Đồ án thiết kế tháp chưng luyện liên tục hai câú tử Benzen và Tooluen

* Tính Gx, Gy: Ta có Gy = g’tb = 30205,879 kg/h kg/s kg/h kg/s * Tính độ nhớt: - Độ nhớt của nước ở t = 20oC, Tra bảng I.102 trong [I - 94] ta có mn = 1,005.10-3 Ns/m2. - Độ nhớt của pha lỏng ở totb = 104,5oC. Nội suy theo bảng I.101 trong [I - 91] ta được. N.s/m2 N.s/m2 Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là lgmhh = xtb.lgmA+ (1 - xtb).lgmB [I – 84] lgmhh = 0,1849.lg(0,2516.10-3) + (1 - 0,1849)lg(0,262.10-3) mhh = mx = 0,3095.10-3 Ns/m2 Thay số liệu đã tính được ta có Y = 1,2e-4.0,5024 = 0,1586 Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn như đã chọn ở trên. Từ công thức: [II – 187] ws2 = 1,59 m/s ws = 1,26 m/s Lấy w = 0,8ws w = 0,8.1,26 = 1,008 m/s Vậy đường kính của đoạn luyện là: m. Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DC = 1,6 m * Thử lại điều kiện làm việc thực tế: - Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chưng là: m/s Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là: Vậy chọn đường kính là 1,6 m có thể chấp nhận được. * Kiểm tra cách chọn đệm: m Vậy với kết quả tính toán được và sơ với điều kiện thực tế thì ta lấy đường kính phần chưng là 1,6 m và đệm như đã chọn là hợp lý. VI. Tính chiều cao tháp: - Đối với tháp đệm, chiều cao làm việc của tháp hay chiều cao lớp đệm được xác định theo công thức: H = hđv.my (m) [II – 175] Trong đó: hđv: chiều cao của một đơn vị chuyển khối, m my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ pha hơi. 1. Tính chiều cao đoạn luyện: a. Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối: - Chiều cao của một đơn vị chuyển khối của tháp đệm phụ thuộc vào đặc trưng của đệm và trạng thái pha, được xác định theo công thức. [II – 177] Trong đó: h1: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng m: hệ số phân bố trung bình ở điều kiện cân bằng pha Gy, Gx: lưu lượng hơi và lỏng trung bình đi trong tháp, kg/s * Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h1, h2: , m [II – 177] ,m [II – 177] Trong đó: a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng thì a = 0,123 mx: độ nhớt của pha lỏng, Ns/m2 Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3 rx: khối lượng riêng của lỏng, kg/m3 y: hệ số thấm ướt của đệm, nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp, xác định theo đồ thị IX.16 [II - 178] Với : mật độ tưới thực tế, m3/m2.h Utt = B.sđ : mật độ tưới thích hợp, m3/m2.h Trong đó: Vx: lưu lượng thể tích của chất lỏng, m3/h Ft: diện tích mặt cắt tháp, m2 sđ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3 B: hằng số, B = 0,065 m3/m.h Bảng IX.6 trong [II – 177] - Chọn đệm loại vòng Rasiga có các thông số : 30x30x3,5mm Vđ = 0,76 m3/m3 sđ = 165 m2/m3 a = 0,123 * Xác định y: Ta có ; Uth = B.sđ Mà m2 m3/h m3/m2.h sđ = 165 m2/m3 Uth = 0,065.165 = 10,725 m3/m2.h Tra hình IX.16 trong [II – 178] ta được yL = 1 * Xác định chuẩn số Reynon: - Chuẩn số Reynon của pha hơi: [II – 178] Ta có my = mhh được tính theo [I – 85] Trong đó: Mhh, MA, MB: khối lượng phân tử của hỗn hợp và cấu tử Benzen và Toluen. mhh, mA, mB: độ nhớt của hỗn hợp và cấu tử Benzen và Toluen. m1, m2: nồng độ của Benzen và Toluen tính theo phần thể tích. Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol, nên m1 = y1, m2 = y2 = 1 - y1. Thay vào ta có: a1, a2: nồng độ phần khối lượng của Benzen và Toluen. Ta có phần mol a1 = 0,599 phần khối lượng Từ dụng toán đồ hình I.35 trong [I – 117] với XA = 8,8; YA = 13,0; XB = 8,5; YB =13,2 và to = 960C ta tìm được. N.s/m2 N.s/m2 => mhh = 0.1547.10-3 N.s/m2 - Chuẩn số Reynon của pha lỏng: [II – 178] Trong đó: Gx: lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp, phần trước đã tính được Gx = 4,919kg/s Ft: diện tích mặt cắt của tháp, Ft = 2,0096 m2 sđ = 165 m2/m3 mx = 0,298.10-3Ns/m2 Vậy chuẩn số Reynon của pha lỏng là: * Xác định chuẩn số Pran: - Chuẩn số Pran của pha hơi: [II – 178] Hệ số khuyếch tán Dy trong pha hơi tính theo. , m2/s [II – 127] Trong đó: T: nhiệt độ trung bình của hơi, 0K P: áp suất chung của hơi, P = 1at. MA = 78: khối lượng phân tử của cấu tử Benzen. MB = 92: khối lượng phân tử của cấu tử Toluen. vA, vB: thể tích mol của hơi Benzen và Toluen , cm3/nguyên tử cm3/nguyên tử cm3/nguyên tử Phần trước ta đã tìm được nhiệt độ trung bình của pha hơi trong đoạn luyện là , vậy T = 335,27450K. Vậy ta có: = 5,322.10-6 m2/s. Thay các giá trị tính được vào ta có: * Chuẩn số Pran của pha lỏng: [II – 178] Hệ số khuyếch tán Dx của pha lỏng được tính theo công thức: Dx = D20.[1 + b.(t - 20)] [II – 134] Với r: khối lượng riêng của dung môi Benzen ở 200C, kg/m3; tra ở bảng I.2 trong [I-9] ta được r = 866 kg/m3 m: độ nhớt của dung môi Benzen ở 200C, cP; m = m2 = 0,586 cP Hệ số khuyếch tán của lỏng ở 20oC là: , m2/s [II – 133] Trong đó: A, B: hệ số liên hợp kể đến ảnh hưởng của Benzen và Toluen. Do Benzen và Toluen là những chất lỏng không liên kết nên A = 1; B = 1. , m2/s Nhiệt độ trung bình của lỏng trong đoạn luyện là to = 93,5oC. Vậy ta có: Dx = 2,3.10-9[1 + 0,0161.(93,5 - 20)] Dx = 5,022.10-9 m2/s Thay các giá trị vào ta có: Vậy: ,m h1 = 0,318m ,m h2 = 0,13677m b. Tính m: - Chọn các giá trị x bất kỳ, tại mỗi giá trị x đó ta tìm góc nghiêng của đường cân bằng. Từ các giá trị tìm được tính m theo công thức [II – 125] - Dựa vào các giá trị đã chọn trên đường cân bằng, ta tính được m = 0,541. c. Tính số đơn vị chuyển khối my: - Số đơn vị chuyển khối tính theo pha hơi. [II – 176] y*: thành phần mol cân bằng của pha hơi, %mol y: thành phần mol làm việc của pha hơi, %mol ứng với mỗi giá trị của xẻ {0,37; 0,96} ta tìm được một giá trị của y* tương ứng và theo đường làm việc của đoạn luyện y = 0,75x + 0,25 ta xác định được y. Bảng 4. X Y* Y 1/y*-y 0,314 0,525 0,488 27,03 0,35 0,562 0,51 19,23 0,4 0,619 0,55 14,49 0,45 0,678 0,592 11,63 0,5 0,712 0,625 11,49 0,55 0,742 0,662 12,5 0,6 0,79 0,722 14,29 0,65 0,8402 0,735 14,93 0,7 0,854 0,80 18,52 0,75 0,882 0,83 19,23 0,8 0,91 0,868 23,81 0,85 0,93 0,884 27,78 0,9 0,959 0,93 34,48 0,95 0,98 0,96 50 0,983 0,99 0,98 100 Từ bảng số liệu trên ta vẽ đồ thị (Đồ thị hình 10). Từ đồ thị ta tính được diện tích phần gạch chéo là S = 10,52 (Xem đồ thị 10) Với tỷ lệ trục hoành 1.100 và tỷ lệ trục tung là 1/100 ta có: my = 10,52. 100.1/100 my = 10,52 Thay các giá trị : h1 = 0,318 m h2 = 0,13667 m m = 0,541 my = 10,52 Gx = 4,919 kg/s Gy = 8,337 kg/s hđv = 0,4433 m Vậy chiều cao lớp đệm của đoạn luyện là: HL = hđv . my = 0,4433 . 10,52 = 4,66m 2. Chiều cao của đoạn chưng: Các công thức cũng như ý nghĩa các ký hiệu có trong các công thức tính chiều cao đoạn chưng tương tự như đối với đoạn luyện, chỉ khác về trị số nên trong phần này không giải thích lại. a. Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h1, h2: * Tính y [II – 177] m2 m3/h m3/m2.h sđ = 165 m2/m3 Uth = 0,065.165 = 10,725 m3/m2.h Tra hình IX.16 trong [II – 178] ta lấy yL = 1 * Xác định chuẩn số Reynon: Chuẩn số Reynon của pha hơi: [II – 178] Ta có my = mhh được tính theo [I – 85] Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol, nên m1 = y1, m2 = y2 = 1 - y1. Thay vào ta có: Trong đó; a1, a2: nồng độ phần khối lượng của Benzen và Toluen. Ta có phần mol a1 = 0,1953 phần khối lượng Từ dụng toán đồ hình I.35 trong [I – 117] với XA = 8,8; YA = 13,0; XB = 8,5; YB =13,2 và to = 82,60C ta tìm được. N.s/m2 N.s/m2 => mhh = 0,3126.10-3 N.s/m2 Chuẩn số Reynon của pha lỏng: [II – 178] Ta có Gx = 9,363 kg/s Ft = 2,0096 m2 sđ = 165 m2/m3 mx = 0,287.10-3Ns/m2 Vậy chuẩn số Reynon của pha lỏng là: * Xác định chuẩn số Pran: Chuẩn số Pran của pha hơi: [II – 178] Hệ số khuyếch tán Dy trong pha hơi tính theo. , m2/s [II – 127] Trong đó: MA = 78 kg/kmol. MB = 92kg/kmol. cm3/nguyên tử cm3/nguyên tử Phần trước ta đã tìm được nhiệt độ trung bình của pha hơi trong đoạn chưng là , vậy T = 82,6 + 273 = 355,60K. Vậy ta có: = 5,086.10-6 m2/s. Thay các giá trị tính được vào ta có: Chuẩn số Pran của pha lỏng: [II – 178] Hệ số khuyếch tán Dx của pha lỏng được tính theo công thức: Dx = D20.[1 + b.(t - 20)] [II – 134] ở phần trước đã tính được D20 = 2,3.10-3 m2/s, với b = 0,0168 Nhiệt độ trung bình của lỏng trong đoạn luyện là to = 106,8oC. Vậy ta có: Dx = 2,79.10-9[1 + 0,0168.(106,8 - 20)] Dx = 5,654.10-9 m2/s Thay các giá trị vào ta có: Vậy: ,m h1 = 0,0617 m ,m h2 = 0,1596 m b. Tính m: - Chọn các giá trị x bất kỳ, tại mỗi giá trị x đó ta tìm góc nghiêng của đường cân bằng. Từ các giá trị tìm được tính m theo công thức [II – 125] - Dựa vào các giá trị đã chọn trên đường cân bằng, ta tính được m = 1,52 c. Tính số đơn vị chuyển khối my: - Số đơn vị chuyển khối tính theo pha hơi. [II – 176] Trong đó: y*: thành phần mol cân bằng của pha hơi, %mol y: thành phần mol làm việc của pha hơi, %mol ứng với mỗi giá trị của xẻ {0,04;0,37} ta tìm được một giá trị của y* tương ứng và theo đường làm việc của đoạn chưng y = 2,028x - 0,0247 ta xác định được y. Bảng 5. X y* y 1/y*-y 0,024 0,045 0,02 40 0,05 0,118 0,05 14,7 0,1 0,214 0,148 14,9 0,15 0,295 0,236 15,38 0,2 0,38 0,318 16,13 0,25 0,447 0,397 16,66 0,3 0,511 0,465 21,7 0,314 0,525 0,488 27,03 Từ bảng số liệu trên ta vẽ đồ thị (đồ thị hình 10). Từ đồ thị ta tính được diện tích phần gạch chéo là S = 8,225 (Xem đồ thị 10) Với tỷ lệ trục hoành 1.100 và tỷ lệ trục tung là 1/ 100 ta có : my = 8,225.100.1/100 my = 8,225 Thay các giá trị : h1 = 0,0617 m h2 = 0,1596 m m = 1,52 my = 8,225 Gx = 9,363 kg/s Gy = 8,39 kg/s hđv = 0,279 m Vậy chiều cao lớp đệm của đoạn chưng là: HC = hđv . my = 0,279. 8,225 = 2,3m 3. Tính chiều cao của toàn tháp: H = HL + HC + H1 + H2 + H3 Trong đó: HL, HC: chiều cao đoạn luyện và đoạn chưng, m H1: khoảng cách không gian phần đỉnh tháp để đặt đĩa phân phối chất lỏng và ống hồi lưu sản phẩm đỉnh, m H2: khoảng cách không gian giữa đoạn chưng và đoạn luyện để đặt đĩa tiếp liệu và ống dẫn hỗn hợp đầu, m H3: khoảng cách không gian cho hồi lưu đáy và để đặt ống hồi lưu sản phẩm đáy, m. Chọn: H1 = H3 = 1m H2 = 1,2m Vậy chiều cao toàn tháp là H = 4,66 + 2,3 + 1 + 1,2 + 1 = 10,16m V. Tính trở lực của tháp đệm. - Trở lực đối với tháp đệm có thể được xác định theo công thức sau: , N/m2 [II – 189] Trong đó: DPư : tổn thất áp suất tại điểm đảo pha có tốc độ của khí bằng tốc độ của khí khi đi qua đệm khô, N/m2. DPk: tổn thất áp suất của đệm khô, N/m2. Gx, Gy: lưu lượng của lỏng và của khí, kg/s. mx, my: khối lượng riêng của lỏng và của khí, kg/m3 A = 5,15 [II – 189] 1. Trở lực của đoạn luyện: * Tính chuẩn số Reynon: [II – 188] [II – 188] m Ta có: ry = 2,74 kg/m3 rx = 793,69 kg/m3 my = 0,1547.10-3 Ns/m2 g = 9,81 m/s2 kg/m2.s kg/m2.s Vì Rey > 400 nên tổn thất áp suất của đệm khô xác định theo công thức sau: [II – 189] N/m2 Vậy trở lực của đoạn luyện là: DPư = 3230,84 N/m2 2. Trở lực của đoạn chưng: * Tính chuẩn số Reynon: [II – 188] [II – 188] m Ta có: ry = 2,825kg/m3 rx = 783,8 kg/m3 my = 0,3126.10-3 Ns/m2 g = 9,81 m/s2 kg/m2.s kg/m2.s Vì Rey < 400 nên tổn thất áp suất của đệm khô xác định theo công thức sau: [II – 189] N/m2 Vậy trở lực của đoạn chưng là: DPư = 4929,4 N/m2 Vậy trở lực của toàn tháp là: DPư = DPưL + DPưC DPư = 3230,84 + 4929,4 = 8160,24 N/m2 Phần III Tính cân bằng nhiệt lượng Sơ đồ thiết bị chưng luyện (dùng để tính cân bằng nhiệt lượng) Mục đích của việc tính cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ, làm lạnh cũng như để xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu để đưa vào đĩa tiếp liệu và lượng hơi đáy tháp. Để tính toán cho các thiết bị đó ta cần dựa vào sơ đồ cân bằng nhiệt lượng (Sơ đồ trên) 1. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 (J/h) [II – 196]. Trong đó: QD1: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào. J/h. Qf: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào. J/h. QF: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra. J/h. Qng1: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra. J/h. Qxq1: Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh. J/h. - Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là: D1 = , kg/h Trong đó: D1: lượng hơi đốt, kg/h CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí đi ra, J/kg độ Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg độ tF: nhiệt độ hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng, 0C tf: nhiệt độ của hỗn hợp đầu, 0C F: lượng hỗn hợp đầu, kg/h Ta có: F = 12600 kg/h tF = t0S = 97,6o Chọn tf = 20oC * Tính CF, Cf: CF, Cf: được tính theo công thức: CF = aA.Ca + CB.aB , J/kg độ. Trong đó: aA.: nồng độ phần khối lượng của Benzen . aB.: nồng độ phần khối lượng của Toluen. CA: nhiệt dung riêng của Axetôn, J/kg độ CB: nhiệt dung riêng của Benzen, J/kg độ Có aA = 0,28 aB = 1- aA = 1- 0,28 = 0,72. Từ tF = 97,6 0C nội suy trong I 153 [I – 171] ta có CA = 2045,2 J/kg độ. CB = 1990,8 J/kg độ. Suy ra CF = 0,28 x 2045,2 + 0,72 x 1990,8 = 2006,032 J/kg độ. Từ tf = 200C nội suy trong I.153 [I-171] ta có CA’ = 1730 J/kg độ. CB’ = 1710 J/kg độ. Suy ra Cf = 0,28 x 1730 + 0,72 x 1710 = 1715,6 J/kg độ. * Tính r1. r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt J/kg. Dùng hơi nước bão hoà nên ta chọn P = 2 at khi đó t = 119,6 (oC). r1 = 2208.103 J/kg. D1 = = kg/h. Vậy nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: QD1 = D1.l1 = D1(r1 +01C1). [II – 196]. Trong đó: l1: Hàm nhiệt của hơi đốt J/kg. r1: ẩm nhiệt hoá hơi của hơi đốt J/kg. 01: Nhiệt độ nước ngưng = 119,60C. C1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng. QD1 = 1382,184(2208.103 + 119,6x2156,62) = - Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào: Qf = F.Cf.tf [[II – 196]. Trong đó: F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h. Cf: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi vào, J/kg độ. tf: Nhiệt độ của hỗn hợp đầu khi vào, 0C. Thay số ta có: Qf = 12600.1715,6.20 = 432331200 J/h. - Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra: QF = F.CF.tF [[II – 196]. Trong đó: F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h. CF: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra, J/kg độ. tF: Nhiệt độ của hỗn hợp đầu khi đi ra, 0C. Thay số ta có: Qf = 12600.2006,032.97,6 = 2466937912 J/h. 2. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện: Tổng nhiệt lượng mang vào bằng tổng nhiệt lương mang ra: QF + + QR = Qy + Qw + Qm + Qng2 [II-197] Trong đó: : nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp, J/h. QF: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp, J/h. QR: nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp, J/h. Qy: nhiệt lượng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp, J/h. Qw: nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra, J/h. Qng2: nhiệt lượng do nước ngưng mang ra tháp, J/h. Qm: nhiệt lượng do tổn thất ra môi trường xung quanh, J/h. * Tính QR: QR = GR. CR .tR: [II-197] Trong đó: GR: lượng lỏng hồi lưu, kg/h GR = P.Rx = 6339.3,17 = 20094,63 kg/h tR : nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu, oC tR = tp =82,6oC CR: nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu, J/kg độ. CR = Có aA = aP = 0,98 CA, CB: nhiệt dung riêng của Benzen và Toluen ở 82,6oC. Nội suy theo to = 82,6oC trong I.153 [I-171] ta có: CA = 2046,05 J/kg độ CB = 2004,7 J/kg độ. CR = Chỗn hơp = 0,98.2046,05 + (1- 0,98).2004,7 = 2045,223 J/kg độ. QR = GR . CR .tR = 8204.2045,223.82,6 = 1385946184,1 J/kg độ. * Tính Qy: Qy =P.(1 + Rx)lđ , J/h [II-197] Trong đó: lđ: nhiệt lương riêng của hơi ở đỉnh tháp, J/kg. lđ = l1.a1 + l2.a2 [II-197] lđ = l1.a1 + l2.(1 - a2) l1 , l2 :nhiệt lượng riêng của Benzen và Toluen ở đỉnh tháp, J/kg l1 = r1 + tP.C1 l2 = r2 + tP.C2 Với tP = 82,6 0C nội suy theo bảng I 153 [I –171] ta có: C1 = 2046,05 J/kg độ C2 = 2004,7 J/kg độ Với tP = 82,6 0C nội suy theo bảng I 212 [I –154] ta có: r1 = 406,308.103 J/kg r2 = 387,729.103 J/kg l1 = 406,308.103 + 82,6. 2046,05 = 580507,27 J/kg. l2 = 387,729.103 + 82,6.2004,7 = 557744,58 J/kg. lđ = 58050,27.0,98 + (1- 0,98).557744,58 = 580052,016 J/kg. Qy = 2800(1+2,93).580052,016 = 3682892386 J/h. *Tính Qw: Qw = W. Cw .tw ,J/h [II-197] Trong đó: W: lượng sản phẩm đáy, kg/h. W = 9800 kg/h. tw : nhiệt độ của sản phẩm đáy, oC tw = 100,5oC Cw: nhiệt dung riêng của sản phẩn đáy, J/kg.độ Cw = a1.C1 + (1 – a1).C2 a1 = aw = 0,02 C1, C2. Nội suy trong bảng I.153 [I – 171] ở to = 100,5oC ta có: C1 = 2121,5 J/kg độ C2 = 2071,5 J/kg độ Cw = 0,02.2121, 5 + (1 – 0,02).2071,5 Cw = 2072,5 J/kg.độ Vậy Qw = W. Cw .tw = 9800.2072,5.100,5 = 2041205250 J/h * Tính Qng2 theo D2: Qng2 = Gng2 .C2 . q2 , J/h [II – 198] Trong đó: Gng2: lượng nước ngưng tụ, kg/h C2: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ q2:nhiệt độ của nước ngưng, 0C ta có q2 = 119,6oC Gng2 = D2: lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp. Nội suy C2 theo q2 theo bảng I.149 [I – 168] ta có: C2 = 2156,62 J/kg độ Qng2 = D2.2156,62.119,6 = 257931,752.D2, J/h *Tính Qm theo D2: Qm = 0,05.D2.r2, J/h [II – 198] Tra bảng I.251 [I – 314] ở to = 119,6oC ta có r2 = 2208.103 J/kg Qm = 0,05.2208.103 D2 = 110400.D2 J/h * Tính theo D2: = D2. l2 , J/h [II – 197] l2: hàm nhiệt của hơi đốt, J/kg l2 = r2 + q2.C2 l2 = 2208.103 + 119,6.2156,62 l2 = 2465931,752 J/kg = 2465931,752 .D2 * Tính D2: Thay các giá trị nhiệt lượng Q đã tính được vào công thức: QF + + QR = Qy + Qw + Qm + Qng2 [II-197] Ta tính được D2 = 831,65 kg/h 3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ: Xét thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu. P .Rx.r = Gn1.Cn (t2 – t1), kg/h [II – 198] , kg/h [II – 198] Trong đó: Gn1: lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết, kg/h t1: nhiệt độ vào của nước, t1 = 20oC t2: nhiệt độ ra của nước, ta chọn t2 = 45oC để tránh hiện tượng đóng cặn lại trên bề mặt truyền nhiệt và tránh sự kết tủa của các muối. oC Rx: chỉ số hồi lưu, Rx = 2,93 Cn : nhiệt dung riêng của nước ở totb = 32,5oC. Nội suy trong bảng I.149 [I – 168] ta được Cn = 4180,1 J/kg.độ P: lượng sản phẩm đỉnh, P = 2800 kg/h r: ẩm nhiệt ngưng tụ ở hỗn hợp đầu, J/kg. r = a1.r1 + (1-a1).r2 a1 = 0,98 phần khối lượng Tại to = top = 82,6oC, nội suy theo bảng I.212 [I – 254] ta có: r1 = 406,308.103 J/kg r2 = 387,729.103 J/kg r = 0,98.406,308.103 + (1-0,98). 387,729.103 r = 405936,42 J/kg Lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết là: kg/h 4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh: P[r + Cp (t’1 – t’2)] = Gn3 Cn (t2 – t1) [II – 198] Trong đó: Gn3: lượng nước lạnh, kg/h P: lượng sản phẩm đỉnh, kg/h t’1: nhiệt độ đầu vào của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, t’1 = tp = 82,6oC t’2: nhiệt độ cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, chọn t’2 = 25oC t1 = 20oC t2 = 25oC Cn = 4180,1 J/kg.độ Cp: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/kg.độ Cp = CR = Chh = 2045,223 J/kg.độ r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp ở đỉnh tháp, J/kg r = 515954,9173 J/kg Vậy lượng nước lạnh cần thiết cho thiết bị làm lạnh là: Gn3 = 14129,715 kg/h Phần IVTính toán cơ khí. I. Tính các đường ống dẫn: - Đường kính các ống dẫn và cửa ra vào của thiết bị được xác định từ phương trình lưu lượng. [I – 369] ,m [I – 369] Trong đó: w: vận tốc trung bình của lưu thể đi trong ống, m/s V: lưu lượng thể tích của lưu thể, m3/s G: lưu lượng của dòng pha, kg/s r: khối lượng riêng trung bình của dòng pha đó, kg/m3 1. Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh: rđ: khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, kg/m3 kg/m3 gđ = gtbL = 20508,03 kg/h m3/s Chọn tốc độ hơi w = 20m/s m Quy chuẩn dt = 300mm. 2. Tính đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh: GR = P.R = 2800.2,93 = 8204kg/h; lượng sản phẩm hồi lưu. rR: khối lượng riêng của sản phẩm hồi lưu tại to = tp = 82,6oC Với tp = 82,6oC. Nội suy theo bảng I.2 [I – 9] ta có: rA = 812,14kg/m3 rB = 805,4kg/m3 => r = 812 kg/m3 m3/s Chọn vận tốc lượng hồi lưu: w = 0,5 m/s m Quy chuẩn dt = 100mm. 3. Tính đường kính ống dẫn liệu: Lưu lượng hỗn hợp đầu đi vào tháp F = 12600kg/h rF: khối lượng riêng của hỗn hợp đầu vào tại to = tF = 97,6oC Với tF = 97,6oC. Nội suy theo bảng I.2 [I – 9] ta được rA = 795,64 kg/m3 rB = 790,4 kg/m3 => r = 791,86 kg/m3 m3/s Chọn vận tốc lượng hồi lưu: w = 0,3 m/s m Quy chuẩn dt = 150 mm. 4. Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: W = 9800kg/h rw: khối lượng riêng của sản phẩm đáy ở to = tF = 100,5oC Với tF = 100,5oC. Nội suy theo bảng I.2 [I – 9] ta được rA = 792,4 kg/m3 rB = 787,45 kg/m3 => r = 787,45 kg/m3 m3/s Chọn vận tốc lượng hồi lưu: w = 0,3 m/s m Quy chuẩn dt = 100 mm. 5. Tính đường kính ống dẫn lượng hồi lưu sản phẩm đáy: ry: khối lượng riêng của hơi ở đáy tháp, kg/m3 kg/m3 Gy = g’tbC = 30205,879 kg/h m3/s Chọn tốc độ hơi w = 20m/s m Quy chuẩn dt = 400mm. II. Tính chiều dày của thân tháp hình trụ: - Tháp chưng luyện có thân hình trụ đặt thẳng đứng làm việc ở khoảng nhiệt độ t = 25 á 100oC và ở áp suất thường nên ta chọn vật liệu làm thân hình trụ bằng thép cacbon ký hiệu CT3. Thép này bền nhiệt. Các hệ số trong bảng XII.4 [II – 309] và [II – 313]. Bảng 6. Vật liệu Giới hạn bền kéo sk (N/m3) Giới hạn bền chảy Hệ số giãn at (1/oC) Khối lượng riêng r (kg/m3) Hệ số dẫn nhiệt W/m.độ CT3 380.106 240.106 11,0.106 7,85.103 50,0 Tốc độ rỉ: 0,06mm/năm Thời gian làm việc từ 15 á 20năm Thiết bị hàn tay bằng hồ quang điện, kiểu hàn ghép nối hai bên. jh = 0,95 bảng XIII.8 [II – 362] Giả sử thiết bị làm việc ở áp suất thường, Pmt = 105 N/m2 r: khối lượng riêng của hỗn hợp trong tháp, kg/m3 kg/m3 P1: áp suất thuỷ tĩnh trong thiết bị, N/m2 P1 = g.r.Ht , N/m2 P1 = 9,81.788,745. 10,16 = 87092,66 N/m2 Ptt: áp suất tính toán cho thiết bị Ptt = Pmt + P1 = 105 + 87092,66 = 187092,66 N/m2 , N/m2 [II – 355] Thiết bị thuộc nhóm 2 loại II có h = 1 bảng XIII.2 [II – 356] nk = 2,6 tra bảng XIII.3 [II – 356] sk = 380.106 N/m2 , N/m2 [II – 355] Chọn nc = 1,5 h = 1 sc = 240.106 ,N/m2 Chọn = 146.106, N/m2 Trên thân hình trụ có 2 lỗ đường kính 150mm để lắp kính quan sát ở các vị trí quan sát phân phối chất lỏng và chất lỏng hồi lưu. [II – 362] L: chiều cao thân hình trụ, L = Ht = 10,16m. Hệ số bổ xung C. C = C1 + C2 + C3 [II – 363] Trong đó: C1: bổ xung do ăn mòn xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị, (m). Với thép CT3 có vận tốc ăn mòn khoảng 0,06mm/năm, thời gian làm việc là 15 á 20 năm, ta chọn C1 = 1mm C2: đại lượng bổ xung bào mòn chỉ cần tính trong trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc độ lớn ở trong thiết bị, ta bỏ qua C2. C3: bổ xung do dung sai, phụ thuộc chiều dày tấm vật liệu, chọn C3 = 0,8mm. C = 1 + 0 + 1 = 2 mm Chiều dày thiết bị được tính theo công thức sau: [II – 360] Vì giá trị , có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số của công thức tính chiều dày thiết bị. S = (1,062 + 2).10-3 = 3,062.10-3 m Lấy S = 4mm Kiểm tra ứng suất theo công thức XIII.26 [II – 365] [II – 365] Po = Pth + P1 [II – 358] P1 = g.r.Ht r: khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ trung bình của tháp. Ta có oC. Với nhiệt độ trung bình của tháp là 93,57oC, nội suy theo bảng I.2 trong [I - 9] ta được: r = 796,85 kg/m3. P1 = 9,81.796,85.10,16 = 7314459 N/m2 Pth: áp suất thuỷ lực học, theo bảng XIII.5 [II – 358] thì Pth = 1,5.P = 1,5. 7314459 = 1097168,85 N/m2 => Po = 1097168,85 + 731445,9 = 1828614,75 N/m2 N/m2 , Vậy lấy S = 4mm là hợp lý. III. Tính đáy và nắp thiết bị: Chọn đáy và nắp dạng elíp có gờ lắp với thân thiết bị bằng cách ghép bích, ở tâm có đục lỗ để lấy sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh. Vật liệu làm đáy và nắp bằng thép CT3. Chiều dày của đáy và nắp được tính theo công thức: , m [II – 385] Trong đó: hb: chiều cao phần nồi của đáy và nắp (m). Tra bảng XIII.10 [II – 382] ta có: hb = 400mm jh: hệ số bền của mối hàn hướng tâm h: chiều cao gờ, m Chọn nắp hàn từ hai nửa tấm, hàn điện hai phía bằng tay, tra [II – 362] ta có: jh = 0,95 k: hệ số không thứ nguyên [II – 385] d: đường kính lỗ đáy, nắp thiết bị. Ta đã tính được dđáy = 100mm; dnắp = 300mm Dt: đường kính trong của tháp, Dt = 1,6m Vì giá trị , có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số của công thức tính chiều dày của công thức tính chiều dày đáy và nắp. S = 1,136.10-3 + C = (1,136+ 2).10-3 = 3,136.10-3m Lấy S = 4mm S – C = 4 – 2 = 2 <10mm Thêm vào C 2mm, ta được C = 2 + 2 = 4mm S = 4 + 2 = 6mm Thử ứng suất. [II – 386] N/m2 N/m2 Vậy ta chọn Snắp = Sđáy = S = 6mm. Tra bảng XIII.12 [II – 385] ta có h = 0,025m Tra bảng XIII. 11 [II – 384], với đường kính Dt = 1600mm, S = 6mm, không tra được khối lượng của đáy và nắp, vậy ta chọn lại S = 10mm, ta có m = 137 kg Vậy ta có đáy và nắp thiết bị với các thông số sau: Dt = 1600mm S = 6mm hb = 400mm m = 137kg h = 25mm VI. Tra bích: * Chọn bích liền bằng thép nối thiết bị: Do không thể chế tạo được thân tháp với chiều dài lớn nên ta buộc phải dùng bích để nối các phần lại với nhau. Với tháp hình trụ làm việc ở điều kiện thường ta chọn mặt bích liền bằng thép CT3 để nối thân với đáy và nắp thiết bị. Theo bảng XIII.27 [II – 417] Bảng 7. Py.106 Dt D Db ĐOàn Do db h Z N/m2 Mm Cái 0,1 1600 M20 Chọn bích liền