Thiết kế hệ thống chưng cất Methanol bằng tháp đệm

1 LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ hóa học cũng như các sản phẩm của nó có ảnh hưởng rất lớn đến nhiều ngành sản xuất khác. Trong đó methanol là một sản phẩm khá được quan tâm. Trong quy trình sản xuất, methanol thường được chưng cất để đạt được nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, lưu trữ. Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất methanol bằng tháp đệm có năng suất 4000kg/h, nhập liệu ở nhiệt độ sôi với nồng độ 40% , sản phẩm đỉnh có nồng độ 98%, sản phẩm đáy có nồng độ 0.5% khối lượng/khối lượng. Hệ thống được gia nhiệt bằng hơi nước có áp suất 2 at. Việc thực hiện đồ án là một cơ hội tốt để sinh viên hệ thống hóa các kiến thức đã học cũng như làm quen với việc lựa chọn tính toán các thiết bị thực tế. Thực hiện đồ án là một bước để sinh viên làm quen với công việc của một kỹ sư trong tương lai. Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy Nguyễn Văn Lục. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy trong thời gian qua để em có thể hoàn thành đồ án này. 2 MỤC LỤC A. GIỚI THIỆU 4 I. SƠ BỘ VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 4 II. SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU 5 2.1. Methanol 5 2.2. Nước 5 2.3. Ứng dụng của methanol 5 B. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 5 C. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 7 I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT 7 II. PHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THÁP 8 III. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 10 3.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 10 3.2. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 11 3.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 11 3.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh 12 IV. ĐƯỜNG KÍNH THÁP ĐỆM 12 4.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp 12 4.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện 12 4.1.2. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng 13 4.2. Khối lượng riêng trung bình 14 4.2.1. Khối lượng riêng trung bình pha lỏng 14 4.2.2. Khối lượng riêng trung bình pha hơi 15 4.3. Tốc độ hơi đi trong tháp 15 4.4. Đường kính tháp đệm 16 V. CHIỀU CAO THÁP ĐỆM 16 5.1. Chiều cao đoạn luyện 17 5.1.1. Số đơn vị chuyển khối đoạn luyện 17 5.1.2. Chiều cao một đơn vị chuyển khối đoạn luyện 18 5.2. Chiều cao đoạn chưng 19 5.2.1. Số đơn vị chuyển khối đoạn chưng 19 5.2.2. Chiều cao một đơn vị chuyên khối đoạn chưng 20 VI. TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM 21 VII. TÍNH BỀN THÁP ĐỆM 22 7.1. Tính bề dày thân tháp 22 7.2. Tính đáy, nắp 23 7.3. Tính mặt bích 23 7.4. Tính tai treo 25 7.5. Tính chân đỡ 26 VIII. TÍNH CÁC ỐNG DẪN 26 8.1. Ống nhập liệu 26 8.2. Ống hồi lưu sản phẩm đỉnh 26 8.3. Ống tháo sản phẩm đáy 27 8.4. Ống lấy hơi ở đỉnh 27 3 8.5. Ống hơi ở đáy 27 D. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 28 I. THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU 28 II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH 29 III. TÍNH THÙNG CAO VỊ VÀ BƠM 30 IV. THIẾT BỊ GIA NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY 33 E. AN TOÀN LAO ĐỘNG 34 I. PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ 34 1.1. Những nguyên nhân gây cháy nổ trực tiếp 36 1.2. Các biện pháp phòng chống cháy nổ 36 II. AN TOÀN ĐIỆN 36 2.1. Các nguyên nhân gây ra tai nạn điện 36 2.2. Các biện pháp để phòng tai nạn điện 37 F. TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 4 A. GIỚI THIỆU I. SƠ BỘ VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một 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. Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất, pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu đực bấy nhiêu sản phẩm. Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé. Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Đối với hệ methanol – nước thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là methanol, sản phẩm đáy chủ yếu là nước. Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc ( áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất) hay dựa vào phương pháp cấp nhiệt (trực tiếp hay gián tiếp). Việc lựa chọn các phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của sản phẩm. Đối với hệ methanol nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu chung của các thiết bị vẫn giống nhau là bề mặt tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của pha này vào pha kia. Ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. • Tháp mâm: thân hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của mâm ta có tháp mâm chóp hay tháp mâm xuyên lỗ. • Tháp đệm: tháp trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp bằng hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay có thứ tự. So sánh ưu nhược điểm của hai loại tháp Tháp đệm Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ Ưu điểm - Cấu tạo đơn giản - Trở lực thấp - Làm việc được với chất lỏng bẩn - Khá ổn định - Hiệu suất cao - Trở lực tương đối thấp - Hiệu suất cao Nhược điểm - Do có hiệu ứng thành nên hiệu suất truyền khối thấp - Độ ổn định không cao, khó vận hành. - Thiết bị nặng nề - Trở lực lớn - Kết cấu phức tạp - Không làm việc được với chất lỏng bẩn - Kết cấu phức tạp. Trong đồ án này ta sử dụng tháp đệm với vòng đệm Raschig xếp ngẫu nhiên với kích thước 25x25x3.0 . 5 II. SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU 2.1. Methanol Methanol là chất lỏng không màu, tan vô hạn trong nước, có mùi đặc trưng, rất độc. Một lượng nhỏ methanol có thể gây mù lòa, lượng lớn gây tử vong. Methanol có công thức phân tử CH3OH, phân tử lượng 32.04 đvC. Methanol có các tính chất lý hóa sau: - Nhiệt độ sôi: 64.5oC - Khối lượng riêng ở 20oC: ρ = 791.7 kg/m3 - Độ nhớt ở 20oC: μ = 0.6*10-3 N.s/m2 = 0.6 cP - Hệ số dẫn nhiệt ở 20oC: λ = 0.179 kcal/m.h.độ = 0.2082 W/m.độ - Nhiệt dung riêng ở 20oC: Cp = 2570 J/kg.độ 2.2. Nước Nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị. Công thức phân tử H2O, phân tử lượng 18.02 đvC. - Nhiệt độ sôi: 100oC - Khối lượng riêng ở 20oC: ρ = 998 kg/m3 - Độ nhớt ở 20oC: μ = 1.005*10-3 N.s/m2 = 1.005 cP - Hệ số dẫn nhiệt ở 20oC: λ = 0.597 W/m.độ - Nhiệt dung riêng ở 20oC: Cp = 4180 J/kg.độ 2.3. Ứng dụng của methanol Methanol có thể hòa tan với nước, alcohol, ester, ether, ketol và hầu hết các dung môi hữu cơ. Do đó, methanol thường được dùng làm dung môi và nguyên liệu để sản xuất những chất hữu cơ khác với số lượng lớn. Methanol có ái lực đặc biệt với Carbon dioxide và hydrogen sulfide, đây được xem là dung môi trong quá trình làm ngọt khí Rectisol. Mang tính phân cực trong tự nhiên, methanol thường tạo hỗn hợp cộng phị với nhiều hợp chất. Methanol làm giảm nhiệt độ hình thành của hydrate khí tự nhiên, nên được sử dụng là chất chống đông trong đường ống. Methanol được dùng để sản xuất formaldehyde, chiếm khoảng 40% lượng tiêu thụ methanol trên thế giới. Tại Mỹ, vai trò của methanol được tăng cao do được sử dụng trong nhiên liệu oxygenated với MTBE. Một ứng dụng quan trọng khác của methanol là sản xuất acid acetic; ngoài ra, nó còn được dùng làm dung môi và hóa chất trung gian. Ngoài ra methanol còn được dùng làm nguyên liệu sản xuất những hóa chất khác, như dimethyl terephthalate (DMT), methyl methacrylate, methylamine, và methyl halogenur. Ứng dụng mới đây nhất là ứng dụng trong nông nghiệp, phun trực tiếp vào cây trồng để kích thích sự phát triển của cây. B. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 1 : Thùng chứa hỗn hợp đầu 2 : Bơm chất lỏng 3 : Thùng cao vị 4 : Lưu lượng kế 5 : Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6 : Tháp chưng cất 7 : Thiết bị ngưng tụ 8 : Thiết bị làm nguội 9 : Thùng chứa sản phẩm 6 10 : Nồi đun Kettle 11: Thùng chứa hỗn hợp đáy 12 : Bẫy hơi Hỗn hợp từ thùng chứa (1) được bơm ly tâm (2) chuyển lên thùng cao vị (3). Từ thùng cao vị, hỗn hợp được cho chảy tự nhiên xuống thiết bị gia nhiệt ống chùm. Sau khi qua thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đạt được nhiệt độ sôi và được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa tiếp liệu.Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng từ hỗn hợp đầu được trộn với phần lỏng đi xuống từ đoạn luyện. Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng đi từ trên xuống, ở đây có sự tiếp xúc giữa hai pha. Trong đoạn chưng, càng đi xuống dưới, nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng càng giảm do bị cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi từ nồi đun (10) đi lên lôi cuốn. Hơi càng lên cao thì nhiệt độ càng giảm do đó cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại đi xuống dưới. Cấu tử có nhiệt độ sôi thấp là methanol sẽ lôi kéo các cấu tử methanol trong pha lỏng đi lên trên. Sản phẩm đỉnh là hơi chứa chủ yếu là methanol và một phần nhỏ hơi nước. Hơi ở đỉnh được dẫn qua thiết bị ngưng tụ (7). Một phần lỏng được hồi lưu vào tháp chưng cất còn phần lớn được cho vào thiết bị làm nguội (8) và được đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh. Hỗn hợp đáy chứa chủ yếu là nước được đưa vào nồi đun Kettle. Hơi từ nồi đun được đưa trở lại vào tháp. Sản phẩm đáy sau khi qua nồi đun được đưa vào thiết bị làm nguội và chuyển về thùng chứa sản phẩm đáy (11). 7 C. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT Quy ước: F, P, W: lần lượt là hỗn hợp đầu vào, đỉnh và đáy GF: lưu lượng hỗn hợp đầu vào, kmol/h GP: lưu lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h GW: lưu lượng sản phẩm đáy, kmol/h GR: lượng chất lỏng hồi lưu, kmol/h xf: nồng độ phân mol hỗn hợp đầu vào theo methanol, kmol/kmol xp: nồng độ phân mol hỗn hợp đỉnh theo methanol, kmol/kmol xw: nồng độ phân mol hỗn hợp đáy theo methanol, kmol/kmol af: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu vào theo methanol, kg/kg ap: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đỉnh theo methanol, kg/kg aw: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đáy theo methanol, kg/kg yi: nồng độ phần mol của pha hơi ứng với nồng độ phần mol xi của pha lỏng, kmol/kmol yi*: nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi ứng với nồng độ phân mol xi của pha lỏng, kmol/kmol A, B: lần lượt là ký hiệu của methanol và nước MA, MB: lần lượt là khối lượng phân tử của methanol và nước MA= 32.04 ; MB= 18.02 Lưu lượng hỗn hợp đầu vào: * *(1 )f f F A B F a F a G M M −= + 4000*0.4 4000*(1 0.4) 183.12 32.04 18.02F G −= + = kmol/h Nồng độ phân mol của hỗn hợp đầu vào * * 4000*0.4 0.27 32.04*183.12 f f A F f F a x M G x = = = Nồng độ phân mol của hỗn hợp đỉnh: 8 1 0.98 32.04 0.960.98 1 0.98 32.04 18.02 f A p f f A B p a Mx a a M M x = −+ = =−+ Nồng độ phân mol của hỗn hợp đáy 1 0.005 32.04 0.00280.005 1 0.005 32.04 18.02 w A w w w A B w a Mx a a M M x = −+ = =−+ Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu vào MF, đỉnh MP và đáy MW 84.21 12.183 4000 === F F G FM kg/kmol 55.31 02.18 98.01 04.32 98.0 1 1 1 =−+ =−+ = B f A f P M a M a M kg/kmol 06.18 02.18 005.01 04.32 005.0 1 1 1 =−+ =−+ = B w A w W M a M a M kg/kmol Phương trình cân bằng vật chất F P WG G G= + [2- 144] Đối với cấu tử dễ bay hơi là methanol * * *F f P p W wG x G x G x= + [2- 144] Từ hai phương trình trên ta suy ra 0.27 0.0028* 183.12* 51.36 0.96 0.0028 f w P F p w x x G G x x − −= = =− − kmol/h [2- 144] 0.96 0.27* 183.12* 131.76 0.96 0.0028 p f w F p w x x G G x x − −= = =− − kmol/h [2- 144] II. PHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THÁP Bảng 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol- nước 9 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 oC 100 92.3 87.7 81.7 78 75.3 73.1 71.2 69.3 67.6 66 64.5 Hình 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol – nước Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng: 11 +++= x p x x R x x R Ry [2- 144] Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng: w xx x x R Lx R LRy 1 1 1 + −++ += [2- 158] Với : Rx= Gx/GP: chỉ số hồi lưu L=GF/GP Vì hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi nên ta có ff fp x xy yx R − −= * * min [2- 158] Từ đồ thị cân bằng lỏng hơi của methanol- nước với xf =0.27 ta tra được yf* = 0.64; tf = 79oC; với xp= 0.96 thì tP =65oC; với xw=0.0028 thì tw =99.7oC Vậy ta có: 10 88.0 27.064.0 64.096.0 min =− −=xR Dùng phương pháp thử ta cho các giá trị Rx khác nhau để tính các giá trị my khác nhau từ đó ta có bảng sau: Bảng 2: Chỉ số hồi lưu thích hợp Rx 1.06 1.15 1.24 1.33 1.42 1.5 1.59 1.68 1.77 1.86 1.95 my 8.9 8.19 7.71 7.36 7.10 6.90 6.74 6.60 6.49 6.39 6.31 my(Rx+1) 18.33 17.60 17.27 17.16 17.19 17.25 17.45 17.69 17.97 18.29 18.62 Hình 2: Chỉ số hồi lưu thích hợp Dựa vào đồ thị ta thấy Rx = 1.33 Phương trình đường làm việc đoạn luyện: 41.057.0 += xy Phương trình đường làm việc đoạn chưng: 0031.01.2 −= xy III. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 3.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu. 11 111 xqngFfD QQQQQ ++=+ J/h [2- 196] Trong đó: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1, chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2at. )( 1111111 θλ CrDDQd +== J/kg [2- 196] Với D1: lượng hơi đốt, kg/h. θ1 = 119.62oC nhiệt độ nước ngưng, C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng. Tra bảng I.148 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất và thực phẩm tập1 được C1 = 1.014kcal/kg.độ = 4245.42 J/kg.độ. Ẩn nhiệt hóa hơi r1 tra ở bảng I.212 sổ tay tập 1 ta được r1 = 526.25kcal/kg = 2203303.5 J/kg. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào: fff tCFQ ..= J/h [2- 196] Với F= 4000kg/h; tf = 30oC; Cf = 3583.5 sổ tay tâp 1 trang 172. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra: FFF tCFQ ..= J/h [2- 196] Với tF = 79oC; CF = 3645J/kg.độ Nhiệt lượng do nước ngưng tụ mang ra: 1111111 .... θθ CDCGQ ngng == J/h [2- 197] Nhiệt độ mất ra môi trường xung quanh 111 05.0 rDQxq = J/h [2- 197] Vậy lượng hơi nước cần thiết để đốt nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là: 84.344 5.2203303*95.0 )30*5.358379*3645(4000 95.0 )( 1 1 =−= −= r tCtCF D ffFF kg/h [2- 197] 3.2. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 22 ngxqwyRDF QQQQQQQ +++=++ [2- 197] Với QF: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào, J/h QD2 = D2(r2+C2θ2) J/h, nhiệt lượng do hơi nước đun nóng hỗn hợp ở đáy tháp. QR = GR.CR.tR J/h, nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào. tR = 65oC, CR = 2813 J/kg.độ QR = 51.36*31.55*1.33*2813*65= 394069723.6 J/h Qy = P(1+Rx)λđ ; nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp. Với λđ = λ1a1+λ2a2 là nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, trong đó λ1, λ2 lần lượt là nhiệt lượng riêng của cấu tử 1 và 2 ở đỉnh J/kg, a1, a2 là phần khối lượng của cấu tử 1 và 2. Với tđ = 79oC ta tính được λđ = 1328485 J/kg, Qy = 5015762248 J/h Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Qw = W.Cw.tw . Với tw = 99.7oC, Cw = 4212.48 J/kg.độ ta tính được Qw = 999387671 J/h. Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qngt = Gngt.C2.θ2 = D2. C2.θ2 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qxq2= 0.05D2r2 Vậy lượng hơi nước cần thiết để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp là: 46.2323 5.2203303*095.0 11518200009993876715015762248 95.0 2 2 =−+= −+= r QQQ D Fwy kg/h 3.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 12 P(Rx+1)r = Gn.Cn(t2 – t1) [2- 198] Với Gn : lượng nước lạnh tiêu tốn, kg/h; t1 = 30oC, t2 = 45oC là nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh. Cn = 4181.043 J/kg.độ : nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở nhiệt độ trung bình của t1 và t2; ẩn nhiệt ngưng tụ r = 1145634 J/kg.độ. Vậy lượng nước làm lạnh tiêu tốn để ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh là: 43.68968 )3045(*043.4181 1145634*)133.1(*55.31*36.51 )( )1( 12 =− +=− += ttC rRPG n x n kg/h [2- 198] 3.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh P.Cp(t’1+ t’2 ) = GnCn(t2 - t1) Với Cp = 2785 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ t’1 = 65oC , t’2 = 30oC là nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh t1 = 10oC , t2 = 30oC là nhiệt độ đầu và cuối của nước làm lạnh Cn = 4184.58 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của nước ở 20oC Vậy lượng nước cần để làm lạnh sản phẩm đỉnh là 28.1887 )1030(*58.4184 )3065(*55.31*36.51 )( )(. 12 ' 2 ' 1 =− −=− −= ttC ttCP G n p n kg/h IV. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP ĐỆM Đường kính tháp đệm được tính theo công thức: tbyy tbgD )( 0188.0 ωρ= (m) Với gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h. (ρyωy)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s. 4.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp 4.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng theo công thức sau: 2 lđ tbl gg g += [2- 181] Với gtbl: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h hay kmol/h. gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h hay kmol/h. gl: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h hay kmol/h. )1( +=+= xpPRđ RGGGg [2-181] 68.119)133.1(*36.51 =+=đg kmol/h Lượng hơi gl, hàm lượng hơi yl, lượng lỏng Gl đối với đĩa dưới cùng của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: đđll pPllll Pll rgrg xGxGyg GGg = += += [2- 182] 13 bđđađ bllal ryyrr ryyrr )1( )1( −+= −+= Trong đó: xl = xf rl: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp. ra, rb: ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử A, B nguyên chất. Nội suy theo bảng I.213 đối với methanol và bảng I.250 đối với nước sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 ở các nhiệt độ tf, tp, tw ta được các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi của A, B nguyên chất theo bảng sau: Bảng 3: Ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử A, B nguyên chất theo nhiệt độ Giá trị tf = 79oC tp = 65oC tw = 99.7oC rA (kcal/kg) 259.6 267.5 246 rA (kcal/kmol) 8317.58 8570.70 7881.84 rB (kcal/kg) 551.76 559.7 539.4 rB (kcal/kmol) 9942.72 10085.79 9719.99 Với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đầu vào ta tính được rl. Với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đỉnh ta tính được rđ. Với yđ là nồng độ hơi tương ứng với nồng độ pha lỏng xp theo phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện. Ta được hệ phương trình: 1032091)13.162572.9942( 57.4927.0** 36.51 =− += += ll lll ll yg Gyg Gg Giải hệ phương trình trên ta được: gl = 114.7 kmol/h Gl = 63.34 kmol/h yl = 0.55 kmol/kmol Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là: 19.117 2 7.11468.119 2 =+=+= lđtbl ggg kmol/h Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là: 83.65 2 34.6332.68 2 =+=+= lRtbl GGG kmol/h 4.1.2. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được xác định gần đúng bằng công thức sau: 2 '' ln tbc gg g += [2- 182] Với gtbc: lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, kg/h hay kmol/h. gn’: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, gn’= gl , kg/h hay kmol/h/ gl’: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h hay kmol/h. Lượng hơi đi vào đoạn chưng gl’, lượng lỏng Gl’ và hàm lượng lỏng xl’ được xác định theo hệ phương trình sau: 14 llnnll wwwlll Wll rgrgrg xGygxG GgG *** *** '''' ''' '' == += += [2- 182] Trong đó yl’ = yw = 0.0028: tìm theo đường cân bằng ứng với xw bllal ryyrr )1( ''' −+= ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng. bnnan ryyrr )1( ''' −+= ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng. Tính tương tự như trên ta được hệ phương trình 103209181.9714* 37.00028.0* 76.131 ' ''' '' = += += l lll ll g gxG gG Giải hệ phương trình trên ta được: gl’ =106.24 kmol/h Gl’ = 238 kmol/h Xl’ = 0.0028 kmol/h Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là: 47.110 2 24.1027.114 2 '' =+=+= lntbc ggg kmol/h Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là: 67.150 2 23834.63 2 ' =+=+= lltbc GGG kmol/h 4.2. Khối lượng riêng trung bình 4.2.1. Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được tính theo công thức: 21 11 xtb tb xtb tb xtb aa ρρρ −+= [2- 183] Trong đó ρxtb: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3. ρxtb1, ρxtb2 : khối lượng riêng trung bình của methanol và nước của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3. atb : phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng, kg/kg. Phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn luyện atbl và đoạn chưng atbc là: 2025.0 2 05.04.0 2 69.0 2 98.04.0 2 =+=+= =+=+= wf tbc pf tbl aa a aa a Phần mol trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn luyện xtbl và đoạn chưng xtbc là: 1364.0 2 0028.027.0 2 615.0 2 96.027.0 2 =+=+= =+=+= wf tbc pf tbl xx x xx x 15 Từ phần mol trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn chưng và đoạn luyện ta tra vào đồ thị cân bằng lỏng hơi của methanol- nước ta được nhiệt độ trung bình của đoạn luyện ttbl=71oC, nhiệt độ trung bình của đoạn chưng ttbc = 85oC. Với các nhiệt độ trung bình trên nội suy theo bảng I.2, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 ta tra được khối lượng riêng trung bình của methanol và nước như sau: ttbl = 71oC, ρxtb1 =742.06 kg/m3, ρxtb2 = 976.95 kg/m3. ttbc = 85oC, ρxtb1 = 728.465 kg/m3, ρxtb2 = 968.5 kg/m3. Vậy khối lượng riêng trung bình của của pha lỏng trong đoạn luyện ρxtbl và đoạn chưng ρxtbc là: 82.801 06.742*)69.01(95.976*69.0 95.976*06.742 )1( 12 21 =−+=−+= xtbtbztbtb xtbxtb xtbl aa ρρ ρρρ kg/m3 92.907 465.728*)2025.01(5.968*2025.0 5.968*465.728 )1( 12 21 =−+=−+= xtbtbztbtb xtbxtb xtbc aa ρρ ρρρ kg/m3 Khối lượng phân tử trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện và đoạn chưng: 70.2602.18*)615.01(04.32*615.0)1( =−+=−+= BtblAtblxtbl MxMxM kg/kmol 95.1902.18*)1364.01(04.32*1364.0)1( =−+=−+= BtbcAtbcxtbc MxMxM kg/kmol 4.2.2. Khối lượng riêng trung bình của pha khí Khối lượng riêng trung bình pha hơi được tính theo công thức: T MyMy BtbAtb ytb 4.22 273])1([ −+=ρ kg/m3 Với T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp hay của đoạn chưng, đoạn luyện, K. ytb: nồng độ phân mol pha hơi trung bình của đoạn chưng, đoạn luyện. Được tính bằng trung bình cộng nồng độ hai đầu đoạn tháp: 3214.0 2 64.00028.0 2 8.0 2 96.064.0 2 =+=+= =+=+= fw tbc pf tbl yy y yy y Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng: 04.1 )27371(*4.22 273*]02.18*)8.01(04.32*8.0[ =+ −+=ytblρ kg/m3 77.0 )27385(*4.22 273*]02.18*)3214.01(04.32*3214.0[ =+ −+=ytbcρ kg/m3 Khối lượng phân tử trung bình của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng: 27.2902.18*)8.01(04.32*8.0)1( =−+=−+= BtblAtblytbl MyMyM kg/kmol 53.2202.18*)3214.01(04.32*3214.0)1( =−+=−+= BtbcAtbcytbc MyMyM kg/kmol 4.3. Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn kích thước đệm 25x25x3 mm. Tra bảng IX.8, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tâp 2 ta được các thông số sau: σđ =195m2/m3, ρđ=600kg/m3, Vđ = 0.75 m3/m3, số đệm trong một mét khối là 46.103. Tốc độ hơi đi trong tháp đệm có thể xác định theo công thức sau: 16 8/14/1 16.0 3 2 4 )()( ).( .. 2.1 xtb ytb y x n x xtbđ ytbđs X G GX Vg Y eY ρ ρ μ μ ρ ρσω = = = − [2- 187] Chọn ω = 0.8ωs Trong đó ω, ωs: tốc độ làm việc của tháp, tốc độ sặc, m/s σđ : bề mặt riêng của đệm, m2/m3. Vđ : thể tích tự do của đệm, m3/m3. g : gia tốc trọng trường. Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/s μx, μn : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20oC, N.s/m2. Độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình có thể được tính theo công thức sau: 21 lg)1(lglg μμμ tbtbx xx −+= [2- 84] Tra bảng I.101 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 trang 92 ta được μn=0.001 N.s/m2. Tra trên toán đồ hình I.18 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 trang 90, ứng với nhiệt độ trung bình của đoạn luyện và đoạn chưng ta có: ttbl = 71oC, μ1 = 0.000317 N.s/m2, μ2 = 0.0004006 N.s/m2 suy ra μxl = 0.000347 N.s/m2 ttbc = 85oC, μ1 = 0.0002775 N.s/m2, μ2 = 0.0003355 N.s/m2 suy ra , μxc = 0.000327 N.s/m2 Thay các giá trị vào công thức ở trên ta tính được tốc độ làm việc của đoạn luyện: 38.0) 82.801 04.1() 19.117 83.65( 8/14/1 ==LX 26.0*2.1 38.0*4 == −eYL 80.125.2*8.0 25.2) 000346.0 001.0( 04.1*195 82.801*75.0*81.9*26.0)( . ... 16.0316.0 3 == === l x n ytbđ xtbđ sl VgY ω μ μ ρσ ρω Tốc độ làm việc của đoạn chưng: 45.0) 92.907 77.0() 47.110 67.150( 8/14/1 ==CX 2.0*2.1 45.0*4 == −eYC 96.145.2*8.0 45.2) 000327.0 001.0( 77.0*195 92.907*75.0*81.9*21.0)( . ... 16.0316.0 3 == === c x n ytbđ xtbđ sc VgY ω μ μ ρσ ρω 4.4. Đường kính tháp đệm Đường kính đoạn luyện 81.0 80.1*04.1 27.29*19.1170188.0 ==LD m 17 Đường kính đoạn chưng 76.0 96.1*77.0 53.22*47.1100188.0 ==LD m Vậy ta chọn đường kính tháp là D = 1 m V. TÍNH CHIỀU CAO THÁP ĐỆM THEO SỐ ĐƠN VỊ CHUYỂN KHỐI ™ Chiều cao làm việc của tháp đệm được xác định theo công thức sau: yđv mhH .= m [2- 175] Trong đó hđv : chiều cao một đơn vị chuyển khối, m my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha hơi. ™ Ta xác định số đơn vị chuyển khối bằng tích phân đồ thị: ∫ −= c đ y y cb y yy dym [2- 176] ™ Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối phụ thuộc vào đặc trưng của đệm và trạng thái pha, được xác định theo công thức: 21 hG mG hh x y đv += m [2- 177] Trong đó h1: chiều cao một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi. 3/225.0 1 Pr.Re. yyđ đ a V h ψσ= m [2- 177] h2: chiều cao một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng 5.025.03/2 2 Pr.Re.)(256 xx x xh ρ μ= m [2- 177] Với a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng a = 0.123 Ψ: hệ số thấm ướt của đệm, phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp. Tra Ψ trên đồ thị hình IX.16 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 trang 178. Xác định các thông số mật độ tưới thực tế Utt và mật độ tưới thích hợp Ut.h theo công thức: đht t x tt BU F VU σ.. = = m3/m2.h [2- 177] Với Vx: lưu lượng thể tích của chất lỏng, m3/h. Ft: diện tích mặt cắt tháp, m2. Giá trị hệ số B = 0.065 đối với quá trình chưng luyện 5.1. Chiều cao đoạn luyện 5.1.1. Số đơn vị chuyển khối của đoạn luyện Phương trình đường làm việc của đoạn luyện 18 41.057.0 += xy Lần lượt ta cho các giá trị của x từ xf đến xp ta sẽ xác định giá trị y theo phương trình đường làm việc và ycb theo đồ thị cân bằng của hỗn hợp methanol - nước. Ta được bảng sau: x y ycb ycb -y a=1/(ycb-y) b=a1+a2 c=y2 – y1 0.5*b*c my 0.27 0.568 0.645 0.077 13.034 25.579 0.017 0.219 0.30 0.585 0.665 0.080 12.563 24.183 0.029 0.345 0.35 0.614 0.700 0.086 11.620 23.046 0.029 0.329 0.40 0.642 0.730 0.088 11.426 23.334 0.029 0.333 0.45 0.671 0.755 0.084 11.908 24.34 0.029 0.347 0.50 0.700 0.780 0.080 12.432 26.341 0.029 0.376 0.55 0.728 0.800 0.072 13.909 28.539 0.029 0.407 0.60 0.757 0.825 0.068 14.630 30.059 0.029 0.429 0.65 0.785 0.850 0.065 15.429 33.199 0.029 0.474 0.70 0.814 0.870 0.056 17.771 38.721 0.029 0.553 0.75 0.842 0.890 0.048 20.950 43.579 0.029 0.622 0.80 0.871 0.915 0.044 22.629 50.679 0.029 0.723 0.85 0.899 0.935 0.036 28.050 59.193 0.029 0.845 0.90 0.928 0.960 0.032 31.143 79.080 0.029 1.354 0.96 0.962 0.983 0.021 47.937 7.43 5.1.2. Chiều cao của một đơn vị chuyên khối đoạn luyện Xác định các thông số mật độ tưới thực tế Utt và mật độ tưới thích hợp Ut.h theo công thức: 68.12195*065.0 79.2 4 1*14.3 82.801 7.26*83.65 . 2 == == ht tt U U Tra đồ thị ta được Ψ = 0.22 Tính độ nhớt của pha hơi theo công thức: 2 22 1 11 μμμ MmMmM hh hh += [2- 85] μ1, μ2 là độ nhớt của methanol và nước; m1, m2 là phần thể tích tương ứng của methanol và nước. Tra toán đồ hình I.35 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 ta được các giá trị độ nhớt như sau: μ1 = 113.10-7, μ2 = 114.10-7. Từ đó ta tính được độ nhớt của hỗn hợp khí 7 77 77 122211 21 10*12.113 10.113*02.18*2.010.114*04.32*8.0 10.114*10.113*27.29.. − −− −− =+=+= μμ μμμ MmMm M hh hh Chuẩn số Re của pha lỏng và pha hơi: 19 24.338 195*10*12.113 06.1*04.1*4.04.0Re 368.0 000346.0*195*1*14.3*3600 4*7.26*83.65*04.0 .. 04.0 Re 7 2 === === − đy yy y xđt x x F G σμ ωρ μσ Với Gx, Gy là lưu lượng pha lỏng và pha hơi, kg/s Chuẩn số Pran của pha lỏng và pha hơi: yy y y xx x x D D . Pr . Pr ρ μ ρ μ = = [2- 178] Trong đó Dx, Dy là hệ số khuếch tán trong pha lỏng và pha hơi, m2/s BABA y MMvvP TD 11 )( 10*0043.0 23/13/1 5.14 ++= − m2/s [2- 127] 23/13/1 6 20 ).( 1110.1 BAB BA x vvAB MM D + + = − μ m 2/s [2- 133] Trong đó T, P là nhiệt độ tuyệt đối (K) và áp suất tuyệt đối (at). vA, vB : thể tích mol của hơi methanol và nước, cm3/mol. vA = 37, vB = 18.9 μB = 1: độ nhớt của nước ở 20oC, cP hoặc 10-3 N.s/m2. A, B là hệ số liên hợp kể đến ảnh hưởng của phẩm chất của cấu tử methanol và nước A = 1.19, B = 4.7 Dx20 : hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20oC. Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở nhiệt độ toC được xác định theo công thức: 3 20 2.0 )]20(1[ ρ μ= −+= b tbDDt [2- 134] Thay các giá trị vào công thức trên ta được kết quả sau: 99 3 9 23/13/1 6 20 5 23/13/1 5.14 10*96.2)]2071(02.01[10*46.1 02.0 998 1*2.0 10*46.1 )9.1837.(1*7.4*19.1 02.18 1 04.32 110 10*25.2 02.18 1 04.32 1 )9.1837(1 )27371(10*0043.0 −− − − − − =−+= == =+ + = =++ += x x y D b D D 20 14.007.146*368.0*) 82.801 000346.0(256 38.048.0*24.338 195*07.0*123.0 75.0 48.0 10*25.2*04.1 10*12.113Pr 07.146 10*96.2*82.801 000346.0Pr 5.025.03/2 2 3/225.0 1 5 7 9 == == == == − − − h h y x Với trung bình tang góc hợp bởi đường cân bằng và đường nằm ngang m = 0.49 ta tính được chiều cao một đơn vị chuyển khối đoạn luyện là; 5.014.0 83.65 19.117*49.038.0 =+=đvh m Chiều cao đoạn luyện là: 8.35.0*43.7 ==lH m 5.2. Chiều cao đoạn chưng 5.2.1. Số đơn vị chuyển khối của đoạn chưng Phương trình đường làm việc của đoạn chưng: y = 2.1x – 0.0031 Lần lượt cho các giá trị x từ xw đến xf làm tương tự như đoạn luyện ta được bảng như sau: x y ycb ycb -y a=1/(ycb-y) b=a1+a2 c=y2 – y1 0.5*b*c my 0.0028 0.003 0.003 0 0.01 0.018 0.050 0.032 31.159 40.244 0.042 0.845 0.03 0.060 0.170 0.110 9.085 15.412 0.042 0.324 0.05 0.102 0.260 0.158 6.327 11.428 0.042 0.240 0.07 0.144 0.340 0.196 5.101 10.003 0.042 0.210 0.09 0.186 0.390 0.204 4.901 9.618 0.042 0.202 0.11 0.228 0.440 0.212 4.717 9.717 0.042 0.204 0.13 0.270 0.470 0.200 5.000 10.183 0.042 0.214 0.15 0.312 0.505 0.193 5.182 10.709 0.042 0.225 0.17 0.354 0.535 0.181 5.527 11.446 0.042 0.240 0.19 0.396 0.565 0.169 5.920 12.503 0.042 0.263 0.21 0.438 0.590 0.152 6.583 14.282 0.042 0.300 0.23 0.480 0.610 0.130 7.699 16.969 0.042 0.357 0.25 0.522 0.630 0.108 9.270 21.638 0.042 0.455 0.27 0.564 0.645 0.081 12.368 4.08 5.2.2. Chiều cao của một đơn vị chuyển khối đoạn chưng. Tính tương tự như đoạn luyện ta được 68.12195*065.0 22.4 4 1*14.3 92.907 95.19*67.150 . 2 == == ht tt U U 21 Tra đồ thị ta được Ψ = 0.35 Với μ1 = 118. 10-7, μ2 = 119.10-7 ta tính được độ nhớt hỗn hợp khí μy = 118.54*10-7 N.s/m2 Chuẩn số Re của pha lỏng và pha hơi: 26.260 195*10*54.118 15.1*77.0*4.0Re 68.0 000327.0*195 4 1*14.3*3600 95.19*67.150*04.0Re 7 2 == == −y x Hệ số khuếch tán trong pha hơi và pha lỏng: 99 5 23/13/1 5.14 10*37.3)]2085(02.01[10*46.1 10*38.2 02.18 1 04.32 1 )9.1837(1 )27385(*10*0043.0 −− − − =−+= =++ += x y D D Chuẩn số Pran của pha lỏng và pha hơi: 65.0 10*38.2*77.0 10*54.118Pr 84.106 10*37.3*92.907 000327.0Pr 5 7 9 == == − − − y x Với trung bình tang góc giữa đường cân bằng và đường nằm ngang m = 3.09 ta tính được chiều cao một đơn vị chuyển khối của đoạn chưng như sau: 2.254.0*08.4 54.012.0 67.150 47.110*09.327.0 12.084.106*68.0*) 92.907 000327.0(256 27.065.0*26.260 195*11.0*123.0 69.0 5.025.03/2 2 3/225.0 1 == =+= == == cH h h h m Vậy chiều cao tháp là H = 3.8 +2.2 = 6 m VI. TÍNH TRỞ LỰC TRONG THÁP ĐỆM. Trở lực trong tháp đệm được tính như sau: 2 . . . . 42 . . ])()()(1[ 2 3 '2 ' yy đ đty tđ k c y xn x ym y x ku V H d Hp G GApp ρωσλωρλ μ μ ρ ρ ==Δ +Δ=Δ N/m2 [2- 189] Trong đó ΔPu, ΔPk là tổn thất áp suất của đệm ướt và đệm khô, N/m2. λ’: hệ số trở lực của đệm . Với Rey > 40, 22 2.0 ' Re 16 y =λ [2- 189] Với hệ hơi lỏng giá trị các hệ số tra trong bảng IX.7 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 như sau: A = 5.15; m = 0.342; n = 0.19; c = 0.038. Tổn thất áp suất trong đoạn luyện: 74.8434]) 10*12.113 000346.0() 82.801 04.1() 19.117 83.65(15.51[58.3572 58.3572 2 04.1*8.1. 75.0 195*8.3. 4 99.4 99.4 24.338 16 038.0 7 19.0342.0 2 3 2.0 ' =+=Δ ==Δ == −u k p p λ Tổn thất áp suất trong đoạn chưng: 79.5348) 10*54.118 000327.0.() 92.907 77.0.() 47.110 67.150(15.51[04.1986 04.1986 2 77.0*96.1. 75.0 195*2.2. 4 26.5 26.5 26.260 16 038.0 7 19.0342.0 2 3 2.0 ' =+=Δ ==Δ == −u k p p λ Tổng tổn thất áp suất trong tháp: 53.1378379.534874.8434 62.555804.198658.3572 =+=Δ+Δ=Δ =+=Δ+Δ=Δ uculu kcklk ppp ppp N/m2 VII. TÍNH BỀN THÂN THÁP 7.1. Tính bề dày thân tháp. - Chọn phương pháp gia công thân tháp là phương pháp hàn. Vì methanol là một chất độc, theo bảng XII.45, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 348, ta chọn vật liệu chế tạo thiết bị là thép X18H10T. - Chọn nhiệt độ tính toán là nhiệt độ lớn nhất trong toàn thiết bị t = 99.7o C ≈ 100oC. - Tra đồ thị hình 1.2 [4- 16] ở nhiệt độ tính toán ta được ứng suất cho phép tiêu chuẩn của thép X18H10T là [σ]*= 143 N/mm2. Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0.9 . Vậy ứng suất cho phép của thân thiết bị là [σ] = η.[σ]* = 128.7 N/mm2. - Áp suất thủy tĩnh trong thiết bị 534406*81.9*92.907.. === Hgptt ρ N/m2 - Áp suất tính toán của thiết bị: 16532453.137839810053440 =++=Δ++= pppp kqtt N/m2 P = 0.165 N/mm2 - Chọn dạng mối hàn là giáp mối hàn hai phía, ở nhiệt độ cao. Hệ số bền mối hàn, ϕh = 0.95 - Bề dày tối thiểu của thân trụ: Ta có 2516.76495.0 165.0 7.128][ >==hp ϕ σ [4- 95] 23 68.0 95.0*7.128*2 1000*165.0 ]..[2 .' === h tDpS ϕσ mm [4- 96] Theo bảng 5.1, sự phụ thuộc của bề dày tối thiểu vào đường kính trong của thân trụ,[4- 94], ứng với đường kính trong của tháp từ 1000 – 2000mm thì S’ = 4mm. Vậy ta chọn S’ = 4mm. - Hệ số bổ sung bề dày tính toán C = Ca + Cb + Cc + Co Với Ca : hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học, chọn Ca = 1mm. Cb: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường, chọn Cb = 0. Cc : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp, chọn Cc = 0. Co: hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, chọn Co= 0. Vậy hệ số bổ sung C = 1 mm. - Bề dày của thân trụ S = S’ + C = 4+1 = 5 mm - Kiểm tra ta có 1.0004.0 1000 15 <=−=− tD CS thỏa [4- 97] Áp suất tính toán cho phép bên trong thiết bị: 165.097.0 )15(1000 )15(*95.0*7.128*2 )( )(][2 ][ >=−+ −=−+ −= at ah CSD CSp ϕσ thỏa Vậy, bề dày thân tháp là 5 mm. 7.2. Tính đáy, nắp. Chọn đáy, nắp elip tiêu chuẩn có gờ với các thông số: Dt = 1000mm, ht = 250mm, h = 40mm, F = 1.21 m2, V = 0.162 m3 Bề dày tối thiểu của đáy nắp: 68.0 95.0*7.128*2 1000*165.0 ][2 .' === h tRpS ϕσ mm [4- 126] Bề dày thực của đáy, nắp: S = S’+ C = 0.68 + 1 = 1.68 mm Kiểm tra lại 165.097.0 )15(1000 )15(*95.0*7.128*2 )( )(][2 ][ 125.010*8.6 1000 168.1 4 >=−+ −=−+ −= <=−=− − at ah t a CSR CSp D CS ϕσ [4- 126] Vậy ta chọn đáy nắp có bề dày bằng bề dày thân thiết bị S = 5mm. 7.3. Tính mặt bích Chọn các thông số theo các hình dưới đây như sau: • Chọn bulông M20 có db = 20mm, L = 34mm • Dt =1000mm • Dn = 1044mm • Dtb = 1022mm 24 • b = 22, bo = 0.8b = 17.6 • C = 1064mm • A = 1118mm • Số bulông Z = 40 • Chọn đệm paronit dày 3mm có hệ số áp suất riêng m = 2, áp suất riêng cần thiết để làm biến dạng vật liệu vòng đệm qo = 11 N/mm2. Hình : Các kích thước của đệm Hình : Các thông số của mặt bích ¾ Tính bulông ghép bích Lực nén chiều trục sinh ra do siết bulông. Q1 = Qa + Qk Qa : lực do áp suất trong thiết bị gây ra Qk: lực cần thiết để giữ đệm được kín. db Dt A C Dn L t b db Dn Dtb 25 34.14816334.18638129525 34.18638165.0*2*6.17*1022*14.3.... 129525165.0*1000 4 14.3. 4 1 22 =+= === === Q pmbDQ pDQ otbk ta π π N [4- 155] Lực cần thiết để ép chặt vòng đệm 89.62127711*6.17*1022*14.3..2 === ootb qbDQ π N [4- 155] Lực tác dụng lên một bulông: 95.15531 40 89.621277 === Z Qqb N [4- 157] Ứng suất tác dụng lên bulông: 46.49 20. 4 14.3 95.15531 4 22 === b b d q πσ N/mm 2 [4- 157] Chọn vật liệu chế tạo bulông là thép CT3 có [σ] =86 N/mm2. Thường khi siết bulông ta không định được lực vặn cần thiết nên các bulông thường bị kéo căng. Do đó, trong tính toán thực tế ta phải giảm bớt ứng suất cho phép của vật liệu làm bulông như sau: [σ]’ = ko . [σ]. Với ko là hệ số giảm ứng suất, ứng với đường kính db = 20mm, ko = 0.8. σσ >== 8.6886*8.0][ ' thỏa. ¾ Tính bền mặt bích Cánh tay đòn 10 2 10441064 2 =−=−= nDCl Bề dày bích phẳng [4- 152] 89.15]}1 165.0 46.49) 1044 20(40*57.0[ 1064 10*3.71{ 7.128 165.0*1244*41.0 ]}1 ][ )(57.0[3.71{41.0 2 2 =−+= −+= t pD d Z C lpDt b n b bi n σ σ mm Chọn chiều dày bích là t = 16mm. 7.4. Tính tai treo Khối lượng riêng của thép X18H10T là 7900kg/m3, của CT3 là 7850kg/m3. Khối lượng thân tháp 9.7477900 4 101.1*6*14.3 4 )( . 2222 =−=−= ρπ tntt DDHG kg Tra ở bảng XIII.11 sổ tay quá trình thiết bị hóa chất tập 2 trang 384 ta được Gđ+n = 97.97 kg. Ta có thể tính gần đúng khối lượng bích + bulong + đệm bằng công thức sau 65.149 4 )01.1118.1(*7900*6*)0015.0016.0(*14.3.6 4 )( .. 2222 =−+=−= ρπ tnb ddtG kg Thể tích của một đệm 6 22 1 10*78.2025.0*14.34 )003.0025.0(025.0 −=−−=đV m3 26 Khối lượng một đệm m= 2.78*10-6*600 = 0.00167 kg Thể tích thân tháp 71.46*14.3 4 1*14.3 4 22 === HDV t m3 Số đệm trong tháp Z= 4.71*46*103 = 216660 Khối lượng đệm trong tháp Gđ = 216660*0.00167 = 359.72 kg Thể tích của đệm trong tháp Vđ = 2.78*10-6*216660 = 0.6 m3 Thể tích chất lỏng trong tháp Vl = V- Vđ = 4.71- 0.6 = 4.11 m3 Khối lượng chất lỏng trong tháp Gl = Vl*ρ = 4.11*(801.82 + 907.92)/2 = 3513.92 kg Khối lượng của toàn tháp chưng luyện G = Gtt +Gđ+n +Gb+Gđ + Gl = 747.9+97.97+149.65+359.72+3513.92=4869.16 kg Chọn số tai đỡ là 2 thì tải trọng trên một tai đỡ là 23883.23 N Tra bảng XIII.36, [2- 438] ta được các thông số của tai đỡ như sau Các kích thước, mm Tải trọng trên một tai đỡ, N Diện tích đỡ, mm2 Áp suất riêng trên tai đỡ N/mm2 L B B1 H S l a d Trọng lượng tai đỡ, kg 25000 17300 1.45 150 120 130 215 8 60 20 30 3.48 7.5. Tính chân đỡ Chọn số chân đỡ là 4 ta tra bảng XIII.35, [2- 437] ta được bảng sau: L B B1 B2 H h s l d Tải trọng cho phép trên một chân N Bề mặt đỡ, m2 Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ N/m2 mm 25000 0.0444 0,56.106 250 180 215 290 350 185 16 90 27 VIII. TÍNH CÁC ỐNG DẪN 8.1. Tính ống nhập liệu Nhiệt độ dòng nhập liệu tF = 79oC, ρF = 902 kg/m3 Chọn vận tốc dòng nhập liệu ωF = 0.3 m/s Đường kính ống nhập liệu dF 072.0 3.0*785.0*902*3600 4000 *785.0 === F F Vd ω m [1- 369] Chọn dF = 0.08m 27 Trong đó V: lưu lượng thể tích, m3/s ωF : tốc độ trung bình, m/s Vận tốc thực của dòng nhập liệu: 245.0 08.0*785.0*902*3600 4000 *785.0 22 === F F d Vω m/s Tra bảng XIII.32, [2- 434] ta được chiều dài đoạn ống nối là 110mm. Tra bảng XIII.26, [2- 409] ta được các thông số về ống nối và bích như sau: Dy Dn D Dδ D1 h db z mm cái 80 89 185 150 128 14 16 4 8.2. Tính ống hồi lưu sản phẩm đỉnh Nhiệt độ sản phẩm hồi lưu tR = 65oC, ρR = 754.53. Chọn vận tốc dòng nhập liệu ωR = 0.3 m/s Đường kính ống nhập liệu dR 058.0 3.0*785.0*53.754*3600 55.31*32.68 *785.0 === R R Vd ω Chọn dR = 0.08 m. Vậy vận tốc của dòng lỏng hồi lưu là: 158.0 08.0*785.0*53.754*3600 55.31*32.68 *785.0 22 === R R d Vω m/s Chọn các thông số về chiều dài đoạn ống nối và bích tương tự như ống nhập liệu. 8.3. Tính ống tháo sản phẩm đáy Nhiệt độ sản phẩm đáy tW = 99.7oC, ρw = 956.74 kg/m3, V = Gl’ = 238 kmol/h. Chọn vận tốc dòng đáy ωw = 0.3 m/s Đường kính ống tháo sản phẩm đáy: 073.0 3.0*785.0*74.956*3600 06.18*238 *785.0 === w w Vd ω m [1- 369] Chọn dw = 0.08 m. Vậy vận tốc tháo sản phẩm đáy thực tế 25.0 08.0*785.0*74.956*3600 06.18*238 2 ==wω m/s Chọn các thông số về chiều dài đoạn ống nối và bích tương tự như ống nhập liệu. 8.4. Tính ổng hơi ở đỉnh Nhiệt độ hơi tp = 65oC, ρp = 1.135 kg/m3. Chọn vận tốc dòng hơi ở đỉnh ωp = 25m/s Đường kính ống hơi ở đỉnh: 198.0 25*785.0*135.1*3600 )33.11(*55.31*36.51 *785.0 =+== p p Vd ω m Chọn dp = 0.2 m. Vận tốc hơi thực tế: 43.29 2.0*785.0*135.1*3600 )33.11(*55.31*36.51 2 =+=pω m/s Tra bảng XIII.32, [2- 434] ta được chiều dài đoạn ống nối là 130mm. Tra bảng XIII.26, [2- 409] ta được các thông số của bích như sau: Dy Dn D Dδ D1 h db z 28 mm cái 200 219 290 255 232 16 16 8 8.5. Tính ống hơi vào đáy Nhiệt độ hơi đáy tháp thw = 99.7oC, ρh = 0.59 kg/m3 , V= gl’= 106.24 kmol/h. Chọn vận tốc hơi 25m/s. Đường kính ống hơi ở đáy tháp: 196.0 25*785.0*59.0*3600 06.18*24.106 *785.0 === h h Vd ω m Chọn dh = 0.2m Vận tốc hơi thực tế đi vào đáy tháp: 74.28 2.0*785.0*59.0*3600 06.18*24.106 2 ==hω m/s Chọn các thông số về chiều dài đoạn ống nối và kích thước của bích tương tự như ống lấy hơi ở đỉnh. D. TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ I. THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU Chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là thiết bị ống chùm đặt đứng với đường kính ống dn = 38mm, chiều dày ống δ= 3mm. vậy đường kính trong của ống d = 32mm. Hỗn hợp đầu đi trong ống, hơi nước bão hòa dùng để gia nhiệt đi ngoài ống với áp suất 2 at, t = 119.62oC. Nhiệt độ hỗn hợp đầu trước khi vào thiết bị là tf = 30oC. Nhiệt độ hỗn hợp đầu sau khi ra khỏi thiết bị tF = 79oC. Nhiệt lượng cần thiết để đun sôi hỗn hợp đầu 610*74.698)3079(*3565*4000).(. =−=−= fFFF ttCGQ J/h Chênh lệch nhiệt độ trung bình 92.61 7962.119 3062.119ln )7962.119()3062.119( ln 2 1 21 = − − −−−= Δ Δ Δ−Δ=Δ t t ttt oC Nhiệt độ trung bình của hơi nước bão hòa là 119.62oC. Nhiệt độ trung bình của dung dịch đầu trong ống là : tdd = 119.62- 61.92 =57.7oC. Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa tường và hơi nước là 4oC thì nhiệt độ tường là T1 = 115.62oC. Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt bên ngoài ống α1 4 1 . .04.2 Ht rA Δ=α W/m 2.độ [2- 28] Với A phụ thuộc vào tm = 0.5(th +T1) = 117.62oC, A= 186.704 r : ẩn nhiệt hóa hơi của nước r = 2203303.5 J/kg. chọn chiều dài ống là 1m 18.10376 1*4 5.2203303*704.186*04.2 41 ==α W/m2.độ Cường độ dòng nhiệt do hơi bão hòa cung cấp: 71.415045*18.9813. 111 ==Δ= tq α W/m2 29 Tổng nhiệt trở thành ống λ δ++= 21 rrr m2.độ/W [2- 3] Chọn ống làm bằng thép X18H10T có bề dày δ = 3mm, λ = 16.3 W/m.độ , [2- 313]. Tra bảng V.1, [2- 4] ta được: Nhiệt trở do cặn bám trong ống r1 = 0.387*10-3 m2.độ/W. Nhiệt trở do hơi nước ở bên ngoài ống r2 = 0.232*10-3 m2.độ/W. Tổng nhiệt trở: 333 10*803.0 3.16 003.010*232.010*387.0 −−− =++=r m2.độ/W Cường độ dòng nhiệt trong thành ống bằng cường độ dòng nhiệt do hơi nước bão hòa. Chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt của thành ống 33.3310*803.0*71.41504. 31 ===Δ −rqT Nhiệt độ mặt trong của tường T2 = T1-ΔT =115.62- 33.33 = 82.29oC Nhiệt độ trung bình của tường 98.96oC Ở nhiệt độ trung bình của hỗn hợp là 57.7oC ta tra được các giá trị của hỗn hợp lỏng như sau: μ = 0.00075 N.s/m2, ρ = 914.26 kg/m3, λ = 0.352 W/m.độ. Chọn vận tốc của lỏng nhập liệu ω =0.4 m/s. Chiều dài ống là L = 1m. 37.15603 00075.0 26.914*032.0*4.0..Re === μ ρω d Chế độ chảy của dòng là chảy xoáy nên ta có 25.043.08.0 1 )Pr Pr.(Pr.Re.021.0 t Nu ε= [2- 14] Trong đó các giá trị tính ở nhiệt độ trung bình của dung dịch, Prt tính ở nhiệt độ trung bình của tường Với l/d = 31.25 nên ε1 = 1.04 Tra đồ thị V.12, [2- 12] ta được Pr = 8.5; Prt = 3.7 68.152) 7.3 5.8(*5.8*37.15603*04.1*021.0 25.043.08.0 ==Nu Hệ số cấp nhiệt α2 phía dòng lỏng: 48.1679 032.0 352.0*68.152. 2 === d Nu λα W/m2.độ Hệ số truyền nhiệt 99.668 48.1679 110*803.0 18.10376 1 1 11 1 3 21 = ++ = ++ = − αα r K W/m2.độ Diện tích truyền nhiệt 68.4 92.61*99.668*3600 10*74.698 . 6 ==Δ= tK QF m2 Số ống truyền nhiệt cần dùng: 47 1*032.0*14.3 68.4 .. === Ld Fn π ống. Chọn số ống là 61, với 5 ống trên mỗi cạnh của hình lục giác đều và b= 9 ống là số ống trên đường chéo. Chọn bước ống là t = 45.6mm. Vậy đường kính ống: 30 5168.0038.0*4)19(*0456.04)1.( =+−=+−= dbtD m [2- 49] II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH Chọn thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị ống chùm nằm ngang với nước đi trong ống và hơi đi ngoài ống. Chọn ống có chiều dài là L = 1m, dn = 0.038m, δ = 0.003m, d =0.032m. Chọn nước giải nhiệt đi trong ống có nhiệt độ vào là 30oC, nhiệt độ ra là 45oC. Δt1 = 65-30 =35 Δt2 = 65-45 =20 5.27 2 2035 2 21 =+=Δ+Δ=Δ ttt Nhiệt độ trung bình của nước giải nhiệt 5.37 2 4530 =+=nt oC Tính hệ số cấp nhiệt α1 của hơi đi ngoài ống với nhiệt độ 65oC, r = 1145634 J/kg. Nhiệt lượng cần thiết để ngưng tụ hoàn toàn hơi ở đỉnh tháp: Q = Gp.(R+1).r = 51.36*31.55*(1.33+1)*1145634 = 4325399499 J/h Giả sử tổn thât nhiệt giữa hơi và thành là 6.1oC ta có T1 = 58.9oC, tm = 61.95oC . Tại nhiệt độ tm tra các giá trị như sau: r = 1123109.1J/kg; λ = 0.208W/m.độ; ρ = 756.022kg/m3; μ = 0.000344N.s/m2 Hệ số cấp nhiệt phía hơi sản phẩm đỉnh: 19.2113 038.0*1.6*000344.0 022.756*208.0*1.1123109725.0 .. ..725.0 4 23 4 23 1 ==Δ= dt r μ ρλα W/m2.độ Cường độ dòng nhiệt của hơi ngoài ống; 44.12890)9.5865(*19.2113)(* 111 =−=−= Ttq hα W/m2. Nhiệt trở của thành ống làm bằng X18H10T tính tương tự như trên ta được 0011.0 8.16 003.00005.0000387.021 =++=++=∑ λ δrrr W/m2.độ Chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt của thành ống ΔT = 12890.44*0.0011 = 13.74 T2 = 58.9 – 13.74 = 45.16oC Chọn vận tốc nước trong ống là 0.3m/s; tra ở nhiệt độ trung bình của nước ta được ρ=992.75kg/m3, μ = 0.000688 N.s/m2; λ = 0.636 W/m2.độ 24.10389 000688.0 024.0*75.992*3.0..Re === μ ρω d Chế độ chảy của nước trong ống là chế độ chảy xoáy, công thức tính chuẩn số Nu theo công thức trang 110 [2]; với các giá trị Pr = 4.6, Prt = 3.8 ta được Nu = 87.33 Hệ số cấp nhiệt của lỏng trong ống 7.1735 032.0 636.0*33.87. 2 === d Nu λα W/m2.độ Hệ số truyền nhiệt K 83.472 7.1735 10011.0 19.2113 1 1 = ++ =K m2.độ/W Diện tích truyền nhiệt 31 4.92 5.27*83.472*3600 4325399499 ==F m2 Số ống truyền nhiệt cần dùng 920 1*032.0*14.3 4.92 ==n Chọn số ống trên mỗi cạnh của hình lục giác là a = 19; số ống trên đường chéo là b = 2a -1 = 37. Vậy tồng số ống là 1027 ống. chọn bước ống là t = 0.0456 m Đường kính thiết bị là D = t(b-1) +4d = 1.77 m III. CHIỀU CAO THÙNG CAO VỊ VÀ BƠM 3.1. Tổn thất áp suất từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt. Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt là cmđ pppp Δ+Δ+Δ=Δ 111 [1- 376] Với Δpđ1 là áp suất động lực học , Δpđ1 = (ρ.ω2)/2 N/m2 1 2 1 ..2 . đ tdtd m pd L d Lp Δ==Δ λρωλ N/m2 là áp suất để khắc phục trở lực do ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng [1- 377] Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ: 1 2 1 .2 đc pp Δ==Δ ξρωξ N/m2 [1- 377] Chọn đường ống dẫn có d = 0.08m, tại nhiệt độ đầu vào của dung dịch ta tra được các thông số ρ = 929.5 kg/m3; μ = 0.0016 N.s/m2. Vận tốc của dòng lỏng đi trong ống là sm d V /24.0 08.0*785.0*5.929*3600 4000 *785.0 22 ===ω 31.26 2 24.0*5.929 2 1 ==Δ đp N/m2 Chọn chiều dài của ống là L = 4m, độ nhám ống ε = 0.0002 m. 032.11058 0016.0 5.929*024.0*24.0..Re === μ ρω d 51.5648) 0002.0 024.0.(6).(6Re 7/87/8 === ε td gh d [1- 378] 34.186097) 0002.0 024.0.(220).(220Re 8/98/9 === ε td n d [1- 379] Vì Regh < Re < Ren nên hệ số ma sát được tính như sau: 034.0) 032.11058 100 024.0 0002.046.1(*1.0) Re 10046.1(1.0 25.025.0 =+=+= tdd ελ 16.4131.26 024.0 2.1*034.01 ==Δ mp N/m2 Tính tổng trở lực cục bộ trên đường ống bằng cách tra bảng II.16, [1- 382] Trở lực từ thùng cao vị vào ống: 0.5 Trở lực từ ống vào thiết bị gia nhiệt: 0.5 32 Trở lực do ba góc chuyển hướng 90: 0.45 Trở lực do van tiêu chuẩn mở hoàn toàn:4 Tổng trở lực cục bộ ξ = 5.45 39.14331.26*45.51 ==Δ cp Tổng tổn thất áp suất từ bồn cao vị đến thiết bị gia nhiệt Δp1 = 26.31 + 41.16 + 143.39 = 213.86 N/m2 3.2. Tổn thất áp suất từ thiết bị gia nhiệt đến tháp chưng cất Nhiệt độ của dung dịch sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt là 79oC. Ở nhiệt độ này ta tra được các thông số ρ = 902 kg/m3; μ = 0.00043 N.s/m2. Chọn đường kính ống d = 0.08m, chiều dài L= 1m, độ nhám ε = 0.0002 m. Vận tốc của dòng nhập liệu sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt là ω = 0.245 m/s. 11.27 2 245.0*902 2 2 ==Δ dp N/m2 17.41146 00043.0 902*08.0*245.0Re == Regh < Re < Ren nên hệ số ma sát 028.0) 17.41146 100 024.0 0002.0*46.1(*1.0 25.0 =+=λ 46.911.27* 024.0 1*028.02 ==Δ mp N/m2 Tính tương tự như trên ta với một góc chuyển hướng 90o ta được hệ số trở lực cục bộ ξ = 5.15 63.13911.27*15.52 ==Δ cp N/m2 Tổng tổn thất áp suất từ thiết bị gia nhiệt đến tháp chưng luyện 21.17663.13946.911.272222