thiet ke thap chung cat axit acetic pptx

Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 0,5m3/h, nồng độ nhập liệu là 8%kg axit/kg hỗn hợp, nồng độ sản phẩm đỉnh là 95,5%kg nước/kg hỗn

Đại học Quốc gia TpHCMTrường Đại học Bách Khoa Khoa Công nghệ Hóa học & Dầu khí

BỘ MÔN MÁY & THIẾT BỊ

Sinh viên: MAI THỊ NGỌC HẠ

Ngành : HÓA HỮU CƠ

Năm học : 2008 - 2009

MỤC LỤCLỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

I LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT

1 Phương pháp chưng cất

2 Thiết bị chưng cất:

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU

1 Acid axetic

2 Nước

3 Hỗn hợp Acid axetic – Nước

CHƯƠNG 2 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

CHƯƠNG 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ ĐÁY

III XÁC ĐỊNH TỶ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC

IV XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA

CHƯƠNG 4 : CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP:

1 Đường kính đoạn luyện

2 Đường kính đoạn chưng

II CHIỀU CAO THÁP

III TÍNH TOÁN CHÓP VÀ ỐNG CHẢY CHUYỀN

IV TRỞ LỰC CỦA THÁP

CHƯƠNG 6 : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

I TÍNH CHIỀU DÀY THÂN THÁP

II TÍNH ĐÁY, NẮP THIẾT BỊ

III TÍNH ĐƯỜNG KÍNH VÀ BULON ỐNG DẪN

1 Ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ

2 Ống dẫn dòng chảy hoàn lưu

3 Ống dẫn dòng nhập liệu

4 Ống dẫn dòng sản phẩm đáy

5 Ống dẫn từ nồi đun qua tháp

CHƯƠNG 7 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

I THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP

II THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY

III THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH

IV THIẾT BỊ ĐUN SÔI DÒNG NHẬP LIỆU

V BỒNG CAO VỊ

VI BƠM

CHƯƠNG 8 : TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm Vì thế, các phương

pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày

càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy

theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp

phù hợp Đối với hệ Axit axetic – Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta

phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học tương

lai Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy

trình công nghêä, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa

chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những

kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ

thuật thực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 0,5m3/h, nồng độ nhập liệu là 8%(kg axit/kg

hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đỉnh là 95,5%(kg nước/kg hỗn hợp), nồng độ

sản phẩm đáy là 30%(kg axit/kg hỗn hợp), tháp làm việc ở áp suất

thường

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT :

1. Khái niệm:

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một 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 khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau)

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

Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

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

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

 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn

Đối với hệ Nước – Axit axetic thì:

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước

 Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic

2. Các phương pháp chưng cất:

2.1 Phân loại theo áp suất làm việc:

- Áp suất thấp

- Áp suất thường

- Áp suất cao

2.2 Phân loại theo nguyên lý làm việc:

- Chưng cất đơn giản

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp

- Chưng cất

2.3 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:

- Cấp nhiệt trực tiếp

- Cấp nhiệt gián tiếp

Vậy: đối với hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp

xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.

 Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…, có rãnh xung quanh để pha khí đi qua và ống chảy chuyền có hình tròn

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

 Tháp chêm (tháp đệm): tháp 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: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:

Vậy ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp AXIT AXETIC – NƯỚC

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU :

1. Axit axetic:

1.1 Tính chất:

Axit axetic nóng chảy ở 16,6oC, điểm sôi 118oC, hỗn hợp trong nước với mọi tỷ lệ Trong quá trình hỗn hợp với nước có sự co thể tích, với tỷ trọng cực đại, chứa 73% axit axetic (D : 1,078 và 1,0553 đối với axit thuần khiết)

Người ta không thể suy ra được hàm lượng axit axetic trong nước từ tỷ trọng của nó, ngoại trừ đối với các hàm lượng dưới 43%

Tính ăn mòn kim loại:

 Axit axetic ăn mòn sắt

Ưu

điểm

- Cấu tạo khá đơn giản

- Trở lực thấp

- Làm việc được với chất lỏng

bẩn nếu dùng đệm cầu có ρ≈ρ

của chất lỏng

- Trở lực tương đối thấp

- Hiệu suất khá cao

- Làm việc được với chất lỏng bẩn

- Khá ổn định

- Hiệu suất cao

Nhược

điểm

- Do có hiệu ứng thành → hiệu

suất truyền khối thấp

- Độ ổn định không cao, khó vận

hành

- Do có hiệu ứng thành → khi

tăng năng suất thì hiệu ứng thành

tăng → khó tăng năng suất

- Thiết bị khá nặng nề

- Kết cấu khá phức tạp - Có trở lực lớn

- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp

 Nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, nó đề kháng tốt đối với axit axetic đặc và thuần khiết Đồng và chì bị ăn mòn bởi axit axetic với sự hiện diện của không khí

 Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối với axit axetic

Axit axetic thuần khiết còn gọi là axit glaxial bởi vì nó dễ dàng đông đặc kết tinh như nước đá ở dưới 17oC, đước điều chế chủ yếu bằng sự oxy hóa đối với andehit axetic Không màu sắc, vị chua, tan trong nước và cồn etylic

1.2 Điều chế:

Axit axetic được điều chế bằng cách:

1) Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là một giai đoạn trung gian Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic

CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH

C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O

2) Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ acetylen

Sự oxy hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban axetat Người

ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80oC để ngăn chặn sự hình thành peroxit Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi chế axit axetic kết tinh được

CH3CHO + ½ O2 Cobanaxetatở80oC→ CH3COOH

3) Tổng hợp đi từ cồn metylic và Cacbon oxit

Hiệu suất có thể đạt 50 – 60% so với lý thuyết bằng cách cố định cacbon oxit trên cồn metylic qua xúc tác

Nhiệt độ từ 200 – 500oC, áp suất 100 – 200atm:

 Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic)

 Làm đông đặc nhựa mủ cao su

 Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat – làm phim ảnh không nhạy lửa

 Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat

 Làm các phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp

 Axetat nhôm dùng làm chất cắn màu (mordant trong nghề nhuộm)

 Phần lớn các ester axetat đều là các dung môi, thí dụ: izoamyl axetat hòa tan được nhiều loại nhựa xenluloza

2. Nước:

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt

Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau.

Tính chất vật lý:

 Khối lượng phân tử : 18 g / mol

 Khối lượng riêng d40 c : 1 g / ml

 Nhiệt độ nóng chảy : 00C

 Nhiệt độ sôi : 1000 C

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học

3 Hỗn hợp Acid acetic – Nước:

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

Hình12: Giản đồ x - y của hệ Axit axetic - Nước

Hình 2: Giản đồ T – x,y của hệ Axit axetic–Nước

CHƯƠNG 2 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

2 Bơm

3 Bồn cao vị

4 Lưu lượng kế

5 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

6 Bẩy hơi

7 Nhiệt kế

8 Áp kế

9 Tháp chưng cất

10 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

11 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

12 Thiết bị đun sôi đáy tháp

13 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

14 Bồn chứa sản phẩm đáy

Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 92% (theo phần khối lượng), nhiệt độ khoảng 270C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (5), rồi được đưa vào tháp chưng cất (9) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là axit axetic sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất (có nồng độ 99,5% phần khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (10) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (axit axetic) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 70% phần khối lượng, còn lại là axit axetic Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13), được làm nguội đến 400C, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (14)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước được thải bỏ, sản phẩm đáy là axit axetic được giữ lại

1 2

Vũ Bá Minh

Thiết bị đun sôi đáy tháp Áp kế Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Nhiệt kế Lưu lượng kế Bẫy hơi Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu B?n ch? a s?n ph?m d?nh

Bồn cao vị Bơm Bồn chứa nguyên liệu

1/2 Chức năng

SVTH GVHD

Chữ ký Họ tên

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Tỉ lệ Bản vẽ số Ngày HT Ngày BV Hoàng Minh Nam

Mai Th? Ng?c H?

