đồ án : thiết kế tháp chƣng luyện liên tục hai cấu tử Benzen và Tooluen

 Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn LỜI NÓI ĐẦU Chưng cất phương pháp dùng để tách hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí - lỏng thành cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp Chúng ta thực nhiều biện pháp chưng cất khác chưng cất gián đoạn, chưng cất liên tục, chưng cất đơn giản, chưng cất đặc biệt Khi chưng cất, hỗn hợp đầu có cấu tử ta thu nhiêu cấu tử sản phẩm Theo đề hỗn hợp đầu gồm cấu tử Benzen Toluen nên gọi chưng cất hỗn hợp cấu tử Trong phần đồ án hỗn hợp hai cấu tử Benzen – Toluen phân tách thành hai cấu tử riêng biệt nhờ phương pháp chưng cất liên tục với tháp chưng luyện loại tháp đệm, làm việc áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào nhiệt độ sôi Sau trình chưng cất, ta thu sản phẩm đỉnh cấu tử có độ bay lớn (Benzen) phần cấu tử có độ bay bé (Toluen) Sản phẩm đáy gồm hầu hết cấu tử khó bay (Toluen) phần cấu tử dề bay (Benzen) Trong suốt trình tính toán thiết kế , đặc biệt đƣợc hƣớng dẫn trực tiếp giúp đỡ nhiệt tình cô Lê Ngọc Thuỵ đồ án thiết kế tháp chƣng luyện liên tục hai cấu tử Benzen Tooluen hoàn thành với nội dung sau: Phần I: Sơ đồ công nghệ chế độ thuỷ động tháp Phần II: Tính toán, thiết kế thiết bị Phần III: Tính toán cân nhiệt lƣợng Phần VI: Tính toán khí Phần V: Tính toán thiết bị cần thiết Phần IV: Kết luận nhận xét Trường ĐHBK – Hà Nội - 3- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP I SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT (HÌNH 1): Nguyên liệu đầu chứa thùng chứa (1) bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3) Mức chất lỏng cao thấp thùng cao vị khống chế chảy tràn Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), trình tự chảy theo dõi đồng hồ lưu lượng Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng nước bão hoà), hỗn hợp đầu gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau đạt tới nhiệt độ sôi, hỗn hợp đưa vào đĩa tiếp liệu tháp chưng luyện loại tháp đệm (5) Trong tháp, từ lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ xuống, xảy trình bốc ngưng tụ nhiều lần Theo chiều cao tháp, lên cao nhiệt độ thấp nên qua tầng đệm từ lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao ngưng tụ Quá trình tiếp xúc lỏng – tháp diễn liên tục làm cho pha ngày giầu cấu tử dễ bay hơi, pha lỏng ngày giầu cấu tử khó bay Cuối đỉnh tháp ta thu hầu hết cấu tử dễ bay (Benzen) phần cấu tử khó bay (Toluen) Hỗn hợp vào thiết bị ngưng tụ (6) ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân nước lạnh) Một phần chất lỏng sau ngưng tụ chưa đạt yêu cầu qua thiết bị phân dòng (7) để hồi lưu trở đỉnh tháp, phần lại đưa vào thiết bị làm lạnh (8) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (10) Chất lỏng hồi lưu từ xuống dưới, 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 (Toluen) phần cấu tử dễ bay (Benzen), hỗn hợp lỏng đưa khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, phần đưa thùng chứa sản phẩm đáy (11), phần tận dụng đưa vào nồi đun sôi đáy tháp (9) dùng nước bão hoà Thiết bị (9) có tác dụng đun sôi tuần hoàn bốc hỗn hợp đáy (tạo dòng từ lên tháp) Nước ngưng thiết bị gia nhiệt tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (12) Tháp chưng luyện làm việc chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào sản phẩm lấy liện tục II CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP ĐỆM: Trong tháp đệm có chế độ thuỷ động chế độ chảy dòng, chế độ độ chế độ xoáy Trường ĐHBK – Hà Nội - 4- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Khi vận tốc khí bé, lực hút phân tử lớn vượt lực lỳ Lúc trình chuyển khối xác định dòng khuyếch tán phân tử Tăng vận tốc lên lực lỳ trở nên cân với lực hút phân tử Quá trình chuyển khối lúc không định khuyếch tán phân tử mà khuyếch tán đối lưu Chế độ thuỷ động gọi chế độ độ Nếu ta tiếp tục tăng vận tốc khí lên chế độ độ chuyển sang chế độ xoáy Trong giai đoạn trình khuyếch tán định khuyếch tán đối lưu Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến giới hạn xảy tượng đảo pha Lúc chất lỏng chiếm toàn tháp trở thành pha liên tục, pha khí phân tán vào chất lỏng trở thành pha phân tán Vận tốc khí ứng với thời điểm gọi vận tốc đảo pha Khí sục vào lỏng tạo thành bọt giai đoạn chế độ làm việc tháp gọi chế độ sủi bọt Ở chế độ vận tốc chuyển khối tăng nhanh, đồng thời trở lực tăng nhanh Trong thực tế, ta thường cho tháp đệm làm việc chế độ màng có vận tốc nhỏ vận tốc đảo pha trình chuyển khối giai đoạn sủi bọt mạnh nhất, giai đoạn ta khó khống chế trình làm việc * Ưu điểm tháp đệm: + Hiệu suất cao bề mặt tiếp xúc pha lớn + Cấu tạo tháp đơn giản + Trở lực tháp không lớn + Giới hạn làm việc tương đối rộng * Nhược điểm + Khó làm ướt đệm + Tháp cao phân phối chất lỏng không * Bảng kê ký hiệu thường dùng đồ án: - F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - P: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - W: Lượng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - Các số F, P, W, A, B : tương ứng đại lượng thuộc hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy Axeton Benzen - a: nồng độ phần khối lượng, kg axeton/kg hỗn hợp - x: nồng độ phần mol, kmol axeton/kmol hỗn hợp - M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol - : độ nhớt, Ns/m2 - : khối lượng riêng, kg/m3 Trường ĐHBK – Hà Nội - 5- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn - Các số A, B, x, y, hh: tương ứng đại lượng thuộc cấu tử axeton, benzen, thành phần lỏng, thành phần hỗn hợp - Ngoài ký hiệu cụ thể khác định nghĩa chỗ PHẦN III TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU: Tính toán cân vật liệu: - Phương trình cân vật liệu chung cho toàn tháp [II – 144] F=P+W - Đối với cấu tử dễ bay [II – 144] FaF = Pap + Waw - Lượng sản phẩm đỉnh là: P  F aF  aw a p  aw Trong đó: F: suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s kg/h aF, ap, aw: nồng độ cấu tử dễ bay hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lượng Đầu cho F = 3,5 kg/s hay F = 3,5.3600 = 12.600kg/h Vậy ta có lượng sản phẩm đỉnh là: P  F aF  aw 0,28  0,02  12600  2.800 kg/h a p  aw 0,98  0,02 - Lượng sản phẩm đáy là: W = F - P = 12.600 – 2.800 = 9.800 kg/h Đổi nồng độ phần khối lƣợng sang nồng độ phần mol aF, ap, aw: Áp dụng công thức x aA MA [II – 126] aA a  B MA MB Trường ĐHBK – Hà Nội - 6- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trong đó: aA, aB: nồng độ phần khối lượng Benzen Toluen Ma, MB: khối lượng mol phân tử Benzen Toluen Với M A  M C6 H  78 kg/kmol M B  M C7 H8  92 kg/kmol Thay số liệu vào ta có: aF 0,28 MA 78 xF    0,314 phần mol  aF  a F  0,28  0,28   78 92 MA MB aP 0,98 MA 78 xP    0,983 phần mol a P 1  a P  0,98  0,98   78 92 MA MB aw 0,02 MA 78 xw    0,024 phần mol a w 1  a w  0,02  0,02   78 92 MA MB Tính khối lƣợng phân tử trung bình hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy: Theo công thức: M = x.MA + (1 - x)MB Trong đó: M: Khối lượng phân tử trung bình, kg/kmol x: Nồng độ phần mol - Khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đỉnh: Mp = xp.MA + (1 - xp)MB Mp = 0,983.78 +(1- 0,983).92 Mp = 87,604 kg/kmol - Khối lượng phân tử trung bình hỗn hợp đầu: MF = xF.MA + (1 - xF)MB MF = 0,314.78 +(1- 0,314).92 MF = 78,238 kg/kmol Trường ĐHBK – Hà Nội - 7- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn - Khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đáy: Mw = xw.MA + (1 - xw)MB Mw = 0,024.78 +(1- 0,024).92 Mw = 91,664 kg/kmol Đổi đơn vị F, P, W từ kg/h sang kmol/h: F F kg / h  12.600   161,05kmol / h MF 78,238 P Pkg / h  2.800   31,96kmol / h Mp 87,604 W W kg / h  9800   106,91kmol / h Mw 91,664 Lƣợng hỗn hợp đầu đơn vị sản phẩm đỉnh: f  F 161,05   5,04 P 31,96 II XÁC ĐỊNH SỐ BẬC THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ: Xác định Rmin dựa đồ thị y – x: Dựng đường cân theo số liệu đường cân tra bảng phần cân lỏng nhiệt độ sôi hai cấu tử 760mmHg (phần trăm số mol) Benzen Toluen ta có bảng sau: [II – 145] Bảng x y toC 10 11,8 21,4 20 38 30 40 50 51,1 61,9 71,2 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 60 70 80 79 85,4 91 89,4 86,8 84,4 90 100 95,9 100 82,3 80,2 - Từ số liệu bảng ta vẽ đồ thị đường cân lỏng (x) – (y) (hình 1), với giá trị xF = 0,314 ta dóng lên đường cân tìm giá trị y*F = 0,525% - Rmin: lượng hồi lưu tối thiểu tính theo công thức R xmin  x p  y F* [II – 158] y F*  x F Trường ĐHBK – Hà Nội - 8- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn y*F: nồng độ cấu tử dễ bay pha cân với nồng độ pha lỏng xF hỗn hợp => Rx  x p  y F* y  xF * F  0,983  0,525  2,17 0,525  0,314 Tính số hồi lƣu thích hợp: Rth: số hồi lưu thích hợp tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ Cơ sở việc chọn Rth theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ là: V = H.S H: tỷ lệ với Nlt G = W.S = P.(R + 1)  S tỷ lệ với R +  V = H.S tỷ lệ với Nlt(R + 1) Giá thành tháp tỷ lệ với V, mà V tỷ lệ với Nlt(R + 1), giá thành tháp thấp ứng với thể tích tháp nhỏ Vì cần phải chọn chế độ làm việc thích hợp cho tháp, tức Rth Trong đó: V: thể tích tháp H: chiều cao tháp S: tiết diện tháp Nlt: số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết) Ứng với giá trị R > Rmin ta dựng đường làm việc tương ứng tìm giá trị Nlt (Các đồ thị từ 7 đồ thị xác định số đĩa lý thuyết) Từ ta có bảng số liệu sau Bảng Rx 2,28 2,932 3,915 5,553 8,83 B 0,249 0,246 0,24 0,23 0,208 Nlt 22 21 20 19 18 84,7 81,9 80 79,23 82,8 Nlt(Rx + 1) Xây dựng đồ thị quan hệ Rx – Nlt(Rx+1) Qua đồ thị ta thấy, với Rx = 2,93 Nlt(Rx + 1) nhỏ hay thể tích tháp nhỏ Vậy ta có Rth = 2,93 (Đồ thị 8) Phƣơng trình đƣờng nồng độ làm việc đoạn luyện: Trường ĐHBK – Hà Nội - 9- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học y Nguyễn Đức Toàn Rx XP x Rx  Rx  [II – 148] Trong đó: 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 : số hồi lưu Thay số liệu vào ta có yL  Rx XP 2,93 0,983 x  x Rx  Rx  2.93  2,93  yL = 0,75x + 0,25 Phƣơng trình đƣờng nồng độ làm việc đoạn chƣng: y Rx  f f 1 x xw Rx  Rx  [II.158] Trong đó: f  F 306,95   2,84 : lượng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol sản phẩm đỉnh P 107,81 Thay số liệu vào ta có yC  Rx  f f 1 2,93  5,04 5,04  x xw  x 0,024 Rx  Rx  2,93  2,93  yc = 2,028x – 0,0247 III TÍNH ĐƢỜNG KÍNH THÁP CHƢNG LUYỆN: Đường kính tháp xác định theo công thức D  0,0188 g tb  y  y tb , m [II - 181] Trong đó: gtb: lượng trung bình tháp, kg/h (y.y)tb: tốc độ trung bình tháp, kg/m2.s Vì lượng lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp khác đoạn nên ta phải tính lượng trung bình cho đoạn Đƣờng kính đoạn luyện: Trường ĐHBK – Hà Nội - 10- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn a Xác định lượng trung bình đoạn luyện: Lượng trung bình đoạn luyện tính gần trung bình cộng lượng khỏi đĩa tháp lượng vào đĩa đoạn luyện g tb  g d  g1 , kg/h [II - 181] Trong đó: gtb: lượng trung bình đoạn luyện, kg/h gđ: lượng khỏi đĩa tháp, kg/h gl: lượng vào đĩa tháp, kg/h * Lượng khỏi đỉnh tháp: [II – 181] gđ = GR + Gp = Gp(Rx+1) gđ = 2800(2,93 + 1) gđ = 11.004 kg/h * Lượng vào đoạn luyện: Lượng g1, hàm lượng y1 lượng lỏng G1 đĩa thứ đoạn luyện xác định theo hệ phương trình g1 = G1 + Gp (1) g1.y1 = G1.x1 + Gp.xp (2) g1.r1 = gđ.rđ (3) [II - 182] Trong đó: y1: hàm lượng vào đĩa đoạn luyện, phần khối lượng G1: lượng lỏng đĩa thứ đoạn luyện r1: ẩn nhiệt hoá hỗn hợp vào đĩa rđ: ẩn nhiệt hoá hỗn hợp khỏi đỉnh tháp x1 = xF = 0,314 phần khối r1 = ra.y1 + (1-y1).rb [II - 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá cấu tử nguyên chất Benzen Toluen t = tF Từ x1= xF = 0,314 tra đô thị lỏng hình ta t01 = tf = 97,6 0C Với t01 = 97,6 C nội suy theo bảng I.212 [I – 254] ta được;  rC6 H  380,66 kJ/kg Trường ĐHBK – Hà Nội - 11- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn rb  rC7 H8  369,64 kJ/kg  r1 = 380,66.y1 + (1 - y1).369,64  r1 = 11,02y1 + 369,64 kJ/kg rđ = ra.yđ + (1 – yđ).rb [II - 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá cấu tử nguyên chất Benzen Toluen t = Từ xp = 0,983 tra đồ thị lỏng hình ta = 82,60C yđ: hàm lượng khỏi đỉnh tháp, phần khối lượng yđ = yp = xp = 0,95 phần khối lượng Với t02 = tP = 82,60C nội suy theo bảng I.212 [I – 254] ta được:  rC6 H  391,65 kJ/kg rb  rC7 H8  377,18 kJ/kg  rđ = 391,65.0,98 + (1 - 0,98).377,18  rđ = 391,36 kJ/kg Thay giá trị tính vào hệ phương trình ta g1 = G1 + 2800 g1.y1 = 0,314G1 + 2800.0,98 g1(11,02y1 + 369.64) = 11004.391,36 = 4306525,44 Giải hệ phương trình ta được: g1 = 30012,06 kg/h G1 = 27212,06 kg/h y1 = 0,345 phần khối lượng Thay y1 = 0,345 vào r1 ta được: r1 = 11,02.0,345 + 369,64 = 373,4419 kJ/kg Vậy lượng trung bình đoạn luyện là: g tb L  g d  g1 11004  30012,06   20508,03 kg/h 2 b Tính khối lượng riêng trung bình * Khối lượng riêng trung bình pha tính theo y  tb ytb1 M A  (1  ytb1 ).M B 22,4.T Trường ĐHBK – Hà Nội 273 , kg/m3 - 12- [II - 183] Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng, tm  t m  0,5 tT1  t bh  [II – 29] tT1: nhiệt độ bề mặt tường, tiếp xúc với nước ngưng, oC tbh: nhiệt độ nước bão hoà, oC t1 = tbh – tT1 t1: hiệu số nhiệt độ tbh nhiệt độ phía tường tiếp xúc với nước ngưng Chọn t1 = 5,2oC Ta có nhiệt độ thành ống phía ngưng tụ là: tT1 = tbh - t1 tT1 = 119,6 – 5,2 = 114,4oC Nhiệt độ màng nước ngưng tụ tm = 0,5.(114,4 + 119,6) = 117oC Với tm = 117oC Nội suy [II – 29] ta A = 186,65 Tại tT1 = 114,4oC ta có r = 2217,497.103 J/kg Vậy hệ số cấp nhiệt phía ngưng tụ là: 1  2,04.186,65.4 2217,497.10 5,2.1,5 1 = 8792,25 w/m2.độ - Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ q1 = 1.t = 8792,25.5,2 = 45719,7 w/m2 - Hiệu số nhiệt độ hai bề mặt thành ống Tt = tT1 – tT2 = q1.r Với r  r1    r2  [II – 3] Trong đó: r1, r2: nhiệt trở cặn bẩn bám vào hai bên thành ống phía đốt phía dung dịch, m2.độ/w : chiều dày thành ống,  = 2,5.10-3m r1, r2 tra bảng PL.12 [III – 346] ta có r1  r2  m2độ/w 5800 Trường ĐHBK – Hà Nội - 62- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học 2,5.10  5800 50 r   3  Nguyễn Đức Toàn  3,948.10 4 m độ/w 5800  T1 = 45719,7.3,948.10-4 = 18oC - Nhiệt độ thành ống phía dung dịch tT2 = tT1 - tT = 114,4 – 18 = 96,4oC - Hiệu số nhiệt độ thành ống dung dịch t2 = tT2 – ttb = 96,4 – 46,341 = 50,059oC - Hệ số cấp nhiệt 2 phía dung dịch 2  Nu. 150,49.0,219   998,7 d 38  2.2,5.10 3 - Nhiệt tải riêng từ thành ống đến dung dịch q2 = 2.t2 = 998,7.28,189 = 28143,55 w/m2 Ta có: q1  q q1  45719,7  28143,55 45719,7  0,038  5% Vậy chọn t1 = 5,2oC phù hợp - Nhiệt tải riêng trung bình qtb  q1  q2 45719,7  44211,91   44965,805 w/m 2 * Bề mặt chuyền nhiệt F Q 528033,856   14,3 m qtb 36931,625 * Tổng số ống n - Tổng số ống n tính theo công thức n F f Trong đó: f: diện tích xung quanh ống, m2 f = .dn.h, m2 f = 3,14.0,038.1,5 = 0,17898 n F 14,3   80 ống f 0,17898 Quy chuẩn n = 61 ống bảng V.11 [II – 48] Trường ĐHBK – Hà Nội - 63- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn Ta bố trí ống xếp theo hình cạnh gồm hình Số ống đường xuyên tâm hình cạnh b tính theo b = 2a – a tính theo công thức: n = 3a(a - 1) + [II – 48]  91 = 3a(a - 1) +  a2 – a – 30 =  a = a = - Vậy b = 2.6 – = 11 ống - Số ngăn n  t t: tốc độ chất lỏng thực tế chảy ống, m/s t = t = GF  nt 3600. d 12600.4  0,0547 m/s 3,14 91.3600.821,89 0,033 Theo lý thuyết ta chọn: t = 0,2 m/s Do lý thuyết lớn thực tế nên ta phải chia ngăn * Số ngăn m =  lt 0,2   3,65  t 0,0547 Theo nguyên tắc số ngăn phải chẵn nên ta chọn m = ngăn * Tính đường kính thiết bị D = t(b – 1) + 4.dn [II - 49] Trong đó: t bước ống, t = (1,2  1,5).dn Chọn t = 1,5 dn = 1,5.0,038 = 0,057 m  D = 0,057(11 – 1) + 4.0,038 = 0,722 m Vậy thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu có thông số sau: F = 14,3 m2 L = 1,5 m Trường ĐHBK – Hà Nội - 64- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn dn =38 mm D = 722 mm n = 91 ống m = ngăn II