ĐAMH QTTB: Chưng cất acid acetic - nước

Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ nước – acid acetic hoạt độngliên tục với nâng suất nhập liệu: 0,8 m3/h có nồng độ 88% khối lượng nước ,thu được sảnphẩm đỉnh có nồng độ 99

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN

I LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT

1 Phương pháp chưng cất

2 Thiết bị chưng cất:

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU

1 Nước

2 Acid acetic

3 Hỗn hợp Nước – Acid acetic

III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC – ACID ACETIC

CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM

ĐÁY

III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP

1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu

2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp

IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ THUYẾT

1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

3 Số mâm lý thuyết

CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP

1 Đường kính đoạn cất

2 Đường kính đoạn chưng

II.TRỞ LỰC CỦA MÂM

1 Cấu tạo mâm lỗ

2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm

3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :

III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP

1 Bề dày thân tháp :

2 Đáy và nắp thiết bị :

3 Bích ghép thân, đáy và nắp :

4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :

5 Tai treo và chân đỡ:

CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ

I CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy

4 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy

5 Thiết gia nhiệt nhập liệu

II TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ

III TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU

1 Tính chiều cao bồn cao vị

2 Chọn bơm

CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ

I TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ

II KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước nhà,các ngành công nghiệp cần rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao Các phương phápđược sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặctính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp

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

Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ nước – acid acetic hoạt độngliên tục với nâng suất nhập liệu: 0,8 m3/h có nồng độ 88% khối lượng nước ,thu được sảnphẩm đỉnh có nồng độ 99,5% khối lượng nước, sản phẩm đáy 70% khối lượng nước Đốivới hệ nước – acid acetic là hệ 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, có nhiệt độ sôi cách xa nhau,nên ta dùng phương pháp chưng cất để thu được nước có độ tinh khiết cao

Trong qua trình chưng cat ta thu sản phảm day với nơng do nhỏ de phục vụ cho nganhcơng nghiep sản xuat cao su

Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, thầy Hoang Minh Nam, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này Em rất mong sự góp ý, chỉ dẫn của quí thầy cô

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.

I LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:

1 Phương pháp chưng cất :

Chưng cất là qua ùtrình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau

ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ nước– acid acetic sản phẩm đỉnh là nước, sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid acetic và một ít nước

Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:

 Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

 Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên tục

* Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các trường hợp sau:

+ Khi nhiệt độsôi của các cấu tử khác xa nhau

+ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

* Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn

 Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước

Vậy: đối với hệ nước – acid acetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp

nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

2 Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vaò lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước của tháp : đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

 Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu

tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏngvà pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

* Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s…

* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm

 Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt

bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

* So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lo.ã Tháp mâm chóp

Ưu điểm: - Đơn giản - Hiệu suất tương đối cao - Hiệu suất cao

- Trở lực thấp - Hoạt động khá ổn định - Hoạt động ổn định

- Làm việc với chất lỏng bẩn

Nhược điểm: - Hiệu suất thấp - Trở lực khá cao - Cấu tạo phức tạp

- Độ ổn định kém - Yêu cầu lắp đặt khắt khe -> lắp đĩa thật phẳng - Trở lực lớn

- Thiết bị nặng - Không làm việc với chất lỏng bẩn

Nhận xét:ta nhan thay thap chem don giản dẽ sử dụng nhat

Vậy: Chưng cất hệ nước – acid acetic ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên

tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp, nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với thiet bi gia nhiet nhap lieu,san pham day dược làm nguội để thu sản phẩm chính, sảnphẩm đỉnh được dẫn vào nồi đun để tạo hơi nước quá nhiệt cấp nhiệt cho nhập liệu và nồi đun đáy tháp

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :

Nguyên liệu là hỗn hợp bezen – acid acetic

1 NƯỚC:

Nước: là chất lỏng không màu, khơng ùmùi,la dung mơi hoa tan tốt cá hợp chất phan cực,năng hơn dung mơi hữu cơ, không hoa tan dung mơi hữu cơ,…nước sôi ở 1000C và đông đặc ở 00C.

2 Acid acetic:

Acid acetic: là một loại acid quan trọng nhất trong các loại acid hữu cơ Nó rẻ nên được ứng dụng rộng rãi và là hoá chất cơ bản để điều chế nhiều hợp chất quan trọng Acid acetic được ứng dụng trong các nghành :

+ Làm dấm ăn

+ Đánh đông mủ cao su

+ Làm chất dẻo tơ lụa xeluloza acetat

+ Làm phim ảnh không nhạy lửa

+ Làm chất kết dính polyvinyl acetat

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

3 Hỗn hợp N ư ớc -Acid acetic:

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Nước-Acid acetic 760 mmHg:

t( o C) 118.1 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100

III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ N ƯỚC -ACID ACETIC:

* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ nước-acid acetic:

13 Sản Phẩm Đáy Nước Lỏng Nguyên Liệu

2 Sản Phẩm Đáy

8 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

9 Bộ phận chỉnh dòng

10 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

11 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

12 Nồi đun

13 Đun sôi nhập liệu bằng sản phẩm đáy

14 Aùp kế

15 Nhiệt kế

* Thuyết minh qui trình công nghệ:

Hỗn hợp nước-acid acetic có nồng độ nước 88% ( theo khối lượng) , nhiệt độ khoảng

25 0C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đó được đưađến thiết bị gia nhiệt (13) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy) Ở đây, hỗn hợp được gianhiệt đến nhiệt độ 100,17270C Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩanhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảyxuống Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúcvà trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuốngdưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôicuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từdưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp tathu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất ( có nồng độ 99,5% theo khối lượng ).Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ một phần ( chỉ ngưng tụ hồi lưu).Một phần chất lỏng ngưng được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11) Phần còn lại củachất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu Một phầncấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏngngày càng tăng

Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi( acid acetic) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 70% theo khối lượng, còn lại làacid acetic Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần được đun, bốc hơi ở nồi đun(12) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được đưa qua thiết bị ngưng

tụ sản phẩm đáy(10) trao đổi nhiệt với nước làm mát , nhiệt độ của sản phẩm đáy sau khitrao đổi nhiệt là 400C

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước, sản phẩm đáy là acidacetic sau khi trao đổi nhiệt với nươc làm mát được đưa vào bồn chứa

CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Ký hiệu các đại lượng:

Cân bằng vật chất

F Năng suất nhập liệu theo khối lượng kg/h

F Năng suất nhập liệu theo số mol kmol/h

D Suất lượng sản phẩm đỉnh theo khối lượng kg/h

D Suất lượng sản phẩm đđỉnh theo số mol kmol/h

W Suất lượng sản phẩm đáy theo khối lượng kg/h

W Suất lượng sản phẩm đáy theo số mol kmol/h

y Nồng độ phần mol nhập liệu trong pha hơi % mol

F

y Nồng độ phần khối lượng dịng nhập liệu

trong pha hơi

% khối lượngD

y Nồng đđộ phần khối lượng sản phẩm đđáy

trong pha hơi

% khối lượng

x Nồng đđộ phần mol trong pha lỏng % mol

x Nồng đđộ phần khối lượng trong pha lỏng % khối lượng

*

y Nồng độ phần mol trong pha hơi cân bằng

y Nồng đñộ phần khối lượng trong pha hơi caân

M Khối lượng mol phaân tử trung bình kg/kmol

M Khối lượng mol phaân tử trung bình sản

Ntt Số đđĩa thực tế Đĩa

NttC Số đđĩa thực tế đđoạn chưng Đĩa

NttL Số đđĩa thực tế đđoạn luyện Đĩa

Cân bằng năng lượng

rhh Nhiệt hóa hơi của hỗn hợp J/kg

rh Nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa dùng

gia nhiệt

J/kg

rD Nhiệt hóa hơi của sản phẩm đđỉnh J/kg

Chh Nhiệt dung riêng của hỗn hợp J/kg

Cb Nhiệt dung riêng của benzen J/kg

Ca Nhiệt dung riêng của acid acetic J/kg

CFv Nhiệt dung riêng của nguyên liệu vào J/kg

CFs Nhiệt dung riêng của nguyên liệu ở trạng

CWs Nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm

đáy ở trạng thái sôi J/kg

CW Nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm

đđáy

J/kg

CN Nhiệt dung riêng trung bình của nước J/kg

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :

Năng suất nhập liệu: F = 0.8 (m3/h)

Nồng độ nhập liệu: x F = 88%kl nước

Nồng độ sản phẩm đỉnh : x D = 99,55%kl nước

Nồng độ sản phẩm đáy: xW= 70 %kl nước

Khối lượng phân tử của nước và acid axetic: MN =18, MA =60

Chọn:

+ Nhiệt độ nhập liệu: tF =100,1727oC

+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh: tD =100,0235oC

+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’W = 40oC

+Trạng thái nhập liệu: lỏng ,sôi

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY :

 Suất lượng dòng lưu chất theo khối lượng:

F b F

M

x M

x M x

)1( 



)88.01(18

88

88.0

D b D

M

x M

x M x

)1( 



)995.01(18

995

995.0





= 0.9985 (phần molbenzen

xW = a

w b

w b w

M

x M

x M x

)1( 



)70.01(18

70

70.0

MtbD = xD Mb + (1- xD ) Ma = 0.9985*18 + (1 – 0.9985) * 60 = 18.063 ( Kg/Kmol)

MtbW = xW * Mb + (1- xW ) * Ma = 0.8861 * 18 + (1 – 0.8861 ) * 60 = 22.7838( Kg/Kmol)

Khối lượng riêng của hỗn hợp nhập liệu:

) / ( 7532

.

957

) / ( 6891

.

957

) / ( 2231

.

958

3 3 3

m kg hh

m kg A

m kg N

* D x

* F W D F

F =>

W

D x x

F

W

F x x

D

F

D x x

W



=>D=

W D

W F

x x

x x





*F=00,,96079985 00,,88618861*33.2695=22.084 (kmol/kg) =>W=F-D=11.1854 (kmol/kg)

D=D* MtbD=18.063*22.084=467.7115 (kg/h)

W=W* MtbW =22.7838*11.1854=298.8157 (kg/h)

III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP :

1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà 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 (nhiên liệu ,nước và bơm…) là tối thiểu

Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol-Nước có điểm uốn ,nên xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu bằng cách :

+Trên đồ thị cân bằng y-x ,từ điểm (0,85;0,85) ta kẻ một đường thẳng tiếp tuyến với đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điểm có yo = 0,26

+Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi xo =0 thì

2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp:

Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp ,thiết bị ngưng tụ ,nồi đun và công để bơm cũng tăng theo.Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần ,lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu

Tổng chi phí bao gồm : chi phí cố định và chi phí điều hành Tỉ số hoàn lưu thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu

Tuy nhiên ,đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp ,khó kiểm soát nên người ta có thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất Để tính được tỉ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều hành),ta cần

lập mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn Rth ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất.

Nhận thấy ,tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp ,mà lượng hơi lại tỉ lệ với lượng lỏng hồi lưu trong tháp ,do trong điều kiện làm việc nhất định thì GD sẽ không đổi nên lượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1) ,do đó , tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với (R+1) Ngoài ra ,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối mox hay số mâm lý thuyết Nlt

.Cho nên ,thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số mox*(R+1) Như vậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa R và Vtháp theo quan hệ R và mox*(R+1) Từ đồ thị của quan hệ này ,ta xác định được điểm cực tiểu của mox*(R+1) ứng với tỉ số hoàn lưu thích hợp R

Vậy : Tỉ số hoàn lưu thích hợp là R= 4.4

IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆCSỐ MÂM LÝ THUYẾT:

1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :

y =

1

.1

= . 04,,99854 1

1 4 , 4

4 , 4

f R

1

1

1 5067 , 1 1 4 , 4

5067 , 1 4 , 4

= 1,5067 : chỉ số nhập liệu

3 Số mâm lý thuyết :

Đồ thị xác định số mâm lý thuyết :(Xem hình ở trang sau )

Từ đồ thị ,ta có : 23 mâm bao gồm : 20 mâm cất

1 mâm nhập liệu

3 mâm chưngTóm lại ,số mâm lý thuyết là Nlt = 23 mâm

CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP

CHƯNG CẤT

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(Dt)

tb

tb t

ω.3600

π

4V

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

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

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

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

1. Đường kính đoạn cất :

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp :

2

1

g g

tb



 (Kg/h)

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

g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h)

D

r g r

g

x D x

G y

g

D G

g

.

.

.

