Thiết kế tháp chưng luyện liên tục Benzen và Tooluen: Đồ án môn học

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

LỜI NÓI ĐẦU

Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏng cũng như các hỗn hợp khí - lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Chúng ta có thể thực hiện nhiều biện pháp chưng cất khác nhau như chưng cất gián đoạn, chưng cất liên tục, chưng cất đơn giản, chưng cất đặc biệt. Khi chưng cất, hỗn hợp đầu có bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản phẩm. Theo đề bài thì hỗn hợp đầu gồm 2 cấu tử là Benzen và Toluen nên được gọi là chưng cất hỗn hợp 2 cấu tử.

Trong phần đồ án này hỗn hợp hai cấu tử Benzen – Toluen được phân tách thành hai cấu tử riêng biệt nhờ phương pháp chưng cất liên tục với tháp chưng luyện là loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi.

Sau quá trình chưng cất, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi lớn hơn (Benzen) và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé hơn (Toluen). Sản phẩm đáy gồm hầu hết các cấu tử khó bay hơi (Toluen) và một phần rất ít cấu tử dề bay hơi (Benzen).

Trong suốt quá trình tính toán và thiết kế , đặc biệt đƣợc sự hƣớng dẫn trực tiếp và giúp đỡ nhiệt tình của cô Lê Ngọc Thuỵ bản đồ án thiết kế tháp chƣng luyện liên tục hai cấu tử Benzen và Tooluen đã hoàn thành với các nội dung sau:

Phần I: Sơ đồ công nghệ và các chế độ thuỷ động của tháp.

Phần II: Tính toán, thiết kế thiết bị chính.

Phần III: Tính toán cân bằng nhiệt lƣợng.

Phần VI: Tính toán cơ khí.

Phần V: Tính toán các thiết bị cần thiết.

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 3- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Phần IV: Kết luận và nhận xét.

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

VÀ CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP

I. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT. (HÌNH 1):

Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị được khống chế bởi của chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), quá trình tự chảy này được theo dõi bằng đồng hồ lưu lượng. Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão hoà), hỗn hợp đầu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt tới nhiệt độ sôi, hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm (5). Trong tháp, hơi đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên xuống, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần. Theo chiều cao của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng đệm từ dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ. Quá trình tiếp xúc lỏng – hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giầu cấu tử dễ bay hơi, pha lỏng ngày càng giầu cấu tử khó bay hơi. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (Benzen) và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi (Toluen). Hỗn hợp hơi này được đi vào thiết bị ngưng tụ (6) và tại đây nó được ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh). Một phần chất lỏng sau ngưng tụ chưa đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng (7) để hồi lưu trở về đỉnh tháp, phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (8) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (10).

Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử khó bay hơi trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi xuống. Do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Toluen) một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (Benzen), hỗn hợp lỏng này được đưa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (11), một phần được tận dụng đưa vào nồi đun sôi đáy tháp (9) dùng hơi nước bão hoà. Thiết bị (9) này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp). Nước ngưng của thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (12).

Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm

được lấy ra liện tục.

II. CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP ĐỆM:

Trong tháp đệm có 3 chế độ thuỷ động là chế độ chảy dòng, chế độ quá độ và

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 4- Líp Ho¸ GiÊy - K44

chế độ xoáy.

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Khi vận tốc khí bé, lực hút phân tử lớn hơn và vượt lực lỳ. Lúc này quá trình chuyển khối được xác định bằng dòng khuyếch tán phân tử. Tăng vận tốc lên lực lỳ trở nên cân bằng với lực hút phân tử. Quá trình chuyển khối lúc này không chỉ được quyết định bằng khuyếch tán phân tử mà cả bằng khuyếch tán đối lưu. Chế độ thuỷ động này gọi là chế độ quá độ. Nếu ta tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa thì chế độ quá độ sẽ chuyển sang chế độ xoáy. Trong giai đoạn này quá trình khuyếch tán sẽ được quyết định bằng khuyếch tán đối lưu.

Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện tượng đảo pha. Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, còn pha khí phân tán vào trong chất lỏng và trở thành pha phân tán. Vận tốc khí ứng với thời điểm này gọi là vận tốc đảo pha. Khí sục vào lỏng và tạo thành bọt vì thế trong giai đoạn này chế độ làm việc trong tháp gọi là chế độ sủi bọt. Ở chế độ này vận tốc chuyển khối tăng nhanh, đồng thời trở lực cũng tăng nhanh.

Trong thực tế, ta thường cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận tốc nhỏ hơn vận tốc đảo pha một ít vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn sủi bọt là mạnh nhất, nhưng vì trong giai đoạn đó ta sẽ khó khống chế quá trình làm việc.

* Ưu điểm của tháp đệm:

+ Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn.

+ Cấu tạo tháp đơn giản.

+ Trở lực trong tháp không lớn lắm.

+ Giới hạn làm việc tương đối rộng.

* Nhược điểm.

+ Khó làm ướt đều đệm.

* Bảng kê các ký hiệu thường dùng trong bản đồ án:

+ Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều.

- F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

- P: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

- W: Lượng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

- Các chỉ số F, P, W, A, B : tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp đầu, sản

phẩm đỉnh, sản phẩm đáy của Axeton và Benzen.

- a: nồng độ phần khối lượng, kg axeton/kg hỗn hợp

- x: nồng độ phần mol, kmol axeton/kmol hỗn hợp

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 5- Líp Ho¸ GiÊy - K44

- M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol - : độ nhớt, Ns/m2 - : khối lượng riêng, kg/m3

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

- Các chỉ số A, B, x, y, hh: tương ứng chỉ đại lượng thuộc về cấu tử axeton, benzen,

thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp.

- Ngoài ra các ký hiệu cụ thể khác được định nghĩa tại chỗ.

PHẦN III

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU:

1. Tính toán cân bằng vật liệu:

- Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp.

F = P + W [II – 144]

- Đối với cấu tử dễ bay hơi

+ Waw

[II – 144] FaF = Pap

- Lượng sản phẩm đỉnh là:

Trong đó:

F: năng suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h

aF, ap, aw: lần lượt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm

đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lượng

Đầu bài cho F = 3,5 kg/s

hay F = 3,5.3600 = 12.600kg/h.

Vậy ta có lượng sản phẩm đỉnh là:

kg/h

- Lượng sản phẩm đáy là:

W = F - P = 12.600 – 2.800 = 9.800 kg/h

2. Đổi nồng độ phần khối lƣợng sang nồng độ phần mol của aF, ap, aw:

Áp dụng công thức

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 6- Líp Ho¸ GiÊy - K44

[II – 126]

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Trong đó:

aA, aB: nồng độ phần khối lượng của Benzen và Toluen

Ma, MB: khối lượng mol phân tử của Benzen và Toluen

Với kg/kmol

kg/kmol

Thay số liệu vào ta có:

phần mol

3. Tính khối lƣợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản

phẩm đáy:

Theo công thức: M = x.MA + (1 - x)MB

Trong đó:

M: Khối lượng phân tử trung bình, kg/kmol

x: Nồng độ phần mol

- Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh:

Mp = xp.MA + (1 - xp)MB

Mp = 0,983.78 +(1- 0,983).92

Mp = 87,604 kg/kmol

- Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu:

MF = xF.MA + (1 - xF)MB

MF = 0,314.78 +(1- 0,314).92

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 7- Líp Ho¸ GiÊy - K44

MF = 78,238 kg/kmol

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

- Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy:

Mw = xw.MA + (1 - xw)MB

Mw = 0,024.78 +(1- 0,024).92

Mw = 91,664 kg/kmol

4. Đổi đơn vị của F, P, W từ kg/h sang kmol/h:

5. Lƣợng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh:

II. XÁC ĐỊNH SỐ BẬC THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ:

1. Xác định Rmin dựa trên đồ thị y – x:

Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng tra trong bảng phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hai cấu tử ở 760mmHg (phần trăm số mol) của Benzen và Toluen ta có bảng sau: [II – 145]

Bảng 1

x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

y 0 11,8 21,4 38 51,1 61,9 71,2 79 85,4 91 95,9 100

toC 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2

F = 0,525%

- Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng (x) – hơi (y) (hình 1), với giá trị của xF = 0,314 ta dóng lên đường cân bằng và tìm được giá trị y*

- Rmin: lượng hồi lưu tối thiểu được tính theo công thức

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 8- Líp Ho¸ GiÊy - K44

[II – 158]

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

F: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha

lỏng xF của hỗn hợp.

2. Tính chỉ số hồi lƣu thích hợp:

Rth: chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất.

Cơ sở của việc chọn Rth theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất là:

V = H.S

H: tỷ lệ với Nlt

G = W.S = P.(R + 1)

 S tỷ lệ với R + 1

 V = H.S tỷ lệ với Nlt(R + 1)

Giá thành tháp tỷ lệ với V, mà V tỷ lệ với Nlt(R + 1), giá thành tháp thấp nhất ứng với thể tích tháp nhỏ nhất. Vì vậy cần phải chọn chế độ làm việc thích hợp cho tháp, tức là Rth.

Trong đó: V: là thể tích của tháp

H: chiều cao của tháp

S: tiết diện của tháp

Nlt: số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)

Ứng với mỗi giá trị của R > Rmin ta dựng được một đường làm việc tương ứng

và tìm được một giá trị Nlt (Các đồ thị từ 3 7 là đồ thị xác định số đĩa lý thuyết)

Từ đó ta có bảng số liệu sau.

Bảng 2

2,28 2,932 3,915 5,553 8,83 Rx

B 0,249 0,246 0,24 0,23 0,208

22 21 20 19 18 Nlt

81,9 80 79,23 82,8 84,7 Nlt(Rx + 1)

Xây dựng đồ thị quan hệ giữa Rx – Nlt(Rx+1). Qua đồ thị ta thấy, với Rx = 2,93 thì

Nlt(Rx + 1) là nhỏ nhất hay thể tích tháp nhỏ nhất. Vậy ta có Rth = 2,93 (Đồ thị 8).

3. Phƣơng trình đƣờng nồng độ làm việc của đoạn luyện:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 9- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

[II – 148]

Trong đó:

y: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên.

x: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống.

Rx : chỉ số hồi lưu.

Thay số liệu vào ta có.

yL = 0,75x + 0,25

4. Phƣơng trình đƣờng nồng độ làm việc của đoạn chƣng:

[II.158]

Trong đó:

: lượng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol sản phẩm đỉnh.

Thay số liệu vào ta có.

yc = 2,028x – 0,0247

III. TÍNH ĐƢỜNG KÍNH THÁP CHƢNG LUYỆN:

Đường kính tháp được xác định theo công thức

, m [II - 181]

Trong đó:

gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h.

