thiết kế hệ thống chưng cất methanol bằng tháp đệm có năng suất 4000kg-h
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (716.37 KB, 38 trang )
1
LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ hóa học cũng như các sản phẩm của nó có ảnh hưởng rất lớn
đến nhiều ngành sản xuất khác. Trong đó methanol là một sản phẩm khá được
quan tâm. Trong quy trình sản xuất, methanol thường được chưng cất để đạt
được nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng và tiết kiệm chi phí vận chuyển,
lưu trữ.
Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế hệ thố
ng chưng cất methanol bằng
tháp đệm có năng suất 4000kg/h, nhập liệu ở nhiệt độ sôi với nồng độ 40% ,
sản phẩm đỉnh có nồng độ 98%, sản phẩm đáy có nồng độ 0.5% khối
lượng/khối lượng. Hệ thống được gia nhiệt bằng hơi nước có áp suất 2 at.
Việc thực hiện đồ án là một cơ hội tốt để sinh viên hệ thống hóa các kiến
thức đã học cũng như làm quen với việc lựa chọn tính toán các thiết bị thực tế.
Thực hiện đồ án là một bước để sinh viên làm quen với công việc của một kỹ
sư trong tương lai.
Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy
Nguyễn Văn Lục. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ củ
a
thầy trong thời gian qua để em có thể hoàn thành đồ án này.
2
MỤC LỤC
A. GIỚI THIỆU 4
I. SƠ BỘ VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 4
II. SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU 5
2.1. Methanol 5
2.2. Nước 5
2.3. Ứng dụng của methanol 5
B. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 5
C. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 7
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT 7
II. PHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THÁP 8
III. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 10
3.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 10
3.2. Cân bằng nhiệt l
ượng của tháp chưng luyện 11
3.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 11
3.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh 12
IV. ĐƯỜNG KÍNH THÁP ĐỆM 12
4.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp 12
4.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện 12
4.1.2. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng 13
4.2. Khối lượng riêng trung bình 14
4.2.1. Khối lượng riêng trung bình pha lỏng 14
4.2.2. Khối lượng riêng trung bình pha hơi 15
4.3. Tốc độ
hơi đi trong tháp 15
4.4. Đường kính tháp đệm 16
V. CHIỀU CAO THÁP ĐỆM 16
5.1. Chiều cao đoạn luyện 17
5.1.1. Số đơn vị chuyển khối đoạn luyện 17
5.1.2. Chiều cao một đơn vị chuyển khối đoạn luyện 18
5.2. Chiều cao đoạn chưng 19
5.2.1. Số đơn vị chuyển khối đoạn chưng 19
5.2.2. Chiều cao một đơn vị chuyên khối đoạn ch
ưng 20
VI. TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM 21
VII. TÍNH BỀN THÁP ĐỆM 22
7.1. Tính bề dày thân tháp 22
7.2. Tính đáy, nắp 23
7.3. Tính mặt bích 23
7.4. Tính tai treo 25
7.5. Tính chân đỡ 26
VIII. TÍNH CÁC ỐNG DẪN 26
8.1. Ống nhập liệu 26
8.2. Ống hồi lưu sản phẩm đỉnh 26
8.3. Ống tháo sản phẩm đáy 27
8.4. Ống lấy hơi ở đỉnh 27
3
8.5. Ống hơi ở đáy 27
D. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 28
I. THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU 28
II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH 29
III. TÍNH THÙNG CAO VỊ VÀ BƠM 30
IV. THIẾT BỊ GIA NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY 33
E. AN TOÀN LAO ĐỘNG 34
I. PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ 34
1.1. Những nguyên nhân gây cháy nổ trực tiếp 36
1.2. Các biện pháp phòng chống cháy nổ 36
II. AN TOÀN ĐIỆN 36
2.1. Các nguyên nhân gây ra tai nạn điệ
n 36
2.2. Các biện pháp để phòng tai nạn điện 37
F. TÀI LIỆU THAM KHẢO 37
4
A. GIỚI THIỆU
I. SƠ BỘ VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí
lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Thay
vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp
th
ụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất, pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu đực bấy
nhiêu sản phẩm. Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử
có độ bay hơi bé. Sản phẩm
đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có
độ bay hơi lớn.
Đối với hệ methanol – nước thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là methanol, sản phẩm đáy chủ yếu là
nước.
Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc ( áp suất thấp, áp
suất thường, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn gi
ản, chưng bằng hơi nước trực tiếp,
chưng cất) hay dựa vào phương pháp cấp nhiệt (trực tiếp hay gián tiếp). Việc lựa chọn các
phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của sản phẩm. Đối với hệ methanol nước ta
chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
Trong sản xuất thường dùng nhiề
u loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên
yêu cầu chung của các thiết bị vẫn giống nhau là bề mặt tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ
thuộc vào mức độ phân tán của pha này vào pha kia. Ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là
tháp mâm và tháp chêm.
• Tháp mâm: thân hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau
trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của mâm ta có tháp mâm
chóp hay tháp mâm xuyên lỗ.
• Tháp đệm: tháp trụ
gồm nhiều bậc nối với nhau bằng bích hay hàn. Vật chêm được cho
vào tháp bằng hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay có thứ tự.
So sánh ưu nhược điểm của hai loại tháp
Tháp đệm Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ
Ưu điểm - Cấu tạo đơn giản
- Trở lực thấp
- Làm việc được với chất
lỏng bẩn
- Khá ổn định
- Hiệu suất cao
- Trở lực tương đối
thấp
- Hiệu suất cao
Nhược điểm - Do có hiệu ứng thành nên
hiệu suất truyền khối thấp
- Độ ổn định không cao, khó
vận hành.
- Thiết bị nặng nề
- Trở lực lớn
- Kết cấu phức
tạp
- Không làm việc được
với chất lỏng bẩn
- Kết cấu phức tạp.
Trong đồ án này ta sử dụng tháp đệm với vòng đệm Raschig xếp ngẫu nhiên với kích thước
25x25x3.0 .
5
II. SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU
2.1. Methanol
Methanol là chất lỏng không màu, tan vô hạn trong nước, có mùi đặc trưng, rất độc. Một
lượng nhỏ methanol có thể gây mù lòa, lượng lớn gây tử vong. Methanol có công thức phân tử
CH
3
OH, phân tử lượng 32.04 đvC. Methanol có các tính chất lý hóa sau:
- Nhiệt độ sôi: 64.5
o
C
- Khối lượng riêng ở 20
o
C: ρ = 791.7 kg/m
3
- Độ nhớt ở 20
o
C: μ = 0.6*10
-3
N.s/m
2
= 0.6 cP
- Hệ số dẫn nhiệt ở 20
o
C: λ = 0.179 kcal/m.h.độ = 0.2082 W/m.độ
- Nhiệt dung riêng ở 20
o
C: C
p
= 2570 J/kg.độ
2.2. Nước
Nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị. Công thức phân tử H
2
O, phân tử lượng
18.02 đvC.
