Thiết kế tháp mâm chóp chưng luyện tách hỗn hợp etanol – nước

Thiết kế tháp mâm chóp chưng luyện tách hỗn hợp etanol – nước

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN

KHOA: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

BỘ MÔN: MÁY & THIẾT BỊ

HỌ VÀ TÊN: VÕ TRỌNG QUÂN MSSV:11254511 LỚP: DHHD7

1 Tên đồ án:

Thiết kế tháp mâm chóp chưng luyện tách hỗn hợp Etanol – Nước

2 Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)

2.1 Số liệu ban đầu:

 Lưu lượng hỗn hợp đầu vào tháp (kg/h): F = 1800 kg/h

 Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng

 Tính toán thiết bị chính và thiết bị phụ

 Tính cơ khí

 Bảng vẽ: quy trình công nghệ và thiết bị chính (A1)

3 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 24/05/2014

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 10/07/2014

5 Họ và tên người hướng dẫn: Cao Thanh Nhàn

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 05 năm 2014

Trần Hoài Đức Cao Thanh Nhàn

LỜI MỞ ĐẦU

Công nghệ hóa học là một trong những ngành đóng góp rất lớn trong sự phát triển của nền công nghiệp nước ta Trong ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu có độ tinh khiết cao phải phù hợp với qui trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng

Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết là: chưng cất, trích ly, cô đặc, hấp thu … Tùy theo đặc tính sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp Hệ Ethanol – nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Ethanol

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư hoá tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp

Em chân thành cảm ơn Thầy Cao Thanh Nhàn và các Quí Thầy Cô bộ môn Máy & Thiết Bị đã giúp em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án vẫn không tránh khỏi có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn

Em xin cám ơn Quý Thầy Cô!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:

 Nội dung thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014

Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:

 Nội dung thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1

I.Lý thuyết về chưng luyện 1

II.Ưu, khuyết điểm của phương pháp chưng đĩa chóp: 2

III.Dây chuyền công nghệ: Error! Bookmark not defined PHẦN 2: TÍNH CÔNG NGHỆ 8

Chương 1: TÍNH SỐ ĐĨA 9

1.1 Tính lượng hỗn hợp: 9

1.2 Xác định số đĩa của tháp 10

Chương 2: TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THIẾT BỊ 16

2.1 Đường kính đoạn luyện: 16

2.2 Đường kính đoạn chưng: 20

Chương 3: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 24

3.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu: 24

3.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện: 26

3.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tu hồi lưu: 28

3.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh: 28

Chương 4: TÍNH KẾT CẤU CỦA THÁP CHƯNG LUYỆN 30

4.1 Kết cấu dĩa phần luyện: 30

4.2 Kết cấu đĩa đoạn chưng : 33

PHẦN 3: TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH 37

I Tính thân thiết bị chính: 37

II Tính đáy và nắp thiết bị: 40

III Tính bề dày lớp cách nhiệt: 40

IV Tính đường kính các loại ống dẫn: 42

V Chọn bích: 44

VI Tính tải trọng của tháp: 46

VII Chọn tai treo, chân đỡ: 49

PHẦN 4: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 51

I Tính toán thiết bị ngưng tụ hồi lưu: 51

II Thiết bị gia nhiệt nhập liệu: 55

III Nồi đun: 57

IV Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh: 60

V Tính và chọn bơm: 63

PHẦN 5: KẾT LUẬN 68

Các tài liệu tham khảo : 68

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

I Lý thuyết về chưng luyện

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các 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 thì áp suất hơi của các cấu tử khác nhau

Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường bao nhiêu cấu tử sẻ có bấy nhiêu sản phẩm Đối với trưòng hợp hỗn hợp chưng chỉ gồm hai cấu tử thì sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn

Trong sản xuất có rất nhiều phương pháp chưng như chưng đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng chân không và chưng luyện Tùy thuộc vào điều kiện sẵn có, tính chất hỗn hợp, yêu cầu về độ tinh khiết sản phẩm mà ta chọn phương pháp chưng cho thích hợp

- Chưng đơn giản dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch cấu tử khỏi tạp chất

- Chưng bằng hơi nước trực tiềp dùng tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường dùng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước

- Chưng chân không dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi cấu tử Ví

dụ như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao

- Chưng luyện là phương pháp phổ biến nhất để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau

- Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và hỗn hợp có nhiệt độ sôi cao

- Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường

- Chưng luyện ở áp suất thường (áp suất khí quyển ) dùng cho hỗn hợp không thuộc các trường hợp trên

Người ta tiến hành chưng luyện hỗn hợp cần chưng trong tháp chưng luyện, tháp gồm nhiều đĩa, trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi Hơi đi từ dưới lên qua các lổ của đĩa, lỏng đi từ trên xuống theo các ống chảy chuyền, nồng độ các cấu tử và nhiệt độ sôi ở mỗi đĩa thay đổi theo chiều cao của tháp Do đó một phàn cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng, lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như thế, hay nói một cách khác, với một số đĩa tương ứng, cuối cùng ở trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng nguyên chất và ở tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi ở dạng nguyên chất

Quá trình chưng luyện được thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tục hoặc gián đoạn

Ở đây ta sẽ thiết kế hệ thống chưng luyện tháp mâm chóp làm việc liên tục với hỗn hợp chưng là rượu mêtylic và nước Khi chưng luyện liên tục, hỗn hợp đầu được đưa vào tháp ở đĩa tiếp liệu (nằm ở phần giữa thân tháp) một cách liên tục, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy cũng được lấy ra liên tục

II Ưu, khuyết điểm của phương pháp chưng đĩa chóp

Ưu điểm: Tách được sản phẩm có độ tinh khiết cao, dễ khống chế quá trình, bề

mặt tiếp xúc pha tương đối lớn, trở lực không cao

Khuyết điểm: Tiếp xúc pha không liên tục, cấu tạo phúc tạp

II.1 Tính chất lý hóa của rượu Êtylic

Ethanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC

Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước

Một số thông số vật lý và nhiệt động của Ethanol

nên khi muối Natri etylat tan trong nước sẽ bị thuỷ phân thành rượu trở lại

Tác dụng với acid tạo ester: Ethanol có tính bazơ tương đương với nước Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ đều tạo ra ester

CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O

CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 CH3-COO-C2H5 + H2O

2 3

to

H2SO4

>150oC H2SO4

>150oC

Cu 200-300oC

mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng,

y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp

 Sơ đồ tóm tắt vị trí của Ethanol trong các ngành công nghiệp

Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế Ethanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của Ethanol khi đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hóa aldyhyt acetic; từ các hợp chất cơ kim…

Trong công nghiệp, điều chế Ethanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ đường Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất Ethanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột

C6H6O6 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal 95% nguyên liệu chuyển thành Ethanol và CO2

5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ (lactic, butylic…)

II.2 Nước

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không

vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt

Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:

Nấm men Zymaza

Khối lượng phân tử: 18 g/mol

Khối lượng riêng d4oC: 1 g/mol

Nhiệt độ nóng chảy: 0o

C Nhiệt độ sôi: 100o

C Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học

III Quy trình công nghệ

Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,3o

C ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100o

C ở 760mmHg: hơi cách biệt khá xa nên phương pháp hiệu quả để thu Ethanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất

Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu

tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn

Hình 2: Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

Thuyết minh qui trình công nghệ:

Hỗn hợp Ethanol – nước có nồng độ Ethanol 10% ( theo phần khối lượng ), nhiệt độ khoảng 28oC tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao

vị (3) Từ đó được đưa đến thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (6) Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi và được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (10) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử Ethanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 90% phần khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (9) và được ngưng

tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (11), được làm nguội đến 35oC , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (12) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng

độ Ethanol là 3% phần khối lượng, còn lại là nước Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (8) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun và đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Ethanol, sản phẩm đáy được thải bỏ

̅ : Nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu

̅ : Nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh ̅ : Nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

xF: Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu

xD: Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong trong sản phẩm đỉnh

xW: Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

Cấu tử dễ bay hơi A: rượuÊtylic, cấu tử khó bay hơi B: nước

Chương 1: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 1.1 Tính lượng hỗn hợp

xA =

̅

̅

̅

 xF =

̅

̅

̅

=

= 0.16 phần mol

 xD =

̅

̅

̅

=

= 0.78 phần mol

 xW =

̅

̅

̅

= = 0.012 phần mol

1.1.2 Lưu lượng hỗn hợp đầu và sản phẩm đáy

Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:

1.2.1 Đường cong cân bằng - đồ thị t-x-y theo thực nghiệm

Gọi x, y là nồng độ mol phần của thành phần lỏng và hơi của rượu Êtylic (tính theo phần mol)

t (0C) là nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử (ở 760 mmHg)

Hình 2: Đồ thị đường cong cân bằng của hỗn hợp rượu Êtylic và nước

Hình 3: Đồ thị biểu diễn đường cong sôi

Theo đồ thị đường cân bằng ta xác định được y*

F = 0,5 phần mol là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hỗn hợp đầu ứng giá trị

Vẽ trên đồ thị 2 đường làm việc đoạn chưng và đường làm việc đoạn cất ta có được

số mâm lý thuyết là: Nlt = 12 mâm Số mâm lý thuyết đoạn cất là 9.4 mâm và đoạn chưng là 2.6 mâm

1.2.2 Xác định số đĩa thực tế

Số đĩa thực tế được xác định theo công thức:

Ntt =

tb lt

N

 (Công thức IX.59, trang 170, [2])

Với tb là hiệu suất trung bình của thiết bị, là hàm của độ bay hơi tương đối 

và độ nhớt  của hỗn hợp  = f(,)

 =

x

x y

y 



1

1 (Công thức IX.61, trang 171, [2])

 = tb = (

3

1 1 + 2 + 3 ) (Công thức IX.60, trang 171, [2]) Với: 1 là hiệu suất ứng với đĩa trên cùng

2 là hiệu suất ứng với đĩa tiếp liệu

3 là hiệu suất ứng với đĩa cuối cùng

- Ứng với đĩa tiếp liệu:

Tích D.D = 0,4303 1.1282 = 0,4855 Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2],

ta đƣợc hiệu suất của đĩa trên cùng 1 = 59 %

- Ứng với đĩa cuối cùng:

Vậy hiệu suất trung bình:

Tính riêng cho phần cất:

= 20.29 (mâm) Tính riêng cho phần chưng:

= 5.61 (mâm)

(yF , yP , yW được xác định từ đồ thị đường cân bằng hình 1)

Chương 2: TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THIẾT BỊ

Đường kính tháp: (công thức IX.89, trang 181, [2])

D =

tb tb

V



.3600

.4

, m

Hoặc D = 0,0188

tb y y tb g

).(  , m

Trong đó: Vtb - Lượng hơi trung bình đi trong tháp, m3

/h tb - Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, m/s

gtb - Lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h

(y.y)tb - Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2

.s

2.1 Đường kính đoạn luyện

2.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện g tb

Có thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp gđ và lượng hơi đi vào dưới cùng g1 của đoạn luyện:

gtb =

21

g

g d 

, kg/h

Trong đó, gđ = GR +GP = GP(RX+1) (công thức IX.92, trang 181, [2])

Với GR: lượng lỏng hồi lưu, kg/h

P P P

r g r

g

x G x G y

g

G G

g

1

1

1 1 1

1

1 1

Trong đó: x1 = ̅ = 0,335 (phần khối lượng)

xP = ̅ = 0,90 (phần khối lượng)

G1:lượng lỏng đĩa thứ nhất đoạn luyện

rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn luyện

r1= ra y1 + (1-y1).rb

= 284.6888 kcal/kg Vậy ta có hệ phương trình :

,14952



- Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện:

Gtb =G R G G P R X G 751,4276kg/h

2

338,63837.1.0345,6312

.2

2.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn luyện

(yy)tb = 0,065[] h xtb ytb , kg/m2 (Công thức IX.105, trang 184, [2])

xtb, ytb: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi tính theo nhiệt độ trung bình, kg/m3

h: Khoảng cách các đĩa trong tháp,m,với giá trị h được chọn theo đường kính tháp

7884

2  



b b b dyn/cm

C t

7,

Bằng phương pháp nội suy ta tính được sức căng bề mặt của Êtylic và nước ở

185,06.62)8081(

t

b



62.415 dyn/cm Sức căng bề mặt của hỗn hợp:

b a



11

b a

hh  





Ta thấy hh < 20 dyn/cm nên chọn [] = 0,8

*Tính khối lượng riêng trung bình:

Khối lượng riêng của Êtylic và nước: (Theo bảng I.2, trang 9, [1])

C:

75.73325.1735)8081(80

1 81

x x

xa = 0,6175

2

335,090,

 xb = 1-xa = 0,3825 phần khối lượng

hh = 809.4745 kg/m3

xTB = hh = 809.4745 kg/m3 Khối lượng riêng của pha hơi: (công thức I.3, trang 5, [1]):

0

.273.4,

p M

yTB 

1506.181273

273.4,22

tb y

587,1

5692.1300

h

h 

Chọn h = 0,35 (m)  D = 0,7 m

2.2 Đường kính đoạn chưng

2.2.1 Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng g’ tb

Có thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng g’n

và lưọng hơi đi vào đoạn chưng g’1:

g’tb =

2

'' g1

g n , kg/h (Công thức IX.96, trang 183, [2])

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

g’n = g1 = 1269.37 kg/h Luợng hơi đi vào đọan chưng g’1, luợng lỏng G’1 và hàm lượng lỏng x’1 được xác định theo hệ phương trình cho ở trang 182, Sổ tay QTTB tập 2:

1

) 2 ( 1

1 1

) 1 ( 1 1

.'

.''.'

''.'

''

r g r g r g

x G y g x G

G g G

n n

w w w w

Trong đó r’1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng, được tính theo công thức:

r’1= ra.y’1 + (1-y’1).rb

Với y’1 = yW là thành phần cấu tử dễ bay hơi (Êtylic) trong pha hơi cân bằng với pha lỏng trong sản phẩm đáy Dựa vào đồ thị đường cân bằng (H.1) ứng với

xW=0,012 ta có yW = 0,11 phần mol ứng với phần khối lượng:

18.89,046.11,0

46.11,

Theo đồ thị đường cong sôi (H.2) ta có sản phẩm đáy có nhiệt độ sôi là 97o

C, theo các số liệu r a,r b,t,r a1,r b1 đã có ở phần tính toán đường kính đoạn luyện ta có:

9508,92837,12692

'' 1

, 638 2

y 

Với y’n là hàm lượng trên đĩa trên cùng đoạn chưng xem bằng hàm lượng hơi đĩa thứ nhất đoạn luyện y’n = y1 = 0,6159 phần khối lượng

2

6159,024,

Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp hơi trong đoạn chưng:

'

M hh = y’tb.MA + (1-y’tb).MB =0,2265.46 + 0,77735.18 = 24,342 đvC

2.2.2 Tốc độ hơi trung bình trong đoạn chưng

(’y’y)tb = 0,065[] h.'xtb.'ytb ; kg/m2.s (Công thức IX.105, trang 184, [2]

’xtb, ’ytb: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi tính theo nhiệt độ trung bình, kg/m3.

h: Khoảng cách các đĩa trong đoạn chưng ,giá trị của h chọn theo đường kính tháp

[]: Hệ số tính đến sức căng bề mặt

*Tính [] ở nhiệt độ trung bình đoạn chưng ttb =t F t w o C

5,902

9784



: Tra sức căng bề mặt của Êtylic và nước (bảng I.242, trang 300, [1]), ta có :

a180 = 17,3 dyn/cm , a2100 = 15,5 dyn/cm

b180 = 62,6 dyn/cm , b2100 = 58,9 dyn/cm

Tính tương tự như phần luyện:

cm dyn t

a a

b b

hh  



111



b a

b a

*Tính khối lượng riêng trung bình pha lỏng:

Tra khối lượng riêng của Êtylic và nước (bảng I.2, trang 9, [1]) ta được:

a180 = 735 kg/m3 , a2100 = 716 kg/m3

b180 = 972 kg/m3 , b2100 = 958 kg/m3Bằng phương pháp nội suy ta có:

3 80

1 5 , 90

/025,7255,10.95,0735)805,90

t

a a

1 5 , 90

/65,9645,10.7,0972)805,90

t

b b

b b a a hh

x x

273

4,22

'



 hh ytb

M



= ( ) = 0,8161 kg/m

3

Vậy tốc độ trung bình của hơi trong đoạn chưng:

h h

tb y

y ' ) 0,065.0,8 909,7748.0,8161 1,417'

tb

.417,1

1604,10990188,0)''(

h , m Chọn h = 0,3 m  D = 0,68 m

Vì đường kính đoạn chưng và đoạn cất không chênh lệch nhau nhiều nên ta lấy đường kính chung cho toàn tháp là D = 0,7m

Chương 3: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

Gọi QD1 là nhiệt lượng do hơi nưóc cung cấp để đun sôi hỗn hợp đầu

Qf là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun sôi hỗn hợp

QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu

Qm là nhiệt lượng do mất mát

Qy là nhiệt lượng do hơi mang ra khỏi tháp chưng

QR là nhiệt lượng do lượng hồi lưu mang vào tháp

Qh là nhiệt lượng do hơi mang ra khỏi thiết bi ngưng tụ hồi lưu

QD2 là nhiệt lượng do hơi đốt đun sôi ở đáy tháp mang vào

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

QD1 + Qf = QF + Qm (8)

3.1.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào Q D1

QD1 = D1.r1 (Công thức IX.150, trang 196, [2])

D1: Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp đầu, kg/h

r1: Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, J/kg

Vì nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu là 840C nên nhiệt độ của hơi nưóc phải cao, chọn 110,70C tương ứng với nước sôi ở áp suất 1,5 at (bảng I.97, trang 230, [1]) Theo toán đồ xác định nhiệt hóa hơi trang 255, [2] ta có nhiệt hóa hơi của nước ở 110,70C là r1 = 2232,18 kJ/kg

3.1.2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun sôi hỗn hợp

đầu Q f

Qf = F.Cf tf (J/h) (Công thức I X.151, trang 196, [2])

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

tf: nhiệt độ đầu của hỗn hợp, xét ở 250

C

Ta có: Cf = ̅ CA + (1 - ̅ ).CB

̅ : nồng độ phần khối lượng trong hỗn hợp đầu, ̅ = 0,335

CA, CB: nhiệt dung riêng của Êtylic và nước ở 250

CA25 = CA20 + C A C A (25 20) 2480 11 5 2537,5J/kgdo

2040

20 40

Qf = 1800.3,629.25 = 163305 kJ/h

3.1.3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun sôi Q F

QF = F.CF tF , J/h (Công thúc IX.152, trang 196, [2]

Với: CF: Nhiệt dung riêng hỗn hợp đi ra thiết bị đun sôi

tF = 840C

Ta có: CF = ̅ CA + (1- ̅ ).CB

CA ,CB :Nhiệt dung riêng của Êtylic và nước ở 84o

C

Tra bảng nhiệt dung riêng và theo phương pháp nội suy ta có:

Nhiệt dung riêng của Êtylic ở 84o

C:

CA80 = 3.22 kJ/kg.độ ; CA100 = 3.52 kJ/kg.độ

kgdo J C

3220)

8084(80100

80 100

QD1 + Qf = QF + 0,05.QD1

95,0

,2232

7895,447303

3.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

Phương trình cân bằng nhiệt của tháp chưng luyện:

QF +QD2 + QR = Qh + QW + Qm (** )

3.2.1 Lượng nhiệt do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp Q R

QR = CR.D.RX.tR J/h (Công thức IX.158, trang 196, [2]) Với : RX: chỉ số hồi lưu, RX = 1,37

D: lượng sản phẩm đỉnh, D = 631,0345 kg/h

tR: nhiệt độ lỏng hồi lưu, tR = tD = 78oC

CR: nhiệt dung riêng của lỏng hồi lưu

CR = ̅ CA + (1 - ̅ ).CB

CA, CB :nhiệt dung riêng của Êtylic và nước ở 78o

C Tra bảng nhiệt dung riêng của Êtylic và nước ở 60o

C và 80oC, theo phương pháp nội suy ta có:

CA60 = 2.97 kJ/kg.độ ; CA80 = 3.22 kJ/kg.độ

 CA78 = CA60 + (78 60)

