tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử dễ bay hơi Nước và Axit axetic + cad

Sự phát triển về công nghệ bên cạnh đó là là sự phát triển về nhu cầu của con người về độ tinh khiết cao. Vì vậy mà các phương pháp nâng cao độ tinh khiết được cải tiến và luôn được đổi mới để hoàn thiện: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly…Tùy vào từng đặc tính của sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp cho phù hợp. Axit axetic đây là một trong những hợp phần quan trọng, nó không thể thiếu trong cuộc sống hằng ngày, nó góp phần to lớn đến các ngành công nghiệp hóa học cũng như công nghệ thực phẩm. Đối với hệ Nước – Axit axetic là hệ 2 cấu tử tan vào nhau, do đó mà ta cần phải dùng chưng cất để nâng cao nhiệt độ tinh khiết. Người ta thường sử dụng thiết bị tháp mâm xuyên lỗ, làm việc ở áp suất thường. Nhiệm vụ của đồ án này: tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử dễ bay hơi Nước và Axit axetic với năng suất nhập liệu 1600kgh có nồng độ 40%, nồng độ sản phẩm đỉnh là 97%, nồng độ sản phẩm đáy 5%.

LỜI MỞ ĐẦU

Sự phát triển về công nghệ bên cạnh đó là là sự phát triển về nhu cầu củacon người về độ tinh khiết cao Vì vậy mà các phương pháp nâng cao độ tinh khiếtđược cải tiến và luôn được đổi mới để hoàn thiện: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, tríchly…Tùy vào từng đặc tính của sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp cho phùhợp

Axit axetic đây là một trong những hợp phần quan trọng, nó không thể thiếutrong cuộc sống hằng ngày, nó góp phần to lớn đến các ngành công nghiệp hóa họccũng như công nghệ thực phẩm

Đối với hệ Nước – Axit axetic là hệ 2 cấu tử tan vào nhau, do đó mà ta cầnphải dùng chưng cất để nâng cao nhiệt độ tinh khiết Người ta thường sử dụng thiết

bị tháp mâm xuyên lỗ, làm việc ở áp suất thường

Nhiệm vụ của đồ án này: tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liêntục hỗn hợp hai cấu tử dễ bay hơi Nước và Axit axetic với năng suất nhập liệu 1600kg/

h có nồng độ 40%, nồng độ sản phẩm đỉnh là 97%, nồng độ sản phẩm đáy 5%

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT VÀ

DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

- Tan vô hạn trong nước, rượu và ete theo bất kì tỉ lệ nào

- Là 1 axit yếu, hằng số phân ly nhiệt động học của nó là Ka= 1,75*10-5 ở

250C; pKa = 4,76

- Tính ăn mòn kim loại:

+ Axit axetic ăn mòn sắt

+ Nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, nó đề kháng tốt với axit axetic đặc vàthuần khiết Đồng và chì bị ăn mòn với sự hiện diện của không khí

+ Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối với axit axetic

b Điều chế

- Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là mộtgiai đoạn trung gian

Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic

CH3CHO +2O2 = CH3COOH

C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O

 Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ axetylen

Sự oxy hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của cobanaxetat Người ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 800C để ngăn chặn sựhình thành của peoxit Hiệu xuất đạt được là 95% - 98% so với lý thuyết Người tađạt như thế rất dễ dàng sau khi axit axetic kết tinh được

CH3CHO + 2O2 coban axetat ở 800C CH3COOH

 Tổng hợp từ cồn metylic và cacbon oxit

Hiệu suất có thể đạt được 50% - 60% so với lý thuyết bằng cách ổn địnhcacbon oxit trên cồn metylic qua xúc tác

Nhiệt độ từ 200 – 5000C, áp suất 100 – 200 atm

CH3CHO + CO → CH3COOH

c Ứng dụng

- Axit axetic là nguyên liệu dùng để sản xuất nhiều mặt hàng khác nhau vàđược ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế, dược, giao thôngvận tải…Vì nó là một loại axit rẻ tiền nhất

- Axit axetic là một trong những ứng dụng quan trọng trong các loại axit hữu

cơ Nguồn tiêu thụ chủ yếu:

+ Làm giấm ăn ( chứa 4,5% axit axetic )

+ Làm đông đặc nhựa mủ cao su

+ Làm chất dẻo sợi celluloza acetat – làm phim ảnh không nhạy lửa

+ Làm chất kết dính polyvinyl acetat

+ Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp

2 Nước

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

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

Khối lượng phân tử: 18g/mol

Khối lượng riêng d4oC: 1g/ml

Nhiệt độ nóng chảy: 00C

Nhiệt độ sôi: 1000C

 Nước là dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng cực:

+ Các hợp chất phân cực hoặc có tính ion như axit, rượu và muối đều dễ tantrong nước

+ Tính hòa tan của nước nó đóng vai trò quan trọng trong sinh học vì cónhiều phản ứng hóa sinh chỉ xảy ra trong dung dịch nước.

 Nước được sử dụng trong công nghiệp từ lâu như là nguồn nhiên liệu,nước là một chất trao đổi nhiệt, và là dung môi quan trọng trong kỹ thuật hóa học

3 Hỗn hợp nước – axit axetic

Ta có bảng: Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp

nước – axit acetic ở 760 mmHg

Y 0 9,2 16,7 30,3 42,5 53 62,6 71,6 79,5 86,4 93 100

T 118,4 115,4 113,8 110,1 107,5 105,8 104,4 103,3 102,1 101,3 100,6 100

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

Hình 2.1 Đồ thị t – x,y của hỗn hợp Nước – Axit acetic

Hình 2.2: đồ thị cân bằng lỏng hơi cửa hỗn hợp Nước và Axit axetic

II QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT

- Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường hệ có bao nhiêu cấu

tử thì ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm:

 Đối với hệ 2 cấu tử: Nước – Axit axetic:

+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước và một ít axit axetic

+ Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic và một ít nước

2 Các phương pháp chưng cất

Các phương pháp chưng cất được phân loại dựa theo:

+ Áp suất làm việc

+ Chưng cất ở áp suất thấp

+ Chưng cất ở áp suất thường

+ Chưng cất ở áp suất cao

 Nguyên tắc: dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của cáccấu tử quá cao thì ta phải giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của cấu tử

Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:

+ Cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường được áp dụng trường hợp chấtđược tách không tan trong nước

+ Cấp nhiệt gián tiếp bằng hơi nước: áp dụng đối với trường hợp chất đượctách tan vào trong nước

Phương thức làm việc:

+ Chưng liên tục là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, và nhiềuđoạn

+ Chưng gián đoạn: phương pháp này sử dụng trong các trường hợp:

 Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

 Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

 Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

 Tách sơ bộ nhiều cấu tử

Đối với hệ Nước – Axit axetic ta dùng phương pháp chưng luyện liên tục đểtách hệ này

3 Thiết bị chưng

- Trong sản xuất thì có rất nhiều tháp chưng nhưng chúng đều có chung làdiện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này nó phụ thuộc vào độ phân tán củacấu tử này vào cấu tử kia

- Kích thước của tháp: đường kính tháp và chiều cao của tháp nó phụ thuộcvào suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm

- Các loại tháp thường dùng trong công nghiệp:

+ Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa tưới

+ Tháp chưng cất dùng mâm chóp

+ Tháp đệm: tháp chưng cất dùng vật chêm.

- Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm cócấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được tiếp xúc với nhau Tùy theocấu tạo đĩa mà ta có:

+ Tháp mâm chóp: trên mâm có bố trí các chóp dạng tròn hay một dạngkhác, có rãnh xung quanh để pha khí đi qua và ống chảy chuyền có hìnhtròn

+ Tháp mâm xuyên lỗ: Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh có đường kính

3 – 12mm được bố trí trên các đỉnh tam giác, bước lỗ bằng 2,5 - 5 lần đườngkính

- Tháp đệm: tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hayhàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong 2 phương pháp: xếp ngẫu nhiênhay xếp theo thứ tự

Bảng 1 So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp

- Hiệu suất truyềnkhối cao, ổn định

- Ít tiêu hao nănglượng hơn nên có

phân bố các pha theo tiết

diện tháp không đều

- - Sử dụng tháp không

cho phép ta kiểm soát

quá trình chưng cất theo

không gian tháp trong

- > 2,4m) ít dùng mâmxuyên lỗ vì lúc đóchất lỏng phân phốikhông đều trên mâm

- Trở lực khá cao

- - Cấu tạo phức tạp

- - Không làm việcvới chất lỏng bẩn

- - Trở lực lớn

Nhận xét: Tháp mâm xuyên lỗ ở trạng thái trung gian giữa 2 tháp nên ta chọn tháp

mâm xuyên lỗ để chưng cất

Vậy: chưng cất hệ Nước – Axit axetic ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động ở ápsuất thường

III QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC – AXIT AXETIC

1 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ nước – axit axetic

1 Bồn chứa nguyên liệu

11.Thiết bị đun sôi sản phẩm đáy

12.Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

13.Bồn chứa sản phẩm đáy

14.Bộ phận chia dòng

15.Bồn chứa sản phẩm đỉnh

2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ 40% ( theo khối lượng), nhiệt độnhập liệu là 280C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị(3) Tiếp theo, hỗn hợp được dẫn qua thiết bị đun sôi nhập liệu ( thiết bị trao đổinhiệt) (4) Sau đó, được đưa qua van (6) để điều chỉnh lưu lượng trước khi vàotháp chưng (8) ở đĩa nhập liệu

Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống Tại đây, có sựtiếp xúc và trao đổi giữa pha lỏng và hơi với nhau Pha lỏng chuyển động trongphần chưng, càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử để bay hơi vì đã bịpha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi cuốn các cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lêntrên càng thấp nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao

là axit axetic sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử nướcchiếm nhiều nhất ( có nồng độ 97% theo phần khối lượng) Hơi này sẽ đi vào thiết

bị ngưng tụ (9) và sẽ được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ nó sẽđược trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (4) Phần còn lại của chất lỏngngưng tụ nó sẽ được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng Một phần cấu tử có nhiệt độsôi thấp được bốc hơi, còn lại là cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng nó sẽcàng tăng Cuối cùng ở đáy tháp ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng là hầu hết các cấu tửkhó bay hơi ( axit axetic) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ là nước 5% ( theo khốilượng) Dung dịch lỏng ở đáy nó sẽ đi ra khỏi tháp rồi vào nồi đun (11) Trong nồiđun (11) dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làmviệc, phần còn lại ra khỏi nồi đun và rồi sau đó được đưa qua bồn chứa sản phẩmđáy (13)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước, sau khi trao đổi vớidòng nhập liệu và được thải bỏ Sản phẩm đáy là axit axetic được giữ lại

CHƯƠNG 2 TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH

I CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG

1 Cân bằng vật liệu

1.1 Thông số ban đầu

- Chọn loại tháp mâm xuyên lỗ

Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước

+ Axit axetic: CH3COOH, MA= 60 (g/mol)

+ Nước: H2O, MA = 18 (g/mol)

- Năng suất nhập liệu: GF = 1600 (kg/h)

- Nồng độ hỗn hợp ban đầu: aF = 40% khối lượng

- Nồng độ sản phẩm đỉnh: aF = 97% khối lượng

- Nồng độ sản phẩm đáy: aW = 5% khối lượng

Chọn:

+ Nhiệt độ nhập liệu: 280C

+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: 300C

+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: 300C

+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: 450C

+ Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

+ Áp suất hơi đốt: Ph = 3at

-Các ký hiệu:

Bảng 2 Bảng ký hiệu

GF Lưu lượng khối lượng dòng nguyên liệu Kg/h

GP Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh Kg/h

GW Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy Kg/h

aF Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu % khốilượng

aP Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đỉnh % khốilượng

aW Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đáy % khốilượng

xF Phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng nguyên liệu % mol

xp Phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm

xW Phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm

yF Phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng nguyên liệu % mol

yP Phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng sản phẩm

1−0,4 60 = 0,69 ( phần mol )

18 +

1−0,97 60

18 +

1−0,05 60

= ¿ 0,15 ( phần mol )

- Tính phân tử lượng trung bình của hỗn hợp theo công thức:

M K=M A∗x k+M B∗ ¿)+ Trong hỗn hợp đầu:

MF = MA *xF + MB *( 1- xF ) = 18*0,69 + 60*( 1- 0,69) = 31,02 ( kg/kmol )+ Trong sản phẩm đỉnh:

Mp = MA *xP + MB*( 1-xP ) = 18* 0,99 + 60*( 1-0,99 ) = 18,42 ( kg/kmol)+ Trong sản phẩm đáy:

MW = MA *xp + MB*( 1- xW ) = 18* 0,15 + 60 * ( 1- 0,15 ) = 53,7 (kg/kmol)

- Phuơng trình cân bằng vật liệu của tháp:

GF = GP + GW (1)-Đối với cấu tử dễ bay hơi:

Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy:

P= G P

M p=

608,69 18,42 =33,05(kmol /h)+ Lưu lượng mol của sản phẩm đáy:

991,31 53,7 =18,46 (kmol /h)

1.3 Thành phần mol cân bằng của các cấu tử dựa vào dữ liệu cân bằng pha

Ta có số liệu cân bằng pha của hỗn hợp Nước – Axit axetic ở áp suất thường( sổ tay QTTB – T2 – T148 ), thiết lập đồ thị phụ thuộc giữa đại lượng x-y, T – x, y( hình 2.1 và hình 2.2 ) Từ đó mà ta xác định được phần mol các cấu tử trong phahơi nằm cân bằng với pha lỏng ứng với nhiệt độ sôi của từng dòng F, P, W

-Gọi yF*, yp*, yp* là nồng độ phần mol của pha hơi cân bằng với lỏng tronghỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, tF, tP, tW là nhiệt độ sôi của hỗn hợpđầu, của sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

- Bằng phương pháp nội suy và dựa vào đồ thị ta có kết quả như sau:

+ Gx : Lưu lượng pha lỏng hồi lưu trở lại tháp.

+ Gy : Lưu lượng pha hơi đi từ dưới lên

R x R x được chọn qua tỉ số hồi lưu tối thiểu theo công thức:

Rx = b* Rxmin Với b: hệ số dư, b ( 1,2 2,5 ); ( CT IX.25, T158 [2] )Trong đó:

R xmin=x P−y F¿

y F¿

−x F=

0,99−0,79 0,79−0,69=2Với mỗi giá trị của b (1,2 2,5) ta tính được R x R x, suy ra toạ độ điểm B củađường làm việc đoạn luyện ứng với giá trị R x R x này, vẽ được đường làm việc đoạnchưng, vẽ số bậc thay đổi nồng độ và xác định được số đĩa lý thuyếtN¿N¿

Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp tương ứng với số đĩa lý thuyết tối ưu:

Vlàm việc Nlt(Rx+1) Sau khi xác định số đĩa lý thuyết ta có bảng số liệu sau:

+ Nlt : số bậc thay đổi nồng độ hoặc số đĩa lý thuyết.

+ η tb η tb: hiệu suất trung bình của thiết bị

Tại đĩa nạp liệu

-Từ xF = 0,69 ta tra đồ thị cân bằng của hệ ta có: y*

0,69 = 1,6901 Suy ra: αF * µF = 1,6901* 0,3227 = 0,54

Tra giản đồ thực nghiệm tại ( Hình IX.11,st 2/ T171): ηF = 0,59 (4)

Tại vị trí mâm đỉnh:

- Từ xp = 0,99 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: yp* = 0,995; tP = 100,060C

- Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp lỏng tại vị trí đỉnh :

- Tìm độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đỉnh:

+ Tại t = 100,060C dùng phương pháp nội suy ta tra được độ nhớt của nước

và axit axetic (Bảng I.101, T91,92, [1])

-Từ x w=0,15xw=0,15 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y w =0,236 yw =0,235; tW =111,950C

-Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp lỏng tại vị trí đáy :

- Tìm độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đáy:

+ Tại t = 111,950C dùng phương pháp nội suy ta tra được độ nhớt củanước và axit axetic (bảng I.101, T 91,92, [1])

= 9,8

Số đĩa thực tế của đoạn luyện: NL= 32,4 đĩa, chọn 32 đĩa.

Số đĩa thực tế của đoạn chưng: Nc = 9,8 đĩa, chọn 10 đĩa

2 Cân bằng nhiệt lượng trong quá trình chưng luyện.

- Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nhiên liệu rẻ tiền, phổ biến

và dễ tìm trong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ

- Sồ đồ cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

Hình 2.4 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

- Giải thích:

Ký

Đơnvị

QD1 Nhiệt độ do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng J/h

Qf Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun nóng J/h

QF Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng

hay mang vào tháp chưng luyện

J/h

Qng1 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị đun nóng

J/h

J/h

Qxq1 Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh J/h

QD2 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào cần đun nóng sản phẩm

đáy

J/h

QR Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào J/h

Qy Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp J/h

QW Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp J/h

Qng2 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi tháp J/h

Qxq2 Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh J/h

2.1 Cân bằng nhiệt của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

- Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng

QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 ( CT IX.149, T196, [2] )Trong đó:

QD1 = D1λ1 = D1( r1 +θ1C1 ) J/h ( CT IX.150, T196, [2] )Với:

D1 : lượng hơi đốt mang vào, kg/h

λ1 : hàm nhiệt của hơi nước, J/kg

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

θ1 : nhiệt độ của nước ngưng, 0C

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

CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng, (J/kg*độ).

Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, (J/kg*độ)

Suy ra, lượng hơi nước bão hoà cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu là:

+ Rx là chỉ số hồi lưu tối ưu.

+ CR là nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu, (J/kg*độ)

+ tR là nhiệt độ của lượng lỏng hồi lưu, (0C)

- Nhiệt dung riêng của lượng lỏng hồi lưu ứng với nhiệt độ tR= tP= 100,060C là:

= 4776926721 (J/h)

Q w=C w t w G w¿ ¿ ( CT IX.160, T197, [2] )

Trong đó:

+ G w G w là lưu lượng sản phẩm đáy, (kg/h)

+ t w t w là nhiệt độ của hỗn hợp đáy, (0C)

+ C w C w là nhiệt dung riêng của hỗn hợp sản phẩm đáy ở nhiệt độ 111,950C

+ G ng 2 G ng 2 là lượng nước ngưng tụ, (kg/h)

+ C2, θ2C2là nhiệt dung riêng, (J/kg*độ)

+ θ2nhiệt độ ( 0C ) của nước ngưng

-Nhiệt lượng tổn thấp ra môi trường xung quanh Q xq2 Q xq2:

2.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

- Ngưng tụ hoàn toàn thì:

P(R x+ 1)r P=G n C n(t2−t1) ¿)Trong đó:

2.4 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh

II CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA THÁP

+ Vtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp, (m3/h)

+ ω ytb ω ytb : Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, (m/s)

+ gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp, (Kg/h)

+ ρ ytb ρ ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi, (kg/m3)

- Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn luyện khác nhau Do

đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

1.1 Đường kính đoạn luyện

- Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn luyện

- Được tính theo công thức sau:

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

g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h)

x1: lượng lỏng ở đĩa thữ nhất đoạn luyện (phần khối lượng)

r1, rđ: ẩn nhiệt hóa hơi hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất và đi ra khỏi tháp (J/kg)

Giải hệ phương trình này ta được:

y1 = 0,517 ( Phần khối lượng ) = 0,78 (mol)

ρ ytb=[y tb1 M A+(1− y tb 1)M B]∗273

22,4∗T (CT IX 102,183,[2])

+ Trong đó:

MA là khối lượng mol của nước

MB là khối lượng mol của axit axetic

y tb 1 y tb 1là nồng độ phần mol của nước trong pha hơi của đoạn luyện

ρ xtb ρ xtb là khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng trong đoạn luyện

ρ xA , ρ xB ρ xA , ρ xB là khối lượng riêng trung bình của nước và axit axetic trongpha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m3)

Tra (Bảng I.2, T9, [1]) tại t tb=101,140C :

1−0,685 955,948

ρ xtb=956,77 ¿ ¿

- Tính vận tốc hơi trung bình đi trong đoạn luyện

Vận tốc làm việc của tháp phụ thuộc vào sức căng bề mặt của hỗn hợp lỏng,khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng, hơi và khoảng cách giữa các đĩa ( được chọntheo đường kính tháp), theo công thức:

(ρ y ω y)tb=0,065 φ[σ]√h ρ xtb ρ ytb¿ ¿ (CT.IX, 105, T184,[2])

Trong đó:

ρ xtb ρ ytb ρ xtb ρ ytb là khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và phahơi tính theo nhiệt độh là khoảng cách giữa các đĩa, giá trị h đượcchọn theo điều kiện tháp như sau:

1 19,6974∗10−3

Ta đồng nhất đường kính đoạn luyện về đường kính chuẩn: DL=1 (m)

1.2 Đường kính đoạn chưng

- Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được tính gần đúng bằng trungbình cộng lượng hơi ra khỏi đoạn chưng và lượng hơi vào đoạn chưng:

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

y1’: lượng hơi nước trong sản phẩm đáy (kg nước/ kg hỗn hợp)

y1’ = yw = 0,235 ( Phần mol) = 0,084 ( Phần khối lượng)

G’

1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

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

1−0,225 947,191

→ ρ ' xtb=948,6 ¿

- Tính vận tốc hơi đi trong đoạn chưng:

Vận tốc làm việc của tháp phụ thuộc vào sức căng bề mặt của hỗn hợp lỏng,khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng, hơi và khoảng cách giữa các đĩa (được chọntheo đường kính tháp), theo công thức: (IX, 105, T184, [2])

h là khoảng cách giữa các đĩa, chọn h = 0,35(m)

φ[σ ']φ[σ '] là hệ số tính đến sức căng bề mặt

Công thức tính σ σ như sau:

2 Chiều cao của tháp chưng luyện

- Chiều cao tháp đĩa tính theo công thức:

H=N tt(H đ+δ)+(0,8 ÷ 1) (m)(CT IX.54, T169, [2])

(0,8- 1) m: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp

- Nt: Số đĩa thực tế là 42 đĩa

- h: khoảng cách giữa các đĩa; h = 0,35m

- δ : chiều dày của đĩa Chọn δ = 0,003m

3.1 Cấu tạo của mâm lỗ

- Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:

+ Tiết diện tự do bằng 10% diện tích mâm.

+ Đường kính lỗ dl= 3mm = 0,003m

+ Chiều cao gờ chảy tràn hgờ = 50mm = 0,05m

+ Diện tích của hai đáy bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm

+ Lỗ bố trí theo hình tam giác đều

+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 9mm = 0,009m

∆ P KC= 1,82∗10,052∗1,243

2 =114,25(m N2)

+ K= ρ b/ρ L K= ρ b/ρ L: tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượngriêng của chất lỏng, lấy gần bằng 0,5

+Q L=n L M l

ρ L :su ấ t l ượ n g thể tích c ủ a pha l ỏ n g , m

3 /s

+ Tính chiều dài gờ chảy tràn:

Q¿=G p R M¿

M p ρ¿ =

608,69∗2∗24,72 18,42∗956,77∗3600=4,74∗10

−4 (m¿¿3 /s)¿

∆ h¿=(1,85∗0,87∗0,54,74∗10−4 )23 =7,03∗10−3(m)

Suy ra:

∆ P¿=1,3∗(h g ờ+∆ h¿)∗K∗ρ¿∗g=1,3∗(0,05+7,03∗10 −3)∗0,5∗956,77∗9,81=347,93 ¿¿

b Phần chưng

- Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng:

- Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần chưng:

Q LC=G w R M LC

M w ρ LC

= 991,31∗2∗84,72 53,7∗948,6∗3600=9,16∗10

−4 (m¿¿3 /s)¿

3.6 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động

- Khoảng cách giữa 2 mâm:

∆ h=350(mm)

- Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong

ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức:

h d=h g ờ+∆ h1+∆ P+h d '(mm ch ấ t l ỏ ng).h d=h g ờ+∆ h1+∆ P+h d '(mm chất lỏng)

Trong đó:

+ hgờ : chiều cao gờ chảy tràn (mm)

+ ∆ h1∆ h1 : chiều cao lớp chất lỏng trên mâm ( mm)

+ hd’ : tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm,được xác định theo biểu thức

+ Sd: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

Vậy khi hoạt động thì mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt

Kết luận: Khi hoạt động thì tháp sẽ không bị ngập lụt