Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu chất lượng cuộc sống của con ngườingày càng cao về vật chấn lẫn tinh thần. Để đáp ứng được điều đó các ngành khoa họcvà công nghệ đã không ngừng phát triễn. Trong đó ngành công nghiệp hóa chất cũngkhông ngoại lệ, thay đổi để phù hợp với nhu cầu của thị trường. Đây là một ngành côngnghiệp mũi nhọn của nước ta. Nó không chỉ đem lại lợi nhuận cao mà còn là nền tảngđể phát triễn các ngành công nghiệp khác.Sản phẩm của công nghiệp hóa chất rất đa dạng về chủng loại. Chúng là kết quảcủa một loạt quá trình biến đổi hóa lý để đạt được sản phẩm mong muốn. Vì thế nguồnnguyên liệu của ngành không chỉ xCùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu chất lượng cuộc sống của con ngườingày càng cao về vật chấn lẫn tinh thần. Để đáp ứng được điều đó các ngành khoa họcvà công nghệ đã không ngừng phát triễn. Trong đó ngành công nghiệp hóa chất cũngkhông ngoại lệ, thay đổi để phù hợp với nhu cầu của thị trường. Đây là một ngành côngnghiệp mũi nhọn của nước ta. Nó không chỉ đem lại lợi nhuận cao mà còn là nền tảngđể phát triễn các ngành công nghiệp khác.Sản phẩm của công nghiệp hóa chất rất đa dạng về chủng loại. Chúng là kết quảcủa một loạt quá trình biến đổi hóa lý để đạt được sản phẩm mong muốn. Vì thế nguồnnguyên liệu của ngành không chỉ xCùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu chất lượng cuộc sống của con ngườingày càng cao về vật chấn lẫn tinh thần. Để đáp ứng được điều đó các ngành khoa họcvà công nghệ đã không ngừng phát triễn. Trong đó ngành công nghiệp hóa chất cũngkhông ngoại lệ, thay đổi để phù hợp với nhu cầu của thị trường. Đây là một ngành côngnghiệp mũi nhọn của nước ta. Nó không chỉ đem lại lợi nhuận cao mà còn là nền tảngđể phát triễn các ngành công nghiệp khác.Sản phẩm của công nghiệp hóa chất rất đa dạng về chủng loại. Chúng là kết quảcủa một loạt quá trình biến đổi hóa lý để đạt được sản phẩm mong muốn. Vì thế nguồnnguyên liệu của ngành không chỉ xCùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu chất lượng cuộc sống của con ngườingày càng cao về vật chấn lẫn tinh thần. Để đáp ứng được điều đó các ngành khoa họcvà công nghệ đã không ngừng phát triễn. Trong đó ngành công nghiệp hóa chất cũngkhông ngoại lệ, thay đổi để phù hợp với nhu cầu của thị trường. Đây là một ngành côngnghiệp mũi nhọn của nước ta. Nó không chỉ đem lại lợi nhuận cao mà còn là nền tảngđể phát triễn các ngành công nghiệp khác.Sản phẩm của công nghiệp hóa chất rất đa dạng về chủng loại. Chúng là kết quảcủa một loạt quá trình biến đổi hóa lý để đạt được sản phẩm mong muốn. Vì thế nguồnnguyên liệu của ngành không chỉ x
ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý thuyết chưng cất .8 Khái niệm chưng chưng cất 1.2 Phương pháp chưng cất Chưng cất đa cấu tử- mơ hình tổng qt tháp chưng luyện 1.3 Thiết bị chưng cất .11 1.4 Giới thiệu sơ nguyên liệu 12 Toluene 12 Xylene 13 Ethybenzene 15 CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 16 2.1 Thuyết minh quy trình cơng nghệ 16 CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 17 3.1 Cân vật chất .17 Các số liệu ban đầu 17 Các ký hiệu 17 Xác định thành phần cấu tử cân vật chất 18 3.2 Chuẩn bị kiện giả thuyết 18 Tính độ bay tương đối 18 3.3 Xác định Nmin theo công thức Fenske .20 3.4 Xác định nmin nmin cho tháp chưng 21 3.5 Xác định tỷ số hồi lưu tối thiểu Rmin 22 3.6 Xác định số bậc lý thuyết tương ứng với R hợp lý: 25 GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -1- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử 3.7 Xác định số đĩa thực tế .25 Hiệu suất đĩa 25 Số đĩa thực tế 26 CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 27 4.1 Cân lượng 27 Cân nhiệt lượng thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 27 Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ 28 Nhiệt lượng trao đổi thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 28 Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun đáy tháp 28 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ THIẾT BỊ CHÍNH 30 5.1 Tính sơ đường kính đĩa .32 Diện tích đĩa 32 Tính đường kính tháp 34 Sắp đặt sơ mặt đĩa 35 Chiều dài ngưỡng chảy tràn chiều rộng kênh chảy truyền 36 5.2 Vòng tính lặp thứ 37 Kiểm tra sặc đĩa 37 Kiểm tra khả tắc nghẽn kênh chảy truyền lỏng 39 5.3 Vòng tính lặp thứ hai 40 Sắp xếp mặt đĩa 40 Kiểm tra sặc đĩa 41 Kiểm tra tắc nghẽn kênh chảy truyền 42 5.4 Vòng tính lặp thứ ba 42 Kiểm tra sặc đĩa 43 5.5 Kiểm tra thủy lực 44 GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -2- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Chế độ làm việc đĩa 44 Xác định lượng lỏng theo 45 Thời gian lưu lỏng kênh chảy truyền 46 5.6 Trở lực đĩa 46 5.7 Kiểm tra chiều cao mực chất lỏng kênh chảy truyền 48 5.8 Kiểm tra mức độ kín kênh chảy truyền lỏng (van thủy lực) 49 5.9 Kiểm tra điểm rò rỉ lỏng qua lỗ 50 5.10 Chiều cao tháp 51 CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN CƠ KHÍ CHO THÁP .52 6.1 Bề dày thân tháp .52 6.2 Bề dày đáy nắp thiết bị 53 6.3 Bề dày lớp cách nhiệt .54 6.4 Bích ghép thân, đáy nắp 56 6.5 Đường kính ống dẫn – bích ghép ống dẫn 57 Ống dẫn dòng nhập liệu 57 Ống đỉnh tháp 58 Ống dẫn lỏng hoàn lưu 59 Ống dẫn chất lỏng vào nồi đun 60 Ống dẫn vào đáy tháp 60 Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun 61 6.6 Trụ đỡ tháp 62 CHƯƠNG 7: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 67 7.1 Các thiết bị truyền nhiệt: 67 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 67 Thiết bị đun sôi đáy tháp 72 GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -3- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 76 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 81 7.2 Bơm 86 Năng suất 86 Cột áp 86 Công suất 89 LỜI KẾT 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO .91 PHỤ LỤC 92 Bản vẽ sơ đồ quy trình công nghệ 92 GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -4- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 So sánh ưu nhược điểm loại tháp .12 Bảng 1.2 Tính chất vật lý Xylene .14 Bảng 3.1 Thành phần nguồn nhập liệu vào tháp .17 Bảng 3.2 Phân bố sản phẩm 18 Bảng 3.3 Độ bay tương đối 19 Bảng 3.4 Độ bay tương đối đáy .19 Bảng 3.5 Độ bay tương đối nhập liệu 20 Bảng 3.6 Độ bay trung bình 20 Bảng 3.7 Cách tính l 23 Bảng 3.8 Xác định l 24 Bảng 4.1 Thơng số tính tốn .27 Bảng 5.1 Tải trọng tháp Toluene tính chất vật lý 30 Bảng 5.2 Sắp xếp kênh chảy truyền 36 Bảng 5.3 Tổng kết .36 Bảng 5.4 Chiều dài ngưỡng chảy tràn chiều rộng kênh chảy truyền 36 Bảng 5.5 Tổng kết xếp mặt đĩa 37 Bảng 5.6 Kiểm tra sặc đĩa 38 Bảng 5.7 Kết kiểm tra khả tắc nghẽn kênh chảy truyền lỏng 39 Bảng 5.8 Sắp xếp kênh chảy truyền lần hai 40 Bảng 5.9 Chiều dài ngưỡng chảy tràn chiều rộng kênh chảy truyền 41 Bảng 5.10 Kiểm tra sặc đĩa lần hai 41 Bảng 5.11 Kết kiểm tra khả tắc nghẽn kênh chảy truyền lỏng 42 Bảng 5.12 Sắp xếp kênh chảy truyền lần ba .42 Bảng 5.13 Chiều dài ngưỡng chảy tràn chiều rộng kênh chảy truyền 43 Bảng 5.14 Kiểm tra sặc đĩa lần ba .43 Bảng 5.15 Chế độ làm việc đĩa 45 Bảng 5.16 Lỏng theo 45 Bảng 5.17 Thời gian lưu 46 Bảng 5.18 Trở lực đĩa khô 47 GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -5- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Bảng 5.19 Trở lực đĩa ướt 47 Bảng 5.20 Tổng trở lực 48 Bảng 5.21 Chiều cao cột chất lỏng kênh chảy truyền 49 Bảng 5.22 Kiểm tra điểm rò rỉ lỏng qua lỗ 50 Bảng 6.1 Thông số bích liền để nồi thiết bị 56 Bảng 6.2 Kích thước đệm bít kính 57 Bảng 6.3 Thơng số bích liền để ghép ống dẫn nhập liệu 58 Bảng 6.4 Thông số bích liền để ghép ống dẫn đỉnh tháp 59 Bảng 6.5 Thơng số bích liền để ghép ống dẫn hoàn lưu 59 Bảng 6.6 Thơng số bích liền để ghép ống dẫn lỏng vào nồi đun 60 Bảng 6.7 