Đang tải... (xem toàn văn)
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 nước và axit axetic ; 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:GF=4170kgh , aF = 27% , aP=97% , aw= 2%1Xác định nồng độ phần mol và lưu lượng kmolh của nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.2Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x – y.3Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, đường làm việc và số đĩa lý thuyết của tháp.4Xác định đường kính, số đĩa thực tế và chiều cao cơ bản của tháp.5Xác định nhiệt độ đỉnh, đáy và vị trí đĩa tiếp liệu ứng với trường hợp nguyên liệu vào tháp ở trạng thái sôi.
Phn II: Quỏ trỡnh v thit b truyn Tớnh cỏc thụng s c bn ca thit b (thỏp a) chuyn lm vic ỏp sut khớ quyn (760 mmHg) chng luyn hn hp hai cu t nc v axit axetic ; m bo cỏc yờu cu v nng sut tớnh theo hn hp u v thnh phn nguyờn liu, nh ỏy Cỏc yờu cu c th nh sau: GF=4170kg/h , aF = 27% , aP=97% , aw= 2% 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 Ký hiu: Nc : A MA = 18 [g] ; ts = 100 ; axit axetic :B MB = 60 [g] ; ts = 118,1 ; õy cu t d bay hi hn A l NC Thnh phn cõn bng lng hi ca hn hp Nc- Axit axetic: X 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Y 9,2 16,7 30,3 42,5 53 62,6 71,6 79,5 86,4 93 t 115, 113, 110, 107, 105, 104, 103, 102, 101, 100, 118, 1 Xỏc nh nng phn mol v lu lng [kmol/h] ca nguyờn liu, sn phm nh v sn phm ỏy - Phng trỡnh cõn bng vt liu cho c thỏp: (cụng thc IX.16 [4]) F=P+W Hay GF = GP + GW (1) 10 10 10 Phng trỡnh cõn bng vt liu cho cu t d bay hi: (cụng thc IX.17 [4]) FxF = PxP + WxW GFaF = GPaP + GWaW (2) T (1) v (2) suy ra: GW GF GP = = a P aW a F aW a P a F GP = GF a F aW 0,27 0,02 = 4170 = 1097,37 [kg/h] a P aW 0,97 0,02 T (1) suy ra: GW = GF GP = 4170 1097,37 = 3072,63 [kg/h] - Nng phn mol hn hp u: (cụng thc VIII.1 [4]) aF 0,27 MA 18 xF = = = 0,552 aF aF 0,27 0,27 + + MA MB 18 60 [phn mol] Nng phn mol sn phm nh: aP 0,97 MA 18 xP = = = 0,99 ap 0,97 0,97 aP + + 18 60 MA MB [phn mol] Nng phn mol sn phm ỏy: aW 0,02 MA 18 xW = = = 0,064 aW aW 0,02 0,02 + + 18 60 MA MB [phn mol] - Khi lng mol trung bỡnh: p dng cụng thc : M = xMA + (1 x)MB ú: M : lng mol trung bỡnh [kg/kmol] x : Nng phn mol MA,MB : Khi lng mol ca cu t A, B ta tớnh c: Trong hn hp u: MF = xFMM + (1 xF)MT = 0,552.18 + (1 0,552).60 = 36,816 [kg/kmol] Trong sn phm nh: MP = xPMM + (1 xP)MT= 0,99.18 + (1 0,99).60 = 18,42 [kg/kmol] Trong sn phm ỏy: MW = xWMM + (1 xW)MT= 0,064.18 + (1 0,064).60 = 57,312 [kg/kmol] - Lu lng tớnh theo kmol/h: G 4170 F= F = = 113,27[kmol/h] M F 36,816 X P= G P 1097,37 = = 59,57 [kmol/h] MP 18,42 W= GW 3072,63 = = 53,61 [kmol/h] MW 57,312 V ng cõn bng trờn th x y (S liu bng IX.2a 147 [4]) 10 20 30 40 Y 9,2 t 115,4 113,8 110,1 107, 118, 16,7 30,3 42,5 50 60 70 80 90 100 53 62,6 71,6 79,5 86,4 93 100 105, 104, 103, 102, 101, 100, Xỏc nh ch s hi lu thớch hp, ng lm vic v s a lý thuyt ca thỏp a Ch s hi lu ti thiu Rmin: xF = 0,552 [phn mol] yF* = 0,672 Ch s hi lu ti thiu Rmin c xỏc nh da vo cụng thc: (IX.24 [4]) Rmin x P y *F 0,99 0,672 = * = = 2,65 y F x F 0,672 0,552 b Ch s hi lu thớch hp Rth v Nlt: - Ch s hi lu lm vic thng c xỏc nh qua ch s hi lu ti thiu theo cụng thc (IX.25 [4]): Rth = b.Rmin ú b l h s d, thng ly t 1,2 2,5 100 - Ta lp bng s liu sau xỏc nh Rth: b Rth Nlt Nlt(Rth + 1) 1,4 3,71 32 150,72 1,6 4,24 26 136,24 1,8 4,77 26 150,02 2,0 5,3 25 157,5 2,2 5,83 24 163,92 - Da vo bng s liu trờn ta lp c quan h Rth vi Nlt(Rth + 1) theo th sau: - T th Rth - Nlt(Rth + 1) ta xỏc nh c Rth = 4,24 vi s a lý thuyt Nlt = 26, ú s a on luyn l 18 v on chng l c Phng trỡnh ng lm vic: - on luyn: (IX.20 [4]) yO = Rth x 4,24 0,99 x+ P = x+ Rth + Rth + 4,24 + 4,24 + yO = 0,809 x + 0,189 y= - on chng: (IX.22 [4]) ú f = yU = Rx + f f x xw Rx + Rx + F 113,27 = = 1,9 P 59,57 Rx + f f 4,24 + 1,9 1,9 x xw = x 0,064 Rx + Rx + 4,24 + 4,24 + yU = 1,172x 0,011 2,4 6,36 23 169,28 ng kớnh thỏp D, s a thc t Ntt v chiu cao c bn ca thỏp H: a ng kớnh thỏp D : Đờng kính tháp đợc xác định theo công thức D = 0,0188 g tb ( y y ) tb ,m [II - 181] Trong đó: gtb: lợng trung bình tháp, kg/h (y.y)tb: tốc độ trung bình tháp, kg/m2.s Vì lợng lợng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp khác đoạn nên ta phải tính lợng trung bình cho đoạn Đờng kính đoạn luyện: a Xác định lợng trung bình đoạn luyện: Lợng trung bình đoạn luyện tính gần trung bình cộng lợng khỏi đĩa tháp lợng vào đĩa dới đoạn luyện g tb = g d + g1 , kg/h [II - 181] Trong đó: gtb: lợng trung bình đoạn luyện, kg/h gđ: lợng khỏi đĩa tháp, kg/h gl: lợng vào đĩa dới tháp, kg/h * Lợng khỏi đỉnh tháp: gđ = GR + Gp = Gp(Rx+1) gđ = 1097,37(4,24 + 1) gđ = 5750,22 kg/h * Lợng vào đoạn luyện: [II 181] Lợng g1, hàm lợng y1 lợng lỏng G1 đĩa thứ đoạn luyện đợc xác định theo hệ phơng trình g1 = G1 + Gp (1) g1.y1 = G1.x1 + Gp.xp (2) g1.r1 = gđ.rđ (3) [II - 182] Trong đó: y1: hàm lợng vào đĩa đoạn luyện, phần khối lợng G1: lợng lỏng đĩa thứ đoạn luyện r1: ẩn nhiệt hoá hỗn hợp vào đĩa rđ: ẩn nhiệt hoá hỗn hợp khỏi đỉnh tháp x1 = xF = 0,552 phn mol tng ng vi 0,27 phn lng r1 = ra.y1 + (1-y1).rb [II - 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá cấu tử nguyên chất Nc va Axit axetic t01 = tF Từ x1= xF = 0,552 tra đô thị trờn ta đợc t01 = tf = 103,8 0C Với t01 = 103,8 C nội suy theo bảng I.212 [I 254] ta đợc; = rH 2O = 2246,34 kJ/kg rb = rC H 4O = 410,31 kJ/kg (tra th hỡnh I.65-stay 1) r1 = 2246,34.y1 + (1 - y1).410,31 r1 = 1836,03y1 + 410,31 kJ/kg rđ = ra.yđ + (1 yđ).rb [II - 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá cấu tử nguyên chất Nc va Axit axetic t = Từ xp = 0,99 tra đồ thị lỏng trờn ta đợc = 100,1 yđ: hàm lợng khỏi đỉnh tháp, phần khối lợng yđ = yp = 0,993 phần mol ( suy t xp= 0,99 phn mol) i phn lng: y = 0,993.18 = 0,977 0,993.18 + (1 0,993).60 Với t02 = tP = 100,10C nội suy theo bảng I.212 [I 254] ta đợc: = rH 20 = 2256,41 kJ/kg rb = rC H 4O = 418,68 kJ/kg rđ = 2256,41.0,977 + (1 - 0,977).418,68 rđ = 2214,14 kJ/kg Thay giá trị tính đợc vào hệ phơng trình ta đợc g1 = G1 + 1097,37 g1.y1 = 0,27G1 + 1097,37.0,977 g1(1836,03y1 + 410,31) = 5750,22.2214,14=12731792,11 Giải hệ phơng trình ta đợc: g1 =12479,97 kg/h G1 = 11382,6 kg/h y1 = 03322 phần khối lợng Thay y1 = 0,3322 vào r1 ta đợc: r1 = 1836,03.0,3322 + 410,31= 1020,24 kJ/kg Vậy lợng trung bình đoạn luyện là: g tb L = g d + g 5750,22 + 12479,97 = = 9115,1 2 kg/h b Tính khối lợng riêng trung bình * Khối lợng riêng trung bình pha đợc tính theo y = tb 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 cấu tử Nc va Axit axetic T: nhiệt độ làm việc trung bình tháp, 0K ytb1: nồng độ phần mol cấu tử lấy theo giá trị trung bình y tb1 = Với y d1 y c1 y d1 , y c1 y d1 + y c1 [II - 183] : nồng độ làm việc đầu đoạn tháp, phần mol = yp = 0,993 phần mol = y1 = 0,3322 phần khối lợng Đổi sang phần mol ta có: 0,3322 18 y c1 = = 0,6238 0,3322 0,3322 + 18 60 y tb1 = y d1 + y c1 = phần mol 0,993 + 0,6238 = 0,8084 phần mol Nhit trung bỡnh on luyn: ttbl= = =102=3750K Vậy khối lợng riêng trung bình pha đoạn luyện là: y ytb L = tb L = y tb1 M + (1 y tb1 ).M 22,4.T 273 0,8084 18 + (1 0,8084 ).60 273 = 0,847 22,4.375 kg/m3 * Khối lợng riêng trung bình pha lỏng a tb a tb1 = + xtb xtb xtb , kg/m3 [II - 183] Trong đó: xtb : khối lợng riêng trung bình lỏng, kg/m3 xtb1 , xtb2 : khối lợng riêng trung bình cấu tử pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3 a tb1 : phần khối lợng trung bình cấu tử pha lỏng atb1 = a F + a P 0,27 + 0,97 = = 0,62 2 phần khối lợng Vi ttb=1020C, ta cú xtb1 = 956,5 xtb2 = 954,4 kg/m3 kg/m3 Vậy khối lợng riêng trung bình lỏng đoạn luyện là: atb atb1 = + = 0,62 + 0,62 xtb xtb1 xtb2 956,5 954,4 xtb = 955,7 kg/m3 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 ca a 12,8%) Thng ly tc lm vic ytbkhong 80 90% tc gii hn gh: (IX.111 [4]) gh = 0,05 xtb ytb [m/s] ú ytb, xtb l lng riờng trung bỡnh ca pha hi v pha lng ca on luyn Vy, gh = 0,05 xtb 955,7 = 0,05 = 1,6795 [m/s] ytb 0,847 Tc lm vic ytb c ly bng 0,9.gh, nờn: ytb = 0,9.1,6795 = 1,512 [m/s] T cỏc thụng s gtb, ytb, ytbtớnh c, ta cú ng kớnh on luyn bng: DO = 0,0188 g tb 9115,1 = 0,0188 = 1,505 [m] ( y y ) tb 0,847.1,6795 Quy chun ng kớnh Do= 1,6 [m] ng kớnh on chng: a Lợng trung bình tháp g ' tb = g ' n + g '1 [II - 182] Trong đó: gn: lợng khỏi đoạn chng, kg/h g1: lợng vào đoạn chng, kg/h Vì lợng khỏi đoạn chng lợng vào đoạn luyện (gn= g1) nên ta viết: ' g tb g + g '1 = [II - 182] Lợng vào đoạn chng gl, lợng lỏng G1 hàm lợng lỏng xl đợc xác định theo hệ phơng trình cân vật liệu cân nhiệt lợng sau: G = g + G w G1 x1 = g1.yw + Gw.xw [II - 182] g1.r1 = g1.r1 Trong đó: r1: ẩn nhiệt hoá hỗn hợp vào đĩa thứ đoạn chng xw: thành phần cấu tử dễ bay sản phẩm đáy r1: ẩn nhiệt hoá hỗn hợp vào đĩa đoạn chng Ta có: Gw = W = 3072,63kg/h xw = 0,064 phần mol tơng ứng với 0,02 phần khối lợng y1 = yw xác định theo đờng cân ứng với xw = 0,064 phần mol yw = 0,113 phần mol Đổi y1 = yw = 0,113 phần mol phần khối lợng ta có: y '1 = y w = 0,113.18 = 0,0368 0,113.18 + (1 0,113).60 r1 = y1 + (1- y1).rb phần khối lợng [II 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá cấu tử nguyên chất t = tw Với xw = 0,064 tra đồ thị ta đợc tw = 1150C Từ t0 = tw =1150C nội suy theo bảng I.212 [I 254] ta đợc = 2215,86 rb = 355,88 kJ/kg kJ/kg => r1 = 2215,86.0,0368 + (1 - 0,0368).355,88 r1 = 424,33 kJ/kg Thay vào hệ phơng trình ta đợc: G1 = g1 + 3072,63 G1 x1 = g1.0,0368 + 3072,63.0,02 g1.424,33 = 12479,97.1020,24 Giải hệ phơng trình ta đợc: g1 = 30006,28 kg/h G1 = 33078,91 kg/h x1 = 0,0352 phần khối lợng Vậy lợng trung bình đoạn chng là: g ' tb C = g1 + g '1 12479,97 + 30006,28 = = 21243,13 2 kg/h b Tính khối lợng riêng trung bình: * Khối lợng riêng trung bình pha 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 cấu tử Nc va Axit axetic T: nhiệt độ làm việc trung bình tháp, 0K ytbc: nồng độ phần mol cấu tử lấy theo giá trị trung bình y tbC = Với y d1 , y c1 y d1 y c1 y d1 + y c1 [II - 183] : nồng độ làm việc đầu đoạn tháp, phần mol = y1 = yw = 0,113 phần mol = y1 = 0,8084 phần mol y tbC = y d1 + y c1 = 0,113 + 0,8084 = 0,4607 phần mol Nhit trung bỡnh on chng: ttbc= = =109,4=382,40K Vậy khối lợng riêng trung bình pha đoạn chng là: y tb C ytbC = = y tb1 M + (1 y tb1 ).M 22,4.T 273 0,4607.18 + (1 0,4607).60 273 = 1,296 22,4.382 ,4 kg/m3 * Khối lợng riêng trung bình pha lỏng a tb a tb1 = + xtb xtb xtb , kg/m3 [II - 183] Trong đó: xtb : khối lợng riêng trung bình lỏng, kg/m3 xtb1 , xtb2 : khối lợng riêng trung bình cấu tử pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3 a tb1 : phần khối lợng trung bình cấu tử pha lỏng atb1 a F + a1' = Với a1: nồng độ phần khối lợng pha lỏng đĩa dới đoạn chng Ta có: a1 = x1 = 0,0352 phần khối lợng a tb1 = a F + a1' 0,25 + 0,0352 = = 0,1426 2 phần khối lợng ứng với t0 = 109,40C Nội suy theo bảng I.2 [I-9] ta đợc: xtb1 = 950,95 xtb2 = 941,08 kg/m3 kg/m3 Vậy khối lợng riêng trung bình lỏng đoạn chng là: atb atb1 = + = 0,1426 + 0,1426 xtb xtb1 xtb2 950,95 941,08 xtb = 942,47 kg/m3 Vy, gh = 0,05 xtb 942,47 = 0,05 = 1,348 [m/s] ytb 1,296 Tc lm vic ytb c ly bng 0,9.gh, nờn: ytb= 0,9.1,348 = 1,2132 [m/s] T cỏc thụng s gtb, ytb, ytbtớnh c, ta cú ng kớnh on chng bng: DU = 0,0188 g tb 21243,13 = 0,0188 = 2,19 [m] ( y y ) tb 1,296.1,2132 Quy chun ng kớnh : DU= 2,2 m Nh vy ta ó xỏc nh c ng kớnh on chng DU = 2,2 [m] v luyn DO = 1,5 [m] b S a thc t Ntt : S a thc t c tớnh theo cụng thc: (IX.59 [4]) N tt = N lt tb ú: Nlt s bc thay i nng hay s a lý thuyt tb hiu sut trung bỡnh ca thit b: tb = W + F + P = f ( , ) (IX.60 [4]) - l bay hi tng i ca hn hp: = - y * x y * x (IX.61 [4]) àhh nht ca hn hp lng [N.s/m2]: lg hh = x lg A + (1 x ) lg B àA nht ca cu t A ph thuc nhit xột àB nht ca cu t B ph thuc nhit xột Ti nh thỏp: xP = 0,99 [phn mol]; yP* = 0,993 [phn mol]; tP = 100,1 [oC]; suy ra: = 1,43 àA = 0,28374 [10-3 Ns/m2] (ngoi suy bng I.110 [3]) àB = 0,43 [10-3 Ns/m2] (ngoi suy bng I.101 [3]) lg hh = x P lg A + (1 x P ) lg B lg hh = 3,545 hh = 0,2849 [10-3 Ns / m ] Vy, ta cú: .à = 0,41 P= 61% (ngoi suy th hỡnh IX.11 [4]) Ti v trớ tip liu: xF = 0,552 [phn mol]; yF* = 0,672[phn mol]; tF = 103,8 [oC]; suy ra: = 1,663 àA = 0,27412 [10-3 Ns/m2] (ngoi suy bng I.110 [3]) àB = 0,42 [10-3 Ns/m2] (ngoi suy bng I.101 [3]) lg hh = xF lg A + (1 x F ) lg B hh = 0,33186 [10-3 Ns / m ] Vy, ta cú: .à = 0,552 F = 57% (ngoi suy th hỡnh IX.11 [4]) Ti ỏy thỏp: xW = 0,064 [phn mol]; yW* = 0,113 [phn mol]; tW = 115 [oC]; suy ra: = 1,863 àA = 0,245 [10-3 Ns/m2] (ngoi suy bng I.110 [3]) àB = 0,35 [10-3 Ns/m2] (ngoi suy bng I.101 [3]) lg hh = xF lg A + (1 x F ) lg B hh = 0,3421 [10-3 Ns / m ] Vy, ta cú: .à = 0,64 W = 54% (ngoi suy th hỡnh IX.11 [4]) T cỏc giỏ tr P, F, Wtỡm c, tbbng: tb = 61 + 57 + 54 = 57,33% Vy s a thc t l: N tt = N lt 26 = 46 [mõm] tb 0,5733 S a on luyn : 18/0,5733 = 32 [mõm] S a on chng : 8/0,5733 = 14 [mõm] c Chiu cao c bn ca thỏp: H = N tt ( H d + ) + ( 0,8 ữ 1,0) [m] (IX.54 [4]) ú Hd khong cỏch gia cỏc mõm chiu dy ca mõm, Chiu cao on luyn: vi s a on luyn: Nttl=32 ng kớnh DO=1,6 m, chn Hd=450mm, = 4mm - chn theo bng IX.4a HO= Ntt.(Hd + )= 32.(0,45+0,004)= 14,528 14,6 m Chiu cao on chng: vi s a on luyn: Nttl=14 ng kớnh DU=2,2 m, chn Hd=550mm, = 4mm - chn theo bng IX.4a HU= Ntt.(Hd + )= 14.(0,55+0,004)= 7,756 Chiu cao ton b thỏp: H= HO + HU + 0,9 = 14,6 + 7,8 +0,9=23,3 7,8 m 24[ m] 5.Nhit nh, ỏy v v trớ a tip liu ng vi trng hp nguyờn liu vo trng thỏi sụi: T th t x,y, ta cú th xỏc nh d dng nhit nh, ỏy v v trớ a tip liu ca thỏp: tP = 100,1 [oC], tW = 115 [oC], tF = 103,8 [oC] [...]... y '1 = y w = 0,113.18 = 0,0368 0,113.18 + (1 0,113).60 r1 = ra y1 + (1- y1).rb phần khối lợng [II 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất ở t 0 = tw Với xw = 0,064 tra đồ thị ta đợc tw = 1150C Từ t0 = tw =1150C nội suy theo bảng I.212 trong [I 254] ta đợc ra = 2215,86 rb = 355,88 kJ/kg kJ/kg => r1 = 2215,86.0,0368 + (1 - 0,0368).355,88 r1 = 424,33 kJ/kg Thay vào hệ phơng trình... nồng độ phần khối lợng của pha lỏng ở đĩa dới cùng của đoạn chng Ta có: a1 = x1 = 0,0352 phần khối lợng a tb1 = a F + a1' 0,25 + 0,0352 = = 0,1426 2 2 phần khối lợng ứng với t0 = 109,40C Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta đợc: xtb1 = 950,95 xtb2 = 941,08 kg/m3 kg/m3 Vậy khối lợng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chng là: atb 1 atb1 1 = 1 + = 0,1426 + 1 0,1426 xtb xtb1 xtb2 950,95 941,08 ... lợng [II 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá cấu tử nguyên chất t = tw Với xw = 0,064 tra đồ thị ta đợc tw = 1150C Từ t0 = tw =1150C nội suy theo bảng I.212 [I 254] ta đợc = 2215,86 rb = 355,88 kJ/kg... rđ = ra.yđ + (1 yđ).rb [II - 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá cấu tử nguyên chất Nc va Axit axetic t = Từ xp = 0,99 tra đồ thị lỏng trờn ta đợc = 100,1 yđ: hàm lợng khỏi đỉnh tháp, phần khối lợng... ra, rb: ẩn nhiệt hoá cấu tử nguyên chất Nc va Axit axetic t01 = tF Từ x1= xF = 0,552 tra đô thị trờn ta đợc t01 = tf = 103,8 0C Với t01 = 103,8 C nội suy theo bảng I.212 [I 254] ta đợc; = rH