Đề tài tính toán và thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợp benzene – toluen bằng tháp đệm

TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT VÀ HỖN HỢP CHƯNG

Lý thuyết về chưng cất

Chưng cất là phương pháp tách các cấu tử lỏng hoặc khí trong hỗn hợp dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi Quá trình này diễn ra khi áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau tại cùng một nhiệt độ Trong chưng cất, pha mới hình thành thông qua sự bốc hơi hoặc ngưng tụ, tạo điều kiện cho sự tiếp xúc giữa các pha Cả dung môi và chất tan đều bay hơi, dẫn đến sự hiện diện của các cấu tử trong cả hai pha với tỷ lệ khác nhau.

Sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất gồm

- Sản phẩm đỉnh: Cấu tử nhẹ (dễ bay hơi) và một ít cấu tử nặng bị cuốn theo.

- Sản phẩm đáy: Cấu tử nặng (khó bay hơi).

Độ tinh khiết của sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất sẽ khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu của quá trình Đặc biệt, trong hệ Benzen-Toluene, sự điều chỉnh các yếu tố chưng cất là rất quan trọng để đạt được sản phẩm có độ tinh khiết mong muốn.

- Sản phẩm đỉnh: Chủ yếu là Benzen và một ít Toluen.

- Sản phẩm đáy: Chủ yếu là Toluen. Ứng dụng của chưng cất

- Trong lĩnh vực lọc hóa dầu.

- Sản xuất Oxy và Nitơ.

- Tổng hợp hữu cơ như sản xuất metanol, etylen, propylen, butadiene.

Trong sản xuất ta gặp các phương pháp chưng cất sau:

Chưng đơn giản là phương pháp tách hỗn hợp có các cấu tử với độ bay hơi khác nhau, thường được sử dụng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất.

Chưng bằng hơi nước trực tiếp là phương pháp hiệu quả để tách các hỗn hợp chứa chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi Phương pháp này thường được áp dụng khi chất cần tách không tan trong nước.

GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân SVTH: Nhóm 4

PGS TS Nguyễn Hữu Trì Lớp: 20H5

- Chưng chân không: dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử.

Phương pháp này thích hợp cho các cấu tử dễ phân hủy khi gặp nhiệt độ cao hoặc những cấu tử có nhiệt độ sôi rất cao.

Chưng luyện là phương pháp phổ biến để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi, có khả năng hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau.

 Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và các hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao

 Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường.

- Chưng gián đoạn: Phương pháp này thường được sử dụng cho hỗn hợp chưng trong trường hợp:

 Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.

 Không yêu cầu sản phẩm có độ tinh khiết cao.

 Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.

 Tách sơ bộ nhiều cấu tử.

- Chưng liên tục: Là quá trình được thực hiện liên tục nghịch dòng và nhiều đoạn. 1.4 Hệ thống chưng cất

Trong sản xuất, có nhiều loại tháp khác nhau, nhưng tất cả đều cần một diện tích tiếp xúc bề mặt pha lớn Yêu cầu này phụ thuộc vào khả năng phân tán của lưu chất vào trong tháp.

Tháp chưng cất có kích cỡ và ứng dụng đa dạng, với các tháp lớn chủ yếu được sử dụng trong công nghệ lọc hoá dầu Đường kính của tháp phụ thuộc vào lượng pha lỏng, pha khí và độ tinh khiết của sản phẩm Trong thực tế, có hai loại tháp chưng cất chính: tháp đĩa và tháp đệm.

Tháp hình trụ thẳng đứng được thiết kế với các đĩa (mâm) bên trong, cho phép pha lỏng và pha hơi tiếp xúc trực tiếp Mỗi mâm có gờ chảy tràn giúp duy trì mực chất lỏng, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

Cấu tạo của đĩa trong các tháp có thể được phân loại thành nhiều loại, bao gồm tháp đĩa chóp, tháp đĩa van, tháp đĩa lưới (lỗ) không có ống chảy truyền, và tháp đĩa lưới (lỗ) có ống chảy truyền.

Hỡnh 1: Một số loại đĩa thường gặp (Theo Grửnmark)

- Thân tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn

- Đệm được xếp vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hoặc xếp theo thứ tự

- Tùy vào yêu cầu kỹ thuật mà tháp đệm sử dụng vật liệu làm đệm khác nhau.

Yêu cầu chung cho đệm

- Diện tích bề mặt riêng lớn (a: m 2 /m 3 )

- Thể tích tự do lớn (Vtd: m 3 /m 3 )

Một số loại đệm thường gặp

1.5 Sơ đồ tổng quát dây chuyền công nghệ

1 Thùng chứa nguyên liệu 6 Thiết bị làm lạnh

3 Thùng cao vị 8 Thiết bị đun sôi đáy tháp

4 Thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu 9 Thùng chứa sản phẩm đỉnh

5 Tháp chưng 10 Thùng chứa sản phẩm đáy

Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm lên thùng cao vị

Mức chất lỏng trong thùng cao vị được kiểm soát bởi quá trình chảy tràn, cho phép hỗn hợp tự chảy xuống thiết bị đun nóng Tại thiết bị này, khi đạt nhiệt độ sôi, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng luyện loại tháp đệm Trong tháp, hơi từ dưới lên tiếp xúc với lỏng chảy từ trên xuống, diễn ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần Khi di chuyển lên cao, hơi có cấu tử nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ, làm cho pha hơi ngày càng giàu cấu tử dễ bay hơi Cuối cùng, ở đỉnh tháp, ta thu được chủ yếu là Benzen và một lượng nhỏ Toluen, sau đó hỗn hợp này được làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết.

Hình 3 mô tả sơ đồ tổng quát dây chuyền công nghệ nước lạnh Hỗn hợp được đưa vào bình ngưng tụ (7), trong đó một phần chất lỏng sẽ được hồi lưu trở lại đỉnh tháp, trong khi phần còn lại được chuyển vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (9).

Chất lỏng di chuyển từ trên xuống và gặp hơi nóng từ dưới lên, khiến một phần cấu tử có nhiệt độ sôi bốc hơi lên, trong khi phần cấu tử khó bay hơi sẽ ngưng tụ và đi xuống Kết quả là nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng tăng lên, và ở đáy tháp, ta thu được hỗn hợp lỏng chủ yếu chứa cấu tử khó bay hơi (Toluen) và một lượng nhỏ cấu tử dễ bay hơi (Benzen) Hỗn hợp này được lấy ra từ đáy tháp, một phần được sử dụng cho thiết bị đun sôi đáy tháp bằng hơi nước bão hòa, phần còn lại được chuyển đến thùng chứa sản phẩm đáy.

Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đàu vào sản phẩm được láy ra liên tục.

Tổng quan hỗn hợp chưng

Benzene là hydrocarbon thơm đơn giản nhất, có công thức hóa học là C6H6.

- Benzene không tan trong nước nhưng hòa tan trong dung môi hữu cơ, trong dầu khoáng và dầu thực vật, động vật.

- Là chất lỏng không màu, nhẹ hơn nước, dễ bay hơi và độc.

- Benzene có điểm sôi vừa phải và điểm nóng chảy cao (Điểm sôi: 80,1 ° C và Điểm nóng chảy: 5,5 ° C ).

- Độ hòa tan trong nước ở 25 ° C : 0,18g/100g H2O

Hình 4: Công thức cấu tạo của Benzen.

Benzene có cấu trúc đặc trưng nên phản ứng chính của nó là phản ứng thế electrophin, trong khi phản ứng cộng và oxi hóa cần điều kiện khắc nghiệt.

- Benzene tác dụng với oxi

Khi đốt, Benzene trong không khí sản sinh ra CO2 và H2O, nhưng ngọn lửa thường có nhiều khói đen (muội than) do không đủ oxy để thực hiện quá trình cháy hoàn toàn.

- Benzene phản ứng thế với với brom

Benzene không làm mất màu dung dịch brom như etilen và axetilen, mà chỉ tham gia vào phản ứng thế với brom lỏng Phản ứng này cần có xúc tác là bột sắt để diễn ra hiệu quả.

+ Lưu ý: Benzene chỉ phản ứng với Brom nguyên chất không phản ứng với dung dịch nước Brom hay Benzene không làm mất màu dung dịch brom ở điều kiện thường

- Benzene phản ứng cộng với H 2 , Cl 2

+ Trong điều kiện thích hợp Benzene có phản ứng cộng với một số chất như

- Các phương pháp điều chế Benzene

+ Đi từ nguồn thiên nhiên.

+ Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá dầu mỏ…

+ Đóng vòng và dehidro hóa ankan.

Các alkan có khả năng tham gia vào quá trình đóng vòng và dehidro hóa để hình thành các hidrocacbon thơm khi được xử lý ở nhiệt độ cao và có sự hiện diện của các chất xúc tác như Cr2O3 hoặc các kim loại chuyển tiếp như Pd và Pt.

Dehidro hóa các cycloankan là quá trình diễn ra ở nhiệt độ cao, sử dụng chất xúc tác kim loại chuyển tiếp, nhằm chuyển đổi các cycloankan thành Benzene hoặc các dẫn xuất của Benzene.

+ Đi từ axetylen: Đun axetylen có mặt của xúc tác là than hoạt tính hay phức của Niken như Ni(CO)[(C6H5)P] sẽ thu được Benzene.

- Phương pháp sản xuất Benzene trong công nghiệp

+ Phương pháp hydrodealkyl hóa toluen:

Hydrodealkyl hóa là một phản ứng cracking hydrocacbon thơm mạch nhánh trong môi trường có hydro, tương tự như hydrocracking Phản ứng này tiêu thụ hydro và hoạt động hiệu quả ở áp suất riêng phần hydro cao Quá trình này nhằm mục đích chuyển đổi các metylbenzene và etylbenzene C9+ thành benzene, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về benzene trong ngành công nghiệp.

