Đồ án hóa công chưng tháp đệm axeton va nước

1.1. Mở Đầu. Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Chúng ta có thể thực hiện nhiều phương pháp chưng khác nhau như chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, và chưng đặc biệt (chưng luyện hỗn hợp đẳng phí, chưng phân tử, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng trích ly). Ngày nay, chưng được ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp: + Dầu mỏ, các tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng. + Không khí hóa lỏng. + Quá trình tổng hợp hữu cơ thường cho sản phẩm ở dạng hỗn hợp chất lỏng. Ví dụ: sản xuất metanol, etylen… + Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng như etylicnước từ quá trình lên men. Khi chưng, hỗn hợp đầu chứa bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản phẩm. Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết ta tiến hành chưng nhiều lần hay còn gọi là chưng luyện. Trong quá trình sản xuất Axeton thường kèm theo rất nhiều sản phẩm phụ là Nước. Vì vậy, nồng độ cũng như độ tinh khiết của Axeton không được cao. Trong phần đồ án này sẽ trình bày thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp Axeton – Nước. Hỗn hợp đầu gồm 2 cấu tử là Axeton và Nước nên được gọi là chưng luyện hỗn hợp 2 cấu tử. Axeton – Nước được phân tách thành hai cấu tử riêng biệt nhờ phương pháp chưng luyện liên tục với tháp chưng luyện là loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi. Sau quá trình chưng luyện, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi lớn hơn (Axeton) và một phần rất nhỏ cấu tử khó bay hơi hơn (Nước). Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi (Nước) và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (Axeton). Trong suốt quá trình tính toán và thiết kế, được sự hưóng dẫn trực tiếp và sự giúp đỡ nhiệt tình của ……cũng như với sự nỗ lực và cố gắng của bản thân bản đồ án thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách Axeton – Nước với các thông số như nội dung đề tài được giao của em đã được hoàn thành với nội dung sau: 1.2. Thuyết minh dây chuyền sản xuất. Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế bởi cửa chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), quá trình tự chảy này được theo dõi bằng van và đồng hồ đo lưu lượng. Tại thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão hoà), hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi. Sau khi đạt đến nhiệt độ sôi, hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm (5). Trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với hơi được tạo thành ở thiết bị đun sôi đáy tháp (9) đi từ dưới lên, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần. Theo chiều cao của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng đệm từ dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ. Quá trình tiếp xúc lỏng – hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giàu cấu tử dễ bay hơi, pha lỏng ngày càng giàu cấu tử khó bay hơi. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (Axeton) và một phần rất nhỏ cấu tử khó bay hơi (Nước). Hỗn hợp hơi này được đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6) và tại đây nó được ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh). Một phần chất lỏng sau ngưng tụ chưa đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng để hồi lưu trở về đỉnh tháp; phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8). Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp (Axeton) lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử khó bay hơi (Nước) trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi xuống. Do đó, nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Nước), một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (Axeton). Hỗn hợp lỏng này được đưa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (10), một phần được tận dụng đưa vào thiết bị gia nhiệt đáy tháp (9) dùng hơi nước bão hòa. Thiết bị gia nhiệt (9) này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp).

