Tài liệu Thiết kế mân chóp xuyên lỗ có ống chảy chuyền chưng cất hệ benzen toluen

Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách Khoa Khoa Kỹ Thuật Hoá học BỘ MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MÂN CHÓP XUYÊN LỖ CÓ ỐNG CHẢY CHUYỀN CHƯNG CẤT HỆ BENZEN- TOLUEN SVTH: Đinh Thành Thung – 1513349 GVHD: TS. Trần Thanh Quang Năm học 2019-2020 LỜI MỞ ĐẦU 1 Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp các kiến thức cơ bản cần thiết cho Kỹ sư hóa – thực phẩm trong tương lai. Môn học này giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu thiết bị, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên sinh viên được vận dụng những kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của đồ án môn học là thiết kế tháp chưng cất mâm xuyên lỗ của hệ Benzen – Toluen hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu: 5000 kg/h có nồng độ 32% khối lượng benzen, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 97,5% khối lượng benzen và sản phẩm đáy là 1,8% khối lượng benzen. Em xin chân thành cảm ơn các quí thầy, cô bộ môn Máy & Thiết bị, đặc biệt là thầy Nguyễn Thanh Quang đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể tránh được những sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn. 2 MỤC LỤC CHƯƠNG I...................................................................................................................................................1 TỔNG QUAN................................................................................................................................................1 1.1 LÝ THUYẾẾT VẾỀ CHƯNG CẤẾT.............................................................................................................1 1.1.1 Khái niệm.......................................................................................................................1 1.1.2 Phương pháp chưng cấất:...............................................................................................1 1.1.3 Thiếất bị chưng cấất..........................................................................................................1 1.2 GIỚI THIỆU SƠ BỘ VẾỀ NGUYẾN LIỆU...............................................................................................2 1.2.1 Benzen...........................................................................................................................2 1.2.1 Các phương thức điếều chếấ............................................................................................3 1.2.2 Hỗỗn hợp Benzen – Toluen.............................................................................................4 1.3 CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤẾT BENZEN – TOLUEN.................................................................................5 1.3.1 Thuyếất minh nguyến lí làm việc....................................................................................5 CHƯƠNG 2...................................................................................................................................................6 CÂN BẰNG VẬT CHẤT.............................................................................................................................6 2.1 CÁC THÔNG SÔẾ BAN ĐẤỀU................................................................................................................6 2.2 CẤN BẰỀNG VẬT CHẤẾT.......................................................................................................................6 2.2.1 Xác định suấất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy........................................................6 2.2.2 Xác định chỉ sỗấ hoàn lưu thích hợp.....................................................................................7 2.2.3 Phương trình đường làm việc:............................................................................................8 CHƯƠNG 3.................................................................................................................................................10 TÍNH KÍCH THƯỚC THÁP VÀ MÂM...................................................................................................10 3.1 ĐƯỜNG KÍNH THÁP.......................................................................................................................10 3.1.1 Đường kính đoạn cấất.........................................................................................................10 3.1.2 Đường kính đoạn chưng:...................................................................................................12 3.2 CHIẾỀU CAO THÁP............................................................................................................................14 CHƯƠNG 4.................................................................................................................................................14 TRỞ LỰC THÁP MÂM XUYÊN LỖ.......................................................................................................14 4.1 TÍNH TOÁN MẤN LÔỖ.......................................................................................................................14 4.2 TRỞ LỰC MẤN LÔỖ..........................................................................................................................15 4.2.1 Trở lực của đĩa khỗ:...........................................................................................................15 4.2.2 Trở lực do sức căng bếề mặt...............................................................................................15 4.2.3 Trở lực thủy tnh do chấất lỏng trến đĩa tạo ra...................................................................16 3 CHƯƠNG 5.................................................................................................................................................18 TÍNH CƠ KHÍ............................................................................................................................................18 5.1 TÍNH TOÁN PHẤỀN THẤN THÁP.......................................................................................................18 5.2 TÍNH TOÁN ĐÁY VÀ NẰẾP................................................................................................................19 5.3 TÍNH TOÁN CHI TIẾẾT ÔẾNG DẤỖN......................................................................................................20 5.3.1 ÔẾng dấỗn hơi vào thiếất bị ngưng tụ.....................................................................................20 5.3.2 ÔẾng dấỗn dòng hỗềi lưu dòng sản phẩm đỉnh......................................................................21 5.3.3 ÔẾng dấỗn dòng nhập liệu.....................................................................................................21 5.3.4 ÔẾng dấỗn dòng sản phẩm đáy:............................................................................................22 5.3.5 ÔẾng dấỗn hơi vào đáy tháp..................................................................................................23 5.4 MẶT BÍCH VÀ VÒNG ĐỆM..............................................................................................................23 5.4.1 Bích và đệm để nỗấi và bít kín thiếất bị................................................................................23 5.4.2 Bích để nỗấi các ỗấng dấỗn......................................................................................................24 5.5 CHẤN ĐỠ THÁP VÀ TAI TREO.........................................................................................................25 5.5.1 Tính trọng lượng toàn tháp...............................................................................................25 5.5.2 Tai treo tháp.......................................................................................................................26 5.5.3 Tính chấn đỡ tháp..............................................................................................................26 CHƯƠNG 6.................................................................................................................................................27 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG.....................................................................................................................27 6.1 THIẾẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT:.............................................................................................................27 6.2 THIẾẾT BỊ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU:...........................................................................................27 6.3 THIẾẾT BỊ NGƯNG TỤ ĐỈNH:............................................................................................................28 6.4 THIẾẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH..........................................................................................28 6.5 NÔỀI ĐUN Ở ĐÁY THÁP:...................................................................................................................29 CHƯƠNG 7.................................................................................................................................................29 TÍNH TOÁN BƠM.....................................................................................................................................29 7.1 NẰNG SUẤẾT BƠM..........................................................................................................................29 7.2.1 Tổng trở lực trong đường ỗấng...........................................................................................30 7.2.2 Trở lực trong thiếất trao đổi nhiệt:.....................................................................................31 7.2.3 Trở lực thiếất bị đun............................................................................................................33 7.3 CÔNG SUẤẾT BƠM..........................................................................................................................34 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................................34 4 CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 1.1.1 Khái niệm Chưng cất là quá trình enz để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của 2 quá trình này là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi. Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phẩm. - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ) - Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn)  Đối với hệ Benzen – Toluen: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm enzene và một ít toluene. - Sản phẩm đáy chủ yếu là toluene và một ít enzene. 1.1.2 Phương pháp chưng cất: Phân loại dựa theo:  Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao  Nguyên lý làm việc: gián đoạn, liên tục và bán liên tục  Theo loại tháp: Tháp đệm, tháp đĩa, tháp phun…  Cấp nhiệt ở đáy tháp: Cấp nhiệt trực tiếp, cấp nhiệt gián tiếp  Đối với hệ benzene- toluene: Dùng phương pháp chưng cất bằng cách cấp nhiệt gián tiếp qua nồi đun ở áp suất thường. 1.1.3 Thiết bị chưng cất Trong sản xuất, người ta thường sử dụng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, …Ở đây ta khảo sát 2 loại thường enz là tháp mâm và tháp chêm. 1 - Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có: + Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí có xuyên lỗ dạng tròn, xupap,.. và ống chảy chuyền có nhiều tiết diện khác nhau phụ thuộc vào suất lượng pha lỏng. + Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính từ 3-12mm, tổng các lỗ trên mâm chiếm từ 8-15% tiết diện của tháp. - Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. Bảng 1.1: So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp Tháp chêm - Cấu tạo khá đơn giản. Tháp mâm xuyên lỗ Tháp xuyên lỗ -Trở lực tương đối thấp. - Khá ổn định. - Trở lực thấp. -Hiệu suất khá cao. Ưu điểm - Làm việc được với chất lỏng - Hiệu suất truyền khối cao bẩn nếu enz đệm cầu có   Nhược điểm  của chất lỏng. - Do có hiệu ứng thành nên - Kết cấu khá phức tạp. - Có trở lực lớn. hiệu suất truyền khối thấp. - Tiêu tốn nhiều - Độ ổn định không cao, khó vật tư, kết cấu vận hành. phức tạp. - Khó chế tạo được kích thước lớn, qui mô công nghiệp. - Thiết bị khá nặng nề.  Hệ Benzen – Toluen : chưng cất bằng tháp mâm xuyên lỗ. 1.2 1.2.1 GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU Benzen Benzen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ. Công thức phận tử là C 6H6. Benzen không phân cực, vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực và tan rất ít trong nước. Trước đây người ta thường sử dụng enzene làm dung môi. Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ 2 enzene trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay enzene được sử dụng hạn chế hơn Các tính chất vật lí của enzene:  Khối lượng phân tử: 78,11  Tỉ trọng (20oC): 0,879  Nhiệt độ sôi: 80°C  Nhiệt độ nóng chảy: 5,5°C Toluen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng và có tính thơm, công thức phân tử tương tự như enzene có gắn thêm nhóm –CH3. Không phân cực, do đó enzene tan tốt trong enzene. Toluen có tính chất dung môi tương tự enzene nhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay enzene làm dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp. Các tính chất vật lí của enzene: o Khối lượng phân tử: 92,13 o Tỉ trọng (20oC): 0,866 o Nhiệt độ sôi: 111oC o Nhiệt độ nóng chảy: -95 oC 1.2.1 Các phương thức điều chế  Đi từ nguồn thiên nhiên Thông thường các hydrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ…  Đóng vòng và dehydro hóa ankan  Các ankan có thể tham gia đóng vòng và dehydro hóa tạo thành hydro cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr 2O3, hay các lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt CH3(CH2)4CH3  → C 6 H6 Dehydro hóa các cycloankan Các cycloankan có thể bị dehydro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành enzene hay các dẫn xuất của enzene C6H12  → C 6 H6 Đi từ enzenee 3 Đun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken như Ni(CO)[(C6H5)P] sẽ thu được enzene 3C2H2 → C 6 H6 Từ enzene ta có thể điều chế được các dẫn xuất của enzene như enzene bằng phản ứng Friedel – Crafts (phản ứng ankyl hóa enzene bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự có mặt cảu xúc tác AlCl3 khan) 1.2.2 Hỗn hợp Benzen – Toluen Bảng 1.2: Thành phần lỏng (x)–hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen ở 760mmHg. 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 11,8 21,4 38 51,1 61,9 71,2 79 85,4 91 95,9 100 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2 Hệ Benzen- Toluen 115 110 105 Nhiệt độ ( 0C) X (phần mol) Y (phần mol) T (oC) 100 95 90 85 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 X-Y (phần trăm mol) Đường cân bằng pha hệ Benzen – Toluen 4 90 100 1.3 CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT BENZEN – TOLUEN 1.3.1 Thuyết minh nguyên lí làm việc Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen là 32% phần khối lượng, nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu là 32oC tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3), sau đó được bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt giữa sản phẩm đáy và nhập liệu(4), từ đó nguyên liệu được đưa vào thiết bị đun sôi dòng nhập liệu(5) , tại đây sản phẩm đỉnh được đưa đến nhiệt độ sôi và đưa vào đĩa nhập liệu của tháp (7). Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (5). Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống. Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống phía dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (10) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là toluen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều nhất (nồng độ 97,5% khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (12), được làm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (12) rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế. Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Toluen). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Benzen là 1,8% khối lượng, còn lại là Toluen. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (10). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được cho trao đổi với dòng nhập liệu rồi đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (11). Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là benzen, sản phẩm đáy là toluen 5 CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 2.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU  Năng suất nhập liệu: GF = 5000 kg/h  Nồng độ nhập liệu: x́ F = 32% khối lượng  Nồng độ sản phẩm đỉnh: x́ D = 97,5% khối lượng  Nồng độ sản phẩm đáy: x́ W = 1,8% khối lượng  Khối lượng phân tử của Benzen và Toluene: MB =78, MT =92  Chọn: + Nhiệt độ nhập liệu: t’F =32oC. + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t’D =35oC + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’W = 35oC + Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng- sôi  Các kí hiệu: + GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h + GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h + GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h + xi, x́ i: phân mol, phân khối lượng của cấu tử i 2.2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 2.2.1 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy  Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F=D+W  Cân bằng cấu tử benzen (cấu tử nhẹ): F. xF= D. xD + W. xW Trong đó :  x́ F = 32% khối lượng, ta được : x́ F 0,32 78 78 xF = = =0,357 x́ F (1- x́ F ) 0,32 (1-0,32) + + 78 92 78 92 Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu: MF= 78. xF + (1- xF).92= 87 (kg/kmol) F= G F 5000 = =57,47(kmol) MF 87  x́ D = 97,5% khối lượng, ta được: 6 (1) (2) 0,975 78 xD = =0,979 0,975 1−0,975 + 78 92 Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh: MD= 78. xD + (1- xD).92= 78,3 (kg/kmol)  x́ w = 1,8% khối lượng, ta được: 0,018 78 xW= =0,02 0,018 1−0,018 + 78 92 Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy: MW = 78. xW + (1- xW).92 = 91,7kg/kmol  Giải hệ phương trình (1) và (2), ta được: D= 20,2 kmol/h và W= 37,27 kmol/h  Năng suất sản phẩm thu được: GD = D.MD = 20,2. 78,3= 1582 kg/h GW = W.MW = 37,27. 91,7= 3418 kg/h  Suất lượng và nồng độ các dòng: Dòng kg/h kmol/h Nhập liệu GF= 5000 F= 57,47 Sản phẩm đỉnh GD =1582 D= 20,2 Sản phẩm đáy GW =3418 W= 37,27 2.2.2 Xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp Kmol B/ Kmol hh xF = 0,357 xD = 0,979 xW = 0,02 Kg B/ Kg hh x́ F = 0,320 x́ D = 0,975 x́ w ¿ 0,018 Xác định chỉ số hoàn lưu tối thiểu Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chỉ số hoàn lưu ứng với lượng hoàn lưu nhỏ nhất mà có thể đảm bảo được năng suất và hiệu suất của thiết bị lí tưởng. Tỷ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực. Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, toluene, bơm…) là tối thiểu. ¿ Rmin = xD− yF ¿ y F −x F ¿ Trong đó: y F - nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi ¿ Với xF = 0,357, dựa vào bảng cân bằng Hệ Benzen – Toluen, ta có y F = 0,579 vậy : Rmin = 0,979−0,579 =1,8 0,579−0,357 7  Xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp Tỷ số hoàn lưu làm việc: R =1.3Rmin + 0.3= 2,64 Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp, thiết bị ngưng tụ, nồi đun và công để bơm sẽ tăng theo. Chi phí cố định sẽ giảm dần tới cực tiểu rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần, lượng nhiệt và lượng toluene sử dụng cũng tăng theo tỷ số hoàn lưu. Tổng chi phí bao gồm: chi phí cố định và chi phí điều hành. Tỷ số hoàn lưu làm việc thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu. Tuy nhiên đôi khi chi phí vận hành rất phức tạp, khó kiểm soát nên người ta có thể tính tỷ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất. Để tính được tỷ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí vận hành), ta cần lập mối quan hệ giữa tỷ số hoàn lưu và thể tích tháp, từ đó chọn ra Rth ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất. 2.2.3 Phương trình đường làm việc: Chỉ số nhập liệu : f = F 57,47 = = 2,85 D 20,2 Phương trình đoạn cất (luyện) có dạng: y= x R 2,64 0,979 x+ D = x+ =0,725 x+ 0,269 R+1 R+1 2,64 +1 2,64 +1 Phương trình đoạn chưng có dạng: y= R+ f f −1 2,64 +2,85 2,85−1 x− xW = x− 0,02=1,51 x−0,01 R+1 R+1 2,64 +1 2,64+1 2.3.4 Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế  Xác định số mâm lý thuyết Để xác định số mâm lý thuyết ta dựa vào đồ thị sau: 8 Sỗấ Bậc Thay Đổi Nỗềng Đỗ 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết hệ Benzen – Toluen Dựa vào đồ thị, ta có 15 bậc thay đổi nồng độ gồm: 7 mâm cất, 8 mân chưng  Xác định số mâm thực tế Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: N tt = N lt η tb Trong đó: - tb: hiệu suất trung bình của đĩa. - Ntt: số mâm thực tế. - Nlt: số mâm lý thuyết.  