ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MÂN CHÓP XUYÊN LỖ CÓ ỐNG CHẢY CHUYỀN CHƯNG CẤT HỆ BENZEN- TOLUEN Năm học 2019-2020 LỜI MỞ ĐẦU Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp các kiến thức cơ bản cần thiết cho Kỹ sư hóa – thực phẩm trong tương lai. Môn học này giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu thiết bị, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên sinh viên được vận dụng những kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của đồ án môn học là thiết kế tháp chưng cất mâm xuyên lỗ của hệ Benzen – Toluen hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu: 5000 kg/h có nồng độ 32% khối lượng benzen, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 97,5% khối lượng benzen và sản phẩm đáy là 1,8% khối lượng benzen. Em xin chân thành cảm ơn các quí thầy, cô bộ môn Máy & Thiết bị, đặc biệt là thầy Nguyễn Thanh Quang đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể tránh được những sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn.
Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách Khoa Khoa Kỹ Thuật Hố học BỘ MƠN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỒ ÁN MƠN HỌC Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MÂN CHĨP XUYÊN LỖ CÓ ỐNG CHẢY CHUYỀN CHƯNG CẤT HỆ BENZEN- TOLUEN SVTH: Đinh Thành Thung – 1513349 GVHD: TS Trần Thanh Quang Năm học 2019-2020 LỜI MỞ ĐẦU Đồ án mơn học Q trình & Thiết bị mơn học mang tính tổng hợp kiến thức cần thiết cho Kỹ sư hóa – thực phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu thiết bị, giá thành thiết bị sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây bước sinh viên vận dụng kiến thức học để giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ đồ án môn học thiết kế tháp chưng cất mâm xuyên lỗ hệ Benzen – Toluen hoạt động liên tục với suất nhập liệu: 5000 kg/h có nồng độ 32% khối lượng benzen, thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 97,5% khối lượng benzen sản phẩm đáy 1,8% khối lượng benzen Em xin chân thành cảm ơn q thầy, môn Máy & Thiết bị, đặc biệt thầy Nguyễn Thanh Quang giúp em hoàn thành đồ án Tuy nhiên, q trình hồn thành đồ án khơng thể tránh sai sót, em mong q thầy góp ý, dẫn MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Phương pháp chưng cất: 1.1.3 Thiết bị chưng cất 1.2 GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU .2 1.2.1 Benzen 1.2.1 Các phương thức điều chế .3 1.2.2 Hỗn hợp Benzen – Toluen .4 1.3 CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT BENZEN – TOLUEN .5 1.3.1 Thuyết minh nguyên lí làm việc CHƯƠNG CÂN BẰNG VẬT CHẤT 2.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU .6 2.2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 2.2.1 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy 2.2.2 Xác định số hồn lưu thích hợp 2.2.3 Phương trình đường làm việc: CHƯƠNG .10 TÍNH KÍCH THƯỚC THÁP VÀ MÂM 10 3.1 ĐƯỜNG KÍNH THÁP .10 3.1.1 Đường kính đoạn cất 10 3.1.2 Đường kính đoạn chưng: 12 3.2 CHIỀU CAO THÁP 14 CHƯƠNG .14 TRỞ LỰC THÁP MÂM XUYÊN LỖ .14 4.1 TÍNH TỐN MÂN LỖ .14 4.2 TRỞ LỰC MÂN LỖ 15 4.2.1 Trở lực đĩa khô: .15 4.2.2 Trở lực sức căng bề mặt 15 4.2.3 Trở lực thủy tĩnh chất lỏng đĩa tạo 16 CHƯƠNG .18 TÍNH CƠ KHÍ 18 5.1 TÍNH TỐN PHẦN THÂN THÁP .18 5.2 TÍNH TỐN ĐÁY VÀ NẮP .19 5.3 TÍNH TỐN CHI TIẾT ỐNG DẪN .20 5.3.1 Ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ 20 5.3.2 Ống dẫn dòng hồi lưu dòng sản phẩm đỉnh .21 5.3.3 Ống dẫn dòng nhập liệu .21 5.3.4 Ống dẫn dòng sản phẩm đáy: 22 5.3.5 Ống dẫn vào đáy tháp 23 5.4 MẶT BÍCH VÀ VỊNG ĐỆM .23 5.4.1 Bích đệm để nối bít kín thiết bị 23 5.4.2 Bích để nối ống dẫn .24 5.5 CHÂN ĐỠ THÁP VÀ TAI TREO 25 5.5.1 Tính trọng lượng tồn tháp 25 5.5.2 Tai treo tháp 26 5.5.3 Tính chân đỡ tháp 26 CHƯƠNG .27 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 27 6.1 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT: 27 6.2 THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU: 27 6.3 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ ĐỈNH: 28 6.4 THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH 28 6.5 NỒI ĐUN Ở ĐÁY THÁP: 29 CHƯƠNG .29 TÍNH TỐN BƠM 29 7.1 NĂNG SUẤT BƠM 29 7.2.1 Tổng trở lực đường ống .30 7.2.2 Trở lực thiết trao đổi nhiệt: .31 7.2.3 Trở lực thiết bị đun 33 7.3 CÔNG SUẤT BƠM 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 1.1.1 Khái niệm Chưng cất trình enz để tách cấu tử hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp Chưng cất cô đặc giống nhau, nhiên khác trình q trình chưng cất dung mơi chất tan bay (nghĩa cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khác nhau), cịn q trình đặc có dung mơi bay cịn chất tan khơng bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có cấu tử ta thu sản phẩm - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sơi nhỏ) - Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay nhỏ (nhiệt độ sơi lớn) Đối với hệ Benzen – Toluen: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm enzene toluene - Sản phẩm đáy chủ yếu toluene enzene 1.1.2 Phương pháp chưng cất: Phân loại dựa theo: Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường áp suất cao Nguyên lý làm việc: gián đoạn, liên tục bán liên tục Theo loại tháp: Tháp đệm, tháp đĩa, tháp phun… Cấp nhiệt đáy tháp: Cấp nhiệt trực tiếp, cấp nhiệt gián tiếp Đối với hệ benzene- toluene: Dùng phương pháp chưng cất cách cấp nhiệt gián tiếp qua nồi đun áp suất thường 1.1.3 Thiết bị chưng cất Trong sản xuất, người ta thường sử dụng 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 enz tháp mâm tháp chêm - Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tuỳ theo cấu tạo đĩa, ta có: + Tháp mâm xun lỗ: mâm bố trí có xun lỗ dạng trịn, xupap, ống chảy chuyền có nhiều tiết diện khác phụ thuộc vào suất lượng pha lỏng + Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính từ 3-12mm, tổng lỗ mâm chiếm từ 8-15% tiết diện tháp - 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 sau: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Bảng 1.1: So sánh ưu nhược điểm loại tháp Tháp chêm - Cấu tạo đơn giản Tháp mâm xuyên lỗ Tháp xuyên lỗ -Trở lực tương đối thấp - Khá ổn định - Trở lực thấp -Hiệu suất cao Ưu điểm - Làm việc với chất lỏng - Hiệu suất truyền khối cao bẩn enz đệm cầu có Nhược điểm chất lỏng - Do có hiệu ứng thành nên - Kết cấu phức tạp - Có trở lực lớn hiệu suất truyền khối thấp - Tiêu tốn nhiều - Độ ổn định khơng cao, khó vật tư, kết cấu vận hành phức tạp - Khó chế tạo kích thước lớn, qui mô công nghiệp - Thiết bị nặng nề Hệ Benzen – Toluen : chưng cất tháp mâm xuyên lỗ 1.2 1.2.1 GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU Benzen Benzen hợp chất mạch vịng, dạng lỏng khơng màu có mùi thơm nhẹ Công thức phận tử C 6H6 Benzen không phân cực, tan tốt dung mơi hữu khơng phân cực tan nước Trước người ta thường sử dụng enzene làm dung mơi Tuy nhiên sau người ta phát nồng độ enzene khơng khí cần thấp khoảng 1ppm có khả gây bệnh bạch cầu, nên ngày enzene sử dụng hạn chế Các tính chất vật lí enzene: Khối lượng phân tử: 78,11 Tỉ trọng (20oC): 0,879 Nhiệt độ sơi: 80°C Nhiệt độ nóng chảy: 5,5°C Toluen hợp chất mạch vòng, dạng lỏng có tính thơm, cơng thức phân tử tương tự enzene có gắn thêm nhóm –CH Khơng phân cực, enzene tan tốt enzene Toluen có tính chất dung mơi tương tự enzene độc tính thấp nhiều, nên ngày thường sử dụng thay enzene làm dung mơi phịng thí nghiệm cơng nghiệp Các tính chất vật lí enzene: o Khối lượng phân tử: 92,13 o Tỉ trọng (20oC): 0,866 o Nhiệt độ sôi: 111oC o Nhiệt độ nóng chảy: -95 oC 1.2.1 Các phương thức điều chế Đi từ nguồn thiên nhiên Thông thường hydrocacbon điều chế phịng thí nghiệm, thu lượng lớn phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ… Đóng vịng dehydro hóa ankan Các ankan tham gia đóng vịng dehydro hóa tạo thành hydro cacbon thơm nhiệt độ cao có mặt xúc tác Cr 2O3, hay lim loại chuyển tiếp Pd, Pt CH3(CH2)4CH3 C6H6 Dehydro hóa cycloankan Các cycloankan bị dehydro hóa nhiệt độ cao với có mặt xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành enzene hay dẫn xuất enzene C6H12 C6H6 Đi từ enzenee Đun acetane có mặt cảu xúc tác than hoạt tính hay phức niken Ni(CO)[(C6H5)P] thu enzene 3C2H2 C6H6 Từ enzene ta điều chế dẫn xuất enzene enzene phản ứng Friedel – Crafts (phản ứng ankyl hóa enzene dẫn xuất ankyl halide với có mặt cảu xúc tác AlCl3 khan) 1.2.2 Hỗn hợp Benzen – Toluen Bảng 1.2: Thành phần lỏng (x)–hơi (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Benzen – Toluen 760mmHg 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 11,8 21,4 38 51,1 61,9 71,2 79 85,4 91 95,9 100 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2 Hệ Benzen- Toluen 115 110 105 Nhiệ t độ ( 0C) X (phần mol) Y (phần mol) T (oC) 100 95 90 85 80 10 20 30 40 50 60 70 80 X-Y (phần trăm mol) Đường cân pha hệ Benzen – Toluen 90 100 1.3 CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT BENZEN – TOLUEN 1.3.1 Thuyết minh nguyên lí làm việc Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen 32% phần khối lượng, nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu 32oC bình chứa nguyên liệu (1), bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3), sau bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt sản phẩm đáy nhập liệu(4), từ nguyên liệu đưa vào thiết bị đun sơi dịng nhập liệu(5) , sản phẩm đỉnh đưa đến nhiệt độ sôi đưa vào đĩa nhập liệu tháp (7) Lưu lượng dòng nhập liệu kiểm soát qua lưu lượng kế (5) Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn luyện tháp chảy xuống Trong tháp, lên gặp lỏng từ xuống Ở có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống phía giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (10) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sơi cao toluen ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều (nồng độ 97,5% khối lượng) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (8) ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (12), làm nguội thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (12) đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14) Phần cịn lại chất lỏng ngưng tụ hồn lưu tháp đĩa với tỉ số hoàn lưu thích hợp kiểm sốt lưu lượng kế Cuối đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay (Toluen) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ Benzen 1,8% khối lượng, lại Toluen Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (10) Trong nồi đun dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại khỏi nồi đun cho trao đổi với dòng nhập liệu đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (11) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh benzen, sản phẩm đáy toluen CHƯƠNG CÂN BẰNG VẬT CHẤT 2.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU Năng suất nhập liệu: GF = 5000 kg/h Nồng độ nhập liệu: F = 32% khối lượng Nồng độ sản phẩm đỉnh: D = 97,5% khối lượng Nồng độ sản phẩm đáy: W = 1,8% khối lượng Khối lượng phân tử Benzen Toluene: MB =78, MT =92 Chọn: + Nhiệt độ nhập liệu: t’F =32oC + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: t’D =35oC + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt: t’W = 35oC + Trạng thái nhập liệu trạng thái lỏng- sơi Các kí hiệu: + 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,i: phân mol, phân khối lượng cấu tử i 2.2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 2.2.1 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy Cân vật chất cho toàn tháp: F=D+W Cân cấu tử benzen (cấu tử nhẹ): F xF= D xD + W xW (2) Trong : F = 32% khối lượng, ta : Khối lượng phân tử trung bình dịng nhập liệu: MF= 78 xF + (1- xF).92= 87 (kg/kmol) = 97,5% khối lượng, ta được: Khối lượng phân tử trung bình dịng sản phẩm đỉnh: (1) CHƯƠNG TÍNH CƠ KHÍ 5.1 TÍNH TỐN PHẦN THÂN THÁP Vì tháp chưng cất hoạt động áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang) Thân tháp ghép với mối ghép bích Để đảm bảo chất lượng sản phẩm khả ăn mòn thiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp thép không gỉ mã X18H10T Áp suất tính tốn: Tháp làm việc áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính tốn: P =Px + htl + Pmt (N/mm2) Với: Px: áp suất thủy tĩnh chất lỏng đáy (N/mm2) Chọn áp suất tính toán cho tháp hoạt động điều kiện nguy hiểm mà an toàn nên: Px = x g H = ( 801,2 + 784,9)/2 9,81 13= 101131 Pa Suy ra: P= 101131 +11143 + 9,81.104 = 210374 N/m2= 210374.10-6 (N/mm2) Nhiệt độ tính tốn: Chọn nhiệt độ tính tốn: ttt = tsơi = 110,5 oC Tra tài liệu tham khảo [5], ứng suất tiêu chuẩn thép X18H10T:[]* = 142 N/mm2 Thân tháp có lớp bọc cách nhiệt nên chon η=0,95 Vậy: ứng suất cho phép: [] = .[]* = 134,9 N/mm2 Xác định bề dày thân chịu áp suất trong: Ta chọn phương pháp chế tạo thân phương pháp hàn hồ quang điện tay nên hệ số bền mối hàn: h = 0,9 đó, bề dày tính tốn thân tính theo cơng thức sau : Suy ra: bề dày thực thân : Sttt = St + Ca + Co = 0,93 + + = 2,93 ;mm + Ca : hệ số bổ sung ăn mịn hố học khoảng 20 năm, Ca =2 mm + C0: sai số tính tốn, thiết kế 17 Quy tròn theo chuẩn: S = mm (Bảng 5.1 trang 94, [2]) * Kiểm tra cơng thức tính tốn với St = mm : * Kiểm tra áp suất tính tốn cho phép: Kết luận: S = mm 5.2 TÍNH TỐN ĐÁY VÀ NẮP Chọn đáy nắp có dạn hình elip tiêu chuẩn có gờ, làm thép X18H10T Chọn bề dày đáy nắp với bề dày thân tháp S = mm Kiểm tra điều kiện: Ta có: (thoả) Vì đáy nắp có hình elip tiêu chuẩn với ht = Dt.0,25= 300 (XIII.11/383, [2]) Suy ra: điều kiện thoả kiểm tra phần thân tháp Kích thước đáy nắp • Đường kính trong: Dt = 1200mm • ht = 300 mm • Bề dày: S = mm 5.3 TÍNH TỐN CHI TIẾT ỐNG DẪN • 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, 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 > 10 mm • Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính , đơi dùng với • Ống dẫn làm thép X18H10T • Bích làm thép CT3, cấu tạo bích bích liền khơng cổ Cơng thức xác định đường kính ống dẫn biết lưu lượng tốc độ: • ω: Tốc độ trung bình trung bình chất lỏng khí chuyển động ống dẫn; m/s 18 V: Lưu lượng thể tích; m3/s • 5.3.1 Ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Nồng độ trung bình pha đỉnh tháp: Ta có xD = 0,975 suy tD = 80,50C yD = 0,989 Khối lượng riêng khỏi đỉnh tháp:= 2,71 Chọn tốc độ trung bình nhiệt chuyển động ống ω1 = 35 m/s Lưu lượng khỏi đỉnh tháp: Đường kính ống nối Chọn theo chuẩn d1=0,15m Tra bảng XIII.32 trang 434, [2] suy chiều dài đoạn ống nối là: l = 130 mm Tra bảng XIII.26, trang 414,[2] với P=0,210374 N/mm2 ta thu bảng số liệu: Dy Dn D Dl l Bu lông dB 130 M16 h mm 150 159 260 225 202 16 5.3.2 Ống dẫn dòng hồi lưu dòng sản phẩm đỉnh z Nồng độ trung bình pha đỉnh tháp: xD = 0,975 suy tD = 80,50C yD = 0,989 Khối lượng riêng khỏi đỉnh tháp:= 790 Suất lượng dịng hồn lưu: Lưu lượng dịng hồn lưu: Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị Chọn tốc độ trung bình chất lỏng tự chảy ω2 = 0.5 m/s Đường kính ống nối Suy chọn đường kính ống nối là: d2 = 60 mm Tra bảng XIII.32 trang 434, [2] suy chiều dài đoạn ống nối là: l = 100 mm Tra bảng XIII.26, trang 414, [2] với P = 0,21965 N/mm ta thu bảng số liệu sau: Dy Dn D Dl mm 19 h l Bu lông dB z 40 45 130 100 5.3.3 Ống dẫn dòng nhập liệu 80 12 100 M12 Nồng độ trung bình pha đỉnh tháp: xD = 0,375 suy tD = 96,50C Khối lượng riêng khỏi đỉnh tháp:= 789 Lưu lượng dòng nhập liệu: Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị Chọn vân tốc chất lỏng ống nối ω3 = 1,3 m/s Đường kính ống nối: Suy chọn ống có đường kính: Tra bảng XIII.32 trang 434, [2] suy chiều dài đoạn ống nối là: l = 100 mm Tra bảng XIII.26, trang 414, [2] với P=0,21965 N/mm2 ta thu bảng số liệu Dy Dl h l Bu lông dB 45 130 100 80 5.3.4 Ống dẫn dòng sản phẩm đáy: 12 100 M12 Dn D mm 40 z Nồng độ trung bình pha đỉnh tháp: xD = 0,002 suy tD = 109,50C Khối lượng riêng khỏi đỉnh tháp:= 801 Lưu lượng dòng sản phẩm đáy: Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị Chọn vân tốc chất lỏng ống nối ω3 = 0,4 m/s Đường kính ống nối: Suy chọn ống có đường kính: Tra bảng XIII.32 trang 434, [2] suy chiều dài đoạn ống nối là: l = 100 mm Tra bảng XIII.26, trang 414, [2] với P = 0,21965 N/mm ta thu bảng số liệu sau: Dy Dn D Dl h l Bu lông dB 80 12 100 M12 mm 40 45 130 100 20 z 5.3.5 Ống dẫn vào đáy tháp Nồng độ trung bình pha đỉnh tháp: Ta có xD = 0,002 suy tD = 109,50C Khối lượng riêng khỏi đỉnh tháp:= 2,69 Lưu lượng dòng sản phẩm đáy: Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị Tốc độ trung bình nhiệt chuyển động ống dẫn ω3=40m/s Đường kính ống nối: Suy chọn ống có đường kính: Tra bảng XIII.32 trang 434, [2] suy chiều dài đoạn ống nối là: l = 130 mm Tra bảng XIII.26, trang 414,[2] với P=0,21965 N/mm2 ta thu bảng số liệu: Dy Dn D Dl h l Bu lông dB 232 16 130 M16 mm 200 219 290 255 z 5.4 MẶT BÍCH VÀ VỊNG ĐỆM 5.4.1 Bích đệm để nối bít kín thiết bị Chọn bích ghép thân, đáy nắp làm thép CT3, cấu tạo bích bích liền khơng cổ Tra (XIII.27/419,[2]) với áp suất tính tốn P = 210374.10-6 N/mm2 Dt D Db DI Do h Bu lông dB Mm 1200 1340 1290 1260 1213 22 M20 Với Dt=1200mm chọn số đĩa mặt bích nên số bích Vây khoảng cách mặt bích là: 2000 mm ( bích có khoảng) 21 z 28 5.4.2 Bích để nối ống dẫn Chọn vật liệu thép CT3, chọn kiểu 1, theo (ST2: Bảng XIII.26/409), ta có bảng sau: với đơn vị (mm) ngồi trừ z có đơn vị (cái) ST Loại ống dẫn Kích thước nối Bu long T Dy Dn D Dl dB Vào thiết bị ngưng 15 15 26 22 20 M1 40 45 13 10 2 tụ Dịng hồn lưu M1 40 45 13 10 40 45 13 10 20 21 29 25 Dòng nhập liệu Dòng sản phẩm đáy Hơi vào đáy 80 80 80 23 M1 M1 M1 z h 16 4 l 13 10 12 10 12 10 12 13 16 Theo (Bảng XIII.30/432,[2]), tương ứng với (Bảng XIII.26/409,[2]), kích thước bề mặt đệm bích kính: ta bảng sau: với đơn vị (mm) ngồi trừ z có đơn vị (rãnh) STT Dy D1 D2 150 202 191 192 40 80 69 70 40 80 69 70 40 80 69 70 200 232 249 250 5.5 CHÂN ĐỠ THÁP VÀ TAI TREO D4 171 55 55 55 229 D5 170 54 54 54 228 b 5 bl 1,5 1 1,5 z 3 3 f 4,5 4 4,5 5.5.1 Tính trọng lượng tồn tháp Tra sổ tay XII.7 trang 315, [2] có khối lượng riêng tháp CT3 ρct3=7900kg/m3 Khối lượng bích ghép thân Bỏ qua khối lượng đệm Khối lượng mâm Khối lượng thân tháp Khối lượng đáy (nắp) tháp 22 Khối lượng ống chảy chuyền: Chọn bề dày ống chảy chuyền 2mm Khối lượng lỏng tháp: Xét trường hợp xấu nhất, chất lỏng nhập đầy tháp Khối lượng toàn tháp: 5.5.2 Tai treo tháp Chọn tai treo: tai treo gắn thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động điều kiện ngoại cảnh Chọn vật liệu làm tai treo thép CT3 Ta chọn bốn tai treo tải trọng cho phép tai treo là: Gt = GC = 4000N Tra bảng XIII.36, trang 440, [2] ta thu thông số sau: L B B1 H 190 160 170 280 Khối lượng tai treo là: mtay treo = 7,35 kg S 10 5.5.3 Tính chân đỡ tháp Chọn chân đỡ: tháp đỡ bốn chân Vật liệu làm chân đỡ tháp thép CT3 Tải trọng cho phép chân là: Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị ta chọn GC = 40000 N 23 l 80 a 25 d 30 Tra bảng XIII.35 trang 439, [2] ta thu bảng số liệu sau: L B B1 B2 H 250 180 215 290 350 Tính khối lượng gần chân đỡ: h 185 s 16 l 90 Thể tích chân đỡ: V1 chânđỡ = [2 (H – s) s B2 + L s B].10-9 = [2 (350 –16).16.290 + 250.16.180].10-9 = 3,82.10-3 m3 Khối lượng chân đỡ: m1 chânđỡ = V1 chânđỡ CT3 = 3,82.10-3.7850 = 30 kg CHƯƠNG CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG Cân nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất: QF + Qđ + Qtđ = Qnt + QD + Qm (IX.156/197, [2]) 6.1 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT: QW = GW CW (tv – tR )W = ;kJ/h - Chọn nhiệt độ toluene vào toluene làm lạnh: C 0C � Nhiệt độ trung bình: 0C Tra bảng I.154 trang 172, [I] 0C Nhiệt dung riêng Benzen: CB =1990,5; J/kg.độ Nhiệt dung riêng toluene: CT = 1951,8J/kg.độ QW = 3418 1952,5 (109,5 – 87,5) = 146820 kJ/h - Chọn nhiệt độ dòng nhập liệu: C 0C � Nhiệt độ trung bình: 0C Tra bảng I.147 trang 165, [I] 0C � ; kJ/kg.độ 24 (IX.160/198, [2]) d 27 6.2 THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU: QF = GF CF (tv – tR )F = ; kJ/h (IX.152/197, [2]) Chọn đốt sử dụng áp suất tuyệt đối 2,5at Tra bảng I.251, trang 314, [1]: Nhiệt hóa hơi: ; kJ/kg Nhiệt độ sơi: 0C Nhiệt độ trung bình: 0C Tra bảng I.154 trang 172, [I] C Nhiệt dung riêng Benzen: CB =1954,5 J/kg.độ Nhiệt dung riêng toluene: CT = 1917,3; J/kg.độ QF = 5000 1929,3 (96,5 – 47) = 477502 kJ/h - Lượng đốt cần dùng: 6.3 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ ĐỈNH: Chọn sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng - Chọn nhiệt độ nước vào nước làm lạnh: C 0C � Nhiệt độ trung bình: 0C Tra bảng I.147 trang 165, [I] 0C � ; kJ/kg.độ - Ẩn nhiệt ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Tính rD : tD = 80,5oC, tra tài liệu tham khảo (bảng I.212/254, [2]),ta có : Ẩn nhiệt hoá Benzen: rB = 393,14 (kJ/kg) Ẩn nhiệt hoá Toluene: rT = 378,21 (kJ/kg) rD = rB + (1-).rT = 393,14 0,975 + (1- 0,975) 378,21= 392,7(kJ/kg) Qnt =1582 (2,64+1) 392,7 = 2261355 kJ/h - Vậy lượng toluene lạnh cần tiêu tốn là: kg/s 6.4 THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH QD = GD CD (tDR –tDV )= ;kJ/h (CT IX.167/198, [2]) Với: Nhiệt độ sản phẩm đỉnh tDV =80,50C Nhiệt độ sản phẩm đỉnh tDR = 35C 25 Nhiệt độ trung bình: 0C Tra bảng I.154 trang 172, [I] 0C Nhiệt dung riêng Benzen: CB =1918,5; J/kg.độ Nhiệt dung riêng toluene: CT = 1890,4J/kg.độ QD = 1582 1917,8 (80,5-35) = 138045; kJ/h Qm : nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh Chọn: Qm = 0,05.Qđ 6.5 NỒI ĐUN Ở ĐÁY THÁP: Chọn Qm = 0,05.Qđ, Qm: nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh Qđ = 0,95 (QD + Qnt – QF – QW) = 0,95 ( 138045 + 2261355 - 477502- 146820 = 1775078 kJ/h Chọn đốt sử dụng áp suất tuyệt đối 2,5at Tra bảng I.251, trang 314, [1]: Nhiệt hóa hơi: ; kJ/kg Nhiệt độ sôi: 0C Lượng đốt cần dùng: CHƯƠNG TÍNH TỐN BƠM 7.1 NĂNG SUẤT BƠM • • Nhiệt độ dòng nhập liệu tF = 28oC Tại nhiệt độ thì:868,5(kg/m3) • Suất lượng thể tích dòng nhập liệu ống: Chọn bơm ly tâm có suất QF = m3/h 7.2 CỘT ÁP 26 • • Chọn mặt cắt (1-1) : mặt thống bề mặt bồn chứa dịng nhập liệu Mặt cắt (2-2) : vị trí mâm nhập liệu tháp chưng cất Áp dụng phương trình Bernoulli cho mặt cắt (1-1) (2-2): 2 P1 P2 v1 v2 z1 + F g + 2.g = z2 + F g + 2.g +hf1-2 Trong đó: z1: độ cao mặt thống (1- 1) so với mặt đất :chon z1= 0.5 m z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất : Ta có : z2=h chân đỡ +h đáy + (Nttc-1)Δh +1 =1,62+0,3+(13-1).0,4+0,7 =7,42m ( 0,7 m giá trị khoảng cách mâm so với măt bích thân đáy,Δh : khoảng cách mâm) P1: áp suất mặt thoàng (1-1) chọn P1=1at= 9,81.104 Pa P2: áp suất mặt (2-2), P2= Pa + NttL.ΔPL=15.402=9,81 104+ 6030 =104130 Pa (N/m2) V1: vận tốc mặt (1-1) chọn v1=0 m/s V2: vận tốc dòng nhập liệu vào tháp, v2= vF= m/s 7.2.1 Tổng trở lực đường ống • Chọn đường kính ống hút ống đẩy nhau: dtr = 80 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, [1] Độ nhám ống: = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mịn ít) • Tổng trở lực ống hút ống đẩy h1 Trong đó: - lh : chiều dài ống hút, chọn m - lđ : chiều dài ống đẩy, chọn lđ = 25 (m) - h : tổng tổn thất cục ống hút - đ : tổng tổn thất cục ống đẩy - : hệ số ma sát ống hút ống đẩy Vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy: (m/s) Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy: • Xác định chế độ chảy: Chế độ chảy rối • Chuẩn số Reynolds giới hạn: 27 • Khi xuất vùng nhám: Regh < Re < Ren: khu vực chảy rối, hệ số tổn thất ma sát cho đoạn ống hút đẩy: Hệ số tổn thất cục bộ: Ống hút: • Hệ số tổn thất cục ống hút qua:1 van cầu (độ mở 50%) : vh= 9,5 • Lối vào ống (mép nhọn ) :t = 0,5 h = vh + t =10 ống đẩy: • van cầu (độ mở 50%): vd= 9,5 • lần uốn góc : u =2×1,6 = 3,2 h = vd + u =12.7 Vậy tổng tổn thất cục bộ: = 22,7 Tổng trở lực đường ống h1 7.2.2 Trở lực thiết trao đổi nhiệt: l2 v h 2 2 d g (m) Trong đó: - 2 : tổng tổn thất cục - : hệ số ma sát ống - l2 : chiều dài đường ống dẫn, chọn thiết bị có 19 ống với l2 = (m) - d2 : đường kính ống dẫn, d2 = dtr = 0,032(m) - v2 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn Vận tốc dòng nhập liệu thiết bị Hệ số ma sát đường ống : • Xác định chế độ chảy: Chế độ chảy rối • Chuẩn số Reynolds giới hạn: • Khi xuất vùng nhám: 28 Regh < Re < Ren: khu vực chảy rối, hệ số tổn thất ma sát cho đoạn ống hút đẩy: Tổng hệ số tổn thất cục : Chữ U : Tra bảng 9.5, trang 94, [7]: U = 2,2 Thiết bị có 60 chữ U, tổng tổn thất cục chữ U = 2,2 60 = 132 Đột thu : Tra bảng II.16, trang 382, [4]: F ,032 o ,08 Khi F1 = 0,160 đột thu = 0,458 Đột mở : Tra bảng II.16, trang 382, [4]: F ,032 o ,08 Khi F1 = 0,160 đột mở = 0,708 Tổng tổn thất cục thiết bị: = U + đột thu + đột mở = 133,2 Trở lực thiết trao đổi nhiệt: 7.2.3 Trở lực thiết bị đun h3 Trong đó: - 3 : tổng tổn thất cục - 3: hệ số ma sát ống - L3 : chiều dài đường ống dẫn, chọn thiết bị có 19 ống với l2 = (m) - D3 : đường kính ống dẫn, d2 = dtr = 0,032(m) - V3 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn Vận tốc dòng nhập liệu thiết bị Hệ số ma sát đường ống : • Xác định chế độ chảy: Chế độ chảy rối • Chuẩn số Reynolds giới hạn: • Khi xuất vùng nhám: 29 Regh < Re < Ren: khu vực chảy rối, hệ số tổn thất ma sát cho đoạn ống hút đẩy: Tổng hệ số tổn thất cục : Chữ U : Tra bảng 9.5, trang 94, [7]: U = 2,2 Thiết bị có 60 chữ U, tổng tổn thất cục chữ U = 2,2 60 = 132 Đột thu : Tra bảng II.16, trang 382, [4]: Khi F ,032 o F ,08 = 0,160 đột thu = 0,458 Đột mở : Tra bảng II.16, trang 382, [4]: Khi F ,032 o F ,08 = 0,160 đột mở = 0,708 Tổng tổn thất cục thiết bị: = U + đột thu + đột mở = 133,2 Trở lực đun sôi: h3 7.3 CƠNG SUẤT BƠM Phương trình Bernolli: Hb = + (z2 – z1 ) + = 2,32+ (7,42 – 0,5) + = 10,1 m Chọn hiệu suất bơm: b = 0.8 Công suất thực tế bơm là: TÀI LIỆU THAM KHẢO Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hố chất (tập 1) – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hố chất (tập 2) – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hồ Lê Viên – Thiết kế tính tốn chi tiết thiết bị hố chất – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 1978 30 Phạm Văn Bơn, Nguyễn Đình Thọ - Q trình thiết bị cơng nghệ hố học, Q trình thiết bị truyền nhiệt (tập 5) – Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP.HCM Phạm Văn Bơn, Vũ Bá Minh, Hồng Minh Nam – Q trình thiết bị cơng nghệ hố học, Ví dụ tập (tập 10) - Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM Võ Văn Ban, Vũ Bá Minh – Quá trình thiết bị cơng nghệ hố học, truyền khối (tập 3) – Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM 31 ... tạo đĩa, ta có: + Tháp mâm xun lỗ: mâm bố trí có xun lỗ dạng trịn, xupap, ống chảy chuyền có nhiều tiết diện khác phụ thuộc vào suất lượng pha lỏng + Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh,... công nghiệp - Thiết bị nặng nề Hệ Benzen – Toluen : chưng cất tháp mâm xuyên lỗ 1.2 1.2.1 GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU Benzen Benzen hợp chất mạch vịng, dạng lỏng khơng màu có mùi thơm nhẹ... cục ống hút - đ : tổng tổn thất cục ống đẩy - : hệ số ma sát ống hút ống đẩy Vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy: (m/s) Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy: • Xác định chế độ chảy: