.9 (Tính tốn cácchi tiết thiết bị hĩa chất và dầu khí –Hồ Lê Viên)

4 h t – bán kính cong bên trong ở đỉnh

đáy(nắp), m; ϕ h - hệ số bền mối hàn (lấy bằng 0,95); [σ k] - giới hạn bền kéocủa vật liệu với X18H10T thì [σk] =540.106 N/m2; P – áp suất tính tốn N/m2; Ca –

hệ số ăn mịn, mm

S= R t P

2 [σ k] ϕh+Ca=3000 0 , 105

2 540 106 0 , 95+0 ,001=0 , 001

Ta thấy S – Ca = 0,05 < 10mm nên ta cộng thêm 2 mm nữa cho bề dày (theo hướng dẫn trg

386 – STT2) suy ra S = 3,05 mm lấy theo chuẩn S = 4 mm

Vì đáy nắp tiêu chuẩn nên ta cĩ:

+ Chiều cao gờ: hgờ = h = 25 mm

+Diện tích bề mặt trong: Sđáy = 0,31 m2

+Thể tích chứa của đáy(nắp):Vđáy chứa = 27,6.10-3 m3

D t =

4−1

3000=0 , 001<0 , 125[P ]= 2 [σ ] ϕ h(S−C a)

+ Chiều cao gờ: hgờ = h = 25 mm

+Diện tích bề mặt trong: Sđáy = 0,31m2

+Thể tích chứa của đáy(nắp):Vđáy chứa = 27,6.10-3 m3

+ Rt = Dt = 3000 mm

IV.Bích ghép thân và nắp:

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng nhưnối các bộ phận 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 mặtbích bằng vật liệu bền 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 bíchlà bích phẳng hàn kiểu 1 theo bảng XIII.27 trg417 STT2

Với Dt = 3000 mm và áp suất tính toán P = 0,061 N/mm2  chọn bích có cácthông số sau theo bảng XIII.27 trg418 STT2:

Tính kiểm tra bề dày của bích theo cơng thức 7.1 trg 148 Tính tốn các chi tiếtthiết bị hĩa chất và dầu khí -Hồ Lê Viên :

⋅ [ l1

)2]

Cánh tay đòn của môment gây uốn:

l1 =

D b−D1

3110−3070 2

880−800−3

2 = 53 mm

S – bề dày thiết bị, mm

P – áp suất của môi trường trong thiết bị N/mm2

db – đường kính ngoài của bulong, mm

[σ ] b - ứng suất cho phép của vật liệu làm bulong

[σ ] bi - ứng suất cho phép của vật liệu làm bích

K, hệ số Với

ψ : hệ số

Ta thấy rằng trong công thức tính t có K, nên ta chọn trước giá trị t để tính K,giá trị t được chọn theo STT2

Chọn t = 40mm suy ra K = 0,887, thay vào tính t = 18,22 ta thấy giá trị t chọn

và t tính toán sai lệch không đáng kể (nhỏ hơn 5%) nên chọn bề dày bích h = t =

Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo được hoặc khôngtháo 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 ốngngắn có mặt bích 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 thểdùng 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 d ẫn sản phẩm đáy :

Nhiệt độ của chất sản phẩm đáy tw = 110 oC

Tại nhiệt độ này thì:

 Khối lượng riêng của benzen : B = 780,25 kg/m3

 Khối lượng riêng của toluen : T = 778,39 kg/m3

Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị

Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vF = 0,32 m/s (theo bảng 2.2 trg370STT1)

Đường kính trong của ống nối:

Dy = √ 4 G F

3600 ρ F π v F=√3600.778, 4 π 0, 32 4 240, 6 = 0,0189 m = 18,9 mm

 Chọn ống có Dy = 25 mm

Tra bảng XIII.32, trang 434, [6]  Chiều dài đoạn ống nối l = 90 mm

Tra bảng XIII.26, trang 410, [6]

 Các thông số của bích ứng với P = 0,25 N/mm2 là: