Đồ án Tổng hợp nhựa alkyt

guyên liệu Lượng vào (kg) Lượng ra (kg) Tổn hao AP 453900 444.00 9.900 Penta 251400 240.000 5.400 Dầu đậu 1349100 1.320.000 29.100 Dầu chẩu 122700 120.000 2.700 PbO 1050 1.050 0 Xylen 103200 103.200 0 Xăng pha sơn 819900 819.900 0 Với lượng nguyên liệu trên 1 năm ta sản xuất được 3000 tấn nhựa alkyt. Bảng 4 : Đơn phối liệu cho một mẻ sản xuất nhựa hay 1 ngày sản xuất có tính đến tổn hao ở các công đoạn Nguyên liệu Lượng vào, kg Hệ số tổn hao Lượng phản ứng, kg Lượng ra, kg AP 538,72 1,04 518 3496 kg nhựa với độ béo là 66,2% và hàm lượng nhựa là 63,9% Penta 312 1,04 300 Dầu chẩu 1539,2 1,04 1480 Xúc tác PbO 1 1 1 Xylen 110 1 110 Dung môi 1150 1 1150 Tổng 3650,92 --- 3559 Bảng 5 : Đơn phối liệu cho một tháng sản xuất : Nguyên liệu Lượng vào,tấn Lượng ra,tấn AP 12,84 83,33 tấn nhựa với độ béo là 66,2% và hàm lượng nhựa là 63,9% Penta 7,43 Dầu chẩu 36,68 PbO 0,024 Xylen 2,62 Dung môi 27,41 Tổng 87,004 Bảng 6 : Đơn phối liệu cho một năm sản xuất : Nguyên liệu Lượng vào,tấn Lượng ra,tấn AP 154,07 1000 tấn nhựa với độ béo là 66,2% và hàm lượng nhựa là 63,9% Penta 89,23 Dầu chẩu 440,21 PbO 0,286 Xylen 31,46 Dung môi 328,9 Tổng 1044,156 II.2.Tính toán thiết bị chính II.2.1.Tính nồi phản ứng chính Nồi phản ứng có chức năng chính là thực hiện phản ứng đa tụ, ngoài ra còn thực hiện quá trình pha loãng sơ bộ nhựa. Nồi phản ứng làm việc trong điều kiện áp suất thường, ở nhiệt độ cao (260 0C ) và trong môi trường axit yếu. Do đó ta chọn vật liệu làm thiết bị là thép không gỉ X18H10T. Tra bảng [T310-STHC II ] ta có các thông số về tính chất của thép (với chiều dày tấm thép từ 30 ¸ 75 mm ) : Giới hạn bền kéo sk = 540.106 (N/m2). Giới hạn bền chảy sc = 220.106 (N/m2). Độ dãn dài tương đối d = 35 %. II.2.1.1.Tính đường kính và chiều cao nồi phản ứng Tổng thể tích của hỗn hợp nguyên liệu : V = å Vi , m3 Với Vi = , m3. Trong đó Vi : thể tích của nguyên liệu i , m3. mi : khối lượng của nguyên liệu i , kg ri : thể tích riêng của nguyên liệu i , kg/m3. Bảng 7 : Thể tích các nguyên liệu Nguyên liệu m , kg r , kg/m3 V , m3 AP 538,72 1260 0,472 Penta 312 1180 0,264 Dầu chẩu 1539,2 940 1,637 Xylen 110 860 0,128 Xăng pha loãng 1150 800 0,5 Tổng 3650,92 --- 2,956 Khối lượng riêng của hỗn hợp r = =1234 (kg/m3). Vì hỗn hợp là dung dịch loãng nên ta chọn hệ số điền đầy của thiết bị là 0,7. Vậy thể tích của nồi phản ứng chính là : V = = 4,223 (m3). Chọn đường kính trong của thiết bị là Dt = 1,4 (m). Chọn đáy và nắp của thiết bị là đáy và nắp dạng elíp có gờ : Hinh 2 : Hình dạng đáy,nắp elip Tra bảng [T382-STHC II ],ta có được các thông số của đáy và nắp elip : Dt,mm hb,mm h,mm Bề mặt trong F,m2 Thể tích V,m3 Khối lượng,kg 1400 350 25 2,24 0,398 106 Vậy thể tích thiết bị V = Vthân + Vđáy + Vnắp. mà Vđáy = Vnắp. nên Vthân = V - 2.Vđấy = 4,223 - 2.0,398 = 3,427 (m3). Do đó chiều cao của thân thiết bị là : Hthân = = 2,227 (m). Vậy chiều cao của toàn bộ nồi phản ứng chính là : H = Hthân + 2.( hb + h ) = 2,227 + 2.( 0,35 + 0,025 ). H = 2,977 (m). Quy tròn H = 3 (m). II.Tính chiều dày thân nồi phản ứng Chiều dày thân nồi phản ứng được xác định theo công thức [T360-STHC II ] : s = , m. Trong đó : Dt : đường kính trong của thiết bị, m. P : áp suất trong thiết bị , N/m2. j : hệ số bền hàn của thành thiết bị. chọn j = 0,95. [s] : ứng suất giới hạn bền , N/m2. c : hệ số bổ xung, m + Tính áp suất làm việc trong thiết bị P. P = Pkq + P1. Trong đó Pkq: áp suất khí quyển, Pkq = 105 (N/m2). P1: áp suất của cột chất lỏng trong thiết bị , N/m2. P1 = r.g.H Với r : khối lượng riêng của hỗn hợp phản ứng, r = 1234 (kg/m3). g : gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m2/s). H : chiều cao của nồi phản ứng, H = 3 (m). Nên P1 = 1234.9,81.3 = 0,363.105 (N/m2). Do đó P = 105 + 0,363.105 = 1,363.105 (N/m2). + Xác định ứng suất giới hạn bền [s]. Ứng suất cho phép của thép X18H10T theo giới hạn bền kéo được xác định theo công thức [T355-STHC II ] : [sk] = sk. , N/m2. Với sk : giới hạn bền kéo, sk = 540.106 (N/m2). h : hệ số hiệu chỉnh. Tra bảng [T356-STHC II ],chọn h = 0,9. nk : hệ số an toàn giới hạn bền. Tra bảng [T356-STHC II ],chọn nk= 2,6. Suy ra [sk] = 540.106. = 187.106 (N/m2). Ứng suất cho phép của thép X18H10T theo giới hạn bền chảy được xác định theo công thức [T355-STHC II ] : [sc] = sc. , N/m2. Với sc : giới hạn bền chảy, sc = 220.106 (N/m2). h : hệ số hiệu chỉnh. Tra bảng [T356-STHC II ],chọn h = 0,9. nc : hệ số an toàn giới hạn bền. Tra bảng [T356-STHC II ],chọn nc= 1,5. Suy ra [sc] = 220.106. = 132.106 (N/m2). Để đảm bảo bền,ta lấy ứng suất bền là giá trị bé trong hai giá trị trên : [s] = [sc] = 132.106 (N/m2). + Xác định hệ số bổ xung c. Hệ số bổ xung c được xác định theo công thức [T363-STHC II ] : c = c1 + c2 + c3 Trong đó : - c1 : hệ số bổ xung do ăn mòn. Thép X18H10T là vật liệu bền nên ta chọn c1 = 1 (mm). - c2 : hệ số bổ xung do hao mòn, c2 = 0 (mm). - c3 : hệ số bổ xung do dung sai theo chiều dày. Tra bảng [T364-STHC II ], chọn c3 = 0,5 (mm). Do đó c = 1 + 0 + 0,5 = 1,5 (mm). Vậy chiều dày của nồi phản ứng là : s = + 1,5.10-3 = 2,3.10-3 (m). Chọn chiều dày của nồi phản ứng là s = 6 (mm). + Kiểm tra độ bền của thân nồi theo áp suất thử. Ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử được xác định theo công thức [T365-STHC II ] : s = £ Trong đó : - P0 : áp suất thử tính toán được xác định theo công thức [T366-STHC II ]: P0 = Pth + P1. Với Pth: áp suất thử thủ lực,chọn Pth = 1,5.P Do đó P0 = 1,5.P + P1 = 1,5.1,363.105 + 0,363.105 P0 = 2,4.105 (N/m2). Suy ra s = = 39,42.106 (N/m2). = 183.106 (N/m2). Nhận thấy s < ,thỏa mãn yêu cầu về độ bền. Vậy chiều dày của thân nồi phản ứng là s = 6 (mm). II.2.1.3.Tính chiều dày của đáy và nắp nồi phản ứng. Chọn đáy và nắp là elíp có gờ và cũng được làm bằng thép X18H10T. Ở tâm đáy có khoét lỗ để lắp ống tháo sản phẩm. Ở tâm nắp có khoét lỗ để đặt trục mô tơ cho cánh khuấy và bên cạnh có khoét các lỗ để nạp liệu. Các lỗ đều được tăng cứng hoàn toàn. Chiều dày của đáy và nắp được xác định theo công thức [T385-STHC II ]: s = ,m Trong đó hb : chiều cao phần lồi của đáy, hb= 350(mm). jh : hệ số bền hàn, jh = 0,95. K : hệ số không thứ nguyên, K = 1. Do đó : s = + 1,5.10-3 = 2,3.10-3 (m). hay s = 2,3 (mm). Nhận thấy s - c = 0,8 (mm) < 10 (mm) nên ta thêm 2(mm) vào đại lượng bổ xung c, c = 4,3 (mm) hay chiều dày s tăng thêm 2 (mm) nên s = 4,3 (mm). Lấy chiều dày của đáy và nắp nồi phản ứng là s = 6 (mm). + Kiểm tra độ bền của đáy và nắp nồi phản ứng theo áp suất thử. Ứng suất ở đáy thiết bị theo áp suất thử được xác định theo công thức [T386-STHC II ] : s = £ Ta có : s = = 74,5.106 (N/m2). Nhận thấy s = 74,5.106 < = 183.106, thỏa mãn yêu cầu về độ bền. Vậy chọn chiều dày của đáy và nắp thiết bị là s = 6 (mm). II.2.1.4.Tính và chọn cánh khuấy. Khuấy trộn trong môi trường lỏng thường được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm để tạo dung dịch huyền phù, nhũ tương, để tăng cường quá trình truyền nhiệt, chuyển khối hóa học... Có rất nhiều loại cánh khuấy như cánh khuấy mái chèo, cánh khuấy chân vịt, cánh khuấy mỏ neo, cánh khuấy dạng khung... Để lựa chọn được cánh khuấy thích hợp thì phải dựa vào rất nhiều yếu tố như độ nhớt của hỗn hợp cần khuấy, vận tốc khuấy, yếu tố kinh tế... Trong đó thì việc lựa chọn cánh khuấy thích hợp phụ thuộc vào độ nhớt của hỗn hợp cần khuấy là quan trọng nhất. Ở đây ta xác định độ nhớt của nhựa alkyt. Độ nhớt của nhựa alkyt được xác định theo công thức [T83-STHC I ] : lg(lgm) = K. - 2,9. Trong đó m : độ nhớt của chất lỏng, mP. D : tỷ khối của chất lỏng so với nước, D = 1,234. M : khối lượng phân tử. K : hằng số phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của chất lỏng. K = åA.n + åP. Với A : số nguyên tử cùng tên trong phân tử chất lỏng. n : trị số của hằng số nguyên tử. P : hệ số điều chỉnh,phụ thuộc vào các nhóm nguyên tử và đặc trưng liên kết của chúng với nhau. O- CH2- CH - OCOR CH2- OCO- C6H4- CO- Từ công thức của nhựa : Trong đó gốc - R có 3 liên kết đôi và có công thức - C17H29 . Do đó trong một mắt xích phân tử nhựa có : Số nguyên tử cacbon là 29. Số nguyên tử hydro là 38. Số nguyên tử oxy là 6. Số liên kết kép là 5. Có 1 vòng 6C. Có 2 nhóm - COO - . Tra bảng [T83,84-STHC I ],ta có các hằng số nguyên tử và các hệ số hiệu chỉnh : Nguyên tử cacbon có n = 50,2. Nguyên tử hydro có n = 2,7. Nguyên tử oxy có n = 29,7. Liên kết kép có P = -15,5. Vòng 6C có P = -21. Nhóm - COO- có P = -19,6. Do đó K = 29.50,2 + 38.2,7 + 6.29,7 + 5.(-15,5) + (-21) + 2.(-19,6) K = 1598,9. M = 29.12 + 38.1 + 6.16 = 482 (đvC ). Vậy lg(lg m) = 1598,9. - 2,9 Suy ra m = 3,412.104 (mP). hay m = 3,412 (Ns/m2). Độ nhớt của hỗn hợp tương đối lớn nên ta chọn cánh khuấy dạng khung để tăng cường quá trình nhiệt,ngăn cản quá trình kết tủa và lắng cặn trên thành và đáy. Hình 3 : Cấu tạo cánh khuấy dạng khung Tra bảng [T616-STHC I ],ta có các thông số của cánh khuấy. = 1,11 nên d = = 1,26 (m). Quy chuẩn d = 1250 (mm). h = 0,44.d = 0,44.1250 = 550 (mm). s = 0,066.d = 0,066.1250 = 82,5 (mm). Căn cứ vào đường kính cánh khuấy d ,tra bảng [T623-STHC I ],ta có các thông số về công suất tiêu tốn N và vận tốc quay n của cánh khuấy. d , mm n , vòng/s N , kW 1250 0,3 ¸ 1,5 0,02 ¸ 27,9 Vậy ta chọn cánh khuấy với đường kính d =1250 (mm),có vận tốc quay n =1,2 vòng/s và có công suất tiêu tốn là N = 15 (kW). II.2.1.5.Tính chiều dày lớp bảo ôn thiết bị Lớp bảo ôn có tác dụng làm giảm sự mất mát nhiệt ra môi trường bên ngoài, như vậy sẽ tiết kiệm được nguyên liệu dùng để gia nhiệt cho thiết bị. Chọn vật liệu bảo ôn là bông thủy tinh, bên ngoài có bọc vải thủy tinh Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu bảo ôn là lbo = 0,125 (W/m.độ). Chiều dày lớp bảo ôn được xác định theo công thức [T92-STHC II ] : dbo = , m. Trong đó : dbo : chiều dày lớp bảo ôn, m. lbo : hệ số dẫn nhiệt của lớp bảo ôn, (W/m.độ). tT1: nhiệt độ lớp bảo ôn tiếp giáp bề mặt thiết bị. Vì trở lực nhiệt tường của thiết bị là rất nhỏ so với trở lực nhiệt của lớp bảo ôn nên tT1 có thể lấy bằng nhiệt độ của chất gia nhiệt. Ở đây ta chọn chất gia nhiệt là dầu đun nóng có nhiệt độ là 300 0C nên tT1=3000C. tT2: nhiệt độ bề mặt lớp bảo ôn về phía không khí,chọn tT2= 40 0C. tkk: nhiệt độ không khí,chọn tkk= 25 0C. a : hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của lớp bảo ôn đến không khí,W/m2.độ. a = 9,3 + 0,058.tT2 = 9,3 + 0,058.40 = 11,62 (W/m2.độ). Vậy chiều dày lớp bảo ôn là : dbo = = 0,186 (m). hay dbo = 186 (mm). II.2.1.6.Tính và chọn tai treo thiết bị Với các thiết bị hóa chất, thông thường người ta không đặt trực tiếp thiết bị lên bệ mà phải có tai treo hay chân đỡ. Ở đây, do thiết bị có kích thước nhỏ và có tải trọng trung bình nên ta sử dụng tai treo để treo thiết bị lên cao cho gọn. Để lựu chọn tai treo cho hợp lý thì ta phải xác định được khối lượng của toàn bộ thiết bị cần treo. Khối lượng của toàn tháp G = Gth + Gđáy + Gnắp + Gnl + Gbo , kg. Trong đó : + Gth:khối lượng thân thiết bị, kg. Gth= r..( Dn2 - Dt2 ).Hthân , kg. Ở phần tính trên ta đã tính được Dt = 1,4 (m). s = 0,006 (m). nên Dn = 1,4 + 2.0,006 = 1,412 (m). Hthân = 2,227 (m). và r = rX18H10T = 7,9.103 (kg/m3). Do đó Gth = 7,9.103..( 1,4122 - 1,42 ).2,227 = 467 (kg). + Vì đáy và nắp có khối lượng như nhau nên Gđáy + Gnắp = 2.Gđáy. Tra bảng [T384-STHC II ] ta có Gđáy = 106 (kg). + Gnl : khối lượng nguyên liệu , kg. Gnl = 3650,92 (kg). + Gbo : khối lượng lớp bảo ôn, kg. Vật liệu bảo ôn là bông thủy tinh nên ta có rbo = 200 (kg/m3). Gbo = rbo..( Dn2bo - Dt2bo ).Hthân , kg. Ta có Dtbo = Dn = 1,412 (m). dbo = 0,186 (m). nên Dnbo = 1,412 + 2.0,186 = 1,784 (m). Do đó Gbo = 200..( 1,7842 - 1,4122 ).2,227 = 415,7 (kg). Vậy G = 467 + 2.106 + 3650,92 + 415,7 = 4746 (kg). hay G = 4746.9,81 = 46558 (N). Ta sử dụng 4 tai treo để treo thiết bị nên tải trọng nên mỗi tai treo là: G1 = = 11640 (N/tai treo). Tra bảng [T438-STHC II ],ta có được các thông số về tai treo : Hình 4 : Cấu tạo tai treo G1 x10-4 N Bề mặt đỡ F.104 m2 Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10-6 N/m2 L B B1 H s l a d Khối lượng một tai treo kg mm 2,5 173 1,45 150 120 130 215 8 60 20 30 3,48 II.2.2.Tính nồi pha loãng Nồi pha loãng là nơi chứa và pha loãng nhựa tạo thành phẩm. Do điều kiện làm việc tương tự nồi phản ứng chính nên cũng có cấu tạo tương tự. Chọn Dt = 1600 (mm). H = 3200 (mm). s = 6 (mm). Nồi pha loãng cũng cần cánh khuấy và ta cũng chọn cánh khuấy dạng khung. Tra bảng [T616-STHC I ], ta có các thông số của cánh khuấy. = 1,11 nên d = = 1,44 (m). Quy chuẩn d = 1400 (mm). h = 0,44.d = 0,44.1400 = 616 (mm). s = 0,066.d = 0,066.1400 = 92,4 (mm). Căn cứ vào đường kính cánh khuấy d, tra bảng [T623-STHC I ], ta có các thông số về công suất tiêu tốn N và vận tốc quay n của cánh khuấy. d , mm n , vòng/s N , kW 1400 0,3 ¸ 1,16 0,04 ¸ 22,9 Vậy ta chọn cánh khuấy với đường kính d =1400 (mm),có vận tốc quay n =1,2 vòng/s và có công suất tiêu tốn là N = 15 (kW). II.3.Tính toán thiết bị phụ II.3.1.Tính thiết bị chưng cất hỗn hợp xylen- nước II.3.1.1.Xác định đường kính tháp + Công thức chuyển đổi phần khối lượng sang phần mol: x = , phần mol. Trong đó : an : nồng độ phần khối lượng của nước (cấu tử dễ bay hơi trong dung dịch). Mn, Mx : khối lượng phân tử của nước và xylen. Mn = 18 (kg/kmol). Mx = 106 (kg/kmol). Với nguyên liệu đầu aF =0,1 suy ra xF = 0,396. Với sản phẩm đỉnh a P = 0,98 suy ra xp =0,997. Với sản phẩm đáy aW = 0,02 suy ra xw = 0,107. Với khối lượng đầu vào F = 15,66 (kg/h). + Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp được xác định theo công thức: M = Mn.x + Mx.( 1- x ). Trong đó : M : khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp. x : nồng độ phần mol. Do đó xF = 0,396 suy ra MF = 71,152 (kg/kmol). xP = 0,997 suy ra MP = 18,264 (kg/kmol). xW = 0,107 suy ra MW = 96,584 (kg/kmol). + Hệ phương trình cân bằng vật chất toàn tháp : GF = GP + GW. xF.GF = xP.GP + xw.GW. GF = . Thay số và giải hệ phương trình trên ta được : GP = 0,071 (kmol/h). GF = 0,22 (kmol/h). GW = 0,148 (kmol/h). + Chỉ số hồi lưu tối thiểu : xF = 0,396 su ra yF* = 0,621. Rmin = Chỉ số hồi lưu thích hợp là Rth = 2,5 ứng với số đĩa lý thuyết Ntl = 5. + Phương trình cân bằng vật chất và năng lượng : G’1 =g’1 + GW G’1.x1 = g1’.yw + GW.xw. g’1 .r’1 = g1.r1. Trong đó : G’1: lượng chất lỏng ra khỏi đoạn chưng, kmol/h. g’1: lượng hơi đi vào thiết bị, kmol/h r’1:: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất, kJ/kg. r’1 = ra .y’1+ (1-y’1).ra r’1= 2264.0,168+ (1- 0,168).7985= 7023,87 (kJ/kg). r1 = 4432,26 (kJ/kg). g1= R.GP =3,7.0,071 = 0,263 (kmol/h). g’1= 0,166 (kmol/h). G’1= 0,314 (kmol/h). + Khối lượng phân tử của hơi vào thiết bị : Myw = yw.MA + (1-yw)MB. Myw = 91,216 kg/kmol. + Nồng độ trung bình pha lỏng : xtb’= + Nồng độ trung bình pha hơi : ytb’ = Với L = = 3,079. nên suy ra ytb’ = 0,2998. - Nhiệt độ trung bình dòng hơi tương ứng với nồng độ y’tb = 0,2998 là ttb = 106 0C hay ttb = 379 0K. - Khối lượng riêng trung bình của hơi được xác định theo công thức [T183-STHC II ]: . = 2,56 (kg/m3). - Nhiệt độ trung bình của pha lỏng tương ứng với nồng độ xtb = 0,2415 là ttb =103,210C hay ttb = 376,21 0K. - Khối lượng riêng trung bình của dòng lỏng được xác định theo công thức [T183-STHC I ] : Trong đó r1 và r2 là khối lượng riêng của nước và xylen ở 103,21 0C. Tra bảng [T9-STHC I ] có r1 = 