đồ án: thiết kế tháp chưng cất đĩa lỗ để chưng cất hỗn hợp nướcaxit axetic năng xuất 2000kgh theo đáy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Thành phố Hồ Chí Minh Khoa: Kỹ thuật Hóa học Bộ môn: Quá trình Thiết bò CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc ĐỒ ÁN MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ Họ tên sinh viên Lớp: HC Ngành: Quá trình Thiết bò Đầu đề đồ án: Thiết kế tháp chưng cất đóa lỗ ( không ống chảy chuyền) để chưng cất hỗn hợp nước - axit axetic có suất 2000kg/h theo đáy Nhiệm vụ ( nội dung yêu cầu số liệu ban đầu) - Nồng độ nhập liệu : xF = 40% phần khối lượng - Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 99% phần khối lượng - Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 0,5% phần khối lượng - Hơi đốt tự chọn Nội dung phần thuyết minh tính toán: Xem phần mục lục Các vẽ đồ thò ( loại kích thướt vẽ) Gồm hai vẽ A1: vẽ quy trình công nghệ vẽ chi tiết thiết bò Ngày giao đồ án: /10/2015 Ngày hoàn thành đồ án: 22/12/2015 Ngày bảo vệ hay ngày chấm : 06/01/2016 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN Ngày 22 tháng 12 năm 2015 NGƯỜI HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN Cán hướng dẫn Nhận xét: Điểm Chữ kí: Cán chấm hay Hội đồng bảo vệ Nhận xét: Điểm Chữ kí: Điểm tổng kết: LỜI MỞ ĐẦU Chương 1: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Chương 2: GIỚI THIỆU CHUNG I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : II GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU : Chương 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU : II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG SẢN PHẨM ĐỈNH SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯC:5 III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC : IV XÁC ĐỊNH PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC VÀ SỐ MÂM LÝ THUYẾT .7 V XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA : Chương :TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH (Tháp mâm xuyên lỗ) I ĐƯỜNG KÍNH THÁP : Tra bảng 1.2, trang 9, [5] .9 II CHIỀU CAO THÁP : 11 Số mâm thực tế toàn tháp: ntt = nttL + nttC = 35+22 = 57 11 III TRỞ LỰC THÁP : .11 IV TÍNH BỀ DÀY MÂM 14 V BỀ DÀY THÁP : 14 VI BÍCH GHÉP THÂN – ĐÁY NẮP : .15 VII CHÂN ĐỢ THÁP : 16 Tra bảng XII.7, trang 313, [6] 16 VIII CỬA NỐI ỐNG DẪN VỚI THIẾT BỊ – BÍCH NỐI CÁC BỘ PHẬN CỦA THIẾT BỊ ỐNG DẪN : .18 Chương 5: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 21 I THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP : .21 II THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY : 25 III THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH : 29 IV THIẾT BỊ ĐUN SÔI DÒNG NHẬP LIỆU : 32 V BỒN CAO VỊ : 36 VI BƠM : 38 LỜI KẾT 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày phát triển với nhu cầu ngày cao độ tinh khiết sản phẩm Vì thế, phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn cải tiến đổi để ngày hoàn thiện hơn, là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ Nước – Axit axetic 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 Thiết bò môn học mang tính tổng hợp trình học tập kỹ sư Công nghệ Hóa học tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghêä, kết cấu, giá thành thiết bò sản xuất hóa chất - thực phẩm Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ Đồ án thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có suất 2000 kg/h theo đáy, nồng độ nhập liệu 40% khối lượng, nồng độ sản phẩm đỉnh 99% khối lượng, nồng độ sản phẩm đáy 0,5% khối lượng Sử dụng đốt tự chọn Chương 1: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 30% (theo phần khối lượng), nhiệt độ khoảng 270C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vò (3) Từ đưa đến thiết bò trao đổi nhiệt với sản phẩm đỉnh (4) Sau đó, hỗn hợp gia nhiệt đến nhiệt độ sôi thiết bò đun sôi dòng nhập liệu (5), đưa vào tháp chưng cất (9) đóa nhập liệu Trên đóa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn luyện tháp chảy xuống Trong tháp, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bò pha tạo nên từ nồi đun (12) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đóa từ lên cấu tử có nhiệt độ sôi cao axit axetic ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều (có nồng độ 95,5% phần khối lượng) Hơi vào thiết bò ngưng tụ (10) ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu thiết bò (4) (sau qua bồn cao vò) Phần lại chất lỏng ngưng tụ hoàn lưu tháp đóa Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bốc hơi, lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay (axit axetic) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ nước 0,5% phần khối lượng, lại axit axetic Dung dòch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đun dung dòch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại khỏi nồi đun qua thiết bò làm nguội sản phẩm đáy (13), làm nguội đến 35 0C , đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (14) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh nước, sau trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu có nhiệt độ 35oC thải bỏ Sản phẩm đáy axit axetic giữ lại Chương 2: GIỚI THIỆU CHUNG I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : Khái niệm: Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghóa nhiệt độ, áp suất bão hòa cấu tử khác nhau) Nếu xét hệ đơn giản có cấu tử ta thu sản phẩm:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé  Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn Đối với hệ Nước – Axit axetic thì:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu nước  Sản phẩm đáy chủ yếu axit axetic 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 nước trực tiếp - Chưng cất 2.3 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt đáy tháp : - Cấp nhiệt trực tiếp - Cấp nhiệt gián tiếp Vậy: hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường Thiết bò chưng cất: Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bò khác để tiến hành chưng cất tháp chêm, tháp mâm xuyên lỗ, tháp mâm chóp… Ưu điểm Nhược điểm Tháp chêm - Cấu tạo đơn giản - Trở lực thấp - Làm việc với chất lỏng bẩn dùng đệm cầu có ρ ≈ ρ chất lỏng - Do có hiệu ứng thành → hiệu suất truyền khối thấp - Độ ổn đònh không cao, khó vận hành - Do có hiệu ứng thành → tăng suất hiệu ứng thành tăng → khó tăng suất - Thiết bò nặng nề Tháp mâm xuyên lỗ - Trở lực tương đối thấp - Hiệu suất cao Tháp mâm chóp - Khá ổn đònh - Hiệu suất cao - Không làm việc với chất lỏng bẩn - Kết cấu phức tạp - Có trở lực lớn - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Nước – Axit axetic II GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU : Axit axetic: 1.1 Tính chất: Axit axetic nóng chảy 16,6oC, điểm sôi 118oC, hỗn hợp nước với tỷ lệ Trong trình hỗn hợp với nước có co thể tích, với