- Nhiệt độ sôi: 100
o
C
- Khối lượng riêng ở 20
o
C: ρ = 998 kg/m
3
- Độ nhớt ở 20
o
C: μ = 1.005*10
-3
N.s/m
2
= 1.005 cP
- Hệ số dẫn nhiệt ở 20
o
C: λ = 0.597 W/m.độ
- Nhiệt dung riêng ở 20
o
C: C
p
= 4180 J/kg.độ
2.3. Ứng dụng của methanol
Methanol có thể hòa tan với nước, alcohol, ester, ether, ketol và hầu hết các dung môi hữu cơ.
Do đó, methanol thường được dùng làm dung môi và nguyên liệu để sản xuất những chất hữu cơ
khác với số lượng lớn.
Methanol có ái lực đặc biệt với Carbon dioxide và hydrogen sulfide, đây được xem là dung
môi trong quá trình làm ngọt khí Rectisol. Mang tính phân cực trong tự nhiên, methanol thường
tạo hỗn hợp cộng phị với nhiều hợp chất. Methanol làm giảm nhiệt độ hình thành của hydrate khí
tự nhiên, nên đượ
c sử dụng là chất chống đông trong đường ống.
Methanol được dùng để sản xuất formaldehyde, chiếm khoảng 40% lượng tiêu thụ methanol
trên thế giới. Tại Mỹ, vai trò của methanol được tăng cao do được sử dụng trong nhiên liệu
oxygenated với MTBE. Một ứng dụng quan trọng khác của methanol là sản xuất acid acetic;
ngoài ra, nó còn được dùng làm dung môi và hóa chất trung gian.
Ngoài ra methanol còn được dùng làm nguyên liệu sản xuất những hóa chất khác, như
dimethyl terephthalate (DMT), methyl methacrylate, methylamine, và methyl halogenur. Ứng
dụng mới đ
ây nhất là ứng dụng trong nông nghiệp, phun trực tiếp vào cây trồng để kích thích sự
phát triển của cây.
B. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
1 : Thùng chứa hỗn hợp đầu
2 : Bơm chất lỏng
3 : Thùng cao vị
4 : Lưu lượng kế
5 : Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
6 : Tháp chưng cất
7 : Thiết bị ngưng tụ
8 : Thiết bị làm nguội
9 : Thùng chứa sản phẩm
6
10 : Nồi đun Kettle
11: Thùng chứa hỗn hợp đáy
12 : Bẫy hơi
Hỗn hợp từ thùng chứa (1) được bơm ly tâm (2) chuyển lên thùng cao vị (3). Từ thùng cao vị,
hỗn hợp được cho chảy tự nhiên xuống thiết bị gia nhiệt ống chùm. Sau khi qua thiết bị gia nhiệt
hỗn hợp đạt được nhiệt độ sôi và được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa tiếp liệu.Trên đĩ
a nhập liệu,
chất lỏng từ hỗn hợp đầu được trộn với phần lỏng đi xuống từ đoạn luyện.
Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng đi từ trên xuống, ở đây có sự tiếp xúc giữa hai
pha. Trong đoạn chưng, càng đi xuống dưới, nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng càng giảm
do bị cấu t
ử dễ bay hơi trong pha hơi từ nồi đun (10) đi lên lôi cuốn. Hơi càng lên cao thì nhiệt độ
càng giảm do đó cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại đi xuống dưới. Cấu tử có nhiệt
độ sôi thấp là methanol sẽ lôi kéo các cấu tử methanol trong pha lỏng đi lên trên. Sản phẩm đỉnh
là hơi chứa chủ yếu là methanol và một phần nhỏ hơi nước. Hơi ở
đỉnh được dẫn qua thiết bị
ngưng tụ (7). Một phần lỏng được hồi lưu vào tháp chưng cất còn phần lớn được cho vào thiết bị
làm nguội (8) và được đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh. Hỗn hợp đáy chứa chủ yếu là nước
được đưa vào nồi đun Kettle. Hơi từ nồi đun được đưa trở lại vào tháp. Sản phẩm đáy sau khi qua
nồi đun được đưa vào thiết bị làm nguội và chuyển về thùng chứa sản phẩm đáy (11).
7
C. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Quy ước:
F, P, W: lần lượt là hỗn hợp đầu vào, đỉnh và đáy
G
F
: lưu lượng hỗn hợp đầu vào, kmol/h
G
P
: lưu lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h
G
W
: lưu lượng sản phẩm đáy, kmol/h
G
R
: lượng chất lỏng hồi lưu, kmol/h
x
f
: nồng độ phân mol hỗn hợp đầu vào theo methanol, kmol/kmol
x
p
: nồng độ phân mol hỗn hợp đỉnh theo methanol, kmol/kmol
x
w
: nồng độ phân mol hỗn hợp đáy theo methanol, kmol/kmol
a
f
: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu vào theo methanol, kg/kg
a
p
: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đỉnh theo methanol, kg/kg
a
w
: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đáy theo methanol, kg/kg
y
i
: nồng độ phần mol của pha hơi ứng với nồng độ phần mol x
i
của pha lỏng,
kmol/kmol
y
i
*: nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi ứng với nồng độ phân mol x
i
của pha
lỏng, kmol/kmol
A, B: lần lượt là ký hiệu của methanol và nước
M
A
, M
B
: lần lượt là khối lượng phân tử của methanol và nước
M
A
= 32.04 ; M
B
= 18.02
Lưu lượng hỗn hợp đầu vào:
**(1)
f
f
F
AB
F
aF a
G
MM
−
=+
4000*0.4 4000*(1 0.4)
183.12
32.04 18.02
F
G
−
=+ =
kmol/h
Nồng độ phân mol của hỗn hợp đầu vào
*
*
4000*0.4
0.27
32.04*183.12
f
f
AF
f
Fa
x
MG
x
=
==
Nồng độ phân mol của hỗn hợp đỉnh:
8
1
0.98
32.04
0.96
0.98 1 0.98
32.04 18.02
f
A
p
ff
AB
p
a
M
x
aa
MM
x
=
−
+
==
−
+
Nồng độ phân mol của hỗn hợp đáy
1
0.005
32.04
0.0028
0.005 1 0.005
32.04 18.02
w
A
w
ww
AB
w
a
M
x
aa
MM
x
=
−
+
==
−
+
Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu vào M
F
, đỉnh M
P
và đáy M
W
84.21
12.183
4000
===
F
F
G
F
M
kg/kmol
55.31
02.18
98.01
04.32
98.0
1
1
1
=
−
+
=
−
+
=
B
f
A
f
P
M
a
M
a
M
kg/kmol
06.18
02.18
005.01
04.32
005.0
1
1
1
=
−
+
=
−
+
=
B
w
A
w
W
M
a
M
a
M
kg/kmol
Phương trình cân bằng vật chất
FPW
GGG=+
[2- 144]
Đối với cấu tử dễ bay hơi là methanol
***
Ff Pp Ww
Gx GxGx=+
[2- 144]
Từ hai phương trình trên ta suy ra
0.27 0.0028
* 183.12* 51.36
0.96 0.0028
fw
PF
pw
xx
GG
xx
−
−
== =
−−
kmol/h [2- 144]
0.96 0.27
* 183.12* 131.76
0.96 0.0028
pf
wF
pw
xx
GG
xx
−
−
== =
−−
kmol/h [2- 144]
II. PHƯƠNG
TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THÁP
Bảng 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol- nước
9
x
0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y
0 26.8 41.8 57.9 66.5 72.9 77.9 82.5 87 91.5 95.8 100
o
C
100 92.3 87.7 81.7 78 75.3 73.1 71.2 69.3 67.6 66 64.5
Hình 1
: Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol – nước
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng:
11 +
+
+
=
x
p
x
x
R
x
x
R
R
y
[2- 144]
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng:
w
xx
x
x
R
L
x
R
LR
y
1
1
1 +
−
+
+
+
=
[2- 158]
Với : R
x
= G
x
/G
P
: chỉ số hồi lưu
L=G
F
/G
P
Vì hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi nên ta có
ff
fp
x
xy
yx
R
−
−
=
*
*
min
[2- 158]
Từ đồ thị cân bằng lỏng hơi của methanol- nước với x
f
=0.27 ta tra được y
f
*
= 0.64; t
f
= 79
o
C; với
x
p
= 0.96 thì t
P
=65
o
C; với x
w
=0.0028 thì t
w
=99.7
o
C
V
ậy ta có:
10
88.0
27.064.0
64.096.0
min
=
−
−
=
x
R
Dùng phương pháp thử ta cho các giá trị R
x
khác nhau để tính các giá trị m
y
khác nhau từ đó ta có
bảng sau:
Bảng 2: Chỉ số hồi lưu thích hợp
R
x
1.06 1.15 1.24 1.33 1.42 1.5 1.59 1.68 1.77 1.86 1.95
m
y
8.9 8.19 7.71 7.36 7.10 6.90 6.74 6.60 6.49 6.39 6.31
m
y
(R
x
+1)
18.33 17.60 17.27 17.16 17.19 17.25 17.45 17.69 17.97 18.29 18.62
Hình 2
: Chỉ số hồi lưu thích hợp
Dựa vào đồ thị ta thấy R
x
= 1.33
Phương trình đường làm việc đoạn luyện:
41.057.0 += xy
Phương trình đường làm việc đoạn chưng:
0031.01.2 −= xy
III. CÂN BẰNG
NĂNG LƯỢNG
3.1. Cân bằng nhiệt
lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu.
11
111 xqngFfD
QQQQQ ++=+
J/h [2- 196]
Trong đó:
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào Q
D1
, chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2at.
)(
1111111
θ
λ
CrDDQ
d
+==
J/kg [2- 196]
Với D
1
: lượng hơi đốt, kg/h. θ
1
= 119.62
o
C nhiệt độ nước ngưng, C
1
: nhiệt dung riêng của nước
ngưng. Tra bảng I.148 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất và thực phẩm tập1 được C
1
=
1.014kcal/kg.độ = 4245.42 J/kg.độ. Ẩn nhiệt hóa hơi r
1
tra ở bảng I.212 sổ tay tập 1 ta được r
1
=
526.25kcal/kg = 2203303.5 J/kg.
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:
fff
tCFQ =
J/h [2- 196]
Với F= 4000kg/h; t
f
= 30
o
C; C
f
= 3583.5 sổ tay tâp 1 trang 172.
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:
FFF
tCFQ = J/h [2- 196]
Với t
F
= 79
o
C; C
F
= 3645J/kg.độ
Nhiệt lượng do nước ngưng tụ mang ra:
1111111
θ
θ
CDCGQ
ngng
==
J/h [2- 197]
Nhiệt độ mất ra môi trường xung quanh
111
05.0 rDQ
xq
=
J/h [2- 197]
Vậy lượng hơi nước cần thiết để đốt nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là:
84.344
5.2203303*95.0
)30*5.358379*3645(4000
95.0
)(
1
1
=
−
=
−
=
r
tCtCF
D
ffFF
kg/h [2- 197]
3.2.
Cân bằng nhiệt
lượng của tháp chưng luyện
22 ngxqwyRDF
QQQQQQQ +++=++
[2- 197]
Với Q
F
: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào, J/h
Q
D2
= D
2
(r
2
+C
2
θ
2
) J/h, nhiệt lượng do hơi nước đun nóng hỗn hợp ở đáy tháp.
Q
R
= G
R
.C
R
.t
R
J/h, nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào. t
R
= 65
o
C, C
R
= 2813 J/kg.độ
Q
R
= 51.36*31.55*1.33*2813*65= 394069723.6 J/h
Q
y
= P(1+R
x
)λ
đ
; nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp. Với λ
đ
= λ
1
a
1
+λ
2
a
2
là nhiệt lượng riêng của
hơi ở đỉnh tháp, trong đó λ
1
, λ
2
lần lượt là nhiệt lượng riêng của cấu tử 1 và 2 ở đỉnh J/kg, a
1
, a
2
là
phần khối lượng của cấu tử 1 và 2. Với t
đ
= 79
o
C ta tính được λ
đ
= 1328485 J/kg, Q
y
= 5015762248
J/h
Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Q
w
= W.C
w
.t
w
. Với t
w
= 99.7
o
C, C
w
= 4212.48 J/kg.độ ta tính được Q
w
= 999387671 J/h.
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q
ngt
= G
ngt
.C
2
.θ
2
= D
2.
C
2
.θ
2
Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Q
xq2
= 0.05D
2
r
2
Vậy lượng hơi nước cần thiết để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp là:
46.2323
5.2203303*095.0
11518200009993876715015762248
95.0
2
2
=
−+
=
−+
=
r
QQQ
D
Fwy
kg/h
3.3. Cân bằng nhiệt
lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn
12
P(Rx+1)r = G
n
.C
n
(t
2
– t
1
) [2- 198]
Với Gn : lượng nước lạnh tiêu tốn, kg/h; t
1
= 30
o
C, t
2
= 45
o
C là nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh.
C
n
= 4181.043 J/kg.độ : nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở nhiệt độ trung bình của t
1
và t
2
; ẩn
nhiệt ngưng tụ r = 1145634 J/kg.độ.
Vậy lượng nước làm lạnh tiêu tốn để ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh là:
43.68968
)3045(*043.4181
1145634*)133.1(*55.31*36.51
)(
)1(
12
=
−
+
=
−
+
=
ttC
rRP
G
n
x
n
kg/h [2- 198]
3.4.
Cân bằng nhiệt
lượng của thiết bị làm lạnh
P.C
p
(t’
1
+ t’
2
) = G
n
C
n
(t
2
- t
1
)
Với C
p
= 2785 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ
t’
1
= 65
o
C , t’
2
= 30
o
C là nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh
t
1
= 10
o
C , t
2
= 30
o
C là nhiệt độ đầu và cuối của nước làm lạnh
C
n
= 4184.58 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của nước ở 20
o
C
Vậy lượng nước cần để làm lạnh sản phẩm đỉnh là
28.1887
)1030(*58.4184
)3065(*55.31*36.51
)(
)(.
12
'
2
'
1
=
−
−
=
−
−
=
ttC
ttCP
G
n
p
n
kg/h
IV. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP ĐỆM
Đường kính tháp đệm được tính theo công thức:
tbyy
tb
g
D
)(
0188.0
ωρ
=
(m)
Với g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h.
(ρ
y
ω
y
)
tb
: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m
2
.s.
4.1.
Lượng hơi trung bình đi trong tháp
4.1.1.
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng theo công thức sau:
2
lđ
tbl
gg
g
+
=
[2- 181]
Với g
tbl
: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h hay kmol/h.
g
đ:
lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h hay kmol/h.
g
l:
lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h hay kmol/h.
)1( +=+=
xpPRđ
RGGGg
[2-181]
68.119)133.1(*36.51 =+=
đ
g
kmol/h
Lượng hơi g
l
, hàm lượng hơi y
l
, lượng lỏng G
l
đối với đĩa dưới cùng của đoạn luyện được xác định
theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:
đđll
pPllll
Pll
rgrg
xGxGyg
GGg
=
+=
+=
[2- 182]
13
bđđađ
bllal
ryyrr
ryyrr
)1(
)1(
−+=
−+=
Trong đó: x
l
= x
f
r
l
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện
r
đ
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp.
r
a
, r
b
: ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử A, B nguyên chất.
Nội suy theo bảng I.213 đối với methanol và bảng I.250 đối với nước sổ tay quá trình và thiết bị công
nghệ hóa chất tập 1 ở các nhiệt độ t
f
, t
p
, t
w
ta được các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi của A, B nguyên chất
theo bảng sau:
Bảng 3: Ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử A, B nguyên chất theo nhiệt độ
Giá trị t
f
= 79
o
C t
p
= 65
o
C t
w
= 99.7
o
C
r
A
(kcal/kg)
259.6 267.5 246
r
A
(kcal/kmol)
8317.58 8570.70 7881.84
r
B
(kcal/kg)
551.76 559.7 539.4
r
B
(kcal/kmol)
9942.72 10085.79 9719.99
Với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đầu vào ta tính được r
l
. Với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở
nhiệt độ đỉnh ta tính được r
đ
. Với y
đ
là nồng độ hơi tương ứng với nồng độ pha lỏng x
p
theo phương
trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện. Ta được hệ phương trình:
1032091)13.162572.9942(
57.4927.0**
36.51
=−
+=
+=
ll
lll
ll
yg
Gyg
Gg
Giải hệ phương trình trên ta được:
g
l
= 114.7 kmol/h
G
l
= 63.34 kmol/h
y
l
= 0.55 kmol/kmol
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:
19.117
2
7.11468.119
2
=
+
=
+
=
lđ
tbl
gg
g
kmol/h
Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là:
83.65
2
34.6332.68
2
=
+
=
+
=
lR
tbl
GG
G
kmol/h
4.1.2.
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được xác định gần đúng bằng công thức sau:
2
''
ln
tbc
gg
g
+
=
[2- 182]
Với g
tbc
: lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, kg/h hay kmol/h.
g
n
’
: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, g
n
’
= g
l
, kg/h hay kmol/h/
g
l
’
: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h hay kmol/h.
Lượng hơi đi vào đoạn chưng g
l
’
, lượng lỏng G
l
’
và hàm lượng lỏng x
l
’
được xác định theo hệ phương
trình sau:
14
llnnll
wwwlll
Wll
rgrgrg
xGygxG
GgG
***
***
''''
'''
''
==
+=
+=
[2- 182]
Trong đó y
l
’
= y
w
= 0.0028: tìm theo đường cân bằng ứng với x
w
bllal
ryyrr )1(
'''
−+=
ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
bnnan
ryyrr )1(
'''
−+=
ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng.
Tính tương tự như trên ta được hệ phương trình
103209181.9714*
37.00028.0*
76.131
'
'''
''
=
+=
+=
l
lll
ll
g
gxG
gG
Giải hệ phương trình trên ta được:
g
l
’
=106.24 kmol/h
G
l
’
= 238 kmol/h
X
l
’
= 0.0028 kmol/h
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:
47.110
2
24.1027.114
2
''
=
+
=
+
=
ln
tbc
gg
g
kmol/h
Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là:
67.150
2
23834.63
2
'
=
+
=
+
=
ll
tbc
GG
G
kmol/h
4.2.
Khối lượng riêng trung bình
4.2.1.
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được tính theo công thức:
21
1
1
xtb
tb
xtb
tb
xtb
aa
ρρρ
−
+=
[2- 183]
Trong đó ρ
xtb
: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m
3
.
ρ
xtb1
, ρ
xtb2
: khối lượng riêng trung bình của methanol và nước của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung
bình, kg/m
3
.
a
tb
: phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng, kg/kg.
Phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn luyện a
tbl
và đoạn chưng a
tbc
là:
2025.0
2
05.04.0
2
69.0
2
98.04.0
2
=
+
=
+
=
=
+
=
+
=
wf
tbc
pf
tbl
aa
a
aa
a
Phần mol trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn luyện x
tbl
và đoạn chưng x
tbc
là:
1364.0
2
0028.027.0
2
615.0
2
96.027.0
2
=
+
=
+
=
=
+
=
+
=
wf
tbc
pf
tbl
xx
x
xx
x
15
Từ phần mol trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn chưng và đoạn luyện ta tra vào đồ thị
cân bằng lỏng hơi của methanol- nước ta được nhiệt độ trung bình của đoạn luyện t
tbl
=71
o
C, nhiệt độ
trung bình của đoạn chưng t
tbc
= 85
o
C.
Với các nhiệt độ trung bình trên nội suy theo bảng I.2, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất
tập 1 ta tra được khối lượng riêng trung bình của methanol và nước như sau:
t
tbl
= 71
o
C, ρ
xtb1
=742.06 kg/m
3
, ρ
xtb2
= 976.95 kg/m
3
.
t
tbc
= 85
o
C, ρ
xtb1
= 728.465 kg/m
3
,
ρ
xtb2
= 968.5 kg/m
3
.
Vậy khối lượng riêng trung bình của của pha lỏng trong đoạn luyện ρ
xtbl
và đoạn chưng ρ
xtbc
là:
82.801
06.742*)69.01(95.976*69.0
95.976*06.742
)1(
12
21
=
−+
=
−+
=
xtbtbztbtb
xtbxtb
xtbl
aa
ρρ
ρ
ρ
ρ
kg/m
3
92.907
465.728*)2025.01(5.968*2025.0
5.968*465.728
)1(
12
21
=
−+
=
−+
=
xtbtbztbtb
xtbxtb
xtbc
aa
ρρ
ρ
ρ
ρ
kg/m
3
Khối lượng phân tử trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện và đoạn chưng:
70.2602.18*)615.01(04.32*615.0)1( =−+=−+=
BtblAtblxtbl
MxMxM
kg/kmol
95.1902.18*)1364.01(04.32*1364.0)1( =−+=−+=
BtbcAtbcxtbc
MxMxM
kg/kmol
4.2.2.
Khối lượng riêng trung bình của pha khí
Khối lượng riêng trung bình pha hơi được tính theo công thức:
T
MyMy
BtbAtb
ytb
4.22
273])1([ −+
=
ρ
kg/m
3
Với T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp hay của đoạn chưng, đoạn luyện, K.
y
tb
: nồng độ phân mol pha hơi trung bình của đoạn chưng, đoạn luyện. Được tính bằng trung bình
cộng nồng độ hai đầu đoạn tháp:
3214.0
2
64.00028.0
2
8.0
2
96.064.0
2
=
+
=
+
=
=
+
=
+
=
fw
tbc
pf
tbl
yy
y
yy
y
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng:
04.1
)27371(*4.22
273*]02.18*)8.01(04.32*8.0[
=
+
−+
=
ytbl
ρ
kg/m
3
77.0
)27385(*4.22
273*]02.18*)3214.01(04.32*3214.0[
=
+
−+
=
ytbc
ρ
kg/m
3
Khối lượng phân tử trung bình của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng:
27.2902.18*)8.01(04.32*8.0)1( =−+=−+=
BtblAtblytbl
MyMyM
kg/kmol
53.2202.18*)3214.01(04.32*3214.0)1( =−+=−+=
BtbcAtbcytbc
MyMyM
kg/kmol
4.3.
Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm
Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn kích thước đệm 25x25x3 mm. Tra bảng IX.8, sổ tay quá trình
và thiết bị công nghệ hóa chất tâp 2 ta được các thông số sau: σ
đ
=195m
2
/m
3
, ρ
đ
=600kg/m
3
, V
đ
= 0.75
m
3
/m
3
, số đệm trong một mét khối là 46.10
3
.
Tốc độ hơi đi trong tháp đệm có thể xác định theo công thức sau:
16
8/14/1
16.0
3
2
4
)()(
).(
2.1
xtb
ytb
y
x
n
x
xtbđ
ytbđs
X
G
G
X
Vg
Y
eY
ρ
ρ
μ
μ
ρ
ρσω
=
=
=
−
[2- 187]
Chọn ω = 0.8ω
s
Trong đó ω, ω
s
: tốc độ làm việc của tháp, tốc độ sặc, m/s
σ
đ
: bề mặt riêng của đệm, m
2
/m
3
.
V
đ
: thể tích tự do của đệm, m
3
/m
3.
g : gia tốc trọng trường.
G
x
, G
y
: lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/s
μ
x
,
μ
n
: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20
o
C, N.s/m
2
.
Độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình có thể được tính theo công thức sau:
21
lg)1(lglg
μ
μ
μ
tbtbx
xx −+=
[2- 84]
Tra bảng I.101 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 trang 92 ta được μ
n
=0.001
N.s/m
2
. Tra trên toán đồ hình I.18 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 trang 90, ứng
với nhiệt độ trung bình của đoạn luyện và đoạn chưng ta có:
t
tbl
= 71
o
C, μ
1
= 0.000317 N.s/m
2
, μ
2
= 0.0004006 N.s/m
2
suy ra μ
xl
= 0.000347 N.s/m
2
t
tbc
= 85
o
C, μ
1
= 0.0002775 N.s/m
2
, μ
2
= 0.0003355 N.s/m
2
suy ra , μ
xc
= 0.000327 N.s/m
2
Thay các giá trị vào công thức ở trên ta tính được tốc độ làm việc của đoạn luyện:
38.0)
82.801
04.1
()
19.117
83.65
(
8/14/1
==
L
X
26.0*2.1
38.0*4
==
−
eY
L
80.125.2*8.0
25.2)
000346.0
001.0
(
04.1*195
82.801*75.0*81.9*26.0
)(
.
16.0
3
16.0
3
==
===
l
x
n
ytbđ
xtbđ
sl
VgY
ω
μ
μ
ρσ
ρ
ω
Tốc độ làm việc của đoạn chưng:
45.0)
92.907
77.0
()
47.110
67.150
(
8/14/1
==
C
X
2.0*2.1
45.0*4
==
−
eY
C
96.145.2*8.0
45.2)
000327.0
001.0
(
77.0*195
92.907*75.0*81.9*21.0
)(
.
16.0
3
16.0
3
==
===
c
x
n
ytbđ
xtbđ
sc
VgY
ω
μ
μ
ρσ
ρ
ω
4.4.
Đường kính tháp
đệm
Đường kính đoạn luyện
81.0
80.1*04.1
27.29*19.117
0188.0 ==
L
D m
17
Đường kính đoạn chưng
76.0
96.1*77.0
53.22*47.110
0188.0 ==
L
D
m
Vậy ta chọn đường kính tháp là D = 1 m
V. TÍNH CHIỀU CAO THÁP ĐỆM THEO SỐ ĐƠN VỊ CHUYỂN KHỐI
Chiều cao làm việc của tháp đệm được xác định theo công thức sau:
yđv
mhH .=
m [2- 175]
Trong đó h
đv
: chiều cao một đơn vị chuyển khối, m
m
y
: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha hơi.
Ta xác định số đơn
vị chuyển khối bằng tích phân đồ thị:
∫
−
=
c
đ
y
y
cb
y
yy
dy
m
[2- 176]
Xác định chiều cao
một đơn vị chuyển khối phụ thuộc vào đặc trưng của đệm và trạng thái pha, được xác định
theo công thức:
21
h
G
mG
hh
x
y
đv
+=
m [2- 177]
Trong đó h
1
: chiều cao một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi.
3/225.0
1
Pr.Re
.
yy
đ
đ
a
V
h
ψσ
=
m [2- 177]
h
2
: chiều cao một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng
5.025.03/2
2
Pr.Re.)(256
xx
x
x
h
ρ
μ
=
m [2- 177]
Với a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng a = 0.123
Ψ: hệ số thấm ướt của đệm, phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp
và mật độ tưới thích hợp. Tra Ψ trên đồ thị hình IX.16 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất
tập 2 trang 178.
Xác định các thông số mật độ tưới thực t
ế U
tt
và mật độ tưới thích hợp U
t.h
theo công thức:
đht
t
x
tt
BU
F
V
U
σ
.
.
=
=
m
3
/m
2
.h [2- 177]
Với V
x
: lưu lượng thể tích của chất lỏng, m
3
/h.
F
t
: diện tích mặt cắt tháp, m
2
.
Giá trị hệ số B = 0.065 đối với quá trình chưng luyện
5.1.
Chiều cao đoạn
luyện
5.1.1.
Số đơn vị chuyển
khối của đoạn luyện
Phương trình đường làm việc của đoạn luyện
18
41.057.0 += xy
Lần lượt ta cho các giá trị của x từ x
f
đến x
p
ta sẽ xác định giá trị y theo phương trình đường
làm việc và y
cb
theo đồ thị cân bằng của hỗn hợp methanol - nước. Ta được bảng sau:
x y y
cb
y
cb
-y a=1/(y
cb
-y) b=a
1
+a
2
c=y
2
– y
1
0.5*b*c m
y
0.27
0.568 0.645 0.077 13.034 25.579
0.017
0.219
0.30
0.585 0.665 0.080 12.563 24.183
0.029
0.345
0.35
0.614 0.700 0.086 11.620 23.046
0.029
0.329
0.40
0.642 0.730 0.088 11.426 23.334
0.029
0.333
0.45
0.671 0.755 0.084 11.908 24.34
0.029
0.347
0.50
0.700 0.780 0.080 12.432 26.341
0.029
0.376
0.55
0.728 0.800 0.072 13.909 28.539
0.029
0.407
0.60
0.757 0.825 0.068 14.630 30.059
0.029
0.429
0.65
0.785 0.850 0.065 15.429 33.199
0.029
0.474
0.70
0.814 0.870 0.056 17.771 38.721
0.029
0.553
0.75
0.842 0.890 0.048 20.950 43.579
0.029
0.622
0.80
0.871 0.915 0.044 22.629 50.679
0.029
0.723
0.85
0.899 0.935 0.036 28.050 59.193
0.029
0.845
0.90
0.928 0.960 0.032 31.143 79.080
0.029
1.354
0.96
0.962 0.983 0.021 47.937
7.43
5.1.2.
Chiều cao của một
đơn vị chuyên khối đoạn luyện
Xác đ
ịnh các thông số mật độ tưới thực tế U
tt
và mật độ tưới thích hợp U
t.h
theo công thức:
68.12195*065.0
79.2
4
1*14.3
82.801
7.26*83.65
.
2
==
==
ht
tt
U
U
Tra đồ thị ta được Ψ = 0.22
Tính độ nhớt của pha hơi theo công thức:
2
22
1
11
μμμ
MmMm
M
hh
hh
+=
[2- 85]
μ
1
, μ
2
là độ nhớt của methanol và nước; m
1
, m
2
là phần thể tích tương ứng của methanol và nước.
Tra toán đồ hình I.35 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 ta được các giá trị độ nhớt
như sau: μ
1
= 113.10
-7
, μ
2
= 114.10
-7
. Từ đó ta tính được độ nhớt của hỗn hợp khí
7
77
77
122211
21
10*12.113
10.113*02.18*2.010.114*04.32*8.0
10.114*10.113*27.29
−
−−
−−
=
+
=
+
=
μμ
μμ
μ
MmMm
M
hh
hh
Chuẩn số Re của pha lỏng và pha hơi:
19
24.338
195*10*12.113
06.1*04.1*4.0
4.0
Re
368.0
000346.0*195*1*14.3*3600
4*7.26*83.65*04.0
04.0
Re
7
2
===
===
−
đy
yy
y
xđt
x
x
F
G
σμ
ωρ
μσ
Với G
x
, G
y
là lưu lượng pha lỏng và pha hơi, kg/s
Chuẩn số Pran của pha lỏng và pha hơi:
yy
y
y
xx
x
x
D
D
.
Pr
.
Pr
ρ
μ
ρ
μ
=
=
[2- 178]
Trong đó D
x
, D
y
là hệ số khuếch tán trong pha lỏng và pha hơi, m
2
/s
BA
BA
y
MM
vvP
T
D
11
)(
10*0043.0
23/13/1
5.14
+
+
=
−
m
2
/s [2- 127]
23/13/1
6
20
).(
11
10.1
BAB
BA
x
vvAB
MM
D
+
+
=
−
μ
m
2
/s [2- 133]
Trong đó T, P là nhiệt độ tuyệt đối (K) và áp suất tuyệt đối (at).
v
A
, v
B :
thể tích mol của hơi methanol và nước, cm
3
/mol. v
A
= 37, v
B
= 18.9
μ
B
= 1: độ nhớt của nước ở 20
o
C, cP hoặc 10
-3
N.s/m
2
.
A, B là hệ số liên hợp kể đến ảnh hưởng của phẩm chất của cấu tử methanol và nước
A = 1.19, B = 4.7
D
x20
: hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20
o
C.
Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở nhiệt độ t
o
C được xác định theo công thức:
3
20
2.0
)]20(1[
ρ
μ
=
−+=
b
tbDD
t
[2- 134]
Thay các giá trị vào công thức trên ta được kết quả sau:
99
3
9
23/13/1
6
20
5
23/13/1
5.14
10*96.2)]2071(02.01[10*46.1
02.0
998
1*2.0
10*46.1
)9.1837.(1*7.4*19.1
02.18
1
04.32
1
10
10*25.2
02.18
1
04.32
1
)9.1837(1
)27371(10*0043.0
−−
−
−
−
−
=−+=
==
=
+
+
=
=+
+
+
=
x
x
y
D
b
D
D
20
14.007.146*368.0*)
82.801
000346.0
(256
38.048.0*24.338
195*07.0*123.0
75.0
48.0
10*25.2*04.1
10*12.113
Pr
07.146
10*96.2*82.801
000346.0
Pr
5.025.03/2
2
3/225.0
1
5
7
9
==
==
==
==
−
−
−
h
h
y
x
Với trung bình tang góc hợp bởi đường cân bằng và đường nằm ngang m = 0.49 ta tính được chiều
cao một đơn vị chuyển khối đoạn luyện là;
5.014.0
83.65
19.117*49.0
38.0 =+=
đv
h
m
Chiều cao đoạn luyện là:
8.35.0*43.7 ==
l
H
m
5.2.
