Thiết kế tháp chưng cất hệ benzen - Toluen hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu là 2500 kg/h

MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC BẢNG iii DANH MỤC HÌNH iv LỜI MỞ ĐẦU v CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 1 1.1 Lý thuyết về chưng cất 1 1.1.1 Khái niệm 1 1.1.2 Phương pháp chưng cất 1 1.1.3 Thiết bị chưng cất 2 1.2 Giới thiệu về nguyên liệu 3 1.2.1 Benzen & Toluen 3 1.2.2 Các phương thức điều chế 4 1.2.3 Hỗn hợp benzen – toluen : 5 1.2.4 Sơ đồ quy trình công nghệ 5 1.2.5 Thuyết minh quy trình: 6 CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 8 2.1 Các thông số ban đầu 8 2.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 8 2.3 Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp 10 2.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu 10 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 15 3.1 Đường kính tháp (Dt) 15 3.1.1 Đường kính đoạn cất : 15 3.1.2 Đường kính đoạn chưng 17 3.2 Chiều cao tháp chưng cất 20 3.3 Mâm lỗ – trở lực của mâm 20 3.2.1 Cấu tạo mâm lỗ 20 3.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm 21 3.2.3 Độ giảm áp qua mâm khô 21 3.2.4 Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm 22 3.2.5 Độ giảm áp do sức căng bề mặt 23 3.4 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động : 25 3.5 Kích thước ống chảy chuyền: 26 3.6 Tính toán cơ khí của tháp 27 3.4.1 Bề dày thân tháp 27 3.4.2 Đáy và nắp thiết bị 29 3.4.2.1 Bích ghép thân, đáy và nắp 29 3.4.2.2 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn : 30 Tai treo và chân đỡ: 35 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ 38 4.1 Cân bằng năng lượng cho hệ thống 38 4.2 Tính toán thiết bị phụ: 39 4.2.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: 39 4.2.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 44 4.2.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 49 4.2.4 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 53 4.2.5 Bồn cao vị 58 4.2.6 Bơm 62 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính theo % mol và nhiệt độ sôi . 9 Bảng 2.2. Thành phần Benzen – Toluen trong hỗn hợp 9 Bảng 2.3. Quan hệ tỉ số hồi lưu thích hợp với Ni 10 Bảng 2.4. Độ nhớt của hỗn hợp 12 Bảng 3.1 Kích thước của bích ghép thân, đáy nắp 30 Bảng 3.2 Các thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu 31 Bảng 3.3. Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp: 32 Bảng 3.4. Các thông số của bích ghép ống dẫn hoàn lưu: 33 Bảng 3.5. Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp: 34 Bảng 3.6. Các thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp: 34 Bảng 3.7. Các thông số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy 35 Bảng 3.7. Các kích thước của chân đỡ: (tính bằng mm) 36 Bảng 3.8. Các kích thước của tai treo: (tính bằng mm) 37 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết 11 Hình 2.2 đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R và N(R+1) 11 LỜI MỞ ĐẦU Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến nền công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành Công nghệ Hóa học. Hiện nay, trong nhiều ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng. Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết như trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu,... Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ benzen – toluen là hai cấu tử hòa tan vào nhau và có nhiệt độ sôi khác xa nhau nên ta chọn phương pháp chưng cất tách các cấu tử trong hỗn hợp và thu được benzen có độ tinh khiết cao. Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là môn học mang tinhd tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư hóa trong tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về yêu cầu công nghệ, kết cấu, điều kiện vận hành, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn vào giải quyết nhũng vấn đề kỹ thuật trong thực tế một cách tổng quát. Nhiệm vụ của môn học này là thiết kế tháp chưng cất hệ benzen - toluen hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu là 2500 kg/h có nồng độ 25% mol benzen, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 95% mol benzen và sản phẩm đáy có nồng độ là 5% mol benzen. Em chân thành cảm ơn các quý thầy cô bộ môn Công nghệ Hóa học và bộ môn Công Nghệ Thực phẩm, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể tránh những sai sót, em rất mong quý thầy cô và các bạn góp ý, chỉ dẫn. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 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 đáy 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.    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.   Bảng 1.1 so sánh ưu nhược điểm của các loại tháp 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 (20oC): 0,879 Nhiệt độ sôi: 80°C Nhiệt độ nóng chảy: 5,5°C 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 hydrocacbon 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 dehydro hóa ankan Các ankan có thể tham gia đóng vòng và dehydro hóa tạo thành hydro 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 Dehydro hóa các cycloankan Các cycloankan có thể bị dehydro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất của 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.[4] Sơ đồ quy trình công nghệ Kí hiệu trong quy trình: Bồn chứa nguyên liệu. Bơm. Bồn cao vị. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu. Lưu lượng kế. Nhiệt kế. Tháp chưng cất. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh. Áp kế. Thiết bị đun sôi đáy tháp. Bồn chứa sản phẩm đáy. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh. Bồn chứa sản phẩm đỉnh. Thuyết minh quy trình: Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen là 25% mol, nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu là 30oC 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 lồng ống. Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất. Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (5). 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 tử 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 95% mol). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (12), được làm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (12) rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14). 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. 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 Benzen là 5% mol, còn lại là Toluen. 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 vào bồn chứa sản phẩm đáy (11). Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là benzen, sản phẩm đáy là toluen CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT Các thông số ban đầu Năng suất theo nhập liệu : 2500 kg/giờ Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu : 25% mol benzen Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh : 95% mol benzen Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy : 5% mol benzen Nguyên liệu vào hệ thống ở nhiệt độ sôi Quá trình làm việc trong thiết bị ở áp suất thường. Loại thiết bị sử dụng là tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền Khối lượng phân tử của benzen và toluene : MB = 78, MT = 92 . Chọn + Nhiệt độ nhập liệu: tF = 30oC . + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tD = 35oC . + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: tW = 35oC . Các ký hiệu: GF, GD, GW: Lượng nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy. aF, aD, aW: Phần khối lượng của Benzen ở hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy. xF, xD, xW: Phần mol của Benzen trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy. yF, yD, yW: Phần mol của Benzen trong pha hơi ở hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy Vì đề bài cho theo % mol nên phải đổi sang % khối lượng để tính lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy. Ta có a =

aF =
=
= 0,22
aD =
=
= 0,94 aW =
=
= 0,04 Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp GF = GD + GW (1) [5] trang 144 Phương trình cân bằng vật chất đối với cấu tử dễ bay hơi (Benzen) GF .aF = GD .aD + GW .aW (2) [5] trang 144 Giải hệ phương trình (1) và (2) ta được: Lượng dòng sản phẩm đỉnh: GD = 500 kg/h Lượng dòng sản phẩm đáy: GW = 2000 kg/h Bảng 2.1. Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính theo % mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử Benzen – Toluen ở 760 mmHg. x  0  0,05  0,1  0,2  0,3  0,4  0,5  0,6  0,7  0,8  0,9  1   y  0  0,118  0,214  0,38  0,511  0,619  0,712  0,79  0,854  0,91  0,959  1   t  110,6  108,3  106,1  102,2  98,6  95,2  92,1  89,4  86,8  84,4  82,3  80,2   Dựa vào bảng này ta vẽ được đường cân bằng ycb= f(x) và xác định được phần mol (y) và nhiệt độ sôi tương ứng. Bảng 2.2. Thành phần Benzen – Toluen trong hỗn hợp Nhiệt độ sôi (°C)  Thành phần của Benzen trong hỗn hợp    % Khối lượng  Phần mol x  Phần mol y   tF = 100,4 tD = 81,25 tW =108,3  aF = 0,22 aD = 0,94 aW = 0,04  xF = 0,25 xD = 0,95 xW = 0,05  yF = 0,446 yD = 0,98 yW = 0,118   Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp Tỉ số hoàn lưu tối thiểu Xác định số mâm lý thuyết Tỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin =
=
= 2,57 [5] trang 158 Trong đó: yF* là nồng độ cân bằng ứng với xF Tỉ số hồi lưu làm việc Thường được xác định qua tỉ số hồi lưu tối thiểu R = b. Rmin Trong đó: hệ số dư b = 1,2 ( 2,5 Với các giá trị Ri > Rmin ta tìm được các giá trị tung độ Bi tương ứng Bi =
Vẽ các đường làm việc của đoạn luyện ứng với các giá trị Bi đó. Từ đó qua đồ thị ta tìm được các giá trị Ni tương ứng. Từ các giá trị Ni tìm được ta thành lập các giá trị tương ứng Ni(Ri + 1) Bảng 2.3. Quan hệ tỉ số hồi lưu thích hợp với Ni B  1,2  1,4  1,6  1,8  2,0  2,2  2,4  2,5   Ri  3,08  3,6  4,11  4,63  5,14  5,65  6,17  6,43   Bi  0,233  0,207  0,186  0,169  0,155  0,143  0,132  0,128   Ni  14  12  10,5  10  9,2  9  8,7  8,5   Ni(Ri+ 1)  54,63  47,40  46,88  48,82  53,61  58,65  61,10  62,81   Thiết lập quan hệ phụ thuộc giữa Ri và Ni(Ri+ 1)trên đồ thị. Điểm cực tiểu của đường cong vẽ được cho ta giá trị thể tích thiết bị bé nhất và ứng với điểm đó ta xác định được tỉ số hồi lưu thích hợp Rlt Từ đồ thị bên dưới ta xác định được: Rlt = 4,11 ; Blt = 0,186 Từ đó suy ra Nlt = 10,5 mâm
Hình 2.1 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết Hình 2.2 đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R và N(R+1) Xác định số mâm thực tế Từ số liệu ở [4] trang 92 và thực hiện phép nội suy ta xác định được độ nhớt của Benzen và Toluen ở nhiệt độ và nồng độ tương ứng. Bảng 2.4. Độ nhớt của hỗn hợp Độ nhớt (cP)  Đỉnh tháp  Giữa tháp  Đáy tháp  
 0,313  0,263  0,244  
 0,316  0,273  0,255   Độ nhớt hỗn hợp được tính theo công thức: lg
= x1.
+ x2.
[4] trang 84 Trong đó: x1, x2: nồng độ mol của Benzen và Toluen
,
: độ nhớt động lực của Benzen và Toluen Độ nhớt sản phẩm đỉnh: lg
= xD.
+ x2.
= 0,95.lg0,313 + (1 – 0,95).lg0,316 = -0,5042

= 10(-0,5042) = 0,313 CP Độ nhớt nguyên liệu đầu: lg
= xF.
+ x2.
= 0,25.lg0,263 + (1 – 0,25).lg0,273 = -0,568

= 10(-0,568) = 0,27 CP Độ nhớt sản phẩm đáy: lg
= xW.
+ x2.
= 0,05.lg0,244 + (1 – 0,05).lg0,255 = -0,5944

= 10(-0,5944) = 0,2544 CP Độ bay hơi tương đối được tính theo công thức:
=
.
Trong đó, x,y: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng và hơi Độ bay hơi tương đối của sản phẩm đỉnh:
=
.
=
.
= 2,579 Độ bay hơi tương đối của nguyên liệu đầu:
=
.
=
.
= 2,415 Độ bay hơi tương đối của sản phẩm đáy:
=
.
=
.
= 2,542 Số mâm thực tế được tính theo công thức: Nt =
[5] trang 170 Trong đó: Nlt : số mâm lý thuyết
: hiệu suất trung bình của thiết bị
=
Với
,
,
: hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ n: số mâm tính hiệu suất Hiệu suất trung bình là hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng
= f(
.
) Ta có:
.
= 2,579. 0,313 = 0,807
.
= 2,415. 0,27 = 0,652
.
= 2,542. 0,2544 = 0,646 Khi biết được tích số (
.
) tra (II – 171) ta xác định được hiệu suất tương ứng
= 51,895 %
= 54,42 %
=54,31%

= 53,542%
Nt =
=
= 19,6 mâm Chọn Nt = 20 mâm Số mâm đoạn chưng: 8 mâm Số mâm đoạn cất: 11 mâm Số mâm nhập liệu: 1 mâm CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT Đường kính tháp (Dt)
(m) Vtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h). tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s). gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h). Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau. Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau . Đường kính đoạn cất : Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
(kg/h) gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h). g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h). Xác định gd : gd = D.(R+1) = 500.(4,11+1) = 2555 (kg/h) Xác định g1 : Từ hệ phương trình :
(III.1) Với G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất . r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp . * Tính r1 : t1 = tF = 100,4oC , tra tài liệu tham khảo [4] ta có : Ẩn nhiệt hoá hơi của benzen: rB1 = 378,57 (kJ/kg) . Ẩn nhiệt hoá hơi của toluen: rT1 = 368,19 (kJ/kg) . Suy ra : r1 = rB1.y1 + (1-y1).rT1 = 368,19 + 10,38.y1 (kJ/kg) * Tính rd : tD = 81,25oC , tra tài liệu tham khảo [4] ta có : Ẩn nhiệt hoá hơi của benzen : rBd = 392,64 (kJ/kg) . Ẩn nhiệt hoá hơi của toluen : rTd = 377,86 (kJ/kg) . Suy ra : rd = rBd.yD + (1-yD).rTd =392,64.0,976 + (1- 0,976).377,86 = 392,29 (kJ/kg) * x1 = xF = 0,22 (theo phân khối lượng) Giải hệ (III.1) , ta được : G1 = 2195,98 (kg/h) y1 = 0,35 (phân khối lượng) g1 = 2695,98 (kg/h) Vậy : gtb =
(kg/h) Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:
Với : (xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3) . (ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m3) . Xác định (ytb :
Với: + Nồng độ phân mol trung bình : ytb =
=
= 0,685 + Nhiệt độ trung bình đoạn cất : ttb =
=
= 90,825oC Suy ra : (ytb = 2,76 (kg/m3). Xác định (xtb : Nồng độ phân mol trung bình : xtb =
=
= 0,6 Suy ra :
= 0,56% . ttb = 90,825oC, [4] trang 9, ta có : (xtb = 800,48 (kg/m3) Suy ra :
= 0,85 (m/s) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
= 0,68 (m/s) Xác định
: hệ số tính đến sức căng bề mặt Ta có:
Với:
= 19,95.10-3 N/m,
= 20,36.10-3 N/m (số liệu tra từ bảng I.242 trang 300 tài liệu tham khảo [4]) Ta thấy
< 20 theo [5] – tr184 chọn
= 0,8
Vậy đường kính đoạn cất : Dcất =
= 0,83 (m). Đường kính đoạn chưng Lượng hơi trung bình đi trong tháp
(kg/h) g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/h). g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h). Xác định g’n : g’n = g1 = 2693,76 (kg/h) Xác định g’1 : Từ hệ phương trình :
(III.2) Với G’1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng . r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng. * Tính r’1 :
= 0,04 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có :
= 0,018 t’1 = tW = 108,3oC , tra tài liệu tham khảo [4], ta có : Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : r’B1 = 372,04 (kJ/kg) . Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : r’T1 = 363,31 (kJ/kg) . Suy ra : r’1 = r’B1.
+ (1-
).r’T1 = 364,2 (kJ/kg) * Tính r1: theo kết quả trên ta có r1 = 368,19 + 10,38.y1 = 368,19 + 10,38.0,35 = 371,823 (kJ/kg) * W = 2000 (kg/h) Giải hệ (III.2) , ta được : x’1 =0,15 (phân khối lượng) G’1 = 4752,4 (kg/h) g’1 = 2752,4 (kg/h) Vậy : g’tb =
(kg/h) Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:
Với : ('xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3) . ('ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m3) . Xác định (’ytb :
Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y’tb =
=
= 0,254 + Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’tb=
=
=104,35oC Suy ra : (’ytb = 2,86 (kg/m3). Xác định (’xtb : Nồng độ phân mol trung bình : x’tb =
=
= 0,15 Suy ra :
=0,13 t’tb = 104,35oC , tra tài liệu tham khảo [4] trang 9, ta có : Khối lượng riêng của benzen: (’B = 787,78 (kg/m3) Khối lượng riêng của toluen: (’T = 783,22 (kg/m3) Suy ra : (’xtb =
= 783,81 (kg/m3) Suy ra :
= 0,828 (m/s) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

= 0,662 (m/s) Xác định
: hệ số tính đến sức căng bề mặt Ta có:
Với:
=18,278.10-3 N/m,
= 18,94.10-3 N/m (số liệu tra từ bảng I.242 trang 300 [6]) Ta thấy
< 20 theo [5] – tr184 chọn
= 0,8

Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng:
Vậy : đường kính đoạn chưng Dchưng= 0,845 (m). Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 0,85 (m). Khi đó tốc độ làm việc thực ở : + Phần cất : lv =
(m/s). + Phần chưng :’lv =
(m/s). Chiều cao tháp chưng cất
(m) Trong đó: Nt : số đĩa thực tế ( : bề dày của đĩa (m) m = 0,8 ( 1 (m) khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị Hđ : khoảng cách giữa các đĩa Chọn m = 0,8 (m) H = 20.(0,3 + 0,0018) + 0,8 = 6,836 (m) Hđáy = Hnắp = ht + hgờ = 0,15 + 0,05 = 0,2 (m) Chiều cao tháp là: H = 6,835 + 0,2. 0,2 = 7,235 (m) (xem phần đáy nắp) Mâm lỗ – trở lực của mâm Cấu tạo mâm lỗ Chọn : + Đường kính lỗ : dl = 3 (mm). + Tổng diện tích lỗ bằng 8% diện tích mâm. + Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo tam giác đều ). + Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 . + Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm . Số lỗ trên 1 mâm : N =
=
= 6422 lỗ. Vậy: ta bố trí các lỗ trên 1 hàng là 47 lỗ, số lỗ trên đường chéo là 93 lỗ. Độ giảm áp của pha khí qua một mâm Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng ) là tổng các độ giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng: htl = hk + hl + hR (mm chất lỏng) Với : + hk :độ giảm áp qua mâm khô (mm chất lỏng). + hl : độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm chất lỏng). +hR : độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm chất lỏng). Trong tháp mâm xuyên lỗ, gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm  là không đáng kể nên có thể bỏ qua . Độ giảm áp qua mâm khô Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất do dòng chảy đột thu , đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ.
(mm chất lỏng) Với : + uo :vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s). + (G : khối lượng riêng của pha hơi (kg/m3). + (L : khối lượng riêng của pha lỏng (kg/m3). + Co : hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ. Ta có :
=0,08 và
=0,6 [1] trang 111 Co = 0,735 Đối với mâm ở phần cất : + Vận tốc pha hơi qua lỗ : uo =
= 5,788 (m/s). + Khối lượng riêng của pha hơi : (G = ytb = 2,76 (kg/m3). + Khối lượng riêng của pha lỏng : (L = xtb = 800,48 (kg/m3). Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất :
=10,9 (mm chất lỏng) Đối với mâm ở phần chưng : + Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’o =
= 5,825 (m/s). + Khối lượng riêng của pha hơi : (’G = (’ytb = 2,86 (kg/m3). + Khối lượng riêng của pha lỏng : (’L = (’xtb = 783,81 (kg/m3). Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng :
= 11,69 (mm chất lỏng). Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất lỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw , chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm  : hl = .( hw + how ) , (mm.chất lỏng) Chọn : + Hệ số hiệu chỉnh :  = 0,6 + Chiều cao gờ chảy tràn : hw = 50 (mm) Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng :
, (mm chất lỏng) Với : + qL : lưu lượng của chất lỏng (m3/ph). + Lw :chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m). Xác định Lw : Tính chiều dài gờ chảy tràn:
Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm, nên ta có phương trình sau :
Với no là góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn Lw . Dùng phương pháp lặp ta được : no = 93o12’22” Suy ra: Lw = Dt . sin(no/2) = 0,618 (m). Xác định qL : * Phần cất :
= 0,0428 (m3/ph). Suy ra :
= 7,32 (mm). Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là: hl = 0,6.(50 + 7,32) = 34,392 (mm chất lỏng). * Phần chưng :
= 0,1 (m3/ph). Suy ra :
= 12,89 (mm). Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng : h’l = 0,6.(50 + 12,89) = 37,734 (mm chất lỏng). Độ giảm áp do sức căng bề mặt Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác định theo biểu thức :
, (mm.chất lỏng) Với : +  : sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm). + L : khối lượng riêng của pha lỏng (kg/m3). Phần cất : * Khối lượng riêng của pha lỏng : (L = xtb = 800,48 (kg/m3). * ttb = 90,825oC, [4 (tập 1)], ta có : + Sức căng bề mặt của benzen : B = 19,95 (dyn/cm). + Sức căng bề mặt của toluen : T = 20,36 (dyn/cm). Suy ra: Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần cất :
= 10,07 (dyn/cm). Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là :
= 2,623 (mm chất lỏng). Phần chưng : * Khối lượng riêng của pha lỏng : (’L = ’xtb = 783,81 (kg/m3). * t’tb = 104,35oC ,tra tài liệu tham khảo [4], ta có : + Sức căng bề mặt của benzen : ’B = 18,278 (dyn/cm). + Sức căng bề mặt của toluen : ’T = 18,94 (dyn/cm). Suy ra sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng:
= 9,3 (dyn/cm). Vậy : Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần chưng là:
= 2,474 (mmchất lỏng). Tóm lại: Độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở: + Phần cất: htl = 10,94 + 34,932 + 2,623 = 47,955 (mm chất lỏng). hay htl = 376,58 (N/m2). + Phần chưng: h’tl = 11,69 + 37,734 + 2,474 = 51,898 (mm chất lỏng). hay h’tl = 399,05 (N/m2). Suy ra: Tổng trở lực của toàn tháp hay độ giảm áp tổng cộng của toàn tháp (xem độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở phần chưng ) htl = 11. htl + 8. h’tl = 11 . 376,58 + 8. 399,05 = 7334,78 (N/m2) Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động : Chọn khoảng cách giữa hai mâm là hmâm = 300 (mm). Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức : hd = hw + how + htl + hd’ , (mm chất lỏng) Với : hd’ là tổn thất thuỷ lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được xác định theo biểu thức sau :
, (mm chất lỏng) trong đó : + QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h). + Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đó : Sd = 0,8 . Smâm = 0,8 . . 0,4252 = 0,454 (m2) Phần cất : QL = 60.qL = 60 . 0,0428 = 2,568 (m3/h). Suy ra :
= 4,095.10-4 (mm chất lỏng). Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần cất : hd =50 + 7,32 + 47,955 + 4,095.10-4 =105,275 (mm chất lỏng). Kiểm tra : hd = 105,275 <
(mm) đảm bảo khi hoạt động các mâm ở phần cất sẽ không bị ngập lụt. Phần chưng : Q’L = 60.q’L = 60 . 0,1= 6 (m3/h). Suy ra :
= 2,236.10-3 (mm chất lỏng). Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần chưng : h’d =50 + 12,89 + 51,898 + 2,236.10-3 = 114,79 (mm chất lỏng). Kiểm tra: h’d = 114,79 <
(mm): đảm bảo khi hoạt động các mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt. Vậy khi hoạt động đảm bảo tháp sẽ không bị ngập lụt. Chiều cao của thân tháp: Hthân = Ntt .(hmâm+ mâm ) + 0,8 =20.(0,3 + 0,0018) + 0,8 = 6,835 (m) Chiều cao của đáy và nắp: Hđ = Hn =ht +hgờ =0,15 + 0,05 = 0,2 (m). (Xem ở phần : Đáy và Nắp thiết bị ). Chiều cao của tháp : H = Hthân + Hđ + Hn = 7,235 (m) Kích thước ống chảy chuyền: - Chọn số ống chảy chuyền: z = 1 ống - Đường kính ống chảy chuyền
Tốc độ chất lỏng chảy trong ống chảy chuyền: chọn wc = 0,1 m/s Lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp: Gx (kg/h). Khối lượng riêng trung bình của lỏng:
(kg/m3) - Lượng lỏng trung bình trong tháp: Lượng lỏng trung bình trong phần luyện: Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất đoạn cất: G1 = 2195,98 (kg/h) Lượng lỏng hoàn lưu: Gh = Rth.D = 4,11.500 = 2055 (kg/h) =>
(kg/h) Lượng lỏng trung bình trong phần chưng: Lượng sản phẩm đáy: W = 2000 kg/h Lượng lỏng mâm nhập liệu: G2 = G1’ + F = 2500 + 4752,4 = 72525,4 kg/h =>
(kg/h) =>
(kg/h)
Đường kính ống chảy chuyền
Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền h3 = 0,25.dc = 0,25.122 = 30 mm Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa hc = hw – h1’ = 50 - 37 = 13 mm Tính toán cơ khí của tháp Bề dày thân tháp Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang). Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích. Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của Benzen đối với thiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T. Áp suất tính toán : Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán : Ptt =Pcl + htl + 9,81.10-2 , (N/mm2) Với : Pcl : áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm2). Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn an toàn nên : Pcl = x .g.H =
.g.H =
. 9,81 . 7,235 =56222,77 (N/m2). Suy ra Ptt = 56222,77 + 3719,92 + 9,81.104 = 158042,68 (N/m2) ~0,158043 (N/mm2). Nhiệt độ tính toán : Chọn nhiệt độ tính toán : ttt = tđáy = 108,3oC . Tra tài liệu tham khảo [6], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T : []* = 142 (N/mm2). Đối với rượu hệ số hiệu chỉnh :  = 1 Vậy : ứng suất cho phép : [] = .[]* = 142 (N/mm2). Xác định bề dày thân chịu áp suất trong Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằng tay nên hệ số bền mối hàn : h = 0,9 Xét tỷ số :
=808,6427 > 25,do đó, bề dày tính toán của thân được tính theo công thức sau :
= 0,5256 (mm). Suy ra : bề dày thực của thân : St = S’t + C ,(mm). Trong đó : C :hệ số bổ sung bề dày, C = Ca + Cb + Cc + Co Với : + Ca : hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của chất lỏng. Chọn tốc độ ăn mòn của Benzen là 0,1 (mm/năm),thiết bị hoạt động trong 20 năm, do đó Ca = 2 mm. +Cb : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn Cb = 0. +Cc : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn Cc = 0. +Co : hệ số bổ sung qui tròn, chọn Co =0,4746 (mm). Suy ra : C = 2 + 0 + 0 + 0,4746 = 2,4746 (mm). Vậy : St = 0,5256 + 2,4746 = 3 (mm). * Kiểm tra công thức tính toán với St = 3 (mm) :
= 0,00176 < 0,1 : đúng. * Kiểm tra áp suất tính toán cho phép :
=0,300 > Ptt : đúng. Vậy : Bề dày thực của thân là St = 3 (mm). Đáy và nắp thiết bị Chọn đáy và nắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T.
Nhận thấy: công thức tính toán bề dày thân, đáy và nắp chịu áp suất trong là như nhau. Nên chọn bề dày của đáy và nắp là Sđ = Sn = 3 (mm). Các kích thước của đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ(tài liệu tham khảo [4(tập 2)]: + Đường kính trong: Dt = 850 (mm). + ht =212,5 (mm). + Chiều cao gờ: hgờ = h = 50 (mm). +Diện tích bề mặt trong: Sđáy = 0,92 (m2). Bích ghép thân, đáy và nắp Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị. Các loại mặt bích thường sử dụng: + Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn). Loại bích này chủ yếu dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình. + Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bị. + Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao. Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích là bích liền không cổ.
Theo tài liệu tham khảo [5]- trang 417, ứng với Dt =850(mm) và áp suất tính toán Ptt = 0,158043 (N/mm2) ta chọn bích có các thông số sau : Bảng 3.1 Kích thước của bích ghép thân, đáy nắp Dt  D  Db  D1  h  Bu lông                  db  Z   (mm)  (cái)   850  980  930  900  20,58  20  24   Theo tài liệu tham khảo [5]- trang 170, chọn số mâm giữa hai mặt bích là 1 mâm.Vậy số bích ghép thân – đáy - nắp là 40 bích. Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định. Đệm làm bằng các vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích. Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt của bích. Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây amiăng, có bề dày là 3(mm). Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn : Bích được làm bằng thép CT3 , cấu tạo của bích là bích liền không cổ.
Vị trí nhập liệu : Suất lượng nhập liệu: GF = 2500 (kg/h). Khối lượng riêng của chất lỏng nhập liệu, tra tài liệu tham khảo [4] ở tF = 100,4oC và
: F = 789,1 (kg/m3). Lưu lượng chất lỏng nhập liệu đi vào tháp:
= 3,168 (m3/h). Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu): vF = 0,2 (m/s). Đường kính ống nhập liệu: dF =
(m). Suy ra: chọn đường kính ống nhập liệu: dF = 0,080 (m). Tài liệu tham khảo [5], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lF = 110 (mm). Bảng 3.2 Các thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu Dt  Db  Dn  D  D1  h  Bu lông                     db  Z   (mm)  (cái)   80  150  89  185  128  14  16  4   Ống hơi ở đỉnh tháp: Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: gd = 2555 (kg/h). Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức (xác định ở tD = 81,25oC và yD = 0,986:
= 2,693 (kg/m3). Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:
= 948,71 (m3/h). Chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp: vh = 25 (m/s). Đường kính ống dẫn hơi: dh =
(m). Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 0,125 (m). Tài liệu tham khảo [5], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lh = 120 (mm). Bảng 3.3. Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp: Dt  Db  Dn  D  D1  h  Bu lông                     db  Z   (mm)  (cái)   125  200  133  235  178  14  16  1   Ống hoàn lưu: Suất lượng hoàn lưu: Ghl =D.R=500 . 4,11 = 2055 (kg/h). Khối lượng riêng của chất lỏng hoàn lưu, tra tài liệu tham khảo [4] ở tD = 81,25oC và
: hl = 813,21 (kg/m3). Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu:
= 2,527 (m3/h). Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu (tự chảy từ bộ phận tách lỏng ngưng tụ vào tháp): vhl = 0,15 (m/s). Đường kính ống hoàn lưu: dhl =
(m). Suy ra: chọn đường kính ống hoàn lưu: dhl = 0,08 (m). Tài liệu tham khảo [5], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhl = 110 (mm). Bảng 3.4. Các thông số của bích ghép ống dẫn hoàn lưu: Dt  Db  Dn  D  D1  h  Bu lông                     db  Z   (mm)  (cái)   80  150  89  185  128  14  16  4   Ống dẫn hơi vào đáy tháp: Suất lượng hơi vào đáy tháp: g’1 = 2752,4 (Kg/h). Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp được tính theo công thức (xác định ở tW = 108,3oC và yW = 0,118:
= 0,2,918 (Kg/m3). Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:
= 943,18 (m3/h). Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp: vhd = 25 (m/s). Đường kính ống dẫn hơi: dhd =
(m). Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dhd = 0,125 (m). Tài liệu tham khảo [5], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhd = 120 (mm). Bảng 3.5. Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp: Dt  Db  Dn  D  D1  h  Bu lông                     db  Z   (mm)  (cái)   125  200  133  235  178  14  16  1   Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp: Suất lượng chất lỏng vào nồi đun: G’1 = 4752,4 (kg/h). Khối lượng riêng của chất lỏng chất lỏng vào nồi đun, tra tài liệu tham khảo [4(tập 1)] ở tW = 108,3oC và x’1=0,089: L = 779,24 (kg/m3). Lưu lượng chất lỏng vào nồi đun:
= 6,098 (m3/h). Chọn vận tốc chất lỏng vào nồi đun (chất lỏng tự chảy vào nồi đun): vL = 0,2 (m/s). Đường kính ống dẫn chất lỏng: dL=
= 0,1(m). Suy ra chọn đường kính ống dẫn: dL = 0,10 (m). Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lL = 120 (mm). Bảng 3.6. Các thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp: Dt  Db  Dn  D  D1  h  Bu lông                     db  Z   (mm)  (cái)   100  170  108  205  148  14  16  4   Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy): Suất lượng sản phẩm đáy: GW = 2000 (kg/h). Khối lượng riêng của sản phẩm đáy, tra tài liệu tham khảo [4] ở tW= 108,3oC và xW=0,005: W = 778,89 (kg/m3). Lưu lượng sản phẩm đáy:
= 2,568 (m3/h). Chọn vận tốc sản phẩm đáy (chất lỏng tự chảy): vW = 0,12 (m/s). Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: dW=
=0,087 (m). Suy ra: chọn đường kính ống dẫn: dW = 0,090 (m). Tài liệu tham khảo [5], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lW = 110 (mm). Bảng 3.7. Các thông số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy Dt  Db  Dn  D  D1  h  Bu lông                     db  Z   (mm)  (cái)   90  110  57  140  90  12  12  4   Tai treo và chân đỡ: Tính trọng lượng của toàn tháp: Khối lượng của một bích ghép thân: (thép X18H10T: X18H10T = 7900 (kg/m3)). m1 =
= 38,06 (kg). Khối lượng của một mâm: (thép X18H10T: X18H10T = 7900 (kg/m3)). m2 =
=
.0,852.0,0018.0,7.7900 =5,646(kg). Khối lượng của thân tháp: m3 =
.(D2ng –D2t).Hthân . X18H10T =
= 459,500 (kg). Khối lượng của đáy (nắp) tháp: m4 = Sđáy .đáy . X18H10T = 0,92 . 0,003 . 7900 = 21,804 (kg). Khối lượng của toàn tháp: m = 40.m1+20.m2+m3+2.m4=2138,428 (kg). Suy ra trọng lượng của toàn tháp: P = m.g = 20977,98 (N). Chân đỡ tháp: Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân. Tải trọng cho phép trên một chân: Gc =
= 0,5244.104 (N). Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gc = 0,6.104 (N).
Bảng 3.7. Các kích thước của chân đỡ: (tính bằng mm) L  B  B1  B2  H  h  s  l  d   160  110  135  195  240  145  10  55  23   Tai treo: Chọn tai treo: tai treo được gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động trong điều kiện ngoại cảnh. Ta chọn bốn tai treo, tải trọng cho phép trên một tai treo là Gt = 0,5244.104 (N). Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gt = 0,6.104 (N). Chọn tấm lót tai treo khi ghép vào thân có kích thước sau: + Chiều dài tấm lót: H = 260 (mm). + Chiều rộng tấm lót: B = 140 (mm). +Bề dày tấm lót là 6 (mm).
Bảng 3.8. Các kích thước của tai treo: (tính bằng mm) L  B  B1  H  S  l  a  d   100  75  85  155  6  40  15  18   CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ Cân bằng năng lượng cho hệ thống Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất: QF + Qđ = QW + QD + Qnt + Qm (IV.1) Trong đó: Qnt : nhiệt lượng ngưng tụ do hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng. Chọn hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng. Qnt = D.(R+1).MD . rD , (kJ/h). Xác định rD (ẩn nhiệt hoá hơi của sản phẩm đỉnh): Tra tài liệu tham khảo [4], ở tD = 81,25oC ta có: Ẩn nhiệt hoá hơi của benzen: rB = 392,64 (kJ/kg). Ẩn nhiệt hoá hơi của toluen: rT = 377,86 (kJ/kg). Suy ra: rD = rB .
+(1-
).rT = 392,64.0,94 + (1-0,94).377,86 = 391,75 (kJ/kg). Vậy: Qnt = 6,35 .(4,11 + 1) .78,7 . 391,75 = 1000410,78 (kJ/h). QF : nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang vào tháp QF = GF .HF =GF .cF .(tF –to ) ,(kJ/h) Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 30oC. Ở
oC , tra tài liệu tham khảo [4], ta có Nhiệt dung riêng của benzen: cB = 1957,3 (J/kg.độ). Nhiệt dung riêng của toluen: cT = 1920,8 (J/kg.độ) Suy ra: cF =
.cB +(1-
).cT = 0,22 . 1957,3 + (1- 0,22) . 1920,8 = 1928,83 (J/kg.độ). Vậy: QF = 2500 . 1928,83 . (100,4 - 30) = 339474,08 (kJ/h). QW : nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra từ nồi đun. QW = GW .HW =W .MW.cW .(tW –to ) ,(kJ/h). Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 30oC. Ở
oC , tra tài liệu tham khảo [4], ta có Nhiệt dung riêng của benzen: cB = 1978,04 (J/kg.độ). Nhiệt dung riêng của toluen: cT = 1936,6 (J/kg.độ) Suy ra: cF =
.cB +(1-
).cT = 1938,26 (J/kg.độ) Vậy: QW = 2000 . 1938,26 .(108,3 - 30) = 303531,5(kJ/h). QD : nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra từ bộ phận tách hoàn lưu. QD = GD .HD =D.MD .cD .(tD –to ) ,(kJ/h). Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 30oC. Ở
oC , tra tài liệu tham khảo [4], ta có: Nhiệt dung riêng của benzen: cB = 1907,03 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của toluen: cT = 1878,125 (J/kg.độ) Suy ra: cD =
.cB +(1-
).cT =0,94 . 1907,03 + (1-0,94). 1878,125 = 1905,55 (J/kg.độ). Vậy: Từ (IV.1), ta được: QD = 500 . 1905,55 .(81,25 - 30) = 48829,72 (kJ/h). Qm : nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh. Chọn: Qm = 0,05.Qđ Vậy: nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp: Qđ =
.(QW + QD + Qnt – QF ) =
(303531,5 + 48829,72 + 1000410,78 – 339474,08) = 779050,44 (kJ/h) = 216,4 (kW). Tính toán thiết bị phụ: Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ống loại TH đặt nằm ngang. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 25x2, chiều dài ống 1,5 (m) Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ đầu: t1 = 30oC, nhiệt độ cuối: t2= 40oC. Các tính chất lý học của nước làm lạnh được tra ở tài liệu tham khảo [4] ứng với nhiệt độ trung bình ttbN =
= 35oC + Nhiệt dung riêng: cN = 4,176 (kJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: N = 994,06 (kg/m3) + Độ nhớt động lực: N = 0,7225.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: N = 0,6257 (W/m.K) a . Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh GN =
= 6,65 (kg/s) b . Xác định bề mặt truyền nhiệt : Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt: Ftb =
,(m2) (IV.2) Với: + K : hệ số truyền nhiệt + tlog : nhiệt độ trung bình logarit Xác định tlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(K) Xác định hệ số truyền nhiệt K: Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
,(W/m2.K) (IV.3) Với: + N : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2.K) + R : hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m2.K) + rt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu * Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: Chọn vận tốc nước đi trong ống: vN = 0,75 (m/s). Số ống trong một đường nước:
(ống) Tra bảng V.II trang 48 tập 2, chọn n = 37 ống Vận tốc thực tế đi trong ống
(m/s) Chuẩn số Reynolds :
> 104 : chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng:
Trong đó: + l: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống: ReN = 15024,4 và
, nên l =1. + PrN : chuẩn số Prandlt của nước ở 35oC, nên PrN = 5. + Prw : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách. Suy ra:
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: N =
Nhiệt tải phía nước làm lạnh:
(W/m2) (IV.4). Với tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống). * Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
, (W/m2). Trong đó: + tw1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống). +
Bề dày thành ống: t = 2 (mm). Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: t = 16,3 (W/m.K) Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.K/W) Nhiệt trở lớp cáu ngoài ống: r2 = 1/5800 (m2.K/W) Suy ra: rt = 4,95.10-4 (m2.K/W). Vậy: qt = 4,95.10-4.(tw1 - tw2) (IV.5) * Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ:
Đặt: A=
với [rR] = [J/kg] Tra hình V.20, trang 30 [5], hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống và số ống trên mỗi dãy thẳng đứng là:
(vì xếp xen kẽ và số ống trong mỗi dãy thẳng đứng là 7 ống).
Ẩn nhiệt ngưng tụ: rR = rD = 391,75 (kJ/kg) Nhiệt tải ngoài thành ống: qR = R.(81,25-tw1) = A.(81,25-tw1)0,75 (IV.6). Từ (IV.4), (IV.5), (IV.6) ta dùng phương pháp lặp để xác định tw1, tw2 : Chọn: tw1 = 50,7oC Các tính chất lý học của rượu ngưng tụ được tra ở tài liệu tham khảo [4] ứng với nhiệt độ trung bình ttbD =
oC: + Khối lượng riêng: R = 829,26 (kg/m3). + Độ nhớt động lực: R = 0,368.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: R = 0,116 (W/m.K). Khi đó:

Từ (IV.6): qR = 601,259.(81,25-50,7) = 18368,472 (W/m2). Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qR =18368,472 (W/m2). Từ (IV.5), ta có: tw2 = tw1-
= 41,608oC Suy ra: ttbw =
=
oC Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], Prw = 4 Từ (IV.4): qN =
(W/m2). Kiểm tra sai số:  =
=4,18% < 5% : thoả. Vậy: tw1 = 50,7oC và tw2 = 41,608oC. Khi đó:
(W/m2.oC).
(W/m2.oC). Từ (IV.3):
(W/m2.oC). Từ (IV.2), bề mặt truyền nhiệt trung bình:
= 15,43 (m2). Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt :
(m). Chọn L’= 6 (m) Số ống trên đường chéo: b = 7 (ống) Tra bảng trang 21, [3]  Bước ống: t = 32 (mm) = 0,032 (m) Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [6]:  Đường kính trong của thiết bị: D = t.(b-1) + 4dng = 0,3 (m) Vậy : Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt vỏ – ống gồm n = 37 (ống), dài L= 6 (m). Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T Chọn: + Nước làm lạnh đi trong ống 38x3 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t1 = 30oC, nhiệt độ cuối: t2 = 40oC. + Sản phẩm đỉnh đi trong ống 57x3 (ống ngoài) với nhiệt độ đầu: tD = 81,25oC, nhiệt độ cuối: t’D = 35oC. Các tính chất lý học của nước làm lạnh được tra ở tài liệu tham khảo [4] ứng với nhiệt độ trung bình ttbN =
= 35oC + Nhiệt dung riêng: cN = 4,176 (kJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: N = 994,06 (kg/m3) + Độ nhớt động lực: N = 0,7225.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: N = 0,6257 (W/m.K) Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh được tra ở tài liệu tham khảo [4] ứng với nhiệt độ trung bình ttbD =
oC + Nhiệt dung riêng: cD= 1,918 (kJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: D = 837,56 (kg/m3)