Thông tin tài liệu
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HÓA BÁO CÁO ĐỒ ÁN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC TÊN ĐỀ TÀI: Tính tốn thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục để phân riêng hỗn hợp lỏng chứa hai cấu tử tháp đĩa làm việc áp suất khí GVHD SVTH Mã SV Lớp : TS.Nguyễn Thanh Bình : Nguyễn Thị Kim Hiếu : 107200317 : 20KTHH2 Đà Nẵng – 2022 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA HÓA ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MƠN HỌC Q TRÌNH THIẾT BỊ Họ Và Tên Lớp Ngành I : Nguyễn Thị Kim Hiếu : 20KTHH2 : Kỹ Thuật Hóa Học Tên đề tài: Tính tốn thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục để phân riêng hỗn hợp lỏng Acetone – Benzen chứa hai cấu tử tháp đĩa làm việc áp suất khí quyển, II III Số liệu ban đầu: - Hỗn hợp cần tách: CH3COCH3 – C6H6 - Năng suất theo hỗn hợp đầu: F = 37 tấn/ngày = 1541,67 kg/h - Hỗn hợp đầu: 40% - Sản phẩm đỉnh: 98% - Sản phẩm đáy: 1,0% Nội dung phần thuyết minh tính tốn: Lời Mở Đầu Mục Lục Chương I: Giới thiệu tổng quan • Tổng quan sản phẩm • Tổng quan q trình chưng cất, biện luận lựa chọn loại tháp chưng cất • Giới thiệu dây chuyền cơng nghệ • Trình bày nhiệm vụ đồ án Chương II: Tính cơng nghệ thiết bị • Tính cân vật liệu SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:2 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH • Tính cân nhiệt lượng • Tính Kích thước thiết bị: Đường kính chiều cao thiết bị Chương III: Kết luận Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ Phụ lục IV Các vẽ phụ lục: vẽ dây chuyền công nghệ khổ A3 theo quy chuẩn kỹ thuật V Thời gian thực hiện: • Ngày bắt đầu giao đồ án : 27/08/2022 • Ngày nộp đồ án : 03/12,/2022 • Ngày bảo vệ : 10/12/2022 SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:3 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển không ngừng nghỉ khoa học kỹ thuật, máy móc cơng nghệ khơng ngừng nâng cao tạo sản phẩm thỏa mãn nhu cầu khắt khe thị trường Nghành cơng nghiệp hóa chất khơng nằm ngồi xu đó, ngày sản phẩm ngành cơng nghiệp địi hỏi tinh khiết, chất lượng hoàn hảo phù hợp với nhu cầu sản xuất sử dụng người Để tạo loai sản phẩm hóa chất có tính tinh khiết cao, đảm bảo tăng nồng độ chất tan dung dịch, phù hợp yêu cầu người ta có nhiều cách để tạo chúng, cách sử dụng phương pháp chưng luyện, tạo tăng nồng độ sản phẩm mong muốn Chưng phương pháp dùng để tách hỗn hợp chất lỏng (cũng hỗn hợp khí hóa lỏng) thành cấu tử riêng biệt, dựa độ bay khác cấu tử hỗn hợp Chúng ta thực nhiều phương pháp chưng khác chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, chưng đặc biệt (chưng luyện hỗn hợp đẳng phí, chưng phân tử, chưng nước trực tiếp, chưng trích ly) Ngày nay, chưng luyện ứng dụng rộng rãi để tách hỗn hợp: + Dầu mỏ, tài nguyên khai thác dạng lỏng + Không khí hóa lỏng + Q trình tổng hợp hữu thường cho sản phẩm dạng hỗn hợp chất lỏng Khi chưng, hỗn hợp đầu chứa cấu tử ta thu nhiêu cấu tử sản phẩm Để thu sản phẩm đỉnh tinh khiết ta tiến hành chưng nhiều lần hay gọi chưng luyện Là kỹ sư hóa chất tương lai, chúng em trang bị nhiều kiến thức trình thiết bị cơng nghệ sản xuất sản phẩm hóa học, để củng cố kiến thức học, để phát huy trình độ độc lập sáng tạo giải vấn đề cụ thể sinh viên thực tế sản xuất, chinh nhận đồ án trình thiết bị hội tốt chúng em tìm hiểu q trình cơng nghệ, vận dụng kiến thức học mở rộng vốn kiến thức mình, từ cho chúng em nhìn cụ thể ngành nghề lựa chọn SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:4 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH Bản đồ án không làm sáng tỏ thêm lý thuyết, nắm vững phương pháp tính tốn ngun lý vận hành thiết bị, mà hội tốt để sinh viên tập dượt giải vấn đề cụ thể thực tế sản xuất Để hoàn thành đồ án em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy khoa Hóa, đặc biệt thầy giáo TS.Nguyễn Thanh Bình tận tình hướng dẫn, bảo, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em làm đồ án Do thời gian kiến thức thân em hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót em mong nhận góp ý, lời nhận xét sửa chữa thầy cô để đồ án em hoàn chỉnh Một lần em xin chân thành cám ơn NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN Đà Nẵng SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU ngày tháng năm 2023 TRANG:5 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH MỤC LỤC NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MƠN HỌC Q TRÌNH THIẾT BỊ LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 10 1.1 Tổng quan sản phẩm Acetone Benzen: 10 1.1.1 Acetone (CH3COCH3 ) 10 1.1.2 Benzene: .11 1.2 Tổng quan trình chưng cất, thiết bị chưng cất, dây chuyền công nghệ: 12 1.2.1 Tổng quan trình chưng cất: 12 1.2.1.2 Các phương pháp chưng sản xuất: 12 1.2.1.3 Giới thiệu phương pháp chưng luyện: 12 1.2.2 Thiết bị chưng cất: 13 1.3 Giới thiệu dây chuyền công nghệ: .14 CHƯƠNG 2: TÍNH CƠNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH .17 A CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG 17 2.1 Thông số ban đầu: 17 2.2 Tính tốn thiết kế: .18 2.2.1 Cân vật liệu: .18 2.2.1.1 Đổi số liệu: .18 2.2.1.2 Tính cân vật liệu: .19 2.2.1.3 Thành phần pha hỗn hợp hai cấu tử Acetone – Benzene: 20 2.2.1.4 Đồ thị cân pha: 21 2.2.2 Xác định số đĩa lý thuyết: 22 2.2.2.1 Phương trình đường nồng độ làm việc: 22 2.2.2.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp : 22 SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:6 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH 2.2.2.3 Xác định số đĩa thực tế: 24 2.2.3 TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP .26 2.2.3.1 Lưu lượng trung bình dịng pha tháp 26 a.Xác định lượng trung bình đoạn luyện: 27 b Xác định lượng trung bình đoạn chưng: 29 2.2.3.2 Khối lượng riêng trung bình .30 2.2.3.3 Hệ số sức căng bề mặt φ[σ] .32 2.2.3.4 Đường kính tháp đệm .32 2.2.4 CHIỀU CAO CỦA THÁP CHƯNG LUYỆN 33 2.2.5 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THAP CHƯNG LUYỆN 33 2.2.5.1 Cân nhiệt lượng thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 34 2.2.5.2 Cân nhiệt lượng cho toàn tháp chưng luyện 35 2.2.5.3 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ .37 2.2.5.4 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh .38 KẾT LUẬN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO .40 SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:7 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Một số thông sô vật lý nhiệt động Acetone 10 Bảng Ưu điểm Nhược điểm tháp 14 Bảng Chú thích: 15 Bảng Cân vật liệu tháp chưng cất 20 Bảng Thành phần cân lỏng (x) - (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp hai cấu tử 760 mmHg (% mol) 20 Bảng Kết nội suy 21 Bảng 7: Chỉ số hồi lưu thích hợp 23 Bảng Độ nhớt Axetone Benzen 25 Bảng Ẩn nhiệt hóa cấu tử A,B nguyên chất theo nhiệt độ 28 SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:8 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.Cơng thức cấu tạo Acetone 10 Hình 2:Cơng thức Benzen .11 Hình Tháp đệm 13 Hình Thiết bị tháp đĩa chóp .13 Hình Sơ đồ dây chuyền công nghê chưng luyện liên tục 14 Hình Đường cân x-y 21 Hình Đường cân t-x-y .22 Hình 8: Đồ thị y-x xác định đĩa lý thuyết 23 Hình Chỉ số hồi lưu thích hợp 24 Hình 10 Để xác định lượng trung bình tháp chưng luyện 27 Hình 11 Sơ đồ tính cân nhiệt lượng tháp chưng luyện 34 SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:9 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan sản phẩm Acetone Benzen: 1.1.1 Acetone (CH3COCH3 ) Acetone có cơng thức phân tử: CH3COCH3 , có nhóm -CO- liên kết trực tiếp với hai nguyên tử Cacbon, Vì vậy, hợp chất có tính chất đặc trưng nhóm chức này, Khối lượng phân tử 58,079 đvc Là chất lỏng không màu, dễ lưu động dễ cháy, với cách êm dịu có mùi thơm Nó hịa tan vơ hạn nước số hợp chất hữu như: eter, metanol, etanol, diacetone alcohol… Hình 1.Công thức cấu tạo Acetone Bảng Một số thông sô vật lý nhiệt động Acetone Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ sơi Tỷ trọng Nhiệt dung riêng Cp Độ nhớt µ Nhiệt trị : -94,6°C : 56,9°C : 𝑑20 : 22Kcal/mol (chuẩn 102°C) : 0,316 cp (ở 250°C) : 0,5176 cal/g (ở 20°C) Tính chất hóa học: Về mặt hóa học tương tự andehit, axeton tham gia phản ứng cộng hidro (H2) natrihidro-sunphit (NaHSO3) khác chỗ không bị oxy hóa dung dịch AgNO3 (khơng tráng gương) Cu(OH)2, bị oxy cắt sát nhóm “-CO” để chuyển thành hai axit tác dụng với chất OXH mạnh Ứng dụng: SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:10 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH Đoạn chưng: 𝜂2 = 0.503 (1000.2,9659 0,0003264)−0.226 = 0,50667 Nạp liệu: 𝜂3 = 0.503(1000.2,1719.0,0282026)−0.226 = 0,19845 => 𝜂𝑡𝑏 = 𝜂1 + 𝜂2 + 𝜂3 = 0.44731 => Số đĩa thực tế là: 𝑁𝑡𝑡 = 𝑁𝑙𝑡 21,41 = = 47,86366 đĩ𝑎 𝜂𝑡𝑏 0.44731 =>𝑁𝑡𝑡 = 48 đĩa 2.2.3 TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP Đường kính tháp xác định theo cơng thức: Trong đó: Vtb: lượng khí trung bình tháp (m3/h) ωtb: tốc độ (khí) trung bình tháp (m/s) gtb: lượng (khí) trung bình tháp (kg/h) (ρyy )tb : tốc độ (khí) trung bình tháp (kg/m2.s) Vì lượng lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp khác đoạn nên lượng trung bình đoạn khác đường kính đoạn chưng đoạn luyện khác 2.2.3.1 Lưu lượng trung bình dòng pha tháp Vì lượng lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp khác đoạn phải tính lượng trung bình cho đoạn SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:26 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH Hình 10 Để xác định lượng trung bình tháp chưng luyện a.Xác định lượng trung bình đoạn luyện: Lượng trung bình đoạn luyện tính gần trung bình cộng lượng khỏi đĩa tháp lượng vào đĩa đoạn luyện: Được tính theo cơng thức sau : g tbL = g d + g1 Trong đó: - gtbL: lượng (khí) trung bình đoạn luyện (kg/h hay kmol/h) g1: lượng vào đĩa đoạn luyện (kg/h hay kmol/h) gđ: lượng khỏi đĩa tháp (kg/h) hay kmol/h) gđ = GR + GP =GP.(Rx + 1) Trong đó: GP = 619,84 (kg /h) GR: lượng lỏng hồi lưu (kg/h) => gđ = GP.(Rx + 1) =619,84.