(y.y)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau

trong mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn.

1. Đƣờng kính đoạn luyện:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 10- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

a. Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện.

, kg/h [II - 181]

Trong đó:

gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h.

gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h.

gl: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp, kg/h.

* Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp:

[II – 181] gđ = GR + Gp = Gp(Rx+1)

gđ = 2800(2,93 + 1)

gđ = 11.004 kg/h

* Lượng hơi đi vào đoạn luyện:

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của

đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình.

(1) g1 = G1 + Gp

[II - 182] g1.y1 = G1.x1 + Gp.xp (2)

(3) g1.r1 = gđ.rđ

Trong đó:

y1: hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện, phần khối lượng.

G1: lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện.

r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa.

rđ: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp.

x1 = xF = 0,314 phần khối

[II - 182] r1 = ra.y1 + (1-y1).rb

Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Benzen và Toluen ở

1 = tF . Từ x1= xF = 0,314 tra đô thị lỏng hơi hình 9 ta được t0

1 = tf = 97,6 0C

1 = 97,6 0 C nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được;

Với t0

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 11- Líp Ho¸ GiÊy - K44

kJ/kg.

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

kJ/kg.

 r1 = 380,66.y1 + (1 - y1).369,64

 r1 = 11,02y1 + 369,64 kJ/kg.

[II - 182] rđ = ra.yđ + (1 – yđ).rb

Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Benzen và Toluen ở

2 = tp. Từ xp = 0,983 tra đồ thị lỏng hơi hình 9 ta được tp = 82,60C.

yđ: hàm lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần khối lượng.

2 = tP = 82,60C nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được:

yđ = yp = xp = 0,95 phần khối lượng. Với t0

kJ/kg.

 rđ = 391,65.0,98 + (1 - 0,98).377,18

 rđ = 391,36 kJ/kg.

Thay các giá trị đã tính được vào hệ phương trình trên ta được

g1 = G1 + 2800

g1.y1 = 0,314G1 + 2800.0,98

g1(11,02y1 + 369.64) = 11004.391,36 = 4306525,44

Giải hệ phương trình ta được:

kg/h g1 = 30012,06

G1 = 27212,06 kg/h

y1 = 0,345 phần khối lượng

Thay y1 = 0,345 vào r1 ta được:

r1 = 11,02.0,345 + 369,64 = 373,4419 kJ/kg

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:

kg/h.

b. Tính khối lượng riêng trung bình

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 12- Líp Ho¸ GiÊy - K44

, kg/m3. [II - 183]

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Trong đó:

MA MB: khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen

T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K.

ytb1: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình

[II - 183]

Với : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol.

= yp = 0,983 phần mol

= y1 = 0,345 phần khối lượng

Đổi sang phần mol ta có:

phần mol

Với phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta

được

 T = 93,5 + 273 = 366,5 0K.

Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là:

kg/m3.

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng

, kg/m3 [II - 183]

Trong đó:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 13- Líp Ho¸ GiÊy - K44

: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3.

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

: khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo

nhiệt độ trung bình, kg/m3.

: phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng.

phần khối lượng

: nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha lỏng

phần mol.

Với phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a, [II-145] ta

được

Ứng với t0 = 87,60C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được:

kg/m3.

Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là:

kg/m3

c. Tính tốc độ hơi đi trong tháp:

Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lên chuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động; Chế độ chảy màng, chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt. ở chế độ sủi bọt thì pha lỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục. Nếu tăng tốc độ lên thì tháp bị sặc. Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc của tháp.

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

[II – 187]  = (0,8  0,9)s

Với s là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức

[II – 187] Y = 1,2e-4X

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 14- Líp Ho¸ GiÊy - K44

[II – 187] Với

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

[II – 187]

Trong đó:

đ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3 Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3 g: gia tốc trọng trường, m2/s

Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/s

:khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3

x, n: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở

20oC, Ns/m2

* Tính Gx, Gy:

Ta có Gy = gtb = 30012,06 kg/h

kg/s

kg/h

kg/s

* Tính độ nhớt.

- Độ nhớt của nước ở t = 20oC, Tra bảng I.102 trong [I – 94] ta có n =

1,005.10-3 Ns/m2.

- Độ nhớt của pha lỏng ở t = 87,6oC. Nội suy theo bảng I.101 trong [I – 91] ta

được.

N.s/m2

Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là

[I – 84] lghh = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB

lghh = 0,6485.lg(0,2676.10-3) + (1 - 0,6485)lg(0,27676.10-3) = -0,525525

 hh = x = 0,298.10-3 Ns/m2

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 15- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Thay số liệu ta có

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Y = 1,2e-4.0,4315 = 0,2136

Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn. Số liệu trong [II – 193]

Bảng 3

Kích thước đệm, mm Số đệm trong 1m3 Thể tích tự do Vđ, m3/m3 Bề mặt riêng đ, m2/m3 Khối lượng riêng xốp, đ, kg/m3

30x30x3,5 165 0,76 25.102 570

Từ công thức:

[II – 187]

2 = 1,96155 m/s

Suy ra;

s

 s = 1,4 m/s

Lấy  = 0,8s

  = 0,8.1,4 = 1,12 m/s

Vậy đường kính của đoạn luyện là:

Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DL = 1,6 m

* Thử lại điều kiện làm việc thực tế.

- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn luyện là:

m/s

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 16- Líp Ho¸ GiÊy - K44

- Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là:

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Vậy chọn đường kính là 1,6m có thể chấp nhận được.

* Kiểm tra cách chọn đệm.

Vậy cách chọn đệm và đường kính tháp của đoạn luyện như vậy là chấp nhận

được yêu cầu của bài toán và phù hợp với quá trình tính toán

2. Đƣờng kính đoạn chƣng:

a. Lượng hơi trung bình đi trong tháp

[II - 182]

Trong đó:

n: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/h.

g’

1: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h.

g’

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện (g’

g1) nên ta có thể viết:

[II - 182]

l, lượng lỏng G1

l được

’ và hàm lượng lỏng x’ xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’

1 + Gw

G’

1 = g’

1.yw + Gw.xw

1 = g’ 1. x’

[II - G’

182]

1.r’

1 = g1.r1

g’

Trong đó:

r’ 1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.

xw: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.

r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng.

Ta có:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 17- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Gw = W = 9800 kg/h.

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

1 = yw xác định theo đường cân bằng ứng với xw = 0,024 phần mol.

xw = 0,024 phần mol tương ứng với 0,02 phần khối lượng y’

 yw = 0,062 phần mol.

1 = yw = 0,062 phần mol ra phần khối lượng ta có:

Đổi y’

phần khối lượng

1 = ra. y’

1 + (1- y’

1).rb

r’ [II – 182]

Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất ở t0 = tw. Với xw = 0,024 tra đồ thị hình 9 ta được tw = 100,50C. Từ t0 = tw =100,50C nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được.

kJ/kg.

1 = 378,49.0,053 + (1 - 0,053).368,13

=> r’

1 = 368,68 kJ/kg

r’

Thay vào hệ phương trình trên ta được:

G’

1 = g’ 1. x’

1 + 9800 1 = g’

1.0,053 + 9800.0,02

G’

1.368,68 = 30012,06.373,4419

g’

Giải hệ phương trình trên ta được:

1 = 30399,69 kg/h

g’

1 = 40199,698 kg/h

G’

1 = 0,04496 phần khối lượng

x’

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:

kg/h.

b. Tính khối lượng riêng trung bình:

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo:

, kg/m3. [II - 183]

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 18- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Trong đó:

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

MA MB: khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K.

ytbc: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình

[II - 183]

Với : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol.

= y’1 = yw = 0,062 phần mol

= y1 = 0,383 phần mol

phần mol

Với phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta

được

 T = 106,8 + 273 = 379,8 0K.

Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng là:

kg/m3.

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng

, kg/m3 [II - 183]

Trong đó:

: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3.

: khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo

nhiệt độ trung bình, kg/m3.

: phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng.

Với a’1: nồng độ phần khối lượng của pha lỏng ở đĩa dưới cùng của đoạn

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 19- Líp Ho¸ GiÊy - K44

chưng.

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Ta có: a’1 = x’1 = 0,04496 phần khối lượng

phần khối lượng

: nhiệt độ trung bình của đoạn chưng theo pha lỏng

Ta có x’1 = 0,04496 phần khối lượng

phần mol

Với phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta

được

Ứng với t0 = 104,50C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được:

kg/m3.

Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chưng là:

kg/m3

c. Tính tốc độ hơi đi trong đoạn chưng:

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 20- Líp Ho¸ GiÊy - K44

[II – 187]  = (0,8  0,9)s

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Với s là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức

Y = 1,2e-4X [II – 187]

[II – 187] Với

[II – 187]

Trong đó:

đ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3 Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3 g: gia tốc trọng trường, m2/s

Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/s

:khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3

x, n: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở

20oC, Ns/m2

* Tính Gx, Gy:

Ta có Gy = g’tb = 30205,879 kg/h

kg/s

kg/h

kg/s

* Tính độ nhớt:

- Độ nhớt của nước ở t = 20oC, Tra bảng I.102 trong [I - 94] ta có n =

1,005.10-3 Ns/m2.

tb = 104,5oC. Nội suy theo bảng I.101 trong [I - 91]

- Độ nhớt của pha lỏng ở to

ta được.

N.s/m2

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 21- Líp Ho¸ GiÊy - K44

N.s/m2

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là

[I – 84] lghh = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB

lghh = 0,1849.lg(0,2516.10-3) + (1 - 0,1849)lg(0,262.10-3)

 hh = x = 0,3095.10-3 Ns/m2

Thay số liệu đã tính được ta có

Y = 1,2e-4.0,5024 = 0,1586

Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn như đã chọn ở trên.

Từ công thức:

2 = 1,59 m/s

[II – 187]

s

 s = 1,26 m/s

Lấy  = 0,8s

  = 0,8.1,26 = 1,008 m/s

Vậy đường kính của đoạn luyện là:

Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DC = 1,6 m

* Thử lại điều kiện làm việc thực tế:

- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chưng là:

m/s

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 22- Líp Ho¸ GiÊy - K44

- Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là:

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Vậy chọn đường kính là 1,6 m có thể chấp nhận được.

* Kiểm tra cách chọn đệm:

Vậy với kết quả tính toán được và sơ với điều kiện thực tế thì ta lấy đường

kính phần chưng là 1,6 m và đệm như đã chọn là hợp lý.

VI. TÍNH CHIỀU CAO THÁP:

- Đối với tháp đệm, chiều cao làm việc của tháp hay chiều cao lớp đệm được

xác định theo công thức:

[II – 175] H = hđv.my (m)

Trong đó:

hđv: chiều cao của một đơn vị chuyển khối, m

my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ pha hơi.

1. Tính chiều cao đoạn luyện:

a. Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối:

- Chiều cao của một đơn vị chuyển khối của tháp đệm phụ thuộc vào đặc trưng

của đệm và trạng thái pha, được xác định theo công thức.

[II – 177]

Trong đó:

h1: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi

h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng

m: hệ số phân bố trung bình ở điều kiện cân bằng pha

Gy, Gx: lưu lượng hơi và lỏng trung bình đi trong tháp, kg/s

* Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h1, h2:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 23- Líp Ho¸ GiÊy - K44

, m [II – 177]

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

,m [II – 177]

Trong đó:

a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng thì a = 0,123

x: độ nhớt của pha lỏng, Ns/m2 Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3

x: khối lượng riêng của lỏng, kg/m3

: hệ số thấm ướt của đệm, nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên

tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp, xác định theo đồ thị IX.16 [II - 178]

Với : mật độ tưới thực tế, m3/m2.h

Utt = B.đ : mật độ tưới thích hợp, m3/m2.h

Trong đó:

Vx: lưu lượng thể tích của chất lỏng, m3/h Ft: diện tích mặt cắt tháp, m2

đ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3 B: hằng số, B = 0,065 m3/m.h Bảng IX.6 trong [II – 177]

- Chọn đệm loại vòng Rasiga có các thông số :

30x30x3,5mm

Vđ = 0,76 m3/m3

đ = 165 m2/m3

a = 0,123

* Xác định :

Ta có ;

Uth = B.đ

Mà m2

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 24- Líp Ho¸ GiÊy - K44

m3/h

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

m3/m2.h

 đ = 165 m2/m3 Uth = 0,065.165 = 10,725 m3/m2.h

Tra hình IX.16 trong [II – 178] ta được L = 1

* Xác định chuẩn số Reynon:

- Chuẩn số Reynon của pha hơi:

[II – 178]

[I – 85] Ta có y = hh được tính theo

Trong đó:

Mhh, MA, MB: khối lượng phân tử của hỗn hợp và cấu tử Benzen và Toluen.

hh, A, B: độ nhớt của hỗn hợp và cấu tử Benzen và Toluen.

m1, m2: nồng độ của Benzen và Toluen tính theo phần thể tích.

Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol, nên m1

= y1, m2 = y2 = 1 - y1.

Thay vào ta có:

a1, a2: nồng độ phần khối lượng của Benzen và Toluen.

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 25- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Ta có phần mol

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

a1 = 0,599 phần khối lượng

Từ dụng toán đồ hình I.35 trong [I – 117] với XA = 8,8; YA = 13,0; XB = 8,5;

YB =13,2 và to = 960C ta tìm được.

N.s/m2

=> hh = 0.1547.10-3 N.s/m2

- Chuẩn số Reynon của pha lỏng:

[II – 178]

Trong đó:

Gx: lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp, phần trước đã tính được Gx =

4,919kg/s

Ft: diện tích mặt cắt của tháp, Ft = 2,0096 m2

đ = 165 m2/m3

x = 0,298.10-3Ns/m2

Vậy chuẩn số Reynon của pha lỏng là:

* Xác định chuẩn số Pran:

- Chuẩn số Pran của pha hơi:

[II – 178]

Hệ số khuyếch tán Dy trong pha hơi tính theo.

, m2/s [II – 127]

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 26- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Trong đó: T: nhiệt độ trung bình của hơi, 0K

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

P: áp suất chung của hơi, P = 1at.

MA = 78: khối lượng phân tử của cấu tử Benzen.

MB = 92: khối lượng phân tử của cấu tử Toluen. vA, vB: thể tích mol của hơi Benzen và Toluen , cm3/nguyên tử

cm3/nguyên tử

Phần trước ta đã tìm được nhiệt độ trung bình của pha hơi trong đoạn luyện là

, vậy T = 335,27450K.

Vậy ta có:

= 5,322.10-6 m2/s.

Thay các giá trị tính được vào ta có:

* Chuẩn số Pran của pha lỏng:

[II – 178]

Hệ số khuyếch tán Dx của pha lỏng được tính theo công thức:

[II – 134] Dx = D20.[1 + b.(t - 20)]

Với

: khối lượng riêng của dung môi Benzen ở 200C, kg/m3; tra ở bảng I.2 trong

[I-9] ta được  = 866 kg/m3

: độ nhớt của dung môi Benzen ở 200C, cP;  = 2 = 0,586 cP

Hệ số khuyếch tán của lỏng ở 20oC là:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 27- Líp Ho¸ GiÊy - K44

, m2/s [II – 133]

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Trong đó:

A, B: hệ số liên hợp kể đến ảnh hưởng của Benzen và Toluen. Do Benzen và Toluen là những chất lỏng không liên kết nên A = 1; B = 1.

, m2/s

- Nhiệt độ trung bình của lỏng trong đoạn luyện là to = 93,5oC. Vậy ta có:

Dx = 2,3.10-9[1 + 0,0161.(93,5 - 20)] Dx = 5,022.10-9 m2/s

Thay các giá trị vào ta có:

Vậy: ,m

= 0,318m h1

h2 = 0,13677m

b. Tính m:

- Chọn các giá trị x bất kỳ, tại mỗi giá trị x đó ta tìm góc nghiêng của đường

cân bằng. Từ các giá trị tìm được tính m theo công thức

[II – 125]

- Dựa vào các giá trị đã chọn trên đường cân bằng, ta tính được m = 0,541.

c. Tính số đơn vị chuyển khối my:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 28- Líp Ho¸ GiÊy - K44

- Số đơn vị chuyển khối tính theo pha hơi.

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

[II – 176]

y*: thành phần mol cân bằng của pha hơi, %mol

y: thành phần mol làm việc của pha hơi, %mol

- Ứng với mỗi giá trị của x {0,37; 0,96} ta tìm được một giá trị của y* tương

ứng và theo đường làm việc của đoạn luyện y = 0,75x + 0,25 ta xác định được y.

Bảng 4.

Y* Y 1/y*-y X

0,314 0,525 0,488 27,03

0,35 0,562 0,51 19,23

0,4 0,619 0,55 14,49

0,45 0,678 0,592 11,63

0,5 0,712 0,625 11,49

0,55 0,742 0,662 12,5

0,6 0,79 0,722 14,29

0,65 0,8402 0,735 14,93

0,7 0,854 0,80 18,52

0,75 0,882 0,83 19,23

0,8 0,91 0,868 23,81

0,85 0,93 0,884 27,78

0,9 0,959 0,93 34,48

0,95 0,98 0,96 50

0,983 0,99 0,98 100

- Từ bảng số liệu trên ta vẽ đồ thị (Đồ thị hình 10). Từ đồ thị ta tính

được diện tích phần gạch chéo là S = 10,52 (Xem đồ thị 10)

- Với tỷ lệ trục hoành 1.100 và tỷ lệ trục tung là 1/100 ta có:

my = 10,52. 100.1/100

my = 10,52

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 29- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Thay các giá trị : h1 = 0,318 m

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn h2 = 0,13667 m m = 0,541

my = 10,52 Gx = 4,919 kg/s Gy = 8,337 kg/s

hđv = 0,4433 m

Vậy chiều cao lớp đệm của đoạn luyện là:

HL = hđv . my = 0,4433 . 10,52 = 4,66m

2. Chiều cao của đoạn chƣng:

- Các công thức cũng như ý nghĩa các ký hiệu có trong các công thức tính chiều cao đoạn chưng tương tự như đối với đoạn luyện, chỉ khác về trị số nên trong phần này không giải thích lại.

a. Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h1, h2:

* Tính 

[II – 177]

m3/h

m3/m2.h

 đ = 165 m2/m3 Uth = 0,065.165 = 10,725 m3/m2.h

Tra hình IX.16 trong [II – 178] ta lấy L = 1

* Xác định chuẩn số Reynon:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 30- Líp Ho¸ GiÊy - K44

- Chuẩn số Reynon của pha hơi:

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

[II – 178]

[I – 85] Ta có y = hh được tính theo

Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol, nên m1

= y1, m2 = y2 = 1 - y1.

Thay vào ta có:

Trong đó;

a1, a2: nồng độ phần khối lượng của Benzen và Toluen.

Ta có phần mol

a1 = 0,1953 phần khối lượng

Từ dụng toán đồ hình I.35 trong [I – 117] với XA = 8,8; YA = 13,0; XB = 8,5;

YB =13,2 và to = 82,60C ta tìm được.

N.s/m2

=> hh = 0,3126.10-3 N.s/m2

- Chuẩn số Reynon của pha lỏng:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 31- Líp Ho¸ GiÊy - K44

[II – 178]

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Ta có

Gx = 9,363 kg/s Ft = 2,0096 m2

đ = 165 m2/m3

x = 0,287.10-3Ns/m2

Vậy chuẩn số Reynon của pha lỏng là:

* Xác định chuẩn số Pran:

- Chuẩn số Pran của pha hơi:

[II – 178]

Hệ số khuyếch tán Dy trong pha hơi tính theo.

, m2/s [II – 127]

Trong đó:

MA = 78 kg/kmol.

MB = 92kg/kmol.

cm3/nguyên tử

Phần trước ta đã tìm được nhiệt độ trung bình của pha hơi trong đoạn chưng là

, vậy T = 82,6 + 273 = 355,60K.

Vậy ta có:

= 5,086.10-6 m2/s.

Thay các giá trị tính được vào ta có:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 32- Líp Ho¸ GiÊy - K44

- Chuẩn số Pran của pha lỏng:

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

[II – 178]

Hệ số khuyếch tán Dx của pha lỏng được tính theo công thức:

[II – 134] Dx = D20.[1 + b.(t - 20)]

Ở phần trước đã tính được D20 = 2,3.10-3 m2/s, với b = 0,0168 Nhiệt độ trung bình của lỏng trong đoạn luyện là to = 106,8oC. Vậy ta có:

Dx = 2,79.10-9[1 + 0,0168.(106,8 - 20)] Dx = 5,654.10-9 m2/s

Thay các giá trị vào ta có:

Vậy: ,m

h1 = 0,0617 m

b. Tính m:

h2 = 0,1596 m

- Chọn các giá trị x bất kỳ, tại mỗi giá trị x đó ta tìm góc nghiêng của đường

cân bằng. Từ các giá trị tìm được tính m theo công thức

[II – 125]

c. Tính số đơn vị chuyển khối my:

- Dựa vào các giá trị đã chọn trên đường cân bằng, ta tính được m = 1,52

- Số đơn vị chuyển khối tính theo pha hơi.

[II – 176]

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 33- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Trong đó:

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

y*: thành phần mol cân bằng của pha hơi, %mol

y: thành phần mol làm việc của pha hơi, %mol - Ứng với mỗi giá trị của x {0,04;0,37} ta tìm được một giá trị của y* tương ứng và theo đường làm việc của đoạn chưng y = 2,028x - 0,0247 ta xác định được y.

X y* y Bảng 5. 1/y*-y

0,024 0,045 0,02 40

0,05 0,118 0,05 14,7

0,1 0,214 0,148 14,9

0,15 0,295 0,236 15,38

0,2 0,38 0,318 16,13

0,25 0,447 0,397 16,66

0,3 0,511 0,465 21,7

0,314 0,525 0,488 27,03

- Từ bảng số liệu trên ta vẽ đồ thị (đồ thị hình 10). Từ đồ thị ta tính

được diện tích phần gạch chéo là S = 8,225 (Xem đồ thị 10)

- Với tỷ lệ trục hoành 1.100 và tỷ lệ trục tung là 1/ 100 ta có :

my = 8,225.100.1/100

my = 8,225

Thay các giá trị : h1 = 0,0617 m

h2 = 0,1596 m

m = 1,52

my = 8,225

Gx = 9,363 kg/s

Gy = 8,39 kg/s

hđv = 0,279 m

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 34- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Vậy chiều cao lớp đệm của đoạn chưng là:

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

HC = hđv . my = 0,279. 8,225 = 2,3m

3. Tính chiều cao của toàn tháp:

H = HL + HC + H1 + H2 + H3

Trong đó:

HL, HC: chiều cao đoạn luyện và đoạn chưng, m

H1: khoảng cách không gian phần đỉnh tháp để đặt đĩa phân phối chất lỏng và

ống hồi lưu sản phẩm đỉnh, m

H2: khoảng cách không gian giữa đoạn chưng và đoạn luyện để đặt đĩa tiếp

liệu và ống dẫn hỗn hợp đầu, m

H3: khoảng cách không gian cho hồi lưu đáy và để đặt ống hồi lưu sản phẩm

đáy, m.

Chọn: H1 = H3 = 1m

H2 = 1,2m

Vậy chiều cao toàn tháp là

H = 4,66 + 2,3 + 1 + 1,2 + 1 = 10,16m

V. TÍNH TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM.

- Trở lực đối với tháp đệm có thể được xác định theo công thức sau:

[II – 189] , N/m2

Trong đó:

Pư : tổn thất áp suất tại điểm đảo pha có tốc độ của khí bằng tốc độ của khí khi đi qua đệm khô, N/m2.

Pk: tổn thất áp suất của đệm khô, N/m2.

Gx, Gy: lưu lượng của lỏng và của khí, kg/s.

x, y: khối lượng riêng của lỏng và của khí, kg/m3

A = 5,15 [II – 189]

1. Trở lực của đoạn luyện:

* Tính chuẩn số Reynon:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 35- Líp Ho¸ GiÊy - K44

[II – 188]

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

[II – 188]

Ta có: y = 2,74 kg/m3

x = 793,69 kg/m3

y = 0,1547.10-3 Ns/m2 g = 9,81 m/s2

kg/m2.s

Vì Rey > 400 nên tổn thất áp suất của đệm khô xác định theo công thức sau:

[II – 189]

N/m2

Vậy trở lực của đoạn luyện là:

Pư = 3230,84 N/m2

2. Trở lực của đoạn chƣng:

* Tính chuẩn số Reynon:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 36- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

[II – 188]

Ta có: y = 2,825kg/m3

x = 783,8 kg/m3

y = 0,3126.10-3 Ns/m2 g = 9,81 m/s2

kg/m2.s

Vì Rey < 400 nên tổn thất áp suất của đệm khô xác định theo công thức sau:

[II – 189]

N/m2

Vậy trở lực của đoạn chưng là:

Pư = 4929,4 N/m2

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 37- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Vậy trở lực của toàn tháp là:

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Pư = PưL + PưC

Pư = 3230,84 + 4929,4 = 8160,24 N/m2

PHẦN III TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƢỢNG

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 38- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn Sơ đồ thiết bị chưng luyện (dùng để tính cân bằng nhiệt lượng)

Mục đích của việc tính cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ, làm lạnh cũng như để xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu để đưa vào đĩa tiếp liệu và lượng hơi đáy tháp. Để tính toán cho các thiết bị đó ta cần dựa vào sơ đồ cân bằng nhiệt lượng (Sơ đồ trên)

1. Cân bằng nhiệt lƣợng cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:

QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 (J/h) [II – 196].

Trong đó:

J/h. QD1: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào.

J/h. Qf: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào.

J/h. QF: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra.

J/h. Qng1: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra.

Qxq1: Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh. J/h.

- Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là:

, kg/h D1 =

Trong đó:

kg/h D1: lượng hơi đốt,

J/kg độ CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí đi ra,

Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu,

tF: nhiệt độ hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng,

J/kg độ 0C 0C tf: nhiệt độ của hỗn hợp đầu,

kg/h F: lượng hỗn hợp đầu,

Ta có: F = 12600 kg/h tF = t0 S = 97,6o Chọn tf = 20oC * Tính CF, Cf:

CF, Cf: được tính theo công thức:

CF = aA.Ca + CB.aB , J/kg độ.

Trong đó:

aA.: nồng độ phần khối lượng của Benzen .

aB.: nồng độ phần khối lượng của Toluen.

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 39- Líp Ho¸ GiÊy - K44

J/kg độ CA: nhiệt dung riêng của Axetôn,

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn J/kg độ

CB: nhiệt dung riêng của Benzen,

Có aA = 0,28

aB = 1- aA = 1- 0,28 = 0,72.

CA = 2045,2 J/kg độ.

Từ tF = 97,6 0C nội suy trong I 153 [I – 171] ta có CB = 1990,8 J/kg độ.

[I-171] ta có CA’ = 1730 J/kg độ.

Suy ra CF = 0,28 x 2045,2 + 0,72 x 1990,8 = 2006,032 J/kg độ. Từ tf = 200C nội suy trong I.153 CB’ = 1710 J/kg độ.

Suy ra Cf = 0,28 x 1730 + 0,72 x 1710 = 1715,6 J/kg độ.

* Tính r1. r1: Ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt J/kg. Dùng hơi nước bão hoà nên ta chọn P =

2 at khi đó t = 119,6 (oC).  r1 = 2208.103 J/kg.

= kg/h.  D1 =

Vậy nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:

[II – QD1 = D1.1 = D1(r1 +01C1). 196].

Trong đó: J/kg. 1: Hàm nhiệt của hơi đốt

J/kg.

r1: Ẩm nhiệt hoá hơi của hơi đốt 01: Nhiệt độ nước ngưng = 119,60C. C1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng.

QD1 = 1382,184(2208.103 + 119,6x2156,62) = - Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:

[[II – 196]. Qf = F.Cf.tf

Trong đó:

F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h.

Cf: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi vào, J/kg độ. tf: Nhiệt độ của hỗn hợp đầu khi vào, 0C. Thay số ta có:

Qf = 12600.1715,6.20 = 432331200 J/h.

- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:

[[II – 196]. QF = F.CF.tF

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 40- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Trong đó:

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h.

CF: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra, J/kg độ. tF: Nhiệt độ của hỗn hợp đầu khi đi ra, 0C. Thay số ta có:

Qf = 12600.2006,032.97,6 = 2466937912 J/h.

2. Cân bằng nhiệt lƣợng của tháp chƣng luyện:

- Tổng nhiệt lượng mang vào bằng tổng nhiệt lương mang ra:

QF + + QR = Qy + Qw + Qm + Qng2 [II-197]

Trong đó:

J/h. : nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp,

J/h. QF: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp,

QR: nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp, J/h.

J/h. Qy: nhiệt lượng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp,

J/h. Qw: nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra,

J/h. Qng2: nhiệt lượng do nước ngưng mang ra tháp,

Qm: nhiệt lượng do tổn thất ra môi trường xung quanh, J/h.

* Tính QR:

[II-197] QR = GR. CR .tR:

Trong đó:

GR: lượng lỏng hồi lưu, kg/h

GR = P.Rx = 6339.3,17 = 20094,63 kg/h

tR : nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu, oC

tR = tp =82,6oC

CR: nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu, J/kg độ.

CR =



Có aA = aP = 0,98 CA, CB: nhiệt dung riêng của Benzen và Toluen ở 82,6oC. Nội suy theo to

82,6oC trong I.153 [I-171] ta có:

CA = 2046,05 J/kg độ

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 41- Líp Ho¸ GiÊy - K44

CB = 2004,7 J/kg độ.

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn CR = Chỗn hơp = 0,98.2046,05 + (1- 0,98).2004,7 = 2045,223 J/kg độ.

QR = GR . CR .tR = 8204.2045,223.82,6 = 1385946184,1 J/kg độ.

* Tính Qy:

[II-197] Qy =P.(1 + Rx)đ , J/h

Trong đó:

đ: nhiệt lương riêng của hơi ở đỉnh tháp, J/kg.

[II-197] đ = 1.a1 + 2.a2

đ = 1.a1 + 2.(1 - a2)

1 , 2 :nhiệt lượng riêng của Benzen và Toluen ở đỉnh tháp, J/kg

1 = r1 + tP.C1

2 = r2 + tP.C2

Với tP = 82,6 0C nội suy theo bảng I 153 [I –171] ta có:

C1 = 2046,05 J/kg độ

C2 = 2004,7 J/kg độ

Với tP = 82,6 0C nội suy theo bảng I 212 [I –154] ta có:

r1 = 406,308.103 J/kg r2 = 387,729.103 J/kg

 1 = 406,308.103 + 82,6. 2046,05 = 580507,27 J/kg.  2 = 387,729.103 + 82,6.2004,7 = 557744,58 J/kg.

 đ = 58050,27.0,98 + (1- 0,98).557744,58 = 580052,016 J/kg.

 Qy = 2800(1+2,93).580052,016 = 3682892386 J/h.

*Tính Qw:

[II-197] Qw = W. Cw .tw ,J/h

Trong đó:

W: lượng sản phẩm đáy, kg/h.

W = 9800 kg/h. tw : nhiệt độ của sản phẩm đáy, oC tw = 100,5oC

Cw: nhiệt dung riêng của sản phẩn đáy, J/kg.độ

Cw = a1.C1 + (1 – a1).C2

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 42- Líp Ho¸ GiÊy - K44

a1 = aw = 0,02

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

C1, C2. Nội suy trong bảng I.153 [I – 171] ở to = 100,5oC ta có:

C1 = 2121,5 J/kg độ

C2 = 2071,5 J/kg độ

 Cw = 0,02.2121, 5 + (1 – 0,02).2071,5

 Cw = 2072,5 J/kg.độ

Vậy Qw = W. Cw .tw = 9800.2072,5.100,5 = 2041205250 J/h

* Tính Qng2 theo D2:

[II – 198] Qng2 = Gng2 .C2 . 2 , J/h

Trong đó:

Gng2: lượng nước ngưng tụ, kg/h

C2: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ 2:nhiệt độ của nước ngưng, 0C ta có 2 = 119,6oC

Gng2 = D2: lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp.

Nội suy C2 theo 2 theo bảng I.149 [I – 168] ta có:

C2 = 2156,62 J/kg độ

 Qng2 = D2.2156,62.119,6 = 257931,752.D2, J/h

*Tính Qm theo D2:

[II – 198] Qm = 0,05.D2.r2, J/h

Tra bảng I.251 [I – 314] ở to = 119,6oC ta có r2 = 2208.103 J/kg

 Qm = 0,05.2208.103 D2 = 110400.D2 J/h

* Tính

theo D2:

[II – 197] = D2. 2 , J/h

2: hàm nhiệt của hơi đốt, J/kg 2 = r2 + 2.C2

2 = 2208.103 + 119,6.2156,62

2 = 2465931,752 J/kg

 = 2465931,752 .D2

* Tính D2:

- Thay các giá trị nhiệt lượng Q đã tính được vào công thức:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 43- Líp Ho¸ GiÊy - K44

[II-197] QF + + QR = Qy + Qw + Qm + Qng2

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Ta tính được D2 = 831,65 kg/h

3. Cân bằng nhiệt lƣợng cho thiết bị ngƣng tụ:

- Xét thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu.

[II – P .Rx.r = Gn1.Cn (t2 – t1), kg/h

198]

, kg/h [II – 198]

Trong đó:

= 32,5oC. Nội suy trong bảng I.149 [I –

Gn1: lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết, kg/h t1: nhiệt độ vào của nước, t1 = 20oC t2: nhiệt độ ra của nước, ta chọn t2 = 45oC để tránh hiện tượng đóng cặn lại trên bề mặt truyền nhiệt và tránh sự kết tủa của các muối.

Rx: chỉ số hồi lưu, Rx = 2,93 Cn : nhiệt dung riêng của nước ở to tb 168] ta được Cn = 4180,1 J/kg.độ

P: lượng sản phẩm đỉnh, P = 2800 kg/h

r: ẩm nhiệt ngưng tụ ở hỗn hợp đầu, J/kg.

r = a1.r1 + (1-a1).r2

p = 82,6oC, nội suy theo bảng I.212 [I – 254] ta có: r1 = 406,308.103 J/kg r2 = 387,729.103 J/kg  r = 0,98.406,308.103 + (1-0,98). 387,729.103

a1 = 0,98 phần khối lượng Tại to = to

 r = 405936,42 J/kg

Lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết là:

kg/h

4. Cân bằng nhiệt lƣợng cho thiết bị làm lạnh:

[II – P[r + Cp (t’1 – t’2)] = Gn3 Cn (t2 – t1)

198]

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 44- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Trong đó:

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Gn3: lượng nước lạnh, kg/h

P: lượng sản phẩm đỉnh, kg/h t’1: nhiệt độ đầu vào của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, t’1 = tp = 82,6oC t’2: nhiệt độ cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, chọn t’2 = 25oC

t1 = 20oC t2 = 25oC

Cn = 4180,1 J/kg.độ

Cp: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/kg.độ

Cp = CR = Chh = 2045,223 J/kg.độ

r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp ở đỉnh tháp, J/kg

r = 515954,9173 J/kg

Vậy lượng nước lạnh cần thiết cho thiết bị làm lạnh là:

Gn3 = 14129,715 kg/h

PHẦN IV TÍNH TOÁN CƠ KHÍ.

I. TÍNH CÁC ĐƢỜNG ỐNG DẪN:

- Đường kính các ống dẫn và cửa ra vào của thiết bị được xác định từ phương

trình lưu lượng.

[I – 369]

,m [I – 369]

Trong đó:

: vận tốc trung bình của lưu thể đi trong ống, m/s V: lưu lượng thể tích của lưu thể, m3/s

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 45- Líp Ho¸ GiÊy - K44

G: lưu lượng của dòng pha, kg/s : khối lượng riêng trung bình của dòng pha đó, kg/m3

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

1. Tính đƣờng kính ống dẫn sản phẩm đỉnh:

đ: khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, kg/m3

kg/m3

gđ = gtbL = 20508,03 kg/h

m3/s

Chọn tốc độ hơi  = 20m/s

Quy chuẩn dt = 300mm.

2. Tính đƣờng kính ống dẫn hồi lƣu sản phẩm đỉnh:

GR = P.R = 2800.2,93 = 8204kg/h; lượng sản phẩm hồi lưu. R: khối lượng riêng của sản phẩm hồi lưu tại to = tp = 82,6oC

Với tp = 82,6oC. Nội suy theo bảng I.2 [I – 9] ta có:

A = 812,14kg/m3 B = 805,4kg/m3

=>  = 812 kg/m3

m3/s

Chọn vận tốc lượng hồi lưu:  = 0,5 m/s

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 46- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Quy chuẩn dt = 100mm.

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

3. Tính đƣờng kính ống dẫn liệu:

= 97,6oC

- Lưu lượng hỗn hợp đầu đi vào tháp

F = 12600kg/h F: khối lượng riêng của hỗn hợp đầu vào tại to = tF

Với tF = 97,6oC. Nội suy theo bảng I.2 [I – 9] ta được

A = 795,64 kg/m3 B = 790,4 kg/m3

=>  = 791,86 kg/m3

m3/s

Chọn vận tốc lượng hồi lưu:  = 0,3 m/s

Quy chuẩn dt = 150 mm.

4. Tính đƣờng kính ống dẫn sản phẩm đáy:

= 100,5oC

W = 9800kg/h w: khối lượng riêng của sản phẩm đáy ở to = tF

Với tF = 100,5oC. Nội suy theo bảng I.2 [I – 9] ta được

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 47- Líp Ho¸ GiÊy - K44

A = 792,4 kg/m3 B = 787,45 kg/m3

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

=>  = 787,45 kg/m3

m3/s

Chọn vận tốc lượng hồi lưu:  = 0,3 m/s

Quy chuẩn dt = 100 mm.

5. Tính đƣờng kính ống dẫn lƣợng hồi lƣu sản phẩm đáy:

y: khối lượng riêng của hơi ở đáy tháp, kg/m3

kg/m3

Gy = g’tbC = 30205,879 kg/h

m3/s

Chọn tốc độ hơi  = 20m/s

Quy chuẩn dt = 400mm.

II. TÍNH CHIỀU DÀY CỦA THÂN THÁP HÌNH TRỤ:

- Tháp chưng luyện có thân hình trụ đặt thẳng đứng làm việc ở khoảng nhiệt độ t = 25  100oC và ở áp suất thường nên ta chọn vật liệu làm thân hình trụ bằng thép cacbon ký hiệu CT3. Thép này bền nhiệt. Các hệ số trong bảng XII.4 [II – 309] và [II – 313].

Bảng 6.

Vật liệu

Giới hạn bền chảy

Hệ số giãn at (1/oC)

Hệ số dẫn nhiệt W/m.độ

Giới hạn bền kéo k (N/m3) 380.106

CT3 240.106 11,0.106

Khối lƣợng riêng  (kg/m3) 7,85.103

50,0

Tốc độ rỉ: 0,06mm/năm

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 48- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Thời gian làm việc từ 15  20năm

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Thiết bị hàn tay bằng hồ quang điện, kiểu hàn ghép nối hai bên.

h = 0,95 bảng XIII.8 [II – 362] Giả sử thiết bị làm việc ở áp suất thường, Pmt = 105 N/m2 : khối lượng riêng của hỗn hợp trong tháp, kg/m3

kg/m3

P1: áp suất thuỷ tĩnh trong thiết bị, N/m2

P1 = g..Ht , N/m2 P1 = 9,81.788,745. 10,16 = 87092,66 N/m2

Ptt: áp suất tính toán cho thiết bị

Ptt = Pmt + P1 = 105 + 87092,66 = 187092,66 N/m2

, N/m2 [II – 355]

Thiết bị thuộc nhóm 2 loại II có  = 1 bảng XIII.2 [II – 356]

[II – 356] nk = 2,6 tra bảng XIII.3

k = 380.106

N/m2

, N/m2 [II – 355]

Chọn nc = 1,5

 = 1 c = 240.106

,N/m2

Chọn = 146.106, N/m2

Trên thân hình trụ có 2 lỗ đường kính 150mm để lắp kính quan sát ở các vị trí

quan sát phân phối chất lỏng và chất lỏng hồi lưu.

[II – 362]

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 49- Líp Ho¸ GiÊy - K44

L: chiều cao thân hình trụ, L = Ht = 10,16m.

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

- Hệ số bổ xung C.

[II – 363] C = C1 + C2 + C3

Trong đó:

C1: bổ xung do ăn mòn xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị, (m). Với thép CT3 có vận tốc ăn mòn khoảng 0,06mm/năm, thời gian làm việc là 15  20 năm, ta chọn C1 = 1mm

C2: đại lượng bổ xung bào mòn chỉ cần tính trong trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc độ lớn ở trong thiết bị, ta bỏ qua C2.

C3: bổ xung do dung sai, phụ thuộc chiều dày tấm vật liệu, chọn C3 = 0,8mm.

 C = 1 + 0 + 1 = 2 mm

Chiều dày thiết bị được tính theo công thức sau:

[II – 360]

Vì giá trị , có thể bỏ qua đại lượng P ở

mẫu số của công thức tính chiều dày thiết bị.

S = (1,062 + 2).10-3 = 3,062.10-3 m

Lấy S = 4mm

Kiểm tra ứng suất theo công thức XIII.26 [II – 365]

[II – 365]

[II – 358] Po = Pth + P1

P1 = g..Ht

: khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ trung bình của tháp.

oC.

Ta có

Với nhiệt độ trung bình của tháp là 93,57oC, nội suy theo bảng I.2 trong [I - 9]

ta được:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 50- Líp Ho¸ GiÊy - K44

 = 796,85 kg/m3.

 Nguyễn Đức Toàn

Đồ án môn học  P1 = 9,81.796,85.10,16 = 7314459 N/m2

Pth: áp suất thuỷ lực học, theo bảng XIII.5 [II – 358] thì Pth = 1,5.P = 1,5. 7314459 = 1097168,85 N/m2 => Po = 1097168,85 + 731445,9 = 1828614,75 N/m2

N/m2

, Vậy lấy S = 4mm là hợp lý.

III. TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ:

- Chọn đáy và nắp dạng elíp có gờ lắp với thân thiết bị bằng cách ghép bích, ở tâm có đục lỗ để lấy sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh. Vật liệu làm đáy và nắp bằng thép CT3.

- Chiều dày của đáy và nắp được tính theo công thức:

, m [II – 385]

Trong đó:

hb: chiều cao phần nồi của đáy và nắp (m). Tra bảng XIII.10 [II – 382] ta có:

hb = 400mm

h: hệ số bền của mối hàn hướng tâm

h: chiều cao gờ, m

Chọn nắp hàn từ hai nửa tấm, hàn điện hai phía bằng tay, tra [II – 362] ta có:

h = 0,95

k: hệ số không thứ nguyên

[II – 385]

d: đường kính lỗ đáy, nắp thiết bị. Ta đã tính được dđáy = 100mm; dnắp =

300mm

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 51- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Dt: đường kính trong của tháp, Dt = 1,6m

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Vì giá trị , có thể bỏ qua

đại lượng P ở mẫu số của công thức tính chiều dày của công thức tính chiều dày đáy và nắp.

S = 1,136.10-3 + C = (1,136+ 2).10-3 = 3,136.10-3m

Lấy S = 4mm

S – C = 4 – 2 = 2 <10mm

Thêm vào C 2mm, ta được C = 2 + 2 = 4mm

 S = 4 + 2 = 6mm

Thử ứng suất.

[II – 386]

N/m2

Vậy ta chọn Snắp = Sđáy = S = 6mm.

Tra bảng XIII.12 [II – 385] ta có h = 0,025m

Tra bảng XIII. 11 [II – 384], với đường kính Dt = 1600mm, S = 6mm, không

tra được khối lượng của đáy và nắp, vậy ta chọn lại S = 10mm, ta có m = 137 kg

Vậy ta có đáy và nắp thiết bị với các thông số sau:

S = 6mm Dt = 1600mm

m = 137kg hb = 400mm

h = 25mm

VI. TRA BÍCH:

* Chọn bích liền bằng thép nối thiết bị:

Do không thể chế tạo được thân tháp với chiều dài lớn nên ta buộc phải dùng bích để nối các phần lại với nhau. Với tháp hình trụ làm việc ở điều kiện thường ta chọn mặt bích liền bằng thép CT3 để nối thân với đáy và nắp thiết bị.

Theo bảng XIII.27 [II – 417]

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 52- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Bảng 7.

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

D ĐOàn h Z Dt Db Do db

Py.106 N/m2 Mm Cái

0,1 1600 M20

 Chọn bích liền bằng thép kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống:

Theo bảng XIII.26 [II – 409]

Bảng 8.

Tên các ống D h Z D Dy Dn D1 db

mm Cái

Sản phẩm đỉnh 300 325 440 370 M22 400 28 12

Hồi lưu đỉnh 100 108 215 168 M16 180 22 4

dÉn 150 159 280 240 212 M20 14 8 Ống liÖu

phÈm 100 108 215 180 168 M16 22 4 S¶n ®¸y

l u

Håi ®¸y 400 426 565 515 482 M22 30 16

 KÝch th íc chiÒu dµi ®o¹n èng nèi:

Dùa vµo ® êng kÝnh cña c¸c èng ta tra ® îc c¸c sè

liÖu sau:

Theo b¶ng XIII.32, [II - 434]

B¶ng 9.

Tªn c¸c èng Py < 2,5.10- 6N/m2 Dy

S¶n phÈm

®Ønh 300 140

Håi l u

®Ønh 100 120

dÉn Ống

liÖu 150 130

S¶n phÈm

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 53- Líp Ho¸ GiÊy - K44

®¸y 100 120

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Håi l u ®¸y 400 150

V. TÍNH LƢỚI ĐỠ ĐỆM, DẦM ĐỠ ĐỆM, ĐĨA PHÂN PHỐI CHẤT LỎNG:

1. Đĩa phân phối chất lỏng, chọn kiểu đĩa loại 2, với các thông số sau:

Theo số liệu trong [IV – 121]

Bảng 10.

Bước ống, t Số ống Đường kính tháp Đường kính đĩa Đường kính ống

Mm Chiếc

1600 1170 57 95 96

 Lưới đỡ đệm:

- Chọn đường kính lưới là: Dl = 1520mm.

 Dầm đỡ đệm.:

- Chọn dầm đỡ hình chữ nhật có chiều cao bằng 2 lần chiều rộng. Dầm được

làm bằng vật liệu thép CT3, hai đầu thanh dầm được hàn vào thân thiết bị.

- Tính độ bền của dầm bị uốn trong giới hạn đàn hồi từ đó xác định được kích thước dầm. Coi thanh dầm bị uốn thuần tuý, sau khi xác định được kích thước ta tiến hành kiểm tra độ bền của dầm.

, kN/m2

Trong đó: z: ứng suất pháp, kN/m2 y: ứng suất tiếp, kN/m2

- Dầm sẽ chịu tác dụng phân bố gây nên bởi khối lượng của lớp đệm của chất

lỏng và của thành thiết bị.

- Để đảm bảo độ bền cho thanh dầm, ta coi chất lỏng choán đầy tháp.

- Vì nên ta coi tháp chứa toàn C6H6. Đồng thời coi cả tháp là một

khối tác dụng lên một thanh dầm chung.

- Thể tích của đệm.

- Khối lượng đệm.

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 54- Líp Ho¸ GiÊy - K44

mđ = đ.Vđ

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn [II – 193]

với đ = 570 kg/m2

=> mđ = 570.13,987 = 7972,59 kg

- Khối lượng chất lỏng trong tháp (coi trong tháp chứa toàn benzen)

mth = Vth.

F = 97,6oC ta có

Tại to = 795,64 kg/m3

 mth = 22,628.795,64 = 18003,82 kg

- Diện tích bao quanh tháp.

S = .d.Ht = 3,14.10,16.1,6 = 56,57 m2

- Lực phân bố tác dụng lên thanh dầm của thành thiết bị là. qth = th.S = 7850.56,57 = 444074,5 N/m2

- Khối lượng của nắp bằng khối lượng của đáy: mn = mđ = 137 kg

- Lực phân bố tác dụng lên dầm của thiết bị.

, N/m

N/m

= 444,82 kN/m

- Momen đối với trục x, Mx.

A B

MA MB

A B

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 55- Líp Ho¸ GiÊy - K44

- Lực cắt ngang dầm tại 2 đầu A và B

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Vì trạng thái ứng suất là đơn nên ta có

: ứng suất cho phép của thép CT3

= 240.106 N/m2 = 240.103 kN/m2

= wx: kích thước dầm ảo, m2

Lấy wx =1,8534.10-4 m2

Ta chọn b = 100mm  h = 200mm - Kiểm tra độ bền của thanh dầm có b = 100mm, h = 200mm. Theo công thức:

tại vị trí 1,2,3. max

max

kN/m2 Ta có: max = min =

kN/m2

Tại vị trí (1): kN/m2

 < [] => thoả mãn điều kiện bền

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 56- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Tại vị trí (2):

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

mà vậy kN/m2

kN/m2

 < [] => thoả mãn điều kiện bền.

kN/m2 Tại vị trí (3):

 < [] => thoả mãn điều kiện bền.

Vậy thanh dầm với thông số: b = 100mm và h = 200mm là đạt được yêu cầu

thiết kế.

V. TÍNH CHỌN TAI TREO VÀ CHÂN ĐỠ:

 Tai treo:

- Chiều cao của toàn tháp Ht = 10,16m

- Tổng khối lượng toàn tháp:

+ mđệm + mđáy + mchất lỏng + mbx

M = mt + mnắp

Với mbx: hệ số bổ xung bao gồm khối lượng các chi tiết phụ của tháp như

bích, bulông....

- Khối lượng tháp:

mt = t. Vt

[II – 313] Thân thiết bị làm bằng thép CT3 với t = 7850kg/m3

Thể tích tháp:

Dn, Dt: đường kính ngoài và trong của tháp.

Dn = 1,6 + 2.0,004 = 1,608m

Dt = 1,6m

=> mt = 7850.0,1022 = 802,39kg

=> M = 802,39 + 137 + 7972,59 + 137 + 18003,82 + mbx

=> M = 27052,8 + mbx

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 57- Líp Ho¸ GiÊy - K44

mbx: khối lượng các bộ phận khác, giả thiết chọn mbx = 2000kg

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

=> M = 27052,8 + 2000 = 29052,8 kg

- Trọng lượng của tháp là:

P = M.g

P = 29052,8 . 9,81 = 285007,968 N

Ta sử dụng 8 tai treo làm bằng thép CT3, tải trọng của mỗi tai treo là:

Theo bảng XIII. 36 [II – 438], ta chọn tai treo có tải trọng cho phép là G =

8.104 N.

Bề mặt đỡ là: F = 639.10-4 m2, tải trọng cho phép trên mặt đỡ là q = 1,25.106

N/m2.

Bảng 11.

l L B H a d Kl 1 tai s B1

230 200 205 350 12 100 25 34 13,2

 Chân đỡ.

Tra bảng XIII. 35 [II – 437] ta chọn chân đỡ với các thông số sau:

Bảng 12.

H L B h s l d B2 B1

450 300 240 260 370 226 18 110 34

PHẦN V TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

I. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU:

- Thiết bị gia nhiệt dùng hơi nước bão hoà ở áp suất 2 at để đun nóng hỗn hợp đầu từ nhiệt độ t = 20oC đến nhiệt độ sôi là tF =97,6oC. Hai lưu thể đi ngược chiều nhau, hơi đốt đi từ trên xuống, truyền ẩn nhiệt hoá hơi cho hỗn hợp lỏng đi từ dưới lên và ngưng tụ thành lỏng đi ra khỏi thiết bị. Nhiệm vụ của ta là phải tính được đầy đủ các thông số kỹ thuật cần thiết của thiết bị đó như: đường kính, chiều cao, bề mặt truyền nhiệt, số ống, số ngăn...

- Chọn thiết bị truyền nhiệt ống chùm kiểu đứng có các thông số sau:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 58- Líp Ho¸ GiÊy - K44

+ Đường kính ống: d = 38x2,5mm

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

+ Chiều cao ống: H = 1,5m

+ Ống làm bằng thép CT3 có  = 50 w/m2.độ [II – 313]

1. Lƣợng nhiệt cần thiết:

Hơi nước bão hoà ở 2at có

tb = 119,6oC to

[I – 197]

ttb = thđ - ttb

Với:

ttb: hiệu số nhiệt độ trung bình của hai lưu thể

thđ: nhiệt độ hơi đốt

Ta có:

ttb = thđ - ttb = 119,6 – 51,38 = 68,22oC

- Nhiệt lượng dùng để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi là:

[II – 46] Q = GF .Cp (tc – tđ)

GF: lượng hỗn hợp đầu cần đun nóng hoặc làm nguội, kg/s tc, tđ: nhiệt độ đầu và cuối của hỗn hợp, oC

Cp: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu ở tt b, J/kg.độ

Cp = aF.Ca + (1 – aF). Cb

Tại ttb = 68,22 nội suy trong bảng I.153, [I – 171] ta được

Ca = 1973,16 J/kg

Cb = 1932,88 J/kg

 Cp = 0,28. 1973 + (1 – 0,28).1932,88

 Cp = 1944,16 J/kg.độ

Vậy nhiệt lượng cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi là:

Q = 3,5.1944,16 (97,6 – 20)

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 59- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Q = 528033,856 w

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

* Các chuẩn số cần thiết:

2. Tải nhiệt trung bình cho quá trình truyền nhiệt:

- Khối lượng riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ trung bình ta tính bằng công thức sau:

Với tF = 68,22oC. Nội suy theo bảng I.2 [I – 9] ta được

A = 827,37 kg/m3 B = 821,89kg/m3

  = 821,89 kg/m3

- Tính độ nhớt của dung dịch

[I – 84] lgdd = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB

Tại ttb = 68,22oC. Nội suy trong bảng I.102 , [I – 91] ta có

A = 0,3596.10-3 Ns/m2 B = 0,40397.10-3 Ns/m2

 lgdd = 0,6485.lg(0,3596.10-3) + (1 – 0,6485)lg(0,403971.10-3)  dd = x = 0,3556.10-3 Ns/m2

- Tính chuẩn số Reynon.

Chọn vận tốc của dung dịch đi trong ống là 0,5m/s

chế độ chảy xoáy

- Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch, 

, w/m.độ [I – 123]

Trong đó:

A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng. Vì Toluen và Benzen là 2

chất lỏng không liên kết nên A = 4,22.10-8

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 60- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, J/kg.độ : khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

M: khối lượng mol tỷ lệ giữa chất lỏng 1 phân tử chất đã cho và 1/16 khối

lượng nguyên tử oxi

Ta có: M = MF =78,238kg/kmol

Cp = 1944,16 J/kg.độ  = 821,89 kg/m3

 = 0,219 W/m.độ

- Tính chuẩn số Pran của hỗn hợp.

[II – 12]

- Tính chuẩn số Nuyxen

[II – 12]

Trong đó:

Prt: chuẩn số Pran tính theo ttb của tường.

1: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính.

Ta có: Đường kính ống dn = 38mm

Chiều dài H = l = 1,5m

Với và Re > 104. Tra bảng 4.1 trong [III – 197] ta có 1= 1,02

Do chênh lệch giữa vỏ và dòng lưu thể là khá nhỏ nên ta có thể coi

 Nu = 0,021.1,02.346730,8.3,1570,43.10,25

 Nu = 150,49

 Tính hệ số cấp nhiệt.

- Hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt 1

, w/m2.độ [II – 28]

Trong đó:

r: ẩn nhiệt ngưng tụ của nước, J/kg

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 61- Líp Ho¸ GiÊy - K44

H = l = 1,5m

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng, tm.

[II – 29]

tT1: nhiệt độ của bề mặt tường, tiếp xúc với nước ngưng, oC tbh: nhiệt độ của hơi nước bão hoà, oC

t1 = tbh – tT1

t1: hiệu số nhiệt độ giữa tbh và nhiệt độ phía tường tiếp xúc với nước ngưng. Chọn t1 = 5,2oC

Ta có nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ là:

tT1 = tbh - t1 tT1 = 119,6 – 5,2 = 114,4oC

Nhiệt độ màng nước ngưng tụ là

tm = 0,5.(114,4 + 119,6) = 117oC

Với tm = 117oC. Nội suy trong [II – 29] ta được A = 186,65 Tại tT1 = 114,4oC ta có r = 2217,497.103 J/kg Vậy hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ là:

1 = 8792,25 w/m2.độ - Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ

q1 = 1.t = 8792,25.5,2 = 45719,7 w/m2

- Hiệu số nhiệt độ ở hai bề mặt thành ống

Tt = tT1 – tT2 = q1.r

Với [II – 3]

Trong đó:

r1, r2: nhiệt trở của cặn bẩn bám vào hai bên thành ống phía hơi đốt và phía

dung dịch, m2.độ/w

: chiều dày của thành ống,  = 2,5.10-3m

r1, r2 tra bảng PL.12 [III – 346] ta có

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 62- Líp Ho¸ GiÊy - K44

m2độ/w

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

 m2độ/w

 T1 = 45719,7.3,948.10-4 = 18oC

- Nhiệt độ thành ống phía dung dịch tT2 = tT1 - tT = 114,4 – 18 = 96,4oC

- Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch. t2 = tT2 – ttb = 96,4 – 46,341 = 50,059oC

- Hệ số cấp nhiệt 2 phía dung dịch

- Nhiệt tải riêng từ thành ống đến dung dịch q2 = 2.t2 = 998,7.28,189 = 28143,55 w/m2

Ta có:

Vậy chọn t1 = 5,2oC là phù hợp

- Nhiệt tải riêng trung bình

w/m2

* Bề mặt chuyền nhiệt.

* Tổng số ống n.

- Tổng số ống n được tính theo công thức.

Trong đó: f: diện tích xung quanh của một ống, m2

f = .dn.h, m2

f = 3,14.0,038.1,5 = 0,17898

ống

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 63- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Quy chuẩn n = 61 ống bảng V.11 [II – 48]

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Ta bố trí ống sắp xếp theo hình 6 cạnh gồm 5 hình. Số ống trên đường xuyên

tâm của hình 6 cạnh là b được tính theo.

b = 2a – 1

a được tính theo công thức: n = 3a(a - 1) + 1 [II – 48]

 91 = 3a(a - 1) + 1  a2 – a – 30 = 0

 a = 6 và a = - 4

Vậy b = 2.6 – 1 = 11 ống

- Số ngăn

t: tốc độ chất lỏng thực tế chảy trong ống, m/s.

t =

m/s t =

Theo lý thuyết ta chọn: t = 0,2 m/s.

Do lý thuyết lớn hơn thực tế nên ta phải chia ngăn.

* Số ngăn.

m =

Theo nguyên tắc số ngăn phải chẵn nên ta chọn m = 4 ngăn.

* Tính đường kính thiết bị.

[II - 49] D = t(b – 1) + 4.dn

Trong đó:

t là bước ống, t = (1,2  1,5).dn

Chọn t = 1,5 dn = 1,5.0,038 = 0,057 m

 D = 0,057(11 – 1) + 4.0,038 = 0,722 m.

Vậy thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu có các thông số sau:

F = 14,3 m2

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 64- Líp Ho¸ GiÊy - K44

L = 1,5 m

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

dn =38 mm

D = 722 mm

n = 91 ống

m = 4 ngăn

II. TÍNH BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ.

- Để tính bơm về bơm trong việc đưa hỗn hợp đầu lên thùng cao vị đảm bảo yêu cầu công nghệ thì ta phải tính các trở lực của đường ống đẫn liệu của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu từ đó tính gia chiêù cao thùng cao vị so với vị trí đĩa tiếp liệu vào tháp. Cuối cùng, tính công suất và áp suất toàn phần của bơm. Chọn bơm ly tâm.

- Tính toán.

- Áp suất toàn phần cần thiết đẻ khắc phục tất cả sức cản thuỷ lực trong hệ

[I – 376] thống (kể cả ống đẫn vaò thiết bị) khi dòng chảy đẳng nhiệt. P = Pđ + Pm + PH + Pc + Pk + Pt , N/m3

Trong đó:

- Pđ : áp suất động lực học là áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra

khỏi ống dẫn, N/m3

N/m3 [I – 376] Pđ =

: khối lượng riêng của chất lỏng trong ống, kg/m3

: tốc độ dòng chảy, m/s - Pm: áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống

thẳng, N/m3

= [I – 377] Pm = .Pđ , N/m2

: hệ số ma sát

L: chiều dài ống, m

dtđ: đường kính tương đương của ống, m - Pc : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, N/m3

, N/m2 [I – 377]

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 65- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Với : hệ số trở lực cục bộ.

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

- PH: áp suất cần thiết để nâng cao chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp

suất thuỷ tĩnh.

[I – 377] PH = .g.H, N/m2

- Pt, Pk: là áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị và áp suất bổ xung ở cuối ống dẫn trong những trường hợp cần thiết. Trong trường hợp tính toán giá trị này bỏ qua.

1. Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu tới tháp.

s = tF = 97,6oC

* Tính Pđ . - Khối lượng riêng của dung dịch tại to

Trong phần tính toán cơ khí cho ống dẫn liệu, ta đã tính được  = 791,86

kg/m3

- Tốc độ trung bình của lưu thể.

[I – 369]  =

 =

d = 150 mm (đường kính ống dẫn liệu, đã tính ở phần cơ khí).

 = m/s

N/m3

* Tính Pm.

= Pm = .Pđ N/m2

Chọn chiều dài ống dẫn L = 3 m

Đường kính tương đương của ống dtd = d = 0,2m - Chuẩn số Re của lưu thể.

[I – 399]

: độ nhớt của hỗn hợp ở t = 97,6oC

[I – 84] lghh = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB

Tại to = 97,6oC. Nội suy theo bảng I.101, [I – 91] ta được

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 66- Líp Ho¸ GiÊy - K44

A = 0,2676.10-3 Ns/m2

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

B = 0,27676.10-3 Ns/m2

 lghh = 0,6485.lg(0,2676.10-3) + (1 – 0,6485)lg(0,27676.10-3)  hh = 0,27.10-3 Ns/m2

Vậy dòng chảy trong ống là chế độ chảy xoáy, khi đó hệ số ma sát  được tính

theo công thức sau:

[I – 380]

: độ nhám tương đối, xác định theo

[I – 380]

Tra bảng II.15, [I – 381], với loại ống tráng kẽm ta được  = 0,1mm

  = 0,03299

 N/m2

* Tính Pc.

