đồ án chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước với tháp mâm

Hỗn hợp Acetone Nước có nồng độ Acetone 30% (theo phần mol) , nhiệt độ khoảng 30 0C tại bình chứa nguyên liệu () được bơm () bơm đến thiết bị tận dụng nhiệt sản phẩm đáy (). Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ () . Sau đó, hỗn hợp được đưa qua (thiết bị trao đổi nhiệt) () trước khi vào tháp chưng cất () ở đĩa nhập liệu. Tại đĩa nhập liệu, dòng nhập liệu trộn với lỏng từ phân đoạn cất chảy xuống đáy tháp. Bên trong tháp, hơi đi từ dưới lên và lỏng đi từ trên xuống, tại đây xảy ra quá Hỗn hợp Acetone Nước có nồng độ Acetone 30% (theo phần mol) , nhiệt độ khoảng 30 0C tại bình chứa nguyên liệu () được bơm () bơm đến thiết bị tận dụng nhiệt sản phẩm đáy (). Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ () . Sau đó, hỗn hợp được đưa qua (thiết bị trao đổi nhiệt) () trước khi vào tháp chưng cất () ở đĩa nhập liệu. Tại đĩa nhập liệu, dòng nhập liệu trộn với lỏng từ phân đoạn cất chảy xuống đáy tháp. Bên trong tháp, hơi đi từ dưới lên và lỏng đi từ trên xuống, tại đây xảy ra quá Hỗn hợp Acetone Nước có nồng độ Acetone 30% (theo phần mol) , nhiệt độ khoảng 30 0C tại bình chứa nguyên liệu () được bơm () bơm đến thiết bị tận dụng nhiệt sản phẩm đáy (). Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ () . Sau đó, hỗn hợp được đưa qua (thiết bị trao đổi nhiệt) () trước khi vào tháp chưng cất () ở đĩa nhập liệu. Tại đĩa nhập liệu, dòng nhập liệu trộn với lỏng từ phân đoạn cất chảy xuống đáy tháp. Bên trong tháp, hơi đi từ dưới lên và lỏng đi từ trên xuống, tại đây xảy ra quá

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu sơ : 1.1.1 Sơ lượt Acetone: Công thúc phân tử Acetone: CH3COCH3 Khối lượng phân tử: 58.079 dvC Đặc điểm: Acetone chất lỏng không màu, dễ bay hơi, dễ cháy, có mùi thơm dạng xeton đơn giản Khoảng 6.7 triệu sản xuất giới năm 2010, phần lớn sử dụng làm dung môi sản xuất methy methancrylate bisphenol A 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 1.1.2 Thông số vật lý nhiệt động Acetone : Khối lượng riêng: 0.7845 g/cm3 (25oC) Nhiệt độ nóng chảy: -94.7oC Nhiệt độ sơi: 56,05oC Nhiệt dung riêng Cp : 22 Kcal/mol (chuẩn 1020C) Độ nhớt  : 0.316 cp ( 250C) Nhiệt trị : 0.5176 cal/g ( 200C) Áp suất hơi: 30.6 kPa (25oC), 374 kPa (100oC) 1.1.3 Ứng dụng Acetone sử dụng lĩnh vực: dung mơi, hóa chất trung gian, phòng thí nghiệm, y tế mỹ phẩm, gia dụng lĩnh vực khác Trong dùng nhiều cho mục đích dung mơi cơng nghiệp: 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 Bên cạnh aetone ngun liệu tổng hợp thủy tinh hữu Từ acetone tổng hợp ceten, sumfonat holofom 1.1.4 Tính chất hố học : Acetone khó bị oxi hóa thuốc thử Fehlin, Tơluen, HNO3đđ, KMnO4… Chỉ bị oxi hóa hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, hỗn hợp Sulfochromic K2Cr2O7 + H2SO4… Bị gãy mạch cacbon CH3-CO-CH3  CH3-CO-CH2-OH  CH3-CO-CH=O  CH3COOH + HCOOH Phản ứng khử: CH3COCH3 + H2  CH3CHOH-CH3 1.1.5 An tồn Hỗn hợp khí chứa acetone từ 2.5% đến 12.8% gây nổ cháy lang bay đến nguồn cháy khác tiếp tục gây cháy Có tính độc cấp tính mãn tính uống hay hít vào 1.1.6 Điều chế : Phương pháp điều chế sử dụng trước đây: Chưng cất Acetate, ví dụ Calcium acetate phản ứng khử carboxyl Lên men Acetone-Ethanol với vi khuẩn Clostridium acetobutylicum Phương pháp điều chế thông dụng nay: Acetone sản xuất trực tiếp gián tiếp từ propylene Khoảng 83% sản xuất thơng qua q trình cumen hóa, sản xuất Acetone thường gắn với sản xuất Phenol Ngồi ra, số q trình sản xuất Acetone khác : Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan Lên men Carbonhydrate vi khuẩn đặc biệt Tổng hợp Acetone cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác: CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 327 0C) CH3COCH3 + H2 Xúc tác sử dụng đây: đồng hợp kim nó, oxit kim loại muối Ở nhiệt độ khoảng 325 oC, hiệu suất khoảng 97% Dòng khí nóng sau phản ứng gồm có: Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản ứng, H2 phần nhỏ sản phẩm phụ (như Propylene, diisopropyl eter…) Hỗn hợp làm lạnh khí khơng ngưng lọc nước Dung dịch lỏng đem chưng cất phân đoạn, thu Acetone đỉnh hỗn hợp nước, Isopropyl Alcol (ít) đáy 1.2 Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước: Ta có Acetone chất lỏng tan vơ hạn nước, bên cạnh nhiệt độ sơi Acetone (56.9oC 760 mmHg) Nước (100oC 760 mmHg) Với yêu cầu tách Acetone khỏi hỗn hợp Acetone-Nước ta có nhiều phương pháp để thực đặc, trích ly, hấp thụ, nhiên yêu cầu độ tinh khiết Acetone cao (99% mol), phương pháp đặc khơng thể thực Acetone nước bay nhau, phương pháp hấp thụ trích ly, ta cần đưa vào thêm pha để tách Acetone ra, q trình phức tạp tiêu tốn chi phí Với độ chênh lệch nhiệt độ sơi Acetone nước tương đối cách xa hỗn hợp chúng khơng có điểm đẳng phí, phương pháp để thu Acetone 99% mol chọn phương pháp chưng cất phân đoạn 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 1.2.1 Phương pháp thực hiện: 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 Ngồi có thiết bị hoạt động bán liên tục 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 1.2.2 Loại tháp chưng cất: Chưng cất cơng nghiệp sử dụng thông qua nhiều dạng thiết bị khác Tuy nhiên yêu cầu chung như: diện tích tiếp xúc pha lớn phụ thuộc phan tán pha cấu tử hỗn hợp, điều kiện làm việc thuận lợi nhiệt độ, áp suất, 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, 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 - Cấu tạo đơn giản Ưu điểm Tháp mâm xuyên lỗ - Trở lực tương đối thấp Tháp mâm chóp - Khá ổn định - Làm việc với chất - Năng suất lớn - Độ tinh khiết sản lỏng bẩn dùng đệm cầu phẩm đỉnh cao có    chất lỏng - Do có hiệu ứng thành  hiệu suất truyền khối thấp Nhược điểm Không làm việc - Có trở lực lớn với chất lỏng bẩn - Tiêu tốn nhiều vật - Độ ổn định khơng cao, khó - Kết cấu phức tạp tư, kết cấu phức vận hành tạp - Do có hiệu ứng thành  tăng suất hiệu ứng thành tăng  khó tăng suất Vậy: Đối với yêu cầu chưng cất hỗn hợp Acetone – Nước để thu sản phẩm đỉnh có nồng độ Acetone 99% phần mol tháp mâm chóp loại tháp phù hợp để chọn lựa 1.3 Sơ đồ qui trình cơng nghệ thuyết minh qui trình cơng nghệ: 1.3.1 Sơ đồ qui trình cơng nghệ (đính kèm) 1.3.2 Thuyết minh quy trình cơng nghệ Hỗn hợp Acetone- Nước có nồng độ Acetone 30% (theo phần mol) , nhiệt độ khoảng 30 0C bình chứa nguyên liệu () bơm () bơm đến thiết bị tận dụng nhiệt sản phẩm đáy () Ở đây, hỗn hợp đun sơi đến nhiệt độ () Sau đó, hỗn hợp đưa qua (thiết bị trao đổi nhiệt) () trước vào tháp chưng cất () đĩa nhập liệu Tại đĩa nhập liệu, dòng nhập liệu trộn với lỏng từ phân đoạn cất chảy xuống đáy tháp Bên tháp, từ lên lỏng từ xuống, xảy trình truyền khối Pha lỏng di chuyển tháp xuống nồng độ cấu tử dễ bay giảm bị pha hơi tạo từ nồi đun từ phía lên lơi Nhiệt độ tháp giảm dần từ xuống dưới, từ lên nhiệt độ giảm làm cho cấu tử khó bay nước ngưng tụ, cuối đỉnh tháp thu hộp hợp có nồng độ Acetone cao (có nồng độ 99% theo phần trăm mol) Hơi vào thiết bị ngưng tụ () ngưng tụ trạng thái lỏng sôi Một phần chất lỏng ngưng qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (), làm nguội đến 30 0C , đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh () Phần lại chất lỏng ngưng hồi lưu tháp đĩa với tỷ số hoàn lưu thích hợp Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi 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 2% theo phần mol, lại nước Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp, phần dược đun, bốc nồi đun () cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại làm nguội đến ( 0C) thiết bị tận dụng nhiệt đáy tháp () Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh Acetone, sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt với nhập liệu thải bỏ CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 2.1 Cân vật chất: 2.1.1 Các số liệu ban đầu: Năng suất nhập liệu: 150 Kmol/h Đại lượng Nồng độ sản phẩm đỉnh Nồng độ sản phẩm đáy Nồng độ nhập liệu Ký hiệu Phần mol xD 0,99 xW 0,02 xF 0,3 Thiết bị hoạt động liên tục 2.1.2 Xác đỉnh xuất lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy: Phương trình cân vật chất cho tồn tháp chưng: �F  D  W � �F �xF  D �xD  W �xW Ta có: Lưu lượng nhập liệu Lưu lượng sản phẩm đáy Lưu lượng sản phẩm đỉnh F kmol/h W kmol/h D kmol/h Ta có (1) (2) ta có hệ phương trình: �F  D  W � �F �x F  D �x D  W �x W 150  D  W � � 150 �0,3  D �0,99  W �0,02 � � �kmol � �D  43,3 � h � � � � � �kmol � � W  106, � � � �h � � 2.1.3 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 ): 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 2.2 Chỉ số hoàn lưu tối thiểu: Dòng nhập trạng thái lỏng sơi có nồng độ đỉnh yêu cầu 0.99 phần mol Để xác định Rmin ta xác định điểm x= 0.99 đường 45o sau vẽ tiếp tuyến với mặt cong đường cân Acetone – Nước, cắt trục tung Y  xD  0, 47 Rmin  Rmin = 1.107 2.3 Chỉ số hoàn lưu tối ưu: Theo Phương pháp thể tích tháp nhỏ ta có: V = S.H Với S – diện tích tiết diện ngang tháp; H – chiều cao tháp Mặt khác diện tích tiết diện tháp tỉ lệ vơi lượng hơi, lượng lại tỉ lệ với lượng hoàn lưu hay S tỉ lệ với R Chiều cao tháp tỉ lệ với số đĩa lý thuyết Nlt Vậy thể tích tháp tỉ lệ với giá trị Nlt.(R+1) Lần lượt cho giá trị R tìm thể tích tháp, ứng với giá trị nhỏ thể tích tháp R tỉ số hồn lưu tối ưu R Nlt (R+1)*Nl t 1.5 18.9 1.8 14.8 13.4 2.2 12.5 2.4 11.8 2.5 11.5 10.6 3.5 9.9 9.6 47.25 41.44 40.2 40 40.12 40.25 42.4 44.55 48 Biểu diễn đồ thị: R tối ưu 50 48 46 R tối ưu Polynomial (R tối ưu) Polynomial (R tối ưu) 44 42 40 38 36 1.5 2.5 3.5 4.5 Từ đồ thị ta xác chọn giá trị hồi lưu thích hợp R= 2.2 2.4 Phương trình đường làm việc: Phương trình đường cất: y R x 2, 0,99 x D  x  0, 688 x  0,309 R 1 R  2,  2,  Phương trình đường chưng: R f f 1 2,  3, 464 3, 464  x xW  x �0, 02 R 1 R 1 2,  2,  y  1, 77 x  0, 015 y Với f x D  x W 0,99  0, 02   3, 464 xF  xW 0,3  0, 02 2.5 Số đĩa lý thuyết: Nlt = 25 (đĩa) 2.6 Xác định số mâm thực tế: Có nhiều phương pháp xác định số mâm thực tháp, ngoại trừ ảnh hưởng thiết kế khí tháp ta xác định số mâm thực dựa vào hiệu suất trung bình: N tt  N lt ntb Trong đó: Nt – số đĩa thực tế, Nlt - số đĩa lý thuyết, ntb – hiệu suất trung bình thiết bị ntb  n1  n2  n3   nn n Trong ni - hiệu suất bậc thay đổi nồng độ, n - số vị trí tính hiệu suất ntb  nD  nF  nW Với nD, nW, nF- hiệu suất đĩa cùng, hiệu suất đĩa nhập liệu hiệu suất đĩa Ta có phương trình có liên quan: F 6.1.7 Qn 4433730560  K tlog 3600 �1560, 04 �29, = 26,67 (m2) Cấu tạo thiết bị: Chọn số ống truyền nhiệt: n = 37 (ống) Ống bố trí theo hình lục giác L Chiều dài ống truyền nhiệt: F  6, 37 d n  d tr n (m)  chọn L = (m) Tra bảng V.II, trang 48, [6]  Số ống đường chéo: b = (ống)  Bước ống: t = 48 (mm) = 0,048 (m)  Đường kính thiết bị: D = t×( b-1) + 4dn = 0,44 (m) 6.2 THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH : Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ống loại TH, đặt nằm ngang Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 38 x 2: Đường kính ngồi: dn = 38 (mm) = 0,038 (m) Bề dày ống: t = (mm) = 0,002 (m) Đường kính trong: dtr = 0,034 (m) Thơng số đầu vào thiết bị Nhiệt độ Vào Ra 6.2.1 Dòng sản phẩm 56.3 30 Dòng nước làm nguội 20 40 Hiệu số nhiệt độ trung bình : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: 6.2.2 = 12,89 (K) Hệ số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức: (W/m2.K) Với: n: hệ số cấp nhiệt dòng nước lạnh (W/m2.K) ngưng: hệ số cấp nhiệt dòng ngưng tụ (W/m2.K) rt: nhiệt trở qua thành ống lớp cáu 6.2.3 Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống : Nhiệt độ trung bình dòng nước ống: tf  tn1  tn 20  40   30 2 (oC) Tại nhiệt độ thì: Khối lượng riêng nước Độ nhớt nước Hệ số dẫn nhiệt nước  (kg/m3) (Pa.s) (W/mK) 995 0.0008005 Chuẩn số Prandtl Prn Prw2 0,618 5,42 4,86 Chọn vận tốc nước ống: = (m/s)  Số ống: n Gn 0, 4944 �  �  N  �dtr �vn 995  �0, 0342 �1 = 18,15 Tra bảng V.II, trang 48, [6]  chọn n = 37 (ống)  Vận tốc thực tế nước ống:  4Gn �0, 4944   n �n � �dtr 995 �37 � �0, 034 = 0,0148 (m/s) Chuẩn số Reynolds: Ren  �dtr 0,0148 �0, 034 �995  n 0,801�10 3 = 625,1 < 2000 : chế độ chảy dòng Áp dụng cơng thức (3.27), trang 110, [4],công thức xác định chuẩn số Nusselt: 0,25 Nun  0, 015 � l �Re 0,33 n 0,43 n �P r �Pr � �Gr �� n � �Prw � 0,1 L Trong đó: d > 50 Tra bảng 3.1, trang 110, [4]  chọn 1 = Nun �n dtr Hệ số cấp nhiệt nước ống trong: n = Chọn: tt1=35 oC Chuẩn số Gr: Gr  g �dt3 � � �t1 2 =4616692,512 Với hệ số giãn nở thể tích: = 0,00155  Nu1 = 11,81  1 = 214,72 (W/m2K)  q1 = n (tW2 – tf) = 1073,60 (W/m2) 6.2.4 Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh ngồi ống : Nhiệt độ trung bình dòng nước ống: = 43,15 (oC) Tại nhiệt độ thì: Khối lượng riêng  Độ nhớt  Hệ số dẫn nhiệt nước  (kg/m3) 764,22 (Pa.s) 0.0006207 (W/mK) 0,165 Đường kính thiết bị: Dtr = t× (b-1) + 4×dh = 0,34 (m) t: bước ống, chọn t = 1,5×dh = 0,051 b = 2a-1 = a = ( số ống cạnh lục giác cùng) Tiết diện ngang khoảng ống = 0,0572 (m2)  Vận tốc thực tế dòng sản phẩm đỉnh ống: = 0,0159 (m/s) Chuẩn số Reynolds : = 1791,38 < 2000 : chế độ chảy dòng Đường kính tương đương khoảng ngồi ống: Chuẩn số Prandtl Prn Prw2 3,92 3,78 (m) Áp dụng công thức (3.27), trang 110, [4],công thức xác định chuẩn số Nusselt: 0,25 Nun  0, 015 � l �Re 0,33 n 0,43 n �Pr �Pr � �Gr �� n � �Prw � 0,1 L Trong đó: d > 50 Tra bảng 3.1, trang 110, [4]  chọn 1 = Nun �n dtr Hệ số cấp nhiệt nước ống trong: n = Chọn: tt1=35 oC Chuẩn số Gr: Gr  g �d t3 � � �t1 2 = 123820079,5 Với hệ số giãn nở thể tích: = 0,00155  Nu2 = 20,45  2 = 74,04 (W/m2K)  q2 = n (tW2 – tf) = 1036,60 (W/m2) Kiểm tra sai số:  = 100% = 3,44% < 5% (thỏa) Kết luận: ttt1 = 35 oC ttt2 = 28,89 oC Xác định hệ số truyền nhiệt: = 55,06 (W/m2K) 6.2.5 Bề mặt truyền nhiệt: Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: F 6.2.6 Qnt 41351, 74  K �tlog 55, 06 �12,89 = 58,24 (m2) Cấu tạo thiết bị: Số ống truyền nhiệt: n = 127 (ống) Ống bố trí theo hình lục giác L Chiều dài ống truyền nhiệt: F  7, 01 d n  dtr n (m)  chọn L = (m) Số ống đường chéo: b = 13 (ống) Tra bảng trang 21, [3]  Bước ống: t = 48 (mm) = 0,048 (m)  Đường kính thiết bị: D = t×(b-1) + 4×dn = 0,44 (m) 6.3 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH : Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ống loại TH, đặt nằm ngang Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 38 x 2: Đường kính ngồi: dn = 38 (mm) = 0,038 (m) Bề dày ống: t = (mm) = 0,002 (m) Đường kính trong: dtr = 0,034 (m) Thơng số đầu vào thiết bị Nhiệt độ Vào Ra Dòng sản phẩm 56.3 56.3 Dòng nước làm nguội 30 40 6.3.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: = 35(K) 6.3.2 Hệ số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: (W/m2.K) Với: n: hệ số cấp nhiệt dòng nước lạnh (W/m2.K) ngưng: hệ số cấp nhiệt dòng ngưng tụ (W/m2.K) rt: nhiệt trở qua thành ống lớp cáu 6.3.3 Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống : Nhiệt độ trung bình dòng nước ống: = 35 (oC) Tại nhiệt độ thì: Khối lượng riêng nước Độ nhớt nước Hệ số dẫn nhiệt nước  (kg/m3) (Pa.s) (W/mK) 994 0.0007305 0.626 Chuẩn số Prandtl Prn Prw2 4.865 4.3 Chọn vận tốc nước ống: = (m/s)  Số ống: n Gn 1170579, 49 �  �  31, 02  N  �dtr �vn 994  �0, 034 �1 Tra bảng V.II, trang 48, [6]  chọn n = 127 (ống)  Vận tốc thực tế nước ống: = 0,244 (m/s) Chuẩn số Reynolds : Re n  �dtr 0, 244 �0, 034 �994  n 0,731�103 = 11298,60 > 104 : chế độ chảy rối Áp dụng công thức (3.27), trang 110, [4],công thức xác định chuẩn số Nusselt: 0,25 Nun  0, 021� l �Re �Pr 0,8 n 0,43 n �Pr � �� n � �Prw2 � L Trong đó: d > 50 Tra bảng 3.1, trang 110, [4]  chọn 1 = Nun �n dtr Hệ số cấp nhiệt nước ống trong: n = 6.3.4 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu : (W/m2) Trong đó: tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với ngưng tụ, oC tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước lạnh, oC Bề dày thành ống: t = 0,002 (m) Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: t = 16,3 (W/mK) Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1 = 1/5000 (m2.K/W) Nhiệt trở lớp cáu ống: r2 =1/5800 (m2.K/W) Nên: rt = 4,675.10-4 (m2.K/W) 6.3.5 Xác định hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ống : Điều kiện: Ngưng tụ bão hòa Khơng chứa khơng khí khơng ngưng Hơi ngưng tụ mặt ống Màng chất ngưng tụ chảy tầng Ống nằm ngang Áp dụng công thức (3.65), trang 120, [4] Đối với ống đơn nằm ngang thì: 1  0, 725 r � �g �  �(t n -t W1 ) �d n Tra bảng V.II, trang 48, [6] : Với số ống n = 127 số ống đường chéo hình cạnh là: b = 13 Tra hình V.20, trang 30, [6]  hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống số ống dãy thẳng đứng tb = 0,58 (vì xếp xen kẽ số ống dãy thẳng đứng 13 )  Hệ số cấp nhiệt trung bình chùm ống: ngưng = tb×1 = 0,58×1 Dùng phép lặp: chọn tW1 = 47.5 (oC) Nhiệt độ trung bình màng chất ngưng tụ: tm  tn  tW 56,3  47,5  2 = 51,9 (oC) Tại nhiệt độ thì: Khối lượng riêng  Độ nhớt  Hệ số dẫn nhiệt nước  (kg/m3) 749,1 (Pa.s) 0,0002 (W/mK) 0,165 Nhiệt ngưng tụ r (J/kg) 528011,1 Nên: 1 = 2930,01 (W/m2K)  ngưng = 1700 (W/m2K)  qngưng = ngưng (tngưng – tW1) = 10366,37 (W/m2) Xét: qt = qngưng (xem nhiệt tải mát không đáng kể)  tw2 = tw1 - qtrt = 42,65 (oC)  Prw2 = 4,31  Nun = 74,69  n = 1375,09 (W/m2K)  qn = n (tW2 – tf) = 10524,18 (W/m2) Kiểm tra sai số:  = 100% = 1,5% < 5% (thỏa) Kết luận: tw1 = 47,5 oC tw2 = 42,65 oC Xác định hệ số truyền nhiệt: K 1  4, 675.104  1700 1375, 09 = 560,79 (W/m2K) 6.3.6 Bề mặt truyền nhiệt: Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: F Qnt 1170579, 49   94, 21 K tlog 594, 42 �20,90 (m2) 6.3.7 Cấu tạo thiết bị: Số ống truyền nhiệt: n = 127 (ống) Ống bố trí theo hình lục giác Chiều dài ống truyền nhiệt: L = = 7,1 (m)  chọn L = (m) Số ống đường chéo: b = 13 (ống) Tra bảng trang 21, [3]  Bước ống: t = 48 (mm) = 0,048 (m)  Đường kính thiết bị: D = t×(b-1) + 4×dn = 0,728 (m) 6.4 THIẾT BỊ ĐUN SƠI DỊNG NHẬP LIỆU : Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ống loại TH, đặt nằm ngang Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 38 x 2: Đường kính ngồi: dn = 38 (mm) = 0,038 (m) Bề dày ống: t = (mm) = 0,002 (m) Đường kính trong: dtr = 0,034 (m) Thông số đầu vào thiết bị Nhiệt độ Dòng nước Dòng nhập liệu Vào Ra 6.4.1 121 121 30 61 Hiệu số nhiệt độ trung bình : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: tlog  6.4.2 (121  30)  (121  61) 121  30 ln 121  61 = 74,43 (K) Hệ số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: (W/m2.K) Với: n: hệ số cấp nhiệt dòng nước lạnh (W/m2.K) ngưng: hệ số cấp nhiệt dòng ngưng tụ (W/m2.K) rt: nhiệt trở qua thành ống lớp cáu 6.4.3 Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống : Nhiệt độ trung bình dòng nước ống: = 45,5 (oC) Tại nhiệt độ thì: Khối lượng riêng  Độ nhớt  Hệ số dẫn nhiệt nước  (kg/m3) 846,74 (Pa.s) 0,000534 (W/mK) 0,458 Chuẩn số Prandtl Prn Prw2 3,76 3,50 Chọn vận tốc nước ống: = (m/s)  Số ống: n Gn 4500 �  �  4,183  N  �dtr �vn 3600 �846,74  �0, 0342 �1 Tra bảng V.II, trang 48, [6]  chọn n = (ống)  Vận tốc thực tế nước ống:  4Gn �1, 25   0, 23 3600  n n d tr 846, 74 �7 � �0, 0342 (m/s) Chuẩn số Reynolds: Re n  vn.dtr 0, 22 �0,034 �846,74   12523, 61 n 0,534 �103 > 104 : chế độ chảy rối Áp dụng công thức (3.27), trang 110, [4], công thức xác định chuẩn số Nusselt: 0,25 Nun  0, 021� l �Re �Pr 0,8 n 0,43 n �Pr � �� n � �Prw2 � L Trong đó: d > 50 Tra bảng 3.1, trang 110, [4]  chọn 1 = Nun �n dtr Hệ số cấp nhiệt nước ống trong: n = 3.1 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu : (W/m2) Trong đó: tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với ngưng tụ, oC tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước lạnh, oC Bề dày thành ống: t = 0,002 (m) Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: t = 16,3 (W/mK) Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1 = 1/5000 (m2.K/W) Nhiệt trở lớp cáu ống: r2 =1/5800 (m2.K/W) Nên: rt = 4,675.10-4 (m2.K/W) 6.4.4 Xác định hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ống : Điều kiện: Ngưng tụ bão hòa Khơng chứa khơng khí khơng ngưng Hơi ngưng tụ mặt ống Màng chất ngưng tụ chảy tầng Ống nằm ngang Áp dụng công thức (3.65), trang 120, [4] Đối với ống đơn nằm ngang thì: r � �g � 1  1, 28  �(t n -t W1 ) �d n Tra hình V.20, trang 30, [6]  hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống số ống dãy thẳng đứng tb = 0,7 (vì xếp xen kẽ số ống dãy thẳng đứng 7)  Hệ số cấp nhiệt trung bình chùm ống: ngưng = tb×1 = 0,7×1 Dùng phép lặp: chọn tW1 = 116,5 (oC) Nhiệt độ trung bình màng chất ngưng tụ: = 118,75 (oC) Tại nhiệt độ thì: Khối lượng riêng nước (kg/m3) 951 Độ nhớt nước Hệ số dẫn nhiệt nước  (Pa.s) 0,00025 (W/mK) Nhiệt ngưng tụ r (J/kg) 0,685 2229463,6 Nên: 1 = 14517,29 (W/m2K)  ngưng = 10162,10 (W/m2K)  qngưng = ngưng (tngưng – tW1) = 45729,45 (W/m2) Xét: qt = qngưng (xem nhiệt tải mát không đáng kể)  tw2 = tw1 - qtrt = 95 (oC)  Nun = 71,68  n = 965,57 (W/m2K)  qn = n (tW2 – tf) = 47911,87 (W/m2) Kiểm tra sai số:  = 100% = 4,77% < 5% (thỏa) Kết luận: tw1 = 116,5 oC tw2 = 95 oC Xác định hệ số truyền nhiệt : = 607,16 (W/m2K) 6.4.5 Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: F 6.4.6 Q 224936,5  K tlog 607,16 �74, 43 = 4,98 (m2) Cấu tạo thiết bị : Chiều dài ống truyền nhiệt: L = = 2,31 (m)  chọn L = (m) Kiểm tra: = 375 > 50  l = 1: thỏa Kết luận: Thiết bị đun sơi dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 12 (m), chia thành dãy, dãy 3m 6.5 BƠM : 6.5.1 Năng suất: Nhiệt độ dòng nhập liệu tF = 30oC Tại nhiệt độ thì: Khối lượng riêng nước: N = 995 (kg/m3) Khối lượng riêng axetone: A = 779,5 (kg/m3) x  xF 0,3 0,  F    A 779,5 995   = 857,5 (kg/m3) Nên:  F  N F Độ nhớt nước: N = 0,801.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt axetone: A = 0,393.10-3 (N.s/m2) Nên: lgF = xFlgN + (1 – xF)lgA = 0,3.lg(0,801.10-3) + 0,7.lg(0,393.10-3)  F = 0,487.10-3 (N.s/m2) Suất lượng thể tích dòng nhập liệu ống: QF  GF 4500   5, 25  F 857,5 (m3/h) Vậy: chọn bơm có suất Qb = (m3/h) 6.5.2 Cột áp: Chọn : Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng trước vào tháp Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): 2 P1 P2 v1 v2 z1 +  F g + 2.g + Hb = z2 +  F g + 2.g +hf1-2 Trong đó: z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = (m) z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 3,2 (m) P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at P2 : áp suất mặt thoáng (2-2), chọn P2 = 1,089 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 2.1 Tính tổng trở lực ống: Chọn đường kính ống hút ống đẩy nhau: dtr = 50 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, [5]  Độ nhám ống:  = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mòn ít) Tổng trở lực ống hút ống đẩy  lh  lñ  vF     h   ñ  d tr  2g hf1-2 =  Trong đó: lh : chiều dài ống hút Chiều cao hút bơm: Tra bảng II.34, trang 441, [5]  hh = (m)  Chọn lh = (m) lđ : chiều dài ống đẩy, chọn lđ = 15 (m) h : tổng tổn thất cục ống hút đ : tổng tổn thất cục ống đẩy  : hệ số ma sát ống hút ống đẩy vF : vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy (m/s) vF  4Qb �4500   0, 743 3600 dtr 3600 � �0,052 (m/s) Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy : Chuẩn số Reynolds : Re F  vF dtr  F 0, 743 �0, 05 �857,5   65486,1 F 0, 487.10 3 Vì 10000 < ReF  chế độ chảy rối Áp dụng (II.59), trang 378, [5]:   1  2  3  0, 021  0, 029  0, 030  0, 080 Xác định tổng tổn thất cục ống hút : Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = u1 (1 chỗ) = 0,15 Ống hút có chỗ uốn  u1 = 0,15 = 0,3 Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở hồn tồn v1 (1 cái) = 10 Ống hút có van cầu  v1 = 10 Nên: h = u1 + v1 = 10,3 Xác định tổng tổn thất cục ống đẩy : Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = u2 (1 chỗ) = 0,15 Ống đẩy có chỗ uốn  u2 = 0,15 = 0,6 Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở hồn tồn v2 (1 cái) = 10 Ống đẩy có van cầu  v2 = 10 Nên: đ = u1 + v1 + cv = 11,6 8   0,0707  10,3  11,6   0,032 0,05  9,81 =7,862.10  (m)  (mm) Vậy: hf1-2 =  2.2 Tính cột áp bơm: Hb = (z2 – z1) + hf1-2 = (10 – 1) +7,862.10 6.5.3 Công suất: Chọn hiệu suất bơm: b = 0,8 3 = 9,007862 (m) Qb H b  F g 0,5 9,007862 1000,42 9,81  3600 0,8 Công suất thực tế bơm: Nb = 3600. b = 15,348 (W) = 0,0206 (Hp) Kết luận: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có: - Năng suất: Qb = 0,5 (m3/h) - Cột áp: Hb = 9,007862 (m) - Công suất: Nb = 0,0206 (Hp) ... phẩm Acetone – với yêu cầu có độ tinh khiết cao sử dụng , cộng với hỗn hợp Acetone – Nước hỗn hợp khơng có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục hiệu 1.2.2 Loại tháp chưng cất: Chưng. .. khó tăng suất Vậy: Đối với yêu cầu chưng cất hỗn hợp Acetone – Nước để thu sản phẩm đỉnh có nồng độ Acetone 99% phần mol tháp mâm chóp loại tháp phù hợp để chọn lựa 1.3 Sơ đồ qui trình cơng nghệ... 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