Tính các thông số cơ bản của thiết bị (tháp đĩa) chuyển khối làm việc ở áp suất khí quyển (760 mm Hg) để chưng luyện hỗn hợp hai cấu tử Toluen và Clorofrom; 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=3380kgh, aF=19% , aw= 2% , ap=97,5% 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.
Nguyn Don Thng Phn II: Quỏ trỡnh v thit b truyn khi. Tớnh cỏc thụng s c bn ca thit b (thỏp #a) chuyn khi lm vic ỏp sut khớ quyn (760 mm Hg) chng luyn hn hp hai cu t Toluen v Clorofrom; 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 =3380kg/h, a F =19% , a w = 2% , a p =97,5% 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. Bi lm 1. Xỏc nh nng phn mol v lu lng (kmol/ h) ca nguyờn liu, sn phm nh v sn phm ỏy. a. 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 = 3380 kg/h. Vậy ta có lợng sản phẩm đỉnh là: 675,601 02,0975,0 02,019,0 .3380. = = = wp wF aa aa FP kg/h - Lợng sản phẩm đáy là: W = F - P = 3380 601,675 = 2778,325 kg/h b. Đổi nồng độ phần khối l ợng sang nồng độ phần mol của a F , a p , a w : - 1 Nguyn Don Thng 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 Toluen v Clorofrom M a, M B : khối lợng mol phân tử của Toluen v Clorofrom Với M a = M CHCl3 =119,5 kg/kmol M b = M C7H8 =92 kg/kmol Thay số liệu vào ta có: ( ) B F A F A F F M a M a M a x + = 1 153,0 92 19,01 5,119 19,0 5,119 19,0 = + = phần mol ( ) B P A P A P P M a M a M a x + = 1 968,0 92 975,01 5,119 975,0 5,119 975,0 = + = phần mol ( ) B w A w A w w M a M a M a x + = 1 015,0 92 02,01 5,119 02,0 5,119 02,0 = + = phần mol c. 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: 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 = 0,968.119,5 +(1- 0,968).92 M p = 118,62 kg/kmol - Khối lợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu: M F = x F .M A + (1 - x F )M B - 2 Nguyn Don Thng M F = 0,153.119,5 + (1 0,153).92 M F = 96,208 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 = 0,015.119,5 + (1 0,015).92 M w = 92,413 kg/kmol d. Đổi đơn vị của F, P, W từ kg/h sang kmol/h: ( ) hkmol M hkgF F F /132,35 208,96 3380/ === ( ) hkmol M hkgP P p /072,5 62,118 675,601/ === ( ) hkmol M hkgW W w /064,30 413,92 325,2778/ === 2. v ng cõn bng lng hi. th xem phn ph lc 3. Xỏc nh ch s hi lu thớch hp, ng lm vic v s a lý thuyt ca thỏp a. Xác định R min dựa trên đồ thị y x: Với giá trị của x F = 0,153 ta dóng lên đờng cân bằng và tìm đợc giá trị y * F = 0,428 - 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. => 964,1 153,0428,0 428,0968,0 * * mi n = = = FF Fp x xy yx R b. 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. (cac th xem phn ph lc) - 3 Nguyn Don Thng b 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 R th 2,357 2,750 3,142 3,535 3,928 4,321 B 0,288 0,258 0,234 0,213 0,196 0,182 N lt 12 10 9 8,5 8 7,8 N lt (R th + 1) 40,284 37,5 37,278 38,548 39,424 41,504 Xây dựng đồ thị quan hệ giữa R x N lt (R x +1). Qua đồ thị ta thấy, với R x = 3 thì N lt (R x + 1) là nhỏ nhất hay thể tích tháp nhỏ nhất. Vậy ta có R th = 3. S a lý thuyt l Nlt= 9,3 trong ú on luyn l 4,6 a, on chng l 4,7 a c. Ph ơng trình đ ờng nồng độ làm việc của đoạn luyện: 11 + + + = x P x x R X x R R y [II 148] Trong đó: y: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dới lên. x: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống. R x : chỉ số hồi lu. Thay số liệu vào ta có. 13 968,0 13 3 11 + + + = + + + = x R X x R R y x P x x L y L = 0,75x + 0,242 d. Ph ơng trình đ ờng nồng độ làm việc của đoạn ch ng: w xx x x R f x R fR y 1 1 1 + + + = [II.158] Trong đó: 927,6 072,5 132,35 === P F f : lợng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol sản phẩm đỉnh. Thay số liệu vào ta có. 015,0. 13 1927,6 13 927,63 1 1 1 + + + = + + + = xx R f x R fR y w xx x C y c = 2,482 x 0,022 - 4 Nguyn Don Thng 4. Xỏc nh ng kớnh, s a thc t v chiu cao c bn ca thỏp a. ng kớnh thỏp 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. Đ ờng kính đoạn luyện: - 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 = 601,675(3 + 1) g đ = 2406,7 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: - 5 Nguyn Don Thng 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 = 0,153 phn mol tng ng vi 0,19 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 clorofom va Toluen ở t 0 1 = t F . Từ x 1 = x F = 0,153 tra đô thị trờn ta đợc t 0 1 = t f = 97,2 0 C Với t 0 1 = 97,2 0 C nội suy theo bảng I.212 trong [I 254] ta đợc; 254,232 3 == CHCla rr kJ/kg. 845,369 87 == HCb rr kJ/kg. r 1 = 232,254.y 1 + (1 - y 1 ).369,845 r 1 = -137,591y 1 + 369,845 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 Clorofom va Toluen ở t 0 2 = t p . Từ x p = 0,968 tra đồ thị lỏng hơi trờn ta đợc t p = 61,8. y đ : hàm lợng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần khối lợng. y đ = y p = 0,993 phần mol i sang phn khi lng: 995,0 92).993,01(5,119.993,0 5,119.993,0 = + = y Với t 0 2 = t P = 61,8 0 C nội suy theo bảng I.212 trong [I 254] ta đợc: 79,246 3 == CHCla rr kJ/kg. 73,387 87 == HCb rr kJ/kg. r đ = 246,79.0,995 + (1 - 0,995).387,73 r đ = 247,65 kJ/kg. Thay các giá trị đã tính đợc vào hệ phơng trình trên ta đợc g 1 = G 1 + 601,675 g 1 .y 1 = 0,19G 1 + 601,675.0,975 - 6 Nguyn Don Thng g 1 (-137,591y 1 + 369,845) =2406,7.247,65 =596019,255 giihệ phơng trình ta đợc: g 1 =1923,190 kg/h G 1 = 1321,515 kg/h y 1 = 0,436 phần khối lợng Thay y 1 = 0,436 vào r 1 ta đợc: r 1 = -137,591.0,436 + 369,845 = 309,912 kJ/kg Vậy lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là: 945,2164 2 190,19237,2406 2 1 = + = + = gg g d L tb kg/h. - 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 Clorofom v Toluen 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 = 0,993 phần mol 1 c y = y 1 = 0,436 phần khối lợng Đổi sang phần mol ta có: 373,0 92 436,01 5,119 436,0 5,119 436,0 1 = + = c y phần mol 683,0 2 373,0993,0 2 11 1 = + = + = cd tb yy y phần mol nhit trung bỡnh on luyn. - 7 Nguyn Don Thng T = (T F + T P )/2 = (97,2+ 61,8 )/2 = 79,5 0 C = 352,5 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 + = 830,3273. 5,352.4,22 92).683,01(5,119.683,0 = + = 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. 583,0 2 975,019,0 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 = 79,5 0 C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta đợc: 395,1381 1 = tb x kg/m 3 . 9,808 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 9,808 583,01 395,1381 583,0 + 61,1066= 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 12,8%). Thng ly tc lm vic ytb khong 80 90% tc gii hn gh: (IX.111 [4]) - 8 Nguyn Don Thng ytb xtb gh .05,0= [m/s] trong ú ytb, xtb l kh i l ng riờng trung bỡnh c a pha h i v pha l ng c a o n luy n. Vy, [m/s] 483,0 830,3 61,1066 .05,0.05,0 === ytb xtb gh Tc lm vic ytb c ly bng 0,9.gh, nờn: ytb = 0,9.0,834= 0,751 [m/s] T cỏc thụng s gtb, ytb, ytbtớnh c, ta cú ng kớnh o n luy n b ng: ( ) [m] 0,516 751,0.83,3 945,2164 .0188,0 . 0188,0 === tb yy tb O g D Quy chu n ng kớnh. Do = 0,52 m Đờng kính đoạn chng: - 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] Lợng hơi đi vào đoạn chng g l , lợng lỏng G 1 và hàm lợng lỏng x l đợc xác định theo hệ phơng trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lợng sau: G 1 = g 1 + G w G 1 .x 1 = g 1 .y w + G w .x w [II - 182] g 1 .r 1 = g 1 .r 1 Trong đó: - 9 Nguyn Don Thng r 1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chng. x w : thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy. r 1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chng. Ta có: G w = W = 2778,325 kg/h. x w = 0,015 phần mol tơng ứng với 0,02 phần khối lợng y 1 = y w xác định theo đờng cân bằng ứng với x w = 0,015 phần mol. y w = 0,057 phần mol. Đổi y 1 = y w = 0,057 phần mol ra phần khối lợng ta có: 073,0 92).057,01(5,119.057,0 5,119.057,0 1 ' = + == w yy phần khối lợng 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 ở t 0 = t w . Với x w = 0,015 tra đồ thị ta đợc t w = 108,7 0 C. Từ t 0 =t w =108,7 0 C nội suy theo bảng I.212 trong [I 254] ta đợc. 34,227= a r kJ/kg. 63,362= b r kJ/kg. =>r 1 = 227,34.0,073 + (1 - 0,073).362,63 r 1 = 352,75 kJ/kg Thay vào hệ phơng trình trên ta đợc: G 1 = g 1 + 2778,325 G 1 .x 1 = g 1 .0,073 + 2778,325.0,02 g 1 .352,75 = 1923,190.309,912 Giải hệ phơng trình trên ta đợc: g 1 =1689,619 kg/h G 1 = 4467,944 kg/h x 1 = 0,04 phần khối lợng Vậy lợng hơi trung bình đi trong đoạn chng là: 405,1806 2 619,1689190,1923 2 1 ' 1 ' = + = + = gg g C tb kg/h. - Tính khối lợng riêng trung bình: * Khối lợng riêng trung bình đối với pha hơi đợc tính theo: - 10 [...]... tb1 ).M B 22,4.T tb 273 , kg/m3 [II - 183] Trong đó: MA MB: khối lợng phần mol của cấu tử clorofom v toluen 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 = 0,057 phần mol y c1 = y1 = 0,373 phần mol y tbC = y d1 + y c1 2 = 0,057... trung bình đối với pha lỏng a tb 1 a tb1 1 = 1 + xtb xtb xtb 1 2 , kg/m3 [II - 183] Trong đó: xtb : khối lợng riêng trung bình của lỏng, kg/m3 xtb1 , xtb2 : khối lợng riêng 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 a tb1 = a F + a1' 2 - 11 Nguyờn Doan Thng Với a1: nồng độ phần khối lợng của pha lỏng... (IX.60 [4]) - l bay hi tng i ca hn hp: = - y * 1 x 1 y * x (IX.61 [4]) àhh nht ca hn hp lng [N.s/m2]: lg à hh = x lg à A + (1 x ) lg à B àA nht ca cu t Clorofom ph thuc nhit xột àB nht ca cu t Toluen ph thuc nhit xột Ti nh thỏp: xP = 0,968 [phn mol]; yP* = 0,993 [phn mol]; tP = 61,8 [oC]; suy ra: = 4,689 àA =0,3852.10-3 Ns/m2 (ni suy bng I.101 [3]) àB = 0,37604.10-3 Ns/m2 (ni suy bng I.101 . độ phần khối lợng của Toluen v Clorofrom M a, M B : khối lợng mol phân tử của Toluen v Clorofrom Với M a = M CHCl3 =119,5 kg/kmol M b = M C7H8 =92 kg/kmol Thay số liệu vào ta có: ( ) B F A F A F F M a M a M a x + = 1 153,0 92 19,01 5,119 19,0 5,119 19,0 = + = phần. 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] Lợng hơi đi vào đoạn. 0,598,49,0004,020,0.20 ≈=++= H 5:Nhiệt độ đỉnh, đáy và vị trí tiếp liệu ứng với trường hợp nguyên liệu vào ở trạng thái sôi: Từ đồ thị t-x ta có thể xác định dễ dàng nhiệt độ đỉnh,đáy và vị trí đ#a tiếp liệu của tháp: T p =61,8 0 C