Đồ án hóa công Chưng tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền hỗn hợp IzopropylicNước

PHẦN MỞ ĐẦU Trong thực tế các chất không tồn tại ở trạng thái tinh khiết , nó luôn lẫn một phần tạp chất. Trong công nghiệp, việc phân tách các cấu tử từ hỗn hợp ban đầu là rất cần thiết nhằm mục đích hoàn thiên, khai thác, chế biến…… Có rất nhiều phương pháp phân tách các cấu tử trong công nghiệp, trong đó có phương pháp chưng luyện là một trong những phương pháp hay được sử dụng. Chưng là phương pháp phân tách các cấu tử từ hỗn hợp ban đầu dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng trong hỗn hợp. Hỗn hợp này có thể là chất lỏng hoặc khí , thường khi chưng một hỗn hợp có bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Với hỗn hợp có hai cấu tử ta sẽ thu được hai sản phẩm là sản phẩm đỉnh gồm phần lớn là cấu tử dễ bay hơi và sản phẩm đáy chứa phần lớn là cấu tử khó bay hơi. Trong thực tế có thể gặp rất nhiều kiểu chưng khác nhau như: chưng bằng hơi nước trực tiếp , chưng đơn giản , chưng luyện…Chưng luyện là phương pháp chưng phổ biến nhất dùng để tách hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan hoàn toàn hoặc một phần vào nhau. Đối với hỗn hợp Izopropylic 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. 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 Izopropylic 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 Izopropylic Nước thì: • Sản phẩm đỉnh chủ yếu là Izopropylic. • 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

MỤC LỤC

Phần mở đầu……….trang 4

Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất

I Thuyết minh dây chuyền sản xuất ……… 7

II Sơ đồ dây chuyền sản xuất ……… …… 8

Phần I: Tính toán kỹ thuật thiết bị chính……… 9

I.Tính cân bằng vật liệu……… 10

1 Tính cân bằng vật liệu………

2 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp, số đĩa lý thuyết …………

II Đường kính tháp……… 13

1 Lưu lượng trung bình các dòng pha đi trong tháp……… 13

2 Vận tốc hơi đi trong tháp………16

3 Đường kính tháp……… 19

4 Chọn loại đĩa……… 20

III.Số đĩa thực tế và chiều cao tháp……… 21

1.Hệ số khuếch tán……… 21

2 Hệ số cấp khối……….23

3 Hệ số chuyển khối – Đường cong động học – Số đĩa thực tế 27

4 Chiều cao tháp……… 33

IV Trở lực của tháp………33

1 Trở lực của đĩa khô……… 33

2 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt………34

3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh)…………35

4.Trở lực của tháp………36

V Tính cân bằng nhiệt………38

1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu……….38

2 Tháp chưng luyện……… 40

3 Thiết bị ngưng tụ……….43

4 Thiết bị làm lạnh……….44

Phần II : Tính toán cơ khí………46

I Thân tháp……… 46

II Nắp và đáy tháp………48

III Tính đường kính ống dẫn………50

1.Ống chảy chuyền ……… 50

2 Ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp……… 51

3 Ống dẫn hơi đỉnh tháp……… 51

4 Ống dẫn hơi đáy tháp………52

5 Ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu……….53

6 Ống dẫn hơi sản phẩm đáy……….54

IV Chọn mặt bích……… 54

V Khối lượng tháp………55

1 Khối lượng thân tháp trụ……… 55

2 Khối lượng nắp và đáy tháp………55

3 Khối lượng bích……….56

4 Khối lượng bulong nối bích……….56

5 Khối lượng đĩa lỗ trong tháp………56

6 Khối lượng ống chảy chuyền……… 57

7 Khối lượng chất lỏng điền đầy tháp………57

VI Tính tai treo , chân đỡ……….58

Phần III : Tính toán kỹ thuật thiết bị phụ……….59

I Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu……….59

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình……… 59

2.Lượng nhiệt trao đổi………60

3.Diện tích trao đồi nhiệt………60

II.Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đáy……….67

1.Hiệu số nhiệt độ trung bình………67

2.Lượng nhiệt trao đổi………68

3.Diện tích trao đổi nhiệt………68

III.Tính bơm……… 75

1.Các trở lực của quá trình……… 75

2.Chiều cao cần bơm H0……….82

3.Áp suất toàn phần của bơm – Năng suất bơm………83

Kết luận……….86

Tài liệu tham khảo……… 87

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong thực tế các chất không tồn tại ở trạng thái tinh khiết , nó luôn lẫn một phần tạp chất Trong công nghiệp, việc phân tách các cấu tử từ hỗn hợp ban đầu là rất cần thiết nhằm mục đích hoàn thiên, khai thác, chế biến……

Có rất nhiều phương pháp phân tách các cấu tử trong công nghiệp, trong đó có phương pháp chưng luyện là một trong những phương pháp hay được sử dụng

Chưng là phương pháp phân tách các cấu tử từ hỗn hợp ban đầu dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng trong hỗn hợp Hỗn hợp này có thể là chất lỏng hoặc khí , thường khi chưng một hỗn hợp có bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Với hỗn hợp có hai cấu tử ta sẽ thu được hai sản phẩm là sản phẩm đỉnh gồm phần lớn là cấu tử dễ bay hơi và sản phẩm đáy chứa phần lớn là cấu tử khó bay hơi Trong thực tế có thể gặp rất nhiều kiểu chưng khác nhau như: chưng bằng hơi nước trực tiếp , chưng đơn giản , chưng luyện…Chưng luyện là phương pháp chưng phổ biến nhất dùng để tách hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan hoàn toàn hoặc một phần vào nhau

Đối với hỗn hợp Izopropylic 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

SƠ LƯỢC VỀ CHƯNG LUYỆN:

Trong công nghệ hóa học có nhiều phương pháp để phân riêng hỗn hợp hai haynhiều 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 nhấtđịnh 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 Izopropylic 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 làchưng 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 nhiêngiữa 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 tankhông bay hơi

Khi chưng ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấynhiêu 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 cáccấu 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 Izopropylic - Nước thì:

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu là Izopropylic

 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

1 Izopropylic:

- Izopropylic: là chất lỏng linh động không màu và có thể hòa tan vô hạn trong

nước, khối lượng phân tử 60 (kg/kmol Nhiệt độ sôi của nó là 82.40C, Izopropylic được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp, đời sống hàng ngày Izopropylic 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 Izopropylic 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 Izopropylic – 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.

Vẽ và thuyết minh dõy chuyền sản xuất

I Thuyết minh dây chuyền sản xuất :

Hỗn hợp đầu từ thùng chứa 1 đợc bơm 2 bơm liên tục lên thùng cao vị 3 Mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị đợc khống chế nhờ ống chảy tràn Từ thùng cao vị, hỗn hợp đầu (đợc điều chỉnh nhờ van và lu lợng kế) qua thiết bị đun nóng dung dịch 4 Tại đây, dung dịch đợc gia nhiệt bằng hơi nớc bão hoà đến nhiệt độ sôi Sau đó, dung dịch đợc đa vào tháp chng luyện qua đĩa tiếp liệu

Tháp chng luyện gồm hai phần : phần từ đĩa tiếp liệu trở lên trên là đoạn luyện, còn từ đĩa tiếp liệu trở xuống là đoạn chng

Nh vậy, ở trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với pha hơi đi từ dới lên Hơi bốc từ đĩa dới lên qua các lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏng của đĩa trên, ngng tụ một phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tăng dần theo chiều cao tháp Vì nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng nên nồng độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tăng Cấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi nên khi nồng độ của nó tăng thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm Tóm lại, theo chiều cao tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) tăng dần, nồng độ cấu tử khó bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần, và nhiệt độ giảm dần Cuối cùng, ở

đỉnh tháp ta sẽ thu đợc hỗn hợp hơi có thành phần hầu hết là cấu tử dễ bay hơi còn ở

đáy tháp ta sẽ thu đợc hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay hơi chiếm tỷ lệ lớn

Để duy trì pha lỏng trong các đĩa trong đoạn luyện, ta bổ xung bằng dòng hồi lu đợc ngng tụ từ hơi đỉnh tháp Hơi đỉnh tháp đợc ngng tụ nhờ thiết bị ngng tụ hoàn toàn 6, dung dịch lỏng thu đợc sau khi ngng tụ một phần đợc dẫn hồi lu trở lại đĩa luyện trên cùng để duy trì pha lỏng trong các đĩa đoạn luyện, phần còn lại đợc đa qua thiết bị làm lạnh 7 để đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh 8 Chất lỏng ở đáy tháp đợc tháo ra ở đáy tháp, sau đó một phần đợc đun sôi bằng thiết bị gia nhiệt đáy tháp 9 và hồi lu về đĩa đáy tháp, phần chất lỏng còn lại đa vào bể chứa sản phẩm đáy 10 Nớc ngng của các thiết bịgia nhiệt đợc tháo qua thiết bị tháo nớc ngng 11

Nh vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đa vào liên tục và sản phẩm cũng

đợc lấy ra liên tục)

4 5

3- Thïng cao vÞ 4- ThiÕt bÞ gia nhiÖt hçn hîp ®Çu

5- Th¸p chng luyÖn 6- ThiÕt bÞ ngng tô håi lu

- Số mol pha hơi đi từ dới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp.

- Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chng và đoạn luyện

- Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi

- Chất lỏng ngng tụ trong thiết bị ngng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra

ở đỉnh tháp

- Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp

- Yêu cầu thiết bị :

F : Năng suất thiết bị tính theo lợng hỗn hợp đầu = 9000 (kg/h)

Thiết bị làm việc ở áp suất thờng

Tháp loại : Đĩa lỗ có ống chảy chuyền

, 0 85 , 0

) 005 , 0 28 , 0 ( 9000 )

W F

a a

a a

F

P

 Lợng sản phẩm đỏy là :

W = F – P = 9000 – 2928,99408 = 6071,00592 (kg/h)

Tính lợng hỗn hợp đầu F’, lợng sản phẩm đỉnh P’, lợng sản phẩm đáy W’ theo kmol/h :

) / ( 402 9000 18

72 , 0 60

28 , 0 1 '

2 1

h kmol F

M

a M

15 , 0 60

85 , 0

1 '

2 1

h kmol P

M

a M

2/ Tính chỉ số hồi lu thích hợp, số đĩa lý thuyết :

Đổi nồng độ từ phần khối lợng sang phần mol :

10448 , 0 18 / 72 , 0 60 / 28 , 0

60 / 28 , 0 /

) 1 ( /

/

2 1

a

M a x

F F

F F

62963 , 0 18 / 15 , 0 60 / 85 , 0

60 / 85 , 0 /

) 1 ( /

/

2 1

a

M a x

P P

P P

00151 , 0 18 / 995 0 60 / 005 , 0

60 / 005 , 0 /

) 1 ( /

/

2 1

a

M a x

W W

W W

81, 2

8 1

80, 6

80, 5

80, 4

80, 5

8 1

82, 3

53367 , 0 62963 , 0

F P

x y

y x R

b/ Chỉ số hồi lu thích hợp :

Cho R biến thiên (R >Rmin), với mỗi giá trị của R ta xác định đợc số đĩa lý thuyết tơng ứng :

- Đờng nồng độ làm việc đoạn chng :

Lợng hỗn hợp đầu tính theo 1 kmol sản phẩm đỉnh :

09993 , 6 90238 , 65

402 '

Phơng trình :

00151 , 0 1 44176 , 0

1 09993 , 6 1

44176 , 0

09993 , 6 44176 , 0 1

62963 , 0 1 44176 , 0

09993 , 6 1

R

R

43398 , 0 30899

N LT = 4

Trong đó : số đĩa đoạn chng : 2

số đĩa đoạn luyện : 2

II Đờng kính của tháp :

1/ Lu lợng trung bình các dòng pha đi trong tháp :

a/ Trong đoạn luyện :

g1 y1 = G1 x1 + GP xP (2)Phơng trình cân bằng nhiệt lợng :

g1 r1 = gđ rđ (3)

r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa luyện thứ nhất (kcal/kmol)

rđ : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp (kcal/kmol)

Gọi :

rA : ẩn nhiệt hóa hơi của Izopropylic

rB : ẩn nhiệt hoá hơi của Nước

Từ bảng số liệu x – to sôi dd (II-148), nội suy ta có :

- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (x = xP = 0,62963): tP = 80,42963C

Nội suy theo bảng r – to (I-301) với to = 80,42963C :

266 66 ,

1 005 4

) (k cal/kmo l M

.

