do an chưng cất benzen toluen

Môn học này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm.. Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp lo

Mục lục

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

I.LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : 1

1 Khái niệm : 1

2 Phương pháp chưng cất : 1

CHƯƠNG 2: VẼ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 4

Chương 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 6

I.Các thông số ban đầu: 6

II.Xác định suất lượng dòng nhập liệu, dòng sản phẩm đỉnh và dòng sản phẩm đáy: 6

III.PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC - SỐ MÂM LÝ THUYẾT 9

IV XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ: 10

Chương 4: TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT 11

I Đường kính đoạn cất: 11

1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất: 11

2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng: 12

II Đường kính đoạn chưng: 13

1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng: 13

2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng: 14

III Tính toán phần đĩa, phần ống chảy chuyền: 15

IV Trở lực của tháp đĩa: 16

Chương 5: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 18

I Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ: 18

II Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu tới nhiệt độ sôi: 19

III Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 19

IV Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 19

V Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp: 20

Chương 6: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 20

I Thân tháp: 20

II Tính toán đáy và nắp thiết bị 21

III Bích ghép thân và nắp: 22

IV Đường kính ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn: 23

V Tính toán chân đỡ: 27

VI Tính toán tai treo: 28

Chương 7: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 29

I Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 29

II Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 32

III Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 35

IV Nồi đun sản phẩm đáy 38

V Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 40

VI Bồn cao vị: 43

VII Bơm: 45

LỜI KẾT 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công nghiệp nước ta nói riêng

và thế giới nói chung Một trong những ngành có đóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất các hoá chất cơ bản

Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp Đối với hệ benzen – toluen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzen

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Thực phẩm học tương lai Môn học này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây

là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp loại đĩa chóp tròn để chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen ở

áp suất thưởng với có nổng độ sản phẩm đỉnh là 98% phần mol benzen, nồng độ sản phẩm đáy là 2% phần mol Benzen Nồng độ nhập liệu là 45% phần mol Benzene với năng suất nhập liệu là 0,3 kg/s, nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi

- Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ

- Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của 2 quá trình này là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không 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 cấu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phẩm :

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn)

- Đối với hệ Benzen – Toluen

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen

 Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen

 Cấp nhiệt gián tiếp

Vậy : Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất thường

Thiết bị chưng cất :

Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, …Ở đây ta khảo sát 2 loại 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, trên đó pha lỏng và pha hơi đượ cho tiếp xúc với nhau Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có :

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

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

Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp :

tăng năng suất thì hiệu ứng

thành tăng  khó tăng năng

suất

- Thiết bị khá nặng nề

- Không làm việc được với chất lỏng bẩn

- Kết cấu khá phức tạp

- Có trở lực lớn

- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp

Vậy :qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen – Toluen

GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU :

Benzen & Toluen :

Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ.Công thức

phận tử là C6H6 Benzen không phân cực,vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực và tan rất ít trong nước Trước đây người ta thường sử dụng benzen làm dung môi Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn Các tính chất vật lí của benzen:

- Khối lượng phân tử: 78,11

- Tỉ trọng(200C): 0,879

- Nhiệt độ sôi: 80oC

- Nhiệt độ nóng chảy: 5,50C

Toluen: là một hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng và có tính thơm ,công thức phân tử tương tự

như benzen có gắn thêm nhóm –CH3 Không phân cực,do đó toluen tan tốt trong

benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp

Đi từ nguồn thiên nhiên

Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ…

Đóng vòng và dehiro hóa ankane

Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt

CH3(CH2)4CH3 Cr2O3 /Al2O3

C6H6

Dehidro hóa các cycloankane

Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen

C6H12  Pt /Pd

C6H6

Đi từ acetylen

Đun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken như

Ni(CO)[(C6H5)P] sẽ thu được benzen

3C2H2 xt

C6H6

Từ benzen ta có thể điều chế được các dẫn xuất của benzen như toluen bằng phản ứng Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự có mặt cảu xúc tác AlCl3 khan

_

CHƯƠNG 2: VẼ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

1-Thùng chứa hỗn hợp đầu 5-Tháp chưng luyện

4-Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 8-Thùng chứa sản phẩm đỉnh

