THIẾT kế hệ THỐNG THIẾT bị CHƯNG LUYỆN LIÊN tục hỗn hợp HAI cấu tử METYLIC – nước

LỜI MỞ ĐẦU Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hóa học là thiết kế một thiết bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, sinh viên Kỹ thuật Hóa học trườn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH - THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM

-

 -ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN

LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ

METYLIC – NƯỚC

Sinh viên thực hiện: Vũ Anh Đức MSSV: 20180668

Lớp: KTHH.05 – K63 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Thu Huyền

HÀ NỘI 2022

- Loại thiết bị: tháp chưng luyện loại đệm

II Các số liệu ban đầu

Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: 3,5 (kg/s)

Nồng độ hỗn hợp theo phần trăm khối lượng:

- Hỗn hợp đầu:aF =35 (% khối lượng)

- Hỗn hợp đỉnh: aP = 98 (% khối lượng)

- Hỗn hợp đáy: aW= 0,5 (% khối lượng)

Tháp làm việc ở áp suất khí quyển

Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi

III Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

1 Phần mở đầu

2 Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4)

3 Tính toán kỹ thuật thiết bị chính

V Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Thu Huyền

VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày 10 tháng 10 năm 2021

VII Ngày phải hoàn thành: ngày 27 tháng 12 năm 2022

VIỆN KỸ THUẬT HOÁ HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH –THIẾT BỊ

CÔNG NGHỆ HOÁ VÀ THỰC PHẨM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Họ và tên: Vũ Anh Đức

Lớp: KTHH.05

MSSV: 20180668 Khóa: 63

Người hướng dẫn

MỤC LỤC

PHỤ LỤC 4

LỜI MỞ ĐẦU 5

I GIỚI THIỆU CHUNG 6

1 Giới thiệu chung về quá trình chưng. 6

1.1, Giới thiệu. 6

1.2, Chế độ làm việc của tháp đệm. 6

1.3, Ưu điểm của tháp đệm 7

1.4, Nhược điểm của tháp đệm 7

2 Tổng quan về hỗn hợp chưng. 7

2.1, Rượu metylic (ancol metylic) 7

2.2, Nước 9

2.3, Hỗn hợp rượu metylic – nước. 10

II SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 11

1 Sơ đồ công nghệ, chú thích 11

2 Thuyết minh dây chuyền sản xuất. 13

III TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 14

1 Tính toán cân bằng vật liệu toàn tháp. 14

1.1, Tính cân bằng vật liệu. 14

1.2, Xác định số bậc thay đổi nồng độ 15

1.2.1, Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu (R min ) 15

1.2.2, Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp R th 17

1.2.3, Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp R TH theo tiêu chí thể tích tháp nhỏ nhất 18

1.2.4, Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp R TH theo tiêu chí thể tích V T của tháp 19

2 Xác định số đĩa 21

2.1, Xác định số đĩa dựa vào đồ thị Mccabe - Thiesel 21

2.2, Xác định số đĩ thực tế dựa trên hiệu suất trung bình 23

3 Tính đường kính tháp 24

3.1, Thông số vật lý đoạn chưng. 24

3.2, Thông số vật lý đoạn luyện. 26

3.3, Xác định đường kính tháp 28

3.4, Đường kính đoạn luyện 29

3.5, Đường kính đoạn chưng 31

4 Tính chiều cao tháp. 34

5 Trở lực của tháp. 36

6 Cân bằng nhiệt lượng trong tháp. 39

IV TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 47

1 Tính các đường ống dẫn 47

2 Tính chiều dày của thân tháp hình trụ. 49

3 Tính nắp và đáy thiết bị. 53

4 Tra bích. 55

5 Tính lưỡi đỡ đệm, dầm đỡ đệm, đĩa phân phối lỏng 56

6 Tính chân đỡ đĩa phân phối lỏng 59

V TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 60

1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu. 60

2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh. 65

3 Bơm 71

VI KẾT LUẬN CHUNG 78

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC

I Danh mục hình ảnh

Hình 1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ…… ……… 13

Hình 2 Đồ thị đường cần bằng pha lỏng – pha hơi hỗn hợp metylic – nước………… 17

Hình 3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ V=(NLT +1) – R……… 21

Hình 4 Đồ thị xác định Nltc, Nltl ………24

Hình 5 Sơ đồ cân bằng nhiệt luợng trong tháp chưng luyện… ……… 41

II Danh mục bảng biểu Bảng 1 Chú thích sơ đồ dây chuyền công nghệ……… 12

Bảng 2 Thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử Methanol – Nước……… 16

Bảng 3 Bảng số liệu áp dụng phương trình Molokanov ……… 20

Bảng 4 Loại đệm vòng Pall bằng kim loại đổ lộn xộn……… 30

Bảng 5 Các thông số vật lý vật liệu X18H10T……… 52

LỜI MỞ ĐẦU

Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hóa học là thiết kế một thiết

bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, sinh viên Kỹ thuật Hóa học trường Đại học Bách khoa Hà Nội được nhận đồ án môn học: “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của môn học Trên cơ sở kiến thức đó và một số môn khoa học khác có liên quan, mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế một thiết bị, hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trong các quá trình công nghệ Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy trình trong tính toán và thiết kế, tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn phòng khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống

Trong đồ án môn học này, nhiệm vụ phải hoàn thành là hiết kế hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử Rượu metylic – Nước làm việc ở áp suất khí

quyển Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi, tháp loại đệm, năng suất 3,5 kg/s, nồng độ

hỗn hợp theo phần trăm khối lượng: hỗn hợp đầu (aF = 35%); hỗn hợp đỉnh (aP = 98%); hỗn hợp đáy (aw=0,5)

Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinh nghiệm thực

tế và nhiều mặt khác nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thiết kế Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, xem xét và chỉ dẫn thêm của thầy, cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thị Thu Huyền đã hướng dẫn em hoàn

thành đồ án này!

I GIỚI THIỆU CHUNG

1 Giới thiệu chung về quá trình chưng

1.1, Giới thiệu

Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Chúng ta có thể thực hiện nhiều phương pháp chưng khác nhau như chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, chưng luyện hỗn hợp đẳng phí, chưng phân

tử, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng trích ly

Ngày nay, phương pháp chưng được sử dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp Ở trong đồ án này, ta xét chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử rượu metylic – nước; chúng là sản phẩm thường thấy từ các quá trình lên men trong công nghệ sinh học

Khi chưng, hỗn hợp đầu chứa bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản phẩm Để có thể thu được sản phẩm đỉnh với độ tinh khiết cao ta tiến hành chung luyện nhiều lần hay còn gọi là chưng luyện

Phần đồ án này sẽ trình bày thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp gồm hai cấu tử Rượu metylic – Nước, làm việc ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

Sau quá trình chưng luyện, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi lớn hơn (rượu metylic) và một phần nhỏ cấu tử khó bay hơi hơn (nước) Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi (nước) và một phần nhỏ cấu tử dễ bay hơi hơn (rượu metylic)

1.2, Chế độ làm việc của tháp đệm

Tùy thuộc vào vận tốc khí mà chế độ thủy động trong tháp đệm là chế độ dòng, xoáy hay sủi bọt Chế độ dòng, vận tốc khí còn bé, lực hút phân tử lớn hơn lực ì nên chuyển khối được quyết định bằng khuếch tán phân tử Tăng dần vận tốc đến khi lực ì bằng lực phân tư quá trình chuyển khối được quyết định không chỉ bằng khuếch tán phân tử mà còn khuếch tán đối lưu Chế độ thủy động lúc này chuyển sang chế độ quá

độ Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, ta có chế độ xoáy và quá trình chuyển khối được quyết định bởi khuếch tán đối lưu Tăng vận tốc khí đến một giới hạn nào đó thì xảy ra hiện tượng đảo pha Lúc này chất lỏng sẽ choán toàn bộ tháp và trở thành pha

liên tục, còn khí phân tán vào lỏng và trở thành pha phân tán, tạo bọt Vận tốc khí ứng với điểm đảo pha gọi là vận tốc đảo pha (vận tốc sặc)

Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, song trong thực tế tháp đệm chỉ làm việc ở vận tốc đảo pha, vì nếu tăng nữa thì sẽ rất khó đảm bảo quá trình ổn định Ở chế độ này, chất lỏng chảy thành màng bao quanh đệm, nên còn gọi là chế độ màng Vì vậy, trong thực tế tháp làm việc ở chế độ màng

1.3, 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 của tháp tương đối rộng

1.4, Nhược điểm của tháp đệm

- Khó làm ướt đều đệm

- Tháp quá cao thì phân phối lỏng không đều

2 Tổng quan về hỗn hợp chưng

2.1, Rượu metylic (ancol metylic)

- Công thức phân tử: CH3OH

- Khối lượng phân tử: 32,04 g/mol

- Màu sắc: Không màu, trong suốt

- Có mùi đặc trưng

- Rất nhẹ và dễ bay hơi

- Tỷ trọng (so với nước): 0,799 ÷ 0,8

- Tan vô hạn trong nước

- Rất dễ cháy, khi cháy có ngọn lửa màu xanh và không có khói

- Nhiệt độ sôi: 64,7 °C

- Điểm nóng chảy: -97,6 °C

- Độ nhớt: 5.9×10−4 Pa s (ở 20oC)

- Khối lượng riêng: 0,7918 g/cm3 (ở 20oC)

- Dễ cháy nổ: Methanol là chất dễ cháy do đó cần được bảo quản xa nguồn phát lửa, nguồn điện, ánh sáng mặt trời trực tiếp, bảo quản nơi thông thoáng, tránh xa

- Dễ gây ngộ độc: Methanol là chất cực độc, với một lượng nhỏ có thể gây mù mắt, thậm chí có thể gây tử vong khi cơ thể tiếp xúc với lượng nhiều hơn Do đó tuyệt đối không được uống cồn hoặc dùng cồn thay rượu uống

- Tính chất hóa học:

+ Tác dụng với kim loại kiềm:

2CH3OH + 2Na → 2CH3ONa + H2 + Tác dụng với axit vô cơ:

CH3OH + HBr → CH3Br + H2O + Tác dụng với axit vô cơ và tạo thành este

CH3OH + CH3COOH ⇌ CH3COOCH3 + H2O + Tác dụng với ancol:

2CH3OH → CH3-O-CH3 + H2O + Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn:

CH3OH + CuO → HCHO + Cu + H2O + Phản ứng đốt cháy:

2CH3OH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O + Oxy hóa không hoàn toàn và tạo thành andehit formic

CH3OH + O2 → HCOOH + H2O

- Ứng dụng:

+ Dung môi Methanol là nhiên liệu cho ngành giao thông vận tải, tạo metyl tert- butyl ete để pha vào làm tăng tỉ số octan thay cho tetraetyl chì là chất gây ô nhiễm cho môi trường

+ Methanol là loại dung môi phổ biến sử dụng trong phòng thí nghiệm, đặc biệt dùng để chạy sắc ký lỏng, nâng cap HPLC, chaỵ phổ UV-VIS + Methanol công nghiệp được dùng trong xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp

+ Ứng dụng làm pin nhiên liệu cung cấp hydrogen

+ Sử dụng phổ biến trong sản xuất fomalin, andehit formic và axit axetic… + Methanol có vai trò quan trọng trong ngành sơn, in ấn, chất chống đông lạnh, làm nhiên liệu cho các bếp lò nhỏ, cung cấp nhiên liệu đông cơ đốt

- Điều chế:

+ Sản xuất hóa chất methanol từ khí thiên nhiên

- Các giai đoạn của quá trình sẽ diễn ra như sau:

+ Chuyển khí thiên nhiên để sản xuất khí tổng hợp → Chuyển hóa khí tổng hợp thành methanol thô → Chưng cất methanol thô để tạo ra methanol có

độ tinh khiết yêu cầu

CH4 + O2 → CH3OH (xúc tác là Cu ở nhiệt độ 20 độ C,100atm)

CO + H2 → CH3OH (có xúc tác và nhiệt độ) + Methanol là sản phẩm phụ của quá trình chưng cất rượu etylic Methanol chính là phần chất lỏng đầu tiên ngưng tụ được khi nấu rượu theo cách chưng cất truyền thống

+ Điều chế methanol từ khí hydro và cacbonic

CO2 + H2 → CH3OH + H2O

2.2, Nước

- Công thức phân tử: H2O

- Khối lượng phân tử: 18,015 g/mol

- Là chất lỏng, không màu, không mùi

- Một số thông số vật lý quan trọng (ở nhiệt độ 20oC):

+ Khối lượng riêng: 998,2 kg/m3

+ Nhiệt dung riêng: 0,99947 cal/kg.độ (ở áp suất khí quyển)

+ Độ nhớt động lực: 1,002.103 N.s/m2

+ Nhiệt lượng riêng: 839.10-2 J/kg

- Trong công nghiệp hóa học nước được dùng với nhiều mục đích khác nhau, vì vậy các nhà máy hóa chất thường được đặt cạnh những nguồn nước Có nhiều nguồn nước khác nhau để cung cấp cho nhà máy như là nước trời, nước ngầm và nước bề mặt Mỗi loại nước sẽ có cách xử lý khác nhau phù hợp với quá trình sản

xuất, chủ yếu với các quá trình chính là lắng, lọc, làm mềm, trung hòa, giải khí độc và sát trùng nước

2.3, Hỗn hợp rượu metylic – nước

- Là hỗn hợp dễ cháy nổ, có tính ăn mòn

II SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

1 Sơ đồ công nghệ, chú thích

2 T-1 Thùng chứa hỗn hợp đầu

3 T-2 Thùng chứa sản phẩm đáy

4 T-3 Thùng chứa sản phẩm đỉnh

5 H-1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

6 H-2 Thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp

7 C-1 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

8 C-2 Thiết bị ngưng tụ hồi lưu sản phẩm đỉnh

9 C-3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

10 R-1 Thiết bị chia dòng hồi lưu sản phẩm đỉnh

11 R-2 Thiết bị chia dòng hồi lưu hơi ở đáy tháp

14 X-1 Thiết bị tháo nước ngưng sau thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

15 X-2 Thiết bị tháo nước ngưng sau thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp

16 F-1 Lưu lượng kế đo lưu lượng hỗn hợp đầu

17 F-2 Lưu lượng kế đo lưu lượng sản phẩm đỉnh

18 V1, …V-18 Hệ thống van

Bảng 1 Chú thích sơ đồ dây chuyền công nghệ

Hình 1: Sơ đồ dây chuyền công nghệ

2 Thuyết minh dây chuyền sản xuất

Dung dịch đầu từ thùng chứa hỗn hợp đầu T-1 được bơm P-1 bơm liên tục đưa vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu H-1 qua van V-2 và lưu lượng kế F-1 Bơm P-2 được lắp song song dự phòng trường hợp bơm P-1 bị hỏng hóc Tại thiết bị gia nhiệt H-1, dung dịch được đun núng đến nhiệt độ sôi tF thì được đưa vào tháp chưng luyện E-1 tại vị trí đĩa tiếp liệu

Trong tháp chưng luyện E-1, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống, nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi của nồng độ

Trong tháp chưng luyện E-1 xảy ra quá trình truyền chất giữa pha lỏng và pha hơi, quá trình bốc hơi và ngưng tụ một phần lặp lại nhiều lần, cuối cùng trên đỉnh tháp thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ cấu tử dễ bay hơi và dưới đáy tháp thu được sản phẩm đáy có nồng độ cấu tử khó bay hơi

Lỏng dưới đáy tháp giàu cấu tử khó bay hơi qua cơ cấu hồi lưu đáy tháp R-1, một phần sẽ được đưa ra khỏi thiết bị và làm nguội ở thiết bị làm nguội C-1, khi đạt đến nhiệt

độ cấp thiết sẽ được đưa ra khỏi thiết bị vào thùng chứa sản phẩm đáy T-2 Một phần sản phẩm đáy sẽ được qua thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp H-2 để hồi lưu trở về tháp

Hơi trên đỉnh tháp giàu cấu tử dễ bay hơi đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu C-2, ở đây nó được ngưng tụ lại Qua cơ cấu hồi lưu R-2, một phần chất lỏng hồi lưu về tháp, một phần khác lại đi qua thiết bị làm nguội C-3 để làm nguội đến nhiệt độ cần thiết rồi

đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh T-3

Như vậy với thiết bị làm việc liên tục thì hỗn hợp đều được đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được tháo ra liên tục

III TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

1 Tính toán cân bằng vật liệu toàn tháp

1.1, Tính cân bằng vật liệu

- Phương trình cần bằng vật liệu cho toàn tháp

- Đối với cấu tử dễ bay hơi:

→ P = 0,833 kg/s = 2998,8 kg/h; W = 2,667 kg/s = 9601,2 kg/h

* Chuyển đổi nồng độ: (A là metylic, B là nước)

Áp dụng công thức: x =

a MA a

MA+

1−a MB [2-126]

- Với xF =

aF MA aF

MA+1−aFMB

=

0.35 32.04 0.35 32.04 +1−0.3518,015 = 0,232 (phần mol)

- Với xP =

aP MA aP

MA+1−aPMB

=

0.98 32.04 0.98 32.04 +1−0.9818,015 = 0,965 (phần mol)

- Với xW =

aW MA aW

MA+1−aWMB

=

0.005 32.04 0.005 32.04 +1−0.00518,015 = 0,003 (phần mol)

1.2, Xác định số bậc thay đổi nồng độ

1.2.1, Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu (R min )

Theo số liệu Bảng IX.2a – [2-149] thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và

nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử Methanol – Nước ở 760 mmHg (%mol) ta có bảng

Hệ hai cấu tử rượu metylic – nước trên đường cân bằng pha lỏng hơi không có

điểm đẳng phí Nên chỉ cần sử dụng riêng phương pháp chưng luyện cũng có thể tách

thu được 2 cấu tử tinh khiết riêng biệt

Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu xF = 23,2% mol, hỗn hợp sản phẩm đỉnh xP = 96,5%

mol, hỗn hợp sản phẩm đáy xW = 0,3% mol lần lượt là: to F= 80,52 oC, to P= 65,03 oC, to

W

= 99,54oC

Hình 2: Đồ thị đường cần bằng pha lỏng – pha hơi hỗn hợp metylic – nước

- Từ đồ thị cân bằng pha, ta nội suy được Bmax= 0,494 phần mol, y*F=60,7

- Chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin được xác định theo công thức:

Bmax = xP

Rmin+ 1 = 96,5

Rmin + 1 = 49,35 => Rmin= 96,5

49,4 − 1 = 0,955 Cách 2: Rmin = xP− yF

∗

yF∗− x F = 0,965− 0,607

0,607 − 0,232 = 0,955

 Như vậy 2 phương pháp cùng giúp xác định được 1 giá trị Rmin= 0,955

- Xác định số đĩa lí thuyết nhỏ nhất NLT min :

- Xác định NLT min ở chế độ hồi lưu hoàn toàn bằng phương pháp đồ thị Khi chỉ

số hồi lưu R → ∞ (chế độ hồi lưu hoàn toàn) đường làm việc của tháp chưng luyện liên tục sẽ trùng với đường chéo của hình vuông (y=x) trên đồ thị Mc Cabe – Thieile và số đĩa lí thuyết NLT của tháp sẽ là nhỏ nhất

- Dựng đồ thị y-x (đồ thị Mc Cabe – Thiele) Từ điểm có tọa độ (xP; yP ) vẽ đường thẳng song song với trục hoành cắt đường cân bằng pha tại 1 điểm; rồi tìm giao điểm đó vẽ đường thẳng song song với trục tung gặp đường làm việc (y=x) ở một điểm khác Cứ tiếp tục dựng các đường song song cho đến khi tới điểm (xW; yW) (tức là x<xW) thì dừng lại Đếm số tam giác giữa đường cân bằng pha và đường làm việc (y=x) Số tam giác có giá trị chính bằng số đĩa lí thuyết nhỏ nhất NLT min cần tìm

- Dựng như đồ thị hình xác định được số đĩa lí thuyết nhỏ nhất NLT min = 7 (đĩa)

1.2.2, Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp R th

- Chỉ số hồi lưu R có ảnh hưởng trực tiếp đến vị trí tương đối của đường làm việc

so với đường cân bằng pha trên đồ thị y-x (Mc Cabe Thiele) vì góc nghiêng đường làm việc của đoạn luyện 𝑡𝑎𝑛𝛼 = 𝑅

𝑅+1 nên sẽ ảnh hưởng đến số đĩa lý thuyết NLT và chiều cao H của tháp Mặt khác chỉ số hồi lưu cũng liên quan rực tiếp tới lượng nhiệt Q cần cấp cho thiết bị đun bay hơi ở dưới tháp: Q=G = P(R+1) Ở đây G – lưu lượng dòng hơi đi trong tháp; P – lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh

- Như vậy chỉ số hồi lưu R có ảnh hưởng đến chiều cao của tháp (khi R tăng, chiều cao H giảm, kinh phí chế tạo tháp giảm) và ảnh hưởng xuôi chiều đến lượng nhiệt tiêu tốn Q (khi R tăng, lượng nhiệt Q tăng, chi phí vận hành tăng) Vì vậy để tháp

lưu thích hợp RTH Chỉ số hồi lưu RTH có thể xác định 2 tiêu chí là: chiều cao H của tháp và thể tích VTháp Tùy theo yêu cầu mức độ chính xác, tính toán công nghiệp thường tính gần đúng chỉ số hồi lưu làm việc bằng RX = (1,2 – 2,5) Rx min [2-158] hay RX = 1,3Rx min +0,3 [2-159]

- Do Rmin = 0.955 nên chỉ số hồi lưu làm việc sẽ trong khoảng Rx = 1,146 – 2,3875 hoặc Rx= 1,5415

1.2.3, Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp R TH theo tiêu chí thể tích tháp nhỏ nhất

- Để chọn Rth ta lập quan hệ NLT = f(R) Quan hệ này có thể được xây dựng bằng phương pháp đồ thị của McCabe – Thiele hoặc sử dụng quan hệ thực nghiệm Gilliand dựa trên phương trình Molokanov

- Trạng thái nhiệt động của hỗn hợp đầu [4-105]

- Từ bảng số liệu I.153 [1-172] sử dụng công thức nội suy tìm giá trị nhiệt dung riêng của rượu Metylic và nước ở nhiệt độ đầu t0 F = 80,52 oC là:

Crượu Metylic = 2862.66 (J/kg); Cnước = 4191,03 (J/kg)

- Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu là: CF = 𝑎𝐹 𝐶𝑚𝑒𝑡𝑦𝑙𝑖𝑐 + (1 − 𝑎𝐹) 𝐶𝑛ướ𝑐 Thay số ta có: CF = 0,35 2862,66 + (1-0,35).4191,03 = 3726,1 (J/kg)

- Từ bảng số liệu I.212 [1-254] sử dụng công thức nội suy tìm ẩn nhiệt hóa hơi của metylic và nước ở nhiệt độ sôi đầu toF = 80,52oC là rmetylic = 253,2 (kcal/kg); rnước

Qr = (80,52 – 20).3726,1 + 1890411,266 = 2115914,838 (J/kg)

- Thông số cablic của hỗn hợp đầu là: q= 𝑄𝑟

𝑟𝐹 = 2115914,8381890411,266 = 1,12

- Hệ 2 cấu tử metylic – nước làm việc ở áp suất khí quyển, có hệ số bay hơi tương đối 𝛼 = ⋯ , thông số caloric của hỗn hợp đầu q=1,12; chỉ số hồi lưu nhỏ nhất Rmin = 0,955; số đĩa lý thuyết nhỏ nhất NLT min = 7 (đĩa) thỏa mãn các điều kiện

áp dụng phương trình Molokanov sẽ có bảng số liệu:

NLT ∞ 18,74 16,80 15,43 15,43 14,41 12,99 12,47 V=NLT(R+1) ∞ 39.36 36.96 35.50 34.59 34.06 33.77 33.67

NLT ∞ 12.04 11.67 11.36 11.09 10.85 10.63 10.44 V=NLT(R+1) ∞ 33.71 33.86 34.08 34.37 34.71 35.09 35.51

Bảng 3 Bảng số liệu áp dụng phương trình Molokanov

1.2.4, Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp R TH theo tiêu chí thể tích V T của tháp

- Đối với các tháp chuyển khối, kinh phí chế tạo tháp thông thường tỷ lệ thuận với thể tích của tháp VT = V=NLT (R+1) để tìm được chỉ số hồi lưu thích hợp cần phải xây dựng được quan hệ V=NLT (R+1) = f(R) Quan hệ này cũng sẽ xây dựng được bằng cách sử dụng đồ thị x-y của McCabe hoặc sử dụng phương trình Molekonov

- Sử dụng phương trình Molekonov ta có bảng số liệu và dựng đường độ thị quan

hệ V=NLT (R+1)

Hình 3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ V=(NLT +1) - R

Từ kế quả của độ thị NT(R+1) – Rx, qua đó ta tìm được Rth = 1.7 với NLT=12,47

2 Xác định số đĩa

2.1, Xác định số đĩa dựa vào đồ thị Mccabe - Thiesel

- Phương trình nồng độ làm việc đoạn chưng:

• f: lượng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol sản phẩm đỉnh

- Thay các số liệu vào phương trình:

3.5 0.833 1.7+1 0,003

• x: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên

• y: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ trên xuống

=> Số đĩa lý thuyết đoạn chưng Nltc = 5 , số đĩa lý thuyết đoạn luyện Nltl = 8, số đĩa lý thuyết cả tháp: Nlt = 13

Hình 4 Đồ thị xác định NLTC , N LTL với R TH = 1,7

2.2, Xác định số đĩ thực tế dựa trên hiệu suất trung bình

- Xác định số đĩa thực tế Ntt = 𝑁𝑙𝑡

ηtb

- Hiệu suất trung bình tính theo công thức:

ηtb = Σui

n , với n i là hiệu suất làm việc của đĩa lý thuyết thứ i

- Độ bay hơi tương đối tính theo công thức:

𝛼 = 𝑦 ∗

1 − 𝑦 ∗.

1 − 𝑥𝑥Trong đó:

• x – nồng độ mol cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi

• y* - nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi

- Độ nhớt của hỗn hợp được tính theo công thức:

log𝜇ℎℎ = 𝑥(𝑙𝑜𝑔𝜇𝑎) + (1 − 𝑥)(𝑙𝑜𝑔𝜇𝑏) Trong đó:

• 𝜇𝑎 – độ nhớt của rượu metylic

• gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)

• (𝜌𝑦 𝜔𝑦)𝑡𝑏: tốc độ hơi trong bình đi trong tháp, kg/m2.s

3.1, Thông số vật lý đoạn chưng

- Nhiệt độ sôi: Nội suy từ bảng số liệu cân bằng lỏng – hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp: với xW = 0,003 => tSw = 99,53oC; xF = 0,232 => tSf = 80,52oC

- Nhiệt độ trung bình đoạn chưng ttb1 = 𝑡𝑆𝑤 + 𝑡𝑆𝑓

• T: Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng, oK; T = ttb1 = 90,025oC

• 𝑦𝑡𝑏1: nồng độ phần mol của rượu metylic lấy theo giá trị trung bình

- Khối lượng riêng của lỏng: 1

𝜌 𝑥𝑡𝑏𝑐 = 𝑎𝑡𝑏1

𝜌 𝑥𝑡𝑏1 + 1 − 𝑎𝑡𝑏1

𝜌 𝑥𝑡𝑏2Trong đó:

• 𝜌𝑥𝑡𝑏𝑐: khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chưng, kg/m3

• 𝜌𝑥𝑡𝑏1, 𝜌𝑥𝑡𝑏2: khối lượng riêng trung bình lần lượt của rượu etylic và nước ở pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3

• 𝑎𝑡𝑏1: phần khối lượng trung bình của rượu etylic trong pha lỏng

Từ bảng I.2 [1 – 9], nội suy tại nhiệt độ 90,025oC ta có 𝜌𝑥𝑡𝑏1= 724,97 kg/m3

Từ bảng I.5 [1 – 12] nội suy tại nhiệt độ 90,025oC ta có 𝜌𝑥𝑡𝑏2= 965,32 kg/m3

- Độ nhớt của khí: μ𝑦 = 𝑚1.𝜇1.√𝑀1.𝑇𝑡ℎ1 + 𝑚2.𝜇2.√𝑀2.𝑇𝑡ℎ2

𝑚1√𝑀 1 𝑇𝑡ℎ1+ 𝑚2√𝑀 2 𝑇𝑡ℎ2 [1 – 86]

Trong đó:

• μ𝑦: độ nhớt của hỗn hợp khí ở nhiệt độ t và áp suất khí quyển

• 𝜇1, 𝜇2: độ nhớt của các cấu tử ở nhiệt độ t

• m1, m2: nồng độ phần thể tích của các cấu tử

• M1, M2: trọng lượng phân tử của các cấu tử

• Tth1, Tth2: nhiệt độ tới hạn của các cấu tử, oK

- Tại nhiệt độ trung bình t = 90,025oC, gọi cấu tử 1 là rượu metylic, cấu tử 2 là nước

3.2, Thông số vật lý đoạn luyện

- Nhiệt độ sôi: Nội suy từ bảng số liệu cân bằng lỏng – hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp:

• T: Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện, oK; T = ttb2 = 72,775oC

• 𝑦𝑡𝑏1: nồng độ phần mol của rượu metylic lấy theo giá trị trung bình

- Khối lượng riêng của lỏng: 1

𝜌 𝑥𝑡𝑏𝑙 = 𝑎𝑡𝑏2

𝜌 𝑥𝑡𝑏1 + 1 − 𝑎𝑡𝑏2

𝜌 𝑥𝑡𝑏2Trong đó:

• 𝜌𝑥𝑡𝑏𝑙: khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện, kg/m3

• 𝜌𝑥𝑡𝑏1, 𝜌𝑥𝑡𝑏2: khối lượng riêng trung bình lần lượt của rượu metylic và nước ở pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3

• 𝑎𝑡𝑏2: phần khối lượng trung bình của rượu metylic trong pha lỏng

Từ bảng I.2 [1 – 9], nội suy tại nhiệt độ 72,775oC ta có 𝜌𝑥𝑡𝑏1= 743,225 kg/m3

Từ bảng I.5 [1 – 11,12] nội suy tại nhiệt độ 72,775oC ta có 𝜌𝑥𝑡𝑏2= 976,19 kg/m3

3.3, Xác định đường kính tháp

Chọn loại đệm vòng Pall bằng kim loại đổ lộn xộn [10 – 237]

Loại đệm

Kích thước (mm)

Khối lượng riêng của lớp đệm (kg/m 3 )

Diện tích

bề mặt riêng (m 2 /m 3 )

Thể tích

tự do (%)

Yếu tố đệm F p

(m -1 )

Nhà cung cấp

hãng

Bảng 4 Loại đệm vòng Pall bằng kim loại đổ lộn xộn

* Xác định vận tốc sặc của tháp:

Từ công thức Y = 𝜔𝑠

2 𝜎𝑑.𝜌𝑦𝑡𝑏𝑔.𝑉𝑑3.𝜌𝑥𝑡𝑏.(𝜇𝑥

𝜇 𝑛)0,16 [2-187] => 𝜔𝑠2 = 𝑌.𝑔.𝑉𝑑

3 𝜌𝑥𝑡𝑏

𝜎𝑑.𝜌𝑦𝑡𝑏.(𝜇𝑥

𝜇𝑛)0,16

• 𝜌𝑥𝑡𝑏, 𝜌𝑦𝑡𝑏: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và hơi, kg/m3

• 𝜇𝑥: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình

• 𝜇𝑛: độ nhớt của nước ở nhiệt độ 20oC, N.s/m2

• Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/s

• Y = 1,2e-4X với X = (𝐺𝑥

𝐺𝑦)

1 4 (𝜌𝑦𝑡𝑏

𝜌𝑥𝑡𝑏)

1 8

Từ bảng I.102 [1 – 94,95] ta có 𝜇𝑛 = 1,005.10-3 N.s/m2

3.4, Đường kính đoạn luyện

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện:

Gy = gtb = 𝑔đ + 𝑔1

2 , kg/h [2 - 181]

Trong đó:

• gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h

• gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h

• g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h

Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp:

• gđ = GR + GP(R+1) = GP(R+1) (GR: lượng lỏng hồi lưu)

• gđ = 2998,8(1,7+1) = 8096,76 kg/h

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình:

• g1 = G1 + Gp

• g1.y1 = G1.x1 + Gp.xP [2 – 182]

• g1r1 = gđ.rđ

Trong đó:

• y1: hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện (phần khối lượng)

• G1: lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện

• r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện

• rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp

Nội suy từ bảng số liệu cân bằng lỏng – hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp ta có:

• yđ: hàm lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần khối lượng

• yđ = yP = 0,985 (Nội suy từ đồ thị cân bằng pha ta có xP = 0.965 => yP = 0.985)

• rm, rn lần lượt là ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất là rượu metylic và nước

ở nhiệt độ to = to P = 65,03 oC

=> Nội suy từ bảng I.212 [I.254] ta có rm = 262,11 kcal/kg = 1097,4 kJ/kg; rn = 573,97 kcal/kg = 2403,1 kJ/kg

=> rđ = 1097,4.0,985 + (1 – 0,985).2403,1=> rđ = 1116.99 kJ/kg

Thay các giá trị đã tính được vào hệ phương trình trên ta được:

𝜌𝑥𝑡𝑏)

1 8 = (4124.88 7123,68)

1 4 ( 1,028 807,81 )

1 8 = 0,379

- Với Y = 1,2e-4X = 1,2e-4.0,379 = 0,2635

𝜔𝑠𝑙2 = 𝑌.𝑔.𝑉𝑑

3 𝜌𝑥𝑡𝑏

𝜎 𝑑 𝜌 𝑦𝑡𝑏 (𝜇𝑥

𝜇𝑛)0,16 = 0,2624.9,81.0,95

3 807,81 130.1,028.(0,505.10−31,005.10−3)

0,16 = 14,89 m/s

=> ωsl = 3.85 (m/s)

* Kiểm tra điều kiện làm việc thực tế

Đường kính được xác định theo công thức D = 0,0188.√ 𝑔𝑡𝑏

Trong đó:

• g’ tb: lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng, kg/h

• 𝑔𝑛′: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/h

• 𝑔1′: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện (𝑔𝑛′ = g1) nên ta

• r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

• r’ 1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

Thay các giá trị đã tính được vào hệ phương trình trên ta được:

Theo công thức ρytbc = 𝑦𝑡𝑏1.𝑀𝐴 + (1 − 𝑦𝑡𝑏1).𝑀𝐵

𝜌 𝑥𝑡𝑏)

1 8 = (14189,31 4588,11)

1 4 ( 0,751 911,67 )

1 8 = 0,546

- Với Y = 1,2e-4X = 1,2e-4.0,546 = 0,1352

- 𝜔𝑠𝑐2 = 𝑌.𝑔.𝑉𝑑

3 𝜌 𝑥𝑡𝑏

𝜎𝑑.𝜌𝑦𝑡𝑏.(𝜇𝑥

𝜇𝑛)

0,16 = 0,1352.9,81.0,953.911,67 130.0,751 (0,304.10−3

***

Kiểm tra lại điều kiện làm việc thực tế:

Nhận thấy chênh lệch giữa Dc và Dl không quá 10%

=> Quy chuẩn đường kính tháp D = 1 m

- Với đoạn chưng:

+ Tốc độ hơi đi trong thực tế: 𝜔𝑐𝑡𝑡 = 5095,44.0,0188

2

12.0,751 = 2,91 (m/s) + Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc: 𝜔𝑐𝑡𝑡

𝜔 𝑠𝑐 = 2,398

3,59 = 0,81

=> Chấp nhận được

- Với đoạn luyện:

+ Tốc độ hơi đi trong thực tế: 𝜔𝐿𝑡𝑡 = 7123,68 0,0188

2

1 2 1,028 = 3,04 (m/s) + Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc: 𝜔𝑙𝑡𝑡

𝜔𝑠𝑙 = 3,04 3,85 = 0,79

=> Chấp nhận được

Từ bảng [10 – 317] và các kết quả tính được ở trên, việc ta chọn đường kính tháp D = 1

m là hợp lý

4 Tính chiều cao tháp

* Tính chiều cao đoạn chưng, đoạn luyện:

- Chiều cao toàn tháp:

H = NLT.hTĐ + (0,8÷1), m [2-168]

- Chiều cao tương đương với đĩa lý thuyết HETP được định nghĩa:

trong đó:

• Hp – chiều cao của lớp đệm

• Nt – số đĩa lý thuyết của lớp đệm

Để xác định HETP ta chọn phương trình Strigle cho chưng cất ở vùng áp suất khí quyển:

- Bộ phận phân phối lỏng hiệu suất cao

* Chiều cao đoạn chưng:

Kiểm tra điều kiện của phương trình Strigle:

+ σc = 40,44.10-3 N/m = 40,44 dyn/cm

+ μc = 0,304.10-3 N.s/m2 = 0,304 cP

=> thỏa mãn điều kiện phương trình Strigle

ln(HETPC) = nH – 0,187 ln (σC) + 0,213 ln (μC) = 1,3582 – 0,187 ln (40,44) + 0,213.ln (0,304)

=> HETPL = 1,972 (ft) = 0,6 (m)

HL = HETPL Nlt L = 0,6.8 = 4,8 (m)

* Chiều cao đĩa phân phối lỏng:

- Chọn loại đĩa phân phối lỏng kiểu TCH – III (kỹ thuật tách II) ở đỉnh tháp

=> chọn H1 = 0,8 m

- Chọn loại đĩa phân phối lỏng kiểu TCH – II ở thân tháp => chọn H2 = 1,1 m

* Chiều cao của nắp và đáy: với D = 1 m chọn Hn = Hđ = 250 mm = 0,25 m

* Chiều cao đoạn chứa ống hồi lưu sản phẩm đáy: Chọn H3 = 0,8 m

* Chiều cao tháp: H = HC + HL + H1 + H2 + H3 + Hn + Hđ = 2,3 + 4,8 + 0,8+ 1,1 + 0,8 + 0,25 + 0,25 = 10,3 (m)

• Δpư - tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha có tốc độ của khí bằng tốc

độ của khí đi qua đệm khô, N/m2

• Gx, Gy – lưu lượng của lỏng và của hơi, kg/s

• 𝜌𝑥, 𝜌𝑦 – khối lượng riêng của lỏng và của hơi, kg/m3

• 𝜇𝑥, 𝜇𝑦 – độ nhớt của lỏng và của hơi, N.s/m2

Tra bảng IX.7 [2 – 189] với hệ hơi - lỏng ta có A = 5,15; m = 0,342; n = 0,190; c = 0,038

* Trở lực của đoạn luyện:

• H: chiều cao lớp đệm ở đoạn luyện, m; H = 9,18 m

• ωy: tốc độ của hơi trong đoạn luyện, m/s; ωy = 2,726 (m/s)

=> ΔPk = 1,56.4,8 3,231

1,8 1,0280,8.1301,2.(4,59.10−6)0,20,953 = 2171,15 (N/m2) Vậy trở lực của đoạn luyện là:

• H: chiều cao lớp đệm ở đoạn chưng, m; H = 2,305 m

• ωy: tốc độ của hơi trong đoạn chưng, m/s; ωy = 2,96 m/s

6 Cân bằng nhiệt lượng trong tháp

* Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị chưng luyện:

Hình 5 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị chưng luyện