Tài liệu Luận văn hệ thống chưng cất metanol

  • Số trang: 59 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 94 |
  • Lượt tải: 0
thanhdoannguyen

Đã đăng 13572 tài liệu

Mô tả:

Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “heä thoáng chöng caát metanol nöôùc duøng thaùp maâm xuyeân loã” Trang 3 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong LÔØI MÔÛ ÑAÀU Coâng ngheä hoùa hoïc laø moät trong nhöõng ngaønh ñoùng goùp raát lôùn trong söï phaùt trieån cuûa neàn coâng nghieäp nöôùc ta.Trong ngaønh saûn xuaát hoùa chaát cuõng nhö söû duïng saûn phaåm hoùa hoïc, nhu caàáu söû duïng nguyeân lieäu coù ñoä tinh khieát cao phaûi phuø hôïp vôùi qui trình saûn xuaát hoaëc nhu caàu söû duïng. Ngaøy nay, caùc phöông phaùp ñöôïc suû duïng ñeå naâng cao ñoä tinh khieát laø: chöng caát, trích ly, coâ ñaëc, haáp thu ….Tuøy theo ñaëc tính saûn phaåm maø ta löïa choïn phöông phaùp thích hôïp. Heä methanol – nöôùc laø 2 caáu töû tan laãn hoaøn toaøn, ta duøng phöông phaùp chöng caát ñeå naâng cao ñoä tinh khieát cho methanol. Ñoà aùn moân hoïc Quaù trình vaø Thieát bò laø moät moân hoïc mang tính toång hôïp trong quaù trình hoïc taäp cuûa caùc kyõû sö hoaù- thöï c phaåm töông lai. Moân hoïc giuùp sinh vieân giaûi quyeát nhieäm vuï tính toaùn cuï theå veà: yeâu caàu coâng ngheä, keát caáu, giaù thaønh cuûa moät thieát bò trong saûn xuaát hoaù chaát - thöïc phaåm. Ñaây laø böôùc ñaàu tieân ñeå sinh vieân vaän duïng nhöõng kieán thöùc ñaõ hoïc cuûa nhieàu moân hoïc vaøo giaûi quyeát nhöõng vaán ñeà kyõû thuaät thöïc teá moät caùch toång hôïp. Em chaân thaønh caûm ôn thaày Mai Thanh Phong vaø caùc quí thaày coâ boä moân Maùy & Thieát Bò, caùc baïn sinh vieân ñaõ giuùp em hoaøn thaønh ñoà aùn naøy. Tuy nhieân, trong quaù trình hoaøn thaønh ñoà aùn khoâng theå khoâng coù sai soùt, em raát mong quí thaày coâ goùp yù, chæ daãn. Tp HCM, ngaøy 18.1.2010 Trang 4 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong CHÖÔNG 1 Toång quan I. Giôùi thieäu veà nguyeân lieäu 1. Methanol Methanol coøn goïi laø röôïu goã, coù coâng thöùc hoùa hoïc CH3OH. Laø chaát loûng khoâng maøu, deã bay hôi vaø raát ñoäc. Caùc thoâng soá cuûa methanol: - Phaân töû löôïng: 32,04 g/mol. - Khoái löôïng rieâng: 0,7918 g/cm3. - Nhieät ñoä noùng chaûy: -97oC (176K). - Nhieät ñoä soâi: 64,5oC ( 337,8K). - Ñoä nhôùt: 0,59 Ns/m2 ôû 20oC. 1.1. ÖÙng duïng Methanol ñöôïc duøng laøm chaát choáng ñoâng, laøm dung moâi, laøm nhieân lieäu cho ñoäng cô ñoát trong, nhöng öùng duïng lôùn nhaát laø laøm nguyeân lieäu ñeå saûn xuaát caùc hoùa chaát khaùc. Khoaûng 40% metanol ñöôïc chuyeån thaønh forml dehyde, töø ñoù saûn xuaát ra chaát deûo, sôn…Caùc hoùa chaát khaùc ñöôïc daãn xuaát töø metanol bao goàm dimeylete… 1.2. Saûn xuaát Methanol ñöôïc sinh ra töø söï trao ñoåi chaát yeám khí cuûa 1 vaøi loaøi vi khuaån. Keát quaû laø 1 löôïng nhoû hôi methanol ñöôïc taïo thaønh trong khoâng khí. Vaø sau vaøi ngaøy khoâng khí coù chöùa methanol seõ bò oxy hoaù bôûi O2 döôùi taùc duïng cuûa aùnh saùng chuyeån thaønh CO2 vaø H2O theo phöông trình: 2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O Hieän nay methanol ñöôïc saûn xuaát baèng caùch toång hôïp tröïc tieáp töø H2 vaø CO, gia nhieät ôû aùp suaát thaáp coù maët chaát xuùc taùc. 2. Nöôùc Trong ñieàu kieän bình thöôøng: nöôùc laø chaát loûng khoâng maøu, khoâng muøi, khoâng vò nhöng khoái nöôùc daøy seõ coù maøu xanh nhaït. Khi