Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton - Acid Acetic

Chia sẻ: Mưa Sao Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:42

Thêm vào BST

Báo xấu

213
lượt xem 39
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chưng cất là một trong các quá trình hay dùng để làm sạch các chất lỏng. Việc thiết kế hệ thống chưng cất, với mục đích là tách aceton ra khỏi hỗn hợp Aceton - Acid Acetic là một trong các nhiệm vụ của kỹ sư ngành công nghệ hóa học. Chính vì thế mà "Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton - Acid Acetic" cũng là một bước giúp cho sinh viên tập luyện và chuẩn bị cho việc thiết kế quá trình & thiết bị công nghệ trong lĩnh vực này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton - Acid Acetic

Đề tài " Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton –Acid Acetic "
MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước nhà, các ngành công nghiệp cần rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao . Chưng cất là một trong các quá trình hay dùng để làm sạch các chất lỏng. Việc thiết kế hệ thống chưng cất, với mục đích là tách aceton ra khỏi hỗn hợp Aceton – Acid Acetic là một trong các nhiệm vụ của kỹ sư ngành công nghệ hóa học . Vì thế, đề tài  Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton –Acid Acetic  của môn  Đồ An Môn Học Quá Trình Thiết Bị  cũng là một bước giúp cho sinh viên tập luyện và chuẩn bị cho việc thiết kế quá trình & thiết bị công nghệ trong lĩnh vực này. Tập thuyết minh đồ án môn học này gồm 7 phần : Phần I : Tổng quan Phần II : Thuyết minh qui trình công nghệ Phần III : Cân bằng vật chất và năng lượng Phần IV : Tính toán các kích thước cơ bản của tháp Phần V : Tính chóp và trở lực của tháp Phần V I : Tính toán cơ khí Phần VII : Tính thiết bị truyền nhiệt Phần VIII : Tính chiều cao bồn cao vị Phần IX : Tính cách nhiệt Phần X : Tính toán giá thành cho thiết bị Tài liệu tham khảo Để hoàn thành đồ án này , thực sự em đã cố gắng rất nhiều . Song , vì đây là bước đầu làm quen với công tác thiết kế nên chắc hẳn không tránh khỏi những sai sót. Cuối cùng , em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Máy – Thiết Bị , đặc biệt là thầy Trần Tấn Việt , người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện đồ án thiết kế này .
I-TỔNG QUAN: Aceton và acid acetic là hai loại hoá chất quan trọng trong nghành công nghiệp hóa chất. Aceton : Phần lớn được dùng làm dung môi nhất là trong công nghiệp sản xuất nhựa, vecni, chất dẻo. Aceton làm dung môi tốt đối với các nitro xeluloza, acetyl xenluloza. Nó ít độc nên được dùng làm dung môi cả trong công nghiệp dược phẩm và thực phẩm. Aceton còn được dùng làm nguyên liệu để tổng hợp một số lớn các hợp chất xeten, izopren, oxit mezytyl, rượu diacetomic… Acid acetic: là một loại acid quan trọng nhất trong các loại acid hữu cơ. Nó rẻ nên được ứng dụng rộng rãi và là hoá chất cơ bản để điều chế nhiều hợp chất quan trọng. Acid acetic được ứng dụng trong các nghành : + Làm dấm ăn. + Đánh đông mủ cao su + Làm chất dẻo tơ lụa xeluloza acetat . + Làm phim ảnh không nhạy lửa. + Làm chất kết dính polyvinyl acetat . + Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp. Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách một hỗn hợp lỏng ra thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp ở cùng một nhiệt độ Về thiết bị : có thể sử dụng các loại tháp chưng cất sau : -Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới -Tháp chưng cất dùng mâm chóp -Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật chêm ) Nhận xét về ưu khuyết điểm của từng loại tháp : -Tháp mâm xuyên lỗ Ưu điểm : chế tạo đơn giản , vệ sinh dễ dàng , trở lực thấp hơn tháp chóp , ít tốn kim loại hơn tháp chóp Nhược điểm : yêu cầu lắp đặt cao : mâm lắp phải rất phẳng , đối với những tháp có đường kính quá lớn (>2.4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối không đều trên mâm -Tháp chóp Ưu điểm : hiệu suất truyền khối cao , ổn định , ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số mâm ít hơn Nhược điểm : chế tạo phức tạp , trở lực lớn -Tháp đệm : Ưu điểm :chế tạo đơn giản , trở lực thấp Nhược điểm :hiệu suất thấp , kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết diện tháp không đều , sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cất theo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâm một cách rõ ràng , tháp chêm khó chế tạo được kích thước lớn ở qui mô công nghiệp Đề tài của đồ án môn học : Đề tài của đồ án môn học là :Thiết kế tháp chưng cất dùng mâm chóp với những dữ kiện cơ bản sau: Nguyên liệu đầu vào (nhập liệu ) là hỗn hợp Aceton – Acid acetic
Nồng độ Aceton trong nhập liệu là 30% khối lượng. Năng suất nhập liệu là 3000 kg /h Nồng độ Aceton trong sản phẩm đỉnh là 97% khối lượng. Nồng độ Aceton trong sản phẩm đáy là 0,5 % khối lượng. Tháp hoạt động liên tục , chưng cất ở áp suất thường II-THUYẾT MINH QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ: Nhập nguyên liệu là hỗn hợp Aceton – Acide acetic được đưa vào bồn chứa nguyên liệu. Sau đó nhập liệu được bơm đưa lên bồn cao vị. Từ đây nhập liệu qua thiết bị gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đưa nhiệt độ nhập liệu từ 30oC lên nhiệt độ sôi 85,8oC và đưa vào tháp chưng cất tại mâm nhập liệu. -Hơi ra ở đỉnh tháp được dẫn qua thiết bị ngưng tụ, tại đây hơi được ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng bão hòa , được hoàn lưu vào tháp với tỷ số hoàn lưu R và phần còn lại đưa đi làm nguội bằng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh -Lỏng ở đáy tháp được dẫn qua nồi đun kiểu Kettle được đun nóng gián tiếp bằng hơi nước bão hòa, hơi ở nồi đun dẫn vào tháp để cấp nhiệt cho tháp. Lượng lỏng đi ra khỏi nồi đun được làm nguội làm sản phẩm đáy. -Trong tháp, có quá trình tiếp xúc pha và truyền khối giữa hai pha lỏng và hơi. Thiết bị ngưng tụ, làm nguội được dùng nước để trao đổi nhiệt gián tiếp. -Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Aceton và sản phẩm đáy là Acid acetic . III. CÂN BẰNG VẬT CHẤT NĂNG LƯỢNG A-CÂN BẰNG VẬT CHẤT: a-Xác định các thông số Ký hiệu: xF , xD , xW :phân mol Aceton trong nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy F,D,W :suất lượng mol của dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy (kmol/h) MA , MB :lần lượt là phân tử lượng của Aceton và Axit Acetic (kg/kmol) -Phân tử lượng trung bình của các dòng MF =xF.MA + (1-xF).MB = 0,3.58 + (1-0.3).60 = 59,4 (kg/kmol) MD =xD.MA + (1- xD).MB = 0,97.58 + (1-0,97).60 = 58,06 (kg/kmol) MW =xW.MA + (1- xW).MB = 0,005. 58 + (1-0,005).60 =59,99 (kg/kmol) -Suất lượng dòng nhập liệu F 3000 F= = =50,505 (kmol/h) MF 59 , 4
L,xL D,x F,xF W, xW Cân bằng vật chất cho toàn tháp ta có hệ sau: F=D+W F.xF =D.xD + W.xW x F  xW 0,3  0,005 D =F = 50,505  15,439 (kmol/h) x D  xW 0,97  0,005 W= F -D =50,505 -15,439 = 35,066 (kmol/h) Tóm lại ta có bảng sau: F xF D xD W xW 50,505 0,3 15,439 0,97 35,066 0,005 -Tính chỉ số hồi lưu thích hợp: Sử dụng công thức thực nghiệm : R =1,3.R min + 0,3 (CT IX-25b tr149-STT2) * xD  yF Với Rmin= * (CT IX-24 Tr 149 STT2) y F  xF Với yF* là phân mol Aceton trong pha hơi cân bằng với xF . Từ số liệu bảng tra IX-2a /tr135 STT2 , thành phần lỏng – hơi cân bằng ta có : xF = 0,3 thì y*F = 0,725. Do đó 0,97  0,725 Rmin= =0,576 0,725  0,3 Vậy R=1,3 R min + 0,3 =1,3.0,576 + 0,3 = 1,049 b-Xác định số mâm lý thuyết : Việc xác định số mâm lý thuyết được tiến hành trên đồ thị y-x -Phương trình đường làm việc của phần cất R x 1,049 0,97 y= x + D = x + =0,512x + 0,473 R 1 R  1 2,049 2,049
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 y 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 x -Phương trình đường làm việc của phần chưng R f f 1 1,049  3,271 2,271 y= x - xW = x + 0,005 =2,108x – 0,0055 R 1 R 1 2,049 2,409 x  xW 0,97  0,005 với f= D = =3,271 x F  xW 0,3  0,005 Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc của phần cất và phần chưng . Trên đồ thị y-x ta lần lượt vẽ các đường bậc thang từ đó xác định được số mâm lý thuyết là 12 mâm B-CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG: a-Nhiệt trao đổi ở thiết bị ngưng tụ QD =(R+1)D.rD (CT 6.15 /TR 256- T10)  Với rD = xD.MA.rA + (1-xD)MB.rB
 Tại xD = 0,97 tra bảng IX-2a trang 135 STT2 ta có TD = 56,96oC . Tại nhiệt độ này ta có: rA= 522,146 (kj/kg) và rB=373,023(kj/kg) (bảng 45 tr.431 T10) rD = 0,97 x 522,146 x 58 + 0,03 x 373,023 x 60 = 30047,376(kj/kmol) Do đó QD = 2,049.15,437.30047,376 = 264 (kw) b-Nhiệt trao đổi ở thiết bị gia nhiệt cho nhập liệu từ nhiệt độ 30oC đến nhiệt độ sôi QF =CF .F(TF - 30)  Tại xF = 0,3 tra bảng IX-2a trang 135 STT2 ta có TF = 85,8oC 85,8  30  Nhiệt dung riêng của nhập liệu tra ở nhiệt độ trung bình T= =57,9oC 2 tại nhiệt độ này ta có CA =2,298 (kj/kgđộ) , CB=2,196 (kj/kgđộ) (Bảng I.153 TR171-STT1). Ta có CF=xFCAMA + (1-xF)CBMB = 0,3.2,298.58 + (1-0,3).2,196.60 = 132,217 (kj/kmolđộ) Do đó QF=132,217.50,505 (85,8 -30) = 104(kw) Nếu coi tổn thất trên đường nhập liệu bằng 5% thì QF = 1,05.104=109,2(kw) c-Nhiệt làm nguội sản phẩm đay từ nhiệt độ sôi là 117,3oC xuống 30oC QW = WCW(TW-30) 117,3  30 Nhiệt dung riêng được xác định ở nhiệt độ trung bình T= =73,65oC . Tại 2 nhiệt độ này tra bảng I.153 TR171-STT1 ta có : CA=2,349(kj/kgđộ) , CB=2,281(kj/kgđộ) Nên CW = xWMACA + (1-xW)MBCB = 0,005.58.2,349 + (1-0,005).60.2,281 = 136,857 (kj/kmolđộ) Do đó QW=35,066.136,857.(117,3-30)=116,4(kw) d-Nhiệt làm nguội sản phẩm đỉnh từ 56,96oC xuống 30oC Qsp =CD.D(TD-30) 56,96  30 Nhiệt dung riêng cũng được xác định ở nhiệt độ trung bình T= =43,48oC . 2 Tại nhiệt độ này ta có : CA=2,251 (kj/kgđộ) , CB=2,119 (kj/kgđộ) Tương tự ta tính được CD=130,455(kj/kmolđộ) Do đó Qsp = 130,455.15,439.(56,96-30)=15,083(kw) e-Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp Từ cân bằng nhiệt lượng ta có Qđ = DCDTD + WCWTW + QD – FCFTF=15,439.130,455.56,96 + 35,066.136,857.117,3 + 2,049.15,437.30047,376 – 50,505.132,217.85,8 = 293,1 (kw) Tuy nhiên nếu coi tổn thất nhiệt chiếm khoảng 10% nhiệt lượng ta có Qđ = 1,1.293,1 = 322,41 (kw) IV. TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA THÁP a-Khối lượng riêng trung bình của pha hơi Phần cất : gọi xpcất là nồng độ phần mol trung bình của cấu tử A(benzen) trong pha lỏng của phần cất
x D  xF 0,97  0,3 Ta có : xpcất = = =0,635 (phân mol) 2 2 Từ đường làm việc của phần cất ta có nồng độ của pha hơi tương ứng là ypcất = 0,512 xpcất + 0,473 = 0,512 x 0,635 + 0,473 = 0,798 (phân mol) Phần chưng : gọi xpchưng là nồng độ phân mol trung bình của cấu tử A trong pha lỏng của phần chưng x  x F 0,005  0,3 Ta có : xpchưng = W = =0,153 (phân mol) 2 2 Do đó ypchưng=2,108xpchưng – 0,0055 = 2,108 x 0,153 – 0,0055 = 0,317(phân mol) Tra đồ thị T-xy ta có nhiệt độ của pha hơi tương ứng là Từ ypcất = 0,798 (phân mol) TG(cất) = 82oC Từ ypchưng = 0,317 (phân mol) TG(chưng) = 103,3oC Khối lượng phân tử trung bình của pha hơi trong phần chưng và phần cất là Mpcất = ypcấtMA + (1-ypcất)MB = 0,798.58 +(1-0,798)60 = 58,404 (kg/kmol) Mpchưng = ypchưngMA + (1-ypchưng)MB =0,317.58 + (1-0,317)60 = 59,366 (kg/kmol) Giả thiết rằng hơi trong tháp là khí lý tưởng , khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng và phần cất là : Phần cất : M pcat .273 58,404.273 G(cất) = = = 2,005 (kg/m3) 22,4(TG ( cat )  273) 22,4(82  273) Phần chưng : M pchung .273 59,366.273 G(chưng) = = =1,923 (kg/m3) 22,4(TG ( chung )  273) 22,4(103,3  273) Do đó khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong toàn tháp là : G = ( G(cất) + G(chưng) )/2 =(2,005 + 1,923)/2 = 1,964 (kg/m3) b-Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng Ở đỉnh : ứng với xD= 0,97 tra đồ thị T-xy ta có TD = 56,96oC . Ở nhiệt độ này , khối lượng riêng của aceton và axit acetic là: A=749,3 (kg/m3) và B = 807,2(kg/m3) . Khối lượng riêng của sản phẩm đỉnh là L(đỉnh) = xD . A + (1- xD) B = 0,97.814,2 + (1-0,97)807,2 = 1083,95 (kg/m3) Ở đáy : ứng với xW= 0,005 tra đồ thị T-xy ta có TW = 117,3oC . Ở nhiệt độ này , khối lượng riêng của aceton và acid acetic là: A=668,78 (kg/m3) và B = 926,86(kg/m3) . Khối lượng riêng của sản phẩm đáy là L(đáy) = xW . A + (1- xW) B = 0,005. 668,78 + (1-0,005). 926,86= 925,57 (kg/m3) Do đó khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp tính gần đúng là : L =( L(đỉnh) + L(đáy))/2=(1083,95 + 925,57)/2=1004,76 (kg/m3) c-Vận tốc hơi trung bình trong toàn tháp Theo sổ tay tập II trang 175 công thức (IX-105) ta có (Gy)tb =0,065[] h G  L Trong đó y : vận tốc trung bình của pha hơi (m/s) G , L: khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng (kg/m3)
h: khoảng cách giữa các mâm (m). Giá trị h được chọn sao cho để giảm đến mức thấp nhất lượng lỏng bị hơi cuốn theo [] là hệ số có tính đến sức căng bề mặt Khi  < 20 (dyn/cm) thì [] = 0,8  > 20 (dyn/cm) thì [] = 1 Ở đây ta tra bảng có được  = 18,99 (dyn/cm) < 20 nên [] = 0,8 Chọn khoảng cách giữa các mâm là h=0,35 (m) Do đó (Gy)tb =0,065[] h G  L (1,958. y) = 0,065 .0,8 . 0,35.1,958.1004,76 y = 0,697 (m/s) d-Lưu lượng hơi qua tháp : Phương trình cân bằng vật chất cho bao hình ta có: gF + g y = L x + D gtl = Lx + D Phương trình cân bằng cho cấu tử dễ bay hơi ta có : gtl ytl = LxxF + DxD (2) Ở đây coi nhiệt độ trung bình trong toàn tháp là nhiệt độ trung bình của đỉnh và đáy tháp 56,96  117,3 T= = 87,13oC 2 -Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp : gđỉnh = D + Lo = D(R+1) = 15,439.(1,049 +1) = 31,635 (kmol/h) Cân bằng năng lượng ta có : gtlrtl = gđỉnhrđỉnh (3) với rtl = ytlrAMA + (1-ytl)rBMB = ytl.522,146.58 + (1-ytl).373,023.60 = 7903,088ytl +22381,38 (kj/kmol) rđỉnh = xDrAMA + (1-xD)rBMB = 0,97.522,146.58 + (1-0,97).373,023.60 =30047,375 (kj/kmol) Tóm lại ta có hệ phương trình sau : Lx = gtl –15,439 (1) gtl ytl = Lx.0,3 + 15,439.0,97 (2) gtl. (7903,088ytl +22381,38) = 31,635 . 30047,375 (3) gtl = 35,1 (kmol/h) ytl = 0,595 (mol) Lx = 19,661 (kmol/h) e-Lượng hơi vào phần chưng : Cân bằng vật chất và năng lượng ta có hệ sau : Lđáy = gđáy + W Lđáyxđáy = gđáyyđáy + WxW
gtlrtl = gđáyrđáy Với rđáy = yđáyrAMA + (1-yđáy)rBMB = 0,005.522,146.58 + (1-0,005)373,023.60 = 22420,9 (kj/kmol) Lđáy = gđáy + 35,066 Lđáyxđáy = 0,005gđáy + 0,175 22420,9.gđáy = 950556,524 Lđáy = 77,462 (kmol/h) gdáy = 42,396 (kmol/h) f-Lưu lượng hơi trung bình trong toàn tháp : -Lưu lượng hơi trung bình trong phần cất : g  g tl 31,635  35,1 gpcất = dinh = = 33,368 (kmol/h) 2 2 -Lưu lượng hơi trung bình trong phần chưng : g  g tl 42,396  35,1 gpchưng = day = =38,748(kmol/h) 2 2 -Lưu lượng hơi trung bình trong toàn tháp : g  g pcat 38,748  33,368 g = pchung = = 36,058 (kmol/h) 2 2 Ở nhiệt độ trung bình là 87,13oC thì lưu lượng hơi trung bình (m3/h) là : g.22,4.T 36,058.22,4(87,13  273) Qv = = =1065,482(m3/h) To 273 g-Đường kính tháp : Qv 1065,482 / 3600 D= = = 0,736 (m) 0,785 y 0,785.0,697 Dựa vào bảng đường kính tiêu chuẩn của các loại tháp chưng luyện ta chọn D = 0,8(m) h-Xác định số đĩa thực và chiều cao tháp : Tại đỉnh : Ta có xD = 0,97 TD = 56,96oC yD* = 0,998(phân mol) -Độ bay hơi tương đối : y * D (1  x D ) 0,998.(1  0,97) D = = =15,433 (1  y * D ) x D (1  0,998).0,97 -Độ nhớt động học Tại nhiệt độ đỉnh ta có : A = 0,235 (Cp) , B = 0,727 (Cp) lg = xDlgA + (1-xD)lgB lg = 0,97lg(0,235) + (1-0,97)lg(0,727) = -0,614  = 0,243 (Cp) Vậy DD = 15,433.0,243 = 3,754.Tra giản đồ Tập 3-Truyền khối trang 93 ta có E1 = 0,38 Tại đáy : Tương tự ta có :
Độ bay hơi tương đối : W = 3,277 Độ nhớt động học :  = 0,373 WW =1,223 E2 = 0,49 Tại mâm nhập liệu : Tương tự ta có : Độ bay hơi tương đối : F = 6,152 Độ nhớt động học :  = 0,390 FF =2,401 E3 = 0,42 i-Hiệu suất trung bình của toàn tháp : E  E 2  E 3 0,38  0,49  0, 42 E= 1 = =0,43 3 3 j-Số mâm thực tế : N 12 Nth= LT = = 29 (mâm) E 0,43 k- Số mâm thực tế phần cất : N 3 Nthpc= LTPC = = 7 (mâm) E 0,43 l- Số mâm thực tế phần chưng: Nthpch = Nth – Nthpc = 29 -7 = 22 (mâm) m-Chiều cao tháp : H = (Nth –1)h + Nth + (0,8-1) Chọn  :chiều dày mâm ( =4mm) , h:khoảng cách giữa các mâm (h=0,35m) Do đó : H = 28.0,35 + 29.0,004 + 0,8 = 10,7 (m) V-TÍNH CHÓP VÀ TRỞ LỰC CỦA THÁP : -Chọn đường kính trong của ống hơi theo tiêu chuẩn là: dh= 50(mm ) -Số chóp phân bố trên một mâm : Trong thực tế thường chọn tổng tiết diện ống hơi trên mỗi mâm =10% . tiết diện tháp nên ta có:  .d 2 h  .D 2 t n. = 0,1 4 4 2 D t 0,8 2 n = 0,1 2 = 0,1 = 25,6 d h 0,052 Chọn thiết kế n = 27 chóp / mâm -Chiều cao chóp trên ống dẫn hơi h2 = 0,25dh = 0,25.50 = 12,5(mm)
-Đường kính chóp : dch = d h 2  ( d h  2 ch ) 2 = 50 2  (50  2.2) 2 = 73,5(mm) -Khoảng cách từ chân chóp đến mặt mâm hsc : chọn hsc = 12,5(mm) -Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp hts = 15-40(mm) chọn hts=29(mm) -Chiều cao hình học của khe chóp : 2  y . .  y hso = g.  x Trong đó :  :hệ số trở lực của mâm chóp  = 1,5-2 , chọn  =2 y: vận tốc pha hơi (m/s) Qv 1065,482 / 3600 y = = = 5,59 (m/s) 0,785.d h .n 2 0,785.(0,05) 2 .27 x,y : Khối lượng riêng của pha lỏng và pha hơi (kg/m3) Do đó : 5,59 2.2.1,964 hso = = 0,0125(m) = 12,5(mm) 9,81.1004,76 chọn hso = 15,5 mm -Số lượng khe trên mỗi chóp : 2  dh 3,14 50 2 i= (d ch  )= (73,5  ) = 25 khe c 4hso 3 4.12,5 Với c:khoảng cách giữa các khe (3-4mm) . Chọn c=3 mm -Chiều rộng khe chóp được xác định từ liên hệ : i(c+a) = dch  .d ch  .73,5 a= -c= - 3 = 7 (mm) i 25 -Khoảng cách từ mâm đến chân ống chảy chuyền Chọn S1 = 28 (mm) -Chiều cao ống chảy chuyền hc = (hts + hso + hsc) - h + hsr Trong đó : h : chiều cao mực chất lỏng bên trên ống chảy chuyền . Chọn h = 17 (mm) Do đó : hc = (27 + 12,5 + 12,5 + 5) – 17 = 40 (mm) . -Bước tối thiểu của chóp trên mâm : tmin = dch + 2ch + l2 Trong đó : ch : bề dày của chóp (mm) .Chọn ch = 2(mm) l2 : khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp được xác định theo công thức sau : l2 = 12,5 + 0,25dch = 12,5 + 0,25.73,5 = 31 (mm) tmin = 73,5 + 2.2 + 31 = 108 (mm) -Chọn lỗ chóp hình chữ nhật , độ mở lỗ chóp được xác định theo công thức sau:
G Q hs = 7,55.( )1/ 3 .(hso ) 2 / 3 .( v ) 2 / 3  L  G Ss Trong đó : Qv : lưu lượng pha hơi (m3/s) Ss : tổng diện tích các lỗ chóp trên một mâm , m2 Ss = n.i.hso.a = 27.25.12,5.7.10 -6 = 0,059 (m2) Do đó : 1,964 1065,482 / 3600 2 / 3 hs=7,55 .( )1 / 3 .(12,5) 2 / 3 .( ) =14,9 (mm) 1004,76  1,964 0,059 -Phần trăm độ mở lỗ chóp : hs 14,9 .100%  .100%  96,13% hso 15,5 -Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn : Q how = 2,84.E.( L ) 2 / 3 Lw Trong đó: QL : lưu lượng lỏng (m3/h) E : hệ số hiệu chỉnh cho gờ chảy tràn Q L E = f( 2L, 5 , w ) Lw D Lw : chiều dài gờ chảy tràn Chọn Lw = 0,6D = 0,6.0.8 = 0,48 (m) Tính QL: -Lưu lượng lỏng phần chưng : M 59,366 Qch = (RD + F). pchung = (1,049.15,439 + 50,505). = 3,862 (m3/h)  L ,ch 1025,38 -Lưu lượng lỏng phần cất: M 58,404 Qcất = RD. cat =1,409.15,439. = 1,343 (m3/h)  L ,cat 946,19 Do đó : Qcat  Qchung 3,862  1,343 QL=   2,602 (m3/h) 2 2 Tra bảng phụ lục IX-22 –Sổ tay quá trình và thiết bị tập II trang 177 ta có : E=1,035 Do đó : 2,602 2 / 3 how = 2,84.1,035.( )  9,07 (mm) 0,48 -Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm :  = Cg.  / .m Trong đó : Cg : hệ số hiệu chỉnh cho suất lượng pha khí
QL Cg = f(1,34 ,0,82 w y  G ) Bm Bm: bề rộng trung bình của mâm A Bm = . Với A: phần diện tích mâm nằm giữa hai hình viên phân chảy chuyền l A = Smâm – 2Sd 2 D 0,8 2 Smâm =  t =  . =0,50265 (m2) 4 4 Sd : diện tích ống chảy chuyền hình viên phân Sd = SOAmB - SOAB 2 2 D L D 0,48 0,8 2 SOAmB=  t = arcsin w . t =arcsin . =0,103 (m2) 4 Dt 4 0,8 4 2 SOAB=h.Lw/2 = 0,32.0,48/2 = 0,0768 (m ) 2 2 L 0,482 (do h = Rt  w = 0,4 2  = 0,32 (m) 4 4 Do đó : Sd = 0,103 – 0,0768 = 0,0262 (m2) S 0,0262 Ta có : d   0,052 S mam 0,50265 Vậy diện tích hai phần ống chảy chuyền chiếm 10,5% tổng diện tích một mâm A = Smâm – 2Sd =0,50265 – 2.0,0262 = 0,45025 (m2) -Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn l = Dt – 2dw = 0,8 – 2.0,08 = 0,64 (m) A 0,45025 Do vậy Bm    0,7( m) l 0,64 Q 2,602 Giá trị : 1,34 L  1,34  4,981 Bm 0,7 0,82 w y  G = 0,82.0,697. 1,964 = 0,801 Tra giản đồ 5.10 tập 3-truyền khối trang 80 ta có : Cg =0,7 Tính  / : Ta có 4 / = f(hm,QL,Bm,hsc) Trong đó : hm : chiều cao mực chất lỏng trung bình trên mâm hm = hts + hsc + hsr + hso hts : khoảng cách từ mép trên khe chóp đến bề mặt chất lỏng (15-40mm) Chọn hts = 27 (mm) hsc : khoảng cách từ mép dưới chóp đến mâm (0-25 mm) Chọn hsc = 12,5 (mm) hsr : Khoảng cách từ mép dưới khe chóp đến mép dưới chóp . Chọn hsr = 5mm hso : chiều cao khe chóp hm = 27 + 12,5 + 5 + 15,5 = 60 (mm)
Tra giản đồ hình 5.13a-truyền khối tập 3 trang 81 ta có : 4 / = 6  / =1,5 m: số hàng chóp phải trải qua của pha lỏng m = 5  = 0,7.1,5.5 = 5,25 (mm) -Độ giảm áp của pha khí trên một mâm ht =hfv + hs + hss + how +/2 mm chất lỏng Trong đó : hfv : độ giảm áp do ma sát nội và biến đổi vận tốc khi pha khí thổi qua chóp lúc không có chất lỏng được xác định theo công thức sau:  Q hfv = 274 K ( G ) .( V ) 2 L   G Sr với Sr : tổng diện tích hơi của mỗi mâm , m2 2  .d h  .0,052 Sr =n.Srj = n. = 27.  0,053 (m2) 4 4 -Diện tích hình vành khăn giữa thân chóp và ống hơi   Saj = (d ch 2  d h 2 ) = (73,5 2  50 2 ).10 6  1,952.10 3 (m2) 4 4 S aj  1 . Tra đồ thị trang 83 truyền khối –Tập 3 ta có : K=0,65 S rj K: hệ số tổn thất áp suất cho tháp khô 1,964 0,296 2 hfv = 0,65.274. ( ).( ) =11 mm 1004,76  1,964 0,053 hss : chiều cao thủy tĩnh lớp chất lỏng trên khe chóp đến gờ chảy tràn Ta có : hw = hss + hso + hsr + hsc Mà : hm= hw + how + /2 hss = hw – ( hso + hsr + hsc ) = hm – ( how + /2 + hso + hsr + hsc ) hss = 60 - (9,07 + 5,25/2 + 15,5 +5 +12,5) = 20,31 (mm) Do đó : ht =hfv + hs + hss + how +/2 = 11 + 14,9 +20,31 + 9,07 + 5,25/2 = 57,9 (mm) -Kiểm tra sự hoạt động ổn định của mâm Điều kiện :   ( hfv + hs )/2 Ta có : (hfv + hs )/2 = (11+14,9)/2 =13 >  . Chứng tỏ mâm hoạt động ổn định -Chiều cao gờ chảy tràn : hw = hm – (how +/2) = 60 - (9,07 + 5,25/2) = 48,3 (mm) -Chiều cao mực chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền hd =hw + how + ht + hd’ +  (mm chất lỏng) Trong đó : hd’ : tổn thất thủy lực do dòng chảy từ trong ống chảy chuyền vào mâm Q 2,602 hd’ = 0,128 ( L ) 2 =0,128. ( ) 2 = 0,126 (mm) 100S d 100.0,0262 hd = 48,3 + 9,07 + 57,9 + 0,126 + 5,25 =120,6 (mm) Chiều cao hd là thông số để kiểm tra khoảng cách mâm . Nếu hd < H/2 thì mâm hoạt động bình thường không bị ngập lụt (H: khoảng cách giữa các mâm ) Vì H/2 = 175 > hd nên mâm hoạt động bình thường
-Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền : Để kiểm tra xem chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền có đều hay không và chất lỏng không va đập vào thành bình ta tính thông số dtw = 0,8 how .h o = 0,8 how ( H  hw  hd ) = 0,8 9,07(350  48,3  120,6) =40,1 dtw < 0,6.dw = 0,6.80 = 48 Điều này chứng tỏ chất lỏng không va đập thành bình và xem như chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền là đều -Độ lôi cuốn chất lỏng e = Le Trong đó : e: lượng chất lỏng bị lôi cuốn (mol/h) L :lượng chất lỏng chảy xuống (mol/h)  được xác định theo công thức thực nghiệm : L'  4203,615 2,815 1/ 2  = f( ' ( G )1/ 2 ) = f( ( ) )  f (0,073) G L 2,815.1204 795,8 hd 160,5 .100%  .100%  91,7% H /2 175 Tra giản đồ 5.15 trang 82 –truyền khối tập 3 ta có :  = 0,1  .L 0,1.4203,615 e   467(kg / h ) 1  0,9 -Tính toán trở lực của tháp chóp : Trở lực của tháp chóp được xác định theo công thức : p = Nt . pd Với : Nt: số đĩa thực pd : tổng trở lực của một đĩa (N/m2) pd =pk + p + pt pk : trở lực của đĩa khô được xác định theo công thức 2  y .wo pk =  . 2 Trong đó :  : hệ số trở lực thường  = 4,5-5 . Chọn  = 5 y: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m3) wo: vân tốc khí qua rãnh chóp được xác định theo công thức : Qv 0,296 wo  2 = = 5,59 (m/s) 0,785.d h .n 0,785.0,05 2.27 1,964.5,59 Do vậy : pk= 5.  27,43 (N/m2) 2 p : trở lực do sức căng bề mặt được xác định theo công thức sau: 4. p = d td Trong đó: : sức căng bề mặt (N/m).Tra sổ tay ta có  =18,99 (dyn/cm) = 18,99 .10 -3 (N/m)
4. f x 4.a.hso 4.2.15,5.10 6 dtd =   3 =3,5.10-3 (m) =3,5 mm  2(a  hso ) 2(2  15,5).10 4.18,99.10 3 Do vậy : p = 3 =21,7 (N/m2) 3,5.10 pt : trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) được xác định theo công thức pt =b.g.(hb – hso/2) (N/m2) Trong đó : b : khối lượng riêng của bọt b= (0,4-0,6) L Chọn b= 0,5.L=1004,76/2=502,38 (kg/m3) hb:chiều cao lớp bọt trên đĩa , m được xác định theo công thức : (h    h x )( F  1)  x  hx .  b . f  (hch  hx ). f .  b hb = c F . b Trong đó : hc:chiều cao phần chảy chuyền viên phân trên mâm ,m hx : chiều cao lớp chất lỏng không bọt trên mâm , m : chiều cao mực chất lỏng trên mâm , m F:phần bề mặt đĩa có gắn chóp , m2 f: tổng tiết diện của chóp trên đĩa , m2 f =0,785.dch2.n = 0,785.73,52.27.10-6 = 0,1145 m2 hch: chiều cao của chóp , m Ta có : hh=hsc + hsr + hso + hts - - h2 = 12,5 + 5 + 15,5 + 27- 5,25 –12,5 =42,25(mm) hch = hh +12,5 = 42,25 + 12,5 = 54,75 (mm) Do vậy : hb= (40  5,25  60).(0,45025  1).1004,76  60.502,38.0,1145  (54,75  60).0,1145.502,38 0,45025.502,38.1000 hb= 0,05 m =50 mm Vậy: pt = 502,38.9,81.(0,05 –0,0155/2) = 208,22 N/m2 pd = 27,43 + 21,7 + 208,22= 557,35 N/m 2 Trở lực của tháp chóp : p = Nt . pd = 29.557,35 =16163 N/m2 VI-TÍNH TOÁN CƠ KHÍ : a-Tính bề dày thân thiết bị : -Nhiệt độ tính toán trong tháp lấy bằng nhiệt độ cao nhất trong thiết bị : T = 117,3 oC. -Ap suất tính toán : tính cho trường hợp xấu nhất là chất lỏng dâng lên đầy tháp p= pmt + p +pcl = 105 + 16163 + 10,7.1004,76.9,81 = 221629,643 N/m2 = 0,222 N/mm2 -Điều kiện làm việc của thân tháp : chịu áp suất trong -Chọn vật liệu làm tháp là thép không gỉ với mác thép X18H10T Ở nhiệt độ 117,3oC tra giản đồ 1-2 trang 22-Chế tạo máy hóa chất ta có :
[]*=140 (N/mm2 ) -Ứng suất cho phép của vật liệu : [] = []* = 0,9.140 = 126 (N/mm2) Với  = 0,9 là hệ số hiệu chỉnh ( chọn cho thiết bị loại I-nhóm II) trang 26 –Chế tạo máy hóa chất –Thiết bị làm việc với chất độc hại , dễ cháy nổ , dễ cháy , khôngtiếp xúc trực tiếp với nguồn đốt nóng -Chọn hệ số bền mối hàn h = 0,95 Ta có : [ ] 126.0,95 h =  539,19  25 p 0,222 Do đó bề dày tối thiểu của thân được tính theo công thức : Dt . p 800.0, 222 S'    0,742 (mm) 2.[ ]. h 2.0,95.126 -Chọn hệ số bổ sung : + Do ăn mòn hóa học : Ca = 1 (mm ) + Quy tròn kích thước : Co =0,4 mm Bề dày thân : S = S’ + Ca + Co = 0,742 + 1 + 0,4 = 2,142 (mm) Để an toàn khi tính toán ta chọn S = 4 mm -Kiểm tra bền : S  Ca 4  1 +   3,75.10 3 < 0,1 Dt 800 +Áp suất tính toán cho phép : 2.[ ]. h .( S  C a ) 2.126.0,95.3 [p]=   0,894 (N/mm2) > p Dt  ( S  C a ) 800  3 b-Tính bề dày đáy nắp : -Chọn đáy nắp ellipse tiêu chuẩn , loại có gờ và làm bằng thép không gỉ X18H10T Tra sổ tay tập II trang 370 với Dt = 800 (mm) ta có : hB = 200 (mm) , h = 50(mm) -Chọn sơ bộ Sn = Sđ = Sth = 4 mm -Kiểm tra bền ta có : S  Ca 3 +   3,75.10 3 < 0,125 Dt 800 + Ap suất tính toán cho phép : 2.[ ]. h .( S  C a ) 2.126.0,95.3 [p]=   0,894 (N/mm2) > p Dt  ( S  C a ) 800  3 Vậy Sn = Sđ = 4 mm c-Tính bích cho thiết bị: Ta tính bích theo phương pháp tải trọng giới hạn : -Chọn vật liệu làm bích là thép CT3 , vật liệu làm bulông là CT4 Dựa vào sổ tay tập II-trang 408 ta chọn các thông số bích như sau :
Ký hiệu Dt Db D D1 h db Z mm 800 880 930 850 20 20 24 -Chọn bích liền kiểu phẳng Khi xiết bulông sẽ sinh ra lực nén chịu trục Q1 , lực này nhằm khắc phục tải trọng do áp suất bên trong thiết bị và áp suất phụ sinh ra ở trên đệm để giữ cho mối ghép được kín Q1 = Qa + Qk Trong đó : Qa : lực do áp suất trong thiết bị gây ra (N)   Qa = .Dt 2 . p  .0,8 2 .221629,643  111346,733 (N) 4 4 Qk : lực cần thiết để giữ được kín trong đệm. Qk = .Dtb.bo.m.p Trong đó : Dtb : đường kính trung bình của đệm -Chọn đường kính ngoài đệm Dn = 847 mm -Chọn đường kính trong đệm =827 mm 847  827 Dtb =  837 mm 2 -Bề rộng thật của đệm b = 20 mm bo : bề rộng tính toán của đệm , bo = (0,5-0,8)b . Chọn bo = 0,8b = 0,8.20=16mm m : hệ số áp suất riêng Chọn đệm loại paronit có bề dày o = 3 mm theo bảng 7-2 Hồ Lệ Viên trang 192 ta có : m=2 qo:áp suất riêng cần thiết để làm biến dạng dẻo đệm , qo=10 (N/mm2) Do đó : Qk = .0,837.0,016.2.221629,643 = 18639,443 (N) Q1 = Qa + Qk = 111346,733 + 18639,443 = 129986,176 (N) -Lực cần thiết để ép chặt đệm ban đầu: Q2 = .Dtb.bo. qo = .0,837.0,016.107 = 420722 (N) -Lực tác dụng lên các bulong : Q = max(Q1, Q2) = Q2 = 420722 (N) -Lực tác dụng lên một bulong: Q 420722 qb=   17530 (N) Z 24 -Kiểm tra việc chọn đường kính bulong: + Đường kính bulong được xác định theo công thức :
qb db = 1,13. [ ] ’ Với [] = ko. [ ] [’] : ứng suất cho phép của vật liệu làm bulong , được xác định theo bảng 7-5- Hồ Lệ Viên trang 194 ở T=117,3oC có giá trị là : [’] = 86 (N/mm2) ko: hệ số làm giảm ứng suất chọn theo bảng trang 193 –Hồ Lệ Viên –Chế tạo máy hoá chất ta có ko = 0,8 Do vậy : [] = ko. [’]= 0,8.86 = 68,8 (N/mm2) qb 17530 db = 1,13.  1,13.  18 mm [ ] 68,8 -Kiểm tra ứng suất : qb 17530     56 (N/mm2) < [’]  2  .d b .20 2 4 4 Nên việc chọn db = 20 mm là hoàn toàn phù hợp -Tính bề dày bích : Bề dày bích được xác định theo công thức : p l d [ ] t  0,41.Dn . {1  7,3. .[0,57.Z .( b ) 2 .  1]} [ bi ] Db Dn p 0,222 16,5 20 2 68,8 t  0,41.847. .{1  7,3. .[0,57.24.( ) .  1]}  19, 2mm 85,84 880 847 0,222 Trong đó : [bi] = ko. [bi’] = 0,8.107,3 = 85,84 (N/mm2) với [bi’] : ứng suất cho phép của vật liệu làm bích (tra ở bảng 7-6 –Hồ Lệ Viên) l: cánh tay đòn được xác định theo công thức : D  Dn 880  847 l b   16,5mm 2 2 Chọn t =18,5 mm d-Tính các đường ống dẫn : -Để tính đường kính tối ưu của các đường ống dẫn khí và lỏng , ta có tiêu chuẩn về vận tốc thích hợp của khí và lỏng trong đường ống : Vận tốc khí : 15-30 m/s Vận tốc dòng lỏng : 1-3 m/s -Đường kính ống dẫn được xác định theo công thức : Q d= 0,785.v Trong đó : Q : lưu lượng thể tích (m3/s) v : vận tốc dòng lỏng hoặc khí (m/s)-chọn theo bảng II-2 -Sổ tay tập I trang 369 d: đường kính ống dẫn – Chọn theo bảng XIII-32-Sổ tay tập II trang 422