đồ án : thiết kế tháp chƣng luyện liên tục hai cấu tử Benzen và Tooluen

Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn LỜI NÓI ĐẦU Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏng cũng như các hỗn hợp khí - lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay hơi khác nh

Trang 1

Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn

LỜI NÓI ĐẦU

Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp 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 Chúng ta có thể thực hiện nhiều biện pháp chưng cất khác nhau như chưng cất gián đoạn, chưng cất liên tục, chưng cất đơn giản, chưng cất đặc biệt Khi chưng cất, hỗn hợp đầu có bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản phẩm Theo đề bài thì hỗn hợp đầu gồm 2 cấu tử là Benzen và Toluen nên được gọi là chưng cất hỗn hợp 2 cấu tử

Trong phần đồ án này hỗn hợp hai cấu tử Benzen – Toluen được phân tách thành hai cấu tử riêng biệt nhờ phương pháp chưng cất liên tục với tháp chưng luyện là loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt

độ sôi

Sau quá trình chưng cất, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi lớn hơn (Benzen) và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé hơn (Toluen) Sản phẩm đáy gồm hầu hết các cấu tử khó bay hơi (Toluen) và một phần rất ít cấu tử dề bay hơi (Benzen)

Trong suốt quá trình tính toán và thiết kế , đặc biệt được sự hướng dẫn trực tiếp và giúp đỡ nhiệt tình của cô Lê Ngọc Thuỵ bản đồ án thiết kế tháp chưng luyện liên tục hai cấu tử Benzen và Tooluen đã hoàn thành với các nội dung sau:

Phần I: Sơ đồ công nghệ và các chế độ thuỷ động của tháp

Phần II: Tính toán, thiết kế thiết bị chính

Phần III: Tính toán cân bằng nhiệt lượng

Phần VI: Tính toán cơ khí

Phần V: Tính toán các thiết bị cần thiết

Phần IV: Kết luận và nhận xét

Trang 2

SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

VÀ CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP

I SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT (HÌNH 1):

Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3) Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị được khống chế bởi của chảy tràn Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), quá trình tự chảy này được theo dõi bằng đồng hồ lưu lượng Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão hoà), hỗn hợp đầu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt tới nhiệt độ sôi, hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm (5) Trong tháp, hơi đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên xuống, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng

tụ nhiều lần Theo chiều cao của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng đệm từ dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ Quá trình tiếp xúc lỏng – hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giầu cấu tử dễ bay hơi, pha lỏng ngày càng giầu cấu tử khó bay hơi Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (Benzen) và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi (Toluen) Hỗn hợp hơi này được đi vào thiết bị ngưng tụ (6) và tại đây

nó được ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh) Một phần chất lỏng sau ngưng

tụ chưa đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng (7) để hồi lưu trở về đỉnh tháp, phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (8) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (10)

Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới 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 (Toluen) một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (Benzen), hỗn hợp lỏng này được đưa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (11), một phần được tận dụng đưa vào nồi đun sôi đáy tháp (9) dùng hơi nước bão hoà Thiết bị (9) này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp) Nước ngưng của thiết

bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (12)

Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm được lấy ra liện tục

II CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP ĐỆM:

Trong tháp đệm có 3 chế độ thuỷ động là chế độ chảy dòng, chế độ quá độ và chế độ xoáy

Trang 3

Khi vận tốc khí bé, lực hút phân tử lớn hơn và vượt lực lỳ Lúc này quá trình chuyển khối được xác định bằng dòng khuyếch tán phân tử Tăng vận tốc lên lực lỳ trở nên cân bằng với lực hút phân tử Quá trình chuyển khối lúc này không chỉ được quyết định bằng khuyếch tán phân tử mà cả bằng khuyếch tán đối lưu Chế độ thuỷ động này gọi là chế độ quá độ Nếu ta tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa thì chế độ quá độ sẽ chuyển sang chế độ xoáy Trong giai đoạn này quá trình khuyếch tán sẽ được quyết định bằng khuyếch tán đối lưu

Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện tượng đảo pha Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, còn pha khí phân tán vào trong chất lỏng và trở thành pha phân tán Vận tốc khí ứng với thời điểm này gọi là vận tốc đảo pha Khí sục vào lỏng và tạo thành bọt vì thế trong giai đoạn này chế độ làm việc trong tháp gọi là chế độ sủi bọt Ở chế độ này vận tốc chuyển khối tăng nhanh, đồng thời trở lực cũng tăng nhanh

Trong thực tế, ta thường cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận tốc nhỏ hơn vận tốc đảo pha một ít vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn sủi bọt là mạnh nhất, nhưng vì trong giai đoạn đó ta sẽ khó khống chế quá trình làm việc

* Ưu điểm của tháp đệm:

+ Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn

+ Cấu tạo tháp đơn giản

+ Trở lực trong tháp không lớn lắm

+ Giới hạn làm việc tương đối rộng

* Nhược điểm.

+ Khó làm ướt đều đệm

+ Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều

* Bảng kê các ký hiệu thường dùng trong bản đồ án:

- F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

- P: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

- W: Lượng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

- Các chỉ số F, P, W, A, B : tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy của Axeton và Benzen

- a: nồng độ phần khối lượng, kg axeton/kg hỗn hợp

- x: nồng độ phần mol, kmol axeton/kmol hỗn hợp

- M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol

- : độ nhớt, Ns/m2

- : khối lượng riêng, kg/m3

Trang 4

- Các chỉ số A, B, x, y, hh: tương ứng chỉ đại lượng thuộc về cấu tử axeton, benzen,

1 Tính toán cân bằng vật liệu:

- Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp

w F a a

a a F P



Trong đó:

F: năng suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h

aF, ap, aw: lần lượt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lượng

Đầu bài cho F = 3,5 kg/s

hay F = 3,5.3600 = 12.600kg/h

Vậy ta có lượng sản phẩm đỉnh là:

800 2 02 , 0 98 , 0

02 , 0 28 , 0 12600

w F a a

a a F

M

a M a M a x



Trang 5

Trong đó:

aA, aB: nồng độ phần khối lượng của Benzen và Toluen

Ma, MB: khối lượng mol phân tử của Benzen và Toluen

F A F F

M

a M

a M a x

28 , 0 78

28 , 0

P A P P

M

a M

a M a x

98 , 0 78

98 , 0

w A w w

M

a M

a M a x

02 , 0 78

02 , 0

Trang 6

- Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy:

h kg F F

F

/05,161238,78

600.12/

h kg P P

p

/96,31604,87

800.2



h kmol M

h kg W W

w

/91,106664,91

05,

II XÁC ĐỊNH SỐ BẬC THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ:

1 Xác định R min dựa trên đồ thị y – x:

Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng tra trong bảng phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hai cấu tử ở 760mmHg (phần trăm số mol) của Benzen và Toluen ta có bảng sau: [II – 145]

F p x

x y

y x R

Trang 7

y*F: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng xF của hỗn hợp

314 , 0 525 , 0

525 , 0 983 , 0

F p x

x y

y x R

2 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp:

Rth: chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất

Cơ sở của việc chọn Rth theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất là:

Trong đó: V: là thể tích của tháp

Nlt: số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)

Ứng với mỗi giá trị của R > Rmin ta dựng được một đường làm việc tương ứng

và tìm được một giá trị Nlt (Các đồ thị từ 3 7 là đồ thị xác định số đĩa lý thuyết)

Trang 8

x

R

X x R

983,0193.2

93,21

R y

x P x

x L

yL = 0,75x + 0,25

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

w x x

x

x R

f x R

f R y

95,

Thay số liệu vào ta có

024,0.193,2

104,51

93,2

04,593,21

f R

x x

x C



 0188,0

Trong đó:

gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h

(y.y)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s

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

1 Đường kính đoạn luyện:

Trang 9

a 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

2 1

g g

gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h

gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h

gl: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp, kg/h

* Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp:

gđ = 2800(2,93 + 1)

gđ = 11.004 kg/h

* Lượng hơi đi vào đoạn luyện:

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình

g1.y1 = G1.x1 + Gp.xp (2) [II - 182]

Trong đó:

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 hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa

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

x1 = xF = 0,314 phần khối

Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Benzen và Toluen ở

t01 = tF Từ x1= xF = 0,314 tra đô thị lỏng hơi hình 9 ta được t01 = tf = 97,6 0C

Với t01 = 97,6 0 C nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được;

66 , 380



a r

Trang 10

64 , 369

Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Benzen và Toluen ở

t02 = tp Từ xp = 0,983 tra đồ thị lỏng hơi hình 9 ta được tp = 82,60C

yđ: hàm lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần khối lượng

yđ = yp = xp = 0,95 phần khối lượng

Với t02 = tP = 82,60C nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được:

65 , 391

g1 = 30012,06 kg/h

G1 = 27212,06 kg/h

y1 = 0,345 phần khối lượng Thay y1 = 0,345 vào r1 ta được:

r1 = 11,02.0,345 + 369,64 = 373,4419 kJ/kg

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:

03 , 20508 2

06 , 30012 11004

b Tính khối lượng riêng trung bình

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo

273

4 , 22

).

1 (

1 1

T

M y M

Trang 11

Trong đó:

MA MB: khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen

T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K

ytb1: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình

2

1 1 1

c d tb

y y

345 , 0 1 78

345 , 0

78

345 , 0

383,0983,02

1 1

tb

y y

5,93

4,22

)

1(

1 1

T

M y M

92)

683,01(78.83,0

y

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng

2 1 1

1 11

tb tb

tb x

a a

Trang 12

1  F  P   

tb

a a

983,0314,02

tb

x x

6 , 87



Ứng với t0

= 87,60C Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được:

64 , 795

1 11

tb tb

tb x

a a



63,0164,795

63,

69,793

c Tính tốc độ hơi đi trong tháp:

Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lên chuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động; Chế độ chảy màng, chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt ở chế độ sủi bọt thì pha lỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục Nếu tăng tốc độ lên thì tháp bị sặc Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc của tháp

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

3 2

.

y d s

tb

V g

Trang 13

8 / 1 4

/ 1 

x y y

x G

G X

 , :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3

x, n: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở

20oC, Ns/m2

* Tính G x , G y :

Ta có Gy = gtb = 30012,06 kg/h

337 , 8 3600

86 , 28382



03 , 17708 2

06 , 27212 93

, 2 2800 2

2

03,

6 6

8 7

Trang 14

69 , 793

74 , 2 06 , 30012

03 , 17708

8 / 1 4

/ 1 8

/ 1 4

/ 1

x y y

x G

G X

Khối lượng riêng xốp, đ, kg/m3

Từ công thức:

16 , 0

3 2

.

y d s

tb

V g

3 16

, 0

3 2

10.005,1

10.298,0.74,2.165

69,793.76,0.81,9.2136,0

x d s

tb

V g Y

03,20508

0188,0

.0188,



x

g D

tb y y

tb

Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DL = 1,6 m

* Thử lại điều kiện làm việc thực tế

- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn luyện là:

033,174

,2.6,1

0188,0.03,20508

033,1

Trang 15

Vậy chọn đường kính là 1,6m có thể chấp nhận được

* Kiểm tra cách chọn đệm

0184,0165

76,0.4.4

V d

9,860184,0

6,

Vậy cách chọn đệm và đường kính tháp của đoạn luyện như vậy là chấp nhận được yêu cầu của bài toán và phù hợp với quá trình tính toán

2 Đường kính đoạn chưng:

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp

2

1 ' '

g’n: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/h

g’1: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện (g’n=

g1) nên ta có thể viết:

2

1 ' 1

G’1 = g’1 + Gw

G’1 x’1 = g’1.yw + Gw.xw [II - 182]

g’1.r’1 = g1.r1

Trong đó:

r’1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

xw: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

Ta có:

Gw = W = 9800 kg/h

Trang 16

xw = 0,024 phần mol tương ứng với 0,02 phần khối lượng

y’1 = yw xác định theo đường cân bằng ứng với xw = 0,024 phần mol

 yw = 0,062 phần mol

Đổi y’1 = yw = 0,062 phần mol ra phần khối lượng ta có:

053,092)

062,01(78.062,0

78.062,0

49 , 378



a

13 , 368

g’1 = 30399,69 kg/h

G’1 = 40199,698 kg/h

x’1 = 0,04496 phần khối lượng Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:

879,302052

698,3039906

,300122

1 ' 1

b Tính khối lượng riêng trung bình:

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo:

273

4 , 22

).

1 (

1 1

T

M y M

Trang 17

MA MB: khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen

T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K

ytbc: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình

2

1

1 c d tb

y y y

383,0062,02

8 , 106

)

1(

1 1

T

M y M

92)

2225,01(78.2225,0

1 11

tb tb

tb x

a a

1

a a

tb



Với a’1: nồng độ phần khối lượng của pha lỏng ở đĩa dưới cùng của đoạn chưng

Trang 18

Ta có: a’1 = x’1 = 0,04496 phần khối lượng

1625,02

04496,028,02

' 1

1

x x

04496 , 0

78

04496 , 0 '

0526,0314,02

5 , 104



Ứng với t0

= 104,50C Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được:

6 , 787

1 11

tb tb

tb x

a a



1625,016,787

1625,0

c Tính tốc độ hơi đi trong đoạn chưng:

Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lên chuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động; Chế độ chảy màng, chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt ở chế độ sủi bọt thì pha lỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục Nếu tăng tốc độ lên thì tháp bị sặc Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc của tháp

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

Trang 19

Với s là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức

Với

16 , 0

3 2

.

y d s

tb

V g

/ 1 

x y y

x G

G X

 , :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3

x, n: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở

20oC, Ns/m2

* Tính G x , G y :

Ta có Gy = g’tb = 30205,879 kg/h

39 , 8 3600

879 ,

698,4019906

,272122

' 1

879 ,

6 6

8 7

Trang 20

Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là

852 , 2 879 , 30205

899 , 33705

8 / 1 4

/ 1 8

/ 1 4

/ 1

x y y

x G

G X

3 2

y d s

tb

V g

3 16

, 0

3 2

10.005,1

10.287,0.852,2.165

8,783.76,0.81,9.1586,0

x d s

tb

V g Y

879,30205

0188,0

.0188,



tb y y

tb C

g D



Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DC = 1,6 m

* Thử lại điều kiện làm việc thực tế:

- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chưng là:

46,1852

,2.6,1

0188,0.879,30205

46 , 1

Trang 21

Vậy chọn đường kính là 1,6 m có thể chấp nhận được

* Kiểm tra cách chọn đệm:

0184,0165

76,0.4.4

V d

96,860184,0

6,1

Vậy với kết quả tính toán được và sơ với điều kiện thực tế thì ta lấy đường kính phần chưng là 1,6 m và đệm như đã chọn là hợp lý

VI TÍNH CHIỀU CAO THÁP:

- Đối với tháp đệm, chiều cao làm việc của tháp hay chiều cao lớp đệm được xác định theo công thức:

Trong đó:

hđv: chiều cao của một đơn vị chuyển khối, m

my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ pha hơi

1 Tính chiều cao đoạn luyện:

a Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối:

- Chiều cao của một đơn vị chuyển khối của tháp đệm phụ thuộc vào đặc trưng của đệm và trạng thái pha, được xác định theo công thức

2

1 . .h G

G m h h

x

y

Trong đó:

h1: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi

h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng

m: hệ số phân bố trung bình ở điều kiện cân bằng pha

Gy, Gx: lưu lượng hơi và lỏng trung bình đi trong tháp, kg/s

* Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h 1 , h 2 :

3 / 2 25 , 0





Trang 22

5 , 0 25 , 0 3 / 2

x: khối lượng riêng của lỏng, kg/m3

: hệ số thấm ướt của đệm, nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp, xác định theo đồ thị IX.16 [II - 178]

Với

t

x tt

B: hằng số, B = 0,065 m3/m.h Bảng IX.6 trong [II – 177]

- Chọn đệm loại vòng Rasiga có các thông số :

03,17708

G V

3

/h

Trang 23

0096,2

31,22

1,11

Tra hình IX.16 trong [II – 178] ta được L = 1

* Xác định chuẩn số Reynon:

- Chuẩn số Reynon của pha hơi:

d y

s y

Ta có y = hh được tính theo

B B A

A hh

hh m M m M M

Mhh, MA, MB: khối lượng phân tử của hỗn hợp và cấu tử Benzen và Toluen

hh, A, B: độ nhớt của hỗn hợp và cấu tử Benzen và Toluen

m1, m2: nồng độ của Benzen và Toluen tính theo phần thể tích

Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol, nên m1

= y1, m2 = y2 = 1 - y1

Thay vào ta có:

B B A

A hh

B

M y



.1

M y M

y M

y

M y



1 1

) 1 ( 1

1

1 1

A hh

a a

1

.

1 1

tb

A tb

M y M

y

M y a

Trang 24

a1 = 0,599 phần khối lượng

Từ dụng toán đồ hình I.35 trong [I – 117] với XA = 8,8; YA = 13,0; XB = 8,5;

YB =13,2 và to = 960C ta tìm được

3 10 126 ,

3 6,46.10

10.145,0

599,0110.126,0

599,01

325,1.74,2.4,0

- Chuẩn số Reynon của pha lỏng:

x d t

x x

F

G





.04,0

919,4.04,0

.04,0

x d t

x x

y y

A y

M M v

v P

T

) (

10 0043 , 0

2

5 , 1 4

Trang 25

P: áp suất chung của hơi, P = 1at

MA = 78: khối lượng phân tử của cấu tử Benzen

MB = 92: khối lượng phân tử của cấu tử Toluen

vA, vB: thể tích mol của hơi Benzen và Toluen , cm3/nguyên tử

1 ) 118 96

.(

1

) 360 (

10 0043 , 0

2

5 , 1 4

3 3

322 , 5 47 , 2

10 1547 , 0

y y

x x

586 , 0 2 , 0

2 1 6

20

1 1 10 1

v v B A

M M D

Trang 26

586 , 0

92

1 78

1 10 1

10 022 , 5 96 , 793

10 298 , 0

x x

76,0

2 1,99 74,737

96,793

10.298,0

y y tg m





- Dựa vào các giá trị đã chọn trên đường cân bằng, ta tính được m = 0,541

c Tính số đơn vị chuyển khối m y :

- Số đơn vị chuyển khối tính theo pha hơi

Trang 27

d

y y

d

y*: thành phần mol cân bằng của pha hơi, %mol

y: thành phần mol làm việc của pha hơi, %mol

- Ứng với mỗi giá trị của x {0,37; 0,96} ta tìm được một giá trị của y* tương ứng và theo đường làm việc của đoạn luyện y = 0,75x + 0,25 ta xác định được y

- Với tỷ lệ trục hoành 1.100 và tỷ lệ trục tung là 1/100 ta có:

my = 10,52 100.1/100

my = 10,52

Thay các giá trị : h1 = 0,318 m

Trang 28

337 , 8 541 , 0 318 , 0

2

G

G m h h

x

y dv

hđv = 0,4433 m

Vậy chiều cao lớp đệm của đoạn luyện là:

HL = hđv my = 0,4433 10,52 = 4,66m

2 Chiều cao của đoạn chƣng:

- Các công thức cũng như ý nghĩa các ký hiệu có trong các công thức tính chiều cao đoạn chưng tương tự như đối với đoạn luyện, chỉ khác về trị số nên trong phần này không giải thích lại

a Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h 1 , h 2 :

* Tính 

t

x tt

899 ,

G V

0032,

399,21

Tra hình IX.16 trong [II – 178] ta lấy L = 1

* Xác định chuẩn số Reynon:

- Chuẩn số Reynon của pha hơi:

Trang 29

d y

s y

Ta có y = hh được tính theo

B B A

A hh

hh m M m M M

A hh

B

M y



.1

B A

A

M y M

y M

y

M y



1.1

)1(1

.1

1

1 1

A hh

a a

a1, a2: nồng độ phần khối lượng của Benzen và Toluen

1

.

1 1

tb

A tb

M y M

y

M y a

a1 = 0,1953 phần khối lượng

Từ dụng toán đồ hình I.35 trong [I – 117] với XA = 8,8; YA = 13,0; XB = 8,5;

YB =13,2 và to = 82,60C ta tìm được

3 10 31185 ,

3 3,199.10

10.31278,0

1953,0110

.31185,0

1953,0

59 , 1 852 , 2 4 , 0

- Chuẩn số Reynon của pha lỏng:

x d t

x x

F

G





.04,0

Trang 30

9367,310.3287,0.165.0096,2

363,9.04,0

.04,0

x d t

x x

y y

A y

M M v

v P

T

) (

10 0043 , 0

2

5 , 1 4

1 ) 118 96

.(

1

) 6 , 355 (

10 0043 , 0

2

5 , 1 4

3 3

10 3126

y y

Trang 31

x x

Ở phần trước đã tính được D20 = 2,3.10-3 m2/s, với b = 0,0168

Nhiệt độ trung bình của lỏng trong đoạn luyện là to = 106,8oC Vậy ta có:

10 287 , 0

x x

76,0

2 3,9367 764,762

8,783

10.287,0

y y tg m





- Dựa vào các giá trị đã chọn trên đường cân bằng, ta tính được m = 1,52

c Tính số đơn vị chuyển khối m y :

- Số đơn vị chuyển khối tính theo pha hơi

d

y y

d

Trong đó:

Trang 32

y*: thành phần mol cân bằng của pha hơi, %mol

y: thành phần mol làm việc của pha hơi, %mol

- Ứng với mỗi giá trị của x {0,04;0,37} ta tìm được một giá trị của y* tương ứng và theo đường làm việc của đoạn chưng y = 2,028x - 0,0247 ta xác định được

- Với tỷ lệ trục hoành 1.100 và tỷ lệ trục tung là 1/ 100 ta có :

39 , 8 52 , 1 0617 , 0

2

G

G m h h

x

y dv

hđv = 0,279 m

Vậy chiều cao lớp đệm của đoạn chưng là:

Trang 33

HC = hđv my = 0,279 8,225 = 2,3m

3 Tính chiều cao của toàn tháp:

H = HL + HC + H1 + H2 + H3

Trong đó:

HL, HC: chiều cao đoạn luyện và đoạn chưng, m

H1: khoảng cách không gian phần đỉnh tháp để đặt đĩa phân phối chất lỏng và ống hồi lưu sản phẩm đỉnh, m

H2: khoảng cách không gian giữa đoạn chưng và đoạn luyện để đặt đĩa tiếp liệu và ống dẫn hỗn hợp đầu, m

H3: khoảng cách không gian cho hồi lưu đáy và để đặt ống hồi lưu sản phẩm đáy, m

, 0 342

, 0

.

1

y x x

y y

x k

u

G

G A P P

Pk: tổn thất áp suất của đệm khô, N/m2

Gx, Gy: lưu lượng của lỏng và của khí, kg/s

x, y: khối lượng riêng của lỏng và của khí, kg/m3

, 0

.045,

G

G Ar

Trang 34

2

3

y

y x y

d Ar

V d

81 , 9 74 , 2 69 , 793 74 , 2 0184 , 0

2 3

6 , 1 14 , 3

03 , 17708 3600



t

tb x

6 , 1 14 , 3

06 , 30012 3600



t

tb y

15 , 4 5534029

045 , 0 Re

43 , 0 57

56 , 1

d

y d y y k

, 0

10 1547 , 0 165 74 , 2 06 , 1 66 , 4 56 , 1

3

2 0 3 2

, 1 8 , 0 8 , 1

3

3 19

, 0 342

, 0

10 1547 , 0

10 298 , 0 96 , 793

74 , 2 33 , 8

919 , 4 15 , 5 1 97 , 1177

Trang 35

43 , 0 57

, 0

.045,

G

G Ar

y

y x y

d Ar

V d

81 , 9 825 , 2 8 , 783 825 , 2 0184 , 0

2 3

6 , 1 14 , 3

879 , 30205 3600



t

tb x

6 , 1 14 , 3

879 , 33705 3600



t

tb y

659 , 4 079 , 1379749

045 , 0 Re

43 , 0 57

56 , 1

d

y d y y k

, 0

10 3126 , 0 165 825 , 2 01 , 1 3 , 2 56 , 1

3

2 0 3 2

, 1 8 , 0 8

, 1

3

3 19

, 0 342

, 0

10 3126 , 0

10 287 , 0 8 , 783

825 , 2 39 , 8

363 , 9 15 , 5 1 74 , 1741

Trang 36

Pư = PưL + PưC

Pư = 3230,84 + 4929,4 = 8160,24 N/m2

PHẦN III

TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƢỢNG

Trang 37

Sơ đồ thiết bị chưng luyện (dùng để tính cân bằng nhiệt lượng) Mục đích của việc tính cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ, làm lạnh cũng như để xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu để đưa vào đĩa tiếp liệu và lượng hơi đáy tháp Để tính toán cho các thiết bị đó ta cần dựa vào sơ đồ cân bằng nhiệt lượng (Sơ đồ trên)

1 Cân bằng nhiệt lƣợng cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:

QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 (J/h) [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 ra môi trường xung quanh J/h

- Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là:

1 95 , 0

) (

r

t C t C

F F F  f f

, kg/h 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, 0C

aA.: nồng độ phần khối lượng của Benzen

aB.: nồng độ phần khối lượng của Toluen

CA: nhiệt dung riêng của Axetôn, J/kg độ

Định dạng
Số trang	74
Dung lượng	1,17 MB