chưng cất hỗn hợp methanol nước

Đối với hệMethanol – Nước là hai cấu tử tan lẫn vào nhau hoàn toàn và có sự khác biệt nhiệt sôi lớn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết của Methanol.. - Khối lư

1

Lời mở đầu

Công nghệ hóa học là một trong những ngành đóng góp rất lớn trong sự phát triểncủa nền công nghiệp hiện đại nước ta.Trong ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụngsản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quitrình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng

Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới

để ngày càng hòan thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặctính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệMethanol – Nước là hai cấu tử tan lẫn vào nhau hoàn toàn và có sự khác biệt nhiệt sôi lớn,

ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết của Methanol

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp quátrình học tập của các kỹ sư công nghệ hóa – thực phẩm tương lai Môn học giúp sinh viêngiải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu của một thiết bị trongsản xuất hóa chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiếnthức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cáchtổng hợp

Em chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Ngọc Anh Tuấn cùng các thầy cô trong bộmôn Quá trình & Thiết bị đã hướng dẫn em tận tình trong thời gian qua Tuy nhiên, trongquá trình hình thành đồ án không thể tránh những sai sót, em rất mong nhận được ý kiếnđánh giá thầy cô về nội dung của đồ án

Tp HCM, ngày 7 tháng 12 năm 2013 Sinh viên

Lê Trung Hiếu

2

- Phân tử lượng: 32,04 g/mol.

- Khối lượng riêng: 0,7918 g/cm3

- Khối lượng phân tử : 18 g / mol

- Khối lượng riêng d4o

Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha nhưtrong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nênbằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì hệ có bao nhiêu cấu tử sẽ thuđược bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sảnphẩm:

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử có độbay hơi bé

3

 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bayhơi lớn.

Kết luận: Khi chưng cất hệ methanol - nước thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là methanol

và sản phẩm đáy chủ yếu là nước

1.2.2 Các phương pháp chưng cất

 Phân loại theo nguyên lý làm việc: chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp,

chưng cất đẳng khí

Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp, cấp nhiệt gián tiếp.

Phân loại theo số cấu tử có trong hệ: hệ hai cấu tử, hệ ba cấu tử hoặc ít hơn mười cấu tử, hệ

nhiều cấu tử ( trên mười cấu tử)

Kết luận: Đối với hệ methanol - nước, chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt

gián tiếp

1.2.3 Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị chưng cất khác nhau Nếu pha khí phântán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có thápchêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

- Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác

nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, tacó:

- Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…

- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

- Tháp chêm : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật

chêm được cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

2. Quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp methanol – nước

Hỗn hợp methanol - nước có nồng độ nhập liệu methanol 12% (theo phần khối lượng),nhiệt độ khoảng 300C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3).Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (4),rồi được đưa vào tháp chưng cất (5) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảyxuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc

và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuốngdưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ hơi nước đượccấp trực tiếp vào đáy tháp lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp,nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụlại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử methanol chiếm nhiều nhất (cónồng độ 98% phần khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (6) và được ngưng tụhoàn toàn Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng Phầncòn lại được làm nguội tại thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (7) rồi đưa về bình chứa sảnphẩm đỉnh (8)

Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi caotrong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết làcác cấu tử khó bay hơi (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ methanol là 1% phần khốilượng, còn lại là nước Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp đi vào thiết bị nồi đun (9), rồi

4

được đưa qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (10) và cuối cùng đi vào bồn chứa sảnphẩm đáy (11) Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là methanol, sản phẩmđáy là nước.

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

9 Thiết bị nồi đun

10 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

11 Bồn chứa sản phẩm đáy

12 Lưu lượng kế

13 Bẫy hơi

14 Bình phân phối

3. Tính cân bằng vật chất và năng lượng

3.1 Các thông số ban đầu

 Chọn loại tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ và hoạt động theo chế độ liên tục

 Khi chưng cất hệ methanol – nước thì cấu tử dễ bay hơi là methanol và thu nhận ở sảnphẩm đỉnh

 Hỗn hợp:

• Methanol: CH3OH, Mm = 32 g/mol

• Nước: H2O, Mn = 18 g/mol

 Nhập liệu vào tháp ở trạng thái lỏng sôi

• Năng suất nhập liệu: 1500l/h

• Nồng độ dòng nhập liệu: 12% khối lượng

• Nồng độ dòng sản phẩm đỉnh: 98% khối lượng

• Nồng độ dòng sản phẩm đáy: 1% khối lượng

 Chọn

• Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tF = 300C

• Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tD1 = 400C

• Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tW1 = 500C

• Nhiệt độ nước ban đầu: tn = 300C

• Nhiệt độ nước sau khi làm nguội sản phẩm đỉnh: tn1 = 500C

 Ký hiệu

• GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h

• GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

• GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

• Gn: suất lượng khối lượng của nước làm lạnh, kg/h

• tn, tn1: nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh tại thiết bị ngưng tụ, 0C

• tsF : nhiệt độ nhập liệu lỏng sôi, 0C

5

• L : suất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h.

• xi, x i: nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i

3.2 Cân bằng vật chất

3.2.1 Nồng độ phần mol của methanol trong tháp

0712,018/)12,01(32/12,0

32/12,0/

)1(/

/

=

−+

=

−+

=

n F m

F

m F

M x x

965,018/)98,01(32/98,0

32/98,0/

)1(/

/

=

−+

=

−+

=

n D m

D

m D D

M x M

x

M x x

00565,018/)01,01(32/01,0

32/01,0/

)1(/

/

=

−+

=

−+

=

n W m

W

m W W

M x M

x

M x x

3.2.2 Suất lượng dòng nhập liệu, sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh

Từ số liệu của bảng 1.1, xây dựng đồ thị t-x,y cho hệ Methnol- nước:

Hình 3.1 Đồ thị t, x – y hệ methanol – nước

Từ hình 3.1, tại xF = 0,0712, nhập liệu vào tháp chưng cất nhiệt độ là: tF = 90,10C

Tra [1, 9, 1.2]khối lượng riêng của methanol tại 90,10C: ρm = 724,89 kg/m3

Tra [1, 311, 1.249] khối lượng riêng của nước tại 90,10C: ρn = 965,23 kg/m3

Khối lượng riêng của nhập liệu:

310.077,123,965

12,0189,724

12,01

=

−+

=

−+

=

n

F m

F F

x x

ρρ

 ρF = 928,3 kg/m3

Khối lượng mol của nhập liệu:

mol g M

x M

x

M F = F m +(1− F) n =0,0712×32+(1−0,0712)×18=18,997 /Suất lượng nhập liệu: GF = VF× ρF = 1,5 × 928,3 = 1392,45 kg/h

Suất lượng mol nhập liệu: F = = = 73,3 kmol/h

- Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp

×

=+

0712,03,7300565

,0965

,0

3,73

W D

W D

⇒ D = 5,01 kmol/h và W= 68,29 kmol/h

Khối lượng mol của sản phẩm đáy:

kmol kg M

x M

x

M w = w m +(1− w) n =0,00565×32+(1−0,00565)×18=18,08 /

Suất lượng khối lượng sản phẩm đáy: Gw = Mw× W = 1234,68 kg/h

Suất lượng khối lượng sản phẩm đỉnh: GD = GF – Gw = 1392,45 – 1234,68 = 157,77 kg/h

Kết luận:

Dòng nhập liệu Sản phẩm đáy Sản phẩm đỉnh Suất lượng khối lượng (kg/h) 1392,45 1234,68 157,77

6

Phần mol methanol 0,0712 0,00565 0,965

3.2.3 Tìm tỷ số hoàn lưu và dòng hoàn lưu

- Từ bảng 3.1, xây dựng đồ thị cân bằng pha của hệ Methanol-nước ở áp suất 1atm

Hình 3.2 Đường cân bằng pha hệ methanol – nước

3.2.4.2.Phương trình làm việc phần chưng

Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu

64,1400565,00712,0

00565,0965,0

W D x x

x x f

 Phương trình làm việc phần chưng:

01788,0.165,400565,0131,3

64,141.131,3

64,1431,31

1

+

−++

+

=

⋅+

−+

⋅+

+

R

f x R

f R

 y = 4,165x – 0,01788

3.2.5 Tính lưu lượng dòng hoàn lưu

R = = = 3,31

 Suất lượng mol dòng hoàn lưu: L = 16,58 kmol/h

Khối lượng mol của sản phẩm đỉnh:

mol g M

x M

x

M D = D m+(1− D) n =0,965×32+(1−0,965)×18=31,51 /

 Suất lượng khối lượng dòng hoàn lưu: GL = MD ×L = 31,5116,58 = 522,44 kg/h.

7

3.2.6 Tìm số mâm thực tế

Hình 3.3 Số mâm lý thuyết của tháp chưng cất

 Tháp chưng cất có 11 mâm lý thuyết

- Với xD = 0,965, xác định y*D từ hình 3.2 được *

D

y = 0,985

Từ hình 3.1, tại xD= 0,965, sản phẩm ra khỏi tháp chưng cấtcó nhiệt độ là: tD = 650C

Độ bay hơi tương đối: α = = = 2,382

Nội suy từ [1, 95, 1.102] Độ nhớt của nước ở 650C: µn = 0,4355 cP

Dùng toán đồ[1, 90, 1.18] Độ nhớt của methanol ở 650C: µm = 0,336 cP

Từ hình 3.1, tại xF= 0,0712nhập liệu đi vào tháp chưng cất có nhiệt độ là: tF = 90,10C

Độ bay hơi tương đối: α = = = 6,75

Nội suy từ [1, 95, 1.102] Độ nhớt của nước ở 90,10C: µn = 0,316 cP

Dùng toán đồ từ [1, 90, 1.18] Độ nhớt của methanol ở 90,10C: µm = 0,265 cP

Độ nhớt của dòng nhập liệu theo (3.2): => µF = 0,312 cP

Từ hình 3.1, tại xW= 0,00565, sản phẩm đáy đi ra tháp chưng cất có nhiệt độ là: tw = 990C

Độ bay hơi tương đối: α = = = 6,724

Nội suy từ [1, 95, 1.102] Độ nhớt của nước ở 990C: µn = 0,2868 cP

Nội suy từ [1, 90, 1.18] Độ nhớt của methanol ở 990C: µm = 0,243 cP

8

Độ nhớt của sản phẩm đáy theo (3.2): => µw = 0,287 cP

αµw = 0,287 x 6,724 = 1,927

Tra [2, 171, IX.11] Hiệu suất trung bình tại vị trí đáy: Ed = 42,5%.

Hiệu suất trung bình: = = = 45,17

 Số mâm thực tế:

Số mâm thực tế: Ntt = = = 24,35

Số mâm phần cất: NtL = = 13

Số mâm phần chưng: NtC = = 11

Kết luận: Tháp chưng cất hệ methanol – nước có 24 mâm và 1 nồi đun.

3.3 Cân bằng năng lượng

3.3.1 Nhiệt lượng tại thiết bị ngưng tụ

Q = G × (1 + R) × r , (J/h) (IX.159, [2]) (3.3) Nội suy từ [1, 257, 1.213] Nhiệt hóa hơi của methanol tại 650C: rm = 1119,97 kJ/kg

Tra từ [1, 312, 1.250] Nhiệt hóa hơi của nước tại 650C: rn = 2345,2 kJ/kg

Nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh tại 650C: rD = rm + (1 - )rn

[1, 172, 1.154] Nhiệt dung riêng của methanol tại 52,50C: Cm = 2726,25 J/kg.0C

Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh: CD = Cm + (1 - )Cn (3.5)

CD = 0,982,72625 + (1 – 0,98)4,184 = 2,755 kJ//kg.0C

Nhiệt lượng trao đổi nhiệt tại thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:

QlnD = GDCD(tD1 – tD) = 157,772,755(65 – 40) = 10868kJ/h

[1, 165, 1.147] Nhiệt dung riêng của nước tại 400C ( t = ):

Cn = 0,99869 Kcal/kg.0C = 4,181 kJ/kg.0C

 GnlnD = = = 129,97 kg/h

3.3.3 Nhiệt lượng tại thiết bị đun sôi nhập liệu

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi nhập liệu:

QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1, (J/h) (IX.149, [2]) (3.6)QD1: nhiệt lượng do hơi đốt mang vào - Qf: nhiệt lượng do nhập liệu mang vào - QF: nhiệtlượng do nhập liệu mang ra - Qng1: nhiệt lượng do nước ngưng mang ra - Qxq1: nhiệt lượngmất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5%nhiệt tiêu tốn

• Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào Q D1 : QD1 = D1(r1 + C1 t1) (IX.150, [2]) (3.7)

D1: lượng hơi đốt kg/h

9

r1: nhiệt hóa hơi của nước ở 2at, 2208kJ/kg.

C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng, 1,014 (kcal/kg) = 4,245(kJ/kg)

t1: nhiệt độ nước ngưng ở 2at, t1 = 119,620C [1, 166, 1.148].

 QD1 = D1(2208 +4,245 119,62) = 2715,8 D1 (kJ/h)

• Nhiệt lượng do nhập liệu mang vào Q f : Qf = GF Cf tF, (J/h) (IX.151 [2]) (3.8)

[1, 172, 1.154]Nhiệt dung riêng methanol của nhập liệu tại 300C: Cm = 2,620 kJ/kg.0C

[1, 165, 1.249] Nhiệt dung riêng của nước tại 300C:

Cn = 0,99866 Kcal/kg.0C = 4,181 kJ/kg.0C

Nhiệt dung riêng của nhập liệu(3.5):Cf= 0,122,620 + (1 – 0,12)4,181 = 3,994 kJ//kg.0CNhiệt lượng nhập liệu tại thiết bị gia nhiệt:

Qf = GFCf tF = 1392,453,99430= 1,67105 kJ/h

• Nhiệt lượng do nhập liệu mang ra: QF = GFCFtsF, (J/h) (IX.152, [2]) (3.9)

[1, 172, 1.154] Nhiệt dung riêng methanol của nhập liệu tại 90,10C: Cm = 2,913 kJ/kg.0C

[1, 165, 1.249] Nhiệt dung riêng của nước tại 90,10C:

3.3.4 Nhiệt lượng trao đổi thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

[1, 165, 1.249] Nhiệt dung riêng của nước tại 720C ( t = :

Cn = 1,0016 Kcal/kg.0C = 4,193 kJ/kg.0C

[1, 172, 1.154] Nhiệt dung riêng methanol của sản phẩm đáy ở 720C: Cm = 2,82 kJ/kg.0CNhiệt dung riêng của sản phẩm đáy:Cw = 0,012,82 + (1 – 0,01)4,193= 4,179 kJ//kg.0CNhiệt lượng trao đổi tại thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:

Qw = GwCw(tw2 – tw1) = 1234,684,179(99 – 45) = 2,79105kJ/h

[1, 165, 1.147] Nhiệt dung riêng của nước tại 400C ( t = ):

Cn = 0,99869 Kcal/kg.0C = 4,181 kJ/kg.0C

 GnlnD = = = 3336,52 kg/h

3.3.5 Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp

Tổng lượng nhiệt mang vào tháp bằng tổng nhiệt lượng mang ra:

QF,ra + QD2 + QR = Qnt + QW,ra + Qxq + Qng2, (IX.156, [2]) (3.11)QF,ra : nhiệt lượng nhập liệu vào tháp - QD2 : nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp - QR:nhiệt lượng do dòng hoàn lưu mang vào tháp - Qy: nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnhtháp - Qw,ra: nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra - Qxq: nhiệt lượng tổn thất bằng 5%nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp - Qng2: nhiệt lượng do nước ngưng mang ra - D2: lượng hơi đốtcần thiết để đun sôi dung dịch trong tháp

10

[1, 172, 1.154]Nhiệt dung riêng methanol của dòng hoàn lưu ở 650C: Cm = 2,785 kJ/kg.0C

[1, 165, 1.249]Nhiệt dung riêng của nước tại 650C:

Cn = 1,00065 Kcal/kg.0C = 4,19 kJ/kg.0C

Nhiệt dung riêng của dòng hoàn lưu:CL = 0,982,785+ (1 – 0,98)4,19 = 2,813 kJ//kg.0C

QR = GLCLtR = 522,442,81365 = 0,955 105 kJ/h

Qw,ra = GwCw,ratw, (J/h) (IX.160, [2]) (3.12)

[1, 172, 1.154] Nhiệt dung riêng methanol của sản phẩm đáy ở 990C: Cm = 2,960 kJ/kg.0C

[1, 165, 1.249] Nhiệt dung riêng của nước tại 990C:

4.1.1.1 Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần cất:

Phần mol trung bình của pha lỏng trong phần cất: xL = = = 0,518

Từ hình 3.1, xác định nhiệt độ sôi của pha lỏng trong phần cất: tL = 72,70C

Phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong phần cất: == = 0,55

[1, 9, 1.2] Khối lượng riêng methanol tại 72,70C: ρm = 743,3 kg/m3

[1, 311, 1.249] Khối lượng riêng nước tại 72,70C: ρn = 976,18 kg/m3

Khối lượng riêng trung bình pha lỏng trong phần cất theo (3.1):ρL = 832,69 kg/m3

4.1.1.2 Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần cất:

Phần mol trung bình của pha hơi trong phần cất: yL = 0,768xL + 0,224

 yL = 0,768 0,518 + 0,224 = 0,622

Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần cất: thL = 800C

Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần cất:

MhL = yL Mm + (1 – yL) Mn = 0,62232 + (1 – 0,622) 18 = 26,708 kg/kmolKhối lượng riêng trung bình pha hơi trong phần cất:

3/922,0)27380(273

4,22

708,261

m kg RT

PM hL

 Chọn khoảng cách 2 mâm h = 300 mm

11

[3, 256, 6.2] => C = 0,03

 Vận tốc pha hơi trong tháp:

s m C

hL

922,0

69,83203,

=

=ρ

ρω

( 6.18, [3]) (4.1)Lưu lượng pha hơi đi trong phần chưng của tháp:

s m T

M

t R

G Q

o D

hL D

3600 273 51 , 31

) 273 80 ( 4 , 22 ) 31 , 3 1 ( 77 , 157 3600

4 , 22 ) 1

174,0

785,

4.1.2.1 Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần chưng:

 Phần mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng:

xC= == 0,0384

Từ hình 3.1, xác định nhiệt độ sôi của pha lỏng trong phần chưng: tc = 93,80C

 Phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong phần chưng:

== = 0,065

[1, 9, 1.2] Khối lượng riêng methanol tại 93,80C: ρm = 720,82 kg/m3

[1, 311, 1.249] Khối lượng riêng nước tại 93,80C: ρn = 962,64 kg/m3

Khối lượng riêng trung bình pha lỏng trong phần chưng theo (3.1): ρc = 942,1 kg/m3

4.1.2.2 Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng:

 Phần mol trung bình của pha hơi trong phần chưng: yC = 4,165xC – 0,01788

 yC = 4,165 0,0384 – 0,01788 = 0,142

 Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần chưng: thC = 960C

 Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần chưng:

MhC = yCMm + (1 – yC)Mn = 0,14232 + (1 – 0,142)18 = 19,988 kg/kmol

 Khối lượng riêng trung bình pha hơi trong phần chưng:

3/66,0)27396(273

4,22

988,191

m kg RT

PM hC

 Chọn khoảng cách 2 mâm h = 300 mm

[3, 256, 6.2] => C = 0,03

 Vận tốc pha hơi trong tháp:

s m C

hCv

c 1,13 /

66,0

1,94203,

=

=ρ

ρω

( 6.18, [3])

 Lưu lượng pha hơi đi trong phần chưng của tháp:

s m T

M

t R

G Q

o D

hC D

3600 273 51 , 31

) 273 96 ( 4 , 22 ) 31 , 3 1 ( 77 , 157 3600

4 , 22 ) 1

182,0

785,

 Chọn đường kính tháp là Dt = 500 mm.