Tra độ nhớt μB, μT bẳng I.101 trang 91(2), sau đó xác định μhh theo công thức: μhh = x1. μB + (1- x1). μT  Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi: α F =  Tính μ.α và tra hiệu suất η trang 171(1). 9 y¿ 1−x ¿× x 1− y 100  Tính trung bình cộng hiệu suất η ta được μtb.  Tính toán ta thu được giá trị như bảng sau: Nhập liệu 96,5 0,357 0,579 0,274 0,2824 0,279 2,477 0,69 0,54 0,54 o Nhiệt độ ( C) x (phần mol) y (phần mol) μB (cp) μT (cp) μhh (cp) α μhh.α η μtb Vậy số đĩa thực tế là: N tt = Đỉnh 80,5 0,979 0,992 0,3145 0,3176 0,31452 2,455 0,772 0,52 Đáy 109,5 0,02 0,047 0,2404 0,2514 0,2512 2,3548 0,5916 0,56 Nlt 16 = =27,8 μ tb 0,54 Vậy chọn Ntt = 28 mâm, gồm : 13 mâm cất ; 15 mâm chưng CHƯƠNG 3 TÍNH KÍCH THƯỚC THÁP VÀ MÂM 3.1 ĐƯỜNG KÍNH THÁP Dt  4Vtb g tb 0,0188 π.3600.ω tb (  y .ω y ) tb m (IX.89,IX.90/182 , [2]) Vtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h). tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s). gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h). Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau. Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau. 3.1.1 Đường kính đoạn cất  Lượng hơi trung bình đi trong tháp: g tb  g d  g1 2 kg/h (IX.91/181, [2]) gd: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h). g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h).  Xác định gd: gd = D.(R+1) =20,2. (2,64+1) = 73,53 (kmol/h) = 5757 kg/h 10  Xác định g1: Từ hệ phương trình : g1= G1 + GD g1. ý 1= G1. x́ 1+ GD. x́ D g1. r1= gd. rd Trong đó: G1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất. r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất rd: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp . * Tính r1: t1 = tF = 96,6oC, tra tài liệu tham khảo (Bảng I.212/254, [2]), ta có Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen: rB = 382,33 (kJ/kg) Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluene: rT = 370,72 (kJ/kg) Suy ra : r1 = rB. ý 1 + (1- ý 1).rT = 370,72 + 11,61. ý 1 (kJ/kg). * Tính rd : tD = 80,5oC, tra tài liệu tham khảo (bảng I.212/254, [2]),ta có : Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen: rB = 393,14 (kJ/kg) Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluene: rT = 378,21 (kJ/kg) Suy ra : rd = rB. ý d + (1- ý d ).rT = 393,14. 0,991 + (1- 0,991). 378,21= 393 (kJ/kg) (yd= yD=0,992, từ đồ thị t-xy ta suy ra ý d =0,991) * x́ 1= x́ F = 0,32. * x́ D =0,975 Giải hệ (3.1) , ta được : g1= 6010 (kg/h) G1= 4428 (kg/h) ý 1= 0,492 ( phần khối lượng) Vậy :g tb = g 1+ g d 6010+ 5757 = =5883,5(kg /h) 2 2  Tốc độ hơi trung bình trong tháp ở đoạn cất:  Xác định ρytb: Nồng đô phần mol trung bình của pha hơi : y tb = y 1 + y d 0,533 + 0,992 = =0,763 2 2 ( Ta có ý 1= 0,492 suy ra y 1=0,533) Nhiệt độ trung bình : Ttb = TF + Td 80,5 + 96,6 = =88,6 0C 2 2 11 Khối lượng mol trung bình : Mtb= MB. ytb + (1- ytb). MT = 78. 0,763 + (1- 0,763). 92=81,3 (kg/kmol) Khối lượng riêng trung bình: ρ ytb = Mtb T 0 P 81,3. 273. 1 = =2,74 (kg /m3 ) R.T tb P 0 22,4. (88,6+273). 1  Xác định ρxtb : Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng : x tb = x 1 + x d 0,357 + 0,979 = =0,668 2 2 Suy ra : x́ tb =¿0,63 Nhiệt độ trung bình : Ttb = TF + Td 80,5 + 96,6 = =88,6 2 2 Tra khối lượng riêng của benzene, Toluene: ρB= 803,3 (kg/m3); ρT= 797,6 (kg/m3). x́ 1−x́ tb 0,63 1−0,63 1 = tb + = + , suy ra :ρ xtb= 801,2 ρ ytb ρ B ρ T 803,3 797,6 Chọn h= 0,3 m,  Xác định ω=0,032 D=0,0188 √ √ ρ xtb 801,2 =0,032 =0,55( m/s) ρ ytb 2,74 √ g tb 5883,5 =0,0188 =1,2 ( m ) ρ ytb * ω 2,74*0,55 √ 3.1.2 Đường kính đoạn chưng:  Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng: g , tb  g , n  g ,1 2 ; kg/h g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng ; kg/h. g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng ; kg/h.  Xác định g’n: g’n = g1 = 6010 kg/h  Xác định g’1 : Từ hệ phương trình : G’1= g’1 + Gw G’1. x́ ' 1 = g’1. ý w + Gw. x́ w g’1. r’1= g’n. r’n Với: G’1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng . r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng. r’n= r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khổi đĩa trên cùng của đoạn chưng. 12 * Tính r’1: t’1 = tw = 109,5 0C, tra tài liệu tham khảo (Bảng I.212/254, [2]), Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen: r’B = 370,3 (kJ/kg) Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluene: r’T = 361,7 (kJ/kg) * x́ w= 0,018 ; ý w = 0,019. Suy ra : r’1 = r’B. ý w + (1- ý w ).r’T = 361,7 + 8,6. ý w = 361,9(kJ/kg). * Tính r’n = r1= 370,72 + 11,61. ý 1=370,72 + 11,61. 0,492= 376,4 (kJ/kg). * x́ w= 0,018 ý w = 0,019. Giải hệ (3.1) , ta được : G’1= 9669 (kg/h) g’1= 6251 (kg/h) x́ ' 1= 0,0186 ( phần khối lượng) Vậy :g tb = g ' 1+ g ' n 6251+ 6010 = =6130,5(kg /h) 2 2  Tốc độ hơi trung bình trong tháp ở đoạn cất:  Xác định ρytb: Nồng đô phần mol trung bình của pha hơi : y tb = Nhiệt độ trung bình : Ttb = y 1 + y w 0,579+ 0,022 = =0,3 2 2 TF + TW 96,5 + 109,5 = =103 0C 2 2 Khối lượng mol trung bình : Mtb= MB. ytb + (1- ytb). MT = 78. 0,3 + (1- 0,3). 92=87,8 (kg/kmol) Khối lượng riêng trung bình: ρ ytb = Mtb T 0 P 87,8. 273. 1 = =2,85( kg/ m3) R.T tb P 0 22,4. (103+273). 1  Xác định ρxtb : Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng : x́ tb = Nhiệt độ trung bình : Ttb = x́ 1 + x́ w 0,32 + 0,018 = =0,169 2 2 TF + TW 96,5 + 109,5 = =103 0C 2 2 Tra khối lượng riêng của benzene, Toluene: ρB= 788,5(kg/m3); ρT= 784,2(kg/m3). x́ 1−x́ tb 0,169 1−0,169 1 = tb + = + , suy ra :ρ xtb= 784,9 ρ ytb ρ B ρ T 788,5 784,2 Chọn h= 0,3 m, 13  Xác định ω=0,032 D=0,0188 √ √ ρ xtb 784,9 =0,032 =0,53( m/s) ρ ytb 2,85 √ g tb 6130,5 =0,0188 =1,2(m) ρ ytb * ω 2,84*0,53 √ Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 1,2 m. 3.2 CHIỀU CAO THÁP Từ công thức IX.54 trang 170, [2] ta tính chiều cao toàn tháp: H=N t . ( hđ + δ ) +(0,8 ÷ 1) Trong đó  H: chiều cao của tháp (m)  Nt: số mâm thực tế  Hđ: khoảng cách giữa các mâm (m)  δ : chiều dày của mâm (m) Tra bảng IX.4a trang 170, [2] chọn giá trị hmâm = 0,4 m; δ = 6 mm = 6.10-3 m H = 28. (0,4 + 6.10-3) + 1 = 12,4 (m) Chiều cao của thân tháp: Hthân =12,4 (m) Chiều cao của đáy và nắp: Hđ = Hn =0,25. D = 0,3 (m) (Xem ở phần (III.2): Đáy và Nắp thiết bị). Chiều cao của tháp: H = Hthân + Hđ + Hn = 13 m CHƯƠNG 4 TRỞ LỰC THÁP MÂM XUYÊN LỖ 4.1 TÍNH TOÁN MÂN LỖ Cấu tạo mâm lỗ: • Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm. • Đường kính lỗ: 0,08 m • Chiều cao gờ chảy tràn: 0,065 m • Diện tích hình viên phân (bán nguyệt) bằng 20% diện tích mâm. • Lỗ bố trí theo hình lục giác đều. • Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ: 0,03 m • Bề dày mâm bằng 0,6 lần đường kính lỗ: 0,005 m. • Mâm được làm bằng thép không gỉ: X18H10T 14  Tính số lỗ trên mâm: 2 Diện tích của 1 lỗ: Slo =π 2 d lo 0,008 =π =5. 10−5 m 2 4 4 Diện tích của 1 mâm: smam =π Số lỗ trên mâm: 0,08* D t2 1,22 =π =1.13m 2 4 4 s mam 0,08∗1,13 = =1808(lỗ) Slo 5.10−5 Gọi a là số hình lục giác: (V.139 tập 2 trang 48) ta có: Số hình: 3a(a-1) +1= 1808 suy ra a= 25 Suy ra số lỗ thực N= 1801 lỗ Số lỗ trên đường chéo: b= 2a – 1 = 2x25 – 1 =49. 4.2 TRỞ LỰC MÂN LỖ 4.2.1 Trở lực của đĩa khô: ρ y ω0 ∆ P k =ε 2 2 ρy: khối lượng riêng của pha hơi (kg/m3) ω0: vận tốc của pha khí qua lỗ (m/s), được tính: ω 0=ω / 0,08, với Ɛ: 1,82 (trang 194 tập 2) Phần chưng Phần cất ρy 2,85 2,74 ω0 6,63 6,88 ΔPk (N/m2) 114 118 Phần chưng Phần cất ttb (0C) 103 88 σB 0,0184 0,0211 σT 0,0191 0,0206 σ 0,00938 0,0104 4.2.2 Trở lực do sức căng bề mặt ∆Ps = 4σ 1,3d l + 0,08 d2l 15 dl 0,004 0,004 ΔPS 7,21 8 4.2.3 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra ∆ Pb =1,3 ¿). g. ρ x Trong đó: • k=0,5 • Ql lưu lượng lỏng (m3/h) • ρx: Khối lượng riêng lỏng. • Lc: chiều dài ống chảy tràn • hg chiều dài gờ chảy tràn (bằng 65mm)  Tính chiều dài ống chảy tràn : LC Squạt – Stamgiác = Sbán nguyệt Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mân nên ta có phương trình: πα - sin α= 0,2π suy ra α= 93,3 0 suy ra: Lc= Dt* sin α = 1,2 0 2 180  Lưu lượng lỏng tính theo công thức: G D R M tb M Dρ y Qchưng= Qcất=( G D R G F M tb + ) MD MF ρX  Trở lực thủy tĩnh được tính toán và thu được giá trị như bảng sau: Phần chưng Phần cất ρx(kg/m3) 784,9 801,2 Qx (m3/h) 12,38 5,4 16