đồ án chưng luyện nước – acid acetic

 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.. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng

LỜI MỞ ĐẦU

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản

Đi đôi với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì nhu cầu về độ tinh khiết của các sản phẩm ngày càng cao Vì thế các phương pháp nâng cao độ tinh khiết 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 Nước- Acid acetic là hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta 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 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

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU

I.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT :

I.1.1 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

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, còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

I.1.2 Các phương pháp chưng cất:

a Phân loại theo áp suất làm việc :

- Áp suất thấp

- Áp suất thường

- Áp suất cao

b Phân loại theo nguyên lý làm việc:

- Chưng cất đơn giản

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp

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

- Cấp nhiệt trực tiếp

- Cấp nhiệt gián tiếp

Vậy: đối với hệ Nước – Acid acetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp

nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

I.1.3 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: 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…

- 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

Ở đây ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Nước – Acid acetic

2

I.2 GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU :

I.2.1 Acid acetic:

- Acid acetic nóng chảy ở 16,6oC, điểm sôi 118oC, hỗn hợp trong nước với mọi tỷ

lệ

- Tính ăn mòn kim loại:

 Acid acetic ăn mòn sắt

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

 Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối với acid acetic

- Acid acetic thuần khiết còn gọi là acid 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

I.3 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

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 Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đỉnh

5 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

12 Thiết bị đun sôi đáy tháp

13 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

14 Bồn chứa sản phẩm đáy

15 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

4

A - A

910

GHI CHÚ SL

V ẬT L IỆU STT Trườ ng Đ ại học B ách K hoa Tp H ồ Chí Minh BỘ MÔ N MÁY VÀ THIẾT BỊ K hoa Công nghệ Hóa học THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC - AXIT AXETIC DÙNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ Đồ a ùn m ôn học Qua ù trình và Thiết bị : 2/ 2 Nguyễn T Hiền Lương Nguy ễn Văn Lục Ngày BV

Tỉ lệ BẢN VẼ LẮP ĐẶT Họ tên Chữ k ý SVTH

C hức năng

1 2

3

4 5 9 10

12 13 14

15 M10x25

4

25/ 06 /05 1:10 A

TL 1:10 I

TL 4:1 I 5

5

TL 1:5

TL 1:10 11

III III

TL 1:2 II

Ống da ãn hơi ra Nắp thiết bị Bíc h nối na ép (đáy) và t hân Ống hoa øn lưu

Ống da ãn nhập liệu Ống da ãn l ỏng ra Đáy thiết bị Cha ân đỡ X18H10T 1

X18H10T 1 X18H10T 1 X18H10T 1 X18H10T

Vu õ Bá Min h

Vũ Bá Minh

Bồn chứa sản pha åm đỉnh Thi ết bị làm nguội sản phẩm đáy Thi ết bị đun sôi đáy tháp Áp kế Tha ùp chưng c ất Thi ết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Nhiệt kế Lưu lượng kế Bẩy hơi Thi ết bị đun sôi dòng nhập liệu

TB trao đổi nhiệt với sản phẩm đỉ nh Bồn cao vị BơmBồn chứa n guyên liệu 1/ 2 Chức năng SVTH GVHD Nguye ãn Văn Lục Nguyễn T Hiền Lương QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ B ản vẽ so á Tỉ le ä Đồ a ùn môn học Q uá trình và Thiết bị : THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC - AXIT AXETIC DÙNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ Trường Đại học Ba ùch Khoa Tp Hồ Ch í Minh Khoa Công nghệ Hóa học BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ STT TÊN GỌI ĐA ËC TÍNH KỸ T HUẬTSL G HI CHÚ

14 16

Thân th iết bị X18H10T 1 Gờ cha ûy tràn X18H10T 71

Ma âm xuyên lỗ X18H10T 71 Máng chảy c huyền X18H10T 71 Bích nố i thân

T 15

14 13 12

10

9 5 4 3

2 1

11 8 7 6

Hỗn hợp Nước – Acid acetic có nồng độ nước 30% (theo phần khối lượng), nhiệt

độ khoảng 300C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3)

Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đỉnh (4) 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 acid acetic 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% 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 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 (acid acetic) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 0,5% phần khối lượng, còn lại là acid acetic 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 350C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (14)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước, sau khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu có nhiệt độ 35oC và được thải bỏ Sản phẩm đáy là acid acetic được giữ lại

Chương 3

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

III.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :

Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ

Khi chưng luyện dung dịch acid acetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước

)mol/g(60MCOOHCH

:axeticAxit

N 2

A 3

 Năng suất nhập liệu: GF = 3000 (kg/h)

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

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 30oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 45oC

 Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

 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

I XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH và SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯỢC :

Đun gián tiếp :

W D F

xGxGxG

GGG

⇔

F D

W W

F

D W

D

F

xx

Gx

x

Gx

5,030G

xx

x

x

F W D

II XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC :

1 Nồng độ phần mol :

−+

=

−+

=

60

3,0

118

3,

0 18

3,0

M

x1M

x

M

xx

A

F N

F

N F

=

−+

=

−+

=

60

005,0

118

005,

005,0

M

x1M

x

M

xx

A

W N

W

N W

=

−+

=

−+

=

60

955,0

118

955,

955,0

M

x1M

x

M

xx

A

D N

D

N D

2 Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu :

01647,058824,0

01647,098606,

0x

W D

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: 0,705 0,58824

705,098606,

0xy

yxR

F

* F

* F D min

Tỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 3,429

III 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 = 0,986 18 + (1 – 0,986) 60 = 18,585 (kg/mol)

Suất lượng khối lượng của dòng hơi tại đỉnh tháp:

GHD = (R +1)GD = (3,429 + 1) 931,579 = 4126,142 (kg/h)

Suất lượng mol của dòng hơi tại đỉnh tháp:

nHD = 18,585

142,4126M

G

LD

L = = 171,885 (kmol/h)

2 Tại mâm nhập liệu :

Khối lượng mol của dòng nhập liệu:

MF = xF MN + (1 – xF) MA = 0,588 18 + (1 – 0,588) 60 = 35,294 (kg/kmol)Suất lượng mol của dòng nhập liệu:

F = 35,294

3000M

n’LF = L + F = 171,885 + 256,885 = 428,770 (kmol/h)

nHF = nHD = 222,009 (kmol/h)

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 = 0,016 18 + (1 – 0,016) 60 = 59,308

(kg/mol)Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy:

W = 59,308

421,

2086M

TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH(Tháp mâm xuyên lỗ) Phương trình đường làm việc :

986,0x1429,3

429,

31R

xx1R

R

+

++

=+

++

1429,3

696,11x1429,3

696,1429,3x1R

f1x1R

fR

+

−++

+

=+

−++

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

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

2

588,0986,

02

xx

= 0,787 (mol nước/ mol hỗn hợp)

Dựa vào hình 2 ⇒ Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện: TLL = 101,4 (oC)

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

2

3,0955,02

xx

⇒ Khối lượng riêng của acid acetic ở 101,4oC: ρAL = 955,480 (kg/m3)

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

001,0480,955

628,01364,957

628,0x

1x

1

AL

L NL

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:

4,22

054,251RT

PM

HL

HL HL

Hình 2: Giản đồ T – x,y của hệ Nước – Acid acetic

1.3 Tính vận tốc pha hơi đi trong phần luyện :

Tra bảng IX.4a, trang 169, [6] ⇒ Với đường kính tháp trong khoảng 1,4 ÷ 1,6 (m) thì khoảng cách mâm là: ∆h = 400 (mm) = 0,4 (m)

Tra đồ thị 6.2, trang 256, [4] ⇒ C = 0,057

Vận tốc pha hơi đi trong phần luyện:

815,0

661,956057,0C

Suất lượng mol của pha hơi trong phần luyện: nHL = nHD = 222,009 (kmol/h)

Suất lượng thể tích của pha hơi trong phần luyện:

13600

)2736,101(273

4,22009,222P

3600

RTn

HC

C

4,1

933,14Q

4

×π

×

=πφ

=

2 2

HL

895,14Q

4

×π

×

=πφ

=

1 Phần luyện :

Dựa vào hình 3 ⇒ Số mâm lý thuyết phần luyện: nltL = 19

1.1 Tính hiệu suất mâm :

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

• Tra bảng 1.250, trang 312, [5] ⇒ Ap suất hơi bão hòa của nước PNL = 1,09668

806P

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 toán đồ 1.18, trang 90, [5] ⇒ Độ nhớt của acid acetic µAL = 0,42 (cP)

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lgµhh = x1lgµ1 + x2lgµ2 (công thức (I.12), trang 84, [5])

n

CL ltL = = 39,683 ≈ 40

Số mâm thực tế của toàn tháp: ntt = nttL + nttC = 40 + 31 = 71

Chiều cao thân tháp: Hthân = (ntt –1)∆h + 1 = 29 (m)

Chọn đáy (nắp) ellip tiêu chuẩn có φ

t

h

= 0,25 ⇒ ht = 0,25 1,4 = 0,35 (m)Chọn chiều cao gờ: hg = 50mm = 0,05 (m)

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

III TRỞ LỰC THÁP :

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 = 3mm = 0,003 (m)

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

 Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm

 Lỗ bố trí theo hình lục giác đều

 Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 7mm

 Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T

Số lỗ trên 1 mâm:

N =

2 2

loã loã

maâm

03,0

4,108,0d

08,0S

Số lỗ trên đường chéo: b = 2a + 1 = 153 (lỗ)

2 Trở lực của đĩa khô :

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

2

.'

2

815,0.392,1582,

1 2 = 175,724 (N/m2)

2.2 Phần cất :

Vận tốc hơi qua lỗ: ω’C = 0,08

256,

1

%8

ω

= 15,696 (m/s)Nên: ∆PkC =

2

449,1.696,1582,

4P

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

• Tra bảng 1.249, trang 310, [5] ⇒ Sức căng bề mặt của nước σNL = 0,585756 (N/m)

• Tra bảng 1.242, trang 300, [5] ⇒ Sức căng bề mặt của acid σAL = 0,019674 (N/m)

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

2 1

2 1 2

1

111

σ+σ

σσ

=σ

⇒σ

+σ

=σ

Nên: 0,585756 0,019674

019674,

0585756,

×+

 Lgờ : chiều dài của gờ chảy tràn, 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:

Ta có: Squạt - S∆ = Sbán nguyệt

2

%202cosR2sinR2

1.22

1

= 1,017 (m)4.1 Phần luyện :

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

Lgờ

R

α

MLL = 2

294,35585,

182

M

= 26,940 (kg/kmol)Suất lượng mol của pha lỏng trong phần luyện: nLL = L = 171,885 (kmol/h)

Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:

940,26885,171M

.n

00134,0

Kiểm tra hoạt động của mâm:

 Kiểm tra lại khoảng cách mâm ∆h = 0,4m đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình thường của tháp: ∆h > g

P8,1

Lρ

∆

Với các mâm trong phần chưng trở lực thuỷ lực qua 1 mâm lớn hơn trở lực thuỷ lực của mâm trong phần luyện, ta có: 945,928 9,18

078,7928

,1g

P8,1

LC

C

×

=ρ

∆

= 0,154

⇒ 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

)02432,005,0(928,94581,967,0hg

HC

bC LC

ρ

= 10,835 < 15,696

⇒ Các lỗ trên mâmđều hoạt động

Kết luận:

Tổng trở lực thủy lực của tháp:

∆P = nttL.∆PL + nttC∆PC = 40 577,638 + 31 792,078 = 47659,953 (N/m2)

6 Kiểm tra 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]:

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

 hgờ : chiều cao gờ chảy tràn (mm)

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

 ∆P: tổng trở lực của 1 mâm (mm.chất lỏng)

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

xác định theo biểu thức (5.10), trang 115, [2]:

2

d

L '

Q.128,0h

 QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h)

 Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

638,5771000

g

638,577

d

LL L

'

360000134

,0.128,0S

.100

Q.128,0

078,7921000

g

638,577

d

LC C

'

360000357

,0.128,0S

.100

Q.128,0

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

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

IV BỀ DÀY THÁP :

1 Thân tháp :

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

Vì tháp hoạt động ở nhiệt độ cao (>100oC) nên ta phải bọc cách nhiệt cho tháp

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của acid acetic 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)

 Áp suất tính toán : vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên: P = Pthủy tĩnh + ∆PKhối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp:

928,945661,

= 0,326 (N/mm2)

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

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

133P

[2

P

×

=ϕσ

φ

= 1,805 ⇒ S’ + Ca = 1,805 + 2 = 3,805 (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

2)CS(

)CS(][2]

P

[

a

a h

−+

−ϕσ

Kết luận: S = 4 (mm)

2 Đáy và nắp :

Chọn đáy và nắp cĩ dạng hình ellip tiêu chuẩn, cĩ gờ, làm bằng thép X18H10TChọn bề dày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp: S = 4 (mm).

Kiểm tra điều kiện:

−ϕσ

=

≤

−

P)CS(R

)CS(][2]P[

125,0D

CS

a t

a h

t a

⇒ Điều kiện trên được thỏa như đã kiểm tra ở phần thân tháp

Kết luận: Kích thước của đáy và nắp:

1 Các thơng số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính tốn :

 Nhiệt độ tính tốn : t = tmax = 117,6 (oC)

 Áp suất tính tốn : P = Pthủy tĩnh + Pgờ

Chọn bề dày gờ chảy tràn là 3mm

Thể tích của gờ chảy tràn: V = 1,017 (50 + 50 + 400 – 20) 3 10-6 = 0,00146 (m3)

Tra bảng XII.7, trang 313, [6]

⇒ Khối lượng riêng của thép X18H10T là: ρX18H10T = 7900 (kg/m3)

Khối lượng gờ chảy tràn: m = VρX18H10T = 11,572 (kg)

Áp suất do gờ chảy tràn tác dụng lên mâm trịn:

4

mg

Pgờ 2

φπ

 Hệ số bổ sung do ăn mịn hĩa học của mơi trường :

Vì mơi trường acid cĩ tính ăn mịn và thời gian sử dụng thiết bị là trong 20 năm

 Môđun đàn hồi : E = 199824 (N/mm2) (Bảng 2.12, trang 45, [7])

 Hệ số Poisson : µ = 0,33 (Bảng XII.7, trang 313, [6])

 Hệ số điều chỉnh : ϕb = 3

3

7t

d

t− = −

= 0,571

2 Tính bề dày : Đối với bản tròn đặc ngàm kẹp chặt theo chu vi:

Ứng suất cực đại ở vòng chu vi:

2

D16

P3

P

b b

max max

=ϕ

σ

=σ

0007,031400]

[16

P3D

×

=ϕσ

4 b

o

PRW

W

ϕ

=ϕ

b

2 4 b

o

)1(PR.16

3ES

64

)1(PR12WW

ϕ

µ

−

=ϕ

µ

−

=ϕ

=

Để đảm bảo điều kiện bền thì: Wlo < ½ S

2 4

lo 0,571 199824 5

)33,01(70000007.16

3W

VI BÍCH GHÉP THÂN – ĐÁY và NẮP :

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các

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

 Bích liền : 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 bằng 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

= = 1,933 (m)

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 đầy 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)

VII CHÂN ĐỠ THÁP :

1 Tính trọng lượng cùa toàn tháp :

Tra bảng XII.7, trang 313, [6]

⇒ Khối lượng riêng của tháp CT3 là: ρCT3 = 7850 (kg/m3)

Khối lượng của một bích ghép thân:

mbích ghép thân = ( ) (1,55 1,4 ) 0,035 7850

4h

DD4

2 2 3

CT

2 t

π

= 95,486 (kg)Khối lượng của một mâm:

π

.1,42.0,005.0,82.7900 = 49,861 (kg)Khối lượng của thân tháp:

mđáy(nắp) = Sbề mặt .δđáy ρX18H10T = 2,35 0,004 7900 = 74,26 (kg)

Khối lượng của toàn tháp:

m = 32 mbích ghép thân + 71 mmâm + mthân + 2 mđáy(nắp) = 10786,231 (kg)

Tải trọng cho phép trên một chân: Gc = 4

81,9694,108054

mg4

= 2,645.104 (N)

Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gc = 4.104 (N)

Tra bảng XIII.35, trang 437, [6] ⇒ chọn chân đỡ có các thông số sau:

Thể tích một chân đỡ: Vchân đỡ ≈ (384 16 330 2 + 260 16 200) 10-9 = 0,005 (m3)Khối lượng một chân đỡ: mchân đỡ = Vchân đỡ ρCT3 = 38,363 (kg)

VIII TAI TREO THÁP :

Chọn tai treo: tai treo được gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động trong điều kiện ngoại cảnh

Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3

Ta chọn bốn tai treo, tải trọng cho phép trên một tai treo: Gt = Gc = 4.104 (N)

Tra bảng XIII.36, trang 438, [6] ⇒ chọn tai treo có các thông số sau:

Khối lượng một tai treo: mtai treo = 7,35 (kg)

Tra bảng XIII.37, trang 439, [6]

⇒ Chọn tấm lót tai treo bằng thép CT3 có các thông số sau:

 Chiều dài tấm lót: H = 460 (mm)

 Chiều rộng tấm lót: B = 320 (mm)

 Bề dày tấm lót: SH = 8 (mm)

Thể tích một tấm lót tai treo: Vtấm lót = 460 320 8 10-9 = 0,001 (m3)

Khối lượng một tấm lót tai treo: mtấm lót = Vtấm lót ρCT3 = 9,244 (kg)

IX CỬA NỐI ỐNG DẪN VỚI THIẾT BỊ – BÍCH NỐI CÁC BỘ PHẬN CỦA

 Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính d ≤ 10mm, đôi khi có thể dùng với d ≤ 32mm.

Ống dẫn được làm bằng thép X18H10T

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

1 Ống nhập liệu :

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

Tại nhiệt độ này thì:

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

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

02,998

3,01392,980

3,0x

1x1

A

F N

F F

=

−+

=ρ

−+ρ

4v

3600

G.4

F F

F

×π

×

×

=π

⇒ Chọn ống có Dy = 80 (mm)

Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]

⇒ Các thông số của bích ứng với P = 0,326 (N/mm2) là:

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

Khối lượng riêng của pha hơi tại đỉnh tháp:

)2731,100(273

4,22

585,181RT

PM

HD

HD HD

4v

3600

G.4

HD HD

HD

×π

×

×

×

=π

⇒ Chọn ống có Dy = 150 (mm)

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

Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]

⇒ Các thông số của bích ứng với P = 0,326 (N/mm2) là:

3 Ống hoàn lưu :

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 acid: ρA = 957,820 (kg/m3)

820,957

955,0

1326,958

955,0x

1x1

A

D N

D LD

=

−+

=ρ

−+ρ

v3600

G.4

LD LD

LD

×π

×

×

×

=π

⇒ Chọn ống có Dy = 80 (mm)

Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]

⇒ Các thông số của bích ứng với P = 0,326 (N/mm2) là:

Nhiệt độ của pha hơi tại đỉnh tháp là tHW = 117,6 (oC)

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

Đường kính trong của ống nối:

Dy =

1201

3600

)2736,117(273

4,22009,2224v

P3600

RTn

4

HW

HW HW

×π

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

Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]

⇒ Các thông số của bích ứng với P = 0,326 (N/mm2) là:

5 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 acid: ρA = 927,220 (kg/m3)

220,927

005,01391,945

005,0x

1x1

A

W N

W LW

=

−+

=ρ

−+ρ

=

Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vLW = 1 (m/s)

Đường kính trong của ống nối:

308,59885,2564v

3600

Mn.4

LW LW

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 bảng XIII.26, trang 409, [6]

⇒ Các thông số của bích ứng với P = 0,326 (N/mm2) là:

v3600

G.4

W LW

W

×π

×

×

×

=π

⇒ Chọn ống có Dy = 80 (mm)

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

Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]

⇒ Các thông số của bích ứng với P = 0,326 (N/mm2) là:

DD4

2 2

3 CT

2 t

π

= 3,088 (kg)Khối lượng một bích ghép ống dẫn hơi:

mbích ghép ống nước = ( ) (0,260 0,150 ) 0,02 7850

4h

DD4

2 2

3 CT

2 t

Để tháp không bị nguội mà không tăng chi phí hơi đốt, ta thiết kế lớp cách nhiệt bao quanh thân tháp

Chọn vật liệu cách nhiệt cho thân tháp là amiăng có bề dày là δa

Tra bảng 28, trang 416, [4]: Hệ số dẫn nhiệt của amiăng là λa = 0,151 (W/m.K)

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh:

Qm = 0,05.Qđ = 0,05.265,148 = 452734,492 (kJ/h) = 125759,581 (W)Nhiệt tải mất mát riêng:

a

a 2 1 a

a tb

λ

Trong đó:

 tv1 : nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt ngoài của tháp

 tv2 : nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với không khí

 ∆tv : hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt của lớp cách nhiệt

Để an toàn ta lấy ∆tv = ∆tmax = tđáy - tkk

581,125759

a

δ++

×π

⇔

a a

1)404,1(

191,98

δ

=δ+

I THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP :

Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp là nồi đun Kettle

Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3:

 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 = 117,1 (oC)

 Sau khi được đun sôi (hơi): tS2 = 117,6 (oC)

1 Suất lượng hơi nước cần dùng :

Cân bằng nhiệt cho toàn tháp: Q đ + G F h FS = (R+1) G D r D + G D h DS + G W h WS + Q m

⇒ Nhiệt dung riêng của nước ở 100,1oC = 4,22013 (kJ/kg.K)

⇒ Nhiệt dung riêng của nước ở 103,4oC = 4,22442 (kJ/kg.K)

⇒ Nhiệt dung riêng của nước ở 117,1oC = 4,24507 (kJ/kg.K)

Tra bảng 1.154, trang 172, [5]

⇒ Nhiệt dung riêng của acid acetic ở 100,1oC = 2,430525 (kJ/kg.K)

⇒ Nhiệt dung riêng của acid acetic ở 103,4oC = 2,44785(kJ/kg.K)

⇒ Nhiệt dung riêng của acid acetic ở 117,1oC = 2,519775 (kJ/kg.K)