hoùa raén noù coù theå toàn taïi ôû daïng 5 daïng tinh theå khaùc nhau. Tính chaát vaät lyù: - Khoái löôïng phaân töû : 18 g / mol o - Khoái löôïng rieâng d4 C : 1 g / ml - Nhieät ñoä noùng chaûy : 00C - Nhieät ñoä soâi : 1000 C Nöôùc laø hôïp chaát chieám phaàn lôùn treân traùi ñaát (3/4 dieän tích traùi ñaát laø nöôùc bieån) vaø raát caàn thieát cho söï soáng. Trang 5 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong Nöôùc laø dung moâi phaân cöïc maïnh, coù khaû naêng hoaø tan nhieàu chaát vaø laø dung moâi raát quan troïng trong kyõ thuaät hoùa hoïc. 3. Hoãn hôïp Methanol-nöôùc Ta coù baûng caân baèng loûng-hôi cho hoãn hôïp methanol-nöôùc ôû 1 atm Baûng 1 toC 100 92,3 87,7 81,7 x 0 5 10 20 y 0 26,8 41,8 57,9 ÔÛ ñaây x laø thaønh phaàn loûng y laø thaønh phaàn hôi II. 78 30 66,5 75,3 40 72,9 73,1 50 77,9 71,2 60 82,5 69,3 70 87 67,5 80 91,5 66 64,5 90 100 95,8 100 Lyù thuyeát veà chöng caát: 1. Khaùi nieäm: Chöng caát laø quaù trình duøng ñeå taùch caùc caáu töû cuûa moät hoãn hôïp loûng (cuõng nhö hoãn hôïp khí loûng) thaønh caùc caáu töû rieâng bieät döïa vaøo ñoä bay hôi khaùc nhau cuûa caùc caáu töû trong hoãn hôïp (nghóa laø khi ôû cuøng moät nhieät ñoä, aùp suaát hôi baõo hoøa cuûa caùc caáu töû khaùc nhau). Thay vì ñöa vaøo trong hoãn hôïp moät pha môùi ñeå taïo neân söï tieáp xuùc giöõa hai pha nhö trong quaù trình haáp thu hoaëc nhaû khí, trong quaù trình chöng caát pha môùi ñöôïc taïo neân baèng söï boác hôi hoaëc ngöng tuï. Trong tröôøng hôïp ñôn giaûn nhaát, chöng caát vaø coâ ñaëc khoâng khaùc gì nhau, tuy nhieân giöõa hai quaù trình naøy coù moät ranh giôùi cô baûn laø trong quaù trình chöng caát dung moâi vaø chaát tan ñeàu bay hôi (nghóa laø caùc caáu töû ñeàu hieän dieän trong caû hai pha nhöng vôùi tyû leä khaùc nhau), coøn trong quaù trình coâ ñaëc thì chæ coù dung moâi bay hôi coøn chaát tan khoâng bay hôi. Khi chöng caát ta thu ñöôïc nhieàu caáu töû vaø thöôøng thì heä coù bao nhieâu caáu töû seõ thu ñöôïc baáy nhieâu saûn phaåm. Neáu xeùt heä ñôn giaûn chæ coù 2 caáu töû thì ta thu ñöôïc 2 saûn phaåm: + Saûn phaåm ñænh chuû yeáu goàm caáu töû coù ñoä bay hôi lôùn vaø moät phaàn raát ít caùc caáu töû coù ñoä bay hôi beù. + Saûn phaåm ñaùy chuû yeáu goàm caáu töû coù ñoä bay hôi beù vaø moät phaàn raát ít caáu töû coù ñoä bay hôi lôùn. Vaäy ñoái vôùi heä methanol - nöôùc thì: - Saûn phaåm ñænh chuû yeáu laø methanol. - Saûn phaåm ñaùy chuû yeáu laø nöôùc. 2. Caùc phöông phaùp chöng caát: 2.1. Phaân loaïi theo aùp suaát laøm vieäc - AÙp suaát thaáp - AÙp suaát thöôøng - AÙp suaát cao Trang 6 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong 2.2. Phaân loaïi theo nguyeân lyù laøm vieäc - Chöng caát ñôn giaûn - Chöng baèng hôi nöôùc tröïc tieáp - Chöng caát ña caáu töû 2.3. Phaân loaïi theo phöông phaùp caáp nhieät ôû ñaùy thaùp - Caáp nhieät tröïc tieáp - Caáp nhieät giaùn tieáp Vaäy ñoái vôùi heä methanol - nöôùc, ta neân choïn phöông phaùp chöng caát lieân tuïc caáp nhieät giaùn tieáp. 3. Thieát bò chöng caát: Trong saûn xuaát thöôøng duøng nhieàu loaïi thieát bò khaùc nhau ñeå tieán haønh chöng caát. Tuy nhieân yeâu caàu cô baûn chung cuûa caùc thieát bò vaãn gioáng nhau nghóa laø dieän tích beà maët tieáp xuùc pha phaûi lôùn, ñieàu naøy phuï thuoäc vaøo möùc ñoä phaân taùn cuûa moät löu chaát naøy vaøo löu chaát kia. Neáu pha khí phaân taùn vaøo pha loûng ta coù caùc loaïi thaùp maâm, neáu pha loûng phaân taùn vaøo pha khí ta coù thaùp cheâm, thaùp phun,… ÔÛ ñaây ta khaûo saùt 2 loaïi thöôøng duøng laø thaùp maâm vaø thaùp cheâm. - Thaùp maâm: thaân thaùp hình truï, thaúng ñöùng phía trong coù gaén caùc maâm coù caáu taïo khaùc nhau, treân ñoù pha loûng vaø pha hôi ñöôïc cho tieáp xuùc vôùi nhau. Tuøy theo caáu taïo cuûa ñóa, ta coù: - Thaùp maâm choùp : treân maâm boá trí coù choùp daïng troøn, xupap, chöõ s… - Thaùp maâm xuyeân loã: treân maâm coù nhieàu loã hay raõnh - Thaùp cheâm (thaùp ñeäm): thaùp hình truï, goàm nhieàu baäc noái vôùi nhau baèng maët bích hay haøn. Vaät cheâm ñöôïc cho vaøo thaùp theo moät trong hai phöông phaùp: xeáp ngaãu nhieân hay xeáp thöù töï. So saùnh öu nhöôïc ñieåm cuûa caùc loaïi thaùp: Öu ñieåm Nhöôïc ñieåm Thaùp cheâm - Caáu taïo khaù ñôn giaûn. - Trôû löïc thaáp. - Laøm vieäc ñöôïc vôùi chaát loûng baån. - Do coù hieäu öùng thaønh neân hieäu suaát truyeàn khoái thaáp. - Ñoä oån ñònh thaáp, khoù vaän haønh. - Khoù taêng naêng suaát. - Thieát bò khaù naëng neà. Thaùp maâm xuyeân loã - Trôû löïc töông ñoái thaáp. - Hieäu suaát khaù cao. Thaùp maâm choùp - Khaù oån ñònh. - Hieäu suaát cao. - Khoâng laøm vieäc ñöôïc vôùi chaát loûng baån. - Keát caáu khaù phöùc taïp. - Coù trôû löïc lôùn. - Tieâu toán nhieàu vaät tö, keát caáu phöùc taïp. Trong baùo caùo naøy ta söû duïng thaùp maâm xuyeân loã ñeå chöng caát heä methanol - nöôùc. Trang 7 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong CHÖÔNG 2 Quy trình coâng ngheä 1. Thuyeát minh quy trình coâng ngheä: Hoãn hôïp methanol - nöôùc coù noàng ñoä nhaäp lieäu methanol 10% (theo phaàn hoái löôïng), nhieät ñoä khoaûng 280C taïi bình chöùa nguyeân lieäu (13) ñöôïc bôm (1) bôm leân boàn cao vò (2). Töø ñoù ñöôïc ñöa ñeán thieát bò trao ñoåi nhieät vôùi saûn phaåm ñaùy (12). Sau ñoù, hoãn hôïp ñöôïc gia nhieät ñeán nhieät ñoä soâi trong thieát bò ñun soâi doøng nhaäp lieäu (3), roài ñöôïc ñöa vaøo thaùp chöng caát (5) ôû ñóa nhaäp lieäu. Treân ñóa nhaäp lieäu, chaát loûng ñöôïc troän vôùi phaàn loûng töø ñoaïn luyeän cuûa thaùp chaûy xuoáng. Trong thaùp, hôi ñi töø döôùi leân gaëp chaát loûng töø treân xuoáng. ÔÛ ñaây, coù söï tieáp xuùc vaø trao ñoåi giöõa hai pha vôùi nhau. Pha loûng chuyeån ñoäng trong phaàn chöng caøng xuoáng döôùi caøng giaûm noàng ñoä caùc caáu töû deã bay hôi vì ñaõ bò pha hôi taïo neân töø hôi nöôùc ñöôïc caáp tröïc tieáp vaøo ñaùy thaùp loâi cuoán caáu töû deã bay hôi. Nhieät ñoä caøng leân treân caøng thaáp, neân khi hôi ñi qua caùc ñóa töø döôùi leân thì caáu töû coù nhieät ñoä soâi cao laø nöôùc seõ ngöng tuï laïi, cuoái cuøng treân ñænh thaùp ta thu ñöôïc hoãn hôïp coù caáu töû methsanol chieám nhieàu nhaát (coù noàng ñoä 95% phaàn khoái löôïng). Hôi naøy ñi vaøo thieát bò ngöng tuï (7) vaø ñöôïc ngöng tuï hoaøn toaøn. Moät phaàn cuûa chaát loûng ngöng tuï ñöôïc hoaøn löu veà thaùp ôû ñóa treân cuøng. Phaàn coøn laïi ñöôïc laøm nguoäi ñeán 400C, roài ñöa veà bình chöùa saûn phaåm ñænh. Moät phaàn caáu töû coù nhieät ñoä soâi thaáp ñöôïc boác hôi, coøn laïi caáu töû coù nhieät ñoä soâi cao trong chaát loûng ngaøy caøng taêng. Cuoái cuøng, ôû ñaùy thaùp ta thu ñöôïc hoãn hôïp loûng haàu heát laø caùc caáu töû khoù bay hôi (nöôùc). Hoãn hôïp loûng ôû ñaùy coù noàng ñoä methanol laø 1,5% phaàn khoái löôïng, coøn laïi laø nöôùc. Dung dòch loûng ôû ñaùy ñi ra khoûi thaùp ñi vaøo thieát bò trao ñoåi nhieät vôùi doøng nhaäp lieäu, roài ñöôïc ñöa qua boàn chöùa saûn phaåm ñaùy (11). Heä thoáng laøm vieäc lieân tuïc cho ra saûn phaåm ñænh laø methanol. Saûn phaåm ñaùy laø nöôùc sau khi trao khi trao ñoåi nhieät vôùi doøng nhaäp lieäu ñöôïc thaûi boû ôû nhieät ñoä 600C. Chuù thích caùc kí hieäu trong qui trình: 1. Boàn chöùa nguyeân lieäu 2. Bôm 3. Boàn cao vò 4. Thieát bò trao ñoåi nhieät. 5. Thieát bò ñun soâi doøng nhaäp lieäu 6. Löu löôïng keá. Trang 8 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. Thaùp chöng Thieát bò ñun saûn phaåm ñaùy Boàn chöùa saûn phaåm ñænh. Thieát bò ngöng tuï saûn phaåm ñænh Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh Baåy hôi Boàn chöùa saûn phaåm ñaùy Trang 9 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong CHÖÔNG 3 TÍNH TOAÙN SÔ BOÄ I. Caùc thoâng soá ban ñaàu: - Choïn loaïi thaùp laø thaùp maâm xuyeân loã. Thieát bò hoaït ñoäng lieân tuïc. - Khi chöng luyeän dung dòch metanol thì caáu töû deã bay hôi laø metanol. - Hoãn hôïp: + Methanol: CH3OH, ΜR = 32 (g/mol) + Nöôùc: H2O, MN = 18 (g/mol) • Naêng suaát nhaäp lieäu: GF = 1000 (l/h) • Noàng ñoä nhaäp lieäu: x F = 10% (kg Methanol/ kg hoãn hôïp) • Noàng ñoä saûn phaåm ñænh: x P = 95% (kg Methanol/ kg hoãn hôïp) • Noàng doä saûn phaåm ñaùy: xW = 1,5% (kg Methanol/ kg hoãn hôïp) • Choïn: - Nhieät ñoä nhaäp lieäu ban ñaàu: tBÑ = 28oC - Nhieät ñoä saûn phaåm ñænh sau khi laøm nguoäi: tPR = 60oC - Nhieät ñoä doøng nöôùc laïnh ñi vaøo: tV = 28oC - Nhieät ñoä doøng nöôùc laïnh ñi ra: tR = 40oC - Traïng thaùi nhaäp lieäu vaøo thaùp chöng caát laø traïng thaùi loûng soâi. • Caùc kyù hieäu: GF, F: suaát löôïng nhaäp lieäu tính theo kg/h, kmol/h. GP, P: suaát löôïng saûn phaåm ñænh tính theo kg/h, kmol/h. GW, W: suaát löôïng saûn phaåm ñaùy tính theo kg/h, kmol/h. L : suaát löôïng doøng hoaøn löu, kmol/h. xi, xi : noàng ñoä phaàn mol, phaàn khoái löôïng cuûa caáu töû i. II. Caân baèng vaät chaát: 1. Noàng ñoä phaàn mol cuûa Methanol trong thaùp xF = xF / M R 0.1 / 32 = = 0.0588 x F / M R + (1 − x F ) / M N 0.1 / 32 + (1 − 0.1) / 18 xP = xP / M R 0.95 / 32 = = 0.9144 x P / M R + (1 − x P ) / M N 0.95 / 32 + (1 − 0.95) / 18 xW = xW / M R 0.0.15 / 32 = = 0.0085 xW / M R + (1 − xW ) / M N 0.015 / 32 + (1 − 0.015) / 18 Trang 10 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong Töø soá lieäu cuûa baûng 1 ta xaây döïng ñoà thò t-x,y cho heä Methnol- nöôùc 100 0 tC 95 90 hôi 85 loûng 80 75 70 65 60 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Ñoà thò 1 ñoà thò t-x,y cho heä Methnol- nöôùc Do ta choïn traïng thaùi nhaäp lieäu vaøo thaùp chöng caát laø traïng thaùi loûng soâi neân töø ñoà thò 1 treân, taïi xF = 0.0588 ta noäi suy ra nhieät ñoä nhaäp lieäu vaøo thaùp chöng caát laø TF = 91,50C Tra baûng 1.249, trang 310, {1} ta ñöôïc ρ N = 964,25 kg/m3 Tra baûng 1.2, trang 9, {1} ta ñöôïc ρ R = 722.19 kg/m3 Suy ra khoái löôïng rieâng cuûa hoãn hôïp khi nhaäp lieäu vaøo thaùp x 1 − xF 1 0.1 1 − 0. 1 = F + = + = 1,072.10 −3 ρF ρR ρN 722,19 964,25 ⇒ ρ F = 933.0 kg/m3 Trang 11 x,y 1.0 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong Suy ra GF = 933,0 kg/h Ta coù M F = x F .M R + (1 − x F ).M N = 0,1.32 + (1 − 0,1).18 = 19,4 kg/kmol G 933,0 Neân F = F = = 48,093 kmol/h MF 19,4 2. Suaát löôïng mol cuûa caùc doøng - Phöông trình caân baèng vaät chaát cho toaøn thaùp F=P+W F.xF = P.xP + W.xW - Theá caùc giaù trò vaøo ta ñöôïc heä phöông trình sau  P + W = 48,093  0,9144 P + 0,0085W = 48,093.0,0588 ⇒ P = 2,67 kmol/h W= 45,42 kmol/h - Laïi coù M P = x P .M R + (1 − x P ).M N = 0,95.32 + (1 − 0,95).18 = 31,30 kg/kmol M w = xW .M R + (1 − xW ).M N = 0,015.32 + (1 − 0,015).18 = 18,21 kg/kmol - Suy ra GP = P.MP = 2,67.31,30 = 83,57 kg/h GW = W.MW = 45,42.18,21 = 827,1 kg/h 3. Caùc phöông trình laøm vieäc - Töø baûng soá lieäu 1 ta xaây döïng ñoà thì caân baèng pha cuûa heä Methanolnöôùc ôû aùp suaát 1atm - Vôùi xF = 0,0588 ta noäi suy töø ñoà thò 2 ñöôïc y F* = 0,295 + Tæ soá hoaøn löu toái thieåu x − y *F 0,9144 − 0,295 Rmin = P* = = 2,62 y F − x F 0,295 − 0,0588 + Tæ soá hoaøn löu laøm vieäc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3.2,62 + 0.3 = 3,71 + Suaát löôïng mol töông ñoái cuûa doøng nhaäp lieäu x − xW 0,9144 − 0,0085 f = P = = 18,01 x F − xW 0,0588 − 0,0588 Phöông trình ñöôøng laøm vieäc cuûa phaàn chöng: R+ f 1− f 3,71 + 18,01 1 − 18,01 y= ⋅x+ ⋅ xW = .x + .0,0085 = 4,61.x − 0,031` R +1 R +1 3,71 + 1 3,71 + 1 Hay y = 4,61.x − 0,031` Phöông trình ñöôøng laøm vieäc cuûa phaàn luyeän: Trang 12 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong R 1 3,71 1 ⋅x+ .x P = .x + .0,9144 = 0,788.x + 0,194 R +1 R +1 3,71 + 1 3,71 + 1 Hay y = 0,788.x + 0,194 y= 1 y 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 Ñoà thò 2: ñoà thì caân baèng pha cuûa heä Methanol-nöôùc ôû aùp suaát 1atm Trang 13 x 1 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong CHÖÔNG 4: Thieát keá cheá taïo thaùp chöng caát I. Ñöôøng kính thaùp: 1. Phaàn luyeän: a. Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha loûng trong phaàn luyeän: - Noàng ñoä phaàn mol trung bình cuûa pha loûng trong phaàn luyeän: x + x F 0,9144 + 0,0588 = = 0,4866 mol xL = P 2 2 - Noäi suy töø ñoà thò 1 ta ñöôïc nhieät ñoä trung bình cuûa pha loûng trong phaàn luyeän TLL = 73,4 oC - Noàng ñoä phaàn khoái löôïng trung bình cuûa pha loûng trong luyeän: x + x F 0,95 + 0,1 xL = P = = 0,525 2 2 - Tra baûng 1.249, trang 311, [1] Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc ôû 73,4oC: ρ N = 975,76 kg/m3 - Tra baûng 1.2, trang 9, [1] Khoái löôïng rieâng cuûa metanol ôû 73,4oC: ρ R = 739,77 kg/m3 - AÙp duïng trong coâng thöùc (1.2), trang 5, [1] x 1 − xL 1 0,525 1 − 0,525 = L + = + = 1,196.10 −3 ρ LL ρ R ρN 739,77 957,76 ⇒ ρ LL = 835,78 kg/m3 b. Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi trong phaàn luyeän: - Noàng ñoä trung bình cuûa pha hôi trong phaàn luyeän: yL = 0,788xL + 0.194 = 0,788.0,4866 + 0.194 = 0,5775 ⇒ Nhieät ñoä trung bình cuûa pha hôi trong phaàn luyeän: THL = 81,6 oC - Khoái löôïng mol trung bình cuûa pha hôi trong phaàn luyeän: MHL = yL. MR + (1 – yL). MN = 0,5775.32 + (1 – 0,5775). 18 = 26,085 kg/kmol - Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi trong phaàn luyeän: PM HL 1.26,085 ρ HL = = = 0,8965 kg / m 3 22,4 RTHL ⋅ (81,6 + 273) 273 - Choïn khoaûng caùch maâm h = 250 mm - Tra hình 2.2, trang 42,[6]: C = 0,028 - Vaän toác pha hôi ñi trong phaàn luyeän ρ 835,78 ω L = C LL = 0,028 = 0,855 m / s ρ HL 0,8965 Trang 14 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong Löu löôïng pha hôi ñi trong phaàn luyeän cuûa thaùp: G .(1 + R ).22,4.THL 83,57.(1 + 3,71).22,4.(81,6 + 273) QV = P = = 0,102 m 3 / s M P .To .3600 31,3.273.3600 Ñöôøng kính ñoaïn luyeän 4.QV 4.0,102 DL = = = 0,390 m π .ω L 3,14.0,855 2. Phaàn chöng: a. Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha loûng trong phaàn chöng: - Noàng ñoä phaàn mol trung bình cuûa pha loûng trong phaàn chöng: x + xW 0,0588 + 0,0085 xC = F = = 0,034 (mol metanol/mol hoãn hôïp) 2 2 - Nhieät ñoä trung bình cuûa pha loûng trong phaàn chöng: TLC = 94,6 oC - Noàng ñoä phaàn khoái löôïng trung bình cuûa pha loûng trong luyeän: x + xW 0,1 + 0,015 xC = F = = 0,0575 kg metanol/ kg hoãn hôïp 2 2 - Tra baûng 1.249, trang 311, [1] Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc ôû 94,6oC: ρ N = 962,78 kg/m3 - Tra baûng 1.2, trang 9, [1] Khoái löôïng rieâng cuûa metanol ôû 94,6oC: ρ R = 719,18 kg/m3 - AÙp duïng trong coâng thöùc (1.2), trang 5, [1] x 1 − xC 0,0575 1 − 0,0575 1 = C + = − = 1,059.10 −3 ρ LC ρ R ρN 719,18 962,78 ρ LC = 941,39 (kg/m3). b. Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi trong phaàn chöng - Noàng ñoä trung bình cuûa pha hôi trong phaàn chöng yC = 4,61xC - 0,031 = 4,61.0,034 – 0,031 = 0,126 ⇒ Nhieät ñoä trung bình cuûa pha hôi trong phaàn chöng: THC = 96,4 oC - Khoái löôïng mol trung bình cuûa pha hôi trong phaàn chöng MHC = yC. MR + (1 – yC). MN = 0,126.32 + (1 – 0,126). 18 = 19,76 kg/kmol - Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi trong phaàn chöng: PM HC 1.19,76 ρ HC = = = 0,566 kg / m 3 22,4 RTHC ⋅ (96,4 + 273) 273 - Choïn khoaûng caùch maâm h = 250 mm - Vaän toác pha hôi ñi trong phaàn chöng: - Tra hình 2.2, trang 42,[6]: C = 0,028 Trang 15 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong ωC = C ρ LC 941,39 = 0,028 = 1,142 m / s ρ HC 0,566 - Löu löôïng pha hôi ñi trong thaùp: G .(1 + R ).22,4.THC 83,57.(1 + 3,71).22,4.(96,4 + 273) QV = P = = 0,106 m 3 / s M P .To .3600 31,3.273.3600 - Ñöôøng kính ñoaïn chöng 4.QV 4.0,106 DC = = = 0,344 m 3,14.1,142 π .ω C Tra baûng IX.4a, trang 169, [2], ta choïn theo chuaån D = 400 mm Keát luaän: ñöôøng kính thaùp laø D = 0,4 m Vaän toác pha hôi trong thaùp theo thöïc teá: 4.QV 4.0,106 ωC = = = 0,844 m / s 2 3,14.DC . 3,14.0,4 2 ωL = II. 4.QV 4.0,102 = = 0,812 m / s 2 3,14.D L . 3,14.0,4 2 Chieàu cao thaùp: 1. Soá maâm lyù thuyeát Ta döïng ñoà thò 2 ñöôøng laøm vieäc vaøo trong ñoà thò 2 (ñoà thò caân baèng pha). Trang 16 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong Ñoà thò 3: Ñoà thò xaùc ñònh soá baäc lyù thuyeát cuûa thaùp Töø ñoà thò 3 ôû treân ta suy soá maâm lyù thuyeát cuûa thaùp laø Nlt = 10 maâm. Nhöng do ta duøng thieát bò ñun noùng giaùn tieáp neân ta xem thieát bò naøy nhö laø 1 maâm lyù thuyeát Vaäy soá maâm trong thaùp laø 9 maâm, trong ñoù + Soá maâm phaàn chöng laø 5 + Soá maâm phaàn luyeän laø 4 2. Xaùc ñònh soá maâm thöïc teá cuûa thaùp a. Hieäu suaát trung bình cuûa thaùp + Vò trí ñænh Noàng ñoä phaàn mol: xP = 0,9144 ⇒ tsoâi = 65,8oC y * = 0,972 Ñoä bay hôi töông ñoái: y * .(1 − x) 0,972.(1 − 0,9144) α= = = 3,250 (1 − y*).x (1 − 0,972).0,9144 Tra baûng 1.104, trang 96, [1] ⇒ Ñoä nhôùt cuûa nöôùc µN = 0,432 cP Trang 17 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong Duøng toaùn ñoà 1.18, trang 90, [1] ⇒ Ñoä nhôùt cuûa metanol µR = 0,325 cP Coâng thöùc (I.12), trang 84, [1] Ñoä nhôùt cuûa hoãn hôïp loûng: lgµhh = x1lgµ1 + x2lgµ2 Neân: lgµhh = 0,9144.lg0,325 + (1 – 0,9144).lg0,432 = -0,478 ⇒ µhh = 0,333 cP ⇒ αLµL = 3,250.0,333 = 1,082 Tra hình IX, trang 171, [2] ⇒ E = 46% + Vò trí nhaäp lieäu Noàng ñoä phaàn mol: xF = 0,0588 ⇒ tsoâi = 91,5oC y * = 0,305 Ñoä bay hôi töông ñoái: y * .(1 − x) 0,305.