phương pháp chưng cất rượu etylic
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (403.22 KB, 84 trang )
Phương pháp chưng cất rượu etylic
phÇn I. MỞ ĐẦU
• Giới thiệu chung về dây chuyền sản xuất.
Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏng còng nh các
hỗn hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dùa vào độ bay hơi khác nhau
của các cấu tử trong hỗn hợp. Khi chưng cất, hỗn hợp đầu có bao nhiêu cấu tử
thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản phẩm. Theo đề bài thì hỗn hợp đầu gồm 2
cấu tử là RượuEtylic và Nước nên được gọi là chưng cất hỗn hợp 2 cấu tử.
Sau quá trình chưng cất, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay
hơi lớn hơn(RượuEtylic) và một phần rất Ýt cấu tử có độ bay hơi bé hơn
(Nước). Sản phẩm đáy gồm hầu hết các cấu tử khó bay hơi (Nước) và một
phần rất Ýt cấu tử dề bay hơi (RươuEtylic).
Trong trường hợp này ta dùng tháp chưng luyện loại tháp đệm, làm việc
ở áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi.
PHẦN II. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ.
I. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT. (HÌNH 1)
II. THUYẾT MINH SƠ ĐỒ.
Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm
lên thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị được
khống chế bởi của chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống
thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), quá trình tự chảy này được theo dõi bằng
đồng hồ lưu lượng. Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão
hoà), hỗn hợp đầu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt tới nhiệt độ sôi,
hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm
3
(5). Trong tháp, hơi đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên
xuống, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần. Theo chiều cao
của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng đệm
từ dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ. Quá trình tiếp xúc lỏng –
hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giầu cấu tử dễ bay
hơi, pha lỏng ngày càng giầu cấu tử khó bay hơi. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta
sẽ thu được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (RượuEtylic) và một phần rất Ýt cấu
tử khó bay hơi(Nước). Hỗn hợp hơi này được đi vào thiết bị ngưng tụ (6) và
tại đây nó được ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh). Một phần chất
lỏng sau ngưng tụ chưa đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng (7) để hồi
lưu trở về đỉnh tháp, phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (8) để làm
lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (10).
Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ
dưới lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu
tử khó bay hơi trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi xuống. Do đó nồng độ cấu tử khó
bay hơi trong pha lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn
hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Nước) và một phần rất Ýt cấu tử
dễ bay hơi (RượuEtylic), hỗn hợp lỏng này được đưa ra khỏi đáy tháp, qua
thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (11), một
phần được tận dụng đưa vào nồi đun sôi đáy tháp (9) dùng hơi nước bão hoà.
Thiết bị (9) này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo
dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp). Nước ngưng của thiết bị gia nhiệt được
tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (12).
Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản
phẩm được lấy ra liện tục.
III. CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP ĐỆM.
Trong tháp đệm có 3 chế độ thuỷ động là chế độ chảy dòng, chế độ quá
độ và chế độ xoáy.
4
Khi vận tốc khí bé, lực hót phân tử lớn hơn và vượt lực lỳ. Lúc này quá
trình chuyển khối được xác định bằng dòng khuyếch tán phân tử. Tăng vận
tốc lên lực lỳ trở nên cân bằng với lực hót phân tử. Quá trình chuyển khối lúc
này không chỉ được quyết định bằng khuyếch tán phân tử mà cả bằng
khuyếch tán đối lưu. Chế độ thuỷ động này gọi là chế độ quá độ. Nếu ta tiếp
tục tăng vận tốc khí lên nữa thì chế độ quá độ sẽ chuyển sang chế độ xoáy.
Trong giai đoạn này quá trình khuyếch tán sẽ được quyết định bằng khuyếch
tán đối lưu.
Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện
tượng đảo pha. Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ tháp và trở thành pha liên
tục, còn pha khí phân tán vào trong chất lỏng và trở thành pha phân tán. Vận
tốc khí ứng với thời điểm này gọi là vận tốc đảo pha. Khí sục vào lỏng và tạo
thành bọt vì thế trong giai đoạn này chế độ làm việc trong tháp gọi là chế độ
sủi bọt. Ở chế độ này vận tốc chuyển khối tăng nhanh, đồng thời trở lực cũng
tăng nhanh.
Trong thực tế, ta thường cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận
tốc nhỏ hơn vận tốc đảo pha mét Ýt vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn
sủi bọt là mạnh nhất, nhưng vì trong giai đoạn đó ta sẽ khó khống chế quá
trình làm việc.
Ưu điểm của tháp đệm:
+ Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn.
+ Cấu tạo tháp đơn giản.
+ Trở lực trong tháp không lớn lắm.
+ Giới hạn làm việc tương đối rộng.
Nhược điểm.
+ Khó làm ướt đều đệm.
+ Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều.
IV. BẢNG KÊ CÁC KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG TRONG BẢN ĐỒ
ÁN.
5
- F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- P: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- W: Lượng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- Các chỉ sè
F, P, W, A, B
: tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp
đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy củaRượuEtylic và Nước.
- a: nồng độ phần khối lượng, RượuEtylic kg /kg hỗn hợp
- x: nồng độ phần mol, kmol RượuEtylic /kmol hỗn hợp
- M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol
- µ: độ nhít, Ns/m
2
- ρ: khối lượng riêng, kg/m
3
- Các chỉ sè
A, B, x, y, hh
: tương ứng chỉ đại lượng thuộc về cấu tử
RượuEtylic, Nước, thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp.
- Ngoài ra các ký hiệu cụ thể khác được định nghĩa tại chỗ.
6
Phần IIi. Tính toán thiết bị chính
I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU.
I.1. Tính toán cân bằng vật liệu.
I.1.1. Hệ phương trình cân bằng vật liệu.
- Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp.
F = P + W [II – 144]
[II – 144]
- Đối với cấu tử dễ bay hơi
Fa
F
= Pa
p
+ Wa
w
[II – 144]
[II – 144]
- Lượng sản phẩm đỉnh là:
wp
wF
aa
aa
FP
−
−
=
.
Trong đó:
F: năng suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h
a
F
, a
p
, a
w
: lần lượt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm
đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lượng
Đầu bài cho F = 3200(kg/h).
Vậy ta có lượng sản phẩm đỉnh là:
67,1386
03,093,0
03,042,0
3200.
=
−
−
=
−
−
=
wp
wF
aa
aa
FP
(kg/h)
- Lượng sản phẩm đáy là:
W = F -P = 3200-1386,67= 1813,33 (kg/h)
I.1.2. Đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol của a
F
, a
p
, a
w
.
Áp dụng công thức
7
B
B
A
A
A
A
M
a
M
a
M
a
x
+
=
[II – 126]
Trong đó:
a
A,
a
B
: nồng độ phần khối lượng của RượuEtylic và Nước.
M
a,
M
B
: khối lượng mol phân tử củaRượuEtylic và Nước.
Với
46
62
== oMM
HCA
(kg/kmol)
18
2
==
OHB
MM
(kg/kmol)
Thay số liệu vào ta có:
( )
B
F
A
F
A
F
F
M
a
M
a
M
a
x
−
+
=
1
221,0
18
42,01
46
42,0
46
42,0
=
−
+
=
(phần mol)
( )
B
P
A
P
A
P
P
M
a
M
a
M
a
x
−
+
=
1
839,0
18
93,01
46
93,0
46
93,0
=
−
+
=
(phần mol)
( )
B
w
A
w
A
w
w
M
a
M
a
M
a
x
−
+
=
1
012,0
18
03,01
46
03,0
46
03,0
=
−
+
=
(phần mol)
I.1.3. Tính khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm
đỉnh, sản phẩm đáy.
Theo công thức: M = x.M
A
+ (1 – x)M
B
Trong đó:
M: khối lượng phân tử trung bình, kg/kmol
x: nồng độ phần mol
- Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh.
M
p
= x
p
.M
A
+ (1 – x
p
)M
B
M
p
= 0,839.46+(1- 0,839).18
M
p
= 41,482 kg/kmol
8
- Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu.
M
F
= x
F
.M
A
+ (1 – x
F
)M
B
M
F
= 0,221.46 +(1- 0,221).18
M
F
= 24,188(kg/kmol)
- Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy.
M
w
= x
w
.M
A
+ (1 – x
w
)M
B
M
w
= 0,012.46 +(1- 0,012).18
M
w
= 18,336 (kg/kmol)
I.1.4. Đổi đơn vị của F, P, W từ kg/h sang kmol/h
( )
)/(297,132
188,24
3200
/
hkmol
M
hkgF
F
F
===
( )
/1(43,33
48,41
67,1386
/
kmol
M
hkgP
P
p
===
( )
)/(89,98
336,18
33,1813
/
hkmol
M
hkgW
W
w
===
I.1.5. Lượng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh:
957,3
43,33
297,132
===
P
F
f
I.2. Xác định số bậc thay đổi nồng độ.
I.2.1. Xác định R
min
dùa trên đồ thị y – x.
Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng sau: [II – 145]
Bảng 1.
x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90
10
0
Hỗnhợ
p đẳng
phí
y 0
33,
2
44,
2
53.
1
57.
6
61.
4
65.
4
69.
4
75.
3
81.
8
89.
8
10
0
89.4
t
10
0
90.
5
86.
5
83.
.2
81.
7
80.
8
80
79.
4
79
78.
6
78.
4
78.
4
78.15
9
- Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đường nồng độ cân bằng lỏng(x)_
hơi(y) ta có:B
m ax
=0.44 (kẻ tiếp tuyến với đường nồng độ cân bằng cắt trục
tung ở đâu đó là B
m ax
).mà
R
min
=0,906
-Cho các giá trị từ 1đến 7 của B<B
max
ta tìm được những số đĩa khác nhau.
Ta có kết quả trong bảng sau:
Bảng2
B 0.44 0.04 0.36 0.32 0.28 0.24 0.20 0.16
R 0,906 1,096 1,33 1,62 1,995 2,49 3,19 4,24
N
lt
22 18 14 12 10
N
lt
(R+1) 65,89 62,82 58,66 62,88 69,9
.2.2. Tính chỉ số hồi lưu thích hợp
Từ đồ thị N(R+1)_R xác định được R
th
=3,957 ứng với số đĩa lý thuyết là
N
lt
=14
trong đó có 12đoạn luyện và 2 đoạn chưng.
R
th
: chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất.
Cơ sở của việc chọn R
th
theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất là:
V = H.S
H: tỷ lệ với N
lt
G = W.S = P.(R + 1)
S tỷ lệ với R + 1
V = H.S tỷ lệ với N
lt
(R + 1)
Giá thành tháp tỷ lệ với V, mà V tỷ lệ với N
lt
(R + 1), giá thành tháp thấp nhất
ứng
với thể tích tháp nhỏ nhất. Vì vậy cần phải chọn chế độ làm việc thích hợp
cho tháp, tức là R
th
.
Trong đó: V: là thể tích của tháp
H: chiều cao của tháp
S: tiết diện của tháp
10
1
min
max
+
=
R
x
B
p
N
lt
: sè bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)
.2.3. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện.
11
+
+
+
=
x
P
x
x
R
X
x
R
R
y
[II – 148]
[II – 148]
Trong đó:
y: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên.
x: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa
xuống.
R
x
: chỉ số hồi lưu.
Thay số liệu vào ta có.
149,3
839,0
149,3
49,3
11
+
+
+
=
+
+
+
=
x
R
X
x
R
R
y
x
P
x
x
y
L
= 0,78x + 0,187
I.2.4. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng.
w
xx
x
x
R
f
x
R
fR
y
1
1
1
+
−
−
+
+
=
[II.158]
[II.158]
Trong đó:
845,3
706,38
834,148
===
P
F
f
: lượng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol
sản phẩm đỉnh.
Thay số liệu vào ta có.
012,0.
149,3
1957,3
149,3
957,349,3
1
1
1
+
−
−
+
+
=
+
−
−
+
+
=
xx
R
f
x
R
fR
y
w
xx
x
yy
c
= 1,66x – 0,0079
II. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG LUYỆN.
Đường kính tháp được xác định theo công thức
11
( )
tb
yy
tb
g
D
ωρ
.
0188,0
=
, (m) [II - 181]
[II - 181]
Trong đó:
g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h.
(ρ
y
.ϖ
y
)
tb
: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m
2
.s
Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau
trong mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn.
II.1. Đường kính đoạn luyện.
II.1.1. Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện.
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính
gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi
đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi
đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện.
2
1
gg
g
d
tb
+
=
, (kg/h) [II - 181] [II - 181]
Trong đó:
g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h.
g
đ
: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h.
g
l
: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp, kg/h.
• Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp.
g g
đ
= G
R
+ G
p
= G
p
(R
x
+1)[II – 181]
[II – 181]
g
đ
= 33,43(3,49 + 1)
g
đ
= 150,1 (kmol/h)
• Lượng hơi đi vào đoạn luyện: Lượng hơi g
1
, hàm lượng hơi y
1
và lượng
lỏng G
1
đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương
trình.
g
1
= G
1
+ G
p
(1) (1)
12
g
1
.y
1
= G
1
.x
1
+ G
p
.x
p
(2) [II - 182]
[II - 182]
g
1
.r
1
= g
đ
.r
đ
(3)
Trong đó:
y
1
: hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện, phần khối lượng.
G
1
: lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện.
r
1
: Èn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa.
r
đ
: Èn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp.
x
1
= x
F
= 0,221(phần mol).
y
1
= y
F
=0,359(phần mol).
r
1
= r
a
.y
1
+ (1-y
1
).r
b
[II - 182]
[II - 182]
Với r
a
, r
b
: Èn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Rượu Etylic và
Nước ở t
0
= t
F
= 82,86(
0
C)
Nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được
588,38620
62
==
OHCa
rr
(kJ/kmol).
974,41843
2
==
OHb
rr
(kJ/kmol).
r
1
= 38620,588.y
1
+ (1 – y
1
).41843,974
r
1
= 40686,78 (kJ/kmol).
y
đ
: hàm lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần mol.
y
đ
= y
p
= 0,8414 (phần mol).
r
đ
= r
a
.y
đ
+ (1 - y
đ
).r
b
[II - 182]
[II - 182]
Với r
a
, r
b
: Èn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Rượu Etylic và
Nước ở t
0
= t
p
= 78,53
0
C.
Nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được
628,38953
62
==
OHCa
rr
(kJ/kmol).
763,42169
2
==
OHb
rr
(kJ/knoll)
13
r
đ
= 38953,628.0,8414+ (1- 0,8414).42169,763
r
đ
= 39427,686 (kJ/kmol).
Thay các giá trị đã tính được vào hệ phương trình trên ta được
G1=g
1
-P=145,588 – 33,43 = 112,158 knoll/h
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:
844,147
2
588,1451,150
2
1
=
+
=
+
=
gg
g
d
y
(kmol/h).
lượng láng trung bình đi trong đoạn luyện là:
g
x
=(G
1
+R.P)/2=(112,158+3,49.33,43)/2=114,41(kmol/h).
II.1.2. Tính khối lượng riêng trung bình
• Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo
273.
.4,22
).1(.
11
T
MyMy
BtbAtb
y
tb
−+
=
ρ
, kg/m
3
. [II - 183]
[II - 183]
Trong đó:
M
A
M
B
: khối lượng phần mol của cấu tử Rượu Etylic và Nước
T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp,
0
K.
y
tb1
: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình
2
11
1
cd
tb
yy
y
+
=
[II - 183]
[II - 183]
Với
11
,
cd
yy
: nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol.
1
d
y
= y
p
= 0,8414 (phần mol).
1
c
y
= y
F
= 0,359(phần mol).
14
4,156
089,40101
686,39427.08,159
.
1
1
===
r
rg
g
dd
6002,0
2
359,08414,0
2
11
1
=
+
=
+
=⇒
cd
tb
yy
y
(phần mol).
Với
6002,0
=
L
tb
y
(phần mol). Từ đồ thị t_xy ta có:
Ct
tb
y
00
81
=
T = 81 + 273 = 354
0
K.
Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là:
273.
.4,22
).1(.
21
11
T
MyMy
tbtb
y
tb
−+
=
ρ
198,1
354.4,22
18).6002,01(46.6002,0
=
−+
=
tb
y
ρ
(kg/m
3
).
Khối lượng riêng trung bình đối với pha láng
2
1
1
1
1
1
tbtbtb
x
tb
x
tb
x
aa
ρρρ
−
+=
, (kg/m
3
). [II - 183]
[II - 183]
Trong đó:
tb
x
ρ
: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m
3
.
21
,
tbtb
xx
ρρ
: khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo
nhiệt
độ trung bình, kg/m
3
.
1
tb
a
: phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha láng.
675,0
2
93,042,0
2
1
=
+
=
+
=
pF
tb
aa
a
(phần khối lượng).
o
tb
t
: nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha láng
53,0
2
839,0221,0
2
1
=
+
=
+
=
pF
tb
xx
x
(phần mol).
Với
53,0
=
L
tb
x
(phần mol). Từ đồ thị t_xy ta có:
Ct
tb
x
00
3,78
=
Ứng với t
0
= 79,82
0
C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được:
61,736
1
=
tb
x
ρ
(kg/m
3
).
15
93,972
2
=
tb
x
ρ
(kg/m
3
).
Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là:
=
−
+=
2
1
1
1
1
1
tbtbtb
x
tb
x
tb
x
aa
ρρρ
93,972
675,01
61,736
675,0
−
+
74,799
=⇒
tb
x
ρ
kg/m
3
II.1.3. Tính tốc độ hơi đi trong tháp
Tốc độ hơi đi trong tháp đệm
ω = (0,8 ÷ 0,9)ω
s
[II – 187]
Với ω
s
là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức
Y = 1,2e
-4X
[II – 187]
Với
16,0
3
.
2
.
.
=
y
x
xd
yds
tb
tb
Vg
Y
µ
µ
ρ
ρσω
[II – 187]
8/1
4/1
.
=
tb
tb
x
y
y
x
G
G
X
ρ
ρ
[II – 187]
Trong đó:
σ
đ
: bề mặt riêng của đệm, m
2
/m
3
V
đ
: thể tích tự do của đệm, m
3
/m
3
g: gia tốc trọng trường, m
2
/s
G
x
, G
y
: lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/s
tbtb
yx
ρρ
,
:khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m
3
µ
x
, µ
n
: độ nhít của pha láng theo nhiệt độ trung bình và độ nhít của nước ở
20
o
C, Ns/m
2
• Tính G
x
, G
y
.
Ta có G
x
=g
x
.M
xtb.
=g
x
.[x
tbL
.M
A
+(1-x
tbL
).M
B
] =3757,22 (kg/h)=1,0436 (kg/s)
G
y
=g
y
.M
ytb
=g
x
.[y
tbL
.M
A
+(1-y
tbL
).M
B
]=5145,799 ( kg/h)
M
xtb
=0,53.46+(1-0,53).18=32,84 (kg/knoll)
M
ytb
=0,6002.46+(1-0,6002).18=34,805 (kg/knoll)
16
• Tính độ nhít.
- Độ nhít của nước ở t = 20
o
C, Tra bảng I.102 trong [I – 94] ta có µ
n
=
1,005.10
-3
Ns/m
2
.
- Độ nhít của pha lỏng ở t = 79,82
o
C. Nội suy theo bảng I.101 trong [I – 91]
ta được.
3
0
10.3665,0
62
−
==
HCA
µµ
N.s/m
2
3
2
10.4482,0
−
==
HA
µµ
N.s/m
2
Vậy độ nhít của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là
lgµ
hh
= x
tb
.lgµ
A
+ (1 - x
tb
).lgµ
B
[I – 84]
[I – 84]
lgµ
hh
= 0,53.lg(0,3665.10
-3
) + (1 – 0,3665)lg(0,4482.10
-3
)
µ
hh
= µ
x
= 0,403.10
-3
Ns/m
2
Thay số liệu ta có
41,0
74,799
198,1
.
429,1
0436,1
.
8/14/1
8/1
4/1
=
=
=
tb
tb
x
y
y
x
G
G
X
ρ
ρ
Y = 1,2e
-4.0,41
= 0,2227
Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn. Số liệu trong [II – 193]
Bảng 3.
Kích
thước
đệm, mm
Bề mặt riêng
σ
đ
, m
2
/m
3
Thể tích tự
do V
đ
, m
3
/m
3
Số đệm
trong 1m
3
Khối lượng
riêng xốp, ρ
đ
,
kg/m
3
30x30x3,5 165 0,76 25.10
2
570
Từ công thức:
17
16,0
3
.
2
.
.
=
y
x
xd
yds
tb
tb
Vg
Y
µ
µ
ρ
ρσω
[II – 187]
16,0
3
3
3
16,0
3
2
10.005,1
10.403,0
.198,1.165
74,799.76,0.81,2227,0
=
=
−
−
y
x
yd
xd
s
tb
tb
VgY
µ
µ
ρσ
ρ
ω
ω
s
2
= 4,491 ( m/s )
2
ω
s
= 2,12 ( m/s).
Lấy ω = 0,8ω
s
ω = 0,8.2,12= 1,696 ( m/s)
Vậy đường kính của đoạn luyện là:
( )
906,0
696,1.198,1
70,5145
.0188,0
.
.0188,0
===
tb
yy
tb
L
g
D
ωρ
(m.)
Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là D
L
=0,9 (m).
• Thử lại điều kiện làm việc thực tế.
- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn luyện là:
87,1
198,1.)9,0(
)0188,0.(7,5145
2
2
==
y
ω
(m/s).
- Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là:
88,0
12,2
87,1
==
s
tt
ω
ω
Vậy chọn đường kính là 0,9 m có thể chấp nhận được.
• Kiểm tra cách chọn đệm.
0184,0
165
76,0.4
.4
===
d
d
td
V
d
σ
m
913,48
0184,0
9,0
==⇒
td
d
D
II. 2. Đường kính đoạn chưng.
II.2.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp
18
2
1
''
'
gg
g
n
tb
+
=
[II - 182] [II - 182]
Trong đó:
g
’
n
: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kmol/h.
g
’
1
: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kmol/h.
Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện (g
’
n
=
g
1
) nên ta có thể viết:
2
1
'
1
'
gg
g
tb
+
=
[II - 182]
[II - 182]
Lượng hơi đi vào đoạn chưng g
’
l
, lượng lỏng G
1
’
và hàm lượng lỏng x
’
l
được
xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:
G
’
1
= g
’
1
+ G
w
G
’
1
. x
’
1
= g
’
1
.y
w
+ G
w
.x
w
[II - 182]
[II - 182]
g
’
1
.r
’
1
= g
1
.r
1
Trong đó:
r
’
1
: Èn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
x
w
: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.
r
1
: Èn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng.
Ta có:
G
w
= W = 98,89 kmol/h.
x
w
= 0,012 phần mol
y
’
1
= y
w
xác định theo đường nồng độ làm việc của đoạn chưng ứng với
x
w
= 0,012 phần mol.
y
w
= 0,01202 phần mol. Nội suy theo bảng xy-t . ta được t
ư
=99,77
0
C
19
r
’
1
= r
a
. y
’
1
+ (1- y
’
1
).r
b
[II – 182]
[II – 182]
Với r
a
, r
b
: Èn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất ở t
0
= t
w
= 99,77
0
C.
Nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được.
01,37320
=
a
r
kJ/kmol.
66,40571
=
b
r
kJ/kmol.
=> r
’
1
= 37320,01.0,012 + (1 – 0,012).40571,66
r
’
1
= 40532,64 kJ/kmol
Thay vào hệ phương trình trên ta được:
G
’
1
= g
’
1
+ 98,89
G
’
1
. x
’
1
= g
’
1
.0,01202 + 98,89.0,012
g
’
1
.40532,64=145,588.40686,78
Giải hệ phương trình trên ta được:
g
’
1
= 146,14 kmol/h
G
’
1
= 245,03 kmol/h
x
’
1
= 0,01201 phan mol
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:
864,145
2
14,146588,145
2
1
'
1
'
=
+
=
+
=
gg
g
C
tb
kmol/h.
II.2.2. Tính khối lượng riêng trung bình
• Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo
273.
.4,22
).1(.
11
T
MyMy
BtbAtb
y
tb
−+
=
ρ
, kg/m
3
. [II - 183]
[II - 183]
Trong đó:
M
A
M
B
: khối lượng phần mol của cấu tử Rượu Etylic và Nước
20
T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp,
0
K.
y
tbc
: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình
2
11
cd
tb
yy
y
C
+
=
[II - 183]
[II - 183]
Với
11
,
cd
yy
: nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol.
1
d
y
= y’
1
= y
w
= 0,01202 phần mol
1
c
y
= y
1
= 0,359 phần mol
1855,0
2
359,001202,0
2
11
=
+
=
+
=⇒
cd
tb
yy
y
C
phần mol
Với
1855,0
=
C
tb
y
phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta
được
Ct
C
tb
00
69,94
=
T = 94,69 + 273 = 367,69
0
K.
Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng là:
273.
.4,22
).1(.
21
11
T
MyMy
tbtb
y
tb
−+
=
ρ
7687,0273.
69,367.4,22
18).1855,01(46.1855,0
=
−+
=
tb
y
ρ
kg/m
3
.
• Khối lượng riêng trung bình đối với pha láng
2
1
1
1
1
1
tbtbtb
x
tb
x
tb
x
aa
ρρρ
−
+=
, kg/m
3
[II - 183]
[II - 183]
Trong đó:
tb
x
ρ
: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m
3
.
21
,
tbtb
xx
ρρ
: khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo
nhiệt
độ trung bình, kg/m
3
.
1
tb
a
: phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha láng.
21
2
'
1
1
aa
a
F
tb
+
=
Với a’
1
: nồng độ phần khối lượng của pha lỏng ở đĩa dưới cùng của đoạn
chưng.
Ta có: a’
1
= x’
1
= 0,03 phần khối lượng
225,0
2
03,042,0
2
'
1
1
=
+
=
+
=⇒
aa
a
F
tb
phần khối lượng
o
tb
t
: nhiệt độ trung bình của đoạn chưng theo pha láng
2
'
1
1
xx
x
F
tb
+
=
Với
1165,0
=
C
tb
x
phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta
được
Ct
tb
x
00
78,99
=
Ứng với t
0
= 91,315
0
C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được:
25,724
1
=
tb
x
ρ
kg/m
3
.
079,964
2
=
tb
x
ρ
kg/m
3
.
Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chưng là:
=
−
+=
2
1
1
1
1
1
tbtbtb
x
tb
x
tb
x
aa
ρρρ
079,964
225,01
25,724
225,0
−
+
23,897
=⇒
tb
x
ρ
kg/m
3
II.2.3. Tính tốc độ hơi đi trong đoạn chưng
- Các công thức còng nh ý nghĩa các ký hiệu có trong các công thức
tính tốc độ hơi đi trong đoạn chưng tương tù nh trong đoạn luyện, chỉ khác về
trị số nên trong phần này không giải thích lai.
• Tính G
x
, G
y
.
Ta có G
y
= g’
tb
.M
ytbc
= 145,864.23,194=3383,17 kg/h
93977,0
3600
17,3383
==⇒
C
y
G
kg/s
150,241
2
846,237297,132158,112
2
'
11
=
++
=
++
=
GFG
G
C
x
kmol/h
22
• hoặc G
xc
=241,15.M
xtbc
=241,15.[46.x
tbc
+(1-x
tbc
).18] = 5127,33 kg/h
• Tính độ nhít.
- Độ nhít của nước ở t = 20
o
C, Tra bảng I.102 trong [I – 94] ta có µ
n
=
1,005.10
-3
Ns/m
2
.
- Độ nhít của pha lỏng ở t
o
tb
= 91,315
o
C. Nội suy theo bảng I.101 trong [I –
91] ta được.
3
10.3733,0
63
−
==
OHCA
µµ
N.s/m
2
3
10.3157,0
66
−
==
HCB
µµ
N.s/m
2
Vậy độ nhít của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là
lgµ
hh
= x
tb
.lgµ
A
+ (1 - x
tb
).lgµ
B
[I – 84] [I
– 84]
lgµ
hh
= 0,1165.lg(0,3733.10
-3
) + (1 – 0,1165)lg(0,3157.10
-3
)
µ
hh
= µ
x
= 0,3219.10
-3
Ns/m
2
Thay số liệu đã tính được ta có
4589,0
23,897
7687,0
.
17,3383
33,5127
.
8/14/1
8/1
4/1
=
=
=
tb
tb
x
y
y
x
G
G
X
ρ
ρ
Y = 1,2e
-4.0,4598
= 0,1914
Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xén nh đã chọn ở trên.
Từ công thức:
16,0
3
.
2
.
.
=
y
x
xd
yds
tb
tb
Vg
Y
µ
µ
ρ
ρσω
[II – 187]
[II – 187]
16,0
3
3
3
16,0
3
2
10.005,1
10.3219,0
.7687,0.165
23,897.76,0.81,9.1914,0
=
=
−
−
y
x
yd
xd
s
tb
tb
VgY
µ
µ
ρσ
ρ
ω
ω
s
2
= 6,995 ( m/s)
2
ω
s
= 2,645 m/s
Lấy ω = 0,8ω
s
23
ω = 0,8.2,645 = 2,10 m/s
Vậy đường kính của đoạn luyện là:
( )
857,0
10,2.7687,0
17,3383
.0188,0
.
.0188,0
===
tb
yy
tb
C
g
D
ωρ
m.
Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là D
C
= 0,8 m
• Thử lại điều kiện làm việc thực tế.
- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chưng là:
43,2
7687,0.8,0
0188,0.17,3383
2
2
==
y
ω
m/s
- Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là:
9,0
663,2
43,2
==
s
tt
ω
ω
Vậy chọn đường kính là 0,8 m có thể chấp nhận được.
• Kiểm tra cách chọn đệm.
0184,0
165
76,0.4
.4
===
d
d
td
V
d
σ
m
48,43
0184,0
8,0
==⇒
td
C
d
D
III. TÍNH CHIỀU CAO THÁP.
- Đối với tháp đệm, chiều cao làm việc của tháp hay chiều cao líp đệm được
xác định theo công thức:
H = h
đv
.m
y
(m)[II – 175]
[II – 175]
Trong đó:
h
đv
: chiều cao của một đơn vị chuyển khối, m
m
y
: sè đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ pha hơi.
III.1. Tính chiều cao đoạn luyện.
24
III.1.1. 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.
21
.
.
h
G
Gm
hh
x
y
dv
+=
[II – 177]
Trong đó:
h
1
: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi
h
2
: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha láng
m: hệ sè phân bố trung bình ở điều kiện cân bằng pha
G
y
, G
x
: lưu lượng hơi và lỏng trung bình đi trong tháp, kg/s
• Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h
1
, h
2
.
3/225,0
1
Pr.Re.
yy
d
d
a
V
h
σψ
=
, m[II – 177]
[II – 177]
5,025,0
3/2
2
Pr 256
xx
x
x
Rxh
=
ρ
µ
,m[II – 177]
[II – 177]
Trong đó:
a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng thì a = 0,123
µ
x
: độ nhít của pha láng, Ns/m
2
V
đ
: thể tích tự do của đệm, m
3
/m
3
ρ
x
: khối lượng riêng của lỏng, kg/m
3
ψ: 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
t
x
tt
F
V
U
=
: mật độ tưới thực tế, m
3
/m
2
.h
U
tt
= B.σ
đ
: mật độ tưới thích hợp, m
3
/m
2
.h
Trong đó:
25
V
x
: lưu lượng thể tích của chất lỏng, m
3
/h
F
t
: diện tích mặt cắt tháp, m
2
σ
đ
: bề mặt riêng của đệm, m
2
/m
3
B: hằng số, B = 0,065 m
3
/m.h Bảng IX.6 trong [II – 177]
- Chọn đệm loại vòng Rasiga có các thông sè :
30x30x3,5mm
V
đ
= 0,76 m
3
/m
3
σ
đ
= 165 m
2
/m
3
a = 0,123
• Xác định ψ
Ta có
t
x
tt
F
V
U
=
;
U
th
= B.σ
đ
Mà
6358,0
4
9,0.14,3
4
.
22
===
D
F
t
π
m
2
698,4
74,799
22,3757
===
x
x
x
G
V
ρ
m
3
/h
3886,7
63585,0
698,4
===⇒
t
x
tt
F
V
U
m
3
/m
2
.h
σ
đ
= 165 m
2
/m
3
U
th
= 0,065.165 = 10,725 m
3
/m
2
.h
6889,0
725,10
3886,7
==⇒
th
tt
U
U
Tra hình IX.16 trong [II – 178] ta được ψ
L
= 0,75
• Xác định chuẩn số Reynon
- Chuẩn sè Reynon của pha hơi:
dy
sy
y
σµ
ωρ
.
4,0
Re
=
[II – 178]
26
Ta có µ
y
= µ
hh
được tính theo
B
B
A
A
hh
hh
MmMm
M
µµµ
21
+=
[I –
85]
Trong đó:
M
hh
, M
A
, M
B
: khối lượng phân tử của hỗn hợp và cấu tử Rượu Etylic và Nước.
µ
hh
, µ
A
, µ
B
: độ nhít của hỗn hợp và cấu tử Rượu Etylic và Nước
m
1
, m
2
: nồng độ của Rượu Etylic và Nước tính theo phần thể tích.
Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol,
nên m
1
= y
tbL
, m
2
= 1 – y
tbL
.
Thay vào ta có:
( ) ( )
B
BtbL
A
AtbL
hh
BtbLAtbL
MyMyMyMy
µµµ
.1.1.
−
+=
−+
( ) ( )
BBA
B
ABA
A
hh
MyMy
My
MyMy
My
µµµ
1
.
1
)1(
1
.
1
1
11
1
11
1
−+
−
+
−+
=⇒
BABAhh
aaaa
µµµµµ
11
2
21
1
1
−
+=+=⇒
a
1
, a
2
: nồng độ phần khối lượng của Rượu Etylic và Nước.
Ta có
6002,0
=
tbL
y
phần mol
( )
18).6002,01(46.6002,0
46.6002,0
.1.
.
11
1
1
−+
=
−+
=⇒
BtbAtb
Atb
MyMy
My
a
a
1
= 0,793 phần khối lượng
từ t
ytb
= 81
0
C ta tìm được.
3
10.10292`0,0
−
=
A
µ
N.s/m
2
3
10.0123,0
−
=
B
µ
N.s/m
2
33
10.0123,0
793,01
10.010292,0
793,01
−−
−
+=⇒
hh
µ
=> µ
hh
= 40,787.10
-6
N.s/m
2
27
