Đồ án hóa công- Chưng luyện

số cấp khối a. Độ nhớt của hỗn hợp hơi: μ = M. Trong đó: y : Nồng độ nước trong pha hơi Đoạn luyện có y = y = 0,861 ; Đoạn chưng: y = y = 0,5437 M : Trọng lượng phân tử của hỗn hợp khí: Đoạn luyện : M = = y.M + (1 - y).M = 0,861.18 + (1- 0,861).74 = 25,784 (kg/kmol) Đoạn chưng M = = y.M + (1 - y).M = 0,5473.18 + (1 - 0,5437)74 = 43,553 (kg/kmol) μ, μ : Độ nhớt của nước và axit propionic: Đoạn luyện : t = t = 99,33 theo toán đồ I.35 - T1 μ = 0,0127.10 (Ns/m) và μ = 0,0102.10 (Ns/m) Đoạn chưng: t = t = 100,187C theo toán đồ hình I.35 - T1 μ = 0,0129.10 (Ns/m) và μ = 0,0105.10 (Ns/m) => Độ nhớt của hỗn hợp hơi đoạn luyện là: μ = 25,784. = 1,157.10 (Ns/m) => Độ nhớt hỗn hợp hơi của đoạn chưng là: μ = 43,553. = 1,096.10 (Ns/m) b. Độ nhớt của hỗn hợp lỏng. lg μ = x.lg μ + (1 - x).lg μ Trong đó: x : Nồng độ phần mol của axit propionic trong hỗn hợp: Đoạn luyện có: x = x = 0,779; Đoạn chưng có x = x = 0,567 μ, μ : Độ nhớt động lực của nước và axit propionic Đoạn luyện: t = t = 99,1583C nội suy theo bảng I.101 - T1: μ = 0,286 (cP), μ = 0,463 (cP) Đoạn chưng có: t = t = 100,097C nội suy theo bảng I.101 đối với nước và toán đồ đối với axit ( Sổ tay QT&TBCNHC - T1) ta được: μ = 0,283(cP) và μ = 0,43 (cP) => Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn luyện: Lgμ = 0,779.lg(0,286) + (1 - 0,779)lg(0,463) = -0,5 μ = 0,317 (cP) = 0,317.10 (Ns/m) Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn chưng: Lg (μ) = 0,567 . lg(0,283) + (1 - 0,567).lg(0,43) = - 0,44 μ = 0,34 (cP) = 0,34 .10 (Ns/m) c. Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi Re = Trong đó: ω : Tốc độ 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) Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn luyện là: Re = = 0,994.10 Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn chưng là: Re = = 1,44.10 d. Chuẩn số Prand đối với pha lỏng: Pr = Trong đó: 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 (Ns/m) => Chuẩn số Prand đối với pha lỏng đoạn luyện là: Pr = = 26,84 => Chuẩn số Prand đối với pha lỏng đoạn chưng là: Pr = = 28,59 e. Hệ số cấp khối trong pha hơi Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (II-164): β = (0,79.Re + 11000) Trong đó: 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: β = .(0,79.0,994.10 + 11000) = 0,063 => Hệ số cấp khối pha hơi đoạn chưng là: β = .(0,79.1,44.10 + 11000) = 0,089 f. Hệ số cấp khối trong pha lỏng: Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (II-165): β = .Pr Trong đó: D : Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m/s) M : Khối lượng mol trung bình của pha lỏng (kg/kmol) Đoạn luyện: x = x = 0,779 => M = 0,779.18 + (1 - 0,779).74 = 30,376 (kg/kmol) Đoạn chưng: x = x = 0,567 => M = 0,567.18 + (1 - 0,567).74 = 42,23 (kg/kmol) H: Kích thước dài, chấp nhận bằng 1 m Pr : Chuẩn số prand đối với pha lỏng => Hệ số cấp khối trong pha lỏng đoạn luyện là: β = .26,84 = 0,114 => Hệ số cấp khối trong pha lỏng đoạn chưng là: β = .28,09 = 0,085 2.3.3. Hệ số chuyển khối, đường cong động học, số đĩa thực tế: a. Hệ số chuyển khối k = ( sbt II - trang 130) m : Hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào t, áp suất, nồng độ của các pha m = tg α = β: Hệ số cấp khối => Hệ số chuyển khối trong đoạn luyện: K = => Hệ số chuyển khối trong đoạn chưng: K = b. Tính đường kính ống chảy chuyền: d = (m) (sbt II - trang 122) G : Lưu lượng lỏng đi trong tháp Đoạn luyện G = 6744,68 (kg/h) Đoạn chưng: G =26161 (kg/h) ρ: 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: d = = 0,0407 (m) Quy chuẩn: d = 0,04 (m) Tính ngược lại ta được ω = 0.155 (m/s) Từ d ta tính được f = = 1,26.10 (m) => Đường kính ống chảy truyền trong đoạn chưng: d = = 0,254 (m) Quy chuẩn d = 0,25 (m) Tính ngược lại ta được ω = 0,155 (m) Từ d ta tính được f = = 0,049 (m) Diện tích làm việc của đĩa: f = F - f.m F : Diện tích mặt cắt ngang của tháp (m): F = (m) Đoạn luyện : f = - 1.1,26.10 = 2,83 (m) Đoạn chưng : f = - 1.0,049 = 2,79 (m) Tính số đơn vị chuyển khối m = g : Lượng hơi trung bình (kg/h) Đoạn luyện g = 11744,67 (kg/h) = = 0,126 (kmol/s) Đoạn chưng g = 16161,68 (kg/h) = = 0,103 (kmol/s) k : Hệ số chuyển khối (kmol/ms) f : Diện tích làm việc của đĩa: f = F - f.m F : Diện tích mặt cắt ngang của tháp f : Diện tích mặt cắt ngang của ống chảy chuyền m: Số ống chảy chuyền trên mỗi đĩa : chọn m = 1 => Số đơn vị chuyển khối đoạn luyện: m = = 22,46.k => Số đơn vị chuyển khối đoạn chưng: m = = 27,087.k 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, đoạn 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 = - Tính hệ số chuyển khối ứng với mỗi giá trị của x: Hệ số chuyển khối trong đoạn luyện: K = Hệ số chuyển khối trong đoạn chưng: K = Tính đơn vị chuyển khối: Có: m = = 22,46.k và m = = 27,087.k Xác định C theo công thức: C = e Với mỗi giá trị của x tương ứng ta có A là điểm thuộc đường làm việc, C là điểm thuộc đường cân bằng và B là điểm thuộc đường cong động học cần xác định: Tìm đoạn theo công thức: = 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 tổng hợp kết quả: x xcb y ycb m ky myT Cy AiCi BiCi Đoạn chưng 0,1 0,0227 0,1071 0,37 3,4 0,022 0,494 1,63 0,263 0,16 0,2 0,0551 0,2387 0,545 2,11 0,029 0,65 1,915 0,306 0,159 0,3 0,1 0,3703 0,66 1,45 0,035 0,786 2,19 0,289 0,13 0,4 0,1699 0,5019 0,749 1,07 0,0396 0,889 2,43 0,247 0,1 0,5 0,2749 0,6335 0,805 0,76 0,044 0,988 2,686 0,172 0,064 0,6 0,7651 0,7651 0,844 0,45 0,05 1,123 3,07 0,079 0,013 Đoạn luyện 0,7 0,8259 0,8259 0,875 0,33 0,066 1,787 5,97 0,049 0,0082 0,8 0,6967 0,874 0,903 0,28 0,068 1,84 6,297 0,029 0,0046 0,9 0,874 0,9221 0,932 0,38 0,064 1,73 5,64 0,0099 0,0018 Hình 2.10 : Xác định số đĩa thực tế 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 = 14. Trong đó: Số đĩa đoạn chưng : 7 Số đĩa đoạn luyện: 7 2.3.4. Hiệu suất tháp, chiều cao tháp a. Hiệu suất tháp ŋ = = .100% = 64,43 % b. Chiều cao tháp tính theo công thức: H = N .(H + δ) + (0,8 ÷ 1) Trong đó: N : Số đĩa thực tế H : Khoảng cách giữa các đĩa (m). Nội suy theo bảng IX.4a (Sổ tay QT&TBCNHC - T2) D = D = 1,9m chọn H = H = 550 mm (0,8 ÷ 1): khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị δ: Chiều dày đĩa (m) chọn δ = 3 mm Suy ra Đoạn luyện: H = 7.(0,550 + 0,003) + 1,0 = 5,06 (m) Đoạn chưng: H = 7.(0,550 + 0,003) + 1,0 = 5,06 (m) => Chiều cao tháp là H = H + H = 10,12 (m) Quy chuẩn chiều cao tháp là H = 10,2 (m), H = 5,1 (m); H = 5,1 (m) 2.3.5. Chọn loại đĩa Ta chọn loại đĩa với các thông số như sau: Đoạn luyện: Đường kính : D = 1,9 m Diện tích đĩa: F = = 2,835 m Diện tích tự do tương đối: ε = 8% Chiều dài gờ chảy tràn: L = 0,5 m Chiều cao gờ chảy tràn : h = 30 mm Chiều dày đĩa lỗ δ = 2mm Khoảng cách giữa các đĩa H = 0,550 m Đường kính lỗ d = 3 mm Bước lỗ t = 10 mm Đoạn chưng: Đường kính : D = 1,9 m Diện tích đĩa F = = 2,835 m Diện tích tự do tương đối: ε = 8% Chiều dài gờ chảy tràn: L = 0,5 m Chiều cao gờ chảy tràn : h = 30 mm Chiều dày đĩa lỗ δ = 2mm Khoảng cách giữa các đĩa H = 0,550 m Đường kính lỗ d = 3 mm Bước lỗ t = 10 mm t 2.4. TÍNH TRỞ LỰC THÁP ∆P = N .∆P (N/m) Trong đó: ∆P : Tổng trở lực của một đĩa (N/m) ∆P = ∆P + ∆P + ∆P (N/m) ∆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) 2.4.1. Trở lực của đĩa khô ∆P = ξ (N/m) (IX.140 - T2 trang 194) Trong đó: ξ : Hệ số trở lực, theo thông số của đĩa đã chọn, tiết diện tự do của lỗ là ε = 8% => ξ = 1,82 ω : Tốc độ khí qua lỗ (m/s): ω = ω /ε (m/s) Đoạn luyện: ω = = = 17,05 (m/s) Đoạn chưng: ω = = = 13,9 (m/s) ρ : Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg/m) => Trở lực đĩa khô đoạn luyện là: ∆P = 1,82. = 223,006 (N/m) => Trở lực đĩa khô đoạn chưng là: ∆P = 1,82. = 250,017 (N/m) 2.4.2. Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt. Đĩa có đường kính lớn hơn 1mm được tính theo công thức: ∆P = (N/m) (IX.142 - T2 trang 194) Trong đó: σ : Sức căng bề mặt của dung dịch trên đĩa (N/m). Có: = + σ; σ : Sức căng bề mặt của nước và axitpropionic Nội suy theo bảng I.242 của nước và lấy axit axetic thay cho axit propionic (Sổ tay QT&TBCNHC - T1) ta được: Đoạn luyện: t = 99,1583 σ = 59,055.10 (N/m); σ = 27,126.10 (N/m); Đoạn chưng: t = 100,097 σ = 58,88.10 (N/m); σ = 26,98.10 (N/m) => Sức căng bề mặt dung dịch đoạn luyện là: σ = = 0,021 (N/m) => Sức căng bề mặt dung dịch đoạn chưng là: σ = = 0,0185 (N/m) d : Đường kính lỗ (m): theo thông số đã chọn d = 3 mm = 3.10 (m) => Trở lực do sức căng bề mặt đoạn luyện là: ∆P = = 21,53 (N/m) => Trở lực do sức căng bề mặt đoạn chưng là: ∆P = = 18,97 (N/m) 2.4.3. Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa ∆P = 1,3. .g.ρ (N/m) (IX.143 T II trang 194) Trong đó: 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 m : Hệ số lưu lượng chảy qua gờ chảy tràn Đoạn luyện: = = 14,07 > 5 => m = 10000 Đoạn chưng = = 54,62 > 5 => m = 10000 => Trở lực thủy tĩnh của đoạn luyện là: ∆P = 1,3..9,81.958,762 = 244,704(N/m) => Trở lực thủy tĩnh đoạn chưng là: ∆P =1,3..9,81.957,844 = 334,559(N/m) 2.4.4. Trở lực của tháp Tổng trở lực của một đĩa đoạn luyện là: ∆P = ∆P + ∆P + ∆P = 223,006 + 21,53 + 244,704 = 489,24 (N/m) => ∆P = N .∆P = 7.489,24 = 3424,68 (N/m) Tổng trở lực của một đĩa đoạn chưng là: ∆P = ∆P + ∆P + ∆P = 250,017 + 18,97 + 334,559 = 603,546 (N/m) => ∆P = N .∆P = 7.603,546 = 3621,276 (N/m) => Trở lực toàn tháp là: ∆P = 3424,68 + 3621,276 = 7045,956 (N/m) 2.5. TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu, đun bốc hơi ở đáy tháp cũng như xác định lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ làm lạnh. 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. 2.5.1. 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 + Q = Q + Q + Q (J/h) (IX.149- Sổ tay QT&TBCHHC - T2- trang 196) Trong đó: 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 = 119,6C a. Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: Q = D.λ = D.( r + θ.C) (J/h) (IX.150 - T2- trang 196) Trong đó: D : Lượng hơi đốt (kg/h) λ : Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/h) θ : Nhiệt độ nước ngưng (C): θ = 119,6C 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 = 2208.10 (J/kg) b. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào: Q = F.C .t (J/h) (IX.151- T2- trang 196) Trong đó: F: Lượng hỗn hợp đầu (kg/h). Theo đề bài : F = 15000(kg/h) t : Nhiệt độ đầu của hỗn hợp (C) t = 25C C : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ) Tra toán đồ I.52 (Sổ tay QT&TBCNHC- T1 trang 166) ta có: C = 1 (kcal/kg.độ) = 4186,8 (J/kg.độ) C = 0,49 (kcal/kg.độ) = 2051,53 (J/kg.độ) Nồng độ hỗn hợp đầu: a = a = 28% => C = C .a + C.(1 - a) = 4186,8.0,28 + 2051,53.(1 - 0,28) = 2649,4 (J/kg.độ) Vậy lương nhiệt do hỗn hợp đầu mang vào là: Q = 15000.2649,4.25 = 933,525.10 (J/h) c. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra: Q = F.C .t (J/h) (IX.152 - T2- trang 196) Trong đó: t : Nhiệt độ của hỗn hợp đầu sau khi đun nóng (C): t = 99,9669C C : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra (J/kg.độ) Tra trong toán đồ đồ I.52 (Sổ tay QT&TBCNHC- T1 trang 166) ta có: C = 1,01 (kcal.kg.độ) = 4228,668 (J/kg.độ) C = 0,565 (kcal.kg.độ) = 2365,542 (J/kg.độ) Nồng độ hỗn hợp đầu a = 28% => C = C .a + C .(1 - a) = 4228,668.0,28 + (1 - 0,28).2365,542 = 2887,217 (J/kg.độ) Vậy lượng nhiệt do hỗn hợp đầu mang ra là: Q = 15000.2887,217.99,9669 = 4329,392.10 (J/h) d. Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: Q = G.C.θ = D.C.θ (J/h) (IX.153 - T2- trang 197) Trong đó: G : Lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt D (kg.h) Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh Lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn: Q = 0,05D.r (J/h) (IX.154 - T2- trang 197) Lượng hơi đốt cần thiết: Thay các giá trị đã tính vào phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có: D = = = = 1618,899 (kg/h) 2.5.2. Tính cân bằng nhiệt lượng toàn tháp chưng luyện Phương trình cân bằng nhiệt lượn của tháp chưng luyện : Q + Q + Q = Q + Q + Q + Q (J/h) (IX.156 - T II - 197) Trong đó: 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 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp Q = D.λ = D.(r + θ.C) (J/h) (IX.157 - Sổ tay II - 197) Trong đó: 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) r = r = 2208.10 (J/kg) C : Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ) b. Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào: Q = G.C.t (J/h) (IX.158 - Sổ tay II - 197) Trong đó: G : Lượng lỏng hồi lưu (kg/h) G = P.R = 5000.0,8819 = 4409,5 (kg/h) t : Nhiệt độ của lượng lỏng hồi lưu (C) t = t = 99,8136C C : Nhiệt dung riêng của lượng lỏng hồi lưu (J/kg.độ) Tra trong toán đồ I.52 (Sổ tay I - 166) ta có: C = 0,85 (kcal/kg.độ) = 3558,78 (J/kg.độ) C = 0,56 (kcal/kg.độ) = 2344,608 (J/kg.độ) Nồng độ lượng lỏng hồi lưu bằng nồng độ sản phẩm đỉnh: a = a = 80% C = C.a + C.(1 - a) = 3558,78.0,80 + 2344,608.(1- 0,8) = 3315,946 (J/kg.độ) Vậy nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào là: Q = 4409,5.3315,946.99,8136 = 1459,441.10 (J/h) c. Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Q = P.(1 + R).λ (J/h) (IX.159 - Sổ tay II - 197) Trong đó: λ : Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi ở đỉnh tháp (J/kg) λ = λ.a + λ.(1 - a) (J/kg) ( T2- trang 197) Với: λ, λ : Nhiệt lượng riêng của nước và axit propionic (J/kg) θ = θ = t = 99,8136C Tra trong toán đồ I.52 ( Sổ tay QT&TBCNHC - T1 trang 166) có: C = 1,005 (kcal/kg.độ) = 4207,734 (J/kg.độ) C = 0,56 (kcal/kg.độ) = 2344,608 (J/kg.độ) r, r : Nhiệt hóa hơi của nước và axit propionic Nội suy theo bảng I.212 (Sổ tay II - 254) ta có: r = 539,186 (kcal/kg) = 2257463,95 (J/kg) r = 93,086 (kcal/kg) = 389736,45 (J/kg) λ = 2257463,95 + 4207,734.99,8136 = 2298756,968 (J/kg) λ = 389736,45 + 2344,608.99,8136 = 623760,215 (J/kg) λ = 2298756,968.0,80 + 623760,215.(1 - 0,80) = 1963757,617 (J/kg) Vậy Q = 5000.(1 + 0,8819).1963757,617 = 1847,798.10 (J/h) d. Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Q = W.C.t (J/h) (IX.160 - Sổ tay II - 197) C : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ) Tra trong toán đồ I.52 ( Sổ tay II - 166) có: C = 1,01(kcal/kg.độ) = 4228,668 (J/kg.độ) C = 0,58 (kcal/kg.độ) = 2428,344 (J/kg.độ) Nồng độ sản phẩm đáy: a = 2% C = C.a + (1 - a).C = 4228,668.0,02 + (1 - 0,02).2428,344 = 2464,35 (J/kg.độ) Vậy: Q = 10000.2464,35.111,6562 = 2751,5996.10 (J/h) e.Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh Lượng nhiệt mất mát ra môi trường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp: Q = 0,05.D.r (J/h) (IX.162 - T2 - 198) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: Q = G.C.θ = D.C.θ (J/h) Trong đó: G : Lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt (kg/h) Lượng hơi đốt cần thiết: Thay số vào ta được: D = 7363,56 (kg/h) 2.5.3. Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị ngưng tụ: Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ: P.(R + 1).r = G.C.(t - t) (Sổ tay T2 - trang 198) Trong đó: r : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đỉnh tháp (J/kg) Nhiệt độ của hơi đỉnh tháp là t = t = 99,8136C Nội suy theo bảng I.212 (Sổ tay I - 254) ta có: r = 539,186 (kcal/kg) = 2257465,62( J/kg) r = 93,086 (kcal/kg) = 389732,46(J/kg) Nồng độ phần khối lượng của hơi ở đỉnh tháp là: a = 80% => r = r.a + r.(1 - a) = 2257465,62.0,80 + 389732,46.(1 - 0,80) = 1883918,988 (J/kg) G : Lượng nước lạnh tiêu tốn (kg/h) 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 t = 35C C : Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t (J/kg.độ) Theo bảng I.147 (Sổ tay QT&TBCNHC - T1 trang 165) có: C = 0,99859 (kcal/kg.độ) = 4180,896 (J/kg.độ) Lượng nước lạnh cần thiết là G= = = 211996,85(kg/h) 2.5.4. Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị làm lạnh Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh: P.C.(t - t) = G.C.(t - t) Trong đó: G : Lượng nước lạnh tiêu tốn (kg/h) 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 = 99,8136 Nhiệt độ ra của sản phẩm lấy là : t = 25C t = 62,37C C : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (J/kg.độ) Tra trong toán đồ đồ I.52 (T1 trang 166) tại t ta có: C = 1,01 (kcal/kg.độ) = 4228,668 (J/kg.độ) C = 0,53 (kcal/kg.độ) = 2219,004 (J/kg.độ) Có nồng độ sản phẩm đỉnh a = 0,80 C = 4228,668.0,80 + 2219,004(1 - 0,80) = 3826,735 (J/kg.độ) C : Nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở 25C Tra bảng I.125 (Sổ tay QT&TBCNHC- T1 trang 166) ta có C = 1,0 (kcal/kg.độ) = 4186,8 (J/kg.độ) Lượng nước lạnh cần thiết là: G= = =17094,906 (kg/h) Chương 3. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 3.1. TÍNH TOÁN THÂN THÁP: Thân trụ là bộ phận chủ yếu để tạo thành thiết bị hóa chất. Tùy theo điều kiện ứng dụng làm việc mà người ta chọn loại vật liệu, kiểu đặt và phương pháp chế tạo. Theo điều kiện đầu bài tháp làm việc ở áp suất thường, nhiệt độ khoảng trên dưới 100C, dung dịch axit là chất ăn mòn. Chọn vật liệu là théo không gỉ X18H10T phù hợp cho chưng luyện Nước - Axit propionic, thân hình trụ đặt thẳng đứng, được chế tạo bằng trụ hàn vì loại này thường dùng với thiết bị làm việc ở áp suất thấp và trung bình. Chiều dày thân tháp hình trụ được tính theo công thức XIII.9 ( Sổ tay QT&TBCNHC - T2 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 day (m) 3.1.1. Áp suất trong thiết bị. Môi trường làm việc là hỗn hợp lỏng nên hơi áp suất làm việc phải bằng tổng số áp suất hơi (P) và áp suất thủy tĩnh (P) của cột chất lỏng: Áp suất hơi : P = 1at = 9,81.10 (N/m) Áp suất thủy tĩnh được tính theo công thức: Trong đó: H : Chiều cao cột chất lỏng trong tháp (m) lấy : H = H = 10,2 (m) ρ : Khối lượng của chất lỏng trong tháp (kg/m) ρ = = = 958,303 (kg/m) Suy ra: P = g.ρ.H = 9,81.958,303.10,2 = 81788,286 (N/m) Áp suất trong thiết bị: P = P + P = 9,81.10 + 81788,286 = 189888,286 (N/m) 3.1.2. Ứng suất cho phép Ứng suất cho phép của thép trong giới hạn bền khi kẽo và khi chảy được tính theo công thức: Trong đó: η: Hệ số hiệu chỉnh, theo bảng XIII.2 (sổ tay T2 trang 356) đây là thiết bị loại 2 đốt nóng gián tiếp chọn η = 1 n , n : Hệ số an toàn theo giới hạn bền và chảy, (XIII.3 - T II - 356) n = 2,6; n = 1,5 σ , σ : Giới hạn bền khi kéo và chảy (N/m) (bảng XIII.3 - T II - 356) ta có: sk = 550.106 (N/m2) sch = 220.106 (N/m2) => Úng suất giới hạn bền kéo là: [σ] = .η = .1 = 211,538.10 (N/m) Ứng suất giới hạn bền chảy là: [σ] = .η = .1 = 146,666.10 (N/m) Chọn ứng suất cho phép là ứng suất nhỏ nhất trong hai ứng suất trên: [σ] = [σ]= 146,666.10 (N/m) 3.1.3 Tính hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc: Chọn phương pháp chế tạo theo phương pháp hàn tay bằng hồ quan 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 (sổ tay T2 trang 362) Lập tỉ số : = = 733,761 > 50 như vậy có thể bỏ qua P ở mẫu của công thức tính chiều dày. 3.1.4. Đại lượng bổ sung. Đại lượng bổ sung được tính theo công thức C = C + C + C (m) C : Bổ sung do ăn mòn (m) Vì axit propionic là chất ăn mòn, chọn C = 1(mm) = 10 (m) C : Bổ sung do bào mòn (m) Tháp chưng luyện chỉ chứa lỏng và hơi nên ít ăn mòn => C = 0 C : Bổ sung do dung sai về chiều dày (m) Chọn dung sai: C = 0,8 mm = 0,8.10 (m) => C = 1,8.10 (m) 3.1.5. Chiều dày thân tháp. Đoạn luyện: D = 1,9 m S = + C = + 1,8.10 = 3,09.10 (m) = 3,09 (m) Theo quy chẩu lấy chiều dày tháp là S = 4 mm Kiểm tra ứng suất theo tháp thử: Áp suất thử tính toán: P = P + P (N/m) Trong đó: P : Áp suất thủy lực (N/m) Theo bảng áp suất thủy lực khi thử (sổ tay T2 trang 358) P = 1,5P = 1,5.189888,286 = 0,284.10 (N/m) P : Áp suất cột chất lỏng trong tháp (N/m): P = g.ρ.H (N/m) ρ : Khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t = = = 103,812C Ứng với nhiệt đọ trung bình là 103,812C nội suy theo bảng I.2 (Sổ tay QT&TBCNHC T1 trang 9 ta được: ρ = 955,141 (kg/m) P = g.ρ.H = 9,81.955,141.8,7 = 81518,41 (N/m) P = 0,284.10 + 81518,41 = 0,365.10 (N/m) Ứng suất theo áp suất thử: σ = = = 166,1.10 (N/m) σ < = = 183,33.10 (N/m) Vậy chọn S = 4 mm là phù hợp Đoạn chưng: D = 1,9 (m) S = + C = + 1,8.10 = 3,09.10 (m) = 3,09 (m) Theo quy chuẩn lấy chiều dày tháp là : S = 4 (mm) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử Ứng suất theo áp suất thử : σ = = = 166,1.10 (N/m) σ < = = 183,33.10 (N/m) Vậy chọn S = 4mm là phù hợp. 3.2. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN Chọn vật liệu ống dẫn cùng loại vật liệu đáy tháp, dày 3mm. Đường kính các ống dẫn và cửa ra vào tính theo công thức d = (m) Trong đó: V : Lưu lượng thể tích (m/s) ω : Tốc độ lưu thể (m/s) 3.2.1. Đường kính ống chảy chuyền Đường kính ống chảy truyền đã tính ở trên d = 0,04 m, d = 0,25 m Khoảng cách từ chân đĩa đến ống chảy chuyền : S = 0,25.d Đoạn luyện: S = 0,25.0,04 = 0,01 (m) Đoạn chưng: S = 0,25.0,25 = 0,0625 (m) 3.2.2. Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp Lượng hỗn hợp đầu vào tháp là F = 15 tấn/h Nhiệt độ của hỗn hợp đầu t = 99,9669C Khối lượng riêng của nước và axit propionic (bảng I.2, sổ tay T1 trang 9) theo t = t : ρ = 958,023 (kg/m); ρ = 958,038 (kg/m) =>Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu là: ρ = = = 958,034 (kg/m) Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu là: V = = = 4,35.10 (m/s) Chọn tốc độ hỗn hợp đầu là ω = 0,3 (m/s) Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu là: Quy chuẩn d = 0,15 (m) = 150 (mm) Theo bảng XIII.32 (T II - 434), chiều dài đoạn ống nối là:l = 130 (mm) Tốc độ thực tế của hỗn hợp đầu: ω = = = 0,246 (m/s) 3.2.3. Đường kính ống dẫn hơi đỉnh tháp. Lượng hơi đỉnh tháp là g = 9409,5 (kg/h) M = 21,21 (kg/kmol) Nhiệt độ của hơi đỉnh tháp t = 99,8136C Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp: ρ = = = 0,693 (kg/m) => Lưu lượng thể tích của hơi đỉnh tháp là: V = = = 3,77 (m/s) Chọn tốc độ hơi ở đỉnh tháp là ω = 25 (m/s) Đường kính của ống dẫn hơi đỉnh tháp là: d = = 0,43 (m) Quy chuẩn: d = 0,4 (m) = 400 (mm) Theo bảng XIII.32 (T II - 434), chiều dài đoạn ống nối là :l = 150 (m) Tốc độ thực tế của hơi đỉnh tháp: ω = = = 30,01 (m/s) 3.2.4. Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy. Nhiệt độ của hỗn hợp đáy t = 111,6562C Khối lượng riêng của nước và axit propionic ρ = 949,257 (kg/m), ρ = 937,018 (kg/m) Khối lượng riêng của sản phẩm đáy là: ρ = = = 937,02 (kg/m) => Lưu lượng thể tích của sản phẩm đáy là: V = = = 2,964.10 (m/s) Chọn tốc độ sản phẩm đáy là : ω = 0,3 (m/s) Đường kính của ống dẫn sản phẩm đáy là: d = = 0,112 (m) Quy chuẩn d = 0,125 (m) = 125 (mm) Theo bảng XIII.32 (T2 - 434), chiều dài đoạn ống nối là :l = 120 (mm) Tốc độ thực tế của sản phẩm đáy là: ω = = = 0,241 (m/s) 3.2.5.Đường kính ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu Lượng hơi ngưng tụ hồi lưu là G = G.R = 5000.0,8819 = 4409,5 (kg/h) Nhiệt độ của hơi ng