Bài tập lớn nguyên lý hóa công nghiệp pdf

Bài tập lớn mơn Ngn Lý Hóa Cơng Nghiệp I.Lý thuyết chưng luyện Chưng phương pháp dùng để tách hỗn hợp chất lỏng hỗn hợp khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp ,nghĩa nhiệt độ áp suất cấu tử khác Khi chưng ta thu nhiều sản phẩm thường cấu tử sẻ có nhiêu sản phẩm Đối với trưòng hợp hỗn hợp chưng gồm hai cấu tử sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé cịn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn Trong sản xuất có nhiều phương pháp chưng chưng đơn giản ,chưng nước trực tiếp ,chưng chân không chưng luyện Tùy thuộc vào điều kiện sẵn có , tính chất hỗn hợp , u cầu độ tinh khiết sản phẩm mà ta chọn phương pháp chưng cho thích hợp - Chưng đơn giản dùng để tách hỗn hợp gồm cấu tử có độ bay khác Phương pháp thường dùng để tách sơ làm cấu tử khỏi tạp chất - Chưng nước trực tiềp dùng tách hỗn hợp gồm chất khó bay tạp chất khơng bay ,thường dùng trường hợp chất tách không tan vào nước - Chưng chân không dùng trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sơi cấu tử Ví dụ trường hợp cấu tử hỗn hợp dễ bị phân hủy nhiệt độ cao hay trường hợp cấu tử có nhiệt độ sơi q cao - Chưng luyện phương pháp phổ biến để tách hoàn tồn hỗn hợp cấu tử dễ bay có tính chất hịa tan phần hịa tan hồn toàn vào Chưng luyện áp suất thấp dùng cho hỗn hợp dễ bị phân hủy nhiệt độ cao hỗn hợp có nhiệt độ sơi cao Chưng luyện áp suất cao dùng cho hỗn hợp khơng hóa lỏng áp súât thường Chưng luyện áp suất thường (áp suất khí ) dùng cho hỗn hợp không thuộc trường hợp Người ta tiến hành chưng luyện hỗn hợp cần chưng tháp chưng luyện ,tháp gồm nhiều đĩa ,trên đĩa xảy trình chuyển khối pha lỏng pha Hơi từ lên qua lổ đĩa ,lỏng từ xuống theo ống chảy chuyền, nồng độ cấu tử nhiệt độ sôi đĩa thay đổi theo chiều cao tháp Do phàn cấu tử dễ bay chuyển từ pha lỏng vào pha phần chuyển từ pha vào pha lỏng , lặp lại nhiều lần bốc ngưng tụ , hay nói cách khác ,với số đĩa tương ứng , cuối đỉnh tháp ta thu cấu tử dễ bay dạng nguyên chất tháp ta thu cấu tử khó bay dạng nguyên chất GV: Lê Thị Như Ý SV: Dương Đăng Thức  Page Bài tập lớn mơn Ngn Lý Hóa Cơng Nghiệp Q trình chưng luyện thực thiết bị loại tháp làm việc liên tục gián đoạn Ơ ta thiết kế hệ thống chưng luyện làm việc liên tục với hỗn hợp chưng acetone (CH3-CO-CH3) benzene (C6H6).Khi chưng luyện liên tục , hỗn hợp đầu đưa vào tháp đĩa tiếp liệu (nằm phần thân tháp ) cách liên tục , sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy lấy liên tục II, Một số tính chất acetone-benzene 1, Acetone -Aceton chất lỏng không màu, nhẹ nước ,có tỷ trọng d20 = 0,792 , tan nhiều nước phân tử phân cực, có nhiệt độ sôi ts =56,1 oC, đông đặc nhiệt độ -95,5 oC -Aceton có cơng thức phân tử CH3COCH3 , M A=58 -Phương pháp quan trọng để điều chế Axeton là: oxy hóa rượu iso propanol CH3CH(OH)CH3 CH3COCH3 + H2O -Về mặt hóa học : có cấu tạo tương tự anđêhít , aceton tham gia phản ứng cộng H2 natrihyđro sun fit (NaHSO3) không tham gia tráng gương với AgNO3 Cu(OH)2 ,tuy nhiên bị oxy hóa cắt sát nhóm CO để tạo thành axít phản ứng vói chất oxay hóa mạnh -Ưng dụng : Aceton hòa tan tốt axetat, nitro xenlulo, nhựa fenol focmanđehit, chất béo , dung môi pha sơn , mực ống đồng Nó nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu , từ Aceton điều chế xêten sunphuanat (thuốc ngũ) halophom 2, Benzene -Benzene: hợp chất mạch vịng, dạng lỏng khơng màu có mùi thơm nhẹ.Công thức phận tử C6H6.( MB=78) -Benzen không phân cực,vì tan tốt dung mơi hữu khơng phân cực tan nước Trước người ta thường sử dụng benzen làm dung môi Tuy GV: Lê Thị Như Ý SV: Dương Đăng Thức  Page Bài tập lớn mơn Ngn Lý Hóa Cơng Nghiệp nhiên sau người ta phát nồng độ benzen khơng khí cần thấp khoảng 1ppm có khả gây bệnh bạch cầu, nên ngày benzen sử dụng hạn chế Các tính chất vật lí benzen: o Khối lượng phân tử: 78 o Tỉ trọng(200C): 0,879 o Nhiệt độ sơi: 80oC o Nhiệt độ nóng chảy: 5,50C 3, hỗn hợp lỏng acetone-benzene Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Benzen – aceton 760 mmHg (áp suất khí quyển) x 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 14 24,3 40 51,2 59,4 66,5 73 79,5 86,3 93,2 100 t0 80,4 78,3 76,4 72,8 69,6 66,7 64,3 62,4 60,7 59,6 58,8 56,1 Acetone: cấu tử nhẹ, dễ bay Benzene: cấu tử nặng khó bay III, cân vật chất Nếu gọi : F - Lượng hỗn hợp nguyên liệu vào tháp, kg/h ta có F= 4000 (kg/h) P - Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h W - Lượng sản phẩm đáy, kg/h aF, aP, aW: nồng độ% khối lượng cấu tử dễ bay (acetone) hỗn hợp nguyên liệu, sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy: + aF = 37,5% + aP = 90,5% + aW = 4,5% Phương trình cân vật chất tồn tháp : F = P + W Nếu cấu tửdễbay : F.aF= P.aP+ W.aW GV: Lê Thị Như Ý SV: Dương Đăng Thức  Page Bài tập lớn mơn Ngn Lý Hóa Cơng Nghiệp Ta tính P : P= F*= 4000*(0.375-0.045)/(0.905-0.045)=1534,88 (kg/h) =>> W= F-P= 4000-1534,88=2465.12( kg/h) Chuyển từ nồng độ % sang nồng độ phần mol: (MA=58,MB=78) + nồng độ phần mol acetone hỗn hợp nguyên liệu là: aF 0,375 MA 58 xF = = = 0,4466 aF − aF 0.375 − 0,375 + + 58 78 MA MB + nồng độ phần mol acetone sản phẩm đỉnh là: aP 0,905 MA 58 xP = = = 0,9276 a p − a P 0,905 − 0,905 + + 58 78 MA MB + nồng độ phần mol acetone sản phẩm đáy là: xW = aW MA aW 0,045 MA 78 = = 0,0596 − aW 0,045 − 0,045 + + 58 78 MB Tính tốn khối lượng mol trung bình: + hỗn hợp nguyên liệu: MF = xF MA + (1- xF )MB = 0.4466 58 + (1- 0,4466) 78 =69.07 (kg/kmol) + sản phẩm đỉnh: MP = xP MA + (1- xP )MB = 0,9276 58 + (1- 0,9276) 78 = 59.45 (kg/kmol) + sản phẩm đáy: GV: Lê Thị Như Ý SV: Dương Đăng Thức  Page Bài tập lớn mơn Ngn Lý Hóa Cơng Nghiệp MW = xW MA + (1- xW )MB = 0,0596 58 + (1- 0,0596) 78 = 76.81 (kg/kmol) Ta có bảng cân vật chất toàn tháp: Hỗn hợp Nồng độ % khối lượng Nồng độ phần mol Lưu lượng khối lượng,kg/h Lưu lượng mol, kg/h Nguyên liệu 37,5 44,66 4000 69,07 Sản phẩm đỉnh 90,5 92,76 1534,88 59,45 Sản phẩm đáy 4,5 5,96 2465,12 76,81 IV, Xác định số hồi lưu rf số đĩa lý thuyết tối thiểu Nmin Chỉ số hồi lưu rf số trọng lượng lỏng hồi lưu lượng sản phẩm đỉnh x 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 14 24,3 40 51,2 59,4 66,5 73 79,5 86,3 93,2 100 t0 80,4 78,3 76,4 72,8 69,6 66,7 64,3 62,4 60,7 59,6 58,8 56,1 1- Xác định rf xP − y* F y * F − xF rFmin= Với yF*- nồng độ phần mol cân ứng với xF Mà theo ta tính xF =44,66 (%) € (40,50) dùng cơng thức nội suy: yB − yA xB − xA yF*= yA+ (xF- xA ) , thay số vào ta có: * yF = 59,4 + (44,66-40).(66,5-59,4)/(50-40) = 62,71 (%) từ ta suy số hoàn lưu tối thiểu: rF =1,6648 2- Xác định giá trị rf= b rFmin với b = 1,2 ÷2,5 3- Xác định giá trị GV: Lê Thị Như Ý SV: Dương Đăng Thức  Page Bài tập lớn mơn Ngn Lý Hóa Cơng Nghiệp B= xP rf + 4- Trên đường cân lỏng x-y hệ hai cấu tử →Vẽ đường làm việc của: - Đoạn luyện: cách nối điểm (xP, yP) với điểm (0, B) - Đoạn chưng: cách nối điểm (xW, yW) với giao điểm đường làm việc đoạn luyện với đường x = xF(nếu hỗn hợp nguyên liệu vào điểm sôi) 5- Xác định số bậc thay đổi nồng độ NLT cách vẽ đường thẳng song song với trục hoành trục tung điểm xPcho đến điểm xW NLT thông thường số nguyên 6- Giá trị thích hợp số hồi lưu rf số đĩa lý thuyết tối thiểu Nmin tương ứng Đầu tiên ta có bảng sau: b rf B 1.2 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.998 0.309 2.331 0.278 2.497 0.265 2.664 0.253 2.830 0.242 2.997 0.232 3.330 0.214 2.2 3.663 0.199 2.4 3.996 0.186 Bây ta thực bước lại, kết trang sau GV: Lê Thị Như Ý SV: Dương Đăng Thức  Page Bài tập lớn mơn Ngn Lý Hóa Cơng Nghiệp Với R=……… Ta có đồ thị với đương làm việc đoạn chưng đoạn luyện hình vẽ Từ ta xác định số bậc thay đổi nồng độ NLT =……… Vậy NLT (rF +1) =……… Với R=……… Ta có đồ thị với đương làm việc đoạn chưng đoạn luyện hình vẽ Từ ta xác định số bậc thay đổi nồng độ NLT =……… Vậy NLT (rF +1) =……… Với R=……… Ta có đồ thị với đương làm việc đoạn chưng đoạn luyện hình vẽ Từ ta xác định số bậc thay đổi nồng độ NLT =……… Vậy NLT (rF +1) =……… Với R=……… Ta có đồ thị với đương làm việc đoạn chưng đoạn luyện hình vẽ Từ ta xác định số bậc thay đổi nồng độ NLT =……… GV: Lê Thị Như Ý SV: Dương Đăng Thức  Page Bài tập lớn mơn Ngn Lý Hóa Cơng Nghiệp Vậy NLT (rF +1) =……… Với R=……… Ta có đồ thị với đương làm việc đoạn chưng đoạn luyện hình vẽ Từ ta xác định số bậc thay đổi nồng độ NLT =……… Vậy NLT (rF +1) =……… Với R=……… Ta có đồ thị với đương làm việc đoạn chưng đoạn luyện hình vẽ Từ ta xác định số bậc thay đổi nồng độ NLT =……… Vậy NLT (rF +1) =……… Với R=……… Ta có đồ thị với đương làm việc đoạn chưng đoạn luyện hình vẽ Từ ta xác định số bậc thay đổi nồng độ NLT =……… Vậy NLT (rF +1) =……… Với R=……… Ta có đồ thị với đương làm việc đoạn chưng đoạn luyện hình vẽ Từ ta xác định số bậc thay đổi nồng độ NLT =……… Vậy NLT (rF +1) =……… GV: Lê Thị Như Ý SV: Dương Đăng Thức  Page Bài tập lớn mơn Ngn Lý Hóa Cơng Nghiệp Với R=……… Ta có đồ thị với đương làm việc đoạn chưng đoạn luyện hình vẽ Từ ta xác định số bậc thay đổi nồng độ NLT =……… Vậy NLT (rF +1) =……… Vậy ta có bảng tổng hợp: b 1.2 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 rF 1.998 0.309 2.331 0.278 2.497 0.265 2.664 0.253 2.830 0.242 2.997 0.232 B 3.330 0.214 2.2 3.663 0.199 2.4 3.996 0.186 NLT NLT (rF +1) V, Xác định số đĩa thực tế có nhiều phương pháp xác định số mâm thực tháp, ngoại trừ ảnh hưởng thiết kế khí tháp ta xác định số mâm thực dựa vào hiệu suất trung bình: NTT = NLT/ntb Trong đó: Nt – số đĩa thực