Đồ án môn học thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử benzen – toluen

Phần đồ án này sẽ trình bày thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp gồm hai cấu tử benzen-toluen, làm việc ở áp suất thường với

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

Sơ đồ công nghệ, chú thích

2 – Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

3 – Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp

4 – Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

5 – Thiết bị đun sôi đáy tháp

6 – Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

7 – Thùng chứa hỗn hợp đầu

8 – Thùng chứa sản phẩm đáy

9 – Thùng chứa sản phẩm đỉnh

12 – Lưu lượng kế đo hỗn hợp đầu

13 – Lưu lượng kế đo sản phẩm đỉnh

15 – Bộ phận tháo nước ngưng

❖ Tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền có 4 chế độ thủy động:

Chế độ thấm ướt là khi vận tốc của hơi thấp, dẫn đến việc hơi và lỏng không đi qua cùng một lỗ, do đó chúng chỉ tiếp xúc với nhau tại màng chất lỏng.

- Chế độ sủi bọt: Khi tăng vận tốc hơi lên đến 1 giới hạn nào đó trên đĩa chất lỏng còn có bọt

- Chế độ huyền phù: Nếu tiếp tục tăng vận tốc hơi lên nữa thì chất lỏng trên đĩa không còn nữa mà chỉ còn lớp bọt, lớp bọt xoáy mạnh

- Chế độ sóng: Vận tốc hơi tăng đến giới hạn cao thì xuất các tia, gây chấn động, trở lực của đĩa tăng nhanh Cuối chế độ này nếu tiếp tục tăng vận tốc hơi lên sẽ có hiện tượng chất lỏng bị cuốn theo và không chảy xuống đĩa nữa

=> Chế độ làm việc tốt nhất là chế độ sủi bọt.

Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Dung dịch đầu từ thùng chứa hỗn hợp đầu 7 được bơm 10 bơm liên tục đưa vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 2 qua van và lưu lượng kế 12 Bơm 11 được lắp song song dự phòng trường hợp bơm 10 bị hỏng hóc Tại thiết bị gia nhiệt 2, dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi tF thì được đưa vào tháp chưng luyện 1 tại vị trí đĩa tiếp liệu

Trong tháp chưng luyện 1, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống, nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi của nồng độ Cụ thể trên một đĩa lỗ của tháp, chất lỏng có nồng độ của cấu tử dễ bay hơi là xb hơi bốc lên có nồng độ yb trong đó y1>x1 Hơi này qua các lỗ đĩa đi lên trên, sục trực tiếp với lỏng trên đĩa Nhiệt độ của chất lỏng trên đĩa 2 thấp hơn đĩa 1, nên một phần hơi được ngưng tụ lại, do đó nồng độ cấu tử dễ bay hơi trên đĩa này là x2>x1 Hơi bốc lên từ đĩa 2 có nồng độ cấu tử dễ bay hơi là y2>x2 đi lên đĩa 3, nhiệt độ của lỏng trên đĩa 3 thấp hơn đĩa 2, nên hơi được ngưng tụ một phần và chất lỏng trên đĩa 3 có nồng độ x3>x2 Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truyền chất giữa pha lỏng và pha hơi, quá trình bốc hơi và ngưng tụ một phần lặp lại nhiều lần, cuối cùng trên đỉnh tháp thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ cấu tử dễ bay hơi cao và dưới đáy tháp thu được sản phẩm đáy có nồng độ cấu tử khó bay hơi cao

Lỏng dưới đáy giàu cấu tử khó bay hơi qua bộ phận chia dòng đáy tháp , một phần sẽ được đưa ra khỏi thiết bị và làm lạnh ở thiết bị làm lạnh 6, khi đạt đến nhiệt độ cần thiết sẽ được đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy 8 Một phần sản phẩm đáy sẽ được qua thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp 5 để hồi lưu hơi trở về tháp

Hơi trên đỉnh tháp giàu cấu tử dễ bay hơi đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu 3, ở đây nó được ngưng tụ lại Qua bộ phận chia dòng, một phần chất lỏng hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng, một phần khác đi qua thiết bị làm lạnh 4 để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh 9

Như vậy với thiết bị làm việc liên tục thì hỗn hợp đầu được đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được tháo ra liên tục.

BẢN KÊ CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG

Các kí hiệu và đại lượng

Ký hiệu Tên gọi Đơn vị x Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng Phần mol y Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi Phần mol y* Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng Phần mol a Nồng độ cấu tử dễ bay hơi Phần khối lượng

F Lưu lượng hỗn hợp đầu kg/h

P Lưu lượng sản phẩm đỉnh kg/h

W Lưu lượng sản phẩm đáy kg/h

GF Lưu lượng hỗn hợp đầu kmol/h

GP Lưu lượng sản phẩm đỉnh kmol/h

GW Lưu lượng sản phẩm đáy kmol/h t 0 Nhiệt độ sôi 0 C

 Hệ số bay hơi tương đối

NLT Số đĩa lý thuyết

NTT Số đĩa thực tế

D Đường kính tháp chưng luyện m

H Chiều cao tháp chưng luyện m

M Khối lượng mol kg/kmol r Ẩn nhiệt hóa hơi, ẩn nhiệt ngưng tụ kcal/kmol

 Tốc độ lỏng hoặc hơi m/s

 Sức căng bề mặt dyn/cm;

P Trở lực tháp chưng luyện N/m 2

 Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) J/kg

C Nhiệt dung riêng J/kg.độ p Áp suất N/m 2 , at

Các chỉ số bên dưới

A Của (thuộc về) A, cấu tử dễ bay hơi hơn: Benzen

B Của (thuộc về) B, cấu tử khó bay hơi hơn: Toluen

G Dòng hơi dc Đoạn chưng dl Đoạn luyện x Thuộc về pha lỏng y Thuộc về pha hơi

1 Vị trí 1/ đĩa thứ nhất

2 Vị trí 2/ đĩa thứ hai k Vị trí k/ đĩa thứ k k-1 Vị trí k-1/ đĩa thứ k-1 n Vị trí n/ đĩa thứ n tb Giá trị trung bình min Giá trị nhỏ nhất max Giá trị lớn nhất bh Hơi nước bão hòa

TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH

Cân bằng vật liệu

Gọi F : lưu lượng hỗn hợp đầu, 9100 kg/h, kmol/s

P: lưu lượng sản phẩm đỉnh, kg/s, kmol/s

W : lưu lượng sản phẩm đáy, kg/s, kmol/s aF : nồng độ hỗn hợp đầu, 40,5 % khối lượng aP : nồng độ sản phẩm đỉnh, 97,5 % khối lượng aW : nồng độ sản phẩm đáy, 1,4 % khối lượng xP : nồng độ hỗn hợp đầu, % mol xF : nồng độ hỗn hợp đầu, % mol xW : nồng độ hỗn hợp đầu, % mol Để thuận tiện trong quá trình tính toán ta ký hiệu : Benzen là A : MAx

4.1.2 Tính cân bằng vật liệu:

Phương trình cân bằng vật viết cho toàn tháp:

F = P + W (1) Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử dễ bay hơi:

4.1.2.1 Tính nồng độ phần mol của cấu tử Benzen:

 Thành phần mol trong hỗn hợp đầu:

 Thành phần mol trong hỗn hợp sản phẩm đỉnh:

 Thành phần mol trong sản phẩm đáy:

4.1.2.2 Tính khối lượng mol trung bình:

MF = xF MA + (1- xF )MB = 0,445.78 + (1- 0,445).92 = 85,77(kg/kmol)

MP = xP MA + (1- xP )MB = 0,979.78 + (1- 0,979).92 = 78,294 (kg/kmol)

