Thiết kế tháp chưng luyện liên tục hai cấu tử benzen và tooluen

 Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn LỜI NÓI ĐẦU Chưng cất phương pháp dùng để tách hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí - lỏng thành cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp Chúng ta thực nhiều biện pháp chưng cất khác chưng cất gián đoạn, chưng cất liên tục, chưng cất đơn giản, chưng cất đặc biệt Khi chưng cất, hỗn hợp đầu có cấu tử ta thu nhiêu cấu tử sản phẩm Theo đề hỗn hợp đầu gồm cấu tử Benzen Toluen nên gọi chưng cất hỗn hợp cấu tử Trong phần đồ án hỗn hợp hai cấu tử Benzen – Toluen phân tách thành hai cấu tử riêng biệt nhờ phương pháp chưng cất liên tục với tháp chưng luyện loại tháp đệm, làm việc áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào nhiệt độ sôi Sau trình chưng cất, ta thu sản phẩm đỉnh cấu tử có độ bay lớn (Benzen) phần cấu tử có độ bay bé (Toluen) Sản phẩm đáy gồm hầu hết cấu tử khó bay (Toluen) phần cấu tử dề bay (Benzen) Trong suốt trình tính toán thiết kế , đặc biệt đƣợc hƣớng dẫn trực tiếp giúp đỡ nhiệt tình cô Lê Ngọc Thuỵ đồ án thiết kế tháp chƣng luyện liên tục hai cấu tử Benzen Tooluen hoàn thành với nội dung sau: Phần I: Sơ đồ công nghệ chế độ thuỷ động tháp Phần II: Tính toán, thiết kế thiết bị Phần III: Tính toán cân nhiệt lƣợng Phần VI: Tính toán khí Phần V: Tính toán thiết bị cần thiết Phần IV: Kết luận nhận xét Trường ĐHBK – Hà Nội - 3- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP I SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT (HÌNH 1): Nguyên liệu đầu chứa thùng chứa (1) bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3) Mức chất lỏng cao thấp thùng cao vị khống chế chảy tràn Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), trình tự chảy theo dõi đồng hồ lưu lượng Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng nước bão hoà), hỗn hợp đầu gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau đạt tới nhiệt độ sôi, hỗn hợp đưa vào đĩa tiếp liệu tháp chưng luyện loại tháp đệm (5) Trong tháp, từ lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ xuống, xảy trình bốc ngưng tụ nhiều lần Theo chiều cao tháp, lên cao nhiệt độ thấp nên qua tầng đệm từ lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao ngưng tụ Quá trình tiếp xúc lỏng – tháp diễn liên tục làm cho pha ngày giầu cấu tử dễ bay hơi, pha lỏng ngày giầu cấu tử khó bay Cuối đỉnh tháp ta thu hầu hết cấu tử dễ bay (Benzen) phần cấu tử khó bay (Toluen) Hỗn hợp vào thiết bị ngưng tụ (6) ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân nước lạnh) Một phần chất lỏng sau ngưng tụ chưa đạt yêu cầu qua thiết bị phân dòng (7) để hồi lưu trở đỉnh tháp, phần lại đưa vào thiết bị làm lạnh (8) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (10) Chất lỏng hồi lưu từ xuống dưới, gặp có nhiệt độ cao từ lên, phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc lên, phần cấu tử khó bay pha ngưng tụ xuống Do nồng độ cấu tử khó bay pha lỏng ngày tăng, cuối đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay (Toluen) phần cấu tử dễ bay (Benzen), hỗn hợp lỏng đưa khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, phần đưa thùng chứa sản phẩm đáy (11), phần tận dụng đưa vào nồi đun sôi đáy tháp (9) dùng nước bão hoà Thiết bị (9) có tác dụng đun sôi tuần hoàn bốc hỗn hợp đáy (tạo dòng từ lên tháp) Nước ngưng thiết bị gia nhiệt tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (12) Tháp chưng luyện làm việc chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào sản phẩm lấy liện tục II CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP ĐỆM: Trong tháp đệm có chế độ thuỷ động chế độ chảy dòng, chế độ độ chế độ xoáy Trường ĐHBK – Hà Nội - 4- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Khi vận tốc khí bé, lực hút phân tử lớn vượt lực lỳ Lúc trình chuyển khối xác định dòng khuyếch tán phân tử Tăng vận tốc lên lực lỳ trở nên cân với lực hút phân tử Quá trình chuyển khối lúc không định khuyếch tán phân tử mà khuyếch tán đối lưu Chế độ thuỷ động gọi chế độ độ Nếu ta tiếp tục tăng vận tốc khí lên chế độ độ chuyển sang chế độ xoáy Trong giai đoạn trình khuyếch tán định khuyếch tán đối lưu Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến giới hạn xảy tượng đảo pha Lúc chất lỏng chiếm toàn tháp trở thành pha liên tục, pha khí phân tán vào chất lỏng trở thành pha phân tán Vận tốc khí ứng với thời điểm gọi vận tốc đảo pha Khí sục vào lỏng tạo thành bọt giai đoạn chế độ làm việc tháp gọi chế độ sủi bọt Ở chế độ vận tốc chuyển khối tăng nhanh, đồng thời trở lực tăng nhanh Trong thực tế, ta thường cho tháp đệm làm việc chế độ màng có vận tốc nhỏ vận tốc đảo pha trình chuyển khối giai đoạn sủi bọt mạnh nhất, giai đoạn ta khó khống chế trình làm việc * Ưu điểm tháp đệm: + Hiệu suất cao bề mặt tiếp xúc pha lớn + Cấu tạo tháp đơn giản + Trở lực tháp không lớn + Giới hạn làm việc tương đối rộng * Nhược điểm + Khó làm ướt đệm + Tháp cao phân phối chất lỏng không * Bảng kê ký hiệu thường dùng đồ án: - 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 số F, P, W, A, B : tương ứng đại lượng thuộc hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy Axeton Benzen - a: nồng độ phần khối lượng, kg axeton/kg hỗn hợp - x: nồng độ phần mol, kmol axeton/kmol hỗn hợp - M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol - : độ nhớt, Ns/m2 - : khối lượng riêng, kg/m3 Trường ĐHBK – Hà Nội - 5- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn - Các số A, B, x, y, hh: tương ứng đại lượng thuộc cấu tử axeton, benzen, thành phần lỏng, thành phần hỗn hợp - Ngoài ký hiệu cụ thể khác định nghĩa chỗ PHẦN III TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU: Tính toán cân vật liệu: - Phương trình cân vật liệu chung cho toàn tháp [II – 144] F=P+W - Đối với cấu tử dễ bay [II – 144] FaF = Pap + Waw - Lượng sản phẩm đỉnh là: P  F aF  aw a p  aw Trong đó: F: suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s kg/h aF, ap, aw: nồng độ cấu tử dễ bay hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lượng Đầu cho F = 3,5 kg/s hay F = 3,5.3600 = 12.600kg/h Vậy ta có lượng sản phẩm đỉnh là: P  F aF  aw 0,28  0,02  12600  2.800 kg/h a p  aw 0,98  0,02 - Lượng sản phẩm đáy là: W = F - P = 12.600 – 2.800 = 9.800 kg/h Đổi nồng độ phần khối lƣợng sang nồng độ phần mol aF, ap, aw: Áp dụng công thức x aA MA [II – 126] aA a  B MA MB Trường ĐHBK – Hà Nội - 6- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trong đó: aA, aB: nồng độ phần khối lượng Benzen Toluen Ma, MB: khối lượng mol phân tử Benzen Toluen Với M A  M C6 H  78 kg/kmol M B  M C7 H8  92 kg/kmol Thay số liệu vào ta có: aF 0,28 MA 78 xF    0,314 phần mol  aF  a F  0,28  0,28   78 92 MA MB aP 0,98 MA 78 xP    0,983 phần mol a P 1  a P  0,98  0,98   78 92 MA MB aw 0,02 MA 78 xw    0,024 phần mol a w 1  a w  0,02  0,02   78 92 MA MB Tính khối lƣợng phân tử trung bình hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy: Theo công thức: M = x.MA + (1 - x)MB Trong đó: M: Khối lượng phân tử trung bình, kg/kmol x: Nồng độ phần mol - Khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đỉnh: Mp = xp.MA + (1 - xp)MB Mp = 0,983.78 +(1- 0,983).92 Mp = 87,604 kg/kmol - Khối lượng phân tử trung bình hỗn hợp đầu: MF = xF.MA + (1 - xF)MB MF = 0,314.78 +(1- 0,314).92 MF = 78,238 kg/kmol Trường ĐHBK – Hà Nội - 7- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn - Khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đáy: Mw = xw.MA + (1 - xw)MB Mw = 0,024.78 +(1- 0,024).92 Mw = 91,664 kg/kmol Đổi đơn vị F, P, W từ kg/h sang kmol/h: F F kg / h  12.600   161,05kmol / h MF 78,238 P Pkg / h  2.800   31,96kmol / h Mp 87,604 W W kg / h  9800   106,91kmol / h Mw 91,664 Lƣợng hỗn hợp đầu đơn vị sản phẩm đỉnh: f  F 161,05   5,04 P 31,96 II XÁC ĐỊNH SỐ BẬC THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ: Xác định Rmin dựa đồ thị y – x: Dựng đường cân theo số liệu đường cân tra bảng phần cân lỏng nhiệt độ sôi hai cấu tử 760mmHg (phần trăm số mol) Benzen Toluen ta có bảng sau: [II – 145] Bảng x y toC 10 11,8 21,4 20 38 30 40 50 51,1 61,9 71,2 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 60 70 80 79 85,4 91 89,4 86,8 84,4 90 100 95,9 100 82,3 80,2 - Từ số liệu bảng ta vẽ đồ thị đường cân lỏng (x) – (y) (hình 1), với giá trị xF = 0,314 ta dóng lên đường cân tìm giá trị y*F = 0,525% - Rmin: lượng hồi lưu tối thiểu tính theo công thức R xmin  x p  y F* [II – 158] y F*  x F Trường ĐHBK – Hà Nội - 8- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn y*F: nồng độ cấu tử dễ bay pha cân với nồng độ pha lỏng xF hỗn hợp => Rx  x p  y F* y  xF * F  0,983  0,525  2,17 0,525  0,314 Tính số hồi lƣu thích hợp: Rth: số hồi lưu thích hợp tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ Cơ sở việc chọn Rth theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ là: V = H.S H: tỷ lệ với Nlt G = W.S = P.(R + 1)  S tỷ lệ với R +  V = H.S tỷ lệ với Nlt(R + 1) Giá thành tháp tỷ lệ với V, mà V tỷ lệ với Nlt(R + 1), giá thành tháp thấp ứng với thể tích tháp nhỏ Vì cần phải chọn chế độ làm việc thích hợp cho tháp, tức Rth Trong đó: V: thể tích tháp H: chiều cao tháp S: tiết diện tháp Nlt: số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết) Ứng với giá trị R > Rmin ta dựng đường làm việc tương ứng tìm giá trị Nlt (Các đồ thị từ 7 đồ thị xác định số đĩa lý thuyết) Từ ta có bảng số liệu sau Bảng Rx 2,28 2,932 3,915 5,553 8,83 B 0,249 0,246 0,24 0,23 0,208 Nlt 22 21 20 19 18 84,7 81,9 80 79,23 82,8 Nlt(Rx + 1) Xây dựng đồ thị quan hệ Rx – Nlt(Rx+1) Qua đồ thị ta thấy, với Rx = 2,93 Nlt(Rx + 1) nhỏ hay thể tích tháp nhỏ Vậy ta có Rth = 2,93 (Đồ thị 8) Phƣơng trình đƣờng nồng độ làm việc đoạn luyện: Trường ĐHBK – Hà Nội - 9- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học y Nguyễn Đức Toàn Rx XP x Rx  Rx  [II – 148] Trong đó: y: nồng độ phần mol cấu tử dễ bay pha từ lên x: nồng độ phần mol cấu tử dễ bay pha lỏng chảy từ đĩa xuống Rx : số hồi lưu Thay số liệu vào ta có yL  Rx XP 2,93 0,983 x  x Rx  Rx  2.93  2,93  yL = 0,75x + 0,25 Phƣơng trình đƣờng nồng độ làm việc đoạn chƣng: y Rx  f f 1 x xw Rx  Rx  [II.158] Trong đó: f  