tính toán thiết kế hệ thống thiết bị chưng cất hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp metanol – nước

Lý thuyết về chưng luyện Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tửtron

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG CẤT HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG

CẤT HỖN HỢP METANOL – NƯỚC

Giảng viên hướng dẫn : Ths BÙI TẤN NGHĨA

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN

Họ và tên sinh viên:

Lớp: DHHO7BLT

Chuyên ngành: Công nghệ Hóa hữu cơ

Tên đồ án: Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị chưng cất hoạt động liên tục, để chưng

cất hỗn hợp Methanol – Nước với năng suất 2500 kg/h theo nhập liệu

Nhiệm vụ của đồ án: Số liệu ban đầu và nội dung:

- Số liệu ban đầu:

1 Nồng độ Methanol trong nhập liệu (khối lượng): 15%

2 Nồng độ Methanol trong sản phẩm đỉnh (khối lượng): 90%

3 Nồng độ Methanol trong sản phẩm đáy (khối lượng): 3%

4 Thiết bị loại: Tháp mâm chóp, áp suất làm việc 1,5 at, trao đổi nhiệt

- Nội dung: Mở đầu, vẽ và thuyết minh quy trình công nghệ, tính toán công nghệ

thiết bị chính, tính kết cấu thiết bị chính, tính và chọn thiết bị phụ, kết luận, tài liệutham khảo, phụ lục

Ngày giao đồ án:

Ngày hoàn thành đồ án:

Họ tên giáo viên hướng dẫn:

Chủ nhiệm bộ môn

LỜI MỞ ĐẦU

Công nghệ hóa học là một trong những ngành đóng góp rất lớn trong sự phát triển củanền công nghiệp nước ta Trong ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩmhóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu có độ tinh khiết cao phải phù hợp với qui trìnhsản xuất hoặc nhu cầu sử dụng

Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết là: chưng cất, trích

ly, cô đặc, hấp thu … Tùy theo đặc tính sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp thíchhợp Hệ Methanol – nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta dùng phương pháp chưng cất

để nâng cao độ tinh khiết cho Methanol

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quátrình học tập của các kỹ sư hoá tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụtính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sảnxuất hoá chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiếnthức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cáchtổng hợp

Em chân thành cảm ơn Thầy Bùi Tấn Nghĩa và các Quí Thầy Cyô bộ môn Máy &Thiết Bị đã giúp em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ ánvẫn không tránh khỏi có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn

Nhóm em xin cám ơn Quý Thầy Cô!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:

 Nội dung thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:

 Nội dung thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1

PHẦN 2: TÍNH CÔNG NGHỆ 7

1.1 Tính lượng hỗn hợp: 8

1.2 Xác định số đĩa của tháp 9

Chương 2: TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THIẾT BỊ 14 2.1 Đường kính đoạn luyện: 15

2.2 Đường kính đoạn chưng: 20

Chương 3: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 24 3.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu: 24

3.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện: 26

3.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tu hồi lưu: 28

3.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh: 29

Chương 4: TÍNH KẾT CẤU CỦA THÁP CHƯNG LUYỆN 31 4.1 Kết cấu dĩa phần luyện: 31

4.2 Kết cấu đĩa đoạn chưng : 34 PHẦN 3: TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH 38

I Tính thân thiết bị chính: 38

II Tính đáy và nắp thiết bị: 41

III Tính bề dày lớp cách nhiệt: 42

IV Tính đường kính các loại ống dẫn: 43

VI Tính tải trọng của tháp: 46

PHẦN 4: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ50

I Tính toán thiết bị ngưng tụ hồi lưu: 50

II Thiết bị gia nhiệt nhập liệu: 54

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

I Lý thuyết về chưng luyện

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp

khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tửtrong hỗn hợp, nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ thì áp suất hơi của các cấu tử khácnhau

Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường bao nhiêu cấu tử sẻ có bấy nhiêusản phẩm Đối với trưòng hợp hỗn hợp chưng chỉ gồm hai cấu tử thì sản phẩm đỉnhgồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé còn sảnphẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn.Trong sản xuất có rất nhiều phương pháp chưng như chưng đơn giản, chưng bằnghơi nước trực tiếp, chưng chân không và chưng luyện Tùy thuộc vào điều kiện sẵn

có, tính chất hỗn hợp, yêu cầu về độ tinh khiết sản phẩm mà ta chọn phương phápchưng cho thích hợp

- Chưng đơn giản dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rấtkhác nhau Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch cấu tửkhỏi tạp chất

- Chưng bằng hơi nước trực tiềp dùng tách các hỗn hợp gồm các chất khó bayhơi và tạp chất không bay hơi, thường dùng trong trường hợp chất được táchkhông tan vào nước

- Chưng chân không dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi cấu tử Ví

dụ như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ caohay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao

- Chưng luyện là phương pháp phổ biến nhất để tách hoàn toàn hỗn hợp cáccấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vàonhau

- Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độcao và hỗn hợp có nhiệt độ sôi cao.

- Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suấtthường

- Chưng luyện ở áp suất thường (áp suất khí quyển ) dùng cho hỗn hợp khôngthuộc các trường hợp trên

Người ta tiến hành chưng luyện hỗn hợp cần chưng trong tháp chưng luyện, thápgồm nhiều đĩa, trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi.Hơi đi từ dưới lên qua các lổ của đĩa, lỏng đi từ trên xuống theo các ống chảychuyền, nồng độ các cấu tử và nhiệt độ sôi ở mỗi đĩa thay đổi theo chiều cao củatháp Do đó một phàn cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và mộtphần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng, lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụnhư thế, hay nói một cách khác, với một số đĩa tương ứng, cuối cùng ở trên đỉnhtháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng nguyên chất và ở tháp ta thu được cấu tửkhó bay hơi ở dạng nguyên chất

Quá trình chưng luyện được thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tục hoặcgián đoạn

Ở đây ta sẽ thiết kế hệ thống chưng luyện tháp mâm chóp làm việc liên tục với hỗnhợp chưng là rượu mêtylic và nước Khi chưng luyện liên tục, hỗn hợp đầu đượcđưa vào tháp ở đĩa tiếp liệu (nằm ở phần giữa thân tháp) một cách liên tục, sản phẩmđỉnh và sản phẩm đáy cũng được lấy ra liên tục

II Ưu, khuyết điểm của phương pháp chưng đĩa chóp:

Ưu điểm: Tách được sản phẩm có độ tinh khiết cao, dễ khống chế quá trình, bề mặt

tiếp xúc pha tương đối lớn, trở lực không cao

Khuyết điểm: Tiếp xúc pha không liên tục, cấu tạo phúc tạp.

a Tính chất lý hóa của rượu mêtylic

1.Tính chất lý học:

Rượu mêtylic là chất lỏng không màu, tan vô hạn trong nước có mùi vị đặc trưng,rất độc, chỉ một lượng nhỏ xâm nhập vào cơ thể cũng có thể gây mù lòa, lượng lớngây tử vong.

-Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển t0

s = 64,50C

- Khối lượng riêng ở 200C  = 791,7 Kg/m3

-Độ nhớt ở 200C  = 0,6.103 N.s/m2 =0,6 cp -Hệ số dẫn nhiệt ở 200C  = 0,179kcal/m.h.độ = 0,2082 W/m.độ -Nhiệt dung riêng ở 200C CP= 2570 J/kg.độ

-Nhiệt hóa hơi r = 262,79 kcal/kg ở 64,50C

và H nên trong cả hai liên kết đó cặp electron góp chung đều lệch về phía O làm chonguyên tử H trở nên linh động hơn Rượu mêtylic có khả năng tham gia các phảnứng sau:

- Làm phá vỡ liên kết C-OH với sự tách đi của nhóm -OH

- Làm phá vỡ liên kết -O-H với sự tách đi của -H

- Bị oxy hóa thành fomanđêhit:

CH OH + CuO  HCHO + Cu

Rượu mêtylic được ứng dụng để sản xuất anđêhytfomic làm nguyên liệu cho côngnghệ chất dẻo.

b Tính chất lý hóa của nước

- Nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị

- Nhiệt độ sôi ở 760mmHg là 100oC

- Hóa lỏng ở 00C

- Khối lượng riêng  = 997,08 kg/m3 ở 250C

- Độ nhớt  = 0,8937.103N.s/m2 = 893,7 Cp ở 250C

- Nhiệt dung riêng CP = 0,99892 kcal/kg.độ ở 250C

- Nhiệt hóa hơi ở áp suất khí quyển r = 540 kcal/kg

- Nước có công thức phân tử H2O, công thức cấu tạo H-O-H

- Nước là hợp chất phân cực mạnh, có thể hòa tan nhiều chất rắn, lỏng, khí

- Nước cần thiết cho sinh hoạt hằng ngày, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp,xây dựng, giao thông vận tải

- Nước dùng để điều chế oxy

III Dây chuyền công nghệ:

Thiết kế như hình vẽ

Hỗn hợp đầu từ bể chứa 1 được bơm 2 bơm lên thùng cao vị 3 rồi theo ống dẫn qualưu lượng kế 5 (điều chỉnh lượng hỗn hợp đầu vào tháp) đến thiết bị đun sôi hỗnhợp đầu 6 Sự có mặt của thùng cao vị đảm bảo cho lượng hỗn hợp đầu vào thápkhông dao động, trong trường hợp công suất bơm quá lớn hỗn hợp đầu sẽ theo ốngtuần hoàn 4 tràn về bể chứa hỗn hợp đầu Thiết bị đun sôi 6 là thiết bị trao đổi nhiệtống chùm với tác nhân nóng là hơi nước bão hòa Ra khỏi thiết bị đun sôi, hỗn hợpđầu ở nhiệt độ sôi đi vào tháp 7 ở đĩa nạp liệu

Sản phẩm đỉnh ở dạng hơi được ngưng tụ hoàn toàn khi đi qua thiết bị ngưng tụ 9đến thiết bị phân tách hồi lưu 10, một phần sản phẩm đỉnh hồi lưu trở về đỉnh tháp,phần còn lại đi vào thiết bị làm nguội 11 được làm lạnh và đi vào bể chứa sản phẩmđỉnh 12.Thiết bị ngưng tụ 9 là thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với tác nhân làmnguội là nước lạnh Thiết bị làm nguội 11 là thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (tácnhân làm nguội là nước lạnh)

Sản phẩm đáy đi ra khỏi tháp ở đáy được dẫn vào bể chứa sản phẩm đáy 13, đượclàm nguội tự nhiên Sản phẩm đáy ở đây là nước có chứa một ít metylic nên được

xủ lý rồi thải ra môi trường

8 là lò đun

14 là thiết bị bẫy hơi

aF: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu.

aD: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh

aW: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

xF: nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu

xD: nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong trong sản phẩm đỉnh

xW: nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

Cấu tử dễ bay hơi A: rượu metylic, cấu tử khó bay hơi B: nước

a M a M a

Lưu lượng hỗn hợp đầu và sản phẩm đáy:

Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:

1 Đường cong cân bằng - đồ thị t-x-y theo thực nghiệm:

Gọi x,y là nồng độ mol phần của thành phần lỏng và hơi của rượu mêtylic (tính theophần mol)

t (0C) là nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử (ở 760 mmHg)

Theo bảng IX.2a, trang 149, [2],ta có:

Y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100

T 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,6 66 64,5Dựa vào bảng số liệu này ta vẽ đồ thị đường cong cân bằng của hỗn hợp rươụMetylic và nước (Hình 1) và đồ thị biểu diễn đường cong sôi (Hình 2)

Hình 1: Đồ thị đường cong cân bằng của hỗn hợp rượu Metylic và nước.

Hình 2: Đồ thị biểu diễn đường cong sôi

Theo đồ thị đường cân bằng ta xác định được y*

Chỉ số hồi lưu thích hợp: ROPT

Rx = .Rmin (Công thức IX.25, trg 158, [2])

: hệ số hiệu chỉnh;  = (1,2  2,5)

Rmin: chỉ số hồi lưư tối thiểu Suy ra chỉ số hồi lưu tối thiểu là:

Rxmin =

F F

F P

x y

y x





*

* (Công thức IX.24, trg 158, [2])

Rmin = 00,,48300,09,4 = 1,39

Để xác định số đĩa lý thuyết của tháp bằng cách dựa vào phương trình đường nồng

độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng

Phương trình làm việc của đoạn luyện

8 , 129

Tương ứng với Rth =2,224 thì số đĩa lý thuyết của tháp là 7,1 (đĩa) 3,6 đoạn luyện,3,5 đoạn chưng.

2 Xác định số đĩa thực tế:

Số đĩa thực tế được xác định theo công thức:

Ntt =

tb lt

2 là hiệu suất ứng với đĩa tiếp liệu

3 là hiệu suất ứng với đĩa cuối cùng

- Ứng với đĩa tiếp liệu:

F

x

x y

y

Độ nhớt: với tS = 88oC

lgF = x FlgCH3OH  ( 1  x F) lgH2O

= 0,09.lg0,2521 + (1 - 0,09).lg0,3239 = -0,4994

83 , 0 1 93 , 0 1

93 , 0 1

D

x

x y

y

Độ nhớt: với tS

D = 67oClgD = x DlgCH3OH  ( 1  x D) lgH2O

w

x

x y

y

Độ nhớt: với tS

W = 97oClgW = x wlgCH3OH  ( 1  x w) lgH2O





tb lt

Chương 2: TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THIẾT BỊ

Đường kính tháp: (công thức IX.89, trg 181, [2])

D =

tb tb

V



 3600

4

, m

Hoặc D = 0,0188

tb y y tb

g

) (   , mTrong đó: Vtb - lượng hơi trung bình đi trong tháp, m3/h

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

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

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

2.1 Đường kính đoạn luyện:

1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện gtb: có thể xem gần đúng bằng

trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp gđ và lượng hơi đi vàodưới cùng g1 của đoạn luyện:

Trong đó, gđ = GR +GP = GP(RX+1) (công thức IX.92, trg 181, [2])

Với GR: lượng lỏng hồi lưu, kg/h

P P P

r g r

g

x G x

G y

g

G G

g

.

.

.

1 1

1 1 1

1

1 1

Trong đó x1 = aF = 0,15 (phần khối lượng)

xP = aP = 0,90 (phần khối lượng)

G1:lượng lỏng đĩa thứ nhất đoạn luyện

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

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn luyện

1

1 1

1

1 1

1 ,

3 0 2

5 5 1

87 5 ,

3 24 7 11

07 8 ,

29 2

7 3 ,

11 11

90 , 0 83 ,

3 44

1 5 , 0

83 ,

3 44

y r

r

g

G y

g

G g

h kg g

kg kcal

r

lu on g

kh oi

p ha n y

/

79 6 ,

45 1

/

6 26 ,

7 96

/

6 1 ,

40 7

) _

_ (

4 75 ,

2

2.Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn luyện:

(yy)tb = 0,065[] h xtb ytb , kg/m2 (Công thức IX.105, trg 184, [2])

xtb, ytb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi tính theo nhiệt độ

Ơ 80oC: a2 = 17,6 dyn/cm (metylic)

b2 = 62,6 dyn/cm (nước)

= >  a  a2  a1   1 , 7 dyn/cm

6 , 3

6 , 3

b a

hh  



1 1 1

b a hh

Ta thấy hh < 20 dyn/cm nên chọn [] = 0,8

*Tính khối lượng riêng trung bình:

Khối lượng riêng của metylic và nước: (Theo bảng I.2, trg 9, [1])

5 , 738 5 , 17 756 ) 60 5 , 77 ( 60

1 5 , 77

25 , 77

a hh

x x

273 4 ,

22 T p

p M

yTB 

 , p = p0 = 1

8951 , 0 5 , 77 273

273

4 , 22

tb y

178 , 954

h

h 

Chọn h = 0,35 (m) = > D = 0,63 m

2.2 Đường kính đoạn chưng:

1 Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng g’tb: có thể xem gần đúng bằngtrung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng g’n và lưọng hơi đi vào đoạn chưngg’1:

g’tb =

2

'' g1

g n

, kg/h (Công thức IX.96, trg 183, [2])

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

g’n = g1 = 796,626 kg/hLuợng hơi đi vào đọan chưng g’1, luợng lỏng G’1 và hàm lượng lỏng x’1 được xácđịnh theo hệ phương trình cho ở trang 182, Sổ tay QTTB tập 2:

1

) 2 ( 1

1 1

) 1 ( 1

1

'

' '

'

.

' '

'

' '

r g r

g r

g

x G y

g x

G

G g

G

n n

w w w

w

Trong đó r’1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạnchưng, được tính theo công thức:

r’1= ra.y’1 + (1-y’1).rb Với y’1 = yW là thành phần cấu tử dễ bay hơi (metylic) trong pha hơi cân bằng vớipha lỏng trong sản phẩm đáy Dựa vào đồ thị đường cân bằng (H.1) ứng với xW=0,017 ta có yW= 0,09 phần mol ứng với phần khối lượng:

18 91 , 0 32 09 , 0

32 09 , 0

Thay vào (1):

G’1 = 653,0055 + 2155,17 = 2808,1755 kg/hThay vào (2):

,4512





phần molPhân tử lượng trung bình của hỗn hợp hơi trong đoạn chưng:

'

M hh = y’tb.MA + (1-y’tb).MB

=0,2136.32 + 0,7864.18 = 20,99 đvC

2 Tốc độ hơi trung bình trong đoạn chưng

(’y’y)tb=0,065[] h  'xtb  'ytb ; kg/m2.s (Công thức IX.105, trg 184,[2]

’xtb, ’ytb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi tính theo nhiệt độtrung bình, kg/m3.

h: khoảng cách các đĩa trong đoạn chưng ,giá trị của h chọn theo đường kính tháp.

[]: hệ số tính đến sức căng bề mặt

*Tính [] ở nhiệt độ trung bình đoạn chưng ttb =t F t w 92 , 5o C

2

97 88

Tra sức căng bề mặt của metylic và nước (bảng I.242, trg 300, [1], ta có :

a180 = 17,6 dyn/cm , a2100 = 15,7 dyn/cm

b180 = 62,6 dyn/cm , b2100 = 58,9 dyn/cm

Tính tương tự như phần luyện:

cm dyn t

a a

b b

hh  



1 1 1



 = >

b a

b a hh

*Tính khối lượng riêng trung bình pha lỏng:

Tra khối lượng riêng của metylic và nước (bảng I.2, trg 9, [1]) ta được:

a180 = 736 kg/m3 , a2100 = 714 kg/m3

b180 = 972 kg/m3 , b2100 = 958 kg/m3

Bằng phương pháp nội suy ta có:

3 80

1 5 , 92

/25,7225,12.1,1736)805,92

t

a a

1 5 , 92

/25,9635,12.7,0972)805,92

t

b b

a hh

x x

Khối lượng riêng của pha hơi:

3

/ 7 , 0 5 , 92 273

273

4 , 22

'

m kg

tb y

y ' ) 0 , 065 0 , 8 935 , 1659 0 , 7 1 , 33 '

tb

33 , 1

8158 , 724 0188 , 0 ) ' ' (

Chương 3: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

Gọi QD1 là nhiệt lượng do hơi nưóc cung cấp để đun sôi hỗn hợp đầu

Qf là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun sôi hỗn hợp

QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu

Qm là nhiệt lượng do mất mát

Qy là nhiệt lượng do hơi mang ra khỏi tháp chưng

QR là nhiệt lượng do lượng hồi lưu mang vào tháp

Qh là nhiệt lượng do hơi mang ra khỏi thiết bi ngưng tụ hồi lưu

QD2 là nhiệt lượng do hơi đốt đun sôi ở đáy tháp mang vào

3.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:

QD1 + Qf = QF + Qm (8)

1

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1:

QD1 = D1.r1 (Công thức IX.150, trg 196, [2])

D1: lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp đầu, kg/h

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

Vì nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu là 880C nên nhiệt độ của hơi nưóc phải cao, chọn109,360C tương ứng với nước sôi ở áp suất 1,5 at (bảng I.97, trg 230, [1]) Theo toán

đồ xác định nhiệt hóa hơi trang 255, [2] ta có nhiệt hóa hơi của nước ở 109.360C là

r1 = 532,92 Kcal/kg = 2231,2 KJ/kg

2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu Qf:

Qf = F.Cf tf (J/h) (Công thức I X.151, trg 196, [2]

Với Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg.độ

tf: nhiệt độ đầu của hỗn hợp, xét ở 250C

Ta có: Cf = aA.CA + (1-aA).CB

aA: nồng độ phần khối lượng trong hỗn hợp đầu, aA = 0,15

CA, CB: nhiệt dung riêng của metylic và nước ở 250C

*Nhiệt dung riêng của metylic ở 25oC:

Nhiệt dung riêng của metylic theo nhiệt độ: (Tra bảng I.154, trg 172, [1]

CA20 = 2570 J/kg.độ , CA40 = 2670 J/kg độ

= > Nhiệt dung riêng của metylic ở 250C là:

CA25 = CA20 + C A C A (25 20) 2570 5.5 2595J/kgdo

2040

20 40

*Nhiệt dung riêng của nước ở 25oC:

Ta có nhiệt dung riêng của nước ở 250C là CB25 = 0,99892 kcal/kg.độ = 4182,3J/kg.độ (Tra bảng I.147, trg 165, [1])

Vậy Cf = 0,15.2595 + (1-0,15).4182,3 = 3944.21 J/kg.độ

Qf = 2500.3944,21.25 = 246513,1 kJ/h3

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

QF = F.CF tF , J/h (Công thúc IX.152, trg 196, [2]

Với CF: nhiệt dung riêng hỗn hợp đi ra thiết bị đun sôi

tF = 880C

Ta có : CF = aF.CA + (1-aF).CB

CA ,CB :nhiệt dung riêng của metylic và nước ở 88oC

Tra bảng nhiệt dung riêng và theo phương pháp nội suy ta có:

Nhiệt dung riêng của metylic ở 88oC:

CA88 = CA80 +C A C A 8 2902J/kgdo

20

28602965

2860)

8088(80100

80 100

,



, 2231

84 , 669222 1

1





3.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện:

Phương trình cân bằng nhiệt của tháp chưng luyện:

QF +QD2 + QR = Qh + QW + Qm (** )

1

Lượng nhiệt do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp QR:

QR = CR.D.RX.tR J/h (Công thức IX.158, trg 196, [2])Với RX: chỉ số hồi lưu, RX = 2,224

D: lượng sản phẩm đỉnh, D = 344,83 kg/h

tR: nhiệt độ lỏng hồi lưu, tR = tD = 67oC

CR: nhiệt dung riêng của lỏng hồi lưu

CR = aP CA + (1-aP).CB

CA,CB :nhiệt dung riêng của metylic và nước ở 67oCTra bảng nhiệt dung riêng của metylic và nước ở 60oC và 80oC, theo phương phápnội suy ta có:

CA67 = CA60 + (67 60)

6080

60 80

QW = GW.CW.tW , J/h (Công thức IX, trg 197, [2])Với GW: lượng sản phẩm đáy, GW = 2155,17 kg/h

CW: nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy

QW = 2155,17.4088,98.97 = 854807,36 kJ/h3

Nhiệt lượng do hơi mang ra khỏi tháp chưng Qy:

Qy = P.(1+RX).đ , J/h (Công thức IX.159, [2])

Với P: lượng sản phẩm đỉnh, P = 344,83 kg/h

đ: nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, được tính:

đ = A.aA + B.(1-aA)

A, B: nhiệt lượng riêng của metylic và nước ở đỉnh tháp

aA: phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi (metylic) trong sản phẩm đỉnh, aA = 0,90

Nnhiệt dung riêng một cấu tử được tính theo:

 = r + C.tvới r: ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử đó.J/kg

C: nhiệt dung riêng của cấu tử ở nhiệt độ t = tP = 67oC

Nhiệt dung riêng của metylic ở 67oC:

CA = 3110 J/kg.độNhiệt dung riêng của nước ở 67oC:

CB = 4190,61 J/Kg.độ(Đã tính ở phần tính nhiệt lượng do lượng hồi lưu)

= > đ = (rA + CA.tP).aA + (rB + CB.tP).(1 - aA)

Qy = 344,83.(1 + 2,224).1438482,257 =1599206,641 kJ/h.

4

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp QD:

Nhiệt lượng tổn hao Qm = 0,05.QD2 , thay vào (**), ta được:

95 , 0

) (

) (

2

R F w y D

Q Q Q Q

Q    

95 , 0

) 165351,79 (882274,8

) 854807,36 1

, 2231

801 , 1480407 1

3.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tu hồi lưu:

Ta dùng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh

P.(RX+1).r = Gn1.Cn(t2 - t1) (Công thức IX.164, [2])Với P: lượng sản phẩm đỉnh, P = 344,83 kg/h

RX: chỉ số hồi lưu, RX = 2,224

Gn1: lượng nước cần dùng cho thiết bị ngưng tụ hồi lưu

t1, t2: nhiệt độ của nước đi vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ hồi lưu,chọn t1 = 25oC, t2 = 45oC.

= > Nhiệt độ trung bình trong thiết bị ngưng tụ hồi lưu: ttb= t t 35o C

17,1222872)

1224,2.(

83,344)

.(

)

1.(

1 2

3.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:

Dùng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

P.CP.(t’1-t’2) = Gn2.Cn(t2-t1) (Công thức IX.167, trg 198, [2])

Với Gn2: lượng nước lạnh dùng cho thiết bị, kg/h

CP: nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/kg.đột’1, t’2: nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh khi qua thiết bịlàm lạnh , t’1 = 67oC , t’2 = 35oC

t1,t2: nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh , chọn t1 = 25oC , t2

= 45oC => ttb = 35oC

Cn: nhiệt dung riêng của nước ở 35oC, Cn = 4180,89 J/kgđộ

CP: nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh ở ttb = 51 0C

2

35 67





.Tính nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh ở 51oC:

CP = aA.CA + (1-aA).CB

(Tra bảng I.154, trg 172, [1]) ta có nhiệt dung riêng của rượu metylic theo nhiệt độ:

C 40 = 2670 J/kg.độ, C 60 = 2760 J/kg.độ