956,12 (kg/m3). r2 = 860 (kg/m3). anồng độ phần khối lượng của dung dịch nước –xylen. atb = 0,05. Thay vào phương trình trên ta có rx’ = 868,3 (kg/m3). - Độ nhớt của hỗn hợp lỏng được xác định theo công thức [T84-STHC I]: lgmx = xtb.lgmn + (1-xtb).lgmx Với mn và mx là độ nhớt của nước và xylen ở 103,21 0C. Tra bảng [T91-STHC I ] ta có : mn = 0,2838.10-3 (N.s/m2). mx = 0,2646.10-3 (N.s/m2). Vậy thay số vào ta có : lgmx = 0,2415.lg(0,2838.10-3) + (1- 0,2415).lg(0,2646.10-3) suy ra mx = 0,269.10-3 (N.s/m2). - Độ nhớt trung bình của dòng hơi được xác định theo công thức [T85-STHC I ]: với M:khối lượng phân tử của hỗn hợp hơi. M = ytb.Mn + (1- ytb).Mx M = 0,2998.18 + (1- 0,2998).106 = 79,6176 (kg/kmol). Thay số và giải phương trình trên ta có my = 0,2658.10-3 (N.s/m2). - Sức căng bề mặt của dòng lỏng : Với sức căng bề mặt của nước dn = 38,68 (N/m2). sức căng bề mặt của xylen dx = 36,64 (N/m2). at b = 0,05. nên dx = 37,34 (N/m2). - Tốc độ trung bình của dòng hơi : Với h : khoảng cách giữa các đĩa. Giả thiết đường kính thiết bị là 0,5 thì khoảng cách giữa các đĩa là h = 0,17. j : hệ số phụ thuộc sức căng bề mặt,j = 0,8. . - Lượng hơi trung bình trong thiết bị. gtb = = 0,1095 (mol/h). hay gtb = 0,1095.79,6176 = 8,718 (kg/h). - Đường kính thiết bị : D = 0,0188. = 0,045 (m). Quy chuẩn D = 50 (mm). II.3.1.2.Xác định chiều cao tháp chưng luyện. - Vận tốc hơi trong thiết bị được xác định theo công thức [T184-STHC II ] : wy = 8,5.10-5.C. Với C =356 nên wy = 8,5.10-5.356. = 0,556 (m/s). - Hệ số khuyếch tán trong pha hơi được xác đinh theo công thức [T127-STHC II ] : Dy = , (m2/s). Trong đó : T = 376,21 0K ; P =1at. Vn và Vx là thể tích mol của hơi nước và xylen, cm3/mol. Tra bảng [T127-STHC II ] ta có : VA = 18,86 (cm3/mol) ; VB = 0,12 (cm3/mol). Thay số vào ta có : Dy = = 0,8.10-4 m2/s. - Chuẩn số Re tính cho pha hơi : Rey = - Hệ số cấp khối với pha hơi : = 0,0267 (kmol/m2.s) - Hệ số khuyếch tán trong pha lỏng được xác định theo công thức [T136-STHC II ] : Dx = 7,4.10-12. , m2/s. Trong đó : b : thông số tính đến liên kết phân tử trong dung môi, b = 2,6. m : độ nhớt của dung môi, m = 0,3246 (cP). Thay số vào ta có : Dx = 7,4.10-12. = 0,36.10-7 (m2/s). - Chuẩn số Pran tính cho pha lỏng : Pr = . - Hệ số cấp khối trong pha lỏng : bx = , kmol/m2.s bx = = 0,226 (kmol/m2.s). Từ kết quả tính như trên ta được số đĩa thực tế Ntt = 6 đĩa. Vậy chiều cao tháp chưng luyện : H = NTT( h + S) + 0,8 = 6.(0,17 + 0,004) + 0,8 = 1,8 (m). II.3.2.Tính thiết bị ngưng tụ hỗn hợp xylen - nước Thiết bị này có chức năng là ngưng tụ,làm lạnh hỗn hợp đẳng phí xylen- nước. + Tính toán lượng nhiệt trao đổi theo phương trình cân bằng nhiệt : Q = G .C.Dt. Trong đó : G : khối lượng chất tải nhiệt, kg. C : Nhiệt dung riêng của chất tải nhiệt. - Nhiệt trao đổi gồm 2 giá trị nhiệt ngưng tụ Q1 và nhiệt làm lạnh Q2. Nên Q = Q1 + Q2. - Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đẳng phí là : 131 0C. Phần trăm trong hỗn hợp là 10%. Nhiệt lượng ngưng tụ : Q1 = G . ( 0,9.rn + 0,1.rx) Với G : lượng chất lỏng ngưng tụ được . rn : ẩn nhiệt hoá hơi của nước. rx : ẩn nhiệt hoá hơi của xylen. Trong phần cân bằng ta đã tính được lượng H2O ngưng tụ được cho một mẻ sản xuất là 63 (kg).Dó đó lượng chất lỏng ngưng tụ là G = = 70 (kg). Tra bảng [T250-STHCI ] ta có ẩn nhiệt hoá hơi của nước và xylen ở 1310C là : rn = 554 (kcal/kg). rx = 97 (kcal/kg) . Do đó Q1 = 70.(0,9.554 + 0,1.97) = 35581 (kcal). - Lượng nhiệt làm lạnh được tính theo công thức : Q2 = G .C.Dt Với C = 0,9.Cn + 0,1.Cx. Tra bảng [T92-STHCI ] ta có : Cn = 1 (kcal/kg.độ). Cx = 0,529 (kcal/kg.độ). Nên C = 0,9.1 + 0,1.0,529 = 0,9529 (kcal/kg,độ). - Hỗn hợp hơi xylen – nước được làm lạnh từ 1310C xuống 400C. nên Dt = 131- 40 = 910C. Do đó Q2 = 70.0,9525.91 = 6070 (kcal). Vậy tổng lượng nhiệt trao đổi là : Q = Q1 + Q2 = 35581 + 6070 = 41651 (kcal). + Ta dùng nước ở 200C để làm lạnh, nước ra khỏi thiết bị làm lạnh là 350C, nên có lượng nước cần để làm lạnh hỗn hợp hơi xylen- nước từ 1310C là: Gn = = 2776,7 (kg). + Tính hiệu nhiệt độ trung bình : = nếu . nếu Trong đó : Dt1 và Dt2 : là hiệu số nhiệt độ ở hai đầu thiết bị trao đổi nhiệt. Dt1 = 131 - 20 = 111 0C. Dt1 = 131 - 35 = 96 0C. Nhận thấy < 2 nên = 103,5 0C. + Tính hệ số cấp nhiệt ( Hệ số cấp nhiệt phía chất lỏng ngưng tụ được tính theo công thức : a2 = Với Nu = 0,021. Trong đó : Pr1 là chuẩn số pran của dòng tính theo nhiệt độ trung bình của tường. Các thông số khác tính theo nhiệt độ trung bình của dòng. e1: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống,lấy = 1,03. Chuẩn số Pr : Pr = Với :độ nhớt của hỗn hợp ở 103,5 0C , N.s/m2. c :nhiệt dung riêng của hỗn hợp, J/kg.độ. l : hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp, W/m.độ. - Tính m. Tra bảng [T20-STHC I ] ta có độ nhớt của xylen và nước ở 103,5 0C : mn = 0,276.10-3 (N.s/m2). mx = 0,29.10-3 (N.s/m2). Do đó độ nhớt của hỗn hợp xylen - nước được tính theo công thức : lgm = 0,9.lgmn + 0,1.lgmx = 0,9.0,276.10-3 + 0,1.0,29.10-3 suy ra m = 0,277.10-3 (N.s/m2). - Tính c. Nhiệt dung riêng của nước cn = 4200 (J/kg.độ). Nhiệt dung riêng của xylen cx = 2000 (J/kg.độ). Nen nhiệt dung riêng của hỗn hợp xylen- nước : c = 0,9.cn + 0,1.cx = 0,9.4200 + 0,1.2000 = 3989 (J/kg.độ). - Tính l Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp được xác định theo công thức [T19-STHC II ]: ,W/m.độ Trong đó : A: hệ số phụ thuộc vào mức dộ liên két của chất lỏng,A= 4,22.10-8. r : là khối lượng riêng của chất lỏng , kg/m3. M : khối lượng phân tử dung dịch . M = 0,9.18 + 0,1.106 = 16,8 Khối lượng riêng của nước và xylen ở 103,5 0C. rn = 958 (kg/m3). rx= 830 (kg/ m3). nên r = 0,9.958 + 0,1.830 = 945,2 (kg/m3). Do đó l = 4,22.10-8.945,2. = 0,52 (W/m.độ). Vậy Pr = = 2,13. - Ta giả thiết Re , và ta coi tỷ số 1. Nên Nu = 0,021.1,03.(104)0,8.2,130,43.1 = 56,46. Ở đây ta chọn đường kính ống truyền nhiệt dn = 32 mm, bề dầy d = 2 (mm) và chiều dài ống truyền nhiệt H = 1,5 (m) nên đường kính trong của ống truyền nhiệt dt = 28 (mm). Vậy a2 = = 1048,5 (W/m2.độ) + Hệ số cấp nhiệt ở phía hơi ngưng tụ : , W/m2.