 Vận tốc pha hơi trong tháp theo thực tế:

s m D

Q C

V

5,014,3

182,04 14,3

.4

s m D

174 , 0 4 14 , 3

4

Cấu tạo mâm lỗ

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:

 Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm

 Đường kính lỗ dl = 4 mm = 0,004 m

 Chiều cao gờ chảy tràn: hgờ = 25mm = 0,025 m

 Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm

 Lỗ bố trí theo hình lục giác đều

 Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 8 mm

 Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T

 Số lỗ trên 1 mâm:

N =

2 2

004,0

5,0.08,008

,0

%8

m

d

D S

S

= 1250 lỗGọi a là số hình lục giác

Áp dụng công thức [2, 48, V.139]: N = 3a(a-1) +1 => a = 20,91≈ 21, N = 1261 lỗ

Số lỗ trên đường chéo: b = 2a - 1 = 41 lỗ

4.2.1 Trở lực của mâm khô ΔPk

Chọn hệ số trở lực đối với tiết diện tự do của lỗ bằng 8% diện tích mâm: ξ = 1,82

4.2.1.1. Phần cất

Vận tốc hơi qua lỗ: 0,08 11,088

887 , 0

% 8

' = L = =

L

ωω

%8

C

ωω

m/sΔPkC = ξ = 1,82= 80,65 N/m2 (IX.140, [2])

4.2.3 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên mâm tạo ra

Trở lực thủy lực do lớp chất lỏng bọt trên mâm: ΔPb = 1,3hbkρbg

Chiều cao lớp chất bọt: hb = hg + Δh

Δh chiều cao lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn:

Δh = với Qv,l: lưu lượng chất lỏng, m2/s; P: chu vi của gờ; k = ρb/ρL: tỉ số giữa khối lượngchất lỏng bọt và khối lượng riêng của chất lỏng, lấy gần bằng 0,5

Chiều dài của gờ chảy tràn: Squạt - SΔ = Sbán nguyệt

2 2

2

%202

cos2

sin2

1.2

R

πα

5 , 0 ) 2 sin(

 Qv,c = 4,28 10-4m3/s

14

h > 1,8với các mâm trong phần chưng trở lực thủy lực qua một mâm lớn hơn trở lực thủy lực quamột mâm trong phần luyện:

= = 0,061m (h = 0,3 m > 0,061 m)

 Kết quả là điều kiện đã được thỏa

Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động mâm Tính vận tốc tối thiểu qua lỗ của pha hơivl,min đủ để cho các mâm hoạt động bình thường:

vl,min = 0,67= 0,67= 11,304 m/s < 11,588 m/s

Kết luận: Mâm hoạt động bình thường

4.3 Chiều cao mực chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyềncủa mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức: hd = hgờ + hb + ΔP + hd’ mm chất lỏng 4.3.1 Tổn thất thủy lực do dòng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm

Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

Kết luận: Khi tháp hoạt động thì các mâm trong tháp đều không bị ngập lụt

2. Tính toán cơ khí tháp chưng cất

15

4.4 Bề dày mâm

4.4.1 Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán

Nhiệt độ tính toán: t = tmax = 100 ( oC)

Áp suất tính toán: P = Pthủy tĩnh + Pg

Chọn bề dày gờ chảy tràn là 3mm

Thể tích của gờ chảy tràn: V = 0,3640,0250,003= 2,7310-5 m3

[2, 313, XII.7] Khối lượng riêng của thép X18H10T là: ρX18H10T = 7900 kg/m 3

 Khối lượng gờ chảy tràn: m = VρX18H10T = 2,7310-57900 = 0,2157 kg

Áp suất do gờ chảy tràn tác dụng lên mâm tròn

78,104

5,014,3

81,92157,04

mg P

π

N/m2Khối lượng riêng của chất lỏng tại sản phẩm đáy tháp:

Với xW= 0,00565 suy ra tW = 990C

[1, 311, 1.249] Khối lượng riêng của nước ở 99oC: ρ n = 959,08 kg/m3

[1, 9, 1.2] Khối lượng riêng của metanol ở 99oC: ρm = 715,1 kg/m3

[1, 5, 1.2] Khối lượng riêng của sản phẩm đáy theo (3.1): ρLW = 955,82kg/m 3

Áp suất thủy tĩnh:

Pthủy tĩnh= ρLWg(hgờ + ΔhlC) = 955,82 9,81(0,025 + 0,012) = 346,934 N/m2

 P = 346,934 + 10,78 + = 357,714 N/m2

Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường:

Thời gian sử dụng thiết bị là trong 20 năm: Ca = 1 mm

Ứng suất cho phép tiêu chuẩn:

= 0,64.4.2 Tính bề dày

Đối với bản tròn đặc ngàm kẹp chặt theo chu vi:

Ứng suất cực đại ở vòng chu vi:

2 max

σ

(6.36, [7]) (5.1)Đối với bản có đục lỗ:

][16

max

ϕϕ

l

S’

437,06,067,14616

10357,7143

500]

[16

P D

Độ võng cực đại ở tâm: T

o D

PR W

64

4

=

(6.35, [7]) (5.2)Đối với bản có đục lỗ: b b T

o lo

D

PR W

2

.16

364

)1(12

ES

PR ES

PR W

W

b b

b

o

µϕ

µϕ

2000006

,0

)33,01(25010

357,71416

3

3

2 4

4.5 Chiều cao tháp mâm xuyên lỗ

Chiều cao tháp: H = Ntt× (Hđ + Smâm) + (0,8 ± 1); m (IX.54, [2]) (5.3)

 H = 24 × ( 0,3 + 0,002) + 0,8 = 8,048 m

Chọn đáy (nắp) tiêu chuẩn có

25,0

=

t

t D

h

suy ra ht = 0,25Dt = 0,250,5 = 0,125 mVới ht là chiều cao của đáy (nắp) lồi ra

- Chọn chiều cao gờ: hg = 25 mm = 0,025 m

- Chiều cao đáy (nắp): Hđn = ht + hg = 0,125 + 0,025 = 0,15 m

Kết luận: Chiều cao toàn tháp: Htt = H + 2Hđn = 8,348 m ≈ 8,4 m

4.6 Bề dày thân tháp

Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn hồquang điện, kiểu hàn giáp mối 1 phía Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghépbích.Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm ta chọn thiết bị thân tháp là thép không gỉ mãX18H10T

4.6.1 Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán

Nhiệt độ tính toán: tmax = tnước = 1000C

[2, 310, XII.4]Ứng suất kéo của X18H10T ứng với bề dày (1-3 mm):σk1 = 54010 6 N/m2

[2, 310,XII.4]Ứng suất kéo của X18H10T ứng với bề dày (4-25mm):σk2 = 55010 6 N/m2

[2, 310, XII.4] Ứng suất chảy của X18H10T: σc = 22010 6 N/m2

[2, 356, XIII.2] Hệ số điều chỉnh: η = 1,0; vì tháp chưng cất không bị đốt nóng và đượccách ly với nguồn đốt nóng trực tiếp

Áp suất môi trường Pmôi trường = 1 at = 105 N/m2

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng:

Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử (dùng nước)

Trong đó ht-chiều cao phần lồi của đáy(nắp),m;

φh – hệ số bền của mối hàn hướng tâm

k – hệ số không thứ nguyên, đối với với đáy có lỗ được tăng cứng hoàn toàn thì k = 1Bởi vì = = 774,09> 30 nên đại lượng P ở mẫu số có thể bỏ qua Chiều dày nắp được tínhtheo công thức:

S = + C = + 0,001

=> S =1,3410-3 m = 1,34 mm

S – C = 1,15 – 1 = 0,34 => thêm 2mm vào S => S =3,34 mm

Chọn chiều dày theo tiêu chuẩn 4 mm

Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thử thủy lực:

Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liềnkhông cổ.

[2, 417, XIII.27], ứng với Dt = φ = 500 (mm) vàáp suất tính toán P = 0,18106(N/m2) ⇒

4.9 Lớp cách nhiệt

Chọn vật liệu cách nhiệt cho thân tháp là amiăng có bề dày là δa

[3, 416, 28]: Hệ số dẫn nhiệt của amiăng là λa = 0,151 (W/m.K).

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh:

Qm = 0,05.Qđ = 328,23× 110,4= 36236,592 (kJ/h) = 10065,72 (W)

Nhiệt tải mất mát riêng:

a 2 1 a

a tb

m (t t ) tf

Q

∆δ

λ

=

−δ

λ

=

(W/m2)Trong đó:

tv1 : nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt ngồi của tháp

tv2 : nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với không khí

∆tv : hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt của lớp cách nhiệt

Để an tòan ta lấy ∆tv = ∆tmax = tđy - tkk

Chọn tkk = 30oC ⇒∆tv = ∆tmax = 99,8 – 30 = 69,8 (K)

ftb : diện tích bề mặt trung bình của tháp (kể cả lớp cách nhiệt), m2

S D D H D

2

2 2

2

δπ

= π(Dt + Sthân + δa)H

Ta có phương trình:

8,69151,0348,8)004,05,0(

72,

×++

π

19

⇔ δa δa

1)504,0(

415,

Khối lượng riêng của hỗn hợp: ρF = 928,3 kg/m3

Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị

Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vF = 1 m/s

Đường kính trong của ống nối:

Dy =

023,01928,33600

45,139243600

.4

ρF F v F

G

m

 Chọn ống theo tiêu chuẩn [2, 454, XIII.32]có Dy = 25 mm

[2, 434, XIII.32]=> Chiều dài đoạn ống nối l = 90 mm

[2, 409, XII.26]=>Các thông số của bích ứng với P = 0,18106N/m2 là:

- Nồng độ trung bình của pha hơi ở đỉnh tháp: yD = xD = 0,965

=> Nhiệt độ trung bình của pha hơi ở đỉnh tháp: THD = 65,8 oC

- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:

3/133,1)2738,65(273

4,22

51,311

m kg RT

PM HD

Đường kính trong của ống nối:

Dy =

046,010014,3133,13600

1)(3,31157,77

43600

)1(.4

×

HD hD

D v

R G

π

=> Chọn ống có Dy = 50 mm

[2, 434, XIII.32]=> Chiều dài đoạn ống nối l = 100 mm

[2, 409, XIII.26]=>Các thông số của bích ứng với P = 0,18106N/m2 là:

[1, 311, 1.249]Khối lượng riêng của nước ở 65 oC: ρ n = 980,5 kg/m3

[1, 9, 1.2] Khối lượng riêng của metanol ở 65oC: ρm = 751,0 kg/m3

[1, 5, 1.2] Khối lượng riêng của dòng hoàn lưu

3

10 33 , 1 5 , 980

98 , 0 1 0 , 751

98 , 0 1

1 = + − = + − = −

n

D m

D L

x x

ρρ

522,444

ρL L v LD

G

m

 Chọn ống có Dy = 20 mm

[2, 434, XIII.32]=> Chiều dài đoạn ống nối l = 80 mm

[2, 409, XIII.26]=>Các thông số của bích ứng với P = 0,18106N/m2 là:

- Nồng độ trung bình của pha hơi ở đáy tháp: yW = xW = 0,00565

=> Nhiệt độ trung bình của pha hơi ở đáy tháp: THW = 99,8oC

- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng:

3/591,0)2738,99(273

4,22

08,181

m kg RT

PM HW

Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp là vHW = 120 m/s

Đường kính trong của ống nối:

Dy =

078,0120

591,03600

1234,684

3600

.4

ρhW W v HW

G

m

 Chọn ống có Dy = 80 mm

[2, 434, XIII.32]=> Chiều dài đoạn ống nối l = 110 mm

[2, 409, XIII.26]=>Các thông số của bích ứng với P = 0,18106(N/mm2):

3600

68,123443600

.4