Thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử benzen axit axetic

- Phần 3: Phương pháp và các kết quả tính thiết bị chính với các nội dung chính: Tính cân bằng vật liệu, xác định các thông số của tháp đường kính, chiều cao, trở lực, ..., tính cân bằng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA CHẤT VÀ THỰC PHẨM



ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ BENZEN- AXIT AXETIC

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Xá Sinh viên thực hiện: Đào Thị Huệ

MSSV: 20180748 Lớp: KTHH 08 K63

Hà Nội, 1/2022

NHIỆM VỤ

THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC CH3440

I Đầu đề thiết kế

Tính toán và thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử Hỗn hợp: Benzen- axit axetic

Loại tháp: Tháp chóp

II Các số liệu ban đầu

Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: 7800 kg/h Nồng độ hỗn hợp theo phần trăm khối lượng:

- Hỗn hợp đầu: aF = 41,5 %( % khối lượng) - Hỗn hợp đỉnh: aP= 98 % (% khối lượng) - Hỗn hợp đáy: aW = 1,4 %( %khối lượng)

Tháp làm việc ở áp suất khí quyển Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi

III Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

1 Phần mở đầu

2 Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4) 3 Tính toán kỹ thuật thiết bị chính

V Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Xá

VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày 13 tháng 10 năm 2021 VII Ngày phải hoàn thành: ngày 27 tháng 1 năm 2022

Người hướng dẫn

VIỆN KỸ THUẬT HOÁ HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH –THIẾT BỊ CÔNG

2.2: Thuyết minh sơ đồ công nghệ 9

PHẦN 3: BẢN KÊ CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG 11

3.1: Các ký kiệu và đại lượng 11

PHẦN 4: TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CHÍNH 13

4.3: Tính đường kính tháp chưng luyện 21

4.3.1 Tính đường kính đoạn luyện 21

4.3.2 Tính đường kính đoạn chưng 27

4.4: Xác định chiều cao của tháp 31

4.4.1 Xác định hiệu suất trung bình chuyển khối của tháp 31

4.5 Tính cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 35

4.5.1 Tính cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 35

4.5.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 38

4.5.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp 42

4.6 Tính trở lực của tháp chưng luyện loại đĩa chóp 43

4.6.1 Trở lực của đĩa khô ΔPk 44

4.6.2 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt ΔPs 45

4.6.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) 46

4.7 Tính toán cơ khí 50

4.7.1 Tính chiều dày thân tháp 50

5.1 Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 68

5.1.1 Tính hiệu số nhiệt độ trung bình Δttb, oC 68

5.1.2 Tính nhiệt tải trung bình 69

5.1.3 Tính bề mặt trao đổi nhiệt và đường kính của thiết bị 73

5.2 Tính bơm hỗn hợp đầu 74

5.2.1 Áp suất toàn phần của bơm 75

5.3 Tính toán thiết bị ngưng tụ hồi lưu đỉnh tháp 82

5.3.1 Nhiệt lượng trao đổi 83

5.3.2 Tính nhiệt tải trung bình 84

5.3.3 Tính bề mặt trao đổi nhiệt và đường kính của thiết bị 87

PHẦN 6: KẾT LUẬN 89

DANH MỤC THAM KHẢO 90

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn thầy – TS Nguyễn Văn Xá người đã hướng dẫn tận tình chỉ bảo, động viên khích lệ em trong suốt quá trình làm đồ án thiết kế tháp chưng luyện loại đĩa chóp

Em xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Viện Kỹ thuật Hóa học đã cho em cơ hội được học tập môn quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm và làm đồ án thiết kế môn

Bài thiết kế của em còn nhiều thiếu xót, em mong thầy xem xét và sửa chữa cho em Em xin chân thành cảm ơn !

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

“Đồ án quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học” là học phần nhằm giúp sinh viên vận dụng kiến thức đã học trong các học phần “Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm I, II và III” và kiến thức của các môn học cơ sở cốt lõi ngành khác để tính toán, thiết kế dây chuyền sản xuất của một quá trình sản xuất nào đó Đồng thời trau dồi cho sinh viên các kỹ năng như tìm đọc, sử dụng tài liệu tham khảo, kỹ năng tính toán trình bày kết quả, kỹ năng vận dụng quy định để hoàn thiện bản vẽ kỹ thuật Từ những kiến thức, kỹ năng được học ấy giúp sinh viên ra trường làm việc sẽ đảm bảo được các yếu tố nhất định của một kỹ sư, hỗ trợ người kỹ sư tương lai có cái nhìn tổng quan về một vấn đề nào đó để từ đó có những phương pháp, nhận xét, đánh giá đúng đắn vấn đề ấy

Nhiệm vụ của đồ án là tính toán và thiết kế tháp chưng luyện loại đĩa chóp làm việc liên tục ở áp suất khí quyển tách hỗn hợp hai cấu tử là benzen(C6H6) và axit axetic(CH3COOH), với các yêu cầu cho: năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu F= 7.800 kg/h; nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi trong: hỗn hơp đầu aF =41,5% ( % khối lượng ); aP = 98% ( % khối lượng ); aW = 1,4% (% khối lượng )

Về hóa chất: axit axetic là một loại axit quan trọng nhất trong các loại axit hữu cơ, với nhiệt độ sôi là 118,2 oC Axit axetic rẻ nên có ứng dụng rộng rãi và là hóa chất cơ bản để điều chế các hợp chất quan trọng Axit axetic được ứng dụng trong các ngành như làm dấm ăn, đánh đông mủ cao su, làm chất dẻo tơ lụa xenluloza axetat, làm phim ảnh không nhạy lửa, làm chất kết dính polyvinyl axetat, làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp Benzen là một hidrocacbon thơm, có nhiệt độ sôi là 80,1 oC Benzen được làm dung môi cho nhiều chất như Iot, lưu huỳnh, chất béo Benzen được ứng dụng nhiều để điều chế các hợp chất như nitro benzen, anilin, tổng hợp phẩm nhuộm, dược phẩm, Trong quá trình tổng hợp chất sẽ tạo ra sản phẩm phụ là hỗn hợp gồm benzen và axit axetic, đây là hỗn hợp lỏng đồng nhất, hỗn hợp này không có tác dụng và ứng dụng gì trong từng ngành, từng lĩnh vực cũng như trong đời sống Nhưng khi tách riêng hỗn hợp hai cấu tử này lại mang lại những tác dụng và ứng dụng riêng Vì vậy việc chưng luyện liên tục hỗn hợp benzen-axit axetic là rất cần thiết

Chưng cất là phương pháp tách dùng để tách các hỗn hợp lỏng cũng như các hỗn hợp khí - lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Hỗn hợp này có bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm là các cấu tử riêng biệt Có nhiều biện pháp chưng cất khác nhau như chưng cất gián đoạn, chưng cất liên tục, chưng cất đơn giản, chưng cất đặc biệt Trong đó, chưng luyện là phương pháp chưng phổ biến nhất đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế và mang lại hiệu quả kinh tế cao Phương pháp chưng luyện này là một quá trình mà trong đó hỗ hợp được bốc hơi một phần và ngưng tụ một phần nhiều lần Quá trình chưng luyện được thực hiện trong các tháp chưng luyện, có nhiều loại tháp chưng luyện như tháp đĩa chóp, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ có kênh chảy truyền, tháp đệm, với áp suất làm việc của thiết bị cũng có thể là áp suất cao, áp suất thường, áp suất thấp Các thiết bị cùng với điều kiện đa dạng như vậy; do đó cần lựa chọn, thiết kế loại tháp phù hợp với yêu cầu kĩ thuật cũng như đảm bảo vấn đề kinh tế

Tháp chưng luyện loại đĩa chóp thuộc loại chéo dòng, lâu đời và truyền thống Hơi sẽ đi trong tháp từ dưới lên qua ống hơi, đi vào không gian giữa ống hơi và chóp, sau đó đi qua rãnh chóp và sục vào lớp chất lỏng trên đĩa Do benzen có nhiệt độ sôi thấp hơn axit axetic nên benzen dễ bay hơi hơn, khi chưng luyện ta sẽ thu được sản phẩm đỉnh giàu benzen và sản phẩm đáy giàu axit axetic Đặc điểm nổi bật của tháp đĩa loại chóp là do có lắp các ống hơi nên mức chất lỏng ở trên đĩa được giữ ổn định tại tất cả các vận tốc của khí (hơi) khác nhau Do đó hiệu suất của tháp chóp là hiệu suất truyền khối khá cao, ổn định, ít tiêu tốn năng lượng Tuy nhiên do cấu tạo của chóp mà việc chế tạo phức tạp, tốn vật liệu chế tạo và trở lực của tháp lớn

Đồ án được hoàn thành với các phần chính:

- Phần 1: Mở đầu: Giới thiệu tóm tắt mục đích đề tài, phương pháp công nghệ được giao thiết kế, tính chất sản phẩm và ứng dụng

- Phần 2: Sơ đồ, mô tả dây chuyền công nghệ

- Phần 3: Phương pháp và các kết quả tính thiết bị chính với các nội dung chính: Tính cân bằng vật liệu, xác định các thông số của tháp (đường kính, chiều cao, trở lực, ), tính cân bằng nhiệt lượng, tính toán cơ khí

- Phần 4: Tính toán các thiết bị phụ: thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, bơm, thiết bị ngưng tụ hồi lưu sản phẩm đỉnh

PHẦN 2: SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

2.1: Sơ đồ công nghệ, chú thích

Chú thích:

STT Ký hiệu Tên thiết bị

5 H-1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6 H-2 Thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp 7 C-1 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