55 8, 570 37 ( kc al/k g)

55 8,5 70 37 r

) ( kcal/km ol

33 34 ,

95 60

) ( kcal/k mol M

1 59 ,33 88 9.

( kc al/k g)

1 59 ,33 88 9 r

B B

1 A

 rđ = rA yđ + rB (1 - yđ)

= 9560,3334 0,62963 + 10054,26666 (1- 0,0,62963)

= 9743,27146 (kcal/kmol)

- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu (x = xF = 0,10448): tF = 82,44176C

Nội suy theo bảng r – to (I-301) với to = 82,44176C :

0 48 32 ,

10 01 8

) ( kc al/kmo l M

55 6,5 58 24 ( k cal/kg )

5 56 ,5 58 24 r

) ( kc al/kmo l

0 04 ,

95 15

) ( k cal/km ol M

158 ,5 84 34.

( kc al/kg)

1 58 ,58 43 4 r

2 B

1 A

(k mo l/h)

9 913 6 ,

94

(kmol/h )

088 99 ,

2 9

1 1

2

99136 , 94 37127 , 95 2

27945 , 29 2

08899 , 29 44176 , 0 5,90237 6

1 g G

Phơng trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi (axeton) :

W W ' 1 ' 1 ' 1 '

1 x g y G x

Phơng trình cân bằng nhiệt lợng :

1 1 ' 1 '

r1’: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa chng thứ nhất

Từ bảng số liệu x – to sôi dd (II-148), nội suy ta có:

Nhiệt độ sôi hỗn hợp đáy (x = xW = 0,00151): tW = 99,99529C

Nội suy theo bảng r – to (I-254) với to = 99,99529C :

08 478 ,

970 2

) ( kcal/km ol M

539 ,00 471 (k cal/kg)

5 39, 004 71 r

) ( kcal/kmo l

106 2 ,

912 0

) (k cal/k mol M

15 2,0 017 7.

(k cal/k g)

15 2,00 177 r

2 B

1 A

 ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa chng thứ nhất :

rl’ = rA yl’ + rB (1 – yl’)

= 9120,1062 0,12651 + 9702,08478 (1 – 0,12651)

= 9628,45867 (kcal/kmol)

(kmol/h) 50854

, 96 45867 , 9628

24255 , 9782 99136 , 94 )

(kmol/h) 6062

, 432 09763 , 336 50854 , 96 )

, 95 2

50854 , 96 99136 , 94 2

' 1 1

, 431 2

6062 , 432 ) 402 08899 , 29 ( 2

2/ Vận tốc hơi đi trong tháp :

Vận tốc giới hạn trên với tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền (II-186) :

 : Khối lợng riêng trung bình pha hơi (kg/ m3)

a/ Khối lợng riêng trung bình pha lỏng :

Theo II-183 :

2 xtb

1 tb 1

xtb

1 tb xtb

a 1 a 1

62963 , 0 10448 , 0

x

Nội suy với xtbL theo bảng số liệu nồng độ – t o sôi dung dịch (II-148) :

 Nhiệt độ trung bình đoạn luyện : ttbL = 80,73176C

 Khối lợng riêng của Izopropylic và Nước (I-9) theo t = ttbL :

xL1 = 734,378 (kg/m3) xL2 = 971,48777 (kg/m3)

 Nồng độ khối lợng trung bình của Izopropylic đoạn luyện :

565 , 0 2

85 , 0 28 , 0

 821 , 60803

48777 , 971

565 , 0 1 378 , 734

565 , 0

2 1

tbL

xL

a a

10448 , 0 00151 , 0

x

Nội suy với xtbC theo bảng số liệu nồng độ – t o sôi dung dịch (II-148) :

 Nhiệt độ trung bình đoạn chng : ttbC = 84,286C

 Khối lợng riêng của Izopropylic và Nước (I-9) theo t = ttbC :

3569 ,

28 , 0 005 , 0

9998 , 968

1425 , 0 1 3569 , 731

1425 , 0

2 1

tbC xC

a a

Nồng độ pha hơi đầu đoạn luyện là : yđL = y1 = 0,46881

Nồng độ pha hơi cuối đoạn luyện là : ycL = yP = xP = 0,62963

 Nồng độ trung bình pha hơi đoạn luyện :

54922 , 0 2

62963 , 0 46881 , 0

4 , 22

273 1,06724 4

) (

4 , 22

O yL yL

t T

T M

Nồng độ pha hơi cuối đoạn chng là : ycC = y1 = 0,46881

 Nồng độ trung bình pha hơi đoạn luyện :

29766 , 0 2

46881 , 0 12651 , 0

y

 Khối lợng mol trung bình hơi đoạn chng :

yC

M = ytbC.M1+(1-ytbC).M2 = 0,29766.60+(1– 0,29766).18

=30,50172 (kg/kmol)

 Khối lợng riêng trung bình pha hơi đoạn chng :

04045 , 1 ) 286 , 84 273 (

4 , 22

273 0,50172 3

) (

O yC yC

t T

T M

Vận tốc giới hạn trên của hơi đoạn luyện :

20486 , 1 41493 , 1

60803 , 821 05 , 0 05

11765 , 926 05 , 0 05

w





(m/s)Chọn vận tốc làm việc bằng 82% vận tốc giới hạn trên để thiết bị làm việc ổn định

Vận tốc hơi đoạn luyện : wL = 0,82.wghL = 0,82 1,20486 = 0,99195 (m/s)

Vận tốc hơi đoạn chng : wC = 0,82.wghC = 0,85 1,4917 = 1,22323(m/s)

3/ Đờng kính tháp :

Theo II-181 :

y y

tb

w

g 0188 , 0 D

Khối lợng mol trung bình pha hơi : M yL  41 , 06724 (kg/kmol)

Lu lợng hơi trung bình : gtbL = 95,18132 (kmol/h)

06724 , 41 18132 , 95





 g tb g tbL M yL

(kg/h) 83411

,

3908



- Đoạn chng :

Khối lợng mol trung bình pha hơi : M yC  30 , 50172 (kg/kmol)

Lu lợng hơi trung bình : gtbC = 95,74838 (kmol/h)

50172 , 30 74838 , 95



 g tb g tbC M yC

(kg/h) 49028

 : Khối lợng riêng trung bình của hơi đi trong tháp (kg/m3)

 Đờng kính đoạn luyện :

(m) 99258 , 0 0,99105

1,41493

83411 , 3908 0188

, 0 0188

,



L yL

tb

g D



 Đờng kính đoạn chng :

(m) 0,90058 1,22323

1,04045

49028 , 2920 0188

, 0 0188

,



C yC

tb

g D

Vì đờng kính hai đoạn chng và luyện sai khác nhau không đáng kể, chuẩn hóa ta chọn

đờng kính cho cả tháp : D = 1 (m)

 Vận tốc thực tế của hơi trong tháp :

- Đoạn luyện :

(m/s) 9764 , 0 1

0188 , 0 41493 , 1

83411 , 3908 0188

0188 , 0 04045 , 1

49028 , 2920 0188

- Chiều cao gờ chảy tràn : hC = 30 mm

- Chiều dầy đĩa :  = 2 mm

- Khoảng cách giữa các đĩa : Hđ = 0,3 m (Theo II-169)

- Đờng kính lỗ : d = 3 mm

- Bớc lỗ : t = 7 mm

Hình vẽ :

a/ HÖ sè khuÕch t¸n trong pha láng:

 HÖ sè khuÕch t¸n trong pha láng ë 20 o C, theo c«ng thøc II-133:

2 3 / 1 3 / 1

6 - 20

) (

1 1 10 1

B A B

B A x

v v AB

M M D

A,B : HÖ sè liªn hîp cña chÊt tan vµ dung m«i : A = 1,16 ; B = 4,7

MA, MB : Khèi lîng mol cña Izopropylicvµ Nước (kg/kmol)

MA = 60 (kg/kmol) MB = 18 (kg/kmol)

B : §é nhít cña dung m«i ë 20oC (cP) : Benzen,20C = 1 (cP)

vA, vB : ThÓ tÝch mol cña Izopropylicvµ Nước (cm3/mol)

vA = 81,4 (cm3/mol) vB = 14,8 (cm3/mol)

9 2

3 / 1 3

/ 1

6 -

) 8 , 14 4

, 81 (

1 7 , 4 16 ,

1

18

1 60

1 10 1







 : Độ nhớt của dung môi ở 20oC (cP) : Nước,20C = 1 (cP)

 : Khối lợng riêng của dung môi ở 20oC (kg/m3)

b/ Hệ số khuếch tán trong pha hơi:

Hệ số khuếch tán của khí trong khí, theo công thức II-127 :

B A 2

3 / 1 B 3 / 1 A

5 , 1 4 y

M

1 M

1 ) v v (

p

T 10 0043 , 0

P : áp suất tuyệt đối của hỗn hợp : P = P0 = 1 (atm)

T : Nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp : T = 273 + t (oK)

 Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn luyện : t = ttbL = 80,73176C

4 2

3 / 1 3

/ 1

5 , 1 4

10 1668 , 0 18

1 60

1 )

8 , 14 4

, 81 (

1

) 73176 , 80 273 (

10 0043

1 hh

hh

M ).

y 1 ( M y M

- Đoạn luyện : M hh M yL  41 , 06724 (kg/kmol)

M1, M2 : Trọng lợng phân tử của Izopropylic và Nước :

M1 = 60 (kg/kmol) M2 = 18 (kg/kmol)

1, 2 : Độ nhớt của Izopropylic và Nước :

- Đoạn chng : t = ttbC = 84,286C theo bảng (I-116):

7

10 56 , 3383

18 70234 , 0 10

17865 , 93

60 29766 , 0 50172

10 80256 , 3532

18 45078 , 0 10

20123 , 92

60 54922 , 0 06724 ,

1, 2 : Độ nhớt động lực của Izopropylic và Nước :

- Đoạn chng : t = ttbC = 84,286C theo bảng và toán đồ (I-91):

h w Re

 : Độ nhớt trung bình của hơi (Ns/m2)

 Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn chng là :

4

7 6 , 61282 10 10

0937 , 156

04045 , 1 1 99209

17018 , 114

41493 ,

1 1 9764

x x

D

2,44273

926,11765

10 34828 , 0

23561 , 209 10

2,36665

821,60803

10 40685 , 0



x

e/ Hệ số cấp khối trong pha hơi :

Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (II-164) :

) 11000 Re

79 , 0 (

Re : Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi

 Hệ số cấp khối pha hơi đoạn chng là :

( 0 , 79 6,61282.10 11000 ) 0 , 0478

4 , 22

10 16932 ,

10 1668 ,

kmol

2

f/ Hệ số cấp khối trong pha lỏng :

Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (II-165) :

62 , 0 x x

x x

h M

D

Pr : Chuẩn số Prand đối với pha lỏng

 Hệ số cấp khối pha lỏng đoạn chng là :

01617 , 0 95256

, 153 1

226 , 20

2,44273.10

926,11765

kmol

2

 HÖ sè cÊp khèi pha láng ®o¹n luyÖn lµ :

06073 , 0 23561

, 209 1

41652 , 33

2,36665.10

821,60803

i C y

i L y

y L: Hệ số cấp khối pha hơi đoạn chưng : y L= 0,07938

x L: Hệ số cấp khối pha hơi đoạn chưng : x L= 0,06073

 Hệ số cấp khối đối với đoạn chưng

06073 , 0 07938 , 0 1

kmol

2

b/Đường kính ống chảy chuyền:

Đối với đoạn chưng:

tbC C

c

G d





 3600

4

(m) Trong đó:

GtbC : Lưu lượng lỏng đi trong đoạn chưng

Z : Số ống chảy chuyền phụ thuộc vào đường kính tháp, chọn Z = 1

ωC : Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền

tbC C

c

G d





 3600

4

0 , 12914 ( )

1 2 , 0 11765 , 926 14 , 3 3600

54956 , 8734

tbL L

c

G d





 3600

4

(m)

Z : Số ống chảy chuyền phụ thuộc vào đường kớnh thỏp, chọn Z = 1

ωL : Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền

tbL L

c

G d





 3600

4

0 , 04589 ( )

1 2 , 0 60803 , 821 14 , 3 3600

41733 , 978

m  .

Trong đó :

Gy : Lượng hơi trung bỡnh (kmol/s)

Ky : Hệ số chuyển khối (kmol/m2.s)

F : Diện tớch làm việc của đĩa (m2)

- Đối với đoạn chưng:

ytbC C

C y C

yT G

f K

0 , 7854 ( )

4

1 4

m D

C

C y C

G

f K

0266 , 0

7721 , 0

L y L

yT G

f K

m D

L

L y L

G

f K

02644 , 0

7804 , 0

cb

cb

x x

y y m





Tính hệ số chuyển khối K y, tính số đơn vị chuyển khối myT và tỷ số Cy tơng ứng Từ

đó tìm đợc các điểm B tơng ứng thuộc đờng cong động học, nằm giữa A và C Nối chúng lại ta đợc đờng cong động học của quá trình

Bảng tổng hợp kết quả :

ycb-y 0,08291 0,10512 0,11422 0,10832 0,09242 0,06553x-xcb 0,0583 0,14771 0,20507 0,26574 0,32038 0,35872

Trong đó : Số đĩa đoạn chng : 9

Số đĩa đoạn luyện : 4

4/ Chiều cao tháp :

Theo các thông số của đĩa đã chọn :

- Khoảng cách giữa các đĩa lỗ là : Hđ = 300 mm

- Chiều dày mỗi đĩa lỗ là :  = 2 mm

 Chiều cao tháp (Theo công thức II-169):

1/ Trở lực của đĩa khô :

Theo II-194 :

2

w P

2 o y k

205 , 12 41493 ,

1 82

40133 , 12 04045 , 1 82

s

d 08 , 0 d 3 , 1

4 P

a 1 a 1

a1 : Nồng độ phần khối lợng của dung dịch

- Đoạn luyện : xtbL = 0,36706 ; MxL = 33,41652 (kg/kmol)

65906 , 0 41652 , 33

60 36706 , 0

tbL

M

M x

a

- Đoạn chng : xtbC = 0,053 ; MxC = 20,226 (kg/kmol)

15722 , 0 226 , 20

60 053 , 0

tbC

M

M x

a

1, 2 là sức căng bề mặt của Izopropylic và Nước :

Theo bảng (I-361), tra sức căng bề mặt phụ thuộc nhiệt độ :

- Đoạn luyện : t = ttbL = 80,73176 oC

54694 , 22 10

46462 , 62

0,65906 1

36113 , 43 10

80709 , 61

0,15722 1

10 3 (

08 , 0 10 3

2 3 3

44 )

10 3 (

08 , 0 10 3

3

,

1

10 36113 , 43 4

2 3 3

L m

G K h

K 3 , 1

, 821

41652 , 33 27945 , 29

xL

M G

Lu lîng láng trung b×nh : GtbC = 431,8476 (kmol/h)

43136 , 9 11765

, 926

226 , 20 8476 , 431

M G

m ( 5 ) m.h

m ( 48 , 2 48

m ( 5 ) m.h

m ( 65 , 19 48

P      



38353 , 201 1208 , 23 80146

P      



22033 , 324 46474 , 44 60769

, 416 4

, 514 9

, 4628 22316

V TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT

1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu :

Phơng trình cân bằng nhiệt lợng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (II-196) :

(J/h) Q Q Q Q

QD1  f  F  ng1  xq1

Trong đó :

QD1 : Nhiệt lợng do hơi đốt mang vào (J/h)

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

QF : Nhiệt lợng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)

Q : Nhiệt lợng mất mát ra môi trờng xung quanh (J/h)

Chọn hơi đốt là hơi nớc bão hoà ở áp suất 2 at, có to sôi = 119,6 oC

a/ Nhiệt lợng do hơi đốt mang vào :

r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt (J/kg)

Theo bảng số liệu Nhiệt hoá hơi – t o (I-254) tại to = 1, nội suy ta có :

r1 = 526,26 (kcal/kg) = 526,26 4,18.103 (J/kg) = 2199,7668,4.103 (J/kg)

C1 : Nhiệt dung riêng của nớc ngng (J/kg.độ)

b/ Nhiệt lợng do hỗn hợp đầu mang vào :

Theo II-196 : Qf  F Cf tf (J/h)

Trong đó :

F : Lợng hỗn hợp đầu (kg/h)

F = 9000 (kg/h)

tf : Nhiệt độ đầu của hỗn hợp (oC)

Hỗn hợp vào ở nhiệt độ thờng tf = 20 oC

Cf : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)

Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng – t o (I-172), ta có :

tF : Nhiệt độ của hỗn hợp đầu sau khi đun nóng (oC) : tF = 82,44176 oC

CF : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra (J/kg.độ)

Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng – t o (I-172), ta có :

8 892,97187 3

e/ Nhiệt lợng mất ra môi trờng xung quanh :

Lợng nhiệt mất ra môi trờng lấy bằng 5% lợng nhiệt tiêu tốn :

f 1 xq 1 ng F 1

r 95 , 0

Q Q Q Q Q Q

(kg/h) r

95 , 0

) t C t C





(kg/h) 85 , 064 1 10

7668 , 2199 95 , 0

) 20 4 , 3684 44176

, 82 97187 , 3892 (

Q

QF D2 R  y  w  xq2  ng2

Trong đó :

QF : Nhiệt lợng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h)

QD2 : Nhiệt lợng do hơi đốt mang vào tháp (J/h)

QR : Nhiệt lợng do lợng lỏng hồi lu mang vào (J/h)

y

Q : Nhiệt lợng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h)

Qw : Nhiệt lợng do sản phẩm đáy mang ra (J/h)

Chọn hơi đốt là hơi nớc bão hoà ở áp suất 2 at, có to sôi = 119 oC

a/ Nhiệt lợng do hơi đốt mang vào tháp :

C2 : Nhiệt dung riêng của nớc ngng (J/kg.độ)

b/ Nhiệt lợng do lợng lỏng hồi lu mang vào :

 GR = 2928,99408 0,44176 = 1293,91243 (kg/h)

tR : Nhiệt độ của lợng lỏng hồi lu (oC)

Lợng lỏng hồi lu (sau khi qua thiết bị ngng tụ) ở trạng thái sôi, có nồng độ bằng nồng

độ của hơi ở đỉnh tháp : x = yP = xP = 0,62963

 Theo bảng số liệu nồng độ – t o sôi (II-148), nội suy ta có :

tR = 80,42963 oC

CR : Nhiệt dung riêng của lợng lỏng hồi lu (J/kg.độ)

Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng – t o (I-172), nội suy ta có :

276,61852 3

91243 ,

C r

(J/kg)

C r

2 2 2

2

1 1 1

, 80 14074 , 4189 10

62243 , 2338

(J/kg) 42 , 917705 42963

, 80 58519 , 3115 10

12006 , 667

3 2

3 1





a : Nồng độ phần khối lợng của Axeton : a = aP = 0,85

(J/kg) 628 , 1181382 15

, 0 47 , 2675553 85

, 0 42 ,



 d

(J/h) 10 55 , 5007 628

, 1181382 ).

44176 , 0 1 (

99408 ,

W = 6071,00592 (kg/h)

tW : Nhiệt độ của lợng sản phẩm đáy (oC) : tW = 99,99529 oC

CW : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ)

Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng – t o (I-172) tại tW, nội suy ta có :

186,98799 4

00592 ,



 Q W

e/ Nhiệt lợng mất ra môi trờng xung quanh :

Lợng nhiệt mất ra môi trờng lấy bằng 5% lợng nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp :

R F 2 xq 2 ng W y

2

r 95 , 0

Q Q Q Q Q Q Q Q Q

7668 , 2199 95 , 0

10 994 , 340 10

49 , 2888 10

8 , 2541 10

55 , 5007

3

6 6

6 6

r : ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đỉnh tháp (J/kg)

Nhiệt độ của hơi đỉnh tháp là tđ = 80,42963 oC

 Theo bảng số liệu Nhiệt hoá hơi – t o (I-254), nội suy ta có :

r1 = 667,12006.103 (J/kg) r2 = 2338,62243.103 (J/kg)

Nồng độ phần khối lợng của hơi đỉnh tháp là aP = 85%

 r = r1.aP + r2.(1- aP) = 667,12006 0,85 + 2338,62243 (1- 0,85)

= 917,84542 103 (J/kg)