Tính toán thiết kế tháp chưng cất

Một phần của tài liệu TÍNH TOÁN và THIẾT kế hệ THỐNG CHƯNG cất cồn CÔNG SUẤT 1000 kgh (Trang 22 - 33)

PHẦN HAI: TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ

2.3. Tính toán thiết kế tháp chưng cất

Áp dụng công thức (IX.89), trang 181, tài liệu tham khảo [2]:

Dt = = 0.0188 (m)

Vtb: Lượng hơi nước trung bình đi trong tháp (m3/h) ωtb: Tốc độ bay hơi trung bình đi trong tháp (m/s) gtb: Lượng nước hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)

Áp dụng công thức (IX.91), trang 181, tài liệu tham khảo [2]:

gtb = (Kg/h)

gd: Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h)

g1: Lượng hơi đi vào trong đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h)

• Xác định gd: gd = GD*(R+1) = 181.8715*(1.8703+1) = 522.0258 (Kg/h)

• Xác định g1= Từ hệ phương trình.

Với:

- G1: Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất.

- r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn cất.

- rd: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra ở đỉnh tháp.

- ra: ẩn nhiệt hóa hơi của rượu etylic.

- rb: ẩn nhiệt hóa hơi của nước.

- x1 = = 0.18 (pkl)

• Tính r1

Theo bảng I.212 trang 254, tài liệu tham khảo [1] ta có:

- Ở 600C:

ra1 = 210 (kcal/kg) rb1 = 579 (kcal/kg)

- Ở 1000C

ra2 = 194 (kcal/kg) rb2 = 539 (kcal/kg)

• Δra = ra2 – ra1 = 194 – 210 = –16 (kcal/kg)

Δrb = rb2 – rb1 = 539 – 579 = – 40 (kcal/kg) Δt = t2− t1 = 100 – 60 = 400C

q q

• Theo phương pháp nội suy, ta tính ra, rb ở 88.172

• Vậy

• Tính rd: hơi đi ra ở đỉnh tháp ở nhiệt độ 78.6887oC, tương tự như trên:

Ta có:

• Vậy

Suy ra ta có hệ phương trình như sau:

• Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:

gtb= =

2.3.2.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

• Tốc độ giới hạn của hơi đi trong đáy tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền.

Áp dụng công thức (IX.105), trang 184, tài liệu tham khảo [2]:

ωgh= 0.05*

Với: : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3) : Khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

• Xác định

Áp dụng công thức (IX.102), trang 183, tài liệu tham khảo [2]:

- Nồng độ phần molt rung bình:

=

(với )

- Nhiệt độ trung bình đoạn cất:

ttb== = 83.43040C

 Suy ra = 1.2052(Kg/m3).

• Xác định

- Nồng độ phần khối lượng trung bình:

=0.54(pkl)=54%

Với ttb= 83.4304 tra bảng I.2 tài liệu tham khảo [1], bằng phương pháp nội suy:

• Ta có = 860,7877(kg/m3) Suy ra ωgh= 0.05*

• Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

• Vậy đường kính đoạn cất

2.3.3. Đường kính đoạn chưng

2.3.3.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp

Áp dụng công thức (IX.97), trang 182, tài liệu tham khảo [2]:

Với:

- : Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng.

- : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.

- : thành phần cấu tử dễ bay hơi (ethanol) trong pha hơi cân bằng với pha lỏng trong sản phẩm đáy:

• Tính : xW = 0.0079 (pmol), tra trên đồ thị hệ cân bằng ta có yW = 0.0524 (pmol).

• Đổi yW = 0.0524 (pmol) ra phần khối lượng:

Theo đồ thị đường cong sôi ta có sản phẩm đáy có nhiệt độ 98.49oC, theo các số liệu ,, , , đã có ở phần tính toán đoạn cất ta có:

210 – 15.396 = 195.604 579 – 38.49 = 540.51

195.604*0.1238 + (1-0.1238) * 540.51 = 497.8160 Thay , vào phương trình ta được:

Dùng thay vào (1) ta được:

Dùng thay vào (2) ta được:

(pkl).

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:

2.3.3.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:

công thức (IX.111), trang 186, tài liệu tham khảo [2]:

Với:

- :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

- : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

• Xác định :

công thức (IX.102), trang 183, tài liệu tham khảo [2]:

Trong đó:

• : nồng độ phần mol trung bình:

Công thức trang 67, tài liệu tham khảo [Bài tập truyền khối]:

• Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:

công thức trang 50, tài liệu tham khảo [BT truyền khối.]:

• Xác định :

Với , Tra tài liệu tham khảo [1] ở bảng I.2 trang 9, ta có khối lượng riêng của etylic là (sử dụng phương pháp nội suy):

Với , Tra tài liệu tham khảo [1] ở bảng I.249 trang 310, ta có khối lượng riêng của nước là (sử dụng phương pháp nội suy:

• Khối lượng riêng của chất lỏng được tính theo công thức:

Trong đó:

- thành phần khối lượng trung bình của các cấu tử (rượu ethanol và nước), và được tính như sau:

• Thay các thông số vào công thức ta được:

• Ngoài ra, để tránh tạo bọt, ta chọn tốc độ hơi trung bình trong tháp:

• Đường kính đoạn chưng:

Phần cất:

2.3.4. Trở lực của tháp

2.3.4.1. Cấu tạo mâm xuyên lỗ Chọn:

- Đường kính lỗ: d1: 3 mm = 0.003 m.

- Tổng diện tích lỗ bằng 9% diện tích mâm.

- Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2.5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo dạng tam giác đều, hoặc lục giác đều).

- Tỷ lệ đường kính lỗ và bề dày mâm: 3/5

- Diện tích dành cho ống chảy truyền là 20% diện tích mâm.

• Số lỗ trên một mâm:

2.3.4.2. Độ giảm áp của pha khí đi qua một mâm

Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm chất lỏng) là tổng các độ giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng.

htl = hk + hl + hR (mm chất lỏng) Với:

- hk: độ giảm áp qua mâm khô (mm chất lỏng).

- hl: độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm (mm chất lỏng).

- hl: độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm chất lỏng).

Trong tháp mâm xuyên lỗ, Gadient chiều cao mực chất lỏng trên mâm là không đáng kể nên có thể bỏ qua.

q Độ giảm áp qua mâm khô:

• Độ giảm áp của pha khì qua mâm khô đưuọc tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất do dòng chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ.

Với:

- : vận tốc pha hơi qua lỗ

- : khối lượng riêng của pha hơi

- : khối lượng riêng của pha lỏng

- : hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.

• và tra tài liệu tham khảo [1], trang 111 : Ta có:

q Đối với mâm phần cất:

• Vận tốc pha hơi qua lỗ:

- Khối lượng riêng của pha hơi:

- Khối lượng riêng của pha lỏng:

• Độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất:

q Đối với mâm ở phần cất

• Vận tốc hơi qua lỗ:

- Khối lượng riêng của pha hơi:

- Khối lượng riêng của pha lỏng:

• Độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất:

q Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm:

Phương pháp đơn giản để ước tình độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất lỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw, chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm β.

Chọn:

- Hệ số hiệu chỉnh: β = 0.6

- Chiều cao gờ chảy tràn: hw = 50 (mm).

• Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng:

công thức (IX.110A), trang 185, tài liệu tham khảo [2]:

Với:

- : lưu lượng của chất lỏng

- : chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m).

• Xác định :

Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm, nên ta có phương trình sau:

Với: là góc tâm chắn bởi chiều dài Dùng phương pháp lặp, ta được

• Xác định :

q Phần cất:

q Phần chưng:

Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng:

• Ta có:

 Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là:

q Độ giảm áp do sức căng bề mặt:

Độ giảm áp do sức căng bề mặt được áp dụng theo công thức:

Với:

- : sức căng bề mặt của chất lỏng

- : khối lượng riêng của pha lỏng

q Phần cất:

Tra tài liệu tham khảo [1], ta có :

- Khối lượng riêng của pha lỏng -

- Sức căng bề mặt của nước

- Sức căng bề mặt của ethanol

• Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần cât:

 Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là:

q Phần chưng

Tra tài liệu tham khảo [1], ta có:

- Khối lượng riêng của pha lỏng

- ,

- Sức căng bề mặt của nước

- Sức căng bề mặt của ethanol

• Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng:

 Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là:

Vậy, tổng trở lực hay tổng độ giảm áp của pha khí qua một mâm là:

q Phần cất:

Hay

q Phần chưng:

Hay

 Suy ra: Tổng trở lực của toàn tháp hay độ giảm áp tổng cộng của toàn tháp là (xem độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở phần chưng):

2.3.4.3. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động

Chọn khoản cách giữa hai mâm là: 250 (mm). Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền được tính theo công thức:

Trong đó:

- : tổn thất thuỷ lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được xác định theo biểu thức sau:

Với:

- : lưu lượng của chất lỏng,

- : tiết diện giữa ống chảy truyền và mâm:

q Phần cất

Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy truyền của mâm xuyên lỗ ở phần cất:

Kiểm tra: . Đảm bảo khi hoạt động các mâm sẽ không bị ngập lụt.

q Phần chưng:

Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy truyền của mâm xuyên lỗ ở phần chưng:

Kiểm tra: . Đảm bảo khi hoạt động các mâm sẽ không bị ngập lụt.

 Kết luận: khi hoạt động tháp sẽ không bị hiện tượng ngập lụt.

• Chiều cao thân tháp:

 Chọn chiều cao gờ: 25 (mm) = 0.025 (m).

 Chọn đáy nắp tiêu chuẩn có:

• Chiều cao của đáy và nắp:

 Tổng chiều cao tháp:

2.3.5. Tính toán thân tháp

Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang). Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích. Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của etylic đối với thiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T.

• Áp suất tính toán

Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán:

Với:

- Pcl: là áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm2)

- htl: trở lực

Chọn áp suất tính toán sau cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn an toàn nên:

• Nhiệt độ tính toán:

Chọn nhiệt độ tính toán: ttt = tđáy = 100oC

Tra tài liệu tham khảo [2], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép không gỉ X18H10T:

- [σ]* = 142 (N/mm2)

- Đối với rượu hệ số hiệu chỉnh: η = 1

• Vậy ứng suất cho phép: [σ] = η*[σ]* = 142 (N/mm2)

• Xác định bề dày thân chịu áp suất trong:

Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằng tay nên hệ số bền mối hàn là: φh = 0.9

Xét tỉ số:

Do đó bề dày tính toán được tính theo công thức sau:

• Bề dày thực của thân: .

Trong đó hệ số C: hệ số bổ sung bề dày, C = Ca + Cb + Cc + Co

- Ca: hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học, phụ thược vào tốc độ ăn mòn của chất lỏng.

Chọn tốc độ ăn mòn của rượu là 0.1 (mm/năm), thiết bị hoạt động trong 20 năm, vậy nên Ca = 2 mm.

- Cb: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn Cb = 0

- Cc: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn Cc = 0

- Co: hệ số bổ sung quy tròn, chọn Co = 0.5 mm Suy ra C = 2 + 0 + 0 + 0.5 = 2.5 mm.

 Kiểm tra công thức tính toán với St = 2.5946

 Kiểm tra áp suất tính toán cho phép:

Vậy bề dày thực của thân thiết bị là: St = 3 (mm).

2.3.6. Tính toán đáy và nắp thiết bị

Chọn đáy và nắp thiết bị có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép không ghỉ X18H10T.

Vì công thức tính toán bề dày thân tháp, đáy và nắp chịu áp suất trong là như nhau, từ đó ta có thể tính toán dễ dàng được bề dày của đáy và nắp là:

• Sđ = Sn = 3 (mm).

Các kích thước của đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ (tra tài liệu tham khảo [2], trang 398):

- Đường kính trong: Dt = 350 (mm)

- ht = 87.5 (mm)

- Chiều cao gờ: hgờ = 25 (mm)

- Diện tích bề mặt trong: Sđáy = 0.16 (mm)

q Bích ghép thân, đáy và nắp

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị. Các loại mặt bích thường sử dụng:

- Bích liền: là bộ phần nối liền với thiết bị (hàn, đúc hay rèn). Loại này chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc với áp suất thấp và trung bình.

Chọn bích được ghép thân, đát và nắp bằng thép X18H10T, cấu tạo bích là bích liền không cổ:

Theo tài liệu tham khảo [2], trang 409, ứng với Dt = f = 350, và áp suất tính toán P = , ta chọn bích có các thông số sau:

Bảng 2.1. Thông số bích ghép thân, đáy và nắp tháp

Dt D D1 h Bu lông

db Z

Kích thước (mm) (cái)

350 485 445 415 24 M20 12

Theo tài liệu tham khảo [2], bảng1X.5 trang 170, chọn số mâm giữa hai mặt bích là: 4 mâm.

• Ta có số mặt bích cần dùng để ghép là: 23/4 + 2 ≈ 8 (bích).

Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định. Đệm làm bằng các vật liệu mêm hơn so với vật liệu bích. Khi xiết bulông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên mặt của bích. Vậy để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây amiăng, có bề dày 3(mm).

Một phần của tài liệu TÍNH TOÁN và THIẾT kế hệ THỐNG CHƯNG cất cồn CÔNG SUẤT 1000 kgh (Trang 22 - 33)

Tải bản đầy đủ (DOCX)

(89 trang)
w