Đồ án truyền chất

Tính các thông số cơ bản của thiết bị (tháp đệm) chuyển khối làm việc ở áp suất khí quyển (760 mmHg) để chưng luyện hỗn hợp hai cấu tử nước và axeton; đảm bảo các yêu cầu về năng suất tính theo hỗn hợp đầu và thành phần nguyên liệu, đỉnh đáy. Các yêu cầu cụ thể như sau:GF=3160kgh , aF = 26% , aP=98% , aw= 1,5%

Đồ Án: Quá trình và thiết bị truyền khối.(axeton-nước)

Tính các thông số cơ bản của thiết bị (tháp đệm) chuyển khối làm việc ở áp suất khí quyển (760 mmHg) để chưng luyện hỗn hợp hai cấu tử nước và axeton; đảm bảo các yêu cầu về năng suất tính theo hỗn hợp đầu và thành phần nguyên liệu, đỉnh đáy Các yêu cầu cụ thể như sau:

GF=3160kg/h , aF = 26% , aP=98% , aw= 1,5%

1- Xác định nồng độ phần mol và lưu lượng [kmol/h] của nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.

2- Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x – y.

3- Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, đường làm việc và số đĩa lý thuyết của tháp.

4- Xác định đường kính, số đĩa thực tế và chiều cao cơ bản của tháp 5- Xác định nhiệt độ đỉnh, đáy và vị trí đĩa tiếp liệu ứng với trường hợp nguyên liệu vào tháp ở trạng thái sôi.

Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi: (công thức IX.17 – [II])

- Nồng độ phần mol trong hỗn hợp đầu: (công thức VIII.1 – [II])

- Lưu lượng tính theo kmol/h:

2 Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x – y.

Thành phần cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp axeton -nước (Số liệu bảng IX.2a –

147 – [II])

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 12.0

13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0

- Từ đồ thị Rth - Nlt(Rth + 1) ta xác định được Rth = 0,72 với số đĩa lý thuyết

Nlt = 8,89 đĩa trong đó số đĩa đoạn luyện là 5,6 đĩa và đoạn chưng là 3,29 đĩa

c Phương trình đường làm việc:

- Đoạn luyện: (IX.20 – [4])

- Đoạn chưng: (IX.22 – [4])

gtb: Lượng hơi trung bình đi qua tháp (kg/h).

(y.y)tb: Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp(kg/m2.s)

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháo và khác nhau trongmỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn

1 Đường Kính đoạn Luyện

a Xác định lượng hơi trung bình đi qua đoạn luyện

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện

Trong đó:

gtb Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện(kg/h)

gpLượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng (đĩa n) của tháp(kg/h)

gl Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng (đĩa 1) của tháp(kg/h)

* Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp:

gp = GR + Gp = Gp(Rx+1) [II – 181]

gđ = 802,3(0,72+ 1)

gđ= 1379,96 kg/h

* Lượng hơi đi vào đoạn luyện:

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi yl và hàm lượng lỏng Gl đối với đĩa thứ nhất củađoạn luyện được xác định theo phương trình

g1 = G1 + Gp (1)

g1.y1 = G1.x1 + Gp.xp (2) [II - 182]

g1.r1 = gd.rd (3) Trong đó:

y1: Hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện ( Phần khối lượng)

G1. Lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện

r1: Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp vào đĩa

rd: Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh

x1 = xF = 0,0983 (phần mol ) tương ứng với 0,26 (phần khối lượng)

yF = yl = 0,7162 phần mol ( suy ra từ xF= 0,0983 phần mol)

1 = 69.88 0 C

kJ/kg.(nội suy trong bảng I.212 trong [I – 254]

raxeton = 507,79 kJ/kg(nội suy trong bảng I.212 trong [I – 254]

yđ: Hàm lượng hơi đi qua khỏi đỉnh tháp( Phần khối lượng)

yđ = yp = 0,965 phần mol( suy ra từ xp= 0,938 phần mol)

Đổi ra phần khối lượng:

(phần khối lượng)

