Luận văn tốt nghiệp: Thực hiện và giải quyết việc tính toán kỹ thuật và thiết kế tháp chưng luyện hỗn hợp

Mục lục Lời mở đầu A Tính toán thiết bị I Các phơng trình cân vật liệu 4 II.Đờng kính tháp Lu lợng trung bình dòng pha tháp Khối lợng riêng trung bình Tính vận tốc tháp Đờng kính tháp III Chiều cao tháp Xác định số đơn vị chuyển khối B Kết lụân C Tài liệu tham khảo 6 11 12 12 12 http://nuoc.com.vn Lời mở đầu Trong công nghiệp việc phân tích cấu tử từ hỗn hợp đầu cần thiết nhằm mục đích hoàn thiện khai th¸c, chÕ biÕn , cã rÊt nhiều phơng pháp phân tích cấu tử công nghiệp, chng luyện phơng pháp hay đợc sử dụng Nó đợc dùng rộng rÃi nhiều ngành công nghiệp nh chế biến dầu mỏ Chng phơng pháp tách cấu tử từ hỗn hợp đầu dụa vào độ bay khác chúng hỗn hợp Hỗn hợp chất lỏng chất khí, thờng chng hỗn hợp có cấu tử ta thu đợc nhiêu sản phẩm Với hốn hợp có hai cấu tử ta thu đợc hai sản phẩm sản phẩm đỉnh gồm phần lớn cấu tử dễ bay & sản phẩm đáy chứa phần lín cÊu tư khã bay h¬i Trong thùc tÕ cã thể gặp nhiều kiểu chng luyện khác nh; chng nớc trực tiếp, chng đơn giản, chng luyện Tuy nhiên nhằm mục đích thu đợc sản phẩm có nồng độ cao, ngời ta tiến hành chng nhiều lần hay chng luyện Chng luyện phơng pháp chng phổ biến hay dùng để tách hỗn hợp cấu tử dễ bay có tính chất hòa tan hoàn toàn hay phần vào Có nhiều loại tháp dùng để chng luyện nh tháp đĩa lỗ, đĩa chóp có ống chảy chuyền, tháp đệm, Tháp đệm với u điểm cấu tạo đơn giản, làm việc với suất lớn, hiệu suất cao, khoảng làm việc rộng, ổn định đợc ứng dụng rộng rÃi thực tế đặc biệt chng luyện hỗn hợp Etylic nớc Do thời gian có hạn để sâu vào nội dung chính, đồ án thực giải việc tính toán kỹ thuật thiết kế tháp chng luyện cha sâu tính toán hết thiết bị phụ http://nuoc.com.vn A.Tính toán thiết bị I Các phơng trình cân vật liệu v số hồi lu: - Truớc hết ta đổi nồng độ phần thể tích sang nồng độ phần mol M C2 H 5OH = 46 (Kg m ) ρ C H OH = 789 (Kg m ) M H 2O = 18 ρ H O = 998 (Kg m3 ) (Kg m3 [I – 9] ) [I – 9] Ta cã mèi liªn hƯ: mE VE = ρE = nE ⋅ M E ρE ⇒ nE = VE ⋅ ρ E ME Suy ta cã: ρE VE ⋅ xE = ρE VE ⋅ ME ME + (1 − VE ) N MN áp dụng công thức ta cã: VF ⋅ xF = VF ⋅ ρE VP ⋅ ME + (1 − VF ) ME VP ⋅ xP = ρE ρE ME VW ⋅ ρE ME ρN MN = 0,8 ⋅ + (1 − VW ) ⋅ ρN MN 789 46 789 998 0,8 ⋅ + (1 − 0,8) 46 18 ρE ME 789 46 789 998 0,13 ⋅ + (1 − 0,13) ⋅ 46 18 MN + (1 − V P ) ⋅ ME = ρE VW ⋅ xW = ρN 0,13 ⋅ = 0,003 ⋅ (Kmol = 0,0442 (Kmol Kmol ) = 0,00093 (Kmol = 0,553 789 46 789 998 0,003 ⋅ + (1 − 0,003) ⋅ 46 18 Kmol ) Kmol ) Khèi l−ỵng phân tử hỗn hợp đầu: M F = x F ⋅ M E + (1 − x F ) ⋅ M N M F = 0,0442 ⋅ 46 + (1 0,0442 ) 18 = 19,2376 Lợng hỗn hợp đầu vào tháp tính theo Kmol h GF = F MF (Kmol h ) 7000 GF = = 363,87 19,2376 - Phơng trình cân vật liệu: + Phơng trình cân vật liệu cho toàn tháp: G F = G P + GW [I – 144] http://nuoc.com.vn §èi víi cÊu tư dƠ bay h¬i ta cã: G F ⋅ x F = G P ⋅ x P + GW xW Theo quy tắc đòn bẩy ta cã: [I – 144] GW GF GP = = x P − xW x F − xW xP − xF Lợng sản phẩm đỉnh: x F xW 0,0442 0,00093 = 363,87 ⋅ = 28,52 x P − xW 0,553 − 0,00093 GP = GF ⋅ (Kmol h ) Lợng sản phẩm đáy: (Kmol h ) GW = G F − G P = 363,87 − 28,52 = 335,35 + Phơng trình đờng nồng độ làm việc đoạn luyÖn: y= Rx x ⋅x+ P Rx + Rx + [II 144] +Phơng trình đờng nồng độ làm việc đoạn chng: GF GP Với L = [II –158] R x : ChØ sè håi l−u thÝch hỵp y = x⋅ Suy ra: Rx + L L −1 − xW ⋅ Rx + Rx + - Xác định số hồi lu thích hợp: Theo b¶ng IX 2a – Sỉ tay II – Trang 148 H2 đẳng phí y 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100 89,4 t 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4 78,15 x 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tõ b¶ng néi suy ta cã: x F = 0,0442 ⇒ y F∗ = 0.2935 Theo công thức số hồi lu tối thiểu tháp ch−ng lun lµ: Rmin = x P − y ú∗ y ú∗ − x F Rmin = x P − y F∗ 0.553 − 0.2935 = = 1,041 ∗ y F − x F 0.2935 − 0,0442 [II – 158] Ta cã c«ng thøc: R = 1,55 ⋅ Rmin [II – 159] http://nuoc.com.vn R = 1,55 1,041 = 1,614 Lợng hỗn hợp đầu tính theo Kmol sản phẩm ®Ønh L= G F 363,87 = = 12,76 28,52 GP + Phơng trình đờng nồng độ làm việc đoạn luyện y= 1,614 0,553 ⋅x+ = 0,6174 ⋅ x + 0,2116 1,614 + 1,614 + + Phơng trình đờng nồng độ làm việc đoạn chng y= 1,614 + 12,76 12,76 − ⋅x− ⋅ 0,00093 = 5,45 ⋅ x − 0,0042 1,614 + 1,614 + II §−êng kÝnh cđa th¸p: D = 0.0188 ⋅ g tb ( y y )tb [II 181] gtb:lợng trung bình tháp (Kg/h) ( y.wy)tb :tốc độ trung bình tháp Lu lợng trung bình dòng pha tháp : a/ Trong đoạn luyện : Số liệu : GP : Lợng sản phẩm đỉnh (P) = 28,52(kmol/h) R : Hệ số håi l−u thÝch hỵp = 1,614 GR : L−ỵng håi lu = GP R =28,52.1,614=46,03 (kmol/h) yđ=0,6174.xp+0,2116=0,6174.0,553+0,2116=0,553 Lợng khỏi đỉnh tháp gđ : gđ = GR + GP = GP (R + 1) =28,52 (1,614+ 1) = 74,5513(kmol/h) Lợng vào đoạn luyện g1 , nồng độ y1 , lợng lỏng G1 ®èi víi ®Üa thø nhÊt cđa ®o¹n lun, nång ®é láng x1 : Coi x1 = xF = 0,0442 Ph−¬ng trình cân vật liệu : (1) g1 = G1 + GP Phơng trình cân vật liệu với cấu tư dƠ bay h¬i (etylic) : g1 y1 = G1 x1 + GP xP (2) Phơng trình cân nhiệt lợng : (3) g1 r1 = gđ rđ r1 : ẩn nhiệt hóa hỗn hợp vào ®Üa lun thø nhÊt (kcal/kmol) r® : Èn nhiƯt ho¸ hỗn hợp khỏi đỉnh tháp (kcal/kmol) Gäi : rA : Èn nhiƯt hãa h¬i cđa Etylic http://nuoc.com.vn rB : ẩn nhiệt hoá H2O Từ đồ thị (t,x,y) ta có : - Nhiệt độ sôi hỗn hợp đỉnh (x = xP =0,553): tP = 79,70C Néi suy theo b¶ng r – to (I-254) víi to = 79,7°C : ⎧r = 202,12 (kcal/kg) = 202,12.M A (kcal/kmol) = 9297,52 (kcal/kmol) ⇒⎨A ⎩rB = 559,3 (kcal/kg) = 518,5.M B (kcal/kmol) = 10067 ,4 (kcal/kmol) ⇒ r® = rA y® + rB (1 - y®) = 9297,52 0,553 + 10067,4 (1- 0,553) =9641,66 (kcal/kmol) - Nhiệt độ sôi hỗn hợp đầu (x = xF =0,0442): tF = 91,6 °C Néi suy theo b¶ng r – to (I-254) víi to = 91,6°C : ⎧rA = 197,36 (kcal/kg) = 197,36.M A (kcal/kmol) = 9078,56 (kcal/kmol) ⇒⎨ ⎩rB = 547,4 (kcal/kg) = 547,4.M B (kcal/kmol) = 9853,2 (kcal/kmol) ⇒ rl = rA yl + rB (1 – yl) = 9078,56 yl + 9853,2 (1 – yl) Tõ (1);(2) vµ (3) ta cã : g1= G1 + 28,52 g1.y1= 0,0442.G1 + 15,77 -774,64.y1 + 9853,2.g1 = 718798,3 Giải phơng trình ta có: G1=45,83(Kmol/h) , g1=74,35(Kmol/h) , y1=0,239 Lợng trung bình đoạn luyện : g tbL = g d + g1 74,5513 + 74,35 = = 74,451 (kmol/h) 2 Lợng lỏng trung bình đoạn luyÖn : GtbL = GR + G1 46,03 + 45,83 = = 45,93 (kmol/h) 2 b/ Trong đoạn chng : Số liệu : GW : Lợng sản phẩm đáy (W) = 335,35(kmol/h) Lợng vào đoạn chng g1, , nồng độ y 1, , lợng lỏng G1' thứ đoạn chng, nồng độ lỏng x 1, , đĩa lợng khỏi đoạn chng lợng vào đoạn luyện g1 : Ta có y1, = y *W nồng độ cân ứng với xW , nội suy theo bảng số liệu đờng cân (II-148) : http://nuoc.com.vn y1 = yW = 0,61752 , * Phơng trình cân b»ng vËt liÖu : G1' = g1' + G W (1) Phơng trình cân vật liệu với cấu tử dƠ bay h¬i (etylic) : G1' x1' = g1' y1' + G W x W (2) Phơng trình cân nhiƯt l−ỵng : g1' r1' = g1r1 (3’) rl : ẩn nhiệt hóa hỗn hợp khỏi ®o¹n ch−ng ⇒ rl = rA yl + rB (1 – yl) = 9078,56 0,239 + 9853,2 (1 – 0,239) = 9668,06 (kcal/kmol) r1’: Èn nhiƯt ho¸ hỗn hợp vào đĩa chng thứ Từ bảng số liệu x to sôi dd (II-148), nội suy ta có: Nhiệt độ sôi hỗn hợp ®¸y (x = xW = 0,00093): tW = 99,82°C Néi suy theo b¶ng r – to (I-254) víi to = 99,82°C : ⎧rA = 194,072 (kcal/kg) = 194,072.M A (kcal/kmol) = 8927,312 (kcal/kmol) ⇒⎨ ⎩rB = 539,18 (kcal/kg) = 539,18.M B (kcal/kmol) = 9705,24 (kcal/kmol) ⇒ Èn nhiƯt hãa h¬i hỗn hợp vào đĩa chng thứ : rl’ = rA yl’ + rB (1 – yl’) = 8927,312.0,61752 + 9705,24 (1 – 0,61752) = 9224,854 (kcal/kmol) (3' ) ⇒ g1' = g1 r1 9668,06 = 74,35 = 77,922(kmol/h) ' r1 9224,854 (1' ) ⇒ G1' = g1' + GW = 77,922 + 335,35 = 413,272 (kmol/h) Lợng trung bình đoạn ch−ng : g tbC g1 + g1' 74,35 + 77,922 = = = 76,136 (kmol/h) 2 ⇒ L−ỵng láng trung bình đoạn chng : GtbC G1 + G1' 45,83 + 413,272 = = = 229,551(kmol/h) 2 Khối lợng riêng trung bình a/ Khối lợng riêng trung b×nh pha láng : http://nuoc.com.vn a − a tb1 = tb1 + ρ xtb ρ xtb ρ xtb1 [IX104a- II184] Trong ®ã : ρ xtb : Khối lợng riêng trung bình pha lỏng (kg/ m3) xtb1 : Khối lợng riêng trung bình cấu tử (kg/ m3) xtb2 : Khối lợng riêng trung bình cÊu tư (kg/ m3) atb1 : Nång ®é khèi lợng trung bình cấu tử (kg/ kg) - Đoạn luyện : Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn luyện: xtbL = xF + xP 0,0442 + 0,553 = = 0,2986 2 Néi suy víi xtbL theo b¶ng sè liệu nồng độ to sôi dung dịch (II-148) : Nhiệt độ trung bình đoạn luyện : ttbL = 81,721C Khối lợng riêng Etylic Nớc theo t = ttbL : (I-9) ρxL2 = 970,8 (kg/m3) ρxL1 = 733,37 (kg/m3) Nồng độ khối lợng trung bình Etylic đoạn luyện aF = v F E 0,13.789 = = 0,106 vF ρ E + (1 − vF ) ρ N 0,13.789 + (1 − 0,13)998 (Kg/Kg) aP = 0,8.789 v P ρ E = = 0,76 (Kg/Kg) vP ρ E + (1 − vP ) ρ N 0,8.789 + (1 − 0,8)998 atbL = ⇒ ρ xL ⎛a − atbL = ⎜⎜ tbL + ρ xL ⎝ ρ xL1 ⎞ ⎟⎟ ⎠ a F + a P 0,106 + 0,76 = = 0,433 2 −1 ⎛ 0,433 − 0,433 ⎞ =⎜ + ⎟ 733 , 37 970 , ⎝ ⎠ −1 = 851,44 (kg/m3) - Đoạn chng : Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn chng : xtbC = xW + xF 0,00093 + 0,0442 = = 0,0226 2 Néi suy với xtbC theo bảng số liệu nồng độ to sôi dung dịch (II-148) : Nhiệt độ trung bình ®o¹n ch−ng : ttbC = 95,706°C http://nuoc.com.vn ⇒ Khèi lợng riêng Etylic Nớc theo t = ttbC :(I-9) ρ xC = 720 ,08 (kg/m3) ρ xC = 961 , 42 (kg/m3) Nồng độ khối lợng trung bình Etylic đoạn luyện : aw = v w ρ E 0,003.789 = = 0,0024 (Kg/Kg) vw ρ E + (1 − vw ) ρ N 0,003.789 + (1 − 0,003)998 