tính toán thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử cacbondisunfua & cacbontetraclor

Chưng luyện là phương pháp tách các cấu thành riêng biệt tử từ hỗn hợp ban đầu dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng trong hỗn hợp.. Tuy nhiên các quá trình chưng luyện có một số điểm đ

Tính toán thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử

cacbondisunfua & cacbontetraclorua trong tháp đệm

Mục lục

Tính toán thi t k h th ng ch ng luy n liên t c h n h p hai c u t cacbondisunfua & ế ế ệ ố ư ệ ụ ỗ ợ ấ ử

cacbontetraclorua trong tháp đệ 1 m

M c l c ụ ụ 1

l i nói ờ đầ 3 u Ch ươ ng I.N i dung ộ đồ 4 án B ng kê các ký hi u th ả ệ ườ ng dùng trong tÝnh toán 5

Ch ươ ng II.tính toán 8

III.1 T ÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO THÁP CHƯNG LUYỆN 8

III.2 T ÍNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP 10

III.3 T ÍNH LƯU LƯỢNG CÁC DÒNG PHA ĐI TRONG THÁP 20

III.3.1.Tính cho đoạn luyện 20

III.3.2.Tính cho đoạn chưng 22

Ch ươ ng IV.Tính v n t c h i v ậ ố ơ à đườ ng kính c a tháp ủ 25

IV.1.T ÍNH VẬN TỐC HƠI CỦA THÁP 25

IV.2 T ÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP 29

Ch ươ ng V.Tính chi u cao tháp ề 30

V.1 T ÍNH SỐ ĐƠN VỊ CHUYỂN KHỐI : 31

V.2 T ÍNH CHIỀU CAO ĐỆM CHO ĐOẠN LUYỆN : 33

V.3 T ÍNH CHIỀU CAO ĐỆM CHO ĐOẠN CHƯNG : 36

Ch ươ ng VI Tính tr l c c a tháp ở ự ủ 40

VI.1.T ÍNH TRỞ LỰC CỦA ĐOẠN LUYỆN : 40

VI.2.T ÍNH TRỞ LỰC CỦA ĐOẠN CHƯNG : 41

Ch ươ ng VII Tính cân b ng nhi t l ằ ệ ượ 42 ng c a tháp ch ng luy n ủ ư ệ 42

VII.1 C ÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THIẾT BỊ ĐUN NÓNG HỖN HỢP ĐẦU 42

VII.2 C ÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THÁP CHƯNG LUYỆN : 44

VII.3 C ÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 46

VII.4 C ÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THIẾT BỊ LÀM LẠNH 47

Ch ươ ng VIII.tính toán c khí ơ 48

VIII.1.T ÍNH CHIỀU DẦY THÂN THÁP 48

VIII.2 T ÍNH CÁC ĐƯỜNG KÍNH ỐNG DẪN : 50

VIII.2.1 Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh: 51

VIII.2.2 Đường kính ống dẫn nguyên liệu đầu: 51

VIII.2.3 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: 52

VIII.2.4 Đường kính ống dẫn lượng lỏng hồi lưu sản phẩm đỉnh: 53

VIII.2.5 Đường kính ống dẫn lượng hơi hồi lưu ở đáy tháp: 54

VIII.3 Tính đáy và nắp thiết bị: 55

VIII.3.1 Tính chiều dày nắp đỉnh: 55

VIII.3.2 Tính chiều dày đáy tháp: 56

VIII.4 T ÍNH TOÁN VÀ CHỌN MỘT SỐ BỘ PHẬN KHÁC : 57

VIII.4.1 Chọn mặt bích nối: 57

VII.4.2 Tính lưới đỡ đệm và đĩa phân phối chất lỏng: 58

VII.4.2.1 Tính đĩa phân phối chất lỏng: 58

VII.4.2.2 Tính lưới đỡ đệm: 59

VII.4.3 Tính chọn tai treo cho tháp: 61

Ch ươ ngIX.tính toán thi t b ph ế ị ụ 63

IX.1.T ÍNH THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU 63

IX.1.1.Yêu cầu của thiết bị: 63

IX.1.2.Chọn thiết bị: 63

IX.1.3 Tính bề mặt truyền nhiệt: 69

IX.2.T ÍNH CHỌN BƠM 70

IX.2.1 Xác định chiều cao thùng cao vị: 70

IX.2.1.1 Trở lực đoạn ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị trao đổi nhiệt 71

IX.2.1.2 Trở lực đoạn ống dẫn từ thiết bị đun sôi vào tháp ở dĩâ tiếp liệu 72

IX.2.1.3 Trở lực của thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu 73

IX.2.1.4 Trở lực của tháp được xác định ở phần cơ khí 75

X.2.1.5.Tính chiều cao thùng cao vị 75

IX.2.2 Xác định trở lực đường ống từ thùng chứa dung dịch đầu tới thùng cao vị: 75

