Đồ án Hóa công Chưng luyện

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nền công nghiệp đã mang lại cho con người những lợi ích vô cùng to lớn về vật chất và tinh thần. Để nâng cao đời sống nhân dân, để hòa nhập chung với sự phát triển chung của các nước trong khu vực cũng như trên thế giới Đảng và Nhà nước ta đã đề ra mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Trong tiến trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước những ngành mũi nhọn như công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ điện tử tự động hóa…công nghệ hóa giữ vai trò quan trọng trong việc sản xuất các sản phẩm phục vụ cho nền kinh tế quốc dân, tạo tiền đề cho nhiều ngành khác phát triển. Khi kinh tế phát triển thì nhu cầu của con người ngày càng tăng. Do vậy các sản phẩm cũng đòi hỏi cao hơn, đa dạng hơn, phong phú hơn, theo đó công nghệ sản xuất cũng phải nâng cao. Trong công nghệ hóa học nói chung việc sử dụng hóa chất có độ tinh khiết cao là yếu tố căn bản tạo ra sản phẩm có chất lượng cao. Có nhiều phương pháp khác nhau để làm tăng nồng độ, độ tinh khiết như: chưng cất, cô đặc, trích ly. Tùy vào tính chất của hệ mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp.

Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG 5

1.1: LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN: 5

1.1.1: Phương pháp chưng luyện: 5

1.1.2 Thiết bị chưng luyện: 6

1.2.GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG LUYỆN: 6

1.2.1.Axit propinic 6

1.2.2 Nước (H2O) 8

1.3 DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 11

11

Chương 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 13

2.1 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ: 13

2.1.1.Cân bằng vật liệu 14

2.1.2.Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu 15

2.1.3.Tính chỉ số hồi lưu thích hợp 16

2.1.4.Số đĩa lý thuyết 27

2.1.5.Phương trình đường nồng độ làm việc: 27

2.2 TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP 28

2.2.1.Lượng hơi trung bình các dòng pha đi trong tháp 28

a.Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: 31

2.2.2.Khối lượng riêng trung bình 35

a.Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện: 35

2.2.4 Tính đường kính tháp 37

a Đường kính đoạn luyện: 37

b Đường kính đoạn chưng 38

2.3 TÍNH CHIỀU CAO THÁP 38

2.3.1 Hệ số khuếch tán 38

a Hệ số khuếch tán trong pha lỏng (Dx) 38

2.3.2 Hệ số cấp khối 39

2.3.3 Hệ số chuyển khối, đường cong động học, số đĩa thực tế: 42

2.3.4 Hiệu suất tháp, chiều cao tháp 46

2.4 TÍNH TRỞ LỰC THÁP 48

2.4.1 Trở lực của đĩa khô 48

2.4.2 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt 49

2.4.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa 49

2.4.4 Trở lực của tháp 50

2.5 TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 50

2.5.1 Tính cân bằng nhiệt trong thiết bị gia nhệt hỗn hợp đầu: 51

2.5.2 Tính cân bằng nhiệt lượng toàn tháp chưng luyện 53

2.5.3 Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị ngưng tụ: 56

2.5.4 Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị làm lạnh 57

Chương 3 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 59

3.1 TÍNH TOÁN THÂN THÁP: 59

3.1.1 Áp suất trong thiết bị 59

3.1.2 Ứng suất cho phép 60

3.1.3 Tính hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc: 61

3.1.4 Đại lượng bổ sung 61

3.1.5 Chiều dày thân tháp 61

3.2 TÍNH ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN 62

3.2.1 Đường kính ống chảy chuyền 63

3.2.2 Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp 63

3.2.3 Đường kính ống dẫn hơi đỉnh tháp 64

3.2.4 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy 64

Nhiệt độ của hỗn hợp đáy t = 111,6562C 64

3.2.5.Đường kính ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu 65

3.2.6 Đường kính ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu 66

3.3 TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ 66

3.4 CHỌN MẶT BÍCH 71

Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3 2

3.5.1 Tính khối lượng toàn bộ tháp 72

3.5.2 Tính tai treo 75

Chương 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 77

4.1 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU 77

4.1.1 Tính hiệu số nhiệt độ trung bình 77

4.1.2 Tính lượng nhiệt trao đổi 78

4.1.3 Tính hệ số cấp nhiệt 78

4.2 TÍNH BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ 84

4.2.1 Tính các trở lực 85

4.2.2 Tính chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu 91

4.2.3 Tính và chọn bơm 92

KẾT LUẬN 96

Trong tiến trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước những ngànhmũi nhọn như công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ điện tử

tự động hóa…công nghệ hóa giữ vai trò quan trọng trong việc sản xuất cácsản phẩm phục vụ cho nền kinh tế quốc dân, tạo tiền đề cho nhiều ngànhkhác phát triển

Khi kinh tế phát triển thì nhu cầu của con người ngày càng tăng Dovậy các sản phẩm cũng đòi hỏi cao hơn, đa dạng hơn, phong phú hơn, theo

đó công nghệ sản xuất cũng phải nâng cao Trong công nghệ hóa học nóichung việc sử dụng hóa chất có độ tinh khiết cao là yếu tố căn bản tạo rasản phẩm có chất lượng cao Có nhiều phương pháp khác nhau để làm tăngnồng độ, độ tinh khiết như: chưng cất, cô đặc, trích ly Tùy vào tính chất của

hệ mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp

Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3 4

1.1: LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN:

1.1.1: Phương pháp chưng luyện:

Chưng luyện là một phương pháp nhằm để phân tách một hỗn hợp khí

đã hóa lỏng dựa trên độ bay hơi tương đối khác nhau giữa các cấu tử thànhphần ở cùng một áp suất

Phương pháp chưng luyện này là một quá trình trong đó hỗn hợp đượcbốc hơi và ngưng tụ nhiều lần Kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp ta thu đượcmột hỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi và nồng độ đạt yêu cầu.Phương pháp chưng luyện cho hiệu suất phân tách cao, vì vậy nó được sửdụng nhiều trong thực tế

Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, người ta đưa ra nhiềuthiết bị phân tách đa dạng như tháp chóp, tháp đĩa lỗ không có ống chảytruyền, tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền, tháp đệm… Cùng với các thiết bị ta

có các phương pháp chưng cất là:

a Áp suất làm việc:

- Chưng cất ở áp suất thấp

- Chưng cất ở áp suất thường

- Chưng cất ở áp suất cao

Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên nhiệt độ sôi của các cấutử: nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì giảm áp suất làm việc đểgiảm nhệt độ sôi của các cấu tử

b Nguyên lý làm việc: có thể làm việc theo nguyên lý liên tục hoặcgián đoạn:

• Chưng gián đoạn: phương pháp này được sử dụng khi:

Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

Không cần đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết caoTách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

• Chưng liên tục: là quá trình được thực hiện liên tục nghịchdòng và nhiều đoạn

1.1.2 Thiết bị chưng luyện:

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp khác nhau nhưngchúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích tiếp xúc bề mặt pha lớn

Tháp chưng cất phong phú về kích cỡ và ứng dựng Các tháp lớnthường được sử dụng trong công nghệ lọc hóa dầu Đường kính tháp phụthuộc vào lượng pha lỏng và lượng pha khí, độ tinh khiết của sản phẩm.Mỗi loại tháp chưng lại có cấu tạo riêng, có ưu điểm và nhược điểm khácnhau, vậy ta phải chọn loại tháp nào cho phù hợp với hỗn hợp cấu tử cầnchưng và tính toàn kích cỡ của thết bị cho phù hợp với yêu cầu

Trong đồ án này em được giao thiết kế tháp chưng luyện liên tục loạitháp đĩa lỗ có ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp hai cấu tử là Nước –axitpropionic, chế độ là việc ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt

• Lịch sử:

Axít propinic lần đầu tiên được Johann Gottlieb miêu tả năm 1844.Ông là người đã tìm thấy nó trong số các sản phẩm phân hủy của đường.Trong khoảng thời gian vài năm sau đó, các nhà hóa học khác cũng tạo raaxít propinic theo các cách khác nhau, nhưng không có ai trong số họ nhận

ra rằng họ đã tạo ra cùng một hợp chất Năm 1847, nhà hóa học người Pháp

là Jean-Baptiste Dumas đã chứng minh được tất cả các axít trên đây chỉ làmột hợp chất và ông gọi nó là axít propinic, lấy theo tiếng Hy Lạp protos =

"đầu tiên" và pion = "béo", do nó là axít với công thức tổng quátH(CH2)nCOOH nhỏ nhất có các tính chất của một axít béo, chẳng hạn như

sự tạo ra một lớp váng mỡ khi bị kết tủa bởi muối và có muối với kali cótính chất giống xà phòng

là BASF, với công suất khoảng 80 ktpa.

Axit propioic có thể được sản xuất bằng phương pháp cacbonyl hóa.Cho anken tác dụng với nước và CO

Axit propionic cũng được tạo ra theo phương pháp sinh học từ sự phânhủy do trao đổi chất của các axít béo chứa số lẻ các nguyên tử cacbon, cũngnhư từ sự phân hủy của một số axít amin Các vi khuẩn thuộcchi Propionibacterium cũng tạo ra axít propionic như là sản phẩm cuối cùngtrong hoạt động trao đổi chất kỵ khí của chúng Các vi khuẩn này được tìmthấy rất phổ biến trong dạ dày của các động vật nhai lại, và hoạt động củachúng là một phần nguyên nhân tạo ra mùi vị của cả pho mát Thụy

Sỹ và mồ hôi

• Ứng dụng:

Axit propionic ngăn cản sự phát triển của mốc và một số vi khuẩn Dovậy, phần lớn axit propionic được sản xuất để sử dụng làm chất bảoquản trong công nghiệp thực phẩm Đối với thức ăn cho gia súc, nó dược sửdụng hoặc là trực tiếp hoặc dưới dạng muối amoni Đối với thực phẩm dànhcho con người, đặc biệt là bánh mì và các sản phẩm nướng khác, nó đượcdùng dưới dạng các muối natri hay canxi

Axit propionic cũng là một hóa chất trung gian có ích Nó có thể sửdụng để thay đổi các sợi xenlulozo tổng hợp Nó cũng được dùng để sảnxuất một số thuốc trừ sâu và dược phẩm Các este của axit propionic đôi khiđược dùng làm dung môi hay các chất tạo mùi nhân tạo

1.2.2 Nước (H2O)

Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có công thức hóa học

là H2O Với các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kếthiđrô và tính bất thường của khối lượng riêng) nước là một chất rất quantrọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời sống; 70% diện tích của TráiĐất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3% tổng lượng nước trên Trái Đất nằmtrong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước uống

• Cấu tạo:

Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hidro và một nguyên tử oxy Vềmặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45° Do các cặp điện tử

tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình

tứ diện Chiều dài của liên kết O-H là 96,84 picomet

• Tính lưỡng cực:

Oxy có độ âm điện cao hơn hidro Việc cấu tạo thành hình ba góc vàviệc tích điện từng phần khác nhau của các nguyên tử đã dẫn đến cực tínhdương ở các nguyên tử hiđrô và cực tính âm ở nguyên tử oxy, gây ra sựlưỡng cực Dựa trên hai cặp điện tử đơn độc của nguyên tử ôxy, lý thuyếtVSEPR đã giải thích sự sắp xếp thành góc của hai nguyên tử hiđrô, việc tạothành mô men lưỡng cực và vì vậy mà nước có các tính chất đặc biệt Vì

Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3 8

• Liên kết hiđrô:

Các phân tử nước tương tác lẫn nhau thông qua liên kết hiđrô và nhờvậy có lực hút phân tử lớn Đây không phải là một liên kết bền vững Liênkết của các phân tử nước thông qua liên kết hidro chỉ tồn tại trong một phầnnhỏ của một giây, sau đó các phân tử nước tách ra khỏi liên kết này và liênkết với các phân tử nước khác

Đường kính nhỏ của nguyên tử hidro đóng vai trò quan trọng cho việctạo thành các liên kết hidro, bởi vì chỉ có như vậy nguyên tử hidro mới cóthể đến gần nguyên tử oxy một chừng mực đầy đủ Các chất tương đươngcủa nước, thí dụ như dihidro sulfua (H2S), không tạo thành các liên kếttương tự vì hiệu số điện tích quá nhỏ giữa các phần liên kết Việc tạo chuỗicủa các phân tử nước thông qua liên kết cầu nối hidro là nguyên nhân chonhiều tính chất đặc biệt của nước, thí dụ như nước mặc dù có khối lượngmol nhỏ vào khoảng 18 g/mol vẫn ở thể lỏng trong điều kiện tiêu chuẩn.Ngược lại, H2S tồn tại ở dạng khí cùng ở trong những điều kiện này Nước

có khối lượng riêng nhỏ nhất ở 4 độ Celcius và nhờ vào đó mà băng đá cóthể nổi lên trên mặt nước; hiện tượng này được giải thích nhờ vào liên kếtcầu nối hiđrô

• Các tính chất hóa lý của nước:

Cấu tạo của phân tử nước tạo nên các liên kết hiđrô giữa các phân tử là

cơ sở cho nhiều tính chất của nước Cho đến nay một số tính chất của nướcvẫn còn là câu đố cho các nhà nghiên cứu mặc dù nước đã được nghiên cứu

từ lâu

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nước đã được Anders Celsiusdùng làm hai điểm mốc cho độ bách phân Celcius Cụ thể, nhiệt độ nóngchảy của nước là 0 độ Celcius, còn nhiệt độ sôi (760 mm Hg) bằng 100 độCelcius Nước đóng băng được gọi là nước đá Nước đã hóa hơi được gọi làhơi nước Nước có nhiệt độ sôi tương đối cao nhờ liên kết hiđrô

Dưới áp suất bình thường nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cao nhất

là ở 4 °C: 1 g/cm³ đó là vì nước vẫn tiếp tục giãn nở khi nhiệt độ giảmxuống dưới 4 °C Điều này không được quan sát ở bất kỳ một chất nàokhác Điều này có nghĩa là: Với nhiệt độ trên 4 °C, nước có đặc tính giốngmọi vật khác là nóng nở, lạnh co; nhưng với nhiệt độ dưới 4 °C, nước lạilạnh nở, nóng co Do hình thể đặc biệt của phân tử nước (với góc liên kết104,45°), khi bị làm lạnh các phân tử phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thểlục giác mở Vì vậy mà tỉ trọng của nước đá nhẹ hơn nước thể lỏng

Khi đông lạnh dưới 4 °C, các phân tử nước phải dời xa ra để tạo liênkết tinh thể lục giác mở

Nước là một dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng cực Các hợp chất phâncực hoặc có tính ion như axít, rượu và muối đều dễ tan trong nước Tínhhòa tan của nước đóng vai trò rất quan trọng trong sinh học vì nhiều phảnứng hóa sinh chỉ xẩy ra trong dung dịch nước

Nước tinh khiết không dẫn điện Mặc dù vậy, do có tính hòa tan tốt,nước hay có tạp chất pha lẫn, thường là các muối, tạo ra các ion tự do trongdung dịch nước cho phép dòng điện chạy qua

Về mặt hóa học, nước là một chất lưỡng tính, có thể phản ứng như mộtaxit hay bazơ Ở 7 pH (trung tính) hàm lượng các ion hydroxyt (OH-) cânbằng với hàm lượng của hydronium (H3O+) Khi phản ứng với một axitmạnh hơn thí dụ như HCl, nước phản ứng như một chất kiềm:

Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền công nghê chưng luyện liên tục

3

4 5

CHÚ THÍCH:

1 Thùng chứa hỗn hợp đầu 7 Thiết bị làm lạnh sản phẩm

đỉnh

3 Thùng cao vị 9 Thiết bị gia nhiệt đáy tháp

4 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp

đầu

10 Thùng chứa sản phẩm đáy

5 Tháp chưng luyện 11 Thiết bị tháo nước ngưng

6 Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

THUYẾT MINH:

Dung dịch đầu ở thùng (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 chảytràn, từ thùng cao vị dung dịch được đưa vào thiết bị đun nóng (4) qua lưulượng kế (11), ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơinước bão hoà, từ thiét bi gia nhiệt (4) dung dịch được đưa vào tháp chưngluyện (5) nhờ đĩa tiếp liệu, trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất nỏng đi từtrên xuống, nhiệt độ và nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp

Vì vậy hơi từ đĩa phía dưới lên đĩa phía trên, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao

sẽ được ngưng tụ lại và cuối cùng trên đỉnh ta thu được hỗn hợp gồm hầuhết các cấu tử dễ bay hơi Hơi đó đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6), ở đây

nó được ngưng tụ lại

Một phần chất lỏng đi qua thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt

độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8), một phần khác hồi lưu

về tháp ở đĩa trên cùng

Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu

tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi và do đó nồng độ cấu tử khó bay hơitrong chất lỏng ngày càng tăng và cuối cùng ở đáy tháp ta thu dược hỗn hợplỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi Chất lỏng đi ra khỏi tháp được làmlạnh rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đáy (10) Như vậy với thiết bị làm việcliên tục thì hỗn hợp đầu được đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được tháo

ra liên tục

Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3 12

2.1 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ:

• Kí hiệu các đại lượng như sau:

F : lượng nguyên liệu đầu (kmol/h)

P : lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)

W: lượng sản phẩm đáy (kmol/h)

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

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

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

+ Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi.

+ Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thànhphần của hơi đi ra ở đỉnh tháp

+ Cấp nhiệt ở đáy tháp băng hơi đốt gián tiếp

• Yêu Cầu thiết bị:

F: Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu =15(tấn/giờ)

Thiết bị làm việc ở áp suất thường (P = 1 at)

Tháp chưng loại: tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền

• Điều kiện:

aF : Nồng độ nước trong hỗn hợp đầu = 0,28 (phần khối lượng)

aP: Nồng độ nước trong sản phẩm đỉnh = 0.80 (phần khối lưọng)

aW: Nồng độ nước trong sản phẩm đáy = 0,02 (phần khối lượng)

MA: Khối lượng phân tử của nước = 18 (kg/kmol)

• Đổi từ phần khối lượng sang phần mol:

- G là lượng sản phẩm đáy (kg / h)

Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi (H2O):

G.a F = G.a P + G.a W

2.1.2.Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu

Từ số liệu bảng IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-2 trang 148) ta có thànhphần cân bằng lỏng hơi của nước - axitpropionic được cho theo bảng sau

Hình 2.2 Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết

Với giá trị x = 0,6152 ta kẻ đường song song với trục y và cắt đườngcân bằng, từ đó ta kẻ đường song song với trục x cắt trục y tại B và ta xácđịnh được giá trị y* = 0,848956 Từ đó ta tính được R:

R = = = 0,4009

2.1.3.Tính chỉ số hồi lưu thích hợp

Chỉ số hồi lưu làm việc thường được xác định thông qua chỉ số hồi lưutối thiểu: R= β Rmin

Trong đó: β: hệ số dư hay hệ số hiệu chỉnh

Tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu làm việc bằng:

Dưới đây là các đồ thị xác định số đĩa lí thuyết trên cơ sở đường cânbằng, x P, x F, x W Đường làm việc đoạn luyện đi qua điểm (x P,y P) và cắttrục tung tại điểm có tung độ B = , đường làm việc đoạn chưng đi qua giaođiểm của đường làm việc đoạn luyện với đường x F =const và điểm (x W,y W

) Vẽ các tam giác như hình ta thu được số đĩa lý thuyết

Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3 17

y*

B

β = 1,6; R = Rβ = 0,64144; B = 0,57429; N = 13 Hình 2.4 Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết

Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3 19

B

y*

β = 2,3; R = 0,92207; B = 0,590445; N = 9

Hình 2.8 Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết

β = 2,4; R = 0,96216; B = 0,480402; N = 9

Hình 2.9 Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết

Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3 24

x

Hình 2.17 Đồ thị R – N(R+1) xác định chỉ số hồi lưu thích hợp.

Thiết lập quan hệ N(R+1) – R (hình 12) ta xác định được Rth tại giá trịnhỏ nhất của N(R+1) Kết quả được Rth = 0,8819 tại β = 2,2

2.1.4.Số đĩa lý thuyết.

Với Rth = 0,8819 xác định được số đĩa lí thuyết Nlt = 9

Trong đó: Số đĩa đoạn chưng là 3

Số đĩa đoạn luyện là 6

2.1.5.Phương trình đường nồng độ làm việc:

R0,88

19

N (R + 1)

Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện:

P

x R

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

ωtb: tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (m/s)

gtb: lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/h)

y y tb

(ρω ) : tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/m3.s)

2.2.1.Lượng hơi trung bình các dòng pha đi trong tháp.

Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3 28

Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3 30

Hỉnh 2.18.Để xác định lượng hơi trung bình đi trong tháp chưng luyện a.Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng bằngtrung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượnghơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện:

1

2

d tbL

g g

Trong đó:

gtbL: lượng hơi (khí) trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h hay kmol/h)

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

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

Lượng hơi ra khỏi tháp gđ:

Trong các phương trình trên coi x1 = a (phần khối lượng)

r1: ẩm nhiệt hóa hơi đi vào đĩa luyện thứ nhất (kcal/mol)

rđ: ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp (kcal/mol)

r1 = rA.y1 + (1- y1) rB

rđ = rA.yđ + (1- yđ) rB

yđ = yP (phần khối lượng)

rA: ẩm nhiệt hóa hơi của nước

rB: ẩm nhiệt hóa hơi của axit propionic

Xác định ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp:

Từ số liệu bảng IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-2 trang 149) ta xác địnhđược nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu tF = 99,9669C ứng với yF = xF = 0,6152,nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh tP = 99,8136C ứng với yP = xP = 0,94267,nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy tW =111,6562C ứng với yW = xW = 0,0774.Xác định ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp:

Áp dụng công thức nội suy:

Xác định ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa luyện thứ nhất:Nội suy theo bảng I.212 đối với nước bảng I.213 đối với axit axeticthay cho axit propinic (Sổ tay QT&TBCNHC-T1) với tF = 99,9669 ta có:

b.Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được xác định gần đúngbằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng và lượng hơi đivào đoạn chưng:

2

n tb

•Khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha hơi:

T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp (0K)

ytbA :nồng độ phần mol của cấu tử A tính theo giá trị trung bình

Đổi y1 sang nồng độ phần mol:

y = =0,78 (phần mol)

y = = = = 0,861 (phần mol)

Với yđA, ycA: nồng độ tại 2 đầu đoạn luyện (phần mol)

Nội suy từ bảng số liệu IX.2a - T2 với ytbA = 0,861 có tytb = 99,33C Suy ra khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là:

ρ = .273 = 0,843 (kg/m)

• Khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha lỏng:

3

1 1

ρxtb: khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng (kg/m3)

ρxtbA, ρxtbB: khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng đối với cấu tửA,B lấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m3)

atbA: phần khối lượng trung bình của cấu tử A trong pha lỏng

Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha lỏng:

= +

=> ρ = 958,762 (kg/m)

b.Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng

• Khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng đối với pha hơi:

T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp (0K)

ytbA :nồng độ phần mol của cấu tử A tính theo giá trị trung bình

y = = = = 0,5437

Với yđA, ycA: nồng độ tại 2 đầu đoạn chưng (phần mol)

Nội suy từ bảng IX.2a - T2 với ytbA = 0,5437 có tytb = 100,187 0C

Suy ra khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng là:

ρ = .273 = 1.422 (kg/m)

• Khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng đối với pha lỏng:

3

1 1

ρxtb: khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng (kg/m3)

ρxtbA, ρxtbB: khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng đối với cấu tửA,B lấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m3)

atbA: phần khối lượng trung bình của cấu tử A trong pha lỏng

Khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng đối với cấu tử A:

Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3 36

Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng đối với pha lỏng:

ρ =

=> ρ = 957,844 (kg/m)

2.2.3 Vận tốc hơi đi trong tháp

Tốc độ hơi trong tháp đĩa được xác định theo công thức:

0, 05 x gh

y

ρ ω

a Đường kính đoạn luyện:

Lượng hơi trung bình: gytbL =11744,67 (kg/h)

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi: ρ = 0,843 (kg/m3)

Vậy đường kính đoạn luyện là:

D = 0,0188 = 0,0188 = 1,91 (m)

Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là D = 1,9 (m)

Thử lại điều kiện thực tế :

Từ D = 1,9 => ω = 1,364 (m/s)

= = 0,81 (thỏa mãn)

b Đường kính đoạn chưng

Lượng hơi trung bình: gytbC = 16161,68 (kg/h)

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi: ρ = 1,422 (kg/m)

Vậy đường kính đoạn chưng là:

D = 0,0188 = 0,0188 = 1,95 (m)

Quy chuẩn đường kính đoạn chưng là D = 1,9 (m)

Thử lại điều kiện thưc tế:

Từ D = 1,9 => ω = 1,112 (m/s)

= =0,857 (thỏa mãn)

2.3 TÍNH CHIỀU CAO THÁP

2.3.1 Hệ số khuếch tán

a Hệ số khuếch tán trong pha lỏng (D x )

• Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 200C:

V, V : Thể tích mol của nước và axit propionic (cm/mol)

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

p: áp suất tuyệt đối của hỗn hợp: p = p = 1 (atm)

T: Nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp : T = 273 + t (K)

Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn luyện: t = t = 99,33C

y : Nồng độ nước trong pha hơi

Đoạn luyện có y = y = 0,861 ; Đoạn chưng: y = y = 0,5437

M : Trọng lượng phân tử của hỗn hợp khí:

Đoạn luyện :

M = = y.M + (1 - y).M

= 0,861.18 + (1- 0,861).74 = 25,784 (kg/kmol)

Đoạn chưng

M = = y.M + (1 - y).M

= 0,5473.18 + (1 - 0,5437)74 = 43,553 (kg/kmol)

μ, μ : Độ nhớt của nước và axit propionic:

Đoạn luyện : t = t = 99,33 theo toán đồ I.35 - T1

x : Nồng độ phần mol của axit propionic trong hỗn hợp:

Đoạn luyện có: x = x = 0,779; Đoạn chưng có x = x = 0,567

μ, μ : Độ nhớt động lực của nước và axit propionic

Đoạn luyện: t = t = 99,1583C nội suy theo bảng I.101 - T1:

μ = 0,286 (cP), μ = 0,463 (cP)

Đoạn chưng có: t = t = 100,097C nội suy theo bảng I.101 đối với nước

và toán đồ đối với axit ( Sổ tay QT&TBCNHC - T1) ta được: