Tài liệu Máy và thiết bị chưng cất

1 1 MỤC LỤC 2CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 3 I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 4 1 . Phương pháp chưng cất 5 2 . Thiết bị chưng cất: 6 II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU 7 1 . Acid axetic 8 2 . Nước 9 3 . Hỗn hợp Acid axetic – Nước 10 III . CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID AXETIC– NƯỚC 11 CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT 12 I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU 13 II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM 14 ĐÁY 15 III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP 16 1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu 17 2 . Tỉ số hoàn lưu thích hợp 18 IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ THUYẾT 19 1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất 20 2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng 21 3 . Số mâm lý thuyết 22 V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ 23 CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 24 I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP 25 1 . Đường kính đoạn cất 26 2 . Đường kính đoạn chưng 27 II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM 28 1 . Cấu tạo mâm lỗ 29 2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm 30 3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt độngO( 31 III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP 32 1 . Bề dày thân tháp : 33 2 . Đáy và nắp thiết bị : 34 3 . Bích ghép thân, đáy và nắp : 35 4 . Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn : 36 5 . Tai treo và chân đỡ: 37 CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ 38 PHỤ 39 I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 40 1 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 41 2 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 2 1 4 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 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 55 56 57 58 59 60 61 62 5 2 7 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 8 MÁY VÀ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT 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 acid axetic - nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm nước và một ít acid axetic , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid axetic 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 cấp 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 acid axetic – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. 3 10 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 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 có chóp dạng tròn hay một dạng khác,có rãnh xung quanh để pha khí đi qua va ống chảy chuyền có hình tron * Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính 3-12mm được bố trí trên các đỉnh tam giác,bước lổ bằng 2,5 đến 5 lần đường kính • 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 : Ưu điểm: Nhược điểm: Tháp chêm. - Đơn giản. - Trở lực thấp. Tháp mâm xuyên lo. Tháp mâm chóp. - Hiệu suất tương đối cao. - Hiệu suất cao. - Hoạt động khá ổn định. - Hoạt động ổn định. - Làm việc với chất lỏng bẩn. - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao. - Thiết bị nặng. - Cấu tạo phức tạp. - Không làm việc với chất lỏng bẩn. 118 - Độ ổn định kém. 11 - Yêu cầu lắp đặt khắt khe -> lắp đĩa thật phẳng. - Trở lực lớn. 4 13 119 14 5 16 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 17 Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và tháp mâm chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ. Vậy: Chưng cất hệ acid axetic - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp. II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU : Nguyên liệu là hỗn hợp acid axetic - Nước. 1 . Etanol: (Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm). Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC. Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước. • Một số thông số vật lý và nhiệt động của etanol: + Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78.3oC. + Khối lượng riêng: d420 = 810 (Kg/m3). • Tính chất hóa học: Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của etanol là thể hiện tính chất hoá học của nó. * Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl: CH3-CH2-OH CH3-CH2-O- + H+ −18 Hằng số phân ly của etanol: K CH −CH −OH = 10 , cho nên etanol là chất trung tính. + Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua(NaH), Natri amid(NaNH2): CH3-CH2-OH + NaH CH3-CH2-ONa + H2 Natri etylat −14 K < K = 10 Do CH −CH −OH : tính acid của rượu nhỏ hơn tính acid của H O nước, nên khi muối Natri etylat tan trong nước sẽ bị thuỷ phân thành rượu trở lại. + Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với nước. Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ đều tạo ra ester. Lạnh CH -CH O-SO -H + H O CH3-CH2-OH + HO-SO3-H 3 2 3 2 3 3 2 2 2 H+ CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 CH3-COO-C2H5 + H2O * Phản ứng trên nhóm hydroxyl: + Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O + Tác dụng với Triclo Phốt pho: CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl + Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 + Phản ứng tạo eter và tách loại nước: 2CH3-CH2-OH CH3-CH2-OH H2SO4 >150o HCSO 2 4 >150o C * Phản ứng hydro và oxy hoá: 6 (CH3-CH2)2O Al2O3 to + CH2=CH2 + H2O C2H5-NH2 + H2O H2O 20 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 21 CH3-CH2-OH Cu 200300oC CH3-CHO + H2 • Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150 mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp. + Công nghiệp cao su tổng hợp + Động lực. + Dung môi hữu cơ:pha sơn.. + Nguyên liệu. + Rượu mùi. + Dấm. Nhiên liệu. + Động lực. + Thuốc trừ sâu. + Thuốc súng không khói. + Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay. Etan ol + Thuốc nhuộm. + Tơ nhân tạo. + Đồ nhựa. + Keo dán. + Hương liệu. + Sơn. + Vecni. + Sát trùng. + Pha chế thuốc. Sơ đồ tóm tắt vị trí của etanol trong các ngành công nghiệp. • Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ kim… Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ đường. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột: C6H6O6 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal Nấm men Zymaza Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO2. 5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ(lactic, butylic…). 2 . Nước: 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 hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau: Khối lượng phân tử : 18 g / mol 0 Khối lượng riêng d4 c : 1 g / ml 7 24 212 213 214 215 216 217 218 219 220 Nhiệt độ nóng chảy : 00C Nhiệt độ sôi : 1000 C Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống. Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học. 3 . Hỗn hợp Etanol – Nước: Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol Nước ở 760 mmHg: x(%phân mol) y(%phân mol) t(oC) 0 0 118. 4 5 9.2 115. 4 10 16.7 113. 8 20 30.3 110. 1 30 42.5 40 53 107.5 105.8 50 62.6 104. 4 60 71.6 103. 3 70 79.5 102. 1 80 86.4 101. 3 90 93 100. 6 221 0 5 10 90 20 30 80 40 70 50 60 60 70 80 50 90 100 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100 Y(%mol) 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 40 30 20 10 222 X(% m ol) 0 0 25 10 20 30 40 50 8 60 70 80 90 100 92 99.5 92 100 100 100 28 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 29 III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC: Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,30C ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg : hơi cách biệt khá xa nên phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất. Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn. * Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – nước: Chú thích các kí hiệu trong qui trình: 1 . Bồn chứa nguyên liệu. 2 . Bơm. 3 . Bồn cao vị. 4 . Lưu lượng kế. 5 . Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy. 6 . Thiết bị gia nhiệt nhập liệu. 7 . Bẩy hơi. 8 . Tháp chưng cất. 9 . Nhiệt kế. 10 . Ap kế. 11 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh. 12 . Nồi đun. 13 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh. 14 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh. 15 . Bồn chứa sản phẩm đáy. 16 . Bộ phận phân dòng. 9 32 271 MUÏC LUÏC trang 272 33 LÔØ I MÔÛ ÑAÀ U CHÖÔNG I : TOÅ NG QUAN................................................................... I . LY Ù ùTHUY EÁ T VEÀCHÖNG CAÁ T 1 . Phöông phaù p chöng caá t 2 . Thieá t bòchöng caá t: II . GIÔÙ I THIEÄ U SÔ BOÄNGUY E N LIEÄ U 1 . Acid axetic 2 . Nöôù c 3 . Hoã n hôïp Acid axetic – Nöôù c III . CO NG NGHEÄCHÖNG CAÁ T HEÄACID AXETIC– NÖÔÙ C CHÖÔNG II : CA N BAÈ NG VAÄ T CHAÁ T I . CAÙ C THO NG SOÁBAN ÑAÀ U II . XAÙ C ÑÒNH SUAÁ T LÖÔÏNG SAÛ N PHAÅ M ÑÆ NH VAØSAÛ N PHAÅ M ÑAÙ Y III . XAÙ C ÑÒNH TÆSOÁHOAØ N LÖU THÍCH HÔÏP 1 . Tæsoáhoaø n löu toá i thieå u 2 . Tæsoáhoaø n löu thích hôïp IV . PHÖÔNG TRÌNH ÑÖÔØ NG LAØ M VIEÄ C – SOÁMA M LY Ù THUY EÁ T 1 . Phöông trình ñöôø ng noà ng ñoälaø m vieä c cuû a ñoaïn caá t 2 . Phöông trình ñöôø ng noà ng ñoälaø m vieä c cuû a ñoaïn chöng 3 . Soámaâ m lyùthuyeá t V . XAÙ C ÑÒNH SOÁMA M THÖÏC TEÁ CHÖÔNG III :TÍNH TOAÙ N –THIEÁ T KEÁTHAÙ P CHÖNG CAÁ T I . ÑÖÔØ NG KÍNH THAÙ P 1 . Ñöôø ng kính ñoaïn caá t 2 . Ñöôø ng kính ñoaïn chöng II . MA M LOÖ TRÔÛLÖÏC CUÛ A MA M 1 . Caá u taïo maâ m loã 2 . Ñoägiaû m aù p cuû a pha khí qua moä t maâ m 10 36 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 37 11 40 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 * Thuyết minh qui trình công nghệ: Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ khoảng 0 28 C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (5) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ). Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt(6), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) 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 etanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 85% phân mol). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (11) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (13), được làm nguội đến 350C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ 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 hầu hết là các cấu tử khó bay hơi ( nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ etanol là 0,11 % phân mol, còn lại là nước. Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12). 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 trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (5) (sau khi qua bồn cao vị). Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 600C được thải bỏ. 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT . 341 I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU : • 342Năng suất nhập liệu: • 343( x =x1*M1/(x1*M1+(1-x1)*M2)=0.92*18/(0.92*18+0.08*60)=0.775 41 12 44 • 344 1/ ρ tb = x /ρ n + (1 − x ) / ρ a =0.775/995.6 +(1-0.775)/1039.6, ρ tb =1005.17kg/m3) • 345GF=QF* ρ tb =5*1005.17=5025.86(kg/h). 346 • Nồng độ nhập liệu : 8% mol acid axetic (xF=0.92) 347 • Nồng độ sản phẩm đỉnh : 0.5% mol acid axetic( xD=0.995) 348 • Nồng độ sản phẩm đáy : 30% mol acid axetic.(xW=0.7) 349 • Khối lượng phân tử của acid axetic và nước : MA =60 kg/kmol , MN =18 350 kg/kmol . • 351Chọn : 352 + Nhiệt độ nhập liệu : t’F =28oC . 353 + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’D =35oC . 354 + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’W = 35oC . 355 +Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi . 356 • Các kí hiệu : 357 + GF , F : suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h , Kmol/h . 358 + GD , D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h , Kmol/h . 359 + GW ,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h , Kmol/h . 360 + xi , xi : phân mol , phân khối lượng của cấu tử i . 361 II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM 362 ĐÁY : • 363Cân bằng vật chất cho toàn tháp : F=D+W (II.1) • 364Cân bằng cấu tử : F.xF = D.xD + W.xW (II.2) 365 Với : Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu : 366 MF =18.x F + (1 − x F ).60 = 21.36 (Kg/Kmol). GF 5025.86 367 F= = =235.29 (Kmol/h) MF 21.36 368 Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy : 369 MW = 18.xW + (1 − xW ).60 = 30.6 (Kg/Kmol). 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh : MD = 18.x D + (1 − x D ).60 =18.21 (Kg/Kmol). Giải 2 phương trình (II.1),(II.2)ta có : D =175.47 (Kmol/h) W = 59.819 (Kmol/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 . Rmin= x − y* y* − x D F F 382 45 F = 0.995 − 0.945 =2 0.945 − 0.92 Tỉ số hoàn lưu thích hợp:RX=1.3Rmin+0.3=2.9 13 48 383 384 385 386 387 388 389 IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC SỐ MÂM LÝ THUYẾT: 1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất : y= 2,9 0,995 x R. .x + .x + D = 2,9 + 1 2,9 + 1 R +1 R +1 =0,7436.x + 0.2551 2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng : y= 2,9 + 1.341 1.341 − 1 R+ f f −1 .x + .0.7 .x + .xW = 2,9 + 1 2,9 + 1 R +1 R +1 390 = 1.087x – 0.0612 391 Với : f = 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 3 . Số mâm lý thuyết : Đồ thị xác định số mâm lý thuyết :(Xem hình ở trang sau ). số mâm lý thuyết là Nlt = 27mâm .20 mâm cất,6 mâm chưng,1 mâm nhập liệu V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ: Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình : N tt = N lt η tb (st2/170) 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. • Xác định hiệu suất trung bình của tháp η tb : + Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi : α= 407 408 409 410 411 412 413 F 235.29 = = 1.341 : chỉ số nhập liệu . D 175.47 y* 1− x 1− y* x Với : x :phân mol của nước trong pha lỏng . y* : phân mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng. Lgmhh =x1lgm1 + x2lgm2 ,tài liệu [4(tập 1) – trang 84] * Tại vị trí nhập liệu : xF = 0.92 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*F = 0.945 tF = 100.52 oC y* F 1 − x F 0.945 1 − 0.92 = . = 1.494 * 1 − 0.945 0.92 1− y F xF 414 + αF = 415 416 417 418 + tF = 100.52 oC , ma = 0.46.10-3 Ns/m2 ; mn=0.284.10-3 Ns/m2(t2/91,92) mF =0.443.10-3 (N.s/m2) =0,443 (cP) Suy ra : aF . mF = 1.494*0.443 =0.662 Tra tài liệu tham khảo [(tập 2) – trang 171] : hF = 0.55 49 14 52 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 + αW y *W 1 − x W 0.795 1 − 0.7 = = . = 1.662 * 1 − 0.795 0.7 1− y W xW + và tW =102.1oC,ma = 0.46.10-3 Ns/m2 ; mn=0.284.10-3 Ns/m2 mW =0.443.10-3 (N.s/m2) =0,443 (cP) Suy ra : aW . mW = 1.662*0.443 = 0.736 Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : hW = 0.53 *Tại vị trí mâm đỉnh : xD = 0.995 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*D = 0.997 tD = 100.22 oC y* D 1 − x D 0.997 1 − 0.995 = . = 1.67 * 1 − 0.997 0.995 1− y D xD 430 + αD = 431 432 433 434 435 + tD = 100.22oC , ,ma = 0.46.10-3 Ns/m2 ; mn=0.284.10-3 Ns/m2 mD =0.443.10-3 (N.s/m2) =0,443 (cP) Suy ra : aD . mD = 1.67*0.443 = 0.74 Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : hD = 0.53 Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp : η + ηW + η D 0.53 + 0.53 + 0.55 = = 0.537 htb = F 436 437 438 439 440 441 442 443 1. * Tại vị trí mâm đáy : xW = 0.7 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*W = 0.795 tW = 102.1 oC 3 • Số mâm thực tế của tháp Ntt : 27 N tt = =50.28 mâm 0.537 3 Vậy chọn Ntt = 50 mâm 37 mâm cất,12 mâm chưng 1 mam nhập liệu CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT . I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(Dt) Dt = 4Vtb g tb = 0,0188 π.3600.ω tb ( ρ y .ω y ) tb (m)(t2 tr181) 444 Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h). 445 ω tb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s). 446 gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h). 447 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó, 448 đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau . 449Đường kính đoạn cất : 450 a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp : g + g1 g tb = d 451 (Kg/h) 2 452 gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h). 453 g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h). 454 • Xác định gd : gd = D.(R+1) =175.47(2,9+1) = 684.333 (Kmol/h) 455 = 12404.22(Kg/h) 53 15 56 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 473 474 475 476 477 478 479 480 481 482 483 484 485 486 487 488 489 57 (Vì MthD =18.yD+(1-yD).60 = 18.126(Kg/Kmol). • Xác định g1 : Từ hệ phương trình :  g 1 = G1 + D   g 1 . y1 = G1 .x1 + D.x D  g .r = g .r d d  1 1 (III.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 = 100.52oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có : An nhiệt hoá hơi của nước : rN1 = 40512.96 (KJ/kmol) . An nhiệt hoá hơi của acid : ra1 = 24195.24 (KJ/kmol) . Suy ra : r1 = rN1.y1 + (1-y1).ra1 = 24195.24 + 16317.72y1 (KJ/kmol) * Tính rd : tD = 100.22oC , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có : An nhiệt hoá hơi của nước : rNd = 40512.96 (KJ/kmol) . An nhiệt hoá hơi của acid : rad = 24195.24(KJ/kmol) . Suy ra : rd = rNd.yD + (1-yD).rad =40512.96*0.997 + (1- 0.997)*24195.24 = 40464 (KJ/kmol) * x1 = xF = 0.92 Giải hệ (III.1) , ta được : G1 = 525.316 (Kmol/h) y1 = 0.939 (phân mol ) _ M1 =20.1 g1 = 700.786 (Kmol/h) = 14085.799(Kg/h) Vậy : gtb = 14085 .799 + 12404 .22 =13245.01(Kg/h) 2 b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền : ρ ω gh = 0,05. xtb ρ ytb Với : rxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3) . rytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) . • Xác định rytb : ρ ytb = [ ytb .18 + (1 − ytb ).60].273 22,4.( t tb + 273) y1 + y D 0.939 + 0.997 = =0.968 2 2 100.52 + 100.22 t +t + Nhiệt độ trung bình đoạn cất : ttb = F D = =100.37oC 2 2 Với: + Nồng độ phân mol trung bình : ytb = Suy ra : rytb =0.631 (Kg/m3). • Xác định rxtb : Nồng độ phân mol trung bình : xtb = Suy ra : xtb = x F + x D 0.92 + 0995 = = 0.4577 2 2 18.xtb 18.xtb + (1 − xtb ).60 ttb = 100.37oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có : 16 60 490 491 492 ra=958kg/m3 rn =958 kg/m3 1/ ρ tb = x /ρ n + (1 − x) / ρ a rxtb = 958 (Kg/m3) 493 Suy ra : ω gh = 0,05. 494 495 496 497 2. 958 =1.948 (m/s) 0.631 Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : ω h = 0,8.ω gh = 0,8.1.948 = 1.559 (m/s) Vậy :đường kính đoạn cất : Dcất = 0,0188. 13245 .01 =2.181 (m). 1.559 * 0.631 498Đường kính đoạn chưng : 499 a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp : g , n + g ,1 g , tb = 500 (Kg/h) 2 501 g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h). 502 g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h). 503 • Xác định g’n : g’n = g1 =700.786 (Kmol/h) = 14085.799(Kg/h) 504 • Xác định g’1 : Từ hệ phương trình : G '1 = g '1 + W  ' ' 505 G 1 .x '1 = g 1 . yW + W .xW (III.2)  g ' .r ' = g ' .r ' = g .r n n 1 1  1 1 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 516 517 518 519 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 =0.7 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0.795 Suy ra :Mtbg’ =18.yW +(1-yW).60=26.61 (Kg/kmol) t’1 = tW = 102.1oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có : An nhiệt hoá hơi của nước : r’N1 = 40512.96 (KJ/kmol) . An nhiệt hoá hơi của rượu : r’R1 =24195.24 (KJ/kmol) . Suy ra : r’1 = r’N1.yW + (1-yW).r’R1 = 37167.83 (KJ/kmol) * Tính r1: r1 = rN1.y1 + (1-y1).ra1 = 24195.24 + 16317.72y1 =39517.579(KJ/kmol) * W = 59.819 (Kmol/h) Giải hệ (III.2) , ta được : x’1 =0.788_ MtbG’ =26.9 G’1 =804.91 (Kmol/h) g’1 = 745.09 (Kmol/h) = 20042.921(Kg/h) 520 Vậy : g’tb = 521 522 523 524 61 20042 .921 + 14085 .799 =17064.36 (Kg/h) 2 b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền : ρ ' xtb ω ' gh = 0,05. ρ ' ytb Với : r'xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3) . 17 64 525 526 527 528 529 530 531 532 533 534 535 536 537 r'ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) . • Xác định r’ytb : ρ ' ytb = [ y'tb .18 + (1 − y'tb ).60].273 22,4.( t 'tb +273) Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y1 + yW 0.939 + 0.795 = =0.867 2 2 100.52 + 102.1 t +t + Nhiệt độ trung bình đoạn chưng :t’tb= F W = =101.31oC 2 2 y’tb = Suy ra : r’ytb =0.768 (Kg/m3). • Xác định r’xtb : Nồng độ phân mol trung bình : x’tb = Suy ra : x'tb = 0.92 + 0.7 x F + xW = =0.81 2 2 18.x'tb =0.5612 18.x 'tb +(1 − x'tb ).60 t’tb = 101.31oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có : Khối lượng riêng của nước : r’N = 958(Kg/m3) Khối lượng riêng của rượu : r’a = 958(Kg/m3) −1 538 539 540 541 542 543 544 545 546 547  x' 1 − x'tb   =958 (Kg/m3) Suy ra :r’xtb =  tb +  ρ ' ρ ' N  R  958 Suy ra : ω ' gh = 0,05. =1.766 (m/s) 0,768 Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : ω ' h = 0,8.ω ' gh = 0.8*1.766= 1.413 (m/s) Vậy :đường kính đoạn cất : 17064 .36 =2.36 (m). 0.768 * 1.413 Dchưng= 0,0188. 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 = 2.2(m). Khi đó tốc độ làm việc thực ở : + Phần cất : ω lv = 0,0188 2.g tb Dt .ρ ytb 2 = 0,0188 2.13245 .01 = 1.533(m/s). 2.2 2.0.631 548 549 550 551 552 553 554 555 65 + Phần chưng :ω’lv = 0,0188 2.g 'tb Dt .ρ ' ytb 2 = 0,0188 2.17064 .36 = 1.623(m/s). 2.2 2.0,768 II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM : 1 . Cấu tạo mâm lỗ : Chọn : + Đường kính lỗ : dl = 8 (mm). + Tổng diện tích lỗ bằng 10% diện tích mâm. + Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 3 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo tam giác đều ). 18 68 556 557 558 559 560 561 562 563 564 565 566 567 568 569 570 571 572 573 574 575 576 577 578 579 580 • 581 582 583 584 585 586 • 587 588 589 590 69 + Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 . + Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm . Số lỗ trên 1 mâm : 10%.S mâm D N= = 0.1. t S lo  dl 2 2   2.2   = 0.1.  =7562.5 lỗ.  0,008   2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm : Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng ) là tổng các độ giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng : htl = hk + hl + hR (mm.chất lỏng) Với : + hk :độ giảm áp qua mâm khô (mm.chất lỏng). + hl : độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm.chất lỏng). +hR : độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm.chất lỏng). Trong tháp mâm xuyên lỗ ,gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆ là không đáng kể nên có thể bỏ qua . a . Độ giảm áp qua mâm khô : Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất do dòng chảy đột thu , đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ.  vo 2   ρ G   uo 2  ρ G    = 51,0. 2 . hk =  2 .  C  ρ (mm.chất lỏng) 2 . g . ρ L   Co    o  L Với : + uo :vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s). + rG : khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m3). + rL : khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3). + Co :hệ số orifice ,phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ. ∑ S lo =0.1và δ mâm =0,6 .Tra tài liệu tham khảo [1 – trang Ta có : S mâm d lo 111] : Co = 0,7 Đối với mâm ở phần cất : ω lv 1.533 = =15.33 (m/s). 10% 0.1 + Khối lượng riêng của pha hơi : rG = ρytb = 0.631 (Kg/m3). + Khối lượng riêng của pha lỏng : rL = ρxtb = 958 (Kg/m3). Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất :  15.33 2  0.631 . hk = 51. =16.11(mm.chất lỏng). 2   0.7  958 + Vận tốc pha hơi qua lỗ : uo = Đối với mâm ở phần chưng : ω 'lv 1.623 = =16.23 (m/s). 10% 0.1 + Khối lượng riêng của pha hơi : r’G = ρ’ytb = 0.768 (Kg/m3). + Khối lượng riêng của pha lỏng : r’L = ρ’xtb = 958 (Kg/m3). Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng : + Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’o = 19 72  16.23 2 h' k = 51. 2  0,7 591 592 593 594 595 596 597 598 599 600  0.768 . = 21.98 (mm.chất lỏng).  958 b . Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm : Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất lỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw , chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm β : hl = β.( hw + how ) , (mm.chất lỏng) Chọn : + Hệ số hiệu chỉnh : β = 0,6 + Chiều cao gờ chảy tràn : hw = 50 (mm) Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng : q  how = 43.4. L   Lw  601 2 3 , (mm.chất lỏng) Với : + qL : lưu lượng của chất lỏng (m3/ph). + Lw :chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m). Xác định Lw : Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm , nên ta có phương trình sau : π .n o − sin n o = 0,2.π o 602 603 604 • 605 606 607 180 o Với : n :góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn Lw . Dùng phương pháp lặp ta được : no = 93o12’22” Suy ra : Lw = Dt . sin(no/2) = 1.6 (m). Xác định qL : 608 609 610 611 • R.D.M tb 2.9.175.47.19.785 = = 0.175 (m3/ph).(T10/285) 60.ρ xtb 60.958 612 • Phần cất : q L = 613 • Với: Mtb=0.9575*18+(1-.9575)*60=19.785 2  0.175  3 = 43.4.  = 9.926 (mm).  1.6  614 Suy ra : how 615 616 Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là: hl = 0.6.(50+9.926) = 35.956 (mm.chất lỏng). (G * R + G F ).M tb 617 • Phần chưng : q ' L = 618 • Với:Mtb=0.81*18+(1-0.81)*60=25.98 D 60.ρ ' xtb = 774.153 * 25.98 =0.336 (m3/ph). 60.958 2 619 620 621 622 623 624 73 0.336  3 Suy ra : h' ow = 43.4.  = 15.333 (mm).  1.6  Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng : h’l = 0.6.(50+15.333) = 39.2 (mm.chất lỏng). c . Độ giảm áp do sức căng bề mặt : Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác định theo biểu thức : σ hR = 625.54. , (mm.chất lỏng) ρ L .d l 20