Giới thiệu về chưng cất Chưng cất là quá trình dùng để tiến hành phân tách các hỗn hợp lỏng- lỏng, lỏng- khí và khí- khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi củ
TỔNG QUAN
Tổng quan về chưng cất
1.1.2 Giới thiệu về chưng cất
Chưng cất là quá trình dùng để tiến hành phân tách các hỗn hợp lỏng- lỏng, lỏng- khí và khí- khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp.
Số lượng sản phẩm chưng cất phụ thuộc vào số cấu tử có trong hỗn hợp Đối với trường hợp hỗn hợp hai cấu tử ta có: sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi thấp, sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi thấp và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn.
Trong quá trình chưng cất, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng chảy di chuyển từ trên xuống Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ làm việc cũng thay đổi tương úng với sự thay đổi nồng độ Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa hai pha lỏng và hơi, một phần pha lỏng (phần lớn cấu tử dễ bay hơi) bốc hơi di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi; một phần pha hơi (phần lớn cấu tử khó bay hơi) ngưng tụ di chuyển từ pha hơi vào pha lỏng, quá trình lặp lại với nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như vậy ở đỉnh tháp ta thu được phần lớn cấu tử dễ bay hơi và ở đáy tháp ta thu được phần lớn cấu tử khó bay hơi.
Các phương pháp và thiết bị chưng cất
1.2.1 Các phương pháp chưng cất
Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ):
- Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.
- Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
- 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 hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.
Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục.
Trong trường hợp này, do sản phẩm là Acetone – với yêu cầu có độ tinh khiết cao khi sử dụng, cộng với hỗn hợp Acetone – Etanol là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất.
1.2.2 Các thiết bị chưng cất
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất.Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm
Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:
Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…
Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh
Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
Bảng 1.1 Ưu nhược điểm của các loại tháp
Tháp mâm chêm Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ Ưu điểm Cấu tạo khá đơn giản
- Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có của chất lỏng
Trở lực tương đối thấp
Nhược điểm Do có hiệu ứng thành hiệu suất truyền khối thấp
- Độ ổn định không cao, khó vận hành
- Do có hiệu ứng thành khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng khó tăng năng suất
- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp
Không làm việc được với chất lỏng bẩn
- Kết cấu khá phức tạp.
Vậy: ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Aceton – Etanol
Nguyên liệu
Acetone hay axeton còn được gọi là Dimethyl Formadehyde, là một hợp chất hữu cơ, có công thức là (CH3)2CO Axeton là một chất lỏng dễ cháy, không màu, bay hơi nhanh và có mùi đặc trưng.
Aceton tan trong nước và là dung môi chủ yếu dùng để làm sạch trong phòng thí nghiệm, đồng thời là một chất dùng để tổng hợp các chất hữu cơ và được sử dụng trong các thành phần hoạt chất của sơn móng tay.
Acetone được tổng hợp trong phòng thí nghiệm nhưng cũng có ở thiên nhiên như trong không khí, nước uống, ruộng đất.
Trong cơ thể con người acetone được sản xuất và thải ra thông qua quá trình trao đổi chất và thường có trong máu và nước tiểu Nó được tạo ra từ các cơ quan và quá trình chuyển hóa thực phẩm và được nước tiểu thải ra ngoài Nếu aceton không được đào thải vì một lý do nào đó thì có thể gây choáng do lúc này, axit trong máu lên cao.
Các tính chất vật lý của Acetone:
Khối lượng phân tử: 58,08 g/mol
Các phương pháp sản xuất:
Axeton được sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp từ propen.
Sản xuất trực tiếp bằng cách oxy hóa hay hidro hóa propen, sinh ra 2 – propanol (isopropanol) và khi oxi hóa isoprropanol sẽ được axeton.
Đôi khi được sản xuất dưới dạng sản phẩm phụ của công nghiệp chưng cất. Ứng dụng của acetone:
Dùng làm dung môi công nghiệp để sản xuất chất dẻo, nhựa, plastic, sản xuất sơn,…
Dùng để pha loãng nhựa polyester và được dung trong một số chất tẩy rửa.
Dùng làm hoá chất trung gian để tổng hợp metyl metacrilat và bisphenol A
Dùng trong phòng thí nghiệm
Dùng trong y dược và kỹ thuật làm đẹp.
Etanol, còn được biết đến như là rượu etylic, alcohol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của alcohol, dễ cháy, không màu, là một trong các rượu thông thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn Etanol là một alcohol mạch hở, công thức hóa học của nó là C H O hay C H OH.₂ ₆ ₂ ₅
Các phương pháp sản xuất:
Làm tinh khiết Ứng dụng của etanol:
Các chất hoá học dẫn xuất từ Etanol Các tính chất vật lý của Acetone:
Khối lượng phân tử: 46,07 g/mol
SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Thuyết minh quy trình
Hỗn hợp Acetone- Etanol có năng suất nhập liệu là 1800kg/h và có nồng độ acetone ban đầu là 28% phần mol, nhiệt độ dòng nhập liệu ban đầu tại bể chứa là 25 o C Hỗn hợp được bơm từ bể chứa lên dòng số 1- dòng nhập liệu, sau đó hỗn hợp đi qua thiết bị gia nhiêt E-101 và được gia nhiệt bằng dòng hơi nước có nhiệt độ khoảng 120 o C đến nhiệt độ sôi, rồi được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, phần lỏng của hỗn hợp chứa phần lớn cấu tử có bay hơi và một phần nhỏ cấu tử dễ bay hơi sẽ chảy xuống đáy tháp và pha hơi của hỗn hợp- chứa phần lớn cấu tử dễ bay hơi và một phần nhỏ cấu tử khó bay hơi sẽ bay lên đỉnh tháp Tại đây pha hơi di chuyển theo hướng từ dưới lên sẽ gặp pha lỏng đi theo chiều từ trên xuống, lúc này 2 pha sẽ có sự tiếp xúc và trao đổi giữa 2 pha Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới thì nồng độ cấu tử dễ bay hơi càng giảm Dòng lỏng khi di chuyển xuống dưới đáy tháp sẽ đi theo ống số 10 và vào nồi đun Kettle E-104 Từ nồi đun, dòng hỗn hợp sẽ được gia nhiệt đến nhiệt độ bay hơi
77,3 o C, hỗn hợp tại nồi đun sau khi được gia nhiệt sẽ chuyển hoá thành dòng hơi và đi theo ống số 9 vào tháp Phần còn lại sẽ di chuyển từ nồi đun Kettle ra dòng số 12 và qua thiết bị làm nguội dòng sản phẩm đáy E-105 và ra bể chứa sản phẩm đáy V-
104 Bể chứa sản phẩm đáy V-104 có nồng độ cấu tử Etanol 94% Pha hơi được tạo từ nồi đun sẽ lôi cuốn các cấu tử dễ bay hơi di chuyển lên đỉnh tháp Nhiệt đô khi càng lên cao thì càng thấp, nên pha hơi khi di chuyển từ dưới lên thì cấu tử Etanol có nhiệt độ sôi cao hơn sẽ ngưng tụ lại và rơi xuống, phần còn lại của pha hơi sẽ di chuyển lên đỉnh tháp qua ống số 4 và đến thiết bị ngưng tụ E-102 Ở đây dòng hơi sẽ được ngưng tụ thành dòng lỏng tiếp đến hỗn hợp ở đỉnh tháp sẽ được đưa vào bể chứa hỗn hợp hoàn lưu dòng sản phẩm đỉnh V-102 Từ bể chứa thì một phần hỗn hợp sẽ được hoàn lưu về tháp, phần còn lại sẽ di chuyển theo dòng số 7 đến thiết bị làm nguội dòng sản phẩm đỉnh E-103 để hạn nhiệt độ dòng đỉnh xuống 30 o C Dòng sản phẩm đỉnh sẽ được đi chuyển về bể chứa V-103 Tại bể chứa thì nồng độAcetone chiếm 90% trong hỗn hợp đỉnh.
CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Cân bằng vật chất toàn bộ hệ thống
3.1.1 Các thông số ban đầu
Nồng độ sản phẩm đỉnh: 90%
Nồng độ sản phẩm đáy: 6%
Chọn: Nhiệt độ nhập liệu: 25 C
F_Suất lượng nhập liệu kmol h xF_ phần mol nhập liệu kmol kmolhh
P_ Suất lượng sản phẩm đỉnh kmol h
W_Suất lượng sản phẩm đáy kmol h xD_ phần mol sản phẩm đỉnh kmol kmolhh xW_ phần mol sản phẩm đáy kmol kmolhh
3.1.2 Nồng độ phần khối lượng aceton trong tháp
Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đính
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy:
3.1.3 Suất lượng mol của các dòng
Cân bằng vật chất toàn tháp: F= P+W (1)
Cân bằng cấu tử aceton: F.xF = P.xD + W.xW (2)
Từ (1) và (2) ta suy ra được:
3.1.4 Xác định chỉ số hồi lưu: a Đồ thị cân bằng Acetone – Etanol:
Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng %mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử ở 760 mmHg (Acetone – Etanol):
Bảng 3.2: Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ acentone và Etanol x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 15,5 26,2 41,7 52,4 60,5 67,4 73,9 80,2 86,5 92,9 100 t 78,4 75,4 73 69 65,9 63,6 61,8 60,4 59,1 58 57 56,1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 x y Đồ thị 3.1: Đồ thị cân bằng x-y hệ Acetone-Etanol b Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp:
Chỉ số hồi lưu tối thiểu
Do nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hòa, nên Rmin được xác định như sau:
Rmin = x D −y F ¿ y ¿ F −x F tra công thức IX.24 trang 158 [2]
Theo bảng cân bằng lỏng – hơi của hệ Acetone – Etanol:
Từ phương pháp nội suy ta suy ra được: x F −x 1 y F ¿ −y 1 =x 2 −x 1 y 2−y 1
Vậy chỉ số hồi lưu tối thiểu được xác định:
0.5054−0.28=¿¿1,75 xD _nồng độ phần mol của Acetone trong pha lỏng ở sản phẩm đỉnh. xF_ nồng độ phần mol của Acetone trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu. y * F _nồng độ phần mol của Acetone trong pha hơi nằm cân bằng pha lỏng ở hỗn hợp đầu.
Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp dựa vào điều kiện thể tích tháp nhỏ nhất tức là tương đương với Ni (Rx+1) nhỏ nhất (Nl: Số bậc thay đổi nồng độ lý thuyết)
Với bi là hệ số bi = 1,2 2 Để chọn được chỉ số hồi lưu thích hợp là vô cùng cần thiết, nếu lượng hồi lưu quá bé thì tháp sẽ vô cùng cao, điều này rất khó thực hiện, nếu lượng hồi lưu lớn thì tháp có thấp đi nhưng đường kính lại lớn, sản phẩm đỉnh có hiệu suất không cao Xác định RX thích hợp theo số bậc thay đổi nồng độ được tiến hành như sau: Cho lần lượt các giá trị bi tương ứng với bi 𝜖 [1,2 ÷ 2] ta được R tương ứng theo công thức RX = bi RXmin, sau đó ta thu được các giá trị N tương ứng
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 đường cân bằng đường phân giác đường cất đường nhập liệu đường chưng x% y% Đồ thị 3.2: Đồ thị thể hiện số mâm lí thuyết tại b=1,2
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Đường cân bằng Đường phân giác đường cất đường nhập liệu đường chưng mâm lý thuyết x% y% Đồ thị 3.3: Đồ thị thể hiện số mâm lí thuyết tại b=1.4
100 Đường cân bằng Đường phân giác Đường cất Đường nhập liệu Đường chưng mâm lý thuyết x% y% Đồ thị 3.4: Đồ thị thể hiện số mâm lí thuyết tại b=1.6
100 Đường cân bằng Đường phân giác Đường cất Đường nhập liệu Đường chưng Mâm lý thuyết x% y% Đồ thị 3.5: Đồ thị thể hiện số mâm lí thuyết tại b=1.8
100 đường cân bằng đường phân giác đường cất đường nhập liệu đường chưng mâm lý thuyết
X% y% Đồ thị 3.6: Đồ thị thể hiện số mâm lí thuyết tại b=2
Bảng 3.3: Mối quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và số đĩa lý thuyết b R N N(R+1)
N* (R +1 ) Đồ thị 3.7: Đồ thi biểu diễn mối quan hệ giứa N và N.(R+1)
Từ Đồ thị 3 7 ta thấy được giá trị nhỏ nhất được thể hiện là 46,54, tương ứng với chỉ số hồi lưu tối ưu R= 2,58 và số mâm lý thuyết Nlt= 13
3.1.5 Phương trình đường làm việc:
Phương trình đường làm việc phần cất: y= R
Phương trình đường làm việc phần chưng: y=R+f
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Đường cân bằng Đường phân giác đường cất đường nhập liệu đường chưng mâm lý thuyết x% y% Đồ thị 3.8: Đồ thị biểu diễn số mâm lý thuyết của hệ Acetone- Etanol a Xác định số mâm thực tế
Sơ đồ 3.2: Xác định hiệu xuất trung bình của thiết bị
Xét vị trí mâm nhập liệu xF = 0,28 ( kmol kkmolhh¿ { t y s F F ¿ f,52 =0,5054 ℃
Độ bay hơi tương đối: α= y F ¿
0,28 =2,63Tra độ nhớt của Acetone và Etanol tại sổ tay thiết bị tập 1 bảng I.101 ta có
Độ nhớt hỗn hợp: log μ hh =x F ×log μ A +( 1−x F ) ×logμE
= 0,28 ×log 0,22 +(1-0,28) ×log0,54 log μ hh =−0,377cP μ hh =0,42 N s m 2
Ta có α μ hh =1,04 tra giản đồ IX.11 trang 171 [2] ta có: η F ≈49,5%
Xét vị trí mâm cất xD = 0,9 ( kmol kkmolhh¿ { y t s D ¿ P W =0,929 ℃
Độ bay hơi tương đối: α= y D ¿
0,9 =1,45 Tra độ nhớt của Acetone và Etanol tại sổ tay thiết bị tập 1 bảng I.101 ta có
Độ nhớt hỗn hợp: log μ hh =x D ×log μ A +( 1−x D ) ×logμ ¿0,9 ×log 0,2348 +(1-0,9) ×log 0,624 log μ hh =−0,587cP μ hh =0,258N s m 2
Ta có α μ hh =0,37 tra giản đồ IX.11 trang 171 [2] ta có: η D≈ 75%
Xét vị trí mâm chưng x W =0,06( kkmolhh kmol ) { t s y W ¿ w t,92 =0,1764 ℃
Độ bay hơi tương đối: α= y W ¿
0,06 =3,36 Tra độ nhớt của Acetone và Etanol tại sổ tay thiết bị tập 1 bảng I.101 ta có
Độ nhớt hỗn hợp: log μ hh =x W ×log μ A +( 1− x W ) ×log μ E =0,06 × log 0,208+(1−0,06)log0,474 log μ hh =−0,16cP μ hh =0,69N s m 2
Ta có α μ hh =2,32 tra giản đồ IX.11 trang 171 [2] ta có: η W ≈41% b Hiệu suất trung bình của thiết bị: η tb =η F +η D +η W
3 ≈55,17 % c Số đĩa thực tế của thiết bị
Bảng 3.1: Số mâm thực tế của tháp chưng cất mâm chóp hỗn hợp Acetone-Etanol
Cân bằng vật chất cho từng thiết bị
3.2.1 Cân bằng vật chất cho thiết bị gia nhiệt E-101
Hình 3.1: Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu
Dòng 1 + dòng 2 = dòng 3 + dòng nước ngưng ra + tổn thất Chọn dòng nước gia nhiệt có áp suất 2 bar ta có: r D "08kJ kg Tra sổ thay thiết bị tập 1 bảng I.149
Dòng 1: x F A =0,28 kmol kmolhh x F E =0,72 kmol kmolhh x F A =0,33 kg kghhx F E =0,67 kg kghh
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t F %℃ { C C F E F A %37,5 !95 kg ℃ kg J J ℃ (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Dòng 3: x F A = 0,28 kmol kmolhh x F E = 0,72 kmol kmolhh x F A =0,33 kg kghhx F E =0,67 kg kghh t s F f,52℃
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t s F f,52℃ { C C 66,52 A 66,52 E #26,19 051,5 kg kg J J ℃ ℃ (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Cho tổn thất ra môi trường bằng 5% nhiệt lượng dòng cung cấp
3.2.2 Cân bằng vật chất thiết bị ngưng tụ E-102
Hình 3.2: Thiết bị ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnh
Dòng 4 + dòng nước lạnh vào = dòng 5 + dòng nước lạnh ra + tổn thất
Tại dòng 4: x P A =0,9 kmol kmolhh x P E =0,1 kmol kmolhh x P A =0,92 kg kghhx P E =0,08 kg kghh t s P W℃
Nhiệt hoá hơi của Acetone và Etanol t s P W℃ { r r E T T A 57 57 = Q9962,9 898487,28 kg kg J J Q9,96 Q9,96 kJ kg kJ kg (Bảng I.216, trang 260 [1]) r D =r T A 57 x D +¿ x D ) r T E 57 = 519,96.0,92 +(1−0,92) 519,96= 550,24kJ kg
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol t s P W℃ { C C T E 57 T A "95,25 57 )31 kg kg ℃ J ℃ J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Tại dòng 5: x P A =0,9 kmol kmolhh x P E =0,1 kmol kmolhh x P A =0,92 kg kghh x P E =0,08 kg kghh t s P W℃
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t s P W℃ { C C T A 57 T E 57 "95,25 )31 kg kg ℃ J ℃ J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Chọn nhiệt độ nước giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ:
Cho tổn thất ra môi trường bằng 5% nhiệt lượng dòng cung cấp
G đỉnh =P× Lo=P × R+PD6,176×2,58+446,17697,31kg h Cân bằng vật chất
G đỉnh × h 4 +G n ×C n × t nv =G đỉnh ×C 57 P × t s P +G n × C n ×t nr +Q tt
3.2.3 Cân bằng vật chất cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh E- 103
Hình 3.3: Thiết bị làm lạnh dòng sản phẩm đỉnh
Dòng 7 + dòng nước lạnh vào = dòng 8 + dòng nước lạnh ra + tổn thất
Tại dòng 7: x P A = 0,9 kmol kmolhh x P E = 0,1 kmol kmolhh x P A =0,92 kg kghh x P E =0,08 kg kghh t s P W℃
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t s P W℃ { C C T A 57 T E 57 "95,25 )31 kg kg ℃ J ℃ J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Dòng 8: x P A = 0,9 kmol kmolhh x P E = 0,1 kmol kmolhh x P A =0,92 kg kghh x P E =0,08 kg kghh t Pr 0℃
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t Pr 0℃ { C C P A P E "10 %95 kg ℃ kg.℃ J J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Chọn nhiệt độ nước làm lạnh cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:
Cho tổn thất ra môi trường là 5% nhiệt lượng dòng nóng cung cấp
3.2.4 Cân bằng vật chất cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy E-105
Hình 3.4: Thiết bị làm lạnh dòng sản phẩm đáy
Dòng 12 + dòng nước lạnh vào = dòng 13 + dòng nước lạnh ra + tổn thất
Tại dòng 12: x W A =0,06 kmol kmolhh x W E =0,94 kmol kmolhh x W A =0,074 kg kghhx W E =0,926 kg kghh t W v t,92℃
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t W v t,92℃{ C C T A T E 74,92 74,92 = 156,5 2353,49 kg kg J J ℃ ℃ (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Dòng 13: x W A =0,06 kmol kmolhh x W E =0,94 kmol kmolhh x W A =0,074 kg kghh x W E =0,926 kg kghh tWr = 30 o C Nhiệt dung riêng của Acetone ta có: t Wr 0℃ { C C W W A E "10 %95 kg ℃ kg ℃ J J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Chọn nhiệt độ nước làm lạnh cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:
Cho tổn thất ra môi trường là 5% nhiệt lượng dòng nóng cung cấp
3.2.5 Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp g đỉ nh =P R+P(IX.92 trang 181 [2]) ¿446,176×2,58+446,17697,31kg h Tại vị trí hỗn hợp mâm nhập liệu
Nhiệt hoá hơi của Acetone và Etanol ta có: t s F f,52℃ { r r 66,52 A E 66,52 R8,440 7,79 kJ kg kJ kg (Bảng I.216, trang 260 [1]) r 1 =r 66,52 A × y 1 +( 1− y 1 ) × r E 66,52R8,440× y 1 +( 1− y 1 ) ×887,79 7,79− 359,35 y 1 kJ kg x F A =0,28 kmol kmolhh x F E =0,72 kmol kmolhh x F A =0,33 kg kghh x F E =0,67 kg kghh
Tại vị trí dòng hơi ra khỏi đỉnh tháp t s P W℃ { r r E T T A 57 57 = Q9,96 898,49 kJ kg kJ kg (Bảng I.216, trang 260 [1]) r đỉ nh =r T57 A × y đỉ nh +( 1− y đỉ nh ) ×r E T 57Q9,96×0,92+(1−0,92)×898,49U0,24kJ kg
Do x p A =y đỉ nh nên ta cóx P A =y đỉ nh =0,92 kg kghh
Thay số vào hệ phương trình (IX.93,94,95,trang182[2])
Trong đó G 1 :l ượ ngl ỏng ở đĩ athứ nhấ t củađ oạnc ấ t r 1 :ẩ nnhiệ t ho áh ơ ic ủa hố nhợ phơ i đ i v ào đĩ athứ nhấ t củ a đ oạnc ấ t r đỉ nh :ẩ nnhiệ t hoáhơ i củahỗnhợ phơ iđ irakh ỏiđỉ nhth á p g đỉnh : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của thápkg h g 1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất kg h g tb =g đỉnh +g 1
3.2.6 Lượng hơi ra khỏi đáy tháp: Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng x W A =0,06 kmol kmolhh
Tra đồ thị cân bằng hệ Acetone-Etanol y W A =0,1764 kmol kmolhh y W = y W M A y W M A +( 1− y W ) M E
Trong các phương trình trên, ta coi y ' 1 =y W =0,213 kg kghh
Tra nhiệt hoá hơi của Acetone và Etanol tại sổ tay thiết bị tập 1 bảng I.216 ta có: t W t,92℃, ta được: { r r T A E T 74,92 74,92 T3,035 5,18 kJ kg kJ kg (Bảng I.216, trang 260 [1]) r ' 1 =r T A 74,92 × y ' 1 +( 1− y ' 1 ) × r E T 74,92 ¿543,035×0,213+875,18×0,7874,43kJ kg Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất r 1 =r 66,52 A × y 1 +( 1− y 1 ) × r E 66,52R8,440× y 1 +( 1− y 1 ) × 887,79 ¿(887,79−359,35×0,54)i3,74kJ kg
Thay số vào hệ phương trình ta có: (IX.98,99,100,trang182[2])
{ x ' 1 =0,132 g G kghh ' 1 kg ' 91,454 1 &20,51 → x ' 1 =0,108 kg kg h h kmolhh kmol g ' 1 : Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn chưng kg h g’n: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng kg h g tb ' =g n ' +g 1 '
2 kgh (IX.97,trang182[2]) xác định g’n: vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn cất nên : g’n = g1 = 209,197 kg h xác định g’1: từ hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: x1 x 1 '
3.2.7 Cân bằng vật chất cho thiết bị nồi đun Kettle E-104
Dòng 10 + dòng 11 = dòng 9+ dòng 12 + dòng nước lạnh ra + tổn thất
Tại dòng 10: x ' 1 A =0,108 kmol kmolhh x ' 1 E =0,892 kmol kmolhh x ' 1 A =0.132 kg kghh→ x ' 1 E =0,868 kg kghh t s A V° C ,t s E x,37°C t s hh =t s A × x ' 1 A +t s E × x ' 1 E V×0,108+78,37×0,892u,95℃
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t s hh u,95℃{ C C T T E A 75,95 75,95 169,38 #56,84 kg ℃ kg.℃ J J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Tại dòng 9: x 9 A =x ' 1 A −x W A =0,108−0,06=0,048 kmol kmolhh→x 9 E =0,952 kmol kmolhh x 9 A =0,06 kg kghh → x 9 E =0,94 kg kghh t s A V° C, t s E x,37°C t s hh =t s A × x 9 A +t s E × x 9 E V×0,048+78,37×0,952w,3℃
Nhiệt hoá hơi của Acetone và Etanol ta có: t 9 w,3℃{ r r E T77,3 T77,3 A = T7,171 871,189 kJ kg kJ kg (Bảng I.216, trang 260 [1]) r 9 =r T77,51 A × x 9 A +x 9 E × r E T 77,51 T7,171×0,06+0,94×871,1891,75kJ kg
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có:
Tại dòng 12: x W A =0,06 kmol kmolhh x W E =0,94 kmol kmolhh x W A =0,074 x W E =0,926 tWr = 74,92 o C
Tra nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol tại sổ tay thiết bị tập 1 bảng I.153, I.154 ta có: tWr = 74,92 o C { C C T A T E 74,92 74,92 = 156,5 2353,49 kg kg J J ℃ ℃ (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Ta cho { t t nv nr 0 E ℃ ℃ vì thế nên
h 1 $25,6×10 3 J kg(hơi nước bão hoà ở nhiệt độ 30℃)
h 2 #91,3×10 3 J kg (hơi nước bão hoà ở nhiệt độ 45℃)
Cho tổn thất ra môi trường là 5% nhiệt lượng cung cấp
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu E-101
Hình 4.6: Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu
Qnl = F ×CF × ( t Fr −t Fv ¿+Qmnl
Qnl nhiệt lượng cần cung cấp để gia nhiệt nhập liệu kJ h
F lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu kg h
𝐶p𝐹 là nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu J kg.℃
C T A 45,76 là nhiệt dung riêng của Acetone ở tE,76℃ J kg.℃
C E T 45,76là nhiệt dung riêng của Etanol ở tE,76℃ J kg.℃ t Fr ,t Fv nhiệt độ nhập liệu vào và ra khỏi thiết bị ℃
Qmnl nhiệt mất mát ở thiết bị gia nhiệt nhập liệu kJ h
Cho nhiệt độ nhập liệu là 25℃
Nhiệt độ trung bình của dòng nhập liệu t Ftb ¿t Fr +t Fv
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t Ftb E,76 ℃{ C C T T A E 45,76 45,76 ℃ ℃ "58,72 '84,88 kg ℃ kg.℃ J J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Qnl = GF × 𝐶p𝐹 ׿ t Fr −t Fv ¿ = 1800 ×2611,2472 × (66,52– 25) ×10 -3 5153,8344 kJ h
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ E-102
Hình 4.7: Thiết bị ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnh
Nếu quá trình chỉ ngưng tụ không làm lạnh:
Qnt¿(R+1)× P ×r P =G ×C × ( t nr −t nv ) +Q mnt (IX.165, trang 198 [2])
Qnt nhiệt lượng cần cung cấp để ngưng tụ sản phẩm đỉnhkJ h
P lưu lượng khối lượng hỗn hợp dòng sản phẩm đỉnh kg h
𝐶pP là nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh J kg.℃
CN là nhiệt dung riêng của nước J kg.℃ r T A 57 là nhiệt hoá hơi của Acetone ở tW℃ kJ kg r T E 57 là nhiệt hoá hơi của Etanol ở tW℃ kJ kg rD là nhiệt hoá hơi của hỗn hợp sản phẩm đỉnh kJ kg t P nhiệt độ của dòng sản phẩm đỉnh ℃
Qmnt nhiệt mất mát ở thiết bị ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnhkJ h
Chọn nhiệt độ nước giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ:
Nhiệt hoá hơi của Acetone và Etanol ta có: t s P W℃ { r r E T T A 57 57 = Q9962,9 898487,28 kg kg J J Q9,96 Q9,96 kJ kg kJ kg (Bảng I.216, trang 260 [1])
𝑟𝐷 = r T A 57 × x D + (1 − x D ) × r T E 57 = 519,9629×0,92 + (1 − 0,92) × 898,48728= 550,24kJ kg t s P W℃ { C C T E 57 T A "95,25 57 )31 kg kg ℃ J ℃ J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh E-103
Hình 4.8: Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh
Qlnđỉnh nhiệt lượng cần cung cấp để làm nguội sản phẩm đỉnh kJ h
P lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnhkg h
𝐶pW là nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh J kg.℃
C T A 41 là nhiệt dung riêng của Acetone ở tA℃ J kg.℃
C E T 41là nhiệt dung riêng của Etanol ở tA℃ J kg.℃ t Pr ,t Pv nhiệt độ sản phẩm đỉnh vào và ra khỏi thiết bị ℃
Qmlnđ nhiệt mất mát ở thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnhkJ h
Tại xD=0,9 thì tP = 57 o C Chọn nhiệt độ dòng nước làm lạnh sản phẩm đỉnh:
Chọn tPr0 o C Nhiệt độ trung bình của dòng sản phẩm đỉnh t Ptb =t P +t Pr
2 C,5Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t Ptb C,5℃{ C C T A T E 43,5℃ 43,5℃ "51,38 '55,5 kg.℃ kg.℃ J J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Qlnđỉnh =P ×CP × ( t Pv –t Pr ) D6,176×2291,71× (57– 30).10 -3 '607,66 kJ h
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy E-105
Hình 4.9: Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy
Qlnđ = W CW.(tw – t wr ) +Qmlnđ
Qlnđ nhiệt lượng cần cung cấp để làm nguội sản phẩm đáy kJ h
W lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đáy kg h
𝐶pW là nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đáy J kg.℃
C T A 49,96 là nhiệt dung riêng của Acetone ở tI,96℃ J kg.℃
C E T 49,96 là nhiệt dung riêng của Etanol ở tI,96℃ J kg.℃ t Wr ,t Wv nhiệt độ sản phẩm đáy vào và ra khỏi thiết bị ℃
Qmlnđ nhiệt mất mát ở thiết bị làm nguội sản phẩm đáy kJ h
Chọn nhiệt độ dòng nước làm lạnh sản phẩm đỉnh:
Nhiệt độ trung bình của dòng sản phẩm đáy t Ftb =t Wv +t wr
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t Ptb R,46℃{ C C T E T A 52,46℃ 52,46℃ (71,98 "80,5 kg kg J J ℃ ℃ (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Cân bằng nhiệt lượng cho toàn bộ tháp chưng cất
QF + QK + QLo = QW + QP + Qnt + Qm (IX.156, trang 197 [2])
QF + Qđ = QW + QP + Qnt + Qm
QF là nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào kJ h
QP là nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang ra kJ h
QW là nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang ra kJ h
QLo là nhiệt lượng dòng hoàn lưu mang vào kJ h
QK là nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun kJ h
4.5.1 Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào
4.5.2 Nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang ra
4.5.3 Nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang ra
4.5.4 Nhiệt lượng dòng hoàn lưu mang vào
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHƯNG CẤT
Đường kính tháp
Đường kính tháp được xác định theo công thức sau:
D=√ π 3600 4 V tb ω tb ( IX 89 ,trang181[ 2]) ¿0,0188√ ( ρ y g ω tb y ) tb (IX 90 ,trang 181[ 2])
Vtb: lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp m 3 /h ω ytb : tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp m/s g tb : lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp kg/h
(ρ y ω y ) tb : tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp kg/m 2 s
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau, vì vậy, đường kính đoạn chưng và đoạn cất khác nhau Do đó ta sẽ tính đường kính mỗi đoạn rồi so sánh chọn ra kích thước phù hợp.
Đường kính đoạn cất
5.2.1 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp tại đoạn cất: ¿.√ h.❑ xtb ❑ ytb (kg/m 2 s) ( IX 105 ,trang184 , [2 ])
Với nồng độ phần mol trung bình pha hơi: y tb =y 1 +y D
2 =0,7055 Nhiệt độ trung bình đoạn cất: t tb =t F +t D
ytb: khối lượng riêng trung bình pha hơi.
Nồng độ phân khối lượng trung bình pha lỏng: x tb =x F +x D
2 =0,625 Nhiệt độ trung bình đoạn cất ttb = 61,76 o C.
Khối lượng riêng của Acetone: A = 743,62 (kg/m 3 ) (Bảng I.2, trang9[1])
Khối lượng riêng của Etanol: E = 752,33 (kg/m 3 ) (Bảng I.2,trang9[1])
❑ xtb =( ❑ x tb A + 1 −x ❑ E tb ) -1 ( IX 104a,trang183,[2])
xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng
[]: hệ số tính đến sức căng bề mặt
E, A: sức căng bề mặt của Etanol và Acetone tại nhiệt độ làm việc. ttb = 61,76 o C, tra bảng tính theo DIPPR sức căng bề mặt của Acetone: A = 18,39 (dyn/cm) sức căng bề mặt của Etanol: E = 18,85 (dyn/cm)
Bảng 5.4Tính toán đường kính thực tế của đoạn cất
Theo bảng số liệu trên ta thấy tại h = 0,3÷0,35 thì thoả mãn yêu cầu của đường kính theo tính toán và thực tế Vì thế nên ta chọn h= 0,35 m cho phần cất của thiết bị tháp chưng cất mâm chóp hệ hai cấu tử Acetone – Etanol h: khoảng cách mâm (m), chọn h = 0,35 m
( y.y) tb = 0,065.[ ]ư[ĩ] √ h.❑ xtb ❑ ytb ( IX 105 ,trang184 , [2])
Đường kính đoạn chưng
5.3.1 Tốc độ hơi trung bình trong tháp tại đoạn chưng
’xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m 3 )
’ : khối lượng riêng trung bình của pha hơi(kg/m 3 ).
+ Nồng độ phân mol trung bình: y tb ' =y 1 +y w
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t tb ' =t F +t W
+ nồng độ phân khối lượng trung bình pha lỏng: x tb ' =x ' F +x w '
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t’tb = 70,72 o C.
Tra tài liệu tham khảo
Khối lượng riêng của Acetone: ’A = 731,53 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của Etanol: ’E = 743,82 (kg/m 3 )
[]: hệ số tính đến sức căng bề mặt
: tính theo công thức sau:
❑ EG t’tb = 70,72 o C tra bảng và dữ liệu DIPPR ta có
Sức căng bề mặt của Acetone: A = 17,31 (dyn/cm)
Sức căng bề mặt của Etanol: E = 18,09 (dyn/cm)
Bảng 5.5 Tính toán đường kính thực tế đoạn chưng
Theo bảng số liệu trên ta thấy tại h = 0,3÷0,35 thì thoả mãn yêu cầu của đường kính theo tính toán và thực tế Vì thế nên ta chọn h= 0,35 m cho phần chưng của thiết bị tháp chưng cất mâm chóp hệ hai cấu tử Acetone – Etanol h: khoảng cách mâm (m), chọn h = 0,35 m
( y.y) tb = 0,065 [ ]ư[ĩ] √ h.❑ xtb ❑ ytb ( IX 105 ,trang 184 , [2])
Kết luận: Đường kính đoạn chưng bằng đoạn cất, ta chọn
Khi đó tốc độ làm việc thực ở:
Chiều cao tháp
Chiều cao tháp được xác định:
Ntt: số đĩa thực tế là 24
: chiều dày của mâm, chọn = 5(mm) = 0,005(m).
Hđ: khoảng cách giữa các mâm(m), chọn theo (Bảng IX.5, trang 170 [1]) Hđ = 0,25 m (0,8 1,0) là khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp
Tính toán chóp và ống chảy chuyền
Chọn đường kính ống hơi dh = 50 (mm) = 0,05(m)
Số chóp phân bố trên đĩa, n=0,1D 2 d h 2 (IX.212, trang 236 [2]) ¿0,1 0,65 2
Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi: h 2 =0,25d h (IX.213, trang 236[2]) ¿0,25.0,05=0,0125(m) Đường kính chóp: d ch =√ d h 2 +(d h 2 + 2.❑ ch ) 2 (IX.214, trang 236 [2])
ch: chiều dày chóp, chọn ch = 3(mm) (ch = 23 mm)
Khoảng cách từ đĩa đến chân chóp:
Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp: h1= 1540 (mm), chọn h1 = 35 (mm).
Chiều cao khe chóp: b=.❑2 y ❑ y g❑ x (IX.215, trang 236 [2])
Hệ số trở lực đĩa chóp
Lưu lượng hơi trong tháp:
{ ❑ x = ❑ ❑ y xtb = +❑ 2 ❑ ytb xtb ' +❑ 2 = 746,864+ ' ytb = 1,98 2 +1,77 2 741,301 =1,875 t4,083 ( kg/m ( kg/m 3 ) 3 )
Số lượng khe hở của mỗi chóp: i=❑ c (d ch − d h 2
c = 34 mm (khoảng cách giữa các khe), chọn c = 4mm
dch: đường kính chóp = 75 mm
dh; đường kính ống hơi = 50 mm.
4.19,5) = 33,7(khe) Chọn i= 34 (khe) Đường kính ống chảy chuyền d c =√ 3600 4 z ❑ G x x ❑ c (IX.217, trang 236 [2])
Gx: lưu lượng dòng lỏng trung bình đi trong tháp (kg/h)
z: số ống chảy chuyền, chọn z = 1.
x: khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m 3 ); x = 744,083 (kg/m 3 )
c: tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền (m/s) (0,1 0,5 m/s), chọn c = 0,5 (m/s)
d c =√ × 3600 4 × × 1 1719,965 ×744,083 × 0,5 = 0,0404 (m) = 40,4 (mm), chọn dc = 41 (mm) Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền:
S1 = 0,25 dc (IX.218, trang 237 [2]) = 0,25.0,041 = 0,01025(m) Chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên mâm: h c =( h 1+b+S ) −h (IX.219, trang 237 [2])
h: chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp = 35 (mm)
b: chiều cao khe chóp = 19,5 (mm)
S: khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp (mm)
h: chiều cao mực chất lỏng ở bên trên ống chảy chuyền h=√ 3 (3600.1,85.d V c ) 2 V: thể tích chất lỏng chảy qua (m 3 /h) V=Q L +Q ' L
2 Lưu lượng lỏng trong phần cất của tháp: Q LCất = G D R M tbcất
3600 46,72.746,864 =1,73×10 −3 (m 3 /s) Lưu lượng lỏng trong phần chưng của tháp:
Q Lchưng =( g đỉnh M D R + M F F ) 3600 M tb−chung ❑ ' xtb = ( 1597,31.2,58
2 =2,07×10 −3 (m 3 /s) =7,452(m 3 /h). o dc: đường kính ống chảy chuyền =0,041(m)
hc = (h1 + b + S) - h = (35 + 19,5 + 10) – 4,2.10 -4 = 64,5 (mm) Bước tối thiểu của chóp trên đĩa: t min =d ch +2❑ ch +l 2 (IX.220, trang 237 [2]) Khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp,: l2 = 12,5 + 0, 25.dch = 12,5 + 0,25.75= 31,25 (mm), chọn l2 = 31,25 (mm).
tmin = 75 + 2.2,5 + 31,25 1,25 (mm) Chiều rộng khe chóp:
Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất: t 1 =d c
dc: đường kính ống chảy chuyền = 0,041 (m)
ch: bề dày ống chảy chuyền, thường lấy 24 mm, chọn ch = 2,5(mm).
dch; đường kính chóp = 75 (mm) = 0,075(m)
l1: khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền.chọn l1 u (mm) 0,075(m). t 1 =d c
2 +0,075=0,1355(m)5,5(mm) Chiều cao lớp chất lỏng trên mâm hm = h1 + (S + hsr + b) h1 : chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp h1 = 35 mm
S : khoảng cách từ đĩa đến chân chóp, S = 10 mm hsr : khoảng cách từ mép dưới của chóp đến mép dưới của lỗ chóp Chọn hsr = 5 mm. b: chiều cao khe chóp, b = 19,5 mm
Tổng diện tích các khe chóp
Chiều rộng khe chóp a = 3 (mm).
Chiều cao khe chóp, b = 19,5 (mm)
Số khe hở mỗi chóp, i = 34 (khe)
Chiều cao mực chất lỏng gờ ống chảy tràn: how = 2,84.E (Q L
QL: lưu lượng chất lỏng, m 3 /h, QL = V = 7,146 (m 3 /h).
Lw: chiều dài gờ chảy tràn
E: hệ số hiệu chỉnh cho gờ chảy tràn được xác định bởi E = f (Q L
Tra đồ thị IX.22-trang 186[6], chọn giá trị Lw/D = 0,6 ta được:
Tổng trở lực phần cất
Tổng trở lực qua một đĩa:
Hệ số trở lực đĩa khô, = 4,55, chọn =5
- o: vận tốc hơi qua rãnh chóp (m/s):❑ o = V ' y n.i.a.b
V’y: lưu lượng pha hơi trung bình đi trong phần cất
- a: chiều rộng khe chóp = 3 (mm) = 0,003(m)
- b: chiều cao khe chóp = 19,5 (mm) = 0,0195(m)
5.6.2 Trở lực do sức căng bề mặt
P s =4. d tđ (IX.38, trang 192 [3]) Sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp tại nhiệt độ trung bình phần cất = 61,76 o C.
hh = 9,31.10 -3 (N/m) Đường kính tương đương của khe rãnh: d tđ =4.f x
Trong đó fx: diện tích tiết diện tự do của rãnh
5.6.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh P t )
2)(N/m 2 ) (IX.139, trang 194 [2]) Khối lượng riêng của bọt, thường b = (0,40,5).xtb
Chiều cao của khe chóp(m), hr = b = 19,5(mm) = 0,0195(m) h b =(h¿¿c+h−h x ) ( F o −f ) ❑ xtb +h x ❑ b f+( h ch −h x ) f ❑ b
F ❑ b ¿ (IX.110, trang 185[2]) Chiều cao đoạn ống chảy chuyền nhô lên trên dĩa hc = 64,5 (mm) = 0,064,5(m)
Chiều cao lớp chất lỏng (không lẫn bọt) trên đĩa hx = S + 0,5 b = 0,01 + 0,5.0,0195 = 0,02(m) = 20 (mm)
Fo: phần diện tích bề mặt đĩa có gắn chóp (nghĩa là trừ hai phần diện tích đĩa để bố trí ống chảy chuyền)- Sd, với Sd = 0,072 F
F: tổng diện tích của các chóp trên đĩa f =❑
4 0,075 2 17 = 0,075 (m 2 ) với n là số chóp trên đĩa.
Chiều cao của chóp: h ch =h c +h=0,0645+2,03.10 −4 =0,065(m) h b =(h¿¿c+h−h x ) ( F o −f ) ❑ xtb +h x ❑ b f+( h ch −h x ) f ❑ b
Tổng trở lực qua một đĩa: Pđ = Pk + Ps + Pt = 174,65 + 7,16 + 28,76 = 210,57
Tổng trở lực phần cất: P cất = Ntt cất Pđ cất = 16 210,57 = 3369,12 (N/m 2 ).
Tổng trở lực phần chưng
Tổng trở lực qua một đĩa: Pđ = Pk + Ps + Pt
: hệ số trở lực đĩa khô, = 4,55, chọn = 5
’o: vận tốc hơi qua rãnh chóp (m/s)
V’y; lưu lượng pha hơi trung bình đi trong phần chưng
5.7.2.Trở lực do sức căng bề mặt
- : sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp ở nhiệt độ = 70,72 o C.
- hh = 8,85.10 -3 (N/m) dtđ: đường kính tương đương d tđ =4.f x
5.7.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh P t ).
2 ) (N/m 2 ) o ’b: khối lượng riêng của bọt, thường ’b = (0,40,6).’xtb
Chọn ’b = 0,5.’xtb = 0,5 741,301 = 370,651(kg/m 3 ) o hr: chiều cao khe chóp(m), hr = b = 19,5(mm) = 0,0195(m). hb: chiều cao lớp bọt trên đĩa(m): hb = 0,0176 (m) = 17,6 (mm).
Tổng trở lực qua một đĩa: Pđ = Pk + Ps + Pt = 172,3+ 6,81+ 28,54
Tổng trở lực phần chưng: P chưng = Ntt chưng.P đ chưng = 6.207,65 = 1245,9 (N/m 2 ).
Tổng trở lực của tháp P = P luyện + P chưng = 3369,12 + 1245,9
TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
Bề dày thân tháp
Thân tháp thiết kế hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích.
Chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T.
- Áp suất tính toán: Ptt = Ph + Pthủy tĩnh + P (N/m 2 ) o Ph: áp suất hơi trong tháp = 1at = 9,81.10 4 (N/m 2 ). o Pthủy tĩnh: áp suất thủy tĩnh (N/m 2 ).
x: khối lượng riêng pha lỏng
H: chiều cao tháp chưng cất (m) H = 7(m).
- P: Tổng trở lực của tháp (N/m 2 ): P = 4615,02 (N/m 2 ).
Chọn áp suất tính toán là 1 (N/mm 2 ).
Chọn nhiệt độ tính toán: ttt = t đáy = 74,92℃ Chọn t = 74,92℃.
Chọn hệ số hiệu chỉnh: = 1 Ứng suất cho phép của thép X18H10T theo giới hạn bền được xác đinh theo công thức
2,6 1 8.10 6 (N/mm2). Ứng suất cho phép giới hạn chảy của thép X18H10T theo giới hạn chảy:
Ta lấy giá trị bé hơn trong hai kết quả vừa tính được của ứng suất để tính toán tiếp:
Vì ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện và kiểu hàn là hàn giáp mối hai bên nên:
Chọn hệ số bền mối hàn φ h =0,95
Bề dày thực của thân được tính theo công thức:
Trong đó: o C1: hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học của môi trường Chọn tốc độ ăn mòn là 0,06
(mm/năm), thiết bị hoạt động trong khoảng 20 năm, do đó C1¿1.10 −3 m o C2: hệ số bổ sung ăn mòn cơ học, chọn C2 = 0 o C3: hệ số bổ sung do sai lệch chế tạo, lắp ráp, chọn C3¿0,8 10 −3 m
Kiểm tra công thức tính toán với S=3.10 −3 m
Đáy và nắp thiết bị
Ta sử dụng thép không gỉ X18H10T dung làm vật liệu để chế tạo đáy và nắp thiết bị
Các kích thước của đáy và nắp elip tiêu chuẩn, có gờ (trang 382[2])
- Đường kính trong: Dt = 650 (mm)
- Chiều cao phần lồi ở đáy (đoạn khum của đáy) hb = 162 (mm).
- Chiều cao gờ (đoạn trụ): h = 25 (mm) (Bảng XIII.1.1, trang 384[2]).
- Diện tích mặt trong của đáy: Fđáy = 0,51 (m 2 ).
Chiều dày Sđn của đáy và nắp làm việc chịu áp suất trong:
Hệ số không thứ nguyên: k=1 Chọn loại đáy và nắp có lỗ được tăng cứng hoàn toàn
Kiểm tra bề dày phần nắp và đáy:
Cần phải thêm 2 mm vào đại lượng S (trang 386, [2]).
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử: σ=[D¿¿t¿¿2+2h b (S−C)]P 0
Vậy bề dày đáy và nắp hình elip S=0,00224(m) là hợp lí.
Chọn bề dày đáy và nắp Sđn = 2,24 (mm).
Mặt bích
Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị.
Bảng 6.6 Kích thước bích nối của tháp
Bích ghép ống dẫn
Chọn vật liệu chế tạo là thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ.
Hình 6.12 Bích ghép ống dẫn 6.4.1 Ống dẫn dòng nhập liệu:
- suất lượng dòng nhập liệu F = 1800 (kg/h)
Tra bảng khối lượng riêng của Acetone và Etanol tại nhiệt độ này: o Khối lượng riêng của Acetone: A = 737,2 (kg/m 3 ). o Khối lượng riêng của Etanol: E = 747,8 (kg/m 3 ).
- Lưu lượng chất lỏng nhập liệu đi vào tháp: Q F = F
- Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu trong ống nối: vF = 0,4 (m/s)
- Đường kính trong ống nhập liệu: dF = √ 3600 4 Q v F F = √ 3600 0,4 4.2,42 = 0,046 (m).
chọn đường kính ống nhập liệu: dF = 0,05 (m) = 50(mm).
Tra bảng XIII.33 trang 435[2] chiều dài ống nối lF = 85 (mm).
Tra bảng XIII.26 – trang 412[2] ứng với Dt = 650 (mm) và áp suất tính toán Ptt 0,16 (N.mm 2 ).
Các thông số của bích ghép ống nhập liệu:
Bảng 6.7 Bảng kích thước bích ghép ống nhập liệu
Ptt Dy Ống Kích thước nối h
- Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: gd = 1597,31 (kg/h). xD = 0,9 ( kmol kkmolhh¿ { y t s D ¿ P W =0,929 ℃
Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp:
Lưu lượng hơi ra khỏi tháp: Q h = g d
- Chọn vận tốc hơi ra ở đỉnh tháp: vh = 25 (m/s).
- Đường kính ống dẫn hơi: dD = √ 3600 4.Q v h h = √ 3600 25 4.757,02 = 0,1 (m).
chọn đường kính ống dẫn hơi: dD = 0,1 (m) = 100 (mm).
Tra bảng XIII.33 trang 435[2] chiều dài ống nối lD = 100 (mm).
Tra bảng XIII.27- trang 409[2] ứng với Dt = 650 (mm) và áp suất tính toán
Các thông số của bích ghép ống hơi ở đỉnh tháp:
Bảng 6.8 Bảng kích thước bích ghép ống hơi
Ptt Dy Ống Kích thước nối h
6.4.3 Ống dẫn dòng hoàn lưu:
- Suất lượng hoàn lưu: Ghl = GD R = 446,176×2,58 = 1151,13 (kg/h). x D = 0,92 thl = 57 o C.
Tra bảng khối lượng riêng của Acetone và Etanol tại nhiệt độ này:
Khối lượng riêng của Acetone: A = 749,3 (kg/m 3 ).
Khối lượng riêng của Etanol: E = 748,1 (kg/m 3 ).
- Lưu lượng dòng hoàn lưu: Q hl =G hl
- Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu trong ống nối: vhl = 0,25 (m/s).
- Đường kính trong ống hoàn lưu: dhl = √ 3600 4 Q v hl hl = √ 3600 .0,254.1,54 = 0,046 (m).
chọn đường kính ống hoàn lưu: dhl = 0,05 (m) = 50 (mm).
Tra bảng XIII.33-trang 435[2]: Chọn chiều dài ống nối dòng hoàn lưu lhl = 85(mm).
Tra bảng XIII.27 – trang 409[2] ứng với Dt e0(mm) và áp suất tính toàn Ptt 0,16(N/mm 2 ).
Các thông số của bích ghép ống dẫn dòng hoàn lưu:
Bảng 6.9 Bảng kích thước bích ghép ống dẫn dòng hoàn lưu
Ptt Dy Ống Kích thước nối h
6.4.4 Ống dẫn hơi từ nồi đun qua tháp:
- Khối lượng riêng của hơi vào tháp:
- Lưu lượng hơi vào tháp:
- Chọn vận tốc hơi vào v = 40 (m/s).
- Đường kính ống dẫn: dn = √ 3600 4.Q nd v = √ 3600 40 4.537,66 =¿ 0,069 (m).
chọn đường kính ống dẫn: dn = 0,07 (m) = 70 (mm).
Tra bảng XIII.33-trang 435[2]: Chọn chiều dài ống nối dòng hoàn lưu lhl = 85(mm).
Tra bảng XIII.27 – trang 409[2] ứng với Dt e0(mm) và áp suất tính toàn Ptt 0,16(N/mm 2 ).
Các thông số của bích ghép ống dẫn từ nồi đun qua tháp:
Bảng 6.10 Bảng kích thước bích ghép ống dẫn hơi từ nồi đun qua tháp
Ptt Dy Ống Kích thước nối h
6.4.5 Ống dẫn lỏng đáy tháp:
suất lượng sản phẩm đáy: G’1 = 2620,51(kg/h).
Dòng sản phẩm đáy: x W = 0,074 thl = 74,92 o C.
Tra bảng khối lượng riêng của Acetone và Etanol tại nhiệt độ này:
Khối lượng riêng của Acetone: A = 725,9 (kg/m 3 ).
Khối lượng riêng của Etanol: E = 739,8 (kg/m 3 ).
- Lưu lượng sản phẩm đáy: Q w = G 1 '
- Chọn vận tốc sản phẩm đáy trong ống nối vw = 0,5 (m/s).
- Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: dw = √ 3600 4.Q w v w = √ 3600 0,5 4.3,55 =¿ 0,05 (m)
chọn đường kính ống dẫn: dw = 0,05 (m) = 50 (mm).
Tra bảng XIII.33 trang 435[2]: Chọn chiều dài ống nối sản phẩm đáy lw (mm). Tra bảng XIII.26- sổ tay tập 2[2] ứng với Dt = 650 (mm) và áp suất tính toán
Các thông số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy:
Bảng 6.11 Bảng kích thước bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy
Ptt Dy Ống Kích thước nối h
Tai treo, chân đỡ
6.5.1 Tính khối lượng toàn tháp
- Khối lượng của bích ghép thân: m 1 =N b 2❑
D: đường kính ngoài của bích D = 0,825 (m).
Dt: Đường kính trong của thân tháp, Dt = 0,65 (m).
CT3: khối lượng riêng của thép CT3 CT3 = 7850 (kg/m3).
Số đĩa giữa 2 mặt bích là nd= 4 đĩa
Khoảng cách giữa các mâm Hđ = 250 mm
Ta tính được 7 bích ghép thân tức là 14 mặt bích m 1 ❑
Đường kính trong của tháp Dt = 0,65 (m)
Đường kính ống hơi dh = 0,05 (m)
Số chóp phân bố trên đĩa n = 17
Diện tích ống chảy chuyền:
Số ống chảy chuyền trên mỗi mâm: z = 1
Khối lượng riêng thép X18H10T X18H10T = 7900 (kg/m 3 ).
Khối lượng chóp trên mâm của toàn tháp: m3 = Ntt.n.(❑
4.(d ch +2.❑ ch ¿¿¿2 ( h ch +❑ ch ) −i.b a ❑ ch ).❑ X 18H 10T
Số chóp phân bố trên đĩa n = 17
Số khe mỗi chóp i = 34 khe.
Chiều rộng khe chóp a = 0,007 (m). m 3 = Ntt.n.(❑
4.(d ch +2.❑ ch ¿¿¿2 ( h ch +❑ ch ) −i b.a❑ ch ).❑ X 18H 10T
Khối lượng đáy và nắp:
Khối lượng đáy và nắp bằng nhau (giả sử đường ống dẫn vào đáy và nắp như nhau) Với đáy nắp elip có Dt = 650 (mm), chiều dày S = 3 (mm), chiều cao gờ h = 25 (mm). Tra bảng XIII.11 trang 384[2]
Bề mặt trong của đáy và nắp F đáy =F nắp =0,51 Tra bảng XIII.10 trang 382[2] m đáy =m nắp =F đáy S đáy ❑ X 18H 10T =0,51.0,003 7900=¿12,1
Khối lượng bích nối các ống dẫn: m ống dẫn =m 6 =π
CT3: khối lượng riêng của thép CT3 CT3 = 7850 (kg/m3).
Dy: đường kính trong của bích nối ống dẫn
D: đường kính ngoài của bích nối ống dẫn i là thứ tự của bích nối ống dẫn từ trên xuống dưới trong bài
Khối lượng dung dịch trong tháp(lấy V dung dịch = 0,5 thể tích tháp)
Nhiệt độ dòng nhập liệu tSF = 66,52 o C.
Khối lượng riêng của Acetone: A = 737,2(kg/m 3 ) (Bảng I.2, trang9[1])
Khối lượng riêng của Etanol: E = 747,81 (kg/m 3 ) (Bảng I.2,trang9[1])
Khối lượng của toàn tháp: m tháp =m 1 +m 2 +m 3 +m 4 +m 5 +m 6 +m dd w9,8+369,26+1209.11+340,34+24,2+20,86+880.86624,43(kg)
Ta chọn thiết bị làm chân đỡ là thép CT3
Tải trọng lên một chân đỡ (4 chân đỡ)
Tải trọng cho phép lên chân đỡ là G = 10000(N).
Bảng 6.12 Bảng kích thước chân đỡ tháp
Tải trọng cho phép trên một chân
Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10 -6 ,m 2
Tải trong cho phép trên tai treo bằng tải trọng cho phép trên chân đỡ là G = 10000(N).
Hình 6.14 Tai treo tháp Bảng 6.13 Bảng kích thước tai treo tháp
Tải trọng cho phép trên một tai treo
Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10 -
L B B 1 H S l a d Khối lượng một tai treo kg mm