Đường kính tháp được xác định theo cơng thức:
= √
4
3600
Trong đó:
: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h). : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s). : lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h).
( ) : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (kg/m2.s).
Do lượng lỏng và lượng hơi thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên ta phải tính riêng đường kính trung bình cho từng đoạn: đoạn chưng và đoạn cất.
1. Đường kính đoạn cất
Lượng hơi trung bình đi trong phần cất:
=
Trong đó:
gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất ( ℎ ).
gđ: lượng hơi đi ra mâm trên cùng của tháp ( ℎ ). g1: lượng hơi đi vào mâm dưới cùng của đoạn cất ( ℎ ).
Ta có: MD = 31,51 kg/kmol ( Tính ở cân bằng vật chất)
̅
= ( + 1) = 447,17.
Lượng hơi đi vào mâm g1: tra ST2_IX.93, IX.94, IX.95/182, ta có: 1= 1+
{ 1 1= 1 1+ (*)
1 1 =
Trong đó:
G1 : lượng lỏng ở mâm thứ nhất của đoạn cất.
r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào mâm thứ nhất của đoạn cất. rD : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi ra ở đỉnh tháp.
21 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp Tính r1 : Ở t1 = tF = 82,06oC, tra ST1_I.212/254, ta có: →1 = 1 ℎ + (1 − 1) ướ = 33804,8 1 + 41972,4(1 − 1) = −8167,6 1 + 41972,4 / (1) Tính rd: Ở tD = 65,03oC, tra ST1_I.212/254, ta có: →= ℎ + (1 − ) ướ = 35116,8.0,965 + 43255,8(1 − 0,965) = 35401,67 / (2) Ta có: x1 = xF = 0,194 Từ (1), (2) và (*), ta có hệ phương trình: 1− 1=14,19 {1 1 − 0,194 1 = 14,19. 0,965 −8167,6 1 1 + 41972,4 1 = 35401,67.37,93 1 = 21,27 /ℎ →{ 1=0,503 1 = 35,46 /ℎ 1 = 35,46( 1 ℎ + (1 − 1) ướ ) = 35,46(0,503.32 + (1 − 0,503). 18) = 887,99 /ℎ → = Xác định
Nồng độ phần mol trung bình pha khí: =
Nhiệt độ trung bình đoạn cất:
= + = 65,03 + 82,06 = 73,545
2 2
→=
Xác định
Nồng độ phần mol trung bình pha lỏng:
=
22 | P a g e
→ ̅̅̅̅ =
Ở xtb = 0,580 => ttb = 71,58oC, tra ST1_I.2/10, được: { ℎ ướ 1 ̅ = ℎ
Tính φ[σ]: hệ số tính đến sức căng bề mặt, ở nhiệt độ trung bình của đoạn cất
Tra ST3_Bảng 24/25, ta có σ ℎ = 0,018 ( ) và σ ướ = 0,064 ( )
Sức căng bề mặt hỗn hợp được tính theo cơng thức ST1_I.76/299 1
=
ℎℎ ℎ
Vì 14,00 dyn/cm < 20 dyn/cm → φ[σ] = 0,8
Tốc độ hơi đi trong phần cất của tháp:
( ) = 0,065 [ ] √ℎ (ST2_IX.105/184)
→ ( ) = 0,065.0,8√ℎ. 799,34.0,994 = 1,466√ℎ
Chọn h = 0,3 m (khoảng cách mâm), ta tính được ( ) = 0,803 ( 2. )
Đường kính đoạn cất của tháp: = 0,0188√
→ Dcất = 0,677 m.
2. Đường kính đoạn chưng
Lượng hơi trung bình đi trong phần chưng:
′ =
Trong đó:
′ : lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng (kg/h).
1′: lượng hơi đi vào đoạn chưng tháp (kg/h).
′ = 1 = 887,99 /ℎ: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng (bằng lượng hơi đi vào đoạn cất) (kg/h).
Lượng hơi đi vào đoạn chưng g1’
: tra ST2_IX.98, IX.99 và IX.95/183, ta có:
1′= 1′+
{ ′ ′= ′ + 1 1 1
23 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
Trong đó:
G1′ : lượng lỏng ở mâm thứ nhất của đoạn chưng.
r1′ : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào mâm thứ nhất của đoạn chưng.
