Máy và thiết bị chưng cất
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (389.91 KB, 53 trang )
MỤC LỤC
trang
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN....................................................................
I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT
1 . Phương pháp chưng cất
2 . Thiết bị chưng cất:
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU
1 . Acid axetic
2 . Nước
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
3 . Số mâm lý thuyết
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP
1 . Đường kính đoạn cất
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
1 . Bề dày thân tháp :
2 . Đáy và nắp thiết bị :
3 . Bích ghép thân, đáy và nắp :
4 . Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :
1
1
1
2
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
2
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
II . KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
2
5
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
6
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 : 5m
3
/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.
3
9
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
10
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 độ
sôi 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.
4
13
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
14
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 cao. - Hiệu suất cao.
- Trở lực thấp. - Hoạt động khá ổn định. - Hoạt động ổn định.
- Làm việc với chất lỏng
bẩn.
Nhược
điểm: - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp.
5
- Thiết bị nặng.
- Không làm việc với
chất lỏng bẩn.
- Độ ổn định kém.
- Yêu cầu lắp đặt khắt khe
-> lắp đĩa thật phẳng. - Trở lực lớn.
17
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
18
6
21
163
22
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: CH
3
-CH
2
-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:
+ Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78.3
o
C.
+ Khối lượng riêng: d
4
20
= 810 (Kg/m
3
).
• Tính chất hóa học:
Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của etanol là
thể hiện tính chất hoá học của nó.
* Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:
CH
3
-CH
2
-OH CH
3
-CH
2
-O
-
+ H
+
Hằng số phân ly của etanol:
18
10
23
−
−−
=
OHCHCH
K
, cho nên etanol là chất
trung tính.
+ Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri
hydrua(NaH), Natri amid(NaNH
2
):
CH
3
-CH
2
-OH + NaH CH
3
-CH
2
-ONa + H
2
Natri etylat
Do
14
10
223
−
−−
=<
OHOHCHCH
KK
: tính acid của rượu nhỏ hơn tính acid 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 H
2
SO
4
, HNO
3
và acid hữu cơ đều
tạo ra ester.
CH
3
-CH
2
-OH + HO-SO
3
-H CH
3
-CH
2
O-SO
3
-H + H
2
O
CH
3
-CH
2
O-H + HO-CO-CH
3
CH
3
-COO-C
2
H
5
+ H
2
O
* Phản ứng trên nhóm hydroxyl:
+ Tác dụng với HX: CH
3
-CH
2
-OH + HX CH
3
-CH
2
-X + H
2
O
+ Tác dụng với Triclo Phốt pho:
CH
3
-CH
2
-OH + PCl
3
CH
3
-CH
2
-Cl + POCl + HCl
+ Tác dụng với NH
3
: CH
3
-CH
2
-OH + NH
3
C
2
H
5
-NH
2
+ H
2
O
+ Phản ứng tạo eter và tách loại nước:
2CH
3
-CH
2
-OH (CH
3
-CH
2
)
2
O + H
2
O
CH
3
-CH
2
-OH CH
2
=CH
2
+ H
2
O
7
L nhạ
H
+
Al
2
O
3
t
o
H
2
SO
4
>150
o
C
H
2
SO
4
>150
o
C
25
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
26
* Phản ứng hydro và oxy hoá:
CH
3
-CH
2
-OH CH
3
-CHO + H
2
• 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 H
2
SO
4
; 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:
C
6
H
6
O
6
2C
2
H
5
OH + 2CO
2
+ 28 Kcal
Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO
2
.
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 / mol
Khối lượng riêng d
4
0
c : 1 g / ml
Nhiệt độ nóng chảy : 0
0
C
Nhiệt độ sôi : 100
0
C
8
Cu
200-300
o
C
N m menấ
Zymaza
+ Thu c súng không khói.ố
+ Nhiên li u ho ti n, bom bay.ệ ả ễ
+ ng l c.Độ ự
+ Thu c tr sâu.ố ừ
+ S n.ơ
+ Vecni.
+ nh a.Đồ ự
+ Keo dán.
+ H ng li u.ươ ệ
+ Sát trùng.
+ Pha ch thu c.ế ố
+ Thu c nhu m.ố ộ
+ T nhân t o.ơ ạ
+ R u mùi.ượ
+ D m.ấ
+ 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 pợ
+ ng l c.Độ ự
Nhiên li u.ệ
Etano
l
29
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
30
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 Etanol – Nước:
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol -
Nước ở 760 mmHg:
0 0
5 9.2 0
10 16.7 10
20 30.3 20
30 42.5 30
40 53 40
50 62.6 50
60 71.6 60
70 79.5 70
80 86.4 80
90 93 90
100 100 100
92
99.5
92
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
X(% mol)
Y(%mol)
9
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(
o
C)
118.
4
115.
4
113.
8
110.
1
107.
5
105.
8
104.
4
103.
3
102.
1
101.
3
100.
6 100
33
255
256
257
258
259
260
261
262
263
34
III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC:
Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H
2
O, nhiệt độ sôi là 78,3
0
C ở
760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100
o
C 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.
7 . Bẩy hơi.
8 . Tháp chưng cất.
9 . Nhiệt kế.
10 . Ap kế.
11 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
12 . Nồi đun.
13 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.
14 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
15 . Bồn chứa sản phẩm đáy.
16 . Bộ phận phân dòng.
10
37
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
38
11
41
312
42
MỤC LỤC
trang
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN...................................................................
I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT
1 . Phương pháp chưng cất
2 . Thiết bò chưng cất
:
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU
1 . Acid axetic
2 . Nước
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 LƯNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM
ĐÁY
III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HP
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
3 . Số mâm lý thuyết
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP
1 . Đường kính đoạn cất
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
12
45
313
46
13
49
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
50
* Thuyết minh qui trình công nghệ:
Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ khoảng
28
0
C 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 35
0
C , 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 60
0
C được thải bỏ.
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
• Năng suất nhập liệu:
• (
x
=x
1
*M
1
/(x
1
*M
1
+(1-x
1
)*M
2
)=0.92*18/(0.92*18+0.08*60)=0.775
14
53
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
54
• 1/
antb
xx
ρρρ
/)1(/ −+=
=0.775/995.6 +(1-0.775)/1039.6,
tb
ρ
=1005.17kg/m
3
)
• G
F
=Q
F
*
tb
ρ
=5*1005.17=5025.86(kg/h).
• Nồng độ nhập liệu : 8% mol acid axetic (x
F
=0.92)
• Nồng độ sản phẩm đỉnh : 0.5% mol acid axetic( x
D
=0.995)
• Nồng độ sản phẩm đáy : 30% mol acid axetic.(x
W
=0.7)
• Khối lượng phân tử của acid axetic và nước : M
A
=60 kg/kmol , M
N
=18
kg/kmol .
• Chọn :
+ Nhiệt độ nhập liệu : t’
F
=28
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’
D
=35
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’
W
= 35
o
C .
+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi .
• Các kí hiệu :
+ G
F
, F : suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ G
D
, D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ G
W
,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ x
i
,
i
x
: 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.x
F
= D.x
D
+ W.x
W
(II.2)
Với : Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :
M
F
=
60).1(.18
FF
xx −+
= 21.36 (Kg/Kmol).
F =
F
F
M
G
=
36.21
86.5025
=235.29 (Kmol/h)
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy :
M
W
=
60).1(.18
WW
xx −+
= 30.6 (Kg/Kmol).
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh :
M
D
=
60).1(.18
DD
xx −+
=18.21 (Kg/Kmol).
Giải 2 phương trình (II.1),(II.2)ta có :
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 .
R
min
=
x
y
y
x
F
F
F
D
−
−
*
*
=
92.0945.0
945.0995.0
−
−
=2
Tỉ số hoàn lưu thích hợp:R
X
=1.3R
min
+0.3=2.9
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆCSỐ MÂM LÝ THUYẾT:
15
57
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
58
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :
y =
1
.
1
.
+
+
+ R
x
x
R
R
D
=
19,2
995,0
.
19,2
9,2
+
+
+
x
=0,7436.x + 0.2551
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
y =
W
x
R
f
x
R
fR
.
1
1
.
1 +
−
+
+
+
=
7.0.
19,2
1341.1
.
19,2
341.19,2
+
−
+
+
+
x
= 1.087x – 0.0612
Với : f =
47.175
29.235
=
D
F
= 1.341 : chỉ số nhập liệu .
3 . Số mâm lý thuyết :
Đồ thị xác định số mâm lý thuyết :(Xem hình ở trang sau ).
số mâm lý thuyết là N
lt
= 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
η
N
N =
(st2/170)
trong đó: η
tb
: hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương
đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : η = f(α,µ).
N
tt
: số mâm thực tế.
N
lt
: số mâm lý thuyết.
• Xác định hiệu suất trung bình của tháp η
tb
:
+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi :
x
x1
y1
y
*
*
−
−
=α
Với : x :phân mol của nước trong pha lỏng .
y
*
: phân mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
Lgm
hh
=x
1
lgm
1
+ x
2
lgm
2
,tài liệu [4(tập 1) – trang 84]
* Tại vị trí nhập liệu :
x
F
= 0.92 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
F
= 0.945
t
F
= 100.52
o
C
+
92.0
92.01
.
945.01
945.0
x
x1
y1
y
α
F
F
*
*
F
−
−
=
−
−
=
F
F
= 1.494
+ t
F
= 100.52
o
C , m
a
= 0.46.10
-3
Ns/m
2
; m
n
=0.284.10
-3
Ns/m
2
(t2/91,92)
m
F
=0.443.10
-3
(N.s/m
2
) =0,443 (cP)
Suy ra : a
F
. m
F
= 1.494*0.443 =0.662
Tra tài liệu tham khảo [(tập 2) – trang 171] : h
F
= 0.55
* Tại vị trí mâm đáy :
x
W
= 0.7 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
W
= 0.795
16
61
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
62
t
W
= 102.1
o
C
+
7.0
7.01
.
795.01
795.0
x
x1
y1
y
α
W
W
*
*
W
−
−
=
−
−
=
W
W
= 1.662
+ và t
W
=102.1
o
C,m
a
= 0.46.10
-3
Ns/m
2
; m
n
=0.284.10
-3
Ns/m
2
m
W
=0.443.10
-3
(N.s/m
2
) =0,443 (cP)
Suy ra : a
W
. m
W
= 1.662*0.443 = 0.736
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : h
W
= 0.53
*Tại vị trí mâm đỉnh :
x
D
= 0.995 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
D
= 0.997
t
D
= 100.22
o
C
+
995.0
995.01
.
997.01
997.0
x
x1
y1
y
α
D
D
*
*
D
−
−
=
−
−
=
D
D
= 1.67
+ t
D
= 100.22
o
C , ,m
a
= 0.46.10
-3
Ns/m
2
; m
n
=0.284.10
-3
Ns/m
2
m
D
=0.443.10
-3
(N.s/m
2
) =0,443 (cP)
Suy ra : a
D
. m
D
= 1.67*0.443 = 0.74
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : h
D
= 0.53
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :
h
tb
=
537.0
3
55.053.053.0
3
=
++
=
++
DWF
ηηη
• Số mâm thực tế của tháp N
tt
:
537.0
27
=
tt
N
=50.28 mâm
Vậy chọn N
tt
= 50 mâm 37 mâm cất,12 mâm chưng 1 mam nhập liệu
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP
CHƯNG CẤT .
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(D
t
)
tbyy
tb
g
)ω.(
0188,0
ω.3600.π
4V
D
tb
tb
t
ρ
==
(m)(t2 tr181)
V
tb
:lượng hơi trung bình đi trong tháp (m
3
/h).
ω
tb
:tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
g
tb
: 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
gg
g
d
tb
+
=
(Kg/h)
g
d
: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h).
g
1
: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).
• Xác định g
d
: g
d
= D.(R+1) =175.47(2,9+1) = 684.333 (Kmol/h)
= 12404.22(Kg/h)
(Vì M
thD
=18.y
D
+(1-y
D
).60 = 18.126(Kg/Kmol).
17
65
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
66
• Xác định g
1
: Từ hệ phương trình :
=
+=
+=
dd
D
rgrg
xDxGyg
DGg
..
...
11
1111
11
(III.1)
Với : G
1
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất .
r
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
r
d
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính r
1
: t
1
= t
F
= 100.52
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có :
An nhiệt hoá hơi của nước : r
N1
= 40512.96 (KJ/kmol) .
An nhiệt hoá hơi của acid : r
a1
= 24195.24 (KJ/kmol) .
Suy ra : r
1
= r
N1
.y
1
+ (1-y
1
).r
a1
= 24195.24 + 16317.72y
1
(KJ/kmol)
* Tính r
d
: t
D
= 100.22
o
C , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có :
An nhiệt hoá hơi của nước : r
Nd
= 40512.96 (KJ/kmol) .
An nhiệt hoá hơi của acid : r
ad
= 24195.24(KJ/kmol) .
Suy ra : r
d
= r
Nd
.y
D
+ (1-y
D
).r
ad
=40512.96*0.997 + (1- 0.997)*24195.24
= 40464 (KJ/kmol)
* x
1
= x
F
= 0.92
Giải hệ (III.1) , ta được : G
1
= 525.316 (Kmol/h)
y
1
= 0.939 (phân mol ) _ M
1
=20.1
g
1
= 700.786 (Kmol/h) = 14085.799(Kg/h)
Vậy : g
tb
=
2
22.12404799.14085 +
=13245.01(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
ρ
ρ
ω
.05,0=
Với : r
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m
3
) .
r
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
) .
• Xác định r
ytb
:
( )
[ ]
( )
273.4,22
273.60.118.
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ
Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y
tb
=
2
1 D
yy +
=
2
997.0939.0 +
=0.968
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : t
tb
=
2
DF
tt +
=
2
22.10052.100 +
=100.37
o
C
Suy ra : r
ytb
=0.631 (Kg/m
3
).
• Xác định r
xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình : x
tb
=
2
DF
xx +
=
2
099592.0 +
= 0.4577
Suy ra :
60).1(.18
.18
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
t
tb
= 100.37
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
r
a
=958kg/m
3
r
n
=958 kg/m
3
18
69
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
70
1/
antb
xx
ρρρ
/)1(/ −+=
r
xtb
= 958 (Kg/m
3
)
Suy ra :
631.0
958
.05,0=
gh
ω
=1.948 (m/s)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
948.1.8,0.8,0 ==
ghh
ωω
= 1.559 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
D
cất
=
631.0*559.1
01.13245
.0188,0
=2.181 (m).
2. Đường kính đoạn chưng :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
2
1
,,
,
gg
g
n
tb
+
=
(Kg/h)
g’
n
: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h).
g’
1
: lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h).
• Xác định g’
n
: g’
n
= g
1
=700.786 (Kmol/h) = 14085.799(Kg/h)
• Xác định g’
1
: Từ hệ phương trình :
==
+=
+=
1111
1
'
1
1
'
1
'
1
'
.'.''.'
..'.
rgrgrg
xWygxG
WgG
nn
WW
(III.2)
Với : G
’
1
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng .
r’
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
* Tính r’
1
: x
W
=0.7 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : y
W
=0.795
Suy ra :M
tbg’
=18.y
W
+(1-y
W
).60=26.61 (Kg/kmol)
t’
1
= t
W
= 102.1
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
An nhiệt hoá hơi của nước : r’
N1
= 40512.96 (KJ/kmol) .
An nhiệt hoá hơi của rượu : r’
R1
=24195.24 (KJ/kmol) .
Suy ra : r’
1
= r’
N1
.y
W
+ (1-y
W
).r’
R1
= 37167.83 (KJ/kmol)
* Tính r
1
:
r
1
= r
N1
.y
1
+ (1-y
1
).r
a1
= 24195.24 + 16317.72y
1
=39517.579(KJ/kmol)
* W = 59.819 (Kmol/h)
Giải hệ (III.2) , ta được : x’
1
=0.788_ M
tbG’
=26.9
G
’
1
=804.91 (Kmol/h)
g’
1
= 745.09 (Kmol/h) = 20042.921(Kg/h)
Vậy : g’
tb
=
2
799.14085921.20042 +
=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
'
'
.05,0'
ρ
ρ
ω
=
Với : r'
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m
3
) .
r'
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
) .
19
73
531
532
533
534
535
536
537
538
539
540
541
542
543
544
545
546
547
548
549
550
551
552
553
554
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
74
• Xác định r’
ytb
:
( )
[ ]
( )
273'.4,22
273.60.'118.'
'
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ
Với: + Nồng độ phân mol trung bình :
y’
tb
=
2
1 W
yy +
=
2
795.0939.0 +
=0.867
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng :t’
tb
=
2
WF
tt +
=
2
1.10252.100 +
=101.31
o
C
Suy ra : r’
ytb
=0.768 (Kg/m
3
).
• Xác định r’
xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình : x’
tb
=
2
WF
xx +
=
2
7.092.0 +
=0.81
Suy ra :
60).'1('.18
'.18
'
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
=0.5612
t’
tb
= 101.31
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
Khối lượng riêng của nước : r’
N
= 958(Kg/m
3
)
Khối lượng riêng của rượu : r’
a
= 958(Kg/m
3
)
Suy ra :r’
xtb
=
1
'
'1
'
'
−
−
+
N
tb
R
tb
xx
ρρ
=958 (Kg/m
3
)
Suy ra :
768,0
958
.05,0' =
gh
ω
=1.766 (m/s)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
==
ghh
'.8,0'
ωω
0.8*1.766= 1.413 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
D
chưng
=
413.1*768.0
36.17064
.0188,0
=2.36 (m).
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 : D
t
= 2.2(m).
Khi đó tốc độ làm việc thực ở :
+ Phần cất : ω
lv
=
==
631.0.2.2
01.13245.0188,0
.
.0188,0
2
2
2
2
ytbt
tb
D
g
ρ
1.533(m/s).
+ Phần chưng :ω’
lv
=
==
768,0.2.2
36.17064.0188,0
'.
'.0188,0
2
2
2
2
ytbt
tb
D
g
ρ
1.623(m/s).
II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM :
1 . Cấu tạo mâm lỗ :
Chọn : + Đường kính lỗ : d
l
= 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 .
20
77
566
567
568
569
570
571
572
573
574
575
576
577
578
579
580
581
582
583
584
585
586
587
588
589
590
591
592
593
594
595
596
78
+ Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm .
Số lỗ trên 1 mâm :
N =
lo
mâm
S
%.10 S
=
2
2
008,0
2.2
.1.0.1.0
=
l
t
d
D
=7562.5 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 :
h
tl
= h
k
+ h
l
+ h
R
(mm.chất lỏng)
Với : + h
k
:độ giảm áp qua mâm khô (mm.chất lỏng).
+ h
l
: độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm.chất lỏng).
+h
R
: 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
ρ
ρ
ρ
..0,51
..2
.
2
2
2
2
=
=
(mm.chất lỏng)
Với : + u
o
:vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s).
+ r
G
: khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m
3
).
+ r
L
: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m
3
).
+ C
o
: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.
Ta có :
mâm
S
S
lo
∑
=0.1và
lo
mâm
d
δ
=0,6 .Tra tài liệu tham khảo [1 – trang
111] : C
o
= 0,7
• Đối với mâm ở phần cất :
+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u
o
=
1.0
533.1
%10
=
lv
ω
=15.33 (m/s).
+ Khối lượng riêng của pha hơi : r
G
= ρ
ytb
= 0.631 (Kg/m
3
).
+ Khối lượng riêng của pha lỏng : r
L
= ρ
xtb
= 958 (Kg/m
3
).
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất :
958
631.0
.
7.0
33.15
.51
2
2
=
k
h
=16.11(mm.chất lỏng).
• Đối với mâm ở phần chưng :
+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’
o
=
1.0
623.1
%10
'
=
lv
ω
=16.23 (m/s).
+ Khối lượng riêng của pha hơi : r’
G
= ρ’
ytb
= 0.768 (Kg/m
3
).
+ Khối lượng riêng của pha lỏng : r’
L
= ρ’
xtb
= 958 (Kg/m
3
).
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng :
958
768.0
.
7,0
23.16
.51'
2
2
=
k
h
= 21.98 (mm.chất lỏng).
21
81
597
598
599
600
601
602
603
604
605
606
607
608
609
610
611
612
613
614
615
616
617
618
619
620
621
622
623
624
625
626
627
628
629
630
631
82
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 h
l
là từ chiều cao gờ chảy tràn h
w
, chiều cao tính toán của lớp chất
lỏng trên gờ chảy tràn h
ow
và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm β :
h
l
= β.( h
w
+ h
ow
) , (mm.chất lỏng)
Chọn : + Hệ số hiệu chỉnh : β = 0,6
+ Chiều cao gờ chảy tràn : h
w
= 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
2
.4.43
=
w
L
ow
L
q
h
, (mm.chất lỏng)
Với : + q
L
: lưu lượng của chất lỏng (m
3
/ph).
+ L
w
:chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m).
• Xác định L
w
:
Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm , nên ta có
phương trình sau :
π
π
.2,0sin
180
.
=−
o
o
o
n
n
Với : n
o
:góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn L
w
.
Dùng phương pháp lặp ta được : n
o
= 93
o
12’22”
Suy ra : L
w
= D
t
. sin(n
o
/2) = 1.6 (m).
• Xác định q
L
:
• Phần cất :
958.60
785.19.47.175.9.2
.60
..
==
xtb
tb
L
MDR
q
ρ
= 0.175 (m
3
/ph).(T10/285)
• Với : M
tb
=0.9575*18+(1-.9575)*60=19.785
Suy ra :
3
2
6.1
175.0
.4.43
=
ow
h
= 9.926 (mm).
Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là:
h
l
= 0.6.(50+9.926) = 35.956 (mm.chất lỏng).
• Phần chưng :
958.60
98.25*153.774
'.60
).*
'
(
=
+
=
xtb
tb
F
D
L
MR
q
G
G
ρ
=0.336 (m
3
/ph).
• Với :M
tb
=0.81*18+(1-0.81)*60=25.98
Suy ra :
3
2
6.1
336.0
.4.43'
=
ow
h
= 15.333 (mm).
Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng :
h’
l
= 0.6.(50+15.333) = 39.2 (mm.chất lỏng).
c . Độ giảm áp do sức căng bề mặt :
Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác định theo biểu thức :
lL
R
d
h
.
.54.625
ρ
σ
=
, (mm.chất lỏng)
Với : + σ : sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm).
+ ρ
L
: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m
3
).
22
85
632
633
634
635
636
637
638
639
640
641
642
643
644
645
646
647
648
649
650
651
652
653
654
655
656
657
658
659
660
661
662
663
664
665
666
86
• Phần cất :
* Khối lượng riêng của pha lỏng : r
L
= ρ
xtb
= 958 (Kg/m
3
).
* t
tb
= 100.37
o
C ,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 cất :
aN
aN
σσ
σσ
σ
+
=
.
= 14.819 (dyn/cm).
Vậy : Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là :
008.0.958
10.849.14
.54.625
3−
=
R
h
= 1.212 (mm.chất lỏng).
• Phần chưng :
* Khối lượng riêng của pha lỏng : r’
L
= ρ’
xtb
= 958 (Kg/m
3
).
* t’
tb
= 101.31
o
C ,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 :
aN
aN
''
'.'
'
σσ
σσ
σ
+
=
= 14.819 (dyn/cm).
Vậy : Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần chưng là :
008.0.958
10.849.14
.54.625'
3−
=
R
h
= 1.212 (mm.chất lỏng).
Tóm lại : Độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở :
+ Phần cất : h
tl
= 16.11+35.956+1.212 = 53.278 (mm.chất lỏng).
hay h
tl
= 53.278 . 10
-3
. 9.81 . 958 = 500.71 (N/m
2
).
+ Phần chưng : h’
tl
= 21.98+39.2+1.212 = 62.392 (mm.chất lỏng).
hay h’
tl
= 62.392 . 10
-3
. 9.81 . 958 = 586.36 (N/m
2
).
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 )
∑h
tl
= 37. h
tl
+ 13. h’
tl
= 37 . 500.71+13 .586.36 =26148.95 (N/m
2
).
3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :
Chọn khoảng cách giữa hai mâm là h
mâm
=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 :
h
d
= h
w
+ h
ow
+ h
tl
+ h
d’
, (mm.chất lỏng)
Với : h
d’
: 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
=
d
L
d
S
Q
h
, (mm.chất lỏng)
trong đó : + Q
L
: lưu lượng của chất lỏng (m
3
/h).
