Tính các thông số cơ bản của thiết bị (tháp đệm) chuyển khối làm việc ở áp suất khí quyển (760 mm Hg) để chưng luyện hỗn hợp hai cấu tử Axeton Nước; đảm bảo các yêu cầu về năng suất tính theo hỗn hợp đầu và thành phần nguyên liệu, đỉnh và đáy. Các yêu cầu cụ thể như sau: GF=2450kgh, aF=20% , aw= 2% , ap=97% 1 Xác định nồng độ phần mol và lưu lượng (kmol h) của nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy. 2 Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x – y. 3 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, đường làm việc và số đĩa lý thuyết của tháp. 4 Xác định đường kính, số đĩa thực tế và chiều cao cơ bản của tháp. 5 Xác định nhiệt độ đỉnh, đáy và vị trí đĩa tiếp liệu ứng với trường hợp nguyên liệu vào tháp ở trạng thái sôi.
Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn Phn II: Quỏ trỡnh v thit b truyn khi. Tớnh cỏc thụng s c bn ca thit b (thỏp m) chuyn khi lm vic ỏp sut khớ quyn (760 mm Hg) chng luyn hn hp hai cu t Axeton- Nc; m bo cỏc yờu cu v nng sut tớnh theo hn hp u v thnh phn nguyờn liu, nh v ỏy. Cỏc yờu cu c th nh sau: G F =2450kg/h, a F =20% , a w = 2% , a p =97% 1- Xỏc nh nng phn mol v lu lng (kmol/ h) ca nguyờn liu, sn phm nh v sn phm ỏy. 2- V ng cõn bng trờn th x y. 3- Xỏc nh ch s hi lu thớch hp, ng lm vic v s a lý thuyt ca thỏp. 4- Xỏc nh ng kớnh, s a thc t v chiu cao c bn ca thỏp. 5- Xỏc nh nhit nh, ỏy v v trớ a tip liu ng vi trng hp nguyờn liu vo thỏp trng thỏi sụi. Tính toán thiết bị chính I. Tính cân bằng vật liệu: 1. Tính toán cân bằng vật liệu: - Phơng trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp. F = P + W [II 144] - Đối với cấu tử dễ bay hơi Fa F = Pa p + Wa w [II 144] - Lợng sản phẩm đỉnh là: wp wF aa aa FP = . Trong đó: F: năng suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h a F , a p , a w : lần lợt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lợng Đầu bài cho F = 2450kg/h. Vậy ta có lợng sản phẩm đỉnh là: - 1 Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn 21,464 02,097,0 02,020,0 .2450. = = = wp wF aa aa FP kg/h - Lợng sản phẩm đáy là: W = F - P = 2450464,21 =1985,79 kg/h 2. Đổi nồng độ phần khối l ợng sang nồng độ phần mol của a F , a p , a w : áp dụng công thức B B A A A A M a M a M a x + = [II 126] Trong đó: a A, a B : nồng độ phần khối lợng của axeton và nc M a, M B : khối lợng mol phân tử của axeton và nc Với M a = M C3H6O =58 kg/kmol M b = M H20 =18kg/kmol Thay số liệu vào ta có: ( ) B F A F A F F M a M a M a x + = 1 072,0 18 20,01 58 20,0 58 20,0 = + = phần mol ( ) B P A P A P P M a M a M a x + = 1 909,0 18 97,01 58 97,0 58 97,0 = + = phần mol ( ) B w A w A w w M a M a M a x + = 1 006,0 18 02,01 58 02,0 58 02,0 = + = phần mol 3. Tính khối l ợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy: Theo công thức: M = x.M A + (1 - x)M B Trong đó: - 2 Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn M: Khối lợng phân tử trung bình, kg/kmol x: Nồng độ phần mol - Khối lợng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh: M p = x p .M A + (1 - x p )M B M p = 0,909.58 +(1- 0,909).18 M p = 54,36 kg/kmol - Khối lợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu: M F = x F .M A + (1 - x F )M B M F = 0,072.58 +(1- 0,072).18 M F = 20,88 kg/kmol - Khối lợng phân tử trung bình của sản phẩm đáy: M w = x w .M A + (1 - x w )M B M w = 0,006.58 +(1- 0,006).18 M w = 18,24 kg/kmol 4. Đổi đơn vị của F, P, W từ kg/h sang kmol/h: ( ) hkmol M hkgF F F /34,117 88,20 2450/ === ( ) hkmol M hkgP P p /54,8 36,54 21,464/ === ( ) hkmol M hkgW W w /87,108 24,18 79,1985/ === 5. L ợng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh : 74,13 54,8 34,117 === P F f II. Xác định số bậc thay đổi nồng độ: 1. Xác định R min dựa trên đồ thị y x : Dựng đờng cân bằng theo số liệu đờng cân bằng tra trong bảng phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hai cấu tử ở 760mmHg (phần trăm số mol) của axeton và axit axetic ta có bảng sau: [II 145] - 3 Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 60,3 72 80,3 82,7 84,2 85,5 86,9 88,2 90,4 94,3 100 t o C 100 77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59 58,2 57,5 56,9 Bảng 1 - Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đờng cân bằng lỏng (x) hơi (y) ( cú th k v th v vit l xem phn ph lc, in th ri ghộp vo) (hình 1), với giá trị của x F = 0,072 ta dóng lên đờng cân bằng và tìm đợc giá trị y * F = 0,654 - R min : lợng hồi lu tối thiểu đợc tính theo công thức FF Fp x xy yx R = * * mi n [II 158] y * F : nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng x F của hỗn hợp. => 438,0 072,0654,0 654,0909,0 * * mi n = = = FF Fp x xy yx R 2. Tính chỉ số hồi l u thích hợp : - Ch s hi lu lm vic thng c xỏc nh qua ch s hi lu ti thiu theo cụng thc (IX.25 [4]): R th = b.R min trong ú b l h s d, Từ đó ta có bảng số liệu sau. b 1,4 1,6 1,8 2,0 2.2 2,4 R th 0,613 0,701 0,788 0,876 0,964 1,051 B 0,563 0,534 0,508 0,485 0,463 0,443 N lt 8,4 7,5 7,1 6,8 6,6 6,5 N lt (R th + 1) 13,549 12,758 12,695 12,757 12,962 13,332 Xây dựng đồ thị quan hệ giữa R x N lt (R x +1). ( cú th k v th v vit l xem phn ph lc, in th ri ghộp vo) - 4 Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn Qua th ta thy, vi R x = 0,788 th N lt (R x + 1) l nh nht hay th tch thp nh nht. Vy ta cỳ R th = 0.788 , N lt = 7,1 on chng 3,4 a, on luyn 3,7 a. 3. Phng trnh ng nng lm vic ca on luyn: 11 + + + = x P x x R X x R R y [II 148] Trong ú: y: l nng phn mol ca cu t d bay hi trong pha hi i t di lờn. x: l nng phn mol ca cu t d bay hi trong pha lng chy t a xung. R x : ch s hi lu. Thay s liu vo ta cỳ. 1788.0 909,0 1788.0 788.0 11 + + + = + + + = x R X x R R y x P x x L y L = 0,441x + 0.508 4. Phng trnh ng nng lm vic ca on chng: w xx x x R f x R fR y 1 1 1 + + + = [II.158] Trong ú: 74,13 54,8 34,117 === P F f : lng hn hp u tớnh cho 1kmol sn phm nh. Thay s liu vo ta cỳ. 006,0. 1788.0 174,13 1788,0 74,13788.0 1 1 1 + + + = + + + = xx R f x R fR y w xx x C y c = 8,125x 0,0428 III. Tính đ ờng kính tháp ch ng luyện : Đờng kính tháp đợc xác định theo công thức - 5 Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn ( ) tb yy tb g D . 0188,0= , m [II - 181] Trong đó: g tb : lợng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h. ( y . y ) tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m 2 .s Vì lợng hơi và lợng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên ta phải tính lợng hơi trung bình cho từng đoạn. 1. Đ ờng kính đoạn luyện : a. Xác định lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: Lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng của lợng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lợng hơi đi vào đĩa dới cùng của đoạn luyện. 2 1 gg g d tb + = , kg/h [II - 181] Trong đó: g tb : lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h. g đ : lợng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h. g l : lợng hơi đi vào đĩa dới cùng của tháp, kg/h. * Lợng hơi ra khỏi đỉnh tháp: g đ = G R + G p = G p (R x +1) [II 181] g đ = 464,21(0,788 + 1) g đ = 830,01 kg/h * Lợng hơi đi vào đoạn luyện: Lợng hơi g 1 , hàm lợng hơi y 1 và lợng lỏng G 1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện đợc xác định theo hệ phơng trình. g 1 = G 1 + G p (1) g 1 .y 1 = G 1 .x 1 + G p .x p (2) [II - 182] g 1 .r 1 = g đ .r đ (3) Trong đó: y 1 : hàm lợng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện, phần khối lợng. - 6 Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn G 1 : lợng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện. r 1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa. r đ : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp. x 1 = x F = 0,072 phõn mol tng ng vi 0,2 phõn khụi lng r 1 = r a .y 1 + (1-y 1 ).r b [II - 182] Với r a , r b : ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Axeton va Nc ở t 0 1 = t F . ( cú th k v th v vit l xem phn ph lc, in th ri ghộp vo) Từ x 1 = x F = 0,072 tra đô thị trờn ta đợc t 0 1 = t f = 74,2 0 C Với t 0 1 = 74,2 0 C nội suy theo bảng I.212 trong [I 254] ta đợc; 81,502 63 == OHCa rr kJ/kg. 70,2364 2 == OHb rr kJ/kg. r 1 = 502,81.y 1 + (1 - y 1 ).2364,70 r 1 = -1861,89y 1 + 2364,70 kJ/kg. r đ = r a .y đ + (1 y đ ).r b [II - 182] Với r a , r b : ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Axeton va Ncở t 0 2 = t p . Từ x p = 0,909 tra đồ thị lỏng hơi trờn ta đợc t p = 57,4 y đ : hàm lợng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần khối lợng. y đ = y p = 0,948phần mol.(ngoi suy ng cõn bng x p =0,909 phn mol) i ra phn khi lng: 983,0 18).948,01(58.948,0 58.948,0 = + == pd yy Với t 0 2 = t P = 57,4 0 C nội suy theo bảng I.212 trong [I 254] ta đợc: 51,521 63 == OHCa rr kJ/kg. 52,2425 2 == OHb rr kJ/kg. r đ = 521,51.0,983 + (1 - 0,983).2425,52 r đ = 553,88kJ/kg. Thay các giá trị đã tính đợc vào hệ phơng trình trên ta đợc g 1 = G 1 + 464,21 g 1 .y 1 = 0,2G 1 + 464,21.0,97 - 7 Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn g 1 (-1861,89y 1 + 2364,70) = 830,01.553,88=459724,42 Giải hệ phơng trình ta đợc: g 1 =564,79 kg/h G 1 = 100,58 kg/h y 1 = 0,833 phần khối lợng Thay y 1 = 0,833 vào r 1 ta đợc: r 1 = -1861,89.0,833 + 2364,70 = 813,98 kJ/kg Vậy lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là: 4,697 2 79,56401,830 2 1 = + = + = gg g d L tb kg/h. b. Tính khối lợng riêng trung bình * Khối lợng riêng trung bình đối với pha hơi đợc tính theo 273. .4,22 ).1(. 11 T MyMy BtbAtb y tb + = , kg/m 3 . [II - 183] Trong đó: M A M B : khối lợng phần mol của cấu tử Axeton va Nc T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0 K. y tb1 : nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình 2 11 1 cd tb yy y + = [II - 183] Với 11 , cd yy : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol. 1 d y = y p = 0,948 phần mol 1 c y = y 1 = 0,833 phần khối lợng Đổi sang phần mol ta có: 608,0 18 833,01 58 833,0 58 833,0 1 = + = c y phần mol 778,0 2 608,0948,0 2 11 1 = + = + = cd tb yy y phần mol - 8 Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn Nhit trung bỡnh on luyn. T= (T F + T P )/2 = (74,2 + 57,4)/2 = 65,8 0 C = 338,8 K Vậy khối lợng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là: 273. .4,22 ).1(. 21 11 T MyMy tbtb y L tb + = 767,1273. 8,338.4,22 18).778,01(58.778,0 = + = L tb y kg/m 3 . * Khối lợng riêng trung bình đối với pha lỏng 2 1 1 1 1 1 tbtbtb x tb x tb x aa += , kg/m 3 [II - 183] Trong đó: tb x : khối lợng riêng trung bình của lỏng, kg/m 3 . 21 , tbtb xx : khối lợng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m 3 . 1 tb a : phần khối lợng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng. 585,0 2 97,020,0 2 1 = + = + = PF tb aa a phần khối lợng o tb t : nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha lỏng ứng với t 0 = 65,8 0 C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta đợc: 17,738 1 = tb x kg/m 3 . 81,979 2 = tb x kg/m 3 . Vậy khối lợng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là: = += 2 1 1 1 1 1 tbtbtb x tb x tb x aa 81,979 585,01 17,738 585,0 + 33,822 = tb x kg/m 3 Tớnh ytb Chn thỏp a li, lm vic u n (ng kớnh l 2,5mm, chiu cao ng chy chuyn trờn a 10 12 mm, thit din t do ca a - 9 Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn 12,8%). Thng ly tc lm vic ytb khong 80 90% tc gii hn gh : (IX.111 [4]) ytb xtb gh .05,0 = [m/s] trong ú ytb , xtb l khi lng riờng trung bỡnh ca pha hi v pha lng ca on luyn. Vy, [m/s] 08,1 767,1 33,822 .05,0.05,0 === ytb xtb gh Tc lm vic ytb c ly bng 0,9. gh , nờn: ytb = 0,9.1,08= 0,971 [m/s] T cỏc thụng s g tb , ytb , ytb tớnh c, ta cú ng kớnh on luyn bng: ( ) [m] 0,379 971,0.767,1 4,697 .0188,0 . 0188,0 === tb yy tb O g D Quy chun ng kớnh. D o = 0,38 m 2. Đờng kính đoạn chng: a. Lợng hơi trung bình đi trong tháp 2 1 '' ' gg g n tb + = [II - 182] Trong đó: g n : lợng hơi đi ra khỏi đoạn chng, kg/h. g 1 : lợng hơi đi vào đoạn chng, kg/h. Vì lợng hơi đi ra khỏi đoạn chng bằng lợng hơi đi vào đoạn luyện (g n = g 1 ) nên ta có thể viết: 2 1 ' 1 ' gg g tb + = [II - 182] - 10 [...]... đoạn chng là: g ' tb C = g 1 + g '1 564,79 + 240,97 = = 402,88 2 2 kg/h b Tính khối lợng riêng trung bình: * Khối lợng riêng trung bình đối với pha hơi đợc tính theo: ytb = y tb1 M A + (1 y tb1 ).M B 22,4.T 273 , kg/m3 [II - 183] Trong đó: MA MB: khối lợng phần mol của cấu tử Axeton vaNc T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K ytbc: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình ytbC... vaNc T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K ytbc: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình ytbC = Với y d1 , y c1 y d1 + y c1 2 [II - 183] : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol y d1 = y1 = yw = 0,0724 phần mol y c1 = y1 = 0,608 phần mol y tbC = y d1 + y c1 2 = 0,0724 + 0,608 = 0,3402 2 phần mol nhit trung bỡnh on chng T =(TF + TW)/2 = (74,2 + 97,3)/2 = 85,80C . nguyờn liu vo thỏp trng thỏi sụi. Tính toán thiết bị chính I. Tính cân bằng vật liệu: 1. Tính toán cân bằng vật liệu: - Phơng trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp. F = P + W [II 144] - Đối. đi trong tháp, kg/h. ( y . y ) tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m 2 .s Vì lợng hơi và lợng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên ta phải tính lợng. cỳ. 006,0. 1788.0 174,13 1788,0 74,13788.0 1 1 1 + + + = + + + = xx R f x R fR y w xx x C y c = 8,125x 0,0428 III. Tính đ ờng kính tháp ch ng luyện : Đờng kính tháp đợc xác định theo công thức - 5 Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn ( ) tb yy tb g D . 0188,0= ,