Đồ án môn học Quá trình thiết bị: Thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm phân tách hỗn hợp Benzen Toluen

MỤC LỤC Phần 1: TỔNG QUAN 5 1.1 Giới thiệu chung về chưng luyện 5 1.1.1 Khái niệm 5 1.1.2 Phương pháp chưng luyện 5 1.1.3 Thiết bị chưng luyện 5 1.1.4 Giới thiệu về nguyên liệu chưng luyện 6 1.2 Quy trình công nghệ sản xuất 7 1.2.1 Thuyết minh dây chuyền công nghệ sản xuất 7 1.2.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ 9 Phần 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 10 2.1 Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp 10 2.2 Xác định bậc thay đổi nồng độ 11 2.2.1 Xác định chỉ số hồi lưu 11 2.3. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH CỦA THÁP: 29 2.1. Đường kính đoạn luyện: 29 2.2.Đường kính đoạn chưng 34 2.4.TÍNH CHIỀU CAO THÁP: 38 2.4.1. Tính chiều cao đoạn luyện: 38 2.4.2. Chiều cao của đoạn chưng: 44 2.5. Tính trở lực của tháp đệm : 48 2.6.Tính cân bằng nhiệt lượng 50 PHẦN 3. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 57 I: Thiết bi gia nhiệt hỗn hợp đầu 57 II: Tính bơm và thùng cao vị 64 PHẦN 4:TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 73 I. Tính chiều dày của thân tháp: 73 II. Tính đường kính các ống dẫn 75 III. Tính đáy và nắp thiết bị: 78 IV Chọn mặt bích 80 V. Tính và chọn chân giá đỡ, tai treo: 81 PHẦN 5: KẾT LUẬN CHUNG 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

Trang 1

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA HÓA CÔNG NGHỆ

 Giáo viên hướng dẫn : Phạm Thị Thanh Yên

Sinh viên thực hiện : Lê Thị Xuyến

Nội dung đồ án :Thiết kế tháp chưng luyện liên tục

loại tháp đệm phân tách hỗn hợp Benzen - Toluen

HÀ NỘI, NĂM 2014

Trang 2

Bộ Công thương

Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Khoa : Công Nghệ Hoá

Giáo viên hướng dẫn : Phạm Thị Thanh Yên

Nội dung

Thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm phân tách hỗn hợpBenzen- Toluen

Các số liệu ban đầu:

- Năng suất tính theo hỗn hợp đầu GF = 13 tấn/ giờ = 13000 kg/giờ

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong:

+ Hỗn hợp đầu: xF = 35% = 0,35 phần mol+ Sản phẩm đỉnh: xP = 93% = 0,93 phần mol+ Sản phẩm đáy: xw = 18% = 0,018 phần mol

- Tháp làm việc ở áp suất thường

- Hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

Phần thuyết minh

Ngày giao đề : ……… Ngày hoàn thành :………

Trang 3

Trường Đại Học công nghiệp Hà Nội Khoa công nghệ hoá

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

Phần 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Giới thiệu chung về chưng luyện 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Phương pháp chưng luyện 5

1.1.3 Thiết bị chưng luyện 5

1.1.4 Giới thiệu về nguyên liệu chưng luyện 6

1.2 Quy trình công nghệ sản xuất 7

1.2.1 Thuyết minh dây chuyền công nghệ sản xuất 7

1.2.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ 9

Phần 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 10

2.1 Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp 10

2.2 Xác định bậc thay đổi nồng độ 11

2.2.1 Xác định chỉ số hồi lưu 11

2.3 TÍNH ĐƯỜNG KÍNH CỦA THÁP: 29

2.1 Đường kính đoạn luyện: 29

2.2.Đường kính đoạn chưng 34

2.4.TÍNH CHIỀU CAO THÁP: 38

2.4.1 Tính chiều cao đoạn luyện: 38

2.4.2 Chiều cao của đoạn chưng: 44

2.5 Tính trở lực của tháp đệm : 48

2.6.Tính cân bằng nhiệt lượng 50

PHẦN 3 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 57

I: Thiết bi gia nhiệt hỗn hợp đầu 57

II: Tính bơm và thùng cao vị 64

PHẦN 4:TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 73

I Tính chiều dày của thân tháp: 73

II Tính đường kính các ống dẫn 75

III Tính đáy và nắp thiết bị: 78

IV Chọn mặt bích 80

V Tính và chọn chân giá đỡ, tai treo: 81

PHẦN 5: KẾT LUẬN CHUNG 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

Đồ án môn QT&TB 3 Sinh Viên : Lê Thị Xuyến - Lớp LTCĐ- ĐH Hoá1 -K 6

Trang 4

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và có nhiều đóng góp to lớn chonền công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung Và một trong nhữngngành đó là ngành công nghiệp 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 độtinh khiết cao Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất cần sử dụngnhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như: trích ly, chưngluyện, cô đặc, hấp thu … Tuy nhiên, tuỳ theo đặc tính yêu cầu của từng loại sảnphẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp Đối với hệ Benzen –Toluen là hệ 2 cấu tử có khả năng hòa tan lẫn vào nhau, ta chọn phương phápchưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Benzen

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợptrong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai Môn họcnày giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể: quy trình công nghệ, kết cấu, giáthành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm

Đây là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng các kiến thức đã học để giảiquyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của đồ án là Thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm đểphân tách hỗn hợp Benzen – Toluen

Các số liệu ban đầu:

Năng suất tính theo hỗn hợp đầu: GF = 13 tấn/ giờ = 13000 kg/ giờ

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong:

- Hỗn hợp đầu: xF = 0,35 phần mol

- Sản phẩm đỉnh: xP = 0,93 phần mol

- Sản phẩm đáy: xw = 0,018 phần molTháp làm việc ở áp suất thường

Hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

Trang 5

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

- Trong quá trình chưng luyện dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa làcác cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau)

- Khi chưng luyện ta thu được nhiều cấu tử và thường thì đưa vào chưngluyện bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơngiản chỉ có hai cấu tử thì ta sẽ thu được hai sản phẩm :

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

- Đối với hệ Benzen – Toluen:

Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm Benzen và một ít Toluen

Sản phẩm đáy chủ yếu là Toluen và một ít Benzen

1.1.2 Phương pháp chưng luyện

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo :

- Áp suất làm việc : Áp suất thấp

Áp suất thường

Áp suất cao

- Nguyên tắc làm việc: dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôicủa các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôicủa các cấu tử

- Nguyên lí làm việc : Chưng một bậc

Chưng lôi cuốn theo hơi nướcChưng luyện

- Cấp nhiệt ở đáy tháp : Cấp nhiệt trực tiếp

Cấp nhiệt gián tiếp Với hệ hai cấu tử Benzen – Toluen ta dùng phương pháp chưng luyệnliên tục ở áp suất thường

1.1.3 Thiết bị chưng luyện

Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiếnhành chưng luyện Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống

Trang 6

nhau nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độphân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào phalỏng ta có các loại tháp đĩa, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp đệm Ởđây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp đĩa và tháp đệm

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

- Tháp đĩa chóp : trên đĩa bố trí có chóp dạng tròn

- Tháp đĩa lỗ : trên đĩa có nhiều lỗ hay rãnh

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

1.1.4 Giới thiệu về nguyên liệu chưng luyện

 Benzen & Toluen:

Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi

thơm nhẹ Công thức phận tử là C6H6 Benzen không phân cực,vì vậy tan tốttrong các dung môi hữu cơ không phân cực và tan rất ít trong nước Trước đâyngười ta thường sử dụng Benzen làm dung môi Tuy nhiên sau đó người ta pháthiện ra rằng nồng độ Benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng cókhả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay Benzen được hạn chế sử dụng

Các tính chất vật lí của Benzen:

Khối lượng phân tử: 78,11

Tỉ trọng(200C): 0,879Nhiệt độ sôi: 80oCNhiệt độ nóng chảy: 5,50C

Toluen: là một hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng và có tính thơm, công thức

phân tử tương tự như Benzen có gắn thêm nhóm –CH3 Không phân cực,do đóToluen tan tốt trong Benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự Benzennhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay Benzenlàm dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp

Các tính chất vật lí của Toluen:

Khối lượng phân tử : 92,13

Tỉ trọng (20oC) : 0,866Nhiệt độ sôi : 110,6oCNhiệt độ nóng chảy : -95 oC

 Các phương thức điều chế :

 Đi từ nguồn thiên nhiên: Thông thường các hidrocacbon ít được điều chếtrong phòng thí nghiệm, vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phươngpháp chưng cất than đá, dầu mỏ…

Trang 7

 Đóng vòng và đehidro hóa ankan: Các ankan có thể tham gia đóng vòng

và đehidro hóa tạo thành hidrocacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúctác như Cr2O3, hay các lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt

CH3(CH2)4CH3  Cr2O 3 /Al2 O3 

C6H6

 Đehidro hóa các Cycloankan: Các cycloankan có thể bị đehidro hóa ởnhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác là các kim loại chuyển tiếp tạothành Benzen hay các dẫn xuất của Benzen

( o C) 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2

1.2 Quy trình công nghệ sản xuất

1.2.1 Thuyết minh dây chuyền công nghệ sản xuất

Dung dịch đầu ở thùng (1) được bơm (2) bơm liên tục lên thùng cao vị (3),mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn, từthùng cao vị dung dịch được đưa vào thiết bị đun nóng (4) qua lưu lượng kế(11), ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hoà, từthiét bi gia nhiệt (4) dung dịch được đưa vào tháp chưng luyện (5) nhờ đĩa tiếpliệu, trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất nỏng đi từ trên xuống, nhiệt độ vànồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp Vì vậy hơi từ đĩa phía dướilên đĩa phía trên, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ được ngưng tụ lại và cuốicùng trên đỉnh ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi Hơi đó đivào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6), ở đây nó được ngưng tụ lại

Một phần chất lỏng đi qua thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độcần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8), một phần khác hồi lưu về tháp

ở đĩa trên cùng

Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử cónhiệt độ sôi thấp được bốc hơi và do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chấtlỏng ngày càng tăng và cuối cùng ở đáy tháp ta thu dược hỗn hợp lỏng gồm hầu

Trang 8

hết là cấu tử khó bay hơi Chất lỏng đi ra khỏi tháp được làm lạnh rồi đi vàothùng chứa sản phẩm đáy (10) Như vậy với thiết bị làm việc liên tục thì hỗnhợp đầu được đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được tháo ra liên tục

Khi hơi bay lên ở đĩa số 1 có thành phần cấu tử dễ bay hơi Benzen là y1 Sụctrực tiếp vào lớp chất lỏng trên đĩa 1 có thành phần cấu tử dễ bay hơi Benzen là

x1 với (x1 < y1) Trong hơi bao giờ cũng giàu cấu tử dễ bay hơi hơn lỏng Khi sụcvào đĩa 2 do hơi đĩa 1 sục vào lớp chất lỏng đĩa 2 mà nhiệt độ đĩa 2 nhỏ hơnnhiệt độ đĩa 1 nên hơi đó sẽ bị ngưng tụ một phần cấu tử khó bay hơi (Toluen).Quá trình ngưng tụ lại là quá trình toả nhiệt và nhiệt này sẽ làm bay hơi mộtphần cấu tử khó bay hơi trong đĩa số 2 Do đó x2 > x1, y2 > y1 dẫn tới hơi đĩa 2tiếp tục sục vào đĩa 3 Quá trình này xảy ra tương tự nhiều lần cuối cùng trênđỉnh tháp ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (Benzen) Hơi

từ đỉnh tháp vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu 6 Ở đây một phần hơi được ngưng tụlại và quay trở lại tháp, phần hơi còn lại được đưa vào thiết bị ngưng tụ làm lạnh