MW = xW MA + (1- xW )MB = 0,0165.78 + (1- 0,0165).92 = 91,769 (kg/kmol)

Như vậy ta có bảng tổng kết thành phần sản phẩm như sau:

Nồng độ phần khối lượng

4.1.2.3 Thành phần pha của hỗn hợp 2 cấu tử Benzen-Toluen

Bảng thành phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cẩu tử ở áp suất

760 mmHg (%mol) bảng [IX.2a – 2 – 146] x(% phần mol)

0 11,8 21,4 38 51,1 61,9 71,2 79 85,4 91 95,9 100 t( o C) 111 108 106 102 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2 Đồ thị quan hệ x,y-t Đồ thị cân đường cân bằng lỏng(x) – hơi(y)

4.1.3 Xác định số đĩa lí thuyết N lt , tìm chỉ số hồi lưu thích hợp Rth a) Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 y ( % mo l) x (% mol) Đồ thị xác định chỉ số hồi lưu nhỏ nhất R min

Với giá trị xF = 0,445 ta kẻ đường thẳng song song với trục y và cắt đường cân bằng, từ đó kẻ đường thẳng song song với trục x cắt trục y tại B và ta xác định được y*F

= 0,663 Từ đó dựa vào hình ta có xF = 0,445 => y*F = 0,663

Từ đó ta có chỉ số hồi lưu min :

R 1, 45 y x 0,663 0, 445 b) Xác định số đĩa lý thuyết nhỏ nhất Nlt min

Xác định Nltmin ở chế độ hồi lưu hoàn toàn bằng công thức Fenske:

 Trong đó α là hệ số bay hơi tương đối xác định theo công thức sau: y *

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Đối với hỗn hợp lý tưởng thì α=const không phụ thuộc vào nồng độ Còn với hỗn hợp lý tưởng như benzen-toluen đang xét thì α là giá trị trung bình α = (α1 α2 α3… αk) 1/k

Trong đó αi (i=1÷K) là các giá trị tương ứng với xác giá trị xi khác nhau, do đó áp dụng công thức tính α ta xây dựng được bảng số liệu các giá trị αi tương ứng với xi như sau x ( phần mol ) 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 y ( phần mol ) 0,12 0,21 0,38 0,51 0,62 0,71 0,79 0,85 0,91 0,96 α 2,54 2,45 2,45 2,44 2,44 2,47 2,51 2,51 2,53 2,6

Hệ số bay hơi tương đối: α = (α1 α2 α3… αk) 1/k = 2,493 Áp dụng công thức Fenke với xP = 0,979 phần mol, xW = 0,0165 phần mol α = 2,493 ta được: lt min

Nltmin=8,68 c) Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Rth

Chỉ số hồi lưu thích hợp thường được xác định qua chỉ số hồi lưu tối thiểu:

Trong đó: α là hệ số dư hay hệ số điều chỉnh

Tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu làm việc là: α = (1,1 ÷ 2,8) Rx = (1,595÷ 4,06) α 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,55 1,58

N*(R+1) 51,129 51,452 52,459 53,871 55,544 57,395 59,372 Đồ thị quan hệ V = N lt (R+1)

Từ đồ thị trên => ta tìm được Rth = 2,315

4.1.4 Xác định phương trình đường làm việc đoạn chưng, đoạn luyện

Phương trình đường làm việc đoạn chưng: th W th th

Phương trình đường làm việc đoạn luyện: th P th th

Xác định đường kính tháp chưng luyện

4.2.1 Xác định lượng hơi và lỏng trung bình trong tháp chưng luyện Đối với tháp chưng luyện loại đĩa, do ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử trong hỗn hợp cần tách khác nhau nên lượng hơi sẽ khác nhau ở các tiết diện khác nhau của tháp Để tính lượng hơi này cần phải giải kết hợp các phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng

4.2.1.1 Xác định lượng hơi và lỏng trung bình trong đoạn luyện

- Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao và khác nhau tại mỗi một đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình riêng cho từng đoạn

- Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện có thể tính gần đúng theo công thức đ 1 tbL g g g 2 gtbL – lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kmol/s hoặc kg/s gđ – lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kmol/s hoặc kg/s g1 – lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kmol/s hoặc kg/s

• Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp: gđ = GR + GP = GP(Rth+1)

GP – lượng sản phẩm đỉnh, kmol/s hoặc kg/s

GR – lượng chất lỏng hồi lưu, kmol/s hoặc kg/s

Rth – chỉ số hồi lưu thích hợp

• Lượng hơi đi vào đoạn luyện

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa dưới cùng đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình sau:

1 1 đ đ g G G g y G x G x g r g r Trong đó: y1 – hàm lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, phần mol

G1 – lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện r1 - ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất rđ - ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp x1 = xF = 0,445 (phần mol) r1 = rA.y1 + (1-y1).rB

Với rA, rB là ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử nguyên chất là benzen và toluen ở t o F

Với x1 = xF = 0,445, nội suy từ bảng [X.2a – 2 – 146] ta xác định được t o F = 93,805 o C Với t o F = 93,805 o C, nội suy từ bảng [I.212 – 1 – 254] ta được: rA = 7143,24 (kcal/kmol) rB = 8164,08 (kcal/kmol)

→ r1 = rA.y1 + (1-y1).rB = 7143,24y1 + (1-y1).8164,08 = 8164,08 – 1020,84y1 xP = 0,979 (phần mol) rđ = rA.yđ +(1-yđ).rB

Với rA, rB là ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử nguyên chất là benzen và toluen ở t o P

Với xP = 0,979 (phần mol) nội suy từ bảng [X.2a – 2 – 146] ta xác định được t o P 80,641 o C

Với t o P = 80,641 o C, nội suy từ bảng [I.212 – 1 – 254] ta được: rA = 7323,42 (kcal/kmol) rB = 8309,44 (kcal/kmol)

→ rđ = rA.yđ +(1-yđ).rB = 7323,42yđ + (1-yđ).8309,44 yd là hàm lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần mol → yđ = yP = xP = 0,979 (phần mol)

Thay các giá trị đã tính được vào hệ phương trình ta được:

Giải hệ phương trình trên ta được:

G1 = 105,39 (kmol/h) g1 = 152,68 (kmol/h) y1 = 0,61 (phần mol) Thay y1 vào r1 = 8164,08 – 1020,84y1 ta có r1 = 7541,37 (kcal/kmol)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện:

Nồng độ trung bình của đoạn luyện: đ

Khối lượng trung bình của đoạn luyện:

4.2.1.2 Xác định lượng hơi và lỏng trung bình trong đoạn chưng

Trong đó: g’n – lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/s hoặc kmol/s g’1 – lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/s hoặc kmol/s

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên:

Lượng hơi đi trong đoạn chưng g’1, lượng lỏng G’1 và hàm lượng lỏng x’1 được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng:

G’ x’ g’ y G x g’ r’ g’ r’ rg. Trong đó: xw – thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy y’1 = y’W 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 r’n - ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

Ta có xw = 0,0165 (phần mol), GW = 58,62 (kmol/h), g1 = 152,68 (kmol/h), r1 = 7541,37 (kcal/kmol) xw = 0,0165 (phần mol) → y’1 = yW = 0,039 (phần mol) tính theo đường cân bằng r’1 = rA.y’1 + (1-y’1).rB với rA, rB là ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử nguyên chất là benzen và toluen ở t o W Với xw = 0,0165 (phần mol), sử dụng công thức nội suy tuyến tính, dựa vào bảng [X.2a – 2 – 146] ta được t o W = 109,841 o C

Từ t o W = 109,841 o C, nội suy từ bảng I.212 và I.213 sổ tay QTTB tập 1 ta được rA = 6907,68 (kcal/kmol) rB = 7962,6 (kcal/kmol)

Thay vào hệ phương trình trên ta được:

Giải hệ phương trình trên ta được:

G’1 = 204,17 (kmol/h) g’1 = 145,35 (kmol/h) x’1 = 0,033 (phần mol) Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng:

Nồng độ trung bình của đoạn chưng:

Khối lượng trung bình của đoạn chưng:

4.2.2 Xác định khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi trong tháp chưng luyện

4.2.2.1 Xác định khối lượng riêng của pha lỏng trong tháp chưng luyện a) Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện

Ta có công thức: tbL tbL xtbL xtb1 xtb2 a 1 a

xtbL: Khối lượng riêng của pha lỏng trong đoạn luyện

xtb1, xtb 2 : Khối lượng riêng của benzen và toluen trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m 3 ) atbL: phần khối lượng của benzen trong pha lỏng

Nồng độ trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện:

Nhiệt độ trung bình của đoạn luyện:

Với ttbL= 87,223 o C Nội suy từ số liệu trong bảng [I.2 – 1 – 9] ta được: xtbL benzen 807,05

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện là: tbL tbL xtbL ben ze n t olue n a 1 a

=>  xtbL = 805,1 (kg/m 3 ) b) Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng

Ta có công thức: tbC tbC xtbC xtb1 xtb2 a 1 a

xtbC: Khối lượng riêng của pha lỏng trong đoạn chưng

xtb1, xtb2 : Khối lượng riêng của benzen và toluen trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m 3 ) atbC: phần khối lượng của benzen trong pha lỏng

Nồng độ trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng:

Nhiệt độ trung bình của đoạn chưng:

0C Với ttbC= 101,823 o C Nội suy từ số liệu trong bảng [I.2 – 1 – 9] ta được: xtbC benzen 790,81

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng là: tbC tbC xtbC ben ze n t olue n a 1 a

4.2.2.2 Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong tháp chưng luyện a) Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong đoạn luyện Áp dụng công thức: [IX.102 – 2 – 183] tbL A tbL B ytbL [y M (1 y 3

MA, MB: là khối lượng phân tử của benzen và toluen

T: Nhiệt độ làm việc của tháp ytbL: Nồng độ trung bình của pha hơi trong đoạn luyện dL cL tbL y y y 2 [2 – 183] y : Nồng độ pha hơi đầu đoạn luyện dL dL 1 y y 0,61 (phần mol) y : Nồng độ pha hơi cuối đoạn luyện cL cL p P y y x 0,979 (phần mol)

Nhiệt độ trung bình của đoạn luyện:

=> Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong đoạn luyện là: tbL A tbL B ytbL [y M (1 y 3

=>  ytbL 2, 736 (kg/m 3 ) b) Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong đoạn chưng Áp dụng công thức: [IX.102 – 2 – 183] tbC A tbC B ytbC [y M (1 y 3

MA, MB: là khối lượng phân tử của benzen và toluen

T: Nhiệt độ làm việc của tháp ytbC: Nồng độ trung bình của pha hơi trong đoạn chưng dC cC tbC y y y 2 [2 – 183] y : Nồng độ pha hơi đầu đoạn chưng dC dC W y y 0,039 (phần mol) y : Nồng độ pha hơi cuối đoạn chưng cC cC 1 y y 0,61 (phần mol)

Nhiệt độ trung bình của đoạn chưng:

=> Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong đoạn chưng là: tbC A tbC B ytbC [y M (1 y 3

4.2.3 Xác định vận tốc pha hơi đi trong tháp chưng luyện

Tốc độ hơi đi trong tháp đĩa lỗ không có kênh chảy truyền

Tốc độ giới hạn trên được tính theo công thức: Y = 10.e -4x [IX.112 – 2 – 186]

Tốc độ giới hạn dưới được tính theo công thức: Y = 2,95.e -4x [IX.113– 2 – 187]

Ftd: Mặt cắt tự do của đĩa, m 2 /m 2 ; thường lấy từ (15-20)% mặt cắt tháp g: Gia tốc trọng trường, bằng 9,8 m/s 2

   : Độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình và của nước ở 20 0 C

Gx, Gy: Lưu lượng của lỏng và hơi đi trong tháp, kg/h dtd: Đường kính tương đương của lỗ, m; chọn dtd = 0,006 m

Tốc độ trung bình của hơi đi trong tháp là:

Với  yt là tốc độ giới hạn trên

Hỗn hợp benzen-toluen chọn d = 0,006 (m)

Ftd = 18% mặt cắt tháp; Ftd = 0,18 m 2 /m 2 xL 2, 736

Nồng độ trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện:

Với ttbL = 87,223 o C Nội suy từ số liệu trong bảng [I.101 – 1 – 91] ta được:

Ta có: log x = xtbL.log A + (1-xtbL).log B [I.12 – 1 – 84] log xL = 0,712.log0,298 + (1-0,712).log0,303 xL 0, 297

Vận tốc hơi đi trong đoạn luyện là:

ytbL= (0,8-0,9). yt Chọn  ytbL = 0,85  ytbL

Hỗn hợp benzen-toluen chọn d = 0,006 (m)

Ftd = 18% mặt cắt tháp; Ftd = 0,18 m 2 /m 2 xC 2,844

Nồng độ trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng:

Với ttbC = 101,823 o C Nội suy từ số liệu trong bảng [I.101 – 1 – 91] ta được:

Ta có: log x = xtbC.log A + (1-xtbC).log B [I.12 – 1 – 84] log xC = 0,231.log0,257 + (1-0,231).log0,267 xC 0, 265

Vận tốc hơi đi trong đoạn chưng là:

ytbC= (0,8-0,9). yt Chọn  ytbC = 0,85. yt

4.2.4 Xác định đường kính tháp chưng luyện

Ta có công thức: L tbL y y tbL

Với gtbL là lượng hơi đi trong đoạn luyện gtbL = 12512,61 (kg/h)

Ta có công thức: C tbC y y tbC

Với gtbC là lượng hơi đi trong đoạn chưng gtbC = 13032,4 (kg/h)

Xác định chiều cao tháp chưng luyện

Phương pháp tính chiều cao của tháp chưng luyện loại đĩa lỗ: Tính theo số bậc thay đổi nồng độ Động học của quá trình chưng luyện được biểu diễn qua hiệu suất của đĩa còn động lực được tính gián tiếp qua số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)

❖ Tính số đĩa thực tế dựa trên hiệu suất trung bình

Công thức tính số đĩa thực tế: tt lt tb

NLT – số đĩa lý thuyết n

 , [IX.60 – 2 – 171]: hiệu suất trung bình của cả thiết bị n – số vị trí tính hiệu suất,

tb: là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp chất lỏng Độ bay hơi tương đối: y 1 x

Công thức tính độ nhớt của hỗn hợp chất lỏng: log hh = x.log A + (1-x).log B [I.12 – 1 – 84]

Trong đó: μhh – độ nhớt của hỗn hợp benzen và toluen, cP μA – độ nhớt của benzen, cP μB – độ nhớt của toluen, cP Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với R th = 2,315

Số đĩa lý thuyết đoạn chưng: NltC = 8 (đĩa)

Số đĩa lý thuyết đoạn luyện: NltL = 6 (đĩa)

•Xác định hiệu suất ở đĩa trên cùng (ηP)

Tại xP = 0,979 (phần mol), nội suy từ bảng [IX.2a – 2 – 146) ta được y * P = 0,991 (phần mol), t o P = 80,641 o C nội suy từ bảng [I.101 – 1 – 91] ta được μA = 0,314 (cP) và μB 0,317 (cP)

→ Độ nhớt của hỗn hợp là lgμhh = xP.lgμA + (1-xP).lgμB → μhh = 0,314 (cP) Độ bay hơi tương đối y 1 x

• Xác định hiệu suất ở đĩa tiếp liệu (ηF)

Tại xF = 0,445 (phần mol), nội suy từ bảng [IX.2a – 2 – 146) ta được y * F = 0,663 (phần mol), t o F = 93,805 o C nội suy từ bảng [I.101 – 1 – 91] ta được μA = 0,278 (cP) và μB 0,286 (cP)

→ Độ nhớt của hỗn hợp là lgμhh = xP.lgμA + (1-xF).lgμB → μhh = 0,282 (cP) Độ bay hơi tương đối y 1 x

• Xác định hiệu suất ở đĩa dưới cùng (ηW)

Tại xW = 0,0165 (phần mol), nội suy từ bảng ( IX.2a – 2 – 146) ta được y * W = 0,039 (phần mol), t o W = 109,841 o C nội suy từ bảng (I.101 – 1 – 91] ta được μA = 0,24 (cP) và μB = 0,251 (cP)

→ Độ nhớt của hỗn hợp là lgμhh = xP.lgμA + (1-xW).lgμB → μhh = 0,251 (cP) Độ bay hơi tương đối y 1 x

Xác định hiệu suất tại đoạn chưng: xW x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 xF x 0,0165 0,025 0,05 0,09 0,147 0,22 0,302 0,377 0,438 0,445 y 0,039 0,059 0,118 0,195 0,292 0,406 0,513 0,594 0,654 0,663 t 109,84 109,45 108,3 103,42 106,54 101,48 98,532 95,982 94,022 93,805 μA 0,24 0,24 0,243 0,247 0,252 0,258 0,265 0,272 0,277 0,278 μB 0,251 0,252 0,254 0,258 0,262 0,268 0,274 0,28 0,285 0,286 μhh 0,251 0,252 0,253 0,257 0,261 0,266 0,271 0,277 0,281 0,282 α 2,419 2,445 2,542 2,449 2,393 2,423 2,435 2,418 2,425 2,454 α.μhh 0,607 0,615 0,644 0,629 0,623 0,644 0,66 0,67 0,683 0,693 η (%) 55,4 55,2 54,6 54,9 55 54,6 54,2 54 53,8 53,83

Hiệu suất làm việc trung bình của đoạn chưng là: tbC

Xác định hiệu suất tại đoạn luyện: x9 x10 x11 x12 x13 x14 xP x 0,516 0,616 0,724 0,82 0,895 0,947 0,979 y 0,724 0,8 0,867 0,92 0,956 0,978 0,991 t 91,668 88,984 86,224 83,98 82,405 81,313 80,641 μA 0,284 0,291 0,299 0,305 0,309 0,312 0,314 μB 0,29 0,297 0,304 0,309 0,313 0,316 0,317 μx 0,287 0,293 0,300 0,306 0,309 0,312 0,314 α 2,461 2,494 2,485 2,524 2,549 2,488 2,362 α.μhh 0,706 0,731 0,746 0,772 0,789 0,777 0,742 η (%) 53,20 52,80 52,60 52,20 51,80 52,00 52,65

Hiệu suất làm việc trung bình của đoạn luyện là: tbC

Hiệu suất làm việc trung bình của toàn tháp là:

Số đĩa thực tế của đoạn chưng là: ltC ttC tbC

Số đĩa thực tế của đoạn luyện là: ltL ttL tbL

Số đĩa thực tế toàn tháp là: lt tt tb

❖ Xác định chiều cao tháp chưng luyện

Ntt: Số đĩa thực tế h = hC = hL = 500 mm = 0,5 m (khoảng cách giữa 2 đĩa)

: chiều dày của đĩa lấy từ (0,5 – 0,8)dlỗ; chọn= 3 mm = 0,003 m

 h: Khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị (dao động từ 0,8m – 1m); chọn h 0,9 m

Chiều cao của đoạn luyện:

H N (h ) h 12.(0,5 0,003) 0, 45 6, 486(m) Chiều cao của đoạn chưng:

H N (h ) h 15.(0,5 0,003) 0, 45 7,995(m) Chiều cao của tháp chưng luyện:

Xác định trở lực của tháp chưng luyện

 P: Tổng trợ lực của 1 đĩa, (N/m 2 )

Ntt: Số đĩa thực tế của 1 tháp s t d k

 : Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt, (N/m 2 )

 : Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa(trở lực thủy tĩnh), (N/m 2 )

0: Tốc độ hơi qua lỗ của đĩa (m/s)

y: Khối lượng riêng của hơi (kg/m 3 )

Ta có: td 2 td lo

Trong đó: f : Tiết diện tự do của đĩa, mtd 2 f : Diện tích chung của đĩa, md 2 dtd: Đường kính tương đương của lỗ (đối với đĩa lỗ dtd=dlỗ)

P: Hệ số trở lực phụ thuộc vào tỷ số td d f f

Với td d f 0,18 f từ bảng [IX.9 – 2 – 195] =>  P 0, 454

y: Khối lượng riêng trung bình của pha hơi, (kg/m 3 )

y: Độ nhớt của pha hơi, (N.s/m 2 )

0: Tốc độ khí (hơi) qua tiết diện tự do của đĩa, (m/s) Độ nhớt hỗn hợp của pha hơi:

  , [IX.18 – 1 – 85] y là nồng độ benzen trong pha hơi Đoạn luyện: y = ytbL = 0,795 (phần mol) Đoạn chưng: y = ytbC = 0,3245 (phần mol)

❖ Với đoạn luyện ta có: y = ytbL = 0,795 (phần mol)

❖ Với đoạn chưng ta có: y = ytbC = 0,3245 (phần mol)

4.4.2 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (  P s )

Vớit 0 tbL = 87,223 0 C từ bảng [I.242 – 1 – 300] ta có:

Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt với dlỗ > 1mm hhL sL 2 lo lo

Vớit 0 tbL = 101,823 0 C từ bảng [I.242 – 1 – 300] ta có:

Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt với dlỗ > 1mm hhC sC 2 lo lo

4.4.3 Trở lực thủy tĩnh của chất lỏng trên đĩa (P t )

Trong đó: hb: Chiều cao lớp bọt trên đĩa

b: Khối lượng riêng của bọt trên đĩa

4.4.4 Trở lực tổng cộng của toàn tháp (  P ) a) Đoạn luyện:

Trở lực 1 đĩa của đoạn luyện là: P dL P kL P sL P tL

Trở lực tổng cộng của đoạn luyện là: P L N P ttL  dL

Trở lực 1 đĩa của đoạn chưng là: P dC P kC P sC P tC

Trở lực tổng cộng của đoạn chưng là: P C N P ttC  dC

Trở lực tổng cộng của toàn tháp là: dL dC

Tính cân bằng nhiệt lượng tháp chưng luyện

4.5.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1, J/h; [IX.149 – 2 – 196]

QD1 – nhiệt lượng hơi đốt mang vào, J/h

Qf – nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào, J/h

QF – nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra, J/h

Qng1 – nhiệt lượng do nước ngưng mang ra, J/h

Qxq1 – nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy, J/h

❖ Nhiệt lượng hơi đốt mang vào Q D1

QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1, J/h; [IX.149 – 2 – 196]

QD1 – nhiệt lượng hơi đốt mang vào

D1 – lượng hơi đốt, kg/h r1 – ẩn nhiệt hóa hơi , J/kg

1 – hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt, J/kg

C1 – nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ

Do không cần đun nóng quá 100 o C nên ở đây ta sử dụng hơi nước bão hòa

Vì nhiệt độ của hỗn hợp đầu là t o F = 93,805 o C nên nhiệt độ của hơi đốt phải cao, chọn nhiệt độ bằng 119,6 o C tương ứng với áp suất 2 at [I.251 – 1 – 314]

Tra bảng I.251 tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào áp suất, ta có ẩn nhiệt hóa hơi r1 = 2208 kJ/kg, hàm nhiệt hơi đốt 1 = 2710 kJ/kg

❖ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào Q f

Qf – nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào

Cf – nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg.độ tf – nhiệt độ đầu của hỗn hợp, o C

Giả sử gia nhiệt chỗ hỗn hợp đầu tf = 25 o C Từ bảng [IX.151 – 2 – 196] ta có nhiệt dung riêng của benzen và toluen ở 25 o C là CA = 1753,75 J/kg.độ và CB = 1732,5

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:

Cf = aF.CA + (1-aF).CB = 1741,11 (J/kg.độ)

❖ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào Q F

QF – nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra

CF – nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra, J/kg.độ tF – nhiệt độ đầu của hỗn hợp sau khi đi ra khỏi thiết bị đun nóng, o C

Từ số liệu bảng [IX.153 – 1 – 171] , sử dụng công thức nội suy ta tìm được nhiệt dung riêng của benzen và toluen ở nhiệt độ cuối tF = 93,805 o C là CA = 2093,67 J/kg.độ, CB 2042,12 J/kg.độ

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu sau khi đi ra

CF = aF.CA + (1-aF).CB = 2063 (J/kg.độ)

❖ Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q ng1

Qng1 – nhiệt lượng do nước ngưng mang ra, J/h

Gng1 – lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt D1, kg/h

❖ Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh lấy Q xq1

Qxq1 là nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy, lấy bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn, J/h

→ Lượng hơi đốt (hơi bão hòa) cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi tF là:

→ Nhiệt lượng hơi đốt mang vào:

→ Nhiệt lượng nước ngưng mang ra:

→ Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh:

→ Nhiệt lượng trao đổi của thiết bi đun nóng

4.5.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

Ta có: Tổng nhiệt lượng mang vào tháp = Tổng nhiệt lượng mang ra khỏi tháp

QF + QD2 + QR = Qy + QW + Qxq2 + Qng2, [IX.156 – 2 – 197]

QF – Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp, J/h

QD2 – Nhiệt lượng hơi đốt mang vào tháp, J/h

QR – Nhiệt lượng do chất lỏng hồi lưu mang vào tháp, J/h

Qy – Nhiệt lượng do hơi nước mang ra ở đỉnh tháp, J/h

QW – Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra khỏi tháp, J/h

Qxq2 – Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh, J/h

Qng2 – Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi tháp, J/h

❖ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào Q F

❖ Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp Q D2

QD2 – nhiệt lượng hơi đốt mang vào đáy tháp

D2 – lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp, kg/h r2 - ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg

2 – hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt, J/kg

C2 – nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ

Sử dụng hơi đốt là hơi nước bão hòa nhiệt độ bằng 119,6 o C tương ứng với áp suất 2 at

Ta có ẩn nhiệt hóa hơi r2 = 2208 kJ/kg, hàm nhiệt hơi đốt 2 = 2710 kJ/kg ([I.251 – 1 –

❖ Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào Q R

QR = GR.CR.tR, (J/h); [IX.158 – 2 – 197]

QR – nhiệt lượng do lỏng hồi lưu, J/h

GR = P.Rth – lượng lỏng hồi lưu, kg/h

CR – Nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu, J/kg.độ tR = t o P = 80,641 o C là nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu, o C

P = 3702,5 kg/h là lượng sản phẩm đỉnh

Rth = 2,315 là chỉ số hồi lưu

→ Lượng lỏng hồi lưu GR = P.Rth = 3702,5.2,315 = 8571,29 (kg/h)

Từ số liệu của bảng [IX.153 – 1 – 171], sử dụng công thức nội suy ta tìm được giá trị nhiệt dung riêng của benzen và toluen ở nhiệt độ tR = 80,641 o C là CA = 2037,72 J/kg.độ,

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp

CR = aP.CA + (1-aP).CB = 2036,35 (J/kg.độ)

❖ Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Q y

Qy - Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp, J/h

d – Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi ở đỉnh tháp, J/kg

Với t o P = 80,641 o C, nội suy từ bảng [I.212 – 1 – 254] ta tìm được giá trị ẩn nhiệt hóa hơi của benzen và toluen là rA = 393,1.10 3 J/kg rB = 378,15.10 3 J/kg

Từ số liệu của bảng [IX.153 – 1 – 171], sử dụng công thức nội suy ta tìm được giá trị nhiệt dung riêng của benzen và toluen ở nhiệt độ t o P = 80,641 o C là CA = 2037,72 J/kg.độ,

Nhiệt lượng riêng của benzen và toluen trong hỗn hợp hơi là:

❖ Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra ở đỉnh tháp Q w

QW – nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang vào, J/h

W – lượng sản phẩm đáy tháp, kg/h

CW – nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy, J/kgđộ tW = 109,841 o C – nhiệt độ đầu của sản phẩm đáy, o C

Dựa trên số liệu từ bảng [IX.153 – 1 – 171] và áp dụng công thức nội suy, chúng tôi đã xác định được giá trị nhiệt dung riêng của benzen và toluen ở nhiệt độ tW = 109,841 o C lần lượt là CA = 2149,52 J/kg.độ và CB = 2099,52 J/kg.độ.

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp sản phẩm đáy

CW = aW.CA + (1-aW).CB = 2100,22 J/kg.độ

❖ Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q ngt

Qng2 – nhiệt lượng do nước ngưng mang ra, J/h

Gng2 – lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt D1, kg/h

C2 – nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kgđộ

2 – nhiệt độ của nước ngưng, o C

❖ Nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy Q xq2

Qxq2: là nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy, lấy bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn ở đáp tháp, J/h

Ta có: QF + QD2 + QR = Qy + QW + 0,05.D2.r2Qxq2 + Qng2

→ Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp là

Theo công thức [IX.163 – 2 – 198] y w ngt xq2 F R y w F R

→ Nhiệt lượng hơi đốt mang vào tháp

→ Nhiệt lượng nước ngưng mang ra khỏi tháp

→ Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh

4.5.3 Cân bằng nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn

Trong đó: r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp sản phẩm đỉnh, J/kg

Cn – nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình, J/kgđộ

Gn2 – lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết

Nhiệt độ trung bình t = (t1 + t2)/2 với t1, t2 là nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh, o C Ẩn nhiệt hóa hơi của benzen và toluen ở nhiệt độ t o P = 80,641 o C rA = 393,1 kJ/kg rB 378,15.10 3 kJ/kg Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là rhh = aP.rA + (1-aP).rB = 392,73 kJ/kg Ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là rnt = rhh = 392,73 kJ/kg

Chọn: nhiệt độ vào của nước làm lạnh t1 = 15 o C, nhiệt độ ra của nước làm lạnh là t2 50 o C, để tránh đóng cặn và kết tủa các muối trên bề mặt trao đổi nhiệt

Nội suy từ bảng [I.149 – 1 – 168]: Nhiệt dung riêng của hơi nước ở 0-500 o C Xác định giá trị nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t = (t1 + t2)/2 = (15+50)/2 32,5 o C là 0,998375 kcal/kg.độ = 4180 (J/kg.độ)