(3,105+ 1) = 2544,4432 (kg/h) Lượng gl, hàm lượng yl, lượng lỏng Gl đĩa đoạn luyện xác dịnh theo hệ phương trình cân vật liệu cân nhiệt lượng sau: SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:27 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH gl = Gl + GP gl.yl = Gl.xl + Gp.xp g1.r1 = gđ.rđ r1 = rA.y1 + (1- y1) rB rđ = rA.yđ + (1- yđ) rB Với : xl = xF = 0,4 (phần khối lượng ) r1: ẩn nhiệt hóa vào đĩa đoạn luyện (J/kg) rđ: ẩn nhiệt hóa hỗn hợp khỏi đỉnh tháp (J/kg) rA, rB: ẩn nhiệt hóa Acetone, Benzen Xác định ẩn nhiệt hóa hỗn hợp khỏi đỉnh tháp: Áp dụng công thức nội suy: rA=r1+(ts -ts1 ) 𝑟2 −𝑟1 𝑡𝑠2 −𝑡𝑠1 Nội suy theo bảng I.212 trang 254 Acetone Benzen (Sổ tay QT&TBCNHCT1) nhiệt độ tF, tP , tW ta đươc: Bảng Ẩn nhiệt hóa cấu tử A,B nguyên chất theo nhiệt độ Gía trị (kcal/mol) tF= 63,2840C tP=56,4530C tW =79,21340C rA 515382,101 522133,316 497041,468 rB 405806,846 410626,219 394135,534 Với giá trị ẩn nhiệt hóa nhiệt độ đầu vào ta tính rl Với giá trị ẩn nhiệt hóa nhiệt độ đỉnh ta tính rđ Với yđ nồng độ tương ứng với nồng độ pha lỏng xP= 0,985 theo phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện Ta hệ phương trình: 𝑔1 = 𝐺1 + 619,84 𝑔1 𝑦1 = 𝐺1 0,4 + 619,84.0,985 𝑟đ = 522133,316.0,985 + (1 − 0,985) 410626,219 = 520460,7095 𝑔1 𝑟1 = 2544,4432.520460,7095 = 1324282713 1324282713 𝑟1 = { 𝐺1 + 619,84 Giải hệ phương ta được: 𝑦1 = 0,516245005 (𝑝ℎầ𝑛 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔) = 0,589347519 (𝑝ℎầ𝑛 𝑚𝑜𝑙) 𝑗 𝑟1 = 424540,9074 ( ⁄𝑘𝑔) 𝑘𝑔 𝑔1 = 3119,32888 ( ⁄ℎ) 𝑘𝑔 𝐺1 = 2499,48888 ( ⁄ℎ) { Vậy: Lượng trung bình đoạn luyện là: SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:28 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ gtbL = 𝑔đ +𝑔1 GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH 2544,4432+3119,32888 = = 2831,886 (kg/h) Lượng lỏng trung bình đoạn luyện là: GR = 𝐺𝑃 𝑅𝑥 = 619,84 3,105 = 1924,6032 (kg/h) => Gtbl = 𝐺𝑅 + 𝐺1 = 1924,6032+2499,48888 = 2405262,148 (kg/h) b Xác định lượng trung bình đoạn chưng: Lượng trung bình đoạn chưng xác định gần công thức sau: g n, + g1, g = , tb Trong đó: g1' : lượng vào đoạn chưng , kg/h hay kmol/h g’n : lượng khỏi đoạn chưng, gn’=gl, kg/h hay kmol/h gl: lượng vào đoạn chưng, kg/h hay kmol/h Vì lượng khỏi đoạn chưng lượng vào đoạn luyện đó: g’n = g1 = 3119,32888 ( 𝑘𝑔⁄ ℎ) Lượng vào đoạn chưng g1' , lượng lỏng G1, hàm lượng lỏng x1' xác định theo hệ phương trình cân vật liệu cân nhiệt lượng sau: G1' = g1' + GW ' ' ' G1.x1 = g1 yW + GW xW ' ' ' ' g1.r1 = g n rn = g1.r1 Trong đó: - - y’l = yw = 0,037 (phần mol) = 0,0163 (phần khối lượng) ; tìm theo đường cân ứng với xw r’1 : ẩn nhiệt hóa hỗn hợp vào đĩa thứ đoạn chưng, xác định theo công thức r’1=rA.y’1 + (1- y’1).rB - rA , rB : ẩn nhiệt hoá Acetone Benzene nhiệt độ tW = 79,2134 oC tra bảng I-212/254.I ta nội suy bảng nên ta có: rA = 497041,468 (J/kg) rB = 394135,534 (J/kg) SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:29 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH Xác định ẩm nhiệt hóa hỗn hợp vào đĩa thứ đoạn chưng: r1‘ = rA.y1‘ + (1 -y1‘).rB = 497041,468 0,0163 +(1-0,0163).394135,534 = 395821,846 (J/kg) Tính tương tự ta hệ phượng trình: 𝐺 ′ = 𝑔′1 + 921,83 𝐺 ′ 𝑥 ′ = 𝑔′ 0,0163 +921,83.0,01 { 𝑔′ 395821,846 = 3119,32888.424540,9074 Giải hệ phương trình ta được: 𝑘𝑔⁄ ℎ) 𝑘𝑔 𝐺 ′1 = 4267,48342 ( ⁄ℎ) = 0,01500727 (𝑝ℎầ𝑛 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔) 𝑔′1 = 3345,65342 ( => {𝑥 ′ Lượng trung bình đoạn chưng là: Vậy: g‘tbC = 𝑔1 +𝑔′1 = 3119,32888+3345,65342 = 3232,49115 (kg/h) Lượng lỏng trung bình đoạn chưng là: GR = 𝐺𝑃 𝑅𝑥 = 619,84 3,105 = 1924,6032 (kg/h) => G’tbc = 𝐺𝑅 + 𝐺′1 = 1924,6032+4267,48342 = 4106606,121 (kg/h) 2.2.3.2 Khối lượng riêng trung bình a Khối lượng riêng trung bình pha lỏng đoạn luyện Khối lượng riêng trung bình pha lỏng tính theo công thức sau: 𝑎𝑡𝑏1 − 𝑎𝑡𝑏1 = + 𝜌𝑥𝑡𝑏 𝜌𝑥1 𝜌𝑥2 Trong đó: xtb : khối lượng riêng trung bình hỗn hợp lỏng đoạn luyện 𝜌𝑥1 ,𝜌𝑥2 : khối lượng riêng trung bình Acetone Benzene pha lỏng lấy theo nhiệt độ TB (kg/m3), ttb = 59,8685 0C Dùng phương pháp nội suy theo bảng IX.2a trang 145 Acetone Benzen (Sổ tay QT&TBCNHC-T2) nhiệt độ ttb = 59,8685 0C ta đươc: 𝜌𝑥1 = 746,177525 (kg/m3) 𝜌𝑥2 = 836,138075 (kg/m3) - atb1 : phần khối lượng trung bình cấu tử A pha lỏng - 𝑎𝐹 + 𝑎𝑃 atbl = = 0,4+0,98 = 0,69 (phần khối lượng ) => 𝜌𝑥𝑡𝑏 = 771,923544 (kg/m3) b Khối lượng riêng trung bình pha đoạn luyện SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:30 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH Khối lượng riêng trung bình pha tính theo cơng thức sau: ytb1 M A + (1 − ytb1 )M B 273 (kg / m ) ytb = 22,4T Trong đó: - MA = 58 (kg/kmol) , MB = 78 (kg/kmol) ytb1: nồng dộ phần mol Acetone pha đoạn luyện ytb1= - 𝑦1 + 𝑦𝑃 = 0,98+0,589347519 = 0,78467376 (phần mol) T: nhiêt độ làm việc trung bình đoạn luyện 𝑡𝑝 +𝑡𝐹 336,284+329,453 𝑇= + 273 = + 273 = 332,8685 0K 2 Do : 𝜌𝑦𝑡𝑏 = [0,78467376 58+(1−0,78467376).78].273 22,4.332,8685 = 2,28126354 (kg/m3) c Khối lượng riêng trung bình pha lỏng đoạn chưng Khối lượng riêng trung bình pha lỏng tính theo cơng thức sau: 𝑎′𝑡𝑏1 − 𝑎′𝑡𝑏1 = + 𝜌′𝑥𝑡𝑏 𝜌𝑥1 𝜌𝑥2 Trong đó: 𝜌′𝑥𝑡𝑏 : khối lượng riêng trung bình hỗn hợp lỏng đoạn chưng 𝜌𝑥1 ,𝜌𝑥2 : khối lượng riêng trung bình Acetone Benzene pha lỏng lấy theo nhiệt độ TB (kg/m3), ttb = 71,2487 0C Dùng phương pháp nội suy theo bảng IX.2a trang 145 Acetone Benzen (Sổ tay QT&TBCNHC-T2) nhiệt độ ttb = 71,2487 0C ta đươc: 𝜌𝑥1 = 730,814255 (kg/m3) 𝜌𝑥2 = 824,188865 (kg/m3) - a’tb1 : phần khối lượng trung bình cấu tử A pha lỏng - 𝑎𝐹 + 𝑎𝑊 a’tb1 = = 0,4+0,01 = 0,205 (phần khối lượng ) => 𝜌′ 𝑥𝑡𝑏 = 803,15236 (kg/m3) d Khối lượng riêng trung bình pha đoạn chưng Khối lượng riêng trung bình pha tính theo công thức sau: ' ytb = y'tb1 M A + (1 − y'tb1 )M B 273 (kg/m3) 22,4.T ' Trong đó: - MA = 58 (kg/kmol) , MB = 78 (kg/kmol) ytb1: nồng dộ phần mol Acetone pha đoạn chưng y’tb1= 𝑦′1 + 𝑦𝑃 = 0,037+0,589347519 SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU = 0,31347176 (phần mol TRANG:31 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ - GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH T: nhiêt độ làm việc trung bình đoạn chưng 𝑡 +𝑡 336,284+352,2134 𝑇′ = 𝐹 𝑊 + 273 = + 273 = 344,2487 0K 2 Do : 𝜌′𝑦𝑡𝑏 = [ 0,31347176 58+(1−0,31347176 ).78].273 22,4.344,2487 = 2,53949037 (kg/m3) 2.2.3.3 Hệ số sức căng bề mặt 𝛗[𝛔] a Hệ số sức căng bề mặt φ[σ] đoạn luyện Sức căng bề mặt hỗn hợp σ=( σA + -1 ) σB [N/m] (với σA, σB = f(T) = ttbl = 59.8685˚C ) Dùng phương pháp nội suy tuyến tính, ta thu được: σA = 0,01861578 (N/m); σB = 0,02371578 (N/m) ⇒σ=( Suy ra: 0,01861578 + 0,02371578 )-1 = 0,010429 (N/m) = 10,42 (đyn/cm) Hệ số tính đến sức căng bề mặt: φ[σ] = 0,8 b Hệ số sức căng bề mặt φ[σ] đoạn chưng Sức căng bề mặt hỗn hợp: σ′ = ( σ′A + σ′B )-1 [N/m] (với σ′A, σ′B = f(t) = ttbc= 71,2487˚C ) Dùng phương pháp nội suy tuyến tính, ta thu được: σ′A = 0,017250156 (N/m); σ′B = 0,022350156 (N/m) ⇒ 𝛔′ = ( Suy ra: 𝟏 0,017250156 + 𝟏 0,022350156 )-1 = 0,009735 (N/m) = 9,73 (đyn/cm) Hệ số tính đến sức căng bề mặt: φ[σ] = 0,8 2.2.3.4 Đường kính tháp đệm D (m) h (m) - 0.6 0.25 SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU 0.6 - 1.2 0.3 - 0.35 1.2 - 1.8 0.35 - 0.45 > 1.8 0.45 - 0.6 TRANG:32 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH Đường kính đoạn luyện: 2831,886 DL= 0,0188.√ (ρ.ω)tb (m) (ρ ω)tb = 0,065.0,8 √h 771,923544.2,28126354 [kg/m2.s] Chọn h= 0,3(m) ⇒ DL = 0,9151 (m) Đường kính đoạn chưng: 3232,49115 DC= 0,0188.√ (ρ.ω)′tb (m) (ρ ω)′tb = 0,065.0,8.√h 1195,379.0,76 [kg/m2.s] Chọn h= 0,3 (m) ⇒ DC = 0,9424 (m) Vì đường kính DL = 0,9151 (m) DC = 0,9424 (m) nên ta quy chuẩn đường kính tháp chưng luyện liên tục là: D = (m) h = 0,3 (m) 2.2.4 CHIỀU CAO CỦA THÁP CHƯNG LUYỆN H = Ntt.(h + 𝛅) + ∆H Trong đó: + Ntt số đĩa thực tế + h khoảng cách đĩa [m] (với h = 0,3 m) + δ chiều dày đĩa [m] (với δ = 0,005 m) + ∆𝐻: chiều cao đỉnh đáy thiết bị Ở tháp làm việc áp suất thường Nên ∆H = (0,8 ÷ 1) Chiều cao tháp: H = 48.(0,3+ 0,005) +1 = 15,64 m 2.2.5 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THAP CHƯNG LUYỆN Mục đích: - Xác định lượng nước lạnh cần thiết cho trình ngưng tụ làm lạnh - Xác định lượng đốt cần thiết đun nóng hỗn hợp đầu đun bốc đáy tháp SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:33 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH Hình 11 Sơ đồ tính cân nhiệt lượng tháp chưng luyện 2.2.5.1 Cân nhiệt lượng thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 𝑄𝐷1 + 𝑄𝑓 = 𝑄𝐹 + 𝑄𝑛𝑔1 + 𝑄𝑥𝑞1 (J/h) Trong đó: Nhiệt lượng đốt mang vào: 𝑄𝐷1 = 𝐷1 𝜆1 = 𝐷1 (𝑟1 + 𝜃1 𝐶1 ) Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào: 𝑄𝑓 = 𝐹 𝐶𝑓 𝑡𝑓 Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang ra: 𝑄𝐹 = 𝐹 𝐶𝐹 𝑡𝐹 Nhiệt lượng nước ngưng mang ra: 𝑄𝑛𝑔1 = 𝐺𝑛𝑔1 𝐶1 𝜃1 = 𝐷1 𝐶1 𝜃1 Nhiệt lượng môi trường xung quanh:𝑄𝑥𝑞1 = 0.05 𝐷1 𝑟1 =>Lượng đốt cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi là: 𝐷1 = 𝑄𝐹 + 𝑄𝑛𝑔1 + 𝑄𝑥𝑞1 − 𝑄𝑓 𝑄𝐹 − 𝑄𝑓 𝐹(𝐶𝐹 𝑡𝐹 − 𝐶𝑓 𝑡𝑓 ) = ℎ𝑎𝑦 𝜆1 0,95𝑟1 0,95𝑟1 • 𝐷1 : Lượng đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp đầu, 𝑘𝑔/ℎ • 𝐶𝐹 : Nhiệt dung riêng hỗn hợp đầu sau đun nóng, 𝐽/𝑘𝑔 độ • 𝐶𝑓 : Nhiệt dung riêng hỗn hợp đầu trước đun nóng, 𝐽/𝑘𝑔 độ • F = GF = 1541,67 (kg/h) , aF = 0,4 (Phần khối lượng) SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:34 ĐỒ ÁN Q TRÌNH THIẾT BỊ • GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH Tính nhiệt dung riêng hổn hợp đầu Cf 25o C : Tính 𝑸𝑭 , 𝑸𝒇 𝐶𝐹 , 𝐶𝑓 tính theo cơng thức: Cf25 = CA 25 aF + CB25 (1-aF) Trong đó: 𝐶𝐴 : Nhiệt dung riêng Acetone, J/kg.độ 𝐶𝐵 : Nhiệt dung riêng Benzene, J/kg.độ CA25, CB25 tra bảng I.153/171 ST1 nội suy CA25 = 2195 (J/kgđộ) CB25 = 1753,75 (J/kg.độ) => Cf25 = 2198.0,4 + 1753,75.(1- 0,4) = 1930,25 (J/kg.độ) => Qf25 = F.Cf tf = 1541,67 1930,25.25 = 74395212,94 (J/h) Nhiệt dung riêng hỗn hợp đầu thiết bị đun nóng nhiệt độ tF =ts 63,26 oC CF63,26 = CA 63,26aF + CB63,26 (1- aF) CA63,26 = 2315,595 (J/kg.độ) CB63,26 = 1947,115 (J/kg.độ) => CF 63,26 = 2315,595.0,4 + 1947,115.(1- 0,4) = 2094,507 (J/kg.