ccat acid aceticnuocmam xuyen lo nAZjl 20130411034424 16282

Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp.

MỤC LỤC

3 Hỗn hợp Acid axetic – Nước

III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID AXETIC– NƯỚC

CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM

ĐÁY

III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP

1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu

2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp

IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ

THUYẾT

1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

2 Đường kính đoạn chưng

II MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM

1 Cấu tạo mâm lỗ

2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm

3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt độngO(

III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP

5 Tai treo và chân đỡ:

CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT

BỊ PHỤ

I CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy

4 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy

5 Thiết gia nhiệt nhập liệu

II TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ

III TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU

1 Tính chiều cao bồn cao vị

2 Chọn bơm

CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ

I TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ

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

Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản suất hoặc nhu cầu sử dụng

Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ acid axetic- Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho acid axetic

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 hoá- thự c phẩm 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 hoá 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 ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ acid axetic - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 5m3/h có nồng độ 8% mol acid axetic ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 0.5% mol acid axetic với nồng độ dung dịch đáy acid axetic là 30%

Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.

I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:

1 Phương pháp chưng cất :

Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu

tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng

tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi 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 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ acid axetic - nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm nước và một ít acid axetic , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid axetic và một ít nước

Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:

•Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

•Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên tục

* Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các trường hợp sau:

+ Khi nhiệt độsôi của các cấu tử khác xa nhau

+ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

* Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn

•Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước:

thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước

Vậy: đối với hệ acid axetic – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục

cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

2 Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vaò lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước của tháp : đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất 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 để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

* Tháp mâm chóp : trên mâm có chóp dạng tròn hay một dạng khác,có rãnh xung quanh để pha khí đi qua va ống chảy chuyền có hình tron

* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính 3-12mm được bố trí trên các đỉnh tam giác,bước lổ bằng 2,5 đến 5 lần đường kính

•Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn 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 và nhược điểm của các loại tháp :

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lo Tháp mâm chóp

Ưu điểm: - Đơn giản

- Hiệu suất tương đối

- Trở lực thấp - Hoạt động khá ổn định - Hoạt động ổn định

- Làm việc với chất lỏng bẩn

165

Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và tháp mâm chóp Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ.

Vậy: Chưng cất hệ acid axetic - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động

liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :

Nguyên liệu là hỗn hợp acid axetic - Nước

1 Etanol:(Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm)

Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước

•Một số thông số vật lý và nhiệt động của etanol:

+ Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua(NaH), Natri amid(NaNH2):

CH3-CH2-OH + NaH CH3-CH2-ONa + H2

Natri etylat

2 2

của nước, nên khi muối Natri etylat tan trong nước sẽ bị thuỷ phân thành rượu trở lại

+ Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với nước Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ đều tạo ra ester

CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O

CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 CH3-COO-C2H5 + H2O

* Phản ứng trên nhóm hydroxyl:

+ Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O+ Tác dụng với Triclo Phốt pho:

CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl

+ Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 C2H5-NH2 + H2O+ Phản ứng tạo eter và tách loại nước:

* Phản ứng hydro và oxy hoá:

CH3-CH2-OH CH3-CHO + H2

•Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Nó là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150 mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp

Sơ đồ tóm tắt vị trí của etanol trong các ngành công nghiệp.

•Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ kim…

Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ đường Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột:

C6H6O6 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal

Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO2

5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ(lactic, butylic…)

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:

Khối lượng phân tử : 18 g / molKhối lượng riêng d4 c : 1 g / ml

+ Thu c tr sâu ố ừ

+ S n ơ + Vecni.

+ Đồ nh a ự + Keo dán.

+ Dung môi h u c :pha s n ữ ơ ơ + Nguyên li u ệ

+ Công nghi p cao su t ng ệ ổ

h p ợ

+ Độ ng l c ự

Nhiên li u ệ

Etanol

Nhiệt độ nóng chảy : 00C Nhiệt độ sôi : 1000 CNước 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

III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC:

Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,30C ở

760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg : hơi cách biệt khá xa nên phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất.Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn

* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – nước:

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 trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy

6 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

315

316

* Thuyết minh qui trình công nghệ:

Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ

khoảng 280C 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 (5) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ) Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt(6), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất 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 nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 85% phân mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (11) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (13), được làm nguội đến 350C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu 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 ( nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy

có nồng độ etanol là 0,11 % phân mol, còn lại là nước Dung dịch lỏng 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 được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (5) (sau khi qua bồn cao vị)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 600C được thải bỏ

CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :

•Năng suất nhập liệu:

•1/ρtb = x/ρa +(1−x)/ρn=20/89/1039.6+(1-20/89)/995.6,ρtb=1005.16kg/m3)

•GF=QF*ρtb=5*1005.16=5025.8(kg/h).

• Nồng độ nhập liệu : xF = 8% mol acid axetic (xF=0.92)

• Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 0.5% mol acid axetic( xD=0.995)

•Nồng độ sản phẩm đáy : xW = 30% mol acid axetic.(xW=0.7)

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

•Chọn :

+ Nhiệt độ nhập liệu : t’F =28oC + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’D =35oC + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’W = 35oC +Trạng thái nhập liệu là trạng thái 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 + xi ,x i : phân mol , phân khối lượng của cấu tử i

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

•Cân bằng vật chất cho toàn tháp : F = D + W (II.1)

•Cân bằng cấu tử : F.xF = D.xD + W.xW (II.2)

Với : * Phân mol nhập liệu : xF = 8%(phân mol acid axetic )

Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :

8.5025

=235.29 (Kmol/h)

* Phân mol sản phẩm đỉnh : xD =0,5% (phân mol acid axetic )

Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy :

D =175.47 (Kmol/h)

W = 59.819 (Kmol/h)

III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP :

1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:

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

Do đồ thị cân bằng của hệ acid axetic -Nước có điểm uốn ,nên xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu bằng cách :

+Trên đồ thị cân bằng y-x ,từ điểm (0.995,0.995) ta kẻ một đường thẳng đi qua điểm (xF,y* ) cắt trục Oy tại điểm có yo = 0.32

+Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi xo =0 thì

Rmin=

x y

y x

F F

F D

945.0995.0

Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp ,thiết bị ngưng tụ ,nồi đun

và công để bơm cũng tăng theo.Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần ,lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu

Tổng chi phí bao gồm : chi phí cố định và chi phí điều hành Tỉ số hoàn lưu thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu

Tuy nhiên ,đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp ,khó kiểm soát nên người

ta có thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất Để tính được tỉ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều

hành),ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn Rthứng với thể tích tháp là nhỏ nhất

Nhận thấy ,tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp ,mà lượng hơi lại tỉ lệ với lượng lỏng hồi lưu trong tháp ,do trong điều kiện làm việc nhất định thì GD sẽ không đổi nên lượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1) ,do đó , tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với (R+1) Ngoài ra ,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối mox hay số mâm

lý thuyết Nlt .Cho nên ,thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số mox*(R+1) Như vậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa R và Vtháp theo quan hệ R và mox*(R+1) Từ đồ thị của quan hệ này ,ta xác định được điểm cực tiểu của mox*(R+1) ứng với tỉ số hoàn lưu thích hợp R

2.973 32.801 130.320

Vậy : Tỉ số hoàn lưu thích hợp là R= 2,973

IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆCSỐ MÂM LÝ

= 20,,99951

19,2

9,2

+

++ x

f R

.1

1

−++

+

19,2

1341.1.19,2

341.19,2

+

−+

29.235

Từ đồ thị ,ta có : 29 mâm bao gồm : 19 mâm cất

•Xác định hiệu suất trung bình của tháp η tb :

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

x

1 y 1

Với : x :phân mol của nước trong pha lỏng

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

* Tại vị trí nhập liệu :

xF = 0.92 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y* = 0.945

tF = 100.52 oC+

92.0

92.01.945.01

945.0x

x1y1

yα

F

F

*

* F

= 0,422 (cP)Suy ra : aF mF = 7,129.0,422 =3,007Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : hF = 0,395

* Tại vị trí mâm đáy :

xW = 0.7 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*

W = 0.795

tW = 102.1 oC+

7.0

7.01.795.01

795.0x

x1y1

yα

W

W

*

* W

1(.46

.46

=

−+

=

W W

W W

x x

x

khảo [4(tập 1) – trang 107] :

mW =25.10-6.9,81= 0,245.10-3 (N.s/m2) = 0,245 (cP)

Suy ra : aW mW = 16,177.0,245 = 3,967Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : hW = 0,365

*Tại vị trí mâm đỉnh :

xD = 0.995 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*

D = 0.997

tD = 100.22 oC+

995.0

995.01.997.01

997.0x

x1y1

yα

D

D

*

* D

1(.46

.46

=

−+

=

D D

D D

x x

3

600,0365,0395,0

4567,0

CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP

CHƯNG CẤT

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(Dt)

tb y y tb

g

)ω.(0188,0ω.3600

π

4VD

tb

tb t

ρ

=

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 cất :

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp :

21

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)

•Xác định g d : gd = D.(R+1) =175.47(2,9+1) = 684.333 (Kmol/h)

= 40973.75(Kg/h) (Vì MthD =60.yD+(1-yD).18 = 59.874Kg/Kmol)

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 = 100.52oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có :

An nhiệt hoá hơi của nước : rN1 = 40512.96 (KJ/kmol)

An nhiệt hoá hơi của acid : rR1 = 24195.24 (KJ/kmol) Suy ra : r1 = rR1.y1 + (1-y1).rN1 = 40512.96 – 16317.72y1 (KJ/kmol)

* Tính rd : tD = 100.22oC , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có :

An nhiệt hoá hơi của nước : rNd = 40512.96 (KJ/kmol)

An nhiệt hoá hơi của acid : rRd = 24195.24(KJ/kmol) Suy ra : rd = rRd.yD + (1-yD).rNd =24195.24*0.997 + (1- 0.997)*40512.96

= 24244.193 (KJ/kmol)

* x1 = xF = 0.92

Giải hệ (III.1) , ta được : G1 = 483.96 (Kmol/h)

y1 = 0.647 (phân mol acid) _ M1 =45.174

g1 = 958.43 (Kmol/h) = 43297.02(Kg/h)Vậy : gtb =

2

02.4329775

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

Với : rxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

rytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

273.18.160

+

−+

=

tb

tb tb

ytb

t

y y

=0.822+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : ttb =

100 +

=100.37oCSuy ra : rytb =1.745 (Kg/m3)

= 0.4577Suy ra : 60. 60(1. ).18

tb tb

tb tb

x x

x x

−+

745.1

958.05,0

8,

38.42135

0188,

2. Đường kính đoạn chưng :

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp :

21 , ,

(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

r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.

* Tính r’1 : xW =0,0011 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0,018

Suy ra :Mtbg’ =46.yW +(1-yW).18=18,504 (Kg/kmol)t’1 = tW = 100oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :

An nhiệt hoá hơi của nước : r’N1 = 40680 (KJ/kmol)

An nhiệt hoá hơi của rượu : r’R1 = 36394,3 (KJ/kmol) Suy ra : r’1 = r’R1.yW + (1-yW).r’N1 = 40543,9 (KJ/kmol)

2

008,391873,

b Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

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

ytb

xtb gh

'

'.05,0'

ρ

ρ

ω =

Với : r'xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

r'ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

273.18.'146.''

+

−+

=

tb

tb tb

ytb

t

y y

=0,1575+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’tb =

86 +

=93,25oCSuy ra : r’ytb =0,746 (Kg/m3)

= 0,051Suy ra :

18)

'1('.46

'.46'

tb tb

tb tb

x x

x x

−+

744,925.05,0'gh=

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

762,1.8,0'.8,0'h= ω gh=

Vậy :đường kính đoạn cất :

Dchưng=

409,1.746,0

441,476

0188,

Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá

lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 0,500 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :

+ Phần cất : ωlv = 0,01880,5 ..1747,171,768 0,903

.0188,0

2

2 2

2

=

=

ytb t

'.0188,0

2

2 2

2

=

=

ytb t

tb

D

g

II MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM :

1 Cấu tạo mâm lỗ :

Chọn : + Đường kính lỗ : dl = 3 (mm)

+ Tổng diện tích lỗ bằng 9,77% diện tích mâm

+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo tam giác đều )

+ Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 + Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm

Số lỗ trên 1 mâm :

N =

lo

mâmS

%

77,

=

2 2

003,0

5,0.0977,0

0977,

Vậy: ta bố trí các lỗ trên 1 mâm thành 51(hàng), số lỗ trên đường chéo là 66 lỗ

2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm :

Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng ) là tổng các độ giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng :

htl = hk + hl + hR (mm.chất lỏng)Với : + hk :độ giảm áp qua mâm khô (mm.chất lỏng)

+ hl : độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm.chất lỏng).+hR : độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm.chất lỏng)

Trong tháp mâm xuyên lỗ ,gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆ là không đáng kể nên có thể bỏ qua

a Độ giảm áp qua mâm khô :

Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất do dòng chảy đột thu , đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ

L

G

o

o L

G

o

o k

C

u g

C

v h

ρ

ρρ

ρ

0,51

.2

2 2

Với : + uo :vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s)

+ rG : khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m3)

+ rL : khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3)

+ Co :hệ số orifice ,phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.

δ

=0,6 Tra tài liệu tham khảo [1 – trang 111] : Co = 0,745

•Đối với mâm ở phần cất :

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : uo =

0977,0

903,0

%77,

9ωlv =

=9,243 (m/s)

+ Khối lượng riêng của pha hơi : rG = ρytb = 1,171 (Kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng : rL = ρxtb = 821,25 (Kg/m3)

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất :

25,821

171,1.745,0

243,9.0,

•Đối với mâm ở phần chưng :

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’o =

0977,0

903,0

%77,9

+ Khối lượng riêng của pha hơi : r’G = ρ’ytb = 0,746 (Kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng : r’L = ρ’xtb = 925,744 (Kg/m3)

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng :

744,925

746,0.745,0

243,9.0,51

b Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm :

Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất lỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw , chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm β :

hl = β.( hw + how ) , (mm.chất lỏng)Chọn : + Hệ số hiệu chỉnh : β = 0,6

+ Chiều cao gờ chảy tràn : hw = 50 (mm)Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng :

3

4,43

L

q

Với : + qL : lưu lượng của chất lỏng (m3/ph)

+ Lw :chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)

o

o

n n

Với : no :góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn Lw Dùng phương pháp lặp ta được : no = 93o12’22”

•Xác định q L :

* Phần cất : = 60. .. = 2,97360..8215,60,25.41.8

xtb

D L

M D R q

364,0

01412,0.4,

189,18.608,63'

.60

.' = '1 ' =

xtb

tbG L

M G q

364,0

02083,0.4,43

d

h

54,625

ρ

σ

Với : + σ : sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm)

+ ρL : khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3)

•Phần cất :

* Khối lượng riêng của pha lỏng : rL = ρxtb = 821,25 (Kg/m3)

* ttb = 82,5oC ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :+ Sức căng bề mặt của nước : σN = 62,138 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của rượu : σR = 17,075 (dyn/cm)

Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần cất :

R N

R N

σσ

σσσ

+

= . = 13,394 (dyn/cm).

Vậy : Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là :

003,0.25,821

394,13.54,625

=

R

•Phần chưng :

* Khối lượng riêng của pha lỏng : r’L = ρ’xtb = 925,744 (Kg/m3)

* t’tb = 93,25oC ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :+ Sức căng bề mặt của nước : σ’N = 60,149 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của rượu : σ’R = 16,108 (dyn/cm)

Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng :

R N

R N

''

'.''

σσ

σσσ

+

Vậy : Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần chưng là :

003,0.744,925

705,12.54,625'R=

Tóm lại : Độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở :

+ Phần cất : htl = 10,683+32,987+3,401 = 47,071 (mm.chất lỏng)

hay htl = 47,071 10-3 9,81 821,25 = 379,226 (N/m2)

+ Phần chưng : h’tl = 6,039+33,867+2,862 = 42,768 (mm.chất lỏng)

hay h’tl = 42,768 10-3 9,81 925,744 = 388,400 (N/m2)

Suy ra :Tổng trở lực của toàn tháp hay độ giảm áp tổng cộng của toàn tháp

là :(xem độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở phần chưng )

3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :

Chọn khoảng cách giữa hai mâm là hmâm =250 (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 :

hd = hw + how + htl + hd’ , (mm.chất lỏng)Với : hd’ : tổn thất thuỷ lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được xác định theo biểu thức sau :

2 '

.100.128,0

S

Q

trong đó : + QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h)

+ Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đó :

Sd = 0,8 Smâm = 0,8 π.0,252 = 0,1571 (m2)

• Phần cất : QL = 60.qL = 60 0,01412 = 0,8472 (m3/h)

Suy ra :

2 '

1571,0.100

8472,0.128,

1571,0.100

2498,1.128,0

mâm = =

h

(mm) : đảm bảo khi hoạt động các mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt

Vậy : khi hoạt động đảm bảo tháp sẽ không bị ngập lụt.

Chiều cao của thân tháp :Hthân =Ntt (hmâm+δmâm ) + 0,8

=53.(0,250+0,0018) +0,8 =14,2(m)

Chiều cao của đáy và nắp : Hđ = Hn =ht +hgờ =0,125+0,025=0,150(m)

(Xem ở phần (III.2) : Đáy và Nắp thiết bị )

Chiều cao của tháp : H = Hthân + Hđ + Hn = 14,5(m)

III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP :

1 Bề dày thân tháp :

Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang ) 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 etylic đối với thiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

•Ap suất tính toán :

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

Ptt =Pcl + ∑htl , (N/mm2)Với : Pcl : áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm2)

Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn an toàn nên :

821 +

9,81 14,5

=124250,58 (N/m2)

Suy ra : Ptt = 124250,58 + 20199,9 = 144450,48(N/m2) ~0,14446(N/mm2).0.25=25N/cm2

•Nhiệt độ tính toán :

Chọn nhiệt độ tính toán : ttt = tđáy = 100oC

Tra tài liệu tham khảo [5], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T :

[σ]* = 142 (N/mm2)

Đối với rượu hệ số hiệu chỉnh : η = 1

Vậy : ứng suất cho phép : [σ] = η.[σ]* = 142 (N/mm2)

•Xác định bề dày thân chịu áp suất trong :

Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằng tay nên hệ số bền mối hàn : ϕh = 0,9

Xét tỷ số : [ ] .0,95

25.0

142 h =

tt

Pσ ϕ =539.6 > 25,do đó, bề dày tính toán của thân

được tính theo công thức sau :

[ ] 2.142.0,95

25.0.2200

.2

h

tt t t

P D S

ϕ

Suy ra : bề dày thực của thân : St = S’t + C ,(mm)

Trong đó : C :hệ số bổ sung bề dày, C = Ca + Cb + Cc + Co Với : + Ca : hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của chất lỏng Chọn tốc độ ăn mòn của rượu là 0,1

(mm/năm),thiết bị hoạt động trong 20 năm, do đó Ca = 2 mm

+Cb : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn Cb = 0

+Cc : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn Cc = 0

C S

= 0,002 < 0,1 : đúng

* Kiểm tra áp suất tính toán cho phép :

[ ] 2.[ ]. (.( ) ) = 2.2200142.0+,95(5.(−52−)2)

−+

−

=

a t t

a t h tt

C S D

C S

=0,5102 > Ptt : đúng

Vậy : Bề dày thực của thân là St = 3 (mm)

2 Đáy và nắp thiết bị :

Chọn đáy và nắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T

Nhận thấy: công thức tính toán bề dày thân, đáy và nắp chịu áp suất trong là như nhau Nên chọn bề dày của đáy và nắp là Sđ = Sn = 3 (mm)

Các kích thước của đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ(tài liệu tham khảo [4(tập 2)]:+ Đường kính trong: Dt = 500 (mm)

+ 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 X18H10T, cấu tạo của bích là bích liền không cổ

Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 2)- trang 417], ứng với Dt =500(mm) và áp suất tính toán Ptt = 0,14446(N/mm2) ta chọn bích có các thông số sau :

Suất lượng nhập liệu: GF = 1000 (Kg/h).

Khối lượng riêng của chất lỏng nhập liệu, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ở

tF = 86,5oC và x F =22,12%: ρF = 920,1 (Kg/m3)

Lưu lượng chất lỏng nhập liệu đi vào tháp:

F

F F

G Q

087,1.4

.3600

Suy ra: chọn đường kính ống nhập liệu: dF = 0,050 (m)

Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích:

Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: gd = 933,662 (Kg/h)

Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức (xác định ở

( )

.4,22

273.18.1.46

+

−+

=

D

D D

h

t

y y

Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:

h

dρ

483,642.4

.3600

.4

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 0,100 (m)

Tài liệu tham khảo [4(tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích:

c Ong hoàn lưu:

Suất lượng hoàn lưu: Ghl =D.MD.R=5,600 41,8 2,973= 695,864 (Kg/h).Khối lượng riêng của chất lỏng hoàn lưu, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ở

tD = 86,5oC và x D =93,5%: ρhl = 771,55 (Kg/m3)

Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu:

hl

hl hl

G Q

902,0.4

.3600

.4

Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích:

d Ong dẫn hơi vào đáy tháp:

Suất lượng hơi vào đáy tháp: g’1 = 391,008 (Kg/h)

Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp được tính theo công thức (xác định ở

273.18.1

46

+

−+

=

W

W W

y y

Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:

hd 1'ρ