MỞ ĐẦU
Ngày nay khoa học kỹ thuật luôn phát triển không ngừng nhằm đáp ứng
tốt nhu cầu sản xuất, tiêu dùng và sinh hoạt của con người. Trong đó cũng phải
kể đến sự đóng góp của ngành công nghiệp hóa chất.
Trước đây với những phương pháp cổ điển và thiết bị lạc hậu người ta đã
sản xuất ra những hóa chất phục vụ cho nhu cầu sản xuất, tiêu dùng của con
người nhưng về chất lưỡng sản phẩm thì không đảm bảo là tốt nhất. Ngày nay,
với sự phát triển của khoa học kĩ thuật con người đã chế tạo ra các thiết bị phục
vụ cho sản xuất nói chung và quá trình sản xuất trong ngành công nghiệp hóa
chấ nói riêng nhằm sản xuất ra các sản phẩm đạt yêu cầu chất lượng phục vụ
nhu cầu của con người.
Trong nội dung đồ án này chúng tôi giới thiệu một phương án thiết kế
thiết bị sản xuất hóa chất đó là thiết bị chưng cất. Thiết bị này có khả năng tách
hỗn hợp hai cấu tử có độ bay hơi khác nhau thành các cấu tử riêng biệt với độ
tinh khiết cao.
Nhiệm vụ thiết kế:
Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị để tách hỗn hợp Aceton – Benzen với
Năng suất theo nguyên kiệu đầu: 3500kg/h
Nồng độ sản phẩm đỉnh: 98% khối lượng
Nồng độ nhập liệu: 35% khối lượng
Nồng độ sản phẩm đáy: 0.5% khối lượng
Áp suất làm việc: áp suất thường
1
CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU VỀ QUY TRÌNH CHƯNG CẤT
ACETON – BENZEN
I.Tính chất của Aceton – Benzen:
I.1 Aceton:
Tính chất vật lý và hóa học:
Aceton là chất lỏng không màu, dễ bay hơi, dễ cháy, có mùi thơm, Tan vô
hạn trong nước, cồn, eter và hầu hết các loại dầu.
CTPT: C
3
H
6
O
CTCT:CH
3
COCH
3
KLPT: 58.08 đvC
Tỷ trọng:d
20
= 0.7899
Nhiệt độ sôi: 56.1
o
C
Nhiệt độ nóng chảy: -94.8
o
C
Chỉ số khúc xạ:
20
D
n 1.3588=
Tác dụng sinh học:
Gây nhức đầu, mệt mỏi, sưng cuốn phổi, lượng lớn gây buồn ngủ.
Ứng dụng:
Aceton được ứng dụng nhiều làm dung môi hữu cơ trong công nghiệp (ví
dụ cho vào vecni, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su…). Nó hòa tan tốt tơ
acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol fomandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực
in ống đồng. Aceton là nguyên liệu để tông hợp thủy tinh hữa cơ. Từ aceton có
thể tổng hợp ceten, sumfomat (thuốc ngủ), các holofom.
I.2 Benzen:
Tính chất vật lý và hóa học:
Benzen là chất lỏng linh động, không màu, có mùi đặc trưng, khúc xạ
mạng ánh sáng, nhiệt độ bốc cháy là 10.7
o
C, benzen hòa tan vô hạn trong các
dung môi hữu cơ không phân cực.
CTPT:C
6
H
6
KLPT: 78.11đvC
Tỷ trọng: d
20
= 0.8765
2
Nhiệt độ sôi: 80
o
C
Nhiệt độ nóng chảy: 5.5
o
C
Chỉ số khúc xạ:
20
D
n 1.5011=
Tác dụng sinh học:
Gây ung thư, làm hư màng nhày, gây khó ngủ, động kinh, giảm trí nhớ.
Ứng dụng:
Dùng làm dung môi hòa tan mỡ, nhựa, iot, và để kết tinh hợp chất hữu cơ,
làm dung môi để xác định trọng lượng phân tử, dùng trong phép soi kính hiển vi,
xác định chỉ số khúc xạ, xác định chỉ số khúc xạ đối với các quặng, dùng trong
tổng hợp hữu cơ.
II.Đặc điểm của hệ Aceton – Benzen:
Aceton – Benzen là hai chất lỏng tan lẫn hoàn toàn vào nhau. Nhiệt độ sôi
của aceton (56.1
o
C ở 760mmHg) và benzen (80.1
o
C ở 760mmHg) cách nhau khá
xa nên dùng phương pháp chưng cất có thể thu được aceton có độ tinh khiết cao.
Trong trường hợp ta không sử dụng phương pháp cô đặc vì cả hai cấu tử
đều có khả năng bay hơi và không sử dụng phương pháp hấp thụ hay trích ly do
phải đưa vào một pha mới để tách riêng 2 cấu tử làm cho quá trình tách phức tạp
hơn.
III. Chọn phương pháp và loại tháp chưng cất:
III.1. Chọn phương pháp chưng cất:
Đối với chưng cất có hai phương pháp thực hiện:
Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kì). Phương pháp
này sử dụng trong các trường hợp sau:
- Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khá xa nhau:
- Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
- Khi tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
- Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
Chưng cất liên tục hỗn hợp nhiều cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục)
là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đọan.
Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục.
Trong trường hợp này do sản phẩm là aceton với yêu cầu có độ tinh khiết
cao khi sử dụng va hỗ hợp aceton –benzen là hỗ hợp không có điểm đẳng phí nên
chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất.
III.2 Chọn loại tháp:
3
Có nhiều loại tháp được sử dụng nhưng đều có chung một yêu cầu cơ bản
là diện tích bề mặt tiếp xúc pha lớn, hoạt động ổn định, hiệu suất cao, năng suất
lớn, dễ chế tạo, lắp đặt,vận hành, sửa chữa và thay thế.
Các loại tháp thường dùng:
- Tháp màng:
Bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt chất lỏng chảy thành màng theo bề mặt vật
rắn thường là thẳng đứng. Bề mặt vật rắn có thể là ống, tấm song song hoặc đệm
tấm.
Tháp màng có ưu điểm là trở lực thấp, sử dụng với vác chất có độ nhớt
cao, thường được dùng trong tinh luyện dầu thực vật, tái chế dầu nhờn, chưng cất
tinh dầu.
-Tháp đệm: cấu tạo gồm một thân tháp rộng có lưới đỡ đệm, ống dẫn khí
và lỏng vào ra. Trong có đổ đầy các đệm làm từ các vật liệu khác nhau (gỗ, nhựa,
kim loại, gốm sứ….) với nhiều hình dạng khác nhau (trụ, cầu. tấm, lò xo, yên
ngựa…)
Tháp đệm có cấu tạo đơn giản, trở lực thấp nhưng có khối lượng lớn, hoạt
động không ổn định, hiệu suất thấp do có hiệu ứng thành.
- Tháp đĩa:
Thường cấu tạo gồm thân hình trụ thẳng đứng, bên trong có đặt các tấm
ngăn cách nhau một khoảng xác định. Trên mỗi đĩa hai pha chuyển động ngược
hoặc chéo chiều: lỏng từ trên xuống, khí từ đưới lên hoặc xuyên qua chất l3ng
chảy ngang. Ở đây tiếp xúc pha xảy ra theo từng bậc là đĩa.
Trong trường hợp này chọn tháp đĩa lỗ để thực hiện quá trình chưng cất vì
các lý do sau:
Năng suất nhập liệu khá lớn 3500kg/h
Yêu cầu về độ tinh khiết cao 98% khối lượng
Tháp đĩa lỗ có kết cấu đơn giản, tiêu tốn ít vật tư chế tạo, trở lực thấp hơn
so với tháp chóp, cho năng suất, hiệu suất cao, hoạt động ổn định.
IV. Quy trình công nghệ:
IV.1 Sơ đồ quy trình công nghệ:
IV.2 Thuyết minh quy trình công nghệ:
Hỗn hợp Aceton – Benzen có nồng độ Aceton 35% (phần khối lượng),
nhiệt độ 30
o
C tại bồn chứa nguyên liệu (11) được bơm (1) bơm lên bồn cao vị (2)
rồi được đưa qua thiết bị gia nhiệt (3) để đun nóng đến nhiệt độ sôi 66.2
o
C. Sau
đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (5) ở đĩa nhập liệu.
4
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp
chảy xuống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây có
sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần
chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo
nên từ nồi đun (9) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Do đó thành phần cấu tử dễ bay hơi
trong pha hơi sẽ tăng dần theo chiều cao của tháp. Nhiệt độ càng lên cao càng
thấp nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là Benzen
sẽ ngưng tụ lại. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp mà Aceton chiếm
nhiều nhất (khoảng 98% khối lượng) va ở đáy tháp thu được hỗn hợp lỏng gồm
hầu hết cấu tử khó bay hơi.
Để tăng mức độ tách, ở đoạn cất được bổ sung bằng một lượng lỏng hồi lưu
từ đỉnh tháp, lượng lỏng hồi lưu được tạo ra nhờ ngưng tụ hơi đi ra từ đỉnh tháp
trong thiết bị ngưng tụ (6), phần còn lại ở thiết bị ngưng tụ được đưa qua thiết bị
làm nguội sản phẩm đỉnh (8). Còn hỗn hợp lỏng ở đáy tháp được đưa ra khỏi tháp,
một phần được dùng để đun bốc hơi ở nồi đun (9) cung cấp lại cho tháp để tiếp
tục làm việc, phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (7) để vào bể chứa sản
phẩm đáy (14).
CHƯƠNG II
CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Số liệu ban đầu:
Nồng độ nhập liệu: 35%(khối lượng)
Nồng độ sản phẩm đỉnh: 98% (khối lượng)
Nồng độ sản phẩm đáy: 0.5% (khối lượng)
Năng suất sản phẩm:3500 (kg/h)
Áp suất hơi đốt: 3 atm
Trạng thái nhập liệu: sôi
Tháp chưng cất loại: tháp đĩa không có ống chảy truyền
Thiết bị phụ: bơm nhập liệu, thiết bị trao đổi nhiệt
Các kí hiệu:
F: lượng nhập liệu ban đầu (kmol/h).
D: Lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h).
W:Lượng sản phẩm đáy (kmol/h).
x
F
: Nồng độ mol Axeton trong dòng nhập liệu.
x
D
: Nồng độ mol Benzen trong sản phẩm đỉnh.
x
W
: Nồng độ mol Benzen trong sản phẩm đáy.
I. Cân bằng vật chất:
5
- Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol:
F
A
F
F F
A B
x
0.35
M
58
x = = =0.42
0.35 1-0.35
x 1-x
+
+
58 78
M M
(phần mol)
D
A
D
D D
A B
x
0.98
M
58
x = = =0.985
0.98 1-0.98
x 1-x
+
+
58 78
M M
(phần mol)
W
A
W
D D
A B
x
0.005
M
58
x = = =0.0067
0.005 1-0.005
x 1-x
+
+
58 78
M M
(phần mol)
- Tính khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp:
M
F
= x
F
M
A
+ (1-x
F
)M
B
= 0.42*58 + (1-0.42)*78 = 69.6 (kg/kmol)
M
D
= x
D
M
1
+ (1-x
F
)M
B
= 0.985*58 + (1-0.985)*78 = 58.3 (kg/kmol)
M
W
= x
W
. M
1
+ (1-x
W
).M
B
= 0.0067*58 + (1-0.0067*78 = 77.9 (kg/kmol)
- Suất lượng dòng nhập liệu:
F
F 3500
F 50.3(kmol / h)
M 58.3
= = =
- Phương trình cân bằng vật chất cho tháp chưng cất:
Cho toàn tháp: F = D + W (1)
Cho cấu tử dẽ bay hơi: F.x
F
= D.x
D
+ W.x
W
(2)
Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình:
{
D W 50.3
0.985.D 0.0067.W 21.216
+ =
⇔
+ =
{
D 21.24(kmol/ h)
W 29.04(kmol/ h)
=
⇔
=
D 21.24(kmol/ h)
W 29.04(kmol/ h)
=
⇔
=
6
I.1 Cân bằng pha hệ Aceton – Benzen:
Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng % mol va nhiệt độ sôi của
hỗn hợp 2 cấu tử ở 760 mmHg.
x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y 0 14 24.3 40 51.2 59.4 65.5 73 79.5 86.3 93.2 100
t 80.1 78.3 76.4 72.8 69.6 66.7 64.3 62.4 60.7 59.6 58.8 56.1
I.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp:
- Chỉ số hồi lưu tối thiểu:
Do nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi nên:
*
D F
*
F F
x y 0.985 0.6074
R min 2.016
y x 0.6074 0.42
− −
= = =
− −
- Chỉ số hồi lưu thích hợp:
Để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp ta lập bảng:
R 2.016 2.2 2.3 2.5 3 3.5 4 4.5
N
lt
∞
72 56 42 31 26 24 23
7
(R+1)n
lt
∞
230.4 184.8 147 124 117 120 126.5
Trong đó n
lt
là số đĩa lý thuyết được xác định từ đồ thị.
Vẽ đồ thị (R – (R+1)n
lt
). Từ đồ thị xác định được chỉ số hồi lưu thích hợp R
= 3.5
I.3 Phương trình đường làm việc:
- Phương trình đường làm việc đoạn cất:
D
R x 3.5 0.985
y x x 0.78x 0.22
R 1 R 1 3.5 1 3.5 1
= + = + = +
+ + + +
- Phương trình đường làm việc đoạn chưng:
W
R f 1 f
y x x
R 1 R 1
+ −
= +
+ +
Với
D W
F W
x x 0.985 0.0067
f 2.367
x x 0.42 0.0067
− −
= = =
− −
3.5 2.367 1 2.367
y x 0.0067 1.304x 0.002
3.5 1 3.5 1
+ −
= + = −
+ +
Từ phương trình đường làm việc ta xác định số đĩa lý thuyết theo đồ thị :số
đĩa phần cất là 19, số đĩa phần chưng là 7
I.4 Số đĩa thực tế:
8
- Hiệu suất của tháp:
( )
tb
f ,η = α µ
y 1 x
.
1 y x
−
α =
−
:α
độ bay hơi tương đối
x,y: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, pha hơi.
µ
: độ nhớt của hỗn hợp tra theo nhiệt độ.
1 2 3
tb
3
η + η +η
η =
1 2 3
, , :η η η
hiệu suất ở mâm đỉnh, mâm nhập liệu và mâm đáy.
Từ đồ thị (x – y) và (t – x,y) tìm nhiệt độ và nồng độ pha hơi cân bằng với
pha lỏng tại các vị trí.
Tại mâm đỉnh:
x
D
= 0.985
y
D
= 0.99
t
D
= 56.5
o
C
Tại mâm nhập liệu:
x
F
= 0.42
y
F
= 0.606
t
F
= 66.2
o
C
Tại mâm đáy:
x
W
= 0.0067
y
W
= 0.019
t
W
= 79.9
o
C
- Xác định độ nhớt, độ bay hơi tương đối và hiệu suất ở các mâm
Tại mâm đỉnh:
{
3 2
o
A
3 2
D
B
0.24.10 (Ns /m )
t 56.5 C
0.4.10 (Ns/ m )
−
−
µ =
= →
µ =
( Bảng I.101 /[1] )
D A D B
lg x .lg (1 x ).lg→ µ = µ + − µ
lg
µ
= 0.985.lg 0.24.10
-3
+ (1-0.985).lg0.4.10
-3
µ
= 0.24.10
-3
(Ns/m
2
)
9
D D
D D
y 1 x 0.99 1 0.99
. . 1.48
1 y x 1 0.99 0.985
− −
α = = =
− −
3 3
. 1.48.* 0.24.10 0.35
− −
α µ = =
1
0.64η =
(tra theo hình IX.11/[II])
Tại mâm nhập liệu:
{
3 2
o
A
3 2
F
B
0.22.10 (Ns/ m )
t 66.2 C
0.37.10 (Ns /m )
−
−
µ =
= →
µ =
µ
= 0.3.10
-3
(Ns/m
2
)
F F
F F
y 1 x 0.6 1 0.42
. . 2.13
1 y x 1 0.6 0.42
− −
α = = =
− −
3 3
. 2.13*0.3.10 0.63.10
− −
α µ = =
1
0.55η =
(tra theo hình IX.11/[II])
Tại mâm đáy:
{
3 2
o
A
3 2
D
B
0.2.10 (Ns /m )
t 79.86 C
0.32.10 (Ns/ m )
−
−
µ =
= →
µ =
µ
= 0.32.10
-3
(Ns/m
2
)
W W
W W
y 1 x 0.019 1 0.0067
. . 2.83
1 y x 1 0.019 0.0067
− −
α = = =
− −
3 3
. 2.83*0.32.10 0.89.10
− −
α µ = =
1
0.5η =
(tra theo hình IX.11/[II])
- Hiệu suất trung bình của phần cất:
0.64 0.55
0.595
2
+
η = =
- Số mâm thực tế phần cất:
lt
tt
n 19
n 36
0.595
= = =
η
- Hiệu suất trung bình của phần chưng:
'
0.55 0.5
0.525
2
+
η = =
- Số mâm thực tế phần chưng:
lt
tt
'
n 7
n 12
0.525
= = =
η
Trong đó phần chưng có 12 mâm, phần cất có 36 mâm, mâm nhập liệu là mâm thứ
12 tính từ đáy tháp lên.
10
II. Cân bằng năng lượng:
II.1 Cân bằng năng lượng cho thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:
Phương trình cân bằng năng lượng:
Q
D1
+ Q
f
= Q
F
+ Q
ng1
+ Q
xq1
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
D1 1 1 1 1 1 1
Q D . D .(r C t )= λ = +
D
1
: lượng hơi đốt (kg/h)
1
λ
: nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)
r
1
: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
t
1
: nhiệt độ nước ngưng
C
1
: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg. độ)
Ta sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất 3 atm, t
sôi
= 132.9
o
C, r
1
= 2171
(kJ/kg) để đun nóng dòng nhập liệu.
11
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:
f f f
Q F.C .t=
t
f
= 30
o
C là nhiệt độ đầu của hỗn hợp
C
f
: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)
{
o
A
f
B
C 2210
t 30 C
C 1777.5
=
= →
=
(J/kg.độ) (Bảng I.153/[I] )
F F
f A B
C x .C (1 x ).C→ = + −
= 0.35*2210 +(1-0.35)*1777.5 = 1928.88 (J/kg. độ)
Q
f
= 3500*1928.88*30 = 2.10
8
(J/h) = 56.3 (kw)
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:
F F F
Q F.C .t=
{
o
A
F
B
C 2325.2
t 66.2 C
C 1962.7
=
= →
=
(J/kg.độ)
C
F
= 2089.6 (J/kg.độ)
Q
F
= 3500*2089.6*66.2 = 4.8.10
8
(J/h) = 134.5 (kw)
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
Q
ng1
= G
ng1
.C
1
.t
1
= D
1
.C
1.
t
1
G
ng1
: lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt (kg/h)
Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh lấy = 5% nhiệt lượng tiêu
tốn: Q
xq1
= 0.05.D
1
.r
1
(J/h)
Lượng hơi nước cần để đun nóng dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi:
8 8
F ng1 xq1 f
F f
1
1 1
Q Q Q Q
Q Q 4.8.10 2.10
D 136.62(kg / h)
0.95.r 0.95* 2171
+ + −
− −
= = = =
λ
II.2 Cân bằng năng lượng cho tháp chưng cất:
Phương trình cân bằng năng lượng:
Q
F
+ Q
D2
+ Q
R
= Q
y
+ Q
ng2
+ Q
xq1
+ Q
W
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
D2 2 2 2 2 2 2
Q D . D .(r C t )= λ = +
D
2
: lượng hơi đốt cần để đun bốc hơi dung dịch ở đáy tháp (kg/h)
2
λ
: nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)
r
2
: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
12
t
2
: nhiệt độ nước ngưng
C
2
: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg. độ)
Ta sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất 3 atm, t
sôi
= 132.9
o
C, r
1
= 2171
(kJ/kg) để đun bốc hơi dung dịch ở đáy tháp.
Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào:
R R R R
Q G .C .t=
t
R
= 56.7
o
C là nhiệt độ của lỏng hồi lưu
C
R
: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)
{
o
A
R
B
C 2294.2
t 56.7 C
C 1912.5
=
= →
=
(J/kg.độ)
C
R
= 2286.6 (J/kg. độ)
R
G D.R 1238.3.5 4334.6(kg / h)= = =
Q
R
= 4334.6*2286.6*56.7 = 5.6.10
8
(J/h) = 155.5 (kw)
Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp:
y D
Q D.(1 R).= + λ
D
λ
: Nhiệt lượng hơi ở đỉnh tháp
D A B
D D
y . (1 y ).λ = λ + − λ
A A D A
r t .Cλ = +
B B D B
r t .Cλ = +
{
o
A
D
B
C 2294.2
t 56.7 C
C 1912.5
=
= →
=
(J/kg.độ)
{
3
A
3
B
r 522.10
r 410.10
=
=
(J/kg)
{
3
A
3
B
652.10
519.10
λ =
→
λ =
(J/kg)
3 3 3
D
652.10 *0.99 519.10 *(1 0.99) 650.10 (J / kg)λ = + − =
Q
y
= 1238.(1+3.5).650.10
3
= 3.6.10
9
(J/h) = 1006.8 (kw)
Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra:
W W W
Q W.C .t=
C
W
: nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ)
{
o
A
W
B
C 2369.5
t 79.86 C
C 2034.3
=
= →
=
(J/kg.độ)
13
C
W
= 2035.9 (J/kg. độ)
Q
W
= 2261.5.2035.9.79.86 = 3.68.10
8
(J/h) = 102.14 (kw)
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
Q
ng2
= G
ng2.
C
2.
t
2
= D
2.
C
2.
t
2
Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh lấy = 5% nhiệt lượng tiêu
tốn ở đáy tháp: Q
xq2
= 0.05.D
2.
r
2
(J/h)
Lượng hơi nước cần để làm bốc hơi hỗn hợp ở đáy tháp:
W y ng 2 xq2 F f W y F f
2
2 2
Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q
D
0.95.r
+ + + − − + − −
= =
λ
9 8 8 8
3.3.10 3.68.10 4.8.10 5.6.10
1294.3(kg / h)
0.95* 2171
+ − −
= =
II.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng khi chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu:
D nl nl 2 1
D.R.r G .C .(t t )= −
Chọn nhiệt độ vào và ra của nước lạnh:
t
1
= 27
o
C, t
2
= 40
o
C,
1 2
o
t t 27 40
t 33.5 C
2 2
+ +
= = =
{
3
A
3
B
r 522.10
r 410.10
=
→
=
(J/kg)
D D
D A B
r x .r (1 x ).r= + −
=0.98*522.10
3
+ (1-0.98).410.10
3
= 520.10
3
(J/kg)
C
nl
= 4176.6 (J/kg. độ)
Lượng nước lạnh tiêu tốn:
3
D
nl
nl 2 1
D.R.r 1238.46*3.5*520.10
G 41502(kg / h) 11.52(kg /s)
C .(t t ) 4176.6.(40 27)
= = = =
− −
II.4. Cân bằng năng lượng của thiệt bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:
Phương trình cân bằng năng lượng:
' '
D D 1 2 n3 n 2 1
D. r C .(t t ) G C (t t )+ − = −
' o
1
t 56.7 C=
nhiệt độ dung dịch vào
' o
2
t 30 C=
nhiệt độ dung dịch ra
14
' '
1 2
' o
t t 56.7 30
t 43.35 C
2 2
+ +
= = =
{
A
B
C 2250.9
C 1842.6
=
→
=
(J/kg. độ)
→
C
D
= 4242.7 (J/kg.độ)
{
3
A
3
B
r 522.10
r 420.10
=
→
=
(J/kg)
→
r
D
= 531.10
3
(J/kg)
Chọn nhiệt độ vào và ra của nước:
t
1
= 27
o
C, t
2
= 40
o
C,
1 2
o
t t 27 40
t 33.5 C
2 2
+ +
= = =
Tại t =33.5
o
C
→
C
n
= 4180.94 (J/kg. độ)
Lượng nước làm lạnh:
' ' 3
D D 1 2
n3
n 2 1
D * r C (t t ) 1238.46* 520.10 2242.7(56.7 30)
G 10743(kg / h)
C *(t t ) 4176.6*(40 27)
+ − + −
= = =
− −
II.5. Cân bằng năng lượng của thiệt bị làm nguội sản phẩm đáy:
Phương trình cân bằng năng lượng:
'' ''
W W 1 2 n4 n 2 1
W. r C .(t t ) G C (t t )+ − = −
'' o
1
t 79.86 C=
nhiệt độ dung dịch vào
'' o
2
t 30 C=
nhiệt độ dung dịch ra
'' ''
1 2
o
t t 79.86 30
t 54.93 C
2 2
+ +
= = =
{
A
B
C 2250.9
C 1903.4
=
→
=
(J/kg. độ)
→
C
W
= 1905.3 (J/kg.độ)
{
3
A
3
B
r 523.10
r 412.10
=
→
=
(J/kg)
→
r
W
= 412.10
3
(J/kg)
Chọn nhiệt độ vào và ra của nước:
t
1
= 27
o
C, t
2
= 40
o
C,
1 2
o
t t 27 40
t 33.5 C
2 2
+ +
= = =
Tại t =33.5
o
C
→
C
n
= 4180.94 (J/kg. độ)
Lượng nước cần dùng:
'' '' 3
W W 1 2
n4
n 2 1
W. r C (t t ) 2261.5. 412.10 1905.3(79.9 30)
G 21104.8(kg / h)
C .(t t ) 4176.6.(40 27)
+ − + −
= = =
− −
15
CHƯƠNG III
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
I.Đường kính tháp:
tb
y y tb
g
D 0.0188
( w )
=
ρ
g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)
y y tb
( w )ρ
: 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 phải tính đường kính đoạn chưng và đoạn cất riêng.
I.1 Đường kính đoạn cất:
Nồng độ trung bình của pha lỏng:
F D
tb
x x 0.42 0.985
x 0.7
2 2
+ +
= = =
Nồng độ trung bình pha hơi:
Y
tb
= 0.780.x
tb
+ 0.22 = 0.78*0.7 + 0.22 = 0.77
Nhiệt độ trung bình pha hơi, pha lỏng tra từ đồ thị t – x,y
x
tb
= 0.7
→
t
x
= 60.67
o
C
y
tb
= 0.77
→
t
y
= 61.48
o
C
Khối lượng mol trung bình và khối lượng riêng trung bình pha hơi:
M
tb
= y
tb
.M
A
+ (1-y
tb
).M
B
= 0.77*58+(1-0.77).78 = 62.7 (kg/kmol)
tb o
3
y
y
M T 62.7 * 273
2.28(kg / m )
22.4.T 22.4(273 61.48)
ρ = = =
+
Khối lượng riêng pha lỏng:
tb A
tb
tb A tb B
x .M 0.7*58
x 0.64
x .M (1 x ).M 0.7 *58 (1 0.7).78
= = =
+ − + −
{
o
A
x
B
745.1
t 60.67 C
835.3
ρ =
= →
ρ =
(kg/m
3
)
tb
tb
x A B
1 x 1 x 0.64 1 0.64
0.0013
745.1 835.3
− −
= + = + =
ρ ρ ρ
16
x
775.48→ ρ =
(kg/m
3
)
Lượng hơi trung bình trong đoạn cất:
v r
tb
g g
g
2
+
=
g
v
: lượng hơi đi vào đĩa đầu tiên của phần cất.
g
r
: lượng hơi đi ra đĩa cuối cùng của đoạn cất.
r r
g G D D(R 1) 1238(3.5 1) 5573(kg / h)= + = + = + =
Lượng hơi g
v
, hàm lượng y
v
, lượng lỏng G
v
được xác định theo phương
trình cân bằng vật chất và năng lượng sau:
v v
v v v v D
v v r r
g G D
g .y G .x D.x
g .r g .r
= +
= +
=
(1)
v A v v B
r r .y (1 y ).r= + −
r A D D B
r r .y (1 y ).r= + −
Tại vị trí nhập liệu:
{
o
A
x
B
r 512
t 66.2 C
r 403.7
=
= →
=
(kJ/kg)
v A v v B B A B v v
r r .y (1 y ).r r (r r )y 403.7 108.3y (kJ / kg)= + − = + − = +
Tại đỉnh tháp:
{
o
A
x
B
r 522.1
t 56.7 C
r 410.6
=
= →
=
(kJ/kg)
y
D
= 0.99
D
y 0.986→ =
r A D D B
r r .y (1 y ).r 522.1*0.986 (1 0.986)* 410.6 520.6= + − = + − =
(kJ/kg)
Từ (1)
→
v v
v v v
v v r r
v v
g G 1238
g .y 0.35G 1238*0.98
g .r g .r 16100*520.6
r 403.7 108.3y
= +
= +
= =
= +
v
v
v
v
g 6379
G 5140
y 0.47
r 455
=
=
→
=
=
v r
tb
g g 6379 5573
g 5976
2 2
+ +
= = =
(kg/h)
Tốc độ hơi đi trong tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền:
Tốc độ giới hạn trên:
Y = 10.e
-4X
17
0.25 0.125
x x
y y
G
X .
G
ρ
=
÷ ÷
÷ ÷
ρ
0.16
2
y
x x
2
td td y y
w
Y . .
g.d .F
ρ µ
=
÷ ÷
÷ ÷
ρ µ
F
td
: mặt cắt tự do của đĩa (m
2
/ m
2
)
w
y
: tốc độ hơi (m/s)
G
x
, G
y
: lưu lượng lỏng và hơi đi trong tháp (kg/h)
d
td
: đường kính tương đương của lỗ (m). Chọn d
td
= 4 mm.
Lưu lượng lỏng đi trong đoạn cất:
x
F D 3500 1238
G 2369(kg / h)
2 2
+ +
= = =
0.25 0.125
0.25 0.125
x x
y y
G 2369 2.28
X . . 0.38
G 5976 775.48
ρ
= = =
÷ ÷
÷ ÷
÷ ÷
ρ
3 2
n
10 (Ns / m )
−
µ =
là độ nhớt của nước ở 20
o
C
{
3
o
A
3
x
B
0.23.10
t 60.67 C
0.39.10
−
−
µ =
= →
µ =
(Ns/m
2
)
3 2
x
0.268.10 (Ns / m )
−
→ µ =
2
td
D
F (15 20)%
4
π
= ÷
Chọn D
1
= 1.13 (m)
2
2 2
td
.1.13
F 0.15 0.15(m / m )
4
π
→ = =
4X 2 4*0.373 3
td td
y
0.16 0.16
3
y
x
3
x n
10.e .g.d .F 10.e *9.81* 4.10 * 0.15
w 0.9(m / s)
2.28 0.27.10
.
.
775.5 10
− − −
−
−
= = =
ρ
µ
÷
÷
÷
÷
ρ µ
Tốc độ trung bình của hơi đi trong tháp:
tb y
w (0.8 0.9)w 0.8*0.9 0.73(m / s)= ÷ = =
Đường kính đoạn cất:
tb
1
y y tb
g 5976
D 0.0188 0.0188 1.14 D
( w ) 2.8* 0.73
= = = ≈
ρ
Vậy chọ đường kính theo tiêu chuẩn D
cất
=1.2 (m)
18
I.2 Đường kính đoạn chưng:
Nồng độ trung bình của pha lỏng:
W D
tb
x x 0.0067 0.42
x 0.213
2 2
+ +
= = =
Nồng độ trung bình pha hơi:
y
tb
= 1.3.x
tb
- 0.002 = 1.3*0.213-+ 0.002 = 0.28
Nhiệt độ trung bình pha hơi, pha lỏng tra từ đồ thị t – x,y
x
tb
= 0.213
→
t
x
= 72.37
o
C
y
tb
= 0.28
→
t
y
= 75.61
o
C
Khối lượng mol trung bình và khối lượng riêng trung bình pha hơi:
M
tb
= y
tb.
M
A
+ (1-y
tb
).M
B
= 0.27*58+(1-0.27).78 = 72.5 (kg/kmol)
tb o
3
y
y
M T 72.5*273
2.53(kg / m )
22.4.T 22.4(273 75.68)
ρ = = =
+
Khối lượng riêng pha lỏng:
x
tb
= 0.213 (phần mol)
→
tb
x 0.168=
(phần khối lượng)
{
o
A
x
B
729.3
t 72.37 C
823
ρ =
= →
ρ =
(kg/m
3
)
tb
tb
x A B
1 x 1 x 0.167 1 0.167
0.0012
729.3 823
− −
= + = + =
ρ ρ ρ
x
805.6→ ρ =
(kg/m
3
)
Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng:
v r
tb
g g
g
2
+
=
g
v
: lượng hơi đi vào đoạn chưng.
g
r
: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn cất
Lượng hơi g
v
, hàm lượng y
v
, lượng lỏng G
v
được xác định theo phương
trình cân bằng vật chất và năng lượng sau:
v v
v v v w w
v v r r
G g W
G .x g .y W.x
g .r g .r
= +
= +
=
(1
’
)
Trong đó:
19
y
w
= 0.019
→
w
y = 0.014
v A w w B
r r .y (1 y ).r= + −
{
o
A
x
B
r 496.3
t 79.86 C
r 393.7
=
= →
=
(kJ/kg)
r
v
= 395.1 (kJ/kg)
Từ (1
’
)
→
v v
v v v
v v
G g 2261.6
G .x g .0.014 2261.6*0.005
g .395.1 2901188
= +
= +
=
v
v
v
G 9604.4
x 0.012
g 7342.8
=
→ =
=
v r
tb
g g 7342.8 6379
g 6808.7
2 2
+ +
= = =
(kg/h)
Tốc độ hơi đi trong tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền:
Tốc độ giới hạn trên:
Y = 10.e
-4X
0.25 0.125
x x
y y
G
X .
G
ρ
=
÷ ÷
÷ ÷
ρ
0.16
2
y
x x
2
td td y y
w
Y . .
g.d .F
ρ µ
=
÷ ÷
÷ ÷
ρ µ
F
td
: mặt cắt tự do của đĩa (m
2
/ m
2
)
w
y
: tốc độ hơi (m/s)
G
x
, G
y
: lưu lượng lỏng và hơi đi trong tháp (kg/h)
d
td
: đường kính tương đương của lỗ (m). Chọn d
td
= 4 mm.
Lưu lượng lỏng đi trong đoạn chưng:
x
W F 2261.5 3500
G 1750(kg / h)
2 2
+ +
= = =
0.25 0.125
0.25 0.125
x x
y y
G 1750 2.53
X . . 0.37
G 6860.7 806.6
ρ
= = =
÷ ÷
÷ ÷
÷ ÷
ρ
3 2
n
10 (Ns / m )
−
µ =
là độ nhớt của nước ở 20
o
C
{
3
o
A
3
x
B
0.21.10
t 72.37 C
0.344.10
−
−
µ =
= →
µ =
(Ns/m
2
)
3 2
x
0.31.10 (Ns / m )
−
→ µ =
20
2
td
D
F (15 20)%
4
π
= ÷
Chọn D
1
= 1.15 (m)
2
2 2
td
*1.15
F 0.15 0.16(m / m )
4
π
→ = =
4X 2 4*0.373 3
td td
y
0.16 0.16
3
y
x
3
x n
10.e .g.d .F 10.e *9.81* 4.10 * 0.16
w 0.9(m / s)
2.53 0.31.10
.
.
805.6 10
− − −
−
−
= = =
ρ
µ
÷
÷
÷
÷
ρ µ
Tốc độ trung bình của hơi đi trong tháp:
tb y
w (0.8 0.9)w 0.8*0.9 0.73(m / s)= ÷ = =
Đường kính đoạn chưng:
tb
1
y y tb
g 5976
D 0.0188 0.0188 1.14 D
( w ) 2.53*0.73
= = = ≈
ρ
Vậy chọ đường kính theo tiêu chuẩn D
chưng
=1.2 (m)
Đường kính của tháp: D = 1.2 (m)
II.Tính trở lực tháp:
II.1 Tổng trở lực qua mỗi đĩa phần cất:
d k s t
P P P P∆ = ∆ + ∆ + ∆
Trở lực đĩa khô:
2
o y
2
d
w
P (N / m )
2
ρ
∆ = ξ
ξ
: hệ số trở lực đĩa khô. Đối với đĩa lỗ chọn
ξ
= 2.1
y
ρ
: khối lượng riêng của hơi (kg/m
3
)
w
o
: tốc độ hơi qua lỗ của đĩa
Chọn tổng diện tích lỗ bằng 10% tổng tiết diện đĩa:
Vận tốc khí đi trong phần cất:w
tb
= 0.72(m/s)
Vận tốc khí qua 1 lỗ:
tb
o
w 0.72
w 7.17(m /s)
0.08 0.1
= = =
2
2
0. y
2
d
w
7.17 *2.28
P 2.1 123.44(N / m )
2 2
ρ
→ ∆ = ξ = =
Trở lực do sức căng bề mặt:
s
td
4.
P
d
σ
∆ =
21
σ
: sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp
{
3
o
A
3
x
B
18.52.10
t 60.67 C
23.62.10
−
−
σ =
= →
σ =
(N/m) (Bảng I.242 [I] )
tb
tb
3 3
A B
1 x 1 x 0.64 1 0.0.64
18.52.10 23.62.10
− −
− −
= + = +
σ σ σ
3
20.09.10 (N / m)
−
→ σ =
3
s
3
td
4. 4* 20.09.10
P 20.1
d 4.10
−
−
σ
∆ = = =
(N/m
2
)
Trở lực thủy tĩnh của chất lỏng trên đĩa:
2
t b b
P .g.h (N / m )∆ = ρ
h
b
: chiều cao lớp bọt trên đĩa:
0.2
0.2
2 2
o
3
b td
3
td
w 7.17
h 4.d . 4*4.10 . 0.067(m)
g.d 9.81* 4.10
−
−
= = =
÷
÷
b
ρ
: khối lượng riên của bọt trên đĩa
0.325 0.036
0.18
y
x x
b x
y x y
G
0.43 . . .
G
ρ
µ
ρ = ρ
÷ ÷
÷
÷ ÷
ρ µ
{
6
o
A
6
x
B
6.64.10
t 60.67 C
7.04.10
−
−
µ =
= →
µ =
(Ns/m
2
)
6 2
y
6.75.10 (Ns / m )
−
→ µ =
0.036
0.325 0.18
3
3
b
6
2369 2.28 0.27.10
0.43 . . .775.5 98.73(kg / m )
5975.9 775.5 6.75.10
−
−
ρ = =
÷ ÷
÷
2
t
P 98.73*9.81*0.067 65.13(N / m )∆ = =
Tổng trở lực qua mỗi đĩa của phần cất:
2
d k s t
P P P P 123.44 20.1 65.13 208.67(N / m )∆ = ∆ + ∆ + ∆ = + + =
II.2 Tổng trở lực qua mỗi đĩa phần chưng:
d k s t
P P P P∆ = ∆ + ∆ + ∆
Trở lực đĩa khô:
2
o y
2
d
w
P (N / m )
2
ρ
∆ = ξ
ξ
: hệ số trở lực đĩa khô. Đối với đĩa lỗ chọn
ξ
= 2.1
22
y
ρ
: khối lượng riêng của hơi (kg/m
3
)
w
o
: tốc độ hơi qua lỗ của đĩa
Vận tốc khí đi trong phần chưng: W
tb
= 0.73 (m/s)
Vận tốc khí qua 1 lỗ:
tb
o
w 0.73
w 7.31(m / s)
0.08 0.1
= = =
2
2
d
7.31 *2.53
P 2.1 142.3(N / m )
2
→ ∆ = =
Trở lực do sức căng bề mặt:
s
td
4.
P
d
σ
∆ =
σ
: sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp
{
3
o
A
3
x
B
17.12.10
t 72.37 C
22.22.10
−
−
σ =
= →
σ =
(N/m)
3
21.16.10 (N / m)
−
→ σ =
3
s
3
td
4. 4* 21.16.10
P 21.16
d 4.10
−
−
σ
∆ = = =
(N/m
2
)
Trở lực thủy tĩnh của chất lỏng trên đĩa:
2
t b b
P .g.h (N / m )∆ = ρ
h
b
: chiều cao lớp bọt trên đĩa:
0.2
0.2
2 2
o
3
b td
3
td
w 7.31
h 4.d . 4*4.10 . 0.068m)
g.d 9.81* 4.10
−
−
= = =
÷
÷
b
ρ
: khối lượng riêng của bọt trên đĩa
0.325 0.036
0.18
y
x x
b x
y x y
G
0.43 . . .
G
ρ
µ
ρ = ρ
÷ ÷
÷
÷ ÷
ρ µ
{
6
o
A
6
x
B
8.6.10
t 72.37 C
8.8.10
−
−
µ =
= →
µ =
(Ns/m
2
)
6 2
y
8.76.10 (Ns / m )
−
→ µ =
0.036
0.325 0.18
3
3
b
6
1750 2.53 0.31.10
0.43 . . .805.6 86.53(kg / m )
6860.7 805.6 8.76.10
−
−
ρ = =
÷ ÷
÷
2
t
P 86.53*9.81* 0.074 65.1(N / m )∆ = =
Tổng trở lực qua mỗi đĩa của phần chưng:
23
2
d k s t
P P P P 142.3 21.16 59.54 222.95(N / m )∆ = ∆ + ∆ + ∆ = + + =
Tổng trở lực thủy lực của tháp:
2
P 12* 222.95 36* 208.67 10187.4(N / m )∆ = + =
- Chọn khoảng cách giữa các mâm của tháp: h = 0.3m . Vì các mâm ở phần
chưng có trở lực thủy lực lớn hơn phần cất nên chỉ kiểm tra sự phù hợp của
khoảng cách mâm ở phần chưng.
x
P 222.95
h 1.8 1.8 0.05 0.3m
.g 805.6*9.81
∆
= = = <
ρ
- Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động của mâm.
Vận tốc tốc tối thiểu qua lỗ của pha hơi:
x b
l min
y
g. .h 9.81*805.6*0.068
v 0.67 0.67 7.22(m / s) 7.31(m / s)
. 1.82 * 2.53
−
ρ
= = = <
ξρ
Do đó các lỗ trên mâm đều hoạt động.
III.Chiều cao tháp:
tt d
H n (H ) (0.8 1.0)(m)= + δ + ÷
Chọn
δ
=2mm là bề dày đĩa
H
d
= 0.3m là khoảng cách giữa các đĩa
(0.8
÷
1.0) khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp
H = 48(0.3+0.002)+0.9 = 15.4m.
Vậy chiều cao tháp là 15.4m.
Các thông số của đĩa:
Đường kính lỗ của đĩa là d
l
= 4mm
Chọn bề dày đĩa:
d l
4 8 5
S d .4 2mm
10 10 10
= ÷ = =
÷
.
Diện tích 1 lỗ:
2 3 2
5 2
1
d .(4.10 )
S 1.256.10 (m )
4 4
−
−
π π
= = =
Diện tích tháp:
2 2
2
t
D .1.2
S 1.1304(m )
4 4
π π
= = =
Tổng số lỗ trên một đĩa:
t
5
1
0.1.S 0.1*1.1304
n 9000
S 1.256.10
−
= = =
Chọn cách bố trí các lỗ trên đĩa theo hình sáu cạnh. Bước lỗ là t = 1.5d =
1.5*4 = 6mm. Số hình 6 cạnh là 50, số lỗ trên đường xuyên tâm của hình 6
24
cạnh 101, tổng số lỗ không kể các lỗ trong các hình viên phân là 7651, mỗi
hình viên phân có 7 dãy gồm 237 lỗ. Vậy tổng số lỗ trên một đĩa là 9073 lỗ.
CHƯƠNG IV
TÍNH KẾT CẤU THIẾT BỊ CHÍNH
I.Tính chi tiết ống dẫn:
I.1 Đường kính ống dẫn dòng nhập liệu:
1
1
1
4.Q
d (m)
.v
=
π
chọn vận tốc dòng nhập liệu: v
1
= 2 (m/s)
Q
1
: lưu lượng dòng nhập liệu (m
3
/s)
3
1
F
F 3500
Q 0.0012(m / s)
3600. 3600*794.4
= = =
ρ
F
ρ
: khối lượng riêng của dòng nhập liệu (kg/m
3
)
1
4*0.0012
d 0.03(m)
3.14*2
→ = =
Chọn đường kính ống theo tiêu chuẩn d
1
= 32mm
Chiều dài đoạn ống nối: l
1
= 90mm (Theo bảng XIII.32 [II] )
Vận tốc thực của dòng nhập liệu:
1
1
2
1
4Q 4* 0.0012
v 1.52(m / s)
d 3.14 *0.032
= = =
π
I.2 Đường kính ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ:
2
2
2
4.Q
d (m)
.v
=
π
Chọn vận tốc hơi đi qua ống: v
2
= 20 (m/s)
Q
1
: lưu lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp (m
3
/s)
3
2
D
D 1238.5
Q 0.15(m /s)
3600. 3600* 2.28
= = =
ρ
D
ρ
: khối lượng riêng pha hơi trong đoạn cất (kg/m
3
)
25