Tài liệu đồ án môn học quá trình và thiết bị

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I : TỔNG QUAN........................................................................ I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 1 . Phương pháp chưng cất 2 . Thiết bị chưng cất: II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU 1 . Nước 2 . Acid acetic 3 . Hỗn hợp Nước – Acid acetic III . CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC – ACID ACETIC CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP 1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu 2 . Tỉ số hoàn lưu thích hợp IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ THUYẾT 1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất 2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng 3 . Số mâm lý thuyết CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP 1 . Đường kính đoạn cất 2 . Đường kính đoạn chưng II.TRỞ LỰC CỦA MÂM 1 . Cấu tạo mâm lỗ 2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm 3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động : III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP 1 . Bề dày thân tháp : 2 . Đáy và nắp thiết bị : 3 . Bích ghép thân, đáy và nắp : 4 . Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn : 5 . Tai treo và chân đỡ: CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ 1 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 1 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 2 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 3 . Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 4 . Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy 5 . Thiết gia nhiệt nhập liệu II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ III . TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU 1 . Tính chiều cao bồn cao vị 2 . Chọn bơm CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ II . KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 2 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước nhà, các ngành công nghiệp cần rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao. 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. 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 ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ nước – acid acetic hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu: 0,8 m3/h có nồng độ 88% khối lượng nước ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 99,5% khối lượng nước, sản phẩm đáy 70% khối lượng nước. Đối với hệ nước – acid acetic là hệ 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, có nhiệt độ sôi cách xa nhau, nên ta dùng phương pháp chưng cất để thu được nước có độ tinh khiết cao. Trong qua trình chưng cat ta thu sản phảm day với nơng do nhỏ de phục vụ cho nganh cơng nghiep sản xuat cao su Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, thầy Hoang Minh Nam, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Em rất mong sự góp ý, chỉ dẫn của quí thầy cô. 3 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam CHƯƠNG I : TỔNG QUAN. I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: 1 . Phương pháp chưng cất : Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi 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 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) .Đối với hệ nước – acid acetic sản phẩm đỉnh là nước, sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid acetic và một ít nước. Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo: Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử. Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên tục. * Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các trường hợp sau: + Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau. + Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao. + Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi. + Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử. * Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn. Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước . Vậy: đối với hệ nước – acid acetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. 4 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam 2 . Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vaò lưu chất kia . Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thước của tháp : đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: * Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s… * Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm. Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. * So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp : Tháp chêm. Tháp mâm xuyên lo. Tháp mâm chóp. Ưu điểm: - Đơn giản. - Trở lực thấp. - Hiệu suất tương đối cao. - Hoạt động khá ổn định. - Làm việc với chất lỏng bẩn. - Hiệu suất cao. - Hoạt động ổn định. Nhược điểm: - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao. - Yêu cầu lắp đặt khắt khe -> lắp đĩa thật phẳng. - Cấu tạo phức tạp. - Độ ổn định kém. - Thiết bị nặng. - Trở lực lớn. - Không làm việc với chất lỏng bẩn. Nhận xét:ta nhan thay thap chem don giản dẽ sử dụng nhat. Vậy: Chưng cất hệ nước – acid acetic ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp, nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với thiet bi gia nhiet nhap lieu,san pham day dược làm nguội để thu sản phẩm chính, sản phẩm đỉnh được dẫn vào nồi đun để tạo hơi nước quá nhiệt cấp nhiệt cho nhập liệu và nồi đun đáy tháp. II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU : Nguyên liệu là hỗn hợp bezen – acid acetic. 1 . NƯỚC: Nước: là chất lỏng không màu, khơng mùi,la dung mơi hoa tan tốt c hợp chất phan cực,năng hơn dung mơi hữu cơ, không hoa tan dung mơi hữu cơ,…nước sôi ở 1000C và đông đặc ở 00C. 2 . Acid acetic: 5 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam Acid acetic: là một loại acid quan trọng nhất trong các loại acid hữu cơ. Nó rẻ nên được ứng dụng rộng rãi và là hoá chất cơ bản để điều chế nhiều hợp chất quan trọng. Acid acetic được ứng dụng trong các nghành : + Làm dấm ăn. + Đánh đông mủ cao su + Làm chất dẻo tơ lụa xeluloza acetat . + Làm phim ảnh không nhạy lửa. + Làm chất kết dính polyvinyl acetat . + Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp. 3 . Hỗn hợp Nước-Acid acetic: Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Nước-Acid acetic 760 mmHg: x(%phân mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y(%phân mol) 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100 t(oC) 118.1 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100 100 Ñ o à t h ò x , y c u ûa h e ä B e z e n - A c i d a c e t i c y(% ) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 x (% ) 60 70 80 90 100 6 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC-ACID ACETIC: * Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ nước-acid acetic: 3 Hôi khoâng ngöng Nöôùc 8 15 14 P T Nöôùc T 9 6 Nöôùc 10 5 7 T Nöôùc Saûn Phaåm Ñænh P 11 Hôi Nöôùc T 12 T 13 2 Nguyeân Lieäu 1 4 Saûn Phaåm Ñaùy Nöôùc Loûn g Saûn Phaåm Ñaùy Chú thích : 1. Bồn chứa nguyên liệu . 2. Bơm. 3. Bồn cao vị . 4. Bẩy hơi . 5. Lưu lượng kế . 6. Van . 7. Tháp chưng cất . 8. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh . 9. Bộ phận chỉnh dòng . 10. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh . 11. Bồn chứa sản phẩm đỉnh . 12. Nồi đun . 13. Đun sôi nhập liệu bằng sản phẩm đáy . 14. Ap kế . 15. Nhiệt kế . * Thuyết minh qui trình công nghệ: 7 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam Hỗn hợp nước-acid acetic có nồng độ nước 88% ( theo khối lượng) , nhiệt độ khoảng 25 C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt (13) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy). Ở đây, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ 100,17270C . Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu. Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống. Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng 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 dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) 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 nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất ( có nồng độ 99,5% theo khối lượng ). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ một phần ( chỉ ngưng tụ hồi lưu). Một phần chất lỏng ngưng được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11). Phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu . 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 gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi ( acid acetic). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 70% theo khối lượng, còn lại là acid acetic. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần được đun, bốc hơi ở nồi đun (12) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được đưa qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm đáy(10) trao đổi nhiệt với nước lm mt , nhiệt độ của sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt là 400C . Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước, sản phẩm đáy là acid acetic sau khi trao đổi nhiệt với nươc làm mát được đưa vào bồn chứa. 0 8 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT . Ký hiệu các đại lượng: Kí hiệu Ý nghĩa Cân bằng vật chất Năng suất nhập liệu theo khối lượng F Năng suất nhập liệu theo số mol F Suất lượng sản phẩm đỉnh theo khối lượng D Suất lượng sản phẩm đđỉnh theo số mol D Suất lượng sản phẩm đáy theo khối lượng W W Suất lượng sản phẩm đáy theo số mol Nồng độ phần mol nhập liệu trong pha lỏng xF Nồng đđộ phần khối lượng nhập liệu trong xF pha lỏng Nồng đđộ phần mol sản phẩm đđỉnh trong xD pha lỏng Nồng đđộ phần khối lượng sản phẩm đđỉnh xD trong pha lỏng Nồng độ phần mol dịng sản phẩm đy trong xW pha lỏng Nồng đđộ phần khối lượng sản phẩm đáy xW trong pha lỏng Nồng độ phần mol nhập liệu trong pha hơi yF Nồng độ phần khối lượng dịng nhập liệu yF trong pha hơi Nồng đđộ phần mol sản phẩm đđỉnh trong yD pha hơi Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đđỉnh yD trong pha hơi Nồng đđộ phần mol sản phẩm đđáy trong yW pha hơi Nồng đđộ phần khối lượng sản phẩm đđáy yW trong pha hơi x Nồng đđộ phần mol trong pha lỏng Nồng đđộ phần khối lượng trong pha lỏng x Nồng độ phần mol trong pha hơi cân bằng y* với pha lỏng Nồng đđộ phần khối lượng trong pha hơi cân y* bằng với pha lỏng Khối lượng mol phân tử bezen Ma Đơn vị kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h % mol % khối lượng % mol % khối lượng % mol % khối lượng % mol % khối lượng % mol % khối lượng % mol % khối lượng % mol % khối lượng % mol % khối lượng kg/kmol 9 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị Khối lượng mol phân tử acid acetic Khối lượng mol phân tử trung bình M tb G Suất lượng theo số mol Suất lượng theo khối lượng G Khối lượng mol phân tử trung bình nhập liệu MF Khối lượng mol phân tử trung bình sản phẩm MD đđỉnh Khối lượng mol phân tử trung bình sản phẩm MW đđáy Nhiệt đđộ sôi của dung dịch tS Nhiệt đđộ sôi của nhập liệu tFS Nhiệt đđộ sôi của sản phẩm đđỉnh tDS Nhiệt đđộ sôi của sản phẩm đđáy tWS Nhiệt đđộ nhập liệu vào tFv Nhiệt đđộ sản phẩm đđỉnh ra tDr Nhiệt đđộ sản phẩm đáy ra tWr Nhiệt đđộ nước ra t Nr Nhiệt đđộ nước vào t Nv Tính số đĩa thực Rmin Chỉ số hồn lưu tối thiểu Rth Chỉ số hồn lưu thích hợp f Chỉ số nhập liệu α Độ bay hơi tương đđối μ Độ nhớt Độ nhớt của hỗn hợp μhh Độ nhớt của aceton μa Độ nhớt của nước μn η Hiệu suất đđĩa Hiệu suất đđĩa ở đỉnh ηD Hiệu suất đđĩa ở đáy ηW Hiệu suất đđĩa ở vị trí nhập liệu ηF Hiệu suất đđĩa trung bình ηtb Ntt Số đđĩa thực tế NttC Số đđĩa thực tế đđoạn chưng NttL Số đđĩa thực tế đđoạn luyện NttT Số đđĩa thực tế cả tháp Nlt Số đđĩa lí thuyết Cân bằng năng lượng Ma GVHD : Hoàng Minh Nam kg/kmol kg/kmol kmol/h kg/h kg/kmol kg/kmol kg/kmol 0 C C 0 C 0 C 0 C 0 C 0 C 0 C 0 C 0 cP cP cP cP Đĩa Đĩa Đĩa Đĩa Đĩa 10 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị rb ra rhh rh rD Chh Cb Ca CFv CFs CDs CD CWs CW CN Nhiệt hóa hơi của bezen Nhiệt hóa hơi của nước Nhiệt hóa hơi của hỗn hợp Nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa dùng gia nhiệt Nhiệt hóa hơi của sản phẩm đđỉnh Nhiệt dung riêng của hỗn hợp Nhiệt dung riêng của benzen Nhiệt dung riêng của acid acetic Nhiệt dung riêng của nguyên liệu vào Nhiệt dung riêng của nguyên liệu ở trạng thái sôi Nhiệt dung riêng của sản phẩm đđỉnh ở trạng thái sôi Nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm đđỉnh Nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm đáy ở trạng thái sôi Nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm đđáy Nhiệt dung riêng trung bình của nước GVHD : Hoàng Minh Nam J/kg J/kg J/kg J/kg J/kg J/kg J/kg J/kg J/kg J/kg J/kg J/kg J/kg J/kg J/kg I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU : Năng suất nhập liệu: F = 0.8 (m3/h) . Nồng độ nhập liệu: xF = 88%kl nước. Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 99,55%kl nước . Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 70 %kl nước. Khối lượng phân tử của nước và acid axetic: MN =18, MA =60 . Chọn: + Nhiệt độ nhập liệu: tF =100,1727oC . + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh: tD =100,0235oC . + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’W = 40oC . +Trạng thái nhập liệu: lỏng ,sôi . II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY : Suất lượng dòng lưu chất theo khối lượng: G = G . M tb . ,kg/h Suất lượng dòng lưu chất theo mol: 11 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam G= G ,kmol/h M tb Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol: xF = xF Mb x F (1 − x F ) + Mb Ma = xD Mb xD = = x D (1 − x D ) + Mb Ma 0.88 18 = 0.9607(phần mol bezen ) 0.88 (1 − 0.88) + 18 60 0.995 18 = 0.9985 (phần mol benzen 0.995 (1 − 0.995) + 18 60 xw Mb 0.70 18 xW = = = 0.8861 ( phần mol benzen) 0.70 (1 − 0.70) x w (1 − x w ) + + 18 60 Mb Ma Tính Mtb : Mtb F = xF . Mb + (1- xF ) .Ma = 0.9607*18+(1-0.9607)*60 = 19.6506 ( Kg/Kmol) Mtb D = xD . Mb + (1- xD ) . Ma = 0.9985*18 + (1 – 0.9985) * 60 = 18.063 ( Kg/Kmol) Mtb W = xW * Mb + (1- xW ) * Ma = 0.8861 * 18 + (1 – 0.8861 ) * 60 = 22.7838( Kg/Kmol) Khối lượng riêng của hỗn hợp nhập liệu: ρN = 958.2231(kg / m3 ) ρA = 957.6891(kg / m3 ) ρhh = 957.7532(kg / m3 ) Suất lượng dòng nhập liệu : F= F M tbF ρhh = 800 = 33.2695 ( kmol/h ) 19.6506 * 957.6891 Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất : F D W ⎧F = D + W = = => ⎨ x D − xW x F − xW x D − x F ⎩F * x F = D * x D + W * x W 12 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam x F − xW 0,9607 − 0,8861 *F= *33.2695=22.084 (kmol/kg) x D − xW 0,9985 − 0,8861 =>W=F-D=11.1854 (kmol/kg) D =D* Mtb D =18.063*22.084=467.7115 (kg/h) =>D= W =W* Mtb W =22.7838*11.1854=298.8157 (kg/h) III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP: 1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: Tỉ 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 ,nước và bơm…) là tối thiểu . Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol-Nước có điểm uốn ,nên xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu bằng cách : +Trên đồ thị cân bằng y-x ,từ điểm (0,85;0,85) ta kẻ một đường thẳng tiếp tuyến với đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điểm có yo = 0,26 . +Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi xo =0 thì x −x Rmin= D =2,269 xF − x Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : Rmin = 2,269 2. Tỉ số hoàn lưu thích hợp: Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp ,thiết bị ngưng tụ ,nồi đun và công để bơm cũng tăng theo.Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần ,lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu . Tổng chi phí bao gồm : chi phí cố định và chi phí điều hành . Tỉ số hoàn lưu thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu . Tuy nhiên ,đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp ,khó kiểm soát nên người ta có thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất .Để tính được tỉ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều hành),ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn Rth ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất. Nhận thấy ,tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp ,mà lượng hơi lại tỉ lệ với lượng lỏng hồi lưu trong tháp ,do trong điều kiện làm việc nhất định thì GD sẽ không đổi nên lượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1) ,do đó , tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với (R+1). Ngoài ra ,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối mox hay số mâm lý thuyết Nlt .Cho nên ,thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số mox*(R+1) .Như vậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa R và Vtháp theo quan hệ R và mox*(R+1) .Từ đồ thị của quan hệ này ,ta xác định được điểm cực tiểu của mox*(R+1) ứng với tỉ số hoàn lưu thích hợp R . R 2.496 2.723 2.973 3.023 mox 47.818 37.733 32.801 33.545 mox*(R+1) 167.173 140.480 130.320 134.952 13 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị 170 GVHD : Hoàng Minh Nam R*(m ox+1) 160 150 140 130 R 120 2.00 2.50 3.00 3.50 Vậy : Tỉ số hoàn lưu thích hợp là R= 4.4 . IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆCSỐ MÂM LÝ THUYẾT: 1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất : x 4,4 0,9985 R. .x + D = .x + R +1 R +1 4,4 + 1 4,4 + 1 =0,8148 .x + 0,1849 y= 2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng : 4,4 − 1,5067 1,5067 − 1 f −1 R+ f .x + .0,8861 .xW = .x + R +1 R +1 4,4 + 1 4,4 + 1 = 1,0938 .x – 0,0831 F x 0,9985 Với : f = = D = = 1,5067 : chỉ số nhập liệu . D xF .η 0,9067.0,69 y= 3 . Số mâm lý thuyết : Đồ thị xác định số mâm lý thuyết :(Xem hình ở trang sau ). Từ đồ thị ,ta có : 23 mâm bao gồm : 20 mâm cất 1 mâm nhập liệu 3 mâm chưng Tóm lại ,số mâm lý thuyết là Nlt = 23 mâm . 14 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT . I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(Dt) Dt = 4Vtb π.3600.ω tb (m) Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h). ωtb :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 . 1. Đường kính đoạn cất : a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp : g + g1 g tb = d (Kg/h) 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) =467,7115.(4,4+1) = 2525,6421 (Kg/h) Xác định g1 : Từ hệ phương trình : ⎧ g1 = G1 + D ⎪ ⎨ g1 . y1 = G1 .x1 + D.x D (III.1) ⎪ g .r = g .r d d ⎩ 1 1 Với : 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 = 100.1727oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có : An nhiệt hoá hơi của nước : rN1 =2201,7868 (KJ/kg) . An nhiệt hoá hơi của acid axetic: rA1 = 390,7385 (KJ/kg) . Suy ra : r1 = rN1.y1 + (1-y1).rA1 = 390,7385+1811,.0483y1 Tham khảo IV (tập 1) ta có : An nhiệt hoá hơi của nước : rNd = 2256,5573 (KJ/kg) . An nhiệt hoá hơi của acid axetic : rRd = 38,9795 (KJ/kg) . Với xD=0.9985 tra đồ thị ta có: yD=0,995 Suy ra : rd = rNd.yD + (1-yD).rAd =2256,5573.0,995 + (1- 0,995).38,9795 = 2245,4694 (KJ/kg) * x1 = xF = 0,9607 Giải hệ (III.1) , ta được : G1 = 2341,0525 (Kg/h) y1 = 0.8991 (phân khối lượng nước) =>y1=0,9641 g1 = 2808,7641 (Kg/h) 15 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam 2525.6421 + 2808.7641 = 2667.2031 (Kg/h) 2 b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm: Y = 1,2.e −4. X Vậy : gtb = ω 2δ ρ ⎛ μ Y = S3 d ytb ⎜⎜ x ν ρ xtb g ⎝ μ N ⎛G X = ⎜⎜ X ⎝ GY 1/ 4 ⎞ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎟⎟ ⎠ 0.16 1/ 8 ⎛ ρ ytb ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ρ ⎝ xtb ⎠ ⎧⎪ ⎛G ω = lg⎨1,2.(− 4)⎜⎜ X ⎝ GT ⎪⎩ 2 S 1/ 4 ⎞ ⎟⎟ ⎠ 1/ 8 ⎛ ρ ytb ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ ρ xtb ⎠ ⎫⎪⎧⎪ν 3 ρ g ⎛ μ ⎞0.16 ⎫⎪ xtb ⎜⎜ N ⎟⎟ ⎬ ⎬⎨ ⎪⎭⎪⎩ δ d ρ ytb ⎝ μ A ⎠ ⎪⎭ ωs = ωs2 Với : rxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3) . rytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) . tốc dộ sặc(m/s) ωK :tốc dộ lm việc thích hợp(m/s) δ d :bề mặt rieng của dệm(m2/m3) ν d :thể tích tự do của dệm(m3/m3) μ A :dộ nhớt của pha long theo nhiệt dộ trung bình(NS/m2) μ N :dộ nhớt của nước ở 200C(NS/m2) GX :lượng long trung bình qua thp(kg/s) GY :lượng hơi trung bình qua thp(kg/s) g:gia tốc trọng trường(m/s) Giai phương trình trn ta tìm được tốc độ sặc: Tốc độ làm việc thicchs hợp: ωK = (0,8 ÷ 0,9)ωS Xác định rytb : ρ ytb = [ ytb .18 + (1 − ytb ).60].273 22,4.