Đồ án môn học : Quá trình và Thiết bị

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT AXIT AXETIC - NƯỚC DÙNG THÁP MÂM CHÓP

Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Khoa Công nghệ Hóa học BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ STT TÊN GỌI ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT SL VẬT LIỆU 1

4 7 11 9

Sản phẩm đỉnh

Dòng hồi

P

Hơi đốt

P = 2,5at

Nước ngưng

Nước lạnh Nước nóng

Khí không ngưng

5

10

3

6 8

1 2 3 1

13 14

Thiết bị làm nguội sản phẩm đáyB?n ch? a s?n ph?m dáy

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :

Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ

Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước

)mol/g(60MCOOHCH

:axeticAxit

N 2

A 3

 Năng suất nhập liệu: GF = 0.5 (m3/h)

 Nồng độ nhập liệu:  F = 92% (kg nước/ kg hỗn hợp)

 Nồng độ sản phẩm đỉnh:  D = 99.5% (kg nước/ kg hỗn hợp)

 Nồng độ sản phẩm đáy:  W = 70% (kg nước/ kg hỗn hợp)

 Chọn:

 Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 27oC

 Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

với thiết bị đun sôi đáy tháp :

 Aùp suất hơi đốt : Ph = 2.5at

Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy :

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 40oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 27oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 35oC

Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh :

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 27oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 60 ÷ 70oC

 Các ký hiệu:

 GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h

 GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

 GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

 xi, xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH và SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯỢC

Tra bảng 1.249, trang 310, [5]

⇒ Khối lượng riêng của nước ở 27oC: ρN = 996,4 (kg/m3)

Tra bảng 1.2, trang 9, [5]

⇒ Khối lượng riêng của axit axetic ở 27oC: ρA = 1040,65 (kg/m3)

Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [5]:

Năng suất nhập liệu : GF = 0,5 (m3/h) × 1000 (kg/m3) = 500 (kg/h)

Đun gián tiếp :

W D F

x G x G x G

G G G

yF ∗

F D

W W

F

D W

D

F

x x

G x

x

G x

III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC :

1 Nồng độ phần mol:

=

−+

=

−+

=

60

92,0118

92,

92,01

A

F N

F

N F

F

M

x M

70,0118

70,

70,0

+

=

−+

=

A

W N

W

N W

W

M

x M

955,0118

995,

995,0

+

=

−+

=

A

D N

D

N D

D

M

x M

x

M

x

2 Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu:

27,18861,09746,0

8861,09985,

W D

x x

x x

f

3 Tỉ số hoàn lưu làm việc:

Hình 1: Đồ thị cân bằng pha của hệ Nước – Axit axetic

Dựa vào hình 1 ⇒ yF* = 0,9819

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:

9746,09819,0

9819,09985,0

F D

x y

y x

Tỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 3,2562

IV XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA :

Coi lưu lượng mol của các dòng pha đi trong mỗi đoạn tháp (chưng và luyện) là không đổi

1 Tại đỉnh tháp:

Vì tại đỉnh tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau

⇒ Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đỉnh tháp là bằng nhau:

MHD = MLD = xD MN + (1 – xD) MA

= 0,9985 18 + (1 – 0,9985) 60 = 18,063 (kg/ kmol)Suất lượng khối lượng của dòng hơi tại đỉnh tháp:

GHD = (R +1)GD = (3,2562 + 1) 372,88 = 1587,05 (kg/h)

Suất lượng mol của dòng hơi tại đỉnh tháp:

063,18

05,

GL = RGD = 3,2562 372,88 = 1214.17(kg/h)

Suất lượng mol của dòng hoàn lưu:

22,67063,18

17,1214

Khối lượng mol của dòng nhập liệu:

3 Tại đáy tháp:

Vì tại đáy tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau

⇒ Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đáy tháp là bằng nhau:

MHW = MLW = xW MN + (1 – xW) MA

= 0,8861 18 + (1 – 0,8861) 60 = 22,784 (kg/mol)Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy:

58.5784,22

12,

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NHIỆT

I CÂN BẰNG NHIỆT CHO TOÀN THÁP :

Chọn hơi đốt là hơi nước ở 2,5at

Tra bảng 1.251, trang 314, [5]:

 Nhiệt hóa hơi: rH2O= rn = 2189500 (J/kg)

 Nhiệt độ sôi: tH2O= tn = 126,25 (oC)

Dòng sản phẩm tại đáy có nhiệt độ:

 Trước khi vào nồi đun (lỏng): tS1 = 100,727 (oC)

 Sau khi được đun sôi (hơi): tS2 = 100,966 (oC)

Cân bằng nhiệt cho toàn tháp:

1.1 Nhiệt dung riêng :

Tra bảng 1.249, trang 310, [5]

Nhiệt dung riêng của nước ở 100,009 oC = 4,220012 (kJ/kg.K)

Nhiệt dung riêng của nước ở 100,1524 oC = 4,220198 (kJ/kg.K)

Nhiệt dung riêng của nước ở 100,7272oC = 4,220945 (kJ/kg.K)

Tra bảng 1.154, trang 172, [5]

Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 100,009 oC = 2,430047 (kJ/kg.K)

Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 100,1524 oC = 2,4308 (kJ/kg.K)

Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 100,7272 oC = 2,433818 (kJ/kg.K)

1.2 Enthalpy :

• hFS = ( 0,92 4,220198 + 0,08 2,4308 ) 100,1524 = 408,326 (kJ/kg)

• hWS = ( 0,70 4,220945 + 0,30 2,433818 ) 100,7272 = 371,161 (kJ/kg)

• hDS = ( 0,995 4,220012 + 0,005 2,430047 ) 100,009 = 421,144 (kJ/kg)

1.3 Nhiệt hóa hơi :

Tra bảng 1.250, trang 312, [5]

Nhiệt hóa hơi của nước ở 100,009 oC = rN = 2259,978 (kJ/kg)

Dùng toán đồ 1.65, trang 255, [5]

Nhiệt hóa hơi của axit axetic ở 100,009oC = rA = 100 (Kcal/kg) = 418,6 (kJ/kg)

Tra bảng 1.251, trang 314, [5]

Nhiệt hóa hơi của nước ở 2,5 at = rH2O= 2189,5 (kJ/kg)

Nên: rD = 0,995 2259,978 + 0,005 418,6 = 2250,771 (kJ/kg)

Nhiệt lượng cần cung cấp:

Qđ = (R+1)GDrD +GD(hDS0,95−hFS)+GW(hWS −hFS)

= 3760153,109 (kJ/h)Nếu dùng hơi nước bão hòa (không chứa ẩm) để cấp nhiệt thì: Qđ = GH2O.rH2O

Vậy lượng hơi nước cần dùng là :

O H

đ O H

2

2 r

Q

II THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY

 Chọn: Nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào tV = 27oC và nhiệt độ ra tR = 35oC

 Sản phẩm đáy đi ngoài ống với nhiệt độ vào tWS = 100,7272oC,

nhiệt độ ra tWR = 40oC

Cân bằng nhiệt: Q = GW(hWS – hWR) = Gn (hR – hV)

Nhiệt dung riêng của nước ở 40oC = 4,178 (kJ/kg.K)

Nhiệt dung riêng của axit ở 40oC = 2,1(kJ/kg.K)

Nên: hWR = (0,70 4,178 + 0,30 2,1) 40 = 142,184 (kJ/kg)

Tra bảng 1.250, p312, ST I ⇒ Enthalpy của nước ở 27oC : hV = 113,13 (kJ/kg)

⇒ Enthalpy của nước ở 35oC : hR = 146,65 (kJ/kg)Lượng nhiệt trao đổi: Q = GW(hWS – hWR) = 29107,556 (kJ/h)

Suất lượng nước lạnh cần dùng:

V R

n h h

QG

−

III THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH

Chọn:

 Nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào tV = 27oC và nhiệt độ ra tR = 60 ÷ 70oC

 Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 100,009 (oC)

Cân bằng nhiệt: Qnt = (R + 1)GDrD = Gn (hR – hV)

Nên: Qnt = (R + 1)DrD = 3572090,293 (kJ/h)

Tra bảng 1.250, p312, ST I ⇒ Enthalpy của nước ở 27oC : hV = 113,13 (kJ/kg)

