Lời mở đầu 5Phần I: Giới thiệu chung7 I.Giới thiệu về hỗn hợp chưng7 1.Axeton7 2.Axit axetic8 II.Sơ đồ chưng9 1.Chú thích các kí hiệu trong quy trình9 2.Thuyết minh dây chuyền sản xuất10 3.Các kí hiệu trước khi tính 10 Phần II: Tính toán thiết bị chính12 I.Tính cân bằng vật liệu toàn thiết bị12 1.Cân bằng vật liệu12 2.Xác định số bậc thay đổi nồng độ13 II.Tính đường kính tháp27 1.Lưu lượng các dòng pha đi trong tháp27 2.Vận tốc hơi đi trong tháp.32 3. Đường kính đoạn luyện 36 4. Đường kính đoạn chưng37 III.Chiều cao tháp37 1.Hệ số khuếch tán37 2.Hệ số cấp khối39 3.Hệ số chuyển khối45 IV.Tính trở lực của tháp50 1.Trở lực của đĩa khô51 2.Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt 52 3.Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa54 V.Tính cân bằng nhiệt lượng58 1.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu58 2.Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện61 3.Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ64 4.Cân bằng nhiệt lượng tại thiết bị làm lạnh65 Phần III: Tính thiết bị phụ 67 I.Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu67 1.Hiệu số nhiệt độ trung bình67 2.Lượng nhiệt trao đổi67 3.Diện tích trao đổi nhiệt68 II.Tính bơm và thùng cao vị75 1.Các trở lực quá trình cấp liệu75 2.Chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu85 3.Chiều cao làm việc của bơm86 4. Áp suất toàn phần của bơm và năng suất bơm87 III.Tính toán cơ khí và lựa chọn88 1.Tính toán thân tháp88 2.Tính chóp và kích thước cơ bản của chóp91 3.Tính đáy và nắp thiết bị93 4.Chọn mặt bích95 5. Đường kính các ống dẫn96 6.Khối lượng tháp99 7.Tính tai treo102 8.Tính chân đỡ103 Kết luận 104 Tài liệu tham khảo105
Giới thiệu chung
Sơ đồ chưng
1 Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1- Thùng chứa hỗn hợp đầu 6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu
2- Bơm 7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh
3- Thùng cao vị 8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh
4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp
5- Tháp chưng luyện 10- Thùng chứa sản phẩm đáy
2 Thuyết minh dây chuyền sản xuất:
Dung dịch đầu trong thùng được bơm liên tục lên thùng cao vị, nơi mức chất lỏng được kiểm soát bởi ống chảy tràn Từ thùng cao vị, dung dịch được chuyển vào thiết bị đun nóng qua lưu lượng kế, nơi nó được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa Sau đó, dung dịch đi vào tháp chưng luyện, nơi hơi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống, dẫn đến sự thay đổi về nhiệt độ và nồng độ các cấu tử theo chiều cao tháp Hơi có nhiệt độ sôi cao như CH3COOH sẽ được ngưng tụ, và cuối cùng, trên đỉnh tháp thu được hỗn hợp chủ yếu là các cấu tử dễ bay hơi như CH3COCH3, sau đó hơi này được đưa vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu.
(6), ở đây nó được ngưng tụ lại.
Chất lỏng được làm lạnh qua thiết bị làm lạnh (7) đến nhiệt độ mong muốn, sau đó được chuyển vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8) Một phần chất lỏng khác sẽ được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng.
Chất lỏng di chuyển từ trên xuống và gặp hơi nóng, dẫn đến sự bốc hơi của phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp, làm tăng nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng Cuối cùng, ở đáy tháp, ta thu được hỗn hợp lỏng chủ yếu chứa cấu tử khó bay hơi Chất lỏng sau khi ra khỏi tháp được làm lạnh và chuyển vào thùng chứa sản phẩm ở đáy Với thiết bị hoạt động liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm đầu ra đều được cung cấp và thu hồi liên tục.
-Tháp chóp Ưu điểm : hiệu suất truyền khối cao , ổn định , ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số mâm ít hơn
Nhược điểm : chế tạo phức tạp , trở lực lớn
+ Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp.
+ Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chưng và đoạn luyện. + Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi.
+ Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra ở đỉnh tháp.
+ Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.
F: Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu F = 10,3(tấn/h)
Thiết bị làm việc ở áp suất thường
Tháp chưng loại: tháp chóp
Trong quá trình tách chiết, nồng độ CH3-CO-CH3 trong hỗn hợp đầu đạt 0,34 phần khối lượng, trong khi nồng độ của nó trong sản phẩm đỉnh tăng lên tới 0,92 phần khối lượng Ngược lại, nồng độ CH3-CO-CH3 trong sản phẩm đáy chỉ là 0,012 phần khối lượng.
MA: Khối lượng phân tử của CH3COCH3= 58(kg/kmol)
MB: Khối lượng phân tử của CH3COOH= 60(kg/kmol)
Tính toán thiết bị chính
Tính cân bằng vật liệu toàn thiết bị
1 Tính toán cân bằng vật liệu:
(sơ đồ hệ thống tháp chưng)
Hỗn hợp đầu vào F(CH3COCH3 - CH3COOH)được tách thành sản phẩm đỉnh
P(CH3COCH3) và sản phẩm đáy W(CH3COOH) được tạo ra ở đĩa trên cùng, trong khi ở đáy tháp có thiết bị đun sôi Lượng hơi thoát ra từ đỉnh tháp được ký hiệu là D.
+ Theo phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:
+ Phương trình cân bằng vật liệu cho riêng cấu tử dễ bay hơi (CH3COCH3):
= 6579,295(kg/h) -Lượng sản phẩm đỉnh:
P = F - W = 10300 – 6579,295= 3720,705(kg/h) Đổi nồng độ phần khối lượng sang phần mol
= 0,0124 phần mol Đổi lượng F , P , W ra (kmol/h):
2 Xác định số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)
2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu
Để dựng đường cân bằng cho hệ axeton-axit axetic, ta sử dụng dữ liệu đường cân bằng lỏng-hơi và nhiệt độ sôi tại 760 mmHg, với tỷ lệ % số mol của hai cấu tử Theo bảng IX 2a_ 145_STQTTB tập II, các giá trị x% và y% được xác định như sau: khi x% là 0 thì y% là 0, và khi x% tăng từ 5 đến 100, y% tương ứng là 16,2; 30,6; 55,7; 72,5; 84; 91,2; 94,7; 96,9; 98,4; 99,3; và 100.
-Đồ thị đường cân bằng lỏng hơi:
Vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng hơi x _ y :
Từ điểm xF, kẻ đường thẳng song song với trục y và cắt đường cân bằng tại điểm A Từ A, tiếp tục kẻ đường song song với trục x, cắt trục y tại điểm B Trên đồ thị, xác định giá trị y*F là 0.7856.
-Áp dụng công thức : Rmin x P − y ¿ F y ¿ F − x F
-Xác định chỉ số hồi lưu làm việc: (R x )
Việc lựa chọn chỉ số hồi lưu phù hợp là rất quan trọng Chỉ số hồi lưu thấp dẫn đến số bậc của tháp lớn hơn nhưng tiêu tốn ít năng lượng, trong khi chỉ số hồi lưu cao làm giảm số bậc tháp nhưng lại tiêu tốn nhiều năng lượng hơn.
Rth : chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tính chất thể tích tháp nhỏ nhất
Nlt : số bậc thay đổi nồng độ ( số đĩa lý thuyết )
→ Chỉ số hồi lưu thích hợp Rx = β Rmin Ứng với mỗi giá trị R > Rmin, ta dựng một đường làm việc tương ứng và tìm được một giá trị Nlt
+ β = 1,2 → Rx = 0,3747.Số đĩa lý thuyết Nlt
+ β = 1,3 → Rx = 0,406 Số đĩa lý thuyết Nlt= 12
+ β = 1,4→ Rx = 0,4372 Số đĩa lý thuyết Nlt= 11
+ β = 1,5→ Rx = 0,4685 Số đĩa lý thuyết Nlt= 11
+ β = 1,6→ Rx = 0,4997 Số đĩa lý thuyết Nlt= 11
+ β = 1,7→ Rx = 0,5309 Số đĩa lý thuyết Nlt= 10
+ β = 1,8→ Rx = 0,5621 Số đĩa lý thuyết Nlt= 10
+ β = 1,9→ Rx = 0,5934 Số đĩa lý thuyết Nlt= 10
+ β = 2,0→ Rx = 0,6246 Số đĩa lý thuyết Nlt= 9
+ β = 2,1→ Rx = 0,6558 Số đĩa lý thuyết Nlt= 9
+ β = 2,2→ Rx = 0,6871 Số đĩa lý thuyết Nlt= 9
+ β = 2,3→ Rx = 0,7183 Số đĩa lý thuyết Nlt= 9
+ β = 2,4→ Rx = 0,7495 Số đĩa lý thuyết Nlt= 9
+ β = 2,5→ Rx = 0,7807 Số đĩa lý thuyết Nlt= 9
Từ các đồ thị trên ta có bảng sau:
-Dựng đồ thị quan hệ giữa RX – Nlt(Rx + 1)
Hình 1: Đồ thị quan hệ giữa RX – Nlt(Rx + 1)
-Xác định đồ thị quan hệ giữa Rx và Nlt.(R+1) Ta thấy Rx =0,6246 có Nlt.(Rx+1) giá trị nhỏ nhất ( thể tích tháp nhỏ nhất ) → Rth = 0,6246
2.2 Phương trình làm việc của đoạn luyện :
- Phương trình cân bằng vật liệu
D0 = L0 + P Trong đó : D0 : lượng hơi đi từ dưới lên
L0 : lượng lỏng hồi lưu đi từ trên xuống
- Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi là:
Biến đổi phương trình (1) theo Rx ta được:
Trong quá trình tách các cấu tử dễ bay hơi, nồng độ phần mol của cấu tử trong pha hơi (y) được xác định khi đi từ dưới lên, trong khi nồng độ phần mol của cấu tử trong pha lỏng (x) được đo khi chảy từ đĩa xuống.
Rx : chỉ số hồi lưu.
Thay số vào ta có : yl 0, 6246 0,9224
2.3 Phương trình làm việc đoạn chưng:
- Phương trình cân bằng vật liệu:
- Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi:
Thay vào ta có : (P’+ L0).y= (F’+L0).x – (F’-P’).xw
P' 173,679 63,979 = 2,7146 Thay vào biểu thức số(2) với xw=0,0124 ta có :
Với Rth = 0,6246 dựa vào đường cân bằng và đường làm việc, ta xác định số đĩa lý thuyết : Nlt = 9
Trong đó Số đĩa đoạn chưng =7
Tính đường kính tháp
Đường kính của tháp được xác định theo công thức:
D=0,0188 √ ( ρ y g ω tb y ) tb m (181-2) gtb: lượng hơi đi trong tháp( lượng trung bình) Kg/h
GW xW g1, y1 ρ y: khối lượng riêng trung bình Kg/m 3 wy: tốc độ hơi đi trung bình trong tháp Kg/m 2 s
Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn
1 Tính lưu lượng các dòng pha đi trong tháp: (có thể hiểu rằng P’=G p )
1.1 Xác định lưu lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:
Lượng hơi trung bình trong tháp chưng luyện được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi thoát ra từ đĩa trên cùng và đĩa dưới cùng của đoạn luyện, cụ thể là g đ + g 1.
Trong quá trình luyện, lượng hơi trung bình đi qua đoạn là 2 g tb [kmol/h] Lượng hơi thoát ra từ đĩa trên cùng của tháp được ký hiệu là g đ [kmol/h], trong khi lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện được gọi là g 1 [kmol/h].
+Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp: g đ = G R + G P = G P (R x +1)
R x : chỉ số hồi lưu thích hợp
+Lượng hơi đi vào đoạn luyện
Để xác định lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 của đĩa thứ nhất trong đoạn luyện, ta sử dụng phương trình cân bằng vật liệu Phương trình này đối với cấu tử dễ bay hơi được biểu diễn như sau: g1 = G1 + GP (1).
Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi: g1.y1 = G1 + GP ( 2 )
Phương trình cân bằng nhiệt lượng: g1 r1 = gđ.rđ ( 3)
Ta có hệ phương trình:
Trong quá trình này, ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp tại đĩa được tính là r1, trong khi ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử hỗn hợp thoát ra tại đỉnh tháp được ký hiệu là rđ Tỉ lệ phần mol của cấu tử hỗn hợp tại đỉnh tháp là x1 = xF = 0,3476, trong khi tỉ lệ phần mol của cấu tử tại điểm P là yđ = xP = 0,9224.
Từ bảng cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ của hỗn hợp 2 cấu tử CH3COCH3 và
CH3COOH ở 1at (II-146) :tF 2 1
Ta sử dụng công thức nội suy (a) nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu là tF = 82,8964 0 C r1 = rA.y1 + (1–y1).rB rđ = rA.yđ + (1–yđ).rB
Với rA : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất axeton
Page 27 rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất axetic
Bảng cân bằng lỏng hơi của CH3COCH3 và CH3COOH cần nội suy và từ tF 82,8964 o C tra bảng I.212- STQTQB T1-trang 254 và trang 256: t 0 C t 1 t F t 2
R r 1 r x r 2 r A =r ch3coch3 124 r A =r ch3coch3 =? 113 r A =r ch3cooh 89,6 r A =r ch3cooh =? 93,1
Sử dụng công thức nội suy tìm ẩn nhiêt hóa hơi cho CH3COCH3 và CH3COOH : r x =
(b) Áp dụng công thức (b)cho CH3COCH3 và CH3COOH ta có :
B r kcal kg kcal kmol r kcal kg kcal kmol
Thay giá trị rA và rB vào biểu thức r1 ta có → r1 = rA.y1 + (1–y1).rB =(rA- rB)y1+ rB
Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (yđ = xP = 0,9224) được xác định từ bảng thành phần cân bằng lỏng-hơi (CH3COCH3- CH3COOH) ở áp suất 1at trong bảng IX2a (II-145) Bằng cách nội suy theo công thức (a) trên trang 28, với tF thay bằng tP, chúng ta có thể tính toán nhiệt độ sôi chính xác của hỗn hợp này.
Nội suy theo bảng r – t o (I-254) với t o = 58,4832C: t 0 C t 1 t P t 2
R r 1 r x r 2 r A =r ch3coch3 132 r A =r ch3coch3 =? 124 r A =r ch3cooh 84,1 r A =r ch3cooh =? 89,6
-Áp dụng công thức nội suy (b) cho CH3COCH3- CH3COOH(thay tF bằng tP) ta có :
→r4,303(kcal/kg).MCH3COCH3r09,574 (kcal/kmol) r = 84,1+
(58,4832–20) = 89,391(kcal/kg) →r,391(kcal/kg)= 89,391(kcal/kg) S63,46(kcal/kmol)
rđ = rA yđ + rB (1 – yđ) r09,574.0,9224+ 5363,46.(1- 0,9224)
Thay các giá trị tính được vào hệ (1) (2) (3)
Giải hệ → g1 = 122,231 (kmol/ h) y1 = 0,64846 (phần mol)=0,6485(phần mol)
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là : gtbL g đ +g 1
= 113,0856( kmol / h ) Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là :
= 49,1066( kmol/ h) 1.2 Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng : (có thể hiểu rằng W’=G w ) g’tb g n ' + g 1 '
Trong đó : g n ' : lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng ( kmol/ h ) g 1 ' : lượng hơi đi vào đoạn chưng
Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện g n ' = g
1 , nên ta có thể viết : gtb g 1 +g 1 '
2 Phương trình cân bằng vật liệu :
Phương trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi :
Phương trình cân bằng nhiệt lượng : g’1 r’1 = g1 r1 (3’)
Trong quá trình chưng cất, r’1 đại diện cho ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp khi vào đĩa thứ nhất, trong khi xW là thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy Đồng thời, r1 thể hiện ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp khi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng.
Ta có : GW = 109,700 (kmol/ h) xW = 0,0124 (phần mol)
- Tính r1 Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng đoạn chưng bằng ẩn nhiệt hóa hơi đi vào đoạn luyện → r1 = 6008,875 (kcal/kmol)
Tính toán ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp tại đoạn chưng được xác định bằng công thức r’1 = rA y’1 + (1 – y’1) rB, trong đó rA và rB là ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử nguyên chất ở nhiệt độ tW Giá trị y’1 được xác định theo đường cân bằng ứng với xW = 0,0124, được nội suy từ bảng cân bằng lỏng hơi.
Với nhiệt độ tW = 116,0912 o C, chúng ta áp dụng toán đồ I-65 (trang 255 - STQTTB Tập I) cho axeton và tham khảo số liệu trong bảng I-213 (trang 256 - STQTTB Tập I) Sử dụng công thức nội suy cho axit axetic, ta có giá trị rA = rCH3COCH38 (kcal/kg) theo toán đồ I-65, trong đó axeton được xác định là điểm 22 trong đồ thị.
Bảng nhiệt hóa hơi của CH3COOH ở khoảng tW = 116,0912 o C: t 0 C t 1 t W t 2
Sử dụng công thức nội suy ứng cho CH3COOH sử dụng số liệu ở bảng I-213 trang
256 - STQTTB Tập I ta có : r A =r CH3COOH =
(116,0912-110)+93,4,278(kcal/kg) Vậy ta có: rA=rCH3COCH38(kcal/kg)= 108(kcal/kg).58b64 ( kcal kmol / ) rB=r CH3COOH,278(kcal/kg)= 93,278(kcal/kg).60U96,68 ( kcal kmol / )
A y’1 + ( 1 – y’1 ) rB =( rA- rB) y’1 + rB r 1 ' = 6264 0,0402 + (1– 0,0402) 5596,68= 5623,5062(kcal/kmol)
6008,875 kcal / kmol 5623,5062 kcal / kmol = 130,6072(kmol/h)
→ g’1 = 130,6072(kmol/h) G’1 = 240,3072(kmol/h) x’1 = 0,0275(phần mol) ( G’1 x’1 = g’1 yW + GW xW theo( 2’))
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là g tbC ' = g 1 + g 1
= 126,4191 (kmol/h) Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng
2 Vận tốc hơi đi trong tháp:
Tốc độ hơi ( khí ) trung bình đi trong tháp chóp xác định theo:
Trong đó: ρ xtb : khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m 3 ) ρ ytb : khối lượng riêng của hơi (kg/ m 3 ) h: khoảng cách giữa các đĩa (m)
2.1 Tính khối lượng riêng trung bình của pha lỏng:
1 ρ xtb = a tb 1 ρ xtb 1 + 1− a tb 1 ρ tb2 [ kg/ m 3 ] Trong đó ρ xtb
: khối lượng riêng trung bình của lỏng [ kg/ m 3 ] ρ xtb 1
Khối lượng riêng trung bình của aceton và axit acetic trong pha lỏng được xác định theo nhiệt độ trung bình, với đơn vị tính là kg/m³ Phần khối lượng trung bình của axeton trong pha lỏng được tính bằng công thức a tb1 = a F + a P.
= 0,63( phần mol) a Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện:
Nồng độ trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện xtb1 x F +x P
Bảng số liệu trong bảng IX 2a_STQTTB Tập II_145 x% x 1 x tb1 x 2 x% 60 63,5 70 t 0 C t 1 t o xtb t 2
Nội suy từ bảng số liệu trong bảng IX 2a_STQTTB Tập II_145 ta được: t o xtb 2 1 tb 1 1
→t o xtbL = 68,765 o C Ứng với t o = 68,765 o C Nội suy theo số liệu từ bảng I.2 trong STQTTB Tập I_9 t 0 C t 1 t o xtbL t 2
R ρ 1 ρ xtb ρ 2 ρ aceton 746 ρ xtb(aceton)=? 719 ρ acetic 1004 ρ xtb(axit acetic)=? 981 ta được: ρ xtb(A) =
Thay số vào ta có : ρ aceton = ρ xtb(aceton)
s4,167( kg/ m 3 ) ρ axit acetic = ρ xtb(axit acetic)
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện:(
1 ρ xtb = 1 1 2 1 tb 1 tb xtb xtb a a
Thay số vào ta có:
= 812,7578(kg/ m 3 ) (vì xtb = xtb L ) b Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng:
1 ρ xtbC = a tb 1 ρ xtb 1 + 1− a tb 1 ρ tb2
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong quá trình chưng cất được xác định bằng ρ xtb 1 và ρ xtb2, đại diện cho khối lượng riêng của aceton và axit acetic theo nhiệt độ trung bình, tính bằng kg/m³ Để tính toán phần khối lượng trung bình của aceton trong pha lỏng, sử dụng công thức atbC = aF + aW.
= 0,176 phần mol Nồng độ trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng xtbC x F +x W
Với xtbC = 0,18 phần mol, số liệu trong bảng IX.2a_STQTTB Tập II_145 x% x 1 x tbC x 2 x% 10 18 20 t 0 C t 1 t o xtb t 2 t 0 C 103,8 t o xtb =? 93,1
Sử dụng công thức nội suy để tính t o xtb t o xtb =
ta được t o xtbC= 95,24 o C Ứng với t o xtb ,24 o C, nội suy số liệu ở bảng I.2_STQTTB Tập I_9 t 0 C t 1 t o xtbc t 2
R ρ 1 ρ xtb ρ 2 ρ aceton 719 ρ xtb(aceton)=? 693 ρ acetic 981 ρ xtb(axit acetic)=? 958 ta được ρ xtb(A) =
Thay số vào ta có : ρ aceton = ρ xtb(aceton)
i9,188( kg/ m 3 ) ρ axit acetic = ρ xtb(axit acetic)
→ Khối lượng riêng của lỏng trong đoạn chưng là:
1 ρ xtbC = a tbC ρ xtb 1 + 1−a tbC ρ tb 2
2.2 Tính khối lượng trung bình của pha hơi: a Khối lượng trung bình pha hơi ở đoạn luyện:
ADCT STQTTB II – 183 ρ tbL = [ y tbL M A + ( 1− y tbL ) M B ]
MA, MB : khối lượng phân tử của rượu aceton và axit axetic
T : nhiệt độ làm việc trung bình của tháp ( o K ) ytbL: Nồng độ trung bình pha hơi trong đoạn luyện ytbL y dL + y cL
2 ( STQTTB II _ 183 ) yđL : Nồng độ pha hơi đầu đoạn luyện yđL = y1 = y1 = 0,6485 phần mol
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là: ρ ytbL = [ y tbL M A + ( 1− y tbL ) M B ]
(kg/m 3 ) b Khối lượng riêng trung bình của pha hơi ở đoạn chưng: ρ ytbC = [ y tbC M A + ( 1− y tbC ) M B ] 273
22,4 T [ kg/ m 3 ] ytbC : Nồng độ trung bình pha hơi trong đoạn chưng. ytbC y đC + y cC
2 yđC : Nồng độ pha đầu đoạn chưng yđC = y 1 ' = y
W = 0,0402 phần mol ycC : Nồng độ pha cuối đoạn chưng ycC = y1 = 0,6485 phần mol ytbC y đC + y cC
= 0,3443 phần mol Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng là: ρ ytbC = [ y tbC M A + ( 1 − y tbC ) M B ] 273
Sức căng bề mặt tính theo công thức:
Giả sử đường kính tháp nằm trong khoảng 0,6 – 1,2 (m) h = (0,30,35) chọn: h= 0,3 φ[]: Hệ số tính đến sức căng bề mặt.
+Đoạn luyện: ta có ttbL h,765 o C
Tra bảng STQTTB tập I –trang 300:
Sử dụng công thức nội suy ta có:
- đối với axit axetic ta có:
Sử dụng công thức nội suy ta có:
Thay kết quả ở (1) và (2) vào biểu thức :
1 σ 2 (I-299)Với 1 =(ttbL) = 17,5482 (dyn/cm) 2 =B(ttbL) = 22,9235 (dyn/cm)
Tốc độ khí của hơi đoạn luyện:
Tra bảng STQTTB tập I trang 300:
Sử dụng công thức nội suy ta có:
- đối với axit axetic ta có:
Sử dụng công thức nội suy ta có:
Thay kết quả ở (1) và (2) vào biểu thức :
Với 1 =(ttbc) = 14,3712 (dyn/cm) 2 =B(ttbc) = 20,276 (dyn/cm)
Thay số vào ta được : =8,4102(dyn/cm)
Vì =8,4102(dyn/cm)< 20 (dyn/cm) φ[] = 0,8
Tốc độ khí của hơi đoạn chưng:
3 Đường kính đoạn luyện: Đường kính đoạn luyện được tính theo công thức:
Khối lượng mol trung bình của pha hơi đoạn luyện:
M yL = [ y tbL MA + ( 1- ytbL ) MB ] (kg/ kmol) Với ytbL =0,7854 (phần mol) và MA=MCH3COCH3X; MB=MCH3COOH` thay số ta có:
M yL = [ y tbL MA + ( 1- ytbL ) MB ]=[ 0,7854 58 + ( 1- 0,7854) 60 ] X,4292(kg/ kmol)
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện đổi sang kg/ h gtb = gtbL M yL 3,0856( kmol / h ) 58,4292(kg/ kmol)= 6607,5 (kg/h) Thay các giá trị vào công thức :
→điều giả sử là sai
4 Đường kính đoạn chưng : Đường kính đoạn chưng được tính theo công thức :
Khối lượng mol trung bình của pha hơi đoạn chưng
M yC = y tbC MA + (1 – ytbC ) MB = 0,3443 58+ (1 – 0,3443) 60Y,3114 (kg/ kmol)
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng đổi sang kg/ h gtb = gtbC M yC 6,4191 59,3114 (kg/ kmol)= 7498,093(kg/h)
Thay các giá trị vào đường kính tháp
→điều giả sử là sai
Vì đường kính đoạn chưng và đường kính đoạn luyện đều không thuộc đoạn d=(0,6- 1,2)m ta giả sử nên ta phải giả sử lại d
Giả sử đường kính tháp nằm trong khoảng 1,2 – 1,8 (m) h = (0,350,45) chọn: h= 0,35
Làm tương tự như trên ta có :
+Tốc độ khí của hơi đoạn luyện:
→điều giả sử là đúng
+Tốc độ khí của hơi đoạn chưng:
III TÍNH CHIỀU CAO THÁP :
1.1 Hệ số khuếch tán trong pha lỏng: a Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20 o C:
Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20 o C theo STQTTB II _ 133
A, B : Hệ số liên hợp của chất tan và dung môi(A= CH3COCH3 và B= CH3COOH) Tra bảng(VIIII-7 STQTTB-133) ta có: A = 1,15 ; B = 1
Khối lượng mol của aceton (CH3COCH3) và axit acetic (CH3COOH) được tính bằng kg/kmol Độ nhớt của dung môi ở nhiệt độ 20°C là 1,21 cP Thể tích mol của aceton và axit acetic được đo bằng cm³/mol.
Tra bảng II-127 ta có thể tích nguyên tử của :
-Với công thức tổng quát: CxHyOz
→ v X =x v C +y v H +z v O (x,y,z là hệ số tương ứng của C,H,O trong hợp chất cần tính)
A:CH3COCH3=C3H6Ovà B:CH3COOH=C2H4O2
= 2,119.10 -9 (m 2 /s) b Hệ số khuếch tán ở nhiệt độ xác định t:
Hệ số nhiệt độ được tính theo công thức: b = 3
μ : Độ nhớt của dung môi ở 20 o C [ cp ] ρ : ρ CH3COOH,20ºC Khối lượng riêng của dung môi ở 20 o C [ kg/m 3 ]
Tra bảng I.2 STQTTBT1- 9 ta có ρCH3COOH,20ºC = 1048 kg/ m 3
- Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn chưng: t = ttbC = 95,24 o C
- Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn luyện : t = ttbL = 68,765 o C
1.2 Hệ số khuếch tán trong pha hơi:
Hệ số khuếch tán của khí trong khí, theo STQTTB II _ 127
P : Áp suất tuyệt đối của hỗn hợp P = Po = 1 ( at )
T : Nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp ( o K )
Với MA, MB : Khối lượng mol của CH3COCH3 và CH3COOH [ kg/ kmol ]
- Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn chưng: t = ttbC = 95,24 o C
- Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn luyện: t = ttbL = 68,765 o C
2.1 Độ nhớt của hỗn hợp hơi:
Trong đó: μ hh , μ 1 , μ 2 : Độ nhớt của hỗn hợp khí và các cấu tử thành phần.
Mhh : Trọng lượng phân tử của hỗn hợp khí.
M1, M2 : Trọng lượng phân tử hỗn hợp khí thành phần. y : Nồng độ cấu tử tính bằng thể tích
- Đoạn chưng : y = ytbC y đC +y cC
Từ t = ttbC = 95,24 o C và sử dụng toán đồ trang 47 hình 1.35 :
Ta có tọa độ trong toán đồ của CH3COCH3 là A(8,9 ;13)
Ta có tọa độ trong toán đồ của CH3COCH3 là (7,7 ;14,3)
Ta kẻ 1 đường thẳng d từ giá trị t = ttbC = 95,24 o C đi qua điểm A(8,9 ;13).giao điểm của đường thẳng d - A(8,9 ;13) và trục ở đâu.Đấy chính là giá trị cần tìm
Với CH3COCH3 ta làm tương tự →
- Độ nhớt hỗn hợp hơi đoạn chưng là : μ hh = 1 2 1
- Đoạn luyện : y = ytbL = 0,7854 phần mol
Từ t = ttbL = 68,765 0 C làm tương tự như trên ta có :
-Độ nhớt hỗn hợp hơi đoạn luyện : μ hh = 1 2 1
2.2 Độ nhớt của hỗn hợp lỏng:
Theo STQTTB I _ I.93 _84 : lg μ hh = x lg μ 1 + ( 1− x ) lg μ 2
Trong đó : μ hh , μ 1 , μ 2 : Độ nhớt động lực của hỗn hợp khí và các cấu tử thành phần. x : Nồng độ mol của các cấu tử trong hỗn hợp
- Đoạn chưng: x = xtbC = 0,18 phần mol
Ta có t = ttbC ,24 o C và bảng I.101 STQTTB I _91 t 0 C t 1 t tbC t 2
0,56 CH COOH 3 =? 0,46 và nội suy theo cho bảng I.101 STQTTB I _91 cho từng cấu tử ta có:
= 0,1771 cP = CH COCH 3 3 ; μ 2 = 0,4838cP= CH COOH 3
→ Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn chưng: lg μ hh = x lg μ 1 + ( 1− x ) lg μ 2
-Đoạn luyện : x = xtbL = 0,635 phần mol
Ta có t = ttbL = 68,765 o C và bảng I.101 STQTTB I _91: t 0 C t 1 t tbL t 2
0,7 CH COOH 3 =? 0,56 và nội suy theo cho bảng I.101 STQTTB I _91 cho từng cấu tử ta có:
→ μ 1 = 0,2168cP= CH COCH 3 3 ; μ 2 = 0,6386cP = CH COOH 3
→ Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn luyện: lg μ hh = x lg μ 1 + ( 1− x ) lg μ 2
2.3 Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi:
Tốc độ hơi tại mặt cắt tự do của tháp được ký hiệu là wy (m/s), với kích thước dài được chấp nhận là 1 m Khối lượng riêng trung bình của hơi được ký hiệu là ρy (kg/m³) và độ nhớt trung bình của hơi được ký hiệu là μy (Ns/m²).
Từ công thức tính đường kính: DL = 0,0188 √ ( ρ y g w tb y ) tbL
Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn luyện là:
-Đoạn chưng : DC = 0,0188 tb y y tbC g
Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn chưng là :
2.4 Chuẩn số Prand đối với pha lỏng:
Theo STQTTB II _ II.165 : Prx μ x ρ x D x
Trong đó : ρ x : Khối lượng riêng trung bình của lỏng ( kg/ m 3 )
Dx : Hệ số khuếch tán trung bình cho pha lỏng ( m 2 / s ) μ x : Độ nhớt trung bình của lỏng ( Ns/ m 2 )
Chỉ số ρ x ( kg/ m 3 ) Dx( m 2 / s ) μ x (N.s/m 2) Đoạn chưng 903,3758 5,572.10 -9 0,4037.10 -3 Đoạn luyện 812,7578 4,356.10 -9 0,3216.10 -3
-Chuẩn số Pran đối với pha lỏng đoạn chưng là:
-Chuẩn số Pran đối với pha lỏng đoạn luyện là :
2.5 Hệ số cấp khối trong pha hơi:
Theo công thức tính cho đĩa chóp STQTTB II _ II.164 β y = 22 D , y 4 ( 0 , 79.Re y +11000 )
Dy : Hệ số khuếch tán trong pha hơi ( m 2 / s )
Rey : Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi
Chỉ số Dy( m 2 / s ) Re Đoạn chưng 8,1455.10 -6 1,3814.10 5 Đoạn luyện 7,283.10 -6 1,3705.10 5
-Hệ số cấp khối trong pha hơi đoạn chưng là : β yC = 8,1455.10 6 0,79.1,3831.10 5 11000
Hệ số cấp khối pha hơi đoạn luyện là : β yL = 7, 283.10 6 0, 79.1,3705.10 5 11000
Trong đó : ρ x : Khối lượng riêng trung bình của lỏng [ kg/ m 3 ]
Dx : Hệ số khuếch tán trung bình pha lỏng [ m 2 / s ]
Mx : Khối lượng mol trung bình của lỏng [ kg/ kmol ]
Chỉ số ρ x D x x tb Pr x Đoạn chưng 903,3758 5,572.10 -9 0,18 80,2009 Đoạn luyện 812,7578 4,356.10 -9 0,635 90,8379
→ MxC = xtbC MA +(1- xtbC)MB
→ MxL = xtbL MA +(1- xtbL)MB
Hệ số cấp khối pha lỏng đoạn chưng:
Hệ số cấp khối pha lỏng đoạn luyện là :
Hệ số chuyển khối: Áp dụng công thức II 162 : Ky 1 1 β y + m β x ( m 2 kmol s kmol kmol )
Trong đó : β x , β y : Hệ số cấp khối pha lỏng và hơi ( m 2 kmol s kmol kmol ) m : Hệ số phân bố vật chất
Ky : Hệ số chuyển khối
3.1 Số đơn vị chuyển khối đối với mỗi đĩa: myT K y f
Ttb : Nhiệt độ trung bình [ o C ]
P , Po : Áp suất ở điều kiện 0 o C và ở Ttb
P = P0 vì tháp làm việc ở áp suất thường w y : Tốc độ hơi qua mặt cắt tự do của thiết bị ϕ f
F : Tỉ số chênh lệch diện tích làm việc và mặt cắt tự do của tháp (%) Đối với tháp chóp f = F – ( fn N +m fch )
+ F : Mặt cắt tự do của thiết bị
+ fh : Mặt cắt ngang của ống hơi (m 2 ) ta có: fh π.d 2 h
4 dh : Đường kính ống hơi của chóp
Chọn đường kính ngoài dh = 0,054 m , chiều dày δ = 2mm
1, 4 0,05 = 78,4 ống ≈ 79 ống + fch : Tiết diện ngang của ống chảy chuyền fch π.d ch 2
∙ Đường kính ống chảy chuyền được tính theo công thức : dC = √ 3600 π 4 G ρ x x w lc z
∙ Gx : Lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp kg/ h Đoạn chưng Gx = GxC Mx = 236,1191.59,64 = 14082,143 (kg/h) Đoạn luyện Gx = GxL Mx = 49,1066.58,73 = 2884,0306 (kg/h)
∙ ρ : Khối lượng riêng của lỏng kg/ m 3
∙ wlc : Tốc độ lỏng trong ống chảy chuyền
Thay số vào ta có : Đường kính ống chảy chuyền đoạn chưng d c C = 4.14082,143
→ fch: Diện tích mặt cắt ngang của ống chảy truyền. f π ( d C
=0,0289(m) Vậy : fC = F – (m fch + fn n ) (n là số ống hơi phân bố trên đĩa)
Do đó, số đơn vị chuyển khối: m C yT = f C K C y g tbC =
= 38,5327 k C y Đường kính ống chảy chuyền đoạn luyện d c L = 4.2884, 0306
→ fch: Diện tích mặt cắt ngang của ống chảy truyền. f π ( d C L
Do đó, số đơn vị chuyển khối: m L yT = k y L f L g tbL = k L y
- Vẽ đường cong cân bằng ycb = f (x)
- Xây dựng đường nồng độ làm việc đoạn chưng, đoạn luyện với chỉ số hồi lưu thích hợp
- Dựng các đoạn thẳng vuông góc với ox, các đường này cắt đường làm việc tại: A1,
A2,…A9 ; và cắt đường cân bằng ycb = f(x) tại C1, C2 …C9 từ đó xác định BC theo công thức
- Tại mỗi giá trị của x góc nghiêng của đường cân bằng: m y cb − y x− x cb
Tại mỗi giá trị x, có các điểm A, B và C tương ứng với đường làm việc, đường cân bằng và đường cong động học Điều này cho thấy mối quan hệ giữa các điểm này trong hệ thống, với A là điểm làm việc, C là điểm cân bằng và B là điểm động học chưa xác định.
Để xác định các điểm B trên đường cong động học giữa A và C, ta chọn các giá trị của x và tính toán hệ số phân bố vật chất m, tương ứng với hệ số góc của đường cân bằng Tiếp theo, tính hệ số chuyển khối Ky, số đơn vị chuyển khối myT và tỷ số Cy tương ứng Những kết quả này sẽ giúp xác định vị trí của các điểm B trong quá trình phân tích.
-Thống kê lại ta được các công thức tính toán để vẽ được đường cong động học:
Tính Ky 1 1 β y + m β x với β x , β y : Hệ số cấp khối pha lỏng và hơi
( m 2 kmol s kmol kmol ) m : Hệ số phân bố vật chất
Ky : Hệ số chuyển khối
- Tính C y = e m yT ; AC = y cb − y ; BC = AC C y m
Nối chúng lại ta được đường cong động học của quá trình.
BẢNG SỐ LIỆU VẼ ĐƯỜNG CONG ĐỘNG HỌC x 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 xcb 0,06576 0,1383 0,27596 0,299
Từ bảng trên ta có đường cong động học là:
Từ đồ thị đường cong động học ta thấy số đĩa thực tế N tt = 27 trong đó: N tt C # và t 1 ' = 4
3.3 Hiệu suất tháp - Chiều cao tháp:
Chiều cao tháp được tính theo công thức IX.54 STQTTB II _ 169
Chiều dày của đĩa δ = 2mm = 0,002 m
Ntt : Số đĩa thực tế của tháp
Hđ : Khoảng cách giữa các đĩa chọn Hđ = 0,45(m) (II-169)
0,8 ¿ 1 : Khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị,chọn 0,8(m)
Vậy chiều cao tháp là :
Quy chuẩn chiều cao tháp là 13(m)
IV TÍNH TRỞ LỰC CỦA THÁP:
Theo STQTTB II _ 192 : ΔPP= Ntt ΔPP d
Số đĩa thực tế của tháp ΔPP d được tính bằng tổng trở lực của một đĩa, cụ thể là ΔPP d = ΔP P k + ΔP Ps + ΔP Pt Trong đó, ΔP Pk là trở lực của đĩa khô (N/m²), ΔP Ps là trở lực do sức căng bề mặt (N/m²), và ΔP Pt là trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa, hay còn gọi là trở lực thủy tĩnh (N/m²).
1 Trở lực của đĩa khô:
Tính trở lực của tháp
Theo STQTTB II _ 192 : ΔPP= Ntt ΔPP d
Số đĩa thực tế của tháp ΔPP d được xác định bởi tổng trở lực của một đĩa, được tính bằng công thức ΔPP d = ΔP P k + ΔP Ps + ΔP Pt Trong đó, ΔP Pk là trở lực của đĩa khô, ΔP Ps là trở lực do sức căng bề mặt, và ΔP Pt là trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa, hay còn gọi là trở lực thủy tĩnh Tất cả các giá trị này đều được đo bằng đơn vị N/m².
1 Trở lực của đĩa khô:
Trở lực của toàn tháp bao gồm các yếu tố chính như tổn thất áp suất khi dòng khí đi qua đĩa khô, tổn thất do sức căng bề mặt, và tổn thất do lớp chất lỏng trên đĩa, đồng thời cần bỏ qua sự biến đổi chiều cao của lớp chất lỏng này.
Trở lực của toàn tháp làm việc được xác định theo công thức : ΔP Pk = ξ ρ y w
2 ( N/ m 2 ) (theo STQTTB II _ 194 ) Trong đó : ξ : Hệ số trở lực, thường ξ = 4,5 ¿ 5 Chọn ξ = 5
Gọi F là mặt cắt tự do của tháp f là mặt cắt tự do của rãnh Chọn f = 10% F
Theo phương trình dòng liên tục ta có lưu lượng đi trong tháp bằng lưu lượng đi trong tất cả các rãnh, vì vậy ta có w TH F = w o f
Với w TH : Tốc độ khí qua rãnh của chóp
Theo tính toán ở phần đường kính ta có : Đoạn chưng :
Ta có: DC = 0,0188 √ ( ρ y g w tb y ) tbC
Trở lực đĩa khô đoạn chưng là : ΔP PkC 2
Trở lực đĩa khô đoạn luyện là : ΔP PkL 2
2 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt:
Theo STQTTB II _ 192: ΔP Ps 4.σ d td
Trong đó : σ : Sức căng bề mặt ( N/ m 2 ) dtd : Đường kính tương đương khe rãnh chóp
2.1 Sức căng bề mặt của dung dịch trên đĩa:
Theo bảng I.242 tra sức căng bề mặt phụ thuộc nhiệt độ Đoạn luyện : t = ttbL h,765 o C kết hợp bảng I-242 STQTTB tập 1 ta có bảng sau : t 0 C t1 ttbL t2 t 0 C 60 68,765 80 σ ( N/ m 2 ) σ 1 tbL σ 1 σ A(CH3COCH3) 18,6 ? 16,2 σ B(CH3COOH) 23,8 ? 21,8
Sử dụng công thức nội suy ta có σ A ,5482 10 -3 ( N/ m 2 ) σ B",9235.10 -3 ( N/ m 2 )
Sức căng bề mặt đoạn luyện :
Vậy σ L=9,9394.10 -3 ( N/ m 2 ) Đoạn chưng: t = ttbL ,24 o C kết hợp bảng I-242 STQTTB tập 1 ta có bảng sau : t 0 C t1 ttbC t2 t 0 C 80 95,24 100 σ A(CH3COCH3) 16,2 ? 13,8 σ B(CH3COOH) 21,8 ? 19,8
Sử dụng công thức nội suy ta có σ A ,3712 10 -3 ( N/ m 2 ) σ B ,276.10 -3 ( N/ m 2 )
Sức căng bề mặt đoạn chưng:
2.2 Đường kính tương đương của khe rãnh chóp:
Khi rãnh chóp mở hoàn toàn : dtd 4.f x π π : Chu vi rãnh π = 2.( a + hr ) fx : Diện tích tự do của rãnh Chọn rãnh hình chữ nhật → fx = a.hr
Chiều rộng khe chóp thường được chọn từ 2 đến 7 mm, với a = 5 mm Chiều cao khe chóp được ký hiệu là hr (mm) Hệ số trở lực ξ có giá trị từ 1,5 đến 2, trong đó ξ được chọn là 2 Khối lượng riêng trung bình của hơi được ký hiệu là ρy (kg/m³) và gia tốc trọng trường g là 9,81 m/s² Đường kính ống hơi được ký hiệu là dh, với giá trị dh = 0,05 m.
Page 63 n : Số chóp phân bố trên đĩa
- Lưu lượng hơi đi trong tháp đoạn chưng
Chiều cao khe chóp đoạn chưng hr ξ w 2 ρ y g ρ x =
- Lưu lượng hơi đi trong tháp đoạn luyện
Chiều cao khe chóp đoạn luyện
Quy chuẩn chiều cao khe chóp đoạn chưng và đoạn luyện hr = 0,021(m) Đường kính tương đương của khe rãnh chóp Đoạn chưng dtd 4.f x π π : Chu vi rãnh π = 2.( a + h) dtd 4.f x π =
2 0,005 0,021 = 8,0769.10 -3 (m) Đoạn luyện: dtd 4.f x π π : Chu vi rãnh π = 2.( a + hr) fx : Diện tích tự do của rãnh Chọn rãnh hình chữ nhật → fx = a hr dtd 4.f x π =
Vậy trở lực do sức căng bề mặt là: ΔP Ps 4.σ d td
3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa ( trở lực thủy tĩnh ): ΔP Pt ρ b g.( h b − h 2 r ) [ N/m 2 ]
Trong đó: g : gia tốc trọng trường hr : Chiều cao khe chóp ρ b : Khối lượng riêng của bọt Thường ρ b = 0,4 ¿ 0,6 ρ x Đoạn chưng ρ x = 903,3758 kg/m 3 → ρ b
3.1 Chiều cao ống chảy chuyền nhô trên đĩa: hc = ( h1 + hr + S ) - ΔP h
Trong đó : h1 : Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp h1 = 15 ¿ 40mm, chọn h1 = 20 mm
S : Khoảng cách mặt đĩa đến chân chóp S = 0 ¿ 25mm, chọn S = 10mm
- Tính chiều cao mức chất lỏng ở bên trên ống chảy chuyền ΔP h 3 √ ( 3600.1,85 V π d C ) 2
V : Lưu lượng chất lỏng chảy qua m 3 /h dC : Đường kính ống chảy chuyền
+ Chiều cao mức chất lỏng bên trên ống chảy chuyền đoạn chưng
Lưu lượng chất lỏng chảy qua
+ Chiều cao mức chất lỏng bên trên ống chảy chuyền đoạn luyện
Lưu lượng chất lỏng chảy qua
Vậy chiều cao ống chảy chuyền nhô trên đĩa là: h1 : Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp h1 = 15 ¿ 40mm, chọn h1 = 20 mm
- Đoạn chưng: hc = ( h1 + hr + S ) - ΔP h hc = (20 + 21+ 10) – 24,7 = 26,3(mm)
- Đoạn luyện: hc = ( h1 + hr + S ) - ΔP h hc = (20 + 21 + 10) – 15,09 = 35,91(mm)
Quy chuẩn chiều cao ống chảy chuyền nhô trên đĩa đoạn chưng và đoạn luyện: hc 36(mm)
3.2 Chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa: hx = ( S + h 2 r )
S : Khoảng cách mặt đĩa đến chân chóp, chọn S = 10 mm hr : Chiều cao khe chóp Đoạn chưng hx = ( S + h 2 r ) = 10 + 21 2 = 20,5mm Đoạn luyện hx = ( S + h 2 r ) = 10 + 17 2 = 18,5 mm
3.3 Phần bề mặt đĩa có gắn chóp:
( Nghĩa là trừ đi 2 phần diện tích đĩa để bố trí ống chảy chuyền ) (II-185)
F = Ftháp – 2.Fvách chảy chuyền π ( D 2 t ) 2 −2 π ( d 2 c ) 2 Đoạn chưng:
3.4 Tổng diện tích các chóp trên đĩa: f = 0,785.d 2 ch.n (II-185)
Trong đó: n là số chóp trên đĩa n 0,1 D t 2 d h 2 2 2
→ Quy chuẩn n = 79 dch là đường kính chóp dch = dch= 0,1 10
0 , 035 chọn δch = 0,002m(theo sổ tay QTTB tập II –IX214)
3.5 Chiều cao ống chảy chuyền trên mặt đĩa: hch = hc + ΔP + δch (II-185)
Chọn σ ch = 2 mm = 0,002 m Đoạn chưng hch = 26,3 + 24,7 + 2 = 53(mm) Đoạn luyện hch = 36 + 15,09 + 2= 53,09(mm)
3.6 Chiều cao lớp bọt trên đĩa: hb (h C +ΔP−h x ).(F−f ).ρ x +h x ρ b f+(h ch −h x ).f.ρ b
⇒ Trở lực thủy tĩnh ΔP Pt ρ b g.( h b − h 2 r ) [ N/m 2 ]
TỔNG TRỞ LỰC CỦA MỘT ĐĨA ĐOẠN CHƯNG LÀ : ΔPP dC = ΔPP kC + ΔPP sC + ΔPP tC = 212,0897+4,16506+216,7939C3,0486 N/m 2 TRỞ LỰC ĐOẠN CHƯNG LÀ : ΔPP C = N TT 2 ΔPP dC = 23 2 433,0486 = 229082,7094 N/m 2
TỔNG TRỞ LỰC CỦA MỘT ĐĨA ĐOẠN LUYỆN LÀ: ΔPP dL =ΔPP kL + ΔPP sL + ΔPP tL = 191,2237 +5,145155 +218,743A5,1118 N/m 2 TRỞ LỰC ĐOẠN LUYỆN LÀ : ΔPP L = N
= 4 2 415,1118 = 6641,7888 N/m 2 TRỞ LỰC CỦA TOÀN THÁP : ΔPP = ΔPP L + ΔPP C = 229082,7094 +6641,7888 = 235724,4982 N/m 2
Tính cân bằng nhiệt lượng
1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu
Theo STQTTB II _ 196 : QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 ( J/h )
QD1 : Nhiệt lượng do 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 ra môi trường xung quanh ( J/ h )
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 2 at, dựa vào toán đồ hình I.62 STQTTB I _ 250 để xác định nhiệt độ sôi của dung dịch
Ta có nhiệt độ sôi ts = 119,62 o C
1.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
D1 : Lượng hơi đốt ( kg/h ) λ 1 : Hàm nhiệt ( nhiệt lượng riêng ) của hơi đốt ( J/ kg ) θ 1 : Nhiệt độ nước ngưng θ 1 = 119,62 o C
C1 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng ( J/ kg.độ ) r1 : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt ( J/ kg )
Theo bảng số liệu nhiệt hóa hơi STQTTB I _ 314 r1 = 527(kcal/kg) = 527 4,1868.10 3 (J/kg)"06,4436.10 3 (J/kg)
1.2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:
Theo STQTTB II _ 196: Qf = F Cf tf (J/h)
F : lượng hỗn hợp đầu F= 10300 kg/h
Theo bảng số liệu nhiệt dung riêng STQTTB I _ 171 ta có:
CCH3COCH3 = 2180( J/ kg.độ ) ; CCH3COOH = 1994( J/ kg.độ )
Nồng độ hỗn hợp đầu af = aF = 0,34
Thay số vào ta có :
Từ đó ta tính được nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào :
1.3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:
Theo STQTTB II _ 196: QF = F CF tF
F : Lượng hỗn hợp đầu ( kg/h )
CF : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra ( J/ kg.độ ) tF : Nhiệt độ của hỗn hợp đầu sau khi đun nóng tF = 82,8964 o C
Theo bảng số liệu nhiệt dung riêng STQTTB I _ 171 ta có:
Sử dụng công thức nội suy ta có:
→CCH3COCH3 = 2379,4133( J/ kg.độ ) ; CCH3COOH= 2332,5095( J/ kg.độ )
Nồng độ hỗn hợp đầu af = aF = 0,34
Thay số vào ta có :
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra
1.4 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
Theo STQTTB II _ 197: Qng1 = Gng1 C1 θ 1 = D1 C1 θ 1
Gng1 : Lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt D1 ( kg/ h ) θ 1 : Nhiệt độ nước ngưng
1.5 Nhiệt lượng mất mát ra ngoài môi trường xung quanh:
Lượng nhiệt mất mát ra ngoài môi trường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn tính theo STQTTB II_197: Qxql = 0,05.D1.r1 (J/h)
1.6 Lượng hơi đốt cần thiết:
Theo STQTTB II _ 97, lượng hơi đốt được tính :
2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện STQTTB II _ 197
QF + QD2 + QR = Qy + QW + Qxq2 + Qng2 ( J/ h ) Trong đó:
QF : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp ( J/ h )
QD2 : Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp ( J/ h )
QR : Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào ( 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 )
Qxq2:Nhiệt lượng do hơi mang ra môi trường xung quanh ( J/ h )
Qng2 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra ( J/ h )
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 2 at, có nhiệt độ sôi = 119,62 o C
2.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp:
Trong đó: λ 2 : Hàm nhiệt của hơi đốt (nhiệt lượng riêng ) ( J/ kg ) θ 2 : Nhiệt độ nước ngưng ( o C ) r2 : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt ( J/ kg )
C2 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng ( J/ kg.độ )
2.2 Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào:
Theo STQTTB II _ 197 : QR = GR CR tR
GR : Lượng lỏng hồi lưu ( kg/ h ) tR : Nhiệt độ của lượng lỏng hồi lưu ( o C )
CR : Nhiệt dung riêng của lượng lỏng hồi lưu
P : Lượng sản phẩm đỉnh; P = 3720,705( kg/ h )
Rx : Chỉ số hồi lưu Rx = 0,6246
Lượng lỏng hồi lưu ( sau khi qua thiết bị ngưng tụ ) ở trạng thái sôi, có nồng độ bằng nồng đố của hơi ở đỉnh tháp x = xp = 0,9224
Theo bảng số liệu nồng độ- nhiệt độ sôi STQTTB II _ 145: tR = tp = 58,4832 o C
- Nhiệt dung riêng của lượng lỏng hồi lưu
CR = CA.aR + CB (1 – aR ) với aR = aP =0,92
Theo bảng số liệu nhiệt dung riêng STQTTB I _ 171 ta có:
Sử dụng công thức nội suy ta có:
→ CCH3COCH3= 2300,0704( J/ kg.độ ) CCH3COOH!98,8851( J/ kg.độ ) Thay số vào ta có :
2.3 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp
Theo STQTTB II _ 197: Qy = P ( 1+ Rx ) λ d ( J/ h )
Trong đó: λ d : Hàm nhiệt, nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp ( J/ kg )
P : Lượng sản phẩm đỉnh ( kg/ h )
Rx : Chỉ số hồi lưu thích hợp
Với λ 1 ,λ 2 : Nhiệt lượng riêng của rượu etylic và nước ( J/ kg ) λ 1 = r
R = 58,4832 o C Theo số liệu ở trên ta có
CCH3COCH3= 2300,0704( J/ kg.độ ) và CCH3COOH!98,8851( J/ kg.độ )
Với tR = 58,4832 o C tra bảng STQTTB I _ 254, nội suy ta được:
Sử dụng công thức nội suy, ta tính được giá trị rCH3COCH3 là 34,30336 kcal/kg Đối với axit acetic, từ toán đồ, giá trị rCH3COOH là 5 kcal/kg Cụ thể, r1 = 124,30336 kcal/kg tương đương với 520,4333 x 10^3 J/kg, và r2 là 5 kcal/kg tương đương với 282,609 x 10^3 J/kg.
→ λ 2 (2,609.10 3 +2198,8851 58,4832= 411206,8371 J/ kg a : Nồng độ phần khối lượng a = aP = 0,92
Thay các giá trị vào λ d = λ 1 a+λ 2 (1−a )
Vậy nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp:
2.4 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra:
Theo STQTTB II _ 197: QW = W CW tW
W : lượng sản phẩm đáy W = 6579,295( kg/h )
CW : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy J/ kg.độ
Từ tW = 116,0912 o C ta nội suy theo số liệu bảng I.171 ta được: t t1 tW t2 t 100 116,0912 120
Sử dụng công thức nội suy ta có:
→ CA = 2483,2736 J/ kg.độ ; CB = 2514,4788J/ kg.độ
Nồng độ sản phẩm đáy aW = 0,012
CW = CA aW + ( 1 - aW ) CB
Thay số vào ta tính được nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra
2.5 Nhiệt lượng mất mát ra ngoài môi trường:
Lượng nhiệt mất mát ra ngoài môi trường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp tính theo STQTTB II _ 198 :
2.6 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra ngoài:
Theo STQTTB II _ 198: Qng2 = Gng2 C2 θ 2 = D2 C2 θ 2
Trong đó Gng2 : Lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt ( kg/ h )
2.7 Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp là:
3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ:
Thiết bị ngưng tụ ở điều kiện áp suất thường P = 1 at
3.1 Nếu chỉ ngưng tụ hồi lưu thì:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn theo STQTTB II _ 198: P Rx rng = Gn1 Cn ( t2 – t1 )
Lượng nước lạnh cần tiêu tốn là :
Gn1 : Lượng nước lạnh cần tiêu tốn ( kg/h ) t1 , t2 : Nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh ( o C )
Cn : Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình ( J/ kg.độ ) rng : Ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp ( J/ kg )
- Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t = 0,5 (t + t )
Tra bảng I.149 _ 168 ta được Cn = 0,99 4,1868 10 3 = 4144,932( J/ kg.độ )
Ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp được tính bằng công thức rng = aP rA + (1 - aP) rB, trong đó tP = 58,4832 °C Theo bảng tra, ta có r1 = 124,30336 kcal/kg (tương đương 520,4333.10^3 J/kg) và r2 = 5 kcal/kg (tương đương 282,609.10^3 J/kg) Tính toán ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp cho kết quả rng = 0,92 520,4333.10^3 + (1 - 0,92) 282,609.10^3 = 501,4073.10^3 J/kg.
3.2 Nếu ngưng tụ hoàn toàn:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn theo STQTTB II _ 198: P ( Rx + 1) r = Gn Cn ( t2 – t1 )
Lượng nước lạnh cần thiết là :
4 Cân bằng nhiệt lượng tại thiết bị làm lạnh:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh ( coi là làm lạnh sau khi đã ngưng tụ hoàn toàn ) theo STQTTB II _ 198
Gn2 : Lượng nước lạnh tiêu tốn ( kg/h ) t1 , t2 : Nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh ( o C ) t 1 ' , t ' 2 : Nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ ( o C )
CP : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ ( J/ kg.độ )
Cn : Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình ΔP ttb
Sản phẩm đỉnh sau ngưng tụ ở trạng thái sôi : nhiệt độ vào chính bằng nhiệt độ sôi ở đỉnh tháp t 1 ' = 58,4832 o C
Nhiệt độ sau khi làm lạnh t ' 2 = 25 o C
= 41,7416 o C Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ theo bảng số liệu nhiệt dung riêng – nhiệt độ I.153 tại t ' tb = 41,7416 o C, nội suy ta có :
Sử dụng công thức nội suy ta có
→CA = 2245,6602( J/ kg.độ ) ; CB = 2109,3176 ( J/ kg.độ )
Nồng độ sản phẩm đỉnh aP = 0,85 phần khối lượng
CP = CA.ap + CB.(1 – aP)
⇒ Lượng nước lạnh cần thiết là :
Tính thiết bị phụ
Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Để nâng cao hiệu quả trong quá trình chưng luyện, hỗn hợp đầu thường được đưa vào tháp ở trạng thái lỏng sôi, giúp tối ưu hóa sự tiếp xúc giữa hai pha lỏng và hơi Quá trình này được thực hiện nhờ vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu.
Dựa trên tiêu chuẩn kinh tế và kỹ thuật, thiết bị ống chùm kiểu đứng được lựa chọn do hiệu quả cao Hơi nước bão hòa được sử dụng làm tác nhân đun nóng nhờ vào hệ số cấp nhiệt lớn và ẩn nhiệt ngưng tụ cao.
Trong thiết bị 2 lưu thể đi ngược nhau, hơi đốt di chuyển từ trên xuống, truyền ẩn nhiệt hóa hơi cho hỗn hợp lỏng gồm 34% aceton và 66% axit axetic đi từ dưới lên, dẫn đến quá trình ngưng tụ và thu hồi chất lỏng ra khỏi thiết bị.
Với lưu lượng 10300 kg/h, dung dịch đầu có nhiệt độ ban đầu 20°C cần được đun nóng lên 82,8964°C Để thực hiện quá trình này, chúng ta sử dụng thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm thẳng đứng, sử dụng hơi nước bão hòa để làm nóng hỗn hợp đầu.
Thiết bị gia nhiệt loại ống chùm thẳng đứng với các thông số :
Chiều cao ống ho = 1 m Đường kính ống d = 25 mm
Chiều dày thành ống δ = 2,5 mm
→ Đường kính trong của ống do = 20 mm
Dung dịch đi trong ống , hơi đốt ngoài ống.
Chọn vật liệu chế tạo ống là thép không rỉ 2X13
Theo II_313, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là λ = 22,2 ( W/ m.độ )
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa nên nhiệt độ không thay đổi và là nhiệt độ sôi ở áp suất đã chọn ( 2 at ) :119,62 o C
1 Hiệu số nhiệt độ trung bình: ΔP t1 = 119,62 – 20 = 99,62 o C ΔP t2 = 119,62 – 82,8964= 36,7236 o C
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể là : ΔP ttb ΔPt 1 −ΔPt 2 ln ΔPt 1 ΔPt 2 99,62 36,7236 99,62 ln36,7236
= 63,0260 o C Nhiệt độ trung bình của hơi đốt là ttb1 = 119,62 o C
Nhiệt độ trung bình của dung dịch là ttb2 = ttb1- ΔP ttb = 119,62 – 63,0260 V,594 o C
Trong đó : m : Lượng dung dịch cần đun nóng ( kg/ s ) m = F = 10300 kg/ h 10300
CP : Nhiệt dung riêng của dung dịch ( J / kg.độ ) td , tc : Nhiệt độ vào và ra của dung dịch ( o C )
Theo bảng số liệu bảng STQTTB I _ 171 ta có : t t1 T t2 t 40 56,594 60
→CA = 2293,9305( J / kg.độ ) ; CB = 2188,7779( J / kg.độ )
CP = CA aF + CB (1 – aF )
3 Diện tích trao đổi nhiệt:
Ký hiệu nhiệt độ trong hệ thống hơi nước bao gồm: th, nhiệt độ hơi đốt - hơi nước bão hòa ở 2 at (o C), với giá trị th = tbh1 = 119,62 o C Các nhiệt độ khác gồm tT1 (nhiệt độ mặt ngoài ống), tT2 (nhiệt độ mặt trong ống) và tdd (nhiệt độ dung dịch), cùng với các hiệu nhiệt độ ΔP t1, ΔP t2 và ΔP tT Cụ thể, ΔP t1 được tính bằng th - tT1, ΔP t2 bằng tT2 - tdd, và ΔP tT bằng tT1 - tT2.
Page 81 δ : Chiều dày thành ống ( m ) tm : Nhiệt độ màng nước ngưng ( o C ) tm = 0,5 (th + tT1 ) q1 : Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ ( W/ m 2 ) q2 : Nhiệt tải riêng phía dung dịch ( W/ m 2 ) α 1 : Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ ( W/ m 2 độ) α 2 : Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch ( W/ m 2 độ)
3.1 Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ: α 1 = 2,04 A
A : Phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm ΔP t : Hiệu nhiệt độ giữa hơi đốt và mặt ngoài ống ( o C )
H : Chiều cao ống H = ho = 1m r : Ẩn nhiệt hóa hơi lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa th ( J/ kg )
Theo bảng số liệu Nhiệt hóa hơi – t o STQTTB I _ 314: r = 2206,4436.10 3 (J/kg)
3.2 Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch: Để xác định được hệ số cấp nhiệt phía dung dịch thì cần phải dựa vào chế độ chảy của dung dịch và cấu tạo của thiết bị.
Chọn chế độ chảy xoáy Re = 10 4
Phương trình chuẩn số cấp nhiệt đối lưu cưỡng bức STQTTB II _ 14
Nu = 0,021 ε 1 Re 0,8 Pr 0 , 43 ( Pr Pr t ) 0, 25
Trong đó : ε 1 : Hệ số hiệu chỉnh h o d o =
0,02 = 50 Với Re = 10 4 dựa vào bảng V.2 STQTTB II _ 15 tra được → ε 1 = 1 a Chuẩn số Nuytxen:
Nu α.l λ α : Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch ( W/ m 2 độ) α = α 2 l : Kích thước hình học chủ yếu ( m ) λ : Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ( W/ m.độ)
Theo công thức I.32 STQTTB _ 123 λ = A CP ρ √ 3 M ρ ( W/ m.độ )
A : Hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của dung dịch Aceton và acetic là hỗn hợp lỏng không liên kết A = 4,.22.10 -8
CP : Nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.độ) CP = 2224,52978(J/kg.độ)
Khối lượng riêng của aceton và axit acetic nội suy theo ttb2 = 56,594 o C ở STQTTB I.2 trang 9 ta có: t 0 C t 1 t o tb2 t 2
Sử dụng công thức nội suy ta có:
Nồng độ khối lượng của dung dịch aF = 0,34
Thay số vào ta được ρ hh = 902,28( kg/ m 3 )
Nồng độ phần mol của dung dịch là xF= 0,3476
M=xF.MCH3COCH3+(1-xF)MCH3COOH
3 902, 28 59,3048 =0,2099 ( W/ m.độ) b Chuẩn số Reynolt: Để quá trình truyền nhiệt đạt hiệu quả, dung dịch phải ở chế độ chảy xoáy Chọn Re
= 10000 c Chuẩn số Prand của dòng tính theo nhiệt độ dòng:
C P μ : Độ nhớt của dung dịch ( N.s/ m 2 )
Theo bảng I.101 STQTTB I – 91,với nhiệt độ dung dịch ttb2 V,594 o C ta có: μ 1 = 0,23647 ( N.s/ m 2 ) μ 2 = 0,73406 ( N.s/ m 2 )
Theo công thức I.93, ta có : lg μ =xF.lg( μ 1)+(1- xF) lg ( μ 2) = 0,3476.lg 0,23647 + (1– 0,3476).lg 0,73406 → μ = 0,4951 cP = 0,4951 10 -3 ( N.s/ m 2 )
Thay số vào ta được
→ Nu = 0,021 ε 1 Re 0,8 Pr 0 , 43 ( Pr Pr t ) 0, 25
= 0,021 1 10000 0,8 5,247 0,43 ( Pr Pr t ) 0 ,25 = 67,89 ( Pr Pr t ) 0 ,25 e Tổng nhiệt trở thành ống:
Tổng nhiệt trở của ống được tính bằng công thức ∑ r = r1 + r2 + δ λ T (m².độ/W), trong đó r1 là nhiệt trở do lớp cặn bên ngoài thành ống với giá trị r1 = 0,116.10^-3 (m².độ/W), r2 là nhiệt trở do lớp cặn bên trong thành ống với giá trị r2 = 0,116.10^-3 (m².độ/W) Chiều dày của thành ống được xác định là δ = 2,5 mm = 2,5.10^-3 m, và λ T là hệ số dẫn nhiệt của thành ống, đơn vị tính là (W/m.độ).
= 0,345 10 -3 (m 2 độ/W ) f Tính nhiệt tải trung bình:
Gọi ΔP t1 là nhiệt độ chênh lệch giữa thành ống và nhiệt độ trung bình của hơi nước bão hòa ΔP t1 = 4 o C
Theo bảng số liệu A – tm STQTTB II _ 29, nội suy ta được A = 186,93
Vậy hệ số cấp nhiệt phía hơi nước bão hòa :
4.1 = 14204,81 ( W/ m 2 độ ) Nhiệt tải riêng bên hơi nước bão hòa: q1 = α 1 ΔP t1 204,81 4 = 56819,243( W/ m 2 )
Khi đó hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt thành ống được xác định theo công thức sau : ΔP tT = tT1 – tT2 = q1 ∑ r
Do đó ΔP tT = tT1 – tT2 = q1 ∑ r = 56819,243 0,345.10 -3 = 19,6 o C tT2 = tT1 - ΔP tT = 115,62 –19,6 = 96,02 o C
Theo bảng I.101 STQTTB I _ 91, với nhiệt độ dung dịch 96,02 o C ta được μ 1 = 0,176 cP ; μ 2 = 0,479 cP Thay vào công thức lg μ t = xF.lg( μ 1) + (1– xF).lg( μ 2) = 0,3476.lg 0,176 + ( 1 – 0,3476 ) lg 0,479 → à t = 0,339 cP
Khối lượng riêng của rượu etylic và nước nội suy theo STQTTB I _ 9 ở tT2 = 96,02 o C ρ A p0,577( kg/ m 3 ); ρ B = 962,577( kg/ m 3 ) Theo STQTTB II _ 183 ta có : ρ t =( a ρ F A
Vậy nhiệt tải trung bình là : qtb q 1 +q 2
3.3 Diện tích trao đổi nhiệt:
Số ống truyền nhiệt cần dùng là : no 6,984 o o 0,02.1
Chọn cách sắp xếp theo hình lục giác, gọi a là số ống trên một cạnh hình lục giác a 8
Số ống trên dường chéo lục giác b = 2 a – 1 = 15 ống
Tổng số ống là no = 3a( a – 1 ) + 1 = 3 8 7 + 1 = 169 ống Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt tính theo công thức:
D = t ( b – 1 ) + 4.d STQTTB II _ 49 Trong đó : Đường kính ngoài của ống d = 0,025 m
Bước ống thường chọn là t = 1,2 d =1,2.0,025 = 0,03 m
- Vận tốc dung dịch trong ống
Theo giả thiết ( chế độ chảy xoáy với Re = 10 4 ) wGT 4 3
Tốc độ chảy thực tế của thiết bị gia nhiệt được xác định theo công thức sau w TT G ρ.n.π.d 2
G : Lượng hỗn hợp đầu ( kg/ h ) ρ : Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp đầu ( kg/ m 3 ) d : Đường kính trong của ống chảy chuyền ( m )
Thay số vào ta có : w TT = 2
Vì vậy ta tiến hành chia ngăn ngoài thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, số ngăn được xác định theo công thức sau : w GT w TT 0, 27436 0,05972 =4,594 ngăn
→ Quy chuẩn ta chia thiết bị làm 5 ngăn
Tính bơm và thùng cao vị
Bơm hoạt động liên tục trong quá trình chưng luyện, vận chuyển dung dịch từ bể chứa lên thùng cao vị Mức chất lỏng trong thùng cao vị được duy trì ổn định nhờ ống chảy tràn, giúp đảm bảo áp suất ổn định cho quá trình cấp liệu.
Lưu lượng bơm GB = F 300 kg/h
Ho là chiều cao tính từ mặt thoáng bể chứa dung dịch đến mặt thoáng thùng cao vị (m).
H1 chiều cao tính từ đáy tháp đến đĩa tiếp liệu (m).
H2 chiều cao tính từ nơi đặt bơm đến đáy tháp (m).
Z chiều cao tính từ đĩa tiếp liệu đến mặt thoáng thùng cao vị (m).
1 Các trở lực của quá trình cấp liệu :
1.1 Trở lực trong ống dẫn thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt : ΔPP ml = ΔPP ms1 + ΔPP cb1 ( N/ m 2 ) ΔPP ms1 : Trở lực ma sát ( N/ m 2 ) ΔPP cb1 : Trở lực cục bộ ( N/ m 2 )
Chọn chiều dài ống L1 = 3 m Đường kính ống d = 0,15 m
- Thế năng vận tốc chất lỏng trong ống : ΔPP wl = ρ 1 w 2 01
Nhiệt độ của dung dịch lúc đầu: t = 20 o C Khối lượng riêng của CH3COCH và
CH3COOH (I-9) theo t ta có ρ A = 791 kg/m 3 , ρ B = 1048 kg/m 3
→ Vận tốc chất lỏng trong ống ( m / s ) wo1 = 1 0,785.3600 2
- Trở lực ma sát : Áp suất để thắng trở lực ma sát ΔPP ms1 = λ
( N/ m 2 ) Trong đó : λ : Hệ số ma sát
Nhiệt độ dung dịch trong ống là t = 20 o C
Theo bảng I.101 STQTTB _ 91 xác định độ nhớt theo nhiệt độ t = 20 o C ta có : μ A = 0,322 cP ; μ B = 1,21 cP lg μ 1 = xF lg μ A + ( 1- xF ) lg μ B
Xác định λ theo công thức II.65 STQTTB I_ 380
Chọn ống làm bằng thép không rỉ, ta tra được độ nhám tuyệt đối ε = 0,1 10 -3 m ( STQTTB I _ 381 ) ΔP= ε
- Trở lực cục bộ ΔPP cb1 = ∑ ξ ΔPP w 1
Trong đó: ξ : Hệ số trở lực cục bộ
Các trở lực cục bộ trong ống gồm
+ Trở lực cửa vào từ thùng cao vị vào ống, với cạnh nhẵn ξ = 0,5
+ Trở lực do đột mở từ ống vào thiết bị gia nhiệt
Thiết bị có đường kính d = 0,475 m
Tiết diện đầu thiết bị chia 5 ngăn là : f1 2 2
= 0,03542( m 2 ) Tiết diện ống là : fo = 0,785 do 2 = 0,785 0,15 2 = 0,0176(m 2 )
Số van trên đường ống dẫn 1 van, chọn van mở 50% ta có ξ = 2,1
+ Trở lực do ống chuyển hướng 2 lần với góc chuyển là 90 o C ξ = 1,19
Trở lực trong ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt :
Page 91 ΔPP m1 = ΔPP ms1 + ΔPP cb1 + ΔPP w1
Vậy áp suất để thắng trở lực cục bộ và ma sát là : h m 1 =ΔPP m1 ρ 1 g =
1.2 Trở lực trong ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt đến tháp: ΔPP m2 = ΔPP ms 2 + ΔPP cb2
Trong đó : ΔP Pm2 : Trở lực ma sát ( N/ m 2 ) ΔP Pms2 : Trở lực cục bộ ( N/ m 2 ) ΔP Pcb2 : Trở lực cục bộ ( N/ m 2 )
Chiều dài ống L2 = 0,5 m Đường kính ống do = 0,15 m
Thế năng vận tốc của chất lỏng trong ống : ΔP Pw2 ρ 2 w 2 02
2 ( N/ m 2 ) Trong đó : ρ 2 : Khối lượng riêng dung dịch sau khi gia nhiệt ( kg/ m 3 ) ρ 2 = ρ F ở tF,8964 0 C
Với tF,8964 0 C sử dụng bảng khối lượng riêng tập I trang 9 và công thức nội suy ta có:
- Vận tốc dung dịch trong ống ( m/ s ):
- Trở lực ma sát ΔP Pms2 λ L 2 d o ΔPP w 2
( N/ m 2 ) Trong đó : λ : Hệ số ma sát
Nhiệt độ dung dịch trong ống là t = tF = 82,8964 o C, xác định độ nhớt theo nhiệt độ bảng I 101 STQTTB _ 91: t 0 C t 1 t F t 2
Sử dụng công thức nội suy ta có:
Nồng độ dung dịch x = 0,3476 phần mol
Xác định λ theo công thức II _ 464
√ λ =−2.lg [ ( Re 6 , 81 ) 0,9 + 3,7 ΔP ] λ= ( − 2.lg [ ( Re 6 , 81 ) 0,9 + 3,7 ΔP ]) −2 = 2.lg 6,36047.10 6,81 4 0,9 0,67.10 3,7 3 2 = 0,0223
- Trở lực cục bộ ΔP Pcb2 = ∑ ξ ΔPP w 2 ( N/ m 2 ) Trong đó : ξ : Hệ số trở lực cục bộ
Các trở lực cục bộ trong ống gồm :
+ Trở lực do đột thu từ thiết bị gia nhiệt vào ống :
+ Trở lực cửa ra từ ống vào tháp ξ = 1
+ Trở lực do van : Coi van mở 50% thì ξ = 2,1
+ Trở lực do ống chuyển hướng với góc chuyển là 90 o C ξ = 1,19 ΔP Pcb2 = (0,3012+ 1 + 2,1 + 1,19 ) 15,084 = 69,2536
Vậy áp suất để thắng trở lực cục bộ và ma sát là : h m2 =ΔPP m2 ρ g
869, 23.9,81 ΔPP m3 = ΔPP ms 3 + ΔPP cb 3 ( N/ m 2 ) Trong đó : ΔP Pcb3 : Trở lực cục bộ ( N/ m 2 ) ΔP Pms3 : Trở lực ma sát ( N/ m 2 )
- Thế năng vận tốc của chất lỏng trong ống truyền nhiệt : ΔPP w = ρ w 2
Trong đó : ρ : Khối lượng riêng dung dịch trong ống ( kg/ m 3 ). ρ = ρ hh = 902,28( kg/ m 3 ) w : Vận tốc dung dịch trong ống truyền nhiệt ( m/ s )
Thiết bị chính chia 5 ngăn w = 5 wTT = 5 0,05972= 0,2986 ( m/ s )
- Trở lực ma sát ΔP Pms3 λ L d o ΔPP w
L : Chiều dài ống truyền nhiệt do chia 5 ngăn L = 5 1 = 5 m do : Đường kính ống truyền nhiệt do = 0,02 m λ : Hệ số ma sát Độ nhớt dung dịch trong ống μ = 0, 4951 cP = 0, 4951 10 3 ( N/ m 2 )
Xác định λ theo công thức II _ 464
Với loại ống thép không gỉ ta đã chọn, theo bảng I _ 464, ta có độ nhám tuyệt đối ε
= 0,1 mm Độ nhám tương đối ΔP= ε d tđ =0,1
- Trở lực cục bộ ΔPP cb3 = ∑ ξ ΔPP w
Trong đó : ξ : Hệ số trở lực cục bộ
Các trở lực cục bộ trong thiết bị gia nhiệt gồm :
+ Trở lực do đột thu từ đầu thiết bị vào chùm ống
Thiết bị có số ống truyền nhiệt n0 = 169 ống chia làm 5 ngăn
Tiết diện chùm ống ở 1 ngăn là :
sử dụng nội suy bảng tranng 464 tập I-STQTTB ta có : → ε = 0,38035
+ Trở lực do đột mở từ chùm ống ra đầu thiết bị : ξ=( 1− f f 2 1 ) 2 = ( 1 – 0, 2995) 2 = 0,4907
+ Trở lực do dòng chuyển hướng 6 lần với góc chuyển là 90 o C : ξ = 1,19
= 462,3907+ 40, 2245 +379,115911,7311( N/ m 2 ) Áp suất để thắng trở lực cục bộ và ma sát trong thiết bị gia nhiệt :
1.4 Xác định trở lực đường ống từ thùng chứa đến thùng cao vị :
Xác định tốc độ chảy từ thùng chứa đến thùng cao vị w = 4 F
F : Năng suất hỗn hợp đầu F = 10300 ( kg/ h) ρ : Khối lượng riêng dung dịch trước khi gia nhiệt ( kg/ m 3 )
Nhiệt độ của dung dịch lúc đầu : t = 20 o C
Nhiệt độ của dung dịch lúc đầu: t = 20 o C Khối lượng riêng của CH3COCH và
CH3COOH (I-9) theo t ta có ρ A = 791 kg/m 3 , ρ B = 1048 kg/m 3
Chọn đường kính ống dẫn d = 0,15 m
→ Vận tốc dung dịch trong ống ( m / s )
Thay số vào ta có : w = 4 F
Để tính toán trở lực tiêu tốn khi thắng toàn bộ sức cản trên đường ống đẩy và hút, ta sử dụng công thức hm0 ΔPP ρ.g (I _ 485) Trong đó, ΔPP là áp suất toàn phần cần thiết để vượt qua tất cả sức cản thủy lực trong điều kiện dòng chảy đẳng nhiệt, được xác định bởi ΔPP = ΔP Pđ + ΔP Pm + ΔP Pcb + ΔP Pt + ΔP Pk.
Page 97 ΔP Pđ : Áp suất đẩy cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống dẫn ΔP Pm : Áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng ΔP Pcb : Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ ΔP Pt : Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị ΔP Pk : Áp suất bổ sung cuối đường ống ΔP Pk = 0
- Áp suất động học : ΔP Pđ 2 2
- Áp suất khắc phục trở lực ma sát : ΔP Pm λ L d td ρ w 2
- Áp suất khắc phục trở lực ma sát : ΔP Pm λ L d td ρ w 2
L : Chiều dài ống dẫn chọn 3m dtđ : Đường kính tương đương λ : Hệ số trở lực ma sát xác định theo công thức :
Chọn độ dài đường ống là 3m, chất liệu làm bằng thép tráng kẽm ε = 0,1.10 -3
Trong đó ΔP là độ nhám tương đối : ΔP ε d tđ =0,1
= 3,1808.10 4 > 10 4 Vậy lưu thể ở chế độ chảy xoáy, hệ số trở lực được xác định theo công thức trên :
Thay số vào ta có :
- Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ : ΔP Pcb = ∑ ξ ρ w
Hệ số trở lực cục bộ của toàn bộ đường ống được xác định bằng công thức ξ = ξ 1 + ξ 2 + ξ 3 + 2 ξ 4, trong đó ξ 1 là hệ số trở lực do các van, ξ 2 là hệ số trở lực do đột thu, ξ 3 là hệ số trở lực do đột mở, và ξ 4 là hệ số trở lực của trục khuỷu.
→ Tổng trở lực của hệ thống ống dẫn : ΔPP = ΔP Pđ + ΔP Pm + ΔP Pcb = 94,596+ 6,9225 + 13,895 = 115,4135 ( N/ m 2 )
Vậy tổn thất áp suất để khắc phục trở lực trong hệ thống ống dẫn từ nguyên liệu đầu vào thùng cao vị : hm0 ΔPP ρ.g =
2 Tính chiều cao của thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu:
Viết phương trình Becnuli cho hai mặt cắt 1-1 và 2-2 ( lấy 2-2 làm mặt chuẩn )
Áp suất tại mặt cắt 1 và 2 được xác định, với vận tốc dung dịch tại mặt cắt 1 (w1) được coi là 0 do tiết diện thùng cao lớn hơn nhiều so với tiết diện ống Tại mặt cắt 2, vận tốc dung dịch (w2) là 0,1863 m/s Khối lượng riêng của dung dịch trước khi gia nhiệt là ρ1 = 3,7464 kg/m³, trong khi khối lượng riêng sau khi gia nhiệt là ρ2 = 869,23 kg/m³.
Do môi trường làm việc là hỗn hợp lỏng – hơi nên: P = Plv + Ptt N/ m 2
Với Plv : Áp suất hơi làm việc N/ m 2
Ptt : Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng N/ m 2 Ptt = ρ x g H
H : Chiều cao lớn nhất của cột chất lỏng (m) H = 13 m g : Gia tốc trọng trường
869, 23 kg m / 3 = ρ x ΔPh m = ΔPh m 0 + ΔPh m1 + ΔPh m 2 + ΔPh m 3 =0,01246+0,0101+0,01002 + 0, 0996 = 0,1321 m
3 Chiều cao làm việc bơm:
Chiều cao hút của bơm là: Hh = 13 – 1 = 12 m
Chiều cao đẩy của bơm là: Ho = Z + HC + h ’ + hđ h ' khoảng cho phép từ đĩa dưới cùng với nắp, chọn h ’ = 0,45 m hđáy = 0,4 m
Chiều cao làm việc của bơm:
4 Áp suất toàn phần của bơm _ Năng suất của bơm:
- Áp suất toàn phần do bơm tạo ra :
- Công suất yêu cầu trên trục bơm được xác định theo công thức :
Q : Lưu lượng thể tích của bơm ( m 3 / s )
( m 3 / s ) η: hiệu suất chung của bơm η = ηo.ηtl.ηck
Trong bảng I-trang 439 tập 1 STQTTB, hiệu suất thể tích do hao hụt từ áp suất cao xuống áp suất thấp được xác định là ηo = 0,95 Hiệu suất thủy lực, tính đến ma sát và sự tạo dòng xoáy trong bơm, có giá trị ηtl = 0,85 Cuối cùng, hiệu suất cơ khí, bao gồm ma sát cơ khí ở bề mặt ổ lót trục, được ghi nhận là ηck = 0,9.
Vậy hiệu suất toàn phần của bơm: η = 0,95.0,85.0,9 = 0,72675
- Thay số vào ta có : N 3,031.10 943,7464.9,81.383
Chọn bơm có công suất : 1,5 (kW)
Công suất của động cơ điện :
Nđc N η đc η tr ηtr - hiệu suất truyền động: ηtr = 1 ηđc- hiệu suất truyền động cơ: ηđc = 0,8
Để đảm bảo an toàn, thường người ta lựa chọn động cơ có công suất lớn hơn công suất tính toán, nhằm tạo ra lượng dự trữ và khả năng chịu quá tải cho bơm.
= 1,4 1,8375 = 2,5725(kW). β : hệ số dự trữ công suất (tra I-440)
Tính toán cơ khí và lựa chọn
Khi chọn vật liệu cho thân tháp, cần lưu ý rằng thân hình trụ là bộ phận chính của thiết bị hóa chất Tùy thuộc vào điều kiện làm việc, vật liệu và phương pháp chế tạo sẽ được lựa chọn phù hợp Trong trường hợp đồ án này, thân tháp hoạt động ở áp suất thường và nhiệt độ không cao, với dung dịch chứa rượu aceton và axit axetic Do đó, thép không gỉ loại X18H10T được chọn làm vật liệu cho thân tháp, vì đây là loại vật liệu bền và chịu nhiệt tốt.
Nó được chế tạo bằng cách cuốn tấm vật liệu với kích thước đã định sau đó hàn giáp mối lại.
Chiều dày của thân hình trụ được tính theo công thức :
Dt : đường kính trong của thân hình trụ [ m ] ϕ : Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc
C : Số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày [ m ]
P : Áp suất trong của thiết bị [ N / m 2 ]
Do môi trường làm việc là hỗn hợp lỏng hơi nên :
Với Plv : Áp suất hơi làm việc [ N / m 2 ]
Ptt : Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng [ N / m 2 ]
Với H : Chiều cao lớn nhất của cột chất lỏng [ m ] ρ : Khối lượng riêng của chất lỏng [ kg/ m 3 ] g : Gia tốc trọng trường g = 9,81 m / s 2
Ta có chiều cao cột chất lỏng HL = 13 m
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong tháp : ρ x = 869,23[ kg/ m 3 ]
Để tính toán sức bền của thiết bị, trước tiên cần xác định ứng suất cho phép của vật liệu thép X18H10T Ứng suất cho phép của thép được tính dựa trên giới hạn bền khi kéo và khi chảy theo công thức đã nêu.
Hệ số an toàn nk và nc được xác định theo giới hạn bền và giới hạn chảy σk, σc, với η là hệ số hiệu chỉnh Đối với thiết bị loại II và phương pháp đốt nóng trực tiếp, chọn η = 0,9 Theo bảng XIII.3 trong tài liệu STQTTB II _ 356, giá trị của nk là 2,6 và nc là 1,5.
Tra giới hạn bền khi kéo và khi chảy ở STQTTB II _ 310 có : σ k = 540 10 6 N/ m 2 ; σ c = 220 10 6 N/ m 2
So sánh hai kết qủa ứng suất cho phép theo giới hạn bền khi kéo và giới hạn bền khi chảy ta chọn [ σ ] theo giá trị bé hơn, nên [ σ ] = 132 10 6 N/ m 2
Thiết kế hàn được thực hiện theo phương pháp hàn tay bằng hồ quang điện, sử dụng kiểu hàn giáp mối hai bên thành có lỗ Đặc biệt, mối hàn được gia cố hoàn toàn với thông số ϕ = ϕ h = 0,95, theo tiêu chuẩn STQTTB II _ 362.
C : Bổ sung ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị.
C1 = 1mm = 0,001m ( do thép trên có tốc độ ăn mòn 0,05 – 0,1 mm/ năm )
C2 : Bổ sung do hao mòn
Khi đó chiều dày của tháp là :
- Kiểm tra ứng suất thành thiết bị bằng nước theo áp suất thử
Theo STQTTB II _ 366 ứng suất theo áp suất thử phải thỏa mãn điều kiện : σ=[ D t +(s−C)] P 0
1,2 Trong đó Po : Áp suất thử tính toán.
P1 : Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng
Tra ở bảng XIII 5 nên Pth = 1,5 P = 1,5 2,089.10 5 = 3,13.10 5 [ N / m 2 ]
1,2 3,33.10 6 thỏa mãn điều kiện bền Vậy chiều dày của tháp S = 4 mm
2 Tính chóp và kích thước cơ bản của chóp: Đường kính trong ống hơi dh = 0,05 m.
Số ống chảy truyền trên mỗi đĩa chọn m = 1
Số ống hơi phân bố trên đĩa n = 79 ống
- Chiều cao của chóp phía trên ống dẫn hơi
- Đường kính của chóp d ch =√ d 2 h + ( d h + 2 δ ch ) 2 = √ 0 , 05 2 + ( 0 ,05+ 2 0 , 002 ) 2 = 0 , 0736 m
→Quy chuẩn là dch=0,08(m) cm
+ Chiều cao khe chóp đoạn chưng hr = 0,02069 m
+Chiều cao khe chóp đoạn luyện hr = 0,01666 m
Quy chuẩn chung cho cả tháp hr = 0,021 m = 21 mm
- khoảng cách giữa các khe: C = 4 mm
- Số lượng khe hở của mỗi chóp i π
- Đường kính ống chảy chuyền: Đường kính ống chảy chuyền đoạn chưng d c C = 0,1155 (m) =0,1917 (m) Đường kính ống chảy chuyền đoạn luyện d c L = 0, 02628
Quy chuẩn chung cho cả tháp d
- Chiều cao ống chảy truyền nhô trên đĩa
Chiều cao mức chất lỏng bên trên ống chảy chuyền đoạn chưng: ΔP h = 0,0247 m
Chiều cao mức chất lỏng bên trên ống chảy chuyền đoạn luyện: ΔP h = 0,01509 m
Quy chuẩn chiều cao ống chảy chuyền nhô trên đĩa đoạn chưng và đoạn luyện: hc 36(mm)
- Bước tối thiểu của chóp trên đĩa
Theo STQTTB II _ 237 : tmin = dch + 2 δ ch + l2
Trong đó : dch = 0,08 m δ ch : Chiều dày chóp, thường lấy δ ch = 2 ¿ 3 mm l2 = h2 + 0,25 dch = 12,5 + 0,25 80 = 32,5 mm
- khoảng cách từ tâm ống chảy truyền đến tâm chóp gần nhất:
1 2 2 1 c ch c ch d d t l l 1 khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy truyền thường chọn l1 = 75 mm Đoạn chưng:
= 153,549 = 164,74 mm5 mm Quy chuẩn chung tl = 215 mm
3 Tính đáy và nắp thiết bị: Đáy và nắp thiết bị là một bộ phận quan trọng của thiết bị và thường được chế tạo cùng loại vật liệu với thân tháp.Vì tháp làm việc ở áp suất thường và thân trụ hàn nên ta chọn đáy và nắp thiết bị hình elip có gờ đối với thiết bị thẳng đứng có P > 7 10 4
2 h b +C Trong đó : Pn = Po = 9,808.10 5 ( Pa )
[ σ ] : Ứng suất cho phép ( N/ m 2 ) ϕ h : Hệ số bền mối hàn k : Hệ số hiệu chỉnh hb : Chiều cao nắp ( m ) hb = 0,25Dt m
C : Hệ số hiệu chỉnh C = 1,8 10 -3 m và có tăng thêm một chút tùy thuộc chiều dày :
- Thêm 1 mm khi 10 mm < S – C < 20 mm
Chiều cao phần lồi của đáy, với Dt = 1,4 m hb = 350 mm hay hb=0,25Dt=0,35m
ϕ h : Hệ số bền mối hàn hướng tâm nếu có.
Chọn hàn theo phương pháp hàn bằng tay bằng hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối hai bên.
k hệ số không thứ nguyên, được xác định: k = 1 - d
Với d đường kính lớn nhất ( hay kích thước lớn nhất của lỗ không phải hình tròn ), của
Do sự khác biệt về đường kính ống ở đáy và nắp, cần tính hệ số k cho từng phần Cụ thể, đường kính ống tháo sản phẩm ở nắp là 100 mm.
> 50 Nên ta có thể bỏ p ở mẫu số của công thức tính chiều dày của đáy và nắp
Vậy chiều dày của nắp
Ta thấy S – C < 10 mm nên ta phải tăng C lên 2 mm, khi đó C = 3,8 mm
Kiểm tra áp suất thành ở áp suất thử thủy lực theo công thức : σ = [ D 2 t +2 h b ( S−C ) ] P o
1,2 3,33.10 6 thỏa mãn điều kiện bền Vậy chiều dày của nắp S = 5 mm
Ta thấy S – C < 10 mm nên ta phải tăng C lên 2 mm, khi đó C = 3,8 mm
Kiểm tra áp suất thành ở áp suất thử thủy lực theo công thức : σ = [ D 2 t +2 h b ( S−C ) ] P o
1,2 N/ m 2 [ STQTTB II _ 386 ] Kiểm tra đối với nắp
Thỏa mãn điều kiện bền, vậy chiều dày đáy tháp là 5 mm
Chiều cao phần lồi hb (mm)
Bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị.
Có nhiều kiểu bích khác nhau, nhưng trong trường hợp tháp làm việc ở áp suất thường, ta chọn mặt bích liền bằng thép kiểu I để kết nối nắp và đáy với thân tháp Để thực hiện việc nối giữa thân tháp và nắp, đáy, sử dụng mặt bích liền bằng thép không rỉ với đường kính tháp là 1400 mm.
Theo bảng XIII.27, trang 421, sổ tay QTTB tập 2 Để đảm bảo bích làm việc ổn
Theo STQTTB II _ 421 ta có :
Chiều dày bích h = 25 mm Để nối ống dẫn vào thiết bị ta dùng kiểu bích bằng vật liệu là CT3
Dối với tháp có đường kính là 1,4(m) ta tra bảng IX.4 trang 170 STQTTB tập 1 ta có khoảng cách giữa 2 bích là 2000 mm
Số bích đoạn luyện là :n1 =HL/2,8/2=5,4 bích
Số bích đoạn chưng là :n2 =HC/2=2,2/2=1,1 bích
Vậy tổng số bích là :n=n1+n2+2=6+1+2=9 bích
Trong đó có 2 bích để nối nắp và đáy chóp với tháp
Số bích 9 cặp bích và Bước bích 2 m
5 Tính đường kính các ống dẫn : Đường kính ống dẫn được tính theo công thức sau : d = √ 3600 π 4 w G C x z ρ x = √ 0 , 785 V w (STQTTB II _ 236)
Lưu lượng của các chất chuyển động trong ống được đo bằng m³/s, trong khi vận tốc của chúng được tính bằng m/s Ống dẫn sản phẩm đỉnh, nối giữa nắp tháp và thiết bị ngưng tụ, đóng vai trò quan trọng trong quá trình này Hỗn hợp thoát ra từ đỉnh tháp có nhiệt độ đạt 58,4832 °C.
Lượng hơi ở đỉnh tháp : gđ = 103,9403( kmol/ h )
Lưu lượng thể tích hơi ở đỉnh tháp:
Tháp làm việc ở áp suất thường với hơi quá nhiệt chọn w = 30 ¿ 50 ( m/ s )
Chọn vận tốc hơi là w = 30 m/ s Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh là : d 0, 7853
0, 785.30 = 0,1826 m2,6 mm Chọn d1 0 mm, khi đó chiều dài ống bên ngoài l1 = 130 mm [ II _ 434 ]
Vận tốc thực tế hơi ta được: 2 2
d m/s b Đường kính ống chảy chuyền:
Chọn vận tốc lỏng qua ống chảy chuyền là w = 0,15 m/s
Chọn số ống chảy chuyền với mỗi đĩa z = 1 Đường kính ống chảy chuyền đoạn chưng d c C = 0,1155 (m) =0,1917 (m) Đường kính ống chảy chuyền đoạn luyện d c L = 0, 02628
Nhiệt độ của hỗn hợp đầu: tF = 82,8964 0 C
Khối lượng riêng của hỗn hợp CH3COCH3 và CH3COOH được tính theo công thức :
[ I _ 5 ] Tra khối lượng riêng theo I _ 9 t t1 t t2 t 80 82,8964 100
Sử dụng công thức nội suy ta có: ρ A = 715,2346 kg/m 3 , ρ B = 977,669 kg/m 3 Thay số vào công thức (1) ta có:
Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu:
869, 23.3600 = 3,291.10 -3 (m 3 /s) Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu là : d 3, 291.10 3
Quy chuẩn d = 120 mm, khi đó chiều dài ống ở bên ngoài l = 120 mm(theo bảng trang
Vận tốc thực tế hơi ta được:
m/s d Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy:
Hỗn hợp được tháo là hỗn hợp lỏng có nồng độ là x = xW = 0,0124 phần mol; nhiệt độ hỗn hợp là t = tW = 116,0912 o C.
Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng được tính theo công thức : w 1 w
[ I _ 5 ] Tra khối lượng riêng theo I _ 9 có t t1 T t2 t 100 116,0912 120
Sử dụng nội suy ta có: ρ A = 670,472 kg/m 3 , ρ B = 929,035 kg/m 3
Khối lượng sản phẩm đáy là : We79,295 kg/ h
Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu:
924, 755.3600 = 1,976.10 -3 (m 3 /s) Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu là:d 1,976.10 3
Quy chuẩn d = 100 mm, khi đó chiều dài ống ở bên ngoài l 0 mm(theo bảng trang
Vận tốc thực tế hơi ta được:
m/s e Đường kính ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu:
Lượng hơi ngưng tụ hồi lưu là: GR 3720, 705.0,6246
= 0,6455 kg/s Nhiệt độ của hơi ngưng tụ hồi lưu: tR = 58,4832 o C
Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng được tính theo công thức :
1 ρ=a P ρ A +1−a P ρ B [ I _ 5 ] Tra khối lượng riêng theo I _ 9 có :
Lưu lượng thể tích của hơi ngưng tụ:
911, 605 = 7,0809.10 -4 (m 3 /s) Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu là : d 7, 0809.10 4
= 0,05483 m Quy chuẩn d`mm khi đó chiều dài ống ở bên ngoài l = 100 mm.
Vận tốc thực tế hơi ta được:
m/s f Ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu:
Lượng hơi sản phẩm đáy hồi lưu: gđ=g1 ’ = 130,6072(kmol/h)
Nhiệt độ của hơi sản phẩm đáy là t = tW = 116,0912 o C
Lưu lượng thể tích của hơi sản phẩm đáy hồi lưu:
=1,1582 (m 3 /s) Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu là : d 1,1582 0,785.25 =0,2429 m Quy chuẩn d = 250 mm, khi đó chiều dài ống ở bên ngoài l = 140 mm.
Vận tốc thực tế hơi ta được: 2 2
G = GT + GN-Đ + GB + Gbl + GĐ + GÔ + GL ( Kg ) Trong đó :
GT : Khối lượng thân tháp trụ ( kg )
GN-Đ : Khối lượng nắp và đáy tháp ( kg )
GB : Khối lượng bích ( kg )
Gbl : Khối lượng bulông nối bích ( kg )
GĐ : Khối lượng đĩa trong tháp ( kg )
GÔ : Khối lượng ống chảy chuyền ( kg )
GL : Khối lượng chất lỏng điền đầy tháp ( kg ) a Khối lượng thân tháp trụ:
Khối lượng riêng của thép là ρ T = 7,9.10 3 kg/ m 3 Đường kính trong của thân tháp Dt = 1,4 m
Chiều dày thân tháp 4 mm
Khối lượng thân tháp là :
4,2283 kg b Khối lượng nắp và đáy tháp:
Theo các thông số của nắp và đáy đã chọn :
Bề mặt trong của nắp, đáy tháp được tra theo II _ 382, ta được F = 2,24 m 2
Chiều dày của nắp, đáy tháp lấy chung S = 5 mm
Khối lượng nắp và đáy tháp là :
GN-Đ = 2 F S ρ T = 2.2,24.5.10 -3 7,9.10 3 6,96 kg c Khối lượng bích:
Các thông số của bích đã chọn : Đường kính trong của bích Dt = 1400 mm Đường kính ngoài của bích D = 1540 mm
kg d Khối lượng bulông nối bích:
Với 9 bích, mỗi cặp cần 32 bulong các loại M20 ( khối lượng 0,15 kg/cái )
Khối lượng bulông nối bích là : Gbl = 10 32 0,15 = 48 kg e Khối lượng đĩa trong tháp:
Theo các thông số của đĩa đã chọn : Đường kính đĩa : D = 1,4 m
Khối lượng đĩa trong tháp là :
4 = 656,3667 kg f Khối lượng ống chảy truyền:
Khối lượng một ống chảy truyền là : mÔ π.[ ( D Ô + S ) 2 −D Ô 2 ]
Tháp có 27 đĩa ( 23 đĩa luyện và 4 đĩa chưng) thì cứ 1 đĩa lắp 1 ống chảy chuyền Số ống chảy chuyền là 27 ống.
= 1,0325 kg Khối lượng ống chảy chuyền là :
GÔ = nÔ mÔ =2,151.23 + 1,0325.4= 53,603 kg g Khối lượng chất lỏng điền đầy tháp:
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng ở trong tháp: ρ x = 869,23 kg/ m 3
kg → Khối lượng tháp là : G = GT + GN-Đ + GB + Gbl + GĐ + GÔ + GL ( Kg )
Trọng lượng tháp là P = G g 799,6435 9,81 = 1,9423.10 5 kg
Tải trọng tác dụng lên một tai treo là GC = P:4 1,9423.10 5
4 N = 4,8557.10 4 N Để đảm bảo an toàn ta chọn Gc = 6.10 4 N
Tải trọng cho phép trên1 tai treo
Khối lượng một tai treo 6.10 4 m 2 N/m 2 Mm kg
Chọn tai treo thiết bị thẳng đứng như hình vẽ :
Tấm lót cho tai treo bằng thép: phép trên1 tai treo thiểu của thành thiết bị khi không có lót thiểu của thành thiết bị khi có lót
Chọn tấm lót cho tai treo bằng thép:
Tải trọng cho phép trên1 tai treo
Chiều dày tối thiểu của thành thiết bị khi không có lót
Chiều dày tối thiểu của thành thiết bị khi có lót
Tải trọng cho phép trên 1 chân
Tải trọng cho phép trên đất
900 (chú ý:giá trị A và Dt lấy đối với đáy elip,vật liệu làm chân là thép CT3)
→ Tải trọng của cả 4 chân đỡ: 4.6.10 4 = 240000 (N) > P