Là một kỹ sư hóa chất trong tương lai, chúng em đã được trang bị rất nhiều những kiến thức cơ bản về các quá trình thiết bị của công nghệ sản xuất những sản phẩm hóa học, để củng cố những kiến thức đã học, cũng như để phát huy trình độ độc lập sáng tạo giải quyết một vấn đề cụ thể của sinh viên trong thực tế sản xuất, chinh vì vậy khi được nhận bản đồ án quá trình thiết bị này là một cơ hội tốt để cho chúng em được tìm hiểu về các quá trình công nghệ, được vận dụng những kiến thức đã được học và mở rộng vốn kiến thức của mình, từ đó cho chúng em cái nhìn cụ thể hơn về ngành nghề mình đã lựa chọn.
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Tổng quan về sản phẩm Acetone và Benzen
Acetone có công thức phân tử CH3COCH3, với nhóm -CO liên kết trực tiếp với hai nguyên tử carbon, mang lại những tính chất đặc trưng của nhóm chức này Hợp chất này có khối lượng phân tử là 58,079 đvc.
Là một chất lỏng không màu, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm dịu và có mùi thơm.
Nó hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như: eter, metanol, etanol, diacetone alcohol…
Bảng 1 Một số thông sô vật lý và nhiệt động của Acetone
Nhiệt dung riêng Cp : 22Kcal/mol (chuẩn ở 102°C) Độ nhớt à : 0,316 cp (ở 250°C)
Axeton, giống như andehit, tham gia vào phản ứng cộng hidro (H2) và natrihidro-sunphit (NaHSO3) Tuy nhiên, axeton không bị oxy hóa bởi dung dịch AgNO3 (không tạo lớp tráng gương) và Cu(OH)2, nhưng nó có khả năng bị oxy hóa và cắt đứt nhóm chức.
“-CO” để chuyển thành hai axit khi tác dụng với chất OXH mạnh Ứng dụng:
Acetone là một dung môi quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa và cao su Nó có khả năng hòa tan tốt các chất như tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol formaldehyde, chất béo, cũng như dung môi pha sơn và mực in ống đồng.
Benzene (C6H6) là một hợp chất vòng thơm, thể hiện dưới dạng chất lỏng không màu với mùi thơm đặc trưng Nó nhẹ hơn nước và hòa tan tốt trong nhiều dung môi hữu cơ, đồng thời là dung môi hiệu quả cho các chất như iốt, lưu huỳnh (S) và chất béo Benzene có nhiệt độ sôi 80 °C ở áp suất 1 atm và đông đặc ở nhiệt độ 5,5 °C Tỷ khối của nó là 0,879 và khối lượng riêng là 0,8786 g/cm³.
Benzen là một hợp chất vòng bền vững có tính chất hóa học đặc biệt, dễ dàng tham gia vào các phản ứng thế nhưng khó tham gia vào các phản ứng cộng và oxi hóa Đặc điểm này được gọi là tính thơm của benzen.
Clobenzen là một dung môi quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất, được sử dụng để điều chế nitro benzen và anilin, cũng như trong tổng hợp phẩm nhuộm và dược phẩm Nó cũng đóng vai trò là dung môi trong quá trình sản xuất DDT và hexacloaran, hai loại thuốc trừ sâu phổ biến Ngoài ra, clobenzen còn được sử dụng trong việc sản xuất Stiren, một monome cần thiết cho việc tổng hợp chất dẻo và nhiều sản phẩm hóa học quan trọng khác.
Benzen được cung cấp cho ngành công nghiệp chủ yếu từ nhựa chưng cất, than đá, hexan và toluen trong dầu mỏ Quá trình nung than béo ở nhiệt độ cao tạo ra nhựa than đá, trong đó chứa nhiều hợp chất hữu cơ Khi thực hiện chưng cất phân đoạn nhựa than đá, Benzen sẽ được thu nhận.
Cả Acetone và Benzene đều đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp hóa học.
Tổng quan về quá trình chưng cất, thiết bị chưng cất, dây chuyền công nghệ
Đối với hỗn hợp Benzene và Acetone, hai cấu tử này có khả năng hòa tan hoàn toàn vào nhau ở mọi tỷ lệ, nhưng lại có nhiệt độ sôi khác nhau Do đó, phương pháp tối ưu để tách biệt hỗn hợp này là chưng cất.
1.2.1 Tổng quan về quá trình chưng cất:
Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp đồng thể bằng nhiệt, giúp phân tách các chất lỏng và khí khác nhau thành các cấu tử riêng biệt Phương pháp này dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi, mang lại hóa chất tinh khiết hơn.
Khi thực hiện quá trình chưng cất, chúng ta sẽ thu được nhiều thành phẩm, và số lượng sản phẩm này thường phụ thuộc vào cấu tử Càng nhiều cấu tử thì số lượng sản phẩm thu được cũng sẽ tương ứng tăng lên.
Chưng cất là quá trình tách các cấu tử dựa trên sự khác biệt về nhiệt độ sôi hoặc nhiệt độ bay hơi Phương pháp này thực hiện bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ.
1.2.1.2 Các phương pháp chưng trong sản xuất:
Đối với chưng cất ta có hai phương pháp thực hiện:
- Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ):
Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp như sau:
Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.
Khi 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 liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.
1.2.1.3 Giới thiệu về phương pháp chưng luyện:
Chưng luyện là phương pháp phân tách hỗn hợp khí đã hóa lỏng dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi của các thành phần trong cùng một áp suất.
Phương pháp chưng luyện là quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần, giúp thu được hỗn hợp với nồng độ cấu tử dễ bay hơi đạt yêu cầu Phương pháp này mang lại hiệu suất phân tách cao, do đó được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, nhiều thiết bị phân tách đã được phát triển, bao gồm tháp chóp, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền và tháp đệm.
Tháp đệm là một cấu trúc hình trụ bao gồm nhiều đoạn được nối với nhau bằng bích hoặc hàn, bên trong chứa đầy đệm Thiết bị này được ứng dụng phổ biến trong công nghệ hóa học cho các quá trình như hấp thụ, chưng luyện và làm lạnh Tháp đệm có khả năng hoạt động ở áp suất thường, áp suất chân không và có thể làm việc liên tục hoặc gián đoạn.
Tháp đĩa chóp (có ống dẫn chuyền) là một thiết bị công nghiệp bao gồm nhiều tầng đĩa, mỗi đĩa được lắp đặt nhiều chóp có hình dạng tròn hoặc dạng khác với rãnh xung quanh Thiết kế này cho phép hơi đi lên qua ống hơi ở giữa chóp, trong khi lỏng được dẫn xuống qua ống chảy truyền trên mỗi đĩa Tháp hoạt động theo phương thức tiếp xúc từng bậc, tối ưu hóa quá trình trao đổi chất giữa hơi và lỏng.
Hình 4 Thiết bị tháp đĩa chóp
Bảng 2 Ưu điểm và Nhược điểm của 2 tháp
Phân loại Tháp đĩa chóp Tháp đệm Ưu điểm - Năng suất cao.
- Trở lực thấp có bề mặt tiếp xúc pha lớn.
Đệm có nhiều loại với kích thước khác nhau; kích thước nhỏ hơn sẽ tăng bề mặt tiếp xúc, từ đó làm tăng trở lực, khiến việc sử dụng trở nên khó khăn hơn nhưng hiệu quả triệt để hơn.
- Chi tiết cấu tạo phức tạp.
- Tiêu tốn nhiều vật liệu liệu kim loại.
- Không làm việc với chất lỏng bẩn và trở lực lớn.
Việc làm ướt đều đệm trong tháp là một thách thức, đặc biệt khi tháp quá cao, dẫn đến phân phối chất lỏng không đồng đều Để khắc phục tình trạng này, có thể chia đệm thành nhiều tầng và lắp đặt thêm đĩa phân phối chất lỏng cho mỗi tầng Tuy nhiên, giải pháp này thường cho năng suất thấp do phần lớn thể tích đệm chiếm ưu thế, đồng thời gây ra độ ổn định kém và tiêu tốn nhiều năng lượng.
- Vệ sinh khó khăn nên không sử dụng được với chất lỏng bẩn.
Vậy: Chưng luyện hỗn hợp Acetone – Benzen ta dùng tháp đĩa chóp để thực hiện quá trình chưng cất.
Giới thiệu dây chuyền công nghệ
Hình 5 Sơ đồ dây chuyền công nghê chưng luyện liên tụcHình 3 Tháp đệm
1 Tháp chưng luyện gồm có 2 phần: phần trên gồm từ trên đĩa tiếp liệu trở lên đỉnh gọi là đoạn luyện, phần dưới gồm từ đĩa tiếp liệu trở xuống gọi là đoạn chưng
6 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh
2 Thiết bị đun nóng để đun nóng hỗn hợp đầu, Sử dụng thiết bị loại ống chum, dùng hơi nước bão hòa để đun nóng vì nó có hệ số cấp nhiệt lớn, ẩn nhiệt ngưng tụ cao, Hơi nước bão hòa đi ngoài ống, lỏng đi trong ống
7 Thùng chứa sản phẩm đỉnh
3 Thùng cao 8 Thùng chứa sản phẩm đáy
4 Bộ phận đun bốc hơi đáy tháp, có thể đạt trong hay ngoài tháp, Ở đây ta cũng sử dụng hơi nước bão hòa để đun với hơi đi trong ống lỏng đi ngoài ống
9 Thùng chứa hỗn hợp đầu
5 Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn, nước lạnh đi trong ống
Hỗn hợp Acetone và Benzene hoàn toàn hòa tan vào nhau theo mọi tỷ lệ Do Acetone có nhiệt độ sôi thấp hơn Benzene, nên độ bay hơi của Acetone lớn hơn, dẫn đến sản phẩm đáy chủ yếu là Benzene với một lượng rất nhỏ Acetone Ngược lại, sản phẩm đỉnh chủ yếu là Acetone và chỉ chứa một phần rất ít Benzene.
Trước tiên, hỗn hợp Acetone và Benzene từ thùng chứa (9) được bơm vào thùng cao vị (3) và sau đó dẫn xuống thiết bị đun nóng (2) Thùng cao vị giúp duy trì ổn định lượng hỗn hợp đầu vào tháp, đảm bảo không xảy ra dao động Trong trường hợp công suất bơm quá lớn, hỗn hợp đầu sẽ được tuần hoàn và tràn về bể chứa hỗn hợp đầu.
Dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa và sau đó đi vào tháp chưng luyện tại vị trí đĩa tiếp liệu Tại đây, Acetone chuyển từ pha lỏng sang pha hơi và tiến lên đỉnh tháp, trong khi Benzene, với nhiệt độ sôi cao hơn, vẫn ở thể lỏng và phân phối xuống dưới Acetone đi từ dưới lên gặp lỏng Benzene đi từ trên xuống, và do nhiệt độ giảm dần, hơi Acetone mang theo một phần Benzene sẽ ngưng tụ lại Cuối cùng, ở đỉnh tháp, ta thu được hỗn hợp chủ yếu là Acetone dễ bay hơi Hơi Acetone sau đó được ngưng tụ trong thiết bị làm lạnh, với một phần chất lỏng đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh và phần còn lại hồi lưu về tháp để tăng mức độ tách.
Quá trình dịch chuyển của Benzene trong tháp chưng cất dẫn đến sự tương tác với Acetone, khiến nhiệt độ của tháp tăng dần khi chất lỏng Benzene di chuyển xuống dưới Khi gặp hơi Acetone có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi sẽ bốc hơi, làm tăng nồng độ của Benzene khó bay hơi trong chất lỏng Cuối cùng, ở đáy tháp, ta thu được hỗn hợp lỏng chủ yếu là Benzene khó bay hơi Chất lỏng này sau khi ra khỏi tháp sẽ được làm lạnh và chuyển vào thùng chứa sản phẩm Để tiết kiệm năng lượng, hơi ở đỉnh tháp có thể được sử dụng để đun nóng hỗn hợp ban đầu.
TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG
- F : lưu lượng mol hỗn hợp đầu, [kmol/h]
- P : lưu lượng mol sản phẩm đỉnh, [kmol/k]
- W : lưu lượng mol sản phẩm đáy, [kmol/h]
- GF : lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu, [kg/h]
- GP : lưu lượng khối lượng sản phẩm đỉnh, [kg/h]
- GW : lưu lượng khối lượng sản phẩm đáy, [kg/h]
- aF nồng độ khối lượng hỗn hợp đầu, [% khối lượng]
- aP : nồng độ khối lượng của sản phẩm đỉnh (là nồng độ khối lượng của cấu tử nhẹ ở trong hỗn hợp sản phẩm đỉnh), [% khối lượng]
- aW : nồng độ khối lượng của sản phẩm đáy (là nồng độ khối lượng của cấu tử nhẹ ở trong hỗn hợp sản phẩm đáy), [% khối lượng]
- aK: Nồng độ phần khối lượng của hỗn hợp đầu,sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy [% khối lượng]
- xF : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, [% mol]
- xP : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh, [% mol]
- xW : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy, [% mol]
- MF : khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu, [g/mol]
- MP : khối lượng mol trung bình của sản phẩm đỉnh, [g/mol]
- MW : khối lượng mol trung bình của sản phẩm đáy, [g/mol]
Để thuận tiện trong quá trình tính toán, các ký hiệu sau:
- Acetone (CH3COCH3): là cấu tử nhẹ, kí hiệu là A; MA = 58 (g/mol),
- Benzene (C6H6 ) : là cấu tử nặng, kí hiệu là B: MB = 78 (g/mol)
Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp,
G F =G P +G W (1) Đối với cấu tử dễ bay hơi
Lượng sản phẩm đỉnh là:
2.2.1.1 Đổi số liệu: Đầu bài cho : G F 7[ ngày tấn ] = 37.1000 24 41,67 [ kg h ]
Vậy ta có lượng sản phẩm đỉnh là:
0,98−0,01a9,84[kg h ] Lượng sản phẩm đáy là:
Đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol của a F , a P , a W :
(với aF = 0,4; aP = 0,98; aW = 0,01) Áp dụng công thức: x K a K
Thay số liệu vào ta có: x F a F
+ Thành phần mol trong sản phẩm đỉnh: x P a P
+ Thành phần mol trong sản phẩm đáy: x W a W
Tính khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy:
Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đầu:
M F =M A x F +M B (1−x F )X.0,472+ 78.( 1−0,472)h,56[ kg kmol] Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đỉnh:
M P =M A x P +M B (1 −x P )X.0,985+ 78.(1−0,985)X,3[ kg kmol] Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đáy:
2.2.1.2 Tính cân bằng vật liệu:
- Lưu lượng mol của hỗn hợp đầu là:
- Phương trình cân bằng vật liệu:
- Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi:
Bảng 4 Cân bằng vật liệu của tháp chưng cất
Cấu tử nhẹ A Cấu tử nặng B Tổng
2.2.1.3 Thành phần pha của hỗn hợp hai cấu tử Acetone – Benzene:
Bảng 5 Thành phần cân bằng lỏng (x) - hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử ở 760 mmHg (% mol) t,°
Từ đó ta thu được kết quả sau:
Bảng 6 Kết quả nội suy
Sản phẩm a(% khối lượng) x (% mol) y (% mol) t 0 s ( 0 C)
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng được ký hiệu là x, trong khi nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi được ký hiệu là y Nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử này được xác định ở áp suất 760 mmHg.
2.2.1.4 Đồ thị cân bằng pha:
Dựa vào số liệu cân bằng pha của hỗn hợp Acetone – Benzene, cần tiến hành chưng cất ở áp suất thường, như đã nêu trong Sổ tay Từ những dữ liệu này, có thể thiết lập đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa các đại lượng x-y và t-x,y.
Hỗn hợp Acetone và Benzen đường cân bằng x-y h ơ i - y
Với giá trị xF là 0,472, chúng ta kẻ đường song song với trục y và cắt đường cân bằng Tiếp theo, kẻ đường song song với trục x cắt trục y tại điểm B, từ đó xác định được giá trị yF là 0,660 Dựa trên các giá trị này, chúng ta có thể tính được R xmin.
2.2.2 Xác định số đĩa lý thuyết:
2.2.2.1 Phương trình đường nồng độ làm việc:
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng : yl = R R x x +1x+ R x p x +1
Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng có dạng : yc= R 1+ x + R L x x+1+ 1−L R x , Với L= G G F
2.2.2.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp :
Chỉ số hồi lưu tối thiểu được xác định: R=b.Rmin
Trong đó: b: hệ số dư hay hệ số hiệu chỉnh.
Tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu làm việc bằng: R=(1,2 ÷ 2,4).Rmin
Ta biết Rmin, cho b biến thiên bất kì trong khoảng (1,2÷2,4), tính được R tương ứng.
Hỗn hợp Acetone-Benzene đường cân bằng t-x-y
Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết dựa trên đường cân bằng, với các điểm x P, x F, x W Đường làm việc của đoạn luyện đi qua điểm (x P, y P) và cắt trục tung tại điểm có tung độ B = R x P x + 1 Đường làm việc của đoạn chưng cất cắt giao điểm của đường làm việc đoạn luyện với đường x F = const và điểm (x W, y W) Qua việc vẽ các tam giác trong hình, ta có thể xác định số đĩa lý thuyết, với b = 1,2.