Chọn vận tốc lưu thể là 2m/s Khi đó: 76

IX.2.3 Áp suất toàn phần do bơm tạo ra 77

K t lu n ế ậ 79

T i li u tham kh o à ệ ả 80

lời nói đầu

Trong công nghiệp việc tách và tinh chế các chất từ các hỗn hợp hay tạp chất là rất cần thiết Để tách hai hay nhiều chất lỏng tan lẫn vào nhau thì người ta hay sử dụng phương pháp chưng luyện

Chưng luyện là phương pháp tách các cấu thành riêng biệt tử từ hỗn hợp ban đầu dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng trong hỗn hợp

Chưng luyện là quá trình tiến hành đa số trường hợp trong tháp có các dòng pha chuyển động ngược chiều nhau Trong đó phải có các chi tiết đảm báọ tiếp xúc pha tốt nhất (các viên đệm, các loại đĩa, v.v.) phương pháp tính toán và thiết kế một hệ thống chưng luyện liên tục và hấp thụ có nhiều điểm giống nhau Tuy nhiên các quá trình chưng luyện có một số điểm đặc biệt như tỷ số dòng hơi và dòng lỏng đi trong các đoạn trưng và đoạn luyện khác nhau, hệ số phân bố thay đổi dọc theo chiều cao tháp, quá trình chuyển khối diễn ra đồng thời với quá trình truyền nhiệt,v.v những đặc điểm này làm phức tạp thêm quá trình tính toán và thiết kế

Ngoài ra, khi tính toán, thiết kế một hệ thống chưng luyện, hấp thụ còn gặp thêm khó khăn lớn khác là thiếu công thức chung dùng cho việc tính toán hệ số động học của quá trình; đặc biệt khi tính toán các tháp công nghiệp loại đĩa và đệm

có đường kính lớn hơn 800m Điều này thường được khắc phục bằng cách dựa vào những số liệu khi nghiên cứu các quy luật động học của quá trình hấp thụ

Chương I.Nội dung đồ án

Tính toán thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử cacbondisunfua & cacbontetraclorua trong tháp đệm

Với: Năng suất: F = 3,5 Kg/s

Nồng độ đầu của dung dịch: aF = 21% Khối lượng

Nồng độ đỉnh tháp: aP = 92% Khối lượng

Nồng độ đáy tháp: aW = 0,5% Khối lượng

Bảng kê các ký hiệu thường dùng trong tÝnh toán

F: lượng lỏng hỗn hợp đầu, kg/s, kg/h, hoặc kmol/h

P: lượng sản phẩm đỉnh, kg/s, kg/h, hoặc kmol/h

W: lượng sản phẩm , kg/s, kg/h, hoặc kmol/h

a: nồng độ phần trăm khối lượng, kg CS/kg hỗn hợp

x: nồng độ phần mol, kmol CS2/kmol hỗn hợp

M: khối lượng mol phân tử, kg/kmol

Chương II.Sơ đồ chương luyện

Sơ đồ chưng luyện

nguyên lý làm việc

Nguyên liệu đầu được chứa vào thùng chứa nguyên liệu 1 Sau đó được bơm lên thùng cao vị 3 nhờ bơm 2 Mức chất lỏng trong thùng cao vị đượckhống chế bằng ngưỡng chảy tràn từ thùng cao vị chất lỏng tự chảy xuống thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 3 Quá trình tự chảy được theo dõi bằng đồng hồ lưu lượng Tại thiết bị gia nhiệt 3 hỗn hợp đầu được đun nóng đến nhiệt độ sôi nhờ hơi nước bão hoà, khi

đã đạt đến nhiệt độ sôi hỗn hợp được đưa vào tháp chưng luyện 5 tại đĩa tiếp liệu Trong tháp hơi đi từ dưới lên nhờ thiết bị đun sôi đáy tháp 4, còn chất lỏng đi từ trên xuống Khi hơi đi từ dưới lên, lỏng đi từ trên xuống sẽ có quá trình tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi do nhiệt độ của hơi lớn hơn nhiệt độ của lỏng nên trong quá trình tiếp xúc đó sẽ xảy ra quá trình trao đổi nhiệt Một phần nhiệt từ pha hơi sẽ

đi vào pha lỏng làm bay hơi cấu tử dễ bay hơi là Cacbondisunfua (CS2)và làm ngưng tụ cấu tử khó bay hơi là Cacbontetraclorua(CCl4) Chính nhờ quá trình này

mà càng lên cao nồng độ cấu tử dễ bay hơi càng tăng, và ngược lại càng xuống thấp nồng độ cấu tử khó bay hơi càng tăng Hơi bay ra khỏi đỉnh tháp chứa chủ yếu là

CS2, được đưa vào thiết bị ngưng tụ 6 và tại đây hơi được ngưng tụ hoàn toàn Sau quá trình ngưng tụ một phần CS2 còn chứa nhiều CCl4 được hồi lưu trở lại tháp nhờ thiết bị phân dòng , phần còn lại được đưa qua thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 7 và được đưa về thùng chứa sản phẩm 8 Ở đây do sản phẩm đáy là CCl4 có chứa một lượng rất nhỏ CS2 nên nó được tháo bỏ, một phần được tận dụng để làm nguồn cung cấp hơi bão hoà

Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục nên hỗn hợp đầu và sản phẩm đỉnh được đưa vào và lấy ra liên tục

Chương II.tính toán

III.1 Tính cân bằng vật chất cho tháp chưng luyện.

Ta có phương trình cân bằng vật liệu

W P F

W P

W P

005 , 0 92 , 0 5 , 3 21 , 0

5 , 3

) / ( 4 , 2822

) / ( 12600 )

/ ( 716 , 2

) / ( 784 , 0

) / ( 5 , 3

h Kg W

h Kg P

h Kg F

s Kg W

s Kg P

s Kg F

Đổi nồng độ từ phần trăm khối lượng sang phần trăm số mol ta có:

Cho hỗn hợp đầu:

154

21,0176

21,

0 76

21,0

1

−+

=

−+

=

CCL

F F

CS F F

M

a Mcs

a M

92,

0 76

92,01

4 2

+

=

−+

=

CCL

P CS

P CS P P

M

a M

a M

005,

005,01

4 2

−+

=

−+

=

CCl

W CS

W CS W W

M

a M

a M

01 , 0 1 ( 76 01 , 0 ).

1 ( 2

) / ( 198 , 79 154 ) 959 , 0 1 ( 76 959 , 0 ).

1 (

) / ( 7 , 126 154 ).

350 , 0 1 ( 76 350 , 0 ).

1 (

4

4 2

4 2

kmol kg M

x Mcs

x

M

kmol kg M

x M

x

M

kmol kg M

x M

x

M

CCl W

W

W

CCl P CS

P

P

CCl F CS

F

F

=

− +

=

− +

=

=

− +

=

− +

=

=

− +

=

− +

6,9777

)/(636,3520,79

4,2822

)/(448,997,12612600

h kmol W

h kmol P

h kmol F

§å thÞ c©n b»ng pha láng h¬i x-y

III.2 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp.

Nlt : là số đĩa lý thuyết của tháp trưng ứng với từng giá trị Rx

Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu:

F F

F P x y

y x R

595 , 0 959 , 0

448 , 99

959 , 0 1 778 , 1

778 , 1 1

+

+ +

= +

+ +

Rx

x x Rx

79 , 2 1 1

778 , 1

79 , 2 778 , 1 1

1

+

− + +

+

= +

− + +

+

Rx

l x

Rx

l Rx

Ta có quan hệ y=f(x)

Từ đồ thị xác định được Nlt = 19

⇒ Rx = 1,2.Rmin = 1,778 thì Nlt(Rx+1) = 52,792

Với β=1,4 ⇒Rx = 1,4.Rmin = 1,4.1,49 =2,086

Phương trình đường làm việc đoạn luyện của tháp

311 , 0 676 , 0 1 086 , 2

959 , 0 1 086 , 2

086 , 2 1

+

+ +

= +

+ +

Rx

x x Rx

79 , 2 1 1

086 , 2

79 , 2 086 , 2 1

1

+

− + +

+

= +

− + +

+

Rx

l x

Rx

l Rx

Ta có quan hệ y=f(x)

Từ đồ thị xác định được Nlt = 16

⇒ Rx = 1,4.Rmin = 2,086 thì Nlt(Rx+1) = 49,376

Với β=1,6 ⇒Rx = 1,6.Rmin = 1,6.1,49 = 2,384

Phương trình đường làm việc đoạn luyện của tháp

283 , 0 704 , 0 1 384 , 2

959 , 0 1 384 , 2

384 , 2 1

+

+ +

= +

+ +

Rx

x x Rx

79 , 2 1 1

384 , 2

79 , 2 384 , 2 1

1

+

− + +

+

= +

− + +

+

Rx

l x

Rx

l Rx

Ta có quan hệ y=f(x)

Từ đồ thị xác định được Nlt = 14

⇒ Rx = 1,6.Rmin = 2,384 thì Nlt(Rx+1) = 47,376

Với β=1,8 ⇒Rx = 1,8.Rmin = 1,8.1,49=2,682

Phương trình đường làm việc đoạn luyện của tháp

260 , 0 728 , 0 1 682 , 2

959 , 0 1 682 , 2

682 , 2 1

+

+ +

= +

+ +

Rx

x x Rx

79 , 2 1 1

682 , 2

79 , 2 682 , 2 1

1

+

− + +

+

= +

− + +

+

Rx

l x

Rx

l Rx

Ta có quan hệ y=f(x)

Từ đồ thị xác định được Nlt = 14

⇒ Rx = 1,8.Rmin = 2,682 thì Nlt(Rx+1) = 51,548

Với β=2,0 ⇒Rx = 2,0.Rmin = 2,0.1,49 = 2,98

Phương trình đường làm việc đoạn luyện của tháp

241 , 0 749 , 0 1 98 , 2

959 , 0 1 98 , 2

98 , 2 1

+

+ +

= +

+ +

Rx

x x Rx

79 , 2 1 1

98 , 2

79 , 2 98 , 2 1

1

+

− + +

+

= +

− + +

+

Rx

l x

Rx

l Rx

Ta có quan hệ y=f(x)

Từ đồ thị xác định được Nlt = 13

⇒ Rx = 2,0.Rmin = 2,98 thì Nlt(Rx+1) = 51,74

Với β=2,2 ⇒Rx = 2,2.Rmin = 2,2.1,49 = 3,278

Phương trình đường làm việc đoạn luyện của tháp

224 , 0 766 , 0 1 278 , 3

959 , 0 1 278 , 3

278 , 3 1

+

+ +

= +

+ +

Rx

x x Rx

79 , 2 1 1

278 , 3

79 , 2 278 , 3 1

1

+

− + +

+

= +

− + +

+

Rx

l x

Rx

l Rx

Ta có quan hệ y=f(x)

Từ đồ thị xác định được Nlt = 12

⇒ Rx = 2,2.Rmin = 3,278 thì Nlt(Rx+1) =51,336

Với β=2,5 ⇒Rx = 2,5.Rmin = 2,5.1,49 = 3,725

Phương trình đường làm việc đoạn luyện của tháp

203 , 0 788 , 0 1 725 , 3

959 , 0 1 725 , 3

725 , 3 1

+

+ +

= +

+ +

Rx

x x Rx

79 , 2 1 1

725 , 3

79 , 2 725 , 3 1

1

+

− + +

+

= +

− + +

+

Rx

l x

Rx

l Rx

Ta có quan hệ y=f(x)

Từ đồ thị xác định được Nlt = 11

⇒ Rx = 2,5.Rmin = 3,725 thì Nlt(Rx+1) = 51,795

Phương trình đường làm việc đoạn luyện của tháp

288 , 0 699 , 0 1 326 , 2

959 , 0 1 326 , 2

326 , 2 1

+

+ +

= +

+ +

Rth

x x Rth

97 , 2 1 1

326 , 2

97 , 2 326 , 2 1

1

+

− + +

+

= +

− + +

+

Rth

l x

Rth

l Rth

III.3 Tính lưu lượng các dòng pha đi trong tháp.

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

III.3.1.Tính cho đoạn luyện.

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính bàng công thức 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

) / ( 2

1 kmol h g

Trong đó: gtbl là lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kmol/h)

gd là lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kmol/h)

g1l là lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kmol/h)

• Tính lượng đi ra khỏi đỉnh tháp

gd =GR + GP = GP(Rth + 1)Trong đó: GP là lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)

GP là lượng chất lỏng hồi lưu (kmol/h)

gd = 35,636.(2,326 + 1) = 118,525 (kmol/h)

• Tính lượng hơi đi vào đoạn luyện

Lượng hơi g1l, hàm lượng hơi y1l và lượng lỏngG1l đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

P P l l l l

P l l

r g r g

x G x G y g

G G g

.1 1

1 1 1 1

1 1

(**)

Trong các phương trình trên ta coi x1 = xF

r1l :là Èn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện

rd : là Èn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp

.06,26937.525,11810

)

.59,571568

,36086(

959,0.636,35

350,0

682,35

3 3

1 1

1 1

1

1 1

l l

l l

l

l l y g

G y

g

G g

)/(669,61

1 1 1

l l l y

h kmol g

h kmol G

Thay vào phương trình (*) ta có:

) / ( 915 , 107 2

305 , 97 525 , 118

h kmol

Như vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là

gytbl =107,305 (kmol/h)Lượng láng trung bình đi trong đoạn luyện:

) / ( 279 , 72

279 , 72 ) 636 , 35 326 , 2 669 , 61 ( 2

1

2

1 2

1

1 1

h kmol G

G R P G

G G

Xtbl

l l

R Xtbl

=

= +

= +

= +

=

Khối lượng mol trung bình của hơi đi trong đoạn luyện

Mytbl = ytbl MCS2 + (1 – ytbl).MCCl4

786 , 0 2

595 , 0 976 , 0

⇒Mytbl = 0,786.76 + (1 - 0,786).154 = 92,692 (kg/kmol)Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính theo kg/h

Gytbl = 107,915.92,692 = 10002,857 (kg/h)

Khối lượng mol trung bình của lỏng đi trong đoạn luyện

Mxtbl = xtbl MCS2 + (1 – xtbl).Mnuoc

655 , 0 2

350 , 0 959 , 0

⇒Mxtbl = 0,655.76 + (1 - 0,655).154 = 102,91(kg/kmol)Lượng láng trung bình đi trong đoạn luyện tính theo kg/h

Gxtbl = 72,279.102,91 = 7438,232 (kg/h)

III.3.2.Tính cho đoạn chưng.

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng có thể tính bàng công thức gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng và lượng hơi đi vào đoạn chưng

) / ( 2

1 kmol h g

Trong đó: gtbc là lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng (kmol/h)

gnc là lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng (kmol/h)

g1c là lượng hơi đi vào đoạn chưng (kmol/h)

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng 0bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện gnc=g1

nên ta có thể viết:

) / ( 2

Lượng hơi g1c, hàm lượng lỏng x1c và lượng lỏng G1c của đoạn luyện được xác định theo phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

W W c c c c

W c c

r g r g r g

x G y g x G

G g G

.1 1

1 1 1 1

1 1

(****)

Trong đó y1c= yW = 0,026 được tìm theo đường cân bằng ứng với xW=0,01

r1c : là Èn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

rnc : là Èn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

r1c = rCS2.yW + (1-yW) rCCl4

rnc = rCS2.ync + (1-ync).rCCl4

rCS2, rCCl4 : là Èn nhiệt hoá hơi của CS2&CCl4 ở nhiệt độ tF và tW

.Tính r1c

Từ yW = 0,026 dựa vào đồ thị t-y-x ta nội suy được tW=71oC

Tra bảng Èn nhiệt hoá hơi [I-301] ta được:

Nội suy ta được với tW = 71oC có rCS2= 25570,29 103 (J/kmol)

.642,32811.305,9710.1,30338

01,0.82,63026,0

82,63

3 3

1

1 1 1

1 1

c

c c c

c c g

g x G

g G

)/(058,169

)/(238,105

1 1 1

c c c x

h kmol G

h kmol g

Thay vào phương trình (***) ta có:

) / ( 272 , 101 2

305 , 97 258 , 105

h kmol

Như vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là

gytbc = 101,272(kmol/h)Lượng láng trung bình đi trong đoạn chưng:

) / ( 775 , 110

775 , 110 ) 058 , 169 82 , 63 488 , 99 ( 3

1 3

1

1

h kmol g

G G F g

Xtbc

c W Xtbc

=

= +

+

= + +

=

Khối lượng mol trung bình của hơi đi trong đoạn chưng

Mytbc = ytbc MCS2 + (1 – ytbcl).MCCl4

311 , 0 2

026 , 0 595 , 0

⇒Mytbc = 0,311.76 + (1 - 0,311).154= 129,792 (kg/kmol)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng tính theo ,kg/h

Gytbc =129,742.101,272 = 13139,232 (kg/h)

Khối lượng mol trung bình của lỏng đi trong đoạn chưng

Mxtbc = xtbc MCS2 + (1 – xtbc).MCCl4

180 , 0 2

01 , 0 350 , 0

⇒Mxtbc = 0,180.76 + (1 - 0,180).154 = 139,96 (kg/kmol)Lượng láng trung bình đi trong đoạn chưng tính theo kg/h

Gxtbc = 139,36.110,775 = 15504,116 (kg/h)

Chương IV.Tính vận tốc hơi và đường kính của tháp

IV.1.Tính vận tốc hơi của tháp.

Với tháp đệm làm việc ở áp suất hơi quyển thường, chọn vận tốc làm việc trong khoảng 80 ÷ 90% vận tốc sặc Vận tốc sặc ( thời điểm bắt đầu) được tính theo công thức thực nghiệm:

8 / 1 4

/ 1 16

, 0 3

2

) (

) (

75 , 1 )

.(

.

lg

xtb

ytb y

x n

x xtbb d

ytb d s

G

G A

V

ρµ

µρ

ρσω

Gx,Gy : là lưu lượng của dòng lỏng và hơi trong tháp (kg/s)

Vì tỷ số Gx/Gy và các tính chất vật lý của các pha trong đoạn luyện và đoạn chưng của tháp khác nhau, nên vận tốc sặc cho mỗi đoạn cũng khác nhau

Chọn đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn với kích thước 20x20x2,5(mm)

Từ xtbl = 0,655 thay vào phương trình đường làm việc luyện ta được

ytbl=0,746 nội suy từ đồ thị y-x-t ta được ttbl = 56oC

Từ xtbc = 0,180 thay vào phương trình đường làm việc chưng ta được

ytbc=0,271 nội suy từ đồ thị y-x-t ta được ttbc = 70oC

Vậy từ:

) / ( ) (

4 , 22

m kg t T

T M

l o

o ytbl yl

+

=

) / ( ) (

4 , 22

m kg t T

T M

c o

o ytbc yc

+

=

ρ

) / ( 434 , 3 ) 56 273 ( 4 , 22

273 692 , 92 )

.(

4 , 22

m kg t

T

T M

l o

o ytbl

+

= +

=

ρ

) / ( 611 , 4 ) 70 273 ( 4 , 22

273 472 , 129 )

.(

4 , 22

m kg t

T

T M

c o

o ytbc

+

= +

2 2

2 1 1

CCl

tbCS CS

tbCS x

a a

ρρ

ρ

− +

=

4

2 2

2 1 1

xlCCl

tblCS xCS

tblCS xl

a a

ρρ

ρ

− +

=

4

2 2

2 1 1

xCCl

tbcCS xCS

tbcCS xc

a a

ρρ

ρ

− +

=

Trong đó atblCS2, atbcCS2 là phần trăm khối lượng của CS2 trong láng

ρx CS2, ρxCCl4 là khối lượng riêng của CS2 và CCl4 ở nhiệt độ đang xét

ρxl,ρxc là khối lượng riêng của lỏng trong đoạn luyện và đoạn chưng

565 , 0 2

92 , 0 21 , 0 2

2 = F + P = + =

tblCS

a a a

108 , 0 2

005 , 0 21 , 0 2

a a

2 tbcCS = + = + =

Tra bảng khối lượng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ [I-10] ta được:

) / ( 7 , 1326

10 75 , 0 1525

565 , 0 1 1206

565 , 0 1

3

3

m kg xl

xl

=

=

− +

ρ ρ

) / ( 67 , 1452

10 69 , 0 1494

108 , 0 1 5 , 1182

108 , 0 1

3

3

m kg xc

xc

=

=

− +

8 / 1 4

/ 1 16

, 0 3

2

) (

) (

75 , 1 )

xl n

xl xtbl

V

ρµ

µρ

434 , 3 (

) 857 , 10002

232 , 7438 (

75 , 1 125 , 0 )

10 005 , 1

10 347 , 0 (

7 , 1326 73

/ 1 16

, 0 3

3 3

2

s m sl

8 / 1 xtbc

ytbc 4 / 1 yc

xc 16

, 0 n

xc xtbc

) G

G (

75 , 1 A )

611 , 4 (

) 232 , 13139

116 , 15504 (

75 , 1 125 , 0 )

10 005 , 1

10 470 , 0 (

67 , 1452 73

/ 1 16

, 0 3

3 3

2

s m sc

IV.2 Tính đường kính tháp.

Đường kính tháp được xác định theo công thức:

) ( ,

4

m

G D

y

y

ρ ω π

=

Trong đó: Gy: là lượng hơi chung bình đi trong tháp (kg/s)

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

ρy: là khối lượng riêng trung bình của hơi trong tháp (kg/m3)

• Đường kính đoạn luyện:

779 , 2 4

m

• Đưòng kính đoạn chưng:

yc c

yc c

G D

ρ ω

π

4

65 , 3 4

yl

l

G 4 D

ρ ω π

=

Chương V.Tính chiều cao tháp

Đối với tháp đệm chiều cao đệm được tính theo công thức:

H=noy.hoy (m)Trong đó: noy: là số đơn vị chuyển khối chung tính theo pha hơi

hoy: là chiều cao của một đơn vị chuỷên khối (m)

Số đơn vị chuyển khối chung tính theo phương trình:

W

y y oy

y y

G m h h

h1: là chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi (m)

h2: là chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha láng (m)

) ( Pr Re ) ( 256

) ( Pr Re

5 , 0 25 , 0 3 / 2 2

3 / 2 25 , 0 1

m h

m a

V h

x x x

x

y y d d

ρµ

ρx: là khối lượng riêng của lỏng (kg/m3)

ψ: là hệ số thấm ướt của đệm, nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp, được xác định bằng đồ thị [II-178]

Vx: lưu lượng thÓ tích của chất lỏng (m3/h)

y

ω ρ

4 , 0

Re = là chuẩn số Reynol của pha hơi

d x t

x x

Re = là chuẩn sè Reynol của pha láng.

y y

y y

D

.

Pr ρ

µ

= là chuẩn số Prant của pha hơi

x x

x y

= là chuẩn số Prant của pha láng.

Dy, Dx: là hệ số khuếch tán trong pha hơi và pha láng (m2/s)

V.1 Tính số đơn vị chuyển khối:

• Tính cho đoạn luyện:

=

l h

24 , 7 ) 2309 , 0 1608

+

+

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

−

=

c h

513 , 6 )]

1209 , 0 0866 , 0 1159 , 0 ( 2

) 1009 , 0 0992 , 0 1813 , 0 ( 4 2

1764 , 0 6098 , 0 [ 3

604 , 6

= +

+ +

+ +

+ +

V.2 Tính chiều cao đệm cho đoạn luyện:

Hl=noyl.hoyl (m)

l xl

yl l

G

G m h

) ( Pr Re ) ( 256

) ( Pr Re

5 , 0 25 , 0 3 / 2 2

3 / 2 25 , 0 1

m h

m a

V h

xl xl xl

xl l

yl yl d

d l

ρµ

232 ,

h m

1 14 , 3 4

607 , 5

142 , 7

l yl

ω ρ

4 , 0

ρyl = 3,434kg/m3)

ωl = 0,72 (m/s)

σd = 240 (m2/m3)Tính µyl:

4 CCl

4 CCl tbl 2

CS

2 CS tbl

2 CS

yl y M (1 y ).M

Mµ

−+µ

=µ

Trong đó: MCS2: là khối lượng kmol phân tử của CS2 (kg/kmol)

MCCl4 là khối lượng kmol phân tử của CCl4 (kg/kmol)

µCS2, µCCl4 là độ nhớt của hơi và CS2 hơi CCl4 ở nhiệt độ trung bình của đoạn luyện (N.s/m2)

ytbl là nồng độ hơi trung bình của đoạn luyện

786 , 0

=

tbl y

Nội suy từ đồ thị y-x-t ta được ttbl= 56oC

Tra trên bảng độ nhớt của hơi và hơi phụ thuộc vào nhiệt độ [I-85] ta được:

⇒µCS2 = 1,628.10-5 (N.s/m2)

µCCl4 = 1,094.10-5 (N.s/m2)

) / ( 10 137 , 1 10

094 , 1

154 ).

0786 1

( 10 628 , 1

76 786 , 0

5 5

m s N

=

µ

Thay các giá trị tìm được vào phương trình tính Renol được:

289 , 362 240

10 137 , 1

72 , 0 434 , 3 4 , 0

• Tính hệ số Pran

yl yl

yl yl

M

1M

1()vv.(

P

T.10.0043,0

4 CCl 2

CS 2 3 / 1 4 CCl 3 / 1 2 CS

tbl 4 yl

5 , 1

++

1 76

1 ( ) 2 , 113 66

.(

1

) 56 273 (

10 0043 , 0

2 3 / 1 3

/ 1

5 , 1 4

10 137 , 1

) ( 45 , 0 289 , 362 240 50 , 0 123 , 0

73 , 0 Pr

Re

3 / 2 25 , 0 3

/ 2 25 , 0

h l =

• Tính h2l

) ( Pr Re ) (

xl xl

Re = là chuẩn số Reynol của pha láng.

Gxl = 2,066 (kg/s)

Ft = 0,785 (m2)

µxl = 0,347.10-3 (N.s/m2)

σd = 240 (m2/m3)

264 , 1 240 10 347 , 0 785 , 0

066 , 2 04 , 0

• Tính hệ số Pran

xl xl

xl xl

20 (

B A

M

1 M

1 10 1

2 3 / 1 4 CCl 3

/ 1 2 CS 4 CCl

4 CCl 2

CS 6 20

xl

+ µ

+

=

−

3 420 CCl

420 CCl

2 , 0 b

µCCl420 : độ nhớt của dung môi nước ở 20oC, cp (hoặc 10-3N.s/m2)

ρ CCl4 20 : khối lượng riêng của dung môi CCl4 ở 20oC, (kg/m3)

420 CCl

2 , 0 b

ρ

µ

=

017 , 0 1594

97 , 0 2 , 0 b

=

) s / m ( ) v v (

B A

M

1 M

1 10 1

2 3 / 1 4 CCl 3

/ 1 2 CS 420 CCl

4 CCl 2

CS 6 20

xl

+ µ

+

=

−

) / ( 10 8 , 1 ) 2 , 113 66

.(

10 97 , 0

1 10 1

2 9 2

3 / 1 3

/ 1 3

+

=

) / )](

20 (

20 56 (

017 , 0 1 [

10 8 ,

Thay vào phương trình tính Pran được:

xl xl

902 , 2 7 , 1326

10 347 , 0

10 347 , 0 ( 256 Pr

Re ) (

−

=

=

ρ µ ) ( 105 , 0

yl l l

G

G m h

) ( 218 , 0 105 , 0 232 , 7438

857 , 10002 64 , 0 127 ,

Chiều cao đệm của đoạn luyện Hl=noyl.hoyl=7,24.0,218=1,576 (m)

Chiều cao đệm của đoạn luyện Hl = 1,576 ≈ 1,6 (m)

V.3 Tính chiều cao đệm cho đoạn chưng:

Hc=noyc.hoyc (m)

c xc

yc c

G

G m h

) ( Pr Re ) ( 256

) ( Pr Re

5 , 0 25 , 0 3 / 2 2

3 / 2 25 , 0 1

m h

m a

V h

xc xc xc

xc c

yc yc d

d c

ρµ

3 / 2 25 , 0

σΨ

=

• Tính Reyl:

d yc

c yc

ω ρ

4 , 0

ρyc = 4,611(kg/m3)

ωc = 0,70(m/s)

σd = 240 (m2/m3)Tính µyc:

4 CCl

4 CCl tbc 2

CS

2 CS tbc

2 CS

yc y M (1 y ).M

Mµ

−+µ

=µ

Trong đó: MCS2 là khối lượng kmol phân tử của CS2 (kg/kmol)

MCCl4 :là khối lượng kmol phân tử của CCl4 (kg/kmol)

µ CS2, µ CCl4 :là độ nhớt của hơi CS2và hơi CCl4 ở nhiệt độ trung bình của đoạn chưng (N.s/m2)

ytbc là nồng độ hơi trung bình của đoạn chưng

311 , 0

=

tbc

y

Nội suy từ đồ thị y-x-t ta được ttbl= 70oC

Tra trên bảng độ nhớt của hơi và hơi phụ thuộc vào nhiệt độ [I-117] ta được:

⇒µ CS2 = 1,69.10-5 (N.s/m2)

µ CCl4 = 1,10.10-5 (N.s/m2)

) / ( 10 39 , 1 10

10 , 1

154 ).

311 , 0 1 ( 10 69 , 1

76 311 , 0

5 5

m s N

=

µ

Thay các giá trị tìm được vào phương trình tính Renol được:

807 , 385 240

10 39 , 1

70 , 0 611 , 4 4 , 0

• Tính hệ số Pran

yc c

M

1M

1()vv.(

P

T.10.0043,0

4 CCl 2

CS 2 3 / 1 4 CCl 3

/ 1 2 CS

tbc 4 yc

5 , 1

++

154

1 76

1 ( ) 2 , 113 66

.(

1

) 70 273 (

10 0043 , 0

2 3 / 1 3

/ 1

5 , 1 4

10 39 , 1

.385,807 1,449 0,159

240.1.123,0

73,

xc xc

Re = là chuẩn số Reynol của pha láng.

307 , 4 04 , 0

• Tính hệ số Pran

xc xc

xc xc

20 (

B A

M

1 M

1 10 1

2 3 / 1 4 CCl 3

/ 1 2 CS 220 CS

4 CCl 2

CS 6 20

xc

+ µ

+

=

−

3 420 CCl

420 CCl

2 , 0 b

017 , 0

) / ( 10 8 ,

) / )](

20 (

20 70 (

017 , 0 1 [

10 8 ,

Thay vào phương trình tính Pran được:

xc xc

xc xc

33 , 3 67 , 1452

10 470 , 0

10 47 , 0 ( 256 Pr

Re ) (

−

=

=

ρ µ

) m ( Pr Re ) ( 256

xc 25 , 0 xc 3 / 2 xc

xc c

ρ µ

=

) ( 14 , 0

yc c c

G

G m h

) ( 336 , 0 14 , 0 307 , 4

49 , 1 65 , 3 159 ,

Chiều cao đệm của đoạn chưng Hc=noyc.hoyc=6,513.0,336=2,19 ≈ 2,2(m)

Chiều cao đệm của đoạn chưng Hc= (m)

Chiều cao của đệm trong tháp

H = Hl + Hc = 1,6+2,2=3,8 (m)

Chiều cao toàn tháp

Ht = H + hp + Zl + Zc

Trong đó: H: chiều cao đệm (m)

hP: khoảng cách từ lớp đệm có đặt đĩa phân phối lỏng (m)

Chương VI Tính trở lực của tháp

Do ω = 85%.ωs nên tháp làm việc ở chế độ chảy xoáy Vì vậy sức cản thuỷ lực được xác định theo công thức:

) / ( , ) ( ) ( ) ( 1 [ )

y

x x

y y

x k

k

µ ρ

=

∆

Trong đó: ∆Pư: tổn thất áp suất khi đệm ướt (N/m2)

∆Pk: tổn thất áp suất (trở lực) của đệm khô (N/m2)

Gx,Gy: lưu lượng của lỏng và hơi (kg/s)

ρx,ρy: khối lượng riêng của lỏng và hơi (kg/m3)

µx,µy: độ nhớt của lỏng và hơi (Ns/m2)Tổn thất áp suất của đệm khô được tính theo công thức [14-486]

2

4 2

.

2 3

' 2

d

d t

y td k

V

H d

'

s m

V d

y t

ω

ω =

) / ( ,

43 , 0 57 , 0 '

) (

.

) (

045 , 0 Re

y

y x y td

x

y y

g d

Ar

G

G Ar

µ

ρ ρ

Dtd = 4Vđ/σđ: đường kính tương đương của đệm, m

VI.1.Tính trở lực của đoạn luyện:

Ta có:

yl d

yl td l yl V

d

µ

ρ ω

.

) ( , 012 , 0 240

73 , 0 4

4

m

V d

d

d

σ