F 306,95   2,84 : lượng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol sản phẩm đỉnh P 107,81 Thay số liệu vào ta có yC  Rx  f f 1 2,93  5,04 5,04  x xw  x 0,024 Rx  Rx  2,93  2,93  yc = 2,028x – 0,0247 III TÍNH ĐƢỜNG KÍNH THÁP CHƢNG LUYỆN: Đường kính tháp xác định theo công thức D  0,0188 g tb  y  y tb , m [II - 181] Trong đó: gtb: lượng trung bình tháp, kg/h (y.y)tb: tốc độ trung bình tháp, kg/m2.s Vì lượng lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp khác đoạn nên ta phải tính lượng trung bình cho đoạn Đƣờng kính đoạn luyện: Trường ĐHBK – Hà Nội - 10- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn a Xác định lượng trung bình đoạn luyện: Lượng trung bình đoạn luyện tính gần trung bình cộng lượng khỏi đĩa tháp lượng vào đĩa đoạn luyện g tb  g d  g1 , kg/h [II - 181] Trong đó: gtb: lượng trung bình đoạn luyện, kg/h gđ: lượng khỏi đĩa tháp, kg/h gl: lượng vào đĩa tháp, kg/h * Lượng khỏi đỉnh tháp: [II – 181] gđ = GR + Gp = Gp(Rx+1) gđ = 2800(2,93 + 1) gđ = 11.004 kg/h * Lượng vào đoạn luyện: Lượng g1, hàm lượng y1 lượng lỏng G1 đĩa thứ đoạn luyện xác định theo hệ phương trình g1 = G1 + Gp (1) g1.y1 = G1.x1 + Gp.xp (2) g1.r1 = gđ.rđ (3) [II - 182] Trong đó: y1: hàm lượng vào đĩa đoạn luyện, phần khối lượng G1: lượng lỏng đĩa thứ đoạn luyện r1: ẩn nhiệt hoá hỗn hợp vào đĩa rđ: ẩn nhiệt hoá hỗn hợp khỏi đỉnh tháp x1 = xF = 0,314 phần khối r1 = ra.y1 + (1-y1).rb [II - 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá cấu tử nguyên chất Benzen Toluen t = tF Từ x1= xF = 0,314 tra đô thị lỏng hình ta t01 = tf = 97,6 0C Với t01 = 97,6 C nội suy theo bảng I.212 [I – 254] ta được;  rC6 H  380,66 kJ/kg Trường ĐHBK – Hà Nội - 11- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn rb  rC7 H8  369,64 kJ/kg  r1 = 380,66.y1 + (1 - y1).369,64  r1 = 11,02y1 + 369,64 kJ/kg rđ = ra.yđ + (1 – yđ).rb [II - 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá cấu tử nguyên chất Benzen Toluen t = Từ xp = 0,983 tra đồ thị lỏng hình ta = 82,60C yđ: hàm lượng khỏi đỉnh tháp, phần khối lượng yđ = yp = xp = 0,95 phần khối lượng Với t02 = tP = 82,60C nội suy theo bảng I.212 [I – 254] ta được:  rC6 H  391,65 kJ/kg rb  rC7 H8  377,18 kJ/kg  rđ = 391,65.0,98 + (1 - 0,98).377,18  rđ = 391,36 kJ/kg Thay giá trị tính vào hệ phương trình ta g1 = G1 + 2800 g1.y1 = 0,314G1 + 2800.0,98 g1(11,02y1 + 369.64) = 11004.391,36 = 4306525,44 Giải hệ phương trình ta được: g1 = 30012,06 kg/h G1 = 27212,06 kg/h y1 = 0,345 phần khối lượng Thay y1 = 0,345 vào r1 ta được: r1 = 11,02.0,345 + 369,64 = 373,4419 kJ/kg Vậy lượng trung bình đoạn luyện là: g tb L  g d  g1 11004  30012,06   20508,03 kg/h 2 b Tính khối lượng riêng trung bình * Khối lượng riêng trung bình pha tính theo y  tb ytb1 M A  (1  ytb1 ).M B 22,4.T Trường ĐHBK – Hà Nội 273 , kg/m3 - 12- [II - 183] Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn Trong đó: MA MB: khối lượng phần mol cấu tử Benzen Toluen T: nhiệt độ làm việc trung bình tháp, 0K ytb1: nồng độ phần mol cấu tử lấy theo giá trị trung bình y tb1  y d1  y c1 [II - 183] Với y d , y c : nồng độ làm việc đầu đoạn tháp, phần mol 1 y d1 = yp = 0,983 phần mol y c1 = y1 = 0,345 phần khối lượng Đổi sang phần mol ta có: 0,345 78 y c1   0,383 phần mol 0,345  0,345  78 92 y d1  y c1  ytb1   0,983  0,383  0,683 phần mol Với ytb  0,7348 phần mol Nội suy từ số liệu bảng IX.2a [II-145] ta