Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hồn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp. Đối với hệ Etanol – Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết. Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của từng cấu tử trong hỗn hợp ( nghĩa là khi ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau). Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản 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 ta thu được nhiều sản phẩm và thường bao nhiêu cấu tử ta sẽ được bấy nhiêu sản phẩm. Đối với trường hợp hai cấu tử ta có: sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé, còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn.
Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất Giới thiệu sơ lược 1.1 Chưng cất Khoa học kỹ thuật ngày phát triển với nhu cầu ngày cao độ tinh khiết sản phẩm Vì thế, phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn cải tiến đổi để ngày hồn thiện hơn, là: đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ Etanol – Nước cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết Chưng phương pháp dùng để tách hỗn hợp chất lỏng hỗn hợp khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp ( nghĩa điều kiện nhiệt độ, áp suất cấu tử khác nhau) Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất đặc khơng khác nhau, nhiên hai q trình có ranh giới q trình chưng cất dung mơi chất tan bay (nghĩa cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khác nhau), q trình đặc có dung mơi bay chất tan khơng bay Khi chưng ta thu nhiều sản phẩm thường cấu tử ta nhiêu sản phẩm Đối với trường hợp hai cấu tử ta có: sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé, sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn 1.2 Tiêu chuẩn ASME Tiêu chuẩn ASME tiêu chuẩn Mỹ trải rộng chủ đề gồm: Công nghệ áp suất, nhà máy hạt nhân, thang máy/ thang tự động, xây dựng, tiêu chuẩn hóa, thiết kế kĩ thuật kiểm tra hiệu ASME sáng lập năm 1880 Alexander Lyman Holley, Henry Rossiter Worthington, John Edison Sweet Matthias N Forney Với nhiệm vụ giải cố nồi áp suất, lò ASME biến đến việc thiết lập mã tiêu chuẩn cho thiết bị khí Với mục đích sáng lập ban đầu thành lập Liên đồn kỹ thuật với mục đích tập trung nghiên cứu kĩ thuật liên quan đến lĩnh vực khí Bắc Mỹ Và theo dòng phát triển, ASME ngày trở thành tổ chức đa ngành có sức ảnh hưởng lớn đến ngành khí thiết kế chế tạo tồn cầu ASME có sứ mệnh phát triển tiêu chuẩn, luật chương trình đánh giá phù hợp sản phẩm dịch vụ liên quan giới lợi ích nhân loại Thu hút người tài giỏi giới để phát triển, trì phát động việc sử dụng ASME sản phẩm, dịch vụ liên quan Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất ASME có 14.000 thành viên 158 quốc gia giới ASME có phạm vi tiêu chuẩn đáng ý như: • • • Thang máy cầu thang tự động ( loạt tiêu chuẩn ASME A17 ) Ống đường ống ( loạt tiêu chuẩn ASME B31) Các thiết bị quy trình kép ( loạt tiêu chuẩn ASME BPE ) • Van mặt bích, phụ kiện ống miếng đệm ( loạt tiêu chuẩn ASME B16 ) Các 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 2.1 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…, có rãnh xung quanh để pha khí qua ống chảy chuyền có hình tròn Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất • Tháp mâm xun lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh 2.2 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 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất 2.3 So sánh ưu nhược điểm loại tháp Vậy Ưu điểm Nhược điểm Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ - Cấu tạo đơn giản - Trở lực thấp - Làm việc với chất lỏng bẩn dùng đệm cầu có ρ ≈ ρ chất lỏng - Trở lực tương đối thấp - Hiệu suất cao - Làm việc với chất lỏng bẩn - Do có hiệu ứng thành → hiệu suất truyền khối thấp - Độ ổn định không cao, khó vận hành - Do có hiệu