Đề tài thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất thường để tách hỗn hợp axeton nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHIỆP HÓA CHẤT VÀ THỰC PHẨM o0o ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài: Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHIỆP HÓA CHẤT VÀ

THỰC PHẨM o0o

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Đề tài: Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở

áp suất thường để tách hỗn hợp axeton – nước

Sinh viên thực hiện: Phan Thị Huyền Trang

MSSV: 20180984

Lớp: Kỹ thuật hóa học 08 – K63

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Xá

Hà Nội, 2022

VI ỆN KỸ THUẬT HOÁ HỌC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH - THIẾT BỊ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC VÀ THỰC PHẨM

I Đầu đề thiết kế: Thiết kế và tính toán hệ thống chưng luyện liên tục làm

việc ở áp suất thường để tách hỗn hợp hai cấu tử: axeton nước

Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi Tháp loại : kiểu c: đĩa lỗ không có ống chảy chuyền

II Các số liệu ban đầu:

- Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu : 7500 kg/h;

- Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi trong:

+ hỗn hợp đầu 42,5% khối lượng;

+ sản phẩm đỉnh 98,5% khối lượng;

+ sản phẩm đáy 1,7% khốilượng

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 Văn Xá

VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày 11 tháng 10 năm 2021

VII Ngày phải hoàn thành: ngày 27 tháng 01 năm 2022

(Họ tên và chữ ký)

TS Nguyễn Văn Xá

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

NỘI DUNG 6

PHẦN I: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT AXETON VÀ NƯỚC 6

1 Sơ đồ công nghệ PFD và thuyết minh sơ đồ 6

a Sơ đồ công nghệ PFD 6

b Các thiết bị sử dụng trong sơ đồ 6

c Thuyết minh sơ đồ 6

2 Hỗn hợp hai cấu tử axeton và nước 7

2.1 Giới thiệu chung 7

2.2 Ứng dụng của axeton trong công nghiệp và dân dụng 8

2.3 Các phương pháp sản xuất axeton 9

3 Tổng quan về phương pháp chưng luyện hai cấu tử 10

PHẦN II: TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH 13

1 Tính cân bằng vật liệu 13

2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp 14

2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin 14

2.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp RTH 16

3 Tính đường kính tháp chưng luyện 23

3.1 Tính đường kính đoạn luyện 23

3.2 Tính đường kính đoạn chưng 29

4 Xác định chiều cao tháp 34

4.1 Xác định hiệu suất chuyển khối trung bình của tháp 34

4.2 Xác định chiều cao của tháp 37

5 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 38

5.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 38

5.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 40

5.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ 44

5.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm mát 45

6 Trở lực của tháp 45

6.1 Trở lực của đĩa khô 46

6.2 Trở lực do sức căng bề mặt 49

6.3 Trở lực thủy tĩnh của lớp chất lỏng trên đĩa 50

6.4 Tổng trở lực của tháp 51

7 Tính toán cơ khí 52

7.1 Tính chiều dày thân tháp 52

7.2 Tính chiều dày đáy, nắp 56

7.3 Tính các ống dẫn vào và ra khỏi tháp 58

7.3.1 Ống dẫn nguyên liệu đầu 58

7.3.2 Ống dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp 59

7.3.3 Ống tháo sản phẩm đáy 60

7.3.4 Ống dẫn lượng lỏng hồi lưu ở đỉnh 60

7.3.5 Ống dẫn hơi sau khi gia nhiệt ở đáy tháp 61

7.4 Chọn các mặt bích 62

7.5 Tính chân đỡ của tháp 63

7.5.1 Tải trọng cực đại của toàn tháp 64

7.5.2 Tính và chọn chân đỡ 67

PHẦN III: TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THIẾT BỊ PHỤ TRỢ 71

1 Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 71

1.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 71

1.2 Tính nhiệt tải trung bình 72

1.2.1 Xác định chế độ chảy của hỗn hợp lỏng trong ống qua chuẩn số Reynold 72

1.2.2 Tính hệ số cấp nhiệt của dung dịch 2 74

1.2.3 Tính hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ 1 75

1.2.4 Tổng trở nhiệt thành ống 76

1.2.5 Nhiệt tải riêng trung bình 76

1.3 Bề mặt trao đổi nhiệt và đường kính thiết bị 76

2 Tính bơm hỗn hợp đầu 77

2.1 Áp suất toàn phần của bơm 78

2.1.1 Áp suất động lực học, Δp đ 78

2.1.2 Áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng, Δp m. 79

2.1.3 Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, Δp c 81

2.1.4 Áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất thủy tĩnh, p H 81

2.1.5 Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị, p t 82

2.1.6 Áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn trong những trường hợp cần thiết, Δp k 84

2.2 Công suất lắp đặt cho bơm 84

3 Tính toán thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp 85

3.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 85

3.2 Tính nhiệt tải trung bình 86

3.2.1 Xác định chế độ chảy của hỗn hợp lỏng trong ống qua chuẩn số Reynold 87

3.2.2 Tính hệ số cấp nhiệt của dung dịch 2 87

3.2.3 Tính hệ số cấp nhiệt của hơi ở sản phẩm đỉnh, 1 89

3.2.4 Tổng trở nhiệt thành ống 89

3.2.5 Nhiệt tải riêng trung bình 90

3.3 Bề mặt trao đổi nhiệt và đường kính thiết bị 90

KẾT LUẬN 92

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành công nghiệp hóa chất là một ngành có lịch sử đâu đời, có những đóng góp quan trọng trong hầu hết các ngành công nghiệp Với ứng dụng rộng lớn, ngành công nghiệp hóa chất có thể khai thác mọi thế mạnh từ tài nguyên khoáng sản, dầu khí, cho đến sản phẩm, thậm chí cả phế phẩm công, nông nghiệp Mặc dù hiện nay, nhìn chung ngành hóa chất vẫn còn lạc hậu, kém phát triển so với các nước khác, tuy nhiên, nó cũng đang từng bước phát triển mạnh mẽ, các công ty, nhà máy sản xuất liên tục được xây dựng với những công nghệ tiên tiến nhất

Trong các quá trình sản xuất, pha chế ra các sản phẩm hóa học thì không thể không

kể đến các dung môi công nghiệp, chúng là hóa chất không thể thiếu trong các ngành công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ Và một trong những dung môi phổ biến nhất là axeton

Axeton là một chất lỏng trong suốt, bay hơi nhanh và có mùi ngọt gắt, nó có khả năng tan vô hạn trong nước và nhiều loại dầu mỡ động, thực vật Nhờ có khả năng bay hơi nhanh mà axeton được sử dụng nhiều trong sản xuất sơn mau khô, sơn móng tay và và các loại mỹ phẩm…Ngoài ra, axeton còn là dung môi trong nhiều loại chất tẩy rửa, trong ngành công nghệ tổng hợp hữu cơ hóa dầu, hay có thể làm hóa chất trung gian

Là một hóa chất được phát hiện từ khá lâu, khi đó, để sản xuất axeton, người ta

đã chưng cất khô muối axetat nhờ phản ứng decarboxyl hay lên men hỗn hợp

axeton-etanol nhờ vi khuẩn Clostridium acetobutylicum Tuy nhiên cả hai phương

pháp này đều không cho hiệu quả cao Hiện nay, axeton đa phần được sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp từ propen, phải đến 82% axeton được tạo ra bằng phương pháp cumen Hay sản xuất trực tiếp từ propen bằng cách oxi hóa hoặc hidro hóa Ngoài ra, axeton còn là sản phẩm phụ của quá trình lên men

Trong các phương pháp kể trên, để tạo ra axeton, các phương pháp trên đều phải thực hiện bước cuối cùng là tách axeton và nước để tăng độ tinh khiết của axeton Hỗn hợp axeton là hỗn hợp lỏng đồng nhất nhưng có nhiệt độ sôi khác xa nhau, nhiệt độ sôi của nước ở áp suất thường là 100C và của axeton là 56,5C Vì vậy,

ta có thể tách hai cấu tử này độc lập với nhau bằng phương pháp chưng luyện

Trong thời đại tự động hóa, quá trình chưng cất cần được tiến hành liên tục và đồng thời có các biện pháp khắc phục các hỏng hóc mà không làm gián đoạn quá trình Cùng với đó là nâng cao hiệu suất, giảm chi phí đầu tư, gia tăng giá trị kinh

tế cho sản phẩm Để làm được điều đó, trước tiên cần phải có những nghiên cứu, thí nghiệm và dần được vào sản xuất với quy mô công nghiệp Nhiệm vụ và mục tiêu của đồ án này là để nghiên cứu thiết kế, tính toán hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất thường để tách hỗn hợp hai cấu tử axeton và nước với kiểu tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Xá đã chỉ dẫn tận tình và chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này Đồng thời, em xin gửi cảm ơn đến các thầy cô và các bạn đã giúp em có những kiến thức bổ ích để em có khả năng hoàn thiện đồ án Tuy nhiên, do kiến thức vẫn còn nhiều hạn chế nên trong đồ án vẫn còn nhiều sai sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ quý thầy cô

và các bạn

NỘI DUNG PHẦN I: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT AXETON VÀ NƯỚC

1 Sơ đồ công nghệ PFD và thuyết minh sơ đồ

a Sơ đồ công nghệ PFD

(được trình bày trong bản A4 đính kèm)

b Các thiết bị sử dụng trong sơ đồ

Bảng 1: Các thiết bị sử dụng tronng sơ đồ STT Ký hiệu Tên các thiết bị

c Thuyết minh sơ đồ

Dung dịch hỗn hợp đầu từ thùng chứa T-1 được bơm P-1 bơm liên tục vào thiết

bị gia nhiệt hỗn hợp đầu H-1 qua van V-1 và lưu lượng kế F-1 Bơm P-1 và P-2 được lắp song song với nhau khi bơm P-1 bị hỏng để hệ thống có thể vận hành

liên tục Tại thiết bị gia nhiệt H-1, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi tiếp tục đưa vào tháp chưng luyện E-1 tại đĩa tiếp liệu

Trong tháp chưng luyện, hơi đi từ dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống, ở đây có

sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, càng xuống phía dưới đáy tháp, nồng độ cấu tử dễ bay hơi càng giảm Nhiệt độ cũng thay đổi theo độ cao, càng lên cao nhiệt độ càng giảm, khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại rơi xuống đáy tháp, cấu tử có nhiệt độ sôi thấp tiếp tục đi lên trên Quá trình bốc hơi

và ngưng tụ được lặp lại nhiều lần bên trong tháp

Phần lỏng rơi xuống đáy tháp giàu cấu tử khó bay hơi hơn, qua cơ cấu hồi lưu đáy tháp R-2, một phần sẽ được ngưng tụ lại thành sản phẩm qua thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy C-1 rồi về thùng chứa sản phẩm đáy T-2, một phần sẽ được đưa qua thiết bị đun sôi đáy tháp H-2, được gia thiệt đến nhiệt độ sôi để hồi lưu lại tháp chưng luyện

Phần hơi bay lên có nhiều cấu tử dễ bay hơi được đưa đến thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp C-2 ngưng tụ hoàn toàn lượng hơi bay ra thành lỏng Một phần lỏng sẽ được hồi lưu lại tháp chưng rơi xuống đáy tháp, một phần được đưa đến thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh C-3 đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh T-3

Như vậy, với thiết bị chưng luyện làm việc liên tục thì hỗn hợp đầu được đưa vào liên tục, sản phẩm được tháo ra liên tục

2 Hỗn hợp hai cấu tử axeton và nước

2.1 Giới thiệu chung

 Axeton còn được gọi là dimethyl keton, là hợp chất hữu cơ, có công thức hóa học là (CH3)2CO Đó là chất lỏng trong suốt, dễ bay hơi và rất dễ cháy với mùi ngọt gắt đặc trưng, là dạng axeton cơ bản nhất Axeton có nhiệt độ sôi khoảng

56C-57C ở áp suất thường, là hợp chất tan vô hạn trong nước

 Một số thông số vật lý của axeton:

 Điểm nóng chảy (°C): -94,6

 Điểm sôi (°C): 56,5

 Độ nhớt : 0.316cP (25C)

 Mật độ tương đối (nước = 1): 0,788

 Mật độ hơi tương đối (không khí = 1): 2,00

 Áp suất hơi bão hòa (kPa): 53,32 (39,5°C)

 Nhiệt lượng đốt cháy (kJ/mol): 1788,7

2.2 Ứng dụng của axeton trong công nghiệp và dân dụng

Axton là hợp chất có ứng dụng đa dạng trong cả công nghiệp, y tế, thí nghiệm

 Axeton là một dung môi tốt cho nhựa và một số sợi tổng hợp Axeton được dùng để pha loãng nhựa polieste, được sử dụng trong các chất tẩy rửa, dụng cụ làm sạch Dùng để pha keo epoxy 2 thành phần trước khi đóng rắn và được sử dụng như một trong những thành phần dễ bay hơi của một số loại sơn và vecni Như một chất tẩy nhờn nặng, axeton rất hữu ích trong việc làm sạch kim loại trước khi sơn và cũng đê loại bỏ nhựa thông sau khi hàn xong

 Mặc dù dễ cháy, axeton được sử dụng rộng rãi như một dung môi để vận chuyển

và lưu trữ axetilen, vì chất này khi chịu áp suất lớn dưới dạng hợp chất tinh khiết

sẽ không an toàn Các thùng chứa bao giờ cũng chứa axetilen được hòa tan trong axeton Một lít axeton có thể hòa tan khoảng 250 lít axetilen

Dung làm hóa chất trung gian

 Axeton dùng để tổng hợp metyl metacrilat

(CH3)2CO + HCN → (CH3)2C(OH)CN (CH3)2C(OH)CN + CH3OH → CH2= C(CH3)COOCH 3 + NH3

– Tổng hợp bisphenol A (là thành phần của nhiều loại polime polycacbonat, polyurethane, nhựa epoxy

(CH3)2CO + 2 C6H5OH → (CH3)2C(C6H4OH)2 + H2O

 Sản xuất dung môi Methyl isobutyl alcohol và Methyl iso butyl ketone

2 (CH3)2CO → (CH3)2C(OH)CH2C(O)CH 3

 Trong y dược – kỹ thuật làm đẹp:

 Sử dụng làm dung môi trong công nghiệp dược phẩm, là thành phần tá dược trong một số loại thuốc, và để sản xuất rượu biến tính

 Được sử dụng nhiều trong các loại thuốc, được xếp vào loại phụ gia thực phẩm

và đóng gói, bảo quản thực phẩm

 Dùng để làm sạch và loại bỏ dầu trên da trước khi lột bỏ da khô, da chết

 Trong thí nghiệm:

 Được dùng trong nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ (như trong phản ứng thế nucleophin lưỡng phân tử, trong quá trình oxy hóa Jones)

 Do giá thành thấp và dễ bay hơi, là dung môi có khả năng hòa tan nhiều chất

mà axeton được dùng làm chất tẩy rửa thủy tinh

 Dùng để duy trì nhiệt đọ thấp khi tiến hành phản ứng hóa học do axeton có thể làm lạnh bởi đá khô đến -78C mà không bị đóng băng

 Ngoài ra còn được dùng như một tracer huỳnh quang trong các thí nghiệm dòng chảy

 Là thành phần chính trong các chất tẩy rửa sơn móng tay, chất tẩy keo siêu dính

và chất tẩy cho đồ gốm sứ, thủy tinh

 Nó được sử dụng để loại bỏ vết dầu bám trên tường, các vết mực cứng đầu có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng axeton

 Dùng trong nghệ thuật in ấn (sau khi đổ một lượng vừa phải vào mặt sau của tấm ảnh được đặt một bề mặt khác và chà, cào lên mặt sau tấm ảnh một thời gian, mực ban đầu của tầm ảnh sẽ chuyển xuống bề mặt ấy)

2.3 Các phương pháp sản xuất axeton

 Trong thời gian chiến tranh thế giới lần thứ nhất, do nhu cầu về nguồn axeton rất lớn, trong khi đó có sự giới hạn trong việc thu được từ việc chưng cất gỗ Để

bổ sung axeton, Hoa Kỳ đã áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH3COO)2

nhờ phản ứng khử cacboxyl

Ca(CH3COO)2 → CaO + CO2↑ + (CH3)2CO

 Đến chiến tranh thế giới lần thứ hai, axeton được sản xuất bằng cách lên men

axeton-ethanol với vi khuẩn Clostridium acetonbutylicum, phát hiện bởi Chaim

Weizmann (sau này là tổng thống đầu tiên của Israel) để giúp các nỗ lực gây chiến của Anh bằng cách chuẩn bị thuốc nổ không khói Sau khi phát minh phương pháp mới với sản lượng tốt hơn thì phương pháp lên men axeton - ethanol đã bị lãng quên

 Ngày nay, axeton được sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp từ propen Khoảng 83% axeton được sản xuất thông qua phương pháp Cumen, và vì sản phẩm từ phương pháp này mà sản xuất axeton luôn gắn liền với sản xuất phenol Phương pháp Cumen gồm việc alkyl hoá benxen với propen, sinh ra isopropylbenzene, được oxi hoá, sinh ra axeton và phenol

 Axeton còn được sản xuất trực tiếp bằng cách oxi hay hydro hoá propen, sinh

ra 2-propanol (isopropanol), và khi oxi hoá isopropanol sẽ được axeton

 Ngoài ra, axeton còn được sản xuất bằng việc oxi hóa trực tiếp butan – propan, lên men cacbohydrat nhờ vi khuẩn đặc biệt

 Đôi khi, axeton cũng được sản xuất dưới dạng sản phẩm phụ của công nghiệp chưng cất

3 Tổng quan về phương pháp chưng luyện hai cấu tử

 Khái niệm: chưng là phương pháp dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng, hoặc hỗn hợp lỏng – khí tạo thành các cấu tử riêng biệt dựa vào đô bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Ở cùng một nhiệt độ, các cấu tử đó sẽ có

áp suất hơi bão hòa khác nhau Thay vì đưa vào hỗn hợp một pha mới để tạo nên

sự tiếp xúc giữa hai pha như hấp thụ, trong quá trình chưng cất, pha mới được tạo nên nhờ bay hơi hoặc ngưng tụ

 Phân biệt chưng và cô đặc:

 Trong quá trình chưng: cả chất tan và dung môi đều bay hơi

 Trong quá trình cô đặc: chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan thì không

 Khi chưng hỗn hợp hai cấu tử:

 Sản phẩm đỉnh bao gồm cấu tử dễ bay hơi (axeton) và một phần nhỏ cấu tử khó bay hơi hơn (nước)

 Sản phẩm đáy gồm cấu tử khó bay hơi (nước) và một phần cấu tử dễ bay hơi hơn (axeton)

 Trong công nghiệp có thể gặp các phương pháp chưng sau:

 Chưng đơn giản: dùng để tách hỗn hợp các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau, thường được dùng để tách sơ bộ và tách các cấu tử khỏi tạp chất

 Chưng bằng hơi nước trực tiếp: dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó hay hơi và tạp chất không bay hơi Dùng trong trường hợp các chất không tan lẫn vào nước

 Chưng chân không: dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu

tử Dùng cho trường hợp các cấu tử dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay các cấu tử

có nhiệt độ sôi quá cao

 Chưng luyện: là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có thể hòa tan một phần hoặc hoàn toàn tan lẫn vào nhau

 Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt

áp suất thường và không bị phân hủy khi gặp nhiệt độ cao Vì vậy, có thể tách chúng ở áp suất thường Thêm vào đó, nước là hỗn hợp không có điểm đẳng phí, nên để có hiệu quả cao, ta có thể chọn phương pháp chưng luyện liên tục

BẢNG THỐNG KÊ CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG

Ngoài các ký hiệu trên, các ký hiệu cụ thể khác sẽ được ký hiệu riêng ở từng phần

PHẦN II: TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH

1 Tính cân bằng vật liệu

 Số liệu ban đầu:

 Tháp được chọn là tháp chưng luyện loại đĩa lỗ không có ống chảy chuyền

 Chưng luyện hỗn hợp axeton và nước:

Axeton (CH3)2CO, Maxeton = 58 kg/kmol

Nước H2O, Mnước = 18 kg/kmol

 Cấu tử dễ bay hơi là axeton

 Lượng hỗn hợp đầu: mF = 7500 kg/h

 Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi (axeton) trong:

Hỗn hợp đầu: aF = 42,5% (khối lượng)

mF.aF = mP.aP + mW.aW [3,144] Lượng sản phẩm đỉnh là:

mP = mF.

aF−aW

aP−aW [3,144] Lượng sản phẩm đáy:

Mnước

[3,126] Với Maxeton = 58 kg/kmol, Mnước = 18 kg/kmol, thay số vào, ta có:

 Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi (axeton) trong:

Hỗn hợp đầu: xF =

aF Maxeton aF

Maxeton+(1−aF)Mnước

=

0,425 58 0,425

58 +(1−0,425)18 = 0,187 phần mol

Hỗn hợp đỉnh: xP =

aP Maxeton aP

Maxeton+(1−aP)Mnước

=

0,985 58 0,985

58 +(1−0,985)18 = 0,953 phần mol

Hỗn hợp đáy: xW =

aW Maxeton aW

Maxeton+(1−aW)Mnước

=

0,017 58 0,017

58 +(1−0,017)18 = 0,005 phần mol

 Tính được GF, GP, GW theo kmol/h:

 Tính khối lượng phân tử trung bình của:

Hỗn hợp đầu: MF = xF.Maxeton + (1 – xF).Mnước

MF = 0,187.58 + (1 – 0,187).18

MF = 25,48 kg/kmol Sản phẩm đỉnh: MP = xP.Maxeton + (1 – xP).Mnước

MP = 0,953.58 + (1 – 0,953).18

MP = 56,12 kg/kmol Sản phẩm đáy: MW = xW.Maxeton + (1 – xW).Mnước

GP = mP

MP =

3161,16 56,12 = 56,33 kmol/h

GW = mW

MW =

4338,84 18,2 = 238,40 kmol/h

2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu R min

Theo số liệu Bảng IX.2a [3,145] thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt

độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử ở 760mmHg (% mol), ta có bảng sau:

Bảng 2: Thành phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp axeton – nước

y 0 60,3 72,0 80,3 82,7 84,2 85,5 86,9 88,2 90,4 94,3 100

t 100 77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59,0 58,2 57,5 56,9

Từ số liệu trong bảng 1, ta có thể vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng – hơi:

Hình 1: Đồ thị đường cân bằng và đường làm việc của đoạn luyện trên đồ thị x-y

Đường làm việc và đường cân bằng pha tiếp xúc với nhau: Do trong quá trình

chưng luyện đường làm việc không thể nằm phía trên đường cân bằng pha nên vị trí cao nhất của đường làm việc của đoạn luyện của tháp sẽ là đường tiếp tuyến với đường cân bằng pha Kéo dài đường tiếp tuyến với đường cân bằng pha cho tới khi cắt trục tung trên đồ thị x –y

Tung độ của giao điểm khi đó sẽ bằng:

Trong đó, V: là thể tích của tháp, m3

H: chiều cao của tháp, m S: tiết diện của tháp, m2 G: lưu lượng dòng hơi đi trong tháp, m3/s P: lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh, m3/s Q: lượng nhiệt cần cấp cho thiết bị đun sôi ở đáy tháp

NLT: số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)

 Giá thành tháp tỷ lệ với V, mà V tỷ lệ với NLT (R + 1), giá thành tháp thấp nhất ứng với thể tích tháp nhỏ nhất Vì vậy vần phải chọn chế độ làm việc thích hợp cho tháp, tức là RTH

 Ứng với mỗi giá trị Ri > Rmin, ta được một đường làm việc tương ứng và tìm được một giá trị NLT

 Với mỗi giá trị Ri, ta có các giá trị Bi:

Hình 2: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết R1 = 0,699; Nlt = 10,3

x (% mol)

y (% mol)

Hình 3: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết R2 = 0,792; Nlt = 9,1

x (% mol)

y (% mol)

Hình 4: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết khi R3 = 0,885; Nlt = 8,5 x (% mol)

y (% mol)

Hình 5: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết khi R4 = 0,979; Nlt = 8,1

x (% mol)

y (% mol)

Hình 6: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết khi R5 = 1,072; Nlt = 7,8

x (% mol)

y (% mol)

Hình 7: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết khi R6 = 1,165; Nlt = 7,5

Từ các sơ đồ trên, ta có bảng sau:

Bảng 3: Bảng số liệu thể hiện quan hệ NLT(R+1) = f (R)

3 Tính đường kính tháp chưng luyện

3.1 Tính đường kính đoạn luyện

 Tính lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể 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:

gtbL = gđ+g1

2 [3,181]

Trong đó: gtbL – lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h hay kmol/h

gđ – lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h hay kmol/h

g1 – lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h hay kmol/h

 Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp được tính bằng công thức:

gđ = GR + GP = GP (RTH + 1)

Trong đó: GP – lượng sản phẩm đỉnh, kg/h hay kmol/h

GR – lượng chất lỏng hồi lưu, kg/h hay kmol/h

RTH – chỉ số hồi lưu thích hợp

Thay số, ta có: gđ = 3161,16  (0,93 + 1) = 6101,04 kg/h

Lượng chất lỏng hồi lưu:

GR = gđ – GP = 6101,04 – 3161,16 = 2939,879 kg/h

 Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện:

 Lượng hơi đi vào đoạn luyện g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất được xác định bằng hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng như sau:

g1 = G1 + GP

g1y1 = G1x1 + GPxP [3,182]

g1r1 = gđrđ

Trong các phương trình trên, ta coi x1 = xF = 0,187 phần mol

r1 - ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất

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

ra = raxeton = 122,57 kcal/kg = 513,176 kJ/kg

rb = rnước = 573,8 kcal/kg = 2402,386 kJ/kg Thay số:

Với yP = 0,973 phần mol, từ công thức nội suy từ bảng 1, ta xác định được giá trị

tP:

tP = 57,5 + (56,9−57,5100−90 )(95,3 – 90)

tP = 57,2C Với tP = 57,2C nội suy theo bảng I.212 [2,254], ta có:

ra = raxeton = 124,56kcal/kg = 521,51 kJ/kg

rb = rnước = 579,35 kcal/kg = 2425,62 kJ/kg Thay số: rđ = rayđ + (1 – yđ) rb

GtbL = 775,59+2939,879

 Vận tốc trung bình cho phép của pha hơi đi trong đoạn luyện

Tốc độ giới hạn trên được tính theo công thức: Y = 10e-4X

Với y – tốc độ của hơi, m/s

Ftd – mặt cắt tự do của đĩa, m2/m2 Thường thấy từ (15 – 20)% mặt cắt của tháp Chọn Ftd = 20% = 0,2 m2/m2

g – gia tốc trọng trường, g = 9,8m/s2

x, y – khối lượng riêng của lỏng và hơi, kg/m3

x, n – độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình và của nước ở 20C,

N.s/m2 n = 1,002.10-3 N.s/m2

Gx, Gy – lưu lượng của lỏng và hơi đi trong tháp, kg/h

dtd – đường kính tương đương của lỗ hay rãnh, m Đối với chất lỏng sạch dtd = 2 – 6mm, với chất lỏng bẩn dtd = 8 – 11mm

Chọn dtd = 2mm = 0,002m

 Khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện:

 Đối với pha hơi y:

yL = [ytb1×Maxeton+(1−ytb1)×Mnước]×273

Trong đó: T – nhiệt độ làm việc trung bình đoạn luyện, K

ytb1 – nồng độ phần mol của cấu tử axeton lấy theo giá trị trung bình:

Maxeton+Mnước1−y1

=

0,802 58 0,802

58 +1−0,802 18 = 0,557 phần mol

xtb1, xtb2 – khối lượng riêng trung bình của cấu tử axeton và nước trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3

atb1 – phần khối lượng trung bình của axeton trong pha lỏng

xL = 803,04kg/m3

 Độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình:

Với ttbL = 60,07C độ nhớt của pha lỏng được nội suy theo bảng I.101 [2,91],

ta được:

axeton = 0,2299.10-3 (N.s/m2)

nước = 0,4686.10-3 (N.s/m2)

Độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là:

loghh = xtbL.logaxeton + (1 – xtbL).lognước [2,84]

loghh = 0,570.log(0,2299.10-3) + (1 – 0,570).log(0,4686.10-3)

Trong đó: gtb – lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h

(yy)tb – tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s

ytt = 0,692 m/s Vận tốc làm việc trên lý thuyết là: ytbL = 0,812 m/s

Như vậy, tỷ lệ 𝜔𝑦𝑡𝑡

𝜔𝑦𝑡𝑏𝐿 =

0,6920,812 = 0,862 (thỏa mãn)

 Đường kính đoạn luyện: D = 1,2m

3.2 Tính đường kính đoạn chưng

 Tính lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng có thể tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn chưng và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp:

gtbC = g′n+g′1

2 [3,182] Trong đó: gtbC – lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, kg/h hay kmol/h

g’n – lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/h hay kmol/h g’1 – lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp, kg/h hay kmol/h

Do lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện g’n = g’1, vì vậy: gtbC = g1+g′1

2

 Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp:

 Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’1, hàm lượng lỏng x’1 và lượng lỏng G’1 đối với đĩa thứ nhất được xác định bằng hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng như sau:

G’1 = g’1 + Gw

G’1x’1 = g’1yW + GWxW [3,182] g’1r’1 = g’nr’n = g1r1

Trong các phương trình trên:

r’1 - ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất

r’1 = ray’1 + (1 - y’1)rb

r’n - ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng r’n = ray’n + (1 - y’n)rb

xW – thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

g’n = g1 – do lượng hơi bốc lên từ đĩa trên cùng đoạn chưng bằng dưới cùng đoạn luyện

y’1 = yW – tìm theo đường cân bằng ứng với xW

 Tính yW theo phần khối lượng:

Ứng với xW = 0,005 phần mol, theo đường cân bằng,

Lượng hơi trung bình của đoạn chưng là: gtbL = g′1+g1

2

 Vận tốc trung bình cho phép của pha hơi đi trong đoạn chưng

Tốc độ giới hạn trên được tính theo công thức: Y = 10e-4X [3,187]

Với y – tốc độ của hơi, m/s

Ftd – mặt cắt tự do của đĩa, m2/m2 Thường thấy từ (15 – 20)% mặt cắt của tháp Chọn Ftd = 20% = 0,2 m2/m2

g – gia tốc trọng trường, g = 9,8m/s2

x, y – khối lượng riêng của lỏng và hơi, kg/m3

x, n – độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình và của nước ở 20C, N.s/m2 n = 1,002.10-3 N.s/m2

Gx, Gy – lưu lượng của lỏng và hơi đi trong tháp, kg/h

dtd – đường kính tương đương của lỗ hay rãnh, m Đối với chất lỏng sạch

dtd = 2 – 6mm, với chất lỏng bẩn dtd = 8 – 11mm

Chọn dtd = 2mm = 0,002m

 Khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng:

 Đối với pha hơi y:

yC = [ytbC×Maxeton+(1−ytbC)×Mnước]×273

22,4T , kg/m3 [3,183] Trong đó: T – nhiệt độ làm việc trung bình đoạn chưng, K

ytbC – nồng độ phần mol của cấu tử axeton lấy theo giá trị trung bình:

ytbC = yđC+ycC

2

yđC, ycC – nồng độ tại hai đầu của đoạn tháp (giữa đĩa tiếp liệu và đáy tháp)

xtb1, xtb2 – khối lượng riêng trung bình của cấu tử axeton và nước trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3

atb1 – phần khối lượng trung bình của axeton trong pha lỏng

xC = 910,0kg/m3

 Độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình:

Với ttbC = 70,264C độ nhớt của pha lỏng được nội suy theo bảng I.101 [2,91],

loghh = xtbC.logaxeton + (1 – xtbC).lognước [2,84] loghh = 0,096.log(0,2146.10-3) + (1 – 0,096).log(0,4115.10-3)

Trong đó: gtb – lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h

(yy)tb – tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s

gtb = 2959,17 kg/h; ytbC = 1,078kg/m3; ytbC = 0,7504 m/s

Thay số: D = 0,0188 √1,003×0,23042959,17 = 1,118m

 Quy chuẩn đường kính đoạn chưng DC = 1,2m

Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chưng là: ytt = 2959,17×0,01882

1,22×1,078

ytt = 0,651 m/s Vận tốc làm việc trên lý thuyết là: ytbC = 0,7504 m/s

Như vậy, tỷ lệ ωytt

ωytbL =

0,651 0,7504 = 0,8675

 Đường kính đoạn chưng: D = 1,2m

4 Xác định chiều cao tháp

4.1 Xác định hiệu suất chuyển khối trung bình của tháp

 Với tháp đĩa ta tính chiều cao tháp theo phương pháp hiệu suất trung bình [3,170]:

Ntt = NLT

ηtb

Trong đó: NLT – số đĩa lý thuyết

ɳtb = 𝜂1+𝜂2+⋯+𝜂𝑛

𝑛 : hiệu suất trung bình của thiết bị

ɳ1, ɳ2,…ɳn – hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ

n – số vị trí được tính hiệu suất

ɳtb là một hàm của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp  và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : ɳtb = f(, )

 Độ nhớt động lực là một đại lượng phụ thuộc vào nhiệt độ [2,91] từ đó ta có bảng 4:

 Một số công thức tính độ nhớt và độ bay hơi tương đối:

 Công thức tính độ nhớt của hỗn hợp lỏng thường không liên hợp:

loghh = x1log1 + x2log2 + … + xnlogn [2,84]

Trong đó: 1, 2,…- độ nhớt động lực của các cấu tử thành phần

x1, x2,…- nồng độ mol của các cấu tử hỗn hợp

 Công thức tính hỗn hợp hai cấu tử:

loghh = xaloga + (1 – xa)lognước

 Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp :

 = y∗

1−y∗ × 1−xx [3,171]

Trong đó: y*, x – nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi và pha lỏng

 - độ bay hơi tương đối của hỗn hợp Tính tích số . sau đó từ đồ thị IX.11 [3,171], xác định hiệu suất trung bình để tìm giá trị ɳ tương ứng

 Xác định số đĩa lý thuyết dựa vào đồ thị Mc Cabe – Thiesel: Với RTH = 0,93

đồ thị Mc Cabe có dạng như sau:

Hình 9: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết khi RTH = 0,93 Dựa vào đồ thị hình 9, ta xác định được:

- Số đĩa lý thuyết đoạn chưng NLTC = 1 đĩa

- Số đĩa lý thuyết đoạn luyện NLTL = 7 đĩa

- Số đĩa lý thuyết toàn tháp NLT = 8 đĩa

 Xác định số đĩa thực tế dựa trên hiệu suất trung bình:

x (% mol)

y (% mol)

 Xét vị trí tiếp liệu xF = 0,187 (phần mol), tF = 65,163C

 Nội suy từ bảng 4, ta xác định được độ nhớt của axeton và nước:

a = 0,222.10-3 N.s/m2 = 0,222 cPa

nước = 0,44.10-3 N.s/m2 = 0,44 cPa

 Độ nhớt của hỗn hợp  là:

loghh = xaloga + (1 – xa)lognước

loghh = 0,187  log(0,222) + (1 – 0,187)log(0,44) loghh = -3,41

Vị trí xW Đĩa 1 xF Đĩa 2 Đĩa 3 Đĩa 4 Đĩa 5 Đĩa 6 Đĩa 7 Đĩa 8 xP

x 0,005 0,045 0,187 0,217 0,536 0,760 0,835 0,876 0,906 0,937 0,953 y* 0,060 0,543 0,792 0,807 0,860 0,895 0,918 0,934 0,946 0,964 0,946

Bảng 5: Xác định hiệu suất tại bậc thay đổi nồng độ

 Hiệu suất trung bình của đoạn luyện:

4.2 Xác định chiều cao của tháp

 Số đĩa thực tế của đoạn chưng:

NTTC = NLTC

ηtbC =

10,335  3 đĩa

 Số đĩa thực tế của đoạn luyện:

NTTL = NLTL

ηtbL =

70,5178  14 đĩa

 Số đĩa thực tế của toàn tháp:

NTT = NTTC + NTTL = 3 + 14 = 17 đĩa

 Chiều cao chung của tháp chưng luyện được xác định theo công thức:

H  NTT.h   h [3,169] Trong đó: NTT – số đĩa thực tế NTT = 17 đĩa

h = hchưng = hluyện = 0,35m - khoảng cách giữa hai đĩa đoạn chưng, luyện

δ là chiều dày của đĩa, chọn δ = 5 mm = 0,005 m

∆h là khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị (dao động từ 0,8 – 1m), chọn ∆h = 0,9m

 Chiều cao của đoạn chưng:

5 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

5.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1, J/h [3,196] Trong đó:

 QD1 - nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)

 Qf - nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)

 QF - nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)

 Qng1 - nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

 Qxq1 - nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy (J/h)

a) Nhiệt lượng hơi đốt mang vào:

QD1 D1 1 D1 r1 1C1 3,196 Trong đó:

 QD1 - nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)

 D1 - lượng hơi đốt (kg/h)

 r1 - ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

 λ1 - hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)

 θ1 - nhiệt độ nước ngưng,C

 C1 - nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)

 Do không cần đun nóng quá 180C ở đây ta sử dụng loại hơi đốt phổ biến trong công nghiệp là hơi nước bão hòa

 Vì nhiệt độ của hỗn hợp đầu là tF = 65,163C nên nhiệt độ của hơi đốt phải cao, chọn 119,6C tương ứng với áp suất 2 at [2,314]

 Tra bảng tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc áp suất [2,314] có nhiệt hóa hơi r1 = 527,0 (kcal/kg) = 2208 (kJ/kg)

 Chọn tbh = 119,6℃ nội suy từ bảng I.249 [2,311] có nhiệt dung riêng của nước C1 = 4249,110-3(kJ/kg.độ)

 QD1 D1 r1 1C1) = (2208 + 119,6  4249,110-3) D1