Đồ án hóa công- Chưng tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền hỗn hợp rượi Etylic Nước

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 hai hay nhiều cấu tử tan một phần hay hoàn toàn vào nhau như : hấp thụ, hấp phụ, li tâm, trích li, chưng...Mỗi phương pháp đều có những đặc thù riêng và những ưu nhược điểm nhất định. Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị cho phù hợp tuỳ thuộc 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 hỗn hợp trên là chưng cất.Chưng là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như 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 bão hòa của các cấu tử khác nhau). Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng 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 chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai 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 thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất 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 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 vaò lưu chất kia .Tháp chưng luyện rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường 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 chủ yếu là tháp đệm và tháp đĩa.Tháp đĩa: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các đĩa để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên đĩa pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp 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 bích hay hàn. Đệm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay 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 trong nước. Nhiệt độ sôi của nó là 78.40C, Etylic được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp, đời sống hàng ngày. Etylic là sản phẩm của quá trình lên men hoặc quá trình tổng hợp khác.2.Nước: Nước là chất lỏng linh động, khối lượng phân tử 18 (kgkmol), nhiệt độ sôi1000C, khối lượng riêng 1000(kgm3).Hai chất lỏng này có độ bay hơi khác nhau. Ở đây Etylic bay hơi trước do nhiệt độ sôi của nó thấp hơn của Nước. Hỗn hợp ăn mòn yếu nên trong quá trình lựa chọn thiết bị để chưng luyện thì ta nên sử dụng loại thép cácbon thường để tránh 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 ống chảy chuyền.Hỗn hợp đầu có năng suất: F = 9,0 ( tấnh) = 9000 (kgh).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 mmĐĩa được lắp cân bằng cũng có thể lắp đĩa xiên một góc với độ dốc 145 ÷ 150 Tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền hoạt động với hiệu suất cao ổn định. Khắc phục được nhược điểm của các loại tháp khác.

LỜI MỞ ĐẦU

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

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

Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn cùng các bạn sinh viên đã giúp em hồn thành đồ án này Do thời gian cĩ hạn và sự non nớt về kinh nghiệm của bản thân nên khơng thể khơng cịn thiếu 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 trình sản xuất đều dựa trên cơ sở sự tiếp xúc giữa các pha và sự di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác Các quá trình vật chất di chuyển từ pha này sang pha khác khi cĩ sự tiếp xúc giữa các pha gọi là quá trình truyển chất Việc nghiên cứu các quá trình truyền chất cũng như quy trình cơng nghệ và thiết bị của các quá trình là cơng việc cần thiết của một kỹ sư ngành cơng nghệ hĩa học Chính vì vậy, các kỹ sư tương lai của lớp Liên Thơng ĐHCNH3 – K III trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội chúng em, đã được các thầy cơ trong khoa giao cho và hướng dẫn làm Đồ án mơn học Quá trình & Thiết bị.

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

Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn cùng các bạn sinh viên đã giúp em hồn thành đồ án này Do thời gian cĩ hạn và sự non nớt về kinh nghiệm của bản thân nên khơng thể khơng cịn thiếu 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 LÝ THUYẾT

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.

I – TRỞ LỰC CỦA ĐĨA KHÔ:

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 HỢP ĐẦU:

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 theobất 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 môibay 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 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 vaò lưu chất kia

Tháp chưng luyện rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường 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 chủ yếu là tháp đệm và tháp đĩa

Tháp đĩa: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các đĩa để

chia 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 bích

hay hàn Đệm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay 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 trong

nước Nhiệt độ sôi của nó là 78.40C, Etylic được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp, đời sống hàng ngày Etylic là sản phẩm của quá trình lên men hoặc quá

trình 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 do nhiệt độ sôi của nó thấp hơn của Nước Hỗn hợp ăn mòn yếu nên trong quá trình

lựa 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 ống chảy 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

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 :

(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 đảmbảo cho lượng hỗn hợp đầu vào tháp không dao động, trong trường hợp công suấtbơm 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 khỏi thiết

bị đun nóng, dung dịch đi vào tháp chưng luyện (1) ở vị trí đĩa tiếp liệu Do đãđược đun nóng đến nhiệt độ sôi nên tại đây Etylic thực hiện quá trình chuyển 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, hơiEtylic 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 ởđĩa 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 sảnphẩm 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 ởchế 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 ởchế 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.a P + 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:

xF =

N

F E

F E F

M

a M

a M a



1 =

18

32 , 0 1 46

32 ,

32 , 0

 Thành phần mol trong sản phẩm đỉnh:

xP =

18

83 , 0 1 46

83 ,

83 , 0

P

E P

M

a M

W

E W

M

a M

a

M a



1 =

18

005 , 0 1 46

005 ,

005 , 0





= 0,00196 phần mol

Hệ phương trình cân bằng vật liệu:

•Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp :

005 0 32 0

F M

a M

32

 ) = 402.609 ( kmol/ h )

GP = GF (

w P

W F x x

x x





) = 402.609 ( 00,,15556564 00,,0019600196 ) = 94.457 ( kmol/ h)

GW = GF - GP = 402.609 – 94.457 = 308.152 ( kmol / h )

Như vậy ta có bảng tổng kết thành phần sản phẩm như sau:

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 + P

Trong 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 + Pxp

Nồng độ phầnkhối lượng

Nồng độphần mol

Lưu lượng(kg/h)

Lưu lượng(kmol/h)

Sản phẩm đáy 0,005 0,00196 5563,6364 308,152

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

- Phương trình cân bằng vật liệu:

Du = Lu – W

Trong 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

Đặt : R= Lo/ P, f= F/P → Lo = R.P

=>

3 Xác định chỉ số hồi lưu Rmin :

Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng sau:

Theo bảng IX.2a – Sổ tayII – Trang 147

F p

x y

y x

1555 0 50 0

50 0 6564 0

F p

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

y* _nồng độ phần mol của Etylic trong pha hơi nằm cân bằng pha lỏng

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 RX thích hợp theo số bậc thay đổi nồng độ được tiến hành như sau : Cho nhiều giá trị RX lớn hơn giá trị Rmin với RX = (1,2  2,5) Rmin Với mỗi giátrị trên, ta xác định được đường nồng độ làm việc của đoạn chưng, đoạn luyện hay nói 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, Rx

 Với RX1= 0,5448

Phương trình đoạn luyện : y = 0.3527x + 0.4249

Phương trình đoạn chưng: y = 3.1116x – 0.004

Có 10 đĩa trong đó đoạn luyện 5, đoạn chưng 6

 Với RX2= 0.6356

Phương trình đoạn luyện : y = 0.3886x + 0.401

Phương trình đoạn chưng: y = 2.994x – 0.004

Có 9 đĩa trong đó đoạn luyện 4, đoạn chưng 6

 Với RX3 = 0.73

Phương trình đoạn luyện : y = 0.422x + 0.38

Phương trình đoạn chưng: y = 2.89x -0.0037

Có 8 đĩa trong đó đoạn luyện 4, đoạn chưng 5

 Với RX4 = 0.8172

Phương trình đoạn luyện : y = 0.45x + 0.361

Phương trình đoạn chưng: y = 2.795x -0.0035

Có 7 đĩa trong đó đoạn luyện 3, đoạn chưng 5

 Với RX5 = 0.908

Phương trình đoạn luyện : y = 0.476x + 0.344

Phương trình đoạn chưng: y = 2.71x -0.0034

Có 7 đĩa trong đó đoạn luyện 3, đoạn chưng 5

 Với RX6 = 1,091

Phương trình đoạn luyện : y = 0.5x + 0.328

Phương trình đoạn chưng: y = 2.631x -0.0032

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

 Với RX7 = 1,098

Phương trình đoạn luyện : y = 0.52x + 0.314

Phương 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 Nlt và chỉ số hồi lưu Rx được tổng hợp trong bảng sau :

Vẽ đồ thị mối liên hệ giữa R x &N lt (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 Nlt(Rx+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(Rx+1) = 12,2704 là giá trị nhỏ nhất, ứng với giá trị nhỏ nhất đó thì Rx=0.8172

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

Vẽ đồ thị đường làm việc ứng với Rth:

4 Phương trình đường nồng độ làm việc

R

x x

6564 0 1

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

Rth: 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

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 xp = 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 của tháp

D = hay D = 0,0188 (m) [181- 2].

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

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

 :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 1

1 2

1.Lượng hơi trung bình đi trong tháp

1.1.Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện được tính gần đúng bằng trungbình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩadưới cùng của đoạn luyện

2

1

g g

tb



 , kg/h (STQTTB T2-181) Trong đó:

+ gtb :lượng hơi trung bình của đoạn luyện (kg/h)

+ gđ : lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn luyện (kg/h);

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

* Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp :

gđ = GR + GP = GP(Rth + 1) (STQTTB 181)

* 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 :

P P P

r g r

g

a G a

G y

G G

1

1

1 1 1

1

1 1

1 a F 

r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ở đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kJ/kg) ;

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

r1 = rAy1 + (1- y1)rB; STQTTB 182)

rđ = rAyđ + (1- yđ)rB;

Trong đó:

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

rA ; rB : 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

56 , 6244 957

, 1482 87

, 2320

83 , 0 3636 ,

3436 32

, 0

g

3636 ,

3436 g

1 1

1 1

1

1 1

y g

G y

,48572

+ g’

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 '

1

.

.

.

.

n n

w w w

w

r g r

g r

g

x G y

g x

G

G g

G

[STQTTB 182]

T2-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 ;

- r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng(KJ/kg)

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

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

460021.00021

.010021

.0

0021.0

A w

M M

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

2250

00196,0.6364,55630053

,0

6364,5563

) / ( 757 , 2829 '

0031 0

);

/ ( 3934 , 8393

1

'

1

' 1

h Kg g

x

h Kg G

, 2829 2

' ' 1

, 1421





(Kg/h)

2 Tính khối lượng riêng trung bình

a) Đối với pha hơi :

4,22

273.18)5557,01(465557.0

4,22

273.)1

(

1832

4,22

273.)1

(

3

`

`

m kg T

M y M

y

STQTT T

M y M

y

L

B tbA A

tbA

tbl

L

B tbA A

681

681.0

+) yp=0.6564(phần mol)

2

455 0 6564 0

4,22

273.18)23,01(4623.0

4,22

273.)1(

1832

4,22

273.)1(

3

`

`

m kg T

M y M

y

STQTT T

M y M

y

C

B tbA A

tbA

tbC

C

B tbA A

681

681.0

tbA xtb

a a

- a tb: phần khối lượng trung bình của cấu tử Etylic

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

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

* Đoạn luyện :

xtbB

tbAL xtbA

tbAL xtL

a a

2

1555 0 6564 0

Nội suy từ bảng IX2a(STQTTBT2-148) ở nhệt độ trung bình t o OC

972

575 , 0 1 779 735

575 ,

0

m kg

xtbL xtbL

tbAC xtbc

a a

a a

1625 0 1 3515 716

1625 0

m kg

xtbC xtbC

3.Tính tốc độ của khí và hơi đi trong tháp

- 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

41

22 , 5551 0188

, 0

0188 ,

D

L ytbL

8185 , 3843 0188

, 0

0188 ,

D

C ytbC

CHƯƠNG III:

TÍNH SỐ ĐĨA THỰC TẾ THEO ĐƯỜNG CONG ĐỘNG HỌC.

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

Rth = 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 1m2 diện 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

v v P

T

.

10 0043 0

2 3 1 3 1

2

3 4

 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 ;

 A; 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)

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

+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

A C

C yC

/ 10

063 , 2 18

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

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)

2.1 Tốc độ hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp:

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 ,

ytbL

yL   



2.3 Độ nhớt trung bình của hơi:

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

hh y

Trong đó: Mhh, MA, MB : khối lượng mol của hỗn hợp, Etylic và Nước.

,

   , : 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[Tr117.ST-I]

*Đối với đoạn chưng:

2 3

/.10.013,0

/.10.011,0

m s N

m s N

18 ).

23 , 0 1 ( 10 011 , 0

46 23 , 0

44 ,

3 3

m Ns yC

,

0

)/(10.01

,

0

2 3

2 3

m Ns

m Ns

18 ).

5557 , 0 1 ( 10 01 , 0

46 5557 , 0

56 ,

3 3

m Ns yL

1 7994 , 0 1802 , 1

1614 , 1 1 1732 , 1



 HỆ SỐ CẤP KHỐI TRONG PHA HƠI Ở TỪNG ĐOẠN:

) 11000 23

, 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 x0,62

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)

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



 - hệ số nhiệt độ ở 20oC

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)

VA ,VB : thể tích mol của Etylic và Nước

Theo bảng VIII.2 [ 127-2] có thể tích nguyên tử : C = 14,8 ; H = 3,7 ; O

= 7,4

Vậy : VA = 2.14,8 + 6.3,7 + 1.7,4 = 59.2 (cm/mol)

VB = 2.3,7 + 1.7,4 = 14.8 (cm/mol)

 Hệ số khuếch tán ở 20 C là:

m s

B

A

M M D

B A

B A

/ 10

18

1 46

1 10

.

1 1 10

2 9

2 3 1 3

1

6 2

3 1 3 1 20

.

0

) ( 328

.

0

cP

cP B