Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................................................................5
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN..........................................................................................................................6
I.
Giới thiệu về nguyên liệu..................................................................................................................6
1.
Methanol........................................................................................................................................6
1.1.
Ứng dụng...............................................................................................................................6
1.2.
Sản xuất.................................................................................................................................6
2.
Nước...............................................................................................................................................6
3.
Hổn hợp Methanol – nước............................................................................................................7
II. Lý thuyết về chưng cất......................................................................................................................8
1.
Khái niệm......................................................................................................................................8
2.
Các phương pháp chưng cất........................................................................................................9
3.
1.2.
Phân loại theo áp suất làm việc............................................................................................9
2.2.
Phân loại theo nguyên lý làm việc........................................................................................9
3.2.
Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp.............................................................9
Thiết bị chưng cất.........................................................................................................................9
CHƯƠNG II: THUYẾT MINH QUY TRÌNH..............................................................................................12
I.
Thuyết minh quy trình công nghệ.................................................................................................12
II. Chú thích các thiết bị trong qui trình............................................................................................12
CHƯƠNG III: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG.........................................................14
I.
Các thông số ban đầu......................................................................................................................14
II. Cân bằng vật chất...........................................................................................................................14
1.
Nồng độ phần khối lượng của methanol trong tháp.................................................................14
2.
Suất lượng mol của các dòng......................................................................................................15
III. Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp..................................................................................................15
1.
Tỉ số hoàn lưu tối hiểu................................................................................................................15
2.
Phương trình đường làm việc số mâm lý thuyết.......................................................................16
IV. Số mâm lý thuyết.............................................................................................................................17
V.
Số mâm thực tế................................................................................................................................17
1.
Xác định hiệu suất trung bình của tháp ηtb :.......................................................................17
2.
Số mâm thực tế của tháp NTT:....................................................................................................18
Page 1
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
VI. Cân bằng năng lượng......................................................................................................................19
CHƯƠNG IV: TÍNH KÍCH THƯỚC THÁP VÀ MÂM...............................................................................22
I.
ĐƯỜNG KÍNH THÁP....................................................................................................................22
1.
Đường kính đoạn cất...................................................................................................................22
2.
Đường kính đoạn chưng:............................................................................................................24
II. Chiều cao tháp chưng cất...............................................................................................................27
1.
Chiều cao của tháp......................................................................................................................27
2.
Chiều cao đáy (nắp)....................................................................................................................27
III. Mâm lỗ - trở lực của mâm..............................................................................................................28
1.
Cấu tạo mâm lỗ...........................................................................................................................28
2.
Trở lực của đĩa khô.....................................................................................................................28
3.
Trở lực do sức căng bề mặt.........................................................................................................29
4.
Trở lực thuỷ tỉnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra...........................................................................30
5.
Tổng trở thuỷ lực của tháp.........................................................................................................32
6.
Kiểm tra hoạt động của mâm.....................................................................................................33
CHƯƠNG V: TÍNH CƠ KHÍ.......................................................................................................................33
I.
Bề dày tháp......................................................................................................................................33
1.
Thân tháp....................................................................................................................................33
2.
Đáy và nắp...................................................................................................................................35
II. Bề dày mâm.....................................................................................................................................36
1.
Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán...............................................36
2.
Tính bề dày..................................................................................................................................37
III. Bích ghép thân đáy và nắp.............................................................................................................38
IV. Chân đỡ tháp...................................................................................................................................38
1.
Tính trọng lượng toàn tháp........................................................................................................39
2.
Tính chân đỡ tháp.......................................................................................................................39
V.
Tai treo tháp....................................................................................................................................40
VI. Cửa nối ống dẫn với thiết bị - bích nối các bộ phận của thiết bị với ống dẫn.............................40
1.
Ống nhập liệu..............................................................................................................................40
2.
Ống hơi ở đỉnh tháp....................................................................................................................41
3.
Ống hoàn lưu...............................................................................................................................42
4.
Ống hơi ở đáy tháp.....................................................................................................................42
Page 2
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
5.
GVHD: Tiền Tiến Nam
Ống dẫn lỏng ra khỏi đáy tháp..................................................................................................43
VII. Kính quan sát..................................................................................................................................44
CHƯƠNG VI: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ..........................................................................................................45
I.
Tính chiều cao bồn cao vị:..............................................................................................................45
1.
Tổn thất đường ống dẫn:............................................................................................................45
2.
Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt:.............................................................46
3.
Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu:.....................................................48
II. Chọn bơm........................................................................................................................................50
1.
Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy:.....................................................................................51
2.
Kết luận.......................................................................................................................................52
III. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:.................................................................................................53
1.
Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh:..........................................................53
2.
Xác định bề mặt truyền nhiệt :..................................................................................................53
3.
Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:..........................................................................54
4.
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:...........................................................................................55
5.
Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ:..............................................................................................55
6.
Kiểm tra sai số:...........................................................................................................................56
IV. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy:...................................................................................................57
1.
Suất lượng hơi nước cần dùng :.................................................................................................58
2.
Xác định bề mặt truyền nhiệt :..................................................................................................58
3.
Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước:.....................................................................................59
4.
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:...........................................................................................59
5.
Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy:.............................................................................60
6.
Kiểm tra sai số:...........................................................................................................................60
V.
Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:................................................................................................61
1.
Suất lượng nước cần dùng để làm mát sản phẩm đỉnh:...........................................................62
2.
Xác định bề mặt truyền nhiệt :..................................................................................................62
3.
Kiểm tra sai số.............................................................................................................................66
VI. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy:..............................................................67
1.
Nhiệt độ dòng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy:.........................................67
2.
Xác định bề mặt truyền nhiệt :..................................................................................................68
3.
Kiểm tra sai số:...........................................................................................................................72
Page 3
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
VII. Thiết gia nhiệt nhập liệu :...............................................................................................................73
1.
Suất lượng hơi nước cần dùng :.................................................................................................73
2.
Xác định bề mặt truyền nhiệt :..................................................................................................73
3.
Kiểm tra sai số:...........................................................................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................................78
Page 4
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng
và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản.
Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu
cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản
suất hoặc nhu cầu sử dụng.
Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất,
cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương
pháp thích hợp. Đối với hệ Methanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng
phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Methanol
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá
trình học tập của các kỹ sư hoá- thự c phẩm tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết
nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong
sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến
thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng
hợp.
Nhiệm vụ của Đồ Án Môn Học (ĐAMH) là thiết kế tháp chưng cất hệ Methanol - Nước
hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1500 kg/h có nồng độ nhập liệu là 20% mol
methanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 94% mol methanol
Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, các bạn sinh viên
đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể
không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn.
Page 5
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
I.
Giới thiệu về nguyên liệu
1. Methanol
Methanol còn gọi là methyl alcohol, alcohol gỗ, naphtha gỗ hay rượu mạnh gỗ, có
công thức hoá học CH3OH(thường viết tắt là MeOH). Đây là rượu đơn giản nhất, nhẹ, dễ
bay hơi, không màu, dễ cháy chất lỏng với một mùi đặc trưng, rất giống, nhưng hơi ngọt
hơn ethanol (rượu thường). Ở nhiệt độ phòng, nó là một chất lỏng phân cực, và được sử
dụng như một chất chống đông, dung môi, nhiên liệu, và như là một chất làm biến tính cho
ethanol
1.1.
Phân tử lượng:
Khối lượng riêng:
Nhiệt độ nóng chảy:
Nhiệt độ sôi:
Độ nhớt:
Ứng dụng
32,04 g/mol
0,7918 g/cm3
-970C (1760K)
64,50C (337,80K)
0,59Ns/m2 ở 200C
Methanol được dung làm chất chống đông, làm dung môi, làm nhiên liệu cho động cơ
đốt trong, nhưng ứng dụng lớn nhất là làm nguyên liệu để sản xuất các hoá chất khác.
Khoảng 40% methanol được chuyển thành forml dehyde, từ đó sản xuất ra chất dẻo,
sơn,… Các hoá chất khác được sản xuất từ methanol bao gồm dimeylete,…
1.2.
Sản xuất
Methanol được sinh ra từ sự trao đổi chất yếm khí của 1 vài loài vi khuẩn. Kết quả là 1
lượng nhỏ hơi methanol được tạo thành trong không khí. Và sau vài ngày không khí có
chứa methanol sẽ bị oxy hoa bởi O 2 dưới tác dụng của ánh sang chuyển thành CO 2 và H2O
theo phương trình
2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O
Hiện nay methanol được sản xuất bằng cách tổng hôp trực tiếp từ H 2 và CO, gia nhiệt ở
áp suất thấp có mặt chất xúc tác.
2. Nước
Page 6
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có công thức hóa học là H2O. Với các
tính chất lí hóa đặc biệt (ví dụ như tínhlưỡng cực, liên kết hiđrô và tính bất thường của khối
lượng riêng) nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời
sống. 70% diện tích của Trái Đất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3% tổng lượng nước trên
Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước uống.
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng
khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hoá rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau
Tính chất vật lý:
Khối lượng phần tử:
Khối lượng riêng d40C:
Nhiệt độ nóng chảy:
Nhiệt độ sôi:
18 g/mol
1 g/mol
00C
1000C
Nước là hợp một hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước
biển) và rất cần thiết cho sự sống.
3. Hổn hợp Methanol – nước
Ta có bảng cân bằng lỏng – hơi cho hỗn hợp methanol – nước ờ 1 atm
Bảng 1
T0C
100
92,3
87,7
81,7
78
75,3
73,1
71,2
69,3
x
y
0
0
5
26,8
10
41,8
20
57,9
30
40
66,5 72,9
50
77,9
60
82,5
70
87
Ở đây
X là thành phần lỏng
Y là thành phần hơi
Page 7
67,
5
80
91.
5
66
90
95,
8
64,
5
100
100
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
120
100
80
Nhi ệt độ
Thành phầầ n l ỏng
Thành phầầ n hơ i
60
40
20
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ, thành phần lỏng, thành phần hơi của hỗn hợp
methanol – nước
II.
Lý thuyết về chưng cất
1. Khái niệm
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng (cũng như hổn
hợp khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau cùa các cấu tử
trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác).
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 pah mới được tạo nên bằng
sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
Trong trường họp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khac gì nhau, tuy nhiên
giữa hai qua trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi và
chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cà hai pha nhưng với tỉ lệ
khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan thì không
bay hơi.
Page 8
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tủ và thường thì hệ có bao nhiêu cấu tử sẽ thu được
bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:
Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các 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.
Suy ra: với quy trình chưng cất đối với hệ methanol – nước thì
Sản phẩm đình là methanol
Sản phẩm đáy là nước
2. Các phương pháp chưng cất
1.2. Phân loại theo áp suất làm việc
Áp suất thấp
Áp suất thường
Áp suất cao
2.2. Phân loại theo nguyên lý làm việc
Chưng cất đơn giản
Chưng bằng hơi nước trực tiếp
Chưng cất đa cấu tử
3.2. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp
Cấp nhiệt trực tiếp
Cáp nhiệt gián tiếp
Vậy đối với hệ methanol – nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất lien tục cấp
nhiệt gián tiếp.
3. Thiết bị chưng cất
Trong sản xuất thường dùng 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 là diện tíc bề mặt tiếp xúc pha
phải lớn, diều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia.
Nếu pha khí phân tán vào pha long3ta có cac loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào
pha khí thì ta có tháp chem., tháp phun,… Ở đây ta khào sát 2 loại thướng dùng là tháp
mâm và tháp chem..
Page 9
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
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 chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chử S….
Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh
Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp 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.
So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:
Tháp chêm
Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp
- Cấu tạo khá đơn
- Trở lực tươn đối
giản
- Khá ổn định
Ưu điểm
- Trở lực thấp
thấp
- Hiệu suất cao
- Làm việc được - Hiệu suất khá cao
với chất lỏng bẩn
- Do có hiệu ứng
thành nên hiệu
sất truyền khối - Không làm việc
- Có trở lực lớn
thấp
được với chất - Tiêu tốn nhiều
- Độ ổn định thấp,
Nhược điễm
lỏng bẩn
vật tư, kết cấu
khó vận hành
- Kết cấu khá phức
- Khó tăng năng
phức tạp
tạp
suất
- Thiết bị khá nặng
nề
Quy trình chưng cất được thực hiện dựa vào nhiểu loại tháp có cấu tạo khác nhau, tuy
nhiên tuỳ vào mục đích, hiệu suất chưng cất và điều kiện không gian cũng như điều kiện
kinh tế mà ta lựa chọn tháp chưng cất phù hợp. Qua quá trình nghiên cứu, thì tôi thấy tháp
mâm xuyên lỗ phù hợp với hệ methanol – nước này. Tháp mâm xuyên lỗ có những ưu điểm
sau:
Chế tạo đơn giản
Vệ sinh dễ dàng
Trở lực tháp hơn tháp chóp
Ít tốn kim loại hơn tháp chóp
Do sản phẩm là methanol với yêu cầu độ tinh khiết cao khi sử dụng cùng với hỗn hợp
methanol – nước là hỗn hợp không có điểm đẳng khí nên chọn phương pháp chưng cất lien
tục là hiệu quả nhất.
Page 10
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
CHƯƠNG II: THUYẾT MINH QUY TRÌNH
I.
Thuyết minh quy trình công nghệ
Page 11
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
Hỗn hợp methanol – nước có nổng độ nhập liệu methanol 10% (theo phần hối lượng),
nhiệt độ khoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3).
Sau đó hỗn hợp được gia nhiệt ở thiết bị ngưng tụ (8) rồi chuyển vào đun sôi đến nhiệt độ
sôi trong thiết bị gia nhiệt (6), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu.
Trong đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy
xuống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc
và trao đổi giửa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng cất càng xuống
dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi
cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng tháp nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới
lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu
được hỗn hợp có cấu tử methanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 95% phần khối lượng).
Hơi này đi vào thiếp bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng
ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng. Phần còn lại được làm nguội đến 40 0C, rồi
đưa về bình chứa sản phẩm đỉnh.
Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao
trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là
các cấu tử khó bay hơi (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy tháp có nồng độ methanol là 1,5% khối
lượng, còn lại là nước. Dung dịch lỏng ở đáy tháp đi vào thiết bị trao đổi nhiệt (11) với
dòng nhập liệu. Trong thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp
lại cho tháp để làm việc lien tục, phần còn lại ra khỏi thiết bị vào thiết bị làm nguội sản
phẩm đáy (12). Sau đó, được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (13).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là methanol. Sản phẩm đáy là nước
sau khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu được thải bỏ ớ nhiệt độ 600C.
II.
Chú thích các thiết bị trong qui trình
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Bồn chứa nguyên liệu
Bơm
Bồn cao vị
Van
Lưu lượng kế
Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu
Tháp chưng cất
Thiết bị ngưng tụ
Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Bồn chứa sản phẩm đỉnh
Thiết bị gia nhiệt đáy tháp
Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
Bồn chứa sản phẩm đáy
Page 12
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
14.
15.
16.
17.
GVHD: Tiền Tiến Nam
Bảy hơi
Phân phối lỏng
Áp kế
Nhiệt kế
CHƯƠNG III: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ
NĂNG LƯỢNG
I.
Các thông số ban đầu
Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ. Thiết bị hoạt động liên tục.
Page 13
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
Khi chưng luyện dung dịch methanol thì cấu tử dễ bay hơi là methanol
Hỗn hợp:
Methanol: CH3OH, MR = 32 (g/mol)
Nước: H2O, MN = 18 (g/mol)
Năng suất nhập liệu: GF = 1500 kg/h
x F 20
Nồng độ nhập liệu:
Nồng độ sản phẩm đỉnh:
Nồng độ sản phẩm đáy:
phần mol matanol
x P 94
xW 3
phần mol methanol
phần mol methanol
Chọn
Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tBĐ = 280C
Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tPR = 300C
Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 280C
Nhiệt độ dòng lạnh đi ra: tR = 400C
Trang thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi
Các ký hiệu:
II.
GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h
GP, P: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h
GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h
L: suất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h
xi,
xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.
Cân bằng vật chất
1. Nồng độ phần khối lượng của methanol trong tháp
xF
M R . xF
32.0,2
31 % (theo khối lượng)
M R . x F 1−x F . M N 32.0,2 1−0,2 .18
x P
M R. xP
32.0,94
97 % (theo khối lượng)
M R . x P 1−x P . M N 32.0,94 1−0,94 .18
xW
M R . xW
32.0,03
5 % (theo khối lượng)
M R . x W 1−x W . M N 32.0,03 1−0,03 .18
Page 14
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:
M F M R . x F 1− x F . M N 32.0,2 1−0,2 .18 20,8 kg/kmol
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy, đỉnh là:
32.0,94 1−0,94 .1831,16
M W M R . xW 1−x W . M N 32.0,03 1−0,03 .1818,42 kg/kmol
M D M R . x D 1−x D . M N
kg/kmol
Suy ra:
F
G F 1500
72,12
M F 20,8
kmol/h
2. Suất lượng mol của các dòng
Ta có:
Cân bằng vật chất cho toàn tháp:
F=D+W
(1)
Cân bằng cấu tử methanol(cấu tử nhẹ) : F.xF = D.xD + W.xW (2)
Từ (1) và (2) ta có:
Suy ra:
III.
D13,47 kmol h
W 58,65 kmol h
D W 72,12
0,94. D 0,03 W 0,2.72,12
Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp
1. Tỉ số hoàn lưu tối hiểu
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chỉ số mà chế độ làm việc 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 (nguyên liệu, nước,
bơm…) là tối hiểu.
Từ bảng số liệu 1 ta xây dựng đồ thị cân bằng pha của hệ methanol – nước ở áp suất 1 atm.
Page 15
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
Xây dựng đồ thị 2:
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Đồ thị 2: Đồ thị cân bằng pha của hệ methanol – nước ở áp suất 1atm
Với xF = 0,2 ta nội suy t từ đồ thị 2 được yF* = 0,579
Tỉ số hoàn lưu tối hiểu tra công thức IX.24 trang 158, [2] ta có:
x P − y F 0,94−0,579
Rmin
0,95
y F − x F 0,579−0,2
Tỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3 . 0.95 + 0,3 = 1,535
2. Phương trình đường làm việc số mâm lý thuyết
Phương trình đường làm việc của đoạn cất:
y
x
R
1,535
0,94
x D
x
0,61 x 0,37
R1
R 1 1,535 1
1,535 1
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:
Page 16
1
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
y
Với
GVHD: Tiền Tiến Nam
R f
1− f
1,535 5,35
1−5,35
.x
xW
. x
0,03
R1
R1
1,535 1
1,535 1
f
x P − x W 0,94−0,03
5,35
x F − x W 0,2−0,03
2,72 x−0,052
chỉ số nhập liệu
Phương trình đường làm việc của phần luyện:
y
R
1
1,535
1
x
x
x
0,94
R1
R 1 P 1,535 1
1,535 1
0,61 x 0,37
IV.
Số mâm lý thuyết
Từ đồ thị ta thu được 10 mâm bao gồm:
V.
Số mâm thực tế
3 mâm chưng
1 mâm nhập liệu
6 mâm cất
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:
N TT
N
ηtb
Trong đó:
ηtb
: hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối
và độ nhớt của hỗn hợp lỏng η f α , μ
NTT : số mâm thực tế
NLT : số mâm lý thuyết
1. Xác định hiệu suất trung bình của tháp
ηtb
:
Độ bay hơi tương đối của các cấu tử dễ bay hơi:
α
y
1− x
x
1− y
IX.61 trang 172, [2]
Page 17
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
Với: x: phần mol của rượu trong pha lỏng.
y*: phần mol của rượu trong pha hơi.
Tại vị trí nhập liệu:
Suy ra:
aF
0
y F 0,579 , t F 81,7 C
Ta có: xF = 0,2 ta tra đồ thị cân bằng của hệ:
0,579 1−0,2
5,5
1−0,579 0,2
0
Mặt khác: x F 31 và t F 81,7 C , tra bảng trang 107, [1]
μ F 50. 10−6 .9,814,91. 10−4
Suy ra:
N.
s
0,491 cP
m2
α F . μ F 5,5 .0,4912,7
Tra bảng trang 171, [2] ta có:
η F
0,396
Tại vị trí mâm đáy:
Ta có: xW = 0,03 ta tra đồ thị cân bằng của hệ:
Suy ra:
aw
0,1608 1−0,03
6,2
1−0,1608 0,03
0
Mặt khác: x w 5 và t W 95,38 C , tra bảng trang 107, [1]
μ W 33. 10−6 .9,813,24.10−4
Suy ra:
N.
s
0,324 cP
m2
α W . μW 6,2 .0,324 2,009
Tra bảng trang 171, [2] ta có:
ηW
0,42
Tại vị trí mâm đỉnh:
Page 18
0
y W 0,1608 ,t W 95,38 C
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
Ta có: xD = 0,94 ta tra đồ thị cân bằng của hệ:
0,975
GVHD: Tiền Tiến Nam
0
y D 0,975 , t D 65,4 C
1−0,94
Suy ra: a D 1−0,975 0,94 2,5
0
Mặt khác: x D 97 và t D 65,4 C , tra bảng trang 107, [1]:
μ D 61.10−6 .9,815,984. 10−4
Suy ra:
N.
s
0,5984 cP
m2
α D . μ D 2,5.0,59841,5
Tra bảng trang 171, [2] ta có:
η D
0,445
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp là
ηtb
η F ηW ηD 0,396 0,42 0,445
0,42
3
3
2. Số mâm thực tế của tháp NTT:
N TT
9
21,43 mâm
0,42
Vậy ta có NTT = 21 mâm, bao gồm
VI.
Cân bằng năng lượng
7 mâm chưng
14 mâm cất
Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất:
QF + Qđ = QW + QD + Qnt + Qm
Nhiệt lượng do hỗn hợp rượu nhập liệu mang vào tháp QF:
QF = GF . HF = GF . CF.(tF – to) , (KJ/h)
Trong đó:
Page 19
IX.152 trang 197, [2]
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
GVHD: Tiền Tiến Nam
GF = x F = 31% nồng độ khối lượng nhập liệu ban đầu
CF : nhiệt dung riêng của hỗn hợp ban đầu
Chọn nhiệt độ chuẩn: t0 = 200C
o
Ở
t F t 81,7 20
50,9
2
2
, tra bảng I.154 trang 172, [1] ta có nhiệt dung riêng của
rượu: cR = 2719,1 (J/kg.độ).
Suy ra: C F x F . c R 1− x F .41860,31.2719,1 1−0,31 .4186
= 3731,3 (J/kg.độ)
Vậy QF = 1500 . 3731,3 . (81,7 – 20) = 0,35.109 (J/h) = 0,35.106 (KJ/h)
Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra từ nồi đun QW
QW = GW . HW = W . MW.cW.(tw – to) , (KJ/h)
IX.160 trang 198, [2]
Trong đó:
W = 58,65 Kmol/h
MW = 18,42 kg/kmol
Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 20oC
Do sản phẩm đáy chứa nhiều nước nên nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy có thể tính
gần đúng theo công thức sau:
c W 1− xW .4186 1−0,03 .4186 4060,42
J
. độ
kg
Vậy QW = 58,65 . 18,42 . 4060,42 . (95,38 – 20) = 0,331.109 (J/h)
= 0,331.106 (KJ/h)
Nhiệt lượng sản phẩm đỉnh mang ra từ nồi đun QW
QD = GD . HD = D . MD.cD.(tD – to) , (KJ/h)
Trong đó:
D = 13,47 Kmol/h
MD = 31,16 kg/kmol
Page 20
trang 198, [2]
- Xem thêm -