9-Thiết bị gia nhiệt đáy 10- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy

11- Thùng chứa sản phẩm đáy

Hỗn hợp đầu từ thùng chứa 1 được bơm 2 bơm liên tục lên thùng cao vị 3 Mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn Từ thùng cao vị, hỗn hợp đầu qua thiết bị đun nóng 4 Tại đây, dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đến nhiệt độ sôi Sau đó,dung dịch được đưa vào tháp chưng luyện qua đĩa tiếp liệu

Tháp chưng luyện gồm 2 phần: phần từ đĩa tiếp liệu trở lên trên là đoạn luyện, còn từ đĩa tiếp liệu trở xuống là đoạn chưng

Như vậy, ở trong tháp,pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với pha hơi đi từ dưới lên Hơi bốc

từ đĩa dưới lên qua các lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏng của đĩa trên, ngưng tụ một phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tăng dần theo chiều cao của tháp Vì nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng nên nồng độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tăng Cấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi nên khi nồng độ của nó tăng nên thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm

Tóm lại, theo chiều cao tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) tăng dần, nồng độ cấu tử khó bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần và nhiệt độ giảm dần Cuối cùng ở đỉnh tháp ta sẽ thu được hỗn hợp hơi có thành phần hầu hết là cấu tử dễ bay hơi còn ở đáy tháp ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay hơi chiếm tỉ lệ lớn Để duy trì pha lỏng trong các đĩa trong đoạn luyện, ta bổ sung bằng dòng hồi lưu được ngưng tụ từ hơi đỉnh tháp Hơi đỉnh tháp được ngưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 6, dung dịch lỏng thu được sau khi ngưng tụ một phần được dẫn tới hồi lưu trở lại đĩa luyện trên cùng để duy trì pha lỏng trong các đĩa đoạn luyện, phần còn lại được đưa qua thiết bị làm lạnh 7 để đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh 8 Chất lỏng ở đáy tháp được tháo ra ở đáy tháp,sau đó một phần được đun sôi bằng thiết bị gia nhiệt đáy tháp 9 và hồi lưu và đáy tháp, phần chất lỏng còn lại được đưa qua thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy 10, sau đó đi vào Thùng chứa sản phẩm đáy 11 Như vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đưa vào liên tục

và sản phẩm cũng được lấy ra liên tục)

Chương 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Chọn loại tháp mâm xuyên lỗ:

Khi chưng luyện hỗn hợp Benzen – Toluen thì cấu tử dễ bay hơi là Benzen:

Benzen C6H6 => MB = 78 g/mol

Hỗn hợp:

Toluen: C6H5CH3 => MT = 92 g/mol

+ Năng suất nhập liệu: ̅ = 0,3 kg/s = 1080 kg/h

+ Nồng độ nhập liệu: xF = 45% mol Benzen

+ Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 98% mol Benzen

+ Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 2% mol Benzen

+ Nhiệt độ nhập liệu ở trạng tháy lỏng sôi

+ Chọn:

- Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 93,5oC

- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 30oC

- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 30oC

- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40oC

+ Các kí hiệu:

- ̅, F: Suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h

- ̅, D: Suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

- ̅ , W: Suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

- xi, ̅ : Nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i

* Chỉ 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

Ta lấy các giá trị Rx > Rmin trên đồ thị ta vẽ được các đường làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện với tung độ  khác nhau

 (với   [1,2; 2,5] là hệ số hồi lưu)

Với mỗi giá trị của  cho ta mỗi giá trị của R và từ đó xác định được số đĩa lý thuyết tương ứng + Với  1,2=> R = 1,692