ứng thành → tăng suất hiệu ứng thành tăng → khó tăng suất - Thiết bị nặng nề - Kết cấu phức tạp Tháp mâm chóp - Khá ổn định - Hiệu suất cao - Có trở lực lớn - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp Vậy ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Etanol – nước Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất Tính tốn khí cho thiết bị chưng cất theo tiêu chuẩn ASME 3.1 Điều kiện làm việc thiết bị -Tháp cao 30,75m; bao gồm 72 đĩa chóp, khoảng cách đĩa 350 mm, mâm 181 chóp,đường kính tháp 3,0 m; hoạt động áp suất thường -Áp suất đỉnh tháp giữ 2,0-2,2 bar; áp suất đáy 2,3-2,5 bar -Nhiệt độ đỉnh đáy tháp 96-98 độ C 123-126 độ C -Nồng độ: • Nhập liệu: 50% • Đỉnh: 95% • Đáy 5% -Lưu lượng: • Nhập liệu:27,5 m3/h • Sản phẩm đỉnh: 13 m3/h • Hồn lưu: 62m3/h 3.2 Vật liệu chế tạo thiết bị 3.2.1 Giới thiệu: SA304 hay Inox 304 loại thép không gỉ ứng dụng hầu hết lĩnh vực Inox 304 thể khả chống ăn mòn tuyệt vời tiếp xúc với nhiều loại hóa chất khác Inox 304 có khả chống gỉ hầu hết môi trường trình chế biến thực phẩm dễ vệ sinh.Ngồi ra,Inox 304 thể khả chống ăn mòn hầu hết acid vơ Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất 3.2.2 Khả chịu nhiệt Inox 304: Inox 304 có khả chống oxi hóa tốt nhiệt độ 870 độ C,và tiếp tục thể lên đến nhiệt độ 925 độ C Trong trường hợp yêu cầu độ bền nhiệt cao, người ta yêu cầu vật liệu có hàm lượng cacbon cao 3.2.3 Cơ tính tính chất vật lý Inox 304: Giống loại thép dòng Austenitic từ tính Inox 304 yếu khơng có Nhưng làm việc mơi trường có nhiệt độ thấp,thì từ tính lại mạnh Tơi phương pháp để sản xuất Inox 304 Điều thực cách nung nóng lên đến 1010 độ C-1120 độ C, sau nhanh chóng làm mát -thường phương pháp làm nguội nước lạnh 3.2.4 Khả gia cơng: Inox 304 có khả tạo hình tốt, dát mỏng khơng cần gia nhiệt Điều làm cho Inox 304 độc quyền việc sản xuất chi tiết Inox Inox 304 thể khả hàn tuyệt vời,loại Inox phù hợp với tất kĩ thuật hàn (trừ kĩ thuật hàn gió đá) Khả cắt gọt Inox 304 so với loại thép Cacbon, gia cơng vật liệu máy cơng cụ phải yêu cầu tốc độ quay thấp, quán tính lớn, dụng cũ cắt phải cứng, bén không quên dung nước làm mát 3.3 Chọn thông số thiết kế nhiệt độ, áp suất Áp suất thiết kế cho nắp lấy 10% áp suất vận hành: Ptk = 2,2*14,5*1,1 = 35 (psi) Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất Áp suất thũy tĩnh cột chất lỏng: Ptt = ρgHφ = 787*9,81*30,75*0,75 = 17,8*104 N/m2 = 23,8 (psi) Trong đó: ρ khối lượng riêng hệ Etanol – nước ( kg/m3) g gia tốc trọng trường ( m/s2) H chiều cao tháp (m) φ hệ số chứa đầy Áp suất thiết kế cho đáy thân tháp: Ptk = Plv + Ptt + ∆P = 2,5*14,5 + 23,8 + 0,13*14,5 = 61,9 (psi) Trong đó: Plv áp suất làm việc Ptt áp suất thủy tĩnh ∆P tổng trở lực ( liệu tham khảo đồ án môn học trình thiết bị ) Nhiệt độ thiết kế: T = 1230C = 260oF 3.4 Tra thông số tính cần thiết Giá trị ứng suất cực đại S Tra Bảng PL3.23,24, Phụ lục 3, hàng 43 sử dụng hàng 44 Modun đàn hồi E Giá trị modun đàn hồi ( E ) tra theo vật liệu nhiệt độ thiết kế Trường hợp vật liệu khơng có giá trị E xem thêm trang 788-791, ASME BPVC.II.D.C-2015 Tra Bảng PL5, Phụ lục 5, Nhóm G [ Ghi (7) ] Dung sai ăn mòn cho phép: CA = mm =0,0787 in 3.5 chọn phương pháp gia công -Cho thân tháp: Kiểu hàn phía chữ “V” Hệ số bền mối hàn: φh = 0,85 -Cho đỡ mâm: Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất Kiểu hàn phía chữ “V” Hệ số bền mối hàn: φh = 0,8 3.6 Chọn tiêu chuẩn để thiết kế Thiết kế tháp chưng cất etanol – nước theo tiêu chuẩn mỹ ( ASME ) 3.6.1 Nắp elip chịu áp suất Ptk = 35 psi > Pkq = 14,7 psi Chịu áp suất Với: Gỉa sử ≥ 0,002 ts : bề dày tối thiểu yêu cầu nắp elip sau hình thành L : bán kính tương đương, L = 0,9 Dtrong = 0,9 × = 2,7 m = 106,3 in - Bề dày nắp elip t = = = 0,1456 in =3,7 mm ( theo công thức 14.15 trang 158 ) Bề dày tối thiểu sau hình thành: ts = t + CA = 3,7 + = 5,7 mm Trong đó: CA: Dung sai ăn mòn cho phép Chọn te = mm - Kiểm tra lại giả sử: = ≈ 0,0022 > 0,002 te ≥ t Vậy giả sử Chọn thép 304 có bề dày mm để chế tạo nắp thiết bị 3.6.2 Đáy elip chịu áp suất Ptk = 61,9 psi > Pkq = 14,7 psi Chịu áp suất Với: Gỉa sử ≥ 0,002 ts : bề dày tối thiểu yêu cầu đáy elip sau hình thành L : bán kính tương đương, L = 0,9 Dtrong = 0,9 × = 2,7 m = 106,3 in Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất - Bề dày đáy elip t = = = 0,2576 in = 6,5 mm ( theo công thức 14.15 trang 158 ) Bề dày tối thiểu sau hình thành: ts = t + CA = 6,5 + = 8,6 mm Trong đó: CA: Dung sai ăn mòn cho phép Chọn te = mm - Kiểm tra lại giả sử: = ≈ 0,0033 > 0,002 te ≥ t Vậy giả sử Chọn thép 304 có bề dày mm để chế tạo đáy thiết bị 3.6.3 Thân trụ chịu áp suất - Thân trụ có bề dày tối thiểu yêu cầu: + Theo ứng suất vòng: tt,v = = = 0,2582 in + Theo ứng suất dọc trục: tt,d = = = 0,1286 in ⇒ tt = tt,v +CA = 0,2582 + 0,0787 = 0,3369 in = 8,55 mm Chọn bề dày tối thiểu yêu cầu cho thân mm - Kiểm tra áp suất làm việc tối đa cho phép ( MAWP ): Bề dày tối thiểu để kiểm tra mm = 0,3543 in + Theo ứng suất vòng: (MAWP)v = = = 84,9 psi > Ptk = 61,9 psi + Theo ứng suất dọc trục: ( MAWP)d = = = 170,7 psi > Ptk = 61,9 psi Vậy, MAWP = 84,9 psi = Thân chịu áp suất trong, có bề dày tối thiểu yêu cầu mm Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất 3.6.4 Lựa chọn mặt bích Đường kính ống tháo sản phẩm đáy: 600mm Đường kính ống hồn lưu: 450mm & ống sản phẩm đỉnh: 400mm Chọn mặt bích: 24 (inch) ⟶ ống tháo sản phẩm đáy 16 (inch) ⟶ ống hoàn lưu ống đỉnh 10 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất Các yếu tố chọn vật liệu làm đệm - Điều kiện trình làm việc: + Áp suất + Nhiệt độ + Tính ăn mòn chất lỏng - Loại mặt bích, mục đích sử dụng - Độ đàn hồi vật liệu Vd: - Áp suất thiết bị có xu hướng làm tách mặt bích khỏi ⟶ Áp suất tác dụng lên đệm thấp áp suất lực siết chặt đệm ban đầu - Vật liệu làm đêm ⟶ không bị ăn mòn & phải chịu nhiệt độ cao 11 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất 3.6.5 Chọn bệ đỡ Phải chịu kết hợp tải xấu mà không bị phá hỏng - Áp suất tháp điều kiện xấu Tải trọng lượng toàn phần thiết bị chi tiếc nối Tải trọng gió 12 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất - Động đất (địa chấn) - Tải bên đặt lên thiết bị đường ống thiết bị kèm theo 3.7 Kiểm tra điều kiện thiết kế 3.7.1 Áp suất làm việc tối đa cho phép Đã kiểm tra phần tính bền khí cho thân, đáy nắp ( 3.6 ) 3.7.2.Kiểm tra bề mặt chế tạo Khi trình tiến hành chế tạo, tất vật liệu sử dụng phải kiểm tra khơng hồn hảo phát trình chế tạo để đảm bảo công việc thực 3.7.3 Kiểm tra kích thước phận Nhà sản xuất phải kiểm tra phận giữ áp để chắn chúng phù hợp với hình dạng theo quy định đáp ứng yêu cầu bề dày sau hình thành Nhà sản xuất thiết bị phải cung cấp mẫu hình thành xác theo yêu cầu người kiểm tra để xác nhận Trước gắn miệng, khung cửa người, tăng cứng miệng phụ kiện khác thiết bị phải kiểm tra để chắn chúng phù hợp với độ cong thiết bị Người kiểm tra phải chứng minh yêu cầu kích thước nêu đáp ứng Điều bao gồm việc đo kích thước thấy cần thiết 3.7.4 Kiểm tra q trình chế tạo Khi điều kiện cho phép để vào thiết bị việc hoàn tất kiểm tra bên thực trước đóng kín thiết bị Người kiểm tra phải thực việc kiểm tra bên thiết bị hoàn thành thời điểm thử thủy tĩnh thử khí nén sau Tất mối hàn bao gồm mối hàn miệng ống, thiết bị mạ chì đòng phải kiểm tra mắt bên trước thi cơng lớp lót Kiểm tra mắt lớp lót thiện sau hồn thành để đảm bảo khơng có khuyết tật làm suy yếu tồn vẹn lớp lót dẫn đến thiết bị bị phát hủy tác động ăn mòn 13 ... chóp,đường kính tháp 3,0 m; hoạt động áp suất thường -Áp suất đỉnh tháp giữ 2,0-2,2 bar; áp suất đáy 2 ,3-2, 5 bar -Nhiệt độ đỉnh đáy tháp 96-98 độ C 123-126 độ C -Nồng độ: • Nhập liệu: 50% • Đỉnh: 95%