HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG CẤT LÀM VIỆC LIÊN TỤC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG ĐỂ PHÂN TÁCH HỖN HỢP ACETONE-NƯỚC

Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc o0o ĐỒ ÁN Mơn học: QT Thiết bị cơng nghệ hóa học Mã số: Họ tên sinh viên: LÝ BẢO NGÂN Lớp: HC08DK MSSV: 60801340 Ngành: Kỹ thuật dầu khí Đầu đề đồ án: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG CẤT LÀM VIỆC LIÊN TỤC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG ĐỂ PHÂN TÁCH HỖN HỢP ACETONE-NƯỚC NĂNG SUẤT THEO SẢN PHẨM ĐỈNH 1500Kg/h Nhiệm vụ (nộ dung yêu cầu số liệu ban đầu):  Nồng độ cấu tử dễ bay nguyên liệu đầu: 30%  Nồng độ cấu tử dễ bay sản phẩm đỉnh: 95%  Nồng độ cấu tử dễ bay sản phẩm đáy: 1%  Áp suất đốt 2at, tháp chưng cất loại đĩa lỗ Nội dung phần thuyết minh tính tốn:  Mở đầu  Chọn thuyết minh dây chuyền công nghệ  Tính tốn cân vật chất lượng  Tính cơng nghệ thiết bị  Tính kết cấu thiết bị  Tính chọn thiết bị phụ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO  Kết luận  Tài liệu tham khảo TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  Phụ lục TP.HCM Trang Khoa: Kỹ thuật hóa học Bộ mơn: Q trình Thiết bị Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng Các vẽ đồ thị (loại kích thước vẽ): vẽ thiết bị (A1) vẽ qui trình cơng nghệ (A1) Ngày giao đồ án: 12/9/2011 Ngày hoàn thành đồ án: 26/12/2011 Ngày bảo vệ hay chấm:2-7/1/2012 Chủ nhiệm mơn Ngày 12 tháng năm 2011 (kí ghi rõ họ tên) Người hướng dẫn (kí ghi rõ họ tên) TS.Lê Thị Kim Phụng Trang Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển vượt bậc công nghiệp giới nước nhà, ngành cơng nghiệp cần nhiều hố chất có độ tinh khiết cao Q trình đáp ứng phần độ tinh khiết theo yêu cầu chưng cất: trình tách cấu tử hỗn hợp lỏng – lỏng, hay hỗn hợp lỏng – khí thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác chúng Vì thế, đề tài  Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton – Nước  mơn  Đồ An Mơn Học Q Trình Thiết Bị  bước giúp cho sinh viên tập luyện chuẩn bị cho việc thiết kế trình & thiết bị cơng nghệ lĩnh vực ny Nhiệm vụ thiết kế: tính tốn hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử : acetone – nước với số liệu sau đây: Năng suất sản phẩm đỉnh : 1500 Kg/h Nồng độ sản phẩm đỉnh : 95% theo khối lượng Nồng độ nhập liệu : 30% Nồng độ sản phẩm đáy: 1% Áp suất làm việc : áp suất thường Để hoàn thành đồ án , thực em cố gắng nhiều Song , bước đầu làm quen với công tác thiết kế nên hẳn khơng tránh khỏi sai sót Cuối , em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn Máy – Thiết Bị , đặc biệt Cô Lê Thị Kim Phụng , người trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ em nhiều suốt thời gian thực đồ án thiết kế Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Giới thiệu sơ : .3 Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước : .5 Sơ đồ qui trình cơng nghệ thuyết minh qui trình cơng nghệ: CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT Cân vật chất Xác định số hồi lưu: 11 Phương trình đường làm việc : .13 Xác định số mâm lý thuyết số mâm thực tế : .14 CHƯƠNG 3: 18 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG .18 Cân nhiệt lượng tháp chưng cất .18 Cân lượng thiết bị truyền nhiệt: 20 CHƯƠNG 4: 23 TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH .23 Đường kính tháp (Dt): 23 1.1 1.1.1 Lượng trung bình tháp : 23 1.1.2 Tốc độ trung bình tháp : 24 1.2 Đường kính đoạn cất : .23 Đường kính đoạn chưng : 26 1.2.1 Lượng trung bình tháp : 26 1.2.2 Tốc độ trung bình tháp : 27 Chiều cao tháp: .28 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng Trở lực tháp: 29 3.1 Cấu tạo mâm lỗ: 29 3.2 Trở lực đĩa khô: 29 3.3 Trở lực sức căng bề mặt: 30 3.4 Trở lực thủy tĩnh chất lỏng đĩa tạo ra: 30 3.5 Tổng trở lực thuỷ lực tháp: 32 3.6 Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động: .32 3.7 Kiểm tra tính đồng hoạt động mâm 34 Tính tốn khí tháp: 34 4.1 Bề dày thân tháp : .34 4.2 Bề dày đáy nắp thiết bị : .36 4.3 Bể dày mâm : 37 4.4 Bích ghép thân, đáy nắp : .39 4.5 Đường kính ống dẫn – Bích ghép ống dẫn : 40 4.6 Chân đỡ: 45 CHƯƠNG 5: 47 CÁC THIẾT BỊ PHỤ .47 CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT: 47 1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: .47 1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: 51 1.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy: .57 1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy: 60 1.5 Thiết gia nhiệt nhập liệu : 65 Bồn cao vị: .70 Bơm 74 Tính bảo ơn thiết bị: .77 LỜI KẾT 79 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Giới thiệu sơ : 1.1 Khái niệm: Acetone có cơng thức phân tử : CH 3COCH3 Khối lượng phân tử 58.079 đvC Là chất lỏng không màu, dễ lưu động dễ cháy, với cách êm dịu có mùi thơm Nó hòa tan vô hạn nước số hợp chất hữu : eter, metanol, etanol, diacetone alcohol… 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 1.2 Ứng dụng : Acetone ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su … Nó hồ tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng Acetone nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu Từ Acetone tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), holofom Một số thông số vật lý nhiệt động Acetone :  Nhiệt độ nóng chảy : -94.6 0C ;  Nhiệt độ sôi : 56.9 0C ;  Tỷ trọng : ;  Nhiệt dung riêng Cp : 22 Kcal/mol (chuẩn 102 0C)  Độ nhớt  : 0.316 cp ( 250C) Chưng cất hệ Acetone – Nước  Nhiệt trị GVHD: Lê Thị Kim Phụng 0.5176 cal/g ( 200C) : 1.3 Tính chất hố học : Cộng hợp với natri bisunfit: OH CH3COCH3+H2O  CH3 - C - SO3Na (1-metyl-1-hydroxi etan sunfonát natri ) CH3 Cộng hợp axit HCN: OH CH3CO + HCN  CH3-C-CN CH3 ( pH= 4-8 ) Phản ứng ngưng tụ : OH O CH3-CO-CH3+HCH2C=O  CH3-C-CH3-C-CH3 (4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon) CH3 CH3 Acetone khó bị oxi hóa thuốc thử Pheling, Tơluen, HNO 3đđ, KMnO4… Chỉ bị oxi hóa hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfơcrơmic K2Cr2O7 + H2SO4… Bị gãy mạch cacbon CH3-C-CH  CH3-C-CH2-OH  CH3-C-CH=O  CH3COOH + HCOOH O O O Phản ứng khử hoá : CH3COCH3 + H2  CH3CHOH-CH3 1.4 Điều chế : Oxy hóa rượu bậc hai: CH3CHOH-CH3  CH3COCH3 + H2O Theo phương pháp Piria : nhiệt phân muối canxi axit cacboxylic: (CH3COO)2Ca  CH3COCH3 + CaCO3 Từ dẫn xuất magiê : O O CH3-C-Cl + CH3-MgBr  CH3-C-CH3 + Mg-Br Cl Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng Trong thời kỳ chiến tranh giới lần thứ nhất, nhu cầu nguồn Acetone lớn, tong có giới hạn việc thu dược Acetone từ chưng cất gỗ, nên để bổ sung nguồn Acetone Hoa Kỳ áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH 3COO)2 – thu cách lên men rượu có mặt xúc tác vi khuẩn để chuyển carbohydrate thành Acetone Butyl Alcohol.Công nghệ ứng dụng chủ yếu suốt chiến tranh giới lần thứ năm 20 Tuy nhiên, đến năm 20 công nghệ thay công nghệ có hiệu (chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuất Acetone Hoa Kỳ) : Dehydro Isopropyl Alcol Ngồi ra, số qúa trình sản xuất Acetone khác : - Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol Acetone - Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan - Lên men Carbo hydrate vi khuẩn đặc biệt - Cơng ty Shell sử dụng sản phẩm phụ Tổng hợp Acetone cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác:  CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 3270C ) CH3COCH3 + H2  Xúc tác sử dụng : đồng hợp kim nó, oxit kim loại muối  Ở nhiệt độ khoảng 325 0C , 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 ( 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 ( ) đáy Cơng nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước : Ta có Acetone chất lỏng tan vô hạn nước nhiệt độ sôi Acetone ( 56.9 0C 760 mmHg) Nước ( 100 0C 760 mmHg) : cách xa nên phương pháp hiệu để thu Acetone tinh khiết Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp Trong trường hợp ta sử dụng phương pháp cô đặc cấu tử có khả bay hơi, khơng sử dụng phương pháp trích ly hấp thụ phải đưa vào pha để tách chúng, làm cho q trình phức tạp hơn, hay q trìng tách khơng hồn tồn 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 2.1 Phương pháp thực : Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ): + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Khi 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 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 khơng có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục hiệu 2.2 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 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng  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… Tháp mâm xun 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 Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Cấu tạo đơn giản Ưu điểm - Trở lực tương đối - Khá ổn định thấp - Trở lực thấp - Hiệu suất cao - Làm việc với chất - Hiệu suất cao lỏng bẩn dùng đệm cầu có    chất lỏng Nhược điểm - Do có hiệu ứng thành  - Khơng làm việc - Có trở lực lớn với chất lỏng bẩn hiệu suất truyền khối thấp - Tiêu tốn nhiều vật - Độ ổn định khơng cao, khó - Kết cấu phức tạp tư, kết cấu phức tạp vận hành - Do có hiệu ứng thành  tăng suất hiệu ứng thành tăng  khó tăng suất - Thiết bị nặng nề Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Aceton – Nước Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng  Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: Vận tốc dòng nhập liệu ống trong: vF  F 4875,46  3600. F  d tr 3600.894,604  0,0322 = 1,882 (m/s) Chuẩn số Reynolds : Re F  v F d tr  F 1,882 0,032.894,604  129511,133 F 0,416.10  > 104 : chế độ chảy rối Công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Nu F 0,021. l Re F ,8 PrF , 43 ( PrF 0, 25 ) Prw2 Trong đó: + l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re W tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReW= 129511,133 ,chọn l =1 + PrF : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 63,15oC, nên c F  F PrF =  F = 3,468 Suy ra: Nu F  601,615 , 25 Prw Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: Nu F  F 601,615.0,435 8178,206   , 25 , 25 d tr Pr , 032 Prw w F = Nhiệt tải phía dòng nhập liệu: q F  F ( t w  t tbF )  86139,209 (t w  63,15) 0, 25 Prw (W/m2) (IV.24) Với tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ)  Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: Chưng cất hệ Acetone – Nước qt  GVHD: Lê Thị Kim Phụng t w1  t w rt , (W/m2) Trong đó: + tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (ngoài ống nhỏ) + rt  t  r1  r2 t Bề dày thành ống: t = 3(mm) Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: t = 17,5 (W/moK) Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.oK/W) Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W) Suy ra: rt = 1/1750 (m2.oK/W) Vậy: qt = 1750.(tw1-tw2) (IV.25)  Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống ngồi: Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,051- 0,038 = 0,013 (m) Hệ số cấp nhiệt nước xác định theo công thức:  rN 0,725 A.  (t sN  t w1 ).d td N =    , 25   2173.1000  0,725 A.  (119 ,6  t w1 ).0,013  , 25 82,436 A , 25 = (119 ,6  t w1 ) Với: + A : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ, tra tài liệu tham khảo [2] Nhiệt tải phía nước: q N  N ( t sN  t w1 ) 82,436 A.(119 ,6  t w1 ) 0, (W/m2) (IV.26)  Chọn: tw1 = 112,3oC : 119 ,6  112 ,3 Khi đó, nhiệt độ trung bình = 115,95oC ta tra A=186,18 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng Từ (IV.26): qN = 82,436.186,18.(119,6 – 112,3)0,75 = 68161,05 (W/m2) Xem nhiệt tải mát không đáng kể: qt = qW =68161,05 (W/m2) qt Từ (IV.25), ta có: tw2 = tw1- 1750 =73,35oC t w1  t w 112 ,3  73,35 92,825 o 2 Suy ra: ttbw = = C Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình ttbw = 92,825 oC: + Nhiệt dung riêng: cR = 3433,128 (J/kg.độ) + Độ nhớt động lực: R = 0,291.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: R = 0,440 (W/moK) c R  R 3433,128.0,29110    0,440 R Khi đó: Prw2 = = 2,27 8178,206 ( 73,35  63,15) 67964,715 , 25 , 27 Từ (IV.24): qF = (W/m2) Kiểm tra sai số: qN  q F qN =  68161,05  67964,715 68161,05 =0,288% < 5%: thoả Vậy: tw1 = 112,3oC tw2 = 73,35oC Khi đó: N  F  82,436* 186,1775 9337,130 (119 ,6  112 ,3) , 25 (W/m2.oC) 8178,206 6662,665 2,27 0, 25 (W/m2.oC) K Từ (IV.23): 1206,829 1   6662,665 1750 9337,130 (W/m2.oC) Chưng cất hệ Acetone – Nước 10.11.2 GVHD: Lê Thị Kim Phụng Xác định bề mặt truyền nhiệt: Từ (IV.22), bề mặt truyền nhiệt trung bình: 50,599.1000 Ftb  1206,829.56,293 = 0,745 (m2) Suy chiều dài ống truyền nhiệt :  L 0,745 5,33 0,051  0,038  (m) Chọn: L = 6(m),(dự trữ khoảng 15%) L   50 d , 032 tr Kiểm tra: l = 1: thoả Vậy: thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 6(m), chia thành dãy, dãy dài (m) 11 Bồn cao vị: 11.1 Tổn thất đường ống dẫn: Chọn ống dẫn có đường kính dtr = 100 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, [1]  Độ nhám ống:  = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mòn ít) Tổn thất đường ống dẫn:  l1  vF h1    1   d1  2g (m) Trong đó:  1 : hệ số ma sát đường ống  l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 30(m)  d1 : đường kính ống dẫn, d1 = dtr = 0,1(m)  1 : tổng hệ số tổn thất cục  vF : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng 11.1.1Xác định vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn : Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra nhiệt độ trung bình: t FV  t FS tF = = 47,65(oC) Tại nhiệt độ thì:  Khối lượng riêng nước: N = 988,558(kg/m3)  Khối lượng riêng acetone: A = 759,585 (kg/m3) x  xF 0,3 0,7  F    N 759,585 988,558   = 906,573 (kg/m3) Nên:  F  A F  Độ nhớt nước: N = 5,741.10-4 (N.s/m2)  Độ nhớt acetone: A = 2,512.10-4 (N.s/m2) Nên: lgF = xFlgA + (1 – xF)lgN = 0,117.lg(2,512.10-4) + 0,883.lg(5,741.10-4)  F = 5,212.10-4 (N.s/m2) Vận tốc dòng nhập liệu ống: vF  4F 4875,46  3600 F d tr 3600 906,573 0,12 = 0,19 (m/s) 11.1.2Xác định hệ số ma sát đường ống : Chuẩn số Reynolds : Re F  v F d tr  F 0,19 0,1 906,573  F 5,212.10  = 33048 > 4000 : chế độ chảy rối Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh = 6(d1/)8/7 = 7289,343 Vì 4000 < ReF < Regh  chế độ chảy rối ứng với khu vực nhẵn thủy học Áp dụng công thức (II.61), trang 378, [1]: 1= (1,8 lg Re 1,64) = 0,02 Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng 11.1.3Xác định tổng hệ số tổn thất cục :  Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = u1 (1 chỗ) = 0,15 Đường ống có chỗ uốn  u1 = 0,15 = 0,9  Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [8]: Chọn van cầu với độ mở hồn tồn van (1 cái) = 10 Đường ống có van cầu  van = 10 = 20  Lưu lượng kế : l1 = (coi không đáng kể)  Vào tháp : tháp = Nên: 1 = u1 + van + ll = 21,9 30 � � 0,19 h1  � 0, 02  21,9 � 0,1 � �2 �9,81 = 0,05 (m) Vậy: 11.2 Tổn thất đường ống dẫn thiết bị đun sơi dòng nhập liệu;   v22 l2  h2      d   2g (m) Trong đó:  2 : hệ số ma sát đường ống  l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = (m)  d2 : đường kính ống dẫn, d2 = dtr = 0,032(m)  2 : tổng hệ số tổn thất cục  v2 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn 11.2.1Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn : v2 = 1,882 (m/s) 11.2.2 Xác định hệ số ma sát đường ống : Chuẩn số Reynolds : Re2 = 12113,576 > 4000: chế độ chảy rối Độ nhám:  = 0,0002 Chưng cất hệ Acetone – Nước Chuẩn số Reynolds giới hạn: Regh = 6(d2/)8/7 = 1982,191 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren = 220(d2/)9/8 = 66383,120 Vì Ren < Re1  chế độ chảy rối ứng với khu vực nhám Áp dụng công thức (II.63), trang 379, [1]: 2 = [1,14  l.g(dtd /  )] = 0,0334 11.2.3Xác định tổng hệ số tổn thất cục :  Đột thu : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Fo 0,0322  F 0,082 = 0,160  Khi đột thu (1chỗ) = 0,458 Có chỗ đột thu  đột thu = 0,458  Đột mở : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Fo 0,0322  F 0,082 = 0,160  Khi đột mở (1chỗ) = 0,708 Có chỗ đột mở  đột mở = 0,708 Nên: 2 = U2 + đôt thu + đột mở = 5,566 � �1,8822 h2  � 0, 0334  1,166 � 0, 032 �9,81 = 1,3 (m) � � Vậy: 11.3 Chiều cao bồn cao vị: Chọn :  Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị  Mặt cắt (2-2) mặt cắt vị trí nhập liệu tháp GVHD: Lê Thị Kim Phụng Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng Ap dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): 2 P1 P2 v1 v2 z1 +  F g + 2.g = z2 +  F g + 2.g +hf1-2 2 P2  P1 v2  v1   g 2.g +h F  z1 = z + f1-2 Trong đó:  z1: độ cao mặt thống (1-1) so với mặt đất, hay xem chiều cao bồn cao vị Hcv = z1  z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu: z2 = hchân đỡ + hđáy + (nttC – 1)h + 0,5 = 0,24 + 0,2625 + (8 – 1).0,3 + 0,5 = 3,1025 (m)  P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at = 9,81.104 (N/m2)  P2 : áp suất mặt thoáng (2-2) Xem P = P2 – P1 = nttL PL = 503,657 = 2518,285 (N/m2)  v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = (m/s)  v2 : vận tốc vị trí nhập liệu, v2 = vF = 0,19 (m/s)  hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2): hf1-2 = h1 + h2 = 0,192825 (m) Vậy: Chiều cao bồn cao vị: 2 P2  P1 v2  v1  2.g +h Hcv = z2 +  F g f1-2 2518, 285 1,8822   = 3,1025 + 894, 604 �9,81 �9,81 + 1,35 = 4,75 (m) Chọn Hcv = (m) Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng 12 Bơm 12.1 Năng suất: Nhiệt độ dòng nhập liệu tF = 27oC Tại nhiệt độ thì: + Khối lượng riêng: F = 910,353 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: F = 0,653.10-3 (N.s/m2) Suất lượng thể tích dòng nhập liệu ống: QF  GF 4875   F 910,353 = 5,255 (m3/h) Vậy: chọn bơm có suất Qb = 10 (m3/h) 12.2 Cột áp: Chọn :  Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu  Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị 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 thống (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = 1m  z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 5m  P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at  P2 : áp suất mặt thoáng (2-2), chọn P2 = 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 12.2.1Tính tổng trở lực ống: Chọn đường kính ống hút ống đẩy nhau: dtr = 100 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, [1] Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng  Độ nhám ống:  = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mòn ít) Tổng trở lực ống hút ống đẩy  lh  lñ  v     h   ñ  F dtr  2g hf1-2 =  Trong đó:  lh : chiều dài ống hút Chiều cao hút bơm: Tra bảng II.34, trang 441, [1]  hh = 4,5 (m)  Chọn lh = (m)  lđ : chiều dài ống đẩy, chọn lđ = (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 �10  3600 dtr 3600 � �0,12 = 0,35 (m/s)  Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy : Chuẩn số Reynolds : Re F  vF dtr  F 0,35 �0,1 �910,353  F 6,53.104 = 48793,8 Vì ReF > 4000  chế độ chảy rối Chuẩn số Reynolds giới hạn: Regh = 6(d2/)8/7 = 7289,3 Vì Regh > Re1  chế độ chảy rối ứng với khu vực nhẵn thủy lực Áp dụng công thức (II.61), trang 378, [1]:  = (1,81g Re 1, 64) = 0,021  Xác định tổng tổn thất cục ống hút :  Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng 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, [8]: 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, [1]: 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, [8]: Chọn van cầu với độ mở hồn tồn v2 (1 cái) = 10 Ống đẩy có van cầu  v2 = 10  Vào bồn cao vị : cv = Nên: đ = u1 + v1 + cv = 11,6 10 � � 0,352 0, 021  10,3  11, � � 0,1 �9,81 =0,15 (m) � � Vậy: hf1-2 = 12.2.2Tính cột áp bơm: Hb = (z2 – z1) + hf1-2 = (5 – 1) + 0,15 = 4,15 (m) 12.3 Công suất: Chọn hiệu suất bơm: b = 0,8 Qb H b  F g 0,5 9,007862 1000,42 9,81  3600  3600 0,8 b Công suất thực tế bơm: Nb = Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng = 128,69 (W) = 0,17 (Hp) Kết luận: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có: - Năng suất: Qb = 10 (m3/h) - Cột áp: Hb = 4,15 (m) - Cơng suất: Nb = 0,5 (Hp) 13 Tính bảo ơn thiết bị: Trong q trình hoạt động tháp, tháp tiếp xúc với khơng khí nên nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh ngày lớn Để tháp hoạt động ổn định, với thông số thiết kế, ta phải tăng dần lượng đốt gia nhiệt cho nồi đun để tháp không bị nguội (nhất sản phẩm đỉnh, ảnh hưởng đến hiệu suất tháp) Khi đó, chi phí cho đốt tăng Để tháp không bị nguội mà không tăng chi phí đốt, ta thiết kế lớp cách nhiệt bao quanh thân tháp Chọn vật liệu cách nhiệt cho thân tháp amiăng có bề dày a Tra tài liệu tham khảo [2], hệ số dẫn nhiệt amiăng a = 0,151 (W/m.oK) Nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh: Qm = 0,05.Qd = 0,05.506,119 = 25,306 (KW) Nhiệt tải mát riêng: Qm  a   ( t v1  t v )  a t v a qm = f tb  a (W/m2) (IV.27) Với: + tv1 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt tháp + tv1 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với khơng khí + tv : hiệu số nhiệt độ hai bề mặt lớp cách nhiệt Nhận thấy: qm = const, nên chọn tv = tmax = tđáy -tkk ,tkk = 27oC Suy tv = 98,6 – 27 = 71,6oC + ftb : diện tích bề mặt trung bình tháp (kể lớp cách nhiệt) ftb = .H.Dtb = .H.(Dt + Sthân + a) Chưng cất hệ Acetone – Nước Từ (IV.27), ta có phương trình: 25,306.1000 0,151  71,6  5,4.( 0,700  0,003   a ) a Suy ra: a = 0,005132(m) Vậy: chọn a = (mm) GVHD: Lê Thị Kim Phụng Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng LỜI KẾT Với hệ thống chưng cất Acetone – Nước dùng tháp mâm xuyên lỗ thiết kế, ta thấy bên cạnh ưu điểm có nhiều nhược điểm Thiết bị có ưu điểm suất hiệu suất cao thiết bị cồng kềnh, đòi hỏi phải có vận hành với độ xác cao Bên cạnh đó, vận hành thiết bị ta phải ý đến vấn đề an toàn lao động để tránh rủi ro xảy ra, gây thiệt hại người TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 1”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 626tr [2] Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 447tr [3] Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hồng Minh Nam, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 10: Ví dụ Bài tập”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 468tr [4] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 388tr [5] Hồ Lê Viên, “Thiết kế Tính tốn thiết bị hóa chất”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1978, 286tr [6] Nguyễn Minh Tuyển, “Cơ sờ Tính tốn Máy Thiết bị Hóa chất – Thực phẩm”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1984, 134tr [7] Phạm Văn Bơn – Nguyễn Đình Thọ, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 5: Q trình Thiết bị Truyền Nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2002, 372tr [8] Trần Hùng Dũng – Nguyễn Văn Lục – Hoàng Minh Nam – Vũ Bá Minh, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 1, Quyển 2: Phân riêng khí động, lực ly tâm, bơm, quạt, máy nén Tính hệ thống đường ống”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 1997, 203tr [9] Trần Hữu Quế, “Vẽ kỹ thuật khí – Tập 1”, Nhà xuất Đại học Giáo dục chuyên nghiệp, 1991, 160tr Chưng cất hệ Acetone – Nước GVHD: Lê Thị Kim Phụng [10] Phạm Đình Trị, “380 phương thức điều chế ứng dụng hóa học sản xuất đời sống”, Nhà xuất TpHCM, 1988, 144tr ... + 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. .. Trình Thiết Bị  bước giúp cho sinh viên tập luyện chuẩn bị cho việc thiết kế q trình & thiết bị cơng nghệ lĩnh vực ny Nhiệm vụ thiết kế: tính tốn hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp. .. dược đun, bốc nồi đun (11) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại làm nguội đến 30 0C thiết bị trao đổi nhiệt (12) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh Acetone, sản phẩm đáy