ĐỒ ÁN CHƯNG CẤT HỆ CLOROFOMBENZEN

Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao. Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất phải chọn lựa sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà chọn phương pháp cho phù hợp. Đối với hệ Clorofom Benzen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho sản phẩm.

Ngày nay, trong bối cảnh các nền kinh tế trên thế giới đều phát triển không ngừng, khoa học kỹ thuật ngày càng thể hiện vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực của đời sống nói chung và kinh tế nói riêng Một trong những ngành có đóng góp vô cùng to lớn là ngành côngnghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất các hoá chất cơ bản.

Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất phải chọn lựa sử dụng nhiều phương pháp

để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà chọn phương pháp cho phù hợp Đối với hệ Clorofom - Benzen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho sản phẩm

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong lĩnh vực sản xuất hóa chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp Clorofom - Benzen với năng suất nhập liệu là 1500 kg/h, nổng độ nhập liệu là 40% (kmol Clorofom/kmol hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đỉnh là 99% (kmol Clorofom/kmol hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đáy

là 5% (kmol Clorofom/kmol hỗn hợp)

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

TỔNG QUAN 6

I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : 6

1 Khái niệm : 6

2 Phương pháp chưng cất : 6

3 Thiết bị chưng cất : 6

II GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU : 7

1 Benzen: 7

2 Clorofom : 8

3 Hỗn hợp Clorofom - Benzen: 9

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 10

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 13

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU : 13

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH V SẢN PHẨM ĐÁY: 13

III XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP : 14

IV. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG: 15

1 Cân bằng nhiệt cho toàn tháp 16

2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 16

3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 17

4 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 17

5 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 17

TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT 18

I TÍNH SỐ ĐĨA LÝ THUYẾT VÀ SỐ ĐĨA THỰC 18

1 Phương trình đường làm việc: 18

2 Xác định số đĩa lý thuyết: 18

3 Tính toán số đĩa thực: 20

II TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP: (theo trang 181-184, [2]) 22

1 Phần cất (luyện): 23

2 Phần chưng : 26

III TÍNH CHIỀU CAO THÁP: 28

IV TÍNH TOÁN CHÓP: 28

V TÍNH TRỞ LỰC THÁP: (xem trang 192, [2]) 33

TÍNH TOÁN KẾT CẤU THIẾT BỊ CHÍNH 37

I TÍNH TOÁN BỀ DÀY THÁP, NẮP, ĐÁY, BÍCH GHÉP, ĐỆM 37

1 Bề dày thân tháp 37

2 Đáy và nắp 38

3 Chọn bích ghép và đệm cho thân, đáy và nắp 39

II TÍNH TOÁN ỐNG DẪN 40

1 Ống dẫn dòng nhập liệu 41

2 Ống dẫn hơi ở đỉnh tháp 41

3 Ống dẫn dòng hoàn lưu 42

4 Ống dẫn hơi ở đáy tháp 43

5 Ống dẫn lỏng vào nồi đun 44

III TÍNH TOÁN CHÂN ĐỠ, TAI TREO THÁP 46

1 Tính toán trọng lượng của toàn tháp 46

2 Chọn và tính toán chân đỡ 47

3 Chọn và tính toán tai treo 47

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 49

I THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẦM ĐỈNH 49

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 49

2 Hệ số truyền nhiệt 49

3 Tính toán hệ số cấp nhiệt các dòng 49

4 Xác đinh hệ số truyền nhiệt 52

5 Xác định bề mặt truyền nhiệt 52

6 Cấu tạo thiết bị 52

II THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH 53

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 53

2 Hệ số truyền nhiệt 53

3 Tính toán hệ số cấp nhiệt các dòng 53

4 Xác định hệ số truyền nhiệt 57

5 Xác định bề mặt truyền nhiệt 57

6 Cấu tạo thiết bị 57

III. THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP 58

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 58

2 Hệ số truyền nhiệt 58

3 Tính toán hệ số cấp nhiệt các dòng 59

4 Xác định hệ số truyền nhiệt 61

5 Xác định bề mặt truyền nhiệt 61

6 Cấu tạo thiết bị truyền nhiệt 61

IV THIẾT BỊ GIẢI NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY 62

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 62

2 Hệ số truyền nhiệt 62

3 Tính toán hệ số cấp nhiệt các dòng 62

4 Xác định hệ số truyền nhiệt 66

5 Xác định bề mặt truyền nhiệt 66

6 Cấu tạo thiết bị 66

V THIẾT BỊ ĐUN SÔI DÒNG NHẬP LIỆU 66

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 67

2 Hệ số truyền nhiệt 67

3 Tính toán hệ số cấp nhiệt các dòng 67

4 Xác định hệ số truyền nhiệt 70

5 Xác định bề mặt truyền nhiệt 70

6 Cấu tạo thiết bị 70

VI BỒN CAO VỊ 71

1 Tổn thất đường ống dẫn 71

2 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ 72

3 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 72

4 Chiều cao bồn cao vị 73

VII BƠM 74

1 Năng suất 74

2 Cột áp 74

3 Công suất 76

TÍNH KINH TẾ 78

LỜI KẾT 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

M C L C HÌNH ỤC LỤC ỤC LỤC

1 Hình 1 Đồ thị cân bằng lỏng – hơi của hệ Clorofom – Benzen Trang 11

2 Hình 2 Xác định giá trị y F * trên đồ thị x-y Trang 18

3 Hình 3 Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết Trang 22

4 Hình 4 Hình phóng to số đĩa lý thuyết đoạn chưng Trang 22

5 Hình 5 Hình phóng to số đĩa lý thuyết đoạn cất Trang 23

6 Hình 6 Đồ thị xác định hiệu suất theo tích  Trang 24

7 Hình 7 Sơ đồ các dòng pha trong tháp Trang 25

8 Hình 8 Mô tả gờ chảy tràn trên đĩa Trang 33

14 Hình 14 Minh họa cách bố trí ống trong thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Trang 54

15 Hình 15 Nồi đun Kettle Trang 60

M C L C B NG ỤC LỤC ỤC LỤC ẢNG

1 Bảng 1 Thành phần cân bằng lỏng – hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Trang10

2 Bảng 2 Giá trị tính toán dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy Trang 15

3 Bảng 3 Tính các tính chất hóa lý của hỗn hợp theo nhiệt độ Trang 18

4 Bảng 4 Kết quả tính toán hiệu suất tại các vị trí Trang 23

5 Bảng 5 Giá trị của bích ghép thân Trang 40

6 Bảng 6 Giá trị của bích ỗng dẫn dòng nhập liệu Trang 42

7 Bảng 7 Giá trị của bích cho ống dẫn hơi đỉnh tháp Trang 43

8 Bảng 8 Giá trị của bích cho ống dẫn hoàn lưu Trang 44

9 Bảng 9 Giá trị của bích cho ống dẫn hơi đáy tháp Trang 45

10 Bảng 10 Giá trị của bích cho ống dẫn lỏng vào nồi đun Trang 45

11 Bảng 11 Giá trị của bích cho ống dẫn ra khỏi nồi đun Trang 46

12 Bảng 12 Giá trị của chân đỡ Trang 48

- Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

- Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của 2 quá trình này là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu

tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

- Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phẩm :

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn)

- Đối với hệ Clorofom – Benzen:

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm Clorofom và một ít Benzen

 Sản phẩm đáy chủ yếu là Benzen và một ít Clorofom

 Chưng đơn giản (một bậc)

 Chưng lôi cuốn theo hơi nước

 Chưng cất

- Cấp nhiệt ở đáy tháp :

 Cấp nhiệt trực tiếp

 Cấp nhiệt gián tiếp

Vậy : Đối với hệ Clororom - Benzen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt

gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

3 Thiết bị chưng cất :

Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích

tiếp xúc pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, …Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm

và tháp chêm

 Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tuỳ theo cấu tạo của đĩa,

ta có :

- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, …

- Tháp mâm xuyên lỗ : trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

 Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

So sánh ưu, nhược điểm của các loại tháp :

Ưu

điểm

- Cấu tạo khá đơn giản

- Trở lực thấp

- Làm việc được với chất lỏng bẩn

nếu dùng đệm cầu có    của

- Do có hiệu ứng thành  khi tăng

năng suất thì hiệu ứng thành tăng

 khó tăng năng suất

Vậy: Sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Clorofom – Benzen.

II GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU :

1 Benzen:

Là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ Công thức phân tử là C6H6 Benzen không phân cực,vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phâncực và tan rất ít trong nước Trước đây người ta thường sử dụng benzen làm dung môi Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn

a) Các tính chất vật lí của benzen:

 Khối lượng phân tử: 78,11 (g/mol)

 Tỉ trọng (d ): 0,879420

 Nhiệt độ sôi: 80,6 oC

 Nhiệt độ nóng chảy: 5,5 oC

b) Ứng dụng : Ngày nay một lượng lớn benzen chủ yếu để:

 Sản xuất styren cho tổng hợp polymer

 Sản xuất cumen cho việc sản xuất cùng lúc axeton và phenol

 Sản xuất cyclohexan tổng hợp tơ nilon

 Làm dung môi, sản xuất dược liệu

c) Điều chế :

Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ….Tuy nhiên có thể điều chế Benzen theo các phương pháp sau:

 Đóng vòng và dehydro hóa ankane

Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehydro hóa tạo thành hidrocacbon thơm

ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các kim loại chuyển tiếp như Pd, Pt:

CH3(CH2)4CH3 ⃗Cr 2 O3/Al 2 O3

 Dehydro hóa các cycloankane

Các cycloankane có thể bị dehydro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất của benzen:

Là chất lỏng linh động không màu, vị hơi ngọt; ts = 61,15 oC;; chiết suất với tia D ở

20 oC: 1,4455 Không tan trong nước, tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ Clorofom không cháy và cũng không tạo hỗn hợp nổ với không khí Là chất đầu để tổng hợp freon; dùng làm dung môi Clorofom có tác dụng làm buồn ngủ và gây mê, nhưng vì độc nên không được dùng trong giải phẫu Clorofom độc đối với sự trao đổi chất và nội tạng, đặc biệt là gan.a) Các tính chất vật lí của clorofom :

 Khối lượng phân tử: 119,5 (g/mol)

 Khối lượng riêng: 1,488 g/cm3

dụng cho mục đích này Hiện nay, Clorofom là một dung môi phổ biến vì nó khá trơ, trộn hợpvới hầu hết các chất lỏng hữu cơ, và dễ bay hơi

 Dung môi để sản xuất thuốc nhuộm và thuốc trừ sâu

 Clorofom chứa dơtơri (hydro nặng), CDCl3, là dung môi phổ biến cho phương pháp

đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)

c) Điều chế :

Trong công nghiệp, người ta điều chế clorofom bằng đốt nóng hỗn hợp clo và

clomêtan hay mêtan Ở nhiệt độ 400-500 °C, phản ứng halogen hóa gốc tự do diễn ra, chuyển mêtan hay clomêtan dần dần thành các hợp chất clo hóa

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl

CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HClTiếp tục phản ứng clo hóa, clorofom chuyển thành CCl4:

CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HClHỗn hợp sản phẩm sau phản ứng gồm 4 chất: clomêtan, diclomêtan, clorofom

(triclomêtan), và cacbon tetraclorua, tách chúng bằng chưng cất

3 Hỗn hợp Clorofom - Benzen:

Ta có bảng thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp

Clorofom - Benzen ở 760 mmHg.(Tham khảo [2])

Bảng 1 Thành phần cân bằng lỏng – hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 50

55 60 65 70 75 80 85

t

Hình 1 Đồ thị cân bằng lỏng – hơi của hệ Clorofom – Benzen

Chương II:

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

12 Thiết bị đun sôi đáy tháp ( Nồi đun Kettle)

13 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

14 Bồn chứa sản phẩm đáy

15 Áp kế

16 Nhiệt kế

17 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

Hỗn hợp Clorofom - Benzen có nồng độ Clorofom là 40% (phần mol), nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu là 300C tại bồn chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Dòng nhập liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong thiết bị truyền nhiệt ống chùm Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (5)