7 để ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm rồi chuyển vào thùng chứa sản phẩm đỉnh 8.Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dướilên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử khóbay hơi trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi xuống.Do đó nồng độ cấu tử khó bay hơitrong pha lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏnggồm hầu hết cấu tử khó bay hơi (Toluen), và một phần ít cấu tử dễ bay hơi(Benzen) Hỗn hợp lỏng này sẽ được chia làm 2 phần Một phần được đun sôibằng nồi đun sôi đáy tháp 1 (dùng hơi nước bão hoà) Nó có tác dụng đun sôituần hoàn và bốc hơi hỗn hợp sản phẩm đáy tạo dòng hơi đi từ dưới lên Mộtphần được vào thùng chứa sản phẩm đáy 10 và có thể được xử lí tiếp

Đây là loại tháp chưng luyện liên tục nên hỗn hợp đầu và các sản phẩm đượclấy ra là liên tục

Trang 9

1.2.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ

Chú thích:

1 Thùng chứa hỗn hợp đầu 7 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

3 Thùng cao vị 9 Thiết bị gia nhiệt đáy tháp

4 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 10 Thùng chứa sản phẩm đáy

5 Tháp chưng luyện 11 Thiết bị tháo nước ngưng

6 Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

3

4 5

Trang 10

Phần 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

2.1 Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp

Loại tháp: tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền

Khi chưng luyện hỗn hợp Benzen – Toluen thì cấu tử dễ bay hơi làBenzen

CH H C Toluen

mol g M

H C Benzen

T

B

/ 92 :

/ 78 :

3 5 6

6 6

- Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi

- Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thànhphần của hơi đi ra ở đỉnh tháp

- Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp

Phương trình cân bằng vật liệu:

Theo đầu bài ta có:

Năng suất tính theo hỗn hợp đầu: GF = 13 tấn/ giờ = 13000 kg/ giờ

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong:

 Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu là:

Khối lượng trung bình được xác định theo công thức:

, 87

13000

h kmol M

, 0 93 , 0

) 018 , 0 35 , 0 (

3 , 149 ) (

h kmol x

x

x x F

P

w P

w F

Trang 11

Gp = P.Mp = 54,4.78,98 = 4291,26 kg/h

→ Khối lượng trung bình của sản phẩm đáy :

MW = xW.MB + (1 – xW).MT =0,018.78 + (1 - 0,018).92 = 91,75 (kg/kmol)

) / ( 9 , 94 018

, 0 93 , 0

) 35 , 0 93 , 0 (

3 , 149 )

(

h kmol x

x

x x F

W

w P

F p

Từ bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tửBenzen – Toluen ở 760mmHg (phần trăm mol) (Bảng IX.2a, II-146)

Trang 12

Hình 1: Đồ thị cân bằng pha của hệ Benzen – Toluen tại P = 1atm

80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100

Hình 2: Đồ thị t-x,y hệ Benzen – Toluen

Từ xF = 0,35 (phần mol) trên biểu đồ ta kẻ song song với y, cắt đường cân

bằng tại F, từ F kẻ song song với trục x, ta tìm được yF*= 0,5672 (phần mol) với

yF* là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ cấu tử trongpha lỏng xF của hỗn hợp (hình vẽ số đĩa lý thuyết của toàn tháp)

Theo y

Theo x

t°C

Trang 13

Vì nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ cấu tửtrong pha lỏng xF của hỗn hợp đầu nên ta xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu theocông thức:

6703 , 1 35 , 0 5672 , 0

5672 , 0 93 , 0

F P

x y

y x R

Vấn đề chọn chỉ số hồi lưu thích hợp Rx rất quan trọng vì chỉ số hồi lưu thíchhợp nhỏ thì số bậc của tháp lớn (chiều cao tháp tăng), lượng hơi đốt tiêu tốn ít,ngược lại khi chỉ số hồi lưu lớn thì số bậc của tháp nhỏ (chiều cao của tháp thấp)lượng hơi đốt tiêu tốn lớn, đường kính lớn thì sản phẩm đỉnh thu được rất ít do

đó để thu được Rth ta chọn:

Trong đó õ là hệ số hồi lưu (õ = 1,2 - 2,5)

Ta tính Rx dựa trên phương pháp: biết giá trị Rmin ta cho các giá trị bất kỳ ta sẽtính được R tương ứng (R > Rmin), với mỗi Rx ta xác định được số đĩa lý thuyết

Nlt tương ứng

Hình vẽ số đĩa lý thuyết

Trang 14

Hình 3 : Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =1,2 ; B = 0,310 và Nlt = 17

Trang 15

Trang 16

Trang 17

Trang 18

Trang 19

Trang 20

Hình 9: Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =1,8 ; B = 0,232 và Nlt = 12

Trang 21

Trang 22

Trang 23

Hình 12: Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =2,1; B = 0,206 và Nlt = 11

Trang 24

Trang 25

Trang 26

Hình 15: Số đĩa lý thuyết tương ứng với β = 2,4 ; B = 0,186 và Nlt = 11

Trang 27

Trang 28

Vậy Rth= 2,672 và Số đĩa lý thuyết là Nlt =12

Phương trình đường nồng độ làm việc

* Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện:

Giả thiết hơi bay ra ở đỉnh tháp là thành phần cấu tử dễ bay hơi bằng thànhphần sản phẩm đỉnh, khi đó:

+ Đường nồng độ làm việc của đoạn luyện là phương trình có dạng:

x

R

x x R

x

R

x x R

R y

Với Rx = 2,672 ; xp = 0,93 (phần mol)

Thay số ta có

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện :

Trang 29

y = 0,728.x + 0,253

* Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:

Giả thiết hơi ra ở đáy tháp có thành phần cấu tử dễ bay hơi bằng thànhphần sản phẩm đáy, khi đó đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng

Từ IX.22 (II-158) => w

x x

R

L x R

L R y

) (   , m (IX.90 - II - 181)

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

 y: khối lượng riêng trung bình, Kg/m3

wy: tốc độ hơi đi trung bình trong tháp, Kg/m2.s

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao mỗi đoạn nên ta phải tínhlượng hơi trung bình cho từng đoạn

2.1 Đường kính đoạn luyện:

2.1.1 Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện được tính bằng trung bình cộnglượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùngcủa đoạn luyện:

2

1

g g

P P P

r g r

g

x G x

G y

g

G G

g

.

1 1

1 1 1

1

1 1

Trong đó:

G1 - Lượng lỏng vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kg/h)

r1 - Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thư nhất (kJ/kg)

rđ - Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp (kJ/kg)

gđ - lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)

g1 - lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h)

(II-182)

Trang 30

y1 – Hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện (phần khối lượng)

*Tính r1

r1 r B.y1 ( 1  y1).r T

(II-182)trong đó: rB - Ẩn nhiệt hóa hơi của Benzen

rT - Ẩn nhiệt hóa hơi của Toluen

Ta coi như x1 = xF = 0,35 (phần mol)= 0,3134 (phần khối lượng) tương ứng với

giá trị 35,0% trong bảng cân bằng lỏng hơi ta tính được tF bằng cách nội suy

Từ bảng IX.2a (II-146) cân bằng lỏng hơi ta có:

Từ yđ = yP = xP = 0,93 (phần mol) = 0,9185 (phần khối lượng) tương ứng

với 93,0% ta tra bảng IX.2a (II-146) cân bằng lỏng hơi và nội suy ta có:

t P 0C

67 , 81

3 91 5 , 15757

9185 ,

0 512 , 4296 3134

, 0

512 ,

429 6

1 1

1

1 1

r g

G y

g

G g

Trang 31

 r1 = 375,27 (kg/h)

Thay g1 vào công thức (II-181) ta tính được lượng hơi trung bình:

07 , 16431 5

, 15757 2

g g

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện:

, 4296 672 , 2

h kg



2.1.2 Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện:

a/ Với p ha hơi :

Áp dụng theo công thức sau:

4 , 22

).

1 (

.

T

M y M

T= tytb + 273 : nhiệt độ làm việc trung bình của tháp

+ ytbA: Nồng độ phần mol của Benzen tính theo giá trị trung bình

2

cB dB tbB

y y

Từ đồ thị hình 2 Nội suy ta có t0

ytb = 91,77 0C (Theo bảng IX.2a - II - 146)

 Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện:

) 273 77 , 91 (

* 4 , 22

92

* ) 7215 , 0 1 ( 78

* 7215 , 0

tbB xtb

a a

xtb :Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng , Kg/m3

tbB, tbT : Lần lượt là khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng của Benzen và Nước lấy theo nhiệt độ trung bình Kg/m3

atbB: Phần khối lượng trung bình của Benzen trong pha lỏng

2

9185 , 0 3134 , 0 2

tbB

a a

Trang 32

2

93 , 0 35 , 0

Nội suy từ đồ thị hình 2

Ứng với xtbB = 0,64 phần mol ta có t0

xtb = 88,36 0C (Theo bảng IX.2a - II - 146)Với t0

xtb = 88,36 0C.Tra theo bảng I.2 - I - 9 ta có: + xtbB = 805,8 (kg/m3)

2.1.4.Tốc độ hơi đi trong tháp đệm:

Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lênchuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động; Chế độ chảymàng, chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt ở chế độ sủi bọt thì phalỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục Nếu tăngtốc độ lên thì tháp bị sặc Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của thápdựa vào tốc độ sặc của tháp

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

.

2

.

y d s

tb

V g

/ 1

Trang 33

x, n: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước

, 803

74 , 2 47 , 4

28 , 3

8 / 1 4

/ 1 8

/ 1 4

/ 1

G

G X

Khối lượngriêng xốp, đ,kg/m3

Từ công thức:

16 , 0 3

.

2

.

y d s

tb

V g

y

x y d

x d s

tb

10 0 , 1

10 295 , 0 74 , 2 195

68 , 803 75 , 0 8 , 9 19 , 0

.

16 , 0

3 3

3 16

, 0

 yL = 0,8.1,2 = 0,96 m/sVậy đường kính của đoạn luyện là:

285 , 16094

0188 , 0

0188 ,



tb y y

tb L

g D



Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DL = 1,4 m

* Thử lại điều kiện làm việc thực tế.

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

059 , 1 74

, 2 4 , 1

0188 , 0 285 , 16094

059 , 1

2.2.Đường kính đoạn chưng

Trang 34

Trường Đại Học công nghiệp Hà Nội Khoa công nghệ hoá 2.2.1 Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng

2

' 1 ' g g

+ gn’: Lượng hơi di khỏi đoạn chưng , kg/h

+ g1’: Lượng hơi đi vào đoạn chưng , kg/h

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên ta có:

gn’ = g1



2

' 1

1 g g

+ r1’: Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng , Kj/kg+ xw: Thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy, phần khối lượng

+ r1: Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

( Kg/h)

g’

n : lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng đi vào đoạn luyện

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện

nên g’

n= g’ 1

Trang 35

x1’= 0,039 (phần khối lượng) = 0,046 (phần mol)

- Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

2

07 , 16431 05

, 17023 2

' 1

G = G 1 + G w : lượng lỏng đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng bằng lượng lỏng

ở đĩa cuối cùng của đoạn luyện và lượng lỏng sản phẩm đáy

36 , 21082 2

56 , 21318 6

, 8711 56

, 2134 1 2

' 1

2.2.2 Tính khối lượng riêng trung bình

a/ Đối với pha hơi:

273 4

22

) 1 ( B

T

M y M

y y





(phần mol)Nội suy từ đồ thị hình 2 , (Bảng IX.2a - II - 146)

Với ytbB = 0,28 (phần mol) ta có t0

ytb=104,55 0CVậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng là:

84 , 2 273

* ) 273 55 , 104 (

* 4 , 22

92

* ) 28 , 0 1 ( 78

* 28 , 0

tbB xtb

a a

F a a

Với a1’: Là nồng độ phần khối lượng của pha lỏng ở đĩa dưới cùng đoạn chưngChọn a1’= x1’ = 0,039 (phần khối lượng)

Trang 36

2

039 , 0 3134 , 0

' 1

Với xtbB = 0,198 (phần mol) Nội suy từ đồ thị hình 2 (Bảng IX.2a - II - 146)

ta có: t0

xtb= 102,28 0C, nội suy theo bảng I.2 - [ I - 9]) ta có:

+ B= 790,26 (Kg/m3) + T = 785,49 (Kg/m3)

Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chưng:

2.2.4.Tốc độ hơi đi trong tháp , wy

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm được tớnh theo cụng thức:

.