tế, Nlt - số đĩa lý thuyết, ntb – hiệu suất trung bình thiết bị n1 + n2 + n3 + + nn n ntb = Trong ni - hiệu suất bậc thay đổi nồng độ, n - số vị trí tính hiệu suất Trong trường hợp ta tính n p + n F + nW ntb = n D n F nW Với - hiệu suất đĩa cùng, hiệu suất đĩa nhập liệu hiệu suất đĩa Hiệu suất đĩa hàm độ bay tương đối α độ nhớt µ chất lỏng: n=f(α, µ) Trong : α- độ bay tương đối hỗn hợp µ- độ nhớt hỗn hợp lỏng, N.s/m2 GV: Lê Thị Như Ý SV: Dương Đăng Thức  Page Bài tập lớn mơn Ngn Lý Hóa Cơng Nghiệp Độ bay tương đối củacác hỗn hợp thực xác định theo công thức: y 1− y 1− x x α= y, x : nồng độ phần mol cấu tử dễ bay pha pha lỏng Sau tính tích (α, µ) ⇒Tra đồ thị“Correlation de O’Connel”⇒xác định ηP, ηF, ηW ⇒xác định ηtb ⇒NTT -xác định np: GV: Lê Thị Như Ý SV: Dương Đăng Thức  Page 10 Bài tập lớn mơn Ngn Lý Hóa Cơng Nghiệp + ta xác định phần mềm ProII 9.0 công cụ Shortcut ta xác định µ=0,243 ( cp)= 2,43 *10-4 N.s/m2 + ta có xP=0.9276 sử dụng cơng thức nội suy giá trị yP= 0,932+ ( 0,9276-0,9)(1-0,932)/(1-0,9)=0,9508 (hay 95,08 %) >> α= 0,9508 − 0,9276 − 0,9508 0,9276 =1,5083 µ α=3,665*10-4 Tích >> Tra đồ thị“Correlation de O’Connel”⇒ nP=……… -xác định nF: + công cụ Shortcut ta xác định đĩa nạp liệu số có: µ=0,292 ( cp)= 2,92 *10-4 (N.s/m2) + tương tự xF=0,4466, nội suy ta có yF=0,6271 (62,71%) >> Tích α= 0,6271 − 0,6271 − 0,4466 0,4466 µ α=6,085*10-4 =2,0838 >> Tra đồ thị“Correlation de O’Connel”⇒ nF=……… -xác định nW: + cơng cụ Shortcut ta xác định: µ=0,315 ( cp)= 3,15 *10-4 (N.s/m2) + tương tự xW=0,0596, nội suy ta có yW=0,1598 (15,98%) 0,1598 − 0,1598 − 0,0596 0,0596 >> α= =3 -4 Tích µ α=9,45*10 >> Tra đồ thị“Correlation de O’Connel”⇒ n p + n F + nW nW=……… Vậy ntb = = Từ ta có đĩa số đĩa thực tế là: NTT = NLT/ntb=…… GV: Lê Thị Như Ý SV: Dương Đăng Thức  Page 11 Bài tập lớn môn Ngyên Lý Hóa Cơng Nghiệp VI,Kết luận -Việc thiết kế hệ thống chưng luyện với đầu vào liên tục gồm nhiều cơng đoạn khác nhau: cân vật chất, tính tốn tháp chưng cất để xác định đường kính đoạn cất, đoạn chưng, trở lực, tính cân nhiệt lượng thiết bị, tính tốn khí, tính tốn thiết bị phụ Nhưng với nội dung kiến thức học xác định được, thực công đoạn thứ cân vật chất Và tập xác định đày đủ yêu cầu: lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, số hồi lưu tối thiểu, số đĩa lý thuyết số đĩa thực tế Bài tập lớn mang lại cho em nhiều kinh nghiệm để tính tốn thiết kể hồn chỉnh trình sản xuất Và giúp kiểm chứng lý thuyết học, sau kiểm chứng với phần mềm PROII… GV: Lê Thị Như Ý SV: Dương Đăng Thức  Page 12 ... N.s/m2 GV: Lê Thị Như Ý SV: Dương Đăng Thức  Page Bài tập lớn mơn Ngn Lý Hóa Cơng Nghiệp Độ bay tương đối củacác hỗn hợp thực xác định theo công thức: y 1− y 1− x x α= y, x : nồng độ phần mol... -xác định np: GV: Lê Thị Như Ý SV: Dương Đăng Thức  Page 10 Bài tập lớn mơn Ngn Lý Hóa Cơng Nghiệp + ta xác định phần mềm ProII 9.0 công cụ Shortcut ta xác định µ=0,243 ( cp)= 2,43 *10-4 N.s/m2... Nếu cấu tửdễbay : F.aF= P.aP+ W.aW GV: Lê Thị Như Ý SV: Dương Đăng Thức  Page Bài tập lớn mơn Ngn Lý Hóa Cơng Nghiệp Ta tính P : P= F*= 4000*(0.375-0.045)/(0.905-0.045)=1534,88 (kg/h) =>> W=