Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp Benzen - Toluen có năng suất 200l/ h tính theo sản phẩm đỉnh

Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp Benzen - Toluen có năng suất 200l/ h tính theo sản phẩm đỉnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Thành phố Hồ Chí Minh

Khoa: Công nghệ Hóa & Thực phẩm Bộ môn: Quá trình và Thiết bị

ĐỒ ÁN

MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB MÃ SỐ: 605040

Họ và tên sinh viên: Vũ Tiến Dũng Lớp: HC06MB

Ngành (nếu có): Máy & Thiết Bị

1 Đầu đề đồ án: Thiết kế tháp mâm chĩp chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen có năng suất 200 l/h tính theo sản phẩm đỉnh

2 Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu): - Nồng độ nhập liệu: F = 40%phần khối lượng - Nồng độ sản phẩm đỉnh: D = 98% phần khối lượng - Nồng độ sản phẩm đáy: W = 1% phần khối lượng - Nguồn năng lượng và các thông số khác tự chọn 3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

Xem ở phần mục lục

4 Các bản vẽ và đồ thị (loại và kích thước bản vẽ):

Gồm 2 bản vẽ A1: bản vẽ quy trình công nghệ và bản vẽ chi tiết thiết bị 5 Ngày giao đồ án: 6/10/2009

6 Ngày hoàn thành đồ án: 18/01/2010 7 Ngày bảo vệ hay chấm: 25/01/2010

Ngày 6 tháng 10 năm 2009

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN

Cán bộ hướng dẫn Nhận xét:

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung Một trong những ngành có đóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất các hoá chất cơ bản.

Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp Đối với hệ benzen – toluen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzen.

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai Môn học này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp.

Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợpBenzen – Toluen ở áp suất thưởng với năng suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene)là 200 lít/h có nổng độ 98% phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là99% khối lượng Toluene,Nồng độ nhập liệu là 40% khối lượng Benzene, nhậpliệu ở trạng thái lỏng sôi.

MỤC LỤC

Lời mở đầu 3

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 4

I. Lý thuyết về chưng cất 5

II. Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu 7

CHƯƠNG 2 : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 9

CHƯƠNG 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT 10

I. Các thông số ban đầu 10

II. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được 10

III. Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc 11

IV. Xác định phương trình đường làm việc – Số mâm lý thuyết 13

V. Xác định số mâm thực tế 14

CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT 16

I. Đường kính đoạn cất 16

II. Đường kính đoạn chưng 18

III. Trở lực của tháp 20

CHƯƠNG 5 : CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 22

I. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 22

II. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu 22

III. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 22

IV. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 22

V. Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp 23

VI. Chân đỡ - tai treo 31

CHƯƠNG 7 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHU 33

I.Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 33

II.Thiết bị đun sôi đáy tháp 36

III.Thiết bị làm nguôïi sản phẩm đỉnh 39

IV.Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 43

V.Thiết bị đun sơi nhập liệu 47

VI.Bồn cao vị 50

VII.Bơm 52

Kết luận 54Tài liệu tham khảo 54

Chương 1 :

TỔNG QUAN

I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : 1 Khái niệm :

- Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác nhau).

- Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

- Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của 2 quá trình này là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi.

- Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phẩm :

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) - Đối với hệ Benzen – Toluen

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen  Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen.

 Nguyên tắc làm việc : dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử  Cấp nhiệt gián tiếp

Vậy : Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất

3 Thiết bị chưng cất :

Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, …Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.

 Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đượ cho tiếp xúc với nhau Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có :

- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, … - Tháp mâm xuyên lỗ : trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.

 Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp :

Ưuđiểm

- Cấu tạo khá đơn giản - Trở lực thấp.

- Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có    của

- Do có hiệu ứng thành  khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng  khó tăng năng suất.

Vậy :qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen – Toluen.

II GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU : 1 Benzen & Toluen :

Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ.Công thức

phận tử là C6H6 Benzen không phân cực,vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực và tan rất ít trong nước Trước đây người ta thường sử dụng benzen làm dung môi Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế

Toluen: là một hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng và có tính thơm ,công thức phân tử tương tự

như benzen có gắn thêm nhóm –CH3 Không phân cực,do đó toluen tan tốt trong benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp.