- Trên ống có: + 3 khuỷu 90o, mỗi khuỷu do 3 khuỷu 30o tạo thành

[I – 394]

Chọn a/b = 1 => 1 = 0,3.3 = 0,9 + 2 ống nối cong có góc  = 90o

Ở  = 90o => A = 1

R/dtd = 2 => B = 0,15

a/b = 1 => C = 1

 2 = 0,15

[I – 397] + 1 van tiêu chuẩn, 3 = 4,9

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 67- Líp Ho¸ GiÊy - K44

  = 3.1 + 2.2 + 3 = 3.0,9 + 2.0,15 + 4,9 = 7,9

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

  Pc = .Pd = 7,9.24,75 = 195,525 N/m2

Vậy áp suất tổng cộng là

P1 = Pd + Pm + Pc = 24,75 + 12,25 + 195,525 = 232,525 N/m2

- Chiều cao cột chất lỏng tương ứng với P1 là:

2. Trở lực của ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu.

* Tính Pd:

- Khối lượng riêng của hỗn hợp là:

Với to = 20oC. Nội suy theo bảng I.2 [I – 9] ta được

A = 879kg/m3 B = 866kg/m3

  = 869,61 kg/m3

- Tốc độ của dung dịch chảy trong ống là:

 = m/s

N/m3

* Tính Pm.

- Chuẩn số Reynon của lưu thể.

[I – 399]

: độ nhớt của hỗn hợp ở t = 20oC

[I – 84] lghh = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB

Tại to = 20oC. Nội suy theo bảng I.101, [I – 91] ta được

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 68- Líp Ho¸ GiÊy - K44

A = 0,65.10-3 Ns/m2 B = 0,586.10-3 Ns/m2

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

 lghh = 0,6485.lg(0,65.10-3) + (1 – 0,6485)lg(0,586.10-3)  hh = 0,627.10-3 Ns/m2

Vậy dòng chảy trong ống là chế độ chảy xoáy, khi đó hệ số ma sát  được tính

theo công thức sau:

[I – 380]

Có  = 5.10-4

  = 0,0227

Chọn chiều dài đoạn ống là L = 15m

 N/m2

* Tính Pc:

- Trở lực cục bộ qua các đoạn ống là :

+ Trở lực vào ống, ta có thể chọn 1 = 0,52 + 2 khuỷu 90o, mỗi khuỷu do 3 khuỷu 30o tạo thành

[I – 394] Chọn a/b = 1 => 2 = 0,3.3 = 0,9

[I – 397] + 1 van tiêu chuẩn, 3 = 4,9

h = 1 + 2.2 + 3 = 0,52 + 2.0,9 + 4,9 = 7,22 Pc =  . Pđ = 7,22.24,75 = 178,695 N/m2

P2 = Pđ + Pm + Pc = 24,75 + 56,1825 + 178,695 = 259,6275

N/m2

- Chiều cao cột chất lỏng tương ứng là:

3. Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu.

* Tính Pđ:

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 69- Líp Ho¸ GiÊy - K44

- Tốc độ lưu thể trung bình đi trong ống là:

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

V: thể tích của hỗn hợp

, m2/s

f: tiết diện của bề mặt truyền nhiệt.

, m2

n: số ống của thiết bị gia nhiệt, có n = 91 ống

tb = 68,22oC, đã tính được ở phần tính thiết bị

m: số ngăn của thiết bị gia nhiệt, có m = 4 ngăn Khối lượng riêng của lưu thể ở to

phụ, ta có tb = 812,89 kg/m3.

m2/s

m/s

N/m2

* Tính Pm:

- Chuẩn số Reynon của lưu thể.

[I – 399]

Ở to = 46,341oC có  = 0,3686.10-3 Ns/m2

Vậy dòng chảy trong ống là chế độ chảy xoáy, khi đó hệ số ma sát  được tính

theo công thức sau:

[I – 380]

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 70- Líp Ho¸ GiÊy - K44

 =

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

 = 0,029

Pm =

L = 4.1,5 = 6 m

N/m2 Pm =

* Tính Pc.

- Khi dòng chảy qua thiết bị gia nhiệt, phải qua các ngăn và nhiều chỗ

ngoặt, đột thu, đột mở.

Ta có tiết diện cửa vào thiết bị bằng tiết diện cửa ra thiết bị .

Tiết diện khoảng trống ở 2 đầu thiết bị đối với mỗi ngăn là :

Tiết diện ống truyền nhiệt của một ngăn là:

Khi dòng chảy vào thiết bị gia nhiệt, tức là đột mở.

 1 = (1 – 0,43) = 0,57

Khi dòng chảy đi từ các khoảng trống vào các ngăn, tức là đột thu 2 lần.

 2 = 0,4542

Khi dòng chảy từ các ngăn ra khoảng trống, tức là đột mở 2 lần.

 3 = (1 - 0,179)2 = 0,821

Khi dòng chảy ra khỏi thiết bị, tức là đột thu.

Với . Tra bảng II.16, [I-388]

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 71- Líp Ho¸ GiÊy - K44

 4 = 0,328

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Từ ngăn nọ sang ngăn kia lưu thể đổi chiều 180o

 5 = 3,6

  = 1 + 4.2 + 43 + 4 + 1.5

  = 0,57 + 4.0,4542 + 4.0,821 + 0,328 + 3,6 = 9,5988  Pc =  . Pđ = 9,5988.129,79 = 1245,828 N/m2

* Trở lực thuỷ tĩnh:

PH = .g h = 821,866.9,81.1,5 = 12093,758 N/m2  P3 = Pđ + Pm + Pc +PH

= 129,79 + 684,35 + 1245,828 + 12093,758 = 14153,726 N/m2

- Chiều cao cột chất lỏng tương ứng với P3 là:

m  H3 =

4. Tính chiều cao của thùmg cao vị so với đĩa tiếp liệu:

Viết phương trình Becnuly cho điểm B:

Chọn mặt chuẩn O - O.

Xét tại 1-1 tacó;

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 72- Líp Ho¸ GiÊy - K44

(1)

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

Xét tại B tacó;

(2)

Từ (1) và (2)

 =

z = -

Pa = 9,81.104 N/m2  PB = Pa + PL = 98100 +4030,044 = 102130,044 N/m2

= 869,8 kg/m3 = 791, 68 kg/m3

F = 0,25 m/s hm =H1 + H2 + H3 = 0,0299 + 0,03 + 1,54 hm = 1,5999 m

z = m

5. Tính bơm. - Bơm ly tâm làm việc ở áp suất thường, chọn chiều cao hút của bơm ở to = 20oC là 0,5 m bảng II.34 [I - 441]. Ở chiều cao này bơm làm việc tuần hoàn đảm bảo và không xảy ra hiện tượng xâm thực.

Hđ = Hc + Z = (0,6 + 1,47 + 1,525) + 3,26 = 6,855 m

HF = Hđ + Hh = 6,855 + 0,5 = 7,355 m - Chiều cao đẩy của bơm là. - Chiều cao làm việc của bơm là. * Tổn thất áp suất trên đường ống.

N/m3 Pđ =

* Tính Pm: - Ở phần tổn thất áp suất từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu ta tính được.

Re = 47411,92  = 0,0227

- Chiều dài ống. L = H + 0,8 = 7,355 + 0,8 = 8,155 m

N/m2  Pm =

* Tính Pc: - Trên đường ống có 2 khuỷu 90o , mỗi khuỷu do 3 khuỷu 30o tạo thành.

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 73- Líp Ho¸ GiÊy - K44

 1 = 3.0,3 = 0,9

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

 = 1 + 2 = 2.0,9 + 2.4,9 = 11,6 N/m2

- Có 2 van tiêu chuẩn: 2 = 4,9 Pc = 11,6.22,583 = 261,96 N/m2 P = Pđ + Pm + Pc = 22,583 + 27,87 + 261,96 = 312,413 N/m2 . - Chiều cao cột chất lỏng tương ứng là:

m Hm =

- Áp suất toàn phần của bơm là:

H = HF + Hm = 7,355 + 0,0366 = 7,3916 m

- Công suất của bơm là:

, kw [I – 439]

Trong đó: Q: năng suất của bơm, m3/s : khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3 g: gia tốc trọng trường, m/s2 H: áp suất toàn phần của bơm, m : hiệu suất chung của bơm  = o . tl . ck

Ta chọn: hiệu suất thể tích o = 0,96 hiệu suất thuỷ lực tl = 0,85 hiệu suất cơ khí ck = 0,96   = 0,96 . 0,85 . 0,96 = 0,78

, m3/s

Vậy năng suất của bơm là:

- Công suất động cơ điện

, kw [I – 439]

Với tr: hiệu suất truyền động, chọn tr = 1 đc: hiệu suất động cơ điện, chọn đc = 0,8

đc = .Nđc

Nc [I – 439]

Trong thực tế chọn động cơ điện có công suất lớn hơn tính toán Dựa vào bảng II.33 [I – 439], có Nđc < 1 thì hệ số dự trữ  =1,5

đc = 1,5.0,41 = 0,615 kw

 Nc

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 74- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Vậy ta chọn bơm có công suất là 1,1 kw.

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn

PHẦN VI. KẾT LUẬN

Qua một thời gian làm việc khá nghiêm túc, với sự hướng dẫn trực tiếp và nhiệt tình của cô Lê Ngọc Thụy cũng như các thầy cô trong bộ môn Quá trình và thiết bị công nghệ Hoá Học, em đã hoàn thành bản đồ án môn học, với nội dung tính toán và thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp Benzen – Toluen.

Các công thức tính toán được tra cứu trong sổ tay và những tài liệu đúng qui

định, đảm bảo việc tính toán chính xác và hợp lý.

Kết quả tính toán trong bản thuyết minh này cùng với bản vẽ thuyết trình có thể có chỗ nhầm lẫn, đó là những khiếm khuyết không thể bỏ qua được. Tuy nhiên do lần đầu làm quen với quá trình tính toán và thiết kế do đó nhầm lẫn là điều không tránh khỏi. Em rất mong các thầy cô giáo trong bộ môn bỏ qua.

Việc làm đồ án môn học này đã thực sự đem lại hiệu quả cho em nói riêng và cho sinh viên trong ngành nói chung, thông qua đó, sinh viên nâng cao được kỹ năng tính toán cũng như biết cách nhìn nhận vấn đề thiết kế một cách hệ thống, đặc biết giúp cho sinh viên biết cách sử dụng, tra cứu tài liệu. Có thể nói rằng đây là một sự chuẩn bị tốt cho việc làm đồ án tốt nghiệp sắp tới.

Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian cũng như trình độ nên bản thuyết mình này của em còn thiếu rõ ràng mạch lạc trong việc trình bày, và cũng không tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong được sự thông cảm và giúp đỡ chỉ bảo của các thầy, các cô và các bạn.

Trường ĐHBK – Hà Nội

- 75- Líp Ho¸ GiÊy - K44

Em xin chân thành cảm ơn!

Đồ án môn học

 Nguyễn Đức Toàn