Vậy phương trình làm việc của đoạn luyện là :

y = 0,629x + 0,373 => m = y(0) = 0,373

Từ đồ thị, ta xác định được N=19 + Với = 1,5 => R = 2,115

Vậy phương trình làm việc của đoạn luyện là :

y = 0,679x + 0,315 => m = y(0) = 0,315

Từ đồ thị, ta xác định được N=15 + Với = 1,8 => R = 2,538

Vậy phương trình làm việc của đoạn luyện là :

y = 0,717x + 0,277 => m = y(0) = 0,277

Từ đồ thị, ta xác định được N=14 + Với = 2 => R = 2,82

Vậy phương trình làm việc của đoạn luyện là :

y = 0,738x + 0,257 => m = y(0) = 0,257

Từ đồ thị, ta xác định được N=13 + Với = 2,3 => R = 3,243

Vậy phương trình làm việc của đoạn luyện là :

y = 0,764x + 0,231 => m = y(0) = 0,231

Từ đồ thị H6 ta xác đình được N=12 + Với = 2,5 => R = 3,525

Vậy phương trình làm việc của đoạn luyện là :

y = 0,779x + 0,0,217 => m = y(0) = 0,217

Từ đồ thị H6 ta xác đình được N=12 Thiết lập quan hệ R-N(R+1) qua bảng sau

1 Phương trình đường làm việc đoạn cất:

Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc phần cất và phần chưng Trên đồ thị y-x ta lần lượt vẽ các đường bậc thang từ đó ta xác định số đĩa lý thuyết là 16 bao gồm: 7 mâm phần cất, 1 mâm nhập liệu, 8 mâm phần chưng

Tóm lại, số đĩa lý thuyết là Nlt = 15 mâm

Độ nhớt của hỗn hợp được xác định theo công thức:

Log( hh) = x1 Log( B) + x2 Log( T)

Trong đó:

- x1, x2: nồng độ mol của benzen và toluen

- B, T: Độ nhớt động lực của benzen và toluen

Độ nhớt sản phẩm đỉnh: Log( D) = x1D Log( B) + x2D Log( T)

Trong đó x,y : Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng và pha hơi

Độ bay hơi tương đối của sản phẩm đỉnh: D =

Độ bay hơi tương đối của nhập liệu đầu: F =

Độ bay hơi tương đối của sản phẩm đáy: W =

Số mâm thực tế được tính theo công thức: Nt =

[5] trang 70 Trong đó: Nlt Số mâm lý thuyết

: hiệu suất mâm trung bình của thiết bị

= với: : hiệu suất của các mâm thay đổi nổng độ

N: số mâm tính hiệu suất Hiệu suất trung bình là hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: = f( )

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

: 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

I Đường kính đoạn cất:

1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất:

gtb = (kg/h)

gd: lương hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp kg/h

g1: lương hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất kg/h

g1 = G1 + D

g1.y1 = G1.x1 + D.xD (IV.1) với

g1.r1 = gD.rD

G1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

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

rD: : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp

* Tính r1: t1 = tFS = 93,5 oC, tra bảng I.212, trang 254 [5] ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của benzen là: rBF = 381,57 kJ/kg

Ẩn nhiệt hóa hơi của toluen là: rTF = 371,70 kJ/kg

=> r1 = rBF.y1 + rTF.(1 – y1) = 371,70 + 9,87.y1

* Tính rD: tD = 80oC, tra bảng I.212, trang 254 [5] ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của benzen là: rBD = 392,12 kJ/kg

Ẩn nhiệt hóa hơi của toluen là: rTD = 378,24 kJ/kg

=> rD = rBD.yD + rTD.(1 – yD) = 391,79 kJ/kg

Với x1 = xF = 0,41 giải hệ phương trình (IV.1) ta được:

g1 = 1352,95 kg/h, G1= 911,45 kg/h, y1 = 0,63 (phân khối lượng Benzen)

Vậy gtb = = = 1364,11 (kg/h)

2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng:

** Theo công thức IX.111 trang 186 stt2

Tốc độ giới hạn trên: = 0,05.√ với: khối lượng riêng của lỏng và hơi (kg/m3)

: tốc độ giới hạn trên (m/s) Công thức này thích hợp với tháp làm việc đều đặn: khoảng cách giữa các đĩa 200mm, đường kính lỗ 2.5mm (chọn dl = 3mm), chiều cao phần ống chảy chuyền trên đĩa 10:12mm, thiết diện tự do của đĩa 12,8%

Để tránh sự tạo bọt ta lấy tốc độ làm việc khoảng 80 90% tốc độ làm việc tính theo công thức trên Tức là = (0,8 0,9)

* Xác định : = ( )

