Thiết kế tháp chóp tròn hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp benzene toluene ở áp suất thường

CHÖÔNG 1 1.1. Mở đầu 1.1.1. Đề bài: Chưng luyện hỗn hợp benzentoluen sử dụng tháp chóp tròn với các thông số công nghệ sau: o Suất lượng nhập liệu:3000kgh o Nồng độ nhập liệu: 35%(khối lượngkhối lượng hỗn hợp) o Nồng độ sản phẩm đỉnh:98% khối lượng o Nồng độ sản phẩm đáy: 1.7% khối lượng o Áp suất hơi nước cấp nhiệt: 2.5at 1.1.2. Giới thiệu sơ lược về nguyên liệu Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ.Công thức phận tử là C6H6. Benzen không phân cực,vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực và tan rất ít trong nước.Trước đây người ta thường sử dụng benzen làm dung môi. Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn Các tính chất vật lí của benzen: o Khối lượng phân tử:78.11 o Tỉ trọng(20oc): 0.879 o Nhiệt độ sôi:80oc o Nhiệt độ nóng chảy:5.5oc Toluen: là một hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng và có tính thơm ,công thức phân tử tương tự như benzen có gắn thêm nhóm –CH3.Không phân cực,do đó toluen tan tốt trong benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp. Các tính chất vật lí của toluen: o Khối lượng phân tử:92.13 o Tỉ trọng(20oC): 0.866 o Nhiệt độ sôi:111oC o Nhiệt độ nóng chảy:95oC Các phương thức diều chế : o Đi từ nguồn thiên nhiên Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ…. o Đóng vòng và dehiro hóa ankane o Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt CH3(CH2)4CH3 C6H6 o Dehidro hóa các cycloankane Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen C6H12 C6H6 o Đi từ acetylen Đun acetane trong sự có mặt của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken như Ni(CO)(C6H5)P sẽ thu được benzen 3C2H2 C6H6 o Từ benzen ta có thể điều chế được các dẫn xuất của benzen như toluen bằng phản ứng FriedelCrafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự có mặt cảu xúc tác AlCl3 khan C6H6 + CH3 Cl C6H5CH3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KĨ THUẬT HÓA HỌC Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BỘ MÔN MÁY THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thanh Huy, 60600897 Lớp: HC06VS

1.Đầu đề đồ án: Thiết kế tháp chóp tròn hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp benzene-

toluene ở áp suất thường

2.Số liệu ban đầu:

 Năng suất nhập liệu: 3000kg/h

 Nồng độ nhập liệu: 35% khối lượng

 Nồng độ sản phẩm đỉnh: 98% khối lượng

 Nồng độ sản phẩm đáy:1.7% khối lượng

 Sử dụng hơi đốt là hơi bão hòa ngưng tụ với áp suất 2.5at

 Các số liệu khác tự chọn

3.Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

1 Tổng quan về sản phẩm và quá trình thiết bị chưng cất

2 Tính cân bằng vật chất năng lượng và số mâm thực tế tháp chưng

3 Tính toán cấu tạo thiết bị chính

4 Tính các thiết bị phụ có trong qui trình

5 Lập bảng tính khối lượng vật tư và giá thành thiết bị

6.Ngày bảo vệ hay chấm:

MỤC LỤC CHƯƠNG 1

I Mở đầu

I.1 Giới thiệu sơ lược về nguyên liệu 5

I.2 Phương thức thực hiện quá trình 6

Sơ đồ qui trình công nghệ và thuyết minh qui trình công nghệ 8

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT – CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG I/ Cân bằng vật chất 10

1 Cân bằng vật chất 10

2 Tính chỉ số hồi lưu nhỏ nhất 11

3 Xác định số đĩa lí thuyết 11

4 Xác định số đĩa thực tế 12

II / Cân bằng nhiệt Cân bằng nhiệt cho thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 13 Cân bằng nhiệt cho toàn tháp 13 Cân bằng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ 15 Cân bằng nhiệt cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 16 Cân nhiệt cho thiết bị làm lạnh đáy 16 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 1 Đường kính tháp 18

1.1 Đường kính đoạn luyện 19

1.2 Đường kính đoạn chưng 20

2 Chiều cao tháp .21

3 Tính thiết kế chóp

3.2 Phần luyện 21

3.3 Phần chưng 22

4 Tính chiều dài gờ chảy tràn 24

5 Chiều cao mực lỏng trên gờ chảy tràn 24

6 Kiểm tra hiệu quả làm việc của chóp 25

7 Kiềm tra ngập lụt cho tháp 26

8 Kiểm tra chiều cao Hmin 28

9 Tính trở lực 29

CHƯƠNG 4: TÍNH CƠ KHÍ 30

1 Tính bề dày thân trụ của tháp 30

2 Tính - chọn bề dày đáy và nắp thiết bị 31

3 Tính bề dày mâm 33

4 Tính bích ghép thân đáy nắp 35

5 Tính chân dỡ và tai treo 35

5.1 Tính lớp cách nhiệt 35

5.2 Tính trọng lượng toàn tháp 36

5.3 Tính chân đỡ 36

5.4 Tính tai treo 37

6 Cửa nối ống thiết bị,bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn 38

6.1 Ống nhập liệu 38

6.2 Ống hơi ở đỉnh tháp 39

6.3 Ống hoàn lưu 39

6.4 Ống hơi ở đáy 40

6.5 Ống dẫn lỏng vào nồi đun 40

Chương 5: tính thiết bị phụ I / Tính các thiết bị truyền nhiệt 1 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 41

2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 46

3 Thiết bị ngưng tụ 50

4 Thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 54

5 Thiết bị đun sôi đáy tháp 58

II / Tính bơm 62

1 Tính bồn……….62

2 Tính bơm……… 65

TÍNH KINH TẾ 67

VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VÀ AN TOÀN LAO ĐỘNG 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

CHÖÔNG 1

1.1 Mở đầu

1.1.1 Đề bài:

Chưng luyện hỗn hợp benzen-toluen sử dụng tháp chóp tròn với các thông số công nghệ sau:

o Suất lượng nhập liệu:3000kg/h

o Nồng độ nhập liệu: 35%(khối lượng/khối lượng hỗn hợp)

o Nồng độ sản phẩm đỉnh:98% khối lượng

o Nồng độ sản phẩm đáy: 1.7% khối lượng

o Áp suất hơi nước cấp nhiệt: 2.5at

1.1.2 Giới thiệu sơ lược về nguyên liệu

Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ.Công thức

phận tử là C6H6 Benzen không phân cực,vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phâncực và tan rất ít trong nước.Trước đây người ta thường sử dụng benzen làm dung môi Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn

Toluen: là một hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng và có tính thơm ,công thức phân tử tương tự

như benzen có gắn thêm nhóm –CH3.Không phân cực,do đó toluen tan tốt trong

benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp

o Đi từ nguồn thiên nhiên

Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ…

o Đóng vòng và dehiro hóa ankane

o Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt

CH3(CH2)4CH3  Cr2O 3 /Al2 O3 

C6H6

o Dehidro hĩa các cycloankane

Các cycloankane cĩ thể bị dehidro hĩa ở nhiệt độ cao với sự cĩ mặt của các xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen

C6H6 + CH3- Cl   AlCl 3 C6H5-CH3

1.2.Phương thức thực hiện quy trình:

Ta dùng phương pháp chưng cất để tách riêng hỗn hợp benzen-toluen.Sau đây là các đặc trưng cơ bản của quá trình chưng cất:

1.2.1 Khái niệm:

- Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗnhợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tửtrong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khácnhau)

- Về mặt bản chất chưng cất và cô dặc hoàn toàn giống nhau.Chúng chỉ khác nhau làtrong cô đặc chỉ có dung môi bay hơi,còn trong chưng cất cả chất tan và dung môi đều bayhơi.Do đó ta sẽ thu được:

Ở đỉnh tháp chủ yếu là nồng dộ chất dễ bay hơi

Ở đáy tháp chủ yếu là nồng độ chất khó bay hơi

Đối với hệ chúng ta thì ta sẽ thu được ở đỉnh chủ yếu là benzen đáy là toluen

- Các phương pháp chưng luyện: có nhiều cách phân loại các phương pháp chưngluyện,trong đó có các cách sau:

Phân loại theo áp suất:

o Chưng ở áp suất cao

o Chưng ở áp suất thường

o Chưng ở áp suất thấp

- Trong đó chưng ở áp suất thường hay được sử dụng vì nó đơn giản an toàn,cón chưng ởáp suất thấp được dùng chủ yếu với tinh dầu vitamin hay nhưng chất có nhiệt độ sôi cao ởáp suất thường hoặc những chất dễ biến tính vì nhiệt.Chưng ở áp suất cao thường đượctiến hành khi hỗn hợp không hóa lỏng ở nhiệt độ thường, ít thông dụng vì nó nguy hiểmvà tốn nhiều tiền cho việc đầu tư thiết bị

Phân loại theo nguyên tắc cấp nhiệt cho đáy tháp:

Cấp nhiệt trực tiếp: tức ta sục trực tiếp hơi nước vào đáy tháp.Thường áp dụng với hệ cómột cấu tử là nước có độ bay hơi thấp hơn.ví dụ: etanol-nước

Cấp nhiệt gián tiếp: dòng sản phẩm đáy sẽ dược dẫn qua một thiết bị gia nhiệt khác trướckhi đưa vào đáy tháp

 Hệ của ta sẽ được cấp nhiệt gián tiếp thông qua một thiết bị đun sôi đđáy tháp

Phân loại theo nguyên tắc chưng luyện:

- Chưng luyện đơn giản :thường dùng để tách hai cấu tử có nhiệt độ sôi khác xa nhau,khiđộ sạch của sản phẩm không cần cao lắm,hoặc dùng để tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

- Chưng liên tục:là quá trình tách hôn hợp lỏng xảy ra ở nhiều bậc lặp lại quá trình bay hơivà ngưng tụ riêng phần các cấu tử được phân tách trên bề mặt tiếp xúc pha.Cho phép thuđược sản phẩm có độ tinh khiết cao

- Ngồi ra cịn cĩ chưng trực tiếp bằng hơi nước: áp dụng cho những chất cĩ nhiệt độ sơi cao

và khơng tan trong nước

 Hệ cuả chúng ta áp dụng phương pháp chưng liên tục,thiết bị chưng cất:vềnguyên lí có thể sử dụng nhiều thiết bị khác nhau để chưng cất.trong đó có các loại nhưtháp đệm,tháp chóp,tháp đĩa lưới ,tháp đĩa lỗ…

Sau đây là bảng so sánh một số loại thiết bị thướng được sử dụng:

Ưu điểm -cấu tạo đơn giản

Trở lực thấpLàm việc được vớichất lỏng bẩn nếu sửdụng đệm cầu cókhối lượng riêng gầnbằng với chất lỏng

Trở lực tương đốithấp

Hiệu suất khá cao

Ổn địnhHiệu suất cao

Nhược điểm Do có hiệu ứng

thành nên năng suấtthấp

Độ ổn định khôngcao

Khi tăng năng suấtthì hiệu ứng thànhtăng nên khó tăngnăng suất

Thiết bị cồng kềnh

Không làm việcđược với chất lỏngbẩn

Kết cấu kha phứctạp

Trở lực lớnTiêu tốn nhiều vật tưthiết bị chế tạo

 Hệ của ta dùng tháp mâm chóp

1.3 Qui trình công nghệ:

C

hú thích:

Bình chứa nguyên liệu: 1 Thiết bị ngưng tụ: 10

Bơm nguyên liệu: 2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: 11Bồn cao vị 3 Thiết bị đun sơi đáy tháp: 12

Thiết bị đun sơi hỗn hợp đầu: 5 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: 13Bẫy hơi: 6 Bồn chứa sản phẩm đáy: 14

Lưu lượng kế: 7 Bồn chứa sản phẩm đỉnh: 15

bị đun sơi đáy tháp(12).Ở đây ta sử dụng truyền nhiệt gián tiếp.Hơi bốc lên được cho quay trởvào tháp,cịn sản phẩm đáy được đưa qua thiết bị làm lạnh(13) và dược chứa trong bình(14)

Chương 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

1.4 Cân bằng vật chất

1 Cân bằng vật chất

- Cho toàn tháp: F = P + W

- Cho cấu tử dễ bay hơi: F x F P x P W x W

- Từ đó ta có:

F D W F F

W x

x

D x

017 0 35 0

*

x x

x x

F

P

w p

w F

35 0 98 0

*

x x

x x

F

W

w p

F p

92

35 0 1 11 78

35 0

* 3000

x F

T

F B

92

98 0 1 11 78

98 0

* 383 1037

1

* 383

.

M

x M

x P

T

P B

92

017 0 1 11 78

017 0

* 617 1962

1

* 617

.

M

x M

x W

T

W B

35 0 1 11 78

35

0 78.11

35 0

98 0 1 11 78

98

0 78.11

98 0

02 0 13 92

017 0 1 11 78

017

017 0

F P

x y

y x R





 *

* min

.

0

61 0 983

Công thức IX.20 và IX.21,tr144,[1] ta có:

- Phương trình đường nồng độ làm việc phần chưng là:

W th th

R

f x

892 2 1 1

484

.

2

892 2 484

983 0 1

Dựa vào đồ thị ta xác định được số đĩa lí thuyết

T B

282 0 238 0

T B

318 0 26 0

T B

252 0 217 0

388 0 lg

) 1 ( lg

.

0

) 318 0 lg(

) 983 0 1 ( ) 26 0 lg(

983 0 lg

) 1 ( lg

) 02 0 1 ( ) 217 0 lg(

02 0 lg

) 1 ( lg lg

61 0 1

F F

x

x y

y



983 0

983 0 1 993 0 1

993 0 1

P P

x

x y

y



02 0

02 0 1 046 0 1

046 0 1

W W

x

x y

n n

- Số đĩa thực tế phần luyện là: 18

56025.0

n n



II/ Cân bằng năng lượng

1 Cân bằng nhiệt cho thiệt bị đun nĩng hỗn hợp đầu

- Nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp nhập lệu: tf = 30oC ( chọn)

Với r1 ẩn nhiệt ngưng tụ, r1 =2189.5 kJ/kg

C1 nhiệt dung riêng của hơi nước

- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào

Qf = F Cf tf kJ/h

Cf là nhiệt dung riêng của hỗn hợp vào.ta có:C f C B x F C T( 1  x F)

Tại tf = 30oc tra bảng 4,tr11 [2] ta có:CB = 1.75 KJ/kg độ CT = 1.67KJ/kg độ

kgK KJ

C f  1 75 * 0 35  1 67 * ( 1  0 35 )  1 698 /



h KJ

C F 2.101*0.352.05*(1 0.35)2.0678 /



với CF = 2.0678kJ/kg độ

h KJ

Q F  3000 * 2 0678 * 95 608  5593095 /



- Nhiệt lượng do nước ngưng mang đi

1 1

- QF nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào QF = 593095 kJ/kg

- QD2 nhiệt lượng do hơi đốt mang vào ở đáy tháp QD2 = r2 D2

- QR lựng lỏng do hỗn hợp hồi lưu mang vào:

P T P B P

T P

ẩn nhiệt hóa hơi của benzen là rB = 393.442 kJ/kg

ẩn nhiệt hóa hơi của toluen là rT = 378.47 kJ/kg

05 550 ) 98 0 1 (

* 7 526 98 0

* 53 550

/ 7 526 557 80

* 84 1 47

378

/ 53 550 557 80

* 95 1 442

kg kj

ta có nhiệt dung riêng trung bình của benzen là 1.84KJ/Kg độ

Theo công thức 2.12 tr111, [sách bai tập truyền nhiệt] ta có:

.

2

18

* 8 7 11

* 7

Q Q Q

Q

5 2189

* 95 0

85 404373 593095

51 525664 02

1988014 95

t C

r R

*18094.4

078.30802

*)1484.2(

*241.13)(

)1(

1 2 1

t’2 nhiệt độ lúc sau của sản phẩm đỉnh.Chọn t’2 = 35oc

t2 nhiệt độ sau của nước Chọn t2 = 40oc

t1 nhiệt độ ban đầu của nước vào.Chọn t1 = 27oc

CP,Cn nhiệt dung riêng của sản phẩm và nước

Ta có CP = 1.948 (KJ/kg.độ964) Cn2 = 4.18094(KJ/kg độ)

h kg t

t C

t t PC

*18094.4

)35557.80(

*948.1

*383.1037)

(

)''(1 2 2

2 1

- Với t’1 nhiệt độ ban đầu của sản phẩm đỉnh t’1 = 109.68

t’2 nhiệt độ lúc sau của sản phẩm đỉnh.Chọn t’2 = 35oc

t2 nhiệt độ sau của nước Chọn t2 = 40oc

t1 nhiệt độ ban đầu của nước vào.Chọn t1 = 27oc

CP,Cn nhiệt dung riêng của sản phẩm và nước

Ta có CP = 2.442 (KJ/kgdo964) Cn2 = 4.18094(KJ/kg độ)

h kg t

t C

t t WC G

n

W

)2740(

*18094.4

)3568.109(

*442.2

*617.1962)

(

)''(1 2 3

2 1

Gọi gd là lượng hơi ở đỉnh tháp Ta có: gd =P*(R+1) =13.241*(2.484+1) = 46.132

Gọi g1 ,G1 (kmol/h) là lưu lượng hơi và lỏng đi trong phần chưng.Ta có 1 hệ

P r

g r

g

Px x

G y

g

P G

g

1

1

1 1 1

1

1 1

:Với x1=xF=0.388

Với r1 là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của phần luyện

Tại tF = 95.608 ta có

) 1 ( 907 370 42

382 )

1 (

) / ( 907 370 ) / ( 097

.

370

) / ( 42 382 ) / (

42

.

382

1 1

1 1

r

kmol kj M kg

kj r

kmol kj M kg

kj

r

T B

T B

T T

B B

392 ) 1

(

) / ( 47 378 ) /

M y

M r

y r

y

r

kmol kj M kg

kj

r

kmol kj M kg

kj

r

d T d

B T

d B

d

d

T T

B B

* 132 46 ) 1 ( 907 370 42

.

382

(

983 0

* 241 13 388 0

241 13

1 1

( 564

.

0

) / ( 52

31

) / ( 761

y

h kmol G

h kmol g

132 46 764 44

g

g

Gọi L là lượng hồi lưu lại tháp.Ta có: L = R*P = 2.484*13.241 = 32.89(kmol/h)

Lượng lỏng trung bình đi trong phần luyện là:

2

89.3252.312

1

1 1 1

1

1 1

' ' '

'

' ' '

' '

r g r

g r

g

Wx y

g x

G

W g

G

n n

* 13 92

* 13 362 046 0 11 78

* 19 371 ) 1 ( '

) ( 13 362 ) ( 13 362

) ( 19 371 ) ( 19 371

r

h kmol M h

kj r

h kmol M h

kj r

W T W B

T T

B B

33214

'

02 0

* 367 21 046

0 ' '

'

367 21 '

'

1

1 1

1

1 1

g

g x

G

g G

o Giải hệ phương trình ta thu được:

g’1 = 42.78(kmol/h)

G’1 = 64.147(kmol/h)

x’1 = 0.0373(kmol/kmol hh)

o Lượng hơi trung bình trong phần chưng là:

)/(77.432

761.4478.422

52.31147.642

'1 1

h kmol G

g D



0188.0

285 81 13 92

* ) 7735 0 1 ( 11 78

* 7735 0 )

.

22

273

* 285

tb x

x x

800

) / ( 102

807

3 3

m kg m kg

.

804

82 800

665 0 1 102

Tra bảng 24,tr25,[2]

- Sức căng bề mặt của benzen-toluen tai nhiệt độ trung bình là

) / ( 20 ) / ( 234

.

10

65 20

1 39

20

1

1

) / ( 65 20 ) / ( 10

cm dyn cm

dyn

cm dyn m

N

cm dyn m

1

285 81

* 4465 45

* 0188 0

335 1 729 2

* 98 804

* 3 0

* 8 0

* 065 0

m D

tb y

Tính khối lượng riêng trung bình pha lỏng:

- Nồng độ khối lượng pha lỏng trung bình là:

) /

( 204 0 ) / ( 1835 0 2

02 0 35 0

( 304 0 01086 0 204 0

59

784

)/(

m kg

785

59 784

1835 0 1 28 789

) / ( 20 ) / ( 374

.

9

075 19

1 428

cm dyn cm

dyn

cm dyn m

N

cm dyn m

1

868 87

* 77 43

* 0188 0

345 1 841 2

* 5 785

* 3 0

* 8 0

* 065 0

m D

tb y y

So sánh đường kính của phần chưng và luyện ta chon Dtháp = 1m

Khoảng cách giữa hai đĩa là h = 300mm

2 Tính chiều cao tháp

o Chiều cao thân:

) ( 5 11 1 3 0

* ) 1 36

(

) 1 8 0 (

* )

1

(

m H

h n

o Chiều cao đáy nắp:

Chọn đáy nắp elip tiêu chuẩn

Hr là chiều cao phần elip của đáy nắp

)(25.01

*25.0

*25.025

H H

H tháp  th  đn   

3.Tính thiết kế chóp

3.1 Phần luyện:

Áp dụng công thức IX212 đến IXIX221,tr238 [1]

- Số chóp trên mỗi đĩa là:

05.0

1

*1.0

*1

2

chóp d

D n

Với dh là đường kính ống hơi chọn theo tiêu chuẩn dh = 50mm

- Chiều cao chóp phái trên ống dẫn hơi

mm m

d

h2  0 25 * h  0 25 * 0 05  0 0125 ( )  13

- Đường kính chóp:

mm m

- Khoảng cánh từ mặt đĩa đến chân chóp:

2

4465 45

*05.0

*3600

653.1353

*4

98 804

* 352

*4

05.0074.0003.04

2 2

khe b

Với c là khoảng cách giữa các khe.Chọn c = 3mm

- Đường kính ống chảy chuyền:

mm m

G

d

c x

x

12.098.8043600

519.82205.3243600

S1  0 25  c  0 25 * 100  25

- Bước tối thểu của chóp trên đĩa

mm l

40( )

05.0

1

*1.0

*1

2

chóp d

D n

Với dh là đường kính ống hơi chọn theo tiêu chuẩn dh = 50mm

- Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi

mm m

d

d

d ch  h2  ( h  2 ch) 2  0 05 2  ( 0 05  2 * 0 002 ) 2  0 074 ( )  74

Với ch là bề dày của chóp.Chọn ch  2mm

- Khoảng cánh từ mặt đĩa đến chân chóp:

2

868 87

* 77 43

*05.0

*3600

742.1353

*4

5 785

* 353

*4

05.0074.0003.04

2 2

khe b

- Với c là khoảng cách giữa các khe.Chọn c = 3mm

- Đường kính ống chảy chuyền:

mm m

G

d

c x

x

2.05.7853600

27.89833.4743600

Chọn  c = 0.2 m/s

- Khoảng cánh từ đĩa đến chân ống chảy chuyền

mm d

S1  0 25  c  0 25 * 100  25

- Bước tối thểu của chĩp trên đĩa

mm l

Vậy chiều cao chĩp là: hchĩp= 60 + 13 + 2 = 75mm

Chiều cao mực chất lỏng trên mâm là

Chiều cao chĩp phía trên ống dẫn hơi(mm) 13

3 Tính chi ều dài gờ chảy tràn :

Chiều dài gờ chảy tràn được lựa chiếm khoảng 60-75% diện tích tháp

rad

1565 0 ' 813344

0

Vậy khoảng cách từ đĩa vào nơi bố trí chĩp là 156.5mm

4 Tính chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn

 Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn :

hwo = 2.84 * E*

2/ 3

L w

Q

h L

*226,0

QL :lưu lượng pha lỏng trung bình trong tháp được tính như sau :+ Lưu lượng chất lỏng trong phần cất của tháp :

h m M

L

98 804

519 82

* 205 32

27 89

* 833 47

Lw : chiều dài gờ chảy tràn = 0.6(m)

6.01

6.0

/ 2 3 / 1

) (

G L

G

Q h

h







hSO là chiều cao khe chĩp ta co hSO = b = 14mm

QG lưu lượng pha khí m3/s

SS là tổng tiết diện các khe chĩp trên mỗi mâm

SS = n*i*a*b = 44 * 31 * 0.004*0.014 = 0.0764m2

 Phần chưng

mm

0764 0

* 729 2

* 3600

285 81

* 4465 45 14

) 729 2 98 804

729 2 ( 55

.

7

3 / 2 3

/ 2 3 / 1

* 841 2

* 3600

868 87

* 77 43 14

) 841 2 5 785

841 2 ( 55

.

7

3 / 2 3

/ 2 3 / 1

Vậy chĩp làm việc hiệu quả

6 Tính kiểm tra ngập lụt cho tháp

Để dơn giản tính toán ta sẽ tính cho cả tháp chứ không tính cho phần chưng và phần luyện riêng.Do đó các số liệu lấy ở trung bình của tháp

- Khối lượng trung bình của pha hơi trong tháp là: 2 785 ( / )

2

841 2 729

m kg

5 785 98

m kg

h kmol

- Lượng hơi trung bình trong tháp là: 44 608 ( / )

2

4465 45 77 43

h kmol

- Chiều cao mực chất lỏng tren gờ chảy tràn h = how = 12mm

 Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm  :

 = Cg * ' *nh

 Chiều rộng trung bình của mâm Bm :

Vì ta chọn phần diện tích gờ chảy tràn chiếm 10% diện tích đĩa nên:

 Chiều rộng của gờ chảy tràn : dw = 0.1565 (m)

 Diện tích của gờ chảy tràn Sd = 0.1*Fdia = 0.07854 (m2)

 Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn l = D - 2.dw= 1-2*0.1565=0.687m

 Diện tích giữa hai gờ chảy tràn :

 A = F - 2*Sd = F= 0.628 m2

 Chiều rộng trung bình : Bm = 00..687628

l A

= 0.914(m)

 Hệ số điều chỉnh tốc độ pha khí Cg phụ thuộc hai giá trị :

+ x = 1.34 * 6.405

914.0

369.4

*34

+ 0.82* v* G = 0.82*0.48* 2.84122.729 = 0.657 Với v vận tốc pha hơi trung bình trong tháp

)/(48.03600

*1

*

68.1354

205 32 833

h m h

kmol

Tra đồ thị hình 5.10,tr80 [4] được

Cg = 0.65 Giá trị 4* ' tra từ hình 5.14a trang 81 Tập 3 với:

x = 6.405

hsc = S=12.5

hm chiều cao chất lỏng trên mâm hm = S +S’+ b+  = 61.5mmvới S’ là chiều cao tính từ mép dưới của chóp lên đến mép dưới của khe chóp.Chọn S’=5mm

h h

h h

h

ow m w

ow w m

65 46 6875 5

* 5 0 12 5 61 2

1 2 1

Chọn chiều cao gờ chảy tràn là 46 mm

Độ giảm áp do ma sát và biến đổi vận tốc pha khí thổi qua chóp khi khôngcó chất lỏng, hfv :

Sr tổng diện tích ống hơi mỗi mâm

Sr = 44*Fhơi = 0.0864m2

Diện tích hình vành khăn: Fvk = ( ( 2 * ) )

4

2 2

hơi hoi

Thế số vào ta có hfv = 12.56 (mm)

 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm ht :

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

hss = hgờ - (S + S’ + b ) = 46 - ( 12.5 + 5 +14 ) = 14.5 mm

- Độ giảm áp của pha khí qua một mâm :

ht = hfv + hs + hss + how + 0.5*

= 12.56 +19.5219.08 + 14.5 +12 + 0.5*5.6875 = 61.2 mm

Thỏa mãn Thường thì độ giảm áp của pha khí qua một mâm khoảng từ 50-70mm

 Chiều cao lớp chất lỏng không bọt trên ống chảy chuyền :

hd = hw + how +  + h'

d +ht

- Tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm h'

dđược xácđịnh theo biểu thức sau :

h'd = 0.128*

2

100*

L d

Q S

  , mmchất lỏng = 0.128 *

07854 0

* 100

369 4

Kết luận:tháp thỏa điều kiện ngập lụt

7 Kiểm tra chiều cao Hmin

Theo công thức tr 140 [10] khoảng cách tối thiểu giữa các đĩa phải thỏa mãn công thức sau

d n

F H

ch

y x









Trong đó h la khoảng cách giữa hai đĩa h = 300mm

y của dòng hơi đi trong tiết diện tự do của tháp

F tiết diện ngang của tháp

841 2

345 1 ) (

s m

ytb

tb y y

* 44

473 0 4 5 785 841 2 23300

335 1 ) (

s m

ytb

tb y y

* 44

489 0 4 5 785 841 2 23300

- Chiều cao khe chóp: b = 14mm

 diện tích mỗi khe là: fx = 4*14=56mm2

) / ( 286 6 44

* 31

* 000056

0

* 3600

742 1353

* 4

*

*

* 3600

* 4

s m n

i S

286 6

* 841 2

*31

*10

*56

*3600

653.1353

*4

*

*

*3600

*4

n i S

) / ( 268 2

27 6

* 729 2

* 2

10

* 56

* 4

10

*374.9

10

*234.10

P t b b

Với hr chính là chiều cao khe chóp Hr = b = 14mm

 b là khối lượng riêng của bọt chọn b = 0.6 x

Hb chiều cao lớp bọt trên đĩa

b

b x ch b

x x x

c

b

F

f h h f h f

F h h

3 471

* 628 0

3 471

* 189 0

* ) 0195 0 075 0 ( 189 0

* 3 471

* 0195 0 5 785 ) 189 0 628 0 )(

0195 0 012 0 046

014.00674.081.93

* 628 0

988 482

* 189 0

* ) 0195 0 075 0 ( 189 0

* 988 482

* 0195 0 98 804 ) 189 0 628 0 )(

0195 0 012 0 046

014.00674.081.9988

o Trở lực của một đĩa đoạn chưng:  Pđc = 280.65 + 6.03 +280 = 567N/m2

o Trở lực của một đĩa đoạn luyện;  PđL = 268 + 6.58 + 290 = 564.58 N/m2

*5.785

567

*8.13.0

*8



g

P h

*98.804

58.564

*8.13.0

*8



g

P h

x

d



Vậy kết luận tháp làm việc bình thường ở điều kiện đã thiết kế

Chương 4 Tính tốn cơ khí của thiết bị

o 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

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

Tra bảng 12.37,tr [1] chọn vật liệu chế tạo đối với mơi trường chứa benzen là 1X18H10T.

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

Nhiệt độ tính toán: t = tmax + 20oC = 110.2 + 20 = 130.2 (oC)

Áp suất tính toán: vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên: P = Pthủy tĩnh + P

Để đảm bảo diều kiện bền chọn khối lượng riêng cua lỏng trong tồn bộ tháp là khối lượng riêng lớn nhất Nên L = max(L, C) =804.98 kg/m3

Nên: P= LgH = 804.98* 9,81* 12.1*10-6+20368.44*10-6 = 0.12 (N/mm2)

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

Chọn thiết bị thuộc loại thiết bị bền.Tốc độ ăn mịn khoảng 0.1mm/năm ,thời gian làm việc của thiết bị là khoảng 20 năm

 Ca =0.1* 20 = 2 (mm)

Ứng suất cho phép tiêu chuẩn:

Tra đồ thị hinh1.2,tr18 [sach thiết kế máy]

Đối với vật liệu 1X18H10T  []* = 140 (N/mm2) (Hình 1.1, trang 18, [7])

Hệ số hiệu chỉnh

Vì thiết bị hoạt động trong mơi trường độc hại   = 0,95 (trang 26, [7])

Hệ số bền mối hàn:

Vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía

 h = 0,95 (Bảng XIII.8, trang 362, [6])

Tính bề dày:

12 , 0

126 ]

Quy tròn theo chuẩn: S = 3 (mm) (Bảng XIII.9, trang 364, [6])

Bề dày tối thiểu: Smin = 3 (mm) (Bảng 5.1, trang 128, [7])

 Bề dày S thỏa điều kiện

Kiểm tra độ bền:





 0,001  0,1 (thỏa)Nên: [ ] 2[ ] ( ( ) ) 2 12610000,95(3 (23) 2)

C S

C S P

2 Đáy và nắp :

Chọn đáy và nắp có dạng hình ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10TChọn bề dày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp: S = 3 (mm)

Kiểm tra điều kiện:

) C S ( ] [ 2 ] P [

125 , 0 D

C S

a t

a h

t a

Trong đó: Dt =  = 1000mm

Vì đáy và nắp có hình ellip tiêu chuẩn với Dh 0,25

t

t   Rt = Dt

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

Kết luận: Kích thước của đáy và nắp:

Đường kính trong: Dt =  = 1000 (mm)

ht = 300 (mm)

Chiều cao gờ: hgờ = 50 (mm)

Bề dày: S = 3 (mm)

Diện tích bề mặt trong: Sbề mặt = 1.24 (m2) (Bảng XIII.10, trang 382, [1])

3 / BỀ DÀY MÂM :

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

Nhiệt độ tính toán: t = tmax = 110.2 (oC)

Áp suất tính toán: P = Pthủy tĩnh + Pgờ

- Chọn bề dày gờ chảy tràn là 3mm

- Chiều dài gờ chảy tràn l = 0.6m

- Thể tích của gờ chảy tràn: V =

h

- Tra bảng XII.7, trang 313, [1]

Khối lượng riêng của thép X18H10T là: X18H10T = 7900 (kg/m3)

- Khối lượng gờ chảy tràn: m = VX18H10T = 5.994*10-4*7900 = 4.73 (kg)

- Chọn vật liệu chế tạo chĩp là thép 1X18H10T.Theo tính toán ở trên hchĩp = 65mm

chiều cao ống dẫn hơi là: hhơi = 60mm

- Khối lượng của một ống dẫn hơi là: m d h h d h h h kg

44

)2

)2

- S khoảng cách từ đĩa đến chân chĩp S=12.5mm

-  ch ,  h là chiều dày của mũ chĩp va ống dẫn hơi.chọn 2mm

- Khối lượng tồn bộ chĩp trên một đĩa là: m = n(mch + mh ) = 44*(0.155+0.236) =

*)204.1773.4(4

)(

m N D

g m m

- Tổng áp suất tác dụng lên đĩa là: PPP t  274  986 8  1260 8N/m2

Ứng suất cho phép tiêu chuẩn:

Vì vật liệu là X18H10T  []* = 143 (N/mm2) (Hình 1.1, trang 18, [7])

Hệ số hiệu chỉnh:  = 0.9 (trang 26, [7])

Ứng suất cho phép: [] = 0.9 []* = 128.7 (N/mm2)

Hệ số Poatxong:  = 0,33 (Bảng XII.7, trang 313, [6])

Hệ số điều chỉnh: b =  110 11050

t

d t

= 0,55Với t :khoảng cách giữa các chĩp, d đường kính ống hơi

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

Ứng suất cực đại ở vòng chu vi: max S 2

D 16

P 3

P

b b

max max

4

1000 55

0

* 16

10

* 8 1260

Vậy: S = 4 mm thỏa điều kiện bền

Trên bề mặt mâm ta sẽ bố trí các lỗ tháo lỏng Có nhiệm vụ xả lỏng khi tháp không hoạt động Vì nó chỉ có tác dụng tháo lỏng nên ta sẽ chọn khoảng 8 lỗ đường kính 5mm

4 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 bộphận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng:

Bích liền và bích phẳng hàn:: 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 hơnthiết 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 phẳnghàn

Tra bảng XIII.27, trang 417, [1], ứng với Dt =  = 1000 (mm) và áp suất tính toán P =0,12 (N/mm2)  chọn bích có các thông số sau:

Tra bảng IX.5, trang 170, [6], với h = 300 (mm)  khoảng cách giữa 2 mặt bích là

1800mm và số mâm giữa 2 mặt bích là 6

Ta có:

8.1

5.118

 Số mặt bích cần dùng để ghép là: (7 + 1).2 = 16 (bích)

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

7

5.11

thân

H

= 1643 (mm)

Ta sẽ bố trí 16 bích tương ứng với 7 đoạn tháp.Trong đó khoảng cách giữa bích nối đáynắp và bích tiếp theo là 1250m,còn khoảng cách các đoạn bích trong thân là 1800mm.Khiđó:

Hthân = 11500mm = 1250*2 + 1800* 5

Khối lượng của bích



h D

5 CHÂN ĐỠ và TAI TREO THÁP :

a tb

 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

Giả sử nhiệt độ không khí là 27oc Nhiệt độ của vách sẽ khoảng 40oc Để an toàn ta lấy

16 22753