Đồ án quá trình thiết bị

MỤC LỤCMỤC LỤC...1 LỜI MỞ ĐẦU...1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT, DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ...2 CHƯƠNG II: TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH...12 CHƯƠNG III: TÍNH KẾT CẤU CÔ

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT, DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 2

CHƯƠNG II: TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH 12

CHƯƠNG III: TÍNH KẾT CẤU CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH 36

CHƯƠNG IV: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 56

PHỤ LỤC 66

Xác định số đĩa lý thuyết bằng phương pháp vẽ số bậc thay đổi nồng độ 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công nghệ hóa học, để phân riêng hỗn hợp hai hay nhiều cấu tử hòa tan một phần hay hoàn toàn vào nhau, ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như: hấp thụ, hấp phụ, trích ly, chưng cất…Mỗi phương pháp đều có những ưu, nhược điểm nhất định Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị cho phù hợp tùy thuộc vào hỗn hợp ban đầu, yêu cầu của sản phẩm và điều kiện kinh tế

Đồ án môn học Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học là môn học tổng hợp giúp sinh viên có thể tính toán và thiết kế được một hệ thống thiết bị trong công nghệ hóa học cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của các thiết bị trong dây chuyền công nghệ

Nhiệm vụ của đồ án này là: Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục để phân riêng hỗn hợp Chloroforme-Benzene với:

• Năng suất theo hỗn hợp đầu: 66000 kg/ngày

• xF = 38 % khối lượng, xP = 92 % khối lượng, xW = 4,8 % khối lượng

• Tháp đĩa, làm việc ở áp suất thường

Đối với hệ Chloroforme-Benzene là hệ hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, có nhiệt

độ sôi cách xa nhau, nên ta dùng phương pháp chưng luyện liên tục để phân riêng hỗnhợp này

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT,

DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆI.TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM: CHLOROFORME-BENZENE

- Điểm sôi: 61,2 0 C ở áp suất thường 1atm

- Độ hòa tan trong nước: 0,8 g/100 ml ở 1 at và 20 0C

- Chloroforme không dễ cháy nhưng lại dễ bị oxy hóa dưới tác nhân oxy hóa mạnh kèm theo sự tạo thành khí clo và photgen Chloroforme tinh khiết nhạy cảm với ánh sáng

- Chloroforme tạo thành hyddrate CHCl3.17H2O khi bị phân ly ở 1,6 0C và

áp suất 8 kPa Khi gặp nước ở nhiệt độ thường với sự có mặt của oxy,

chloroforme vẫn ở trạng thái bền vững cho đến khi nhiệt độ đến 290 0C Đun nóng chloroforme trong dung dịch kiềm mạnh pha loãng sẽ tạo thành acid

Hỗn hợp sản phẩm sau phản ứng gồm 4 chất: clomêtan, diclomêtan, clorofom, vàcacbon tetraclorua, chúng tách ra qua quá trình chưng cất.

- Làm dung môi:

Clorofom là một dung môi phổ biến vì nó khá trơ, trộn hợp với hầu hết các chấtlỏng hữu cơ, và dễ bay hơi Trong công nghiệp dược phẩm, người ta sử dụng clorofomlàm dung môiđể sản xuất thuốc nhuộm và thuốc trừ sâu Clorofom chứadơtơri (hydronặng), CDCl3, là dung môi phổ biến cho phương pháp đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân.

cyclohexa-1,3,5-dễ chịu nhưng mùi này rất có hại cho sức khỏe con người (gây bệnh bạch cầu), bốc hơivào không khí rát nhanh, dễ cháy Benzen tan rất kém trong nước và rượu Benzen cũng

có khả năng cháy tạo ra khí CO2 và nước, đặc biệt có sinh ra muội than

- Công thức phân tử: C6H6

- Khối lượng phân tử: 78,1121 g/mol

- Tỷ trọng: 0,8786

- Điểm nóng chảy: 5,5 0C (278,6 K)

- Điểm sôi: 80,1 0 C ở áp suất thường 1atm

- Độ hòa tan trong nước: 1,79 (g/l) ở 25 0C

- Độ nhớt: 0,652 cP ở 20 0C

b. Tính chất hóa học:

Benzen trong điều kiện có xúc tác niken, nhiệt độ cao cộng với khí hiđrô tạo

ra xiclohexan Khi có chiếu sáng, benzen tác dụng khí clo tạo ra hexacloran C6H6Cl6 (còngọi là thuốc trừ sâu ba số 6, thuốc trừ sâu 6-6-6), một thuốc trừ sâu hoạt tính rất mạnh, đã

Nếu như có thêm nhóm thế thì phản ứng thế vào nhân thơm sẽ nhanh hơn hoặc chậmhơn tuỳ vào bản chất nhóm thế:

Điều chế:

Benzene được chế tạo phần lớn từ các nguồn dầu hỏa

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

II.TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT, PHƯƠNG PHÁP CHƯNG, CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC VÀ VIỆC LỰA CHỌN THÁP ĐĨA

Trong công nghệ hóa học có nhiều phương pháp để phân riêng hỗn hợp hai haynhiều cấu tử tan một phần hay hoàn toàn vào nhau như : hấp thụ, hấp phụ, li tâm, trích li,chưng…Mỗi phương pháp đều có những đặc thù riêng và những ưu nhược điểm nhấtđịnh Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị cho phù hợp tuỳ thuộc vào hỗn hợp ban đầu,yêu cầu sản phẩm và điều kiện kinh tế Đối với hỗn hợp ethanol và nước là hỗn hợp haicấu tử tan hoàn toàn vào nhau theo bất kỳ tỷ lệ nào có nhiệt độ sôi khác biệt nhau thìphương án tối ưu để tách hỗn hợp trên là chưng cất

Quá trình chưng cất bắt đầu với việc sản xuất rượu từ thế kỷ XI Ngày nay được ứngdụng rộng rãi để tách các hỗn hợp:

 Dầu mỏ, tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng, 3 tỷ tấn/năm

 Không khí hóa lỏng được chưng cất ở nhiệt độ -190 0C để sản xuất Oxy và Nitơ

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

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

Chưng cất là phương pháp tách cấu tử ra khỏi hỗn hợp dựa vào độ bay hơikhác nhau giữa các cấu tử (nghĩa là ở cùng một nhiệt độ áp suất hơi của các cấu tử sẽ khácnhau) bằng cách thực hiện quá trình chuyển pha và trao đổi nhiệt giữa hai pha lỏng, khí:

 Sản đỉnh thu được gồm cấu tử có độ bay hơi lớn, một phần cấu tử có độ bay hơi thấp hơn (P)

 Sản phẩm đáy thu được chủ yếu là cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi (W) Ở đây dung môi và chất tan đều bay hơi

Đối với hệ Chloroforme-Benzene thì:

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu là cấu tử Chloroforme

 Sản phẩm đáy chủ yếu là cấu tử Benzene

Trong sản xuất chúng ta thường gặp những phương pháp chưng cất sau đây :

- Chưng đơn giản : dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất (yêu cầu

các cấu tử có độ bay hơi khác xa nhau)

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp : tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạpchất không bay hơi (chất được tách không tan trong nước)

- Chưng chân không : trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử

 Chưng luyện : là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các

cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hay hòa tan hoàn toàn vào nhau Về thực

chất đây là quá trình chưng nhiều lần để thu được sản phẩm tinh khiết.

Để thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết (chủ yếu là cấu tử chloroforme) sẽ cần tiến hành chưng nhiều lần, tức là quá trình chưng được tiến hành trong hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục.

Người ta đơn giản hệ thống bằng cách thay cả hệ thống sơ đồ thiết bị phải chế tạo phứctạp và cồng kềnh bởi một tháp gọi là tháp chưng luyện Trong đó các dòng pha chuyểnđộng ngược chiều nhau

Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và các hỗnhợp có nhiệt độ sôi quá cao

Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường.Quá trình chưng luyện được thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tục hay giánđoạn

Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiênyêu cầu cơ bản chung cuả các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúcpha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tasncuar một lưu chất này vào lưu chấtkia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tánvào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,…Hai loại tháp thường dùng là tháp đĩa (thápmâm) và tháp đệm (tháp chêm)

tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được tiếp xúc nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa,

ta có:

chêm được ch vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp theo thứtự

Một số hình ảnh của các loại tháp chưng luyện:

Tháp đĩa (tháp mâm):

A Đĩa chóp C Đĩa van tròn

B Đĩa lưới có ống chảy truyền D Đĩa van hình chữ nhật

Đĩa chóp

Đĩa van (đĩa soupape)

Đĩa van Norton Đĩa van Glitsch

Tháp đệm (tháp chêm):

Quá trình tách Choloroforme – Benzene được tiến hành trong thiết bị chưng luyện loại tháp đĩa (theo yêu cầu của đề tài).

III.TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

1.Sơ đồ dây chuyền công nghệ

Hệ thống thiết bị chưng luyện tổng quát gồm có:

- (1): Thùng chứa nguyên liệu

- (12): Thiết bị đun sôi lại sản phẩm đáy

- (13): Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

- (14): Thùng chứa sẩn phẩm đáy

2.Thuyết minh dây chuyền công nghệ

Ta có ts

Chloroforme= 61,2 0C < ts

Benzene= 80,1 0C nên độ bay hơi của Chloroforme lớn hơn

độ bay hơi của Benzene, vậy nên sản phẩm đỉnh chủ yếu là Chloroforme và một phần rất

ít Benzene và ngược lại, sản phẩm đáy chủ yếu là Benzene và một phần rất ítChloroforme

Hỗn hợp Chloroforme – Benzene có nồng độ Chloroforme 38% (theo khối lượng) tạithùng chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) lên thùng cao vị (4) Sự có mặt của thùng cao vịđảm bảo cho hỗn hợp đầu vào tháp không dao động, trong trường hợp công suất bơm quálớn, hỗn hợp đầu sẽ theo ống tuần hoàn tràn về bể chứa hỗn hợp đầu Từ đó được đưa đếnthiết bị gia nhiệt (5) để đun nóng dòng nguyên liệu đi trong ống đến nhiệt độ sôi bằng hơi

nước bão hòa Ra khỏi thiết bị gia nhiệt, dung dịch qua lưu lượng kế (6) rồi đi vào thápchưng luyện ở vị trí đĩa tiếp liệu.

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn từ đoạn luyện của tháp chảy xuống Trong tháp,hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa haipha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng động càng xuống dưới càng giảmnồng độ cấu tử dễ bay hơi (chloroforme) vì đã bị pha hơi tạo nên từ thiết bị đun sôi lại(12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi (chloroforme) Càng lên trên nhiệt độ càng thấp, nên khihơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao, khó bay hơi (benzene) sẽngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử choloroforme nhiềunhất (có nồng độ 92% theo khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) và đượcngưng tụ hoàn toàn bằng cách trao đổi nhiệt với nước lạnh đi ngoài ống Một phần củahỗn hợp lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng để tăng mức độ phân tách.Phần hỗn hợp lỏng ngưng tụ còn lại được đưa qua thiết bị làm lạnh (10) bằng nước lạnh đingoài ống, sau đó được đưa đến thùng chứa sẩn phẩm đỉnh (11), tại đây nồng độ của cấu

tử Chloroforme đạt được 92% theo khối lượng

Trong tháp chưng luyện, dòng lỏng đi từ trên xuống một phần cấu tử có nhiệt độ sôithấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuốicùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (benzene) Ở đây,dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi ở thiết bị đun sôi ngoài dạng Kettle nhằm cung cấplại cho tháp tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun có nồng độ Chloroforme là4,8% theo khối lượng, còn lại là Benzene đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13),được làm nguội rồi được đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy (14)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh chủ yếu là chloroforme, và sản phẩmđáy chủ yếu là benzene

CHƯƠNG II: TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNHA.CÂN BẰNG VẬT LIỆU, NHIỆT LƯỢNG

nguyên liệu vào, sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy (kmol chloroforme/kmol hỗn hợplỏng)

- bF, bP, bW : nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp hơi củadòng nguyên liệu vào, sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy (kg chloroforme/kg hỗn hợphơi)

- y F , y P , y W : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp hơi của dòngnguyên liệu vào, sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy (kmol chloroforme/kmol hỗn hợphơi)

Số liệu ban đầu:

- GF = 66000 (kg/ngày) = 2750 (kg/h)

- aF = 38% khối lượng = 0,38 (kg chloroforme/kg hỗn hợp dòng vào)

- aP = 92% khối lượng = 0,92 (kg chloroforme/kg hỗn hợp đỉnh)

- aW= 4,8% khối lượng = 0,048 (kg chloroforme/kg hỗn hợp đáy)

W P F

a G a G a G

G G G

.