→ Lượng nước lạnh cần tiêu tốn là:

Nhiệt lượng trao đổi của thiết bị ngưng tụ:

4.5.4 Cân bằng nhiệt lượng thiết bị làm lạnh Đã ngưng tụ hoàn toàn trong thiết bị ngưng tụ

CP – nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/kgđộ t1’, t2’ là nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, o C Ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là rnt(P) = rhh(P) = 392,73 kJ/kg

Hỗn hợp sản phẩm đỉnh t1’= tP = 80,641 o C, giả sử nước được làm lạnh đến t2’= 25 o C

Chọn: nhiệt độ vào của nước làm lạnh t1 = 25 o C, nhiệt độ ra của nước làm lạnh là t2 45 o C, để tránh đóng cặn và kết tủa các muối trên bề mặt trao đổi nhiệt

Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ trung bình:

Với ttb = 52,82 o C Từ bảng [IX.153 – 1 – 171] ta có nhiệt dung riêng của benzen và toluen là CA = 1892,305 J/kg.độ và CB = 1864,1 J/kg.độ

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:

Cp = ap.CA + (1-ap).CB = 1891,6 (J/kg.độ)

→ Lượng nước lạnh cần tiêu tốn là:

Nhiệt lượng trao đổi của thiết bị làm lạnh:

TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ

Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

Để đun nóng hỗn hợp đầu gồm 0,405 (phần khối lượng) benzen và 0,595 (phần khối lượng) toluen với năng suất F = 9100 (kg/h) Ta giả thiết hỗn hợp đầu có nhiệt độ đầu là 25 o C, cần đun nóng tới nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu là tF = 93,805 o C Để đun nóng hỗn hợp ta dùng thiết bị gia nhiệt loại ống chùm, kiểu thẳng đứng, chế tạo từ thép CT3, có vỏ bọc cách nhiệt bên ngoài và dùng hơi nước bão hòa ở nhiệt độ 119,6 o C tương ứng với áp suất 2 at để đun sôi hỗn hợp

Ta chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm với các thông số

- Chiều cao ống truyền nhiệt ho = 2 m

- Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt dn = 35 mm

- Chiều dày ống truyền nhiệt δ = 2 mm

- Đường kính trong ống truyền nhiệt dt = 31 mm

- Hai lưu thể chuyển động ngược chiều: Hỗn hợp benzen và toluen đi từ dưới lên trong không gian ống, hơi nước bão hòa đi ở không gian ngoài ống, ngưng tụ và đi ra ngoài

- Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu  = 50 W/m.độ [2 – 313]

Yêu cầu thiết kế quan trọng nhất của việc thiết kế thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là xác định được bề mặt truyền nhiệt Ngoài ra còn cần xác định các thông số khác như đường kính, chiều cao, số ống và số ngăn thiết bị

Diện tích bề mặt truyền nhiệt được xác định thông qua phương trình cơ bản của truyền nhiệt

F – diện tích bề mặt truyền nhiệt

∆t – hiệu số nhiệt độ trung bình, o C

5.1.1 Tính lượng nhiệt trao đổi

5.1.1.1 Xác định động lực quá trình truyền nhiệt

- Nhiệt độ vào của dung dịch là tđ = 25 o C

- Nhiệt độ ra của dung dịch là tc = tF = 93,805 o C

Hơi đốt là hơi nước bão hòa nên nhiệt độ không thay đổi và là nhiệt độ sôi ở áp suất đã chọn (2 at) tbh = 119,6 o C [I.251 – 1 – 314]

Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa 2 lưu thể: t t1 t 2 t1 t 2 ln

5.1.1.2 Xác định lượng nhiệt trao đổi

Nhiệt độ trung bình của dung dịch ttb = tbh –  t = 119,6 – 52,95 = 66,65 o C

Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu là:

Q là lượng nhiệt cần thiết để đun sôi hỗn hợp đầu, J/s

F = 9100 (kg/h) là lượng hỗn hợp đầu

C là nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu tại ttb = 66,65 o C, J/kg.độ

Tại ttb = 66,65 o C, từ bảng [I.153 – 1 – 171] ta có nhiệt dung riêng của benzen và toluen là CA = 1964,91 J/kg.độ và CB = 1926,6 J/kg.độ

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:

C = aF.CE + (1-aF).CN = 0,405.1964,91 + (1-0,405).1926,6 = 1942,11 (J/kg.độ)

5.1.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K

Quá trình truyền nhiệt gồm 3 phần:

- Cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa cho thành ống truyền nhiệt: q1 = α1.∆t1, W/m 2 Trong đó: α1 là hệ số cấp nhiệt của hơi đốt, W/m 2 độ

∆t1 = tbh – tT1 là hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ thành ống tiếp xúc với hơi đốt

- Dẫn nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với hơi sang thành ống tiếp xúc với lỏng (Dẫn nhiệt qua 1m 2 thành ống):

  là tổng nhiệt trở của thành ống, m 2 độ/W r1,r2 là nhiệt trở ở 2 phía thành ống, m 2 độ/W δ là bề dày thành ống, m

 = 50 W/m.độ là hệ số dẫn nhiệt của thành ống

∆tT = tT1 – tT2 là hiệu số nhiệt độ giữa 2 phía thành ống tT1, tT2 là nhiệt độ 2 phía thành ống

- Cấp nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với pha lỏng cho hỗn hợp lỏng: q2 = α2.∆t2, W/m 2 Trong đó: α2 là hệ số cấp nhiệt từ thành ống, W/m 2 độ

∆t1 = tT2 – ttb là hiệu số nhiệt độ của hỗn hợp lỏng và thành ống tiếp xúc với hỗn hợp lỏng

Công thức tính hệ số truyền nhiệt:

5.1.2.1 Xác định hệ số cấp nhiệt α 2

Chuẩn số Re để xác định chế độ chảy của hỗn hợp lỏng trong ống:

Trong đó: ω – tốc độ của lỏng chảy trong ống, tốc độ lỏng trong ống khoảng ω = 0,2 – 0,5 m/s [1 – 370], chọn ω = 0,25 m/s l = dtd là kích thước hình học, đường kính tương đương của ống truyền nhiệt ρ là khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng, kg/m 3 μ là độ nhớt động lực của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình ttb = 66,65 o C Ứng với nhiệt độ ttb = 66,65 o C Từ bảng [I.101 – 1 – 91] ta có độ nhớt của benzen và toluen lần lượt là μA = 0,365 cP và μB = 0,36 cP

→ Độ nhớt của hỗn hợp là lgμhh = xF.lgμA + (1-xF).lgμB → μhh = 0,362 cP Ứng với nhiệt độ ttb = 66,65 o C Nội suy từ số liệu trong bảng [I.2 – 1 – 9] ta được khối lượng riêng của benzen và toluen lần lượt là ρA = 829,02 kg/m 3 và ρB = 821,35 kg/m 3

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:

Chọn ống truyền nhiệt kích thước 35x2 mm (đường kính ngoài 35 mm, dày 2 mm) nên đường kính trong ống dt = 35 – 2.2 = 31 mm Ống dạng tròn nên đường kính tương đương dtd = dt = 31 mm = 0,031 m

Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của hỗn hợp đầu tại ttb = 58,51 o C, Cp = 3941,23 J/kg.độ

 là hệ số dẫn nhiệt của dung dịch A.C p 3

Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của hỗn hợp đầu tại ttb = 66,65 o C, Cp = 1942,11 J/kg.độ ρ = 824,44 (kg/m 3 ) là khối lượng riêng của hỗn hợp

M = 85,77 kg/kmol là khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu

A – hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng

Với chất lỏng không liên kết A = 4,22.10 -8 [1 – 123]

= − - Chuẩn số Nusselt được xác định theo công thức:

Trong đó: α = α2 là hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m 2 độ) l = dtd = 0,031 m là kích thước hình học

 = 0,144 (W/m.độ) là hệ số dẫn nhiệt của dung dịch

Do chế độ chảy của chất lỏng trong ống là chế độ chảy xoáy:

Prt là chuẩn số Pran của hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ trung bình của tường ε1 là hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giũa chiều dài l và đường kính d của ống, do tỷ số l/d > 50 và Re = 17650,3, tra bảng [V.2 – 3 – 15] ta có ε1 = 1

Pr thể hiện ảnh hưởng của dòng nhiệt (đun nóng hay làm nguội) Khi chênh lệch nhiệt độ giữa tường và dòng nhỏ thì

5.1.2.2 Xác định tổng nhiệt trở của thành ống ∑r

Giả thiết lớp cặn bẩn bám trên bề mặt truyền nhiệt (ở 2 bên thành ống) có bề dày khoảng 0,5mm và có nhiệt trở trung bình

Lớp cặn bẩn phía hơi nước ngưng tụ r1 = 0,464.10 -3 (m 2 độ/W)

Lớp cặn bẩn phía hỗn hợp lỏng r2 = 0,116.10 -3 (m 2 độ/W) [2 – 4]

Thành ống dày δ = 2 mm = 0,002 m làm bằng thép CT3 có hệ số dẫn nhiệt  = 50 W/m.độ

5.1.2.3 Xác định tổng nhiệt trở của thành ống ∑r

Khi tốc độ hơi trong ống nhỏ (wh = 10 m/s) và màng nước ngưng chuyển động dòng thì hệ số cấp nhiệt α1 của hơi nước bão hòa đối với ống thẳng đứng

Trong đó: α = α1 là hệ số cấp nhiệt của hơi đốt, (W/m 2 độ)

A là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm r là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt, J/kg

∆t1 là hiệu số nhiệt độ giữa nước ngưng (tn = tbh = 119,6 o C) và nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc (tT1) → tT1 = tbh - ∆t

H là chiều dài của ống truyền nhiệt, chọn H = ho = 2 m Ứng với nhiệt độ hơi nước bão hòa tbh = 119,6 o C, 2 at, từ bảng [I.251 – 1 – 314] ta có ẩn nhiệt ngưng tụ r = 527 kcal/kg = 2208 kJ/kg

Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt đô màng: tm = 0,5.(tT1 + tbh) = 0,5.(117,9 + 119,6) = 118,75 o C

Dựa vào bảng số liệu [2 – 29] ta có A = 187,4375

Tải nhiệt riêng về phía hơi đốt q1 = α1.∆t1 = 10854,67.1,7 = 18452,94 (W/m 2 )

Hiệu số nhiệt độ giữa 2 thành ống:

Hiệu số nhiệt độ hỗn hợp lỏng và thành ống tiếp xúc với hỗn hợp lỏng

Tải nhiệt riêng phía hỗn hợp benzen – toluen: q2 = α2 ∆t2 = 481,56 38,71= 18640,79W/m 2

→ Giả thiết đưa ra chấp nhận được Chọn α1 = 10854,67 (W/m 2 độ)

Lượng nhiệt truyền cho 1 m 2 ống trung bình là:

5.1.2.4 Xác định hệ số truyền nhiệt K

5.1.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt

5.1.4 Xác định số ống và cách sắp xếp ống trong thiết bị trao đổi nhiệt

Số ống của thiết bị được xác định theo công thức F n= f Trong đó:

F = 17,79 m 2 là tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt f = π.dtb.ho là diện tích bề mặt một ống truyền nhiệt, m 2 ho = 2 m là chiều cao ống truyền nhiệt t n tb d d 35 31 d 33

= = = mm = 0,033 m là đường kính trung bình của một ống truyền nhiệt

Chọn cách sắp xếp ống theo hình 6 cạnh

Quy chuẩn theo bảng số liệu [VII – 2 – 48] ta có các thông số sau:

- Tổng số ống trong thiết bị n = 91 ống

- Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: b = 11

- Số ống trên một cạnh của hình 6 cạnh a = 0,5.(b+1) = 6 ống

5.1.5 Tính đường kính trong của thiết bị Đường kính trong của thiết bị được xác định theo công thức:

D = t.(b-1) + 4d Trong đó: d = dn = 35 mm là đường kính ngoài của ống truyền nhiệt t là bước ống, thường t = 1,2 – 1,5d, chọn t = 1,2d = 42 mm

5.1.6 Tính lại vận tốc và chia ngăn trong thiết bị

Vận tốc lỏng chảy trong ống cần đạt là t F

VF là lưu lượng thể tích chất lỏng, m 3 /s dt = 0,031 m là đường kính trong của một ống

Khối lượng riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ trung bình ttb = 66,65 o C là ρhh = 824,44 (kg/m 3 )

→Lưu lượng thể tích của chất lỏng F hh

Với tốc độ của lỏng chảy trong ống đã chọn ω = 0,25 m/s thì ωt < ω , phải chia ngăn trong thiết bị để đảm bảo năng suất truyền nhiệt

Số ngăn của thiết bị 0, 25

0, 045 =5,55 ≈ 6 ngăn, vậy chia không gian trong ống thành 6 ngăn

Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp dùng nước có nhiệt độ ban đầu là 15 o C để làm nguội hỗn hợp sản phẩm đỉnh từ nhiệt độ tP = 80,641 o C đến nhiệt độ t = 50 o C Hai lưu thể đi ngược chiều nhau, nước làm nguội đi từ dưới lên, nhận ẩn nhiệt hóa hơi từ hỗn hợp hơi đi từ trên xuống và sản phẩm ngưng tụ thành lỏng đi ra khỏi thiết bị Nhiệm vụ của ta là phải tính được đủ các thông số kỹ thuật cần thiết của thiết bị đó như đường kính, chiều cao, bề mặt truyền nhiệt, số ống, …

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

- Chiều dày ống truyền nhiệt δ = 2 mm

- Ống làm bằng thép CT3 có  = 50 W/m.độ

5.2.1 Tính lượng nhiệt trao đổi

5.2.1.1 Xác định động lực quá trình truyền nhiệt

- Nhiệt độ vào của nước là tđ = 15 o C

- Nhiệt độ cuối của nước là tc = 50 o C

- Nhiệt độ ngưng tụ là tn = tP = 80,641 o C

5.2.1.2 Xác định lượng nhiệt trao đổi

Nhiệt độ trung bình của dòng nước trong ống: d c tb t t 15 50 t 32,5

Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình là: Cn = 4180 (J/kg.độ)

Lượng nước lạnh cần tiêu tốn để ngưng tụ hoàn toàn hơi ở đỉnh là: Gn = 32947,5 (kg/h) Nhiệt lượng dùng để làm ngưng tụ hỗn hợp sản phẩm đỉnh là:

Gn là lượng nước lạnh cần tiêu tốn, kg/h tc, tđ là nhiệt độ đầu và cuối của nước, o C

Cn nhiệt dung riêng của nước ở ttb, J/kg.độ

→ Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi:

5.2.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K

Quá trình truyền nhiệt gồm 3 phần:

- Cấp nhiệt từ hơi cho thành ống truyền nhiệt phía bên hơi: q1 = α1.∆t1, W/m 2 Trong đó: α1 là hệ số cấp nhiệt của hơi đốt, W/m 2 độ

∆t1 = tnt – tT1 là hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ thành ống tiếp xúc với hơi đốt

- Dẫn nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với hơi sang thành ống tiếp xúc với nước (Dẫn nhiệt qua 1m 2 thành ống):

  là tổng nhiệt trở của thành ống, m 2 độ/W r1,r2 là nhiệt trở ở 2 phía thành ống, m 2 độ/W δ là bề dày thành ống, m

 = 50 W/m.độ là hệ số dẫn nhiệt của thành ống

∆tT = tT1 – tT2 là hiệu số nhiệt độ giữa 2 phía thành ống tT1, tT2 là nhiệt độ 2 phía thành ống

- Cấp nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với nước: q2 = α2.∆t2, W/m 2 Trong đó: α2 là hệ số cấp nhiệt từ thành ống, W/m 2 độ

∆t1 = tT2 – ttb là hiệu số nhiệt độ của hỗn hợp lỏng và thành ống tiếp xúc với hỗn hợp lỏng

Công thức tính hệ số truyền nhiệt:

5.2.2.1 Xác định hệ số cấp nhiệt α 2

Chuẩn số Re để xác định chế độ chảy của hỗn hợp lỏng trong ống:

Trong đó: ω là tốc độ của nước, giả sử nước chảy xoáy chọn ω = 1 (m/s) l = dtd là kích thước hình học, đường kính tương đương của ống truyền nhiệt ρ là khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng, kg/m 3 μ là độ nhớt động lực của nước ở nhiệt độ trung bình ttb = 32,5 o C Ứng với nhiệt độ ttb = 32,5 o C Từ bảng [I.101 – 1 – 91] ta có độ nhớt của nước là 0,7601 (cP) Ứng với nhiệt độ ttb = 32,5 o C Từ số liệu trong bảng [I.2 – 1 – 12] ta được khối lượng riêng của nước là ρ = 994,895 (kg/m 3 )

Chọn ống truyền nhiệt kích thước 20x2 mm (đường kính ngoài 20 mm, dày 2 mm) nên đường kính trong ống dt = 20 – 2.2 = 16 mm Ống dạng tròn nên đường kính tương đương dtd = dt = 16 mm = 0,016 m

Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của nước đầu tại ttb = 32,5 o C, Cp = 4180 J/kg.độ

 là hệ số dẫn nhiệt của nước, W/m.độ Ở nhiệt độ ttb = 32,5 o C, tra bảng [I.129 – 1 – 135] => hệ sộ dẫn nhiệt của nước  0,613 (W/m.độ)

= − - Chuẩn số Nusselt được xác định theo công thức:

Trong đó: α = α2 là hệ số cấp nhiệt từ thành ống, (W/m 2 độ) l = dtd = 0,016 m là kích thước hình học

 = 0,613 (W/m.độ) là hệ số dẫn nhiệt của nước

Do chế độ chảy của chất lỏng trong ống là chế độ chảy xoáy:

Prt là chuẩn số Pran của nước tính theo nhiệt độ trung bình của tường ε1 là hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giũa chiều dài l và đường kính d của ống, do tỷ số l/d > 50 và Re = 22232,29; tra bảng [V.2 – 3 – 15] ta có ε1 = 1

Pr thể hiện ảnh hưởng của dòng nhiệt (đun nóng hay làm nguội) Khi chênh lệch nhiệt độ giữa tường và dòng nhỏ thì

5.2.2.2 Xác định tổng nhiệt trở của thành ống ∑r

Giả thiết lớp cặn bẩn bám trên bề mặt truyền nhiệt (ở 2 bên thành ống) có bề dày khoảng 0,5mm và có nhiệt trở trung bình

Lớp cặn bẩn phía tiếp xúc nước lạnh r1 = 0,464.10 -3 (m 2 độ/W) [2 – 4]

Bên phía hơi sản phẩm sạch nên gần như không có cặn r2 = 0 (m 2 độ/W)

Thành ống dày δ = 2 mm = 0,002 m làm bằng thép CT3 có hệ số dẫn nhiệt  = 50 W/m.độ

5.2.2.3 Xác định tổng nhiệt trở của thành ống ∑r

Khi tốc độ hơi trong ống nhỏ (wh = 10 m/s) và màng nước ngưng chuyển động dòng thì hệ số cấp nhiệt α1 của hơi nước bão hòa đối với ống thẳng đứng

Trong đó: α = α1 là hệ số cấp nhiệt của hơi, (W/m 2 độ)

A là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm r là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi, J/kg; rnt = 392,73.10 3 (J/kg)

∆t1 là hiệu số nhiệt độ giữa nước ngưng (tn = tP = 80,641 o C) và nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc (tT1) → tT1 = tn - ∆t

H là chiều dài của ống truyền nhiệt, chọn H = ho = 2 m

Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng: tm = 0,5.(tT1 + tn) = 0,5.(80,641 + 67,44) = 74,04 o C

Dựa vào bảng số liệu [2 – 29] ta có A = 164,83

Tải nhiệt riêng về phía hơi đốt q1 = α1.∆t1 = 3713,518.13,2 = 49018,44 (W/m 2 )

Hiệu số nhiệt độ giữa 2 thành ống:

Hiệu số nhiệt độ hỗn hợp lỏng và thành ống tiếp xúc với hỗn hợp lỏng

Tải nhiệt riêng phía hỗn hợp benzen – toluen: q2 = α2 ∆t2 = 4901,27.10,24 = 50168W/m 2

→ Giả thiết đưa ra chấp nhận được Chọn α1 = 3713,518 (W/m 2 độ)

Lượng nhiệt truyền cho 1 m 2 ống trung bình là:

5.2.2.4 Xác định hệ số truyền nhiệt K

5.2.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt

5.2.4 Xác định số ống và cách sắp xếp ống trong thiết bị trao đổi nhiệt

Số ống của thiết bị được xác định theo công thức F n= f Trong đó:

F = 27 m 2 là tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt f = π.dtb.ho là diện tích bề mặt một ống truyền nhiệt, m 2 ho = 2 m là chiều cao ống truyền nhiệt t n tb d d 20 16 d 18

= = = mm = 0,018 m là đường kính trung bình của một ống truyền nhiệt

Chọn cách sắp xếp ống theo hình 6 cạnh

Quy chuẩn theo bảng số liệu [VII – 2 – 48] ta có các thông số sau:

- Tổng số ống trong thiết bị n = 241 ống

- Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: b = 17

- Số ống trên một cạnh của hình 6 cạnh a = 0,5.(b+1) = 9 ống

5.2.5 Tính đường kính trong của thiết bị Đường kính trong của thiết bị được xác định theo công thức:

D = t.(b-1) + 4d Trong đó: d = dn = 20 mm là đường kính ngoài của ống truyền nhiệt t là bước ống, thường t = 1,2 – 1,5d, chọn t = 1,2d = 24 mm

5.2.6 Tính lại vận tốc và chia ngăn trong thiết bị

Vận tốc lỏng chảy trong ống cần đạt là t F

VF là lưu lượng thể tích chất lỏng, m 3 /s dt = 0,016 m là đường kính trong của một ống

Khối lượng riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ trung bình ttb = 32,5 o C là ρhh = 994,895 (kg/m 3 )

→Lưu lượng thể tích của chất lỏng F n hh

Với tốc độ của nước chảy trong ống đã chọn ω = 1 m/s thì ωt < ω , phải chia ngăn trong thiết bị để đảm bảo năng suất truyền nhiệt

Số ngăn của thiết bị 1

5, 260,19 = ≈ 6 ngăn, vậy chia không gian trong ống thành 6 ngăn