BÁO CÁO THỰC HÀNH MÔN TÍNH TOÁN HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÓA HỌC THIẾT KẾ THÁP ĐỆM ĐỂ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC – ACETIC AXIT

TỔNG QUAN Cơ sở lý thuyết Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí - lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các c

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

––o0o—

BÁO CÁO THỰC HÀNH MÔN TÍNH TOÁN HỆ THỐNG VÀ

THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÓA HỌC

THIẾT KẾ THÁP ĐỆM ĐỂ CHƯNG

CẤT HỆ NƯỚC – ACETIC AXIT

Họ và tên: Vũ Trường Hải

Lớp: DHHC15

MSSV: 19441381

GVHD: Lê Văn Nhiều

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TÍNH TOÁN HỆ THỐNG

VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

KHOA: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC BỘ MÔN: MÁY & THIẾT BỊ

HỌ VÀ TÊN: VŨ TRƯỜNG HẢI MSSV: 19441381 LỚP: DHHC15

1 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống tháp đệm để chưng cất hỗn hợp Nước – Acetic axit

2 Nhiệm vụ đề tài (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)

➢ Số liệu ban đầu:

- Năng suất 4000kg/h theo sản phẩm đáy

- Thành phần phần mol Acetic trong dòng nhập liệu 70%

- Sản phẩm đáy thu được 98% Acetic axit và sản phẩm đỉnh chứa 99% Nước (theo khối lượng)

- Hơi đốt sử dụng là hơi nước bão hòa

- Các thông số khác tự chọn

➢ Nội dung thực hiện:

- Tổng quan về nguyên liệu, quá trình chưng cất

- Thiết kế quy trình chưng cất

- Thuyết minh quy trình

- Tính toán cân bằng vật chất

- Tính toán cân bằng năng lượng

- Tính toán thiết kế thiết bị chưng cất

- Tính toán, chọn các thiết bị phụ trang bị cho hệ thống (Bơm, bồn cao vị, thiết bị trao đổi nhiệt, nồi đun, hệ thống đường ống….)

- Bản vẽ A1 sơ đồ QTCN

- Bản vẽ A1 chi tiết thiết bị chính

3 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 25/10/2022

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 18/12/2022

5 Họ và tên người hướng dẫn: TS Lê Văn Nhiều

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2022

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐHCN TP HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá: (thang điểm 10) • Thái độ thực hiện • Nội dung thực hiện • Kỹ năng trình bày • Tổng hợp kết quả Điểm số: Điểm bằng chữ

TP Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2022

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

TP Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2022

Giảng viên phản biện (Ký ghi họ tên)

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Lê Văn Nhiều đã tạo điều kiện cho

em tiếp cận với các trang thiết bị máy móc Qua đó em được mở rộng kiến thức của mình và có cơ sở để hoàn thành tốt bài báo cáo

Đề tài của em là “Tính toán và thiết kế hệ thống tháp đệm để chưng cất hệ Nước – Acetic axit” đây là một đề tài mang tính ứng dụng rất cao khi nền công nghiệp ngày càng phát triển mạnh mẽ như hiện nay Sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu

và sự giúp đỡ của Thầy, em đã hoàn thành bài báo cáo này Tuy nhiên, do vốn kiến thức và kỹ năng sử dụng phần mềm Autocad còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận được sự góp ý từ Thầy để em có thể hiểu rõ vấn đề

để hoàn thiện bài báo cáo tốt hơn

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy Lê Văn Nhiều cùng sự giải đáp thắc mắc của quý thầy cô trong khoa Công nghệ Hóa Học Trường đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu sơ bộ nguyên liệu 3

Chương 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 6

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 6

2.2 Thuyết minh quy trình 6

Chương 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 8

Chương 4 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 16

4.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu 16

4.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 18

4.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 19

4.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 21

4.5 Cân bằng nhiệt lượng cho nồi đun đáy tháp 23

4.6 Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất 24

Chương 5 ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG CẤT 29

5.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất 30

5.2 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng 35

Chương 6 CHIỀU CAO CHÂN THÁP 40

Chương 7 TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM 42

7.1 Đối với đoạn cất 42

7.2 Đối với đoạn chưng 43

Chương 8 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP 45

8.1 Chọn vật liệu 45

8.2 Tính các đường ống dẫn 45

8.3 Tính chiều dày tháp 49

8.4 Tính chiều dày của nắp và đáy thiết bị 52

Chiều dày nắp tháp 52

Chiều dày đáy tháp 53

8.5 Tra bích 55

8.6 Tính lưỡi đỡ đệm, đĩa phân phối chất lỏng 57

8.7 Tai treo và chân đỡ thiết bị 57

Chương 9 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 61

9.1 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 61

9.2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 68

9.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 69

9.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 70

9.5 Bơm 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

Chương 1 TỔNG QUAN

Cơ sở lý thuyết

Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí - lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ áp suất hơi của các cấu tử khác nhau) bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại

Quá trình chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơix Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có hai cấu tử thì ta thu được hai sản phẩm:

- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé

- Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn

- Đối với hệ Nước – Acetic axit thì:

- Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước

- Sản phẩm đáy chủ yếu là acid acetic

Các phương pháp chưng cất

Phân loại theo áp suất làm việc: áp suất thấp áp suất thường và áp suất cao

Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

- Phân loại theo nguyên lý làm việc: chưng cất đơn giản chưng cất bằng hơi nước trực tiếp và chưng cất chân không

- Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp cấp nhiệt gián tiếpx Trong đó cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước

Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp, chúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường được áp dụng trong công nghiệp lọc hóa dầu Kích thướt của tháp: đường kính tháp và chiều cao tháp tùy thuộc suất lượng pha lỏng pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm Ở đây ta khảo sát hai loại tháp chưng thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

-Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có ctạo khác nhau để chia thân tháp thành các đoạn bằng nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được 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 bố trí các lỗ có đường kính ( 3-12mm)

-Tháp chêm ( tháp đệm): tháp hình trụ gồm nhiều đoạn 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

Tháp đệm hình trụ bên trong có đổ đầy đệm Trong tháp đệm chất lỏng chảy từ trên xuống theo bề mặt đệm và khí đi từ dưới lên phân tán đều trong chất lỏng

-So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:

Tháp đệm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

Ưu điểm - Cấu tạo khá đơn

giản

- Trở lực thấp

- Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có p =

p của chất lỏng

- Hiệu suất tương đối cao

- Hoạt động khá ổn định

- Làm việc với chất lỏng bẩn

- Hiệu suất cao

- Hoạt động ổn định

Nhược điểm - Do có hiệu ứng

thành → hiệu suất tương đối thấp

- Độ ổn định không cao, khó vận hành

- do có hiệu ứng thành → tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng → khó tăng năng suẩt

- Thiết bị nặng

- Trở lực khá cao

- Yêu cầu lắp đặt khắc khe → lắp đĩa thật phẳng

- Cấu tạo phức tạp

- Trở lực lớn

- Không làm việc với chất lỏng bẩn

Vậy: Ta sử dụng tháp đệm để chưng cất hệ Nước – Acetic axit

1.1 Giới thiệu sơ bộ nguyên liệu

Acid Acetic

Tính chất

Acid acetic là một hệ thống có tên là Acid Ethanoic là một hỗn hợp chất hữu cơ với công thức hóa học là CH3COOH

Là chất lỏng không màu có mùi sốc đặc trưng trọng lượng riêng 1.0497 (ở 20oC)

Khi nhiệt độ hạ xuống một ít thì đông đặc thành một khối tinh thể có TO

nc = 16.635 ± 0.002OC; TO

Sôi = 118OC

Tan trong nước rượu và ete theo bất kì tỷ lệ nào

Là một acid yếu, hằng số phân ly nhiệt động của nó ở 25OC và

K = 1.75x10-5 Tính ăn mòn kim loại:

Acid acetic ăn mòn sắt

Nhôm bị ăn mòn bởi acid loãng, nó đề kháng tốt với acid acetic đặt và

thuần khiết Đồng và chì bị ăn mòn bởi acid acetic với sự hiện diện của

không khí

Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt với acid acetic

Điều chế

Acid acetic được điều chế bằng cách:

Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit acetic, là một giai đoạn

trung gian Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit acetic thành acid acetic

1

CH3CHO +

2 O2 → CH3COOH

C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O Oxy hóa andehit acetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ acetylen

Sự oxy hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban

acetat Người ta thao tác trong andehit acetic ở nhiệt độ gần 80oC để ngăn chặn sự

Hình 1x 1 Cấu tạo phân tử acid acetic

hình thành peroxit Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi chế acid acetic kết tinh được:

CH3CHO + ½ O2 → CH3COOH Tổng hợp đi từ cồn metylic và cacbon oxit

Hiệu suất có thể đạt 50 – 60% so với tỷ lệ lý thuyết bằng cách cố định cacbon oxit trên cồn metylic qua xúc tác

Nhiệt độ từ 200 – 500OC áp suất 100 – 200atm:

CH3OH + CO → CH3COOH Với sự hiện diện của metaphotphit hoặc photpho – vonframat kim loại 2 và 3 hóa trị (chẳng hạn sắt coban)

Ứng dụng

Acid acetic là một loại acid quan trọng nhất trong các loại acid hữu cơ Nó rẽ nên được ứng dụng rộng rãi và là hóa chất cơ bản để điều chế nhiều hợp chất quan trọng Acid acetic ứng dụng trong các ngành:

+ Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4.5% acid acetic)

+ Làm đông đặc nhựa mủ cao su

+ Làm chất dẻo tơ lụa xenluloza axetat – làm phim ảnh không nhạy lửa

Tính chất vật lý:

Hình 1x 2 Cấu tạo phân tử nước

+ Khối lượng phân tử : 18g/ mol

+ Khối lượng riêng :1g/ml

+ Nhiệt độ nóng chảy : 0oC

+ Nhiệt độ sôi :100oC

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống Nước là dung môi phân cực mạnh có khả năng hòa tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học

Chương 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Hinh 2 1 Sơ đồ quy trình công nghệ

2.2 Thuyết minh quy trình

Hỗn hợp nhập liệu gồm Nước – Acetic axit từ bồn chứa (T-1) được bơm (P-1) bơm vào thiết bị gia nhiệt nhập liệu (H-1) đun nóng để đạt được nhiệt độ sôi sau đó đi vào tháp chưng cất (D-1)

Trong tháp chưng cất dòng hoàn lưu từ phía đỉnh tháp đi trong phần cất đến phần chưng hợp với dòng nhập liệu tại đĩa nhập liệu tiếp tục đi xuống và ra ngoài phía đáy tháp rồi đi vào nồi đun (H-4) một phần được hóa hơi đi ngược trở lại tháp tạo dòng hơi

đi trong tháp từ đáy lên đỉnh một phần không hóa hơi chính là sản phẩm đáy (Acetic axit) sau khi ra khỏi nồi đun sẽ đi vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (H-5) rồi về bồn chứa (T-3)

Dòng hơi từ nồi đun sau khi đi vào tháp sẽ đi lên và ra khỏi tháp ở đỉnh tháp vào thiết bị ngưng tụ (H-2) để ngưng tụ hoàn toàn thành dòng lỏng Sau khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ, dòng lỏng ngưng tụ một phần sẽ được hoàn lưu ngược trở lại vào tháp (D-1) và di chuyển trong phần cất đến phần chưng hợp với dòng nhập liệux Phần còn lại chính là sản phẩm đỉnh (Nước) đi vào thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (H-3) rồi về bồn chứa (T-2)

Chương 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT

− Năng suất 4000kg/h theo sản phẩm đáy

− Thành phần phần mol Acetic trong dòng nhập liệu 70%

− Sản phẩm đáy thu được 98% Acetic axit và sản phẩm đỉnh chứa 99% Nước ( theo khối lượng )

Năng suất sản phẩm đáy

18 +

( 1 − 0.02 )60

18 +

( 1 − 0.99 )60

Nồng độ nhập liệu và nồng độ dòng đỉnh thu được:

Đồ thị cân bằng hệ Nước – Acetic axit

Đồ thị mâm lý thuyết với b = 1.6

Đồ thị mâm lý thuyết với b = 1.8

Đồ thị mâm lý thuyết với b = 2

Đồ thị mâm lý thuyết với b = 2.2

Hình 3 1 Đồ thị quan hệ N x R = f(R), xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

Theo bảng số liệu ta tìm được chỉ số hồi lưu thích hợp: Rx = 9.152

0.9979.152 + 1 = 0.901𝑥 + 0.0982

Phương trình làm việc đường chưng

3.953 − 19.152 + 1𝑥0.064

r1: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

1: hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)

C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng (K/kgđộ)

tng1: nhiệt độ của nước ngưng (OC)

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h):

Qf = FxCfxtf IXx151-[STQTTB II-196] Trong đó:

F: Lượng hỗn hợp đầu (kg/h)

Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kgđộ)

tf: nhiệt độ đầu của hỗn hợp (oC)

Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang ra (J/h):

QF = FxCFxtF IXx152-[STQTTB II-196]

Trong đó:

F: Lượng hỗn hợp đầu (kg/h)

Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí đi ra (J/kgđộ)

tf: nhiệt độ đầu của hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị gia nhiệt (oC)

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:

Qng1 = Gng1xC1xtng1 = 𝐷1𝑥𝐶1𝑥𝑡𝑛𝑔1 (J/h) IXx15-[STQTTB II-197] Trong đó:

Gng1: lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt (kg/h)

Nhiệt tổn thất tỏa ra môi trường xung quanh:

𝑘𝑔𝑘𝑚𝑜𝑙) Với tf = 30OC

→ r1 = 2425.6x103 (J/kg) I.250-[STQTTB I-312]

→{ 𝐶𝑝(𝐴) = 2047 (

𝑗 𝑘𝑔𝑥độ)

𝐶𝑝(𝑁) = 4177.5 ( 𝑗

𝑘𝑔𝑥độ) I.153.154-[STQTTB I-172]

Ta có: 𝐶𝑝𝑓 = 𝑥𝐹𝑥𝐶𝑃(𝑁) + (1 − 𝑥𝐹)𝑥𝐶𝑃(𝐴)

= 0.114𝑥4177.5 + (1 − 0.114)𝑥2047 = 2289.877( 𝐽

𝑘𝑔𝑥độ) Với tF = 107.5OC

→{𝐶𝑝(𝐴) = 2469.37 (

𝑗 𝑘𝑔𝑥độ)

Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh (J/kgđộ)

t1: nhiệt độ của nước vào (OC)

t2: nhiệt độ của nước vào (OC)

Lượng nước lạnh tiêu tốn

Nhiệt hóa hơi của dòng sản phẩm đỉnh:

𝐾𝑔

ℎ )

4.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Phương trình IXx165-[STQTTB I-198]

Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh (J/Kgxđộ)

Cpp: Nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đỉnh (J/kgxđộ)

Cpps: Nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đỉnh (J/kgxđộ)

tsp = tP: nhiệt độ sôi của dòng sản phẩm đỉnh (OC)

tP: nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh khi ra khỏi thiết bị (OC)

tnv: nhiệt độ của nước vào (OC)

tnr: nhiệt độ của nước ra (OC)

→{𝐶𝑝(𝐴) = 2433.52 (

𝑗 𝑘𝑔𝑥độ)

𝐶𝑝(𝑁) = 4231.51 ( 𝑗

𝑘𝑔𝑥độ) I.153.154-[STQTTB I-172]

4.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

Phương trình IX.165-[STQTTB I-198]

Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh (J/Kgxđộ)

Cpw: Nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đáy (J/kgxđộ)

Cpws: Nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đáy (J/kgxđộ)

tsw = tw: nhiệt độ sôi của dòng sản phẩm đáy (OC)

tw: nhiệt độ dòng sản phẩm đáy khi ra khỏi thiết bị (OC)

tnv: nhiệt độ của nước vào (OC)

tnr: nhiệt độ của nước ra (OC)

→ Cn = 4177.5 (J/kgxđộ) I.153-[STQTTB I-172]

Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh:

𝑊 = 4000 (𝑘𝑔

ℎ ) Nhiệt lượng tổn thất: QTT = 5%xQCC

Với tW = 35OC

→{𝐶𝑝(𝐴) = 2037.5 (

𝑗 𝑘𝑔𝑥độ)

→{𝐶𝑝(𝐴) = 2508.45 (

𝑗 𝑘𝑔𝑥độ)

4.5 Cân bằng nhiệt lượng cho nồi đun đáy tháp

𝑟𝑎 𝑡𝑛𝑟 = 70℃ → 𝑡𝑡𝑏 𝑛ướ𝑐 =tnr+tnv

2 =100+70

2 = 85℃

𝑡𝑡𝑏 𝑛ướ𝑐 = 85 ℃ → rh = 2297.506 k𝐽/kg (Tra [1], I.212/254)

Lượng hơi nước cần thiết sử dụng trong thiết bị nồi đun đáy tháp

𝐺̅𝑛× rh = P̅ × (R + 1) ×MW

MP × rw+ QTTNhiệt lượng tổn thất: 𝑄𝑡𝑡 = 5% × QCC

4.6 Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất

Phương trình cân bằng năng lượng:

QF + QD2 + QR = Qy + QW + Qxq2 + Qng2 IX.156-[STQTTB II-197]

Trong đó:

QF: nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào (J/h)

QR: nhiệt lượng cung cấp cho nồi đốt (J/h)

QD2: nhiệt do lỏng hồi lưu mang vào tháp (J/h)

Qy: nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh (J/h)

QW: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra (J/h)

Qxq2: nhiệt lượng thất thoát ra môi trường xung quanh (J/h)

Qng2: nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào:

Q2: lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp (kg/h)

2: hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)

r2: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa (J/kg)

C2: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kgxđộ)

tng2: nhiệt độ của nước ngưng (OC)

Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào:

TR: nhiệt độ của lỏng hồi lưu (OC)

Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp

Qy = 𝑃 𝑥 𝑑𝑥(1 + 𝑅𝑥) IX.160-[STQTTB II-197] Trong đó:

d: Nhiệt dung riêng của hơi ở đỉnh tháp (J/kg)

𝑑 = 𝑁𝑥𝑦𝑝 +𝐴𝑥(1 − 𝑦𝑝)

A: nhiệt dung riêng của Acid Acetic (J/kg)

N: nhiệt dung riêng của nước (J/kg)

Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra:

QW = 𝑊𝑥𝐶𝑝𝑊𝑥𝑡𝑊 IX.160-[STQTTB II-197]

Trong đó:

𝑊: lượng sản phẩm đáy (kg/h)

CpW: nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kgxđộ)

𝐶𝑃𝑤 = 𝑥𝑤𝑥𝐶𝑝(𝑁)+ (1 − 𝑥𝑤)𝑥𝐶𝑝(𝐴)

tw: nhiệt độ của sản phẩm đáy (OC)

Nhiệt tổn thất tỏa ra môi trường xung quanh:

Gng2: lượng nước ngưng tụ (kg/h)

C2: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kgxđộ)

𝐷2: lượng hơi đốt cần để đun sôi dung dịch đáy tháp (kg/h)

tng2: nhiệt độ nước ngưng (OC)

Tính toán

Với tF = 107.5oC

→{𝐶𝑝(𝐴) = 2469.37 (

𝑗 𝑘𝑔𝑥độ)

Nhiệt lỏng hồi lưu tR = tP = 100.67oC

→{𝐶𝑝(𝐴) = 2443.293 (

𝑗 𝑘𝑔𝑥độ)

→{𝐶𝑝(𝐴) = 2508.45 (

𝑗 𝑘𝑔𝑥độ)

𝐶𝑝(𝑁) = 4263.64 ( 𝑗

𝑘𝑔𝑥độ) I.153.154-[STQTTB I-172]

Ta có:

𝑥𝑊 = 𝑥𝑊𝑥𝑀𝐻2 𝑂

[𝑥𝑊𝑥𝑀𝐻2𝑂] + [1 − 𝑥𝑊)𝑥𝑀𝐶𝐻3𝑂𝑂𝐻 =

0.064𝑥18[0.064𝑥18] + [1 − 0.064]𝑥60

Chương 5 ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG CẤT

Vtb : lượng hơi ( khí) trung bình đi trong tháp m3/h;

ωtb: tốc độ hơi ( khí) trung bình đi trong tháp, m/s; gtb: lượng hơi ( khí) trung bình đi trong tháp kg/h;

pyωy: tốc độ hơi ( khí) trung bình đi trong tháp kg/m2s

Lượng hơi trung bình đi trong tháp

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau

trong mỗi đoạn nên ta phải tính đường kính trung bình riêng cho từng đoạn:

chưng và cất

5.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tinh 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

𝑔𝑡𝑏 = 𝑔đ + 𝑔1

𝑘𝑔

ℎ ) 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 ra khỏi đỉnh tháp:

Gđ = 𝐺𝐷+ 𝐺𝑅 = 𝑃 + (𝑅𝑥 + 1)

GD = 𝑃: Lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)

GR = 𝑃 𝑥 𝑅: Lượng chất lỏng hồi lưu (kg/h)

Lượng hơi hàm lượng hơi lượng lỏng đi vào đoạn cất

g1xr1 = gđxrđ

g1 = G1 + 𝑃

g1x 𝑦1 = G1x 𝑥𝐹 + 𝑥𝐹xP

Với:

G1: Lượng lỏng đi vào đoạn cất

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của phần cất

𝑟1 = 𝑟𝑁𝑥𝑦1 + (1 − 𝑦1 )𝑥𝑟𝐴

rA: Ẩn nhiệt hóa hơi của Acetic axit

rN: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước

𝑦1: Hàm lượng hơi đốt đĩa thứ nhất của phần cất

rđ: Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi tháp

𝑟đ = 𝑟𝑁𝑥𝑦𝑝 + (1 − 𝑦𝑝 )𝑥𝑟𝐴

Tính toán lượng hơi đốt trung bình trong đoạn cất

Lương hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp:

𝑟1 = 1824.955𝑥𝑦1+ 411.315 = 1824.995𝑥0.61 + 411.315 = 1524.56 (𝑘𝐽

𝑘𝑔)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất

1 − 0.552 950.647 = 1.0258𝑥10

−3

→pxtb = 974.85 (kg/m3)

Tốc độ khí (hơi) đi trong tháp

Tốc độ khí (hơi) trung bình đi trong tháp được xác định theo công thức:

𝜔𝑦𝑡𝑏 = (0.8

0.9 ) 𝑥𝜔𝑠Với ωs là tốc độ sặc