thiết kế hệ thống chưng cất nước – axit axetic có năng suất là 3000 kg trên giờ

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ, các ngành công nghiệp trên thế giới nói chung cũng như ở Việt Nam nói riêng rất cần những hóa chất có tiêu chuẩn về chất lượng và độ tinh khiết cao. Các phương pháp phổ biến được áp dụng rộng rải hiện nay để nâng cao độ tinh khiết như: chưng cất, trích ly, cô đặc, hấp thụ….tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà có sự lựa chọn phương pháp phù hợp. 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 hóa học tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về : yêu cầu công nghệ, 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 về nhiều môn để giải quyết những vấn đề thực tế về kỹ thuật trong công nghiệp một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của đồ án môn học là thiết kế tháp chóp chưng cất liên tục hệ hai cấu tử nước – acid acetic ở áp suất khí quyển, năng suất hỗn hợp đầu 40.000 tấnnăm. Đối với hệ nước – acid acetic là hệ hai cấu tử hòa lẫn vào nhau hoàn toàn, có nhiệt độ sôi cách xa nhau nên ta dung phương pháp chưng cất để thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao.

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của các nền công nghiệp thế giới và nước nhà, các ngành công nghiệp luôn cần rất nhiều hóa chất có độ tinh khiết cao Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn

Việc sử dụng phương pháp nào cho phù hợp nhất còn phụ thuộc nhiều vào các yếu tố khá nhau, nhưng mục đích cuối cùng là làm sao ta thu đươc sản phẩm mình mong muốn và có tính hiệu quả kinh tế nhất Từ lý thuyết môn quá trình thiết bị giúp chúng em có được sự tính toán để thu đươc hiệu suất tối ưu nhất, nhưng đó chỉ là trên lý thuyết còn thục tế thì khác Có thể chất ta sử dụng trong phản ứng sẽ tạo ra hiệu suất cao nhất nhưng giá thành trên thị trường thi quá đắt không có tính kinh tế, vì thế phương pháp này sẽ không được khả thi Cho nên đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học giúp cho sinh viên áp dụng những lý thuyết mình đã học vào thưc tế, là 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 tốn cụ thể về: quy trình công nghệ, 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 3000 kg/h, nồng độ nhập liệu là 30% khối lượng, nồng

độ sản phẩm đỉnh là 95,5% khối lượng, nồng độ sản phẩm đáy là 0,5% khối lượng Sử dụng hơi đốt có áp suất 2,5at

thành các cấu tử riêng biệt

- Nguyên tắc: dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử ở cùng một nhiệt

độ.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:

+ Đỉnh: cấu tử có độ bay hơi lớn – nhiệt độ sôi thấp

+ Đáy: cấu tử có độ bay hơi kém – nhiệt độ sôi cao

Đối với hệ Nước – Axit axetic thì:

- 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 đa cấu tử

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

3 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 dung là tháp chêm và tháp mâm

♣ 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 xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

+) Ưu điểm : Chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp hơn tháp chóp,

ít tốn kim loại hơn tháp chóp

+) Nhược điểm : Yêu cầu lắp đặt cao, mâm lắp phải thẳng, đối với tháp có đường kính quá lớn ( >2,4m ) ít dùng tháp mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối không đều trên mâm

- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…

+) 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.

♣ 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

+) Ưu điểm : Chế tạo đơn giản, trở lực thấp

+) Nhược điểm: Hiệu suất thấp, kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết diện tháp không đều, sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cất theo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâm một cách rõ ràng, tháp chêm khó chế tạo được kích thước lớn ở quy mô công nghiệp

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :

Nguyên liệu là hỗn hợp nước – acid acetic

 Khối lượng phân tử : 18 g / mol

 Khối lượng riêng d40 c : 1 g / ml

 Là một chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng , trọng lượng riêng 1,0497 (ở 20oC)

 Khi hạ nhiệt độ xuống một ít đã đông đặc thành một khối tinh thể có

To

nc = 16,635 – 0,002o, Tosôi = 118oC

 Tan trong rượu và ete theo bất kì tỉ lệ nào

 Là một acid yếu , hằng số phân ly nhiệt động của nó ở 25oC là K = 1,75.10− 5

Tính ăn mòn kim loại:

 Axit axetic ăn mòn sắt

 Nhôm bị ăn mòn bởi acid loãng, nó đề kháng tốt đối với acid 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

Chú thích các kí hiệu trong qui trình :

1 Bồn chứa nguyên liệu

2 Bơm

3 Bồn cao vị

4 Thiết bị trao đổi nhiêt với sản phẩm đỉnh

5 Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu

12.Thiết bị đun sơi đáy tháp

13.Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

14.Bồn chứa sản phẩm đáy

15.Bồn chứa sản phẩm đỉnh

* Thuyết minh qui trình cơng nghệ:

Hỗn hợp Nước – Axit axetic cĩ nồng độ nước 30% ( theo phần khối lượng ), nhiệt độ khoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đĩ được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đỉnh (4) Sau đĩ , hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sơi trong thiết

bị đun sơi dịng nhập liệu (5), rồi đưa vào thấp 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, cĩ 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) lơi 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 cĩ nhiệt độ sơi 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 95,5% phần khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (10)

và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (4) ( sau khi qua bồn cao vị) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu cề tháp ở đĩa trên cùng Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt đọ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp chất lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi ( axit axetic ) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng đọ nước là 0,5% phần khối lượng, còn lại là axit axetic Dung dịc 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 phần nồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13), được làm nguội đến 350C, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (14).Hệ thống làmviệc liên tục cho sản phẩm đỉnh là nước, sau khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu có nhiệt độ 350C và được thải bỏ Sản phẩm đáy là axit axetic được giữ lại

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 acid axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước

Nuoc

) / ( 60 :

2

3

mol g M

O H

mol g M

COOH CH

axetic Axit

•Khối lượng phân tử của nước và acid axetic: MN =18, MA =60

•Áp suất hơi đốt Ph = 2,5 at

 Nhiệt độ nhập liệu: tF = 28oC

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tW =35oC

 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tD =35oC

 Trạng thái nhập liệu: lỏng ,sôi

Các kí 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

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY :

+) Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất :

5 , 0 30

W

F G x x

x x

=

− +

=

60

3 , 0

1 18

3 ,

0 18

3 , 0 M

x 1 M

x

M

x x

A

F N

F

N F

− +

=

− +

=

60

005 , 0 1 18

005 ,

0 18

005 , 0 M

x 1 M

x

M

x x

A

W N

W

N W

+

=

− +

=

60

955 , 0

1 18

955 ,

0 18

955 , 0 M

x 1 M

x

M

x x

A

D N

D

N D

2 Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu:

016 , 0 588 , 0

016 , 0 986 , 0

W D

x x

x x

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực Do đó ,chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu ,nước và bơm…) là tối thiểu

588 , 0 7 , 0

7 , 0 986 , 0

F D

x y

y x

• Tỉ số hoàn lưu thích hợp:

R = 1,3Rmin + 0,3 = 3,620

IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC, SỐ MÂM LÝ THUYẾT:

1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :

y =

1

1

= . 30,62,9861

1 62 , 3

62 , 3

+

+ + x

f R

1

1

1 +

− + +

+

1 62 , 3

1 696 , 1 1 62 , 3

696 , 1 62 , 3

+

− +

+

= 1,15 x + 0,0024

V XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA:

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

là không đổi

1 Tại đỉnh tháp.

L

n HD

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

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

MHD = MLD = xD.MN+(1– xD).MA = 0,986.18+(1–0,986).60 = 18,585 (kg/mol).Suất lượng khối lượng của hơi tại đỉnh tháp :

2 Tại mâm nhập liệu.

Khối lượng mol của dòng nhập liệu:

Suất lượng mol của dòng nhập liệu:

Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy:

= 0,787 (mol nước/ mol hỗn hợp).

Dựa hình 2 ⇒ Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện :

TLL=101,4(oC)

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

2

3 , 0 955 ,

0 2

x

x

x D F

= 0,628 (mol nước/ mol hỗn hợp)

Tra trang 310,[5]⇒ Khối lượng riêng của nước ở 101,4oC: ρNL = 957,364 (kg/m3)

Tra trang 9, [5] ⇒ Khối lượng riêng của axetic ở 101,4oC: ρAL = 955,480 (kg/m3)

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

001 , 0 480 , 955

628 , 0

1 364 , 957

628 , 0 x

L

LL

=

− +

= ρ

− +

ρ

=

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

Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện.

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

) 273 4 , 101 ( 273

4 , 22

14 , 25 1

RT

PM

ρ

=0,818 (kg/m3)

Hình 2

1.3 Tính vận tốc của pha hơi trong phần luyện:

Tra bảng IX.4a, trang 169, [6] ⇒ Chọn khoảng cách mâm là: ∆h = 0,4 (m)

1 3600

) 273 4 , 101 ( 273

4 , 22 231,579

Đường kính phần luyện:

949 , 1

976 , 1 4 4

φ

L

HL L

HL L

1 Phần luyện :

Dựa vào hình 3 ⇒Số mâm lý thuyết phần luyện : nltL =16

Tại nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần luyện T HL = 101,6 o C thì:

• Tra bảng 1.250, trang 312, [5]

⇒Áp suất hơi bão hịa của nước PNL = 1,09668 at = 806,060 (mmHg)

• Tra hình XXIII, trang 466, [4]

⇒Áp suất hơi bão hịa của axit axetic PAL = 150 (mmHg)

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 101,4oC thì :

• Tra bảng 1.104, trang 96, [5]⇒ Độ nhớt của nước µNL = 0,2808 (cP)

• Dùng tốn đồ 1.18, trang 90 , [5]⇒Độ nhớt của axit axetic µ AL = 0,42 (cP)

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lgµhh = x1lgµ1 + x2lgµ2 (cơng thức (I.12), trang

Với φ = 1,4 (m) Tra hình 6.5, trang 258, [4]⇒∆ = 0,14

Nên hiệu suất mâm : ECL = EL(1 + ∆) = 0,479

Dựa hình 3 ⇒ Số mâm lý thuyết phần chưng : nltC = 14.

Tại nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần chưngTHC = 109 oCthì :

• Tra bảng 1.250, trang 312, [5]

⇒ Áp suất hơi bão hòa của nước PNC = 1066,632 (mmHg)

• Tra hình XXIII, trang 466, [4]

⇒Áp suất hơi bão hòa của axit axetic P = 190 (mmHg)

Nên: = =1066190,632

AC

NC C

P

P

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng TLC = 107,5oC thì:

• Tra bảng 1.104, trang 96, [5]⇒ Độ nhớt của nước µNC = 0,263 (cP)

• Dùng đồ thị 1.18, trang 90, [5]⇒ Độ nhớt của axit axetic µAC = 0,390 (cP)

Số mâm thực tế của toàn tháp : ntt = nttL + nttC = 33 + 30 = 63.

Chiều cao thân tháp: Hthân = (ntt –1)∆h + 1 = 25,8 (m)

Chọn đáy (nắp) ellip tiêu chuẩn có hφt = 0,25 ⇒ ht = 0,25 1,4 = 0,35 (m)

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

Chiều cao đáy(nắp): Hnắp = ht+ hg = 0,4 (m)

Kết luận: Chiều cao toàn tháp là: H = Hthân + 2Hnắp = 25,4 + 2.0,4 = 26,6 (m)

1 Cấu tạo mâm lỗ :

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với :

 Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm

 Đường kính lỗ dlỗ = 5mm = 0,005 (m)

 Chiều cao gờ chảy tràn: hgờ = 50mm = 0,05 (m)

 Diện tích đỉnh cho ống chảy chuyền bằng 20% diện tích mâm

 Lỗ bố trí theo hình lục giác đều

 Tỉ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 8/10

 Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 7 mm

 Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T

Số lỗ trên 1 mâm :

N =

2 2

005 , 0

4 , 1 08 , 0 08

, 0

mâm

d S

Gọi a là hình lục giác

Áp dụng công thức (V.139), trang 48, [6]

N = 3a(a-1) +1  3a.a - 3a – 6271= 0.

Giải phương trình bậc 2 ⇒ a = 46,22≈ 46 ⇒ N = 6211 (lỗ)

Số lỗ trên đường chéo : b = 2a + 1 = 93 (lỗ)

2 Trở lực của mâm khô :

Áp dụng công thức (IX.140), trang 194,[6]

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 101,6oC thì :

Tra bảng 1.249,trang 310, [5]⇒ Sức căng bề mặt của nước σNL = 0,5855 (N/m) Tra bảng 1.242, trang 300, [5] ⇒ Sức căng bề mặt của axit σAL = 0,0196 (N/m)

Áp dụng công thức (I.76), trang 299, [5] :

2 1

2 1 2

1

1 1 1

σ + σ

σ σ

= σ

⇒ σ

+ σ

= σ

Nên : σLL = 00,,58555855×+00,,01960196= 0,019 (N/m).

Cho ta: 1 , 3 0 , 003 0 , 08 0 , 003 2

019 , 0 4

× +

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng TLC = 108oC thì :

⇒Sức căng bề mặt của nước σNC = 0,5739 (N/m)

⇒Sức căng bề mặt của axit σAC = 0,0191 (N/m)

Áp dụng công thức :

2 1

2 1 2

1

1 1 1

σ + σ

σ σ

= σ

⇒ σ

+ σ

= σ

Nên : σLC = 00,,57395739+×00,,01910191= 0,0143 (N/m).

003 , 0 08 , 0 003 , 0 3 , 1

0143 , 0 4

× +

Trong đó :

 Lgờ :chiều dài của gờ chảy tàn, m

 K = ρb/ρL : tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng của chất lỏng, lấy gần bằng 0,5

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

Tính chiều dài gờ chảy tràn :

cos 2

sin 2

1 2

R

π α

−

 α - sinα = 0,628

Dùng phương pháp lặp trên máy tính casio ⇒α = 1,627 (Rad)

Nên : Lgờ = φsinα2= 1,4 sin

2

627 , 1

MLL =

2

294 , 35 585 , 18 2

lL 1 , 85 1 , 017 0 , 5

00134 , 0

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

∆PC = ∆PkC + ∆PσC + ∆PbC = 320,371+ 14,664 + 448,282 = 783,317 (N/m2)

 Kiểm tra lại khoảng cách mâm ∆h = 0,4m đảm bảo cho điều kiện hoạt động

bình thường của tháp : ∆h > 1,8 Pg

L ρ

656,647 8

, 1 8

, 1

⇒ Điều kiện trên được thỏa

 Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động của mâm

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

vmin = 0,67

313 , 1 82 , 1

) 02432 , 0 05 , 0 ( 94 , 945 81 , 9 67 , 0

5 Kiểm ta ngập lụt khi tháp hoạt động :

Khoảng cách giữa 2 mâm : ∆h = 400 (mm)

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

chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức (5.20), trang

120, [2]

h = h + ∆h + ∆P + h , (mm.chất lỏng)

Trong đó :

 hgờ : chiều cao gờ chảy tràn (mm)

 ∆hl : chiều cao lớp chất lỏng trên mâm (mm)

Q 128 , 0 h

 QL : lưu lượng của chất lỏng(m3/h)

 Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

'

1,0778 100

3600 0,00142

128 , 0

100 128 ,

5.2 Phần chưng :

∆hlC = 0,02432 1000 = 24,32 (mm)

 ∆PC = 1000

81 , 9 940 , 945

783,317 1000

'

1,23 100

3600 00357

, 0 128 , 0

100 128 ,

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

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

IV BỀ DÀY THÁP :

1 Thân tháp :

Vì tháp hoạt đông ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn hồ quang điện kiểu hàn giáp 2 mối phía Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của axit axetic đối với thiết bị, ta chọn thiết bị thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

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

 Nhiệt độ tính toán : t = tmax + 20oC = 117,6 + 20 = 137,6 (oC)

Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán :

LC

LL ρ

Nên: P= 244505,157 + 45168,861 = 289674,018 (N/m2) = 0,29(N/mm2)

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

Vì môi trường axit có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị là trong 20 năm

= 1,60 ⇒ S’ + Ca = 1,60 + 2 = 3,60 (mm)

Quy tròn theo chuẩn: S = 4 (mm) (Bảng XIII.9, trang 364, [6])

Bề dày tối thiểu : Smin = 4 (mm) (Bảng 5.1, trang 128, [7])

⇒ Bề dày S thỏa điều kiện.

− +

− ϕ σ

Kết luận : Vậy chọn bề dày của thân tháp St = 4 (mm)

2 Đáy và nắp :

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

Nhận thấy : Công thức tính toán bề dày thân, đáy và nắp chịu áp suất là như nhau Nên chọn bề dày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp Sđ = Sn = 4 (mm)

Các kích thướcđáy và nắp ellip tiêu chuẩn, có gờ (Bảng XIII.10, trang 382,

bộ phận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng:

 Bích kiền : Là bộ phận nối liền với thiết bị ( hàn, đúc và rèn ) Loại

bích này chủ yếu dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình

 Bích tự do :Chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để

nối các bộ bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bị

 Bích ren : Chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao.

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

Tra bảng XIII.27, trang 417, [6] Ứng với Dt = φ = 1400 (mm) và áp suất tính toán P = 0,29 (N/mm2) ⇒ chọn bích có các thông số sau:

Tra bảng IX.5, trang 170, [6] ,với ∆h = 400 (mm)

⇒ khoảng cách giữa 2 mặt bích là: 200mm và số mâm giữa 2 mặt bích là 5

Khoảng cách giữa 2 mặt bích theo thực tế : ∆lbích =

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 xiêt bu long , đệm bị biến dạng

và điền đầy các chỗ gồ gề trên mặt của bích Vậy để đảm bảo độ kín cho thiết

bị ta chọn đệm là dây amiăng có bề dày là 3(mm)

Bích được làm bằng thép CT3 ,cấu tạo của bích là bích liền không cổ

Ống nhập liệu:

Nhiệt độ của chất lỏng nhập liệu tFS = 103,4 (oC)

Tại nhiệt độ này thì :

 Khối lượng riêng của nước: ρN = 955,884 (kg/m3)

 Khối lượng riêng của axit: ρA = 951,880 (kg/m3)

880 , 951

3 , 0 1 884 , 955

3 , 0 1

1 = + − = + − =

A

F N

F F

x x

ρ ρ

Dy = 36004.G v 3600 9534.3000,078 0,2

F F

F

× π

×

×

= π

Nhiệt độ của pha hơi tại đỉnh tháp là tHD = 100,1 (oC)

Khối lượng riêng của pha hơi tại đỉnh tháp là:

) 273 1 , 100 ( 273

4 , 22

585 , 18 1 RT

PM

HD

HD HD

, 0 3600

4303,8996 4

3600

4

ρHD HD v HD

G

= 0,144 (m) = 144(mm)

⇒ Chọn ống có Dy = 150 (mm)

Tra bảng XIII.32, trang 434, [6] ⇒ Chiều dài đoạn ống nối l = 130 (mm)

Tra trang 409, [6] ⇒ Các thông số của bích ứng với P = 0,29 (N/mm2) là:

Nhiệt độ của chất lỏng hoàn lưu là tLD = 100,1 (oC).

Tại nhiệt độ này thì :

 Khối lượng riêng của nước : ρN = 958,326 (kg/m3)

 Khối lượng riêng của axit: ρA = 957,820 (kg/m3)

820 , 957

955 , 0 1 326 , 958

955 , 0 1

1 = + − = + − =

A

D N

D LD

x x

ρ ρ

Nhiệt độ của ống hơi ở đáy tháp là tHW = 117,6 (oC).

Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp là vHW = 120 (m/s)

Đường kính trong ống nối:

Dy =

120 1

3600

) 273 6 , 117 ( 273

4 , 22 009 , 222 4 v

P 3600

RT n 4

HW

HW HW

× π

4 Ống dẫn lỏng vào nồi đun :

Nhiệt độ của chất lỏng tại đáy tháp là tLW = 117,1 (oC)

Tại nhiệt độ này thì:

 Khối lượng riêng của nước: ρN = 945,391 (kg/m3)

 Khối lượng riêng của axit: ρA = 927,220 (kg/m3)

Nên: 1 x 1 x 9450,005,391 19270,,220005 0,001

A

W N

W LW

=

− +

= ρ

− + ρ

LW LW

× π

⇒ Chọn ống có Dy = 80 (mm)

Tra bảng XIII.32, trang 434, [6] ⇒ Chiều dài đoạn ống nối l = 110 (mm)

Tra trang 409, [6] ⇒ Các thông số của bích ứng với P = 0,29 (N/mm2) là:

W

× π

×

×

×

= π

⇒ Chọn ống có Dy = 80 (mm)