L t ytb L  93,50 C  T = 93,5 + 273 = 366,5 0K Vậy khối lượng riêng trung bình pha đoạn luyện là: y y tb L  tb L  ytb1 M  (1  ytb1 ).M 22,4.T 273 0,83.78  (1  0,683).92 273  2,74 kg/m3 22,4.366,5 * Khối lượng riêng trung bình pha lỏng x tb  a tb1 x tb1   a tb1 x , kg/m3 [II - 183] tb Trong đó:  x : khối lượng riêng trung bình lỏng, kg/m3 tb Trường ĐHBK – Hà Nội - 13- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn  x ,  x : khối lượng riêng trung bình cấu tử pha lỏng lấy theo tb1 tb nhiệt độ trung bình, kg/m3 a tb1 : phần khối lượng trung bình cấu tử pha lỏng atb1  a F  a P 0,28  0,98   0,63 phần khối lượng 2 t tbo : nhiệt độ trung bình đoạn luyện theo pha lỏng xtb1  xF  x p  0,314  0,983  0,6485 phần mol Với xtb  0,6485 phần mol Nội suy từ số liệu bảng IX.2a, [II-145] ta L t xtb  87,6 C Ứng với t0 = 87,60C Nội suy theo bảng I.2 [I-9] ta được:  x  795,64 kg/m3 tb1 x  790,4 kg/m tb Vậy khối lượng riêng trung bình lỏng đoạn luyện là:  x tb atb1 x  tb1  atb1 x  tb 0,63  0,63  795,64 790,4   xtb  793,69 kg/m3 c Tính tốc độ tháp: Đối với tháp đệm chất lỏng chảy từ xuống pha từ lên chuyển động ngược chiều xảy bốn chế độ thuỷ động; Chế độ chảy màng, chế độ độ, chế độ xoáy chế độ sủi bọt chế độ sủi bọt pha lỏng chiếm toàn thể tích tự pha lỏng pha liên tục Nếu tăng tốc độ lên tháp bị sặc Trong phần tính toán ta tính tốc độ tháp dựa vào tốc độ sặc tháp Tốc độ tháp đệm  = (0,8  0,9)s [II – 187] Với s tốc độ sặc, m/s tính theo công thức Y = 1,2e-4X Với Y [II – 187]  s2. d  y   x  ,16   g.Vd3  xtb   y  [II – 187] tb Trường ĐHBK – Hà Nội - 14- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học G X  x G  y     1/  y  tb  x  tb     Nguyễn Đức Toàn 1/ [II – 187] Trong đó: đ: bề mặt riêng đệm, m2/m3 Vđ: thể tích tự đệm, m3/m3 g: gia tốc trọng trường, m2/s Gx, Gy: lượng lỏng lượng trung bình, kg/s  x ,  y :khối lượng riêng trung bình pha lỏng pha hơi, kg/m3 tb tb x, n: độ nhớt pha lỏng theo nhiệt độ trung bình độ nhớt nước 20 C, Ns/m2 o * Tính Gx, Gy: Ta có Gy = gtb = 30012,06 kg/h 28382,86  8,337 kg/s 3600  Gy  Gx  GR  G1 P.Rx  G1 2800.2,93  27212,06    17708,03 kg/h 2  Gx  17708,03  4,919 kg/s 3600 * Tính độ nhớt - Độ nhớt nước t = 20oC, Tra bảng I.102 [I – 94] ta có n = 1,005.10-3 Ns/m2 - Độ nhớt pha lỏng t = 87,6oC Nội suy theo bảng I.101 [I – 91] ta  A   C H  0,2676.10 3 N.s/m2 6  B   C H  0,27676.10 3 N.s/m2 Vậy độ nhớt pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình [I – 84] lghh = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB lghh = 0,6485.lg(0,2676.10-3) + (1 - 0,6485)lg(0,27676.10-3) = -0,525525  hh = x = 0,298.10-3 Ns/m2 Thay số liệu ta có Trường ĐHBK – Hà Nội - 15- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học G X  x G  y     1/  y  tb  x  tb     1/ Nguyễn Đức Toàn  17708,03     30012,06  1/  2,74     793,69  1/  0,4315 Y = 1,2e-4.0,4315 = 0,2136 Chọn loại đệm vòng Rasiga sứ đổ lộn xộn Số liệu [II – 193] Bảng Kích thước đệm, mm Bề mặt riêng đ, m2/m3 Thể tích tự Vđ, m3/m3 Số đệm 1m3 Khối lượng riêng xốp, đ, kg/m3 30x30x3,5 165 0,76 25.102 570 Từ công thức:  s2. d  y   x   Y  g.Vd3  x   y  ,16 [II – 187] tb tb Suy ra;   s Y g.Vd3  xtb   d  ytb  x  y     ,16  0,2136.9,81.0,76 3.793,69  0,298.10 3   165.2,74. 