độ) => QF25 = GF.CF.tF = 1541,67 2094,50725 = 204268982,3 (J/h) Ta chọn nước bão hịa đun sơi áp suất p = 2,025 at, to = 120oC, ta có r1=2207 103 (J/kg) (bảng I-121/314.I) Vậy: 𝐷1 = 𝑄𝐹 −𝑄𝑓 0,95𝑟1 = 204268982,3−74395212,94 0,95.2207.103 𝑘𝑔 = 61,94 ( ) ℎ 2.2.5.2 Cân nhiệt lượng cho toàn tháp chưng luyện QD2 + Q F + Q R = Qy + QW + Qng2 + Q xq2 Nhiệt lượng đốt mang vào: SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU 𝑄𝐷2 = 𝐷2 𝜆2 = 𝐷2 (𝑟2 + 𝜃2 𝐶2 ) TRANG:35 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào tháp: 𝑄𝐹 = 𝐹 𝐶𝐹 𝑡𝐹 Nhiệt lượng lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp: 𝑄𝑅 = 𝐺𝑅 𝐶𝑅 𝑡𝑅 Nhiệt lượng mang đỉnh tháp : 𝑄𝑦 = 𝑃 (1 + 𝑅𝑥 ) 𝜆𝐷 Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra: 𝑄𝑊 = 𝑊 𝐶𝑊 𝑡𝑊 Nhiệt lượng nước ngưng mang ra: 𝑄𝑛𝑔2 = 𝐺𝑛𝑔2 𝐶2 𝜃2 = 𝐷2 𝐶2 𝜃2 Nhiệt lượng môi trường xung quanh:𝑄𝑥𝑞2 = 0.05 𝐷2 𝑟2 => Lượng đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp là: 𝐷2 = 𝑄𝑦 + 𝑄𝑤 + 𝑄𝑛𝑔2 + 𝑄𝑥𝑞2 − 𝑄𝐹 − 𝑄𝑅 𝑄𝑦 + 𝑄𝑤 − 𝑄𝐹 − 𝑄𝑅 = 𝜆2 0,95 𝑟2 • 𝐷2 : Lượng cần thiết để đun sơi dung dịch đáy tháp, 𝑘𝑔/ℎ • t2, C2 : nhiệt độ nhiệt dung riêng nước ngưng, 0C, J/kgđộ • GR : Lượng lỏng hồi lưu, kg/h • tR , CR : Nhiệt độ nhiệt dung dung riêng lỏng hồi lưu • d : nhiệt trị hỗn hợp đỉnh tháp, (J/kg) • rP : ẩn nhiệt hóa hỗn hợp đỉnh tháp nhiệt dộ 56,45oC • 𝐶𝐹 : Nhiệt dung riêng hỗn hợp đầu sau đun nóng, 𝐽/𝑘𝑔 độ • 𝐶𝑓 : Nhiệt dung riêng hỗn hợp đầu trước đun nóng, 𝐽/𝑘𝑔 độ • F = GF = 1541,67 (kg/h) , aF = 0,4 (Phần khối lượng) • Tính nhiệt dung riêng hổn hợp đầu Cf 25o C : Tính 𝑸𝒚 , 𝑸𝑾 ,QF,QR Ta có tR = tP = 56,45 oC , aP = aR = 0,98 (Phần khối lượng) , Gp = 619,84 (kg/h), RX = 3,105 GR = Gp.RX = 619,84.3,105 = 1924,6032 (kg/h) C56,45R = C56,45A aP + C56,45B (1- aP) CA, CB : tra bảng I.153/171.I nhiệt độ 56,45oC nội suy ta có: C56,45A = 2293,4625 (J/kgđộ) C56,45B = 1911,3625 (J/kgđộ) SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:36 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ => GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH C56,45R = 2293,4625 0,98 +1911,3625.(1- 0,98) = 2285,8205 (J/kg.độ) Do QR = 1924,6032.2285,8205.56,45 = 248340341 (J/h) Ta có 𝑟𝑃 = 𝑟𝐴 𝑎𝑃 + 𝑟𝐵 (1 − 𝑎𝑃 ) rA, rB : Nhiệt hoá Acetone, Benzen 56,45 oC Tra bảng: I.213/254.I phương pháp nội suy ta có : rA = 522135,828 J/kg rB = 410628,2603 J/kg rP = 522135,828.0,98 + 410628,2603(1- 0,98) = 519905,6766 J/kg Suy d = rP + CRaP = 519905,6766 + 2285,8205.0,98 = 522145,7807 (J/kg) Vậy Qy = P(Rx + 1) d = 619,84.(1 + 3,105) 522145,7807 = 1328570281 (J/h) tW = 79,216 oC , aW = 0,01 (Phần khối lượng), GW = 921,83 (kg/h) Ta có CA, CB : tra bảng I.153/171.I nhiệt độ 79,216 oC nội suy ta có: C79,216A = 2367,452 (J/kgđộ) C79,216B = 2030.884 (J/kgđộ) CW = C79,216AaW -+(1- aW) C79,216B CW = 2367,452.0,01+2030.884 (1 - 0,01) = 2034,24968 (J/kg.độ) Vậy QW = 921,83.2034,24968.79,216 = 148548408,4 (J/h) Ta chọn nước bão hòa đun sôi áp suất p = 2,025 at, to = 120oC, ta có r1= r2 = 2207 103 (J/kg) (bảng I-121/314.I) Vậy lượng đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp : 𝐷2 = 𝑄𝑦 +𝑄𝑤 −𝑄𝐹 −𝑄𝑅 0,95.𝑟2 = 1328570281+148548408,4−204268982,3−248340341 0,95.2207.103 = 488,6411019 (kg/h) 2.2.5.3 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ Sử dụng thiết bị ngưng tụ hồn tồn : Phương trình cân nhiệt lượng : P ( Rx + ).r = Gn1Cn(t2 - t1 ) SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:37 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH r : ẩn nhiệt ngưng tụ đỉnh tháp r = 51905,6766 (J/kg) (tính phần Qy Cn : Nhiệt dung riêng nước nhiệt độ trung bình (t1 + t2)/2, J/kg.độ t1 , t2 : Nhiệt độ vào, nước làm lạnh, oC Gn1 : Lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết Gn1 = P( Rx + 1)r , kg / h C n (t − t1 ) Chọn nhiêt độ vào nước làm lạnh t1 =25oC nhiệt độ t2 = 45oC Do nhiệt độ trung bình : t tb = t1 + t 25 + 45 = = 35 0C 2 Cn1 : nhiệt dung riêng nước nhiệt độ 35oC Tra bảng I.153 Tr.172 ST1 nội suy ta có: Cn1 = 4176,25 (J/kg.độ) Vậy lượng nước làm lạnh : 𝐺𝑛1 = 𝑃(𝑅𝑥 + 1)𝑟 619,84 (3.105 + 1) 51905,6766 𝑘𝑔 = = 15838,01812 ( ) 𝐶𝑛 (𝑡2 − 𝑡1 ) 4176,25 (45 − 25) ℎ 2.2.5.4 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh P(t1 − t 2 )C P = Gn C n (t − t1 ) t '1 , t ' : Nhiệt độ đầu, cuối sản phẩm đỉnh ngưng tụ, 0C t’1 = tP = 56,45oC, t’2 = 25 oC t1 = 25oC , t2 = 45oC ,Cn = 4170,8875 (J/kg.độ) CP : nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh ngưng tụ, J/kg.độ CP= 2285,8205 (J/kg.độ) (ở phần tính QR) Lượng nước lạnh tiêu tốn : 𝐺𝑛2 = 𝑃(𝑡′1 −𝑡′2 )𝐶𝑝 𝐶𝑛 (𝑡2 −𝑡1 ) = 619,84.(56,45−25).2285,8205 4176,25.(45−25) 𝑘𝑔 = 534,1754205 ( ) ℎ Vậy tổng lượng nước 25 0C , 2,025 at cần dùng để ngưng tụ làm lạnh : Gn = Gn1 + Gn2 = 15838,01812 + 534,1754205 = 16372,19354 (kg/h) SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:38 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH KẾT LUẬN Qua thời gian làm Đồ án Quá trình thiết bị cơng nghệ Hóa Học, giúp em đạt kết sau: - Đã tìm hiểu, nắm bắt kỹ thuật phân tách hỗn hợp hai cấu tử Acetone Benzene, đặc biệt phương pháp chưng luyện liên tục tháp đĩa chóp - Đã tính tốn thơng số cơng nghệ: - Tính tốn cân nhiệt lượng tìm hiểu mục đích cân nhiệt lượng Trong phạm vi khuôn khổ đồ án môn học, thời gian không cho phép động thời hạn chế kiến thức lý thuyết thực tế sản suất lần tiếp xúc với đồ án nên cố gắng tìm tài liệu tra cứu số liệu, cố gắng hồn thành đồ án khơng tránh khỏi bỡ ngỡ, sai sót Em mong giúp đỡ bảo thầy cô giáo môn Qua đồ án em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô giáo mơn, đặc biệt Thầy TS.Nguyễn Thanh Bình quan tâm, giúp đỡ, bảo tận tình giúp em hoàn thành đồ án, giúp em hiểu rõ mơn học, phương pháp thực tính tốn thiết kế, cách tra cứu số liệu, xử lý số liệu… Em xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực Nguyễn Thị Kim Hiếu SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:39 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: TS.NGUYỄN THANH BÌNH TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Trần Xoa – TS Nguyễn Trọng Khuông – KS Hồ Lê Viên tập thể, Sổ tay q trình thiết bị Cơng nghệ Hóa chất tập 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật, 2006, 636 trang [2] TS Trần Xoa – TS Nguyễn Trọng Khuông – TS Phạm Xuân Toản tập thể, Sổ tay trình thiết bị Cơng nghệ Hóa chất tập 2, Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật, 2004, 448 trang [3] Phạm Xuân Toản, Các q trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm – tập 3: Các trình thiết bị truyền nhiệt, Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội, 262 trang [4] Nguyễn Bin, Các q trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm – tập 4: Phân riêng tác dụng nhiệt, Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật, Hà nội, 395 trang SVTH: NGUYỄN THỊ KIM HIẾU TRANG:40
Ngày đăng: 04/05/2023, 16:57
Xem thêm:
