Nghiên cứu thiết bị & qui trình công nghệ

gưng tụ 31 IV. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh 31 Tính toán cơ khí 32 I. Tính các chi tiết của chóp 32 II. Tính chiều dày của thân tháp 35 III. Tính đáy và nắp thiết bị 37 IV. Chọn mặt bích để nối thân với đáy, nắp 39 V. Tính và chọn tai treo, bệ đỡ 39 VI. Tính đường kính ống 42 Tính thiết bị phụ 45 I. Tính thiết bị đun sôi. 45 II. Tính thùng cao vị 50 III. Tính và chọn bơm 56 Kết luận 59 Tài liệu tham khảo 60 Phần mở đầu Trong công nghiệp, việc phân tách các cấu tử hỗn hợp ban đầu là rất cần thiết nhằm mục đích hoàn thiện, khai thác, chế biến. Có rất nhiều phương pháp phân tách các cấu tử trong công nghiệp, trong đó có phương pháp chưng luyện là một trong những phương pháp hay được sử dụng. Chưng là phương pháp tách các cấu tử từ hỗn hợp ban đầu dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng trong hỗn hợp. Hỗn hợp này có thể là chất lỏng hay chất khí, thường khi chưng một hỗn hợp có bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Với hỗn hợp có 2 cấu tử ta sẽ thu được 2 sản phẩm là sản phẩm đỉnh gồm phần lớn là cấu tử dễ bay hơi và sản phẩm đáy chứa phần lớn là cấu tử khó bay hơi. Trong thực tế có thể gặp rất nhiều kiểu chưng khác nhau : chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng đơn giản, chưng luyện . . . Chưng luyện là phương pháp chưng phổ biến nhất dùng để tách hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan hoàn toàn hoặc một phần vào nhau. Chưng luyện là một phương thức sản xuất đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế và đem lại hiệu quả kinh tế cao. Do đó việc nghiên cứu thiết bị và qui trình công nghệ là một công việc có ý nghĩa rất quan trọng. Do thời gian có hạn và để đi sâu vào nội dung chính, đồ án chỉ thực hiện giải quyết việc tính toán kĩ thuật và thiết kế tháp chưng luyện, chưa đi sâu tính toán hết các thiết bị phụ. Nội dung đồ án bao gồm các phần sau : Sơ đồ nguyên lý dây chuyền sản xuất Tính toán cân bằng vật liệu của tháp Xác định đường kính và chiều cao tháp Tính trở lực Tính cân bằng nhiệt lượng Tính toán cơ khí Tính và chọn các thiết bị phụ. vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất I. Thuyết minh dây chuyền sản xuất. Hỗn hợp đầu từ thùng chứa 1 được bơm 2 bơm liên tục lên thing cao vị 3. Mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn. Từ thùng cao vị, hỗn hợp đầu (được điều chỉnh nhờ van và lưu lượng kế) qua thiết bị đun nóng dung dịch 4. Tại đây dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đến nhiệt độ sôi. Sau đó, dung dịch được đưa vào tháp chưng luyện qua đĩa tiếp liệu. Tháp chưng luyện gồm hai phần : Phần từ đĩa tiếp liệu trở lên là đoạn luyện, còn từ đĩa tiếp liệu trở xuống là đoạn chưng. Như vậy ở trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với pha hơi đi từ dưới lên. Hơi bốc từ đĩa dưới lên qua các lỗ đĩa và tiếp xúc với pha lỏng của đĩa trên, nhưng tụ một phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tăng dần trong chiều cao tháp. Vì nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng nên nồng độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tăng. Cấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi nên khi nồng độ của nó tăng thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm. Tóm lại, theo chiều cao tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi ( trong cả pha lỏng và pha hơi) tăng dần, còn nồng độ cấu tử khó bay hơi giảm dần, và nhiệt độ sôi của hỗn hợp cũng giảm dần. Cuối cùng, ở đỉnh tháp ta sẽ thu được hỗn hợp hơi có thành phần hầu hết là cấu tử dễ bay hơi. Còn ở đáy tháp ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay hơi chiếm tỉ lệ lớn. Đễ duy trì pha lỏng trong các đĩa trong đoạn luyện, ta bổ sung bằng dòng hồi lưu được ngưng tụ từ hơi đỉnh tháp. Hơi đỉnh tháp được ngưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 6, dung dich lỏng thu được sau khi ngưng tụ một phần được dẫn hồi lưu trở lại đĩa luyện trên cùng, phần còn lại được đưa qua thiết bị làm lạnh 7 để đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh 8. Chất lỏng ở đáy tháp được tháo ra ở đáy tháp, sau đó một phần được đun sôi bằng thiết bị gia nhiệt đáy tháp 9 và hồi lưu về đĩa đáy tháp, phần chất lỏng còn lại đưa vào bể chứa sản phẩm đáy 10. Nước ngưng của các thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng 11. Như vậy, thiết bị làm việc liên tục. II. Sơ đồ dây chuyền : Chú thích : 1. Thùng chứa hỗn hợp đầu 2. Bơm 3. Thùng cao vị 4. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 5. Tháp chưng luyện 6. Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 7. Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 8. Thùng chứa sản phẩm đỉnh 9. Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 10. Thùng chứa sản phẩm đáy 11. Thiết bị tháo nước ngưng tính toán thiết bị chính Số liệu ban đầu Lượng hỗn hợp đầu: F = 3,1 kg/s = 11160 kg/h Nồng độ phần khối lượng clorofom trong hỗn hợp đầu: aF = 28% khối lượng. Nồng độ phần khối lượng clorofom trong sản phẩm đáy: aw = 2% khối lượng. Nồng độ phần khối lượng clorofom trong sản phẩm đỉnh: ap = 97% khối lượng. Kí hiệu A = CHCl3 = clorofom à MA = 119,5 B = CCl4 = cacbon tetraclorua à MB = 154 Từ công thức : à xF = 0,334 ; xP = 0,945 ; xW = 0,026 II. Tính cân bằng vật liệu 1. Phương trình cân bằng vật liệu cho tòan tháp. Cân bằng vật chất (tính theo kg/h và nồng độ phần khối lượng) à 2. Phương trình đường làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng. Đoạn luyện: ( II – 144) Trong đó R là chỉ số hồi lưu Với Gx la lượng lỏng hồi lưu Đoạn chưng: Với f = F/P 3. Tính chỉ số hồi lưu thích hợp: Bảng số liệu cân bằng (II-147) x 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 13,5 26,5 39,5 52 63,5 72,5 81 88 95 100 t 76,8 74,7 72,6 70,6 68,6 66,9 65,3 63,9 62 61,5 60,8 Từ bảng số liệu trên ta dung được các đồ thị y- x, t - x, t - y như hình vẽ. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp : Đường làm việc của đoạn luyện đi qua điểm x = y = xP = 94,5 Đường làm việc của đoạn chưng đi qua điểm x = y = xW = 2,6 Giao điểm của hai đường là điểm có hoành độ x = xF = 33,4 Từ đồ thị xác định Bmax ta có: Chọn một số giá trị B Xác định R = . Và xác định số đĩa lý thuyết N qua các đồ thị trên hình vẽ. Ta có bảng như sau : B N R N(R+1) 4,877 34 6,27 247,146 12 30 6,875 236,957 11 27 7,6 231,957 10 25 8,45 236,25 9 23 9,5 241,5 7 21 12,5 283,5 5 18 17,9 340,2 Chọn Rth sao cho (R+1)N min Từ bảng trên, dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa (R+1)N với R Rth sẽ ưng với điểm cực tiểu của đồ thị. Từ đồ thị xác định Rth à Rth = 7,6; NLT = 27. * Phương trình làm việc của đoạn chưng, luyện. Với giá trị R = Rth vừa tìm được ta xác định được đường nồng độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng. Đoạn luyện : y = ày = 0,884x + 0,11 (1) Đoạn chưng : y = . f = = 2,894 à y = 1,231x – 0,006 (2) Từ đó dựng được đồ thị như hình vẽ. III. Tính đường kính tháp : Ta có công thức sau: D = 0,0188 . (II-18) Trong đó gtb là lượng hơi trung bình trong tháp (kg/h). là tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (kg/m). * Xét đoạn luyện : kmol/h. gđ = hơi ra khỏi đĩa trên cùng. g1 = hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện. Từ hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng : (*) x1 = xf = 0,334 G1 = lượng lỏng vào đĩa 1 của đoạn luyện. r1, rđ = ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa đoạn luyện và đi ra khỏi tháp, J/kmol r1 = ra.y1 + (1 - y1) rb ; rđ = r’a.y1 + (1 - y1).r’b yđ = yP = xP = 0,945 với xF = 33,4 % tra đồ thị t - x à ts = 690 Tra bảng [I – 254] có : ra = 58,13 . 4,1868 . 103 . 119,5 = 29008,75 . 103 (J/Kmol) rb = 47,23 . 4,1868 . 103 . 154 = 30452,35 . 103 (J/Kmol) àr1 = 30452,35 . 103 – 1368,6 . 103 y1 xp = 94,5 % à ts = 61,180 C Tra [I – 254] à r’a = 29509,03 . 103 (J/Kmol) ; r’b = 31000,4 .103 (J/Kmol). à rđ = 27886,03 . 103 (J/Kmol). Mtb = MA . yP + MB . (1 – yP) = 121,4 (Kg/Kmol) gđ = GA + P = P(R + 1) = 27421,7 (Kg/h) = (Kmol/h). P = (Kmol/h) Thay vào hệ (*) à G1 = 184,46 (Kmol/h) ; g1 = 210,275 (Kmol/h) ; y1 = 0,41; ; (Kmol/h) = 28516,53 (Kg/h) Tra [I – 9] à Vận tốc đi trong tháp : [II – 184] h : khoảng cách giữa các đĩa (m), chọn theo D Với Dựa vào bảng [II – 184], chọn một số giá trị h như sau : h, m 0,25 0,3 ữ 0,35 0,35 ữ 0,45 0,45ữ0,6 D, m 1,94 1,8ữ1,78 1,78ữ1,67 1,67ữ1,56 Với h = 0,45 m, DL = 1,67 m. Tra [II – 184] chọn DL = 1,8 m Vận tốc hơi là : Xét đoạn chưng : Trong đó và => Hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng cho đoạn chưng : (Tra đường cân bằng với xw = 0,026) G’1 = lượng lỏng đi vào đĩa 1 đoạn chưng, kmol g’1 = lượng hơi đi vào đĩa 1 đoạn chưng, kmol. Với xw tương ứng ts = 76,260 C; r’1 = ra . yw + (1 - yw).rb Tra [I – 254] ở 76,260 C Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp ở đáy : . Thay vào hệ : à Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là : Nồng độ hơi trung bình trong đoạn chưng là : Khối lượng riêng trung bình : - Pha hơi : - Pha lỏng : Tra [I – 9] Vận tốc khí : với ; tra [I – 300] Đường kính đoạn chưng là : , m Dựa vào bảng ở [II – 184] , lấy một số giá trị của h, lập được bảng sau : h, m 0,25 0,3 0,35 0,350,45 0,450,6 D, m 1,96 1,871,8 1,81,69 1,691,57 Với h = 0,45 m à Dc = 1,69 m. Từ [II – 184] qui chuẩn Dc = 1,8 m. Chọn Dc = 1,8 m. Vận tốc khí đi trong đoạn chưng là : IV. Số đĩa thực tế và chiều cao tháp. 1. Độ nhớt : - Với pha hơi : Trong đó M, là khối lượng mol và độ nhớt; m : phần thể tích. Coi là khí lý tưởng : - Đoạn luyện : Thay số à - Đoạn chưng : à Với pha lỏng Đoạn luyện : . Tra [I – 91] à à Đoạn chưng : Tra [I – 91] à à 2. Hệ số khuyếch tán của khí vào lỏng : MA ; MB : Khối lượng mol của khí A và B. D : hệ số khuyếch tán , m2/s. P : áp suất , at. vA , vB : thể tích mol của khí A và B , cm3/mol ; v = [I – 127]. n : số nguyên tử cùng loại. vi : thể tích nguyên tử. vCHCl3 = 1 . 14,8 + 1 . 3,7 + 3 . 24,6 = 92,3 (cm3/mol) vCCl4 = 1 . 14,8 + 4 . 24,6 = 113,2 (cm3/mol) Đoạn luyện : Đoạn chưng : 3.. Hệ số cấp khối Với pha hơi : Tính cho 1 m2 làm việc của đĩa chóp : h : kích thước dài, chấp nhận = 1m. Đoạn luyện : Đoạn chưng : Với pha lỏng: (I - 165) , chọn h = 1m Khối lượng mol trung bình/pha lỏng Mx = xtb. MA + (1 - xtb).MB Dx= D20[1 + b (t - 20)] , m2/s (II - 134) Tra bảng [II - 134] được b= 0,017 [II - 133] ΜB: của CCl4 ở 200C, cp vA,vB: thể tích mol, cm3/mol A, B: hệ số liên hợp Tra ở bảng [II - 134] được A = 1, B = 0,9A μB = 0,97 cp D20 = 1,504.10-9 (m2/s) Đoạn luyện: Dx = 1,504.10-9 [1 + 0,017 (64,75 - 20)] = 2,648.10-9 (m2/s) Mx = 0,6395.119,5 + (1 – 0,6395).154 = 131,94 (kg/Kmol) Đoạn chưng: Dx= 1,504.10-9[1 + 0,017 (73 - 20)] = 2,859.10-9 (m2/s) Mx= 0,18375.119,5 + (1 – 0,18375).154 = 147,66 Thay số: 4. Hệ số chuyển khối m : hệ số phân bố vật chất Đoạn luyện: Đoạn chưng: 5. Số đơn vị chuyển khối đối với mỗi đĩa trong pha hơi Gy ( kmol/s); Ky (Kmol/m2.s) ; f : tiết diện làm việc (m2) Với : dh, dc : đường kính ống hơi và ống chảy chuyền, m; n, m: số ống hơi và số ống chảy chuyền trên mỗi đĩa; Gx: lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp, kg/h fx: khối lượng riêng trung bình của lỏng, Wc: tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền thường lấy 0,1 á 0,2m/s Chọn đường kính ống hơi: dh (mm) 50 75 100 125 150 n (ống) 129,6 57,6 32,4 20,7 14,4 Vậy ta chọn dh = 100mm = 0,1m => số ống hơi trên mỗi đĩa là n = 33 ống Chọn Wc = 0,12 m/s, m = 1 ống Đoạn luyện: P = 3188,57 (kg/h), R = 7,6 G1 = 184,46 (kmol/h) Hỗn hợp có x1= xF = 0,334 M1= x.MA + (1- x).MB = 142,477 (kg/kmol) G1 = 26281,31 (kg/h) Chọn = 0,23m f L = 2,243 (m2) Thay số => Đoạn chưng: Ta có và => => => Chọn = 0,28m => fL= 2,223(m2) => Ai.Ci = ycbi- yi ; ; ; Từ đồ thị xác định được yi, xcbi, ycbi Từ đó: => yBi Lập bảng các giá trị, từ đó dựng đường cong phụ, xác định số đĩa thực tế của tháp. xi xcbi Yi ycbi ycbi – yi xi - xcbi mi Cyi BiCi yBi 2,6 1,91 2,6 3,55 0,95 0,69 1,3768 0,5465 1,727 0,550 3,0 10 8,65 11,7 13,5 1,8 1,35 1,3333 0,5638 1,757 1,024 12,476 15 13,3 17,9 20,0 2,1 1,7 1,2353 0,6070 1,835 1,144 18,856 20 18,1 24,0 26,5 2,5 1,9 1,3158 0,5711 1,770 1,412 25,088 25 22,8 30,2 33,0 2,8 2,2 1,2727 0,5898 1,804 1,552 31,448 30 27,5 36,3 39,5 3,2 2,5 1,2800 0,5865 1,798 1,780 37,72 33,4 30,8 40,5 43,8 3,3 2,6 1,2692 0,5715 1,776 1,827 41,973 40 35,4 46,3 52,0 5,7 4,6 1,2391 0,5877 1,800 3,167 48,833 50 42,6 55,2 63,5 8,3 7,4 1,1216 0,6459 1,908 4,350 59,15 60 50,5 64,0 72,5 8,5 9,5 0,8947 0,7983 2,222 3,825 68,675 70 60,4 72,9 81,0 8,1 9,6 0,8438 0,8429 2,323 3,487 77,513 80 70,9 81,7 88,5 6,8 9,1 0,7473 0,9429 2,567 2,649 85,851 90 82,7 90,5 95,5 5,0 7,3 0,6849 1,0212 2,777 1,801 93,699 94,5 88,3 94,5 97,7 3,2 6,2 0,5161 1,3170 3,732 0,857 96,843 Từ đồ thị => Nc = 32 đĩa, NL = 15 đĩa Ntt = Nc + NL = 47 đĩa H = N(Hđ + d) + (0,8 - 1) (m) (II - 169) Chọn H = N(Hđ +d) + 1 Hđ = 450 mm d = 5 mm =>Hc = 15,56 m , HL = 7,825 m Vậy NC = 32 , NL = 15, HC = 15,56 m, HL = 7,825 m H = 23,385 m ằ 23,4 m Hiệu suất tháp Tính trở lực của tháp Trở lực của tháp chóp xác định theo công thức (II-192) P = Ntt.Pd , N/m2 Ntt: số đĩa thực tế của tháp Pd: tổng trở lực của một đĩa, N/m2 1.Trở lực đĩa khô PK PK= , N/m : hệ số trở lực, thường = 4,5 -> 5 : khối lượng riêng của pha hơi, kg/m3 : tốc độ qua rãnh chóp, m/s Chọn =4,7 + Đoạn luyện: + Đoạn chưng: 2.Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt:Ps (II-194) Ps= , N/m2 : sức căng bề mặt, N/m2 : đường kính tương đương của khe rãnh chóp , m Khi rãnh mở hoàn toàn: f(x): diện tích tự do của rãnh fx = a.b ; a,b: chiều cao và chiều rộng rãnh, p: chu vi rãnh + Chiều cao khe chóp b = với =; : lưu lượng hơi đi trong tháp, m3/h : hệ số trở lực, lấy = 1,7 Đoạn luyện: = = 6067,347 (m3/h) = 7,156 (m/s) lấy g = 9,81 (m/s2) bL =0,0289 m 29 mm Đoạn chưng: = = 5975,55 (m3/h) = 7,047 (m/s) bc = 0,03 m 30 mm => đường kính tương đương: 3.Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh): , N/m2 : chiều cao của khe chóp, m (b) khối lượng riêng của bọt, =(0,4->0,6) fx kg/m3 chiều cao của lớp bọt trên đĩa g=9,81 m/s2 hc: chiều cao đoạn ống chảy chuyền nhỏ lên trên mặt đĩa, m : chiều cao của chất lỏng trên ống chảy chuyền, m hx: chiều cao lớp chất lỏng(không lần bọt) trên đĩa, m F: phần bề mặt đĩa có gắn chóp, m2 :Khối lượng riêng của bọt, kg/m3 f: tổng diện tích các chóp trên đĩa, f=0,785 d2chn.n dchn=dch+2sch =0,156m n = 33 => f = 0,6304(m2) F= fc = diện tích bố trí ống chảy chuyền. fc = F1 - F2 F1 là diện tích hình quạt ; F2 là diện tích hình tam giác. LC = chiều dài vách chảy tràn. , với h = h' = dc + 5D ( khoảng cách từ tháp đến vách chảy tràn ) à h'L = 280 (mm), h’C = 330 (mm) àhL = 620 (mm), hC = 570 (mm) à à Góc quạt sin(/2) = = 1,770 rad = 2arcsin F (m) Với đoạn luyện : ; mm ; () f=0,6304 ( m) ; ; =0,106(m) = 106(mm) Với đoạn chưng : ; ; f= 0,6304 ( ; ; Tính cân bằng nhiệt lượng. I. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu , J/h (*) : nhiệt lượng do hơi đốt mang vào , J/h : Lượng hơi nước bão hoà (kg/h) : hàm nhiệt (J/kg) : ẩn nhiệt hoá hơi của hơi nước bão hoà (J/kg) : nhiệt độ nước ngưng (o C) : nhiệt lượng riêng của nước ngưng Qf: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị Qf = F . cF . tF (J/h) F : lượng hỗn hợp đầu (kg/h) CF : nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu vào thiết bị (J/kg độ) tF : nhiệt độ đầu của hỗn hợp, chọn tF = 20oC QF: nhiệt lượng của hỗn hợp mang ra QF = F . cF . tF CF : nhiệt dung riêng của hỗn hợp đi ra thiết bị (J/kg độ) tF : nhiệt độ của hỗn hợp khi đi ra khỏi thiết bị đun nóng, chọn tF = 69oC ( to sôi ) : nhiệt lượng do hơi nước ngưng mang ra , (J/h) : nhiệt lượng mất mát ra môI trường xung quanh thường lấy 5% nhiệt tiêu tốn: , (J/h) Lượng hơi đốt, hơi nước cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến to sôi là: Từ (*) Chọn ở P=1,5 at , =532,92 kcal/kg = 2231,23.103 (J/kg) Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tính theo công thức sau: ở tf = 20oC ta được: Với aF = 0,28 => CF = 907,8 J/kgoC ở tf = 69oC ta được: Với a1= aF = 0,28 => CF = 977,95 J/kgoC => D1=259,68 (kg/h) II. Cân bằng nhiệt lượng của tháp Tổng nhiệt lượng mang vào tháp bằng tổng nhiệt lượng mang ra: , J/h (*) : nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp , J/h QR: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị QR = GR . CR . tR (J/h) GR =R.P. CR . tR tR =txp =61,18oC (tra ở đường cân bằng) Qy: nhiệt lượng do hơi mang ra , J/h Với : nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, J/kg ,: của CHCl3, CCl4 ở đỉnh tháp : nhiệt lượng do do sản phẩm đáy mang ra , (J/h) : lượng sản phẩm đáy tháp, kg/h : nhiệt lượng do nước ngưng , (J/h) : lượng nước ngưng tụ, J/h : nhiệt dung riêng và nhiệt độ nước ngưng : nhiệt lượng mất mát ra môI trường xung quanh thường lấy 5% nhiệt tiêu tốn: , (J/h) Thay số Thì : Chọn ở P=1,5 at , ==2231,23.103 (J/kg) Lượng hơi đốt cần thiết để đun số sản phẩm đáy và tính cân bằng nhiệt lượng =>D2 =3172,9(kg/h) III.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ. Nếu chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu thì: P.R.r = Gnl. Cn(t2-t1) r: ẩn nhiệt ngưng tụ, coi bằng ẩn nhiệt của cloroform, r=247021,2(J/kg) (ở 61,18oC) Cn: nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình (t1+t2)/2 Với chọn t1=20 oC, t2=40 oC =>Cn=1,001.4,1868.103=4190,987(J/kgđộ) => Gnl1=71416,32(kg/h) Nếu ngưng tụ hoàn toàn: Gnl2= IV.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh: Nếu trong thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu thì: Cp: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/kg độ. Cp=Cr=1071,57 J/kg độ Chọn Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp: ttb= = 45,59oC => ẩn nhiệt ngưng tụ r = 60,43.4,1868.103=253020,57(J/kg) => Gnl3=1280,63(kg/h) Nếu đã ngưng tụ hoàn toàn trong thiết bị ngưng tụ thì: Tính toán cơ khí Tính các chi tiết của chóp Đường kính ống hơi Chọn dh = 100 mm = 0,1 m Đường kính chóp dchop = : chiều dày chóp, chọn = 3 mm dchop = 146 mm lấy dchop = 150 mm = 0,15 m Đường kính ống chảy chuyền = 230 mm; = 280 mm Số chóp trên mỗi đĩa: n = 33 (ống) Chiều cao của mức chất lỏng trên mép trên của khe chóp h1 Chọn h1 =30 mm Chiều cao của phần chóp ở phía trên ống hơi h h2 = 0,25 ; dh =25 mm Khoảng cách từ mép dưới của chóp đến mặt đĩa Chọn S = 20 mm Chiều cao của rãnh chóp b = với =; : lưu lượng hơi đi trong tháp, m3/h : hệ số trở lực, lấy = 1,7 Đoạn luyện: bL = 29 mm Đoạn chưng: bc = 30 mm Chiều rộng khe chóp a và số lượng khe chóp i: Ta có: i.a.b = và i.(a+c) = i = (dch - ) ; a = Đoạn luyện: họn c = 4 mm iL = 50 khe; aL= 5,5 mm Đoạn chưng: chọn c = 4 mm ic = 53 khe; ac= 5 mm Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa hc: = (h1 + b + s) - h h: chiều cao mức chất lỏng ở bên ống chảy chuyền, h = V: thể tích chất lỏng chảy qua (m3/h) đoạn luyện: VL == 17,511 (m3/h) hL = 23.10-3 m = 23,7 mm = (30+29+20)-23,7 = 55,3 mm 55mm đoạn chưng: Vc == 26,322 (m3/h) hc = 27,2m m = (30+30+20)-27,2 = 52,8 mm 53mm 11.Bước tối thiểu của chóp trên đĩa tmin: tmin= dchop+2ch + l1 l2 = 12,5 + 0,25 dchop : khoảng cách giữa các chóp l2= 50 mm chọn ch=3 mm: chiều dày chóp tmin = 206 mm 12.Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất t1 t1= ++ ++l1 : chiều dày ống chảy chuyền chọn = 3mm l1: khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền, chọn l1 =75mm Đoạn luyện: Đoạn chưng: Chiều cao chóp hch hch = hh + h2 hh = 1,2 dh : chiều cao ống hơi hch = 0,25 dh : chiều cao chóp phía trên ống hơi hch = 1,2 dh + 0,25 dh = 145 mm hx : chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa hx = S + 0,5b S = 20 mm b : chiều cao khe chóp Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền Chiều cao ống chảy chuyền : khoảng cách các đĩa: = 0,45m : khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền : chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa Tính chiều dày của thân tháp Thân hình trụ, hàn ghép mối, vật liệu CT3 chiều dày thân hình trụ được tính theo công thức(II-360) S= , m : ứng suất cho phép : hệ số bền của thành hình trụ P = Plv+Ptt , N/m2 : hệ số an toàn ,: giới hạn bền, N/m2 : hệ số hiệu chỉnh Thiết bị loại 2, đốt nóng gián tiếp chọn =1 Tra II-356 => =2,6; =1,5 Tra I-309 =>= 380.106 N/m2; =240. 106N/m2 146. 106 N/m2; 160.106 N/m2> Chọn Chọn hàn theo phương pháp hàn bằng tay hồ quang điện, hàn giáp hai bên thành có lỗ nhưng được gia cố hoàn toàn khi đó = (II-362) Lập tỷ số: >50 =>bỏ qua P ở dưới mẫu Tính ++ : bổ sung do ăn mòn =0,0014m (do vật liệu) : bổ sung hao mòn => chọn =0 : bổ sung dung sai => chọn = 0,4mm => c = 0,0014 + 0,0004 = 0,0018(m) Chiều dày của tháp là: S = chọn S = 5 mm Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử: theo [II-366] Với P = 0,502.106 từ II-358 => chọn Pth = p+0,3 Po = Pth+ P1 ; Pth= p+0,3= 0,802.106 N/m2 P1= : astt của chất lỏng => P1=0,402.106 N/m2 => Po=1,204.106 N/m2 Khi thử ta thấy với S = 5 mm (=357), 6mm (=272) không thỏa mãn. S= 8mm (=185) thỏa mãn => chọn S = 8 mm theo quy chuẩn II-364 III. Tính đáy và nắp thiết bị Chọn vật liệu CT3, dùng đáy nắp elip có gờ. Chiều dày của đáy và nắp thiết bị chịu áp suất trong được xác định theo công thức sau : , m hb : chiều cao phần lồi của đáy, m φh : hệ số bền của mói hàn hướng tâm k : hệ số không thứ nguyên, k =1- d/Dt d : đường kính lớn nhất của lỗ khoan tăng cường tăng c lên 2 mm khi S – c ≤ 10 mm tăng c lên 1 mm khi 10 mm ≤S – c ≤ 20 mm tăng c lên 0 mm khi S – c > 20 mm c1 = 0,0014 m : bổ sung do ăn mòn c1 = 0 : bổ sung do hao mòn c1 = 0,4 mm : bổ sung do dung sai chiều dày = 0,0018 m hb = 0,25.Dt = 0,450 m = 450 mm φh = 0,95 ở đáy : đường kính ống tháo sản phẩm đáy : d = 100 mm = 0,1 m ở nắp : đường kính ống tháo sản phẩm đỉnh : d = 300 mm = 0,3 m áp suất p = 0,502.106 = 146,15.106 N/m2 = 227,6 >30 nên bỏ qua p ở mẫu , m a. Chiều dày của nắp , m = 0,00416 +c = 4,16 + c, mm = 0,0038 m = 3,8 mm nên S = 7,96 mm Chọn S = 8 mm Kiểm tra ứng suất thành ổ ổn áp thử thuỷ lực theo : N/m2 p0 = pth + p1 = 1,204.106 N/m2 c = 0,0038 m 307,5.106 > = 200.106 N/m2 Suy ra không thoả mãn Chọn S = 10 mm thì σ = 198.106 N/m2 thoả mãn, nên chọn S = 10mm b. Chiều dày của đáy = 0,0038 + c(m) = 3,8 + c (mm) = 3,8 mm S = 3,8 +3,8 = 7,6 mm Chọn S = 8 mm Kiểm tra ứng với áp suất thử P0 = 1,204.106 N/m2 thử với S= 8 mm 273.106 > = 200.106 N/m2 Suy ra không thoả mãn thử với S= 9 mm 220.106 > = 200.106 N/m2 Suy ra không thoả mãn thử với S= 10 mm 185.106 < = 200.106 N/m2 thoả mãn. Vậy chọn S = 10 mm Vậy chiều dài của đáy và nắp là 10 mm Chiều cao gờ là 40 mm IV. Chọn mặt bích để nối thân với đáy, nắp chọn bích liền bằng thép không gỉ (kiểu I và IV); tra II – 388 Dt = 1800 mm; P = 0,1.106 N/m2 D = 1940 mm; h = 28 mm Db = 1890 mm; Dt = 1860 mm D0 = 1815 mm; Bulông db = 1120 Z = 40 cái Chọn bước bích = 3m Chiều cao tháp là H=23,4m => số bước bích là H/3=7,8 bước 8 bước => tổng số bích nb=(8+1).2 = 18 bích V. Tính và chọn tai treo, bệ đỡ Tổng khối lượng toàn tháp G = Gthân + GN-Đ + GB + GBl + Gd + Gô + Gc/l + Gch Gthân : thân GN-Đ : nắp, đáy GB : bích GBl : bulông Gđ : đĩa Gô : ống chảy chuyền Gc/l : chất lỏng điền đầy Gch : chóp Thân tháp: Dt = 1,800 m; S = 0,008 m H = 23,4 m, ρ = 7,85.103 kg/m3 Gthân = = 8342,6 kg Nắp và đáy: GN-Đ = 2GN = 2GĐ = 2.299,97 = 599,94 kg GB + GBl Coi bằng một khối với các thông số Dt = 1,800 m, Dn=D= 1,940 m h = 0,028 m, ρ = 7,85.103 kg/m3 Số bích nB = 18 GB + GBl = = 1626,2 kg Khối lượng đĩa Gd: đường kính D = 1,800m Chiều dày đĩa s = 0,005m r = 7,85.103kg/m3 Số đĩa n=47 à Gd = - Gô, Gch + ống chảy chuyền: + ống hơi: Số ống hơi trên 1 đĩa n= 33 + Chóp Chiều cao hch=0,145m đường kính trong: dch=0,150m ch=0,003m Chiều rộng khe chóp aL=5,5mm; aC=5mm Số khe iL=50; ic=53 Chiều cao khe chóp bL=29mm, bc=30mm Số chóp trên một đĩa n=33=số ống hơi trên 1 đĩa Gô = Gch + Gôh = + + = 290,0 + 115,5 + 935,9 = 1341,4 kg Gch = GCch + GLch = + = 1534,7 + 719,1 = 2253,8 kg Gc/l ρx = 1457,11.103 kg/m3 H = 23,4 m; Dt = 1,8 m Gc/l = = 86720,7 kg * G = Gthân + GN-Đ + GB + Gbl + Gđ + Gô + G ch + Gcl = 8342,6 + 599,9 + 1626,2 + 4691,9 + 1341,4 + 2253,8 + 86720,7 = 105576,5 kg ằ 105,6 (tấn) b/ Chọn bệ đỡ, tai treo Chọn kiểu chân nguyên kiểu I (II - 436) Chọn VI. Tính đường kính ống Đường kính ống dẫn được tính theo công thức sau: (I-369) V: lưu lượng chất : vận tốc của các chất lỏng m/s Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh Khối lượng riêng của hỗn .hợp: y = xp= 0,945 ; t = 69,98oC = 4,427 (kg/m3) Gd = (Rx+1)P V Chọn Quy chuẩn d=300mm =>chiều dài ống nối l = 140mm [II-434] * Chọn bích nối : kiểu I trong bảng XIII.26 Dn = 325 mm; D = 435 mm; Dt = 395mm; D1 = 365 mm; db = M20; z = 12, h =22 mm. Đường kính ống hồi lưu sản phẩm đỉnh Hỗn hợp lỏng x = xp = 0,945 ; Lượng sản phẩm hồi lưu GR= R.P = 24233,132 (kg/h) Khối lượng riêng hỗn hợp lỏng: ở t= với ap=93% chất lỏng tự chảy Quy chuẩn d =150mm; (II-434) * Chọn bích nối : kiểu I trong bảng XIII.26 Dn = 159 mm; D = 260 mm; Dt = 225mm; D1 = 202 mm; db = M16; z = 8, h =16 mm. Đường kính ống tháo sản phẩm đáy Hỗn hợp tháo là hỗn hợp lỏng có Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng ở t = với =2% Quy chuẩn d = 100mm; l = 120mm (II-434) * Chọn bích nối : kiểu I trong bảng XIII.26 Dn = 108 mm; D = 205 mm; Dt = 170 mm; D1 = 148 mm; db = M16; z = 4, h =14 mm. Đường kính ống dẫn nguyên liệu đầu F =11160 kg/h xF = 0,334; to = 69o C Chọn w = 0,25 (m/s) => d = 0,1038 m Quy chuẩn d = 100 mm, l = 120 mm (II - 434) 5. Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đáy Chọn w = 25 m/s à , M = 0,026.119,5 + (1 – 0,026).154 = 153,1 (kg/kmol) d = 0,292 m Quy chuẩn d = 0,3m = 300 mm Chiều dài ống l = 140 mm Tính thiết bị phụ I. Tính thiết bị đun sôi. - chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở P = 1,5 at, - hỗn hợp đầu được đun nóng từ 200C đến t0F = 690 C. - chọn thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm kiểu đứng, hỗn hợp đầu đi trong ống hơi đi ngoài ống. - ống làm bằng thép CT3 có hệ số dẫn nhiệt là trong đó . + Đường kính ống chùm : d = 25 mm + Chiều cao ống chùm : Hô = 1,5 m. 1. Tính hiệu số nhiệt độ trung bình. Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp đầu, t2tb = tbh - : hiệu số nhiệt độ trung bình của hai lưu thể : = = 110,7 - 20 = 90,70C = = 110,7 - 20 = 90,70C Thay số : Nhiệt lượng cần thiết để đun sôi hỗn hợp đầu là : ; . CP = nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu lấy tại Nội suy [I – 171] C1 = 1062,46 J/kg độ ; C2 = 903,46 J/kg độ CP = aF . C1 + ( 1 – aF ).C2 = 947,98 (J/kg độ) à Q = 143998,162 (J/s) 2. Tính nhiệt tải riêng trung bình cho quá trình truyền nhiệt. q1 = nhiệt tải trọng riêng về phía hơi ngưng tụ = q2 = = nhiệt tải trọng riêng về phía hỗn hợp đầu = ; là hệ số cấp nhiệt. = tbh – tT1 : hiệu suất nhiệt độ giữa nhiệt độ hơI nước bão hòa với nhiệt độ thành ống phía tiếp xúc với nước ngưng. = tT2 – t2bh = hiệu số nhiệt độ giữa thành ống phía tiếp xúc với hỗn hợp đầu và nhiệt độ trung bình của hỗn hợp đầu. a. Tính Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt trong của ống đễn hỗn hợp đầu được xác định theo [II – 11] : = ; W/m2độ. : Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp đầu W/m độ Nu: chuẩn số Nuyxen d: kích thước hình học chủ yếu, ở đây chính là đường kính trong của ống, m Tính theo (I-123): ; W/m độ A: hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng, A = 4,22.10-8 Cp: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu tại t2tb, Cp= 947,98 J/kg độ : khối lượng riêng của hỗn hợp đầu tại t2tb. Nội suy bảng (I-9) = 1435,102 (kg/m3); =1541,102 (kg/m3) M: khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu M=0,334.119,5+(1-0,334).154=142,477 (W/m độ) Tính Nu: theo (II-14) Re: chuẩn số Remol, chọn chế độ chảy rối với Re=104 : độ nhớt của hỗn hợp đầu tại . Nội suy bảng (I-91) ; Thay số => Pr = 4,1505 : hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều cao Hô và đường kính ống: Tra bảng (II-15) với Re Coi =1 =>Nu = 0,021.(104)0,8.1.4,15050,43.1 = 61,376 Tính Hệ số cấp nhiệt về phía hơi đốt được xác định theo công thức (II-28) , W/m2độ r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hoà, J/kg . ở P = 1,5at à r = 2231230 J/kg A: Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm=0,5(tT1+ tbh); tT1= tbh-D t1 * Giả thiết D t1=1,3oC => tT1=110,7-1,3=109,4 oC =>tm= 0,5(tT1+ tbh)=110,05 oC Nội suy theo II-29 =>A=183,5225 =>=2,04.183,5225. ( W/m2độ) với H=1,5m: chiều cao ống Tính q1: q1=D t1. =12244,67.1,3=15918,1( W/m2) Tính q2: D tT= tT1- tT2 D tT= q1.R R: tổng nhiệt trở của thành ống R= ; m2độ/W Tra II-4, coi r1 của nước thường, r1= 0,725.10-3 m2độ/W r2: hơi chất hữu cơ, r2= 0,116.10-3 m2độ/W m2độ/W =>R = 0,881.10-3 (m2độ/W) D tT= q1.R=14,02 oC tT2 = tT1-D tT=95,38 oC D t2= tT2- t2tb=47,74 oC => q2=.D t2=15552,9 W/ m2 % < 5% Vậy giả thiết trên có thể chấp nhận Chọn q= W/ m2 Tính bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị Bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị F F = Số ống của thiết bị gia nhiệt Chọn ống chùm hình 6 cạnh Theo II-48 => chọn n=91 => số ống trên đường xuyên tâm =11=b Số vòng 6 cạnh: 5 Đường kính của thiết bị D = t.(b-1) + 4d , m (II-49) d = 25mm; b = 11 chọn t = 1,2á1,5d t = 1,4d = 1,4.25 = 35 mm => D = 35 (11-1)+4.25 = 450 mm = 0,45m Số ngăn của thiết bị Khi Re=104 thì tốc độ chảy của dung dịch cần phải đạt được là Tốc độ chảy theo tính toán => số ngăn của thiết bị m= = 3,08 ngăn => chọn m=3 ngăn Tính thùng cao vị áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục tất cả sức cản thuỷ lực trong hệ thống khi dòng chảy đẳng nhiệt Theo công thức I-376 Trong đó : áp suất động lực , N/m2 : khắc phục ma sát , N/m2 : tạo chiều cao h : khắc phục trở lực trong thiết bị, N/m2 : bổ sung khi phải phun vào nơi có áp suất cao hơn Pkg : trở lực cục bộ , N/m2 Trở lực của ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Tính , N/m2 : của hỗn hợp đầu ở 20oC tra I-9 => : tốc độ chảy trong ống, m/s Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu là d = 0,15m Tính d._.