3   1,005.10  0,16 s2 = 1,96155 m/s  s = 1,4 m/s Lấy  = 0,8s   = 0,8.1,4 = 1,12 m/s Vậy đường kính đoạn luyện là: DL  0,0188 g tb 20508,03  0,0188  1,54 m  y  y tb 1,12 x 2,74 Quy chuẩn đường kính đoạn luyện DL = 1,6 m * Thử lại điều kiện làm việc thực tế - Tốc độ thực tế đoạn luyện là: y  20508,03.0,0188  1,033 m/s 1,6 2.2,74 - Tỷ số tốc độ thực tế tốc độ sặc là:  tt 1,033   0,739 s 1,4 Trường ĐHBK – Hà Nội - 16- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn Vậy chọn đường kính 1,6m chấp nhận * Kiểm tra cách chọn đệm d td   4.Vd d  4.0,76  0,0184 m 165 D 1,6   86,9 d td 0,0184 Vậy cách chọn đệm đường kính tháp đoạn luyện chấp nhận yêu cầu toán phù hợp với trình tính toán Đƣờng kính đoạn chƣng: a Lượng trung bình tháp ' g tb g ' n  g '1  [II - 182] Trong đó: g’n: lượng khỏi đoạn chưng, kg/h g’1: lượng vào đoạn chưng, kg/h Vì lượng khỏi đoạn chưng lượng vào đoạn luyện (g’n= g1) nên ta viết: ' g tb g  g '1  [II - 182] Lượng vào đoạn chưng g’l, lượng lỏng G1’ hàm lượng lỏng x’l xác định theo hệ phương trình cân vật liệu cân nhiệt lượng sau: G’1 = g’1 + Gw G’1 x’1 = g’1.yw + Gw.xw [II 182] g’1.r’1 = g1.r1 Trong đó: r’1: ẩn nhiệt hoá hỗn hợp vào đĩa thứ đoạn chưng xw: thành phần cấu tử dễ bay sản phẩm đáy r1: ẩn nhiệt hoá hỗn hợp vào đĩa đoạn chưng Ta có: Gw = W = 9800 kg/h Trường ĐHBK – Hà Nội - 17- Líp Ho¸ GiÊy - K44 -  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn xw = 0,024 phần mol tương ứng với 0,02 phần khối lượng y’1 = yw xác định theo đường cân ứng với xw = 0,024 phần mol  yw = 0,062 phần mol Đổi y’1 = yw = 0,062 phần mol phần khối lượng ta có: y '1  y w  0,062.78  0,053 phần khối lượng 0,062.78  (1  0,062).92 r’1 = y’1 + (1- y’1).rb [II – 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá cấu tử nguyên chất t0 = tw Với xw = 0,024 tra đồ thị hình ta tw = 100,50C Từ t0 = tw =100,50C nội suy theo bảng I.212 [I – 254] ta  378,49 kJ/kg rb  368,13 kJ/kg => r’1 = 378,49.0,053 + (1 - 0,053).368,13 r’1 = 368,68 kJ/kg Thay vào hệ phương trình ta được: G’1 = g’1 + 9800 G’1 x’1 = g’1.0,053 + 9800.0,02 g’1.368,68 = 30012,06.373,4419 Giải hệ phương trình ta được: g’1 = 30399,69 kg/h G’1 = 40199,698 kg/h x’1 = 0,04496 phần khối lượng Vậy lượng trung bình đoạn chưng là: g ' tb C  g1  g '1 30012,06  30399,698   30205,879 kg/h 2 b Tính khối lượng riêng trung bình: * Khối lượng riêng trung bình pha tính theo: y  tb ytb1 M A  (1  ytb1 ).M B 22,4.T 273 , kg/m3 [II - 183] Trong đó: Trường ĐHBK – Hà Nội - 18- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn MA MB: khối lượng phần mol cấu tử Benzen Toluen T: nhiệt độ làm việc trung bình tháp, 0K ytbc: nồng độ phần mol cấu tử lấy theo giá trị trung bình y d1  yc1 ytbC  [II - 183] Với y d , y c : nồng độ làm việc đầu đoạn tháp, phần mol 1 y d1 = y’1 = yw = 0,062 phần mol y c1 = y1 = 0,383 phần mol  ytbC  y d1  yc1  0,062  0,383  0,2225 phần mol Với ytb  0,2225 phần mol Nội suy từ số liệu bảng IX.2a [II-145] ta C t  106,80 C tbC  T = 106,8 + 273 = 379,8 0K Vậy khối lượng riêng trung bình pha đoạn chưng là: y y tb C tb C   ytb1 M  (1  ytb1 ).M 22,4.T 273 0,2225.78  (1  0,2225).92 273  2,852 kg/m3 22,4.379,8 * Khối lượng riêng trung bình pha lỏng x  tb a tb1 x  tb1  a tb1 x , kg/m3 [II - 183] tb Trong đó:  x : khối lượng riêng trung bình lỏng, kg/m3 tb  x ,  x : khối lượng riêng trung bình cấu tử pha lỏng lấy theo tb1 tb nhiệt độ trung bình, kg/m3 a tb1 : phần khối lượng trung bình cấu tử pha lỏng atb1  a F  a1' Với a’1: nồng độ phần khối lượng pha lỏng đĩa đoạn chưng Trường ĐHBK – Hà Nội - 19- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn Ta có: a’1 = x’1 = 0,04496 phần khối lượng a F  a1' 0,28  0,04496    0,1625 phần khối lượng 2  atb1 t tbo : nhiệt độ trung bình đoạn chưng theo pha lỏng xtb1  x F  x1' Ta có x’1 = 0,04496 phần khối lượng 0,04496 78 x1'   0,0526 phần mol 0,04496 1  0,04496  78 92 x F  x1' 0,314  0,0526   0,1838 phần mol 2  xtbC  Với xtb  0,1838 phần mol Nội suy từ số liệu bảng IX.2a [II-145] ta C t xtb  104,50 C Ứng với t0 = 104,50C Nội suy theo bảng I.2 [I-9] ta được:  x  787,6 kg/m3 tb1 x tb  783,06 kg/m3 Vậy khối lượng riêng trung bình lỏng đoạn chưng là: x tb  atb1 x tb1   atb1 x  tb 0,1625  0,1625   0,001276 787,6 783,06   xtb  783,8 kg/m3 c Tính tốc độ đoạn chưng: Đối với tháp đệm chất lỏng chảy từ xuống pha từ lên chuyển động ngược chiều xảy bốn chế độ thuỷ động; Chế độ chảy màng, chế độ độ, chế độ xoáy chế độ sủi bọt chế độ sủi bọt pha lỏng chiếm toàn thể tích tự pha lỏng pha liên tục Nếu tăng tốc độ lên tháp bị sặc Trong phần tính toán ta tính tốc độ tháp dựa vào tốc độ sặc tháp Tốc độ tháp đệm  = (0,8  0,9)s Trường ĐHBK – Hà Nội [II – 187] - 20- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn Với s tốc độ sặc, m/s tính theo công thức Y = 1,2e-4X Y Với [II – 187]  s2. d  y   x  ,16   g.Vd3  xtb   y  [II – 187] tb G X  x G  y     1/  y  tb  x  tb     1/ [II – 187] Trong đó: đ: bề mặt riêng đệm, m2/m3 Vđ: thể tích tự đệm, m3/m3 g: gia tốc trọng trường, m2/s Gx, Gy: lượng lỏng lượng trung bình, kg/s  x ,  y :khối lượng riêng trung bình pha lỏng pha hơi, kg/m3 tb tb x, n: độ nhớt pha lỏng theo nhiệt độ trung bình độ nhớt nước 20 C, Ns/m2 o * Tính Gx, Gy: Ta có Gy = g’tb = 30205,879 kg/h  G yC  G xC 30205,879  8,39 kg/s 3600 G1  G1' 27212,06  40199,698    33705,879 kg/h 2  G yC  33705,879  9,36 kg/s 3600 * Tính độ nhớt: - Độ nhớt nước t = 20oC, Tra bảng I.102 [I - 94] ta có n = 1,005.10-3 Ns/m2 - Độ nhớt pha lỏng totb = 104,5oC Nội suy theo bảng I.101 [I - 91] ta  A   C H  0,2516.10 3 N.s/m2 6  B   C H  0,262.10 3 N.s/m2 Trường ĐHBK – Hà Nội - 21- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn Vậy độ nhớt pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình [I – 84] lghh = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB lghh = 0,1849.lg(0,2516.10-3) + (1 - 0,1849)lg(0,262.10-3)  hh = x = 0,3095.10-3 Ns/m2 Thay số liệu tính ta có G X  x G  y     1/  y  tb  x  tb     1/  33705,899     30205,879  1/  2,852     783,8  1/  0,5024 Y = 1,2e-4.0,5024 = 0,1586 Chọn loại đệm vòng Rasiga sứ đổ lộn xộn chọn Từ công thức:  s2. d  y   x   Y  g.Vd3  x   y  ,16 [II – 187] tb tb  s2  Y g.Vd3  xtb   d  ytb  x  y     ,16  0,1586.9,81.0,76 3.783,8  0,287.10 3   165.2,852. 3  , 005 10   ,16 s2 = 1,59 m/s  s = 1,26 m/s Lấy  = 0,8s   = 0,8.1,26 = 1,008 m/s Vậy đường kính đoạn luyện là: DC  0,0188 g tb 30205,879  0,0188  1.76 m  y  y tb 1,008.2,852 Quy chuẩn đường kính đoạn luyện DC = 1,6 m * Thử lại điều kiện làm việc thực tế: - Tốc độ thực tế đoạn chưng là: y  30205,879.0,0188  1,46 m/s 1,6 2.2,852 - Tỷ số tốc độ thực tế tốc độ sặc là:  tt 1,46   0,89  s 1,59 Trường ĐHBK – Hà Nội - 22- Líp Ho¸ GiÊy - K44 [...]... Vậy cách chọn đệm và đường kính tháp của đoạn luyện như vậy là chấp nhận được yêu cầu của bài toán và phù hợp với quá trình tính toán 2 Đƣờng kính đoạn chƣng: a Lượng hơi trung bình đi trong tháp ' g tb g ' n  g '1  2 [II - 182] Trong đó: g’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’n= g1) nên... Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’l, lượng lỏng G1’ và hàm lượng lỏng x’l được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: G’1 = g’1 + Gw G’1 x’1 = g’1.yw + Gw.xw [II 182] g’1.r’1 = g1.r1 Trong đó: r’1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng 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... Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn Trong đó: MA MB: khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K ytb1: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình y tb1  y d1  y c1 [II - 183] 2 Với y d , y c : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol 1 1 y d1 = yp = 0,983 phần mol y c1 = y1 = 0,345 phần khối lượng Đổi sang phần... chảy màng, chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt ở chế độ sủi bọt thì 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 độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc của tháp Tốc độ hơi đi trong tháp đệm  = (0,8  0,9)s Trường ĐHBK – Hà Nội [II – 187] - 20- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn... độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt ở chế độ sủi bọt thì 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 độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc của tháp Tốc độ hơi đi trong tháp đệm  = (0,8  0,9)s [II – 187] Với s là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức Y = 1,2e-4X Với Y [II – 187]  s2. d... GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn  x ,  x : khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo tb1 tb 2 nhiệt độ trung bình, kg/m3 a tb1 : phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng atb1  a F  a P 0,28  0,98   0,63 phần khối lượng 2 2 t tbo : nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha lỏng xtb1  xF  x p 2  0,314  0,983  0,6485 phần mol 2 Với xtb  0,6485... đoạn luyện là: 1  x tb atb1 x  tb1 1  atb1 x  tb 2 0,63 1  0,63  795,64 790,4   xtb  793,69 kg/m3 c Tính tốc độ hơi đi trong tháp: Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới 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 sủi bọt thì pha lỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và. .. trung bình của lỏng trong đoạn chưng là: 1 x tb  atb1 x tb1  1  atb1 x  tb 2 0,1625 1  0,1625   0,001276 787,6 783,06   xtb  783,8 kg/m3 c Tính tốc độ hơi đi trong đoạn chưng: Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới 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 sủi... bình đi trong đoạn chưng là: g ' tb C  g1  g '1 30012,06  30399,698   30205,879 kg/h 2 2 b Tính khối lượng riêng trung bình: * Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo: y  tb ytb1 M A  (1  ytb1 ).M B 22,4.T 273 , kg/m3 [II - 183] Trong đó: Trường ĐHBK – Hà Nội - 18- Líp Ho¸ GiÊy - K44  Đồ án môn học Nguyễn Đức Toàn MA MB: khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen T: nhiệt... của pha hơi đối với đoạn chưng là: y y tb C tb C   ytb1 M 1  (1  ytb1 ).M 2 22,4.T 273 0,2225.78  (1  0,2225).92 273  2,852 kg/m3 22,4.379,8 * Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng 1 x  tb a tb1 x  tb1 1  a tb1 x , kg/m3 [II - 183] tb 2 Trong đó:  x : khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3 tb  x ,  x : khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo