Đề tài thiết kế thiết bị tháp mâm xuyên lỗ chưng cất hệ nước – acid propyonic năng suất nhập liệu 10,000 kgh

Có rất nhiều phương pháp để tạo ra một loại hóa chất đạt yêu cầu: cô đặc , trích ly, hấp thụ , chưng cất, ....Trong đồ án môn học này: với đề tài : tách hỗn hợp 2 cấu tử Nước – Acid Prop

TỔNG QUAN

Tổng quan về chưng cất

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng (cũng như hỗn hợp khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp ( nghĩa là tại cùng nhiệt độ thì áp suất hơi bão hòa của các cấu tử là khác nhau)

Thay vì đưa vào một pha mới để tạo tạo sự tiếp xúc giữa 2 pha như trong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi và ngưng tụ

Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau cơ bản giữa 2 quá trình là trong chưng cất tất cả các cấu tử đều bay hơi nhưng với mức độ khác nhau, còn trong cô đặc thì chỉ có một cấu tử bay hơi là dung môi (nước) và chất tan không bay hơi

Trong chưng cất thì ta sẽ thu được nhiều sản phẩm (thường thì có bao nhiêu cấu tử sẽ có bấy nhiêu sản phẩm) Nếu xét đơn giản hệ 2 cấu tử thì sẽ có 2 sản phẩm :

Sản phẩm đỉnh chủ yếu là các cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ).

Sản phẩm đáy là những cấu tử có độ bay hơi kém hơn (nhiệt độ sôi lớn hơn) Đối với hệ Acid Propyonic – Nước :

Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước có lẫn một ít Acid Propyonic

Sản phầm đáy là Acid Propyonic có lẫn một ít nước

1.1.2.Các phương pháp chưng cất

Trong thực tế thường sử dụng các phương pháp chưng cất sau đây:

- Chương cất đơn giản : Dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau Phương pháp này thường dùng để tách sợ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất.

- Chưng cất hơi nước trực tiếp : Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước.

- Chưng cất: là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hoà tan một phần hoặc hoà tan hoàn toàn vào với nhau Ngoài ra trong trường hợp các cấu tử của hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ sôi quá cao chưng cất được thực hiẹn ở áp suất thấp Nếu các cấu tử của hỗn hợp không hoá lỏng ở áp suất thường, chưng cất được thực hiện ở áp suất cao Đối với hệ Acid Propyonic – Nước ta chọn cách chưng cất đơn giản vì hệ 2 cấu tử trên dễ bay hơi, có nhiệt độ sôi khác nhau Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết sẽ tiến hành chưng cất nhiều lần.

1.1.3.Các thiết bị chưng cất

Có nhiều loại thiết bị chưng cất khác nhau được sử dụng , tuy nhiên các thiết bị sử dụng phải có điểm chung là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có 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 tháp mâm và tháp chêm

- Tháp mâm: thân hình trụ , thẳng đúng , bên trong có lắp những mâm, trên đó, pha hơi và pha lỏng tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo đĩa ta có các loại tháp : Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí dạng tròn , xupap,…;

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

- Tháp đệm: thân hình trụ , gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp là xếp ngẫu nhiên hay là xếp trật tự

Bảng 1.1 So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp chưng cất.

Tháp chêm Thấp mâm xuyên lỗ Tháp chóp Ưu điểm

Cấu tạo khá đơn giản , trở lực thấp.

Làm việc với chất lỏng bẩn nên dùng đệm cần có ρ≈ρ lỏng

Trở lực tương đối thấp, hiệu suất khá cao.

Khá ổn định, hiệu suất khá cao.

Do hiệu ứng thành, hiệu suất truyền khối thấp. Độ ổn định không cao , khó vận hành.

Khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng lên nên khó tăng năng suất.

Kết cấu khá phức tạp.

Không làm việc được với chất lỏng bẩn.

Trở lực lớn Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp.

Tổng quan về acid propyonic

1.2.1.Tính chất hóa lý của Acid Propyonic

Acid Propyonic là một loại acid carboxylic, no, đơn chức, mạch hở, dạng lỏng, không màu, có mùi hăng và khó chịu.

Công thức hoá học của Isopropyl Alcohol.

Acid Propyonic có thể tan trong nước, cồn, ether và chlorofom.

Các thông số vật lý cơ bản của Acid Propyonic:

Khối lượng phân tử: 74.08 g/mol. Điếm sôi: 82.3 O C. Điểm nóng chảy: -21 O C.

1.2.2.Ứng dụng của Acid Propyonic

Axit propyonic được sử dụng trong sản xuất thuốc diệt cỏ, hóa chất trung gian , hóa chất cao su, nhũ tương và dung môi thân thiện với môi trường cho các công thức phủ,hương vị trái cây nhân tạo, dược phẩm và sợi cenlullose tổng hợp biến tính (cellulose axetat propionat) Axit Propyonic ức chế sự phát triển của nấm mốc và các loại vi khuẩn khác nhau và được sử dụng làm chất bảo quản thực phẩm (đặc biệt là bánh mì và các loại bánh nướng khác dưới dạng muối Na hoặc Ca), thức ăn chăn nuôi (trực tiếp hoặc dưới dạng muối amoni) và ngũ cốc.

Bảng 2.1 Thành phần cân bằng lỏng – hơi của hỗn hợp cân bằng của Nước –

THIẾT LẬP VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Tính toán cân bằng vật chất

3.2 Tính toán cân bằng năng lượng

Chương 4: Tính toán thiết bị chính

Chương 5: Tính toán và lựa chọn thiết bị phụ đun.

Chương 6: Tính kinh tế (Không bắt buộc)

Tính giá thành thiết bị bao gồm chi phí vật tư (thép đen, thép không gỉ, vật liệu cách nhiệt) + chi phí nhân công chế tạo + chi phí thiết bị phụ: bơm, quạt, máy nén, động cơ hộp giảm tốc.

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

03 Bản vẽ khổ A1 để báo cáo hội đồng: quy trình công nghệ, thiết bị chính, thiết bị phụ

(nếu có) Tối thiểu 2 bản vẽ: quy trình công nghệ, thiết bị chính.

II Ngày giao đồ án:……… III Ngày hoàn thành đồ án: ……….

IV Ngày nộp đồ án:……….

Tp.HCM, ngày…….tháng …….năm 20 TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG THƯƠNG TP HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ: KHOA CNHH – BỘ MÔN: QTTB VÀ DẦU KHÍ

PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH &THIẾT BỊ

Sinh viên thực hiện đồ án: Trần Minh Mẫn MSSV: 2004210284

Cán bộ hướng dẫn: ThS Võ Phạm Phương Trang

Tên đồ án:Thiết kế thiết bị dạng mâm xuyên lỗ chưng cất hệ Acid Propyonic - nước năng suất nhập liệu 10,000 kg/h.

STT Hạn chót Nội dung hoàn thành CBHD ký tên

01 26/01/2024 Giao nhiệm vụ đồ án

03 15/03/2024 Thiết lập và thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ

04 22/03/2024 Tính toán cân bằng vật chất

05 05/04/2024 Tính toán cân bằng năng lượng

06 19/04/2024 Tính toán thiết bị chính

07 03/05/2024 Tính toán hoặc lựa chọn thiết bị phụ

08 10/05/2024 Tính kinh tế (nếu có)

(Phiếu theo dõi tiến độ được đóng vào đầu quyển báo cáo; sinh viên đánh máy điền thông tin cá nhân và tên đồ án,GVHD và SVTH có trách nhiệm điền nội dung hướng dẫn và ký tên vào bảng theo dõi đây là tiêu chuẩn đánh giá tính nghiêm túc thực hiện đồ án của SV, đồ án thực hiện trong 12 tuần, 1 trong những tiêu chí được phép bảo vệ là tối thiểu 10 chữ ký GVHD Nếu không thực hiện đúng tiến độ được giao, mỗi lần chậm tiến độ sẽ bị trừ 0,25 điểm)

GVHD: Th.S VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG iii

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

Nhận xét của cán bộ chấm hay hội đồng bảo vệ:

GVHD: Th.S VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG iv

1.1 Tổng quan về chưng cất 1

1.2.Tổng quan về acid propyonic 3

CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 4

2.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống chưng cất Nước – Propyonic Acid 4

2.2.1 Thuyết minh sơ đồ nguyên lý làm việc 5

2.2.2 Thuyết minh sơ đồ điều khiển tự động 5

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 7

3.1 Tính toán cân bằng vật chất 7

3.1.1 Các thông số cơ bản 7

3.1.2 Xác định suất lượng, phần mol dòng sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh 7

3.1.3 Xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp 8

3.1.4 Xác định phương trình làm việc 9

3.2 Xác định số mâm thực tế 14

3.3.1 Tính nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng sản phẩm đáy 17

3.3.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất: 18

GVHD: Th.S VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG v

4.3 Mâm lỗ- trở lực của tháp 27

4.3.2.Trở lực của đĩa khô 28

4.3.3.Trở lực do sức căn bề mặt 28

4.3.4 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra 29

4.3.5.Tổng trở lực của tháp 31

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THÁP 33

5.1.2 Kiểm tra độ bền với St 34

5.2 Đáy và nắp thiết bị 34

5.3 Mặt bích ghép thân, đáy và nắp 36

5.3.4.Ống dẫn hơi ở đáy tháp 40

5.3.5.Ống dẫn lỏng ra khỏi đáy tháp 40

5.5 Đường khính ống chảy truyền 43

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 44

6.1 Thiết bị trao đổi nhiệt 44

6.1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 44

GVHD: Th.S VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG vi

6.1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 48

6.1.3 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 53

6.1.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 57

6.1.5 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 61

GVHD: Th.S VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG vii

Ngày nay, công nghệ hóa học là một trong những ngành quan trong trong quá trình phát triển công nghiệp của đất nước Nhu cầu sử dụng hóa chất tăng cao Khả năng sử dụng hóa chất cũng đánh giá mức độ phát triển của một nước Do đó yêu cầu về chất lượng của hóa chất cũng là một đòi hỏi của nhiều ngành công nghiệp

Có rất nhiều phương pháp để tạo ra một loại hóa chất đạt yêu cầu: cô đặc , trích ly, hấp thụ , chưng cất, Trong đồ án môn học này: với đề tài : tách hỗn hợp 2 cấu tử Nước – Acid Propyonic bằng phương pháp chưng cất để đạt yêu cầu về nồng độ Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị như là một bước đầu giúp cho sinh viên làm quen với việc thiết kế quá trình và thiết bị công nghệ trong lĩnh vực này

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô Võ Phạm Phương Trang và các thầy cô trong bộ môn quá trình thiết bị vì đã hướng dẫn và hỗ trợ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án Cô đã cống hiến rất nhiều thời gian và tâm huyết trong việc giảng dạy và hướng dẫn cho em, giúp em hoàn thành đồ án một cách chỉn chu và hiệu quả hơn bao giờ hết Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn cô và chúc cô nhiều sức khỏe, hạnh phúc và thành đạt trong sự giảng dạy của cô.

GVHD: Th.S VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG viii

1.1 Tổng quan về chưng cất

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng (cũng như hỗn hợp khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp ( nghĩa là tại cùng nhiệt độ thì áp suất hơi bão hòa của các cấu tử là khác nhau)

Thay vì đưa vào một pha mới để tạo tạo sự tiếp xúc giữa 2 pha như trong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi và ngưng tụ

Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau cơ bản giữa 2 quá trình là trong chưng cất tất cả các cấu tử đều bay hơi nhưng với mức độ khác nhau, còn trong cô đặc thì chỉ có một cấu tử bay hơi là dung môi (nước) và chất tan không bay hơi

Trong chưng cất thì ta sẽ thu được nhiều sản phẩm (thường thì có bao nhiêu cấu tử sẽ có bấy nhiêu sản phẩm) Nếu xét đơn giản hệ 2 cấu tử thì sẽ có 2 sản phẩm :

Sản phẩm đỉnh chủ yếu là các cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ).

Sản phẩm đáy là những cấu tử có độ bay hơi kém hơn (nhiệt độ sôi lớn hơn) Đối với hệ Acid Propyonic – Nước :

Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước có lẫn một ít Acid Propyonic

Sản phầm đáy là Acid Propyonic có lẫn một ít nước

1.1.2.Các phương pháp chưng cất

Trong thực tế thường sử dụng các phương pháp chưng cất sau đây:

- Chương cất đơn giản : Dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau Phương pháp này thường dùng để tách sợ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất.

- Chưng cất hơi nước trực tiếp : Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước.

- Chưng cất: là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hoà tan một phần hoặc hoà tan hoàn toàn vào với nhau Ngoài ra trong trường hợp các cấu tử của hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ sôi quá cao chưng cất được thực hiẹn ở áp suất thấp Nếu các cấu tử của hỗn hợp không hoá lỏng ở áp suất thường, chưng cất được thực hiện ở áp suất cao Đối với hệ Acid Propyonic – Nước ta chọn cách chưng cất đơn giản vì hệ 2 cấu tử trên dễ bay hơi, có nhiệt độ sôi khác nhau Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết sẽ tiến hành chưng cất nhiều lần.

1.1.3.Các thiết bị chưng cất

Có nhiều loại thiết bị chưng cất khác nhau được sử dụng , tuy nhiên các thiết bị sử dụng phải có điểm chung là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có 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 tháp mâm và tháp chêm

- Tháp mâm: thân hình trụ , thẳng đúng , bên trong có lắp những mâm, trên đó, pha hơi và pha lỏng tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo đĩa ta có các loại tháp : Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí dạng tròn , xupap,…;

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

- Tháp đệm: thân hình trụ , gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp là xếp ngẫu nhiên hay là xếp trật tự

Bảng 1.1 So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp chưng cất.

Tháp chêm Thấp mâm xuyên lỗ Tháp chóp Ưu điểm

Cấu tạo khá đơn giản , trở lực thấp.

Làm việc với chất lỏng bẩn nên dùng đệm cần có ρ≈ρ lỏng

Trở lực tương đối thấp, hiệu suất khá cao.

Khá ổn định, hiệu suất khá cao.

Do hiệu ứng thành, hiệu suất truyền khối thấp. Độ ổn định không cao , khó vận hành.

Khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng lên nên khó tăng năng suất.

Kết cấu khá phức tạp.

Không làm việc được với chất lỏng bẩn.

Trở lực lớn Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp.

1.2.Tổng quan về acid propyonic

1.2.1.Tính chất hóa lý của Acid Propyonic

Acid Propyonic là một loại acid carboxylic, no, đơn chức, mạch hở, dạng lỏng, không màu, có mùi hăng và khó chịu.

Công thức hoá học của Isopropyl Alcohol.

Acid Propyonic có thể tan trong nước, cồn, ether và chlorofom.

Các thông số vật lý cơ bản của Acid Propyonic:

Khối lượng phân tử: 74.08 g/mol. Điếm sôi: 82.3 O C. Điểm nóng chảy: -21 O C.

1.2.2.Ứng dụng của Acid Propyonic

Xác định số mâm thực tế

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

120 Đồ thị cân bằng hệ Isopropionic - Nước

Hình 3.1 Đồ thị cân bằng x - y của hệ Nước – Acid Propyonic

Do điều kiện nhập liệu là lỏng bão hòa, ta có đường nhập liệu là đường: x = xF = 0.884.

Số mâm thực tế: N tt = N ¿

Nlt: số mâm lý thuyết

 tb : hiệu suất trung bình của thiết bị, là một hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng,  tb = f(α,μ). Độ nhớt của hỗn hợp lỏng (tra theo nhiệt độ): tb = (❑ 1 +❑ 2 +❑ 3 )

Xác định hiệu suất trung bình của tháp: α F = y

1− y × 1 − x x Trong đó: x: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng. y: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi. α F : độ bay hơi tương đối của hỗn hợp.

Hình 3.2 Biểu đồ xác định hiệu suất trung bình của thiết bị

Tại vị trí nhập liệu :

Với xF = 0.884 (Tra bảng IX.2a trang 145 [2]) yF = 0.9274. tF = 99.52 o C. α F = y ¿ F

+ Tra bảng I.101 trang 91, 92 [1] với 𝑡 F = 99.52 ℃, ta có: μN = 0.2858 (cP).

+ Tra Chemical Properties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 484 [3] với TF = 372.52 K, ta có công thức: log10nliq= A+ T B +C T + D T 2

Ta có công thức: lgμF = xF × lgμN + (1 – xF) × lgμA (I.12 trang 84 [1]) lgμF = 0.884 × lg ( 0.2858 )+( 1 − 0.884 ) ×lg ( 0.4519 )

Tra bảng (IX.11 số tay tập 2 trang 171) ta có η F = 56%.

Tại vị trí mâm đáy:

Với xW = 0.077, (Tra bảng IX.2a trang 145 [2]) yW = 0.301. tW = 112.77 o C. α W = y W ¿

+ Tra bảng I.101 trang 91, 92 [1] với 𝑡 W = 112.77 ℃, ta có: μN = 0.251 (cP).

+ Tra Chemical Properties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 484 [3] với Tw = 385.77 K, ta có công thức: log10nliq= A+ T B +C T + D T 2

 A = 0.4 (cP). lgμW = xW × lgμA + (1 – xW) × lgμN (I.12 trang 84 [1]) lgμW = 0.077 ×lg (0 251)+( 1− 0.077 ) ×lg (0.4 ) μW = 0.386 (cP)

Tra bảng (IX.11 số tay tập 2 trang 171) ta có η W = 52%.

Tại vị trí mâm đỉnh:

Với xD = 0.943(Tra bảng IX.2a trang 145 [2]) yD = 0.961. tD = 99.77 o C α D = y ¿ D

+ Tra bảng I.101 trang 91, 92 [1] với tD = 99.77 o C, ta có: μN = 0.2848 (cP) + Tra Chemical Properties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 484 [3] với TD = 372.77 K, ta có công thức: log10nliq= A+ T B + C T + D T 2

 A = 0.451 (cP). lgμD = xD × lgμA + (1 – xD) × lgμN (I.12 trang 84 [1]) lgμD = 0.943 ×lg ( 0.2848 )+ ( 1 − 0.943 ) ×lg ( 0.451 )

Tra bảng (IX.11 số tay tập 2 trang 171) ta có η F = 60%.

Hiệu suất trung bình tháp: tb = (❑ F +❑ W +❑ D )

Vậy số mâm thực tế là 20 mâm.

Cân bằng năng lượng

Hình 3.3 Sơ đồ quy trình cân bằng năng lượng cho quá trình.

QF: nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng sôi mang vào tháp.

Q1: nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng ở đáy mang ra khỏi tháp.

Q2: nhiệt lượng do hơi hơi bão hoà ở đáy mang vào trong tháp.

QR: nhiệt lượng do lỏng ở đỉnh hoàn lưu vào tháp.

Qy: nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp.

Qđ: nhiệt lượng do hơi đốt mang vào nồi đun Kettle.

QW: nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra.

Qng: nhiệt lượng do nước ngưng mang ra.

Qmt: nhiệt lượng thất thoát do toả ra ngoài môi trường.

3.3.1 Tính nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng sản phẩm đáy.

3.3.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất:

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

Thay (1) vào phương trình ta có:

0.95 x 2053333.33 734.11(kg/h). a) Tính nhiệt lượng do hỗn hợp (nguồn nhập liệu) đầu mang vào

GF∶ lượng hỗn hợp đầu (kg/h).

CF ∶ nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu

(J/kg.K) tF: nhiệt độ đầu của hỗn hợp ( o C).

+ Tra Chemical Properties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 484 [3] với TF = 372.52 K ta có công thức:

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:

Vậy QF = 10000 ×3536.97× 99.52 = 3519992544 (J/h). b) Tính nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp

Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp  D :

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

 A = rA + tD× CA và  N = rN + tD× CN

Tra số tay theo nhiệt độ tD = 372.77 K ta có:

Tra Chemical Properties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang

109 [3] với TD= 372.77 K ta có công thức:

Vậy Qy = GD × (1 + R) ×  D = 8076.92 x (1 + 0.626) x 2118790.37 27826226313 (J/h). c) Tính nhiệt lượng do dòng hồi lưu đỉnh mang vào

𝑄R = 𝐺R × 𝐶R × tR (IX.152 trang 196, [2]) Trong đó:

CR : nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra (J/kg.K). tR : nhiệt độ hỗn hợp khi đi ra khỏi thiết bị đun nóng ( o C)

+ Tra Chemical Properties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 484 [3] với TR= TD = 372.77 K ta có công thức:

QR = 5056.15 ×3819.754 × 99.77 = 1926882871 (J/h). d) Tính nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp

QW = GW × CW × t W (IX.160 trang 197, [2]) Trong đó: GW = 1923.08 (kg/h): lượng sản phẩm đáy

Cw : nhiệt dung rieng của sản phẩm đáy (J/kg.K)

Tw : nhiệt độ của sản phẩm đáy (K)

+ Tra Chemical Properties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 484 [3] với Tw = 385.77 K ta có công thức:

Ta có: QW = GW × CW × tW = 1923.08 x 2351.61 x 112.77 = 509983623.1 (J/h). e) Tính nhiệt lượng do hơi đốt mang vào

- D2: Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp (kg/h)

- r2: ẩn nhiệt hoá hơi (J/kg)

- λ 2: hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)

- 𝜃 2 𝑣à 𝐶 2 : nhiệt độ nước ngưng (K) và nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.K) Áp suất vào của hơi đốt là hơi nước bão hòa: Ở đáy là Acid Propyonic có Ts = 141.2 °𝐶

109 [3] với 𝜃2= 424.2 K ta có công thức:

18 10 −3 = 2053333.33 (J/kg). f) Tính nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

Qng2 = Gng2 × C2 × 𝜃 2 = D2 × C2 × 𝜃 2 (IX.161 trang 198, [2]) Trong đó: Gng2 = D2: lượng nước ngưng tụ (kg/h).

C2: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.K).

𝜃 2 : nhiệt độ của nước ngưng (K). g) Tính nhiệt lượng nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh

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

THIẾT BỊ CHÍNH

Đường kính tháp

Đường kính tháp được xác định theo công thức sau:

V tb : Lượng hơi trung bình đi trong tháp (m 3 /h). ω tb : Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s). g tb : Lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h).

4.1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp g tb = g đ + g 1

Trong đó: g đ : Lượng hơi trung bình đi trên cùng của tháp(Kg/h). g 1 : Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất(Kg/h).

G 1 : Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất r 1 : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất. r đ : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh. ¿ Tính r 1 :

109 [3] với TF= 372.52 K ta có công thức:

74.08 10 −3 = 383990.28 (J/kg). r1 = rN yF + (1-yF).rA = 2196111.1 x 0.9274 + (1 - 0.9274) x 383990.28 2064551.128 (J/kg). ¿ Tính r đ :

74.08 10 −3 = 383841.79 (J/kg). rđ = rN yD + (1-yD).rA = 2195555.56 x 0.961 + (1 - 0.961 ¿x 383841.79 2124898.72 (J/kg).

Giải hệ phương trình ta được:

4.1.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền: ω gh = 0.05 √ ρ ρ xtb ytb (IX.111) [ 2 ]

Trong đó: ρ xtb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng(Kg/m 3 ) ρ ytb : Khối lượng riêng trung bình của pha hơi(Kg/m 3 ) ¿ Xác định: ρ ytb ρ ytb = [ y tb × 46 + ( 1 − y tb ) × 18 ] × 273

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

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

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

+ Tra Chemical Properties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 208 [3] với t tb = 372.65K ta có công thức:

Suy ra: ρ xtb = ( x ρ tb N + 1 − ρ a x tb ) −1 ¿ ( 980.6 0.72 + 909.5 0.28 ) −1 ¿ 959.6(kg/m 3 )

Vậy: ω gh = 0.05 × √ ρ ρ xtb ytb =¿ 0.05 × √ 959.6 0.7 =1.85 m /s Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình trong tháp: ω h = 0.8 × ω gh = 0.8 ×1.85 = 1.48(m/s)

4.1.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp g tb ' = g n ' + g 1 '

2 (kg/h) (IX.96) [ 2 ] Trong đó: g n ' : Lượng hơi thứ ra khỏi đoạn chưng(Kg/h) g 1 ' : Lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h)

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào: g n '

= g 1 g n ' = g 1 516.95 kg / h Lượng hơi đi vào đoạn g 1 ' , lượng lỏng G1 và hàm lượng lỏng x 1 ' được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và nhiệt lượng sau:

{ G 1 ' g × x 1 ' × r 1 ' = G 1 ' =g 1 ' g = 1 ' × y n ' g ×r 1 ' +G W n ' + =g W G 1 W × r × x 1 W (**)(IX.98, IX.99, IX.100) [ 2] Với : G 1 ' :lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng. r 1 ' : ẩn nhiệt hóa hơi đi vào đĩa thứ nhất đoạn chưng. ¿ Tính r 1 ' : r 1 ' = r R1 ' × y W +( 1 − y W ) ×r ' N 1

Ta có: x W = 0.077 tra đồ thị cân bằng pha ta được: y W =0.3

109 [3] với TW= 385.77 K ta có công thức:

Từ hệ phương trình(**) ta được:

4.1.2.2.Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền: ω gh ' =0.05 √ ρ ρ ' ' xtb ytb (IX.111) [ 2 ]

+ ρ ' xtb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng(Kg/m 3 )

+ ρ ' ytb : Khối lượng riêng trung bình của pha hơi(Kg/m 3 ) ¿ Xác định ρ ' ytb : ρ ' ytb = [ y tb ' × 18+ ( 1− y tb ' ) × 74.08 ] × 273

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

+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t tb ' = t F + t W

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

Ta có: x tb ' = 0.184 suy ra t tb ' = 106.7 0 C

+ Tra Chemical Properties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 208 [3] với t tb ' = 379.7 K ta có công thức: ρ ' A = A B −(1− Tc T ) n = 0.32283 × 0.2592 −(1− 379.7 604 ) 0.2764 = 0.8182 g/cm 3 = 0.8182× 10 −3

+ Tra Chemical Properties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 208 [3] với t tb ' = 379.7 K ta có công thức: ρ ' N = A B −(1− Tc T ) n = 0.3471 × 0.274 −(1− 647.13 379.7 ) 0.2571 = 0.9737 g/cm 3 = 0.9737 ×10 −3

Vậy: ω gh =0.05 × √ 940.8 1.28 =1.356 (m/s). Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình trong tháp: ω h = 0.8 × ω gh = 0.8 ×1.356 = 1.085(m/s)

Vậy đường kính đoạn chưng: D chưng = 0 0188 √ 1.28 22071.675 × 1.085 = 2.37 ( m )

Kết luận: hai đường kính đoạn cất và chưng không chênh lệch nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là Dt = 2.4 (m).

Khi đó tốc độ làm việc thực ở:

Chiều cao tháp

Áp dụng công thức (IX.54) [ 2 ]:

N tt : số mâm thực tế.

H đ : Khoảng cách giữa các mâm (m). δ : Chiều dày của mâm (m).

Tra bảng IX.5/170, [2] chọn giá trị H đ P0 (mm), chọn δ =0.002( m)

Vậy chiều cao của đoạn tháp chưng cất là: 10.04 (m). ¿ Chiều cao đáy và nắp thiết bị:

Dựa vào Dt = 2.4 m tra bảng XIII.10[ 2 ]

Kết luận: Chiều cao toàn tháp là: H = Htháp + 2.H đáy(tháp) = 11.32 (m) ≈ 12 (m).

Mâm lỗ- trở lực của tháp

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền: Đường kính lỗ: d1 = 3 (mm) = 0.003 (m).

Tiết diện tự do bằng 10% diện tích mâm.

Chiều cao gờ chảy tràn : hgờ = 40 mm = 0.04 (m).

Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 15% diện tích mâm.

Lỗ bố trí theo hình lục giác đều.

Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 15 mm.

Bề dày mâm bằng 2 mm.

Mâm được làm bằng thép không rỉ.

0.003 ) 2 = 1778 lỗ Gọi a là số lỗ ở trên mỗi cạnh của hình lục giác:

Số lỗ trên đường chéo: b = 2a – 1 = 2 × 25 – 1 = 49 lỗ.

4.3.2.Trở lực của đĩa khô

Trong đó: ω o 2 : Tốc độ hơi qua lỗ(m/s). ρ H : Khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi)(kg/m 3 ). ξ : hệ số trở lực - ξ=1.82 (diện tích lỗ từ 7% - 10% diện tích tháp)

Chọn: ξ=1.45 (diện tích lỗ từ 15% - 20% diện tích tháp). ¿ Phần cất:

Vận tốc hơi qua lỗ: ω cất

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

4.3.3.Trở lực do sức căn bề mặt

Do đĩa có đường kính lỗ >1mm nên ta áp dụng công thức: Δ P σ = 4 σ

1.3 × d lỗ + 0.08 × d lỗ 2 (IX.142) [ 2] ¿ Phần cất:

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần cất là t tb = 99.645 o C tra bảng I.249/310 và I.242/300 [ 1 ].

+ Tra Chemical Prope.rties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 235 [3] với t tb = 372.645K ta có công thức:

647.13 ) 0.955 = 58.49 dyn/cm = 58.49 × 10 -3 N/m. Áp dụng công thức (I.76) [ 1 ]

Suy ra: Δ P σ cất = 1.3 × d 4 σ lỗ + 0.08 ×d lỗ 2 = 4 × 0.0143

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng là t tb ' = 106.15 o C tra bảng I.249/310 và I.242/300 [ 1 ]

+ Tra Chemical Prope.rties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 235 [3] với t tb = 372.645K ta có công thức:

647.13 ) 0.955 = 57.16 dyn/cm = 57.16 × 10 -3 N/m. Áp dụng công thức (I.76) [ 1 ]

4 Suy ra: Δ P σ chưng = 1.3 × d 4 σ lỗ +0.08 × d lỗ 2 = 4 ×0.0138

4.3.4 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra Áp dụng công thức:

+hb : chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa (m)

+ ρ x : khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m 3 )

+ K= 0.5 : tỉ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng chất lỏng.

*Tính chiều cao ống chảy truyền h c :

+ Lgờ : chiều dài của gờ chảy tràn , m.

+ Q L = n L × M L ρ L : suất lượng thể tích của pha lỏng, m 3 /s. ¿ Tính chiều cao của gờ chảy tràn:

Dùng phép lặp: suy ra α = 1.466 rad = 83.98.

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

Khối lượng mol trung bình của phần cất:

M tb =M n × x tb +( 1 −x tb ) × M a × 0.9135+( 1− 0.9135 ) × 74.08".85 kg/ kmol

Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần cất là:

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

2 = 0.4805 phần mol Khối lượng mol trung bình của phần chưng:

M tb ' = M n × x tb +( 1 − x tb ) × M a = 18× 0.4805 +( 1 − 0.4805) × 74.08 = 47.13 kg / kmol

Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần chưng là:

4.3.5.Tổng trở lực của tháp ¿ Phần cất: ΔP đ cất = ΔP k cất + Δp σ cất + ΔP t cất

= 87.20 + 14.66 + 305.95 = 407.81(N/m 2 ). Δ P cất = ΔP đ c ấ t × N = 407.81 × 20 = 8156.2 (N/m 2 ). ¿ Phần chưng: ΔP đ chưng = ΔP k chưng + Δp σ chưng + ΔP t chưng

Tổng trở lực toàn tháp:

TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THÁP

Bề dày thân tháp

Vì thân tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế than hình trụ bằng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp nối 2 phía Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích. Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm ta chọn thiết bị thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T.

Các thông số đặc trưng của thép:

(Tra bảng XII.7 trang 313, [2]) ta được ρ X 18H 10T y00(Kg/m 3 ).

Chọn bề dày của thép từ 4 ÷ 25 mm (Tra bảng XII.4 trang 310, [2]) ta được: Giới hạn bền khi kéo σ k = 550 × 10 6 (N/m 2 ).

Giới hạn bền khi chảy σ ch = 220 × 10 6 (N/m 2 ).

Theo (bảng XIII.2 trang 356, [2]) ta được hệ số điều chỉnh η = 0.9

(Tra bảng XIII.3 trang 356, [2]) ta được:

Hệ số an toàn theo giới hạn bền khi kéo n k =3.5.

Hệ số an toàn theo giới hạn bền khi chảy n ch =2.0.

Với (bảng XIII.8 trang 362, [2]) ta được hệ số bền hàn φ h =0.9. Ứng suất cho phép khi kéo (Tra công thức XIII.1 trang 355, [2])

3.5 ×0.9 = 141.429× 10 6 ¿ (N/m 2 ). Ứng suất cho phép khi chảy (Tra công thức XIII.2 trang 355, [2])

2.0 × 0.9 × 10 6 ¿(N/m 2 ). Ứng suất của thép[ σ ]= Min ¿(N/m 2 ).

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

+ Nhiệt độ tính toán: t = tmax = 120 0 C.

+ Áp suất tính toán: Tháp hoạt động ở áp suất thường nên:

+ Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp: ρ L = ρ Lchưng + ρ L cất

Tính toán áp suất trong thân thiết bị:

Hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học của môi trường:

Vì môi trường có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị là 20 năm → Ca = 2 mm (trang 20 [3]). Ứng suất cho phép tiêu chuẩn:

Vì vật liệu là X18H10T → ¿(N/mm 2 )

Vì thiết bị không bọc lớp cách nhiệt nên η=1. Ứng suất cho phép: [ σ ]= η [ σ ] ¿ 2(N/mm 2 ).

Hệ số bền mối hàn:

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

Nên tra tài liệu bảng 1.8/19 [3] ta có φ h = 0.8

Suy ra: Bề dày thực của thân: S t = S ' + C

Trong đó: C = Ca+Cb+Cc+Co (1-10) [3] C: hệ số bổ sung bề dày.

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

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

Co: hệ số bổ sung quy tròn: Co = 1.173(mm).

5.1.2 Kiểm tra độ bền với S t

2400 +( 4−2 ) = 0.189 ( N mm 2 )> P = 0.1 ( N mm 2 )Vậy: Bề dày thực của thân là: S t =¿4 mm.

Đáy và nắp thiết bị

Chọn đáy và nắp có dạng hình elip tiêu chuẩn có gờ, làm bằng thép X18H10T.

Hình XII.10 Đáy và nắp có gờ.

Diện tích bề mặt trong của đáy, nắp: 6.56m 2 (XIII.47/382) [ 2 ].

Chiều dày S (Tra công thức XIII.47 trang 385, [2]):

Trong đó: φ h : hệ số bền ( φ h =0.9 ¿. h b : chiều cao phần lồi của đáy (nắp) (m)

(Tra bảng XIII.10 trang 382, [2]), với D t = 2.4 m => h b = 0.6 m k: hệ số không thứ nguyên.

Hệ số không thứ nguyên k của nắp (Tra công thức XIII.48 trang 385, [2]) k = 1 − d

Trong đó: d: đường kính lỗ lớn nhất của đáy và nắp tương ứng cửa ra của dòng sản phẩm đáy chọn d = 0.05 m.

109803.68 × 1 ×0.9 59.22>30. Nên bỏ qua P ở mẫu số.

Vậy: bề dày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp: S = 4 mm.

Mặt bích ghép thân, đáy và nắp

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

Chọn bích ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T Cấu tạo của bích là bích liền không cổ (vì bích liền không cổ là bộ phận nối liền với thiết bị) Loại bích này chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình.

Các thông số cơ bản của mặt bích:

D y : đường kính trong ống (mm).

D : đường kính ngoài của mặt bích (mm).

D b : đường kính vòng bu lông (mm).

D l : đường kính vòng ngoài đến đệm (mm).

D n : đường kính ngoài ống (mm). d b : đường kính bu lông (mm).

Z : số bu lông (cái). h : chiều dày mặt bích (mm).

Tra bảng XIII.27 trang 417, [2] với D t =∅ = 2400 mm và áp suất tính toán

Các thông số của bích được tra từ (bảng XIII.27 trang 424, [2])

Bảng 5.1 Kích thước bích ghép thân đáy và nắp

Thân và đáy (nắp) thiết bị

Kích thước nối Kiểu bích

N/mm 2 mm mm cái mm

Tra bảng IX.5 trang 170, [2] ta chọn khoảng cách giữa 2 mặt bích là 4 mâm.

Số mặt bích cần dùng để ghép là : 20 4 + 2 = 7 bích Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định Đệm làm bằng các vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đẩy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt của bích Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây amiăng, có bề dày là 3(mm). Đường kính các ống dẫn-bích ghép các ống dẫn

Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ.

+ Tra Chemical Properties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 208 [3] với t tb = 372.52 K ta có công thức:p

+ Tra Chemical Properties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 208 [3] với t tb = 372.52 K ta có công thức:

10 −6 = 980.6 kg/m 3 Áp dụng công thức I.2 trang 5, [1] ta có:

 Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị.

 Chọn vân tốc chất lỏng trong ống nối là vF = 0.5 m/s.

 Đường kính của ống nối:

D y = √ 3600 4.G ρ F π v F F = √ 3600.954 48 4.10000 π 0 5 ≈ 0.086 m Suy ra chọn ống có đường kính: D ống 0 mm tra bảng XIII.32[2] trang 434 Ta có chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích lại là lF = 125(mm).

Tra bảng XIII.26[2] trang 412 ta có:

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

Ta có: t D = 372.77 K và yD = 0.961 δ h =¿¿kg/m 3

Chọn vận tốc hơi ở đỉnh: vh= 30 m/s.

Suy ra chọn đường kính ống nối là: Dy = 400 mm.

Tra bảng tra bảng XIII.32[2] trang 434 suy ra chiều dài đoạn ống nối là: l 150 mm.

Dy Dn D D δ Dl h Bu lông dB z mm cái

+ Tra Chemical Properties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 208 [3] với t D = 372.77 K ta có công thức:

 Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vhl = 0.3 m/s.

 Đường kính trong của ống nối.

Tra bảng tra bảng XIII.32[2] suy ra chiều dài đoạn ống nối là: l = 125 mm.

5.3.4.Ống dẫn hơi ở đáy tháp

 Nồng độ trung bình của pha hơi ở đáy tháp

Ta có: tw = 112.77 o C và yW = 0.301.

100 108 185 150 128 14 M16 4 δ hđ =¿¿kg/m 3 Chọn vận tốc hơi ở đỉnh: vh%m/s.

Tra bảng tra bảng XIII.32[2] trang 434 suy ra chiều dài đoạn ống nối là: l 150 mm.

5.3.5.Ống dẫn lỏng ra khỏi đáy tháp

Ta có: tw = 112.77 o C và yW = 0.301.

+ Tra Chemical Properties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 208 [3] với t D = 385.77 K ta có công thức:

 Chọn vân tốc chất lỏng trong ống nối là vW = 0.12 m/s.

 Đường kính của ống nối:

Suy ra chọn ống có đường kính: D ống = 100 mm tra bảng XIII.26[2]

Tra bảng tra bảng XIII.32[2] suy ra chiều dài đoạn ống nối là: l = 125 mm.

Chân đỡ

Tra sổ tay XII.7 trang 315, [2] ta có khối lượng riêng của tháp X18H10T là ρ X 18H 10T y00 kg /m 3

Khối lượng của một bích ghép thân m 1 = π

Khối lượng của một mâm m mâm = π

Chọn lỗ 10% ống chảy truyền 8%

Khối lượng của thân tháp m thân = π

4 × ( 2.40 8 2 − 2.4 2 ) ×10 ×7900 = 2386.55 ¿ kg Khối lượng của đáy (nắp) tháp m đáy (nắp) = S đáy × δ đáy × ρ X18 H10 T = 6.56 ×0.004 × 7900 = 207.3 kg

Khối lượng gờ chảy tràn m ct =2 × L gờ ×h W × δ chảytràn × ρ X 18H 10 T × N t

Trong đó: δ chảytràn : bề dày gờ chảy tràn Chọn δ chảytràn = 4 mm h W : chiều cao gờ chảy tràn trên mâm (m) Chọn hw = 10 mm.

L C : chiều dài gờ chảy tràn (m). m ct =2 × 1.61× 0.01 ×0.004 × 7900 ×20 35(kg ).

Khối lượng ống chảy chuyền m ống = π ×d C × N t × ( H đ − S 1 ) × δ c × ρ X 18H 10 T

Hđ: khoảng cách giữa các đĩa (m)

S 1 : khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền (m)

S1 = 0.25 × dC =0.25 × 0.187 = 0.046m δ c : bề dày ống chảy chuyền (m).

Ta có δ c =4 mm m ống = π × 0.187 × 20× ( 0.5 − 0.046 ) × 0.004 ×7900 = 168.56(kg).

Khối lượng bích nối các ống dẫn:

4 × ∑ ( D 2 i − D 2 yi ) × h i × ρ X 18H 10T , i là thứ tự từ trên xuống trong bảng

Khối lượng dung dịch trung bình trong tháp (tính ở 1 giờ hoạt động liên tục của tháp)

Khối lượng của toàn tháp m = 7 m bích ghép thân + 20 m mâm + m thân + 2 m đáy + mct + mống + mb + mdd

Vậy trọng lượng của toàn tháp:

Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân.

Vật liệu làm chân đỡ tháp là thép CT3

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

4 = 59640 ( N ).Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị ta chọn GC = 80.000 (N).

Đường khính ống chảy truyền

Lượng lỏng trung bình đi trong tháp:

2 994.76 ( kg h ) Đường kính ống chảy chuyền (Tra công thức IX.217 trang 236, [2]) d c = √ 3600 π ρ 4 G xtb x ω c z , m

– Gxtb: Lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp, kg/h.

– ρx: Khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m 3 ρx = 959.6 kg/m 3 – ωc: Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền, thường lấy ωc = 0.1 ÷ 0.2 m/s. Chọn ωc = 0.2 m/s.

– z: Số ống chảy chuyền phụ thuộc vào đường kính tháp Chọn z = 1.

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

Thiết bị trao đổi nhiệt

6.1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống, đặt nằm ngang (Vì khi để đứng thiết bị ngưng tụ sẽ chảy theo đường ống và sẽ tạo lớp màng, lớp màng có thể ngăn cách nhiệt và làm hiệu suất trao đổi nhiệt). Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T với các thông số: Đường kính ngoài: d ng 0 mm=0.12 m

Bề dày ống: δ t =4 mm=0.004 m Đường kính trong: d tr =0.1 m (chọn đường kính bằng với đường kính ống hơi). Chiều dài ống: L=2.5 m

Chọn nước sạch lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào t 1 = 30 o C và nhiệt độ ra t 2 = 50 o C

Tra các thông số tại t tb N = 40 o C

Khối lượng riêng: ρ N = 992 (kg/m 3 ) (Tra bảng I.2 trang 9, [1]) Độ nhớt của nước: μ N = 0.656 ( cP )= 0.656 ×10 −3 (N.s/m 2 ) (Tra bảng I.101 trang

Hệ số dẫn nhiệt: λ N = 0.63 (W/m.độ) (Tra bảng I.129 trang 133, [1])

Nhiệt dung riêng: C N = 4175 (J/kg.độ) (Tra bảng I.153 trang 172, [1])

Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ t D = 99.77 o C.

6.1.1.1 Suất lượng nước làm lạnh cần dùng

Lượng nước cần dùng (Tra công thức 5.307 trang 169, [6])

6.1.1.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt

Bề mặt truyền nhiệt (trang 169, [6])

Q R : lượng lỏng hồi lưu về tháp

∆ t log : nhiệt độ trung bình logarit

Xác định nhiệt độ trung bình logarit

Xác định hệ số truyền nhiệt

Hệ số truyền nhiệt K trong thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Trong đó α N : hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh (W/ m 2 K) α nt : hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tụ (W/ m 2 K)

∑ r t : nhiệt trở qua thành ống và lớp cặn

Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống

(Tra bảng II.2 trang 370, [1]) với vận tốc chất lỏng tự chảy Chọn vận tốc nước đi trong ống v N = 0.5 ( m s )

Số ống trong một đường nước n N = G N ρ N × 4 π ×d 2 tr × v N = 92.57

Vận tốc thực tế của dòng nước trong ống

Ta thấy ℜ N >10000 : cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối.

Chuẩn số Nu: (Tra công thức V.40 trang 14, [2])

Trong đó: ε 1 : hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều dài L và đường kính d của ống.

Do ℜ N > 10000 : cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối nên dùng công thức (Tra công thức 5.340 trang 176, [6])

Pr N : chuẩn số Prandlt của nước ở 40 o C (Tra hình V.12 trang 12, [2])

Pr W : chuẩn số Prandlt của nước tra ở nhiệt độ trung bình vách.

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: α N = Nu N × λ N d tr = 320.6 × 0.63

Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N =α N × ( t w2 −t tb N ) 19.78 × ( t w2 −40 ) Với t w 2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống).

Nhiệt tải qua thành ống và lớp cặn: q t = t w 1 − t w 2

Trong đó: t w 1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi ngưng tụ.

Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ λ t = 16.3 (W/m.độ) (Tra bảng XII.7 trang

Nhiệt trở trung bình lớp cặn trong ống (Tra bảng 31 trang 419, [5]) r c = 1

Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ống Điều kiện:

Ngưng tụ hơi bão hoà.

Không chứa không khí không ngưng.

Hơi ngưng tụ ở mặt ngoài ống.

Màng chất ngưng tụ chảy tầng. Ống nằm ngang.

Sự ngưng tụ hơi trên bề mặt ngoài của ống đơn chiếc nằm ngang (Tra công thức 3.65 trang 120, [5]) α nt = 0.725× √ 4 μ nt r ×(t nt × λ D −t 3 nt × ρ w1 )× d 2 nt ng

Với d n : đường kính ngoài của ống (mm) Đặt A = 0.725 × √ 4 r nt × λ μ nt 3 ×d nt × ρ ng 2 nt => α nt = ( 99.77− A t w 1 ) 0.25 Ẩn nhiệt ngưng tụ: r nt =r đ =¿2124898.72 (J/kg) ¿ 118.05 ( kmol kJ )

Nhiệt tải ngoài thành ống: q nt = α nt × ( 99.77− t w 1 ) = A ×( 99.77−t w 1 ) 0.75 (7) Chọn t w 1 = 88.5 o C

Nhiệt độ trung bình t tb D = t D + t w 1

Khối lượng riêng: ρ nt = 962.45 (kg/m 3 ) (Tra bảng I.2 trang 9, [1]) Độ nhớt của nước: μ nt = 0.000302 (N.s/m 2 ) (Tra bảng I.101 trang 92, [1])

Hệ số dẫn nhiệt: λ nt = 0.68 (W/m.độ) (Tra bảng I.129 trang 133, [1])

 A=0.725 × √ 4 r nt × λ μ nt 3 ×d nt × ρ ng 2 nt =0.725 × √ 4 2124898.72 0.000302 × 0.68 × 3 0.1 × 962.45 2 74.44

Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: q t = q nt S347.81(W /m 2 )

Kiểm tra sai số: ε =| q N − q nt | q nt =|52918.24−53347.81|

( 99.77− 88.5 ) 0.25 = 4794.63 (W/m 2 K) Vậy hệ số truyền nhiệt:

Bề mặt truyền nhiệt trung bình (trang 169, [6])

Chiều dài ống truyền nhiệt (lấy dư 10%)

So với L=2.5 m thì số đường nướclà :

Khi đó số ống giảm 0.232 lầnn N = 0.232× 24 = 5.568 ( ống )

(Tra bảng V.11 trang 48, [2]) Chọn n N = 7 ống , trong đó tổng số ống trong tất cả các viên phân là 0.

Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống có n N = 7 ống và

L=0.6 m Ống được bố trí theo hình lục giác đều (Tra công thức V.139 trang 48, [2])

Số ống trên một cạnh của hình 6 cạnh ngoài cùng n N = 3× a × ( a − 1 )+ 1 ≤¿ 7 = 3 × a × ( a − 1 )+ 1 a=2(ống )

Số ống trên đường chéo của hình 6 cạnh đều b = 2 ×a − 1 = 2 × 2 − 1 = 3 ( ống )

Chọn bước ống t = 1.2 ×d ng = 1.2 × 0.12 = 0.1444 ≈ 0.15 ( m ). Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt (Tra công thức V.140 trang 49, [2])

6.1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T với các thông số: Đường kính ngoài: d ng 0 mm=0.12 m

Bề dày ống: δ t =4 mm=0.004 m Đường kính trong: d tr =0.1 m (chọn đường kính bằng với đường kính ống hơi). Chiều dài ống: L=2.5 m

Chọn nước sạch lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào t 1 = 30 o C và nhiệt độ ra t 2 = 50 o C

Tra các thông số tại t tb N = 40 o C

Khối lượng riêng: ρ N = 992 (kg/m3) (Tra bảng I.2 trang 9, [1]) Độ nhớt của nước: μ N =0.656 ( cP)=0.656 ×10 −3 (N.s/m2) (Tra bảng I.101 trang

Hệ số dẫn nhiệt: λ N =0.63 (W/m.độ) (Tra bảng I.129 trang 133, [1])

Nhiệt dung riêng: C N A75 (J/kg.độ) (Tra bảng I.153 trang 172, [1])

Sản phẩm đỉnh đi trong ống 120 × 4 (ống ngoài) nhiệt độ đầu t D = 99.77 o C và nhiệt độ cuối ta chọn t D ra = 35 o C Đường kính ngoài D n 0 mm=0.12 m

Bề dày ống δ t =4 mm=0.004 m Đường kính trong D tr = 0.1 mm=0.01 m t tb D = t D + t D ra

Khối lượng riêng ρ D = 979.21 ( kg / m 3 ) (Tra bảng I.2 trang 9, [1]) Độ nhớt của nước μ D = 0.000423 ( N s / m 2 ) (Tra bảng I.101 trang 92, [1])

Hệ số dẫn nhiệt λ D =0.688(W/m.độ) (Tra bảng I.129 trang 133, [1])

Nhiệt dung riêng C D A90 (J /kg độ) (Tra bảng I.153 và I.154 trang 171-172,

6.1.2.1 Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đỉnh

∆ t log : nhiệt độ trung bình logarit.

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, theo công thức (trang 169, [6])

Trong đó α N : hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh (W/ m 2 K) α nt : hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tụ (W/ m 2 K)

∑ r t : nhiệt trở qua thành ống và lớp cặn.

Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh đi trong ống ngoài

(Tra bảng II.2 trang 370, [1]) với vận tốc chất lỏng tự chảy Chọn vận tốc nước đi trong ống v N =0.5 ( m s )

Số ống trong một đường nước n N = G N ρ N × 4 π ×d 2 tr × v N = 6.41

Ta thấy ℜ N > 10000 : cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối.

Trong đó: ε 1 : hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều dài L và đường kính d của ống.

Pr W : chuẩn số Prandlt của nước tra ở nhiệt độ trung bình vách.

Nhiệt tải phía nước làm lạnh: q N = α N × ( t w2 − t tb N ) = 2019.78 × ( t w2 − 40 ) Với t w 2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống).

Nhiệt tải qua thành ống và lớp cặn: q t = t w 1 −t w 2

Trong đó: t w 1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi ngưng tụ.

Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ λ t 3 (W/m.độ) (Tra bảng XII.7 trang

Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ống Điều kiện:

Ngưng tụ hơi bão hoà.

Không chứa không khí không ngưng.

Hơi ngưng tụ ở mặt ngoài ống.

Màng chất ngưng tụ chảy tầng. Ống nằm ngang.

Sự ngưng tụ hơi trên bề mặt ngoài của ống đơn chiếc nằm ngang (Tra công thức 3.65 trang 120, [5]) α nt = 0.725× √ 4 μ nt r ×(t nt × λ D −t 3 nt × ρ w1 )× d 2 nt ng

Với d n : đường kính ngoài của ống (mm). Đặt A =0.725 × √ 4 r nt × λ μ nt 3 ×d nt × ρ ng 2 nt => α nt = ( 99.77− A t w 1 ) 0.25 Ẩn nhiệt ngưng tụ: r nt =r d =¿2124898.72 (J/kg) ¿ 118.05 ( kmol kJ )

Nhiệt tải ngoài thành ống: q nt = α nt × ( 99.77− t w 1 ) = A ×( 99.77−t w 1 ) 0.75 (7)

Nhiệt độ trung bình t tb D = t D + t w 1

Khối lượng riêng: ρ nt 2.45 (kg/m 3 ) (Tra bảng I.2 trang 9, [1]) Độ nhớt của nước: μ nt =0.000302 (N.s/m 2 ) (Tra bảng I.101 trang 92, [1])

Hệ số dẫn nhiệt: λ nt =0.68 (W/m.độ) (Tra bảng I.129 trang 133, [1])

 A = 0.725 × √ 4 r nt × λ μ nt 3 ×d nt × ρ ng 2 nt = 0.725 × √ 4 2124898.72 0.000302× × 0.68 3 0.1 × 962.45 2 = 8674.44

Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: q t = q nt S347.81(W /m 2 )

Kiểm tra sai số: ε =| q N −q nt | q nt =| 52918.24 − 53347.81|

( 99.77 − 88.5 ) 0.25 = 4794.63 (W/m 2 K) Vậy hệ số truyền nhiệt:

So với L = 2.5 m thì số đường nướclà :

Khi đó số ống giảm 0.232 lầnn N =0.232× 24=5.568(ống)

(Tra bảng V.11 trang 48, [2]) Chọn n N =7 ống , trong đó tổng số ống trong tất cả các viên phân là 0.

Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống có n N =7 ống và

L=0.6 m Ống được bố trí theo hình lục giác đều (Tra công thức V.139 trang 48, [2])

Số ống trên một cạnh của hình 6 cạnh ngoài cùng n N =3× a × ( a−1 )+ 1 ≤¿ 7=3 × a × ( a−1 )+ 1 a = 2 ( ống )

Số ống trên đường chéo của hình 6 cạnh đều b=2 ×a−1=2 × 2−1=3 (ống )

Chọn bước ống t=1.2 ×d ng =1.2 × 0.12=0.1444 ≈ 0.15 (m). Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt (Tra công thức V.140 trang 49, [2])

6.1.3 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống trong 100 × 4 và kích thước ống ngoài là 130 × 4

Chọn hơi đốt là hơi nước 3.192 at , đi trong ống 130 × 4 (ống ngoài). Đường kính ngoài D n = 130 mm = 0.13 m

Bề dày ống δ t = 4 mm = 0.004 m Đường kính trong D tr 2 mm=0.122 m

Tra cứu các thông số sau (trang 312, [1])

Nhiệt độ sôi: t s N 5 o C Ẩn nhiệt ngưng tụ: r N !61.436 (kJ/kg)

Dòng nhập liệu đi trong ống 100 × 4 (ống trong) nhiệt độ đầu t ' F 0 o C và nhiệt độ cuối t F 52 o C Đường kính ngoài d n = 100 mm=0.10 m

Bề dày ống δ t =4 mm=0.004 m Đường kính trong d tr mm=0.092 m t tb F = t F + t ' F

Khối lượng riêng ρ F = 980.63(kg / m 3 ) (Tra bảng I.2 trang 9, [1]) Độ nhớt của nước μ F =0.439 × 10 −3 ( N m s 2 ) =0.493 (Tra bảng I.101 trang 92, [1])

Hệ số dẫn nhiệt λ F = 0.663(W/m.độ) (Tra bảng I.129 trang 133, [1])

Nhiệt dung riêng C F = 4182.81 ( J / kg độ )

6.1.3.1 Suất lượng hơi nước cần dùng

Suất lượng hơi nước cần dùng (Tra công thức 5.307 trang 169, [6])

Bề mặt truyền nhiệt (trang 169, [6]):

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều (Tra công thức 5.310 trang 169, [6])

∆ t log = ( t sN −t ' F ) −(t sN − t F ) log ( t t sN sN − − t t ' F F ) = (

Trong đó α F : hệ số cấp nhiệt của dòng dòng liệu (W/ m 2 K). α N : hệ số cấp nhiệt của hơi nước (W/ m 2 K).

∑ r t : nhiệt trở qua thành ống và lớp cặn.

Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống nhỏ:

Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống nhỏ

Ta thấy ℜ F > 10000 : cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối.

Trong đó: ε 1 : hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều dài L và đường kính d của ống

Pr F : chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở 64.76 o C (Tra hình V.12 trang 12, [2])

Pr w 2 : chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở nhiệt độ trung bình vách

Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu α F = Nu F × λ F d tr = 302.81 × 0.663

0.092 = 2182.21 (W/m 2 K) Nhiệt tải phía dòng nhập liệu q F = α F × ( t w 2 − t tb F ) = 2 182.21 × ( t w 2 − 64.76 ) (W/m 2 ) Với t w 2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ)

Nhiệt tải qua thành ống và lớp cặn. q t = t w 1 − t w 2

Trong đó: t w 1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước (ngoài ống nhỏ)

Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống ngoài Đường kính tương đương d td = D tr −d n =0.122−0.1= 0.022 m

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nằm ngang có dạng (Tra công thức 3.66 trang 120, [5]) α N =0.725 × A × ( ( t sN − t r w N 1 ) ×d td ) 0.25 =0.725 × A × ( ( 2161.436 135 − t w 1 ) × ×0 022 1000 ) 0.25 = ( 135−t 72.18 × A w1 ) 0.25

Với A: hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ.

Nhiệt tải phía hơi nước q N =α N × ( t sN −t w 1 ) r.18 × A × ( 135−t w 1 ) 0.75 Chọn: t w 1 = 126.3 o C

Khi đó nhiệt độ trung bình t tb = t sN + t w 1

Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: q t = q N = 69909(W /m 2 ) q t = t w 1 − t w 2

Tra cứu các thông số sau tại t tb w 1.7 o C Độ nhớt của nước μ tb w =0.254 ( cP )= 0.254 ×10 −3 ( N s /m 2 ) (Tra bảng I.101 trang 92, [1])

Hệ số dẫn nhiệt λ tbw = 0.024(W/m.độ) (Tra bảng I.129 trang 133, [1])

Nhiệt dung riêng C tbw = 33.933 – 0.008418 x 384.7 + 0.000029906 x 384.7 2 – 0.000000017825 x 384.7 3 + 3.6934 x 10 -12 x 384.7 4 = 34.186 (J/mol.K) 34.186

Khi đó: Pr w 2 ≈ μ tb w ×C tb w λ tb w = 0.254 × 10 −3 × 1899.2

Vậy hệ số truyền nhiệt

Kiểm tra điều kiện (trang 176, [6])

Vậy thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 25 m , chia thành 10 dãy, mỗi dãy dài 2.5 m.

6.1.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T với các thông số: Đường kính ngoài: d ng = 120 mm = 0.12 m

Bề dày ống: δ t = 4 mm = 0.004 m Đường kính trong: d tr =0.1 m (chọn đường kính bằng với đường kính ống hơi). Chiều dài ống: L = 2.5 m

Khối lượng riêng: ρ N = 992 (kg/m 3 ) (Tra bảng I.2 trang 9, [1]) Độ nhớt của nước: μ N =0.653 ( cP)=0.653 × 10 −3 (N.s/m 2 ) (Tra bảng I.101 trang 92,

Hệ số dẫn nhiệt: λ N =0.63 (W/m.độ) (Tra bảng I.129 trang 133, [1])

Nhiệt dung riêng: C N A75 (J/kg.độ) (Tra bảng I.153 trang 172, [1])

Sản phẩm đỉnh đi trong ống 100 ×2 (ống ngoài) nhiệt độ đầu t w 2.77 o C và nhiệt độ cuối ta chọn t w ra 5 o C t tb w = t w + t w ra

Khối lượng riêng ρ w 5.47( kg/ m 3 ) (Tra bảng I.2 trang 9, [1]) Độ nhớt của nước μ w =0.386 ( cP)=0.386 ×10 −3 ( N s /m 2 ) (Tra bảng I.101 trang 92, [1])

Hệ số dẫn nhiệt λ w =0.67(W/m.độ) (Tra bảng I.129 trang 133, [1])

Nhiệt dung riêng C w A90.11( J / kg độ).

6.1.4.1 Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đáy

∆ t log =( t w −t 2 ) −(t w ra −t 1 ) log ( t t w ra w −t −t 2 1 ) = (112.77−50 log ( 112.77 35 )−( − 30 −50 35−30) ) R.58 o C

Trong đó α N : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/ m 2 K) α w : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy (W/ m 2 K)

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

Vận tốc sản phẩm đáy đi trong ống ngoài

3600 ×975.47 × π × (0.112 2 −0.1 ¿¿ 2)=0.274 ( m s )¿ ¿¿ Đường kính tương đương d td = D tr −d n =0.112−0.1=0.012( m)

Ta thấy ℜ N >10000 : cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối

Do ℜ w > 10000 : cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối nên dùng công thức (Tra công thức 5.340 trang 176, [6])

Pr w : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đáy ở 73.89 o C

Pr w 1 : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đáy ở nhiệt độ trung bình vách

Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy trong ống ngoài α w = Nu w × λ w d td = 72.94 × 0.67

0.024 36.24 (W/m 2 K) Nhiệt tải phía sản phẩm đáy q w =α w × ( t tb w −t w1 ) 36.24 × ( 73.89−t w 1) (W/m 2 ) Với t w 1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ống nhỏ)

Nhiệt tải qua thành ống và lớp cặn q t = t w 1 −t w 2

Trong đó: t w 2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống nhỏ)

Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ

Vận tốc nước đi trong ống

Ta thấy ℜ N >10000 : cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối

Pr W : chuẩn số Prandlt của nước tra ở nhiệt độ trung bình vách

0.1 51.75 (W/m 2 K) Nhiệt tải phía nước làm lạnh q N =α N × ( t w2 −t tb N ) 51.75 × ( t w 2 −40 )Chọn: t w 1 d.9 o C q w =α w × ( t tb w −t w1 ) 36.24 ×( 73.89−64.9 )305.8 ( N s /m 2 ) Xem nhiệt tải mất mát không đáng kể q t = q w 305.8 ( N s / m 2 )

Vậy hệ số truyền nhiệt

Kiểm tra điều kiện (trang 176, [6])

Vậy thiết bị làm nguội sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L m , chia thành 5 dãy, mỗi dãy dài 2 m.

6.1.5 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy

Chọn nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là nồi đun Kettle. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 40 × 5

Chọn hơi đốt là hơi nước 3 atm , đi trong ống 40 × 5 Đường kính ngoài d n = 40 mm = 0.04 m

Bề dày ống δ t = 4 mm = 0.004 m Đường kính trong d tr = 30 mm = 0.03 m

Tra cứu các thông số sau (trang 312, [1])

Nhiệt độ sôi: t s N 0.12 o C Ẩn nhiệt ngưng tụ: r hh N !74.72 (kJ/kg)

Nhiệt dung riêng: CN = 33.933 – 0.008418 x 403.12 + 0.000029906 x 403.12 2 – 0.000000017825 x 403.12 3 + 3.6934 x 10 -12 x 403.12 4 = 34.329 (J/mol.K) 34.329

Sản phẩm đáy trước khi vào nồi đun có nhiệt độ t ' 1 = 102.46 o C (do x ' 1 = 0.287 ¿ (Tra bảng thành phần cân bằng lỏng hơi hệ Acetone - Nước)

Sản phẩm ra khỏi nồi đun có nhiệt độ t W 2.77 ℃

6.1.5.1 Suất lượng hơi nước cần dùng

Lượng nhiệt cẩn tải cung cấp cho đáy tháp:

Suất lượng hơi nước cần dùng:

∆ t log : nhiệt độ trung bình logarit

Trong đó α N : hệ số cấp nhiệt của hơi nước (W/ m 2 K) α w : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy (W/ m 2 K)

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (Tra công thức 3.66 trang 120, [5]) α N =0.725 × A × ( ( t sN − t r w N 1 ) ×d tr ) 0.25 =0.725 × A × ( ( 130.12 2174.72 − t × w 1 1000 ) × 0.03 ) 0.25 = ( 120−t 66.9 × A w1 ) 0.25

Với A: hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ. t w 1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước (trong ống).

Nhiệt tải phía hơi nước q N =α N × ( t sN −t w 1 ) f.9 × A × ( 120−t w 1) 0.75 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cặn q t = t w 1 −t w 2

Trong đó: t w 2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ống)

Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy (chế độ sôi sủi bọt) (Tra công thức V.89 trang 26, [2]) α w =7.77 × 10 −2 × ( ρ− ρ h ×r ρ h ) 0.033 × ( σ ρ ) 0.333 × ( μ 0.45 λ × C 0.75 0.117 ×q 0.7 ×T w 0.37 s )

Trong đó: λ : hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng (W/m 2 độ) μ : độ nhớt của chất lỏng (N.s/m 2 ) ρ , ρ h : khốilượng riêng của lỏng và hơi (kg/m3)

T: nhiệt độ bão hoà (K) σ : sức căng bề mặt ( lỏng−hơi )( N m )

Nhiệt độ sôi trung bình của dòng sản phẩm ở ngoài ống t s = t w + t ' 1

Tại nhiệt độ sôi trung bình thì

Khối lượng riêng của pha hơi trong dòng sản phẩm ở ngoài ống: ρ h = P × M HW

Trong đó: M HW = M tbW ".32( kg kmol )

Khối lượng riêng: ρ2.76 (kg/m 3 ) (Tra bảng I.2 trang 9, [1]) Độ nhớt của nước: μ = 0.265 ( cP ) = 0.265× 10 −3 (N.s/m 2 ) (Tra bảng I.101 trang 92,

Hệ số dẫn nhiệt: λ=0.685 (W/m.độ) (Tra bảng I.130 trang 134, [1])

Sức căng bề mặt σ W.38 ×10 −3 ( N m ) (Tra bảng I.242 trang 301, [1])

Nhiệt dung riêng: C = 4229.91 (J/kg.độ) (Tra bảng I.153 trang 172, [1])

Nhiệt hoá hơi: r = 2236927.69 ( J / kg )= 2236.93 ( kJ / kg ) (Tra bảng I.212 trang 254,

Nhiệt tải phía sản phẩm đáy q w =α w × ( t w 2 −t s ) =3.35 × q 0.7 w × ( t w2 − 107.62 ) Vậy q w = 0.3 √ 3.35 × ( t w 2 −107.62 )

Khi đó nhiệt độ trung bình t tb = t s N + t w 1

Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: q t = q N 0429.6 (W /m 2 ) q t = t w 1 −t w 2 0.418 ×10 −3 ≤¿ 30429.6 = 126.93−t w 2

Vậy hệ số truyền nhiệt:

Chọn số ống truyền nhiệt n nt = 271 ống

 L% m Ống được bố trí theo hình lục giác đều (Tra công thức V.139 trang 48, [2])

Số ống trên một cạnh của hình 6 cạnh ngoài cùng. n N =3× a × ( a−1 )+ 1 ≤¿ 127=3 × a × ( a−1 )+ 1

Số ống trên đường chéo của hình 6 cạnh đều: b=2 ×a−1=2 ×7−1 (ống)

Chọn bước ống t=1.2 ×d ng =1.2 × 0.04= 0.048 (m ) Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt (Tra công thức V.140 trang 49,

Bơm nhập liệu

Chọn nhiệt độ dòng nhập liệu là t ' F %℃ (Tra bảng I.101 trang 91, 92, [1])

+ Tra bảng I.101 trang 91, 92 [1] với t ' F = 25℃ , ta có: μN = 0.9 (cP)

+ Tra Chemical Properties Handbook, 1 st Edition – Carl L Yaws Ph.D trang 484

[3] với T ' F = 298 , ta có công thức: log10 A = A + B

 A = 1.04 (cP). lgμF = xF × lgμN + (1 – xF) × lgμA (Tra công thức I.12 trang 84, [1]) lgμF = 0.884 × lg (0.9)+( 1−0.884 ) ×lg (1.04 )

Khối lượng riêng của hỗn hợp tại vị trí nhập liệu:

Tại: t ' F %℃ (Tra bảng I.2 trang 9, [1]), ta thu được:

[3] với : T ' F = 298 K ta có công thức:

[3] với T ' F = 298 K ta có công thức:

Suất lượng thể tích của dòng nhập liệu đi trong ống

Chọn bơm có năng suất là QL = 10 (m 3 /h) Đường kính ống hút, ống đẩy bằng nhau và bằng 90(mm), nghĩa là chọn ống 100x4.

Vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút và đẩy: v h =v d = 4 Q b

3600 × π × 0.09 2 =0.44(m/s)Tổng trở lực trong ống hút và đẩy: h hd = ( λ × l h d + h l d + ∑ ξ h + ∑ ξ d ) × 2 v h 2 g

+ lh : chiều di ống hút, chọn lh = 1.5 (m).

+ ld : chiều di ống đẩy, chọn ld = 11.5 (m).

+ h : tổng tổn thất cục bộ trong ống hút.

+ d : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy.

+  : hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy.

Hệ số ma sát trong đường ống :

Hệ số tổn thất cục bộ trong ống hút qua:

Tra Handbook Pipeline Engineering bảng 2.1 trang 33 và bảng 2.2 trang 34, [10] ta có:

1 van bướm (Butterfly valve): vb= 0.2

Hệ số tổn thất cục bộ trong ống đẩy qua:

Tra Handbook Pipeline Engineering bảng 2.1 trang 33 và bảng 2.2 trang 34, [10] ta có:

1 van 1 chiều (Swing check valve): 2

Hb : cột áp của bơm.

Chọn hiệu suất của bơm:  b = 0.8.

Công suất thực tế của bơm:

Định dạng
Số trang	80
Dung lượng	732,63 KB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
1. Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất (tập 1); Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật	Khác
2. Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất (tập 2); Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật	Khác
3. Carl L. Yaws, Chemical Properties Handbook,1999	Khác
4. Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh, Quá trình và thiết bị công nghệ hoá học và thực phẩm (tập 3): Truyền khối, Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh	Khác
5. Hồ Lê Viên; Thiết kế và tính toán các chi tiết thiết bị hoá chất; Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật Hà Nội	Khác
6. Phạm Văn Bôn, Vũ Bá Minh, Hoàng Minh Nam; Quá trình và thiết bị công nghệ hoá học (Tập 10): Ví dụ và bài tập; Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh	Khác
7. Nguyễn Tấn Dũng; Quá trình và thiết bị công nghệ hoá học và thực phẩm (tập 2 – phần 2); Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh	Khác
8. Nguyễn Bin, Các QTTB CNHH - Tập 4 - Phân riêng	Khác
9. Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử - Tập 2: Tính toán và thiết kế	Khác
10.Nguyễn Văn Lục (biên soạn), Hướng dẫn trình bày bản vẽ đồ án QTTB	Khác
11. Liu, Henry, Pipeline Engineering, Pipeline Engineering, 2003	Khác
12. Łukasz Wargula1,Bartosz Wieczorek, and Mateusz Kukla,The determination of the rolling resistance coefficient of objects equipped with the wheels and suspension system – results of preliminary tests ,2018	Khác