Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Vậy: đối với hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường... Thieát [r]
(1)Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao độ tinh khiết các sản phẩm Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn cải tiến và đổi để ngày càng hoàn thiện hơn, là: cô 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 Nước – Axit axetic là cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là môn học mang tính tổng hợp quá trình học tập các kỹ sư Công nghệ Hóa học tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính toán cụ theå veà: quy trình coâng ngheâä, keát caáu, giaù thaønh cuûa moät thieát bò sản xuất hóa chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng kiến thức đã học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có suất là 500l/h, nồng độ nhập liệu là 8%(kg axit/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đỉnh là 95,5%(kg nước/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đáy là 28%(kg axit/kg hỗn hợp) Sử dụng đốt có áp suất 2,5at Trang (2) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Chöông GIỚI THIỆU I LYÙ THUYEÁT VEÀ CHÖNG CAÁT : Khaùi nieäm: Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác các cấu tử hỗn hợp (nghĩa là cùng nhiệt độ, áp suất bão hòa các cấu tử khác nhau) Thay vì đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha quá trình hấp thu nhả khí, quá trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, nhiên hai quá trình này có ranh giới là quá trình chưng cất dung môi và chất tan bay (nghĩa là các cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khaùc nhau), coøn quaù trình coâ ñaëc thì chæ coù dung moâi bay hôi coøn chaát tan khoâng bay hôi Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có cấu tử thì ta thu sản phaåm: Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé và phần ít các cấu tử có độ bay lớn Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn và phần ít cấu tử có độ bay bé Đối với hệ Nước – Axit axetic thì: Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic Caùc phöông phaùp chöng caát: 2.1 Phân loại theo áp suất làm việc: - AÙp suaát thaáp - Áp suất thường - AÙp suaát cao 2.2 Phân loại theo nguyên lý làm việc: - Chöng caát ñôn giaûn - Chưng nước trực tiếp - Chöng caát 2.3 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt đáy tháp: - Cấp nhiệt trực tiếp - Caáp nhieät giaùn tieáp Trang (3) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Vậy: hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường Thieát bò chöng caát: Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhieân yeâu caàu cô baûn chung cuûa caùc thieát bò vaãn gioáng nghóa laø dieän tích beà maët tieáp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất này vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát loại thường dùng là tháp maâm vaø thaùp cheâm Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo ñóa, ta coù: - Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s… - Thaùp maâm xuyeân loã: treân maâm coù nhieàu loã hay raõnh 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 So sánh ưu nhược điểm các loại tháp: Thaùp cheâm - Caáu taïo khaù ñôn giaûn - Trở lực thấp Öu - Làm việc với chất lỏng ñieåm bẩn dùng đệm cầu có cuûa chaát loûng - Do có hiệu ứng thành hiệu suaát truyeàn khoái thaáp - Độ ổn định không cao, khó vận Nhược hành điểm - Do có hiệu ứng thành tăng suất thì hiệu ứng thành taêng khoù taêng naêng suaát - Thieát bò khaù naëng neà Thaùp maâm xuyeân loã - Trở lực tương đối thấp - Hieäu suaát khaù cao Thaùp maâm choùp - Khaù oån ñònh - Hieäu suaát cao - Không làm việc với chất lỏng bẩn - Kết cấu khá phức tạp - Có trở lực lớn - Tieâu toán nhieàu vaät tö, keát caáu phức tạp Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Nước – Axit axetic II GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU : Axit axetic: 1.1 Tính chaát: Là chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng, trọng lượng riêng 1,0497 (ở 20 oC) Khi hạ nhiệt độ xuống ít đã đông đặc thành khối tinh thể có T onc = 16,635 – 0,002o, Tosoâi = upload.123doc.netoC Tan nước, rượu và ete theo tỷ lệ nào Trang (4) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Là axit yếu, số phân ly nhiệt động nó 25oC là K = 1,75.10 ❑− Tính ăn mòn kim loại: Axit axetic aên moøn saét Nhôm bị ăn mòn axit loãng, nó đề kháng tốt axit axetic đặc và khiết Đồng và chì bị ăn mòn axit axetic với diện không khí Thiếc và số loại thép nikel – crom đề kháng tốt axit axetic 1.2 Ñieàu cheá: Axit axetic điều chế cách: 1) Oxy hóa có xúc tác cồn etylic để biến thành andehit axetic, là giai đoạn trung gian Sự oxy hóa kéo dài tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O 2) Oxy hóa andehit axetic tạo thành cách tổng hợp từ acetylen Sự oxy hóa andehit tiến hành khí trời với diện coban axetat Người ta thao tác andehit axetic nhiệt độ gần 80 oC để ngăn chặn hình thành peroxit Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết Người ta đạt dễ dàng sau chế axit axetic kết tinh o CH3CHO + ½ O2 ⃗ Coban axetat 80 C CH3COOH 3) Tổng hợp từ cồn metylic và Cacbon oxit Hiệu suất có thể đạt 50 – 60% so với lý thuyết cách cố định cacbon oxit trên cồn metylic qua xuùc taùc Nhiệt độ từ 200 – 500oC, áp suất 100 – 200atm: CH3OH + CO CH3COOH với diện metaphotphit photpho – vonframat kim loại và hóa trị (chaúng haïn saét, coban) 1.3 Ứng dụng: Axit axetic là axit quan trọng các loại axit hữu Axit axetic tìm nhiều ứng dụng vì nó là loại axit hữu rẻ tiền Nó dùng để chế tạo nhiều hợp chất và ester Nguồn tiêu thụ chủ yếu axit axetic là: Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic) Làm đông đặc nhựa mủ cao su Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat – làm phim ảnh không nhạy lửa Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat Làm các phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp Axetat nhoâm duøng laøm chaát caén maøu (mordant ngheà nhuoäm) Phần lớn các ester axetat là các dung môi, thí dụ: izoamyl axetat hòa tan nhiều loại nhựa xenluloza Nước: Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị khối nước dày có màu xanh nhạt Khi hóa rắn nó có thể tồn dạng dạng tinh thể khác Trang (5) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Tính chaát vaät lyù: Khối lượng phân tử : 18 g / mol Khối lượng riêng d4 c : g / ml Nhiệt độ nóng chảy : 00C Nhiệt độ sôi : 1000 C Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và cần thiết cho sống Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả hoà tan nhiều chất và là dung môi quan troïng kyõ thuaät hoùa hoïc Chöông QUY TRÌNH COÂNG NGHEÄ Chuù thích caùc kí hieäu qui trình: Bồn chứa nguyên liệu Bôm Boàn cao vò Thieát bò ñun soâi doøng nhaäp lieäu Baåy hôi Lưu lượng kế Nhieät keá Thaùp chöng caát Thieát bò ngöng tuï saûn phaåm ñænh 10 AÙp keá 11 Thiết bị đun sôi đáy tháp 12 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 13 Bồn chứa sản phẩm đáy 14 Boä phaän chia doøng 15 Bồn chứa sản phẩm đỉnh Trang (6) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam t = 40 C T Nước làm lạnh t = 25 C 14 P 10 Hơi đốt P = 2,5at Nước T Nước ngưng T 11 Hơi đốt P = 2,5at x = 92% t = 25 C 12 Nước làm lạn h t = 25 C t = 35 C 13 Nước ngöng x =72% t = 40 C Trang (7) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 92% (theo phần khối lượng), nhiệt độ khoảng 250C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Sau đó, hỗn hợp gia nhiệt đến nhiệt độ sôi thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (4), đưa vào tháp chưng cất (8) đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn luyện tháp chảy xuống Trong tháp, từ lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có tiếp xúc và trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng càng xuống càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay vì đã bị pha tạo nên từ nồi đun (11) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên qua các đĩa từ lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là axit axetic ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều (có nồng độ 99,5% phần khối lượng) Hơi này vào thiết bị ngưng tụ (9) và ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ hoàn lưu tháp đĩa trên cùng Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay (axit axetic) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ nước là 72% phần khối lượng, còn lại là axit axetic Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (11) Trong nồi đun dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại khỏi nồi đun qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (12), làm nguội đến 40 0C, đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (13) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh là nước thải bỏ, sản phẩm đáy là axit axetic giữ lại Trang (8) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Chöông CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU : Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay là nước Axit axetic :CH COOH ⇒ M A=60 ( g/mol) Hỗn hợp: Nước : H O ⇒ M =18(g /mol) N { Naêng suaát nhaäp lieäu: GF = 0.5 (m3/h) Nồng độ nhập liệu: xF = 92% (kg nước/ kg hỗn hợp) Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 99.5% (kg nước/ kg hỗn hợp) Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 72% (kg nước/ kg hỗn hợp) Choïn: Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 25oC Traïng thaùi nhaäp lieäu laø traïng thaùi loûng soâi Đối với thiết bị đun sôi đáy tháp : Aùp suất đốt : Ph = 2.5at Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy : Nhiệt độ sản phẩm đáy sau làm nguội: tWR = 40oC Nhiệt độ dòng nước lạnh vào: tV = 25oC Nhiệt độ dòng nước lạnh ra: tR = 35oC Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh : Nhiệt độ dòng nước lạnh vào: tV = 25oC Nhiệt độ dòng nước lạnh ra: tR = 40oC Caùc kyù hieäu: GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h xi, xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng cấu tử i II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH và SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯỢC : Tra baûng 1.249, trang 310, [5] Khối lượng riêng nước 25oC: N = 996,5 (kg/m3) Tra baûng 1.2, trang 9, [5] Khối lượng riêng axit axetic 25oC: AL = 1042,75 (kg/m3) Áp dụng công thức (1.2), trang 5, [5]: xFN x FA , 92 08 = + = + hh = 1000 (kg/m3) ρ hh ρN ρ A 996 , 1042 , 75 Naêng suaát nhaäp lieäu : GF = 0,5 (m3/h) 1000 (kg/m3) = 500 (kg/h) GF =G D +GW Ñun giaùn tieáp : G F x F =G D x D +GW x W { Trang (9) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam GF GD GW = = x D − x W x F − x W x D − x F x F − x W 92− 72 G F= 500=363 ,64 (kg/h) Neân : GD = 99 ,5 −72 x D − x W Vaø: GW = GF – GD = 500 – 363,64 = 136,36 (kg/h) III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOAØN LƯU LAØM VIỆC : Nồng độ phần mol: x F , 92 MN 18 xF= = =¿ 0,9746 (mol nước/ mol hỗn hợp) x F 1− x F , 92 + −0 ,92 + 18 60 MN M A x W ,72 MN 18 xW= = =¿ 0,8955 (mol nước/ mol hỗn hợp) x W − x W , 72 + 1− ,72 + 18 60 MN MA x D , 995 MN 18 xD= = =¿ 0,9985 (mol nước/ mol hỗn hợp) x D 1− x D , 995 + −0 ,955 + 18 60 MN M A Suất lượng mol tương đối dòng nhập liệu: f= x D − x W , 9985− , 8955 = = 1,30215 x F − xW , 9746− , 8955 Tỉ số hoàn lưu làm việc: Trang (10) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam yF ❑❑ xF Hình 1: Đồ thị cân pha hệ Nước – Axit axetic Dựa vào hình yF* = 0,9819 ❑ x D − y F , 9985− , 9819 = Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: Rmin = ❑ = 2,274 y F − x F , 9819− , 9746 Tỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 3,2562 IV XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA : Coi lưu lượng mol các dòng pha đoạn tháp (chưng và luyện) là không đổi Taïi ñænh thaùp: nHD nHD L L Vì đỉnh tháp nồng độ phần mol nước pha lỏng và pha Khối lượng pha và pha lỏng đỉnh tháp là nhau: MHD = MLD = xD MN + (1 – xD) MA = 0,9985 18 + (1 – 0,9985) 60 = 18,063 (kg/mol) Suất lượng khối lượng dòng đỉnh tháp: GHD = (R +1)GD = (3,2562 + 1) 363,64 = 1547,71 (kg/h) Suất lượng mol dòng đỉnh tháp: Trang 10 (11) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam G HD 1547 , 71 = = 85,684 (kmol/h) M HD 18 , 063 Suất lượng khối lượng dòng hoàn lưu: GL = RGD = 3,2562 363,64 = 1184,07 (kg/h) Suất lượng mol dòng hoàn lưu: G L 1184 , 07 = L= = 65,55 (kmol/h) M LD 18 , 063 nHD = Taïi maâm nhaäp lieäu: nHF nLF F nHF n’LF Khối lượng mol dòng nhập liệu: MF = xF MN + (1 – xF) MA = 0,9746.18 + (1 – 0,9746).60 = 19,067 (kg/kmol) Suất lượng mol dòng nhập liệu: G F 500 = F= = 26,223 (kmol/h) M F 19 , 067 Vaø: nLF = L = 65,55 (kmol/h) n’LF = L + F = 65,55 + 26,223 = 91,773 (kmol/h) nHF = nHD = 85,684 (kmol/h) Tại đáy tháp: nHW nLW W Vì đáy tháp nồng độ phần mol nước pha lỏng và pha Khối lượng pha và pha lỏng đáy tháp là nhau: MHW = MLW = xW MN + (1 – xW) MA = 0,8955 18 + (1 – 0,8955) 60 = 22,389 (kg/mol) Suất lượng mol dòng sản phẩm đáy: G W 136 , 36 = W= = 6,09 (kmol/h) M LW 22 ,389 Vaø: nLW = n’LF = 65,55 (kmol/h) nHW = nHF = nHD = 85,684 (kmol/h) Chöông TÍNH CAÂN BAÈNG NHIEÄT Trang 11 (12) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Chọn đốt là nước 2,5at Tra baûng 1.251, trang 314, [5]: Nhieät hoùa hôi: r H O = rn = 2189500 (J/kg) Nhiệt độ sôi: t H O = tn = 126,25 (oC) Dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ: Trước vào nồi đun (lỏng): tS1 = 100,6315 (oC) Sau đun sôi (hơi): tS2 = 100,966 (oC) Cân nhiệt cho toàn tháp: Qñ + GFhFS = (R+1) GDrD + GDhDS + GWhWS + Qm Giả sử Qm = 0,05Qđ 0,95Qđ = (R+1) GDrD + GD(hDS – hFS) + GW(hWS – hFS) hFS = cF.tFS = [ x F c N +(1 − x F )c A ]tFS hWS = cW.tWS = [ x W c N +(1− xW ) c A ]tWS x D )c A ]tDS hDS = cD.tDS = [ x D c N +(1 − x r +(1− x )r D A rD = D N Với xF = 0,9746 tFS = 100,1524 oC xW = 0,8955 tWS = 100,6315 oC xD = 0,9985 tDS = 100,009 oC 1.1 Nhieät dung rieâng: Tra baûng 1.249, trang 310, [5] Nhiệt dung riêng nước 100,009 oC = 4,220012 (kJ/kg.K) Nhiệt dung riêng nước 100,1524 oC = 4,220198 (kJ/kg.K) Nhiệt dung riêng nước 100,6315 oC = 4,220821 (kJ/kg.K) Tra baûng 1.154, trang 172, [5] Nhiệt dung riêng axit axetic 100,009 oC = 2,430047 (kJ/kg.K) Nhiệt dung riêng axit axetic 103,1524 oC = 2,4308 (kJ/kg.K) Nhiệt dung riêng axit axetic 100,6315 oC = 2,433315 (kJ/kg.K) 1.2 Enthalpy: hFS = ( 0,92 4,220198 + 0,08 2,4308 ) 100,1524 = 408,326 (kJ/kg) hWS = ( 0,72 4,220821 + 0,28 2,433315 ) 100,6315 = 374,381 (kJ/kg) hDS = ( 0,995 4,220012 + 0,005 2,430047 ) 100,009 = 421,144 (kJ/kg) 1.3 Nhieät hoùa hôi: Tra baûng 1.250, trang 312, [5] Nhiệt hóa nước 100,009 oC = rN = 2261,326 (kJ/kg) Dùng toán đồ 1.65, trang 255, [5] Nhiệt hóa axit axetic 100,009oC = rA = 100 (Kcal/kg) = 418,6 (kJ/kg) Tra baûng 1.251, trang 314, [5] Nhiệt hóa nước 2,5 at = r H O = 2189,5 (kJ/kg) Neân: rD = 0,995 2261,326 + 0,005 418,6 = 2252,112 (kJ/kg) Nhiệt lượng cần cung cấp: ( R+1)G D r D + G D (hDS − hFS)+G W (hWS − hFS) Qñ = = 3481914,263 (kJ/h) , 95 Nếu dùng nước bão hòa (không chứa ẩm) để cấp nhiệt thì: Qđ = G H O r H O 2 2 Trang 12 (13) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Vậy lượng nước cần dùng là : GH O = Qñ rH O = 1590,278 (kg/h) Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy Choïn: Nước làm lạnh ống với nhiệt độ vào t V = 25oC và nhiệt độ t R = 35oC Sản phẩm đáy ống ngoài với nhiệt độ vào t WS = 100,6315oC và nhiệt độ tWR = 40oC Caân baèng nhieät: Q = GW(hWS – hWR) = Gn (hR – hV) Nhiệt dung riêng nước 40oC = 4,178 (kJ/kg.K) Nhiệt dung riêng axit 40oC = 2,1(kJ/kg.K) Neân: hWR = (0,72 4,178 + 0,28 2,1) 40 = 143,8464 (kJ/kg) Tra bảng 1.250, p312, ST I Enthalpy nước 25oC : hV = 104,75 (kJ/kg) Enthalpy nước 35oC : hR = 146,65 (kJ/kg) Lượng nhiệt trao đổi: Q = GW(hWS – hWR) = 31435,7 (kJ/h) Q Suất lượng nước lạnh cần dùng: Gn= h − h = 750,255 (kg/h) R V Thieát bò ngöng tuï saûn phaåm ñænh Choïn: Nước làm lạnh ống với nhiệt độ vào tV = 25oC và nhiệt độ tR = 40oC Dòng đỉnh ngoài ống với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 100,009 (oC) Caân baèng nhieät: Qnt = (R + 1)GDrD = Gn (hR – hV) Neân: Qnt = (R + 1)DrD = 3485616,314 (kJ/h) Tra bảng 1.250, p312, ST I Enthalpy nước 25oC : hV = 104,75 (kJ/kg) Enthalpy nước 40oC : hR = 167,6 (kJ/kg) Qnt Lượng nước cần dùng: Gn= = 55459,3 (kg/h) h R − hV Thieát bò ñun soâi doøng nhaäp lieäu Choïn: Dòng nhập liệu ống với nhiệt độ vào t V = tFV = 25 oC và nhiệt độ tR = tFS = 100,1524 oC Hơi ngưng tụ ống ngoài có áp suất 2,5at: Nhieät hoùa hôi: r H O = rn = 2189500 (J/kg) Nhiệt độ sôi: t H O = tn = 126,25 (oC) Tra baûng 1.249, trang 310, [5] Nhiệt dung riêng nước 25oC = 4,178(kJ/kg.K) 2 Tra baûng 1.154, trang 172, [5] Nhiệt dung riêng axit axetic 25 oC = 2,0205 (kJ/kg.K) hFV = cF.tFV = [ x F c N +(1 − x F ) c A ]tFV = (0,92 4,178 + 0,08 2,0205) 25 = 100,135 (kJ/kg) Caân baèng nhieät: Q = GF(hFS – hFV) = Gnrn Neân: Q = GF(hFS – hFV) = 500.(408,326 – 100,135) = 154095,5 (kJ/h) Trang 13 (14) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Q Lượng đốt cần dùng: Gn= r = 70,3793 (kg/h) n Chöông TÍNH THIEÁT BÒ CHÍNH (Thaùp maâm xuyeân loã) Phương trình đường làm việc : x R ,2562 ,9985 x+ D = x+ R+1 R+ , 2562+1 , 2562+1 = 0,765x + 0,2346 R+ f 1− f ,2562+1 , 30215 −1 , 30215 x+ x = x+ × ,8955 Phaàn chöng: y= R+1 R+ W ,2562+1 , 2562+1 = 1,071x – 0,06357 Phaàn luyeän: I y= ĐƯỜNG KÍNH THÁP : Phaàn luyeän: 1.1 Khối lượng riêng trung bình pha lỏng phần luyện: Nồng độ phần mol trung bình pha lỏng phần luyện: x +x , 9985+0 , 9746 xL= D F = = 0,9865 (mol nước/ mol hỗn hợp) 2 Dựa vào hình Nhiệt độ trung bình pha lỏng phần luyện: TLL = 100,08 (oC) Nồng độ phần khối lượng trung bình pha lỏng luyện: x D + x F , 995+ , 92 = = 0,9575 (kg nước/ kg hỗn hợp) x L = 2 Tra baûng 1.249, trang 310, [5] Khối lượng riêng nước 100,08oC: NL = 958,341 (kg/m3) Tra baûng 1.2, trang 9, [5] Khối lượng riêng axit axetic 100,08oC: AL = 957,856 (kg/m3) Áp dụng công thức (1.2), trang 5, [5]: x − x L ,9575 − ,9575 = L + = + LL = 958,32 (kg/m3) ρLL ρNL ρAL 958 , 341 957 , 856 1.2 Khối lượng riêng trung bình pha phần luyện: Nồng độ trung bình pha phần luyện: yL = 0,765xL + 0,2346 = 0,765 0,9865 + 0,2346 = 0,98927 Dựa vào hình Nhiệt độ trung bình pha phần luyện: THL = 100,092 (oC) Khối lượng mol trung bình pha phần luyện : Trang 14 (15) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam MHL = yL MN + (1 – yL) MA = 0,98927.18 + (1 – 0,98927) 60 = 18,45 (kg/kmol) Khối lượng riêng trung bình pha phần luyện: PMHL 1× 18 , 45 ρHL= = = 0,6027 (kg/m3) RT HL 22 , ×(100 , 092+273) 273 Hình 2: Giản đồ T – x,y hệ Nước – Axit axetic 1.3 Tính vaän toác pha hôi ñi phaàn luyeän: Tra bảng IX.4a, trang 169, [6] :Với đường kính tháp khoảng 0,8 0,9(m) thì khoảng cách mâm là: h = 300 (mm) = 0,3 (m) Tra đồ thị 6.2, trang 256, [4] C = 0,032 Vaän toác pha hôi ñi phaàn luyeän: ρ 958 , 32 ω L =C LL =0 ,032 = 1,276 (m/s) ρHL ,6027 √ √ 1.4 Tính đường kính phần luyện: Suất lượng mol pha phần luyện: n HL = nHD = 85,684 (kmol/h) Suất lượng thể tích pha phần luyện: 22 , 85 , 684 × ×(100 , 092+273) n HL RT HL 273 = 0,7286 (m3/s) QHL= = 3600 × P 3600 ×1 Trang 15 (16) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Đường kính phần luyện: φ L = √ Q HL ×0 , 7286 = = 0,852657 (m) πωL π × 1, 276 √ Phaàn chöng: Tính toán tương tự phần luyện ta có bảng kết sau: xc 0,935 xC 0,82 TLC 100,39 NC AC LC 958,111 957,298 957,96 yc THC MHC HC 0,937815 100,533 20,612 0,67252 C 1,2077 QHC 0,7295 C 0.877 Vì L C ta có thể lấy đường kính toàn tháp là đường kính phần chưng Choïn 0,85m) Kết luận: đường kính tháp là 0,85m) Vận tốc pha phần chưng và phần luyện theo thực tế: 4Q ×0 , 7295 ωC = HC = =1,285575 (m/s) πφ π ×0 , 85 4Q × ,7286 ω L = HL = =1,284 (m/s) πφ π × , 85 Trang 16 (17) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Phaàn luyeän (phoùng to) Soá maâm lyù thuyeát : 19 Phaàn chöng Soá maâm lyù thuyeát : Phaàn luyeän Đường chưng : Y = 1,071x – 0,06357 Trang 17 (18) Đường luyện : Y = 0,765x + 0,2346 Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Hình 3: Đồ thị số mâm lý thuyết II CHIEÀU CAO THAÙP : Phaàn luyeän: Dựa vào hình Số mâm lý thuyết phần luyện: nltL = 19 1.1 Tính hieäu suaát maâm: Tại nhiệt độ trung bình pha phần luyện THL = 100 092oC , Tra baûng 1.250, trang 312, [5] Aùp suất bão hòa nước PNL = 1,03666 at = 761,945 (mmHg) Tra hình XXIII, trang 466, [4] Aùp suaát hôi baõo hoøa cuûa axit axetic PAL = 415,73 (mmHg) P NL 761, 945 = Neân: α L = = 1,833 P AL 413 , 73 Tại nhiệt độ trung bình pha lỏng phần luyện TLL = 100,08oC , Tra bảng 1.104, trang 96, [5] Độ nhớt nước NL = 0,2836344 (cP) Dùng toán đồ 1.18, trang 90, [5] Độ nhớt axit axetic AL = 0,4 (cP) Độ nhớt hỗn hợp lỏng: lghh = x1lg1 + x2lg2 (công thức (I.12), trang 84, [5]) Neân: lgL = 0,9865 lg0,2836344+ (1 – 0,9865)lg0,4 L = 0,28495 (cP) LL = 0,5223 Tra hình 6.4, trang 257, [4] EL = 0,56 Vì tháp có đường kính = 0,85m < 0,9m nên không cần hiệu chỉnh lại giá trị EL 1.2 Tính số mâm thực tế phần luyện: n ltL 19 = Số mâm thực: nttL = = 33,928 34 E CL ,56 Phaàn chöng: Tính toán tương tự phần luyện ta có bảng kết sau: nltC PNC PAC C NC AC 774,847 422,66 1,833 0,2828406 0,398 CC 0,53 EC 0,55 nttC 12,727 Chieàu cao thaùp: C 0,2892 nttC quy troøn 13 Số mâm thực tế toàn tháp: ntt = nttL + nttC = 34 + 13 = 47 Chieàu cao thaân thaùp: Hthaân = (ntt –1)h + = 13,8 (m) ht Chọn đáy (nắp) ellip tiêu chuẩn có = 0,25 ht = 0,25 0,85 = 0,2125 (m) φ Chọn chiều cao gờ: hg = 50mm = 0,05 (m) Chiều cao đáy (nắp): Hđn = ht+ hg = 0,2625 (m) Keát luaän: Chiều cao toàn tháp: H = Hthân + 2Hđn = 13,8 + 0,2625 = 14,325 (m) Trang 18 (19) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam III TRỞ LỰC THÁP : Caáu taïo maâm loã: Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với: Tiết diện tự 8% diện tích mâm Đường kính lỗ: dlỗ = 3mm = 0,003 (m) Chiều cao gờ chảy tràn: hgờ = 50mm = 0,05 (m) Dieän tích cuûa baùn nguyeät baèng 20% dieän tích maâm Lỗ bố trí theo hình lục giác Khoảng cách tâm lỗ 7mm Mâm làm thép không gỉ X18H10T Soá loã treân maâm: 2 8%S maâm φ , 85 =0 , 08 =0 , 08 N= = 6422 S loã d loã , 003 ( ) ( ) Goïi a laø soá hình luïc giaùc Áp dụng công thức (V.139), trang 48, [6]: N = 3a(a+1) +1 Giaûi phöông trình baäc a = 46 N = 6487 (loã) Số lỗ trên đường chéo: b = 2a + = 93 (lỗ) Trở lực đĩa khô: ω '2 ρH Aùp dụng công thức (IX.140), trang 194, [6]: ΔP k =ξ Đối với đĩa có tiết diện tự 8% diện tích mâm thì = 1,82 2.1 Phaàn luyeän: ω L ,284 = Vaän toác hôi qua loã: ’L = = 16,05 (m/s) % , 08 16 , 052 , 6027 Neân: PkL = ,82 = 141,284 (N/m2) 2.2 Phaàn caát: ω C ,285575 = Vaän toác hôi qua loã: ’C = = 16,07 (m/s) 8% ,08 16 , 072 , 67252 Neân: PkC = ,82 = 158,044 (N/m2) Trở lực sức căng bề mặt: Vì đĩa có đường kính lỗ > 1mm Aùp dụng công thức (IX.142), trang 194, [6]: ΔP σ = 4σ 1,3 d loã + , 08 d loã 3.1 Phaàn luyeän: Tại nhiệt độ trung bình pha lỏng phần luyện TLL = 100,08oC Tra baûng 1.249, trang 310, [5] Sức căng bề mặt nước NL = 0,58834 (N/m) Tra baûng 1.242, trang 300, [5] Sức căng bề mặt axit AL = 0,019793 (N/m) Trang 19 (20) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Aùp dụng công thức (I.76), trang 299, [5]: σ 1σ 1 = + ⇒σ= σ σ1 σ σ 1+ σ , 58834 × ,019793 = 0,01915 (N/m) ,58834 × ,19793 × , 01915 ΔP σL= = 19,6374 (N/m ) 1,3 ×0 , 003+0 , 08 ×0 ,003 Neân: σ LL= Cho ta: 3.2 Phaàn chöng: Tính toán tương tự phần luyện ta có bảng kết sau: NC AC LC pC 0,5877356 0,019449 0,018826 19,30517 Trở lực thủy tĩnh chất lỏng trên đĩa tạo ra: Aùp dụng công thức trang 285, [4]:Pb = 1,3hbKLg Với: hb = hgờ + hl /3 QL Δh l= , 85 Lgờ K ( ) Trong đó: Lgờ : chiều dài gờ chảy tràn, m K = b/L : tỷ số khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng chất loûng, laáy gaàn baèng 0,5 nL M L QL = : suất lượng thể tích pha lỏng, m3/s ρL Tính chiều dài gờ chảy tràn: R Ta coù: Squaït - S = Sbaùn nguyeät R2 α α 20 % πR α −2 R sin R cos = 2 2 - sin = 0,3 Duøng pheùp laëp = 1,8915 (Rad) α , 8915 Nên: Lgờ = sin = 0,85 sin = 0,6893 (m) 2 4.1 Phaàn luyeän: Khối lượng mol trung bình pha lỏng phần luyện: M LD + M F 18 , 063+19 , 067 = MLL = = 18,565 (kg/kmol) 2 Trang 20 Lgờ (21) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Suất lượng mol pha lỏng phần luyện: nLL = L = 65,55 (kmol/h) Suất lượng thể tích pha lỏng phần luyện: nLL M LL 65 ,55 ×18 , 565 = QLL = = 3,5274.10 ❑− (m3/s) ρLL 958 ,32 ×3600 /3 , 5274 10− = 6,74.10 ❑− (m) , 85× , 6893× 0,5 Cho ta: PbL = 1,3(hgờ + hlL)KLLg = 1,3.(0,05 +6,74.10 ❑− ) 0,5 958,32 9,81 = 346,7227 (N/m2) Neân: ( ) Δh lL= 4.2 Phaàn chöng: Tính toán tương tự phần luyện ta có bảng kết sau: MLC 20,728 QLC 1,5761.10 ❑− hlC 3,94.10 ❑− pbC 329,481 Tổng trở lực thuỷ lực tháp: Tổng trở lực mâm phần luyện tháp là: PL = PkL + PL + PbL = 141,284 + 19,6374 + 346,7227 = 490,4024 (N/m2) Tổng trở lực mâm phần chưng tháp là: PC = PkC + PC + PbC = 158,044 + 19,30517 + 329,481 = 506,83017 (N/m2) Kiểm tra hoạt động mâm: Kiểm tra lại khoảng cách mâm h = 0,3m đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình ΔP thường tháp: h > 1,8 ρ g L Với các mâm phần chưng trở lực thuỷ lực qua mâm lớn trở lực thuỷ lực ΔPC 506 , 83017 =1,8 maâm phaàn luyeän, ta coù: 1,8 = 0,097 < 0,3 ρ LC g 957 , 96× , 81 Điều kiện trên thỏa Keát luaän: Tổng trở lực thủy lực tháp: P = nttL.PL + nttCPC = 34 490,4024 + 13 506,83017 = 23262,4738 (N/m2) Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động: Khoảng cách mâm: h = 300 (mm) Bỏ qua tạo bọt ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng ống chảy chuyền mâm xuyên lỗ xác định theo biểu thức (5.20), trang 120, [2]: hd = hgờ + hl + P + hd’ , (mm.chaát loûng) Trong đó: hgờ : chiều cao gờ chảy tràn (mm) hl : chiều cao lớp chất lỏng trên mâm (mm) P: tổng trở lực mâm (mm.chất lỏng) Trang 21 (22) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam hd’ : tổn thất thủy lực dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, xác định theo biểu thức (5.10), trang 115, [2]: QL hd ' =0 ,128 , (mm.chaát loûng) 100 S d ( ) QL : lưu lượng chất lỏng (m3/h) Sd : tiết diện ống chảy chuyền và mâm π Sd = 0,8 Smaâm = 0,8 .0,852 = 0,454 (m2) Để tháp không bị ngập lụt hoạt động thì: hd h = 150 (mm) 6.1 Phaàn luyeän: hlL = 6,74.10-3 (m) = 6,74 (mm) 490 , 4024 490 , 4024 ×1000= ×1000 = 52,164 (mm.chaát loûng) pL = ρLL g 958 ,32 × ,81 QLL ,5274 10− ×3600 = 10 ❑− (mm.chaát hd ' L=0 ,128 =0 , 128 100 S d 100 ×0 , 454 ( ) ( ) loûng) Neân: hdL = 50 + 6,74 + 52,164 + 10 ❑− = 108,9041 (mm) < 150 (mm) Vậy: Khi hoạt động thì mâm phần luyện không bị ngập lụt 6.2 Phaàn chöng: hlC = 3,94.10 ❑− (m) = 3,94 (mm) 506 , 83017 506 , 83017 ×1000= ×1000 = 53,932 (mm.chaát loûng) PC = ρLL g 957 , 96 ×9 , 81 Q LC 1, 5761 10− ×3600 =2.10 ❑− (mm.chaát hd 'C =0 ,128 =0 , 128 100 S d 100 ×0 , 454 ( ) ( ) loûng) Neân: hdC = 50 + 3,94 + 53,932 + 2.10 ❑− = 107,872 (mm) < 150 (mm) Vậy: Khi hoạt động thì mâm phần chưng không bị ngập lụt Kết luận: Khi hoạt động tháp không bị ngập lụt Kiểm tra tính đồng hoạt động mâm Tính vận tốc tối thiểu qua lỗ pha vmin đủ các lỗ trên mâm hoạt động: gρLC h bC , 81 ×957 , 96 ×(0 , 05+3 , 94 10− 3) vminC = 0,67 = 13,635 < 16,07 =0 , 67 ξρHC ,82 × ,67252 √ √ √ √ gρLC h bC , 81 ×958 , 32×(0 ,05+ ,74 10− 3) = 14,775 < 16,05 =0 , 67 ξρHC , 82× , 6027 Các lỗ trên mâmđều hoạt động vminL = 0,67 IV BEÀ DAØY THAÙP : Thaân thaùp: Vì tháp hoạt động áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối phía Thân tháp ghép với các mối gheùp bích Trang 22 (23) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Vì tháp hoạt động nhiệt độ cao (>100oC) nên ta phải bọc cách nhiệt cho tháp Để đảm bảo chất lượng sản phẩm và khả ăn mòn axit axetic thiết bị, ta choïn thieát bò thaân thaùp laø theùp khoâng gæ maõ X18H10T 1.1 Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán: Nhiệt độ tính toán: Từ xWN = 0,8955, Dựa vào hình Nhiệt độ sôi pha lỏng TSL = 100,6315 (oC) Nhiệt độ sôi pha hơiTSH = 100,966 (oC) tmax =100,966 oC) Tra baûng 1.249, trang 310, [5] Khối lượng riêng nước 100,966oC: N = 957,2755 (kg/m3) Tra baûng 1.2, trang 9, [5] Khối lượng riêng axit axetic 100,966oC: A = 956,2612(kg/m3) Áp dụng công thức (1.2), trang 5, [5]: x − x W , 72 −0 , 72 = W+ = + LW = 956,9913 (kg/m3) ρLW ρN ρA 957 , 2755 956 ,2612 t = tmax + 20oC = 100,966 + 20 = 120,966 (oC) Áp suất tính toán: Vì tháp hoạt động áp suất thường nên: P = Pthủy tĩnh + P Khối lượng riêng trung bình pha lỏng toàn tháp: ρLL+ ρLC 958 , 32+957 , 96 = L = = 958,14(kg/m3) 2 Neân: P = LgH = 958,14 9,81 14,325 + 23262,4738 = 157908,21 (N/m2) = 0,1579(N/mm2) Hệ số bổ sung ăn mòn hóa học môi trường : Vì môi trường axit có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị là 20 năm Ca = = (mm) Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: Vì vaät lieäu laø X18H10T []* = 140 (N/mm2) (Hình 1.1, trang 18, [7]) Heä soá hieäu chænh: Vì thiết bị có bọc lớp cách nhiệt = 0,95 (trang 26, [7]) Ứng suất cho phép: [] = []* = 133 (N/mm2) Heä soá beàn moái haøn: Vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối phía h = 0,95 (Baûng XIII.8, trang 362, [6]) 1.2 Tính beà daøy: [σ] 133 ϕ= × , 95 = 800,19 > 25 Ta coù: P h ,1579 φP 850 × ,1579 S’ = [ σ ]ϕ = ×133 ×0 , 95 = 0,5311 S’ + Ca = 0,5311 + = 2,5311 (mm) h Quy troøn theo chuaån: S = (mm) (Baûng XIII.9, trang 364, [6]) Beà daøy toái thieåu: Smin = (mm) (Baûng 5.1, trang 128, [7]) Beà daøy S thoûa ñieàu kieän Trang 23 (24) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam 1.3 Kiểm tra độ bền: S −C a 3−2 ≤ 0,1 0,001176 0,1 (thoûa) ≤ 0,1 Ñieàu kieän: 850 φ 2[σ ]ϕ h (S − C a) 2× 133× , 95 ×(3 − 2) = Neân: [P]= = 0,297 > P= 0,1579 (thoûa) φ+(S − C a) 850+(3 −2) Keát luaän: S = (mm) Đáy và nắp: Chọn đáy và nắp có dạng hình ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm thép X18H10T Chọn bề dày đáy và nắp với bề dày thân tháp: S = (mm) S −C a ≤ ,125 Dt Kieåm tra ñieàu kieän: 2[ σ ]ϕ h (S −C a) [P ]= ≥P R t +(S − Ca ) { Trong đó: Dt = ht =0 , 25 Rt = Dt Dt Điều kiện trên thỏa đã kiểm tra phần thân tháp Kết luận: Kích thước đáy và nắp: Đường kính trong: Dt = = 850 (mm) ht = 212,5 (mm) Chiều cao gờ: hgờ = 50 (mm) Beà daøy: S = (mm) Dieän tích beà maët trong: Sbeà maët = 0,92 (m2) (Baûng XIII.10, trang 382, [6]) Vì đáy và nắp có hình ellip tiêu chuẩn với V BEÀ DAØY MAÂM : Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán: Nhiệt độ tính toán: t = tmax = 100,966 (oC) Áp suất tính toán: P = Pthủy tĩnh + Pgờ Chọn bề dày gờ chảy tràn là 3mm Thể tích gờ chảy tràn: V = 0,6893 (50 + 50 + 300 – 20) 10-6 = 7,858.10 ❑− (m3) Tra baûng XII.7, trang 313, [6] Khối lượng riêng thép X18H10T là: X18H10T = 7900 (kg/m3) Khối lượng gờ chảy tràn: m = VX18H10T = 6,2078 (kg) Trang 24 (25) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam mg Áp suất gờ chảy tràn tác dụng lên mâm tròn: φ2 = 107,32 (N/m2) π Khối lượng riêng chất lỏng đáy tháp: LW = 956,9913(kg/m3) AÙp suaát thuûy tónh: Pthủy tĩnh = LWg (hgờ + hlC) = 956,9913 9,81 (0,05 + 3,94.10 ❑− ) = 506,3933 (N/m2) P = 506,3933 + 107,32 = 613,71 (N/m2) = 6,137.10 ❑− (N/mm2) Hệ số bổ sung ăn mòn hóa học môi trường : Vì môi trường axit có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị là 20 năm Ca = = (mm) Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: Vì vaät lieäu laø X18H10T []* = 140 (N/mm2) (Hình 1.1, trang 18, [7]) Heä soá hieäu chænh: = (trang 26, [7]) Ứng suất cho phép: [] = []* = 140 (N/mm2) Môđun đàn hồi: E =199990 (N/mm2) (Bảng 2.12, trang 45, [7]) Heä soá Poisson: = 0,33 (Baûng XII.7, trang 313, [6]) t −d −3 = Heä soá ñieàu chænh: b = = 0,571 t Tính bề dày: Đối với tròn đặc ngàm kẹp chặt theo chu vi: 3P D σ = Ứng suất cực đại vòng chu vi: max 16 S (Công thức 6.36, trang 100, [8]) σ max P D = ≤[σ ] Đối với có đục lỗ: σ l max = ϕ b 16 ϕ b S Pgờ = ( ) ( ) 3P ×6 ,137 10− =850 S D = 1,0198 (mm) 16 [σ ]ϕ b 16 ×140 ×0 , 571 Neân: S + Ca = 3,0198 (mm) Choïn S = (mm) √ √ Kieåm tra ñieàu kieän beàn: PR (Công thức 6.35, trang 100, [8]) 64 DT W o PR W = = Đối với có đục lỗ: lo ϕ b 64 ϕ b DT ES D = Với: T 12(1− μ ) W o 12 PR (1 − μ2 ) PR (1 − μ2 ) = = W lo= ϕ b 64 ϕ b ES 16 ϕ b ES3 Để đảm bảo điều kiện bền thì: Wlo < ½ S −4 ,137 10 × 425 (1 −0 , 33 ) Maø: W lo= = 1,085 < ½ = 1,5 16 , 571× 199990× 33 Bề dày S đã chọn thỏa điều kiện Vaäy: S = (mm) Độ võng cực đại tâm: W o = Trang 25 (26) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam VI BÍCH GHÉP THÂN – ĐÁY và NẮP : Mặt bích là phận quan trọng dùng để nối các phần thiết bị nối các phận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng: Bích liền: là 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 nhiệt độ cao, để nối các kim loại màu và hợp kim chúng, đặc biệt là cần làm mặt bích vật liệu beàn hôn thieát bò Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc áp suất cao Chọn bích ghép thân, đáy và nắp làm thép CT3, cấu tạo bích là bích lieàn khoâng coå Tra baûng XIII.27, trang 417, [6]: Ứng với Dt = = 850 (mm) và áp suất tính toán P = 0,1579 (N/mm 2) chọn bích có caùc thoâng soá sau: Dt D Db D1 Do h Bu loâng db Z (mm) 850 980 930 900 861 20 M20 24 Tra bảng IX.5, trang 170, [6], với h = 300 (mm) khoảng cách mặt bích là 1200mm và số mâm mặt bích là H thaân 13 , = Ta coù: = 6,9 2 Số mặt bích cần dùng để ghép là: (7 + 1).2 = 16 (bích) H thaân 13 , = Khoảng cách mặt bích theo thực tế: lbích = = 0,8625 (m) 16 16 Độ kín mối ghép bích chủ yếu vật đệm định Đệm làm các vật liệu mềm so với vật liệu bích Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt bích Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây amiaêng, coù beà daøy laø 3(mm) VII CHÂN ĐỠ THÁP : Tính trọng lượng cùa toàn tháp: Trang 26 (27) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Tra baûng XII.7, trang 313, [6] Khối lượng riêng tháp CT3 là: CT3 = 7850 (kg/m3) Khối lượng bích ghép thân: π π 2 D − Dt ) hρCT3= ( , 98 −0 , 93 ) × , 02×7850 mbích gheùp thaân = 4( Khối lượng mâm: π D δ (100 % − % −10 % )ρ X 18 H 10T mmaâm = t mâm π = 0,852.0,003.0,82.7900 = 11,028(kg) = 11,776 (kg) Khối lượng thân tháp: π mthaân = (D2ng –D2t).Hthaân X18H10T π 2 ( , 856 −0 ,85 ) 13 , 7900 = 876,45 (kg) = Khối lượng đáy (nắp) tháp: mđáy(nắp) = Sbề mặt đáy X18H10T = 0,92 0,003 7900 = 21,804 (kg) Khối lượng toàn tháp: m = 16 mbích ghép thân + 47 mmâm + mthân + mđáy(nắp) = 16 11,776 + 47 11,082 + 876,45 + 21,804 = 1626,79(kg) Tính chân đỡ tháp: Chọn chân đỡ: tháp đỡ trên bốn chân Vật liệu làm chân đỡ tháp là thép CT3 Truïc thieát bò Theo đáy thieát bò P mg 1626 , 79 ×9 , 81 = = = 0.399.104 (N) 4 Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gc = 0,5.104 (N) Tra bảng XIII.35, trang 437, [6] chọn chân đỡ có các thông số sau: L B B1 B2 H h s l d 160 110 135 195 240 145 10 55 23 Thể tích chân đỡ: Taûi troïng cho pheùp treân moät chaân: Gc = Trang 27 (28) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Vchân đỡ (230 10 195 + 160 10 110) 10-9 = 0,001073 (m3) Khối lượng chân đỡ: mchân đỡ = Vchân đỡ CT3 = 8,423 (kg) VIII TAI TREO THAÙP : Chọn tai treo: tai treo gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động điều kiện ngoại cảnh Choïn vaät lieäu laøm tai treo laø theùp CT3 Ta choïn boán tai treo, taûi troïng cho pheùp treân moät tai treo: Gt = Gc = 0,5.104 (N) Tra baûng XIII.36, trang 438, [6] choïn tai treo coù caùc thoâng soá sau: L B B1 H S l a d 100 75 85 155 40 15 18 Khối lượng tai treo: mtai treo = 1,23 (kg) Tra baûng XIII.37, trang 439, [6] Choïn taám loùt tai treo baèng theùp CT3 coù caùc thoâng soá sau: Chieàu daøi taám loùt: H = 260 (mm) Chieàu roäng taám loùt: B = 140 (mm) Beà daøy taám loùt: SH = (mm) Theå tích moät taám loùt tai treo: Vtaám loùt = 260 140 10-9 = 2,184.10 ❑− (m3) Khối lượng lót tai treo: mtấm lót = Vtấm lót CT3 = 1,714 (kg) IX CỬA NỐI ỐNG DẪN VỚI THIẾT BỊ – BÍCH NỐI CÁC BỘ PHẬN CUÛA THIEÁT BÒ vaø OÁNG DAÃN : Trang 28 (29) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Ống dẫn thường nối với thiết bị mối ghép tháo không tháo Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo Đối với mối ghép tháo được, người ta làm đoạn ống nối, đó là đoạn ống ngắn có mặt bích hay ren để nối với ống dẫn: Loại có mặt bích thường dùng với ống có đường kính d > 10mm Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính d 10mm, đôi có thể dùng với d 32mm Ống dẫn làm thép X18H10T Bích làm thép CT3 , cấu tạo bích là bích liền không cổ OÁng nhaäp lieäu: Nhiệt độ chất lỏng nhập liệu là tFS = 100,1524 (oC) Tại nhiệt độ này thì: Khối lượng riêng nước: N = 957,886 (kg/m3) Khối lượng riêng axit: A = 957,726 (kg/m3) x F − xF , 92 −0 , 92 = + = + Neân: F = 957,873 (kg/m3) ρF ρ N ρA 957 , 886 957 , 726 Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị Choïn vaän toác chaát loûng oáng noái laø vF = 0,2 (m/s) Đường kính ống nối: G F 500 = Dy = = 0,0303822 (m) =30,3822 3600 ρ F πv F 3600 ×957 , 873 × π ×0,2 (mm) Choïn oáng coù Dy = 32 (mm) Tra baûng XIII.26, trang 409, [6] Các thông số bích ứng với P = 0,1579 (N/mm2) là: √ Dy 32 Dn 38 √ D Db D1 h 120 (mm) 90 70 12 Trang 29 Bu loâng db M12 Z (caùi) (30) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Ống đỉnh tháp: Nhiệt độ pha đỉnh tháp là tHD = 100,013 (oC) Khối lượng riêng pha đỉnh tháp: PMHD 1×18 , 063 ρHD= = = 0,59017 (kg/m3) RT HD 22, ×(100 , 013+ 273) 273 Choïn vaän toác hôi khoûi ñænh thaùp laø vHD = 120 (m/s) Đường kính ống nối: GHD × 1547 ,71 = Dy = = 0,088 (m) = 88 (mm) 3600 ρ HD πv HD 3600 × ,59017 × π ×120 Choïn oáng coù Dy = 100 (mm) Tra bảng XIII.32, trang 434, [6] Chiều dài đoạn ống nối l = 120 (mm) Tra baûng XIII.26, trang 409, [6] Các thông số bích ứng với P = 0,23134 (N/mm2) là: Bu loâng Dy Dn D D D1 h db Z (mm) (caùi) 100 108 205 170 148 14 M16 √ √ Ống hoàn lưu: Nhiệt độ chất lỏng hoàn lưu là tLD = 100,009 (oC) Tại nhiệt độ này thì: Khối lượng riêng nước: N = 957,99325 (kg/m3) Khối lượng riêng axit: A = 957,9838 (kg/m3) x 1− xD , 995 −0 , 995 = D+ = + Neân: LD = 957,9932 (kg/m3) ρLD ρ N ρA 957 , 99325 957 , 9838 Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị Choïn vaän toác chaát loûng oáng noái laø vLD = 0,2 (m/s) Đường kính ống nối: G LD ×1184 , 07 = Dy = = 0,0467 (m) = 46,7 (mm) 3600 ρ LD πv LD 3600 ×957 ,9932 × π ×0,2 Choïn oáng coù Dy = 50 (mm) Tra baûng XIII.26, trang 409, [6] Các thông số bích ứng với P = 0,23134 (N/mm2) là: Bu loâng Dy Dn D D D1 h db Z (mm) (caùi) 50 57 140 110 90 12 M12 √ √ Ống đáy tháp: Nhiệt độ pha đỉnh tháp là tHW = 100,966 (oC) Chọn vận tốc vào đáy tháp là vHW = 120 (m/s) Trang 30 (31) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Đường kính ống nối: Dy = √ 22, 4 ×85 , 684 × ×(100 , 966+273) nHW RT HW = 0,088 (m) = 88 273 = 3600 Pπv HW 3600× 1× π ×120 √ (mm) Choïn oáng coù Dy = 100 (mm) Tra bảng XIII.32, trang 434, [6] Chiều dài đoạn ống nối l = 120 (mm) Tra baûng XIII.26, trang 409, [6] Các thông số bích ứng với P = 0,1579 (N/mm2) là: Bu loâng Dy Dn D D D1 h db Z (mm) (caùi) 100 108 205 170 148 14 M16 OÁng daãn loûng vaøo noài ñun: Nhiệt độ chất lỏng đáy tháp là tLW = 100,6315 (oC) Tại nhiệt độ này thì: Khối lượng riêng nước: N = 957,5263 (kg/m3) Khối lượng riêng axit: A = 956,8633 (kg/m3) x − x W , 8955 1− , 8955 = W+ = + Neân: LW = 957,457 (kg/m3) ρLW ρN ρA 957 , 5263 956 ,8633 Choïn vaän toác chaát loûng oáng noái laø vLW = (m/s) Đường kính ống nối: n LW M LW × 91, 773 ×22 , 389 = Dy = = 0,02755 (m) = 27,55 (mm) 3600 ρ LW πv LW 3600× 957 , 457 × π ×1 Choïn oáng coù Dy = 32 (mm) Tra bảng XIII.32, trang 434, [6] Chiều dài đoạn ống nối l = 90(mm) Tra baûng XIII.26, trang 409, [6] Các thông số bích ứng với P = 0,1579 (N/mm2) là: √ Dy 32 √ Dn 38 D D D1 h 120 (mm) 90 70 12 OÁng daãn loûng khoûi noài ñun: Bu loâng db M12 Z (caùi) Choïn vaän toác chaát loûng oáng noái laø vW = 0,15 (m/s) Đường kính ống nối: GW ×136 ,36 = Dy = = 0,01832(m) = 18,32 3600 ρ LW πv W 3600 ×957 , 457 × π × , 15 (mm) Choïn oáng coù Dy = 20 (mm) Tra bảng XIII.32, trang 434, [6] Chiều dài đoạn ống nối l = 80 (mm) Tra baûng XIII.26, trang 409, [6] √ √ Trang 31 (32) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Các thông số bích ứng với P = 0,1579 (N/mm2) là: Dy 20 Dn 25 D D D1 h 90 (mm) 65 50 12 Bu loâng db M10 Z (caùi) Khối lượng bích ghép ống nhập liệu : π π D − Dt ) hρCT3= ( , 122 − , 0322 ) × , 012× 7850 = 0,9896(kg) mbích = 4( Khối lượng bích ghép ống hoàn lưu : π π 2 D − Dt ) hρCT3= ( , 14 − ,05 ) × , 012×7850 = 1,2651(kg) mbích = 4( Khối lượng bích ghép ống dẫn lỏng vào nồi đun : π π D − Dt ) hρCT3= ( , 122 − , 0322 ) × , 012× 7850 = 0,9896(kg) mbích = 4( Khối lượng bích ghép ống dẫn lỏng khỏi nồi đun π π 2 D − Dt ) hρCT3= ( , 09 −0 , 02 ) ×0 , 012 ×7850 = 0,56968(kg) mbích = 4( Khối lượng bích ghép ống dẫn : π π 2 D − Dt ) hρCT3= ( , 205 −0,1 ) ×0 , 014 × 7850 = 2,7642 (kg) mbích = 4( 2 2 X LỚP CÁCH NHIỆT : Trong quá trình hoạt động tháp, tháp tiếp xúc với không khí nên nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh ngày càng lớn Để tháp hoạt động ổn định, đúng với các thông số đã thiết kế, ta phải tăng dần lượng đốt gia nhiệt cho nồi đun để tháp không bị nguội (nhất là 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 thaân thaùp Choïn vaät lieäu caùch nhieät cho thaân thaùp laø amiaêng coù beà daøy laø a Tra baûng 28, trang 416, [4]: Heä soá daãn nhieät cuûa amiaêng laø a = 0,151 (W/m.K) Nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh: Qm = 0,05.Qñ = 0,05 3481914,263 = 174095,713 (kJ/h) = 48359,92 (W) Nhieät taûi maát maùt rieâng: Q m λa λ = (t v − t v 2)= a Δt v (W/m2) qm = f tb δ a δa Trong đó: tv1 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt ngoài tháp tv2 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với không khí tv : hiệu số nhiệt độ hai bề mặt lớp cách nhiệt Để an toàn ta lấy tv = tmax = tđáy - tkk Choïn tkk = 25oC tv = tmax = 100,966 – 25 = 75,966 (K) ftb : diện tích bề mặt trung bình tháp (kể lớp cách nhiệt), m Trang 32 (33) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam D t + Dn D + D n+ S thaân +2 δ a H=π t H = (Dt + Sthaân + a)H 2 Ta coù phöông trình: 48359 , 92 , 151 = 75 , 966 δa π ×(0 , 85+0 , 003+δ a )×14 , 325 93 , 67956 (0 , 853+δ ) = δ a a −3 a = 9,2.10 ❑ (m) = 9,2 (mm) Vaäy: choïn a = 10 (mm) Theå tích vaät lieäu caùch nhieät caàn duøng: V = (Dt + 2Sthaân + a).a H = .(0.85 + 0,003 + 0,01).0,01.14,325 = 0,38973 (m3) ftb = DtbH = π Chöông TÍNH THIEÁT BÒ PHUÏ I THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP : Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp là nồi đun Kettle Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3: Đường kính ngoài: dn = 38 (mm) = 0,038 (m) Beà daøy oáng: t = (mm) = 0,003 (m) Đường kính trong: dtr = 0,032 (m) Hơi đốt là nước 2,5at ống 38 x Tra baûng 1.251, trang 314, [5]: Nhieät hoùa hôi: r H O = rn = 2189500 (J/kg) Nhiệt độ sôi: t H O = tn = 126,25 (oC) Dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ: Trước vào nồi đun (lỏng): tS1 = 100,6315 (oC) Sau đun sôi (hơi): tS2 = 100,966 (oC) 2 Hiệu số nhiệt độ trung bình: Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: (126 ,25 −100 , 6315)−(126 , 25 −100 , 966) Δt log = 126 ,25 −100 , 6315 Ln 126 ,25 −100 , 966 Heä soá truyeàn nhieät: Trang 33 = 25,45 (K) (34) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức tường phẳng: K= 1 ,(W/m2.K) + Σrt + αn αS 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 và lớp cáu 3.1 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: t −t q t= w1 w , (W/m2) Σrt Trong đó: tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với đốt (trong ống), oC tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ống), oC δ Σrt = t +r 1+r λt Beà daøy thaønh oáng: t = 0,003 (m) Heä soá daãn nhieät cuûa theùp khoâng gæ: t = 16,3 (W/mK) (Baûng XII.7, trang 313, [6]) Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1 = 1/5800 (m2.K/W) (Baûng 31, trang 419, [4]) Nhiệt trở lớp cáu ngoài ống: r2 =1/5800 (m2.K/W) Neân: rt = 5,289.10-4 (m2.K/W) 3.2 Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy ngoài ống: Áp dụng công thức (V.89), trang 26, [6]: , 75 0,7 ρh r 0,033 ρ 0,333 λ q -2 S = 7,77 10 ρ− ρh σ μ , 45 c 117 T 0,37 s Nhiệt độ sôi trung bình dòng sản phẩm ngoài ống: t +t 100 ,6315+100 , 966 t S= S S = = 100,798 (oC) 100,8 (oC) 2 TS = 100,8 + 273 = 373,8 (K) Tại nhiệt độ sôi trung bình thì: Khối lượng riêng pha dòng sản phẩm ngoài ống: PMHW ×22 ,389 ρ h= = = 0,73(kg/m3) RT S 22 , ×(100 , 8+273) 273 Khối lượng riêng : N = 957,808 (kg/m3) (Baûng 1.249, trang 310, [5]) A = 956,56 (kg/m3) (Baûng 1.2, trang 9, [5]) x W − x W , 72 ,28 = + = + Neân: = 957,458 (kg/m3) ρ ρN ρA 957 , 808 956 , 56 Độ nhớt ( ) () Trang 34 (35) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam N = 2,8.10-4 (N.s/m2) (Baûng 1.249, trang 310, [5]) A = 4,6.10-4 (N.s/m2) (Baûng 1.101, trang 91, [5]) Neân: lg = xWlgN + (1 - xW)lgA = 0,8955.lg(2,8.10-4) + (1 - 0,8955).lg(4,6.10-4) = 2,95.10-4 (N.s/m2) Heä soá daãn nhieät ; N = 0,68216 (W/mK) (Baûng 1.249, trang 310, [5]) A = 0,15484 (W/mK) (Baûng 1.130, trang 134, [5]) Áp dụng công thức (1.33), trang 123, [5]): = N.xW + A.(1 - xW) – 0,72 xW.(1 - xW)(N - A) = 0,458 (W/mK) Nhieät dung rieâng : cN = 4221,04 (J/kgK) (Baûng 1.249, trang 310, [5]) cA = 2434,2 (J/kgK) (Baûng 1.154, trang 172, [5]) Neân: c = cN x W + cA (1 - x W ) = 3720,725 (J/kgK) Sức căng bề mặt: N = 0,586932 (N/m) (Baûng 1.249, trang 310, [5]) A = 0,019728 (N/m) (Baûng 1.242, trang 300, [5]) σNσ A Neân: σ = = 0,019086 (N/m) σ N +σ A Nhieät hoùa hôi rN = 2258080 (J/kg) (Baûng 1.250, trang 312, [5]) rA = 418600 (J/kg) (Toán đồ 1.65, trang 255, [5]) Neân: r = rN x W + rA (1 - x W ) = 1743025,6 (J/kg) 3.3 Xác định hệ số cấp nhiệt đốt ống: r n ρ 2n g λ 3n Áp dụng công thức (3.65), trang 120, [4]: α n=0 , 725 μn (t n -t W1 ) d tr o Duøng pheùp laëp: choïn tW1 = 117,5 ( C) Nhiệt độ trung bình màng nước ngưng tụ: tm = ½ (tn + tW1) = 121,875 (oC) Tại nhiệt độ này thì: Khối lượng riêng nước: n = 941,544 (kg/m3) Độ nhớt nước: n = 2,23344.10-4 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt nước: n = 0,686 (W/mK) Neân: n = 2291,9831 (W/m2K) qn = n (tn – tW1) = 20054,852 (W/m2) qt = qn = 20054,852 (W/m2) (xem nhiệt tải mát là không đáng kể) tw2 = tw1 - qtrt = 106,893 (oC) S = 3426,773 (W/m2K) (với q = qt) qS = S (tW2 – tS) = 30879,328 (W/m2) Kieåm tra sai soá: ¿ q n − q∨ ¿ q 100% = 4,11% < 5% (thoûa) = ¿ Keát luaän: tw1 = 117,5 oC vaø tw2 = 106,893 oC √ 3.4 Xaùc ñònh heä soá truyeàn nhieät: Trang 35 (36) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam K= 1 + ,289 10−4 + 2291 , 9831 3426 ,773 = 795,53 (W/m2K) Beà maët truyeàn nhieät: Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Qñ 3481914 , 263× 1000 = F= = 49,644 (m2) K Δt log 3600× 795,53× 25 , 45 Caáu taïo thieát bò: Chọn số ống truyền nhiệt: n = 127 (ống) Ống bố trí theo hình lục giác F d +d = 3,555 (m) choïn L = (m) Chieàu daøi oáng truyeàn nhieät: L = nπ n tr Tra bảng V.II, trang 48, [6] Số ống trên đường chéo: b = 13 (ống) Tra bảng trang 21, [3] Bước ống: t = 48 (mm) = 0,048 (m) Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [6]: Đường kính thiết bị: D = t(b-1) + 4dn = 0,728 (m) II THIẾT BỊ LAØM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY : Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T: Kích thước ống trong: 38 x Kích thước ống ngoài: 57 x Choïn: Nước làm lạnh ống với nhiệt độ vào t V = 25oC và nhiệt độ t R = 35oC Sản phẩm đáy ống ngoài với nhiệt độ vào t WS = 100,6315oC và nhiệt độ tWR = 40oC Suất lượng nước làm lạnh cần dùng: Caân baèng nhieät: Q = GW(hWS – hWR) = Gn (hR – hV) Nhiệt dung riêng nước 40oC = 4,178 (kJ/kg.K) Nhiệt dung riêng axit 40oC = 2,1(kJ/kg.K) Neân: hWR = (0,72 4,178 + 0,28 2,1) 40 = 143,8464 (kJ/kg) Tra bảng 1.250, p312, ST I Enthalpy nước 25oC : hV = 104,75 (kJ/kg) Enthalpy nước 35oC : hR = 146,65 (kJ/kg) Lượng nhiệt trao đổi: Q = GW(hWS – hWR) = 31435,7 (kJ/h) Q Suất lượng nước cần dùng: Gn= h − h = 750,255 (kg/h) R V Hiệu số nhiệt độ trung bình: Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: Trang 36 (37) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Δt log = (100 , 6315 −35) −( 40 −25) 100 , 6315 −35 Ln 40 −25 = 34,303 (K) Heä soá truyeàn nhieät: Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: K= 1 ,(W/m2.K) + Σrt + αn αW Với: n : hệ số cấp nhiệt dòng nước lạnh (W/m2.K) W : hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy (W/m2.K) rt : nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu 3.1 Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống: Kích thước ống trong: Đường kính ngoài: dn = 38 (mm) = 0,038 (m) Beà daøy oáng: t = (mm) = 0,003 (m) Đường kính trong: dtr = 0,032 (m) Nhiệt độ trung bình dòng nước ống: tf = ½ (tV + tR) = 30 (oC) Tại nhiệt độ này thì: Khối lượng riêng nước: n = 995,7 (kg/m3) Độ nhớt nước: n = 8,05.10-7 (m2/s) Hệ số dẫn nhiệt nước: n = 0,617 (W/mK) Chuaån soá Prandtl: Prn = 5,42 Vận tốc nước ống: Gn × 750 ,255 vn= = = 0,26025 (m/s) 2 3600 ρn πd tr 3600 ×995 , × π ×0 , 032 Chuaån soá Reynolds : v d , 26025× , 032 Ren= n tr = = 10345,3416 > 104 : chế độ chảy rối −7 νn , 05 10 Áp dụng công thức (3.27), trang 110, [4] công thức xác định chuẩn số Nusselt: ,25 0,8 ,43 Pr n Nun=0 , 021 ε l Ren Pr n Pr w ( ) Trong đó: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ chiều dài L và đường kính d ống Tra baûng 3.1, trang 110, [4] choïn 1 = Nu n λn Hệ số cấp nhiệt nước ống: n = d tr 3.2 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: t w1 −t w q t= , (W/m2) Σrt Trong đó: tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (trong ống trong), oC Trang 37 (38) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước lạnh (ngoài ống trong), oC δ Σrt = t +r 1+r λt Beà daøy thaønh oáng: t = 0,003 (m) Heä soá daãn nhieät cuûa theùp khoâng gæ: t = 16,3 (W/mK) Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1 = 1/5000 (m2.K/W) Nhiệt trở lớp cáu ngoài ống: r2 =1/5800 (m2.K/W) Neân: rt = 5,565.10-4 (m2.K/W) 3.3 Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy ngoài ống: Kích thước ống ngoài: Đường kính ngoài: Dn = 57 (mm) = 0,057 (m) Beà daøy oáng: t = (mm) = 0,003 (m) Đường kính trong: Dtr = 0,051 (m) Nhiệt độ trung bình dòng sản phẩm đáy ngoài ống: tW = ½ (tWS + tWR) = 70,31575 (oC) Tại nhiệt độ này thì: Khối lượng riêng nước: N = 977,61 (kg/m3) Khối lượng riêng axit: A = 992,137 (kg/m3) x W − x W , 72 , 28 = + = + Neân: = 981,6345 (kg/m3) ρ ρN ρA 977 , 61 992, 137 Độ nhớt nước: N = 3,9767.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt axit: A = 6,278.10-4 (N.s/m2) Neân: lg = xWlgN + (1 - xW)lgA = 0,8955.lg(3,9767.10-4) + 0,1045.lg(6,278.10-4) = 4,171.10-4 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt nước: N = 0,6682 (W/mK) Heä soá daãn nhieät cuûa axit: A = 0,1617 (W/mK) Neân: = N xW + A.(1 - xW) – 0,72 xW.(1 - xW)(N - A) = 0,45286 (W/mK) Nhiệt dung riêng nước: cN = 4187,2526 (J/kgK) Nhieät dung rieâng cuûa axit: cA = 2263,22 (J/kgK) Neân: c = cN x W + cA (1 - x W ) = 3641,8616 (J/kgK) Hệ số dãn nở thể tích nước : β N = 5,816.10 ❑− (1/độ) Hệ số dãn nở thể tích axit : β A = 1,16.10 ❑− (1/độ) Neân : β=x W β N + ( 1− x W ) β A = 8955 5,816.10 ❑− + 0,1045 1,16.10 ❑− = 6,42.10 ❑− (1/độ) cμ Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [6]: Pr= = 3,3543 λ Vận tốc dòng sản phẩm đáy ngoài ống: GW ×136 ,36 v= = = 0,042463 (m/s) 2 3600ρπ ( D tr − d n ) 3600 ×981 , 6345 × π ×(0 ,0512 −0 , 0382 ) Đường kính tương đương: dtđ = Dtr – dn = 0,051 – 0,038 = 0,013 (m) Chuaån soá Reynolds : vd ρ , 042463 ×0 , 013 ×981 , 6345 Re= tñ = = 1299,165 μ ,171 10 −4 10< Re <2300: chế độ chảy màng Trang 38 (39) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Áp dụng công thức (V.45), trang 17, [6]: công thức xác định chuẩn số Nusselt ,25 Pr Nu W =0 , 15 ε l Re0 ,33 Gr 0,1 Pr , 43 Pr w ( ) Trong đó: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ chiều dài L và đường kính d ống Tra baûng 3.1, trang 110, [4] choïn 1 = Chuaån soá Grashof : gl Δt β Gr = (công thức trang 305, [3]) γ2 Trong đó : ▪ L = dtñ = 0,013 (m) β : hệ số dãn nở thể tích , (1/độ) ▪ γ : độ nhớt động học lưu chất , (m2/s) ▪ μ , 171 10− γ= = = 4,33.10 ❑− (m2/s) ρ g 981, 6345 ×9 , 81 Δt : chênh lệch nhiệt độ thành ống và dòng sản phẩm đáy ▪ Δt = t W −t W , (oC) Nu W λ Hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy ngoài ống: W = d tñ o Duøng pheùp laëp: choïn tW1 = 43,5 ( C) Tại nhiệt độ này thì: Độ nhớt nước: N = 6,145.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt axit: A = 8,615.10-4 (N.s/m2) Neân: lgW1 = xWlgN + (1 - xW)lgA = 0,8955.lg(6,145.10-4) + 0,1045.lg(8,615.10-4) W1 = 6,366.10-4 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt nước: N = 0,6389 (W/mK) Heä soá daãn nhieät cuûa axit: A = 0,1672 (W/mK) Neân: W1 = N.xW + A.(1 - xW) – 0,72 xW.(1 - xW)(N - A) = 0,4383 (W/mK) Nhiệt dung riêng nước: cN = 4178 (J/kgK) Nhiệt dung riêng nước: cA = 2118,425 (J/kgK) Neân: cW1 = cN x W + cA (1 - x W ) = 3601,403 (J/kgK) cW μW Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [6]: Pr W 1= = 5,23078 λW Neân: NuW = 11,69963 W = 407,561 (W/m2K) qW =W (tW – tW1) = 10929,057(W/m2) qt = qW = 10929,057 (W/m2) (xem nhiệt tải mát là không đáng kể) tw2 = tw1 - qtrt = 37,418 (oC) Pr W = 4,614676 Nun = 73,63746 n = 1419,822 (W/m2K) qn = n (tW2 – tf) = 10532,2396 (W/m2) Kieåm tra sai soá: Trang 39 (40) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam ¿ qW − q∨ ¿ q 100% = 3,63% < 5% (thoûa) = ¿ Keát luaän: tw1 = 43,5oC vaø tw2 = 37,418oC 3.4 Xaùc ñònh heä soá truyeàn nhieät: K= 1 +5 ,565 10− 4+ 1419 , 822 407 , 561 = 269,22 (W/m2K) Beà maët truyeàn nhieät: Lượng nhiệt trao đổi: Q = GW(hWS – hWR) = 31435,7 (kJ/h) Q Suất lượng nước cần dùng: Gn= h − h = 750,255 (kg/h) R V Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Q 31435 ,7 × 1000 F = K Δt =3600× 269 , 22× 24 , 303 = 0,94554 (m2) log Caáu taïo thieát bò: Chieàu daøi oáng truyeàn nhieät: L = F d +d = 8,6 (m) choïn L = (m) nπ n tr L = d tr , 032 = 281,25 > 50 l = 1: thoûa Kết luận: Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chieàu daøi oáng truyeàn nhieät L = (m), chia thaønh daõy, moãi daõy 3m Kieåm tra: III THIEÁT BÒ NGÖNG TUÏ SAÛN PHAÅM ÑÆNH : Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ống loại TH, đặt nằm ngang Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3: Đường kính ngoài: dn = 38 (mm) = 0,038 (m) Beà daøy oáng: t = (mm) = 0,003 (m) Đường kính trong: dtr = 0,032 (m) Choïn: Nước làm lạnh ống với nhiệt độ vào tV = 25oC và nhiệt độ tR = 40oC Dòng đỉnh ngoài ống với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 100,009 (oC) Hiệu số nhiệt độ trung bình : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: (100 , 009 −25)−( 100 ,009 − 40) Δt log = 100 , 009 −25 = 67,23(K) Ln 100 , 009 − 40 Heä soá truyeàn nhieät: Trang 40 (41) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: K= 1 ,(W/m2.K) + Σrt + αn α ngöng Với: n : hệ số cấp nhiệt dòng nước lạnh (W/m2.K) ngöng : heä soá caáp nhieät cuûa doøng hôi ngöng tuï (W/m2.K) rt : nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu 3.1 Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống : Nhiệt độ trung bình dòng nước ống: tf = ½ (tV + tR) = 32,5 (oC) Tại nhiệt độ này thì: Khối lượng riêng nước: n = 994,85 (kg/m3) Độ nhớt nước: n = 7,64.10-7 (m2/s) Hệ số dẫn nhiệt nước: n = 0,6215 (W/mK) Chuaån soá Prandtl: Prn = 5,16 Chọn vận tốc nước ống:vn = (m/s) Gn 55459 ,3 = Soá oáng: n= 3600 ρ 3600 ×994 ,85 π , 0322 = 19,254 N π d tr v n Tra baûng V.II, trang 48, [6] choïn n = 37 (oáng) Vận tốc thực tế nước ống: Gn ×55459 , vn= = = 0,52 (m/s) 2 3600 ρn nπd tr 3600 × 994 , 85 ×37 × π ×0 , 032 Chuaån soá Reynolds : v n d tr , 52× , 032 Ren= = = 21796,127 > 104 : chế độ chảy rối −7 νn ,64 10 Áp dụng công thức (3.27), trang 110, [4],công thức xác định chuẩn số Nusselt: ,25 0,8 ,43 Pr n Nun=0 , 021 ε l Ren Pr n Pr w ( ) Trong đó: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ chiều dài L và đường kính d ống Tra baûng 3.1, trang 110, [4] choïn 1 = Nu n λn Hệ số cấp nhiệt nước ống trong: n = d tr 3.2 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu : t −t q t= w1 w , (W/m2) Σrt Trong đó: tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với ngưng tụ, oC tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước lạnh, oC δ Σrt = t +r 1+r λt Beà daøy thaønh oáng: t = 0,003 (m) Trang 41 (42) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Heä soá daãn nhieät cuûa theùp khoâng gæ: t = 16,3 (W/mK) Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1 = 1/5000 (m2.K/W) Nhiệt trở lớp cáu ngoài ống: r2 =1/5800 (m2.K/W) Neân: rt = 5,565.10-4 (m2.K/W) 3.3 Xác định hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ngoài ống : Ñieàu kieän: - Ngöng tuï hôi baõo hoøa - Không chứa không khí không ngưng - Hơi ngưng tụ mặt ngoài ống - Maøng chaát ngöng tuï chaûy taàng - OÁng naèm ngang Áp dụng công thức (3.65), trang 120, [4] Đối với ống đơn nằm ngang thì: r ρ g λ3 α 1=0 , 725 μ.( t ngöng -tW1 ) d n Tra baûng V.II, trang 48, [6] : Với số ống n = 37 thì số ống trên đường chéo hình cạnh là: b = Tra hình V.20, trang 30, [6] heä soá phuï thuoäc vaøo caùch boá trí oáng vaø soá oáng dãy thẳng đứng là tb = 0,6 (vì xếp xen kẽ và số ống dãy thẳng đứng là 7) Heä soá caáp nhieät trung bình cuûa chuøm oáng: ngöng = tb1 = 0,61 √ Duøng pheùp laëp: choïn tW1 = 91 (oC) Nhiệt độ trung bình màng chất ngưng tụ: tm = ½ (tngưng + tW1) = 95,5045 (oC) Tại nhiệt độ này thì: Khối lượng riêng nước: N = 961,457 (kg/m3) Khối lượng riêng axit: A = 963,17 (kg/m3) xD 1− xD , 995 , 005 = + = + Neân: = 961,4655 (kg/m3) ρ ρN ρA 961 , 457 963 ,17 Độ nhớt nước: N = 2,955.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt axit: A = 4,825.10-4 (N.s/m2) Neân: lg = xDlgN + (1 – xD)lgA = 0,9985.lg(2,955.10-4) + 0,0015.lg(4,825.10-4) = 2,957.10-4 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt nước: N = 0,6811 (W/mK) Heä soá daãn nhieät cuûa axit: A = 0,156124 (W/mK) Neân: = N xD + A.(1 - xD) – 0,72 xD.(1 - xD)(N - A) = 0,6766 (W/mK) Nhieät ngöng tuï cuûa doøng hôi: r = rD = 2271688,3 (J/kg) Neân: 1 = 11487,63 (W/m2K) ngöng = 6892,5776 (W/m2K) qngöng = ngöng (tngöng – tW1) = 62095,23167 (W/m2) qt = qngöng = 62095,23167(W/m2) (xem nhiệt tải mát là không đáng kể) tw2 = tw1 - qtrt = 56,444 (oC) Trang 42 (43) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Prw2 = 3,465 Nun = 138,8677 n = 2677,54355 (W/m2K) qn = n (tW2 – tf) = 64111,10274 (W/m2) Kieåm tra sai soá: ¿ q ngöng −q∨ ¿ q 100% = 3,2464% < 5% (thoûa) ¿ Keát luaän: tw1 = 91 oC vaø tw2 = 56,444 oC = 3.4 Xaùc ñònh heä soá truyeàn nhieät: K= 1 +5 , 565 10− + 2677 , 54355 6892 ,5776 = 930,18 (W/m2K) Beà maët truyeàn nhieät: Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Q nt 3485616 ,314 ×1000 = F= = 15,4827 (m2) K Δt log 3600× 930 , 18× 67 , 23 Caáu taïo thieát bò: Số ống truyền nhiệt: n = 37 (ống) Ống bố trí theo hình lục giác F d +d = 3,8056 (m) choïn L = (m) Chieàu daøi oáng truyeàn nhieät: L = nπ n tr Số ống trên đường chéo: b = (ống) Tra bảng trang 21, [3] Bước ống: t = 48 (mm) = 0,048 (m) Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [6]: Đường kính thiết bị: D = t(b-1) + 4dn = 0,44 (m) IV THIEÁT BÒ ÑUN SOÂI DOØNG NHAÄP LIEÄU : Choïn thieát bò ñun soâi doøng nhaäp lieäu laø thieát bò truyeàn nhieät oáng loàng oáng Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T: Kích thước ống trong: 38 x Kích thước ống ngoài: 57 x Choïn: Dòng nhập liệu ống với nhiệt độ vào t V = tFV = 25 oC và nhiệt độ tR = tFS = 100,1524 oC Hơi ngưng tụ ống ngoài có áp suất 2,5at: Nhieät hoùa hôi: r H O = rn = 2189500 (J/kg) Nhiệt độ sôi: t H O = tn = 126,25 (oC) 2 Hiệu số nhiệt độ trung bình : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: Trang 43 (44) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Δt log = (126 ,25 −25) −(126 ,25 − 100 ,1524) 126 ,25 −25 Ln 126 ,25 −100 , 1524 = 55,4324 (K) Heä soá truyeàn nhieät : Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức: K= 1 ,(W/m2.K) + Σrt + αF αn Với: F : heä soá caáp nhieät cuûa doøng nhaäp lieäu oáng (W/m2.K) n : hệ số cấp nhiệt đốt ngoài ống (W/m2.K) rt : nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu 3.1 Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät cuûa doøng nhaäp lieäu oáng: Kích thước ống trong: Đường kính ngoài: dn = 38 (mm) = 0,038 (m) Beà daøy oáng: t = (mm) = 0,003 (m) Đường kính trong: dtr = 0,032 (m) Nhiệt độ trung bình dòng nhập liệu ống: tF = ½ (tV + tR) = 62,5762 (oC) Tại nhiệt độ này thì: Khối lượng riêng nước: N = 981,809 (kg/m3) Khối lượng riêng axit: A = 1001,037 (kg/m3) xF x F − ,92 ,08 = + = + Neân: F = 983,32 (kg/m3) ρF ρ N ρA 981 , 809 1001 ,037 Độ nhớt nước: N = 4,5145.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt axit: A = 6,8197.10-4 (N.s/m2) Neân: lgF = xFlgN + (1 – xF)lgA = 0,9746.lg(4,5145.10-4) + 0,0254.lg(6,8197.10-4) F = 4,562.10-4 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt nước: N = 0,66106 (W/mK) Heä soá daãn nhieät cuûa axit: A = 0,16305 (W/mK) Neân: F = N.xF + A.(1 - xF) – 0,72 xF.(1 - xF)(N - A) = 0,59483 (W/mK) Nhiệt dung riêng nước: cN = 4183 (J/kgK) Nhiệt dung riêng nước: cA = 2221,04 (J/kgK) Neân: cF = cN x F + cA (1 - x F ) = 4026,043(J/kgK) cF μF Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [6]: Pr F= = 3,08774 λF Vaän toác cuûa doøng nhaäp lieäu ñi oáng: GF ×500 v F= = = 0,1756 (m/s) 3600ρπ d tr 3600 ×983 , 32× π × , 0322 Chuaån soá Reynolds : v d ρ , 1756 ×0 , 032 ×983 , 32 Re F= F tr F = = 12113,576 > 104 : chế độ chảy rối −4 μF ,562 10 Trang 44 (45) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Áp dụng công thức (3.27), trang 110, [4] công thức xác định chuẩn số Nusselt: ,25 ,43 Pr F Nu F=0 ,021 ε l Re0,8 Pr F F Pr w ( ) Trong đó: 1 – hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ chiều dài L và đường kính d ống Tra baûng 3.1, trang 110, [4] choïn 1 = Nu F λ F Heä soá caáp nhieät cuûa doøng nhaäp lieäu ñi oáng trong: F = d tr 3.2 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu : t −t q t= w1 w , (W/m2) Σrt Trong đó: tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với đốt, oC tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu, oC δ Σrt = t +r 1+r λt Beà daøy thaønh oáng: t = 0,003 (m) Heä soá daãn nhieät cuûa theùp khoâng gæ: t = 16,3 (W/mK) Nhiệt trở lớp cáu ống: r1 = 1/5800 (m2.K/W) Nhiệt trở lớp cáu ngoài ống: r2 =1/5800 (m2.K/W) Neân: rt = 5,289.10-4 (m2.K/W) 3.3 Xác định hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ngoài ống : Kích thước ống ngoài: Đường kính ngoài: Dn = 57 (mm) = 0,057 (m) Beà daøy oáng: t = (mm) = 0,003 (m) Đường kính trong: Dtr = 0,051 (m) r n ρn g λ n Áp dụng công thức (3.65), trang 120, [4]: α n=0 , 725 μn (t n -t W1 ) d n o Duøng pheùp laëp: choïn tW1 = 123,25 ( C) Nhiệt độ trung bình màng nước ngưng tụ: tm = ½ (tn + tW1) = 124,75 (oC) Tại nhiệt độ này thì: Khối lượng riêng nước: n = 939,1575 (kg/m3) Độ nhớt nước: n = 2,28.10-4 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt nước: n = 0,686 (W/mK) Neân: n = 15967,7555 (W/m2K) qn = n (tn – tW1) = 47903,2664 (W/m2) qt = qn = 47903,2664 (W/m2) (xem nhiệt tải mát là không đáng kể) tw2 = tw1 - qtrt = 97,914 (oC) Tại nhiệt độ này thì: Độ nhớt nước: N = 2,88.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt axit: A = 4,7.10-4 (N.s/m2) Neân: lgW2 = xFlgN + (1 – xF)lgA = 0,9746.lg(2,88.10-4) + 0,0254.lg(4,7.10-4) W2 = 2,916.10-4 (N.s/m2) √ Trang 45 (46) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Hệ số dẫn nhiệt nước: N = 0,6816 (W/mK) Heä soá daãn nhieät cuûa axit: A = 0,1555 (W/mK) Neân: W2 = N.xF + A.(1 - xF) – 0,72 xF.(1 - xF)(N - A) = 0,611633 (W/mK) Nhiệt dung riêng nước: cN = 4218,33 (J/kgK) Nhiệt dung riêng nước: cA = 2418,11 (J/kgK) Neân: cW2 = cN x F + cA (1 - x F ) = 4074,3124 (J/kgK) cW μW Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [6]: Pr W 2= = 1,942455 λW Neân: NuF = 70,74614 F = 1315,03(W/m2K) qF =F (tW2 - tF) = 46470,24 (W/m2) Kieåm tra sai soá: ¿ q n − q∨ ¿ q 100% = 2,9915% < 5% (thoûa) = ¿ Keát luaän: tw1 = 123,25 oC vaø tw2 = 97,914 oC 3.4 Xaùc ñònh heä soá truyeàn nhieät : K= = 739,664 (W/m2K) −4 1315 , 03+5 , 289 10 +15967 , 7555 Beà maët truyeàn nhieät : Caân baèng nhieät: Q = GF(hFS – hFV) = Gnrn Neân: Q = GF(hFS – hFV) = 500.(408,326 – 100,135) = 154095,5 (kJ/h) Q Lượng đốt cần dùng: Gn= r = 70,3793 (kg/h) n Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Q 154095,5× 1000 F = K Δt =3600× 739 , 664 ×55 , 4324 = 1,044 (m2) log Caáu taïo thieát bò : Chieàu daøi oáng truyeàn nhieät: L = F d +d = 9,495 (m) choïn L = 12 (m) nπ n tr L 12 = d tr , 032 = 375 > 50 l = 1: thoûa Kết luận: Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chieàu daøi oáng truyeàn nhieät L = 12 (m), chia thaønh daõy, moãi daõy 3m Kieåm tra: Trang 46 (47) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam V BOÀN CAO VÒ : Tổn thất đường ống dẫn: Chọn ống dẫn có đường kính là dtr = 80 (mm) Tra baûng II.15, trang 381, [5] Độ nhám ống: = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mòn ít) Tổn thất đường ống dẫn: v l h1= λ1 + Σξ F (m) d1 2g ( ) 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 = 0,08(m) 1 : toång heä soá toån thaát cuïc boä vF : vaän toác doøng nhaäp lieäu oáng daãn 1.1 Xaùc ñònh vaän toác doøng nhaäp lieäu oáng daãn : Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra nhiệt độ trung bình: t FV +t FS tF = = 62,5762 (oC) Tại nhiệt độ này thì: Khối lượng riêng nước: N = 981,809 (kg/m3) Khối lượng riêng axit: A = 1001,037 (kg/m3) xF x F − ,92 ,08 = + = + Neân: F = 983,32 (kg/m3) ρF ρ N ρA 981 , 809 1001 ,037 Độ nhớt nước: N = 4,5145.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt axit: A = 6,8197.10-4 (N.s/m2) Neân: lgF = xFlgN + (1 – xF)lgA = 0,9746.lg(4,5145.10-4) + 0,0254.lg(6,8197.10-4) F = 4,562.10-4 (N.s/m2) Vaän toác cuûa doøng nhaäp lieäu ñi oáng: GF ×500 v F= = = 0,0281 (m/s) 3600 ρF πd tr 3600 ×983 , 32× π × , 082 1.2 Xác định hệ số ma sát đường ống : Chuaån soá Reynolds : v d ρ , 0281 ×0 , 08 ×983 , 32 Re F= F tr F = = 4845,43 > 4000 : chế độ chảy rối μF ,562 10− Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh = 6(d1/)8/7 = 5648,5125 Vì 4000 < ReF < Regh chế độ chảy rối ứng với khu vực nhẵn thủy học Áp dụng công thức (II.61), trang 378, [5]: Trang 47 (48) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam 1,8 lgRe −1 , 64 ¿2 ¿ 1= = 0,04 ¿ 1.3 Xaùc ñònh toång heä soá toån thaát cuïc boä : Choã uoán cong : Tra baûng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = thì u1 (1 chỗ) = 0,15 Đường ống có chỗ uốn u1 = 0,15 = 0,9 Van : Tra baûng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn thì van (1 cái) = 10 Đường ống có van cầu van = 10 = 20 Lưu lượng kế : l1 = (coi không đáng kể) Vaøo thaùp : thaùp = Neân: 1 = u1 + van + ll = 21,9 30 ,02812 + 21, Vaäy: h1= , 04 = 1,485.10 ❑− (m) , 08 2× , 81 ( ) Tổn thất đường ống dẫn thiết bị đun sôi dòng nhập liệu; ( h2= λ v l2 + Σξ d2 2g ) (m) Trong đó: 2 : hệ số ma sát đường ống l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = 12 (m) d2 : đường kính ống dẫn, d2 = dtr = 0,032(m) 2 : toång heä soá toån thaát cuïc boä v2 : vaän toác doøng nhaäp lieäu oáng daãn 2.1 Vaän toác doøng nhaäp lieäu oáng daãn :v2 = 0,1756 (m/s) 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 Chuẩn số Reynolds giới hạn: Regh = 6(d1/)8/7 = 1982,191 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren = 220(d1/)9/8 = 66383,120 Vì Regh < Re1 < Ren chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ Áp dụng công thức (II.64), trang 379, [5]: ε 100 , 25 0,1 , 46 + 2 = = 0,0363 d Re2 ( ) 2.3 Xaùc ñònh toång heä soá toån thaát cuïc boä : Chữ U : Trang 48 (49) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Tra baûng 9.5, trang 94, [1]: U2 (1 choã) = 2,2 Đường ống có (4 – 1) = chữ U U2 = 2,2 = 6,6 Đột thu : Tra baûng II.16, trang 382, [5]: F o , 0322 = Khi = 0,160 thì đột thu (1chỗ) = 0,458 F , 082 Có chỗ đột thu đột thu = 0,458 Đột mở : Tra baûng II.16, trang 382, [5]: F o , 0322 = Khi = 0,160 thì đột mở (1chỗ) = 0,708 F , 082 Có chỗ đột mở đột mở = 0,708 Nên: 2 = U2 + đôt thu + đột mở = 7,766 12 , 17562 h = , 0363 +7 , 766 Vaäy: = 0,19134 (m) ,032 × ,81 ( ) Chieàu cao boàn cao vò: Choïn : Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Mặt cắt (2-2) là mặt cắt vị trí nhập liệu tháp Aùp duïng phöông trình Bernoulli cho (1-1) vaø (2-2): P1 P2 v1 v2 z1 + + = z2 + + +hf1-2 ρF g ρF g 2.g 2.g P − P1 v − v + z1 = z2 + +hf1-2 ρF g 2.g Trong đó: z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem là chiều cao bồn cao vị H cv = z1 z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem là chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu: z2 = hchân đỡ + hđáy + (nttC – 1)h + 0,5 = 0,24 + 0,2625 + (13 – 1).0,3 + 0,5 = 4,6025 (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 = 34 490,4024 = 16673,6816 (N/m2) v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = (m/s) v2 : vaän toác taïi vò trí nhaäp lieäu, v2 = vF = 0,0281 (m/s) hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2): hf1-2 = h1 + h2 = 0,192825 (m) Vaäy: Chieàu cao boàn cao vò: 2 2 Trang 49 (50) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam P2 − P1 v − v + +hf1-2 ρF g 2.g 16673 ,6816 ,02812 −0 + = 4,6025+ + 0,192825 983 , 32× , 81 2× , 81 = 6,523858 (m) Choïn Hcv = 10 (m) Hcv = z2 + VI BÔM : Naêng suaát: Nhiệt độ dòng nhập liệu là tF = 25oC Tại nhiệt độ này thì: Khối lượng riêng nước: N = 996,9 (kg/m3) Khối lượng riêng axit: A = 1042,75 (kg/m3) x F − x F , 92 , 08 = + = + Neân: F = 1000,42 (kg/m3) ρF ρ N ρA 996 , 1042 , 75 Độ nhớt nước: N = 8,92.10-4 (N.s/m2) Độ nhớt axit: A = 1,125.10-3 (N.s/m2) Neân: lgF = xFlgN + (1 – xF)lgA = 0,9746.lg(8,92.10-4) + 0,0254.lg(1,125.10-3) F = 8,973.10-4 (N.s/m2) Suất lượng thể tích dòng nhập liệu ống: G 500 QF = F = = 0,49979 (m3/h) ρ F 1000 , 42 Vaäy: choïn bôm coù naêng suaát Qb = 0,5 (m3/h) Coät aùp: Choïn : Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu Mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị AÙp duïng phöông trình Bernoulli cho (1-1) vaø (2-2): P1 P2 v1 v2 z1 + + + Hb = z2 + + +hf1-2 ρF g ρF g 2.g 2.g Trong đó: z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = 1m z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 10m 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 : coät aùp cuûa bôm 2 2.1 Tính tổng trở lực ống: Chọn đường kính ống hút và ống đẩy nhau: dtr = 50 (mm) Tra baûng II.15, trang 381, [5] Độ nhám ống: = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mòn ít) Trang 50 (51) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Tổng trở lực ống hút và ống đẩy v l h+ l ñ + Σξ h + Σξ ñ F hf1-2 = λ d tr 2g ( ) Trong đó: lh : chieàu daøi oáng huùt Chieàu cao huùt cuûa bôm: Tra baûng II.34, trang 441, [5] hh = 4,5 (m) Choïn lh = (m) lđ : chiều dài ống đẩy, chọn lđ = 15 (m) h : toång toån thaát cuïc boä oáng huùt đ : tổng tổn thất cục ống đẩy : hệ số ma sát ống hút và ống đẩy vF : vận tốc dòng nhập liệu ống hút và ống đẩy (m/s) Qb × 0,5 v F= = = 0,0707 (m/s) 2 3600 πd tr 3600 × π ×0 , 05 Xác định hệ số ma sát ống hút và ống đẩy : Chuaån soá Reynolds : v F d tr ρF , 0707 ×0 ,05 ×1000 , 42 Re F= = = 3943,23 −4 μF , 973 10 Vì 2320 < ReF < 4000 chế độ chảy quá độ ,3164 Áp dụng công thức (II.59), trang 378, [5]: = Re = 0,04 F ,25 Xaùc ñònh toång toån thaát cuïc boä oáng huùt : Choã uoán cong : Tra baûng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = thì u1 (1 chỗ) = 0,15 OÁng huùt coù choã uoán u1 = 0,15 = 0,3 Van : Tra baûng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn thì v1 (1 cái) = 10 OÁng huùt coù van caàu v1 = 10 Neân: h = u1 + v1 = 10,3 Xác định tổng tổn thất cục ống đẩy : Choã uoán cong : Tra baûng II.16, trang 382, [5]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = thì u2 (1 chỗ) = 0,15 Ống đẩy có chỗ uốn u2 = 0,15 = 0,6 Van : Tra baûng 9.5, trang 94, [1]: Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn thì v2 (1 cái) = 10 Ống đẩy có van cầu v2 = 10 Vaøo boàn cao vò : cv = Trang 51 (52) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Neân: ñ = u1 + v1 + cv = 11,6 +8 , 07072 +10 , 3+11 , Vaäy: hf1-2 = , 032 =7,862.10 ❑− (m) , 05 × ,81 ( ) (mm) 2.2 Tính coät aùp cuûa bôm: Hb = (z2 – z1) + hf1-2 = (10 – 1) +7,862.10 ❑− = 9,007862 (m) Coâng suaát: Choïn hieäu suaát cuûa bôm: b = 0,8 Q b H b ρ F g 0,5 ×9 , 007862 ×1000 , 42 ×9 , 81 = 3600 η b 3600 × 0,8 = 15,348 (W) = 0,0206 (Hp) Kết luận: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có: - Naêng suaát: Qb = 0,5 (m3/h) - Coät aùp: Hb = 9,007862 (m) - Coâng suaát: Nb = 0,0206 (Hp) Công suất thực tế bơm: Nb = Chöông TÍNH KINH TEÁ Lượng thép X18H10T cần dùng: M1 = 47mmâm + mthân + 2mđáy(nắp) = 1438,374 (kg) Lượng thép CT3 cần dùng: M2 = 16mbích nối thân + 2.( mbích ghép ống nhập liệu + mbích ghép ống hoàn lưu + mbích ghép ống dẫn lỏng vào nồi đun + mbích ghép ống dẫn lỏng khỏi nồi đun ) + 2 mbích ghép ống hới + mchân đỡ + mtai treo + mtấm lót = 252,56876 (kg) Soá buloâng caàn duøng: n = 24 + 4.2 + 4.4 = 216 (caùi) Chieàu daøi oáng 38 x 3mm: L1 = 127.4 + + 4.37 + 12 = 677 (m) Chieàu daøi oáng 57 x 3mm: L2 = + 12 = 21 (m) Chọn tổng chiều dài ống hoàn lưu, ống dẫn lỏng vào nồi đun, ống dẫn lỏng khỏi noài ñun laø 30m Chieàu daøi oáng 32mm: 20 (m) Chieàu daøi oáng 20mm: 10 (m) L3 = 30 + 20 + 10 = 60 (m) Chiều dài ống 100mm: Chọn tổng chiều dài ống đỉnh tháp và ống đáy thaùp laø L4 = 10m Trang 52 (53) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Chiều dài ống 50mm: Chọn tổng chiều dài ống chảy tràn và ống xả đáy từ bồn cao vò laø 20m L5 = + + 20 = 40 (m) Kính quan sát: đường kính là 180mm, dày 20mm π S= 0,182 = 0,025 (m2) Choïn kính quan saùt S = 0,025 = 0,051 (m2) Bôm ly taâm: choïn bôm ly taâm Nb = 0,0206 = 0,0412 (Hp) Cuùt inox 38 x 3mm: n = (1 + 2).2 = (caùi) Cuùt inox 57 x 3mm: n = (caùi) Vaät lieäu Số lượng Theùp X18H10T 1438,374 (kg) Theùp CT3 252,56876(kg) Buloâng 216 (caùi) Vaät lieäu caùch nhieät 0,38973 (m3) OÁng daãn 38 x 3mm 677 (m) OÁng daãn 57 x 3mm 21 (m) OÁng daãn loûng ( L3) 60 (m) OÁng 100mm 10 (m) OÁng 50mm (m) Kính quan saùt 0,051 (m2) Bôm ly taâm 0,0412 (Hp) Áp kế tự động (caùi) Nhiệt kế điện trở tự ghi (caùi) Lưu lượng kế ( 50mm) (caùi) Van inox 50mm (caùi) Van inox 32mm (caùi) Van inox 20mm (caùi) Racco inox 50mm (caùi) Racco inox 32mm (caùi) Racco inox 20mm (caùi) Cuùt inox 38 x 3mm 6(caùi) Cuùt inox 57 x 3mm (caùi) Cuùt inox 32mm,20mm 14 (caùi) Cuùt inox 100mm (caùi) Cuùt inox 50mm 10 (caùi) T inox 50 (caùi) Toång chi phí vaät tö Vậy tổng chi phí vật tư là 133 triệu đồng Xem tieàn coâng cheá taïo baèng 200% tieàn vaät tö Vậy: tổng chi phí là 400 triệu đồng Trang 53 Ñôn giaù 50000 (ñ/kg) 10000 (ñ/kg) 5000 (ñ/caùi) 4000000 (ñ/m3) 50000 (ñ/m) 100000 (ñ/m) 100000 (ñ/m) 100000 (ñ/m) 100000 (ñ/m) 250000 (ñ/m2) 700000 (ñ/Hp) 600000 (ñ/caùi) 200000 (ñ/caùi) 1500000 (ñ/caùi) 150000 (ñ/caùi) 150000 (ñ/caùi) 150000 (ñ/caùi) 150000 (ñ/caùi) 150000 (ñ/caùi) 150000 (ñ/caùi) 15000 (ñ/caùi) 30000 (ñ/caùi) 30000 (ñ/caùi) 30000 (ñ/caùi) 30000 (ñ/caùi) 30000 (ñ/caùi) Thaønh tieàn (ñ) 71918700 2525687,6 1080000 1558920 33850000 2100000 6000000 1000000 4000000 12723 28840 600000 600000 3000000 750000 600000 300000 750000 150000 150000 90000 180000 420000 90000 300000 90000 132144870,6 (54) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam LỜI KẾT Với hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic dùng tháp mâm xuyên lỗ đã thiết kế, ta thấy bên cạnh ưu điểm còn có nhiều nhược điểm Thiết bị có ưu điểm là suất và hiệu suất cao thiết bị còn cồng kềnh, đòi hỏi phải có vận hành với độ chính xác cao Bên cạnh đó, vận hành thiết bị này ta phải chú ý đến vấn đề an toàn lao động để tránh rủi ro có thể xảy ra, gây thiệt hại người và cuûa TAØI LIEÄU THAM KHAÛO [1].Trần Hùng Dũng – Nguyễn Văn Lục – Hoàng Minh Nam – Vũ Bá Minh, “Quá trình vaø Thieát bò Coâng Ngheä Hoùa Hoïc – Taäp 1, Quyeån 2: Phaân rieâng baèng khí động, lực ly tâm, bơm, quạt, máy nén Tính hệ thống đường ống”, Nhà xuất Đại hoïc Quoác gia TpHCM, 1997, 203tr [2].Voõ Vaên Bang – Vuõ Baù Minh, “Quaù trình vaø Thieát bò Coâng Ngheä Hoùa Hoïc – Taäp 3: Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 388tr [3].Phaïm Vaên Boân – Nguyeãn Ñình Thoï , “Quaù trình vaø Thieát bò Coâng Ngheä Hoùa Học – Tập 5: Quá trình và Thiết bị Truyền Nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2002, 372tr [4].Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam, “Quá trình và Thiết bị Công Nghệ Hóa Học – Tập 10: Ví dụ và Bài tập”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 468tr [5].Taäp theå taùc giaû, “Soå tay Quaù trình vaø Thieát bò Coâng ngheä Hoùa chaát – Taäp 1”, Nhaø xuaát baûn Khoa hoïc Kyõ thuaät Haø Noäi, 1999, 626tr [6].Taäp theå taùc giaû, “Soå tay Quaù trình vaø Thieát bò Coâng ngheä Hoùa chaát – Taäp 2”, Nhaø xuaát baûn Khoa hoïc Kyõ thuaät Haø Noäi, 1999, 447tr [7].Hồ Lê Viên, “Thiết kế và Tính toán các thiết bị hóa chất”, Nhà xuất Khoa học và Kyõ thuaät, Haø Noäi, 1978, 286tr [8].Nguyễn Minh Tuyển, “Cơ sờ Tính toán Máy và Thiết bị Hóa chất – Thực phẩm”, Nhà xuaát baûn Khoa hoïc vaø Kyõ thuaät, Haø Noäi, 1984, 134tr [9].Trần Hữu Quế, “Vẽ kỹ thuật khí – Tập 1”, Nhà xuất Đại học và Giáo dục chuyeân nghieäp, 1991, 160tr [10].Phạm Đình Trị, “380 phương thức điều chế và ứng dụng hóa học sản xuất và đời sống”, Nhà xuất TpHCM, 1988, 144tr [11].Nguyễn Thế Đạt, “Khoa học kỹ thuật bảo hộ lao động và số vấn đề môi trường”, Nhà xuất Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2005, 283tr [12].Thế Nghĩa, “Kỹ thuật an toàn sản xuất và sử dụng hóa chất ”, Nhà xuất Khoa hoïc Kyõ thuaät, 2000, 299tr Trang 54 (55) Chưng luyện Acid acetic - NướcGVHD: Hoàng Minh Nam Trang 55 (56)