CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU :1.Năng suất tính theo hỗn hợp đầu : GF = 5 Tấn h =5000kgh2.Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong : + Hỗn hợp đầu : aF = 0,35 phần khối lượng + Sản phẩm đỉnh : aP = 0,95 phần khối lượng + Sản phẩm đáy : aw = 0,03 phần khối lượng3.Tháp làm việc ở áp suất thường4.Hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi
1 Trường ĐHCNHN 202 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Lớp hóa3-k3 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO – HẠNH PHÚC KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ NHIỆM VỤ THIẾT KẾ MÔN HỌC Họ tên : NGUYỄN THỊ LOAN Ngành : CÔNG NGHỆ HOÁ I - ĐỀ TÀI THIẾT KẾ : Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ ( lưới ) ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp : clorofom – Benzen II – CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU : Năng suất tính theo hỗn hợp đầu : GF = Tấn / h =5000kg/h Nồng độ cấu tử dễ bay : + Hỗn hợp đầu : aF = 0,35 phần khối lượng + Sản phẩm đỉnh : aP = 0,95 phần khối lượng + Sản phẩm đáy : aw = 0,03 phần khối lượng Tháp làm việc áp suất thường Hỗn hợp đầu gia nhiệt đến nhiệt độ sôi III - NỘI DUNG CÁC PHẦN THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN 1.Mở đầu Vẽ thuyết minh dây chuyền sản xuất Tính toán kỹ thuật tháp chưng luyện : +) Tính cân vật liệu +) Tính đường kính chiều cao +) Tính trở lực tháp +) Tính cân nhiệt Tính thiết bị phụ +) Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu +) Tính bơm thùng cao vị +) Tính toán khí lựa chọn Kết luận chung 6.Tài liệu tham khảo SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh - Trường ĐHCNHN Lớp hóa3-k3 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CỦA GIÁO VIÊN Ngày giao nhiệm vụ thiết kế : 01 – 04 – 2011 Ngày hoàn thành : 12 – 06 – 2011 Thông qua khoa : Ngày … Tháng…….Năm 2011 CHỦ NHIỆM KHOA (Họ tên chữ ký ) - Giáo viên hướng dẫn thiết kế ( Họ tên chữ ký ) Đánh giá kết Điểm thiết kế Điểm bảo vệ Điểm tổng hợp Ngày……….Tháng…… Năm 2011 Cán chấm thi ( Họ tên chữ ký ) SV Nguyễn Thị Loan Ngày ………Tháng ……….Năm 2011 Người nhận (Họ tên chữ ký ) GVHD Nguyễn Văn Mạnh Trường ĐHCNHN Lớp hóa3-k3 PHẦN I : MỞ ĐẦU Giới thiệu chung dây truyền sản xuất: -Chưng phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng hỗn hợp khí hoá lỏng ) thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử thành phần nhiệt độ, (tức dựa vào nhiệt độ sôi khác cấu tử điều kiện áp suất ) Có nhiều phương pháp chưng chưng luyện phương pháp phổ biến hiệu việc tách hoàn toàn cấu tử dễ bay có tính chất hoà tan phần hoà tan hoàn toàn vào Trong chưng luyện dung môi chất tan bay hơi, chưng luyện thường thu nhiều sản phẩm Theo đề hỗn hợp hai cấu tử clorofom – Benzen sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay lớn (clorofom), phần cấu tử có độ bay bé (benzen ), sản phẩm đáy gồm : Các cấu tử có độ bay phần cấu tử có độ bay lớn Do sản phẩm đáy benzen nên ứng dụng nhiều trường hợp khác, thu hồi lại xử lý theo trường hợp cụ thể Chưng luyện phương thức sản xuất ứng dụng rộng rãi thực tế đem lại nhiều hiệu kinh tế cao Do việc nghiên cứu thiết bị quy trình công nghệ công việc có ý nghĩa quan trọng Do thời gian có hạn sâu vào nội dung chính, đồ án thực giải việc tính toán kỹ thuật, thiết kế tháp chưng luyện Chưa sâu vào tính toán thiết bị phụ Trong đề cho ta dùng tháp chưng luyện liên tục đĩa lỗ ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp hai cấu tử : clorofom – benzen, chế độ làm việc áp suất thường với hỗn hợp đầu vào gia nhiệt đến nhiệt độ sôi 2.Giới thiệu hỗn hợp chưng: -Clorofom: hợp chất hoá học thuộc nhóm trihalomêtan có công thức CHCl3 Nó không cháy không khí, trừ tạo thành hỗn hợp với chất dễ bắt cháy Người ta sử dụng clorofom làm chất phản ứng dung môi Clorofom chất độc với môi trường -Các tính chất vật lí clorofom: o Khối lượng phân tử : 50,5 o Tỉ trọng (20oC) : 1,48 g/cm³, chất lỏng o Nhiệt độ sôi : 61,2oC (334,2 K) o Nhiệt độ nóng chảy : -63,5 oC (209,5 K) -Benzen: hợp chất hữu có công thức hoá học C6H6 Benzen hyđrocacbon thơm, điều kiện bình thường chất lỏng không màu, mùi SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh Trường ĐHCNHN Lớp hóa3-k3 dịu dễ chịu, dễ cháy Benzen tan nước rượu Benzen có khả cháy tạo khí CO2 nước, đặc biệt có sinh muội than - Các tính chất vật lí benzen: o Khối lượng phân tử : 78 o Tỉ trọng (20oC) : 0,8786 g/cm³, chất lỏng o Nhiệt độ sôi : 80,1oC (353,2 K) o Nhiệt độ nóng chảy : 5,5 oC (278,6 K) SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh Trường ĐHCNHN Lớp hóa3-k3 PHẦN II : SƠ ĐỒ VÀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ I – Sơ Đồ Dây Chuyền Công Nghệ Sản Xuât 12 Nước Nước lạnh Hơi đ t ố Nước Nước lạnh Nư c ngưng 11 Hơi đ t ố 11 Nưg 10 Chú thích 1- Thùng chứa hỗn hợp đầu 3- Thùng cao vị 5- Tháp chưng luyện 7- Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp SV Nguyễn Thị Loan 2- Bơm 4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh 10- Thùng chứa sản phẩm đáy GVHD Nguyễn Văn Mạnh Trường ĐHCNHN Lớp hóa3-k3 11- Thiết bị tháo nước ngưng 12-Lưu lượng kế II - Thuyết Minh Sơ Đồ Dây Chuyền Công Nghệ Hỗn hợp đầu chứa thùng chứa (1) bơm (2) đẩy qua thiết bị đun nóng tới nhiệt độ sôi để vào tháp chưng luyện (5) đĩa tiếp liệu Tại đĩa tiếp liệu pha lỏng có thành phần xF pha coi trạng thái cân Ở tháp, pha lỏng từ xuống tiếp xúc trực tiếp với từ lên Tại xảy trình bốc ngưng tụ nhiều lần, nồng độ cấu tử thay đổi theo chiều cao tháp nhiệt độ hỗn hợp thay đôỉ theo thay đổi nồng độ Khi bay lên, đĩa (1) có thành phần cấu tử dễ bay (clorofom ) y1 Sục trực tiếp vào lớp chất lỏng đĩa (1) có thành phần cấu tử dễ bay ( clorofom ) x1 với ( x1 < y1), giầu cấu tử dễ bay lỏng Khi sục vào đĩa 2, đĩa sục vào lớp chất lỏng đĩa 2, mà nhiệt độ đĩa nhỏ nhiệt độ đĩa nên bị ngưng tụ phần cấu tử khó bay ( benzen ), trình ngưng tụ lại trình toả nhiệt, nhiệt làm bay phần cấu tử khó bay đĩa Do x2 > x1, y2 > y1 dẫn đến đĩa tiếp tục sục vào đĩa 3, trình xảy tương tự nhiều lần, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp gồm hầu hết cấu tử dễ bay (clorofom ) Hơi từ đỉnh tháp vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6), phần lại đưa vào thiết bị làm nguội (7) để ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm chuyển xuống thùng chứa sản phẩm đỉnh (8) Chất lỏng hồi lưu từ xuống gặp có nhiệt độ cao từ lên, phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc lên, phần cấu tử khó bay pha ngưng tụ xuống Do nồng độ cấu tử khó bay pha lỏng ngày tăng, cuối đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay (benzen ) phần cấu tử dễ bay (clorofom ) Đây loại tháp chưng luyện liên tục nên hỗn hợp đầu sản phẩm lấy liên tục PHẦN III : TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THÁP CHƯNG I – Bảng Kê Các Ký Hiệu Thường Dùng Trong Bản Đồ Án +) GF : Lượng hỗn hợp đầu vào Kg / h ( Kg / s Kmol / h ) +) GP : Lượng sản phẩm đỉnh Kg / h ( Kg / s Kmol / h ) +) GW : Lượng sản phẩm đáy Kg / h ( Kg / s Kmol / h ) - Các số F, P,W tương ứng đại lượng thuộc hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy hỗn hợp clorofom benzen +) a : Nồng độ phần khối lượng (Kg clorofom / kg hỗn hợp ) +) x : Nồng độ phần mol ( kmol clorofom/ kmol hỗn hợp ) +) M : Khối lượng mol phân tử ( kg / kmol ) +) µ : Độ nhớt Ns / m2 +) ρ : Khối lượng riêng ( kg / m3 ) - Các số A, B, x, y, hh : tương ứng đại lượng thuộc clorofom, benzen, thành phần lỏng, thành phần hơi, hỗn hợp SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh Trường ĐHCNHN Lớp hóa3-k3 - Ngoài ký hiệu khác định nghĩa chỗ II- Tính Cân Bằng Vật Liệu Hệ cân phương trình vật liệu : - Phương trình cân vật liệu chung cho toàn tháp GF = GP + GW (IX.16 – tr 144 II STQTTB ) - Đối với cấu tử dễ bay GF aF = GP aP + GW aw (IV.17– tr 144 II STQTTB ) - Lượng sản phẩm đỉnh là: a F − aW GP = GF (IX.18– tr 144 II STQTTB) a P − aW Theo đề : GF = Tấn / h = 5000 kg/h aF = 0,35 ( phần khối lượng ) aP = 0,95 ( phần khối lượng ) aw = 0,03 ( phần khối lượng ) Vậy ta có GP = 5000 = 1739,13 Kg/h -Lượng sản phẩm đáy : W= F – P = 5000-1739,12 = 3260,87 ( kg / h ) Chuyển đổi nồng độ -Chuyển đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol Áp dụng công thức : aA MA x= aA a + B MA MB -Trong aA, aB : nồng độ phần khối lượng clorofom benzen MA, MB : khối lượng mol phân tử clorofom benzen Với MA= 50,5 Kg/ kmol ; MB = 78 Kg / kmol Thay số liệu vào ta có : aF= 0,35 phần khối lượng ⇒ xF = 0,45 kmol/ kmol hỗn hợp đầu aP= 0,95 phần khối lượng ⇒ xP = 0,967 kmol / kmol sản phẩm đỉnh aw = 0,03 phần khối lượng ⇒ xw = 0,045 kmol / kmol sản phẩm đáy Ta có khối lượng mol trung bình pha lỏng theo công thức sau : M = x MA + ( 1- x) MB MF = xF MA+ (1- xF) MB = 0,45.50,5+(1-0,45).78=65,625 (kg / kmol ) MP = xP.MA + ( 1- xP ) MB = 0,967 50,5 + ( 1- 0,967 ) 78 = 51,4075 ( kg / kmol ) Mw = xw MA + ( 1- xw ) MB =0,045 50,5+ ( 1- 0,045 ) 78 = 76,7625 ( kg / kmol ) SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh Trường ĐHCNHN Lớp hóa3-k3 Vậy F = 5000 (kg /h)= =76,19( kmol / h) P = 1739,13 (kg / h)= =33,83 ( kmol / h ) W = 3260,87 ( kg /h)= =42,48 ( kmol / h) Tính số hồi lưu thích hợp: a Tìm số hồi lưu tối thiểu tháp chưng luyện Bảng thành phần cân lỏng cấu tử clorofom-benzen x 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 6,5 12,6 27,5 41 54,6 66 74,6 83 90,5 96,2 100 t 80,6 80,1 79,6 78,4 77,2 75,9 74,5 73.1 71 68,7 65,7 61,5 xF = 0,45 phần kl ⇒ yF* = 0,61 phần kl ⇒ Rmin = = =2,23(IX.24-II.158) Rx = β Rmin với β = 1,2 – 2,5.(IX.25-II.158) b Tính số hồi lưu thích hợp : Rth : Chỉ số hồi lưu thích hợp tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ Cơ sở việc lựa chọn Rth theo tiêu chuẩn : V = H.S ( H tỷ lệ với Nlt ) +> V: Thể tích tháp +> S: Tiết diện tháp +> Nlt: số bậc thay đổi nồng độ ( số đĩa lý thuyết ) G = W S = P ( R + ) S tỷ lệ với R +1 ; V= H S tỷ lệ với Nlt ( R +1) Giá thành tháp tỷ lệ với V mà V tỷ lệ với Nlt ( R+1) Vậy giá thành thấp ứng với thể tích tháp nhỏ Vì phải chọn chế độ làm việc thích hợp tháp : Rth Ứng với giá trị R > Rmin ta dựng đường làm việc tương ứng tìm giá trị Nlt Đường cân đoạn luyện cắt trục tung tung độ XP B= (2.33-78.QT.IV) Rx + β 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 Rx= β Rmin 2,676 2,899 3,122 3,345 3,568 3,791 4,014 4,237 4,46 4,683 B 0,26 0,25 0,23 0,22 0,21 0,20 0,19 0,18 0,17 0,17 SV Nguyễn Thị Loan Nlt 43 39 33 31 29 27 26 24 23 23 Nlt.(Rx+1) 158,068 150,061 139,26 142,626 134,695 129,357 130,364 125,688 125,58 130,709 GVHD Nguyễn Văn Mạnh Trường ĐHCNHN 2,2 2,3 2,4 4,906 5,129 5,352 0,16 0,15 0,15 22 21 21 Lớp hóa3-k3 129,932 128,709 133,392 Từ đồ thị xác định số đĩa lý thuyết ta bảng Lập đồ thị quan hệ Rx – Nlt ( Rx + ).Qua ta thấy với Rx = 4,46 Nlt ( Rx+1 ) nhỏ hay thể tích tháp nhỏ Vậy Rth = 4,46 Với Rth = 4,46 số đĩa lý thuyết : Nlt = 23 đĩa Phương trình đường nồng độ làm việc : Lượng hỗn hợp đầu đơn vị sản phẩm đỉnh : f = = =2,252 a Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện: Rx XP x + y= (IX.21+22.II.158) Rx + Rx + +> y : Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay pha từ lên +> x : Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay pha lỏng chảy từ đĩa xuống +> Rx : Chỉ số hồi lưu thích hợp Thay số liệu vào : y = x + =0,817x + 0,177 b Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng : y= Rx + f f −1 x − xw = x- xw Rx + Rx + y = 1,229x-0,01 (IX.23-II.158) PHẦN IV : TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG LUYỆN Đường kính tháp chưng luyện đĩa lỗ ống chảy truyền tính theo công thức sau : D = 0,0188 g tb (m) (IX.90-181-STQTTB II) ( ρ y ω y ) tb +> ω : vận tốc (m/s) +> ρx : Khối lượng riêng trung bình ( kg/m3) +> ρy : Khối lượng riêng trung bình lỏng ( kg/m3 ) +> G : Lượng trung bình tháp (kg/h) - Vì lượng lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp khác đoạn nên ta phải tính lượng trung bình cho đoạn I- Đường kính đoạn luyện : Xác định lượng trung bình đoạn luyện : SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh 10 Trường ĐHCNHN Lớp hóa3-k3 Lượng trung bình đoạn luyện tính gần trung bình cộng lượng khỏi đĩa tháp lượng vào đĩa đoạn luyện : gd + g gtb: = ( kg / h ) ( IX.91- tr181-STQTTB II ) +>gd : Lượng khỏi đĩa tháp ( kg / h ) +>g1 : Lượng vào đĩa tháp ( kg / h ) +>gtb : Lượng trung bình đoạn luyện ( kg/h) a.Lượng khỏi đỉnh tháp : gd = GR + GP = GP ( Rx+1 ) ( IX.92- tr181-STQTTB II ) +> GP : Lượng sản phẩm đỉnh ( kg / h ) +>GR: Lượng chất lỏng hồi lưu ( kg / h ) Thay số vào ta có : gd = 1739,13(4,46+1) = 9495,65 ( kg / h ) b Lượng vào đoạn luyên:(hệ phương trình tính theo phần khối lượng) g1 = G1 + G P g1 y1 = G1 x1 + G p x p g1 r1 = g d rd (IX.93.94.95- tr182-STQTTB II ) Trong : - y1 : Hàm lượng vào đĩa đoạn luyện ( phần khối lượng ) - G1 : Lượng lỏng đĩa thứ đoạn luyện - r1 : Ẩn nhiệt hóa hỗn hợp vào đĩa - rd : Ẩn nhiệt hóa hỗn hợp khỏi đỉnh tháp +> x1 = xF = 0,45 phần mol=0,35 phần khối lượng +> yd = xP =0,967 phần mol=0,95 phần khối lượng -Nội suy từ bảng cân lỏng-hơi(IX.2a-tr145-STQTTBII) ta được: xP= 0,96 phần mol → tP=63oC xF=0,45 phần mol → tF=75,2oC +> r1= ray1 + (1- y1) rb +> rd = ra’yd +(1- yd ) rb’ - ra’,rb’ : Ẩn nhiệt hóa cấu tử nguyên chất clorofom benzen to = toP = 63oC -Nội suy từ bảng I.212 tr254 II STQTTB) - r’a = rC = 58,8075 (kcal / kg) =58,58075.4,1868= 246,215 ( kJ / kg) - r’b = rB= 96,975 ( kcal / kg ) =96,975.4,1868=406,015 ( kJ / kg ) - ra, rb : ẩn nhiệt hóa cấu tử nguyên chất clorfom benzen to = toF =75,2oC -Nội suy từ bảng I.212 tr254 II STQTTB) - = rC = 57,618 (kcal / kg) = 241,235 ( kJ / kg ) - rb = rB= 94,84 ( kcal / kg ) = 397,076 ( kJ / kg) Thay số vào ta có : r1 = 241,235y1 + 397,076( 1- y1) = 397,076- 155,841.y1 SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh Trường ĐHCNHN Trong đó:Hc chiều cao đoạn chưng 50 Lớp hóa3-k3 Hb chiều cao bệ đặt tháp ta chọn Hb=1(m) ∆H d chiều cao đáy ta chọn ∆H d = 0,5( m) Vậy:Hđ=11,748+3,844+1+0,5=17,092(m) -áp suất toàn phần:Htp=Hđ+H’ Trong đó:H’ tổn thất áp suất đường ống hút từ thùng chứa đến thùng cao vị Theo phần tính toán ta có:H’=0,00425(m) ⇒ áp suất toàn phần:Htp=17,092+0,00425=17,0965(m) N= -Công suất bơm : Q.H g ρ (kw) (I.439) 1000.η - Q:Năng suất bơm ( m3/s) Q= F 1,39 = = 1,363.10 −3 (m / s ) ρ t 1019,86 - η : Hiệu suất bơm: η = η η tl η ck (76- Tính toán – ) Do yêu cầu chọ bơm phải suất cao liên tục nên ta chọn bơm ly tâm.các thông số bơm ly tâm +>.η : Hiệu suất thể tích hao hụt chuyển từ áp suất cao đến áp suất thấp η =0,85 – 0,96 ( bảng II.32- II.439) Chọn η = 0,9 +>.η tl :Hiệu suất thủy lực tính ma sát bơm η tl =0,8-0,85 : Chọn η tl =0,8 ( II.439) +>.η ck : Hiệu suất khí tiêu tốn ma sát thiết bị η ck =0,92-0,96: Chọn η ck =0,92(II.439) ⇒η = η η tl η ck =0,9 0,8 0,92 = 0,6624 Vậy công suất yêu cầu bơm là: ⇒N= 16,3935.1,363.10 −3.9,8.1019,86 = 0,337 (kw) 1000.0,6624 SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh 51 Trường ĐHCNHN Lớp hóa3-k3 N -Công suất động là: N dc = η η tr dk Ta chọn η tr = 1;η dk = 0,8 ⇒ Vậy công suất động là: N dc = 0,337 = 0,421( KW ) 0,8.1 -Thông thường người ta chọn động điện có N lớn so với tính toán : N tt = β N dc β =1,2-2 ta chọn β =2 -Vậy công suất thực tế bơm là:Ntt=0,421.2=0,842(kw) PHẦN IX : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ I-Tính chiều dày thân tháp : Thân hình trụ phận chủ yếu để tạo thành thiết bị hóa chất Tùy theo điều kiện ứng dụng làm việc mà người ta chọn loại vật liệu, kiểu đặt phương pháp chế tạo Theo điều kiện đề tháp làm việc áp suất thường, nhiệt độ không cao khoảng 25 – 1000, dung dịch loại chất ăn mòn kim loại nên chọn loại vật liệu thép X18H10T, làm thân tháp vật liệu bền chịu nhiệt,nó chế tạo cách vật liệu với kích thước định sau hàn giáp mối hàn lại.Khi chế tạo loại cần ý : - Đảm bảo đường hàn ngắn tốt - Chỉ hàn giáp mối - Bố trí đường hàn dọc ( đoạn thân trụ riêng biệt lân cận ) cách 100 mm - Bố trí mối hàn vị trí dễ quan sát - Không khoan lỗ qua mối hàn Quan hệ chiều cao H đường kính tháp D t thiết bị thẳng H ≤ 30 đứng theo công nghệ sản xuất hóa chất thường Dt Thân hình trụ làm việc chịu áp suất : Chiều dày thân hình trụ làm việc chịu áp suất xác định theo công thức : Dt P S= + C (XIII.8-II.360) 2[σ ].ϕ − P - Dt : Đường kính tháp ( m) - ϕ : Hệ số bền thành hình trụ theo phương dọc - C : Số bổ sung ăn mòn, bảo mòn dung sai chiều dày (m) - [σ ] : ứng suất cho phép - P : Áp suất thiết bị SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh 52 Trường ĐHCNHN Lớp hóa3-k3 1.Áp suất thiết bị : Môi trường làm việc hỗn hợp lỏng nên áp suất làm việc tổng số áp suất ( Pmt ), áp suất thủy tĩnh ( P1), cột chất lỏng P = Pmt+P1 Áp suất thủy tĩnh xác định theo công thức sau : P1 = ρ g1 H ( N / m ) (XIII.10-II.360) - H1 : Chiều cao cột chất lỏng (m) ( lấy chiều cao tháp H1 = 17m) - ρ1 : Khối lượng riêng chất lỏng ( kg/m3) L C ρ xtb + ρ xtb 1122,82 + 887,416 ρ1 = = = 1005,118(kg / m ) 2 Vậy P1= 100,99.17= 187129,138(N/m2) Áp suất Pmt = at = 105 ( N/m2) ⇒ Áp suất thiết bị : P = Pmt + P1 = 105 +187129,138= 287129,138 (N/m2) 2.Ứng suất cho phép : Để tính toán sức bền thiết bị, chọn loại vật liệu loại thép thân hình trụ N18H10T Ứng suất cho phép tháp theo giới hạn bền kéo chảy : [σ K ] = σ K η [σ C ] = σ C η ( N / m ) (XIII.1+2-II.355) nK nC -η : Hệ số điều chỉnh theo bảng XII.2 –II.356 Đáy thiết bị loại đốt nóng gián tiếp chọn η =1 - nk, nc : Hệ số an toàn theo giới hạn bền chảy ( N/m2) ( XIII.3-II.356) nk = 2,6 ; nc = 1,5 - σ K ,σ C : Giới hạn bền kéo chảy ( N / m2) ( XII.4-II.310) σ C = 220.106 ( N / m2 ) σ K = 550.106 ( N/m2) ; 550.10 ⇒ [σ k ] = = 211,538.10 ( N / m ) 2,6 220.10 = 146,66.10 ( N / m ) 1,5 So sánh hai kết ứng suất cho phép theo giới hạn bền kéo chảy ta cho [σ ] theo giá trị bé : ⇒ [σ C ] = ⇒ [σ C ] = 146,66.10 ( N / m ) Tính hệ số bền thành hình trụ theo phương dọc ϕ ta thiết kế chọn hàn theo phương pháp hàn tay hồ quang điện kiểu hàn giáp mối hai bên, thành có ϕ = ϕ h = 0,95( II 362) lỗ gia cố hoàn toàn : [σ ]ϕ 146,66.10 6.0,95 P = 287129,138 = 485,241 >> 50 Do ta bỏ qua P mẫu công thức tính chiều dày SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh 53 Trường ĐHCNHN Lớp hóa3-k3 Đại lượng bổ sung ( C) C = C1 +C2 + C3 ( m ) ( XIII.17-II.363) ) - Cr : Bổ sung ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu, môi trường thời gian làm việc thiết bị ( m ) Đối với vật liệu dùng C = 1mm=10-3m loại vật liệu bền ăn mòn từ 0,05 – 0,1 mm / năm ) - C2 : Đại lượng bổ sung hao mòn ( C2 = nguyên liệu đầu lỏng ) - C3 : Đại lượng bổ sung dung sai chiều dày Chọn C3 = 0,5 mm=0,5.10-3m/năm (XIII.9/II.364) ⇒ C = + + 0,5 = 1,5 mm = 1,5.10-3 m 4.Chiều dày thân tháp : D P 1,2.287129,138 S= t +C = + 1,5.10 −3 = 3,73.10 −3 (m) 2.[σ ].ϕ 2.146,66.10 0,95 ( chọn Dt = 1,2 m ( XIII.6 – II.359).) ⇒ Chọn S = 4mm ( dùng thép cán loại dày – bảng tiêu chuẩn chiều dày thép – XIII – 364 ) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử : [ D + (S − C )].P0 ≤ σ C ( N / m )( II − 365) σ= t 2.( S − C )ϕ h 1,2 Với áp suất thử tính toán : Po = Pth + P1 ( N/m2) - Pth : Áp suất thử thủy lực ; P = 287129,138(N/m2) ≅ 0,287.106 (N/m2) ∈ [ 0,07-0,5].106 (N/m2) Nên Pth =1,5.P = 1,5 0,287.106 = 0,4305 106 (N/m2) ( II-358) - Áp suất thủy tĩnh nước ( N/m2) P1 = ρ1 g.H - ρ1 : Khối lượng riêng clorofom nhiệt độ trung bình ( kg/m3) - ρ khối lượng riêng benzen nhiệt độ trung bình(kg/m3) - Nhiệt độ trung bình : t +t +t 63 + 75,2 + 80,15 t tb = P F w = = 72,7830 3 - Ứng với nhiệt độ trung bình tháp 72,7830 nội suy bảng I.2- I.9 ρ1 = 1391,186(kg / m ) ( nội suy từ bảng 1.80-I.52 ) ρ = 822,577(kg / m ) -Khối lượng riêng hỗn hợp là: ρ hh = aF − aF 0,35 − 0,35 + = + ρ1 ρ2 1391,186 822,577 ⇒ ρ hh = 959,892(kg / m ) P1 = 9,8 959,892 19 = 1,8.105( N/m2) ⇒ P0 = 1,8.105 + 0,4305.106= 6,105.105 ( N/m2) -Thử điều kiện: SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh 54 Trường ĐHCNHN [1,2 + ( 2,53 − 1,5).10 ].6,105.10 σ= −3 Lớp hóa3-k3 σ C 220.10 = 86,932.10 < = = 183.333.10 1,2 1,2 2.( 2,53 − 1,5).10 −3.0,95 Đã thỏa mãn điều kiện bền chiều dày tháp mm II – Tính đường kính ống dẫn : Đường kính ống dẫn cửa vào thiết bị xác định từ phương trình lưu lượng : V d= (m)[ I 369] 0,785.ω Trong : - V : Lưu lượng chất chuyển động ống (m3 / s ) G V = ρ - G : Lưu lượng dòng pha ( kg/s) - ρ : Khối lượng riêng trung bình dòng pha ( kg/s) - ω : Vận tốc trung bình chất ống ( m/s) 1.Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh : Ống dẫn sản phẩm đỉnh ống nối nắp tháp thiết bị ngưng tụ Hỗn hợp khỏi đỉnh tháp hỗn hợp với nồng độ cấu tử dễ bay y = aP = 0,95( phần khối lượng ) to = toP = 63o gđ = 9495,63 ( kg/h) MP = 51,4075( kg/kmol) gd 9495,63 V= = 3600.ρ d 3600.ρ d ρ d : Khối lượng riêng đỉnh tháp ( kg/m3 ) M T 51,4075.273 ρd = P = = 1,865(kg / m ) 22,4.T 22,4.( 63 + 273) 9495,65 ⇒V = = 1,414 m / s 3600.1,865 Tháp làm việc áp suất thường với nhiệt chọn : ω = 25m / s V 1,414 ⇒d = = = 0,268(m) = 268(mm) 0,785.ω 0,785.25 Quy chuẩn : d1 = 300 mm ⇒ Chiều dài đoạn ống nối 140mm ( XIII.32- II.434.) ( ) 2.Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh : GR V = 3600.ρ R SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh 55 Trường ĐHCNHN Lớp hóa3-k3 GR = P.R =1739,13 4,46 = 7756,52 ( kg/h); Lượng sản phẩm hồi lưu ρ R : Khối lượng riêng sản phẩm hồi lưu : t0 = tP = 630 a − a1 = + ρR o ρA ρB o Với t = 63 nội suy từ bảng 1.80-I.52 ta có : ρ A = 1406,35kg / m ) ρ B = 832,85(kg / m ) ( nội suy từ bảng I.2-I.9) Thay số vào ta có : 0,95 − 0,95 = + ρ R 1406,35 832,85 ⇒ ρ R = 1359,541(kg / m ) 7756,52 = 1,585.10 −3 (m / s) 3600.1359,541 Chọn vận tốc lượng hồi lưu, coi chất lỏng tự chảy ω = 0,25(m / s ) ⇒V = V 1,585.10 −3 ⇒d = = = 0,0899m = 89,9mm 0,785.ω 0,785.0,25 Quy chuẩn d2 = 100 mm ⇒ Chiều dài đoạn ống nối l2 = 120 mm 3.Đường kính ống dẫn nguyên liệu đầu : Lưu lượng hỗn hợp đầu vào tháp : V = F 3600.ρ F Với F = 5000kg/h ρ F : Khối lượng riêng hỗn hợp đầu vào to = tF =75,2o aF − aF = + ρ ρA ρB Nội suy từ to = toF = 75,2o bảng I.2-I.9 ta có: ρ A = 1387,44(kg / m ) ρ B = 820,04(kg / m ) SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh 56 Trường ĐHCNHN 0,35 − 0,35 ⇒ = + ρ F 1387,44 820,04 Lớp hóa3-k3 ⇒ ρ F = 957,022(kg / m ) F 5000 = = 1,451.10 −3 (m / s) 3600.ρ F 3600.957,022 Chọn vận tốc lượng hồi lưu : ω = 0,15( m / s ) ⇒V = V 1,451.10 −3 ⇒d = = = 0,111m = 111(mm) 0,785.ω 0,785.0,15 ⇒ d = 125mm ⇒ l3 = 120mm Vậy chiều dài ống nối là:120mm 4.Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy : V = V 3600.ρ w W =3260,87 kg/h) ρ w : Khối lượng riêng sản phẩm đáy : to = tw = 80,15o a − a1 = + ρw ρA ρB Nội suy ta có : ρ A = 1379,595(kg / m ).(1.80 − I 52) ρ B = 814,835(kg / m )( I − I 9) Với a1 = aw = 0,03 phần khối lượng Ta có : 0,03 − 0,03 = + ⇒ ρ w = 824,966(kg / m ) ρ w 1379,595 814,835 3260,87 ⇒V = = 1,1.10 −3 m / s 3600.824,966 Chọn vận tốc lượng hồi lưu : ω = 0,3(m / s ) ( ⇒d = V = 0,785.ω ) 1,1.10 −3 = 0,0683(m) = 68,3 0,785.0,3 Quy chuẩn d4 = 80 mm ⇒ Chiều dài đoạn ống nối l4 = 110 mm 5.Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đáy -Hỗn hợp hồi lưu hỗn hợp với nồng độ cấu tử dễ bay yw=0,0585 phần mol SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh 57 Trường ĐHCNHN tw=80,15oC -Ta có khối lượng riêng hỗn hợp là: ρ= Lớp hóa3-k3 [ y.M C + (1 − y ).M B ].273 = [ 0,0585.50,5 + (1 − 0,0585).78].273 = 2,636(kg / m ) 22,4.( 273 + t w ) 22,4.( 273 + 80,15) -Lượng sản phâm đáy hồi lưu:g1’=5058,899(kg/h) 5058,899 -V= 3600.2,636 = 0,533(m / s ) -Chọn vận tốc ω = 0,3(m / s ) -Do đó:d= 0,533 = 0,022(m) 0,785.0,3 -Quy chuẩn d5=200m - ⇒ Chiều dài đoạn ống nối l5 = 130 mm III- Tính đáy nắp thiết bị : Cùng loại vật liệu với thân tháp, tháp làm việc áp suất thường thân trụ hàn nên ta chọn đáy nắp thiết bị hình elip có gờ, thiết bị thẳng đứng có P > 7.104 ( N/m2) Tính toán đáy nắp hoàn toàn : +> Chiều dày đáy nắp thiết bị chịu áp suất : Dt P D S= t + C (m)( II − 385) 3,8.