thiết kế hệ thống chưng cất nước – axit axetic có năng suất là 500 lít trên giờ

MỤC LỤC Lời mở đầu 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN . 2 I. Lý thuyết về chưng cất 2 1. Khái niệm 2 2. Các phương pháp chưng cất. 2 3. Thiết bị chưng cất 3 II. Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu. 3 1. Axit axetic 3 2. Nước. 4 CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 5 CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 8 I. Các thông số ban đầu. 8 II. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được 8 III. Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc 9 IV. phương trình đường làm việc –số mâm lý thuyết 10 V. Xác định số mâm thực tế CHƯƠNG V:TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 14 I. Đường kính tháp…... 14 II. mâm lỗ trở lực của mâm III.tính toán cơ khí của tháp CHƯƠNG V: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ THIẾT BỊ PHỤ. 34 CHƯƠNG VII: TÍNH KINH TẾ. 53 I, các thiết bị truyền nhiệt. II, tính toán bơm nhập liệu Lời kết… ……………… 55 Tài liệu tham khảo

MỤC LỤC

Lời mở đầu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

I.Lý thuyết về chưng cất

1 Khái niệm

2 Các phương pháp chưng cất

3 Thiết bị chưng cất

II.Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu

1 Axit axetic

2 Nước

CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Các thông số ban đầu. 8 II. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được

III Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc

IV phương trình đường làm việc –số mâm lý thuyết 10

V Xác định số mâm thực tế CHƯƠNG V:TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 14

I Đường kính tháp… 14

II mâm lỗ - trở lực của mâm III.tính toán cơ khí của tháp CHƯƠNG V: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ- THIẾT BỊ PHỤ 34

CHƯƠNG VII: TÍNH KINH TẾ 53

I, các thiết bị truyền nhiệt II, tính toán bơm nhập liệu Lời kết… ……… 55

Tài liệu tham khảo 55

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 củacác sản phẩm Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới đểngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu củasản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ Nước – Axit axetic là 2 cấu tử tan lẫnhoàn 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 củacác 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 làbước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết nhữngvấn 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 môi

và 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 sản phẩm:

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

- 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

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 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 nhiên hayxếp thứ tự

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:

Ưu - Cấu tạo khá đơn giản - Trở lực tương đối thấp - Khá ổn định

- Trở lực thấp

- Làm việc được với chất lỏng bẩn

nếu dùng đệm cầu có ρ≈ρ 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 :

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

 Là 1 axit yếu, hằng số phân ly nhiệt động của nó ở 25oC là K = 1,75.10

5

−

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 dàng saukhi chế axit axetic kết tinh được

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

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 d4 c : 1 g / ml

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 = 3.5 (m3/h)

 Nồng độ nhập liệu: xF= 0.92 (mol nước/ mol hỗn hợp)

 Nồng độ sản phẩm đỉnh: xP = 0.995 (mol nước/ mol hỗn hợp)

 Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 0.70 (mol nước/ mol 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 :

 Áp 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

 GP, P: 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 PHẨM ĐÁY THU ĐƯỢC :

1 Phần khối lượng cấu tử:

775.060

*08.018

*92.0

18

*92.0)

1(

=+

=

−+

=

A f N

f

N f f

M x M

x

M x x

(kg nước/ kg hỗn hợp)

412.060

*3.018

*7.0

18

*7.0)

1(

+

=

−+

=

A w N

w

N w W

M x M

x

M x x

(kg nước/ kg hỗn hợp)

9835.060

*005.018

*995.0

18

*995.0)

1(

=+

=

−+

=

A p N

p

N p

p

M x M

x

M x

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

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

6,1039

225.06,995

775,0

A

FA N

FN

hh

x x

ρρ

ρ

⇒ρhh = 1005.17 (kg/m3)Năng suất nhập liệu : GF = 3.5 (m3/h) ×

1005.17(kg/m3) = 3518.095 (kg/h)

Đun gián tiếp : 

W p F

x G x G x G

G G G

W W

F

p W

p

F

x x

G x

x

G x

.3518412.09835.0

412.0775.0

W

F G x x

x x

(kg/h)Và: GW = GF – Gp = 3518.095 – 2234.59 = 1283.505 (kg/h)

III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC

1 Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu:

7,092,0

7,0995,0

W p

x x

x x

f

= 1.341

2 Tỉ số hoàn lưu làm việc:

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:

92,0945,0

945,0995,0

F p

x y

y x R

= 2

Tỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 2.9

3 Xác định suất lượng mol 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:

nHP

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:

MHP = MLP = xP MN + (1 – xP) MA

= 0,995 18 + (1 – 0,995) 60 = 18.21 (kg/mol)Suất lượng khối lượng của dòng hơi tại đỉnh tháp:

GHP = (R +1)GP = (2.9 + 1) 2234.59 = 8714.901 (kg/h)

Suất lượng mol của dòng hơi tại đỉnh tháp:

nHP =

21,18

901.8714

=

HP

HP

M G

= 478.57 (kmol/h)Suất lượng khối lượng của dòng hoàn lưu:

GL = RGD = 2.9 *2234.59 = 6480.311 (kg/h)

Suất lượng mol của dòng hoàn lưu:

L =

21,18

311.6480

Khối lượng mol của dòng nhập liệu:

F =

36.21

095.3518

n’LF = L + F = 355.86 + 164.7 = 520.56 (kmol/h)

nHF = nHP = 478.57 (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

= 0,7 18 + (1 – 0,7) 60 = 30.6 (kg/mol)Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy:

W =

6.30

505.1283

nHW = nHF = nHP =478.57 (kmol/h)

IV PH ƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC SỐ MÂM LÝ THUYẾT:

1.Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện:

W

995.019.2

9.21

1341.119.2

341.19.21

1

−++

+

=+

Nlt: số mâm lý thuyết.

Ntt: số mâm thực tế.

+ xác định hiệu suất trung bình của tháp ƞtb:

- Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:

x

x y

Với : x:phần mol của nước trong pha lỏng.

Y* là phần mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng Lgµhh =x1lgµ1+x2lgµ2 (tài liệu [4 tập 1, trang 4])

92.01.945.01

945.01

f f

x

x y

tra tài liệu tham khảo[tập 2, trang171]:µf =0.55

tại vị trí mâm đáy:

xw =0.7 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y*w =0.795

tw =102.1oC

+ αw =

662.17.0

7.01795.01

795.01

997.01

p

p

x

x y

tra tài liệu được: ƞP=0.53

suy ra hiệu suất trung bình của tháp:

537.03

55.053.053.0

η

Số mâm thực tế của tháp:

Ntt=

28.50573

0

27 =

mâm, Vậy chọn Ntt = 50 mâm 37 mâm cất, 12 mâm chưng , 1 mâm nhập liệu.

CHƯƠNG III:TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP: (Dt)

tb tb

V

).(0188.0

3600

*4

ωρω

(m)

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

Ωtb : tốc độ hơi đi trong tháp (m/s).

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

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

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 gd : gd = P.(R+1) = 122.76(2.9+1)= 748.764 (kmol/h) = 8678.07 (kg/h)

với G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất.

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

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

*tính r1 : t1 = tF =100.52oC (tài liệu 4 tập 1) ta có :

ẩn nhiệt hóa hơi của nước : rN1 = 40512.96 (KJ/kmol)

ẩn nhiệt hóa hơi của acid : ra1 = 24195.24 (KJ/kmol)

suy ra : r1 = rN1.y1 + (1-y1).ra1 = 24195.24 + 16317.72y1 (KJ/kmol)

*tính rp : tP = 100.22oC (tra tài liệu tham khảo 4 tap 1)ta có:

ẩn nhiệt hóa hơi của nước : rNp = 40512.96 (KJ/kmol)

ẩn nhiệt hóa hơi của acid : raP = 24195.24 (KJ/kmol)

suy ra : rp = rNp.yP + (1- yp).rap = 40512.96*0.997+ (1-0.997)*24195.24 =40464 (KJ/kmol)

07,867817

,10366

h kg

=+

b.Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :

Với : ρxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng(Kg/m3)

Ρytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3).

+ xác định ρytb:

)273.(

4,22

273]

60)

1(18

[

+

−+

=

tb

tb tb

ytb

t

y y

ρ

Với :nồng độ phân mol trung bình: ytb=

908,02

997,0819,02

1+y P = + =

y

+ nhiệt độ trung bình đoạn cất : ttb =

37,1002

22,10052,100

+ P

F t t

oC Suy ra ρytb =0,7136 (kg/m3).

+xác định ρxtb :

Nồng độ phân mol trung bình: xtb =

4577,02

995,092,0

+ P

F x x

Suy ra

=

−+

=

60)

1(.18

.18

tb tb

tb tb

x x

x x

ttb = 100,37oC, tra tài liệu tham khảo[(tập 1 ) – trang 9], ta có:

ρa = 958 kg/m3 ,ρn = 958 kg/m3

1/ρtb= n a

x x

ρρ

−+1

Suy ra ρxtb = 958 (kg/m3)

Suy ra :ωh =0,05.

832,17136,0

12,9522

m

=

2.Đường kính đoạn chưng :

a lượng hơi trung bình đi trong tháp:

g’1: lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h).

+xác định g’n : g’n=g1 = 515,73( kmol/h) = 10366,17 (kg/h)

+xác định g’1 : từ hệ phương trình:

G’1= g’1 +W

G’1.x’1= g’1.yw+W.xw

g’1.r’1=g’n.r’n=g1.r1

với G’1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng.

r’1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.

• Tính r’1 : xw =0,7 tr đồ thị cân bằng của hệ ta có: yw= 0,795 Suy ra: Mtbg’ =18.yw + (1-yw).60= 26,61 (kg/kmol)

t’1 = tw = 102,1oC, tra tài liệu tham khảo [tập 1] ta có:

ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r’n1 = 40512,96 (KJ/Kmol).

ẩn nhiệt hóa hơi của acid: r’a1 = 24195,24 (KJ/Kmol).

Suy ra: r’1 = r’n1.yw +(1- yw).r’a1= 37167,83(KJ/Kmol)

*tính r1: r1 = rn1.y1 +(1-y1).ra1=24195,24 + 16317,72.y1=39517,579 (KJ/kmol)

*W = 59,819 (kmol/h) Giải hệ ta được:

x’1= 0,955 G’1= 590,27(Kmol/h) g’1 = 548,33(kmol/h) =14750,19(kg/h)

vậy g’tb=

18,125582

17,1036619

,

(kg/h) b.tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:

tốc đọ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:

với : ρ’xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng( Kg/m3)

ρ’ytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m3)

xác định ρ’ytb:

)273'.(

,22

273]

60)

'1(18.'[

'

+

−+

=

tb

tb tb

ytb

t

y y

ρ

Với nồng độ phân mol trung bình

807,02

795,0819,02

' = F + w = + =

tb

y y

y

+nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’tb =

31,1012

1,10252,100

+ w

F t t

oC Suy ra ρ’tb = 0,85 (Kg/m3)

Xác định ρ’xtb:

Nồng độ phân mol trung bình : x’tb=

81,02

7,092,0

+ w

F x x

Suy ra :

5612,060)

'1('.18

'.18

−+

=

tb tb

tb tb

x x

x x

t’tb= 101.31oC , tra tài liệu tham khảo [tập 1, trang 9], ta có:

khối lượng riêng của nước: ρ’n= 958(kg/m3)

khối lượng riêng của acid: ρ’a=958(kg/m3)

suy ra: ρxtb=

958'

'1'

tb x x

18,

12558 =

(m).

Kết luận: hai đường kính của đoạn chưng va đoạn luyện không chêh lệch nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là: Dt=1,8(m) Khi đó tốc độ làm việc thực ở:

+phần cất: ωlv=

45,17136,0.8,1

12,9522.0188,02

,0.8,1

18,12558.0188,0

2

2

=

(m)

II MÂM LỖ - TRỞ LỰC CỦA MÂM:

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:

 Tiết diện tự do bằng 10% diện tích mâm

 Đường kính lỗ: dlỗ = 8mm = 0,008 (m)

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

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

 Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 3 lần đường kính lỗ(bố trí theo tam giác đều)

 Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T

Số lỗ trên 1 mâm:

N =

2 2

008,0

8,108,008

,0

maâm

d S

= 5062,5 lỗGọi 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 = 40 ⇒ N = 4921 (lỗ)

Số lỗ trên đường chéo: b = 2a + 1 = 81 (lỗ)

A độ giảm áp qua mâm khô.:

Độ giảm áp của pha khi qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất do dòng chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ

L

G o

o L

C

v

ρ

ρρ

+ρG : khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m3) mâm với đường kính lỗ.

ΡL : khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3)

+Co : hệ số orfice, phụ thuộc vào tỉ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỉ

số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.

Ta có :

1,0

, tra tài liệu tham khảo suy ra: Co=0,7.

+ đối với mâm ở phần cất:

Vận tốc hơi qua lỗ: uo =

1,0

45,1

%

10ωlv =

= 14,5 (m/s)Khối lượng riêng của pha hơi :ρG =ρytb=0,7136(kg/m3)

Khối lượng riêng của pha lỏng : ρL= ρxtb=958(kg/m3)

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất :

3,16958

7136,0.7,0

5,14

Vận tốc pha hơi qua lỗ: u’o =

1,0

61,1

%10'lv =ω

= 16,1 (m/s)Khối lượng riêng pha hơi:ρ’G=ρ’ytb=0,85(kg/m3)

Khối lượng riêng pha lỏng : ρ’L=ρ’xtb = 958 (kg/m)

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng :

94,23958

85,0.7

B độ giảm áp đo chiều cao mức chất lỏng trên mâm:

Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hoi qua mâm do lớp chất lỏng trên mâm h1 là từ chiều cao gờ chảy tràn hw , chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảytràn how, và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm β:

h1 = β.(hw+how), (mm.chất lỏng)

chọn :

+hệ số hiệu chỉnh :β =0,6

+chiều cao gờ chảy tràn :hw= 50 (mm)

Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng:

+qL :Lưu lượng của chất lỏng( m3/phut)

+Lw: chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)

Với :no : góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn Lw.

Dung phương pháp lặp ta được: no = 93o12’22”

Suy ra: Lw = 1,8.sinn(no/2)=1,3 (m)

*xác định qL:

+phần cất :

)/(122,0985

.60

785,19.76,122.9,2

122,

h1= 0,6.(50+8,962)= 35,37(mm.chất lỏng)

+phần chưng: q’L=

)/(235,0958

.60

98,25.704,520'

.60

Suy ra : h’ow= 43,4.

)(87,133

,1

235,

C độ giảm áp do suc căng bề mặt:

Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác định theo biểu thức:

(,

ρ

σ

=

mm chất lỏng) Với : +σ : sức căng bề mặt của chất lỏng(dyn/cm)

+ρL: khối lượng riêng của pha lỏng ( Kg/m3)

*phần cất:

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρL=ρxtb= 958 (kg/m3).

+ttb = 100,37oC, tra tài liệu tham khảo [tập 1], ta có:

-sức căng bề mặt của nước: σn= 58,9(dyn/cm).

-sức căng bề mặt của acid: σa= 19,8(dyn/cm).

Suy ra : sức căng bề mặt chất lỏng ở phần chưng:

σ =

819,14

10.849,14

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ’L=ρ’xtb= 958

+ttb = 100,37oC, tra tài liệu tham khảo [tập 1], ta có:

-sức căng bề mặt của nước: σ’n= 58,9(dyn/cm).

-sức căng bề mặt của acid: σ’a= 19,8(dyn/cm).

Suy ra : sức căng bề mặt chất lỏng ở phần chưng:

σ’ =

819,14'

10.849,14

∑htl = 37.htl + 13.h’tl= 37.496,98 + 13.596,49= 26142,63 (N/m3)

2 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động:

Chọn khoảng cách giữa hai mâm la hmâm= 0,4(m).

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 :

hd= hw+how+htl+hd’, (mm chất lỏng)

với : hd’ : sự tổn thất thủy lực do dòng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được xác định theo biểu thức sau:

2 '

.100128

S

Q h

, (mm chất lỏng) Trong đó : QL : lưu lượng của chất lỏng ( m3/h)

+Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đó:

Sd= 0,8.Smâm= 0,8.ᴫ.0,92 = 2,035 (m2)

*phần cất: QL= 60.qL = 60 0,122= 7,32 (m3/h)

Suy ra :

00016,0035,2.100

32,7128,0

Kiểm tra : hd= 111,844<

2002

1,14128,0'

2002

Vậy : khi hoạt động đảm bảo tháp sẽ không ngập lụt.

Chiều cao thân tháp : Hthân=(Ntt -1).∆h= (50-1).0,4= 19,6(m)

Chiều cao của đáy và nắp: Hđ=Hn=ht+hgờ=0,45+0,025=0,475

Chiều cao của tháp : H = Hthân+ Hđ + Hn=20,55(m)

II Tính toán cơ khí của tháp:

1 Thân tháp:

Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn

hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghépbích

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:

 Nhiệt độ tính toán:

Chọn nhiệt độ tính toán : ttt=tđáy= 102,1oC

Tra tài liệu tham khảo [5], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T:

[σ]*= 142 (N/mm2)

Đối với acid hệ số hiệu chỉnh: ƞ= 1

Vậy : ứng suất cho phép: [σ] =ƞ.[σ]*=142(N/mm2)

 Áp suất tính toán:

Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên: Ptt = Pcl + ∑htl, (N/m2)

Với :Pcl: áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở ngay điều kiện nguy hiểm nhất màvẫn an toàn nên:

Pcl= ρx.g.H=

49,19312855

.20.81,9.958

.2

+ xtb g H xtb ρ

ρ

Suy ra: Ptt=193128,49 + 26142,63=219270,79(N/m2)~0,22(N/mm2)

 Xác định bề dày thân chịu áp suất trong:

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:

Ta có:

95,022,0

142]

22,0.1800]

[

2 h = × ×

tt

t P D

+Cb: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn Cb=0

+Cc: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn Cc= 0

2467,

Chọn bề dày St=5mm

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 = 5(mm)

Kích thước của đáy và nắp:

 Đường kính trong: Dt = 1800 (mm)

 ht = 450(mm)

 Chiều cao gờ: hgờ = 25 (mm)

 Bề dày: S = 5 (mm)

 Diện tích bề mặt trong: Sbề mặt = 3,66 (m2) (Bảng XIII.10, trang 382, [6])

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 X18H10T, cấu tạo của bích làbích liền không cổ