TÍNH TOÁN THIẾT kế hệ THỐNG THIẾT bị CHƯNG cất làm VIỆC LIÊN tục ở áp SUẤT THƯỜNG để PHÂN TÁCH hỗn hợp ACETONE nước NĂNG SUẤT THEO sản PHẨM ĐỈNH 1500kgh

Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Giới thiệu sơ : 1.1 Khái niệm: Acetone có công thức phân tử : CH3COCH3 Khối lượng phân tử 58.079 đvC Là chất lỏng không màu, dễ lưu động dễ cháy, với cách êm dịu có mùi thơm Nó hòa tan vô hạn nước số hợp chất hữu : eter, metanol, etanol, diacetone alcohol… Được tìm thấy vào năm 1595 Libavius, chưng cất khan đường, đến năm 1805 Trommsdorff tiến hành sản xuất Acetone cách chưng cất Acetat bồ tạt sođa : phân đoạn lỏng nằm phân đoạn rượu eter 1.2 Ứng dụng : Acetone ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su … Nó hoà tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng Acetone nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu Từ Acetone tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), holofom Một số thông số vật lý nhiệt động Acetone : • Nhiệt độ nóng chảy : -94.6 0C ; • Nhiệt độ sôi : 56.9 0C ; Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng d 20 • Tỷ trọng : • Nhiệt dung riêng Cp : 22 Kcal/mol (chuẩn 102 0C) • Độ nhớt µ : 0.316 cp ( 250C) • Nhiệt trị : 0.5176 cal/g ( 200C) ; 1.3 Tính chất hoá học : Cộng hợp với natri bisunfit: OH CH3COCH3+H2O → CH3 - C - SO3Na (1-metyl-1-hydroxi etan sunfonát natri ) CH3 Cộng hợp axit HCN: OH CH3CO + HCN → CH3-C-CN CH3 ( pH= 4-8 ) Phản ứng ngưng tụ : OH O CH3-CO-CH3+HCH2C=O → CH3-C-CH3-C-CH3 (4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon) CH3 CH3 Acetone khó bị oxi hóa thuốc thử Pheling, Tôluen, HNO 3đđ, KMnO4… Chỉ bị oxi hóa hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfôcrômic K2Cr2O7 + H2SO4… Bị gãy mạch cacbon CH3-C-CH HCOOH O → CH3-C-CH2-OH O → CH3-C-CH=O O Phản ứng khử hoá : CH3COCH3 + H2 → CH3CHOH-CH3 1.4 Điều chế : Oxy hóa rượu bậc hai: Trang → CH3COOH + Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng CH3CHOH-CH3 → CH3COCH3 + H2O Theo phương pháp Piria : nhiệt phân muối canxi axit cacboxylic: (CH3COO)2Ca → CH3COCH3 + CaCO3 Từ dẫn xuất magiê : O O CH3-C-Cl + CH3-MgBr → CH3-C-CH3 + Mg-Br Cl Trong thời kỳ chiến tranh giới lần thứ nhất, nhu cầu nguồn Acetone lớn, tong có giới hạn việc thu dược Acetone từ chưng cất gỗ, nên để bổ sung nguồn Acetone Hoa Kỳ áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH 3COO)2 – thu cách lên men rượu có mặt xúc tác vi khuẩn để chuyển carbohydrate thành Acetone Butyl Alcohol.Công nghệ ứng dụng chủ yếu suốt chiến tranh giới lần thứ năm 20 Tuy nhiên, đến năm 20 công nghệ thay công nghệ có hiệu (chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuất Acetone Hoa Kỳ) : Dehydro Isopropyl Alcol Ngoài ra, số qúa trình sản xuất Acetone khác : - Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol Acetone - Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan - Lên men Carbo hydrate vi khuẩn đặc biệt - Công ty Shell sử dụng sản phẩm phụ Tổng hợp Acetone cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác: xuctac → • CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 3270C ) • Xúc tác sử dụng : đồng hợp kim nó, oxit kim loại muối • Ở nhiệt độ khoảng 325 0C , hiệu suất khoảng 97% Trang CH3COCH3 + H2 Chưng cất hệ Acetone – Nước • GVHD: Lê Thị Kim Phụng Dòng khí nóng sau phản ứng gồm có : Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản ứng, H2 phần nhỏ sản phẩm phụ ( Propylene, diisopropyl eter …) Hỗn hợp làm lạnh khí không ngưng lọc nước Dung dịch lỏng đem chưng cất phân đoạn, thu Acetone đỉnh hỗn hợp nước, Isopropyl Alcol ( ) đáy Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước : Ta có Acetone chất lỏng tan vô hạn nước nhiệt độ sôi Acetone ( 56.9 0C 760 mmHg) Nước ( 100 0C 760 mmHg) : cách xa nên phương pháp hiệu để thu Acetone tinh khiết chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp Trong trường hợp ta sử dụng phương pháp cô đặc cấu tử có khả bay hơi, không sử dụng phương pháp trích ly hấp thụ phải đưa vào pha để tách chúng, làm cho trình phức tạp hơn, hay trìng tách không hoàn toàn Chưng cất trình phân tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng ( hay nhiệt độ sôi ), cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay – ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại 2.1 Phương pháp thực : Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ): + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao + Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay + Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): trình thực liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn Ngoài có thiết bị hoạt động bán liên tục Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng Trong trường hợp này, sản phẩm Acetone – với yêu cầu có độ tinh khiết cao sử dụng , cộng với hỗn hợp Acetone – Nước hỗn hợp điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục hiệu 2.2 Loại tháp chưng cất : Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung thiết bị giống nghĩa diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở ta khảo sát loại thường dùng tháp mâm tháp chêm Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có:  - Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s… - Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự  Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Cấu tạo đơn giản Ưu điểm - Trở lực tương đối - Khá ổn định thấp - Trở lực thấp - Hiệu suất cao - Làm việc với chất - Hiệu suất cao lỏng bẩn dùng đệm cầu có ρ ≈ ρ chất lỏng Nhược điểm - Do có hiệu ứng thành → - Không làm việc - Có trở lực lớn với chất lỏng bẩn hiệu suất truyền khối thấp - Tiêu tốn nhiều vật - Độ ổn định không cao, khó - Kết cấu phức tạp tư, kết cấu phức tạp vận hành - Do có hiệu ứng thành → Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng tăng suất hiệu ứng thành tăng → khó tăng suất - Thiết bị nặng nề Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Aceton – Nước Sơ đồ qui trình công nghệ thuyết minh qui trình công nghệ: 3.1 Sơ đồ qui trình công nghệ (đính kèm) 3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ Hỗn hợp Acetone- Nước có nồng độ Acetone 30% ( theo khối lượng) , nhiệt độ khoảng 27 0C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đưa đến thiết bị gia nhiệt (3) nước bão hòa Ở đây, hỗn hợp đun sôi đến nhiệt độ sôi Sau đó, hỗn hợp đưa qua lưu lượng kế (6) vào tháp chưng cất (8) đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn cất tháp chảy xuống Trong tháp hơi, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (11) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sôi cao nước ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử Acetone chiếm nhiều ( có nồng độ 95% theo khối lượng ) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (9) ngưng tụ phần ( ngưng tụ hồi lưu) Một phần chất lỏng ngưng qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (15), làm nguội đến 30 0C , đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (16) Phần lại chất lỏng ngưng hồi lưu tháp đĩa với tỷ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bốc hơi, lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay ( nước) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ Acetone 1% theo khối lượng, lại nước Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp, phần dược đun, bốc nồi đun (11) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại làm nguội đến 30 0C thiết bị trao đổi nhiệt (12) Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh Acetone, sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt với nhập liệu thải bỏ Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT Cân vật chất 3.3 Các số liệu ban đầu : Năng suất sản phẩm đỉnh thu :1500 ( Kg/h ) Sản phẩm có nồng độ Acetone : 95% theo khối lượng Nhập liệu có nồng độ Acetone : 30% theo khối lượng Thiết bị hoạt động liên tục 3.4 Các ký hiệu : F : lượng nhập liệu ban đầu ( Kmol/h ) D : lượng sản phẩm đỉnh ( Kmol/h ) W : lượng sản phẩm đáy ( Kmol/h ) xF :nồng độ mol Acetone nhập liệu xD : nồng độ mol Acetone sản phẩm đỉnh xW : nồng độ mol Acetone sản phẩm đáy 3.5 Xác định suất lượng nhập liệu sản phẩm đáy: Phương trình cân vật chất cho toàn tháp chưng cất : F=D+W(1) F * x F = D * xD + W * xW (2) Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol: xF M1 xF = x F (1 − x F ) + M1 M2 = 0.30 58 0.30 (1 − 0.30) + 58 18 Trang = 0.117 (phần mol Acetone ) Chưng cất hệ Acetone – Nước xD M1 D x = x D (1 − x D ) + M1 M2 = xw M1 xW = x w (1 − x w ) + M1 M2 = GVHD: Lê Thị Kim Phụng 0.95 58 0.95 (1 − 0.95) + 58 18 0.01 58 0.01 (1 − 0.01) + 58 18 = 0.855 (phần molAcetone) = 0.003125 (phần molAcetone) Tính Mtb : F Mtb = xF * M1 + (1- xF ) * M2 = 0.117 * 58 + (1 – 0.117 ) * 18 = 22.68 ( Kg/Kmol) D Mtb = xD * M1 + (1- xD ) * M2 = 0.855* 58 + (1 – 0.855) * 18 = 52.2 ( Kg/Kmol) W Mtb = xW * M1 + (1- xW ) * M2 = 0.003125 * 58 + (1 – 0.003125 ) * 18 = 18.125 ( Kg/Kmol) Suất lượng sản phẩm đỉnh : D M tbD D= = 1500 52.2 = 28.736 ( Kmol/h ) ( ) ( ) ta có hệ phương trình : F = D + W  F * x F = D * x D + W * x W Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng  F = 28.736 + W   F * 0.117 = 28.736 * 0.855 + W * 0.003125 ⇔  F = 214.97( Kmol / h)  W = 186 23( Kmol / h) ⇔ hay  F = 4875.46( Kg / h)  W = 3375.46( Kg / h) Xác định số hồi lưu: 4.1 Đồ thị cân Acetone – Nước : Thành phần cân lỏng (x), (y) tính %mol nhiệt độ sôi hỗn hợp hai cấu tử 760 mmHg ( Acetone – nước ): Bảng : Số liệu cân lỏng hệ Acetone – nước: x 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 60 72 80 82 84 85 86 88 90 94 100 t 10 77 69 64 62 61 60 59 59 58 57 56.9 Hình 1: Đồ thị cân x-y hệ Acetone – nước 4.2 Xác định số hồi lưu thích hợp : 4.2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu : Do nhập liệu trạng thái lỏng bão hòa, nên Rmin xác định sau: Trang 10 Chưng cất hệ Acetone – Nước Nu F = 0,021.ε l Re F GVHD: Lê Thị Kim Phụng ,8 PrF , 43 ( PrF 0, 25 ) Prw2 Trong đó: + εl : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re W tỷ lệ chiều dài ống với đường kính 129511,133 ống:ReW= ,chọn εl =1 + PrF : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 63,15oC, nên PrF = c F µ F λF Nu F = Suy ra: = 3,468 601,615 Prw , 25 Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: αF = Nu F λ F 601,615.0,435 8178,206 = = , 25 , 25 d tr Prw 0,032 Prw Nhiệt tải phía dòng nhập liệu: q F = α F ( t w − t tbF ) = 86139 ,209 (t w − 63,15) , 25 Prw (W/m2) (IV.24) Với tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ)  Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: qt = t w1 − t w Σrt , (W/m2) Trong đó: + tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (ngoài ống nhỏ) Trang 75 Chưng cất hệ Acetone – Nước δ Σrt = t + r1 + r2 λt + GVHD: Lê Thị Kim Phụng Bề dày thành ống: δt = 3(mm) Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 17,5 (W/moK) Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.oK/W) Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W) Suy ra: ∑rt = 1/1750 (m2.oK/W) Vậy: qt = 1750.(tw1-tw2) (IV.25)  Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống ngoài: Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,051- 0,038 = 0,013 (m) Hệ số cấp nhiệt nước xác định theo công thức: αN =  rN 0,725 A.  (t sN − t w1 ).d td =    0, 25   2173.1000  = 0,725 A.  (119,6 − t w1 ).0,013  , 25 82 ,436 A (119,6 − t w1 ) 0, 25 Với: + A : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ, tra tài liệu tham khảo [2] Nhiệt tải phía nước: q N = α N ( t sN − t w1 ) = 82 ,436 A.(119,6 − t w1 ) 0, 75 (W/m2) (IV.26)  Chọn: tw1 = 112,3oC : Khi đó, nhiệt độ trung bình 119,6 + 112,3 = 115,95oC ta tra A=186,18 Từ (IV.26): qN = 82,436.186,18.(119,6 – 112,3)0,75 Trang 76 Chưng cất hệ Acetone – Nước = 68161,05 (W/m2) GVHD: Lê Thị Kim Phụng Xem nhiệt tải mát không đáng kể: qt = qW =68161,05 (W/m2) Từ (IV.25), ta có: tw2 = tw1- Suy ra: ttbw = t w1 + t w 2 = qt 1750 =73,35oC 112,3 + 73,35 = 92,825 o C Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo 92,825 o [1] ứng với nhiệt độ trung bình ttbw = C: + Nhiệt dung riêng: cR = 3433,128 (J/kg.độ) + Độ nhớt động lực: µR = 0,291.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: λR = 0,440 (W/moK) c R µ R 3433,128.0,29110 −3 = λR 0,440 Khi đó: Prw2 = = 2,27 8178,206 ( 73,35 − 63,15) = 67964,715 2,27 0, 25 Từ (IV.24): qF = (W/m2) Kiểm tra sai số: qN − q F qN ε= = 68161,05 − 67964,715 68161,05 =0,288% < 5%: thoả Vậy: tw1 = 112,3oC tw2 = 73,35oC αN = 82 ,436 * 186 ,1775 = 9337,130 (119,6 − 112,3) 0, 25 (W/m2.oC) Khi đó: αF = 8178 ,206 = 6662,665 2,27 0, 25 (W/m2.oC) Trang 77 Chưng cất hệ Acetone – Nước K= GVHD: Lê Thị Kim Phụng = 1206,829 1 + + 6662,665 1750 9337,130 (W/m2.oC) Từ (IV.23): 10.11.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt: Từ (IV.22), bề mặt truyền nhiệt trung bình: Ftb = 50,599.1000 1206,829 56,293 = 0,745 (m2) Suy chiều dài ống truyền nhiệt : = L 0,745 = 5,33 0,051 + 0,038 π (m) Chọn: L = 6(m),(dự trữ khoảng 15%) Kiểm tra: L = > 50 d tr 0,032 εl = 1: thoả Vậy: thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 6(m), chia thành dãy, dãy dài (m) 11 Bồn cao vị: 11.1 Tổn thất đường ống dẫn: Chọn ống dẫn có đường kính dtr = 100 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, [1] ⇒ Độ nhám ống: ε = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mòn ít) Tổn thất đường ống dẫn:  l v h =  λ 1 + Σξ1  F  d1  2g (m) Trang 78 Chưng cất hệ Acetone – Nước Trong đó: GVHD: Lê Thị Kim Phụng  λ1 : hệ số ma sát đường ống  l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 30(m)  d1 : đường kính ống dẫn, d1 = dtr = 0,1(m)  ∑ξ1 : tổng hệ số tổn thất cục  vF : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn 11.1.1Xác định vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn : Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra nhiệt độ trung bình: tF = t FV + t FS = 47,65(oC) Tại nhiệt độ thì:  Khối lượng riêng nước: ρN = 988,558(kg/m3)  Khối lượng riêng acetone: ρA = 759,585 (kg/m3) Nên: x − xF 0,3 0,7 = F + = + ρF ρ A ρN 759,585 988 ,558 ⇒ ρF = 906,573 (kg/m3)  Độ nhớt nước: µN = 5,741.10-4 (N.s/m2)  Độ nhớt acetone: µA = 2,512.10-4 (N.s/m2) Nên: lgµF = xFlgµA + (1 – xF)lgµN = 0,117.lg(2,512.10-4) + 0,883.lg(5,741.10-4) ⇒ µF = 5,212.10-4 (N.s/m2) Vận tốc dòng nhập liệu ống: vF = 4F × 4875,46 = 3600 ρ F πd tr 3600 × 906,573 × π × 0,12 = 0,19 (m/s) 11.1.2Xác định hệ số ma sát đường ống : Chuẩn số Reynolds : Trang 79 Chưng cất hệ Acetone – Nước v d ρ 0,19 × 0,1 × 906,573 Re F = F tr F = µF 5,212.10 − GVHD: Lê Thị Kim Phụng = 33048 > 4000 : chế độ chảy rối Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh = 6(d1/ε)8/7 = 7289,343 Vì 4000 < ReF < Regh ⇒ chế độ chảy rối ứng với khu vực nhẵn thủy học Áp dụng công thức (II.61), trang 378, [1]: λ1= (1,8 lg Re − 1,64) = 0,02 11.1.3Xác định tổng hệ số tổn thất cục :  Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = ξu1 (1 chỗ) = 0,15 Đường ống có chỗ uốn ⇒ ξu1 = 0,15 = 0,9  Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [8]: Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn ξvan (1 cái) = 10 Đường ống có van cầu ⇒ ξvan = 10 = 20  Lưu lượng kế : ξl1 = (coi không đáng kể)  Vào tháp : ξtháp = Nên: ∑ξ1 = ξu1 + ξvan + ξll = 21,9 Vậy: 30   0,19 h1 =  0, 02 + 21,9 ÷ 0,1   × 9,81 = 0,05 (m) 11.2 Tổn thất đường ống dẫn thiết bị đun sôi dòng nhập liệu;   v l h =  λ 2 + Σξ   d2  2g (m) Trang 80 Chưng cất hệ Acetone – Nước Trong đó: GVHD: Lê Thị Kim Phụng  λ2 : hệ số ma sát đường ống  l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = (m)  d2 : đường kính ống dẫn, d2 = dtr = 0,032(m)  ∑ξ2 : tổng hệ số tổn thất cục  v2 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn 11.2.1Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn : v2 = 1,882 (m/s) 11.2.2Xác định hệ số ma sát đường ống : Chuẩn số Reynolds : Re2 = 12113,576 > 4000: chế độ chảy rối Độ nhám: ε = 0,0002 Chuẩn số Reynolds giới hạn: Regh = 6(d2/ε)8/7 = 1982,191 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren = 220(d2/ε)9/8 = 66383,120 Vì Ren < Re1 ⇒ chế độ chảy rối ứng với khu vực nhám Áp dụng công thức (II.63), trang 379, [1]: λ2 = [1,14 + l.g(dtd / ε )] = 0,0334 11.2.3Xác định tổng hệ số tổn thất cục :  Đột thu : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Khi Fo 0,0322 = F1 0,082 = 0,160 ξđột thu (1chỗ) = 0,458 Có chỗ đột thu ⇒ ξđột thu = 0,458  Đột mở : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Trang 81 Chưng cất hệ Acetone – Nước Fo 0,032 = F1 0,082 GVHD: Lê Thị Kim Phụng Khi = 0,160 ξđột mở (1chỗ) = 0,708 Có chỗ đột mở ⇒ ξđột mở = 0,708 Nên: ∑ξ2 = ξU2 + ξđôt thu + ξđột mở = 5,566 Vậy:   1,8822 h2 =  0, 0334 + 1,166 ÷ 0, 032   × 9,81 = 1,3 (m) 11.3 Chiều cao bồn cao vị: Chọn :  Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị  Mặt cắt (2-2) mặt cắt vị trí nhập liệu tháp Ap dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): z1 + P1 ρ F g v1 2.g + = z2 + P2 ρ F g ⇔ z1 = z2 + v2 g + P2 − P1 v − v1 + ρ F g 2.g +∑hf1-2 +∑hf1-2 Trong đó:  z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem chiều cao bồn cao vị Hcv = z1  z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu: z2 = hchân đỡ + hđáy + (nttC – 1)∆h + 0,5 = 0,24 + 0,2625 + (8 – 1).0,3 + 0,5 = 3,1025 (m)  P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at = 9,81.104 (N/m2)  P2 : áp suất mặt thoáng (2-2) Xem ∆P = P2 – P1 = nttL ∆PL = 503,657 = 2518,285 (N/m2) Trang 82 Chưng cất hệ Acetone – Nước  v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = (m/s) GVHD: Lê Thị Kim Phụng  v2 : vận tốc vị trí nhập liệu, v2 = vF = 0,19 (m/s)  ∑hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2): ∑hf1-2 = h1 + h2 = 0,192825 (m) Vậy: Chiều cao bồn cao vị: Hcv = z2 + P2 − P1 v − v1 + ρ F g 2.g = 3,1025 + +∑hf1-2 2518, 285 1,882 − + 894, 604 × 9,81 × 9,81 + 1,35 = 4,75 (m) Chọn Hcv = (m) 12 Bơm 12.1 Năng suất: Nhiệt độ dòng nhập liệu tF = 27oC Tại nhiệt độ thì: + Khối lượng riêng: ρF = 910,353 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: µF = 0,653.10-3 (N.s/m2) Suất lượng thể tích dòng nhập liệu ống: QF = GF 4875 = ρ F 910,353 = 5,255 (m3/h) Vậy: chọn bơm có suất Qb = 10 (m3/h) 12.2 Cột áp: Chọn :  Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu Trang 83 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng  Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): z1 + P1 ρ F g v1 2.g + + Hb = z + P2 ρ F g v2 2.g + +∑hf1-2 Trong đó:  z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = 1m  z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 5m  P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at  P2 : áp suất mặt thoáng (2-2), chọn P2 = at  v1,v2 : vận tốc mặt thoáng (1-1) và(2-2), xem v1= v2 = 0(m/s)  ∑hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2)  Hb : cột áp bơm 12.2.1Tính tổng trở lực ống: Chọn đường kính ống hút ống đẩy nhau: dtr = 100 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, [1] ⇒ Độ nhám ống: ε = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mòn ít) Tổng trở lực ống hút ống đẩy ∑hf1-2 =  lh + lñ v  λ + Σξ h + Σξ ñ  F d tr   2g Trong đó:  lh : chiều dài ống hút Chiều cao hút bơm: Tra bảng II.34, trang 441, [1] ⇒ hh = 4,5 (m) ⇒ Chọn lh = (m)  lđ : chiều dài ống đẩy, chọn lđ = (m)  ∑ξh : tổng tổn thất cục ống hút  ∑ξđ : tổng tổn thất cục ống đẩy  λ : hệ số ma sát ống hút ống đẩy Trang 84 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng  vF : vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy (m/s) vF = 4Qb × 10 = 3600π dtr 3600 × π × 0,12 = 0,35 (m/s)  Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy : Chuẩn số Reynolds : Re F = vF dtr ρ F 0,35 × 0,1 × 910, 353 = µF 6, 53.10−4 = 48793,8 Vì ReF > 4000 ⇒ chế độ chảy rối Chuẩn số Reynolds giới hạn: Regh = 6(d2/ε)8/7 = 7289,3 Vì Regh > Re1 ⇒ chế độ chảy rối ứng với khu vực nhẵn thủy lực Áp dụng công thức (II.61), trang 378, [1]: λ = (1,81g Re− 1, 64) = 0,021  Xác định tổng tổn thất cục ống hút :  Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = ξu1 (1 chỗ) = 0,15 Ống hút có chỗ uốn ⇒ ξu1 = 0,15 = 0,3  Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [8]: Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn ξv1 (1 cái) = 10 Ống hút có van cầu ⇒ ξv1 = 10 Nên: ∑ξh = ξu1 + ξv1 = 10,3  Xác định tổng tổn thất cục ống đẩy :  Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Trang 85 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng o Chọn dạng ống uốn cong 90 có bán kính R với R/d = ξu2 (1 chỗ) = 0,15 Ống đẩy có chỗ uốn ⇒ ξu2 = 0,15 = 0,6  Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [8]: Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn ξv2 (1 cái) = 10 Ống đẩy có van cầu ⇒ ξv2 = 10  Vào bồn cao vị : ξcv = Nên: ∑ξđ = ξu1 + ξv1 + ξcv = 11,6 Vậy: ∑hf1-2 = 10   0,352  0, 021 0,1 + 10,3 + 11, ÷ × 9,81   =0,15 (m) 12.2.2Tính cột áp bơm: Hb = (z2 – z1) + ∑hf1-2 = (5 – 1) + 0,15 = 4,15 (m) 12.3 Công suất: Chọn hiệu suất bơm: ηb = 0,8 Công suất thực tế bơm: Nb = Qb H b ρ F g 0,5 × 9,007862 × 1000,42 × 9,81 = 3600.η b 3600 × 0,8 = 128,69 (W) = 0,17 (Hp) Kết luận: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có: - Năng suất: Qb = 10 (m3/h) - Cột áp: Hb = 4,15 (m) - Công suất: Nb = 0,5 (Hp) 13 Tính bảo ôn thiết bị: Trong trình hoạt động tháp, tháp tiếp xúc với không khí nên nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh ngày lớn Để tháp hoạt động ổn định, với thông số thiết kế, ta phải tăng dần lượng đốt gia nhiệt cho nồi đun để tháp không bị Trang 86 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng nguội (nhất sản phẩm đỉnh, ảnh hưởng đến hiệu suất tháp) Khi đó, chi phí cho đốt tăng Để tháp không bị nguội mà không tăng chi phí đốt, ta thiết kế lớp cách nhiệt bao quanh thân tháp Chọn vật liệu cách nhiệt cho thân tháp amiăng có bề dày δa Tra tài liệu tham khảo [2], hệ số dẫn nhiệt amiăng λa = 0,151 (W/m.oK) Nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh: Qm = 0,05.Qd = 0,05.506,119 = 25,306 (KW) Nhiệt tải mát riêng: qm = Qm λ a λ = ( t v1 − t v ) = a ∆t v f tb δ a δa (W/m2) (IV.27) Với: + tv1 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt tháp + tv1 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với không khí + ∆tv : hiệu số nhiệt độ hai bề mặt lớp cách nhiệt Nhận thấy: qm = const, nên chọn ∆tv = ∆tmax = tđáy -tkk ,tkk = 27oC Suy ∆tv = 98,6 – 27 = 71,6oC + ftb : diện tích bề mặt trung bình tháp (kể lớp cách nhiệt) ftb = π.H.Dtb = π.H.(Dt + Sthân + δa) Từ (IV.27), ta có phương trình: 25,306.1000 0,151 = 71,6 π 5,4.( 0,700 + 0,003 + δ a ) δa Suy ra: δa = 0,005132(m) Vậy: chọn δa = (mm) Trang 87 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng LỜI KẾT Với hệ thống chưng cất Acetone – Nước dùng tháp mâm xuyên lỗ thiết kế, ta thấy bên cạnh ưu điểm có nhiều nhược điểm Thiết bị có ưu điểm suất hiệu suất cao thiết bị cồng kềnh, đòi hỏi phải có vận hành với độ xác cao Bên cạnh đó, vận hành thiết bị ta phải ý đến vấn đề an toàn lao động để tránh rủi ro xảy ra, gây thiệt hại người TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bị Công nghệ Hóa chất – Tập 1”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 626tr [2] Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bị Công nghệ Hóa chất – Tập 2”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 447tr [3] Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam, “Quá trình Thiết bị Công Nghệ Hóa Học – Tập 10: Ví dụ Bài tập”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 468tr [4] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình Thiết bị Công Nghệ Hóa Học – Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 388tr [5] Hồ Lê Viên, “Thiết kế Tính toán thiết bị hóa chất”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1978, 286tr [6] Nguyễn Minh Tuyển, “Cơ sờ Tính toán Máy Thiết bị Hóa chất – Thực phẩm”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1984, 134tr [7] Phạm Văn Bôn – Nguyễn Đình Thọ, “Quá trình Thiết bị Công Nghệ Hóa Học – Tập 5: Quá trình Thiết bị Truyền Nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2002, 372tr [8] Trần Hùng Dũng – Nguyễn Văn Lục – Hoàng Minh Nam – Vũ Bá Minh, “Quá trình Thiết bị Công Nghệ Hóa Học – Tập 1, Quyển 2: Phân riêng khí động, lực ly tâm, bơm, quạt, máy nén Tính hệ thống đường ống”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 1997, 203tr [9] Trần Hữu Quế, “Vẽ kỹ thuật khí – Tập 1”, Nhà xuất Đại học Giáo dục chuyên nghiệp, 1991, 160tr Trang 88 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng [10] Phạm Đình Trị, “380 phương thức điều chế ứng dụng hóa học sản xuất đời sống”, Nhà xuất TpHCM, 1988, 144tr Trang 89 ... thỏp D : D = acetone Vi yD yD + nc ( - yD ) = 0.9748 (phn lng ) acetone , nc :: nhit lng riờng ca acetone, nc : acetone = racetone + tD Cacetone nc = rnc + tD Cnc rnc, racetone , Cacetone , C... Cỏc s liu ban u : Nng sut sn phm nh thu c :1500 ( Kg/h ) Sn phm cú nng Acetone : 95% theo lng Nhp liu cú nng Acetone : 30% theo lng Thit b hot ng liờn tc 3.4 Cỏc ký hiu : F : lng nhp liu ban... chng ct phõn on, thu c Acetone nh v hn hp ca nc, Isopropyl Alcol ( ớt ) ỏy Cụng ngh chng ct hn hp Acetone Nc : Ta cú Acetone l mt cht lng tan vụ hn nc v nhit sụi ca Acetone ( 56.9 0C 760