Đồ án thiết kế tháp chưng cất mâm xuyên lỗ

Đồ án thiết kế kỹ thuật hóa học về tháp chưng cất mâm xuyên lỗ hệ nước axit axetic. Năng suất nhập liệu GF=0,5 m3h, nồng độ nhập liệu = 8% (% khối lượng axit axetic), nồng độ sản phẩm đỉnh = 25% (% khối lượng axit axetic), nồng độ sản phẩm đáy = 0,5% (% khối lượng axit axetic)

LỜI MỞ ĐẦUMột trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nóiriêng và thế giới nói chung đó là ngành công nghệ hóa học Đặc biệt là ngành hóa chất cơbản.

Trong thực tế, chúng ta sử dụng nhiều dạng hóa chất khác nhau: hỗn hợp nhiều chấthay đơn chất tinh khiết Mà nhu cầu về loại hóa chất tinh khiết cũng rất lớn Quá trình cóthể đáp ứng phần nào độ tinh khiết theo yêu cầu là chưng cất: quá trình tách các cấu tửtrong hỗn hợp lỏng – lỏng, hay hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độbay hơi khác nhau của chúng

Và đối với hệ nước – axit axetic, do không có điểm đẳng phí nên có thể đạt được bất

kì độ tinh khiết theo yêu cầu nhờ quá trình chưng cất

Nhiệm vụ thiết kế: tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấutử: nước – axit axetic với các số liệu sau đây:

 Năng suất nhập liệu: GF = 0,5m3/h

 Nồng độ nhập liệu: = 8% (% khối lượng acid acetic)

 Nồng độ sản phẩm đỉnh: =25 % (% khối lượng acid acetic )

 Nồng độ sản phẩm đáy: = 0,5% (% khối lượng acid acetic)

Vì chưa đủ kiến thức và kinh nghiệm nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quátrình thực hiện đồ án, em mong nhận được những nhận xét và góp ý chân thành từ quýthầy cô để em có thể hoàn thiện bản thân hơn nữa

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU i

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Cơ sở lí thuyết về chưng cất 1

1.1.1 Khái niệm 1

1.2 Các phương pháp chưng cất 1

1.2.1 Phân loại theo áp suất làm việc 1

1.2.2 Phân loại theo nguyên lí làm việc 1

1.3 Các loại tháp chưng cất 1

1.3.1 Tháp mâm 2

1.3.2 Tháp chêm (tháp đệm) 2

1.3.3 Ưu, nhược điểm của các loại tháp 2

1.4 Nguyên liệu 3

1.4.1 Axit axetic 3

1.4.2 Nước 4

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH 5

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 5

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 5

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 6

3.1 Các số liệu ban đầu 6

3.2 Suất lượng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 6

3.3 Xác định chỉ số hồi lưu 7

3.3.1 Đồ thị cân bằng nước – axit axetic 7

3.3.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp 7

3.3.3 Phương trình đường làm việc 8

3.3.4 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp 8

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 11

4.1 Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất 11

4.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ 12

4.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 12

4.4 Cân bằng nhiệt lượng thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 13

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 14

5.1 Đường kính tháp (Dt) 14

5.1.1 Đường kính đoạn cất 14

5.1.2 Đường kính đoạn chưng 16

5.2 Chiều cao tháp (H) 18

5.3 Trở lực tháp 18

5.3.1 Cấu tạo mâm xuyên lỗ 18

5.3.2 Trở lực đĩa khô 18

5.3.3 Trở lực do sức căng bề mặt 19

5.3.4 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra 19

5.3.5 Tổng trở lực thuỷ lực của tháp: 21

5.3.6 Kiểm tra hoạt động của mâm: 21

5.3.7 Kết luận 21

5.3.8 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 21

5.3.9 Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động mâm 22

5.4 Tính toán cơ khí 23

5.4.1 Bề dày tháp 23

5.4.2 Bề dày mâm 25

5.4.3 Bích ghép thân, đáy và nắp 25

5.4.4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn 26

5.4.5 Tai treo, chân đỡ tháp 29

5.4.6 Lớp cách nhiệt 30

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 32

6.1 Thiết bị đun sôi đáy tháp 32

6.1.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 32

6.1.2 Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức 32

6.1.3 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu 32

6.1.4 Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy ngoài ống 33

6.1.5 Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước 34

6.1.6 Xác định hệ số truyền nhiệt: 34

6.1.7 Bề mặt truyền nhiệt 34

6.1.8 Cấu tạo thiết bị 35

6.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 35

6.2.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 35

6.2.2 Hệ số truyền nhiệt 35

6.2.3 Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống 35

6.2.4 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu 36

6.2.5 Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ống 36

6.2.6 Xác định hệ số truyền nhiệt 38

6.2.7 Bề mặt truyền nhiệt 39

6.2.8 Cấu tạo thiết bị 39

6.3 Thiết vị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 39

6.3.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình: 39

6.3.2 Hệ số truyền nhiệt: 39

6.3.3 Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống 40

6.3.4 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu 40

6.3.5 Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ống: 41

6.3.6 Xác định hệ số truyền nhiệt 42

6.3.7 Bề mặt truyền nhiệt 42

6.3.8 Cấu tạo thiết bị: 42

6.4 Thiết bị đun sôi nhập liệu 42

6.4.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 43

6.4.2 Hệ số truyền nhiệt 43

6.4.3 Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống 43

6.4.4 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu 44

6.4.5 Xác định hệ số cấp nhiệt hơi ngưng tụ ngoài ống 44

6.4.6 Xác định hệ số truyền nhiệt 45

6.4.7 Bề mặt truyền nhiệt 45

6.4.8 Cấu tạo thiết bị 46

6.5 Bồn cao vị 46

6.5.1 Tổn thất đường ống dẫn 46

6.5.2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sôi nhập liệu 47

6.5.3 Chiều cao bồn cao vị 48

6.6 Bơm 49

6.6.1 Năng suất 49

6.6.2 Cột áp 49

6.6.3 Công suất 51

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha nhưtrong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng

sự bốc hơi hoặc ngưng tụ

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu đượcbấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cáccấu tử có độ bay hơi bé

 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

1.2 Các phương pháp chưng cất

1.2.1 Phân loại theo áp suất làm việc

Có thể chưng cất ở áp suất khác nhau:

 Áp suất thường

 Áp suất thấp

 Áp suất cao

1.2.2 Phân loại theo nguyên lí làm việc

1 Chưng cất đơn giản

2 Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp

3 Chưng cất đa cấu tử

1.3 Các loại tháp chưng cất

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuynhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếpxúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưuchất kia 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 2 loại thường dùng là thápmâm và tháp chêm.

1.3.1 Tháp mâm

Gồm: thân tháp hình trụ thẳng đứng trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau trên

đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Chất lỏng đi vào tháp ở đỉnh hoặc tạimột mâm thích hợp nào đó và chảy xuống do trọng lực qua mỗi mâm bằng ống chảychuyền

1.3.1.1 Tháp mâm chóp

Trên mâm có gắn chóp và ống chảy chuyền, ống chảy chuyền có thể có tiết diện tròn,viên phân, một ống hay nhiều ống tùy suất lượng pha lỏng Chóp có thể hình tròn hay mộtdạng khác Ở chóp có rãnh xung quanh để pha khí đi qua, rãnh chóp có thể hình chữ nhật,tam giác hay hình tròn

1.3.1.2 Tháp mâm xuyên lỗ

Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ 3÷12 mm, tổng tiết diện các lỗ trênmâm chiếm từ 8÷15% tiết diện tháp Các lỗ được bố trí trên các đỉnh tam giác đều, khoảngcách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5÷5 lần đường kính Bề dày mâm thường bằng 4/10 ÷ 8/10đường kính lỗ nếu làm bằng thép không gỉ, nếu làm bằng thép cacbon hay hợp kim đồngthì bề dày lớn hơn tỉ lệ trên

1.3.2 Tháp chêm (tháp đệm)

Tháp chêm là một tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn.Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hayxếp thứ tự

1.3.3 Ưu, nhược điểm của các loại tháp

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chópƯu

điểm - Cấu tạo khá đơn giản

- Trở lực thấp

- Làm việc được với chất lỏng

- Trở lực tương đốithấp

- Hiệu suất khá cao

- Khá ổn định

- Hiệu suất cao

tăng năng suất thì hiệu ứng

thành tăng  khó tăng năng

suất

- Thiết bị khá nặng nề

- Không làm việcđược với chất lỏngbẩn

- Kết cấu khá phứctạp

- Có trở lực lớn

- Tiêu tốn nhiềuvật tư, kết cấuphức tạp

Quá trình chưng cất được thực hiện dựa vào nhiều loại tháp có cấu tạo khác nhau, tuynhiên tùy vào mục đích, hiệu suất chưng cất và điều kiện không gian cũng như điều kiệnkinh tế mà ta lựa chọn tháp chưng cất phù hợp Yêu cầu chế tạo thiết bị chưng cất mâmxuyên lỗ nước – axit axetic Tháp mâm xuyên lỗ có những ưu điểm sau:

 Chế tạo đơn giản

 Khối lượng riêng: 1,049 g/cm3 ở 25oC

Axit axetic được điều chế theo các phản ứng sau:

Trong công nghiệp, đi từ butan C4H10: 2C4H10 + 3O2 → 4CH3COOH + 2H2OSản xuất giấm ăn, thường dùng phương pháp lên men dung dịch rượu etylic loãng

CH3CH2OH + O2 men → CH3COOH + 2H2O

Ứng dụng: Axit axetic là nguyên liệu dùng để sản xuất nhiều mặt hàng khác nhau và

được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế, dược, giao thông vậntải…Vì nó là một loại axit rẻ tiền nhất Axit axetic là một trong những ứng dụng quantrọng trong các loại axit hữu cơ

Nguồn tiêu thụ chủ yếu:

 Làm giấm ăn ( chứa 4,5% axit axetic )

 Làm đông đặc nhựa mủ cao su

 Làm chất dẻo sợi celluloza acetat – làm phim ảnh không nhạy lửa

 Khối lượng phân tử: 18g/mol

 Khối lượng riêng d 4oC: 1g/ml

 Nhiệt độ nóng chảy: 0oC

 Nhiệt độ sôi: 100oC

Nước là dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng cực Các hợp chất phân cực hoặc có tínhion như axit, rượu và muối đều dễ tan trong nước

2 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ THUYẾT

MINH QUY TRÌNH

1.5 Sơ đồ quy trình công nghệ

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu; 2 Bơm; 3 Bồn cao vị; 4 Lưu lượng kế; 5 Bẩy hơi; 6 Thiết bị đun sôi nhập liệu; 7 Nhiệt kế; 8 Tháp chưng cất; 9 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh; 10

Áp kế; 11 Thiết bị đun sôi đáy tháp; 12 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy; 13 Bồn chứa sản phẩm đáy; 14 Bồn phân chia dòng; 15 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

1.6 Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 92% (theo phần khối lượng), nhiệt độkhoảng 25oC tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Sau đó,hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (6), rồi đượcđưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn vớiphần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng

từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyểnđộng trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bịpha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càngthấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là axit axetic sẽngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiềunhất (có nồng độ 99,5% phần khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (9) và đượcngưng tụ hoàn toàn Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trêncùng Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi caotrong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết làcác cấu tử khó bay hơi (axit axetic) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 75% phầnkhối lượng, còn lại là axit axetic Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (11).Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm

việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (12), được làmnguội đến 40oC, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (13) Hệ thống làm việc liên tụccho ra sản phẩm đỉnh là nước được thải bỏ, sản phẩm đáy là axit axetic được giữ lại.

2.1 Các số liệu ban đầu

Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước vì ở cùng một áp suất nhiệt độ sôi của nước bé hơn axit axetic Axit axetic CH3COOH, khối lượng riêng M=60 g/mol Nước H2O, có khối lượng riêng M =18 g/mol

Các kí hiệu:

 F : lượng nhập liệu ban đầu ( Kmol/h )

 D : lượng sản phẩm đỉnh ( Kmol/h )

 W : lượng sản phẩm đáy ( Kmol/h )

 xF :nồng độ mol nước trong nhập liệu

 xD :nồng độ mol nước trong sản phẩm đỉnh

 xW : nồng độ mol nước trong sản phẩm đáy

Chọn: Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 25oC, trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

2.2 Suất lượng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

 Nồng độ phần mol của nước trong tháp:

F

H O F

H O D

H O CH COOH

x M x

H O

H O CH COOH

x M x

2.3.1 Đồ thị cân bằng nước – axit axetic

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Acid acetic Nước ở 760 mmHg

-Bảng 1: Số liệu cân bằng lỏng – hơi của hệ nước – axit axetic

118.1 115.4 113.8 110.1 107.5 106 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100Với x là thành phần lỏng, y là thành phần hơi

Hình 1: Đồ thị đường cân bằng pha hệ nước – axit axetic

2.3.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

2.3.2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu với số mâm là vô cực cho một quá trình chưng cất xác địnhtrước và tương ứng là nhiệt tải của nồi đun và thiết bị nhưng tụ là tối thiểu Do đó, chi phí

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

Do nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hòa, nên Rmin được xác định như sau:

Với xF = 0,974 ta nội suy t từ đồ thị 2 được yF* = 0,982

Tỉ số hoàn lưu tối hiểu tra công thức IX.24 trang 158, [2] ta có:

Tỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3*2+ 0,3 = 2,9

2.3.3 Phương trình đường làm việc

Chỉ số nhập liệu:

26,19

1,3719,13

F f D

Phương trình đường làm việc phần cất 1 1 0, 743 0, 256

D

x R

Do điều kiện nhập liệu là lỏng bão hòa, ta có đường nhập liệu là đường : x = xF = 0,974

Ta kẻ các đường làm việc của phần cất và phần chưng trên cùng đồ thị được số bậc thang là 15

F , W , D : lần lượt là hiệu suất ở mâm đỉnh, mâm đáy, mâm nhập liệu.

Từ giãn đồ x-y, t-x,y : tìm nhiệt độ tại các vị trí và nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng

Độ bay hơi tương đối của các cấu tử dễ bay hơi: α= y¿

Tra bảng 1.250, trang 312, [1]⇒ Áp suất hơi bão hòa của nước PNL = 1,04at = 789,8 (mmHg)

Tra hình XXIII, trang 466, [3]⇒ Áp suất hơi bão hòa của axit axetic PAL = 150,78 (mmHg)

=

789,8

5, 238150,78

Tra hình XXIII, trang 466, [3] ⇒ Áp suất hơi bão hòa của axit axetic PAL = 150 (mmHg)

Vậy : 22 mâm cất, 11 mâm chưng

3.1 Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất

Phương trình cân bằng năng lượng: Q F+Q D2+Q R=Q y+Q w+Q xq2+Q ng2

 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào: Q F G FC Ft F

Tra bảng I.147 trang 165 và I.154 trang 172 [1]

500,1 4077,05 100,156 204211344

F

 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp Q D2(J/h): Q D2 D22 D2(r2C2t2)

Dùng hơi nước ở áp suất 2,5 (at), r2=¿ 2189,5 (KJ/Kg), t2¿1 26,25℃

λ2: nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/Kg)

r2: ẩn nhiệt hóa hơi (J/Kg)

t2, C2: nhiệt độ oC và nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/Kg.độ)

 Nhiệt độ do lưu lượng lỏng hoàn lưu mang vào:QR GRC Rt R

C R=C D (nhiệt lượng riêng của sản phẩm đỉnh)

 Nhiệt do hơi mang ra đỉnh tháp Q y: Q y G D (1 R)D

Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp λ D: D ny Da (1 y D)



λ n , λ a: nhiệt lượng riêng của nước, acid acetic: n  r tn DCn; a  r ta DCa

r n , r a ,C n , C a tra ở bảng I.212 và bảng I.153,[1] ở tD= 100,012oC

 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Q xq2: Q xq2=5 % QD2

 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q ng2(J/h): Q ng2 G ng2C2 t2 0

