Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục axeton – nước

Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục axeton – nước Lưu lượng hỗn hợp đầu vào tháp 8000 kgh Nồng độ hỗn hợp đầu vào (phần khối lượng) 20% Nồng độ sản phẩm đỉnh (phần khối lượng) 95% Nồng độ sản phẩm đáy (phần khối lượng) 2% Thiết bị chưng luyện Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền

Năng suất theo hỗn hợp đầu GF : 6000 kg/h

Nồng độ hỗn hợp đầu vào (phần khối lượng) aF : 25%

Nồng độ sản phẩm đáy (phần khối lượng) aW : 5%

- GF : lưu lượng khối lượng dòng nguyên liệu (kg/h)

- Gp : lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh (kg/h)

- GW : lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy (kg/h)

- aF : phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu (Wt %)

- aP : phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đỉnh (Wt%)

- aW : phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đáy ( Wt%)

- F : lưu lượng mol dòng nguyên liệu (kmol/h)

- P : lưu lượng mol dòng sản phẩm đỉnh (kmol/h)

- W : lưu lượng mol dòng sản phẩm đáy (kmol/h)

- xF : phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng nguyên liệu (kmol/kmol)

- xp : phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đỉnh (kmol/kmol)

- xW : phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đáy (kmol/kmol)

- yF : phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng nguyên liệu (kmol/kmol)

* Quy ước kí hiệu: A _ cấu tử Aceton

B _ cấu tử Nước

CHƯƠNG I TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

K A K K

M

a 1 M a M

a x

− +

=

(k là F,P,W)Nồng độ phần mol của aceton trong hỗn hợp đầu:

0,09375 18

0,25 1

F

A F

+

=

− +

=

(kmol/kmol) = 9,375 (%mol)

Nồng độ phần mol của aceton trong sản phẩm đỉnh:

0,855 18

0,95 1

P

A P

+

=

− +

=

(kmol/kmol) = 85,50 (%mol)Nồng độ phần mol của acetontrong sản phẩm đáy :

0,01607 18

0,05 1

W

A W

+

=

− +

6000M

GF

F.xF = P.xP + WxW

Từ hai công thức trên ta có thể suy ra:

F P W F W

Wx

x

Px

0,855

0,016070,09375

.6000x

x

xxF

P

W P

Cấu tửnhẹaceton

Cấu tửnặngnước

y(%) 0 60,

80,3

82,7

84,2

85,5

86,9

88,2

90,4

69,6

64,5

62,2

61,6

60,7

59,8

59,0

58,2

57,

5 56,9

Từ bảng số liệu trên ta vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y và vẽ đồ thị x-y-t

Gọi y* F, y * P, y * W là nồng độ phần mol của pha hơi cân bằng với pha lỏng tronghỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

tF, tP, tW: nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

2. Tính thành phần mol của pha hơi cân bằng với pha lỏng :

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện:

Để đơn giản ta thừa nhận những giả thiết sau:

• Dòng mol pha hơi đi từ dưới lên không đổi trong toàn bộ chiều cao củatháp (G’y = Gy), dòng mol pha lỏng đi từ trên xuống là không đổi trongđoạn luyện và đoạn chưng (Gx = const và G’x = Gx + F = const)

• Hỗn hợp lỏng đầu đi vào ở nhiệt độ sôi

• Chất lỏng ngưng trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phầnpha hơi ra khỏi đỉnh tháp (yP = xP)

• Hơi bốc lên từ đáy tháp có nồng độ bằng nồng độ sản phẩm đáy (yW =

Với Gy: lưu lượng pha hơi đi từ dưới lên (kmol/h)

Gx: lưu lượng pha lỏng hồi lưu trở lại tháp (kmol/h).

P: lưu lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)

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

y X P

P.x x G y

⇒

P n

x

P G

P x

P G

G y

+

+ +

=

x

⇒

1 R

x x 1 R

R y

x

P x

x

+

+ +

: chỉ số hồi lưu của đoạn luyện

Do đó phương trình đường nồng độ làm việc có dạng:

BAx

Với

1R

R

A

x

x+

=

,

1R

xB

x

P+

=

và qua điểm y = x = xPPhương trình y=Ax+B

là phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện

Nó thể hiện mối quan hệ của nồng độ pha lỏng ở tiết diện bất kì trên đoạn luyện

và nồng độ của pha hơi ở cùng tiết diện phụ thuộc vào chỉ số hồi lưu R và nồng

độ sản phẩm đỉnh

- Đoạn chưng:

Phương trình cân bằng vật liệu tại vị trí bất kì của đoạn chưng:

W G G'x = y +

Với G’x: lượng lỏng trong đoạn chưng từ trên xuống (kmol/h)

W: lưu lượng sản phẩm đáy (kmol/h)

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

W

y y Wx G

x

⇒

W x

x

1R

1fx1R

fRy

+

−

−++

=

=

= 10,8F: lưu lượng hỗn hợp đầu (kmol/h)

Do đó phương trình đường nồng độ làm việc có dạng:

B'xA'

Với

1R

fRA'

x

x+

+

=

,

1 R

1 f B'

Đường làm việc đoạn luyện cắt trục Oy trên đồ thị cân bằng pha x-y tại B

Điểm B phụ thuộc vào giá trị chỉ số hồi lưu làm việc Rx

Rx được chọn qua tỉ số hồi lưu tối thiểu theo công thức

Rx = b.Rxmin b = 1.2 ÷ 2.5

0,2450,0937

0,7053

0,70530,8550

xy

yx

R

F F

*

F

* P

- xP: nồng độ phần mol của aceton ở sản phẩm đỉnh

- xF: nồng độ phần mol của aceton ở hỗn hợp đầu

- y* F: nồng độ phần mol pha hơi cân bằng pha lỏng ở hỗn hợp đầu.

Với mỗi giá trị Rx→ điểm B→đường làm việc đoạn luyện → đường làm việcđoạn chưng → Vẽ số bậc thay đổi nồng độ → Xác định Nlt

4 Chọn chỉ số hồi lưu thích hợp.

Vấn đề chọn chỉ số hồi lưu thích hợp rất quan trọng vì khi chỉ số hồi lưu bé thì

số bậc của tháp lớn nhưng tiêu tốn hơi đốt ít, ngược lại khi chỉ số hồi lưu lớn thì

số bậc của tháp ít hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt lại rất lớn

Chỉ số hồi lưu càng lớn thì lượng nhiệt tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều, vì phảilàm bay hơi lượng hồi lưu này Mặt khác số đĩa lý thuyết của tháp sẽ giảm cùngvới sự tăng của chỉ số hồi lưu Nếu giảm chỉ số hồi lưu sẽ làm tăng chi phí chếtạo tháp mặc dù có giảm chi phí làm việc Vì vậy cần tiếp cận giá trị thích hợpcủa chỉ số hồi lưu Bằng phương pháp đồ thị dựa vào quan hệ giữa chỉ số hồi lưu

và số đĩa lý thuyết để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp theo mối quan hệ Nlt.(Rx+1)= f(R) Đồ thị quan hệ Nlt.(Rx+1)= f(R) chỉ ra vùng làm việc thích hợp, từ

đó có thể tính được quan hệ thích hợp giữa Nlt và R

Để xác định chính xác giá trị thích hợp của chỉ số hồi lưu R ta dùng quan

hệ Nlt.(Rx+1)= f(R) Giá trị cực tiểu của đồ thị cho ta chỉ số hồi lưu thích hợp, vì

ở đó thiết bị có kích thước bé nhất nhưng vẫn đảm bảo được quá trình làm việctốt nhất Điều này có thể được giải thích: sự phụ thuộc của chỉ số hồi lưu vàokích thước của tháp qua thể tích làm việc: V= f.H

Trong đó f: tiết diện của tháp (m2)

H: chiều cao của tháp (m)

Mặt khác tiết diện tỷ lệ thuận với lượng hơi đi trong tháp D=(Rx+1).P Do

đó trong điều kiện làm việc nhất định P=const, thì f ~ D ~ R, nên V ~ Nlt.(Rx+1).Trên cơ sở đó xây dựng quan hệ Nlt.(Rx+1)= f(R) từ đó xác định chỉ số hồi lưuthích hợp

Xác định chỉ số hồi lưu theo điều kiện tháp nhỏ nhất

x x 1 R

R y

x

P x

x

+

+ +

=

 y = 0,363x +0,545

- Đoạn chưng

W x

x

1 R

1 f x 1 R

f R y

+

−

− +

+

=

 y = 7,242x – 0,100

II Đường kính tháp

1 Xác định lượng khí (hơi) đi trong tháp

a. Đoạn luyện

Có thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng củatháp gđ và lượng hơi đi vào dưới cùng g1 của đoạn luyện được tính theo công thứcsau:

2

gg

g1: lượng hơi đi vào đĩa đầu tiên của đoạn luyện (kg/h)

gđ: lượng hơi ra khỏi tháp ở đĩa trên cùng (kg/h)

gđ = GR + GP = GP.(Rx+1) (IX 92/Sổ tay QTTB II/t.181) Với

GR: lượng lỏng hồi lưu (kg/h)

- Với :

y1: nồng độ của aceton trong pha hơi của đĩa thứ nhất đoạn luyện

x1: hàm lượng lỏng ở đĩa thứ nhất đoạn luyện

x1 = xF = 0,25 (kg/kg)

• r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kJ/kg)

r1 = rA y1 +rB (1 - y1 )

rA , rB: ẩn nhiệt hóa hơi của aceton và nước nguyên chất ở nhiệt độ 70,65°C

Tra bảng I.212/Sổ tay QTTB I/t.254 và nội suy ta có:

6,120646705

,573.38,2094.r

g

0,95.13340,25

.G.yg

1334G

g

1 1

1

1 1

1 1 1

1 1

31 , 1872

r

6 , 1206467

.r

g

8 , 933 ) 25 , 0 (y

g

1334 G

g

1 1

G

(kg/h)1546,2

g

(kJ/kg)780,28

r

kmol/kmol)(

645,0(kg/kg)0,854

2

2094,381546,2

2

gg

b. Đoạn chưngCoi gần đúng lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đĩa đầutiên của đoạn luyện

=

= 1 ' g

gn

1546,2 kg/hLượng hơi đi vào đoạn chưng

' 1

g

, lượng lỏng

' 1

G

và hàm lượng lỏng

' 1

x

đượcxác định theo phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

, 1 1 , , 1

, 1

, 1

r g r G

x G y G x G

G g G

w w w w

Trong đó y1’ = yw – xác định theo đường cân bằng ứng với xw

Ta có xw = 0,05 kg/kg

• r1’: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng(kJ/kg).

rl’ = ra’yl’ + rb’.(1 – yl’) ra’ , rb’: ẩn nhiệt hóa hơi của aceton và nước nguyên chất ở nhiệt độ 92,90°CTra bảng I.212/Sổ tay QTTB I/t.254 và nội suy ta có:

ra’ 92,90 = 114,95 (kcal/kg) = 481,18 (kJ/kg)rb’ 92,90 = 546,10 (kcal/kg) = 2285,97 (kJ/kg)

 rl’ = 481,18.0,4365 + 2285,97.(1 – 0,4365) = 1498,179 (kJ/kg)

Như vậy ta có:

(kg/kg)107

,029

,5471

05,0.46664365

,0.29,805G

xGy

g

x

(kg/h)29,54714666

29,805G

g

G

(kg/h)29,805179

,1498

28,780.2,1546

=+

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:

2

2,154629

,8052

ggg

' ' 1

L tb,

B L tb, A

L tb, ytb

−+

0,9255 0,645

2

y y

2

57,8270,65

22,4

273.18.0,785)(1

58

ρ

- Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng đoạn luyện

x2

tb1 x1

tb1 xtb

a 1 a 1

ρρ

ρ

− +

64,24 x1 x1= ρ =

ρ

)(kg/m668

,

64,24 x1 x2 = ρ =

ρ

atb1: phần khối lượng trung bình của aceton trong pha lỏng.