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất (luyện) của tháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống phía dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễbay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là Benzen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử Clorofom chiếm nhiều nhất (nồng độ 99% phần mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩmđỉnh (10), rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụđược hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Benzen) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Clorofom là 5% phần mol, còn lại là Benzene Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đun dung dịch lỏng một

phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được cho qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13) rồi sau đó vào bồn chứa sản phẩm đáy (14)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Clorofom, sản phẩm đáy là

Benzen

TRAN TAN VIET

Chu ki Ngay BV

Ngay HT Ban ve so

Ti le

QUY TRINH CONG NGHE

ÐO AN MON HOC QUA TRINH VA THIET BI THIET KE THAP CHUNG CAT CLOROFOM-BENZEN

TB lam nguoi san pham dinh

TB lam nguoi san pham day Noi dun Kettle Bon chua san pham dinh

Bo phan chinh dong TBNT san pham dinh Thap chung cat Luu luong ke

1 1 1 1 2 1 Bon cao vi

Bom

1 Bon chua nguyen lieu

13 11 9 7 5 3

2

1 STT TEN GOI ÐAC TINH KY THUAT SL VAT LIEU

01

VU VAN THUC

Ap ke 14 Nhiet ke

2 15

2

4

Bay hoi Van

12

13

17 Bon chua san pham day

Nuoc ngung

2

Chương III:

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :

Năng suất nhập liệu : GF = 1500 kg/h

Nồng độ nhập liệu : xF = 40 % (kmol Clorofom / kmol hỗn hợp)

Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 99 % (kmol Clorofom / kmol hỗn hợp)

Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 5 % (kmol Clorofom / kmol hỗn hợp)

Nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi

Chọn:

 Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 30 oC

Đối với thiết bị đun sôi đáy tháp:

 Áp suất hơi đốt : Ph = 1,6 at

Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 30 oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 50 oC

Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:

 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tDR = 35 oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 30 oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 50 oC

Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 40 oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 30 oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 50 oC

Các ký hiệu:

 GF , F : suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h

 GD, D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

 GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

 x i , x

i : nồng độ phần khối lượng, phần mol của cấu tử i

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH V SẢN PHẨM ĐÁY:

Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp: M = xMC + (1-x) MB

(1 )

C

xM x



 

Bảng 2 Giá trị tính toán của các dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

MxW = MyW = xWMC + (1 – xW)MB = 0,05 x 119,5 + (1 – 0,05) x 78 = 80,075 kg/kmol

III XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP :

*

Chỉ số hồi lưu tối thiểu :

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là

vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước và bơm…) là tối thiểu

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Hình 2 Xác định giá trị yF * trên đồ thị x-y

Dựa vào hình trên ta có xF = 0,40 yF* = 0,546

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu :

*

0,99 0,546

3,0410,546 0, 40

IV CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG:

- Sử dụng bảng I251, trang 314, [1] tra chọn hơi nước bão hòa cần sử dụng để đun nóng

hỗn hợp đầu

- Chọn hơi đốt là hơi nước ở 1,6at:

+ Nhiệt hóa hơi: rh = 2227 x103 J/kg

+ Nhiệt độ sôi: th = 112,7 oC

- Sử dụng đồ thị T- x,y của hỗn hợp Clorofom - Benzen ta có:

Dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ:

 Trước khi vào nồi đun ( lỏng): tS1 = 80,10 oC

 Sau khi được đun sôi ( hơi): tS2= 80,22 oC

Nội suy các giá trị Nhiệt dung riêng (Tra bảng I.153, trang 171, [1]), nhiệt hóa hơi ( Tra bảng I.212, trang 254, [1]) Sử dụng các công thức tính Enthanpy và nhiệt hóa hơi

Giả sử lượng nhiệt mất mát (tổn thất) bằng a = 5% nhiệt hữu ích: Qt = 0,05Qđ

 Nhiệt lượng cần cung cấp:

= 958876,329 kJ/h = 266354,536 W

Nếu dùng hơi nước bão hòa ( không chứa ẩm) để cấp nhiệt thì: Qđ = Gh1rh

Vậy lượng hơi nước cần dùng là: Gh1 =

Q đ

r h=

266354,5362227×103 =

0,120 kg/s

1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Qnt = (R + 1)GDrD = GnCn(tR –tV) Trong đó: Cn : nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình (tR + tV)/2

tV = 30 oC, tR = 50 oC  Tra bảng I.249, trang 310, [1] được Cn = 4178 J/kg.độ

 Lượng nhiệt trao đổi:

Qnt = (4,253+1) x 703,068 x 247,705 = 914902,481 kJ/h = 254139,578 W

 Lượng nước cần dùng: Gn =

Qnt

C n(t R−t V)=

254139,578 4178×(50−30 )= 3,041 kg/s

2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Qln1 = GD(hDS – hDR) = Gn1Cn(tR –tV)Trong đó: hDR = CDRtDR, tDR = 35 oC  CDR = 1,049 kJ/kg.độ

 Lượng nhiệt trao đổi:

3 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

Chương IV:

TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT

I TÍNH SỐ ĐĨA LÝ THUYẾT VÀ SỐ ĐĨA THỰC

1 Phương trình đường làm việc:

Vẽ đường làm việc cho phần chưng và phần cất của tháp trên đồ thị x-y: Từ điểm (xD;

yD) kẻ đường thẳng đi qua điểm (0; 0,188), cắt đường thẳng x = xF tại điểm A Nối A với điểm (xW; yW) ta được đường làm việc đoạn cất

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90

100f(x) = 0

Hình 3 Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết

Hình 4 Hình phóng to số đĩa lý thuyết đoạn chưng

Hình 5 Hình phóng to số đĩa lý thuyết đoạn cất

Từ đó ta có được số đĩa lý thuyết trong quá trình chưng cất hỗn hợp Clorofom - Benzen là 31 đĩa gồm: 10 đĩa cất và 21 đĩa chưng

5 Tính toán số đĩa thực:

Số đĩa thực tế tính theo hiệu suất trung bình :

lt tt tb

NNη

 Xác định hiệu suất trung bình của tháp  tb : theo mục 23, trang 170-171, [2]:

 Tính hiệu suất đĩa  tại 3 vị trí : đĩa đỉnh , đĩa nhập liệu, đĩa đáy

 Ứng với mỗi vị trí, xác định độ bay hơi tương đối  của cấu tử dễ bay hơi và

độ nhớt động học N.s/m2) của chất lỏng:

 Độ bay hơi tương đối:

*

y 1 xα

1 y x





Với : x : phân mol của Clorofom trong pha lỏng

y* : phân mol của Clorofom trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

 Độ nhớt động học  N.s/m2) của chất lỏng:

Nội suy bảng I.101, trang 91,[1]: (tương ứng với nhiệt độ tại vị trí xét)

để xác định độ nhớt của Clorofom và Benzen, sau đó tính độ nhớt của hỗn hợp lỏng

theo công thức I.12, trang 84, [1]:

Trong đó: C, B Độ nhớt động học của Clorofom và Benzen, (cP)

,

x x : Phần mol của Clorofom và Benzen trong hỗn hợp

 Xác định tích số , tra trên hình IX 11- trang 171, [2], xác định được .

Hình 6 Đồ thị xác định hiệu suất theo tích 

- Kết quả tính toán cụ thể trong bảng sau:

Bảng 4 Kết quả tính toán hiệu suất tại các vị trí

 Hiệu suất đĩa trung bình:

 Cho đoạn cất (luyện) :

 Số đĩa chưng:

2135,590,59 ; làm tròn là 36 đĩa

(ρ ω )

 

(m)

 gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)

 yy) tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (kg/m2.s)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau, làm cho đường kínhđoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau, do đó ta sẽ tính riêng cho 2 đoạn.

y : hàm lượng hơi ở đĩa thứ nhất của đoạn cất.

