Tính toán cân bằng nhiệt và các thông số các thiết bị chưng cất

1 mục lục Phần mở đầu 2 Vẽ và thuyết minh dây chuyền 2 Tính toán thiết bị chính 6 I.Tính cân bằng vật liệu 6 II.Đờng kính tháp 8 III.Số đĩa thực tế và chiều cao tháp 14 IV. Tính toán cơ khí 21 V. Trở lực 36 Cân bằng nhiệt 41 I. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 41 II.Tháp chng luyên 42 III. Thiết bị ngng tụ 45 IV.Thiết bị làm lạnh 45 Tính và chọn thiết bị phụ 46 I. Tính và chon thiết bị gi nhiệt 47 II.Tính bơm 43 Kết lụân 62 Tài liệu tham khảo 63 Phụ lục 64 http://nuoc.com.vn 2 Phần mở đầu Trong công nghiệp, việc phân tách các cấu tử từ hỗn hợp ban đầu là rất cần thiết nhằm mục đích hoàn thiện, khai thác, chế biến Có rất nhiều phơng pháp phân tách các cấu tử trong công nghiệp, trong đó có phơng pháp chng luyện là một trong những phơng pháp hay đợc sử dụng. Chng là phơng pháp tách các cấu tử từ hỗn hợp ban đầu dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng trong hỗn hợp. Hỗn hợp này có thể là chất lỏng hoặc chất khí, thờng khi chng một hỗn hợp có bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu đợc bấy nhiêu sản phẩm. Với hỗn hợp có hai cấu tử ta sẽ thu đợc hai sản phẩm là sản phẩm đỉnh gồm phần lớn là cấu tử dễ bay hơi và sản phẩm đáy chứa phần lớn là cấu tử khó bay hơi. Trong thực tế có thể gặp rất nhiều kiểu chng khác nhau nh : chng bằng hơi nớc trực tiếp, chng đơn giản, chng luyện Chng luyện là phơng pháp chng phổ biến nhất dùng để tách hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hoà tan hoàn toàn hoặc một phần vào nhau. vẽ v thuyết minh dây chuyền sản xuất I. Thuyết minh dây chuyền sản xuất : Hỗn hợp đầu từ thùng chứa 1 đợc bơm 2 bơm liên tục lên thùng cao vị 3. Mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị đợc khống chế nhờ ống chảy tràn. Từ thùng cao vị, hỗn hợp đầu (đợc điều chỉnh nhờ van và lu lợng kế) qua thiết bị đun nóng dung dịch 4. Tại đây, dung dịch đợc gia nhiệt bằng hơi nớc bão hoà đến nhiệt độ sôi. Sau đó, dung dịch đợc đa vào tháp chng luyện qua đĩa tiếp liệu. Tháp chng luyện gồm hai phần : phần từ đĩa tiếp liệu trở lên trên là đoạn luyện, còn từ đĩa tiếp liệu trở xuống là đoạn chng. Nh vậy, ở trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với pha hơi đi từ dới lên. Hơi bốc từ đĩa dới lên qua các lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏng của đĩa trên, ngng tụ một phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tăng dần theo chiều cao tháp. Vì nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng nên nồng độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tăng. Cấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi nên khi nồng độ của nó tăng thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm. Tóm lại, theo chiều cao tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) tăng dần, nồng độ cấu tử khó bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần, và nhiệt độ giảm dần. Cuối cùng, ở đỉnh tháp ta sẽ thu đợc hỗn hợp hơi có thành phần hầu hết là cấu tử dễ bay hơi còn ở đáy tháp ta sẽ thu đợc hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay hơi chiếm tỷ lệ lớn. Để duy trì pha lỏng trong các đĩa trong đoạn luyện, ta bổ xung bằng dòng hồi lu đợc ngng tụ từ hơi đỉnh tháp. Hơi đỉnh tháp đợc ngng tụ nhờ thiết bị ngng tụ hoàn toàn 6, dung dịch lỏng thu đợc sau khi ngng tụ một phần đợc dẫn hồi lu trở lại đĩa luyện trên cùng để duy trì pha lỏng trong các đĩa đoạn luyện, phần còn lại đợc đa qua thiết bị làm lạnh 7 để đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh 8. Chất lỏng ở đáy tháp đợc tháo ra ở đáy tháp, sau đó một phần đợc đun sôi bằng thiết bị gia nhiệt đáy tháp 9 và hồi lu về đĩa đáy tháp, phần chất lỏng còn lại đa vào bể chứa sản phẩm đáy 10. Nớc ngng của các thiết bị gia nhiệt đợc tháo qua thiết bị tháo nớc ngng 11. Nh vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đa vào liên tục và sản phẩm cũng đợc lấy ra liên tục). http://nuoc.com.vn 3 II. Sơ đồ dây chuyền : Hơi đốt Nớc ngng 1 2 3 4 5 10 6 7 8 9 Hơi đốt Nớc lạnh Nớc Nớc ngng 11 11 Nớc lạnh Nớc Chú thích : 1- Thùng chứa hỗn hợp đầu 2- Bơm 3- Thùng cao vị 4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 5- Tháp chng luyện 6- Thiết bị ngng tụ hồi lu 7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh 9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 10- Thùng chứa sản phẩm đáy 11- Thiết bị tháo nớc ngng http://nuoc.com.vn 4 tính toán kỹ thuật thiết bị chính - Giả thiết : - Số mol pha hơi đi từ dới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp. - Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chng và đoạn luyện. - Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi. - Chất lỏng ngng tụ trong thiết bị ngng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra ở đỉnh tháp. - Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp. - Yêu cầu thiết bị : F : Năng suất thiết bị tính theo lợng hỗn hợp đầu = 7500 = 2,083(kg/s). Thiết bị làm việc ở áp suất thờng, P = 1 at Tháp loại : Tháp chóp - Điều kiện : F a : Nồng độ axeton trong hỗn hợp đầu = 0,34% khối lợng. P a : Nồng độ axeton trong sản phẩm đỉnh = 0,95% khối lợng. W a : Nồng độ axeton trong sản phẩm đáy = 0,03 % khối lợng. 1 M : Khối lợng phân tử của axeton = 58 kg/kmol. 2 M : Khối lợng phân tử của H 2 O =18 kg/kmol. I. Tính cân bằng vật liệu : 1/ Tính cân bằng vật liệu : Theo phơng trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp : http://nuoc.com.vn 5 F = P + W Và phơng trình cân bằng vật liệu cho riêng cấu tử dễ bay hơi (Etylic): WPF a.Wa.Pa.F + = Lợng sản phẩm đáy là : (kg/s) ,0 03,095,0 )34,095,0( . 2,083 )( = = = WP FP aa aaF W Lợng sản phẩm đỉnh là : P = F W = 06667 0,458 = 0,2087 (kg/s) Tính lợng hỗn hợp đầu F, lợng sản phẩm đỉnh P, lợng sản phẩm đáy W theo kmol/s : )/( 0302,06667,0. 18 7,0 46 30,0 . 1 ' 21 skmolF M a M a F FF = += += )/( 10.889,42087,0. 18 05,0 46 95,0 . 1 ' 3 21 skmolP M a M a P PP = += += )/( 0253,010.889,40302,0''' 3 skmolPFW === 2/ Tính chỉ số hồi lu thích hợp, số đĩa lý thuyết : Đổi nồng độ từ phần khối lợng sang phần mol : 14360,0 18/7046/30 46/30 /)100(/ / 21 1 = + = + = MaMa Ma x FF F F 8814,0 18/546/95 46/95 /)100(/ / 21 1 = + = + = MaMa Ma x PP P P 3 21 1 10.569,1 18/9846/4,0 46/4,0 /)100(/ / = + = + = MaMa Ma x WW W W Dựa vào đờng cân bằng lỏng-hơi (nội suy), ta có : 278092,0 * = F y http://nuoc.com.vn 6 a/ Chỉ số hồi lu tối thiểu : 4584,4 1436,0278092,0 278092,08814,0 * * min = = = FF FP xy yx R b/ Chỉ số hồi lu thích hợp : Cho R biến thiên (R >R min ), với mỗi giá trị của R ta xác định đợc số đĩa lý thuyết tơng ứng : 1,2 1,25 1,5 1,75 2,0 2,25 2,5 R 5,3832 5,6075 6,729 7,8505 8,972 10,0935 11,215 N 28 27 23 22 21 20 19 N(R+1) 178,7296 178,4025 177,764 194,711 209,412 221,87 232,685 Hệ số hiệu chỉnh : min R R = Từ bảng số liệu, ta xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ R N(R+1). Dựa vào đồ thị , ta xác định đợc R th = 6,729 c/ Phơng trình đờng nồng độ làm việc : - Đờng nồng độ làm việc đoạn chng : Lợng hỗn hợp đầu tính theo 1 kmol sản phẩm đỉnh : 1771,6 10.889,4 302,0 ' ' 3 === P F f http://nuoc.com.vn 7 Phơng trình : 001569,0. 1729,6 11771,6 1729,6 1771,6729,6 1 1 1 + + + = + + + = xx R f x R fR y W 001051,06698,1 = xy - Đờng nồng độ làm việc đoạn luyện : Phơng trình : 1729,6 8814,0 1729,6 729,6 11 + + + = + + + = x R x x R R y P 114,08706,0 += xy d/ Số đĩa lý thuyết : Với R th = 6,729 dựa vào đờng cân bằng và đờng làm việc, ta xác định đợc số đĩa lý thuyết. N LT =23 Trong đó : số đĩa đoạn chng :2 số đĩa đoạn luyện : 21 II. Đờng kính của tháp : 1/ Lu lợng trung bình các dòng pha đi trong tháp : a/ Trong đoạn luyện : Số liệu : G P : Lợng sản phẩm đỉnh (P) = 4,889.10 -3 (kmol/s). R : Hệ số hồi lu thích hợp = 6,729 G R : Lợng hồi lu = G P . R (kmol/s) Lợng hơi ra khỏi đỉnh tháp g đ : g đ = G R + G P = G P . (R + 1) = 4,889.10 -3 . (6,729+ 1) = 0,0952 (kmol/h) http://nuoc.com.vn 8 Lợng hơi đi vào đoạn luyện g 1 , nồng độ hơi y 1 , lợng lỏng G 1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện, nồng độ lỏng x 1 : Coi x 1 = x F = 0,1740 Phơng trình cân bằng vật liệu : g 1 = G 1 + G P (1) Phơng trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi (etylic) : g 1 y 1 = G 1 x 1 + G P x P (2) Phơng trình cân bằng nhiệt lợng : g 1 r 1 = g đ r đ (3) r 1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa luyện thứ nhất (kcal/kmol) r đ : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp (kcal/kmol) Gọi : r A : ẩn nhiệt hóa hơi của Etylic r B : ẩn nhiệt hoá hơi của H 2 O. Từ đồ thị (t,x,y) ta có : - Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (x = x P = 0,8814): t P = 78,1272 0 C Nội suy theo bảng r t o (I-301) với t o = 78,1272C : === === )(kcal/kmol 9126)(kcal/kmolM.508 (kcal/kg) 508 r )(kcal/kmol 9108)(kcal/kmol198.M (kcal/kg) 198 r BB AA r đ = r A . y đ + r B (1 - y đ ) = 9108 . 0,8814 + 9126 .(1- 0,8814) = 9110,1348 (kcal/kmol) - Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu (x = x F = 0,1436): t F = 84,6028C Nội suy theo bảng r t o (I-301) với t o = 84,6028C : === === )(kcal/kmol 8028)(kcal/kmol446.M (kcal/kg) 446 r )(kcal/kmol 8878)(kcal/kmol193.M (kcal/kg) 193 r BB AA r l = r A . y l + r B (1 y l ) = 8878 . y l 8028 . (1 y l ) Thay r l vào (3) và giải hệ 3 phơng trình trên (ẩn y l , g l , G l ), ta đợc : http://nuoc.com.vn 9 = = = 1776,0 (kmol/s) 106,0 (kmol/s) 1011,0 1 1 1 y g G Lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện : (kmol/s) 1006,0 2 106,00952,0 2 1 = + = + = gg g d tbL Lợng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện : (kmol/s) 0956,0 2 1011,010.889,4).1729,6( 2 3 1 = ++ = + = GG G R tbL b/ Trong đoạn chng : Số liệu : G W : Lợng sản phẩm đáy (W) = 0,0253 (kmol/s) Lợng hơi đi vào đoạn chng , 1 g , nồng