( ) với ytb = = = 0,8105

ttb = =87 oC

* Xác định : xtb = = = 0,715 => ̅̅̅̅ =

( ) = 0,68 Tại 87oC tra B = 807,3(kg/m3), T = 801(kg/m3)

G‘1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

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

* Tính r’1: xw = 0,02 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có yW = 0,05 => ̅ = 0,0427

t’1 = tw = 109,5 oC, tra bảng I.212, trang 254 [5] ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của benzen là: r‘B1 = 371,05kJ/kg

Ẩn nhiệt hóa hơi của toluen là: r‘T1 = 362,57 kJ/kg

=> r’1 = r‘B1.yW + r‘T1.(1 – yW) = 362,93 kJ/kg

* Tính r1: t1 = tFS = 93,5 oC => r1 = 377,92 kJ/kg

Với W= 581,05 kg/h, giải hệ phương trình IV.2 ta được:

g‘1 = 1352,95 kg/h

G‘1= 911,45 kg/h

y‘1 = 0,63 (phân khối lượng Benzen)

Vậy g’tb = = = 1380,89 (kg/h)

2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng:

** Theo công thức IX.111 trang 186 stt2

Tốc độ giới hạn trên: = 0,05.√ với: khối lượng riêng của lỏng và hơi (kg/m3)

: tốc độ giới hạn trên (m/s) Công thức này thích hợp với tháp làm việc đều đặn: khoảng cách giữa các đĩa 200mm, đường kính lỗ 2.5mm (chọn dl = 3mm), chiều cao phần ống chảy chuyền trên đĩa 10:12mm, thiết diện tự do của đĩa 12,8%

Để tránh sự tạo bọt ta lấy tốc độ làm việc khoảng 80 90% tốc độ làm việc tính theo công thức trên Tức là = (0,8 0,9)

= 8/10 đường kính lỗ = 0,002, bề dày của đĩa (m);

(0,8 1) – khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy của thiết bị (m);

Hđ = 0,2 m, Hđ khoảng cách giữa các đĩa, m

H = Nt.(Hđ + ) + (0,8 1), => H = 29.(0,2 + 0,002) +0,942 =6,8 (m) (trang 116 sách truyền khối)

=> H’ = H – tổng chiều cao ống dẫn ở đỉnh và đáy = 6,8 – 0,21 = 6,59 m (do H được tính cả chiều cao phần ống dẫn ở đỉnh và đáy)

Và Hđáy = Hnắp = 0,25 Dt = 0,25.0,5 = 0,125 (m)

Vậy kết luận chiều cao của tháp là Ht = H + Hđáy + Hnắp = 6,59 + 2.0,125 = 6,84 (m)

III Tính toán phần đĩa, phần ống chảy chuyền:

* Cấu tạo mâm lỗ:

Ta có: +Chọn bề dày mâm: = 8/10 đường kính lỗ = 0,002 m

+ Đường kính lỗ: dl = 2,5 (mm)

+ Tổng diện tích lỗ 12,8% diện tích mâm

+ Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo tam giác đều)

+ Diện tích dành cho phần ống chảy chuyền bằng 20% diện tích mâm

Số lỗ trên 1 mâm: N = ( )

= =

= 4096 lỗ

Áp dụng công thức (V.139), trang 48 [5]: N = 3.a(a – 1) +1 => a = 38 lỗ => N = 4219 lỗ

Số lỗ trên đường chéo: b = 2.a - 1 = 75 lỗ

* Ống chảy chuyền: Chọn số ống chảy chuyền: z = 2 ống

Đường kính ống chảy chuyền: dc = √

Với: Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền: chọn wc = 0,2 m/s

Lưu lượng trung bình của lỏng đi trong tháp: Gx (kg/h)

Khối lượng riêng trung bình của lỏng x (kg/m3)

- Lượng lỏng trung bình trong tháp:

+ Lượng lỏng trung bình đi trong phần luyện:

- Lượng lỏng đi trong đĩa thứ nhất của đoạn cất: G1 = 911,45 (kg/h)

- Lượng lỏng hoàn lưu: Gh = R.D = 2,115.490,42 = 1037,24 (kg/h)

=> Gtbl = 974,34 (kg/h)

+ Lượng lỏng trung bình đi trong phần chưng:

- Lượng lỏng đi trong sản phẩm đáy: W = 581,05 (kg/h)

Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa: hc = 12mm

** Tính chiều dài gờ chảy tràn Lc

Diện tích dành cho phần ống chảy chuyền bằng 20%

nên ta có phương trình sau:

** Chiều cao gờ chảy tràn: chọn hw = 30(mm) (với hw > h3)

IV Trở lực của tháp đĩa:

Trở lực của tháp đĩa bao gồm: tổn thất áp suất dòng khí khi đi qua đĩa khô, tổn thất do sức căng bề mặt, tổn thất do lớp chất lỏng trên đĩa và bỏ qua sự biến đổi chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa

Trở lực của tháp được xác định theo công thức:

P = Ntt Pd N/m2Trong đó: Ntt: Số đĩa thực tế của tháp; Pd: Tổng trở lực của một đĩa, N/m2

Pd = Pk + Ps + Pt

Pk: trở lực đĩa khô, N/m2

Ps: Trở lực đĩa do sức căng bề mặt, N/m2

Pt: Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa, N/m2

Pk = với = 1,635 (Công Thức XI.140 Trang 194 STT2)

Với: : Tốc độ khí hơi qua lỗ (m/s)

Lc

no

: khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi) (kg/m3)

: hệ số trở lực

* Phần cất: Pk1 = = (

)

= 64,37 (N/m2)

* Phần chưng: Pk2 = = (

)

Pt = 1,3.[k.hc + √ ( ) ].g (Công Thức XI.143 Trang 194 STT2)

Với k: tỉ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của lỏng không bọt (khi tính toán chấp nhận k=0,5)

hc: chiều cao của ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa hc = 12mm = 0,012m

Lc: chiều dài cửa chảy tràn Lc = 0,3633m

m: hệ số lưu lượng qua cửa chảy tràn Phụ thuộc vào tỷ số Gx/Lc

: khối lượng riêng của lỏng

V Kiểm tra hoạt động của tháp:

- Kiểm tra lại khoảng cách giữa các mâm (h=0,2m) đảm bảo điều kiện hoạt động bình thường của tháp: h > 1,8.

Vì Pđ-chưng > Pđ-cất nên ta lấy Pchưng để kiểm tra:

1,8

= 0,0467 < 0,2 thỏa _

Chương 5: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

I Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ:

III Cân bằng nhiệt lƣợng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy từ nhiệt độ 109,5 o C xuống 35 o C :

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 nhƣng vẫn an toàn nên:

Pcl = x.g.h = 0,5.( xtb + ‘xtb).g.h

= 0,5.(805,273 + 789,05).9,81.7,25 = 56696,12 (N/m2)

=> Ptt = 56696,12 + 5678,752 + 9,81.104 = 160475N/m2 = 0,160475 (N/mm2)

Nhiệt độ tính toán:

Chọn nhiệt độ tính toán: ttt = tđáy = 109,5oC

Tra [6], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T:

[ *] = 135 (N/mm2)

Hệ số hiệu chỉnh: =1

Vậy ứng suất cho phép: [ ] = [ *

] = 135 N/mm2

Xác định bề dày thân chịu áp suất trong

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

Trong đó: C: hệ số bổ sung bề dày, C = Ca + Cb + Cc + C0

Với: + Ca: hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của chất lỏng Chọn tốc độ ăn mòn là 0,1 mm/năm, thiết bị hoạt động trong 20 năm => 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

II Tính toán đáy và nắp thiết bị

Chọn đáy và nắp có dạng là elipside 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 = 3mm

Các kích thước của đáy và nắp elipside tiêu chuẩn, có gờ (tài liệu tham khảo tập 2) :

+ 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 phận 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 CT3, cấu tạo của bích là bích phẳng hàn kiểu 1 theo bảng XIII.27 trang 417 STT2

Với Dt = 500mm và Ptt = 0,161813 N/mm2 => chọn bích có thông số sau theo bảng XIII.27 trg

421 STT2: (tính bằng mm)

d 32mm