Đồ án môn học quá trình và thiết bị: Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp NướcEtilenglicol

Mở đầu: Trong ngành công nghiệp hóa chất để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm ta thường dùng các phương pháp như cô đặc, hấp thu, chưng cất...Tùy theo các yêu cầu sản phẩm và tính kinh tế mà ta chọn lựa phương pháp phù hợp nhất. Với hỗn hợp NướcEtilenglicol là hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm mong muốn. 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 hóa học tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chấtthực phẩmsinh học. Đây là bước tập dược đầu tiên về 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 thông qua đồ án môn học này. Nhiệm vụ của đồ án này là Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp NướcEtilenglicol với số liệu ban đầu: Năng suất nhập liệu: 1500kgh Nồng độ nước trong dòng nhập liệu: 15% phân mol Nồng độ etilenglicol trong dòng sản phẩm: 99% phân mol Các thông số khác sinh viên tự chọn. Chương 1: Tổng Quan 1. Tổng quan về sản phẩm Nguyên liệu đầu vào là hỗn hợp NướcEtilenglicol với số liệu cho ở trên. 1.1 Nước: 1.1.1 Sơ lược Hình 1: Cấu trúc không gian của H2O Nước là một hơp chất hóa học của Hydro và Oxy, công thức hóa học: H2O. Nước là một chất quan trọng trong công nghiệp và đời sống, chiếm 70% diện tích trên trái đất. Bên cạnh nước thông thường còn có nước nặng và nước siêu nặng. Ở các loại nước này, các nguyên tử hydro bình thường được thay thế bởi các đồng vị đơteri và triti. Nước nặng có tính chất vật lý(điểm nóng chảy cao hơn, nhiệt độ sôi cao hơn, khối lượng riêng cao hơn) và tính chất hóa học khác với nước thường. 1.1.2 Cấu tạo và tính chất của phân tử nước 1.1.2.1 Hình học của phân tử nước Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy. Trong không gian phân tử nước có góc liên kết là 104,45o. Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện. Chiều dài liên kết OH là 86,84 picomet. 1.1.2.2 Liên kết hydro Các phân tử nước tương tác lẫn nhau thông qua liên kết hydro và nhờ vậy lực hút phân tử lớn.

Mục Lục

Chương 1: Tổng Quan 4

1 Tổng quan về sản phẩm 4

1.1 Nước: 4

1.2 Etilenglicol 5

Chương 2 Sơ đồ quy trình công nghệ 9

Quy trình: 11

Chương 3: Cân Bằng Vật Chất Năng Lượng 12

3.1 Những thông số và quy ước ban đầu 12

3.2 Cân bằng vật chất 12

3.3 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 17

Chương 4: Tính Toán Thiết Bị Chưng Cất 21

4.1 Đường kính tháp 21

4.1.1 Đường kính đoạn luyện: 21

4.1.2 Đường kính đoạn chưng: 23

4.2 Chiều cao tháp 26

4.3 Tính toán chóp và ống chảy chuyền 26

4.3 Tính trở lực tháp 32

Chương 5: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 36

5.1 Bề dày thân tháp: 36

5.2 Đáy và nắp thiết bị 37

5.3 Bích ghép thân, đáy và nắp: 38

5.4 Bích ghép ống dẫn 39

5.4.1 Ống dẫn dòng nhập liệu: 39

5.4.2 Ống hơi ở đỉnh tháp: 40

5.4.3 Ống dẫn dòng hoàn lưu: 41

5.4.4 Ống dẫn hơi từ nồi đun qua tháp: 42

5.4.5 Ống dẫn sản phẩm đáy: 43

5.5 Tính mâm 43

5.6 Chân đỡ: 44

5.6.1 Tính khối lượng toàn tháp 44

5.6.2 Chọn chân đỡ 47

5.6.3 Tính chiều dày lớp cách nhiệt 47

Chương 6: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT-THIẾT BỊ PHỤ 49

6.1 Thiết bị đun sôi đáy tháp 49

6.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: 53

6.3 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 57

6.4 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 61

6.5 Tính toán bơm nhập liệu 65

6.5.1 Chiều cao bồn cao vị 65

6.5.2 Chiều cao bồn cao vị 67

6.6 Bơm 68

Chương 7: TÍNH KINH TẾ 71

Bảng tính toán vật tư 72

Lời Kết 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

Mở đầu:

Trong ngành công nghiệp hóa chất để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm ta thường dùngcác phương pháp như cô đặc, hấp thu, chưng cất Tùy theo các yêu cầu sản phẩm và tínhkinh tế mà ta chọn lựa phương pháp phù hợp nhất

Với hỗn hợp Nước-Etilenglicol là hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta dùng phươngpháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm mong muốn

Đồ án môn học quá trình và thiết bị là môn học mang tính tổng hợp trong quá trìnhhọc tập của các kỹ sư công nghệ hóa học tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyếtnhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bịtrong sản xuất hóa chất-thực phẩm-sinh học Đây là bước tập dược đầu tiên về vận dụngnhững kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tếmột cách tổng hợp thông qua đồ án môn học này

Nhiệm vụ của đồ án này là Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợpNước-Etilenglicol với số liệu ban đầu:

- Năng suất nhập liệu: 1500kg/h

- Nồng độ nước trong dòng nhập liệu: 15% phân mol

- Nồng độ etilenglicol trong dòng sản phẩm: 99% phân mol

- Các thông số khác sinh viên tự chọn

Hình 1: Cấu trúc không gian của H2O

Nước là một chất quan trọng trong công nghiệp và đời sống, chiếm 70% diệntích trên trái đất

- Bên cạnh nước thông thường còn có nước nặng và nước siêu nặng Ở các loạinước này, các nguyên tử hydro bình thường được thay thế bởi các đồng vịđơteri và triti Nước nặng có tính chất vật lý(điểm nóng chảy cao hơn, nhiệt độsôi cao hơn, khối lượng riêng cao hơn) và tính chất hóa học khác với nướcthường

1.1.2 Cấu tạo và tính chất của phân tử nước

1.1.2.1 Hình học của phân tử nước

Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy Trong

chiếm nhiều chỗ nên sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện Chiều dàiliên kết O-H là 86,84 picomet

1.1.2.2Liên kết hydro

Các phân tử nước tương tác lẫn nhau thông qua liên kết hydro và nhờ vậy lực hútphân tử lớn

Hình 2: Các phân tử nước tạo liên kết hydro liên phân tử

- Nước có tính lưỡng cực

1.2 Etilenglicol

1.2.1 Giới thiệu chung

Hình 3: Cấu trúc không gian Etilenglicol

nhất Được sản xuất đầu tiên bởi WUZT bằng cách cho phản ứng giữa 1,2-dibromoethan

đó thành etilenglicol

1.2.2 Tính chất vật lý của etilenglicol

Etilenglicol là chất lỏng không màu, không mùi và có vị ngọt, háo nước và có thể tanhoàn toàn trong rất nhiều dung môi phân cực như nước, rượu và aceton Tuy nhiên đối vớicác dung môi không phân cực như Benzen, Toluen, cloroform khả năng hoàn tanEtilenglicol (EG) không cao lắm.

Một số thông số vật lý:

Etilenglicol rất khó kết tinh bởi dịch của nó có tính nhớt rất cao, tuy nhiên khi ta làm lạnhdung dịch sẽ đóng rắn tao thành sản phẩm có trạng thái giống thủy tinh

Ứng dụng lớn nhất của EG là sử dụng làm chất chống đông vì nó có khả năng hạ

1.2.3 Tính chất hóa học

Etilen glicol có tính chất hóa học của một rượu hai chức thông thường Với hai nhómchức cạnh nhau cho phép xảy ra phản ứng đóng vòng ete hay thực hiện phản ứng trùngngưng ra những polyeste với các acid đa chức có vai trò rất quan trọng trong công nghiệp.Một số phản ứng đặc trưng như:

- Phản ứng oxy hóa

- Phản ứng tạo ete và ester hóa

- Phản ứng epoxy

-Phản ứng tạo 1,3- dioxan

1.2.4 Sản xuât etilenglicol trong công nghiệp

Trong công nghiệp người ta sản xuất Etilenglicol qua một số quá trình sau:

- Sản xuất EG qua quá trình Clohydrin

- Oxy hóa trực tiếp Etilen

- Thủy phân Etilen Oxit

1.3 Phương pháp và thiết bị chưng cất

1.3.1 Phương pháp chưng cất

Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tửriêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt đô sôi khácnhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi-ngưng tụ,trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại Khác với cô đặc,chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc làquá trình trong đó chỉ có dung môi là bay hơi

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

được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu từ có độ bay hơi lớn (Nhiệt độsôi nhỏ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn).Đối với hệ 2 cấu tử Nước – Etilenglicol

- Sản phẩm đỉnh là: Chủ yếu là Nước và một ít là Etilenglicol

- Sản phẩm đáy là: Chủ yếu là Etilenglicol và một ít là Nước

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:

tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt đô sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôicủa các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của cáccấu tử

o Chưng cất gián đoạn(chưng đơn giản): phương pháp này được sử dụngtrong các trường hợp sau:

- Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

- Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

- Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

- Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

o Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quátrình được thưc hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn

o Sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp: khi chưng cất hỗnhợp nhập liệu thu được nước ở đáy tháp chưng cất, cấu tử còn lại dễ bay hơithì ta có thể sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp

o Sử dụng nồi đun để cấp nhiệt cho tháp chưng cất: nồi đun cho tháp chưngcất là thiết bị trao đổi nhiệt được đặt ở đáy tháp, để cung cấp nhiệt cho hệthống

Có các loại nồi đun cho tháp chưng cất:

- Thiết bị trao đổi nhiệt loại hai vỏ: dùng cho tháp chưng cất năng suất nhỏ

- Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

- Nồi đun đặt ngoài: chất tải nhiệt nóng đi trong ống, hơi đi vào tháp cân bằngvới dòng sản phẩm đáy, do đó nồi đun được xem là một mâm lý thuyết Dòngcho tháp chưng cất năng suất cao

Thiết bị trao đổi nhiệt đặt đứng: chất tải nhiệt đi ngoài ống, bốc hơi hoàn toàn phầnlỏng đi vào nồi đun Do đó, hơi có cùng thành phần với dòng sản phẩm đáy

- Thiết bị trao đổi nhiệt nhân dòng lỏng từ mâm đáy và nó chỉ bốc hơi một phần:Đối với hệ Nước-Etilenglicol ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếpbằng nồi đun ở áp suất thường

1.3.2 Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêucầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độphân tán của 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 tánvào pha khí ta có tháp chêm, tháp phu, ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là thápmâm và tháp chêm

- Tháp mâm: thân hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạokhác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được tiếp xúc với nhau Tùy theo cấutạo của đĩa, ta có:

o Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ S

o 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 mặtbích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo môt trong hai phương pháp:xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp;

- Trở lực thấp

- Làm việc được với chấtlỏng bẩn nếu dùng đệmcầu có chất lỏng

- Trở lực tương đốithấp

- Hiệu suất khá cao

- Khá ổn định

- Hiệu suất cao

 hiệu suất truyềnkhối thấp

- Độ ổn định không cao,khó vận hành

- Kết cấu khá phứctạp

- Trở lực lớn

- Tiêu tốn vật tư,kết cấu phứctạp

Yêu cầu đồ án ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất Nước-Etilenglicol

Chương 2 Sơ đồ quy trình công nghệ

Chú thích các kí hiệu trong quy trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

11 Thiết bị đung sôi đáy tháp

12 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

13 Bồn chứa sản phẩm đáy

14 Bộ phận chia dòng

15 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

SVTH CNBM Chức năng Nguyễn Đức Trung Trần Tấn Việt Lê Thị Kim Phụng Họ tên Chữ ký

Tỉ lệ: Bản vẽ số: Ngày HT:

Đồ án môn học: Quá trình và Thiết bị THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT HỖN HỢP NƯỚC - ETILENGLICOL LOẠI MÂM CHÓP NĂNG SUẤT 1500 KG/H

Trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Khoa Kỹ Thuật Hóa Học BỘ MÔN Quá Trình và Thiết Bị STT TÊN GỌI ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT SL VẬT LIỆU

Nước làm lạnh

1 2

Bẫy hơi Lưu lượng kế Nhiệt kế Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Áp kế Thiết bị đun sôi đáy tháp Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy Bồn chứa sản phẩm đáy Bộ phận chia dòng Bồn chứa sản phẩm đỉnh

1/2 25/11 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

(Hình 4: Bản vẽ quy trình cơng nghệ)

Quy trình:

Hỗn hợp Nước-Etilenglicol năng suất nhập liệu đầu 1500kg/h có nồng độ nước 15% phân

vị (3) Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhậpliệu (4) rồi đưa vào tháp chưng (8) ở đĩa 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 Ơ đây, có sự tiếp xúc và traođổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới cànggiảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi , pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi cuốn cấu tử dễbay hơi Nhiệt độ càng lên cao càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử

có nhiệt độ sôi cao là Etilenglicol sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu hỗn hợpcấu tử nước chiếm nhiều nhất (nồng độ 99% theo phân mol) Hơi nước đi vào thiết bịngưng tụ (9) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoànlưu về tháp ở đĩa trên cùng Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi còn lại cấu

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 cấu tử khó bay hơi (Etilenglicol) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độnước là 1% theo phần mol, còn lại là Etilenglicol Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi thápvào nồi đun (11) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại chotháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước được thải bỏ, sản phẩm đáy làEtilenglicol được giữ lại

Chương 3: Cân Bằng Vật Chất Năng Lượng

3.1 Những thông số và quy ước ban đầu

Chọn loại tháp là tháp mâm chóp

Hỗn hợp:

Thông số ban đầu:

- Chọn:

o Nhiệt độ dòng nhập liệu: tf = 27oC

o Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

- Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:

- Trong đồ án này ta quy ước các ký hiệu sau:

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

x F ' = x F M N

x F M N+(1−x F) M EG=

0,15.180,15.18+(1−0,15) 62=0,0487(Khối lượng nước/khối lượng hỗn hợp)

Bảng 3.1: Tính toán tương tự ta có bảng số liệu sau:

3.3 Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc, mâm lý thuyết, mâm thực tế

Tỉ số hoàn lưu làm việc tối thiểu: R min= x D− y

x D

0,7620,762+1x +

0,990,762+1

0,762+1 x−

7−10,762+1.0,01

 y = 4,405x – 0,034

Bảng 3.2: Bảng số liệu ta dựng đường cân bằng x-y

song với Oy cắt đường làm việc tại điểm c.

điểm đường làm việc phần chưng và đường nhập liệu)

o Xác định số đĩa lý thuyết: Từ điểm a ta vẽ đường song song với trục Ox cắt đường cân bằng tại một điểm, rồi từ giao điểm đó ta vẽ đưởng thẳng song song với trục Oy gặp đường nồng độ làm việc ở một điểm khác Cứ tiếp tục

dừng lại Kết quả ta nhận được 1 đường gấp khúc Số tam giác tạo thành giữa đường gấp khúc và đường nồng độ làm việc là số đĩa lý thuyết

o Ta xác định được 6 đĩa lý thuyết và nhập liệu ở đĩa số 3

- Xác định mâm thực tế

ứng với độ bay hơi tương đối cho các đĩa kể trên

1−0,990,99 =5,04

1−0,150,15 =18,971

1−0,010,01 =7,612

o Xác định độ nhớt – xác định hiệu suất mâm

μtb tính theo công thức: công thức (I.12), trang 84, [5])

log μ tb=x i log μ N+(1−x i)log μ EG

Kết luận: Tháp chưng cất có 12 mâm thực tế với 1 nồi đun

3.4 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Chọn hơi đốt nồi đun đáy thápở 20 at

Tra bảng 1.251, trang 314, [5]:

- Nhiệt hóa hơi: rH2O = rN = 280200 (J/kg)

- Nhiệt độ sôi: tH2O = tN = 211,4 oC

Dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ:

- Trước khi vào nồi đun (lỏng): tS1 = 193, 6 oC

- Sau khi được đun sôi (hơi): tS2 = 196oC

Cân bằng nhiệt cho toàn tháp:

Nhiệt dung riêng:

Tra bảng 1.249, trang 310[5] ta được nhiệt dung riêng của nước

Tra toán đồ 1.52, trang 166[5] ta được nhiệt dung riêng của Etilenglicol

Cấu tử Dòng Ci(kJ/kg.độ) C i (tb)(kJ/kg.độ) Enthalpy(kJ/kg) Nước(0.0487

(157,1 o C )

4.476

3.228 624.869

Nhiệt hóa hơi

Tra bảng 1.250, trang 312[5]

Nhiệt hóa hơi của nước ở 101,8oC: rN = 2242,96 (kJ/kg)

Nhiệt hóa hơi của Etilenglycol ở 101,8oC: rEG = 984,70 (kJ/kg)

Chọn cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa để cấp nhiệt thì: Qđ = GN.rN

Lượng hơi nước cần dùng là: GN = Q r d

N

=479945,362

2802 =171,287(kg/h)Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:

Chọn:

- Nhiệt độ nước lạnh vào tV = 27oC và nhiệt độ ra tR = 37oC

- Sản phẩm đáy ra có nhiệt độ tWS = 193,6oC và nhiệt độ ra tWR = 40oC

Phương trình cân bằng nhiệt:

Q=G W(H WS−H WR)=G N(H R−H V)

Tra bảng 1.250, trang 310[5] để tìm nhiệt dung riêng của nước

Tra bảng 1.250 trang 312[5]

H R−H V=

748400155,03−113,13=17862(kg/h)Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Chọn

- Nước lạnh đi trong ống có nhiệt độ vào tV = 27oC và nhiệt độ ra tR = 37oC

Cân bằng nhiệt: Q nt=( R+1)GD r D=G n(H R−H V)

Tra bảng 1.250, trang 312[5]

H R−H V = 153,05−113,13276569,689 =6928,098(kg/h)Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu:

Chọn:

lỏng sôi có nhiệt độ tF = 157,1oC

- Hơi ngưng tụ đi trong ống ngoài có áp suất 20 at

o Nhiệt độ sôi: tN = 211,4oC

Tra bảng 1.249, trang 310[5]

Hf = Cf.tf =( (x’F.CN + (1-x’F).CEG).tf = (0,0487.4,178+(1-0,0487).2,47).27 = 63,83 (kJ/kg)

Chương 4: Tính Toán Thiết Bị Chưng Cất

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, vì vậy, đường kính đoạn chưng và đoạn cất khác nhau Do đó ta sẽ tính đường kính mỗi đoạn rồi so sánh chọn ra kích thước phù hợp

4.1.1 Đường kính đoạn luyện:

4.1.1.2 Lượng hơi trung bình đi trong tháp:

g tb=g d+g1

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

- Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp gd: gd = GR + GD = GD(R+1) (4.3)

= 71,325(0,762+1) = 125,675 (kg/h)

{ g1=G1+G D

g1 y1'=G1 x1'+G D x D '

g1.r1=g d r d

(4.4)

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

- Xác định r1: t1 = tF = 157,1oC, tra ẩn nhiệt hĩa hơi của các chất trong dữ liệu DIPPR

 r1= rN1.y’1 + (1-y’1).rEG1 = 2097,96y’1 + (1-y’1).914,08 = 1183,88y’1 + 914,08

- Xác định rd: tD = 101,8oC

xD = 0,99yD = 0,998 y ' D= M N y D '

M N y D ' +(1− y ' D) M EG=

18.0,99818.0,998+(1−0,998 ).62

¿0,993(khối lượng hơi nước/khối lượng hơi hỗn hợp)

18 +

1−0,36262 = 0,662 (phân mol nước/mol hỗn hợp hơi)

 gtb=g d+g1

125,675+209,197

4.1.1.3 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:

Áp dụng cơng thức (IX.105), trang 184 [6]

¿.√h ❑xtb ❑ytb (kg/m2.s) (4.5)

ytb: khối lượng riêng trung bình pha hơi

❑ytb=[y tb.18+(1− y tb).62].273

22,4.(t tb+273) (4.6)Với nồng độ phân mol trung bình pha hơi:

y tb=y1+y D

2 (4.7) ¿0,662+0,77

xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng

Nồng độ phân khối lượng trung bình pha lỏng:

Nhiệt độ trung bình đoạn luyện ttb = 129,45oC

Khối lượng riêng của nước: N = 935,39(kg/m3)

EG, N:sức căng bề mặt của Ethylen glycol và nước tại nhiệt độ làm việc

- ttb = 129,45oC, tra bảng tính theo DIPPR

  =22,3 (dyn/cm) > 20 (dyn/cm)

- Tính r’1:

t’1 = tw = 193,6oC, tra bảng 1.1250, trang 312[5]

 r1

'

=r N 1 ' y w ' +(1− y ' w).r ' EG 1=1989,96.0,021+(1−0,021) 863,123=886,787 (kJ/kg)

=0,021 (phân mol nước/mol hỗn hợp)

’xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3)

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

- Xác định ’ytb:

❑' ytb=⌈ y ' tb.18+(1− y tb '

).62⌉ 22,4.(t tb ' +273)

+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t’tb = 175,35oC

Tra tài liệu tham khảo

o Khối lượng riêng của Ethylen glycol: ’EG = 991,65(kg/m3)

❑xtb ' =(0,0258

893,92+

1−0,0258991,65 )

2 g tb '

D t2.❑' ytb =

0,01882.262,9670,42.1,284 = 0,45(m/s)

Chiều cao tháp được xác định theo công thức (IX.50), trang 168 [6]

H = Ntt.(Hđ + ) + (0,8  1,0) (m) (4.11)Với:

Ntt: số đĩa thực tế là 12

:chiều dày của mâm, chọn  = 4(mm) = 0,004(m)

(0,8 1,0) là khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp

Vy: lưu lượng hơi trong tháp, V y= g tb+g tb '

❑ytb+❑' ytb=

167,436+ 262,9670,923+1,284 =¿195,02(m3/h)

- Đường kính ống chảy chuyền, áp dụng công thức (IX.217), trang 236[6]

o x: khối lượng riêng trung bình của lỏng(kg/m3); x = 984,482(kg/m3)

- Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa, áp dụng công thức (IX.219), trang 237[6]

h c=(h1+b+ S)−h (4.19)

o b: chiều cao khe chóp = 10 (mm)

o S: khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp =10 (mm)

o h: chiều cao mực chất lỏng ở bên trên ống chảy chuyền

t1=d c

2 +❑ch+d ch

2 +l1 (4.24)

hm = h1 + (S + hsr + b) (4.25)

S: khoảng cách từ đĩa đến chân chóp, S = 10 mm

hsr: khoảng cách từ mép dưới của chóp đến mép dưới của lỗ chóp

Tiết diện đĩa tháp: F = 0,1257 (m2)

QG: lưu lượng pha khí (m3/s).

Ss: tổng diện tích các lỗ chóp trên mỗi mâm, m2

262,9671,284 =¿ 386,207 (m3/h) = 01073 (m3/s)

Lw: chiều dài gờ chảy tràn

’: gradient chiều cao mực chất lỏng qua một hàng chóp

Cg- hệ số hiệu chỉnh cho suất lượng pha khí

o Diện tích giữa 2 gờ chảy tràn A = F – 2.0,072F = 0,856F

0,856 F 0,75 D =

0,856.0,12570,75.0,4 = 0,358 (m)

o x = 1,34.Q B L

m

=0,92880,358 =¿ 2,6 (4.31)

hfv = 274.0,43.( 1,1035

984,482−1,1035¿(

0,10730,01372)

theo biểu thức (5.10), trang 115[2]: hd’ = 0,128.( Q L

100 S d)

2

, mm chất lỏng (4.37)

khoảng cách giữa 2 gờ chảy tràn l = 0,75D = 300 (mm) , khoảng cách giữa mép trên của

gờ chảy tràn và mép dưới của ống chảy chuyền được chọn là 12,5 mm

 fx: diện tích tiết diện tự do của rãnh

4.4.1.3Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh P t )

áp dung công thức (IX.139), trang 194[6]

(áp dụng công thức IX.110), trang 185[2])

để bố trí ống chảy chuyền)- Sd, với Sd = 0,072.F

 Tổng trở lực phần chưng: P chưng = Ntt chưng.P đ chưng = 8.382,033 = 3056,264 (N/m2).

Kiểm tra hoạt động của mâm.

Kiểm tra lại khoảng cách mâm với 0,25 (m) đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình thường của tháp: h > 1,8 P

 vậy mâm hoạt động bình thường

Chương 5: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

5.1 Bề dày thân tháp:

Thân tháp thiết kế hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích

Chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

- Áp suất tính toán: Ptt = Ph + Pthủy tĩnh + P (N/m2) (5.1)

o Ph: áp suất hơi trong tháp = 1at = 9,81.104 (N/m2)

 Ptt = Ph + P thủy tĩnh + P = 9,81.104 + 28631,189 + 4465,144

= 131196 (N/m2) = 0,132(N/mm2)

- Nhiệt độ tính toán

Chọn nhiệt độ tính toán: ttt = t đáy = 193,6oC Chọn t = 195oC

Tra tài liệu tham khảo, ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T

Chọn hệ số hiệu chỉnh:  = 1

- Xác định bề dày thân chịu áp suất trong:

Bề dày thực của thân: St = S’t + C (mm) (5.4)

Ta chọn phương pháp chế tạo than là phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn là hàn

o Cc: hệ số bổ sung do sai lệch chế tạo, lắp ráp, chọn Cc = 0

Các kích thước của đáy và nắp elip tiêu chuẩn, có gờ (trang 382[6])

- Chiều cao gờ (đoạn trụ): h = 25 (mm) (Bảng XIII.1.1, trang 384[6])

- Thể tích đáy: V = 11,5.10-3 (m3)

- Diện tích mặt trong của đáy: Fđáy = 0,2 (m2)

Tính theo công thức (XIII.47), trang 385[6]

Sđn = 3,8 D t P tt

[❑k] k ❑h D t

2 h + C (5.10)K: hệ số không thứ nguyên Đối với đáy không có lỗ hay có lỗ được tăng cứng hoàn toàn thì k = 1

5.3 Bích ghép thân, đáy và nắp:

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