6080

60 80





 A

A C C

= (78 60) 3,195kJ/kg.do

20

97,222,397,

3.2.2 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Q W

QW = GW.CW.tW, J/h (Công thức IX, trang 197, [2]) Với: GW: Lượng sản phẩm đáy, GW = 1168,9655 kg/h

CW: Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy

Vậy nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra:

Nhiệt dung riêng một cấu tử được tính theo:

 = r + C.t Với: r: Ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử đó.J/kg

C: Nhiệt dung riêng của cấu tử ở nhiệt độ t = tP = 78oC

Nhiệt dung riêng của Êtylic ở 78o

C:

CA = 3,195 kJ/kg.độ Nhiệt dung riêng của nước ở 78o

C:

CB = 4,19 kJ/Kg.độ (Đã tính ở phần tính nhiệt lượng do lượng hồi lưu)

 đ = (rA + CA.tP).aA + (rB + CB.tP).(1 - aA)

= rA ̅ + rB.(1 - ̅ ) + [CA ̅ + CB.(1 - ̅ )].tD = rđ + [CA ̅ + CB.(1 - ̅ )].tD

Với rđ = rA ̅ + rB.(1 - ̅ ) là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp, đã tính ở phần tính đường kính đoạn luyện:

rđ = 284,6888 kcal/kg = 1191,6504 kJ/kg

 đ = 1191,6504 + (3,195.0,90 + 4,19.0,1).78

= 1448,6214 kJ/kg Vậy nhiệt lượng do hơi mang ra khỏi đỉnh tháp:

)(

)(

2

R F w y D

Q Q Q Q

Q   



95,0

)1222155,866(588243,6

)6292,4764062

,2232

584,1928942

1

Lượng nhiệt tổn hao:

Qm = 0,05.QD2 = 0,05.1928942,584 = 96447,1292 kJ/h

3.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tu hồi lưu

Ta dùng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh

P.(RX+1).r = Gn1.Cn.(t2 - t1) (Công thức IX.164, [2]) Với: P: Lượng sản phẩm đỉnh, P = D = 631,0345 kg/h

RX: Chỉ số hồi lưu, RX = 1,37

Gn1: Lượng nước cần dùng cho thiết bị ngưng tụ hồi lưu

t1, t2: nhiệt độ của nước đi vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ hồi lưu, chọn t1 = 25oC, t2 = 45oC

 Nhiệt độ trung bình trong thiết bị ngưng tụ hồi lưu: ttb= t t 35o C

t t C

r R P n

)2545.(

1763,4

6504,1191)

137,1.(

0345,631)

.(

)

1.(

1 2

3.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh

Dùng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

P.CP.(t’1-t’2) = Gn2.Cn.(t2-t1) (Công thức IX.167, trang 198, [2])

Với: Gn2: Lượng nước lạnh dùng cho thiết bị, kg/h

CP: Nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/kg.độ

t’1, t’2: Nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh khi qua thiết bị làm

40 60





 A

A C C

= (56,5 40) 2,9245

4060

71,297,271,

Lượng nước lạnh cần dùng cho thiết bị làm lạnh:

( ) ( )

( ) ( ) = 991,0912 kg/h

Nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:

Chương 4: TÍNH KẾT CẤU CỦA THÁP CHƯNG LUYỆN

4.1 Kết cấu đĩa phần luyện

h d

D

n Với: D: Đường kính trong của tháp, m

dh: Đường kính ống hơi của chóp, m

05,0

7,0.1,0

).2

 (Công thức IX.215, trg 236, [2]

n d

V h

y

3600

.4

Vy =

ytb tb

g

Với:gtb = Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (đã tính ở phần tính đường kính đoạn luyện) gtb = 1382,4609 kg/h

ytb - Khối lượng riêng trung bình pha hơi trong đoạn luyện, kg/m3

6753,12444

1107,1.81,8

Số lượng khe hở của mỗi chóp:

).4(

2

b

d d c

ch



Với: gtb - Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h

c - Khoảng cách giữa các khe, chọn c = 3 mm

22.4

503303,74(3

C X

X c

3600

.4

4276,751