Thiết kế hệ thống chưng cất benzen - Toluen bằng tháp chóp

BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO COÄNG HOØA XAÕ HOÄI CHUÛ NGHÓA VIEÄT NAM TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA Ñoäc laäp – Töï do – Haïnh phuùc Thaønh phoá Hoà Chí Minh Khoa: Coâng ngheä Hoùa & Thöïc phaåm Boä moân: Quaù trình vaø Thieát bò ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC: ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC QT&TB. MAÕ SOÁ: 605040 Hoï vaø teân sinh vieân: Vũ Tiến Dũng Lôùp: HC06MB Ngaønh (neáu coù): Máy & Thiết Bị Ñaàu ñeà ñoà aùn: Thieát keá thaùp mâm chóp chöng caát hoãn hôïp Benzen – Toluen coù naêng suaát 200 l/h tính theo saûn phaåm ñænh Nhieäm vuï (noäi dung yeâu caàu vaø soá lieäu ban ñaàu): Noàng ñoä nhaäp lieäu:
F = 40%phaàn khoái löôïng Noàng ñoä saûn phaåm ñænh:
D = 98% phaàn khoái löôïng Noàng ñoä saûn phaåm ñaùy:
W = 1% phaàn khoái löôïng Nguoàn naêng löôïng vaø caùc thoâng soá khaùc töï choïn Noäi dung caùc phaàn thuyeát minh vaø tính toaùn: Xem ôû phaàn muïc luïc Caùc baûn veõ vaø ñoà thò (loaïi vaø kích thöôùc baûn veõ): Goàm 2 baûn veõ A1: baûn veõ quy trình coâng ngheä vaø baûn veõ chi tieát thieát bò Ngaøy giao ñoà aùn: 6/10/2009 Ngaøy hoaøn thaønh ñoà aùn: 18/01/2010 Ngaøy baûo veä hay chaám: 25/01/2010 Ngaøy 6 thaùng 10 naêm 2009 CHUÛ NHIEÄM BOÄ MOÂN NGÖÔØI HÖÔÙNG DAÃN (Kyù vaø ghi roõ hoï teân) (Kyù vaø ghi roõ hoï teân) NHAÄN XEÙT ÑOÀ AÙN Caùn boä höôùng daãn. Nhaän xeùt: Ñieåm: Chöõ kyù: Caùn boä chaám hay Hoäi ñoàng baûo veä. Nhaän xeùt: Ñieåm: Chöõ kyù: Ñieåm toång keát: LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung. Một trong những ngành có đóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất các hoá chất cơ bản. Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao. Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp. Đối với hệ benzen – toluen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzen. Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai. Môn học này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen ở áp suất thưởng với năng suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene) là 200 lít/h có nổng độ 98% phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là 99% khối lượng Toluene,Nồng độ nhập liệu là 40% khối lượng Benzene, nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi. MUÏC LUÏC Lời mở đầu 3 CHÖÔNG 1 : TỔNG QUAN 4 Lý thuyết về chưng cất 5 Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu 7 CHÖÔNG 2 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 9 CHÖÔNG 3 : CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT 10 Caùc thoâng soá ban ñaàu 10 Xaùc ñònh suaát löôïng saûn phaåm ñænh vaø saûn phaåm ñaùy thu ñöôïc 10 Xaùc ñònh tæ soá hoaøn löu laøm vieäc 11 Xaùc ñònh phöông trình ñöôøng laøm vieäc – Soá maâm lyù thuyeát 13 Xaùc ñònh soá maâm thöïc teá 14 CHÖÔNG 4 : TÍNH TOAÙN THAÙP CHÖNG CAÁT 16 Đường kính đoạn cất 16 Đường kính đoạn chưng 18 Trở lực của tháp 20 CHÖÔNG 5 : CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 22 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 22 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu 22 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 22 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 22 Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp 23 CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 24 Tính toán thân tháp 24 Tính toán chóp 24 Tính toán đáy nắp thiết bị 25 Bích ghép thân 26 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép ống dẫn 28 Chân đỡ - tai treo 31 CHÖÔNG 7 : TÍNH TOAÙN THIEÁT BÒ PHU 33 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 33 Thieát bò ñun soâi ñaùy thaùp 36 Thieát bò laøm nguoâïi saûn phaåm ñænh 39 Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy 43 Thiết bị đun sôi nhập liệu 47 Bồn cao vị 50 Bơm 52 Keát luaän 54 Taøi lieäu tham khaûo 54 Chương 1 : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : Khái niệm : Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác nhau). Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của 2 quá trình này là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi. Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phẩm : Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ) Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ Benzen – Toluen Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen. Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen. Phương pháp chưng cất : Các phương pháp chưng cất được phân loại theo : Áp suất làm việc : Áp suất thấp Áp suất thường Áp suất cao Nguyên tắc làm việc : dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử. Nguyên lí làm việc : Chưng một bậc Chưng lôi cuốn theo hơi nước Chưng cất Cấp nhiệt ở đáy tháp : Cấp nhiệt trực tiếp Cấp nhiệt gián tiếp Vậy : Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất thường. Thiết bị chưng cất : Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, …Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đượ cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có : Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, …. Tháp mâm xuyên lỗ : trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh. Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp :  Tháp chêm  Tháp mâm xuyên lỗ  Tháp chóp   Ưu điểm  - Cấu tạo khá đơn giản. - Trở lực thấp. - Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có ( ( ( của chất lỏng.  - Trở lực tương đối thấp. - Hiệu suất khá cao.  - Khá ổn định. - Hiệu suất cao.   Nhược điểm  - Do có hiệu ứng thành ( hiệu suất truyền khối thấp. - Độ ổn định không cao, khó vận hành. - Do có hiệu ứng thành ( khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng ( khó tăng năng suất. - Thiết bị khá nặng nề.  - Không làm việc được với chất lỏng bẩn. - Kết cấu khá phức tạp.  - Có trở lực lớn. - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp.   Vậy :qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen – Toluen. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU : Benzen & Toluen : Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ.Công thức phận tử là C6H6. Benzen không phân cực,vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực và tan rất ít trong nước. Trước đây người ta thường sử dụng benzen làm dung môi. Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn Các tính chất vật lí của benzen: Khối lượng phân tử: 78,11 Tỉ trọng(200C): 0,879 Nhiệt độ sôi: 80oC Nhiệt độ nóng chảy: 5,50C Toluen: là một hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng và có tính thơm ,công thức phân tử tương tự như benzen có gắn thêm nhóm –CH3. Không phân cực,do đó toluen tan tốt trong benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp. Các tính chất vật lí của toluen: Khối lượng phân tử : 92,13 Tỉ trọng (20oC) : 0,866 Nhiệt độ sôi : 111oC Nhiệt độ nóng chảy : -95 oC Các phương thức điều chế : Đi từ nguồn thiên nhiên Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ…. Đóng vòng và dehiro hóa ankane Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt CH3(CH2)4CH3
C6H6 Dehidro hóa các cycloankane Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen C6H12
C6H6 Đi từ acetylen Đun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken như Ni(CO)[(C6H5)P] sẽ thu được benzen 3C2H2
C6H6 Từ benzen ta có thể điều chế được các dẫn xuất của benzen như toluen bằng phản ứng Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự có mặt cảu xúc tác AlCl3 khan C6H6 + CH3- Cl
C6H5-CH3 Hỗn hợp benzen – toluen : Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen ở 760 mmHg.(Tham khảo STT1) x (% phân mol)  0  5  10  20  30  40  50  60  70  80  90  100   y (% phân mol)  0  11,8  21,4  38  51,1  61,9  71,2  79  85,4  91  95,9  100   t (oC)  110,6  108,3  106,1  102,2  98,6  95,2  92,1  89,4  86,8  84,4  82,3  80,2   Chương 2 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen là 40% (phần khối lượng), nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu là 300C tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Dòng nhập liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong thiết bị truyền nhiệt ống chùm. Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (6) ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất. Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (14). Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống. Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống phía dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (10) lôi cuốn cấu tữ dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là toluen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều nhất (nồng độ 98% phần khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (7) được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (8), được làm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống(8) rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (9). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế(5). Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Toluen). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Toluene là 99% phần khối lượng, còn lại là Benzene. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (10). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được cho qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13) rồi đi vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy(13) sau đó vào bồn chứa sản phẩm đáy(12). Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Benzen, sản phẩm đáy là Toluen  Chương 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU : Choïn loaïi thaùp laø thaùp maâm chóp. Khi chöng luyeän hoãn hôïp Benzen - Toluen thì caáu töû deã bay hôi laø Benzen. Hoãn hôïp:
Naêng suaát sản phẩm đỉnh : D = 200l/h Noàng ñoä nhaäp lieäu : xF = 40% phân khối lượng Noàng ñoä saûn phaåm ñænh : xD = 98% phân khối lượng Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 99% phân khối lượng Nhieät ñoä nhaäp lieäu: nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi Choïn: Nhieät ñoä nhaäp lieäu: tFV = 94oC Nhieät ñoä saûn phaåm ñaùy sau khi laøm nguoäi: tWR = 35oC Nhieät ñoä doøng nöôùc laïnh ñi vaøo: tV = 30oC Nhieät ñoä doøng nöôùc laïnh ñi ra: tR = 40oC Caùc kyù hieäu:
, F: suaát löôïng nhaäp lieäu tính theo kg/h, kmol/h.
, D: suaát löôïng saûn phaåm ñænh tính theo kg/h, kmol/h.
, W: suaát löôïng saûn phaåm ñaùy tính theo kg/h, kmol/h. xi, (xi : noàng ñoä phaàn mol, phaàn khoái löôïng cuûa caáu töû i. XAÙC ÑÒNH SUAÁT LÖÔÏNG DÒNG NHẬP LIỆU VÀ DÒNG SẢN PHẨM ĐÁY: MF =xF.MB + (1-xF).MT = 0,4.78 + (1-0.4).92 = 86.4 kg/kmol MD =xD.MB + (1- xD).MT = 0,98.78 + (1-0,98).92 = 78.28 kg/kmol MW =xW.MB + (1- xW).MT = 0,01. 78 + (1-0,01).92 =91,86 kg/kmol

Dòng sản phẩm đỉnh có nhiệt độ 800C nên ta có khối lượng riêng của dòng này:  kg/m3, kg/m3
(
(
(
Phương trình cân bằng vật chất:
(

= 402,4 kg/h 
= 161,8 kg/h 
= 240,6 kg/h   F = 4,87 kmol/h  D = 2,07 kmol/h  W = 2,8 kmol/h  


 


  XAÙC ÑÒNH CHÆ SOÁ HOÀI LÖU THÍCH HÔÏP : * Chæ soá hoài löu toái thieåu : Tæ soá hoaøn löu toái thieåu laø cheá ñoä laøm vieäc maø taïi ñoù öùng vôùi soá maâm lyù thuyeát laø voâ cöïc. Do ñoù, chi phí coá ñònh laø voâ cöïc nhöng chi phí ñieàu haønh (nhieân lieäu, nöôùc vaø bôm…) laø toái thieåu.
Hình 1: Ñoà thò caân baèng pha cuûa heä Benzen – Toluen tại P = 1atm Döïa vaøo hình 1 ta có xF = 0,44( yF* = 0,643 Tæ soá hoaøn löu toái thieåu :
= 1,68 Tæ soá hoaøn löu laøm vieäc tính theo công thức kinh nghiệm: R = 1,5Rmin = 1,5.1,68 = 2,52 Theo Phương pháp thể tích tháp nhỏ nhất ta có: V = S.H Với S – diện tích tiết diện ngang của tháp; H – chiều cao tháp. Mặt khác diện tích tiết diện tháp tỉ lệ vơi lượng hơi, lượng hơi này lại tỉ lệ với lượng hoàn lưu hay S tỉ lệ với R. Chiều cao tháp tỉ lệ với số đĩa lý thuyết Nlt. Vậy thể tích tháp tỉ lệ với giá trị Nlt.(R+1). Lần lượt cho các giá trị R và tìm thể tích tháp, ứng với giá trị nào nhỏ nhất của thể tích tháp thì R đó là tỉ số hoàn lưu tối ưu. R  5  4.5  4  3.5  3  2.5  2   Nlt  12  13  14  16  15  15  18   (R+1).Nlt  72  71.5  70  72  60  52.5  54   Biểu diễn trên đồ thị:
Theođđồ thị trên ta chọn giá trị tỉ số hồi lưu thích hợp R = 2,48 IV . PHÖÔNG TRÌNH ÑÖÔØNG LAØM VIEÄC - SOÁ MAÂM LYÙ THUYEÁT: 1 . Phöông trình ñöôøng laøm vieäc cuûa ñoaïn caát: y =
=
= 0,771.x + 0,284 2 . Phöông trình ñöôøng làm việc phần chưng: -Phöông trình ñöôøng laøm vieäc cuûa phaàn chöng y=
-
xW =1,37x -0.0044 vôùi f=
=
=2,27
Hình 2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chưng hệ Benzen – Toluen tại P = 1atm 3 . Soá đĩa lyù thuyeát : Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết : Döïng ñöôøng laøm vieäc cuûa thaùp bao goàm ñöôøng laøm vieäc phaàn caát vaø phaàn chöng. Treân ñoà thò y-x ta laàn löôït veõ caùc ñöôøng baäc thang töø ñoù xaùc ñònh ñöôïc soá đĩa lyù thuyeát laø14.56 đĩa, ta lấy tròn 15 Töø ñoà thò, ta coù : 15 đĩa bao goàm : 6 maâm caát 1 maâm nhaäp lieäu 6 maâm chöng (5 maâm chöng + 1 noài ñun) Toùm laïi, soá đĩa lyù thuyeát laø Nlt = 15 maâm. V . XAÙC ÑÒNH SOÁ MAÂM THÖÏC TEÁ: có nhiều phương pháp xác định số mâm thực của tháp, ngoại trừ các ảnh hưởng của thiết kế cơ khí tháp thì ta có thể xác định số mâm thực dựa vào hiệu suất trung bình: Nt = Nlt/tb Trong đó: Nt – số đĩa thực tế, Nlt - số đĩa lý thuyết, tb – hiệu suất trung bình của thiết bị tb =
Trong đó ni - hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ, n - số vị trí tính hiệu suất Trong trường hợp này ta tính tb =
Với


- lần lượt là hiệu suất ở đĩa trên cùng, hiệu suất ở đĩa nhập liệu và hiệu suất ở đĩa dưới cùng Xác định
ta có: Tđ(nhiệt độ đỉnh tháp) = 800C, xD = 0,983 suy ra yD = 0,994 sử dụng bảng I.101 trang 91 STT1 tra và nội suy các giá trị độ nhớt B = 0,316.10-3 N.s/m2, T = 0,319.10-3 N.s/m2. Độ nhớt của hỗn hợp lg hh = xD.lgB – (1- xD).lgT (theo công thức I.12 trang 84
) ( hh = 0,316. 10-3 N.s/m2 (= 0.316cP) Và độ bay hơi tương đối 

 ( hh = 2,87.0,316 = 0,905, theo hình IX.11 trang 171 thì
= 0,53 Xác định
, tương tự như trên ta có: TF(nhiệt độ đĩa nhập liệu) = 940C, xf = 0,44 suy ra yD = 0,643 sử dụng bảng I.101 trang 91
tra và nội suy các giá trị độ nhớt B = 0,277.10-3 N.s/m2, T = 0,291.10-3 N.s/m2. Độ nhớt của hỗn hợp lg hh = xD.lgB – (1- xD).lgT (theo công thức I.12 trang 84 STT1) ( hh = 0,293. 10-3 N.s/m2 (= 0,293 cP) Và độ bay hơi tương đối 

 ( hh = 2,29.0,293 = 0,672, theo hình IX.11 trang 171 thì
= 0,58 Xác định
, tương tự như trên ta có: Tw(nhiệt độ đĩa dưới cùng) = 1100C, xw = 0,012 suy ra yD = 0,065 sử dụng bảng I.101 trang 91
tra và nội suy các giá trị độ nhớt B = 0,239.10-3 N.s/m2, T = 0,250.10-3 N.s/m2. Độ nhớt của hỗn hợp lg hh = xD.lgB – (1- xD).lgT (theo công thức I.12 trang 84
) ( hh = 0,249. 10-3 N.s/m2 (= 0,249 cP) Và độ bay hơi tương đối 

 ( hh = 3,12.0,249 = 0,777, theo hình IX.11 trang 171 thì
= 0.62 tb =
=
= 0.58 Suy ra số mâm thực : Nt = Nlt/tb = 15/0,58 = 25,8 lấy tròn 26 mâm Chương 4 : TÍNH TOAÙN THAÙP CHÖNG CAÁT * Ñöôøng kính thaùp chöng caát (Dt) :
(m) Vtb :löôïng hôi trung bình ñi trong thaùp m3/h. (tb :toác ñoä hôi trung bình ñi trong thaùp m/s. gtb : löôïng hôi trung bình ñi trong thaùp Kg/h. Löôïng hôi trung bình ñi trong ñoaïn chöng vaø ñoaïn caát khaùc nhau.Do ñoù, ñöôøng kính ñoaïn chöng vaø ñoaïn caát cuõng khaùc nhau. Ñöôøng kính ñoaïn caát : 1 . Löôïng hôi trung bình ñi trong thaùp ở đoạn cất:
kg/h gd : löôïng hôi ra khoûi ñóa treân cuøng cuûa thaùp kg/h g1 : löôïng hôi ñi vaøo ñóa döôùi cuøng cuûa ñoaïn caát kg/h Xaùc ñònh gd: gd = D.(R+1) =2,07.(2,48+1) = 7,204 kmol/h = 563,93 kg/h (Vì MhD =78.yD+(1-yD).92 = 78,28 kg/kmol) Xaùc ñònh g1 : Töø heä phöông trình :
(IV.1) Vôùi: G1 : löôïng loûng ôû ñóa thöù nhaát cuûa ñoaïn caát . r1 : aån nhieät hoaù hôi cuûa hoãn hôïp hôi ñi vaøo ñóa thöù nhaát cuûa ñoaïn caát rd : aån nhieät hoaù hôi cuûa hoãn hôïp hôi ñi ra ôû ñænh thaùp . * Tính r1 : t1 = tFs = 94oC , tra baûng I.212, trang 254, [5] ta coù : AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Benzen : rB1 = 383,1 kJ/kg. AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Toluen : rT1 = 371,3 kJ/kg. Suy ra : r1 = rB1.y1 + (1-y1).rT1 = 373,1y1 - 11,8y1 ( r1 = 373,1y1 - 11,8y1 kJ/kg * Tính rd : tD = 80 oC , tra baûng I.212, trang 254, [5] ta coù : AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Benzen : rBd = 393,3 kJ/kg. AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Toluen : rTd = 378,3 kJ/kg . Suy ra : rD = rBd.yD + (1-yD).rTd = 393,3.0,99 + 378,3.0,01 ( rD = 393,15 kJ/kg (với xD = 0,983 suy ra yD theo phân khối lượng là 0,99) * x1 = xF = 0,4(ta coi n) Giaûi heä (IV.1) , ta ñöôïc : G1 = 593,3 kg/h y1 = 0,524 (phaân khối lượng benzen) g1 = 755,1 kg/h Vaäy : gtb =
kg/h 2 . Toác ñoä hôi trung bình ñi trong thaùp ở đoạn cất: Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn cất:
Vôùi : xtb : khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha loûng kg/m3 . ytb : khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi kg/m3 . h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-1,2m)
: hệ số tính đến sức căng bề mặt Xaùc ñònh ytb :
Vôùi: + Noàng ñoä phaân mol trung bình : ytb =
=
= 0,725 + Nhieät ñoä trung bình ñoaïn caát : ttb =
=
= 89,5 oC Suy ra : ytb =2,752 kg/m3. Xaùc ñònh xtb : Noàng ñoä phaân mol trung bình : xtb =
=
= 0,692 Suy ra :
= 65,5 %. ttb = 89,5oC , tra baûng I.2, trang 9, [5], ta coù :


xtb = 802 kg/m3 Xác định
: hệ số tính đến sức căng bề mặt Ta có:
Với:
=21,3.10-3 N/m,
= 21,5.10-3 N/m (số liệu tra từ bảng I.242 trang 300 STT1) Ta thấy
< 20 theo STT2 – tr184 chọn
= 0,8

Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn cất:
Ñöôøng kính ñoaïn chöng : 1 . Löôïng hôi trung bình ñi trong thaùp ở đoạn chưng :
; kg/h g’n : löôïng hôi ra khoûi ñoaïn chöng ; kg/h. g’1 : löôïng hôi ñi vaøo ñoaïn chöng ; kg/h. Xaùc ñònh g’n : g’n = g1 = 755,1 kg/h Xaùc ñònh g’1 : Töø heä phöông trình :
(IV.2) Vôùi : G’1 : löôïng loûng ôû ñóa thöù nhaát cuûa ñoaïn chöng . r’1 : aån nhieät hoaù hôi cuûa hoãn hôïp hôi ñi vaøo ñóa thöù nhaát cuûa ñoaïn chöng. * Tính r’1 : xW =0,012(phần mol) tra ñoà thò caân baèng cuûa heä ta coù : y*W =0,016(phần mol), tương đương với nồng độ khối lượng là y*W = 0,014(phần khối lượng) t’1 = tW = 110oC, tra baûng I.212, trang 254, [5], ta coù : AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Benzen : r’B1 = 370,56 kJ/kg. AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Toluen : r’T1 = 362,20 kJ/kg. ( r’1 = r’B1.yW + (1-yW).r’T1 =362,3 kJ/kg * Tính r1 : t1 = tFs = 94oC , tra baûng I.212, trang 254, [5] ta coù : AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Benzen : rB1 = 383,1 kJ/kg. AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Toluen : rT1 = 371,3 kJ/kg. r1 = rB1.y1 + (1-y1).rT1 = 378,9 kJ/kg * W = 240,6 kg/h Giaûi heä (IV.2) , ta ñöôïc : x’1 = 0,0135 (phaân mol) G’1 = 1030,3 kg/h g’1 = 789,7kg/h Vaäy : g’tb =
kg/h 2 . Toác ñoä hôi trung bình ñi trong thaùp ở đoạn chưng: Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn chưng:
Vôùi : xtb : khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha loûng kg/m3 . ytb : khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi kg/m3 . h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-1,2m)
: hệ số tính đến sức căng bề mặt Xaùc ñònh ytb :
Vôùi: + Noàng ñoä phaân mol trung bình : ytb =
=
= 0,241 + Nhieät ñoä trung bình đoạn chưng : ttb =
=
= 104,2oC Suy ra : ytb =2,96 kg/m3. Xaùc ñònh xtb : Noàng ñoä phaân mol trung bình : xtb =
=
= 0,226 Suy ra :
= 18,8 %. ttb =
=
101,5oC , tra baûng I.2, trang 9,
, ta coù :


Suy ra: xtb = 789 kg/m3 Xác định
: hệ số tính đến sức căng bề mặt Ta có:
Với:
=18,8.10-3 N/m,
= 21,5.10-3 N/m (số liệu tra từ bảng I.242 trang 300
) Ta thấy
< 20 theo STT2 – tr184 chọn
= 0,8

Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng:
Keát luaän : hai ñöôøng kính ñoaïn caát vaø ñoaïn chöng khoâng cheânh leäch nhau quaù lôùn neân ta choïn ñöôøng kính cuûa toaøn thaùp laø : Dt = 0,50 m. Khi ñoù toác ñoä hơi ở chế độ laøm vieäc thöïc: + Phaàn caát : (lv =
m/s + Phaàn chöng : (lv =
m/s. * chiều cao tháp chưng cất (Dt) : H = Nt(Hđ + ) + (0,8 ÷ 1), m (công thức IX.54- STT2 -Tr.169) Trong đó Nt - số đĩa thực tế; bề dày của đĩa, m; 0,8 ÷ 1 – khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị, m; Hđ – khoảng cách giữa các đĩa, m H = 26.(0,25 +0,004 ) +0,8 = 7,4 m lấy tròn là H = 7,5 m Trong đó bề dày đĩa m tính ở phần bề dày đĩa Vậy kết luận chiều cao tháp H = 7,5 m Trở lực của tháp chóp : Trở lực của tháp chóp bao gồm: tổn thất áp suất khi dòng khí đi qua đĩa khô, tổn thất do sức căng bề mặt, tổn thất thất do lớp chất lỏng trên đĩa và bỏ qua sự biến đổi chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa Trở lực của tháp chóp được xác định the công thức:
Trong đó Ntt – số đĩa thực tế của tháp;
- tổng trở lực của một đĩa, N/m2
=
+
+

- trở lực đĩa khô, N/m2
- trở lực đĩa do sức căng bề mặt, N/m2
- Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa, N/m2 Trở lực của đĩa khô
:
=
Trong đó:
- hệ số trở lực, thường chọn
= 4,5 – 5(ở đây ta chọn
= 5);
- khối lượng riêng của pha hơi, kg/m3; w0 – tốc độ khí qua rãnh chóp, m/s Với khối lượng riêng pha hơi đi trong toàn tháp:
Vận tốc khí trung bình đi qua một rãnh của chóp(phần tính toán chóp ta chọn một đĩa 10 chóp, một chóp 10 rãnh), vậy:
Suy ra:
=
Trở lực do sức căng bề mặt
, N/m2
=
, N/m2 Trong đó
- sức căng bề mặt, N/m; dtđ – đường kính tương đương của khe rãnh chóp,m Khi rãnh chóp mở hoàn toàn: dtđ =
Ở đây
- diện tích tiết diện tự do của rãnh.
= a.b = 5.10 = 50mm2 với a,b là bề rộng và chiều cao của rãnh chóp, mm.
- chu vi rãnh chóp,
= 2.(a+b) = 30mm Suy ra: dtđ =
Vậy
=
, với
là sức căng bề mặt trung bình của phần chưng và phần cất, như ta đã tính ở phần vận tốc hơi đi trong tháp thì
cất = 10,7.10-3 N/m,
chưng = 10,3.10-3 N/m, suy ra
=
N/m Trở lực của chất lỏng trên đĩa
, N/m2 (trở lực thủy tĩnh)
=
, N/m2 Trong đó b – chiều cao khe chóp, m;
- khối lượng riêng bọt, kg/m3; hb – chiều cao của lớp bọt trên đĩa, m; g – gia tốc trọng trường, m/s2 + Khối lượng riêng bọt
= 0,5
= 0,5.795,5 = 379,75 kg/m3, với
- khối lượng riêng trung bình pha lỏng phần chưng và phần cất,
=
+ hb – chiều cao lớp bọt lấy bằng hai lần chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa, theo phần tính toán cho đĩa thì chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa là 25mm, vậy hb = 50mm +b – chiều cao khe chóp, tính toán ở phần chóp ta có b = 10mm Suy ra:
=
Tổng trở lực của 1 đĩa:
=
+
+
= 8045,3 + 6,296 + 167,6 = 8219,2N/m2 Trở lực của toàn tháp:
Kết luận: Trở lực của toàn tháp
= 16438,39 N/m2 CHƯƠNG 5: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ : Qnt =(R+1)D.rD kW Qnt : nhiệt ngưng tụ, kW Vôùi rD =
.rB +(1-
).rT Taïi xD = 0,98 tra baûng IX-2a trang 135 STT2 ta coù TD = 80 . Taïi nhieät ñoä naøy ta coù: rB= 392,4.103 J/kg vaø rT=377,8.103 J/kg rD = 0,98 x 392,4.103 + 0,02 x 377,8.103 = 392,108.103 J/kg Do ñoù Qnt =
. 392,108 (2.48+1) = 61,42 kW CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU ĐẾN NHIỆT ĐỘ SÔI : QF =CF .F(TF - TVào), kW Taïi xF = 0,44 nội suy từ bảng IX-2a trang 146 STT2 ta coù TF = 94oC Nhieät dung rieâng cuûa nhaäp lieäu tra ôû nhieät ñoä trung bình t =
=59,5oC taïi nhieät ñoä naøy ta coù CB =1930 J/kgñoä , CT=1900 J/kgñoä (Baûng I.153 TR171-172
). Ta coù CF=
CB + (1-
)CT = 0,4.1930+ (1-0,4).1900 = 1913,2 J/kgñoä Do ñoù QF=1913,2.
(94 -25) = 15,43 kW Neáu coi toån thaát treân ñöôøng nhaäp lieäu baèng 5% thì QF = 1,05.15,43=16,2 Kw CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY TỪ NHIỆT ĐỘ 110OC XUỐNG 35OC : QW = WCW(TW- TWra), kW Nhieät dung rieâng ñöôïc xaùc ñònh ôû nhieät ñoä trung bình T=
=72,5oC . Taïi nhieät ñoä này ta nội suy từ baûng I.153 TR171-172-
ta coù : CB=1983 J/kgñoä, CT=1952J/kgñoä Neân CW =
CB + (1-
)CT = 0,01. 1983 + (1-0,01).1952= 1952,31 J/kgñoä Do ñoù QW=
.1952,31.(110-35)=11,86, kW CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH TỪ NHIỆT ĐỘ 80OC XUỐNG 35OC : QD =CD.D(TD- TDra), kW Nhieät dung rieâng cuõng ñöôïc xaùc ñònh ôû nhieät ñoä trung bình T=
=57,5oC . Taïi nhieät ñoä naøy ta nội suy các giá trị nhiệt dung riêng ở bảng I.153 TR171-172-
: CB=1877.5 J/kgñoä , CT=1850 J/kgñoä Töông töï ta tính ñöôïc CD=1877 J/kgñoä Do ñoù QD =
.1877 .(80-35)=5,13 kW NHIỆT LƯỢNG CUNG CẤP CHO ĐÁY THÁP : Töø caân baèng nhieät löôïng ta coù: QT = Qnt + QW + QD – QF + Qf=1,05.( 61,42 + 11,86 + 5,13- 16,2 ) = 65,32 kW Qf : là lượng nhiệt tổn thất, ta lấy khoảng 5% tổng lượng nhiệt có ích cung cấp cho đáy tháp CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ I . THÂN THÁP : Beà daøy thaân : Vì thieát bò 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. Ñeå ñaûm baûo chaát löôïng cuûa saûn phaåm vaø khaû naêng aên moøn cuûa benzen ñoái vôùi thieát bò, ta choïn thieát bò thaân thieát bò laø theùp khoâng gæ maõ X18H10T. Thân tháp được ghép với nhau bằng mối ghép bích. Vì tháp làm việc với nhiệt độ lớn hơn 1000C nên cần phải bọc cách nhiệt cho tháp. Caùc thoâng soá caàn tra vaø choïn phuïc vuï cho quaù trình tính toaùn: Nhieät ñoä tính toaùn : t = tmax + 20 = 110 + 20 = 1300C AÙp suaát tính toaùn : Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta coi áp suất tính toán bằng với áp suất thủy tĩnh lớn nhất tác dụng lên đáy tháp. Điều kiện nguy hiểm nhất chọn để tính toán đó là tháp chứa đầy Toluene ở nhiệt độ 300C khi đó khối lượng riêng của Toluene ρT = 856,5 kg/m3 Nên: P = (Hthaân + 2Hnaép).g.ρT = (7,5 + 2.0,15).9,81.856,5 = 61328 N/m2 ≈ 0,0613 N/mm2 Với dung tích tháp nhỏ hơn 30m3 ta chọn theo bảng 1.1 tr10- Tính toán thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí – Hồ Lê Viên thì áp suất tính toán P = 0,01N/mm2, nên ta chọn áp suất tính toán theo điều kiện nguy hiểm nhất như trên đã tính. với Hnắp = h + ht = 125 +25 =150 mm(tính ở phần đáy nắp). Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường: Chọn hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học Ca = 1 mm Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: của X18H10T [(]* = 140 N/mm2 (Hình 1.2, trang 16,
Hệ số hiệu chỉnh: η = 1 Ứng suất cho phép: [(] = ( [(]* = 140 N/mm2 (chọn ( = 1) Heä soá beàn moái haøn: Vì dùng phương pháp hàn hồ quang điện kiểu hàn giáp mối hai phía ( (h = 0,95 (Bảng XIII.8, trang 362,
) Tính bề dày: Cho thân trụ hàn chịu áp suất trong
Nên ta tính bề dày thân theo công thức 5.3 tr96 –
Bề dày tối thiểu: S’ =
( S’ + Ca = 0,197 + 1 = 1,197 mm Quy tròn theo chuẩn: S = 2 mm, tuy nhiên dựa vào bảng 5.1 trg 94 -
Tính kiểm tra bền: Cho thân trụ hàn chịu áp suất trong Điều kiện:
(
( 0,006 ( 0,1 (thoûa) Nên:
= 1,586 > P = 0,061 N/mm2 : thoûa Vậy kết luận: bề dày thân tháp S = 4mm, đường kính ngoài tháp Dn = 500 + 2.4 =508 mm II. Tính Toán Chóp : Chọn chóp sử dụng trong tháp là chóp tròn + Đường kính ống hơi: dh = 26 mm + Số chóp phân bố trên đĩa: n = 10 chóp Chọn số chóp n = 10, với khoảng cách giữa tâm của hai chóp 100mm + Chiều cao chóp tính từ mặt đĩa đến đỉnh chóp 70mm + Đường kính trong của chóp 46mm Với:
- bề dày chóp, thường lấy 2 mm - 3 mm, ta chọn 2 mm Suy ra đường kính ngoài của chóp 50mm + Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp S = 15 mm + Chiều cao gờ chảy tràn 45mm + Chiều cao khe chóp
Với
, Vy – lưu lượng hơi đi trong tháp, m3/h;
- hệ số trở lực của đĩa chóp, thường lấy bằng 1,5 -2;

- khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng, kg/m3 Suy ra
0,0218 m, chọn b = 25 mm + Chọn bề rộng khe chóp 5mm + Chọn khoảng cách lớn nhất từ gờ chảy chuyền đến thân tháp 60mm(bề dày 4mm) + Chọn khoảng cách từ gờ chảy tràn đến thân tháp 80mm(bề dày 4mm) + Bố trí các chóp trên đĩa sao cho 3 chóp liên tiếp nhau tạo thành hình tam giác đều III. Tính Toán Đáy và Nắp Thiết Bị
Choïn ñaùy vaø naép coù daïng hình ellip tieâu chuaån, coù gôø, laøm baèng theùp X18H10T Ta có:
Nên bề dày đáy và nắp chịu áp suất trong tính theo công thức 6.9 (Tính toán các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí –Hồ Lê Viên)
Trong đó S – bề dày đáy nắp, mm;
– bán kính cong bên trong ở đỉnh đáy(nắp), m;
- hệ số bền mối hàn (lấy bằng 0,95);
- giới hạn bền kéo của vật liệu với X18H10T thì [σk] =540.106 N/m2; P – áp suất tính toán N/m2; Ca – hệ số ăn mòn, mm
Ta thấy S – Ca = 0,05 < 10mm nên ta cộng thêm 2 mm nữa cho bề dày (theo hướng dẫn trg 386 – STT2) suy ra S = 3,05 mm lấy theo chuẩn S = 4 mm Vì đáy nắp tiêu chuẩn nên ta có:
= 0,25 do đó Rt = Dt = 500 mm Và chọn các kích thước theo STT2 tr382: + ht =125 mm + Chieàu cao gôø: hgôø = h = 25 mm +Dieän tích beà maët trong: Sñaùy = 0,31 m2 +Theå tích chöùa cuûa ñaùy(naép):Vñaùy chöùa = 27,6.10-3 m3 Tính kiểm tra bền:
Vậy thỏa điều kiện bền. Kết luận chọn kích thước đáy nắp: + ht =125 mm + Chieàu cao gôø: hgôø = h = 25 mm +Dieän tích beà maët trong: Sñaùy = 0,31m2 +Theå tích chöùa cuûa ñaùy(naép):Vñaùy chöùa = 27,6.10-3 m3 + Rt = Dt = 500 mm IV.Bích gheùp thaân 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 phẳng hàn kiểu 1 theo bảng XIII.27 trg417 STT2.
Vôùi Dt = 500 mm vaø aùp suaát tính toaùn P = 0,061 N/mm2 ( choïn bích coù caùc thoâng soá sau theo bảng XIII.27 trg418 STT2: Dt  D  Db  D1  Do  h  Bu-loâng         db  Z   (mm)  (caùi)   500  630  580  550  511  22  20  16   Trs bảng IX.5 trang 170
ứng với đường kính trong 500mm ta chọn số đĩa giữa hai bích là 4, vậy tổng số bích cần dùng là
Ta chọn 7 bích ghép thân 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 3 mm. Tính kiểm tra bề dày của bích theo công thức 7.1 trg 148 Tính toán các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí -Hoà Leâ Vieân : Cánh tay đòn của môment gây uốn: l1 =
=
= 15 mm l2 =
=
= 38 mm S – bề dày thiết bị, mm P – áp suất của môi trường trong thiết bị N/mm2 db – đường kính ngoài của bulong, mm
- ứng suất cho phép của vật liệu làm bulong
- ứng suất cho phép của vật liệu làm bích K, hệ số. Với
: hệ số Ta thấy rằng trong công thức tính t có K, nên ta chọn trước giá trị t để tính K, giá trị t được chọn theo STT2. Chọn t = 20mm suy ra K = 0,887, thay vào tính t = 18,22 ta thấy giá trị t chọn và t tính toán sai lệch không đáng kể (nhỏ hơn 5%) nên chọn bề dày bích h = t = 20 mm Tóm lại kích thước bích là: Dt  D  Db  D1  Do  h  Bu-loâng         db  Z   (mm)  (caùi)   500  630  580  550  511  22  20  16   V. Ñöôøng kính caùc oáng daãn – Bích gheùp caùc 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 dẫn sản phẩm đáy: Nhieät ñoä cuûa chaát sản phẩm đáy tw = 110 oC Taïi nhieät ñoä naøy thì: Khoái löôïng rieâng cuûa benzen : (B = 780,25 kg/m3 Khoái löôïng rieâng cuûa toluen : (T = 778,39 kg/m3 Neân:
( (F = 778,4 kg/m3 Choïn loaïi oáng noái caém saâu vaøo thieát bò. Choïn vaän toác chaát loûng trong oáng noái laø vF = 0,32 m/s. (theo bảng 2.2 trg370 STT1) Ñöôøng kính trong cuûa oáng noái: Dy =
= 0,0189 m = 18,9 mm ( Choïn oáng coù Dy = 25 mm. Tra baûng XIII.32, trang 434,
( Chieàu daøi ñoaïn oáng noái l = 90 mm. Tra baûng XIII.26, trang 410,
( Caùc thoâng soá cuûa bích öùng vôùi P = 0,25 N/mm2 laø: Dy  Dn  D  Db  D1  h  Bu loâng         db    mm  caùi   25  32  100  75  60  12  10  4   OÁng dẫn nguyên lieäu: Nhieät ñoä cuûa chaát loûng nhaäp lieäu laø tF = 94 oC Taïi nhieät ñoä naøy thì: Khoái löôïng rieâng cuûa benzen : (B = 802,3 kg/m3 Khoái löôïng rieâng cuûa toluen : (T = 780 kg/m3 Neân:
( (F = 789,5 kg/m3 Choïn loaïi oáng noái caém saâu vaøo thieát bò. Choïn vaän toác chaát loûng trong oáng noái laø vF = 0,32 m/s. (theo bảng 2.2 trg370 STT1) Ñöôøng kính trong cuûa oáng noái: Dy =
= 0,023 m = 23 mm ( Choïn oáng coù Dy = 25 mm. (theo bảng XIII.32 STT2) Tra baûng XIII.32, trang 434, [6] ( Chieàu daøi ñoaïn oáng noái l = 90 mm. Tra baûng XIII.26, trang 410, [6] ( Caùc thoâng soá cuûa bích öùng vôùi P = 0,25 N/mm2 laø: Dy  Dn  D  Db  D1  h  Bu loâng         db  Z   mm  caùi   25  32  100  75  60  12  10  4   OÁng daãn hôi ra khỏi tháp : Nhieät ñoä cuûa pha hôi taïi ñænh thaùp laø tD = 80,5 oC. Khoái löôïng rieâng cuûa pha hôi taïi ñænh thaùp:
= 2,7 kg/m3 Choïn vaän toác hôi ra khoûi ñænh thaùp laø vHD = 20 m/s.(theo bảng 2.2 trg370 STT1) Lượng hơi vào thiết bị ngưng tụ : GD = D.(R + 1) = 161,8.(2,48 + 1) = 563,06 kg/h Ñöôøng kính trong cuûa oáng noái: Dy =
= 0,031 m = 31 mm ( Choïn oáng coù Dy = 40 mm.(theo bảng XIII.32 STT2) Tra baûng XIII.32, trang 434,
( Chieàu daøi ñoaïn oáng noái l = 100 mm. Tra baûng XIII.26, trang 411,
( Caùc thoâng soá cuûa bích öùng vôùi P = 0,25 N/mm2 laø: Dy  Dn  D  D(  D1  h  Bu loâng         db  Z   mm  caùi   40  45  130  100  80  12  12  4   Ống dẫn hơi vào đáy tháp: Nhiệt độ tại đáy tháp là 1100C khối lượng riêng của pha hơi tại đáy tháp
