THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP CHƯNG CẤT ACETON NƯỚC

Xác định suất lượng khối lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy Cân bằng vật chất cho toàn tháp: GF = GD + GW 1... Acetone - Nước ở áp suất thườngDựa vào bảng này ta vẽ được đường cân bằng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC



BÁO CÁO ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG

CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

CHƯNG LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ

ACETON - NƯỚC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG

Họ tên: Du Đức Hoàng Long

MSSV: 14095651 Lớp: DHHO10C Nhóm: 1

Tổ: 4 GVHD: Nguyễn Tiến Đạt

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 29, tháng 9, năm 2017

Chương 1: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I Các thông số ban đầu

- Năng suất theo nhập liệu: 6000 kg/h

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi (acetone) trong nhập liệu: 24% khối lượng

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi (acetone) trong sản phẩm đỉnh: 98% khối lượng

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi (acetone) trong sản phẩm đáy: 2% khối lượng

- Nguyên liệu vào hệ thống ở nhiệt độ sôi

- Quá trình làm việc trong thiết bị ở áp suất thường

- Loại thiết bị chưng cất sử dụng là tháp mâm chóp

- Khối lượng phân tử của acetone và nước lần lượt là: MA = 58, MN = 18

* Chọn:

+ Nhiệt độ nhập liệu: tFv = 30oC

+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tD = 35oC

+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: tw = 35oC

* Các kí 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

+xF,xD,xW : phần khối lượng của acetone trong hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy + xF, xD, xW : phần mol của acetone trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy + yF, yD, yW: phần mol của acetone trong pha hơi ở hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy

II Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.

1 Xác định suất lượng khối lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

Cân bằng vật chất cho toàn tháp:

GF = GD + GW (1)

Cân bằng vật chất cấu tử nhẹ (acetone):

xF.GF = xD.GD +xW.GW (2) Giải hệ phương trình (1) và (2):

xF.GF = xD.GD +xW.GW  24.6000 = 98.GD + 2.GW

 GD = 1375 (Kg/h)

GW = 4625 (Kg/h)

2 Tính toán phân mol các dòng

Công thức tổng quát:

xi = (xi /MA)/ [xi /MA + (1 -xi )/MN] + Nhập liệu:

x F = (xF /MA)/ [xF /MA + (1 -xF )/MN]

= (0,24/58)/ [0,24/58+ (1 -0,24)/18]

= 0,089 ( phân mol acetone )

+ Sản phẩm đỉnh :

x D = (xD /MA)/ [xD /MA + (1 -xD )/MN]

= (0,98/58)/ [0,98/58+ (1 - 0,98)/18]

= 0,938 ( phân mol acetone )

+ Sản phẩm đáy :

x W = (xW /MA)/ [xW /MA + (1 -xW )/MN]

= (0,02/58)/ [0,02/58+ (1 - 0,02)/18]

= 6,294 10 -3 ( phân mol acetone )

3 Tính toán khối lượng phân tử trung bình các dòng

Công thức tổng quát :

Mi = MA.xi + MB.(1 - xi )

+ Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :

MF = MA.xF + MB.(1 - xF )

= 58 0,089 + 18.(1 - 0,089)

= 21,56 ( Kg/Kmol )

+ Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh :

MD = MA.xD + MB.(1 - xD )

= 58 0,938 + 18.(1 - 0,938)

= 55,52 ( Kg/Kmol )

+ Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy :

MW = MA.xW + MB.(1 - xW )

= 58 6,294 10-3 + 18.(1 - 6,294 10-3 )

= 18,252 ( Kg/Kmol )

4 Tính toán suất lượng mol các dòng

Công thức tổng quát:

i = G i

M i

+ Suất lượng mol dòng nhập liệu: F = G F

+ Suất lượng mol dòng sản phẩm đỉnh: D = G D

+ Suất lượng mol dòng sản phẩm đáy:

W = F - D = 278,293 - 24,766 = 253,527 ( Kmol/h )

y 0 0,603 0,72 0,803 0,827 0,842 0,855 0,869 0,882 0,904 0,943 1

t (

oC)

10

69,

56, 1

Bảng 1 Thành phần lỏng (x), hơi (y) tính theo phần mol của hỗn hợp hai cấu tử

Acetone - Nước ở áp suất thường

Dựa vào bảng này ta vẽ được đường cân bằng ycb = f(x) và xác định được thành phần mol (y) và nhiệt độ sôi tương ứng

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

X (phân mol)

Đồ thị Đường cân bằng lỏng - hơi của Acetone - nước ở áp suất thường

Bảng 2 Thành phần Acetone - Nước trong hỗn hợp

III Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

Chỉ số hồi lưu là thông số quan trong ảnh hưởng đến chế độ làm việc, chất lượng sản phẩm và yêu cầu công nghệ Đây là thông số cần thiết các phương trình đường làm việc của tháp vì thế muốn xác định đường làm việc ta phải xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Việc xác định chỉ số hồi lưu dựa trên cơ sở giản đồ y - x Chỉ số hồi lưu thích hợp (R) được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu và quan hệ theo phương trình sau: R

= b.Rmin

1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu

Chỉ số hồi lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lí thuyết là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí vận hành (bơm, nước, nhiên liệu, )

là cực tiểu

Chỉ số hồi lưu tối thiểu được xác định theo các bước sau:

1 Vẽ đồ thị đường cân bằng pha trên đồ thị x, y

2 Xác định điểm D (xD, yD = xD) đỉnh tháp chưng cất trên đồ thị

3 Xác định điểm nhập liệu (xF, y*

F) trong đó y*

F là nồng độ pha hơi cân bằng ứng với nồng độ nhập liệu

4 Dựng đường thẳng qua 2 điểm trên, giá trị giao điểm của đường

thẳng với trục tung chính bằng Bo = x D

1+R min, từ đấy suy ra giá trị

Rmin.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

X (phân mol)

Từ cơ sở của phương pháp tiến hành trên, ta có thể rút ra được phương trình tính toán giá trị Rmin

Rmin = x D−y F

¿

y¿F

( Dùng đồ thị cũng có thể tìm được Bo = 0,668, từ đó tính Rmin)

2 Chỉ số hồi lưu thích hợp

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 chỉ số hồi lưu

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

 Cách 1: Tính toán chỉ số hồi lưu theo công thức kinh nghiệm :

R = (1,2  2,5).Rmin

hay R = 1,3.Rmin + 0,3

 R = 1,3.0,403 + 0,3  0,824

 Cách 2: Tính toán chỉ số hồi lưu theo phương pháp thể tích nhỏ nhất :

Đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp, khó kiểm soát nên người ta có thể tính chỉ số hồi lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất Để tính được chỉ số hồi lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất ( không tính đến chi phí vận hành ), ta cần lập mối quan hệ giữa chỉ số hồi 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 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 mx hay số mâm lí thuyết Nlt Cho nên, thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số mx*(R+1) hoặc 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 chỉ số hồi lưu thích hợp R

Vấn đề là phải xác định các trị số mx ứng với các giá trị R khác nhau để thiết lập quan hệ phụ thuộc giữa R và mx(R+1) trên đồ thị Muốn thế ta cho nhiều giá trị R lớn hơn

Rmin, tính tung độ Bi và vẽ các đường làm việc của tháp Cứ mỗi giá trị R ta tính số đơn vị chuyển khối tương ứng

3 1,6 0,57 0,645 10 16,45

14 14.5

15 15.5

16 16.5

17 17.5

18

R

Đồ thị liên hệ R - N lt *(R+1)

Theo đồ thị trên ta nội suy được chỉ số hồi lưu thích hợp Rth = 0,9

IV Phương trình đường làm việc, số mâm lý thuyết

1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất:

y =R +1 R .x + x D

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

y =R +1 R+f.x - R +1 f −1.xw = 0,9+11,3440,9+1 .x - 11,344−10,9+1 0,007 = 6,444.x - 0,0381

3 Số mâm lý thuyết

Xác định số mâm lý thuyết bằng đồ thị được tiến hành như sau :

1 Vẽ đường cân bằng x -y trên đồ thị nồng độ phần mol

2 Xác định phương trình đường làm việc và biểu diễn phương trình đường làm việc trên đồ thị Các phương trình đường làm việc là đường thẳng nên chỉ cần thiết lập

2 điểm để vẽ các phương trình này

3 Vẽ số bậc thang thay đổi bắt đầu từ điểm D (xD, yD = xD) và kết thúc ở điểm W (xw, xw) Số bậc thang trên đồ thị ứng với số mâm lý thuyết cần tìm

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Đườn

g cân bằng y=x

Đườn

g cất

Đườn

g chưng

X (phân mol)

Đồ thị tính toán mâm lý thuyết trên đường làm việc

Từ đồ thị, ta có số mâm lý thuyết Nlt = 8 mâm

V Xác định số mâm thực tế

Có nhiều phương pháp xác định số mâm thực tế, ngoại trừ các ảnh hưởng của thiết

kế cơ khí tháp thì ta có thể xác định số mâm thực dựa vào hiệu suất trung bình :

Nt = N¿

❑tb

trong đó : Nt - số mâm thực tế

Nlt - số mâm lý thuyết

tb - hiệu suất trung bình của thiết bị

Hiệu suất  là một hàm số của độ bay hơi tương đối  của các hỗn hợp thực và độ nhớt của chất lỏng  = f(.)

Muốn xác định hiệu suất ta phải xác định tích số ., nhờ các giá trị ta tìm hiệu suất theo đồ thị hình IX.1 STT1 Vì hiệu suất trong tháp thay đổi theo chiều cao nên ta phải tính nhiều trị số rồi lấy trị số trung bình

Ta lấy một trị số của mâm trên cùng, một trị số của mâm nhập liệu và một trị số ở mâm

tb = ❑1+❑2+❑3

3 với 1 : hiệu suất ở mâm trên cùng

2 : hiệu suất ở mâm nhập liệu

1 : hiệu suất ở mâm cuối cùng

 Xác định hiệu suất trung bình của tháp  tb :

+ Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi :

 = 1− y y¿ ¿.1−x x với : x - phân mol của acetone trong pha lỏng

y* - phân mol của acetone trong pha hơi cân bằng với lỏng

- Tại vị trí nhập liệu:

xF = 0,089 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y*

F = 0,694, tF = 71,43oC

 F = y

¿

- Tại vị trí đỉnh tháp:

xD = 0,938 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y*

D = 0,965, tD = 56,97oC

 D = y

¿

- Tại vị trí đáy tháp:

xW = 0,007 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y*

W = 0,0844, tW = 96,91oC

 W = y

¿

+ Độ nhớt của hỗn hợp xác định theo nhiệt độ:

Độ nhớt hỗn hợp được tính theo công thức:

lg hh = xA.lgA + (1-xA).lgN

 Độ nhớt sản phẩm đỉnh:

lg D = xD.lgA + (1-xD).lgN

= 0,938.lg0,235 + (1-0,938).lg0,493

= -0,609

 D = 10-0,609 = 0,246 (cP)

 Độ nhớt nguyên liệu đầu:

lg F = xF.lgA + (1-xF).lgN

= 0,089.lg0,214 + (1-0,089).lg0,407

= -0,415

 F = 10-0,415 = 0,385 (cP)

 Độ nhớt nguyên liệu đầu:

lg W = xW.lgA + (1-xW).lgN

= 0,007.lg0,175 + (1-0,007).lg0,295

= -0,532

 W = 10-0,532 = 0,294 (cP)

Khi biết tích số . ta tính được hiệu suất tương ứng

Từ đó tính được hiệu suất trung bình của thiết bị:

tb = ❑1+❑2+❑3

Suy ra số mâm thực:

Nt= N¿

❑tb= 0,428 = 19 mâm

CHƯƠNG 2 : CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu

Qnl = GF CpF (tFr - tFv) + Qm

Qnl : nhiệt lượng cần cung cấp, kJ/h

CpF : nhiệt lượng riêng của hỗn hợp nhập liệu, kJ/kg.oC

tFv, tFr : nhiệt độ nhập liệu vào và ra khỏi thiết bị , oC

Từ đây ta có:

trong đó Cp = xF.CpA + (1 -xF).CpN

Qm = 5% Qnl

2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

Cho quá trình ngưng tụ không làm lạnh

Qng = GD.(R+1).rD , kJ/h

Xác định rD ( ẩn nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh):

Tra tài liệu tham khảo, ở tD = 56,97 oC ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của Acetone rA: 522,138 (kJ/kg)

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước rN: 2365,658 (kJ/kg)

 rD = rA.xD + ( 1 -xD).rN = 522,138.0,98 + 0,02.2365,658 =559,008 (kJ/kg) Vậy: Qng = GD.(R+1).rD = 1375.(0,9+1).559,008 = 1460408,4 (kJ/h)

3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh.

Làm lạnh sản phẩm đỉnh:

QD

ll = GD.CpD (tsD - tD) Làm lạnh sản phẩm đáy:

ll = GW.CpW (tsW -tW)

CpD, CpW : nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kJ/kg.oC

4 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất:

QF + QK + Qlo = QD + QW + Qm + Qng

 QK = QD + QW + Qm + Qng - QF - Qlo

 QK : nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, kJ/h

 Qm: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh Chọn Qm = 5%.QK

 QF : nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào, kJ/h

QF = GF.CF.tF

Ở tF = 71,43 oC, tra tài liệu tham khảo, ta có nhiệt dung riêng của Acetone CpA =

2,342 (kJ/kg.oC)

Suy ra: CF =xF.CpA + (1 -xF).CpN = 0,24.2,342 + 0,76.4,180 = 3,739 (kJ/kg.oC)

Vậy: QF = GF.CF.tF = 6000.3,739.71,43 = 1602460,62 (kJ/h)

 QD : nhiệt lượng do dòng sản phẩm mang ra, kJ/h

QD = GD.CpD.tD

Ở tD = 56,97 oC, tra tài liệu tham khảo, ta có nhiệt dung riêng của Acetone CpA =

2,295 (kJ/kg.oC)

Suy ra: CpD =xD.CpA + (1 -xD).CpN = 0,98.2,295 + 0,02.4,188 = 2,333 (kJ/kg.oC)

Vậy: QF = GF.CF.tF = 1375.2,333.56,97 = 182752,64 (kJ/h)

 QW: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra, kJ/h

QW = GW.CpW.tW

Ở tW = 96,91 oC, tra tài liệu tham khảo, ta có nhiệt dung riêng của Acetone CpA

= 2,425 (kJ/kg.oC)

Suy ra: CpW =xW.CpA + (1 -xW).CpN = 0,02 2,425 + 0,98.4,224 = 4,188 (kJ/kg.oC)

Vậy: QW = GW.CW.tW = 4625.4,188.96,91 = 1877098,245 (kJ/h)

 Qng : nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ, kJ/h

Qng = GD.(R+1).rD

Xác định rD ( ẩn nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh):

Tra tài liệu tham khảo, ở tD = 56,97 oC ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của Acetone rA: 522,138 (kJ/kg)

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước rN: 2365,658 (kJ/kg)

 rD = rA.xD + ( 1 -xD).rN = 522,138.0,98 + 0,02.2365,658 =559,008 (kJ/kg) Vậy: Qng = GD.rD = 1375.559,008 = 768636 (kJ/h)