Đồ án hóa công

Thiết kế và tính toán hệ thống chưng luyện liên tục Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền làm việc ở áp suất thường để phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 Cacbondisunfua và Cacbontetraclorua

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

NỘI DUNG

Đầu đề thiết kế

Thiết kế và tính toán hệ thống chưng luyện liên tục Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền làm việc ở áp suất thường để phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4

(Cacbondisunfua và Cacbontetraclorua)

Hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi

Tháp loại: Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền

Các số liệu ban đầu

Năng suất tính theo hỗn hợp đầu: F = 4,2 tấn/h

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong:

Hỗn hợp đầu: aF= 0,331 khối lượng

Sản phẩm đỉnh: aP= 0,931 khối lượng

Sản phẩm đáy: aw= 0,012 khối lượng

Tháp làm việc ở áp suất thường

Hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

1 Vẽ dây chuyền sản

2 Vẽ hệ thống tháp

Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn

∗∗∗∗∗

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2020

Người nhận xét

Mục lục

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời kỳ đất nước đang trong quá trình phát triển theo hướng công nghiệphóa, hiện đại hóa đất nước thì nền công nghiệp của nước ta cũng phát triển mạnh kéotheo sự phát triển của ngành sản xuất các hợp chất hóa học,bởi các hợp chất hóa học

có ứng dụng vô cùng quan trọng để các ngành khác phát triển

Khi kinh tế phát triển, nhu cầu của con người ngày càng tăng Do vậy các sảnphẩm cũng đòi hỏi cao hơn, đa dạng hơn, phong phú hơn, theo đó công nghệ sảnxuất cũng phải nâng cao Trong công nghệ hóa học, việc sử dụng hóa chất có độ tinhkhiết cao là yếu tố căn bản tạo ra sản phẩm có chất lượng cao Có nhiều phươngpháp khác nhau để làm tăng nồng độ, độ tinh khiết của sản phẩm tạo thành như:chưng cất, cô đặc, trích ly… Tùy vào tính chất của hệ mà ta lựa chọn phương phápthích hợp.Đối với hệ Cacbondisunfua CS2 và Cacbontetraclorua CCl4 là một trongnhững sản phẩm của ngành công nghiệp tổng hợp hữu cơ Chúng được sử dụng rộngrãi trong công nghiệp hoá học nói chung cũng như công nghiệp hữu cơ nói riêng nhưtrong công nghiệp hoá dầu, dược phẩm, phẩm nhuộm,… Thông thường trong côngnghiệp hữu cơ, CS2 và CCl4 ở dạng hỗn hợp nên muốn sử dụng chúng người ta cầnthiết phải tách riêng biệt chúng Để thực hiện điều này, người ta có thể tiến hànhchưng luyện hỗn hợp trong các tháp chưng luyện liên tục hoặc gián đoạn

Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế mộtthiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất,em được nhận đồ án

môn học: “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học”.Việc thực hiện đồ án này là

điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi

đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” Trên cơ sở lượng kiến thức đó kết hợp với kiến thức của một

số môn khoa học khác có liên quan,mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế một thiết bị, hệ thốngthiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trong quá trình công nghệ.Quaviệc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu trong việctra cứu,vận dụng đúng những kiến thức,quy định trong tính toán và thiết kế,tự nângcao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề mộtcách có hệ thống

Phần I GIỚI THIỆU CHUNG

I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN

1 Phương pháp chưng luyện

Chưng luyện là một phương pháp chưng cất nhằm để phân tách một hỗn hợplỏng hay hỗn hợp khí đã hóa lỏng dựa trên độ bay hơi tương đối khác nhau giữa cáccấu tử thành phần ở cùng một áp suất

Phương pháp chưng luyện này là một quá trình chưng luyện trong đó hỗn hợpđược bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần, kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp thu được một hỗnhợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi và nồng độ đạt yêu cầu, phương pháp chưngluyện cho hiệu suất phân tách cao, vì vậy nó được sử dụng nhiều trong thực tế như: sảnxuất rượu, tách hỗn hợp dầu mỏ, tài nguyên, sản xuất metanol, propylen…

Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, người ta đưa ra nhiều thiết bịphân tách đa dạng như tháp chóp, tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ không cóống chảy truyền, tháp đệm… Trong đồ án này em được giao thiết kế tháp chưng luyệnliên tục tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền để phân tách 2 cấu tử CS2 và CCl4, chế độ làmviệc ở áp suất thường và hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

Các phương pháp chưng cất

 Áp suất làm việc:

- Chưng cất áp suất thấp

- Chưng cất áp suất thường

- Chưng cất áp suất cao

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

 Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn

• Chưng gián đoạn: phương pháp này sử dụng trong các trường hợp :

- Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

- Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

- Tách 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 nghịch dòng và nhiều đoạn

2 Thiết bị chưng luyệnTrong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp khác nhau nhưng đều có mộtyêu cầu cơ bản là diện tích tiếp xúc bề mắt pha lớn, điều này phụ thuộc độ phân tánlưu chất vào

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng các tháp lớn thường được

sử dụng trong công nghệ lọc hóa dầu, đường kính tháp phụ thuộc lượng pha lỏng vàluợng pha khí,độ tinh khiết của sản phẩm Theo khảo sát thường có 2 loại tháp chưng:tháp đĩa và tháp đệm

 Tháp đĩa: thân tháp hình trụ thẳng đứng bên trong có gắn các đĩa, phân chia thân thápthành những đoạn bằng nhau Trên đĩa, pha lỏng và pha khí tiếp xúc với nhau Tùythuộc vào cấu tạo ta có các loại tháp đĩa:

 Tháp đĩa chóp :

 Tháp đĩa lỗ: trên đĩa có các lỗ có đường kính (2-12 mm) có 2 loại tháp đĩa lỗ

 Tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền

 Tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền

 Tháp đệm: tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn

Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền có những ưu điểm khắc phục được nhiều nhược điểm của các loại tháp khác như:

Với cùng một chức năng, tổng khối lượng tháp đĩa thường nhỏ hơn tháp đệm

do tháp đĩa có bề mặt tiếp xúc pha lớn và hiệu xuất làm việc cao.

Tháp đĩa thích hợp trong trường hợp có số đĩa lý thuyết hoặc số đơn vị truyền khối lớn.

Cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh, sửa chữa, làm sạch.

Trở lực thiết bị không lớn

Làm việc được với chất lỏng bẩn, khí bẩn, vận tốc khí lớn

Chính nhờ những ưu điểm trên mà tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền được sử dụng

để phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS 2 và CCl 4 trong trường hợp này.

II GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG LUYỆN

- Là một chất lỏng không màu dễ bay hơi

- Hợp chất này là một chất không phân cực, thường được sử dụng làm nguyên liệu trong tổng hợp hóa hữu cơ ở cả cấp công nghiệp, làm dung môi cho các chất không phân cực như brom, iot, cao su, nhựa…

- Nó có mùi giống ete

- CS 2 rất độc nên được làm thuốc trừ sâu trong nông nghiệp.

b Tính chất hóa học

- Các chất ái lực hạt nhân như các amin tạo ra các dithiocacbamat

2R2NH + CS2 → [R2NH2 ][R2NCS2 ]

- Các xanthat tạo thành một cách tương tự từ các alkoxit

RONa + CS2 → [Na+][ROCS2−]Phản ứng này là nền tảng của sản xuất xenluloza tái sinh, thành phần chính củaviscoza, rayon và xenlophan Cả xanthat và thioxanthat tương ứng (sinh ra từ xử lý

CS2 với các thiolat natri) đều được sử dụng như là tác nhân tách đãi trong chế biến, xử

- Là chất không bắt cháy, dùng làm chất dập lửa, làm lạnh

- Là 1 trong những chất độc mạnh nhất đối với gan và sử dụng trong nghiên cứu khoahọc để đánh giá chất bảo vệ gan

b Tính chất hóa họcCCl4 không tham gia trực tiếp các phản ứng hóa học mà chỉ là dung môi cho cácchất không phân cực trong các phản ứng hóa học

Phản ứng quan trọng nhất là:

Khi cho toluen vào trong Br2/CCl4 thì brom sẽ thế vào vị trí o-, p- của vòng, và chỉthế 1

nguyên tử H, khác với dungdịch Br2 trong H2O là dung môi phân cực nên khi phảnứng với toluen sẽ thế 1 lần vào 3 vị trí o- và p- tạo thành dẫn xuất tribrom.

Đó chính là điểm khác biệt cơ bản giữa Br2/H2O và Br2/CCl4 khi phản ứng vớitoluen hay phenol

C6H5OH + Br2(H2O) → Br3-C6H2-OH + HCl

(nếu Br2 dư còn pư tiếp theo pư cộng nữa nhưng thường chỉ xét pư này)

Thông thường người ta thường điều chế CCl 4 bằng clo hóa CS 2 nên việc phân tách hai cấu tử này rất quan trọng và có ý nghĩa lớn trong thực tế Đây là hỗn hợp hai cấu tử ở dạng lỏng tan lẫn vào nhau và có nhiệt độ sôi cách xa nhau CS 2 dễ bay hơi hơn CCl 4 nên bằng phương pháp chưng luyện này ta sẽ thu được nồng độ sản phẩm đỉnh giàu CS 2 và nồng độ sản phẩm đáy giàu CCl 4

III VẼ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

1 Dây chuyền sản xuất

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

1.Thùng chứa hỗn hợp đầu 6.Thiết bị ngưng tụ

4.Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 9.Thiết bị gia nhiệt sản phẩm đáy5.Tháp chưng luyện 10.Thùng chứa sản phẩm đáy

2 Nguyên lí hoạt độngHỗn hợp CS2 và CCl4 từ thùng chứa ban đầu (1) được bơm lên thùng cao vịbằng bơm (2) Chất lỏng trên thùng cao vị nếu vượt quá mức quy định thì sẽ được chochảy trở lại thùng chứa (1) đầy thùng chứa Hỗn hợp CS2 – CCl4 từ thùng cao vị sẽ điqua thiết gia nhiệt hỗn hợp đầu Ở đây hỗn hợp đầu được đun nóng đến nhiệt độ sôibằng hơi nước bão hòa sau đó đi vào tháp chưng luyện (5) tại đĩa tiếp liệu

Trong tháp chưng luyện hơi đi từ dưới lên và lỏng đi từ trên xuống, khi lỏng vàhơi tiếp xúc với nhau thì quá trình chuyển khối xảy ra trong thiết bị Theo chiều caotháp thì càng lên cao nhiệt độ càng giảm nên khi hơi đi từ dưới lên cấu tử CCl4 cónhiệt độ sôi cao hơn sẽ ngưng tụ lại thành lỏng đi xuống phía đáy tháp đồng thời nhiệttỏa ra khi ngưng tụ sẽ giúp làm bay hơi CS2 Hơi ở đỉnh tháp chứa một ít CCl4 đi quathiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (6) ngưng tụ thành lỏng và nhờ thiết bị phân chia dòngthì một phần sản đỉnh được hồi lưu trở lại tháp để tăng độ tinh khiết của sản phẩmđỉnh Phần còn lại nồng độ đạt yêu cầu được đưa qua thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnhđến nhiệt độ thường trước khi đi vào thiết bị chứa sản phẩm đỉnh (8) Hỗn hợp sảnphẩm lỏng ở đáy tháp một phần cũng được hồi lưu trở lại, được đun bốc hơi nhờ thiết

bị (9) và đi vào đáy thiết bị chưng luyện Phần còn lại được đưa vào thiết bị chứa sảnphẩm đáy (10) Do đó hơi đi lên từ đáy tháp chứa chủ yếu là CS2 và ở đáy tháp là hỗnhợp giàu CCl4.Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sảnphẩm được cung cấp và lấy ra liên tục

Phần II TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THÁP CHƯNG.

I TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU

1 Hệ cân bằng phương trình vật liệu

Sơ

đồ hệ thống tháp chưng luyện

- Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp

F = P + W (IX.16 – 2 trang 144) (công thức IX.16 tài liệu tham khảo 2 trang 144)

- Đối với cấu tử dễ bay hơi

F.aF = P.aP + W.aW (IX.17– 2 trang 144)

- Lượng sản phẩm đỉnh là:

Theo đề bài thì : F = 4,2 tấn/h = 4200 (kg/h)

aF = 33,1 (% khối lượng) = 0,331 (phần khối lượng)

aP = 93,1 (% khối lượng) = 0,931 (phần khối lượng)

aw = 1,2 (% khối lượng) = 0,012 (phần khối lượng)Vậy ta có:

Lượng sản phẩm đáy là: W = F – P = 4200 – 1457,89 = 2742,11 (kg/h)

2 Chuyển đổi nồng độChuyển đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol

Áp dụng công thức :

Trong đó: aA, aB : là nồng độ phần khối lượng của CS2 và CCl4

MA, MB : là khối lượng mol phân tử của CS2 và CCl4

Với MA=MCS2 = 76 kg/kmol; MB = MCCl4 = 154 kg/kmol

Thay số liệu vào ta có:

M: khối lượng phân tử trung bình cua hỗn hợp (kg/kmol)

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

MA, MB: lần lượt là khối lượng phân tử của CS2 và CCl4

- khối lượng phân tử trunh bình của hỗn hợp vào tháp là:

II Tính chỉ số hồi lưu thích hợp:

1 Tìm chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng luyện (Rmin)

BẢNG 1: Bảng thành phần cân bằng lỏng hơi của 2 cấu tử CS2 - CCl4 (IX.2a –2.trang149)

y 0 13,2 24 42,3 54,4 64,5 72,6 79,1 84,8 90,1 95 100

t 76,7 13,7 71 66 62,3 59 56,1 53,7 51,6 49,6 47,9 46,3Nội suy từ bảng số liệu ta có xF = 0,499 phần mol

(IX.24 – 2.trang 158)

2 Tìm chỉ số hồi lưu thích hợp Rth

Chỉ số hồi lưu thích hợp Rth = β.Rmin = (1,2 ÷ 2,5) Rmin (IX.25 – 2 trang 158)

Rth : Chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất

Chỉ số hồi lưu càng lớn thì lượng nhiệt tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều, vì phảilàm bay hơi lượng hồi lưu này Mặt khác số đĩa lý thuyết của tháp giảm cùng sự tăngcủa chỉ số hồi lưu thì sẽ tăng chi phí chế tạo tháp mặc dù có giảm chi phí làm việc Vìvậy cần tiếp cận giá trị thích hợp của chỉ số hồi lưu Bằng phương pháp đồ thị dựa vàoquan hệ giữa chỉ số hồi lưu và số đĩa lý thuyết để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Đểxác định chỉ số hồi lưu thích hợp ta dùng quan hệ NR = f(R)

Giá trị cực tiểu của đồ thị cho ta Rth vì tại đó thiết bị có kích thước bé nhất nhưngvẫn đảm bảo chế độ làm việc (3 trang 83)

Xác định Rx thích hợp theo số bậc thay đổi nồng độ được tiến hành như sau cho nhiều giá trị Rx lớn hơn giá trin Rxmin với mỗi giá trị trên ta xác định được tung độ của đường làm việc đoạn luyện với trục tung B:

Tại B = 1,2

Tại B = 1,3

Tại B = 1,4

Tại B = 1,5

Tại B = 1,6

Tại B = 1,7

Tại B = 1,8

Tại B = 1,9

Tại B = 2,0

Tại B = 2,1

Tại B = 2,2

Tại B = 2,3

Tại B = 2,4

Tại B = 2,5

Từ những bản vẽ số đĩa lý thuyết trên, ta thu được bảng số liệu sau:

3 Phương trình đường nồng độ làm việc:

Lượng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh :

a Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện:

- y : Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên

- x : Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống

- Rth : Chỉ số hồi lưu thích hợp

Thay số liệu vào ta được:

b Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :(IX.23 – 2 trang 158)

III TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG LUYỆN

Đường kính tháp chưng luyện đĩa lỗcó ống chảy truyền được tính theo công thứcsau

- Vtb: lượng hơi trung bình trong tháp (m3/s)

- y : vận tốc hơi (m/s)

- : Khối lượng riêng trung bình của lỏng ( kg/m3)

- gtb: Lượng hơi trung bình đi trong tháp(kg/s)

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp 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 trong đoạn luyện:

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

gtb = (kg/h ) ( IX.91- 2 trang 181)

- gd : Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)

- g1 : Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp (kg/h)

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

 Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp :

gd = + = GP ( Rx+1 ) ( IX.92 –2 trang 181)

- Gp : Lượng sản phẩm đỉnh (kg/h) =1457,89 (kg/h)

- : Lượng chất lỏng hồi lưu (kg/h) == 1457,89x1,8054 = 2632,0746 (kg/h)

Thay số vào ta có : gd = 1457,89×(1,8054+1) = 4089,9646 (kg/h)

 Lượng hơi đi vào đoạn luyên:(hệ phương trình tính theo phần khối lượng)

lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện,xác định theo phương trình cân bằng vật liệu và nhiệt lượng:

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(kg/h)

- r1 : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa 1(kJ/kg)

- rd : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp(kJ/kg)

 x1 = xF = 0,499 phần mol= 0,331 phần khối lượng,

 yd = xP = 0,965 phần mol= 0,931 phần khối lượng

• Với t0 =56,129 0C nội suy theo Bảng I.212 – 1 trang 255 ta được:

Thay vào r1 ta được

r 1 = 346,33.y 1 +(1-y 1 ).202,93= 202,93 +143,3y 1 (kJ/kg)

yd: hàm lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp phần khối lượng

yd= xp = 0,965 (phần mol) = 0,931 (phần khối lượng)

r d =351,56.y d + 205,66.(1-y d )=351,56.0,931+(1 – 0,931).205,66 =341,49 (kJ/kg)

Thay các giá trị vào hệ (*) ta được :

Giải hệ ta được kết quả sau:

Thay y1 = 0,503 phần khối lượngvào r1 ta được :

r 1 = 202,93 +143,3y 1 = 202,93 + 143,3×0,503 = 275,01 (kJ/kg)

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là :

Lượng lỏng trung bình trong đoạn luyện là :

b Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện

 Đối với pha hơi :

Trong đó:

(t ytb +273 ): nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện, 0 K.

y tbA , (1- y tbA ) : Nồng độ phần mol của hơi CS 2 và CCl 4 trong đoạn luyện lấy theo giá trị trung bình.

Nồng độ của CS2 lấy theo gia trị trung bình là:

• Với yđ1 và yc1 : nồng độ làm việc giữa đĩa tiếp liệu và đỉnh, phần mol

 = xp = 0,965 phần mol

 = y1 = 0,503 phần khối lượng

Đổi y1 sang nồng độ phần mol:

Thay số vào ta được :

Với ytbA = 0,818 phần mol Nội suy từ số liệu trong Bảng 1 ta tìm được nhiệt độ trung

bình của pha hơi: tytb = 52,71 °C

Khối lượng riêng của pha hơi:

 Pha lỏng:

: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3)

xA, xB : Khối lượng riêng trung bình lỏng của CS2 và CCl4 (kg/m3)

atbA : Phần khối lượng trung bình cấu tử CS2 trong pha lỏng

Ta có:

: nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha lỏng Với xtbL= 0,732 phần mol

Dựa vào BẢNG 1 và dùng công thức nội suy ta được: to

xtb = 50,96 0C

• Với t0 = 50,96 0C Nội suy từ số liệu trong Bảng I.2 – 1 trang 9 ta được:

Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là:

⇒ρxtb = 1315,79 kg/m3

c Tính độ nhớt trung bình

Độ nhớt của pha lỏng ở t = 50,96 oC Nội suy theo Bảng I.101 – 1 trang 92 ta được:

Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là:

d Tốc độ hơi đi trong tháp:

Tốc độ giới hạn trên tính theo công thức :

Trong đó: ωgh: tốc độ giới hạn trên (m/s)

ρx: khối lượng riêng pha lỏng (kg/m3)

ρy: khối lượng riêng pha hơi (kg/m3)Tốc độ hơi trong đoạn luyện:

Để tránh tạo bọt ta lấy tốc độ làm việc khoảng (80÷90%)ωgh

e Đường kính đoạn luyệnLượng hơi trung bình trong đoạn luyện là gtbL = 3048,5 (kg/h)

= 0,79 m/s, ρy= 3,359 kg/m3

Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là 0,66 m

Thử lại điều kiện: Ta có:

Vậy đường kính đoạn luyện 0,66 m là phù hợp điều kiện

2 Đường kính đoạn chưng

a Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng

Được xác định gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng và

đi vào đoạn luyện

Trong đó:

 g’

n: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/h

 g’

1: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện g’n=g1 nên

Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’1, lượng lỏng G’1 và hàm lượng lỏng x’1 đượcxác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau :

Trong đó:

 r’

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

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

Ta có: W = 2742,11 kg/h

xw = 0,024 phần mol tương ứng với 0,012 phần khối lượng

y’1 = yw xác định theo đường cân bằng

Bỏ qua giá trị x-y-t = 5-13,2-13,7, ta có:

Với xw= 0,024 phần mol dựa vào BẢNG 1 nội suy ta có yw = 0,058 phần mol

Với rCS2, rCCl4: ẩn nhiệt hoá hơi của CS2 và CCl4 ở t0 = tw0 Với xw = 0,024

(phần mol) dựa vào BẢNG 1 và sử dụng công thức nội suy ta được tw0 = 75,330C

Từ t0 =tw0 =75,330C,nội suy theo Bảng I.212 – 1 trang 254 ta được:

rCS2 = 82,2 + (75,33 – 60) = 79,63 kcal/kg = 333,39 kJ/kg

rCCl4 = 48,2 + (75,33 – 60) = 46,71 kcal/kg = 195,56 kJ/kg

⇒ r ’

1 = 333,39×0,0296 + (1 – 0,0296)×195,56 = 199,64 (kJ/kg)

Thay vào hệ phương trình trên ta được:

Giải hệ phương trình trên ta được:

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là

Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng là

b Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng

 Đối với pha hơi :

Trong đó:

 (t ytb +273 ): nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng, o K.

 y tbA , (1- y tbA ): Nồng độ phần mol của hơi CS 2 và CCl 4 trong đoạn luyện lấy theo giá trị trung bình.

Nồng độ của CS2 lấy theo giá trị trung bình là : ytbA = [2 trang 183]

• Với yđ1 và yc1 : nồng độ làm việc giữa đĩa tiếp liệu và đáy tháp, phần mol

 = yw = 0,058 phần mol

 = y1 = 0,503 phần khối lượng = 0,672 (phần mol)

Với ytbC = 0,365 phần mol Nội suy từ số liệu trong Bảng 1 ta tìm được nhiệt độ

trung bình của pha hơi: tytb = 67,58 °C

Khối lượng riêng của pha hơi:

 Pha lỏng:

: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/ m3)

xA, xB : Khối lượng riêng lỏng của CS2 và CCl4 (kg/m3)

atbA: Phần khối lượng trung bình cấu tử CS2

Ta có:

: nhiệt độ trung bình của đoạn chưng theo pha lỏng Với xtbC= 0,262 phần mol.

Dựa vào BẢNG 1 và dùng công thức nội suy ta được: to

c Tốc độ hơi trong đoạn chưng:

Để tránh tạo bọt ta lấy tốc độ làm việc khoảng (80÷90%)ωgh

Ta lấy 80% ⇒ωlv = 0,8 × 0,896 = 0,72 (m/s)

d Đường kính đoạn chưng là :

Quy chuẩn đường kính đoạn chưng là 0,8 m

Thử lại điều kiện:

Ta có:

⇒ = 0,743 m/s

Tốc độ hơi thực tế đi trong tháp là: 0,743 m/s

Vậy đường kính đoạn chưng 0,8 m là phù hợp điều kiện

Kết luận:

Đường kính đoạn chưng 0,8 m Đường kính đoạn luyện 0,66 m

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :

+ Phần luyện: ωlv =0,768 (m/s).

+ Phần chưng:ω’lv= 0,743 (m/s)

IV TÍNH CHIỀU CAO THÁP

1 Hệ số khuếch tán

a Hệ số khuếch tán trong pha lỏng (Dx)

 Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20 0 C:

Trong đó:

A, B: Hệ số liên hợp kể đến ảnh hưởng của CS2 và CCl4 Tra bảng VIII.6 vàVIII.7- 2 trang 133 ta được A=1, B = 0,94

V, V : Thể tích mol của CS2 và CCl4 (cm/mol)

Tra bảng VIII.2 –2.trang 127, ta có thể tích nguyên tử của :

C = 14,8; Cl = 24,6; S = 25,6 (cm3/nguyên tử)

Công thức phân tử cacbon disunfua là CS2, của cacbon tetraclorua là CCl4

• Hệ số khuếch tán ở nhiệt độ xác định t:

Với b: là hệ số nhiệt độ(lấy ở 20 C): b =

độ nhớt của dung môi là CCl4 ở 20 C

Khối lượng riêng của dung môi ở 20 C

Do đó:

⇒ Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn chưng: txtbC = 63,710C

⇒hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn luyện: txtbL= 50,96 0C

b Hệ số khuếch tán trong pha hơi

Hệ số khuếch tán động học của khí CS2 trong khí CCl4 được tính theo công thức:

P: áp suất tuyệt đối của hỗn hợp, P = 1at

T: nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp, T = t + 273

D: hệ số khuếch tán (m2/s)

Hệ số khuếch tán trong pha hơi của đoạn chưng: tytbC = 67,58 oC ⇒ T = 340,58 K

Hệ số khuếch tán trong pha hơi của đoạn luyện: tytbL = 52,71oC ⇒T = 325,71 K

2 Hệ số cấp khối

a Độ nhớt của hỗn hợp hơi

[I.18 - 1 trang 85]

 m1: nồng độ CS2 trong pha hơi

- đoạn chưng: m 1 = y tbC = 0,365 (kmol/kmol)

- đoạn luyện: m 1 = y tbL = 0,818 (kmol/kmol)

 m2: nồng độ CCl4 trong pha hơi, m2 = 1 - m1

 Mhh: trọng lượng phân tử của hỗn hợp khí

- đoạn chưng:

- đoạn luyện:

Áp dụng công thức I.20 – 1.trang 86

 μ1: độ nhớt của CS2:

- đoạn luyện: có tytbL= 52,71 oC Tra bảng I.113 – 1.trang 115 + 116có C = 499.5 và sửdụng công thức trên ta có:

- đoạn chưng: có ttbC= 67,58 oC, làm tương tự như trên ta cũng có:

 μ2: độ nhớt của CCl4

- đoạn luyện: có t ytbL = 52,71 o C Tra bảng I.113 – 1.trang 115 + 116 có C = 335 và sử

dụng công thức trên ta có:

- đoạn chưng: t ytbC = 67,58 o C

⇒Độ nhớt hỗn hợp hơi đoạn chưng là:

⇒ Độ nhớt của hỗn hợp hơi đoạn luyện là:

b Độ nhớt của hỗn hợp lỏng

Độ nhớt của pha lỏng ở t = 63,71oC Nội suy theo Bảng I.101 – 1 trang 91 ta được:

Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là

c Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi

Hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp (m/s)

h : Kích thước dài, chấp nhận h = 1 m

ρ : Khối lượng riêng trung bình của hơi (kg/m)

μ : Độ nhớt trung bình của hơi (Ns/m)

 Đoạn luyện

ωy = 0,768 m/s; ρy = 3,378 kg/m3; µy =

 Đoạn chưng

ωy = 0,743 m/s; ρy = 4,49 kg/m3; µy =

d Chuẩn số Prand đối với pha lỏng:

ρ : Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m)

D : Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m/s)

μ : Độ nhớt trung bình của lỏng (N.s/m)

⇒Chuẩn số Prand đối với pha lỏng đoạn luyện là:

⇒ Chuẩn số Prand đối với pha lỏng đoạn chưng là:

e Hệ số cấp khối trong pha hơiTheo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (IX.42 – 2.trang 164):

Trong đó:

D : Hệ số khuếch tán trong pha hơi (m/s)

Re : Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi

⇒Hệ số cấp khối pha hơi đoạn luyện là:

⇒Hệ số cấp khối pha hơi đoạn chưng là:

f Hệ số cấp khối trong pha lỏng:

Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (IX.44 – 2 trang 165):

Trong đó:

D: Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m/s)

Prx: chuẩn số Pran đối với pha lỏng

h: Kích thước dài, chấp nhận bằng 1 m

M: Khối lượng mol trung bình của pha lỏng

Đoạn luyện: x = xxtbL= 0,732

Đoạn chưng: x = xxtbC =

Hệ số cấp khối trong pha lỏng đoạn luyện là

Hệ số cấp khối trong pha lỏng đoạn chưng là:

3 Hệ số chuyển khối, đường cong động học, số đĩa thực tế

a Hệ số chuyểnkhối

Là lượng vật chất chuyển qua một đơn vị bề mặt trong một đơn vị theo thì gian khihiệu số nồng độ bằng một đơn vị

m: Hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào t, áp suất, nồng độ của các pha

βx, βy: Hệ số cấp khối của pha lỏng, hơi tính theo một đơn vị diện tích bề mặt làmviệc của đĩa (kmol/m2s)

b Tính đường kính ống chảy chuyền:

• : Lưu lượng lỏng đi trong tháp

Đoạn luyện GtbL=

Đoạn chưng: GtbC =

• : Khối lượng riêng trung bình pha lỏng

• z : Số ống chảy chuyền phụ thuộc vào đường kính tháp Chọn z=1

• ω : Tốc độ chất lỏng trong ống chảy truyền, chọn ω = 0,15 (m/s)

Đường kính ống chảy chuyền trong đoạn luyện:

Đường kính ống chảy truyền trong đoạn chưng:

Quy chuẩn dchL = 0,07 m; dchC = 0,12 m

Từ dch ta tính được

Diện tích làm việc của đĩa: f = F – f ch m (2.trang 173)

fch : Diện tích mặt cắt ngang các ống chảy truyền m2

m : số ống chảy truyền trên mỗi đĩa, chọn m = 1

c Tính số đơn vị chuyển khối

g : Lượng hơi trung bình (kg/h)

Ky : Hệ số chuyển khối (kmol/ms)

f: Diện tích làm việc của đĩa m2

d Đường cong động học.

Xác định số đĩa thực tế bằng đường cong động học theo các bước sau:

- Vẽ đường cong cân bằng y = f(x) và vẽ đường làm việc của đoạn chưng, luyện với R

- Dựng các đường thẳng vuông góc với Ox, các đường này cắt đường

làm việc tại : A; A; A;…; A và cắt đường cân bằng y = f(x) tại C; C;…; C

- Tại mỗi giá trị của x tìm tg góc nghiêng của đường cân bằng:

m = tgα = (2.trang 173)

- Tính hệ số chuyển khối ứng với mỗi giá trị của x:

Xác định Cy theo công thức Cy = e (IX.64 – 2.trang 172) Với mỗi giá trị của xtương ứng ta có A là điểm thuộc đường làm việc, C là điểm thuộc đường cân bằng

và B là điểm thuộc đường cong động học cần xác định: Tìm đoạn theo công

thức:

Vẽ đường cong phụ đi qua các điểm B ( i = 1 ÷ 9)

- Vẽ số bậc nằm giữa đường cong phụ và đường làm việc, số bậc là số đĩa thực tếcủa tháp

Bảng số liệu vẽ đường cong động học:

,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9y

cb

0,24 ,4230 ,5440 ,6450 ,7260 ,7910 ,8480 ,9010 ,95 0x

cb

0,048

0,11

0,18

0,29

0,42

0,51

0,61

0,72

0,84

Y ,09630 ,2010 ,3060 ,4100 ,6660 ,7300 ,7940 ,8590 ,9230

M ,7632 ,4672 ,9831 ,1362 ,7500 ,6780 ,6000 ,5250 ,45 0K

y

0,007

0,008

0,009

0,009

0,019

0,02

0,021

0,023

0,025m

yT

0,253 ,2890 ,3250 ,3250 ,7420 ,7820 ,8210 ,8990 ,9770C

y

1,288 ,2251 ,3841 ,3841 ,1002 ,1862 ,2732 ,4572 ,6562A

C ,1130 ,1610 ,1480 ,1140 ,06 0 ,0610 ,0540 ,0420 ,0270B

C ,0880 ,1310 ,1070 ,0820 ,0280 ,0280 ,0240 ,0170 ,01 0

Từ đường nồng độ làm việc và đường cong động học ta vừa vẽ được, ta tìm được

số đĩa thực tế của tháp là N = 33 đĩa Trong đó:

Số đĩa đoạn chưng: 21 đĩa

Số đĩa đoạn luyện: 12 đĩa

4 Hiệu suất tháp, chiều cao tháp

a Hiệu suất tháp

b Chiều cao tháp tính theo công thức:

H = Ntt(Hđ + δ) + (0,8 ÷ 1) (IX.50 – 2.trang 169)Trong đó:

Ntt : Số đĩa thực tế

Hđ : Khoảng cách giữa các đĩa (m) Nội suy theo bảng IX.4a – 2.trang 169

D = 0,66 m, D = 0,8 m chọn H = 194 mm H = 170 mm

(0,8 ÷ 1) m: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị

δ: Chiều dày đĩa Chọn δ = 3 mm

Diện tích tự do tương đối: ε = 8%

- Chiều cao gờ chảy tràn: h = 30 mm

- Chiều dày đĩa lỗ δ = 3mm

- Khoảng cách giữa các đĩa H = 0,45 m

- Đường kính lỗ d = 3 mm

- Bước lỗ t = 10 mm

Đoạn chưng

- Đường kính: D= 0,8 m

Diện tích tự do tương đối: ε = 8%

- Chiều cao gờ chảy tràn: h = 30 mm

- Chiều dày đĩa lỗ δ = 3mm

- Khoảng cách giữa các đĩa H = 0,45 m

- Đường kính lỗ d = 3 mm

- Bước lỗ t = 10 mm

Tính chiều dài cửa chảy tràn

Diện tích dành cho ống chảy truyền là 8% diện tích đĩa, nên ta có phương trình sau:

V TÍNH TRỞ LỰC THÁP

∆P = N tt ∆P d (N/m2) (IX.135 – 2.trang 194)Trong đó:

∆Pd: Tổng trở lực của một đĩa (N/m2)

∆Pd = ∆P + ∆P + ∆P (N/m) (IX.136 – 2.trang 194)

∆P : Trở lực của đĩa khô (N/m)

∆P : Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (N/m)

∆P : Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) (N/m)

1 Trở lực của đĩa khô

Trong đó:

ξ: Hệ số trở lực tiết diện tự do của lỗ là ε = 20% ⇒ ξ= 1,45

ρ: Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg/m)

Thay số ta có:

2 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt.

Đĩa có đường kính lớn hơn 1mm được tính theo công thức:

Trong đó:

Nội suy theo bảng I.242-1.trang 300 ta được:

Sức căng bề mặt dung dịch đoạn luyện:

Sức căng bề mặt dung dịch đoạn chưng:

D: là đường kính lỗ(m): theo thông số đã chọn d = 3mm = 0,003m

Trở lực do sức căng bề mặt đoạn luyện:

Trở lực do sức căng bề mặt đoạn luyện:

3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa

Trong đó:

K: tỷ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của lỏng không bọt Khitính toán chấp nhận K=0,5

hc: chiều cao gờ chảy tràn (m)

Lc: chiều dài gờ chảy tràn (m)

m: hệ số lưu lượng chảy qua gờ chảy tràn

Gx: lưu lượng lỏng kg/h

Đoạn luyện: Gx = 1457,89 kg/h