(1 − 0,0588) α= = = 7,025 (1 − y*).x (1 − 0,305).0,0588 Tra baûng 1.104, trang 96, [1] ⇒ Ñoä nhôùt cuûa nöôùc µN = 0,312 cP Duøng toaùn ñoà 1.18, trang 90, [1] ⇒ Ñoä nhôùt cuûa metanol µR = 0,245 cP Coâng thöùc (I.12), trang 84, [1] Ñoä nhôùt cuûa hoãn hôïp loûng: lgµhh = x1lgµ1 + x2lgµ2 Neân: lgµhh = 0,0588.lg0,245 + (1 – 0,0588).lg0,312 = -0,512 ⇒ µhh = 0,308 cP ⇒ αLµL = 7,025.0,308 = 2,161 Tra hình IX, trang 171, [2] ⇒ E = 41% + Vò trí ñaùy: Noàng ñoä phaàn mol: xP = 0,0085 ⇒ tsoâi = 98,5oC y * = 0,052 Ñoä bay hôi töông ñoái: y * .(1 − x) 0,052.(1 − 0,0085) α= = = 6,40 (1 − y*).x (1 − 0,052).0,0085 Tra baûng 1.104, trang 96, [1] ⇒ Ñoä nhôùt cuûa nöôùc µN = 0,289 cP Duøng toaùn ñoà 1.18, trang 90, [1] ⇒ Ñoä nhôùt cuûa metanol µR = 0,215 cP Coâng thöùc (I.12), trang 84, [1] Ñoä nhôùt cuûa hoãn hôïp loûng: lgµhh = x1lgµ1 + x2lgµ2 Neân: lgµhh = 0,0085.lg0,215 + (1 – 0,0085).lg0,289 = -0,541 ⇒ µhh = 0,288 cP ⇒ αLµL = 6,40.0,288 = 1,842 Tra hình IX, trang 171, [2] ⇒ E = 43% + Hieäu suaát trung bình cuûa thaùp Trang 18 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong Etb = 46 + 41 + 43 = 43,3% 3 b. Chieàu cao thaùp - Soá maâm thöïc teá cuûa thaùp N 9 N tt = lt = = 21 maâm Etb 0,433 Trong ñoù NC 5 = = 12 maâm E tb 0,433 N 4 = L = = 9 maâm Etb 0,433 N ttC = N ttL - Chieàu cao toaøn thaùp: Söû duïng coâng thöùc IX.54, trang 169, [2] Hthaùp = Ntt.(hmaâm + δ ) = 21.( 0,25 + 0,002 ) + 0,8 = 6,092 m h - Choïn ñaùy (naép) tieâu chuaån coù t = 0,25 suy ra ht = 0,25.D = 0,25.0,4 = 0,10 m Dt - Choïn chieàu cao gôø: hg = 25 mm = 0,025 m - Chieàu cao ñaùy (naép): Hñn = ht + hg = 0,1 + 0,025 = 0,125 m Keát luaän: Chieàu cao toaøn thaùp: H = 6,34 m III. Trôû löïc thaùp: Caáu taïo maâm loã: + Choïn thaùp maâm xuyeân loã coù oáng chaûy chuyeàn vôùi: - Tieát dieän töï do baèng 8% dieän tích maâm. - Ñöôøng kính loã dl = 3 mm = 0,003 m - Chieàu cao gôø chaûy traøn: hgôø = 30mm = 0,03 m - Dieän tích cuûa 2 baùn nguyeät baèng 20% dieän tích maâm. - Loã boá trí theo hình luïc giaùc ñeàu. - Khoaûng caùch giöõa 2 taâm loã baèng 15 mm. - Beà daøy maâm baèng 2 mm - Maâm ñöôïc laøm baèng theùp khoâng gæ X18H10T. + Soá loã treân 1 maâm: N= D 8% S m = 0,08 t Sl  dl 2 2   0,4   = 0,08.  = 1422 loã  0,003   Goïi a laø soá hình luïc giaùc. AÙp duïng coâng thöùc (V.139), trang 48, [2]: N = 3a(a-1) +1 Giaûi phöông trình baäc 2 ⇒ a = 22,3 ≈ 23 ⇒ N = 1519 loã Soá loã treân ñöôøng cheùo: b = 2a - 1 = 43 loã 2. Trôû löïc cuûa ñóa khoâ: AÙp duïng coâng thöùc (IX.140), trang 194, [2]: Trang 19 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong ω' 2 .ρ H 2 Ñoái vôùi ñóa coù tieát dieän töï do baèng 10% dieän tích maâm thì ξ = 1,82 2.1. Phaàn luyeän ω 0,812 Vaän toác hôi qua loã: ω ' L = L = = 10,15 m/s 8% 0,08 ∆Pk = ξ Neân: ∆PkL = 1,82. 10,15 2.0,8965 = 84,05 N/m2 2 2.2. Phaàn chöng Vaän toác hôi qua loã: ω 'C = Neân: ∆PkC = 1,82. ωC 8% = 0,844 = 10,55 m/s 0,08 2 10,55 .0,566 = 57,33 N/m2 2 3. Trôû löïc do söùc caêng beà maët Vì ñóa coù ñöôøng kính loã > 1mm ⇒ Aùp duïng coâng thöùc (IX.142), trang 194, [2]: 4σ ∆Pσ = 1,3d loã + 0,08d 2loã 3.1. Phaàn luyeän Taïi nhieät ñoä trung bình cuûa pha loûng trong phaàn luyeän TLL = 73,4oC thì: • Tra baûng 1.249, trang 310, [1] ⇒ Söùc caêng beà maët cuûa nöôùc σNL = 0,6334 N/m • Tra baûng 1.242, trang 300, [1] ⇒ Söùc caêng beà maët cuûa röôïu σRL = 0,0184 N/m Aùp duïng coâng thöùc (I.76), trang 299, [1]: σσ 1 1 1 = + ⇒σ= 1 2 σ σ1 σ 2 σ1 + σ 2 0,6334.0,0184 σ LL = = 0,0179 N/m 0,6334 + 0,0184 4 × 0,0179 ∆PσL = = 18,36 N/m2 2 1,3 × 0,003 + 0,08 × 0,003 3.2. Phaàn chöng Tính toaùn töông töï nhö phaàn luyeän Taïi nhieät ñoä trung bình cuûa pha loûng trong phaàn luyeän TLL = 94,6oC thì: • Tra baûng 1.249, trang 310, [1] ⇒ Söùc caêng beà maët cuûa nöôùc σNL = 0,5964 N/m • Tra baûng 1.242, trang 300, [1] ⇒ Söùc caêng beà maët cuûa röôïu σRL = 0,0160 N/m Aùp duïng coâng thöùc (I.76), trang 299, [1]: σσ 1 1 1 = + ⇒σ= 1 2 σ σ1 σ 2 σ1 + σ 2 0,5964.0,0160 σ LL = = 0,0126 N/m 0,5964 + 0,0160 Trang 20 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong ∆PσL = 4 × 0,0126 = 12,92 N/m2 2 1,3 × 0,003 + 0,08 × 0,003 4. Trôû löïc thuûy tónh do chaát loûng treân ñóa taïo ra: Aùp duïng coâng thöùc trang 68, [3] ∆Pb = 1,3hbKρLg Vôùi: hb = hgôø + ∆hl 2/3  QL   ∆h l =   1,85L K  gôø   Trong ñoù: Lgôø : chieàu daøi cuûa gôø chaûy traøn, m K = ρb/ρL : tyû soá giöõa khoái löôïng rieâng chaát loûng boït vaø khoái löôïng rieâng cuûa chaát loûng, laáy gaàn baèng 0,5. n .M Q L = L L : suaát löôïng theå tích cuûa pha loûng, m3/s. ρL Tính chieàu daøi gôø chaûy traøn: Ta coù: Squaït - S∆ = Sbaùn nguyeät α α 20% 2 R2 1 ⇔ α − 2. R sin R cos = πR 2 2 2 2 2 ⇔ α - sinα = 0,2π Duøng pheùp laëp ⇒ α = 1,627 rad = 93,32o α 93,32 Neân Lgôø = Dt . sin( ) = 0,4. sin( ) = 0,290 m 2 2 4.1. Phaàn luyeän: Khoái löôïng mol trung bình cuûa pha loûng trong phaàn luyeän: MLL = 0,4866.32 + (1 – 0,4866).18 = 24,81 kg/kmol Suaát löôïng theå tích cuûa pha loûng trong phaàn luyeän: G .R.M LL 83,57.3,71.24,81 QLL = P = = 8,17.10 − 5 m3/s M P .ρ LL 31,30.835,78.3600 Trang 21 Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong 2/3  8,17.10 −5   = 0,0045 m ∆hlL =   1,85.0,290.0,5  Cho ta: ∆PbL = 1,3.(hgôø + ∆hlL).KρLLg = 1,3.(0,03 + 0,0045). 0,5. 835,78. 9,81 = 183,86 N/m2 4.2. Phaàn chöng Tính toaùn töông töï nhö phaàn luyeän Khoái löôïng mol trung bình cuûa pha loûng trong phaàn luyeän: MLC = 0,034.32 + (1 – 0,034).18 = 16,54 kg/kmol Suaát löôïng theå tích cuûa pha loûng trong phaàn luyeän: G .R.M LC 83,57.3,71.16,54 QLC = P = = 4,83.10− 5 m3/s M P .ρ LC 31,30.941,39.3600 2/3  4,83.10 −5   = 0,0032 m ∆hlC =   1,85.0,290.0,5  Cho ta: ∆PbC = 1,3.(hgôø + ∆hlC).KρLCg = 1,3.(0,03 + 0,0032). 0,5. 941,39. 9,81 = 199,29 N/m2 5. Toång trôû löïc thuyû löïc cuûa thaùp Toång trôû löïc cuûa 1 maâm trong phaàn luyeän cuûa thaùp laø: ∆PL = ∆PkL + ∆PσL + ∆PbL = 84,05 + 18,36 + 183,86 = 286,27 N/m2 Toång trôû löïc cuûa 1 maâm trong phaàn chöng cuûa thaùp laø: ∆PC = ∆PkC + ∆PσC + ∆PbC = 57,33 + 12,92 + 199,29 = 269,54 N/m2 Kieåm tra hoaït ñoäng cuûa maâm: - Kieåm tra laïi khoaûng caùch maâm h = 0,25m ñaûm baûo cho ñieàu kieän hoaït ∆P ñoäng bình thöôøng cuûa thaùp: h > 1,8 ( trang 70, [3] ) ρL g Vôùi caùc maâm trong phaàn luyeän trôû löïc thuyû löïc qua 1 maâm lôùn hôn trôû löïc thuyû löïc cuûa maâm trong phaàn chöng, ta coù: ∆PL 286,27 1,8 = 1,8 = 0,063 m ρ LL g 835,78.9,18 ⇒ Ñieàu kieän treân ñöôïc thoûa. - Kieåm tra tính ñoàng nhaát cuûa hoaït ñoäng cuûa maâm. Töø coâng thöùc trang 70, [3] Ta coù vaän toác toái thieåu qua loã cuûa pha hôi vmin ñuû ñeå cho caùc loã treân maâm ñeàu hoaït ñoäng: gρ LL hbL 9,81.835,78.(0,03 + 0,0045) vmin = 0,67 = 0,67 = 8,822 m/s < 10,15 m/s 1,82.0,8965 ξρ HL ⇒ Caùc loã treân maâm ñeàu hoaït ñoäng. Keát luaän: Toång trôû löïc thuûy löïc cuûa thaùp: ∆P = NttL.∆PL + NttC∆PC = 9. 286,27 + 14. 269,54 = 6350,0 (N/m2) Trang 22
- Xem thêm -