Tính ′
Ta có xw = 0,006, tra đồ thị cân bằng của hệ ta được yw = 0,032
′ = Ta có: t1’ = tw = 99,08oC, tra ST1_I.212/254, ta có: ′ ℎ ′ ướ = 2260,54 { ′ = ′ 1 ℎ = 40427,44 kJ/kmol Tính r1 : ( Phần đường kính phần cất ) 1 = 1 ℎ + (1 − 1) ướ = 35116,8.0,503 + 43255,8. (1 − 0,503) { ′ ′ 1 1 1′ = 34,35( ℎ + (1 − ) ướ ) = 34,35(0,032.32 + (1 − 0,032). 18) = 633,69 /ℎ → ′ Xác định ′
Nồng độ phần mol trung bình pha khí: ′
Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:
′ ′ = [ ′ ℎ + (1 − ′ 22,4 Xác định ′
Nồng độ phần mol trung bình pha lỏng: ′ =
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
̅̅̅̅̅
′
Ở xtb’
= 0,1 => t’tb = 87,7 o
C, tra ST1_I.2/10, được:
′ { ℎ ′ ướ 1 ̅̅̅̅̅ ̅ ′ = ′ ′
Tính φ[σ]: hệ số tính đến sức căng bề mặt, ở nhiệt độ trung bình của đoạn chưng
Tra ST3_Bảng 24/25, ta có σ ℎ = 0,017 ( ) và σ ướ = 0,06 ( )
Sức căng bề mặt hỗn hợp được tính theo cơng thức ST1_I.76/299
1
= ℎℎ
Vì 13,00 dyn/cm < 20 dyn/cm → φ[σ] = 0,8
Tốc độ hơi đi trong phần chưng của tháp:
( )′
→(ρω)′
y y
Chọn h = 0,3 m (khoảng cách mâm), ta tính được (ρyωy)′tb = 0,736 (mkg2.s)
Đường kính đoạn chưng của tháp: ′ = 0,0188√
( ) 0,736
→Dchưng = 0,604 m.
Do đường kính của phần cất Dcất = 0,677 m và phần chưng Dchưng = 0,604 m chênh
lệch nhau không nhiều, nên ta chọn đường kính cho cả 2 phần của tháp là 0,70 m. Với = 0,70 m, ta tính lại tốc độ bay hơi (khí) trong đoạn cất và đoạn chưng:
Đoạn cất: = 0,0188√ →( ) = 0,751 ( 2. ) Đoạn chưng: ′ = 0,0188√ → ( )′ = 0,549 ( 2. )
25 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
AI. Tính chiều cao tháp
Chiều cao tháp được xác định theo công thức:
= . ( đ + ) + (0,8 ÷ 1) (ST2_IX.54/167) Trong đó:
H: Chiều cao của tháp chưng cất, m. Ntt: Số mâm thực tế của tháp chưng cất. Hđ: Khoảng cách giữa các mâm, m.
δ: Bề dày của mâm, chọn δ = 3 (mm) = 0,003 (m)
0,8 ÷ 1: Khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị, m.
→= 17. (0,3 + 0,003) + 1 = 6,151 ( )
Chiều cao đáy ( nắp )
Chọn đáy (nắp) tiêu chuẩn: ℎ = 0,25 → ℎ = 0,25.0,7 = 0,175 ( )
Chọn chiều cao gờ:
ℎ ờ = 25 = 0,025 Vậy chiều cao đáy (nắp):
ℎ ắ = ℎ + ℎ ờ = 0,175 + 0,025 = 0,2 Kết luận chiều cao toàn tháp là:
ℎá = + 2. ℎ ắ = 6,151 + 2.0,2 = 6,551 ≈ 7 Vậy chọn chiều cao tồn tháp là 7 m.
IV. Tính kết cấu phần trong của tháp chưng cất1. Tính tốn các chi tiết của chóp trịn 1. Tính tốn các chi tiết của chóp trịn
Dựa vào các cơng thức tính tốn cho chóp (ST2/236, 237), ta có: Đường kính ống hơi của chóp: chọn dh = 50 mm.
Số chóp phân bố trên một mâm: = 0,1. 2 = 0,1. = 19,6 ( ℎó ).
ℎ2 0,052
→Chọn số chóp phân bố trên mâm: n = 19 (chóp) để bố trí lục giác. Chiều cao của chóp phía trên ống dẫn hơi: ℎ2 = 0,25 ℎ = 0,25.50 = 12,5 ( ).
Chiều dày của chóp: chọn ℎ= 2 mm = 0,002 m.
Khoảng cách từ mặt mâm đến chân chóp: S = 0 ÷ 25 mm, chọn S = 15 mm.
26 | P a g e
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
Khoảng cách từ mép dưới của khe chóp tới mép dưới của chóp hsr = 5 mm. Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp: h1 = 15 ÷ 40 mm, chọn h1 = 25 mm. Đường kính chóp:
= √ 2
ℎ ℎ
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng tồn tháp:
=
+ ′
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi tồn tháp:
=
Lượng hơi trung bình đi trong tồn tháp: =
Lưu lượng hơi đi trong tháp:
Tốc độ của dịng hơi:
=
Chọn trở lực của chóp: ξ = 2. Chiều cao khe chóp:
=
→Chọn chiều cao của khe chóp là b = 15 mm = 0,015 m.
Chọn khoảng cách giữa các khe c = 4 mm, chiều rộng khe chóp a = 6 mm.
Số lượng khe hở: 2 25,08
= ( ℎ − 4 ℎ) = 0,004 (0,0736 − 4.0,015) =
→Chọn i = 26 khe
Khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp: l2 = 12,5 + 0,25.dch = 30,9 mm
→Chọn l2 = 35 mm
Bước tối thiểu của chóp trên mâm:
tmin = dch + 2 ℎ + l2 = 73,6 + 2.2 + 35 = 112,6 (mm) ≈ 113 mm
Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất: 1 = 2 + + 2 ℎ + ℎ + 1 (ST2_IX.221/238)
Trong đó: : bề dày ống chảy chuyền, chọn = 2 , 1: khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền, chọn 1 = 50 .
→ 1 = 502 + 2 + 742 + 2 + 50 = 116 → Chọn 1 = 120 .
27 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
2. Tính tốn chi tiết ống chảy chuyền
Lượng lỏng trung bình đi trong tồn tháp:
Lưu lượng lỏng đi trong tháp: =
Đường kính ống chảy chuyền:
Trong đó:
Gx: lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp (kg/h).
ρx: khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m3).
z: số ống chảy chuyền. ωc: tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền.
Chọn hình dạng ống chảy chuyền là hình trịn, số ống chảy chuyền một mâm là z = 2. Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền: chọn = 0,1 ( )
= √3600 .858,12.0,1.2 =0,047 m →Chọn đường kính ống chảy chuyền là dc = 0,05 m.
Chiều cao mực chất lỏng trên ống chảy chuyền (m): ∆ℎ = 3√(3600.1,85. )2
Chiều cao ống chảy chuyền lên trên mâm: ℎ = (ℎ1 + + ) − ∆h = (0,025 + 0,015 + 0,015) − 0,01 = 0,045
Khoảng cách từ mâm đến ống chảy chuyền: S1 = 0,25.dc = 0,25.0,05 = 0,013 m = 13 mm Chiều dài gờ chảy tràn:
Từ điều kiện Schảy tràn = 20%.Ftháp, ta tính được các thơng số sau: Ta có: Squạt – Stam giác = Sbán nguyệt
→ . 2 − 2 → = 1,627 rad = 93,32o 28 | P a g e
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Chiều dài gờ chảy tràn:
Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn: = 2.
Tỷ lệ Lw/D = 0,73 Diện tích mâm: Amâm Diện tích ống chảy chuyền:
= 2. (
ℎ ề ạ
= 2.(
Diện tích giới hạn bởi gờ chảy tràn: A = Amâm - Achuyền = 0,318 2 Bề rộng trung bình của mâm: Bm = A/Lw = 0,318/0,51 = 0,624 m
3. Tính tốn lỗ tháo lỏng
Tiết diện ngang của tháp: A = 0,385 2. Cứ mỗi 1 2 tiết diện ngang của tháp, chọn 3
2, tổng diện tích lỗ tháo lỏng cần thiết cho một mâm là: 0,385.3 = 1,155 2.
Chọn đường kính một lỗ tháo lỏng là 0,6 cm, khi đó số lỗ tháo lỏng cần thiết cho một mâm là: 1,155/( 42) = 4,08 (lỗ). Chọn số lỗ trên một mâm là 5
lỗ.
V. Kiểm tra sự hoạt động của chóp1. Độ mở của chóp 1. Độ mở của chóp
Với lỗ chóp hình chữ nhật, độ mở của chóp hS có thể tính như sau:
ℎ = 7,55. (
Trong đó:
ℎ = = 15 : chiều cao hình học của lỗ chóp, mm.
= = 1045,523600 = 0,28 m3/s: lưu lượng của pha khí.
SS: tổng diện tích các lỗ chóp trên mỗi mâm, m2.
= . . . = 19.26.0,006.0,015 = 0,044 ( 2)
→ ℎ = 7,55.(
→Tỉ số ℎ = 15,80 = 1,05 → Thỏa điều kiện ℎ ≈ ℎ .ℎ15
29 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
2. Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn
Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính theo cơng thức:
ℎ = 2,84 (
Với:
== 0,51 m : chiều dài gờ chảy tràn= 1,239 m3/h : lưu lượng chất lỏng
= (0,226 2,5 , ) 1,239 = 0,226. 2,5 = 0,226. = 1,507; = 0,51.0,7 = 0,357 0,512,5 Tra đồ thị ST4_Hình 5.9/110, ta có: → = 1,02 1,239 2 → ℎ = 2,84.1,02( 0,51 )3 = 5,24 .
3. Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm
Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆ được tính theo cơng thức:
∆= . ∆′. (ST3_5.5/111) Với:
: hệ số hiệu chỉnh suất lượng pha khí. n: số hàng chóp mà pha lỏng phải chảy qua.
∆′: gradient chiều cao mực chất lỏng qua một hàng chóp.
Chiều cao mực chất lỏng trung bình trên mâm được tính theo cơng thức: ℎ = ℎ + ℎ + 0,5∆ (ST3/111)
Ta có:
= 1,34 = 2,661; = 0,82 √ = 0,205, tra đồ thị ST3_5.10/111, = 0,3 Tỉ lệ khoảng cách giữa hai chóp và đường kính chóp: l2/dch = 35/73,6 = 0,476
Ứng với khoảng cách trung bình từ mép chóp đến mâm hsc = 12,5 mm; trị số X = 3,629, tỉ lệ l2/dch = 0,476, tra đồ thị ST3_5.14/112, ta có: y = 4∆′ = 4 mm
Gradient chiều cao mực chất lỏng qua một hàng chóp: ∆′= 4 = 1 4
∆ = . ∆′. = 0,3.1.3 = 0,9
Chiều cao mực chất lỏng trung bình: ℎ = 45 + 5,24 + 0,5.0,9 = 50,69
30 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
4. Độ giảm áp của pha khí qua một mâm
Độ giảm áp của pha khí qua một mâm được xác định tại điều kiện trung bình trên mỗi mâm theo cơng thức sau:
ℎ = ℎ + ℎ + ℎ + ℎ + 0,5∆ (ST4_5.7/114)
Độ giảm áp do ma sát và biến đổi vận tốc khí thổi qua chóp khi khơng có chất lỏng: ℎ = 274 ( )( )2 (ST4_5.8/115)
−
Trong đó:
Sr : tổng diện tích ống hơi của mỗi mâm (m2). K: hệ số tổn thất áp suất cho chóp khơ.
Diện tích hình vành khăn và diện tích ống hơi của chóp:
= ℎ2 = . ℎơ 4 = ℎ2 − ( 4
Tổng diện tích ống hơi của mỗi mâm: Sr = 17.0,002 = 0,034 (m2) Tỷ số Svk/Shơi = 1, tra đồ thị ST4_5.16/115, ta có: K = 0,65
Độ giảm áp do ma sát hfv, chiều cao thuỷ tĩnh lớp chất lỏng trên lỗ chóp tới gờ chảy tràn hss và độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ht là:
0,862
→ ℎ = 274.0,65. (
→ℎ =ℎ −ℎ −ℎ − =45−5−12,5−15=12,5
→ℎ = 13,03 + 15,80 + 12,5 + 5,24 + 0,5.0,9 = 47,02
5. Chiều cao mực chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền
Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng không bọt được xác định theo công thức:
ℎ =ℎ +ℎ +∆+ℎ +ℎ ′ (ST4_5.9/115)
Tổn thất thuỷ lực do dòng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm được xác định: ℎ′ = 0,128( )2 (ST4_5.10/115)
= .(
ℎ′ = 0,128. (100.0,3821,239)2 = 0,13.10-3 mm
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp → ℎ = 45 + 5,24 + 0,9 + 47,02 + 0,13. 10−3 = 98,16 mm 1 →ℎ ≤ 2 ℎ ả á ℎ â →Tháp không bị ngập lụt.
6. Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền
= 0,8√ℎ ℎ (ST4_5.12/116)
Với:
ho: khoảng cách rơi tự do: ℎ = + ℎ + ℎ (ST4_5.13/116) H: khoảng cách mâm
Giá trị không nên vượt quá 60% bề rộng ống chảy chuyền. Giá trị bề rộng ống chảy chuyền trong tháp là:
= − √ 2 − 0,25. 2 = 0,35 − √0,352 − 0,25. 0,512 = 0,110 = 110 ℎ = 300 + 45 + 98,16 = 443,16
→= 0,8√ℎ ℎ = 0,8√5,24.443,16 = 38,55< 0,6 = 66
→Chất lỏng khi chảy vào ống chảy chuyền không bị va đập vào thành thiết bị.
VI. Tính trở lực của tháp
Trở lực tháp chóp được xác định theo cơng thức:
∆ = . ∆ đ, N/m2 (ST2_IX.135/192) Trong đó: : số mâm thực tế của tháp. ∆Pđ: Tổng trở lực của một mâm. Trở lực của một mâm gồm ba phần: ∆ đ = ∆ + ∆ + ∆ (ST2_IX.136/192) Với: ∆Pk: trở lực mâm khô, N/m2. ∆Ps: trở lực do sức căng bề mặt, N/m2.
∆Pt: trở lực của lớp chất lỏng trên mâm, N/m2.
Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi liên tục theo chiều cao tháp nên ta tính trở lực riêng đối với từng đoạn chưng, đoạn cất.
32 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
1. Trở lực của mâm khơ
∆ =
Trong đó:
ξ: hệ số trở lực, chọn ξ = 4. ρy: khối lượng riêng của pha hơi (kg/m3).
ωo: tốc độ khí qua rãnh chóp, m/s. 4 = 3600 ℎ2
Vy: lưu lượng hơi đi trong tháp (m3/h).
=
gytb: lượng hơi trung bình đi trong tháp.
* Phần cất: = = = 1041,64 kg/h = = 0,994 kg/m3 = 0,994 =1041,64 = 1047,93 m3/h = ∆ = * Phần chưng: = = = 760,84 kg/h = = = 3600 ℎ3600 .0,05 .19 ∆ =
2. Trở lực của mâm do sức căng bề mặt
∆ =
Trong đó:
σ: sức căng bề mặt.
33 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
dtđ: đường kính tương đương của khe chóp. : diện tích tiết diện của khe chóp:
→ = = 0,006.0,015 = 9. 10−5 m Π: chu vi rãnh → = 2. ( + ) = 2. (0,006 + 0,015) = 0,042 m Khi rãnh chóp mở hồn tồn: → = đ
* Phần cất: ttb = 71,58oC, tra ST1_I.242/302, ta được:
{ ướ = 64,12. 10−3 / ℎ = 18,32. 10−3 / = ( ℎℎ →∆ = 4 ℎℎ = 4.14,25.10−3 = 6,628 N/m2 đ8,6.10−3
* Phần chưng: ttb = 87,7oC, tra ST1_I.242/302, ta được:
{ ướ = 61,18. 10−3 / ℎ = 16,87. 10−3 / = ( ℎℎ →∆ = 4 ℎℎ = 4.13,22.10−3 = 6,149 N/m2 đ8,6.10−3
3. Trở lực của chất lỏng trên mâm
∆
ℎ : Chiều cao khe chóp ℎ = = 0,015
ρ : Khối lượng riêng của bọt, thường
b
g: Gia tốc trọng trường: g = 9,81 m/s2
ℎ : Chiều cao lớp bọt trên mâm (m)
ℎ =
: Phần bề mặt có gắn chóp (đã trừ 2 phần diện tích mâm để bố trí ống chảy chuyền)
(m2) = 0,8
ℎá
: Tổng diện tích các chóp trên mâm (m2)
= 0,785. ℎ2. = 0,785. 0,07362. 19 = 0,081 2
34 | P a g e