Đồ án chưng cất tháp đĩa rượu etylic nước

I – SƠ LƯỢC VỀ CHƯNG LUYỆN: II – THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN: III – HỖN HỢP ETYLIC – NƯỚC: CHƯƠNG II: THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ I – SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ: II – THUYẾT MINH LƯU TRÌNH: PHẦN II:

 LỜI MỞ ĐẦU 

Trong cơng nghiệp hĩa chất và thực phẩm cũng như nhiều quá trìnhsản xuất đều dựa trên cơ sở sự tiếp xúc giữa các pha và sự di chuyển vậtchất từ pha này sang pha khác Các quá trình vật chất di chuyển từ phanày sang pha khác khi cĩ sự tiếp xúc giữa các pha gọi là quá trình truyểnchất Việc nghiên cứu các quá trình truyền chất cũng như quy trình cơngnghệ và thiết bị của các quá trình là cơng việc cần thiết của một kỹ sưngành cơng nghệ hĩa học Chính vì vậy, các kỹ sư tương lai của lớp LiênThơng ĐHCNH3 – K III trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội chúng em, đãđược các thầy cơ trong khoa giao cho và hướng dẫn làm Đồ án mơn họcQuá trình & Thiết bị

Đồ án mơn Quá trình & Thiết bị là mơn học quan trọng của các sinhviên ngành cơng nghệ hố. Qua quá trình làm đồ án mơn học, đã giúp embước đầu được vận dụng các kiến thức các thầy cơ đã dạy vào giải quyếtcác vấn đề kỹ thuật thực tế mà các kỹ sư tương lai cần biết

Quađây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫncùng các bạn sinh viên đã giúp em hồn thành đồ án này Do thời gian cĩhạn và sự non nớt về kinh nghiệm của bản thân nên khơng thể khơng cịnthiếu sĩt em rất mong được sự gĩp ý của các thầy, các cơ để em cĩ thể rút

ra được nhiều kinh nghiệm quý báu cho quá trình học tập, cơng tác về sau

 LỜI MỞ ĐẦU 

Trong cơng nghiệp hĩa chất và thực phẩm cũng như nhiều quá trìnhsản xuất đều dựa trên cơ sở sự tiếp xúc giữa các pha và sự di chuyển vậtchất từ pha này sang pha khác Các quá trình vật chất di chuyển từ phanày sang pha khác khi cĩ sự tiếp xúc giữa các pha gọi là quá trình truyểnchất Việc nghiên cứu các quá trình truyền chất cũng như quy trình cơngnghệ và thiết bị của các quá trình là cơng việc cần thiết của một kỹ sưngành cơng nghệ hĩa học Chính vì vậy, các kỹ sư tương lai của lớp LiênThơng ĐHCNH3 – K III trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội chúng em, đãđược các thầy cơ trong khoa giao cho và hướng dẫn làm Đồ án mơn họcQuá trình & Thiết bị

Đồ án mơn Quá trình & Thiết bị là mơn học quan trọng của các sinhviên ngành cơng nghệ hố. Qua quá trình làm đồ án mơn học, đã giúp embước đầu được vận dụng các kiến thức các thầy cơ đã dạy vào giải quyếtcác vấn đề kỹ thuật thực tế mà các kỹ sư tương lai cần biết

Quađây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫncùng các bạn sinh viên đã giúp em hồn thành đồ án này Do thời gian cĩhạn và sự non nớt về kinh nghiệm của bản thân nên khơng thể khơng cịnthiếu sĩt em rất mong được sự gĩp ý của các thầy, các cơ để em cĩ thể rút

ra được nhiều kinh nghiệm quý báu cho quá trình học tập, cơng tác về sau

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC:

PHẦN I:

TỔNG QUAN

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG

I – SƠ LƯỢC VỀ CHƯNG LUYỆN:

II – THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN:

III – HỖN HỢP ETYLIC – NƯỚC:

CHƯƠNG II: THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

I – SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ:

II – THUYẾT MINH LƯU TRÌNH:

PHẦN II:

TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG LUYỆN

CHƯƠNG I: CÂN BẰNG VẬT LIỆU

I - CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ

II – XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP & SỐ ĐĨA LÝTHUYẾT

CHƯƠNG II: TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP

I – ĐƯỜNG KÍNH ĐOẠN LUYỆN:

II – ĐƯỜNG KÍNH ĐOẠN CHƯNG:

CHƯƠNG III: TÍNH SỐ ĐĨA THỰC TẾ THEO ĐƯỜNG CONG

ĐỘNG HỌC

I HỆ SỐ CẤP KHỐI:

II – HỆ SỐ CẤP KHỐI TRONG PHA LỎNG:

III – HỆ SỐ CHUYỂN KHỐI TRONG PHA HƠI:

IV - XÁC ĐỊNH SỐ ĐƠN VỊ CHUYỂN KHỐI ĐỐI VỚI MỖI ĐĨATRONG PHA HƠI:

CHƯƠNG IV: TÍNH TRỞ LỰC CỦA THÁP

II – TRỞ LỰC DO SỨC CĂNG BỀ MẶT:

III – TRỞ LỰC THỦY TĨNH DO CHẤT LỎNG TRÊN ĐĨA TẠO RA:

IV – TỔNG TRỞ LỰC THUỶ LỰC CỦA THÁP:

CHƯƠNG V: TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

I - CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG THIẾT BỊ ĐUN NÓNG HỖN HỢPĐẦU:

II - CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THÁP CHƯNG LUYỆN:III - CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THIẾT BỊ NGƯNG TỤ:

IV - CÂN BằNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THIẾT BỊ LÀM LẠNH:PHẦN III: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

I – CHỌN VẬT LIỆU LÀM THÂN THÁP

II – TÍNH ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN:

III – TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ:

IV – KHỐI LƯỢNG ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ:

V – CHỌN BÍCH GHÉP:

VI – TÍNH GIÁ ĐỠ VÀ TAI TREO:

PHẦN IV : TÍNH THIẾT BỊ PHỤ

CHƯƠNG I: THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU

I – BỀ MẶT TRUYỀN NHỆT CỦA THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖNHỢP ĐẦU:

II – SỐ ỐNG CỦA THIẾT BỊ GIA NHIỆT:

III – ĐƯỜNG KÍNH THIẾT BỊ GIA NHIỆT:

IV – SỐ NGĂN CỦA THIẾT BỊ GIA NHIỆT:

CHƯƠNG II: THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐÁY

I – BỀ MẶT TRUYỀN NHỆT CỦA THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖNHỢP ĐÁY:

II – SỐ ỐNG CỦA THIẾT BỊ GIA NHIỆT:

  III – ĐƯỜNG KÍNH THIẾT BỊ GIA NHIỆT:

IV – SỐ NGĂN CỦA THIẾT BỊ GIA NHIỆT:

CHƯƠNG III: TÍNH BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ

I - CÁC TRỞ LỰC CỦA QUÁ TRÌNH CẤP LIỆU:

II – CHIỀU CAO THÙNG CAO VỊ SO VỚI ĐĨA TIẾP LIỆU:

III – TÍNH BƠM:

PHẦN I:TỔNG QUAN.

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG

I – SƠ LƯỢC VỀ CHƯNG LUYỆN:

Trong công nghệ hóa học có nhiều phương pháp để phân riêng hỗn hợp haihay nhiều cấu tử tan một phần hay hoàn toàn vào nhau như : hấp thụ, hấp phụ, litâm, trích li, chưng Mỗi phương pháp đều có những đặc thù riêng và những ưunhược điểm nhất định Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị cho phù hợp tuỳthuộc vào hỗn hợp ban đầu, yêu cầu sản phẩm và điều kiện kinh tế

Đối với hỗn hợp Etylic và Nước là hai cấu tử tan hoàn toàn vào nhau theo bất kỳ tỷ lệ nào có nhiệt độ sôi khác biệt nhau thì phương án tối ưu để tách hỗnhợp trên là chưng cất

Chưng là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng nhưhỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của cáccấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa củacác cấu tử khác nhau) Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sựtiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trìnhchưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ

Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau,tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưngcất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cảhai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

Khi chưng ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thuđược bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2sản phẩm:

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phầnrất ít các cấu tử có độ bay hơi nhỏ

 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ và một phần rất

ít cấu tử có độ bay hơi lớn

Đối với hệ Etylic - Nước thì:

• Sản phẩm đỉnh chủ yếu là Etylic.

• Sản phẩm đáy chủ yếu là Nước

Có nhiều cách để phân loại các phương pháp chưng:

Theo áp suất làm việc:

- Áp suất thấp

- Áp suất thường

- Áp suất cao

Theo nguyên lý làm việc:

- Chưng gián đoạn

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp

- Chưng liên tục

Theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:

- Cấp nhiệt trực tiếp

- Cấp nhiệt gián tiếp

II – THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN:

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có mộtyêu 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 vaò lưu chất kia

Tháp chưng luyện rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhấtthường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước của tháp :đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc lưu lượng pha lỏng, pha khí của tháp

và độ tinh khiết của sản phẩm Trong chưng luyện, hai loại tháp được dùng chủyếu là tháp đệm và tháp đĩa

Tháp đĩa: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các đĩa đểchia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên đĩa pha lỏng và pha hơi đựơc chotiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

* Tháp đĩa có ống chảy chuyền và không có ống chảy chuyền

* Tháp đĩa lỗ(lưới), tháp chóp, tháp supap và một số dạng khác

Tháp đệm: tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bíchhay hàn Đệm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiênhay xếp thứ tự.

III – HỖN HỢP ETYLIC – NƯỚC:

1 Etylic:

 - Etylic là chất lỏng linh động không màu và có thể hòa tan vô hạn trongnước Nhiệt độ sôi của nó là 78.40C, Etylic được ứng dụng rất nhiều trong côngnghiệp, đời sống hàng ngày   Etylic là sản phẩm của quá trình lên men hoặc quátrình tổng hợp khác

2 Nước:

 Nước là chất lỏng linh động, khối lượng phân tử 18 (kg/kmol), nhiệt độ sôi

1000C, khối lượng riêng 1000(kg/m3)

Hai chất lỏng này có độ bay hơi khác nhau Ở đây  Etylic  bay hơi trước donhiệt độ sôi của nó thấp hơn của  Nước Hỗn hợp ăn mòn yếu nên trong quá trìnhlựa chọn thiết bị để chưng luyện thì ta nên sử dụng loại thép cácbon thường đểtránh lãng phí

*KẾT LUẬN: Với hỗn hợp Etylic – Nước, trong bài này ta sử dụng phương pháp chưng luyện liên tục ở áp suất thường sử dụng tháp đĩa lỗ có ốngchảy chuyền

Hỗn hợp đầu có năng suất: F = 9,0 ( tấn/h) = 9000 (kg/h)

 Nồng độ hỗn hợp đầu : aF = 0,32 phần khối lượng

 Nồng độ sản phẩm đỉnh : aP = 0,83 phần khối lượng

 Nồng độ sản phẩm đáy : aW  = 0,005 phần khối lượng

Loại tháp: Tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền

- Tháp làm việc ở áp suất thường là 1 (atm)

- Hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

- Tổng tiết diện của lỗ hoặc rãnh chiếm từ 8 – 15% tiết diện tháp

- Đường kính lỗ từ 3 – 8 mm

- Đĩa được lắp cân bằng cũng có thể lắp đĩa xiên một góc với độ dốc 1/45

÷ 1/50

Tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền hoạt động với hiệu suất cao ổn định Khắc phụcđược nhược điểm của các loại tháp khác.

CHƯƠNG II: THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

I SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ:

Hệ thống thiết bị công nghệ chưng luyện liên tục tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyềntổng quát gồm có :

(1) : Bơm ly tâm

(2) : Thùng cao vị

(3) : Thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu dùng để đưa hỗn hợp đầu tới nhiệt độlàm việc Sử dụng thiết bị loại ống chùm, dùng hơi nước bão hoà để đunnóng vì nó có hệ số cấp nhiệt lớn, ẩn nhiệt ngưng tụ cao Hơi nước bão hoà đingoài ống, lỏng đi trong ống

(4) : Lưu lượng kế

(5): Tháp chưng luyện: gồm có 2 phần : phần trên gồm từ trên đĩa tiếp liệutrở lên đỉnh gọi là đoạn luyện, phần dưới gồm từ đĩa tiếp liệu trở xuống gọi làđoạn chưng

(6): Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh, nước lạnh đi trong ống.(7) : Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

II – THUYẾT MINH LƯU TRÌNH:

Hỗn hợp Etylic, Nước từ thùng chứa (11) được bơm vào thùng cao vị (2)nhờ bơm (1) rồi dẫn xuống thiết bị đun nóng (3) Sự có mặt của thùng cao vị đảm bảo cho lượng hỗn hợp đầu vào tháp không dao động, trong trường hợp công suất bơm quá lớn hỗn hợp đầu sẽ theo ống tuần hoàn tràn về bể chứa hỗn hợp đầu Ở(3) dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hoà Ra khỏithiết bị đun nóng, dung dịch đi vào tháp chưng luyện (1) ở vị trí đĩa tiếp liệu Do

khối từ pha lỏng sang pha hơi và tiến về đỉnh tháp Nước là cấu tử khó bay hơi ở nhiệt độ này nó vẫn đang ở thể lỏng và phân phối xuống dưới Như vậy trong tháp,hơi Etylic đi từ dưới lên gặp lỏng Nước đi từ trên xuống Vì nhiệt độ càng lên càngthấp nên khi hơi Etylic đi từ dưới lên có mang theo một phần cấu tử Nước, cấu tử

có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùng ở trên đỉnh ta thu được hỗn hợpgồm hầu hết cấu tử Etylic dễ bay hơi Hơi Etylic vào thiết bị ngưng tụ (6) đượcngưng tụ lại Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm lạnh (7) đến nhiệt độcần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8) Một phần khác hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng để tăng mức độ tách