⇒ Enthalpy của nước ở 60oC : hR = 251,40 (kJ/kg)Lượng nước cần dùng:

V R

nt

n h h

QG

−

IV THIẾT BỊ ĐUN SÔI DÒNG NHẬP LIỆU

 Chọn: Dòng nhập liệu đi trong ống trong với nhiệt độ vào tV = tFV = 27 oC và nhiệt độ

ra tR = tFS = 100,1524 oC

 Hơi ngưng tụ đi trong ống ngoài có áp suất 2,5at:

 Nhiệt hóa hơi: rH2O= rn = 2189500 (J/kg)

 Nhiệt độ sôi: tH2O= tn = 126,25 (oC)

Tra bảng 1.249, trang 310, [5]

⇒ Nhiệt dung riêng của nước ở 27oC = 4,178(kJ/kg.K)

Tra bảng 1.154, trang 172, [5]

⇒ Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 27 oC = 2,0311 (kJ/kg.K)

⇒ hFV = cF.tFV = [xFcN +(1−xF)cA]tFV = (0,92 4,178 + 0,08 2,0311) 27 = 108,17 (kJ/kg)

Cân bằng nhiệt: Q = GF(hFS – hFV) = Gnrn

9985,012562,3

2562,31

27,111

2562,3

27,12562,31

1

+

−++

+

=+

−++

+

R

f x R

f R

= 1.0634x – 0.05621

I TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP:

tb y y tb

g

)ω.(0188,0ω.3600

π

4VD

tb

tb

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

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

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

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

1 ĐƯỜNG KÍNH ĐOẠN LUYỆN:

a Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện :

2

1

g g

tb

+

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

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

D

r g r g

x D x G y g

D G g

1 1

1 1 1 1

1 1

(III.1)Với : G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

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

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

* Tính r1 : t1 = tF = 100,1524oC , Tra bảng 1.251, trang 314 và 256,[5] ta có:

Aån nhiệt hoá hơi của nước : rN1 = 40696,27 (KJ/kg)

Aån nhiệt hoá hơi của axit : ra1 = 23384,14(KJ/kmol)

Suy ra : r1 = rn1.y1 + (1-y1).ra1 = 23384,14 + 17312,13y1 (KJ/kmol)

* Tính rd : tD = 100.009oC , Tra bảng 1.251, trang 314 và 256,[5] ta có:

Aån nhiệt hoá hơi của nước : rNd = 40703,94(KJ/kmol)

Aån nhiệt hoá hơi của axit : rad =23383,06(KJ/kmol)

Suy ra : rd = rnd.yD + (1-yD).rad =40703,94.0,999+ (1- 0,999).23383,06 =

40686,62(KJ/kmol)

* x1 = xF = 0,9746

Giải hệ (III.1) , ta được : G1 = 67,934(Kmol/h)

y1 = 0,9801 (phân mol) M1=21,0643(kg/kmol)

g1 = 88,576(Kmol/h) =1865,792(Kg/h)

2

792,186505,

b Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm chóp có ống chảy chuyền :

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần luyện:Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện:

2

9746,09985,02

Dựa vào hình 2

⇒ Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện: TLL = 100,08 (oC)

Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện:

=

L

x 0,9575 (kg nước/ kg hỗn hợp)

Tra bảng 1.249, trang 310, [5]

⇒ Khối lượng riêng của nước ở 100,08oC: ρNL = 958,341 (kg/m3)

Tra bảng 1.2, trang 9, [5]

⇒ Khối lượng riêng của axit axetic ở 100,08oC: ρAL = 957,856 (kg/m3)

Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [5]:

856,957

9575,01341,958

9575,01

AL

L NL

L

LL

x x

ρρ

1.1 Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện :

Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện:

⇒ Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần luyện: THL = 100,092 (oC)

Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện :

MHL = yL MN + (1 – yL) MA

= 0,98927.18 + (1 – 0,98927) 60 = 18,45 (kg/kmol)

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:

)273092,100(273

4,22

45,181

32,958.05,0

8,

421,1726

0188,

g tb = n + (Kg/h)

g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h)

g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h)

1

1 ' 1 1 ' 1 ' 1 '

.'.''.'

'

r g r g r g

x W y g x G

W g G

n n

* Tính r’1 : xW =0,8861 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0,922

Suy ra :Mtbg’ =18.yW +(1-yW).60= 21,276(Kg/kmol)t’1 = tW = 100,7272oC Tra bảng 1.251, trang 314 và 256, [5]

Aån nhiệt hoá hơi của nước : r’N1 = 40576,26(KJ/kmol) Aån nhiệt hoá hơi của axit : r’a1 = 23388,47(KJ/kmol)

* Suy ra : r’1 = r’n1.yW + (1-yW).r’a1 = 39235,61 (KJ/kmol)

Vậy : g’tb = 1905,939

2

086,1946792

,

b Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm chóp có ống chảy chuyền :

ytb

xtb gh

'

'.032,0'

96,957.05,0'gh=

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

878,1.8,0'.8,0'y= ωgh=

Vậy :đường kính đoạn chưng :

Dchưng=

67906,0.5024,1

939,1905

0188,

Kết luận :đường kính của toàn tháp φ = 0,8 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :

6027.0.8,0

241,1726.0188,0

.0188,0

2

2 2

2

=

=

HL t

939,1905.0188,0'

'.0188,0

2

2 2

2

=

=

HC t

tb

D

g

II TÍNH TOÁN CHIỀU CAO THIẾT BỊ

1 XÁC ĐỊNH SỐ MÂM LÝ THUYẾT:

Vẽ đồ thị xác định số mâm lý thuyết(gồm đường cân bằng và đường làm việc đoạn luyện đoạn chưng)

Từ đồ thị :

Phần chưngSố mâm lý thuyết : 7

Đường chưng

y = 1,0643x – 0,05621

Phần luyện

* Tổng số mâm lý thuyết là Nlt = 26 (mâm) 19 mâm luyện

7 mâm chưng

2 XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :

tb

lt tt

Ntt : số mâm thực tế

Nlt : số mâm lý thuyết

•Xác định hiệu suất trung bình của tháp ηtb :

+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi :

x

x

1 y 1

Với : x :phân mol của nước trong pha lỏng

Phần luyện (phóng to)Số mâm lý thuyết :19

Đường luyện

y = 0,765x + 0,2346

y* : phân mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.

lgµhh = x1lgµ1 + x2lgµ2 (công thức (I.12), trang 84, [5])

* Tại vị trí nhập liệu :

xF = 0,9746 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*

F = 0,9819

tF = 100,1524 oC

9746.0

9746.01.9819.01

9819.0x

x1y1

yα

* Tại vị trí mâm đáy :

xW = 0.8861tra đồ thị cân bằng của hệ : y*

W = 0.922

tW = 100,7272oC

8861.0

8861.01.922.01

922.0x

x1y1

yα

9985.01.999.01

999.0x

x1y1

yα

3 CHIỀU CAO THÁP :

H = Ntt * ( Hđ + δ ) + ( 0.8 ÷ 1.0 ) ( m )

Với Ntt : số đĩa thực tế = 44

δ : chiều dày của mâm, chọn δ = 4 ( mm ) = 0.004 ( m )

Hđ : khoảng cách giữa các mâm ( m )

chọn theo bảng IX.4a- Sổ tay tập hai, Hđ = 0.3 ( m )

( 0.8 ÷ 1.0 ) : khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp

Vậy khoảng cách giữa hai mâm là 0.3 m là hợp lý

III TÍNH TOÁN CHÓP – ỐNG CHẢY CHUYỀN

1.Tính toán chóp

 Chọn đường kính ống hơi dh = 50( mm ) = 0.05 ( m )

 Số chóp phân bố trên đĩa :

8

0 = 26 ( chóp )Chọn số chóp phân bố trên đĩa : n = 29 chóp

( D : đường kính trong của tháp )

 Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi :

 Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp :

S = 0 ÷25 ( mm ), chọn S = 12,5 ( mm )

 Lưu lượng hơi trung bình đi trong tháp :

QH = Vy =( gtb + g’tb)/( ρHC + ρHL )

) = 44.8 ( khe )Chọn i = 45 ( khe )

 Chiều rộng khe chóp được xác định từ liên hệ :

s

so

h

:khá hợp lý

 Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp :

h1 = 15 ÷40 ( mm ), chọn h1 = 30 ( mm )

 Chiều cao ống dẫn hơi :

Chọn hong hơi = 70(mm)

 Chiều cao chóp :

⇒ tmin =74 + 2.2 + 35 = 113 (mm)

2 Tính cho ống chảy chuyền

 Lượng lỏng trung bình đi trong tháp :

GL= (G’

1 MtbG’ + G1 MtbG)/2 = ( 96,676.21,363 + 67,934.21,0643)/2 = 1748,13 (kg/h)

 Khối lượng riêng trung bình của lỏng đi trong tháp :

Ltb =(ρll + ρLC )/2 = (958,32 + 957,96)/2 = 958,14 (kg/m3)

z : số ống chảy chuyền , chọn z = 1

ωc : tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền , ωc = 0.1 ÷ 0.2 ( m/s )

 Khoảng cách từ mâm đến ống chảy chuyền :

S1 = 0,25dc = 0,25.0,07 = 0,0175(m)

 Bề dày của ống chảy chuyền :δc = 0,002 m)

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

 Tổng diện tích các khe chóp :

S3 = i.a.b = 45*0.002*0.02 =0.0018 m2

 Tiết diện lỗ mở trên ống hơi :

S4 = π dhơi.h2 = 3.1416 * 0,05*0,0125 = 0.001963 m2

 Lỗ tháo lỏng :

Tiết diện cắt ngang của tháp F = 0.5026 m2

Cứ 1 m2 chọn 4 cm2 lỗ tháo lỏng Do đó tổng diện tích lỗ tháo lỏng trên một mâm là:0.5026 *4 /1 = 2.0104 cm2

Chọn đường kính lỗ tháo lỏng là 5mm = 0.5cm

Nên số lỗ tháo lỏng cần thiết trên một mâm là :

2

2.0104

*4

d

π ≅ 8 lỗ

IV TÍNH TỔNG TỔN THẤT QUA TOÀN THÁP

1 Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆ :

∆ = Cg * ∆' *nh

• Diện tích của ống chảy chuyền Sd = 10%.F =0,1 0,5026 = 0,05(m2)

• Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn L = 560 (mm)

• Diện tích giữa hai gờ chảy tràn :

A = F - 2Sd = F(1 -2.0,1 ) = 0,8F =0,8.0,5026 = 0,402 (m2)

• Chiều rộng trung bình : Bm =

0, 402

0,7180,56

 Kiểm tra sự ổn định của mâm :

Vậy mâm ổn định

2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm h t :

• Chiều cao thủy tĩnh lớp chất lỏng trên lỗ chóp đến gờ chảy tràn hss :

h'd = 0.128

2

100*

L d

Q S

→ Vậy khi tháp hoạt động không xảy ra hiện tượng ngập lụt.

• Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền tc :

dtw = 0.8* h ow*h o

• Khoảng cách rơi tự do trong ống chảy chuyền :

ho = Hmin + hw - hd = 300 + 50 -147= 203 (mm)

how = 11,6 (mm)Suy ra dtw = 0,8 203.11,6 = 38,8(mm) < 70 (mm)

 Đại lượng này để kiểm tra chất lỏng chảy vào tháp có đều không và chất lỏng không va đập vào thành : tỷ số tw 0.6

w

d

d ≤

dtw < 0,6.dw = 0,6.70 = 42

→ Vậy chất lỏng chảy vào tháp đều và không va đập vào thành ống chảy chuyền

 Độ giảm áp tổng cộng của pha hơi giữa tháp :

Ht = Nt * ht = 44.79.10-3 =3,476 (m chất lỏng)

 Vậy tổng trở lực toàn tháp :

∆P = ρ*g*Ht =958,14.9,81.3,476 = 32672 (N/m2) = 0,33 (at)

Ki

ể m tra nhi ệ t đ ộ sôi c ủ a h ỗ n h ợ p l ỏ ng ở đáy tháp:

Do trở lực của tháp, áp suất ở đáy tháp ph = 1,033 + ∆P = 1,033 + 0,33 = 1,363 at # Pa

, nhiệt độ sôi của hỗn hợp sẽ thay đổi Phải kiểm tra lại nhiệt độ sôi với giá trị ban đầu : 100,730C

s s

CHƯƠNG 6 : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

I. TÍNH BỀ DÀY THÂN TRỤ CỦA THÁP

Thân của tháp được chế tạo bằng phương pháp hàn hồ quang Thân tháp được ghép từ nhiều đoạn bằng mối ghép bích

Tra bảng IX.5 ta chọn với đường kính trong của tháp D = 800(mm), khoảng cách giữa các đĩa Hđ =300 (mm), chọn khoảng cách giữa hai mặt nối bích 1200(mm), số đĩa giữa hai mặt bích nđ = 4

Chọn vật liệu làm thân là thép không gỉ X18H10T Ở nhiệt độ làm việc

t = 0C

Tốc độ ăn mòn của thép ≤ 0.1 mm/năm

Dựa vào bảng XII.4 và bảng XII.7 ( Tính chất vật lý của kim loại đen và hợp kim của chúng ), các thông số đặc trưng của X18H10T ( với chiều dày tấm thép 4 ÷ 25 mm):

Giới hạn bền kéo : σk = 550.106 N/m2

Giới hạn bền chảy : σ ch = 220.106 N/m2

Hệ sốdãn khi kéo ở nhiệt độ 20 ÷ 100 0C là 16.6*10-6 1/0C

Khối lượng riêng ρ = 7,9.103 ( Kg/m3)

Hệ số an toàn bền kéo : nk = 2.6

Hệ số an toàn bền chảy : nch = 2.6

Nhiệt độ nóng chảy : t = 1400 0C

Mô đun đàn hồi : E = 2.1*105 N/mm2

Hệ số Poatxông µ = 0.33

 Điều kiện làm việc của tháp chưng cất :

Aùp suất bên trong tháp ( tính tại đáy tháp ) với môi trường làm việc lỏng -khí:

Tổng trở lực của tháp : ∆P = 32672 ( N/m2)

Áp suất tính toán là P = PL + ∆P = 13,347.104 + 32672 = 166142 = 1,661.105 ( N/m2)Theo bảng XIII.8 : giá trị bền hàn của thân hình trụ, hàn hồ quang điện,

Dt = 800 (mm), thép hợp kim ϕh = 0.95

Ứng suất cho phép [δk] của vật liệu được tính :

[σk] = 550.106 6 2

2.6

k k

N m n

N m n

σ]

[2

.D t P

= 1,661.10 0,8562.139,33.10 0,95= 5.10-4( m) = 0,5 (mm)

• Bề dày thực tế của thân tháp :

Trong đó C = Ca + Cb + Cc +Co

Chọn thiết bị làm việc trong 15 năm : Hệ số bổ sung do ăn mòn :

Ca = 15.0,1 = 1,5 (mm)

Hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường Cb = 0

Hệ số quy tròn bầng C0 = 1 (mm)

Do đó C = 1.5 + 0 + 1 = 2,5 (mm)

Khi đó S = S’ +C = 3 (mm)

• Kiểm tra bề dày của thân :

- Kiểm tra điều kiện :

1.0002.0800

5.13

1.0

)5,13.(

95,0.10.33,139.2)(

).(

]

.[

m N C

S D

C S

a

−+

−

=

−+

−ϕσ

Như vậy [P] > P (hợp lý)

Nên chiều dày của thân S = 3(mm)

II TÍNH - CHỌN BỀ DÀY ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ

Đáy và nắp cũng là một bộ phận quan trọng thường được chế tạo cùng loại vật liệu với thân thiết bị Sử dụng thép không gỉ X18H10T

- Chọn loại đáy nắp hình elip có gờ

- Tính bề dày đáy và nắp giống nhau :

Các thông số đáy và nắp :

Đáy- nắp elip có :