Thiết kế hệ thống chưng cất hệ acidacetic - nước

Thiết kế hệ thống chưng cất hệ acidacetic - nước.

MỤC LỤC

trang

LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN

I LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 3

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU

4

III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID AXETIC– NƯỚC 6 CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN

III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP 9

IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ

CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT-

THIẾT BỊ PHỤ

CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ

I TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO

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

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

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 LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:

1 Phương pháp chưng cất :

Chưng cất là qua ùtrình 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.ã Tháp mâm

Hiệu suất tương đối cao

Hoạt động khá ổn định

Làm việc với chất lỏng bẩn

Hiệu suất cao

Hoạt động ổn định

Nhược

điểm: thấp Hiệu suất

Thiết bị nặng

Độ ổn định kém

Trở lực khá cao

Yêu cầu lắp đặt khắt khe -> lắp đĩa thật phẳng

Cấu tạo phức tạp

Không làm việc với chất lỏng bẩn

Trở lực lớn

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 Acid acetic:

Axit acetic là chất lỏng không màu , có mùi thơm đặc trưng , vị chua Khối lượng riêng của axit acetic ở 20oC là 1,0498 kg/cm3 ,nhiệt độ sôi ở áp suất thường là 118oC , tan vô hạn trong nước.Dung dịch axít acetic 2-15% được dùng làm giấm Nhân dân ta thường làm giấm ăn bằng cách lên men nước mía, nước mật, chuối chín … Các chất đường trong mía, chuối lên men thành rượu rồi thành giấm Điều kiện thuận lợi cho sự lên men giấm là nhiệt độ từ 25 đến 50oC và men giấm phải được tiếp xúc với không khí

* Ứng dụng : Nó là nguyên liệu dùng để sản suất nhiều 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.Từ đó ta có thể điều chế 1 số dược phẩm, phẩm nhuộm, thuốc trừ cỏ, sợi nhân tao, chất dẻo, dung môi …

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 / mol

Khối lượng riêng d40 c : 1 g / ml

Nhiệt độ nóng chảy : 00C

Nhiệt độ sôi : 1000 C

Nước 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

3 Hỗn hợp Acid acetic – Nước:

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Acid acetic - Nước ở 760 mmHg:

x(%phân

mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y(%phân

mol) 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100 t(oC) 118.4 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100

III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID ACETIC – NƯỚC:

* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Acid acetic – 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

13 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

14 Bồn chứa sản phẩm đáy

15 Bộ phận phân dòng

* Thuyết minh qui trình công nghệ:

Hỗn hợp acid acetic – nước 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)ù, 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 nước chiếm nhiều nhất Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (11) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (5) rồi vào bồn chứa sản phẩm đỉnh (13) 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 acid acetic

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 đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy

CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :

• Năng suất nhập liệu:

(x =x1*M1/(x1*M1+(1-x1)*M2)=0.92*18/(0.92*18+0.08*60)=0.775

1/ρtb = x/ρn +(1−x)/ρa=0.775/995.6 +(1-0.775)/1039.6,ρtb=1005.17kg/m3)

GF=QF*ρtb=5*1005.17=5025.86(kg/h).

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

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

• Nồng độ sản phẩm đáy : 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 : Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :

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

Rmin=

x y

y x

F F

F D

945.0995.0

−

−

=2

Tỉ số hoàn lưu thích hợp:RX=1.3Rmin+0.3=2.9

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

=

D

F

= 1.341 : chỉ số nhập liệu

3 Số mâm lý thuyết :

Đồ thị xác định số mâm lý thuyết

số mâm lý thuyết là Nlt = 27mâm 20 mâm cất,6 mâm chưng,1 mâm nhập liệu

V XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :

tb

lt tt

Ntt : số mâm thực tế

Nlt : số mâm lý thuyết

• Xác định hiệu suất trung bình của tháp ηtb :

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

x

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

Lgµhh =x1lgµ1 + x2lgµ2 ,tài liệu [4(tập 1) – trang 84]

* Tại vị trí nhập liệu :

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

F = 0.945

tF = 100.52 oC

945.01

945.0x

x1y1

yα

F

F

*

* F

µF =0.443.10-3 (N.s/m2) =0,443 (cP)

Suy ra : αF µF = 1.494*0.443 =0.662

Tra tài liệu tham khảo [(tập 2) – trang 171] : ηF = 0.55

* Tại vị trí mâm đáy :

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

W = 0.795

tW = 102.1 oC

795.01

795.0x

x1y1

yα

W

W

*

* W

997.0x

x1y1

yα

D

D

*

* D

µD =0.443.10-3 (N.s/m2) =0,443 (cP)

Suy ra : αD µD = 1.67*0.443 = 0.74

Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : ηD = 0.53

Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :

3

55.053.053.0

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 :

2

1

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)

= 12404.22(Kg/h)

(Vì MthD =18.yD+(1-yD).60 = 18.126(Kg/Kmol)

• Xác định g 1 : Từ hệ phương trình :

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 :

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

Aån nhiệt hoá hơi của acid : ra1 = 24195.24 (KJ/kmol)

Suy ra : r1 = rN1.y1 + (1-y1).ra1 = 24195.24 + 16317.72y1 (KJ/kmol)

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

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

Aån nhiệt hoá hơi của acid : rad = 24195.24(KJ/kmol)

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 :

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

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

273.60.118

+

−+

=

tb

tb tb

ytb

t

y y

• Xác định ρxtb :

Nồng độ phân mol trung bình : xtb =

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

tb tb

tb tb

x x

x x

−+

958.05,0

*559.1

01.13245

0188,

g tb = n + (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

* Tính r’1 : xW =0.7 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0.795

Suy ra :Mtbg’ =18.yW +(1-yW).60=26.61 (Kg/kmol)

t’1 = tW = 102.1oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :

Aån nhiệt hoá hơi của nước : r’N1 = 40512.96 (KJ/kmol)

Aån nhiệt hoá hơi của rượu : r’R1 =24195.24 (KJ/kmol)

Suy ra : r’1 = r’N1.yW + (1-yW).r’R1 = 37167.83 (KJ/kmol)

g’1 = 745.09 (Kmol/h) = 20042.921(Kg/h)Vậy : g’tb = 20042.9212+14085.799=17064.36 (Kg/h)

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,

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

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

273.60.'118.''

+

−+

=

tb

tb tb

ytb

t

y y

=0.867+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng :t’tb=

=101.31oCSuy ra : ρ’ytb =0.768 (Kg/m3)

tb tb

tb tb

x x

x x

−+

t’tb = 101.31oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :

Khối lượng riêng của nước : ρ’N = 958(Kg/m3)

Khối lượng riêng của rượu : ρ’a = 958(Kg/m3)

Suy ra :ρ’xtb =

1

'

'1'

36.17064

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 = 2.2(m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :

+ Phần cất : ωlv =0,0188. . = 0,01882.22..013245.631.01=

2 2

2

ytb t

2

ytb t

tb

D

g

II MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM :

1 Cấu tạo mâm lỗ :

Chọn : + Đường kính lỗ : dl = 8 (mm)

+ Tổng diện tích lỗ bằng 10% diện tích mâm

+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 3 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 :

008,0

2.2.1.0

1

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

ρ

0,51

.2

2 2

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

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

+ ρL : 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

• Đối với mâm ở phần cất :

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : uo =

1.0

533.1

%

10ωlv = =15.33 (m/s)

+ Khối lượng riêng của pha hơi : ρG = ρytb = 0.631 (Kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng : ρL = ρxtb = 958 (Kg/m3)

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

958

631.0.7.0

33.15

• Đối với mâm ở phần chưng :

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’o =

1.0

623.1

%10

+ Khối lượng riêng của pha hơi : ρ’G = ρ’ytb = 0.768 (Kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng : ρ’L = ρ’xtb = 958 (Kg/m3)

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

958

768.0.7,0

23.16

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)

Với : no :góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn Lw

Dùng phương pháp lặp ta được : no = 93o12’22”

Suy ra : Lw = Dt sin(no/2) = 1.6 (m)

• Xác định q L :

• Phần cất : = 60. .. = 2.9.17560..47958.19.785

xtb

tb L

M D R q

• Với : Mtb=0.9575*18+(1-.9575)*60=19.785

6.1

175.0.4

98.25

*153.774'

.60

L

M R

336.0.4.43

c Độ giảm áp do sức căng bề mặt :

Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác định theo biểu thức :

l L R

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 : ρL = ρxtb = 958 (Kg/m3)

* ttb = 100.37oC ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :

+ Sức căng bề mặt của nước : σN = 58.9 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của acid : σa = 19.8 (dyn/cm)

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

a N

a N

σσ

σσ

10.849.14.54.625

* Khối lượng riêng của pha lỏng : ρ’L = ρ’xtb = 958 (Kg/m3)

* t’tb = 101.31oC ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :

+ Sức căng bề mặt của nước : σ’N = 58.9 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của acid : σ’a = 19.8 (dyn/cm)

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

a N

a N

''

'.'

'

σσ

σσ

σ

+

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

008.0.958

10.849.14.54.625

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

+ Phần cất : htl = 16.11+35.956+1.212 = 53.278 (mm.chất lỏng)

∑htl = 37 htl + 13 h’tl = 37 500.71+13 586.36 =26148.95 (N/m2)

3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :

Chọn khoảng cách giữa hai mâm là hmâm =0.4 (m)

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

S

Q

h , (mm.chất lỏng)

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.1.12 =2.76 (m2)

• Phần cất : QL = 60.qL = 60 0.175 =10.5 (m3/h)

76.2.100

5.10.128

76.2.100

16.20.128.0

Kiểm tra : h’d = 127.726 < 200

2

4002

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

=50.(0.4+0.0064) +0,8 =21.12(m)

Chiều cao của đáy và nắp : Hđ = Hn =ht +hgờ =0.55+0.025=0.575(m)

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

Chiều cao của tháp : H = Hthân + Hđ + Hn = 21.695(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 acid đối với thiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

• Aùp 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 :

• Nhiệt độ tính toán :

Chọn nhiệt độ tính toán : ttt = tđáy = 102.1oC

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

[σ]* = 142 (N/mm2).(t22)

Đối với acid 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 = 0,95

Xét tỷ số : [ ] .0.95

23.0

142 h =

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 acid 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

+Co : hệ số bổ sung qui tròn, chọn Co =1 (mm)

2215.5.95.0.142.2

2

−+

−

=

−+

−

=

a t t

a t h tt

C S D

C S

=0.394 > Ptt : đúng

Vậy : Bề dày thực của thân là St = 4.87 (mm)

Chọn bề dày St=5mm

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 = 5(mm)

Các kích thước của đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ(tài liệu tham khảo [4(tập 2)]:+ Đường kính trong: Dt = 2200 (mm)

+ ht =550(mm)

+ Chiều cao gờ: hgờ = h = 25 (mm)

+Diện tích bề mặt trong: Sđáy = 4.48 (m2)

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

Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 2)- trang 423], ứng với Dt =2200(mm) và áp suất tính toán Ptt = 0.23(N/mm2) ta chọn bích có các thông số sau :

amiăng, có bề dày là 3(mm)

4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :

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

a Vị trí nhập liệu :

Suất lượng nhập liệu: QF = 5 (m3/h).

Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu):

vF = 0.2 (m/s)

2.0 3600

5.4

.3600

.4

Suy ra: chọn đường kính ống nhập liệu: dF = 0.1(m)

Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)t434], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lF = 120 (mm)

Các thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu:

D y D D n D b D 1 h Bu lông

d b Z

b Oáng hơi ở đỉnh tháp:

Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: gd = 12404.22 (Kg/h)

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

273.60.1.18

+

−+

=

D

D D

h

t

y y

Chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp: vh = 30 (m/s)

30 3600

07.20953.4

.3600

.4

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 0.25 (m)

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

c Oáng hoàn lưu:

Suất lượng hoàn lưu: Ghl =D.MD.R=175.47 2.9.18.21= 9266.3 (Kg/h)

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

tD = 100.22oC: ρhl = 958 (Kg/m3)

Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu:

hl

hl hl

G Q

ρ

= = 9.67 (m3/h)

Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu (tự chảy từ bộ phận tách lỏng ngưng tụ vào tháp): vhl = 0.4 (m/s).

4.0 3600

67.9.4

.3600

.4

Suy ra: chọn đường kính ống hoàn lưu: dhl = 0.1 (m)

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

lhl = 120 (mm)

Các thông số của bích ghép ống dẫn hoàn lưu:

D y D D n D b D 1 h Bu lông

d b Zm

d Oáng dẫn hơi vào đáy tháp:

Suất lượng hơi vào đáy tháp: g’1 = 20042.921 (Kg/h)

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

273.60.1

18

+

−+

=

W

W W

y y

Lưu lượng hơi vào tháp:

hd 1

'ρ

g

Q hd = = 23171 (m3/h)

Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp: vhd = 30 (m/s)

30 3600

23171.4

.3600

.4

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dhd = 0.25 (m)

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

e Oáng dẫn chất lỏng ở đáy tháp:

Suất lượng chất lỏng vào nồi đun:

G’1 =804.91*26.9 =21652.08 (Kg/h)

Khối lượng riêng của chất lỏng chất lỏng vào nồi đun, tra tài liệu tham khảo [4(tập 1)] ở tW = 102.1oC : ρL = 958 (Kg/m3)