Thơng số bích liền để ghép ống dẫn vào đáy tháp .61 Bảng 6.8 Thông số bích liền để ghép ống dẫn lỏng từ nồi đun 61 GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -6- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển xã hội nhu cầu chất lượng sống người ngày cao vật chấn lẫn tinh thần Để đáp ứng điều ngành khoa học cơng nghệ khơng ngừng phát triễn Trong ngành cơng nghiệp hóa chất không ngoại lệ, thay đổi để phù hợp với nhu cầu thị trường Đây ngành cơng nghiệp mũi nhọn nước ta Nó khơng đem lại lợi nhuận cao mà tảng để phát triễn ngành công nghiệp khác Sản phẩm cơng nghiệp hóa chất đa dạng chủng loại Chúng kết loạt trình biến đổi hóa lý để đạt sản phẩm mong muốn Vì nguồn ngun liệu ngành khơng xuất phát từ tự nhiên mà qua trình tổng hợp trung gian Do nhu cầu sử dụng nguyên liệu tinh khiết ngày trở nên nghiêm khắc nguồn nguyên liệu Toluen Ngày nay, ta có nhiều phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết trích ly, hấp phụ, chưng cất Tùy theo loại sản phẩm mà ta có lưạ chọn khác Đối với hệ Toluene – Xylene – Ethylbenzene phương pháp chưng cất sử dụng phổ biến Đồ án môn học Q Trình Thiết Bị mang tính tổng hợp kiến thức học tập kỹ sư Môn học yêu cầu giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể yêu cầu công nghệ, kết cấu, điều kiện vận hành, giá thành thiết bị sản xuất hóa chất Nhiệm vụ môn học thiết kế tháp chưng hệ Toluene - Xylene - Ethylbenzene hoạt động liên tục với suất nhập liệu khoảng 20 tấn/h có nồng độ 50% mol Toluene, thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 98% kl toluen sản phẩm đáy có nồng độ thấp 1% kl Toluene Em chân thành cám ơn quý Thầy Cô Bộ môn Quá Trình & Thiết Bị, bạn sinh viên giúp em hồn thành đồ án Tuy nhiên, q trình hồn thành đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót, em mong góp ý quý thầy cô GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -7- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý thuyết chưng cất Khái niệm chưng chưng cất Chưng trình tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay tương đối khác nhau, cách đun sôi hỗn hợp, tách tạo thành để ngưng tụ lại Ở nhiệt độ cấu tử có áp suất lớn dễ bay Ở áp suất cấu tử có nhiệt độ sôi thấp dễ bay - So sánh chưng cô đặc: Chưng: dung môi chất tan bay Cô đặc: có dung mơi bay hơi, chất tan khơng bay - Có nhiều phương pháp chưng: bậc, nhiều bậc (chưng cất/chưng luyện), chưng lôi nước, chưng áp suất thấp… - Chưng cất (chưng luyện) lặp lại chưng đơn giản nhiều lần có cải tiến Thường cần thiết bị phụ trợ là: Thiết bị hồi lưu đỉnh tháp: tránh tượng khô mâm cuối Thiết bị đun sôi đáy tháp: cấp lượng cho lỏng bay 1.2 Phương pháp chưng cất 1.2.1.1 Định nghĩa - Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí-lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hòa cấu tử khác nhau) Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha trình hấp thu nhả khí, q trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ - Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có cấu tử sản phẩm cùa trình là: GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -8- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sơi nhỏ) phần cấu tử có độ bay bé Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé (nhiệt độ sơi lớn) phần cấu tử có độ bay lớn 1.2.1.2 Phân loại phương pháp chưng luyện - Các phương pháp chưng cất phân loại theo: Áp suất làm việc: Chưng cất áp suất thấp, áp suất thường áp suất cao Nguyên tắc phương pháp dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, cấu tử hỗn hợp dễ bị phân hủy nhiệt độ cao hỗn hợp có nhiệt độ sơi q cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chưng đơn giản) bán liên tục Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp đuợc sử dụng trường hợp sau: Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa Khơng 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 hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) q trình thực liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn Chưng nước trực tiếp: Dùng để tách hỗn hợp gồm chất khó bay tạp chất không bay hơi, thường áp dụng trường hợp chất tách không tan nước Như vậy, hệ Toluene- Xylene-Ethylbenzene: ta dùng hệ thống chưng luyện hoạt động liên tục áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp đáy tháp nồi đun Chưng cất đa cấu tử- mơ hình tổng quát tháp chưng luyện Từ có máy tính với cấu hình mạnh, nhiều mơ hình có độ phức tạp cao dùng để mơ xác tháp chưng luyện phát triễn Hầu hết mô hình xây dựng dựa vào khái niệm đĩa lý thuyết [Thiele –Geddes, 1993] Tuy nhiên, quan điểm số đơn vị chuyển khối ngày trở nên quan trọng ý GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -9- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử phát triễn nhiều năm gần [Krishana-Murthy Taloa, 1985; Taylor cộng sự, 1993; Gorak, 1990] Trong mơ xác tháp chưng luyện phải tiến hành thông số nhiệt động tháp Các kết nhận mô tháp chưng luyện phụ thuộc phân bố nồng độ cấu tử, phân bố nhiệt độ lưu lượng dòng lỏng dòng tháp vào số bậc cân (đĩa lý thuyết) 1.2.2.1 Mô xác tháp chưng luyện đa cấu tử Để mơ xác tháp chưng luyện, tác giả [Wang Henke 1966, Holland 1963, Goldstein Stanfield 1970, Naphtail Sandholm 1971, Block Hegner 1976 1977] có đóng góp quan trọng việc xây dựng mơ hình xác tháp chưng luyện Cho tới thời điểm tại, mơ hình tháp phát triễn khác việc sử dụng phương pháp tính lặp cụ thể việc chọn biến lặp Mơ xác tháp chưng luyện nhiều cấu tử mặt toán học phức tạp Vì vậy, việc tự viết phương trình tính tháp theo mơ hình gặp nhiều khó khăn Một số cơng ty phát triễn phần mềm mô tháp chưng luyện công ty Aspen, Science Simulation, Process, Design 2000… Trong đồ án sử dụng phần mềm HYSYS 2006 công ty Aspen phát triễn để làm công cụ hỗ trợ mơ 1.2.2.2 Phương pháp tính gần tháp chưng cất đa cấu tử Để tính tháp chưng luyện hỗn hợp nhiều cấu tử, có nhiều chưng trình tính máy tính đưa kết xác, số phương tính gần tháp chưng luyện hỗn hợp có ích tiếp tục sử dụng số lý do: Do số liệu pha số liệu enthalpy độ xác đủ cao, sử dụng phương pháp tính xác kéo dài máy tính khơng nhận kết xác GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -10- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Chọn vận tốc lỏng = 0,25 m/s Vậy ta có số ống: n Gn N 15714, 69 22 (ống) dtr 994.3600 0, 0322.0, 25 Vậy ta chọn kiều xếp ống nằm ngang gồm dãy dãy có ống Vận tốc thực tế nước ống: 4Gn 4.15714, 69 0, 23 m / s n n dtr 994.3600.25. 0, 0322 Chuẩn số Reynolds: Re N vN dtr N N 0, 23.0, 032.994 10035, 45 > 10000 0, 729.10 3 chế độ chảy xốy, cơng thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: NuN 0,021 l Re Pr 0,8 N 0,43 N Pr N Prw2 0,25 (p.110, [5]) Trong đó: l hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ chiều dài L đường kính d ống Giả sử L/d > 50 Tra bảng V.2, trang 15, [2]: Chọn l = Hệ số cấp nhiệt nước ống trong: N Nu N N d tr Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu qt tW tW , (W/m2) rt Trong - t D1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng sản phẩm đỉnh, 0C - t D : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nước, 0C rt t r r , m2.K/W t Tra bảng XII.7, trang 313, [2]: - Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: t = 16,3 (W/m.K) GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -78- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Tra Bảng 32, trang 30, [9]: - Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1 = 1/5800 (m2.K/W) - Nhiệt trở lớp cáu ống: r2 =1/5800 (m2.K/W) Nên: rt = 5,289 10-4 (m2.K/W) Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đỉnh ngồi ống Nhiệt độ trung bình dòng sản phẩm đỉnh ống ngồi: tD t Dv t Dr 110, 30 70,3 o C 2 Tại nhiệt độ thì: - Khối lượng riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh: D = 821,4 (kg/m3) [7] - Độ nhớt hỗn hợp: D 0, 3427.103 (N.s/m2) [7] - Nhiệt dung riêng hỗn hợp: C D = 1911,40 (J/kgoC) [7] - Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp: λD = 0,1248 (W/m.K) [7] CD D 1911, 40.0,3427.103 5, 25 Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: PrD D 0,1248 Vận tốc dòng sản phẩm đỉnh ống qua chỗ hẹp là: (m/s) Chuẩn số Reynolds : Re vD dtd D D 2.0, 038.821, 182160,50 => 200 < Re < 2.105 3 0,3427.10 Do ống chùm xếp so le Áp dụng công thức (1.314), trang 75, [10]: NuD 0, 41.Re Pr 0,6 D 0,33 D Pr D PrD1 0,25 Hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đỉnh ngồi ống dãy thứ ba dãy sau: D Nu D D dn Hệ số cấp nhiệt trung bình tất cà chùm ống: GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -79- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử D 0, 0,9 2.1 0,875. D Dùng phép lặp: chọn t D1 = 62,1 0C Tại nhiệt độ thì: - Độ nhớt hỗn hợp sản phẩm đỉnh D1 = 0,3713 (N.s/m2) - Nhiệt dung riêng hỗn hợp: CD1 3182,85 (J/kg oC) - Khối lượng riêng hỗn hợp: D1 829,6 (kg/h) - Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp: λD1 = 0,1269 W/m2.oC Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: PrD1 CD1 D1 3182,85.0,3713.103 9,31 D1 0,1269 Nên: NuD 0, 23.Re Pr 0,65 D - D 0,33 D Pr D PrD1 0,25 5, 25 0, 23.182160,50 5, 25 9,31 0,65 0,43 0,25 904,64 NuD D 904, 64.0,1248 2971, 03 (W/m2.K) dn 0, 038 - D 0, 0,9 3.1 0,9. D 0,9.2971, 03 2673,93 - qD (tD tD1 ) 2673,93.(70,3 62,1) 21926, 23 (W/m2) - qt qD 21926,23 W/m2 (xem nhiệt tải mát không đáng kể) - tD2 tD1 qt rt 62,1 21926, 23.5, 289.104 50,5 0C - PrD 3,51 (p.310,[1]) - NuN 0,021 l Re Pr 0,8 N - N 0,43 N Pr N PrD 0,25 4,9 0,021.1.10035, 45 4,9 3,51 0,8 0,43 0,25 71,85 Nu N N 71,85.0, 626 1405,57 (W/m2K) dtr 0, 032 - qN N (tD t N ) 1405,57.(50,5 35) 21786,34 (W/m2) GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -80- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Kiểm tra sai số: qD q N qD 100% 21926, 23 21786,34 21926, 23 100% 0, 64% 5% (thỏa điều kiện) Kết luận: t D1 = 62,1 0C t D 50,5 0C Xác định hệ số truyền nhiệt K 1 N rt 1 5, 289.104 1405,57 2673,93 619, 45 W/m2.K 7.1.3.2 Sắp xếp bề mặt truyền nhiệt Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Q 1,32.106.1000 F 25,15 m2 K tlog 3600.619,45.23,54 ' Để an toàn ta lấy dư bề mặt truyền nhiệt 20%: F = 25,15.120% = 30 m2 Chiều dài ống truyền nhiệt: L Kiểm tra: F 30 11 m d n dtr 0, 038 0, 032 25. n. 2 L 11 343,75 50 => 1 = 1: Thỏa mãn điều kiện dtr 0,032 Dựa vào tài liệu tham khảo (p.175, [10]), ta chọn: L = 12 (m) Ống bố trí theo kiểu hình vng, xếp thẳng hàng Bước ống: t = 0,048 (p.178, [10]) Đường kính thiết bị: D t 2.N N d 0,048 2.5 5.0,038 0,53 Suy ta chọn D = 600 mm (p.175, [10]) Dựa vào tài liệu tham khảo (p.175, [10]) ứng với đường kính D =600 mm, ta chọn bề dày tối thiểu vỏ TBNT kiểu TH: Smin = mm Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu Chọn thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu kiểu vỏ – ống loại TH (1-1) đặt nằm ngang Ống truyền nhiệt làm X18H10T, kích thước ống 38 3: GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -81- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử - Đường kính ngồi: d n = 38 mm = 0,038 m - Bề dày ống: t = mm = 0,003 m - Đường kính trong: d tr =32 mm = 0,032 m Hơi đốt nước at ống 38 x - Nhiệt hóa hơi: rN = 2117 kJ/kg) - Nhiệt độ sôi: t N = 151,1oC - Lượng cần dùng cho trình: Gh = 2781,50 (kg/h) - Nhiệt lượng cần dùng: Q = 5,8884.106 (kJ/h) - Suất lượng nhập liệu: GF = F.M = 200.99,15 = 19830 (kg/h) Dòng nhập liệu có nhiệt độ: - Trước vào thiết bị (lỏng): tL = 110 oC - Sau gia nhiệt ( lỏng hơi): t S = 136 oC 7.1.4.1 Xác định bề mặt truyền nhiệt Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Ftb = Qnt , (m2) K t log Trong đó: + K: Hệ số truyền nhiệt + tlog: Nhiệt độ trung