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

rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp

rc, rb : ẩn nhiệt hóa hơi của Clorofom, Benzen

 Tính rd : tD = 61,92 oC , tra bảng I.212, trang 254, [1]

 Ẩn nhiệt hoá hơi của Clorofom : rcd = 58,91 (kcal/kg)

 Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : rbd = 97,16 (kcal/kg)

Hình 7 Sơ đồ các dòng pha trong tháp

yD = xD = 0,99  y D= 0,9935

r  d 58,91 0,9935 (1 0,9935) 97,16    = 59,163 (kcal/kg)

 t1 = tF = 75,90 oC

 Ẩn nhiệt hoá hơi của Clorofom : rc1 = 57,55 (kcal/kg)

 Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : rb1 = 94,72 (kcal/kg)

Từ hệ pt (I), có thể tính được g1 theo công thức sau:

d d D F D c b

g r G x x r r g

 h : Khoảng cách giữa các đĩa, chọn h = 0,3 (m)

 ytb : tính theo công thức (IX.102), trang 183, [2]

x x

+ Từ ttbL = 68,91 oC, tra bảng I.2, trang 9, [1]

 Khối lượng riêng của Clorofom: xtbC = 1397,190 (kg/m3)

 Khối lượng riêng của Benzen : xtbB = 826,645 (kg/m3)

 Sức căng bề mặt của Clorofom : C = 20,50 (dyn/cm)

 Sức căng bề mặt của Benzen : B = 22,63 (dyn/cm)

1,939

L

 

= 0,784 (m)

g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h).

1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

 Tính r’1 : tW = 80,10 oC, tra bảng I.212, trang 254, [1]:

 Ẩn nhiệt hoá hơi của Clorofom : rcw = 57,14 (kcal/kg)

 Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : rbw = 93,98 (kcal/kg)

b Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

Tính toán tương tự phần cất, kết quả thể hiện trong bảng dưới đây:

h (m) ( yy ) tbC

III TÍNH CHIỀU CAO THÁP:

- Chiều cao thân tháp (tính theo công thức (IX.54), trang 169, [2]):

Hthân = Ntt (h + ) + 0,8 = 56 x (0,3 + 0,005) + 0,8 = 17,88 (m)Trong đó:  : chiều dày của mâm, chọn  = 5 (mm) = 0,005 (m)

h : khoảng cách giữa các đĩa, chọn h = 0,3 (m)

- Chọn đáy (nắp) ellip tiêu chuẩn có

0,25

t h

 Đường kính ống hơi của chóp (chọn): dh = 50 (mm) = 0,05 (m)

 Số chóp phân bố trên đĩa:

2 2

 Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp : Chọn S = 12,5 (mm)

 Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp : Chọn h1 = 30 (mm)

3365,794 2724,008

867, 246 (m /h)3,897 3,125

tbL tbC y

 Chiều cao khe chóp:

2

ξ ωy y

x

b g

ch d

Chọn số kênh chảy chuyền: z = 1

 Chiều cao lớp chất lỏng trên mâm:

hm = h1 + S + hsr + b = 30 + 12,5 + 5 + 20 = 67,5 (mm)

(hsr : khoảng cách từ mép dưới của chóp đến mép dưới của khe chóp)

 Tiết diện ống hơi :

 Tổng diện tích các khe chóp: S3 = iab = 44 x 0,002 x 0,02 = 0,0018 m2

 Tiết diện lỗ mở trên ống hơi : S4 h d2 h   0,0125 0,05 0,00196 m  2

hs > hso Pha khí s th i qua mép d i c a chóp (thi t k khá h p lý)  Pha khí sẽ thổi qua mép dưới của chóp (thiết kế khá hợp lý) ẽ thổi qua mép dưới của chóp (thiết kế khá hợp lý) ổng diện tích các lỗ chóp trên mỗi mâm (m2) ưới của chóp (thiết kế khá hợp lý) ủa chóp (thiết kế khá hợp lý) ết kế khá hợp lý) ết kế khá hợp lý) ợp lý).

 Chiều cao chất lỏng trên gờ chảy tràn: Theo công thức (7.41), trang 56, [8]

xtb w

G h

2/3 2/3'

2770,940

927,106 3600 0,56

xC owC

xtb w

G h

 Gradient chi u cao m c ch t l ng trên mâm : ều dài gờ chảy tràn (m) ực chất lỏng trên mâm Δ: ất: ỏng trên mâm Δ: Δ:

 = Cg'nh , theo công thức (5.5), trang 111, [3]

- Diện tích kênh chảy chuyền hình viên phân:

2 2

2

2 2

2

2 2

m

F B l

m

V X

B



+ 0,82L ytb 0,82 0, 477  3,897 0,77

Tra đồ thị 5.10, trang 111, [3] được : Cg = 0,63

hm = 67,5 ; hsc = 12,5 mm ; khoảng cách giữa 2 chóp (l2) bằng khoảng 50% dch nên

tra hình 5.14, trang 112, [3], được 4Δ’ = 3,5  Δ’ = 0,875.

