BÁO cáo đồ án QUÁ TRÌNH và THIẾT bị THIẾT kế THÁP CHƯNG cất mâm XUYÊN lỗ hệ ACETONE – nước NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2000 lh

Một trong những phương pháp có thể tinh chế hóa chất để đạt đến độ tinh khiết phù hợp với yêu cầu sản xuất là phương pháp chưng cất lỏng – lỏng hoặc chưng cất hỗn hợp lỏng – khí thành cá

TỔNG QUAN

Lý thuyết về chưng cất

Chưng cất là quá trình tách các thành phần của một hỗn hợp lỏng–lỏng (hoặc hỗn hợp khí–lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng ở cùng điều kiện xác định, thường dựa trên sự khác biệt về nhiệt độ sôi và áp suất Quá trình này tận dụng sự bay hơi và ngưng tụ để tách các chất thành các dòng sản phẩm riêng biệt, giúp thu được các cấu tử tinh khiết hoặc ở độ tinh khiết cao ở từng giai đoạn Chưng cất có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, dầu khí và sản xuất đồ uống, nơi sự chênh lệch về độ bay hơi của các thành phần được khai thác để phân tách hiệu quả.

Trong quá trình chưng cất, không đưa thêm một pha mới vào hỗn hợp để tạo sự tiếp xúc giữa hai pha như trong các quá trình hấp thụ hay nhả khí Thay vào đó, pha mới được hình thành bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc có cùng mục đích tách các thành phần khỏi hỗn hợp, nhưng giữa hai quá trình tồn tại một ranh giới cơ bản: ở chưng cất cả dung môi và chất tan đều bay hơi, nghĩa là các thành phần hiện diện ở cả hai pha nhưng ở tỉ lệ khác nhau; còn ở cô đặc chỉ dung môi bay hơi và chất tan không bay hơi, khiến nồng độ chất tan tăng lên khi dung môi bị loại bỏ.

Trong quá trình chưng cất, ta thu được nhiều cấu tử và số lượng sản phẩm luôn tương ứng với số cấu tử của hệ; tức là hệ có bao nhiêu cấu tử sẽ cho ra bấy nhiêu sản phẩm Với một hệ đơn giản chỉ gồm hai cấu tử, ta sẽ thu được hai sản phẩm tương ứng.

Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn chiếm phần lớn thành phần, còn lại rất ít các cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi thấp); sự phân bố này định hình đặc tính và hành vi của sản phẩm trong quá trình xử lý, đồng thời ảnh hưởng đến hiệu suất và quản lý các thông số nhiệt độ–áp suất.

 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi lớn)

Như vậy, khi chưng cất hỗn hợp acetone và nước thì ta sẽ thu được sản phẩm đỉnh là acetone và sản phẩm đáy là nước

1.1.1 Các phương pháp chưng cất

Phân loại theo áp suất làm việc

Phân loại theo thành phần chưng cất

 Chưng cất hai cấu tử

 Chưng cất đa cấu tử

Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp

GVHD: TS Trần Lưu Dũng 2

Phân loại theo nguyên lý làm việc

 Chưng cất lôi cuốn hơi nước

Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước, còn được gọi là chưng cất bằng hơi nước trực tiếp, là kỹ thuật dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi Phương pháp này thường được áp dụng để tách các chất không hòa tan vào nước Đặc biệt hiệu quả trong chưng cất tinh dầu, khi các thành phần có nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ sôi của nước và ít tan trong nước.

Phương pháp này được áp dụng khi cần hạ thấp nhiệt độ sôi của một cấu tử trong quá trình xử lý Nó đặc biệt hữu ích với các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao hoặc khi các thành phần trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao, giúp bảo toàn tính chất và hiệu suất của quá trình.

 Chưng cất theo chu kỳ (chưng cất gián đoạn)

Phương pháp chưng cất gián đoạn được s dụng trong các điều kiện sau:

 Khi nhiệt độ của các cấu t khác xa nhau

 Không đòi hỏi độ tinh khiết cao

 Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

 Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

Chưng cất liên tục là quá trình được thực hiện liên tục trên hệ thống thiết bị nghịch dòng và gồm nhiều đoạn được bố trí để tối ưu hoá sự trao đổi và phân tách thành phần; thiết bị này cho phép dòng chất và sản phẩm di chuyển liên tục qua các khu vực riêng biệt, đảm bảo nồng độ và lưu lượng được kiểm soát chặt chẽ Ngoài ra còn có các thiết bị hoạt động bán liên tục, cung cấp sự linh hoạt vận hành bằng cách kết hợp đặc điểm của hai phương thức để phù hợp với các yêu cầu sản xuất khác nhau.

Như vậy, dựa vào yêu cầu acetone có độ tinh khiết cao (90%) và đặc tính của hỗn hợp acetone – nước không có điểm đẳng phí, phương pháp chưng cất liên tục được xem là tối ưu cho quá trình tách Quá trình này cho phép kiểm soát nhiệt độ và lưu lượng một cách ổn định, tách acetone khỏi nước hiệu quả và thu được sản phẩm đáp ứng độ tinh khiết mong muốn, đồng thời tối ưu hóa năng lượng và thời gian sản xuất Vì vậy, chưng cất liên tục là lựa chọn hiệu quả nhất để thu được acetone tinh khiết cao từ hỗn hợp acetone – nước.

Trong sản xuất, chưng cất thường được thực hiện bằng nhiều loại thiết bị khác nhau, nhưng điểm chung cơ bản của chúng là diện tích bề mặt tiếp xúc giữa hai pha phải lớn để tối ưu hóa trao đổi giữa pha khí và pha lỏng Diện tích này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một chất vào chất kia Khi pha khí phân tán vào pha lỏng, người ta dùng các loại tháp mâm; ngược lại, khi pha lỏng phân tán vào pha khí, các loại tháp như tháp chêm và tháp phun được sử dụng Trong thực tế, hai loại tháp phổ biến nhất là tháp mâm và tháp chêm.

Tháp mâm là tháp hình trụ đứng, bên trong gắn các mâm có cấu tạo khác nhau để pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau trên từng mâm Tuỳ theo cấu tạo của đĩa mâm, tháp mâm có các biến thể khác nhau nhằm tăng diện tích tiếp xúc và tối ưu hóa quá trình trao đổi giữa hai pha, từ đó nâng cao hiệu suất chưng cất và phân đoạn trong hệ thống.

 Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ S…

 Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

 Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp nhau bằng mặt bích hay hàn.Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

Bảng 1 1 Bảng so sánh ưu và nhược điểm của tháp chêm, tháp mâm xuyên lỗ và tháp mâm chóp

Giới thiệu về nguyên liệu chưng cất

Nguyên liệu dùng để chưng cất là hỗn hợp Acetone và nước, tính chất hóa lý và đặc điểm của nguyên liệu ảnh hưởng rất lớn đến việc chọn lựa thiết bị và hiệu suất của quá trình chưng cất

1.2.1.1 Tính chất vật lý và nhiệt động của acetone

Acetone là chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy, không màu và có mùi thơm nhẹ, là dạng keton đơn giản nhất Nó hòa tan vô hạn trong nước và có thể hòa tan một số hợp chất hữu cơ như ether, methanol, ethanol và diacetone alcohol, khiến acetone trở thành dung môi phổ biến trong công nghiệp và phòng thí nghiệm nhờ tính hòa tan mạnh và tốc độ bay hơi nhanh.

Acetone có một số đặc điểm sau:

 Công thức phân tử : (CH3)2CO

 Khối lượng phân tử : MA= 58,08 đvC

Tên gọi khác: Dimethylketal; 2–Propanone; Dimethyl ketone Ứng dụng phổ biến nhất của acetone là làm dung môi trong công nghiệp, đặc biệt cho vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa và cao su Acetone được sử dụng làm dung môi vì nó hòa tan tốt acetate, nitrocellulose và nhựa formaldehyde cũng như các chất béo, nên được dùng nhiều làm dung môi cho sơn và mực in ống đồng.

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Ưu điểm

– Cấu tạo khá đơn giản

– Làm việc được với chất lỏng bẩn.