1 1

1 1 1

1

1 1

(III.1)Với : G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

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

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

* Tính r1 : t1 = tF = 100.1727oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có :

Aån nhiệt hoá hơi của nước : rN1 =2201,7868 (KJ/kg)

Aån nhiệt hoá hơi của acid axetic: rA1 = 390,7385 (KJ/kg)

Suy ra : r1 = rN1.y1 + (1-y1).rA1 = 390,7385+1811,.0483y1

Tham khảo IV (tập 1) ta có :

Aån nhiệt hoá hơi của nước : rNd = 2256,5573 (KJ/kg)

Aån nhiệt hoá hơi của acid axetic : rRd = 38,9795 (KJ/kg)

Với xD=0.9985 tra đồ thị ta cĩ: yD=0,995

Suy ra : rd = rNd.yD + (1-yD).rAd =2256,5573.0,995 + (1- 0,995).38,9795

= 2245,4694 (KJ/kg)

* x1 = xF = 0,9607

Giải hệ (III.1) , ta được : G1 = 2341,0525 (Kg/h)

y1 = 0.8991 (phân khối lượng nước) =>y1=0,9641

g1 = 2808,7641 (Kg/h)Vậy : gtb = 2667 2031

2

7641 2808 6421

2525





(Kg/h)

b Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm:

 

2

16 0 3

8 / 1 4

/ 1 2

8 / 1 4

/ 1

16 0 3

2

4

4 2 , 1 lg

2 , 1

s s

A N ytb d xtb xtb

ytb T

X S

xtb ytb Y

X

N x xtb

ytb d S X

g G

G G

G X

g Y

e Y

Với : xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) tốc dộ sặc(m/s)

273 60 1 18

ytb

t

y y

=0,9796+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : tt=

Nồng độ phân mol trung bình : xtb =

tb tb

tb tb

x x

x x

cp

cp

x

A tb N

1 lg

2866.06613,0.95

79,0.0231,1000.81,90231,1000

6113,0.741,0

611,0.75,1125,0lg

3 8

/ 1 4

/ 1

8 ,

g tb n

 (Kg/h)g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h)

g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h)

1

1 ' 1

1 '

1 ' 1

'

'

' '

'

.

'

r g r

g r

g

x W y

g x

G

W g

G

n n

r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.

 Tính r’1 : xW =0,8861 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0,9227

7817 , 0

7817 , 0 60 9227 , 0 1 9227 , 0 18

9227 , 0 18 60

1

18

18

W W

y y

y y

y y

Suy ra :Mtbg’ =18.yW +(1-yW).60=21,2466 (Kg/kmol)t’1 = tW = 100,6266oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :Aån nhiệt hoá hơi của nước : r’N1 = 2200,5516(KJ/kg) Aån nhiệt hoá hơi của rượu : r’R1 = 390,7528 (KJ/kg) Suy ra : r’1 = r’R1.yW + (1-yW).r’N1 = 1805,4838 (KJ/kg)

2

1488 , 3141 7641

, 2808





(Kg/h)

b Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm:

 

2

16 0 3

8 / 1 4

/ 1 2

8 / 1 4

/ 1

16 0 3

2

4

4 2 , 1 lg

2 , 1

s s

A N ytb d xtb xtb

ytb T

X S

xtb ytb Y

X

N x xtb

ytb d S X

g G

G G

G X

g Y

e Y

Với : xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) tốc dộ sặc(m/s)

g:gia tốc trọng trường(m/s)Giai phương trình trên ta tìm được tốc độ sặc:

273 60 ' 1 18 ' '

ytb

t

y y

Với: + Nồng độ phân mol trung bình :

=0,9434+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’tb =

t’tb = 100,3996oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :

Khối lượng riêng của nước : ’N = 957,9608(Kg/m3) Khối lượng riêng của rượu : ’R = 957,906(Kg/m3)Suy ra :’xtb =

1

'

' 1 '

cp

cp

x

A tb N

1 lg

m d

m

m m

d d d d d

5800

/500

05,0

79.0

/95

3

3

3 2

2944,0883,0.95

79,0.9493,957.81,99493,957

6883,0.8264,0

5842,0.75,1125,0lg

3 8

/ 1 4

/ 1

Tốc độ làm việc thích hợp của tháp :

303 , 6 8 , 0

8 ,

G



(m)

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

nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 0,5416 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :

+ Phần cất :

 

0 0

2

2

54,3034,02634

,5

2634,54457,5

/2634,5785,0.3600.6113,0.5416,0

741,0.4785

,0.3600

.4

ytb t

2

2

53,3033,02141

,5

2141,54457,5

/2141,5785,0.3600.6883,0.5416,0

8264,0.4785

,0.3600

.4

ytb t

II TRỞ LỰC CỦA VA CHIEU CAO THAP ĐỆM CỦA :

1 Chieu cao phan cat:

Y d

d

4457 , 5

1 95

79 0 200 1

.

2 / 1 4

, 0

2 / 1

Y d

d

0424 , 5

1 95

79 0 200 1

.

2 / 1 4

, 0

2 / 1

Chieu cao c ủa tháp đệm :

 m H

H

H  1 2 7,27921,80239,1TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM:

Đối với đoạn cất:

Chuẩn số Reynolds của pha khí trong tháp:

11659 10

2855 , 0

1 6613 , 0 4457 , 5

16Re

16

2 , 0 2

2

2.79,0.4

6113,0.4457,5.95.2729,7.4591,22

4

P

d

Y Y d T

, 0 342

, 0 038

, 0 19

, 0 342

0

/ 9728

,

13556

2855 , 0

2866 , 0 0234

, 1000

6113 , 0 7409

, 0

611 , 0 2 , 3 1 3 , 7816

1

.

m N G

G A P

P

Y

X X

Y Y

X K

Với A:ệ số đối với điểm đảo pha A=3,2

Đối với đoạn cất:

Chuẩn số Reynolds của pha khí trong tháp:

11935 10

2908 , 0

1 6883 , 0 0424 , 5

16Re

16

2 , 0 2

2

2.79,0.4

6883,0.0424,5.95.8023,1.4477,22

4

P

d

Y Y d T

, 0 342

, 0 038

, 0 19

, 0 342

0

/ 8036

,

3190

2908 , 0

2944 , 0 9493

, 957

6883 , 0 8264

, 0

5842 , 0 2 , 3 1 4 , 1859

1

.

m N G

G A P

P

Y

X X

Y Y

X K

III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP :

1 Bề dày thân tháp :

Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang ) Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của acid axetic đối với thiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

Aùp suất tính toán :

Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán :

Ptt =Pcl + htl , (N/mm2)Với : Pcl : áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm2)

Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn an toàn nên :

Pcl = x .g.H =xtb2'xtb

.g.H=

025 , 87217 1

, 9 81 , 9 2

9493 , 957 0234

,

1000

m N





Suy ra : Ptt = 16752,7764+ 87217,025 = 103969,8(N/m2) ~0,1039698(N/mm2)

Nhiệt độ tính toán :

Chọn nhiệt độ tính toán : ttt = tđáy = 100,6266oC

Tra tài liệu tham khảo [5], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T :

[]* = 142 (N/mm2)

Đối với rượu hệ số hiệu chỉnh :  = 0,95

Vậy : ứng suất cho phép : [] = .[]* =134,9 (N/mm2)

Xác định bề dày thân chịu áp suất trong :

Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằng tay nên hệ số bền mối hàn : h = 0,9

Xét tỷ số :   0,9

1039,0

9.134 h 

.2

h

tt t t

P D S



Suy ra : bề dày thực của thân : St = S’t + C ,(mm)

Trong đó : C :hệ số bổ sung bề dày, C = Ca + Cb + Cc + Co

Với : + Ca : hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của chất lỏng Chọn tốc độ ăn mòn của rượu là 0,1 (mm/năm),thiết bị hoạtđộng trong 20 năm, do đó Ca = 2 mm

+Cb : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn Cb = 0

+Cc : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn Cc = 0.

+Co : hệ số bổ sung qui tròn, chọn Co =0,7683 (mm)

D

C S

23.9,0.9,134.2

2

a t h tt

C S D

C S

Vậy : Bề dày thực của thân là St = 3 (mm)

2 Đáy và nắp thiết bị :

Chọn đáy và nắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T

Nhận thấy: công thức tính toán bề dày thân, đáy và nắp chịu áp suất trong là như nhau Nên chọn bề dày của đáy và nắp là Sđ = Sn = 3 (mm)

Các kích thước của đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ(tài liệu tham khảo [4(tập 2)]:+ Đường kính trong: Dt = 550 (mm)

+ ht =137 (mm)

+ Chiều cao gờ: hgờ = h = 25 (mm)

+Diện tích bề mặt trong: Sđáy = 0,37 (m2)

chiều day day va nắp elip của thiết bị chui ap suất trong:

D P k

P D S

b

t h

8,

Hệ số thứ nguyen:

t D

550 1039 , 0 6113 , 0 675 , 0 5 , 211 8 , 3

1039 , 0 550

550 1039 , 0 6883 , 0 8375 , 0 5 , 211 8 , 3

1039 , 0 550





C=Ca+Cb+Cc+Co(tính tương tự như thân thiết bị ta cĩ)

Do S’ đáy và nắp khác nhau khơng đáng kể nên ta chọn bề dày đáy và nắp băng nhau: S=3(mm)

kiểm tra áp suất dư tính tốn:

Bề dày đáy cần thoả mãn điều kiện sau:

125 , 0 10 8 , 1 550

2 3

125 , 0

3 0

C S

Ap suất cho phép tính theo cơng thức:

 

3 2 0,3136 0,1039550

23.6498,0.133.2

2

a t h C S R

C S

vậy chọn bề day thiết bị:S=3(mm)

3 Bích ghép thân, đáy và nắp :

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối cácbộ phận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng:

+ Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích này chủ yếu dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình

+ Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bị

+ Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao

Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích là bích liền không cổ

Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 2)- trang 417], ứng với Dt =550(mm) và áp suất tínhtoán Ptt = 0,1039(N/mm2) ta chọn bích có các thông số sau :

550 680 630 600 20 20 16

Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 2)- trang 170], chọn số mâm giữa hai mặt bích là 4

mâm.Vậy, số bích ghép thân-đáy-nắp là (15.2) bích

Tính kiểm tra bích:

Xac dịnh lực nen chiều trục do xiếc bulong

k

a Q Q

Q1  

Qa lực do ap suất trong thiết bị gay ra:

 N P

D

4 4

2 2

b D

b D

Q Q x ma z

q

q b   . 2 11441,375

ứng suất cho phep của vật liệu lam bể bulong:

tra bảng 7.5/194 tai liệu(6)        2

0

2 ' 0,8.86 68,8 //

86

dường kính chan ren của bulong:

q

8,68

375,11441

13,1

13,

1

vậy bulong va dệm la hợp ly

Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định Đệm làm bằng các vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt của bích Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây amiăng, có bề dày là 3(mm)

4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :

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

a Vị trí nhập liệu :

Suất lượng nhập liệu: GF =766,5272 (Kg/h)

Khối lượng riêng của chất lỏng nhập liệu, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ở

tF = 100,1727oC và x F  88 %: F = 958,1589 (Kg/m3)

Lưu lượng chất lỏng nhập liệu đi vào tháp:

F

F F

G Q

8,0.4

.3600

.4

Suy ra: chọn đường kính ống nhập liệu: dF = 0,040 (m)

Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lF

b Oáng hơi ở đỉnh tháp:

Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: gd = 2525,6421 (Kg/h)

Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức (xác định ở

273 60 1

h

t

y y

Đường kính ống dẫn hơi: dh = 0,242

25 3600

4748,4131.4

.3600

.4

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 0,250 (m)

Tài liệu tham khảo [4(tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lh =

c Oáng hoàn lưu:

Suất lượng hoàn lưu: Ghl = GD.R=2057,9306 (Kg/h)

Khối lượng riêng của chất lỏng hoàn lưu, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ở

tD = 100.0235oC và x D  88 %: hl = 957,9824 (Kg/m3)

Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu:

hl

hl hl

G Q

1482 , 2 4

3600

4

Suy ra: chọn đường kính ống hoàn lưu: dhl = 0,060 (m)

Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhl

d Oáng dẫn hơi vào đáy tháp:

Suất lượng hơi vào đáy tháp: g’1 = 3141,1488 (Kg/h)

Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp được tính theo công thức (xác định ở

273 60 1

d

t

y y

Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:

hd 1

'



g

Q hd  = 4563,676 (m3/h)

Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp: vhd =30 (m/s)

Đường kính ống dẫn hơi: dhd = 0,2320

30 3600

676,4563.4

.3600

.4

(m)

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dhd = 0,25 (m).

Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhd

e Oáng dẫn chất lỏng ở đáy tháp:

Suất lượng chất lỏng vào nồi đun:

G Q

Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lL

f Oáng dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy):

Suất lượng sản phẩm đáy: GW = 298,8157(Kg/h)

Khối lượng riêng của sản phẩm đáy, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ở

tW= 100,6266oC và xW=0,8861: W = 957,4551 (Kg/m3)

Lưu lượng sản phẩm đáy:

W

W W

G Q



 = 0.3121(m3/h)

Chọn vận tốc sản phẩm đáy (chất lỏng tự chảy): vW = 0, 2 (m/s)

Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: dW= 36004.. . 36004.0,3121. .0,2

Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lW

= 30 (mm)