R x =b R x min =1,2.1,725=2,070549 ; N4,75 Hình 8: Đồ thị y-x xác định đĩa lý thuyết
Từ đồ thị trên excel, ta thu được các giá trị sau:
Bảng 7: Chỉ số hồi lưu thích hợp b 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4
Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp dựa vào điều kiện thể tích tháp nhỏ nhất tức là tương ứng với Nlt.(Rx+1) nhỏ nhất.
+ Nlt quyết định đến chiều cao tháp.
+ Rx+1 quyết định đến đường kính tháp.
Điểm cực tiểu của đường cong sẽ xác định giá trị thể tích thiết bị nhỏ nhất, đồng thời chỉ ra chỉ số hồi lưu phù hợp Rx tại điểm đó Đồ thị thể hiện mối quan hệ này một cách rõ ràng.
Nlt.(Rx+1) f(Rx) để xác định Rx thích hợp:
Hình 9 Chỉ số hồi lưu thích hợp
⇒ Chỉ số hồi lưu thích hợp là: R x = 3,105.
Phương trình đường làm việc đoạn luyện: y= 0,75x + 0,24
Phương trình đường làm việc đoạn chưng: y = 1,36x – 0,36
2.2.2.3 Xác định số đĩa thực tế:
- Với η tb là hiệu suất trung bình của thiết bị: η tb =η 1 +η 2 +⋯+η n n
(với η 1 , η 2 +⋯+η n là hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ; n là số vị trí tính hiệu suất) η=0,503.(1000.α à) −0,226
Trong đó: α là độ bay hơi tương đối của hỗn hợp à là độ nhớt của hỗn hợp lỏng, N s 2
- Xác đinh độ bay hơi tương đối α α= y
Với x,y lần lượt là nồng độ phần mol của benzen trong pha lỏng và pha hơi
- Xác đinh độ nhớt của hỗn hợp μ=e x∗μ A + ( 1−x ) ∗μ B
Dùng bảng I.101-Trang 92-Sổ tay QT&TB hóa chất tập 1 và phương pháp nội suy, ta có:
Bảng 8 Độ nhớt của Axetone và Benzen
P W F μ Axetone μ Benzen μ Axetone μ Benzen μ Axetone μ Axetone
Pa.s Pa.s Pa.s Pa.s Pa.s Pa.s
{ μ 1 =0,0002376 Pa s=0,0002376(N m s 2 ) μ 2 =0,0003264Pa s=0,0003264(N m s 2 ) μ 3 =0,0282026Pa s=0,0282026(N m s 2 ) Đoạn luyện: η 1 =0.503.(1000.1,4821.0,0002376) −0.226 =0,63679 Đoạn chưng: η 2 =0.503.(1000.2,9659 0,0003264) −0.226 =0,50667
=> Số đĩa thực tế là:
2.2.3 TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP Đường kính tháp được xác định theo công thức:
Trong tháp, lượng hơi khí trung bình (Vtb) được đo bằng mét khối trên giờ (m³/h), trong khi tốc độ hơi (ωtb) được tính bằng mét trên giây (m/s) Lượng hơi (gtb) trung bình đi qua tháp được xác định bằng kilogam trên giờ (kg/h) Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất hoạt động của tháp.
: tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/m 2 s)
Lượng hơi và lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp, dẫn đến sự khác biệt về lượng hơi trung bình trong từng đoạn Vì vậy, đường kính của đoạn chưng và đoạn luyện có thể không giống nhau.
2.2.3.1 Lưu lượng hơi trung bình các dòng pha đi trong tháp
Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi đoạn cho nên phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn
Hình 10 Để xác định lượng hơi trung bình đi trong tháp chưng luyện a.Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:
Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi thoát ra từ đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào từ đĩa dưới cùng của đoạn luyện, theo công thức sau:
- gtbL: lượng hơi (khí) trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h hay kmol/h)
- g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h hay kmol/h)
- gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h) hay kmol/h) g đ = G R + G P =G P (R x + 1)
GR: lượng lỏng hồi lưu (kg/h)
Lượng hơi gl, hàm lượng hơi yl và lượng lỏng Gl cho đĩa dưới cùng của đoạn luyện được xác định thông qua hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng Cụ thể, gl được tính bằng tổng Gl và GP, trong khi yl được xác định từ mối quan hệ giữa Gl, xl và Gp, xp Để tính g1.r1, chúng ta sử dụng công thức g1.r1 = gđ.rđ, với r1 được tính dựa trên tỷ lệ giữa các thành phần rA, rB và y1 Cuối cùng, rđ được xác định từ tỷ lệ rA, rB và yđ.
Với xl = xF = 0,4 (phần khối lượng), r1 là ẩn nhiệt hóa hơi tại đĩa dưới cùng của đoạn luyện (J/kg), trong khi rđ là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp tại đỉnh tháp (J/kg) Ngoài ra, rA và rB lần lượt đại diện cho ẩn nhiệt hóa hơi của Acetone và Benzen.
Xác định ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp: Áp dụng công thức nội suy: rA=r1+(ts -ts1 ) t r 2 −r 1 s 2−t s1
Nội suy theo bảng I.212 trang 254 đối với Acetone và Benzen (Sổ tay QT&TBCNHC- T1) ở nhiệt độ tF, tP , tW ta đươc:
Bảng 9 Ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử A,B nguyên chất theo nhiệt độ
Gía trị (kcal/mol) tF= 63,284C tPV,453C tW y,2134C r 515382,101 522133,316 497041,468 r 405806,846 410626,219 394135,534
Để tính toán giá trị rl, ta sử dụng các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đầu vào Tương tự, giá trị rđ được xác định từ các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đỉnh Nồng độ hơi yđ tương ứng với nồng độ pha lỏng xP = 0,985 được tính theo phương trình đường nồng độ làm việc trong quá trình luyện.
Ta được hệ phương trình:
G 1 +619,84 Giải hệ phương trên ta được:
{ y 1 =0,516245005(ph ầ n kh ố i lượ ng)=0,589347519(ph ầ n mol) r 1 B4540,9074( j kg) g 1 119,32888(kg h )
Vậy: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là: g = g đ + g 1
2 = 2544,4432+ 2 3119,32888 = 2831,886 (kg/h) Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là:
2 = 2405262,148 (kg/h) b Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được xác định gần đúng bằng công thức sau:
Trong quá trình chưng cất, lượng hơi đi vào đoạn chưng được ký hiệu là g1', được tính bằng kg/h hoặc kmol/h Lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng được ký hiệu là g’n, với g’n = gl, cũng được đo bằng kg/h hoặc kmol/h Lượng hơi vào đoạn chưng, ký hiệu là gl, cũng được xác định bằng kg/h hoặc kmol/h.
Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện do đó: g’n = g1 = 3119,32888(kg h )
Lượng hơi đi vào đoạn chưng g 1 ' , lượng lỏng G1, và hàm lượng lỏng x 1 ' được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:
- y’l = yw = 0,037 (phần mol) = 0,0163 (phần khối lượng) ; tìm theo đường cân bằng ứng với xw
- r’1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng, được xác định theo công thức r’1=rA.y’1 + (1- y’1).rB
- rA , rB : ẩn nhiệt hoá hơi của Acetone và Benzene ở nhiệt độ tW = 79,2134 o C tra bảng I-212/254.I ta đã nội suy ở bảng 9 nên ta có: rA = 497041,468 (J/kg) rB = 394135,534 (J/kg)
Xác định ẩm nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng: r = r.y + (1 -y).r = 497041,468 0,0163 +(1-0,0163).394135,534
= 395821,846 (J/kg) Tính tương tự như trên ta được hệ phượng trình:
Giải hệ phương trình trên ta được: ¿>{ g ' 1 345,65342(kg h )
Vậy: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là: g = g 1 + g ' 1
Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là:
2.2.3.2 Khối lượng riêng trung bình a Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng đoạn luyện
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được tính theo công thức sau:
- ρ xtb : khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng trong đoạn luyện
- ρ x1, ρ x2: khối lượng riêng trung bình của Acetone và Benzene trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ TB (kg/m 3 ), ttb = 59,8685 0 C
Dùng phương pháp nội suy theo bảng IX.2a trang 145 đối với Acetone và Benzen (Sổ tay QT&TBCNHC-T2) ở nhiệt độ ttb = 59,8685 0 C ta đươc: ρ x1 = 746,177525 (kg/m 3 ) ρ x2 = 836,138075 (kg/m 3 )
- atb1 : phần khối lượng trung bình của cấu tử A trong pha lỏng atbl = a F + a P
2 = 0,4+0,98 2 = 0,69 (phần khối lượng ) ¿>ρ xtb w1,923544 (kg/m 3 ) b Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đoạn luyện
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi được tính theo công thức sau: ρ ytb =[ y tb1 M A +(1− y tb 1 )M B ] 273
- MA = 58 (kg/kmol) , MB = 78 (kg/kmol)
- ytb1: nồng dộ phần mol của Acetone trong pha hơi ở đoạn luyện. ytb1= y 1 + y P
- T: nhiêt độ làm việc trung bình của đoạn luyện
22,4.332,8685 =2,28126354 (kg/m 3 ) c Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng đoạn chưng
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được tính theo công thức sau:
- ρ ' xtb : khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng trong đoạn chưng
- ρ x1, ρ x2: khối lượng riêng trung bình của Acetone và Benzene trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ TB (kg/m 3 ), ttb = 71,2487 0 C
Dùng phương pháp nội suy theo bảng IX.2a trang 145 đối với Acetone và Benzen (Sổ tay QT&TBCNHC-T2) ở nhiệt độ ttb = 71,2487 0 C ta đươc: ρ x1 = 730,814255 (kg/m 3 ) ρ x2 = 824,188865 (kg/m 3 )
- a’tb1 : phần khối lượng trung bình của cấu tử A trong pha lỏng a’tb1 = a F + a W
2 = 0,4 +0,01 2 = 0,205 (phần khối lượng ) ¿>ρ ' xtb 3,15236 (kg/m 3 ) d Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đoạn chưng
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi được tính theo công thức sau: ρ ' ytb =[ y' tb1 M A +( 1− y ' tb 1 ) M B ] 273
- MA = 58 (kg/kmol) , MB = 78 (kg/kmol)
- ytb1: nồng dộ phần mol của Acetone trong pha hơi ở đoạn chưng. y’tb1= y ' 1 + y P
- T: nhiêt độ làm việc trung bình của đoạn chưng
2.2.3.3 Hệ số sức căng bề mặt φ [ σ ] a Hệ số sức căng bề mặt φ [ σ ] tại đoạn luyện
Sức căng bề mặt của hỗn hợp σ = ( σ 1
(với σ A, σ B = f(T) = ttbl = 59.8685˚C ) Dùng phương pháp nội suy tuyến tính, ta thu được: σ A = 0,01861578 (N/m); σ B = 0,02371578 (N/m).
Suy ra: Hệ số tính đến sức căng bề mặt: φ [ σ ] = 0,8 b Hệ số sức căng bề mặt φ [ σ ] tại đoạn chưng
Sức căng bề mặt của hỗn hợp: σ ' = ( σ ' 1
(với σ ' A,σ ' B = f(t) = ttbc= 71,2487˚C )Dùng phương pháp nội suy tuyến tính, ta thu được:
Suy ra: Hệ số tính đến sức căng bề mặt: φ [ σ ] = 0,8.
Chọn h= 0,3(m) ⇒ DL = 0,9151 (m) Đường kính đoạn chưng:
Vì đường kính D L = 0,9151 (m) và D C = 0,9424 (m) nên ta quy chuẩn đường kính của tháp chưng luyện liên tục là:
2.2.4 CHIỀU CAO CỦA THÁP CHƯNG LUYỆN
Trong đó: + Ntt là số đĩa thực tế.
+ h là khoảng cách giữa các đĩa [m] (với h = 0,3 m)
+ δ là chiều dày của đĩa [m] (với δ = 0,005 m)
+ ∆ H: chiều cao của đỉnh và đáy thiết bị Ở đây tháp làm việc ở áp suất thường Nên ∆ H = (0,8 ÷ 1)
2.2.5 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THAP CHƯNG LUYỆN
Mục đích: - Xác định lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ và làm lạnh
- Xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu và đun bốc hơi ở đáy tháp
Hình 11 Sơ đồ tính cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện
2.2.5.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: Q D1=D 1 λ 1 =D 1 (r 1 +θ 1 C 1 )
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào: Q f =F C f t f
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra: Q F =F C F t F
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: Q ng1=G ng1 C 1 θ 1 =D 1 C 1 θ 1
Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh: Q xq1=0.05 D 1 r 1 ¿>¿Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi là:
• D 1: Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp đầu, kg/h
• C F : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu sau đun nóng, J/kg độ
• C f : Nhiệt dung riêng của 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 của hổn hợp đầu Cf ở 25 o C :
C F , C f được tính theo công thức:
Cf 25 = CA 25 aF + CB 25 (1-aF)
C A : Nhiệt dung riêng của Acetone, J/kg.độ
C B : Nhiệt dung riêng của Benzene, J/kg.độ
CA 25, CB 25 tra trong bảng I.153/171 ST1 và bằng nội suy
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra thiết bị đun nóng ở nhiệt độ tF =ts
CF 63,26 = CA 63,26aF + CB 63,26 (1- aF)
Ta chọn hơi nước bão hòa đun sôi ở áp suất p = 2,025 at, t o = 120 o C, ta có r1"07 10 3 (J/kg) (bảng I-121/314.I)
2.2.5.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng luyện
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: Q D2=D 2 λ 2 =D 2 (r 2 +θ 2 C 2 )
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp: Q F =F C F t F
Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp: Q R =G R C R t R
Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp : Q y =P (1+ R x ) λ D
Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra: Q W =W C W t W
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: Q ng2=G ng2 C 2 θ 2 =D 2 C 2 θ 2
Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh: Q xq2=0.05 D 2 r 2
=> Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp là:
• D 2: Lượng hơi cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp, kg / h
• t2, C2 : nhiệt độ và nhiệt dung riêng của nước ngưng, 0 C, J/kgđộ
• GR : Lượng lỏng hồi lưu, kg/h
• tR , CR : Nhiệt độ và nhiệt dung dung riêng của lỏng hồi lưu
• λ d : nhiệt trị của hỗn hợp hơi ở đỉnh tháp, (J/kg)
• rP : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ở đỉnh tháp tại nhiệt dộ 56,45 o C
• C F : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu sau đun nóng, J /kg độ
• C f : Nhiệt dung riêng của 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 của hổn hợp đầu Cf ở 25 o C :
Ta có tR = tP = 56,45 o C , aP = aR = 0,98 (Phần khối lượng) , Gp = 619,84(kg/h), R = 3,105
CA, CB : tra bảng I.153/171.I ở nhiệt độ 56,45 o C và bằng nội suy ta có:
Ta có r P =r A a P +r B (1−a P ) rA, rB : Nhiệt hoá hơi của Acetone, Benzen ở 56,45 o C Tra bảng: I.213/254.I và bằng phương pháp nội suy ta có : rA = 522135,828 J/kg rB = 410628,2603 J/kg
Ta có tW = 79,216 o C , aW = 0,01 (Phần khối lượng), GW = 921,83 (kg/h)
CA, CB : tra bảng I.153/171.I ở nhiệt độ 79,216 o C và bằng nội suy ta có:
Ta chọn hơi nước bão hòa đun sôi ở áp suất p = 2,025 at, t o = 120 o C, ta có r1= r2 = 2207 10 3 (J/kg) (bảng I-121/314.I)
Vậy lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp là :
2.2.5.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
Sử dụng thiết bị ngưng tụ hoàn toàn :
Phương trình cân bằng nhiệt lượng :
P ( Rx + 1 ).r = Gn1Cn(t2 - t1 ) r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở đỉnh tháp r = 51905,6766(J/kg) (tính ở phần Qy
Cn : Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình (t1 + t2)/2, J/kg.độ t1 , t2 : Nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh, o C
Gn1 : Lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết
Chọn nhiêt độ vào của nước làm lạnh t1 % o C và nhiệt độ ra t2 = 45 o C
Do đó nhiệt độ trung bình : t tb =t 1 +t 2
Cn1 : nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ 35 o C Tra bảng I.153 Tr.172 ST1 và nội suy ta có:
Vậy lượng nước làm lạnh :
2.2.5.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh
P(t 1 ' −t 2 ' )C P =G n2 C n (t 2 −t 1 ) t' 1 ,t ' 2 : Nhiệt độ đầu, cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, 0 C t’1 = tP = 56,45 o C, t’2 = 25 o C t1 = 25 o C , t2 = 45 o C ,Cn = 4170,8875 (J/kg.độ)
C : nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/kg.độ
CP= 2285,8205 (J/kg.độ) (ở phần tính QR)
Lượng nước lạnh tiêu tốn là :
Vậy tổng lượng nước ở 25 0 C , 2,025 at cần dùng để ngưng tụ và làm lạnh là :