Đồ án Phương pháp chưng luyện

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nền công nghiệp đã mang lại cho con người những lợi ích vô cùng to lớn về vật chất và tinh thần. Để nâng cao đời sống nhân dân, để hòa nhập chung với sự phát triển chung của các nước trong khu vực cũng như trên thế giới Đảng và Nhà nước ta đã đề ra mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Trong tiến trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước những ngành mũi nhọn như công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ điện tử tự động hóa…công nghệ hóa giữ vai trò quan trọng trong việc sản xuất các sản phẩm phục vụ cho nền kinh tế quốc dân, tạo tiền đề cho nhiều ngành khác phát triển. Khi kinh tế phát triển thì nhu cầu của con người ngày càng tăng. Do vậy các sản phẩm cũng đòi hỏi cao hơn, đa dạng hơn, phong phú hơn, theo đó công nghệ sản xuất cũng phải nâng cao. Trong công nghệ hóa học nói chung việc sử dụng hóa chất có độ tinh khiết cao là yếu tố căn bản tạo ra sản phẩm có chất lượng cao. Có nhiều phương pháp khác nhau để làm tăng nồng độ, độ tinh khiết như: chưng cất, cô đặc, trích ly. Tùy vào tính chất của hệ mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp. Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1: LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN: 1.1.1: Phương pháp chưng luyện: Chưng luyện là một phương pháp nhằm để phân tách một hỗn hợp khí đã hóa lỏng dựa trên độ bay hơi tương đối khác nhau giữa các cấu tử thành phần ở cùng một áp suất. Phương pháp chưng luyện này là một quá trình trong đó hỗn hợp được bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần. Kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp ta thu được một hỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi và nồng độ đạt yêu cầu. Phương pháp chưng luyện cho hiệu suất phân tách cao, vì vậy nó được sử dụng nhiều trong thực tế. Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, người ta đưa ra nhiều thiết bị phân tách đa dạng như tháp chóp, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền, tháp đệm… Cùng với các thiết bị ta có các phương pháp chưng cất là: Áp suất làm việc: Chưng cất ở áp suất thấp. Chưng cất ở áp suất thường. Chưng cất ở áp suất cao. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên nhiệt độ sôi của các cấu tử: nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì giảm áp suất làm việc để giảm nhệt độ sôi của các cấu tử. Nguyên lý làm việc: có thể làm việc theo nguyên lý liên tục hoặc gián đoạn: Chưng gián đoạn: phương pháp này được sử dụng khi: Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau. Không cần đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi. Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử. Chưng liên tục: là quá trình được thực hiện liên tục nghịch dòng và nhiều đoạn. 1.1.2. Thiết bị chưng luyện: Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp khác nhau nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích tiếp xúc bề mặt pha lớn. Tháp chưng cất phong phú về kích cỡ và ứng dựng. Các tháp lớn thường được sử dụng trong công nghệ lọc hóa dầu. Đường kính tháp phụ thuộc vào lượng pha lỏng và lượng pha khí, độ tinh khiết của sản phẩm. Mỗi loại tháp chưng lại có cấu tạo riêng, có ưu điểm và nhược điểm khác nhau, vậy ta phải chọn loại tháp nào cho phù hợp với hỗn hợp cấu tử cần chưng và tính toàn kích cỡ của thết bị cho phù hợp với yêu cầu. Trong đồ án này em được giao thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp hai cấu tử là Nước – axitpropionic, chế độ là việc ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi. 1.2.GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG LUYỆN: 1.2.1.Axit propinic Axít propinic là một axít cacboxylic có nguồn gốc tự nhiên với công thức hóa học CH3CH2COOH. Ở trạng thái tinh khiết và trong điều kiện thông thường, nó là một chất lỏng không màu có tính ăn mòn và mùi hăng. Lịch sử: Axít propinic lần đầu tiên được Johann Gottlieb miêu tả năm 1844. Ông là người đã tìm thấy nó trong số các sản phẩm phân hủy của đường. Trong khoảng thời gian vài năm sau đó, các nhà hóa học khác cũng tạo ra axít propinic theo các cách khác nhau, nhưng không có ai trong số họ nhận ra rằng họ đã tạo ra cùng một hợp chất. Năm 1847, nhà hóa học người Pháp là Jean-Baptiste Dumas đã chứng minh được tất cả các axít trên đây chỉ là một hợp chất và ông gọi nó là axít propinic, lấy theo tiếng Hy Lạp protos = "đầu tiên" và pion = "béo", do nó là axít với công thức tổng quát H(CH2)nCOOH nhỏ nhất có các tính chất của một axít béo, chẳng hạn như sự tạo ra một lớp váng mỡ khi bị kết tủa bởi muối và có muối với kali có tính chất giống xà phòng. Tính chất: Axít propinic có các tính chất vật lý trung gian giữa các tính chất của các axít cacboxylic nhỏ hơn như axít fomic và axít axetic, với các axít béo lớn hơn. Nó hòa tan trong nước với bất kì tỉ lệ nào nhưng có thể bị loại ra khỏi nước bằng cách cho thêm muối. Phân tử gam: 74,08 g/ml Tỉ trọng: 0,99 g/cm3 Điểm nóng chảy: -20,70C Điểm sôi: 141,10C Tính chất hóa học: axít propinic thể hiện các tính chất chung của axít cacboxylic, và tương tự như phần lớn các axít cacboxylic khác, nó tạo ra các hợp chất amit, este, anhyđrit và clorua. Nó cũng có thể tham gia phản ứng halôgen hóa pha alpha với brôm khi có mặt PBr3 làm chất xúc tác (phản ứng HVZ) để tạo ra CH3CHBrCOOH. Sản xuất: Trong công nghiệp, axit propinic thông thường được sản xuất từ phản ứng ôxi hóa của propionalđehit bằng không khí. Phản ứng được tiến hành trong pha lỏng, có mặt các muối của mangan hoặc coban, xảy ra theo cơ chế gốc chuỗi, nhiệt độ 40 – 500C Một lượng lớn axít propionic đã từng được sản xuất như là phụ phẩm của việc sản xuất axit axetic, nhưng ngày nay thì nó chỉ là một nguồn rất nhỏ trong sản xuất axít propionic. Nhà sản xuất lớn nhất thế giới hiện nay là BASF, với công suất khoảng 80 ktpa. Axit propioic có thể được sản xuất bằng phương pháp cacbonyl hóa. Cho anken tác dụng với nước và CO. Axit propionic cũng được tạo ra theo phương pháp sinh học từ sự phân hủy do trao đổi chất của các axít béo chứa số lẻ các nguyên tử cacbon, cũng như từ sự phân hủy của một số axít amin. Các vi khuẩn thuộc chi Propionibacterium cũng tạo ra axít propionic như là sản phẩm cuối cùng trong hoạt động trao đổi chất kỵ khí của chúng. Các vi khuẩn này được tìm thấy rất phổ biến trong dạ dày của các động vật nhai lại, và hoạt động của chúng là một phần nguyên nhân tạo ra mùi vị của cả pho mát Thụy Sỹ và mồ hôi. Ứng dụng: Axit propionic ngăn cản sự phát triển của mốc và một số vi khuẩn. Do vậy, phần lớn axit propionic được sản xuất để sử dụng làm chất bảo quản trong công nghiệp thực phẩm. Đối với thức ăn cho gia súc, nó dược sử dụng hoặc là trực tiếp hoặc dưới dạng muối amoni. Đối với thực phẩm dành cho con người, đặc biệt là bánh mì và các sản phẩm nướng khác, nó được dùng dưới dạng các muối natri hay canxi. Axit propionic cũng là một hóa chất trung gian có ích. Nó có thể sử dụng để thay đổi các sợi xenlulozo tổng hợp. Nó cũng được dùng để sản xuất một số thuốc trừ sâu và dược phẩm. Các este của axit propionic đôi khi được dùng làm dung môi hay các chất tạo mùi nhân tạo. 1.2.2. Nước (H2O) Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có công thức hóa học là H2O. Với các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết hiđrô và tính bất thường của khối lượng riêng) nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời sống; 70% diện tích của Trái Đất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3% tổng lượng nước trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước uống. Cấu tạo: Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hidro và một nguyên tử oxy. Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45°. Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện. Chiều dài của liên kết O-H là 96,84 picomet. Tính lưỡng cực: Oxy có độ âm điện cao hơn hidro. Việc cấu tạo thành hình ba góc và việc tích điện từng phần khác nhau của các nguyên tử đã dẫn đến cực tính dương ở các nguyên tử hiđrô và cực tính âm ở nguyên tử oxy, gây ra sự lưỡng cực. Dựa trên hai cặp điện tử đơn độc của nguyên tử ôxy, lý thuyết VSEPR đã giải thích sự sắp xếp thành góc của hai nguyên tử hiđrô, việc tạo thành mô men lưỡng cực và vì vậy mà nước có các tính chất đặc biệt. Vì phân tử nước có tích điện từng phần khác nhau nên một số sóng điện từ nhất định như sóng cực ngắn có khả năng làm cho các phân tử nước dao động, dẫn đến việc nước được đun nóng. Hiện tượng này được áp dụng để chế tạo lò vi sóng. Liên kết hiđrô: Các phân tử nước tương tác lẫn nhau thông qua liên kết hiđrô và nhờ vậy có lực hút phân tử lớn. Đây không phải là một liên kết bền vững. Liên kết của các phân tử nước thông qua liên kết hidro chỉ tồn tại trong một phần nhỏ của một giây, sau đó các phân tử nước tách ra khỏi liên kết này và liên kết với các phân tử nước khác. Đường kính nhỏ của nguyên tử hidro đóng vai trò quan trọng cho việc tạo thành các liên kết hidro, bởi vì chỉ có như vậy nguyên tử hidro mới có thể đến gần nguyên tử oxy một chừng mực đầy đủ. Các chất tương đương của nước, thí dụ như dihidro sulfua (H2S), không tạo thành các liên kết tương tự vì hiệu số điện tích quá nhỏ giữa các phần liên kết. Việc tạo chuỗi của các phân tử nước thông qua liên kết cầu nối hidro là nguyên nhân cho nhiều tính chất đặc biệt của nước, thí dụ như nước mặc dù có khối lượng mol nhỏ vào khoảng 18 g/mol vẫn ở thể lỏng trong điều kiện tiêu chuẩn. Ngược lại, H2S tồn tại ở dạng khí cùng ở trong những điều kiện này. Nước có khối lượng riêng nhỏ nhất ở 4 độ Celcius và nhờ vào đó mà băng đá có thể nổi lên trên mặt nước; hiện tượng này được giải thích nhờ vào liên kết cầu nối hiđrô Các tính chất hóa lý của nước: Cấu tạo của phân tử nước tạo nên các liên kết hiđrô giữa các phân tử là cơ sở cho nhiều tính chất của nước. Cho đến nay một số tính chất của nước vẫn còn là câu đố cho các nhà nghiên cứu mặc dù nước đã được nghiên cứu từ lâu. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nước đã được Anders Celsius dùng làm hai điểm mốc cho độ bách phân Celcius. Cụ thể, nhiệt độ nóng chảy của nước là 0 độ Celcius, còn nhiệt độ sôi (760 mm Hg) bằng 100 độ Celcius. Nước đóng băng được gọi là nước đá. Nước đã hóa hơi được gọi là hơi nước. Nước có nhiệt độ sôi tương đối cao nhờ liên kết hiđrô Dưới áp suất bình thường nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cao nhất là ở 4 °C: 1 g/cm³ đó là vì nước vẫn tiếp tục giãn nở khi nhiệt độ giảm xuống dưới 4 °C. Điều này không được quan sát ở bất kỳ một chất nào khác. Điều này có nghĩa là: Với nhiệt độ trên 4 °C, nước có đặc tính giống mọi vật khác là nóng nở, lạnh co; nhưng với nhiệt độ dưới 4 °C, nước lại lạnh nở, nóng co. Do hình thể đặc biệt của phân tử nước (với góc liên kết 104,45°), khi bị làm lạnh các phân tử phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác mở. Vì vậy mà tỉ trọng của nước đá nhẹ hơn nước thể lỏng. Khi đông lạnh dưới 4 °C, các phân tử nước phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác mở. Nước là một dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng cực. Các hợp chất phân cực hoặc có tính ion như axít, rượu và muối đều dễ tan trong nước. Tính hòa tan của nước đóng vai trò rất quan trọng trong sinh học vì nhiều phản ứng hóa sinh chỉ xẩy ra trong dung dịch nước. Nước tinh khiết không dẫn điện. Mặc dù vậy, do có tính hòa tan tốt, nước hay có tạp chất pha lẫn, thường là các muối, tạo ra các ion tự do trong dung dịch nước cho phép dòng điện chạy qua. Về mặt hóa học, nước là một chất lưỡng tính, có thể phản ứng như một axit hay bazơ. Ở 7 pH (trung tính) hàm lượng các ion hydroxyt (OH-) cân bằng với hàm lượng của hydronium (H3O+). Khi phản ứng với một axit mạnh hơn thí dụ như HCl, nước phản ứng như một chất kiềm: HCl + H2O ↔ H3O+ + Cl- Với ammoniac nước lại phản ứng như một axit: NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH- 1.3. DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT Hình 1.1. Sơ đồ dây chuyền công nghê chưng luyện liên tục CHÚ THÍCH: 1. Thùng chứa hỗn hợp đầu 7. Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 2. Bơm 8. Thùng chứa sản phẩm đỉnh 3. Thùng cao vị 9. Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 4. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 10. Thùng chứa sản phẩm đáy 5. Tháp chưng luyện 11. Thiết bị tháo nước ngưng 6. Thiết bị ngưng tụ hồi lưu THUYẾT MINH: Dung dịch đầu ở thùng (1) được bơm (2) bơm liên tục lên thùng cao vị (3), mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn, từ thùng cao vị dung dịch được đưa vào thiết bị đun nóng (4) qua lưu lượng kế (11), ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hoà, từ thiét bi gia nhiệt (4) dung dịch được đưa vào tháp chưng luyện (5) nhờ đĩa tiếp liệu, trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất nỏng đi từ trên xuống, nhiệt độ và nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp. Vì vậy hơi từ đĩa phía dưới lên đĩa phía trên, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ được ngưng tụ lại và cuối cùng trên đỉnh ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi. Hơi đó đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6), ở đây nó được ngưng tụ lại. Một phần chất lỏng đi qua thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8), một phần khác hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng. Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi và do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng và cuối cùng ở đáy tháp ta thu dược hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi. Chất lỏng đi ra khỏi tháp được làm lạnh rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đáy (10). Như vậy với thiết bị làm việc liên tục thì hỗn hợp đầu được đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được tháo ra liên tục. Chương 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 2.1. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ: Kí hiệu các đại lượng như sau: F : lượng nguyên liệu đầu (kmol/h) P : lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h) W: lượng sản phẩm đáy (kmol/h) xF: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu xP: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh xW: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy Giả thiết: + Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp. + Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chưng và đoạn luyện. + Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi. + Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra ở đỉnh tháp. + Cấp nhiệt ở đáy tháp băng hơi đốt gián tiếp. Yêu Cầu thiết bị: F: Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu =15(tấn/giờ) Thiết bị làm việc ở áp suất thường (P = 1 at) Tháp chưng loại: tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền Điều kiện: aF : Nồng độ nước trong hỗn hợp đầu = 0,28 (phần khối lượng) aP: Nồng độ nước trong sản phẩm đỉnh = 0.80 (phần khối lưọng) aW: Nồng độ nước trong sản phẩm đáy = 0,02 (phần khối lượng) MA: Khối lượng phân tử của nước = 18 (kg/kmol) MB: Khối lượng phân tử của axit propinic = 74 (kg/kmol) Đổi từ phần khối lượng sang phần mol: x = = = 0,6152 (phần mol) x= = = 0,94267(phần mol) x = = = 0,0774 (phần mol) Tính khối lượng mol trung bình: Áp dụng công thức: M = x.M + (1 - x).M Ta có : M = 0,6152.18 + (1 - 0,6152).74 = 39,5488 (kg / kmol) M = 0,94267.18 + (1 - 0,94267).74 = 21,21 (kg / kmol) M = 0,0774.18 + (1 - 0,0774).74 = 69,6656 (kg/kmol) 2.1.1.Cân bằng vật liệu Hỗn hợp đầu vào F (nước – axit propionic) được phân tách thành sản phẩm đỉnh P (nước), và sản phẩm đáy W (axit propionic). Ở đĩa trên cùng có 1 lượng lỏng hồi lưu, ở đáy tháp có thiết bị đun sôi. Lượng hơi đi ra đỉnh tháp Do. Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống chưng Phương trình cân bằng vật liệu: G = G + G Trong đó: - G là lượng hỗn hợp đầu đi vào tháp (kg / h) - G là lượng sản phẩm đỉnh (kg / h) - G là lượng sản phẩm đáy (kg / h) Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi (H2O): G.aF = G.aP + G.aW Theo đề bài: Lượng hỗn hợp đầu: G = 15.103(kg / h)= = 379,378 (kmol / h) Lượng sản phẩm đỉnh: G =G . = 15.103. = 5000 (kg / h) =>G= = 235,737 (kmol / h) Lượng sản phẩm đáy: G = F. =15.103. = 10000 (kg / h) => G = = 143,543 (kmol / h) 2.1.2.Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu Từ số liệu bảng IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-2 trang 148) ta có thành phần cân bằng lỏng hơi của nước - axitpropionic được cho theo bảng sau x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 22 37 54,5 66 74,9 80,5 84,4 87,5 90,3 93,2 100 t 141,4 117,2 109,0 104,2 102,2 101,1 100,4 100,0 99,7 99,1 99,6 100 Từ bảng số liệu trên ta vẽ được đồ thị y - x, từ đó xác định được chỉ số hồi lưu tối thiểu: x x β y* Hình 2.2. Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết Với giá trị x = 0,6152 ta kẻ đường song song với trục y và cắt đường cân bằng, từ đó ta kẻ đường song song với trục x cắt trục y tại B và ta xác định được giá trị y* = 0,848956. Từ đó ta tính được R: R = = = 0,4009 2.1.3.Tính chỉ số hồi lưu thích hợp Chỉ số hồi lưu làm việc thường được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu: Trong đó: β: hệ số dư hay hệ số hiệu chỉnh. Tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu làm việc bằng: Ta biết Rmin, cho β biến thiên bất kì trong khoảng (1,2÷2,5), tính được R tương ứng. Ở mỗi R tương ứng ta vẽ đường làm việc và vẽ các bậc thay đổi nồng độ lý thuyết N. Dưới đây là các đồ thị xác định số đĩa lí thuyết trên cơ sở đường cân bằng, , , . Đường làm việc đoạn luyện đi qua điểm (,) và cắt trục tung tại điểm có tung độ B = , đường làm việc đoạn chưng đi qua giao điểm của đường làm việc đoạn luyện với đường và điểm (,). Vẽ các tam giác như hình ta thu được số đĩa lý thuyết. x x x y* B b1 = 1,2; R= b.R = 0,48108; B = 0,63647; N = 24 Hình 2.3. Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết x x x y B b = 1,6; R = Rb = 0,64144; B = 0,57429; N = 13 Hình 2.4. Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết x x x B y* b = 1,8; R = 0,72162; B = 0,54755; N = 11 Hình 2.5. Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết x x x y* B b = 2,0; R = 0,8018; B = 0,52318; N = 10 Hình 2.6. Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết x x x B y* b = 2,2; R = 0,88198; B = 0,50089; N = 9 Hình 2.7. Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết x x x B y* b = 2,3; R = 0,92207; B = 0,590445; N = 9 Hình 2.8. Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết x x x B y* b = 2,4; R = 0,96216; B = 0,480402; N = 9 Hình 2.9. Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết x x x B y* b = 2,5; R = 1,00225; B = 0,470805; N = 9 Hình 2.10. Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết Bảng tổng hợp kết quả: b 1,2 1,3 1,4 1,6 1,7 1,8 1,9 R 0,48108 0,52117 0,56126 0,64144 0,68153 0,72162 0,76171 B 0,63647 0,61970 0,603787 0,57429 0,56060 0,54755 0,53508 N 24 18 15 13 13 11 11 N.(R+1) 35,55 27.38 23.42 21,34 21,86 18,94 19,34 b 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 R 0,8018 0,84189 0,8819 0,92207 0,96216 1,00225 B 0,52318 0,51179 0,50089 0,490445 0,48042 0,70805 N 10 10 9 9 9 9 N.(R+1) 18,018 18,419 16,93 17,298 17,659 18,02 R 0,8819 N. (R + 1) Hình 2.17. Đồ thị R – N(R+1) xác định chỉ số hồi lưu thích hợp. Thiết lập quan hệ N(R+1) – R (hình 12) ta xác định được Rth tại giá trị nhỏ nhất của N(R+1). Kết quả được Rth = 0,8819 tại b = 2,2. 2.1.4.Số đĩa lý thuyết. Với Rth = 0,8819 xác định được số đĩa lí thuyết Nlt = 9 Trong đó: Số đĩa đoạn chưng là 3 Số đĩa đoạn luyện là 6 2.1.5.Phương trình đường nồng độ làm việc: Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện: Thay số ta được: y = x + => y = 0,467x + 0,5 Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng: y = x - x Trong đó: f = = = 1,609 Thay số ta được: y = x - x => y = 1,324x - 0,025 2.2. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP Đường kính tháp được xác định theo công thức: Hay: Trong đó: Vtb: lượng hơi khí trung bình đi trong tháp (m3/h) ωtb: tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (m/s) gtb: lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/h) : tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/m3.s) 2.2.1.Lượng hơi trung bình các dòng pha đi trong tháp. Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi đoạn cho nên phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn. Hỉnh 2.18.Để xác định lượng hơi trung bình đi trong tháp chưng luyện a.Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện: Trong đó: gtbL: lượng hơi (khí) 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) g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h hay kmol/h) Lượng hơi ra khỏi tháp gđ: gđ = GR + GP =GP(R + 1) Trong đó: GP: lượng sản phẩm đỉnh (P): GP = 5000 (kg /h) GR: lượng hồi lưu: GR = GP.R(kg/h) = 5000.0,8819 = 4409,5(kg/h) Suy ra: gđ = GP(R + 1) =5000.(0,8819 + 1) = 9409,5 (kg/h) Lượng hơi đi vào đoạn luyện: lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1, và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình của cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: (*) Trong các phương trình trên coi x1 = a (phần khối lượng) r1: ẩm nhiệt hóa hơi đi vào đĩa luyện thứ nhất (kcal/mol) rđ: ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp (kcal/mol) r1 = rA.y1 + (1- y1). rB rđ = rA.yđ + (1- yđ). rB yđ = yP (phần khối lượng) rA: ẩm nhiệt hóa hơi của nước rB: ẩm nhiệt hóa hơi của axit propionic Xác định ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp: Từ số liệu bảng IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-2 trang 149) ta xác định được nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu tF = 99,9669C ứng với yF = xF = 0,6152, nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh tP = 99,8136C ứng với yP = xP = 0,94267, nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy tW =111,6562C ứng với yW = xW = 0,0774. Xác định ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp: Áp dụng công thức nội suy: r = r + (t -t) Nội suy theo bảng I.212 đối với nước bảng I.213 đối với axit axetic thay cho axit propinic (Sổ tay QT&TBCNHC-T1) với tP = 99,8136 ta có: r = 539,186 (kcal/kg); r = 93,086 (kcal/kg) Suy ra: r = r.y + (1 - y)r = 539,186.0,80 + (1-0,80).93,086 = 449,966 (kcal/kg) Xác định ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa luyện thứ nhất: Nội suy theo bảng I.212 đối với nước bảng I.213 đối với axit axetic thay cho axit propinic (Sổ tay QT&TBCNHC-T1) với tF = 99,9669 ta có: r = 579 + (99,9669 - 60) = 539,903 (kcal/kg) r = 92,4 + (99,9669 - 90) = 93,097 (kcal/kg) Suy ra: r = r.y + (1 - y).r = 539,903.y + (1 - y).93,097 = 93,097 + 446,806.y (kcal.kg) Thay r1, GP , x1, xP, gđ, rđ vào hệ (*), và giải ra ta được: r = 93,097 + 446,806.0,465 = 300,862 (kcal/kg) Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: g = = = 11744,67 (kg/h) Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện: G = = = 6744,68 (kg/h) b.Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được xác định gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng và lượng hơi đi vào đoạn chưng: Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên ta có thể viết: Lượng hơi đi vào đoạn chưng , lượng lỏng G1, và hàm lượng lỏng được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: (**) Trong đó: ; tìm theo đường cân bằng ứng với xW =0,0774 (phần mol) ta được y = 0,307422 (phần mol) Đổi yW từ phần mol sang phần khối lượng: y = =0,322 (phần khối lượng) : ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng : ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng Xác định ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng Nội suy theo bảng I.212 đối với nước bảng I.213 đối với axit axetic thay cho axit propinic (Sổ tay QT&TBCNHC-T1) với nhiệt độ sôi đáy tháp là tW = 111,6562 ta có: r = 539 + (111,6562 - 100) = 531,423 (kcal/kg) r = 93,4 + (111,6562 - 110) = 90,0876 (kcal/kg) Suy ra: r = r.y + (1 -y). r = 531,423.0,322 + (1 - 0,322).90,0876 = 232,197 (kcal/kg) Thay , GW , x1, xW, r1, g vào hệ (**), và giải ra ta được: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là: g = = = 16161,68 (kg/h) Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là: G = = = 26161,68 (kg/h) 2.2.2.Khối lượng riêng trung bình a.Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện: Khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha hơi: T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp (0K) ytbA :nồng độ phần mol của cấu tử A tính theo giá trị trung bình Đổi y1 sang nồng độ phần mol: y = =0,78 (phần mol) y = = = = 0,861 (phần mol) Với yđA, ycA: nồng độ tại 2 đầu đoạn luyện (phần mol) Nội suy từ bảng số liệu IX.2a - T2 với ytbA = 0,861 có tytb = 99,33C Suy ra khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là: ρ = .273 = 0,843 (kg/m) Khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha lỏng: Trong đó: ρxtb: khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng (kg/m3) ρxtbA, ρxtbB: khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng đối với cấu tử A,B lấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m3) atbA: phần khối lượng trung bình của cấu tử A trong pha lỏng a = = = 0,54 (phần khối lượng) x = = = 0,779 (phần mol) Nội suy từ bảng số liệu IX.2a - T2 với xtbA = 0,779 có txtb = 99,1583C Nội suy từ bảng số liệu bảng I.2a - T1 có txtb = 99,1583 C Khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng đối với cấu tử A: ρ = 972 + (99,1583 - 80) = 958,589 (kg/m) Khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng đối với cấu tử B: ρ = 981 + (99,1583 - 80) = 958,967 ( kg /m ) Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha lỏng: = + => ρ = 958,762 (kg/m) b.Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng Khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng đối với pha hơi: T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp (0K) ytbA :nồng độ phần mol của cấu tử A tính theo giá trị trung bình y = = = = 0,5437 Với yđA, ycA: nồng độ tại 2 đầu đoạn chưng (phần mol) Nội suy từ bảng IX.2a - T2 với ytbA = 0,5437 có tytb = 100,187 0C Suy ra khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng là: ρ = .273 = 1.422 (kg/m) Khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng đối với pha lỏng: Trong đó: ρxtb: khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng (kg/m3) ρxtbA, ρxtbB: khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng đối với cấu tử A,B lấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m3) atbA: phần khối lượng trung bình của cấu tử A trong pha lỏng a = = = 0,15 (phần khối lượng) Với: a = x = 0,208 (phần khối lượng) x = = 0,519 (phần mol) x = = = 0,567 (phần mol) Nội suy từ bảng IX.2a - T2 ứng với xtbA = 0,567 có txtb = 100,097 C Nội suy từ bảng I.2a - T1 ứng với txtb = 100,097 0C có: Khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng đối với cấu tử A: ρ = 958 + .(100,097 -100) = 957,927 (kg/m) Khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng đối với cấu tử B: ρ = 958 + .(100,097 -100) = 957,83 (kg/m) Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng đối với pha lỏng: ρ = => ρ = 957,844 (kg/m) 2.2.3. Vận tốc hơi đi trong tháp Tốc độ hơi trong tháp đĩa được xác định theo công thức: Trong đó: ωgh: tốc độ giới hạn trên (m/s) Tốc độ hơi trong đoạn luyện: ω = 0,05 . = 0,05 . = 1,686 (m/s) Để tránh tạo bọt ta lấy tốc độ làm việc khoảng (80÷90%)ωgh Ta lấy 80% => ωlv = 0,8.1,686 = 1,3488 (m/s) Tốc độ hơi trong đoạn chưng: ω = 0,05 . = 0,05 = 1,297 (m/s) ωlv = 0,8.1,297 = 1,0376 (m/s) 2.2.4. Tính đường kính tháp a. Đường kính đoạn luyện: Lượng hơi trung bình: gytbL =11744,67 (kg/h) Khối lượng riêng trung bình của pha hơi: ρ = 0,843 (kg/m3) Vậy đường kính đoạn luyện là: D = 0,0188 . = 0,0188 . = 1,91 (m) Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là D = 1,9 (m) Thử lại điều kiện thực tế : Từ D = 1,9 => ω = 1,364 (m/s) = = 0,81 (thỏa mãn) b. Đường kính đoạn chưng Lượng hơi trung bình: gytbC = 16161,68 (kg/h) Khối lượng riêng trung bình của pha hơi: ρ = 1,422 (kg/m) Vậy đường kính đoạn chưng là: D = 0,0188 = 0,0188. = 1,95 (m) Quy chuẩn đường kính đoạn chưng là D = 1,9 (m) Thử lại điều kiện thưc tế: Từ D = 1,9 => ω = 1,112 (m/s) = =0,857 (thỏa mãn) 2.3. TÍNH CHIỀU CAO THÁP 2.3.1. Hệ số khuếch tán a. Hệ số khuếch tán trong pha lỏng (Dx) Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 200C: D = (m/s) (SBT II - trang 127) Trong đó: A, B: Hệ số liên hợp của chất tan nước và dung môi axit propionic : A= 1; B =1 μ : Độ nhớt của dung môi axit propionic ở 25C (cP), nội suy từ bảng I.101 - sổ tay QT&TBCNHC - T1 ta được μ = 1,21 + (25 - 20) = 1,125 (cP) V, V : Thể tích mol của nước và axit propionic (cm/mol) Tra bảng VIII.2 - T2, ta có thể tích nguyên tử của : C = 14,8; H = 3,7; O =12 (O trong axit) Công thức phân tử của axit propionic là CHO, của nước là HO V = 18,9 (cm/mol); V = 90,6 (cm/mol) D = = 4,839 .10 (m/s) Hệ số khuếch tán ở nhiệt độ xác định t: D = D [1 + b.(t - 20] Hệ số nhiệt độ: b = ρ: Khối lượng riêng của dung môi ở 25C (kg/m ) Nội suy từ bảng I.2 - Sổ tay QT&TBCHHC - T 1 ta có: ρ = 1048 + (25 - 20) = 1053,25 (kg/m) => b = =0,02085 =>Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn luyện: t = t = 99,1583C D = 4,839.10 [ 1 + 0,02085.(99,1583 - 25) = 12,321.10 (m/s) =>Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn chưng: t = t = 100,097C D = 4,839.10.[1 + 0,02085.(100,097 - 25) = 12,415.10 (m/s) b. Hệ số khuếch tán trong pha hơi: D = . (m/s) Trong đó: p: áp suất tuyệt đối của hỗn hợp: p = p = 1 (atm) T: Nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp : T = 273 + t (K) Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn luyện: t = t = 99,33C D = . = 0,159.10 (m/s) Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn chưng: t = t = 100,187C D = . = 0,159.10 (m/s) 2.3.2. Hệ số cấp khối a. Độ nhớt của hỗn hợp hơi: μ = M. Trong đó: y : Nồng độ nước trong pha hơi Đoạn luyện có y = y = 0,861 ; Đoạn chưng: y = y = 0,5437 M : Trọng lượng phân tử của hỗn hợp khí: Đoạn luyện : M = = y.M + (1 - y).M = 0,861.18 + (1- 0,861).74 = 25,784 (kg/kmol) Đoạn chưng M = = y.M + (1 - y).M = 0,5473.18 + (1 - 0,5437)74 = 43,553 (kg/kmol) μ, μ : Độ nhớt của nước và axit propionic: Đoạn luyện : t = t = 99,33 theo toán đồ I.35 - T1 μ = 0,0127.10 (Ns/m) và μ = 0,0102.10 (Ns/m) Đoạn chưng: t = t = 100,187C theo toán đồ hình I.35 - T1 μ = 0,0129.10 (Ns/m) và μ = 0,0105.10 (Ns/m) => Độ nhớt của hỗn hợp hơi đoạn luyện là: μ = 25,784. = 1,157.10 (Ns/m) => Độ nhớt hỗn hợp hơi của đoạn chưng là: μ = 43,553. = 1,096.10 (Ns/m) b. Độ nhớt của hỗn hợp lỏng. lg μ = x.lg μ + (1 - x).lg μ Trong đó: x : Nồng độ phần mol của axit propionic trong hỗn hợp: Đoạn luyện có: x = x = 0,779; Đoạn chưng có x = x = 0,567 μ, μ : Độ nhớt động lực của nước và axit propionic Đoạn luyện: t = t = 99,1583C nội suy theo bảng I.101 - T1: μ = 0,286 (cP), μ = 0,463 (cP) Đoạn chưng có: t = t = 100,097C nội suy theo bảng I.101 đối với nước và toán đồ đối với axit ( Sổ tay QT&TBCNHC - T1) ta được: μ = 0,283(cP) và μ = 0,43 (cP) => Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn luyện: Lgμ = 0,779.lg(0,286) + (1 - 0,779)lg(0,463) = -0,5 μ = 0,317 (cP) = 0,317.10 (Ns/m) Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn chưng: Lg (μ) = 0,567 . lg(0,283) + (1 - 0,567).lg(0,43) = - 0,44 μ = 0,34 (cP) = 0,34 .10 (Ns/m) c. Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi Re = Trong đó: ω : Tốc độ hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp (m/s) h : Kích thước dài, chấp nhận h = 1 m ρ : Khối lượng riêng trung bình của hơi (kg/m) μ : Độ nhớt trung bình của hơi (Ns/m) Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn luyện là: Re = = 0,994.10 Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn chưng là: Re = = 1,44.10 d. Chuẩn số Prand đối với pha lỏng: Pr = Trong đó: ρ : Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m) D : Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m/s) μ : Độ nhớt trung bình của lỏng (Ns/m) => Chuẩn số Prand đối với pha lỏng đoạn luyện là: Pr = = 26,84 => Chuẩn số Prand đối với pha lỏng đoạn chưng là: Pr = = 28,59 e. Hệ số cấp khối trong pha hơi Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (II-164): β = (0,79.Re + 11000) Trong đó: D : Hệ số khuếch tán trong pha hơi (m/s) Re : Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi. => Hệ số cấp khối pha hơi đoạn luyện là: β = .(0,79.0,994.10 + 11000) = 0,063 => Hệ số cấp khối pha hơi đoạn chưng là: β = .(0,79.1,44.10 + 11000) = 0,089 f. Hệ số cấp khối trong pha lỏng: Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (II-165): β = .Pr Trong đó: D : Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m/s) M : Khối lượng mol trung bình của pha lỏng (kg/kmol) Đoạn luyện: x = x = 0,779 => M = 0,779.18 + (1 - 0,779).74 = 30,376 (kg/kmol) Đoạn chưng: x = x = 0,567 => M = 0,567.18 + (1 - 0,567).74 = 42,23 (kg/kmol) H: Kích thước dài, chấp nhận bằng 1 m Pr : Chuẩn số prand đối với pha lỏng => Hệ số cấp khối trong pha lỏng đoạn luyện là: β = .26,84 = 0,114 => Hệ số cấp khối trong pha lỏng đoạn chưng là: β = .28,09 = 0,085 2.3.3. Hệ số chuyển khối, đường cong động học, số đĩa thực tế: a. Hệ số chuyển khối k = ( sbt II - trang 130) m : Hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào t, áp suất, nồng độ của các pha m = tg α = β: Hệ số cấp khối => Hệ số chuyển khối trong đoạn luyện: K = => Hệ số chuyển khối trong đoạn chưng: K = b. Tính đường kính ống chảy chuyền: d = (m) (sbt II - trang 122) G : Lưu lượng lỏng đi trong tháp Đoạn luyện G = 6744,68 (kg/h) Đoạn chưng: G =26161 (kg/h) ρ: Khối lượng riêng trung bình pha lỏng z : Số ống chảy chuyền phụ thuộc vào đường kính tháp, chọn z = 1 ω : Tốc độ chất lỏng trong ống chảy truyền, chọn ω = 0,15 (m/s) => Đường kính ống chảy chuyền trong đoạn luyện: d = = 0,0407 (m) Quy chuẩn: d = 0,04 (m) Tính ngược lại ta được ω = 0.155 (m/s) Từ d ta tính được f = = 1,26.10 (m) => Đường kính ống chảy truyền trong đoạn chưng: d = = 0,254 (m) Quy chuẩn d = 0,25 (m) Tính ngược lại ta được ω = 0,155 (m) Từ d ta tính được f = = 0,049 (m) Diện tích làm việc của đĩa: f = F - f.m F : Diện tích mặt cắt ngang của tháp (m): F = (m) Đoạn luyện : f = - 1.1,26.10 = 2,83 (m) Đoạn chưng : f = - 1.0,049 = 2,79 (m) Tính số đơn vị chuyển khối m = g : Lượng hơi trung bình (kg/h) Đoạn luyện g = 11744,67 (kg/h) = = 0,126 (kmol/s) Đoạn chưng g = 16161,68 (kg/h) = = 0,103 (kmol/s) k : Hệ số chuyển khối (kmol/ms) f : Diện tích làm việc của đĩa: f = F - f.m F : Diện tích mặt cắt ngang của tháp f : Diện tích mặt cắt ngang của ống chảy chuyền m: Số ống chảy chuyền trên mỗi đĩa : chọn m = 1 => Số đơn vị chuyển khối đoạn luyện: m = = 22,46.k => Số đơn vị chuyển khối đoạn chưng: m = = 27,087.k Đường cong động học. Xác định số đĩa thực tế bằng đường cong động học theo các bước sau: Vẽ đường cong cân bằng y = f(x) và vẽ đường làm việc của đoạn chưng, đoạn luyện với R Dựng các đường thẳng vuông góc với Ox, các đường này cắt đường làm việc tại : A; A; A;…; A và cắt đường cân bằng y = f(x) tại C; C ;…; C. Tại mỗi giá trị của x tìm tg góc nghiêng của đường cân bằng: m = tgα = - Tính hệ số chuyển khối ứng với mỗi giá trị của x: Hệ số chuyển khối trong đoạn luyện: K = Hệ số chuyển khối trong đoạn chưng: K = Tính đơn vị chuyển khối: Có: m = = 22,46.k và m = = 27,087.k Xác định C theo công thức: C = e Với mỗi giá trị của x tương ứng ta có A là điểm thuộc đường làm việc, C là điểm thuộc đường cân bằng và B là điểm thuộc đường cong động học cần xác định: Tìm đoạn theo công thức: = Vẽ đường cong phụ đi qua các điểm B ( i = 1 ÷ 9) Vẽ số bậc nằm giữa đường cong phụ và đường làm việc, số bậc là số đĩa thực tế của tháp. Bảng tổng hợp kết quả: x xcb y ycb m ky myT Cy AiCi BiCi Đoạn chưng 0,1 0,0227 0,1071 0,37 3,4 0,022 0,494 1,63 0,263 0,16 0,2 0,0551 0,2387 0,545 2,11 0,029 0,65 1,915 0,306 0,159 0,3 0,1 0,3703 0,66 1,45 0,035 0,786 2,19 0,289 0,13 0,4 0,1699 0,5019 0,749 1,07 0,0396 0,889 2,43 0,247 0,1 0,5 0,2749 0,6335 0,805 0,76 0,044 0,988 2,686 0,172 0,064 0,6 0,7651 0,7651 0,844 0,45 0,05 1,123 3,07 0,079 0,013 Đoạn luyện 0,7 0,8259 0,8259 0,875 0,33 0,066 1,787 5,97 0,049 0,0082 0,8 0,6967 0,874 0,903 0,28 0,068 1,84 6,297 0,029 0,0046 0,9 0,874 0,9221 0,932 0,38 0,064 1,73 5,64 0,0099 0,0018 Hình 2.10 : Xác định số đĩa thực tế Từ đường nồng độ làm việc và đường cong động học ta vừa vẽ được, ta tìm được số đĩa thực tế của tháp là N = 14. Trong đó: Số đĩa đoạn chưng : 7 Số đĩa đoạn luyện: 7 2.3.4. Hiệu suất tháp, chiều cao tháp a. Hiệu suất tháp ŋ = = .100% = 64,43 % b. Chiều cao tháp tính theo công thức: H = N .(H + δ) + (0,8 ÷ 1) Trong đó: N : Số đĩa thực tế H : Khoảng cách giữa các đĩa (m). Nội suy theo bảng IX.4a (Sổ tay QT&TBCNHC - T2) D = D = 1,9m chọn H = H = 550 mm (0,8 ÷ 1): khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị δ: Chiều dày đĩa (m) chọn δ = 3 mm Suy ra Đoạn luyện: H = 7.(0,550 + 0,003) + 1,0 = 5,06 (m) Đoạn chưng: H = 7.(0,550 + 0,003) + 1,0 = 5,06 (m) => Chiều cao tháp là H = H + H = 10,12 (m) Quy chuẩn chiều cao tháp là H = 10,2 (m), H = 5,1 (m); H = 5,1 (m) 2.3.5. Chọn loại đĩa Ta chọn loại đĩa với các thông số như sau: Đoạn luyện: Đường kính : D = 1,9 m Diện tích đĩa: F = = 2,835 m Diện tích tự do tương đối: ε = 8% Chiều dài gờ chảy tràn: L = 0,5 m Chiều cao gờ chảy tràn : h = 30 mm Chiều dày đĩa lỗ δ = 2mm Khoảng cách giữa các đĩa H = 0,550 m Đường kính lỗ d = 3 mm Bước lỗ t = 10 mm Đoạn chưng: Đường kính : D = 1,9 m Diện tích đĩa F = = 2,835 m Diện tích tự do tương đối: ε = 8% Chiều dài gờ chảy tràn: L = 0,5 m Chiều cao gờ chảy tràn : h = 30 mm Chiều dày đĩa lỗ δ = 2mm Khoảng cách giữa các đĩa H = 0,550 m Đường kính lỗ d = 3 mm Bước lỗ t = 10 mm t 2.4. TÍNH TRỞ LỰC THÁP ∆P = N .∆P (N/m) Trong đó: ∆P : Tổng trở lực của một đĩa (N/m) ∆P = ∆P + ∆P + ∆P (N/m) ∆P : Trở lực của đĩa khô (N/m) ∆P : Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (N/m) ∆P : Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) (N/m) 2.4.1. Trở lực của đĩa khô ∆P = ξ (N/m) (IX.140 - T2 trang 194) Trong đó: ξ : Hệ số trở lực, theo thông số của đĩa đã chọn, tiết diện tự do của lỗ là ε = 8% => ξ = 1,82 ω : Tốc độ khí qua lỗ (m/s): ω = ω /ε (m/s) Đoạn luyện: ω = = = 17,05 (m/s) Đoạn chưng: ω = = = 13,9 (m/s) ρ : Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg/m) => Trở lực đĩa khô đoạn luyện là: ∆P = 1,82. = 223,006 (N/m) => Trở lực đĩa khô đoạn chưng là: ∆P = 1,82. = 250,017 (N/m) 2.4.2. Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt. Đĩa có đường kính lớn hơn 1mm được tính theo công thức: ∆P = (N/m) (IX.142 - T2 trang 194) Trong đó: σ : Sức căng bề mặt của dung dịch trên đĩa (N/m). Có: = + σ; σ : Sức căng bề mặt của nước và axitpropionic Nội suy theo bảng I.242 của nước và lấy axit axetic thay cho axit propionic (Sổ tay QT&TBCNHC - T1) ta được: Đoạn luyện: t = 99,1583 σ = 59,055.10 (N/m); σ = 27,126.10 (N/m); Đoạn chưng: t = 100,097 σ = 58,88.10 (N/m); σ = 26,98.10 (N/m) => Sức căng bề mặt dung dịch đoạn luyện là: σ = = 0,021 (N/m) => Sức căng bề mặt dung dịch đoạn chưng là: σ = = 0,0185 (N/m) d : Đường kính lỗ (m): theo thông số đã chọn d = 3 mm = 3.10 (m) => Trở lực do sức căng bề mặt đoạn luyện là: ∆P = = 21,53 (N/m) => Trở lực do sức căng bề mặt đoạn chưng là: ∆P = = 18,97 (N/m) 2.4.3. Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa ∆P = 1,3. .g.ρ (N/m) (IX.143 T II trang 194) Trong đó: K : Tỷ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của lỏng không bọt. Khi tính toán chấp nhận K = 0,5 m : Hệ số lưu lượng chảy qua gờ chảy tràn Đoạn luyện: = = 14,07 > 5 => m = 10000 Đoạn chưng = = 54,62 > 5 => m = 10000 => Trở lực thủy tĩnh của đoạn luyện là: ∆P = 1,3..9,81.958,762 = 244,704(N/m) => Trở lực thủy tĩnh đoạn chưng là: ∆P =1,3..9,81.957,844 = 334,559(N/m) 2.4.4. Trở lực của tháp Tổng trở lực của một đĩa đoạn luyện là: ∆P = ∆P + ∆P + ∆P = 223,006 + 21,53 + 244,704 = 489,24 (N/m) => ∆P = N .∆P = 7.489,24 = 3424,68 (N/m) Tổng trở lực của một đĩa đoạn chưng là: ∆P = ∆P + ∆P + ∆P = 250,017 + 18,97 + 334,559 = 603,546 (N/m) => ∆P = N .∆P = 7.603,546 = 3621,276 (N/m) => Trở lực toàn tháp là: ∆P = 3424,68 + 3621,276 = 7045,956 (N/m) 2.5. TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu, đun bốc hơi ở đáy tháp cũng như xác định lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ làm lạnh. Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nguyên liệu rẻ tiền, phổ biến trong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ. 2.5.1. Tính cân bằng nhiệt trong thiết bị gia nhệt hỗn hợp đầu: Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu Q + Q = Q + Q + Q (J/h) (IX.149- Sổ tay QT&TBCHHC - T2- trang 196) Trong đó: Q : Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào (J/h) Q : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h) Q : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h) Q : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h) Q : Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh (J/h) Chọn hơi đốt là hơi nước ở áp suất 2 at, có t = 119,6C a. Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: Q = D.λ = D.( r + θ.C) (J/h) (IX.150 - T2- trang 196) Trong đó: D : Lượng hơi đốt (kg/h) λ : Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/h) θ : Nhiệt độ nước ngưng (C): θ = 119,6C C : Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ) r : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg), tại t = θ ta có: r = 2208.10 (J/kg) b. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào: Q = F.C .t (J/h) (IX.151- T2- trang 196) Trong đó: F: Lượng hỗn hợp đầu (kg/h). Theo đề bài : F = 15000(kg/h) t : Nhiệt độ đầu của hỗn hợp (C) t = 25C C : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ) Tra toán đồ I.52 (Sổ tay QT&TBCNHC- T1 trang 166) ta có: C = 1 (kcal/kg.độ) = 4186,8 (J/kg.độ) C = 0,49 (kcal/kg.độ) = 2051,53 (J/kg.độ) Nồng độ hỗn hợp đầu: a = a = 28% => C = C .a + C.(1 - a) = 4186,8.0,28 + 2051,53.(1 - 0,28) = 2649,4 (J/kg.độ) Vậy lương nhiệt do hỗn hợp đầu mang vào là: Q = 15000.2649,4.25 = 933,525.10 (J/h) c. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra: Q = F.C .t (J/h) (IX.152 - T2- trang 196) Trong đó: t : Nhiệt độ của hỗn hợp đầu sau khi đun nóng (C): t = 99,9669C C : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra (J/kg.độ) Tra trong toán đồ đồ I.52 (Sổ tay QT&TBCNHC- T1 trang 166) ta có: C = 1,01 (kcal.kg.độ) = 4228,668 (J/kg.độ) C = 0,565 (kcal.kg.độ) = 2365,542 (J/kg.độ) Nồng độ hỗn hợp đầu a = 28% => C = C .a + C .(1 - a) = 4228,668.0,28 + (1 - 0,28).2365,542 = 2887,217 (J/kg.độ) Vậy lượng nhiệt do hỗn hợp đầu mang ra là: Q = 15000.2887,217.99,9669 = 4329,392.10 (J/h) d. Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: Q = G.C.θ = D.C.θ (J/h) (IX.153 - T2- trang 197) Trong đó: G : Lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt D (kg.h) Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh Lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn: Q = 0,05D.r (J/h) (IX.154 - T2- trang 197) Lượng hơi đốt cần thiết: Thay các giá trị đã tính vào phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có: D = = = = 1618,899 (kg/h) 2.5.2. Tính cân bằng nhiệt lượng toàn tháp chưng luyện Phương trình cân bằng nhiệt lượn của tháp chưng luyện : Q + Q + Q = Q + Q + Q + Q (J/h) (IX.156 - T II - 197) Trong đó: Q : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h) Q : Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp (J/h) Q : Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào (J/h) Q : Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h) Q : Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h) Q : Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh (J/h) Q : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h) Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 2 at có t = 119,6C Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp Q = D.λ = D.(r + θ.C) (J/h) (IX.157 - Sổ tay II - 197) Trong đó: D : Lượng hơi đốt cần thiết λ : Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg) θ : Nhiệt độ nước ngưng (C): θ = 119,6C r : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg) r = r = 2208.10 (J/kg) C : Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ) b. Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào: Q = G.C.t (J/h) (IX.158 - Sổ tay II - 197) Trong đó: G : Lượng lỏng hồi lưu (kg/h) G = P.R = 5000.0,8819 = 4409,5 (kg/h) t : Nhiệt độ của lượng lỏng hồi lưu (C) t = t = 99,8136C C : Nhiệt dung riêng của lượng lỏng hồi lưu (J/kg.độ) Tra trong toán đồ I.52 (Sổ tay I - 166) ta có: C = 0,85 (kcal/kg.độ) = 3558,78 (J/kg.độ) C = 0,56 (kcal/kg.độ) = 2344,608 (J/kg.độ) Nồng độ lượng lỏng hồi lưu bằng nồng độ sản phẩm đỉnh: a = a = 80% C = C.a + C.(1 - a) = 3558,78.0,80 + 2344,608.(1- 0,8) = 3315,946 (J/kg.độ) Vậy nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào là: Q = 4409,5.3315,946.99,8136 = 1459,441.10 (J/h) c. Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Q = P.(1 + R).λ (J/h) (IX.159 - Sổ tay II - 197) Trong đó: λ : Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi ở đỉnh tháp (J/kg) λ = λ.a + λ.(1 - a) (J/kg) ( T2- trang 197) Với: λ, λ : Nhiệt lượng riêng của nước và axit propionic (J/kg) θ = θ = t = 99,8136C Tra trong toán đồ I.52 ( Sổ tay QT&TBCNHC - T1 trang 166) có: C = 1,005 (kcal/kg.độ) = 4207,734 (J/kg.độ) C = 0,56 (kcal/kg.độ) = 2344,608 (J/kg.độ) r, r : Nhiệt hóa hơi của nước và axit propionic Nội suy theo bảng I.212 (Sổ tay II - 254) ta có: r = 539,186 (kcal/kg) = 2257463,95 (J/kg) r = 93,086 (kcal/kg) = 389736,45 (J/kg) λ = 2257463,95 + 4207,734.99,8136 = 2298756,968 (J/kg) λ = 389736,45 + 2344,608.99,8136 = 623760,215 (J/kg) λ = 2298756,968.0,80 + 623760,215.(1 - 0,80) = 1963757,617 (J/kg) Vậy Q = 5000.(1 + 0,8819).1963757,617 = 1847,798.10 (J/h) d. Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Q = W.C.t (J/h) (IX.160 - Sổ tay II - 197) C : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ) Tra trong toán đồ I.52 ( Sổ tay II - 166) có: C = 1,01(kcal/kg.độ) = 4228,668 (J/kg.độ) C = 0,58 (kcal/kg.độ) = 2428,344 (J/kg.độ) Nồng độ sản phẩm đáy: a = 2% C = C.a + (1 - a).C = 4228,668.0,02 + (1 - 0,02).2428,344 = 2464,35 (J/kg.độ) Vậy: Q = 10000.2464,35.111,6562 = 2751,5996.10 (J/h) e.Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh Lượng nhiệt mất mát ra môi trường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp: Q = 0,05.D.r (J/h) (IX.162 - T2 - 198) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: Q = G.C.θ = D.C.θ (J/h) Trong đó: G : Lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt (kg/h) Lượng hơi đốt cần thiết: Thay số vào ta được: D = 7363,56 (kg/h) 2.5.3. Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị ngưng tụ: Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ: P.(R + 1).r = G.C.(t - t) (Sổ tay T2 - trang 198) Trong đó: r : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đỉnh tháp (J/kg) Nhiệt độ của hơi đỉnh tháp là t = t = 99,8136C Nội suy theo bảng I.212 (Sổ tay I - 254) ta có: r = 539,186 (kcal/kg) = 2257465,62( J/kg) r = 93,086 (kcal/kg) = 389732,46(J/kg) Nồng độ phần khối lượng của hơi ở đỉnh tháp là: a = 80% => r = r.a + r.(1 - a) = 2257465,62.0,80 + 389732,46.(1 - 0,80) = 1883918,988 (J/kg) G : Lượng nước lạnh tiêu tốn (kg/h) t, t : Nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh (C) Nhiệt độ vào của nước lạnh lấy là nhiệt độ thường: t = 25C Nhiệt độ ra của nước lạnh chọn t = 45C t = 35C C : Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t (J/kg.độ) Theo bảng I.147 (Sổ tay QT&TBCNHC - T1 trang 165) có: C = 0,99859 (kcal/kg.độ) = 4180,896 (J/kg.độ) Lượng nước lạnh cần thiết là G= = = 211996,85(kg/h) 2.5.4. Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị làm lạnh Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh: P.C.(t - t) = G.C.(t - t) Trong đó: G : Lượng nước lạnh tiêu tốn (kg/h) t, t : Nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh ngưng tụ (C) Sản phẩm đỉnh sau khi ngưng tụ ở trạng thái sôi: Nhiệt độ vào chính bằng nhiệt độ sôi ở đỉnh tháp: t = 99,8136 Nhiệt độ ra của sản phẩm lấy là : t = 25C t = 62,37C C : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (J/kg.độ) Tra trong toán đồ đồ I.52 (T1 trang 166) tại t ta có: C = 1,01 (kcal/kg.độ) = 4228,668 (J/kg.độ) C = 0,53 (kcal/kg.độ) = 2219,004 (J/kg.độ) Có nồng độ sản phẩm đỉnh a = 0,80 C = 4228,668.0,80 + 2219,004(1 - 0,80) = 3826,735 (J/kg.độ) C : Nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở 25C Tra bảng I.125 (Sổ tay QT&TBCNHC- T1 trang 166) ta có C = 1,0 (kcal/kg.độ) = 4186,8 (J/kg.độ) Lượng nước lạnh cần thiết là: G= = =17094,906 (kg/h) Chương 3. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 3.1. TÍNH TOÁN THÂN THÁP: Thân trụ là bộ phận chủ yếu để tạo thành thiết bị hóa chất. Tùy theo điều kiện ứng dụng làm việc mà người ta chọn loại vật liệu, kiểu đặt và phương pháp chế tạo. Theo điều kiện đầu bài tháp làm việc ở áp suất thường, nhiệt độ khoảng trên dưới 100C, dung dịch axit là chất ăn mòn. Chọn vật liệu là théo không gỉ X18H10T phù hợp cho chưng luyện Nước - Axit propionic, thân hình trụ đặt thẳng đứng, được chế tạo bằng trụ hàn vì loại này thường dùng với thiết bị làm việc ở áp suất thấp và trung bình. Chiều dày thân tháp hình trụ được tính theo công thức XIII.9 ( Sổ tay QT&TBCNHC - T2 trang 360) Trong đó: D : Đường kính trong của tháp (m) P: áp suất trong thiết bị (N/m) [σ] : Ứng suất cho phép với loại vật liệu đã chọn (N/m) φ : Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc C : Số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều day (m) 3.1.1. Áp suất trong thiết bị. Môi trường làm việc là hỗn hợp lỏng nên hơi áp suất làm việc phải bằng tổng số áp suất hơi (P) và áp suất thủy tĩnh (P) của cột chất lỏng: Áp suất hơi : P = 1at = 9,81.10 (N/m) Áp suất thủy tĩnh được tính theo công thức: Trong đó: H : Chiều cao cột chất lỏng trong tháp (m) lấy : H = H = 10,2 (m) ρ : Khối lượng của chất lỏng trong tháp (kg/m) ρ = = = 958,303 (kg/m) Suy ra: P = g.ρ.H = 9,81.958,303.10,2 = 81788,286 (N/m) Áp suất trong thiết bị: P = P + P = 9,81.10 + 81788,286 = 189888,286 (N/m) 3.1.2. Ứng suất cho phép Ứng suất cho phép của thép trong giới hạn bền khi kẽo và khi chảy được tính theo công thức: Trong đó: η: Hệ số hiệu chỉnh, theo bảng XIII.2 (sổ tay T2 trang 356) đây là thiết bị loại 2 đốt nóng gián tiếp chọn η = 1 n , n : Hệ số an toàn theo giới hạn bền và chảy, (XIII.3 - T II - 356) n = 2,6; n = 1,5 σ , σ : Giới hạn bền khi kéo và chảy (N/m) (bảng XIII.3 - T II - 356) ta có: sk = 550.106 (N/m2) sch = 220.106 (N/m2) => Úng suất giới hạn bền kéo là: [σ] = .η = .1 = 211,538.10 (N/m) Ứng suất giới hạn bền chảy là: [σ] = .η = .1 = 146,666.10 (N/m) Chọn ứng suất cho phép là ứng suất nhỏ nhất trong hai ứng suất trên: [σ] = [σ]= 146,666.10 (N/m) 3.1.3 Tính hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc: Chọn phương pháp chế tạo theo phương pháp hàn tay bằng hồ quan điện kiểu hàn giáp mối 2 bên, thành có lỗ nhưng được gia cố hoàn toàn. Khi đó hệ số mối hàn được chọn như sau: φ = φ = 0,95 (sổ tay T2 trang 362) Lập tỉ số : = = 733,761 > 50 như vậy có thể bỏ qua P ở mẫu của công thức tính chiều dày. 3.1.4. Đại lượng bổ sung. Đại lượng bổ sung được tính theo công thức C = C + C + C (m) C : Bổ sung do ăn mòn (m) Vì axit propionic là chất ăn mòn, chọn C = 1(mm) = 10 (m) C : Bổ sung do bào mòn (m) Tháp chưng luyện chỉ chứa lỏng và hơi nên ít ăn mòn => C = 0 C : Bổ sung do dung sai về chiều dày (m) Chọn dung sai: C = 0,8 mm = 0,8.10 (m) => C = 1,8.10 (m) 3.1.5. Chiều dày thân tháp. Đoạn luyện: D = 1,9 m S = + C = + 1,8.10 = 3,09.10 (m) = 3,09 (m) Theo quy chẩu lấy chiều dày tháp là S = 4 mm Kiểm tra ứng suất theo tháp thử: Áp suất thử tính toán: P = P + P (N/m) Trong đó: P : Áp suất thủy lực (N/m) Theo bảng áp suất thủy lực khi thử (sổ tay T2 trang 358) P = 1,5P = 1,5.189888,286 = 0,284.10 (N/m) P : Áp suất cột chất lỏng trong tháp (N/m): P = g.ρ.H (N/m) ρ : Khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t = = = 103,812C Ứng với nhiệt đọ trung bình là 103,812C nội suy theo bảng I.2 (Sổ tay QT&TBCNHC T1 trang 9 ta được: ρ = 955,141 (kg/m) P = g.ρ.H = 9,81.955,141.8,7 = 81518,41 (N/m) P = 0,284.10 + 81518,41 = 0,365.10 (N/m) Ứng suất theo áp suất thử: σ = = = 166,1.10 (N/m) σ < = = 183,33.10 (N/m) Vậy chọn S = 4 mm là phù hợp Đoạn chưng: D = 1,9 (m) S = + C = + 1,8.10 = 3,09.10 (m) = 3,09 (m) Theo quy chuẩn lấy chiều dày tháp là : S = 4 (mm) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử Ứng suất theo áp suất thử : σ = = = 166,1.10 (N/m) σ < = = 183,33.10 (N/m) Vậy chọn S = 4mm là phù hợp. 3.2. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN Chọn vật liệu ống dẫn cùng loại vật liệu đáy tháp, dày 3mm. Đường kính các ống dẫn và cửa ra vào tính theo công thức d = (m) Trong đó: V : Lưu lượng thể tích (m/s) ω : Tốc độ lưu thể (m/s) 3.2.1. Đường kính ống chảy chuyền Đường kính ống chảy truyền đã tính ở trên d = 0,04 m, d = 0,25 m Khoảng cách từ chân đĩa đến ống chảy chuyền : S = 0,25.d Đoạn luyện: S = 0,25.0,04 = 0,01 (m) Đoạn chưng: S = 0,25.0,25 = 0,0625 (m) 3.2.2. Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp Lượng hỗn hợp đầu vào tháp là F = 15 tấn/h Nhiệt độ của hỗn hợp đầu t = 99,9669C Khối lượng riêng của nước và axit propionic (bảng I.2, sổ tay T1 trang 9) theo t = t : ρ = 958,023 (kg/m); ρ = 958,038 (kg/m) =>Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu là: ρ = = = 958,034 (kg/m) Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu là: V = = = 4,35.10 (m/s) Chọn tốc độ hỗn hợp đầu là ω = 0,3 (m/s) Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu là: Quy chuẩn d = 0,15 (m) = 150 (mm) Theo bảng XIII.32 (T II - 434), chiều dài đoạn ống nối là:l = 130 (mm) Tốc độ thực tế của hỗn hợp đầu: ω = = = 0,246 (m/s) 3.2.3. Đường kính ống dẫn hơi đỉnh tháp. Lượng hơi đỉnh tháp là g = 9409,5 (kg/h) M = 21,21 (kg/kmol) Nhiệt độ của hơi đỉnh tháp t = 99,8136C Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp: ρ = = = 0,693 (kg/m) => Lưu lượng thể tích của hơi đỉnh tháp là: V = = = 3,77 (m/s) Chọn tốc độ hơi ở đỉnh tháp là ω = 25 (m/s) Đường kính của ống dẫn hơi đỉnh tháp là: d = = 0,43 (m) Quy chuẩn: d = 0,4 (m) = 400 (mm) Theo bảng XIII.32 (T II - 434), chiều dài đoạn ống nối là :l = 150 (m) Tốc độ thực tế của hơi đỉnh tháp: ω = = = 30,01 (m/s) 3.2.4. Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy. Nhiệt độ của hỗn hợp đáy t = 111,6562C Khối lượng riêng của nước và axit propionic ρ = 949,257 (kg/m), ρ = 937,018 (kg/m) Khối lượng riêng của sản phẩm đáy là: ρ = = = 937,02 (kg/m) => Lưu lượng thể tích của sản phẩm đáy là: V = = = 2,964.10 (m/s) Chọn tốc độ sản phẩm đáy là : ω = 0,3 (m/s) Đường kính của ống dẫn sản phẩm đáy là: d = = 0,112 (m) Quy chuẩn d = 0,125 (m) = 125 (mm) Theo bảng XIII.32 (T2 - 434), chiều dài đoạn ống nối là :l = 120 (mm) Tốc độ thực tế của sản phẩm đáy là: ω = = = 0,241 (m/s) 3.2.5.Đường kính ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu Lượng hơi ngưng tụ hồi lưu là G = G.R = 5000.0,8819 = 4409,5 (kg/h) Nhiệt độ của hơi ngưng tụ hồi lưu là t = t = 99,8136C => Khối lượng riêng của nước và axit propionic: ρ = 958,13 (kg/m); ρ = 958,214 (kg/m) Nồng độ khối lượng của hơi ngưng tụ hồi lưu là a = a = 80% Khối lượng riêng của hơi ngưng tụ hồi lưu là: ρ = = = 958,150 (kg/m) Lưu lượng thể tích của hơi ngưng tụ hồi lưu là: V = = = 1,278.10 (m/s) Chọn tốc độ hơi ngưng tụ hồi lưu là ω = 0,25 (m/s) Đường kính của ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu là: d = = 0,0806 (m) Quy chuẩn d = 0,08 (m) = 80 (mm) Theo XIII.32 (T2 trang 434), chiều dài đoạn ống nối là : l = 110 (mm) Tốc độ thực tế của hơi ngưng tụ hồi lưu: ω = = = 0,25 (m/s) 3.2.6. Đường kính ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu. Lượng hơi sản phẩm đáy hồi lưu là g = 18243,52 (kg/h) Nhiệt độ của hơi sản phẩm đáy hồi lưu t = 111,6562C Khối lượng riêng của hơi ở đáy: ρ = = = 2,207 (kg/m) => Lưu lượng thể tích của hơi sản phẩm đáy hồi lưu là: V = = = 2,296 (m/s) Chọn tốc độ hơi sản phẩm đáy hồi lưu là: ω = 25 (m/s) Đường kính của ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu là: d = = 0,342 (m) Quy chuẩn : d = 0,35 (m) = 350 (mm) Theo bảng XIII.32 (T2 - 434), chiều dài đoạn ống nối là : l = 150 (mm) Tốc độ thực tế của hơi sản phẩm đáy: ω = = = 23,9(m/s) 3.3. TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ Đáy và nắp thiết bị cũng là những bộ phận quan trọng của thiết bị và thường được chế tạo cùng loại với vật liệu của than tháp, vì tháp làm việc ở áp suất thường và được thân trụ hàn nên ta chọn đáy và nắp hình elip có gờ. . Các kích thước: Đường kính: D = 1,9 (m); D = 1,9 (m) Chiều cao phần lồi : h = 0,25.D = 0,25.1,9 = 0,475 (m) h = 0,25.D = 0,25.1,9 = 0,475 (m) Chiều cao gờ : h = 25 (mm) Đường kính lỗ d = 110 (mm); d = 500 (mm) Chiều dày đáy và nắp: S = . + C (XIII.47 - Sổ tay T 2 trang 385) Trong đó: φ : Hệ số bền mối hàn hướng tâm φ = 0,95 k ; Hệ số không thứ nguyên k = 1 - d/D : d = 110 (mm) => k = 1 - = 0,942 d = 500 (mm) => k = 1 - = 0,737 P : Áp suất trong: Nắp : P = P = 1 at = 9,81.10 (N/m) Đáy: P = P = 189888,286 (N/m) Có: .k.φ = .0,942.0,95 = 691,20 > 30 .k.φ = .0,737.0,95 = 540,782 > 30 Như vậy có thể bỏ qua P ở mẫu trong công thức tính chiều dày Chiều dày nắp tháp là: S = . + 1,8 .10 = 3,246.10 (m) Ta thấy S - C = 1,446 (mm) < 10 (mm) nên phải tăng C lên 2 mm C = (1,8 + 2).10 = 3,8.10 (m) Do đó: S = (3,246 + 3,8).10 = 7,046.10 (m) Quy chuẩn lấy chiều dày nắp tháp là : S = 8 (mm) Chiều dày đáy tháp là: S = . + 1,8.10 = 3,649.10 (m) Ta thấy S - C = 1,849 mm < 10 mm, nên ta phải tăng C lên 2 mm C = (1,8 + 2).10 = 3,8.10 Do đó: S = (3,649 + 3,8).10 = 7,449.10 m Quy chuẩn lấy chiều dày đáy tháp là : S = 8 mm Kiểm tra ứng suất theo áp suất thủy lực: Với nắp tháp: P = 1,5.P = 1,5.189888,286 = 0,285.10 (N/m) σ = = = 75,910.10 (N/m) σ < = = 183,333.10 (N/m) => Vậy chọn S = 8 mm là phù hợp. Với đáy tháp: σ = = 97,025.10 (N/m) σ < = = 183,333.10 (N/m) Vậy chọn S = 8 mm là phù hợp. 3.4 CHỌN MẶT BÍCH Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như các bộ phận khác với thiết bị Có nhiều kiểu bích khác nhau, nhưng do tháp làm việc ở áp suất thường nên ta chọn kiểu mặt bích liền bằng thép loại 1 để nối đáy, nắp… với thân. 3.4.1. Chọn mặt bích để nối thân tháp và nắp, đáy Ta dùng mặt bích liền bằng thép không gỉ kiểu 1, (XIII.27 - T II - 417) Py.106 Dt D Db D1 Dδ db h z N/m2 mm C¸i 0,1 1900 2040 1990 1960 1915 M20 28 40 1900 2040 1990 1960 1915 M20 28 40 Ta chọn khoảng cách giữa 2 bích là 2 m, vậy số bích để nối thân thiết bị là: n = 10,2 : 2 = 5,1 => ta chọn số bích n = 5 3.4.2. Chọn mặt bích để nối ống dẫn thiết bị: Ta dùng kiểu mặt bích bằng kim loại đen.Theo bảng XIII.26 (II - )409 ta có bảng bích cho các loại ống với áp suất 0,25.10 N/m Tên các ống Dy Dn D Dδ D1 db h z mm C¸i Sản phẩm đỉnh 400 426 535 495 465 M20 22 16 Hồi lưu sản phẩm đỉnh 80 89 185 150 128 M16 14 4 Ống dẫn liệu 150 159 260 225 202 M16 16 8 Sản phẩm đáy 125 133 235 200 178 M16 14 8 Hồi lưu đáy 350 377 485 445 415 M20 12 22 3.5. TÍNH VÀ CHỌN GIÁ ĐỠ, TAI TREO Thường người ta không đặt trực tiếp thiết bị lên mà phải có tai treo hay chân đỡ (trừ trường hợp ngoại lệ). Muốn xác định giá đỡ và tai treo cần phải xác định được khối lượng của toàn thiết bị. 3.5.1. Tính khối lượng toàn bộ tháp Để tính toán khối lượng toàn thiết bị người ta tính khối lượng tháp khi cho nước đầy tháp, và khối lượng của tháp khi không có nước G = G + G + G + G + G + G + G (kg) Trong đó: G : Khối lượng thân tháp trụ (kg) G : Khối lượng nắp và đáy tháp (kg) G : Khối lượng bích (kg) G : Khối lượng bu lông nối bích (kg) G : Khối lượng đĩa lỗ trong tháp (kg) G : Khối lượng ống chảy truyền (kg) G : Khối lượng chất lỏng điền đầy tháp (kg) Khối lượng thân tháp trụ: Khối lượng riêng của vật liệu làm thân tháp là ρ = 7900 (kg/m) Đường kính trong của thân tháp: D = 1,9 (m); D = 1,9 (m) Chiều dày thân tháp S = 4 (m) Chiều cao tháp : H = 4,6 (m); H = 4,1 (m) => Khối lượng thân tháp là: G = .H.ρ = . 4,6.7900 = 434,065 (kg) G = .H.ρ = .4,1.7900 = 386,884 (kg) G = G + G = 434,065 + 386,884 = 820,949 (kg) b. Khối lượng nắp và đáy tháp Chiều dày của nắp : S = 8 (mm) , của đáy, S = 8 (mm) Chiều cao gờ h = 25 (mm) Đường kính D = 1,9 (m); D = 1,9 (m) Theo bảng X.III.11 ( Sổ tay QT&TBCNHC - T2 trang 384) => Khối lượng nắp và đáy tháp là: G = 258 + 258 = 516 (kg) c. Khối lượng bích Theo các thông số của bích đã chọn: - Đường kính trong của bích : D = 1,9 (m); D = 1,9 (m) - Đường kính ngoài của bích D = D = 1,956 (m) - Chiều dày bích : h = h = 28 (mm) = 0,028 (m) - Số bích: n = 5 (cặp) = 10 (chiếc) => Khối lượng bích là: G = .h.ρ.n = .0,028.7900.10 = 374,955 (kg) d. Khối lượng bu lông nối bích Theo các thông số của bích đã chọn: Cần 5 cặp bích, mỗi cặp cần 28 bu lông loại M 20 (khối lượng 0,15 kg/cái). => Khối lượng bu lông nối bích là: G = 5.28.0,15 = 21(kg) e. Khối lượng đĩa lỗ trong tháp Theo các thông số đĩa đã chọn: Đường kính đĩa : D = D = 1,9 (m) Chiều dày đĩa δ = 0,002 (m) Số đĩa n = 14 (chiếc) => Khối lượng đĩa lỗ trong tháp: G = .δ.ρ.n = .0,002.7900.10 = 626,847 (kg) f. Khối lượng ống chảy chuyền Khối lượng một ống chảy chuyền đoạn luyện: m = .h.ρ = .0,475.7900 = 0,48 (kg) Khối lượng một ống chảy truyền đoạn chưng: m = .h.ρ = .0,475.7900 = 2,957 (kg) Tháp có 7 đĩa chưng, 7 đĩa luyện, mối đĩa chưng có 1 ống chảy chuyền, mỗi đĩa luyện có 1 ống chảy chuyền: Khối lượng của ống chảy chuyền là: G = 7.0,48 + 7.2,957 = 24,059 (kg) g. Khối lượng chất lỏng điền đầy tháp Ta lấy theo khối lượng riêng lớn nhất là khối lượng trung bình pha lỏng đoạn chưng: ρ = ρ = 957,844 (kg/m) => Khối lượng chất lỏng chứa trong tháp là: G = .H.ρ = .8,7.957,844 = 23615,16 (kg) => Khối lượng tháp là: G = 820,949 + 516 + 374,955 + 21 + 626,847 447,748 + 24,059 + 23615,16 = 25999,06 (kg) 3.5.2. Tính tai treo Trọng lượng tháp là: P = G.g = 25816,914.9,81 = 236999,270 (N) Chọn 4 tai treo bằng thép CT3, tải trọng trên tai treo là: 8,0.10 (N) Các thông số của tai treo (Kiểu VIII) (Sổ tay II - 438) Tải trọng cho phép trên 1 tai treo G.10 Bề mặt đỡ F.10 N/m Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10 N/m L B B1 H S l a d mm 8,0 639 1,25 270 240 240 420 14 120 25 21,5 Tấm lót tai treo bằng thép: bảng XIII.22 (Sổ tay II - 439) Tải trọng cho phép lên một tai treo G.10 N Chiều dày tối thiểu của thành thiết bị khi không có lót Chiều dày tối thiểu của thành thiết bị khi có lót S H B SB mm 8,0 24 10 750 530 10 Chọn chân đỡ thép: bảng XIII.35 (Sổ tay II - 437) Tải trọng cho phép trên 1 chân G.10 N Bề mặt đỡ F.10 m Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ Q.10 N/m L B B1 B2 H h S l d mm 8,0 840 0,96 320 265 270 400 500 275 22 120 34 Chương 4. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 4.1 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU Để đun nóng hỗn hợp đầu gồm 0,28 nước và 0,72 axit propionic theo phần khối lượng với năng suất 15000 tấn/h. Ta giả thiết dung dịch đầu có nhiệt độ ban đầu là 25C, cần đun nóng tới nhiệt độ sôi của hỗn hợp là t = 99,9669C. Để đun nóng hỗn hợp đầu ta dùng thiết bị gia nhiệt loại ống chum kiểu đứng, dùng hơi nước bão hòa ở 2 at để đun sôi hỗn hợp. Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm thẳng đứng với các thông số: Chiều cao ống: h = 1,5 (m) Đường kính ống: d = 25 (mm) Chiều dày thành ống: δ = 2 (mm) Đường kính trong của ống là: d = 20 (mm) Dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống. Chọn vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T Theo XII.7 (Sổ tay II – 313), hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là: λ = 16,3 (W/m.độ) 4.1.1. Tính hiệu số nhiệt độ trung bình Nhiệt độ vào của dung dịch là t = 25C Nhiệt độ ra của dung dịch là t = t = t = 99,9696C Hơi đốt là hơi nước bão hòa nên nhiệt độ không thay đổi và là nhiệt độ sôi ở áp suất đã chọn (2 at) : 119,6C => Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể tích theo công thức: Δ = = = 47,675C Vậy nhiệt độ trung bình của dung dịch là: t = 119,6 - 47,675 = 71,925C 4.1.2. Tính lượng nhiệt trao đổi Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đàu từ nhiệt độ 25C đến nhiệt sôi của hỗn hợp đầu 99,9669C, tính theo công thức: Q = m.C.(t - t) (J/s) Trong đó: m: Lượng dung dịch đưa vào (kg/s) m = F = = 4,167 (kg/s) C: Nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.độ) ở t = 71,925C Nội suy theo bảng I.153 và I.154 (Sổ tay I - 171) ta có: C = 4190 (J/kg.độ); C = 2271,991 (J/kg.độ) Nồng độ đầu hỗn hợp là: a = 28% C = C.a+C.(1 - a) = 4190.0,28 + 2251,008.(1 - 0,28) = 2793,925 (J/kg.độ) t, t : Nhiệt độ vào và ra của dung dịch (C) Vậy : Q = 4,167.2793,925.(99,9669 - 25) = 877506.844 (J/s) 4.1.3. Tính hệ số cấp nhiệt. Quá trình truyền nhiệt gồm 3 phần: Cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa cho thành ống truyền nhiệt: q = α.Δ (W/m) α : Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (Wm.độ) Δ : Hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và thành ống tiếp xúc với với hơi đốt Δ = t - t Dẫn nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với hơi sang thành ống tiếp xúc với lỏng (dẫn nhiệt qua 1m thành ống) Lượng nhiệt của quá trình này: q = .Δt (W/m) Σ r : Tổng nhiệt trở của thành ống (m.độ/W) Δt = t - t : Hiệu số nhiệt độ giữa hai phía thành ống (C) t, t : Nhiệt độ hai phía thành ống Cấp nhiệt từ thành ống phía tiếp với pha lỏng cho hỗn hơi lỏng q = α.Δt α : Hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m.độ) Δt = t - t Xác định chế độ chảy của hỗn hợp chất lỏng trong ống (tính chuẩn số Re) Re = Trong đó: W : Tốc độ dòng chảy lỏng tự chảy trong ống Ta chọn tốc độ chảy của chất lỏng trong ống là chế độ tự chảy Chọn W = 0,3 (m/s) l : Kích thước hình học l = d μ : Độ nhớt của hỗn hợp ở nhiể độ trung bình t trong thiết bị truyền nhiệt μ được xác định theo công thức: lg μ = x.lgμ + (1 - x).lg μ μ, μ : Độ nhớt của nước và axit propionic ở nhiệt độ t Nội suy theo bảng I.101 (Sổ tay I - 91) ta có: Suy ra: lg μ = 0,6152.lg0.402.10 + (1 - 0,6152).lg0,616.10 = - 3,324 (Ns/m) μ = 0,437.10 (Ns/m) ρ : Khối lượng riêng của hỗn hợp ở t = 71,925C = + ρ, ρ : Khối lượng riêng của nước và axit propionic ở nhiệt độ t Nội suy theo bảng I.2 (Sổ tay I - 9) ta có: ρ = 978,627 (kg/m); ρ = 990,286 (kg/m) Vậy: ρ = = 958,338 (kg/m) l = d : Đường kính tương đương của ống truyền nhiệt Chọn kích thước của ống truyền nhiệt là 25 x 2 mm Trong đó 25 là đường kính của ống và 2 là bề dày của ống Vậy đường kính trong của ống là d= 25-2=21 (mm)= 0,021m Do đó: Re = 13815,856 > 10 Chế độ chảy của chất lỏng trong ống truyền nhiệt là chế độ chảy xoáy Tính chuẩn số Pr Chuẩn số Pr được xác định theo công thức: Pr = Trong đó: C, μ đã tính được ở trên λ : Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch, xác định theo công thức I.32 (T I - 123) λ = A.C.ρ. Trong đó: C = 2793,925 (J/kg.độ) ρ = 958,338 (kg/m) M : khối lượng mol trung bình của hỗn hợp lỏng M = 39,5488 (kg/kmol) A: hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng Với chất lỏng liên kết có A = 3,58.10 (Sổ tay I - 123) Suy ra: λ = 3,58.10.2793,925.958,338. = 0,277 (W/m.độ) Vậy: Pr = = 4.407 c. Tính hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch α (W/m.độ) Nu = α. Mà chế độ chất lỏng là chảy xoáy nên: Nu = 0,021.ε.Re.Pr. (Sổ tay II-14) ε : Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số chiều dài và đường kính d của ống Theo bảng V.2 (Sổ tay II - 15) >50 => ε = 1 Pr : Chuẩn số Prant của hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ thành ống : Thể hiện ảnh hưởng của dòng nhiệt (đun nóng hay làm nguội) Khi chênh lệch giữa tường và dòng nhỏ thì ≈ 1 (theo Sổ tay II - 15) Do đó hệ số cấp nhiệt về phía hỗn hợp lỏng: α = 0,021. .ε.Re.Pr. = 0,021. .1.(13815,856).(4,407).1 = 1075,879(W/m.độ) d. Tính hệ số cấp nhiệt của hơi bão hòa Khi tốc độ hơi trong ống nhỏ (W < 10 m/s) và màng nước ngưng chuyển động dòng thì hệ số cấp nhiệt α của hơi nước bão hòa đối với ống thẳng đứng α = 2,04.A. (W/m.độ) (Sổ tay II - 28) H: Chiều cao của ống trong thiết bị gia nhiệt, chọn H = 1,5 m Δt = t - t : hiệu số nhiệt độ giữa nước ngưng (t) và nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc (t) Δt = t - t Giả thiết Δt = 2,7C r : Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi bão hòa ở t = 119,6C r = 526,964 (kcal/kg)=2206,29.10(J/kg) A: Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng t A = (Sổ tay II - 29) Với: t = 0,5.(t + t) Δt = t - t => t = t - Δt = 119,6 - 2,7 = 116,9C t = 0,5.(116,9 + 119,6) = 118,25C Suy ra: A = 179 + (118,25 - 100) = 187,213 (Theo Sổ tay II - 19) Do đó: α = 2,04.187,213. = 10375,647 (W/m.độ) Vậy nhiệt lượng cung cấp cho 1 m thành ống là: q = α.Δt = 10375,547.2,7 = 28014,247 (W/m ) e. Tính tổng trở thành ống Σ r Σ r = r + r + Chọn bề dày thành ống truyền nhiệt δ = 2 mm ( TTQT &TB1- 343) λ : Hệ số dẫn nhiệt ở thành ống, λ = 16,3 (W.m.độ), đối với thép X18H10T theo bảng XII.7 (II - 313) r, r : Nhiệt trở lớp cặn do hơi nước tạo thành ở 2 phía thành ống Với nước có cặn bẩn: = = 2000 (kcal/m.h.độ) ( TTQT&TB1- 346) r = r = = 4,31.10 (m.độ/W) Vậy: Σ r = 2.4,31.10 + = 9,867.10 f. Tính hiệu số nhiệt độ giữa hai thành ống Nhiệt lượng dẫn qua một m thành ống: q = Δt. Δt = q.Σ r Do quá trình truyền nhiệt là ổn định nên: q = q = 28014,247 (W/m) Do đó: Δt = 28014,247.9,867.10 = 27,642C Lại có: Δt = t - t ; t = 116,9C t = 119,6 - 27,642 = 91,958C Mà: Δt = t - t Với t là nhiệt độ hỗn hợp đầu đun nóng trong ống: t = t - Δt = 119,6 - 47,675 = 71,925 Δt = 91,958 - 71,925 = 20,033C g. Tính nhiệt lượng do thành ống cung cấp cho dung dịch q = α.Δt = 1075,879.20,033 = 21553,084 (W/m) Xét = = 0,22 < 0,05 (chấp nhận được) Vậy lượng nhiệt trung bình truyền cho 1 m thành ống là: q = = = 24783,665 (W/m) Xác định bề mặt ống truyền nhiệt. Bề mặt ống truyền nhiệt của thiết bị gia nhiệt được xác định: F = Q là lượng nhiệt để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ cần thiết => F = = 35,41 (m) i. Tính số ống truyền nhiệt, chọn cách sắp xếp ống theo hình 6 cạnh n = = = 357,820 Ta chọn tổng số ống trong thiết bị là : 358 ống Theo bảng V.11 (Sổ tay II - 48) Số hình 6 cạnh là : 10; Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là: 21 j. Tính đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu D = t.(b -1) + 4d (m) (Sổ tay II - 49) Trong đó: t : bước ống t = 1,2.d = 1,2.0,025 = 0,03 (m) d : đường kính ngoài của ống: d = 0,025 (m) Số ống trên đường xuyên tâm là: b = 21 => D = 0,03.(23 - 1) + 4.0,025 = 0,76 (m) k. Tính lại vận tốc, chia ngăn: Tính vận tốc thực của chất lỏng đi trong ống W = (m/s) Với: G = 15000 (kg/m) ρ = 958,338 (kg/m) d = 0,021(m); n = 358 ống W = = 126,229 (m/h) = 0,035 (m/s) Để có vận tốc dòng chất lỏng đạt chế độ chảy xoáy thì cần tăng vận tốc thực của dòng W bằng phương pháp chia ngăn. Số ngăn của thiết bị là: = = 8,57 Ta chọn là 9 ngăn. 4.2. TÍNH BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ Hình 4.1. Sơ đồ bơm và thùng cao vị Ký hiệu: H : Chiều cao tính từ mặt thoáng của bề chứa dung dịch đến mặt thoáng thùng cao vị (m) H : Chiều cao tính từ đáy tháp đến đĩa tiếp liệu (m) H : Chiều cao tính từ nơi đặt bơm đến đáy tháp (m) Z: Chiều cao tính từ đĩa tiếp liệu đến mặt thoáng thùng cao vị (m) Trong quá trình sản xuất, muốn tính toán đưa hỗn hợp đầu lên thùng cao vị, đảm bảo yêu cầu công nghệ cần phải tính các trở lực của các đường ống dẫn liệu của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu từ đó tính chiều cao của thùng cao vị so với vị trí tiếp liệu của tháp và xác định công suất, áp suất toàn phần của bơm. ΔP = ΔP + ΔP + ΔP + ΔP + ΔP + ΔP (Sổ tay I - 376) Trong đó: ΔP : Áp suất động học hay áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy khi ra khỏi ống dẫn ΔP : Áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng ổn định trong ống thẳng ΔP : Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ ΔP : Áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất thủy tĩnh ΔP : Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị ΔP : Áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn Trong thiết bị chưng luyện tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền thì ΔP = ΔP = 0 4.2.1. Tính các trở lực a. Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến tháp Tính áp suất động học: ΔP = Hỗn hợp đầu vào tháp: ρ = 958,338 (kg/m) ω : Tốc độ trung bình của dung dịch đi trong ống dẫn liệu: ω = = d : Đường kính ống dẫn liệu: chọn d = 150 mm, l = 3 m => ω = = 0,246 (m/s) Vậy: ΔP = = 28,997 (N/m) Tính áp suất để khắc phụ trở lực ma sát: (ΔP) Δp = λ. . = λ. .ΔP Với d : Đường kính trong của ống truyền nhiệt: d = 0,05 (m); chiều dài ống dẫn L = 3 m Tính chuẩn số Re: Re = Với : ω = 0,246 (m/s); ρ = 958,338 (kg/m); μ : Độ nhớt của hỗn hợp đầu tại t = 99,9669C Nội suy theo bảng I.101 (Sổ tay I - 91) ta có: lg μ = x.lgμ + (1 - x).lgμ μ, μ : độ nhớt của nước và axit propionic ở nhiệt độ t Nội suy theo bảng I.101. (Sổ tay I - 91) ta có: lgμ = 0,6152.lg(0,284.10) + (1 - 0,6152).lg(0,46.10) = -3,466 μ = 0,342 (Ns/m) Vậy : Re = = 34466,542 > 10 Chế độ chảy của dung dịch trong ống là chế độ chảy xoáy Tính chuẩn số Re giới hạn: Re = 6. (Sổ tay I - 378) Chọn ống tráng kẽm mới bình thường theo bảng II.15, (Sổ tay I - 381) ε : Độ nhám tuyệt đối của ống dẫn ε = 0,1 (mm) => Re = 6. = 7289,343 Chuẩn số Re khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám: Re = 220. = 220. = 239201,52 Ta có Re hệ số ma sát được tính theo công thức: λ = 0,1. (Sổ tay I - 380) => λ = 0,1. = 0,0276 Chọn L = 3 m Vậy : ΔP = 0,0276. .28,997 = 48,019 (N/m) Tính áp suất để khắc phục trở lực cục bộ ΔP = Σζ. = Σζ.ΔP Trở lực cục bộ qua các đoạn ống gồm: Trở lực vào ống ta chọn ζ = 0,5 Trở lực của 2 khuỷu 90, do 3 khuỷu mỗi khuỷu 30 tạo thành Chọn = 1 => ζ = 0,3 II.16 (Sổ tay I - 394) Trở lực van: Chọn van tiêu chuẩn với đường kính ống dẫn liệu d = 150 mm Tra theo bảng II.16 (Sổ tay I - 397) có ζ = 4,4 Vậy hệ số trở lực cục bộ là: ζ = ζ + ζ + ζ = 0,5 + 2.0,3 + 4,4 = 5,5 => ΔP = 5,5.28,997 = 159,483 (N/m) Áp suất toàn phần cần thiết để thắng trở lực trong ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu tới đĩa tiếp liệu: ΔP = ΔP + ΔP + ΔP = 28,997 + 48,019 + 159,483 = 236,499 N/m Chiều cao cột chất lỏng tương ứng: H = = = 0.025 (m) b. Trở lực của ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Tính áp suất động học ΔP = ρ: Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu ở 25C = + (I.2 - Sổ tay I - 5) Nội suy theo bảng I.2 (Sổ tay I - 9) ta có khối lượng riêng của nước và axit propionic ở nhiệt độ t = 25C ρ = 996,5 (kg/m); ρ = 1042,75 (kg/m) a = 0,28 (phần khối lượng) Vậy : ρ = 1029,372 (kg/m) Tốc độ của dung dịch chảy trong ống: ω = = = 0,229 (m/s) => ΔP = = 26,99 (N/m) Tính áp suất để khắc phụ trở lực ma sát: (ΔP) Δp = λ. . = λ. .ΔP Với d = d = 0,15 m, chiều dài ống dẫn L = 3 m Tính chuẩn số Re: Re = Với : ω = 0,229 (m/s); ρ = 1029,372 (m/s) μ : Độ nhớt của hỗn hợp đầu tại 25C Tính tương tự độ nhớt ở trên ta được độ nhớt của hỗn hợp ở 25C là: μ = 0,871.10 (Ns/m) Vậy : Re = = 35821,019 > 10 Chế độ chảy của dung dịch trong ống là chế độ chảy xoáy Tính chuẩn số Re giới hạn: Re = 6. (Sổ tay I - 378) Chọn ống tráng kẽm mới bình thường theo bảng II.15, (Sổ tay I - 381) ε : Độ nhám tuyệt đối của ống dẫn ε = 0,1 (mm) => Re = 6. = 25584,082 Chuẩn số Re khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám: Re = 220. = 220. = 823237,883 (T I - 379) Ta có Re hệ số ma sát được tính theo công thức: λ = 0,1. (Sổ tay I - 380) => λ = 0,1. = 0,025 Chọn L = 3 m Vậy : ΔP = 0,025. .26,99 = 13,495 (N/m) Tính áp suất để khắc phục trở lực cục bộ ΔP = ζ. = ζ.ΔP Trở lực cục bộ qua các đoạn ống gồm: Trở lực vào ống Ta có: = = = 0,01 d : Đường kính thùng cao vị chọn d = 1,5 (m) Tra bảng II.16 (Sổ tay I - 388) ta được ζ = 0,5 Trở lực của 2 khuỷu 90, do 3 khuỷu mỗi khuỷu 30 tạo thành Chọn = 1 => ζ = 0,3 II.16 (Sổ tay I - 394) Trở lực van: Chọn van tiêu chuẩn đường kính ống dẫn liệu d = 150mm Tra theo bảng II.16 (Sổ tay I - 397) có ζ = 4,4 Trở lực từ ống vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (đột mở) Có : = = = 0,36 d, d là đường kính ống dẫn và đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu. Tra bảng II.16 (Sổ tay I - 388) ta được ζ = 0,356 Vậy hệ số trở lực cục bộ là: ζ = ζ + ζ + ζ + ζ = 0,5 + 2.0,3 + 4,4 + 0,356 = 5,856 => ΔP = ζ.ΔP = 5,856.26,99 = 157,243 (N/m) Vậy áp suất toàn phần thắng trở lực cục bộ từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là: ΔP = ΔP+ΔP + ΔP = 26,99 + 13,495 + 157,243 = 197,692(N/m) Ta có chiều cao cột chất lỏng tương ứng: H = = = 0,0196 (m) c. Trở lực trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: Tính áp suất động học: ΔP = Hỗn hợp đầu vào tháp ở t = 71,925C có ρ = 958,338 (kg/m) Tốc độ của dung dịch chảy trong ống: ω = V : Thể tích hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình V = (m/s) f : tiết diện của bề mặt truyền nhiệt (m) d : Đường kính ống dẫn liệu : d = 0,021 (m) n : Số ống của thiết bị gia nhiệt : n = 358 (ống) m: Số ngăn của thiết bị : m = 9 ngăn => f = = 0,014) => ω = 15000 958,338.0,014.3600 = 0,3 (m/s) Vậy ΔP = = 43,125 (N/m) Tính áp suất để khắc phụ trở lực ma sát: (ΔP) Δp = λ. . = λ. .ΔP Với d = d = 0,021 m, chiều dài ống dẫn l = 1,5 m Số ngăn chia là 9 => chiều dài đoạn ống là: L = l.m = 9.1,5 = 13,5 (m) Tính chuẩn số Re: Re = Với : ω = 0,3 (m/s); ρ = 958,338 (m/s) μ : Độ nhớt của hỗn hợp đầu tại t : μ = 0,437.10 (N.s/m) Vậy : Re = = 13851,856 > 10 Chế độ chảy của dung dịch trong ống là chế độ chảy xoáy Tính chuẩn số Re giới hạn: Re = 6. (Sổ tay I - 378) Chọn ống tráng kẽm mới bình thường theo bảng II.15, (Sổ tay I - 381) ε : Độ nhám tuyệt đối của ống dẫn ε = 0,1 (mm) => Re = 6. = 2704,682 Chuẩn số Re khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám: Re = 220. = 220. = 90140,38 Ta có Re hệ số ma sát được tính theo công thức: λ = 0,1. (Sổ tay I - 380) => λ = 0,1. = 0,035 Vậy : ΔP = 0,035. .43,125 = 970,312 (N/m) Tính áp suất để khắc phục trở lực cục bộ: ΔP = ζ. = ζ.ΔP Dòng chất lỏng chảy qua thiết bị gia nhiệt phải qua các ngăn, chia 9 ngăn nên có 9 đột mở, 9 đột thu và 18 lần đổi chiều 90 (khi chất lỏng chảy từ ngăn này sang ngăn khác) Theo TTQT & Tb tập 1 (tr 163):Tiết diện cửa vào thiết bị gia nhiệt bằng tiết diện cửa ra bằng f (m) Tiết diện khoảng trống 2 đầu thiết bị gia nhiệt đối với mỗi ngăn: f= . D : Đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: D = 0,76 m => f = . = 0,05 m Tiết diện của 1 ngăn: f = . = . = 0,014 m Khi dòng chảy vào thiết bị từ ống dẫn (đột mở): => ζ = = = 0,71 Khi dòng chảy từ khoảng trống hai đầu thiết bị vào các ngăn của thiết bị (đột thu 9 lần) => ζ = 0,5. = 0,5. = 0,259 Khi dòng chảy từ các ngăn ra các khoảng trống ở hai đầu thiết bị (đột mở 9 lần) ζ = = 0,518 Khi dòng chảy ra khỏi thiết bị (đột thu) ζ = 0,5. = 0,355 Khi chất lỏng chảy từ ngăn này sang ngăn kia sử dụng 2 ống khuỷu 180, d = 0,025 m => ζ = 1,1 Vậy Σζ = ζ + 9.ζ + 9.ζ + ζ + 18.ζ = 0,71 + 9.0,259 + 9.0,518 + 0,355 + 18.1,1 = 10,038 ΔP = 10,038.43,125 = 432,888 (N/m) Tính trở lực thủy tĩnh ΔP = ρ.g.H (N/m) H: Chiều dài ống truyền nhiệt ΔP = 958,338.9,8.1,5 = 14087,568 (N/m) Vậy áp suất toàn phần cần thiết để thắng trở lực trong thiết bị gia nhiệt ΔP = ΔP + ΔP + ΔP + ΔP = 43,125 + 970,312 + 432,88 + 14087,568 = 15533,893 (N/m) Chiều cao cột chất lỏng tương ứng: H = = = 1,65 (m) 4.2.2. Tính chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu Theo phương trình becnuli cho mặt cắt 1 - 1 ; 2 - 2 so với mặt cắt chuẩn 0 - 0 (hình 4.1). Coi chất lỏng chảy hết từ thùng cao vị (mặt cắt 1 - 1) + h Trong đó: P = P = 9,81.10 (N/m); P = P + ΔP ΔP : trở lực đoạn luyện: có ΔP = 3424,68 (N/m) => P = 9,81.10 + 3424,68 = 101524,68 (N/m) ρ : Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu ở 25C : ρ = 1029,372C (kg/m) ρ : Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu ở t : ρ = 958,034 (kg/m) ω = 0 (m/s); ω = 0,229 (m/s) h = H + H + H = 0,025 + 0,0196 + 1,65 = 1,692 (m) H - H = - + + 1,692 = 2,781(m) Vậy thùng cao vị đặt cao hơn so với đĩa tiếp liệu là 2,781 (m) 4.2.3. Tính và chọn bơm a. Tính chiều cao toàn phần của bơm: H = H + H + Z Viết phương trình becnuli cho mặt cắt 1 - 1; 2 - 2, chọn 2 - 2 làm chuẩn Có : ΔP : Tổn thất do áp suất trở lực (N/m) ΔP = ΔP + ΔP + ΔP (N/m) Với : ΔP : Trở lực trong ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt (N/m) ΔP : Trở lực trong ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt đến tháp (N/m) ΔP : Trở lực trong thiết bị gia nhiệt (N/m) ΔP = 197,692 + 236,499 + 15533,893 = 15968,084 (N/m) Z = . =. = 1,92 (m) H = H + h = 5,2 + 0,5 = 5,7 (m) H = 1 (m) => H = 5.7 + 1 + 1,92 = 8,62 (m) b. Áp suất toàn phần của bơm - Năng suất bơm Trở lực trong ống dẫn từ bể chứa lên thùng cao vị: ΔP = ΔP + P (N/m) Trong đó: ΔP : Trở lực ma sát (N/m) ΔP : Trở lực cục bộ (N/m) Có: Chiều dài ống: L = H + 0,2 = 8,62 + 0,2 = 8,82 (m) Đường kính ống: d = 0,15 (m) Lưu lượng : G = 15000 (kg/h) Thế năng vận tốc trong chất lỏng trong ống: ΔP = (N/m) Trong ®ã : ω : Vận tốc dung dich trong ống (m/s) ω = = = 0,24 (m/s) ΔP = = 29,646 (N/m) Trở lực ma sát: ΔP = λ. .ΔP (N/m) Trong đó: λ : Hế số ma sát Độ nhớt của dung dịch trong ống μ = 0,437.10 (Ns/m) Re = = = 84799,524 > 10 Chế độ chảy xoáy nên λ được xác định theo công thức II - 464 Với loại ống thép khonong dỉ ta chọn theo bảng I - 466, ta có độ nhám tuyệt đối ε = 0,1 (mm) Độ nhám tương đối : Δ = ε/d = 0,1/150 = 6,67.10 = 0,021 Δ P = 0,021. .29,626 = 36,582 (N/m) Trở lực cục bộ: (N/m2) Trong đó: ξ : Hệ số trở lực cục bộ Các trở lực cục bộ trong ống gồm: Trở lực do van: Coi van mở 50 % => ξ = 2,1 Trở lực do ống chuyển hướng với góc chuyển là 90 => ξ = 1,1 => Δ P = (2,1 + 1,1).29,626 = 94,803 (N/m) Vậy: Δ P = 36,582 + 94,803 = 131,385 (N/m) Áp suất toàn phần của bơm: PB = r1.g.H0 + P m0 = 1029,372.9,81.8,62 + 131,385 = 87177,345 (N/m) Năng suất của bơm: (KW) Trong đó: Q : Lưu lượng thể tích của bơm (m/s) Q = = = 4,04.10 (m/s) η : Hiệu suất của bơm Hiệu suất chung của bơm: η = η + η + η η : Hiếu suất thể tích ảnh hưởng đến sự hao hụt của chất lỏng. η : Hiệu suất thủy lực tính đến ma sát và tạo dòng xoáy trong bơm. η : Hiệu suất cơ khí tính đến ma sát cơ khí ở bơm η : Phụ thuộc vào loại bơm và năng suất bơm Theo bảng I - 439 chọn bơm li tâm có: chọn chọn chọn N = = 0,507 (Kw) Công suất của động cơ điện: N = (Kw) η : Hiệu suất truyền động, chọn η = 1 η : Hiệu suất động cơ điện, chọn η = 0,8 N = = 0,634 (Kw) Thường động cơ có năng suất lớn hơn so với tính toán N = β.N với β = 1,5 ÷ 2 Chọn β = 1,5 => N = 1,5.0,634 = 0,951 (Kw) KẾT LUẬN Do đặc điểm của quá trình chưng luyện là hệ số phân bố thay đổi theo chiều cao của tháp, đồng thời quá trình truyền nhiệt diễn ra song song với quá trình chuyển khối vì vậy làm cho quá trình tính toán và thiết kế trở nên phức tạp. Một khó khăn nữa mà khi tính toán và thiết kế hệ thống chưng luyện luôn gặp phải là không có công thức chung cho việc tính toán các hệ số động học của quá trình chưng luện hoặc công thức chưa phản ánh được đầy đủ các tác dụng động học, các hiệu ứng hóa học, hóa lý,… mà chủ yếu là công thức thực nhiệm và trong các công thức tính toán thì phần lớn phải tính theo giá trị trung bình, các thông số vật lý chủ yếu nội suy, nên rất khó khăn cho việc tính toán chính xác. Trong phạm vi khuôn khổ của đồ án môn học, do thời gian không cho phép động thời do hạn chế về kiến thức lý thuyết cũng như trực tế sản suất và đây cũng là lần đầu tiên tiếp xúc với đồ án nên tuy đã cố gắng tìm tài liệu cũng như tra cứu các số liệu, cố gắng hoàn thành bản đồ án này nhưng vẫn không tránh khỏi những bỡ ngỡ, sai sót. Em kính mong sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô giáo trong bộ môn. Qua bài đồ án này em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo trong bộ môn, đặc biệt là thầy Nguyễn Văn Hoàn đã quan tâm, giúp đỡ, chỉ bảo tận tình giúp em hoàn thành bài đồ án, giúp em hiểu rõ hơn về môn học, phương pháp thực hiện tính toán thiết kế, cách tra cứu số liệu, xử lý số liệu… Em xin chân thành cảm ơn. Sinh viên thực hiện Lê Thị Hiền TÀI LIỆU THAM KHẢO Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - Tập 1 - NXB khoa học và kỹ thuật. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - Tập 2 - NXB khoa học và kỹ thuật. Tính toán các quá trình - thiết bị công nghệ hóa chất và thực phẩm - Tập 2 - NXB khoa học và kỹ thuật.