độ Trong đó : r : ẩn nhiệt hoá hơi. r = (0,9.554 + 0,1.97 ).4,18.103 = 2,12.106 (J/kg) Dt : hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi ngưng tụ và nhiệt độ thành . Dt = 131 - 130 = 1 0C. A :hệ số phụ thuộc màng chất lỏng, A = 202,36. H : chiều dài ống truyền nhiệt , H = 1,5 (m) nên a1 = 2,04.202,36. = 14233,64 (W/m2.độ). + Tính hệ số truyền nhiệt K: Do ống truyền nhiệt ở dạng tròn nên khi tính hệ số truyền nhiệt K ta tính ở trường hình trụ : K = , W/m2. Với l : hệ số dẫn nhiệt của thép CT3, l = 54,4 (W/m.độ). K = = 942,7 (W/m2). + Bề mặt truyền nhiệt : F = Trong đó : Q : lượng nhiệt trao đổi , Q = 41651 (kcal). Dt = 103, 50 C. Nên F = = 0,43 (m3). + Số ống truyền nhiệt : n = = 3,26 (ống). Dựa vào bảng [T48-STHC II ] ta quy chuẩn ống n =7 (ống).Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là : b =3. + Đường kính của thiết bị trao đổi nhiệt được tính theo công thức : D = t.b + dn.b Trong đó : dn: là đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, dn = 0,032 (m). t : bước ống,ta chọn t = 1,5.dn = 1,5.0,032 = 0,048 (m). Vậy đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt là : D = 0,048.3 + 0,032.3 = 0,24 (m). Quy chuẩn D = 300 (mm). II.3.3.Tính toán thùng phân tầng II.3.3.1.Tính đường kính và chiều cao thùng phân tầng. Thùng phân tầng dùng để tách hỗn hợp xylen - nước sau khi đã được ngưng tụ. Như phần cân bằng vật chất ta đã tính được hỗn hơp xylen - nước vào thùng phân tầng ở nhiệt độ 30 0C gồm có 63 (kg) nước và 7 (kg) xylen. Ta có rn = 995 (kg/m3). rx = 860 (kg/m3). Vậy thể tích của nguyên liệu vào thùng phân tầng trong một mẻ là : V = = 0,071 (m3). Chọn hệ số điền đầy thùng 0,7 nên thể tích thực của thùng phân tầng là : Vt = = 0,1 (m3). Mặt khác ta có : Vt = p..H. Ở đây ta chọn H = 2.D nên Vt = 2.p. suy ra D = = 0,399 (m). Quy chuẩn D = 0,4 (m). và H = 2.0,4 = 0,8 (m). II.3.3.2.Tính chiều dày thùng phân tầng Chọn vật liệu làm thùng phân tầng là thép CT3,có : Giới hạn bền kéo sk = 380.106 (N/m2). Giới hạn bền chảy sc = 240.106 (N/m2). Khối lượng riêng r = 785,9 (kg/m3). Và thân thùng được chế tạo bằng cách hàn dọc thân với đáy nón,hệ số bền hàn là j = 0,95. Chiều dày thiết bị được xác định theo công thức [T360-STHC II ] : s = , m. + Tính áp suất làm việc trong thiết bị P. P = Pkq + P1. Trong đó Pkq: áp suất khí quyển, Pkq = 105 (N/m2). P1: áp suất của cột chất lỏng trong thiết bị , N/m2. P1 = r.g.H Với r : khối lượng riêng của hỗn hợp phản ứng, kg/m3 r = 0,9.995 + 0,1.860 = 981,5 (kg/m3). g : gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m2/s). H : chiều cao của nồi phản ứng, H = 0,8 (m). Nên P1 = 981,5.9,81.0,8 = 7703 (N/m2). Do đó P = 105 + 7703 = 107703 (N/m2). + Xác định ứng suất giới hạn bền [s]. Ứng suất cho phép của thép X18H10T theo giới hạn bền kéo được xác định theo công thức [T355-STHC II ] : [sk] = sk. , N/m2. Với sk : giới hạn bền kéo, sk = 380.106 (N/m2). h : hệ số hiệu chỉnh. Tra bảng [T356-STHC II ],chọn h = 0,9. nk : hệ số an toàn giới hạn bền. Tra bảng [T356-STHC II ],chọn nk= 2,6. Suy ra [sk] = 380.106. = 131,5.106 (N/m2). Ứng suất cho phép của thép X