Tính toán và thiết kế tháp chưng hỗn hợp nước, axit axetic với năng suất nhập liệu

Nhiệm vụ của đồ án này: tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử dễ bay hơi Nước và Axit axetic với năng suất nhập liệu 1600kg/h có nồng độ 40%, nồ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Sinh viên thực hiện: PHAN THỊ THU THẢO

Lớp: Công nghệ thực phẩm 46B

Ngành: Công Nghệ Thực Phẩm

1 Tên đề tài: Tính toán và thiết kế tháp chưng hỗn hợp Nước – Axit axetic với

năng suất nhập liệu là 1600kg/h.

2 Số liệu ban đầu

- Năng suất nhập liệu:1600kg/h

- Nồng độ nhập liệu: aF = 40%

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

Chương I: Tổng quan về sản phẩm, quá trình chưng, dây chuyền công nghệ

Chương II: Tính công nghệ thiết bị chính

Chương III: Tính kết cấu công nghệ thiết bị chính

Chương IV: Tính thiết bị phụ

4 Các bản vẽ và phụ lục

- Một bản vẽ hệ thống thiết bị chính A1

5 Ngày giao nhiệm vụ:

6 Ngày hoàn thành đồ án:

Giáo viên hướng dẫn

TS NGUYỄN VĂN HUẾ

Lời Mở Đầu

Sự phát triển về công nghệ bên cạnh đó là là sự phát triển về nhu cầu của con người về độ tinh khiết cao Vì vậy mà các phương pháp nâng cao độ tinh khiệt được cải tiến và luôn được đổi mới để hoàn thiện: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly…Tùy vào từng đặc tính của sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp cho phù hợp

Axit axetic đây là một trong những hợp phần quan trọng, nó không thể thiếu trong cuộc sống hằng ngày, nó góp phần to lớn đến các ngành công nghiệp hóa học cũng như công nghệ thực phẩm

Đối với hệ Nước – Axit axetic là hệ 2 cấu tử tan vào nhau, do đó mà ta cần phải dùng chưng cất để nâng cao nhiệt độ tinh khiết Người ta thường sử dụng thiết bị tháp mâm xuyên lỗ, làm việc ở áp suất thường

Nhiệm vụ của đồ án này: tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử dễ bay hơi Nước và Axit axetic với năng suất nhập liệu 1600kg/h có nồng độ 40%, nồng độ sản phẩm đỉnh là 97%, nồng độ sản phẩm đáy 5%

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH 1

CHƯNG CẤT VÀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 1

I TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM 1

1 Axit axetic 1

2 Nước 2

3 Hỗn hợp nước – axit axetic 2

II QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 3

1 Khái niệm 3

2 Các phương pháp chưng cất 4

3 Thiết bị chưng 4

III QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC – AXIT AXETIC 6

1 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ nước – axit axetic 6

2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ 6

CHƯƠNG 2: TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH 8

I CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG 8

1 CÂN BẰNG VẬT LIỆU 8

1.1 Thông số ban đầu 8

1.2 Tính cân bằng vật liệu 9

1.3 Thành phần mol cân bằng của các cấu tử dựa vào dữ liệu cân bằng pha 10

1.4 Xác định số đĩa lý thuyết 11

1.5 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện 13

1.6 Xác định số đĩa thực tế 13

2 Cân bằng nhiệt lượng trong quá trình chưng luyện 16

2.1 Cân bằng nhiệt của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 17

2.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp 18

2.2.1.Nhiệt lượng toả ra do hỗn hợp đầu mang vào tháp QF 18

2.2.2 Nhiệt lượng lỏng hồi lưu mang vào QR 18

2.2.3 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy 18

2.2.4 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Qw 19

2.2.5 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng2 19

2.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 20

2.4 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh 21

II CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA THÁP 21

1 Đường kính tháp 21

1.1 Đường kính đoạn luyện 21

1.2 Đường kính đoạn chưng 24

2 Chiều cao của tháp chưng luyện 27

3 Tính trở lực của tháp 27

3.1 Cấu tạo của mâm lỗ 27

3.2 Trở lực đĩa khô 28

3.3 Trở lực do sức căng bề mặt 28

3.3 Trở lực do sức căng bề mặt 28

3.4 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra 29

3.5 Tổng trở lực thủy lực của tháp 30

3.6 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 30

CHƯƠNG 3: TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH 32

I CHỌN VẬT LIỆU 32

II TÍNH BỀ DÀY CỦA THÁP 32

1 Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán 32

2 Tính bề dày thân chịu áp suất trong 32

3 Kiểm tra độ bền 33

III TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ 33

IV ĐƯỜNG KÍNH ỐNG DẪN 33

1 Đường kính ống dẫn hơi ở đỉnh tháp vào thiết bị ngưng tụ 33

2 Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu 34

3 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy 35

4 Đường kính ống dẫn hơi vào đáy tháp 36

5 Đường kính ống hồi lưu 36

V BỀ DÀY LỚP CÁCH NHIỆT 37

VI MẶT BÍCH 38

1 Bích để nối thiết bị 38

2 Bích nối tháp với ống dẫn 38

VII CỬA NỐI VỚI ỐNG DẪN THIẾT BỊ 39

VIII TAI TREO VÀ CHÂN ĐỠ THIẾT BỊ 39

1 Khối lượng toàn tháp 39

2 Tai treo, chân đỡ 41

CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ PHỤ 43

I THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH 43

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 43

2 Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống 43

3 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu 44

4 Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ống 44

5 Xác định hệ số truyền nhiệt 46

6 Bề mặt truyền nhiệt 46

II.THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY 46

1 Suất lượng nước cần dùng để làm mát sản phẩm đáy 47

47

2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 47

III THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU 50

1 Nhiệt lượng cung cấp cho dòng nhập liệu 51

2 Suất lượng hơi nước cần dùng để gia nhiệt 51

IV.NỒI ĐUN ĐÁY THÁP 54

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 54

2 Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ống 55

3 Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi đốt nóng trong ống 56

4 Xác định hệ số truyền nhiệt 57

5 Bề mặt truyền nhiệt 57

III TÍNH CHIỀU CAO BỒN CAO VỊ 57

1 Áp suất động lực học 57

2 Áp suất khắc phục trở lực do ma sát 58

3 Áp suất khắc phục trở lực cục bộ 58

VI TÍNH TOÁN VÀ CHỌN BƠM 60

1 Tính năng suất của bơm 60

2 Tính áp suất toàn phần của bơm 61

3 Tính tổn thất áp suất do trở lực cục bộ 62

4 Tính áp suất để nâng chất lỏng lên cao 62

CHƯƠNG IV: 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH

CHƯNG CẤT VÀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

- Tan vô hạn trong nước, rượu và ete theo bất kì tỉ lệ nào

- Là 1 axit yếu, hằng số phân ly nhiệt động học của nó là Ka= 1,75*10-5ở 250C;

pKa = 4,76

- Tính ăn mòn kim loại:

+ Axit axetic ăn mòn sắt

+ Nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, nó đề kháng tốt với axit axetic đặc và thuần khiết Đồng và chì bị ăn mòn với sự hiện diện của không khí

+ Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối với axit axetic

Sự oxy hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban

hình thành của peoxit Hiệu xuất đạt được là 95% - 98% so với lý thuyết Người ta đạt như thế rất dễ dàng sau khi axit axetic kết tinh được

CH3CHO + 2O2 coban axetat ở 800C CH3COOH

Hiệu suất có thể đạt được 50% - 60% so với lý thuyết bằng cách ổn định cacbon

oxit trên cồn metylic qua xúc tác

Nhiệt độ từ 200 – 5000C, áp suất 100 – 200 atm

c Ứng dụng

- Axit axetic là nguyên liệu dùng để sản xuất nhiều mặt hàng khác nhau và được

ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế, dược, giao thông vận tải…

Vì nó là một loại axit rẻ tiền nhất

- Axit axetic là một trong những ứng dụng quan trọng trong các loại axit hữu cơ

Nguồn tiêu thụ chủ yếu:

+ Làm giấm ăn ( chứa 4,5% axit axetic )

+ Làm đông đặc nhựa mủ cao su

+Làm chất dẻo sợi celluloza acetat – làm phim ảnh không nhạy lửa

+ Làm chất kết dính polyvinyl acetat

+ Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp

2 Nước

- Trong điều kiện thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị

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

Khối lượng phân tử: 18g/mol

Khối lượng riêng d4oC: 1g/ml

Nhiệt độ nóng chảy: 00C

Nhiệt độ sôi: 1000C

+ Các hợp chất phân cực hoặc có tính ion như axit, rượu và muối đều dễ tan

trong nước

+ Tính hòa tan của nước nó đóng vai trò quan trọng trong sinh học vì có nhiều

phản ứng hóa sinh chỉ xảy ra trong dung dịch nước

một chất trao đổi nhiệt, và là dung môi quan trọng trong kỹ thuật hóa học

3 Hỗn hợp nước – axit axetic

Ta có bảng: Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp nước –

Hình 2.1: Đồ thị t – x,y của hỗn hợp Nước – Axit acetic

Hình 2.2: Đồ thị cân bằng lỏng hơi cửa hỗn hợp Nước và Axit axetic

II QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT

1 Khái niệm

- Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng dựa trên nhiệt độ bay hơi của chúng

- Chưng khác với cô đặc: trong quá trình chưng, các cấu tử đều bay hơi, còn trong cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi mà chất tan không bay hơi

- Sản phẩm của quá trình chưng tuy chưa đạt tinh khiết tuyệt đối, nhưng nồng độ

của nó khá cao.

- Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường hệ có bao nhiêu cấu tử thì

ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm:

+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước và một ít axit axetic

+ Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic và một ít nước

2 Các phương pháp chưng cất

Các phương pháp chưng cất được phân loại dựa theo:

+ Áp suất làm việc

+ Chưng cất ở áp suất thấp

+ Chưng cất ở áp suất thường

+ Chưng cất ở áp suất cao

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

Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:

+ Cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước

+ Cấp nhiệt gián tiếp bằng hơi nước: áp dụng đối với trường hợp chất được tách tan vào trong nước

Phương thức làm việc:

+ Chưng liên tục là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, và nhiều đoạn.+ Chưng gián đoạn: phương pháp này sử dụng trong các trường hợp:

•Tách sơ bộ nhiều cấu tử

Đối với hệ Nước – Axit axetic ta dùng phương pháp chưng luyện liên tục để tách

hệ này

3 Thiết bị chưng

- Trong sản xuất thì có rất nhiều tháp chưng nhưng chúng đều có chung là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này nó phụ thuộc vào độ phân tán của cấu tử này vào cấu tử kia

- Kích thước của tháp: đường kính tháp và chiều cao của tháp nó phụ thuộc vào suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm

- Các loại tháp thường dùng trong công nghiệp:

+ Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa tưới

+ Tháp chưng cất dùng mâm chóp

+ Tháp đệm: tháp chưng cất dùng vật chêm

- 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 được tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo đĩa mà ta có:

+ Tháp mâm chóp: trên mâm có bố trí các chóp dạng tròn hay một dạng khác, có rãnh xung quanh để pha khí đi qua và ống chảy chuyền có hình tròn.

+ Tháp mâm xuyên lỗ: Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh có đường kính 3 – 12mm được bố trí trên các đỉnh tam giác, bước lỗ bằng 2,5 đến 5 lần đường kính

- Tháp đệm: tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong 2 phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp theo thứ tự

Bảng 1: So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp

Ưu

điểm

- Cấu tạo khá đơn giản

- Trở lực thấp - Chế tạo đơn giản- Trở lực thấp hơn tháp

chóp, ít tốn kim loại hơn tháp chóp

- Hiệu suất truyền khối cao, ổn định

- Ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số mâm ít

phép ta kiểm soát quá trình

chưng cất theo không gian

2,4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì lúc đó chất lỏng phân phối không đều trên mâm

III QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC – AXIT AXETIC

1 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ nước – axit axetic

1 Bồn chứa nguyên liệu

11 Thiết bị đun sôi sản phẩm đáy

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

2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ 40% ( theo khối lượng), nhiệt độ nhập

theo, hỗn hợp được dẫn qua thiết bị đun sôi nhập liệu ( thiết bị trao đổi nhiệt) (4) Sau

đó, được đưa qua van (6) để điều chỉnh lưu lượng trước khi vào tháp chưng (8) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với chất lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống Tại đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa pha lỏng và hơi với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng, càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử để bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi cuốn các cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là axit axetic sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử nước chiếm nhiều nhất ( có nồng độ 97% theo phần khối lượng) Hơi này sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ (9) và sẽ được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ nó sẽ được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (4) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ nó sẽ được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại là cấu

tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng nó sẽ càng tăng Cuối cùng ở đáy tháp ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng là hầu hết các cấu tử khó bay hơi ( axit axetic) Hỗn hợp lỏng ở đáy

có nồng độ là nước 5% ( theo khối lượng) Dung dịch lỏng ở đáy nó sẽ đi ra khỏi tháp rồi vào nồi đun (11) Trong nồi đun (11) dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun và đi ra qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (12), rồi sau đó được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (13)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước, sau khi trao đổi với

dòng nhập liệu và được thải bỏ Sản phẩm đáy là axit axetic được giữ lại.