Chiều cao đoạn
chưng
5.2.1.
Số đơn vị chuyển
khối của đoạn chưng
Phương trình đường làm việc của đoạn chưng: y = 2.1x – 0.0031
Lần lượt cho các giá trị x từ x
w
đến x
f
làm tương tự như đoạn luyện ta được bảng như sau:
x y y
cb
y
cb
-y a=1/(y
cb
-y) b=a
1
+a
2
c=y
2
– y
1
0.5*b*c m
y
0.0028
0.003 0.003 0
0.01
0.018 0.050 0.032 31.159 40.244
0.042
0.845
0.03
0.060 0.170 0.110 9.085 15.412
0.042
0.324
0.05
0.102 0.260 0.158 6.327 11.428
0.042
0.240
0.07
0.144 0.340 0.196 5.101 10.003
0.042
0.210
0.09
0.186 0.390 0.204 4.901 9.618
0.042
0.202
0.11
0.228 0.440 0.212 4.717 9.717
0.042
0.204
0.13
0.270 0.470 0.200 5.000 10.183
0.042
0.214
0.15
0.312 0.505 0.193 5.182 10.709
0.042
0.225
0.17
0.354 0.535 0.181 5.527 11.446
0.042
0.240
0.19
0.396 0.565 0.169 5.920 12.503
0.042
0.263
0.21
0.438 0.590 0.152 6.583 14.282
0.042
0.300
0.23
0.480 0.610 0.130 7.699 16.969
0.042
0.357
0.25
0.522 0.630 0.108 9.270 21.638
0.042
0.455
0.27
0.564 0.645 0.081 12.368
4.08
5.2.2.
Chiều cao của một
đơn vị chuyển khối đoạn chưng.
Tính tương tự như đoạn luyện ta được
68.12195*065.0
22.4
4
1*14.3
92.907
95.19*67.150
.
2
==
==
ht
tt
U
U
21
Tra đồ thị ta được Ψ = 0.35
Với μ
1
= 118. 10
-7
, μ
2
= 119.10
-7
ta tính được độ nhớt hỗn hợp khí μ
y
= 118.54*10
-7
N.s/m
2
Chuẩn số Re của pha lỏng và pha hơi:
26.260
195*10*54.118
15.1*77.0*4.0
Re
68.0
000327.0*195
4
1*14.3
*3600
95.19*67.150*04.0
Re
7
2
==
==
−
y
x
Hệ số khuếch tán trong pha hơi và pha lỏng:
99
5
23/13/1
5.14
10*37.3)]2085(02.01[10*46.1
10*38.2
02.18
1
04.32
1
)9.1837(1
)27385(*10*0043.0
−−
−
−
=−+=
=+
+
+
=
x
y
D
D
Chuẩn số Pran của pha lỏng và pha hơi:
65.0
10*38.2*77.0
10*54.118
Pr
84.106
10*37.3*92.907
000327.0
Pr
5
7
9
==
==
−
−
−
y
x
Với trung bình tang góc giữa đường cân bằng và đường nằm ngang m = 3.09 ta tính được chiều cao
một đơn vị chuyển khối của đoạn chưng như sau:
2.254.0*08.4
54.012.0
67.150
47.110*09.3
27.0
12.084.106*68.0*)
92.907
000327.0
(256
27.065.0*26.260
195*11.0*123.0
69.0
5.025.03/2
2
3/225.0
1
==
=+=
==
==
c
H
h
h
h
m
Vậy chiều cao tháp là H = 3.8 +2.2 = 6 m
VI. TÍNH TRỞ LỰC TRONG THÁP ĐỆM.
Trở lực trong tháp đệm được tính như sau:
2
.
.
.
.
42
.
.
])()()(1[
2
3
'
2
'
yy
đ
đ
ty
tđ
k
c
y
x
n
x
y
m
y
x
ku
V
H
d
H
p
G
G
App
ρω
σ
λ
ωρ
λ
μ
μ
ρ
ρ
==Δ
+Δ=Δ
N/m
2
[2- 189]
Trong đó ΔP
u
, ΔP
k
là tổn thất áp suất của đệm ướt và đệm khô, N/m
2
.
λ
’
: hệ số trở lực của đệm . Với Re
y
> 40,
22
2.0
'
Re
16
y
=
λ
[2- 189]
Với hệ hơi lỏng giá trị các hệ số tra trong bảng IX.7 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất
tập 2 như sau: A = 5.15; m = 0.342; n = 0.19; c = 0.038.
Tổn thất áp suất trong đoạn luyện:
74.8434])
10*12.113
000346.0
()
82.801
04.1
()
19.117
83.65
(15.51[58.3572
58.3572
2
04.1*8.1
.
75.0
195*8.3
.
4
99.4
99.4
24.338
16
038.0
7
19.0342.0
2
3
2.0
'
=+=Δ
==Δ
==
−
u
k
p
p
λ
Tổn thất áp suất trong đoạn chưng:
79.5348)
10*54.118
000327.0
.()
92.907
77.0
.()
47.110
67.150
(15.51[04.1986
04.1986
2
77.0*96.1
.
75.0
195*2.2
.
4
26.5
26.5
26.260
16
038.0
7
19.0342.0
2
3
2.0
'
=+=Δ
==Δ
==
−
u
k
p
p
λ
Tổng tổn thất áp suất trong tháp:
53.1378379.534874.8434
62.555804.198658.3572
=+=Δ+Δ=Δ
=+=Δ+Δ=Δ
uculu
kcklk
ppp
ppp
N/m
2
VII. TÍNH BỀN THÂN THÁP
7.1. Tính bề dày thân tháp.
-
Chọn phương pháp gia công thân tháp là phương pháp hàn. Vì methanol là một chất độc,
theo bảng XII.45, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 348, ta chọn
vật liệu chế tạo thiết bị là thép X18H10T.
-
Chọn nhiệt độ tính toán là nhiệt độ lớn nhất trong toàn thiết bị t = 99.7
o
C ≈ 100
o
C.
-
Tra đồ thị hình 1.2 [4- 16] ở nhiệt độ tính toán ta được ứng suất cho phép tiêu chuẩn của
thép X18H10T là [σ]
*
= 143 N/mm
2
. Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0.9 . Vậy ứng suất cho
phép của thân thiết bị là [σ] = η.[σ]
*
= 128.7 N/mm
2
.
-
Áp suất thủy tĩnh trong thiết bị
534406*81.9*92.907 === Hgp
tt
ρ
N/m
2
-
Áp suất tính toán của thiết bị:
16532453.137839810053440 =++=Δ++= pppp
kqtt
N/m
2
P = 0.165 N/mm
2
-
Chọn dạng mối hàn là giáp mối hàn hai phía, ở nhiệt độ cao. Hệ số bền mối hàn, ϕ
h
= 0.95
-
Bề dày tối thiểu của thân trụ:
Ta có
2516.76495.0
165.0
7.128][
>==
h
p
ϕ
σ
[4- 95]
23
68.0
95.0*7.128*2
1000*165.0
] [2
.
'
===
h
t
Dp
S
ϕσ
mm [4- 96]
Theo bảng 5.1, sự phụ thuộc của bề dày tối thiểu vào đường kính trong của thân trụ,[4-
94], ứng với đường kính trong của tháp từ 1000 – 2000mm thì S
’
= 4mm.
Vậy ta chọn S
’
= 4mm.
-
Hệ số bổ sung bề
dày tính toán
C = C
a
+ C
b
+ C
c
+ C
o
Với C
a
: hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học, chọn C
a
= 1mm.
C
b
: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường, chọn C
b
= 0.
C
c
: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp, chọn C
c
= 0.
C
o
: hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, chọn C
o
= 0.
Vậy hệ số bổ sung C = 1 mm.
-
Bề dày của thân trụ
S = S
’
+ C = 4+1 = 5 mm
-
Kiểm tra
ta có
1.0004.0
1000
15
<=
−
=
−
t
D
CS
thỏa [4- 97]
Áp suất tính toán cho phép bên trong thiết bị:
165.097.0
)15(1000
)15(*95.0*7.128*2
)(
)(][2
][
>=
−+
−
=
−+
−
=
at
ah
CSD
CS
p
ϕσ
thỏa
Vậy, bề dày thân tháp là 5 mm.
7.2.
Tính đáy, nắp.
Chọn đáy, nắp elip tiêu chuẩn có gờ với các thông số: D
t
= 1000mm, h
t
= 250mm, h = 40mm,
F = 1.21 m
2
, V = 0.162 m
3
Bề dày tối thiểu của đáy nắp:
68.0
95.0*7.128*2
1000*165.0
][2
.
'
===
h
t
Rp
S
ϕσ
mm [4- 126]
Bề dày thực của đáy, nắp: S = S
’
+ C = 0.68 + 1 = 1.68 mm
Kiểm tra lại
165.097.0
)15(1000
)15(*95.0*7.128*2
)(
)(][2
][
125.010*8.6
1000
168.1
4
>=
−+
−
=
−+
−
=
<=
−
=
−
−
at
ah
t
a
CSR
CS
p
D
CS
ϕσ
[4- 126]
Vậy ta chọn đáy nắp có bề dày bằng bề dày thân thiết bị S = 5mm.
7.3.
Tính mặt bích
Chọn các thông số theo các hình dưới đây như sau:
• Chọn bulông M20 có d
b
= 20mm, L = 34mm
•
D
t
=1000mm
•
D
n
= 1044mm
•
D
tb
= 1022mm
24
•
b = 22, b
o
= 0.8b = 17.6
•
C = 1064mm
•
A = 1118mm
•
Số bulông Z = 40
•
Chọn đệm paronit dày 3mm có hệ số áp suất riêng m = 2, áp suất riêng cần thiết để
làm biến dạng vật liệu vòng đệm q
o
= 11 N/mm
2
.
Hình : Các kích thước của đệm
Hình : Các thông số của mặt bích
¾ Tính bulông ghép bích
Lực nén chiều trục sinh ra do siết bulông.
Q
1
= Q
a
+ Q
k
Q
a
: lực do áp suất trong thiết bị gây ra
Q
k
: lực cần thiết để giữ đệm được kín.
d
b
D
t
A
C
D
n
L
t
b
d
b
Dn
D
tb
25
34.14816334.18638129525
34.18638165.0*2*6.17*1022*14.3
129525165.0*1000
4
14.3
.
4
1
22
=+=
===
===
Q
pmbDQ
pDQ
otbk
ta
π
π
N [4- 155]
Lực cần thiết để ép chặt vòng đệm
89.62127711*6.17*1022*14.3
2
===
ootb
qbDQ
π
N [4- 155]
Lực tác dụng lên một bulông:
95.15531
40
89.621277
===
Z
Q
q
b
N [4- 157]
Ứng suất tác dụng lên bulông:
46.49
20.
4
14.3
95.15531
4
22
===
b
b
d
q
π
σ
N/mm
2
[4- 157]
Chọn vật liệu chế tạo bulông là thép CT3 có [σ] =86 N/mm
2
. Thường khi siết bulông ta
không định được lực vặn cần thiết nên các bulông thường bị kéo căng. Do đó, trong tính
toán thực tế ta phải giảm bớt ứng suất cho phép của vật liệu làm bulông như sau:
[σ]
’
= k
o
. [σ]. Với k
o
là hệ số giảm ứng suất, ứng với đường kính d
b
= 20mm, k
o
= 0.8.
σσ
>== 8.6886*8.0][
'
thỏa.
¾ Tính bền mặt bích
Cánh tay đòn
10
2
10441064
2
=
−
=
−
=
n
DC
l
Bề dày bích phẳng [4- 152]
89.15]}1
165.0
46.49
)
1044
20
(40*57.0[
1064
10
*3.71{
7.128
165.0
*1244*41.0
]}1
][
)(57.0[3.71{41.0
2
2
=−+=
−+=
t
pD
d
Z
C
lp
Dt
b
n
b
bi
n
σ
σ
mm
Chọn chiều dày bích là t = 16mm.
7.4.
Tính tai treo
Khối lượng riêng của thép X18H10T là 7900kg/m
3
, của CT3 là 7850kg/m
3
.
Khối lượng thân tháp
9.7477900
4
101.1
*6*14.3
4
)(
.
22
22
=
−
=
−
=
ρπ
tn
tt
DD
HG
kg
Tra ở bảng XIII.11 sổ tay quá trình thiết bị hóa chất tập 2 trang 384 ta được G
đ+n
= 97.97 kg.
Ta có thể tính gần đúng khối lượng bích + bulong + đệm bằng công thức sau
65.149
4
)01.1118.1(
*7900*6*)0015.0016.0(*14.3.6
4
)(
22
22
=
−
+=
−
=
ρπ
tn
b
dd
tG
kg
Thể tích của một đệm
6
22
1
10*78.2025.0*14.3
4
)003.0025.0(025.0
−
=
−−
=
đ
V
m
3
