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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA 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

Lý thuyết về chưng cất

Khái niệm

Chưng cất là một phương pháp tách các cấu tử trong hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí lỏng dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi của từng thành phần Quá trình này khai thác sự khác biệt giữa nhiệt độ sôi và áp suất hơi bão hòa của các cấu tử ở cùng điều kiện, từ đó các thành phần có độ bay hơi khác nhau được tách ra thành các phần riêng biệt Nhờ đó chưng cất cho phép thu hồi và cô lập các cấu tử có đặc tính bay hơi khác nhau, với ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá chất, sản xuất nhiên liệu và chế biến thực phẩm Độ hiệu quả của quá trình phụ thuộc vào đặc tính của chất lỏng, thiết kế thiết bị, và điều kiện vận hành như áp suất và nhiệt độ.

Trong quá trình chưng cất, sự giao tiếp và tiếp xúc giữa hai pha được hình thành thông qua biến đổi trạng thái của chất, chứ không phải bằng cách đưa một pha mới vào hỗn hợp như trong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí Pha mới ở chưng cất được tạo ra từ quá trình bốc hơi của thành phần và sau đó được ngưng tụ thành pha lỏng ở bộ phận ngưng tụ, từ đó các thành phần được phân ly dựa trên sự khác biệt về nhiệt độ sôi.

Chưng cất và cô đặc có những điểm tương đồng nhưng sự khác biệt căn bản nằm ở cơ chế bay hơi và tách chất Trong chưng cất, cả dung môi và chất tan đều bay hơi, nghĩa là các cấu tử hiện diện ở cả hai pha nhưng ở tỉ lệ khác nhau và mục tiêu là phân tách dựa trên độ bay hơi của từng thành phần Ngược lại, quá trình cô đặc chỉ có dung môi bay hơi, chất tan không bay hơi, do đó dung dịch được cô đặc bằng cách loại bỏ dung môi và làm tăng nồng độ chất tan Nhờ đó, chưng cất phù hợp để tách các thành phần dựa trên khác biệt về độ bay hơi, còn cô đặc chủ yếu dùng để tăng nồng độ chất tan bằng cách giảm thể tích dung môi.

Quá trình chưng cất cho ta nhiều cấu tử khác nhau, và số lượng cấu tử càng nhiều thì số sản phẩm thu được càng lớn Trong một hệ đơn giản chỉ chứa hai cấu tử, ta sẽ thu được đúng hai sản phẩm riêng biệt từ quá trình chưng cất.

- 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.

Các phương pháp chưng cất

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:

• 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; khi nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao, ta giảm áp suất làm việc để hạ nhiệt độ sôi của chúng, từ đó tối ưu hóa quá trình tách chất và điều hòa trạng thái của hệ Việc kiểm soát áp suất giúp giảm sự bay hơi của thành phần và tăng hiệu quả vận hành, đồng thời đảm bảo an toàn cho quá trình xử lý chất.

Việc tính toán tháp chưng cất, đặc biệt là thiết kế mâm và cấu tử ở vùng chóp trong hệ, giúp dự báo phân bố thành phần và tác động lên giản đồ pha của hệ Quá trình này dẫn đến thay đổi giản đồ pha theo hướng giảm nhiệt độ sôi của toàn hệ chưng cất, từ đó tối ưu hiệu suất phân tách và điều kiện vận hành của tháp.

• Chưng lôi cuốn theo hơi nước.

Đối với hệ methanol – nước, nhiệt độ sôi của từng thành phần ở áp suất khí quyển lần lượt là khoảng 65 °C với methanol và 100 °C với nước; dựa trên dữ liệu cân bằng lỏng – hơi và đường cong T – x – y, hệ này tại áp suất khí quyển không có điểm đẳng phí, vì vậy nhiệt độ sôi của hỗn hợp dao động từ 65 °C đến 100 °C tùy theo nồng độ cấu tử Khoảng nhiệt độ này không quá cao để phải thực hiện chưng cất chân không; do đó, để chưng cất hệ methanol – nước ta thực hiện ở áp suất khí quyển (1 atm), tháp chưng cất hoạt động liên tục nhằm ổn định năng suất, dễ cơ giới hóa và tự động hóa, đồng thời giảm chi phí vận hành.

Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất, chưng cất được thực hiện bằng nhiều thiết bị khác nhau, nhưng nguyên lý chung là tăng diện tích tiếp xúc giữa hai pha để tối ưu hóa quá trình trao đổi Diện tích này phụ thuộc vào mức độ phân tán của các pha vào nhau: khi pha khí phân tán vào pha lỏng, ta dùng tháp mâm; ngược lại, khi pha lỏng phân tán vào pha khí, các loại tháp chêm và tháp phun thường được chọn Ở đây ta khảo sát hai loại tháp phổ biến nhất là tháp mâm và tháp chêm, nhằm làm rõ ưu điểm và ứng dụng của chúng trong quá trình chưng cất.

Tháp mâm là một cấu trúc hình trụ, thân tháp thẳng đứng bên trong gắn các mâm có cấu tạo khác nhau Trên các mâm này, pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau nhằm thực hiện quá trình trao đổi và phân ly giữa hai pha Tuỳ theo cấu tạo của mâm mà ta có các loại mâm khác nhau, tác động đến lượng tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi để tối ưu hóa hiệu suất tách của hệ thống.

Tháp mâm chóp là hệ thống chưng cất có mâm bố trí các chóp hình tròn, van xupap và các chi tiết chữ S trên mỗi mâm Ống chảy chuyền liên kết giữa các mâm được thiết kế với nhiều tiết diện khác nhau, phục vụ cho lưu lượng pha lỏng khác nhau Thiết kế này tối ưu hóa quá trình phân ly và trao đổi nhiệt, đồng thời đảm bảo vận hành hiệu quả trong các hệ thống công nghiệp.

Tính toán tháp chưng cất mâm chóp

- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.

Tháp chêm (tháp đệm) là một tháp hình trụ gồm nhiều bậc liên tiếp được nối với nhau bằng mặt bích hoặc mối hàn Vật chêm được đưa vào tháp theo hai phương pháp phổ biến: xếp ngẫu nhiên hoặc xếp theo thứ tự.

Đối với sản phẩm methanol có yêu cầu độ tinh khiết cao, quá trình xử lý dựa trên hỗn hợp methanol – nước, đây là hệ không có điểm đẳng khí Vì vậy, phương án chưng cất liên tục được lựa chọn để đảm bảo hiệu quả tách và ổn định chất lượng Quá trình chưng cất được cấp nhiệt gián tiếp, giúp kiểm soát nhiệt độ và tiết kiệm năng lượng Tháp mâm chóp được triển khai với cấu hình phù hợp nhằm tối ưu hóa phân đoạn và cho ra methanol tinh khiết cao ở sản phẩm đầu ra.

Nguyên liệu

Methanol

Methanol còn được biết đến với nhiều tên gọi như methyl alcohol, alcohol gỗ, rượu metylic, naphtha gỗ hoặc rượu mạnh gỗ, có công thức hoá học CH3OH và thường được viết tắt là MeOH Ở nhiệt độ phòng, methanol là chất lỏng không màu, phân cực và tan vô hạn trong nước, có mùi đặc trưng dễ nhận diện Các thông số vật lý của methanol được dùng để nhận biết và đánh giá tính chất của nó cho các ứng dụng công nghiệp và hóa học.

Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg: 64,5 o C Độ nhớt: 0,59 N.s/m 2 ở 20 o C

Methanol được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp với nhiều vai trò thiết yếu: như một chất chống đông trong hệ làm mát, là dung môi cho quá trình sản xuất và là nguồn nhiên liệu cho nhiều ứng dụng năng lượng Bên cạnh đó, methanol còn là nguyên liệu quan trọng để sản xuất các chất khác, mở rộng chuỗi cung ứng và tối ưu hóa quy trình công nghệ Methanol cũng được chuyển hóa thành formaldehyde, thành phần chủ chốt phục vụ cho nền công nghiệp chất dẻo, sơn và nhiều sản phẩm polymer khác.

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.

Nước

Nước có công thức phân tử H2O, là chất lỏng không màu, không mùi, không vị Một số thông số vật lý:

Nhiệt đô nóng chảy: 0 o C Độ nhớt: 1,0.10 3 N.s/m 2 ở 25 o C

Nước là hợp chất phân cực mạnh, vì vậy được dùng làm dung môi hòa tan nhiều chất rắn, lỏng, khí.

Hệ methanol – nước

Bảng cân bằng lỏng – hơi cho hỗn hợp methanol – nước ở 1atm:

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

Biểu đồ T–x–y cho thấy sự thay đổi của điểm bọt và điểm sương của hỗn hợp methanol – nước ở 1 atm theo nồng độ methanol trong pha lỏng; đồng thời biểu đồ x–y mô tả 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 (tại đó x = y).

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.

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

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 ).

Sơ đồ quy trình công nghệ

Quy trình bắt đầu với dung dịch methanol - nước chứa 30% methanol, được chứa trong bồn chứa nguyên liệu (1) Dung dịch nhập liệu được bơm (2) lên bồn cao vị (4); mức chất lỏng trong bồn cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn Dòng nhập liệu tiếp tục được điều chỉnh nhờ lưu lượng kế (5) và đưa vào thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu (6), nơi dòng nhập liệu được gia nhiệt từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ lỏng sôi của hỗn hợp bằng hơi nước bão hòa Sau đó dòng nhập liệu được đưa vào tháp chưng cất (10) ở mâm nhập liệu.

Tháp chưng cất gồm hai phần: phần trên mâm nhập liệu là phần cất và phần dưới mâm nhập liệu là phần chưng Trong tháp, hơi bay lên gặp chất lỏng đi xuống, tạo sự trao đổi và khống chế phân bố các pha Khi xuống phía dưới, nồng độ các cấu tử dễ bay hơi giảm dần do bị pha hơi kéo lên từ nồi đun, trong khi nhiệt độ tăng lên khiến các chất có nhiệt độ sôi cao như nước ngưng tụ ở các mâm phía trên, và tại đỉnh tháp ta thu được một hỗn hợp methanol chiếm hàm lượng lớn nhất Một phần chất lỏng ngưng tụ được làm lạnh và đưa vào bồn chứa sản phẩm đỉnh, phần còn lại được hoàn lưu về đỉnh tháp Thiết bị ngưng tụ và thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh hoạt động như hệ trao đổi nhiệt ống chùm với nước lạnh làm chất làm lạnh, nước ngưng được tháo qua bẫy hơi Ở đáy tháp, hỗn hợp chứa chủ yếu các cấu tử khó bay hơi, methanol chiếm khoảng 1% khối lượng; sản phẩm đáy được đưa vào nồi đun, ở đó một phần dung dịch lỏng bay hơi cung cấp lại cho tháp, phần còn lại chảy vào bồn chứa sản phẩm đáy và được làm nguội tự nhiên Do còn methanol, sản phẩm đáy cần được xử lý trước khi thải ra môi trường.

Sơ đồ quy trình công nghệ

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Cân bằng năng lượng

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

Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Q D1 : Nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h).

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

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

Q ng1 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h).

Q xq1 : Nhiệt lượng mất mát (J/h).

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

T F = 82,06 o C : nhiệt độ ra của hỗn hợp (ở trạng thái lỏng sôi).

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

Xét dòng nhập liệu: T Fsôi = 82,06 o C

= 4194,1 ướ ( Nội suy từ bảng 2)

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

Chọn T f = 25 o C : nhiệt độ đi vào của hỗn hợp đầu.

C : nhiệt dung riêng (J/kg.độ) (Tra ST1_bảng I.147, I.153) Xét dòng nhập liệu: T f = 25 o C

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: chọn hơi nước bão hòa ở 3 at

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

C 1 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng ( J/kg.độ).

1 : Nhiệt độ của hơi nước bão hòa. r 1 : Ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg).

D 1 : Lượng hơi nước bão hòa sử dụng (kg/h).

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường ( bằng 5% nhiệt do hơi đốt mang vào )

Lượng hơi nước cần thiết để gia nhiệt dòng nhập liệu đến độ sôi

Chọn hơi nước bão hoà ở p = 3at → t 1 = 1 = 132,7 o C Từ ST2_I.212/254, nội suy ta có: r 1 =

0,95 1 0,95.2171,29ℎ Ở T = 132,7 o C, nội suy ở ST2_I.148/166, ta được: 1 = 4272 / ộ độ

2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất

Phương trình cân bằng nhiệt lượng :

Q D2 : Nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h).

Q R : Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào tháp (J/h).

Q F : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h).

Q y : Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h).

Q w : Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h).

Q ng2 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h).

Q xq2 : Nhiệt lượng mất mát ra môi trường (J/h).

Nhiệt lượng do lượng lỏng hoàn lưu mang vào: ̅

= : nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh.

Xét dòng sản phẩm đỉnh: T Dsôi = T R = 65,03 o C

Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào tháp:

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp:

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

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

2 = 100 o C: Nhiệt độ của hơi nước bão hoà.

2 : Ẩn nhiệt hoá hơi (J/kg).

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

Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp: ̅

Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp :

Nhiệt lượng riêng của methanol, nước:

Xét dòng sản phẩm đỉnh: T D = 65,03 o C, ta có:

Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Q w ̅

Xét dòng sản phẩm đáy: T W = 99,08 o C, ta có:

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường ( bằng 5% nhiệt do hơi đốt mang vào )

Lượng hơi nước cần thiết để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp:

Chọn hơi nước bão hoà ở p = 3at → t2 = = 132,7 o C

Từ ST2_I.212/254 nội suy ta có: r 2 = 2171,29 kJ/kg

0,95 2 0,95.2171,29 ℎ Ở T = 132,7 o C, nội suy ở ST2_I.148/166 ta được: 2 = 4272 /( ộ) độ

3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

Chọn trường hợp ngưng tụ hoàn toàn ̅

Chọn nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh t 1 = 25 o C, t 2 = 40 o C

Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình C n = 4177 ( kg J

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

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

Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh t D = 65,03 o C

Nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh t D ′ = 40 o C

Nước làm nguội có nhiệt độ vào là: t 1 = 25 o C, t 2 = 40 o C

Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình C n = 4177 ( J ) kg ộ độ

Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh:

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

Tính toán đường kính tháp chưng

Đường kính tháp được xác định theo công thức:

: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m 3 /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/m 2 s).

Vì lượng lỏng và lượng hơi thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau giữa từng đoạn, ta phải tính riêng đường kính trung bình cho mỗi đoạn, đặc biệt là đoạn chưng và đoạn cất Việc xác định đường kính trung bình theo từng đoạn giúp cân bằng phân bố lưu lượng, tối ưu hóa hiệu suất quá trình chưng cất và đảm bảo vận hành ổn định của tháp ở cả hai khu vực chưng và cất.

Lượng hơi trung bình đi trong phần cất:

Trong hệ cất, các tham số lưu lượng hơi được định nghĩa như sau: gtb là lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất, gd là lượng hơi đi ra mâm trên cùng của tháp, và g1 là lượng hơi đi vào mâm dưới cùng của đoạn cất Các đơn vị thường dùng cho các tham số này là kg/h hoặc mol/h, tùy thuộc đặc tính vận hành và mục tiêu của quá trình cất, giúp đánh giá hiệu suất và tối ưu quá trình.

Ta có: M D = 31,51 kg/kmol ( Tính ở cân bằng vật chất) ̅

Lượng hơi đi vào mâm g 1 : tra ST2_IX.93, IX.94, IX.95/182, ta có:

G1 là lượng lỏng ở mâm thứ nhất của đoạn cất; r1 là ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào mâm thứ nhất của đoạn cất; rD là ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi ra ở đỉnh tháp Những tham số này giúp mô tả đặc tính dòng chất và quá trình nhiệt trong cột cất, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất phân tách và cân bằng nhiệt giữa các mâm.

Tính r 1 : Ở t 1 = t F = 82,06 o C, tra ST1_I.212/254, ta có:

Tính r d : Ở t D = 65,03 o C, tra ST1_I.212/254, ta có:

Từ (1), (2) và (*), ta có hệ phương trình:

Nồng độ phần mol trung bình pha khí:

Nhiệt độ trung bình đoạn cất:

Nồng độ phần mol trung bình pha lỏng:

ℎ + (1 − ) ướ 0,580.32 + (1 − 0,580) 18 Ở x tb = 0,580 => t tb = 71,58 o C, tra ST1_I.2/10, được:

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 công thức ST1_I.76/299

Vì 14,00 dyn/cm < 20 dyn/cm → φ[σ] = 0,8 (ST2/184)

Tốc độ hơi đi trong phần cất của tháp:

Chọn h = 0,3 m (khoảng cách mâm), ta tính được ( ) = 0,803 ( 2 ) Đường kính đoạn cất của tháp: = 0,0188 √ = 0,0188√

Lượng hơi trung bình đi trong phần chưng:

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

: 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 g 1 ’ : tra ST2_IX.98, IX.99 và IX.95/183, ta có:

G 1 ′ : lượng lỏng ở mâm thứ nhất của đoạn chưng. r 1 ′ : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào mâm thứ nhất của đoạn chưng.

Ta có x w = 0,006, tra đồ thị cân bằng của hệ ta được y w = 0,032

Ta có: t 1 ’ = t w = 99,08 o C, tra ST1_I.212/254, ta có:

Tính r 1 : ( Phần đường kính phần cất )

Nồng độ phần mol trung bình pha khí:

Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:

Nồng độ phần mol trung bình pha lỏng:

ℎ ướ Ở x tb ’ = 0,1 => t ’ tb = 87,7 o C, tra ST1_I.2/10, được:

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 công thức ST1_I.76/299

Vì 13,00 dyn/cm < 20 dyn/cm → φ[σ] = 0,8 (ST2/184)

Tốc độ hơi đi trong phần chưng của tháp:

Chọn h = 0,3 m (khoảng cách mâm), ta tính được (ρ y ω y ) ′ tb = 0,736 ( m kg

2.s ) Đường kính đoạn chưng của tháp: ′ = 0,0188√

Do đường kính của phần cất D cất = 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 = 0,70 m, ta tính lại tốc độ bay hơi (khí) trong đoạn cất và đoạn chưng: Đoạn cất:

Tính chiều cao tháp

Chiều cao tháp được xác định theo công thức:

H: Chiều cao của tháp chưng cất, m N tt : Số mâm thực tế của tháp chưng cất

H đ : 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.

Chọn đáy (nắp) tiêu chuẩn: ℎ

Vậy chiều cao đáy (nắp):

Kết luận chiều cao toàn tháp là:

ℎá = + 2 ℎ ắ = 6,151 + 2.0,2 = 6,551 ≈ 7 Vậy chọn chiều cao toàn tháp là 7 m.

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 d h = 50 mm.

Số chóp phân bố trên một mâm: = 0,1 2 = 0,1 = 19,6 ( ℎó ).

→ Chọn số chóp phân bố trên mâm: n = 19 (chóp) để bố trí lục giác.

Chiều cao của chóp phía trên ống dẫn hơi: ℎ 2 = 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.

Khoảng cách từ mép dưới của khe chóp tới mép dưới của chóp h sr = 5 mm

Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp: h 1 = 15 ÷ 40 mm, chọn h 1 = 25 mm. Đường kính chóp:

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng toàn tháp:

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi toàn tháp:

Lượng hơi trung bình đi trong toàn tháp:

Lưu lượng hơi đi trong tháp:

Tốc độ của dòng 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.

Khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp: l 2 = 12,5 + 0,25.d ch = 30,9 mm

Bước tối thiểu của chóp trên mâm: t min = d ch + 2 ℎ + l 2 = 73,6 + 2.2 + 35 = 112,6 (mm) ≈ 113 mm

Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất:

Trong đó: : bề dày ống chảy chuyền, chọn = 2 , 1 : khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền, chọn 1 = 50

2 Tính toán chi tiết ống chảy chuyền

Lượng lỏng trung bình đi trong toàn tháp:

Lưu lượng lỏng đi trong tháp:

858,12 Đường kính ống chảy chuyền:

G x : lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp (kg/h). ρ x : khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m 3 ). z: số ống chảy chuyền. ω c : 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 = 0,1 ( )

→ Chọn đường kính ống chảy chuyền là d c = 0,05 m.

Chiều cao mực chất lỏng trên ống chảy chuyền (m): ∆ℎ = 3

Chiều cao ống chảy chuyền lên trên mâm:

Khoảng cách từ mâm đến ống chảy chuyền:

Chiều dài gờ chảy tràn:

Từ điều kiện S chảy tràn = 20%.F tháp , ta tính được các thông số sau:

Ta có: S quạt – S tam giác = S bán nguyệt

Chiều dài gờ chảy tràn: = 2 = = 0,7

Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn: = 2.

Diện tích ống chảy chuyền:

Diện tích giới hạn bởi gờ chảy tràn: A = A mâm - A chuyền = 0,318 2

Bề rộng trung bình của mâm: B m = A/L w = 0,318/0,51 = 0,624 m

3 Tính toán 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

Đường kính của một lỗ tháo lỏng được chọn là 0,6 cm Khi đó, số lỗ tháo lỏng cần thiết cho một mâm được tính bằng công thức 1,155/( 4 2 ) = 4,08 (lỗ) Do đó, ta chọn số lỗ trên một mâm là 5 lỗ.

Kiểm tra sự hoạt động của chóp

Với lỗ chóp hình chữ nhật, độ mở của chóp h S có thể tính như sau:

ℎ = = 15 : chiều cao hình học của lỗ chóp, mm.

= = 1045,52 3600 = 0,28 m 3 /s: lưu lượng của pha khí.

S S : tổng diện tích các lỗ chóp trên mỗi mâm, m 2

→ Tỉ số ℎ = 15,80 = 1,05 → Thỏa điều kiện ℎ ≈ ℎ

2 Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn

Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính theo công thức:

= 0,51 m : chiều dài gờ chảy tràn

Tra đồ thị ST4_Hình 5.9/110, ta có:

3 Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm

Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆ được tính theo công 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 công thức:

Qua đồ thị ST3_5.10/111, các giá trị tương ứng là 1,34; 2,661; 0,82 và √ 0,205 Tỉ lệ khoảng cách giữa hai chóp và đường kính chóp được xác định là l^2/d_ch = 35/73,6 = 0,476 Với khoảng cách trung bình từ mép chóp đến mâm h_sc = 12,5 mm, trị số X = 3,629 Tỉ lệ l^2/d_ch = 0,476 kết hợp với đồ thị ST3_5.14/112 cho ta kết quả y = 4∆′ = 4 mm.

Gradient chiều cao mực chất lỏng qua một hàng chóp: ∆ ′ = 4 = 1 4

Chiều cao mực chất lỏng trung bình:

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 công 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 không có chất lỏng:

S r : tổng diện tích ống hơi của mỗi mâm (m 2 ).

K: hệ số tổn thất áp suất cho chóp khô.

Diện tích hình vành khăn và diện tích ống hơi của chóp:

Tổng diện tích ống hơi của mỗi mâm: S r = 17.0,002 = 0,034 (m 2 )

Với tỷ số S_vk/S_hơi = 1, tra đồ thị ST4_5.16/115 ta có K = 0,65 Độ giảm áp do ma sát được biểu thị bởi h_fv; chiều cao thủy tĩnh của lớp chất lỏng trên lỗ chóp tới gờ chảy tràn được ký hiệu h_ss; và độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm h_t là tổng các thành phần này, tức Δp_total = Δp ma sát + Δp thủy tĩnh + Δp khí.

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:

Tổn thất thuỷ lực do dòng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm được xác định:

→ Tháp không bị ngập lụt.

6 Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền

Với: h o : khoảng cách rơi tự do: ℎ = + ℎ + ℎ (ST4_5.13/116)

Giá trị không nên vượt quá 60% bề rộng ống chảy chuyền Giá trị bề rộng ống chảy chuyền trong tháp là:

→ Chất lỏng khi chảy vào ống chảy chuyền không bị va đập vào thành thiết bị.

Tính trở lực của tháp

Trở lực tháp chóp được xác định theo công thức:

: số mâm thực tế của tháp.

∆P độ : Tổng trở lực của một mâm.

Trở lực của một mâm gồm ba phần:

∆P s : trở lực do sức căng bề mặt, N/m 2

∆P t : trở lực của lớp chất lỏng trên mâm, N/m 2

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.

1 Trở lực của mâm khô

Trong đó: ξ: hệ số trở lực, chọn ξ = 4. ρ y : khối lượng riêng của pha hơi (kg/m 3 ). ω o : tốc độ khí qua rãnh chóp, m/s.

V y : lưu lượng hơi đi trong tháp (m 3 /h).

= g ytb : lượng hơi trung bình đi trong tháp.

2 Trở lực của mâm do sức căng bề mặt

Trong đó: σ: sức căng bề mặt.

Tính toán tháp chưng cất mâm chóp d tđ : đường kính tương đương của khe chóp.

: diện tích tiết diện của khe chóp:

Khi rãnh chóp mở hoàn toàn: (ST2_IX.212/192)

* Phần cất: t tb = 71,58 o C, tra ST1_I.242/302, ta được:

* Phần chưng: t tb = 87,7 o C, tra ST1_I.242/302, ta được:

3 Trở lực của chất lỏng trên mâm

ℎ : Chiều cao khe chóp ℎ = = 0,015 ρ : Khối lượng riêng của bọt, thường = 0,5 ( kg/m 3 ) b g: Gia tốc trọng trường: g = 9,81 m/s 2

ℎ : Chiều cao lớp bọt trên mâm (m) (ST2_IX.110/185)

: Phần bề mặt có gắn chóp (đã trừ 2 phần diện tích mâm để bố trí ống chảy chuyền)

: Tổng diện tích các chóp trên mâm (m 2 )

Tính toán tháp chưng cất mâm

∆: Chiều cao lớp chất lỏng trên ống chảy chuyền (m) : ∆= ∆h = 0,01 chóp

ℎ : Chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bọt trên mâm (m)

ℎ 2 : Chiều cao phía trên ống dẫn hơi: ℎ 2 = 0,25 = 0,25.0,05 = 0,0125

→ ℎ ℎ = ℎ + ℎ 2 = 0,06 + 0,0125 = 0,0725 ℎ : Chiều cao ống chảy chuyền lên trên mâm: ℎ = ℎ = 0,045 : Đường kính ống chảy chuyền = 0,05

: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, = 799,34 kg/m 3

: Khối lượng riêng của bọt trên mâm, ρ b = 0,5ρ x = 0,5.799,34 = 399,67 kg/m 3

: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, = 916,89 kg/m 3

: Khối lượng riêng của bọt trên mâm, ρ b = 0,5ρ x = 0,5.916,89 = 458,45 kg/m 3

4 Tổng trở lực của tháp chóp

Tổng trở lực của một mâm phần cất là:

Tổng trở lực của một mâm phần chưng là:

Tổng trở lực của tháp chóp:

TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

Chiều dày thiết bị

Thân tháp có hình trụ, được làm bằng thép không gỉ X18H10T và được chế tạo theo phương pháp hàn hồ quang điện; thân tháp được nối ghép từ nhiều đoạn bằng mối ghép bích bằng thép không gỉ X18H10T, nhằm đảm bảo độ bền và khả năng chịu tải cao của toàn bộ cấu trúc.

Dựa vào ST2_bảng XII.4/309 và bảng XII.7/313 ta có các thông số đặc trưng của X18H10T:

Tốc độ ăn mòn < 0,1 mm/năm

Hệ số dãn khi kéo ở nhiệt độ từ 20 o C tới 100 o C là 16,6.10 -6 o C -1

Hệ số an toàn bền kéo: n k = 2,6

Hệ số an toàn bền chảy: n ch = 1,5

Hệ số Poatxông là tham số quan trọng trong thiết kế và vận hành tháp chưng cất, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phân tách và trao đổi chất lỏng–khí Đường kính trong của tháp được cho bằng D = 0,7 m, là thông số thiết kế chủ chốt tác động đến lưu lượng và phân bố dòng chảy bên trong tháp Điều kiện làm việc của tháp chưng cất được xác định qua áp suất bên trong tháp (tính tại đáy tháp), với môi trường làm việc lỏng-khí được mô tả bằng công thức P = P_h + P_L + ∆P Áp suất hơi trong tháp là thành phần quan trọng của tổng áp suất nội bộ và chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ, thành phần và chế độ vận hành.

P h = 1at = 9,81.10 4 N/m 2 Áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng:

Khối lượng riêng trung bình của chất lỏng trong tháp:

Chiều cao cột chất lỏng bằng chiều cao của thân tháp cộng với chiều cao phần lồi của đáy, nắp và theo (ST2_ XIII.11/381): ht = 0,25.Dt = 0,25.0,7 = 0,175 m

Tính toán tháp chưng cất mâm

Do áp suất tại đáy tháp:

Theo (ST2_ XIII.8/362), giá trị bền hàn của thân hình trụ, hàn hồ quang điện, D t = 0,7m, thép hợp kim ℎ = 0,95 ( kiểu hàn: hàn giáp mối hai bên).

Chiều dày của thân hình trụ ( làm việc chịu áp suất trong P)

(ST2_XIII.8/360) Ứng suất cho phép của vật liệu khi kéo, chảy với hệ số điều chỉnh = 0,9

Chọn ứng suất cho phép bắng với ứng suất nhỏ nhất trong hai ứng suất trên:

Đại lượng bổ sung được xác định bằng công thức C = C1 + C2 + C3 (ST2_XIII.17/363) Đối với ăn mòn, chọn thiết bị vận hành trong 15–20 năm và với tốc độ ăn mòn < 0,1 mm/năm nên C1 = 1 mm Đối với hao mòn, C2 là không đáng kể nên bằng 0 mm Đối với dung sai chiều dày, C3 được xác định do dung sai chiều dày.

→ Chọn bề dày của tháp là 5 mm.

Kiểm tra ứng suất thành của thiết bị

2.( − ) 1,2 Áp suất thủy lực: với thiết bị dạng hàn và làm việc ở P (N/m 2 )

Tính toán tháp chưng cất mâm chóp Áp suất thử P 0 : (ST2_XIII.27/365)

→ Chọn bề dày thân tháp là 5 mm.

2 Đáy và nắp thiết bị

Sử dụng vật liệu giống như phần thân tháp, chọn loại đáy, nắp hình elip có gờ, tính toán bề dày, kích thước của nắp và đáy giống nhau.

Dựa vào (ST2_bảng XIII.10/382) với D t = 0,7 m và chiều cao phần lồi của đáy, nắp h t = 0,175 m

Chọn chiều cao gờ h = 0,025 m và diện tích bề mặt trong F t = 0,59 m 2

Chiều dày của đáy và nắp elip của thiết bị chịu áp suất trong: ắ

Hệ số không thứ nguyên: (ST2_XIII.48/385)

= 1 − = 1 − 0,7 = 0,743 d là đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng trên nắp, lấy d = 0,18 m

Vì ắ − < 10 mm => tăng 2 mm so với giá trị C tính ở phần thân tháp

Theo bảng ST2_XIII.12/385, chọn bề dày của đáy và nắp là 5 mm.

Kiểm tra ứng suất thành nắp và đáy của thiết bị

→ Chọn bề dày đáy và nắp là 5 mm.

Tính toán các ống dẫn

Đường kính của ống nối dẫn lỏng và ống dẫn hơi trong tháp được tính bằng công thức:

Q: Lưu lượng lỏng hoặc hơi tùy theo ống dẫn, kg/h.

: Khối lượng riêng của lỏng hoặc hơi, kg/m 3

: Vận tốc dòng lỏng hoặc hơi, m/s.

1 Ống dẫn sản phẩm đáy

Tra ST1_bảng I.2/9, theo T w = 99,08 o C, ta có:

Tốc độ trung bình của chất lỏng tự chảy:

Chọn = 0,25 / ( ST1_bảng II.2/370) Đường kính trong của ống nối:

→ Tra ST2_XIII.32/434, ta được chiều dài đoạn ống nối l = 100 mm.

2 Ống dẫn dòng nhập liệu

Tra ST1_bảng I.2/9, theo T F = 82,06 o C, ta có:

3 Ống dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp

Nhiệt độ của pha hơi tại đỉnh tháp là T D = 65,03 o C.

Khối lượng riêng của pha hơi tại đỉnh tháp:

Tốc độ trung bình của hơi quá nhiệt chuyển động trong ống dẫn:

Chọn = 30 / ( ST1_bảng II.2/370) Đường kính trong của ống nối:

4 Ống dẫn hơi vào đáy tháp

Nhiệt độ của pha hơi tại đỉnh tháp là T w = 99,08 o C.

Khối lượng riêng của pha hơi tại đỉnh tháp:

Tốc độ trung bình của hơi bão hoà chuyển động trong ống dẫn:

Chọn = 40 / ( ST1_bảng II.2/370) Đường kính trong của ống nối:

5 Ống dẫn lỏng hoàn lưu

Tra ST1_bảng I.2/9, theo T D = 65,03 o C, ta có:

Chọn bích và vòng đệm

1 Bích và đệm để nối và bít kín thiết bị

Mặt bích là bộ phận dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị.

Chọn loại bích liền không cổ bằng thép CT3 và xác định sơ bộ mặt bích theo D_t = 700 mm theo ST2_bảng XIII.27/421 cho kiểu bích liền bằng thép CT3 (kiểu I); từ quy trình này ta thu được các số liệu sau:

D là đường kính ngoài mặt bích (mm) D b là đường kính đường bulong (mm).

D l là đường kính gờ bích (mm).

D t D o là đường kính trong, ngoài của tháp (mm). d b là đường kính bulong (mm). z là số bulong của một mặt bích h là chiều cao mặt bích (mm).

Theo bảng IX.5/170 (ST2), dữ liệu thiết kế tháp cho Dt = 700 mm (đường kính trong tháp), khoảng cách giữa hai mặt nối bích là 1200 mm và khoảng cách giữa các mâm h đ là 300 mm; từ các tham số này, ta chọn được số mâm giữa hai mặt bích là 4.

Trong tính toán tháp chưng cất mâm chóp, độ kín của mối ghép bích được quyết định chủ yếu bởi vật đệm; đệm làm bằng các vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích, nên khi xiết bu-lông, đệm bị biến dạng và lấp đầy các chỗ gồ ghề trên bề mặt bích Theo ST6_Bảng 7-2/146, áp suất tính toán p_tt = 0,17.

Trong điều kiện tính toán ở nhiệt độ 100 °C, vật liệu đệm được chọn là đệm bằng dây amiăng, với áp suất tối đa 0,3 N/mm^2 và nhiệt độ tối đa 300 °C; đây là loại đệm phẳng và có bề dày 3 mm.

Theo ST2_Bảng XIII.31/433 và ST2_Bảng XIII.27/417, kích thước bề mặt đệm:

- Đường kính ngoài của đệm: D 2 = 750 mm

- Đường kính trong của đệm: D 4 = 730 mm

2 Bích để nối các ống dẫn

Chọn vật liệu là thép CT3, kiểu 1, theo ST2_Bảng XIII.26/409, ta có bảng số liệu sau:

3 Hơi vào tb ngưng tụ 70 76 160 130 110 M12 4 14 110

Tra ST2_Bảng XIII.30/432, tương ứng với ST2_Bảng XIII.26/409, kích thước bề mặt đệm bích ta được bảng số liệu sau:

Tai treo và chân đỡ

1 Tính sơ bộ khối lượng tháp

Các đĩa, chóp và ống hơi của thiết bị được làm bằng thép không gỉ X18H0T với khối lượng riêng 7,9 × 10^3 kg/m^3; bích ghép thân làm bằng thép CT3 có khối lượng riêng ρ_CT3 = 7,85 × 10^3 kg/m^3.

Khối lượng của nắp và đáy:

Xem khối lượng đáy bằng khối lượng nắp

Tra ST2_Bảng XIII.11/382 có khối lượng của đáy và nắp là như nhau: với đáy elip có

D t = 700 mm, chiều dày S nắp = 5 mm, chiều cao gờ h = 25 mm

Khối lượng của đáy và nắp: á + ắ độ = 2 = 2.0,005.0,59.7900 = 46,61

Khối lượng của thân tháp:

Khối lượng của mâm: Bỏ qua khối lượng bị hụt do các lỗ trên mâm

Khối lượng của chóp: Bỏ qua khối lượng do các khe làm hụt

Khối lượng của ống hơi:

Chọn bề dày ống hơi bằng 2 mm ố ℎơ = ℎ ố ℎơ 10 18 4 (( ố ℎơ )2 à − ( ố ℎơ )2 )

Khối lượng ống chảy chuyền:

Chọn bề dày ống chảy chuyền bằng 2mm

Mỗi mâm sẽ có 2 ống chảy chuyền ố = ℎ ố 10 18 4 (( ố ) 2 à − ( ố ) 2 )

Khối lượng của các bích ghép thân

Chọn số mâm giữa hai mặt bích là 4, vậy ta có 8 bích ghép thân

Khối lượng chất lỏng trong tháp:

Trường hợp xấu nhất tháp lụt 100%, chất lỏng ngập đầy tháp là nước do khối lượng riêng của nước luôn lớn hơn hỗn hợp methanol - nước.

Vậy tổng khối lượng của tháp là: m = m đáy+nắp + m thân + m mâm + ℎó + ố ℎơ + ố + m bích + ỏ

Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3, tấm lót là vật liệu làm thân:

Chọn số tai treo là 4

Tải trọng trên 1 tai treo là: do ta chọn 4 tai treo, 4 chân đỡ nên

Chọn tải trọng cho phép lên 1 tai treo là G N = 5000 N

Khối lượng một tai treo: m treo = 1,23 kg

Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ: q = 0,69.10 6 (N/m 2 )

Chọn vật liệu chân đỡ là thép CT3.

Chọn tải trọng cho phép lên 1 chân là: G chân = 5000 N

Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ: q = 0,29.10 6 (N/m 2 )

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống loại tuần hoàn nằm ngang Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống: 25x2 mm

Chọn cách xếp ống thẳng hàng và bố trí theo hình lục giác đều với 91 ống (mã ST2_V.11/49) để tối ưu trao đổi nhiệt Nhiệt độ nước vào là tLV = 25°C và nhiệt độ nước ra là tLR = 40°C, đảm bảo quá trình gia nhiệt/làm lạnh đạt yêu cầu và hiệu quả vận hành cao.

Dòng sản phẩm đỉnh ngưng tụ tại nhiệt độ t N = 65,03 o C

Diện tích bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức: = ̅̅̅ (ST2_V.1/3)

Hiệu số nhiệt độ trung bình: ̅̅̅ ∆ 1 −∆ 2 (65,03−25)−(65,03−40)

Nhiệt lượng cần thiết để ngưng tụ sản phẩm ở đỉnh tháp:

Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:

: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m 2 K)

: hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m 2 K)

∑ : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu (m 2 K/W)

- Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống ( )

Các thông số của nước ở nhiệt độ trung bình =

= 995,2 kg/m 3 Độ nhớt động lực: à N = 0,765.10 -3 N.s/m 2

Vận tốc thực tế của nước trong ống:

→ Chế độ chảy quá độ, chuẩn số Nusselt được tính theo công thức:

0 : phụ thuộc vào Re N , với Re N = 5108,7 thì 0 = 15,5

1 : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re N tỷ lệ giữa chiều dài ống và đường kính ống, giả sử 1 = 1.

Pr N : chuẩn số Prandlt của nước ở 32,5 o C nên Pr N = 4,75 (ST2_V.12/12)

Pr w : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình vách Suy ra Nu N =

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: = = 0,25.0,021 = (ST2_V.33/11)

Nhiệt tải phía nước làm lạnh: = ( − ) = 1320,3 ( − 32,5) (*)

Với t w2 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống)

* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:

: nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống) và ∑ = + 2

= 2 mm: bề dày thành ống

= 17,5 (W/m o K): hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ (ST3_Bảng 28/28) r = 1/5000 (m 2 o K/W): Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống (ST2_V.1/4)

* Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ

ℎℎ Trong đó: Ẩn nhiệt ngưng tụ: r hh = r D = 1107,85 (kJ/kg)

Hệ số cấp nhiệt ngoài thành ống phụ thuộc vào sự sắp xếp ống Trong bố trí ống theo hình lục giác với 91 ống, số đường chéo của đường 6 cạnh là 11 ống Tra ST2_Hình V.20/30 ta có giá trị của hệ số bằng 0,55.

Nhiệt tải ngoài thành ống:

Từ (*), (**), (***) ta dùng phương pháp lặp để xác định 1 , 2 Chọn 1 = 58,35 o C

Tại nhiệt độ trung bình: =

Khối lượng riêng hỗn hợp: {

ℎℎ ướ Độ nhớt động lực hỗn hợp: { ℎ = 0,346 10 −3 / 2 ướ = 0,46 10 −3 / 2

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp: { ( ℎ ) = 2767,7 /

Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: q t = q 1 = 15427,23 (W/m 2 )

Từ (**), ta có: t w2 = 50,42 o C Suy ra t tbw = 54,39 o C

Diện tích bề mặt truyền nhiệt: = =

Chiều dài ống truyền nhiệt: = ( + )/2 = 2,99 ( )

Chọn chiều dài ống là 3 (m), thoả điều kiện L/d tr >50

Chọn bước ngang giữa hai ống: t = 1,2.d ống = 1,2.0,025 = 0,03 (m) Đường kính vỏ thiết bị: D v = t.(b-1) + 4.d ống = 0,03.(11 – 1) + 4.0,025 = 0,4 (m)

Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Thiết bị truyền nhiệt vỏ-ống được chọn đặt nằm ngang, có 1 pass phía vỏ và 4 pass phía ống Ống truyền nhiệt làm bằng thép X18H10T, gồm 61 ống xếp thành vòng lục giác, chia thành 4 vòng và có 9 ống trên đường xuyên tâm (ST2_V.11/49).

Chọn đường kính ngoài của ống d ng = 0,025m, đường kính trong của ống d tr = 0,021m Bước ống, chọn : t = 1,2.d ống = 1,2.0,025 = 0,03 m Đường kính trong của thiết bị ống chùm ( ST2_V.141/49 )

Nhiệt độ vào là t v = 25 C và ra là t r = 40 C Sản phẩm đỉnh đi trong ống 25x2 (ống ngoài) với nhiệt độ vào là t Dv = 65,03 C và nhiệt độ ra là t Dr = 40 C.

Diện tích bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức:

: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m 2 K)

: hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (W/m 2 K)

Hiệu số nhiệt độ trung bình:

* Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đi trong ống

Các thông số của sản phẩm đỉnh tại nhiệt độ t Dtb = (65,03 + 40)/2 = 52,52 o C:

Hệ số dẫn nhiệt λ D = 0,206 W/m o C ( nội suy ST1_ bảng I.130/134)

Vận tốc của sản phẩm đỉnh đi trong ống:

→ Chế độ chảy dòng, chuẩn số Nusselt được tính theo công thức:

Tra ST1_Bảng I.235/285, hệ số giãn nỡ thể tích của sản phẩm đỉnh coi như là methanol ở 52,52 o C: = 1,25.10 3 o C -1

1 : hệ số phụ thuộc vào Re D và tỉ số L/d tr Giả sử L/d tr > 50, nên 1 = 1.

Pr D : Chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở 52,52 C

Hệ số cấp nhiệt của nước ngoài chùm ống :

Nhiệt tải phía nước lạnh:

* Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi ngoài ống

Các thông số của nước ở nhiệt độ trung bình t Ntb = (t v + t r ) = (25+40)/2 = 32,5 o C

Nhiệt dung riêng C n = 4180,9 J/kg o C ( Nội suy ST1_Bảng I.147/165 )

Khối lượng riêng ρ n = 995,2 kg/m 3 ( Nội suy ST1_ Bảng I.2/ 9 ) Độ nhớt động lực μ n = 0,765.10 -3 N.s/m 2 ( Nội suy ST1_Bảng I.101/91 )

Hệ số dẫn nhiệt λ n = 0,62 W/m o C ( Nội suy ST1_Bảng 129/133 ) ̅ ( − ′ ) 447,17.2726,34.(65,03−40)

Vận tốc thực tế của nước ở ngoài ống:

→ Chế độ chảy dòng, chuẩn số Nusselt được tính theo công thức:

: hệ số tính đến ảnh hưởng của góc ( giả sử 90 o ) nên= 1.

Pr n : Chuẩn số Prandlt của nước ở 32,5 o C, Pr n = 4,75 (ST2_ Hình V.12/12)

Pr w : Chuẩn số Prandlt của nước ứng với nhiệt độ trung bình của vách.

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:

Nhiệt tải phía nước làm lạnh:

Với t w2 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước ở phía trong ống.

Với: t w1 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu ở ngoài ống và ∑ = + 2

Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ:= 17,5 (W/m o K) (ST3_Bảng 28/28)

Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống: r =1/5000 (m 2 o K/W) (ST2_V.1/4)

Từ (*),(**),(***) tính lặp để tìm t w1 và t w2

Các thông số của sản phẩm đỉnh ứng với nhiệt độ t w1 :

Hệ số dẫn nhiệt 1 = 0,208 / ( nội suy ST1_ bảng I.130/134)

Xem như nhiệt mất mát không đáng kể: q t = q D = 4710,26 (W/m 2 )

Kiểm tra sai số: = | − | 100% = 2,3% < 5% (thoả)

Bề mặt truyền nhiệt: ( ST6_3.72/192 )

Chọn chiều dài ống là 2 m, đường kính trong của vỏ tiêu chuẩn D tr = 0,4 m.

Kiểm tra lại tỉ số L/D tr :

Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy

Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp là nồi đun Kettle Ống truyền nhiệt làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 25x2, 7 ống

Dòng sản phẩm đáy, trước khi vào nồi đun có nhiệt độ t w1 = 99,08 o C, sau khi ra khỏi nồi đun là hơi ở nhiệt độ t w2 = 100 o C, đi ở ngoài

Dòng hơi nước ở áp suất 3 at ngưng tụ ở t hơi = 132,7 o C, đi ở ống trong Nhiệt hoá hơi r h = 2171,29 (kJ/kg)

Diện tích bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức: = ̅̅̅ (ST2_V.1/3)

Hiệu số nhiệt độ trung bình: ̅̅̅ ∆ 1 −∆ 2 (132,7−99,08)−(132,7−100)

Nhiệt lượng hơi đốt cung cấp cho nồi đun:

2 = 71603,52 (kJ/h) = 19889,87 (W) (đã tính ở cân bằng năng lượng)

: hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy trong ống (W/m 2 K)

ℎ : hệ số cấp nhiệt của hơi nước ngưng tụ (W/m 2 K)

* Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được xác định theo công thức:

Với A là hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý của nước theo nhiệt độ

Nhiệt tải phía hơi nước:

* Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy:

Do nồng độ methanol trong dòng sản phẩm đáy là rất nhỏ, nên ta xem dung dịch sản phẩm đáy là nước:

Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đáy trong nồi: tStb = (99,08+100)/2 = 99,54 o C

Khi sủi bọt trong thể tích lớn, hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức:

Các thông số của nước ở t Stb = 99,54 o C, 1at là ( tra ở ST1)

Khối lượng riêng pha lỏng: = 958,32 kg/m 3

Khổi lượng riêng pha hơi, ta có:

22,4 22,4.(99,54+273) Độ nhớt động lực học:= 0,286 10 −3 N.s/m 2

Nhiệt hoá hơi: = 2258,61 kJ/kg

Từ (*), (**), (***), tính lặp để tìm t w1 và t w2

Ta tra được giá trị của A = 191,216 → qh = 41195,37 (W/m 2 )

Giả sử qt = qh → tw2 = 109,53 o C

Kiểm tra sai số: = | − ℎ| 100% = 1,69% < 5% (thoả)

Diện tích bề mặt truyền nhiệt: = 2 =

Chiều dài ống truyền nhiệt: = ( + )/2 = 1,18 ( ) (ST2_V.1/3)

→ Vậy chọn L = 1,5 (m), thoả điều kiện L/d tr >50.

Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu

Chọn thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống đặt nằm ngang, gồm 6 pass phía ống và 1 pass phía vỏ Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 16x2, 61 ống Các thông số của ống: Đường kính ngoài: d n = 16 mm = 0,016 m

Bề dày ống: = 2 mm = 0,002 m Đường kính trong: d tr = 0,012 m

Hơi đốt là hơi nước ở 3 at, đi trong ống 16x2 Ta được các thông số:

Nhiệt hoá hơi: r nước = r n = 2171,29 kJ/kg

Dòng nhập liệu có nhiệt độ:

- Trước khi vào nồi đun (lỏng): 25 o C

- Sau khi được đun (hơi): 82,06 o C Suất lượng hơi nước cần dùng:

Hiệu số nhiệt độ trung bình:

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: ̅̅̅ ∆ 1 −∆ 2 (132,7−25)−(132,7−82,06)

: hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu (W/m 2 K)

: hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (W/m 2 K)

1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống) và ∑ = + 2

* Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống: Tại nhiệt độ sôi trung bình của dòng nhập liệu: t Ftb = 53,53 o C

- Khối lượng riêng hỗn hợp: { ℎ = 761,82 / 3 ướ = 985,91 / 3

= 3,58 10 −8 3748,87.905,96 √ 20,72 = 0,428 / Độ nhớt của hỗn hợp: { ℎ = 0,38 10 −3 N s/ 2 ướ = 0,52 10 −3 N s/ 2

ℎℎ ℎ ướ kg ộ độ Áp dụng công thức ST2_V.35/12, ta được:

Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống:

→ Chế độ chảy rối, chuẩn số Nusselt được tính theo công thức:

* Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước đi phía vỏ:

Hệ số cấp nhiệt ngoài thành ống có bị ảnh hưởng bởi sự sắp xếp ống Bố trí ống theo hình lục giác với 61 ống → số đường chéo của đường 6 cạnh là 9 ống Tra (ST2_Hình V.20/30), ta có = 0,85.

Nhiệt độ trung bình của màng nước ngưng tụ: t m = 126,43 o C

Tại nhiệt độ này: 7,76 kg/m 3 ; = 0,225.10 -3 N.s/m 2 ; = 0,686 W/m.K

- Khối lượng riêng hỗn hợp: {

= 3,58 10 −8 3746,36.906,83 √ 20,72 = 0,429 / Độ nhớt của hỗn hợp: { ℎ = 0,386 10 −3 N s/ 2 ướ = 0,531 10 −3 N s/ 2

Tính toán tháp chưng cất mâm chóp Áp dụng công thức ST2_V.35/12, ta được = = 4,37

Kiểm tra sai số: = | − | 100% = 3,38% < 5% (thoả)

Diện tích bề mặt truyền nhiệt: = =

Với cách bố trí ống trên vỉ theo hình lục giác, số ống truyền nhiệt cần thiết là 61 ống; số ống nằm trên đường chéo hình lục giác là b = 9 và có 4 hình lục giác đồng tâm Chọn bước ngang giữa hai ống là t = 1,25 d; ng = 1,25 × 0,016 = 0,02 (m) Đường kính trong của vỏ thiết bị:

Vậy chọn chiều dài ống L = 1,5 m, đường kính vỏ tiêu chuẩn D tr = 0,3 m

Kiểm tra lại tỉ số L/D tr :

Bồn cao vị

1 Tổn thất đường ống dẫn

Chọn ống dẫn có đường kính trong là d tr = 50 (mm)

Tra ST1_II.15/381 → Độ nhám của ống: = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mòn ít)

Tổn thất đường ống dẫn: ℎ 1 = ( 1 1 + ∑ 1 ) 2 ( )

1 : hệ số ma sát trong đường ống

1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn 1 = 30 (m)

: vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn

1.1 Vận tốc dòng nhập liệu

Dòng nhập liệu là dung dịch methanol 30% ở nhiệt độ 25 o C có các thông số :

Khối lượng riêng= 932,25 kg/m 3 Độ nhớt động lực = 1,605.10 -3 N.s/m 2

Năng suất nhập liệu F = 1500 kg/h

Vận tốc của dòng nhập liệu đi trong ống:

1.2 Xác định hệ số ma sát trong đường ống

→ Chế độ chảy quá độ, hệ số ma sát được xác định theo công thức:

1.3 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ

Chọn dạng ống uốn cong 90 o có bán kính R với R/d = 2 thì 1 = 0,15 Đường ống có 4 chỗ uốn → 1 = 0,15.4 = 0,6

- Van: Chọn van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn: (1 á ) = 5; 2 van → = 5.2 = 10

- Lưu lượng kế: 11 = 0 ( coi như không đáng kể )

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

2 : hệ số ma sát trong đường ống

2 : chiều dài đường ống dẫn, chọn 2 = 6 (m)

∑ 2 : tổng hệ số tổn thất cục bộ

2 : vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn, 2 = 1,328 m/s 2.1 Xác định hệ số ma sát trong đường ống

Chuẩn số Reynolds: Re 2 = 51667,51 > 10000: chế độ chảy rối Độ nhám: = 0,0002 m

Chuẩn số Reynolds giới hạn:

Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:

Vì ℎ < 2 < → chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ Áp dụng công thức ST1_II.64/380: 2 = 0,1 (1,46 + 100 ) 0,25

2.2 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ

Có 1 chỗ đột mở → độ ộ ở = 0,708 Nên: ∑ 2 = độ ộ ℎ + độ ộ ở = 1,166

2.3 Chiều cao bồn cao vị

- Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị

- Mặt cắt (2-2) là mặt cắt tại vị trí nhập liệu của tháp Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2):

1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem như chiều cao bồn cao vị H cv

2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem như là chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu:

1 : áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn P 1 = 1 at = 9,81.10 4 (N/m 2 )

2 : áp suất tại mặt thoáng (2-2)

1 : vận tốc tại mặt thoáng (1-1), xem 1 = 0 (m/s)

2 : vận tốc tại vị trí nhập liệu, 2 = = 1,328 m/s

∑ ℎ 1−2 : tổng tổn thất trong hệ thống đường ống:

Bơm

Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu

Mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2):

1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn 1 = 0,5 m

2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, chọn 2 = = 4 m

1 : áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn 1 = 1 at

2 : áp suất tại mặt thoáng (2-2), chọn 2 = 1 at

1 , 2 : vận tốc tại mặt thoáng (1-1) và (2-2), xem 1 = 2 = 0 m/s

∑ ℎ 1−2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2)

Chọn đường kính trong của ống hút và ống đẩy bằng nhau d tr = 50 mm Tra ST1_II.15/381, độ nhám của ống = 0,0002 (m) (ăn mòn ít)

Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy: ∑ ℎ 1−2 = ( ℎ + độ + ∑ ℎ + ∑ ) 2

ℎ : chiều dài ống hút, ở 25 o C, tra bảng ST1_II.34/441, ta có chiều cao hút = 4,5 m → Chọn ℎ = 6 m

Tính toán tháp chưng cất mâm chóp độ : chiều dài ống đẩy → chọn độ = 7,5 m

∑ ℎ và ∑ là tổng tổn thất cục bộ trong ống hút và ống đẩy : hệ số ma sát trong ống

4 : vận tốc dòng nhập liệu: =

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

Chuẩn số Reynolds tới hạn:

Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:

Vì ℎ < < → chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ Áp dụng công thức ST1_II.64/380:= 0,1 (1,46 +

1.2 Xác định tổng tổn thất cục bộ trong ống hút

Chỗ uốn cong: Tra ST1_II.16/382 Chọn dạng ống uốn cong 90 o với R/d = 2 thì

1(1 ℎỗ) = 0,15 Ống hút có 2 chỗ uốn: 1 = 0,15.2 = 0,3

Van: Chọn van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn 1 = 5

1.3 Xác định tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy

Chỗ uốn cong: Tra ST1_II.16/382 Chọn dạng ống uốn cong 90 o với R/d = 2 thì

2(1 ℎỗ) = 0,15 Ống đẩy có 2 chỗ uốn: 2 = 0,15.2 = 0,3

Van: Chọn van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn 2 = 5

→ Vậy cột áp của bơm: = ( 2 − 1 ) + ∑ ℎ 1−2 = (4 − 0,5) + 0,05 = 3,55 m

Chọn hiệu suất của bơm: = 0,8

Công suất thực tế của bơm: = 3600 = 1500.3,58.9,81 3600.0,8 = 18,29 ( ) = 0,025

Vậy để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có:

Tiêu đề	Đồ án Thiết kế kỹ thuật hoá học Tính toán và Thiết kế Tháp Chưng cất mâm chóp hệ Methanol – Nước
Tác giả	Nguyễn Mai Hiền Trinh
Người hướng dẫn	ThS. Nguyễn Thị Như Ngọc
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Hóa Học
Thể loại	Đồ án
Năm xuất bản	2021
Thành phố	TP.HCM

Định dạng
Số trang	79
Dung lượng	821,31 KB