atbC = ⇒ ρ xC ⎛a − atbC = ⎜⎜ tbC + ρ xC ⎝ ρ xC1 aW + a F 0,0024 + 0,106 = = 0,0542 2 ⎞ ⎟⎟ ⎠ −1 ⎛ 0,0542 − 0,0542 ⎞ =⎜ + ⎟ 961,42 ⎠ ⎝ 720,08 = 944,27 (kg/m3) b/ Khối lợng riêng trung bình pha : - Đoạn luyện : Nồng độ pha đầu đoạn luyện : yđL = y1 = 0,239 Nồng độ pha cuối đoạn luyện : ycL = yP = xP = 0,553 ⇒ Nång độ trung bình pha đoạn luyện : ytbL = ydL + ycL 0,239 + 0,553 = = 0,396 2 Khối lợng mol trung bình đoạn luyện : M yL = ytbL.M1+(1- ytbL).M2 = 0,396 46 + (1- 0,396).18 = 29,088 (kg/kmol) Khối lợng riêng trung bình pha đoạn luyện : yL = M yL TO 29,088 273 = = (kg/m3) 22,4.(TO + ttbL ) 22,4.( 273 + 81,721) - Đoạn chng : Nồng độ pha đầu đoạn chng lµ : y dC = y1 = 0,61752 ' Nång độ pha cuối đoạn chng : ycC = y1 = 0,239 Nồng độ trung bình pha ®o¹n lun : ytbC = ydC + ycC 0,61752 + 0,239 = = 0,42826 2 → Khèi l−ỵng mol trung bình đoạn chng : M yC = ytbC.M1+(1-ytbC).M2 = 0,42826.46+(1 0,42826).18 =30 (kg/kmol) Khối lợng riêng trung bình pha đoạn chng : http://nuoc.com.vn yC = M yC TO 30 273 = = 0,99 (kg/m3) 22,4.(TO + ttbC ) 22,4.(273 + 95,706) Tính vận tốc tháp : a.Tính độ nhớt: - Đoạn luyện +Tra bảng (I-94) ta có độ nhít cđa n−íc ë 200C lµ: 1,005 10-3 +ë ttbL= 81,7210C suy tõ b¶ng (I-92) ta cã: μ E = 0,426.10 −3 (N.s/ m ) (N.s/ m ) μ H = 0,351.10 −3 (N.s/ m ) VËy ®é nhít pha láng tÝnh theo nhiƯt ®é trung b×nh lµ: lg μ xL = xtbL ⋅ lg μ E + (1 − xtbL ) ⋅ lg μ H xtbL = 0,2986 lg μ xL = 0,2986 ⋅ lg(0,426.10 −3 ) + (1 − 0,2986) ⋅ lg(0,351.10 −3 ) lg μ xL = −3,43 μ xL = 0,37.10 −3 ⎛G X L = ⎜⎜ tbL ⎝ g tbL ⎞ ⎟⎟ ⎠ ⎛ ρ yL ⋅ ⎜⎜ ⎝ ρ xL ⎞ ⎟⎟ ⎠ (N.s/ m ) ⎛ 45,93 ⎞ =⎜ ⎟ ⎝ 74,451 ⎠ ⎛ ⎞ ⋅⎜ ⎟ ⎝ 851,44 ⎠ = 0,38 YL = 1,2.e-4.X = 0,26 ⎛ ω σ d ρ yL YL = ⎜ ⎜ g.V ρ d xL ⎝ s ⎞ ⎛ μ xL ⎟⋅⎜ ⎟ ⎜ μn ⎠ ⎝ ⎞ ⎟⎟ ⎠ ,16 ⎛ ⎜ Y g.Vd3 ρ xL => ω s = ⎜⎜ L μ xL 0,16 ) ⎜ σ d ρ yL ( μn ⎝ ⎛ ⎞ ⎞ ⎜ ⎟ ⎟ ⎟ = ⎜ 0,26.9,81.0,76 851,44 ⎟ ⎜ ⎟ 0,37.10 −3 0,16 ⎟ 165 ( ) ⎜ ⎟ ⎟ 1,005.10 −3 ⎠ ⎝ ⎠ =6,78 (m/s)2 - Đoạn chng +Tra bảng (I-94) ta có độ nhớt n−íc ë 200C lµ: 1,005 10-3 +ë ttbC= 95,7060C suy tõ b¶ng (I-92) ta cã: μ E = 0,35.10 −3 (N.s/ m ) μ H = 0,3.10 −3 (N.s/ m ) (N.s/ m ) VËy ®é nhít pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là: lg μ xC = xtbC ⋅ lg μ E + (1 − xtbC ) ⋅ lg μ H xtbC = 0,0226 lg μ xC = 0,0226 ⋅ lg(0,35.10 −3 ) + (1 − 0,0226 ) ⋅ lg(0,3.10 −3 ) lg μ xC = −3,52 10 http://nuoc.com.vn