Đồ án Tháp đệm CS2 CCl4

Nội dungThiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm phân tách hỗn hợp CS2 CCl4Các số liệu ban đầu: Năng suất tính theo hỗn hợp đầu F = 12,6 tấngiờ. Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong:+ Hỗn hợp đầu: aF = 0,338 phần khối lượng.+ Sản phẩm đỉnh: aP = 0,964 phần khối lượng.+ Sản phẩm đáy: aW = 0,035 phần khối lượng. Tháp làm việc ở áp suất thường Hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi.

ĐẠI HỌC CễNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA HểA CễNG NGHỆ

 QUÁ TRèNH VÀ THIẾT BỊ

Giỏo viờn hướng dẫn : Vũ Minh Khụi

Sinh viờn thực hiện

Mó sinh viờn

: Đoàn Thị Hạnh : 1074140031

Nội dung đồ ỏn : Thiết kế tháp chng luyện liên tục

loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp CS 2 – CCl 4

HÀ N I, N ỘI, N ĂM 2016

BỘ CễNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CễNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phỳc

Sè :

HỌ VÀ TÊN HS-SV: Đoàn Thị Hạnh

Lớp : LT CĐ - ĐH Hoá 1 Khoá: 10

Khoa : Công nghệ Hoá

Giáo viên hướng dẫn :

Nội dung

Thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm phân tách hỗn hợp CS2 CCl4

-Các số liệu ban đầu:

- Năng suất tính theo hỗn hợp đầu F = 12,6 tấn/giờ

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong:

+ Hỗn hợp đầu: aF = 0,338 phần khối lượng

+ Sản phẩm đỉnh: aP = 0,964 phần khối lượng

+ Sản phẩm đáy: aW = 0,035 phần khối lượng

- Tháp làm việc ở áp suất thường

- Hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

PHẦN THUYẾT MINH

Ngày giao đề : ……… Ngày hoàn thành :………

PH L CỤ LỤC Ụ LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Kỹ thuật hiện đại có nhiệm vụ nghiên cứu các quá trình sản xuất sảnphẩm hoá học mới, cải tiến quá trình cũ nhằm tăng năng suất chất lượng trongcác ngành hoá học Các phương pháp chế biến hoá học rất khác nhau nhưngnhìn chung các quá trình chế biến hoá học đều trải qua một số quá trình vật lý,hoá học nói chung như lắng, lọc, đun nóng, làm nguội, chưng luyện…

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như cáchỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau củacác cấu tử trong hỗn hợp(ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau).Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm, thường có bao nhiêu cấu tử sẽ có bấynhiêu sản phẩm Với trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử sẽ có: sản phẩm đỉnhgồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé, sảnphẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơilớn hơn

Trong sản xuất có nhiều phương pháp chưng: chưng đơn giản, chưngbằng hơi nước trực tiếp, chưng luyện,…

Chưng luyện là phương pháp chưng phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàncác cấu tử dẽ bay hơi có tính chất hoà tan một phần hoặc hoà tan hoàn toàn vàonhau

Cacbondisunfua và Cacbontetraclorua là một trong những sản phẩm củangành công nghiệp tổng hợp hữu cơ Chúng được sử dụng rộng rãi trong côngnghiệp hoá học nói chung cũng như công nghiệp hữu cơ nói riêng như trongcông nghiệp hoá dầu, dược phẩm, phẩm nhuộm,…

Thông thường trong công nghiệp hữu cơ CS2 và CCl4 ở dạng hỗn hợp nênmuốn sử dụng chúng người ta cần thiết phải tách riêng biệt chúng Để thực hiệnđiều này, người ta có thể tiến hành chưng luyện hỗn hợp trong các tháp chưngluyện liên tục hoặc gián đoạn

Tháp chưng luyện liên tục có thể dùng loại tháp đệm, tháp chóp hoặc thápđĩa lỗ Trong đó loại tháp chóp được sử dụng khá rộng rãi và cho hiệu suất cao

PHẦN I: VẼ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

I Giới thiệu về hỗn hợp đợc chng luyện:

1 Giới thiệu về hỗn hợp chưng:

Hỗn hợp cần chưng là Cacbondisunfua và Cacbontetraclorua Trong đú:Cacbondisunfua cú cấu trỳc phõn tử CS2, phõn tử gam là 76.13 g/mol, là chấtlỏng khụng màu, dễ bay hơi, tnc = –111 oC; ts = 46,2 oC Khụng tan trong nước

và nặng hơn nước (khối lượng riờng 1,26 g/cm3) Ở dạng tinh khiết cú mựi thơm,nhưng ở dạng chưa tinh chế cú mựi khú chịu do cú lẫn tạp chất Bị vàng dầndưới tỏc dụng của ỏnh sỏng do sự phõn huỷ chậm Là dung mụi rất tốt đối vớibrom, iot, lưu huỳnh, photpho, chất bộo, nhựa, vv Dựng để sản xuất sợi vitco,điều chế thuốc trừ sõu, diệt nấm và để lưu hoỏ cao su Độc và dễ chỏy So sỏnhvới CO2, CS2 là hoạt húa hơn về phớa ỏi lực hạt nhõn và rất dễ dàng bị khử Cỏckhỏc biệt này trong độ hoạt húa cú thể coi là do khả năng cung cấp π yếu hơncủa cỏc trung tõm sulfido, làm cho cacbon trở thành ỏi lực điện tử hơn

Nú được sử dụng rộng rói trong tổng hợp cỏc hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnhnhư metham natri _một chất xụng đất và được sử dụng rộng rói trong sản xuấtvải viscoza mềm CS2, là chất dễ bắt chỏy và cú nhiệt độ tự kớch chỏy thấp,khụng thể dễ dàng vận chuyển bằng cỏc phương tiện vận tải thụng thường Xuấtkhẩu toàn thế giới của húa chất này là khụng đỏng kể Ở nồng độ cao, đisulfuacacbon cú thể đe dọa tới tớnh mạng do nú ảnh hưởng tới hệ thần kinh Dữ liệu antoàn cú ý nghĩa đến từ cụng nghiệp sản xuất rayon viscoza, nơi mà cả đisulfuacacbon lẫn một lượng nhỏ H2S cú thể hiện diện

Cacbontetraclorua cú cấu trỳc phõn tử là CCl4 phõn tử gam là 183,84g/mol

Bề ngoài Chất lỏng khụng màu , khối lượng riờng là 1,5842 g/cm, dễ bayhơi ,tnc=-229,2 oC; ts = 76,72 oC.Là một chất khụng phõn cực

Trong vai trũ của một dung mụi, nú hũa tan khỏ tốt cỏc hợp chất khụng phõn cựckhỏc, chất bộo và dầu mỡ Sử dụng chủ yếu hợp chất này làm chất phản ứngtrong tổng hợp hữu cơ Đõy là một chất lỏng khụng màu cú mựi "thơm" Nhưng

nú hơi dễ bay hơi, tạo ra hơi với mựi đặc trưng như của cỏc dung mụi clo húakhỏc, hơi tương tự như mựi của tetraclorthylen dựng trong cỏc cửa hàng giặt làkhụ Nú được dựng làm dung mụi trong nghiờn cứu húa tổng hợp Đụi khi nú là

