ĐỒ án THIẾT kế kỹ THUẬT HOÁ học TÍNH TOÁN và THIẾT kế THÁP CHƯNG cất mâm CHÓP hệ METHANOL – nước

Đề tài em đảm nhiệm trong Đồ án thiết kế kỹ thuật hoá học là “ Tính toán và thiết kế tháp chưng cất mâm chóp hệ methanol – nước ” với năng suất nhập liệu là 1500 kg/h, có nồng độ là 30

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN: QUÁ TRÌNH - THIẾT BỊ

-

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT HOÁ HỌC

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT MÂM CHÓP HỆ

METHANOL – NƯỚC

GVHD: ThS Nguyễn Thị Như Ngọc SVTH: Nguyễn Mai Hiền Trinh MSSV: 1810608

TP.HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2021

Đồ án thiết kế kỹ thuật hoá học là một môn học mang tính tổng hợp tất cả kiến thức trong quá trình học tập của các kỹ sư hóa học nhằm củng cố và nắm vững các kiến thức đã học, thúc đẩy niềm đam mê, tìm tòi và rèn luyện kỹ năng giải quyết vấn đề Đồng thời, bằng việc được tiếp cận với quy trình thực tế thông qua việc tính toán, lựa chọn quy trình và các thiết bị với những yêu cầu cụ thể, những thách thức và cũng là cơ hội để sinh viên có thể tìm hiểu, vận dụng những công nghệ mới nhất của ngành kỹ thuật hóa học nhằm giải quyết và xử lý các yêu cầu được đặt ra cho một kỹ sư

Đề tài em đảm nhiệm trong Đồ án thiết kế kỹ thuật hoá học là “ Tính toán và thiết

kế tháp chưng cất mâm chóp hệ methanol – nước ” với năng suất nhập liệu là 1500 kg/h,

có nồng độ là 30% khối lượng methanol, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ là 98% khối lượng methanol và sản phẩm đáy có nồng độ là 1% khối lượng methanol Thông qua đề tài này, phần nào giúp em có một cái nhìn tổng quan về vai trò và tầm quan trọng của độ tinh khiết sản phẩm, cụ thể là methanol Bên cạnh đó, bản thân em cũng được làm quen với công việc tính toán, thiết kế của một kỹ sư tương lai

Thực hiện đồ án trong tình hình dịch bệnh Covid - 19 diễn biến hết sức phức tạp, điều kiện học tập, làm việc có nhiều khó khăn Song, với sự tận tình hướng dẫn, và những chia sẻ kinh nghiệm tính toán, thiết kế đầy quý báu của cô Nguyễn Thị Như Ngọc

đã là nguồn động lực to lớn giúp em có thể hoàn thành được đồ án này Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Nguyễn Thị Như Ngọc, và các thầy cô bộ môn Quá Trình - Thiết bị đã giảng dạy cho chúng em những kiến thức, kỹ năng và cả vốn sống Mến chúc quý thầy cô thật nhiều sức khỏe và thành công trong cuộc sống Đồng thời, em/mình cảm ơn các anh, chị và các bạn trong và ngoài nhóm đã góp ý để em/mình có thể hoàn thiện đồ án một cách tốt nhất trong khả năng của bản thân

Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót

do kiến thức còn hạn hẹp, em rất mong quý thầy cô xem xét, góp ý, chỉ dẫn để em có thể hoàn thành đồ án trọn vẹn hơn

-CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

I Lý thuyết về chưng cất 1

1 Khái niệm 1

2 Các phương pháp chưng cất 1

3 Thiết bị chưng cất 2

II Nguyên liệu 3

1 Methanol 3

2 Nước 3

3 Hệ methanol – nước 4

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 6

I Lựa chọn thiết bị 6

II Sơ đồ quy trình công nghệ 6

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 8

I Cân bằng vật chất 8

1 Các thông số 8

2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 10

3 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp 12

3.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin 12

3.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Rx 13

4 Xác định số mâm chưng cất thực tế 13

4.1 Xác định số mâm lý thuyết 13

4.2 Xác định số mâm thực tế 14

III Cân bằng năng lượng 15

1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dòng nhập liệu 15

2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất 17

4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 20

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 21

I Tính toán đường kính tháp chưng 21

1 Đường kính đoạn cất 21

2 Đường kính đoạn chưng 23

II Tính chiều cao tháp 26

IV Tính kết cấu phần trong của tháp chưng cất 26

1 Tính toán các chi tiết của chóp tròn 26

2 Tính toán chi tiết ống chảy chuyền 28

3 Tính toán lỗ tháo lỏng 29

V Kiểm tra sự hoạt động của chóp 29

1 Độ mở của chóp 29

2 Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn 30

3 Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm 30

4 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm 31

5 Chiều cao mực chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền 31

6 Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền 32

VI Tính trở lực của tháp 32

1 Trở lực của mâm khô 33

2 Trở lực của mâm do sức căng bề mặt 33

3 Trở lực của chất lỏng trên mâm 34

4 Tổng trở lực của tháp chóp 35

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 36

I Chiều dày thiết bị 36

1 Thân tháp chưng cất 36

II Tính toán các ống dẫn 39

1 Ống dẫn sản phẩm đáy 39

2 Ống dẫn dòng nhập liệu 39

3 Ống dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp 40

4 Ống dẫn hơi vào đáy tháp 40

5 Ống dẫn lỏng hoàn lưu 40

III Chọn bích và vòng đệm 41

1 Bích và đệm để nối và bít kín thiết bị 41

2 Bích để nối các ống dẫn 42

IV Tai treo và chân đỡ 43

1 Tính sơ bộ khối lượng tháp 43

2 Tai treo 44

3 Chân đỡ 44

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 46

I Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 46

II Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 49

III Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 53

IV Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 55

V Bồn cao vị 58

1 Tổn thất đường ống dẫn 58

1.1 Vận tốc dòng nhập liệu 59

1.2 Xác định hệ số ma sát trong đường ống 59

1.3 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ 59

2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 59

2.1 Xác định hệ số ma sát trong đường ống 60

2.3 Chiều cao bồn cao vị 60

VI Bơm 61

1 Cột áp 61

1.1 Xác định hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy 62

1.2 Xác định tổng tổn thất cục bộ trong ống hút 62

1.3 Xác định tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy 62

2 Công suất 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của hai quá trình này là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có hai cấu tử thì ta sẽ thu được hai sản phẩm:

- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)

- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn)

Đối với hệ Benzen – Toluen:

- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen

- Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen

2 Các phương pháp chưng cất

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:

- Áp suất làm việc:

• Áp suất thấp (nhỏ hơn áp suất khí quyển)

• Áp suất thường (bằng áp suất khí quyển)

• Áp suất cao (lớn hơn áp suất khí quyển)

- Nguyên tắc làm việc: dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử có trong hệ, nếu nhiệt

độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các

cấu tử có trong hệ, từ đó cũng dẫn đến làm thay đổi giản đồ pha của hệ theo hướng giảm nhiệt độ sôi của cả hệ chưng cất

• Cấp nhiệt gián tiếp

Do hệ cần phân tách là hệ methanol – nước, có nhiệt độ sôi mỗi cấu tử ở áp suất khí quyển là 65oC (với methanol nguyên chất) và 100oC (với nước nguyên chất) và dựa theo các số liệu về cân bằng lỏng – hơi – nhiệt độ sôi (T – x – y) thì hệ này tại áp suất khí quyển không có điểm đẳng phí, do đó khoảng nhiệt độ sôi của hỗn hợp này sẽ dao động trong khoảng 65 – 100oC tùy theo nồng độ cấu tử Khoảng nhiệt độ này không quá cao

để phải thực hiện chưng cất chân không Vì vậy, để chưng cất hệ methanol – nước ta thực hiện chưng cất ở áp suất khí quyển (xem như 1 atm), tháp hoạt động liên tục (để ổn định năng suất, dễ cơ giới hóa, tự động hóa và giảm chi phí vận hành

3 Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của các pha vào nhau Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo

khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tuỳ theo cấu tạo của mâm, ta có:

- Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ S,…và ống chảy

chuyền có nhiều tiết diện khác nhau phụ thuộc vào suất lượng pha lỏng

3 | P a g e

- 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

Do sản phẩm là methanol với yêu cầu độ tinh khiết cao khi sử dụng cùng với hỗn hợp methanol – nước là hỗn hợp không có điểm đẳng khí nên đồ án lựa chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp, sử dụng tháp mâm chóp

II Nguyên liệu

1 Methanol

Methanol còn gọi là methyl alcohol, alcohol gỗ, rượu metylic, naphtha gỗ hay rượu mạnh gỗ, có công thức hoá học CH3OH (thường viết tắt là MeOH) Ở nhiệt độ phòng, rượu metylic là chất lỏng không màu, phân cực, tan vô hạn trong nước có mùi vị đặc trưng Một số thông số vật lý:

Phân tử lượng: 32,04 g/mol

Khối lượng riêng: 0,7918 g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy: -97oC

Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg: 64,5oC

Độ nhớt: 0,59 N.s/m2 ở 20oC

Methanol được sử dụng như một chất chống đông, dung môi, nhiên liệu, nguyên liệu

để sản xuất các chất khác Ngoài ra methanol còn được chuyển hóa thành formaldehyde phục vụ cho nền công nghiệp chất dẻo, sơn,…

Hiện nay, methanol được sản xuất bằng cách tổng hợp trực tiếp từ H2 và CO, gia nhiệt

áp suất thấp có mặt chất xúc tác

2 Nước

Nước có công thức phân tử H2O, là chất lỏng không màu, không mùi, không vị Một

số thông số vật lý:

Phân tử lượng: 18 g/mol

Khối lượng riêng: 997,08 kg/m3 (ở 25oC)

Nhiệt độ sôi ở 760mmHg: 100oC

Nhiệt đô nóng chảy: 0oC

Trong đó: x là thành phần lỏng, y là thành phần hơi (% mol)

Bảng số liệu trên được biểu diễn thành giản đồ T – x – y (thể hiện sự thay đổi điểm bọt và điểm sương của hỗn hợp methanol – nước tại 1 atm theo sự thay đổi nồng độ cấu

tử methanol trong pha lỏng) và giản đồ x – y (thể hiện đường cong cân bằng phân mol lỏng – hơi của hệ) Đường cong cân bằng lỏng – hơi của hệ methanol – nước tại 1 atm

là đường cong lồi, và không có điểm đẳng phí (điểm mà tại đó x = y)

5 | P a g e

Hình 1 Đường cong cân bằng lỏng – hơi của hệ methanol – nước tại 1 atm

Hình 2 Giản đồ T – x – y của hệ methanol – nước tại 1 atm

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

I Lựa chọn thiết bị

- Tháp chưng cất: Tháp mâm chóp

- Nồi đun sử dụng cho tháp chưng: Nồi đun Kettle

- Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

- Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

- Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

- Bồn cao vị (ổn định lưu lượng nhập liệu)

- Dùng bơm li tâm ( bơm nguyên liệu lên bồn cao vị )

II Sơ đồ quy trình công nghệ

Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ

Nguyên liệu của quy trình là dung dịch methanol - nước với phần khối lượng của methanol là 30%, được chứa trong bồn chứa nguyên liệu (1) Dung dịch nhập liệu được bơm (2) đưa lên bồn cao vị (4), mực chất lỏng ở bồn cao vị được khống chế nhờ vào ống chảy tràn Dòng nhập liệu tiếp tục được điều chỉnh nhờ vào lưu lượng kế (5) và được đưa vào thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu (6) Tại đây, dòng nhập liệu được gia nhiệt từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ lỏng sôi của hỗn hợp bằng hơi nước bão hoà Sau

đó dòng nhập liệu được đưa vào tháp chưng cất (10) ở mâm nhập liệu

Tháp chưng cất gồm 2 phần: phần trên mâm nhập liệu là phần cất, phần dưới mâm nhập liệu là phần chưng Trong tháp, hơi đi từ dưới lên, gặp chất lỏng đi từ trên xuống

Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha Pha lỏng đi trong phần chưng, càng xuống dưới nồng độ các cấu tử dễ bay hơi càng giảm vì đã bị pha hơi từ nồi đun (16) lôi cuốn Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các mâm từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp

mà cấu tử methanol chiếm hàm lượng lớn nhất Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết

bị làm nguội sản phẩm đỉnh (14), rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (15) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về đỉnh tháp Thiết bị ngưng tụ (12) và thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (14) là thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với tác nhân làm nguội là nước lạnh Nước ngưng của các thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị

tháo nước ngưng – bẫy hơi (9)

Ở đáy tháp, ta thu được hỗn hợp hầu hết là các cấu tử khó bay hơi Hỗn hợp lỏng

ở đáy có phần khối lượng của methanol là 1%, còn lại là nước Sản phẩm đáy khi ra khỏi tháp vào nồi đun (16) Trong nồi đun một phần dung dịch lỏng sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc Phần còn lại được dẫn vào bồn chứa sản phẩm đáy (17), được làm nguội tự nhiên Do còn chứa một ít methanol nên sản phẩm đáy sẽ được xử lý

trước khi thải ra môi trường

Sơ đồ quy trình công nghệ

7 | P a g e

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I Cân bằng vật chất

1 Các thông số

Thông số dòng nhập liệu và yêu cầu bài toán

- Năng suất nhập liệu: 1500 kg/h

- Nhập liệu có nồng độ: 30% khối lượng Methanol

- Nồng độ sản phẩm đỉnh: 98% khối lượng Methanol

- Nồng độ sản phẩm đáy: 1% khối lượng Methanol

Thông số dòng tiện ích

- Tác nhân gia nhiệt nồi đun: Hơi nước bão hoà ở 3 at

- Tác nhân giải nhiệt thiết bị ngưng tụ: Nước làm mát ở 25oC

2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

̅̅̅̅: Lượng lỏng vào nồi đun (kg/h)

𝐿̅ : Lượng sản phẩm hồi lưu (kg/h)

𝐺̅ : Lượng hơi từ nồi đun vào tháp chưng (kg/h)

Suất lượng

F : Suất lượng mol nhập liệu (kmol/h)

D : Suất lượng mol sản phẩm đỉnh (kmol/h)

W : Suất lượng mol sản phẩm đáy (kmol/h)

D0: Suất lượng mol hơi vào thiết bị ngưng tụ (kmol/h)

W0: Suất lượng mol lỏng vào nồi đun (kmol/h)

L : Suất lượng mol sản phẩm hồi lưu (kmol/h)

G : Suất lượng mol hơi từ nồi đun vào tháp chưng (kmol/h)

Phần khối lượng

𝑥̅𝐹 : % khối lượng Methanol nhập liệu

𝑥̅𝐷 : % khối lượng Methanol sản phẩm đỉnh

𝑥̅𝑊 : % khối lượng Methanol sản phẩm đáy

32 +

1 − 0,318

→𝑇𝐹𝑠ô𝑖 = 82,06℃ ( Nội suy từ bảng 1)

32 +

1 − 0,9818

32 +

1 − 0,0118

= 0,006

→ 𝑦𝑊∗ = 0,032 ( Nội suy từ bảng 1)

Khối lượng phân tử trung bình:

3.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin

Tỉ số hồi lưu tối thiểu là chỉ số mà chế độ làm việc tại đó ứng với số mâm lý thuyết là

vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nguyên liệu, nước, bơm…) là tối thiểu

Với xF = 0,194 ta nội suy từ đồ thị 2 được yF* = 0,569

Có nhiều cách để xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu, với hệ methanol – nước do đường cong cân bằng lỏng – hơi là đường cong lồi và không có điểm đẳng phí, vì thế có thể áp dụng ngay công thức ST2_IX.24/158 để tính trực tiếp chỉ số hồi lưu tối thiểu

𝑅𝑚𝑖𝑛 = 𝑥𝐷− 𝑦

∗ 𝐹

𝑦∗

𝐹− 𝑥𝐹 =

0,965 − 0,5690,569 − 0,194 = 1,056

Thu được: y = 2,534x − 0,009

4.1 Xác định số mâm lý thuyết

Số mâm lý thuyết được xác định dựa trên đồ thị:

Dựa vào giản đồ x-y của hệ hai cấu tử Methanol – Nước, số mâm lý thuyết (số bậc thay đổi nồng độ) được xác định bằng cách vẽ các đường bậc thang giữa đường làm việc

và đường cân bằng:

Hình 3: Giản đồ x - y với số mâm lý thuyết

- Số mâm lý thuyết: Nlt = 8 mâm

- Số mâm phần chưng: 3 mâm

III Cân bằng năng lượng

1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dòng nhập liệu

Phương trình cân bằng nhiệt lượng

𝑄𝐷1+ 𝑄𝑓 = 𝑄𝐹 + 𝑄𝑛𝑔1+ 𝑄𝑥𝑞1 ( ST2_IX.149/196 )

QD1 : Nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)

Qf : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)

QF : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)

Qng1 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

Qxq1 : Nhiệt lượng mất mát (J/h)

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra Q F (J/h):

𝑄𝐹 = 𝐹̅ 𝑇𝐹 𝐶𝐹 ( ST2_IX.151/196 )

TF = 82,06 oC : nhiệt độ ra của hỗn hợp (ở trạng thái lỏng sôi)

CF : nhiệt dung riêng (Tra ST1_bảng I.147, I.153)

→ 𝐶𝐹 = 𝐶𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 𝑥̅𝐹+ 𝐶𝑛ướ𝑐 (1 − 𝑥̅𝐹) = 2870,8.0,3 + 4194,1 (1 − 0,3) = 3797,11𝑘𝑔.độ𝐽

→ 𝑄𝐹 = 𝐹̅ 𝑇𝐹 𝐶𝐹 = 1500.82,06.3797,11 = 467386,27 kJ/h

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào Q f (J/h):

𝑄𝑓 = 𝐹̅ 𝑇𝑓 𝐶𝑓 ( ST2_IX.151/196 )

Chọn Tf = 25oC : nhiệt độ đi vào của hỗn hợp đầu

C : nhiệt dung riêng (J/kg.độ) (Tra ST1_bảng I.147, I.153)

𝜆1: Nhiệt lượng riêng của hơi đốt ( J/kg )

C1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng ( J/kg.độ)

𝜃1: Nhiệt độ của hơi nước bão hòa

r1: Ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

D1: Lượng hơi nước bão hòa sử dụng (kg/h)

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

Từ ST2_I.212/254, nội suy ta có: r1 = 2171,29 kJ/kg

2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất

Phương trình cân bằng nhiệt lượng :

𝑄𝐹 + 𝑄𝐷2 + 𝑄𝑅 = 𝑄𝑦+ 𝑄𝑤+ 𝑄𝑥𝑞2+ 𝑄𝑛𝑔2 (ST2_IX.156/197)

QD2: Nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)

QR: Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào tháp (J/h)

QF: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h)

Qy: Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h)

Qw: Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h)

Qng2: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

Qxq2: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường (J/h)

Nhiệt lượng do lượng lỏng hoàn lưu mang vào:

𝜆2: Nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)

𝐶2: Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)

𝜃2 = 100oC: Nhiệt độ của hơi nước bão hoà

𝑟2: Ẩn nhiệt hoá hơi (J/kg)

𝐷2: Lượng hơi nước bão hoà sử dụng (kg/h)

Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp:

𝑄𝑦 = 𝐷̅(𝑅 + 1)𝜆𝐷 (ST2_IX.159/197) Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp 𝜆𝐷:

𝐶𝑤= 𝐶𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 𝑥̅𝑤+ 𝐶𝑛ướ𝑐 (1 − 𝑥̅𝑤) = 2960,43.0,01 + (1 − 0,01) 4228,26 = 4215,58 ( J

kg độ)

𝑄𝑤 = 𝑊̅ 𝐶𝑤𝑇𝑤 = 1052,26.4215,58.99,08 = 439507,61 (kJ

h)

Từ ST2_I.212/254 nội suy ta có: r2 = 2171,29 kJ/kg

3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

Chọn trường hợp ngưng tụ hoàn toàn

𝐷̅ 𝑟𝐷 (𝑅 + 1) = 𝐺𝑛1 𝐶𝑛1 (𝑡2− 𝑡1) (ST2_IX.165/198) Chọn nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh t1 = 25oC, t2 = 40oC

4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Cân bằng nhiệt lượng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:

21 | P a g e

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

I Tính toán đường kính tháp chưng

Đường kính tháp được xác định theo công thức:

𝐷 = √ 4𝑉𝑡𝑏

𝜋3600𝜔 𝑡𝑏= 0,0188√ 𝑔𝑡𝑏

(𝜌 𝑦 𝜔 𝑦 ) 𝑡𝑏 (m) (ST2_IX.89-90/181) Trong đó:

𝑉𝑡𝑏 : lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h)

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

𝑔𝑡𝑏 : lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)

(𝜌𝑦𝜔𝑦)𝑡𝑏: 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

gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất (𝑘𝑔

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

23 | P a g e

→𝑥̅̅̅̅𝑡𝑏 = 𝑥𝑡𝑏 𝑀𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙

𝑥𝑡𝑏 𝑀𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙+(1 − 𝑥𝑡𝑏) 𝑀𝑛ướ𝑐 =

0,580.320,580.32 +(1 − 0,580) 18= 0,711

Ở xtb = 0,580 => ttb = 71,58oC, tra ST1_I.2/10, được:

10,064 →𝜎ℎℎ = 0,014 (𝑁

= 0,0188√1041,640,803

→ Dcất = 0,677 m

2 Đường kính đoạn chưng

Lượng hơi trung bình đi trong phần chưng:

𝑔𝑡𝑏′ =𝑔1′+𝑔 𝑛′

2 (ST2_IX.97/182) Trong đó:

𝑔𝑡𝑏′ : lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng (kg/h)

𝑔1′: lượng hơi đi vào đoạn chưng tháp (kg/h)

𝑔𝑛′ = 𝑔1 = 887,99 𝑘𝑔/ℎ: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng (bằng lượng hơi đi vào đoạn cất) (kg/h)

Lượng hơi đi vào đoạn chưng g 1 ’ : tra ST2_IX.98, IX.99 và IX.95/183, ta có:

{

𝐺1′ = 𝑔1′ + 𝑊

𝐺1′𝑥1′ = 𝑔1′𝑦𝑊+ 𝑊𝑥𝑊

𝑔1′𝑟1′ = 𝑔1𝑟1 = 𝑔𝑛′𝑟𝑛′

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 r 1 : ( Phần đường kính phần cất )

𝑟1 = 𝑦1𝑟𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙+ (1 − 𝑦1)𝑟𝑛ướ𝑐 = 35116,8.0,503 + 43255,8 (1 − 0,503)

= 39161,88 𝑘𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙 {

Ở xtb ’ = 0,1 => t’tb = 87,7 oC, tra ST1_I.2/10, được:

10,06⇒ 𝜎ℎℎ = 0,013 (

(𝜌𝑦𝜔𝑦) 𝑡𝑏

′ = 0,0188√760,840,736

→ Dchưng = 0,604 m

Do đường kính của phần cất Dcất = 0,677 m và phần chưng D chưng = 0,604 m chênh

lệch nhau không nhiều, nên ta chọn đường kính cho cả 2 phần của tháp là 0,70 m

Với 𝐃𝐭 = 0,70 m, ta tính lại tốc độ bay hơi (khí) trong đoạn cất và đoạn chưng:

Đoạn cất:

𝐷 = 0,0188√(𝜌𝑔𝑡𝑏

𝑦 𝜔𝑦)𝑡𝑏↔ 0,7 = 0,0188√

1041,64 (𝜌𝑦𝜔𝑦)𝑡𝑏

II Tính chiều cao tháp

Chiều cao tháp được xác định theo công thức:

𝐻 = 𝑁𝑡𝑡 (𝐻đ+ 𝛿) + (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

→𝐻 = 17.(0,3 + 0,003)+ 1 = 6,151 (𝑚)

Chiều cao đáy ( nắp )

Chọn đáy (nắp) tiêu chuẩn:

Vậy chọn chiều cao toàn tháp là 7 m

IV Tính kết cấu phần trong của tháp chưng cất

1 Tính toán các chi tiết của chóp tròn

Dựa vào các công thức tính toán cho chóp (ST2/236, 237), ta có:

Đường kính ống hơi của chóp: chọn dh = 50 mm

Số chóp phân bố trên một mâm: 𝑛 = 0,1.𝐷2

𝑑ℎ2 = 0,1 0,72

0,05 2 = 19,6 (𝑐ℎó𝑝)

→ 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 = 0,25𝑑ℎ = 0,25.50 = 12,5 (𝑚𝑚).

Chiều dày của chóp: chọn 𝛿𝑐ℎ= 2 mm = 0,002 m

Khoảng cách từ mặt mâm đến chân chóp: S = 0 ÷ 25 mm, chọn S = 15 mm

27 | P a g e

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:

𝑑𝑐ℎ= √𝑑ℎ2 + (𝑑ℎ2 + 2𝛿𝑐ℎ2 ) = √0,05 2 + (0,05 + 2.0,002) 2 = 0,0736 m = 73,6 mm ≈ 74 𝑚𝑚 Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng toàn tháp:

𝜌𝑥 =𝜌𝑥𝑡𝑏 +𝜌′𝑥𝑡𝑏

2 =799,34 + 916,89

2 = 858,12 (kg/m3) Khối lượng riêng trung bình của pha hơi toàn tháp:

𝜌𝑦 =𝜌𝑦𝑡𝑏+𝜌′𝑦𝑡𝑏

2 =0,994 + 0,729

2 = 0,862 (kg/m3) Lượng hơi trung bình đi trong toàn tháp:

𝑔 =𝑔𝑡𝑏 +𝑔′𝑡𝑏

2 =1041,64 + 760,84

2 = 901,24 (kg/h) Lưu lượng hơi đi trong tháp:

𝑉𝑦 = 𝑔

𝜌𝑦 =901,24

0,862 = 1045,52 (m3/h) Tốc độ của dòng hơi:

𝜔𝑦 = 4𝑉𝑦

3600𝜋𝑑ℎ2𝑛 = 4.1045,52

3600𝜋.0,05 2 19 = 7,785 (m/s) (ST2/236) Chọn trở lực của chóp: ξ = 2 Chiều cao khe chóp:

𝑏 =𝜉𝜔𝑦

2 𝜌 𝑦

𝑔𝜌𝑥 =2.7,7852.0,862

9,81.858,12 = 0,012 m

→ 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

→𝑡1 = 50

2 + 2 +74

2 + 2 + 50 = 116 𝑚𝑚 → Chọn 𝑡1 = 120 𝑚𝑚

2 Tính toán chi tiết ống chảy chuyền

Lượng lỏng trung bình đi trong toàn tháp:

𝐺𝑥 =𝐺1 +𝐺′1

2 =440,63 +1686,63

2 = 1063,63 (kg/h) Lưu lượng lỏng đi trong tháp:

𝑉𝑥 =𝐺𝑥

𝜌𝑥 =1063,63

858,12 = 1,239 (m3/h) Đường kính ống chảy chuyền:

𝑑𝑐 = √ 4𝐺𝑥

3600𝜋𝜌 𝑥 𝜔 𝑐 𝑧 ( ST2_IX.217/236) 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 tròn, số ống chảy chuyền một mâm là z = 2 Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền: chọn 𝜔𝑐 = 0,1 (𝑚

𝑠)

𝑑𝑐 = √3600𝜋.858,12.0,1.24.1063,63 = 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 = √( 𝑉𝑥

3600.1,85.𝜋𝑑 𝑐)23

→∆ℎ = √( 𝑉𝑥

3600.1,85 𝜋𝑑𝑐)

2 3

= √( 1,2393600.1,85 𝜋 0,05)

2 3

Chiều dài gờ chảy tràn:

Từ điều kiện Schảy tràn = 20%.Ftháp, ta tính được các thông số sau:

Ta có: Squạt – Stam giác = Sbán nguyệt

Diện tích giới hạn bởi gờ chảy tràn: A = Amâm - Achuyền = 0,318 𝑚2

Bề rộng trung bình của mâm: Bm = A/Lw = 0,318/0,51 = 0,624 m

3 Tính toán lỗ tháo lỏng

Tiết diện ngang của tháp: A = 0,385 𝑚2 Cứ mỗi 1 𝑚2 tiết diện ngang của tháp, chọn 3

𝑐𝑚2, tổng diện tích lỗ tháo lỏng cần thiết cho một mâm là: 0,385.3 = 1,155 𝑐𝑚2

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/(𝜋𝑙2

ℎ𝑠𝑜 = 𝑏 = 15 𝑚𝑚: chiều cao hình học của lỗ chóp, mm

𝑄𝐺 = 𝑉𝑦 =1045,52

3600 = 0,28 m3/s: lưu lượng của pha khí

SS: tổng diện tích các lỗ chóp trên mỗi mâm, m2

𝑆𝑆 = 𝑛 𝑖 𝑎 𝑏 = 19.26.0,006.0,015 = 0,044 (𝑚2)

→ℎ𝑆 = 7,55 ( 0,862

858,12 − 0,862)

1 3

1523 (0,280,044)

2 3