PGS TS Nguyễn Hữu Trì Lớp: 20H5 cho biết rằng công nghệ tổng hợp hóa dầu có quy mô lớn hơn nhiều so với các hợp chất như toluen và xylen (sản phẩm BTX) Sau khi tách Benzene từ sản phẩm reforming, các hydrocacbon thơm cao hơn sẽ được chuyển đến phân xưởng hydrodealkyl hóa Thiết bị phản ứng tại đây tương tự như hydrocracking, nơi phân nhánh alkyl sẽ bị bẻ gãy và hydro hóa đồng thời Quá trình dealkyl hóa các hợp chất vòng benzene sẽ làm tăng lượng hydro tiêu thụ và tạo ra nhiều sản phẩm khí hơn.

Trong quá trình hydrodealkyl hóa, phản ứng chính là tách các nhóm alkyl khỏi nhân benzene thành alkan, với điều kiện vận hành đúng để đạt được chuyển hóa hoàn toàn nhờ tuần hoàn hydrocacbon thơm chưa phản ứng Sản phẩm thu được chủ yếu là Benzene và nhiều hydrocacbon nhẹ, đặc biệt là metan Các hợp chất không phải hydrocacbon thơm trong nguyên liệu sẽ bị phân hủy thành parafin nhẹ, như trong xử lý trực tiếp phân đoạn xăng C5+ mà không qua giai đoạn chiết dung môi Mục tiêu là thu được sản phẩm Benzene có độ tinh khiết cao, tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến việc tiêu thụ lượng hydro lớn, trong khi một phần hợp chất lưu huỳnh sẽ chuyển hóa thành H2S.

+ Benzene là nguyên liệu chính để sản xuất các loại thuốc trừ sâu, thuốc kháng sinh, chất kích thích tăng trưởng

Benzene là nguyên liệu thiết yếu trong ngành công nghiệp phẩm nhuộm anilin và dược phẩm, đồng thời cũng được sử dụng để sản xuất chất phụ gia nhằm cải thiện chỉ số cetan cho nhiên liệu động cơ ô tô và máy bay.

Benzene là một hóa chất quan trọng trong ngành hóa dầu, là thành phần tự nhiên của dầu thô và có mùi giống xăng, với đặc điểm là chất lỏng không màu Tuy nhiên, benzene có độc tính cao và được biết đến là một chất gây ung thư Ứng dụng chính của benzene là trong sản xuất polystyrene.

+ Trong phòng thí nghiệm, Benzene được sử dụng rộng rãi làm dung môi.

Toluen là một hợp chất hydrocacbon thơm, tồn tại dưới dạng chất lỏng trong suốt với mùi thơm nhẹ Hợp chất này không tan trong cồn, ether, acetone và hầu hết các dung môi hữu cơ khác, đồng thời tan ít trong nước Công thức hóa học của toluen là C7H8.

- Là chất lỏng trong suốt, mùi thơm nhẹ và không vị.

- Có khả năng bay hơi lớn, dễ cháy và dễ bắt lữa.

- Toluene không tan trong cồn, ether, acetone và các dung môi hữu cơ khác, tan ít trong nước.

- Khối lượng phân tử: 92,14 g/mol.

- Độ hòa tan trong nước: 0,053 g/100ml (20-25°C).

Vì Toluen là hợp chất thuộc dãy đồng đẳng của Benzen nên tính chất hóa học của Toluen cũng tương tự như Benzen.

- Toluen tham gia phản ứng với Brom khan

- Phản ứng với khí Clo

- Phản ứng với Nitro hóa

- Phản ứng oxy hóa với nhóm Metylxiclohexan

Có nhiều phương pháp để điều chế Toluen, bao gồm việc sử dụng các chất như CaCl2, CaH2, CaSO4, P2O5 hoặc Natri để tách nước Một phương pháp khác là cho Benzen tinh khiết phản ứng với CH3Cl để sản xuất Toluen, nhưng phương pháp này không hiệu quả do Benzen cũng là một dung môi có chi phí cao.

Hiện nay, phương pháp chưng cất dầu mỏ và than đá được sử dụng để sản xuất dung môi Toluen trong ngành công nghiệp, giúp tận dụng tài nguyên thiên nhiên và sản xuất với quy mô lớn, từ đó giảm chi phí sản xuất đáng kể.

Toluen là một trong 20 loại hóa chất phổ biến nhất trong đời sống hiện đại, với nhiều ứng dụng đặc biệt được sử dụng rộng rãi.

- Dùng làm chất tẩy rữa, dùng trong sơn xe hơi, sơn các đồ đạc trong nhà.

- Làm keo dán cao su, xi măng.

- Phụ gia cho nhiên liệu: Cải thiện chỉ số Octane của xăng dầu.

- Các ứng dụng khác như: Sản xuất thuốc nhộm, điều chế thuốc nổ TNT, sản xuất nước hoa và mực in.

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Tính toán cân bằng vật chất

1.1 các thông số ban đầu

Bảng 1: Các thông số ban đầu

Các kí hiệu Tính toán cân bằng vật chất

GF Lưu lượng khối lượng dòng nguyên liệu (Kg/ngày)

Gp Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh (Kg/ngày)

GW là lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy tính bằng Kg/ngày aF đại diện cho phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu, được tính bằng tỷ lệ phần trăm (%kl) ap là phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đỉnh, cũng được biểu thị dưới dạng phần trăm (%kl) Cuối cùng, aW là phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đáy, tính theo tỷ lệ phần trăm (%kl).

F Lưu lượng mol dòng nguyên liệu (kmol/h)

P Lưu lượng mol dòng sản phẩm đỉnh (kmol/h)

Lưu lượng mol dòng sản phẩm đáy (kmol/h) được xác định bởi các yếu tố như phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng nguyên liệu (xF, %mol), phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đỉnh (xp, %mol), và phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đáy (xW, %mol) Ngoài ra, phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi của dòng nguyên liệu (yF, %mol) cũng đóng vai trò quan trọng Khối lượng phân tử của benzen (MAx) là một yếu tố cần xem xét trong quá trình tính toán.

MB Khối lượng phân tử Toluen

Bảng 2: Dữ liệu ban đầu

GF(Tấn/ngày) GF(kg/ngày) aF% aP% aW%

Theo phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp

Phương trình cân bằng vật liệu cho riêng cấu tử dễ bay hơi Benzen

F x F = P x P +W x W Đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol

- xW = 0,06 (phần mol) Giải hệ phương trình cân bằng vật liệu toàn tháp

Bảng 3: Bảng cân bằng vật liệu

Lưu lượng khối lượng (kg/ngày)

Lưu lượng khối lượng (kg/ngày) 127.06 13990.59 14117.65

Lưu lượng khối lượng (kg/ngày) 1294.12 24588.24 25882.35

Bảng 4: Số liệu đường cân bằng của Benzen-Toluen x

Từ số liệu trong Bảng 4 ta vẽ được đồ thị

Xác định bậc thay đổi nồng độ

2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu

- Rmin : Chỉ số hồi lưu tối thiểu

- xP : Nồng độ phần mol của Benzen trong pha lỏng ở sản phẩm đỉnh

- xF : Nồng độ phần mol của Benzen trong nguyên liệu

- y * F : Nồng độ phần mol của Benzen trong pha hơi nằm cân bằng pha lỏng ở nguyên liệu Nội suy Bảng 4 với x F = 0 , 39 ¿)

Ta có bảng giá trị của các thông số x ' F x ' P x ' W y * F x ' F = x F × 1008 , 84 x ' P = x P × 100 , 39 x ' W =x W ×100=5 , 84 60,73

2.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp

Thường được xác định qua chỉ số hồi lưu tối thiểu

- k: Hệ số dư hay hệ số hiệu chỉnh Tính gần đúng, ta cho giá trị k biến thiên bất kì trong khoảng (1,2 ÷ 2,5)

- Rmin: Chỉ số hồi lưu tối thiểu

1 Vẽ các đồ thị xác định số bậc thay đổi nồng độ trên cơ sở đường cân bằng xF, xP, xW

2 Vẽ các tam giác (bậc thay đổi nồng độ) ta thu được số bậc thay đổi nồng độ ứng với mỗi hệ số k

3 Lập bảng giá trị các thông số cần thiết

4 Vẽ đồ thị biễu diễn mối quan hệ Rx và N(Rx+1) Rồi sau đó xác định chỉ số hồi lưu theo điều kiện tháp nhỏ nhất

2.3 Xác định phương trình đoạn chưng, đoạn luyện

Phương trình đoạn luyện: y = ax + b = R x

Phương trình đoạn chưng: y = ax + b = R x + L

- x P : Nồng độ phần mol của sản phẩm đỉnh

- x W : Nồng độ phần mol sản phẩm đáy

P , Lượng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh( Kmol / ngày

2.4 Xác định bậc thay đổi nồng độ

Xác định bậc thay đổi nồng độ bằng đồ thị được tiến hành qua các bước sau

1 Vẽ đường cân bằng X-Y trên đồ thị nồng độ phần mol

2 Xác định phương trình đường nạp liệu, đường cất, đường chưng ứng với hệ số k thích hợp và biểu diễn trên đồ thị

3 Sử dụng phần mềm Excel và SRS1 SPLINES để vẽ các tam giác (bậc thay đổi nồng độ), bắt đầu từ điểm A (xD, yD=xD) và kết thúc ở điểm C (xW, xW)

 Ta lập được bảng chỉ số hồi lưu theo các hệ số k như sau k 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,4 2,5

 Phương trình đoạn luyện: y = ax + b = R x

2.24 +1 (.19 Vậy phương trình đoạn luyện: y= 0 ,63 x + 28 , 19

 Phương trình đoạn chưng: y= ax+ b= R R x + L x + 1 x+ 1− L

1,68+1×5,84=−2.87 Vậy phương trình đoạn chưng: y=1 , 59 x−2 , 87

1 , 96+1 = 30 , 86 Vậy phương trình đoạn luyện: y = 0 , 66 x + 30 , 56

Bảng 7: Bậc thay đổi nồng độ với hệ số k = 1,2

1 , 96+ 1 × 5 , 84 =− 3 , 14 Vậy phương trình đoạn chưng: y=1 , 54 x−3 , 14

Vậy phương trình đoạn luyện: y = 0 , 69 x + 28 , 2

 Phương trình đoạn chưng: y = ax + b = R x + L

Bảng 8: Bậc thay đổi nồng độ với hệ số k = 1,4 a= R x + L

2,24+1×5,84=−2,87 Vậy phương trình đoạn chưng: y = 1 , 49 x − 2 , 87

Vậy phương trình đoạn luyện: y = 0 ,72 x + 25 , 96

 Phương trình đoạn chưng: y= ax+ b= R x + L

2 , 52 + 1 × 5 , 84=−2 , 64 Vậy phương trình đoạn chưng: y=1 , 45 x−2 , 64

 Phương trình đoạn luyện: y=ax+ b= R R x x +1 X + x ' P

Vậy phương trình đoạn luyện: y = 0 , 74 x + 24 , 04

 Phương trình đoạn chưng: y= ax+ b= R x + L

2, 8 + 1 × 5 , 84=−2 , 45 Vậy phương trình đoạn chưng: y=1 , 42 x−2 , 45

 Phương trình đoạn luyện: y=ax+ b= R R x x +1 X + x ' P

Vậy phương trình đoạn luyện: y= 0 , 77 x +20 , 95

Bảng 11: Bậc thay đổi nồng độ với hệ số k = 2 a= R x + L

3,36+1×5,84=−2,13 Vậy phương trình đoạn chưng: y = 1 , 36 x − 2 , 13

 Phương trình đoạn luyện: y=ax+ b= R R x x + 1 X + x ' P

3 , 5+1 , 3 Vậy phương trình đoạn luyện: y= 0 , 74 x +24 , 04

Bảng 12: Bậc thay đổi nồng độ với hệ số k = 2,4 b = 1 − L

3 , 5+1 × 5 , 84 =− 2 , 07 Vậy phương trình đoạn chưng: y=1 , 35 x−2 , 07

Từ các giá trị đã vẽ, ta lập được bảng sau

Bảng 14: Bảng tính toán bậc thay đổi nồng độ k 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.4 2.5

Từ Bảng 14, ta vẽ được đồ thị sau

Bảng 15: Đồ thị mối quan hệ giữa Rx và N(Rx+1)

Từ đồ thị, suy ra chỉ số hồi lưu thích hợp là Rx = 2,24 và số bậc thay đổi nồng độ là 9,9

CÂN BẰNG NHIỆT

Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu

- Q D 1 :Lượng nhiệt do hơi nước cung cấp để đun nóng hỗn hợp đầu, (J/h)

- Q f :Lượng nhiệt do hỗn hợp đầu mang vào, (J/h)

- Q F :Lượng nhiệt do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng, (J/h)

- Q xq 1 :Lượng nhiệt mất mát trong quá trình đun sôi, (J/h)

- Q ng 1 :Nhiệt do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu, (J/h)

1.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào

- Q D 1: Lượng nhiệt do hơi nước cung cấp để đun nóng hỗn hợp đầu, (J/h)

- D1: Lượng hơi đốt mang vào, (kg/h)

- λ1: Hàm nhiệt của hơi nước, (J/h)

- r1: Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, (kJ/kg)

- C1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng, (J/kg.độ)

 Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi

- tF: Nhiệt độ hỗn hợp đi ra thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu (°C) Nội suy theo Bảng 4 với x F =0 , 39 (phần mol) Suy ra, t F ,58(℃)

- tf: Nhiệt độ của hỗn hợp đầu đi vào thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu, chọn bằng nhiệt độ môi trường, suy ra tf = 25°C

- GF: Lượng hỗn hợp đầu

Ta có: GF = 1666,67 (kg/h), a F = 0,35 (phần khối lượng)

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu C f ở t f = 25 ℃

- C 25 A : Nhiệt dung riêng của Benzene tại 25 ° C

: Nhiệt dung riêng của Toluen tại 25 ° C

- C f : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu C f ở 25 ° C

Bảng 16: Bảng nhiệt dung riêng của Benzen và Toluen theo nhiệt độ [I-171]

Nhiệt dung riêng của các cấu tử theo nhiệt độ (J/kg.độ)

Từ t f %℃ nội suy trong Bảng 16 ta có C 25 A = 1753,75 (J/kg.độ)

= 1732,5 (J/kg.độ) Suy ra, C f = 1753,75 × 0,35 + 1732,5 × (1 −¿ 0,35) = 1739,94 (J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi ra khỏi thiết bị đun nóng C F ở t F , 58 ℃

- C 77 A ,68 : Nhiệt dung riêng của Benzen tại 95,58 ° C

- C B 77 ,68 : Nhiệt dung riêng của Toluen tại 95,58 ° C

- C F : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu C F ở 77,68 ° C

Từ t F ,58 ℃ nội suy trong Bảng 16 ta có C 77 A ,68

C B 77 ,68 = 2050,12 (J/kg.độ) Suy ra, C F = 2101,22 × 0,35 + 2050,12 × (1 −¿ 0,35) = 2068 (J/kg.độ)

 Tính r1 r1: Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt Dùng hơi nước bão hòa ở P=2 at = 2 bar

Từ Bảng 17, suy ra nhiệt hóa hơi của hơi nước r1 = 2164,6× 10 3 (J/kg)

- Từ Bảng 17, ta có θ 1( nước ngưng )=1 33 , 7(℃) ở P = 2 bar

Bảng 17: Các thông số vật lý của hơi nước bão hòa

Chuyển đổi đơn vị: 1 kcal/kg.độ = 4,1868.10 3 J/kg.độ

Từ Bảng 18, nội suy nhiệt dung riêng của nước ở t = 133,7 ° C với áp suất P = 2 bar

Vậy nhiệt lượng do hơi đốt mang vào

1.2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào

- Q f :Lượng nhiệt do hỗn hợp đầu mang vào, (J/h)

- GF: Lượng hỗn hợp đầu (kg/h)

- C f : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)

- t f : Nhiệt độ của hỗn hợp đầu đi vào thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu, chọn bằng nhiệt độ môi trường, t f = 25 ° C

- a F : Nồng độ phần khối lượng của hỗn hợp đầu

: Nhiệt dung riêng của cấu tử Benzenvà Toluen tại nhiệt độ t f = 25℃ , (J/kg.độ)

1.3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra

Bảng 18: Nhiệt dung riêng của nước và hơi nước ở 0-500 ° C , Bảng I-154 [I-172]

- GF: Lượng hỗn hợp đầu, (kg/h)

- C F : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đi ra khỏi thiết bị đun nóng, (J/kg.độ)

- t F : Nhiệt độ hỗn hợp đi ra thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu, ( ° C )

Thay số vào ta có

Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

- Tổng nhiệt lượng mang vào bằng tổng nhiệt lượng mang ra

Q D 2 + Q F + Q R = Q y + Q W + Q ng 2 + Q xq 2 (J/h) [II-197] Trong đó:

- Q D 2 :Nhiệt lượng cần đun nóng sản phẩm đáy, (J/h)

- Q y :Lượng nhiệt hơi mang ra khỏi tháp, (J/h)

- Q R :Lượng nhiệt do lượng lỏng hồi lưu mang vào, (J/h)

- Q W :Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra, (J/h)

- Q xq 2 :Lượng nhiệt mất mát trong tháp chưng luyện, (J/h)

- Q ng 2 :Nhiệt do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị đun nóng hỗn hợp đáy, (J/h)

2.1 Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào

- G R : Lượng lỏng hồi lưu, (kg/h)

- t R : Nhiệt độ của lỏng hồi lưu, ( ° C )

Nội suy theo Bảng 4 với x p =0 , 91 (phần mol) ta được, t R = t P = 84 ,24(° C)

- C R : Nhiệt dung riêng của lỏng hồi lưu, (J/kg.độ)

C A ,C B : Nhiệt dung riêng của Benzen và Toluen ở tR = 84,24 ° C Nội suy theo Bảng 16 với nhiệt độ tR = 84,24 ° C ta được

Vậy nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào là

2.2 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra

- G W : Lượng sản phẩm đáy, (kg/h)

- t W : Nhiệt độ của sản phẩm đáy, (° C)

- C W : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy, (J/kg.độ)

Nội suy theo Bảng 4 với x W = 0 , 06 (phần mol) Suy ra, t W 7,92(℃)

Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy C W ở tW = 107,92 ° C

: Nhiệt dung riêng của Benzen tại 107,92 ° C

- C T 107,92 : Nhiệt dung riêng của Toluen tại 107,92 ° C

- C W : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu C F ở 107,92 ° C

Từ t W 7 , 92 ℃ nội suy trong Bảng 16 ta có C B 107,92 = 2164,21 (J/kg.độ)

C T 107,92 = 2110,48 (J/kg.độ) Với a W =0 , 05 (phần khối lượng)

Vậy nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra là

2.3 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp

- GP: Lượng sản phẩm đỉnh, (kg/h)

- Rx: Chỉ số hồi lưu thích hợp

- λđ: Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, (J/kg)

 Tính nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp λđ = aP × λB + (1 – aP) × λT

Với - aP = 0,9 (phần khối lượng)

- λB, λT: Nhiệt lượng riêng của Benzen và Toluen ở đỉnh tháp, (J/kg) λ B = r 1 + t P × C 1 ; λ T =r 2 +t P × C 2

Bảng 19: Nhiệt hóa hơi của Benzen và Toluen phụ thuộc vào nhiệt độ (kcal/kg)

Nội suy theo Bảng 16 với tP = 84,24 ° C , ta có

Nội suy từ Bảng 19 với tP = 84,24 ° C (chuyển đổi đơn vị: 1 kcal/kg.độ = 4,1868.10 3 J/kg.độ), ta có

- Nhiệt hóa hơi của Benzen: rA = 93,26 (kcal/kg.độ)

- Nhiệt hóa hơi của Toluen: rB = 0,09 (kcal/kg.độ)

= 0,09 × 4,1868 10 3 = 376,36 (J/kg) Suy ra - λA = rA + tD × CA = 390,45 + 84,24 × 2047,66 = 562,94.10 3 (J/kg)

2.4 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào theo D 2

- D2: Lượng hơi nước cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp (kg/h)

- λ2: Hàm nhiệt của hơi nước bão hòa (J/kg)

- r2: Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước (J/kg)

- C2: Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)

2.5 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra theo D 2

2.6 Nhiệt lượng mất mát ra môi trường theo D 2

- Q xq 2:Lượng nhiệt mất mát trong quá trình đun sôi, (J/h)

- D2: Lượng hơi đốt mang vào, (kg/h)

- r2: Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, (J/kg)

2.7 Tính lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng dung dịch ở đáy tháp D 2

Từ công thức Q D 2 + Q F + Q R = Q y + Q W + Q ng 2 + Q xq 2 [II-197]

Thay các giá trị Q đã tính được ở trên suy ra

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

Sử dụng thiết bị ngưng tụ hoàn toàn

GP × (1 + Rx) × r = Gnl × Cn × (t2 −¿ t1) [II-198]

- rP: Ẩn nhiệt của hỗn hợp ngưng tụ, (J/kg)

- Gn1: Lượng nước lạnh tiêu tốn, (kg/h)

- Cn: Nhiệt dung riêng của nước làm lạnh (kcal/kg.độ)

- GP: Lượng sản phẩm đỉnh, (kg/h)

- t2: Nhiệt độ ta của nước , ( ° C )

 Tính ẩn nhiệt rP r = rP = rA × aP + rB × (1 – aP)

- rA, rB: Nhiệt hóa hơi của Benzen và Toluen ở nhiệt độ t P = 84 , 24 ℃

Nội suy từ Bảng 19 với tP = 84,24 ° C (chuyển đổi đơn vị: 1 kcal/kg.độ = 4,1868.10 3 J/kg.độ), ta có

- Nhiệt hóa hơi của Benzen: rA = 93,26 (kcal/kg.độ)

- Nhiệt hóa hơi của Toluen: rB = 0,09 (kcal/kg.độ)

= 0,09 × 4,1868 10 3 = 376,36 (kJ/kg) Suy ra, r = rP = rA × aP + rB × (1 – aP) = 390,45 × 0,9 + 376,36 × (1 −¿0,9)

Chọn nhiệt độ vào của nước lạnh là t1 = 25 ° C và nhiệt độ ra t2 = 45 ° C

Nhiệt độ trung bình ttb = t 1 +t 2

Bảng 20: Bảng nhiệt dung riêng của nước (I-173)

Tra nhiệt dung riêng của nước theo bảng trên ở t tb 5 °C

Vậy lượng nước lạnh tiêu tốn trong thiết bị ngưng tụ hoàn toàn là

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh

Sử dụng thiết bị ngưng tụ hoàn toàn

- t’1, t’2: Nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, ( ° C )

Nội suy từ bảng 4 theo giá trị x P =0 , 91, ta có

- t1, t2: Nhiệt độ vào và ra của nước

- CP: Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ CP = CR = 2043,12 (J/kg.độ)

Vậy lượng nước lạnh tiêu tốn trong thiết bị ngưng tụ hoàn toàn là

TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỦA THÁP CHƯNG CẤT

Đường kính tháp

Đường kính tháp được xác định theo công thức

- g tb : Lượng hơi trung bình đi trong tháp, (kg/h)

- (.)tb: Tốc độ hơi trong bình đi trong tháp, (kg/m 2 s)

Do sự thay đổi của lượng hơi và lượng lỏng theo chiều cao của tháp, cũng như sự khác biệt giữa các đoạn, cần tính toán lượng hơi trung bình cho từng đoạn một cách chính xác.

1.1.1 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 đĩa dưới cùng của đoạn luyện Công thức tính là: gtb = gđ + gl.

- gtb: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, (kg/h)

- gđ: Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, (kg/h)

- gl: Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp, (kg/h)

 Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp gđ = Gp × (R + 1) [II-181]

 Lượng hơi đi vào đoạn luyện

Lượng hơi g❑ 1, hàm lượng hơi y 1 và lượng lỏng G 1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình.

- G1: Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

- r1: Nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất

- rd: Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đĩa ra khỏi đỉnh tháp

Nội suy nhiệt hóa hơi của Benzen và Toluen từ Bảng 19 ở nhiệt độ tF = 95,58 ° C (chuyển đổi đơn vị: 1 kcal/kg.độ = 4,1868.10 3 J/kg.độ), ta có

- Ẩn nhiệt hóa hơi của Benzen: rA = 90,84 (kcal/kg.độ)

- Ẩn nhiệt hóa hơi của Toluen: rB = 88,03 (kcal/kg.độ)

= 368,6.10 3 +11,73 × y1 (J/kg) Tính rd: tP = 84,24 ° C Nội suy nhiệt hóa hơi của Benzen và Toluen từ Bảng 9 ta được

- Ẩn nhiệt hóa hơi của Benzen: ra = 92,81 (kcal/kg.độ)

- Ẩn nhiệt hóa hơi của Toluen: rb = 89,4 (kcal/kg.độ)

Có yP = aP = 0,9 (phần khối lượng)

Suy ra rd = ra × yP + (1 – yP) × rb

= 387,13.10 3 (J/kg) x1 = xF = 0,39 Thay các trị số vào phương trình (1), giải hệ ta được

{ y 1 =0.55 ( phần khốilượng G 1 80 , 01 )( =0 kg / ,59 h ) (phần mol ) g 1 = 1968 , 24( kg / h )

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là g tbL =g đ +g 1

1.1.2 Xác định khối lượng riêng trung bình

 Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi ρ ytb = [ y tb1 × M A + ( 1 − y tb 1 ) × M B ] × 273

- M A , M B : Khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen.

- T : Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, (K)

- y tb 1: Nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình. y tb 1 = y d 1 + y c1

- y d 1 , y c1 : Nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, (phần mol). y d 1 = y P =0 , 91(phần mol) y c 1 = y 1 =0 , 6 (phần mol)

 Nhiệt độ trung bình đoạn luyện t tb = t F + t D

Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là ρ ytb = [ y tb1 × M A + ( 1− y tb1 ) × M B ] × 273

 Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng

1 ρ xtb = a tb 1 ρ xtb 1 + 1 − a tb 1 ρ xtb 2 ,(kg/m 3 ) [II-183]

- ρ xtb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, (kg/m 3 )

- ρ xtb 1 , ρ xtb 2 : Khối lượng riêng trung bình của cấu tử Benzen và Toluen của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, (kg/m 3 )

- a tb1: Phần khối lượng trung bình của cấu tử Benzen và Toluen trong pha lỏng a tb1 =a F +a D

- Nồng độ phần mol trung bình của cấu tử Benzen trong đoạn luyện x tb1 =x F +x D

- Với x tb1=0,65(phần mol) Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a, [II-145] ta được t xtb = 88 , 06℃

- Ứng với t xtb , 06 ℃ Nội suy theo bảng I.2 trong [II-89] ta được ρ x1 6 , 14, kg/m 3 ρ x2 y9 , 94,kg/m 3 Suy ra, khối lượng riêng trung bình của pha lỏng

1 ρ xtb = a tb 1 ρ xtb 1 + 1−a tb 1 ρ xtb 2 = 0 ,63

1.1.3 Xác định tốc độ hơi đi trong tháp Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lên chuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động: Chế độ chảy màng, chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt Ở chế độ sủi bọt thì pha lỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục Nếu tăng tốc độ lên thì tháp bị sặc Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc của tháp.

Tốc độ hơi trong tháp đệm được xác định khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lên, tạo ra bốn chế độ thủy động: chảy màng, chảy quá độ, chảy xoáy và sủi bọt Trong chế độ sủi bọt, pha lỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do, làm cho pha lỏng trở thành pha liên tục Khi tốc độ hơi tăng lên, tháp có nguy cơ bị sặc Phần tính toán này sẽ tập trung vào việc xác định tốc độ hơi dựa trên tốc độ sặc của tháp.