hữu ích để làm dung môi cho phổ hồng ngoại học do không có các dải hấp thụđáng kể > 1.600 cm-1 Do cacbon tetraclorua không chứa bất kỳ nguyên tử hiđrônào, nên trong quá khứ nó được dùng trong phổ NMR proton Tuy nhiên,cacbon tetraclorua là độc hại và khả năng hòa tan của nó là thấp Nó đã bị thaythế phần lớn bởi các dung môi đơteri hóa, thường là có các thuộc tính hòa tan tốthơn và cho phép phổ kế giam giữ đơteri.Phơi nhiễm trước hàm lượng cao củacacbon tetraclorua (bao gồm cả thể hơi) có thể ảnh hưởng tới hệ thần kinh trungương và làm suy thoái ganvà thận cũng như có thể gây ra (sau phơi nhiễm kéodài) hôn mê và thậm chí gây tử vong Phơi nhiễm kinh niên trước cacbontetraclorua có thể gây ra ngộ độc gan và tổn thương thận hay gây ra ung thư.Đầu thế kỷ 20, cacbon tetraclorua được sử dụng rộng rãi làm dung môi tẩy rửakhô, cũng như làm chất làm đông lạnh hay trong các bình chữa cháy Tuy nhiên,khi người nhận thấy dường như phơi nhiễm cacbon tetraclorua có ảnh hưởngnghiêm trọng tới sức khỏe thì các chất thay thế an toàn hơn nhưtetracloroethylen được dùng cho các ứng dụng đó và việc sử dụng nó trong cácứng dụng này bị suy giảm từ khoảng năm 1940 trở đi Cacbon tetraclorua cònđược dùng làm thuốc trừ dịch hại để giết sâu bọ trong ngũ cốc đang lưu trữ,nhưng trong năm 1970, nó đã bị cấm dùng trong các sản phẩm tiêu dùng tại HoaKỳ.Trước khi có nghị định thư Montreal một lượng lớn cacbon tetraclorua đãđược sử dụng để sản xuất các chất làm lạnh freon R-11 (tricloroflorometan) vàR-12 (diclorodiflorometan) Tuy nhiên, các chất làm lạnh này hiện nay bị coi làđóng vai trò trong sự suy giảm ôzôn và bị loại bỏ Cacbon tetraclorua hiện vẫncòn được dùng để sản xuất các chất làm lạnh ít phá hủy hơn.Cacbon tetracloruacũng được sử dụng để phát hiện nơtrino Cacbon tetraclorua là một trong nhữngchất độc mạnh nhất đối với gan và được sử dụng trong nghiên cứu khoa học đểđánh giá các chất bảo vệ gan.

Cacbon tetraclorua trên thực tế không cháy ở các nhiệt độ thấp Ở nhiệt độ caotrong không khí, nó tạo ra photgen (CCl2O) độc hại Do không có liên kết C-H,cacbon tetraclorua không dễ dàng tham gia các phản ứng gốc tự do Vì thế nó làdung môi hữu ích trong các phản ứng halogen hóa bằng các halogen nguyên tố

hay bằng các chất phản ứng như N-bromosuccinimid Trong hóa hữu cơ, cacbon

tetraclorua đóng vai trò của nguồn cấp clo trong phản ứng Appe

Cacbondisunfua và Cacbontetraclorua là một trong những sản phẩm củangành công nghiệp tổng hợp hữu cơ Chúng được sử dụng rộng rãi trong công

nghiệp hoá học nói chung cũng như công nghiệp hữu cơ nói riêng như trongcông nghiệp hoá dầu, dược phẩm, phẩm nhuộm

2 Chọn loại tháp chưng cất và phương pháp chưng cất:

Chưng cất là quả trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệtdựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi), bằng cách lặp

đi lặp lai nhiều lần quá trình bay hơi- ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏngvào pha hơi hoặc ngược lại

Đối với chưng cất ta có các phương pháp thực hiện:

 Chưng cất đơn giản ( dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ):

Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp sau:

+: Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

+: Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

+: Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

+: Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

 Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dòng thiết bị hoạt động liên tục): làquá trình được thực hiện liên tục, nghich dòng, nhiều đoạn

Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục

Trong trường hợp này, do sản phẩm Cacbondisunfua với yêu cầu có độtinh khiết cao khi sử dụng, cộng với hỗn hợp Cacbondisunfua vàCacbontetraclorua là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọn phương phápchưng cất liên tục là hiệu quả nhất

Chọn loại tháp chưng cất:

Có rất nhiều loại tháp được sử dụng, nhưng đều chung một yêu cầu cơbản là điện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phântán của một lưu chất này vào lưu chất kia

II DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ.

45

1- Thùng chứa hỗn hợp đầu 2- Bơm

3- Thùng cao vị 4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

5- Tháp chưng luyện 6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

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

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

11- Thiết bị tháo nước ngưng

2 Thuyết minh dây chuyền

Hỗn hợp đầu từ thùng chứa 1 được bơm 2 bơm liên tục lên thùng cao vị

3 Mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn Từthùng cao vị, hỗn hợp đầu (được điều chỉnh nhờ van và lưu lượng kế) qua thiết

bị đun nóng dung dịch 4 Tại đây, dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bãohoà đến nhiệt độ sôi Sau đó, dung dịch được đưa vào tháp chưng luyện qua đĩatiếp liệu

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

Như vậy ở trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với pha hơi đi từdưới lên Hơi bốc từ đĩa dưới lên qua các lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏngcủa đĩa trên, ngưng tụ một phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong phalỏng tăng dần theo chiều cao tháp Vì nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏngtăng nên nồng độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tăng Cấu tử dễ bayhơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi nên khi nồng độ của nó tăngthì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm Tóm lại, theo chiều cao tháp nồng độ cấu

tử dễ bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) tăng dần, nồng độ cấu tử khó bay hơi(cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần, và nhiệt độ giảm dần Cuối cùng, ở đỉnhtháp ta sẽ thu được hỗn hợp hơi có thành phần hầu hết là cấu tử dễ bay hơicòn ở đáy tháp ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay hơichiếm tỷ lệ lớn Để duy trì pha lỏng trên các đĩa trong đoạn luyện, ta bổ xungbằng dòng hồi lưu được ngưng tụ từ hơi đỉnh tháp Hơi đỉnh tháp được ngưng

tụ nhờ thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 6, dung dịch lỏng thu được sau khi ngưng

tụ một phần được dẫn hồi lưu trở lại đĩa luyện trên cùng để duy trì pha lỏngtrong các đĩa đoạn luyện, phần còn lại được đưa qua thiết bị làm lạnh 7 để đivào bể chứa sản phẩm đỉnh 8 Chất lỏng ở đáy tháp được tháo ra ở đáy tháp,sau đó một phần được đun sôi bằng thiết bị gia nhiệt đáy tháp 9 và hồi lưu vềđĩa đáy tháp, phần chất lỏng còn lại đưa vào bể chứa sản phẩm đáy 10 Nướcngưng của các thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng 11.Như vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đưa vào liên tục và sảnphẩm cũng được lấy ra liên tục)

PHẦN II TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

I CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU:

1 Các ký hiệu thường dùng:

+ 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, sảnphẩm đỉnh, sản phẩm đáy của hỗn CS2 và CCl4

+ a : Nồng độ phần khối lượng Kg CS2/kg hỗn hợp )

+ x : Nồng độ phần mol (kmol CS2/kmol hỗn hợp )

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

+ : Độ nhớt Ns / m2

+ : Khối lượng riêng ( kg / m3 )

- Các chỉ số A, B, x, y, hh : tương ứng chỉ đại lượng thuộc về CS2, CCl4,thành phần lỏng, thành phần hơi, hỗn hợp

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

2 Phương trình cân bằng vật liệu

Công thức liên hệ nồng độ phần mol và nồng độ phần khối lượng:

xA = B

A A

A A A

B A

A

M

1 M a M M

a

M a M a

B A

- Trong đó aA, aB : là nồng độ phần khối lượng của CS2 và CCl4

MA, MB : là khối lượng mol phân tử của CS2 và CCl4

Với MA= 76 Kg/ kmol ; MB = 154 Kg / kmol

Thay số liệu vào ta có :

0 , 508

154

338 , 0 1 76

338 ,

338 , 0

964 , 0 1 76

964 ,

964 , 0

068 , 0 154

035 , 0 1 76

035 ,

035 , 0

068 , 0 508 , 0 16 , 110

F

x x

x x

508 , 0 982 , 0 16 , 110

x x F p

P

(Kmol/h)

 Gw= W.Mw = 57,13.148,7 = 8495,23 (Kg/h)

II XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP:

Theo b¶ng IX 2a – Sæ tay II – Trang 149 ta cã b¶ng vÒ thµnh phÇn c©n b»ng

láng h¬i:

y 0 13,2 24 42,3 54,4 64,5 72,6 79,1 84,8 90,1 95 100

t0C 76,7 73,7 71 66 62,3 59 56,1 53,7 51,6 49,6 47,9 46,3

Hình 1: Đồ thị đường cân bằng hệ CS2 – CCl4

Hình 2: Đồ thị t-x,y hệ CS2 – CCl4

* Xỏc định chỉ số hồi lưu thớch hợp Rth :

Từ xF = 0,508 (phần mol) trờn biểu đồ ta kẻ đường thẳng song song với trục

y, cắt đường cõn bằng tại F, từ F kẻ song song với trục x, ta tỡm được yF* =

0,732 (phần mol) với yF* là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cõn bằngvới nồng độ cấu tử trong pha lỏng xF của hỗn hợp

Vỡ nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cõn bằng với nồng độ cấu tửtrong pha lỏng xF của hỗn hợp đầu nờn ta xỏc định chỉ số hồi lưu tối thiểu theocụng thức:

116 , 1 508 , 0 732 , 0

732 , 0 982 , 0

F P

x y

y x R

Vấn đề chọn chỉ số hồi lu thích hợp Rx rất quan trọng vì chỉ số hồi lu thíchhợp nhỏ thì số bậc của tháp lớn (chiều cao tháp tăng), lợng hơi đốt tiêu tốn ít, ng-

ợc lại khi chỉ số hồi lu lớn thì số bậc của tháp nhỏ (chiều cao của tháp thấp) lợnghơi đốt tiêu tốn lớn, đờng kính lớn thì sản phẩm đỉnh thu đợc rất ít do đó để thu

đợc Rth ta chọn:

Rx = Rmin β (II-158)) Trong đó β là hệ số hồi lu (β = 1,4 - 2,3))

Ta tính Rx dựa trên phơng pháp: biết giá trị Rmin ta cho các giá trị bất kỳ ta sẽtính đợc R tơng ứng (R > Rmin), với mỗi Rx ta xác định đợc số đĩa lý thuyết Nlt t-

ơng ứng

Tơng ứng với các giá trị β = 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8); 1,9; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3); tatính đợc các giá trị của Rx:

982 , 0 1 232 , 2

232 , 2 1

R y

x

P x

x

- Phương trình làm việc đoạn chưng:

w

x x

R

f x R

f R y

Thay vào ta có:

1 232 , 2

1 0773 , 2 1

232 , 2

0773 , 2 232 , 2

Hình 4 : Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =1,4 ; B = 0,383 và Nlt = 16

Hình 5 : Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =1,5 ; B = 0,367 và Nlt = 15

Hình 7 : Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =1,7 ; B = 0,339 và Nlt = 14

Hình 8: Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =1,8 ; B = 0,326 và Nlt = 13

Hình 9: Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =1,9 ; B = 0,315 và Nlt = 13

Hình 10: Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =2,0 ; B = 0,304 và Nlt = 12

Hình 11: Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =2,1; B = 0,294 và Nlt = 12

Hình 12: Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =2,2 ; B = 0,284 và Nlt = 12

Hình 13: Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =2,3 ; B = 0,275 và Nlt = 12

III TÍNH ĐƯỜNG KÍNH CỦA THÁP:

1 Tính đường kính tháp chưng luyện:

Đường kính tháp được xác định theo công thức:

D =

tb tb

V



 3600

 y ytb

tb

g D



 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

tb

 : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, m/s

Lượng hơi trung bình đi trong tháp, m3/h

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

2 Đường kính đoạn luyện:

2.1 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

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 đoạn luyện, kg/h

- Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp:

- Lượng hơi đi vào đoạn luyện:

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất củađoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằngnhiệt lượng sau :

g1 = G1 + Gp (1)

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

g1.r1 = gđ.rđ (3)

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(kg/h)

r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa(kJ/kg)

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

Từ x1 = xF = 0,508 phần mol = 0,338 phần khối lượng

Tra đồ thị lỏng hơi ta được t0

1 = tF = 55,98 0CVới t0

1 = 55,98 0C nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được;

) / ( 427 , 346 ) / ( 743 , 82

kg kJ kg

kcal r

kg kJ kg

kcal r

B A

→ r1 = 3)46,427.y1 + 202,98)2.(1– y1) = 202,98)2+ 143),445.y1

- Tính r đ:

Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh yđ = xP = 0,982 (phần mol) = 0,964 (phần

IX2a (II-147), nội suy ta có: t = 46,59 oC

Xác định giá trị r theo toán đồ hình I.65 - STQTQB T1-255 với t = 46,59 C:

) / ( 735 , 351 ) / ( 01 , 84

kg kJ kg

kcal r

kg kJ kg

kcal r

B A

 rđ = rA yđ + rB (1 – yđ) = 351,735.0,964 + (1- 0,964) 205,73 = 346,48 (kJ/kg)Thay các giá trị tính được vào hệ (1) (2) (3)

y1 = 0,491 phần khối lượng = 0,661 phần mol

Thay y1 = 0,491 vào r1 = 202,98)2+ 143),445.y1 => r1 = 273),3)9(kJ/kg)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là :

s kg h

, 2707 1

s kg h

kg 





2.2 Tính khối lượng riêng trung bình :

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

273

4 , 22

).

1 (

1

T

M y M

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

+ ytb1: nồng độ phần mol của Cacbondisunfua lấy theo giá trị trung bìnhtrong pha hơi ở đoạn luyện

2

982 , 0 661 , 0 2

bảng IX.2a [II-147] ta được t y tb L C

).

1 (

T

M y M

56 , 325 4 , 22

154 ).

822 , 0 1 ( 76 822 , 0

- Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng

2 1

1

1

tb tb

tb x

tb x

a a

964 , 0 338 , 0 2

tb

a a







L tb

x phần mol Nội suy từ số liệu trong bảngIX.2a, [II-147] ta được t C

tb

x0  50 , 70ứng với t0 = 50,7 0C Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được:

35 , 1215

1

1

tb tb

tb x

tb x

a a





651 , 0 1 35 , 1215

651 ,



63 , 1310

2.3 Tính tốc độ hơi đi trong tháp:

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

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

3

2

.

y d s

tb

tb

V g

/ 1

x

G

G X





[II – 187]

Trong đó:

 , :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

438 , 0 63

, 1310

37 , 3 178 , 4

037 , 3

8 / 1 4

/ 1 8

/ 1 4

/ 1

x L

G

G X

Khối lượngriêng xốp, đ,kg/m3

Từ công thức:

16 , 0

3

2

.

y d s

tb

tb

V g

3 16

, 0

3 2

10 0 , 1

10 336 , 0 37 , 3 195

63 , 1310 75 , 0 81 , 9 208 , 0

.

.

x d s

tb

tb V g Y

 y = 0,8.1,429 = 1,143 m/sVậy đường kính của đoạn luyện là:

15039,13

0188 , 0

0188 ,



tb y y

tb L

g D



Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DL = 1,2 m

- Thử lại điều kiện làm việc thực tế.

Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn luyện là:

095 , 1 37

, 3 2 , 1

0188 , 0 13 , 5039 1

095 , 1

3 Đường kính đoạn chưng:

3.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp :

g’tb =

2 1

g  : lượng hơi đi vào đoạn chưng ( kmol/ h )

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện g n = g1,nên ta có thể viết : gtb =

2

1

1 g

g   Phương trình cân bằng vật liệu :

F

g

’xg

’1

G1, x1

W

xw

1

G

G’1 = g’1 + GW (1’)

G’1 x’1 = g’1 yW + GW xW (2’)

g’1 r’1 = g1 r1 (3’)

Trong đó :

r’1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi 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 đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

Ta có : GW = 8)495,23) (kg/h)

xW = 0,068 phần mol = 0,035 phần khối lượng

- Tính r’1

r’1 = rA y’1 + ( 1 – y’1 ) rB

rA, rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất ở to = tW

r’1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ra khỏi đoạn chưng

y’1 = yW* = 0,173 phần mol = 0,0936 phần khối lượng

Ứng với xW = 0,068 nội suy theo bảng cân bằng lỏng hơi ta được: tW = 72,73 oC Xác định giá trị r theo toán đồ hình I.65 - STQTQB T1-255 với nhiệt độ sôiđáy tháp là tW = 72,73 oC ta có:

) / ( 235 , 335 ) / ( 07 , 80

kg kJ kg

kcal r

kg kJ kg

kcal r

x’1 = 0,077 phần khối lượng = 0,1446 phần mol Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:

s kg h

= 27867 , 22 ( / ) 7 , 741 ( / )

2

5 , 0246 3 12600 93

, 2707 1

s kg h

kg 







3.2 Tính khối lượng riêng trung bình:

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

273 '

4 , 22

' 1 (

'

T

M y M

y tb A tb B tb

154 ).

4172 , 0 1 ( 76 4172 , 0 '

y

- Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng

) / ( '

1 ' '

B

tb A

tb xtb  

+  'xtb : Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng (kg/m3)

+  'A,  'B: khối lượng riêng của Cacbondisunfua và Cacbontetraclorua ởpha lỏng lấy theo to



A

 kg/m3

69 , 1513



B

 kg/m3

Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chưng là:

   

B

tb A

tb xtb

a a

'

1 ' '

208 ,



06,1435'



 x tb kg/m3

3.3 Tính tốc độ hơi đi trong đoạn chưng:

- Tốc độ hơi đi trong tháp đệm được áp dụng theo công thức:

3

2

.

y d s

tb

tb

V g

/ 1

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

531 , 0 06

, 1435

36 , 4 381 , 5

741 , 7

8 / 1 4

/ 1 8

/ 1 4

/ 1

x C

G

G X

3

2

.

y d s C

tb

tb

V g

3 3

3 16

, 0

3 2

10 0 , 1

10 44 , 0 36 , 4 195

06 , 1435 75 , 0 81 , 9 144 , 0

.

.

x d s

tb

tb V g Y

0188 , 0

0188 ,



tb y y

tb C

g D



Quy chuẩn đường kính đoạn chưng là DC = 1,4 m

- Thử lại điều kiện làm việc thực tế:

Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chưng là:

801 , 0 36

, 4 4 , 1

0188 , 0 86 , 9371 1

801 , 0

Vậy chọn đường kính đoạn chưng là 1,4 m là thỏa mãn

Để thuận tiện cho quá trình thiết kế và chế tạo, ta qui chuẩn lại đường kínhđoạn luyện bằng đoạn chưng

 Ta có kích thước đường kính tháp: D L = D C = 1,4 m.

IV 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:

1.1 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

G

G m h h

x

y

dv   [II – 177] 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

3 / 2 25 , 0





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

F

V

U  : mật độ tưới thực tế, m3/m2.h

Utt = B.đ : mật độ tưới thích hợp, m3/m2.hTrong đó:

Vx: lưu lượng thể tích của chất lỏng, m3/h

Ft: diện tích mặt cắt tháp, m2

đ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3

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

Chọn đệm loại vòng Rasiga có các thông số :

G V

148 , 5 54 , 1

343 , 8

148 , 5

Tính và dựng theo hình IX.16 trong [II – 178] ta được

L = 0,483

- Xác định chuẩn số Reynon:

Chuẩn số Reynon của pha hơi:

d y

s y y

Ta có y = hh được tính theo

B

B A

A hh

hh m M m M M







2 1

B A B A hh

a a

a a

1

1

tb

A tb

M y M

y

M y a

a1 = 0,695 phần khối lượng

Sử dụng bảng I.113 trong [I – 115,116] và t C

L tb

091 , 0

695 , 0 1

143 , 1 37 , 3 4 , 0

Rey  3 

- Chuẩn số Reynon của pha lỏng:

x d t

x x

F

G





04 , 0

037 , 3 04 , 0

.

04 , 0

x d t

x x

Hệ số khuyếch tán Dy trong pha hơi tính theo.

B A B

A y

M M v

v P

T

) (

10 0043 , 0

2

5 , 1 4

T: nhiệt độ trung bình của hơi, 0K

P: áp suất chung của hơi, P = 1at

MA = 76: khối lượng phân tử của cấu tử CS2

MB = 154: khối lượng phân tử của cấu tử CCl4

vA, vB: thể tích mol của hơi CS2 và CCl4, cm3/nguyên tử

Tra bảng VIII.2 - T2 - 127, ta có thể tích nguyên tử của :

1 76

1 )

2 , 113 66

.(

1

) 56 , 325 (

10 0043 ,

2 3 / 1 3

/ 1

5 , 1 4

s m

D L y

634 , 0 10 49 , 4 37 , 3

10 0096 , 0



y y

y

y  D



Được xác định theo công thức: Dx = D 20 [1+b(t-20)] [II – 134]

Với + 0.32







b : Hệ số nhiệt độ lấy ở 20 0 C [II – 135]

+ : khối lượng riêng của dung môi Cacbontetraclorua ở 200C Tra bảngI.2 Sổ tay tập 1, T9 ta có:  = 1594 kg/m3

+ : Độ nhớt của dung môi Cacbontetraclorua ở 200C  =B=0,97.10-3Ns/m3= 0,97cP

1594

97 , 0 2 , 0



b

+: Hệ số khuyếch tán trong pha lỏng ở 200C

2 3 / 1 3 / 1

6

20

) (

.

1 1 10 1

B A B

B A V V B

A

M M D

1 ) 2 , 113 66

( 97 , 0 1 1

10

2 3 / 1 3

/ 1

74 , 2 63 , 1310

10 336 , 0

75 , 0 Pr

Re

3 / 2 25

, 0 3

/ 2 25 , 0

d

d L

a

V h



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

105 , 0 56 , 93 204 , 1 63 , 1310

10 336 , 0 256 Pr

Re

3 / 2 3 5

, 0 25 , 0 3 / 2

x L

- Chọn các giá trị x bất kỳ, tại mỗi giá trị x đó ta tìm góc nghiêng của

đường cân bằng Từ các giá trị tìm được, tính m theo công thức:

cb

cb

x x

y y tg m

3 2

- Số đơn vị chuyển khối tính theo pha hơi.

 c

d

y y

y y

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 [0,508; 0,982] ta tìm được một giá trị của y* tương

ứng và theo đường làm việc của đoạn luyện y = 0,6906.x + 0,3038 ta xác định

4 0,745 0,8)72 0,8)18) 18),621

5 0,8)04 0,903) 0,8)59 22,8)3)9

6 0,8)64 0,93)2 0,900 3)1,3)8)1

7 0,923) 0,961 0,941 50,128) 8) 0,98)2 0,9910 0,98)2 110,73)2

Từ bảng số liệu trên ta vẽ đồ thị đoạn luyện y

y

y* 1