  Tương tự quá trình dịch chuyển của Etylic, Nước sẽ kéo theo 1 phần cấu tử

và càng xuống thấp nhiệt độ của tháp càng tăng khi chất lỏng Nước đi từ trênxuống gặp hơi Etylic có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấpđược bốc hơi và do đó nồng độ Nước khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng.Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là Nước khó bay hơi.Chất lỏng ở đáy tháp khi ra khỏi tháp được làm lạnh rồi đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy (14) Để tiết kiệm hơi đốt người ta có thể dùng hơi ở đỉnh tháp để đunnóng hỗn hợp ban đầu Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầuvào và sản phẩm được lấy ra liên tục

 III CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG CỦA THÁP ĐĨA LỖ CÓ ỐNG CHẢY CHUYỀN:Tùy thuộc vào vận tốc dòng khí, trong tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền có các chế

độ chuyển động sau đây:

Ở vận tốc khí bé, khí qua lỏng ở dạng từng bong bóng riêng lẻ nên tháp làm việc ở chế độ sủi bong bóng Lúc này chất lỏng vừa đi qua ống chảy chuyền vừa cùng bọtqua lỗ đĩa

 Nếu tăng vận tốc lên thì khí đi qua lỏng thành tia liên tục Khi đó tháp làm việc ở chế độ dòng, chất lỏng không lọt qua lỗ đĩa được Ở chế độ này tháp làm việc đềuđặn

Tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, tháp chuyển sang chế độ bọt, tức là khí hòa vớilỏng tạo thành bọt Lúc này lớp chất lỏng ở trên đĩa không còn nữa, mà chỉ có bọtlinh động và xoáy mạnh Vì vậy, ở chế độ này đĩa làm việc tốt nhất Nếu tiếp tụctăng vận tốc lên, trong tháp có hiện tượng bắn chất lỏng

Đối với loại đĩa này ta thường cho tháp làm việc ở chế độ dòng hoặc bọt

Ưu điểm của của tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền:

- Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn

- Cấu tạo tháp đơn giản, dễ lắp đặt sửa chữa

PHẦN II:

TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG LUYỆN

CHƯƠNG I:

CÂN BẰNG VẬT LIỆU

I - CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ:

1 Thông số ban đầu :Gọi :

F : Lưu lượng hỗn hợp đầu; kg/h, kmol/h

P : Lưu lượng sản phẩm đỉnh; kg/h, kmol/h

W : Lưu lượng sản phẩm đáy; kg/h, kmol/h

aF : Nồng độ hỗn hợp đầu, % khối lượng

M : Khối lượng phân tử, kg/kmol

Để thuận tiện trong quá trình tính toán ta ký hiệu :

  F.aF  = P.aP  + W.aW  (2)

Từ (1) và (2) suy ra:

Tính nồng độ phần mol của cấu tử Etylic:

♦ Thành phần mol trong hỗn hợp đầu:

 M a

−+1  =

18

32,0146

32,

0 46

32,0

−+  = 0,1555 phần mol

a a = a a = a a

♦ Thành phần mol trong sản phẩm đỉnh:

  x P  =

18

83,0146

83,

0 46

83,0

1− =  + −+

 M a

 M a

−+1  =

18

005,0146

005,

005,0

−+  = 0,00196 phần mol

Hệ phương trình cân bằng vật liệu:

•Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp :

005.032.0

  G F  = F (

 B

 F   A

32

 x x

−

−) = 402.609 ( 0,6564 0,00196

00196,01555,0

II – XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP & SỐ ĐĨA LÝ THUYẾT:1.Phương trình đường làm việc của đoạn chưng, đoạn luyện

Để đơn giản cho việc thiệt lập đường làm việc của đoạn chưng đoạn luyện

Ta giả thiết:

- Dòng mol pha hơi đi từ dưới lên không đổi trên toàn bộ chiều cao của tháp.Dòng mol pha lỏng đi từ trên xuống không đổi trong đoạn chưng và đoạnluyện Tức thỏa mãn điều kiện sau:

+Nhiệt hóa hơi mol của các cấu tử bằng nhau theo công thức kinhnghiệm của Trouton: r/ T = 21 kcal/ kmol = const

+ Không có nhiệt hòa tan ∆Q= 0

+ Sự sai khác về nhiệt lượng riêng của nhiệt độ sôi trên các tiết diệnkhác nhau của tháp được bỏ qua

+ Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi

- Chất lỏng đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần đi rakhỏi đỉnh tháp

- Hơi bốc lên từ đáy tháp có nồng độ bằng nồng độ sản phẩm đáy

a) Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện  :

- Phương trình cân bằng vật liệu:

D0 = L0 + PTrong đó: Do là lượng hơi trên đoạn luyện

  Lo là lượng lỏng trên đoạn luyện

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

Doy = Lox + Px p

 Nồng độ phầnkhối lượng

 Nồng độ phần mol

Lưu lượng(kg/h)

Lưu lượng(kmol/h)

Sản phẩm đỉnh 0,83 0,6564 3436,3636 94,457Sản phẩm đáy   0,005 0,00196 5563,6364 308,152

   (Lo + P) y = Lox + Px p 

y = x

L o

b) Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

- Phương trình cân bằng vật liệu:

Du= Lu – WTrong đó: Du là lượng hơi trên đoạn chưng

  Lu là lượng lỏng trên đoạn chưng

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

 P 

 F  x

 P  L

 F  L

+

−

−+

+

0 0

f 1

R 1

− + xw

 y x

50 0 6564 0

 x  y

 y  x  R

Trong đó:

xP _nồng độ phần mol của Etylic trong pha lỏng ở sản phẩm đỉnh

xF _ nồng độ phần mol của Etylic trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu

 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 thu được chẳng baonhiêu.

Xác định R X thích hợp theo số bậc thay đổi nồng độ được tiến hành như sau :Cho nhiều giá trị R X lớn hơn giá trị R minvới R X = (1,2 2,5) R min Với mỗi giátrị trên, ta xác định được đường nồng độ làm việc của đoạn chưng, đoạn luyện haynói đơn giản là xác định được tung độ của đường nồng độ làm việc của đoạn luyệnvới trục tung có toạ độ là B, với:

P

X

x B

= +

Từ đó, ta xác định đường làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện và vẽ đồ thị

ta sẽ xác định được số đĩa lý thuyết ứng với từng giá trị β, R x

Phương trình đoạn luyện : y = 0.5x + 0.328Phương trình đoạn chưng: y = 2.631x -0.0032

  Có 6 đĩa trong đó đoạn luyện 3, đoạn chưng 5

 Với R X7= 1,098

Phương trình đoạn luyện : y = 0.52x + 0.314Phương trình đoạn chưng: y = 2.561x -0.0031

  Có 6 đĩa trong đó đoạn luyện 3, đoạn chưng 4

Từ các phương trình làm việc trên ta vẽ đồ thị biểu diễn quan hệ x –y để tìmđược số đĩa lý thuyết tương ứng với từng giá trị Rx

*Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết :

* Số đĩa lý thuyết Nltvà chỉ số hồi lưu R xđược tổng hợp trong bảng sau :

Vẽ đồ thị mối liên hệ giữa R x&Nlt(R x+1):

Để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp người ta xác định chỉ số hồi lưu từ điều kiệnthể tích tháp nhỏ nhất ( không tính đến các chỉ tiêu kinh tế vận hành) Mặt khác dễdàng nhận thấy thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số N lt(R x+1).Từ đồ thị trên,điểm cực tiểu của đường vẽ được sẽ cho ta giá trị thể tích thiết bị bé nhất và ứngvới điểm đó sẽ có chỉ số hồi lưu thích hợp

Mà Nlt(R x+1) = 12,2704 là giá trị nhỏ nhất, ứng với giá trị nhỏ nhất đó thì R x=0.8172

Vậy chỉ số hồi lưu thích hợp R th=0.8172 và số đĩa lý thuyết Nlt=7

Vẽ đồ thị đường làm việc ứng với R th:

4.1.Đoạn luyện

1

1 +  + +

 R

*Thay số :

361 0 45 0 1 8172 0

6564 0 1 8172 0

8172 0

+

= +

+ +

 y

Trong đó:

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

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

R th: Là chỉ số hồi lưu thích hợp

4.2 Đoạn chưng

- Lượng sản phẩm đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh :

262 4 457 94

609 402

 f    ( kmol h2 đầu / kmol sản phẩm đỉnh );

+Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :

0035 0 795 2 00196 0 1 8172 0

1 262 4 1

8172 0

262 4 8172 0 1

+

=+

−

−+

+

 R

 f    x  R

 f    R

th th

th

* Nhiệt độ sôi 

- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu to

F : từ xF= 0.1555 theo bảng t-x, nội suy to

F=84.67oC

- Nhiệt độ hơi tại đỉnh tháp to

P: từ x p= 0.6564 theo bảng t –y nội suy to

P = 79.18

- Nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy to

w : Từ xw= 0.00196 theo bảng t- x nội suy to

w =99.63oC

 Đường kính tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyềnđược tính theo công thức: 

- Đường kính của tháp ( D) là một đại lượng đặc trung cho năng suất củatháp

  D =   hay D = 0,0188 (m) [181- 2].

Trong đó : g :lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h)

 ρ :khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí hơi (Kg/m)

 ω :vận tốc trung bình của dòng hơi đi trong tháp (m/s)

  V :lưu lượng trung bình của pha hơi đi trong tháp (m/h)

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trongmỗi đoạn nên lượng hơi trung bình trong từng đoạn khác nhau và do đó đườngkính đoạn chưng và đoạn luyện của tháp có thể khác nhau

  n'

  2   2   1

+ g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện ( kg/h);

* Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp :

  gđ = GR  + GP = GP(R th + 1) (STQTTB 181)

T2-Trong đó

GP : lượng sản phẩm đỉnh ( kg/h)

  GR  : lượng lỏng hồi lưu đỉnh tháp (kg/h)

  R th: chỉ số hồi lưu thích hợp  ⇒gđ = 3436.3636( 0.8172 + 1) = 6244.56 (kg/h)

* Lượng hơi đi vào đoạn luyện:

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1, lượng lỏng của đĩa thứ nhất của đoạn luyện G1

được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và nhiệt lượng cho đoạnluyện :

1 1

1 1 1 1

1 1

.g

g

(STQTTB T2-182)

Trong đó

32 0

1=   =a   F 

a  phần khối lượng

r 1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ở đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kJ/kg) ;

r đ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp (kJ/kg)

 r 1 = r Ay1 + (1- y1)r B; STQTTB 182)

T2- r đ = r Ayđ + (1- yđ)r B;Trong đó:

 yđ : hàm lượng hơi sản phẩm đỉnh = aP =0.83 phần khối lượng

 r A ; r B : lần lượt là ẩn nhiệt hóa hơi của Etylic và Nước nguyên chất (kJ/kg)

Từ xF= 0.1555 tra bảng IX2a [STQTTB T2-148] suy ra nhiệt độ tF = 84.670C Tra bảng I.212 [STQTTB T1-254] với nhiệt độ hỗn hợp đầu 0

r A = 202.328(Kcal/kg) = 847.107 (KJ/kg)

r B = 559.82(Kcal/kg) = 2343.85 (KJ/kg)

→r đ = aPr A + (1- aP )r B =

= 0.83 x 847.107 + (1- 0.83) x 2343.85 = 1011.55 (KJ/kg) (**)Thay (*)&(**) vào hệ trên ta có :

, 1482 87

, 2320

83 , 0 3636 , 3436 32

, 0 g

3636 , 3436 g

1 1

1 1

1

1 1

 y

 g 

G  y

→   5551 , 22 ( / )

2

56 , 6244 88

, 4857 2

2

' ' 1

tb: lượng hơi trung bình của đoạn chưng ( kg/h)+ g’

n: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng ( kg/h)+ g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

  Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên ta

' 1

' 1

' 1

' 1

' 1

' 1

' 1

.

.

.

.

n n

w w w

 g   x G

G

 g  G

  [STQTTB T2-182]

Trong đó:

- G’1: lượng lỏng đi vào đoạn chưng(kg/h)

- g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

- x’1: hàm lượng lỏng(phần khối lượng)

- xw : thành phần cấu tử dễ bay hơi (Etylic ) trong sản phẩm đáy ;

- r 1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng(KJ/kg)

- r A : ẩn nhiệt hóa hơi của Etylic (KJ/kg)

- r B : ẩn nhiệt hóa hơi của Nước (KJ/kg)

  * =0.0021×0.0021+( 1×−0.0021)   =0.00210×.002146+0×.997946 ×18 =0.0053

 B  A

 A

 M  y

Mặt khác ta có:

 B n n

 A n

 B  A

r   y  y

r 

r 

r   y  y

r 

r 

) 1 (

) 1 (

' '

'

' 1 '

1 '

1

−+

=

−+

,2250

00196,0.6364,55630053,0

6364,5563

' 1

' 1

' 1

' 1

' 1

' 1

 g 

 g  xG

 g G

) / ( 757 , 2829 '

0031 0

);

/ ( 3934 , 8393

1

' 1

' 1

h

 Kg 

 g   x

h

 Kg  G

, 2829 2

' ' 1 '

[ ]

); / ( 1614 , 1 )

273 18 79 (

4 , 22

273 18 ) 5557 , 0 1 ( 46 5557 0

4 , 22

273 ) 1 (

183 2

4 , 22

273 ) 1 (

 M   y

STQTT 

T 

 M   y

 M   y

 L

 B tbA  A

tbA tbl 

 L

 B tbA  A

tbA tbl 

=+

×

−+

×

=

−+

=

⇒

−

−+

 ytbA   p +

=+) y1= 0.681 phần khối lượng ta đổi sang phần mol:

18

681.0146

681

681.0

273 63 99 (

4 , 22

273 18 ) 23 , 0 1 ( 46 23 0

4 , 22

273 ) 1 (

183 2

4 , 22

273 ) 1 (

 M   y

STQTT 

T 

 M   y

 M   y

C 

 B tbA  A

tbA tbC 

C 

 B tbA  A

tbA tbC 

=+

×

−+

×

=

−+

=

⇒

−

−+

 ytbA +

=+) y1= 0.681 phần khối lượng ta đổi sang phần mol:

18

681.0146

681

681.0

=+

 ρ 

 ρ 

 ρ 

− +

1

Trong đó :

- atb: phần khối lượng trung bình của cấu tử Etylic

- ρ    xtbA: khối lượng riêng của cấu tử Etylic (kg/m3)

- ρ    xtbB: khối lượng riêng của cấu tử Nước (kg/m3)

* Đoạn luyện : 

 ρ 

 ρ 

 ρ 

− +

+

=  F    p tbAL

aa

2

1555.06564.0

+

=  p   w tbAL

 x x

972

575 , 0 1 779 735

575 , 0

m

kg 

 xtbL  xtbL

=

⇒

− +

 xtbA tbAC 

 xtbc

a a

 ρ 

 ρ 

 ρ 

− +

aa

+

=  F    w tbAC 

 x  x

958

1625 0 1 3515 716

1625 0

m

kg 

 xtbC   xtbC 

=

⇒

− +

- Tốc độ hơi đi trong tháp phụ thuộc cấu tạo tháp ,chế độ làm việc , khối lượngriêng …

- Với tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền : để tránh tao bọt

 ω = ( 0,8÷ 0,9 )ω  [ 117- 2] Trong đó: ω : vận tốc hơi đi trong tháp (m/s)

 ω : vận tốc giới hạn (m/s)Với tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền :

66,820

7994.0

41.908

22 , 5551 0188

, 0

0188 ,

 D

 L  ytbL

8185 , 3843 0188

, 0

0188 ,

 D

C   ytbC 

  ω =

Đoạn Chưng :ω = 1,1802 (m/s)  Đoạn Luyện :ω = 1,1732 (m/s)

Lúc này giá trị của vận tốc làm việc

ω = 0,88ω’

ω = 0,7ω’

TÍNH SỐ ĐĨA THỰC TẾTHEO ĐƯỜNG CONG ĐỘNG HỌC.

- Vẽ đường cong cân bằng y*=f(x) và xây dựng đường nồng độ làm việc ứng với

R th= 0,8172 xác định được số đĩa lý thuyết Nlt= 7 đĩa

 - Dựng các đường thẳng A1C1, A2C2,…tại các điểm có hoành độ tuỳ ý song songvới trục tung trên đồ thị

AiCi= y*− y

I HỆ SỐ CẤP KHỐI TRONG PHA HƠI:

Hệ số cấp khối trong pha hơi tính cho 1m2diện tích làm việc của đĩa:

Re  - chuẩn số Reynol đối với pha hơi.

1.Hệ số khuếch tán trung bình trong pha hơi:

  Từ sổ tay tập II trang 127 ta có:

 B  A

 y

 M 

 M  v

2 3 1 3 1

2

3 4

=

−

 (m2/s) [STQTTBT2-127]

Trong đó :

−Dy : là hệ số khuếch tán của pha hơi (m2/s);

−P : là áp suất tuyệt đối của hệ 2 cấu tử Etylic – Nước = 1atm = 1.033at ;

−ν  A  ;   ν B : lần lượt là thể tích mol của hơi Etylic – Nước (cm3/mol);

−TC : là nhiệt độ tuyệt đối của đoạn chưng = 99.63oC

−TL : là nhiệt độ tuyệt đối của đoạn luyện = 79.18oC

−MA , MB : là khối lượng mol phân tử của 2 cấu tử Etylic – Nước ( đvC)

MA = 46 (kg/kmol) MB = 18 (kg/kmol)

+ν   A  = 6.3,7 + 2.14,8+1.7,4 = 59.2 (cm3/mol);

+ν   B  = 2.3,7 +1.7,4 = 14.8(cm3/mol);

(Tra bảng II-127 ta có thể tích nguyên tử của :C = 14,8; H = 3,7; O = 7,4)

*Trong đoạn chưng:

Theo phần trên được t°ytbC= 99,63 C = 99,63 + 273 = 372,63 K Thay vào ta được :

( m  s)

 M 

 M  v

v

 P 

T   D

 B  A  B

1 46

1 8 , 14 2 , 59 033 , 1

) 63 , 372 (

10 0043 , 0

1 1

10 0043 , 0

2 5 2

3 1 3

1

2 3 4

2 3 1 3 1

2

3 4

−

−

−

=+

=

=+

=

* Trong đoạn luyện :

Theo phần trên TytbL = 79,18 C = 79,18 + 273 = 352,18 K

Thay vào ta được:

( m  s)

 M 

 M  v

v

 P 

T   D

 B  A  B

 A  L

 L  yL

/ 10 895 , 1 18

1 46

1 8 , 14 2 , 59 033 , 1

) 18 , 352 (

10 0043 , 0

1 1

10 0043 , 0

2 5 2

3 1 3

1

2

3 4

2 3 1 3 1

2 3 4

−

−

−

=+

=

=+

ρy – khối lượng riêng trung bình của hơi, (kg/m3)

μy – độ nhớt trung bình của hơi, (Ns/m2)

Đối với đoạn chưng: ωyC = ωC= 1,1802 (m/s)Đối với đoạn luyện: ωyL = ωL = 1,1732 (m/s)

2.2 Khối lượng riêng trung bình của hơi:

Theo phần trước ta có:

Đối với đoạn chưng:

) 3

/(7994,

/(1614,

1   kg  m

 ytbL

 yL = ρ   =

 ρ 

2.3 Độ nhớt trung bình của hơi:

Độ nhớt trung bình của hơi được tính bằng biểu thức:

hh y

µ µ µ,  : độ nhớt của hỗn hợp,Etylic và Nước; (Ns/m2)

Tra độ nhớt của hơi phụ thuộc vào nhiệt độ dựa vào toán đồ hình I.35[Tr 117.ST-I]

*Đối với đoạn chưng:

Có t0 ytb = 99.630C

2 3

/.10.013,0

/.10.011,0

m s

 N 

m s

10 013 , 0

18 ).

23 , 0 1 ( 10 011 , 0

46 23 , 0

44 ,

3 3

m  Ns

=

 µ 

*Đối với đoạn luyện: Có t0

ytb = 79,180C

) / ( 10 01 , 0

2 3

2 3

m  Ns

m  Ns

10.012,0

18)

5557,01(10.01,0

46.5557,0

56,

3 3

m Ns

1.7994,0.1802,1

1614,1.1.1732,1

)1100023

,77971.79,0.(

10.066,

=+

kmol 

2

Đoạn luyện:

4 , 22

) 11000 999

, 130888

79 , 0 (

10 895 ,

= +

kmol 

2

II – HỆ SỐ CẤP KHỐI TRONG PHA LỎNG:

Được xác định theo công thức sau:

βx=  x x 0,62

x

2 x

ρx – khối lượng riêng trung bình của lỏng, (kg/m3)

Dx - hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng, (m2/s)

Mx – khối lượng mol trung bình của lỏng, (kg/kmol)

2 Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng:

Được xác định ở nhiệt độ trung bình theo công thức sau :

µ

ρ  - hệ số nhiệt độ ở 20

oC

D20 - Hệ số khuếch tán pha lỏng ở nhiệt độ 200C

  μB - Độ nhớt dung môi Nước ở 20°C, (cP hoặc 10-3 N.s/m2)

ρB - Khối lượng riêng của dung môi Nước ở 20°C, (kg/m2)

Tại nhiệt độ 20°C :

µ  Nước = 1.005 (cP ) ( Bảng I.102 – 94, STQTTBT1)

ρ Nước20 = 998 (kg/m ) (Tra bảng I.2 STQTTBT1- 9)

Vậy: b = 0,02

998

005,12,0

 M 

 M   D

 B  A

 B  A

/ 10 179 , 1

) 8 , 14 ( ) 2 , 59 ( 005 , 1 7 , 4 24 , 1

18

1 46

1 10

.

1 1 10

2 9

2 3 1 3

1

6

2 3 1 3 1 20