Các tính chất vật lí của toluen: o Khối lượng phân tử : 92,13 o Tỉ trọng (20oC) : 0,866

o Nhiệt độ nóng chảy : -95 oC

Các phương thức điều chế :

o Đi từ nguồn thiên nhiên

Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ….

o Đóng vòng và dehiro hóa ankane

o Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt CH3(CH2)4CH3 Cr2O3/Al2O3

C6H6

o Dehidro hóa các cycloankane

Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen

C6H12  Pt /Pd C6H6

o Đi từ acetylen

Đun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken như Ni(CO)[(C6H5)P] sẽ thu được benzen

3C2H2xt C6H6

o Từ benzen ta có thể điều chế được các dẫn xuất của benzen như toluen bằng phản ứng Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự có mặt cảu xúc tác AlCl3 khan

C6H6 + CH3- Cl  AlCl3 C6H5-CH3

2 Hỗn hợp benzen – toluen :

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen ở 760 mmHg.(Tham khảo STT1)

x (% phân mol)05102030405060708090100y (% phân mol)011,821,43851,161,971,27985,49195,9100t (oC)110,6108,3106,1102,298,695,292,189,486,884,482,380,2

Chương 2 :

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen là 40% (phần khối lượng), nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu là 300C tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Dòng nhập liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong thiết bị truyền nhiệt ống chùm Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (6) ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (14).

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống phía dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (10) lôi cuốn cấu tữ dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là toluen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều nhất (nồng độ 98% phần khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (7) được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (8), được làm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống(8) rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (9) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế(5) Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Toluen) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Toluene là 99% phần khối lượng, còn lại là Benzene Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (10) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được cho qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13) rồi đi vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy(13) sau đó vào bồn chứa sản phẩm đáy(12)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Benzen, sản phẩm đáy là Toluen

Chương 3 :

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Chọn loại tháp là tháp mâm chĩp.

Khi chưng luyện hỗn hợp Benzen - Toluen thì cấu tử dễ bay hơi là Benzen.

 Nồng độ nhập liệu : xF = 40% phân khối lượng  Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 98% phân khối lượng  Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 99% phân khối lượng  Nhiệt độ nhập liệu: nhập liệu ở trạng thái lỏng sơi  Chọn:

 Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 94oC

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 35oC  Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 30oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40oC  Các ký hiệu:

 F , F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h  D, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h  W , W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h  xi, xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG DỊNG NHẬP LIỆU VÀ DỊNG SẢN PHẨM

III XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP :

* Chỉ số hồi lưu tối thiểu :

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước và bơm…) là tối thiểu.

Hình 1: Đồ thị cân bằng pha của hệ Benzen – Toluen tại P = 1atm

Với S – diện tích tiết diện ngang của tháp; H – chiều cao tháp Mặt khác diện tích tiết diện tháp tỉ lệ vơi lượng hơi, lượng hơi này lại tỉ lệ với lượng hồn lưu hay S tỉ lệ với R Chiều cao tháp tỉ lệ với số đĩa lý thuyết Nlt Vậy thể tích tháp tỉ lệ với giá trị Nlt.(R+1) Lần lượt cho các giá trị R và tìm thể tích tháp, ứng với giá trị nào nhỏ nhất của thể tích tháp thì R đĩ là tỉ số hồn lưu tối ưu.

Theođđồ thị trên ta chọn giá trị tỉ số hồi lưu thích hợp R = 2,48

IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC - SỐ MÂM LÝ THUYẾT:1 Phương trình đường làm việc của đoạn cất:

2 Phương trình đường làm việc phần chưng:

-Phương trình đường làm việc của phần chưng

Hình 2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chưng hệ Benzen – Toluen tại P = 1atm

3 Số đĩa lý thuyết :

Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết :

Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc phần cất và phần chưng Trên đồ thị y-x ta lần lượt vẽ các đường bậc thang từ đó xác định được số đĩa lý thuyết là14.56 đĩa, ta lấy trịn 15

Từ đồ thị, ta có : 15 đĩa bao gồm : 6 mâm cất 1 mâm nhập liệu

6 mâm chưng (5 mâm chưng + 1 nồi đun) Tóm lại, số đĩa lý thuyết là Nlt = 15 mâm.

V XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:

cĩ nhiều phương pháp xác định số mâm thực của tháp, ngoại trừ các ảnh hưởng của thiết kế cơ khí tháp thì ta cĩ thể xác định số mâm thực dựa vào hiệu suất trung bình:

Trong đĩ ni - hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ, n - số vị trí tính hiệu suất Trong trường hợp này ta tính

x y

x

Với nDnFnW - lần lượt là hiệu suất ở đĩa trên cùng, hiệu suất ở đĩa nhập liệu và hiệu suất ở đĩa dưới cùng

- Xác định nD

ta có: Tđ(nhiệt độ đỉnh tháp) = 800C, xD = 0,983 suy ra yD = 0,994 sử dụng bảng I.101 trang 91 STT1 tra và nội suy các giá trị độ nhớt B = 0,316.10-3 N.s/m2, T = 0,319.10-3

 hh = 2,87.0,316 = 0,905, theo hình IX.11 trang 171 thì nD= 0,53 - Xác định nF , tương tự như trên ta có:

TF(nhiệt độ đĩa nhập liệu) = 940C, xf = 0,44 suy ra yD = 0,643 sử dụng bảng I.101 trang 91  5 tra và nội suy các giá trị độ nhớt B = 0,277.10-3 N.s/m2, T = 0,291.10-3 N.s/m2 Độ nhớt của hỗn hợp lg hh = xD.lgB – (1- xD).lgT (theo công thức I.12 trang 84

 hh = 2,29.0,293 = 0,672, theo hình IX.11 trang 171 thì nD= 0,58 - Xác định nw, tương tự như trên ta có:

Tw(nhiệt độ đĩa dưới cùng) = 1100C, xw = 0,012 suy ra yD = 0,065 sử dụng bảng I.101 trang 91  5 tra và nội suy các giá trị độ nhớt B = 0,239.10-3 N.s/m2, T = 0,250.10-3

TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT

* Đường kính tháp chưng cất (Dt) :

Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp m3/h tb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp m/s gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp Kg/h.

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau.

I Đường kính đoạn cất :

1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất :

gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp kg/h g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất kg/h  Xác định gd:

gd = D.(R+1) =2,07.(2,48+1) = 7,204 kmol/h = 563,93 kg/h

(Vì MhD =78.yD+(1-yD).92 = 78,28 kg/kmol)  Xác định g1 : Từ hệ phương trình :

G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp

* Tính r1 : t1 = tFs = 94oC , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có : Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : rB1 = 383,1 kJ/kg.

Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : rT1 = 371,3 kJ/kg Suy ra : r1 = rB1.y1 + (1-y1).rT1 = 373,1y1 - 11,8y1

 r1 = 373,1y1 - 11,8y1 kJ/kg

* Tính rd : tD = 80 oC , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có : Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : rBd = 393,3 kJ/kg Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : rTd = 378,3 kJ/kg Suy ra : rD = rBd.yD + (1-yD).rTd = 393,3.0,99 + 378,3.0,01  rD = 393,15 kJ/kg

(với xD = 0,983 suy ra yD theo phân khối lượng là 0,99) * x1 = xF = 0,4(ta coi n)

Giải hệ (IV.1) , ta được : G1 = 593,3 kg/h

y1 = 0,524 (phân khối lượng benzen) g1 = 755,1 kg/h

2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất :

Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn cất:

y.wytb 0,065.  h.xtbytb

Với : xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng kg/m3 ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi kg/m3 h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-1,2m)

g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng ; kg/h g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng ; kg/h.

1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng * Tính r’1 : xW =0,012(phần mol) tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : y*W

=0,016(phần mol), tương đương với nồng độ khối lượng là y*W = 0,014(phần khối lượng)

t’1 = tW = 110oC, tra bảng I.212, trang 254, [5], ta có :

Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : r’B1 = 370,56 kJ/kg Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : r’T1 = 362,20 kJ/kg  r’1 = r’B1.yW + (1-yW).r’T1 =362,3 kJ/kg

* Tính r1 : t1 = tFs = 94oC , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có : Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : rB1 = 383,1 kJ/kg.

Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : rT1 = 371,3 kJ/kg.

2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng :

Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn chưng:

y.wytb 0,065.  h.xtbytb

Với : xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng kg/m3 ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi kg/m3 h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-1,2m)

Nồng độ phân mol trung bình : xtb =

Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá lớn

nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 0,50 m Khi đó tốc độ hơi ở chế độ làm việc thực:

Trong đĩ Nt - số đĩa thực tế; bề dày của đĩa, m; 0,8 ÷ 1 – khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị, m; Hđ – khoảng cách giữa các đĩa, m

H = 26.(0,25 +0,004 ) +0,8 = 7,4 m lấy trịn là H = 7,5 m Trong đĩ bề dày đĩa m tính ở phần bề dày đĩa

Vậy kết luận chiều cao tháp H = 7,5 m

III.Tr ở lực của tháp chĩp :

Trở lực của tháp chóp bao gồm: tổn thất áp suất khi dòng khí đi qua đĩa khô, tổn thất do sức căng bề mặt, tổn thất thất do lớp chất lỏng trên đĩa và bỏ qua sự biến đổi chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa

Trở lực của tháp chóp được xác định the công thức:

 - Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa, N/m2 Trở lực của đĩa khô Pk :

Trong đó:  - hệ số trở lực, thường chọn  = 4,5 – 5(ở đây ta chọn  = 5); y -khối lượng riêng của pha hơi, kg/m3; w0 – tốc độ khí qua rãnh chóp, m/s

Với khối lượng riêng pha hơi đi trong toàn tháp:

Ở đây fx- diện tích tiết diện tự do của rãnh fx= a.b = 5.10 = 50mm2 với a,b là bề rộng và chiều cao của rãnh chóp, mm  - chu vi rãnh chóp, = 2.(a+b) = 30mm

, với  là sức căng bề mặt trung bình của phần chưng và phần cất, như ta đã tính ở phần vận tốc hơi đi trong tháp thì

Trong đó b – chiều cao khe chóp, m; b- khối lượng riêng bọt, kg/m3; hb – chiều cao của lớp bọt trên đĩa, m; g – gia tốc trọng trường, m/s2

+ Khối lượng riêng bọt b = 0,5x = 0,5.795,5 = 379,75 kg/m3, với x- khối lượng riêng trung bình pha lỏng phần chưng và phần cất,

+ hb – chiều cao lớp bọt lấy bằng hai lần chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa, theo phần tính toán cho đĩa thì chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa là 25mm, vậy hb = 50mm

+b – chiều cao khe chóp, tính toán ở phần chóp ta có b = 10mm

CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

Qnt =(R+1)D.rD kW

QF =CF .F(TF - TVào), kW

 Tại xF = 0,44 nội suy từ bảng IX-2a trang 146 STT2 ta có TF = 94oC Nhiệt dung riêng của nhập liệu tra ở nhiệt độ trung bình t =94 225=59,5oC tại nhiệt độ này ta có CB =1930 J/kgđộ , CT=1900 J/kgđộ (Bảng I.153 TR171-172  5 ) Ta có CF=xF CB + (1-xF )CT = 0,4.1930+ (1-0,4).1900 = 1913,2 J/kgđộ Do đó QF=1913,2 4,87.86,43600 (94 -25) = 15,43 kW

Nếu coi tổn thất trên đường nhập liệu bằng 5% thì QF = 1,05.15,43=16,2 Kw

Nhiệt dung riêng cũng được xác định ở nhiệt độ trung bình T=80 235 =57,5oC Tại nhiệt độ này ta nội suy các giá trị nhiệt dung riêng ở bảng I.153 TR171-172- 5 : CB=1877.5 J/kgđộ , CT=1850 J/kgđộ

Tương tự ta tính được CD=1877 J/kgđộ

Do đó QD =2,073600.86,4.1877 (80-35)=5,13 kW

Từ cân bằng nhiệt lượng ta có:

QT = Qnt + QW + QD – QF + Qf=1,05.( 61,42 + 11,86 + 5,13- 16,2 ) = 65,32 kW

Qf : là lượng nhiệt tổn thất, ta lấy khoảng 5% tổng lượng nhiệt cĩ ích cung cấp cho đáy tháp

CHƯƠNG 6:

TÍNH TỐN CƠ KHÍ

I THÂN THÁP :

1 Bề dày thân :

Vì thiết bị hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía Để đảm bảo chất lượng của sản

thép không gỉ mã X18H10T Thân tháp được ghép với nhau bằng mối ghép bích Vì tháp làm việc với nhiệt độ lớn hơn 1000C nên cần phải bọc cách nhiệt cho tháp.

 Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán :  Nhiệt độ tính toán : t = tmax + 20 = 110 + 20 = 1300C

 Áp suất tính toán :

Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta coi áp suất tính tốn bằng với áp suất thủy tĩnh lớn nhất tác dụng lên đáy tháp Điều kiện nguy hiểm nhất chọn để tính tốn đĩ là tháp chứa đầy Toluene ở nhiệt độ 300C khi đĩ khối lượng riêng của Toluene ρT = 856,5 kg/m3

Nên: P= (Hthân + 2Hnắp).g.ρT = (7,5 + 2.0,15).9,81.856,5 = 61328 N/m2 ≈ 0,0613 N/mm2

Với dung tích tháp nhỏ hơn 30m3 ta chọn theo bảng 1.1 tr10- Tính tốn thiết kế chi tiết thiết bị hĩa chất dầu khí – Hồ Lê Viên thì áp suất tính tốn P = 0,01N/mm2, nên ta chọn áp suất tính tốn theo điều kiện nguy hiểm nhất như trên đã tính.

với Hnắp = h + ht = 125 +25 =150 mm(tính ở phần đáy nắp) Hệ số bổ sung do ăn mịn hĩa học của mơi trường:

Chọn hệ số bổ sung do ăn mịn hĩa học Ca = 1 mm  Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: của X18H10T

[]* = 140 N/mm2 (Hình 1.2, trang 16,  7 Hệ số hiệu chỉnh: η = 1

 Ứng suất cho phép: [] =  []* = 140 N/mm2 (chọn  = 1)  Hệ số bền mối hàn:

Vì dùng phương pháp hàn hồ quang điện kiểu hàn giáp mối hai phía

Quy trịn theo chuẩn: S = 2 mm, tuy nhiên dựa vào bảng 5.1 trg 94 -  7

Tính kiểm tra bền: Cho thân trụ hàn chịu áp suất trong

+ Số chĩp phân bố trên đĩa: n = 10 chĩp

Chọn số chĩp n = 10, với khoảng cách giữa tâm của hai chĩp 100mm + Chiều cao chĩp tính từ mặt đĩa đến đỉnh chĩp 70mm

+ Đường kính trong của chĩp 46mm

Với: ch - bề dày chĩp, thường lấy 2 mm - 3 mm, ta chọn 2 mm Suy ra đường kính ngồi của chĩp 50mm

+ Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chĩp S = 15 mm

+ Chiều cao gờ chảy tràn 45mm + Chiều cao khe chĩp

 - hệ số trở lực của đĩa chĩp, thường lấy bằng 1,5 -2; y x- khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng, kg/m3

+ Chọn khoảng cách lớn nhất từ gờ chảy chuyền đến thân tháp 60mm(bề dày 4mm) + Chọn khoảng cách từ gờ chảy tràn đến thân tháp 80mm(bề dày 4mm)

+ Bố trí các chĩp trên đĩa sao cho 3 chĩp liên tiếp nhau tạo thành hình tam giác đều

Tính Tốn Đáy và Nắp Thiết Bị

Chọn đáy và nắp có dạng hình ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10T

Nên bề dày đáy và nắp chịu áp suất trong tính theo cơng thức 6.9 (Tính tốn các chi tiết thiết bị hĩa chất và dầu khí –Hồ Lê Viên)

 – bán kính cong bên trong ở đỉnh đáy(nắp), m; h - hệ số bền mối hàn (lấy bằng 0,95); [k]- giới hạn bền kéo của vật liệu với X18H10T thì [σk] =540.106 N/m2; P – áp suất tính tốn N/m2; Ca – hệ số ăn mịn, mm

Ta thấy S – Ca = 0,05 < 10mm nên ta cộng thêm 2 mm nữa cho bề dày (theo hướng dẫn trg 386 – STT2) suy ra S = 3,05 mm lấy theo chuẩn S = 4 mm

Vì đáy nắp tiêu chuẩn nên ta cĩ:

+Diện tích bề mặt trong: Sđáy = 0,31 m2

+Thể tích chứa của đáy(nắp):Vđáychứa = 27,6.10-3 m3

+ Chiều cao gờ: hgờ = h = 25 mm +Diện tích bề mặt trong: Sđáy = 0,31m2

+Thể tích chứa của đáy(nắp):Vđáychứa = 27,6.10-3 m3

+ Rt = Dt = 500 mm

IV.Bích ghép thân và nắp:

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng:

 Bích liền : là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích này chủ yếu

dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình.

 Bích tự do : chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng

kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bị.

 Bích ren : chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao

Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích phẳng hàn kiểu 1 theo bảng XIII.27 trg417 STT2.

Với Dt = 500 mm và áp suất tính toán P = 0,061 N/mm2  chọn bích có các thông số sau

Trs bảng IX.5 trang 170  6 ứng với đường kính trong 500mm ta chọn số đĩa giữa hai bích là

Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định Đệm làm bằng các vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt của bích Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây amiăng, có bề dày là 3 mm.

Tính kiểm tra bề dày của bích theo cơng thức 7.1 trg 148 Tính tốn các chi tiết thiết bị hĩa chất và dầu khí -Hồ Lê Viên :

Cánh tay địn của mơment gây uốn:

P – áp suất của mơi trường trong thiết bị N/mm2

db – đường kính ngồi của bulong, mm

Chọn t = 20mm suy ra K = 0,887, thay vào tính t = 18,22 ta thấy giá trị t chọn và t tính tốn sai lệch khơng đáng kể (nhỏ hơn 5%) nên chọn bề dày bích h = t = 20 mm