bình logarit Hiệu số nhiệt độ trung bình Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: tlog (151,1 110) (151,1 136) 25,97 o C 151,1 110 ln 151,1 136 Xác định hệ số truyền nhiệt K Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức tường phẳng: GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -82- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử K N rt , W/m2.K S Với: - N : hệ số cấp nhiệt đốt (W/m2.K) - S : hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy (W/m2.K) - rt : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: qt tw1 tw , (W/m2) rt Trong đó:- tw1: nhiệt độ vách tiếp xúc với đốt (trong ống), oC - tw2: nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngòai ống), oC rt t r1 r2 , m2.K/W t Tra bảng XII.7, trang 313, [2]: Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: t = 16,3 (W/m.K) Tra Bảng 32, trang 30, [9]: Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1 = 1/5800 (m2.K/W) Nhiệt trở lớp cáu ống: r2 =1/5800 (m2.K/W) Nên: rt = 5,289 10-4 (m2.K/W) Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ngồi ống Áp dụng công thức (V.89), trang 26, [2]: r S 7, 77.10 h F L h 2 0,033 L F 0,333 Ff 0,75 q 0,7 Ff 0,45 CFf 0,117 Ts0,37 TS ts1 273 136 273 409 K Nhiệt độ sơi trung bình dòng sản phẩm ngồi ống: Tf = (ts1 + tL).0,5 = (136 + 110).0,5 = 123 oC GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -83- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử - Khối lượng riêng pha hơi: ρh = 3,97 (kg/m3) [7] - Khối lượng riêng sản phẩm nhập liệu L = 759,5 (kg/m3) - Độ nhớt hỗn hợp Ff = 0,2336.10-3 (N.s/m2) [7] - Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp: λFf = 0,1141 (W/m oC) [7] [7] - Sức căng bề mặt: F 0,01774 (N/m) [7] - Nhiệt dung riêng: CFf = 1068,29 (J/kg.oC) [7] - Nhiệt hóa rF 354,7 (kJ/kg) [7] Xác định hệ số cấp nhiệt đốt ống Áp dụng công thức (3.65), trang 120, [5]: N 0, 725 rN N2 g N3 N (t N tW ).dtr Dùng phép lặp: chọn tW = 150,05 (oC) Nhiệt độ trung bình màng chất ngưng tụ: tm (tnt tW ) 0,5.(151,1 150, 05) 150,575 0C Tại nhiệt độ thì: - Khối lượng riêng nước: N = 916,43 (kg/m3) - Độ nhớt nước: N = 0,1857.10-3 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt nước : N = 0,684 (W/m.độ) - Nhiệt ngưng tụ dòng hơi: r 2117.103 (J/kg) Ta tính : 2117.103.916,432.9,81.0,6843 N 0,725 22296,64 W / m2 K 3 0,1857.10 (151,1 150,05).0,032 qnt N (tnt tW ) 22296,94.(151,1 150,5) 23411,79 (W/m2) qt qnt 23411,79 (W/m2) (xem nhiệt tải mát không đáng kể) tW tW qt rt 150,05 23411,79.5, 289.104 137,67 o C r S 7,77 10 h W W h 2 GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA 0,033 W W -84- 0,333 W 0,75 q 0,7 W 0,45 CW 0,117 Ts0,37 SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử 3,97.354,7.103 7,77.10 759,5 2 0,033 759,5 0,01774 0,333 0,11410,75.23411,790,7 (0,2336.103 )0,45 1068,290,117.136 273 0,37 1605,63 W / m2 K qS S (tW tSf ) 1605,63.(137,67 123) 23554, 60W / m2 Kiểm tra sai số: qS qnt qS 23554, 60 23411, 79 100% 23554, 60 100% 0, 61% 5% Thỏa mãn điều kiện Kết luận: tW 145,8 0C tW 104,23 0C Xác định hệ số truyền nhiệt: K 1 rt N S 835, 73 W / m o C 1 5, 289.104 22296, 64 1605, 63 7.1.4.2 Sắp xếp bề mặt truyền nhiệt: Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Qnt 5,8884.106.1000 F 75,36 (m2) K tlog 3600.835,73.25,97 ' Để đảm bào an toàn ta chọn F dư 20% => F = 75,36.120% = 91 m2 Tra bảng V.II, trang 48, [2] Chọn n = 187 ống Sắp xếp ống theo hình sáu cạnh (kiều bàn cờ) Chiều dài ống truyền nhiệt: L F 91 4, (m) d n dtr 0, 032 0, 038 187. n 2 Dựa vào tài liệu tham khảo (p 175, [10]) => Chọn L = 4,5 m Số ống đường xuyên tâm: 15 ống Bước ống: t = 0,048 (p.178, [10]) Đường kính thiết bị: D = t.(b-1)+4.dn = 0,048.(15 - 1) + 4.0,038 = 0,824 m Suy ta chọn: D = 1000 mm (p.175, [10]) GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -85- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Dựa vào tài liệu tham khảo (p.175, [10]) ứng với đường kính D = 1000 mm, ta chọn bề dày tối thiểu vỏ TBTN kiểu TH: Smin = mm 7.2 Bơm Năng suất Nhiệt độ dòng nhập liệu t Fv 110 0C, nhiệt độ : - khối lượng riêng dòng nhập liệu F 785 (kg/m3) - Độ nhớt dòng nhập liệu : F 0,2591.10-3 (N.s/m2) Suất lượng thể tích dòng nhập liệu ống: - QF 25,26 (m3/h) Vậy: chọn bơm có suất QF 26 (m3/h) Cột áp Áp dụng phương trình Bernoulli : z1 P1 v2 P v2 H b z2 h f F g g F g g - z1 : độ cao mặt thoáng chất lỏng bồn chưa nguyên liệu so với mặt đất, chọn z1 = m - z2 : độ cao mâm nhập liệu so với mặt đất z2 = (TSchưng + tđĩa).Nchưng + Hđáy + Htrụ đỡ = (0,4752 + 5,08.10-3).20 + 0,49 + 1,5 = 11,6 m - P1 : áp suất mặt thoáng bồn chưa nguyên liệu, chọn P1 = (atm) - P2 : áp suất mặt mâm nhập liệu, P2 = 1,23 (atm) [7] - v1 , v2 : vận tốc mặt thoáng bồn chưa nguyên liệu mâm nhập liệu, xem v1 v2 m/s GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -86- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử - h f : tổng tổn thất ống từ bồn chứa đến mâm nhập liệu - H b : cột áp bơm 7.2.2.1 Tính tổng trở lực ống Chọn đường kính ống hút ống đẩy nhau: d tr = 80 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, [1] : độ nhám ống: = 0,2 mm = 0,0002 m (Ống dẫn dầu mỏ điều kiện sử dụng bình thường) Chiều cao hút bơm: tra bảng II.34, trang 441, [1] hh = (m) Tổng trở lực ống hút ống đẩy : lh ld vF2 h f ( h d ) dtr 2 g - lh : chiều dài ống hút, chọn lh = (m) - ld : chiều dài ống đẩy, chọn ld = 20 (m) - h : tổng tổn thất cục ống hút - d : tổng tổn thất cục ống đẩy - : hệ số ma sát ống hút ống đẩy - v F : vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy (m/s) vF QF 4.26 1, 44 m / s 3600 dtr 3600. 0,082 7.2.2.2 Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy Chuẩn số Reynolds : ReF vF dtr F 1, 4.0,08.785 339328, 44 4000 F 0, 2591.103 Chế độ chảy rối 8 Chuẩn số Reynolds giới hạn: Regh ( dtr ) 6. 0,08 5648,51 (p.378, [1]) 0,0002 GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -87- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 0, 08 Ren 220 ( ) 220 186097,34 0, 0002 dtd (p.379, [1]) Vì Regh Ren Re F chế độ chảy rối ứng với khu vực nhám Ta có : dtr 0, 08 400 => dựa vào bảng II.13 (p.379, [1]) ta có: 0, 0249 0, 0002 7.2.2.3 Xác định tổng tổn thất cục ống hút Hệ số trở lực vào ống hút: o1 0,5 Chỗ uốn cong: Tra bảng II.16, trang 382, [1] Chọn dạng ống uốn cong 900 có bán kính R với R/d = u1 A.B.C 1.0,15.1 = 0,15 (1 chỗ) Ống hút có chỗ uốn u1 0,3 Van: Tra bảng II.16, trang 382, [1] : Chọn van chiều với độ mở với độ mở lớn v1 1,5 (1 cái) Ống hút có van nên v1 1,5 Nên: h o1 u1 v1 0,5 0,3 1,5 2,3 7.2.2.4 Xác định tổng tổn thất cục ống đẩy Hệ số trở lực khỏi ống đẩy: o Chỗ uốn cong: Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Chọn dạng ống uốn cong 900 có bán kính R với R/d = u A.B.C 1.0,15.1 = 0,15 (1 chỗ) Ống đẩy có chỗ uốn nên u 0,15.6 0,9 Van: Tra bảng II.16, trang 382, [1] : Van chiều với độ mở lớn v 1,5 GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -88- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Van tiêu chuần với mở hồn tồn : v 4,1 Ống đẩy có van chiều van tiêu chuẩn v 1,5 4,1.2 9,7 Nên: d o u v 0,9 9,7 11,6 lh ld vF2 h f ( h d ) dtr 2 g 20 1, 442 0,0249 2,3 11,6 2, m 0,08 2.9,81 Tính cột áp bơm: Hb P2 P1 (1, 23 1).101325 ( z2 z1 ) h f (11,6 1) 2, 16 m g 785.9,81 Công suất Đối với bơm ly tâm có suất trung bình, chọn hiệu suất bơm: b 0,6 Công suất thực tế bơm: Nb Qb H b F g 26.16.785.9,81 1,5 k W 3600 b 3600.0, Kết luận: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có: - Năng suất: Qb = 26 (m3/h) - Cột áp: Hb = 16 (m) - Công suất: Nb = 1,5 (kW) GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -89- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử LỜI KẾT Trên tồn phần trình bày tính tốn tháp chưng cất Toluene – Xylene – Ethybenzene, ta thấy bên cạnh ưu điểm song nhiều nhược điểm cần phải khắc phụ để tăng suất tiết kiệm nhiên liệu Vấn đề tận dụng nhiệt quan trọng thiết kế song thời gian kinh nghiệm hạn chế đồ án em chưa có tận dụng nhiệt triệt để, phần khác nhiệt tận dụng thấp không tạo thuận lợi cho việc gia nhiệt nhập liệu tận dụng nhiệt chưa đủ để gia nhiệt tới lỏng phải tốn thêm thiết bị, đường ống… làm tăng chi phí phân xưởng Trải qua thời gian nghiên cứu làm việc với hướng dẫn tận tình Thầy Tạ Đăng Khoa với giúp đỡ Thầy Cô giáo môn, đồ án em hồn thành Đồ án gồm phần sau: - Tổng quan lý thuyết trình chung cất - Tính tốn cân vật chất lượng - Tính tốn thiết kế cơng nghệ tháp tách toluene (mâm lỗ) - Tính tốn kết cấu thiết bị - Tính tốn khí thiết bị phụ Việc thực đồ án giúp em có nhìn tồng quát mối quan hệ mặt lý thuyết thực hành thiết kế Tuy nhiên hạn chế thời gian kiến thức nên đồ án khơng tránh khỏi sai sót áp dụng thực tế, em mong nhận bảo Thầy Cô để đồ án em hoàn thiện Em xin cám ơn Thầy Đạ Đăng Khoa, Thầy Cơ mơn Q Trình & Thiết Bị tận tình hướng dẫn em để em có kiến thức quý báo thời gian qua GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -90- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tập thể tác giả, “Sổ Tay Quá Trình Và Thiết Bị Cơng Nghệ Hóa Chất – Tập 1” Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 1999, 447tr [2] Tập thể tác giả, “Sổ Tay Quá Trình Và Thiết Bị Cơng Nghệ Hóa Chất – Tập 2” Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 1999, 626tr [3] Nguyễn Hữu Tùng, “Kỹ Thuật Tách Hỗn Hợp Nhiểu Cấu Tử - Các nguyên lý ứng dụng”.Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2012, 400tr [4] Nguyễn Hữu Tùng, “Kỹ Thuật Tách Hỗn Hợp Nhiểu Cấu Tử - Tính tốn thiết kế” Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2012, 400tr [5] Phạm Văn Bơn, Vũ Bá Minh, Hồng Minh Nam, “Q Trình Và Thiết Bị Cơng Nghệ Hóa Học – T10 – Ví dụ Bài tập”, Nhà xuất Trường Đại Học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh, 468tr [6] Võ Ngọc Tươi, Hoàng Minh Nam, “Chưng cất hỗn hợp nhiều cấu tử” Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh, 2012, 215tr [7] Phần mềm mô Hysys, sản phẩm công ty Hyprotech-Canada thuộc công ty AEA Technologie Engineering Software - Hyprotech Ltd [8] Hồ Lê Viên, “Thiết kế Tính tốn thiết bị hóa chất”, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 1978, 286tr [9] Tập thể tác giả, “Bảng tra cứu Quá Trình Cơ Học – Truyền Nhiệt – Truyền Khối”, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh, 2004, 69tr [10] Phạm Văn Bơn – Nguyễn Đình Thọ, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 5: Q trình Thiết bị Truyền Nhiệt – Quyển Truyền nhiệt ổn định”, Nhà xuất Đại Học Quốc gia TpHCM, 2002, 372tr [11] Phạm Văn Bơn – Nguyễn Đình Thọ, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 5: Quá trình Thiết bị Truyền Nhiệt – Quyển Truyền nhiệt ổn định”, Nhà xuất Đại Học Quốc gia TpHCM, 2002, 372tr [12] Henry Z Kister, “Chemical Engineering: Distaillation Design”, Nhà xuất McGrow – Hill, 1992, 711tr GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -91- SVTH: PHẠM THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử PHỤ LỤC Bản vẽ sơ đồ quy trình cơng nghệ GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -92- SVTH: PHẠM THANH VŨ ... THANH VŨ ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sơi nhỏ) phần cấu tử có độ bay bé Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ... ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Vế bên phải công thức mô tả mối quan hệ với cấu tử khóa nhóm hạng thứ nhóm hạng thứ hai quan hệ với cấu tử nhẹ nhóm hạng thứ ba quan hệ cấu. .. cấu tử nhẹ nhóm hạng thứ ba quan hệ cấu tử nặng Nếu có cấu tử trung gian cấu tử trung gian nhẹ tính theo cấu tử nhẹ cấu tử trung gian nặng tính theo cấu tử nặng Cơng thức sử dụng tính tốn Rmin