Chung Cat Methanol Nuoc

1 http://www.ebook.edu.vn

LỜI MỞ ĐẦU

Công nghệ hóa học cũng như các sản phẩm của nó có ảnh hưởng rất lớn đến nhiều ngành sản xuất khác. Trong đó methanol là một sản phẩm khá được quan tâm. Trong quy trình sản xuất, methanol thường được chưng cất để đạt được nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, lưu trữ.

Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất methanol bằng tháp đệm có năng suất 4000kg/h, nhập liệu ở nhiệt độ sôi với nồng độ 40% , sản phẩm đỉnh có nồng độ 98%, sản phẩm đáy có nồng độ 0.5% khối lượng/khối lượng. Hệ thống được gia nhiệt bằng hơi nước có áp suất 2 at.

Việc thực hiện đồ án là một cơ hội tốt để sinh viên hệ thống hóa các kiến thức đã học cũng như làm quen với việc lựa chọn tính toán các thiết bị thực tế. Thực hiện đồ án là một bước để sinh viên làm quen với công việc của một kỹ sư trong tương lai.

Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy Nguyễn Văn Lục. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy trong thời gian qua để em có thể hoàn thành đồ án này.


MỤC LỤC

A. GIỚI THIỆU 4 I. SƠ BỘ VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 4 II. SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU 5 2.1. Methanol 5 2.2. Nước 5 2.3. Ứng dụng của methanol 5 B. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 5 C. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 7 I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT 7 II. PHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THÁP 8 III. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 10 3.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 10 3.2. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 11 3.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 11 3.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh 12 IV. ĐƯỜNG KÍNH THÁP ĐỆM 12 4.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp 12 4.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện 12 4.1.2. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng 13 4.2. Khối lượng riêng trung bình 14 4.2.1. Khối lượng riêng trung bình pha lỏng 14 4.2.2. Khối lượng riêng trung bình pha hơi 15 4.3. Tốc độ hơi đi trong tháp 15 4.4. Đường kính tháp đệm 16 V. CHIỀU CAO THÁP ĐỆM 16 5.1. Chiều cao đoạn luyện 17 5.1.1. Số đơn vị chuyển khối đoạn luyện 17 5.1.2. Chiều cao một đơn vị chuyển khối đoạn luyện 18 5.2. Chiều cao đoạn chưng 19 5.2.1. Số đơn vị chuyển khối đoạn chưng 19 5.2.2. Chiều cao một đơn vị chuyên khối đoạn chưng 20 VI. TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM 21 VII. TÍNH BỀN THÁP ĐỆM 22 7.1. Tính bề dày thân tháp 22 7.2. Tính đáy, nắp 23 7.3. Tính mặt bích 23 7.4. Tính tai treo 25 7.5. Tính chân đỡ 26 VIII. TÍNH CÁC ỐNG DẪN 26 8.1. Ống nhập liệu 26 8.2. Ống hồi lưu sản phẩm đỉnh 26 8.3. Ống tháo sản phẩm đáy 27 8.4. Ống lấy hơi ở đỉnh 27


8.5. Ống hơi ở đáy 27 D. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 28 I. THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU 28 II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH 29 III. TÍNH THÙNG CAO VỊ VÀ BƠM 30 IV. THIẾT BỊ GIA NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY 33 E. AN TOÀN LAO ĐỘNG 34 I. PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ 34 1.1. Những nguyên nhân gây cháy nổ trực tiếp 36 1.2. Các biện pháp phòng chống cháy nổ 36 II. AN TOÀN ĐIỆN 36 2.1. Các nguyên nhân gây ra tai nạn điện 36 2.2. Các biện pháp để phòng tai nạn điện 37 F. TÀI LIỆU THAM KHẢO 37


A. GIỚI THIỆU I. SƠ BỘ VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất, pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu đực bấy nhiêu sản phẩm. Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé. Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn.

Đối với hệ methanol – nước thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là methanol, sản phẩm đáy chủ yếu là nước.

Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc ( áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất) hay dựa vào phương pháp cấp nhiệt (trực tiếp hay gián tiếp). Việc lựa chọn các phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của sản phẩm. Đối với hệ methanol nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu chung của các thiết bị vẫn giống nhau là bề mặt tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của pha này vào pha kia. Ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.

• Tháp mâm: thân hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của mâm ta có tháp mâm chóp hay tháp mâm xuyên lỗ.

• Tháp đệm: tháp trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp bằng hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay có thứ tự.

So sánh ưu nhược điểm của hai loại tháp

Tháp đệm Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ Ưu điểm - Cấu tạo đơn giản

- Trở lực thấp - Làm việc được với chất

lỏng bẩn

- Khá ổn định - Hiệu suất cao

- Trở lực tương đối thấp

- Hiệu suất cao

Nhược điểm - Do có hiệu ứng thành nên hiệu suất truyền khối thấp

- Độ ổn định không cao, khó vận hành.

- Thiết bị nặng nề

- Trở lực lớn - Kết cấu phức

tạp

- Không làm việc được với chất lỏng bẩn

- Kết cấu phức tạp.

Trong đồ án này ta sử dụng tháp đệm với vòng đệm Raschig xếp ngẫu nhiên với kích thước 25x25x3.0 .


II. SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU 2.1. Methanol

Methanol là chất lỏng không màu, tan vô hạn trong nước, có mùi đặc trưng, rất độc. Một lượng nhỏ methanol có thể gây mù lòa, lượng lớn gây tử vong. Methanol có công thức phân tử CH3OH, phân tử lượng 32.04 đvC. Methanol có các tính chất lý hóa sau:

- Nhiệt độ sôi: 64.5oC - Khối lượng riêng ở 20oC: ρ = 791.7 kg/m3 - Độ nhớt ở 20oC: μ = 0.6*10-3 N.s/m2 = 0.6 cP - Hệ số dẫn nhiệt ở 20oC: λ = 0.179 kcal/m.h.độ = 0.2082 W/m.độ - Nhiệt dung riêng ở 20oC: Cp = 2570 J/kg.độ

2.2. Nước Nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị. Công thức phân tử H2O, phân tử lượng

18.02 đvC. - Nhiệt độ sôi: 100oC - Khối lượng riêng ở 20oC: ρ = 998 kg/m3 - Độ nhớt ở 20oC: μ = 1.005*10-3 N.s/m2 = 1.005 cP - Hệ số dẫn nhiệt ở 20oC: λ = 0.597 W/m.độ - Nhiệt dung riêng ở 20oC: Cp = 4180 J/kg.độ

2.3. Ứng dụng của methanol Methanol có thể hòa tan với nước, alcohol, ester, ether, ketol và hầu hết các dung môi hữu cơ.

Do đó, methanol thường được dùng làm dung môi và nguyên liệu để sản xuất những chất hữu cơ khác với số lượng lớn.

Methanol có ái lực đặc biệt với Carbon dioxide và hydrogen sulfide, đây được xem là dung môi trong quá trình làm ngọt khí Rectisol. Mang tính phân cực trong tự nhiên, methanol thường tạo hỗn hợp cộng phị với nhiều hợp chất. Methanol làm giảm nhiệt độ hình thành của hydrate khí tự nhiên, nên được sử dụng là chất chống đông trong đường ống.

Methanol được dùng để sản xuất formaldehyde, chiếm khoảng 40% lượng tiêu thụ methanol trên thế giới. Tại Mỹ, vai trò của methanol được tăng cao do được sử dụng trong nhiên liệu oxygenated với MTBE. Một ứng dụng quan trọng khác của methanol là sản xuất acid acetic; ngoài ra, nó còn được dùng làm dung môi và hóa chất trung gian.

Ngoài ra methanol còn được dùng làm nguyên liệu sản xuất những hóa chất khác, như dimethyl terephthalate (DMT), methyl methacrylate, methylamine, và methyl halogenur. Ứng dụng mới đây nhất là ứng dụng trong nông nghiệp, phun trực tiếp vào cây trồng để kích thích sự phát triển của cây.

B. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

1 : Thùng chứa hỗn hợp đầu 2 : Bơm chất lỏng 3 : Thùng cao vị 4 : Lưu lượng kế 5 : Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6 : Tháp chưng cất 7 : Thiết bị ngưng tụ 8 : Thiết bị làm nguội 9 : Thùng chứa sản phẩm


10 : Nồi đun Kettle 11: Thùng chứa hỗn hợp đáy 12 : Bẫy hơi Hỗn hợp từ thùng chứa (1) được bơm ly tâm (2) chuyển lên thùng cao vị (3). Từ thùng cao vị,

hỗn hợp được cho chảy tự nhiên xuống thiết bị gia nhiệt ống chùm. Sau khi qua thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đạt được nhiệt độ sôi và được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa tiếp liệu.Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng từ hỗn hợp đầu được trộn với phần lỏng đi xuống từ đoạn luyện.

Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng đi từ trên xuống, ở đây có sự tiếp xúc giữa hai pha. Trong đoạn chưng, càng đi xuống dưới, nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng càng giảm do bị cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi từ nồi đun (10) đi lên lôi cuốn. Hơi càng lên cao thì nhiệt độ càng giảm do đó cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại đi xuống dưới. Cấu tử có nhiệt độ sôi thấp là methanol sẽ lôi kéo các cấu tử methanol trong pha lỏng đi lên trên. Sản phẩm đỉnh là hơi chứa chủ yếu là methanol và một phần nhỏ hơi nước. Hơi ở đỉnh được dẫn qua thiết bị ngưng tụ (7). Một phần lỏng được hồi lưu vào tháp chưng cất còn phần lớn được cho vào thiết bị làm nguội (8) và được đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh. Hỗn hợp đáy chứa chủ yếu là nước được đưa vào nồi đun Kettle. Hơi từ nồi đun được đưa trở lại vào tháp. Sản phẩm đáy sau khi qua nồi đun được đưa vào thiết bị làm nguội và chuyển về thùng chứa sản phẩm đáy (11).


C. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT Quy ước: F, P, W: lần lượt là hỗn hợp đầu vào, đỉnh và đáy GF: lưu lượng hỗn hợp đầu vào, kmol/h GP: lưu lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h GW: lưu lượng sản phẩm đáy, kmol/h GR: lượng chất lỏng hồi lưu, kmol/h xf: nồng độ phân mol hỗn hợp đầu vào theo methanol, kmol/kmol xp: nồng độ phân mol hỗn hợp đỉnh theo methanol, kmol/kmol xw: nồng độ phân mol hỗn hợp đáy theo methanol, kmol/kmol af: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu vào theo methanol, kg/kg ap: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đỉnh theo methanol, kg/kg aw: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đáy theo methanol, kg/kg

yi: nồng độ phần mol của pha hơi ứng với nồng độ phần mol xi của pha lỏng, kmol/kmol yi*: nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi ứng với nồng độ phân mol xi của pha lỏng, kmol/kmol

A, B: lần lượt là ký hiệu của methanol và nước MA, MB: lần lượt là khối lượng phân tử của methanol và nước MA= 32.04 ; MB= 18.02 Lưu lượng hỗn hợp đầu vào:

* *(1 )f fF

A B

F a F aG

M M−

= +

4000*0.4 4000*(1 0.4) 183.12

32.04 18.02FG −= + = kmol/h

Nồng độ phân mol của hỗn hợp đầu vào **

4000*0.4 0.2732.04*183.12

ff

A F

f

F ax

M G

x

=

= =

Nồng độ phân mol của hỗn hợp đỉnh:


1

0.9832.04 0.960.98 1 0.98

32.04 18.02

f

Ap

f f

A B

p

aMx a a

M M

x

= −+

= =−+

Nồng độ phân mol của hỗn hợp đáy

1

0.00532.04 0.00280.005 1 0.005

32.04 18.02

w

Aw

w w

A B

w

aMx a a

M M

x

= −+

= =−+

Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu vào MF, đỉnh MP và đáy MW

84.2112.183

4000 ===F

F GFM kg/kmol

55.31

02.1898.01

04.3298.0

11

1 =−+

=−

+=

B

f

A

fP

Ma

Ma

M kg/kmol

06.18

02.18005.01

04.32005.0

11

1 =−+

=−

+=

B

w

A

wW

Ma

Ma

M kg/kmol

Phương trình cân bằng vật chất F P WG G G= + [2- 144]

Đối với cấu tử dễ bay hơi là methanol * * *F f P p W wG x G x G x= + [2- 144]

Từ hai phương trình trên ta suy ra 0.27 0.0028* 183.12* 51.360.96 0.0028

f wP F

p w

x xG G

x x− −= = =− −

kmol/h [2- 144]

0.96 0.27* 183.12* 131.760.96 0.0028

p fw F

p w

x xG G

x x− −= = =− −

kmol/h [2- 144]

II. PHƯƠNG

TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THÁP Bảng 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol- nước


x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 26.8 41.8 57.9 66.5 72.9 77.9 82.5 87 91.5 95.8 100

oC 100 92.3 87.7 81.7 78 75.3 73.1 71.2 69.3 67.6 66 64.5

Hình 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol – nước Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng:

11 ++

+=

x

p

x

x

Rx

xR

Ry [2- 144]

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng:

wxx

x xR

LxR

LRy

11

1 +−+

++

= [2- 158]

Với : Rx= Gx/GP: chỉ số hồi lưu L=GF/GP Vì hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi nên ta có

ff

fpx xy

yxR

−−

= *

*

min [2- 158]

Từ đồ thị cân bằng lỏng hơi của methanol- nước với xf =0.27 ta tra được yf* = 0.64; tf

= 79oC; với xp= 0.96 thì tP

=65oC; với xw=0.0028 thì tw =99.7oC

Vậy ta có:


88.027.064.064.096.0

min =−−=xR

Dùng phương pháp thử ta cho các giá trị Rx khác nhau để tính các giá trị my khác nhau từ đó ta có bảng sau:

Bảng 2: Chỉ số hồi lưu thích hợp

Rx 1.06 1.15 1.24 1.33 1.42 1.5 1.59 1.68 1.77 1.86 1.95 my 8.9 8.19 7.71 7.36 7.10 6.90 6.74 6.60 6.49 6.39 6.31

my(Rx+1) 18.33 17.60 17.27 17.16 17.19 17.25 17.45 17.69 17.97 18.29 18.62

Hình 2: Chỉ số hồi lưu thích hợp Dựa vào đồ thị ta thấy Rx = 1.33 Phương trình đường làm việc đoạn luyện:

41.057.0 += xy Phương trình đường làm việc đoạn chưng:

0031.01.2 −= xy

III. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

3.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu.


111 xqngFfD QQQQQ ++=+ J/h [2- 196] Trong đó: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1, chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2at.

)( 1111111 θλ CrDDQd +== J/kg [2- 196] Với D1: lượng hơi đốt, kg/h. θ1 = 119.62oC nhiệt độ nước ngưng, C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng. Tra bảng I.148 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất và thực phẩm tập1 được C1 = 1.014kcal/kg.độ = 4245.42 J/kg.độ. Ẩn nhiệt hóa hơi r1 tra ở bảng I.212 sổ tay tập 1 ta được r1 = 526.25kcal/kg = 2203303.5 J/kg. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:

fff tCFQ ..= J/h [2- 196] Với F= 4000kg/h; tf = 30oC; Cf = 3583.5 sổ tay tâp 1 trang 172. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:

FFF tCFQ ..= J/h [2- 196] Với tF = 79oC; CF = 3645J/kg.độ Nhiệt lượng do nước ngưng tụ mang ra:

1111111 .... θθ CDCGQ ngng == J/h [2- 197] Nhiệt độ mất ra môi trường xung quanh

111 05.0 rDQxq = J/h [2- 197] Vậy lượng hơi nước cần thiết để đốt nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là:

84.3445.2203303*95.0

)30*5.358379*3645(400095.0

)(

11 =−=

−=

rtCtCF

D ffFF kg/h [2- 197]

3.2. Cân bằng nhiệt

lượng của tháp chưng luyện 22 ngxqwyRDF QQQQQQQ +++=++ [2- 197]

Với QF: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào, J/h QD2 = D2(r2+C2θ2) J/h, nhiệt lượng do hơi nước đun nóng hỗn hợp ở đáy tháp. QR = GR.CR.tR J/h, nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào. tR = 65oC, CR = 2813 J/kg.độ QR = 51.36*31.55*1.33*2813*65= 394069723.6 J/h Qy = P(1+Rx)λđ ; nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp. Với λđ = λ1a1+λ2a2 là nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, trong đó λ1, λ2 lần lượt là nhiệt lượng riêng của cấu tử 1 và 2 ở đỉnh J/kg, a1, a2 là phần khối lượng của cấu tử 1 và 2. Với tđ = 79oC ta tính được λđ = 1328485 J/kg, Qy = 5015762248 J/h Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Qw = W.Cw.tw . Với tw = 99.7oC, Cw = 4212.48 J/kg.độ ta tính được Qw = 999387671 J/h. Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qngt = Gngt.C2.θ2 = D2. C2.θ2 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qxq2= 0.05D2r2 Vậy lượng hơi nước cần thiết để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp là:

46.23235.2203303*095.011518200009993876715015762248

95.0 22 =−+=

−+=

rQQQ

D Fwy kg/h


lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn


P(Rx+1)r = Gn.Cn(t2 – t1) [2- 198] Với Gn : lượng nước lạnh tiêu tốn, kg/h; t1 = 30oC, t2 = 45oC là nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh. Cn = 4181.043 J/kg.độ : nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở nhiệt độ trung bình của t1 và t2; ẩn nhiệt ngưng tụ r = 1145634 J/kg.độ. Vậy lượng nước làm lạnh tiêu tốn để ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh là:

43.68968)3045(*043.4181

1145634*)133.1(*55.31*36.51)(

)1(

12

=−

+=−+

=ttC

rRPG

n

xn kg/h [2- 198]


lượng của thiết bị làm lạnh P.Cp(t’1+ t’2 ) = GnCn(t2 - t1) Với Cp = 2785 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ t’1 = 65oC , t’2 = 30oC là nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh t1 = 10oC , t2 = 30oC là nhiệt độ đầu và cuối của nước làm lạnh Cn = 4184.58 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của nước ở 20oC Vậy lượng nước cần để làm lạnh sản phẩm đỉnh là

28.1887)1030(*58.4184

)3065(*55.31*36.51)()(.

12

'2

'1 =

−−=

−−

=ttCttCP

Gn

pn kg/h

IV. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP ĐỆM Đường kính tháp đệm được tính theo công thức:

tbyy

tbgD

)(0188.0

ωρ= (m)

Với gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h. (ρyωy)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s. 4.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp 4.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng theo công thức sau:

2lđ

tblgg

g+

= [2- 181]

Với gtbl: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h hay kmol/h. gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h hay kmol/h. gl: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h hay kmol/h.

)1( +=+= xpPRđ RGGGg [2-181] 68.119)133.1(*36.51 =+=đg kmol/h

Lượng hơi gl, hàm lượng hơi yl, lượng lỏng Gl đối với đĩa dưới cùng của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

đđll

pPllll

Pll

rgrg

xGxGygGGg

=

+=+=

[2- 182]


bđđađ

bllal

ryyrrryyrr)1(

)1(−+=−+=

Trong đó: xl = xf rl: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp. ra, rb: ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử A, B nguyên chất. Nội suy theo bảng I.213 đối với methanol và bảng I.250 đối với nước sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 ở các nhiệt độ tf, tp, tw ta được các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi của A, B nguyên chất theo bảng sau:

Bảng 3: Ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử A, B nguyên chất theo nhiệt độ Giá trị tf = 79oC tp = 65oC tw = 99.7oC rA (kcal/kg) 259.6 267.5 246 rA (kcal/kmol) 8317.58 8570.70 7881.84 rB (kcal/kg) 551.76 559.7 539.4 rB (kcal/kmol) 9942.72 10085.79 9719.99

Với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đầu vào ta tính được rl. Với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đỉnh ta tính được rđ. Với yđ là nồng độ hơi tương ứng với nồng độ pha lỏng xp theo phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện. Ta được hệ phương trình:

1032091)13.162572.9942(57.4927.0**

36.51

=−+=

+=

ll

lll

ll

ygGyg

Gg

Giải hệ phương trình trên ta được: gl = 114.7 kmol/h Gl = 63.34 kmol/h yl = 0.55 kmol/kmol

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:

19.1172

7.11468.1192

=+=+

= lđtbl

ggg kmol/h

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là:

83.652

34.6332.682

=+=+

= lRtbl

GGG kmol/h

4.1.2. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được xác định gần đúng bằng công thức sau:

2

''ln

tbcgg

g+

= [2- 182]

Với gtbc: lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, kg/h hay kmol/h. gn

’: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, gn’= gl , kg/h hay kmol/h/

gl’: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h hay kmol/h.

Lượng hơi đi vào đoạn chưng gl’, lượng lỏng Gl

’ và hàm lượng lỏng xl’ được xác định theo hệ phương

trình sau:


llnnll

wwwlll

Wll

rgrgrg

xGygxG

GgG

***

***''''

'''

''

==

+=

+=

[2- 182]

Trong đó yl’ = yw = 0.0028: tìm theo đường cân bằng ứng với xw

bllal ryyrr )1( ''' −+= ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.

bnnan ryyrr )1( ''' −+= ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng. Tính tương tự như trên ta được hệ phương trình

103209181.9714*

37.00028.0*

76.131

'

'''

''

=

+=

+=

l

lll

ll

g

gxG

gG

Giải hệ phương trình trên ta được: gl

’ =106.24 kmol/h Gl

’ = 238 kmol/h Xl

’ = 0.0028 kmol/h Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:

47.1102

24.1027.1142

''

=+=+

= lntbc

ggg kmol/h

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là:

67.1502

23834.632

'

=+=+

= lltbc

GGG kmol/h

4.2. Khối lượng riêng trung bình 4.2.1. Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được tính theo công thức:

21

11

xtb

tb

xtb

tb

xtb

aaρρρ−

+= [2- 183]

Trong đó ρxtb: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3. ρxtb1, ρxtb2 : khối lượng riêng trung bình của methanol và nước của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3. atb : phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng, kg/kg. Phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn luyện atbl và đoạn chưng atbc là:

2025.02

05.04.02

69.02

98.04.02

=+=+

=

=+=+

=

wftbc

pftbl

aaa

aaa

Phần mol trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn luyện xtbl và đoạn chưng xtbc là:

1364.02

0028.027.02

615.02

96.027.02

=+=+

=

=+=+

=

wftbc

pftbl

xxx

xxx


Từ phần mol trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn chưng và đoạn luyện ta tra vào đồ thị cân bằng lỏng hơi của methanol- nước ta được nhiệt độ trung bình của đoạn luyện ttbl=71oC, nhiệt độ trung bình của đoạn chưng ttbc = 85oC. Với các nhiệt độ trung bình trên nội suy theo bảng I.2, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 ta tra được khối lượng riêng trung bình của methanol và nước như sau: ttbl = 71oC, ρxtb1 =742.06 kg/m3, ρxtb2 = 976.95 kg/m3. ttbc = 85oC, ρxtb1 = 728.465 kg/m3

, ρxtb2 = 968.5 kg/m3. Vậy khối lượng riêng trung bình của của pha lỏng trong đoạn luyện ρxtbl và đoạn chưng ρxtbc là:

82.80106.742*)69.01(95.976*69.0

95.976*06.742)1( 12

21 =−+

=−+

=xtbtbztbtb

xtbxtbxtbl aa ρρ

ρρρ kg/m3

92.907465.728*)2025.01(5.968*2025.0

5.968*465.728)1( 12

21 =−+

=−+

=xtbtbztbtb

xtbxtbxtbc aa ρρ

ρρρ kg/m3

Khối lượng phân tử trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện và đoạn chưng: 70.2602.18*)615.01(04.32*615.0)1( =−+=−+= BtblAtblxtbl MxMxM kg/kmol

95.1902.18*)1364.01(04.32*1364.0)1( =−+=−+= BtbcAtbcxtbc MxMxM kg/kmol 4.2.2. Khối lượng riêng trung bình của pha khí Khối lượng riêng trung bình pha hơi được tính theo công thức:

TMyMy BtbAtb

ytb 4.22273])1([ −+

=ρ kg/m3

Với T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp hay của đoạn chưng, đoạn luyện, K. ytb: nồng độ phân mol pha hơi trung bình của đoạn chưng, đoạn luyện. Được tính bằng trung bình cộng nồng độ hai đầu đoạn tháp:

3214.02

64.00028.02

8.02

96.064.02

=+=+

=

=+=+

=

fwtbc

pftbl

yyy

yyy

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng:

04.1)27371(*4.22

273*]02.18*)8.01(04.32*8.0[ =+

−+=ytblρ kg/m3

77.0)27385(*4.22

273*]02.18*)3214.01(04.32*3214.0[ =+

−+=ytbcρ kg/m3

Khối lượng phân tử trung bình của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng: 27.2902.18*)8.01(04.32*8.0)1( =−+=−+= BtblAtblytbl MyMyM kg/kmol

53.2202.18*)3214.01(04.32*3214.0)1( =−+=−+= BtbcAtbcytbc MyMyM kg/kmol 4.3. Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn kích thước đệm 25x25x3 mm. Tra bảng IX.8, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tâp 2 ta được các thông số sau: σđ =195m2/m3, ρđ=600kg/m3, Vđ = 0.75 m3/m3, số đệm trong một mét khối là 46.103. Tốc độ hơi đi trong tháp đệm có thể xác định theo công thức sau:


8/14/1

16.03

2

4

)()(

).(..

2.1

xtb

ytb

y

x

n

x

xtbđ

ytbđs

X

GG

X

VgY

eY

ρρμμ

ρρσω

=

=

= −

[2- 187]

Chọn ω = 0.8ωs Trong đó ω, ωs: tốc độ làm việc của tháp, tốc độ sặc, m/s σđ : bề mặt riêng của đệm, m2/m3. Vđ : thể tích tự do của đệm, m3/m3.

g : gia tốc trọng trường. Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/s μx, μn : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20oC, N.s/m2. Độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình có thể được tính theo công thức sau:

21 lg)1(lglg μμμ tbtbx xx −+= [2- 84] Tra bảng I.101 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 trang 92 ta được μn=0.001 N.s/m2. Tra trên toán đồ hình I.18 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 trang 90, ứng với nhiệt độ trung bình của đoạn luyện và đoạn chưng ta có: ttbl = 71oC, μ1 = 0.000317 N.s/m2, μ2 = 0.0004006 N.s/m2 suy ra μxl = 0.000347 N.s/m2 ttbc = 85oC, μ1 = 0.0002775 N.s/m2, μ2 = 0.0003355 N.s/m2 suy ra , μxc = 0.000327 N.s/m2 Thay các giá trị vào công thức ở trên ta tính được tốc độ làm việc của đoạn luyện:

38.0)82.801

04.1()19.11783.65( 8/14/1 ==LX

26.0*2.1 38.0*4 == −eYL

80.125.2*8.0

25.2)000346.0

001.0(04.1*195

82.801*75.0*81.9*26.0)(.

... 16.03

16.03

==

===

l

x

n

ytbđ

xtbđsl

VgY

ω

μμ

ρσρω

Tốc độ làm việc của đoạn chưng:

45.0)92.907

77.0()47.11067.150( 8/14/1 ==CX

2.0*2.1 45.0*4 == −eYC

96.145.2*8.0

45.2)000327.0

001.0(77.0*195

92.907*75.0*81.9*21.0)(.

... 16.03

16.03

==

===

c

x

n

ytbđ

xtbđsc

VgY

ω

μμ

ρσρω

4.4. Đường kính tháp

đệm Đường kính đoạn luyện

81.080.1*04.1

27.29*19.1170188.0 ==LD m


Đường kính đoạn chưng

76.096.1*77.0

53.22*47.1100188.0 ==LD m

Vậy ta chọn đường kính tháp là D = 1 m V. TÍNH CHIỀU CAO THÁP ĐỆM THEO SỐ ĐƠN VỊ CHUYỂN KHỐI

Chiều cao làm việc của tháp đệm được xác định theo công thức sau:

yđv mhH .= m [2- 175] Trong đó hđv : chiều cao một đơn vị chuyển khối, m my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha hơi.

Ta xác định số đơn vị chuyển khối bằng tích phân đồ thị:

∫ −

=c

đ

y

y cby yy

dym [2- 176]

Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối phụ thuộc vào đặc trưng của đệm và trạng thái pha, được xác định theo công thức:

21 h

GmG

hhx

yđv += m [2- 177]

Trong đó h1: chiều cao một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi.

3/225.01 Pr.Re

. yyđ

đ

aV

hψσ

= m [2- 177]

h2: chiều cao một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng

5.025.03/22 Pr.Re.)(256 xx

x

xhρμ

= m [2- 177]

Với a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng a = 0.123 Ψ: hệ số thấm ướt của đệm, phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp. Tra Ψ trên đồ thị hình IX.16 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 trang 178. Xác định các thông số mật độ tưới thực tế Utt và mật độ tưới thích hợp Ut.h theo công thức:

đht

t

xtt

BUFV

U

σ.. =

= m3/m2.h [2- 177]

Với Vx: lưu lượng thể tích của chất lỏng, m3/h. Ft: diện tích mặt cắt tháp, m2. Giá trị hệ số B = 0.065 đối với quá trình chưng luyện 5.1. Chiều cao đoạn

luyện 5.1.1. Số đơn vị chuyển

khối của đoạn luyện Phương trình đường làm việc của đoạn luyện


41.057.0 += xy Lần lượt ta cho các giá trị của x từ xf đến xp ta sẽ xác định giá trị y theo phương trình đường

làm việc và ycb theo đồ thị cân bằng của hỗn hợp methanol - nước. Ta được bảng sau:

x y ycb ycb -y a=1/(ycb-y) b=a1+a2 c=y2 – y1 0.5*b*c my 0.27 0.568 0.645 0.077 13.034 25.579 0.017 0.219 0.30 0.585 0.665 0.080 12.563 24.183 0.029 0.345 0.35 0.614 0.700 0.086 11.620 23.046 0.029 0.329 0.40 0.642 0.730 0.088 11.426 23.334 0.029 0.333 0.45 0.671 0.755 0.084 11.908 24.34 0.029 0.347 0.50 0.700 0.780 0.080 12.432 26.341 0.029 0.376 0.55 0.728 0.800 0.072 13.909 28.539 0.029 0.407 0.60 0.757 0.825 0.068 14.630 30.059 0.029 0.429 0.65 0.785 0.850 0.065 15.429 33.199 0.029 0.474 0.70 0.814 0.870 0.056 17.771 38.721 0.029 0.553 0.75 0.842 0.890 0.048 20.950 43.579 0.029 0.622 0.80 0.871 0.915 0.044 22.629 50.679 0.029 0.723 0.85 0.899 0.935 0.036 28.050 59.193 0.029 0.845 0.90 0.928 0.960 0.032 31.143 79.080 0.029 1.354 0.96 0.962 0.983 0.021 47.937

7.43

5.1.2. Chiều cao của một

đơn vị chuyên khối đoạn luyện Xác định các thông số mật độ tưới thực tế Utt và mật độ tưới thích hợp Ut.h theo công thức:

68.12195*065.0

79.2

41*14.3

82.8017.26*83.65

.

2

==

==

ht

tt

U

U

Tra đồ thị ta được Ψ = 0.22 Tính độ nhớt của pha hơi theo công thức:

2

22

1

11

μμμMmMmM

hh

hh += [2- 85]

μ1, μ2 là độ nhớt của methanol và nước; m1, m2 là phần thể tích tương ứng của methanol và nước. Tra toán đồ hình I.35 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 ta được các giá trị độ nhớt như sau: μ1 = 113.10-7, μ2 = 114.10-7. Từ đó ta tính được độ nhớt của hỗn hợp khí

777

77

122211

21 10*12.11310.113*02.18*2.010.114*04.32*8.0

10.114*10.113*27.29.. −−−

−−

=+

=+

=μμ

μμμMmMm

M hhhh

Chuẩn số Re của pha lỏng và pha hơi:


24.338195*10*12.11306.1*04.1*4.04.0

Re

368.0000346.0*195*1*14.3*36004*7.26*83.65*04.0

..04.0

Re

7

2

===

===

−đy

yyy

xđt

xx F

G

σμωρμσ

Với Gx, Gy là lưu lượng pha lỏng và pha hơi, kg/s Chuẩn số Pran của pha lỏng và pha hơi:

yy

yy

xx

xx

D

D

.Pr

.Pr

ρμ

ρμ

=

=

[2- 178]

Trong đó Dx, Dy là hệ số khuếch tán trong pha lỏng và pha hơi, m2/s

BABAy MMvvP

TD 11)(

10*0043.023/13/1

5.14

++

=−

m2/s [2- 127]

23/13/1

6

20 ).(

1110.1

BAB

BAx vvAB

MMD

+

+=

−

μ m2/s [2- 133]

Trong đó T, P là nhiệt độ tuyệt đối (K) và áp suất tuyệt đối (at). vA, vB : thể tích mol của hơi methanol và nước, cm3/mol. vA = 37, vB = 18.9 μB = 1: độ nhớt của nước ở 20oC, cP hoặc 10-3 N.s/m2. A, B là hệ số liên hợp kể đến ảnh hưởng của phẩm chất của cấu tử methanol và nước A = 1.19, B = 4.7 Dx20 : hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20oC. Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở nhiệt độ toC được xác định theo công thức:

3

20

2.0

)]20(1[

ρμ

=

−+=

b

tbDDt

[2- 134]

Thay các giá trị vào công thức trên ta được kết quả sau:

99

3

923/13/1

6

20

523/13/1

5.14

10*96.2)]2071(02.01[10*46.1

02.0998

1*2.0

10*46.1)9.1837.(1*7.4*19.1

02.181

04.32110

10*25.202.18

104.32

1)9.1837(1

)27371(10*0043.0

−−

−

−

−−

=−+=

==

=+

+=

=++

+=

x

x

y

D

b

D

D


14.007.146*368.0*)82.801

000346.0(256

38.048.0*24.338195*07.0*123.0

75.0

48.010*25.2*04.1

10*12.113Pr

07.14610*96.2*82.801

000346.0Pr

5.025.03/22

3/225.01

5

7

9

==

==

==

==

−

−

−

h

h

y

x

Với trung bình tang góc hợp bởi đường cân bằng và đường nằm ngang m = 0.49 ta tính được chiều cao một đơn vị chuyển khối đoạn luyện là;

5.014.083.65

19.117*49.038.0 =+=đvh m

Chiều cao đoạn luyện là: 8.35.0*43.7 ==lH m

5.2. Chiều cao đoạn chưng

5.2.1. Số đơn vị chuyển khối của đoạn chưng

Phương trình đường làm việc của đoạn chưng: y = 2.1x – 0.0031 Lần lượt cho các giá trị x từ xw đến xf làm tương tự như đoạn luyện ta được bảng như sau:

x y ycb ycb -y a=1/(ycb-y) b=a1+a2 c=y2 – y1 0.5*b*c my 0.0028 0.003 0.003 0 0.01 0.018 0.050 0.032 31.159 40.244 0.042 0.845 0.03 0.060 0.170 0.110 9.085 15.412 0.042 0.324 0.05 0.102 0.260 0.158 6.327 11.428 0.042 0.240 0.07 0.144 0.340 0.196 5.101 10.003 0.042 0.210 0.09 0.186 0.390 0.204 4.901 9.618 0.042 0.202 0.11 0.228 0.440 0.212 4.717 9.717 0.042 0.204 0.13 0.270 0.470 0.200 5.000 10.183 0.042 0.214 0.15 0.312 0.505 0.193 5.182 10.709 0.042 0.225 0.17 0.354 0.535 0.181 5.527 11.446 0.042 0.240 0.19 0.396 0.565 0.169 5.920 12.503 0.042 0.263 0.21 0.438 0.590 0.152 6.583 14.282 0.042 0.300 0.23 0.480 0.610 0.130 7.699 16.969 0.042 0.357 0.25 0.522 0.630 0.108 9.270 21.638 0.042 0.455 0.27 0.564 0.645 0.081 12.368

4.08

5.2.2. Chiều cao của một

đơn vị chuyển khối đoạn chưng. Tính tương tự như đoạn luyện ta được

68.12195*065.0

22.4

41*14.3

92.90795.19*67.150

.

2

==

==

ht

tt

U

U


Tra đồ thị ta được Ψ = 0.35 Với μ1 = 118. 10-7, μ2 = 119.10-7 ta tính được độ nhớt hỗn hợp khí μy = 118.54*10-7 N.s/m2 Chuẩn số Re của pha lỏng và pha hơi:

26.260195*10*54.11815.1*77.0*4.0Re

68.0000327.0*195

41*14.3*3600

95.19*67.150*04.0Re

7

2

==

==

−y

x

Hệ số khuếch tán trong pha hơi và pha lỏng:

99

523/13/1

5.14

10*37.3)]2085(02.01[10*46.1

10*38.202.18

104.32

1)9.1837(1

)27385(*10*0043.0

−−

−−

=−+=

=++

+=

x

y

D

D

Chuẩn số Pran của pha lỏng và pha hơi:

65.010*38.2*77.0

10*54.118Pr

84.10610*37.3*92.907

000327.0Pr

5

7

9

==

==

−

−

−

y

x

Với trung bình tang góc giữa đường cân bằng và đường nằm ngang m = 3.09 ta tính được chiều cao một đơn vị chuyển khối của đoạn chưng như sau:

2.254.0*08.4

54.012.067.150

47.110*09.327.0

12.084.106*68.0*)92.907

000327.0(256

27.065.0*26.260195*11.0*123.0

69.0

5.025.03/22

3/225.01

==

=+=

==

==

cH

h

h

h

m

Vậy chiều cao tháp là H = 3.8 +2.2 = 6 m

VI. TÍNH TRỞ LỰC TRONG THÁP ĐỆM. Trở lực trong tháp đệm được tính như sau:

2.

..

.42

..

])()()(1[

2

3

'2' yy

đ

đty

tđk

c

y

xn

x

ym

y

xku

VH

dHp

GG

App

ρωσλωρλ

μμ

ρρ

==Δ

+Δ=Δ

N/m2 [2- 189]

Trong đó ΔPu, ΔPk là tổn thất áp suất của đệm ướt và đệm khô, N/m2. λ’: hệ số trở lực của đệm . Với Rey > 40,


2.0'

Re16

y

=λ [2- 189]

Với hệ hơi lỏng giá trị các hệ số tra trong bảng IX.7 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 như sau: A = 5.15; m = 0.342; n = 0.19; c = 0.038. Tổn thất áp suất trong đoạn luyện:

74.8434])10*12.113

000346.0()82.801

04.1()19.11783.65(15.51[58.3572

58.35722

04.1*8.1.75.0

195*8.3.499.4

99.424.338

16

038.07

19.0342.0

2

3

2.0'

=+=Δ

==Δ

==

−u

k

p

p

λ

Tổn thất áp suất trong đoạn chưng:

79.5348)10*54.118

000327.0.()92.907

77.0.()47.11067.150(15.51[04.1986

04.19862

77.0*96.1.75.0

195*2.2.426.5

26.526.260

16

038.07

19.0342.0

2

3

2.0'

=+=Δ

==Δ

==

−u

k

p

p

λ

Tổng tổn thất áp suất trong tháp:

53.1378379.534874.843462.555804.198658.3572

=+=Δ+Δ=Δ=+=Δ+Δ=Δ

uculu

kcklk

pppppp

N/m2

VII. TÍNH BỀN THÂN THÁP

7.1. Tính bề dày thân tháp. - Chọn phương pháp gia công thân tháp là phương pháp hàn. Vì methanol là một chất độc,

theo bảng XII.45, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 348, ta chọn vật liệu chế tạo thiết bị là thép X18H10T.

- Chọn nhiệt độ tính toán là nhiệt độ lớn nhất trong toàn thiết bị t = 99.7o C ≈ 100oC. - Tra đồ thị hình 1.2 [4- 16] ở nhiệt độ tính toán ta được ứng suất cho phép tiêu chuẩn của

thép X18H10T là [σ]*= 143 N/mm2. Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0.9 . Vậy ứng suất cho phép của thân thiết bị là [σ] = η.[σ]* = 128.7 N/mm2.

- Áp suất thủy tĩnh trong thiết bị 534406*81.9*92.907.. === Hgptt ρ N/m2

- Áp suất tính toán của thiết bị: 16532453.137839810053440 =++=Δ++= pppp kqtt N/m2

P = 0.165 N/mm2 - Chọn dạng mối hàn là giáp mối hàn hai phía, ở nhiệt độ cao. Hệ số bền mối hàn, ϕh = 0.95 - Bề dày tối thiểu của thân trụ:

Ta có 2516.76495.0165.0

7.128][ >==hpϕσ [4- 95]


68.095.0*7.128*2

1000*165.0]..[2

.' ===h

tDpS

ϕσ mm [4- 96]

Theo bảng 5.1, sự phụ thuộc của bề dày tối thiểu vào đường kính trong của thân trụ,[4- 94], ứng với đường kính trong của tháp từ 1000 – 2000mm thì S’ = 4mm. Vậy ta chọn S’ = 4mm.

- Hệ số bổ sung bề dày tính toán C = Ca + Cb + Cc + Co Với Ca : hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học, chọn Ca = 1mm. Cb: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường, chọn Cb = 0. Cc : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp, chọn Cc = 0. Co: hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, chọn Co= 0. Vậy hệ số bổ sung C = 1 mm.

- Bề dày của thân trụ S = S’ + C = 4+1 = 5 mm

- Kiểm tra

ta có 1.0004.01000

15 <=−=−

tDCS thỏa [4- 97]

Áp suất tính toán cho phép bên trong thiết bị:

165.097.0)15(1000

)15(*95.0*7.128*2)()(][2

][ >=−+

−=−+−

=at

ah

CSDCS

pϕσ

thỏa

Vậy, bề dày thân tháp là 5 mm.

7.2. Tính đáy, nắp. Chọn đáy, nắp elip tiêu chuẩn có gờ với các thông số: Dt = 1000mm, ht = 250mm, h = 40mm,

F = 1.21 m2, V = 0.162 m3 Bề dày tối thiểu của đáy nắp:

68.095.0*7.128*2

1000*165.0][2

.' ===h

tRpS

ϕσ mm [4- 126]

Bề dày thực của đáy, nắp: S = S’+ C = 0.68 + 1 = 1.68 mm Kiểm tra lại

165.097.0

)15(1000)15(*95.0*7.128*2

)()(][2

][

125.010*8.61000

168.1 4

>=−+

−=−+−

=

<=−=− −

at

ah

t

a

CSRCS

p

DCS

ϕσ [4- 126]

Vậy ta chọn đáy nắp có bề dày bằng bề dày thân thiết bị S = 5mm.

7.3. Tính mặt bích Chọn các thông số theo các hình dưới đây như sau:

• Chọn bulông M20 có db = 20mm, L = 34mm • Dt =1000mm • Dn = 1044mm • Dtb = 1022mm


• b = 22, bo = 0.8b = 17.6 • C = 1064mm • A = 1118mm • Số bulông Z = 40 • Chọn đệm paronit dày 3mm có hệ số áp suất riêng m = 2, áp suất riêng cần thiết để

làm biến dạng vật liệu vòng đệm qo = 11 N/mm2.

Hình : Các kích thước của đệm

Hình : Các thông số của mặt bích

Tính bulông ghép bích Lực nén chiều trục sinh ra do siết bulông. Q1 = Qa + Qk Qa : lực do áp suất trong thiết bị gây ra Qk: lực cần thiết để giữ đệm được kín.

db

Dt

A

C

Dn

L

t

b db

Dn

Dtb


34.14816334.1863812952534.18638165.0*2*6.17*1022*14.3....

129525165.0*1000414.3.

4

1

22

=+====

===

QpmbDQ

pDQ

otbk

ta

π

π

N [4- 155]

Lực cần thiết để ép chặt vòng đệm 89.62127711*6.17*1022*14.3..2 === ootb qbDQ π N [4- 155]

Lực tác dụng lên một bulông:

95.1553140

89.621277 ===ZQqb N [4- 157]

Ứng suất tác dụng lên bulông:

46.4920.

414.3

95.15531

422===

b

b

d

qπσ N/mm2 [4- 157]

Chọn vật liệu chế tạo bulông là thép CT3 có [σ] =86 N/mm2. Thường khi siết bulông ta không định được lực vặn cần thiết nên các bulông thường bị kéo căng. Do đó, trong tính toán thực tế ta phải giảm bớt ứng suất cho phép của vật liệu làm bulông như sau: [σ]’ = ko . [σ]. Với ko là hệ số giảm ứng suất, ứng với đường kính db = 20mm, ko = 0.8.

σσ >== 8.6886*8.0][ ' thỏa.

Tính bền mặt bích

Cánh tay đòn 102

104410642

=−=−

= nDCl

Bề dày bích phẳng [4- 152]

89.15]}1165.046.49)

104420(40*57.0[

106410*3.71{

7.128165.0*1244*41.0

]}1][

)(57.0[3.71{41.0

2

2

=−+=

−+=

t

pDd

ZClpDt b

n

b

bin

σσ

mm

Chọn chiều dày bích là t = 16mm.

7.4. Tính tai treo Khối lượng riêng của thép X18H10T là 7900kg/m3, của CT3 là 7850kg/m3. Khối lượng thân tháp

9.74779004

101.1*6*14.34

)(.

2222

=−=−

= ρπ tntt

DDHG kg

Tra ở bảng XIII.11 sổ tay quá trình thiết bị hóa chất tập 2 trang 384 ta được Gđ+n = 97.97 kg. Ta có thể tính gần đúng khối lượng bích + bulong + đệm bằng công thức sau

65.1494

)01.1118.1(*7900*6*)0015.0016.0(*14.3.64

)(..

2222

=−+=−

= ρπ tnb

ddtG

kg

Thể tích của một đệm 6

22

1 10*78.2025.0*14.34

)003.0025.0(025.0 −=−−=đV m3


Khối lượng một đệm m= 2.78*10-6*600 = 0.00167 kg Thể tích thân tháp

71.46*14.34

1*14.34

22

=== HD

V t m3

Số đệm trong tháp Z= 4.71*46*103 = 216660 Khối lượng đệm trong tháp Gđ = 216660*0.00167 = 359.72 kg Thể tích của đệm trong tháp Vđ = 2.78*10-6*216660 = 0.6 m3 Thể tích chất lỏng trong tháp Vl = V- Vđ = 4.71- 0.6 = 4.11 m3 Khối lượng chất lỏng trong tháp Gl = Vl*ρ = 4.11*(801.82 + 907.92)/2 = 3513.92 kg Khối lượng của toàn tháp chưng luyện G = Gtt +Gđ+n +Gb+Gđ + Gl = 747.9+97.97+149.65+359.72+3513.92=4869.16 kg Chọn số tai đỡ là 2 thì tải trọng trên một tai đỡ là 23883.23 N Tra bảng XIII.36, [2- 438] ta được các thông số của tai đỡ như sau

Các kích thước, mm Tải trọng trên một tai đỡ, N

Diện tích đỡ, mm2

Áp suất riêng trên tai đỡ N/mm2

L B B1 H S l a d

Trọng lượng tai đỡ, kg

25000 17300 1.45 150 120 130 215 8 60 20 30 3.48 7.5. Tính chân đỡ Chọn số chân đỡ là 4 ta tra bảng XIII.35, [2- 437] ta được bảng sau:

L B B1 B2 H h s l d Tải trọng cho phép trên một chân N

Bề mặt đỡ, m2

Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ N/m2

mm

25000 0.0444 0,56.106 250 180 215 290 350 185 16 90 27

VIII. TÍNH CÁC ỐNG DẪN 8.1. Tính ống nhập liệu Nhiệt độ dòng nhập liệu tF = 79oC, ρF = 902 kg/m3 Chọn vận tốc dòng nhập liệu ωF = 0.3 m/s Đường kính ống nhập liệu dF

072.03.0*785.0*902*3600

4000*785.0

===F

FVd

ω m [1- 369]

Chọn dF = 0.08m


Trong đó V: lưu lượng thể tích, m3/s ωF : tốc độ trung bình, m/s Vận tốc thực của dòng nhập liệu:

245.008.0*785.0*902*3600

4000*785.0 22 ===

FF d

Vω m/s

Tra bảng XIII.32, [2- 434] ta được chiều dài đoạn ống nối là 110mm. Tra bảng XIII.26, [2- 409] ta được các thông số về ống nối và bích như sau:

Dy Dn D Dδ D1 h db z mm cái

80 89 185 150 128 14 16 4 8.2. Tính ống hồi lưu sản phẩm đỉnh Nhiệt độ sản phẩm hồi lưu tR = 65oC, ρR = 754.53. Chọn vận tốc dòng nhập liệu ωR = 0.3 m/s Đường kính ống nhập liệu dR

058.03.0*785.0*53.754*3600

55.31*32.68*785.0

===R

RVd

ω Chọn dR = 0.08 m. Vậy vận tốc của dòng lỏng hồi lưu là:

158.008.0*785.0*53.754*3600

55.31*32.68*785.0 22 ===

RR d

Vω m/s

Chọn các thông số về chiều dài đoạn ống nối và bích tương tự như ống nhập liệu. 8.3. Tính ống tháo sản phẩm đáy Nhiệt độ sản phẩm đáy tW = 99.7oC, ρw = 956.74 kg/m3, V = Gl

’ = 238 kmol/h. Chọn vận tốc dòng đáy ωw = 0.3 m/s Đường kính ống tháo sản phẩm đáy:

073.03.0*785.0*74.956*3600

06.18*238*785.0

===w

wVd

ω m [1- 369]

Chọn dw = 0.08 m. Vậy vận tốc tháo sản phẩm đáy thực tế

25.008.0*785.0*74.956*3600

06.18*2382 ==wω m/s

Chọn các thông số về chiều dài đoạn ống nối và bích tương tự như ống nhập liệu. 8.4. Tính ổng hơi ở đỉnh Nhiệt độ hơi tp = 65oC, ρp = 1.135 kg/m3. Chọn vận tốc dòng hơi ở đỉnh ωp = 25m/s Đường kính ống hơi ở đỉnh:

198.025*785.0*135.1*3600

)33.11(*55.31*36.51*785.0

=+==p

pVd

ωm

Chọn dp = 0.2 m. Vận tốc hơi thực tế:

43.292.0*785.0*135.1*3600)33.11(*55.31*36.51

2 =+=pω m/s

Tra bảng XIII.32, [2- 434] ta được chiều dài đoạn ống nối là 130mm. Tra bảng XIII.26, [2- 409] ta được các thông số của bích như sau:

Dy Dn D Dδ D1 h db z


mm cái 200 219 290 255 232 16 16 8

8.5. Tính ống hơi vào đáy Nhiệt độ hơi đáy tháp thw = 99.7oC, ρh = 0.59 kg/m3 , V= gl’= 106.24 kmol/h. Chọn vận tốc hơi 25m/s. Đường kính ống hơi ở đáy tháp:

196.025*785.0*59.0*3600

06.18*24.106*785.0

===h

hVd

ωm

Chọn dh = 0.2m Vận tốc hơi thực tế đi vào đáy tháp:

74.282.0*785.0*59.0*3600

06.18*24.1062 ==hω m/s

Chọn các thông số về chiều dài đoạn ống nối và kích thước của bích tương tự như ống lấy hơi ở đỉnh. D. TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ I. THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU Chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là thiết bị ống chùm đặt đứng với đường kính ống dn = 38mm, chiều dày ống δ= 3mm. vậy đường kính trong của ống d = 32mm. Hỗn hợp đầu đi trong ống, hơi nước bão hòa dùng để gia nhiệt đi ngoài ống với áp suất 2 at, t = 119.62oC. Nhiệt độ hỗn hợp đầu trước khi vào thiết bị là tf = 30oC. Nhiệt độ hỗn hợp đầu sau khi ra khỏi thiết bị tF = 79oC. Nhiệt lượng cần thiết để đun sôi hỗn hợp đầu

610*74.698)3079(*3565*4000).(. =−=−= fFFF ttCGQ J/h Chênh lệch nhiệt độ trung bình

92.61

7962.1193062.119ln

)7962.119()3062.119(

ln2

1

21 =

−−

−−−=

ΔΔΔ−Δ

=Δ

tt

ttt oC

Nhiệt độ trung bình của hơi nước bão hòa là 119.62oC. Nhiệt độ trung bình của dung dịch đầu trong ống là : tdd = 119.62- 61.92 =57.7oC. Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa tường và hơi nước là 4oC thì nhiệt độ tường là T1 = 115.62oC. Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt bên ngoài ống α1

41 .

.04.2Ht

rAΔ

=α W/m2.độ [2- 28]

Với A phụ thuộc vào tm = 0.5(th +T1) = 117.62oC, A= 186.704 r : ẩn nhiệt hóa hơi của nước r = 2203303.5 J/kg. chọn chiều dài ống là 1m

18.103761*4

5.2203303*704.186*04.2 41 ==α W/m2.độ

Cường độ dòng nhiệt do hơi bão hòa cung cấp: 71.415045*18.9813. 111 ==Δ= tq α W/m2


Tổng nhiệt trở thành ống

λδ++= 21 rrr m2.độ/W [2- 3]

Chọn ống làm bằng thép X18H10T có bề dày δ = 3mm, λ = 16.3 W/m.độ , [2- 313]. Tra bảng V.1, [2- 4] ta được: Nhiệt trở do cặn bám trong ống r1 = 0.387*10-3 m2.độ/W. Nhiệt trở do hơi nước ở bên ngoài ống r2 = 0.232*10-3 m2.độ/W. Tổng nhiệt trở:

333 10*803.03.16

003.010*232.010*387.0 −−− =++=r m2.độ/W

Cường độ dòng nhiệt trong thành ống bằng cường độ dòng nhiệt do hơi nước bão hòa. Chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt của thành ống

33.3310*803.0*71.41504. 31 ===Δ −rqT

Nhiệt độ mặt trong của tường T2 = T1-ΔT =115.62- 33.33 = 82.29oC Nhiệt độ trung bình của tường 98.96oC Ở nhiệt độ trung bình của hỗn hợp là 57.7oC ta tra được các giá trị của hỗn hợp lỏng như sau: μ = 0.00075 N.s/m2, ρ = 914.26 kg/m3, λ = 0.352 W/m.độ. Chọn vận tốc của lỏng nhập liệu ω =0.4 m/s. Chiều dài ống là L = 1m.

37.1560300075.0

26.914*032.0*4.0..Re ===μρω d

Chế độ chảy của dòng là chảy xoáy nên ta có 25.043.08.0

1 )PrPr.(Pr.Re.021.0

t

Nu ε= [2- 14]

Trong đó các giá trị tính ở nhiệt độ trung bình của dung dịch, Prt tính ở nhiệt độ trung bình của tường Với l/d = 31.25 nên ε1 = 1.04 Tra đồ thị V.12, [2- 12] ta được Pr = 8.5; Prt = 3.7

68.152)7.35.8(*5.8*37.15603*04.1*021.0 25.043.08.0 ==Nu

Hệ số cấp nhiệt α2 phía dòng lỏng:

48.1679032.0

352.0*68.152.2 ===

dNu λα W/m2.độ

Hệ số truyền nhiệt

99.668

48.1679110*803.0

18.103761

111

13

21

=++

=++

=−

ααr

K W/m2.độ

Diện tích truyền nhiệt

68.492.61*99.668*3600

10*74.698.

6

==Δ

=tK

QF m2

Số ống truyền nhiệt cần dùng:

471*032.0*14.3

68.4..

===Ld

Fnπ

ống.

Chọn số ống là 61, với 5 ống trên mỗi cạnh của hình lục giác đều và b= 9 ống là số ống trên đường chéo. Chọn bước ống là t = 45.6mm. Vậy đường kính ống:


5168.0038.0*4)19(*0456.04)1.( =+−=+−= dbtD m [2- 49]

II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH Chọn thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị ống chùm nằm ngang với nước đi trong ống và hơi đi ngoài ống. Chọn ống có chiều dài là L = 1m, dn = 0.038m, δ = 0.003m, d =0.032m. Chọn nước giải nhiệt đi trong ống có nhiệt độ vào là 30oC, nhiệt độ ra là 45oC. Δt1 = 65-30 =35 Δt2 = 65-45 =20

5.272

20352

21 =+=Δ+Δ

=Δttt

Nhiệt độ trung bình của nước giải nhiệt

5.372

4530 =+=nt oC

Tính hệ số cấp nhiệt α1 của hơi đi ngoài ống với nhiệt độ 65oC, r = 1145634 J/kg. Nhiệt lượng cần thiết để ngưng tụ hoàn toàn hơi ở đỉnh tháp: Q = Gp.(R+1).r = 51.36*31.55*(1.33+1)*1145634 = 4325399499 J/h Giả sử tổn thât nhiệt giữa hơi và thành là 6.1oC ta có T1 = 58.9oC, tm = 61.95oC . Tại nhiệt độ tm tra các giá trị như sau: r = 1123109.1J/kg; λ = 0.208W/m.độ; ρ = 756.022kg/m3; μ = 0.000344N.s/m2 Hệ số cấp nhiệt phía hơi sản phẩm đỉnh:

19.2113038.0*1.6*000344.0

022.756*208.0*1.1123109725.0..

..725.0 423

4

23

1 ==Δ

=dt

rμ

ρλα W/m2.độ

Cường độ dòng nhiệt của hơi ngoài ống; 44.12890)9.5865(*19.2113)(* 111 =−=−= Ttq hα W/m2.

Nhiệt trở của thành ống làm bằng X18H10T tính tương tự như trên ta được

0011.08.16

003.00005.0000387.021 =++=++=∑λδrrr W/m2.độ

Chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt của thành ống ΔT = 12890.44*0.0011 = 13.74 T2 = 58.9 – 13.74 = 45.16oC Chọn vận tốc nước trong ống là 0.3m/s; tra ở nhiệt độ trung bình của nước ta được ρ=992.75kg/m3, μ = 0.000688 N.s/m2; λ = 0.636 W/m2.độ

24.10389000688.0

024.0*75.992*3.0..Re ===μρω d

Chế độ chảy của nước trong ống là chế độ chảy xoáy, công thức tính chuẩn số Nu theo công thức trang 110 [2]; với các giá trị Pr = 4.6, Prt = 3.8 ta được Nu = 87.33 Hệ số cấp nhiệt của lỏng trong ống

7.1735032.0

636.0*33.87.2 ===

dNu λα W/m2.độ

Hệ số truyền nhiệt K

83.472

7.173510011.0

19.21131

1 =++

=K m2.độ/W

Diện tích truyền nhiệt


4.925.27*83.472*3600

4325399499 ==F m2

Số ống truyền nhiệt cần dùng

9201*032.0*14.3

4.92 ==n

Chọn số ống trên mỗi cạnh của hình lục giác là a = 19; số ống trên đường chéo là b = 2a -1 = 37. Vậy tồng số ống là 1027 ống. chọn bước ống là t = 0.0456 m Đường kính thiết bị là D = t(b-1) +4d = 1.77 m

III. CHIỀU CAO THÙNG CAO VỊ VÀ BƠM 3.1. Tổn thất áp suất từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt. Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt là

cmđ pppp Δ+Δ+Δ=Δ 111 [1- 376] Với Δpđ1 là áp suất động lực học , Δpđ1 = (ρ.ω2)/2 N/m2

1

2

1 ..2

. đtdtd

m pdL

dLp Δ==Δ λρωλ N/m2 là áp suất để khắc phục trở lực do ma sát khi dòng chảy ổn

định trong ống thẳng [1- 377] Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ:

1

2

1 .2 đc pp Δ==Δ ξρωξ N/m2 [1- 377]

Chọn đường ống dẫn có d = 0.08m, tại nhiệt độ đầu vào của dung dịch ta tra được các thông số ρ = 929.5 kg/m3; μ = 0.0016 N.s/m2. Vận tốc của dòng lỏng đi trong ống là

smd

V /24.008.0*785.0*5.929*3600

4000*785.0 22 ===ω

31.262

24.0*5.929 2

1 ==Δ đp N/m2

Chọn chiều dài của ống là L = 4m, độ nhám ống ε = 0.0002 m.

032.110580016.0

5.929*024.0*24.0..Re ===μρω d

51.5648)0002.0024.0.(6).(6Re 7/87/8 ===

εtd

ghd

[1- 378]

34.186097)0002.0024.0.(220).(220Re 8/98/9 ===

εtd

nd

[1- 379]

Vì Regh < Re < Ren nên hệ số ma sát được tính như sau:

034.0)032.11058

100024.0

0002.046.1(*1.0)Re10046.1(1.0 25.025.0 =+=+=

tddελ

16.4131.26024.02.1*034.01 ==Δ mp N/m2

Tính tổng trở lực cục bộ trên đường ống bằng cách tra bảng II.16, [1- 382] Trở lực từ thùng cao vị vào ống: 0.5 Trở lực từ ống vào thiết bị gia nhiệt: 0.5


Trở lực do ba góc chuyển hướng 90: 0.45 Trở lực do van tiêu chuẩn mở hoàn toàn:4 Tổng trở lực cục bộ ξ = 5.45

39.14331.26*45.51 ==Δ cp Tổng tổn thất áp suất từ bồn cao vị đến thiết bị gia nhiệt Δp1 = 26.31 + 41.16 + 143.39 = 213.86 N/m2 3.2. Tổn thất áp suất từ thiết bị gia nhiệt đến tháp chưng cất Nhiệt độ của dung dịch sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt là 79oC. Ở nhiệt độ này ta tra được các thông số ρ = 902 kg/m3; μ = 0.00043 N.s/m2. Chọn đường kính ống d = 0.08m, chiều dài L= 1m, độ nhám ε = 0.0002 m. Vận tốc của dòng nhập liệu sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt là ω = 0.245 m/s.

11.272

245.0*902 2

2 ==Δ dp N/m2

17.4114600043.0

902*08.0*245.0Re ==

Regh < Re < Ren nên hệ số ma sát

028.0)17.41146

100024.0

0002.0*46.1(*1.0 25.0 =+=λ

46.911.27*024.01*028.02 ==Δ mp N/m2

Tính tương tự như trên ta với một góc chuyển hướng 90o ta được hệ số trở lực cục bộ ξ = 5.15 63.13911.27*15.52 ==Δ cp N/m2

Tổng tổn thất áp suất từ thiết bị gia nhiệt đến tháp chưng luyện 21.17663.13946.911.272222 =++=Δ+Δ+Δ=Δ cmđ pppp N/m2

3.3. Tổn thất áp suất trong thiết bị gia nhiệt Nhiệt độ trung bình của dung dịch trong thiết bị gia nhiệt là 57.7oC; ở nhiệt độ này ta tra các giá trị ρ = 914.26 kg/m3, μ = 0.00075 N.s/m2. Chọn ống có chiều dài L = 1.2m, ε = 0.0002m, ống có d =0.024m. Vận tốc của dòng lỏng trong ống

69.2024.0*785.0*26.914*3600

40002 ==ω m/s

41.33022

69.2*26.914 2

3 ==Δ đp N/m2

17.5897600075.0

032.0*26.914*69.2Re ==

19.1982)0002.0032.0(*6Re 7/8 ==gh

12.66383)0002.0032.0(*220Re 8/9 ==n

Regh < Re < Ren nên hệ số ma sát là

18.0)17.58976

100032.0

0002.0*46.1(*1.0 25.0 =+=λ


33.58859.1044*032.01*189.03 ==Δ mp N/m2

Tổng tổn thất áp suất trong thiết bị gia nhiệt Δp3 = 1044.9 + 5885.33 = 6930.23 N/m2 3.4. Chiều cao thùng cao vị Phương trình Becnulli cho hai mặt cắt 1-1 ( mặt cắt tại mặt chất lỏng trên thùng cao vị) và 2-2 (mặt cắt tại vị trí ống dẫn liệu vào tháp) với mặt cắt 2-2 làm gốc.

PPPgZ Δ++=++2.

2...

222

2

211

111ωρωρρ

Với Z1: chiều cao từ đĩa tiếp liệu đến mặt thoáng chất lỏng trên thùng cao vị P1 = Pa = 98100 N/m2 ρ1 = 929.5 kg/m3

ω1 = 0 m/s Chọn ống d = 0.08m, L = 8.4m. vận tốc của dòng lỏng trong ống ω2 = 0.245m/s P2 = Pa+ ΔPul = 98100 + 8434.74 = 106534.74 N/m2 Tổng tổn thất áp suất từ thùng cao vị đến mặt cắt 2-2. ΔP = ΔP1 + ΔP2 + ΔP3 = 7320.31 N/m2 Vậy chiều cao từ đĩa tiếp liệu đến mặt thoáng chất lỏng trên thùng cao vị Z1 = 2 m Tổng chiều cao từ mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị đến mặt đất là H = Z1 + Z2 = 6 m. Với Z2 là chiều cao từ mặt đất đến đĩa tiếp liệu , bằng tổng chiều cao của đoạn chưng, chiều cao đáy, chiều cao chân đế, chiều cao khoảng giữa đoạn chưng và nắp để hồi lưu hơi, chiều cao khoảng dưới đĩa tiếp liệu đến đệm. 3.5. Tính bơm Chọn đoạn đường ống từ bơm đến bồn cao vị có L = 7m; d = 0.08m, vận tốc dòng lỏng ω = 0.238m/s. Từ đó ta tính được Δpđ4 = 26.31 N/m2; Δpm4 = 77.27 N/m2; Δpc4 = 111.16 N/m2. Tổng tổn thất áp suất từ bơm đến thùng cao vị là Δp = 214.75 N/m2. Áp suất cần thiết của bơm để bơm chất lỏng lên thùng cao vị

59.7498575.2147*81.9*5.929.. =+=Δ+= pHgP ρ N/m2 Lưu lượng của bơm

0012.03600*5.929

4000 ==Q m3/s.

Công suất yêu cầu của bơm

112.08.0*1000

59.74985*0012.01000

. ===η

PQN kW

Với η = 0.8 là hiệu suất bơm Công suất động cơ điện, chọn ηtđ = 0.9; ηđc = 0.9

138.09.0*9.0

112.0.

===đctđ

dcNNηη

kW

Thường chọn công suất động cơ lớn hơn công suất tính toán một thừa số β = 2, tra trong [1- 440] Vậy công suất động cơ điện sử dụng là

28.0138.0*2. === đccđc NN β kW


Chọn bơm ly tâm có công suất động cơ điện là 0.3 kW.

IV. TÍNH THIẾT BỊ GIA NHIỆT ĐÁY Chọn thiết bị gia nhiệt đáy là nồi đun Kettle. Ống truyền nhiệt làm bằng thép X18H10T có kích thước 38x3. Hơi gia nhiệt là hơi nước bão hòa ở 2at. Nhiệt độ hơi nước là 119.62oC. Dòng sản phẩm đáy trước khi vào nồi đun có nhiệt độ 99.2oC Dòng sản phẩm sau khi ra khỏi nồi đun có nhiệt độ 99.7oC Nhiệt độ trung bình của dòng sản phẩm đáy t = 99.45oC = 372.45 K Δt tính tương tự như các phần trên, Δt = 20.17 Nhiệt lượng do hơi nước cung cấp Qđ = D2*rn = 2323.46*2203303.5=5119287550 J/h = 1422026 W Tính α1 phía dòng hơi

4

23

1 ....725.0

dtrΔ

=μ

ρλα W/m2.độ [5- 120]

Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa dòng hơi trong ống và tường là 2.1oC. Nhiệt độ tường là T1 = 117.52oC Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước rn = 2203303.5 J/kg. Độ dẫn nhiệt của hơi nước λn = 0.587 W/m.độ Khối lượng riêng của hơi nước ρ = 958 kg/m3 Độ nhớt của hơi nước μ = 0.0002838 N.s/m2

54.8404038.0*2.3*0002838.0958*587.0*5.2203303725.0 4

23

1 ==α W/m2.độ

Cường độ dòng nhiệt của hơi trong ống 54.176491.2*54.8404.1 ==Δ= tqn α W/m2

Nhiệt độ mặt ống phía dòng lỏng 35.103000803.0*54.1764952.117.12 =−=−= rqTT n

oC Tính α2 phía dòng lỏng

37.0117.045.0

7.075.0333.0033.0

'

'2

2 )()(10*77.7TC

qrμ

λσρ

ρρρα−

= − W/m2.độ [2- 26]

Với ρ = 957.084 kg/m3, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng ρ’ = 0.59 kg/m3, khối lượng riêng của hơi r = 2253560 J/kg, ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp σ = 0.0124 N/m, sức căng bề mặt của hỗn hợp λ = 0.585 W/m.độ, hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng μ = 0.0002822 N.s/m2, độ nhớt của hỗn hợp C = 4227 J/kg.độ, nhiệt dung riêng của hỗn hợp

22.438345.37242270002822.0

54.17649585.0)0124.0

084.957()59.0084.957

2253560*59.0(10*77.7 37.0117.045.0

7.075.0333.0033.02

2 =−

= −α

Hệ số truyền nhiệt

47.869

22.43831000803.0

54.84041

111

1

21

=++

=++

=

ααr

K W/m2.độ


Diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết

09.8117.20*47.869

1422026.

==Δ

=tK

QF đ m2

Số ống cần dùng

8071*032.0*14.3

09.81..

===Ld

Fnπ

ống

Chọn n = 817 ống ta có a = 17 ống, b = 33 ống, chọn bước ống t = 45.6mm Đường kính thiết bị gia nhiệt sản phẩm đáy D = t.(b-1)+4d = 45.6*(33-1) +4*38 = 1579.2 mm E. AN TOÀN LAO ĐỘNG I. PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ

Tất cả các chất lỏng đều có khả năng bay hơi và nhiệt độ bay hơi phụ thuộc vào nhiệt độ sôi của nó. Sự cháy khi nào cũng xảy ra trong pha hơi và trên bề mặt thoáng của chất lỏng. Sau khi đã bay hơi thì sự cháy và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đều giống như sự cháy của hơi, khí.

Khả năng cháy của chất lỏng có thể xác định bằng các thông số khác nhau như nhiệt độ bùng cháy, nhiệt độ bốc cháy, nhiệt độ tự bốc cháy hoặc giới hạn nổ, nhưng hay dùng nhất là nhiệt độ bùng cháy. Chất lỏng càng dễ cháy thì nhiệt độ bùng cháy càng thấp và nhiệt độ bốc cháy càng gần nhiệt độ bùng cháy.

1.1. Những nguyên nhân gây cháy nổ trực tiếp:

Như tabiết, một đám cháy xuất hiện cần có 3 yếu tố: đó là chất cháy, chất oxy hóa với tỷ lệ xác định giữa chúng với mồi bắt cháy.

Mồi bắt cháy trong thực tế cũng rất phong phú. Sét là hiện tượng phóng điện giữa các đám mây có tích điện trái dấu hoặc giữa đám mây với

mặt đất. Điện áp giữa đám mây với mặt đất có thể đạt hàng triệu hay hàng trăm triệu vôn. Nhiệt độ do sét đánh rất cao, hàng chục nghìn độ, vượt quá xa nhiệt độ tự bắt cháy của các chất cháy được.

Hiện tượng tĩnh điện: tĩnh điện sinh ra do sự ma sát giữa các vật thể. Hiện tượng này rất hay gặp khi bơm rót (tháo, nạp) các chất lỏng nhất là các chất lỏng có chứa những hợp chất có cực như xăng, dầu,… Hiện tượng tĩnh điện tạo ra một lớp điện tích kép trái dấu. Khi điện áp giữa các lớp điện tích đạt tới một giá trị nhất định sẽ phát sinh tia lửa điện và gây cháy.

Mồi cháy cũng có thể sinh ra do hồ quang điện, do chập mạch điện, do đóng cầu dao điện. Năng lượng giải phóng ra của các trường hợp trên thường đủ để gây cháy nhiều hỗn hợp. Tia lửa điện là mồi khá phổ biến trong mọi lĩnh vực sử dụng điện. Tia lửa có thể sinh ra do ma sát, va đập giữa các vật rắn.

Trong công nghiệp hay dùng các thiết bị có nhiệt có nhiệt độ cao, đó là các mồi bắt cháy thường xuyên như lò đốt, lò nung; các thiết bị này hay sử dụng các nhiên liệu như than, sản phẩm dầu mỏ, các loại khí cháy tự nhiên, nhân tạo; do đó nếu thiết bị hở mà không phát hiện được để xử lý kịp thời sẽ gây cháy nổ nguy hiểm.

Đôi khi cháy nổ xảy ra do độ bền của thiết bị không đảm bảo, chẳng hạn áp suất trong bình khí nén có thể gây nổ nếu như độ bền của bình không đảm bảo.

Trong sản xuất nếu nhiệt độ gia nhiệt của một chất cháy nào đó lớn hơn nhiệt độ bùng cháy cũng gây ra cháy, nổ. Một số chất khi tiếp xúc với nước như cacbua canxi (CaC2) gây cháy nổ;


nhiều chất khi tiếp xúc với ngọn lửa trần hay tàn lửa rất dễ gây cháy nổ, chẳng hạn như thuốc nổ clorat kali (KClO3)…

Nhiều khi cháy nổ xảy ra do người sản xuất thao tác không đúng quy trình, chẳng hạn dùng chất dễ cháy để nhóm lò gây cháy, không thực hiện đúng trình tự thao tác…

Có thể thấy rằng nguyên nhân cháy nổ rất đa dạng từ thiết kế, công nghệ, quản lý, thanh tra, kiểm tra trong sản xuất.

1.2. Các biện pháp phòng chống cháy nổ: • Ngọn lửa trần:

Đôi khi người ta vẫn sử dụng ngọn lửa trần (không che chắn kín) để chưng cất các chất lỏng dễ cháy. Những vụ cháy nổ thường xuyên xảy ra với các thiết bị kiểu này là bằng chứng về sự nguy hiểm của chúng. Một mặt, nguy cơ cháy nổ có thể xuất hiện trong quá trình rót nạp chất lỏng hoặc do thiết bị chứa chất lỏng không kín. Mặt khác có nguy cơ là hơi chưng cất bốc lên và lắng xuống phía dưới tiếp xúc với lửa.

Khi làm việc với ngọn lửa trần phải thường xuyên kiểm tra độ kín của các ống dẫn khí (hoặc hơi) bằng cách dùng dung dịch của chất có bọt (như dung dịch xà phòng) phết lên các chỗ cần kiểm tra để phát hiện xem khí (hoặc hơi) có rò rỉ ra ngoài không.

Chỉ được thực hiện các công việc hàn hoặc các công việc có sử dụng ngọn lửa trần trong những dây chuyền sản xuất có nguy hiểm cháy nổ nếu đước sự đồng ý và cho phép của cấp thẩm quyền bằng văn bản chính thức, đồng thời phải thực hiện các biện pháp phòng chống cháy nổ thích hợp. Trong trường hợp cần thiết phải có đội cứu hỏa trực tại chỗ. • Hoạt động của xe, máy có động cơ điện:

Hoạt động của các xe, máy có chạy bằng động cơ điện phải được quy định đặc biệt. Các xe, máy này không được hoạt động trong khu vực nguy hiểm và nếu hoạt động gần đó thì phải giữ một khoảng cách an toàn là 10m (đối với khu vực có khi dễ cháy thì khoảng cách an toàn là 20m). Những khu vực nguy hiểm ở đây là những khu vực có khả năng xuất hiện hỗn hợp dễ cháy nổ giữa khí, hơi hoặc bụi với không khí, ví dụ những khu vực kho có chất dễ cháy nổ, những khu vực có thao tác pha trộn, rót, nạp các khí và chất lỏng dễ cháy nổ. Đối với những khu vực chỉ lưu giữ lượng nhỏ khí hoặc chất lỏng dễ cháy (ví dụ 10 bình khí cỡ nhỏ) thì không cần giữ khoảng cách an toàn trên. Xung quanh các khu vực có nguy hiểm cháy nổ phải có biển cảnh báo đặt ở vị trí dễ thấy. • Hút thuốc lá, bật diêm, đốt lửa:

Lệnh cấm hút thuốc lá phải được tuân thủ tuyệt đối trong các khu vực có nguy hiểm cháy nổ. Mặt khác cần quy định những nơi đước phép hút thuốc lá và nếu có điều kiện thì bố trí các phòng được phép hút thuốc lá. Việc không có hoặc có quá ít các phòng được phép hút thuốc lá có thể dẫn đến sự vi phạm lệnh cấm hút thuốc với những hậu quả rất nặng.

Các hành động bật diêm, đốt lửa cũng phải đươc cấm hoàn toàn. • Các thiết bị điện:

Trong những khu vực có nguy hiểm nổ, các thiết bị điện phải được thiết kế lắp đặt sao cho: - Nhiệt độ cao nhất của các phần thiết bị điện luôn thấp hơn nhiệt độ bùng cháy của hỗn hợp

nguy hiểm. - Các bộ phận có phát ra tia lửa điện đều được bảo vệ che chắn. • Các nguồn gây tác nhân cháy khác:


- Tia lửa do hàn điện, mài hoặc va đập. - Tĩnh điện. - Các khí và hơi có nhiệt độ bùng cháy thấp có thể sẽ bốc cháy khi gặp các vật thể nóng. - Các phản ứng tỏa nhiệt có thể trở nên nguồn tác nhân đốt nóng và gây cháy nguy hiểm nếu

nhiệt độ phản ứng tăng quá cao.

II. AN TOÀN ĐIỆN 2.1. Các nguyên nhân gây ra tai nạn điện :

Tai nạn điện giật xảy ra khi cơ thể con người tiếp xúc với 2 điển điện thế khác nhau khiến cho một dòng điện chạy qua cơ thể. Có thể xảy ra các tình huống sau: • Chạm vào 2 dây điện trong mạng điện: Đối với mạng điện 3 pha nếu cùng chạm vào 2 dây

nóng cơ thể sẽ chịu một điện áp dây, nếu chạm vào 1 dây nóng và 1 dây nguội cơ thể sẽ chịu điện áp pha. Điện áp dây có giá trị bằng 1,73 lần điện áp pha nên mức độ nguy hiểm cũng cao hơn.

• Chạm một dây nóng trong mạng 3 pha trung tính nối đất (mạng sao): Nếu cơ thể không cách điện với đất sẽ chịu một điện áp pha.

• Chạm một dây nóng trong mạng 3 pha trung tính không nối đất (mạng tam giác): Dòng điện qua cơ thể phụ thuộc giá trị điện trở rò và điện dung ký sinh của mạng.

• Rò điện ra vỏ thiết bị: Vỏ thiết bị, động cơ,… thường không mang điện. Khi chất lượng cách điện giảm hay dây dẫn điện của thiết bị chạm vỏ sẽ làm vỏ thiết bị mang điện (tương tự như một dây nóng trong mạng điện), nếu người chạm vào vỏ thiết bị sẽ bị điện giật.

• Do điện áp bước • Do phóng điện cao áp • Do hồ quang

2.2. Các biện pháp kỹ thuật đề phòng tai nạn điện :

• Nối đất bảo vệ. • Nối đất trung tính (còn gọi là nối không). • Nối đẳng thế. • Dùng điện áp thấp. • Biến áp cách ly. • Cắt điện bảo vệ. • Cách điện. • Ngăn chặn và che chắn.

F. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Tập thể tác giả, “ Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công Nghệ Hóa Chất Tập 1”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1999, 632tr. [2]. Tập thể tác giả, “ Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công Nghệ Hóa Chất Tập 2”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1999, 448tr. [3]. Vũ Bá Minh, Võ Văn Bang, “Quá trình và Thiết bị Công Nghệ Hóa Học và Thực Phẩm – Tập 3 – Truyền Khối”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2007, 390tr.


[4]. Hồ Lê Viên, “Tính Toán, Thiết Kế Các Chi Tiết Thiết Bị Hóa Chất và Dầu Khí”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006, 240tr. [5]. Phạm Văn Bôn, Vũ Bá Minh, Hoàng Minh Nam, “ Quá trình và Thiết bị Công Nghệ Hóa Học - Tập 10 - Ví dụ và Bài tập”, Nhà xuất bản Trường Đại học Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, 468tr.

Documents

Chung Cat Methanol Nuoc