thiết kế tháp chưng cất hệ methanol nước

Đối với hệ Methanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùngphương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Methanol Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng

và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản.Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhucầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sảnsuất hoặc nhu cầu sử dụng

Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất,

cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phươngpháp thích hợp Đối với hệ Methanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùngphương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Methanol

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quátrình học tập của các kỹ sư hoá- thự c phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyếtnhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trongsản xuất hoá chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiếnthức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổnghợp

Nhiệm vụ của Đồ Án Môn Học (ĐAMH) là thiết kế tháp chưng cất hệ Methanol - Nướchoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1500 kg/h có nồng độ nhập liệu là 20% molmethanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 94% mol methanol

Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, các bạn sinh viên

đã giúp em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thểkhông có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn

 Phân tử lượng: 32,04 g/mol

 Khối lượng riêng: 0,7918 g/cm3

1.2. Sản xuất

Methanol được sinh ra từ sự trao đổi chất yếm khí của 1 vài loài vi khuẩn Kết quả là 1lượng nhỏ hơi methanol được tạo thành trong không khí Và sau vài ngày không khí cóchứa methanol sẽ bị oxy hoa bởi O2 dưới tác dụng của ánh sang chuyển thành CO2 và H2Otheo phương trình

2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2OHiện nay methanol được sản xuất bằng cách tổng hôp trực tiếp từ H2 và CO, gia nhiệt ở

áp suất thấp có mặt chất xúc tác

2. Nước

Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có công thức hóa học là H2O Với cáctính chất lí hóa đặc biệt (ví dụ như tínhlưỡng cực, liên kết hiđrô và tính bất thường của khốilượng riêng) nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời

sống 70% diện tích của Trái Đất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3% tổng lượng nước trênTrái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước uống.

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vịnhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt

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

Tính chất vật lý:

 Khối lượng phần tử: 18 g/mol

 Khối lượng riêng d40C: 1 g/mol

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng (cũng như hổnhợp khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau cùa các cấu tửtrong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác).Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha nhưtrong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pah mới được tạo nên bằng

sự bốc hơi hoặc ngưng tụ

Trong trường họp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khac gì nhau, tuy nhiêngiữa hai qua trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi vàchất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cà hai pha nhưng với tỉ lệkhác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan thì khôngbay hơi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tủ và thường thì hệ có bao nhiêu cấu tử sẽ thu đượcbấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:

Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử có

2.2. Phân loại theo nguyên lý làm việc

• Chưng cất đơn giản

• Chưng bằng hơi nước trực tiếp

• Chưng cất đa cấu tử

3.2. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp

• Cấp nhiệt trực tiếp

• Cáp nhiệt gián tiếp

Vậy đối với hệ methanol – nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất lien tục cấpnhiệt gián tiếp.

3. Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuynhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau là diện tíc bề mặt tiếp xúc phaphải lớn, diều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia.Nếu pha khí phân tán vào pha long3ta có cac loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vàopha khí thì ta có tháp chem., tháp phun,… Ở đây ta khào sát 2 loại thướng dùng là thápmâm và tháp chem

• Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạokhác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tuỳ theo cấu tạocủa đĩa, ta có:

 Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chử S…

 Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

• Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp nhau bằng mặt bíchhay hàn.Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫunhiên hay xếp thứ tự

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

- Trở lực tươn đốithấp

- Hiệu suất khá cao

- Khá ổn định

- Hiệu suất cao

Nhược điễm

- Do có hiệu ứngthành nên hiệusất truyền khốithấp

- Độ ổn định thấp,khó vận hành

- Khó tăng năngsuất

- Thiết bị khá nặngnề

- Không làm việcđược với chấtlỏng bẩn

- Kết cấu khá phứctạp

- Có trở lực lớn

- Tiêu tốn nhiềuvật tư, kết cấuphức tạp

Quy trình chưng cất được thực hiện dựa vào nhiểu loại tháp có cấu tạo khác nhau, tuynhiên tuỳ vào mục đích, hiệu suất chưng cất và điều kiện không gian cũng như điều kiệnkinh tế mà ta lựa chọn tháp chưng cất phù hợp Qua quá trình nghiên cứu, thì tôi thấy tháp

mâm xuyên lỗ phù hợp với hệ methanol – nước này Tháp mâm xuyên lỗ có những ưuđiểm sau:

 Chế tạo đơn giản

 Vệ sinh dễ dàng

 Trở lực tháp hơn tháp chóp

 Ít tốn kim loại hơn tháp chóp

Do sản phẩm là methanol với yêu cầu độ tinh khiết cao khi sử dụng cùng với hỗn hợpmethanol – nước là hỗn hợp không có điểm đẳng khí nên chọn phương pháp chưng cất lientục là hiệu quả nhất

CHƯƠNG II: THUYẾT MINH QUY TRÌNH

I. Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp methanol – nước có nổng độ nhập liệu methanol 10% (theo phần hối lượng),nhiệt độ khoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3).Sau đó hỗn hợp được gia nhiệt ở thiết bị ngưng tụ (8) rồi chuyển vào đun sôi đến nhiệt độsôi trong thiết bị gia nhiệt (6), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu.Trong đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảyxuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc

và trao đổi giửa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng cất càng xuốngdưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôicuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng tháp nên khi hơi đi qua các đĩa từ dướilên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thuđược hỗn hợp có cấu tử methanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 95% phần khối lượng).Hơi này đi vào thiếp bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏngngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng Phần còn lại được làm nguội đến 400C, rồiđưa về bình chứa sản phẩm đỉnh

Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi caotrong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết làcác cấu tử khó bay hơi (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy tháp có nồng độ methanol là 1,5% khốilượng, còn lại là nước Dung dịch lỏng ở đáy tháp đi vào thiết bị trao đổi nhiệt (11) vớidòng nhập liệu Trong thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấplại cho tháp để làm việc lien tục, phần còn lại ra khỏi thiết bị vào thiết bị làm nguội sảnphẩm đáy (12) Sau đó, được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (13)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là methanol Sản phẩm đáy là nướcsau khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu được thải bỏ ớ nhiệt độ 600C

II. Chú thích các thiết bị trong qui trình

1. Bồn chứa nguyên liệu

11. Thiết bị gia nhiệt đáy tháp

12. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

CHƯƠNG III: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I. Các thông số ban đầu

Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ Thiết bị hoạt động liên tục

Khi chưng luyện dung dịch methanol thì cấu tử dễ bay hơi là methanol

Hỗn hợp:

• Methanol: CH3OH, MR = 32 (g/mol)

• Nước: H2O, MN = 18 (g/mol)

 Năng suất nhập liệu: GF = 1500 kg/h

 Nồng độ nhập liệu: phần mol matanol

 Nồng độ sản phẩm đỉnh: phần mol methanol

 Nồng độ sản phẩm đáy: phần mol methanol

Chọn

 Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tBĐ = 280C

 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tPR = 300C

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 280C

 Nhiệt độ dòng lạnh đi ra: tR = 400C

 Trang thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi

Các ký hiệu:

 GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h

 GP, P: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

 GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

 L: suất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h

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

II. Cân bằng vật chất

1. Nồng độ phần khối lượng của methanol trong tháp

% (theo khối lượng)

% (theo khối lượng)

% (theo khối lượng)

Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:

Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F = D + W (1)

Cân bằng cấu tử methanol(cấu tử nhẹ) : F.xF = D.xD + W.xW (2)

Từ (1) và (2) ta có:

Suy ra:

III. Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp

1. Tỉ số hoàn lưu tối hiểu

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chỉ số mà chế độ làm việc tại đó ứng với số mâm lý thuyết là

vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nguyên liệu, nước,bơm…) là tối hiểu

Từ bảng số liệu 1 ta xây dựng đồ thị cân bằng pha của hệ methanol – nước ở áp suất 1 atm

Xây dựng đồ thị 2:

Đồ thị 2: Đồ thị cân bằng pha của hệ methanol – nước ở áp suất 1atmVới xF = 0,2 ta nội suy t từ đồ thị 2 được yF* = 0,579

• Tỉ số hoàn lưu tối hiểu tra công thức IX.24 trang 158, [2] ta có:

• Tỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3 0.95 + 0,3 = 1,535

2. Phương trình đường làm việc số mâm lý thuyết

• Phương trình đường làm việc của đoạn cất:

• Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:

Với chỉ số nhập liệu

• Phương trình đường làm việc của phần luyện:

IV. Số mâm lý thuyết

Từ đồ thị ta thu được 10 mâm bao gồm:

1. Xác định hiệu suất trung bình của tháp:

Độ bay hơi tương đối của các cấu tử dễ bay hơi:

IX.61 trang 172, [2]

Với: x: phần mol của rượu trong pha lỏng

y*: phần mol của rượu trong pha hơi

Tại vị trí mâm đáy:

Ta có: xW = 0,03 ta tra đồ thị cân bằng của hệ:

Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp là

2. Số mâm thực tế của tháp NTT:

Vậy ta có NTT = 21 mâm, bao gồm

VI. Cân bằng năng lượng

Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất:

QF + Qđ = QW + QD + Qnt + Qm

• Nhiệt lượng do hỗn hợp rượu nhập liệu mang vào tháp Q F :

QF = GF HF = GF CF.(tF – to) , (KJ/h) IX.152 trang 197, [2]

Trong đó:

 GF = = 31% nồng độ khối lượng nhập liệu ban đầu

 CF : nhiệt dung riêng của hỗn hợp ban đầu

 Chọn nhiệt độ chuẩn: t0 = 200C

Ở , tra bảng I.154 trang 172, [1] ta có nhiệt dung riêng của rượu: cR = 2719,1 (J/kg.độ).Suy ra:

= 3731,3 (J/kg.độ)Vậy QF = 1500 3731,3 (81,7 – 20) = 0,35.109 (J/h) = 0,35.106 (KJ/h)

• Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra từ nồi đun Q W

= 0,052.106 (KJ/h)

• Nhiệt lượng ngưng tự do hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng

Chọn hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng

Qnt = D.(R+1).MD.rD (KJ/h)

Ở tD = 65,4 tra bảng I.212 trang 254, [1] ta thu được

 Nhiệt hoá hơi của nước: rN = 2401548,48 J/h = 2401,55 (KJ/h)

 Nhiệt hoá hơi của rượu: rR = 1096501,99 J/h = 1096,5 (KJ/h)

Suy ra:

= 1124,85 (KJ/h)Vậy: Qnt = 13,47 (1,535 + 1) 31,16 1124,85 = 1,197.106 (KJ/h)

• Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn Qm

• Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun đáy tháp Q đ :

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

 : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

 : lượng hơi trung bình đi trong tháo (Kg/h)

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

1. Đường kính đoạn cất

• Lượng hơi trung bình đi trong tháp:

(kg/h) tra công thức IX.91 trang 182, [2]

Trong đó:

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

 gl : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h)

Xác định gd : gd = D.(R+1).MD tra IX.92 trang 182, {2}

= 13,47.(1,535 + 1).31,16 = 1064 (kg/h)Xác định gl : tra tài liệu IX.93,IX.94,IX.95 trang 182, [2] ta thu được hệ phương trình sau:

Trong đó

 G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

 r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất

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

Tính r 1:

Ta có t1 = tF = 81,7oC, tra tài liệu tham khảo bảng I.212 trang 255, {1} ta có:

 Nhiệt hoá hơi của nước là: rN1 = 41999,4 KJ/kmol

 Nhiệt hoá hơi của rượu là: rR1 = 33832,32 KJ/kmol

Suy ra: r1 = rR1.y1 + (1-y1).rR1 = 41999,4 – 8167,08y1

Tính r d

Ta có tD = 65,40C, tra tài liệu tham khảo bảng I.212 trang 255, {1} ta có:

 Nhiệt hoá hơi của nước là: rNd = 43227,9 KJ/kmol

 Nhiệt hoá hơi của rượu là: rRd = 35088,1 KJ/kmol

Suy ra: rd = rRd.yD + (1-yD).rRd = 35088,1.0,98 + (1-0,98).43227,9

= 35250,9 KJ/kmolMặt khác: x1 = xF = 0,2

Giải hệ (*) trên ta được:_M1 = 25,14

Vậy:

• Tốc độ trung bình đi trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền:

Với: + Nồng độ phần mol trung bình:

+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất:

Suy ra:

Xác định :

Nồng độ phần mol trung bình:

Suy ra:

Ta có: xtb = 0,57 suy ra ttb = 71,770C, tra bảng I.2 trang 10, [1], ta thu được:

 Khối lượng riêng của nước:

 Khối lượng riêng của rượu:

Suy ra:

Vậy:

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình trong tháp:

Vậy đường kính đoạn cất:

2. Đường kính đoạn chưng:

• Lượng hơi trung bình đi trong tháp:

(kg/h) tra công thức IX.91 trang 182, [2]

Trong đó:

 gn : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/h)

 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

Xác định gd : gn = g1 =

Xác định : tra tài liệu IX.98,IX.99,IX.100 trang 183, {2} ta thu được hệ phương trìnhsau:

Trong đó

 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

• Tính :

Ta có xW = 0,03 , tra đồ thị cân bằng của hệ ta được yW = 0,1608

Suy ra

Ta có = tW = 95,38oC, tra tài liệu tham khảo bảng I.212 trang 255, {1} ta có:

 Nhiệt hoá hơi của nước là: KJ/kmol

 Nhiệt hoá hơi của rượu là: = 32824,91 KJ/kmol

Suy ra:

= 39659,01 KJ/kmol

• Tính r1: r1 = 41999,4 – 8167,08y1 = 41999,4 – 8167,08

= 37834,19 (KJ/kmol)Giải hệ (**) trên ta được:_MtbG` = 19,05

Vậy:

• Tốc độ trung bình đi trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền:

Với: + Nồng độ phần mol trung bình:

+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:

Suy ra:

Xác định :

Nồng độ phần mol trung bình:

Suy ra:

Ta có: = 0,115 suy ra = 86,80C, tra bảng I.2 trang 10, [1], ta thu được:

 Khối lượng riêng của nước:

 Khối lượng riêng của rượu:

Suy ra:

Vậy:

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình trong tháp:

Vậy đường kính đoạn chưng:

Kết luận: hai đường kính đoạn cất và chưng không chênh lệch nhau quá lớn nên ta

chọn đường kính của toàn tháp là Dt = 0,6 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở:

 Phần cất:

 Phần chưng:

II. Chiều cao tháp chưng cất

1. Chiều cao của tháp.

Tra tài liệu IX.54 trang 170, [2] ta có công thức tính chiều cao toàn tháp là:

Trong đó

 Htháp : chiều cao của tháp (m)

 Ntt : số mâm thực tế

 hmâm : khoảng cách giữa các mâm (m)

 : chiều dày của mâm

Tra bảng IX.4a trang 170, [2] chọn giá trị hmâm = 0,41 (m), chọn

Suy ra

2. Chiều cao đáy (nắp)

• Chọn đáy (nắp) tiêu chuần có:

• Chọn chiều cao gờ:

Vậy chiều cao đáy (nắp):

Kết luận: chiều cao toàn tháp là: H = Htháp + 2.Hđáy (nắp) = 9,67 + 2.0,175

= 10 (m)

III. Mâm lỗ - trở lực của mâm

1. Cấu tạo mâm lỗ

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền:

 Đường kính lỗ: d1 = 3 (mm) = 0,003 (m)

 Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm

 Chiều cao gờ chảy tràn : hgờ = 25 mm = 0,025 (m)

 Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm

 Lỗ bố trí theo hình lục giác đều

 Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 15 mm

 Bề dày mâm bằng 2 mm

 Mâm được làm bằng thép không rỉ

Số lỗ trên 1 mâm:

Gọi a là số hình lục giác

Tra cong thức V.139 trang 49, [2] ta có: n = 3a.(a – 1) + 1 (***)

Giải phương trình (***) ta thu được: a = 115,969 116

Số lỗ trên đường chéo: b = 2a – 1 = 231 lỗ

2. Trở lực của đĩa khô

tra tài liệu IX.140 trang 195, [2]

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện là T = 81,7oC tra tài liệu I.242 vàI.249 trang 301 và 311, [1] thu được:

 Sức căng bề mặt của nước :

 Sức căng bề mặt của rượu :

Áp dụng công thức I.76 trang 300, [1] ta có:

Suy ra:

Phần chưng

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện là T = tra tài liệu I.242 và I.249trang 301 và 311, [1] thu được:

 Sức căng bề mặt của nước :

 Sức căng bề mặt của rượu :

Áp dụng công thức I.76 trang 300, [1] ta có:

Suy ra:

4. Trở lực thuỷ tỉnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra

Áp dụng công thức IX.143 trang 195, [2] :

Trong đó:

 hb : chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa (m)

 : khối lượng riêng của chất lỏng

 : gia tốc trọng trường ( 9,81 m/s2)

 : tỉ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng chất lỏng

Tính chiều cao ống chảy truyền h c :

Trong đó:

 Lgờ : chiều dài của gờ chảy tràn , m

 K = 0,5

 : suất lượng thể tích của pha lỏng, m3/s

Tính chiều cao của gờ chảy tràn:

Ta có :

Dùng phép lặp: suy ra

Nên Lgờ = Dt = 0,6 = 0,436 m

Phần cất:

Nồng độ mol trung bình của phần cất: phần mol

Khối lượng mol trung bình của phần cất:

Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần cất là:

Tra bảng thu được các thông số:

 GD = MD D = 31,16 13,47 = 419,73 kg/h

 R = 1,535



Suy ra :

Kết luận:

Phần chưng:

Nồng độ mol trung bình của phần cất: phần mol

Khối lượng mol trung bình của phần cất:

Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần cất là:

Tra bảng thu được các thông số:

• Kiểm tra lại khoảng cách mâm h mâm = 0,41 m đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình thường của tháp

(sách truyền khối, trang 70)Với các mâm trong phần chưng trở lực thuỷ lực quá 1 mâm lớn hơn trở lực thuỷ lực củamâm trong phần cất:

Kết luận : Điều kiện trên được thoả

• Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động mâm

Từ công thức trang 70 sách truyền khối, ta có vận tốc tối thiếu qua lỗ của pha hơi Vmin đủ

để cho các lỗ trên mâm đều hoạt động:

Kết luận: Các lỗ trên mâm hoạt động bình thường

• Kết luận : Tổng trở lực thuỷ lực của tháp

 Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm ta chọn thiết bị thân tháp là thép không gỉ mãX18H10

• Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho tính toán:

 Nhiệt độ tính toán: t = tmax = 1000C

 Áp suất tính toán : Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên:

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp:

Vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp nối 2 phía:

Nên tra tài liệu XIII.8 trang 364, [2] ta có

• Tính bề dày:

tài liệu XIII.8 trang 362, [2]

Ta có: suy ra có thể bỏ p o mẫu p thao (1) trang 362, [2]

Suy ra:

Quy tròn theo chuẩn: S = 2 mm (Bảng XIII.9 trang 366, [2])

Bề dày tối thiểu: Smin = 2 mm

 Chọn đáy và nắp có dạn hình elip tiêu chuẩn có gờ, làm bằng thép X18H10T

 Chọn bề dày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp S = 2 mm

• Kiểm tra điều kiện:

Ta có: (thoả)

Vì đáy và nắp có hình elip tiêu chuẩn với hình XIII.11 trang 383, [2]

Suy ra: điều kiện trên được thoả như đã kiểm tra ờ phần thân tháp

• Kích thước của đáy và nắp

 Đường kính trong : Dt = 600 mm

 Ht = 150 mm

 Chiều cao gờ: hgờ = 25 mm

 Bề dày: S = 2mm

 Diện tích bề mặt trong: Sbề mặt trong = 0,44 m2 bảng XIII.10 trang 384, [2]

II. Bề dày mâm

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

• Nhiệt độ tính toán: t = tmax = 1000C

• Áp suất tính toán:

• Chọn bề dày gờ chảy tràn là 3 mm

• Thể tích của gờ chảy tràn:

• Khối lượng riêng của thép X18H10T là:

• Khối lượng gờ chảy tràn:

• Áp suất do gờ chảy tràn tác dụng lên mâm tròn:

Khối lượng riêng của chất lỏng tại đáy tháp

Ta có: xw = 0,03 suy ra tw = 95,380C bảng I2 trang 10, [1] suy ra:

 Khối lượng riêng của nước:

 Khối lượng riêng của rượu:

Áp dụng công thức I.2 trang 6, [1] ta có:

• Ứng suất cực đại ở vòng chu vi

 Đối với bản tròn đặc ngầm kẹp chặt theo chu vi:

Để đảm bảo điều kiện bền thì:

Kết luận: bề dày S đã chọn thoả độ bền

III. Bích ghép thân đáy và nắp

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

Tra bảng XIII.27 trang 419, [2] với và áp suất tính toán P = 0,06

1. Tính trọng lượng toàn tháp

Tra sổ tay XII.7 trang 315, [2] ta có khối lượng riêng của tháp CT3 là

 Khối lượng của một bích ghép thân

 Khối lượng của một mâm

 Khối lượng của thân tháp

 Khối lượng của đáy (nắp) tháp

 Khối lượng của toàn tháp

2. Tính chân đỡ tháp

 Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân

 Vật liệu làm chân đỡ tháp là thép CT3

 Tải trọng cho phép trên một chân là:

Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị ta chọn GC = 2500 N

Tra bảng XIII.35 trang 439, [2] ta thu được bảng số liệu sau:

V. Tai treo tháp

 Chọn tai treo: tai treo được gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị daođộng trong điều kiện ngoại cảnh

 Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3 Ta chọn bốn tai treo tải trọng chophép trên 1 tai treo là: Gt = GC = 2500N

Tra bảng XIII.36, trang 440, [2] ta thu được các thông số sau:

Khối lượng một tai treo là: mtay treo = 1 kg

VI. Cửa nối ống dẫn với thiết bị - bích nối các bộ phận của thiết bị với ống dẫn

 Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo được hoặc khôngtháo được Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo được

 Đối với mối ghép tháo được, người ta làm đoạn ống nối, đó là đoạn ống ngắn

có mặt bích hay ren để nối với ống dẫn

 Loại có mặt bích thường dùng với ống có đường kính d > 10 mm

 Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính , đôi khi có thể dùng với

 Ống dẫn được làm bằng thép X18H10T

 Bích được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ

1. Ống nhập liệu

• Ta có: xF = 0,2 suy ra tw = 81,70C bảng I2 trang 10, [1] suy ra:

 Khối lượng riêng của nước:

 Khối lượng riêng của rượu:

Áp dụng công thức I.2 trang 6, [1] ta có:

• Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị

• Chọn vân tốc chất lỏng trong ống nối là vF = 1 m/s

• Đường kính của ống nối:

• Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần cất

• Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần cất là:

• Chọn vận tốc hơi ra khỏi đỉnh tháp là vHD = 40 m/s

• Dường kính trong của ống nối

Suy ra chọn đường kính ống nối là: Dy = 70 mm

• Tra bảng XIII.32 trang 436, [2] suy ra chiều dài đoạn ống nối là: l = 110 mm

• Tra bảng XIII.26, trang 419, [2] với P = 0,06 N/mm2 ta thu được bảng số liệu sau:

• Ta có: xD = 0,94 suy ra tw = 65,40C bảng I2 trang 10, [1] suy ra:

 Khối lượng riêng của nước:

 Khối lượng riêng của rượu:

Áp dụng công thức I.2 trang 6, [1] ta có:

• Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị

• Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vLD = 0,5 m/s

• Đường kính trong của ống nối

Suy ra chọn đường kính ống nối là: Dy = 20 mm

Tra bảng XIII.26, trang 419, [2] với P = 0,06 N/mm2 ta thu được bảng số liệu sau:

• Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần cất

• Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần cất là:

• Chọn vận tốc hơi ra khỏi đỉnh tháp là vHW = 100 m/s

• Dường kính trong của ống nối

Suy ra chọn đường kính ống nối là: Dy = 100 mm

• Tra bảng XIII.32 trang 436, [2] suy ra chiều dài đoạn ống nối là: l = 120 mm

• Tra bảng XIII.26, trang 419, [2] với P = 0,06 N/mm2 ta thu được bảng số liệu sau:

5. Ống dẫn lỏng ra khỏi đáy tháp

• Ta có: xW = 0,03 suy ra tw = 95,380C bảng I2 trang 10, [1] suy ra:

- Khối lượng riêng của nước:

- Khối lượng riêng của rượu:

Áp dụng công thức I.2 trang 6, [1] ta có:

• Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị

• Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vLD = 0,5 m/s

• Đường kính trong của ống nối

Suy ra chọn đường kính ống nối là: Dy = 32 mm

Tra bảng XIII.26, trang 419, [2] với P = 0,06 N/mm2 ta thu được bảng số liệu sau:

CHƯƠNG VI: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ

I. Tính chiều cao bồn cao vị:

Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu (nhập liệu): d = 25 (mm), độ nhám của ống

7 , 1

7 , 1

Q F

= 0,96 (m/s)

1. Tổn thất đường ống dẫn: