Đồ án Thiết kế hệ thống chưng cất methanol bằng tháp đệm có năng suất 4000kg/h

ưng, gn’= gl , kg/h hay kmol/h/ gl’: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h hay kmol/h. Lượng hơi đi vào đoạn chưng gl’, lượng lỏng Gl’ và hàm lượng lỏng xl’ được xác định theo hệ phương trình sau: 14 llnnll wwwlll Wll rgrgrg xGygxG GgG *** *** '''' ''' '' == += += [2- 182] Trong đó yl’ = yw = 0.0028: tìm theo đường cân bằng ứng với xw bllal ryyrr )1( ''' −+= ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng. bnnan ryyrr )1( ''' −+= ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng. Tính tương tự như trên ta được hệ phương trình 103209181.9714* 37.00028.0* 76.131 ' ''' '' = += += l lll ll g gxG gG Giải hệ phương trình trên ta được: gl’ =106.24 kmol/h Gl’ = 238 kmol/h Xl’ = 0.0028 kmol/h Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là: 47.110 2 24.1027.114 2 '' =+=+= lntbc ggg kmol/h Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là: 67.150 2 23834.63 2 ' =+=+= lltbc GGG kmol/h 4.2. Khối lượng riêng trung bình 4.2.1. Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được tính theo công thức: 21 11 xtb tb xtb tb xtb aa ρρρ −+= [2- 183] Trong đó ρxtb: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3. ρxtb1, ρxtb2 : khối lượng riêng trung bình của methanol và nước của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3. atb : phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng, kg/kg. Phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn luyện atbl và đoạn chưng atbc là: 2025.0 2 05.04.0 2 69.0 2 98.04.0 2 =+=+= =+=+= wf tbc pf tbl aa a aa a Phần mol trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn luyện xtbl và đoạn chưng xtbc là: 1364.0 2 0028.027.0 2 615.0 2 96.027.0 2 =+=+= =+=+= wf tbc pf tbl xx x xx x 15 Từ phần mol trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn chưng và đoạn luyện ta tra vào đồ thị cân bằng lỏng hơi của methanol- nước ta được nhiệt độ trung bình của đoạn luyện ttbl=71oC, nhiệt độ trung bình của đoạn chưng ttbc = 85oC. Với các nhiệt độ trung bình trên nội suy theo bảng I.2, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 ta tra được khối lượng riêng trung bình của methanol và nước như sau: ttbl = 71oC, ρxtb1 =742.06 kg/m3, ρxtb2 = 976.95 kg/m3. ttbc = 85oC, ρxtb1 = 728.465 kg/m3, ρxtb2 = 968.5 kg/m3. Vậy khối lượng riêng trung bình của của pha lỏng trong đoạn luyện ρxtbl và đoạn chưng ρxtbc là: 82.801 06.742*)69.01(95.976*69.0 95.976*06.742 )1( 12 21 =−+=−+= xtbtbztbtb xtbxtb xtbl aa ρρ ρρρ kg/m3 92.907 465.728*)2025.01(5.968*2025.0 5.968*465.728 )1( 12 21 =−+=−+= xtbtbztbtb xtbxtb xtbc aa ρρ ρρρ kg/m3 Khối lượng phân tử trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện và đoạn chưng: 70.2602.18*)615.01(04.32*615.0)1( =−+=−+= BtblAtblxtbl MxMxM kg/kmol 95.1902.18*)1364.01(04.32*1364.0)1( =−+=−+= BtbcAtbcxtbc MxMxM kg/kmol 4.2.2. Khối lượng riêng trung bình của pha khí Khối lượng riêng trung bình pha hơi được tính theo công thức: T MyMy BtbAtb ytb 4.22 273])1([ −+=ρ kg/m3 Với T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp hay của đoạn chưng, đoạn luyện, K. ytb: nồng độ phân mol pha hơi trung bình của đoạn chưng, đoạn luyện. Được tính bằng trung bình cộng nồng độ hai đầu đoạn tháp: 3214.0 2 64.00028.0 2 8.0 2 96.064.0 2 =+=+= =+=+= fw tbc pf tbl yy y yy y Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng: 04.1 )27371(*4.22 273*]02.18*)8.01(04.32*8.0[ =+ −+=ytblρ kg/m3 77.0 )27385(*4.22 273*]02.18*)3214.01(04.32*3214.0[ =+ −+=ytbcρ kg/m3 Khối lượng phân tử trung bình của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng: 27.2902.18*)8.01(04.32*8.0)1( =−+=−+= BtblAtblytbl MyMyM kg/kmol 53.2202.18*)3214.01(04.32*3214.0)1( =−+=−+= BtbcAtbcytbc MyMyM kg/kmol 4.3. Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn kích thước đệm 25x25x3 mm. Tra bảng IX.8, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tâp 2 ta được các thông số sau: σđ =195m2/m3, ρđ=600kg/m3, Vđ = 0.75 m3/m3, số đệm trong một mét khối là 46.103. Tốc độ hơi đi trong tháp đệm có thể xác định theo công thức sau: 16 8/14/1 16.0 3 2 4 )()( ).( .. 2.1 xtb ytb y x n x xtbđ ytbđs X G GX Vg Y eY ρ ρ μ μ ρ ρσω = = = − [2- 187] Chọn ω = 0.8ωs Trong đó ω, ωs: tốc độ làm việc của tháp, tốc độ sặc, m/s σđ : bề mặt riêng của đệm, m2/m3. Vđ : thể tích tự do của đệm, m3/m3. g : gia tốc trọng trường. Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/s μx, μn : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20oC, N.s/m2. Độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình có thể được tính theo công thức sau: 21 lg)1(lglg μμμ tbtbx xx −+= [2- 84] Tra bảng I.101 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 trang 92 ta được μn=0.001 N.s/m2. Tra trên toán đồ hình I.18 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 trang 90, ứng với nhiệt độ trung bình của đoạn luyện và đoạn chưng ta có: ttbl = 71oC, μ1 = 0.000317 N.s/m2, μ2 = 0.0004006 N.s/m2 suy ra μxl = 0.000347 N.s/m2 ttbc = 85oC, μ1 = 0.0002775 N.s/m2, μ2 = 0.0003355 N.s/m2 suy ra , μxc = 0.000327 N.s/m2 Thay các giá trị vào công thức ở trên ta tính được tốc độ làm việc của đoạn luyện: 38.0) 82.801 04.1() 19.117 83.65( 8/14/1 ==LX 26.0*2.1 38.0*4 == −eYL 80.125.2*8.0 25.2) 000346.0 001.0( 04.1*195 82.801*75.0*81.9*26.0)( . ... 16.0316.0 3 == === l x n ytbđ xtbđ sl VgY ω μ μ ρσ ρω Tốc độ làm việc của đoạn chưng: 45.0) 92.907 77.0() 47.110 67.150( 8/14/1 ==CX 2.0*2.1 45.0*4 == −eYC 96.145.2*8.0 45.2) 000327.0 001.0( 77.0*195 92.907*75.0*81.9*21.0)( . ... 16.0316.0 3 == === c x n ytbđ xtbđ sc VgY ω μ μ ρσ ρω 4.4. Đường kính tháp đệm Đường kính đoạn luyện 81.0 80.1*04.1 27.29*19.1170188.0 ==LD m 17 Đường kính đoạn chưng 76.0 96.1*77.0 53.22*47.1100188.0 ==LD m Vậy ta chọn đường kính tháp là D = 1 m V. TÍNH CHIỀU CAO THÁP ĐỆM THEO SỐ ĐƠN VỊ CHUYỂN KHỐI ™ Chiều cao làm việc của tháp đệm được xác định theo công thức sau: yđv mhH .= m [2- 175] Trong đó hđv : chiều cao một đơn vị chuyển khối, m my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha hơi. ™ Ta xác định số đơn vị chuyển khối bằng tích phân đồ thị: ∫ −= c đ y y cb y yy dym [2- 176] ™ Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối phụ thuộc vào đặc trưng của đệm và trạng thái pha, được xác định theo công thức: 21 hG mG hh x y đv += m [2- 177] Trong đó h1: chiều cao một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi. 3/225.0 1 Pr.Re. yyđ đ a V h ψσ= m [2- 177] h2: chiều cao một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng 5.025.03/2 2 Pr.Re.)(256 xx x xh ρ μ= m [2- 177] Với a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng a = 0.123 Ψ: hệ số thấm ướt của đệm, phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp. Tra Ψ trên đồ thị hình IX.16 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 trang 178. Xác định các thông số mật độ tưới thực tế Utt và mật độ tưới thích hợp Ut.h theo công thức: đht t x tt BU F VU σ.. = = m3/m2.h [2- 177] Với Vx: lưu lượng thể tích của chất lỏng, m3/h. Ft: diện tích mặt cắt tháp, m2. Giá trị hệ số B = 0.065 đối với quá trình chưng luyện 5.1. Chiều cao đoạn luyện 5.1.1. Số đơn vị chuyển khối của đoạn luyện Phương trình đường làm việc của đoạn luyện 18 41.057.0 += xy Lần lượt ta cho các giá trị của x từ xf đến xp ta sẽ xác định giá trị y theo phương trình đường làm việc và ycb theo đồ thị cân bằng của hỗn hợp methanol - nước. Ta được bảng sau: x y ycb ycb -y a=1/(ycb-y) b=a1+a2 c=y2 – y1 0.5*b*c my 0.27 0.568 0.645 0.077 13.034 25.579 0.017 0.219 0.30 0.585 0.665 0.080 12.563 24.183 0.029 0.345 0.35 0.614 0.700 0.086 11.620 23.046 0.029 0.329 0.40 0.642 0.730 0.088 11.426 23.334 0.029 0.333 0.45 0.671 0.755 0.084 11.908 24.34 0.029 0.347 0.50 0.700 0.780 0.080 12.432 26.341 0.029 0.376 0.55 0.728 0.800 0.072 13.909 28.539 0.029 0.407 0.60 0.757 0.825 0.068 14.630 30.059 0.029 0.429 0.65 0.785 0.850 0.065 15.429 33.199 0.029 0.474 0.70 0.814 0.870 0.056 17.771 38.721 0.029 0.553 0.75 0.842 0.890 0.048 20.950 43.579 0.029 0.622 0.80 0.871 0.915 0.044 22.629 50.679 0.029 0.723 0.85 0.899 0.935 0.036 28.050 59.193 0.029 0.845 0.90 0.928 0.960 0.032 31.143 79.080 0.029 1.354 0.96 0.962 0.983 0.021 47.937 7.43 5.1.2. Chiều cao của một đơn vị chuyên khối đoạn luyện Xác định các thông số mật độ tưới thực tế Utt và mật độ tưới thích hợp Ut.h theo công thức: 68.12195*065.0 79.2 4 1*14.3 82.801 7.26*83.65 . 2 == == ht tt U U Tra đồ thị ta được Ψ = 0.22 Tính độ nhớt của pha hơi theo công thức: 2 22 1 11 μμμ MmMmM hh hh += [2- 85] μ1, μ2 là độ nhớt của methanol và nước; m1, m2 là phần thể tích tương ứng của methanol và nước. Tra toán đồ hình I.35 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 ta được các giá trị độ nhớt như sau: μ1 = 113.10-7, μ2 = 114.10-7. Từ đó ta tính được độ nhớt của hỗn hợp khí 7 77 77 122211 21 10*12.113 10.113*02.18*2.010.114*04.32*8.0 10.114*10.113*27.29.. − −− −− =+=+= μμ μμμ MmMm M hh hh Chuẩn số Re của pha lỏng và pha hơi: 19 24.338 195*10*12.113 06.1*04.1*4.04.0Re 368.0 000346.0*195*1*14.3*3600 4*7.26*83.65*04.0 .. 04.0 Re 7 2 === === − đy yy y xđt x x F G σμ ωρ μσ Với Gx, Gy là lưu lượng pha lỏng và pha hơi, kg/s Chuẩn số Pran của pha lỏng và pha hơi: yy y y xx x x D D . Pr . Pr ρ μ ρ μ = = [2- 178] Trong đó Dx, Dy là hệ số khuếch tán trong pha lỏng và pha hơi, m2/s BABA y MMvvP TD 11 )( 10*0043.0 23/13/1 5.14 ++= − m2/s [2- 127] 23/13/1 6 20 ).( 1110.1 BAB BA x vvAB MM D + + = − μ m 2/s [2- 133] Trong đó T, P là nhiệt độ tuyệt đối (K) và áp suất tuyệt đối (at). vA, vB : thể tích mol của hơi methanol và nước, cm3/mol. vA = 37, vB = 18.9 μB = 1: độ nhớt của nước ở 20oC, cP hoặc 10-3 N.s/m2. A, B là hệ số liên hợp kể đến ảnh hưởng của phẩm chất của cấu tử methanol và nước A = 1.19, B = 4.7 Dx20 : hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20oC. Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở nhiệt độ toC được xác định theo công thức: 3 20 2.0 )]20(1[ ρ μ= −+= b tbDDt [2- 134] Thay các giá trị vào công thức trên ta được kết quả sau: 99 3 9 23/13/1 6 20 5 23/13/1 5.14 10*96.2)]2071(02.01[10*46.1 02.0 998 1*2.0 10*46.1 )9.1837.(1*7.4*19.1 02.18 1 04.32 110 10*25.2 02.18 1 04.32 1 )9.1837(1 )27371(10*0043.0 −− − − − − =−+= == =+ + = =++ += x x y D b D D 20 14.007.146*368.0*) 82.801 000346.0(256 38.048.0*24.338 195*07.0*123.0 75.0 48.0 10*25.2*04.1 10*12.113Pr 07.146 10*96.2*82.801 000346.0Pr 5.025.03/2 2 3/225.0 1 5 7 9 == == == == − − − h h y x Với trung bình tang góc hợp bởi đường cân bằng và đường nằm ngang m = 0.49 ta tính được chiều cao một đơn vị chuyển khối đoạn luyện là; 5.014.0 83.65 19.117*49.038.0 =+=đvh m Chiều cao đoạn luyện là: 8.35.0*43.7 ==lH m 5.2. Chiều cao đoạn chưng 5.2.1. Số đơn vị chuyển khối của đoạn chưng Phương trình đường làm việc của đoạn chưng: y = 2.1x – 0.0031 Lần lượt cho các giá trị x từ xw đến xf làm tương tự như đoạn luyện ta được bảng như sau: x y ycb ycb -y a=1/(ycb-y) b=a1+a2 c=y2 – y1 0.5*b*c my 0.0028 0.003 0.003 0 0.01 0.018 0.050 0.032 31.159 40.244 0.042 0.845 0.03 0.060 0.170 0.110 9.085 15.412 0.042 0.324 0.05 0.102 0.260 0.158 6.327 11.428 0.042 0.240 0.07 0.144 0.340 0.196 5.101 10.003 0.042 0.210 0.09 0.186 0.390 0.204 4.901 9.618 0.042 0.202 0.11 0.228 0.440 0.212 4.717 9.717 0.042 0.204 0.13 0.270 0.470 0.200 5.000 10.183 0.042 0.214 0.15 0.312 0.505 0.193 5.182 10.709 0.042 0.225 0.17 0.354 0.535 0.181 5.527 11.446 0.042 0.240 0.19 0.396 0.565 0.169 5.920 12.503 0.042 0.263 0.21 0.438 0.590 0.152 6.583 14.282 0.042 0.300 0.23 0.480 0.610 0.130 7.699 16.969 0.042 0.357 0.25 0.522 0.630 0.108 9.270 21.638 0.042 0.455 0.27 0.564 0.645 0.081 12.368 4.08 5.2.2. Chiều cao của một đơn vị chuyển khối đoạn chưng. Tính tương tự như đoạn luyện ta được 68.12195*065.0 22.4 4 1*14.3 92.907 95.19*67.150 . 2 == == ht tt U U 21 Tra đồ thị ta được Ψ = 0.35 Với μ1 = 118. 10-7, μ2 = 119.10-7 ta tính được độ nhớt hỗn hợp khí μy = 118.54*10-7 N.s/m2 Chuẩn số Re của pha lỏng và pha hơi: 26.260 195*10*54.118 15.1*77.0*4.0Re 68.0 000327.0*195 4 1*14.3*3600 95.19*67.150*04.0Re 7 2 == == −y x Hệ số khuếch tán trong pha hơi và pha lỏng: 99 5 23/13/1 5.14 10*37.3)]2085(02.01[10*46.1 10*38.2 02.18 1 04.32 1 )9.1837(1 )27385(*10*0043.0 −− − − =−+= =++ += x y D D Chuẩn số Pran của pha lỏng và pha hơi: 65.0 10*38.2*77.0 10*54.118Pr 84.106 10*37.3*92.907 000327.0Pr 5 7 9 == == − − − y x Với trung bình tang góc giữa đường cân bằng và đường nằm ngang m = 3.09 ta tính được chiều cao một đơn vị chuyển khối của đoạn chưng như sau: 2.254.0*08.4 54.012.0 67.150 47.110*09.327.0 12.084.106*68.0*) 92.907 000327.0(256 27.065.0*26.260 195*11.0*123.0 69.0 5.025.03/2 2 3/225.0 1 == =+= == == cH h h h m Vậy chiều cao tháp là H = 3.8 +2.2 = 6 m VI. TÍNH TRỞ LỰC TRONG THÁP ĐỆM. Trở lực trong tháp đệm được tính như sau: 2 . . . . 42 . . ])()()(1[ 2 3 '2 ' yy đ đty tđ k c y xn x ym y x ku V H d Hp G GApp ρωσλωρλ μ μ ρ ρ ==Δ +Δ=Δ N/m2 [2- 189] Trong đó ΔPu, ΔPk là tổn thất áp suất của đệm ướt và đệm khô, N/m2. λ’: hệ số trở lực của đệm . Với Rey > 40, 22 2.0 ' Re 16 y =λ [2- 189] Với hệ hơi lỏng giá trị các hệ số tra trong bảng IX.7 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 như sau: A = 5.15; m = 0.342; n = 0.19; c = 0.038. Tổn thất áp suất trong đoạn luyện: 74.8434]) 10*12.113 000346.0() 82.801 04.1() 19.117 83.65(15.51[58.3572 58.3572 2 04.1*8.1. 75.0 195*8.3. 4 99.4 99.4 24.338 16 038.0 7 19.0342.0 2 3 2.0 ' =+=Δ ==Δ == −u k p p λ Tổn thất áp suất trong đoạn chưng: 79.5348) 10*54.118 000327.0.() 92.907 77.0.() 47.110 67.150(15.51[04.1986 04.1986 2 77.0*96.1. 75.0 195*2.2. 4 26.5 26.5 26.260 16 038.0 7 19.0342.0 2 3 2.0 ' =+=Δ ==Δ == −u k p p λ Tổng tổn thất áp suất trong tháp: 53.1378379.534874.8434 62.555804.198658.3572 =+=Δ+Δ=Δ =+=Δ+Δ=Δ uculu kcklk ppp ppp N/m2 VII. TÍNH BỀN THÂN THÁP 7.1. Tính bề dày thân tháp. - Chọn phương pháp gia công thân tháp là phương pháp hàn. Vì methanol là một chất độc, theo bảng XII.45, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 348, ta chọn vật liệu chế tạo thiết bị là thép X18H10T. - Chọn nhiệt độ tính toán là nhiệt độ lớn nhất trong toàn thiết bị t = 99.7o C ≈ 100oC. - Tra đồ thị hình 1.2 [4- 16] ở nhiệt độ tính toán ta được ứng suất cho phép tiêu chuẩn của thép X18H10T là [σ]*= 143 N/mm2. Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0.9 . Vậy ứng suất cho phép của thân thiết bị là [σ] = η.[σ]* = 128.7 N/mm2. - Áp suất thủy tĩnh trong thiết bị 534406*81.9*92.907.. === Hgptt ρ N/m2 - Áp suất tính toán của thiết bị: 16532453.137839810053440 =++=Δ++= pppp kqtt N/m2 P = 0.165 N/mm2 - Chọn dạng mối hàn là giáp mối hàn hai phía, ở nhiệt độ cao. Hệ số bền mối hàn, ϕh = 0.95 - Bề dày tối thiểu của thân trụ: Ta có 2516.76495.0 165.0 7.128][ >==hp ϕ σ [4- 95] 23 68.0 95.0*7.128*2 1000*165.0 ]..[2 .' === h tDpS ϕσ mm [4- 96] Theo bảng 5.1, sự phụ thuộc của bề dày tối thiểu vào đường kính trong của thân trụ,[4- 94], ứng với đường kính trong của tháp từ 1000 – 2000mm thì S’ = 4mm. Vậy ta chọn S’ = 4mm. - Hệ số bổ sung bề dày tính toán C = Ca + Cb + Cc + Co Với Ca : hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học, chọn Ca = 1mm. Cb: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường, chọn Cb = 0. Cc : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp, chọn Cc = 0. Co: hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, chọn Co= 0. Vậy hệ số bổ sung C = 1 mm. - Bề dày của thân trụ S = S’ + C = 4+1 = 5 mm - Kiểm tra ta có 1.0004.0 1000 15 <=−=− tD CS thỏa [4- 97] Áp suất tính toán cho phép bên trong thiết bị: 165.097.0 )15(1000 )15(*95.0*7.128*2 )( )(][2 ][ >=−+ −=−+ −= at ah CSD CSp ϕσ thỏa Vậy, bề dày thân tháp là 5 mm. 7.2. Tính đáy, nắp. Chọn đáy, nắp elip tiêu chuẩn có gờ với các thông số: Dt = 1000mm, ht = 250mm, h = 40mm, F = 1.21 m2, V = 0.162 m3 Bề dày tối thiểu của đáy nắp: 68.0 95.0*7.128*2 1000*165.0 ][2 .' === h tRpS ϕσ mm [4- 126] Bề dày thực của đáy, nắp: S = S’+ C = 0.68 + 1 = 1.68 mm Kiểm tra lại 165.097.0 )15(1000 )15(*95.0*7.128*2 )( )(][2 ][ 125.010*8.6 1000 168.1 4 >=−+ −=−+ −= <=−=− − at ah t a CSR CSp D CS ϕσ [4- 126] Vậy ta chọn đáy nắp có bề dày bằng bề dày thân thiết bị S = 5mm. 7.3. Tính mặt bích Chọn các thông số theo các hình dưới đây như sau: • Chọn bulông M20 có db = 20mm, L = 34mm • Dt =1000mm • Dn = 1044mm • Dtb = 1022mm 24 • b = 22, bo = 0.8b = 17.6 • C = 1064mm • A = 1118mm • Số bulông Z = 40 • Chọn đệm paronit dày 3mm có hệ số áp suất riêng m = 2, áp suất riêng cần thiết để làm biến dạng vật liệu vòng đệm qo = 11 N/mm2. Hình : Các kích thước của đệm Hình : Các thông số của mặt bích ¾ Tính bulông ghép bích Lực nén chiều trục sinh ra do siết bulông. Q1 = Qa + Qk Qa : lực do áp suất trong thiết bị gây ra Qk: lực cần thiết để giữ đệm được kín. db Dt A C Dn L t b db Dn Dtb 25 34.14816334.18638129525 34.18638165.0*2*6.17*1022*14.3.... 129525165.0*1000 4 14.3. 4 1 22 =+= === === Q pmbDQ pDQ otbk ta π π N [4- 155] Lực cần thiết để ép chặt vòng đệm 89.62127711*6.17*1022*14.3..2 === ootb qbDQ π N [4- 155] Lực tác dụng lên một bulông: 95.15531 40 89.621277 === Z Qqb N [4- 157] Ứng suất tác dụng lên bulông: 46.49 20. 4 14.3 95.15531 4 22 === b b d q πσ N/mm 2 [4- 157] Chọn vật liệu chế tạo bulông là thép CT3 có [σ] =86 N/mm2. Thường khi siết bulông ta không định được lực vặn cần thiết nên các bulông thường bị kéo căng. Do đó, trong tính toán thực tế ta phải giảm bớt ứng suất cho phép của vật liệu làm bulông như sau: [σ]’ = ko . [σ]. Với ko là hệ số giảm ứng suất, ứng với đường kính db = 20mm, ko = 0.8. σσ >== 8.6886*8.0][ ' thỏa. ¾ Tính bền mặt bích Cánh tay đòn 10 2 10441064 2 =−=−= nDCl Bề dày bích phẳng [4- 152] 89.15]}1 165.0 46.49) 1044 20(40*57.0[ 1064 10*3.71{ 7.128 165.0*1244*41.0 ]}1 ][ )(57.0[3.71{41.0 2 2 =−+= −+= t pD d Z C lpDt b n b bi n σ σ mm Chọn chiều dày bích là t = 16mm. 7.4. Tính tai treo Khối lượng riêng của thép X18H10T là 7900kg/m3, của CT3 là 7850kg/m3. Khối lượng thân tháp 9.7477900 4 101.1*6*14.3 4 )( . 2222 =−=−= ρπ tntt DDHG kg Tra ở bảng XIII.11 sổ tay quá trình thiết bị hóa chất tập 2 trang 384 ta được Gđ+n = 97.97 kg. Ta có thể tính gần đúng khối lượng bích + bulong + đệm bằng công thức sau 65.149 4 )01.1118.1(*7900*6*)0015.0016.0(*14.3.6 4 )( .. 2222 =−+=−= ρπ tnb ddtG kg Thể tích của một đệm 6 22 1 10*78.2025.0*14.34 )003.0025.0(025.0 −=−−=đV m3 26 Khối lượng một đệm m= 2.78*10-6*600 = 0.00167 kg Thể tích thân tháp 71.46*14.3 4 1*14.3 4 22 === HDV t m3 Số đệm trong tháp Z= 4.71*46*103 = 216660 Khối lượng đệm trong tháp Gđ = 216660*0.00167 = 359.72 kg Thể tích của đệm trong tháp Vđ = 2.78*10-6*216660 = 0.6 m3 Thể tích chất lỏng trong tháp Vl = V- Vđ = 4.71- 0.6 = 4.11 m3 Khối lượng chất lỏng trong tháp Gl = Vl*ρ = 4.11*(801.82 + 907.92)/2 = 3513.92 kg Khối lượng của toàn tháp chưng luyện G = Gtt +Gđ+n +Gb+Gđ + Gl = 747.9+97.97+149.65+359.72+3513.92=4869.16 kg Chọn số tai đỡ là 2 thì tải trọng trên một tai đỡ là 23883.23 N Tra bảng XIII.36, [2- 438] ta được các thông số của tai đỡ như sau Các kích thước, mm Tải trọng trên một tai đỡ, N Diện tích đỡ, mm2 Áp suất riêng trên tai đỡ N/mm2 L B B1 H S l a d Trọng lượng tai đỡ, kg 25000 17300 1.45 150 120 130 215 8 60 20 30 3.48 7.5. Tính chân đỡ Chọn số chân đỡ là 4 ta tra bảng XIII.35, [2- 437] ta được bảng sau: L B B1 B2 H h s l d Tải trọng cho phép trên một chân N Bề mặt đỡ, m2 Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ N/m2 mm 25000 0.0444 0,56.106 250 180 215 290 350 185 16 90 27 VIII. TÍNH CÁC ỐNG DẪN 8.1. Tính ống nhập liệu Nhiệt độ dòng nhập liệu tF = 79oC, ρF = 902 kg/m3 Chọn vận tốc dòng nhập liệu ωF = 0.3 m/s Đường kính ống nhập liệu dF 072.0 3.0*785.0*902*3600 4000 *785.0 === F F Vd ω m [1- 369] Chọn dF = 0.08m 27 Trong đó V: lưu lượng thể tích, m3/s ωF : tốc độ trung bình, m/s Vận tốc thực của dòng nhập liệu: 245.0 08.0*785.0*902*3600 4000 *785.0 22 === F F d Vω m/s Tra bảng XIII.32, [2- 434] ta được chiều dài đoạn ống nối là 110mm. Tra bảng XIII.26, [2- 409] ta được các thông số về ống nối và bích như sau: Dy Dn D Dδ D1 h db z mm cái 80 89 185 150 128 14 16 4 8.2. Tính ống hồi lưu sản phẩm đỉnh Nhiệt độ sản phẩm hồi lưu tR = 65oC, ρR = 754.53. Chọn vận tốc dòng nhập liệu ωR = 0.3 m/s Đường kính ống nhập liệu dR 058.0 3.0*785.0*53.754*3600 55.31*32.68 *785.0 === R R Vd ω Chọn dR = 0.08 m. Vậy vận tốc của dòng lỏng hồi lưu là: 158.0 08.0*785.0*53.754*3600 55.31*32.68 *785.0 22 === R R d Vω m/s Chọn các thông số về chiều dài đoạn ống nối và bích tương tự như ống nhập liệu. 8.3. Tính ống tháo sản phẩm đáy Nhiệt độ sản phẩm đáy tW = 99.7oC, ρw = 956.74 kg/m3, V = Gl’ = 238 kmol/h. Chọn vận tốc dòng đáy ωw = 0.3 m/s Đường kính ống tháo sản phẩm đáy: 073.0 3.0*785.0*74.956*3600 06.18*238 *785.0 === w w Vd ω m [1- 369] Chọn dw = 0.08 m. Vậy vận tốc tháo sản phẩm đáy thực tế 25.0 08.0*785.0*74.956*3600 06.18*238 2 ==wω m/s Chọn các thông số