2

.

y d s

tb

V g

/ 1

 , :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 của nước ở

Trang 37

- Độ nhớt của nước ở t = 20oC, Tra bảng I.102 trong [I - 94] ta có

n = 1,0.10-3 Ns/m2

- Độ nhớt của pha lỏng ở to

tb = 102,28 oC; xC = 0,264.10-3 ,( Ns/m2)Thay số liệu đã tính được ta có

524 , 0 33

, 786

84 , 2 65 , 4

86 , 5

8 / 1 4

/ 1 8

/ 1 4

/ 1

G

G X

.

2

.

y d s

tb

V g

y

x y d

x d s

tb

10 0 , 1

10 264 , 0 84 , 2 195

33 , 786 75 , 0 8 , 9 147 , 0

.

16 , 0

3 3

3 16

, 0

3 2

0188 , 0

0188 ,



tb y y

C tb C

g D



Quy chuẩn đường kính đoạn chưng là DC = 1,4 m

* Thử lại điều kiện làm việc thực tế:

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

062 , 1 84

, 2 4 , 1

0188 , 0 06 , 16727

062 , 1

Trang 38

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

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

2.4.1 Tính chiều cao đoạn luyện:

a 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

2

G

G m h h

x

y

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 :

3 / 2 25 , 0





5 , 0 25 , 0 3 / 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]

Với

t

x tt

F

V

U  : mật độ tưới thực tế, m3/m2.h

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

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

Ft: diện tích mặt cắt tháp, m2

đ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3

B: hằng số, B = 0,065 m3/m.h Bảng IX.6 trong [II – 177]

- Chọn đệm loại vòng Rasiga có các thông số :

Trang 39

69 , 14 68 , 803

42 , 11807

G V

538 , 9 54 , 1

69 , 14

538 , 9

Tính và dựng theo hình IX.16 trong [II – 178] ta được L = 0,805

* Xác định chuẩn số Reynon:

- Chuẩn số Reynon của pha hơi:

d y

s y y









4 , 0

Ta có y = hh được tính theo

T

T B

B hh

hh m M m M M



2 1



Trong đó:

Mhh, MB, MT: khối lượng phân tử của hỗn hợp và cấu tử Benzen và Toluen

hh, B, T: độ nhớt của hỗn hợp và cấu tử Benzen và Toluen

m1, m2: nồng độ của Benzen và Toluen tính theo phần thể tích

Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol, nên

m1 = ytb= 0,7215 phần mol

Thay vào ta có:

[I – 85]

T B T B hh

a a

1

tb

B tb

M y M

y

M y

Sử dụng toán đồ hình I.35 trong [I – 117] và ttbL = 89,44 0C ta tìm được

3 10 0149 ,

0149 , 0

687 , 0 1

10 53 , 1

191 , 1 74 , 2 4 , 0

Rey  5 

- Chuẩn số Reynon của pha lỏng:

x d t

x x

F

G





04 , 0

Trang 40

+ Với x tbL  0 , 64phần mol Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a, [II-146] ta được

C t

1 , 2 10 295 , 0 195 54 , 1

65 , 4 04 , 0

.

04 , 0

x d t

x x

y y

B y

M M v

v P

T

) (

10 0043 , 0

2

5 , 1 4

T: nhiệt độ trung bình của hơi, 0K

P: áp suất chung của hơi, P = 1at

MB = 78: khối lượng phân tử của cấu tử Benzen

MT = 92: khối lượng phân tử của cấu tử Toluen

vB, vT: thể tích mol của hơi Benzen và Toluen, cm3/nguyên tử

1 ) 2 , 118 96

.(

1

) 08 , 359 (

10 0043 , 0

2

5 , 1 4

10 53 , 1



y y

D





* Xác định hệ số khuếch tỏn trong pha lỏng

Được xác định theo công thức: Dx=D20[1+b(t-20)] [II – 134]

Với 0,32







b : Hệ số nhiệt độ lấy ở 200C [II – 135]

: khối lượng riêng của dung môi Toluen ở 200C Tra bảng I.2 - I-9 ta có:

Định dạng
Số trang	85
Dung lượng	2,68 MB