tỷ trọng cực đại, chứa 73% axit axetic (D : 1,078 1,0553 axit khiết) Người ta suy hàm lượng axit axetic nước từ tỷ trọng nó, ngoại trừ hàm lượng 43% Tính ăn mòn kim loại: Axit axetic ăn mòn sắt Nhôm bò ăn mòn axit loãng, đề kháng tốt axit axetic đặc khiết Đồng chì bò ăn mòn axit axetic với diện không khí  Thiếc số loại thép nikel – crom đề kháng tốt axit axetic Không màu sắc, vò chua, tan nước cồn etylic 1.2 Điều chế: Axit axetic điều chế cách: 1) Oxy hóa có xúc tác cồn etylic để biến thành andehit axetic, giai đoạn trung gian Sự oxy hóa kéo dài tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O 2) Oxy hóa andehit axetic tạo thành cách tổng hợp từ acetylen Sự oxy hóa andehit tiến hành khí trời với diện coban axetat Người ta thao tác andehit axetic nhiệt độ gần 80oC để ngăn chặn hình thành peroxit Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết Người ta đạt dễ dàng sau chế axit axetic kết tinh Coban axetat 80 o C  → CH3COOH CH3CHO + ½ O2         1.3 Ứng dụng: Axit axetic axit quan trọng loại axit hữu Nguồn tiêu thụ chủ yếu axit axetic là:  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 phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp  Axetat nhôm dùng làm chất cắn màu (mordant nghề nhuộm)  Phần lớn ester axetat dung môi, thí dụ: izoamyl axetat hòa tan nhiều loại nhựa xenluloza Nước: Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng không màu, không mùi, không vò khối nước dày có màu xanh nhạt Khi hóa rắn tồn dạng dạng tinh thể khác Tính chất vật lý:  Khối lượng phân tử : 18 g / mol  Khối lượng riêng d40 c : g / ml  Nhiệt độ nóng chảy : 00C  Nhiệt độ sôi : 1000 C Nước dung môi phân cực mạnh, có khả hoà tan nhiều chất dung môi quan trọng kỹ thuật hóa học   Chương 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT I       CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU : Năng suất nhập liệu: GW = 2000 (kg/h) Nồng độ nhập liệu: xF = 40% (kg nước/ kg hỗn hợp) Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 99% (kg nước/ kg hỗn hợp) Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 0,5% (kg nước/ kg hỗn hợp) Áp suất đốt: Ph = 2,5at Chọn:  Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 30oC  Nhiệt độ sản phẩm đáy sau làm nguội: tWR = 35oC  Nhiệt độ dòng nước lạnh vào: tV = 27oC  Nhiệt độ dòng nước lạnh ra: tR = 43oC  Trạng thái nhập liệu trạng thái lỏng sôi II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG SẢN PHẨM ĐỈNH SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯC: G F = G D + G W Đun gián tiếp :  G F x F = G D x D + G W x W ⇔ GW GF GD = = xD − xW xF − xW xD − xF G F = 3339(kg/h) ⇔ G D = 1339(kg/h) III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC : Nồng độ phần mol: xF MN xF = = 0,69 (mol nước/ mol hỗn hợp) x F 1-x F + M N MA xW MN xW = = 0,016 (mol nước/ mol hỗn hợp) x W 1-x W + MN MA xD MN xD = = 0,997 (mol nước/ mol hỗn hợp) x D 1-x D + M N MA Suất lượng mol tương đối dòng nhập liệu: f= x -x F = D W = 1,455 D x F -x W Tỉ số hoàn lưu làm việc: 0.9 y*F 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 xF 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 1: Đồ thò cân pha hệ Nước – Axit axetic Dựa vào hình ⇒ yF* = 0,79 x D -y*F R = = 2.07 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: y*F -x F Tỉ số hoàn lưu làm việc tối ưu: R ∈ [ 1,1R ;3R ] ⇒ R ∈ [2, 277;6, 21] Khảo sát số đóa lý thuyết giá trò R khác nhau, ta có bảng sau R N N(R+1) 50 200 3,5 42 189 37 185 4,5 35 192.5 33 198 31 217 Hình 2: đồ thò biểu diễn quan hệ N(R+1) theo R Theo đồ thò ta có Rth = 3.9 IV XÁC ĐỊNH PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC VÀ SỐ MÂM LÝ THUYẾT Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn cất: R x y= x+ D = 0,8.x+0,2 R+1 R+1 Phương trình đường làm việc đoạn chưng: R+f f-1 y= x x w = 1,09.x - 1,43.10-3 R+1 R+1 x - xW F = D = 1,455 Với: f = D xF - xW Số mâm lý thuyết: Chỉ số Pr cµ λ Π ( D − n.d ) S= 6,757 D = 1,2.dng (b − 1) + 4.dng 1,4288 Pr = Tiết diện ngang ống Đường kính thiết bò Vận tốc dòng m2 Đường kính tương đương m Chỉ số Re vdtđ ρ µ Re104 ⇒ Chế độ chảy tầng, chảy màng Nu n = 0,021.ε l Re ,8 n , 43 n Pr  Pr  n  Prw    , 25 ( giả sử L/dtđ>50) 4,544 30 Hệ số cấp nhiệt ống αn αn = Nu n λ n d tr 3699,5 3.2 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu : t −t q t = w1 w , (W/m2) Σrt Trong đó:  tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với ngưng tụ, oC  tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước lạnh, oC δ Σrt = t + r1 + r2 oC λt  Bề dày thành ống: δt = 0,003 (m)  Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 16,3 (W/mK)  Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1 = 1/5000 (m2.K/W)  Nhiệt trở lớp cáu ống: r2 =1/5800 (m2.K/W) Nên: ∑rt = 5,565.10-4 (m2.K/W) 3.3 Xác đònh hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ống : o Nhiệt độ thành C tiếp xúc ngưng tụ tw1 o Nhiệt độ trung C tm = ½ (tngưng + tW1) bình ngưng tm tm Nhiệt ngưng kJ/kg r=rD tụ dòng r Hệ số A Hệ số phụ thuộc vào bố trí ống dãy εtb Hệ số cấp nhiệt α ngưng = 0,725.ε tb A ngưng αngưng (t r -t ).d n ngưng W1 Nhiệt tải W/m2 ngưng đến thành ống qngưng Nhiệt tải qua W/m2 thành ống lớp cáu o Nhiệt độ thành C ống tiếp xúc 84,3 92,15 2278000 171 0,7 3836,19 qngưng = αngưng (tngưng – tW1) 60228,14 qt = qngưng 60228,14 tw2 = tw1 - qtΣrt 50,78 31 dòng lạnh tw2 Nhiệt độ trung bình nước giải nhiệt tn Nhiệt tải từ thành ống vào thành ống đên nước giải nhiệt Kiểm tra sai số o C 35 W/m2 qn = αn (tW2 – tn) ε= 3.4 Xác đònh hệ số truyền nhiệt: K= qngưng − q n q ngưng 59308,64 3,05 < 5% (phù hợp) 100% 1 = 943,5 (W/m2K) + Σrt + αn α ngưng Bề mặt truyền nhiệt: Bề mặt truyền nhiệt xác đònh theo phương trình truyền nhiệt: Qnt F= = 67,4 (m2) K ∆tlog Cấu tạo thiết bò: Số ống truyền nhiệt n ống m Chiều dài ống truyền nhiệt Số ống đường chéo Bước ống Đường kính thiết bò n L= ống m m F nπ d n + d tr b t=(1,2÷1,5)d, chọn t=1,2d D = t(b-1) + 4dn 91 6,74 11 45,6 0,61 IV THIẾT BỊ ĐUN SÔI DÒNG NHẬP LIỆU : Chọn thiết bò đun sôi dòng nhập liệu thiết bò truyền nhiệt ống chùm Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T: Kích thước ống trong: 38 x Chọn:  Dòng nhập liệu ống với nhiệt độ vào t V = tFR = 30oC nhiệt độ t R = tFS = 103,4oC  Hơi ngưng tụ ống có áp suất 2,5at:  Nhiệt hóa hơi: rH 2O = rn = 2189500 (J/kg)  Nhiệt độ sôi: t H 2O = tn = 126,25 (oC) Suất lượng đốt cần dùng : 32 Cân nhiệt: Q = GF(hFS – hFR) = Gnrn hFR= 326585,798 J/kg hFV=86982 J/kg GF ( hFS – hFR ) Lượng đốt cần dùng: Gn = = 365,4 (kg/h) rn Hiệu số nhiệt độ trung bình : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: (126,25 − 30) − (126,25 − 103,4) ∆tlog = 126,25 − 30 = 51 (K) Ln 126,25 − 103,4 Hệ số truyền nhiệt : Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: K= 1 ,(W/m2.K) + Σrt + αF αn Với:  αF : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống (W/m2.K)  αn : hệ số cấp nhiệt đốt ống (W/m2.K)  ∑rt : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu 3.1 Xác đònh hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống: o t +t Nhiệt độ trung C tF = v r bình nước tf tF Khối lượng kg/m riêng ρF Độ nhớt tuyệt N.s/m2 đối µn Hệ số dẫn W/mK nhiệt nước λn Nhiệt dung j/kg.độ riêng Chuẩn số Prandtl PrF Chọn số ống n Số ống đường b chéo 4GF Vận tốc ống vF = 3600 ρ Fπ dtr2 66,7 989,92 9,43.10-4 0,276 3019 5,39 91 11 0,0037 33 Chỉ số Re Chế độ chảy εl β Gr0,1 Re F = vF.dtr µ F ρ 823 Re50) 0.746.10-3 3,862 0,1 Gr 0,1  d ρ β ∆t  =  tđ ÷  µ g ÷   (Pr/ Prw )0,25 Chỉ số Nu Nu = 0,15.ε l Re0,33 Pr 0,43 Gr 0,1 (Pr/ Prw )0,25 Hệ số cấp nhiệt ống αF αF = NuF λF dtr 10,95 94,47 3.2 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu : t −t q t = w1 w , (W/m2) Σrt Trong đó:  tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với đốt, oC  tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu, oC δ Σrt = t + r1 + r2 λt  Bề dày thành ống: δt = 0,003 (m)  Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 16,3 (W/mK)  Nhiệt trở lớp cáu ống: r1 = 1/5800 (m2.K/W)  Nhiệt trở lớp cáu ống: r2 =1/5800 (m2.K/W) Nên: ∑rt = 5,289.10-4 (m2.K/W) 3.3 Xác đònh hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ống : o Nhiệt độ thành C tiếp xúc ngưng tụ tw1 o Nhiệt độ trung C tm = ½ (tngưng + tW1) bình ngưng tm tm Nhiệt ngưng kJ/kg tụ dòng r Hệ số A Hệ số phụ thuộc vào bố trí ống 125,7 125,975 2189500 189,75 0,7 34 dãy εtb Hệ số cấp nhiệt ngưng αngưng α ngưng = 0,725.ε tb A Nhiệt tải W/m2 ngưng đến thành ống qngưng Nhiệt tải qua W/m2 thành ống lớp cáu o Nhiệt độ thành C ống tiếp xúc dòng lạnh tw2 o Nhiệt độ trung C bình nước giải nhiệt tn Nhiệt tải từ W/m2 thành ống vào thành ống đên nước giải nhiệt Kiểm tra sai số r (t ngưng -t W1 ).d n 9742,4 qngưng = αngưng (tngưng – tW1) 5358,3 qt = qngưng 5358,3 tw2 = tw1 - qtΣrt 122,87 66,7 qw = αw (tW2 – tw) ε= 3.4 Xác đònh hệ số truyền nhiệt : K= qngưng − q w q ngưng 59308,64 0,98% < 5% (phù hợp) 100% 1 = 89,15 (W/m2K) + Σrt + αF αn Bề mặt truyền nhiệt : Bề mặt truyền nhiệt xác đònh theo phương trình truyền nhiệt: Q F= = 48,878 (m2) K ∆tlog Cấu tạo thiết bò : Số ống truyền nhiệt n ống m Chiều dài ống truyền nhiệt Số ống đường chéo Bước ống Đường kính thiết bò n L= ống m m F nπ d n + d tr b t=(1,2÷1,5)d, chọn t=1,2d D = t(b-1) + 4dn 91 4,89 11 45,6 0,61 35 Kiểm tra: L 27 = = 843,75 > 50 ⇒ εl = 1: thỏa d tr 0,032 V BỒN CAO VỊ : Tổn thất đường ống dẫn: Chọn ống dẫn có đường kính dtr = 70 (mm) Chọn độ nhám ống: ε = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mòn ít) Tổn thất đường ống dẫn:  l1  vF h =  λ + Σξ1  (m)  d1  2g 1.1 Xác đònh vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn : Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra nhiệt độ trung bình: t +t 30 + 103,4 tF = FV FS = = 66,7 (oC) 2 Tại nhiệt độ thì: ρF = 992,665 (kg/m3) µF = 5,159.10-4 (N.s/m2) 4GF vF = = 0,24 (m/s) 3600 ρ Fπ dtr2 1.2 Xác đònh hệ số ma sát đường ống : v d ρ 0,24 × 0,07 × 992,665 Re F = F tr F = = 32325 > 4000 : chế độ chảy rối µF 5,159.10−4 Regh = 6(d1/ε)8/7 = 4849 Ren = 220(d1/ε)9/8 = 160139 36 Vì Regh < ReF < Ren ⇒ chế độ chảy rối ứng với khu vực độ  ε 100 => λ1= 0,1.1,46 + d Re F     , 25 = 0,046 1.3 Xác đònh tổng hệ số tổn thất cục :  Chỗ uốn cong : Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = ξu1 (1 chỗ) = 0,15 Đường ống có chỗ uốn ⇒ ξu1 = 0,15 = 0,45  Van : Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn ξvan (1 cái) = 10 Đường ống có van cầu ⇒ ξvan = 10 = 20  Lưu lượng kế : ξl1 = 10 (xem van) Nên: ∑ξ1 = ξu1 + ξvan + ξll = 30,45   0,242 30 + 30,45 ÷ Vậy: h1 =  0,046 = 0,14 (m) 0,08   × 9,81 Tổn thất đường ống dẫn thiết bò trao đổi nhiệt  Re F = 823 < 2320  64 64 = = 0, 078 Re 823 Xác đònh tổn thất cục Thiết bị Cửa vào (xem đột mở) gia nhiệt Cửa (xem đột thu) ⇒λ = Lối vào hệ thống ống truyền nhiệt (xem lưới phẳng khoang lổ) 0,81 0,7 725+940  Trở lực: h2 = 0,0012m Chiều cao bồn cao vò: Chọn :  Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vò  Mặt cắt (2-2) mặt cắt vò trí nhập liệu tháp p dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): 2 P1 P2 v v z1 + + = z2 + + +∑hf1-2 ρ F g ρ F g 2.g 2.g ⇔ z1 = z + P2 − P1 v − v1 + +∑hf1-2 ρ F g 2.g Trong đó:  z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem chiều cao bồn cao vò H cv = z1 37 z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem chiều cao từ mặt đất đến vò trí nhập liệu: z2 = hchân đỡ + hc-∆hnl = 0,4+11-0,2=11,2 (m)  P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at = 9,81.104 (N/m2)  P2 : áp suất mặt thoáng (2-2) Xem ∆P = P2 – P1 = nttL ∆PL = 16689,4 (N/m2)  v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = (m/s)  v2 : vận tốc vò trí nhập liệu, v2 = vF = 0,24 (m/s)  ∑hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2): ∑hf1-2 = h1 + h2=0.2m 2 P2 − P1 v − v1 + Vậy: Chiều cao bồn cao vò: Hcv = z2 + +∑hf1-2 ρ F g 2.g  = 13 (m) Chọn Hcv = 15 (m) VI BƠM : Năng suất: Nhiệt độ dòng nhập liệu tF = 27oC ρF = 1026,974 (kg/m3) µF = 9,753.10-4 (N.s/m2) Suất lượng thể tích dòng nhập liệu ống: G 3000 QF = F = = 3,25 (m3/h) ρ F 1026,974 Vậy: chọn bơm có suất Qb = (m3/h) Cột áp: Chọn :  Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu  Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vò Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): 2 P1 P2 v1 v2 z1 + + + H b = z2 + + +∑hf1-2 ρ F g ρ F g 2.g 2.g Trong đó:  z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = 1m  z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 15m  P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at  P2 : áp suất mặt thoáng (2-2), chọn P2 = at  v1,v2 : vận tốc mặt thoáng (1-1) và(2-2), xem v1= v2 = 0(m/s)  ∑hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2)  Hb : cột áp bơm 2.1 Tính tổng trở lực ống: 38 Chọn đường kính ống hút ống đẩy nhau: dtr = 50 (mm) Độ nhám ống: ε = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mòn ít) Tổng trở lực ống hút ống đẩy  l h + lđ  vF  + Σξ h + Σξ đ  ∑hf1-2 =  λ d tr   2g Trong đó:  lh : chiều dài ống hút Chiều cao hút bơm: Tra bảng II.34, trang 441, [5] ⇒ hh = 4,3 (m) ⇒ Chọn lh = (m)  lđ : chiều dài ống đẩy, chọn lđ = 10 (m)  ∑ξh : tổng tổn thất cục ống hút  ∑ξđ : tổng tổn thất cục ống đẩy  λ : hệ số ma sát ống hút ống đẩy  vF : vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy (m/s) 4Qb 4× vF = = = 0,566 (m/s) 3600π dtr 3600 × π × 0,050  Xác đònh hệ số ma sát ống hút ống đẩy : Chuẩn số Reynolds : v d ρ 0,424 × 0,05 × 1026,974 Re F = F tr F = = 22799 > 4000 : chế độ chảy rối µF 9,753.10 − Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh = 6(dtr/ε)8/7 = 3301,065 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren = 220(dtr/ε)9/8 = 109674,381 Vì Regh < ReF < Ren ⇒ chế độ chảy rối ứng với khu vực độ  ε 100   + Áp dụng công thức (II.64), trang 379, [5]: λ = 0,1.1,46 d Re tr F   ,25 = 0,05  Xác đònh tổng tổn thất cục ống hút :  Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = ξu1 (1 chỗ) = 0,15 Ống hút có chỗ uốn ⇒ ξu1 = 0,15 = 0,3  Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn ξv1 (1 cái) = 10 Ống hút có van cầu ⇒ ξv1 = 10 Nên: ∑ξh = ξu1 + ξv1 = 10,3  Xác đònh tổng tổn thất cục ống đẩy :  Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = ξu2 (1 chỗ) = 0,15 Ống đẩy có chỗ uốn ⇒ ξu2 = 0,15 = 0,6 39  Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn ξv2 (1 cái) = 10 Ống đẩy có van cầu ⇒ ξv2 = 10  Vào bồn cao vò : ξcv = Nên: ∑ξđ = ξu1 + ξv1 + ξcv = 11,6   0,5662 + 10 0,05 + 10,3 + 11,6 Vậy: ∑hf1-2 =  = 0,6 (m) ÷ 0,05   × 9,81 2.2 Tính cột áp bơm: Hb = (z2 – z1) + ∑hf1-2 = (15 – 1) + 0,6 = 14,6 (m) Công suất: Chọn hiệu suất bơm: ηb = 0,8 Qb H b ρ F g × 14,6 × 1026,974 × 9,81 = Công suất thực tế bơm: Nb = 3600.η b 3600 × 0,8 = 204,3(W) = 0,27 (Hp) Kết luận: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có: - Năng suất: Qb = (m3/h) - Cột áp: Hb = 14,6(m) - Công suất: Nb = 0,27(Hp) 40 LỜI KẾT Với hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic dùng tháp mâm xuyên lỗ thiết kế, ta thấy bên cạnh ưu điểm có nhiều nhược điểm Thiết bò có ưu điểm suất hiệu suất cao thiết bò cồng kềnh, đòi hỏi phải có vận hành với độ xác cao Bên cạnh đó, vận hành thiết bò ta phải ý đến vấn đề an toàn lao động để tránh rủi ro xảy ra, gây thiệt hại người 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Trần Hùng Dũng – Nguyễn Văn Lục – Hoàng Minh Nam – Vũ Bá Minh, “Quá trình Thiết bò Công Nghệ Hóa Học – Tập 1, Quyển 2: Phân riêng khí động, lực ly tâm, bơm, quạt, máy nén Tính hệ thống đường ống”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 1997, 203tr [2].Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình Thiết bò Công Nghệ Hóa Học – Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 388tr [3].Phạm Văn Bôn – Nguyễn Đình Thọ, “Quá trình Thiết bò Công Nghệ Hóa Học – Tập 5: Quá trình Thiết bò Truyền Nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2002, 372tr [4].Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam, “Quá trình Thiết bò Công Nghệ Hóa Học – Tập 10: Ví dụ Bài tập”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 468tr [5].Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bò Công nghệ Hóa chất – Tập 1”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 626tr [6].Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bò Công nghệ Hóa chất – Tập 2”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 447tr [7].Hồ Lê Viên, “Thiết kế Tính toán thiết bò hóa chất”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1978, 286tr 42 [...]... kính lỗ V BỀ DÀY THÁP : 1 Thân tháp: Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích Vì tháp hoạt động ở nhiệt độ cao (>100oC) nên ta phải bọc cách nhiệt cho tháp Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của axit axetic đối với thiết bò, ta chọn thiết bò thân tháp. .. mđáy+nắp = Sbề mặt đáy+ nắp δ ρX18H10T =( 2,35.0,004+3,03.0,005) 7900 = 193,945 (kg) Khối lượng của toàn tháp: m =16x76,1+10x123,86+35x43,75+22x57,15+2318+1863,3+193,945 = 9620(kg)=9,62 (tấn) 2 Tính chân đỡ tháp: Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân Vật liệu làm chân đỡ tháp là thép CT3 17 Trục thiết bò Theo đáy thiết bò P mg 9620 × 9,81 = = = 2,36.104 (N) 4 4 4 4 Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bò, ta... 3 Tại đáy tháp: 8 nHW nLW W 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 = 59,33(kg/mol) Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy: GW W= =33,71 (kmol/h) M LW Và: nLW = n’LF = 395,74(kmol/h) nHW = nHF = nHD = 361,96 (kmol/h) Chương 4 :TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH (Tháp mâm xuyên lỗ) I... diện tự do bằng S= 10% diện tích mâm  Đường kính lỗ: dlỗ = 8 mm = 0,008 (m)  Lỗ bố trí theo hình lục giác đều  Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng t= 20 mm  Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T 11  Đường kính đóa được giảm 100mm so với đường kính trong tháp Số lỗ trên 1 mâm: ϕ 10%Smâm = 0,1 N= Slỗ  dlỗ 2 2   1,4 − 0,1  ÷ ÷ = 0,1 0,008 ÷ = 2640,6 lỗ    Gọi a là số hình lục giác Áp dụng công... 21,9 µC 0,381 nttC quy tròn 22 3 Chiều cao thân tháp: Số mâm thực tế của toàn tháp: ntt = nttL + nttC = 35+22 = 57 Chiều cao thân tháp: Hthân = (ntt – 1) Hđ + 3,2 = 25,6m Trong đó: Hđ là khoảng cách giữa hai đóa (=400mm) 3,2 khoảng cách cộng thêm ở đỉnh, đáy tháp Vì vậy Hthân = 25,6 = HL+Hc =14,6+11 III TRỞ LỰC THÁP : 1 Cấu tạo mâm lỗ: Chọn tháp mâm xuyên lỗ không có ống chảy chuyền với: Đối với đóa luyện:... phù hợp) Tính sai số: ε = 1,4 2 Phần chưng: Giả sử đường kính đoạn chưng là 1,6 m và chọn ∆h = 400 (mm) = 0,4 (m) Tính toán tương tự như phần luyện ⇒ ta có bảng kết quả sau: xc xC TLC ρNC ρAC ρLC 0,353 0,2025 105,06 954,26 947,92 949,2 yc 0,383 THC 108,4 MHC 43,9 ρHC 1,4 ωC 1,484 QHC 3,15 φC 1,63 ε 1,78 Kết luận: Đường kính tháp θ L = 1, 4m θC = 1, 6m Vận tốc pha hơi trong phần chưng và phần luyện theo. .. nhiệt được xác đònh theo phương trình truyền nhiệt: Qđ F= = 327,2(m2) K ∆tlog 5 Cấu tạo thiết bò: Số ống truyền nhiệt n ống m Chiều dài ống truyền nhiệt Số ống trên đường chéo Bước ống Đường kính thiết bò n L= ống m m F nπ d n + d tr 2 b t=(1,2÷1,5)d, chọn t=1,2d D = t(b-1) + 4dn 469 6,35 25 45,6 1,25 II THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY : Chọn thiết bò làm nguội sản phẩm đáy là thiết bò truyền nhiệt... trên được thỏa như đã kiểm tra ở phần thân tháp Đoạn luyện Đường kính trong Dt = φ (mm) 1400 Chiều cao nắp đáy ht=0,25Dt 350 Chiều cao gờ hg (mm) 50 Bề dày S (mm) 4 Diện tích mặt trong ống Sbề mặt 2,35 Đoạn chưng 1600 400 50 5 3,03 VI BÍCH GHÉP THÂN – ĐÁY và NẮP : Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bò cũng như nối các bộ phận khác với thiết bò Các loại mặt bích thường sử dụng:... nối liền với thiết bò (hàn, đúc và rèn) Loại bích này chủ yếu dùng thiết bò làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình  Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bò  Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bò làm việc ở áp suất cao Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp... (V.139), trang 48, [6]: N = 3a(a+1) +1 Giải phương trình bậc 2 ⇒ a = 29,1 ≈ 30 ⇒ N = 2791 (lỗ) Số lỗ trên đường chéo: b = 2a + 1 = 61 (lỗ) Chọn số ống trên hình viên phân là 5% => N = 2791.105%=2930 lỗ Đối với đóa chưng: Thép Bố trí S% X18H10T dlỗ mm 8 t mm N Lục giác 10 20 3750 đều  Kiểm tra ngập lụt: Tốc độ sặc được tính theo công thức Y=A.exp(-4X); A=10 0,125 0,25  ws2   ρ k  0.16  ρk  L Với Y=