CHƯƠNG 2: TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH

I CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG

1 CÂN BẰNG VẬT LIỆU

1.1 Thông số ban đầu

- Chọn loại tháp mâm xuyên lỗ

Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước

+ Nước: H2O, MA = 18 (g/mol)

- Năng suất nhập liệu: GF = 1600 (kg/h)

- Chọn:

+ Nhiệt độ nhập liệu: 280C

+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: 300C

+ NHhieejtj độ dòng nước lạnh đi ra: 450C

+ Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

+ Áp suất hơi đốt: Ph = 3at

- Các ký hiệu:

Bảng 2: Bảng ký hiệu

yP Phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng sản phẩm đỉnh % mol

+ Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh:

- Lưu lượng mol tính theo công thức:

+ Lưu lượng mol của sản phẩm đáy:

1.3 Thành phần mol cân bằng của các cấu tử dựa vào dữ liệu cân bằng pha

Ta có số liệu cân bằng pha của hỗn hợp Nước – Axit axetic ở áp suất thường ( sổ tay QTTB – T2 – T148 ), thiết lập đồ thị phụ thuộc giữa đại lượng x-y, T – x, y ( hình 2.1 và hình 2.2 ) Từ đó mà ta xác định được phần mol các cấu tử trong pha hơi nằm cân bằng với pha lỏng ứng với nhiệt độ sôi của từng dòng F, P, W

- Gọi yF*, yp*, yp* là nồng độ phần mol của pha hơi cân bằng với lỏng trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, tF, tP, tW là nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu, của sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

- Bằng phương pháp nội suy và dựa vào đồ thị ta có kết quả như sau:

1.4 Xác định số đĩa lý thuyết

a phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện

Gọi:

+ Gx: Lưu lượng pha lỏng hồi lưu trở lại tháp

+ Gy: Lưu lượng pha hơi đi từ dưới lên

+ P: Lưu lượng sản phẩm đỉnh

+ x: Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa trên xuống

+ y: Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi chảy từ đĩa dưới lên

- Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện:

Trong đó: là chỉ số hồi lưu.

- Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

và đi qua điểm

b Chọn tỉ số hồi lưu thích hợp

x-y tại điểm B Điểm B phụ thuộc vào giá trị chỉ số hồi lưu làm việc Rx

được chọn qua tỉ số hồi lưu tối thiểu theo công thức:

Rx = b* Rxmin Với b: hệ số dư, b ( 1,22,5 ); ( CT IX.25, T158 [2] )

Trong đó:

Với mỗi giá trị của b (1,22,5) ta tính được , suy ra toạ độ điểm B của đường làm việc đoạn luyện ứng với giá trị này, vẽ được đường làm việc đoạn chưng, vẽ số bậc thay đổi nồng độ và xác định được số đĩa lý thuyết

Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp tương ứng với số đĩa lý thuyết tối ưu:

Vlàm việc Nlt(Rx+1) Sau khi xác định số đĩa lý thuyết ta có bảng số liệu sau:

Do đó ta chọn giá trị b = 2,2 khi đó Rx có giá trị tối ưu và Rx = 2

Đồ thị bậc thay đổi nồng độ: thiếu đồ thị

90 80 70 60 50 40 30 20 10

10 20 30 40 50 60 70 80 90

xác định được số mâm lý thuyết thu được là 24 mâm

1.5 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện

+ Nlt: số bậc thay đổi nồng độ hoặc số đĩa lý thuyết

+ : hiệu suất trung bình của thiết bị

b Tính α, μ tại 3 vị trí: đĩa nạp liệu, đỉnh và đáy tháp

 Tại đĩa nạp liệu

- Từ xF = 0,69 ta tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : y*

- Từ xp = 0,99 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: yp* = 0,995; tP = 100,060C

- Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp lỏng tại vị trí đỉnh :

- Tìm độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đỉnh:

+ Tại t = 100,060C dùng phương pháp nội suy ta tra được độ nhớt của nước và

axit axetic ( Bảng I.101, T91,92, [1] )

= 0,29

 Tại vị trí mâm đáy

- Từ ta tra đồ thị cân bằng của hệ: ; tW = 111,950C

- Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp lỏng tại vị trí đáy :

- Tìm độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đáy:

axit axetic (bảng I.101, T 91,92, [1])

= 0,15 lg0,253 + (1

0,194 (cP)Suy ra : αW µW = 0,194 1,74 = 0,34

Số đĩa thực tế của đoạn luyện NL=

Số đĩa thực tế của đoạn chưng: Nc =

Số đĩa thực tế của đoạn luyệnNL= 32,4 đĩa, chọn 32 đĩa

Số đĩa thực tế của đoạn chưng: Nc = 9,8 đĩa, chọn 10 đĩa

2 Cân bằng nhiệt lượng trong quá trình chưng luyện

QD1 Nhiệt độ do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng J/h

Qf Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun nóng J/h

QF Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng hay

Qng1 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị đun nóng J/h J/hQxq1 Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh J/hQD2 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào cần đun nóng sản phẩm đáy J/h

QR Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào J/h

QW Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp J/hQng2 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi tháp J/h

Qxq2 Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh J/h

2.1 Cân bằng nhiệt của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

- Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng

QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 ( CT IX.149, T196, [2] )

Trong đó:

QD1 = D1λ1 = D1( r1 +θ1C1 ) J/h ( CT IX.150, T196, [2] )

Với:

D1: lượng hơi đốt mang vào, kg/h

λ1: hàm nhiệt của hơi nước, J/kg

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, J/kg

θ1: nhiệt độ của nước ngưng, 0C

C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg độ

CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng, (J/kg*độ)

Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, (J/kg*độ)

Suy ra, lượng hơi nước bão hoà cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu là:

- Tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:

Sử dụng công thức nội suy ta có:

2.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp

- Trong đó:

+ GP là lưu lượng sản phẩm đỉnh, (kg/h)

+ Rx là chỉ số hồi lưu tối ưu

+ CR là nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu, (J/kg*độ)

+ tR là nhiệt độ của lượng lỏng hồi lưu, (0C)

- Nhiệt dung riêng của lượng lỏng hồi lưu ứng với nhiệt độ tR= tP= 100,060C là:

là nhiệt lượng riêng của hơi mang ra ở đỉnh tháp, (J/kg)

là nhiệt lượng riêng của cấu tử A và B ở đỉnh tháp, (J/kg

tP là nhiệt độ của đỉnh tháp, tP=100,060C

CP là nhiệt dung riêng của hỗn hợp ra khỏi đỉnh tháp ở nhiệt độ tP=100,060C (J/kg*độ).

+ rP là ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp sản phẩm đỉnh ở tP=100,060C

Tra ẩn nhiệt hóa hơi của nước và axit axetic tại 100,060C

+ là lượng nước ngưng tụ, (kg/h)

+ là nhiệt dung riêng, (J/kg*độ) và nhiệt độ ( 0C ) của nước ngưng

- Nhiệt lượng tổn thấp ra môi trường xung quanh :

( CT IX.162, T198, [2] ) Vậy: theo ( CT IX.163, T98, [2] )

2.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

- Ngưng tụ hoàn toàn thì:

Do đó lượng nước cần thiết để làm lạnh là:

2.4 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh

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

+ : Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, (m/s)

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

+ : khối lượng riêng trung bình của pha hơi, (kg/m3)

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

1.1 Đường kính đoạn luyện

- Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn luyện

- Được tính theo công thức sau:

Trong đó:

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

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

Trong đó:

: lượng lỏng hồi lưu (kg/h)

: lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)

y1: lượng hơi của đĩa thứ nhất đoạn luyện (phần khối lượng)

x1: lượng lỏng ở đĩa thữ nhất đoạn luyện (phần khối lượng)

r1, rđ: ẩn nhiệt hóa hơi hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất và đi ra khỏi tháp (J/kg)

Vậy ta có hệ phương trình sau:

Vậy ta có hệ phương trình sau:

Giải hệ phương trình này ta được:

y1= 0,517 ( Phần khối lượng) = 0,78 (mol)

G1= 2347,484 (kg/h)

g1 = 2956,174 (kJ/h)

r1= 1358,983 (kg/h)

- Suy ra lưu lượng hơi trung bình:

- Tính khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi của đoạn luyện:

+ Trong đó:

MB là khối lượng mol của axit axetic

là nồng độ phần mol của nước trong pha hơi của đoạn luyện

( Phần mol)

Do đó:

- Khối lượng riêng trung bình pha lỏng của đoạn luyện:

là khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng trong đoạn luyện

là khối lượng riêng trung bình của nước và axit axetic trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m3)

Tra (Bảng I.2, T9, [1]) tại

là phần khối lượng trung bình của cấu tử A trong pha lỏng

( Phần khối lượng)

- Tính vận tốc hơi trung bình đi trong đoạn luyện

Vận tốc làm việc của tháp phụ thuộc vào sức căng bề mặt của hỗn hợp lỏng, khối

lượng riêng của hỗn hợp lỏng, hơi và khoảng cách giữa các đĩa ( được chọn theo đường kính tháp ), theo công thức:

Công thức tính như sau:

Trong đó: là sức căng bề mặt của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình C, (N/m) Tra

- Đường kính đoạn luyện là:

Vậy đường kính đoạn luyện là 1,02(m)

1.2 Đường kính đoạn chưng

- Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được tính gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi ra khỏi đoạn chưng và lượng hơi vào đoạn chưng:

- Trong đó:

là lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/h)

là lượng hơi vào đoạn chưng (kg/h)

Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên

phương trình sau:

G’

1 = g’

1 + Gw (CT IX.98, T182, [2])

y1’= yw= 0,235 ( Phần mol) = 0,084 ( Phần khối lượng).

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 đoạn chưng

rA,rB là ẩn nhiệt hoá hơi của nước và axit axetic ở nhiệt độ đáy tháp tw,

tw=111,950C

Tra (Bảng I.212, trang 254 [1]), ta được:

( Phần khối lượng)

- Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

- Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi của đoạn chưng:

)

Trong đó:

là nồng độ phần mol của axit axetic trong pha hơi của đoạn chưng

( phần mol)

Do đó:

- Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng

là khối lượng riêng của nước và axit axetic trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m3)

Tra (Bảng I.2, 9, [1]) tại

là phần khối lượng trung bình của cấu tử B trong đoạn chưng:

(phần khối lượng )

- Tính vận tốc hơi đi trong đoạn chưng:

Vận tốc làm việc của tháp phụ thuộc vào sức căng bề mặt của hỗn hợp lỏng, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng, hơi và khoảng cách giữa các đĩa (được chọn theo đường

kính tháp), theo công thức: (IX, 105, T184, [2])

Ta tìm được: σA = 57,699*10-3 N/m

σB= 19,26*10-3 N/m

Suy ra

Do nên

Đường kính đoạn chưng

2 Chiều cao của tháp chưng luyện

- Chiều cao tháp đĩa tính theo công thức:

(CT IX.54, T169, [2])

(0,8- 1) m: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp

- Nt: Số đĩa thực tế là 42 đĩa

- h: khoảng cách giữa các đĩa; h = 0,35m

- δ : chiều dày của đĩa Chọn δ= 0,003m

- Chọn khoảng cách ở đỉnh và đáy tháp là 0,9 (m)

→ Vậy chiều cao của tháp chưng luyện là:

Vậy ta chọn chiều cao của toàn tháp là 16m

3 Tính trở lực của tháp

3.1 Cấu tạo của mâm lỗ

- Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:

+ Tiết diện tự do bằng 10% diện tích mâm

+ Diện tích của hai đáy bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm

+ Lỗ bố trí theo hình tam giác đều

+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 9mm = 0,009m

+ Bề dày mâm bằng 3mm = 0,003m

+ Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T

- Số lỗ trên một mâm:

σAC = 57,699*10-3 (N/m) Bảng I.242, T300, [1]

σBC =19,243*10-3(N/m) Bảng I.242, T300, [1]

Áp dụng công thức ( I.76, trang 299, [1]):

3.4 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra

- Với:

Trong đó:

+ Lgờ : chiều dài của gờ chảy tràn, m

+ : tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng của chất lỏng, lấy gần bằng 0,5