.

⇔

F P

W W

F

P W

F

a a

G a

a

G a

048 , 0 38 , 0

a a

a a

W P

W F

38 , 0

5 , 119

38 , 0 1

6 6 3

3

− +

=

− +

=

H C

F CHCl

F CHCl F F

M

a M

a M

a x

= 0,286 (kmol CHCl3/kmol hỗn hợp F)

78

92 , 0 1 5 , 119

92 , 0

5 , 119

92 , 0 1

6 6 3

3

− +

=

− +

=

H C

P CHCl

P CHCl P P

M

a M

a M

a x

= 0,882 (kmol CHCl3/kmol hỗn hợp P)

78

048 , 0 1 5 , 119

048 , 0

5 , 119

048 , 0 1

6 6 3

3

− +

=

− +

=

H C

W CHCl

W CHCl W W

M

a M

a M

a x

F F

P P

Nồng độphần mol

Lưu lượngkhối lượng(kg/h)

Lưu lượngmol (kmol/h)

Để đơn giản tính toán ta thừa nhận những giả thiết sau:

- Số mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong mọi tiết diện của tháp

- Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi

- Chất lỏng ngưng trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi đi rakhỏi đỉnh tháp

- Đun sôi ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp

- Số mol chất lỏng không thay dổi theo chiều cao trong đoạn chưng và đọan luyện

Ta có phương trình cân bằng vật liệu đối với đoạn luyện:

Gy = Gx + PTrong đó:

- Gy: lưu lượng pha hơi đi từ dưới lên ra khỏi đỉnh tháp (kmol/h)

- Gx: lưu lượng pha lỏng đi hồi lưu trở về lại đi từ trên xuống (kmol/h)

x x P

G y

x n

S

x x S

x

R

x B R

R A

x = Gx + F lượng lỏng trong đoạn chưng từ trên xuống

W : lưu lượng sản phẩm đáy (kmol/h)

F : lưu lượng hỗn hợp đầu (kmol/h)

Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi (chloroforme):

G’xx’n = Gyy’n+1 + WxW

x

n x

x

R

L x R

L R y

1

11

−

−

′+

,1

+

=

x x

x

R

L B R

L R A

Hai đường làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện giao nhau tại hoành độ x=xF

3.Tính thành phần mol cân bằng của các cấu tử dựa vào dữ liệu cân bằng pha:

Thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử Chloroforme-Benzene ỏ áp suất thường (P=760 mmHg) (phần trăm mol):

A B A A

x x

y y x x y y

−

−

− +

A B

S A

s B A

S A

x x

t t x x t t

−

−

− +

4.Xác định số đĩa lý thuyết:

Xác định chỉ số hồi lưu Rx và số đĩa lý thuyết tối thiểu:

Chỉ số hồi lưu Rx là tỷ số giữa lượng lỏng hồi lưu và lượng sản phẩm đỉnh

 Xác định Rxmin:

676,4286,0391,0

391,0882,0

F P x

x y

y x R

 Xác định các giá trị Rx=b.Rxmin với b=1,2-2,5

 Xác định các giá trị = R x P+1

x

B : giá trị tọa độ gốc của phương trình đường nồng độlàm việc của đoạn luyện

4.1.Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện:

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện là phương trình đường thẳng có dạng :

R

x B R

R A

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng là phương trình đường thẳng có dạng:

B x A

1'

x

x x

R

L B R

L R A

Nlt=24,1 b=1,8

B=0,094

hồi lưu R x =8,417 và số đĩa lý thuyết N lt =24,1 trong đó:

Suy ra :

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

=+

++

=

1

P x

x

R

x x R

R

1417,8

882,01417,8

417,

−++

L x

R

L R

y

x x

1417,8

349,31'1417,8

349,3417,

+

−++

136,9

600,

=

=

P F L

- Nlt: số đĩa lý thuyết (số bậc thay đổi nồng độ)

- ηtb : hiệu suất trung bình của thiết bị

3

W F P tb

ηηη

α là độ bay hơi tương đối của hỗn hợp

y, x : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi và pha lỏng

 Vị trí đĩa đầu tiên ở đỉnh tháp:

Vị trí đĩa đầu tiên của đỉnh tháp:

Ts

P = 66,240 0C ⇒ µchloroforme = 0,371*10-3 N.s/m2

µBenzene = 0,367*10-3 N.s/m2

[Tra bảng I.101 và I.102-Sổ tay QTTBCNHH tậpI]

⇒ log(µhh) = xP*log(µchloroforme) + (1-xP)*log(µBenzene )

⇒ µhh = 0,371*10-3 (N.s/m2)= 0,371 (cSt)

α = 1−0,0952,952 1−0,0882,882 = 2,653α*µhh = 2,653.0,371 = 0,984

⇒ ηP = 0,485 [Tra đồ thị IX.11 Trang 171 Sổ tay QTTBCNHH tập II]

Vị trí đĩa nạp liệu:

Ts

F = 77,368 0C ⇒ µchloroforme = 0,338*10-3 N.s/m2

µBenzene = 0,326*10-3 N.s/m2

[Tra bảng I.101 và I.102-Sổ tay QTTBCNHH tậpI]

⇒ log(µhh) = xF*log(µchloroforme) + (1-xF)*log(µBenzene )

⇒ µhh = 0,329*10-3 (N.s/m2)= 0,329 (cSt)

α = 1−0,0391,3911−0,0286,286 = 1,603α*µhh = 1,603.0,329 = 0,527

⇒ ηF = 0,66 [Tra đồ thị IX.11 Trang 171 Sổ tay QTTBCNHH tập II]

Vị trí đĩa cuối cùng của đáy tháp:

Ts

W = 80,280 0C ⇒ µchloroforme = 0,329*10-3 N.s/m2

µBenzene = 0,315*10-3 N.s/m2

[Tra bảng I.101 và I.102-Sổ tay QTTBCNHH tậpI]

⇒ log(µhh) = xW*log(µchloroforme) + (1-xW)*log(µBenzene )

⇒ µhh = 0,315*10-3 (N.s/m2) = 0,315 (cSt)

α = 1−0,0042,042 1−0,0032,032 = 1,326α*µhh = 1,326.0,315 = 0,418

⇒ ηW = 0,713 [Tra đồ thị IX.11 Trang 171 Sổ tay QTTBCNHH tập II]

Suy ra:

3

W F P tb

ηηη

3

713,066,0485,

N

N =

619,0

1,24

Trong đó:

- Số đĩa thực tế của đoạn luyện là: = = =

619,0

6

tb

ηlt

đl tt

N

- Số đĩa thực tế của đoạn chưng là: = = =

619,0

1,18

tb

ηlt

đc tt

N

Vậy số đĩa thực tế : N tt =39 trong đó:

-Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguyên liệu rẻ tiền, phổ biến trong thiên nhiên

và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ

Với:

-QD1: Lượng nhiêt hơi nước mang vào đun sôi hỗn hợp đầu

-Qf: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào

-QF: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra

-Qxq1: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh

-QD2: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp

-QR: Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào

-Qy:Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp

-QW:Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra

-Qxq2:Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh

1.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:

Theo công thức IX149/198 Sổ tay QTTB & CNHH tập II

QD1 + Qf = QF +Qxq1 + Qng1 (J/h)

)(

.D

QD1 = 1λ1 =D1 r1 +t1C1 (J/h) (IX-150/149 sổ tay QTTB CNHH tập 2 )

Trong đó : -D1: Lượng hơi đốt, (kg/h)

- r1: Ẩn nhiệt hóa hơi, (J/kg)

- λ1: Hàm nhiệt hóa hơi của hơi đốt, (j/kg)

- t1: Nhiệt độ nước ngưng, (oC)

- C1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng, (J/kg0C)

• Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:

f f

f F C t

Q = (J/h)

- F: Lượng hỗn hợp đầu, (kg/h)

- Cf: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, (J/kg.độ)

- tf: Nhiệt độ đầu của hỗn hợp, (0C)

F F F

F G C t

Q = (J/h)

- CF: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra, (J/kg độ)

- tF: Nhiệt độ hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng, (0C)

Q Q D

r

Q Q

Q r

Q Q

Q D

1

f f F F F

1

f F 1

1

f m 1 F

1

f xq1 1

F 1

0,95

) _ (

G 0,95

_

_ _

=

=

⇒

+ +

= +

) 3 1

.(

C77,368 6 H 6 C 3

C77,368

3 CHCl CF

) 3 1

.(

C25

6 6 C 3

C25

3 CHCl Cf

CHCl a CHCl

a

CHCl

a H

a CHCl

− +

=

− +

r C t

t

C r

Q Q D

1

f f F F F

1

f F

) _ (

G 0,95

) 25 725 , 1478 368 , 77 483 , 1673 (

2750

∗

−

2.Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện:

Tổng lượng nhiệt mang vào tháp bằng tổng lưọng nhiệt mang ra

với: +D2: Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp, (kg/h)

+ λ2: Hàm nhiệt của hơi nước, (J/kg)

+t2, C2: Nhiệt độ và nhiệt dung riêng của nước ngưng, (J/kg.độ)

+r2: Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, (J/h)

QR = GR.CR.tR = Gp.Rx.CR.tR (J/h)

Với: + GR: Lượng lỏng hồi lưu: GR = P.Rx ,(kg/h)

+CR, tR: Nhiệt dung riêng (J/kgđộ) và nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu (0C);

→Nhiệt dung riêng của lượng lỏng hồi lưu ứng với nhiệt độ tR = tP = 66,240 0C

) 3 1

.(

C66,240

6 6 C 3

+λCHCl3, λ C6H6: Nhiệt lượng riêng của cấu tử A và B ở đỉnh tháp

+tp: Là nhiệt độ sôi tại đỉnh tháp, tp = 66,240 0C

+Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp ra khỏi đỉnh tháp ở nhiệt độ 66,240 0C, (J/kg.độ):

) 3 1

.(

C66,240

6 6 C 3

.(

r

6 6 C 3

r

+ tW nhiệt độ của sản phẩm đáy0C: tw = 80,280 0C

+ CW nhiệtdung riêng của sản phẩm đáy (J/kgđộ)

C80,280 .(1 W)

6 6 C W C80,280

3 CHCl a H a

+ Gng2: Lượng nước ngưng tụ, (kg/h)

+C2, t2: Nhiệt dung riêng, (J/kg.độ) và nhiệt độ của nước ngưng, (oC)

- Vậy lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp

r2 0.95

QR QF QW Qy 2

r

QR QF Qxq2 2

QW Qy

−

− +

=

−

− +

+ +

= Q ng

3 10 2264 0.95

1145774091 -

356053590 -

1 272303298, 3297326442

3.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn:

Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn:

Gp (Rx+1).r = Gn1.Cn1 (t2-t1)

Vậy lượng nước lạnh tiêu tốn là:

)t1t2(

C n

r.1)

R x(.p

G

Cn nhiệt dung riêng của nước làm lạnh

t1, t2 là nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh:

Chọn t1 = 25 0C, t2 = 40 0C nên t0

tb = (25+40)/2 = 32,5 (0C)Tra bảng I.147/165 sổ tay quá trình và công nghệ hóa học

84,257592)

1417,8.(

018,1047)

t1

t 2(

C n

r.1)

R x(.p

G

4.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:

- Đã ngưng tụ hoàn toàn trong thiết bị ngưng tụ:

P.CP.(t’

1 –t’

2 ) = Gn2 Cn2 (t2-t1)+ Cp: Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh

30)-66,2801159,865.(

.018,1047)

12.(

2

)'2'1(

C n

t t

C P P

G

Vậy tổng lượng nước tiêu tốn: Gn = Gn1 + Gn2 = 40507,269 +702,686 = 41209,955

= 41210 (kg/h)

B.THÔNG SỐ CHÍNH CỦA THÁP

Nhiệt dung riêng, ẩn nhiệt hóa hơi của Chloroforme, Benzene ở một số nhiệt độ [bảng

I.147 trang 165, bảng I.154 trang 172, Sổ tay tập 1] và bằng nội suy

V D

Vtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, m3/h

ωtb: vận tốc hơi trung bình đi trong tháp, m/s

1.Đường kính đoạn luyện:

Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện:

2

1

g g

tb

+

= (kg/h) hay (kmol/h) với

gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h) hay (kmol/h)

g1y1 = G1x1 + GPxP (2)

g1r1 = gđrđ (3)

P P

r g r g

x G x G y g

1 1

1 1 1 1

P 1

1 G Gg

Trong đó:

y1 là phần mol của cấu tử nhẹ trong hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất

r1 là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vão đĩa thứ nhất

rđ là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp

640,395487

037,240350

257592,84

769,9859

92,0.018,104738

,0

018,1047

1 1

1

1 1

1 1 1

1 1

b b

r

r g

G b g

G g

)/(558,7807

)/(932,325300

452,

h kg g

kg J r

b

Nồng độ phần mol của cấu tử nhẹ (Chloroforme) trong hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất:

=

−+

=

−+

=

78

452,015,119

452,0

5,119

452,0b

1M

b

M

by

6 6 3

3

1 CHCl

1

CHCl 1

1

H C

M

0,350 (phần mol)

Ở đây lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng bằng giá trị trungbình của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa thứ nhất củađoạn luyện: theo IX91/173 Sổ tay QTTB&CNHH – tậpII:

2

558,78079859,769

2

gg

M ) y (1 M y

ρ tb1 A tb1 B

77,36866,240

344,804 (K)Nồng độ phần mol trung bình của Chloroforme trong pha hơi đoạn luyện:

2

882,0350,02

tb P

y y

0,616 (phần mol)

Do đó

804,344.4,22

)78)

616,01(5,119.616,0(273.22,4.T

)).My-(1.M

(y

6 6

CHCl tb ytb

1 11

xtb

tb xtb

tb xtbl

a a

ρρ

ρ

−+

=

Trong đó

+ ρxtb,ρxtb1,ρxtb2: lần lượt là khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, khối lượng

riêng của Chloroforme và Benzene tra theo nhiệt độ trung bình

+ atb1: Nồng độ % khối lượng ứng với nhiệt độ trung bình:

0,65 (phần khối lượng)Theo bảng I.2-trang 9 sổ tay QTTB&CNHH tập1

Tra bảng I.242 trang 300 Sổ tay QTTB&CNHH tập I ở t = 71,804 0C

σ 22,284.10-3 (N/m)

6 6 3

11

ytb tb tb

tb đl

h

V w

V D

ρρσϕπ

ρ

4

3600

.4

=

=

ytb xtb

tb

h

g

ρρσ

.065,0.0188,0

=

661,3.480,1121.355,0.8,0.065,0

664,8833

0188,0

=

= 1,254 (m)

→ thỏa việc chọn h = 0,355 m trong khoảng h = (0,35;0,45) tương ứng với

D trong khoảng (1,2;1,8)

2.Đường kính đoạn chưng:

- Lưu lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng: được tính gần đúng bằng trung bìnhcộng lượng hơi ra khỏi đoạn chưng và lượng hơi vào đoạn chưng:

22

, 1 1

, 1

, , g g g g

-Lượng hơi vào đoạn chưng g’

1, lượng lỏng G1’ và hàm lượng x1’ trong đoạn chưngđược xác định bằng hệ phương trình sau:

' 1

' 1

' 1

' 1

' 1

' 1

r g r g r g

x G y g x G

G g G

n n

W W W W

(IX.98, IX.99, IX.100/183 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa học)

Trong đó:

+ y1’ = yW = 0.042 phần mol → bW = 0,063 (phần khối lượng)

(tìm theo đường cân bằng ứng với xW)

+ g1’: Lượng hơi đi vào đoạn chưng;

+ G1’: Lượng lỏng ứng với đĩa cuối của đoạnchưng;

+ x1’: Hàm lượng lỏng ứng với đĩa cuối;

- r1’: Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng;

.(1 )

6 6 3

'

1 r CHCl a W r C H a W

=239161,320.0,063+393354,047.(1-0,063)=383639,905 (J/kg) → = = 7807,558=

905,383639

932,325300 1

' 1

1 ' 1 ' g r

6620,286.0

' 1

' 1

' 1 '

1

G

x G y g

,78072

' 1 1 ' g g

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi:

273

4,22

)

1(

6 6

2

T

M y M

ytb

−+

=ρ

Nồng độ phần mol trung bình của cấu tử nhẹ (Chloroforme) trong đoạn chưng:

=

+

=2

1

tb

y y

2

042,0350,

2

W

F t t

824,351.4,22

78)

196,01(5,119.196,0273

4,22

)

1(

T

M y M

=2,984 (kg/m3)-Pha lỏng :

Ta có thiết bị được sử dụng là tháp chóp nên tốc độ hơi đi trong tháp được xác định:

hh σ

1σ

1σ

=σ

⇒ hh 10,118.10-3 N/m = 10,118 dyn/cm < 20 dyn/cm nên chọnϕ[ ]σ =0,8

Mặt khác:

2

2 1

2 11

xtb

tb xtb

tb xtb

a a

ρρ

ρ

−+

=

2

048,038,02

2 F W

tb

a a

Tra bảng I.2 trang 9 Sổ tay QTTB&CNHH tập I ở t= 78,824 0C ta được:

1

3 xtb CHCl ρ

Vậy đường kính đoạn chưng là

ytb xtb

ytb tb tb

tb đl

h

V w

V D

ρρσϕπ

ρ

4

tb

h

g

ρρσ

.065,0.0188,

=

984,2 894,594

355,0.8,0.065,0

7213,922

0188,0

=

II.CHIỀU CAO THÁP CHƯNG LUYỆN:

Chiều cao tháp được áp dụng theo công thức:

H h

N

H = tt.( +δ)+∆

Trong đó:

-Ntt: số đĩa thực tế, Ntt = 39 đĩa

-δ : bề dày của đĩa D = 1,4 (m) < 2 (m) nên chọn δ = 3 (mm) = 0,003 (m)

- ∆H: Khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị

Vì tháp làm việc ở áp suất thấp P < 30 bars:∆H =(0,4−0,8)D

- Lưu ý :việc chọn h là rất quan trọng, phải chọn sao cho thích hợp:

+Nếu h quá ngắn thì chất lỏng bị bắn từ dưới lên đĩa trên nhiều lần làm xáo trộn chế độlàm việc của đĩa trên

+Nếu h quá lớn thì gây lãng phí về vật liệu, hơi đốt

→ H = 39.(0,355+0,003) + 0,84 = 14,802 (m)

CHƯƠNG III: TÍNH KẾT CẤU CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH

A.TÍNH VÀ CHỌN ĐĨA VÀ KIỂM TRA TRỞ LỰC

I.TÍNH VÀ CHỌN ĐĨA

-Chọn đường kính trong của ống hơi theo tiêu chuẩn là: dh = 50 (mm) = 0,050 (m)-Số chóp phân bố trên một mâm : Trong thực tế thường chọn tổng tiết diện ống hơi trênmỗi mâm bằng 10% tiết diện tháp nên ta có:

4,1.1,0

1,0

-Chiều cao chóp trín ống dẫn hơi

-Chiều cao mực chất lỏng trín khe chóp h1 = 15-40 mm, chọn h1 = 25 mm

1.Đĩa của đoạn luyện:

-Chiều cao khe chóp:

x

y y

g

b

ρ

ρωξ

2

=

Trong đó:

n d

V

h

y y

3600

.4

g

V

+ ρx, ρy : Khối lượng riíng của pha lỏng vă pha hơi, kg/m3

+ξ:hệsốtrởlựccủađĩachóp,chọnξ=2trong(1,5→2)

.79.0,0503600

2412,910

661,3.321,4

π

i = ∗ − C: khoảng câch giữa câc khe 3-4 (mm), chọn C = 3 mm = 0,003 m

050,0075,0.(

003,0

).4.(

2 2

ππ

b

d d c

-Chiều rộng khe chóp được xâc định từ liín hệ:

i(c+a) = dch