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

D2=Q y+Q w+Q xq2−Q F−Q R

Q y+Q w−Q F−Q R

0,95 r2 =1457,667(Kg/h) = 0,405 (kg/s)

3.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tv = 25oC; Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tr = 40oC

 Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ ngưng tụ tngưng= 100,012oC

 Phương trình cân bằng năng lượng

Nhiệt hoá hơi của nước: rn = 2256,65103 (J/Kg); ra = 389,8 (kJ/h) (bảng I.212 trang 254)

n r v

Q G

Nhiệt dung riêng ở 40oC: cn = 4,178 (kJ/kg; ca = 2,1(kJ/kg.K)

Nhiệt dung riêng ở 100,546oC : cn = 4,22 (J/kg.K); ca = 2,433 (J/kg.K)

Nên: hWV = (0,75 4,22 + 0,25 2,433) 100,546 = 379,385(kJ/kg)

Nên: hWR = (0,75 4,178 + 0,25 2,1) 40 = 146,34 (kJ/kg)

Tra bảng 1.250, p313, [1] ⇒ Enthalpy của nước ở 25oC : hV = 104,75 (kJ/kg)

⇒ Enthalpy của nước ở 35oC : hR = 146,65 (kJ/kg)

Lượng nhiệt trao đổi: Q = GW(hWS – hWR) = 35902,9127 (kJ/h)

Suất lượng nước cần dùng: n R V

Q G

Hơi ngưng tụ đi trong ống ngoài có áp suất 2,5 at: rn= 2189,5 (kJ/kg); tn = 126,25oC

Nhiệt dung riêng của nước ở 62,578oC là 4190 (J/kg) (Tra bảng 1.249, trang 310, [1])

Nhiệt dung riêng của acid acetic ở 25oC là 2221,05 (J/kg) (Tra bảng 1.154, trang 172, [1])

Q G r

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

gtb : 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 kínhđoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

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

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

Với : G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất

rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp

 Tính r 1 :

Với t1 = tF = 100,156oC , (Tra tài liệu tham khảo [1]) ta có :

Ần nhiệt hoá hơi: rn1 = 2256,2606 (kJ/kg) ; ra1 = 389,81 (kJ/kg)

Suy ra: r1 r n1 y1 (1 y1)r a1 1866, 4406 y1 389,81 (kJ/kg)

 Tính r d :

Với tD = 100,012oC (Tra tài liệu tham khảo [1]) ta có :

Ẩn nhiệt hoá hơi: rnd = 2256,6525 (kJ/kg) ; rAd = 389,7926 (kJ/kg)

Suy ra: r d r ndy D(1 y D)r ad 2256,6525 0,995 (1 0,995) 389,7929    = 2247,32 (kJ/kg)

 x1 = x F = 0,92

Giải hệ (I), ta được : G1 = 1762,01(kg/h); y1 = 0,94 (phần khối lượng nước); g1 = 1416,07 (kg/h)

Vậy : gtb =

1349,166 1416,07

1382, 618 2





(kg/h)

4.1.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

Dựa vào công thức IX.111 trang 186, [2], ta có:

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền: ω gh=c√ρ xtb

ρ ytb

Với:ρ xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3)

ρ ytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m3)

Chọn khoảng cách mâm là h=0,3m Suy ra c = 0,032 (tra tài liệu tham khảo [2])

Pha lỏng

Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng x = L 0,998 0,9742 0,986





Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần cất TLL=100,084oC

Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong phần cất

Khối lượng riêng của nước ở 100,084oC:  = 958,34 (kg/mNL 3) (Bảng 1.249, tr310,[1])

Khối lượng riêng acid acetic ở 100,084oC:  = 957,849 (kg/mAL 3) (Bảng 1.2, trang 9, [1])

Khối lượng riêng pha lỏng

Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần cất THL=100,0977oC

Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần cất

MHL = 0,9886 18 (1 0,9886) 60    = 18,4788 (kg/kmol)

18, 4788 1

0,604 0,082 (100, 0977 273)

Tốc độ pha hơi trong phần cất: ω gh=c√ρ xtb

4.1.2 Đường kính đoạn chưng

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng: (Công thức IX.97 Trang 182, [2])

g’

tb =

g n '+g1

2 (kg/h)Với: g’

1: lượng hơi đi vào đoạn chưng

g’

n: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng

Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên g’



(kg/h)

4.1.2.1 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

Pha lỏng

Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng: x = C 0,909 0,9742 0,9415





Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần cất TLC=100,351oC

Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong phần cất

Khối lượng riêng ở 100,351oC: NC= 958,27 (kg/m3);  = 957,3682 (kg/mAC 3)

Khối lượng riêng pha lỏng

Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần cất THL=100,549oC

Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần cất

MHL = 0,9359 18 (1 0,9359) 60    = 20,6922 (kg/kmol)

20,6922 1

0, 6755 0,082 (100,549 273)

Đường kính đoạn chưng:

g D

g D

Chiều cao thân tháp: Hthân = (n tt1) h 1 = 10,6 (m)

Chọn đáy (nắp) ellip tiêu chuẩn có φht = 0,25 ⇒ ht = 0, 25 0,8 = 0,2 (m)

Chọn chiều cao gờ: hg = 50 mm = 0,05(m)

Chiều cao đáy (nắp): Hđn = ht+ hg = 0,25(m)

Kết luận: Chiều cao toàn tháp: H = H than 2 H d n, 16, 6 2 0, 25  = 11,1 (m)

4.3 Trở lực tháp

4.3.1 Cấu tạo mâm xuyên lỗ

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:

 Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm

 Đường kính lỗ: dlỗ = 3mm = 0,003 (m)

 Chiều cao gờ chảy tràn: hgờ = 50mm = 0,05 (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 7mm

 Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T

H k

2





= 160,826 (N/m2)4.3.3 Trở lực do sức căng bề mặt

Vì đĩa có đường kính lỗ > 1mm

 Áp dụng công thức (IX.142), trang 194, [2]: 2

41,3 lo 0,08 lo

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 100,084oC

Tra bảng 1.249, trang 310, [1]:  Sức căng bề mặt của nước NL = 0,5883 (N/m)

Tra bảng 1.242, trang 300, [1]:  Sức căng bề mặt của axit AL = 0,01979 (N/m)

Áp dụng công thức (I.76), trang 299, [1]:

Q h

 Lgờ : chiều dài của gờ chảy tràn, m

 K = b/L : tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng của chấtlỏng, lấy gần bằng 0,5

 QL =

L L L

n M



 : suất lượng thể tích của pha lỏng, m3/s

Tính chiều dài gờ chảy tràn:

L gờ

Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:

2,989 101,85 0,581 0,5

Tổng trở lực của 1 mâm trong phần luyện của tháp là:

PL = PkL + PL + PbL  137, 647 19,586 346,863 504, 096    (N/m2)

Tổng trở lực của 1 mâm trong phần chưng của tháp là:

PC = PkC + PC + PbC = 160,826 + 19,617 + 362,45 = 542,893 (N/m2)

4.3.6 Kiểm tra hoạt động của mâm:

Kiểm tra lại khoảng cách mâm h = 0,3m đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình thường của tháp: h >

1,8

L

P g







Với các mâm trong phần chưng trở lực thuỷ lực qua 1 mâm lớn hơn trở lực thuỷ lựccủa mâm trong phần luyện, ta có:

542,893

958,121 9,81

C LC

P g

P = nttLPL + nttCPC = 22504,096 + 11542,893 = 17061,935 (N/m2) = 0,168 (at)

4.3.8 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động

Khoảng cách giữa 2 mâm: h = 300 (mm)

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy

chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức (5.20), trang 120, [4]:

hd = hgờ + hl + P + hd’ , (mm.chất lỏng)Trong đó:

 hgờ : chiều cao gờ chảy tràn (mm)

 hl : chiều cao lớp chất lỏng trên mâm (mm)

 P: tổng trở lực của 1 mâm (mm.chất lỏng)

 hd’ : tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được xác

định theo biểu thức (5.10), trang 115, [4]:

2 ' 0,128

100

L d

d

Q h

 QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h)

 Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

P g

P g

Vậy: Khi hoạt động thì mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt

Kết luận: Khi hoạt động tháp sẽ không bị ngập lụt.

4.3.9 Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động mâm

Tính vận tốc tối thiểu qua lỗ của pha hơi vmin đủ để cho các lỗ trên mâm đều hoạt động:

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của axit axetic đối với thiết bị,

ta chọn thiết bị thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

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

Nhiệt độ tính toán: Từ xWN = 0,909

Dựa vào hình 2 ⇒ Nhiệt độ sôi của pha lỏng TSL = 100,546(oC)

Nhiệt độ sôi của pha hơi TSH = 100,823 (oC) ⇒ tmax =100,823 oC

Khối lượng riêng ở 100,823oC: ρN = 957,8 (kg/m3); ρA = 956,52 (kg/m3)

⇒ t = tmax + 20oC = 100,823 + 20 = 120,823 (oC)

Áp suất tính toán: Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên: P = P thủy tĩnh + ∆P

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

Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường

Vì môi trường axit có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị là trong 20 năm ⇒ Ca = 2 (mm)Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: Vì vật liệu là X18H10T ⇒ [σ]* = ]* = 140,54(N/mm2)

Hệ số hiệu chỉnh : Vì thiết bị có bọc lớp cách nhiệt ⇒ η = 0,95 (trang 26, [5])

h tt

Suy ra : bề dày thực của thân : St = S’t + C ,(mm)

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

Với: Ca : hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của chất

lỏng Chọn tốc độ ăn mòn của acetone là 0,1 (mm/năm) Thiết bị hoạt động trong 20 năm,

do đó Ca = 2 mm

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

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

3 2800

t a t

S C D

800

2 ( ) 2 140,54 (3 2)

0,333 0,121 ( ) 800 (3 2)

a t

Vậy: Bề dày thực của thân là St = 3 (mm)

4.4.1.3 Bề dày nắp và đáy thiết bị

Chọn đáy và nắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T

Nhận thấy: công thức tính toán bề dày thân, đáy và nắp chịu áp suất trong là như nhau Nên chọn bề dày của đáy và nắp là Sđ = Sn = 3 (mm)

 Kiểm tra điều kiện:

Ta có  

 

3

3 2 0,125 0,125 1, 25 10 0,125

 Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao.

Chọn bích được ghép thân, đáý và nắp làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liềnkhông cổ

Tra bảng XIII.27, trang 417, [2]: Ứng với Dt = φ = 800 (mm) và áp suất tính toán P =0,121 (N/mm2 ) ⇒ chọn bích có các thông số sau:

Nhiệt độ của chất lỏng nhập liệu là tFs = 100,156oC

Tại nhiệt độ này thì:

Khối lượng riêng ρ N=¿958,36 kg/m3; A =958 kg/m3;

F

G d

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn lỏng nhập liệu : dF = 32(mm)

Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lF = 90 (mm) (Tra bảng XIII.32, trang

1348,166

2286,7220,59

h

g Q

Q v



Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 150 (mm)

Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lh = 130 (mm) (Tra bảng XIII.32,

trang 434, [2])

Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp với P=0,121 (N/mm2) (Tra bảng

XIII.26, trang 409, [2])

Suất lượng hoàn lưu: Ghl = 1003,23 (kg/h).

Khối lượng riêng của chất lỏng hoàn lưu, (Tài liệu tham khảo [1]) ở tD = 100,012oC

Khối lượng riêng :

G Q

Suy ra: chọn đường kính ống hoàn lưu: dhl = 50 (mm)

Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhl = 100 (mm) (Tra bảng XIII.32, trang 434, [2])

Các thông số của bích ghép ống dẫn hoàn lưu với P = 0,121 (N/mm2) (Tra bảng XIII.26,