8 C-2 Thiết bị ngưng tụ hồi lưu sản phẩm đỉnh

10 R-1 Bộ phận hồi lưu sản phẩm đáy 11 R-2 Bộ phận hồi lưu hơi ở đỉnh tháp

13 F-1 Lưu lượng kế đo lưu lượng hỗn hợp đầu 14 F-2 Lưu lượng kế đo lưu lượng sản phẩm đỉnh 15 V-1- V-10 Hệ thống van

2.2: Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Dung dịch đầu từ thùng chứa hỗn hợp đầu T-1 được bơm P-1 bơm liên tục đưa vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu H-1 qua van V-2 và lưu lượng kế F-1 Bơm P-2 được lắp song song dự phòng trường hợp bơm P-1 bị hỏng hóc Tại thiết bị gia nhiệt H-1, dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi tF thì được đưa vào tháp chưng luyện E-1 tại vị trí đĩa tiếp liệu Trong tháp chưng luyện E-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 chóp của tháp, chất lỏng có nồng độ của cấu tử dễ bay hơi là x1, hơi bốc lên có nồng độ y1, trong đó y1>x1 Hơi này qua ống hơi đi lên đĩa trên, qua khe chóp, sục vào (tiếp xúc pha) với lỏng trên đó 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 xảyra 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 cơ cấu hồi lưu đáy tháp R-1, một phần sẽ được đưa ra khỏi thiết bị và làm lạnh ở thiết bị làm lạnh C-1, khi đạt đến nhiệt độ cần thiết sẽ được đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy T-2 Một phần sản phẩm đáy sẽ được qua thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp H-2 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 C-2, ở đây nó được ngưng tụ lại Qua cơ cấu hồi lưu R-2, một phần chất lỏng hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng, một phần khác đi qua thiết bị làm lạnh C-3 để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phầm đỉnh T-3 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

PHẦN 3: BẢN KÊ CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG

3.1: Các ký kiệu và đại lượng

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

gP Lưu lượng sản phẩm đỉnh kg/h, kg/s gW Lưu lượng sản phẩm đáy kg/h, kg/s GF Lưu lượng hỗn hợp đầu kmol/h, kmol/s GP Lưu lượng sản phẩm đỉnh kmol/h, kmol/s GW Lưu lượng sản phẩm đáy kmol/h, kmol/s

α Hệ số bay hơi tương đối

λ Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) J/kg

r Ẩn nhiệt hóa hơi, ẩn nhiệt ngưng tụ kcal/kmol

ΔP Trở lực của tháp chưng luyện N/m2

PHẦN 4: TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CHÍNH

4.1: Tính cân bằng vật liệu

4.1.1: Tính nồng độ phần mol

Cấu tử dễ bay hơi A: C6H6

Cấu tử khó bay hơi B: CH3COOH Lưu lượng hỗn hợp đầu: GF=7800 kg/h

Nồng độ % khối lượng hỗn hợp đầu: aF= 41,5 % = 0,415 (phần khối lượng) Nồng độ % khối lượng sản phẩm đỉnh : aP= 98% = 0,98 (phần khối lượng) Nồng độ % khối lượng sản phẩm đáy : aW= 1,4% = 0,014 (phần khối lượng)  Công thức chuyển đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol

4.1.2: Tính lưu lượng khối lượng

 Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp

G’- lưu lượng mol của cấu tử trong hỗn hợp G- lưu lượng khối lượng của cấu tử trong hỗn hợp Mi- khối lượng mol của cấu tử trong hỗn hợp  Lưu lượng mol của hỗn hợp sản phẩm đầu

4.2.1: Biểu diễn đường cân bằng pha lỏng- hơi

a,Bảng thành phần cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi hỗn hợp

hai cấu tử ở 750 mmHg (% mol) [2 – 146, Bảng IX.2a.]

Bảng 4.1.1: Bảng thành phần pha lỏng – hơi của hỗn hợp benzen-axitaxetic

b, Đồ thị đường cân bằng pha lỏng(x)- hơi(y*)

Hình 4.1.1 Đồ thị đường cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) hỗn hợp 2 cấu tử C6H6-CH3COOH

Dựa vào đồ thị hình 4.1.1 xác định được nồng độ C6H6 trong pha hơi cân bằng với pha lỏng tại xF=35,3 (%mol), xP=97,4 (%mol), xW=1,1 (%mol) lần lượt là: y*F =71,2 (%mol); y*P=97,3 (%mol); y*W=5,6 (%mol)

Sử dụng công thức nội suy tuyến tính, cũng có thể xác định được nồng độ C6H6

trong pha hơi cân bằng với pha lỏng trong ở:

a, Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu bằng phương pháp đồ thị Mc Cabe – Thiele

Dựng đồ thị y – x (đồ thị Mc Cabe – Thiele) của hỗn hợp 2 cấu tử C6H6 – CH3COOH ở chế độ chỉ số hồi lưu nhỏ nhất Rmin (Hình 4.1.1) Đường làm việc đoạn chưng qua điểm xW=yW=1,1 (%mol), đường làm việc đoạn luyện qua điểm xP=yP=97,4 (%mol) Hai đường cắt nhau tại điểm xF=35,3 (%mol), (y*F=71,05 %mol) trên đường cân bằng pha Kéo dài đường làm việc đoạn luyện cho tới khi cắt trục tung tại điểm Bmax=56

 Nhận xét: cả hai phương pháp đều cho giá trị chỉ số hồi lưu tối thiểu là 0,74

4.2.3: Xác định số đĩa lý thuyết nhỏ nhất NLTmin

a, Xác định NLTmin ở chế độ hồi lưu hoàn toàn ở chế độ hồi lưu hoàn toàn bằng phương pháp đồ thị

Khi chỉ số hồi lưu R→ ∞ (chế độ hồi lưu hoàn toàn) đường làm việc của tháp chưng luyện liên tục sẽ trùng với đường chéo của hình vuông (y = x) trên đồ thị Mc Cabe- Thiele và số đĩa lí thuyết NLT của tháp sẽ là nhỏ nhất Dựng đồ thị y – x (đồ thị Mc Cabe – Thiele) Từ điểm có tọa độ (xP;yP) vẽ đường thẳng song song với trục hoành cắt đường cân bằng pha tại 1 điểm; rồi từ giao điểm đó vẽ đường thẳng song song với trục tung gặp đường làm việc (y=x) ở một điểm khác Cứ tiếp tục dựng các đường song song cho tới khi đến điểm (xW;yW) (tức là x<xW) thì dừng lại Đếm số tam giác giữa đường cân bằng pha và đường làm việc (y=x) Số tam giác có giá trị chính bằng số đĩa lí thuyết nhỏ nhất NLTmin cần tìm Dựng như trong đồ thị hình 4.1.2 xác định đƣợc số đĩa lí thuyết nhỏ nhất NLTmin = 6 (đĩa)

b, Xác định NLTmin ở chế độ hồi lưu hoàn toàn bằng công thức Fenske

Đối với hỗn hợp lí tưởng thì α = const không phụ thuộc vào nồng độ Còn với các hỗn hợp khác lí tưởng như trường hợp C6H6-CH3COOH đang xét thì α là giá trị trung bình:

Trong đó αi (i = 1 ÷ k) là các giá trị tương ứng với các 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 các giá trị xi Như vậy cả 2 phương pháp đều giúp xác định đưuợc cùng một giá trị số đĩa lí

thuyết nhỏ nhất NLTmin = 6 (đĩa)

4.2.4: Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

Chỉ số hồi lưu Rth có thể xác định theo 2 tiêu chí là: chiều cao H của tháp và thể tích VT

của tháp Tùy theo yêu cầu mức độ chính xác, trong tính toán công nghiệp thường tính gần đúng chỉ số hồi lưu làm việc bằng: Rx = (1,2 ÷ 2,5).Rmin [2 – 158 – IX.25a]

Với Rmin=0,74 , chọn RX=0,89 -1,85

a) Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Rth theo tiêu chí chiều cao H của tháp

Để chọn Rth ta lập quan hệ NLT=f(R) Quan hệ này có thể được xây dựng bằng phương pháp đồ thị của Mc Cabe-Thiele hoặc sử dụng quan hệ thực nghiệm Gilliland dựa trên phương trình Molokanov:

Hình 4.2.1: Đồ thị biểu diễn quan hệ NLt=f(R)

b) Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Rth theo tiêu chí thể tích VT của tháp

Đối với các tháp chuyển khối, kinh phí chế tạo tháp thông thường tỷ lệ thuận với thể tích của tháp VT ~ V = NLT(R + 1) nên để tìm được chỉ số hồi lưu thích hợp cần phải xây dựng

R 1,7 1,8 1,9 NLT 9,63 9,38 9,17 NLT.(R+1) 26,00 26,26 26,59

đƣợc quan hệ V = NLT(R + 1) = f(R) Quan hệ nay cũng sẽ xây dựng được bằng cách sử dụng đồ thị x – y của Mc Cabe hoặc sử dụng phương trình của Molokanov.Sử dụng phương trình Molokanov có bảng số liệu 4.2.1 và dựng được đồ thị quan hệ V=NLT(R+1) như trên hình 4.2.3 dưới đây

Hình 4.2.3: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của NLT(R+1)=f(R)

Từ đồ thị hình 4.2.3 cho thấy nếu chọn thể tích của tháp làm tiêu chí tối ưu thì chỉ số hồi lưu thích hợp Rth = 1,4, ứng với NLT=11 đĩa

- Đồ thị làm việc của tháp chưng luyện ứng với Rth=1,4

Để vẽ đồ thị làm việc của tháp chưng luyện ta cần vẽ được đường làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện của tháp Sau đó từ điểm có tọa độ (xP;yP) vẽ đường thẳng song song với trục hoành cắt đường cân bằng pha tại 1 điểm; rồi từ giao điểm đó vẽ đường thẳng song song với trục tung gặp đường làm việc đoạn luyện ở một điểm khác Cứ tiếp tục dựng các đường song song cho tới khi đến điểm (xW;yW) (x<xW) thì dừng lại Đếm số tam giác giữa đường cân bằng pha và đường làm việc của tháp là số đĩa lí thuyết Với R=1,4 ta có phương trình đường làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện có dạng:

Qua đồ thị cho thấy số đĩa lý thuyết đoạn luyện là 6 đĩa, số đĩa lý thuyết đoạn chưng là 4,7 đĩa, vậy tổng số đĩa của toàn tháp là: NLT=6+4,7=10,7 (đĩa)

4.3: Tính đường kính tháp chưng luyện

4.3.1 Tính đường kính đoạn luyện

 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện gtbL (kg/h)

gtbL =gđ + gl

2 [2 − 181 − IX91]

Trong đó: +) gtbL: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h) +) gđ: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)

+) gl: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h)  Tính lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp: Lượng lỏng đi vào đĩa tiếp liệu của đoạn luyện: Gl = gl - GP

 Cân bằng vật liệu riêng phần cho cấu tử dễ bay hơi từ đĩa tiếp liệu đến đỉnh tháp gl × ayl=Gl × al+GP × aP [2 – 182 – IX.94]

Trong đó:

+) ay1: phần khối lượng của cấu tử phân bố C6H6trong pha hơi đi vào vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện

+) a1=aF=0,415: nồng độ phần khối lượng của C6H6 trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu +) aP = 0,98: nồng độ phần khối lượng của C6H6 trong pha lỏng ở sản phẩm đỉnh  Phương trình cân bằng nhiệt lƣợng toàn phần từ đĩa tiếp liệu đến đỉnh tháp

gl × rl =gđ × rđ [2 – 182 – IX.95] Trong đó:

+) rl: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện +) rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp

Sử dụng công thức nội suy tuyến tính, ta có thể xác định được nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử trong:

Hỗn hợp đầu: xF=35,3% mol nên tF= 92,04oC

r1= rhhC6H6.ayl+(1-ayl) rhhcC2H4O2=91,93×ayl+(1-ayl)× 100,07=100,07-8,14.ayl (kcal/kg) Tính ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp rđ:

rđ= rhhC6H6.ayP+(1-ayP) rhhcC2H4O2=94,09×0,98+(1-0,98) 101,48=94,24 (kcal/kg)

 Vận tốc trung bình cho phép của pha hơi đi trong đoạn luyện

- Khi tính toán đường kính cần biết trước tốc độ khí đi trong tháp Tốc độ khí phụ thuộc vào cấu tạo tháp, chế độ làm việc, khối lượng riêng, mật độ tưới Công thức

tính tốc độ khí (hơi) trung bình đi trong đoạn luyện của tháp chóp

(ρyωy)tb(đl)=0,065 × φ(σ) × √h × ρxtb(đl)× ρytb(đl) (kg/m s) [2 – 184 – IX.105]

Trong đó: - ρxtb, ρytb: khối lượng riêng trung bình của hơi trong đoạn luyện, khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện (kg/m3)

- h : khoảng cách giữa các đĩa, giá trị h chọn theo đường kính tháp (m)

- φ(σ): hệ số tính đến sức căng bề mặt

khi σ <20 dyn/cm thì φ(σ)=0,8; khi σ >20 dyn/cm thì φ(σ)=1  Khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi) đi trong đoạn luyện (kg/m3)

Do ay1 = 0,651 (phần khối lượng) nên sử dụng công thức đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol ta có nồng độ phần mol của cấu tử phân bố trong pha hơi tại đĩa dưới cùng của đoạn luyện (đĩa tiếp liệu): y1=0,589 (phần mol)

- Nồng độ phần mol của cấu tử phân bố trong pha hơi tại đỉnh tháp: yP=0,974 (phần

Bảng 4.3.3 Bảng khối lượng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của C6H6 và CH3COOH ở trạng thái lỏng [1 – 9 – Bảng I.2]

- Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện: ttbl=86,06 oC

- Dựa vào bảng số liệu 4.3.3 sử dụng công thức nội suy xác định được

Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện: ttbl=86,06 oC

- Dựa vào bảng số liệu 4.3.4 sử dụng công thức nội suy xác định được σtbC6H6= 20,54 (dyn/cm); σtbCH3COOH= 21,19 (dyn/cm)

- Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn luyện: (ρyωy)tb(đl)= 2,4065 × √h(kg/m2 s) - Lượng hơi trung bình dòng hơi đi trong đoạn luyện: gtbL = 7756,043(kg

= 1,34 (m) thuộc đoạn giả thuyết => quy chuẩn đường kính Dl=1,4 m

 Thử lại vận tốc làm việc đoạn luyện:

(ρyωy)lt = 1,522; (ρyωy)tt = 1,399 Suy ra [(ρyωy)lt - (ρyωy)tt]/ (ρyωy)lt = 8,08 % => thỏa mãn

4.3.2 Tính đường kính đoạn chưng

 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng

gtbC =g′n + g′l

gl + g′l

2 [2 − 182 − IX96, IX97] Trong đó: +) gtbC: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng (kg/h)

+) g'n: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn chưng (kg/h) +) g'l: lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

+) gl: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h)

 Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng đoạn luyện: g'n= gl= 7741,1542 (kg/h)

 Cân bằng vật liệu cho đĩa thứ nhất của đoạn chưng

Lượng lỏng đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng: G’l= g'l+GW [2 – 182 – IX.98]  Cân bằng vật liệu riêng phần cho cấu tử dễ bay hơi tại đĩa thứ nhất của đoạn chưng:

G’l.ax’l = g'l.ayw+GW.aw [2 – 182 – IX.99] Trong đó:

+)ax’l : là phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi (C6H6) trong pha lỏng tại đĩa thứ nhất của đoạn chưng

+)ayw : là nồng độ phần khối lượng của (C6H6) trong pha hơi ở sản phẩm đáy +) aW : là nồng độ phần khối lượng của (C6H6) trong pha lỏng ở sản phẩm đáy  Phương trình cân bằng nhiệt lượng toàn phần từ đĩa tiếp liệu đến đáy tháp:

g'l×r’l = g'n×r’n= gl×rl [2 – 182 – IX.100]

Trong đó: r’l: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng r’n: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng r’n chính bằng ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện r1:r’n=rl =94,771 (kcal/kg)

Tính ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào trong đĩa thứ nhất của đoạn chưng: r′l = rC6H6 ay′l+ rCH3COOH (1 − ay′l)(kcal/kmol) [2 – 182]

Trong đó ay’l=ay*W =0,0572 phần mol= 0,0731 phần khối lượng là nồng độ phần khối lượng của cấu tử C6H6 trong pha hơi cân bằng pha lỏng nồng độ aW

Có rC6H6 =87,42(kcal/kg); rhhC2H4O2= 97,11(kcal/kg) Suy ra r′

l = rC6H6 ay′l+ rCH3COOH (1 − ay′l) = 87,42.0,0731 + 97,11 (1 − 0,0731)

= 96,402(kcal/kmol)

Giải hệ G’l= g'l+GW G’l= g'l+ 4562,112 G’l.ax’l = g'l.ayw+GW.aw G’l.ax’l = g'l.0,014+4562,112.0,014

g'l×r’l = gl×rl g'l×96,402 = 7741,1542 × 94,771 suy ra : g'l=7610,184 (kg/h); G’l=12172,296 (kg/h); ax’l=0,014 phần khối lượng

 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

- Nồng độ phần mol của cấu tử phân bố trong pha hơi tại đĩa trên cùng của đoạn chưng (đĩa tiếp liệu): y’n=yl=0,589 phần mol

- Nồng độ phần mol của cấu tử phân bố trong pha hơi tại đáy tháp: yW=0,011 (phần mol) - Nồng độ làm việc trung bình của cấu tử phân bố trong pha hơi trong đoạn chưng:

ytbđc =yl + yw

0,589 + 0,011

2 = 0,3 phần mol

- Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng: ttbđc=104,57 0C

- Dựa vào bảng số liệu 4.3.4 sử dụng công thức nội suy xác định được - Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng: ttbđc=104,57 0C

- Dựa vào bảng số liệu 4.3.4 sử dụng công thức nội suy xác định được σtbC6H6=18,252 (dyn/cm); σtbCH3COOH= 19,389 (dyn/cm)

- Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn luyện: (ρyωy)tb(đc)= 2,279 × √h(kg/m2 s) - Lượng hơi trung bình dòng hơi đi trong đoạn luyện: gtbC = 7675,669(kg

= 1,37 (m) thuộc đoạn giả thuyết=>quy chuẩn đường kính Dc=1,4 m

 Thử lại vận tốc làm việc đoạn chưng:

(ρyωy)lt = 1,441; (ρyωy)tt = 1,384 Suy ra [(ρyωy)lt - (ρyωy)tt]/ (ρyωy)lt = 4 % => thỏa mãn

4.4: Xác định chiều cao của tháp

Trong đồ án này tính toán và nghiên cứu thông số của tháp chưng luyện loại đĩa chóp nên để xác định chiều cao của tháp chọn phương pháp xác định hiệu suất trung bình chuyển khối của tháp Xác định số đĩa thực tế dựa trên hiệu suất trung bình chuyển khối

NTT =NLT

ƞtb [2 – 170 – IX 59] Trong đó: NLT: là số đĩa lí thuyết;

ƞtb: là hiệu suất trung bình của thiết bị;

ƞ1, ƞ2, ,ƞn: là hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ; n là số vị trí tính hiệu suất

4.4.1 Xác định hiệu suất trung bình chuyển khối của tháp

Hiệu suất trung bình của thiết bị:

Trong đó: μ1, μ2, μ3 là độ nhớt động lực của các cấu tử thành phần

x1, x2, x3 là nồng độ của các cấu tử trong hỗn hợp

- Hỗn hợp hai cấu tử: lg μhh= lg μC6H6 × xC6H6 + lg μCH3COOH × xCH3COOH

- Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp

α =y ∗/(1 − y ∗)

x/(1 − x) [2 – 171 – IX 61]

- Tính tích số α.μ sau đó tra đồ thị hình IX11 Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị [2 – 171] để tìm giá trị η tương ứng

 Xác định số đĩa thực tế dựa trên hiệu suất trung bình

 Xét vị trí đĩa tiếp liệu xF = 0,353 (phần mol), toF =92,04 oC

- Nội suy từ bảng số liệu 4.4.1 có độ nhớt μC6H6= 0,2829 (cP) ; μCH3COOH=0,4998 (cP)

- Tính tích số α.μ = 4,498 × 0,409 = 1,84 tra đồ thị hình IX.11[2– 171] Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị được giá trị ƞF=43%

Xây dựng bảng số liệu 4.4.2 và 4.4.3 bằng cách tính toán tương tự tại các bậc thay đổi nồng độ của thiết bị theo thứ tự sau:

- Từ nồng độ C6H6 trong pha lỏng (x) xác định nhờ đồ thị hình 4.2.4, xác định nhiệt độ sôi (to) và nồng độ C6H6 pha hơi cân bằng với pha lỏng (y*) dựa vào đồ thị 4.2.4 Nội suy độ nhớt dựa vào bảng số liệu 4.4.1 từ nhiệt độ sôi đã xác định Tính độ nhớt của hỗn hợp Xác định độ bay hơi tương đối dựa vào x và y*

- Tính tích số α.μ sau đó tra đồ thị hình IX11 Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị

 Hiệu suất làm việc trung bình của đoạn chưng:

Bảng 4.4.3 Xác định hiệu suất tại các bậc thay đổi nồng độ của đoạn luyện

 Hiệu suất làm việc trung bình của đoạn luyện:

δ: chiều dày của đĩa, chọn δ=3mm=0,003m

h: khoảng cách giữa các đĩa, chọn h=hchưng= hluyện= 0,4 m

Δh: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị, m(dao động từ 0,8 – 1m),

4.5 Tính cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

4.5.1 Tính cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 [2 – 196 – IX.149] Trong đó: +) QD1 là nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)

+) Qf là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h) +) QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h) +) Qng1 là nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

+) Qxq1 là nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy (J/h)

a, Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào

QD1= Dl.λl = Dl (r1+ θ1 C1) , J/h [2 –196 – IX.150]

Trong đó: +) QD1 là nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h) +) D1 là lượng hơi đốt (kg/h)

+) r1 là ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

+) λ1 là hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg) +) θ1 là nhiệt độ nước ngưng

+) C1 là nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)

 Ta sử dụng loại hơi đốt phổ biến trong công nghiệp là hơi nước bão hòa

 Vì nhiệt độ của hỗn hợp đầu là tF=92,04 oC nên nhiệt độ của hơi đốt phải cao, chọn 142,9oC tương ứng với áp suất 4 at [1 – 315 – Bảng I.251 Tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào áp suất]

 Tra bảng tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc áp suất [1 – 315] có nhiệt hóa hơi r1 = 2141.103 (J/kg); nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) λ1 = 2744.103 (J/kg)

b, Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào

Qf = F Cf tf [2 –196 – IX.151]

Trong đó: +) Qf là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h) +) F là lượng hỗn hợp đầu (kg/h)

+) Cf là nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ) +) tf là nhiệt độ đầu của hỗn hợp (0C)

 Bảng nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ của benzen và axit axetic Chất Nhiệt dung riêng Cp, J/kg ở nhiệt độ

-20oC 0 oC 20 oC 40 oC 60 oC 80 oC 100 oC 120 oC Benzen - 1635 1730 1825 1930 2035 2120 2180

 Giả sử gia nhiệt cho hỗn hợp đầu từ tf = 20 oC Từ bảng số liệu ta có nhiệt dung riêng của benzen và axit axetic là: CpC6H6 = 1730 J/kg; CpCH3COOH = 1994 J/kg

 Sử dụng công thức [1 – 152 – I.42] tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu: Trong đó: +) QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)

+) CF là nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra (J/kg.độ) +) tFlà nhiệt độ hỗn hợp sau khi ra khỏi thiết bị đun nóng (0C)

 Từ số liệu bảng 4.5.1 sử dụng công thức nội suy tìm giá trị nhiệt dung riêng của benzen và axit axetic ở nhiệt độ cuối tF=92,04 oC là CpC6H6 = 2086,17; CpCH3COOH = 2384,63

+) Gng1 là lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt (kg/h)

e, Nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy 4.5.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

Tổng nhiệt lượng mang vào tháp = Tổng nhiệt lượng mang ra khỏi tháp QF + QD2 + QR = Qy + QW + Qxq2 + Qng2 [2 – 197 – IX.156] Trong đó: +) QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp

+) QD2 là nhiệt lượng hơi đốt mang vào tháp

+) QR là nhiệt lượng do chất lỏng hồi lưu mang vào +) Qy là nhiệt lượng do hơi nước mang ra ở đỉnh tháp +) QW là nhiệt lượng do sản phẩm mang ra

+) Qxq2 là nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh +) Qng2 là nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

a, Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào đáy tháp

QD2= D2.λ2 = D2 (r2+ θ2 C2) [2 – 197 – IX.157] Trong đó: +) QD2 là nhiệt lượng hơi đốt mang vào đáy tháp (J/h)

+) D2 là lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp (kg/h)

+) r2 là ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

+) λ2 là hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg) +) θ2 là nhiệt độ nước ngưng

+) C2 là nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)

 Sử dụng hơi đốt là hơi nước bão hòa ở 142,9oC tương ứng với áp suất 4 at Tra bảng tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc áp suất [1 – 315] có nhiệt hóa hơi r2

= 2141.103 (J/kg); nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) λ2 = 2744.103 (J/kg)

b, Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào

QR = GR.CR.tR [2 – 197 – IX.158] Trong đó: +) QR là nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu (J/h)

+) GR = P.Rx là lượng lỏng hồi lưu (kg/h)

+) CR là nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu (J/kg.độ) +) tR = tP = 80,08 oC là nhiệt độ chất lỏng hồi lưu

+) P = 3237,888 (kg/h) là lượng sản phẩm đỉnh +) Rx = 1,4 là chỉ số hồi lưu

 Lượng lỏng hồi lưu: GR = P.Rx = 3237,888×1,4 = 4533,043 kg/h

 Từ số liệu bảng 4.5.1 sử dụng công thức nội suy tìm giá trị nhiệt dung riêng của benzen và axit axetic ở nhiệt độ tR=80,08 oC là CpC6H6 = 2035,34; CpCH3COOH = 2316,46 (J/kg)

 Sử dụng công thức [1 – 152 – I.42] tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp hồi lưu CR = ap CpC6H6 + (1-ap) CPCH3COOH = 0,98×2035,34+(1-0,98)×2316,46 = 2040,96 J/kg.độ

 QR = GR.CR.tR = 4533,043×2040,96×80,08 = 740,881.106 J/h

c, Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp

Qy = P.(1+ Rx)λđ [2 – 197 – IX.159] Trong đó: +) Qy là nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h)

+) λđ là hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi ở đỉnh tháp (J/kg) +) λđ = ap λC6H6 + (1-ap) λCH3COOH [2-197]

 Hỗn hợp sản phẩm đỉnh: tP= 80,08oC => rhhC6H6=94,09 kcal/kg=3,93936×105(J/kg); rhhC2H4O2=101,48(kcal/kg) = 4,248765 ×105 J/kg (bảng 4.3.2)

 Từ số liệu bảng 4.5.1 sử dụng công thức nội suy tìm giá trị nhiệt dung riêng của benzen và axit axetic ở nhiệt độ tR=80,08 oC là CpC6H6 = 2035,34 J/kg.độ; CpCH3COOH = 2316,46 (J/kg.độ)

 Nhiệt lượng riêng của benzen và axit axetic trong hỗn hợp hơi là:

- λC6H6 = rhhC6H6 + tP× CpC6H6 = 3,93936×105 + 80,08×2035,34 = 556926,03 J/kg - λCH3COOH=rhhCH3COOH+tP×CpCH3COOH=4,248765×105+80,08×2316,46=610378,62J/kg

 Nhiệt lượng riêng của hỗn hợp hơi ở đỉnh tháp:

+) CW là nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ) +) tW = 117,09 oC là nhiệt độ của sản phẩm đáy (0C)

 W = 4562,112 (kg/h)

 Từ số liệu bảng 4.5.1 sử dụng công thức nội suy tìm giá trị nhiệt dung riêng của benzen và axit axetic ở nhiệt độ tW=117,09 oC là CpC6H6 = 2171,27 J/kg.độ; CpCH3COOH = 2519,72 (J/kg.độ)