(ttb + 273) y1 + y D 0,9641 + 0,995 = =0,9796 2 2 t + t 100,1727 + 100,0235 =100,0614oC + Nhiệt độ trung bình đoạn cất : tt= F D = 2 2 Suy ra : rytb =0,6113 (Kg/m3). Xác định rxtb : x + x D 0,9607 + 0,9985 Nồng độ phân mol trung bình : xtb = F = = 0,9796 2 2 Với: + Nồng độ phân mol trung bình : ytb = 16 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam 18.xtb =0,9351% . 18.xtb + (1 − xtb ).60 ttb = 100,0614oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có : rxtb =1000,02341 (Kg/m3) Độ nhớt trung bình của pha lng: μ A = 0,2837cp Suy ra : xtb = μ N = 0,4596cp lg μ X = xtb1 lg μ N + (1 − xtb )lg μ A = 0,9796. lg 0,4596 + 0,0204. lg 0.2837 = −1,2498 μ x = 0.2866cp Chọn đệm vịng sứ cĩ kích thước:50x50x5 với: δ d = 95(m 2 / m3 ) ν d = 0.79(m3 ) d d = 0,05(m ) ρ d = 500(Kg / m3 ) N d = 5800(viên ) 1/ 4 1/ 8 ⎧⎪ ⎛ 0,611 ⎞ ⎛ 0,6113 ⎞ ⎛ 9,81.1000,0231.0,793 ⎞⎫⎪ ⎟ ( ) ω = . lg ⎨ − 0,125 − 1,75.⎜ ⎟ .⎜ ⎟ ⎜⎜ 0 ,16 ⎟ ⎬ Suy ra : S ⎪⎩ ⎝ 0,741 ⎠ ⎝ 1000,0231 ⎠ ⎝ 95.0,6613(0.2866) ⎠⎪⎭ ωS = 6.8072(m / s ) Tốc độ làm việc thích hợp của tháp : ωh = 0,8.ω gh = 0,8.6,8072 = 5,4457 (m/s) Vậy :đường kính đoạn cất : 4.G y 4.0,7409 = Dcất = . = 0,5325 (m). 3600.0,785.ρ ytb .ωK 3600.0,785.0,6113.5,4457 2. Đường kính đoạn chưng : a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp : g , n + g ,1 (Kg/h) g , tb = 2 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 = 2808,7641 (Kg/h) Xác định g’1 : Từ hệ phương trình : ⎧G '1 = g '1 + W ⎪ ' ' ⎨G 1 .x'1 = g 1 . yW + W .xW (III.2) ⎪ g ' .r ' = g ' .r ' = g .r n n 1 1 ⎩ 1 1 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. Tính r’1 : xW =0,8861 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0,9227 17 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị Suy ra : GVHD : Hoàng Minh Nam yW = 18. yW 18.0,9227 = = 0,7817 18. yW + (1 − yW ).60 18.0,9227 + (1 − 0,9227 ).60 y1 = yW = 0,7817 Suy ra :Mtbg’ =18.yW +(1-yW).60=21,2466 (Kg/kmol) t’1 = tW = 100,6266oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có : An nhiệt hoá hơi của nước : r’N1 = 2200,5516(KJ/kg) . An nhiệt hoá hơi của rượu : r’R1 = 390,7528 (KJ/kg) . Suy ra : r’1 = r’R1.yW + (1-yW).r’N1 = 1805,4838 (KJ/kg) * Tính r1: r1 = 390,7385+1811,0483.y1 =390,7385+1811,0483.0,7817 =2019,1419(KJ/kmol) * W = 11,1854 (Kmol/h) Giải hệ (III.2) , ta được : x’1 =0,7746(phân khối lượng acid axetic) G’1 = 3439,9645 (Kgl/h) = g’1 = 3141,1488 (Kg/h) 2808,7641 + 3141,1488 Vậy : g’tb = = 2974,9565 (Kg/h) 2 b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm: Y = 1,2.e −4. X ωS2δ d ρ ytb ⎛ μ x ⎜ Y= 3 ν ρ xtb g ⎜⎝ μ N ⎛G X = ⎜⎜ X ⎝ GY 1/ 4 ⎞ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎟⎟ ⎠ 0.16 1/ 8 ⎛ ρ ytb ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ ρ xtb ⎠ ⎧⎪ ⎛G ω = lg⎨1,2.(− 4)⎜⎜ X ⎝ GT ⎪⎩ 2 S 1/ 4 ⎞ ⎟⎟ ⎠ 1/ 8 ⎛ ρ ytb ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ ρ xtb ⎠ ⎫⎪⎧⎪ν 3 ρ g ⎛ μ ⎞0.16 ⎫⎪ xtb ⎜⎜ N ⎟⎟ ⎬ ⎬⎨ δ ρ ⎪⎭⎪⎩ d ytb ⎝ μ A ⎠ ⎪⎭ ωs = ωs2 Với : rxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3) . rytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) . tốc dộ sặc(m/s) ωK :tốc dộ lm việc thích hợp(m/s) δ d :bề mặt rieng của dệm(m2/m3) ν d :thể tích tự do của dệm(m3/m3) μ A :dộ nhớt của pha long theo nhiệt dộ trung bình(NS/m2) μ N :dộ nhớt của nước ở 200C(NS/m2) GX :lượng long trung bình qua thp(kg/s) GY :lượng hơi trung bình qua thp(kg/s) g:gia tốc trọng trường(m/s) Giai phương trình trn ta tìm được tốc độ sặc: 18 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam Tốc độ làm việc thicchs hợp: ωK = (0,8 ÷ 0,9)ωS Xác định r’ytb : [ y' .18 + (1 − y'tb ).60].273 ρ ' ytb = tb 22,4.(t 'tb +273) Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y + yW 0,9227 + 0,9641 = =0,9434 y’tb = 1 2 2 + Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’tb t +t 100,1727 + 100,6266 =100,3996oC = F W = 2 2 Suy ra : r’ytb =0,6883 (Kg/m3). Xác định r’xtb : x + xW 0,7 + 0,88 Nồng độ khối lượng trung bình : x’tb = F = = 0,79 2 2 Suy ra : x'tb = 0.79 =79% . t’tb = 100,3996oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có : Khối lượng riêng của nước : r’N = 957,9608(Kg/m3) Khối lượng riêng của rượu : r’R = 957,906(Kg/m3) −1 ⎛ x'tb 1 − x'tb ⎞ ⎟ =957,9493 (Kg/m3) Suy ra :r’xtb = ⎜⎜ + ρ ' N ⎟⎠ ⎝ ρ 'R Độ nhớt trung bình của pha lng: μ A = 0,2829cp μ N = 0,4582cp lg μ X = xtb1 lg μ N + (1 − xtb )lg μ A = 0,9234. lg 0,4582 + 0,0766. lg 0,2829 = −1,2228 μ x = 0,2944cp Chọn đệm vịng sứ cĩ kích thước:50x50x5 với: δ d = 95(m 2 / m3 ) ν d = 0.79(m3 ) d d = 0,05(m ) ρ d = 500(Kg / m3 ) N d = 5800(viên ) 1/ 4 1/ 8 ⎧⎪ ⎛ 0,5842 ⎞ ⎛ 0,6883 ⎞ ⎛ 9,81.957,9493.0,793 ⎞⎫⎪ ⎟ ω = . lg ⎨(− 0,125) − 1,75.⎜ ⎟ .⎜ ⎟ ⎜⎜ 0 ,16 ⎟ ⎬ Suy ra : S 0 , 8264 957 , 9493 ( ) 95 . 0 , 883 0 , 2944 ⎪⎩ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪⎭ ωS = 6.303(m / s ) Tốc độ làm việc thích hợp của tháp : ωh = 0,8.ω gh = 0,8.6,303 = 5,0424 (m/s) Vậy :đường kính đoạn cất : 19 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị Dcất = . GVHD : Hoàng Minh Nam 4.G y 3600.0,785.ρ ytb .ωK = 4.0,8264 = 0,5507 (m). 3600.0,785.0,6883.5,0424 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 = 0,5416 (m). Khi đó tốc độ làm việc thực ở : 4.G y 4.0,741 = = 5,2634(m / s ) ωk = 2 2 Dt .ρ ytb..3600.0,785 0,5416 .0,6113.3600.0,785 + Phần cất : ⎛ ωh − ωk ⎞ ⎛ 5,4457 − 5,2634 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎜ ⎟ = 0,034 = 3,4 0 0 < 5 0 0 5,2634 ⎠ ⎝ ωh ⎠ ⎝ + Phần chưng : 4.G y 4.0,8264 = = 5,2141(m / s ) ωk = 2 2 Dt .ρ ytb. .3600.0,785 0,5416 .0,6883.3600.0,785 ⎛ ωh − ωk ⎜⎜ ⎝ ωh ⎞ ⎛ 5,4457 − 5,2141 ⎞ ⎟⎟ = ⎜ ⎟ = 0,033 = 3,3 0 0 < 5 0 0 5 , 2141 ⎠ ⎠ ⎝ II . TRỞ LỰC CỦA VA CHIEU CAO THAP ĐỆM CỦA: 1 . Chieu cao phan cat: H1 = N .htd + (0,8 ÷ 1) . 1/ 2 1/ 2 ⎛ν ⎞ 1 1 ⎛ 0.79 ⎞ htd = 200.⎜⎜ d ⎟⎟ . 0, 4 = 200.⎜ = 0.3239(m ) ⎟ . 0, 4 ⎝ 95 ⎠ 5,4457 ⎝ δ d ⎠ ωY htd : chieu cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ(m) ω y = ωK : toc do của pha khí đi trong tháp N : so dĩa lý thuyết => H1 = N .htd + (0,8 ÷ 1) = 20.0,3239 + 0,8 = 7,2792(m ) 2 . . Chieu cao phan chưng: H 2 = N .htd + (0,8 ÷ 1) . 1/ 2 1/ 2 ⎛ν ⎞ 1 1 ⎛ 0.79 ⎞ htd = 200.⎜⎜ d ⎟⎟ . 0, 4 = 200.⎜ = 0,3341(m ) ⎟ . 0, 4 ⎝ 95 ⎠ 5,0424 ⎝ δ d ⎠ ωY htd : chieu cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ(m) ω y = ωK : toc do của pha khí đi trong tháp => H 2 = N .htd + (0,8 ÷ 1) = 3.0,3341 + 0,8 = 1,8023(m ) Chieu cao của tháp đệm: H = H1 + H 2 = 7,2792 + 1,8023 ≈ 9,1(m ) TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM: Đối với đoạn cất: Chuẩn số Reynolds của pha khí trong thp: 20