Đang tải... (xem toàn văn)
tính toán và thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp hai cấu tử: Axeton – Nước với các số liệu sau: Năng suất theo hỗn hợp đầu: F= 5,38tấnh Nồng độ cấu tử dễ bay hơi:. Trong hỗn hợp đầu: xF=0,36 phần khối lượng. Trong sản phẩm đỉnh: xP=0,94 phần khối lượng. Trong sản phẩm đáy: xw=0,056 phần khối lượng Tháp làm việc ở áp suất thường Hỗn hợp đầu vào tháp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN LOẠI THÁP ĐĨA LỔ KHÔNG CÓ ỐNG CHẢY TRUYỀN ĐỂ PHÂN TÁCH HỖN HỢP AXETON – ETYLIC GVHD: VŨ MINH KHÔI SVTH: Trần Anh Tuấn MSSV: 0641120359 Lớp: ĐH Hóa – K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI Lời mở đầu Một ngành công nghiệp mũi nhọn đóng góp vào phát triển Kinh tế - Xã hội nước ta ngành công nghiệp Hóa học Trong thực tiễn sản xuất sử dụng hóa chất nhiều dạng khác nhau: hỗn hợp hay đơn chất tinh khiết Sản xuất ngày phát triển yêu cầu độ tinh khiết nguyên liệu hay sản phẩm ngày cao Vì người ta không ngừng cải tiến hoàn thiện phương pháp nâng cao độ tinh khiết hóa chất như: chưng cất, cô đặc, trích ly, hấp phụ, hấp thụ… Tùy theo yêu cầu sản phẩm tính chất hỗn hợp mà ta chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ Axeton – Etylic hỗn hợp tan hoàn toàn vào chúng có độ bay khác xa ( nhiệt độ sôi khác nhiều) nên người ta thường dùng phương pháp chưng cất để phân tách chúng Nhiệm vụ đồ án này: tính toán thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp hai cấu tử: Axeton – Nước với số liệu sau: - Năng suất theo hỗn hợp đầu: F= 5,38tấn/h - Nồng độ cấu tử dễ bay hơi: Trong hỗn hợp đầu: xF=0,36 phần khối lượng Trong sản phẩm đỉnh: xP=0,94 phần khối lượng Trong sản phẩm đáy: xw=0,056 phần khối lượng - Tháp làm việc áp suất thường - Hỗn hợp đầu vào tháp gia nhiệt đến nhiệt độ sôi SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ AXETON VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI I.Giới thiệu chung Axeton Axeton có công thức phân tử CH3COCH3 Khối lượng phân tử M=58,079 đvC Là chất lỏng không màu, độ nhớt bé ( linh động), dễ cháy có mùi thơm Nó hòa tan vô hạn nước số hợp chất hữu như: ete, metanol, etanol… Ứng dụng: Axeton ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, cho sơn vecne, sơn mài, xenlulo axetat, nhựa, cao su… Nó hòa tan tốt tơ axetat, nitroxenlulo, nhựa phenol fomadehit, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng Nó nguyên liệu tổng hợp thủy tinh hữu nhiều hóa chất khác Được tìm thấy lần đầu vào năm 1595 Libavius, phương pháp chưng cất khan đường, đến năm 1805 Tromm sdorff tiến hành sản xuất Axeton cách chưng cất Axetat bồ tạt soda: phân đoạn lỏng nằm phân đoạn rượu ete Một số tính chất Axeton: • Nhiệt độ nóng chảy : -94,6 oC • Nhiệt độ sôi : 56,9 oC • Tỷ trọng : 791 g/ml (ở 20 oC) • Nhiệt dung riêng : 2180 J/kg ( 20 oC) • Độ nhớt : 0,322 cp ( 20 oC) • Nhiệt trị : 0,5176 Kcal/kg ( 20 oC) II.Sản xuất Axeton Trong thời kỳ chiến tranh giới lần thứ nhất, nhu cầu nguồn Axeton lớn, có giới hạn việc thu Axeton từ chưng cất gỗ, nên để bổ xung nguồn Axeton Hoa Kỳ áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH3COO)2 thu cách lên men rượu có mặt xúc tác vi khuẩn để chuyển cacbonhydrat thành Axeton rượu butyl Công nghê ứng dụng chủ yếu suốt năm chiến tranh giới lần năm 20 Tuy nhiên, đến năm 20 công nghệ thay công nghệ có hiệu ( chiếm khoảng ¾ phương pháp Hoa Kỳ) : Dehydro Ancol Isopropy XT • CH3CH(OH)CH3 + 15,9 Kcal ( 327 oC) → CH3COCH3 + H2 • Xúc tác là: đồng hợp kim nó, oxit kim loại muối • Hiệu xuất khoảng 97% • Dòng khí sau sản phẩm gồm có: Axeton, lượng Alcol chưa pư, H sản phẩm phụ như: Propylen, ete… Hỗn hợp làm lạnh khí không ngưng lọc nước Dung dịch lỏng đem chưng cất phân đoạn, thu Axeton đỉnh Nước (1 Alcol Isopropy) đáy Ngoài số phương pháp sản xuất Axeton khác: SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI - Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol Axeton - Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan - Lên men Cacbon hydrat vi khuẩn đặc biệt III.Chưng cất, phương pháp chưng cất thiết bị chưng cất Axeton chất lỏng tan vô hạn nước có nhiệt độ sôi 56,9 oC khác xa nhiệt độ sôi nước 100 oC , phương pháp hiệu để thu Axeton tinh khiết chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp • Chưng cất trình phân tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng (hay độ bay hơi), cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay – ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Đối với chưng cất có hai phương pháp thực hiện: - Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ): Phương pháp sử dụng trường hợp sau: + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao + Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay + Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử - Chưng cất liên tục hỗn hợp nhiều cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): trình thực liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn Ngoài có thiết bị hoạt động bán liên tục Trong trường hợp này, sản phẩm Axeton với yêu cầu có độ tinh khiết cao sử dụng, cộng với hỗn hợp Axeton – Nước hỗn hợp điểm đẳng phí nên mặt lý thuyết nhờ trình chưng cất ta thu sản phẩm Axeton có độ tinh khiết theo yêu cầu • Thiết bị chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung thiết bị giống nghĩa diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất Ở ta khảo sát loại thường dùng tháp đĩa tháp đệm Tháp đĩa: gồm thân hình trụ, thẳng đứng, phía gắn đĩa có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha tiếp xúc với Gồm có: tháp đĩa chóp, đĩa lỗ có ống chảy truyền, đĩa lỗ ống chảy truyền SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI Tháp đệm: tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn Đệm đổ đầy vào tháp theo hay hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay có thứ tự Trong trường hợp ta dùng tháp đĩa lỗ ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp hai cấu tử Axeton – Nước có ưu điểm sau: Với chức năng, tổng khối lượng tháp đĩa thường nhỏ tháp đệm tháp đĩa có bề mặt tiếp xúc pha lớn hiệu xuất làm việc cao Tháp đĩa thích hợp trường hợp có số đĩa lý thuyết số đơn vị truyền khối lớn Vì ống chảy truyền nên giữ lượng chất lỏng định đĩa, tất bề mặt đĩa làm việc, nên hiệu đĩa cao Cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh, sửa chữa, làm Trở lực thiết bị không lớn Tính ổn định cao IV Sơ đồ thuyết minh dây chuyền sản xuất 1.Sơ đồ công nghệ: SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ Bồn chứa nguyên liệu 2.Bơm 3.Bồn cao vị 4.Thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu 5.Tháp chưng luyện 6.Thiết bị ngưng tụ SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 GVHD: VŨ MINH KHÔI 7.Thiết bị làm nguội hỗn hợp sản phẩm đỉnh 8.Thùng chứa sản phẩm đỉnh 9.Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đáy (nồi đun) 10 Thùng chứa sản phẩm đáy 11.Van điều chỉnh ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI 2.Thuyết minh dây chuyền sản xuất Hỗn hợp Axeton – Etylic có nồng độ Axeton 36% (theo khối lượng), nhiệt độ khoảng 25 oC bình chứa (1) bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3) Từ đưa đến thiết bị gia nhiệt (4) Ở hỗn hợp đun đến nhiệt độ sôi, sau đưa vào tháp chưng cất (5) đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn luyện tháp xuống Trong tháp, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (9) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sôi cao nước ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử Axeton chiếm nhiều ( có nồng độ 94% khối lượng) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (6) ngưng tụ Chất lỏng ngưng phần qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (7), làm nguội đến khoảng 30 oC đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (8) Phần chất lỏng ngưng lại hồi lưu tháp đĩa với số hồi lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp Axeton bốc hơi, lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao etylic chất lỏng ngày tăng Cuối đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay –Etylic Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ Axeton 5,6% theo khối lượng, lại Etylic Hỗn hợp lỏng khỏi đáy tháp, phần đun, bốc nồi đun (9) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại đưa vào thùng chứa (10) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh Axeton, sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt thải bỏ SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI CHƯƠNG II TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI I.Tính toán cân vật liệu toàn tháp 1.Các thông số ban đầu Axeton: CH3COCH3 M1=58 (Kg/Kmol) Nước : C2H5OH M2=46 (Kg/Kmol) - Năng suất nhập liệu: F=5,38 (tấn/h) - Nồng độ nhập liệu: aF=0,36 (phần khối lượng) - Nồng độ sản phẩm đỉnh: aP=0,94 (phần khối lượng) - Nồng độ hỗn hợp đáy: aw=0,056 (phần khối lượng) Tháp làm việc áp suất thường Hỗn hợp đầu vào nhiệt độ sôi 2.Lượng sản phẩm đỉnh đáy Các ký hiệu: F: lượng nhập liệu ban đầu P: lượng sản phẩm đỉnh W: lượng sản phẩm đáy xF: nồng độ phần mol Axeton nhập liệu xP: nồng độ phần mol Axeton sản phẩm đỉnh xW: nồng độ phần mol Axeton sản phẩm đáy • Phương trình cân vật chất cho toàn tháp chưng: (Sổ tay tập – trang 144): F=P+W (1) Tính cho cấu tử dễ bay (Axeton): F*xF = P*xP + W*xW (2) • Chuyển từ nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol xF= a F M1 xP= a P M1 aF 0.36 M1 58 (1 − a F ) = 0.36 (1 − 0.36) = 0.308 + + 58 46 M2 aP 0.94 M1 58 = = 0.926 (1 − a P ) 0.94 (1 − 0.94) + + 58 46 M2 SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 (phần mol Axeton) (phần mol Axeton) ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI -áp suất toàn phần:Htp=Hđ+H’ Trong đó:H’ tổn thất áp suất đường ống hút từ thùng chứa đến thùng cao vị Theo phần tính toán ta có:H’=0,0053(m) ⇒ áp suất toàn phần:Htp=16,04+0,0053=17,0453(m) N= -Công suất bơm : Q.H g.ρ (kw) (I.439) 1000.η - Q:Năng suất bơm ( m3/s) Q= F 1,39 = = 1,363.10 −3 (m / s ) ρ t 1019,86 - η : Hiệu suất bơm: η = η η tl η ck (76- Tính toán – ) Do yêu cầu chọ bơm phải suất cao liên tục nên ta chọn bơm ly tâm.các thông số bơm ly tâm +>.η : Hiệu suất thể tích hao hụt chuyển từ áp suất cao đến áp suất thấp η =0,85 – 0,96 ( bảng II.32- II.439) Chọn η = 0,9 +>.η tl :Hiệu suất thủy lực tính ma sát bơm η tl =0,8-0,85 : Chọn η tl =0,8 ( II.439) +>.η ck : Hiệu suất khí tiêu tốn ma sát thiết bị η ck =0,92-0,96: Chọn η ck =0,92(II.439) ⇒η = η η tl η ck =0,9 0,8 0,92 = 0,6624 Vậy công suất yêu cầu bơm là: 1,96.10−3.16, 0453.9,8.761,5 ⇒N= = 0,354 (kw) 1000.0, 6624 N -Công suất động là: N dc = η η tr dk Ta chọn η tr = 1;η dk = 0,8 ⇒ Vậy công suất động là: N dc = SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 0,354 = 0, 4425( KW ) 0,8.1 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI -Thông thường người ta chọn động điện có N lớn so với tính toán : N tt = β N dc β =1,2-2 ta chọn β =2 -Vậy công suất thực tế bơm là:Ntt=0,4425.2=0,885(kw) PHẦN IX : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ I-Tính chiều dày thân tháp : Thân hình trụ 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 phương pháp chế tạo Theo điều kiện đề tháp làm việc áp suất thường, nhiệt độ không cao khoảng 25 – 1000, dung dịch loại chất ăn mòn kim loại nên chọn loại vật liệu thép X18H10T, làm thân tháp vật liệu bền chịu nhiệt,nó chế tạo cách vật liệu với kích thước định sau hàn giáp mối hàn lại.Khi chế tạo loại cần ý : - Đảm bảo đường hàn ngắn tốt - Chỉ hàn giáp mối - Bố trí đường hàn dọc ( đoạn thân trụ riêng biệt lân cận ) cách 100 mm - Bố trí mối hàn vị trí dễ quan sát - Không khoan lỗ qua mối hàn Quan hệ chiều cao H đường kính tháp D t thiết bị thẳng H ≤ 30 đứng theo công nghệ sản xuất hóa chất thường Dt Thân hình trụ làm việc chịu áp suất : Chiều dày thân hình trụ làm việc chịu áp suất xác định theo công thức : Dt P S= + C (XIII.8-II.360) 2[σ ].ϕ − P - Dt : Đường kính tháp ( m) - ϕ : Hệ số bền thành hình trụ theo phương dọc - C : Số bổ sung ăn mòn, bảo mòn dung sai chiều dày (m) - [σ ] : ứng suất cho phép - P : Áp suất thiết bị 1.Áp suất thiết bị : Môi trường làm việc hỗn hợp lỏng nên áp suất làm việc tổng số áp suất ( Pmt ), áp suất thủy tĩnh ( P1), cột chất lỏng P = Pmt+P1 Áp suất thủy tĩnh xác định theo công thức sau : P1 = ρ g1 H ( N / m ) (XIII.10-II.360) - H1 : Chiều cao cột chất lỏng (m) SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI ( lấy chiều cao tháp H1 = 14m) - ρ1 : Khối lượng riêng chất lỏng ( kg/m3) L C ρ xtb + ρ xtb 784, + 732, ρ1 = = = 758,55(kg / m3 ) 2 Vậy P1= 758,55.9,8.14= 104073,6(N/m2) Áp suất Pmt = at = 105 ( N/m2) ⇒ Áp suất thiết bị : P = Pmt + P1 = 105 +104073,6= 204073,6(N/m2) 2.Ứng suất cho phép : Để tính toán sức bền thiết bị, chọn loại vật liệu loại thép thân hình trụ N18H10T Ứng suất cho phép tháp theo giới hạn bền kéo chảy : [σ K ] = σ K η [σ C ] = σ C η ( N / m ) (XIII.1+2-II.355) nK nC -η : Hệ số điều chỉnh theo bảng XII.2 –II.356 Đáy thiết bị loại đốt nóng gián tiếp chọn η =1 - nk, nc : Hệ số an toàn theo giới hạn bền chảy ( N/m2) ( XIII.3-II.356) nk = 2,6 ; nc = 1,5 - σ K ,σ C : Giới hạn bền kéo chảy ( N / m2) ( XII.4-II.310) σ C = 220.106 ( N / m2 ) σ K = 550.106 ( N/m2) ; ⇒ [σ k ] = 550.10 = 211,538.10 ( N / m ) 2,6 220.10 ⇒ [σ C ] = = 146,66.10 ( N / m ) 1,5 So sánh hai kết ứng suất cho phép theo giới hạn bền kéo chảy ta cho [σ ] theo giá trị bé : ⇒ [σ C ] = 146,66.10 ( N / m ) Tính hệ số bền thành hình trụ theo phương dọc ϕ ta thiết kế chọn hàn theo phương pháp hàn tay hồ quang điện kiểu hàn giáp mối hai bên, thành có ϕ = ϕ h = 0,95( II 362) lỗ gia cố hoàn toàn : [σ ]ϕ 146,66.10 6.0,95 P = 287129,138 = 485,241 >> 50 Do ta bỏ qua P mẫu công thức tính chiều dày Đại lượng bổ sung ( C) C = C1 +C2 + C3 ( m ) ( XIII.17-II.363) ) - Cr : Bổ sung ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu, môi trường thời gian làm việc thiết bị ( m ) Đối với vật liệu dùng C = 1mm=10-3m loại vật liệu bền ăn mòn từ 0,05 – 0,1 mm / năm ) SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI - C2 : Đại lượng bổ sung hao mòn ( C2 = nguyên liệu đầu lỏng ) - C3 : Đại lượng bổ sung dung sai chiều dày Chọn C3 = 0,5 mm=0,5.10-3m/năm (XIII.9/II.364) ⇒ C = + + 0,5 = 1,5 mm = 1,5.10-3 m 4.Chiều dày thân tháp : Dt P 1, 2.204073, 06 S= +C = + 1,5.10−3 = 1,5.10−3 (m) 2.[ σ ] φ 2.146, 66.10 0,95 ( chọn Dt = 1,2 m ( XIII.6 – II.359).) ⇒ Chọn S = 4mm ( dùng thép cán loại dày – bảng tiêu chuẩn chiều dày thép – XIII – 364 ) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử : [ D + (S − C )].P0 ≤ σ C ( N / m )( II − 365) σ= t 2.( S − C )ϕ h 1,2 Với áp suất thử tính toán : Po = Pth + P1 ( N/m2) - Pth : Áp suất thử thủy lực ; P = 204073,06(N/m2) ≅ 0,204.106 (N/m2) ∈ [ 0,07-0,5].106 (N/m2) Nên Pth =1,5.P = 1,5 0,204.106 = 0,3 106 (N/m2) ( II-358) - Áp suất thủy tĩnh nước ( N/m2) P1 = ρ1 g H - ρ1 : Khối lượng riêng Axeton nhiệt độ trung bình ( kg/m3) - ρ khối lượng riêng Etylic nhiệt độ trung bình(kg/m3) t +t +t ttb = P F w = 66, 060 - Nhiệt độ trung bình : - Ứng với nhiệt độ trung bình tháp 72,7830 nội suy bảng I.2- I.9 ρ1 = 997, 03(kg / m3 ) ( nội suy từ bảng 1.80-I.52 ) ρ = 748, 243(kg / m3 ) -Khối lượng riêng hỗn hợp là: ρ hh = aF − aF 0,36 − 0,36 + = + ρ1 ρ2 997, 03 748, 243 ⇒ ρ hh = 822,1( kg / m3 ) P1 = 9,8 822,1 14 = 1,13.105( N/m2) ⇒ P0 = 1,13.105 + 0,306.106= 4,18.105 ( N/m2) -Thử điều kiện: 1, + ( 2,38 − 1,5 ) 10−3 4,18.105 σ C 220.106 σ= = 130,398.10 < = = 183.333.106 −3 ( 2,38 − 1,5 ) 10 0,95 1, 1, Đã thỏa mãn điều kiện bền chiều dày tháp mm II – Tính đường kính ống dẫn : SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI Đường kính ống dẫn cửa vào thiết bị xác định từ phương trình lưu lượng : V d= (m)[ I 369] 0,785.ω Trong : - V : Lưu lượng chất chuyển động ống (m3 / s ) G V = ρ - G : Lưu lượng dòng pha ( kg/s) - ρ : Khối lượng riêng trung bình dòng pha ( kg/s) - ω : Vận tốc trung bình chất ống ( m/s) 1.Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh : Ống dẫn sản phẩm đỉnh ống nối nắp tháp thiết bị ngưng tụ Hỗn hợp khỏi đỉnh tháp hỗn hợp với nồng độ cấu tử dễ bay y = aP = 0,94( phần khối lượng ) to = toP = 56,8o gđ = 6785 ( kg/h) MP = 57,112( kg/kmol) gd 6785 V= = 3600.ρ d 3600.ρ d ρ d : Khối lượng riêng đỉnh tháp ( kg/m3 ) ρd = M P T0 57,112.273 = = 2,11(kg / m3 ) 22, 4.T 22, ( 56,8 + 273) 6785 = 0,89 m3 / s 3600.2,11 Tháp làm việc áp suất thường với nhiệt chọn : ω = 25m / s V 0,89 ⇒d = = = 0, 223( m) = 213( mm) 0, 785.ω 0, 785.25 Quy chuẩn : d1 = 200 mm ⇒ Chiều dài đoạn ống nối 130mm ( XIII.32- II.434.) ⇒V = ( ) 2.Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh : GR V = 3600.ρ R GR = P.R =1845,746.2,676 = 4939,2 ( kg/h); Lượng sản phẩm hồi lưu ρ R : Khối lượng riêng sản phẩm hồi lưu : t0 = tP = 630 SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI a − a1 = + ρR ρ A ρB o o Với t = 56,8 nội suy từ bảng 1.80-I.52 ta có : ρ A = 749,52kg / m3 ) ρ B = 756,88(kg / m3 ) ( nội suy từ bảng I.2-I.9) Thay số vào ta có : 0,96 − 0,96 = + ρ R 749,52 756,18 ⇒ ρ R = 749,8( kg / m3 ) 4939, = 1,8.10−3 ( m3 / s) 3600.1749,8 Chọn vận tốc lượng hồi lưu, coi chất lỏng tự chảy ω = 0, 25(m / s ) ⇒V = V 1,8.10−3 ⇒d = = = 0, 0957m = 95, mm 0, 785.ω 0, 785.0, 25 Quy chuẩn d2 = 100 mm ⇒ Chiều dài đoạn ống nối l2 = 120 mm 3.Đường kính ống dẫn nguyên liệu đầu : Lưu lượng hỗn hợp đầu vào tháp : V = F 3600.ρ F Với F = 5380kg/h ρ F : Khối lượng riêng hỗn hợp đầu vào to = tF =65,7o aF − aF = + ρ ρA ρB o o o Nội suy từ t = t F = 65,7 bảng I.2-I.9 ta có: ρ A = 744(kg / m3 ) ρ B = 751,1(kg / m3 ) SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ ⇒ GVHD: VŨ MINH KHÔI 0,36 − 0,36 = + ρ F 744 749,8 ⇒ ρ F = 746,9(kg / m3 ) F 5000 = = 2.10−3 (m3 / s) 3600.ρ F 3600.746,9 Chọn vận tốc lượng hồi lưu : ω = 0,15(m / s ) ⇒V = ⇒d = V 2.10−3 = = 0,13m = 130( mm) 0, 785.ω 0, 785.0,15 ⇒ d3 = 130mm ⇒ l3 = 130mm Vậy chiều dài ống nối là:130mm 4.Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy : V = V 3600.ρ w W =3260,87 kg/h) ρ w : Khối lượng riêng sản phẩm đáy : to = tw = 75,69o a − a1 = + ρw ρA ρB Nội suy ta có : ρ A = 724,8(kg / m3 ).(1.80 − I 52) ρ B = 739(kg / m3 )( I − I 9) Với a1 = aw = 0,056 phần khối lượng Ta có : 0, 056 − 0, 056 = + ⇒ ρ w = 781,1(kg / m3 ) ρ w 724,8 739 3534, 25 ⇒V = = 1,33.10−3 m3 / s 3600.738,1 Chọn vận tốc lượng hồi lưu : ω = 0,3(m / s ) ( ⇒d = V 1,33.10−3 = = 0, 075(m) = 75 0, 785.ω 0, 785.0,3 Quy chuẩn d4 = 80 mm ⇒ Chiều dài đoạn ống nối l4 = 110 mm 5.Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đáy SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ) ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI -Hỗn hợp hồi lưu hỗn hợp với nồng độ cấu tử dễ bay yw=0,0438 phần mol tw=75,69oC -Ta có khối lượng riêng hỗn hợp là: y.M C + ( − y ) M B 273 0, 0438.58 + ( − 0, 0438 ) 46 273 ρ= = = 1, 63(kg / m3 ) 22, ( 273 + tw ) 22, ( 273 + 75, 69 ) -Lượng sản phâm đáy hồi lưu:g1’=4648,5(kg/h) 4648,5 -V= 3600.1, 63 = 0,8(m / s) -Chọn vận tốc ω = 0,3(m / s ) -Do đó:d= 0,8 = 0, 018(m) 0, 785.0,3 -Quy chuẩn d5=200m - ⇒ Chiều dài đoạn ống nối l5 = 130 mm III- Tính đáy nắp thiết bị : Cùng loại vật liệu với thân tháp, tháp làm việc áp suất thường thân trụ hàn nên ta chọn đáy nắp thiết bị hình elip có gờ, thiết bị thẳng đứng có P > 7.104 ( N/m2) Tính toán đáy nắp hoàn toàn : +> Chiều dày đáy nắp thiết bị chịu áp suất : Dt P D S= t + C (m)( II − 385) 3,8.[σ K ].K ϕ h − P 2.ht -3 Với C = 1,5.10 ht : Chiều cao phần lồi đáy nắp (m) -Dựa vao đường kính Dt=1000mm Tra bảng XIII.10-II.382 ta có ht = 250 mm ϕ h : Hệ số bền mối hàn hướng tâm Chọn nắp hàn từ hai nửa tấm, hàn điện hai phía tay Tra II.362 ta có : ϕ h =0,95 K : Hệ số không thứ nguyên xác định : K = 1− d (XIII.48-II.385) Dt d: đường kính lỗ đáy nắp thiết bị dđáy = 80 mm ; dnắp =200mm Dt : đường kính tháp : Dt = m [σ ] = 146,66.10 N / m ; P = 204073,6 ( N/m2) ( 1.Tính chiều dày đáy : dáy = 80 mm SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ) ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI d 0,08 =1− = 0,92 Dt [ σ K ] k.φ = 146, 66.106 0,92.0,95 = 628,1 >> 30 Tính giá trị h P 204073 Do bỏ P mẫu số công thức tính chiều dày Vậy Dt P D 1, 2.204073, S= t +C = + 1,5.10−3 3,8.[ σ K ] K φh 2.hb 3,8.146, 66.10 0,92.0,95 2.0,3 = 2,2 10-3 m Ta thấy S – C < 10 mm nên phải tăng C lên 2mm Khi C = 3,5.10-3 m ⇒ S = (2,2 + 3,5).10-3 = 5,9.10-3 ( m ) ⇒ Chọn S =6mm K =1− +> Kiểm tra ứng suất thành áp suất thử thủy lực theo công thức : Dt2 + 2.hb ( S − C ) P0 σ C σ= ≤ ( II − 386) 7,6.K ϕ h hb ( S − C ) 1,2 [ [1,2 σ= ] ] + 2.0,275.( − 3,5).10 −3 6,105.105 220.10 6 = 133,870.10 < = 183,33.10 −3 7,6.0,92.0,95.0,275.( − 3,5).10 1,2 Thỏa mãn điều kiện bền nên chọn S =6 mm 2 Tính chiều dày nắp : dnắp =300 mm; K = 1− [ σ K ] K φ d 0, = 1− = 0,8 Dt 146, 66.106 0,95.0, = 448 >> 30 h = P 204073, Có thể bỏ P mẫu số công thức tính chiều dày Dt P D S= t + C ( XIII 47 − II 385) 3,8.[ σ K ] K φh 2.hb 1, 2.204073, 1, + 3,5.10−3 = 4, 46.10 −3 (m) 3,8.146, 66.10 0, 7.0,95 2.0, 275 ⇒ S = 6(mm) Kiểm tra tương tự : 1,2 + 2.0,275.( − 3,5).10 −3 6,105.10 σ= = 0,241.10 < 183,33.10 −3 7,6.0,7.0,95.0,275.( − 3,5).10 S= [ SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ] ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI ⇒ Chọn S = mm thỏa mãn 3.Kết luận : Do chiều dày nắp đáy thiết bị 6mm nên ta có chiều cao gờ h =25 mm ( XIII.11-II.384) khối lượng 56 kg Vậy thông số đáy nắp thiết bị : Dt = m S = mm hb = 0,25 m m = 56 kg h = 25 mm IV – Chọn Mặt Bích : Mặt bích phận quan trọng dùng để nối phần thiết bị nối phận khác với thiết bị Vì thiết bị làm việc điều kiện áp suất thường nên ta chọn kiểu mặt bích liền thép loại I để nối ( nắp, đáy…) với thân 1.Để nối thân tháp nắp đáy ta dùng mặt bích liền thép không gỉ, với đường kính tháp :Dt = m Theo bảng XIII.27-II.417 ta có : ρ y 10 Dt D Db D1 Do db Z h N/m2 Mm mm 0,2 1000 1140 1090 1060 1013 M20 24 20 Chọn khoảng cách bích liên tiếp 1,7m 14 = 8, ( bích ) Vậy số bích để nối thân thiết bị : n = 1, -Quy chuẩn thành cặp ⇒ Vậy số bích 10 bích ( Trong bích để nối nắp đáy chóp với tháp) Để nối ống dẫn thiết bị ta dùng kiểu bích kim loại đen Theo bảng XIII.26- II.409 ta có bảng bích cho loại ống ( P = 0,204.106 N/m2) SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ ρ y 10 Dy N/m2 GVHD: VŨ MINH KHÔI Dδ mm Dn D Dl db h Z Cái 0,25 10 14 75 50 35 M10 10 V – Tính Và Chọn Giá Đỡ Tai Treo Thường người ta không đặt trực tiếp thiết bị lên bệ mà phải có tai treo hay chân đỡ, muốn xác định kích thước tai treo chân đỡ ta phải xác định toàn khối lượng thiết bị Vì ta phải tính khối lượng tháp chưng luyện Người ta cho đầy nước vào tháp sau xác định khối lượng lượng nước cho đầy tháp khối lượng tháp nước Mtb = M1 + M2 + M3 + M4 + M5 1.Xác định khối lượng đáy nắp : M1 = Mđ + Mn = 56+56 = 112 ( kg ) ( XIII.2- II.384 ) 2.Khối lượng thân tháp : M2 = Mth = Vtt ρ th - ρ th : Khối lượng riêng vật liệu làm thân tháp ( X18H10T): ρ th = 7850 ( kg/m3 ) - Vtt : Thể tích thân tháp : π ( Dn − Dt2 ) Vtt = H th +> Hth : Chiều cao tháp : H = 14m +> Dn, Dt : Đường kính tháp Dn = + 0,004 = 1,008 ( m ) Dt = 1,2 m 3,14 1, 0082 − 12 ⇒ Vtt = 14 = 0,177 m3 ⇒ Khối lượng thân tháp : M2 = Vtt = 0,177 7850 = 1389,45 ( kg ) Khối lượng cột chất lỏng tháp : ( SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ) ( ) ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI M3 = π Dt ρ xtb H th - Khối lượng cột chất lỏng đoạn luyện : ρ xtb = 784, 4(kg / m ) 3,14 ⇒ ML = 1.784, 4.14 = 8620,556( kg ) C - Khối lượng cột chất lỏng đoạn chưng : ρ xtb = 732, kg / m L ( ) 3,14 1.732, 7.14 = 8052,373( kg ) ⇒ Khối lượng cột chất lỏng tháp : M3 = ML + MC = 8620,556+8052,373= 16672,93( kg ) 4.Khối lượng đĩa : Khối lượng đĩa không đục lỗ : mđ = 0, 785.Dt2 S đ ρđ = 0, 785.12.0, 004.7850 = 18, 486( kg ) ( Chiều dày đĩa Sđ = 0,004 m ) -Số đĩa lý thuyết theo tính toán phần là:42 đĩa -Do lỗ đĩa chiếm khoảng 10% diện tích đĩa nên phần khối lượng lại đĩa là:M4=(mđ-0,1.mđ).n với số đĩa n=40 đĩa ⇒ Khối lượng 40 đĩa : M4 =(18,486-0,1.18,486).40= 665,496( kg ) 5.Khối lượng toàn tháp chưng luyện : M5 = 500 kg ( khối lượng tính sơ ống chảy truyền, đệm, giá đỡ, đỡ, kẹp đĩa, mặt bích bu lông.) -Vậy khối lượng toàn tháp là: Mth = M1 + M2 + M3 + M4 + M5 = 112 + 11389,45 + 16672,93 +665,496 + 500 = 28839,876(kg) Trọng lượng toàn tháp : P = M.g =28839,876 9,8 =282630,7848( N ) Tải trọng tác dụng lên tai treo, chân đỡ : P 282630, 7848 = = 70657, 6962( N ) G= 4 -Vì trọng lượng tháp lớn nên ta phải chọn chân đỡ tai treo -Giả sử tải trọng cho phép chân đỡ hay tai treo là:8.104N ⇒ MC = -Vậy số chân đỡ tai treo cần thiết là:n= P 282630, 7848 = = 4, 00 8.10 8.10 Vậy dựa vào tải trọng chân ta chọn tai treo có tải trọng cho phép sau : ( Bảng XIII.36 – II.438 ) Tải Bề Tải L B B1 H S l a d Khối trọng mặt trọng lượn cho đỡ cho g SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ phép/ tai treo G.10 N 8,0 -4 -4 F.10 ( m2) 639 GVHD: VŨ MINH KHÔI phép lên bề mặt đỡ N/m2 1,25 tai treo (kg) 27 240 240 420 14 120 25 34 21,5 Chọn lót tai treo thép ( XIII.37 /II – 439) Tải trọng cho Chiều dày tối thiểu Chiều dày tối H(mm) B SH phép thành thiết bị không thiểu thành (mm) (mm) tai treo có lót ( mm ) thiết bị có lót (mm) 8,0 24 14 500 360 Chọn chân đỡ thép ( XIII.35 – II.437 ) Tải trọng Bề mặt Tải trọng L B cho phép đỡ cho phép chân bề mặt đỡ -4 -4 G 10 F.10 N/m2 mm 8,0 840 0,96 320 265 SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 B1 B2 H h S l d 270 400 500 275 22 120 34 Dt/ A ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI KẾT LUẬN : Tháp chưng luyện loại thiết bị sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp Do nội dung tính toán thiết kế tháp chưng luyện liên tục nhiệm vụ cần thiết kỹ sư Đây công việc áp dụng kiến thức học vào thực hành Phần động học trình chuyển khối vấn đề lý thuyết phức tạp, phần tính toán thiết kế em sử dụng nhiều công thức thực nghiệm,các số liệu tra cứu lựa chọn cần phải có kiến thức, hiểu biết thực tế Mặc dù em nỗ lực phấn đấu nhiều giúp đỡ tất thầy, cô giáo, bạn lớp em không tránh khỏi sai sót khiếm khuyết Khi tính toán khí tính toán chi tiết em tránh khỏi khó khăn, bỡ ngỡ.Em mong thầy cô giáo thông cảm giúp đỡ em để em hoàn thành tốt môn học Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Hóa trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội tận tình giúp đỡ em thời gian học tập trường suốt thời gian em làm đồ án giúp cho em kiến thức chuyên môn sâu sắc qua đồ án Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo trực tiếp hướng dẫn, bảo tận tình cho em suốt thời gian em làm đồ án, giúp em hoàn thành đồ án thời hạn Em Xin Chân Thành Cảm Ơn ! SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: VŨ MINH KHÔI Tài Liệu Tham khảo : Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất tập 1+ tập Hiệu đính : TS Trần Xoa, TS Nguyễn Trọng Khuông, KS Hồ Lê Viên Sửa chữa tái lần thứ 2.- Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2005 2.Tính toán trình thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm tập 1, tập – Gs Ts Nguyễn Bin Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội – 2000 Các trình thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm tập Gs- Ts Nguyễn Bin Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội – 2000 SV: TRẦN ANH TUẤN HÓA K6