Thiết kế và tính toán hệ thống chưng luyện liên tục Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền làm việc ở áp suất thường để phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 (Cacbondisunfua và Cacbontetraclorua)Hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi.Tháp loại: Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền.
GIỚI THIỆU CHUNG
LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN
Chưng luyện là phương pháp chưng cất dùng để tách biệt các thành phần trong hỗn hợp lỏng hoặc khí đã hóa lỏng Phương pháp này dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi của các cấu tử tại cùng một áp suất.
Phương pháp chưng luyện là quá trình lặp đi lặp lại việc bốc hơi và ngưng tụ hỗn hợp, mang lại hiệu suất phân tách cao Kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp là hỗn hợp chứa hầu hết các cấu tử dễ bay hơi với nồng độ đạt yêu cầu Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, như trong sản xuất rượu, tách hỗn hợp dầu mỏ, khai thác tài nguyên, và sản xuất metanol, propylen.
Trong lĩnh vực chưng luyện liên tục, có nhiều thiết bị phân tách như tháp chóp, tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền và tháp đệm Bài viết này tập trung vào việc thiết kế tháp chưng luyện liên tục với tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền nhằm phân tách hai cấu tử CS2 và CCl4 Quá trình được thực hiện ở áp suất thường, với hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi.
Các phương pháp chưng cất
- Chưng cất áp suất thấp.
- Chưng cất áp suất thường.
- Chưng cất áp suất cao.
Phương pháp này dựa trên nguyên tắc điều chỉnh áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao, việc giảm áp suất sẽ giúp hạ thấp nhiệt độ sôi, từ đó cải thiện hiệu quả quá trình.
Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn.
Chưng gián đoạn: phương pháp này sử dụng trong các trường hợp :
- Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau
- Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao
- Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi
- Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử
Chưng liên tục: là quá trình được thực hiện liên tục nghịch dòng và nhiều đoạn.
2 Thiết bị chưng luyện Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp khác nhau nhưng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích tiếp xúc bề mắt pha lớn, điều này phụ thuộc độ phân tán lưu chất vào
Tháp chưng cất có nhiều kích cỡ và ứng dụng khác nhau, với các tháp lớn thường được sử dụng trong công nghệ lọc hóa dầu Đường kính của tháp phụ thuộc vào lượng pha lỏng, lượng pha khí và độ tinh khiết của sản phẩm Theo khảo sát, có hai loại tháp chưng cất chính là tháp đĩa và tháp đệm.
Tháp đĩa là một thiết bị công nghiệp có thân tháp hình trụ thẳng đứng, bên trong được trang bị các đĩa để phân chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau Tại mỗi đĩa, pha lỏng và pha khí tiếp xúc với nhau, giúp tối ưu hóa quá trình tách biệt các thành phần Tùy thuộc vào cấu tạo và thiết kế, tháp đĩa có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau.
Tháp đĩa lỗ: trên đĩa có các lỗ có đường kính (2-12 mm) có 2 loại tháp đĩa lỗ
Tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền
Tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền
Tháp đệm: tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn.
Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền có những ưu điểm khắc phục được nhiều nhược điểm của các loại tháp khác như:
Tháp đĩa có tổng khối lượng nhỏ hơn tháp đệm khi thực hiện cùng một chức năng, nhờ vào bề mặt tiếp xúc pha lớn và hiệu suất làm việc cao.
Tháp đĩa thích hợp trong trường hợp có số đĩa lý thuyết hoặc số đơn vị truyền khối lớn.
Cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh, sửa chữa, làm sạch.
Trở lực thiết bị không lớn
Làm việc được với chất lỏng bẩn, khí bẩn, vận tốc khí lớn
Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền được sử dụng hiệu quả để phân tách hỗn hợp hai cấu tử CS2 và CCl4 nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó.
GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG LUYỆN
- Tên khác: Disunfua cacbon, Dithiocacbonic anhidrit, Cacbon bisunfua, Bisunfua cacbon
- Phân tử khối: 76,13 kg/kmol a Tính chất vật lý và ứng dụng
- Độ hòa tan trong nước: 0,29g/100 ml nước(20℃)
- Là một chất lỏng không màu dễ bay hơi.
Hợp chất này là một chất không phân cực, thường được sử dụng làm nguyên liệu trong tổng hợp hóa hữu cơ ở cấp công nghiệp Nó cũng được dùng làm dung môi cho các chất không phân cực như brom, iot, cao su và nhựa.
- Nó có mùi giống ete
- CS 2 rất độc nên được làm thuốc trừ sâu trong nông nghiệp. b Tính chất hóa học
- Các chất ái lực hạt nhân như các amin tạo ra các dithiocacbamat
- Các xanthat tạo thành một cách tương tự từ các alkoxit
Phản ứng giữa RONa và CS2 tạo ra ion natri và ion ROCS2−, là cơ sở cho quá trình sản xuất xenluloza tái sinh Xenluloza tái sinh là thành phần chính trong viscoza, rayon và xenlophan, đồng thời liên quan đến việc tạo ra xanthat và thioxanthat thông qua các phương pháp xử lý tương ứng.
CS2 với các thiolat natri) đều được sử dụng như là tác nhân tách đãi trong chế biến, xử lý khoáng vật.
- Sunfua natri tạo ra trithiocacbonat:
- Clo hóa CS2 tạo cacbontetraclorua
- Tên khác: Tetraclometan, Benifom, Cacbon clorua, Metan tetraclorua,
- CTCT: a Tính chất vật lý và ứng dụng
- Tỷ trọng: 1,5842g/cm 3 chất lỏng
- CCl4 là chất lỏng, không màu, dễ bay hơi, tạo ra hơi có mùi đặc trưng như dung môi clo hóa khác.
- Là chất không phân cực nên sử dụng làm dung môi tốt cho các chất không phân cực khác như chất béo, dầu mỡ.
- CCl4 trên thực tế không cháy ở nhiệt độ thấp Ở nhiệt độ cao trong không khí, nó tạo photgen CCl2O độc hại.
- Là chất không bắt cháy, dùng làm chất dập lửa, làm lạnh
CCl4 là một trong những chất độc mạnh nhất đối với gan và thường được sử dụng trong nghiên cứu khoa học để đánh giá các chất bảo vệ gan Chất này không tham gia trực tiếp vào các phản ứng hóa học mà chỉ đóng vai trò là dung môi cho các chất không phân cực trong các phản ứng.
Phản ứng quan trọng nhất là:
Khi toluen phản ứng với Br2 trong CCl4, brom sẽ thế vào vị trí ortho và para của vòng, thay thế chỉ một nguyên tử hydro Ngược lại, khi sử dụng dung dịch Br2 trong H2O, do tính chất phân cực của dung môi, phản ứng với toluen sẽ tạo ra dẫn xuất tribrom bằng cách thế brom vào cả ba vị trí ortho và para Sự khác biệt này giữa Br2/H2O và Br2/CCl4 khi tương tác với toluen hoặc phenol là rất quan trọng.
C6H5CH3 + Br2(CCl4) Br-C6H4-CH3 + HCl
C6H5CH3 + Br2(H2O) Br3-C6H2-CH3 + HCl
Với phenol (không có mạch nhánh, chỉ giống toluen ở OH là nhóm đẩy e, làm vòng dễ thế hơn):
C6H5OH + Br2(CCl4) Br-C6H4-OH + HCl
C6H5OH + Br2(H2O) Br3-C6H2-OH + HCl
(nếu Br2 dư còn pư tiếp theo pư cộng nữa nhưng thường chỉ xét pư này)
CCl4 thường được điều chế bằng cách clo hóa CS2, vì vậy việc phân tách hai hợp chất này rất quan trọng trong thực tế Hai chất này tạo thành hỗn hợp lỏng có khả năng hòa tan vào nhau nhưng có nhiệt độ sôi khác biệt CS2 có độ bay hơi cao hơn CCl4, do đó, phương pháp chưng luyện sẽ giúp thu được sản phẩm đỉnh giàu CS2 và sản phẩm đáy giàu CCl4.
VẼ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền công nghê chưng luyện liên tục Chú thích:
1.Thùng chứa hỗn hợp đầu 6.Thiết bị ngưng tụ
2.Bơm 7.Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh
3.Thùng cao vị 8.Thùng chứa sản phẩm đỉnh
4.Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 9.Thiết bị gia nhiệt sản phẩm đáy
5.Tháp chưng luyện 10.Thùng chứa sản phẩm đáy
2 Nguyên lí hoạt động Hỗn hợp CS2 và CCl4 từ thùng chứa ban đầu (1) được bơm lên thùng cao vị bằng bơm (2) Chất lỏng trên thùng cao vị nếu vượt quá mức quy định thì sẽ được cho chảy trở lại thùng chứa (1) đầy thùng chứa Hỗn hợp CS2 – CCl4 từ thùng cao vị sẽ đi qua thiết gia nhiệt hỗn hợp đầu Ở đây hỗn hợp đầu được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa sau đó đi vào tháp chưng luyện (5) tại đĩa tiếp liệu
Trong tháp chưng luyện, hơi đi từ dưới lên và lỏng đi từ trên xuống, tạo ra quá trình chuyển khối khi chúng tiếp xúc Nhiệt độ giảm dần theo chiều cao tháp, khiến CCl4 với nhiệt độ sôi cao hơn ngưng tụ và đi xuống đáy tháp, trong khi nhiệt tỏa ra từ quá trình ngưng tụ giúp bay hơi CS2 Hơi ở đỉnh tháp chứa một lượng nhỏ CCl4 được ngưng tụ thành lỏng và một phần sản phẩm đỉnh được hồi lưu để tăng độ tinh khiết Phần còn lại được làm lạnh trước khi vào thiết bị chứa sản phẩm đỉnh Hỗn hợp lỏng ở đáy tháp cũng được hồi lưu, đun bốc hơi và đi vào đáy thiết bị chưng luyện, trong khi phần còn lại được chứa ở đáy tháp Kết quả là hơi đi lên chủ yếu chứa CS2, trong khi đáy tháp giàu CCl4 Tháp chưng luyện hoạt động liên tục với hỗn hợp đầu vào và sản phẩm được cung cấp và thu hồi liên tục.
TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THÁP CHƯNG
TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU
1 Hệ cân bằng phương trình vật liệu
Sơ đồ hệ thống tháp chưng luyện
- Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp
F = P + W (IX.16 – 2 trang 144) (công thức IX.16 tài liệu tham khảo 2 trang 144)
- Đối với cấu tử dễ bay hơi
F.aF = P.aP + W.aW (IX.17– 2 trang 144)
- Lượng sản phẩm đỉnh là:
Theo đề bài thì : F = 4,2 tấn/h = 4200 (kg/h) aF = 33,1 (% khối lượng) = 0,331 (phần khối lượng) aP = 93,1 (% khối lượng) = 0,931 (phần khối lượng) aw = 1,2 (% khối lượng) = 0,012 (phần khối lượng) Vậy ta có:
Lượng sản phẩm đáy là: W = F – P = 4200 – 1457,89 = 2742,11 (kg/h)
2 Chuyển đổi nồng độ Chuyển đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol
Trong đó: aA, aB : là nồng độ phần khối lượng của CS2 và CCl4
MA, MB : là khối lượng mol phân tử của CS2 và CCl4
Với MA=MCS2 = 76 kg/kmol; MB = MCCl4 = 154 kg/kmol.
Thay số liệu vào ta có: aF= 0,331 phần khối lượng aP= 0,931 phần khối lượng aw = 0,012 phần khối lượng
Khối lượng trung bình của hỗn hợp đầu vào, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy là:
M: khối lượng phân tử trung bình cua hỗn hợp (kg/kmol) x: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp
M A , M B : lần lượt là khối lượng phân tử của CS 2 và CCl 4
- khối lượng phân tử trunh bình của hỗn hợp vào tháp là:
- khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh là:
- khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy là:
lượng hỗn hợp đầu F’, lượng sản phẩm đỉnh P’, lượng sản phẩm đáy W’ tính theo phần mol là:
Tính chỉ số hồi lưu thích hợp
1 Tìm chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng luyện (Rmin)
BẢNG 1: Bảng thành phần cân bằng lỏng hơi của 2 cấu tử CS2 - CCl4 (IX.2a – 2.trang149) x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 13,2 24 42,3 54,4 64,5 72,6 79,1 84,8 90,1 95 100 t 76,7 13,7 71 66 62,3 59 56,1 53,7 51,6 49,6 47,9 46,3 Nội suy từ bảng số liệu ta có xF = 0,499 phần mol
2 Tìm chỉ số hồi lưu thích hợp Rth
Chỉ số hồi lưu thích hợp Rth = β.Rmin = (1,2 ÷ 2,5) Rmin (IX.25 – 2 trang 158)
Rth : Chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất.
Chỉ số hồi lưu lớn dẫn đến việc tiêu thụ nhiều nhiệt ở đáy tháp do cần làm bay hơi lượng hồi lưu này Mặc dù số đĩa lý thuyết của tháp giảm khi chỉ số hồi lưu tăng, nhưng chi phí chế tạo tháp lại tăng lên, mặc dù chi phí vận hành có thể giảm Do đó, việc xác định giá trị thích hợp của chỉ số hồi lưu là rất quan trọng Phương pháp đồ thị dựa trên mối quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và số đĩa lý thuyết giúp xác định chỉ số hồi lưu tối ưu, với công thức NR = f(R).
Giá trị cực tiểu của đồ thị cho ta Rth vì tại đó thiết bị có kích thước bé nhất nhưng vẫn đảm bảo chế độ làm việc (3 trang 83)
Để xác định giá trị Rx thích hợp theo số bậc thay đổi nồng độ, cần tiến hành cho nhiều giá trị Rx lớn hơn giá trị tối thiểu Rxmin Với mỗi giá trị này, ta sẽ xác định được tung độ của đường làm việc đoạn luyện với trục tung B.
Từ những bản vẽ số đĩa lý thuyết trên, ta thu được bảng số liệu sau: β Rx B N N(Rx+
Qua đó ta thấy với Rx = 1,8054 thì Nlt (Rx+1) là nhỏ nhất = 33,6648 hay thể tích tháp nhỏ nhất Vậy R th = 1,8054, N lt = 12 đĩa.
3 Phương trình đường nồng độ làm việc:
Lượng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh : a Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện:
- y : Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên.
- x : Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống.
- Rth : Chỉ số hồi lưu thích hợp.
Thay số liệu vào ta được: b Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :(IX.23 – 2 trang 158)
TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG LUYỆN
Đường kính tháp chưng luyện đĩa lỗcó ống chảy truyền được tính theo công thức sau
- Vtb: lượng hơi trung bình trong tháp (m 3 /s)
- : Khối lượng riêng trung bình của lỏng ( kg/m 3 )
- gtb: Lượng hơi trung bình đi trong tháp(kg/s)
Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau ở mỗi đoạn, nên cần tính toán lượng hơi trung bình cho từng đoạn.
1 Đường kính đoạn luyện: a Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:
Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi thoát ra từ đĩa trên cùng và lượng hơi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, được tính theo công thức: gtb = (kg/h) (IX.91-2, trang 181).
- gd : Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h).
- g1 : Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp (kg/h).
- gtb : Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h).
Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp : gd = + = GP ( Rx+1 ) ( IX.92 –2 trang 181)
- Gp : Lượng sản phẩm đỉnh (kg/h) 57,89 (kg/h)
- : Lượng chất lỏng hồi lưu (kg/h) == 1457,89x1,8054 = 2632,0746 (kg/h)
Thay số vào ta có : gd = 1457,89×(1,8054+1) = 4089,9646 (kg/h)
Lượng hơi đi vào đoạn luyện được xác định thông qua hệ phương trình tính theo phần khối lượng, bao gồm lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 cho đĩa thứ nhất Các giá trị này được tính toán dựa trên phương trình cân bằng vật liệu và nhiệt lượng.
- y1 : Hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện (phần khối lượng)
- G1 : Lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện(kg/h)
- r1 : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa 1(kJ/kg)
- rd : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp(kJ/kg)
x1 = xF = 0,499 phần mol= 0,331 phần khối lượng,
yd = xP = 0,965 phần mol= 0,931 phần khối lượng. mà rCCl4, rCS2: Ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử nguyên chất CCl4 và CS2 ở nhiệt độ ở t 0 1=t 0 F.
Từ x1=xF=0,499 dựa vào BẢNG1 dùng công thức nội suy ta được t 0 1 = t 0 F = 56,129 0 C
Với t 0 1 V,129 0 C nội suy theo Bảng I.212 – 1 trang 255 ta được:
Thay vào r1 ta được r 1 = 346,33.y 1 +(1-y 1 ).202,93= 202,93 +143,3y 1 (kJ/kg) rd = rCS2×yd + (1- yd )×rCCl4 rCCl4, rCS2: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là CCl4 và CS2ở t 0 2 = t 0 p
Dựa vào giá trị xp = 0,965 từ BẢNG 1 và áp dụng công thức nội suy, ta tính được t2 0 = t 0 p = 46,86 °C Hàm lượng hơi thoát ra từ đỉnh tháp được xác định là yd = xp = 0,965 (phần mol), tương đương với 0,931 (phần khối lượng).
Với t 0 2 = tP = 46,86 0 C nội suy theo Bảng I.212 – 1 trang 255 ta được: rCCl4 = 51+
(46,86 - 20) = 49,12 (kcal/kg) = 205,66 (kJ/kg) rCS2= 87,6 +
(46,86 – 20) = 83,97 (kcal/kg) = 351,56 (kJ/kg) Thay vào phương trình rd ta được : r d 51,56.y d + 205,66.(1-y d )51,56.0,931+(1 – 0,931).205,66 41,49 (kJ/kg)
Thay các giá trị vào hệ (*) ta được :
Giải hệ ta được kết quả sau:
Thay y1 = 0,503 phần khối lượngvào r1 ta được : r 1 = 202,93 +143,3y 1 = 202,93 + 143,3×0,503 = 275,01 (kJ/kg)
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là :
Lượng lỏng trung bình trong đoạn luyện là : b Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện
Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện là 0 K, ký hiệu là (t ytb +273) Nồng độ phần mol của hơi CS2 và CCl4 trong đoạn luyện được xác định bằng giá trị trung bình, ký hiệu là y tbA và (1 - y tbA).
Nồng độ của CS2 lấy theo gia trị trung bình là:
Với yđ1 và yc1 : nồng độ làm việc giữa đĩa tiếp liệu và đỉnh, phần mol.
= y1 = 0,503 phần khối lượng. Đổi y1 sang nồng độ phần mol:
Thay số vào ta được :
Với ytbA = 0,818 phần mol Nội suy từ số liệu trong Bảng 1 ta tìm được nhiệt độ trung bình của pha hơi: tytb = 52,71 °C
Khối lượng riêng của pha hơi:
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được tính bằng kg/m³, trong đó xA và xB đại diện cho khối lượng riêng trung bình của CS2 và CCl4 Phần khối lượng trung bình của cấu tử CS2 trong pha lỏng được ký hiệu là atbA.
: nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha lỏng Với xtbL= 0,732 phần mol.
Dựa vào BẢNG 1 và dùng công thức nội suy ta được: t o xtb = 50,96 0 C.
Với t 0 = 50,96 0 C Nội suy từ số liệu trong Bảng I.2 – 1 trang 9 ta được:
Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là:
xtb = 1315,79 kg/m 3 c Tính độ nhớt trung bình Độ nhớt của pha lỏng ở t = 50,96 o C Nội suy theo Bảng I.101 – 1 trang 92 ta được:
Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là: d Tốc độ hơi đi trong tháp:
Tốc độ giới hạn trên tính theo công thức :
Trong đó: ωgh: tốc độ giới hạn trên (m/s)
x : khối lượng riêng pha lỏng (kg/m 3 )
y : khối lượng riêng pha hơi (kg/m 3 )
Để tránh hiện tượng tạo bọt trong đoạn luyện, tốc độ làm việc nên duy trì ở mức khoảng 80-90% của ωgh e Đường kính của đoạn luyện cũng cần được cân nhắc Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện được xác định là 3048,5 kg/h.
Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là 0,66 m
Thử lại điều kiện: Ta có:
Vậy đường kính đoạn luyện 0,66 m là phù hợp điều kiện.
2 Đường kính đoạn chưng. a Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng. Được xác định gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng và đi vào đoạn luyện
g ’ n: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/h
g ’ 1: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h
Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện g’n=g1 nên
Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’1, lượng lỏng G’1 và hàm lượng lỏng x’1 được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau :
r ’ 1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng.
Ta có: W = 2742,11 kg/h xw = 0,024 phần mol tương ứng với 0,012 phần khối lượng y’1 = yw xác định theo đường cân bằng
Bỏ qua giá trị x-y-t = 5-13,2-13,7, ta có:
Với xw= 0,024 phần mol dựa vào BẢNG 1 nội suy ta có yw = 0,058 phần mol. Đổi y ’ 1 = yw = 0,058 phần mol ra phần khối lượng ta có:
Theo phần trên đã tính ta có: r ’ 1 = r CS2 y ’ 1 + (1- y ’ 1 )r CCl4 [2 trang 182]
Với rCS2, rCCl4: ẩn nhiệt hoá hơi của CS2 và CCl4 ở t 0 = tw 0 Với xw = 0,024 (phần mol) dựa vào BẢNG 1 và sử dụng công thức nội suy ta được tw 0 = 75,33 0 C.
Từ t 0 =tw 0 u,33 0 C,nội suy theo Bảng I.212 – 1 trang 254 ta được: rCS2 = 82,2 +
(75,33 – 60) = 79,63 kcal/kg = 333,39 kJ/kg rCCl4 = 48,2 +
Thay vào hệ phương trình trên ta được:
Giải hệ phương trình trên ta được:
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là
Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng là b Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng
(t ytb +273 ): nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng, o K.
y tbA , (1- y tbA ): Nồng độ phần mol của hơi CS 2 và CCl 4 trong đoạn luyện lấy theo giá trị trung bình.
Nồng độ của CS2 lấy theo giá trị trung bình là : ytbA = [2 trang 183]
Với yđ1 và yc1 : nồng độ làm việc giữa đĩa tiếp liệu và đáy tháp, phần mol.
= y1 = 0,503 phần khối lượng = 0,672 (phần mol)
Với ytbC = 0,365 phần mol Nội suy từ số liệu trong Bảng 1 ta tìm được nhiệt độ trung bình của pha hơi: tytb = 67,58 °C
Khối lượng riêng của pha hơi:
: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/ m 3 ) xA, xB : Khối lượng riêng lỏng của CS2 và CCl4 (kg/m 3 ) atbA: Phần khối lượng trung bình cấu tử CS2
: nhiệt độ trung bình của đoạn chưng theo pha lỏng Với xtbC= 0,262 phần mol.
Dựa vào BẢNG 1 và dùng công thức nội suy ta được: t o xtb = 63,71 0 C.
Với t 0 = 63,71 0 C Nội suy từ số liệu trong Bảng I.2 – 1 trang 9 ta được:
(63,71 – 40) = 1508,47 kg/m 3 Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là:
xtb = 1443,00 kg/m 3 c Tốc độ hơi trong đoạn chưng: Để tránh tạo bọt ta lấy tốc độ làm việc khoảng (80÷90%)ωgh
Ta lấy 80% ωlv = 0,8 × 0,896 = 0,72 (m/s) d Đường kính đoạn chưng là :
Quy chuẩn đường kính đoạn chưng là 0,8 m
Tốc độ hơi thực tế đi trong tháp là: C 0,743 m/s
Vậy đường kính đoạn chưng 0,8 m là phù hợp điều kiện.
Kết luận: Đường kính đoạn chưng 0,8 m Đường kính đoạn luyện 0,66 m
Khi đó tốc độ làm việc thực ở :
TÍNH CHIỀU CAO THÁP
1 Hệ số khuếch tán a Hệ số khuếch tán trong pha lỏng (Dx)
Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20 0 C:
A, B: Hệ số liên hợp kể đến ảnh hưởng của CS2 và CCl4 Tra bảng VIII.6 và VIII.7- 2 trang 133 ta được A=1, B = 0,94
V, V : Thể tích mol của CS2 và CCl4 (cm/mol)
Tra bảng VIII.2 –2.trang 127, ta có thể tích nguyên tử của :
Công thức phân tử cacbon disunfua là CS2, của cacbon tetraclorua là CCl4
Hệ số khuếch tán ở nhiệt độ xác định t:
Với b: là hệ số nhiệt độ(lấy ở 20C): b = 3
x độ nhớt của dung môi là CCl4 ở 20C
x Khối lượng riêng của dung môi ở 20C
Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn chưng: t xtbC = 63,71 0 C
hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn luyện: txtbL= 50,96 0 C b Hệ số khuếch tán trong pha hơi.
Hệ số khuếch tán động học của khí CS2 trong khí CCl4 được tính theo công thức:
P: áp suất tuyệt đối của hỗn hợp, P = 1at
T: nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp, T = t + 273
Hệ số khuếch tán trong pha hơi của đoạn chưng: tytbC = 67,58 o C T = 340,58 K
Hệ số khuếch tán trong pha hơi của đoạn luyện: tytbL = 52,71 o C T = 325,71 K
2 Hệ số cấp khối. a Độ nhớt của hỗn hợp hơi
m1: nồng độ CS2 trong pha hơi.
- đoạn chưng: m 1 = y tbC = 0,365 (kmol/kmol)
- đoạn luyện: m 1 = y tbL = 0,818 (kmol/kmol)
m2: nồng độ CCl4 trong pha hơi, m2 = 1 - m1
Mhh: trọng lượng phân tử của hỗn hợp khí
- đoạn luyện: Áp dụng công thức I.20 – 1.trang 86
- đoạn luyện: có tytbL= 52,71 o C Tra bảng I.113 – 1.trang 115 + 116có C = 499.5 và sử dụng công thức trên ta có:
- đoạn chưng: có ttbC= 67,58 o C, làm tương tự như trên ta cũng có:
- đoạn luyện: có t ytbL = 52,71 o C Tra bảng I.113 – 1.trang 115 + 116 có C = 335 và sử dụng công thức trên ta có:
Độ nhớt hỗn hợp hơi đoạn chưng là:
Độ nhớt của hỗn hợp hơi đoạn luyện là: b Độ nhớt của hỗn hợp lỏng Độ nhớt của pha lỏng ở t = 63,71 o C Nội suy theo Bảng I.101 – 1 trang 91 ta được:
Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là c Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi
Hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp (m/s) h : Kích thước dài, chấp nhận h = 1 m ρ : Khối lượng riêng trung bình của hơi (kg/m) μ : Độ nhớt trung bình của hơi (Ns/m)
y = 0,743 m/s; y = 4,49 kg/m 3 ; ày d Chuẩn số Prand đối với pha lỏng: ρ : Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m)
D : Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m/s) μ : Độ nhớt trung bình của lỏng (N.s/m)
Chuẩn số Prand đối với pha lỏng đoạn luyện là:
Chuẩn số Prand cho pha lỏng trong quá trình chưng cất là rất quan trọng Hệ số cấp khối trong pha hơi có thể được tính toán theo công thức dành cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền, được trình bày trong tài liệu (IX.42 – 2.trang 164).
D : Hệ số khuếch tán trong pha hơi (m/s)
Re : Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi.
Hệ số cấp khối pha hơi đoạn luyện là:
Hệ số cấp khối pha hơi đoạn chưng là: f Hệ số cấp khối trong pha lỏng:
Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (IX.44 – 2 trang 165):
D: Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m/s)
Prx: chuẩn số Pran đối với pha lỏng h: Kích thước dài, chấp nhận bằng 1 m
M: Khối lượng mol trung bình của pha lỏng Đoạn luyện: x = xxtbL= 0,732 Đoạn chưng: x = xxtbC Hệ số cấp khối trong pha lỏng đoạn luyện là
Hệ số cấp khối trong pha lỏng đoạn chưng là:
3 Hệ số chuyển khối, đường cong động học, số đĩa thực tế a Hệ số chuyểnkhối
Lượng vật chất chuyển qua một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian khi hiệu số nồng độ bằng một đơn vị m được gọi là hệ số phân bố vật chất, phụ thuộc vào thời gian, áp suất và nồng độ của các pha βx, βy Hệ số cấp khối của pha lỏng và hơi được tính theo đơn vị diện tích bề mặt làm việc của đĩa (kmol/m² s) Để tính đường kính ống chảy chuyền, cần xem xét các yếu tố này.
G tb : Lưu lượng lỏng đi trong tháp Đoạn luyện GtbL Đoạn chưng: GtbC x : Khối lượng riêng trung bình pha lỏng
z : Số ống chảy chuyền phụ thuộc vào đường kính tháp Chọn z=1
ω : Tốc độ chất lỏng trong ống chảy truyền, chọn ω = 0,15 (m/s) Đường kính ống chảy chuyền trong đoạn luyện: Đường kính ống chảy truyền trong đoạn chưng:
Từ dch ta tính được
Diện tích làm việc của đĩa được tính theo công thức f = F – fch.m, trong đó fch là diện tích mặt cắt ngang của các ống chảy truyền tính bằng mét vuông và m là số ống chảy truyền trên mỗi đĩa, thường chọn m = 1 Để tính số đơn vị chuyển khối g, cần xác định lượng hơi trung bình tính bằng kg/h.
Ky : Hệ số chuyển khối (kmol/ms) f: Diện tích làm việc của đĩa m 2 d Đường cong động học.
Xác định số đĩa thực tế bằng đường cong động học theo các bước sau:
- Vẽ đường cong cân bằng y = f(x) và vẽ đường làm việc của đoạn chưng, luyện với R
- Dựng các đường thẳng vuông góc với Ox, các đường này cắt đường làm việc tại : A; A; A;…; A và cắt đường cân bằng y = f(x) tại C; C;…; C.
- Tại mỗi giá trị của x tìm tg góc nghiêng của đường cân bằng: m = tgα = cb cb y y x x
- Tính hệ số chuyển khối ứng với mỗi giá trị của x:
Để xác định Cy, ta sử dụng công thức Cy = e m yT (IX.64 – 2.trang 172) Mỗi giá trị của x tương ứng với điểm A trên đường làm việc, điểm C trên đường cân bằng và điểm B trên đường cong động học Để tìm đoạn BC, ta áp dụng công thức: y.
Vẽ đường cong phụ đi qua các điểm B ( i = 1 ÷ 9)
- Vẽ số bậc nằm giữa đường cong phụ và đường làm việc, số bậc là số đĩa thực tế của tháp
Bảng số liệu vẽ đường cong động học: Đoạn chưng Đoạn luyện
Từ đường nồng độ làm việc và đường cong động học ta vừa vẽ được, ta tìm được số đĩa thực tế của tháp là N = 33 đĩa Trong đó:
Số đĩa đoạn chưng: 21 đĩa
Số đĩa đoạn luyện: 12 đĩa
4 Hiệu suất tháp, chiều cao tháp a Hiệu suất tháp b Chiều cao tháp tính theo công thức:
H = Ntt(Hđ + δ) + (0,8 ÷ 1) (IX.50 – 2.trang 169) Trong đó:
Ntt : Số đĩa thực tế
Hđ : Khoảng cách giữa các đĩa (m) Nội suy theo bảng IX.4a – 2.trang 169
(0,8 ÷ 1) m: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị δ: Chiều dày đĩa Chọn δ = 3 mm
Quy chuẩn chiều cao tháp là H = 8,0 (m), H = 3,4 (m), H = 4,6(m)
Ta chọn loại đĩa với các thông số như sau: Đoạn luyện:
Diện tích tự do tương đối: ε = 8%
- Chiều cao gờ chảy tràn: h = 30 mm
- Chiều dày đĩa lỗ δ = 3mm
- Khoảng cách giữa các đĩa H = 0,45 m
- Bước lỗ t = 10 mm Đoạn chưng
Diện tích tự do tương đối: ε = 8%
- Chiều cao gờ chảy tràn: h = 30 mm
- Chiều dày đĩa lỗ δ = 3mm
- Khoảng cách giữa các đĩa H = 0,45 m
Tính chiều dài cửa chảy tràn
Diện tích dành cho ống chảy truyền là 8% diện tích đĩa, nên ta có phương trình sau:
TÍNH TRỞ LỰC THÁP
∆P = N tt ∆P d (N/m 2 ) (IX.135 – 2.trang 194) Trong đó:
∆Pd: Tổng trở lực của một đĩa (N/m2)
∆P : Trở lực của đĩa khô (N/m)
∆P : Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (N/m)
∆P : Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) (N/m)
1 Trở lực của đĩa khô
Trong đó: ξ: Hệ số trở lực tiết diện tự do của lỗ là ε = 20% ξ= 1,45 ρ: Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg/m)
2 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt. Đĩa có đường kính lớn hơn 1mm được tính theo công thức:
Nội suy theo bảng I.242-1.trang 300 ta được:
Sức căng bề mặt dung dịch đoạn luyện:
Sức căng bề mặt dung dịch đoạn chưng:
D: là đường kính lỗ(m): theo thông số đã chọn d = 3mm = 0,003m
Trở lực do sức căng bề mặt đoạn luyện:
Trở lực do sức căng bề mặt đoạn luyện:
3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa
K: tỷ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của lỏng không bọt Khi tính toán chấp nhận K=0,5. hc: chiều cao gờ chảy tràn (m)
Lc: chiều dài gờ chảy tràn (m) m: hệ số lưu lượng chảy qua gờ chảy tràn
Gx: lưu lượng lỏng kg/h Đoạn luyện: Gx = 1457,89 kg/h Đoạn chưng: Gx = 2742,11 kg/h
Trở lực thủy tĩnh của đoạn luyện:
Trở lực thủy tĩnh của đoạn chưng:
4 Trở lực của tháp Tổng trở lực của đĩa đoạn luyện:
Tổng trở lực của đĩa đoạn chưng:
TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt lượng là xác định lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu và lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ làm lạnh Việc này cũng bao gồm việc tính toán lượng hơi cần thiết khi đun bốc hơi ở đáy tháp.
Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nguyên liệu rẻ tiền, phổ biến trong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ.
1 Tính cân bằng nhiệt trong thiết bị gia nhệt hỗn hợp đầu:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu
Q : Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào (J/h)
Q : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)
Q : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)
Q : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
Q : Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh (J/h)
Chọn hơi đốt là hơi nước ở áp suất 2 at, có t = 119,62 o C (từ bảng I.251 – 1 trang 314) a Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
D : Lượng hơi đốt (kg/h) λ : Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/h) θ : Nhiệt độ nước ngưng (C): θ = 119,62C
C : Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ) r : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg), tại t = θ ta có: r = 2208.(J/kg) b Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:
F: Lượng hỗn hợp đầu (kg/s) Theo đề bài : F = 4200 kg/h t : Nhiệt độ đầu của hỗn hợp (C) t = 25C
C : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)
Nội suy từ bảng I.153 – 1 trang 171 ta được
Nồng độ hỗn hợp đầu: a = a = 33,1%
Vậy lượng nhiệt do hỗn hợp đầu mang vào là: c Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:
Trong đó: t : Nhiệt độ của hỗn hợp đầu sau khi đun nóng (C): t = 56,129 0 C
C : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra (J/kg.độ)
Nội suy từ bảng I.153 – 1 trang 171 ta được
Nồng độ hỗn hợp đầu a = 331%
Vậy lượng nhiệt do hỗn hợp đầu mang ra là: d Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
Lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt D (kg/s) và nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh chiếm khoảng 5% lượng nhiệt tiêu tốn Do đó, để xác định lượng hơi đốt cần thiết, cần tính toán dựa trên các yếu tố này.
Thay các giá trị đã tính vào phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có:
2 Tính cân bằng nhiệt lượng toàn tháp chưng luyện Phương trình cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện :
Q : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h)
Q : Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp (J/h)
Q : Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào (J/h)
Q : Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h)
Q : Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h)
Q : Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh (J/h)
Q : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 2 at có t = 119,6C a Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp
D : Lượng hơi đốt cần thiết λ : Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg) θ : Nhiệt độ nước ngưng (C): θ = 119,6C r : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg)
C : Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ) b Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào:
G : Lượng lỏng hồi lưu t : Nhiệt độ của lượng lỏng hồi lưu (C) t = t = 46,86 0 C
C : Nhiệt dung riêng của lượng lỏng hồi lưu (J/kg.độ)
Nồng độ lượng lỏng hồi lưu bằng nồng độ sản phẩm đỉnh đạt 93,1% Do đó, nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào sẽ được tính toán dựa trên giá trị này Bên cạnh đó, nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp cũng cần được xem xét để đánh giá hiệu suất tổng thể của quá trình.
P: lượng sản phẩm đỉnh kg/h P= kg/h
Rx = Rth = 1,8054 λ: Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi ở đỉnh tháp (J/kg)
Với: a = aP = 93,1% λCS2, λCCl4 : Nhiệt lượng riêng của CS2 và CCl4 (J/kg)
CCl CCl CCl CCl r C J kg r C J kg
CS2 = θCCl4 = t = 46,86 0 C r, r : Nhiệt hóa hơi của CS2 và CCl4
Nội suy theo bảng I.212 (1 trang 254) ta có: d Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra
C: Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ) ở
Nội suy từ bảng I.153 – 1.trang 171 ta được
Nồng độ sản phẩm ở đáy tháp là 1,2%, trong khi lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh chiếm 5% tổng nhiệt tiêu tốn tại đáy tháp Ngoài ra, nhiệt lượng do nước ngưng mang ra cũng cần được tính toán trong quá trình này.
G : Lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt (kg/h) g Lượng hơi đốt cần thiết:
3 Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị ngưng tụ:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ:
Nếu chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu:
Nếu ngưng tụ hoàn toàn
Gn1, Gn2 : lượng nước lạnh tiêu tốn r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đỉnh tháp (J/kg)
Nhiệt độ của hơi đỉnh tháp là t = t = 46,860C
Nội suy theo bảng I.212 (Sổ tay I - 254) ta có:
Nồng độ phần khối lượng của hơi ở đỉnh tháp là: aP = 93,1% t, t : Nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh (C)
Nhiệt độ vào của nước lạnh lấy là nhiệt độ thường: t = 25C
Nhiệt độ ra của nước lạnh chọn t = 45C
Nếu chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu:
C: Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t (J/kg.độ)
C = 0,99859 (cal/kg.độ) = 4,18 (J/kg.độ) Nếu ngưng tụ hoàn toàn
Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh, lấy ở 25 0 C
Lượng nước lạnh cần thiết là:
4 Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị làm lạnh Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:
Nếu trong thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu:
Nếu đã ngưng tụ hoàn toàn trong thiết bị ngưng tụ:
Gn3, Gn4: Lượng nước lạnh tiêu tốn (kg/s) t, t : Nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh ngưng tụ (C)
Sản phẩm đỉnh sau khi ngưng tụ ở trạng thái sôi:
Nhiệt độ vào chính bằng nhiệt độ sôi ở đỉnh tháp: t = 46,86 0 C
Nhiệt độ ra của sản phẩm lấy là: t = 25C
C : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (J/kg.độ)
Nội suy từ bảng I.153 – 1 trang 171 ta được
Có nồng độ sản phẩm đỉnh a = 93,1% phần khối lượng
C : Nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở 25C
Theo bảng I.147 – 1 trang 165 có: Cn = 4,18 J/kg.độ
Lượng nước lạnh cần thiết là:
TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
TÍNH TOÁN THÂN THÁP
Thân trụ là bộ phận quan trọng trong thiết bị hóa chất, được lựa chọn dựa trên điều kiện làm việc cụ thể Đối với bài tháp hoạt động ở áp suất thường và nhiệt độ khoảng 100°C, vật liệu thép không gỉ CT3 là sự lựa chọn phù hợp cho quá trình chưng luyện CS2 - CCl4 Thân hình trụ được đặt thẳng đứng và được chế tạo bằng phương pháp hàn, thường được sử dụng cho thiết bị làm việc ở áp suất thấp và trung bình.
Chiều dày thân tháp hình trụ được tính theo công thức XIII.9 - 2 trang 360
Trong đó: D: Đường kính trong của tháp (m)
P: áp suất trong thiết bị (N/m)
[σ]: Ứng suất cho phép với loại vật liệu đã chọn (N/m) φ: Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc
C: Số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (m)
1 Áp suất trong thiết bị.
Môi trường làm việc là hỗn hợp lỏng, do đó áp suất làm việc cần phải bằng tổng áp suất hơi (P) và áp suất thủy tĩnh (P) của cột chất lỏng.
Hl : chiều cao cột chất lỏng lấy bằng chiều cao làm việc của tháp 8m ρ : Khối lượng của chất lỏng trong tháp (kg/m) Áp suất trong thiết bị:
2 Ứng suất cho phép Ứng suất cho phép của thép trong giới hạn bền khi kẽo và khi chảy được tính theo công thức:
Hệ số hiệu chỉnh η được xác định theo bảng XIII.2 – 2 trang 356, trong đó thiết bị loại 2 đốt nóng gián tiếp chọn η = 1 Hệ số an toàn n được tính theo giới hạn bền và chảy với n = 2,6 và n = 1,5 σ Giới hạn bền khi kéo và chảy được lấy từ bảng XII.4 -2 trang 309, từ đó ta có ứng suất giới hạn bền kéo và ứng suất giới hạn bền chảy.
Chọn ứng suất cho phép là ứng suất nhỏ nhất trong hai ứng suất trên:
3 Tính hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc Chọn phương pháp chế tạo theo phương pháp hàn tay bằng hồ quang điện kiểu hàn giáp mối 2 bên, thành có lỗ nhưng được gia cố hoàn toàn Khi đó hệ số mối hàn được chọn như sau: φ = φ = 0,95 (bảng XIII.8 – 2 trang 362)
Có thể bỏ qua P ở mẫu của công thức tính chiều dày
4 Đại lượng bổ sung. Đại lượng bổ sung được tính theo công thức
C1 được xác định dựa trên mức độ ăn mòn của vật liệu trong môi trường và thời gian hoạt động của thiết bị Đối với thép CT3, với tốc độ ăn mòn khoảng 0.06 mm/năm và thời gian làm việc từ 15 đến 20 năm, giá trị C1 được chọn là 1 mm.
C2 chỉ cần được tính toán trong trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc lớn trong thiết bị; trong những tình huống khác, C2 có thể được bỏ qua.
C3: bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc chiều dày tấm vật liệu, chọn C3 0.8 mm.
Theo quy chuẩn lấy chiều dày tháp là S = 2 mm
Kiểm tra ứng suất theo tháp thử: Áp suất thử tính toán: P = P + P (N/m)
Theo bảng áp suất thủy lực khi thử (sổ tay T2 trang 358)
Áp suất cột chất lỏng trong tháp được tính bằng công thức P = g.ρ.H (N/m), trong đó ρ là khối lượng riêng của CS2 ở nhiệt độ trung bình 59,44ºC, được xác định là 1201 kg/m³ theo bảng I.2-1 trang 9 Tuy nhiên, ứng suất theo áp suất thử không thỏa mãn yêu cầu, vì vậy cần chọn S = 2 mm, nhưng vẫn không phù hợp.
Chọn S = 4 mm ta tính được = 77 492 228 N/m 2 thỏa mãn < 200.10 6 N/m 2
Vậy chọn S = 4 mm là phù hợp.
TÍNH ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN
Ống dẫn thường kết nối với thiết bị thông qua mối ghép tháo được hoặc không tháo được Trong trường hợp này, chúng ta lựa chọn ống nối với thiết bị bằng mối ghép tháo được, sử dụng bích và bulong Đường kính của các ống dẫn và các đầu ra vào của thiết bị được xác định dựa trên phương trình lưu lượng.
V: lưu lượng của các chất chuyển động trong ống (m 3 /s): với G: lưu lượng của dòng pha (kg/s) ρ: khối lượng riêng trung bình của dòng pha (kg/m 3 ) ω : vận tốc trung bình của lỏng khí đi trong ống
Với hơi nước bão hòa chọn ω = 20÷40 m/s (1.trang449) Với lỏng tự chảy chọn ω = 0,1÷0,5 m/s
1 Đường kính ống chảy chuyền Đường kính ống chảy truyền đã tính ở trên d = 0,07 m, d = 0,12 m
Khoảng cách từ chân đĩa đến ống chảy chuyền: S = 0,25d Đoạn luyện: S = 0,25.0,07 = 0,0175 (m) Đoạn chưng: S = 0,25.0,12 = 0,03 (m)
2 Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp
Lượng hỗn hợp đầu vào tháp là GF = 4200 kg/h
Nhiệt độ của hỗn hợp đầu t = 56,129 o C
Khối lượng riêng của CS2 và CCl4 theo bảng I.2 – 1.trang 9 với t = t = 56,129 o C
Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu là:
Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu là:
Cho chất lỏng tự chảy nên chọn tốc độ hỗn hợp đầu là ω = 0,25 (m/s) = 900 (m/h) Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu là:
Quy chuẩn ta có Dy= 70 mm ta được Dn= 76 mm (theo bảng XIII.26 – 2.trang
412) và l = 110mm (theo bảng XIII.32 – 2.trang 434]
Tính lại tốc độ thực tế của hỗn hợp đầu:
3 Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh: Ống dẫn sản phẩm đỉnh là ống nối giữa nắp tháp và thiết bị ngưng tụ Hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp là hỗn hợp hơi với nồng độ cấu tử dễ bay hơi. y = aP = 0,931 (phần khối lượng ) t o = t o P = 46,86 o C gđ = 4089,9646 (kg/h)
Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp
Lưu lượng thể tích của hơi đỉnh tháp
Tháp làm việc ở áp suất thường với hơi quá nhiệt chọn = 25 m/s 20 – 40 m/s
Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh là:
Quy chuẩn ta có Dy= 150 mm ta được Dn9 mm (theo bảng XIII.26 – 2.trang 414) và l = 130mm (theo bảng XIII.32 – 2.trang 434]
4 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy:
: Khối lượng riêng của sản phẩm đáy: t o = tw = 75,33 o C
Nội suy bảng I.2 – 1.trang 9 ta có:
Với a1 = aw = 0,012 phần khối lượng Ta có :
Chọn vận tốc lượng hồi lưu = 0,25 m/s
Quy chuẩn ta có Dy= 50 mm ta được Dn= 57 mm (theo bảng XIII.26 – 2.trang
415) và l = 100mm (theo bảng XIII.32 – 2.trang 434]
5 Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh.
- GR = GPRth = 2632,0746 (kg/h) aR= aP = 0,931 phần khối lượng
R: khối lượng riêng của sản phẩm hồi lưu tại t o = tp= 46,86 o C
Nội suy theo Bảng I.2 - 1.trang 9 ta có:
Chọn vận tốc lượng hồi lưu: = 0,25 m/s
Quy chuẩn ta có Dy= 70 mm ta được Dn= 79 mm (theo bảng XIII.26 – 2.trang
415) và l = 110mm (theo bảng XIII.32 – 2.trang 434)
Tính lại vận tốc dòng chảy:
6 Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đáy
Lưu lượng sản phẩm đáy hồi lưu: y y
Gy = g 1 ' = 6036,93 kg/h: lượng hơi trung bình đi vào đoạn chưng
: khối lượng riêng của hơi ở đáy tháp(kg/m 3 )
Đường kính ống dẫn hơi sản phẩm đáy:
Quy chuẩn ta có Dy= 125 mm ta được Dn3 mm (theo bảng XIII.26 – 2.trang
415) và l = 120mm (theo bảng XIII.32 – 2.trang 434)
Tính lại vận tốc dòng chảy
Tính chiều dày đáy và nắp thiết bị
Đáy và nắp của thiết bị là những bộ phận quan trọng, được chế tạo từ vật liệu thép không gỉ, giống như thân thiết bị Do tháp hoạt động ở áp suất thường và thân trụ được hàn, nên đáy và nắp được thiết kế dạng elip có gờ để đảm bảo độ bền và an toàn.
C = 1,8.10 -3 m (hệ số hiệu chỉnh)và có tăng thêm một chút tùy thuộc chiều dày.
Thêm 1 mm khi 10 mm < S – C < 20 mm
P = (N/m 2 ) hb: chiều cao phần lồi của đáy = 0,25.Dt = 0,25.0,8 = 0,2 m
[σk]: ứng suẩt giới hạn bền kéo = 146,15.10 6 (N/m 2 )
: hệ số bền mối hàn hướng tâm chọn nắphàn từ hai nửa tấm, hàn điện 2 phía bằng tay Tra bảng XIII.8 - 2.trang 362 ta có =0,95
Dựa vào đường kính Dt= 800mm Tra bảng XIII.10 – 2.trang 382 ta có ht = 200 mm. k: hệ số không thứ nguyên, được xác định:
Trong bài viết này, chúng ta đề cập đến đường kính lớn nhất (d) của lỗ không tăng cứng, không phải hình tròn Do đường kính của ống ở đáy và nắp khác nhau, cần tính hệ số k riêng cho từng phần Đặc biệt, đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh được xác định là d = 0,15m.
Bỏ qua đại lượng P ở mẫu của công thức tính chiều dày ta được
Ta thấy S – C = 2,57 – 1,8 = 0,77 mm < 10 mm nên phải tăng C lên 2mm
Kiểm tra ứng suất thành của nắp theo áp suất thủy lực :
Vậy S= 8 mm là chấp nhận được
Chiều dày đáy Tương tự như tính chiều dày nắp thiết bị ta có: Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy d = 0,05m
Bỏ qua đại lượng P ở mẫu của công thức tính chiều dày ta được
Ta thấy S – C = 2,47 – 1,8 = 0,68 mm < 8 mm nên phải tăng C lên 2mm
Kiểm tra ứng suất thành của nắp theo áp suất thủy lực :
S = 8 mm là chấp nhận được
Vậy theo bảng XIII.10 – 2.trang 382, XIII.11 – 2.trang 384, XIII.12 – 2.trang 385 ta được các thông số của đáy và nắp thiết bị như sau: Đường kính D
Chiều cao phần lồi hb
Thể tích V.10 -3 (m 3 ) Đường kính phôi D (mm)
Tra bích
Mặt bích là bộ phận quan trọng trong việc kết nối các phần của thiết bị và các bộ phận khác Với tháp làm việc ở áp suất thường, mặt bích được chọn là loại liền bằng thép không gỉ X18H10T để đảm bảo hiệu suất và độ bền.
1 Chọn bích để nối thân và đáy thiết bị
Để đảm bảo bích làm việc ổn định trong các trường hợp bất thường, áp suất được chọn gần bằng 0,1 x 10^6 N/m², như đã thử nghiệm trong tính toán cơ khí thiết bị chính Thông số kích thước Dt là 0,8 m (800 mm) theo bảng XIII.27 – 2, trang 420.
Kích thước nối Kiểu bích
D Db Dl Do Bu lông 1 db Z h
Bước bích là khoảng cách giữa 2 bích, tra bảng IX.5 – 2 trang 170 ta có khoảng cách giữa 2 bích 500mm
Tổng số bích của tháp là 1+ 2 + 2 = 5 bích (2 bích để nối nắp và đáy với tháp)
2 Chọn bích để nối các ống dẫn vào thân.
Theo bảng XIII.26 – 2.trang 412 ta có bảng bích cho các loại ống với áp suất 0,25.10 6 at (chọn bích kiểu 1)
Py.10 6 Tên các ống dẫn Dt Ống Kích thước nối Kiểu bích
Dn D D Dl Bu lông 1 db Z h
Hồi lưu sản phẩm đỉnh 70 76 160 130 110 M12 4 14 Ống dẫn liệu 70 76 160 130 110 M12 4 14
Hồi lưu sản phẩm đáy 125 133 235 200 178 M16 8 14
Tính giá đỡ và tay treo
1 Tính khối lượng toàn bộ tháp Thường người ta đặt trực tiếp thiết bị lên bệ mà phải có tai treo hay giá đỡ Muốn xác định được tai treo hay chân đỡ người ta phải xác định được toàn bộ khối lượng của thiết bị
Khối lượng tổng thể của tháp được tính bằng công thức mtb = mth + mĐ-N + mbulong + mđĩa + ml + mô + mb(kg) Đối với đáy và nắp, với đường kính Dt = 800 mm và chiều dày Sđ = Sn = 8 mm, theo bảng XIII.11 – 2 trang 384, khối lượng của đáy và nắp là mĐ-N = mđáy + mnắp = 2.49 = 98 kg Khối lượng của thân tháp cũng cần được xác định để hoàn thiện tính toán.
Hth: chiều cao thân tháp, Hth = 8m
Dn, Dt : đường kính ngoài và đường kính trong của tháp
: khối lượng riêng của vật liệu làm tháp= 7850 (kg/m 3 )
Vậy khối lượng của thân tháp là: c Khối lượng của cột chất lỏng trên đĩa Thể tích chất lỏng trên đĩa đoạn chưng là:
Khối lượng chất lỏng trên đoạn chưng:
Thể tích chất lỏng trên đĩa của đoạn luyện là:
Khối lượng chất lỏng trên đoạn luyện:
Tổng khối lượng chất lỏng trên toàn tháp đạt 4859,65 kg, bao gồm khối lượng chất lỏng và khối lượng của các đĩa Đối với các đĩa không có lỗ, khối lượng riêng của vật liệu chế tạo đĩa là 7850 kg/m³.
Khối lượng của 33 đĩa là m = 33.11,83 = 390,39 (kg)
Phần lỗ chiếm 10% khối lượng, do đó khối lượng còn lại của đĩa là 390,39 - 390,39 x 0,1 = 351,35 kg Vật liệu được chọn để làm bích là thép cacbon không gỉ X18H10T.
Khối lượng của các bích nối thân,nắp và đáy
Một cách gần đúng khối lượng của một bích đơn (không tính đến các lỗ khoét để vặn bulong nên bỏ qua khối lượng của bulong)
Để tính toán khối lượng bulong nối bích, chúng ta cần xác định số lượng bulong cần thiết cho mỗi cặp bích Theo tính toán, số bích là 5 cặp bích, trong đó 2 cặp cần 32 bulong loại M16 (khối lượng 0,15kg/cái) và 3 cặp cần 24 bulong loại M12 (khối lượng 0,15kg/cái).
Khối lượng bulong nối bích m bl = 2.32.0,15+3.24.0,15 = 20,4 kg g Khối lượng ống chảy chuyền
Khối lượng của một ống chảy truyền là:
Tháp có 21 đĩa chưng và 12 đĩa luyện, mỗi đĩa có một ống chảy chuyền. Đoạn chưng: dcC = 0,12 m, HcC = 0,17 – 0,25.0,12 = 0,14 m Đoạn luyện:dcL = 0,07 m, HcC = 0,194 – 0,25.0,07 = 0,1765 m
Vậy khối lượng của ống chảy truyền là mo = 21.1,04 + 12.1,28 = 37,2 (kg)
Vậy khối lượng của tháp là:
2 Chọn giá đỡ và tay treo Trọng lượng của tháp: P= mth.g = 9,81.6211,2 = 60869,76 (N)
Tải trọng cho phép trên một tai treo và giá đỡ là rất quan trọng, đặc biệt với tháp có chiều cao H = 8m, vì vậy cần sử dụng 4 tai treo Để đảm bảo an toàn, chúng ta chọn tai treo thiết bị thẳng đứng với giá trị Gc = 8.10^4 N theo bảng XIII.36 – 2 trang 438.
Tải trọng cho phép trên 1 tai treo
Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10 6
Chọn chân đỡ thiết bị thẳng đứng theo bảng XIII.35 trang 438 sổ tay QTTB tập 2 với các thông số tải trọng cho phép trên một chân đỡ là Gc = 8*10^4 N.
Tải trọng cho phép trên 1 chân
Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ q*10 6
8 840 0,96 320 265 270 400 500 275 22 120 34 c Tấm lót tai treo bằng thép Theo bảng XIII 37 – 2.trang 439 với tải trọng cho phép 8*10 4 N
Tải trọng cho phép trên 1 tai treo
Chiều dày tối thiểu của thành thiết bị khi không có lót
Chiều dày tối thiểu của thiết bị khi có lót S
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
Tính toán thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Trong quá trình chưng luyện, để tối ưu hóa hiệu suất làm việc, hỗn hợp đầu thường được đưa vào tháp ở dạng lỏng sôi, nhằm cải thiện sự tiếp xúc giữa hai pha lỏng và hơi Việc này được thực hiện thông qua thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, giúp nâng cao hiệu quả quá trình chưng luyện.
Dựa trên các tiêu chuẩn kinh tế và kỹ thuật, thiết bị ống chùm kiểu đứng được lựa chọn vì tính hiệu quả của nó Tác nhân đun nóng sử dụng hơi nước bão hòa, nổi bật với hệ số cấp nhiệt lớn và khả năng ẩn nhiệt ngưng tụ cao.
Trong thiết bị 2 lưu thể hoạt động ngược chiều, hơi đốt di chuyển từ trên xuống, truyền nhiệt ẩn cho hỗn hợp lỏng đi từ dưới lên, dẫn đến quá trình ngưng tụ và tạo ra chất lỏng thoát ra khỏi thiết bị.
1 Xác định lượng nhiệt cần thiết để đun sôi dung dịch đầu Lưu lượng hỗn hợp đầu: F = 4200 kg/h
Thành phần khối lượng: aF = 0,331 phần khối lượng.
Thành phần mol: xF = 0,499 phần mol
Hơi nước bão hào ở 2at t bh = 119,62 0 C
Nhiệt độ đầu vào dung dịch 25 o C
Nhiệt độ ra của dung dịch tF = 56,129 o C
Hiệu số nhiệt độ giữa chất tải nhiệt và lưu thể:
Hiệu số nhiệt độ trung bình tính theo hiệu số nhiệt độ trung bình logarit (V.29 – 2.trang 11)
Nhiệt độ trung bình của dung dịch t tb = 119,62 – 78,02 = 41,6 o C
Lượng nhiệt dùng để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi
F: lượng hỗn hợp đầu cần đun nóng (kg/h) tc, tđ : nhiệt độ đầu của hỗn hợp
Cp: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu tới nhiệt trung bình(J/kg.độ)
Tại nhiệt độ trung bình ttb = 41,6 o C nội suy theo bảng I.153 – 1.trang 171
Vậy lượng nhiệt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi là:
2 Hệ số cấp nhiệt từng lưu thể
2 q T a Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ Đối với ống đứng được tính theo công thức sau :
H: Chiều cao ống truyền nhiệt H = 2 m r: ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ hơi bão hoà tbh = 119,62 o C
Nội suy bảng I.212 – 1.trang 254 ta có r 513 539
= 526,25 kcal/kg.độ = 2203,3.10 3 J/kg.độ Δt1: Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt o C Chọn Δt1 =1,9 o C
A: Hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng tT1 = tbh - t1 = 119,62 – 1,9 7,72 o C
Theo bảng số liệu A-tm (2.trang 29) nội suy khi tm = 118,67 0 C ta có:
Theo công thức V.40 – 2.trang 14 ta có
Prt: Chuẩn số Prand tính theo nhiệt độ trung bình của trường, còn các thông số khác tính theo nhiệt độ trung bình của dòng.
: Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài và đường kính của ống (bảng V.2 – 2.trang 15)
Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình: ttb = 41,6 ºC là J/kg.độ : Độ nhớt của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình
Nội suy bảng I.101 -1.trang 90 ta được
Theo công thức I.12 - 1.trang 84 ta có
2 4 lg x F lg CS (1 x F ) lg CCl
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch, p 3
A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng Vì CS2 và CCl4 là 2 chất lỏng liên kết nên A = 3,58.10 -8 (1.trang 123)
Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, J/kg.độ
: khối lượng riêng của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình ttb= 41,6 0 C, kg/m 3
(IX.104a – 2.trang 183) Nội suy từ bảng I.2 -1.trang 9 ta có
Do đó chuẩn số Prand của hỗn hợp là: c Tính hệ số cấp nhiệt (α2)
Do chênh lệch giữa vỏ và dòng lưu thể là khá nhỏ nên ta có thể coi
3 Tính tổng trở thành ống
Trong nghiên cứu này, bề dày của thành ống được chọn là δ = 3 mm (0,003 m) và hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là λ = 50 W/m² Nhiệt trở lớp cặn do hơi nước tạo thành ở hai phía thành ống được ký hiệu là r1 và r2.
4 Hiệu số nhiệt độ ở hai bề mặt thành ống
5 Nhiệt lượng do thành ống cung cấp cho dung dịch Nhiệt tải riêng từ thành ống đến dung dịch
Vậy chọn t 1 = 1,9 o C là phù hợp
Nhiệt tải riêng trung bình:
Theo bảng V.II – 2.trang 48, chọn kiểu sắp xếp ống theo hình 6 cạnh ta quy chuẩn như sau: a: số ống trên 1 cạnh của hình 6 cạnh ngoài cùng: 3
Số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh: b = 2a – 1 = 2.3 – 1 = 5
Tổng số ống trong thiết bị: n = 3a(a – 1) + 1 = 3.3.(3-1) + 1 = 19
Số hình sáu cạnh hay số vòng tròn là 2
8 Tính đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
D = t(b -1) + 4d (m) (V.140 – 2.trang 49) Trong đó: d : đường kính ngoài của ống: d = 0,025 (m) t : bước ốngtừ (1,2 – 1,5)d
Chọn t = 1,2d = 1,2.0,025 = 0,03 (m) b: Số ống trên đường xuyên tâm là: b = 5
9 Vận tốc thực chảy trong ống
t : tốc độ chất lỏng thực tế chảy trong ống, m/s.
Vận tốc thực tế: ( hh lấy giá trị lớn nhất là của đoạn chưng)
Vận tốc dung dịch trong ống: theo giả thiết (chế độ chảy xoáy với Re = 10 4 ).
Do vận tốc lý thuyết lớn hơn thực tế nên ta phải chia ngăn.
Vậy thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu có các thông số sau:
F (m 2 ) d n (mm) D (mm) n (ống) m (ngăn) L (m) (mm)
Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đáy
Chọn thiết bị gia nhiệt kiểu ống chùm dùng hơi nước bão hòa:
1 Xác định lượng nhiệt cần thiết để đun sôi dung dịch đầu Thành phần khối lượng: aW = 0,012 phần khối lượng.
Thành phần mol: xW = 0,024 phần mol
Hơi nước bão hào ở 2at t bh = 119,62 0 C
Nhiệt độ đầu vào dung dịch tW = 75,33 o C
Nhiệt độ ra của dung dịch t = 100 o C
Hiệu số nhiệt độ giữa chất tải nhiệt và lưu thể:
Hiệu số nhiệt độ trung bình tính theo hiệu số nhiệt độ trung bình logarit (V.29 – 2.trang 11)
Nhiệt độ trung bình của dung dịch t tb = 119,62 – 30,3 = 89,32 o C
Lượng nhiệt dùng để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi
Q = W.Cp(tc – tđ) (V32 – 2.trang 11) W: lượng hỗn hợp đáy = 2742,11 (kg/h)
Cp: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu tới nhiệt trung bình(J/kg o C)
Tại nhiệt độ trung bình ttb = 89,32 o C nội suy theo bảng I.153 – 1.trang 171
Vậy lượng nhiệt cần cung cấp là:
2 Hệ số cấp nhiệt từng lưu thể a Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ Đối với ống đứng được tính theo công thức sau :
H: Chiều cao ống truyền nhiệt H = 2 m r: ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ hơi bão hoà tbh = 119,62 o C
Nội suy bảng I.212 – 1.trang 254 ta có Δt1: Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt o C Chọn Δt1 = 0,55 o C
A: Hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng tT1 = tbh - t1 = 119,62 – 0,55 9,17 o C
Theo bảng số liệu A-tm (2.trang 29) nội suy khi tm = 119,345 0 C ta có: b Chuẩn số Nuyxen:
Theo công thức V.40 – 2.trang 14 ta có
Prt: Chuẩn số Prand tính theo nhiệt độ trung bình của trường, còn các thông số khác tính theo nhiệt độ trung bình của dòng.
: Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài và đường kính của ống (bảng V.2 – 2.trang 15)
Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình: ttb = 89,32 o C là : Độ nhớt của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình 89,32 o C
Nội suy bảng I.101 -1.trang 90 ta được
Theo công thức I.12 - 1.trang 84 ta có
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch, p 3
A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng Vì CS2 và CCl4 là 2 chất lỏng liên kết nên A = 3,58.10 -8 (1.trang 123)
Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, J/kg.độ
: khối lượng riêng của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình ttb= 89,32 0 C kg/m 3
(IX.104a – 2.trang 183)Nội suy từ bảng I.2 -1.trang 9 ta có
Do đó chuẩn số Prand của hỗn hợp là: c Tính hệ số cấp nhiệt (α2)
Do chênh lệch giữa vỏ và dòng lưu thể là khá nhỏ nên ta có thể coi
3 Tính tổng trở thành ống
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các yếu tố quan trọng liên quan đến bề dày của thành ống, với bề dày được chọn là δ = 3mm (0,003 m) Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là λ = 50 W/m².độ, theo bảng XII.7 – 2, trang 313 Ngoài ra, chúng ta cũng sẽ phân tích nhiệt trở lớp cặn do hơi nước tạo thành ở hai phía thành ống, ký hiệu là r1 và r2.
4 Hiệu số nhiệt độ ở hai bề mặt thành ống
Nhiệt độ thành ống phía dung dịch: tT2 = tT1 - T1 = 119,07 – 6,62 = 112,45 o C
Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch
5 Nhiệt lượng do thành ống cung cấp cho dung dịchNhiệt tải riêng từ thành ống đến dung dịch
Vậy chọn t 1 = 0,55 o C là phù hợp
Nhiệt tải riêng trung bình:
Theo bảng V.II – 2.trang 48, chọn kiểu sắp xếp ống theo hình 6 cạnh ta quy chuẩn như sau: a: số ống trên 1 cạnh của hình 6 cạnh ngoài cùng: 3
Số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh: b = 2a– 1 = 2.3 – 1 = 5
Tổng số ống trong thiết bị: n = 3a(a – 1) + 1 = 3.3.(3-1) + 1 = 19
Số hình sáu cạnh hay số vòng tròn là 2
8 Tính đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
D = t(b -1) + 4d (m) (V.140 – 2.trang 49) Trong đó: d : đường kính ngoài của ống: d = 0,025 (m) t : bước ống (từ 1,2 – 1,5)d
Chọn t = 1,2d = 1,2.0,025 = 0,03 (m) b: Số ống trên đường xuyên tâm là: b = 5
9 Vận tốc thực chảy trong ống
t: tốc độ chất lỏng thực tế chảy trong ống, m/s.
Vận tốc thực tế: (hh lấy giá trị lớn nhất là của đoạn chưng)
Vận tốc dung dịch trong ống: theo giả thiết (chế độ chảy xoáy với Re = 10 4 ).
Do vận tốc lý thuyết lớn hơn thực tế nên ta phải chia ngăn
Vậy thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đáy có các thông số sau:
F (m 2 ) d n (mm) D (mm) n (ống) m (ngăn) L (m) (mm)
TÍNH BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ
Bơm hoạt động liên tục trong quá trình chưng luyện, vận chuyển dung dịch từ bể chứa lên thùng cao vị Mức chất lỏng trong thùng cao vị được duy trì ổn định nhờ ống chảy tràn, đảm bảo áp suất ổn định cho quá trình cấp liệu.
Lưu lượng bơm GB = GF = 4200 kg/h
Ho là chiều cao tính từ mặt thoáng bể chứa dung dịch đến mặt thoáng thùng cao vị (m).
H1 chiều cao tính từ đáy tháp đến đĩa tiếp liệu (m).
H2 chiều cao tính từ nơi đặt bơm đến đáy tháp (m).
Z chiều cao tính từ đĩa tiếp liệu đến mặt thoáng thùng cao vị (m) ΔP = ΔP + ΔP + ΔP + ΔP + ΔP + ΔP
ΔP là áp suất động học cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy khi ra khỏi ống dẫn Nó cũng là áp suất cần thiết để khắc phục trở lực ma sát trong ống thẳng khi dòng chảy ổn định Bên cạnh đó, ΔP còn được sử dụng để khắc phục trở lực cục bộ và để nâng chất lỏng lên cao hoặc khắc phục áp suất thủy tĩnh.
22 ΔP: Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị ΔP: Áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn
Trong thiết bị chưng luyện tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền thì ΔP = ΔP = 0 nên ta có ΔP = ΔP + ΔP+ ΔP + ΔP
1 Các trở lực của quá trình cấp liệu a Trở lực trong ống dẫn thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt Tính áp suất động học P d 2
: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m 3
: vận tốc của lưu thể m/s
Hỗn hợp đầu vào tháp ở tF = 56,129 0 C, nội suy bảng I.2 – 1.trang 9 ta được
Tốc độ trung bình của lưu thể đi trong ống dẫn liệu có d = 150 mm
Vậy: Áp suất khắc phục trở lực do ma sát Áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng
: hệ số ma sát(phụ thuộc vào chế độ chảy)
L: chiều dài ống cấp liệu = 2m
: đường kính tương đương của ống d = 0,15 m Ở 20 0 C: tra bảng độ nhớt I.101 – 1.trang 90 ta được
CS2 = 0,366.10 -3 Ns/m 2 và CCl4 = 0,97.10 -3 Ns/m 2 Độ nhớt của hỗn hợp được tính theo công thức :
Vậy chế độ chảy của hỗn hợp trong ống là chảy xoáy
Hệ số trở lực ma sát:
: độ nhám tương đối được xác định theo công thức:=(II.66 – 1.trang 380) là độ nhám tuyệt đối của ống dẫn (bảng II.15 – 1.trang 381) := 0,2.10(m) d:đường kính tương đương của ống d= d =0,15 m
Thay vào công thức trên có:
Tính áp suất để khắc phục trở lực cục bộ Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ
: hệ số trở lực cục bộ
Trở lực vào ống có : d: đường kính ống dẫn liệu d= 0,15 m d: đường kính thùng cao vị chọn d2 =1,5 m
Theo bảng f1/f2 - (1.trang 388)ta có trở lực của chất lỏng vào ống: chọn 1 = 0,5
Trở lực của khuỷu 90 0 được chia làm 3 khuỷu, mỗi khuỷu 30 0 tạo thành,có hai khuỷu 90 o Chọn a/b =1 (1.trang 394) 2 = 0,3
Hệ số trở lực cục bộ = 1 + 2 + 3 = 0,5 + 0,3 + 4,4 = 5,2
Pc = 5,2.1,55= 8,06 N/m 2 Áp suất toàn phần cần thiết để thắng trở lực trong ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến đĩa tiếp liệu ΔP1 = ΔP + ΔP + ΔPC = 1,55 + 0,599 + 8,06 = 10,209 N/m 2
Chiều cao cột chất lỏng b tương ứng với trở lực của ống dẫn từ thùng cao đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp Áp suất động học được ký hiệu là ΔPd.
: khối lượng riêng của chất lỏng ở 20 o C, kg/m 3
: vận tốc của lưu thể m/s
Theo bảng I.2 – 1.trang 9 ta được
CS2 = 1263 kg/m 3 và CCl4 = 1594 kg/m 3
Tốc độ trung bình của lưu thể trong ống có đường kính 150 mm ảnh hưởng đến áp suất khắc phục trở lực do ma sát Để duy trì dòng chảy ổn định trong ống thẳng, cần tính toán áp suất khắc phục trở lực ma sát một cách chính xác.
: hệ số ma sát (phụ thuộc vào chế độ chảy)
: đường kính tương đương của ống d = 0,15 m Ở 20 0 C: tra bảng độ nhớt I.101 – 1.trang 90 ta được
CS2 = 0,366.10 -3 Ns/m 2 và CCl4 = 0,97.10 -3 Ns/m 2 Độ nhớt của hỗn hợp được tính theo công thức :
Vậy chế độ chảy của hỗn hợp trong ống là chảy xoáy
Hệ số trở lực ma sát:
: độ nhám tương đối được xác định theo công thức:=(II.66 – 1.trang 380) là độ nhám tuyệt đối của ống dẫn (bảng II.15 – 1.trang 381):=0,2.10(m) d:đường kính tương đương của ống d= d = 0,15 m
Thay vào công thức trên có Áp suất để khắc phục trở lực cục bộ Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ
: hệ số trở lực cục bộ
Trở lực vào ống có : d: đường kính ống dẫn liệu d= 0,15 m d3: đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu chọn d3 = 0,25 m
Theo bảng f1/f2 - (1.trang 388), trở lực của chất lỏng trong ống được xác định với 1 = 0,5 Đối với khuỷu 90 độ, trở lực được chia thành 3 khuỷu 30 độ, với hai khuỷu 90 độ Khi chọn a/b = 1 (1.trang 394), ta có 2 = 0,3.
Nội suy bảng trong 1.trang 388 ta có:
Hệ số trở lực cục bộ = 1 + 2 + 3+ 4 = 0,5 + 0,3 + 4,4 + 0,356 = 5,556
Áp suất toàn phần cần thiết để vượt qua trở lực trong ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến đĩa tiếp liệu được tính toán như sau: ΔP1 = ΔP + ΔP + ΔPC = 1,48 + 0,572 + 8,22 = 10,273 N/m² Giá trị áp suất này tương ứng với chiều cao cột chất lỏng cần thiết để đảm bảo hoạt động hiệu quả của thiết bị gia nhiệt.
Tốc độ lưu thể trung bình đi trong ống với
Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là Tại ttb = 41,6 0 C = 1428,98 (kg/m 3 )
f: là tiết diện bề mặt truyền nhiệt
Đường kính ống của thiết bị gia nhiệt là 0,019m, với 19 ống và 2 ngăn Áp suất khắc phục trở lực do ma sát là một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống này.
Hệ số được tính theo công thức sau:
: độ nhám tương đối được xác định theo công thức: là độ nhám tuyệt đối của ống dẫn= 0,2.10m d:đường kính tương đương của ống d= 0,019 m
Thay vào công thức trên có:
Tính áp suất để khắc phục trở lực cục bộ Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ: P c P d [N/m 2 ]
Dung dịch chảy trong thiết bị ống chùm với hướng dòng chảy vào và ra đa dạng, tạo ra nhiều đột mở và đột thu Áp dụng bài 1.3.32 trong tài liệu trang 62 và 63, ta có thể phân tích chi tiết hơn về hiện tượng này.
Tiết diện ống dẫn dung dịch ra và vào thiết bị:
Tiết diện khoảng trống ở 2 đầu thiết bị đối với mỗi ngăn là:
(Với D: là đường kính trong của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu D = 0,28 m)
Tiết diện ống truyền nhiệt của một ngăn là:
Phần V Trở lực cục bộ được tính theo bảng (PL.3) trong 4.trang 339 và XII.16 – 1.trang 382 i Ở cửa vào(đột mở):khi chất lỏng chảy vào thiết bị(khoảng trống một ngăn đột mở):