– Trở lực tương đối thấp

– Khá ổn định – Hiệu suất cao

– Do có hiệu ứng thành nên hiệu suất truyền khối thấp

– Độ ổn định thấp, khó vận hành

– Thiết bị khá nặng nề

– Không làm việc được với chất lỏng bẩn

– Kết cấu khá phức tạp

– Có trở lực lớn – Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp

GVHD: TS Trần Lưu Dũng trình bày 4 nguyên liệu chính để tổng hợp thủy tinh hữu cơ Một số hợp chất được tổng hợp từ acetone, như ceten, sulfonate (thuốc ngủ) và holoform, cho thấy vai trò của acetone trong quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ và ảnh hưởng của chúng đến đặc tính của thủy tinh hữu cơ Hiểu rõ các nguyên liệu này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và chất lượng thủy tinh hữu cơ.

Bảng 1 2 Một số tính chất của acetone

3 Nhiệt độ tự bốc cháy 465 o C

1.2.1.2 Tính chất hóa học của acetone

 Phản ứng cộng của nhóm C=O

Trong liên kết C=O của acetone, carbon mang điện tích dương một phần do sự phân cực về phía oxy, khiến acetone dễ bị tấn công bởi các tác nhân nucleophile khác nhau Vì vậy acetone có thể cộng với nhiều tác nhân nucleophile như H–OH, RO–H, H–CN, R–MgBr và các tác nhân tương tự, mở đường cho nhiều biến thể phản ứng và tổng hợp hữu cơ.

 Phản ứng cộng nước tạo thành rượu bậc 2

 Phản ứng cộng natrihydrosulfide tạo hợp chất bisulfide

 Phản ứng cộng hợp với hợp chất cơ Magie

 Phản ứng thế tạo liên kết C=C (phản ứng andol hóa)

Khi chất xúc tác là bazơ, phân tử acetone có thể tham gia phản ứng với các phân tử khác có nhóm –CH2– linh động, đặc biệt là khi nhóm –CH2– nằm cạnh các nhóm hút electron như C=O hoặc NO2; quá trình này giúp hình thành liên kết mới giữa acetone và các hợp chất mục tiêu, mở rộng cơ hội trong tổng hợp hữu cơ và sản xuất các sản phẩm đa dạng Hiệu suất và đường đi của phản ứng bị chi phối bởi tính bazơ của chất xúc tác, điều kiện phản ứng (nhiệt độ, dung môi, nồng độ) và cấu trúc của nhóm –CH2– cũng như các nhóm hút electron ở phía đối diện; do đó, tối ưu hóa điều kiện và lựa chọn chất xúc tác bazơ phù hợp là yếu tố then chốt để kiểm soát sản phẩm và nâng cao hiệu quả quá trình.

Acetone được tìm thấy đầu tiên bởi Labavius (1595) bằng cách chưng cất khan đường Đến năm 1805 Trommdorff tiến hành sản xuất acetone bằng cách chưng cất acetate của bồ đạt và soda (một phân đoạn lỏng nằm giữa phân đoạn rượu và eter).

Ca(CH3COO)2 → CaO + CO 2 ↑ + (CH 3 ) 2 CO

Hiện nay, khoảng 83% acetone được sản xuất thông qua phương pháp Cumene (phương pháp Hock) Phương pháp này chủ yếu được dùng để sản xuất acetone tại Mỹ và các nước Tây Âu, và khi sản xuất acetone theo phương pháp này, phenol được đồng thời sinh ra đi kèm Quy trình Cumene gồm các bước chính: alkyl hóa benzene với propene để tạo cumene, sau đó cumene được oxy hóa thành cumene hydroperoxide và cuối cùng phân hủy để thu được acetone và phenol.

Hiện nay, công nghệ sản xuất acetone bằng oxi hóa cumen đã được thay thế bằng một phương pháp hiệu quả hơn: tổng hợp acetone thông qua quá trình tách nước của isopropanol có sự tham gia của xúc tác Xúc tác được sử dụng gồm đồng và các hợp kim của đồng, oxit kim loại và muối của chúng Ở nhiệt độ khoảng 327 °C, hiệu suất tổng hợp của phản ứng đạt khoảng 97%.

Ngoài ra còn một số quá trình sản xuất acetone khác như:

 Oxi hóa cumen hydro peroxide thành phenol và acetone

 Oxi hóa trực tiếp butane và propane

 Lên men carbonhydrate bởi vi khuẩn đặc biệt

1.2.2.1 Tính chất vật lý của nước

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt

Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:

 Khối lượng phân t : MN = 18 đvC

Nước là dung môi phân cực mạnh có khả năng hòa tan nhiều chất ở trạng thái rắn, lỏng và khí, và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực hóa học.

1.2.2.2 Tính chất hóa học của nước

 Tác dụng với kim loại

H2O + Na → NaOH + H 2 2H2O + Ca → Ca(OH) 2 + H2

Nước tác dụng được với một số kim loại ở nhiệt độ thường như: Li, Na, K, Ca tạo thành bazo và khí H2

 Tác dụng với oxit bazơ

Na2O + H2O → 2NaOH CaO + H2O → Ca(OH) 2

Nước tác dụng với oxit bazo tạo thành bazo tương ứng Dung dịc bazo làm quỳ tím hóa xanh

 Tác dụng với oxit acid

Nước tác dụng với oxit axit tạo thành axit tương ứng Dung dịch axit làm qu tím hóa đỏ

1.2.3 Hỗn hợp acetone và nước

Sự phân bố của cấu tử dễ bay hơi (acetone) trong pha lỏng và pha hơi thay đổi theo nhiệt độ sôi của hỗn hợp chưng cất

Bảng 1.3 Thành phần lỏng (x) – hơi (y) tính bằng phần trăm phần mol (% mol) và nhiệt độ sôi ( o C) của hỗn hợp acetone – nước ở 76 mmHg x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 60,3 72,0 80,3 82,3 84,2 85,5 86,9 88,2 90,4 94,3 100 t 100 77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59,0 58,2 57,5 61,6

Hình 1 1 Đồ thị cân bằng lỏng – hơi của hệ acetone – nước

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ

Phần 3: Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng

3.1 Tính toán cân bằng vật chất

3.2 Tính toán cân bằng năng lượng

Phần 4: Tính toán thiết bị chính

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

TP.HCM Khoa: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Bộ Môn: QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ TRONG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc ĐỒ ÁN

MÔN HỌC: KỸ THUẬT QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CNHH

4.2 Thiết kế kết cấu (cơ khí) thiết bị chính

Phần 5: Tính toán và lựa chọn thiết bị phụ

Tính toán lựa chọn các thiết bị phụ như là: bơm, thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị ngưng tụ, thiết bị làm nguội, …

IV.Các bản vẽ và đồ thị (loại và kích thước bản vẽ ):

TpHCM, ngày…… tháng …… năm 2019 TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

ThS HUỲNH BẢO LONG TS TRẦN LƯU DŨNG

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN Cán Bộ hướng dẫn Nhận xét (CBHD ghi rõ đồ án được bảo vệ hay không)

Cán Bộ chấm hay Hội Đồng bảo vệ Nhận xét:

……… Điểm:……… Chữ ký: ……… Điểm tổng kết:………

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

TP HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ : KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN: QT&TB TRONG CNHH – SH - TP

PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN

MÔN HỌC: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CNHH Sinh viên thực hiện đồ án: Nguyễn Thị Thảo Ký tên:

Cán Bộ hướng dẫn: TS Trần Lưu Dũng

Tên đồ án: Thiết kế tháp chưng cất mâm xuyên lỗ hệ Acetone – Nước năng suất nhập liệu 2000 L/h

STT Ngày Nội dung hướng dẫn CBHD ký tên

(Giấy giao đồ án và phiếu theo dõi tiến độ được đóng vào trang 1,2,3 quyển ) i

Trong quá trình thực hiện đồ án, em nhận được sự ủng hộ và giúp đỡ tận tình từ quý thầy cô và bạn bè, những đóng góp quý báu đã giúp nâng cao chất lượng nghiên cứu và tiến độ làm việc Sự hỗ trợ ấy không chỉ giải quyết những khó khăn kỹ thuật mà còn truyền cảm hứng, động viên em kiên trì từng bước để hoàn thành đồ án một cách nghiêm túc và bài bản Những góp ý chuyên môn, nhận xét tích cực và sự đồng hành của thầy cô cùng bạn bè đã giúp em cải thiện phương pháp nghiên cứu, nâng cao kỹ năng viết và thuyết trình cho đồ án Nhờ nguồn động lực to lớn này, em tự tin hoàn thiện đồ án và đạt được kết quả như mong đợi.

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm TP Hồ Chí Minh, quý thầy cô thuộc Khoa Công Nghệ Hóa Học đã tạo điều kiện, cung cấp tài liệu và truyền đạt những kiến thức cần thiết cho em trong quá trình thực hiện đồ án Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Trần Lưu Dũng – giáo viên hướng dẫn – người đã tận tình chỉ dẫn và đồng hành cùng em suốt thời gian làm đồ án.

Dù hết sức nỗ lực song không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong được sự góp ý để đồ án hoàn thiện hơn

Kính chúc quý thầy cô sức khỏe dồi dào và luôn tràn đầy nhiệt huyết trong công tác giảng dạy Chúc quý thầy cô ngày càng thành công hơn nữa trong sự nghiệp trồng người.

Em xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 11 năm 2019

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Sinh viên: Nguyễn Thị Thảo MSSV: 2004170162

TP.HCM, ngày …….tháng…….năm 2019

( ký tên, ghi rõ họ và tên) iii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU vi

DANH SÁCH HÌNH ẢNH vi

1.1 Lý thuyết về chưng cất 1

1.1.1 Các phương pháp chưng cất 1

1.2 Giới thiệu về nguyên liệu chưng cất 3

1.2.3 Hỗn hợp acetone và nước 6

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 7

2.1 Thiết lập sơ đồ quy trình công nghệ 7

2.2 Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ 8

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 9

3.1 Các thông số ban đầu 9

4.2 Chiều cao tháp chưng cất 24 iv

4.3 Mâm lỗ - trở lực của mâm 25

4.3.2 Trở lực của đĩa khô 25

4.3.3 Trở lực do sức căng bề mặt 26

4.3.4 Trở lực thuỷ tỉnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra 26

4.3.5 Tổng trở thuỷ lực của tháp 31

4.3.6 Kiểm tra hoạt động của mâm 31

5.3 Bích ghép thân đáy và nắp 36

5.4.1 Tính trọng lượng toàn tháp 37

5.6.Cửa nối ống dẫn với thiết bị - bích nối các bộ phận của thiết bị với ống dẫn 39

5.6.5 Ống dẫn lỏng ra khỏi đáy tháp 42

CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 44

6.1 Các thiết bị truyền nhiệt: 44

6.1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: 44 v

6.1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 48

6.1.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy: 53

6.1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy: 57

6.1.5 Thiết gia nhiệt nhập liệu 62

6.2.1 Tổn thất đường ống dẫn 66

6.2.2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 68

6.2.3 Chiều cao bồn cao vị: 70

6.4 Tính bảo ôn thiết bị: 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 vi

Bảng 1 1 Bảng so sánh ưu và nhược điểm của tháp chêm, tháp mâm xuyên lỗ và tháp mâm chóp 3

Bảng 1 2 Một số tính chất của acetone 4

Bảng 5 1 Kích thước bích ghép thân đáy và nắp 37

Bảng 5 2 Kích thước chân đỡ tháp 38

Bảng 5 3 Kích thước tai treo tháp 39

Bảng 5 4 Kích thước ống nhập liệu 40

Bảng 5 5 Kích thước ống hơi ở đỉnh tháp (bảng XIII.26, trang 409,2) 40

Bảng 5 6 Kích thước ống hoàn lưu 41

Bảng 5 7 Kích thước ống hơi ở đáy tháp 42

Bảng 5 8 Kích thước ống dẫn lỏng ra khỏi đáy tháp 42

DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1 1 Đồ thị cân bằng lỏng – hơi của hệ acetone – nước 6

Hình 4 1 Mâm và gờ chảy tràn 30

Hình 5 2 Bích ghép thân đáy và nắp 36

Hình 5 4 Tai treo tháp 38 vii

Trong bối cảnh phát triển của các ngành công nghiệp ở nước ta, công nghệ hóa chất đóng vai trò then chốt cho sự tăng trưởng Bên cạnh sự phát triển của sản xuất hàng hóa, sản xuất hóa chất cơ bản có độ tinh khiết cao vẫn là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm Một phương pháp tinh chế hiệu quả nhằm đạt được độ tinh khiết phù hợp với yêu cầu sản xuất là chưng cất lỏng–lỏng hoặc chưng cất hỗn hợp lỏng–khí, dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi của các thành phần để tách chúng thành các cấu tử riêng biệt.

Acetone là một hóa chất được ứng dụng phổ biến rộng rãi trong các lĩnh vực sản xuất Do hỗn hợp acetone và nước không có điểm đẳng phí nên có thể đạt được bất kỳ độ tinh khiết nào theo yêu cầu nhờ quá trình chưng cất.

Đồ án Quá trình và thiết bị tập trung vào thiết kế hệ thống tháp mâm xuyên lỗ cho quá trình chưng cất liên tục của hệ hai cấu tử acetone và nước Nhiệm vụ là xác định cấu hình tháp, chọn kích thước và loại mâm chưng cất phù hợp, đồng thời thiết kế điều kiện vận hành tối ưu nhằm đạt hiệu suất tách acetone và nước ở trạng thái liên tục Bài toán đòi hỏi phân tích pha, xây dựng mô hình quá trình và đánh giá hiệu suất của mâm, tính toán tiêu thụ năng lượng, nhiệt độ, áp suất, cũng như thiết kế hệ điều khiển và các biện pháp an toàn để tối ưu chi phí vận hành và chất lượng sản phẩm Kết quả mong đợi là một hệ thống chưng cất liên tục với tháp mâm xuyên lỗ được tối ưu hóa cả về kích thước, hiệu suất tách và tính kinh tế, đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật của hệ acetone-nước.

- Thiết bị hoạt động liên tục

- Nồng độ nhập liệu: 30% khối lượng

- Nồng độ sản phẩm đỉnh: 98% khối lượng

- Nồng độ sản phẩm đáy: 1% khối lượng

- Các số liệu khác tự chọn

1.1 Lý thuyết về chưng cất

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng – lỏng (cũng như hỗn hợp khí – lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng ở cùng điều kiện xác định Quá trình này tận dụng sự khác biệt về nhiệt độ sôi và tính bay hơi của từng thành phần để phân tách chúng một cách hiệu quả Ứng dụng của chưng cất bao gồm công nghiệp hoá chất, sản xuất đồ uống và tinh chế các hỗn hợp dầu mỡ, giúp thu được các sản phẩm tinh khiết ở mỗi phân đoạn.

Trong quá trình chưng cất, sự tiếp xúc giữa hai pha không được tạo ra bằng cách bổ sung một pha mới vào hỗn hợp như trong hấp thụ hay nhả khí Thay vào đó, pha mới được hình thành bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ, nhờ đó các thành phần được tách biệt dựa trên khác biệt về nhiệt độ sôi và tính bay hơi Đây là nguyên lý cơ bản của chưng cất so với quá trình hấp thụ hoặc nhả khí.

Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc có thể được xem như hai quá trình dựa trên sự bay hơi, nhưng chúng có một ranh giới cơ bản khác nhau: ở chưng cất, cả dung môi và chất tan đều bay hơi, và các thành phần có mặt ở cả hai pha với tỷ lệ khác nhau so với ban đầu; còn ở quá trình cô đặc chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan thì không bay hơi, dẫn đến tăng nồng độ chất tan trong hệ sau quá trình bay hơi.

Trong quá trình chưng cất, mỗi cấu tử của hệ được tách ra thành các sản phẩm riêng biệt, và số lượng sản phẩm thường bằng với số cấu tử có mặt trong hệ Nói cách khác, một hệ có n cấu tử sẽ cho ra n sản phẩm chưng cất tương ứng Với một hệ đơn giản chỉ có hai cấu tử, quá trình chưng cất sẽ cho ra hai sản phẩm chính, mỗi sản phẩm đại diện cho một cấu tử ban đầu và đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân tích và tinh chế.

Trong quá trình tinh chế, sản phẩm đỉnh chủ yếu chứa các cấu tử có độ bay hơi cao, chiếm phần lớn thành phần, trong khi một lượng rất nhỏ các cấu tử có độ bay hơi thấp (nhiệt độ sôi thấp) vẫn còn tồn tại Điều này cho thấy sự phân bổ thành phần của sản phẩm đỉnh dựa trên đặc tính bay hơi và nhiệt độ sôi của từng cấu tử.

 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi lớn)

Như vậy, khi chưng cất hỗn hợp acetone và nước thì ta sẽ thu được sản phẩm đỉnh là acetone và sản phẩm đáy là nước

1.1.1 Các phương pháp chưng cất

Phân loại theo áp suất làm việc

Phân loại theo thành phần chưng cất

 Chưng cất hai cấu tử

 Chưng cất đa cấu tử

Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp

Phân loại theo nguyên lý làm việc

 Chưng cất lôi cuốn hơi nước

Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước (chưng cất bằng hơi nước trực tiếp) được dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi Quá trình này hoạt động bằng cách đưa hơi nước qua chất lỏng hoặc hỗn hợp, làm các chất dễ bay hơi đi kèm với hơi nước và bay hơi ở nhiệt độ thấp hơn điểm sôi riêng của chúng Phương pháp này đặc biệt hiệu quả để tách các chất không hòa tan vào nước, như tinh dầu có nhiệt độ sôi cao hơn nước và ít tan trong nước.

Phương pháp này được dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử Nó phù hợp với những cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao hoặc khi các thành phần trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao Việc hạ nhiệt độ sôi giúp tăng tính an toàn, giảm rủi ro phân hủy và cải thiện hiệu suất xử lý ở điều kiện nhiệt độ thấp hơn, đồng thời tối ưu hóa việc tiết kiệm năng lượng.

 Chưng cất theo chu kỳ (chưng cất gián đoạn)

Phương pháp chưng cất gián đoạn được s dụng trong các điều kiện sau:

 Khi nhiệt độ của các cấu t khác xa nhau

 Không đòi hỏi độ tinh khiết cao

 Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

 Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

Chưng cất liên tục là quá trình được thực hiện liên tục bằng hệ thống thiết bị liên tục, hoạt động theo nguyên lý nghịch dòng và trải qua nhiều đoạn hoặc giai đoạn Quá trình này tối ưu hóa hiệu suất phân tách và năng suất nhờ vận hành liên tục và sự tương tác giữa các giai đoạn chưng cất Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục, mang lại sự linh hoạt trong điều chỉnh sản lượng và thời gian xử lý khi cần.

Với yêu cầu acetone có độ tinh khiết cao (90%) và hỗn hợp acetone – nước không có điểm đẳng phí (azeotrope), phương pháp chưng cất liên tục được xem là lựa chọn hiệu quả nhất để đạt được acetone tinh khiết ở mức mong muốn.

TÍNH TOÁN TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Các thông số ban đầu

Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ Thiết bị hoạt động liên tục.

Khi chưng cất hệ acetone – nước thì cấu tử dễ bay hơi là acetone

 Acetone: (CH3)2CO, MA= 58 đvC

+ Nồng độ nhập liệu: 𝑥̅̅̅ = 30% theo khối lượng 𝐹

+ Nồng độ sản phẩm đỉnh:𝑥̅̅̅ = 98% theo khối lượng 𝐷

+ Nồng độ sản phẩm đáy: 𝑥̅̅̅̅ = 1% theo khối lượng 𝑊

- 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

- L: suất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h

- xi, 𝑥̅ 𝑖 : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.

Cân bằng vật chất

3.2.1 Nồng độ phần mol của Acetone trong tháp

 Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:

Với 𝑥 𝐹 = 0,1174 Tra bảng IX.2a [2] trang 145 ta có: 𝑡 = 68,7 ℃

Tại 𝑡 = 68,7 ℃ Tra bảng I.2 [1] trang 9 ta có:

3.2.2 Suất lượng sản phẩm đỉnh và đáy

Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F = D + W (1)

Cân bằng cấu tử methanol(cấu tử nhẹ) : F.xF = D.xD + W.xW (2)

Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy, đỉnh là:

3.2.3 Xác định chỉ số hoàn lưu

Từ bảng số liệu 1.3 để xác định giá trị 𝑦 ∗ 𝐹 x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 60,3 72,0 80,3 82,3 84,2 85,5 86,9 88,2 90,4 94,3 100 t 100 77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59,0 58,2 57,5 61,6

 Chỉ số hoàn lưu tối thiểu 𝑅 𝑚𝑖𝑛 (IX.24 trang 158 [2])

- Chỉ số hoàn lưu làm việc: (IX.25b trang 159 [2])

3.2.4 Xác định phương trình làm việc

- Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất (IX.20 trang 144 [2]) y = R

- Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng (IX.22 trang 158 [2]) y = R + f

- Từ phương trình đường cất ta có x F = 0.1174 thì y F = 0,5920, x D = 0,9383 thì y D = 0.9383

- Từ phương trình đường chưng ta có x F = 0.1174 thì y F = 0.5919, x W = 0,0031 thì y W = 0,0031

- Số mâm lý thuyết được suy ra thông qua đồ thị đường cân bằng

Số mâm lý thuyết là 8 Vị trí mâm nhập liệu là mâm số 3 Số mâm chưng là 3, số mâm cất là 5

N lt : số mâm lý thuyết

 tb : hiệu suất trung bình của thiết bị, là một hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng, tb = f(α, μ)

- Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp α = y ∗

1 − y ∗ ×1 − x x (𝐈𝐗 𝟔𝟏 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟕𝟏 [𝟐]) x: phần mol của rượu trong pha lỏng y ∗ : phần mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

- Tính hiệu suất trung bình của tháp

 Tại vị trí nhập liệu

+ Tra bảng IX.2a trang 145 [2] với x F = 0.1174 thì y F ∗ = 0.7344, t F = 68,7°C

0,1174 = 20,7874 + Tra bảng I.101 trang 91,92 [1] với t F = 68,7°C ta có: μ N = 0,00042 (N × s/m 2 ) μ A = 0,0002 (N × s/m 2 ) lgμ F = x F × lgμ A + (1 − x F )lgμ N (𝐈 𝟏𝟐 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟖𝟒 [𝟏])

+ Tra hình IX.11 trang 171 [2] ta có  F = 0.31

 Tại vị trí mâm đáy

+ Tra bảng IX.2a trang 145 [2] với x W = 0,0031 thì y W ∗ = 0,0374, t W = 98,6°C

0,0031 = 12,4944 + Tra bảng I.101 trang 91,92 [1] với t W = 98,6°C ta có: μ 𝑁 = 0,00029 (N × s/m 2 ) μ A = 0,0002 (N × s/m 2 ) lgμ W = x W × lgμ A + (1 − x W )lgμ N (𝐈 𝟏𝟐 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟖𝟒 [𝟏])

+ Tra hình IX.11 trang 171 [2] ta có  W = 0.35

 Tại vị trí mâm đỉnh

+ Tra bảng IX.2a trang 145 [2] với x D = 0.9383 thì y D ∗ = 0.9648, t D = 57,3°C

0,9383 = 1,8024 + Tra bảng I.101 trang 91,92 [1] với t D = 57,3°C ta có: μ N = 0,00049 (N × s/m 2 ) μ A = 0,0002 (N × s/m 2 ) lgμ D = x D × lgμ A + (1 − x D )lgμ N (𝐈 𝟏𝟐 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟖𝟒 [𝟏])

+ Tra hình IX.11 trang 171 [2] ta có  D = 0.68

⇒ Hiệu suất trung bình của tháp

Vậy số mâm thực tế

GVHD: TS Trần Lưu Dũng 14 gồm 12 mâm cất, 6 mâm chưng, nhập liệu ở mâm số 6.

Cân bằng năng lượng

3.3.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu a) Tính nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:

- r1: ẩn nhiệt hoá hơi (J/kg)

- λ 1: hàm nhiệt của hơi đốt (J/kg)

- 𝜃 1 𝑣à 𝐶 1 : nhiệt độ(°𝐶 ) và nhiệt dung riêng (J/kg.độ) của nước ngưng Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa: p = 2at, ta có:

𝑡 𝑠 = 𝜃 𝑛1 = 119.62 °𝐶 (Tra bảng I.148 trang 166, [1]) Nội suy từ (bảng I.212 trang 254, [1]) ở 𝑡 𝑠 = 𝜃 𝑛1 = 119.62 °𝐶 ta được:

Nội suy từ bảng I.148 trang 166 [1] ở t s = θ 1 = 119.62°C ta có:

C 1 = 1.014 (kcal/kg°C) = 4245.4152 (J/kg°C) b) Tính nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào

𝐺 𝐹 ∶ lượng hỗn hợp đầu (kg/h)

C f ∶ nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg × độ) t f : nhiệt độ đầu của hỗn hợp (°C)

Chọn nhiệt độ đầu của hỗn hợp là 𝑡 𝑓 = 30 𝑜 C tra bảng I.153 trang 171,172, [1] suy ra:

CA = 2210 (J/kg.độ) và CN = 4177,5 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:

𝐶 𝑓 = 𝑥̅̅̅ 𝐶 𝐹 𝐴 + (1 − 𝑥̅̅̅) 𝐶 𝐹 𝑁 = 0,3.2210 + (1 − 0,3) 4177,5 = 3587,25 (J/kg.độ) Vậy Qf = 1779,6 3587,25 30 = 191516103 (J/h) = 53,20 (Kw) c) Tính nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra

Trong đó: CF : nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra (J/kg.độ)

GVHD: TS Trần Lưu Dũng 15 t F : nhiệt độ hỗn hợp khi đi ra khỏi thiết bị đun nóng(°C)

Tra bảng I.153 trang 171,172, [1] ở 68,7 0 C, suy ra:

CA = 2333,28 (J/kg.độ) và CN = 4190 (J/kg.độ)

𝑘𝑔 độ) Vậy QF = 1779,6 3632,98.68,7 = 444162758 (J/h)3,38 (kW) d) Tính lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi

3.3.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất

Theo Định luật bảo toàn năng lượng, tổng lượng nhiệt mang vào tháp bằng tổng lượng nhiệt mang ra khỏi tháp

QF + QD2 + QR = Qy + QW + Qxq2 + Qng2 (IX.156 trang 197, [2]) a) Tính nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp

QF = 444162758 (J/h) b) Tính nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp

Trong đó: GR = 𝐷.̅ R : lượng lỏng hồi lưu về tháp

D, R lần lượt là lượng sản phẩm đỉnh, chỉ số hồi lưu

CR = CD :nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh : tR = tD nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu Ở nhiệt độ tD = 57,3 o C, tra bảng I.153 trang 171,172 [1]

CN = 4188 ( J/Kg.độ) và CA = 2296,2 ( J/Kg.độ)

GVHD: TS Trần Lưu Dũng 16 c) Tính nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp

Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp D :

 𝐷 = 𝑦̅̅̅ 𝐷  𝐴 + (1 − 𝑦̅̅̅) 𝐷  𝑁 : là nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp (J/kg)

Trong đó:  𝐴 , 𝑁 : lần lượt là nhiệt lượng riêng của acetone và nước ở đỉnh tháp (J/kg)

A = rA + tD CA và N = rN + tD CN

Tra bảng I.212 trang 254 và I.153 trang 171, 172 [1] ở tD = 57,3 o C, ta được: rN = 579,3 (KJ/kg) CN = 4188 (J/kg.độ) rA = 124,54 (KJ/kg) CA = 2296,2(J/kg.độ)

Vậy A= rA + tD CA = 124,54+57,3 2296,2 = 131697 (J/kg)

Vậy Qy = D.( 1+ R).D = 532,19 (1+0,7297).157164 = 144674027 (J/kg) d) Tính nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp

QW = 𝑊.̅̅̅̅CW tW (IX.160, [2]) Trong đó: 𝑊 ̅̅̅̅= 1247,44 (Kg/h) lượng sản phẩm đáy tW = 99,6 0 C nhiệt lượng sản phẩm đáy

Tra bảng I.153 trang 171, 172 [1] ở tW = 98,6 0 C ta được:

CN = 4227,2 (J/Kg.độ) và CA = 2430,5 (J/Kg.độ)

𝑘𝑔 độ) Vậy QW = 𝑊.̅̅̅̅CW tW = 1247,44.4209,2 98,6 = 517721430 (J/h)3,8 (kW) e) Tính nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

Trong đó: Gng2 : lượng nước ngưng tụ (kg/h)

C2,t2 : nhiệt dung riêng và nhiệt độ của nước ngưng f) Tính lượng nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh

Lấy bằng 5% so với lượng nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp

Qxq2 = 0,05.D2.r2 (J/h) (IX.162, [2]) g) Tính nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp

QD2 = D2 2 = D2.(r2 + C2.t2) (IX.150, [2]) Trong đó: D2 : lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp (kg/h)

2 : hàm nhiệt của hơi đốt (J/kg) r2 : ẩn nhiệt hoá hơi (J/h)

C2, t2 : nhiệt dung riêng (J/kg.độ) và nhiệt độ ( 0 C) của nước ngưng

Dùng hơi nước cung cấp ở áp suất 2 at Tra bảng I.148 trang 166, [1] ta được:

Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa: p*t, ta có:𝑡 𝑠 = 𝜃 𝑛1 = 119.62 °𝐶

Nội suy từ bảng I.212 trang 254 [1],ta được:

Vậy lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp là:

D2.(r2 + C2.t2) + QF + QR = Qy + Qw D2.C2.t2 + 0,05.D2.r2 (IX.156, [2])

3.3.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị truyền nhiệt

Trong hệ thống này ta chỉ ngưng tụ hồi lưu

Trong đó: r : ẩn nhiệt ngưng tụ

CN : Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t1, t2 :Nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh

Chọn nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh t1 = 30 0 C, t2 = 40 0 C

2 = 35 0 C Tra bảng I.153 trang 172, [1] ở t = 35 0 C, ta được:

Nồng độ Acetone trong pha hơi: 𝑦 𝐷 = 0,9648 →tD = 57,3 o C Ẩn nhiệt ngưng tụ ở nhiệt độ tD = 57,3 o C tra bảng I.212 trang 254, [1] ta được: rN = 2425413 (J/kg) và rA = 521424 (kJ/kg)

Vậy lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết là

3.3.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

𝐷̅.[rD + CD.(t ’ 1 – t ’ 2) = GN3.CN1.(t1 – t2) (IX.166, [1])

Nhiệt vào của sản phẩm: t ’ 1 = tD = 57,3 0 C

Chọn nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh: t ’ 2 = 35 0 C

Chọn nhiệt độ nước làm lạnh sản phẩm đỉnh: t1 = 30 0 C

Chọn nhiệt độ nước ra: t2 = 40 0 C

2 = 46,15 0 C Tra bảng I.153 trang 171, 172 [1] ở 46,15 0 C ta được:

CN = 4179,6( J/Kg.độ) và CA = 2260 ( J/Kg.độ)

𝑘𝑔 độ) Vậy lượng nước làm lạnh cần dùng:

3.3.5 Cân bằng nhiệt lượng của nồi đun sản phẩm đáy

QD3 + QW3 = Q ’ W3 + Qng + Qxq+ QD2 a) Tính nhiệt lượng do hơi đốt mang vào

QD3 = D3 3 = D3.(r3 + C3.t3) Trong đó: D3: lượng hơi đốt (kg/h) r3: ẩn nhiệt hoá hơi (kg/h)

C3, t3 : nhiệt dung riêng và nhiệt độ của nước ngưng hàm nhiệt của hơi đốt (J/kg) Chọn áp suất hơi đốt vào là 2at tra bảng I.148 trang 166 [2], ta được:

Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa: p = 2at, ta có:𝑡 𝑠 = 𝜃 𝑛3 = 119.62 °𝐶

Nội suy từ bảng I.212 trang 254, [1],ta được:

𝑟 3 = 526.247 (kcal/kg) = 526.247 × 4.1868 × 10 3 = 2203.29 × 10 3 (J/kg) b) Tính nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang vào

QW = 𝑊.̅̅̅̅CW3 tW (IX.160, [2]) Trong đó: 𝑊 ̅̅̅̅= 1247,44 (Kg/h) lượng sản phẩm đáy tW = 98,6 0 C nhiệt lượng sản phẩm đáy

Tra bảng I.153 trang 172, [1] ở 98,6 0 C ta được:CN = Cw3 = 4227,2 ( J/Kg.độ)

Vậy QW3 = 𝑊.̅̅̅̅CW tW 47,44.4227,2.98,6 = 519935387(J/h) c) Tính nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra

Chọn nhiệt độ nước ngưng ở 40 0 C

QD2 = D2.(r3 + C3.t3) = 2833,08.(2203,29 + 4175.40) R7667120 (J/h) d) Tính nhiệt lượng do nước ngưng tụ mang ra

Qng3 = Gng3.t3 = D3.C3.t3 e) Tính nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh

THIẾT BỊ CHÍNH

Đường kính tháp

Tra công thức IX.89,IX.90 trang 181, [2] ta được công thức sau:

Vtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (m 3 /h)

𝜔 𝑡𝑏 : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

𝑔 𝑡𝑏 : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

4.1.1 Đường kính đoạn cất a) Lượng hơi trung bình đi trong tháp:

2 (kg/h) tra công thức IX.91 trang 181, [2]

Trong hệ thống tháp cất, gđ là lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h) và gl là lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h) Xác định gđ bằng công thức gđ = GD.(R+1), tham khảo IX.92 trang 181, [2].

S2,19.(0,7297 + 1) = 920,5 (kg/h) Xác định gl : tra tài liệu IX.93,IX.94,IX.95 trang 182, [2] ta thu được hệ phương trình sau:

Trong hệ thống cất, lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất (G1) ảnh hưởng tới cách thức phân chia và hiệu quả của quá trình bay hơi Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất (r1) cho thấy nhiệt lượng cần cung cấp để biến đổi trạng thái từ lỏng thành hơi khi hỗn hợp nhập vào đĩa đầu tiên Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi ra ở đỉnh tháp (rd) thể hiện nhiệt lượng liên quan đến sự thoát hơi ở đỉnh tháp, ảnh hưởng đến cân bằng nhiệt và hiệu suất tách ở phần trên của cột cất.

Ta có t1 = tF = 68,7 o C, tra tài liệu tham khảo bảng I.212 trang 254, [1] ta có:

- Nhiệt hoá hơi của nước là: rN1 = 2387,7 KJ/kg

- Nhiệt hoá hơi của acetone là: rA1 = 509,1 KJ/kg

Ta có tD = 57,3 0 C, tra tài liệu tham khảo bảng I.212 trang 254, [1], ta có:

- Nhiệt hoá hơi của nước là: rNd = 2425,6 KJ/kg

- Nhiệt hoá hơi của rượu là: rAd = 521,4 KJ/kg

Suy ra: rđ = rAđ.yD + (1 – yD).rNđ R1,4.0,9648 + (1 – 0,9648).2425,6

= 588,4 KJ/kg Mặt khác: x1 = xF = 0,1174

Giải hệ (*) trên ta được:{

ℎ b) Tốc độ trung bình đi trong tháp

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

Với: + Nồng độ phần mol trung bình: 𝑦 𝑡𝑏 = 𝑦 1 +𝑦 𝐷

+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất: 𝑡 𝑡𝑏 = 𝑡 𝐹 +𝑡 𝐷

Nồng độ phần mol trung bình: 𝑥 𝑡𝑏 = 𝑥 𝐹 +𝑥 𝐷

Ta có: xtb = 0,5279 suy ra ttb = 63 0 C, tra bảng I.2 trang 9, [1], ta thu được:

 Khối lượng riêng của nước: 𝜌 𝑁 = 981,35 ( 𝑘𝑔

 Khối lượng riêng của rượu: 𝜌 𝐴 = 741,95 ( 𝑘𝑔

𝑠) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình trong tháp:

Vậy đường kính đoạn cất: 𝐷 𝑐ấ𝑡 = 0,0188 √ 801,65

4.1.2 Đường kính đoạn chưng: a) Lượng hơi trung bình đi trong tháp:

2 (kg/h) tra công thức IX.91 trang 182, [2]

𝑔 𝑛 ′ : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/h)

𝑔 1 ′ : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

ℎ) Xác định 𝑔 1 ′ : tra tài liệu IX.98,IX.99,IX.100 trang 182, [2] ta thu được hệ phương trình sau:

𝐺 1 ′ : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

𝑟 1 ′ : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

Ta có: xW = 0,0031 , tra đồ thị cân bằng của hệ ta được yW = 0,0374

Ta có 𝑡 1 ′ = tW = 98,6 o C, tra tài liệu tham khảo bảng I.212 trang 254, [1] ta có:

- Nhiệt hoá hơi của nước là: 𝑟 𝑁1 ′ = 2262,55 KJ/kg

- Nhiệt hoá hơi của rượu là: 𝑟 𝐴1 ′ = 474,72 KJ/kg

Giải hệ (**) trên ta được:

ℎ) b) Tốc độ trung bình đi trong tháp

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

Với: + Nồng độ phần mol trung bình: 𝑦 𝑡𝑏 ′ = 𝑦 1 +𝑦 𝑤

+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: 𝑡 𝑡𝑏 ′ = 𝑡 𝐹 +𝑡 𝑊

Nồng độ phần mol trung bình: 𝑥 𝑡𝑏 ′ = 𝑥 𝐹 +𝑥 𝑊

Ta có: 𝑥 𝑡𝑏 ′ = 7,42 10 −3 suy ra 𝑡 𝑡𝑏 ′ = 83,65 0 C, tra bảng I.2 trang 9, [1], ta thu được:

- Khối lượng riêng của nước:𝜌 𝑁 ′ = 969,45 ( 𝑘𝑔

- Khối lượng riêng của rượu: 𝜌 𝐴 ′ = 714,26 ( 𝑘𝑔

𝑠) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình trong tháp:

Vậy đường kính đoạn chưng:𝐷 𝑐ℎư𝑛𝑔 = 0,0188√ 491,48

Kết luận: hai đường kính đoạn cất và chưng không chênh lệch nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là Dt = 0,5 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở:

Chiều cao tháp chưng cất

Tra tài liệu IX.54 trang 169, [2] ta có công thức tính chiều cao toàn tháp là:

𝐻 𝑡ℎá𝑝 = 𝑁 𝑡𝑡 (ℎ 𝑚â𝑚 + 𝛿) + (0,8 ÷ 1) Trong đó: Htháp : chiều cao của tháp (m)

Ntt : số mâm thực tế hmâm : khoảng cách giữa các mâm (m)

𝛿 : chiều dày của mâm 0,8 ÷ 1 : khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị (m) Tra bảng IX.4a trang 169, [2] chọn giá trị hmâm = 0,2 (m), chọn 𝛿 = 0,004 (𝑚)

Chọn đáy (nắp) tiêu chuần có:

Vậy chiều cao đáy (nắp): 𝐻 đá𝑦 (𝑛ắ𝑝) = ℎ 𝑡 + ℎ 𝑔ờ = 0,125 + 0,025 = 0,15 (𝑚)

Kết luận: chiều cao toàn tháp là: H = Htháp + 2.Hđáy (nắp) = 4,5 + 2.0,15= 4,8 (m)

Mâm lỗ - trở lực của mâm

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền:

- Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm

- Chiều cao gờ chảy tràn : hgờ = 25 mm = 0,025 (m)

- Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm

- Lỗ bố trí theo hình lục giác đều

- Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 12 mm

- Bề dày mâm bằng 4 mm

- Mâm được làm bằng thép không rỉ

0,004) 2 = 1250 𝑙ỗ Gọi a là số hình lục giác

Tra công thức V.139 trang 49, [2] ta có: n = 3a.(a – 1) + 1 (***)

Giải phương trình (***) ta thu được: a = 21

Số lỗ trên đường chéo: b = 2a – 1 = 41 lỗ

4.3.2 Trở lực của đĩa khô

2 tra tài liệu IX.140 trang 194, [2]

Trong đó:𝜔 ′ : tốc độ hơi qua lỗ (m/s)

𝜌 𝐻 : khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi) (kg/m 3 )

𝜉 : hệ số trở lực - 𝜉 = 1,82 (diện tích lỗ từ 7% - 10% diện tích tháp)

- 𝜉 = 1,45 (diện tích lỗ từ 15% - 20% diện tích tháp)

Vận tốc hơi qua lỗ: 𝜔 𝑐ấ𝑡 ′ = 𝜔 𝑐ấ𝑡

Vận tốc hơi qua lỗ: 𝜔 𝑐ℎư𝑛𝑔 ′ = 𝜔 𝑐ℎư𝑛𝑔

4.3.3 Trở lực do sức căng bề mặt

Do đĩa có đường kính lỗ lớn hơn 1mm nên ta áp dụng công thức IX.142 trang 194, [2] Δ𝑃 𝜎 = 4𝜎

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện là T = 68,7 o C tra tài liệu I.242 và I.249 trang 300 và 311, [1] thu được:

- Sức căng bề mặt của nước : 𝜎 𝑁 = 0,0646 ( 𝑁

- Sức căng bề mặt của acetone : 𝜎 𝐴 = 0,0176( 𝑁

𝑚) Áp dụng công thức I.76 trang 299, [1] ta có:

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện là T ,6 0 𝐶 tra tài liệu I.242 và I.249 trang 300 và 311, [1] thu được:

- Sức căng bề mặt của nước : 𝜎 𝑁 = 0,0591 ( 𝑁

- Sức căng bề mặt của rượu : 𝜎 𝐴 = 0,014( 𝑁

𝑚) Áp dụng công thức I.76 trang 299, [1] ta có:

4.3.4 Trở lực thuỷ tỉnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra Áp dụng công thức IX.143 trang 194, [2] :

−hc : chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa (chiều cao cửa chảy tràn) (m)

− 𝜌 𝑥 : khối lượng riêng của chất lỏng

− 𝐾 = 0,5 : tỉ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng chất lỏng

Tính chiều cao ống chảy truyền h c :

ℎ 𝑐 : Chiều cao ống chảy chuyền lên trên đĩa: (m)

- Chiều cao mức chất lỏng trên mâm:ℎ 1 = 0.015 ÷ 0.04 (𝑚):

- Khoảng cách từ địa đến chân ống chảy chuyền 𝑆 𝑙 = 0,25𝑑 𝐶 (IX.218 trang 237, [2])

- Chiều cao mức chất lỏng bên trên ống chảy chuyền: (m)

Trong đó: V : thể tích chất lỏng chảy qua (m 3 /h)

𝑑 𝑐 : đường kính ống chảy chuyền (m)

- Bề dày ống chảy chuyền, thường lấy 𝛿 𝑐 = 0.002 ÷ 0.004 (𝑚)

- Đường kính ống chảy chuyền:

- Lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp:

- Khối lượng riêng của chất lỏng:

- Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền thường 𝜔 𝑐 = 0.1 ÷ 0.2 (𝑚/𝑠);

- Thể tích chất lỏng chảy qua:

- Chiều cao ống chảy chuyền lên trên đĩa:

- Chiều cao lớp chất lỏng trên ống chảy : ∆= ∆ℎ = 8,5 10 −3 (𝑚)

- Chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa: ℎ 𝑥 = 0,015 (𝑚)

- Khối lượng riêng của bọt:

- Diện tích phần bố chí ống chảy chuyền:𝑓 𝑐 𝐶 = 𝑆 𝑞𝑢ạ𝑡 − 𝑆 𝑂𝐴𝐵

- Diện tích tam giác OAB: (O là Tâm đĩa)

- Đường kính ống chảy chuyền:

- Lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp:

- Khối lượng riêng của chất lỏng:

- Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền, thường 𝜔 𝑐 = 0.1 ÷ 0.2 (𝑚/𝑠);

- Thể tích chất lỏng chảy qua

- Chiều cao ống chảy chuyền lên trên đĩa:

- Chiều cao lớp chất lỏng trên ống chảy : ∆′ = ∆′𝒉 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟕 (𝒎)

- Chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa: ℎ 𝑥 = 0.015 (𝑚)

- Khối lượng riêng của bọt:

- Chiều cao ống chảy chuyền : chọn khoảng cách từ ống chảy chuyền với mâm dưới là 0.02 (m), ta có:

Tính chiều cao của gờ chảy tràn:

Hình 4 1 Mâm và gờ chảy tràn

Dùng phép lặp: suy ra 𝛼 = 1,627 𝑟𝑎𝑑 = 93,23°

Nồng độ mol trung bình của phần cất: 𝑥 𝑡𝑏 = 𝑥 𝐹 +𝑥 𝐷

2 = 0,5279 phần mol Khối lượng mol trung bình của phần cất: 𝑀 𝐿𝐿 = 58 𝑥 𝑡𝑏 + (1 − 𝑥 𝑡𝑏 ) 18

= 39,116 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần cất là:

𝑀 𝐷 𝜌 𝑡𝑏 Tra bảng thu được các thông số:

Nồng độ mol trung bình của phần cất: 𝑥 𝑡𝑏 = 𝑥 𝐹 +𝑥 𝑤

2 = 0,0603 phần mol Khối lượng mol trung bình của phần cất: 𝑀 𝐿𝐶 = 58 𝑥 𝑡𝑏 + (1 − 𝑥 𝑡𝑏 ) 18

= 20,412 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần cất là:

𝑀 𝐷 𝜌 𝑡𝑏 Tra bảng thu được các thông số:

4.3.5 Tổng trở thuỷ lực của tháp

4.3.6 Kiểm tra hoạt động của mâm a) Kiểm tra lại khoảng cách mâm h mâm = 0,2 m đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình thường của tháp

Với các mâm trong phần chưng trở lực thuỷ lực quá 1 mâm lớn hơn trở lực thuỷ lực của mâm trong phần cất:

Kết luận : Điều kiện trên được thoả b) Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động mâm

Từ công thức trang 70 sách truyền khối, ta có vận tốc tối thiếu qua lỗ của pha hơi Vmin đủ để cho các lỗ trên mâm đều hoạt động:

𝑚 3 ) Kết luận: Các lỗ trên mâm hoạt động bình thường

Kết luận : Tổng trở lực thuỷ lực của tháp Δ𝑃 = 𝑁 𝑇𝑇 𝑐ℎư𝑛𝑔 Δ𝑃 𝑐ℎư𝑛𝑔 + 𝑁 𝑇𝑇 𝑐ấ𝑡 Δ𝑃 𝑐ấ𝑡 = 6.240,19 + 12.256,39 = 4517,82 (𝑁

TÍNH CƠ KHÍ

Bề dày tháp

Vì thân tháp hoạt động ở áp suất thường, tháp hình trụ được thiết kế và gia công bằng phương pháp hàn hồ quang điện, với kiểu hàn giáp mối hai bên để đảm bảo liên kết kín và bền Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích, tạo thành cấu kiện liền mạch và thuận tiện cho quá trình lắp đặt.

- Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm ta chọn thiết bị thân tháp là thép không gỉ mã X18H10

Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho tính toán:

- Nhiệt độ tính toán: t = tmax = 100 0 C

- Áp suất tính toán : Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên: 𝑃 = 𝑃 𝑡ℎ𝑢ỷ 𝑡ĩ𝑛ℎ + Δ𝑃

- Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp:

Trong đánh giá độ bền và độ tin cậy của hệ thống, hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường được xác định dựa trên đặc tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị dự kiến là 20 năm Vì môi trường có tính ăn mòn cao, tốc độ ăn mòn của acetone được chọn là 0,1 mm/năm để phản ánh đúng mức độ ăn mòn và phục vụ cho các tính toán thiết kế, dự báo tuổi thọ và các biện pháp bảo vệ phù hợp với điều kiện ăn mòn.

- Ứng suất cho phép tiêu chuẩn:

Vì thiết bị không bọc lớp cách nhiệt nên 𝜂 = 1

- Hệ số bền mối hàn

Vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp nối 2 phía:

Nên tra tài liệu XIII.8 trang 362, [2] ta có 𝜑 ℎ = 1,0

2.[𝜎].𝜑 ℎ ±𝑝 tài liệu XIII.8, XIII.9 trang 360, [2]

0,0456 1 = 3114,04 ≥ 50 suy ra có thể bỏ qua p ở mẫu số (1) trang

→ Bề dày thực của thân: S = S ’ + C

Trong đó: C = Ca + Cb + Cc + Co

- C: hệ số bổ sung bề dày

- Cb: hệ số bổ sung do bào mòn hoá học, Cb = 0 (mm)

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

- Co: hệ số quy tròn, Co = 0,179 (mm)

→ Bề dày thực của thân: S = 0,08 + 4,92= 5 (mm)

Kiểm tra độ bền Điều kiện: 𝑆−𝐶 𝑎

- Chọn đáy và nắp có dạn hình elip tiêu chuẩn có gờ, làm bằng thép X18H10T

- Chọn bề dày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp S = 5 mm

Vì đáy và nắp có hình elip tiêu chuẩn với ℎ 𝑡

Suy ra: điều kiện trên được thoả như đã kiểm tra ờ phần thân tháp

Kích thước của đáy và nắp

- Đường kính trong : Dt = 500 mm

- Chiều cao gờ: hgờ = 25 mm

- Diện tích bề mặt trong: Sbề mặt trong = 0,44 m 2 bảng XIII.10 trang 382, [2]

Bề dày mâm

5.2.1 Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán

- Nhiệt độ tính toán: t = tmax = 100 0 C

- Chọn bề dày gờ chảy tràn là 3 mm

- Thể tích gờ chảy tràn: 𝑉 = 𝐿 𝑔ờ ℎ 𝑔ờ 0,003 = 0,3636.0,025.0,003 = 2,73 10 −5 (𝑚 3 )

- Khối lượng riêng của thép X18H10T là: 𝜌 𝑋18𝐻10𝑇 = 7900 ( 𝑘𝑔

- Khối lượng gờ chảy tràn: 𝑚 = 𝑉 𝜌 𝑋18𝐻10𝑇 = 2,73 10 −5 7900 = 0,216(𝑘𝑔)

- Áp suất do gờ chảy tràn tác dụng lên mâm tròn: 𝑃 𝑔ờ = 𝑚.𝑔

Khối lượng riêng của chất lỏng tại đáy tháp

Ta có: xw = 0,01 suy ra tw = 98,6 0 C bảng I2 trang 9, [1] suy ra:

 Khối lượng riêng của nước: 𝜌 𝑁 = 958,98 𝑘𝑔/𝑚 3

 Khối lượng riêng của rượu: 𝜌 𝐴 = 694,82 𝑘𝑔/𝑚 3 Áp dụng công thức I.2 trang 5, [1] ta có:

Hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học của môi trường (Ca) được xác định dựa trên tính chất ăn mòn của môi trường và thời gian vận hành thiết bị Với môi trường có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị là 20 năm, tốc độ ăn mòn 0,1 mm/năm cho ra Ca = 2 mm.

- Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: Vì vật liệu là X18H10T → [𝜎] ∗ = 142 ( 𝑁

- Hệ số hiệu chỉnh:Vì thiết bị không bọc lớp cách nhiệt nên 𝜂 = 1

-Ứng suất cực đại ở vòng chu vi

+ Đối với bản tròn đặc ngầm kẹp chặt theo chu vi:𝜎 𝑚𝑎𝑥 = 3𝑃

+ Đối với bản có đục lỗ: 𝜎 𝑡 𝑚𝑎𝑥 = 𝜎 𝑚𝑎𝑥

- Kiểm tra điều kiện bền:

+ Độ vòng cực đại ở tâm: 𝑊 𝑜 = 𝑃𝑅 4

+ Đối với bản có lỗ đục: 𝑊 𝑙ỗ = 𝑊 𝑜

- Để đảm bảo điều kiện bền thì: 𝑊 𝑙ỗ < 1

0,571.20 10 6 5 3 = 0,001 < 1 Kết luận: bề dày S đã chọn thoả độ bền

Bích ghép thân đáy và nắp

Hình 5 2 Bích ghép thân đáy và nắp

- Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích là bích liền không cổ

- Tra bảng XIII.27 trang 418, [2] với 𝐷 𝑡 = ∅ = 500 𝑚𝑚 và áp suất tính toán P 0,0456

Bảng 5 1 Kích thước bích ghép thân đáy và nắp

Bu lông dB z mm mm

Dựa theo bảng IX.5 trang 170, khoảng cách giữa hai mặt bích được suy ra là 1000 mm và số mâm giữa hai mặt bích là 3 Độ kín của mối ghép bích phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu đệm; vì vậy để đảm bảo độ kín cho thiết bị, ta chọn đệm là dây amiăng có bề dày 3 mm.

Số mặt bích cần dùng để ghép là 18

Chân đỡ tháp

5.4.1 Tính trọng lượng toàn tháp

Tra sổ tay XII.7 trang 313, [2] ta có khối lượng riêng của tháp X18H10T là 𝜌 𝑋18𝐻10𝑇 7900 𝑘𝑔

- Khối lượng của một bích ghép thân

- Khối lượng của một mâm

- Khối lượng của thân tháp

- Khối lượng của đáy (nắp) tháp

- Khối lượng của toàn tháp

- Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân

- Vật liệu làm chân đỡ tháp là thép X18H10T

- Tải trọng cho phép trên một chân là: 𝐺 𝑐 = 𝑃

- Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị ta chọn GC = 2500 N

Tra bảng XIII.35 trang 437, [2] ta thu được bảng số liệu sau:

Bảng 5 2 Kích thước chân đỡ tháp

Tai treo tháp

- Chọn tai treo: tai treo được gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động trong điều kiện ngoại cảnh

- Chọn vật liệu làm tai treo là thép X18H10T Ta chọn bốn tai treo tải trọng cho phép trên 1 tai treo là: Gt = GC = 1000 N

- Tra bảng XIII.36, trang 438, [2] ta thu được các thông số sau:

Bảng 5 3 Kích thước tai treo tháp

- Khối lượng một tai treo là: mtay treo = 0,53 kg

Cửa nối ống dẫn với thiết bị - bích nối các bộ phận của thiết bị với ống dẫn

- Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo được hoặc không tháo được Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo được

- 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 > 10 mm

- Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính 𝑑 ≤ 10 𝑚𝑚, đôi khi có thể dùng với

- Ống dẫn được làm bằng thép CT3

- Bích được làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích là bích liền không cổ

Ta có:𝑥̅̅̅ = 0,3 suy ra t 𝐹 F = 68,7 0 C bảng I2 trang 9, [1] suy ra:

- Khối lượng riêng của nước: 𝜌 𝑁 = 978,22 𝑘𝑔

- Khối lượng riêng của rượu: 𝜌 𝐴 = 734,26 𝑘𝑔/𝑚 3 Áp dụng công thức I.2 trang 5, [1] ta có:

- Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị

- Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vF = 0,4 m/s (tra bảng II.2 trang 370, [1])

- Đường kính của ống nối: (II.36, [1])

Suy ra chọn ống có đường kính: 𝐷 ố𝑛𝑔 = 40 𝑚𝑚

Tra bảng XIII.26 trang 419, [2] với 𝐷ố𝑛𝑔 𝑛ℎậ𝑝 𝑙𝑖ệ𝑢 = 40 𝑚𝑚 và áp suất tính toán P 0,0456 N/mm 2

Bảng 5 4 Kích thước ống nhập liệu

Bu lông dB z mm cái

- Nồng độ trung bình của pha hơi ở đỉnh tháp:

Ta có xD = 0,9383 suy ra tD = 57,3 0 C và yD = 0,9648

- Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần cất

- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần cất là:

- Chọn vận tốc hơi ra khỏi đỉnh tháp là vHD = 20 m/s

- Đường kính trong của ống nối:

Suy ra chọn đường kính ống nối là: Dy = 70 mm

Tra bảng XIII.32 trang 434, [2] suy ra chiều dài đoạn ống nối là: l = 110 mm

Bảng 5 5 Kích thước ống hơi ở đỉnh tháp (bảng XIII.26, trang 409,2)

Ta có: xD = 0,9383 suy ra tw = 57,3 0 C bảng I2 trang 9, [1] suy ra:

- Khối lượng riêng của nước: 𝜌 𝑁 = 984,215 𝑘𝑔/𝑚 3

- Khối lượng riêng của rượu: 𝜌 𝐴 = 748,97 𝑘𝑔

𝑚 3 Áp dụng công thức I.2 trang 6, [1] ta có:

- Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu là vhl = 0,2 m/s (tự chảy từ bộ phận tách lỏng ngưng tụ vào tháp)

- Đường kính trong của ống nối

Tra bảng XIII.26, trang 419, [2] với P = 0,0456 N/mm 2 ta thu được bảng số liệu sau:

Bảng 5 6 Kích thước ống hoàn lưu

- Nồng độ trung bình của pha hơi ở đỉnh tháp:

Ta có xW = 0,0031 suy ra tw = 98,6 0 C và yw = 0,0374

- Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần cất

- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần cất là:

- Chọn vận tốc hơi ra khỏi đỉnh tháp là vHW = 20 m/s

- Dường kính trong của ống nối

Tra bảng XIII.32 trang 436, [2] suy ra chiều dài đoạn ống nối là: l = 120 mm

Bảng 5 7 Kích thước ống hơi ở đáy tháp

5.6.5 Ống dẫn lỏng ra khỏi đáy tháp

Ta có: xW = 0,0031 suy ra tw = 98,6 0 C bảng I2 trang 10, [1] suy ra:

- Khối lượng riêng của nước: 𝜌 𝑁 = 958,98𝑘𝑔/𝑚 3

- Khối lượng riêng của rượu: 𝜌 𝐴 = 694,82 𝑘𝑔

𝑚 3 Áp dụng công thức I.2 trang 6, [1] ta có:

- Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vLW = 0,2 m/s

- Đường kính trong của ống nối

Bảng 5 8 Kích thước ống dẫn lỏng ra khỏi đáy tháp

Kính quan sát

Chọn đường kính trong của kính quan sát là Dtr = 100 mm ta có các thông số sau:

- Đường kính ngoài Dng = 180 mm

- Số bulông gắp kính với tháp z = 16

- Đường kính bulông dB = M8 mm

- Khoảng cách giữa hai bulông là h = 160 mm

TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHỤ

Định dạng
Số trang	87
Dung lượng	2,19 MB