tính toán tháp chưng cất hệ toluen – metylcyclohexan tháp đĩa

Quá trình và thiết bị truyền khối. Tính các thông số cơ bản của thiết bị (tháp đĩa) chuyển khối làm việc ở áp suất khí quyển (760 mmHg) để chưng luyện hỗn hợp hai cấu tử; đảm bảo các yêu cầu về năng suất tính theo hỗn hợp đầu và thành phần nguyên liệu, đỉnh đáy. Các yêu cầu cụ thể như sau: 1 Xác định nồng độ phần mol và lưu lượng kmolh 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.

Hồ viết Long Phần II: Quá trình và thiết bị truyền khối. Tính các thông số cơ bản của thiết bị (tháp đĩa) chuyển khối làm việc ở áp suất khí quyển (760 mmHg) để chưng luyện hỗn hợp hai cấu tử; đảm bảo các yêu cầu về năng suất tính theo hỗn hợp đầu và thành phần nguyên liệu, đỉnh đáy. Các yêu cầu cụ thể như sau: 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. Số liệu ban đầu: Tháp chuyển khối loại đĩa làm việc ở áp suất khí quyển để chưng luyện hỗn hợp toluen – metylcyclohexan; đảm bảo: G F = 4180 [kg/h] –Năng suất tính theo hỗn hợp đầu a F = 27[% khối lượng]– Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu a P = 97[% khối lượng]– Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh a W = 2[% khối lượng]– Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy Gọi: x F : nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu [phần mol] x P : nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh [phần mol] x W : nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy [phần mol] F : lưu lượng hỗn hợp đầu [kmol/h] P : lưu lượng sản phẩm đỉnh [kmol/h] W : lưu lượng sản phẩm đáy [kmol/h] Ký hiệu: Toluen :B M B = 92 [g] ; t s = 110,6 ; t nc = –94,991 Metylcyclohexan :A M A = 98 [g] ; t s = 100,9 ; t nc = –126,58 Ở đây cấu tử dễ bay hơi hơn Alà Metylctclohexan. Thành phần cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp Metylcyclohexan- Toluen: x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0,0 7,5 14,3 27,0 37,8 47,0 56,0 65,0 73,7 81,8 90,6 100,0 t 110, 6 109,5 5 108,5 5 106, 9 105, 6 104, 5 103,5 5 102,7 5 102,1 5 101,6 5 101, 2 100,8 5 1. Xác định nồng độ phần mol và lưu lượng [kmol/h] của nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy. - Phương trình cân bằng vật liệu cho cả tháp: (công thức IX.16 – [4]) F = P + W Hay G F = G P + G W (1) Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi: (công thức IX.17 – [4]) Fx F = Px P + Wx W G F a F = G P a P + G W a W (2) Từ (1) và (2) suy ra: FP W WF P WP F aa G aa G aa G − = − = − → [kg/h] 1100 02,097,0 02,027,0 4180 = − − = − − = WP WF FP aa aa GG Từ (1) suy ra: G W = G F – G P = 4180 – 1100 = 3080 [kg/h] - Nồng độ phần mol trong hỗn hợp đầu: (công thức VIII.1 – [4]) 258,0 92 27,01 98 27,0 98 27,0 1 = − + = − + = B F A F A F F M a M a M a x [phần mol] Nồng độ phần mol trong sản phẩm đỉnh: 968,0 92 97,01 98 97,0 98 97,0 1 = − + = − + = B P A p A P P M a M a M a x [phần mol] Nồng độ phần mol trong sản phẩm đáy: 019,0 92 02,01 98 02,0 98 02,0 1 = − + = − + = B W A W A W W M a M a M a x [phần mol] - Khối lượng mol trung bình: Áp dụng công thức :M = xM A + (1 – x)M B trong đó: M : khối lượng mol trung bình [kg/kmol] x : Nồng độ phần mol M A ,M B : Khối lượng mol của 2 cấu tử A, B ta tính được: Trong hỗn hợp đầu: M F = x F M M + (1 – x F )M T = 0,258*98 + (1 – 0,258)*92 = 93,548 [kg/kmol] Trong sản phẩm đỉnh: M P = x P M M + (1 – x P )M T = 0,968*98 + (1 – 0,968)*92 = 97,808 [kg/kmol] Trong sản phẩm đáy: M W = x W M M + (1 – x W )M T = 0,019*98 + (1 – 0,019)*92 = 92,114 [kg/kmol] - Lưu lượng tính theo kmol/h: [kmol/h] 44,33 114,92 3080 [kmol/h] 25,11 808,97 1100 [kmol/h] 68,44 548,93 4180 === === === W W P P F F M G W M G P M G F 2. Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x – y. (Số liệu bảng IX.2a – 147 – [4]) x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0,0 7,5 14,3 27,0 37,8 47,0 56,0 65,0 73,7 81,8 90,6 100,0 t 110, 6 109,5 5 108,5 5 106, 9 105, 6 104, 5 103,5 5 102,7 5 102,1 5 101,6 5 101, 2 100,85 Đồ thị xem phần phụ lục 3. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, đường làm việc và số đĩa lý thuyết của tháp. Do trong thực tế (dựa vào đường cân bằng), không thể đạt được sản phẩm đỉnh 98% nên ta giả thiết sản phẩm đỉnh chỉ đạt đến 90%. Ta có: x W = 0,019 [phần mol] x F = 0,258[phần mol] → y F * = 0,3326 (ngoại suy từ đường cân bằng) x P = 0,9000 [phần mol] Vì giả thiết lại x P nên ta phải tính lại a P , G P , G W , M P , Pvà W dựa vào các công thức trên, ta có : a P = 90,6%, G P = 1179,458 [kg/h], G W = 3000,542 [kg/h] M P = 97,4 [kg/kmol], P = 12,109 [kmol/h], W = 32,574 [kmol/h]. a. Chỉ số hồi lưu tối thiểu R min : Chỉ số hồi lưu tối thiểu R min được xác định dựa vào công thức: (IX.24 – [4]) 61,7 258,03326,0 3326,09,0 * * min = − − = − − = FF FP xy yx R b. Chỉ số hồi lưu thích hợp R th và N lt : - Chỉ số hồi lưu làm việc thường được xác định qua chỉ số hồi lưu tối thiểu theo công thức (IX.25 – [4]): R th = b.R min trong đó b là hệ số dư, thường lấy từ 1,2 – 2,5 - Ta lập bảng số liệu sau để xác định R th : (các đồ thị xem phần phụ lục) B 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 R th 9,132 10,654 12,176 13,698 15,22 B 0,0888 0,077 0,068 0,061 0,055 N lt 57,6 48 43,5 40,4 38,2 N lt (R th + 1) 583,603 559,392 573,156 593,799 619,604 - Dựa vào bảng số liệu trên ta lập được quan hệ R th với N lt (R th + 1) theo đồ thị sau: Xem phần phụ lục - Từ đồ thị R th - N lt (R th + 1) ta xác định được R th = 10,654 với số đĩa lý thuyết N lt = 48, trong đó số đĩa đoạn luyện là 34,2 và đoạn chưng là 13,8. c. Phương trình đường làm việc: - Đoạn luyện: (IX.20 – [4]) 0772,09142,0 1654,10 9,0 1654,10 654,10 11 +=→ + + + = + + + = xy x R x x R R y O th P th th O - Đoạn chưng: (IX.22 – [4]) 3 10.385,42308,1 690,3 109,12 68,44 đó g tron 019,0. 1654,10 1690,3 1654,10 690,3654,10 1 1 1 − −=→ === + − − + + = + − − + + = xy P F f xx R f x R fR y U thth th U 4. ng kớnh thỏp D, s a thc t N tt v chiu cao c bn ca thỏp H: a. ng kớnh thỏp D : Đờng kính tháp đợc xác định theo công thức ( ) 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 = 1179,458(10,654 + 1) g đ = 13 745,404 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. 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 = 0,258 phn mol tng ng vi 0,27 phn khi 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 metycyclohexan va toluoen ở t 0 1 = t F . xem phn ph lc Từ x 1 = x F = 0,258 tra đô thị trờn ta đợc t 0 1 = t f = 106,1 0 C Với t 0 1 = 106,1 0 C nội suy theo bảng I.212 trong [I 254] ta đợc; 96,321 = a r kJ/kg. 68,364= b r kJ/kg. (tra th hỡnh I.65-stay 1) r 1 = 321,96.y 1 + (1 - y 1 ).364,68 r 1 = -42,72y 1 + 364,68 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 metycyclohexan vatoluoen ở t 0 2 = t p . Từ x p = 0,9 tra đồ thị lỏng hơi trờn ta đợc t p = 101,2. y đ : hàm lợng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần khối lợng. y đ = y p = 0,906 phần mol ( suy ra t x p = 0,9 phn mol) i ra phn khi lng: 911,0 92).906,01(98.906,0 98.906,0 = + = y Với t 0 2 = t P =101,2 0 C nội suy theo bảng I.212 trong [I 254] ta đợc: 96,321 = a r kJ/kg. 7,367 = b r kJ/kg. r đ = 321,96.0,911 + (1 - 0,911).367,7 r đ = 326,03 kJ/kg. Thay các giá trị đã tính đợc vào hệ phơng trình trên ta đợc g 1 = G 1 + 1179,458 g 1 .y 1 = 0,27G 1 + 1179,458.0,906 g 1 (-42,72y 1 + 364,68) = 13745,404.326,03=4 481 413,914 Giải hệ phơng trình ta đợc: g 1 =12 780,733 kg/h G 1 = 11 601,275 kg/h y 1 = 0,3287 phần khối lợng Thay y 1 = 0,3287 vào r 1 ta đợc: r 1 = -42,72.0,3287 + 364,68= 350,638 kJ/kg Vậy lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là: 069,13263 2 733,12780404,13745 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 metycyclohexan va toluoen 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 = 0,911 phần mol 1 c y = y 1 = 0,3287 phần khối lợng Đổi sang phần mol ta có: 3149,0 92 3287,01 98 3287,0 98 3287,0 1 = + = c y phần mol 613,0 2 3149,0911,0 2 11 1 = + = + = cd tb yy y phần mol Nhi t trung bỡnh o n luy n: .t tbl= = =103,7=376,7 0 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 + = 095,3273. 7,376.4,22 92).613,01(98.613,0 = + = 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 ρρ : khèi lîng riªng trung b×nh cña cÊu tö 1 vµ 2 cña pha láng lÊy theo nhiÖt ®é trung b×nh, kg/m 3 . 1 tb a : phÇn khèi lîng trung b×nh cña cÊu tö 1 trong pha láng. 588,0 2 906,027,0 2 1 = + = + = PF tb aa a phÇn khèi lîng V i ttb=ớ 103,70C, ta có 33,692 1 = tb x ρ kg/m 3 . 93,783 2 = tb x ρ kg/m 3 . VËy khèi lîng riªng trung b×nh cña láng trong ®o¹n luyÖn lµ: = − += 2 1 1 1 1 1 tbtbtb x tb x tb x aa ρρρ 93,783 588,01 33,692 588,0 − + 345,727=⇒ tb x ρ kg/m 3  Tính ωytb Chọn tháp đĩa lưới, làm việc đều đặn (đường kính lỗ 2,5mm, chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa 10 – 12 mm, thiết diện tự do của đĩa 12,8%). Thường lấy tốc độ làm việc ωytbkhoảng 80 – 90% tốc độ giới hạn ωgh: (IX.111 – [4]) ytb xtb gh ρ ρ ω .05,0= [m/s] trong đó ρytb, ρxtb là khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng của đoạn luyện. [...]... 0,03).362,16 r1 = 360,954 kJ/kg Thay vào hệ phơng trình trên ta đợc: G1 = g1 + 3000,542 G1 x1 = g1.0,03 + 3000,542.0,02 g1.360,954 = 12780,733.350,638 Giải hệ phơng trình trên ta đợc: g1 = 12 415,462 kg/h G1 = 15 416,004 kg/h x1 = 0,0281 phần khối lợng Vậy lợng hơi trung bình đi trong đoạn chng là: g ' tb C g1 + g '1 12780 ,733 + 12415,462 = = = 12598,098 2 2 kg/h b Tính khối lợng riêng trung bình: * Khối... bình đối với pha hơi đợc tính theo: y = y tb1 M A + (1 y tb1 ).M B 22,4.T tb 273 , kg/m3 [II - 183] Trong đó: MA MB: khối lợng phần mol của cấu tử metycyclohexan vatoluoen 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 y tbC = Với y d1 , y c1 y d1 y c1 y d1 + y c1 2 [II - 183] : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol = y1 = yw... chng: a Lợng hơi trung bình đi trong tháp g ' tb = g ' n + g '1 2 [II - 182] Trong đó: gn: lợng hơi đi ra khỏi đoạn chng, kg/h g1: lợng hơi đi vào đoạn chng, kg/h viết: Vì lợng hơi đi ra khỏi đoạn chng bằng lợng hơi đi vào đoạn luyện (gn= g1) nên ta có thể g ' tb = g 1 + g '1 2 [II - 182] Lợng hơi đi vào đoạn chng gl, lợng lỏng G1 và hàm lợng lỏng xl đợc xác định theo hệ phơng trình cân bằng vật liệu và... cân bằng nhiệt lợng sau: G 1 = g 1 + G w G1 x1 = g1.yw + Gw.xw g1.r1 = g1.r1 Trong đó: [II - 182] r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chng xw: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chng Ta có: Gw = W = 3 000,542 kg/h xw = 0,019 phần mol tơng ứng với 0,02 phần khối lợng y1 = yw xác định theo đờng... trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3 a tb1 : phần khối lợng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng atb1 a F + a1' = 2 Với a1: nồng độ phần khối lợng của pha lỏng ở đĩa dới cùng của đoạn chng Ta có: a1 = x1 =0,0281 phần khối lợng a tb1 a F + a1' 0,27 + 0,0281 = = = 0,1491 2 2 phần khối lợng ứng với t0 = 108,20C Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta đợc: xtb1 = 685 . 1.48 [m] b. Số đĩa thực tế N tt : Số đĩa thực tế được tính theo công thức: (IX.59 – [4]) tb lt tt N N η = trong đó: N lt – số bậc thay đổi nồng độ hay số đĩa lý thuyết η tb – hiệu suất trung. ωytb Chọn tháp đĩa lưới, làm việc đều đặn (đường kính lỗ 2,5mm, chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa 10 – 12 mm, thiết diện tự do của đĩa 12,8%). Thường lấy tốc độ làm việc ωytbkhoảng 80 – 90% tốc độ. IX.11 – [4]) Từ các giá trị η P , η F , η W tìm được, η tb bằng: %64 3 636366 = ++ = tb η Vậy số đĩa thực tế là: [dia] 75 64,0 48 === tb lt tt N N η Số đĩa đoạn luyện : 34,2/0,64 = 53 [đĩa] Số đĩa