[σ K ].K ϕ h − P 2.ht -3 Với C = 1,5.10 ht : Chiều cao phần lồi đáy nắp (m) -Dựa vao đường kính Dt=1200mm Tra bảng XIII.10-II.382 ta có ht = 300 mm ϕ h : Hệ số bền mối hàn hướng tâm Chọn nắp hàn từ hai nửa tấm, hàn điện hai phía tay Tra II.362 ta có : ϕ h =0,95 K : Hệ số không thứ nguyên xác định : K = 1− d (XIII.48-II.385) Dt d: đường kính lỗ đáy nắp thiết bị dđáy = 80 mm ; dnắp =300mm Dt : đường kính tháp : Dt = 1,2 m [σ ] = 146,66.10 N / m ; P = 287129,138 ( N/m2) ( ) 1.Tính chiều dày đáy : dáy = 80 mm d 0,08 K = 1− = 1− = 0,92 Dt SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh 58 Trường ĐHCNHN Lớp hóa3-k3 [σ K ] k.ϕ 146,66.10 0,92.0,95 = 446,422 >> 30 Tính giá trị h = P 287129,138 Do bỏ P mẫu số công thức tính chiều dày Vậy Dt P D 1,2.287129,138 S= t +C = + 1,5.10 −3 3,8.[σ K ].K ϕ h 2.hb 3,8.146,66.10 0,92.0,95 2.0,3 = 1,072.10-3 + 1,5 10-3 = 2,572 10-3 m Ta thấy S – C < 10 mm nên phải tăng C lên 2mm Khi C = 3,5.10-3 m ⇒ S = (2,572 + 3,5).10-3 = 6,072.10-3 ( m ) ⇒ Chọn S =6mm +> Kiểm tra ứng suất thành áp suất thử thủy lực theo công thức : Dt2 + 2.hb ( S − C ) P0 σ C σ= ≤ ( II − 386) 7,6.K ϕ h hb ( S − C ) 1,2 [ [1,2 σ= ] ] + 2.0,275.( − 3,5).10 −3 6,105.10 220.10 6 = 133,870.10 < = 183,33.10 −3 7,6.0,92.0,95.0,275.( − 3,5).10 1,2 Thỏa mãn điều kiện bền nên chọn S =6 mm 2 Tính chiều dày nắp : dnắp =300 mm; K =1− [σ K ] K ϕ d 0,3 =1− = 0,7 Dt 146,66.10 0,95.0,7 = 339,667 >> 30 h = P 287129,138 Có thể bỏ P mẫu số công thức tính chiều dày Dt P D S= t + C ( XIII 47 − II 385) 3,8.[σ K ].K ϕ h 2.hb 1,2.287129,138 1,2 + 3,5.10 −3 = 4,909.10 −3 (m) 3,8.146,66.10 0,7.0,95 2.0,275 ⇒ S = 6(mm) Kiểm tra tương tự : 1,2 + 2.0,275.( − 3,5).10 −3 6,105.10 σ= = 0,241.10 < 183,33.10 −3 7,6.0,7.0,95.0,275.( − 3,5).10 ⇒ Chọn S = mm thỏa mãn 3.Kết luận : S= [ SV Nguyễn Thị Loan ] GVHD Nguyễn Văn Mạnh 59 Trường ĐHCNHN Lớp hóa3-k3 Do chiều dày nắp đáy thiết bị 6mm nên ta có chiều cao gờ h =25 mm ( XIII.11-II.384) khối lượng 56 kg Vậy thông số đáy nắp thiết bị : Dt = 1,2 m S = mm hb = 0,3 m m = 56 kg h = 25 mm IV – Chọn Mặt Bích : Mặt bích phận quan trọng dùng để nối phần thiết bị nối phận khác với thiết bị Vì thiết bị làm việc điều kiện áp suất thường nên ta chọn kiểu mặt bích liền thép loại I để nối ( nắp, đáy…) với thân 1.Để nối thân tháp nắp đáy ta dùng mặt bích liền thép không gỉ, với đường kính tháp :Dt = 1,2 m Theo bảng XIII.27-II.417 ta có : ρ y 10 Dt D Db D1 Do db Z h N/m2 mm 0,1 1200 1340 1290 1260 1213 M20 32 25 Chọn khoảng cách bích liên tiếp 2m 17 = 8,5 ( bích ) Vậy số bích để nối thân thiết bị : n = -Quy chuẩn thành cặp ⇒ Vậy số bích 18 bích Để nối ống dẫn thiết bị ta dùng kiểu bích kim loại đen Theo bảng XIII.26- II.409 ta có bảng bích cho loại ống ( P = 0,25.106 N/m2) ρ y 10 Dy N/m2 mm Dn SV Nguyễn Thị Loan D Dδ Dl db h Z Cái GVHD Nguyễn Văn Mạnh 60 Trường ĐHCNHN Lớp hóa3-k3 0,25 10 14 75 50 35 M10 10 V – Tính Và Chọn Giá Đỡ Tai Treo Thường người ta không đặt trực tiếp thiết bị lên bệ mà phải có tai treo hay chân đỡ, muốn xác định kích thước tai treo chân đỡ ta phải xác định toàn khối lượng thiết bị Vì ta phải tính khối lượng tháp chưng luyện Người ta cho đầy nước vào tháp sau xác định khối lượng lượng nước cho đầy tháp khối lượng tháp nước Mtb = M1 + M2 + M3 + M4 + M5 1.Xác định khối lượng đáy nắp : M1 = Mđ + Mn = 56+56 = 112 ( kg ) ( XIII.2- II.384 ) 2.Khối lượng thân tháp : M2 = Mth = Vtt ρ th - ρ th : Khối lượng riêng vật liệu làm thân tháp ( X18H10T): ρ th = 7850 ( kg/m3 ) - Vtt : Thể tích thân tháp : π ( Dn − Dt2 ) Vtt = H th +> Hth : Chiều cao tháp : H = 19m +> Dn, Dt : Đường kính tháp Dn = + 0,003 = 1,006 ( m ) Dt = 1,2 m 3,14 1,006 − 1,2 ⇒ Vtt = 19 = 0,179 m ⇒ Khối lượng thân tháp : M2 = Vtt = 0,179 7850 = 1405,15 ( kg ) Khối lượng cột chất lỏng tháp : ( M3 = ) ( ) π Dt ρ xtb H th L - Khối lượng cột chất lỏng đoạn luyện : ρ xtb = 1122,82(kg / m ) SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh Trường ĐHCNHN 61 Lớp hóa3-k3 3,14 1.1122,82.19 = 16746,860(kg ) C - Khối lượng cột chất lỏng đoạn chưng : ρ xtb = 887,416 kg / m 3,14 ⇒ MC = 1,2.887,416.19 = 13235,81(kg ) ⇒ Khối lượng cột chất lỏng tháp : M3 = ML + MC = 16746,860+13235,81= 29982,67( kg ) 4.Khối lượng đĩa : Khối lượng đĩa không đục lỗ : mđ = 0,785.Dt2 S đ ρ đ = 0,785.12.0,003.7850 = 18,486(kg ) ( Chiều dày đĩa Sđ = 0,003 m ) -Số đĩa lý thuyết theo tính toán phần là:42 đĩa -Do lỗ đĩa chiếm khoảng 10% diện tích đĩa nên phần khối lượng lại đĩa là:M4=(mđ-0,1.mđ).n với số đĩa n=42 đĩa ⇒ Khối lượng 42 đĩa : M4 =(18,486-0,1.18,486).42= 698,770( kg ) 5.Khối lượng toàn tháp chưng luyện : M5 = 500 kg ( khối lượng tính sơ ống chảy truyền, đệm, giá đỡ, đỡ, kẹp đĩa, mặt bích bu lông.) -Vậy khối lượng toàn tháp là: Mth = M1 + M2 + M3 + M4 + M5 = 112 + 1405,15 + 29982,67 +698,770 + 500 = 32698,590 (kg) Trọng lượng toàn tháp : P = M.g = 32698,590 9,8 =320446,189( N ) Tải trọng tác dụng lên tai treo, chân đỡ : P 320446,189 = = 80111,547 N ) G= 4 -Vì trọng lượng tháp lớn nên ta phải chọn chân đỡ tai treo -Giả sử tải trọng cho phép chân đỡ hay tai treo là:8.104N ⇒ ML = ( -Vậy số chân đỡ tai treo cần thiết là:n= ) P 320446,189 = = 4,00 8.10 8.10 Vậy dựa vào tải trọng chân ta chọn tai treo có tải trọng cho phép sau : ( Bảng XIII.36 – II.438 ) Tải Bề Tải L B B1 H S l a d Khối trọng mặt trọng lượng cho đỡ cho tai phép/ phép treo tai lên bề treo mặt (kg) đỡ -4 -4 G.10 F.10 N/m2 SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh 62 Trường ĐHCNHN N 8,0 ( m2 ) 639 1,25 27 240 240 Lớp hóa3-k3 420 14 120 25 34 21,5 Chọn lót tai treo thép ( XIII.37 /II – 439) Tải trọng cho Chiều dày tối thiểu Chiều dày tối H(mm) B SH phép thành thiết bị không thiểu thành (mm) (mm) tai treo có lót ( mm ) thiết bị có lót (mm) 8,0 24 14 500 360 Chọn chân đỡ thép ( XIII.35 – II.437 ) Tải trọng Bề mặt Tải trọng L B cho phép đỡ cho phép chân bề mặt đỡ -4 -4 G 10 F.10 N/m2 mm 8,0 840 0,96 320 265 SV Nguyễn Thị Loan B1 B2 H h S l d 270 400 500 275 22 120 34 GVHD Nguyễn Văn Mạnh Dt/ A Trường ĐHCNHN 63 Lớp hóa3-k3 KẾT LUẬN : Tháp chưng luyện loại thiết bị sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp Do nội dung tính toán thiết kế tháp chưng luyện liên tục nhiệm vụ cần thiết kỹ sư Đây công việc áp dụng kiến thức học vào thực hành Phần động học trình chuyển khối vấn đề lý thuyết phức tạp, phần tính toán thiết kế em sử dụng nhiều công thức thực nghiệm,các số liệu tra cứu lựa chọn cần phải có kiến thức, hiểu biết thực tế Mặc dù em nỗ lực phấn đấu nhiều giúp đỡ tất thầy, cô giáo, bạn lớp em không tránh khỏi sai sót khiếm khuyết Khi tính toán khí tính toán chi tiết em tránh khỏi khó khăn, bỡ ngỡ.Em mong thầy cô giáo thông cảm giúp đỡ em để em hoàn thành tốt môn học Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Hóa trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội tận tình giúp đỡ em thời gian học tập trường suốt thời gian em làm đồ án giúp cho em kiến thức chuyên môn sâu sắc qua đồ án Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo trực tiếp hướng dẫn, bảo tận tình cho em suốt thời gian em làm đồ án, giúp em hoàn thành đồ án thời hạn Em Xin Chân Thành Cảm Ơn ! SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh Trường ĐHCNHN 64 Lớp hóa3-k3 Tài Liệu Tham khảo : Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất tập 1+ tập Hiệu đính : TS Trần Xoa, TS Nguyễn Trọng Khuông, KS Hồ Lê Viên Sửa chữa tái lần thứ 2.- Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2005 2.Tính toán trình thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm tập 1, tập – Gs Ts Nguyễn Bin Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội – 2000 Các trình thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm tập Gs- Ts Nguyễn Bin Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội – 2000 SV Nguyễn Thị Loan GVHD Nguyễn Văn Mạnh