THÁP CHƯNG theo tiêu chuẩn pd500

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hồn 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 Etanol – Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết. PD500

DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHÓM:

MỤC LỤC

3 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ CHƯNG CẤT

3.7.3 Kiểm tra trong quá trình chế tạo 21

1 SƠ LƯỢC VỀ CHƯNG CẤT

1.1 Nhu cầu về chưng cất

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngàycàng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm Vì thế, các phương pháp nângcao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hồn thiệnhơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầucủa sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ Etanol– Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất đểnâng cao độ tinh khiết

Hình 1: Một hệ thống chưng cất trong phòng thí nghiệm

Hình 2: Một trong những ứng dụng của chưng cất

Hình 3: Một trong những ứng dụng của chưng cất

Qua một vài hình ảnh chúng ta có thể thấy được rằng chưng cất có ýnghĩa rất qua trọng trong cuộc sống Nó phục vục cho việc sản xuất các sảnphẩm với nhiều mục đích khác nhau: chưng cất dầu mỏ, chưng cất rượu ( đểuống, để làm nguyên, nhiên liệu…), phục vụ cho việc phân tách các hợp chấttan lẫn vào nhau nhưng có sự khác biệt về nhiệt độ sôi trong phòng thínghiệm

Như vậy việc nghiên cứu, xây dựng các thiết bị, máy móc cho việcchưng cất là không thể nào không thực hiện Với những bước phát triển ngàynay, các công đoạn từ thiết kế kến xây dựng đã đi vào những quy chuẩnchung Và một trong những quy chuẩn đó là tiêu chuẩn PD5500 sẽ được giớithiệu bên dưới đây

1.2 Chưng cất

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng nhưcác hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khácnhau của từng cấu tử trong hỗn hợp ( nghĩa là khi ở cùng điều kiện nhiệt độ,

áp suất hơi của các cấu tử khác nhau)

Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường bao nhiêu cấu tử ta

sẽ được bấy nhiêu sản phẩm Đối với trường hợp hai cấu tử ta có: sản phẩmđỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bayhơi bé, còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu

tử có độ bay hơi lớn

Ta có thể phân biệt chưng cất ra thành quy trình một lần như trongphòng thí nghiệm để tách một hóa chất tinh khiết ra khỏi một hỗn hợp, vàchưng cất liên tục, như trong các tháp chưng cất trong công nghiệp

Trong nhiều trường hợp có một tỷ lệ nhất định của hỗn hợp hai chấtlỏng mà không thể tiếp tục tách bằng phương pháp chưng cất được nữa Cáchỗn hợp này được gọi là hỗn hợp đẳng phí Nếu muốn tăng nồng độ của cồnphải dùng đến các phương pháp tinh cất đặc biệt khác

_ Ứng dụng lâu đời nhất và đồng thời là được biết

đến nhiều nhất của chưng cất là sản xuất rượu mạnh.Nồng độ của êtanolchỉ có thể nâng cao đến tối đa là95,57% Trong nhiều trường hợp có một tỷ lệ nhất địnhcủa hỗn hợp hai chất lỏng mà không thể tiếp tục táchbằng phương pháp chưng cất được nữa Các hỗn hợp nàyđược gọi là hỗn hợp đẳng phí Nếu muốn tăng nồng độcủa cồn phải dùng đến các phương pháp tinh cất đặc biệtkhác

Các loại chưng cất:

 Chưng cất thường

 Chưng cất chân không:

Chưng cất phân đoạn là một trong những phương pháp kinh điển dùng để tách các chất bay hơi ra khỏi

một hỗn hợp dựa vào sự khác biệt nhiệt độ sôi của các chất trong hỗn hợp Quá trình chưng cất có thể thực hiện ở áp suất khí quyển hay áp suất giảm Phương pháp chưng cất phân đoạn được thực hiện với những bình cất có lắp cột phân đoạn và thường được nối với máy hút chân không để giảm nhiệt độ chưng cất, giảm ảnh hưởng tới các chất nhạy cảm với nhiệt độ Nhiệt độ và áp suất được theo dõi trong quá trình chưng cất Phương pháp này thường áp dụng để tách các chất thành phần của tinh dầu.

 Chưng cất phân đoạn:

Chưng cất thật ra chỉ cần thiết khi các chất lỏng cần phải tách hòa tan với nhau ví dụ như dung dịch cồn

và nước Nếu hỗn hợp là của những chất không hòa tan vào nhau, ví dụ như nước và dầu thì lệ thường là

có thể tách các chất lỏng bằng cách lắng và gạn đi Khi khai thác tinh dầu chỉ có trong cây cỏ ở nồng độ thấp như cây oải hương (Lavandula angustifolia) hay cây cúc Đức (Matricaria recutita) người ta cho thêm một ít nước vào cây cỏ đã được cắt nhỏ và đun nóng (chưng cách thủy) Nhờ có một phần nước nên nhiệt

độ được giữ cố định ở nhiệt độ sôi một thời gian, cũng có thể dùng áp suất cao để nâng nhiệt độ lên quá 100 °C Hơi dầu đi cùng với hơi nước vào bộ ngưng tụ và ngưng tụ lại Hỗn hợp dầu-nước sau đó

có thể tách bằng cách lắng gạn đi Hơi nước cuốn theo một thành phần khác thật ra là không tan đi theo Nếu không có nước thì nhiệt độ sẽ tăng cao đến mức dầu có thể bị phân hủy.

Một cách khác là có thể đun nước trong một lò nấu riêng và cho hơi nước đi qua cây tinh dầu được cắt nhỏ để lôi cuốn tinh dầu đi theo hơi nước

 Chưng cất lôi cuốn hơi nước

Có thể sử dụng các loại tháp chưng cất sau:

 Tháp chưng cất dạng mâm chop

 Tháp chưng cất dạng mâm xuyên lỗ

 Tháp chưng cất dạng tháp đệm

Hình 4: Tháp chưng và những thiết bị phụ trợ

1.3 Tiêu chuẩn PD5500

PD 5500 "Quy cách cho các bình áp suất không hàn, hànnhiệt" là một bộ quy tắc thực hiện cung cấp các quy tắc cho việc thiết kế, chếtạo và kiểm tra các bình áp suất

PD 5500 trước đây là một tiêu chuẩn Anh được sử dụng rộng rãi gọi là

BS 5500 nhưng đã bị rút khỏi danh sách các Tiêu chuẩn Anh vì nó khôngđược hài hòa với Chỉ thị Thiết bị Áp lực Europeran (97/23 / EC) Tại Vươngquốc Anh, nó đã được thay thế bằng EN 13445 Nó hiện đang được xuất bảnnhư là một "tài liệu xuất bản" (PD) của Cơ quan tiêu chuẩn Anh

Ở Anh, tất cả các thiết bị áp lực thông thường sử dụng trong các ngànhcông nghiệp hóa chất và ngành lien quan sẽ luôn luôn được thiết kế, chế tạotuân thủ theo tiêu chuẩn Anh PD 5500 (British standard PD 5500) hoặc tiêuchuẩn châu Âu EN 13445 ( European Standard EN 13445); hoặc tiêu chuẩntương đượng Mỹ

Những quy phạm và tiêu chuẩn này bào gồm : thiết kế, vật liệu chếtạo, gia công, kiểm tra và thử nghiệm Chúng hình thành nền tảng cơ sở của

thỏa thuận giữa nhà sản xuất với khách hang và công ty bảo hiểm của kháchhang.

Phiên bản 2003 của PD 5500 kiểm soát những thiết bị được chế tạobằng thép cacbon, hợp kim thép và nhô Thiết kế thiết bị được chế tạo từnhựa có gia cường được kiểm soát bởi BS 4994

Các quốc gia không có sẵn quy phạm thì cách quy phạm và tiêu chuẩncủa Anh và Mỹ sẽ được áp dụng

PD 5500 khuyến khích một mô hình để đảm bảo rằng tiêu chuẩn của

nó cung cấp khuôn khổ hữu ích được xây dựng như là một đặc điểm để cungcấp cho các tổ chức sản xuất trong nước và quốc tế ở mọi quy mô một yêucầu để đảm bảo các bình áp lực được sản xuất với chất lượng cao nhất vàphải an toàn cho hoạt động tiêu chuẩn là rất cần thiết và hữu ích để đảm bảo

an toàn, đúng phép đo, thiết kế, thủ tục và các tài liệu được đưa vào tài khoảnkhi sản xuất phi áp lực tàu Để có một truy cập vào tiêu chuẩn này và để muamột, Tiêu chuẩn Toàn cầu cung cấp một cổng để có được một quyền truy cậpvào BSI

2 CÁC LOẠI THÁP CHƯNG CẤT

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hànhchưng cất Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhaunghĩa 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 vàopha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta cótháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm

và tháp chêm

2.1 Tháp mâm

Thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạokhác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theocấu tạo của đĩa, ta có:

 Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap,

chữ s…, có rãnh xung quanh để pha khí đi qua và ống chảy chuyền có hìnhtròn

Hình 5: Chóp và tháp mâm chóp

 Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.

Hình 6: Lỗ và cơ chế hoạt động trong tháp mâm lỗ

2.2 Tháp chêm (tháp đệm)

Tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vậtchêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiênhay xếp thứ tự

Hình 7: Hình ảnh minh họa cho tháp đệm

2.3 So sánh ưu nhược điểm của từng loại tháp

Vậy ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Etanol – nước

3 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ CHƯNG CẤT THEO TIÊU CHUẨN PD 5500

3.1 Điều kiện làm việc của thiết bị

xuyên lỗ

Tháp mâm chóp

 của chất lỏng

_ Trở lực tương đối thấp

_ Hiệu suất khá cao

_ Làm việc được với chất lỏng bẩn

_ Khá ổn định._ Hiệu suất cao

Nhược

điểm

_ Do có hiệu ứng thành  hiệu suất truyền khối thấp

_ Độ ổn định không cao, khó vận hành

_ Do có hiệu ứng thành  khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng  khó tăng năng suất

_ Thiết bị khá nặng nề

_ Kết cấu khá phức tạp

_ Có trở lực lớn._ Tiêu tốn nhiềuvật tư, kết cấu phức tạp

_ Tháp cao 30,75m; bao gồm 72 đĩa chóp, khoảng cách giữa cácđĩa là 350 mm, đường kính trong tháp 3,088 m; hoạt động ở áp suấtthường.

_ Áp suất ở đỉnh của tháp được giữ 2,0 - 2,2 bar;

áp suất ở đáy 2,3 - 2,5 bar

_ Nhiệt độ của đỉnh và đáy tháp lần lượt là 96 - 98 độ C

và 123 - 126 độ C

3.2 Vật liệu chế tạo thiết bị

Hình 7: Minh họa cho thép 304 dạng tấm

3.2.1 Khả năng chống ăn mòn

Inox 304 là loại inox có tính chống ăn mòn rất cao kể cả khi phải tiếp xúc với các loại hóa chất khác nhau Chính bởi khả năng vượt trội như vậy khiến inox 304 được ứng dụng nhiều trong ngành kiến trúc, chế biến thực phẩm,

3.2.2 Khả năng chịu nhiệt

Inox 304 có khả năng oxi hóa tốt tại nhiệt độ 870 độ C và

925 độ C trong những trường hợp cần độ bền cao, chất liệu 304

có độ deo cao khi hạ nhiệt độ của khí hóa lỏng.

3.2.3 Các tính chất vật lý của inox 304

Hình 8: Thông số cơ tính và tỉnh chấ vật lý của thép không gỉ 304

Inox 304 có tính năng từ tính rất yếu gần như là không có, tuy nhiên dưới môi trương nhiệt độ thấp thì tính năng từ tính của sản phẩm lại rất mạnh Loại vật liệu này có khả năng dát mỏng không cần gia nhiệt Chính bởi vậy chất liệu inox 304 độc quyền trong lĩnh vực sản xuất các chi tiết liên quan đến inox

3.3 Chọn các điều kiện làm việc

- Nhập liệu: 50%

3.4 Tra các thông số tính cần thiết

Giá trị ứng suất cực đại

Ứng suất cực đại cho phép (ksi) (nhân 1000 để chuyển về psi) ứng vớinhiệt độ kim loại (0F) không vượt quá

Dùng phương pháp nội suy từ PL3.24 tr 266 sách “Thiết kế cơ khí

thiết bị áp lực” tác giả TS Nguyễn Hữu Hiếu, chọn số hàng 44

44 20,0 - 20,0 - 18,9

3.5 Chọn phương pháp gia công

Đáy và nắp sẽ được nới với thân bằng phương pháp hàn

Các phần của thân tháp được nối với nhau bằng mối ghép bích

( 2 mâm 1 bích)

Các phần của tháp được hàn từng phần rồi ghép lại do tháp quá cao

Hệ số bền mối hàn: φh = 0,8

3.6 Chọn tiêu chuẩn để thiết kế

Thiết kế theo tiêu chuẩn Anh - PD5500

 Các công thức sử dụng trong tính toán bề dày các chi tiết:

Tính bề dày thân tháp:

Tính bề dày đáy và nắp cho tháp:

Đây là các công thức được cung cấp bởi tiêu chuẩn Anh

Cùng với dung sai bổ sung ăn mòn là: 2mm

Chọn tấm thép 304 có bề dày 6mm để chế tạo nắp thiết bị.

3.6.2 Đáy elip chịu áp suất trong

 Áp suất thiết kế: P tk = P 0 + P tt + h = 0,275 + 0,2 + 0,025 = 0,5 MPa

Cùng với dung sai bổ sung ăn mòn là: 2mm Chọn bề dày tối thiểu theo yêu cầu là 10mm khi chịu áp suất

trong

3.6.3 Thân trụ chịu áp suất trong

 Cao 30, 75 m

Áp suất cột chất lỏng có ảnh hưởng lên thân tháp.

Áp suất thiết kế: 0,5 MPa (được chọn như áp suất thiết kế đáy)

● Cùng với dung sai bổ sung ăn mòn: 2mm

Chọn bề dày tối thiểu yêu cầu cho thân là 10mm.

Để vẫn đảm bảo an toàn và tiết kiệm vật liệu

Ta thiết kế bề dày cho tháp là:

10 mm 8 mm 7 mm

ứng với 3 đoạn tháp từ đáy lên đỉnh tháp

 Tổng quan cho bề dày gia công thiết bị:

TỔNG

Bề dày (mm)

7810

3.6.4 Thiết kế mặt bích cho thân tháp

 Nối các đoạn của thân tháp

⟶ Dễ tháo lắp, vệ sinh, sửa chữa, vận chuyển

Thiết bị chịu áp suất trong có xu hướng làm tách các mặt bích ra khỏinhau

⟶ Áp suất tác dụng lên đệm phải thấp hơn áp suất của lực siết chặt đệm ban đầu.

 Đường kính siết bulông: 3200 mm

Để đảm bảo diện tích bulông, ta thiết kế mặt bích với số bulông (bội

số của 4) là: 64

Đường kính bulông không nhỏ hơn 12mm để đảm bảo lực siết

 Từ công thức tính ta xác định được đường kính bulông thích

hợp là: 55,5 mm

Chọn bulông tiêu chuẩn M56

M56 5,5 45 93,56 85

3.6.5 Mâm

_ Loại mâm chóp_ Đường kính 2,5 m_ Khoảng cách giữa cácmâm: 350mm

Số mâm: 72

Bề dày mâm để chịu được áp lực

Chọn bề dày mâm: 6 mm (có bao gồm ăn mòn)

 Lựa chọn mặt bích tiêu chuẩn cho ống nhập liệu và thu sản phẩm:

 Khi cần kết nối đường ống & các chi tiết :Mặt bích

được chọn theo tiêu chuẩn

3.6.6 Bệ đỡ

Phải chịu được sự kết hợp tải xấu nhất mà không bị

phá hỏng:

1 Áp suất của tháp ở điều kiện xấu nhất

2 Tải trọng lượng toàn phần của thiết bị và các chi tiếc nối

3 Tải trọng của gió

4 Động đất (địa chấn)

5 Tải bên ngoài đặt lên thiết bị như các đường ống và các thiết bị kèm theo

3.7 Kiểm tra điều kiện thiết kế

3.7.1.Kiểm tra bề mặt khi chế tạo

Khi quá trình tiến hành chế tạo, tất cả các vật liệu được sử dụng phảiđược kiểm tra về sự không hoàn hảo được phát hiện trong quá trình chế tạocũng như để đảm bảo rằng công việc được thực hiện đúng

3.7.2 Kiểm tra kích thước của các bộ phận

Nhà sản xuất phải kiểm tra các bộ phận giữ áp để chắc chắn chúng phùhợp với hình dạng theo quy định và đáp ứng các yêu cầu về bề dày sau khihình thành Nhà sản xuất thiết bị phải cung cấp những mẫu được hình thànhchính xác theo yêu cầu của người kiểm tra để xác nhận.

Trước khi gắn miệng, khung cửa người, tăng cứng miệng và các phụkiện khác ở trong hoặc ngoài thiết bị thì phải kiểm tra để chắc chắn chúngphù hợp với độ cong thiết bị

Người kiểm tra phải chứng minh rằng các yêu cầu về kích thước nêutrên đã được đáp ứng Điều này bao gồm việc đo các kích thước khi thấy cầnthiết

3.7.3 Kiểm tra trong quá trình chế tạo

Khi điều kiện còn cho phép để có thể vào trong thiết bị thì việc hoàntất kiểm tra bên trong được thực hiện trước khi đóng kín thiết bị

Người kiểm tra phải thực hiện việc kiểm tra bên ngoài của thiết bị đãhoàn thành tại thời điểm thử thủy tĩnh hoặc thử khí nén sau cùng

Tất cả các mối hàn bao gồm các mối hàn ở miệng ống, ở thiết bị được

mạ chì đòng nhất phải được kiểm tra bằng mắt bên trong trước khi thi cônglớp lót Kiểm tra bằng mắt lớp lót được thiện hiện sau khi hoàn thành để đảmbảo không có khuyết tật có thể sẽ làm suy yếu toàn vẹn lớp lót và dẫn đếnthiết bị bị phát hủy bởi tác động của sự ăn mòn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

‘‘Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực’’ – TS Nguyễn Hữu Hiếu NXB ĐHQGTp.HCM

‘‘Quá trình & thiết bị Công nghệ Hóa học & Thực phẩm – tập 3 –TRUYỀN KHỐI’’ – Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh NXB ĐHQG Tp.HCM

‘‘Bảng tra cứu : Quá trình cơ học – truyền nhiệt – truyền khối’’ NXB.ĐHQG Tp.HCM

Đề tài luận văn: ‘‘Thiết kế tháp chưng cất hệ Ethnol – nước hoạt động liêntục với năng suất nhập liệu 1500 kg/h có nồng độ 0,15 (mol ethanol), thuđược sản phẩm đỉnh có nồng độ 0,85 (mol ethanol) với độ thu hồi là 99%’’.Tài liệu tham khảo Thực tập Quá trình & thiết bị Nhà máy sản xuấtEthanol