Vậy chọn chiều cao gờ chảy tràn chung cho toàn tháp là hw = 58 (mm)

- Độ giảm áp do ma sát và biến đổi vận tốc pha khí thổi qua chóp khi không có chất lỏng:

hss = hw - (hsc + hsr + b) = 58 – (12,5 + 5 + 20) = 20,5 (mm)

 ht = 13,24 + 20,78 + 20,5 + 8,63 + 0,5 x 3,1 = 64,7 (mm)

- Tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ kênh chảy chuyền vào mâm h’d được xác định

theo biểu thức (5.10), trang 114, [3]:

2 ' 0,128

100 '

x d

d

V h

S

  , (mm chất lỏng)Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn l = 571 < 1500 nên khoảng cách giữa mép trên của

gờ chảy tràn và mép dưới của kênh chảy chuyền được chọn là 12,5 mm

Do đó khoảng cách giữa mép dưới của kênh chảy chuyền và mâm :

S5 = 58 – 12,5 = 45,5 (mm) = 0,0455 (m)Nên tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm dưới:

- Chiều cao mực chất lỏng trong kênh chảy chuyền được tính theo biểu thức (5.9), trang

- Chất lỏng chảy vào kênh chảy chuyền:

+ Khoảng cách rơi tự do trong kênh chảy chuyền dtw :

tw w

o y k

P 

  : hệ số trở lực đĩa khô, thường  = 4,5 ÷ 5 , chọn  = 5

 y : khối lượng riêng của pha hơi (kg/m3)

 o : vận tốc hơi qua rãnh chóp (m/s): 3600

y o

V niab

tbL yL ytb

g V

Tính toán tương tự như phần luyện  ta có bảng kết quả sau:

td s P d



  : sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp (N/m2)

 dtd : đường kính tương đương của khe rãnh chóp (m)

x td

4 10,76 10

11,824 (N/m )3,64 10

sL P

4 10,17 10

11,176 (N/m )3,64 10

sC P

 b : khối lượng riêng của bọt, thường b = (0,4  0,6)x

 hb :chiều cao lớp bọt trên đĩa (m)

( Công thức (IX.110), trang 185, [2])

0, 415 595,57 0,080 (m) = 80 (mm)

0, 02( ) 595,57 9,81 (0,080 ) 408,978 (N/m )

thường của tháp:

1,8

x

P h

661, 063

1191,140 9,81

dL xtb

P g





Vậy khoảng cách đĩa đã chọn thỏa mãn điều kiện trên

Chương V:

TÍNH TOÁN KẾT CẤU THIẾT BỊ CHÍNH

1.1 Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán

 Nhiệt độ tính toán: t = tW = 80,1 oC (hướng dẫn trang 9,[5])

 Áp suất tính toán: vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên:

 Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường

Thời gian sử dụng thiết bị là 15 năm, với môi trường có độ ăn mòn từ 0,05 mm/năm đến 0,1 mm/năm

 Ca = 0,1 x 15 = 1,5 (mm)

 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn

Tra hình 1.2, trang 16, [5].Vì vật liệu là X18H10T  []* = 144 N/mm2

 Bề dày thực của thân : S = S’ + Ca + Co = 0,98 + 1,5 + 1,52 = 4 mm

Tra bảng 5-1, trang 94, [5]: Bề dày tối thiểu: Smin = 3 mm

 Bề dày S thỏa điều kiện

 Chọn đáy và nắp có dạng hình elip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10T

 Chọn bề dày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp: S = 4 mm

Kết luận: Kích thước của đáy và nắp:

3 Chọn bích ghép và đệm cho thân, đáy và nắp

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng:

 Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích này chủ yếu

dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình

 Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng kim

loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơnthiết bị

 Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao.

Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích phẳng hàn (không cổ)