+ S
d
: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đó :
S
d
= 0.8 . S
mâm
= 0.8 . π.1.1
2
=2.76 (m
2
)
23
89
667
668
669
670
671
672
673
674
675
676
677
678
679
680
681
682
683
684
685
686
687
688
689
690
691
692
693
694
695
696
697
698
699
700
701
702
703
704
90
• Phần cất : Q
L
= 60.q
L
= 60 . 0.175 =10.5 (m
3
/h).
Suy ra :
2
'
76.2.100
5.10
.128.0
=
d
h
= 0.00018 (mm.chất lỏng).
Vậy : chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở
phần cất :
h
d
=50+9.926+53.278+0.00018 =113.204 (mm.chất lỏng).
Kiểm tra : h
d
= 113.204 <
200
2
400
2
mâm
==
h
(mm) : đảm bảo khi hoạt động
các mâm ở phần cất sẽ không bị ngập lụt.
• Phần chưng : Q’
L
= 60.q’
L
= 60 .0.336 = 20.16 (m
3
/h).
Suy ra :
2
'
76.2.100
16.20
.128.0'
=
d
h
= 0.00068 (mm.chất lỏng).
Vậy : chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở
phần chưng :
h’
d
=50+15.333+62.392+0,00068 =127.726 (mm.chất lỏng).
Kiểm tra : h’
d
= 127.726 <
200
2
400
2
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 :H
thân
=N
tt
.(h
mâm
+δ
mâm
) + 0,8
=50.(0.4+0.0064) +0,8 =21.12(m).
Chiều cao của đáy và nắp : H
đ
= H
n
=h
t
+h
gờ
=0.55+0.025=0.575(m).
(Xem ở phần (III.2) : Đáy và Nắp thiết bị ).
Chiều cao của tháp : H = H
thân
+ H
đ
+ H
n
= 21.695(m).
24
93
705
706
707
708
709
710
711
712
713
714
715
716
717
718
719
720
721
722
723
724
94
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.
• Ap suất tính toán :
Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán :
P
tt
=P
cl
+ ∑h
tl
, (N/mm
2
)
Với : P
cl
: áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm
2
).
Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà
vẫn an toàn nên :
P
cl
= ρ
x
.g.H =
2
'
xtbxtb
ρρ
+
.g.H=958. 9.81 . 21.695
=203889.18 (N/m
2
).
Suy ra : P
tt
= 203889.18 + 26148.95 =230038.12 (N/m
2
) ~0.23(N/mm
2
).
• Nhiệt độ tính toán :
Chọn nhiệt độ tính toán : t
tt
= t
đáy
= 102.1
o
C .
Tra tài liệu tham khảo [5], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T :
[σ]
*
= 142 (N/mm
2
).(t22)
Đối với acid hệ số hiệu chỉnh : η = 1
Vậy : ứng suất cho phép : [σ] = η.[σ]
*
= 142 (N/mm
2
).
• 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 : ϕ
h
= 0,95
Xét tỷ số :
[ ]
95.0.
23.0
142
. =
h
tt
P
ϕ
σ
=586.52 > 25,do đó, bề dày tính toán của thân
được tính theo công thức sau :
[ ]
95,0.142.2
23.0.2200
..2
.
' ==
h
ttt
t
PD
S
ϕσ
=1.87 (mm).
Suy ra : bề dày thực của thân : S
t
= S’
t
+ C ,(mm).
Trong đó : C :hệ số bổ sung bề dày, C = C
a
+ C
b
+ C
c
+ C
o
Với : + C
a
: 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 C
a
= 2 mm.
+C
b
: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn C
b
= 0.
+C
c
: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn C
c
= 0.
+C
o
: hệ số bổ sung qui tròn, chọn C
o
=1 (mm).
Suy ra : C = 2 + 0 + 0 + 1 = 3 (mm).
Vậy : S
t
= 1.87 + 3 = 4.87 (mm).
* Kiểm tra công thức tính toán với S
t
= 4.87 (mm) :
2200
287.4 −
=
−
t
at
D
CS
= 0.0013< 0,1 : đúng.
25
97
725
726
727
728
729
730
731
732
733
734
735
736
737
738
739
740
741
742
743
744
745
746
747
748
749
750
751
752
753
754
755
756
757
758
759
760
761
762
763
764
98
