Giao trinh bai tap do duc giao toan roi rac

Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu củ

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN

Cán bộ hướng dẫn Nhận xét: _

Điểm: _ Chữ ký: _

Cán bộ chấm hay Hội đồng bảo vệ Nhận xét:

Điểm: Chữ ký: _

Điểm tổng kết:

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm Vì thế, các phương

pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày

càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,…

Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương

pháp phù hợp Đối với hệ Nước – Axit axetic là 2 cấu tử tan lẫn hoàn

toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học

tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể

về: quy trình công nghê, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản

xuất hóa chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng

những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn

đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của Đồ án này là tính toán và thiết kế hệ thống chưng cất Benzen – Axit axetic có năng suất là 4500 kg/h, nồng độ nhập liệu

là 40 % (kg benzen/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đỉnh là 99 % (kg

benzen/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đáy là 1 % (kg benzen/kg hỗn

hợp) Sử dụng hơi đốt có áp suất 3at Nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi

Chưng cất ở áp suất khí quyển

MỤC LỤC

GIỚI THIỆU

I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 6

1 Khái niệm 6

2 Các phương pháp chưng cất 6

3 Thiết bị chưng cất 7

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU 8

1 Benzen (C6H6) 8

2 Axit axetic (CH3COOH) 9

3 Hỗn hợp Benzen – Axit axetic 10

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 11

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 14

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU 14

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY 15

III XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CÁC DÒNG PHA 15

1 Tại đỉnh tháp 15

2 Tại mâm nhập liệu 16

3 Tại đáy tháp 16

IV XÁC ĐỊNH SỐ CHỈ SỐ HỒI LƯU CỦA THÁP CHƯNG CẤT 16

1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu 16

2 Tỉ số hoàn lưu làm việc 17

V TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT 19

1 Cân bằng nhiệt cho toàn tháp 20

2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 20

3 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 20

4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 20

5 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 21

TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH 22

I TÍNH TOÁN SỐ ĐĨA LÝ THUYẾT VÀ SỐ ĐĨA THỰC 22

1 Phương trình đường cất và số đĩa lý thuyết 22

II TÍNH TOÁN ĐƯỜNG KÍNH VÀ CHIỀU CAO THÁP CHƯNG CẤT 23

1 Tính toán hiệu suất trung bình đĩa vị trí nhập liệu, đỉnh và đáy tháp 23

2 Tính toán đường kính và chiều cao tháp 23

III TÍNH TOÁN TRỞ LỰC THÁP 30

1 Cấu tạo đĩa lỗ 30

2 Trở lực phần cất của tháp 30

3 Trở lực phần chưng của tháp 32

4 Tổng trở lực của tháp 33

TÍNH TOÁN KẾT CẤU THIẾT BỊ CHÍNH 34

I TÍNH TOÁN BỀ DÀY THÁP, BÍCH GHÉP, ĐỆM 34

1 Bề dày thân tháp 34

2 Đáy và nắp 35

3 Chọn bích ghép và đệm cho thân, đáy và nắp 35

4 Bề dày đĩa và chiều cao gờ tràn 37

II TÍNH TOÁN ỐNG DẪN 37

1 Ống dẫn dòng nhập liệu 38

2 Ống dẫn hơi ở đỉnh tháp 38

3 Ống dẫn dòng hoàn lưu 39

4 Ống dẫn hơi ở đáy tháp 40

5 Ống dẫn lỏng vào nồi đun 40

6 Ống dẫn lỏng ra khỏi nồi đun 41

III TÍNH TOÁN CHÂN ĐỠ, TAI TREO THÁP 41

1 Tính toán trọng lượng của toàn tháp 41

2 Chọn và tính toán chân đỡ 42

3 Chọn và tính toán tai treo 43

4 Lớp cách nhiệt 44

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 45

I THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP 45

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 45

2 Hệ số truyền nhiệt 46

3 Tính toán hệ số cấp nhiệt các dòng 46

II THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẦM ĐỈNH 49

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 49

3 Tính toán hệ số cấp nhiệt các dòng 49

III THIẾT BỊ ĐUN SÔI DÒNG NHẬP LIỆU 52

1 Suất lượng hơi đốt cần dùng 52

2 Hiệu số nhiệt độ trung bình 53

3 Hệ số truyền nhiệt 53

IV THIẾT BỊ GIẢI NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY 56

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 56

2 Hiệu số truyền nhiệt 56

3 Tính toán hệ số cấp nhiệt các dòng 57

V THIẾT BỊ GIẢI NHIỆT SẢN PHẨM ĐỈNH 60

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 60

2 Hệ số truyền nhiệt 61

3 Tính toán hệ số cấp nhiệt các dòng 61

VI BỒN CAO VỊ 65

1 Tổn thất đường ống dẫn 65

2 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ 66

3 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 66

4 Chiều cao bồn cao vị 67

VII BƠM 68

1 Năng suất 68

2 Cột áp 68

3 Công suất 70

PHỤ LỤC 71

KẾT LUẬN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

 Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ

 Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

 Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm

Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi cao và một phần rất ít các cấu tử có

2.2 Phân loại theo nguyên lý làm việc

- Chưng cất đơn giản

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp

- Chưng cất

2.3 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp

- Cấp nhiệt trực tiếp

- Cấp nhiệt gián tiếp

Vậy: đối với hệ Benzen– Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

3 Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

 Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác

nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau

Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…

- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

 Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay

hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:

Ưu

điểm

- Cấu tạo khá đơn giản

- Trở lực thấp

- Làm việc được với chất lỏng bẩn

nếu dùng đệm cầu có    của

- Do có hiệu ứng thành  khi tăng

năng suất thì hiệu ứng thành tăng

 khó tăng năng suất

Vậy: sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Benzen – Axit axetic

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU

1) Đi từ nguồn thiên nhiên

Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ…

2) Đóng vòng và dehiro hóa ankane

Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt

CH3(CH2)4CH3 Cr2O3 /Al2O3

C6H6

3) Dehidro hóa các cycloankane

Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen

 Benzen là một nguyên liệu rất quan trọng trong công nghiệp hoá chất

 Những nguyên tử hidro trong benzen dễ bị thay thế bằng clo và các halogen khác,

bằng các nhóm sunfo-, amino-, nitro- và các nhóm định chức khác

 Clobenzen, hexaclobenzen, phenol, anilin, nitrobenzen… đấy mới chỉ là một số dẫn suất của benzen dùng trong công nghiệp hoá chất để sản xuất chất dẻo và thuốc nhuộm, bột giặt và dược phẩm, sợi nhân tạo, chất nổ, hoá chất bảo vệ thực vật, v.v…

 Trong phòng thí nghiệm, benzen được sử dụng rộng rãi làm dung môi Hơi benzen độc

và phải thận trọng khi làm việc với nó

2 Axit axetic (CH 3 COOH)

2.1 Tính chất

 Là một chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng, khối lượng riêng 1049 kg/m3

(ở 20 o

C)

 Khi hạ nhiệt độ xuống một phần axit đông đặc thành một khối tinh thể có

Tnc = 16.635 oC , Tsôi = 118 oC

 Tan trong nước, rượu và ete theo bất kỳ tỷ lệ nào

 Là 1 axit yếu, hằng số phân ly nhiệt động của nó ở 25 o

C là K = 1.75x10-5 Tính ăn mòn kim loại:

 Axit axetic ăn mòn sắt

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

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

2.2 Điều chế

Axit axetic được điều chế bằng cách:

1) Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là một giai đoạn trung gian Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic

CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH

C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O

2) Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ acetylen

Sự oxy hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban axetat Người

ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80oC để ngăn chặn sự hình thành peroxit Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi chế axit axetic kết tinh được

3) Tổng hợp đi từ cồn metylic và Cacbon oxit

Hiệu suất có thể đạt 50 – 60% so với lý thuyết bằng cách cố định cacbon oxit trên cồn metylic qua xúc tác

Nhiệt độ từ 200 – 500oC, áp suất 100 – 200atm:

 Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic)

 Làm đông đặc nhựa mủ cao su

 Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat – làm phim ảnh không nhạy lửa

 Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat

 Làm các phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp

 Axetat nhôm dùng làm chất cắn màu (mordant trong nghề nhuộm)

 Phần lớn các ester axetat đều là các dung môi, thí dụ: izoamyl axetat hòa tan được

nhiều loại nhựa xenluloza

3 Hỗn hợp Benzen – Axit axetic

Hỗn hợp có thành phần cân bằng giữa pha lỏng (x) – pha hơi (y) và nhiệt độ sôi

(Bảng IX-2a, trang 146, [6]) ở áp suất 1 atm:

Bảng 1: Thành phần cân bằng lỏng- hơi Benzen – Axit axetic

x 0 5,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100

y 0 26.0 42.0 59.0 68.6 75.0 79.0 83.0 88.0 92.5 97.0 100

T 118.1 111.4 105.8 99.0 94.0 90.3 88.0 85.7 83.5 82.0 80.8 80.2

Đồ thị cân bằng Benzen – Axit axetic:

Hình 1:Đồ thị cân bằng lỏng- hơi Benzen – Axit axetic

Chương 2

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

Hình 2:Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất Benzen- Axit Axetic

1 2

Lк Th? Kim Ph?ng

Thiết bị đun sôi đáy tháp

Áp kế Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Nhiệt kế

Lưu lượng kế Bẫy hơi Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu Bồn chứa sản phẩm đỉnh

Bồn cao vị Bơm Bồn chứa nguyên liệu

1/2 Chức năng

SVTH GVHD

Chữ ký Họ tên

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Tỉ lệ Bản vẽ số Ngày HT Nguy?n Van L?c

Nguy?n H?i Quвn

Đồ án môn học : Quá trình và Thiết bị

THI? T K? H? TH? NG CHUNG C? T BENZEN - AXIT AXETIC DЩNG THБ P Р IA L? KHФNG CУ ? NG CH? Y TRUY? N

Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Khoa Công nghệ Hóa học BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ STT TÊN GỌI ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT SL VẬT LIỆU 1

4 7 5

11 9

Sản phẩm đỉnh

Dòng hồi

P

Hơi đốt

Nước ngưng

Nước lạnh Nước nóng

Khí không ngưng

5

10

3

6 8

1 1 1 3 1 1

P

x = 70%

t   = 40  C

Sản phẩm đáy

8

Nước làm lạnh Nước

Hỗn hợp Benzen – Axit axetic có nồng độ Benzen 40% (theo phần khối lượng), nhiệt độ khoảng 30 o C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (4), rồi được đưa vào tháp chưng cất (6) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm

nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (10) lôi cuốn cấu tử dễ bay

hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt

độ sôi cao là Axit axetic sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu

tử Benzen chiếm nhiều nhất (có nồng độ 99% phần khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (7) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về

tháp ở đĩa trên cùng Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp

lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (Axit axetic) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Benzen

là 1% phần khối lượng, còn lại là Axit axetic Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (10) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13), được làm nguội đến 40 o

C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (12)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Benzen, sản phẩm đáy là Axit axetic

Chương 3

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ

Khi chưng luyện dung dịch Benzen - Axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là Benzen

MCOOHCH

:axeticAxit

(g/mol)78

MHC:Benzen

A 3

B 6

 Trạng thái nhập liệu: Nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi

Đối với thiết bị đun sôi đáy tháp:

 Áp suất hơi đốt : Ph = 3 at

Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 40 oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 30 oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 50 oC

Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 30 oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 50 oC

 Các ký hiệu:

GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h

GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

xi,xi: nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY

Khối lượng mol trung bình của nhập liệu:

G

F

F  = 68,08 kmol/h

Áp dụng công thức IX.16 và IX.17, trang 144, [5]:

Áp dụng cho trường hợp chưng cất được gia nhiệt gián tiếp

Đun gián tiếp :

Fx

WDF



F D W F W

Wx

x

Dx

0,007710,339

Fxx

xx

W D

Coi lưu lượng mol của các dòng pha đi trong mỗi đoạn tháp ( chưng và cất) là không đổi

1 Tại đỉnh tháp

Vì tại đỉnh tháp nồng độ phần mol của Benzen trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau

 Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đỉnh tháp là bằng nhau:

MHD = MLD = xD.MB + (1 – xD) MA = 0,987 78 + (1 – 0,987) 60 = 77,77 kg/mol Suất lượng mol của dòng hơi tại đỉnh tháp:

2 Tại mâm nhập liệu

Khối lượng mol của dòng nhập liệu:

Vì tại đáy tháp nồng độ phần mol của Benzen trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau

 Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đáy tháp là bằng nhau:

MHW = MLW = xW MB + (1 – xW) MA = 0,00771x78 + (1 – 0,00771)x60 = 60,14 kg/kmol Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy:

W = 45,05 kmol/h

Và: nLW = n’LF = 101,61 kmol/h

nHW = nHF = nHD = 56,56 kmol/h

IV XÁC ĐỊNH SỐ CHỈ SỐ HỒI LƯU CỦA THÁP CHƯNG CẤT

1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước và bơm…)

Xác định giá trị y *

F từ đồ thị cân bằng lỏng hơi:

Hình 3:Đồ thị cân bằng pha x-y của hệ Benzen – Axit Axetic

Dựa vào hình 3, ta xác định được y*

0,7140,987

xy

yx

F

* F

* F D

0,728

2 Tỉ số hoàn lưu làm việc

Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp ,thiết bị ngưng tụ ,nồi đun và công để bơm cũng tăng theo.Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần ,lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu

Tổng chi phí bao gồm: chi phí cố định và chi phí điều hành Tỉ số hoàn lưu thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu

Tuy nhiên, đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp ,khó kiểm soát nên người ta có thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất Để tính được tỉ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều hành),ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ

số hoàn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn Rth ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất

Nhận thấy, tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp, mà lượng hơi lại tỉ lệ với lượng lỏng hồi lưu trong tháp, do trong điều kiện làm việc nhất định thì GD sẽ không đổi nên lượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1), do đó, tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với (R+1)

Ngoài ra ,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối m hay số mâm lý thuyết Nlt Cho nên ,thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số Nlt*(R+1) Như vậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa

R và Vtháp theo quan hệ R và Nlt*(R+1) Từ đồ thị của quan hệ này ,ta xác định được điểm cực tiểu của Nlt*(R+1) ứng với tỉ số hoàn lưu thích hợp R

Do giá trị R chạy từ 1.1Rmin đến 3Rmin

Bảng 3:Mối liên hệ giữa R và V tháp

V TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT

Chọn hơi đốt là hơi nước ở 3 at

Tra bảng I.251, trang 314, [5]:

 Nhiệt hóa hơi: rH2O = r =2171000 J/kg n

 Nhiệt độ sôi: tn = 132,9 oC

Sử dụng đồ thị T- x, y của hỗn hợp Benzen – Axit axetic ta có:

Dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ:

 Trước khi vào nồi đun ( lỏng): tS1 = 116,25 oC

 Sau khi được đun sôi ( hơi): tS2= 117,85 oC

Phần khối lượng

Nhiệt

độ

NS khối lượng kg/h

Năng suất mol kmol/h

Enthanpy trạng thái sôi kJ/kg

Ẩn nhiệt hóa hơi kJ/kg

1 Cân bằng nhiệt cho toàn tháp

206,14)]

02709(291,9206,14)

71791(156,7,916

-1)1791x3916

1,05[(1,45

)]

h-(hG+)h-(hG+rG1)+1,05[(R

Lượng nhiệt cung cấp tính theo giây sẽ là: Qđ = 544.781 kJ/s = 544 781 J/s = 544 781 W

 Nếu dùng hơi nước bão hòa ( không chứa ẩm) để cấp nhiệt thì:

Qđ = GH2O r H2O(1-a)

Vậy lượng hơi nước cần dùng là: Gn =  

2171x0,95

544.781a)

(1r

156,550h

h

-Q

V R

h

Q

V R

209,50

43,019h

h

-Q

V R

5 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

QF = GF(hFS – hFV) = Gnrn (1-a)

 Lượng nhiệt trao đổi: QF = GF(hFS – hFV) = 4500(206,14-57,89) = 667125 kJ/h

Tính nhiệt theo giây: QF = 185,313 kJ/s = 185313 J/s = 185313 W

2171x0,95

185,313a)

(1r

-QG

h F

Chương 4

TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH

I.TÍNH TOÁN SỐ ĐĨA LÝ THUYẾT VÀ SỐ ĐĨA THỰC

1 Phương trình đường cất và số đĩa lý thuyết

 Phần cất:

1456,1

987,0x.1456,1

456,11R

xx1R

956,21x1456,1

956,2456,1x1R

f1x1R

fR

08,68D

F

2,956

Từ phương trình đường luyện và đường cân bằng x-y của Benzen - Axit axetic ta được sô

bậc lý thuyết với phần chưng và phần cất của tháp

Hình 5: Đồ thị mô tả số đĩa lý thuyết hệ Benzen – Axit axetic

Từ đó, xác định được số đĩa lý thuyết trong quá trình chưng cất hỗn hợp Benzen –Axit axetic

là 11 mâm gồm: 8 đĩa cất và 3 đĩa chưng

II.TÍNH TOÁN ĐƯỜNG KÍNH VÀ CHIỀU CAO THÁP CHƯNG CẤT

1 Tính toán hiệu suất trung bình đĩa tại các vị trí nhập liệu, đỉnh và đáy tháp

 Vị trí đỉnh tháp:

Tại đỉnh tháp có x= xD=0,987, từ đường cân bằng ta có giá trị y* = yD = 0,995, tính

 Độ bay hơi tương đối: F =

70,995)0,98(1

0,987)0,995(1

y*)x(1

x)(1

*y

Tra bảng I.101, trang 91, [5] Độ nhớt của Benzen BF = 0,3149 cP

Tra bảng I.101, trang 91, [5] Độ nhớt của Axít axetic AF = 0,5580 cP

 Độ nhớt của hỗn hợp lỏng:

Công thức I.12, trang 84, [5]: lghh=x1lg1 +x2lg2

     lgF= 0,987lg0,3149 + (1-0,987)lg0,558

F = 0,3173 cP F=2,520x0,3173=0,7995

Tra hình IX.12, trang 171, [6] F = 0,533

 Vị trí nhập liệu và vị trí đáy tháp ta có bảng giá trị như sau:

Bảng 5: Giá trị tính toán của vị trí nhập liệu và đáy tháp

xx

 Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong phần cất:

0,719

xC  kg Benzen/ kg hỗn hợp

Hình 6: Đồ thị T-x,y hệ Benzen – Axit axetic

Dựa theo hình 6, đồ thị cân bằng pha t-x,y:

 Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần cất: TLC = 83,60 oC

Tra bảng 1.268, trang 328, [5]

 Khối lượng riêng của Benzen ở 83.6 o

C: BC = 813,173 kg/m3Tra bảng 1.2, trang 9, [5]

 Khối lượng riêng của Axit axetic ở 83.6 o

C: BC = 976,860 kg/m3

Áp dụng công thức 1.2, trang 5, [5]

976,860

0,7191

813,173

0,719ρ

x1ρ

xρ

1

AC C BC

C LC

Dựa theo hình 6, đồ thị cân bằng pha t-x,y:

 Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần cất: THC = 87,71 oC

 Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần cất:

 Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần cất:

273,15)(87,7

x 273,1522,4

74,31

x 1RT

PMρ

HC

HC HC





 Tính vận tốc pha hơi đi trong phần cất:

Lượng hơi trung bình trong đoạn cất: Áp dụng công thức IX.91,trang 181, [6]

2

gg

gtb V  R



gV: lượng hơi đi vào đĩa đầu tiên của phần cất

gR: lượng hơi đi ra đĩa cuối cùng của đoạn cất

_ V _

V B

000,392r

C4,80

t

A

B o

_

kJ/kg916,3910,99)-383,572x(199

392,000x0,)

y(1ryr

r

_ D A

_ D B

2693,1G

4484,1g

y4,762387,489

r

1,9274398,80x39r

grg

1791x0,990,4G

yg

1791GvG

g

_ V V V V

_ V V

R R V V

V _

V V

HD V

kg/h 4441,52

4398,84484,1

2

gg

 Tốc độ hơi đi trong tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền

Tốc độ giới hạn trên: Áp dụng công thức IX.112, trang 186,[6]

Y = 10.e-4X

8 / 1

x y 1/4

y

x

ρ

ρG

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

dlo: đường kính tương đương của lỗ (m) Chọn dlo = dtd = 4 mm

Lưu lượng lỏng đi trong đoạn cất:

2,514441,5

3145,5X

1/8 1/4

-3 B

o LC

0,542x10μ

0,306x10μ

C83,60

Áp dụng công thức I.12, trang 84, [5]: lgμ hh x 1 logμ B (1x 1 )logμ A

μhh 0,371x10-3 N.s/m2

 Chọn DC = 0,75 (m)

4

π0,750,15F

2

16 , 0 3 3

3 4x0,42

0,16

n x x y

td lo 4X y

10

0,371x10856,97

2,51

x0,067x9,81x4x10

10e

μ

μρρ

Fgd10eω

)ω(ρ

G0,0188D'

tb y y

 Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng

Áp dụng công thức IX.96, trang 182, [6]

gv: lượng hơi đi vào đoạn chưng

gr: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn cất

Lượng hơi gv, hàm lượng yv, lượng lỏng Gv được xác định theo phương trình cân bằng vật chất và năng lượng sau:

Áp dụng công thức IX.98,IX.99 và IX.100, trang 182, [6]

V

_ W W _ W V V V

W V V

rgr

g

xGygx

G

GgG

W B

363,983r

C116,25

T

A

B o

56,4418g

56,7127G

1724052482

,384x09,4484r

.g184,390xg

01,0270901

,0xgxG

2709g

G

V V V

VC VC V

V V V

V V

2

4484,14418,5

2

ggG

 Tốc độ hơi đi trong tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền:

Tốc độ giới hạn trên: Áp dụng công thức IX.112, trang 186,[6]

Y = 10.e-4X

8 / 1

x y 1/4

y

x

ρ

ρG

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

dlo: đường kính tương đương của lỗ (m) Chọn dlo = dtd = 4 mm

 Lưu lượng lỏng đi trong đoạn chưng

3604,52

45002709

2

GG

45,001

,916

09,24451,3

3604,5ρ

ρG

G

X

8 / 1 4

/ 1 1/8

x y 1/4

3 B

o LCh

10x450,0μ

0,260x10μ

C100,55

2

16 , 0 3 3

3 4x0,45

0.16

n x x y

td lo 4X y

10

0,4x10916,01

2,09

x0,067x9,81x4x10

10e

μ

μρρ

Fgd10eω

0,9)ω(0,8

)ω(ρ

G0,0188D'

tb y y

y

Vậy chọn đường kính theo tiêu chuẩn DCh = 0.8 m

Vì D C D Ch , nên ta có thể lấy đường kính của toàn tháp là đường kính theo tiêu chuẩn,

chọn D = 0.8 m

 Kết luận: Đường kính tháp chọn theo chuẩn là D = 0.8 m

Vận tốc pha hơi trong phần chưng và cất thực tế:

x2,09x3600πx0,8

4x4451,3 x3600

ρπD

4x4441,5 x3600

ρπD

 Chiều cao thân tháp: Hthân = (ntt -1)∆h +1 = ( 26-1) x 0,35+1 = 9,75 m

 Chọn đáy (nắp) elip tiêu chuẩn có

D

ht

= 0,25  ht = 0,25 x 0,8 = 0,2 m

 Chọn chiều cao gờ: hg = 50 mm = 0,05 m

 Chiều cao đáy (nắp): Hđn = ht + hg = 0,25 m

III.TÍNH TOÁN TRỞ LỰC THÁP

Tính toán trở lực thủy lực của mâm trong phần cất và phần chưng của tháp theo

Công thức IX.136, trang 192,[6]: Pd Pk PPb N/m2

1 Cấu tạo đĩa lỗ

 Chọn tháp đĩa xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:

 Tổng diện tích lỗ bằng 10% diện tích đĩa

810

 Lỗ bố trí theo hình lục giác đều

Công thức V.141 , trang 49,[6] Chọn bước lỗ t = 10 mm

 Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T

 Số lỗ trên 1 mâm:

N =

2 2

lo lo

Dia

0,004

0,80,1d

D0,1S

2 o

: hệ số trở lực đĩa khô Đối với đĩa lỗ chọn ξ= 2,1

H: khối lượng riêng của hơi (kg/m3

)

o: tốc độ hơi qua lỗ của đĩa (m/s)

Tổng diện tích lỗ bằng 10% tổng tiết diện đĩa:

 Vận tốc hơi đi trong phần cất: C = 0,978 m/s

 Vận tốc hơi qua lỗ: ’C =

0,1

0,97810%

.ρωξ

2 H

2

: sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần cất: TLC = 83,6 oC

Tra bảng 1.242, trang 300, [5] Sức căng bề mặt của Benzen: BC = 0,02144 N/m

Tra bảng 1.242, trang 300, [5] Sức căng bề mặt của Axit axetic: AC = 0,02085 N/m Vậy sức căng bề mặt phần cất: σC  0,021 N/m

lo σ

4.10

4x0,021

d

4σ

ΔP   = 21 N/m2

2.3 Trở lực thủy tĩnh theo lớp chất lỏng bọt trên đĩa

Áp dụng công thức IX.146, trang 195, [6]: ΔP b ρ b gh b N/m2

hb: chiều cao lớp bọt trên đĩa:

hb =

2 , 0

3

2 3

0,2

lo

2 C lo

10xx81,9

78,910

x4xgd

0,036

y x 0,18

x y 0,325

ρG

G0,43

17914500

2

GG

6 B

o LC

8,6x10μ

10x2,9μC87,71

x856,979,1x10

0,371x10856,97

2,514441,5

3145,50,43

ρ

,0,036

6

3 0,18

2 o

Tổng diện tích lỗ bằng 10% tổng tiết diện đĩa:

