Đồ án Phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp hấp phụ bằng zeolite

Mụclục

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG . 1

PHẦN II: LÝ THUYẾT CHUNG . 4

I. NGUYÊN LIỆU ETANOL . . . 4

I.1. Tính chất của Etanol . . . 4

I.2. Cơ chế phụ gia của Etanol khi pha vào xăng . . 4

I.3. Ứng dụng của Etanol . . . 5

I.4. Tình hình sản xuất Etanol trên thế giới hiện nay . . 5

II. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN CAO ĐỘ . . 8

II.1. Phương pháp chưng cất . . . 8

II.1.1. Chưng trích ly: . . . 8

II.1.2. Chưng phân tử [3]. . . 10

II.2. Phương pháp dùng chất hấp phụ chọn lọc –Zeolite . . 11

II.2.1. Giới thiệu về Zeolite [1]. . . 11

II.2.2. Quá trình hấp phụ [4-241]. . . 13

II.2.3. Phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối bằng vật liệu hấp phụ chọn lọc. 15

II.3. Phương pháp dùng các chất hút ẩm. . . 21

II.4. Phương pháp thẩm thấu qua màng . . . 21

II.5. Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu và rây phân tử . . 23

II.6. Kết hợpchưng cất và thẩm thấu qua màng: . . 23

II.7. So sánh đánh giá các phương pháp . . . 24

III. MỘT SỐ CÁC THỰC NGHIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ SẢN XUẤT

CỒN BẰNG ZEOLITE 3A . . . 26

III.1 Các tính chất và các đại lượng nhiệt động của quá trình hấp phụ nước: . 28

III.2 Các tính chất và các đại lượng nhiệt động của quá trình hấp phụ Etanol . 28

III.3 Đường cong biểu diễn quá trình nhiệt và quá trình hấp phụ , nhả hấp phụ nước

trên chất hấp phụ [7]: . . Error! Bookmark not defined.

PHẦN III: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG

NHIỆT LƯỢNG .30

A. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT . . 30

I. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ . . 30

I.1. Tính vρ và rρ . . . . 30

I.2. Tính lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu vào . . 30

I. 3. Tính lượng nước bị hấp phụ trong một giờ . . 31

I.4. Cân bằng vật chất lượng nước vào và ra khỏi tháp hấp phụ . 31

II. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH NHẢ HẤP. . 34

III. TÍNH LƯỢNG ZEOLITE CẦN THIẾT VÀ TỐC ĐỘ HỖN HỢP ĐẦU VÀO . 35

III.1 Tính lượng Zeolite cần thiết . . . 35

B. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG . . 37

I. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ . . 38

I.1. Tính nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình hấp phụ ở 107 oC trong một mẻ: . 38

I.2. Tính toán nhiệt độ trung bình của toàn bộ thiết bị trong quá trình thực hiện hấp

phụ . . . . 39

II. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH LÀM NÓNG VẬT LIỆU (2) TỪ 107oC ÷ 350oC. . . . . 40

II.1. Tính nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ chất hấp phụ: . . 40

II.2. Nhi ệt lượng Q2Nđể để nâng lượng nước bị hấp phụ từ 107 ÷ 350 oC . 41

II.3. Nhi ệt lượng Q2Eđể nâng nhiệt của Etanol bị hấp phụ từ 107 ÷ 350 oC . 41

III. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH GIẢI HẤP (3) . . 41

II.1. Tính nhiệt lượng cần thiết để thực hiện quá trình giải hấp phụ Q3 . 42

IV. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH LÀM MÁT VẬT LIỆU (4) . . 42

V. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CẤP NHIỆT NHẢ HẤP PHỤ . . 43

V.1. Tính nhiệt lượng do lượng khí N2mang vào trong quá trình làm nóng khối vật

liệu lên nhiệt độ 350oC. . . 43

V.2. Tính lượng nhiệt do Nitơ mang vào trong quá trình thực hiện quá trình nhả hấp

phụ ở 350oC. . . . 43

V.3. Tính toán lượng N2

cần thiết cho quá trình nâng nhiệt độ của khối vật liệu từ

nhiệt độ 107 ÷ 350oC . . . 44

V.4. Tính lượng N2

cần thiết để thực hiện quá trình nhả hấp phụ . 45

V.5. Tính tốc độ khí N2trong quá trình nhả hấp phụ và làm nóng khối vật liệu . 46

VI. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN LƯỢNG N2ĐỂ LÀM MÁT KHỐI VẬT LIỆU

TRONG QUÁ TRÌNH (4) . . . 47

VI.1. Lựa chọn tốc độ dòng khí để thực hiện quá trình làm mát khối vật liệu . 47

VI.2. Tính toán nhiệt độ trung bình của dòng khí N2sau khi ra khỏi tháp trong quá

trình làm mát khối vật liệu . . . 47

VI.2.1. Tính Lượng khí N2truyền qua thiết bị trong 8h . . 48

VI.2.2. Tính lượng nhiệtthực tế mà khối vật liệu truyền cho khối khí trong 8h . 48

VI.2.3. Tính nhiệt độ dòng khí N2sau khi ra khỏi thiết bị T4r. 48

VI.3. Tính toán nhiệt độ trung bình của dòng khí sau khi qua thiết bị trao đổi nhiệt

dòng khí nhả hấp phụ . . . 49

VI.3.1. Tính nhiệt lượng dòng hơi nhả hấp truyền cho thiết bị trao đổi nhiệt trong

giaiđoạn (2). . . . 50

VI.3.2. Tính lượng nhiệt dòng hơi nhả hấp truyền cho thiết bị trao đổi nhiệt trong

giai đoạn (3). . . . 50

VI.3.3. Tính nhiệt độ của dòng khí N2tận dụng nhiệt sau khi đi ra khỏi thiết bị

trao đổi nhiệt. . . . 51

VII. TÍNH TOÁN LƯỢNG NƯỚC LÀM MÁT . . 52

VII.1.Tính nhiệt toả ra do hỗn hợp khí nhả toả ra sau khi làm lạnh. 52

VII.2. Tính toán tốc độ dòng nước làm mát . . 52

VII.3. Tính nồng độ của rượu ngưng tụ lấy ra từ thiết bị làm lạnh . 53

VIII. TÍNH TOÁN NHIỆT LƯỢNG CALORIFIER CẦN CẤP . 54

Hình 3.6. . . . 54

VIII.1. Tính toán lượng nhiệt cần thiết để đưa dòng khí N2từ 115oC ÷ 350 oC . 54

VII.2.Tính toán lưu lượng dòng hơi nước quá nhiệt đi trong calorifier . 55

IX. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG NỒI HƠI CUNG CẤP . 57

IX.1. Tính lượng nước cần thiết để đun trong nồi hơi . . 57

IX.2. Tính toán nhiệt lượng cần thiết nồi hơi cung cấp cho hơi nước . 57 121

IX.2.1. Tính toán nhiệt lượng cần thiết đưa nước trong nồi hơi lên600oC . 57

IX.2.2. Tính nhiệt lượng cần thiết mà nồi hơi cần bù lại cho hơi nước khi trao đổi

nhiệt qua calorifier . . . 58

IX.3. Tính lượng than cần cung cấp để đốt nồi hơi . . 59

PHẦN IV: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ.59

I. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH . . . 59

I.1. Chọn kích thước thiết bị . . . 59

I.1.1. Tính vận tốc cho phép của dòng khí . . 60

I.1.2. Tính toán chiều cao của tháp . . . 60

I.1.3. Tính tổn thấp áp suất qua lớp hạt. . 63

I.2. Tính chiều dày thân tháp . . . 65

I.3. Tính đường kính ống dẫn hơi vào tháp. . 66.

II. TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHỤ. . 70

II.1. Thi ết bị trao đổi nhiệt . . . 70

II.1.1. Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc ngoài [4-113] . . 70

II.1.2. Thiết bị truyền nhiệt loại ống . . . 71

II.1.4. Thiết bị truyền nhiệt loại xoắn ốc. . 76

II.1.5. Thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân . . 77

II.1.6. So sánh và l ựa chọn thiết bị trao nhiệt. . 77

II.2. Calorifier cấp nhiệt . . . 78

II.2.3. Calorifier khói –khí . . . 82

II.2.4. Lựa chọn calorifier cấp nhiệt . . . 83

II.3. Nồi hơi . . . . 84

II.4. Thi ết bị ngưng tụ . . . 85

II.4.1. Ngưng tụ gián tiếp . . . 86

II.5. Lựa chọn thiết bị lọc bụi . . . 87

II.5.1. Thiết bị đường lắng . . . 87

II.5.2. Thiết bị buồng lắng . . . 88

II.5.3 Xyclon l ọc bụi . . . 89

II.5.4. Thiết bị lọc tay áo . . . 89

II.5.4. Thiết bị lọc kiểu vách ngăn . . . 90

II.5.5 Một số thiết bị khác . . . 91

II.6. Lựa chọn bơm . . . 92

II.6.1 Bơm vận chuyển chất lỏng. . . 92

II.6.2. Bơm vận chuyển chất khí . . . 92

PHẦN V –XÂY DỰNG .94

I. XÁC ĐỊNH ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG NHÀ MÁY. . 94

I.1. Các cơ sở để xác định địa điểm xây dựng . . 94

I.2. Các yêu cầu đối với địa điểm xây dựng . . 95

I.2.1. Các yêu cầu chung . . . 95

I.2.2. Các yêu cầu về kỹ thuật xây dựng . . 96

II. THIẾT KẾ TỔNG MẶT BẰNG . . . 96

II.1. Các nhiệm vụ chính khi thiết kế tổng mặt bằng nhà máy . 97

II.2. Các yêu cầu thiết kế tổng mặt bằng nhà máy . . 97

II.3. Nguyên tắc phân vùng trong nhà máy . . 98

II.3.1. Vùng trước nhà máy . . . 98

II.3.2. Vùng sản xuất . . . 99

II.3.3. Vùng các công trình phụ . . . 99

II.3.4. Vùng kho tàng và khu vực giao thông . . 99

II.3.5. Ưu nhược điểm của phương pháp phân vùng . . 100

II.4. Những căn cứ để sản xuất phân xưởng sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp

hấp phụ Zeolite . . . . 100

II.5. Tính toán và xác định kích thước chính của các công trình trong nhà máy. . 100

II.6. Cấu tạo phân xưởng sản xuất. . . . 101

II.6.1. Kết cấu móng . . . 101

II.6.2. Cột . . . . 101

II.6.3. Mái. . . . 102

II.6.4. Cửa sổ . . . . 102

II.6.5. Cửara vào phân xưởng . . . 102

PHẦN VI: ĐIỆN, NƯỚC . 105

I.ĐIỆN . . . . 105

I.1. Tính phụ tải chiếu sáng . . . 105

I.2. Tính phụ tải động lực. . . 106

I.3.Lượng điện tiêu thụ hàng năm của nhà máy . . 106

I.3.1. Đi ện năng thắp sáng . . . 106

I.3.2. Đi ện năng cho phụ tải động lực . . 107

I.3.3. Đi ện năng tiêu thụ toàn phân xưởng trong một năm . 107

II. NƯỚC . . . . 107

II.1. Nước sinh hoạt . . . 107

II.2. Nước sản xuất . . . 108

PHẦN VII: KINH TẾ . 109

I.TÓM LƯỢC DỰ ÁN . . . 109

II. KẾ HOẠCH SẢN XUẤT . . . 109

II.1. Kế hoạch sản xuất . . . 109

II.2. Tính toán kinh tế . . . 109

II.2.1. Vốn cố định. . . . 109

II.2.2. Vốn lưu động. . . 111

II.2.3. Chi phí nhu cầu về nước. . . . 112

II.2.4. Tính nhu cầu lao động . . . 112

II.2.5. Giá thành sản phẩm. . . . 113

II.2.6. Lãi và thời gian thu hồi vốn . . . 114

pdf122 trang | Chia sẻ: netpro | Lượt xem: 2390 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đồ án Phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp hấp phụ bằng zeolite, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
t của than hiệu suất đốt rất thấp chỉ khoảng 40% Gọi nhiệt lượng than cung cấp cho nồi hơi trong một giờ là Qthan ta có nhiệt lượng thực tế mà than cung cấp cho nồi hơi là: Qthantt = 0,4.Qthan Cân bằng nhiệt lượng ta có: Qthantt = Qcap(1h) (*) Ta có: Qthan = Lthan.mthan Trong đó: + Lthan: là nhiệt cháy của than, kJ/kg than. + mthan: khối lượng than cần đốt trong 1h. Ta chọn than đốt là than đá ta có Lthan đá = 44.103 kJ/kg than Thay các số liệu vào phương trình (*) ta được biểu thức sau: 0,4.44.103.mthan = 0,825.106  mthan = 3 6 10.44.4,0 10.825,0 = 47 [kg than/h] Lượng than đốt trong một ngày là: 47.24 = 1128 [kg/h]  Lượng than dùng trong một năm là: Mt = 1128.336 = 379 [tấn] PHẦN IV: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ I. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I.1. Chọn kích thước thiết bị Kích thước thiết bị phải đảm bảo thể tích lớn hơn thể tích chất hấp phụ. Ta chọn thân tháp hình trụ làm bằng thép không rỉ: Theo [5 –154] ta có: Hzeolite= 4 . 2t zeolite D V  Với lượng zeolite cho một thiết bị là Vzeolite= 0.537 [m3] ta có bảng các giá trị tương ứng của Dt và Hzeolite như sau: Bảng 3.3 Dt [m3] 0,7 0,8 0,5 0.6 Hzeolite [m3] 1,4 1.1 2,7 2,0 Theo số liệu bảng trên ta chọn các thông số như sau: 60 Hzeolite= 1,1 [m] Dt = 0,8 [m] I.1.1. Tính vận tốc cho phép của dòng khí Vg = 5,0).( g pDC  [8 – 391] Trong đó: Vg: Vận tốc khí cho phép, m/phút. Dp: Đường kính hạt đệm. Dp = 2.10-3 m C: Hằng số, C = 1200. g : Khối lượng riêng của khí, Kg/m 3. Tại 107oC, 1at ta có: + Khối lượng riêng của hơi nước là: 273)0,082.(110 1.18 T.R P.M R.T.V P.V.M V m ρ nn   = 0,573 kg/m3 + Khối lượng riêng của của Etanol là: 464.1 )273110.(082,0 46.1 . .    TR MP e e kg/m 3 + Khối lượng riêng của hỗn hợp là: g = x1. n + (1-x1). e [3 – 5] Trong đó: + x1: là nồng độ phần mol của hơi nước, bằng nồng độ phần thể tích  g = 0,004.0,573 + (1- 0,004).1,464 = 1,434 [kg/m3] + Vậy vận tốc dòng khí cho phép là: Vg = 1200. 5,0 3 ) 434,1 10.2(  = 44,8 [m/phut] I.1.2. Tính toán chiều cao của tháp Trong quá trình hấp phụ có sự phân chia thành các khu vực hấp phụ theo chiều cao của tháp: - Vùng cân bằng, tại đó chất hấp phụ đã bão hoà và quá trình hấp phụ không còn tiếp tục xảy ra. - Vùng hấp phụ tại đó diễn ra quá trình chính của hấp phụ, chất bị hấp phụ vào trong mao quản của chất hấp phụ. - Vùng hoạt hoá chất hấp phụ: Chưa diễn ra quá trình hấp phụ. Chiều dài chất hấp phụ: 61 hz =         2646,05506,0 7895,0 )..( . SRV qA g [cm] [8 - 391] Trong đó: A: Hằng số, A = 141. hz: Chiều dài vùng hấp phụ, m. q: Lượng nước trong pha hơi qua 1 m2 tiết diện tháp trong 1 h, Kg/m2.h R.S: % ẩm bão hoà trong pha hơi, R.S = 100%. Lượng nước tính theo công thức: q = T.z W.P.v. gE [kg/m2.h] [8 - 391] Trong đó: E: Hằng số, E = 0,000173 P: Áp suất hấp phụ, Kpa, P = 1.100 = 100 Kpa z: Tỷ số nén: W: Lượng nước đi trong tháp, kg/ 106m3 Trong 1 m3 hỗn hợp hơi: vg: Vận tốc của dòng hơi vào tháp Theo nhóm nghiên cứu sản xuất cồn tuyệt đối của Ts. Văn Đình Sơn Thọ ta có vận tốc dòng hơi đi vào tháp hấp phụ là: Vg = 0,039 m/s Quy đổi: Vg = 2,34 m/phút a. Tính lượng ẩm đi trong tháp Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp rượu etylic và nước là: M = 18 573,0.4 46 464,1.96 573,0.4464,1.96 .. ..      n nn e e nnee M v M v vv   = 44,88 Nồng độ phần khối lượng của nước trong hỗn hợp là: a = 96.464,14.573,0 4.573,0  = 0,015 [Phần khối lượng] Lượng ẩm đi trong tháp là: W = a. g .10 6 = 0,015.1,434.1000000 = 21500 [kg/106m3] = 1,63 [m/phút]  q = 1.380 34,2.100.21500.000173,0 = 1,61 [kg/h.m2] 62  hz = 2646,05506,0 7895,0 100.34.2 61,1141 = 38 [cm] Từ hình 19.7 [8 – 389] ta có: xs = 16 Trong đó: + xs: là…….. Theo tính toán của nhóm nghiên cứu sản xuất cồn tuyệt đối của Thầy Văn Đình Sơn Thọ ta có mật độ đổ của zeolite 30 với hạt có đường kính Dp = 0.002 m là: d = 427 [kg/m 3] Với đường kính d = 0.5 m ta có chiều cao của lớp hấp phụ trong tháp là: hgel = 2.. .4 d M d zeolite  = 28,0.14,3.427 6,229.4 = 1,1 [m] Theo công thức 19.1 [8 – 394] ta có: x = gel zgels h hhx ).45.0.(  = 1,1 )8,0.45,01,1.(16  = 9,5kg H2O/100 kg gel Trong đó: + x: là……. Theo tính toán cân bằng vật chất ở trên ta có: + Lượng nước bị hấp phụ trong một mẻ là: Gn(me) = 1,512.8 = 12 [kg/mẻ]  Chiều cao vùng đệm là: hb = 127,3. xd G e men .. 2 )(  [8 – 391] = 127,3. 5,9.8,0.427 12 2 = 0,4 [m] Từ số liệu tính được ta lựa chọn cấu tạo của tháp hấp phụ như sau: + Chiều cao tháp Ht = 2,0m + Chiều cao lớp hấp phụ hz = 1,1m 63 + khoảng cách giữa lớp đệm đến bích trên ở hai mặt trên và dưới là 0,3 m + Chiều cao phần nắp trên và đáy là 0.6 m HT = 20000 Hgel = 1100 Hb =400 1 10 8 6 3 7 9 2 II I Hình 4.1 Thiết bị hấp phụ I.1.3. Tính tổn thấp áp suất qua lớp hạt Tổng thất áp suất qua lớp hạt zeolite được tính theo công thức của Ergun theo phương trình sau: 64 Δpbed = d Lf 2...  Trong đó: + f: hệ số ma sát + L: chiều cao lớp hạt, m +  : khối lượng riêng trung bình của dòng khí, kg/m3 +  : độ xốp +  : vận tốc trung bình của dòng khí, kg/m3 + d : đường kính trung bình của hạt zeolite 3A, m. Hệ số ma sát f được tính theo phương trình sau: f =       75,1 Re )1.(150.1    Re: xác định dựa vào đường kính trung bình của zeolite Re =   d..  : là khối lượng riêng của hỗn hợp khí,  = g =1,434 kg/m 3  : là độ nhớt của hỗn hợp hơi được tính theo công thức: n n e ehh MyMyM  ).1(.   Trong đó: + Mhh: khối lượng mol trung bình của hỗn hợp rượu và nước, Theo tính toán ở trên ta có Mhh = 42,4 kg/kmol. + y: nồng độ phần mol của rượu etylic + Me, Mn : khối lượng mol của rượu và nước, kg/kmol. + ne  , : độ nhớt của etylic và nước, Ns/m 2. Tại 107o C ta có độ nhớt của các cấu tử tra bảng I.101 [3 - 91] như sau: e = 105,32.10 -7 Ns/m2 n = 118,24.10 -7 Ns/m2 Thay vào công thức trên ta có: 77 10.24,118 18).96,01( 10.32,105 46.96,04.42       = 106,12.10-7 Ns/m2  = 0,039 m/s d = 2 mm  = 0,4 Vậy ta có: 65 Re = 7 3 10.12,106 10.2.039,0.434,1   = 10,5 Hế số ma sát là: f =       75.1 105 )4,01.(150. 4,0 4,01 3 = 96,4 Tổn thấp qua lớp đệm là: Δpbed = 3 2 10.2 039,0.434,1.2,1.4,96  = 126 N/m3 I.2. Tính chiều dày thân tháp Tháp hấp phụ hình trụ đứng có đường kính trong d = 0,6 m làm việc ở áp suất 1 at. Ta chọn vật liệu là X18H10T. Tra bảng XII.4 [2 - 309] ta được thông số của thép X18H10T như sau: + Độ bền kéo Sk = 540.106 N/m2 + Độ bền uốn Sc = 220.106 N/m2 Chiều dày của thân hình trụ được tính theo công thức: S = C p pDt   ][2 . , m [4 – 360] Trong đó: + p: Là áp suất trong thiết bị, N/m2 + Dt: Đường kính trong thiết bị, Dt = d = 0,6 m + : Hệ số bền hình trụ theo phương dọc Dùng hàn giáp nối hai bên bằng hồ quang điện. Tra bảng giá trị hệ số bền hàn của thân hình trụ [4 - 362] ta có:  = 0,95   : Ứng suất cho phép, N/m2   =  . n , N/m2 Trong đó:  : Hệ số hiệu chỉnh. Ta chọn thiết bị loại I. Theo bảng XIII.2 [4 - 356] được  = 0,75. Tra bảng XIII.3 [4 - 356] ta được: nk = 2,6 nc = 1,5 nk,nc: Là hệ số an toàn theo giới hạn bền, giới hạn chảy 66   k =   . k k n = 75,0. 6,2 10.540 6 = 155,77.106 N/m2  c =   . c c n = 75,0. 5,1 10.220 6 = 110.106 N/m2 Ta chọn ứng suất cho phép [ ] =  c = 110.10 6 N/m2 C: số bổ sung cho ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m C = C1 + C2 + C3 C1: số bổ sung do ăn mòn, đối với vật liệu bền thời gian làm việc 15 ÷20 năm ta chọn: C1 = 1 mm C2: Đại lượng bổ sung bào mòn. Chọn C2 = 0. C3: Đại lượng bổ sung cho dung sai của chiều dày C3 phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu cho trong bảng XII.9 [4 - 364] Giả sử chiều dày của tháp là 5mm thì C3 = 0,5mm  C = 1 + 0,5 = 1,5 mm Chiều dày của tháp là: S = 346 4 10.5,1 10.81,9.195,0.10.110.2 10.81,9.1.6,0   = 1,75.10-3 m Ta chọn chiều dày của tháp là 3 mm * Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử Pth = 1,5.p = 1,5.1.9,81.104 = 147.103 N/m2 Ứng suất thử của thân thiết bị tho áp suất thử [ ] = )..(2 ].([ CS pCSD tht   , N/m2 [4 - 386] = 95,0).0015,0003,0.(2 147000)].0015,0003,0(6,0[   = 31,02.106 N/m2  < 2,1 c = 2,1 110 = 91,67 N/m2 Do vậy với chiều dày vỏ tháp S = 3 mm ứng suất của thân thiết bị nhỏ hơn giới hạn cho phép của vật liệu  Ta chọn chiều dày của thân tháp là 3 mm. I.3. Tính đường kính ống dẫn hơi vào tháp Đường kính của ống dẫn hơi được tính theo công thức sau: d = .785,0 V , m [5 – 84] Trong đó: 67 + d: Đường kính ống, m + V: Lưu lượng hoặc dung dịch chảy qua ống, m3/s + ω: Tốc độ hơi hoặc dung dịch trong ống, m/s Chọn ω = 20 m/s Theo tính toán ở trên lượng hơi đi vào tháp là: V = 502,8 m3/ngày = 0,0058 m3/s Đường kính ống dẫn hơi vào tháp là: d = .785,0 V = 20.785,0 0058,0 = 0,019 m Quy chuẩn d = 30 mm  ω = 8,2 m/s I.4. Tính đáy và nắp tháp Ta chọn đáy elip có gờ Chiều dày đáy nắp tháp được xác định theo công thức: S =   Ch D pK pD b t kk t   2 . ...8,3  , m [4- 385] Trong đó: + hb: là chiều cao phần lồi của đáy(nắp), m Tra bảng XII.10 [4 - 382] với Dt = 0,6 m thì hb = 150 mm + h : hệ số bền của mối hàn hướng tâm h = 0,95 + K: hệ số không thứ nguyên K = 1 - tD d XIII.48 [4 - 385] d- đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng. C- đại lượng bổ sung lấy C = 1,4.10-3 + 2.10-3 =3,4.10-3, m + Nắp và đáy tháp: d = 0,05 m  K = 0,9 Thay các giá trị vào ta được: S = 310.4,3 15,0.2 6,0. 14700095,0.9,0.110000000.8,3 147000.6,0   , m = 3,9.10-3, m Chọn S = 5 mm *Kiểm tra ứng suất thành của nắp tháp theo áp suất thử thuỷ lực bằng công thưc: 68 [ ] = ).(...6,7 )..(.2 0 2 CShk pCShD bh bt    , N/m2 [4 -386] = )10.4,310.5.(15,0.95,0.9,0.6,7 147000)].10.4,310.5.(15,0.26,0[ 33 332     = 33,88.108   <   2,1  = 91,67.106, N/m2  Ta chọn chiều dày của nắp và đáy tháp là S = 5 mm I.5. Chọn bích và chân đỡ tháp I.5.1. Ta chọn bích liền kiểu I Tra bảng XIII.27 [4 - 417] ta được các thông số trong bảng sau: Hình 4.2 Bích nối thân thiết bị hấp phụ Dtnt = 600 mm D = 650 mm Db = 625 mm D D D D D t o l b h nt 69 D1 = 620 mm D0 = 606 mm Bu lông: db = M36 z = 52 cái h = 50 mm I.5.2. Chọn chân đỡ Tính khối lượng toàn tháp: mthan =  .Vthan =    22003,0.2.4 ddH   = 7900. 4  .3[(0,6 + 2.0,003)2 – 0,62] = 134 kg mday+nap = 12,4.2 = 24,8 kg mzeolite = 229.6 kg Tổng khối lượng của tháp là: mthap = mthan + mday+ nap + mzeolite = 134 + 229,6 + 24,8 = 388,4 kg Với hệ số 1,2 ta tính được tải trọng cần nâng đỡ là: G = 388,4.1,2.9,81 = 4,57.103 N Theo tải trọng trên tra bảng XIII.35 [4- 437] ta được Bảng 3.4 Tải trọng cho phép H (mm) B (mm) h (mm) Bz (mm) S1 (mm) S2 (mm) 0,4.104 (N) 240 110 145 195 10 10 70 S2 S1 Bz h B H Hình 4.3 II. TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHỤ II.1. Thiết bị trao đổi nhiệt Trong công nghệ hoá học thiết bị trao đổi nhiệt là một thiết bị không thể thiếu trong hầu hết các nhà máy hoá chất. Dựa vào cách thức truyền nhiệt người ta chia các loại thiết bị truyền nhiệt làm 2 loại chính: Thiết bị trao đổi nhiệt trực tiếp, Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp. Tuy nhiên với công nghệ sản xuất cồn tuyệt đối bằng phương pháp hấp phụ zeolite ta chỉ quan tâm đến loại thiết bị truyền nhiệt gián tiếp. II.1.1. Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc ngoài [2-113] Khi đung nóng hoặc làm lạnh các thiết bị phản ứng, đặc biệt là những thiết bị bên trong không đặt được ống xoắn, ta thường truyền nhiệt gián tiếp qua vỏ thiết bị. Một trong những thiết bị loại này là thiết bị vỏ bọc ngoài, vỏ ngoài được ghép chắc vào vỏ thiết bị bằng mặt bích, giữa hai lớp vở tạo thành khoảng trống kín. 71 Hình 4.4 Chiều cao của vỏ ngoài không được thấp hơn mực chất lỏng trong thiết bị. Thông thường các loại thiết bị vỏ bọc ngoài có bề mặt thiết bị không lớn quá 10 m2 và áp suất không quá 10 at. Khi làm việc ở áp suất cao thì vỏ bọc ngoài cần có cấu tạo đặc biệt. vỏ bọc là tấm thép có khoét nhiều lỗ, các lỗ này được hàn liền vào vỏ như hình vẽ sau: Hình 4.5 II.1.2. Thiết bị truyền nhiệt loại ống Loại này bề mặt truyền nhiệt loại hình ống, căn cứ vào tính chất làm việc và cấu tạo của thiết bị, có thể xếp thành các kiểu sau: + Ống xoắn kiểu tưới. + Ống lồng ống. + Ống chùm. II.1.2.1. Ống xoắn ruột gà 72 Thiết bị ống xoắn ruột gà là một trong những loại thiết bị đơn giản nhất, nó gồm các ống uốn theo hình ren ốc gọi là ống xoắn ruột gà. Khi làm việc một chất tải đi trong ống, còn một chất tải nhiệt khác đi ngoài ống. Thiết bị ống xoắn ruột gà có ưu điểm là thiết kế đơn giản, có thể làm bằng những vật liệu chống ăn mòn, dễ kiểm soát và sửa chữa. Khuyết điểm của thiết bị kiểu này là cồng kềnh, hệ số truyền nhiệt nhỏ do hệ số cấp nhiệt phía ngoài bé, khó làm sạch phía trong ống, trở thuỷ lực lớn hơn ống thẳng. Vận tốc của chất lỏng trong ống xoắn thường 0,5 ÷ 1 m/s. đối với chất khí thường ở áp suất thường từ 5 ÷ 12 m/s. Đường kính ống không quá 100 mm vì lớn quá khó gia công. Đối với ống xoắn gấp khúc chiều dài mỗi đoạn phụ thuộc vào vật liệu. Hình 4.6 . Thiết bị truyền nhiệt ống xoắn ruột gà 1- Thiết bị; 2- ống xoắn; 3- giá đỡ; 4- nẹp giữ ống 5- ống II.1.2.2. Loại ống tưới Loại này thường dung làm nguội và ngưng tụ, chất lỏng phun ở ngoài đường ống là nước lạnh nó gồm các ống thẳng nối với các khuỷu. Nước tưới ở ngoài ống chảy lần lượt từ trên xuống dưới ống rồi đi vào thùng chứa. Khi trao đổi nhiệt thì một phần ống nước bay hơi. Khi bay hơi nó sẽ lấy một phần nhiệt từ chất tải nhiệt nóng ra khỏi ống do đó khi dung thiết bị này lượng nước dùng làm nguội sẽ ít hơn khi dùng các thiết bị khác. 73 Nuíc 1 2 3 4 Hình 4.7. Thiết bị trao đổi nhiệt loại tưới 1- máng nước; 2- ống truyền nhiệt; 3- khuỷu; 4- máng chứa nước II.1.2.3. Loại ống nồng ống Thiết bị truyền nhiệt loại ống lồng ống gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau mỗi đoạn có 2 ống lồng vào nhau. Để dễ dàng thay thế và rửa ống người ta nối khuỷu và ống nối bằng một mặt bích. Các ống được hàn kín bằng một mối hàn. Chất tải nhiệt I đi trong ống từ dưới lên còn chất tải nhiệt II đi trong ống ngoài từ trên xuống, khi năng suất lớn ta đặt nhiều dãy làm việc song song. Ưu điểm của loại này là hệ số truyền nhiệt lớn vì ta có thể tạo ra vận tốc lớn cho cả 2 chất tải nhiệt, cấu tạo đơn giản, nhưng có nhược điểm là cồng kềnh, giá thành cao vì tốn nhiều kim loại, khó làm sạch khoảng trống giữa 2 ống. 1 2 43 5 II I II I Hình 4.8. Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống 1- ống trong; 2- ống ngoài; 3- khuỷu nối 74 4- ống nối; 5- mối hàn II.1.2.4. Loại ống chùm Thiết bị truyền nhiệt loại này được dùng phổ biến nhất trong công nghiệp hoá chất, nó có những ưu điểm là kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn. Thiết bị đơn giản của loại này là ống kiểu đứng. Gồm có thân hình trụ hai đầu hàn hai ống lưới, các ống truyền nhiệt được ghép chắc chắn, kín vào lưới. Đáy và náp nối với thân bằng mặt bích có 4 bulông ghép chắc. Thiết bị truyền nhiệt được đặt trên giá đỡ hoặc thiết kế thiết bị có chân đỡ. Chất tải nhiệt I đi từ dưới lên qua các ống và ra ngoài, còn chất tải nhiệt II đi từ cửa trên vào khoảng trống của vỏ thiết bị và ống rồi đi ra phía của dưới. Với thiết bị này thì chất tải nhiệt II phải là chất lỏng sạch không tạo cặn (thường là nước mềm) vì rất khó vệ sinh khoảng không giữa ống và vỏ thiết bị. Khi cần tăng vận tốc của chất tải nhiệt để tăng hiệu quả truyền nhiệt, người ta thường chia thiết bị ra làm nhiều ngăn. Vận tốc chất tải sẽ tăng lên theo số ngăn được chia. cấu tạo như hình vẽ sau: . Hình 4.9 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm có vách ngăn: 1- vỏ; 2-ống dẫn khí; 3-vách ngăn Trường hợp thiết bị làm việc ở nhiệt độ cao độ chênh lệch nhiệt độ lớn > 50oC thì biến dạng do sự dãn nở không đều nhau. Vì vậy người ta phải thiết kế thêm cho thiết bị bộ phận bù giãn nở nhiệt. Các chi tiết cầu tạo bộ phận bù giãn nở trong thiết bị ống chùm có thể xếp thành 2 loại: + Bù giãn nở ghép thêm bộ phận đàn hồi. II II I I 1 3 2 75 + Bù giãn nở theo kết cấu di chuyển tự do theo chiều dọc. Hai trường hợp này được mô tả như hình vẽ sau: I I II II II II I I 1 2 2 1 3 3 a b Hình 4.10 Thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm có bù giản nở a- bù giãn nở nhiệt bằng cách gắn thêm bộ giãn nở nhiệt 2 b- bù giãn nở theo dọc ống dẫn nhiệt II.1.3. Thiết bị truyền nhiệt loại tấm Loại này bề mặt truyền nhiệt làm bằng tấm kim loại các khe giữa các tấm kim loại, các khe giữa các tấm tạo thành hai hệ thống không thông với nhau. Thiết bị trao đổi nhiệt loại này rất gọn, vận tốc chất tải nhiệt hai phía đều lớn. Nhưng có nhược điểm là không làm việc được ở áp suất cao, khó ghép kín do đó loại này dùng để trao đổi nhiệt ở áp suất thường, chủ yếu là truyền nhiệt giữa các chât khí và hơi. 76 Hình 4.11 Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm. II.1.4. Thiết bị truyền nhiệt loại xoắn ốc Loại này bề mặt truyền nhiệt làm bằng những tấm kim loại cuốn theo dạng ống xoắn ốc. Thiết bị gồm hai tấm kim loại 1 và 2, đầu trong của hai tấm kim loại này được hàn vào tấm ngăn 3, giữa hai tấm 1 và 2 tạo thành một khe có tiết diện hình chữ nhật, chữ tải nhiệt sẽ đi trong các khe đó. Hai đầu thiết bị được ghép kín bằng nắp 4. 77 Thiết bị truyền nhiệt kiểu xoắn ốc có ưu điểm là gọn và vận tốc lớn, hai chất tải nhiệt có thể chuyển động ngược chiều nhau hoàn toàn, trở thuỷ lực nhỏ hơn ống chùm. Khuyết điểm là chế tạo và sửa chữa phức tạp, không làm việc ở áp suất cao trên 6 at. II.1.5. Thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân Khi truyền nhiệt giữa hai chất tải nhiệt mà hệ số cấp nhiệt một phía thì rất nhỏ so với phía kia, ta cần tăng bề mặt truyền nhiệt ở phía có hệ số cấp nhiệt nhỏ để tăng hiệu quả truyền nhiệt bằng cách thêm các gân lên bề mặt truyền nhiệt. Khi đung nóng không khí hoặc khí bằng hơi nước bão hoà thì hệ số cấp nhiệt từ hơi lên bề mặt truyền nhiệt 1 =11600 W/m 2. độ, cồn từ bề mặt tra không khí là 2 5,7 ÷ 58 W/m 2. độ, nghĩa là 2 << 1 , khi đó ta cần gắn gân ở phía 2 ; Thiết bị như vậy gọi là thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân. Thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân thường có hai kiểu: gân dọc và gân ngang. Đôi khi truyền nhiệt giữa hai chất khí (hơi) 21, đều rất nhỏ, người ta cấu tạo gân ở cả hai bên, trường hợp này gân thường có dạng hình kim gọi là thiết bị truyền nhiệt loại hình kim. II.1.6. So sánh và lựa chọn thiết bị trao nhiệt Với công nghế sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp hấp phụ zeolite, do quá trình nhả hấp phụ là một quá trình thu nhiệt làm việc ở nhiệt độ cao 350oC nên vấn đề tận dụng nhiệt cho quá trình sản xuất là việc làm cần thiết và rất quan trọng để tiết kiệm nhiên liệu. Mặt khác, vấn đề cung cấp nhiệt cho quá trình ảnh hưởng lớn đến tính toán kinh tế của quá trình sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp này. Vì vậy việc lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt để tận dụng nhiệt cho quá trình này là một vấn đề tối ưu hoá cho dây truyền sản xuất theo công nghệ sản xuất này. Với quá trình nhả hấp hơi và khí N2 ra khỏi tháp nhả có nhiệt độ rất lớn 300oC ta cần phải lựa chọn thiết bị tận dụng nhiệt có sự trao đổi nhiệt giữa khí và khí. Để thoả mãn điều kiện này chỉ có các thiết bị truyền nhiệt kiểu sau đây là phù hợp. + Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm. + Thiết bị trao đổi nhiệt dạng xoắn. + Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống có gân. Bảng 3.5 Thiết bị Ưu điểm Nhược điểm Dạng tấm Thiết bị rất gọn, vận tốc chất tải nhiệt hai phía đều lớn Không làm việc ở áp suất cao khó ghép kín, chỉ làm việc ở áp suất 78 thường Dạng xoắn Thiết bị kiểu này cũng rất gọn, có vận tốc lớn, hai chất tải nhiệt có thể chuyển động ngược nhau, trở lực nhỏ. Khó chế tạo và sửa chữa làm việc ở áp suất < 6 at. Giá thành của thiết bị là tương đối cao do tốn sắt thép và cấu tao phức tạp. Dạng ống có gân Bề mặt truyền nhiệt lớn, cải thiện được đáng kể hệ số cấp nhiệt Cấu tạo thiết bị phức tạp và giá thành cao, khó sửa chữa * Qua việc so sánh về ưu nhược điểm ta thấy thiết bị truyền nhiệt dạng tấm là phù hợp với công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp này nhất vì các lý do sau: + Cấu tạo đơn giản, dễ dàng tháo, lắp, sửa chữa. + Giá thành không quá cao. + Quá trình nhả làm việc ở áp suất 1 at khắc phục được nhược điểm của thiết bị dạng này. + Bề mặt truyền nhiệt tương đối lớn, vận tốc dòng hơi hai phía đều lớn. II.2. Calorifier cấp nhiệt Calorifier là một thiết bị cấp nhiệt cho các quá trình cần cấp nhiệt từ bên ngoài vào như là các phản ứng thu nhiệt, quá trình nhả hấp phụ, đặc biệt là quá trình sấy thì calorifier là một thiết bị không thể thiếu trong các nhà máy, phân xưởng sấy. Dựa vào cách thức cấp nhiệt mà người ta chia calorife thành các loại như sau: + Calorifier điện. + Calorifier hơi nước- không khí. + Calorifier khí – khói. II.2.1. Calorifier điện Là loại thiết bị cấp nhiệt sử dụng năng lượng điện năng, biến điện năng thành nhiệt năng thông qua các dây đốt để để truyền nhiệt cho các quá trình khác. Quá trình truyền nhiệt của dây đốt có thể là quá trình bức xạ nhiệt hoặc quá trình tiếp xúc trực tiếp của chất tải nhiệt và dây đốt. Dây đốt thường làm bằng kim loại có điện trở lớn và khả năng chịu được nhiệt độ cao. Sơ đồ như hình vẽ sau: 79 Hình 4.12 Calorifier điện Tuy nhiên với thiết bị kiểu này trong công nghiệp chủ yếu để đung nước có nhiệt độ đầu ra là không cao. Khi chất tải nhiệt là chất khí thì rất dễ xảy ra quá trình oxy hoá ngay sát bề mặt dây đốt có thể gây ra cháy nổ không an toàn cho nhà máy sản xuất. Ưu điểm của thiết bị kiểu này là gọn nhẹ, dễ dàng thay đổi nhiệt độ bằng cách thay đổi dòng điện vào dây đốt có thể tự động hoá quá trình truyền nhiệt một cách dễ dàng tuy nhiên với một nhà máy hoá chất làm ở nhiệt độ cao nó lại bộc lộ nhiều nhược điểm như: + Khả năng gây cháy nổ cao khi có mặt của oxy không khí. + Vật liệu làm dây đốt hiếm và giá thành khá cao. + Nhiệt độ đầu ra không cao. + Thiết bị loại này lĩnh vực chủ yếu là đun nước và cung cấp nước nóng cho các quá trình sản xuất vi sinh và nước nóng dùng tron sinh hoạt. Cấu tạo thiết bị như sau: 80 Hình 4.13. cấu tạo thiết bị calorifier điện II.2.2. Calorifier hơi nước – không khí [12 – 86] Là loại thiết bị cấp nhiệt sử dụng hơi nước từ nồi hơi đi trong các ống truyền nhiệt, truyền nhiệt cho cho không khí. Không khí sau khi qua calorife có nhiệt độ cao được đưa vào các phòng sấy, thiết bị sấy hoặc không khí này được đưa đi cấp nhiệt cho các quá trình khác đòi hỏi không có sự có mặt của hơi nước như quá trình nhả hấp phụ của quá trình sản xuất cồn tuyệt đối bằng phương pháp hấp phụ. Ta có cấu tạo của calorifier loại này như sau: 8 5 3 2 4 1I II Hình 4.14. Calorifier hơi nước – không khí 1- vỏ thiết bị; 2,3- cửa ra và vào của không khí cần làm nóng 4- cửa dẫn hơi nước vào; 5- của dẫn hơi nước ra;I- ống dẫn hơi 81 Với thiết bị loại này thì ống dẫn hơi có cấu tạo tương đối đặc biệt, bên ngoài ống người ta hàn các cánh tản nhiệt để tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt, tăng hiệu quả truyền nhiệt cho thiết bị. Hơi nước được đi ở trong ống cấp nhiệt cho ống và cánh tản nhiệt, không khí được đi ở phần không gian giữa ống và vỏ thiết bị, không khí không những nhận nhiệt từ ống truyền nhiệt mà còn nhận được một lượng nhiệt lớn từ các cánh tản nhiệt mỏng và được xắp xếp dày đặc. sơ đồ đường đi của không khí được mô tả như hình vẽ sau: 2 1 H¬i nuíc Kh«ng khÝ Hình 4.15. Sơ đồ hướng đi của hơi nước và không khí 1-ống dẫn hơi nước; 2 – các cánh tản nhiệt Để tăng hệ số cấp nhiệt của thiết bị này lên người ta có thể chế tạo ống dẫn hơi có các gân ở phía trong ống để tăng cường hế số cấp nhiệt giữa ống dẫn và hơi nước. Tuy nhiên với các ống kiểu này rất khó có thể vệ sính được bề mặt phía trong của ống, để khắc phục nhược điểm này người ta phải dùng nước rất mềm ở trong nồi cấp hơi để tránh tạo cặn trong đường ống gây quá nhiệt cục bộ, giảm hệ số cấp nhiệt của thiết bị. Vì thiết bị làm việc ở nhiệt độ cao do đó người

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfCON TUYET DOI-BKHN.pdf
Tài liệu liên quan