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm ω =( 0 , 8 ÷ 0 , 9 ) ω s [II-187]

Với ω s là tốc độ sặc, được tính theo công thức

Y = ω S 2 σ d ρ ytb g V d 3 ρ xtb ( μ μ x y ) 0 ,16 suy ra ω s = √ σ Y × g× V đ × ρ ytb × ( đ 3 × ρ μ μ x n ) 0, xtb 16 (1) [II-187]

- σ s : Bề mặt riêng của đệm, (m 2 /m 3 )

- Vđ: Thể tích tự do của đệm, (m 3 /m 3 )

- Gx, Gy: Lượng lỏng và lượng hơi trung bình, (kg/s)

- ρ xtb , ρ ytb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, (kg/m 3 )

- x, n: Độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20 o C, (Ns/m 2 )

 Tính lượng hơi trung bình G Y

Ta có G y =g tb 37 , 35 (kg/h) ¿ 0 , 54 (kg/s)

 Tính lượng lỏng trung bình G X

- Độ nhớt của nước ở t = 20oC, Tra bảng I.102 trong [I – 94] ta có μ n = 1,005.10 -3 (Ns/m2)

- Độ nhớt của pha lỏng ở txtb = 88.06 o C Nội suy theo bảng I.101 trong [I – 91] ta được μ A = μ C 6 H 6 = 3 × 10 −4 (N.s/m 2 ) μ B =μ C 7 H 8 =2,841 × 10 −4 (N.s/m 2 )

Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là lgμ hh = x tb lgμ A +( 1 − x tb ) lgμ B [I-84] lgμ hh =0 , 65 ×lg (3× 1 0 −4 )+(1−0 , 65) ×lg (2,841× 10 −4 )

Thay số liệu ta có

Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn Số liệu trong [II-194]

Khối lượng riêng xốp, ρ đ , kg/m 3

Từ (1), suy ra ω s = √ σ Y × g× V đ × ρ ytb × ( đ 3 × ρ μ μ x n ) 0 xtb ,16 = √ 0 78 , 45 × × 2 9 , 74 , 81 × × ( 1,005 0 2 , , 78 94 3 ×10 × × 10 803 −4 −3 , ) 8 = 2 , 06

Vậy đường kính đoạn luyện là

Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DLuyện = 0,4 (m)

 Thử lại điều kiện làm việc thực tế

- Tốc độ hơi đi trong đoạn luyện ω y = 0,0188 2 × 1937 , 35

- Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là ω tt ω s = 1 , 56

1.2.1 Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng g’tb= g ' n+ 2 gl , (kg/h)

- g’tb: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, (kg/h)

- g’n: Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, (kg/h)

- g’l: Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp, (kg/h)

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện (g’n= g1) nên ta có thể viết g tb =g 1 +g ' 1

Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’l , lượng lỏng G1’ và hàm lượng lỏng x’l được xác định theo hệ phương trình sau

- G’1: Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

- r’1: Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

- r1: Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

 Tính ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng r ' 1 = r a y 1 ' + ( 1− y ' 1 ) r b [II-182]

Với ra, rb: Ẩn nhiệt hóa hơi của Benzen và Toluen ở nhiệt độ tW = 107,92 °C Nội suy theo Bảng 19 ta được

Thay các hệ số vào hệ phương trình ta được

{ x 1 ' =0 , 06 ( phần khối lượng G g 1 ' 1 ' 33 112 , , 84( 27(kg )= kg/ 0 / h) h) , 07 ( phần mol)

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là g tbC ' = g 1 + g 1 '

1.2.2 Xác định khối lượng riêng trung bình

 Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi ρ ytb = y tb 1 M A +( 1− y tb 1 ) M B

- MA MB: Khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen

- T: Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, (K)

- ytbc: Nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình y tbc = y d 1 + y c 1

Với yd1, yc1: Nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, (phần mol)

Ta có yc1=y1= 0,6 (phần mol) (nội dung tính đường kính đoạn luyện) yđ1=y’1 = 0,06 (phần mol)

Nhiệt độ trung bình của đoạn chưng t tb = t F +t W

2 1 , 75(℃ ) 1,75+273 = 374,75 (K) Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi là ρ ytb = y tb 1 M A +( 1 − y tb 1 ) M B

Khối lượng riêng trung bình pha lỏng

1 ρ xtb = a tb 1 ρ xtb 1 + 1−a tb 1 ρ xtb 2 , (kg/m 3 ) Trong đó:

- xtb : Khối lượng riêng trung bình của lỏng, (kg/m 3 )

- xtb1, xtb2 : Khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, (kg/m 3 )

- atb1 : Phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng a tb1 = a F + a W

- Nồng độ trung bình của pha lỏng x tb 1 = x F + x ' 1

Với phần mol x tb1 = 0,23, nội suy theo Bảng 4 cho ra nhiệt độ sôi txtb1 = 101,16°C Dựa vào Bảng I.2 trong “Sổ tay quá trình và thiết bị tập 1”, khối lượng riêng của Benzen và Toluen lần lượt là ρ x1 = 791,61 kg/m³ và ρ x2 = 786,72 kg/m³.

Vậy khối lượng riêng trung bình của pha lỏng là

1 ρ xtb = a tb 1 ρ xtb 1 + 1 − a tb 1 ρ xtb 2 = 0 , 2

1.2.3 Xác định tốc độ hơi trung bình đi trong tháp Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lên chuyển dộng ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thủy động: Chế độ chảy màng, chế dộ chảy quá độ, chế độ chảy xoáy và chế độ sủi bọt Ở chế dộ sủi bọt thì pha lỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục Nếu tăng tốc độ lên thì tháp bị sặc. Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc của tháp.

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm ω =( 0 , 8 ÷ 0 , 9 ) ω s [II-187]

Với ω s là tốc độ sặc, được tính theo công thức

Y = ω S 2 σ d ρ ytb g V d 3 ρ xtb ( μ μ x y ) 0 ,16 suy ra ω s = √ σ Y × g× V đ × ρ ytb × ( đ 3 × ρ μ μ x n ) 0, xtb 16 [II-187]

- σ s : Bề mặt riêng của đệm, (m 2 /m 3 )

- Vđ: Thể tích tự do của đệm, (m 3 /m 3 )

- Gx, Gy: Lượng lỏng và lượng hơi trung bình, (kg/s)

- ρ xtb , ρ ytb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, (kg/m 3 )

- x, n: Độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20 o C, (Ns/m 2 )

 Tính lượng hơi trung bình G Y

Ta có G y = g tb ' = 2001 , 04 (kg/h) ¿ 0 , 56 (kg/s)

 Tính lượng lỏng trung bình G X

- Độ nhớt của nước ở t = 20oC, Tra bảng I.102 trong [I – 94] ta có μ n = 1,005.10 -3 (Ns/m2)

- Độ nhớt của pha lỏng ở t = 101,16 o C Nội suy theo bảng I.101 trong “Sổ tay quá trình và thiết bị tập 1” ta được đọ nhớt của Benzen và Toluen μ A =μ C 6 H 6 =2,3×10 −4 (N.s/m 2 ) μ B =μ C 7 H 8 =2,1×10 −4 (N.s/m 2 )

Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là lgμ hh =x tb lgμ A +( 1−x tb ) lgμ B [I-84] lgμ hh =0 , 23 ×lg (2, 3 × 1 0 −4 )+(1− 0 , 23) × lg (2 , 1 × 10 −4 )

Thay số liệu ta có

Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng thép đổ lộn xộn Số liệu trong [II-194]

Khối lượng riêng xốp, ρ đ , kg/m 3

Từ (1), suy ra ω s = √ σ Y × g× V đ × ρ ytb × ( đ 3 × ρ μ μ x n ) 0 xtb ,16 = √ 0 100 , 14 × × 2,865 9 , 81 × × 0 ( , 1,005 93 2 , 3 2 × ×10 × 787,715 10 −4 −3 ) =1 , 95

Vậy đường kính đoạn chưng là

 Thử lại điều kiện làm việc thực tế

- Tốc độ hơi đi trong đoạn luyện ω y = 0,0188 2 × 2001 , 04

- Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là ω tt ω s = 1 , 55

Tính toán chiều cao tháp chưng cất

Đối với tháp đệm, chiều cao làm việc cuả tháp hay chiều cao lớp đệm được xác định theo công thức

- Nl: Số bậc thay đổi nồng độ, (m)

- htd: Chiều cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ, (m)

 Chiều cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ Được xác định theo công thức h td 0× ( V σ đ đ ) 1 ,2 × ω 1 0 ,4 , (m)

- Vđ: Thể tích tự do của đệm, m3/m3

- σ đ : Bề mặt riêng của đệm, m3/m3

- ω : Tốc độ của pha khí đi trong tháp, m/s

Với Nl = 4,9 Vậy chiều cao đoạn luyện là

 Chiều cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ Được xác định theo công thức h td 0 × ( V σ đ đ ) 1 ,2 × ω 1 0 ,4 , (m)

- Vđ: Thể tích tự do của đệm, m3/m3

- σ đ : Bề mặt riêng của đệm, m3/m3

- ω : Tốc độ của pha khí đi trong tháp, m/s

Với Nl = 5 Vậy chiều cao đoạn chưng là

Chiều cao toàn tháp được xác định theo công thức

Vậy chiều cao toàn tháp Ht = 9 (m)

 Bảng tổng kết Đường kính

(m) Đoạn luyện 0,39 Quy chuẩn: 0,4 Đoạn chưng 0,4 Quy chuẩn: 0,4

Tính toán trở lực tháp

Đối với tháp đệm, trở lực được tính theo công thức

- u: Mật độ tưới, (m3/m2.s) u= L ρ x ×0,785×d 2 , (với L = Gx)

- λ : Hệ số trở lực của đệm khô, phụ thuộc vào chế độ thủy lực của hơi trong lớp đệm và được tính bằng công thức λ= 16

- d: Đường kính tương đương d=4ε a , (với ε =V đ và a=σ đ )

- ρ y : Khối lượng riêng của pha khí

- μ y : Độ nhớt của hỗn hợp khí (N/s.m 2 ) Độ nhớt của hỗn hợp khí tính bằng công thức gần đúng sau

M hh μ hh = m 1 M 1 μ 1 + m 2 M 2 μ 2 (*) Với m1 = xtb1: Nồng độ phần mol trung bình trong đoạn luyện m1 = ytb1: Nồng độ phần mol trung bình trong đoạn chưng

3.1 Trở lực của đoạn luyện

M hh = M Benzen x tb 1 +( 1−x tb 1 ) M Toluen = 0 ,65 ×78+ ( 1−0 , 65 ) ×92 , 89 Dựa vào Hình 6, tra độ nhớt của Benzen và Tolunen ở tytb = 89,91°C, ta được bảng sau

Từ (*), suy ra độ nhớt của hỗn hợp khí là μ hh = M hh m 1 M 1 μ 1 + m 2 M 2 μ 2

 Đường kính tương đương của đệm d= 4 ε a = 4 V đ σ đ = 4 × 0 , 78

Hình 6: Toán đồ đề xác định độ nhớt của các chất khí ở áp suất khí quyển

 Hệ số trở lực của đệm khô λ= 16

 Trở lực trên 1m chiều cao đoạn luyện Δ P u

M hh = M Benzen x tb 1 +( 1− x tb 1 ) M Toluen =0 ,23 ×78+ ( 1−0 , 23 ) × 92 , 16 Dựa vào Hình 5, tra độ nhớt của Benzen và Tolunen ở tytb = 101,75°C, ta được bảng sau

Từ (*), suy ra độ nhớt của hỗn hợp khí là μ hh = M hh m 1 M 1 μ 1 + m 2 M 2 μ 2

 Đường kính tương đương của đệm d= 4 ε a = 4 V đ σ đ = 4 × 0 , 94

 Hệ số trở lực của đệm khô λ= 16

 Trở lực trên 1m chiều cao đoạn chưng Δ P u

Trở lực của toàn tháp

 Trở lực trên 1m chiều cao toàn tháp Δ P u

TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP CHƯNG CẤT

Tính các đường đường ống dẫn

Đường kính các ống dẫn và cửa ra vào của thiết bị được xác định từ phương trình lưu lượng.s

- ω : Vận tốc trung bình của lưu thể đi trong ống, m/s

- V: Lưu lượng thể tích của lưu thể, m 3 /s

- G: Lưu lượng của dòng pha, kg/s

- ρ : Khối lượng riêng trung bình của dòng pha đó, kg/m 3

Bảng 23: Tốc độ trung bình của chất lỏng và khí chuyển động trong ống dẫn [I-370]

1.1 Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh

3600 × ρ đ ρ đ : Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, kg/m 3 ρ đ = M D × T 0

Dựa trên Bảng 23, vì đây là dòng hơi bão hòa đi trong ống ở P= 1-0,5 at nên chọn tốc độ hơi ω = 20 (m/s)

1.2 Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh

G R 18 , 22 (kg/h) ρ R : Khối lượng riêng của sản phẩm hồi lưu tại t D , 24 ℃ , kg/m 3

Bảng 24: Khối lượng riêng của Benzen và Toluen (kg/m3)

Với tR = 84,24 ℃ Nội suy theo Bảng 12 ta có khối lượng riêng lần lượt của Benzen và Toluen là ρ A 9 , 4(kg/m 3 ) ρ B = 803 (kg/m 3 )

3600 × 808 , 76 = 4 , 53.10 −4 (m 3 /s) Dựa vào Bảng 23, vì dòng chất lỏng tự chảy nên chọn tốc độ hơi ω=0 , 4 (m/s)

1.3 Đường kính ống dẫn liệu

Lưu lượng hỗn hợp đầu đi vào tháp

G F 66 , 67 (kg/h) ρ R : Khối lượng riêng của sản phẩm hồi lưu tại t F , 58 ℃ , (kg/m 3 )

Với tF = 95,58 ℃ Nội suy theo Bảng 24 ta có khối lượng riêng lần lượt của Benzen và Toluen là ρ A y7 , 08(kg/m 3 ) ρ B y2 , 04 (kg/m 3 )

Dựa vào Bảng 23, vì dòng chất lỏng tự chảy nên chọn tốc độ hơi ω = 0 , 4 (m/s)

1.4 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy và một lượng hồi lưu sản phẩm đáy

- GW: Lượng sản phẩm đáy

- Gy: Lượng hồi lưu đáy tháp

G y = 2001 , 04 (kg/h) ρ R : Khối lượng riêng của sản phẩm hồi lưu tại t W = 107 , 92 ℃ , kg/m 3

Với tW = 107,92 ℃ Nội suy theo Bảng 12 ta có khối lượng riêng của Benzen và Toluen lần lượt là ρ A = 783 , 69(kg/m 3 ) ρ B = 780 , 1 (kg/m 3 )

3600 × 780 , 28 , 96.10 −4 (m 3 /s) Dựa vào Bảng 23, vì dòng chất lỏng tự chảy nên chọn tốc độ hơi ω=0 , 4 (m/s)

1.5 Đường kính ống dẫn lượng hồi lưu sản phẩm đáy

3600 × ρ y ρ y : Khối lượng riêng của hơi ở đáy tháp, kg/m 3 ρ y = M W ×T 0

Dựa trên Bảng 23, vì đây là dòng hơi bão hòa đi trong ống ở P= 1-0,5 at nên chọn tốc độ hơi ω (m/s)

Tính chiều dày của thân tháp chưng luyện hình trụ hàn

Tháp chưng luyện có hình dạng trụ đứng, hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ t% đến 100℃ và ở áp suất thường Do đó, vật liệu làm thân tháp được chọn là thép cacbon CT3, vì loại thép này có độ bền nhiệt cao Các hệ số liên quan được trình bày trong bảng XII.4 [II-309] và [II-313].

Hệ số dẫn nhiệt W/m.độ

Tốc độ rỉ: 0,06 mm/năm

Thời gian làm việc từ 15 ÷ 20 năm

Thiết bị hàn tay bằng hồ quang điện, kiểu hàn ghép nối hai bên. φ h = 0 , 95 bảng XIII.8 [II-362]

Thiết bị làm việc ở áp suất thường Pmt= 1bar 5 (N/m 2 )

: Khối lượng riêng của hỗn hợp trong tháp, (kg/m 3 ) ρ = ρ x tbL + ρ x tbC

2 = 795 , 76(kg/m 3 ) P1: Áp suất thũy tĩnh của chất lỏng trong thiết bị (N/m 2 )

Ptt: Áp suất tính toán cho thiết bị

Ptt = Pmt + P1 = 10 5 + 71910,1 = 179775,15 (N/m 2 ) Ứng suất cho phép:[ σ k ] = σ n k k

Thiết bị thuộc nhóm 2 loại II có  = 1 Bảng XIII.2 [II.356] nk = 2,6 Tra Bảng XIII.3 [II.356]

Bổ sung do ăn mòn phụ thuộc vào điều kiện môi trường và thời gian hoạt động của thiết bị Với thép CT3, tốc độ ăn mòn ước tính khoảng 0.06 mm/năm và thời gian làm việc từ 15 đến 20 năm, chúng ta xác định giá trị C1 là 1 mm.

Đại lượng bổ sung bào mòn C2 chỉ cần được tính toán khi nguyên liệu chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc cao trong thiết bị Trong trường hợp này, nếu không có hạt rắn chuyển động, ta có thể bỏ qua giá trị C2, tức là C2 = 0.

- C3: Bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc chiều dày tấm vật liệu, chọn

Chiều dày thiết bị được tính theo công thức sau:

- Ptt: áp suất toàn thiết bị, (N/m 2 )

- φ : hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc

Vì vậy có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số của công thức tính chiều dày thiết bị.

* Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử: σ = [ D t + ( S−C ) ] P o

: Khối lượng riêng của toàn tháp

Pth: Áp suất thuỷ lực học, tra Bảng XIII.5 [II.358] ta có:

1,2, Vậy lấy S = 3 (mm) là hợp lý

Tính đáy và nắp thiết bị

Chọn đáy và nắp elip có gờ lắp khít với thân thiết bị bằng phương pháp ghép bích, với lỗ ở tâm để lấy sản phẩm từ đáy và đỉnh Vật liệu chế tạo đáy và nắp là thép CT3.

Chiều dày của đáy và nắp được tính theo công thức

- h b : Chiều cao phần nồi của đáy và nắp (m) Tra bảng XIII.10 [II-382]

- φ h : Hệ số bền của mối hàn hướng tâm Chọn nắp hàn từ hai nữa tấm, hàn điện hai phía bằng tay, tra [II-362] ta có φ h = 0 , 95

- k : Hệ số không thứ nguyên k = 1 − d

- d : Đường kính lỗ đáy, nắp thiết bị

Ta đã tính được d đáy =0 , 05 (m); d nắp =0 , 1 (m)

- Dt: Đường kính trong của tháp, Dt = 0,4 (m)

171910 , 1 × 0,625 × 0 , 95P4 , 8 > 30, có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số của công thức tính chiều dày đáy và nắp

1, 2 10 7 N/m 2 Vậy ta chọn Snắp = S = 5 mm.

Tra bảng XIII.12 [II.385] ta có h = 0.025 m (h là chiều cao gờ)

Tra bảng XIII 11 [II.384], với đường kính Dt = 400 mm, S = 5 mm.

Xây dựng và lựa chọn đĩa phân phối lỏng, lưới đỡ đệm, mặt bích

4.1 Lựa chọn đĩa phân phối lỏng

Chọn kiểu đĩa loại 1, với các thông số sau:

Theo số liệu trong bảng IX.22 [II.230] Đường kính tháp Đường kính đĩa Đường kính ống Bước ống, t Số ống mm chiếc

4.2 Lựa chọn lưới đỡ đệm

Chọn đường kính lưới là: Dl = 369 mm.

Theo số liệu trong bảng IX.22

Chiều rộng của bước b- đệm

4.3.1 Lựa chọn mặt bích cho tháp.

Chọn bích liền bằng thép nối thiết bị:

Do giới hạn trong việc chế tạo thân tháp có chiều dài lớn, chúng ta cần sử dụng bích để nối các phần lại Đối với tháp hình trụ hoạt động trong điều kiện bình thường, mặt bích liền bằng thép CT3 được chọn để kết nối thân với đáy và nắp thiết bị.

Dt D Db I Do db Z h mm Cái

4.3.2 Lựa chọn mặt bích cho các đường ống dẫn trong tháp.

Chọn bích liền bằng thép kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống:

Hồi lưu đỉnh 30 38 120 90 70 M12 12 4 ống dẫn liệu 40 45 130 100 80 M12 12 4

Kích thước chiều dài đoạn ống nối:

Dựa vào đường kính của các ống ta tra được các số liệu sau:

Tên các ống Dy Py < 2.5.10 6 N/m 2

Hồi lưu đỉnh 30 90 ống dẫn liệu 40 100

Tính toán khối lượng tháp chưng cất

Xét khối lượng của đáy và nắp:

Khối lượng đáy = khối lượng nắp = 16,6 (kg) Tra bảng XIII.11

Chiều cao tháp Ht = 9,21 (m) (theo chiều cao thiết kế). Đường kính trong tháp: Dt= 0.4 (m) Đường kính ngoài tháp: Dn =Dt+2 × S=0.4+2 × (5/1000)=0.41 m

Thể tích tháp: Vt = π × ( D n 2 − D t 2 ) × Ht

Khối lượng riêng tháp (vật liệu): ρx50( kg m 3 ) Khối lượng tháp= ρ Vtx50 × 0.059E9 ,79 (kg)

Xét khối lượng lỏng đi trong tháp:

Khối lượng riêng của nước (nội suy)  ρn = 961,508 ( kg / m 3 )

Chiều cao tháp: Ht = 9,21 (m) Đường kính tháp: Dt = 0.4 (m)

Thể tích lượng lỏng đi trong tháp: V= π × D t 2 × Ht

Khối lượng chất lỏng đi trong tháp: mtháp= ρn Vn = 961 , 51 ×1 , 15 = 1112 , 45 kg

Khối lượng đệm ở đoạn luyện

Thể tích đệm: Vđ= π × ( Dt 2 ) × Hluyện

4 = 0 , 41 ( m 3 ) Khối lượng riêng của đệm ở đoạn luyện : ρđ ( luyện )R0( kg/ m 3 )

Khối lượng đệm ở đoạn luyện mđ (luyện) = ρđ ( luyện ) × Vđ ( luyện )R0 ×0 , 41 !3 , 1( kg)

+ Khối lượng đệm ở đoạn chưng

Thể tích đệm: Vđ= π × ( Dt 2 ) × Hchưng

4 = 0.39(m 3 ) Khối lượng riêng của đệm ở đoạn luyện: ρđ ( chưng )C0 (kg / m 3 )

Khối lượng đệm ở đoạn luyện: mđ (chưng) = ρđ ( chưng ) ×Vđ ( chưng )= 430× 0 , 39 = 167 , 37 ( kg )

Tổng khối lượng đệm: mđ = mđ(chưng) + mđ(luyện) = 213 , 1 + 167 , 37 = 380,46 (kg)

Xét khối lượng bích nối:

Ta có khối lượng bích nối được xác định:

Số bích Dn Db Khối lượng riêng Hi m

Tổng khối lượng bích nối:

Khối lượng toàn tháp: mtoàn tháp= mbích+mđệm+mtháp+mđáy+mnắp+m(chất lỏng) mtoàn tháp = 135,33+380,46+459,79+16,6+1112,45!04,65 (kg)

Tính toán tai treo và chân đỡ cho tháp chưng cất

Trọng lượng của tháp là:

Ta sử dụng 8 tai treo làm bằng thép CT3, tải trọng của mỗi tai treo là:

4 = 2580 , 83(N) Theo bảng XIII 36 [II.438], ta chọn tai treo có tải trọng cho phép là:

Bề mặt đỡ là: F = 89,5 m 2 , tải trọng cho phép trên mặt đỡ là: q = 72,5.10 6 (N/m 2 )

L B B1 H S l d B2 Kl 1 tai treo mm kg

Tra bảng XIII 35 [II.437] ta chọn chân đỡ có tải trọng cho phép là

Bề mặt đỡ là: F = 811.10 -4 m 2 , tải trọng cho phép trên mặt đỡ là q = 0.32.10 6 N/m 2

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Thiết bị gia nhiệt sử dụng hơi nước bão hoà ở áp suất 2 at để đun nóng hỗn hợp từ nhiệt độ 25°C đến nhiệt độ sôi 58°C Hai lưu thể di chuyển ngược chiều nhau: hơi đốt đi từ trên xuống, truyền ẩn nhiệt cho hỗn hợp lỏng đi từ dưới lên và ngưng tụ thành lỏng thoát ra khỏi thiết bị Nhiệm vụ của chúng ta là tính toán đầy đủ các thông số kỹ thuật cần thiết như đường kính, chiều cao, bề mặt truyền nhiệt, số ống và số ngăn của thiết bị.

Chọn thiết bị truyền nhiệt ống chùm kiểu đứng có các thông số sau

+ Ống làm bằng thép CT3 có  = 50 (w/m 2 độ) [II.313]

Hơi nước bão hoà ở 2 at có: t o hđ = 133,7 ( o C) [I.314] ttb = thđ - ttb

ttb: Hiệu số nhiệt độ trung bình của hai lưu thể thđ: Nhiệt độ hơi đốt

Ta có: Δt tb = Δt d − Δt c ln Δt d Δt c Δt tb =( 133 ,7 − 25)−( 133 ,7 − 95,581) ln 133 ,7 −25

2 = 60.29 ( o C) Nhiệt lượng dùng để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi là:

Q = GF Cp (tc – tđ) [II.46]

- GF: Lượng hỗn hợp đầu cần đun nóng hoặc làm nguội, (kg/s)

- tc, tđ: Nhiệt độ đầu và cuối của hỗn hợp, ( o C)

- C: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu ở ttb, J/kg.độ

Tại tF = 95.58 o C, nội suy trong Bảng I.153 [I.171] ta được

Vậy nhiệt lượng cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi là

Q = 62272,76 (J/h) Tải nhiệt trung bình cho quá trình truyền nhiệt

Các chuẩn số cần thiết

 Khối lượng riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ trung bình

Với ttb = 60.29 o C Nội suy theo Bảng I.2 [I.9] ta được

 Tính độ nhớt của dung dịch lgdd = xF.lgA+ (1 – xF).lgN [I.12 - I.84]

Tại ttb = 60.29 o C Nội suy trong bảng I.102 [I.91] ta có:

Toluene = 0.437*10 -3 Ns/m 2 Suy ra, lgdd = 0.65 × lg(0.449.10 -3 ) + (1 – 0.65) × lg(0.437.10 -3 )

Chọn vận tốc của dung dịch đi trong ống là 0.2 (m/s)

 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch,  λ hỗnhợp = aF × λ ( Benzene ) +(1−aF ) × λ Toluene , (w/m.độ)

Ta nội suy từ bảng giá trị

Hệ số dẫn nhiệt- W/m2.độ

Xét tại nhiệt độ ttb = 60.29 o C, nội suy theo bảng trên ta được hệ số dẫn nhiệt lần lượt của

Suy ra, λ hỗnhợp =a F λ Benzen +( 1−a F ) × λ Toluen λ hỗnhợp = 0.35 × 0.129 +( 1 − 0.35) × 0.119

 Tính chuẩn số Pran của hỗn hợp

- Prt: Chuẩn số Pran tính theo ttb của tường

- 1: Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính

Ta có: Đường kính ống dn = 38 (mm)

Với d l >50 và Re > 10 4 Tra Bảng V.2 [II.15] ta có 1= 1,0

Do chênh lệch giữa vỏ và dòng lưu thể là khá nhỏ nên ta có thể coi P P r r t

 Tính hệ số cấp nhiệt

Hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt  1 α 1 =2 , 04 × A × √ 4 Δt H r , (w/m 2 độ) [V.101 – II.28] Trong đó:

- r: Ẩn nhiệt ngưng tụ của nước, (J/kg)

- A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng, tm t m = 0 , 5 × ( t T 1 + t bh ) [II.29]

- tT1: Nhiệt độ của bề mặt tường, tiếp xúc với nước ngưng, ( o C)

- tbh: Nhiệt độ của hơi nước bão hoà, ( o C)

- t1: hiệu số nhiệt độ giữa tbh và nhiệt độ phía tường tiếp xúc với nước ngưng

Ta có nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ là tT1 = tbh - t1 tT1 = 133,7 – 4 = 129,7 ( o C) Nhiệt độ màng nước ngưng tụ là tm = 118.2 + 2 133 , 7 = 131,7 ( o C)

Với tm = 131,7 o C Nội suy trong [II.29] ta được A = 182,85 và nội suy Bảng I.251 [I.314] ta có r = 2208.10 3 (J/kg)

Vậy hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ là α 1 =2.04 × 182, 85 × 4 √ 2208.10 4 × 1.5 2 3

 Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ q1 = 1.t1 = 9141,69 × 4 = 36566,78 (w/m 2 )

 Hiệu số nhiệt độ ở hai bề mặt thành ống

- r1, r2: Nhiệt trở của cặn bẩn bám vào hai bên thành ống phía hơi đốt và phía dung dịch, (m 2 độ/w)

- : Chiều dày của thành ống,  = 2.5*10 -3 (m) r1, r2 tra Bảng PL.12 “Sách Tính toán quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất Tập 1” ta có: r 1 = r 2 =0.000387 (m 2 độ/w)

 Nhiệt độ thành ống phía dung dịch tT2 = tT1 - tT1 = 133,7 –4 = 129,7 ( o C)

 Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch.

 Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch  2 α 2 = Nu λ d t = 90,587 × 0.121

 Nhiệt tải riêng từ thành ống đến dung dịch q2 = 2.t2 = 333,35 × 69,41 = 23137,62 (w/m 2 )

 Nhiệt tải riêng trung bình q tb = q 1 +q 2

Tổng số ống n được tính theo công thức n= F f

- f: diện tích xung quanh của một ống, m 2 f = .dn.h, (m 2 ) f = 3.14 × 0.033 × 1.5 = 0.155

Quy chuẩn n = 19 ống Bảng V.11 [II.48]

Ta bố trí ống sắp xếp theo hình 6 cạnh gồm 2 hình Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là b = 3 ống.Tra bảngV.11 [II.48]

 Vận tốc thực chảy trong ống

t: tốc độ chất lỏng thực tế chảy trong ống, (m/s)

Theo lý thuyết ta chọn: t = 0.2 (m/s)

Do lý thuyết lớn hơn thực tế nên ta phải chia ngăn.

 Số ngăn m = ω ω ¿ t = 0.2 0.034 = 5 , 82 Theo nguyên tắc số ngăn phải chẵn nên ta chọn m = 6 (ngăn)

 Tính đường kính thiết bị

Vậy thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu có các thông số sau

TÍNH TOÁN CHIỀU CAO THÙNG CAO VỊ VÀ THIẾT BỊ BƠM .80 1 Thùng cao vị và thiết bị bơm

Chiều cao bồn cao vị

 Xác định tổn thất trên đường ống dẫn

Ta chọn ống dẫn có đường kính trong d1 = 50 (mm) Tra bảng II.15/381 “Sổ tay quá trình thiết bị tập 2” để tra độ nhám của ống  ε =0 , 1(mm) = 0,0001 (m)

Tổn thất đường ống dẫn được xác định bằng công thức sau: h 1 = ( λ 1 d l 1 1 + ∑ ξ ) 2 v F 2 g

- λ 1: Hệ số ma sát trong đường ống

- l 1 : Chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 15 (m)

- d 1 : Đường kính ống dẫn, d = 50 (mm) = 0,05 (m)

- ∑ ξ : Tổng hệ số tổn thất cục bộ

- vF: Vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn

 Tính vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn

+ Nhiệt độ trung bình dòng nhập liệu

Tra bảng I.2/9 “Sổ tay quá trình thiết bị tập 1” và nội suy giá trị khối lượng riêng của các cấu tử theo nhiệt độ, với ttb = 60,29 o C.

+ Xác định Khối lượng riêng hỗn hợp tại nhiệt độ ttb = 60,29 o C

+ Xác định độ nhớt hỗn hợp tại nhiệt độ ttb= 60,29 o C

Tra bảng I.101/91 “Sổ tay quá trình thiết bị tập 1” và nội suy giá trị độ nhớt tương ứng theo nhiệt độ của các cấu tử, ta được:

+ Độ nhớt của hỗn hợp được xác định bằng công thức log μ hh = x F log μ Benzene +( 1 – x F ) log μToluene log μ hh =0 , 39 ×log(0,449 10 −3 )+(1 – 0 ,39) × log(0,437 10 −3 )

+ Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống được xác định

- Tính hệ số ma sát trong đường ống

+ Xác định dòng chất lỏng chảy: ℜ= ω∗d∗ρ f μ f = 0,284∗0 , 05∗829 , 55

 Dòng chất lỏng chảy xoáy

+ Chuẩn số Reynold tới hạn của khu vực nhẵn thủy lực

+ Chuẩn số Reynold khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám

 Regh < Re < Ren nên hệ số ma sát λ phụ thuộc vào chuẩn số Re và độ nhám của thành ống.

- Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ

Tra bảng II.16/382 “Sổ tay quá trình thiết bị tập 1”, ta xác định được các giá trị sau:

+ Chọn dạng đường ống uốn cong 90 o  ξ 1 = 0 , 15, có 6 chỗ uốn nên ξ 1 = 0 , 15 ∗ 6 = 0 , 9

+ Chọn van cầu với độ mở hoàn toàn thì ξ 1 van = 5 Đường ống có 2 van cầu nên:

+ Tổng hệ số tổn thất cục bộ:

+ Tổn thất trên đường ống h1:

Tính toán chiều cao thùng cao vị so với vị trí nạp liệu

(1-1): Mặt thoáng chất lỏng trong thùng cao vị

(2-2): Vị trí nhập liệu của tháp

- z1: Độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, coi như chiều cao bồn cao vị

- z2: Độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay coi là chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu:

- P1: Áp suất tại mặt thoáng (1-1)

- P2: Áp suất tại mặt thoáng (2-2)

- v1: Vận tốc tại mặt thoáng (1-1), w1= 0 (m/s)

- v2: Vận tốc tại vị trí đĩa nhập liệu (2-2), w2 = vF = 0,284 (m/s)

Vậy chiều cao bồn cao vị là: ¿> z 1 =z 2 + P 1 − P 2 ρ F ∗ g + w 1 2 − w 2 2

Vậy ta thiết kế chọn chiều cao bồn cao vị Hcv = 5 (m)

Tính toán hệ thống bơm

Để tính toán bơm cho việc đưa hỗn hợp đầu lên thùng cao vị, cần xác định các trở lực của đường ống dẫn liệu và thiết bị gia nhiệt Từ đó, ta có thể tính chiều cao thùng cao vị so với vị trí đĩa tiếp liệu vào tháp Cuối cùng, hãy tính công suất và áp suất toàn phần của bơm, với lựa chọn bơm ly tâm.

Những ưu điểm của bơm ly tâm:

- Vận chuyển chất lỏng liên tục và đều đặn

- Có số vòng quay lớn, có thể truyền động trực tiếp từ động cơ điện

Có thể bơm được chất lỏng bẩn và nhiều loại chất lỏng

 Năng suất thể tích bơm

- Chọn ống đường kính ống dẫn nguyên liệu: dnl =0,05 (m)

+ Lưu lượng chảy qua ống bơm được xác định

- GF: lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu, (kg/s)

- ρ : Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu, (kg/m 3 )

+ Xác định khối lượng riêng của hỗn hợp đầu tại nhiệt độ t = 25 ( o C)

Tra bảng I.2/9 “Sổ tay quá trình thiết bị tập 1” và nội suy giá trị khối lượng riêng của các cấu tử tương ứng theo nhiệt độ:

+ Khối lượng riêng của hỗn hợp tại t= 25 0 C

+ Lưu lượng thể tích chảy qua ống bơm

7.1.3.2 Xác định đường kính ống bơm

+ Đường kính ống bơm được xác định: d = √ 0,785 V ω

- ω: Vận tốc của chất lỏng trong ống, m/s

 Chọn từ bảng II.2/370 “Sổ tay quá trình thiết bị tập 1”  ω=2(m/s)

- V: Lưu lượng thể tích của chất lỏng chảy trong ống, (m 3 /s)

 Đường kính ống bơm được xác định

Tính áp suất toàn phần của bơm

+ Áp suất toàn phần của bơm được xác định theo công thức II.53/376 “ Sổ tay quá trình thiết bị tập 1”

∆ P = ∆ Pđ + ∆ Pm + ∆ PH + ∆ PC + ∆ PT + ∆ PK

- ∆ Pđ: Áp suất động lực học, (N/m 2 )

- ∆ Pm: Áp suất để thắng trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng, (N/m 2 )

- ∆ PH: Áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để thắng áp suất thủy tĩnh, (N/m 2 )

- ∆ PC: Áp suất cần thiết để thắng trở lực cục bộ, (N/m 2 )

- ∆ PT: Áp suất cần thiết để thắng trở lực trong thiết bị, (N/m 2 )

- ∆ PK: Áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn trong trường hợp đầu ra của chất lỏng cần áp suất cao hơn, (N/m 2 ).

+ Áp suất động lực học được xác định theo công thức II.54/377 “Sổ tay quá trình thiết bị tập 1”.

- ρ = 865 , 42 (kg/m 3 ) là khối lượng riêng của hỗn hợp đầu ở 25 o C

 Áp suất động lực học được: ∆ P đ =ρ × ω 2

Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực ma sát trong dòng chảy ổn định của ống thẳng được xác định theo công thức II.55/377 trong "Sổ tay quá trình thiết bị tập 1".

- L: Chiều dài ống dẫn, (m), chọn L = 15 (m)

- d td : Đường kính tương đương của ống dẫn, (m), d = 0,025 (m)

Hệ số ma sát λ phụ thuộc vào chế độ chuyển động của chất lỏng và độ nhám của thành ống dẫn, phụ thuộc vào chuẩn số Re.

+ Đối với chuẩn số Reynold dòng nhập liệu ta xác định:

+ Xác định tốc độ dòng chảy trong ống bơm được xác định:

Tra bảng I.101/91 “Sổ tay quá trình thiết bị tập 1” và nội suy giá trị độ nhớt tương ứng theo nhiệt độ của các cấu tử, ta được:

+ Độ nhớt của hỗn hợp được xác định bằng công thức log μ hh =x F log μ Benzene +(1– x F ).log μToluene

+ Chuẩn số Reynold dòng nhập liệu:

0,635∗10 −3 B276,11 (1) + Chuẩn số Reynold tới hạn được xác định

+ Chuẩn số Reynold bắt đầu xuất hiện vùng nhám được xác định:

 Từ (1), (2), (3) ta suy ra được: Regh

Tiêu đề	Đề Tài Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống Chưng Luyện Liên Tục Hỗn Hợp Benzene – Toluene Bằng Tháp Đệm
Tác giả	Hoàng Minh Tân, Nguyễn Lê Anh Kiệt, Trần Nguyễn Trường Giang, Cao Khánh
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân, PGS. TS Trương Hữu Trì
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa
Chuyên ngành	Công Nghệ Hóa Học
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	97
Dung lượng	2,1 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
1.Tập thể tác giả, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất, Tập 1, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 1992	Khác
2.Tập thể tác giả (Hiệu đính: TS Trần Xoa; Pgs,TS Nguyễn Trọng Khuông;TS Phạm Xuân Toản)	Khác
3.Gs – Ts Nguyễn Bin; Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm;Tập 1; Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2004	Khác
4. Gs – Ts Nguyễn Bin, Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm; Tập 4; Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2005	Khác
5. Gs – Ts Nguyễn Bin, Tính toán các quá trình, thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm Tập 1; Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2004	Khác
6. Gs – Ts Nguyễn Bin; Tính toán các quá trình, thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm. Tập 2; Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2001	Khác