 Vận tốc hơi đi trong phần chưng: C = 1,176 m/s

 Vận tốc hơi qua lỗ: ’C =

0,1

1,17610%

.ρωξ

2 H

: sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng: TLCh = 100,55 oC

Tra bảng 1.242, trang 300, [5] Sức căng bề mặt của Benzen BL = 0,01856 N/m

Tra bảng 1.242, trang 300, [5] Sức căng bề mặt của Axit axetic AL = 0,01961 N/m Vậy sức căng bề mặt phần chưng: σCh  0,019 N/m

lo σ

4.10

4x0,019

d

4.σ

ΔP   = 19 N/m2

3.3 Trở lực thủy tĩnh theo lớp chất lỏng trên bọt đĩa

Áp dụng công thức IX.146, trang 195, [6]: ΔPb ρbghb N/m2

hb: chiều cao lớp bọt trên đĩa:

hb =

2 0

3

2 3

0.2

lo

2 C lo

10x4x81,9

76,1110

x4xgd

0,036

y x 0,18

x y 0,325

ρG

G0,43

27094500

2

GG

Tra bảng I.113, trang 115, [5], tra toán đồ I.35, trang 117, [5]

6 B

o HCh

8,9x10μ

10x,9μC100,55

x916,019,1x10

0,4x10916,01

2,094451,3

3604,50,43

ρ

0,036

6

3 0,18

- Chọn khoảng cách giữa các mâm của tháp: ∆h = 0,35 m Vì các mâm ở phần chưng

có trở lực thủy lực lớn hơn phần cất nên chỉ cần kiểm tra sự phù hợp của khoảng cách mâm ở phần chưng

x

ρ g 916,01 x 9,81

 Điều kiện trên được thỏa

- Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động của mâm

Vận tốc tốc tối thiểu qua lỗ của pha hơi:

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của axit axetic đối với thiết bị,

ta chọn thiết bị thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

1.1.Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán

 Nhiệt độ tính toán: t = tmax + 20oC = 116,25 + 20 = 136,25 oC (trang 9,[9])

 Áp suất tính toán: vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên: P = Pthủy tĩnh + P (trang 9,[9])

 Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp:

C =

2

916,01856,97

 Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường

Vì môi trường axit có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị là trong 15 năm, tốc độ ăn mòn là 0,1 mm/năm

 Ca = 0,1 x 20 = 2 (mm)

 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn

Tra hình 1.1, trang 18, [9].Vì vật liệu là X18H10T  []* = 140 N/mm2

 Hệ số hiệu chỉnh

Vì thiết bị có bọc lớp cách nhiệt  = 0,95 (trang 26, [9])

 Ứng suất cho phép [] =  []* = 0,95x 140 = 133 N/mm2

 Hệ số bền mối hàn

Tra bảng XIII.8, trang 362, [6]

Vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía h = 0,95

1.2.Tính bề dày

Ta có:  

0,950.1

133P

0,18002[σ[

PD

Tra bảng XIII.9, trang 364, [6]: Quy tròn theo chuẩn: S = 4 mm

Tra bảng 5.1, trang 94, [7]: Bề dày tối thiểu: Smin = 3 mm

 Bề dày S thỏa điều kiện



 0,1800

2

4   0,0025  0,1 (thỏa)

Áp dụng công thức 5-11, trang 97, [7]

2)(4800

2)(40,951332)C(SD

)C(S2[σ[

[P]

a t

a h

 Chọn đáy và nắp có dạng hình elip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10T

 Chọn bề dày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp: S = 4 mm

)C(S2[σ[

[P]

0.125D

CS

a t

a h

t a

 Điều kiện trên được thỏa như đã kiểm tra ở phần thân tháp

Kết luận: Kích thước của đáy và nắp:

3 Chọn bích ghép và đệm cho thân, đáy và nắp

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng:

 Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích này chủ yếu

dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình

 Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng kim

loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bị

 Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao

Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ

Hình 8: Bích ghép thân 3.1.Chọn bích ghép thân, đáy và nắp

Tra bảng XIII.27, trang 417, [6], ứng với Dt = 800 mm và áp suất tính toán P = 0,1 N/mm2

75,94,

Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây amiăng, có bề dày là 3 mm

4 Bề dày đĩa và chiều cao gờ tràn

 Bề dày đĩa đã chọn ở phần 1, mục III – TÍNH TOÁN TRỞ LỰC THÁP,

30%

2

αRcos2

αRsin2

12