Chưng cất hỗn hợp Methanol-Nước

LÔØI MÔÛ ÑAÀU Coâng ngheä hoùa hoïc laø moät trong nhöõng ngaønh ñoùng goùp raát lôùn trong söï phaùt trieån cuûa neàn coâng nghieäp nöôùc ta.Trong ngaønh saûn xuaát hoùa chaát cuõng nhö söû duïng saûn phaåm hoùa hoïc, nhu caàáu söû duïng nguyeân lieäu coù ñoä tinh khieát cao phaûi phuø hôïp vôùi qui trình saûn xuaát hoaëc nhu caàu söû duïng. Ngaøy nay, caùc phöông phaùp ñöôïc suû duïng ñeå naâng cao ñoä tinh khieát laø: chöng caát, trích ly, coâ ñaëc, haáp thu ….Tuøy theo ñaëc tính saûn phaåm maø ta löïa choïn phöông phaùp thích hôïp. Heä methanol – nöôùc laø 2 caáu töû tan laãn hoaøn toaøn, ta duøng phöông phaùp chöng caát ñeå naâng cao ñoä tinh khieát cho methanol. Ñoà aùn moân hoïc Quaù trình vaø Thieát bò laø moät moân hoïc mang tính toång hôïp trong quaù trình hoïc taäp cuûa caùc kyõû sö hoaù- thöï c phaåm töông lai. Moân hoïc giuùp sinh vieân giaûi quyeát nhieäm vuï tính toaùn cuï theå veà: yeâu caàu coâng ngheä, keát caáu, giaù thaønh cuûa moät thieát bò trong saûn xuaát hoaù chaát - thöïc phaåm. Ñaây laø böôùc ñaàu tieân ñeå sinh vieân vaän duïng nhöõng kieán thöùc ñaõ hoïc cuûa nhieàu moân hoïc vaøo giaûi quyeát nhöõng vaán ñeà kyõû thuaät thöïc teá moät caùch toång hôïp. Em chaân thaønh caûm ôn thaày Mai Thanh Phong vaø caùc quí thaày coâ boä moân Maùy & Thieát Bò, caùc baïn sinh vieân ñaõ giuùp em hoaøn thaønh ñoà aùn naøy. Tuy nhieân, trong quaù trình hoaøn thaønh ñoà aùn khoâng theå khoâng coù sai soùt, em raát mong quí thaày coâ goùp yù, chæ daãn. Tp HCM, ngaøy 18.1.2010CHÖÔNG 1 Toång quan Giôùi thieäu veà nguyeân lieäu 1. Methanol Methanol coøn goïi laø röôïu goã, coù coâng thöùc hoùa hoïc CH3OH. Laø chaát loûng khoâng maøu, deã bay hôi vaø raát ñoäc. Caùc thoâng soá cuûa methanol: Phaân töû löôïng: 32,04 g/mol. Khoái löôïng rieâng: 0,7918 g/cm3. Nhieät ñoä noùng chaûy: -97oC (176K). Nhieät ñoä soâi: 64,5oC ( 337,8K). Ñoä nhôùt: 0,59 Ns/m2 ôû 20oC. 1.1. ÖÙng duïng Methanol ñöôïc duøng laøm chaát choáng ñoâng, laøm dung moâi, laøm nhieân lieäu cho ñoäng cô ñoát trong, nhöng öùng duïng lôùn nhaát laø laøm nguyeân lieäu ñeå saûn xuaát caùc hoùa chaát khaùc. Khoaûng 40% metanol ñöôïc chuyeån thaønh forml dehyde, töø ñoù saûn xuaát ra chaát deûo, sôn…Caùc hoùa chaát khaùc ñöôïc daãn xuaát töø metanol bao goàm dimeylete… 1.2. Saûn xuaát Methanol ñöôïc sinh ra töø söï trao ñoåi chaát yeám khí cuûa 1 vaøi loaøi vi khuaån. Keát quaû laø 1 löôïng nhoû hôi methanol ñöôïc taïo thaønh trong khoâng khí. Vaø sau vaøi ngaøy khoâng khí coù chöùa methanol seõ bò oxy hoaù bôûi O2 döôùi taùc duïng cuûa aùnh saùng chuyeån thaønh CO2 vaø H2O theo phöông trình: 2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O Hieän nay methanol ñöôïc saûn xuaát baèng caùch toång hôïp tröïc tieáp töø H2 vaø CO, gia nhieät ôû aùp suaát thaáp coù maët chaát xuùc taùc. 2. Nöôùc Trong ñieàu kieän bình thöôøng: nöôùc laø chaát loûng khoâng maøu, khoâng muøi, khoâng vò nhöng khoái nöôùc daøy seõ coù maøu xanh nhaït. Khi hoùa raén noù coù theå toàn taïi ôû daïng 5 daïng tinh theå khaùc nhau. Tính chaát vaät lyù: - Khoái löôïng phaân töû : 18 g / mol - Khoái löôïng rieâng d4oC : 1 g / ml - Nhieät ñoä noùng chaûy : 00C - Nhieät ñoä soâi : 1000 C Nöôùc laø hôïp chaát chieám phaàn lôùn treân traùi ñaát (3/4 dieän tích traùi ñaát laø nöôùc bieån) vaø raát caàn thieát cho söï soáng. Nöôùc laø dung moâi phaân cöïc maïnh, coù khaû naêng hoaø tan nhieàu chaát vaø laø dung moâi raát quan troïng trong kyõ thuaät hoùa hoïc. 3. Hoãn hôïp Methanol-nöôùc Ta coù baûng caân baèng loûng-hôi cho hoãn hôïp methanol-nöôùc ôû 1 atm Baûng 1 toC  100  92,3  87,7  81,7  78  75,3  73,1  71,2  69,3  67,5  66  64,5   x  0  5  10  20  30  40  50  60  70  80  90  100   y  0  26,8  41,8  57,9  66,5  72,9  77,9  82,5  87  91,5  95,8  100   ÔÛ ñaây x laø thaønh phaàn loûng y laø thaønh phaàn hôi Lyù thuyeát veà chöng caát: 1. Khaùi nieäm: Chöng caát laø quaù trình duøng ñeå taùch caùc caáu töû cuûa moät hoãn hôïp loûng (cuõng nhö hoãn hôïp khí loûng) thaønh caùc caáu töû rieâng bieät döïa vaøo ñoä bay hôi khaùc nhau cuûa caùc caáu töû trong hoãn hôïp (nghóa laø khi ôû cuøng moät nhieät ñoä, aùp suaát hôi baõo hoøa cuûa caùc caáu töû khaùc nhau). Thay vì ñöa vaøo trong hoãn hôïp moät pha môùi ñeå taïo neân söï tieáp xuùc giöõa hai pha nhö trong quaù trình haáp thu hoaëc nhaû khí, trong quaù trình chöng caát pha môùi ñöôïc taïo neân baèng söï boác hôi hoaëc ngöng tuï. Trong tröôøng hôïp ñôn giaûn nhaát, chöng caát vaø coâ ñaëc khoâng khaùc gì nhau, tuy nhieân giöõa hai quaù trình naøy coù moät ranh giôùi cô baûn laø trong quaù trình chöng caát dung moâi vaø chaát tan ñeàu bay hôi (nghóa laø caùc caáu töû ñeàu hieän dieän trong caû hai pha nhöng vôùi tyû leä khaùc nhau), coøn trong quaù trình coâ ñaëc thì chæ coù dung moâi bay hôi coøn chaát tan khoâng bay hôi. Khi chöng caát ta thu ñöôïc nhieàu caáu töû vaø thöôøng thì heä coù bao nhieâu caáu töû seõ thu ñöôïc baáy nhieâu saûn phaåm. Neáu xeùt heä ñôn giaûn chæ coù 2 caáu töû thì ta thu ñöôïc 2 saûn phaåm: + Saûn phaåm ñænh chuû yeáu goàm caáu töû coù ñoä bay hôi lôùn vaø moät phaàn raát ít caùc caáu töû coù ñoä bay hôi beù. + Saûn phaåm ñaùy chuû yeáu goàm caáu töû coù ñoä bay hôi beù vaø moät phaàn raát ít caáu töû coù ñoä bay hôi lôùn. Vaäy ñoái vôùi heä methanol - nöôùc thì: - Saûn phaåm ñænh chuû yeáu laø methanol. - Saûn phaåm ñaùy chuû yeáu laø nöôùc. 2. Caùc phöông phaùp chöng caát: 2.1. Phaân loaïi theo aùp suaát laøm vieäc - AÙp suaát thaáp - AÙp suaát thöôøng - AÙp suaát cao 2.2. Phaân loaïi theo nguyeân lyù laøm vieäc - Chöng caát ñôn giaûn - Chöng baèng hôi nöôùc tröïc tieáp - Chöng caát ña caáu töû 2.3. Phaân loaïi theo phöông phaùp caáp nhieät ôû ñaùy thaùp - Caáp nhieät tröïc tieáp - Caáp nhieät giaùn tieáp Vaäy ñoái vôùi heä methanol - nöôùc, ta neân choïn phöông phaùp chöng caát lieân tuïc caáp nhieät giaùn tieáp. 3. Thieát bò chöng caát: Trong saûn xuaát thöôøng duøng nhieàu loaïi thieát bò khaùc nhau ñeå tieán haønh chöng caát. Tuy nhieân yeâu caàu cô baûn chung cuûa caùc thieát bò vaãn gioáng nhau nghóa laø dieän tích beà maët tieáp xuùc pha phaûi lôùn, ñieàu naøy phuï thuoäc vaøo möùc ñoä phaân taùn cuûa moät löu chaát naøy vaøo löu chaát kia. Neáu pha khí phaân taùn vaøo pha loûng ta coù caùc loaïi thaùp maâm, neáu pha loûng phaân taùn vaøo pha khí ta coù thaùp cheâm, thaùp phun,… ÔÛ ñaây ta khaûo saùt 2 loaïi thöôøng duøng laø thaùp maâm vaø thaùp cheâm. - Thaùp maâm: thaân thaùp hình truï, thaúng ñöùng phía trong coù gaén caùc maâm coù caáu taïo khaùc nhau, treân ñoù pha loûng vaø pha hôi ñöôïc cho tieáp xuùc vôùi nhau. Tuøy theo caáu taïo cuûa ñóa, ta coù: - Thaùp maâm choùp : treân maâm boá trí coù choùp daïng troøn, xupap, chöõ s… - Thaùp maâm xuyeân loã: treân maâm coù nhieàu loã hay raõnh - Thaùp cheâm (thaùp ñeäm): thaùp hình truï, goàm nhieàu baäc noái vôùi nhau baèng maët bích hay haøn. Vaät cheâm ñöôïc cho vaøo thaùp theo moät trong hai phöông phaùp: xeáp ngaãu nhieân hay xeáp thöù töï. So saùnh öu nhöôïc ñieåm cuûa caùc loaïi thaùp:  Thaùp cheâm  Thaùp maâm xuyeân loã  Thaùp maâm choùp   Öu ñieåm  - Caáu taïo khaù ñôn giaûn. - Trôû löïc thaáp. - Laøm vieäc ñöôïc vôùi chaát loûng baån.  - Trôû löïc töông ñoái thaáp. - Hieäu suaát khaù cao.  - Khaù oån ñònh. - Hieäu suaát cao.   Nhöôïc ñieåm  - Do coù hieäu öùng thaønh neân hieäu suaát truyeàn khoái thaáp. - Ñoä oån ñònh thaáp, khoù vaän haønh. - Khoù taêng naêng suaát. - Thieát bò khaù naëng neà.  - Khoâng laøm vieäc ñöôïc vôùi chaát loûng baån. - Keát caáu khaù phöùc taïp.  - Coù trôû löïc lôùn. - Tieâu toán nhieàu vaät tö, keát caáu phöùc taïp.   Trong baùo caùo naøy ta söû duïng thaùp maâm xuyeân loã ñeå chöng caát heä methanol - nöôùc. CHÖÔNG 2 Quy trình coâng ngheä 1. Thuyeát minh quy trình coâng ngheä: Hoãn hôïp methanol - nöôùc coù noàng ñoä nhaäp lieäu methanol 10% (theo phaàn hoái löôïng), nhieät ñoä khoaûng 280C taïi bình chöùa nguyeân lieäu (13) ñöôïc bôm (1) bôm leân boàn cao vò (2). Töø ñoù ñöôïc ñöa ñeán thieát bò trao ñoåi nhieät vôùi saûn phaåm ñaùy (12). Sau ñoù, hoãn hôïp ñöôïc gia nhieät ñeán nhieät ñoä soâi trong thieát bò ñun soâi doøng nhaäp lieäu (3), roài ñöôïc ñöa vaøo thaùp chöng caát (5) ôû ñóa nhaäp lieäu. Treân ñóa nhaäp lieäu, chaát loûng ñöôïc troän vôùi phaàn loûng töø ñoaïn luyeän cuûa thaùp chaûy xuoáng. Trong thaùp, hôi ñi töø döôùi leân gaëp chaát loûng töø treân xuoáng. ÔÛ ñaây, coù söï tieáp xuùc vaø trao ñoåi giöõa hai pha vôùi nhau. Pha loûng chuyeån ñoäng trong phaàn chöng caøng xuoáng döôùi caøng giaûm noàng ñoä caùc caáu töû deã bay hôi vì ñaõ bò pha hôi taïo neân töø hôi nöôùc ñöôïc caáp tröïc tieáp vaøo ñaùy thaùp loâi cuoán caáu töû deã bay hôi. Nhieät ñoä caøng leân treân caøng thaáp, neân khi hôi ñi qua caùc ñóa töø döôùi leân thì caáu töû coù nhieät ñoä soâi cao laø nöôùc seõ ngöng tuï laïi, cuoái cuøng treân ñænh thaùp ta thu ñöôïc hoãn hôïp coù caáu töû methsanol chieám nhieàu nhaát (coù noàng ñoä 95% phaàn khoái löôïng). Hôi naøy ñi vaøo thieát bò ngöng tuï (7) vaø ñöôïc ngöng tuï hoaøn toaøn. Moät phaàn cuûa chaát loûng ngöng tuï ñöôïc hoaøn löu veà thaùp ôû ñóa treân cuøng. Phaàn coøn laïi ñöôïc laøm nguoäi ñeán 400C, roài ñöa veà bình chöùa saûn phaåm ñænh. Moät phaàn caáu töû coù nhieät ñoä soâi thaáp ñöôïc boác hôi, coøn laïi caáu töû coù nhieät ñoä soâi cao trong chaát loûng ngaøy caøng taêng. Cuoái cuøng, ôû ñaùy thaùp ta thu ñöôïc hoãn hôïp loûng haàu heát laø caùc caáu töû khoù bay hôi (nöôùc). Hoãn hôïp loûng ôû ñaùy coù noàng ñoä methanol laø 1,5% phaàn khoái löôïng, coøn laïi laø nöôùc. Dung dòch loûng ôû ñaùy ñi ra khoûi thaùp ñi vaøo thieát bò trao ñoåi nhieät vôùi doøng nhaäp lieäu, roài ñöôïc ñöa qua boàn chöùa saûn phaåm ñaùy (11). Heä thoáng laøm vieäc lieân tuïc cho ra saûn phaåm ñænh laø methanol. Saûn phaåm ñaùy laø nöôùc sau khi trao khi trao ñoåi nhieät vôùi doøng nhaäp lieäu ñöôïc thaûi boû ôû nhieät ñoä 600C. Chuù thích caùc kí hieäu trong qui trình: 1. Boàn chöùa nguyeân lieäu 2. Bôm 3. Boàn cao vò 4. Thieát bò trao ñoåi nhieät. 5. Thieát bò ñun soâi doøng nhaäp lieäu 6. Löu löôïng keá. 7. Thaùp chöng 8. Thieát bò ñun saûn phaåm ñaùy 9. Boàn chöùa saûn phaåm ñænh. 10. Thieát bò ngöng tuï saûn phaåm ñænh 11. Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh 12. Baåy hôi 13. Boàn chöùa saûn phaåm ñaùy CHÖÔNG 3 TÍNH TOAÙN SÔ BOÄ I. Caùc thoâng soá ban ñaàu: - Choïn loaïi thaùp laø thaùp maâm xuyeân loã. Thieát bò hoaït ñoäng lieân tuïc. - Khi chöng luyeän dung dòch metanol thì caáu töû deã bay hôi laø metanol. - Hoãn hôïp:
+ Methanol: CH3OH,R = 32 (g/mol) + Nöôùc: H2O,MN = 18 (g/mol) Naêng suaát nhaäp lieäu: GF = 1000 (l/h) Noàng ñoä nhaäp lieäu:
= 10% (kg Methanol/ kg hoãn hôïp) Noàng ñoä saûn phaåm ñænh:
= 95% (kg Methanol/ kg hoãn hôïp) Noàng doä saûn phaåm ñaùy:
= 1,5% (kg Methanol/ kg hoãn hôïp) Choïn: - Nhieät ñoä nhaäp lieäu ban ñaàu: tBÑ = 28oC - Nhieät ñoä saûn phaåm ñænh sau khi laøm nguoäi: tPR = 60oC - Nhieät ñoä doøng nöôùc laïnh ñi vaøo: tV = 28oC - Nhieät ñoä doøng nöôùc laïnh ñi ra: tR = 40oC - Traïng thaùi nhaäp lieäu vaøo thaùp chöng caát laø traïng thaùi loûng soâi. Caùc kyù hieäu: GF, F: suaát löôïng nhaäp lieäu tính theo kg/h, kmol/h. GP, P: suaát löôïng saûn phaåm ñænh tính theo kg/h, kmol/h. GW, W: suaát löôïng saûn phaåm ñaùy tính theo kg/h, kmol/h. L : suaát löôïng doøng hoaøn löu, kmol/h. xi,
: noàng ñoä phaàn mol, phaàn khoái löôïng cuûa caáu töû i. II. Caân baèng vaät chaát: 1. Noàng ñoä phaàn mol cuûa Methanol trong thaùp


Töø soá lieäu cuûa baûng 1 ta xaây döïng ñoà thò t-x,y cho heä Methnol- nöôùc
Ñoà thò 1 ñoà thò t-x,y cho heä Methnol- nöôùc Do ta choïn traïng thaùi nhaäp lieäu vaøo thaùp chöng caát laø traïng thaùi loûng soâi neân töø ñoà thò 1 treân, taïi xF = 0.0588 ta noäi suy ra nhieät ñoä nhaäp lieäu vaøo thaùp chöng caát laø TF = 91,50C Tra baûng 1.249, trang 310, {1} ta ñöôïc
= 964,25 kg/m3 Tra baûng 1.2, trang 9, {1} ta ñöôïc
= 722.19 kg/m3 Suy ra khoái löôïng rieâng cuûa hoãn hôïp khi nhaäp lieäu vaøo thaùp


kg/m3 Suy ra GF = 933,0 kg/h Ta coù
kg/kmol Neân
kmol/h 2. Suaát löôïng mol cuûa caùc doøng - Phöông trình caân baèng vaät chaát cho toaøn thaùp F = P + W F.xF = P.xP + W.xW - Theá caùc giaù trò vaøo ta ñöôïc heä phöông trình sau

P = 2,67 kmol/h W= 45,42 kmol/h - Laïi coù
kg/kmol
kg/kmol - Suy ra GP = P.MP = 2,67.31,30 = 83,57 kg/h GW = W.MW = 45,42.18,21 = 827,1 kg/h 3. Caùc phöông trình laøm vieäc - Töø baûng soá lieäu 1 ta xaây döïng ñoà thì caân baèng pha cuûa heä Methanol-nöôùc ôû aùp suaát 1atm - Vôùi xF = 0,0588 ta noäi suy töø ñoà thò 2 ñöôïc
= 0,295 + Tæ soá hoaøn löu toái thieåu Rmin
+ Tæ soá hoaøn löu laøm vieäc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3.2,62 + 0.3 = 3,71 + Suaát löôïng mol töông ñoái cuûa doøng nhaäp lieäu
Phöông trình ñöôøng laøm vieäc cuûa phaàn chöng:
Hay
Phöông trình ñöôøng laøm vieäc cuûa phaàn luyeän:
Hay

Ñoà thò 2: ñoà thì caân baèng pha cuûa heä Methanol-nöôùc ôû aùp suaát 1atm CHÖÔNG 4: Thieát keá cheá taïo thaùp chöng caát Ñöôøng kính thaùp: 1. Phaàn luyeän: a. Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha loûng trong phaàn luyeän: - Noàng ñoä phaàn mol trung bình cuûa pha loûng trong phaàn luyeän:
mol - Noäi suy töø ñoà thò 1 ta ñöôïc nhieät ñoä trung bình cuûa pha loûng trong phaàn luyeän TLL = 73,4 oC - Noàng ñoä phaàn khoái löôïng trung bình cuûa pha loûng trong luyeän:
- Tra baûng 1.249, trang 311, [1] Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc ôû 73,4oC:
N = 975,76 kg/m3 - Tra baûng 1.2, trang 9, [1] Khoái löôïng rieâng cuûa metanol ôû 73,4oC:
R = 739,77 kg/m3 - AÙp duïng trong coâng thöùc (1.2), trang 5, [1]

LL = 835,78 kg/m3 b. Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi trong phaàn luyeän: - Noàng ñoä trung bình cuûa pha hôi trong phaàn luyeän: yL = 0,788xL + 0.194 = 0,788.0,4866 + 0.194 = 0,5775  Nhieät ñoä trung bình cuûa pha hôi trong phaàn luyeän: THL = 81,6 oC - Khoái löôïng mol trung bình cuûa pha hôi trong phaàn luyeän: MHL = yL. MR + (1 – yL). MN = 0,5775.32 + (1 – 0,5775). 18 = 26,085 kg/kmol - Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi trong phaàn luyeän:
- Choïn khoaûng caùch maâm h = 250 mm - Tra hình 2.2, trang 42,[6]: C = 0,028 - Vaän toác pha hôi ñi trong phaàn luyeän
Löu löôïng pha hôi ñi trong phaàn luyeän cuûa thaùp:
Ñöôøng kính ñoaïn luyeän
2. Phaàn chöng: a. Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha loûng trong phaàn chöng: - Noàng ñoä phaàn mol trung bình cuûa pha loûng trong phaàn chöng:
(mol metanol/mol hoãn hôïp) - Nhieät ñoä trung bình cuûa pha loûng trong phaàn chöng: TLC = 94,6 oC - Noàng ñoä phaàn khoái löôïng trung bình cuûa pha loûng trong luyeän:
kg metanol/ kg hoãn hôïp - Tra baûng 1.249, trang 311, [1] Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc ôû 94,6oC:
N = 962,78 kg/m3 - Tra baûng 1.2, trang 9, [1] Khoái löôïng rieâng cuûa metanol ôû 94,6oC:
R = 719,18 kg/m3 - AÙp duïng trong coâng thöùc (1.2), trang 5, [1]

LC = 941,39 (kg/m3). b. Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi trong phaàn chöng - Noàng ñoä trung bình cuûa pha hôi trong phaàn chöng yC = 4,61xC - 0,031 = 4,61.0,034 – 0,031 = 0,126  Nhieät ñoä trung bình cuûa pha hôi trong phaàn chöng: THC = 96,4 oC - Khoái löôïng mol trung bình cuûa pha hôi trong phaàn chöng MHC = yC. MR + (1 – yC). MN = 0,126.32 + (1 – 0,126). 18 = 19,76 kg/kmol - Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi trong phaàn chöng:
- Choïn khoaûng caùch maâm h = 250 mm - Vaän toác pha hôi ñi trong phaàn chöng: - Tra hình 2.2, trang 42,[6]: C = 0,028
- Löu löôïng pha hôi ñi trong thaùp:
- Ñöôøng kính ñoaïn chöng
Tra baûng IX.4a, trang 169, [2], ta choïn theo chuaån D 400mm Keát luaän: ñöôøng kính thaùp laø D4m Vaän toác pha hôi trong thaùp theo thöïc teá:

Chieàu cao thaùp: 1. Soá maâm lyù thuyeát Ta döïng ñoà thò 2 ñöôøng laøm vieäc vaøo trong ñoà thò 2 (ñoà thò caân baèng pha).
Ñoà thò 3: Ñoà thò xaùc ñònh soá baäc lyù thuyeát cuûa thaùp Töø ñoà thò 3 ôû treân ta suy soá maâm lyù thuyeát cuûa thaùp laø Nlt = 10 maâm. Nhöng do ta duøng thieát bò ñun noùng giaùn tieáp neân ta xem thieát bò naøy nhö laø 1 maâm lyù thuyeát Vaäy soá maâm trong thaùp laø 9 maâm, trong ñoù + Soá maâm phaàn chöng laø 5 + Soá maâm phaàn luyeän laø 4 2. Xaùc ñònh soá maâm thöïc teá cuûa thaùp a. Hieäu suaát trung bình cuûa thaùp + Vò trí ñænh Noàng ñoä phaàn mol: xP = 0,9144
tsoâi = 65,8oC
= 0,972 Ñoä bay hôi töông ñoái:
Tra baûng 1.104, trang 96, [1]  Ñoä nhôùt cuûa nöôùc N = 0,432 cP  Duøng toaùn ñoà 1.18, trang 90, [1]  Ñoä nhôùt cuûa metanol R = 0,325 cP Coâng thöùc (I.12), trang 84, [1] Ñoä nhôùt cuûa hoãn hôïp loûng: lghh = x1lg1 + x2lg2 Neân: lghh = 0,9144.lg0,325 + (1 – 0,9144).lg0,432 = -0,478  hh = 0,333 cP  LL = 3,250.0,333 = 1,082 Tra hình IX, trang 171, [2]  E = 46% + Vò trí nhaäp lieäu Noàng ñoä phaàn mol: xF = 0,0588
tsoâi = 91,5oC
= 0,305 Ñoä bay hôi töông ñoái:
Tra baûng 1.104, trang 96, [1]  Ñoä nhôùt cuûa nöôùc N = 0,312 cP  Duøng toaùn ñoà 1.18, trang 90, [1]  Ñoä nhôùt cuûa metanol R = 0,245 cP Coâng thöùc (I.12), trang 84, [1] Ñoä nhôùt cuûa hoãn hôïp loûng: lghh = x1lg1 + x2lg2 Neân: lghh = 0,0588.lg0,245 + (1 – 0,0588).lg0,312 = -0,512  hh = 0,308 cP  LL = 7,025.0,308 = 2,161 Tra hình IX, trang 171, [2]  E = 41% + Vò trí ñaùy: Noàng ñoä phaàn mol: xP = 0,0085
tsoâi = 98,5oC
= 0,052 Ñoä bay hôi töông ñoái:
Tra baûng 1.104, trang 96, [1]  Ñoä nhôùt cuûa nöôùc N = 0,289 cP  Duøng toaùn ñoà 1.18, trang 90, [1]  Ñoä nhôùt cuûa metanol R = 0,215 cP Coâng thöùc (I.12), trang 84, [1] Ñoä nhôùt cuûa hoãn hôïp loûng: lghh = x1lg1 + x2lg2 Neân: lghh = 0,0085.lg0,215 + (1 – 0,0085).lg0,289 = -0,541  hh = 0,288 cP  LL = 6,40.0,288 = 1,842 Tra hình IX, trang 171, [2]  E = 43% + Hieäu suaát trung bình cuûa thaùp
b. Chieàu cao thaùp - Soá maâm thöïc teá cuûa thaùp
maâm Trong ñoù
maâm
maâm Chieàu cao toaøn thaùp: Söû duïng coâng thöùc IX.54, trang 169, [2] Hthaùp = Ntt.(hmaâm +  ) = 21.( 0,25 + 0,002 ) + 0,8 = 6,092 m - Choïn ñaùy (naép) tieâu chuaån coù
suy ra ht = 0,25.D = 0,25.0,4 = 0,10 m - Choïn chieàu cao gôø: hg = 25 mm = 0,025 m - Chieàu cao ñaùy (naép): Hñn = ht + hg = 0,1 + 0,025 = 0,125 m Keát luaän: Chieàu cao toaøn thaùp: H = 6,34 m Trôû löïc thaùp: Caáu taïo maâm loã: + Choïn thaùp maâm xuyeân loã coù oáng chaûy chuyeàn vôùi: - Tieát dieän töï do baèng 8% dieän tích maâm. - Ñöôøng kính loã dl = 3 mm = 0,003 m - Chieàu cao gôø chaûy traøn: hgôø = 30mm = 0,03 m - Dieän tích cuûa 2 baùn nguyeät baèng 20% dieän tích maâm. - Loã boá trí theo hình luïc giaùc ñeàu. - Khoaûng caùch giöõa 2 taâm loã baèng 15 mm. - Beà daøy maâm baèng 2 mm - Maâm ñöôïc laøm baèng theùp khoâng gæ X18H10T. + Soá loã treân 1 maâm: N =
= 1422 loã Goïi a laø soá hình luïc giaùc. AÙp duïng coâng thöùc (V.139), trang 48, [2]: N = 3a(a-1) +1 Giaûi phöông trình baäc 2  a = 22,3  23  N = 1519 loã Soá loã treân ñöôøng cheùo: b = 2a - 1 = 43 loã 2. Trôû löïc cuûa ñóa khoâ: AÙp duïng coâng thöùc (IX.140), trang 194, [2]:
Ñoái vôùi ñóa coù tieát dieän töï do baèng 10% dieän tích maâm thì  = 1,82 2.1. Phaàn luyeän Vaän toác hôi qua loã:
m/s Neân: PkL =
N/m2 2.2. Phaàn chöng Vaän toác hôi qua loã:
m/s Neân:
N/m2 3. Trôû löïc do söùc caêng beà maët Vì ñóa coù ñöôøng kính loã > 1mm  Aùp duïng coâng thöùc (IX.142), trang 194, [2]:
3.1. Phaàn luyeän Taïi nhieät ñoä trung bình cuûa pha loûng trong phaàn luyeän TLL = 73,4oC thì:  Tra baûng 1.249, trang 310, [1]  Söùc caêng beà maët cuûa nöôùc NL = 0,6334 N/m  Tra baûng 1.242, trang 300, [1]  Söùc caêng beà maët cuûa röôïu RL = 0,0184 N/m Aùp duïng coâng thöùc (I.76), trang 299, [1]:

N/m
N/m2 3.2. Phaàn chöng Tính toaùn töông töï nhö phaàn luyeän Taïi nhieät ñoä trung bình cuûa pha loûng trong phaàn luyeän TLL = 94,6oC thì:  Tra baûng 1.249, trang 310, [1]  Söùc caêng beà maët cuûa nöôùc NL = 0,5964 N/m  Tra baûng 1.242, trang 300, [1]  Söùc caêng beà maët cuûa röôïu RL = 0,0160 N/m Aùp duïng coâng thöùc (I.76), trang 299, [1]:

N/m
N/m2 4. Trôû löïc thuûy tónh do chaát loûng treân ñóa taïo ra: Aùp duïng coâng thöùc trang 68, [3] Pb = 1,3hbKLg Vôùi: hb = hgôø + hl
Trong ñoù: Lgôø : chieàu daøi cuûa gôø chaûy traøn, m K = b/L : tyû soá giöõa khoái löôïng rieâng chaát loûng boït vaø khoái löôïng rieâng cuûa chaát loûng, laáy gaàn baèng 0,5.
: suaát löôïng theå tích cuûa pha loûng, m3/s. Tính chieàu daøi gôø chaûy traøn:
Ta coù: Squaït - S = Sbaùn nguyeät
  - sin = 0,2 Duøng pheùp laëp   = 1,627 rad = 93,32o Neân Lgôø =
4.1. Phaàn luyeän: Khoái löôïng mol trung bình cuûa pha loûng trong phaàn luyeän: MLL = 0,4866.32 + (1 – 0,4866).18 = 24,81 kg/kmol Suaát löôïng theå tích cuûa pha loûng trong phaàn luyeän: QLL =
m3/s
m Cho ta: PbL = 1,3.(hgôø + hlL).KLLg = 1,3.(0,03 + 0,0045). 0,5. 835,78. 9,81 = 183,86 N/m2 4.2. Phaàn chöng Tính toaùn töông töï nhö phaàn luyeän Khoái löôïng mol trung bình cuûa pha loûng trong phaàn luyeän: MLC = 0,034.32 + (1 – 0,034).18 = 16,54 kg/kmol Suaát löôïng theå tích cuûa pha loûng trong phaàn luyeän: QLC =
m3/s
m Cho ta: PbC = 1,3.(hgôø + hlC).KLCg = 1,3.(0,03 + 0,0032). 0,5. 941,39. 9,81 = 199,29 N/m2 5. Toång trôû löïc thuyû löïc cuûa thaùp Toång trôû löïc cuûa 1 maâm trong phaàn luyeän cuûa thaùp laø: PL = PkL + PL + PbL = 84,05 + 18,36 + 183,86 = 286,27 N/m2 Toång trôû löïc cuûa 1 maâm trong phaàn chöng cuûa thaùp laø: PC = PkC + PC + PbC = 57,33 + 12,92 + 199,29 = 269,54 N/m2 Kieåm tra hoaït ñoäng cuûa maâm: - Kieåm tra laïi khoaûng caùch maâm h = 0,25m ñaûm baûo cho ñieàu kieän hoaït ñoäng bình thöôøng cuûa thaùp: h >
( trang 70, [3] ) Vôùi caùc maâm trong phaàn luyeän trôû löïc thuyû löïc qua 1 maâm lôùn hôn trôû löïc thuyû löïc cuûa maâm trong phaàn chöng, ta coù:
m  Ñieàu kieän treân ñöôïc thoûa. Kieåm tra tính ñoàng nhaát cuûa hoaït ñoäng cuûa maâm. Töø coâng thöùc trang 70, [3] Ta coù vaän toác toái thieåu qua loã cuûa pha hôi vmin ñuû ñeå cho caùc loã treân maâm ñeàu hoaït ñoäng: vmin = 0,67
m/s < 10,15 m/s  Caùc loã treân maâm ñeàu hoaït ñoäng. Keát luaän: Toång trôû löïc thuûy löïc cuûa thaùp: P = NttL.PL + NttCPC = 9. 286,27 + 14. 269,54 = 6350,0 (N/m2) 6. Kieåm tra ngaäp luït khi thaùp hoaït ñoäng: Khoaûng caùch giöõa 2 maâm: h = 250 mm Boû qua söï taïo boït trong oáng chaûy chuyeàn, chieàu cao möïc chaát loûng trong oáng chaûy chuyeàn cuûa maâm xuyeân loã ñöôïc xaùc ñònh theo bieåu thöùc (5.20), trang 120, [3]: hd = hgôø + hl + P + hd’ ,mm.chaát loûng Trong ñoù: + hgôø : chieàu cao gôø chaûy traøn ,mm + hl : chieàu cao lôùp chaát loûng treân maâm ,mm + P: toång trôû löïc cuûa 1 maâm ,mm.chaát loûng + hd’ : toån thaát thuûy löïc do doøng loûng chaûy töø oáng chaûy chuyeàn vaøo maâm, ñöôïc xaùc ñònh theo bieåu thöùc (5.10), trang 115, [3]:
,mm.chaát loûng + QL : löu löôïng cuûa chaát loûng (m3/h). + Sd : tieát dieän giöõa oáng chaûy chuyeàn vaø maâm. Sd = 0,8 . Smaâm = 0,8.
.0,42 = 0,10 m2 Ñeå thaùp khoâng bò ngaäp luït khi hoaït ñoäng thì: hd 
h = 125 mm 6.1. Phaàn luyeän hlL = 0,0045. 1000 = 4,5 mm PL =
mm.chaát loûng
mm.chaát loûng Neân: hdL = 30 + 4,5 + 34,92 + 1,11.10-4 = 69,42 mm < 125 mm Vaäy: Khi hoaït ñoäng thì maâm ôû phaàn luyeän seõ khoâng bò ngaäp luït. 6.2. Phaàn chöng hlC = 0,0032. 1000 = 3,2 (mm) PC =
mm.chaát loûng
mm.chaát loûng Neân: hdC = 30 + 3,2 + 40,02 + 3,89.10-5 = 73,22 mm < 125 mm Vaäy: Khi hoaït ñoäng thì maâm ôû phaàn chöng seõ khoâng bò ngaäp luït. Keát luaän: Khi hoaït ñoäng thaùp seõ khoâng bò ngaäp luït. IV. Beà daøy thaùp : 1. Thaân thaùp Vì thaùp hoaït ñoäng ôû aùp suaát thöôøng neân ta thieát keá thaân hình truï baèng phöông phaùp haøn hoà quang ñieän, kieåu haøn giaùp moái 2 phía. Thaân thaùp ñöôïc gheùp vôùi nhau baèng caùc moái gheùp bích. Ñeå ñaûm baûo chaát löôïng cuûa saûn phaåm ta choïn thieát bò thaân thaùp laø theùp khoâng gæ maõ X18H10T. 1.1. Caùc thoâng soá caàn tra vaø choïn phuïc vuï cho quaù trình tính toaùn Nhieät ñoä tính toaùn: t = tmax= 100oC AÙp suaát tính toaùn: vì thaùp hoaït ñoäng ôû aùp suaát thöôøng neân: P = Pthuûy tónh + P Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha loûng trong toaøn thaùp: L =
kg/m3 Neân: P = LgH + P = 888,58. 9,81. 5,17 + 6350,0 = 51416.7 N/m2 = 0,0514 N/mm2 Heä soá boå sung do aên moøn hoùa hoïc cuûa moâi tröôøng: Vì moâi tröôøng coù tính aên moøn vaø thôøi gian söû duïng thieát bò laø trong 20 naêm  Ca = 1 mm ÖÙng suaát cho pheùp tieâu chuaån: Vì vaät lieäu laø X18H10T  []* = 142 (N/mm2) (Hình 1.2, trang 16, [7]) Heä soá hieäu chænh: Vì thieát bò khoâng boïc lôùp caùch nhieät   = 1 (trang 26, [7]) ÖÙng suaát cho pheùp: [] =  []* = 142 (N/mm2) Heä soá beàn moái haøn: Vì söû duïng phöông phaùp haøn hoà quang ñieän, kieåu haøn giaùp moái 2 phía  h = 0,95 (Baûng XIII.8, trang 362, [2]) 1.2. Tính beà daøy Ta coù:
> 25  S’ =
mm  S’ + Ca = 0,077 + 1 = 1,077 mm Quy troøn theo chuaån: S = 2 mm (Baûng XIII.9, trang 364, [2]) Beà daøy toái thieåu: Smin = 2 mm (Baûng 5.1, trang 94, [7])  Beà daøy S = 2 mm 1.3. Kieåm tra ñoä beàn Ñieàu kieän:

(thoûa) Neân:
> P = 0,09 (thoûa) Keát luaän: S = 2 mm 2. Ñaùy vaø naép: Choïn ñaùy vaø naép coù daïng hình ellip tieâu chuaån, coù gôø, laøm baèng theùp X18H10T Choïn beà daøy ñaùy vaø naép baèng vôùi beà daøy thaân thaùp: S = 3 mm. Kieåm tra ñieàu kieän:
Vì ñaùy vaø naép coù hình ellip tieâu chuaån vôùi
 Rt = Dt  Ñieàu kieän treân ñöôïc thoûa nhö ñaõ kieåm tra ôû phaàn thaân thaùp. Keát luaän: Kích thöôùc cuûa ñaùy vaø naép: Ñöôøng kính trong: Dt = 400 mm ht = 100 mm Chieàu cao gôø: hgôø = 25 mm Beà daøy: S = 2 mm Dieän tích beà maët trong: Sbeà maët = 0,2 m2 (Baûng XIII.10, trang 382, [2]) V. Beà daøy maâm : 1. Caùc thoâng soá caàn tra vaø choïn phuïc vuï cho quaù trình tính toaùn Nhieät ñoä tính toaùn: t = tmax = 100 (oC) AÙp suaát tính toaùn: P = Pthuûy tónh + Pg Choïn beà daøy gôø chaûy traøn laø 3mm. Theå tích cuûa gôø chaûy traøn: V = 0,29.0,03.0,003= 2,61.10-5 m3 Tra baûng XII.7, trang 313, [6]:  Khoái löôïng rieâng cuûa theùp X18H10T laø: X18H10T = 7900 kg/m3 Khoái löôïng gôø chaûy traøn: m = V.X18H10T = 2,61.10-5.7900 = 0,2062 kg AÙp suaát do gôø chaûy traøn taùc duïng leân maâm troøn
N/m2 Khoái löôïng rieâng cuûa chaát loûng taïi ñaùy thaùp: Ta coù xW = 0,0085 suy ra TW = 98,5oC - Tra baûng 1.249, trang 311, [1] Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc ôû 98,5oC:
N = 959,22 kg/m3 - Tra baûng 1.2, trang 9, [1] Khoái löôïng rieâng cuûa metanol ôû 98,5oC:
R = 715,08 kg/m3 - AÙp duïng trong coâng thöùc (1.2), trang 5, [1]
Suy raLW = 956,44 kg/m3 AÙp suaát thuûy tónh: Pthuûy tónh = LWg(hgôø + hlC) = 956,44. 9,81. (0,03 + 0,0045) = 326,75 N/m2  P = 326,75 + 11,06 = 337,81 N/m2 Heä soá boå sung do aên moøn hoùa hoïc cuûa moâi tröôøng: Thôøi gian söû duïng thieát bò laø trong 20 naêm  Ca = 1 mm ÖÙng suaát cho pheùp tieâu chuaån: Vì vaät lieäu laø X18H10T  []* = 142 N/mm2 (Hình 1.2, trang 16, [7]) Heä soá hieäu chænh:  = 1 (Trang 19, [7]) ÖÙng suaát cho pheùp: [] =  []* = 142 N/mm2 Moâñun ñaøn hoài: E = 20.106 N/cm2 (Baûng 2.12, trang 45, [7]) Heä soá Poisson:  = 0,33 (Baûng XII.7, trang 313, [2]) Heä soá ñieàu chænh: b = 0,571 Tính beà daøy: Ñoái vôùi baûn troøn ñaëc ngaøm keïp chaët theo chu vi: ÖÙng suaát cöïc ñaïi ôû voøng chu vi:
(Coâng thöùc 6.36, trang 100, [8]) Ñoái vôùi baûn coù ñuïc loã:
 S’
mm Neân: S + Ca = 1,354 mm Choïn S = 2 mm Kieåm tra ñieàu kieän beàn: Ñoä voõng cöïc ñaïi ôû taâm:
(Coâng thöùc 6.35, trang 100, [8]) Ñoái vôùi baûn coù ñuïc loã:
Vôùi:

Ñeå ñaûm baûo ñieàu kieän beàn thì: Wlo < ½ S
<
1,0  Beà daøy S ñaõ choïn thoûa ñieàu kieän. Vaäy: S = 2 mm VI. Bích gheùp thaân – ñaùy vaø naép : Maët bích laø boä phaän quan troïng duøng ñeå noái caùc phaàn cuûa thieát bò cuõng nhö noái caùc boä phaän khaùc vôùi thieát bò. Caùc loaïi maët bích thöôøng söû duïng: Bích lieàn: laø boä phaän noái lieàn vôùi thieát bò (haøn, ñuùc vaø reøn). Loaïi bích naøy chuû yeáu duøng thieát bò laøm vieäc vôùi aùp suaát thaáp vaø aùp suaát trung bình. Bích töï do: chuû yeáu duøng noái oáng daãn laøm vieäc ôû nhieät ñoä cao, ñeå noái caùc boä baèng kim loaïi maøu vaø hôïp kim cuûa chuùng, ñaëc bieät laø khi caàn laøm maët bích baèng vaät lieäu beàn hôn thieát bò. Bích ren: chuû yeáu duøng cho thieát bò laøm vieäc ôû aùp suaát cao. Choïn bích ñöôïc gheùp thaân, ñaùy vaø naép laøm baèng theùp CT3, caáu taïo cuûa bích laø bích lieàn khoâng coå. Tra baûng XIII.27, trang 417, [2], öùng vôùi Dt =  = 400 (mm) vaø aùp suaát tính toaùn P = 0,055 (N/mm2)  choïn bích coù caùc thoâng soá sau: Dt  D  Db  Dl  Do  h  Bu loâng         db  Z   (mm)  (caùi)   400  515  475  450  411  20  M16  20   Tra baûng IX.5, trang 170, [2], vôùi h = 250 mm  khoaûng caùch giöõa 2 maët bích laø 1000 mm vaø soá maâm giöõa 2 maët bích laø 4.  Soá maët bích caàn duøng ñeå gheùp laø: 21/4 + 2 = 8 bích Ñoä kín cuûa moái gheùp bích chuû yeáu do vaät ñeäm quyeát ñònh. Ñeäm laøm baèng caùc vaät lieäu meàm hôn so vôùi vaät lieäu bích. Khi xieát bu loâng, ñeäm bò bieán daïng vaø ñieàn ñaày leân caùc choã goà gheà treân beà maët cuûa bích. Vaäy, ñeå ñaûm baûo ñoä kín cho thieát bò ta choïn ñeäm laø daây amiaêng, coù beà daøy laø 3mm. VII. Chaân ñôõ thaùp : 1. Tính troïng löôïng cuøa toaøn thaùp: Tra baûng XII.7, trang 313, [2]:  Khoái löôïng rieâng cuûa thaùp CT3 laø: CT3 = 7850 kg/m3 Khoái löôïng cuûa moät bích gheùp thaân: mbích gheùp thaân =
kg Khoái löôïng cuûa moät maâm: mmaâm =
=
.0.402.0,002.0,82.7900 = 1,63 kg Khoái löôïng cuûa thaân thaùp: mthaân =
.(D2ng –D2t).Hthaân . X18H10T =
kg Khoái löôïng cuûa ñaùy (naép) thaùp: mñaùy(naép) = Sbeà maët .ñaùy . X18H10T = 0,20 . 0,002 . 7900 = 3,16 kg Khoái löôïng cuûa toaøn thaùp: m = 8 mbích gheùp thaân + 21 mmaâm + mthaân + 2 mñaùy(naép) = 8.12,97 + 21.1,63 + 100,56 + 2.3,16 = 243,43 kg 2. Tính chaân ñôõ thaùp: Choïn chaân ñôõ: thaùp ñöôïc ñôõ treân boán chaân. Vaät lieäu laøm chaân ñôõ thaùp laø theùp CT3. Taûi troïng cho pheùp treân moät chaân: Gc =
N Ñeå ñaûm baûo ñoä an toaøn cho thieát bò, ta choïn: Gc = 1000 N Tra baûng XIII.35, trang 437, [2]  choïn chaân ñôõ coù caùc thoâng soá sau: L  B  B1  B2  H  h  s  l  d   70  60  60  90  150  105  4  30  14   Khoái löôïng moät chaân ñôõ: mchaân ñôõ = 3,32 kg VIII. Tai treo thaùp : Choïn tai treo: tai treo ñöôïc gaén treân thaân thaùp ñeå giöõ cho thaùp khoûi bò dao ñoäng trong ñieàu kieän ngoaïi caûnh. Choïn vaät lieäu laøm tai treo laø theùp CT3. Ta choïn boán tai treo, taûi troïng cho pheùp treân moät tai treo: Gt = Gc = 1000 (N). Tra baûng XIII.36, trang 438, [2]  choïn tai treo coù caùc thoâng soá sau: L  B  B1  H  S  l  a  d   80  55  70  125  4  30  10  14   Khoái löôïng moät tai treo: mtai treo = 0,53 kg IX. Cöûa noái oáng daãn vôùi thieát bò- bích noái caùc boä phaän cuûa thieát bò vaø oáng daãn: OÁng daãn thöôøng ñöôïc noái vôùi thieát bò baèng moái gheùp thaùo ñöôïc hoaëc khoâng thaùo ñöôïc. Trong thieát bò naøy, ta söû duïng moái gheùp thaùo ñöôïc. Ñoái vôùi moái gheùp thaùo ñöôïc, ngöôøi ta laøm ñoaïn oáng noái, ñoù laø ñoaïn oáng ngaén coù maët bích hay ren ñeå noái vôùi oáng daãn: Loaïi coù maët bích thöôøng duøng vôùi oáng coù ñöôøng kính d > 10mm. Loaïi ren chuû yeáu duøng vôùi oáng coù ñöôøng kính d  10mm, ñoâi khi coù theå duøng vôùi d  32mm. OÁng daãn ñöôïc laøm baèng theùp X18H10T. Bích ñöôïc laøm baèng theùp CT3 , caáu taïo cuûa bích laø bích lieàn khoâng coå. OÁng nhaäp lieäu: Khoái löôïng rieâng cuûa hoãn hôïp: F = 933,0 kg/m3 Choïn loaïi oáng noái caém saâu vaøo thieát bò. Choïn vaän toác chaát loûng trong oáng noái laø vF = 1 m/s Ñöôøng kính trong cuûa oáng noái: Dy =
m  Choïn oáng coù Dy = 20 mm Tra baûng XIII.26, trang 409, [2]  Caùc thoâng soá cuûa bích öùng vôùi P = 0,055 N/mm2 laø: Dy  Dn  D  D  Dl  h  Bu loâng         db  Z   (mm)  (caùi)   20  25  90  65  50  12  M10  4   2. OÁng hôi ôû ñænh thaùp: - Noàng ñoä trung bình cuûa pha hôi ôû ñænh thaùp yP = xP = 0,9144  Nhieät ñoä trung bình cuûa pha hôi ôû ñænh thaùp: THP = 67,8 oC - Khoái löôïng mol trung bình cuûa pha hôi trong phaàn luyeän: MHL = yL. MR + (1 – yL). MN = 0,9144.32 + (1 – 0,9144). 18 = 30,80 kg/kmol - Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi trong phaàn luyeän:
Choïn vaän toác hôi ra khoûi ñænh thaùp laø vHD = 50 m/s Ñöôøng kính trong cuûa oáng noái: Dy =
m  Choïn oáng coù Dy = 25 mm Tra baûng XIII.32, trang 434, [2]  Chieàu daøi ñoaïn oáng noái l = 90 mm Tra baûng XIII.26, trang 409, [2]  Caùc thoâng soá cuûa bích öùng vôùi P = 0,055 N/mm2 laø: Dy  Dn  D  D  Dl  h  Bu loâng         db  Z   (mm)  (caùi)   25  32  100  75  60  12  M10  4   3. OÁng hoaøn löu: - Noàng ñoä trung bình cuûa pha loûng ôû ñænh thaùp xP = 0,9144  Nhieät ñoä trung bình cuûa pha hôi ôû ñænh thaùp: THP = 65,8 oC - Tra baûng 1.249, trang 311, [1] Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc ôû 65,8oC:
N = 981,2 kg/m3 - Tra baûng 1.2, trang 9, [1] Khoái löôïng rieâng cuûa metanol ôû 65,8oC:
R = 752,8 kg/m3 - AÙp duïng trong coâng thöùc (1.2), trang 5, [1]

LC = 768,1 kg/m3 Choïn loaïi oáng noái caém saâu vaøo thieát bò. Choïn vaän toác chaát loûng trong oáng noái laø vLD = 0,5 m/s Ñöôøng kính trong cuûa oáng noái: Dy =
m  Choïn oáng coù Dy = 20 mm Tra baûng XIII.26, trang 409, [2]  Caùc thoâng soá cuûa bích öùng vôùi P = 0,055 N/mm2 laø: Dy  Dn  D  D  Dl  h  Bu loâng         db  Z   (mm)  (caùi)   20  25  90  65  50  12  M10  4   4. OÁng hôi ôû ñaùy thaùp: - Noàng ñoä trung bình cuûa pha hôi ôû ñaùy thaùp yW = xW = 0,0085  Nhieät ñoä trung bình cuûa pha hôi ôû ñaùy thaùp: THP = 99,6 oC - Khoái löôïng mol trung bình cuûa pha hôi trong phaàn luyeän: MHW = yW. MR + (1 – yW). MN = 0,0085.32 + (1 – 0,0085).18 = 18,12 kg/kmol - Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi trong phaàn luyeän:
Choïn vaän toác hôi vaøo ñaùy thaùp laø vHW = 120 m/s Ñöôøng kính trong cuûa oáng noái: Dy =
m  Choïn oáng coù Dy = 70 mm Tra baûng XIII.32, trang 434, [2]  Chieàu daøi ñoaïn oáng noái l = 110 mm Tra baûng XIII.26, trang 409, [2]  Caùc thoâng soá cuûa bích öùng vôùi P = 0,055 (N/mm2) laø: Dy  Dn  D  D  Dl  h  Bu loâng         db  Z   (mm)  (caùi)   70  76  160  130  110  14  M12  4   5. OÁng daãn loûng ra khoûi ñaùy thaùp: - Noàng ñoä trung bình cuûa pha loûng ôû ñaùy thaùp xW = 0,0085  Nhieät ñoä cuûa pha loûng ôû ñaùy thaùp: TLW = 98,5 oC - Tra baûng 1.249, trang 311, [1] Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc ôû 98,50C:
N = 959,2 kg/m3 - Tra baûng 1.2, trang 9, [1] Khoái löôïng rieâng cuûa metanol ôû 98,5oC:
R = 716,8 kg/m3 - AÙp duïng trong coâng thöùc (1.2), trang 5, [1]

LW = 954,4 kg/m3 Choïn vaän toác chaát loûng trong oáng noái laø vLW = 0,5 m/s Ñöôøng kính trong cuûa oáng noái: Dy =
m  Choïn oáng coù Dy = 25 mm Tra baûng XIII.32, trang 434, [2]  Chieàu daøi ñoaïn oáng noái l = 90 mm Tra baûng XIII.26, trang 409, [6]  Caùc thoâng soá cuûa bích öùng vôùi P = 0,055 N/mm2 laø: Dy  Dn  D  D  Dl  h  Bu loâng         db  Z   (mm)  (caùi)   25  32  100  75  60  12  M10  4   CHÖÔNG 5: Tính thieát bò phuï THIEÁT BÒ ÑUN SOÂI ÑAÙY THAÙP : Choïn thieát bò ñun soâi ñaùy thaùp laø noài ñun Kettle. OÁng truyeàn nhieät ñöôïc laøm baèng theùp X18H10T, kích thöôùc oáng 38 x 3: Ñöôøng kính ngoaøi: dn = 38 mm = 0,038 m Beà daøy oáng: (t = 3 mm = 0,003 m Ñöôøng kính trong: dt = 0,032 m Hôi ñoát laø hôi nöôùc ôû 2,0 at ñi trong oáng 38 x 3. Tra baûng 1.251, trang 314, [1]: Nhieät hoùa hôi:
= rn = 2208 kJ/kg Nhieät ñoä soâi:
= tn = 119,6 oC Doøng saûn phaåm taïi ñaùy coù nhieät ñoä: Tröôùc khi vaøo noài ñun (loûng): tS1 = 98,5 oC Sau khi ñöôïc ñun soâi (hôi): tS2 = 99,6 oC Suaát löôïng hôi nöôùc caàn duøng: Caân baèng nhieät cho toaøn thaùp: Qñ + GFhFS = (R+1) GDrD + GDhDS + GWhWS + Qm Giaû söû Qm = 0,05Qñ ( 0,95Qñ = (R+1) GDrD + GD(hDS – hFS) + GW(hWS – hFS) hFS = cF.tFS = [
]tFS hWS = cW.tWS = [
]tWS hPS = cP.tPS = [
]tPS rD =
Vôùi xF = 0,0588 ( tFS = 91,5oC xW = 0,0085 ( tWS = 98,5oC xP = 0,9144 ( tPS = 65,8oC 1.1. Nhieät dung rieâng: Tra baûng 1.249, trang 310, [1] ( Nhieät dung rieâng cuûa nöôùc ôû 91,5oC = 4,210 kJ/kg.K ( Nhieät dung rieâng cuûa nöôùc ôû 98,5oC = 4,218 kJ/kg.K ( Nhieät dung rieâng cuûa nöôùc ôû 65,8oC = 4,184 kJ/kg.K Tra baûng 1.154, trang 172, [1] ( Nhieät dung rieâng cuûa methanol ôû 91,5oC = 2,920 kJ/kg.K ( Nhieät dung rieâng cuûa methanol ôû 98,5oC = 2,958 kJ/kg.K ( Nhieät dung rieâng cuûa methanol ôû 65,8oC = 2,788 kJ/kg.K 1.2. Enthalpy: hFS = (0,1. 2,920 + (1 - 0,1). 4,210). 91,5 = 373,41 kJ/kg hWS = (0,0085. 2,958 + (1 - 0,0085). 4,218). 98,5 = 414,42 kJ/kg hPS = (0,9144. 2,788+ (1 - 0,9144). 4,184). 65,8 = 191,31 kJ/kg 1.3. Nhieät hoùa hôi: Tra baûng 1.250, trang 312, [1] ( Nhieät hoùa hôi cuûa nöôùc ôû 65,8oC = rN = 2344,8kJ/kg Duøng toaùn ñoà 1.65, trang 255, [1] ( Nhieät hoùa hôi cuûa methanol ôû 65,8oC = rR = 330,5 Kcal/kg = 1383,74 kJ/kg Neân: rP =
= 0,95. 2344,8 + (1 - 0,95). 1383,74 = 2296,75 kJ/kg 1.4. Tính löôïng hôi nöôùc caàn duøng: Nhieät löôïng caàn cung caáp: Qñ =
=
= 971300.88 kJ/h Neáu duøng hôi nöôùc baõo hoøa (khoâng chöùa aåm) ñeå caáp nhieät thì: Qñ =
.
Tra baûng 1.251, trang 314, [1] ( Nhieät hoùa hôi cuûa nöôùc ôû 2,0 at =
= 2208 kJ/kg Vaäy:
= 440,0 kg/h Hieäu soá nhieät ñoä trung bình: Choïn kieåu truyeàn nhieät ngöôïc chieàu, neân:
= 20,545 K Heä soá truyeàn nhieät: Heä soá truyeàn nhieät K ñöôïc tính theo coâng thöùc nhö ñoái vôùi töôøng phaúng:
,W/m2.K) Vôùi: (n : heä soá caáp nhieät cuûa hôi ñoát,W/m2.K. (S : heä soá caáp nhieät cuûa saûn phaåm ñaùy, W/m2.K. (rt : nhieät trôû qua thaønh oáng vaø lôùp caùu. Nhieät taûi qua thaønh oáng vaø lôùp caùu:
, W/m2 Trong ñoù: tw1 : nhieät ñoä cuûa vaùch tieáp xuùc vôùi hôi ñoát (trong oáng), oC tw2 : nhieät ñoä cuûa vaùch tieáp xuùc vôùi saûn phaåm ñaùy (ngoaøi oáng), oC
Beà daøy thaønh oáng: (t = 0,003 m Heä soá daãn nhieät cuûa theùp khoâng gæ: (t = 16,3 W/mK (Baûng XII.7, trang 313, [6]) Nhieät trôû lôùp baån trong oáng: r1 = 1/5800 m2.K/W (Baûng 31, trang 419, [4]) Nhieät trôû lôùp caùu ngoaøi oáng: r2 =1/5800 m2.K/W Neân: (rt = 5,289.10-4 m2.K/W Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät cuûa doøng saûn phaåm ñaùy ngoaøi oáng: AÙp duïng coâng thöùc (V.89), trang 26, [2]: (S = 7,77 . 10-2.
Nhieät ñoä soâi trung bình cuûa doøng saûn phaåm ôû ngoaøi oáng:
= 99,05 oC ( TS = 99,05 + 273 = 372,05 K Taïi nhieät ñoä soâi trung bình thì: - Khoái löôïng rieâng cuûa pha hôi trong doøng saûn phaåm ôû ngoaøi oáng:
= 0,594 kg/m3 - Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc: (N = 959,2kg/m3 (Baûng 1.249, trang 310, [1]) - Khoái löôïng rieâng cuûa methanol: (R = 715,0 kg/m3 (Baûng 1.2, trang 9, [1]) Neân:
1,05.10-3 ( ( = 954,3 kg/m3 - Ñoä nhôùt cuûa nöôùc: (N = 2,85.10-4 N.s/m2 (Tra baûng 1.104, trang 96, [1]) - Ñoä nhôùt cuûa methanol: (A = 2,45.10-4 N.s/m2 (Duøng toaùn ñoà 1.18, trang 90, [1]) Söû duïng coâng thöùc (I.12), trang 84, [1] suy ra ñoä nhôùt cuûa hoãn hôïp loûng: lghh = x1lg1 + x2lg2 Neân: lghh = 0,0085.lg(2,45.10-4) + (1 – 0,0085).lg(2,85.10-4) ( hh = 2,846.10-4 N.s/m2 - Heä soá daãn nhieät cuûa nöôùc: (N = 0,680 W/mK (Baûng 1.249, trang 310, [5]) - Heä soá daãn nhieät cuûa methanol: (R = 0,188 W/mK (Baûng 1.130, trang 134, [5]) AÙp duïng coâng thöùc (1.33), trang 123, [5]): ( =
= 0,667 W/mK - Nhieät dung rieâng cuûa nöôùc: cN = 4219,2 J/kgK (Baûng 1.249, trang 310, [1]) - Nhieät dung rieâng cuûa methanol: cR = 2906,0 J/kgK (Baûng 1.154, trang 172, [1]) Neân: c = cR
+ cN. (1 -
) = 4199,3 J/kgK - Söùc caêng beà maët cuûa nöôùc: (N = 0,59022 N/m (Baûng 1.249, trang 310, [1]) - Söùc caêng beà maët cuûa methanol: (A = 0,01578 N/m (Baûng 1.242, trang 300, [1]) Neân:
= 0,0158 N/m - Nhieät hoùa hôi cuûa nöôùc: rN = 2262,2 kJ/kg (Baûng 1.250, trang 312, [5]) - Nhieät hoùa hôi cuûa methanol: rR = 1032,3 kJ/kg (Toaùn ñoà 1.65, trang 255, [5]) Neân: r = rR
+ rN.(1 -
) = 2243,8 kJ/kg Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät cuûa hôi ñoát trong oáng: AÙp duïng coâng thöùc (3.65), trang 120, [4]:
Duøng pheùp laëp: choïn tW1 = 119,4 oC Nhieät ñoä trung bình cuûa maøng nöôùc ngöng tuï: tm =
119,5 oC Taïi nhieät ñoä naøy thì: - Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc: (n = 943,4 kg/m3 - Ñoä nhôùt cuûa nöôùc: (n = 2,33.10-4 N.s/m2 - Heä soá daãn nhieät cuûa nöôùc: (n = 0,685 W/mK Neân: (n = 31342 W/m2K ( qn = (n (tn – tW1) = 6268,4 W/m2 ( qt = qn = 6268,4 W/m2 (xem nhieät taûi maát maùt laø khoâng ñaùng keå) ( tw2 = tw1 - qt(rt = 116,08 oC ( (S = 362,84 W/m2K (vôùi q = qt) ( qS = (S (tW2 – tS) = 6126,5 W/m2 Kieåm tra sai soá: ( =
100% = 2,26% < 5% (thoûa) Keát luaän: tw1 = 119,4oC vaø tw2 = 116,08oC Xaùc ñònh heä soá truyeàn nhieät:
= 301,5 W/m2K Beà maët truyeàn nhieät: Beà maët truyeàn nhieät ñöôïc xaùc ñònh theo phöông trình truyeàn nhieät: F =
= 43,56 m2 Caáu taïo thieát bò: Choïn soá oáng truyeàn nhieät: n = 217 oáng. OÁng ñöôïc boá trí theo hình luïc giaùc ñeàu. - Chieàu daøi oáng truyeàn nhieät: L =
= 1,83 m ( choïn L = 2 m Tra baûng V.II, trang 48, [2] ( Soá oáng treân ñöôøng cheùo: b = 17 oáng - Böôùc oáng: t = 1, 2dn = 0,046 m - Ñöôøng kính trong cuûa thieát bò (AÙp duïng coâng thöùc (V.140), trang 49, [2]) D = t.(b-1) +4dn= 0,934 m THIEÁT BÒ NGÖNG TUÏ SAÛN PHAÅM ÑÆNH Choïn thieát bò ngöng tuï voû – oáng loaïi TH, ñaët naèm ngang. OÁng truyeàn nhieät ñöôïc laøm baèng theùp X18H10T, kích thöôùc oáng 38 x 3: - Ñöôøng kính ngoaøi: dn = 38 mm = 0,038 m - Beà daøy oáng: (t = 3 mm = 0,003 m - Ñöôøng kính trong: dtr = 0,032 m Choïn: - Nöôùc laøm laïnh ñi trong oáng vôùi nhieät ñoä vaøo tV = 28 oC vaø nhieät ñoä ra tR = 40 oC. - Doøng hôi taïi ñænh ñi ngoaøi oáng vôùi nhieät ñoä ngöng tuï tngöng = 65,8 oC Suaát löôïng nöôùc laøm laïnh caàn duøng : Caân baèng nhieät: Qnt = (R + 1).GP.rP = GN.cN.(t2 – t1) rD: nhieät löôïng rieâng cuûa hôi ôû ñænh thaùp: rD =
.rR + (1 -
).rN rR, rN : nhieät löôïng rieâng cuûa caáu töû röôïu vaø nöôùc ôû ñænh, J/kg.
phaàn khoái löôïng cuûa caáu töû röôïu trong pha hôi ôû ñænh. Tra baûng 1.213, trang 256, [1] : rR = 675,2 kcal/kg = 2826,25 kJ/kg Tra baûng 1.250, trang 312, [1] : rN = 559,5 kcal/kg = 2341,96 kJ/kg Suy ra: rD = 0,95.2826,25 + (1 - 0,95).2341,96 = 2801,1 kJ/kg  Qnt = (1 + 3,71).83,57.2801,1 = 1102,55 kW Neân: Qnt = (R + 1).DcP = 1102,55 kW Löôïng nöôùc caàn duøng:
kg/h Nhieät dung rieâng cuûa nöôùc cN ñöôïc ño ôû nhieät ñoä
oC Hieäu soá nhieät ñoä trung bình : Choïn kieåu truyeàn nhieät ngöôïc chieàu, neân:
= 31,42 K Heä soá truyeàn nhieät: Heä soá truyeàn nhieät K ñöôïc tính theo coâng thöùc:
,W/m2.K Vôùi: (n : heä soá caáp nhieät cuûa doøng nöôùc laïnh ,W/m2.K (ngöng : heä soá caáp nhieät cuûa doøng hôi ngöng tuï ,W/m2.K (rt : nhieät trôû qua thaønh oáng vaø lôùp caùu. Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät cuûa nöôùc ñi trong oáng : Nhieät ñoä trung bình cuûa doøng nöôùc trong oáng: tf = 34oC Taïi nhieät ñoä naøy thì: - Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc: (n = 994,42 kg/m3 - Ñoä nhôùt cuûa nöôùc: (n = 7,23.10-7 m2/s - Heä soá daãn nhieät cuûa nöôùc: (n = 0,626 W/mK - Chuaån soá Prandtl: Prn = 4,9 Choïn vaän toác nöôùc ñi trong oáng: vn = 1 m/s ( Soá oáng:
= 27,53 Tra baûng V.II, trang 48, [2] ( choïn n = 37 oáng ( Vaän toác thöïc teá cuûa nöôùc trong oáng:
= 0,744 m/s Chuaån soá Reynolds :
= 32929,5 > 104 ( Cheá ñoä chaûy roái AÙp duïng coâng thöùc (1.74), trang 28, [5] ( coâng thöùc xaùc ñònh chuaån soá Nusselt:
Trong ñoù: (1 – heä soá tính ñeán aûnh höôûng cuûa heä soá caáp nhieät theo tyû leä giöõa chieàu daøi L vaø ñöôøng kính d cuûa oáng. Tra baûng 1.1, trang 29, [5] ( choïn (1 = 1 Heä soá caáp nhieät cuûa nöôùc ñi trong oáng trong: (n =
Nhieät taûi qua thaønh oáng vaø lôùp caùu :
,W/m2 Trong ñoù: tw1 : nhieät ñoä cuûa vaùch tieáp xuùc vôùi hôi ngöng tuï, oC tw2 : nhieät ñoä cuûa vaùch tieáp xuùc vôùi nöôùc laïnh, oC
Beà daøy thaønh oáng: (t = 0,003 m Heä soá daãn nhieät cuûa theùp khoâng gæ: (t = 16,3 W/mK Nhieät trôû lôùp baån trong oáng: r1 = 1/5000 m2.K/W Nhieät trôû lôùp caùu ngoaøi oáng: r2 =1/5800 m2.K/W Neân: (rt = 5,565.10-4 m2.K/W Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät cuûa hôi ngöng tuï ngoaøi oáng : Ñieàu kieän: - Ngöng tuï hôi baõo hoøa. - Khoâng chöùa khoâng khí khoâng ngöng. - Hôi ngöng tuï ôû maët ngoaøi oáng. - Maøng chaát ngöng tuï chaûy taàng. - OÁng naèm ngang. AÙp duïng coâng thöùc (3.65), trang 120, [4]( Ñoái vôùi oáng ñôn chieác naèm ngang thì:
Tra baûng V.II, trang 48, [2] ( vôùi soá oáng n = 37 thì soá oáng treân ñöôøng cheùo cuûa hình 6 caïnh laø: b = 7 Tra hình V.20, trang 30, [2] ( heä soá phuï thuoäc vaøo caùch boá trí oáng vaø soá oáng trong moãi daõy thaúng ñöùng laø (tb = 0,72 (vì xeáp xen keõ vaø soá oáng trong moãi daõy thaúng ñöùng laø 7) ( Heä soá caáp nhieät trung bình cuûa chuøm oáng: (ngöng = (tb(1 = 0,72(1 Duøng pheùp laëp: choïn tP1 = 59,0 oC Nhieät ñoä trung bình cuûa maøng chaát ngöng tuï: tm = ½ (tngöng + tW1) = 62,4 oC Taïi nhieät ñoä naøy thì: Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc: (N = 982,0 kg/m3 Khoái löôïng rieâng cuûa methanol: (R = 753,5 kg/m3 Neân khoái löôïng rieâng hoãn hôïp laø
( ( = 762,4 kg/m3 Ñoä nhôùt cuûa nöôùc: (N = 4,496.10-4 N.s/m2 Ñoä nhôùt cuûa methanol: (R = 3,424.10-4 N.s/m2 Neân: lg( = xPlg(R + (1 – xP)lg(N = 0,9144.lg(3,424.10-4) + (1 - 0,9144).lg(4,496.10-4) = -3,45 ( ( = 3,50.10-4 N.s/m2 Heä soá daãn nhieät cuûa nöôùc: (N = 0,661 W/mK Heä soá daãn nhieät cuûa methanol: (R = 0,205 W/mK Neân: ( =
= 0,212 W/mK Nhieät ngöng tuï cuûa doøng hôi: r = rD = 2801100 J/kg Neân: (1 = 4295,4 W/m2K ( (ngöng = 3092,7,3 W/m2K ( qngöng = (ngöng (tngöng – tP1) = 21030,3 W/m2 ( qt = qngöng = 21030,3 W/m2 (xem nhieät taûi maát maùt laø khoâng ñaùng keå) ( tP2 = tP1 - qt(rt = 46,35 oC ( PrP2 = 3,90 ( Nun = 161,5 ( (n = 1700,2 W/m2K ( qn = (n (tP2 – tf) = 20998,7 W/m2 Kieåm tra sai soá: ( =
100% = 0,15% < 5% (thoûa) Keát luaän: tP1 = 59,0oC vaø tP2 = 46,3oC Xaùc ñònh heä soá truyeàn nhieät:
= 726,0 W/m2K Beà maët truyeàn nhieät: Beà maët truyeàn nhieät ñöôïc xaùc ñònh theo phöông trình truyeàn nhieät: F =
= 13,4 m2 Caáu taïo thieát bò: Soá oáng truyeàn nhieät: n = 61 (oáng). OÁng ñöôïc boá trí theo hình luïc giaùc ñeàu. Chieàu daøi oáng truyeàn nhieät: L =
= 3,3 m ( choïn L = 4 m Soá oáng treân ñöôøng cheùo: b = 7 oáng ( Böôùc oáng: t = 48 mm = 0,048 m