Choïn vaän toác hôi vào đáy thaùp laø vHD = 20 m/s.(theo bảng 2.2 trg370 STT1) Đường kính trong của ống nối Với lưu lượng hơi đi vào đáy tháp g’1 = 789,7kg/h = 0,22kg/s = 0,075m3/s Suy ra Dy =
0,069 m = 69 mm ( Choïn oáng coù Dy = 70 mm.(theo bảng XIII.32 STT2) Tra baûng XIII.32, trang 434,
( Chieàu daøi ñoaïn oáng noái l = 110 mm. Tra baûng XIII.26, trang 412,
( Caùc thoâng soá cuûa bích öùng vôùi P = 0,25 N/mm2 laø: Dy  Dn  D  D(  D1  h  Bu loâng         db  Z   mm  caùi   70  76  160  130  110  12  14  8   Ống dẫn lỏng hoàn lưu : Nhiệt độ dòng hoàn lưu tR = 80,5 oC. Choïn vaän toác của dòng này vào tháp là v = 0,3 m/s. (theo bảng 2.2 trg370
) Khoái löôïng rieâng cuûa benzen : (B = 813,46 kg/m3 Khoái löôïng rieâng cuûa toluen : (T = 806,56 kg/m3 Neân:
( (D = 813,3 kg/m3 Ñöôøng kính trong cuûa oáng noái: Dy =
= 0,023 m = 23 mm ( Choïn oáng coù Dy = 25 mm. (theo bảng XIII.32
) Tra baûng XIII.32, trang 434, [6] ( Chieàu daøi ñoaïn oáng noái l = 90 (mm). Tra baûng XIII.26, trang 409, [6] ( Caùc thoâng soá cuûa bích öùng vôùi P = 0,25 N/mm2 laø: Dy  Dn  D  Db  D1  h  Buloâng         db  Z   mm  caùi   25  32  100  75  60  12  10  4   Tính toán chân đỡ, tai treo : Tính troïng löôïng của toaøn thaùp: Tra baûng XII.7, trang 313, [6] ( Khoái löôïng rieâng cuûa theùp CT3 laø: (CT3 = 7850 kg/m3 Khoái löôïng cuûa tám bích gheùp thaân vaø naép : mbích =
= 159,3 kg Khoái löôïng cuûa thaân thieát bò : mthaân =
.(D2ng –D2t).Hthaân . (X18H10T =
= 375 kg Khoái löôïng cuûa ñaùy (naép) thaùp: mñaùy(naép) =2. Sbeà maët .(ñaùy . (X18H10T = 2.0,31 . 0,004 . 7900 = 19,9 kg Khối lượng mâm, ta có 25 mâm và thiết bị đun sôi Mmâm = khối lượng chóp + khối lượng đĩa dưới chóp + khối lượng ống chảy chuyền(bao gồm cả phần gờ chảy tràn) + khối lượng ống hơi Ta lấy khối tổng thể của một mâm bằng 2 lần khối lượng mâm không có lỗ và ống chảy chuyền cùng với bề dày mâm là 4mm, suy ra: Mmâm = 2.
. D2t.
. (X18H10T = 2.
.0,52. 0,004 . 7900 = 12,4 kg Tổng khối lượng mâm M = 12,4.25 = 310 kg Khối lượng Toluene giả sử chứa đầy tháp trong trường hợp nguy hiểm nhất Mtoluene =
. D2t. Ht . (toluene =
. 0,52. 7,5 . 856,5 = 1260 kg Khoái löôïng cuûa toaøn thaùp: m = Mbích + Mthaân + Mñaùy(naép) + Mmâm + Mtoluene = 159,3 +375 +19,9 + 310 +1260 = 2124,2 kg Tính chaân ñôõ thaùp: Choïn chaân ñôõ: thaùp ñöôïc ñôõ treân boán chaân. Vaät lieäu laøm chaân ñôõ thaùp laø theùp CT3.
Tải trọng cho phép trên một chân đỡ: Gc =
= 0,5253.104 N Để đảm bảo an toàn ta chọn Gc = 1.104 N Tra bảng XIII.35, trang 437,
( chọn chân đỡ có các thông số sau: F.104  q.10-6  L  B  B1  B2  H  h  s  l  d   m2  N/m2  mm   85,4  0,29  110  80  95  110  180  120  6  40  18   Tính khối lượng gần đúng một chân đỡ: Thể tích một chân đỡ: V1 chânđỡ = [2.(H – s).s. B2 + L. s. B].10-9 = [2.(180 – 6).6.110 + 110.6.80].10-9 = 2,69.10-3 m3 Khối lượng một chân đỡ: m1 chânđỡ = V1 chânđỡ . (CT3 = 2,69.10-3.7850 = 21,1kg Tính tai treo tháp: Chọn tai treo: Tai treo được gắn trên thân tháp và tựa vào giàn đỡ để giữ tháp vững trong quá trình làm việc Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3 Tải trọng trên một tai treo chọn bằng với tải trọng trên một chân đỡ Gc = 1.104 N Tra bảng XIII.36, trang 438, STT2 ( chọn tai treo có các thông số sau: F.104  q.10-6  L  B  B1  H  S  l  a  d  m   m2  N/m2      mm       57,0  0,44  90  65  75  140  6  35  15  14  1,0   Khoái löôïng moät tai treo: mtai treo = 1,0 kg Tra baûng XIII.37, trang 439, STT2 ( Choïn taám loùt tai treo baèng theùp CT3 coù caùc thoâng soá sau(tra theo Gc = 2,5.104 N): Chieàu daøi taám loùt: H = 260 mm Chieàu roäng taám loùt: B = 140 mm Beà daøy taám loùt: SH =6 mm Theå tích moät taám loùt tai treo: Vtaám loùt = B.SH.H = 140. 6. 260. 10-9 = 0,2184.10-3 m3 Khoái löôïng moät taám loùt tai treo: mtaám loùt = Vtaám loùt. (CT3 = 0,2184.10-3.7850 = 1,714 kg
Chương 7 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ I . 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 CT3, kích thöôùc oáng 20 x 2: Ñöôøng kính ngoaøi: dn = 20 mm = 0,02 m Beà daøy oáng: (t = 2 mm = 0,002 m Ñöôøng kính trong: dtr = 0,016 m Choïn: Nöôùc laøm laïnh ñi trong oáng vôùi nhieät ñoä vaøo tV = 30oC vaø nhieät ñoä ra tR = 40oC. Doøng hôi taïi ñænh ñi ngoaøi oáng vôùi nhieät ñoä ngöng tuï tngöng = 80,5 oC Suaát löôïng nöôùc laøm laïnh caàn duøng : Caân baèng nhieät: Qnt = (R + 1).GD.rD = Gn.(hR – hV) = Gn.CpΔT Qnt = (R + 1).D.rD = 61,42 kJ/s theo tính toán phần cân bằng nhiệt Löôïng nöôùc caàn duøng:
=
= 1,47 kg/s Trong đó hR, hv enthanpy của nước ở nhiệt độ trung bình
Hieäu soá nhieät ñoä trung bình : Choïn kieåu truyeàn nhieät ngöôïc chieàu, neân:
= 45,32 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:
. Taïi nhieät ñoä naøy thì: Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc: (n = 994 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 = 4,90 Choïn vaän toác nöôùc ñi trong oáng: vn = 0,6 m/s ( Soá oáng:
= 18,26 ống Tra baûng V.II, trang 48,
( choïn n = 19 oáng ( Vaän toác thöïc teá cuûa nöôùc trong oáng:
= 0,39 m/s. Chuaån soá Reynolds :