về chiều dài đoạn ống nối và bích tương tự như ống nhập liệu. 8.4. Tính ổng hơi ở đỉnh Nhiệt độ hơi tp = 65oC, ρp = 1.135 kg/m3. Chọn vận tốc dòng hơi ở đỉnh ωp = 25m/s Đường kính ống hơi ở đỉnh: 198.0 25*785.0*135.1*3600 )33.11(*55.31*36.51 *785.0 =+== p p Vd ω m Chọn dp = 0.2 m. Vận tốc hơi thực tế: 43.29 2.0*785.0*135.1*3600 )33.11(*55.31*36.51 2 =+=pω m/s Tra bảng XIII.32, [2- 434] ta được chiều dài đoạn ống nối là 130mm. Tra bảng XIII.26, [2- 409] ta được các thông số của bích như sau: Dy Dn D Dδ D1 h db z 28 mm cái 200 219 290 255 232 16 16 8 8.5. Tính ống hơi vào đáy Nhiệt độ hơi đáy tháp thw = 99.7oC, ρh = 0.59 kg/m3 , V= gl’= 106.24 kmol/h. Chọn vận tốc hơi 25m/s. Đường kính ống hơi ở đáy tháp: 196.0 25*785.0*59.0*3600 06.18*24.106 *785.0 === h h Vd ω m Chọn dh = 0.2m Vận tốc hơi thực tế đi vào đáy tháp: 74.28 2.0*785.0*59.0*3600 06.18*24.106 2 ==hω m/s Chọn các thông số về chiều dài đoạn ống nối và kích thước của bích tương tự như ống lấy hơi ở đỉnh. D. TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ I. THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU Chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là thiết bị ống chùm đặt đứng với đường kính ống dn = 38mm, chiều dày ống δ= 3mm. vậy đường kính trong của ống d = 32mm. Hỗn hợp đầu đi trong ống, hơi nước bão hòa dùng để gia nhiệt đi ngoài ống với áp suất 2 at, t = 119.62oC. Nhiệt độ hỗn hợp đầu trước khi vào thiết bị là tf = 30oC. Nhiệt độ hỗn hợp đầu sau khi ra khỏi thiết bị tF = 79oC. Nhiệt lượng cần thiết để đun sôi hỗn hợp đầu 610*74.698)3079(*3565*4000).(. =−=−= fFFF ttCGQ J/h Chênh lệch nhiệt độ trung bình 92.61 7962.119 3062.119ln )7962.119()3062.119( ln 2 1 21 = − − −−−= Δ Δ Δ−Δ=Δ t t ttt oC Nhiệt độ trung bình của hơi nước bão hòa là 119.62oC. Nhiệt độ trung bình của dung dịch đầu trong ống là : tdd = 119.62- 61.92 =57.7oC. Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa tường và hơi nước là 4oC thì nhiệt độ tường là T1 = 115.62oC. Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt bên ngoài ống α1 4 1 . .04.2 Ht rA Δ=α W/m 2.độ [2- 28] Với A phụ thuộc vào tm = 0.5(th +T1) = 117.62oC, A= 186.704 r : ẩn nhiệt hóa hơi của nước r = 2203303.5 J/kg. chọn chiều dài ống là 1m 18.10376 1*4 5.2203303*704.186*04.2 41 ==α W/m2.độ Cường độ dòng nhiệt do hơi bão hòa cung cấp: 71.415045*18.9813. 111 ==Δ= tq α W/m2 29 Tổng nhiệt trở thành ống λ δ++= 21 rrr m2.độ/W [2- 3] Chọn ống làm bằng thép X18H10T có bề dày δ = 3mm, λ = 16.3 W/m.độ , [2- 313]. Tra bảng V.1, [2- 4] ta được: Nhiệt trở do cặn bám trong ống r1 = 0.387*10-3 m2.độ/W. Nhiệt trở do hơi nước ở bên ngoài ống r2 = 0.232*10-3 m2.độ/W. Tổng nhiệt trở: 333 10*803.0 3.16 003.010*232.010*387.0 −−− =++=r m2.độ/W Cường độ dòng nhiệt trong thành ống bằng cường độ dòng nhiệt do hơi nước bão hòa. Chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt của thành ống 33.3310*803.0*71.41504. 31 ===Δ −rqT Nhiệt độ mặt trong của tường T2 = T1-ΔT =115.62- 33.33 = 82