Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử aceton benzen

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

Sơ đồ công nghệ, chú thích

2- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu sản phẩm đỉnh

3- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

4- Thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp

5- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

6- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy

7- Thùng chứa hỗn hợp đầu

8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh

9- Thùng chứa sản phẩm đáy

12- Thiết bị tháo nước ngưng sau thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

13- Thiết bị tháo nước ngưng sau thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp

14- Lưu lượng kế đo lưu lượng hỗn hợp đầu

15- Cơ cấu hồi lưu sản phẩm đỉnh

16- Cơ cấu hồi lưu sản phẩm đáy

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 3 qua van và lưu lượng kế 14 Bơm 11 được lắp song song dùng để dự phòng khi bơm 10 bị hỏng Tại thiết bị gia nhiệt 3, dung dịch được đun sôi 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 tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng Cụ thể trên

1 đĩa chóp của tháp có nồng độ cấu tử dễ bay hơi x1, bốc hơi lên có nồng độ y1, trong đó y1 > x1 Hơi này qua ống dẫn hơi đi lên phía trên, qua khe chóp, sục vào (tiếp xúc pha) với lỏng trên đó Nhiệt độ của lỏng trên đĩa 2 thấp hơi đĩa 1, nên một phần hơi được ngưng tụ lại, nên 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 y2 > x1, đi lên đĩa 3, nhiệt độ lỏng đĩa 3 thấp hơn đĩa 2 nên hơi được ngưng tụ một phần và lỏng trên đĩa 3 có nồng độ x3 > x2 Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truyền chất giữa pha lỏng và pha hơi, qua trình bốc hơi và ngưng tụ được lặp lại nhiều lần, cuối cùng đỉnh tháp thu được sản phẩm dễ bay hơi có nồng độ cao, đáy tháp thu được sản phẩm khó bay hơi nồng độ cao

Lỏng dưới đáy qua cơ cấu hồi lưu đáy tháp 16, một phần sẽ được đưa ra khỏi thiết bị, làm lạnh ở thiết bị làm lạnh 6, khi đạt nhiệt độ cần thiết thì đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy 9 và một phần sản phẩm đáy sẽ qua thiết bị gia nhiệt đáy tháp 4 để hồi lưu trở về tháp Hơi ở trên đỉnh tháp đi vào thiết bị ngưng tụ 2 và được ngưng tụ lại Qua cơ cấu hồi lưu 15, một phần chất lỏng hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng và một phần khác đi qua thiết bị làm lạnh 5 để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh 8 Đối 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 KÍ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG

Các kí hiệu và đại lượng

Kí 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, kg/s

P Lưu lượng sản phẩm đỉnh kg/h, kg/s

W 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 t Nhiệt độ sôi C

R Chỉ số hồi lưu α Hệ số bay hơi tương đối

NLT Số đĩa lí thuyết

NTT Số đĩa thực tế

D Đuờng 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 ρ Khối lượng riêng kg/m 3 ω Tốc độ lỏng hoặc hơi m/s σ Sức căng bề mặt dyn/cm; N/m μ Độ nhớt N.s/m 2 ; cP ΔP Trở lực của tháp chưng luyện N/m 2 ξ Hệ số trở lực

Q Nhiệt lượng J/h; kJ/h; J/s; kJ/s λ Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) J/kg

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

Các chỉ số dưới

Aceton Cấu tử dễ bay hơi hơn Benzen Cấu tử khó bay hơi hơn

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

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

L 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 cực đại bh Hơi nước bão hòa

Các đại lượng, kí hiệu khác hoặc bị trùng sẽ được kí hiệu riêng ở từng phần

TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH

Tính cân bằng vật liệu

❖ Công thức đổi nồng độ % khối lượng sang nồng độ phần mol

❖ Nồng độ mol của Aceton trong pha lỏng của hỗn hợp đầu

❖ Nồng độ mol của Aceton trong pha lỏng của hỗn hợp sản phẩm đỉnh

❖ Nồng độ mol của Aceton trong pha lỏng của hỗn hợp sản phẩm đáy

4.1.2 Xác định chỉ số hồi lưu R th

4.1.2.1 Biểu diễn đường cân bằng pha lỏng – hơi

Bảng thành phần cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi hỗn hợp hai cấu tử ở 760 mmHg (% mol) [2 – 145, Bảng IX.2a.]

Hệ hai cấu tử Aceton - Benzen trên đường cân bằng pha lỏng hơi không có điểm đẳng phí Nên chỉ cần sử dụng riêng phương pháp chưng luyện cũng có thể tách thu được 2 cấu tử tinh khiết riêng biệt

Từ đồ thị cân bằng pha, ta nội suy được yF *= 0,639 phần mol

Dựa vào bảng 4.1.1 xác định được nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu xF = 47,3 %mol, hỗn hợp sản phẩm đỉnh xP = 97,8 %mol, hỗn hợp sản phẩm đáy xW = 2,7 %mol lần lượt là: tFd,95C; tPV,7 0 C; tWy,13C

Sử dụng công thức nội suy tuyến tính, ta cũng có thể xác định được nhiệt độ sôi hỗn hợp 2 cấu tử trong:

4.1.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiếu R min a Những giả thiết của Mc Cabe và Thiele [5 – 74]

- Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp được ngưng tụ hoàn toàn

Vì vậy trên đường làm việc của đoạn luyện có một điểm xP = yD

- Chấp nhận quy tắc của Trouton, tức r/Ts = 21 kcal/kmolK = const

Với nhiệt hóa hơi r không đổi có thể xác định nhiệt độ sôi

- Bỏ qua sự khác biệt về nhiệt độ sôi của các thành phần coi dòng mol trên đoạn chưng và đoạn luyện không đổi

- Để có dòng mol không đổi và đường làm việc là đường thẳng cần chấp nhận, tháp chưng luyện làm việc đoạn nhiệt, tức sẽ không có sự lấy và cấp nhiệt với môi trường

- Đường làm việc của đoạn chưng đi qua điểm xW = yW b Phương trình đường nồng độ làm việc

❖ Phương trình đường làm việc của đoạn luyện

❖ Phương trình đường làm việc của đoạn chưng

= P c Xác định chỉ số hồi lưu nhỏ nhất R min

Trong trường hợp này, đường làm việc cắt đường cân bằng pha nên ta có thể xác định được chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin bằng công thức:

4.1.2.3 Xác định số đĩa lí thuyết nhỏ nhất N LTmin a Xác định N LTmin ở chế độ hồi lưu hoàn toàn bằng phương pháp đồ thị (Đồ thị được vẽ ở trang sau):

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