0,6 2

0,95 0,25

2

a a

273 M ).

y 1 ( M y

C tb,

B

' tb1 A

' tb1

22,4

273.18.0,4194)(1

58.0,4194'

775,354775

,812

90,9265,702

t

4194,02

1938,0645,02

3

C

tb,

1 '

1

=

−+

w tb

K C

t t

y y y

ρ

- Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng đi trong đoạn chưng côngthức:

' 2

' 1 '

1

' 1 '

a1a1

xtb

tb xtb

tb xtb ρ ρρ

−+

=

(IX 104/Sổ tay QTTB II/t.183)

ρ’xtb – Khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m 3

ρ’x1,ρ’x2 – Khối lượng riêng trung bình của aceton và nước ở ttb =81,775oC

)(kg/m69,716

15,02

05,025,02

aaa

3 775

,

8 1 2

'

2

3 775

,

8 1 1

'

1

W F '

xtb xtb

tb

ρρ

ρρ

(theo bảng I.2/Sổ tay QTTB I/t.9)

)(kg/m746,921a

1a

' 2

' 1 '

1

' 1 ' = + − ⇒ xtb =

xtb

tb xtb

tb xtb

ρρ

ρρ

Vậy khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng và pha hơi đoạn chưng là:

921,746'xtb=

xtb

ρ

: khối lượng riêng trung bình của lỏng đi trong đoạn luyện, kg/mᶟ

746 , 921

= 1,389 (m/s)

 y = 0,8.1,389 = 1,111 (m/s)

4 Diện tích ống chảy chuyền

- Đường kính ống chảy chuyền

z

c x

xtb ch

3600

G.4d

ωρπ

xtb

3600

G

ω

ρ

, m2Gxtb: lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp, kg/h

ρx: khối lượng riêng của lỏng, kg/m 3

ωc : tốc độ chất lỏng đi trong ống chảy chuyền

Thường lấy ωc = 0,1 ÷ 0,2m/s => chọn ωc = 0,15m/s

z: số ống chảy chuyền (z=1)

- Đoạn luyện

Ta có:

Gxtb = 2

G +

2

G + R

2

212,2 1334.0,57

29,486.4

 ωc = 0,13 m/s

L ch

f ,

= 4

d 2

xtb C

ch

' 3600

' G 4

d ,

ωρπ

1 F

2

5471,29+

6000)(212,2

75,5841.4

 ωc = 0,14 m/s

L ch

2 , =

gytb

, m2

A

f

: diện tích tự do của đĩa, m2

ρy: khối lượng riêng của hơi, kg/m 3gytb: lưu lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/hωy: vận tốc khí hơi trung bình đi trong tháp, m/s

- Đoạn luyện

L A

=

33,0858,0.785,1.3600

29,1820

'g

ω

ρ

=

24,0092,1.236,1.3600

745,1175

=π

1 Hệ số khuếch tán

a Hệ số khuếch tán trong pha lỏng

- Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20oC:

2 3 / 1 B 3 / 1 A

B A

6 - 20

)VV

.(

A.B

M

1M

1 101D

+

+

=

B x

µ

,m2/s (VIII.14/Sổ tay QTTB II/t.133)Trong đó:

• A,B: hệ số liên hợp của aceton và dung môi nước: A=1; B=4,7

• MA, MB: khối lượng mol của aceton và nước, kg/kmol

• µB : độ nhớt của dung môi nước ở 20oC: = 1 (cP) (tra bảng I.101/Sổ tayQTTB II/t.91)

• VA, VB : Thể tích mol của aceton và nước

Tra bảng VIII.2/Sổ tay QTTB II/t.127

VA = 14,8 3 + 3,7 6 + 7,4 = 74 (cm3/mol)

VB = 18,9 (cm3/mol)

9 2

3 / 1 3

/ 1

6 -

)9,1874

(

1.7,4.1

18

158

1 10

(VIII.15/Sổ tay QTTB II/t.134)

Hệ số nhiệt độ :

3

2,0b

12,0

(m2/s)

 Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn chưng: t = ttb,C = 81,775°C

[ ] 9

9 , 1,219.10 1 0,02(81,775 20) 2,27.10

(m2/s)

b. Hệ số khuếch tán trong pha hơi:

- Hệ số khuếch tán trong pha hơi:

B A

B A

y

M

1M

1)VV

.(

P

T 10.0043,0

5 , 1 4

++

, m2/s (VIII.5/Sổ tay QTTB II/t.127)Trong đó:

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

T: nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp, K

 Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn luyện: t = ttb,L = 64,24°C

5 2

3 / 1 3

/ 1

5 , 1 4

18

158

1)

9,1874

.(

1

)24,64273.(

10.0043,0

3 / 1 3

/ 1

5 , 1 4

18

158

1)

9,1874

.(

1

)775,81273.(

10.0043,0

hh

M)

y1(M.y.M

µ

, Ns/m2 (I.18/Sổ tay QTTB I/t.85)Trong đó:

y: nồng độ aceton trong pha hơi, kmol/kmol

Mhh: Trọng lượng phân tử của hỗn hợp hơi, kg/kmol

µA , µB : Độ nhớt của hơi aceton và hơi nước, Ns/m2

6 1

3 3

10.011,0

18)

785,01(10.0087,0

58.785,0.4,

3 3

10.012,0

18)

4194,01(10.0092,0

58.4194,0.776,

A tb

(I.12/Sổ tay QTTB I/t.84)

µ A, µ B: độ nhớt của aceton và nước

xtb: nồng độ phần mol trung bình của aceton trong pha lỏng, kmol/kmol

b. Chuẩn số Raynolds và chuẩn số Prandtl

 Chuẩn số Raynolds đối với pha hơi

y

y y

ω y : Tốc độ hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp, m/s

h : kích thước dài, chấp nhận bằng 1m

ρ y: khối lượng riêng trung bình của hơi, kg/m3

µ y: độ nhớt trung bình của hơi, Ns/m2

- Đoạn luyện:

L hh

y y

L y

, ,

h Re

µ

ρω

10.84,8

785,1 1 737,0

6 =

- Đoạn chưng:

C hh

y y

C y

, ,

'

h 'Re

µ

ρω

10.89,9

195,1 1 649,0

Pr

x

x x

ρ

µ

=

[Sổ tay QTTB II/t.165]Trong đó:

L hh L

x

,

, ,

D

'Pr

10.321,0

C hh C

x

,

, , ' D

'Pr

ρ

µ

10.27,2.746,921

10.339,0

 Hệ số cấp khối trong pha hơi tính cho 1m 2 diện tích làm việc của đĩa.

Theo công thức tính cho tháp đĩa lỗ:

)11000Re

79,0(4,22

D

+

y y

β

kmol.s

79,0(4,22

79,0(4,22

s.m

kmol2

)

 Hệ số cấp khối trong pha lỏng

62 , 0Pr.h M

D 38000

x x

x x

β =

kmol s m

kmol

2

[IX.44/Sổ tay QTTB II/t.165]Trong đó :

ρx: Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m 3)

Dx: Hệ số khuếch tán trung bình tỏng pha lỏng (m2/s)

Mx: Khối lượng mol trung bình của lỏng (kg/kmol)

h : kích thước dài, chấp nhận bằng 1m

Prx : Chuẩn số Prant đối với pha lỏng

h M

D 38000

L x L

x

L x xtb L

.976,36

10.249,2.820,75

=

= 0,0465 ( kmol

kmol s m

,

h M

D ' 38000

C x C

x

C x xtb C

.196,20

10.27,2.921,746

=

= 0,0923 ( kmol

kmol.s.m

m1

s.m

kmol2

m : Hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, nồng độ củacác pha

cb

x x

y y tg

−

−

=

α

m0878

,01

kmol

s.m

kmol2

- Đoạn chưng:

0923,0

m0537

,01

kmol.s.m

f

g

.K

s.m

kmol2

: diện tích làm việc của đĩa, m2 (Với = F – 2.)

: diện tích kênh chảy chuyền, m2 ( thường chọn bằng khoảng 1/6 diện tíchF)

gy: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kmol/s

- Đoạn luyện

gy = 1820,29 kg/h => gy 49,4.3600

29,1820

L L y L

yT

f

,

, ,

g

.K

0102,0

382,0

=

= 0,0091 (kmol/s)

 C = FC -2 = 0,385 – 2.0,0123 = 0,3604 (m 2)

C y

C C y C

yT

f

,

, ,

g

.K

0091,0

3604,0

- Với mỗi giá trị của x, tính hệ số phân bố vật chất m, tính hệ số chuyển khối

Ky, tính số đơn vị chuyển khối myT và tỷ số Cy tương ứng Từ đó tìm đượcđiểm B tương ứng thuộc đường cong động học, nằm giữa A và C Nối cácđiểm B tìm được ta có đường cong động học của quá trình

o Lc

Từ đường nồng độ làm việc và đường cong động học vừa vẽ ta tìm được số đĩa thực tế của tháp:

NTT = 11Trong đó : Số đĩa đoạn chưng NTT,C : 8

Số đĩa đoạn luyện NTT,L : 3

6 Hiệu suất tháp và chiều cao của tháp :

- Hiệu suất tháp :

%33,3315

5N

δ: chiều dày đĩa, chọn δ = 3mm

Hđ: khoảng cách giữa các đĩa, mm

• Từ bảng IX.5/Sổ tay QTTB II/t.170, chọn Hđ = 400mm

• Diện tích tự do tương đối: = 10%

• Chiều dài vách chảy tràn: Lc

: diện tích kênh chảy tràn, m2 (thường chọn bằng 1/6 ~ 1/8 diện tích đĩa)

• Chiều cao vách chảy tràn : hc = 0,03 m

• Chiều dày đĩa δ = 3mm

• Khoảng cách giữa các đĩa Hđ = 0,450 m

∆Pđ : Tổng trở lực của một đĩa (N/m2)

∆Pđ = ∆Pk + ∆Ps + ∆Pt (N/m2)

∆Pk : Trở lực của đĩa khô (N/m2)

∆Ps : Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (N/m2)

∆Pt : Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) (N/m2)

1 Trở lực của đĩa khô

∆Pk = ξ 2

2

o ytbωρ

(N/m2) (IX.140/Sổ tay QTTB II/t.194)Trong đó:

785,

y ytb ωρ

)649,0.10.(

195,

= 45,8 (N/m2)

4

+

σ

(IX.142/Sổ tay QTTB II/t.194)

σ : Sức căng bề mặt của dung dịch trên đĩa (N/m)

B

A σ

1σ

1σ

σσ

σ

σ.σ

10.44,65.18,09.10

3 - 3

3 -3

=+

=Trở lực do sức căng bề mặt của đoạn luyện là:

∆Ps,L =

)N/m(56,140,003.08,01,3.0,003

0142,0

2 =+

σ.σ

10.27,62.15,99.10

3 - 3

3 -3

=+

=Trở lực do sức căng bề mặt của đoạn chưng là:

∆Ps,C =

)N/m(02,130,003.08,01,3.0,003

0127,0

2 =+

3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa

Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra là:

K : Tỷ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của lỏng không bọt

Khi tính toán chấp nhận K = 0,5

m : Hệ số lưu lượng chảy qua gờ chảy tràn

hc: chiều cao vách chảy chuyền, hc = 0,03

: khối lượng riêng của lỏng, kg/m3

Lc: chiều dài vách chảy tràn, m; Lc = 0,583m

Gxtb: lưu lượng lỏng trung bình, m3/h

 Trở lực của đoạn luyện là ∆PL = ∆Pđ,L.NTT,L = 259,8.3 = 779,4 N/m2

- Tổng trở lực của một đĩa đoạn chưng là:

∆Pđ,C = ∆Pk,C + ∆Ps,C + ∆Pt,C = 45,8 + 13,02 + 176,34 = 235,16 N/m2

 Trở lực của đoạn chưng là ∆PC = ∆Pđ,C.NTT,C = 235,16.8 = 1881,28 N/m2Như vậy trở lực toàn tháp là:

∆P = ∆PL + ∆PC = 779,4 + 1881,28 = 2660,68 N/m2

V Tính cân bằng nhiệt lượng

Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượng hơiđốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu, đun bốc hơi ở đáy tháp cũng như xácđịnh lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ làm lạnh

Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nguyên liệu rẻ tiền, phổ biếntrong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ

1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:

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

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

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

• Qng1 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

• Qxq1: Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh (J/h)

Chọn hơi đốt là hơi nước ở áp suất 2at, tra theo bảng I.97/Sổ tay QTTB I/t.230

ta có nhiệt độ sôi của hơi đốt là ts = 119,62°C

a. Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào

QD1 = D1.λ1 = D1.(r1 + θ1.C1), J/h(IX.150/Sổ tay QTTB II/t.196)

Trong đó:

• D1: lượng hơi đốt, kg/h

• λ1: hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt, J/kg

• θ1: nhiệt độ nước ngưng, °C: θ1 = 119,62°C

• C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ

• r1: ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg

Tại nhiệt độ θ1 = 119,62°C, nội suy theo bảng I.212/Sổ tay QTTB I/t.254 ta

có r1 = 526,25 kcal/kg = 2203.103 J/kg

 QD1 = D1.2203.103 + D1.θ1.C1

b. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào

Qf = F.Cf.tf , J/h (IX.151/Sổ tay QTTB II/t.196)Trong đó:

- F: lượng hỗn hợp đầu (kg/h): F = 6000kg/h

- tf: nhiệt độ đầu của hỗn hợp, °C: tf = 20°C

- Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg,độ

Cf = CA.af + CB.(1 - af)

Với CA: nhiệt dung riêng của aceton, J/kg.độ

CB: nhiệt dung riêng của nước, J/kg.độ

Tra theo bảng I.149/Sổ tay QTTB I/t.168 và bảng I.153/Sổ tay QTTB I/t.171

c. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra

Q = F.C.t , J/h (IX.152/Sổ tay QTTB II/t.196)Trong đó:

t : Nhiệt độ của hỗn hợp đầu sau khi đun nóng, C: t = 70,65C

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

d. Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:

Q = G.C.θ = D.C.θ , J/h (IX.153/Sổ tay QTTB II/t.197)

G : Lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt D, kg/h

e. Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh

Lượng nhiệt mất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêutốn:

Q = 0,05.D.r , J/h (IX.154/Sổ tay QTTB II/t.197)

f. Lượng hơi đốt cần thiết:

Thay các giá trị trên vào phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có:

D1.r1 + D1.θ1.C1+

 D = = = 602,69 (kg/h)

2 Tính cân bằng nhiệt lượng toàn tháp chưng luyện

Phương trình cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện :

Q + Q + Q = Q + Q + Q + Q , J/h (IX.156/Sổ tay QTTB II/t.197)

Trong đó:

Q : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h)

Q : Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp (J/h)

Q : Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào (J/h)

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

Q : Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h)

Q : Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh (J/h)

Q : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 2 at có t = 119,62°C

a. Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp

Q = D.λ = D.(r + θ.C) , J/h (IX.157/Sổ tay QTTB II/t.197)

Trong đó:

D : Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp, kg/h

λ : Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)

θ : Nhiệt độ nước ngưng, °C : θ = 119,6°C

r : Ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)