Đồ án Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp benzen và axeton

nước (J/kg) r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước (J/kg) t 1 : nhiệt độ nước ngưng (oC) C1 : nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg đôÜ) b) Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào Qf Qf = F.Cf tf (J/h) Với : F : Lượng hỗn hợp đầu, kg/h Cf : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg.độ Cf = BFAF CaCa )1(  aF : Nồng độ phần khối lượng của hỗn hợp đầu CA, CB : Nhiệt dung dung riêng của Axêtôn và Benzen ở 25oC (J/kg.độ) tf : Nhiệt đầu của hỗn hợp (lấy bằng nhiệt độ của môi trường bên ngoài tf = 25oC) c) Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra QF QF = F.CF tF Với CF : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng, J/kg.độ tF : Nhiệt độ của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng, oC d) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng1 Qng1 = 111 .. tCGng = D1t1C1 Gng1 : Lượng nước ngưng (lấy bằng lượng hơi đốt), kg/h e) Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh Qm1 (thường lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn) Qxq1 = 5%(QD1 - Qng1 ) = 5% D1r1 Như vậy lượng hơi nước bão hoà cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi: 1 1 95,0 )( r CtCtF D ffFF  , kg/h  F = 3291,67 (kg/h)  Tính nhiệt dung riêng của hổn hợp đầu Cf ở 25o C : Cf25 = CA 25 aF + CB25 (1-aF) CA25, CB25 tra trong bảng I-153/171.I và bằng nội suy CA25 = 2190 (J/kgđộ) CB25 = 1753,75 (J/kg.độ) => Cf25 = 2190 0,405 + 1753,75 (1- 0,405) = 1930 (J/kg.độ)  Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra thiết bị đun nóng ở nhiệt độ tF =ts = 64,8 oC CF64.8 = CA 64,8aF + CB64,8 (1- aF) CA64,8 = 2320,6 (J/kg.độ)ü Đồ án môn học Trang 11 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý CB64,8 = 1955,2 (J/kg.độ) => CF 64,8 = 2320,6 0,405 + 1955,2 (1- 0,405) = 2103 (J/kg.độ)  Ta chọn hơi nước bão hòa đun sôi ở áp suất p = 1 atm, to =99,1oC, ta có r1=2264. 103 (J/kg) (bảng I-121/314.I) Vậy: )/(135 10.226495,0 2519308,64210367,3291 3 hkgD   2. Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp: 222 xqngWyDRF QQQQQQQ  a) Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp : )/(10.57,4488,6421033291 6 hJFtCQ FFF  b) Nhiệt lượng do hơi nước mang vào đáy tháp : )/)(( 2222222 hJtCrDDQ D   D2 : lượng hơi nước cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp, kg/h 2 : hàm nhiệt của hơi nước bão hòa, J/kg t2, C2 : nhiệt độ và nhiệt dung riêng của nước ngưng, 0C, J/kgđộ c) Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào : QR = GR tR CR (J/h) GR : Lượng lỏng hồi lưu, kg/h GR= Rx.P= 3,458 1308,74= 4525,62 (kg/h) tR , CR : Nhiệt độ và nhiệt dung dung riêng của lỏng hồi lưu Ta có tR = tP = 57 oC C57R = C57A aP + C57B (1- aP) CA, CB : tra bảng I-153/171.I ở nhiệt độ 57oC và bằng nội suy ta có: C57A = 2295,25 (J/kgđộ) C57B = 1914,25 (J/kgđộ) => C57R = 2295,25. 0,955 + 1914,25.(1- 0,955) = 2278 (J/kg.độ) Do đó QR = 4525,62 57 2278 = 590.106 (J/h) d) Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy : dxdyy RPGQ  )1(  d : nhiệt trị của hỗn hợp hơi ở đỉnh tháp, (J/kg) PPPPPd tCraa  21 )'1('  1 , 2 : hàm nhiệt của Axêtôn và Benzen, J/kg CP : nhiệt dung riêng của hỗn hợp hơi ra khỏi tháp ở nhiệt độ 57oC CP = CR = 2278 (J/kg.độ) (tính ở trên) rP : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ở đỉnh tháp tại nhiệt dộ 57oC rP = rAa’P + rB(1- a’P) a’P :là nồng độ phần khối lượng trong hỗn hợp hơi ở đỉnh tháp 969,0 58 977,01 78 977,0 78 977,0 1 '    AB B P M y M y M y a (phần KL) rA, rB : Nhiệt hoá hơi của Axêtôn, Benzen ở 57 oC. Tra bảng: Đồ án môn học Trang 12 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý I-213/254.I và bằng phương pháp nội suy ta có : rA = 521,675.103 J/kg rB = 410,25.103 J/kg  )/(10.22,518)969,01(10.25,410969,0.10.675,521 333 kgJrP  Suy ra d = rP + CPtP = 518,22.103 + 2278 57 = 648,07.103 (J/kg) Vậy Qy = P(Rx + 1) d = 1308,74.(1 + 3,458).648,07.103 = 3782,87.106 (J/h) e) Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra: QW = W.CW .tW , J/h W : lượng sản phẩm đáy, kg/h tW : nhiệt độ sản phẩm đáy, tW = 78 oC CW : nhiệt dung riêng sản phẩm đáy được xác định theo công thức : )1(787878 WBWAW aCaCC  CA78, CB78: nhiệt dung riêng của Axêtôn và Benzen ở 78 oC. Tra bảng I-153/171.I và bằng phương pháp nội suy ta có : CA78= 2363,5 J/kg.độ CB78= 2024,5 J/kg.độ  CW = 2363,5 0,042 + 2024,5 (1 - 0,042) = 2038,74 (J/kg.độ) Vậy QW =1982,93. 2038,74. 78 = 315,33. 106 (J/h) f) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra : 2222222 tCDtCGQ ngng  , J/h Gng2 : lượng nước ngưng tụ (kg/h) bằng lượng hơi nước cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp C2, t2 : Nhiệt dung riêng (J/kg.độ) và nhiệt độ của nước ngưng (oC) g) Nhiệt lượng do tổn thất ra môi trường xung quanh : Qxq2 = 0,05D2r2 , J/h Vậy lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp là : 55,1422 10.226495,0 10).59057,44833,31587,3782( 95,0 3 6 2 2   r QQQQ D RFWy (kg/h) Vậy lượng hơi nước bão hòa cần thiết là: D = D1 + D2 = 135+ 1422,55 = 1557,55 (kg/h) 3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ : Sử dụng thiết bị ngưng tụ hoàn toàn : Phương trình cân bằng nhiệt lượng : P ( Rx + 1 ).r = Gn1Cn(t2 - t1 ) r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở đỉnh tháp r = 518,22.103 (J/kg) (tính ở phần Qy Cn : Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình (t1 + t2)/2, J/kg.độ t1 , t2 : Nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh, oC Gn1 : Lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết hkg ttC rRxPG n n /,)( )1( 12 1   Chọn nhiêt độ vào của nước làm lạnh t1 =25oC và nhiệt độ ra t2 = 45oC Do đó nhiệt độ trung bình : Đồ án môn học Trang 13 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý 35 2 4525 2 21  ttttb 0C Cn : nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ 35oC. Tra bảng I-147/165.I Cn = 0,99861 (kcal/kg.độ) = 4180 (J/kg.độ) Vậy lượng nước làm lạnh : 14,36166 )2545(4180 10.22,518)458,31(74,1308 )( )1( 3 12 1    ttC rRxPG n n (kg/h) 4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh: )()( 12221 ttCGCttP nnP  21 ',' tt : Nhiệt độ đầu, cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, 0C t’1 = tP = 57oC, t’2 = 25 oC t1 = 25oC , t2 = 45oC ,Cn = 4180 (J/kg.độ) CP : nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/kg.độ CP= 2278 (J/kg.độ) (ở phần tính Qy) Lượng nước lạnh tiêu tốn là : 17,1141 )2545(4180 )2557(227874,1308 )( )( 12 21 2    ttC CttPG n P n (kg/h) Vậy tổng lượng nước ở 25 0C ,1amt cần dùng để ngưng tụ và làm lạnh là : Gn = Gn1 + Gn2 = 36166,14 + 1141,17 = 37307,31 (kg/h) B - THÔNG SỐ CHÍNH CỦA THÁP I. ĐƯỜNG KÍNH THÁP : Đường kính tháp được tính theo công thức: tb tbVD   3600 4 (m) công thức (IX-89) Vtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h) tb : vận tốc hơi trung bình đi trong tháp (m/s) Đồ án môn học Trang 14 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý â n' 2 1 1 2 g'1,y'1=yw F,xF n G1,x1=xF G'1,x'1 P,xP GRx Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên lượng hơi trung bình trong từng đoạn khác nhau và do đó đường kính đoạn chưng và đoạn luyện của tháp có thể khác nhau. 1 - Đường kính đoạn luyện : a/ Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn luyện : có thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp gđ và lượng hơi đi vào dưới cùng g1 của đoạn luyện : Được tính theo công thức sau : 2 1ggg dtb  (IX.91/181.II) g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h) gđ : lượng hơi ra khỏi tháp ở đĩa trên cùng (kg/h) gđ = GR +GP = GP(RX+1) (IX .92/181.II) Với GR : lượng lỏng hồi lưu , kg/h GP : lượng sản phẩm đỉnh (kg/h), GP = 1308,74 (kg/h) Rx : chỉ số hồi lưu, Rx = 3,458 = > gđ = 1308,74. (3,458+1) = 5834,36 (kg/h) Áp dụng phương trình cân bằng vật liệu, nhiệt lượng cho đĩa thứ nhất của đoạn luyện: g1 = G1 + GP (IX.93/182.II) g1y1 = G1x1 + GPxP (IX.94/182.II) g1r1 = gđrđ (IX.95/182.II) Với : - y1 : nồng độ của cấu tử nhẹ trong pha hơi của đĩa thứ nhất đoạn luyện - x1 : hàm lượng lỏng ở đĩa thứ nhất đoạn luyện x1 = xF = 0,405 (phần khối lượng ) - GP = 1308,74 (kg/h) = 22,23 (kmol/h) Đồ án môn học Trang 15 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý - r1 : Ẩn hiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (J/kg) r1 = rA y1 + rB (1 - y1 )  rđ : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp (J/kg) rđ = ra yđ + rb (1 - yđ ) = 518,22.103 (J/kg) (đã tính ở phần TB ngưng tụ) rA , rB : ẩn nhiệt hóa hơi của Axêtôn và Benzen nguyên chất Tra bảng I-212/254/I và nội suy ta có: rA 64,8 = 122,68 (kcal/mol) = 513636,62 (J/kg) rB 64,8 = 96,66 (kcal/mol) = 404696,1 (J/kg) r1 = 108,94. 103.y1 +404,7. 103 Vậy ta có hệ phương trình :        3 1 3 1 3 11 111 11 10.7,404.10.94,108 10.309049322,51867,5963. 992405,0.. 74,1308 yr rg Gyg Gg Giải hệ ta được :        )/(94,5481 )/(68,6790 )/(10.225,456)/(97,108 )_(547,0)_(473,0 1 1 3 1 1 hkgG hkgg kgJkgkcalr molphanklphany Suy ra lưu lượng hơi trung bình: )/(75,1)/(52,6312 2 36,583468,6790 2 1 skghkg gg g dtb  b/ Tính khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi ở đoạn luyện:   )/( 4,22 273)1( 311 mkg T MyMy BtbAtb ytb  (IX.102/183.II)  MA = 58 (kg/kmol) , MB = 78 (kg/kmol)  ytb1: nồng dộ phần mol của Axêtôn trong pha hơi ở đoạn luyện. 762,0 2 977,0547,0 2 1 1  Ptb yyy (phần mol)  T: nhiêt độ làm việc trung bình của đoạn luyện KttT oFP 9,333273 2 578,64273 2  Do đó :   )/(291,2 9,3334,22 273.78)762,01(58762,0 3mkgytb   Vậy )/(36,2755 291,2 52,6312 3 hmgV ytb tb tb   c/ Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng đoạn luyện 2 1 1 1 11 x tb x tb xtb aa   (IX-104a/183.II). Đồ án môn học Trang 16 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý  xtb : khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng trong đoạn luyện  21 , xx  : khối lượng riêng trung bình của Axêtôn và Benzene trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ TB (kg/m3), ttb = 60,9 0C )/(785,744 39,6011 mkgxx   (bảngI-2/9/I) )/(055,835 39,6012 mkgxx    atb1 : phần khối lượng trung bình của cấu tử A trong pha lỏng 68,0 2 955,042,0 21  PFtb aaa (phần khối lượng ) 472,771 xtb (kg/m3) d/ Tìm vận tốc hơi trung bình đi trong đoạn luyện: Vận tốc làm việc của dòng khí nhỏ hơn vận tốc đảo pha từ 10  20%. Chọn tb= 0,8 .,S (m/s) ,S : là vận tốc đảo pha được tính theo IX-115/187.II 8 1 4 1 16,0 3 2 75,1 ' lg                xtb ytb y x n x xtbd ytbdS G GA gV       Trong đó  A = - 0,125  d :Bề mặt riêng của đệm, (m2/m3)  Vđ : Thể tích tự do của đệm, ( m3/m3) Ở đây ta chọn đệm Risiga, bằng thép đổ lộn xộn có kích thước 25250,8 (mm), bề mặt riêng d = 220 (m2/m3), thể tích tự do Vđ = 0,92 (m3/m3), số đệm trong 1m3 : 50.103,khối lượng riêng xốp là 640 (kg/m3).  g : Gia tốc trọng trường, g = 9,81(m/s2)  ytbxtb  , : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi (kg/m3)  nx  , : độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình và của nước ở 20oC  Gx , Gy : lưu lượng lỏng và hơi trung bình,(kg/s) * Xác định độ nhớt nx  , :  n : độ nhớt của nước ở 20oC tra trong bảng I-102/94.I ta có : )/(10.005,1)(005,1 23 mNsCpn   :x Độ nhớt của hỗn hợp lỏng trong đoạn luyện ở 60,9oC, được tính theo công thức sau: BtbAtbx xx  lg)1(lglg  722,0 2 966,0478,0 2  PFtb xxx (phần mol) BA  , : Độ nhớt của Axêtôn và Benzene ở 60,9 0C I-101/91.I và bằng phương pháp nội suy ta có : )/(10.22865,0 23 mNsA  )/(10.38667,0 23 mNsB  Đồ án môn học Trang 17 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý )/(10.2646,0 23 mNsx   * Tính lưu lượng lỏng, hơi trung bình trong đoạn luyện: 2 1 R x GGG  )/(257,1)/(62,4525458,374,1308 skghkgRGG xPR  G1 = 5481,94 (kg/h) 78,5003 2 62,452594,5481  XG (kg/h) = 1,39 (kg/s) 52,6312 2 1  tbdY gggG (kg/h) =1,75 (kg/s) Như vậy : 16,0 3 8 1 4 1 2 lg75,1'lg            n x xtbd ytbd xtb ytb y x S gVG GA       16,0 3 8 1 4 1 005,1 2646,0. 472,771)92,0(81,9 291,2220lg 472,771 291,2 75,1 39,175,1125,0'lg2          S 313,1'  S (m/s) Vậy tốc độ làm việc : 05,1'.8,0  Stb  (m/s) Vậy đường kính đoạn luyện : 962,0 05,13600 36,27554 .3600. .4    tb tb l V D (m) 2 - Đường kính đoạn chưng a/ Lưu lượng hơi trung bình đoạn chưng : được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi ra khỏi đoạn chưng và lượng hơi đi vào đoạn chưng : 22 111 ggggg ntb  Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện do đó: )/(68,67901 hkgggn  Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’1, lượng lỏng G’1, và hàm lượng lỏng x’1 trong đoạn chưng được xác định bằng hệ phương trình sau : WGgG  11 (1) (IX-98/182.II) WW xGygxG  1111 ' (2) (IX-99/182.II) 1111 rgrgrg nn  (3) (IX-100/182.II) Trong đó :  y’1 = yW = 0,152 (phần mol) = 0,118 (phần khối lượng)  r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng, được xác định theo công thức trang 182.II : )1(11 yryrr BA  rA , rB : ẩn nhiệt hoá hơi của Axêtôn và Benzene ở nhiệt độ tW = 78 oC tra bảng I-212/254.I ta có: Đồ án môn học Trang 18 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý rA = 119,05 (kcal/kg) = 498,44. 103 (J/kg) rB = 94,35 (kcal/kg) = 395,024. 103 (J/kg) 333 1 10.227,40710).118,01(024,395118,010.44,498  r (J/kg) Vậy : )/(74,760768,6790 10.227,407 10.225,456)3( 3 3 1 1 1 1 hkggr rg  )/(67,959083,198274,7607)1( 11 hkgGgG W  102,0 67,9590 042,083,1982118,074,7607')2( 1 11 1   G xGygx WW (p. KL) =0,12 (p. mol) Vậy lượng hơi trung bình trong đoạn chưng: )/(21,7199 2 74,760768,6790 2 11 hkggggtb  b/ Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi đoạn chưng : Khối lượng riêng đoạn chưng được tính theo công thức sau:   '.4,22 273)'1(' ' 11 T MyMy BtbAtb ytb  (kg/m3) (IX-102/183.II) Ta có : C tt t oWFtb 5,672 5778 2  T’ = ttb + 273 = 340,5 oK 1'tby : phần mol của Axeton trong hỗn hợp hơi ở đoạn chưng 3495,0 2 57547,0 2 ' 11  Wtb yyy (phần mol)    542,2 5,340.4,22 273.78.3495,0158.3495,0'  ytb (kg/m3) Vây )/(49,2832 542,2 21,7199 ' ' 3 hmgV ytb tb tb   c/ Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng đoạn luyện 2 1 1 1 '1' ' 1 x tb x tb xtb aa   2235,0 2 042,0405,0 2 ' 1  WFtb aaa (phần khối lượng) 21 , xx  : khối lượng riêng của Axeton và của Benzen ở nhiệt độ trung bình của đoạn chưng 67,5 oC . Tra bảng I-2/9/I )/(125,828 )/(88,725 3 2 3 1 mkg mkg x x     Suy ra : 83,802' xtb (kg/m3) d/ Tính vận tốc hơi trung bình trong đoạn chưng: Tương tự trong đoạn luyện ta có : ’tb = 0,85.,S Đồ án môn học Trang 19 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý 8 1 4 1 16,0 3 2 ' ' ' ' 75,1 ' ' '' lg                xtb ytb y x n x xtbd ytbdS G GA gV       * Tính độ nhớt xn ', : Tương tự trong đoạn luyện ta có : )/(10.005,1)(005,1 23 mNsCpn  BtbAtbx xx  lg)1(lg'lg  267,0 2 478,0056,0 2  FWtb xxx (phần mol) BA  , : Độ nhớt của Axeton và Benzen ở nhiệt độ 67,5 oC : Tra bảng I.101/91/I )/(10.36225,0 )/(10.21875,0 23 23 mNs mNs B A       )/(10.3166,0' 23 mNsx   Chọn đệm Rasiga bằng thép có kích thước 35351,0 ,bề mặt riêng la ì160 (m2/m3),thể tích tự do là 0,93 (m3/m3) (chọn đệm khác ở đoạn luyện để tháp tối ưu) * Tính lượng lỏng, hơi trung bình G’X, G’Y : )/(0934,2)/(305,7536 2 67,959094,5481 2 ' 11 skghkgGGG x  )/(2)/(21,7199 skghkggG tby  Do đó : 2. 16,0 3 8 1 4 1 2 ' ' ' lg ' ' ' ' 75,1'lg            n x xtbd ytbd xtb ytb y x S gVG G A                    16,0 3 8 1 4 1 005,1 3166,0 83,802)93,0(81,9 542,2160lg 83,802 542,2 2 0934,275,1125,0 )/(388,1' smS  )/(11.1'.8,0' smStb   Như vậy đường kính đoạn chưng sẽ là : )(949,0 11,13600 49,28324 '.3600. .4 ' mVD tb tb c    Do đường kính đoạn chưng và đoạn luyện chênh lệch nhau không quá 10% nên đồng nhất hai giá trị đường kính về giá trị đường kính chuẩn. Vậy chọn đường kính tháp là D= 1,0 m (theo bảng qui chuẩn cho đường kinh tháp, 359.II). II. CHIỀU CAO THÁP CHƯNG LUYỆN: Đồ án môn học Trang 20 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý Chiều cao tháp chưng luyện được tính theo công thức IX-50/168.II H = Nl htđ + H (m) H : chiều cao của nắp và đáy tháp. Ở đây tháp làm việc ở áp suất thường nên H = (0,4  0,8) D = 0,6  1,0 = 0,6 m (Nắp và đáy tháp có dạng hình elip) Nl : Số bậc thay đổi nồng độ lý thuyết htđ : chiều cao tương đương của bậc thay đổi nồng độ, được tính theo công thức sau: (Trang 168/II) x y y x f x y e y x d x yc d b d a y tby td G G m mG G G G V W Kh                  1 lg      Hoặc có thể tính theo công thức (10-41/26.IV) :   x y y x x y y x x y tdtd G G m mG G G G dh              1 lg eR4,8 038,019,0342,0 2,0     Trong đó: k = 176,4 . m là giá trị TB của góc nghiêng của đường cân bằng vớ mặt phẳng ngang. 1/ Chiều cao đoạn luyện  78,5003xG (kg/h) = 1,39 (kg/s)  52,6312yG (kg/h) = 1,75 (kg/s)  05,1tb (m/s)  x = 0,2646.10-3 (Ns/m2)  y : được tính theo công thức sau B Btb A Atb y hh MyMyM  )1( 11  76,6278)762,01(58762,0)1( 11  BtbAtbhh MyMyM BA  , : độ nhớt của hơi Axeton và Benzen ở 67,5oC Tính theo công thức: t = 0 .(273 + C) /(T+C) )/(10.914,82 27 mNsA  (Trang116 /I) )/(10.607,86 27 mNsB  )/(10.973,83 27 mNsy   6735,01     n x y n tg m n i i  )/(472,771 3mkgx  , )/(291,2 3mkgy   ),/(220 32 mmd  )/(92,0 33 mmVd  Đồ án môn học Trang 21 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý  0167,0 220 92,0.4.4  d d td V d  m  5220 10.97,8392,0 291,20167,005,1 7    yd ytdtb V d eR   Do đó :   )(0511,1 78,5003 52,63126735,01 52,63126735,0 78,5003lg 10.2646,0 10.973,83 291,2 17,771 78,5003 52,631252204,80167,0 038,0 3 719,0342,0 2,0 m htd              Như vậy chiều cao đoạn luyện : Hl = 11,8 1,0511 = 12,403 (m) 2/ Chiều cao đoạn chưng : Ta có:  Gy = 7199,21 (kg/h) = 2 (kg/s)  Gx = 7531,305 (kg/h) = 2,092 (kg/s)  tb = 1,11 (m/s)  )/(83,802 3mkgx  , )/(542,2 3mkgy   )/(10.3166,0 23 mNsx   y : được tính theo công thức sau: B Btb A Atb y hh MyMyM  )'1(' 11  7178*6505,058.3495,0)'1(' 11  BtbAtbhh MyMyM BA  , : độ nhớt của hơi Benzen, Axit Axetic ở 67,5 oC : )/(10.371,88 27 mNsB  )/(10.891,84 27 mNsA  )/(10.3364,87 27 mNsy    m : Hệ số góc của đường cân bằng đoạn chưng: 4976,11     n x y n tg m n i i  )(0232,0 160 93,04.4 m V d d d td    8090 10.3364,8793,0 542,20232,011,1 7    yd ytdtb V d eR   Do đó : Đồ án môn học Trang 22 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý   )(093,1 305,7536 21,71994976,11 21,71994976,1 305,7536lg 10.3166,0 10.3364,87 542,2 83,802 305,7536 21,719980904,80232,0 038,0 3 719,0342,0 2,0 m htd             Như vậy chiều cao đoạn chưng: Hc = 1,093 4 = 4,3739 (m) Như vậy chiều cao toàn tháp H = 12,403 + 4,374+ 0,6 = 17,38 (m) III. TRỞ LỰC CỦA THÁP: Khi chất lỏng chuyển động từ trên xuống và chất khí chuyển động từ dưới lên có thể xảy ra 4 chế độ thủy động : chế độ chảy màng ; chế độ chảy quá độ ; chế độ chảy xoáy và chế độ chảy nhũ tương. Sức cản thủy lực của tháp đệm đối với hệ hơi lỏng ở điểm đảo pha có thể được xác định theo công thức IX-118/189.II : )/(1 2mN G GAPP c y x n x y m y x KU                     UP : tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha, N/m2 KP : tổn thất áp suất khi đệm khô, N/m2 . 1 - Đối với đoạn luyện Tổn thất áp suất đệm khô KP được xác định theo công thức IX-119/189.II : yy d d td ty K V H d H P  23 2 . 8.2    Với :  H = 12,403 m là chiều cao đoạn luyện  y : tốc độ của khí , )/(05,1 smy   t : tốc độ thực của khí trong lớp đệm, td y t V     : hệ số trở lực của đệm, bao gồm trở lực do ma sát và trở lực cục bộ  là hàm số phụ thuộc vào chuẩn số Râynôn Ta có  405220Re' y ở chế độ chảy xoáy 888,2 5220 16 Re' 16 2,02,0  y  Vậy 3210 92,08 291,205,1220403,12888,2 3 2   KP N/m2. * Để xác định UP , ta cần xác định các hệ số A, m, n, c dựa vào bảng IX.7/189.II : Ta có : A = 5,15 ; m = 0,342 ; n = 0,19 ; c = 0,038 Đồ án môn học Trang 23 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý 8960 10.97,83 2646,0 472,771 291,2 75,1 39,115,51.3210 038,0 7 19,0342,0            UlP (N/m2) Trở lực trên đoạn luyện: PUl / Hl = 896012,403 = 722,4 (Pa/m) 2 - Đối với đoạn chưng : Tổn thất áp suất đệm khô KP được xác định theo công thức IX-119/189.II : yy d d td ty K V H d H P  23 2 . 8.2    Trong đó : H = 4,374 (m), Re= 8090 646,2 8090 16 Re' 16 2,02,0  y  Vậy 904 93,08 542,211,1160374,4646,2 3 2   KP (N/m2) * Để xác định UP , ta cần xác định các hệ số A, m, n, c dựa vào bảng IX.7/189.II : Ta có : A = 5,15 ; m = 0,342 ; n = 0,19 ; c = 0,038 2720 10.336,87 3166,0 83,802 542,2 2 092,215,51904 038,0 7 19,0342,0            UcP (N/m2) Trở lực trên đoạn chưng là:PUc/Hc = 27204,374 = 621,86 (Pa/m) Trở lực đoạn chưng và luyện đều nằm trong khoảng (400800 Pa/m) nên thoả mãn. CH UƠNG 3: TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH I. Chọn vật liệu: Tháp chưng luyện ở áp suất khí quyển P = 760 mmHg = 1,01.105 N/m2 là áp suất thấp và trung bình nên chọn thân tháp hình trụ hàn (theo II.360). Đồ án môn học Trang 24 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý Dựa vào XII.37/341.II ta chon thép tấm X18H10T II. Tính chiều dày tháp: Chiều dày thân hình trụ làm việc dưới áp suất P được tính theo công thức XIII.8/360.II   )(2 mCP PDS t   Trong đó : _ D = 1,0 m : đường kính trong của tháp . _ : hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc: 9,0 _C : hệ số bổ sung ăn mòn, bào mòn và dung sai bề dày . C được tính theo công thức sau : C = C1 + C2 + C3  C1 : bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị C1 = 1 mm = 10-3 m, do vật liệu bền  C2 : đại lượng bổ sung do hao mòn . Đối với tháp chưng cất C2 = 0.  C3 : đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, C3 phụ thuộc vào bề dày tấm vật liệu, theo bảng XIII-9/364.II chọn C3 = 0,22 mm = 0,22.10-3 m .  C = 1+ 0 + 0,22 = 1,22mm = 1,22.10-3 m. _ []: ứng suất cho phép của thép không gỉ   )/( 2mN nb t k k    (XIII.1/355 II)    c t c k n  (N/m2) (XIII.2/356 II) Trong đó : _  là hệ số hiệu =1 (XIII.2/356.II) _ nb, nC: là hệ số an toàn theo giới hạn bền, giới hạn chảy (XIII.3/356.II). nk = 2,6 ; nC = 1,5 _ tk, tC: giới hạn bền khi kéo,giới hạn bền khi chảy tra trong bảng (XII.4/310.II) ứng với thép X18H10T ta có số liệu dày 1  3 mm, tk= 540.106 N/m2 , tC = 220.106 N/m2 Vậy ứng suất cho phép:   )/(10.7,270 6,2 10.540 266 mN nk k k     )/(10.67,146 5,1 10.220 266 mN nc c c   Vậy   nhận giá trị nhỏ hơn  c = 146,67.106 (N/m2) _ P = Pl+ Pmt Pl : áp suất thủy tĩnh Pl = gHx H = 17,38 (m) : chiều cao tháp  x: khối lượng riêng của chất lỏng trong tháp, kg/m3 Đồ án môn học Trang 25 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý )/(15,787 2 83,802472,771 2 ' 3mkgxtbxtbx   )/(34,13420738,1781,915,787 21 mNP  Pmt = Pkk =101325(N/m2)=1,0133at  P = 134207,34 + 101325 = 235532,34 (N/m2) Vậy chiều dày thép được xác định:     C P D C P PD S tt    122  (m) Vì: 45,560 34,235532 9,0.10.67,146].[2 6  P  >>1 nên có thể bỏ qua 1 )(10.004,310.22,1 45,560 0,1 33 mS   Chọn S = 4 (mm)  Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử Po ( dùng nước ). Aïp suất thử được tính theo công thức sau: Po = P1 + Pth Pth : áp suất thuỷ lực lấy theo bảng XIII.5/358.II Pth = 1,5 P =1,5 235532,34 = 353298,51 (N/m2) Po = 353298,51 + 134207,34 = 487505,85 (N/m2) Xác định ứng suất thử ở thân thiết bị theo công thức XIII.26/365.II     6 3 3 10.69,97 9,0.10).22,14.(2 85,487505.10).22,14(0,1 ).(2 )(       CS PCSD ot (N/m2) )/(10.33.183 2,1 10.220 2,1 26 6 mNc   Vậy S = 4 (mm) thỏa mãn điều kiện . III. Tính đáy và nắp thiết bị Nắp và đáy thiết bị làm cùng loại vật liệu với thân thiết bị,chọn đáy và nắp thiết bị có gờ. Với D= 1,0 m dựa vào bảng XIII.10/382.II. Ta có :  Chiêù cao phần lồi ra : hb= 0,25.D =300 mm  Chiều cao của gờ: h = 25 mm  Chiều dày đáy và nắp đáy và nắp được xác định theocông thức (XIII.47/385.II):   Ch D Pk PD S b t h t  28,3  ,(m) Trong đó: _ k là hệ số không thứ nguyên, chọn k= 1 (k= 1- d/D ) _h là hệ số bền của mối hàn hướng tâm, có h =0,95 (bảng XIII.8/362.II) Ta xét đại lượng :   3058,59195,01 34,235532 1067,146 6 hkP   nên có thể bỏ qua P ở mẫu số trong công thức tính S Đồ án môn học Trang 26 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý =>   CCCh P k DS bh  3 22 10.89,0 25,02 1 58,5918,3 0,1 2 1 8,3  (m) Ta có : Stháp - C = 4 -1,22 = 2,78 mm bổ sung thêm 2mm vào giá trị C ban đầu tính. Vậy bề dày đáy, nắp là: Sđ = 0,89 + 1,22 + 2= 4,11 mm Chọn Sđ = 5 (mm) Kiểm tra ứng suất ở thành theo áp suất thử ( XIII.49/387.II)     3 322 10)22,35(25,095,016,7 85,48750510)22,35(25,020,1 ).(...6,7 )(2      CShk PCShD bh obt  = 151,87.106 (N/m2) )/(10.33,183 2,1 26 mNc   Vậy Sđ = 5 mm thỏa mãn điều kiện IV. Tính bề dày lớp cách nhiệt: Để tránh tổn thất nhiệt cho môi trường xung quanh, đảm bảo cho quá trình chưng luyện đạt hiệu suất cao nhất thì ta phải trang bị cho tháp chưng luyện một lớp cách nhiệt .  Chọn vật liệu cách nhiệt bằng bông thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt nhỏ với : 0372,0 (W/mđộ) )/(200 3mkg  Thông số thân tháp : (XII.7/313/II) Hệ số dẫn nhiệt của thép X18H10T là  =16,3 (W/mđộ) Chiều dày thân tháp  = 4 mm = 4.10-3 m  Nhiệt độ không khí : T2 = 25oC  Nhiệt độ trung bình tháp : Cttt otbLtbCo 2,642 5,679,60 2   Chấp nhận quá trình truyền nhiệt trên là quá trình truyền nhiệt ổn định . Xem nhiệt truyền từ bên trong ra ngoài theo tường phẳng nhiều lớp .  Chấp nhận nhiệt độ mặt ngoài của lớp cách nhiệt t1 = 35oC  Tính tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh theo công thức : 222 . tq   (W/m2) 2 - hệ số cấp nhiệt bằng bức xạ và đối lưu từ bề mặt lớp cách nhiệt ra môi trường không khí, được tính theo công thức V-135 /41.II 22 058,03,9 t (W/m2độ) t2 - hiệu số nhiệt độ giữa tường bên ngoài của thiết bị với môi trường Ct o1025352  88,910058,03,92  (W/m2độ) )/(8,981088,9 2222 mWtq    Nhiệt lượng truyền từ trong tháp ra mặt ngoài lớp cách nhiệt : )/( 211 mWtKq  K : hệ số truyền nhiệt, W/m2.độ 1t : Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ trong tháp và nhiệt độ mặt ngoài tháp Đồ án môn học Trang 27 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý Vì truyền nhiệt ổn định nên q1 = q2 = q . 383,3 352,64 8,98 1 1  t qK (W/m2độ ) Mặt khác : K = rcặn cn cn th th      Theo bảng V-1 / 4.II ta có: 310387,0 canr (m2độ /W) 01097,00372,0 3,16 10.410.387,0 383,3 11 33                  cn th th cancn rK   (m) Vậy chọn bề dày lớp cách nhiệt cn = 11 (mm) V. Tính đường kính ống dẫn 1. Dường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh: Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh được tính theo công thức II-36 / 369.I: )( 785.0 4 mVVd   V : lưu lượng thể tích sản phẩm đỉnh (m3/s)  : vận tốc trung bình của lưu thể. Chọn vận tốc hơi đi trong ống là  = 20 m/s.(II.2/369.I) Lưu lượng sản phẩm đỉnh : gd =1308,74(kg/h) Khối lượng riêng sản phẩm đỉnh )/(291,2 3mkgytb  )/(1587,0)/(253,571 391,2 74,1308 33 smhmgV ytb d   )(1,0 20785,0 1587,0 md  Vậy chọn d = 100 (mm) 2. Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu: Tương tự ta có : )( 785,0 4 mVVd   - Lưu lượng hỗn hợp đầu : Gd = 3291,67(kg/h) =48,096 (kg/s) - Khối lượng riêng hỗn hợp đầu được tính theo công thức : B F A F x aa   11 aF = 0,405 (phần khối lượng) BA  , : khối lượng riêng của Axeton và Benzen ở nhiệt độ tF=64,8oC Tra bảng I-2/9.I bằng phương pháp nội suy ta có : )/(52,739 38,64 mkgA  )/(96,830 38,64 mkgB  )/(33,791 3mkgx   Đồ án môn học Trang 28 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý Vậy )/(10.155,1)/(16,4 33,791 67,3291 333 smhmV  Do hỗn hợp tự chảy vào tháp nên chọn  = 0,1 (m/s) theo bảng II-2/ 369.I 1213,0 1,0785,0 10.155,1 3   d (m) = 122 mm 3. Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: )( 785.0 4 mVVd        )/(1,0 sm GV x w   Lưu lượng sản phẩm đáy : GW = 1982,93(kg/h) = 0,551 (kg/s) Khối lượng riêng sản phẩm đáy tính theo công thức sau : B w A w x aa   11 aW = 0,042 ( phần khối lượng) BA  , : khối lượng riêng của Axeton và Benzen ở nhiệt độ tW =78oC Tra bảng I-2/ 9.I & bằng phương pháp nội suy ta có : )/(7,721 378 mkgA  )/(1,817 378 mkgB  Vậy )/(6,812 3mkgx  => )/(10.68,0)/(44,2 6,812 93,1982 333 smhmV    1,0785,0 10.68,0 3d 0,093 (m) = 93 mm 4. Đường kính ống hồi lưu )( 785,0 4 mVVd   Lưu lượng hồi lưu : GRx=P.Rx=1308,743,458 =4525,62 ( kg/h) Hỗn hợp tự chảy vào tháp nên ta chọn  = 0,1(m/s) Khối lượng riêng sản phẩm hồi lưu được tính theo công thức sau: B P A P x aa   11 aP = 0,955 ( phần khối lượng) BA  , : khối lượng riêng của Axeton và Benzen ở nhiệt độ tP =57oC )/(3,749 357 mkgA  )/(3,839 357 mkgB  Đồ án môn học Trang 29 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý Vậy )/(74,756 3mkgx  => )/(10.66,1)/(98,5 74,756 62,4525 333 smhm G V x Rx   )(145,0 1,0785,0 10.66,1 3 md   = 145 mm VI. MẶT BÍCH : Chọn kiểu bích (XIII.20/408.II) 1. Bích để nối thiết bị : Từ đường kính trong của tháp dựa vào bảng ( XIII.27/420.II) ta chọn bích kiểu 4 để nối các đoạn của thân tháp, nối thân với đáy và nắp ( Po = 487505,85 (N/m2)) Số liệu của bích được cho ở bảng sau : Py.106 N/m2 Dt mm Kích thước nối (mm) Kiểu bích D Db D1 D0 Bulông 4 db Z h h1 0,6 1000 1140 1090 1060 1013 M20 28 30 4 2. Bích để nối thiết bị với ống dẫn : Chọn mặt bích kiểu 1 cho các ống dẫn theo bảng (XIII.26/412.II): Ống dẫn Dy, mm Dn, mm Kích thước ống nối Bulông h, mmD,mm D ,mm D1 ,mm db ,mm Z (cái) Sản phẩm đáy (d=93) 100 108 205 170 148 M16 4 14 Sản phẩm đỉnh (d=100) 125 133 235 200 178 M16 8 14 Hỗn hợp đầu (d=122) 125 133 235 200 178 M16 8 14 Lỏng hồi lưu (d=145) 150 159 260 225 202 M16 8 16 Dt D1 Dy Dn D db h Đồ án môn học Trang 30 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý VII. KÍCH THƯỚC ĐĨA PHÂN PHỐI VÀ LƯỚI ĐỠ ĐỆM Theo bảng IX.22/230.II, với đường kính trong của tháp chưng luyện Dt = 1,0 (m) =1000 (mm) ta có kích thước sau : - Đường kính đĩa : Dd = 600 (mm) - Ống dẫn chất lỏng : d  S = 44,52,5 (mm) ; bước ống t = 70 ; số lượng ống dẫn loại 2 là 40 ống ; chiều dày đĩa loại 2 là 4 (mm) - Lưới đỡ đệm : Đường kính lưới là DL = 980 (mm) ; chiều rộng của bước lưới b = 41,5 (mm). VIII. CỬA NỐI THIẾT BỊ VỚI ỐNG DẪN Ôúng dẫn nối với thiết bị thông qua mối ghép tháo được hoặc không tháo được. Đối với mối ghép tháo được người ta làm đoạn ống nối , đó là đoạn ống ngắn có mặt bích hay ren để nối ống . Loại mặt bích thường dùng nối với ống có Dy > 10 mm ; loại ren thường nối ống có Dy < 10 mm . Chiều dài đoạn ống nối xác định theo bảng XIII- 32/434.II như sau: Đường kính ống Chiều dài đoạn ống nối(mm) 93 (mm) 150 100 150 122 175 145 175 IX. TAI TREO VÀ CHÂN ĐỠ THIẾT BỊ 1 - Khối lượng toàn tháp Khối lượng của tháp bao gồm tổng khối lượng của thân tháp, đáy, nắp, lớp cách nhiệt, chất lỏng trong tháp, bích và đĩa. a- Khối lượng thân tháp: Thân tháp làm bằng thép X18H10T có khối lượng riêng là 7900(kg/m3) gồm có thân thân tháp , phần gờ dư của đáy và nắp tháp : - Vỏ tháp có bề dày 4 mm ; Dt = 1000 mm; Dn = 1004 mm ; chiều cao H = 17,38 m Do đó khối lượng toàn thân tháp :     )(42,8640,1004,1 4 38,17.7900 4 2222 1 kgDD HM tn   - Phần gờ dư của đáy và nắp : H2 = 2.h =230 = 60 (mm) = 0,06(m) Suy ra khốïi lượng phần gờ dư :   )(3)0,1004,1( 4 .06,07900 4 22222' 1 kgDD HM tn   b- Khối lượng đáy và nắp tháp : với bề dày 5mm ; gờ 30 mm được cho trong bảng XIII.11/384.II: M2 = 141,012=28,28 (kg) c- Khối lượng lớp cách nhiệt : )''( 4 22 33 tn DD H M   Với cn = 11 mm ; suy ra : D’n= 1015 mm ; D’t = 1004 mm )(6,60)004,1015,1( 4 38,17200 223 kgM   d - Khối lượng chất lỏng trong tháp : Đồ án môn học Trang 31 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý Để thuận lợi cho việc tính toán, người ta chấp nhận chất lỏng chiếm toàn bộ tháp bỏ qua phần chiếm của đệm với khối lượng riêng của lỏng lớn nhất : )/(6,812 3max mkgxâ   . Vậy khối lượng lỏng là: )(2,11092 4 0,138,176,812 4 22 max4 kg DH M t   e - Tổng khối lượng bích: * Khối lượng các bích nối thân, nắp và đáy :       )(25,15803,0.004,0.20,1140,1. 4 .7900.3.2 4 2222 1 kghSDDnm t   Với : n = 3(số bích) ; D = 1140 mm ; Dt = 1,0m ;S = 0,004 m ; h = 0,03m * Khối lượng các bích nối ống dẫn với thân tháp : - Bích nối ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp: kghDDm nd 26,37900.014,0).133,0235,0(4 .)..( 4 2222   Vậy khối lượng cặp bích này : m2 = 2.3,26 = 6,52 kg - Bích nối ống dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp : m3 = kg52,67900.014,0).133,0235,0.( 4 .2 22  - Bích nối ống dẫn dung dịch đáy : m4 = 2. kg27,57900.014,0).108,0205,0.( 4 22  - Bích nối ống dẫn lỏng hồi lưu : m5 = 2. kg4,87900.016,0).159,0260,0.( 4 22  Vậy tổng khối lượng các loại bích nối thân, nắp, đáy và ống dẫn : M5 = m1 +m2 +m3 +m4 +m5 = 181,7 kg f- Khối lượng đệm : Một cách gần đúng xem đệm đổ đầy tháp. Đoạn luyện: Khối lượng riêng đệm : )/(640 3mkgd  (193/II) Suy ra khối lượng đệm đoạn luyện: )(76,62290,1.4,12. 4 .640 4 22 kgHDM tdâl   Đoạn chưng: đ =570 (kg/m3) )(15,19570,1.374,4. 4 .570 4 22 kgDHM tcdâc   M6 =5229,76 + 1957,15 =8186,9 (kg) Vậy tải trọng của toàn tháp : M = M1 + M’1 + M2 + M3 + M4 + M5 + M6 = 19552,5(kg) Đồ án môn học Trang 32 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý T T1d 2- Tai treo, chânđỡ Do chiều cao tháp lớn nên ta dùng 3 tai treo, tải trọng trên mỗi tai treo là: M= 7,6393681,9 3 5,19552  (N) Chọn tai treo (VIII-36/438.II): L B B1 H S l a d 270 240 240 420 14 120 25 34 CHƯƠNG IV : TÍNH THIẾT BỊ PHỤ I - TÍNH THIẾT BỊ ĐUN SÔI HỖN HỢP ĐẦU: Đối với quá trình chưng luyện, để nâng cao hiệu quả làm việc thì hổn hợp đầu thường đưa vào tháp ở trạng thái loøng sôi (xét đến ảnh hưởng của trạng thái nhiệt động) nhằm tạo ra sự tiếp xúc tốt giữa 2 pha lỏng - hơi. Điều này được thực hiện nhờ thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu . Dựa trên các tiêu chuẩn kinh tế, kỹ thuật ta chọn thiết bị đun nóng kiểu ống chùm. Tác nhân đun nóng là hơi nước bão hòa vì nó có hệ số cấp nhiệt lớn và ẩn nhiệt ngưng tụ cao. 1 - Diễn biến của quá trình : Trong thực tế nhiệt lượng bao giờ cũng truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp. Với thiết bị mà ta tính thì nhiệt lượng truyền từ phía hơi bão hoà có nhiệt độ t01 vào phía dung dịch sôi có nhiệt độ t02. Ta ký hiệu nhiệt lượng truyền qua một đơn vị bề mặt ống truyền nhiệt là q (W/m2). Quá trình truyền nhiệt được mô tả như sau: nhiệt lượng q1 từ phía hơi ngưng tụ có hệ số cấp nhiệt 1 (W/m2.độ), nhiệt độ t1 truyền qua lớp màng nước ngưng có nhiệt độ tm, qua lớp cặn bám vào thành (t0c1). Rồi qua ôÚng truyền nhiệt (=3mm) có nhiệt độ thành ngoài là tT1 và nhiệt độ thành trong là tT2, qua lớp cặn trong cuối cùng đến chất lỏng sôi có hệ số cấp nhiệt là 2, nhiệt độ t02. Ký hiệu nhiệt lượng truyền đến q2 (W/m2). Lưu lượng hỗn hợp đầu : F = 3291,67 kg/h = 48,096 kmol/h Thành phần khối lượng: aF = 0,405 (phần khối lượng) Thành phần mol : xF = 0,478 (phần mol) Hơi nước bão hòa : 99,1oC (hơi)99,1oC (lỏng), áp suất P= 1 atm Hỗn hợp đầu : 250C (lỏng nguội)  64,80C (lỏng sôi ) Hiệu số nhiệt độ giữa chất tải nhiệt và lưu thể: CT o1,74251,991  CT O3,348,641,992  Hiệu số nhiệt độ trung bình tính theo hiệu số nhiệt độ trung bình logarit vì: 2 2 1   T T : C T T TTT otb 72,51 3,34 1,74lg3,2 3,341,74 lg3,2 2 1 21     2 -Tính lượng nhiệt trung bình truyền qua một đơn vị bề mặt ống truyền nhiệt: T 99,10C T1c Đồ án môn học Trang 33 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý a- Hệ số cấp nhiệt của hơi nước ngưng tụ bên ngoài thành ống : 1 25,0 1 1 04,2      tH rA (V.101/ 28.II). Trong đó r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở 99,1oC, r = 2264.103 J/kg . (bảng I-250/ 312.I) H : chiều cao ống : chọn H = 1,5 m 1t : hiệu số nhiệt độ giữa hơi nước ngưng và thành ngoài ống, t1 = t1 - tT1 chọn 1t = 1oC  tT1 = 99,1-2= 97,1 oC A : hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm__: Với : Cttt om 98,62 11,992 2 2 11  A = 178,3 (bảng trang 29.II) 12749,05 5,11 10.2264178,304,2 25,03 1      (W/m 2độ) )/(05,12749105,12749 2111 mWtq   b- Tính hệ số cấp nhiệt cho hỗn hợp : 2 - Tính d Nu 2 Trong đó :  : Hệ số dẫn nhiệt của hổn hợp ở Ttb = 99,1-51,72 = 47,38oC, được tính theo công thức sau:   21 1  FF aa  với aF = 0,405 (phần khối lượng) 21 , : hệ số dẫn nhiệt của Axeton và Benzen ở 47,38 oC 165,01  (W/m.độ) (bảng I.130/134.I) 139,02  (W/m.độ) (bảng I.130/134.I) 149,0  (W/m.độ) Chọn đường kính ống d = 0,02m =20mm Chuẩn số Nu được tính theo công thức (V-40/14.II) trong trường hợp cấp nhiệt khi dòng chảy xoáy trong ống : 25,0 43,08,0 1 Pr PrPr021,0     t eu RN  1 : hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài và đường kính ống. Với Re = 104, theo bảng V-2/15.II ta có : 175 02,0 5,1 1  d l Prt :Chuẩn số Prant của dòng tính theo nhiệt độ trung bình của tường. Vì chênh lệch nhiệt độ giữa thành ống và dòng nhỏ nên 1 25.0     rt r P P Đồ án môn học Trang 34 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý Chuẩn số Prant được xác định theo công thức V-35/12.II  CPr  C : nhiệt dung riêng của hổn hợp đầu ở 47,38 oC: C = aF CA + (1-aF)CB CA , CB : nhiệt dung riêng của Axeton và Benzen ở 47,38 oC theo Bảng I.154 /171.I : 38,47AC = 2264 (J/kg.độ) 38,47BC = 1863,7 (J/kg.độ) aF = 0,405 (phần khối lượng) 85,2025 C (J/kg.độ)  : độ nhớt của hổn hợp ở 47,38 oC: BFAF xx  lg)1(lglg  Với : xF = 0,478 (phần mol) BA  , là độ nhớt của Axeton và Benzen ở 47,38 oC, theo bảng I.101/91.I )/(10.2488,0 23 mNsA  )/(10.4507,0 23 mNsB  )/(10.3542,0 23 mNs  Do đó : 82,4 149,0 10.3592,085,2025 3    CPr   45,651)82,4(101021,0 43,08,04  uN Vậy : 7,487 02,0 149,045,65 2  d Nu (W/m2độ) - Tìm 2t : 222 ttt T  mà: TTT ttt  12 Ta có chênh lệch nhiệt độ tường : 1.qrtT  Trong đó: 321 rrrr  r1 : nhiệt trở của cặn bẩn mặt trong: r1 = 0,116.10-3 (m2độ/W) (bảng V.1/4.II) r2 : nhiệt trở thành ống (làm bằng thép không gỉ 40XFA) có bề dày mmm 2002,0  ; 4,52 (W/mđộ) 32 10.038,04,52 002,0   r (m2độ/W) r3 : nhiệt trở của nước: r3 = 0,3.10-3 (m2độ/W) (V-1/4.II) 310.454,0  r (m2độ/W) Ct oT 79,510.454,005,12749 3   CtT 02 3,9279,51,98  Ct o5,278,643,922  Đồ án môn học Trang 35 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý )/(57,134175,277,487 2222 mWtq   9,4049,0 57,13417 57,1341705,12749 2 21  q qq < 5 )/(31,13083 2 57,1341705,12749 2 221 mWqqqtb  3- Tính bề mặt truyền nhiệt : tbq QF  Q : chính là lượng nhiệt do hơi nước bão hòa cấp cho hỗn hợp đầu để nó tăng nhiệt độ từ 250C đến 64,8 0C : TCGQ F  C =2025,85 (J/kg.độ) GF = 3291,67(kg/h) =0,91 (kg/s) CT o8,39258,64  )(2,733728,3991,085,2025 WQ  Vậy bề mặt truyền nhiệt : )(61,5 31,13083 2,73372 2m q QF tb  Số ống trao đổi nhiệt : 54,69 5,102,0 61,5  dH Fn (ống) Theo bảng V.11/48.II, ta chọn số ống là 61 và sắp xếp theo hình 6 cạnh đều thì ta bố trí 61 ống thành 4 vòng sáu cạnh với số ống trên đường chéo chính của hình 6 cạnh là 9 ống . Theo công thức V.140/49.II thì đường kính trong của thiết bị được tính : D = t.(b -1) + 4.dn , m Với dn : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt dn = 0,02 + 0,002.2 = 0,024 m t : bước ống , t = 1,2.dn = 0,0288 m b: số ống trên đường chéo chính của hình sáu cạnh , b = 9 = > D = 0,0288(9-1) + 40,024 = 0,3326 m. Chọn D = 0,4 m. Vậy thiết bị có đường kính trong là 400 mm, gồm 61 ống xếp theo hình lục giác đều gồm 5 vòng. Mỗi ống dài 1,5 m, đường kính trong 0,02 m, dày 0,002 m . II - TÍNH VÀ CHỌN BƠM : Đồ án môn học Trang 36 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý Để vận chuyển hỗn hợp đầu từ bể chứa lên thùng cao vị, ta phải sử dụng bơm thủy lực. Trong điều kiện năng suất và yêu cầu về kinh tế, kỹ thuật để vận chuyển hỗn hợp Benzen - Axêtôn ở nhiệt độ môi trường ta chọn bơm ly tâm. Loại bơm này có những ưu điểm sau: - Vận chuyển chất lỏng liên tục và đều đặn . - Có số vòng quay lớn, có thể truyền động trực tiếp từ động cơ điện - Có thể bơm được những chất lỏng bẩn và nhiều chất lỏng khác nhau - Không có suppape nên ít bị tắc và hư hỏng 1- Tính năng suất thể tích bơm Hổn hợp đầu ở 25o C có lưu lượng GF = 3291,67(kg/h) ứng với năng suất của bơm là :  FGQ   : khối lượng riêng của hổn hợp đầu ở 25oC, được tính theo công thức : 2525 11 B F A F aa   aF = 0,405 (phần khốilượng) 2525 , BA  : khối lượng riêng của Axeton và Benzen ở 25oC, tra bảng I-12/ 9.I ta có : )/(25,785 325 mkgA  )/(75,873 325 mkgB  )/(9,837 325 mkg  Vậy năng suất thể tích của bơm là : )/(101,1)/(93,3 9,837 67,3291 333 smhmQ  - Đường kính ống của bơm được tính theo II-36/369.I : 785,0 Vd   : vận tốc của chất lỏng trong ống, theo bảng II-2/ 369.I ta chọn  =1,5m/s Do đó : )(31)(0304,0 5,1785,0 10.1,1 3 mmmd   2- Tính áp suất toàn phần của bơm : Aïp suất toàn phần của bơm được tính theo hệ thống công thức II- 53/376.I : kHCmd PPPPPP  dP : áp suất động lực học mP : áp suất để khắc phục lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng CP : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ HP : áp suất để nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất thủy tĩnh kP : áp suất để bổ sung khi cần thiết a - Tính áp suất động lực học dP : Đồ án môn học Trang 37 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý Theo công thức II-54/376.I : 2 2 dP , N/m2 Với )/(9,837 3mkg là khối lượng riêng của hỗn hợp đầu ở 25oC  : vận tốc chất lỏng, theo trên  = 1,5(m/s) )(N/m 6,942 2 5,19,837 2 2  dP b - Tính áp suất để khắc phục trở lực ma sát mP : Theo công thức II-55/376.I : dm Pd L   , N/m2 Với L : chiều dài ống dẫn : chọn L = 12m d: đường kính ống tương đương : d = 0,03 m = 30mm  : hệ số ma sát phụ thuộc vào độ nhẵn của thành ống và chế độ của chất lỏng, phụ thuộc vào Re :  dRe  : độ nhớt của hổn hợp đầu ở 25oC, tính theo công thức: BFAF xx  lg)1(lglg  xF =0,478 (phần mol) )/(10.358,0 2325 mNsA  (trang91/I) )/(10.6,0 2325 mNsB  )/(10.487,0 23 mNs  77434 10.487,0 9,83703,05,1Re 3   Re > 104 nên chất lỏng chảy xoáy. - Tính chuẩn số Râynôn giới hạn của khu vực nhẵn thủy lực Regh : 7 8 6Re     d gh Với  : độ nhám tuyệt đối, tra bảng II -15/ 381.II với điều kiện ống mới, không hàn: )(10.08,0)(08,0 3 mmm  88,5246 10.08,0 03,06Re 7 8 3    gh - Tính chuẩn số Râynôn khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám Ren : 4,173064 10.08,0 03,0220220Re 8 9 3 8 9        d n ngh ReReRe  nên hệ số ma sát  phụ thuộc vào chuẩn số Râynôn và độ nhám của thành ống, tính theo II.64/379.I : Đồ án môn học Trang 38 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý 0268,0 77434 100 03,0 10.08,046,11,0 Re 10046,11,0 25,03 25,0           d  )/(7,101046,942 03,0 120268,0 2mNsPm  c - Tính tổn thất áp suất do trở lực cục bộ CP : Theo công thức II- 56/377.I: 22 22  td td C d LP   : hệ số trở lực cục bộ của hệ thống ống gồm : 2 đoạn ống dài 1m ; 1 đoạn ống dài 10m ; hai khuỷu ghép vuông góc có hệ số trở lực 1 ; một van chắn trước ống đẩy để điều chỉnh lưu lượng có hệ số trở lực 2 ; một van một chiều có hệ số trở lực 3 ; đầu vào thùng cao vị có hệ số trở lực 4 . - Tính 1 : khuỷu ghép vuông góc hai khuỷu 45 o tạo thành, theo bảng II -16.N029/ 394.I chọn tỷ số: 6,0 b a 38,01  - Tính 2 : Chọn van tiêu chuẩn, theo bảng II-16 N037/397.I tacó: 45,6 20 89,41082     - Tính 3 : Chọn van một chiều kiểu có đĩa không định hướng phía dưới với các thông số sau: h : chiều cao hở của van ; b: chiều rộng vành đĩa : chọn h = b = 3.10-3m Do : đường kính ống dẫn trước van (Do = 0,03m) o : tốc độ dòng tại mặt cắt trước van Ta có : 1,0 03,0 10.3 3   oD b Theo bảng II.16_ N047, N0 48/400.I , xác định  , như sau: 55,0 5,15 05,1655,05,153   - Tính 4 : Chọn 1,0;05,0  tdtd d b d  Theo bảng II -16N0 8 /384.I : 5,04  Vậy tổng trở lực cục bộ của hệ thống ống dẫn : 38,235,005,1645,638,04321   Đồ án môn học Trang 39 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý )/(220386,94238,23 2mNPP dC   d - Tính áp suất để nâng chất lỏng lên cao HP : Theo công thức II -57/377.I : gHPH  H : chiều cao nâng chất lỏng hoặc cột chất lỏng : H = 20 m )/(98,1643952081,99,837 2mNPH   áp suất toàn phần do bơm tạo ra cần thiết để khắc phục mọi sức cản thủy lực : 28,19748198,164395220387,101046,942   HCmd PPPPP 3- Công suất của bơm và động cơ điện : Chiều cao toàn phần H bơm cần tạo ra : )(03,24 9,83781,9 28,197481 m g PH    - Công suất yêu cầu trên trục của bơm đưọc tính theo công thức II -189/439.I :   1000 gHQN   : hiệu suất của bơm : chọn 85,0 Q = 1,1.10-3 (m3/s) )(2556,0 85,01000 02,119,83781,910.1,1 3 kWN    - Công suất của động cơ điện được tính theo công thức : dctr dc NN  tr : hiệu suất truyền động chọn tr = 0,95 dc : hiệu suất động cơ : 75,0dc )(3587,0 75,095,0 2556,0 kWNdc  Thông thường chọn động cơ điện có công suất thực tếï lớn hơn công suất tính toán . dc tt dc NN   : hệ số dự trữ công suất : Theo bảng II-33/439.I với Ndc < 1 ta chọn 2 )(7174,03587,02 KWN ttdc  Vậy công suất bơm : N = 0,2556 (KW) Công suất động cơ :Ndc = 0,7174 (KW) Như vậy dựa vào các thông số của bơm ta có thể chọn loại bơm li tâm 2X-6H-3a có áp suất toàn phần là 31m, năng suất 20 m3/h, số vòng quay 1150 vòng/phút, nhiệt độ chất lỏng< 60 0C.(bảng II.39/447.I) Đồ án môn học Trang 40 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý TÀI LIỆU THAM KHẢO I. Cơ sở các quá trình và thiết bị trong công nghệ hoá học, tập 1 (Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên nghiệp 1978) II. Cơ sở các quá trình và thiết bị trong công nghệ hoá học, tập 2 (Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên nghiệp 1978) III. Sổ tay các quá trình và thiết bị trong công nghệ hoá học, tập 1 (Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội 1978) IV. Sổ tay các quá trình và thiết bị trong công nghệ hoá học, tập 2 (Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội 1978) Đồ án môn học Trang 41 Chưng luyện liên tục SVTH: Phan Thanh Hải GVHD : ThS. Lê Thị Như Ý