Với t0

2 = tP = 57,27 0C

kJ/kg.nội suy bảng I.212 trong [I – 254]

rb = 2425,59 kJ/kg nội suy trong bảng I.212 trong [I – 254]

g1 =966,4 kg/h

G1 = 164,1 kg/h

y1 = 0,858 ( Phần khối lượng) Thay y1 = 0,858 vào r1 [(II) - 182]

r1 = -1875.0,858 + 2382,79 = 774,04 kJ/kg

Vậy lượng hơi trung bình trong đoạn luyện

kg/h.

b Khối lượng trung bình

* Khối lượng trung bình tính theo pha hơi:

, kg/m3 [II - 183]

Trong đó:

MA MB: Khối lượng phần mol của axeton và nước

T: Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp K.

ytb1: Nồng độ phần mol của cấu tử.

ttbl= = =63,575=336,575 0K Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện:

kg/m3.

* Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng:

Trong đó:

:Khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3.

: Khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo nhiệt

độ trung bình (kg/m3)

: Phần khối lượng của cấu tử 1 trong pha lỏng.

c Tính tốc độ hơi đi trong tháp:

Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dướilên chuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động; Chế độ chảymàng, chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt ở chế độ sủi bọt thì phalỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục Nếu tăngtốc độ lên thì tháp bị sặc Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của thápdựa vào tốc độ sặc của tháp

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

đ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3

Khối lượng riêng xốp, đ, kg/m3

Từ công thức:

([II]– 187)Suy ra:

Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DL = 0,37 m

* Thử lại điều kiện làm việc thực tế.

- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn luyện là:

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp

1: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h

Với lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện (g’

n= g1)nên

[II - 182]

Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’

l, lượng lỏng G1’ và hàm lượng lỏng x’

l được xácđịnh theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

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

xw: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

 r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

Với ra, rb:ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử nguyên chất ở t0 = tw Với xw = 0,0047 tra đồ thị tw = 97,92 0C Từ t0 =tw =97,92 0C nội suy theo bảng I.212 trong[I – 254] ta được

b Tính khối lượng riêng trung bình:

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo:

Trong đó:

MA MB: khối lượng phần mol của cấu tử axeton và nước

T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, K

ytbc: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình

[II - 183]

Với : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol

= y’1 = yw = 0,0567 phần mol

= y1 = 0,858 phần mol phần mol

Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:

: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3

: khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo nhiệt độtrung binh, kg/m3

: phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng

Với a’1: nồng độ phần khối lượng của pha lỏng ở đĩa dưới cùng của đoạn chưng

Ta có: a’1 = x’1 = 0,032 (Phần khối lượng)

(phần khối lượng)

Với t0 = 83,90C Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9]

kg/m3.

kg/m3.

Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chưng:

kg/m3

c Tính tốc độ hơi đi trong đoạn chưng:

Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dướilên chuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động; Chế độ chảymàng, chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt ở chế độ sủi bọt thì phalỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục Nếu tăngtốc độ lên thì tháp bị sặc Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của thápdựa vào tốc độ sặc của tháp

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

đ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3

Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3

g: gia tốc trọng trường, m2/s

Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/s

:khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3

x, n: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt củanước ở 20oC, Ns/m2

Quy chuẩn đường kính đoạn chưng là DC = 0,354 m

* Thử lại điều kiện làm việc thực tế:

- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chưng là:

Nlt – số bậc thay đổi nồng độ hay số đĩa lý thuyết

ηtb – hiệu suất trung bình của thiết bị:

(IX.60 – [II])

- α là độ bay hơi tương đối của hỗn hợp:

(IX.61 – [4])

- µhh độ nhớt của hỗn hợp lỏng [N.s/m2]:

µA – độ nhớt của cấu tử A phụ thuộc nhiệt độ xét

µB – độ nhớt của cấu tử B phụ thuộc nhiệt độ xét

 Tại đỉnh tháp:

xP = 0,938 [phần mol]; yP * = 0,965 [phần mol]; tP = 57,27 [oC];

suy ra: α = 1,82

µA = 0,2348 [10-3 Ns/m2] (ngoại suy bảng I.110 – [I])

µB = 0,493 [10-3 Ns/m2] (ngoại suy bảng I.101 – [I])

Vậy, ta có:

α.µ = 0,45 → ηP= 60% (ngoại suy đồ thị hình IX.11 – [II])

 Tại vị trí tiếp liệu:

xF = 0,0983[phần mol]; yF * = 0,858[phần mol]; tF = 69,88 [oC];

suy ra: α = 55,43

µA = 0,215 [10-3 Ns/m2] (ngoại suy bảng I.110 – [I])

µB = 0,463 [10-3 Ns/m2] (ngoại suy bảng I.101 – [I])

µA = 0,175 [10-3 Ns/m2] (ngoại suy bảng I.110 – [I])

µB = 0,285 [10-3 Ns/m2] (ngoại suy bảng I.101 – [I])

Vậy, ta có:

α.µ = 3,6 → ηW = 35% (ngoại suy đồ thị hình IX.11 – [II])

Từ các giá trị ηP , ηF, ηWtìm được, ηtb bằng:

Vậy số đĩa thực tế là:

Số đĩa đoạn luyện : 5,6 /0,4167 = 13,4 14[mân]

Số đĩa đoạn chưng : 3,29/0,4167 = 7,9 8 [mân]

4.4 Chiều cao cơ bản của tháp:

H= Ntt.h0 +(0,8-1)

Trong đó:

Re’=

- vận tốc khí tính theo tiết diện tháp, m/s, khối lượng riờng của lỏng và hơi, Kg/m3

độ nhớt của lỏng và hơi, N.m/s

dtd= 4V/

V là thể tích tự do của đệm, m3/m3

là bề mặt riêng của đệm, m2/m3

m là hệ số gúc của đường cân bằng

G, L là lượng hơi và lỏng đi trong tháp kg/s

- Chiều cao đoạn luyện

Với các thông số:

= 816,5, =1,82 Kg/m3

, ,N.m/s

dtd= 4V/ = 0,0184G=1173,18 kg/h L= 370,88kg/h

= 1,65 m/s

Và ta tính được hệ số gúc của đoạn luyện:

Ta có y = hh được tính theo [I – 85]

Trong đó:

Mhh, MA, MB: khối lượng phân tử của hỗn hợp và cấu tử axeton và nước

hh, A, B: độ nhớt của hỗn hợp và cấu tử axeton và nước

m1, m2: nồng độ của axeton và nước tính theo phần thể tích

Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol,nên m1 = y1, m2 = y2 = 1 - y1

Thay vào ta có:

a1, a2: nồng độ phần khối lượng của axeton và nước

Ta có ytb = 0,8084 phần mol

a = 0,93 phần khối lượng

- Độ nhớt của pha hơi ở ttb = 63,575oC Nội suy theo bảng I.101 trong ([I] –91] ta được.

- Chiều cao đoạn chưng

Với các thông số:

, ,N.m/s

dtd= 4V/ = 0,0184G=637,44 kg/h L= 1422,64 kg/h

= 1,81 m/s

Và ta tính được hệ số gúc của đoạn chưng:

Ta có y = hh được tính theo [I – 85]

Trong đó:

Mhh, MA, MB: khối lượng phân tử của hỗn hợp và cấu tử axeton và nước

hh, A, B: độ nhớt của hỗn hợp và cấu tử axeton và nước

m1, m2: nồng độ của axeton và nước tính theo phần thể tích

Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol,nên m1 = y1, m2 = y2 = 1 - y1

Thay vào ta có:

a1, a2: nồng độ phần khối lượng của axeton và nước

Suy ra: chiều cao toàn thiết bị:

H = H1 + H2 + 0,9 Trong đó:

H1, H2: chiều cao đoạn luyện và đoạn chưng, m

0,9: khoảng cách không gian cho hồi lưu đáy và đỉnh thiết bị, m.

Vậy chiều cao toàn tháp là

H = 14,084 + 2,256 +0,9= 17,24 m

5.Nhiệt độ đỉnh, đáy và vị trí đĩa tiếp liệu ứng với trường hợp nguyên liệu vào ở trạng thái sôi:

Từ đồ thị t – x,y, ta có thể xác định dễ dàng nhiệt độ đỉnh, đáy và vị trí đĩa tiếp liệu của tháp:

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, tập 1

II Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, tập 2