Giới thiệu đồ án
Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm chóp là yếu tố quan trọng cho quá trình chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen ở áp suất thường, đảm bảo đáp ứng các yêu cầu công nghệ cần thiết.
- Năng suất sản phẩm đỉnh: 2000 kg/h
- Nồng độ nhập liệu: 25% mol Benzen
- Nồng độ sản phẩm đỉnh: 95% mol Benzen
- Tỷ lệ thu hồi Benzen: 97%
- Nguồn năng lượng và các số liệu khác tự chọn
Tổng quan về nguyên liệu
Benzen là một hợp chất mạch vòng, tồn tại dưới dạng lỏng không màu với mùi thơm nhẹ, có công thức phân tử C6H6 Đây là một chất không phân cực, dễ hòa tan trong các dung môi hữu cơ không phân cực nhưng chỉ tan rất ít trong nước Trước đây, benzen thường được sử dụng làm dung môi, nhưng sau khi phát hiện nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm đã có khả năng gây bệnh bạch cầu, việc sử dụng benzen đã bị hạn chế đáng kể.
- Các tính chất vật lý của Benzen:
Toluen là một hợp chất mạch vòng lỏng có tính thơm, với công thức phân tử tương tự như benzen nhưng có thêm nhóm –CH3 Vì không phân cực, toluen tan tốt trong benzen Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng độc tính thấp hơn nhiều, do đó, nó thường được sử dụng thay thế benzen làm dung môi trong phòng thí nghiệm và công nghiệp hiện nay.
- Các tính chất vật lý của Toluen:
Bảng 2.3: Bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen ở 760 mmHg ( Tham khảo STT1) x(%phân mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y(%phân mol) 0 11.8 21.4 38 51.1 61.9 71.2 79 85.4 91 95.9 100
Quá trình và thiết bị chưng cất
Chưng cất là quá trình tách riêng các cấu tử trong hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí-lỏng dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi của chúng Quá trình này diễn ra khi các cấu tử ở cùng nhiệt độ, với áp suất hơi bão hòa khác nhau.
Ngày nay, quá trình chưng cất được sử dụng phổ biến để tách các hỗn hợp như dầu mỏ và tài nguyên lỏng Ngoài ra, không khí hóa lỏng cũng được chưng cất ở nhiệt độ -190 độ C để sản xuất oxy và nito.
- Phân loại quá trình chưng cất:
+ Theo áp suất làm việc: chân không, áp suất thường, áp suất cao.
+ Theo số lượng cấu tử trong hỗn hợp: hệ hai cấu tử, hệ nhiều cấu tử ( lớn hơn hai cấu tử ).
+ Theo nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn.
- Đối với hệ Benzen – Toluen, chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất thường.
Trong sản xuất, việc chưng cất được thực hiện bằng nhiều loại thiết bị khác nhau, trong đó yêu cầu chung là bề mặt tiếp xúc pha lớn và trở lực thấp nhằm tối ưu hóa hiệu suất Các thiết bị thường được sử dụng bao gồm tháp đệm, tháp phun, tháp mâm, tháp bọt và tháp venturi.
- So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:
Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Ưu điểm - Cấu tạo khá đơn giản.
- Làm việc được với chất lỏng bẩn
-Trở lực tương đối thấp
- Hiệu suất cao nếu dùng đệm cầu có của chất lỏng.
Nhược điểm - Do có hiệu ứng thành nên hiệu suất truyền khối thấp.
- Độ ổn định không cao, khó vận hành.
- Khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng nên khó tăng năng suất.
- Thiết bị khá nặng nề
-Không làm việc được với chất lỏng bẩn.
-Kết cấu khá phức tạp.
- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp.
- Qua phân tích trên, ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen –
Quá trình và thiết bị ngưng tụ
Ngưng tụ là quá trình chuyển đổi hơi hoặc hỗn hợp hơi thành dạng lỏng dưới các điều kiện nhất định Quá trình này chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó tính tan lẫn của các chất lỏng sau khi ngưng tụ là yếu tố chính.
Thiết bị ngưng tụ có cấu tạo đa dạng, phụ thuộc vào các tính chất và điều kiện làm việc của hơi ngưng, cũng như chất tải ẩn nhiệt ngưng tụ (dòng lạnh).
+ Theo chất làm lạnh: thiết bị lạnh dùng NH3, các freon R12, R22.
+ Theo điều kiện áp suất ngưng tụ: Thiết bị truyền nhiệt áp suất thấp (chân không), áp suất thường, áp suất cao.
+ Theo khả năng tiếp xúc của hai lưu chất: kiểu gián tiếp (kiểu bề mặt), kiểu trực tiếp ( TBTN hơi nước kiểu baromet).
Sơ đồ quy trình công nghệ ( đính kèm )
Thuyết minh quy trình công nghệ:
Hỗn hợp Benzen và Toluen có năng suất sản phẩm đỉnh đạt 2000 kg/h với nồng độ nhập liệu 25% (phần mole Benzen) Nguyên liệu được khởi đầu ở nhiệt độ 25°C tại bình chứa nguyên liệu, sau đó được bơm lên bồn cao vị Dòng nhập liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong thiết bị truyền nhiệt ống chùm, và tiếp theo, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất tại đĩa nhập liệu để bắt đầu quá trình chưng cất Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát thông qua lưu lượng kế.
Trong quá trình chưng cất, chất lỏng trên đĩa nhập liệu được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp Hơi đi từ dưới lên gặp lỏng chảy xuống, tạo ra sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha Pha lỏng di chuyển xuống dưới, nồng độ các cấu tử dễ bay hơi giảm do bị lôi cuốn bởi pha hơi Khi hơi đi qua các đĩa, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao như toluen sẽ ngưng tụ lại, và ở đỉnh tháp, hỗn hợp thu được có nồng độ benzen chiếm ưu thế (95% mole) Hơi sau đó được ngưng tụ hoàn toàn trong thiết bị ngưng tụ, một phần chất lỏng ngưng tụ được làm nguội và đưa vào bồn chứa sản phẩm đỉnh, trong khi phần còn lại được hoàn lưu về tháp với tỉ số hoàn lưu được kiểm soát Cuối cùng, ở đáy tháp, hỗn hợp lỏng chủ yếu chứa toluen và một lượng nhỏ benzen sẽ đi ra khỏi tháp vào nồi đun, nơi một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp, phần còn lại được làm nguội và đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy.
- Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Benzen, sản phẩm đáy là Toluen.
Các số liệu ban đầu
- Chọn loại tháp là tháp mâm chóp
- Hỗn hợp gồm: Benzen C6H6, MA= 78 g/mole
- Năng suất sản phẩm đỉnh: 2000 kg/h
- Nồng độ nhập liệu: 25% phần mole Benzen
- Tỷ lệ thu hồi Benzen là 97%
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: tFV= 45 0 C
+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV% 0 C
+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tRE 0 C
+ , F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h
+ , D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h
+ ,W: suất lượng dòng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h
+ i ,xi: nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i
Cân bằng vật chất
2.1 Xác định suất lượng dòng nhập liệu và dòng sản phẩm đáy
Khối lượng mol trung bình các dòng nhập liệu và dòng sản phẩm đỉnh:
MF = xF.MB + (1-xF).MT = 0,25.78 + 0,75.92 = 88,5 kg/kmol
MD = xD MB + (1- xD ).MT = 0,95.78 + (1-0,95).92 = 78,7 kg/kmol Theo đề:
Tỷ lệ thu hồi Benzen:
Phương trình cân bằng vật chất cho cấu tử dễ bay hơi:
Khối lượng mol trung bình dòng sản phẩm đáy:
MW = xW MB + (1- xW ).MT = 0,01 78 + (1-0,01).92 ,86 kg/kmol
Bảng 2.1 Số liệu tính toán cân bằng vật chất
Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp
3.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu
Chỉ số hồi lưu tối thiểu đại diện cho chế độ làm việc khi số mâm lý thuyết đạt đến mức vô cực Trong tình huống này, chi phí cố định trở nên vô hạn, trong khi chi phí điều hành như nhiên liệu, nước và bơm được duy trì ở mức tối thiểu.
Dựa vào hình 1, ta có: => *=0,445
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:
Tỉ số hoàn lưu làm việc tính theo công thức kinh nghiệm: R=1,5=1,5.2,593,885
Phương trình đường làm việc - Xác định số mâm lý thuyết
4.1 Phương trình đường làm việc của đoạn cất
4.2 Phương trình làm việc của đoạn chưng
Hình 2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chưng hệ benzen – Toluen tại P = 1 atm
4.3 Số đĩa lý thuyết Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết:
Đường làm việc của tháp bao gồm hai phần chính: phần cất và phần chưng Trên đồ thị x-y, chúng ta vẽ các đường bậc thang để xác định số đĩa lý thuyết, kết quả cho thấy có 17 đĩa.
Từ đồ thị, ta có 17 đĩa bao gồm:
Tóm lại số đĩa lý thuyết là
Xác định số mâm thực tế
Có nhiều phương pháp để xác định số mâm thực của tháp, trong đó có thể dựa vào hiệu suất trung bình Ngoài các yếu tố thiết kế cơ khí của tháp, công thức tính số mâm thực được thể hiện qua Nt = Nlt.
Trong đó: Nt – số đĩa thực tế, Nlt - số đĩa lý thuyết,– hiệu suất trung bình của thiết bị
Với ni - hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ, n - số vị trí tính hiệu suất
Trong trường hợp này ta tính: Với – lần lượt là hiệu suất đĩa ở trên cùng, hiệu suất ở đĩa nhập liệu và hiệu suất ở đĩa cuối cùng.
Ta có: Tđ(nhiệt độ đỉnh tháp) = 81,25 0 C, xD = 0,95 suy ra yD = 0,949.
Tại nhiệt độ này, ta có độ nhớt của các cấu tử là:
( Tra Bảng I.101 [1] ) Độ nhớt của hỗn hợp lg = xD.lg +(1- xD).lg (Công thức I.12 [1])
Và độ bay hơi tương đối α== = 0,979
Ta có: TF(nhiệt độ nhập liệu) = 100,4 0 C, xF = 0,25 suy ra yD = 0,393
Tại nhiệt độ này, ta có độ nhớt của các cấu tử là:
( Tra Bảng I.101 [1] ) Độ nhớt của hỗn hợp lg = xF.lg + (1- xF).lg (Công thức I.12 [1])
Và độ bay hơi tương đối α== = 1,94
Ta có: TW(nhiệt độ đĩa dưới cùng) = 110,14 0 C, xW = 0,01 suy ra yD = 0,01
Tại nhiệt độ này, ta có độ nhớt của các cấu tử là:
( Tra Bảng I.101 [1]) Độ nhớt của hỗn hợp lg = xw.lg + (1- xw).lg (Công thức I.12 [1])
Và độ bay hơi tương đối α== = 1
Vậy : Số mâm thực tế: Nt = Nlt//0,65&,15
Ta lấy tròn là 27 mâm
Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất
1.1 Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào tháp
Với Tại 100,4 0 C, ta có: CB!21,2 J/kg.độ ; CT 71,2 J/kg.độ (Bảng 5, trang 20 [6])
1.2 Nhiệt lượng do dòng hơi sản phẩm đỉnh mang ra khỏi tháp
Với Tại 81,25 0 C, ta có: CB 40,3 J/kg.độ ; CT85,6 J/kg.độ (Bảng 5, trang 20 [6])
1.3 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp
Tại 81,25 0 C, ta có: CB!50,4 J/kg.độ ; CT!00,4 J/kg.độ
1.4 Nhiệt lượng do hồi lưu sản phẩm đỉnh
Tại 81,25 0 C, ta có: rB92,9.10 3 J/kg ; rT78,1.10 3 J/kg
1.5 Nhiệt lượng do mất mát
1.6 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp
Với nhiệt độ ngưng tụ của hơi nước bão hòa tại áp suất PJtm, ta có t0= 142,9 0 C
Tại nhiệt độ này ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa: rh!36 kJ/kg
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
Thông số dòng hơi sản phẩm đỉnh:
- Chọn lưu chất làm mát là nước ở áp suất 1atm
- Tại nhiệt độ này, Tra Bảng I.153, trang 172 [6] và nội suy ra nhiệt dung riêng của nước:
- Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
- Cần làm nguội sản phẩm đỉnh từ t1,25 0 C xuống t2 @ 0 C
Tại ttb`,6 0 C, tra Bảng I, có:
- Thông số dòng nước lạnh làm mát:
Phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:
- Tổng lưu lượng nước lạnh là:
Tính toán thiết bị ngưng tụ
Chọn thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm, đặt nằm ngang Ống truyền nhiệt được làm bằng thép INOX 304 (18Cr – 8Ni), có các thông số:
+ Đường kính ngoài: dn8mm = 0,038m
+ Đường kính trong: dt2mm = 0,032m
+ Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép:
Dùng nước để làm lạnh, đi bên trong ống với các thông số:
Dòng hơi tại đỉnh đi bên ngoài ống với nhiệt độ ngưng tụ là 81,25 0 C
Giả sử quá trình ngưng tụ trong thiết bị là hoàn toàn.
Chênh lệch nhiệt độ tại đầu vào:
Chênh lệch nhiệt độ tại đầu ra:
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hơi và nước làm lạnh:
Nhiệt độ trung bình của nước:
1.2 Xác định thông số vật lý của nước
1.3 Xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát
- Chọn vận tốc dòng nước là 0,54m/s
- Xác định chuẩn số Reynolds:
Chế độ chảy của dòng nước chảy trong ống là chảy rối
- Gọi hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng ở mặt ngoài ống nằm ngang là
Giả sử, chọn nhiệt độ bề mặt thành ngoài ống là:
Hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ bề mặt thành ngoài ống:
Nhiệt độ màng lỏng ngưng:
Tại 0 C, tra các thông số khối lượng riêng, độ nhớt, hệ số dẫn nhiệt của các cấu tử, ta có bảng sau:
Cấu tử Khối lượng riêng
(kg/m 3 ) Độ nhớt à(Pa.s) Hệ số dẫn nhiệt λ (W/m 0 C)
Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng ngưng:
=> (kg/m 3 ) Độ nhớt của hỗn hợp lỏng ngưng:
Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp lỏng ngưng:
Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng ở bề mặt ngoài ống nằm ngang được tính toán theo công thức 1.110 [8] α= 0,725.
Chọn hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào cách bố trí ống và số ống trên một hàng thẳng là ɛ=0,8 Suy ra (W/m 0 C)
Gọi q1 là nhiệt tải của hơi ngưng tụ ngoài thành ống, ta có: q1 = q = ( = 226,497.(81,25-51,7) = 6693 (W/m 2 )
Tra Bảng 32, trang 30 [9], ta có:
Nhiệt trở của cặn bẩn phía hơi ngưng là: r1 = ( W/m 2 K)
Nhiệt trở của cặn bẩn phía dòng nước là: r1 = ( W/m 2 K)
Nhiệt độ bề mặt thành trong của ống là:
- Gọi hệ số cấp nhiệt của dòng nước bên trong ống là :
Tại , tra toán đồ hình XIII,trang 85 [9], ta có Prt=4,25
Chuẩn số Nuselts của dòng nước trong ống được xác định theo công thức
Gọi q2 là nhiệt tải của dòng nước, ta có: q2 = ( = 2340,62.(47,87-45) = 6730,4 (W/m 2 )
Kiểm tra điều kiện sai số:
Vậy chọn tv1= 51,7 0 C là phù hợp.
- Hệ số truyền nhiệt tổng quát K ứng với tv1= 51,7 0 C là:
1.4 Tính toán cấu tạo thiết bị
- Diện tích bề mặt truyền nhiệt F là:
- Chiều dài ống ứng với diện tích F là:
- Tổng số ống truyền nhiệt có chiều dài l= 6m là:
Dựa vào Bảng V.11, trang 49 [7], ta quy chuẩn và chọn tổng số ống với cách sắp xếp theo hình lục giác là n$1 ống.
- Ta chọn cách sắp xếp ống theo kiểu hình lục giác đều với bước ống t lấy bằng khoảng 1,2 – 1,5 lần đường kính ngoài của ống truyền nhiệt.
Gọi a là số ống trên một cạnh hình lục giác lớn nhất, ta có:
Gọi b là số ống trên đường chéo xuyên tâm của hình lục giác, ta có: b= 2.9 – 1 = 2.9 – 1= 17 Đường kính trong của thiết bị được xác định theo công thức V.140 [7]:
Chọn đường kính trong của thiết bị ngưng tụ là Dt= 1000 mm
Vận tốc thực của dòng nước trong thiết bị ngưng tụ là:
Do đó, để vận tốc dòng nước đúng với vận tốc thiết kế thì ta phải tăng số chặn phía ống Số chặn phía ống là:
Vậy ta chọn thiết bị có 6 chặn phía ống Kiểm tra Re ứng với 6 chặn phía ống, ta có:
Thiết bị có đường kính trong Dt= 1000 mm
Cú tổng cộng 241 ống truyền nhiệt cú kớch thước ứ383 mm, chiều dài ống l= 6m, chia làm 6 chặn phía ống, mỗi chặn có 40 ống, bước ống t= 47,5 mm.
Tính toán đường kính các ống dẫn
Ống dẫn là thành phần quan trọng để kết nối thiết bị với hệ thống ống công nghệ Thông thường, ống dẫn có thể được kết nối với thiết bị thông qua mối ghép tháo được hoặc không tháo được Trong trường hợp này, mối ghép tháo được được sử dụng, với đoạn ống nối ngắn có mặt bích hoặc ren để đảm bảo kết nối chắc chắn với ống dẫn.
+ Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính nhỏ hơn 10 mm, đôi khi có thể dùng với ống có đường kính nhỏ hơn 32 mm.
+ Loại có mặt bích thường dùng với ống có đường kính lớn hơn 10 mm.
2.1 Ống dẫn hơi đi vào thiết bị ngưng tụ
Khối lượng riêng của hỗn hợp hơi là:
Gọi Vh là lưu lượng thể tích dòng hơi (m 3 /s)
Chọn vận tốc dòng hơi vh = 20 m/s Đường kính ống dẫn hơi là:
Kết luận: chọn ống nối có đường kính trong 300 mm, chiều dài đoạn ống nối là 140 mm (Bảng XIII.32 [7])
2.2 Ống tháo lỏng ngưng ra khỏi thiết bị ngưng tụ
Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng tại đỉnh là: 813,21 (kg/m 3 )
Chọn vận tốc dòng lỏng ngưng là vl= 0,5 m/s
Gọi Vl là lưu lượng thể tích dòng lỏng (m 3 /s) Đường kính của ống tháo lỏng ngưng là:
Kết luận: chọn ống nối có đường kính trong 100 mm, chiều dài đoạn ống nối là 120 mm (Bảng XIII.32 [7])
2.3 Ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ
Chọn vận tốc dòng nước trong ống dẫn là: vn = 2 m/s
Nhiệt độ dòng nước đi vào thiết bị ngưng tụ là 30 0 C có ρ = 996 kg/m 3
Lượng nước cần dùng Gn = 16,69 kg/s
Kết luận: chọn ống nối có đường kính trong 125 mm, chiều dài đoạn ống nối là 120 mm (Bảng XIII.32 [7])
2.4 Ống dẫn nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ
Chọn vận tốc dòng nước trong ống dẫn là vn= 2m/s
Nhiệt độ dòng nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ là tRE 0°C với mật độ ρ = 990 kg/m³ Lượng nước cần sử dụng là Gn = 16,69 kg/s Đường kính ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ cần được xác định dựa trên các thông số này.
Kết luận: chọn ống nối có đường kính trong 125 mm, chiều dài đoạn ống nối là 120 mm (Bảng XIII.32 [7])
Bảng: Thông số đường kính ống dẫn (tra XIII.26, trang 409 [7]) Ống D h Bu lông
Z Mm Ống dẫn nước vào 12
210 188 24 M16 8 Ống dẫn lỏng ngưng ra
Tính bền cơ khí thiết bị ngưng tụ
3.1 Bề dày thân thiết bị
Đường kính trong của thân trụ thiết bị: Dt= 1000 mm 9,37 in
Áp suất làm việc được xác định là 1 atm, do hiện tượng hơi ngưng tụ dẫn đến sự giảm thể tích, khiến cho thân chịu áp suất bên trong Để đảm bảo an toàn trong tính toán, áp suất bên trong sẽ được sử dụng làm áp suất tính toán.
Mối hàn: hệ số bền mối hàn của thân, nắp đối với hàn giáp mối hai phía là
Thiết bị mới được sản xuất từ thép INOX 304 (18Cr – 8Ni) với hệ số an toàn η=1, do không có lớp cách nhiệt Do đó, ứng suất cực đại cho phép của vật liệu chế tạo thiết bị ngưng tụ được tính toán là [σ]*= η.[σ]= 1.128,9 N/mm².
- Tính kiểm tra thân thiết bị:
Kiểm tra bền theo áp suất
Thông số làm việc: Dt00 mm
Do khi hơi ngưng tụ thể tích giảm nên lúc này áp suất giảm dần về gần cân bằng áp suất khí quyển => thân chịu áp suất trong
Ptt = Ptrong = 1 at = 0,1013 N/mm 2 ttt = tnt = 81,25 0 C
L: chiều dài tính toán thân thiết bị, mm
Vì thân thiết bị ngưng tụ là thân trụ lắp với 2 mặt bích nên L bằng khoảng cách giữa 2 mặt bích.
Các thông số cần tra và chọn:
E t : modul đàn hồi của vật liệu ở nhiệt độ làm việc, N/mm 2
Vì nên bề dày tối thiểu của thân chịu áp suất trong tính theo công thức:
S’Thế số vào công thức :
S’Bề dày thực của thân trụ là:
Với C là hệ số bổ sung bề dày tính tóa, công thức 1-10 [5] cho ta:
Ca : hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường, mm
Cb : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường, mm
Cc : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp, mm
C0: hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, mm
Kiểm tra bảng 5-1 [5] với Dt= 1000 mm => chọn S= 4 mm là hợp lý.
Kiểm tra bền khi thân chịu áp suất trong:
Kiểm tra bề dày thỏa mãn công thức 5.10 [5]
Kiểm tra áp suất cho phép trong thân thiết bị theo công thức 5-11 [5]
Tức là lớn hơn p = 0,1013 N/mm 2
Kết luận: Chọn thép tấm 304 có bề dày 4 mm để chế tạo thân thiết bị.
3.2 Bề dày đáy và nắp thiết bị
- Chọn đáy và nắp thiết bị có dạng hình Elip tiêu chuẩn có gờ: Rt = Dt = 1000 mm
- Làm bằng thép không gỉ INOX 304 (18Cr – 8Ni) => hệ số hiệu chỉnh η=1, vì môi trường là nước.
- Bề dày tối thiểu của thành đáy (nắp) được xác định theo công thức sau:
S’=Rt: bán kính cong bên trong ở đỉnh đáy (nắp), mm
Bề dày thực của đáy (nắp) được tính theo công thức 5-9 [5]:
Kiểm tra bề dày thành đáy nắp thỏa 6-10:
Tính kiểm tra áp suất cho phép tính toán [p] khi thỏa mãn điều kiện 6-10 theo công thức sau:
Chiều cao của phần elip của đáy: h
Ta có: => h= 0,25.1000%0 mm Đường kính đoạn trụ nối với thân: chọn 25 mm
3.3 Tính bích, đệm, bu lông, vỉ ống a Mặt bích
- Chọn bích liền kiểu 1, chịu được áp suất tối đa là 0,6 N/mm 2
Chọn bích ghép thân, nắp, đáy là loại bích phẳng liền hàn (không cổ) làm bằng thép INOX 304 (18Cr – 8Ni) với đường kính Dy = 1000 mm, cần xác định các thông số của mặt bích.
Bảng các thông số cơ bản của bích
Kích thước cơ bản Bích nối nắp với thân thiết bị Đường kính trong của thân Dt (mm) 1000 Đường kính vành ngoài bích D
1140 Đường kính đến tâm bu-lông Db
1090 Đường kính đến vành ngoài đệm DI
1060 Đường kính đến vành trong đệm D0
Bề dày bích h (mm) 27 Đường kính bu-lông db M20
Số lượng bu-lông Z (cái) 24 b Đệm:
Độ kín của mối ghép bích phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu đệm Đệm được làm từ vật liệu mềm, dễ biến dạng, sẽ biến đổi hình dạng khi bu-lông được xiết, giúp lấp đầy các khe hở và gồ ghề trên bề mặt bích, từ đó cải thiện khả năng kín của mối ghép.
- Với thiết bị có áp suất và nhiệt độ làm việc không cao ta chọn vật liệu là paronit, S= 2 mm
Bề rộng thực của vòng đệm:
Bề rộng tính toán của vòng đệm:
Hệ số áp suất riêng được xác định là m = 2,75, với đường kính trung bình của vòng đệm là 30m Áp suất riêng phần cần thiết để biến dạng vòng đệm là q0 = 25 N/mm² Dựa trên các thông số này, tiến hành tính toán bu-lông ghép bích.
- Xác định lực nén chiều trục sinh ra do xiết bu-lông:
Dt: đường kính trong của thiết bị, mm p: áp suất môi trường bên trong thiết bị, N/mm 2
Dtb: đường kính trung bình của vòng đệm, mm b: bề rộng tính toán của vòng đệm, mm b: bề rộng thực vòng đệm, mm m: hệ số áp suất riêng (Bảng 7-4 [4])
- Xác định lực cần thiết để ép chặt vòng đệm:
- Lực tác dụng lên một bu-lông:
- Chọn bu-lông có đường kính = 20 mm
- Ứng suất tác dụng lên bu-lông:
- Chọn vật liệu làm bu-lông bằng thép CT3 nên [
Các bu-lông ghép mặt bích thường bị xiết quá chặt do không xác định được lực cần thiết, đặc biệt là đối với các bu-lông có đường kính nhỏ, dễ bị kéo căng quá mức Do đó, trong tính toán thực tế, người ta giảm bớt ứng suất cho phép của vật liệu làm bu-lông.
Với đường kính bu-lông chọn
Ta thấy => thỏa mãn điều kiện
- Cánh tay đòn của momen gây uốn bích: d Vỉ ống
- Chọn vỉ ống có dạng hình tròn phẳng và vật liệu làm ống là thép INOX 304
(18Cr – 8Ni), bố trí theo hình tam giác đều.
- Đường kính vỉ ống bằng đường kính trong của thiết bị: Dvỉ = Dt = 1000 mm
- Bề dày của vỉ ống tính sơ bộ là:
Chọn bề dày thực vỉ ống: S= 20 mm vì dùng vỉ làm mặt bích.
Kết luận: chọn vỉ ống có bề dày t4 = 20 mm
3.4 Tính toán khối lượng thiết bị và chân đỡ a Tính toán khối lượng của thiết bị
- Khối lượng riêng của thép không gỉ INOX 304:
- Khối lượng riêng của thép CT3:
- Khối lượng của thân thiết bị:
- Khối lượng của nắp elip: tra bảng XIII.11 [2]
- Khối lượng của vỉ ống:
- Khối lượng của 1 bích ghép thân với nắp – đáy:
- Khối lượng của chùm ống truyền nhiệt:
- Khối lượng của 1 bích ghép thân với nắp – đáy:
- Khối lượng của ống dẫn nước đi vào và bích ghép:
- Khối lượng của ống dẫn nước đi ra và bích ghép:
- Khối lượng của ống dẫn hơi đi vào thiết bị ngưng tụ và bích ghép:
- Khối lượng của ống dẫn lỏng ngưng đi ra thiết bị ngưng tụ và bích ghép:
- Tổng khối lượng của thiết bị:
Thiết bị gồm 2 chân đỡ, được chế tạo bằng phương pháp hàn, các tấm gân đỡ được hàn vào nhau, vật liệu là thép CT3.
Một chân đỡ chịu tại trọng :
Chọn thông số chân đỡ theo hình 13.26, trang 848 [12]: Đườn g kính thiết bị
Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị truyền nhiệt dạng ống lồng ống, trong đó dòng nước giải nhiệt đi vào ống trong, trong khi dòng sản phẩm đỉnh đi vào không gian giữa ống trong và ống ngoài Bố trí này cho phép hai dòng chảy hoạt động ngược chiều nhau, tối ưu hóa hiệu suất truyền nhiệt.
- Ống truyền nhiệt làm bằng thép INOX 304 (18Cr – 8Ni) có các thông số: Ống 1:
Đường kính ngoài của ống: dn1 = 38 mm = 0,038 m
Đường kính trong của ống: d = 32 mm = 0,032 m
Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép: W/m.K Ống 2:
Đường kính ngoài của ống: dn2 = 57 mm = 0,057 m
Đường kính trong của ống: dt2 = 51 mm = 0,051 m
- Dòng nước giải nhiệt có:
Nhiệt đô đầu vào: tv= 25 0 C, nhiệt độ đầu ra tr = 30 0 C
Lưu lượng nước cần dùng là: Gn2= 1,06 kg/s
- Dòng sản phẩm đỉnh có:
Nhiệt độ đầu vào tD,25 0 C, nhiệt độ đầu ra tD1= 40 0 C
Lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh là: GD%,41 kmol/h = 2000 kg/h b Nhiệt lượng trao đổi giữa hai dòng:
Thiết bị đun sôi đáy tháp
- Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp là nồi đun Kettle, hơi đốt đi trong ống truyền nhiệt, dòng sản phẩm đáy đi bên ngoài ống truyền nhiệt.
- Ống truyền nhiệt được làm bằng thép INOX 304 (18Cr – 8Ni) có các thông số như sau:
Đường kính ngoài của ống: dn1 = 38 mm = 0,038 m
Đường kính trong của ống: dt1 = 32 mm = 0,032 m
Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép: W/m.K
Dòng hơi đốt có áp suất 4 at có:
Nhiệt độ đầu vào và đầu ra là th= 142,9 0 C
Ẩn nhiệt hóa hơi là: rh!36 kJ/kg
Lượng hơi đốt cần dùng là:
Dòng sản phẩm đáy có:
Nhiệt độ đầu vào và đầu ra: tW = 110,12 0 C
Lưu lượng dòng sản phẩm đáy là: b Nhiệt lượng trao đổi giữa hai dòng:
Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
- Chọn thiết bị đun sôi dòng nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống.
- Ồng truyền nhiệt đưuọc làm bằng INOX 304 (18Cr – 8Ni) với các thông số:
Đường kính ngoài của ống: dn1 = 38 mm = 0,038 m
Đường kính trong của ống: dt1 = 32 mm = 0,032 m
Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép: W/m.K
- Dùng hơi nước để đun sôi, đi trong không gian giữa hai ống với nhiệt độ là ts= 132,9 0 C.
Dòng nhập liệu có nhiệt độ đầu vào là 25°C và được đun nóng đến nhiệt độ sôi 100,4°C với năng suất nhập liệu đạt 8809,29 kg/h Nhiệt lượng trao đổi giữa hai dòng là yếu tố quan trọng trong quá trình này.
- Bồn cao vị được đặt ở độ cao sao cho thắng được trở lực của các đường ống.
- Phương trình Bernoulli cho mặt cắt 1-1 ở mặt thoáng bồn cao vị và mặt cắt 2-2 ở mặt cắt ống nhập liệu của tháp chưng cất.
Dung dịch nhập liệu ở 25 0 C, có:
Z1: chiều cao từ bồn cao vị xuống đất, m
Z2: chiều cao từ vị trí nhập liệu xuống đất, m
H1-2: tổng tổn thất áp suất, m
Xác định hệ số ma sát trong ống:
Chọn đường kính cửa vào: D = 30 mm
Chọn đường kính ống dẫn: d = 30 mm
Chọn vật liệu làm ống là thép CT3 => độ nhám = 0,2mm Bảng II.15 [1]
Vì < Re, theo công thức II.63, ta có:
Các hệ số trở lực tra tại bảng II.16 [1]
+ Hệ số cục bộ tại co 90 0 : = 0,8
+ Hệ số cục bộ tại van: = 7,2
+ Hệ số cục bộ tại chỗ quay 180 trong thiết bị gia nhiệt ban đầu: 180 = 0,7 Tổng hệ số tổn thất cục bộ:
Chọn chiều đi đường ống từ bồn cao vị đến cửa nhập liệu nồi I: L m Tổn thất áp suất trên đường ống dẫn:
Chiều cao từ cửa nhập liệu đến mặt thoáng bồn cao vị:
Chiều cao bồn cao vị (tính từ đáy tháp tới mặt thoáng bồn cao vị):
Công suất của bơm được tính theo công thức:
: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m 3
Qm: lưu lượng khối lượng chất lỏng vào bơm, kg/s
QV: lưu lượng thể tích chất lỏng vào bơm, m 3 /s m 3 /s
- Chọn mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu.
- Chọn mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng tại vị trí nhập liệu
Phương trình Bernoulli cho mặt cắt (1-1) và (2-2):
Z1: độ cao mặt cắt (1-1) so với mặt đất, Z1= 0,7 m
Z2: độ cao mặt cắt (2-2) so với mặt đất, Z2= 4,5 m
P1 : áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn P1 = 1 at = 9,81.10 N/m 2
P2 : áp suất tại mặt thoáng (2-2), chọn P2 = 1 at = 9,81.104 N/m 2
v1 : vận tốc tại mặt thoáng (1-1), xem v1 = 0 m/s
v 2 : vận tốc tại mặt thoáng (2-2), xem v 2 = 0 m/s
: tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2)
- Xác định hệ số ma sát trong ống:
Bơm
Chọn vật liệu làm ống là thép CT3 => độ nhám = 0,2mm Bảng II.15 [1]
Re giới hạn là: II.60 [1]
< < => hệ số ma sát tính theo công thức II.64 [1]:
Các hệ số trở lực tra tại bảng II.16 [1]
+ Hệ số cục bộ tại co 90 0 : = 0,8
+ Hệ số cục bộ tại van: = 7,2
Tổng hệ số tổn thất cục bộ:
Tổng thất áp suất trên đường ống dẫn:
Suy ra công suất bơm:
