Tài liệu Thiết kế hệ thống chưng cất methanol bằng tháp đệm có năng suất 4000kg-h

LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ hóa học cũng như các sản phẩm của nó có ảnh hưởng rất lớn đến nhiều ngành sản xuất khác. Trong đó methanol là một sản phẩm khá được quan tâm. Trong quy trình sản xuất, methanol thường được chưng cất để đạt được nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, lưu trữ. Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất methanol bằng tháp đệm có năng suất 4000kg/h, nhập liệu ở nhiệt độ sôi với nồng độ 40% , sản phẩm đỉnh có nồng độ 98%, sản phẩm đáy có nồng độ 0.5% khối lượng/khối lượng. Hệ thống được gia nhiệt bằng hơi nước có áp suất 2 at. Việc thực hiện đồ án là một cơ hội tốt để sinh viên hệ thống hóa các kiến thức đã học cũng như làm quen với việc lựa chọn tính toán các thiết bị thực tế. Thực hiện đồ án là một bước để sinh viên làm quen với công việc của một kỹ sư trong tương lai. Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy Nguyễn Văn Lục. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy trong thời gian qua để em có thể hoàn thành đồ án này. 1 http://www.ebook.edu.vn MỤC LỤC A. I. II. 2.1. 2.2. 2.3. B. C. I. II. III. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. IV. 4.1. 4.1.1. 4.1.2. 4.2. 4.2.1. 4.2.2. 4.3. 4.4. V. 5.1. 5.1.1. 5.1.2. 5.2. 5.2.1. 5.2.2. VI. VII. 7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5. VIII. 8.1. 8.2. 8.3. 8.4. GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU Methanol Nước Ứng dụng của methanol QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT PHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh ĐƯỜNG KÍNH THÁP ĐỆM Lượng hơi trung bình đi trong tháp Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng Khối lượng riêng trung bình Khối lượng riêng trung bình pha lỏng Khối lượng riêng trung bình pha hơi Tốc độ hơi đi trong tháp Đường kính tháp đệm CHIỀU CAO THÁP ĐỆM Chiều cao đoạn luyện Số đơn vị chuyển khối đoạn luyện Chiều cao một đơn vị chuyển khối đoạn luyện Chiều cao đoạn chưng Số đơn vị chuyển khối đoạn chưng Chiều cao một đơn vị chuyên khối đoạn chưng TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM TÍNH BỀN THÁP ĐỆM Tính bề dày thân tháp Tính đáy, nắp Tính mặt bích Tính tai treo Tính chân đỡ TÍNH CÁC ỐNG DẪN Ống nhập liệu Ống hồi lưu sản phẩm đỉnh Ống tháo sản phẩm đáy Ống lấy hơi ở đỉnh 2 4 4 5 5 5 5 5 7 7 8 10 10 11 11 12 12 12 12 13 14 14 15 15 16 16 17 17 18 19 19 20 21 22 22 23 23 25 26 26 26 26 27 27 http://www.ebook.edu.vn 8.5. D. I. II. III. IV. E. I. 1.1. 1.2. II. 2.1. 2.2. F. Ống hơi ở đáy TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH TÍNH THÙNG CAO VỊ VÀ BƠM THIẾT BỊ GIA NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY AN TOÀN LAO ĐỘNG PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ Những nguyên nhân gây cháy nổ trực tiếp Các biện pháp phòng chống cháy nổ AN TOÀN ĐIỆN Các nguyên nhân gây ra tai nạn điện Các biện pháp để phòng tai nạn điện TÀI LIỆU THAM KHẢO 3 27 28 28 29 30 33 34 34 36 36 36 36 37 37 http://www.ebook.edu.vn A. I. GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất, pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu đực bấy nhiêu sản phẩm. Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé. Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Đối với hệ methanol – nước thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là methanol, sản phẩm đáy chủ yếu là nước. Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc ( áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất) hay dựa vào phương pháp cấp nhiệt (trực tiếp hay gián tiếp). Việc lựa chọn các phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của sản phẩm. Đối với hệ methanol nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu chung của các thiết bị vẫn giống nhau là bề mặt tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của pha này vào pha kia. Ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. • Tháp mâm: thân hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của mâm ta có tháp mâm chóp hay tháp mâm xuyên lỗ. • Tháp đệm: tháp trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp bằng hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay có thứ tự. So sánh ưu nhược điểm của hai loại tháp Ưu điểm Nhược điểm Tháp đệm - Cấu tạo đơn giản - Trở lực thấp - Làm việc được với chất lỏng bẩn - Do có hiệu ứng thành nên hiệu suất truyền khối thấp - Độ ổn định không cao, khó vận hành. - Thiết bị nặng nề Tháp mâm chóp - Khá ổn định - Hiệu suất cao Tháp mâm xuyên lỗ - Trở lực tương đối thấp - Hiệu suất cao - Trở lực lớn - Kết cấu phức tạp - Không làm việc được với chất lỏng bẩn - Kết cấu phức tạp. Trong đồ án này ta sử dụng tháp đệm với vòng đệm Raschig xếp ngẫu nhiên với kích thước 25x25x3.0 . 4 http://www.ebook.edu.vn II. 2.1. SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU Methanol Methanol là chất lỏng không màu, tan vô hạn trong nước, có mùi đặc trưng, rất độc. Một lượng nhỏ methanol có thể gây mù lòa, lượng lớn gây tử vong. Methanol có công thức phân tử CH3OH, phân tử lượng 32.04 đvC. Methanol có các tính chất lý hóa sau: Nhiệt độ sôi: 64.5oC Khối lượng riêng ở 20oC: ρ = 791.7 kg/m3 Độ nhớt ở 20oC: μ = 0.6*10-3 N.s/m2 = 0.6 cP Hệ số dẫn nhiệt ở 20oC: λ = 0.179 kcal/m.h.độ = 0.2082 W/m.độ Nhiệt dung riêng ở 20oC: Cp = 2570 J/kg.độ 2.2. Nước Nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị. Công thức phân tử H2O, phân tử lượng 18.02 đvC. Nhiệt độ sôi: 100oC Khối lượng riêng ở 20oC: ρ = 998 kg/m3 Độ nhớt ở 20oC: μ = 1.005*10-3 N.s/m2 = 1.005 cP Hệ số dẫn nhiệt ở 20oC: λ = 0.597 W/m.độ Nhiệt dung riêng ở 20oC: Cp = 4180 J/kg.độ 2.3. Ứng dụng của methanol Methanol có thể hòa tan với nước, alcohol, ester, ether, ketol và hầu hết các dung môi hữu cơ. Do đó, methanol thường được dùng làm dung môi và nguyên liệu để sản xuất những chất hữu cơ khác với số lượng lớn. Methanol có ái lực đặc biệt với Carbon dioxide và hydrogen sulfide, đây được xem là dung môi trong quá trình làm ngọt khí Rectisol. Mang tính phân cực trong tự nhiên, methanol thường tạo hỗn hợp cộng phị với nhiều hợp chất. Methanol làm giảm nhiệt độ hình thành của hydrate khí tự nhiên, nên được sử dụng là chất chống đông trong đường ống. Methanol được dùng để sản xuất formaldehyde, chiếm khoảng 40% lượng tiêu thụ methanol trên thế giới. Tại Mỹ, vai trò của methanol được tăng cao do được sử dụng trong nhiên liệu oxygenated với MTBE. Một ứng dụng quan trọng khác của methanol là sản xuất acid acetic; ngoài ra, nó còn được dùng làm dung môi và hóa chất trung gian. Ngoài ra methanol còn được dùng làm nguyên liệu sản xuất những hóa chất khác, như dimethyl terephthalate (DMT), methyl methacrylate, methylamine, và methyl halogenur. Ứng dụng mới đây nhất là ứng dụng trong nông nghiệp, phun trực tiếp vào cây trồng để kích thích sự phát triển của cây. B. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 1 : Thùng chứa hỗn hợp đầu 2 : Bơm chất lỏng 3 : Thùng cao vị 4 : Lưu lượng kế 5 : Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6 : Tháp chưng cất 7 : Thiết bị ngưng tụ 8 : Thiết bị làm nguội 9 : Thùng chứa sản phẩm 5 http://www.ebook.edu.vn 10 : Nồi đun Kettle 11: Thùng chứa hỗn hợp đáy 12 : Bẫy hơi Hỗn hợp từ thùng chứa (1) được bơm ly tâm (2) chuyển lên thùng cao vị (3). Từ thùng cao vị, hỗn hợp được cho chảy tự nhiên xuống thiết bị gia nhiệt ống chùm. Sau khi qua thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đạt được nhiệt độ sôi và được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa tiếp liệu.Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng từ hỗn hợp đầu được trộn với phần lỏng đi xuống từ đoạn luyện. Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng đi từ trên xuống, ở đây có sự tiếp xúc giữa hai pha. Trong đoạn chưng, càng đi xuống dưới, nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng càng giảm do bị cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi từ nồi đun (10) đi lên lôi cuốn. Hơi càng lên cao thì nhiệt độ càng giảm do đó cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại đi xuống dưới. Cấu tử có nhiệt độ sôi thấp là methanol sẽ lôi kéo các cấu tử methanol trong pha lỏng đi lên trên. Sản phẩm đỉnh là hơi chứa chủ yếu là methanol và một phần nhỏ hơi nước. Hơi ở đỉnh được dẫn qua thiết bị ngưng tụ (7). Một phần lỏng được hồi lưu vào tháp chưng cất còn phần lớn được cho vào thiết bị làm nguội (8) và được đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh. Hỗn hợp đáy chứa chủ yếu là nước được đưa vào nồi đun Kettle. Hơi từ nồi đun được đưa trở lại vào tháp. Sản phẩm đáy sau khi qua nồi đun được đưa vào thiết bị làm nguội và chuyển về thùng chứa sản phẩm đáy (11). 6 http://www.ebook.edu.vn C. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT Quy ước: F, P, W: lần lượt là hỗn hợp đầu vào, đỉnh và đáy GF: lưu lượng hỗn hợp đầu vào, kmol/h GP: lưu lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h GW: lưu lượng sản phẩm đáy, kmol/h GR: lượng chất lỏng hồi lưu, kmol/h xf: nồng độ phân mol hỗn hợp đầu vào theo methanol, kmol/kmol xp: nồng độ phân mol hỗn hợp đỉnh theo methanol, kmol/kmol xw: nồng độ phân mol hỗn hợp đáy theo methanol, kmol/kmol af: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu vào theo methanol, kg/kg ap: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đỉnh theo methanol, kg/kg aw: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đáy theo methanol, kg/kg yi: nồng độ phần mol của pha hơi ứng với nồng độ phần mol xi của pha lỏng, kmol/kmol yi*: nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi ứng với nồng độ phân mol xi của pha lỏng, kmol/kmol A, B: lần lượt là ký hiệu của methanol và nước MA, MB: lần lượt là khối lượng phân tử của methanol và nước MA= 32.04 ; MB= 18.02 Lưu lượng hỗn hợp đầu vào: F * a f F *(1 − a f ) GF = + MA MB 4000 * 0.4 4000 * (1 − 0.4) + = 183.12 kmol/h 32.04 18.02 Nồng độ phân mol của hỗn hợp đầu vào F *af xf = M A * GF GF = 4000*0.4 = 0.27 32.04*183.12 Nồng độ phân mol của hỗn hợp đỉnh: xf = 7 http://www.ebook.edu.vn af xp = MA a f 1− a f + MA MB 0.98 32.04 xp = = 0.96 0.98 1 − 0.98 + 32.04 18.02 Nồng độ phân mol của hỗn hợp đáy aw MA xw = aw 1 − aw + MA MB 0.005 32.04 xw = = 0.0028 0.005 1 − 0.005 + 32.04 18.02 Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu vào MF, đỉnh MP và đáy MW 4000 F = = 21.84 kg/kmol MF = G F 183.12 1 1 MP = = = 31.55 kg/kmol af 1− a f 0.98 1 − 0.98 + + 32.04 18.02 MA MB 1 1 = = 18.06 kg/kmol a w 1 − a w 0.005 1 − 0.005 + + 32.04 18.02 MA MB Phương trình cân bằng vật chất GF = GP + GW Đối với cấu tử dễ bay hơi là methanol GF * x f = GP * x p + GW * xw Từ hai phương trình trên ta suy ra x f − xw 0.27 − 0.0028 GP = GF * = 183.12* = 51.36 kmol/h x p − xw 0.96 − 0.0028 MW = Gw = GF * xp − x f x p − xw = 183.12* 0.96 − 0.27 = 131.76 kmol/h 0.96 − 0.0028 II. [2- 144] [2- 144] [2- 144] [2- 144] PHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THÁP Bảng 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol- nước 8 http://www.ebook.edu.vn x y o C 0 0 100 5 26.8 92.3 10 41.8 87.7 20 57.9 81.7 30 66.5 78 40 72.9 75.3 50 77.9 73.1 60 82.5 71.2 70 87 69.3 80 91.5 67.6 90 95.8 66 100 100 64.5 Hình 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol – nước Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng: xp Rx y= x+ Rx + 1 Rx + 1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng: R +L 1− L y= x x+ xw Rx + 1 Rx + 1 Với : Rx= Gx/GP: chỉ số hồi lưu L=GF/GP Vì hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi nên ta có x p − y *f R x min = * yf − xf [2- 144] [2- 158] [2- 158] Từ đồ thị cân bằng lỏng hơi của methanol- nước với xf =0.27 ta tra được yf* = 0.64; tf = 79oC; với xp= 0.96 thì tP =65oC; với xw=0.0028 thì tw =99.7oC Vậy ta có: 9 http://www.ebook.edu.vn 0.96 − 0.64 = 0.88 0.64 − 0.27 Dùng phương pháp thử ta cho các giá trị Rx khác nhau để tính các giá trị my khác nhau từ đó ta có bảng sau: Bảng 2: Chỉ số hồi lưu thích hợp R x min = 1.06 1.15 Rx 8.9 8.19 my my(Rx+1) 18.33 17.60 1.24 7.71 17.27 1.33 7.36 17.16 1.42 7.10 17.19 1.5 6.90 17.25 1.59 6.74 17.45 1.68 6.60 17.69 1.77 6.49 17.97 1.86 6.39 18.29 1.95 6.31 18.62 Hình 2: Chỉ số hồi lưu thích hợp Dựa vào đồ thị ta thấy Rx = 1.33 Phương trình đường làm việc đoạn luyện: y = 0.57 x + 0.41 Phương trình đường làm việc đoạn chưng: y = 2.1x − 0.0031 III. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 3.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu. 10 http://www.ebook.edu.vn Q D1 + Q f = Q F + Qng1 + Q xq1 J/h [2- 196] Trong đó: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1, chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2at. [2- 196] Qd 1 = D1λ1 = D1 (r1 + C1θ1 ) J/kg Với D1: lượng hơi đốt, kg/h. θ1 = 119.62oC nhiệt độ nước ngưng, C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng. Tra bảng I.148 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất và thực phẩm tập1 được C1 = 1.014kcal/kg.độ = 4245.42 J/kg.độ. Ẩn nhiệt hóa hơi r1 tra ở bảng I.212 sổ tay tập 1 ta được r1 = 526.25kcal/kg = 2203303.5 J/kg. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào: [2- 196] Q f = F .C f .t f J/h Với F= 4000kg/h; tf = 30oC; Cf = 3583.5 sổ tay tâp 1 trang 172. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra: QF = F .C F .t F J/h Với tF = 79oC; CF = 3645J/kg.độ Nhiệt lượng do nước ngưng tụ mang ra: Qng1 = G ng1 .C1 .θ 1 = D1 .C1 .θ 1 J/h [2- 196] [2- 197] Nhiệt độ mất ra môi trường xung quanh Q xq1 = 0.05 D1 r1 J/h Vậy lượng hơi nước cần thiết để đốt nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là: F (C F t F − C f t f ) 4000(3645 * 79 − 3583.5 * 30) D1 = = = 344.84 kg/h 0.95r1 0.95 * 2203303.5 [2- 197] [2- 197] 3.2. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện [2- 197] Q F + Q D 2 + Q R = Q y + Qw + Q xq + Qng 2 Với QF: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào, J/h QD2 = D2(r2+C2θ2) J/h, nhiệt lượng do hơi nước đun nóng hỗn hợp ở đáy tháp. QR = GR.CR.tR J/h, nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào. tR = 65oC, CR = 2813 J/kg.độ QR = 51.36*31.55*1.33*2813*65= 394069723.6 J/h Qy = P(1+Rx)λđ ; nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp. Với λđ = λ1a1+λ2a2 là nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, trong đó λ1, λ2 lần lượt là nhiệt lượng riêng của cấu tử 1 và 2 ở đỉnh J/kg, a1, a2 là phần khối lượng của cấu tử 1 và 2. Với tđ = 79oC ta tính được λđ = 1328485 J/kg, Qy = 5015762248 J/h Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Qw = W.Cw.tw . Với tw = 99.7oC, Cw = 4212.48 J/kg.độ ta tính được Qw = 999387671 J/h. Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qngt = Gngt.C2.θ2 = D2. C2.θ2 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qxq2= 0.05D2r2 Vậy lượng hơi nước cần thiết để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp là: D2 = Q y + Qw − Q F 0.95r2 = 5015762248 + 999387671− 1151820000 = 2323.46 kg/h 0.095 * 2203303.5 3.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 11 http://www.ebook.edu.vn [2- 198] P(Rx+1)r = Gn.Cn(t2 – t1) Với Gn : lượng nước lạnh tiêu tốn, kg/h; t1 = 30oC, t2 = 45oC là nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh. Cn = 4181.043 J/kg.độ : nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở nhiệt độ trung bình của t1 và t2; ẩn nhiệt ngưng tụ r = 1145634 J/kg.độ. Vậy lượng nước làm lạnh tiêu tốn để ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh là: P( R x + 1)r 51.36 * 31.55 * (1.33 + 1) * 1145634 Gn = = = 68968.43 kg/h [2- 198] C n (t 2 − t1 ) 4181.043 * (45 − 30) 3.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh P.Cp(t’1+ t’2 ) = GnCn(t2 - t1) Với Cp = 2785 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ t’1 = 65oC , t’2 = 30oC là nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh t1 = 10oC , t2 = 30oC là nhiệt độ đầu và cuối của nước làm lạnh Cn = 4184.58 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của nước ở 20oC Vậy lượng nước cần để làm lạnh sản phẩm đỉnh là P.C p (t1' − t 2' ) 51.36 * 31.55 * (65 − 30) Gn = = = 1887.28 kg/h C n (t 2 − t1 ) 4184.58 * (30 − 10) IV. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP ĐỆM Đường kính tháp đệm được tính theo công thức: g tb D = 0.0188 (m) ( ρ y ω y ) tb Với gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h. (ρyωy)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s. 4.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp 4.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng theo công thức sau: g + gl [2- 181] g tbl = đ 2 Với gtbl: lượng hơi 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. gl: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h hay kmol/h. [2-181] g đ = G R + G P = G p ( R x + 1) g đ = 51.36 * (1.33 + 1) = 119.68 kmol/h Lượng hơi gl, hàm lượng hơi yl, lượng lỏng Gl đối với đĩa dưới cùng của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: g l = Gl + G P g l y l = Gl xl + G P x p [2- 182] g l rl = g đ rđ 12 http://www.ebook.edu.vn rl = ra yl + (1 − yl )rb rđ = ra y đ + (1 − y đ )rb Trong đó: xl = xf rl: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp. ra, rb: ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử A, B nguyên chất. Nội suy theo bảng I.213 đối với methanol và bảng I.250 đối với nước sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 ở các nhiệt độ tf, tp, tw ta được các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi của A, B nguyên chất theo bảng sau: Bảng 3: Ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử A, B nguyên chất theo nhiệt độ Giá trị rA (kcal/kg) rA (kcal/kmol) rB (kcal/kg) rB (kcal/kmol) tf = 79oC tp = 65oC tw = 99.7oC 259.6 8317.58 551.76 9942.72 267.5 8570.70 559.7 10085.79 246 7881.84 539.4 9719.99 Với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đầu vào ta tính được rl. Với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đỉnh ta tính được rđ. Với yđ là nồng độ hơi tương ứng với nồng độ pha lỏng xp theo phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện. Ta được hệ phương trình: g l = Gl + 51.36 g l * y l = Gl * 0.27 + 49.57 g l (9942.72 − 1625.13 yl ) = 1032091 Giải hệ phương trình trên ta được: gl = 114.7 kmol/h Gl = 63.34 kmol/h yl = 0.55 kmol/kmol Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là: g + g l 119.68 + 114.7 g tbl = đ = = 117.19 kmol/h 2 2 Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là: G + Gl 68.32 + 63.34 Gtbl = R = = 65.83 kmol/h 2 2 4.1.2. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được xác định gần đúng bằng công thức sau: g ' + g l' [2- 182] g tbc = n 2 Với gtbc: lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, kg/h hay kmol/h. gn’: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, gn’= gl , kg/h hay kmol/h/ gl’: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h hay kmol/h. Lượng hơi đi vào đoạn chưng gl’, lượng lỏng Gl’ và hàm lượng lỏng xl’ được xác định theo hệ phương trình sau: 13 http://www.ebook.edu.vn Gl' = g l' + GW Gl' * xl' = g l' * y w + G w * x w [2- 182] g * rl = g * r = g l * rl Trong đó yl’ = yw = 0.0028: tìm theo đường cân bằng ứng với xw rl' = ra y l' + (1 − y l' ) rb ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng. ' l ' ' n ' n rn' = ra y n' + (1 − y n' ) rb ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng. Tính tương tự như trên ta được hệ phương trình Gl' = g l' + 131.76 Gl' * xl' = 0.0028 g l' + 0.37 g l' * 9714.81 = 1032091 Giải hệ phương trình trên ta được: gl’ =106.24 kmol/h Gl’ = 238 kmol/h Xl’ = 0.0028 kmol/h Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là: g ' + g l' 114.7 + 102.24 g tbc = n = = 110.47 kmol/h 2 2 Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là: G + Gl' 63.34 + 238 = = 150.67 kmol/h Gtbc = l 2 2 Khối lượng riêng trung bình 4.2. 4.2.1. Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được tính theo công thức: a 1 − atb 1 = tb + ρ xtb ρ xtb1 ρ xtb 2 [2- 183] Trong đó ρxtb: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3. ρxtb1, ρxtb2 : khối lượng riêng trung bình của methanol và nước của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3. atb : phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng, kg/kg. Phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn luyện atbl và đoạn chưng atbc là: a f + a p 0.4 + 0.98 a tbl = = = 0.69 2 2 a f + a w 0.4 + 0.05 a tbc = = = 0.2025 2 2 Phần mol trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn luyện xtbl và đoạn chưng xtbc là: x f + x p 0.27 + 0.96 = = 0.615 xtbl = 2 2 x f + x w 0.27 + 0.0028 = = 0.1364 xtbc = 2 2 14 http://www.ebook.edu.vn Từ phần mol trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn chưng và đoạn luyện ta tra vào đồ thị cân bằng lỏng hơi của methanol- nước ta được nhiệt độ trung bình của đoạn luyện ttbl=71oC, nhiệt độ trung bình của đoạn chưng ttbc = 85oC. Với các nhiệt độ trung bình trên nội suy theo bảng I.2, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 ta tra được khối lượng riêng trung bình của methanol và nước như sau: ttbl = 71oC, ρxtb1 =742.06 kg/m3, ρxtb2 = 976.95 kg/m3. ttbc = 85oC, ρxtb1 = 728.465 kg/m3, ρxtb2 = 968.5 kg/m3. Vậy khối lượng riêng trung bình của của pha lỏng trong đoạn luyện ρxtbl và đoạn chưng ρxtbc là: ρ xtb1 ρ xtb 2 742.06 * 976.95 ρ xtbl = = = 801.82 kg/m3 atb ρ ztb 2 + (1 − atb ) ρ xtb1 0.69 * 976.95 + (1 − 0.69) * 742.06 ρ xtb1 ρ xtb 2 728.465 * 968.5 = 907.92 kg/m3 atb ρ ztb 2 + (1 − atb ) ρ xtb1 0.2025 * 968.5 + (1 − 0.2025) * 728.465 Khối lượng phân tử trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện và đoạn chưng: M xtbl = xtbl M A + (1 − xtbl ) M B = 0.615 * 32.04 + (1 − 0.615) * 18.02 = 26.70 kg/kmol M xtbc = xtbc M A + (1 − xtbc ) M B = 0.1364 * 32.04 + (1 − 0.1364) * 18.02 = 19.95 kg/kmol ρ xtbc = = 4.2.2. Khối lượng riêng trung bình của pha khí Khối lượng riêng trung bình pha hơi được tính theo công thức: [ y M + (1 − y tb ) M B ]273 ρ ytb = tb A kg/m3 22.4T Với T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp hay của đoạn chưng, đoạn luyện, K. ytb: nồng độ phân mol pha hơi trung bình của đoạn chưng, đoạn luyện. Được tính bằng trung bình cộng nồng độ hai đầu đoạn tháp: y f + y p 0.64 + 0.96 y tbl = = = 0 .8 2 2 yw + y f 0.0028 + 0.64 y tbc = = = 0.3214 2 2 Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng: [0.8 * 32.04 + (1 − 0.8) * 18.02] * 273 ρ ytbl = = 1.04 kg/m3 22.4 * (71 + 273) [0.3214 * 32.04 + (1 − 0.3214) * 18.02] * 273 ρ ytbc = = 0.77 kg/m3 22.4 * (85 + 273) Khối lượng phân tử trung bình của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng: M ytbl = y tbl M A + (1 − y tbl ) M B = 0.8 * 32.04 + (1 − 0.8) * 18.02 = 29.27 kg/kmol M ytbc = y tbc M A + (1 − y tbc ) M B = 0.3214 * 32.04 + (1 − 0.3214) * 18.02 = 22.53 kg/kmol Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm 4.3. Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn kích thước đệm 25x25x3 mm. Tra bảng IX.8, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tâp 2 ta được các thông số sau: σđ =195m2/m3, ρđ=600kg/m3, Vđ = 0.75 m3/m3, số đệm trong một mét khối là 46.103. Tốc độ hơi đi trong tháp đệm có thể xác định theo công thức sau: 15 http://www.ebook.edu.vn Y = 1.2e −4 X ω s2σ đ ρ ytb μ x 0.16 .( ) g.Vđ3 .ρ xtb μ n ρ ytb 1 / 8 G X = ( x )1 / 4 ( ) Gy ρ xtb Y= [2- 187] Chọn ω = 0.8ωs Trong đó ω, ωs: tốc độ làm việc của tháp, tốc độ sặc, m/s σđ : bề mặt riêng của đệm, m2/m3. Vđ : thể tích tự do của đệm, m3/m3. g : gia tốc trọng trường. Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/s μx, μn : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20oC, N.s/m2. Độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình có thể được tính theo công thức sau: [2- 84] lg μ x = xtb lg μ1 + (1 − xtb ) lg μ 2 Tra bảng I.101 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 trang 92 ta được μn=0.001 N.s/m2. Tra trên toán đồ hình I.18 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 trang 90, ứng với nhiệt độ trung bình của đoạn luyện và đoạn chưng ta có: ttbl = 71oC, μ1 = 0.000317 N.s/m2, μ2 = 0.0004006 N.s/m2 suy ra μxl = 0.000347 N.s/m2 ttbc = 85oC, μ1 = 0.0002775 N.s/m2, μ2 = 0.0003355 N.s/m2 suy ra , μxc = 0.000327 N.s/m2 Thay các giá trị vào công thức ở trên ta tính được tốc độ làm việc của đoạn luyện: 65.83 1 / 4 1.04 1 / 8 XL = ( ) ( ) = 0.38 117.19 801.82 YL = 1.2 * e −4*0.38 = 0.26 ω sl = Y .g.Vđ3 .ρ xtb μ n 0.16 ( ) = σ đ .ρ ytb μ x 0.26 * 9.81 * 0.75 3 * 801.82 0.001 0.16 ( ) = 2.25 195 *1.04 0.000346 ω l = 0.8 * 2.25 = 1.80 Tốc độ làm việc của đoạn chưng: 150.67 1 / 4 0.77 1 / 8 XC = ( ) ( ) = 0.45 110.47 907.92 YC = 1.2 * e −4*0.45 = 0.2 ω sc = Y .g.Vđ3 .ρ xtb μ n 0.16 0.21 * 9.81 * 0.753 * 907.92 0.001 0.16 ( ) = ( ) = 2.45 σ đ .ρ ytb μ x 195 * 0.77 0.000327 ω c = 0.8 * 2.45 = 1.96 Đường kính tháp 4.4. đệm Đường kính đoạn luyện 117.19 * 29.27 DL = 0.0188 = 0.81 m 1.04 * 1.80 16 http://www.ebook.edu.vn Đường kính đoạn chưng 110.47 * 22.53 DL = 0.0188 = 0.76 m 0.77 * 1.96 Vậy ta chọn đường kính tháp là D = 1 m V. ™ ™ TÍNH CHIỀU CAO THÁP ĐỆM THEO SỐ ĐƠN VỊ CHUYỂN KHỐI Chiều cao làm việc của tháp đệm được xác định theo công thức sau: m [2- 175] H = hđv .m y Trong đó hđv : chiều cao một đơn vị chuyển khối, m my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha hơi. vị chuyển khối bằng tích phân đồ thị: yc dy my = ∫ y −y y đ cb ™ Ta xác định số đơn [2- 176] Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối phụ thuộc vào đặc trưng của đệm và trạng thái pha, được xác định theo công thức: mG y hđv = h1 + h2 m [2- 177] Gx Trong đó h1: chiều cao một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi. Vđ Re 0y.25 . Pr y2 / 3 m h1 = [2- 177] a.ψσ đ h2: chiều cao một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng h2 = 256( μx 2/3 ) . Re 0x.25 . Prx0.5 m ρx [2- 177] Với a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng a = 0.123 Ψ: hệ số thấm ướt của đệm, phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp. Tra Ψ trên đồ thị hình IX.16 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 trang 178. Xác định các thông số mật độ tưới thực tế Utt và mật độ tưới thích hợp Ut.h theo công thức: V U tt = x Ft m3/m2.h [2- 177] U t .h = B.σ đ Với Vx: lưu lượng thể tích của chất lỏng, m3/h. Ft: diện tích mặt cắt tháp, m2. Giá trị hệ số B = 0.065 đối với quá trình chưng luyện 5.1. Chiều cao đoạn luyện 5.1.1. Số đơn vị chuyển khối của đoạn luyện Phương trình đường làm việc của đoạn luyện 17 http://www.ebook.edu.vn y = 0.57 x + 0.41 Lần lượt ta cho các giá trị của x từ xf đến xp ta sẽ xác định giá trị y theo phương trình đường làm việc và ycb theo đồ thị cân bằng của hỗn hợp methanol - nước. Ta được bảng sau: x 0.27 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.96 y 0.568 0.585 0.614 0.642 0.671 0.700 0.728 0.757 0.785 0.814 0.842 0.871 0.899 0.928 0.962 ycb ycb -y 0.645 0.665 0.700 0.730 0.755 0.780 0.800 0.825 0.850 0.870 0.890 0.915 0.935 0.960 0.983 0.077 0.080 0.086 0.088 0.084 0.080 0.072 0.068 0.065 0.056 0.048 0.044 0.036 0.032 0.021 a=1/(ycb-y) 13.034 12.563 11.620 11.426 11.908 12.432 13.909 14.630 15.429 17.771 20.950 22.629 28.050 31.143 47.937 b=a1+a2 25.579 24.183 23.046 23.334 24.34 26.341 28.539 30.059 33.199 38.721 43.579 50.679 59.193 79.080 c=y2 – y1 0.017 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.5*b*c my 0.219 0.345 0.329 0.333 0.347 0.376 0.407 0.429 0.474 0.553 0.622 0.723 0.845 1.354 7.43 Chiều cao của một đơn vị chuyên khối đoạn luyện Xác định các thông số mật độ tưới thực tế Utt và mật độ tưới thích hợp Ut.h theo công thức: 65.83 * 26.7 U tt = 801.822 = 2.79 3.14 * 1 4 U t .h = 0.065 *195 = 12.68 Tra đồ thị ta được Ψ = 0.22 Tính độ nhớt của pha hơi theo công thức: M hh m1 M 1 m2 M 2 = + [2- 85] 5.1.2. μ hh μ1 μ2 μ1, μ2 là độ nhớt của methanol và nước; m1, m2 là phần thể tích tương ứng của methanol và nước. Tra toán đồ hình I.35 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 ta được các giá trị độ nhớt như sau: μ1 = 113.10-7, μ2 = 114.10-7. Từ đó ta tính được độ nhớt của hỗn hợp khí M hh .μ1 .μ 2 29.27 *113.10 −7 *114.10 −7 = = 113.12 *10 −7 μ hh = −7 −7 m1 M 1 μ 2 + m2 M 2 μ1 0.8 * 32.04 *114.10 + 0.2 *18.02 *113.10 Chuẩn số Re của pha lỏng và pha hơi: 18 http://www.ebook.edu.vn Re x = Re y = 0.04G x 0.04 * 65.83 * 26.7 * 4 = = 0.368 Ft .σ đ .μ x 3600 * 3.14 * 12 *195 * 0.000346 0.4 ρ y ω y μ yσ đ = 0.4 * 1.04 *1.06 = 338.24 113.12 *10 −7 * 195 Với Gx, Gy là lưu lượng pha lỏng và pha hơi, kg/s Chuẩn số Pran của pha lỏng và pha hơi: μx Prx = ρ x .D x μy Pr y = ρ y .D y [2- 178] Trong đó Dx, Dy là hệ số khuếch tán trong pha lỏng và pha hơi, m2/s 0.0043 *10 −4 T 1.5 1 1 + Dy = m2/s 1/ 3 1/ 3 2 MA MB P (v A + v B ) 1.10 −6 D x 20 = 1 1 + MA MB [2- 127] m2/s [2- 133] AB μ B .(v + v ) Trong đó T, P là nhiệt độ tuyệt đối (K) và áp suất tuyệt đối (at). vA, vB : thể tích mol của hơi methanol và nước, cm3/mol. vA = 37, vB = 18.9 μB = 1: độ nhớt của nước ở 20oC, cP hoặc 10-3 N.s/m2. A, B là hệ số liên hợp kể đến ảnh hưởng của phẩm chất của cấu tử methanol và nước A = 1.19, B = 4.7 Dx20 : hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20oC. Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở nhiệt độ toC được xác định theo công thức: Dt = D20 [1 + b(t − 20)] b= 1/ 3 A 1/ 3 2 B 0.2 μ 3 [2- 134] ρ Thay các giá trị vào công thức trên ta được kết quả sau: 0.0043 *10 −4 (71 + 273)1.5 1 1 Dy = + = 2.25 * 10 −5 1/ 3 1/ 3 2 32.04 18.02 1(37 + 18.9 ) 1 1 + 32.04 18.02 = 1.46 * 10 −9 = 1/ 3 1/ 3 2 1.19 * 4.7 * 1.(37 + 18.9 ) 10 −6 D x 20 b= 0.2 * 1 = 0.02 998 D x = 1.46 *10 −9 [1 + 0.02(71 − 20)] = 2.96 * 10 −9 3 19 http://www.ebook.edu.vn 0.000346 = 146.07 801.82 * 2.96 *10 −9 113.12 *10 −7 = 0.48 Pr y = 1.04 * 2.25 *10 −5 0.75 h1 = 338.24 0.25 * 0.48 2 / 3 = 0.38 0.123 * 0.07 *195 0.000346 2 / 3 h2 = 256( ) * 0.368 0.25 *146.07 0.5 = 0.14 801.82 Với trung bình tang góc hợp bởi đường cân bằng và đường nằm ngang m = 0.49 ta tính được chiều cao một đơn vị chuyển khối đoạn luyện là; 0.49 * 117.19 hđv = 0.38 + 0.14 = 0.5 m 65.83 Chiều cao đoạn luyện là: H l = 7.43 * 0.5 = 3.8 m Chiều cao đoạn 5.2. chưng Số đơn vị chuyển 5.2.1. khối của đoạn chưng Phương trình đường làm việc của đoạn chưng: y = 2.1x – 0.0031 Lần lượt cho các giá trị x từ xw đến xf làm tương tự như đoạn luyện ta được bảng như sau: Prx = x 0.0028 0.01 0.03 0.05 0.07 0.09 0.11 0.13 0.15 0.17 0.19 0.21 0.23 0.25 0.27 y ycb ycb -y a=1/(ycb-y) b=a1+a2 0.003 0.018 0.060 0.102 0.144 0.186 0.228 0.270 0.312 0.354 0.396 0.438 0.480 0.522 0.564 0.003 0.050 0.170 0.260 0.340 0.390 0.440 0.470 0.505 0.535 0.565 0.590 0.610 0.630 0.645 0 0.032 0.110 0.158 0.196 0.204 0.212 0.200 0.193 0.181 0.169 0.152 0.130 0.108 0.081 31.159 9.085 6.327 5.101 4.901 4.717 5.000 5.182 5.527 5.920 6.583 7.699 9.270 12.368 40.244 15.412 11.428 10.003 9.618 9.717 10.183 10.709 11.446 12.503 14.282 16.969 21.638 c=y2 – y1 0.5*b*c 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.845 0.324 0.240 0.210 0.202 0.204 0.214 0.225 0.240 0.263 0.300 0.357 0.455 my 4.08 Chiều cao của một 5.2.2. đơn vị chuyển khối đoạn chưng. Tính tương tự như đoạn luyện ta được 150.67 *19.95 907.92 U tt = = 4.22 3.14 *12 4 U t .h = 0.065 *195 = 12.68 20 http://www.ebook.edu.vn