TÍNH BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ - Để tính bơm bơm việc đưa hỗn hợp đầu lên thùng cao vị đảm bảo yêu cầu công nghệ ta phải tính trở lực đường ống đẫn liệu thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu từ tính gia chiêù cao thùng cao vị so với vị trí đĩa tiếp liệu vào tháp Cuối cùng, tính công suất áp suất toàn phần bơm Chọn bơm ly tâm - Tính toán - Áp suất toàn phần cần thiết đẻ khắc phục tất sức cản thuỷ lực hệ thống (kể ống đẫn vaò thiết bị) dòng chảy đẳng nhiệt P = Pđ + Pm + PH + Pc + Pk + Pt , N/m3 [I – 376] Trong đó: - Pđ : áp suất động lực học áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy khỏi ống dẫn, N/m3   Pđ = N/m3 [I – 376] : khối lượng riêng chất lỏng ống, kg/m3 : tốc độ dòng chảy, m/s Pm: áp suất để khắc phục trở lực ma sát dòng chảy ổn định ống thẳng, N/m3 - L L   Pm =  =  .Pđ , N/m2 d td d td [I – 377] : hệ số ma sát L: chiều dài ống, m dtđ: đường kính tương đương ống, m - Pc : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, N/m3 Pc       Pd , N/m2 [I – 377] Với : hệ số trở lực cục Trường ĐHBK – Hà Nội - 65- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn - PH: áp suất cần thiết để nâng cao chất lỏng lên cao để khắc phục áp suất thuỷ tĩnh PH = .g.H, N/m2 [I – 377] - Pt, Pk: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực thiết bị áp suất bổ xung cuối ống dẫn trường hợp cần thiết Trong trường hợp tính toán giá trị bỏ qua Trở lực đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu tới tháp * Tính Pđ - Khối lượng riêng dung dịch tos = tF = 97,6oC Trong phần tính toán khí cho ống dẫn liệu, ta tính  = 791,86 kg/m - Tốc độ trung bình lưu thể = 4.V  d 3600 = 4.F  d 3600 [I – 369] d = 150 mm (đường kính ống dẫn liệu, tính phần khí) 4.F 4.12600   0,25 m/s  d 3600 3,14.(0,15) 791,86.3600 = 791,86.0,25  24,75 N/m3  Pd  * Tính Pm Pm =  L L   =  .Pđ N/m2 d td d td Chọn chiều dài ống dẫn L = m Đường kính tương đương ống dtd = d = 0,2m - Chuẩn số Re lưu thể Re   d   [I – 399] : độ nhớt hỗn hợp t = 97,6oC [I – 84] lghh = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB Tại to = 97,6oC Nội suy theo bảng I.101, [I – 91] ta A = 0,2676.10-3 Ns/m2 Trường ĐHBK – Hà Nội - 66- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn B = 0,27676.10 Ns/m -3  lghh = 0,6485.lg(0,2676.10-3) + (1 – 0,6485)lg(0,27676.10-3)  hh = 0,27.10-3 Ns/m2 Re  .d  0,25.0,15.791,86   109980,55  10 3  0,27.10 Vậy dòng chảy ống chế độ chảy xoáy, hệ số ma sát  tính theo công thức sau:  6,81  0,9    2 lg     3,7    Re  [I – 380] : độ nhám tương đối, xác định theo   [I – 380] d td Tra bảng II.15, [I – 381], với loại ống tráng kẽm ta  = 0,1mm   d td  0,1.10 3  5.10 4 0,2  6,81  0,9 5.10 4    2 lg     3,7    109980,55    = 0,03299  Pm  0,03299 24,75  12,25 N/m2 0,2 * Tính Pc - Trên ống có: + khuỷu 90o, khuỷu khuỷu 30o tạo thành Chọn a/b = => 1 = 0,3.3 = 0,9 [I – 394] + ống nối cong có góc  = 90o Ở  = 90o => A = R/dtd = => B = 0,15 a/b = => C =  2 = 0,15 + van tiêu chuẩn, 3 = 4,9 [I – 397]   = 3.1 + 2.2 + 3 = 3.0,9 + 2.0,15 + 4,9 = 7,9 Trường ĐHBK – Hà Nội - 67- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn   Pc = .Pd = 7,9.24,75 = 195,525 N/m Vậy áp suất tổng cộng P1 = Pd + Pm + Pc = 24,75 + 12,25 + 195,525 = 232,525 N/m2 - Chiều cao cột chất lỏng tương ứng với P1 là: H1  P1 235,525   0,0299 m  g 791,86.9,81 Trở lực ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu * Tính Pd: - Khối lượng riêng hỗn hợp là:  a1  A   a1 B Với to = 20oC Nội suy theo bảng I.2 [I – 9] ta A = 879kg/m3 B = 866kg/m3    0,28  0,28  879 866   = 869,61 kg/m3 - Tốc độ dung dịch chảy ống là: 4.F 4.12600   0,2279 m/s  d 3600 3,14.(0,15) 869,61.3600 = 869,61.0,2279  Pd   22,58 N/m3 * Tính Pm - Chuẩn số Reynon lưu thể Re   d   [I – 399] : độ nhớt hỗn hợp t = 20oC [I – 84] lghh = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB Tại to = 20oC Nội suy theo bảng I.101, [I – 91] ta A = 0,65.10-3 Ns/m2 B = 0,586.10-3 Ns/m2 Trường ĐHBK – Hà Nội - 68- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn -3  lghh = 0,6485.lg(0,65.10 ) + (1 – 0,6485)lg(0,586.10-3)  hh = 0,627.10-3 Ns/m2 Re  .d  0,2279.0,15.869,61   47411,92  10  0,627.10 3 Vậy dòng chảy ống chế độ chảy xoáy, hệ số ma sát  tính theo công thức sau:  6,81  0,9    2 lg     3,7    Re  [I – 380] Có  = 5.10-4  6,81  0,9 5.10 4    2 lg     3,7    47411,92    = 0,0227 Chọn chiều dài đoạn ống L = 15m  Pm  0,0227 15 24,75  56,1825 N/m2 0,15 * Tính Pc: - Trở lực cục qua đoạn ống : + Trở lực vào ống, ta chọn 1 = 0,52 + khuỷu 90o, khuỷu khuỷu 30o tạo thành Chọn a/b = => 2 = 0,3.3 = 0,9 [I – 394] + van tiêu chuẩn, 3 = 4,9 [I – 397] h = 1 + 2.2 + 3 = 0,52 + 2.0,9 + 4,9 = 7,22 Pc =  Pđ = 7,22.24,75 = 178,695 N/m2 P2 = Pđ + Pm + Pc = 24,75 + 56,1825 + 178,695 = 259,6275 N/m - Chiều cao cột chất lỏng tương ứng là: H2  P2 259,6275   0,03 m  g 869,6.9,81 Trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu * Tính Pđ: - Tốc độ lưu thể trung bình ống là: Trường ĐHBK – Hà Nội - 69- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Đồ án môn học   Nguyễn Đức Toàn V f V: thể tích hỗn hợp V F , m2/s 3600. tb f: tiết diện bề mặt truyền nhiệt f  n  d , m2 m n: số ống thiết bị gia nhiệt, có n = 91 ống m: số ngăn thiết bị gia nhiệt, có m = ngăn Khối lượng riêng lưu thể totb = 68,22oC, tính phần tính thiết bị phụ, ta có tb = 812,89 kg/m3  V 12600  4,258.10 3 m2/s 3600.812,89 f  91 3,14.0,0332  0,013 m2 4 7,3.10 3  0,562 m/s 0,013 821,866.0,562  Pd   129,79 N/m2 * Tính Pm: - Chuẩn số Reynon lưu thể Re   d   [I – 399] Ở to = 46,341oC có  = 0,3686.10-3 Ns/m2 Re  0,562.821,866.0,033  41351,945  10 3 0,3686.10 Vậy dòng chảy ống chế độ chảy xoáy, hệ số ma sát  tính theo công thức sau:  6,81  0,9    2 lg     3,7    Re  [I – 380]  0,1.10 3  =  d 0,033 Trường ĐHBK – Hà Nội - 70- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn  6,81  0,9 0,1.10 3   2 lg     41351 , 945 3,7.0,033       = 0,029 L d Pm =  .Pd L = 4.1,5 = m Pm = 0,029 129,79  684,35 N/m2 0,033 * Tính Pc - Khi dòng chảy qua thiết bị gia nhiệt, phải qua ngăn nhiều chỗ ngoặt, đột thu, đột mở Ta có tiết diện cửa vào thiết bị tiết diện cửa thiết bị f1   d 3,14.0,2   0,0314 m2 Tiết diện khoảng trống đầu thiết bị ngăn : f2   D m  3,14.0,608  0,0725 m2 4 Tiết diện ống truyền nhiệt ngăn là: f3   d n 3,14.0,0332 61   0,013 m2 m 4 Khi dòng chảy vào thiết bị gia nhiệt, tức đột mở f1 0,0314   0,43 f 0,0725  1 = (1 – 0,43) = 0,57 Khi dòng chảy từ khoảng trống vào ngăn, tức đột thu lần f3 0,013   0,179 f 0,0725  2 = 0,4542 Khi dòng chảy từ ngăn khoảng trống, tức đột mở lần  3 = (1 - 0,179)2 = 0,821 Khi dòng chảy khỏi thiết bị, tức đột thu Với f1  0,43 Tra bảng II.16, [I-388] f2  4 = 0,328 Trường ĐHBK – Hà Nội - 71- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Từ ngăn sang ngăn lưu thể đổi chiều 180 o  5 = 3,6   = 1 + 4.2 + 43 + 4 + 1.5   = 0,57 + 4.0,4542 + 4.0,821 + 0,328 + 3,6 = 9,5988  Pc =  Pđ = 9,5988.129,79 = 1245,828 N/m2 * Trở lực thuỷ tĩnh: PH = .g h = 821,866.9,81.1,5 = 12093,758 N/m2  P3 = Pđ + Pm + Pc +PH = 129,79 + 684,35 + 1245,828 + 12093,758 = 14153,726 N/m2 - Chiều cao cột chất lỏng tương ứng với P3 là:  H3 = P3 14153,726   1,76 m .g 821,866.9,81 Tính chiều cao thùmg cao vị so với đĩa tiếp liệu: Viết phương trình Becnuly cho điểm B: Chọn mặt chuẩn O - O Xét 1-1 tacó; Pa  20 C g  z  C  cos nt (1) o Trường ĐHBK – Hà Nội - 72- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn Xét B tacó; Pa  F2   hm  C  cos nt 2.g  96,7 C g (2) o Từ (1) (2) Pa   20 C g z= o z=  F2 2.g   F2 2.g Pa  96,7 C g  Pa  96,7 C g  hm o  hm - o Pa  20 C g o Pa = 9,81.104 N/m2  PB = Pa + PL = 98100 +4030,044 = 102130,044 N/m2  20 C = 869,8 kg/m3 o  86,7 C = 791, 68 kg/m3 o  F = 0,25 m/s hm =H1 + H2 + H3 = 0,0299 + 0,03 + 1,54 hm = 1,5999 m 0,25 98100.4030,044 98100    1,5999  3,26 m z= 2.9,81 791,86.9,81 868,6.9,81 Tính bơm - Bơm ly tâm làm việc áp suất thường, chọn chiều cao hút bơm to = 20 C 0,5 m bảng II.34 [I - 441] Ở chiều cao bơm làm việc tuần hoàn đảm bảo không xảy tượng xâm thực - Chiều cao đẩy bơm Hđ = Hc + Z = (0,6 + 1,47 + 1,525) + 3,26 = 6,855 m - Chiều cao làm việc bơm HF = Hđ + Hh = 6,855 + 0,5 = 7,355 m * Tổn thất áp suất đường ống . 869,6.0,2279   22,583 N/m3 Pđ = o 2 * Tính Pm: - Ở phần tổn thất áp suất từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu ta tính Re = 47411,92  = 0,0227 - Chiều dài ống L = H + 0,8 = 7,355 + 0,8 = 8,155 m  Pm = 0,0227 8,155 22,583  27,87 N/m2 0,15 * Tính Pc: - Trên đường ống có khuỷu 90o , khuỷu khuỷu 30o tạo thành  1 = 3.0,3 = 0,9 Trường ĐHBK – Hà Nội - 73- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn - Có van tiêu chuẩn: 2 = 4,9  = 1 + 2 = 2.0,9 + 2.4,9 = 11,6 N/m2 Pc = 11,6.22,583 = 261,96 N/m2 P = Pđ + Pm + Pc = 22,583 + 27,87 + 261,96 = 312,413 N/m2 - Chiều cao cột chất lỏng tương ứng là: Hm = P 312,413   0,0366 m .g 869,6.9,81 - Áp suất toàn phần bơm là: H = HF + Hm = 7,355 + 0,0366 = 7,3916 m - Công suất bơm là: Q. g.H N , kw 1000. Trong đó: Q: suất bơm, m3/s : khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3 g: gia tốc trọng trường, m/s2 H: áp suất toàn phần bơm, m : hiệu suất chung bơm  = o tl ck Ta chọn: hiệu suất thể tích o = 0,96 hiệu suất thuỷ lực tl = 0,85 hiệu suất khí ck = 0,96   = 0,96 0,85 0,96 = 0,78 Q [I – 439] F , m3/s  3600 Vậy suất bơm là: N F g.H 12600.9,81.7,3916   0,325 kw 1000.3600. 1000.3600.0,78 - Công suất động điện N dc  N , kw tr  dc [I – 439] Với tr: hiệu suất truyền động, chọn tr = đc: hiệu suất động điện, chọn đc = 0,8  N dc  N 0,325   0,41 kw tr  dc 1.0,8 Trong thực tế chọn động điện có công suất lớn tính toán Ncđc = .Nđc [I – 439] Dựa vào bảng II.33 [I – 439], có Nđc < hệ số dự trữ  =1,5  Ncđc = 1,5.0,41 = 0,615 kw Vậy ta chọn bơm có công suất 1,1 kw Trường ĐHBK – Hà Nội - 74- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn PHẦN VI KẾT LUẬN Qua thời gian làm việc nghiêm túc, với hướng dẫn trực tiếp nhiệt tình cô Lê Ngọc Thụy thầy cô môn Quá trình thiết bị công nghệ Hoá Học, em hoàn thành đồ án môn học, với nội dung tính toán thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp Benzen – Toluen Các công thức tính toán tra cứu sổ tay tài liệu qui định, đảm bảo việc tính toán xác hợp lý Kết tính toán thuyết minh với vẽ thuyết trình có chỗ nhầm lẫn, khiếm khuyết bỏ qua Tuy nhiên lần đầu làm quen với trình tính toán thiết kế nhầm lẫn điều không tránh khỏi Em mong thầy cô giáo môn bỏ qua Việc làm đồ án môn học thực đem lại hiệu cho em nói riêng cho sinh viên ngành nói chung, thông qua đó, sinh viên nâng cao kỹ tính toán biết cách nhìn nhận vấn đề thiết kế cách hệ thống, đặc biết giúp cho sinh viên biết cách sử dụng, tra cứu tài liệu Có thể nói chuẩn bị tốt cho việc làm đồ án tốt nghiệp tới Tuy nhiên, hạn chế thời gian trình độ nên thuyết em thiếu rõ ràng mạch lạc việc trình bày, không tránh khỏi thiếu sót Em mong thông cảm giúp đỡ bảo thầy, cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! Trường ĐHBK – Hà Nội - 75- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn TÀI LIỆU THAM KHẢO I- Tập thể tác giả Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất tập Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1992 II - Hiệu đính Pts Trần Xoa, Pts Nguyễn Trọng Khuông, Pts Phạm Xuân Toản Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất tập Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1999 III - Gs – Ts Nguyễn Bin Tính toán trình, thiết bị công nghệ hoá chất thực phẩm tập Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1999 IV - Gs – Ts Nguyễn Bin Tính toán trình, thiết bị công nghệ hoá chất thực phẩm tập Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1999 V - Nhóm tác giả Bộ môn máy hoá Hướng dẫn thiết trình thiết bị chuyển khối tập Trường đại học Bách Khoa xuất bản, 1975 VI - Vương Đình Nhân Sổ tay kỹ sư hoá Nhà xuất Giáo Dục, 1961 Trường ĐHBK – Hà Nội - 76- Líp Ho¸ GiÊy - K44 [...]... [II – 127] Trong đ : T: nhiệt độ trung bình của hơi, 0K Trường ĐHBK – Hà Nội - 26- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn P: áp suất chung của hơi, P = 1at MA = 7 8: khối lượng phân tử của cấu tử Benzen MB = 9 2: khối lượng phân tử của cấu tử Toluen vA, vB: thể tích mol của hơi Benzen và Toluen , cm3/nguyên tử v A  vC6 H 6  96 cm /nguyên tử 3 v B  vC7 H8  118 cm /nguyên tử 3 t 0 y tb Phần... 178] ta được L = 1 * Xác định chuẩn số Reynon: - Chuẩn số Reynon của pha hơi: Re y  0,4. y  s [II – 178]  y  d M hh Ta có y = hh được tính theo  hh  m1 M A A  m2 M B B [I – 85] Trong đ : Mhh, MA, MB: khối lượng phân tử của hỗn hợp và cấu tử Benzen và Toluen hh, A, B: độ nhớt của hỗn hợp và cấu tử Benzen và Toluen m1, m 2: nồng độ của Benzen và Toluen tính theo phần thể tích Đối với hỗn... Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn Trong đ : MA MB: khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K ytb 1: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình y tb1  y d1  y c1 [II - 183] 2 Với y d , y c : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol 1 1 y d1 = yp = 0,983 phần mol y c1 = y1 = 0,345 phần khối lượng Đổi sang phần mol ta c : 0,345... của toàn tháp: H = H L + H C + H 1 + H2 + H 3 Trong đ : HL, HC: chiều cao đoạn luyện và đoạn chưng, m H 1: khoảng cách không gian phần đỉnh tháp để đặt đĩa phân phối chất lỏng và ống hồi lưu sản phẩm đỉnh, m H 2: khoảng cách không gian giữa đoạn chưng và đoạn luyện để đặt đĩa tiếp liệu và ống dẫn hỗn hợp đầu, m H 3: khoảng cách không gian cho hồi lưu đáy và để đặt ống hồi lưu sản phẩm đáy, m Chọn: H1 =... Vậy cách chọn đệm và đường kính tháp của đoạn luyện như vậy là chấp nhận được yêu cầu của bài toán và phù hợp với quá trình tính toán 2 Đƣờng kính đoạn chƣng: a Lượng hơi trung bình đi trong tháp ' g tb g ' n  g '1  2 [II - 182] Trong đ : g’n: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/h g’ 1: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện (g’n= g1) nên... 183] Trong đ : Trường ĐHBK – Hà Nội - 18- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn MA MB: khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K ytbc: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình y d1  yc1 ytbC  [II - 183] 2 Với y d , y c : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol 1 1 y d1 = y’1 = yw = 0,062 phần mol y c1 = y1... Trong đ : A, B: hệ số liên hợp kể đến ảnh hưởng của Benzen và Toluen Do Benzen và Toluen là những chất lỏng không liên kết nên A = 1; B = 1 1 1  78 92 1.10 6  D20   1/ 3 0,586 96  1/ 3 2  118  2,3.10 9 , m /s 2 - Nhiệt độ trung bình của lỏng trong đoạn luyện là to = 93,5oC Vậy ta c : Dx = 2,3.10-9[1 + 0,0161.(93,5 - 20)] Dx = 5,022.10-9 m2/s Thay các giá trị vào ta c : Prx  Vậy: x  x Dx ... Ns/m2 V : thể tích tự do của đệm, m3/m3 x: khối lượng riêng của lỏng, kg/m3 : hệ số thấm ướt của đệm, nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp, xác định theo đồ thị IX.16 [II - 178] Với U tt  Vx : mật độ tưới thực tế, m3/m2.h Ft Utt = B.đ : mật độ tưới thích hợp, m3/m2.h Trong đ : Vx: lưu lượng thể tích của chất lỏng, m3/h Ft: diện tích... thể viết: ' g tb g 1  g '1  2 [II - 182] Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’l, lượng lỏng G1’ và hàm lượng lỏng x’l được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: G’1 = g’1 + Gw G’1 x’1 = g’1.yw + Gw.xw [II 182] g’1.r’1 = g1.r1 Trong đ : r’ 1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng xw: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy r 1: ẩn nhiệt... K44  Đồ án môn học G X  x G  y     1/ 4  y  tb  x  tb     Nguyễn Đức Toàn 1/ 8 [II – 187] Trong đ :  : bề mặt riêng của đệm, m2/m3 V : thể tích tự do của đệm, m3/m3 g: gia tốc trọng trường, m2/s Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/s  x ,  y :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3 tb tb x, n: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