chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ ( lưới ) không có ống chảy clorofom – benzen

CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU :1.Năng suất tính theo hỗn hợp đầu : GF = 5 Tấn h =5000kgh2.Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong : + Hỗn hợp đầu : aF = 0,35 phần khối lượng + Sản phẩm đỉnh : aP = 0,95 phần khối lượng + Sản phẩm đáy : aw = 0,03 phần khối lượng3.Tháp làm việc ở áp suất thường4.Hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO – HẠNH PHÚC

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ MÔN HỌC

Họ và tên : NGUYỄN THỊ LOAN

Ngành : CÔNG NGHỆ HOÁ

I - ĐỀ TÀI THIẾT KẾ :

Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ ( lưới ) không có ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp : clorofom – Benzen

II – CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU :

1 Năng suất tính theo hỗn hợp đầu : GF = 5 Tấn / h =5000kg/h

2 Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong :

+ Hỗn hợp đầu : aF = 0,35 phần khối lượng

+ Sản phẩm đỉnh : aP = 0,95 phần khối lượng

+ Sản phẩm đáy : aw = 0,03 phần khối lượng

3 Tháp làm việc ở áp suất thường

4 Hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

III - NỘI DUNG CÁC PHẦN THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN

1.Mở đầu

2 Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất

3 Tính toán kỹ thuật tháp chưng luyện :

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CỦA GIÁO VIÊN

Ngày giao nhiệm vụ thiết kế : 01 – 04 – 2011

(Họ tên và chữ ký )

PHẦN I : MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu chung về dây truyền sản xuất:

-Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hoá lỏng ) thành những cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu

tử thành phần ở cùng nhiệt độ, (tức là dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của các cấu

tử ở cùng một điều kiện áp suất ) Có rất nhiều phương pháp chưng trong đó chưng luyện là một phương pháp phổ biến và hiệu quả trong việc tách hoàn toàn các cấu

tử dễ bay hơi có tính chất hoà tan một phần hoặc hoà tan hoàn toàn vào nhau

Trong chưng luyện thì dung môi và chất tan đều bay hơi, khi chưng luyện thường thu được nhiều sản phẩm Theo đề bài hỗn hợp hai cấu tử clorofom – Benzen thì sản phẩm đỉnh sẽ gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn hơn (clorofom), và một phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi bé hơn (benzen ), sản phẩm đáy sẽ gồm : Các cấu tử có độ bay hơi kém hơn và một phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi lớn hơn

Do sản phẩm đáy là benzen nên được ứng dụng nhiều trong các trường hợp khác, có thể thu hồi lại và xử lý theo từng trường hợp cụ thể

Chưng luyện là một phương thức sản xuất đang được ứng dụng rộng rãi trong thực

tế và đem lại nhiều hiệu quả kinh tế cao Do đó việc nghiên cứu thiết bị và quy trình công nghệ là một công việc có ý nghĩa rất quan trọng Do thời gian có hạn và

đi sâu vào nội dung chính, đồ án chỉ thực hiện và giải quyết việc tính toán kỹ thuật, thiết kế tháp chưng luyện Chưa đi sâu vào tính toán thiết bị phụ được

Trong đề bài cho ta dùng tháp chưng luyện liên tục đĩa lỗ không có ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp hai cấu tử : clorofom – benzen, chế độ làm việc ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

2.Giới thiệu về hỗn hợp chưng:

-Clorofom: là một hợp chất hoá học thuộc nhóm trihalomêtan có công thức C H Cl 3

Nó không cháy trong không khí, trừ khi tạo thành hỗn hợp với các chất dễ bắt cháy hơn Người ta sử dụng clorofom làm chất phản ứng và dung môi Clorofom còn là một chất độc với môi trường

dịu ngọt dễ chịu, dễ cháy Benzen tan rất kém trong nước và rượu Benzen cũng có khả năng cháy tạo ra khí CO2 và nước, đặc biệt có sinh ra muội than.

PHẦN II : SƠ ĐỒ VÀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

I – Sơ Đồ Dây Chuyền Công Nghệ Sản Xuât

12

Chú thích

1- Thùng chứa hỗn hợp đầu 2- Bơm

3- Thùng cao vị 4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu5- Tháp chưng luyện 6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

7- Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh

9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 10- Thùng chứa sản phẩm đáy

3

4 5

11- Thiết bị tháo nước ngưng 12-Lưu lượng kế

II - Thuyết Minh Sơ Đồ Dây Chuyền Công Nghệ

Hỗn hợp đầu được chứa trong thùng chứa (1) được bơm (2) đẩy qua thiết bị đun nóng tới nhiệt độ sôi để vào tháp chưng luyện (5) ở đĩa tiếp liệu Tại đĩa tiếp liệu pha lỏng có thành phần xF và pha hơi được coi ở trạng thái cân bằng

Ở trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc trực tiếp với hơi đi từ dưới lên Tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần, nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp và nhiệt độ của hỗn hợp cũng thay đôỉ theo sự thay đổi của nồng độ

Khi bay hơi lên, ở đĩa (1) có các thành phần cấu tử dễ bay hơi (clorofom ) là y1 Sục trực tiếp vào lớp chất lỏng trên đĩa (1) có thành phần cấu tử dễ bay hơi ( clorofom ) là x1 với ( x1 < y1), trong hơi bao giờ cũng giầu cấu tử dễ bay hơi hơn lỏng Khi sục vào đĩa 2, do hơi đĩa 1 sục vào lớp chất lỏng đĩa 2, mà nhiệt độ đĩa 2 nhỏ hơn nhiệt độ đĩa 1 nên hơi đó sẽ bị ngưng tụ một phần cấu tử khó bay hơi ( benzen ), quá trình ngưng tụ lại là quá trình toả nhiệt, và nhiệt này sẽ làm bay hơi một phần cấu tử khó bay hơi trong đĩa 2 Do đó x2 > x1, y2 > y1 dẫn đến hơi đĩa 2 tiếp tục sục vào đĩa 3, quá trình này được xảy ra tương tự nhiều lần, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (clorofom ) Hơi từ đỉnh tháp vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6), ở đây một phần hơi còn lại được đưa vào thiết bị làm nguội (7) để ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm rồi chuyển xuống thùng chứa sản phẩm đỉnh (8)

Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới đi lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử khó bay hơi trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi xuống Do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (benzen ) và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (clorofom )

Đây là loại tháp chưng luyện liên tục nên hỗn hợp đầu và sản phẩm được lấy ra

là liên tục

PHẦN III : TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THÁP CHƯNG.

I – Bảng Kê Các Ký Hiệu Thường Dùng Trong Bản Đồ Án.

+) GF : Lượng hỗn hợp đầu vào Kg / h ( Kg / s hoặc Kmol / h )

+) GP : Lượng sản phẩm đỉnh Kg / h ( Kg / s hoặc Kmol / h )

+) GW : Lượng sản phẩm đáy Kg / h ( Kg / s hoặc Kmol / h )

- Các chỉ số F, P,W tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy của hỗn hợp clorofom và benzen

+) a : Nồng độ phần khối lượng (Kg clorofom / kg hỗn hợp )

+) x : Nồng độ phần mol ( kmol clorofom/ kmol hỗn hợp )

+) M : Khối lượng mol phân tử ( kg / kmol )

+)µ : Độ nhớt Ns / m2

+) ρ : Khối lượng riêng ( kg / m3 )

- Các chỉ số A, B, x, y, hh : tương ứng chỉ đại lượng thuộc về clorofom, benzen, thành phần lỏng, thành phần hơi, hỗn hợp

- Ngoài ra các ký hiệu khác được định nghĩa tại chỗ.

II- Tính Cân Bằng Vật Liệu.

1 Hệ cân bằng phương trình vật liệu :

- Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp

W F

a a

a a

−

−

(IX.18– tr 144 II STQTTB) Theo đề bài thì : GF = 5 Tấn / h = 5000 kg/h

A A A

M

a M

a M

a x

+

=

-Trong đó aA, aB : là nồng độ phần khối lượng của clorofom và benzen

MA, MB : là khối lượng mol phân tử của clorofom và benzen

Với MA= 50,5 Kg/ kmol ; MB = 78 Kg / kmol

Thay số liệu vào ta có :

aF= 0,35 phần khối lượng ⇒ xF = 0,45 kmol/ kmol hỗn hợp đầu.

aP= 0,95 phần khối lượng ⇒ xP = 0,967 kmol / kmol sản phẩm đỉnh.

aw = 0,03 phần khối lượng ⇒ xw = 0,045 kmol / kmol sản phẩm đáy

Ta có khối lượng mol trung bình trong pha lỏng theo công thức sau :

Vậy F = 5000 (kg /h)= =76,19( kmol / h).

P = 1739,13 (kg / h)= =33,83 ( kmol / h )

W = 3260,87 ( kg /h)= =42,48 ( kmol / h)

3 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp:

a Tìm chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng luyện

Bảng thành phần cân bằng lỏng hơi của cấu tử clorofom-benzen

và tìm được một giá trị Nlt Đường cân bằng đoạn luyện cắt trục tung tại tung độ

2,2 4,906 0,16 22 129,932

Từ các đồ thị xác định số đĩa lý thuyết ta được bảng trên

Lập đồ thị quan hệ giữa Rx – Nlt ( Rx + 1 ).Qua đó ta thấy với Rx = 4,46 thì

Nlt ( Rx+1 ) là nhỏ nhất hay thể tích tháp nhỏ nhất Vậy Rth = 4,46

Với Rth = 4,46 thì số đĩa lý thuyết : Nlt = 23 đĩa

4 Phương trình đường nồng độ làm việc :

Lượng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh :

x

R

X x R

R

(IX.21+22.II.158)

+> y : Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên

+> x : Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống +> Rx : Chỉ số hồi lưu thích hợp

Thay số liệu vào :

y = x + =0,817x + 0,177

b Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :

x x

x

x R

f x R

f R

.1

1

−

−+

y = 1,229x-0,01 (IX.23-II.158)

PHẦN IV : TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG LUYỆN

Đường kính tháp chưng luyện đĩa lỗ không có ống chảy truyền được tính theo công thức sau : D =

tb y y tb

g

).(0188,0

ω

ρ (m) (IX.90-181-STQTTB II)

+> ω : vận tốc hơi (m/s)

+> ρx: Khối lượng riêng trung bình của hơi ( kg/m3)

+> ρy: Khối lượng riêng trung bình của lỏng ( kg/m3 )

+> G : Lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)

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

I- Đường kính đoạn luyện :

1 Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện :

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

+>gd : Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp ( kg / h )

+>g1 : Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp ( kg / h )

+>gtb : Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện ( kg/h)

a.Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp :

gd = GR + GP = GP ( Rx+1 ) ( IX.92- tr181-STQTTB II ) +> GP : Lượng sản phẩm đỉnh ( kg / h )

+>GR: Lượng chất lỏng hồi lưu ( kg / h )

p p P

y

g

G G

g

1

1

1 1 1

- y1 : Hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện ( phần khối lượng )

- G1 : Lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện

- r1 : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa

- rd : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp

+> x1 = xF = 0,45 phần mol=0,35 phần khối lượng

+> yd = xP =0,967 phần mol=0,95 phần khối lượng

-Nội suy từ bảng cân bằng lỏng-hơi(IX.2a-tr145-STQTTBII) ta được:

841 , 155 076 , 397 (

95 , 0 13 , 1739 35

, 0

13 , 1739

1 1

1 1 1

1 1

y g

G y g

G g

) / ( 49 , 0

) / ( 811 , 7521

1 1 1

h kg G

kg kg y

h kg g

,94952

1

h kg g

g d

=

+

=+

2 Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện

a Đối với pha hơi :

)3/(273.4

,22

)

1(

m kg T

M y M

ytb = + −

- T : Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp (ok)

- ytbA :Nồng độ phần mol của cấu tử axêtan đêhit lấy theo giá trị trung bìnhĐổi y1 sang phần mol :

78 49 , 0 1 5 , 50 49 , 0

5 , 50 49 , 0

y dA cA P

(phần mol )

Với ydA,ycA : Nồng độ tại 2 đầu đoạn luyện

Từ ytbA=0,775(phần mol)

⇒ Nội suy từ bảng IX.2a tr145-STQTTB II ta có :to ytb = 72,4 oC

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện

2273.)2734,72(4,22

78)

775,01(5,50.775,0

=+

−+

tbA xtb

a

a

ρ ρ

ρ

− +

1

(kg / m3)(IX.104a-II.183)

-ρxtb: Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg / m3)

-ρxtbA, ρxtbB : Khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng của clorofom và benzen

lấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m3)

-atbA: Phần khối lượng trung bình của clorofom trong pha lỏng

atbA = 0,65

2

35,095,0

+ P

F a a

(phần khối lượng )7085

,02

45,0967,0

Từ số liệu bảng IX.2a bằng phương pháp nội suy ta có :to xtb=70,8 oC

-txtb=70,8o nội suy bảng I.2 tr9-STQTTB I ta được:

26,1394

=

xtbA

66,824

tbA xtb

a

a

ρ ρ

ρ

− +

1

66,824

65,0126,1394

65,0

) / ( 10 3576 , 0

2 3

2 3

m s N

m s N

) 10 35 , 0 lg(

) 7085 , 0 1 ( ) 10 3576 , 0 lg(

7085 , 0 )

lg(

2 3

3 3

m s N

=

µ

µ

4.Tốc độ hơi đi trong tháp :

Tốc độ giới hạn trên tính theo công thức :

Y = 10 e-4X (IX.112-II.186)

Trong đó : 1/4 1/8

16 , 0 2

2

x

n

x x

y td td y

G

G X

F d g Y

ρρµ

µρ

ρω

- µx,µn :Độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình và của nước ở nhiệt độ

200C ( Ns/m2 )

- Do hỗn hợp clorofom-benzen không có nước nên ta không xét đến độ nhớt của nước

- Gx, Gy : Lưu lượng lỏng và hơi đi trong tháp ( kg/h )

- dtd : đường kính tương đương của lỗ hay rãnh

dtd = 8 – 11 (mm) ; chọn dtd = 6 mm = 0,006 m

Tốc độ hơi đi trong đoạn luyện là :

L x

L y td td

yL

F d g

Y

ρ

ρω

yL X

L tb

L

y

x P R

R L

x

L x

L y L

y

L x y yL

s m

e e

Y

X

g h kg G

h kg R

G

G

h kg G

ω

ρρωω

.10

757,0

10

425,082

,1122

906,1730

,8508

6,6769

)/(730,8508

)/(519,775646

,4.13,1739

)/(6,67692

681,5782519

,77562

.757

,

0

82,1122

906,1.)2,0.(

006,0.8,9

425 , 0 4 2

4

8 / 1 4

/ 1

1

8 / 1 4

/ 1 2

2 2

Mà ωytb =(0,8−0,9)ωyt

)/(242,1553,1.8,0

8,

730,85080188

,0)

(0188,

D

tb Y Y

tb

ρω

Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là 1m

Thử lại điều kiện : Ta có :

DL=1,2=0,0188 8508,.732

LV

ω

) / ( 044

9,08,0(84,0242,1

044,1

⇒Vậy tốc độ hơi thực tế đi trong tháp là:ωytb = 1 , 044 (m/s)

Vậy đường kính đoạn luyện 1,2 m là phù hợp điều kiện

II- Đường kính đoạn chưng :

1.Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

2

' '

' g g1

g tb = n+

(IX.96-tr182-STQTTB II)+> 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 vào đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện g’n=g1 nên :

2

' ' g1 g1

g tb = +

Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’1, lượng lỏng G’1 và hàm lượng lỏng x’1 được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau :

'

) 99 ( '

' '

) 98 ( '

'

1 1 1 1

1 1 1

1 1

IX r g r g

IX x G y g x G

IX G g G

w w w

w

(sổ tay tập II- quá trình và thiết bị )

r’1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đị vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.xw: Thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

r1: Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

Mà Gw = W = 3260,87kg/h)

xw = 0,045 phần mol = 0,03 phần khối lượng

y’1 = yw xác định theo đường cân bằng ứng với xw= 0,045 thì yw = 0,0585 phần mol

Đổi sang nồng độ phần khối lượng:

78)0585,01(5,50.0585,0

5,50.0585,0

−+

g1=7521,811(kg/h) r’a , r’b : Ẩn nhiệt hóa hơi ở to = tw = 80,15oC.

Nội suy từ bảng I.212-tr254-STQTTB II

r’a= rC = 57,135 ( kcal / kg) = 239,213 (kJ/kg)r’b = rB = 93,973( kcal / kg) = 393,446( kJ/kg)

⇒r’1= r’a y’1 + ( 1- y’1) r’b.

= 239,213 0,0386 + ( 1- 0,0386) 393,446 =387,492 (kJ/kg).Thay vào hệ phương trình trên ta được :

,387.'

03,0.87,32600386

,0.'''

87,3260'

'

1

1 1 1

1 1

g

g x G

g G

)/(418,9486'

)/(548,6225'

1 1 1

kg kg x

h kg G

h kg g

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là

)/(679,68732

548,6225811

,75212

'

2 Tính khối lượng riêng trung bình :

a Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi:

)/(273.4

,22

)1

(

T

M y M

ydA,ycA : Nồng độ làm việc tại hai đầu mỗi đoạn chưng ( phần mol)

ydA = y’1 = yw = 0,0585 ( phần mol )

ycA = y1= 0,49( phần khối lượng )=0,775( phần mol)

417,02

775,00585

Nội suy từ bảng IX.2a-II.145 ta có to tbc= 77,16 oC

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

Thay số vào phương trình ta có :

) 273 16 , 77 (

4 ,

22

78 417 , 0 1 5 , 50

+

− +

=

ρ

b Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng :

) / ( 1

xtbB

tbA xtbA

tbA

ρ

− +

atbA= F+

- a’1: Nồng độ phần khối lượng của pha lỏng ở đĩa dưới cùng của đoạn chưng.

78 ) 036 , 0 1 ( 5 , 50 036 , 0

5 , 50 036 , 0

=

−

193,02

036,035,0

=

+

=

to tb : Nhiệt độ trung bình của đoạn chưng theo pha lỏng

252,02

053,045,02

-xtbc=0,252 nội suy theo bảng IX.2a-tr145-STQTTB II ta được to xtb = 77,78 0C

-ttbc=77,78oC nội suy theo bảng I.2-tr9-STQTTB I ta được :

)/(331,817

)/(441,1383

3

3

m kg

m kg

331,817

193,01441,1383

193,01

1

3

m kg

a a

xtb

xtbB

tbA xtbA

tbA xtb

=

⇒

−+

=

−+

=

ρ

ρρ

ρ

3.Độ nhớt trung bình

-txtb=77,78oC Nội suy từ bảng I.101-tr91-STQTTB I

) / ( 10

,

0

2 3

2 3

m s N

m s N

,

0

) 10 324 , 0 lg(

) 252 , 0 1 ( ) 10 336 , 0 lg(

252

3 3

m s N

C y td td

yC

F d g

Y

ρ

ρω

8 / 1 4

/ 1

G G G G

G

G X

F C

x

C x

C y C

y

C x

++

(IX.91-IX.92-II.181)

.10

10

523,0416

,887

316,2.679,6873

549,10134

')/(679,6873

)/(549,101342

418,9486)

681,57825000

(

523 , 0 4

4

8 / 1 4

/ 1

Y

X

g h kg G

h kg G

316 , 2 ) 2 , 0 (

006 ,

/ (

679,68730188

,0)

(0188,

D

tb Y Y

tb

ρ

ωLấy quy chuẩn đường kính 1,2 m

679 , 6873 0188

, 0 ) / ( 74 ,

LV =

ω

) ( 8 , 0 63 , 0 081 , 1

682 , 0

⇒Vậy tốc độ hơi thực tế đi trong tháp là:ωytb = 0 , 682 (m/s)

Vậy đường kính đoạn chưng là 1,2 m là chấp nhận được

KL : Đường kính chung của cả đoạn chưng và đoạn luyện đều bằng 1,2m Vậy

đường kính của cả tháp chưng luyện liên tục đĩa lỗ có ống chảy truyền là bằng 1,2m

PHẦN V : CHIỀU CAO CỦA THÁP.

( Xác định theo đường cong động học )

I.- Hệ số khuyếch tán :

1.Hệ số khuyếch tán trong pha hơi (D y )

)/(11

)(

10.0043

,

2 3 / 1 3 / 1

5 , 1 4

s m M M

v v

P

T D

B A

B A

- MA,MB : Trọng lượng phân tử của clorofom và benzen

- vA,vB : thể tích mol của khí A và B

Tra bảng II-127 ta có thể tích nguyên tử của C = 14,8; H=3,7; O=7,4; Cl=24.6

Mà công thức của clorofom là CH3Cl và của benzen là C6H6

⇒vA= 14,8 + 3,7.3+ 24,6 = 50,5 ( cm3 / nguyên tử )

vB = 14,8.6 + 3,7.6 =111 ( cm3 / nguyên tử )

a.Trong đoạn luyện : to ytb = 72,4 oC = 345,4oK

Thay vào công thức trên ta có :

)/(10.8,678

15,50

1)

1115

,50.(

1

)4,345.(

10.0043,

2 3 / 1 3

/ 1

5 , 1 4

s m

15,50

1)

1115

,50(1

)16,350.(

10.0043,

3 / 1 3

/ 1

5 , 1 4

s m

D C

+

=

2 Hệ số khuyếch tán trong pha lỏng (D x ):

Được xác định theo công thức :

Dx = D20.[1+b(t-20)] (6.53.18- tính toán quá trình và thiết bị )

Chọn dung môi la benzen

-ρ : khối lượng riêng của benzen ở 20o : ρ =879 (kg/m3)

-µ : Độ nhớt của benzen ở 20o : µ = 0,65 cp ( I.110- I.109)

Thay số vào ta có : 0,0168

879

65,02,0

10

2 3 / 1 3 / 1

6

M M

v v B A

D

B A

B A

++

- µ : Độ nhớt của benzen (cp) ; µ = 0,65 cp

- vA,vB : Thể tích của clorofom và benzen

- MA,MB: Trọng lượng phân tử của clorofom và benzen

- A,B : Hệ số liên hợp,kể đến ảnh hưởng của phẩm chất của cấu tử A,B

Do A,B là dung dịch tiêu chuẩn hay nói cách khác thì hệ clorofom va benzen không lien hợp vói nhau nên hệ số A=1,B=1

1)

1115

,50(65,0.1.1

10

2 3 / 1 3

/ 1

1 Hệ số cấp khối trong pha hơi :

a.Tính kích thước đường dài thông qua sức căng bề mặt

Ta có sức căng bề mặt được tính theo công thức:

) 299

76 ( 1 1

1

I STQTTB I

B A

hh

−

−

− +

m N

,

10

10 404 , 22

1 10

242

m N

m N

,

10

10 566 , 21

1 10

244

m N

b.kích thước đường dài:

Kích thước đường dài được xác định theo công thức:

) 165 ( )

3 5

, 0 3

10 39 , 1 8

, 9 82

,

1122

10

, 0 3

10 55 , 1 8

, 9 416

,

887

10

c.Hệ số cấp khối trong pha hơi

-Đoạn luyện:tytb=72,4oC ; ytb=0,775phần mol)

∗Độ nhớt trung bình trong pha hơi:

B B tb A

A tb

hh

M

µ µ

µ

1

Trong đó:MA,MB,Mhh là khối lượng phân tử của clorofom,benzene và của hỗn hợp

µA, µB là độ nhớt của clorofom va benzen

Mhh=0,775.50,5+(1-0,775).78=56,69(kg/kmol)

Từ tytb=72,4oC Nội suy từ bảng I-113 tr115-STQTTB

) / ( 10

736

,

115

2 7

2 7

m s N

m s N

7 7

m s N

,

117

2 7

2 7

m s N

m s N

7 7

m s N

chuẩn số Pran trong pha hơi

Nuy=A.Rey0,9.Pry0,25 (164-II)

A=1,1-2 chọn A=2

-Đoạn luyện

10 101

,

1

2 10 39

8

,

6

10 39 , 1

kmol

2 -Đoạn chưng

10 35

,

9

316 , 2 10 55

022

,

7

10 55 , 1

x x x

D

M l

.

.

ρx là khối lượng riêng trung bình của chất lỏng(kg/m3)

ρ là khối lượng riêng của bọt trên đĩa(kg/m3)

hb là chiều cao lớp bọt trên đĩa (m)

2 , 0 2

.

b

d g d

2 , 0

ytb o

x Y

X b

G

G

ρ µ

µ ρ

ρ

036 , 0 18

, 0 325

, 0

044 , 1 2

, 0 8 , 9

22 , 5 006

101 , 1

10 355 , 0 82 , 1122

2 730 , 8508

6 , 6769

43

,

036 , 0 5

3 18

, 0 325

, 0

m kg

∆

012 , 0 8 , 9 82 ,

1122

610 ,

74 , 0 2

, 0 8 , 9

7 , 3 006 , 0

.

4

2 , 0 2

35 , 9

10 327 , 0 416 , 887

316 , 2 679

, 6873

549 , 10134

43

,

036 , 0 6

3 18

, 0 325

, 0

m kg

∆

) ( 014 , 0 8 , 9 416

,

887

687 , 115

m

10 27 , 9 78 7085 , 0 1 5 , 50 7085 , 0

9

3

=

− +

3

10 70 , 6 012 , 0 8 , 9 82 , 1122

10 63 ,

74 , 5 82 , 1122

10 355 , 0

Prx = −3 −9 =

(0 , 355 10 ) 78096011,03

8 , 9 82 , 1122 012

,

0

2 3

2 3

014 , 0 78 252 , 0 1 5 , 50 252 , 0

− +

−

3

10 12 , 6 014 , 0 8 , 9 416 , 887

10 44 ,

10 107 , 6 416

,

887

10 327 , 0

,

0

2 3

2 3

y y tg m

G

f k

m = . (IX.65a-173-STQTTB II)

Trong đó:ky là hệ số chuyển khối

f là mặt cắt tự do

Gy là lượng hơi trung bình đi trong tháp(kmol/s)

) / ( 04 , 0 3600 69

,

56

730 , 8508

s kmol

G L

) / ( 028 , 0 3600 53

,

66

679 , 6873

s kmol

A = − ; =

f: diện tích làm việc của đĩa : f = F= 0 , 021

3600

19 ,

-Vẽ đường cân bằng ycb=f(x)

-Vẽ đường làm việc của đoạn chưng,đoạn luyện với Rth=4,46

-Dựng các đường thẳng vuông góc với trục ox.Các đường này cắt đường làm việc tại :A1;A2;A3……… và cắt đường cân bằng tại C1;C2;C3……….từ đó xác định được các điểm B

Vẽ đường cong phụ đi qua các điểm B1, B2, B3…

Ntt = 42 đĩa

Số đĩa thực tế trong đoạn chưng là : 24 đĩa

Số đĩa thực tế trong đoạn luyện là : 18 đĩa

Chiều cao của tháp chưng luyện là :

)

)(

0,18,0()

Đối với các chất không ăn mòn chọn δ =3 mm( ).

- Chiều cao đoạn luyện :

Tốc độ của dòng khí qua đĩa quyết định chế độ làm việc của tháp Có hai chế

độ làm việc: chế độ đồng đều và chế độ không đồng đều

Chế độ không đồng đều xảy ra khi tốc độ dòng hơi nhỏ, trong tháp đĩa lỗ thì dòng chất lỏng lọt qua lỗ mà không chảy theo ống chảy truyền Khi tăng tốc độ hơi cao hơn một đại lượng giới hạn nhất định thì từ chế độ không đồng đều tháp chuyển sang làm việc ở chế độ đồng đều Tốc độ tại điểm chuyển động chế độ làm việc này được gọi là tốc độ giới hạn dưới của chế độ đồng đều Chế độ làm việc đồng đều của tháp đĩa lỗ thì khí và hơi đi qua lớp chất lỏng ở tất cả các lỗ của đĩa

Tốc độ của chất lỏng chuyển động trong ống chảy truyền không vượt quá 0,12 m/s mới bảo đảm duy trì một lượng dự trữ nhất định của chất lỏng trên đĩa

-Trở lực của tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền :

)192.135.)(

/(

- ∆P t: Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa gây ra

I- Trở lực của đĩa khô :

)192.137.)(

/(2

2 0

II IX

m N

ξ +>.ζ : Hệ số trở lực : ξ =2,1 đối với đĩa lỗ không có ống chảy truyền

+>.ω0: Tốc độ hơi đi qua lỗ ( m/s)

+>.ρy: Khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m3)

Với Dtháp= 1 ,2m

2,0

044,12,

yt

ω

⇒ ρy = 2(kg/m3)

Thay vào phương trình :

)/(22,571,2.2

22,5

m N

74,

316,2.7,

m N

/(

I IX

m N d

,0

10.63,10

m N

2.Đoạn chưng

) / ( 10

10.44,10

m N

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

b b

) / ( 745 , 103

2

2

m N P

m N P

PHẦN VII : TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

I – Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu :

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

QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 (J/h) ( IX.149-II.196)

Trong đó :

- 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 mất mát ra môi trường xung quanh.( J/h )

Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 2 at có ts = 119,62oC

1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào :

+> λ1 :Hàm nhiệt ( nhiệt lượng riêng ) của hơi đốt ( J/kg )

+> θ1: Nhiệt độ nước ngưng (o C): θ1= 119,62oC

+> r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt ( J/kg)

Theo bảng số liệu nhiệt hóa hơi ( I-301 ) tại to = θ1 nội suy ta có :

r1 = 526,247 ( kcal/kg) = 526,247.4,1868.103 = 2203,29.103 ( J/kg ).+> C1 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng ( J/kg độ)

2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào :

Qf = F Cf tf ( J/h ) ( IX.151 – II.196)

Trong đó : - F : Lượng hỗn hợp đầu ( kg/h ) : F = 5000 ( kg/h )

- tf : Nhiệt độ đầu của hỗn hợp ( o C ): Thường ở nhiệt độ 25o C

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

Theo bảng số liệu (I.153-tr 171-II STQTTB) ta có :

CC= 1030 ( J/kg độ )

CB = 1753,75 ( J/kg độ )

Nồng độ hỗn hợp đầu : af = aF = 0,35

⇒ Cf = CC af + CB ( 1- af )

= 1030.0,35+(1-0,35).1753,75= 1500,437( J/kg độ )

⇒ Qf = 5000.1500,437.25=1,87.108 (J / h)

3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra :

QF = F CF tF ( J/h ).(IX.152-II.196)

Trong đó : - CF : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí đi ra ( J / kg độ )

- tF : Nhiệt độ hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng

Từ xF=0,45 phần mol nội suy từ bảng IX.2a – II.145 ta có:t0 = to F=75,2 -aF=0,35 phần khối lượng

5 Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh :

Qxq1 = 0,05 D1 r1 ( J/h ).(IX.154-II.197)

6 Lượng hơi đốt cần thiết :

)/(192,39310

.29,2203.95,0

10.87,110.36,6

)197.155.(.95,03

8 8

1

1 1

1 1

1

h kg D

II IX

r

Q Q Q

Q Q

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

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

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

- Qy : Nhiệt lượng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp ( J/h )

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

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

- Qng2 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra ( J/h )

1.Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp :

+> θ2: Nhiệt độ nước ngưng ( oC ) ; θ2= 119,62oC

( Chọn loại hơi đốt là hơi nước bão hòa ở P = 2 at ; to s = 119,62 o)

+> r2 : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt ( J/kg )

r2 = r1 =2203,29 103 ( J/kg )

+> C2 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng ( J/kg độ )

2 Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào :

- tR : Nhiệt độ của lượng lỏng hồi lưu (oC )

Lượng lỏng hồi lưu ( sau khi qua thiết bị ngưng tụ ) ở trạng thái sôi có nồng độ bằng nồng độ hơi ở đỉnh tháp : x = xP = 0,967 ( kmol / kmol sp đỉnh )

Nội suy từ bảng IX.2a – II.145 ta có : to P = 63 o

- CR : Nhiệt dung riêng của lượng lỏng hồi lưu ( J/kg độ )

Nội suy từ bảng (I.153-tr 171-II STQTTB)

/()

1

2 2 2 2

1 1 1 1

63

)

/(

)/(

r

kg J C r

θθ

θλ

θλ

⇒CC = 1085,35 ( J/kg độ)

CB = 1945,75 J/kg độ )

- r2 , r1 : Nhiệt hóa hơi

Nội suy từ bảng (I.211-tr 254-II STQTTB) ta được:

r1 = rC=58,515 ( kcal / kg ) = 58,515 4,1868 103 = 244,990 103 ( J/kg) (~210 ) r2 = rB=96,54 ( kcal / kg) = 96,54 4,1868 103 = 403,816 103 ( J/kg)

)

/(25,52639863

.75,194510

.816

,

403

)

/(05,31336763

.35,108510

.990

,

244

3 2

3 1

kg J

kg J

=+

=

=+

- tW : Nhiệt độ của lượng sản phẩm đáy

Từ xw=0,045 phần mol nội suy từ bảng (IX.2a – II.145) ta được:tW = 80,150

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

Nội suy từ bảng (I.153-tr 171-II STQTTB)

5 Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh :

Lượng nhiệt mất ra môi trường lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp :

Qxq2 = 0,05 D2 r2 (J/h) ( IX.162-II.198 )

6 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra :

Qng2 = Gng2 C2.θ2 = D2.C2.θ2(J/h)(IX.161−II.198) Gng2 : Lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt.( kg/h)

III Lượng hơi đốt cần thiết :

)/(690,899

10.29,2203.95,0

10.51,510.36,6917,16419110

.07,3

95,0

)198.163.(

2

3

8 8

9 2

2

2

2 2

2

h kg D

r

Q Q Q Q

D

I IX

Q Q Q

Q Q Q

D

R F w y

R F xq

ng w y

=

−

−+

=

−

−+

=

−

−

−+

++

=

λ

IV- Thiết Bị Ngưng Tụ :

Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ ( ngưng tụ hoàn toàn )

P ( Rx + 1) r = Gn Cn ( t2 – t1 ) ( IX.164- II.198 )

- r : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi ở đỉnh tháp ( J/kg )

Nhiệt độ của hơi đỉnh tháp là tđ = 630

Nội suy nhiệt hóa hơi bảng (I.211-tr 254-II STQTTB) ta được:

rC=58,8 ( kcal/kg)=246,183.103(J/kg)

rB = 96,975 ( kcal /kg )=406,015.103(J/kg)

Nồng độ phần khối lượng của hơi đỉnh tháp là aP = 0.95

⇒r = rC aP + ( 1 – aP ) rB

= 246,183 103.0,95 + ( 1- 0,95 ) 406,015 103 = 254,174 103 ( J/kg)

- Gn : Lượng nước lạnh tiêu tốn ( kg/h )

t1 , t2 : Nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh (0C)

Nhiệt độ vào của nước làm lạnh là : t1= 250

Nhiệt độ ra của nước làm lạnh là : t2 = 450

⇒t0 tb = 35o C

2

45

25+ =

- Cn : Nhiệt dung riêng của nước ở t0 tb là : Cn = 4176,25 ( J/kg độ )

⇒Lượng nước lạnh cần thiết là :

( ) 4176( ,25.(45) 25) 28895,940( / )

10.174,254.146,4.13,1739

1

1 2

h kg t

t C

r R

P G

10 174 , 254 46 , 4 13 ,

h kg

- Gn2 : Lượng nước lạnh tiêu tốn ( kg/h )

- t’1,t’2 : Nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ ( 0 C)

Sản phẩm đỉnh sau ngưng tụ ở trạng thái sôi

⇒Nhiệt độ vào chính bằng nhiệt độ sôi ở đỉnh tháp : t’1 =tP= 630

Nhiệt độ ra của sản phẩm lấy t’2 = 250

⇒t0 tb = 44o C

2

25

63+ =

- CP: Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (J/kg độ)

Nội suy từ t0 tb từ bảng nhiệt dung riêng (I.153-tr 171-II STQTTB) ta có :

CC = 1057,8( J/kg độ )

CB = 1846 ( J/kg độ) Nồng độ sản phẩm đỉnh là : aP = 0,95

( )

.25,4176

2563.21,109710

.533,243.13,1739)

(

).(

1 2

' 2

' 1

t t C

t t C P G

25 63 21 , 1097 13 , 1739

h kg

=

−

−

PHẦN VIII: TÍNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ.

I.Thiết Bị Gia Nhiệt Hỗn Hợp Đầu.

Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm thẳng đứng

- Chiều cao ống : ho = 2,0 m

- Đường kính ống : d = 25 mm

- Chiều dày thành ống : δ = 2,5mm

⇒ đường kính trong của ống là do = 20 mm.

Dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống, chọn vật liệu chế tạo là thép không gỉ 2X13 Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là ;λ =16,3ω/mđộ

Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa, ở áp suất là 2 at có t0 s = 119,62 o

1.Hiệu số nhiệt độ trung bình ;

Nhiệt độ vào của dung dịch là tđ = 25o

Nhiệt độ ra của dung dịch là to c =ts = tF = 75,2 o

Hơi đốt là hơi nước bão hòa nên nhiệt độ không thay đổi và là nhiệt độ sôi ở áp suất đã chọn ( 2at ) : 119,62o

∆t1 = 119,62 – 25 = 94,62o

∆t2 = 119,62 – 75,2= 44,42oC

⇒Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể là :

0 2

1

2

42,44

62,94ln

42,4462,94ln

t t

t tb

⇒ Nhiệt độ trung bình của hơi đốt : ttb1 = 119,62o

⇒ Nhiệt độ trung bình của dung dịch :

- CP : Nhiệt dung riêng của dung dịch ( J/kg độ )

Từ tF=75,2o nội suy từ bảng((I.153-tr 171-II STQTTB)

CC = 1071,189 ( J/kg độ )

CB = 1894,478 ( J/kg độ )

- Nồng độ hỗn hợp đầu : aF = 0,35