độ hơi , 1 y , lợng lỏng ' 1 G đối với đĩa thứ nhất của đoạn chng, nồng độ lỏng , 1 x , lợng hơi ra khỏi đoạn chng chính là lợng hơi đi vào đoạn luyện g 1 : Ta có * W , 1 yy = là nồng độ cân bằng ứng với x W , nội suy theo bảng số liệu đờng cân bằng (II-145) : 001856,0 *, 1 == W yy Phơng trình cân bằng vật liệu : W ' 1 ' 1 GgG += (1) Phơng trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi (etylic) : WW ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 xGygxG += (2) Phơng trình cân bằng nhiệt lợng : 11 ' 1 ' 1 rgrg = (3) r l : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đoạn chng. http://nuoc.com.vn 10 r l = r A . y l + r B (1 y l ) = 8878 . 0,1776 + 8028 . (1 0,1776) = 8660,64 (kcal/kmol) r 1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa chng thứ nhất. Từ bảng số liệu x t o sôi dd (II-145), nội suy ta có: Nhiệt độ sôi hỗn hợp đáy (x = x W = 0,001569): t W = 99,6007C Nội suy theo bảng r t o (I-301) với t o = 99,6007C : === === )(kcal/kmol 9054)(kcal/kmol503.M (kcal/kg) 503 r )(kcal/kmol 8786)(kcal/kmol191.M (kcal/kg) 191 r BB AA ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa chng thứ nhất : r l = r A . y l + r B (1 y l ) = 8786.0,001569 + 9054 . (1 0,001569) = 9050,596 (kcal/kmol) (kmol/s)1014,0 596,9050 64,8660 .106,0)'3( ' 1 1 1 ' 1 === r r gg (kmol/s) 1267,00253,01014,0)'1( ' 1 ' 1 =+=+= W GgG Lợng hơi trung bình đi trong đoạn chng : (kmol/s) 1037,0 2 1014,0106,0 2 ' 11 = + = + = gg g tbC Lợng lỏng trung bình đi trong đoạn chng : (kmol/s)129,0 2 1267,0)0301,01011,0( 2 )( ' 11 = ++ = ++ = GGG G F tbC 2/ Vận tốc hơi đi trong tháp : Tốc độ khí đi trong tháp chóp xác định theo: ( Y . Y ) tb =0,065. . [ ] . ytbxtb h (Kg/m 2 .s) [II.184] xtb : Khối lợng riêng trung bình pha lỏng (kg/ m 3 ) http://nuoc.com.vn [...]... thuộc đờng cân bằng và B là điểm thuộc đờng cong động học (cha biết), thì : AC m = C y = e yT BC Cho x các giá trị : {0,05 ; 0,1 ; 0,2 ; 0,9}, với mỗi giá trị của x tính hệ số phân bố vật chất m (m chính bằng hệ số góc của đờng cân bằng) , tính hệ số chuyển khối K y , tính số đơn vị chuyển khối myT và tỷ số Cy tơng ứng Từ đó tìm đợc các điểm B tơng ứng thuộc đờng cong động học, nằm giữa A và C Nối chúng... 2,576 1,36 0,389 0,39 23 http://nuoc.com.vn Từ đờng nồng độ làm việc và đờng cong động học vừa vẽ, ta tìm đợc số đĩa thực tế của tháp NTT = 72 Trong đó : Số đĩa đoạn chng : 14 Số đĩa đoạn luyện : 58 4/ Hiệu suất tháp chiều cao tháp : Hiệu suất tháp : = N LT 23 = = 31,94% N TT 72 Theo các thông số của đĩa đã chọn : - Khoảng cách giữa các đĩa lỗ là : Hđ = 450 mm : = 2 mm - Chiều dày mỗi đĩa lỗ là Chiều... kmol Hệ số cấp khối pha lỏng đoạn luyện là : xL kmol 38000 811,598 4,479.10 -10 = 1061,19 0,62 = 0,032 kmol 32,35 1 m 2 s kmol 3/ Hệ số chuyển khối Đờng cong động học Số đĩa thực tế : 21 http://nuoc.com.vn a/ Hệ số chuyển khối : Ky = 1 1 m + y x kmol ( kmol ) m 2 s kmol [II.162] Trong đó : x , y : Hệ số cấp khối pha lỏng và pha hơi ( kmol kmol ) m 2 s kmol m : Hệ số phân bố vật chất b/ Số đơn... phận chủ yếu của để tạo thành thiết bị hoá chất Tuỳ theo điều kiện làm việc mà ngời ta chọn vật liệu và phơng pháp chế tạo Do điều kiện đàu bài là tháp làm việc ở áp suất thờng, nhiệt độ làm việc không cao lắm, dung dịch chứa Etylic và Nớc do đó ta chọn loại vật liệu là thép hợp kim ( thép không gỉ ) X18H10T làm thân tháp, đó là một vật liệu bền chịu nhiệt Nó đợc chế tạo bằng cách cuốn tấm vật liệu với... suất và nhiệt độ làm ảnh hởng đến chiều dày vật liệu Chọn vật liệu phụ thuộc vào môi trờng làm việc Bảo đảm đờng hàn càng ngắn càng tốt Chỉ hàn giáp mối Bố trí đờng hàn dọc (ở các đờng thân riêng biệt lân cận ) cách nhau ít nhất là 100mm Bố trí mối hàn ở vị trí dễ quan sát Không khoan lỗ qua mối hàn Thân tháp là thân hình trụ hàn, làm việc chịu áp suất trong, không bị đốt nóng trực tiếp Thiết bị loại... ứng suất trên : [] = [k] = 132.106 (N/m2) Chọn cách chế tạo : Dt > 700(mm) [II.362] - Cách hàn: Hàn tay bằng hồ quang điện - Hàn giáp mối 2 bên - Hệ số bền mối hàn là : h = 0,95 Chiều dày thân tháp hình trụ là : S= Dt P + C (m) 2[ ]. + P [II.360] Trong đó : Dt : Đờng kính trong của tháp (m) Theo thông số đĩa đã chọn : Dt = 2(m) P : áp suất trong thiết bị (N/m2) P = Pmt + Pl = Pmt + g.l H l (N/m2) Với... 3 ) + Đoạn luyện: yl = 1,1336 Kg / m 3 ) o : Tốc độ khí qua rãnh chóp (m2/s) Để xác định o phải thiết kế tháp sao cho diện tích ống hơi bằng tổng diện tích các khe chóp: f oh oh = f r r Nhng để oh = r thì f r = f oh tức là thiết kế rãnh sao cho tổng diện tích các rãnh bằng diện tích ống hơi Gọi số rãnh là n, khi đó S oh = n.S r dh S oh 2 n= = . Sr a.b 2 + Đoạn chng: a=5 mm, b = 36 mm 2 ... trong, không bị đốt nóng trực tiếp Thiết bị loại I nhóm 2 Hệ số điều chỉnh là : = 0,9 [II.356] Theo bảng tính chất cơ học của vật liệu ( III.4 - II.310), chọn độ dày thiết bị trong khoảng (1- 3 mm), ta có giới hạn bền kéo và bền chảy của vật liệu : 35 http://nuoc.com.vn k = 540.106 (N/m2) ch = 220.106 (N/m2) Hệ số an toàn bền kéo và bền chảy của vật liệu là : nk = 2,6 nc = 1,5 [II.356] ứng suất... Vì đờng kính hai đoạn chng và luyện sai khác nhau không đáng kể, chuẩn hóa ta chọn đờng kính cho cả tháp : D = 2 (m) III Số đĩa thực tế v chiều cao tháp : 1/ Hệ số khuếch tán : a/ Hệ số khuếch tán trong pha lỏng: Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20oC: 1.10-6 D 20 = x 1 1 + MA MB AB B ( v1 / 3 + v1 / 3 )2 A B (m2/s) [SCS.t12] Trong đó : A,B : Hệ số liên hợp của chất tan và dung môi : A= 2; B= 4,7... (Ns/m2) Chuẩn số Pran đối với pha lỏng đoạn chng là : 2,9988.10 4 Prx = = 678,9 916,0207 4,822.1010 Chuẩn số Pran đối với pha lỏng đoạn luyện là : 3,8756.10 4 = 1061,19 Prx = 811,598 4,479.10 10 e/ Hệ số cấp khối trong pha hơi : Theo công thức tính cho tháp chóp: y = Dy 22,4 (0,79 Re y + 11000 ) kmol kmol m 2 s kmol [II.164] Trong đó : Dy : Hệ số khuếch tán trong pha hơi (m2/s) Re y : Chuẩn số Reynolt . Cân bằng nhiệt 41 I. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 41 II.Tháp chng luyên 42 III. Thiết bị ngng tụ 45 IV .Thiết bị làm lạnh 45 Tính và chọn thiết bị phụ 46 I. Tính và chon thiết bị. Phần mở đầu 2 Vẽ và thuyết minh dây chuyền 2 Tính toán thiết bị chính 6 I .Tính cân bằng vật liệu 6 II.Đờng kính tháp 8 III .Số đĩa thực tế và chiều cao tháp 14 IV. Tính toán cơ khí 21 . kg/kmol. I. Tính cân bằng vật liệu : 1/ Tính cân bằng vật liệu : Theo phơng trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp : http://nuoc.com.vn 5 F = P + W Và phơng trình cân bằng vật liệu