ĐỀ tài tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục để phân riêng hỗn hợp lỏng chứa hai cấu tử bằng tháp đĩa làm việc ở áp suất khí quyển

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như cáchỗn hợp khí đã hóa lỏng thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhaucủa các cấu tử trong hỗn hợp.. Là

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Tổng quan về sản phẩm Acetone và Benzen

Acetone, với công thức phân tử CH₃COCH₃, có nhóm -CO liên kết trực tiếp với hai nguyên tử carbon, mang lại cho hợp chất này những tính chất đặc trưng của nhóm chức Khối lượng phân tử của acetone là 58,079 đvc.

Là một chất lỏng không màu, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm dịu và có mùi thơm.

Nó hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như: eter, metanol, etanol, diacetone alcohol…

Hình 1.Công thức cấu tạo của Acetone

Bảng 1 Một số thông sô vật lý và nhiệt động của Acetone

Nhiệt dung riêng Cp : 22Kcal/mol (chuẩn ở 102°C) Độ nhớt à : 0,316 cp (ở 250°C)

Axeton, giống như andehit, tham gia vào phản ứng cộng hidro (H2) và natrihidro-sunphit (NaHSO3) Tuy nhiên, axeton không bị oxy hóa bởi dung dịch AgNO3 và Cu(OH)2, mà có thể bị oxy hóa và cắt nhóm “-CO” để chuyển thành hai axit khi phản ứng với chất oxy hóa mạnh.

SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:10 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH

Acetone là một dung môi quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, được sử dụng cho vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa và cao su Nó có khả năng hòa tan tốt các chất như tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol formaldehyde, chất béo, cũng như dung môi pha sơn và mực in ống đồng.

Benzene (C₆H₆) là một hợp chất vòng thơm, tồn tại dưới dạng chất lỏng không màu với mùi thơm đặc trưng Nó nhẹ hơn nước và tan nhiều trong các dung môi hữu cơ, đồng thời là dung môi hiệu quả cho nhiều chất như iốt, lưu huỳnh (S) và chất béo Benzene có nhiệt độ sôi 80 °C ở áp suất 1 atm, đông đặc ở nhiệt độ 5,5 °C, với tỷ khối d₂₀₄ = 0,879 và khối lượng riêng 0,8786 g/cm³.

Benzen là một hợp chất vòng bền vững với khả năng tham gia phản ứng thế dễ dàng, nhưng lại khó tham gia các phản ứng cộng và oxi hóa Đặc tính hóa học này được gọi là tính thơm.

Clobenzen là một dung môi quan trọng trong việc điều chế nitro benzen, anilin, và tổng hợp phẩm nhuộm cũng như dược phẩm Nó được sử dụng để tổng hợp DDT và hexacloaran, hai loại thuốc trừ sâu phổ biến Ngoài ra, Clobenzen còn là monome để tổng hợp chất dẻo Stiren và nhiều sản phẩm quan trọng khác Benzen cũng được biết đến như một dung môi hữu ích trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

Nguồn cung cấp Benzen cho ngành công nghiệp chủ yếu đến từ nhựa chưng cất, than đá, hexan và toluen trong dầu mỏ Quá trình nung than béo ở nhiệt độ cao để sản xuất than cốc tạo ra nhựa than đá, trong đó chứa nhiều hợp chất hữu cơ Qua quá trình chưng cất phân đoạn, Benzen được tách ra từ nhựa than đá.

Cả Acetone và Benzene đều đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp hóa học.

SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:11

Tổng quan về quá trình chưng cất, thiết bị chưng cất, dây chuyền công nghệ: 12 1 Tổng quan về quá trình chưng cất

Đối với hỗn hợp Benzene và Acetone, hai cấu tử này tan hoàn toàn vào nhau ở bất kỳ tỷ lệ nào với nhiệt độ sôi khác nhau Phương pháp tối ưu để tách hỗn hợp này là chưng cất.

1.2.1 Tổng quan về quá trình chưng cất:

Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp đồng thể (dung dịch) của các chất lỏng và khí khác nhau bằng cách sử dụng nhiệt, nhằm phân tách các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau, từ đó tạo ra hóa chất tinh khiết hơn.

Khi tiến hành chưng cất, chúng ta sẽ thu được nhiều thành phẩm, và số lượng sản phẩm này thường phụ thuộc vào cấu tử; số lượng cấu tử càng nhiều thì số lượng sản phẩm thu được cũng sẽ tăng theo.

Chưng cất là quá trình tách các cấu tử dựa vào sự khác biệt về nhiệt độ sôi hoặc nhiệt độ bay hơi Quá trình này diễn ra bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần các bước bay hơi và ngưng tụ.

1.2.1.2 Các phương pháp chưng trong sản xuất:

• Đối với chưng cất ta có hai phương pháp thực hiện:

- Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ):

Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp như sau:

▪ 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.

1.2.1.3 Giới thiệu về phương pháp chưng luyện:

Chưng luyện là phương pháp phân tách hỗn hợp khí đã hóa lỏng dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi của các thành phần trong cùng một áp suất.

Phương pháp chưng luyện là quá trình bốc hơi và ngưng tụ hỗn hợp nhiều lần, giúp thu được hỗn hợp với nồng độ cao của các cấu tử dễ bay hơi ở đỉnh tháp Với hiệu suất phân tách cao, phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, nhiều thiết bị phân tách đa dạng đã được phát triển, bao gồm tháp chóp, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền và tháp đệm.

Tháp đệm là một cấu trúc hình trụ được tạo thành từ nhiều đoạn nối với nhau bằng bích hoặc hàn, bên trong được đổ đầy đệm Thiết bị này được ứng dụng phổ biến trong công nghệ hóa học để thực hiện các quá trình hấp thụ, chưng luyện và làm lạnh Tháp đệm có khả năng hoạt động ở áp suất thường, áp suất chân không, và có thể làm việc liên tục hoặc gián đoạn.

Tháp đĩa chóp (có ống dẫn chuyền) là một thiết bị bao gồm nhiều tầng đĩa, mỗi đĩa được lắp đặt nhiều chóp có hình dạng tròn hoặc dạng khác với rãnh xung quanh Ở giữa các chóp có ống hơi cho phép hơi đi lên, trong khi đó, trên đĩa có ống chảy truyền để lỏng đi xuống Tháp đĩa hoạt động theo phương thức tiếp xúc từng bậc, tối ưu hóa quá trình trao đổi chất.

Hình 3 Tháp đệm Hình 4 Thiết bị tháp đĩa chóp

Bảng 2 Ưu điểm và Nhược điểm của 2 tháp

Phân loại Tháp đĩa chóp Tháp đệm

- Trở lực thấp có bề mặt tiếp xúc pha lớn.

- Năng suất cao - Hiệu quả tách cao. Ưu điểm - Đệm có nhiều loại có kích thước khác nhau, khi

- Hoạt động ổn định. kích thước càng nhỏ thì tăng bề mặt tiếp xúc làm tăng trở lực nên hơi khó nhưng triệt để, ngược lại .

Cấu tạo của đệm có chi tiết phức tạp, khiến việc làm ướt đều trở nên khó khăn Nếu tháp quá cao, việc phân phối chất lỏng sẽ không đồng đều Để khắc phục tình trạng này, cần chia đệm thành nhiều tầng và lắp đặt thêm đĩa.

Trở lực lớn trong quá trình phân phối chất lỏng ở mỗi tầng có thể dẫn đến việc tiêu tốn nhiều vật liệu với năng suất thấp Trong tháp, phần lớn thể tích được chiếm bởi các điểm liệu kim loại, điều này không chỉ làm giảm hiệu quả mà còn gây ra độ ổn định kém cho hệ thống.

- Không làm việc với và thiết bị năng. chất lỏng bẩn và trở

- Vệ sinh khó khăn nên không sử dụng được với lực lớn. chất lỏng bẩn.

Vậy: Chưng luyện hỗn hợp Acetone – Benzen ta dùng tháp đĩa chóp để thực hiện quá trình chưng cất.

Giới thiệu dây chuyền công nghệ

Hình 5 Sơ đồ dây chuyền công nghê chưng luyện liên tục

1 Tháp chưng luyện gồm có 2 phần: phần 6 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh trên gồm từ trên đĩa tiếp liệu trở lên đỉnh gọi là đoạn luyện, phần dưới gồm từ đĩa tiếp liệu trở xuống gọi là đoạn chưng

2 Thiết bị đun nóng để đun nóng hỗn hợp 7 Thùng chứa sản phẩm đỉnh đầu, Sử dụng thiết bị loại ống chum, dùng hơi nước bão hòa để đun nóng vì nó có hệ số cấp nhiệt lớn, ẩn nhiệt ngưng tụ cao,

Hơi nước bão hòa đi ngoài ống, lỏng đi trong ống

3 Thùng cao 8 Thùng chứa sản phẩm đáy

4 Bộ phận đun bốc hơi đáy tháp, có thể 9 Thùng chứa hỗn hợp đầu đạt trong hay ngoài tháp, Ở đây ta cũng sử dụng hơi nước bão hòa để đun với hơi đi trong ống lỏng đi ngoài ống

5 Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn, nước lạnh đi trong ống

Hỗn hợp Acetone và Benzene hoàn toàn hòa tan vào nhau theo mọi tỷ lệ Do nhiệt độ sôi của Acetone thấp hơn Benzene, nên độ bay hơi của Acetone lớn hơn Kết quả là sản phẩm đáy chủ yếu chứa Benzene và một lượng nhỏ Acetone, trong khi sản phẩm đỉnh chủ yếu là Acetone với một phần rất ít của Benzene.

Hỗn hợp Acetone và Benzene được bơm từ thùng chứa vào thùng cao vị, đảm bảo lượng hỗn hợp đầu vào tháp ổn định Dung dịch sau đó được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa trước khi vào tháp chưng luyện Tại đây, Acetone chuyển từ pha lỏng sang pha hơi và di chuyển lên đỉnh tháp, trong khi Benzene vẫn ở thể lỏng và phân phối xuống dưới Quá trình này cho phép Acetone mang theo một phần Benzene, nhưng do nhiệt độ giảm dần, Benzene có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại Cuối cùng, ở đỉnh tháp, thu được hỗn hợp chủ yếu là Acetone dễ bay hơi Hơi Acetone sau đó được dẫn vào thiết bị ngưng tụ để thu hồi chất lỏng.

Nguyễn Thị Kim Hiếu Trang thực hiện 15 đồ án quá trình thiết bị dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Thanh Bình Quá trình này bao gồm việc đi qua thiết bị làm lạnh để đạt nhiệt độ cần thiết trước khi vào thùng chứa sản phẩm Một phần sản phẩm sẽ được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng nhằm tăng cường mức độ tách.

Quá trình dịch chuyển của Benzene kéo theo một phần Acetone, làm tăng nhiệt độ ở đáy tháp khi chất lỏng Benzene di chuyển xuống và gặp hơi Acetone nóng hơn Điều này dẫn đến việc một phần cấu tử có nhiệt độ sôi bốc hơi, làm tăng nồng độ của Benzene khó bay hơi trong chất lỏng Cuối cùng, ở đáy tháp, ta thu được hỗn hợp lỏng chủ yếu là Benzene khó bay hơi Chất lỏng này sau khi ra khỏi tháp sẽ được làm lạnh và đưa vào thùng chứa sản phẩm Để tiết kiệm năng lượng, hơi ở đỉnh tháo có thể được sử dụng để đun nóng hỗn hợp ban đầu.

TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH

CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG

- F : lưu lượng mol hỗn hợp đầu, [kmol/h]

- P : lưu lượng mol sản phẩm đỉnh, [kmol/k]

- W : lưu lượng mol sản phẩm đáy, [kmol/h]

- G F : lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu, [kg/h]

- G P : lưu lượng khối lượng sản phẩm đỉnh, [kg/h]

- G W : lưu lượng khối lượng sản phẩm đáy, [kg/h]

- a F nồng độ khối lượng hỗn hợp đầu, [% khối lượng]

- a P : nồng độ khối lượng của sản phẩm đỉnh (là nồng độ khối lượng của cấu tử nhẹ ở trong hỗn hợp sản phẩm đỉnh), [% khối lượng]

- a W : nồng độ khối lượng của sản phẩm đáy (là nồng độ khối lượng của cấu tử nhẹ ở trong hỗn hợp sản phẩm đáy), [% khối lượng]

- a K : Nồng độ phần khối lượng của hỗn hợp đầu,sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy [% khối lượng]

- x F : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, [% mol]

- x P : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh, [% mol]

- x W : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy, [% mol]

- M F : khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu, [g/mol]

- M P : khối lượng mol trung bình của sản phẩm đỉnh, [g/mol]

- M W : khối lượng mol trung bình của sản phẩm đáy, [g/mol]

✓ Để thuận tiện trong quá trình tính toán, các ký hiệu sau:

- Acetone (CH 3 COCH3): là cấu tử nhẹ, kí hiệu là A; M A = 58 (g/mol),

- Benzene (C 6 H 6 ) : là cấu tử nặng, kí hiệu là B: MB = 78 (g/mol)

Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp,

= + (1) Đối với cấu tử dễ bay hơi

Lượng sản phẩm đỉnh là:

2.2.1.1 Đổi số liệu: Đầu bài cho : = φ37 φ[ φ φấ φ φ ⁄ φ φ φ φà φ φ ] φ= φ 37 24 1000 φ= φ1541,67 φ[ ⁄ ℎ ]

Vậy ta có lượng sản phẩm đỉnh là:

Lượng sản phẩm đáy là:

• Đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol của φ, , : (với a F = 0,4; a P = 0,98; a W = 0,01) Áp dụng công thức:

Thay số liệu vào ta có:

+ Thành phần mol trong hỗn hợp đầu:

+ Thành phần mol trong sản phẩm đỉnh:

+ Thành phần mol trong sản phẩm đáy:

• Tính khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm

Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đầu:

Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đỉnh:

Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đáy:

2.2.1.2 Tính cân bằng vật liệu:

- Lưu lượng mol của hỗn hợp đầu là:

- Phương trình cân bằng vật liệu:

- Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi:

Từ (6) và (7), suy ra: F = P = W xp − φxw xF φ− φxw xP φ− φxF

Bảng 4 Cân bằng vật liệu của tháp chưng cất

Cấu tử Cấu tử Tổng nhẹ A nặng B

Nguyên Lưu lượng khối lượng 1541,57 0 1541,67 liệu F (kg/h)

Sản Lưu lượng khối lượng 619,84 0 619,84

Phẩm (kg/h) đỉnh P % khối lượng 98% 2% 100%

Sản Lưu lượng khối lượng 921,83 0 921,83

Phẩm (kg/h) đáy W % khối lượng 1% 99% 100%

2.2.1.3 Thành phần pha của hỗn hợp hai cấu tử Acetone – Benzene:

Bảng 5 Thành phần cân bằng lỏng (x) - hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử ở 760 mmHg (% mol) t,°C 80.1 76.7 74 69.9 67 64.7 62.8 61.2 59.8 58.5 57.3 56.3 x 0 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 y 0 0.145 0.253 0.409 0.519 0.606 0.68 0.747 0.811 0.873 0.936 1

- Bằng phương pháp nội suy tuyến tính y F , y P , y W , t 0 s : ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH y = y A + (x - x A ) y B φ− φy A ; t 0 s = t s A + (x - x A ) t B s φ− φt A s xB φ− φxA xB φ− φxA

Từ đó ta thu được kết quả sau:

Bảng 6 Kết quả nội suy

Sản a(% x (% y (% khối mol) t 0 s ( 0 C) phẩm mol) lượng)

Gọi \$x\$ là nồng độ của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, và \$y\$ là nồng độ của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi Nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử được xác định ở áp suất 760 mmHg.

2.2.1.4 Đồ thị cân bằng pha:

Dựa vào số liệu cân bằng pha của hỗn hợp Acetone – Benzene, cần thực hiện quá trình chưng cất ở áp suất thường theo thông tin trong Sổ tay Từ đó, có thể thiết lập đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa các đại lượng x-y và t-x,y.

Hỗn hợp Acetone và Benzen h ơ i - y

Hình 6 Đường cân bằng x-y ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH

Với giá trị x F = 0,472, ta vẽ đường song song với trục y và cắt đường cân bằng Tiếp theo, ta vẽ đường song song với trục x cắt trục y tại điểm B, từ đó xác định giá trị φy F ∗ φ = φ0,660 Cuối cùng, ta tính được φR x φmin x p − φy ∗ 0,985 − φ0,660.

2.2.2 Xác định số đĩa lý thuyết:

2.2.2.1 Phương trình đường nồng độ làm việc:

▪ Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng : y l = φ R x + xp

▪ Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng có dạng : y c Rx+L x+

2.2.2.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp :

Chỉ số hồi lưu tối thiểu được xác định: R=b.R min

Trong đó: b: hệ số dư hay hệ số hiệu chỉnh.

Tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu làm việc bằng: R=(1,2÷2,4).R min

Biết giá trị R min, cho b biến thiên trong khoảng (1,2÷2,4), ta có thể tính được giá trị R tương ứng Đối với mỗi giá trị R này, ta sẽ vẽ đường làm việc và các bậc thay đổi nồng độ lý thuyết N.

Đồ thị dưới đây xác định số đĩa lý thuyết dựa trên đường cân bằng, bao gồm các điểm x P, x F và x W Đường làm việc của đoạn luyện đi qua điểm (x P, y P) và cắt trục tung tại điểm có tung độ B Đồng thời, đường làm việc của đoạn chưng cắt qua giao điểm của đường làm việc đoạn luyện.

+1 với đường x F = const và điểm ( x W , y W ) Vẽ các tam giác như hình ta thu được số đĩa lý thuyết.

Hình 8: Đồ thị y-x xác định đĩa lý thuyết

Từ đồ thị trên excel, ta thu được các giá trị sau:

Bảng 7: Chỉ số hồi lưu thích hợp b 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4

Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp dựa vào điều kiện thể tích tháp nhỏ nhất tức là tương ứng với N lt (R x +1) nhỏ nhất.

+ N lt quyết định đến chiều cao tháp.

R x +1 ảnh hưởng đến đường kính tháp, với điểm cực tiểu của đường cong cho giá trị thể tích thiết bị nhỏ nhất Tại điểm này, chỉ số hồi lưu R x thích hợp sẽ được xác định Đồ thị thể hiện mối quan hệ N lt (R x +1) = f(R x) giúp xác định R x phù hợp.

Hình 9 Chỉ số hồi lưu thích hợp

⇒ Chỉ số hồi lưu thích hợp là: R x = 3,105

Phương trình đường làm việc đoạn luyện: y= 0,75x + 0,24

Phương trình đường làm việc đoạn chưng: y = 1,36x – 0,36

2.2.2.3 Xác định số đĩa thực tế:

- Với φη tb là hiệu suất trung bình của thiết bị: η tb φ= η 1 +η 2 +⋯+η n n

(với φη 1 , φη 2 φ+ φ⋯ φ+ φη n là hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ; n là số vị trí tính hiệu suất).

Trong đó: là độ bay hơi tương đối của hỗn hợp à là độ nhớt của hỗn hợp lỏng, φ φ φ φ⁄ φ φ 2

- Xác đinh độ bay hơi tương đối

Với x,y lần lượt là nồng độ phần mol của benzen trong pha lỏng và pha hơi

- Xác đinh độ nhớt của hỗn hợp

Dùng bảng I.101-Trang 92-Sổ tay QT&TB hóa chất tập 1 và phương pháp nội suy, ta có:

Bảng 8 Độ nhớt của Axetone và Benzen

Pa.s Pa.s Pa.s Pa.s Pa.s Pa.s

=> Số đĩa thực tế là:

2.2.3 TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP Đường kính tháp được xác định theo công thức:

V tb : lượng hơi khí trung bình đi trong tháp (m 3 /h) ω tb : 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 y ) tb : tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/m 2 s)

Lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp, dẫn đến sự khác biệt về lượng hơi trung bình trong từng đoạn Do đó, đường kính của đoạn chưng và đoạn luyện có thể không giống nhau.

2.2.3.1 Lưu lượng hơi trung bình các dòng pha đi trong tháp

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi đoạn cho nên phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn

Hình 10 Để xác định lượng hơi trung bình đi trong tháp chưng luyện a.Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:

Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi thoát ra từ đĩa trên cùng và lượng hơi vào đĩa dưới cùng Công thức tính là: \[g_{tbL} = g_d + g_1\]

- g tbL : lượng hơi (khí) trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h hay kmol/h)

- g 1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h hay kmol/h)

- g đ : lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h) hay kmol/h) g đ = G R + G P =G P (R x + 1)

G R : lượng lỏng hồi lưu (kg/h)

Lượng hơi g l, hàm lượng hơi y l và lượng lỏng G l của đĩa dưới cùng trong đoạn luyện được xác định thông qua hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng.

SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:27 g l = G l + G P g l y l = G l x l + Gp x p g 1 r 1 = g đ r đ r 1 = r A y 1 + (1- y 1 ) r B r đ = r A y đ + (1- y đ ) r B

Với các thông số x l = x F = 0,4 (phần khối lượng), r 1 là ẩn nhiệt hóa hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (J/kg), r đ là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp (J/kg), và r A, r B là ẩn nhiệt hóa hơi của Acetone và Benzen.

Xác định ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp: Áp dụng công thức nội suy: r A =r 1 +(t s -t s1 ) φ φ 2 − φ φ 1 φ φ2 − φ φ φ φ1

Nội suy theo bảng I.212 trang 254 đối với Acetone và Benzen (Sổ tay QT&TBCNHC- T1) ở nhiệt độ t F , t P , t W ta đươc:

Bảng 9 Ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử A,B nguyên chất theo nhiệt độ

Bằng cách sử dụng các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đầu vào, ta có thể tính được r l Tương tự, với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đỉnh, ta tính được r đ Nồng độ hơi y đ tương ứng với nồng độ pha lỏng x P = 0,985 được xác định theo phương trình đường nồng độ làm việc trong đoạn luyện.

Ta được hệ phương trình:

Giải hệ phương trên ta được:

Vậy: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:

SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:28 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH g tbL = đĩ + φ φ 1 = φ φ 2544,4432+3119,32888

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là:

2 2 b Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được xác định gần đúng bằng công thức sau: g , g , + g , n tb 2

Trong quá trình chưng cất, lượng hơi đi vào đoạn chưng được ký hiệu là g'1, tính bằng kg/h hoặc kmol/h Lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng được ký hiệu là g'n, và có giá trị bằng g l, cũng được tính bằng kg/h hoặc kmol/h.

Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện do đó: g’ n = g 1 = φ3119,32888 φ( ⁄ ℎ )

Lượng hơi đi vào đoạn chưng g 1 ' , lượng lỏng G 1 , và hàm lượng lỏng x 1 ' được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

- y’ l = y w = 0,037 (phần mol) = 0,0163 (phần khối lượng) ; tìm theo đường cân bằng ứng với x w

- r’ 1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng, được xác định theo công thức r’ 1 =r A y’ 1 + (1- y’ 1 ).r B

- r A , r B : ẩn nhiệt hoá hơi của Acetone và Benzene ở nhiệt độ t W = 79,2134 o C tra bảng I-212/254.I ta đã nội suy ở bảng 9 nên ta có: r A = 497041,468 (J/kg) r B = 394135,534 (J/kg)

Xác định ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng: r 1 ‘ = r A y 1 ‘ + (1 -y 1 ‘ ).r B = 497041,468 0,0163 +(1-0,0163).394135,534

Tính tương tự như trên ta được hệ phượng trình:

Giải hệ phương trình trên ta được:

Vậy: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là: g ‘ tbC = φ φ 1+ φ φ′1 = φ φ 3119,32888+3345,65342 = 3232,49115 (kg/h)

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là:

2.2.3.2 Khối lượng riêng trung bình a Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng đoạn luyện

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được tính theo công thức sau:

- xtb : khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng trong đoạn luyện

- φ φ1 , φ φ φ2 : khối lượng riêng trung bình của Acetone và Benzene trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ TB (kg/m 3 ), t tb = 59,8685 0 C

Dùng phương pháp nội suy theo bảng IX.2a trang 145 đối với Acetone và Benzen (Sổ tay QT&TBCNHC-T2) ở nhiệt độ t tb = 59,8685 0 C ta đươc: φ φ1 = 746,177525 (kg/m 3 ) φ φ2 = 836,138075 (kg/m 3 )

- a tb1 : phần khối lượng trung bình của cấu tử A trong pha lỏng a tbl = + = φ 0,4+0,98 = 0,69 (phần khối lượng )

=> = φ771,923544 (kg/m 3 ) b Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đoạn luyện

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi được tính theo công thức sau: ytb = y tb1 M A + (1 − y tb1 )M B 273

- y tb1 : nồng dộ phần mol của Acetone trong pha hơi ở đoạn luyện. y tb1 = 1 φ + = φ 0,98+0,589347519 = 0,78467376 (phần mol)

- T: nhiêt độ làm việc trung bình của đoạn luyện

22,4.332,8685 c Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng đoạn chưng

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được tính theo công thức sau:

- φ φ′ : khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng trong đoạn chưng

- φ φ1 , φ φ φ2 : khối lượng riêng trung bình của Acetone và Benzene trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ TB (kg/m 3 ), t tb = 71,2487 0 C

Dùng phương pháp nội suy theo bảng IX.2a trang 145 đối với Acetone và Benzen (Sổ tay QT&TBCNHC-T2) ở nhiệt độ t tb = 71,2487 0 C ta đươc: φ φ1 = 730,814255 (kg/m 3 ) φ φ2 = 824,188865 (kg/m 3 )

- a’ tb1 : phần khối lượng trung bình của cấu tử A trong pha lỏng a’ tb1 = + = φ 0,4+0,01 = 0,205 (phần khối lượng )

=> φ φ ′ = φ803,15236 (kg/m 3 ) d Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đoạn chưng

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi được tính theo công thức sau:

- y tb1 : nồng dộ phần mol của Acetone trong pha hơi ở đoạn chưng. y’ tb1 = φ φ φ′

- T: nhiêt độ làm việc trung bình của đoạn chưng φ φ′ φ=

2.2.3.3 Hệ số sức căng bề mặt [ ] a Hệ số sức căng bề mặt φφ[σ] tại đoạn luyện Sức căng bề mặt của hỗn hợp σ = ( φ 1 φ+ φ 1 ) -1 [N/m] σA σB

Dùng phương pháp nội suy tuyến tính, ta thu được: σ A = 0,01861578 (N/m); φσ B = 0,02371578 (N/m).

Suy ra: Hệ số tính đến sức căng bề mặt: φφ[σ] = 0,8 b Hệ số sức căng bề mặt φφ[σ] tại đoạn chưng

Sức căng bề mặt của hỗn hợp: σ′ = ( φ 1 φ φ+ φ 1 ) -1 [N/m] σ′A σ′B

Dùng phương pháp nội suy tuyến tính, ta thu được: σ′ A = 0,017250156 (N/m); φσ′ B = 0,022350156 (N/m).

Suy ra:Hệ số tính đến sức căng bề mặt: φφ[σ] = 0,8.

SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:32 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH Đường kính đoạn luyện:

Chọn h= 0,3(m) φ⇒ D L = 0,9151 (m) Đường kính đoạn chưng:

 Vì đường kính D L = 0,9151 (m) và D C = 0,9424 (m) nên ta quy chuẩn đường kính của tháp chưng luyện liên tục là:

2.2.4 CHIỀU CAO CỦA THÁP CHƯNG LUYỆN

Trong đó: + N tt là số đĩa thực tế.

+ h là khoảng cách giữa các đĩa [m] (với h = 0,3 m)

+ δ là chiều dày của đĩa [m] (với φδ = 0,005 m)

+ ∆ φ φ: chiều cao của đỉnh và đáy thiết bị Ở đây tháp làm việc ở áp suất thường Nên φ∆H = (0,8 φ÷ 1)

2.2.5 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THAP CHƯNG LUYỆN

Mục đích: - Xác định lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ và làm lạnh

- Xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu và đun bốc hơi ở đáy tháp

Hình 11 Sơ đồ tính cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

2.2.5.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu φ φ1 φ + = + φ φ φ φ1 φ + φ φ φ φ φ φ1 (J/h)

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: φ φ1 φ = φ φ 1 φ 1 φ= φ φ 1 φ( φ φ 1 φ+ φ 1 φ 1 )

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào: = φ φ φ

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra: = φ φ φ

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: φ φ φ φ1 φ = φ φ φ φ φ φ1 φ 1 φ 1 φ= φ φ 1 φ 1 φ 1

Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh: φ φ φ φ1 φ = φ0.05 φ φ 1 φ 1

=>Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi là:

• 1 : Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp đầu, φ φ φ φ φ/ℎ

• : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu sau đun nóng, φ φ φ/ φ φ φ φ φ ộ đĩ

• : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu trước đun nóng, φ φ φ/ φ φ φ φ φ ộ đĩ

• Tính nhiệt dung riêng của hổn hợp đầu C f ở 25 o C :

,được tính theo công thức:

: Nhiệt dung riêng của Acetone, J/kg.độ

: Nhiệt dung riêng của Benzene, J/kg.độ

C A 25 , C B 25 tra trong bảng I.153/171 ST1 và bằng nội suy

=> Q f 25 = F.C f t f = 1541,67 1930,25.25 = 74395212,94 (J/h) Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra thiết bị đun nóng ở nhiệt độ t F

Ta chọn hơi nước bão hòa đun sôi ở áp suất p = 2,025 at, t o = 120 o C, ta có r 1 "07 10 3 (J/kg) (bảng I-121/314.I)

2.2.5.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng luyện

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: φ φ2 φ = φ φ 2 φ 2 φ= φ φ 2 ( φ φ 2 φ+ φ 2 φ 2 ) ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp: = φ φ φ

Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp:= φ φ φ φ φ.

Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp := φ φ φ φ(1 φ+ φ φ).

Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra: = φ φ φ φ.

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: φ φ φ φ2 φ = φ φ φ φ φ φ2 φ 2 φ 2 φ= φ φ 2 φ 2 φ 2

Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh: φ φ φ φ φ φ2 = φ0.05 φ φ 2 φ 2

=> Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp là:

• 2 : Lượng hơi cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp, φ φ φ φ φ/ℎ

• t 2 , C 2 : nhiệt độ và nhiệt dung riêng của nước ngưng, 0 C, J/kgđộ

• G R : Lượng lỏng hồi lưu, kg/h

• t R , C R : Nhiệt độ và nhiệt dung dung riêng của lỏng hồi lưu

• d : nhiệt trị của hỗn hợp hơi ở đỉnh tháp, (J/kg)

• r P : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ở đỉnh tháp tại nhiệt dộ 56,45 o C

• : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu sau đun nóng, φ φ φ/ φ φ φ φ φ ộ đĩ

• : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu trước đun nóng, φ φ φ/ φ φ φ φ φ ộ đĩ

• Tính nhiệt dung riêng của hổn hợp đầu C f ở 25 o C :

Ta có t R = t P = 56,45 o C , a P = a R = 0,98 (Phần khối lượng) , G p = 619,84 (kg/h),

C A , C B : tra bảng I.153/171.I ở nhiệt độ 56,45 o C và bằng nội suy ta có:

Ta có = + (1 φ− ) r A , r B : Nhiệt hoá hơi của Acetone, Benzen ở 56,45 o C Tra bảng:

I.213/254.I và bằng phương pháp nội suy ta có : r A = 522135,828 J/kg r B = 410628,2603 J/kg r P = 522135,828.0,98 + 410628,2603(1- 0,98) = 519905,6766 J/kg

Suy ra d = r P + C R a P = 519905,6766 + 2285,8205.0,98 = 522145,7807 (J/kg) Vậy Q y = P(Rx + 1) d = 619,84.(1 + 3,105) 522145,7807 = 1328570281 (J/h)

Ta có t W = 79,216 o C , aW = 0,01 (Phần khối lượng), GW = 921,83 (kg/h)

C A , C B : tra bảng I.153/171.I ở nhiệt độ 79,216 o C và bằng nội suy ta có:

Ta chọn hơi nước bão hòa đun sôi ở áp suất p = 2,025 at, t o = 120 o C, ta có r 1 = r 2 = 2207 10 3 (J/kg) (bảng I-121/314.I)

Vậy lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp là :

2.2.5.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

Sử dụng thiết bị ngưng tụ hoàn toàn :

Phương trình cân bằng nhiệt lượng :

SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:37 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở đỉnh tháp r = 51905,6766 (J/kg) (tính ở phần Q y

C n : Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình (t 1 + t 2 )/2, J/kg.độ t 1 , t 2 : Nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh, o C

G n1 : Lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết

Chọn nhiêt độ vào của nước làm lạnh t 1 % o C và nhiệt độ ra t 2 = 45 o C

Do đó nhiệt độ trung bình : t tb = t

C n1 : nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ 35 o C Tra bảng I.153 Tr.172 ST1 và nội suy ta có:

C n1 = 4176,25 (J/kg.độ) Vậy lượng nước làm lạnh : φ φ1 =

2.2.5.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh

: Nhiệt độ đầu, cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, 0 C

C P : nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/kg.độ

Lượng nước lạnh tiêu tốn là :

Vậy tổng lượng nước ở 25 0 C , 2,025 at cần dùng để ngưng tụ và làm lạnh là :

G n = G n1 + G n2 = 15838,01812 + 534,1754205 = 16372,19354 (kg/h) ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH

Tiêu đề	Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục để phân riêng hỗn hợp lỏng chứa hai cấu tử bằng tháp đĩa làm việc ở áp suất khí quyển
Tác giả	Nguyễn Thị Kim Hiếu
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Thanh Bình
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Hóa Học
Thể loại	Đồ án quá trình thiết bị
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	46
Dung lượng	893,75 KB