MỤC LỤC

Phần 1 : Giới Thiệu Chung 8

1.1 Mở Đầu 8

1.2 Thuyết minh dây chuyền sản xuất 9

1.3 Sơ đồ dây chuyền công nghệ 11

1.4 Chế độ làm việc của tháp đệm 12

1.5 Ưu, nhược điểm của tháp đệm 12

1.5.1 Ưu điểm của tháp đệm 12

1.5.2 Nhược điểm của tháp đệm 13

1.6 Bảng kê các ký hiệu thường dùng trong đồ án 13

Phần 2 : Tính toán, thiết kế thiết bị chính 13

2.1 Tính toán cân bằng vật liệu toàn tháp 14

2.1.1 Tính cân bằng vật liệu 14

2.1.2 Xác định số bậc thay đổi nồng độ 16

2.1.2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu (R min ) 16

2.1.2.2 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp (R th ) 18

2.1.2.3 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện 22

2.1.2.4 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng 23

2.2 Tính đường kính tháp 23

2.2.1 Đường kính đoạn luyện 24

2.2.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện 24

2.2.1.2 Tính khối lượng riêng trung bình 27

2.2.1.3 Tính tốc độ hơi đi trong tháp 29

2.2.2 Đường kính đoạn chưng: 32

2.2.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng 32

2.2.2.2 Tính khối lượng riêng trung bình 34

2.2.2.3 Tốc độ hơi đi trong đoạn chưng 37

2.3 Tính chiều cao tháp 40

2.3.1 Tính chiều cao đoạn luyện 40

2.3.1.1 Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối: 40

2.3.1.2 Tính m: 46

2.3.1.3 Tính số đơn vị chuyển khối m y : 46

2.3.2 Chiều cao của đoạn chưng: 49

2.3.2.1 Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối: 49

2.3.2.2 Tính m: 53

2.3.2.3 Tính số đơn vị chuyển khối m y : 53

2.3.3 Chiều cao của toàn tháp: 54

2.4 Trở lực của tháp đệm 55

2.4.1 Trở lực của đoạn luyện: 55

2.4.2 Trở lực của đoạn chưng: 57

2.4.3 Trở lực của toàn tháp: 58

2.5 Cân bằng nhiệt lượng 59

2.5.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: 59

2.5.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 62

2.5.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ: 66

2.5.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh: 67

Phần 3: Tính Toán, thiết kế thiết bị phụ 68

3.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 68

3.1.1 Lượng nhiệt cần thiết: 68

3.1.2 Tải nhiệt trung bình cho quá trình truyền nhiệt 69

3.2 Tính toán cơ khí và lựa chọn 76

3.2.1 Tính các đường ống dẫn 76

3.2.1.1.Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh 76

3.2.1.2 Tính đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh 77

3.2.1.3 Tính đường kính ống dẫn liệu 78

3.2.1.4 Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đáy 78

3.2.1.5 Tính đường kính ống dẫn hồi lưu sản phảm đáy 79

3.2.2 Tính chiều dày của thân tháp hình trụ 80

3.2.3 Tính đáy và nắp thiết bị 84

3.2.4 Mặt bích 86

3.2.5 Tính lưới đỡ đệm, dầm đỡ đệm, đĩa phân phối chất lỏng: 88

3.2.6 Tính chọn tai treo và chân đỡ: 93

3.3 Tính thùng cao vị 95

3.3.1 Các trở lực trong quá trình tiếp liệu 95

3.3.1.1 Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu tới tháp 96

3.3.1.2 Trở lực của ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu.

99

3.3.1.3 Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 101

3.3.2 Tính chiều cao của thùmg cao vị so với đĩa tiếp liệu: 104

3.4 Tính Bơm 105

Phần 4 : Kết Luận 108

Phần 5 : Tài Liệu Tham Khảo 110

Phần 1 : Giới Thiệu Chung

1.1 M Đ u ở Đầu ầu.

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Chúng ta có thể thực hiện nhiều phương pháp chưng khác nhau như chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, và chưng đặc biệt (chưng luyện hỗn hợp đẳng phí, chưng phân tử, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng trích ly)

Ngày nay, chưng được ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp:

+ Dầu mỏ, các tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng

+ Không khí hóa lỏng

+ Quá trình tổng hợp hữu cơ thường cho sản phẩm ở dạng hỗn hợp chất lỏng Ví dụ: sản xuất metanol, etylen…

+ Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng như etylic-nước từ quá trình lên men

Khi chưng, hỗn hợp đầu chứa bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấynhiêu cấu tử sản phẩm Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết ta tiếnhành chưng nhiều lần hay còn gọi là chưng luyện.

Trong quá trình sản xuất Axeton thường kèm theo rất nhiều sản phẩmphụ là Nước Vì vậy, nồng độ cũng như độ tinh khiết của Axeton khôngđược cao Trong phần đồ án này sẽ trình bày thiết kế tháp chưng luyện liêntục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp Axeton – Nước Hỗn hợp đầu gồm 2cấu tử là Axeton và Nước nên được gọi là chưng luyện hỗn hợp 2 cấu tử.Axeton – Nước được phân tách thành hai cấu tử riêng biệt nhờ phương phápchưng luyện liên tục với tháp chưng luyện là loại tháp đệm, làm việc ở ápsuất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

Sau quá trình chưng luyện, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độbay hơi lớn hơn (Axeton) và một phần rất nhỏ cấu tử khó bay hơi hơn(Nước) Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi (Nước) và một phầnrất ít cấu tử dễ bay hơi (Axeton)

Trong suốt quá trình tính toán và thiết kế, được sự hưóng dẫn trực tiếp

và sự giúp đỡ nhiệt tình của ……cũng như với sự nỗ lực và cố gắng của bản

thân bản đồ án thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân táchAxeton – Nước với các thông số như nội dung đề tài được giao của em đãđược hoàn thành với nội dung sau:

1.2 Thuy t minh dây chuy n s n xu t ết minh dây chuyền sản xuất ền sản xuất ản xuất ất.

Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2)bơm lên thùng cao vị (3) Mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khốngchế bởi cửa chảy tràn Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết

bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), quá trình tự chảy này được theo dõi bằng van

và đồng hồ đo lưu lượng Tại thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4) (dùng hơinước bão hoà), hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi Sau khi đạt đếnnhiệt độ sôi, hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyệnloại tháp đệm (5) Trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với hơiđược tạo thành ở thiết bị đun sôi đáy tháp (9) đi từ dưới lên, tại đây xảy raquá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần Theo chiều cao của tháp, càng lêncao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng đệm từ dưới lên, cấu

tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ Quá trình tiếp xúc lỏng – hơi trong thápdiễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giàu cấu tử dễ bay hơi, pha lỏngngày càng giàu cấu tử khó bay hơi Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu đượchầu hết là cấu tử dễ bay hơi (Axeton) và một phần rất nhỏ cấu tử khó bayhơi (Nước) Hỗn hợp hơi này được đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6) và tạiđây nó được ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh) Một phần chất lỏngsau ngưng tụ chưa đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng để hồi lưu trở

về đỉnh tháp; phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnhđến nhiệt độ cần thiết sau đó đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8) Chất lỏnghồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới lên, mộtphần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp (Axeton) lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tửkhó bay hơi (Nước) trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi xuống Do đó, nồng độ cấu

tử khó bay hơi trong pha lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thuđược hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Nước), một phần rất

ít cấu tử dễ bay hơi (Axeton) Hỗn hợp lỏng này được đưa ra khỏi đáy tháp,qua thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (10),một phần được tận dụng đưa vào thiết bị gia nhiệt đáy tháp (9) dùng hơinước bão hòa Thiết bị gia nhiệt (9) này có tác dụng đun sôi tuần hoàn vàbốc hơi hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp) Nước ngưng

của các thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (11) đi xửlý.

Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sảnphẩm được cung cấp và lấy ra liên tục

1.3 S đ dây chuy n công ngh ơ đồ dây chuyền công nghệ ồ dây chuyền công nghệ ền sản xuất ệ.

3

4 5

1- Thùng chứa hỗn hợp đầu 2- Bơm

3- Thùng cao vị 4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu5- Tháp chưng luyện 6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

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 nước ngưng

1.4 Ch đ làm vi c c a tháp đ m ết minh dây chuyền sản xuất ộ làm việc của tháp đệm ệ ủa tháp đệm ệ.

Tùy thuộc vào vận tốc khí mà chế độ thủy động trong tháp đệm là chế

độ dòng, xoáy hay sủi bọt Chế độ dòng, vận tốc khí còn bé, lực hút phân tửlớn hơn lực ỳ nên chuyển khối được quyết định bằng khuếch tán phân tử.Tăng dần vận tốc đến khi lực ỳ bằng lực phân tử quá trình chuyển khối đượcquyết định không chỉ bằng khuếch tán phân tử mà còn có khuếch tán đốilưu Chế độ thủy động chuyển sang chế độ quá độ Nếu tiếp tục tăng vận tốckhí lên nữa, ta có chế độ xoáy và quá trình chuyển khối được quyết định bởikhuếch tán đối lưu Đến một giới hạn nào đó của vận tốc khí sẽ xảy ra hiệntượng đảo pha Lúc này chất lỏng sẽ choán toàn bộ tháp và trở thành pha liêntục, còn khí phân tán vào lỏng và trở thành pha phân tán Vận tốc khí ứngvới điểm đảo pha gọi là vận tốc đảo pha Do khí sục vào lỏng nên tạo bọt

Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tốtnhất, song trong thực tế tháp đệm chỉ làm việc ở vận tốc đảo pha, vì nếu tăngnữa sẽ rất khó đảm bảo quá trình ổn định Chế độ này, chất lỏng chảy thànhmàng bao quanh đệm, nên còn gọi là chế độ màng Do đó, trong thực tế tháplàm việc ở chế độ màng

1.5 u, nh Ưu, nhược điểm của tháp đệm ược điểm của tháp đệm c đi m c a tháp đ m ểm của tháp đệm ủa tháp đệm ệ.

1.5.1 Ưu điểm của tháp đệm.

+ Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn

+ Cấu tạo tháp đơn giản

+ Trở lực trong tháp không lớn lắm

+ Giới hạn làm việc của tháp tương đối rộng.

1.5.2 Nhược điểm của tháp đệm.

+ Khó làm ướt đều đệm

+ Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều

1.6 B ng kê các ký hi u th ản xuất ệ ường dùng trong đồ án ng dùng trong đ án ồ dây chuyền công nghệ.

- F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

- P: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

- W: Lượng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

- Các chỉ số F, P, W : tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp đầu,sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

- a: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi, kg nước/kg hỗnhợp

- x: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi, kmol nước/kmol hỗn hợp

- M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol

- : độ nhớt, Ns/m2

- : khối lượng riêng, kg/m3

- Các chỉ số A, N, x, y, hh: tương ứng chỉ đại lượng thuộc về cấu tử axeton,nước, thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp

- Ngoài ra, các ký hiệu cụ thể khác được định nghĩa tại chỗ

Phần 2 : Tính toán, thiết kế thiết bị chính.

2.1 Tính toán cân b ng v t li u toàn tháp ằng vật liệu toàn tháp ật liệu toàn tháp ệ.

2.1.1 Tính cân bằng vật liệu.

- Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp

- Đối với cấu tử dễ bay hơi:

3H60 =58

Kg/Kmol

M N=M H

2 0 =18

Kg/KmolThay số liệu vào ta có:

0 3

58 +

1−0.3 18

0 98

58 +

1−0 98 18

58 +

1−0 01 18

- Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy:

Theo số liệu Bảng IX.2a (II.145) thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi(y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử Axeton – Nước ở 760 mmHg (%mol) ta có bảng sau:

Bảng 1

y 0 60.3 72 80.3 82.7 84.2 85.5 86.9 88.2 90.4 94.3 100

toC 100 77.9 69.6 64.5 62.6 61.6 60.7 59.8 59 58.2 57.5 56.9

Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng (x) – hơi

(y) [Hình 1], với giá trị x F = 0.117 ta dóng lên đường cân bằng và tìm được

giá trị y *

F = 0.743

Hình 1: Đồ thị đường cân bằng lỏng – hơi

Rmin được tính theo công thức :

2.1.2.2 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp (R th ).

Rth: chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏnhất Cơ sở của việc chọn Rth theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất là:

V = H.S

số đĩa lý thuyết).

Hình 2: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết (B=1.27; Nlt=15)

Hình 3: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết (B=1.35; Nlt=12)

Hình 4: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết (B=1.95; Nlt=8

Hình 5: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết (B=2.2; Nlt=7)

Hình 6: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết (B=5.26; Nlt=5)

Hình 7: Đồ thị quan hệ giữa Rth – Nlt(Rth+1).

2.1.2.3 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện.

gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h.

(y.y)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khácnhau trong mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn

2.2.1 Đường kính đoạn luyện.

2.2.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện.

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện

g tb=g d+g1

Trong đó:

+gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h

+gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h

+gl: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h

*Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp:

gđ = R + P = P(Rth+1) [IX.92 - II.181]

gđ = 1734(1 + 1)

gđ = 3468 kg/h

*Lượng hơi đi vào đoạn luyện:

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhấtcủa đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình

+r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất

+rđ: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp

x1 = xF = 0.117 phần mol tương đương với 0.3 phần khối lượng

* r1 = ra.y1 + (1-y1).rn [II.182]

Với ra, rn : ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Axeton vàNước ở t0

+ yđ: hàm lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần khối lượng.

g1 = 2207.86 kg/h

G1 = 473.86 kg/h

y1 = 0.834 phần khối lượng Thay y1 = 0.834 vào r1 ta được:

2.2.1.2 Tính khối lượng riêng trung bình.

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo:

T: nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện, 0K.

ytb1: nồng độ phần mol của Axeton lấy theo giá trị trung bình

y c

1 =

0.834 58

0 834

58 +

1−0 834 18

a tb 1

+ Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là:

1

ρ x tb

=

a tb 1

⇒ρ x

tb=816 37

kg/m3

2.2.1.3 Tính tốc độ hơi đi trong tháp.

Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từdưới lên chuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động: Chế

độ chảy màng, chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt Chế độ sủi bọtthì pha lỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục.Nếu tăng tốc độ lên thì tháp bị sặc Trong phần tính toán này ta tính tốc độhơi của tháp dựa vào tốc độ sặc của tháp

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

Với s là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức:

tb :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3

x, n: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt củanước ở 20oC, Ns/m2

Khối lượngriêng xốp, đ,kg/m3

 s2 = 1.75 m/s

 s = 1.33 m/s

Lấy  = 0.8*s

  = 0.8*1.33 = 1.065 m/s

Vậy đường kính của đoạn luyện là:

D L=0 0188√ g tb

(ρ y ω y)tb=0 0188√2837 931 76∗1 065=0 73 m

Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DL = 0.8 m

* Thử lại điều kiện làm việc thực tế.

- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn luyện là:

2.2.2 Đường kính đoạn chưng:

2.2.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng.

g 'tb=g ' n

+g '1

Trong đó:

n: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/h

+g’

1: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện(g’

Với ra, rn: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất ở t0 = tw0 Với xw

= 0.003 dựa vào đồ thị quan hệ x – t0 [Hình 8] ta được tw0 = 98.670C Từ t0

=tw0 =98.670C ,nội suy theo Bảng I.212 [I.254] ta được.

2.2.2.2 Tính khối lượng riêng trung bình.

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo:

T: nhiệt độ làm việc trung bình của pha hơi trong đoạn chưng, 0K.

ytbc: nồng độ phần mol của Axeton lấy theo giá trị trung bình

=

a tb 1

ρ x

tb : khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3

t tb o : nhiệt độ trung bình của đoạn chưng theo pha lỏng

Với x tb C=0 0629 phần mol Dựa vào đồ thị quan hệ x – t0 ta được

ρ x tb

=

a tb 1

2.2.2.3 Tốc độ hơi đi trong đoạn chưng.

Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từdưới lên chuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động; Chế

độ chảy màng, chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt ở chế độ sủibọt thì pha lỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liêntục Nếu tăng tốc độ lên thì tháp bị sặc Trong phần tính toán này ta tính tốc

độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc của tháp

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

Với s là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức:

ρ x

tb , ρ y

tb :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3

x, n: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt củanước ở 20oC, Ns/m2

Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là

lghh = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB [I.12 - I.84] lghh = 0.0629lg(0.2063*10-3) + (1 – 0.0629)lg(0.38052*10-3)

Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DC = 0.8 m

* Thử lại điều kiện làm việc thực tế:

- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chưng là:

2.3 Tính chi u cao tháp ền sản xuất.

Đối với tháp đệm, chiều cao làm việc của tháp hay chiều cao lớp đệm được xác định theo công thức:

H = hđv.my (m) [II.175]

Trong đó:

+ hđv: chiều cao của một đơn vị chuyển khối, m

+ my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ pha hơi

2.3.1 Tính chiều cao đoạn luyện.

2.3.1.1 Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối:

Chiều cao của một đơn vị chuyển khối của tháp đệm phụ thuộc vào đặc trưng của đệm và trạng thái pha, được xác định theo công thức

h dv=h1+m G y

G x .h2

[IX.75 – II.177]

Trong đó:

h1: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi

h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng

m: hệ số phân bố trung bình ở điều kiện cân bằng pha

Gy, Gx: lưu lượng hơi và lỏng trung bình đi trong tháp, kg/s

* Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h 1 , h 2 :

x: khối lượng riêng của lỏng, kg/m3

: hệ số thấm ướt của đệm, nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực

tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp, xác định theo đồ thị IX.16 [II 178]

Chọn đệm loại vòng Rasiga có các thông số :

Ta có: U tt=

V x

F t :là mật độ tưới thực tế, m3/m2.h

Utt = B.đ :là mật độ tưới thích hợp, m3/m2.hTrong đó:

Vx: lưu lượng thể tích của chất lỏng, m3/h

m1, m2: nồng độ của Axeton và Nước tính theo phần thể tích.

Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol,nên m1 = y1, m2 = y2 = 1 - y1

T: nhiệt độ trung bình của hơi, 0K

P: áp suất chung của hơi, P = 1at