CHƯNG LUYỆN THÁP ĐĨA LỖ CÓ ỐNG CHẢY TRUYỀN

NỘI DUNGI.ĐầU Đề THIếT Kế.Thiết kế và tính toán hệ thống chưng luyện liên tục Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền làm việc ở áp suất thường để phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 (Cacbondisunfua và Cacbontetraclorua)Hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi.Tháp loại: Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền.II.CÁC Số LIệU BAN ĐầU.•Năng suất tính theo hỗn hợp đầu: GF = 5,4 kgs•Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong:Hỗn hợp đầu: aF= 30 % khối lượngSản phẩm đỉnh: aP= 97 % khối lượngSản phẩm đáy: aw=0,5 % khối lượng

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập- Tự do-Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Họ và tên sinh viên : Nguyễn Thị Lan

Mã sinh viên : 0741120304

Giáo viên hướng dẫn: Cô Phan Thị Quyên

NỘI DUNG

I ĐẦU ĐỀ THIẾT KẾ.

Thiết kế và tính toán hệ thống chưng luyện liên tục Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền làmviệc ở áp suất thường để phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 (Cacbondisunfua vàCacbontetraclorua)

Hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi

Tháp loại: Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền

II CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU.

 Năng suất tính theo hỗn hợp đầu: GF = 5,4 kg/s

 Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong:

 Hỗn hợp đầu: aF= 30 % khối lượng

 Sản phẩm đỉnh: aP= 97 % khối lượng

 Sản phẩm đáy: aw=0,5 % khối lượng

Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn



Hà Nội, ngày … tháng … năm 2015 Người nhận xét MỤC LỤC NỘI DUNG 1

I Đầu đề thiết kế 1

II Các số liệu ban đầu 1

LỜI MỞ ĐẦU 7

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG 8

I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN 8

1 Phương pháp chưng luyện 8

2 Thiết bị chưng luyện 9

II GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG LUYỆN 10

1 Cacbondisunfua CS2 10

2 Cacbontetraclorua CCl4 11

III VẼ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 13

1 Dây chuyền sản xuất 13

2 Nguyên lí hoạt động 14

PHẦN III : TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THÁP CHƯNG 15

I TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU 15

1 Hệ cân bằng phương trình vật liệu : 15

2 Chuyển đổi nồng độ 16

II Tính chỉ số hồi lưu thích hợp: 17

1 Tìm chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng luyện (Rmin) 17

2 Tìm chỉ số hồi lưuthích hợp Rth 17

3 Phương trình đường nồng độ làm việc : 18

III TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG LUYỆN 19

1 Đường kính đoạn luyện : 19

2 Đường kính đoạn chưng 24

IV TÍNH CHIỀU CAO THÁP 28

1 Hệ số khuếch tán 28

2 Hệ số cấp khối 30

3 Hệ số chuyển khối, đường cong động học, số đĩa thực tế 33

4 Hiệu suất tháp, chiềucao tháp 37

5 Chọn loại đĩa 37

V TÍNH TRỞ LỰC THÁP 38

1 Trở lực của đĩa khô 38

2 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt 39

3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa 40

4 Trở lực của tháp 41

VI TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 41

1 Tính cân bằng nhiệt trong thiết bị gia nhệt hỗn hợp đầu: 41

2 Tính cân bằng nhiệt lượng toàn tháp chưng luyện 43

3 Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị ngưng tụ: 46

4 Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị làm lạnh 47

PHẦN III: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 48

I TÍNH TOÁN THÂN THÁP 48

1 Áp suất trong thiết bị 49

2 Ứng suất cho phép 49

3 Tính hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc 50

4 Đại lượng bổ sung 50

5 Chiều dày thân tháp 50

II TÍNH ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN 51

1 Đường kính ống chảy chuyền 52

2 Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp 52

3 Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh: 53

4 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy : 53

5 Tính đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh 54

6 Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đáy 55

III Tính chiều dày đáy và nắp thiết bị : 55

1 Chiều dày nắp: 56

2 Tính chiều dày đáy 57

IV Tra bích 58

1 Chọn bích để nối thân và đáy thiết bị 58

2 Chọn bích để nối các ống dẫn vào thân 59

V Tính giá đỡ và tay treo 59

1 Tính khối lượng toàn bộ tháp 59

2 Chọn giá đỡ và tay treo 61

PHẦN IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 63

I Tính toán thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 63

1 Xác định lượng nhiệt cần thiết để đun sôi dung dịch đầu 63

2 Hệ số cấp nhiệt từng lưu thể 64

3 Tính tổng trở thành ống 67

4 Hiệu số nhiệt độ ở hai bề mặt thành ống 67

5 Nhiệt lượng do thành ống cung cấp cho dung dịch 68

6 Bề mặt truyền nhiệt 68

7 Số ống truyền nhiệt 68

8 Tính đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 68

9 Vận tốc thực chảy trong ống 69

II Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đáy 69

1 Xác định lượng nhiệt cần thiết để đun sôi dung dịch đầu 69

2 Hệ số cấp nhiệt từng lưu thể 70

3 Tính tổng trở thành ống 73

4 Hiệu số nhiệt độ ở hai bề mặt thành ống 73

5 Nhiệt lượng do thành ống cung cấp cho dung dịch 73

6 Bề mặt truyền nhiệt 74

7 Số ống truyền nhiệt 74

8 Tính đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 74

9 Vận tốc thực chảy trong ống 74

III TÍNH BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ 75

1 Các trở lực của quá trình cấp liệu 76

2 Tính chiều cao của thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu 84

3 Tính toán bơm 85 PHẦN V: KẾT LUẬN 88 PHẦN VI: TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời kỳ đất nước đang trong quá trình phát triển theo hướng công nghiệp hóa,hiện đại hóa đất nước thì nền công nghiệp của nước ta cũng phát triển mạnh kéo theo sự pháttriển của ngành sản xuất các hợp chất hóa học,bởi các hợp chất hóa học có ứng dụng vô cùngquan trọng để các ngành khác phát triển

Khi kinh tế phát triển, nhu cầu của con người ngày càng tăng Do vậy các sản phẩmcũng đòi hỏi cao hơn, đa dạng hơn, phong phú hơn, theo đó công nghệ sản xuất cũng phảinâng cao Trong công nghệ hóa học, việc sử dụng hóa chất có độ tinh khiết cao là yếu tố cănbản tạo ra sản phẩm có chất lượng cao Có nhiều phương pháp khác nhau để làm tăng nồng

độ, độ tinh khiết của sản phẩm tạo thành như: chưng cất, cô đặc, trích ly… Tùy vào tính chấtcủa hệ mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp.Đối với hệ Cacbondisunfua CS2 vàCacbontetraclorua CCl4 là một trong những sản phẩm của ngành công nghiệp tổng hợp hữu

cơ Chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học nói chung cũng như công nghiệphữu cơ nói riêng như trong công nghiệp hoá dầu, dược phẩm, phẩm nhuộm,… Thông thườngtrong công nghiệp hữu cơ, CS2 và CCl4 ở dạng hỗn hợp nên muốn sử dụng chúng người ta cầnthiết phải tách riêng biệt chúng Để thực hiện điều này, người ta có thể tiến hành chưng luyệnhỗn hợp trong các tháp chưng luyện liên tục hoặc gián đoạn

Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế một thiết bị hay

hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất,em được nhận đồ án môn học: “Quá trình

và thiết bị Công nghệ Hóa học”.Việc thực hiện đồ án này là điều rất có ích cho mỗi sinh

viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức

của giáo trình “Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” Trên cơ sở lượng

kiến thức đó kết hợp với kiến thức của một số môn khoa học khác có liên quan,mỗi sinh viên

sẽ tự thiết kế một thiết bị, hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trongquá trình công nghệ.Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụngtài liệu trong việc tra cứu,vận dụng đúng những kiến thức,quy định trong tính toán và thiếtkế,tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề mộtcách có hệ thống

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG

I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN

1 Phương pháp chưng luyện.

Chưng luyện là một phương pháp chưng cất nhằm để phân tách một hỗn hợp lỏng hayhỗn hợp khí đã hóa lỏng dựa trên độ bay hơi tương đối khác nhau giữa các cấu tử thành phần

ở cùng một áp suất

Phương pháp chưng luyện này là một quá trình chưng luyện trong đó hỗn hợp được bốchơi và ngưng tụ nhiều lần, kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp thu được một hỗn hợp gồm hầu hếtcác cấu tử dễ bay hơi và nồng độ đạt yêu cầu, phương pháp chưng luyện cho hiệu suất phântách cao, vì vậy nó được sử dụng nhiều trong thực tế như: sản xuất rượu, tách hỗn hợp dầu

mỏ, tài nguyên, sản xuất metanol, propylen…

Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, người ta đưa ra nhiều thiết bị phân tách

đa dạng như tháp chóp, tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền,tháp đệm… Trong đồ án này em được giao thiết kế tháp chưng luyện liên tục tháp đĩa lỗ cóống chảy truyền để phân tách 2 cấu tử CS2 và CCl4, chế độ làm việc ở áp suất thường và hỗnhợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

 Các phương pháp chưng cất

 Áp suất làm việc:

- Chưng cất áp suất thấp

- Chưng cất áp suất thường

- Chưng cất áp suất cao

Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên nhiệt độ sôi của các cấu tử nếu nhiệt độ sôi củacác cấu tử quá cao thì giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

 Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn

 Chưng gián đoạn: phương pháp này sử dụng trong các trường hợp :

- Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

- Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

- Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

- Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

 Chưng liên tục: là quá trình được thực hiện liên tục nghịch dòng và nhiều đoạn.

2 Thiết bị chưng luyện

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp khác nhau nhưng đều có một yêu cầu

cơ bản là diện tích tiếp xúc bề mắt pha lớn, điều này phụ thuộc độ phân tán lưu chất vàoTháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng các tháp lớn thường được sửdụng trong công nghệ lọc hóa dầu, đường kính tháp phụ thuộc lượng pha lỏng và luợng phakhí,độ tinh khiết của sản phẩm Theo khảo sát thường có 2 loại tháp chưng: tháp đĩa và thápđệm

 Tháp đĩa: thân tháp hình trụ thẳng đứng bên trong có gắn các đĩa, phân chia thân thápthành những đoạn bằng nhau Trên đĩa, pha lỏng và pha khí tiếp xúc với nhau Tùy thuộc vàocấu tạo ta có các loại tháp đĩa:

Tháp đĩa chóp :

Tháp đĩa lỗ: trên đĩa có các lỗ có đường kính (2-12 mm) có 2 loại tháp đĩa lỗ

 Tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền

 Tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền

 Tháp đệm: tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn

Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền có những ưu điểm khắc phục được nhiều nhược điểm của các loại tháp khác như:

- Với cùng một chức năng, tổng khối lượng tháp đĩa thường nhỏ hơn tháp đệm do tháp đĩa có bề mặt tiếp xúc pha lớn và hiệu xuất làm việc cao.

- Tháp đĩa thích hợp trong trường hợp có số đĩa lý thuyết hoặc số đơn vị truyền khối lớn.

- Cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh, sửa chữa, làm sạch.

- Trở lực thiết bị không lớn

- Làm việc được với chất lỏng bẩn, khí bẩn, vận tốc khí lớn

Chính nhờ những ưu điểm trên mà tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền được sử dụng để phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS 2 và CCl 4 trong trường hợp này.

III GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG LUYỆN

- Là một chất lỏng không màu dễ bay hơi

- Hợp chất này là một chất không phân cực, thường được sử dụng làm nguyên liệu trongtổng hợp hóa hữu cơ ở cả cấp công nghiệp, làm dung môi cho các chất không phân cực nhưbrom, iot, cao su, nhựa…

- Nó có mùi giống ete

- CS2 rất độc nên được làm thuốc trừ sâu trong nông nghiệp

b Tính chất hóa học

- Các chất ái lực hạt nhân như các amin tạo ra các dithiocacbamat

2R2NH + CS2 → [R2NH2+][R2NCS2−]

- Các xanthat tạo thành một cách tương tự từ các alkoxit

RONa + CS2 → [Na+][ROCS2−]Phản ứng này là nền tảng của sản xuất xenluloza tái sinh, thành phần chính của viscoza,rayon và xenlophan Cả xanthat và thioxanthat tương ứng (sinh ra từ xử lý CS2 với cácthiolat natri) đều được sử dụng như là tác nhân tách đãi trong chế biến, xử lý khoáng vật

- Sunfua natri tạo ra trithiocacbonat:

Na2S + CS2 → [Na+]2[CS32−]

- Clo hóa CS2 tạo cacbontetraclorua

CS2 + Cl2  CCl4 + S2Cl2

3 Cacbontetraclorua CCl4

- Tên khác: Tetraclometan, Benifom, Cacbon clorua, Metan tetraclorua, Peclometan,

Cacbon tet, Tetrafom.

- CTCT:

a Tính chất vật lývà ứng dụng

- Tỷ trọng: 1,5842g/cm3 chất lỏng

1,831g/cm3 ở -186℃ rắn1,809 g/cm3 ở -80℃ rắn

- Là chất không bắt cháy, dùng làm chất dập lửa, làm lạnh

- Là 1 trong những chất độc mạnh nhất đối với gan và sử dụng trong nghiên cứu khoa học

để đánh giá chất bảo vệ gan

c Tính chất hóa học

CCl4 không tham gia trực tiếp các phản ứng hóa học mà chỉ là dung môi cho các chấtkhông phân cực trong các phản ứng hóa học

Phản ứng quan trọng nhất là:

Khi cho toluen vào trong Br2/CCl4 thì brom sẽ thế vào vị trí o-, p- của vòng, và chỉ thế 1 nguyên tử H, khác với dungdịch Br2 trong H2O là dung môi phân cực nên khi phản ứng vớitoluen sẽ thế 1 lần vào 3 vị trí o- và p- tạo thành dẫn xuất tribrom.

Đó chính là điểm khác biệt cơ bản giữa Br2/H2O và Br2/CCl4 khi phản ứng với toluen hay phenol

C6H5OH + Br2(H2O)  Br3-C6H2-OH + HCl

(nếu Br2 dư còn pư tiếp theo pư cộng nữa nhưng thường chỉ xét pư này)

hai cấu tử này rất quan trọng và có ý nghĩa lớn trong thực tế Đây là hỗn hợp hai cấu tử ở

IV VẼ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

1 Dây chuyền sản xuất

Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền công nghê chưng luyện liên tụcChú thích:

1.Thùng chứa hỗn hợp đầu 6.Thiết bị ngưng tụ

4.Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 9.Thiết bị gia nhiệt sản phẩm đáy

5.Tháp chưng luyện 10.Thùng chứa sản phẩm đáy

4 Nguyênlí hoạt động

Hỗn hợp CS2 và CCl4 từ thùng chứa ban đầu (1) được bơm lên thùng cao vị bằng bơm(2) Chất lỏng trên thùng cao vị nếu vượt quá mức quy định thì sẽ được cho chảy trở lại thùngchứa (1) đầy thùng chứa Hỗn hợp CS2 – CCl4 từ thùng cao vị sẽ đi qua thiết gia nhiệt hỗnhợp đầu Ở đây hỗn hợp đầu được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa sau đó đivào tháp chưng luyện (5) tại đĩa tiếp liệu

Trong tháp chưng luyện hơi đi từ dưới lên và lỏng đi từ trên xuống, khi lỏng và hơi tiếpxúc với nhau thì quá trình chuyển khối xảy ra trong thiết bị Theo chiều cao tháp thì càng lêncao nhiệt độ càng giảm nên khi hơi đi từ dưới lên cấu tử CCl4 có nhiệt độ sôi cao hơn sẽngưng tụ lại thành lỏng đi xuống phía đáy tháp đồng thời nhiệt tỏa ra khi ngưng tụ sẽ giúplàm bay hơi CS2 Hơi ở đỉnh tháp chứa một ít CCl4 đi qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh(6) ngưng tụ thành lỏng và nhờ thiết bị phân chia dòng thì một phần sản đỉnh được hồi lưu trởlại tháp để tăng độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh Phần còn lại nồng độ đạt yêu cầu được đưaqua thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ thường trước khi đi vào thiết bị chứa sảnphẩm đỉnh (8) Hỗn hợp sản phẩm lỏng ở đáy tháp một phần cũng được hồi lưu trở lại, đượcđun bốc hơi nhờ thiết bị (9) và đi vào đáy thiết bị chưng luyện Phần còn lại được đưa vàothiết bị chứa sản phẩm đáy (10) Do đó hơi đi lên từ đáy tháp chứa chủ yếu là CS2 và ở đáytháp là hỗn hợp giàu CCl4.Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào vàsản phẩm được cung cấp và lấy ra liên tục

PHẦN III : TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THÁP CHƯNG.

- Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp

GF = GP + GW (IX.16 – 2 trang 144) (công thức IX.16 tài liệu tham khảo 2 trang 144)

- Đối với cấu tử dễ bay hơi

aF = 30 (% khối lượng) = 0,3 (phần khối lượng)

aP = 97 (% khối lượng) = 0,97 (phần khối lượng)

aw = 0,5 (% khối lượng) = 0,005 (phần khối lượng)

Vậy ta có GP = 5,4

0,3 0,0050,97 0, 005



 = 1,65 kg/sLượng sản phẩm đáy là: GW= GF – GP = 5,4 – 1,65 = 3,75 kg/s

Trong đó: aA, aB : là nồng độ phần khối lượng của CS2 và CCl4

MA, MB : là khối lượng mol phân tử của CS2 và CCl4

Với MA=MCS2 = 76 kg/kmol; MB = MCCl4 = 154 kg/kmol

Thay số liệu vào ta có:

 aF= 0,3phần khối lượng

⇒ xF =

0,3760,3 1 0,3

P = 1,65 kg/s =

1, 6577,56 =0,021(kmol/s)

W = 3,75 kg/s =

3, 75

153, 22 = 0,025(kmol/s)

V TÍNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP:

1 Tìm chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng luyện (Rmin)

BẢNG 1: Bảng thành phần cân bằng lỏng hơi của 2 cấu tử CS2 - CCl4 (IX.2a – 2.trang 149)

y 0 13,2 24 42,3 54,4 64,5 72,6 79,1 84,8 90,1 95 100

t 76,7 13,7 71 66 62,3 59 56,1 53,7 51,6 49,6 47,9 46,3Nội suy từ bảng số liệu ta có xF = 0,46 phần mol



 = 1,23 (IX.24 – 2.trang 158)

6 Tìm chỉ số hồi lưuthích hợp Rth

Chỉ số hồi lưu thích hợp Rth = bRmin = (1,2 ÷ 2,5) Rmin (IX.25 – 2 trang 158)

Rth : Chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất

Chỉ số hồi lưu càng lớn thì lượng nhiệt tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều, vì phải làm bayhơi lượng hồi lưu này Mặt khác số đĩa lý thuyết của tháp giảm cùng sự tăng của chỉ số hồilưu thì sẽ tăng chi phí chế tạo tháp mặc dù có giảm chi phí làm việc Vì vậy cần tiếp cận giátrị thích hợp của chỉ số hồi lưu Bằng phương pháp đồ thị dựa vào quan hệ giữa chỉ số hồi lưu

và số đĩa lý thuyết để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

ta dùng quan hệ NR = f(R)

Giá trị cực tiểu của đồ thị cho ta Rth vì tại đó thiết bị có kích thước bé nhất nhưng vẫnđảm bảo chế độ làm việc (3 trang 83)

Từ những bản vẽ số đĩa lý thuyết trên , ta thu được bảng số liệu sau:

N(R+1)

R 1.968

44.52

0

Qua đó ta thấy với Rx = 1,968 thì Nlt (Rx+1) là nhỏ nhất = 44,52hay thể tích tháp nhỏ

nhất Vậy R th = 1,968, N lt = 15 đĩa.

7 Phương trình đường nồng độ làm việc :

Lượng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh :

x R

x

R  R  (IX.20 – 2 trang 145)

- y : Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên

- x : Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống

- Rth : Chỉ số hồi lưu thích hợp

Thay số liệu vào ta được:

y =

1,968 0,981,968 1 x 1,968 1 =0,663x + 0,33

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



Đường kính tháp chưng luyện đĩa lỗcó ống chảy truyền được tính theo công thức sau

- ρy : Khối lượng riêng trung bình của lỏng ( kg/m3)

- gtb: Lượng hơi trung bình đi trong tháp(kg/s)

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗiđoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn

1 Đường kính đoạn luyện :

a Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện :

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi

đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện :

gtb =

gd+ g1

2 (kg/s ) ( IX.91- 2 trang 181).

- gd : Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/s)

- g1 : Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp (kg/s)

- gtb : Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/s)

 Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp :

gd = GR + GP = GP ( Rx+1 ) ( IX.92 –2 trang 181)

- GP : Lượng sản phẩm đỉnh (kg/s) = 1,65 kg/s

- GR: Lượng chất lỏng hồi lưu (kg/s) = GPR = 1,65*1,968 = 3,2472 kg/s

Thay số vào ta có : gd = 1,65*(1,968 +1) = 4,8972(kg/s)

 Lượng hơi đi vào đoạn luyên:(hệ phương trình tính theo phần khối lượng)

lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện, xácđịnh theo phương trình cân bằng vật liệu và nhiệt lượng:

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

- G1 : Lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện(kg/s)

- r1 : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa 1(kJ/kg)

- rd : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp(kJ/kg)

 x1 = xF = 0,46 phần mol= 0,3 phần khối lượng,

 yd = xP =0,98 phần mol= 0,97 phần khối lượng

mà r1 = rCS2* y1 + (1- y1)* rCCl4

rCCl4, rCS2: Ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử nguyên chất CCl4 và CS2 ở nhiệt độ ở t0 = t0

Từ x1= xF = 0,46 dựa vào BẢNG1 dùng công thức nội suy ta đượct0

r 1 = 345,62y 1 +(1-y 1 )202,55= 202,55 +143,07y 1 (kJ/kg)

yd= xp = 0,98 (phần mol) = 0,97 (phần khối lượng)

 Với t0 = tP = 46,620C nội suy theo Bảng I.212 – 1 trang 254ta được:

e Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện

 Đối với pha hơi :

22 , 4 (t ytb+273) ∗273 kg/m3[IX.102 – 2 trang 183]

Trong đó:

 (t ytb +273 ): nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện, 0 K.

 y tbA , (1- y tbA ) : Nồng độ phần mol của hơi CS 2 và CCl 4 trong đoạn luyện lấy theo giá trị trung bình.

Nồng độ của CS2 lấy theo gia trị trung bình là : ytbA =



= 0,814 (phần mol)Với ytbA = 0,814 phần mol Nội suy từ số liệu trong Bảng 1 ta tìm được nhiệt độ trung bình

của pha hơi: tytb = 52,85°C

⇒ Khối lượng riêng của pha hơi:

ρxtb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3)

ρ xA, ρ xB : Khối lượng riêng trung bình lỏng của CS2 và CCl4 (kg/m3)

atbA : Phần khối lượng trung bình cấu tử CS2 trong pha lỏng

t tb o : nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha lỏng Với xtbL= 0,72 phần mol.

Dựa vào BẢNG 1 và dùng công thức nội suy ta được: to

lghh = xtblgCS2+ (1 - xtb)lgCCl4[I.12 - I.84]

lghh = 0,72lg(0,2676*10-3) + (1 – 0,72)lg(0,6428*10-3)

⇒ hh = x = 0,342*10-3 Ns/m2

g Tốc độ hơi đi trong tháp :

Tốc độ giới hạn trên tính theo công thức :

0, 05 x gh

x: khối lượng riêng pha lỏng (kg/m3)

y: khối lượng riêng pha hơi (kg/m3)

Tốc độ hơi trong đoạn luyện:

ω=

1314,060,05 0,05

3,385

x y

h Đường kính đoạn luyện

Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện là gtbL = 5,5886 (kg/s)

Y Y tb

g D

   

= 1,63 mQuy chuẩn đường kính đoạn luyện là 1,6 m

Thử lại điều kiện : Ta có :

 Tốc độ hơi thực tế đi trong tháp là:L 0,821 m/s

Vậy đường kính đoạn luyện 1,6 m là phù hợp điều kiện

8 Đường kính đoạn chưng.

a Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng.

Được xác định gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng và đi vàođoạn luyện

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện g’n=g1 nên

1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

 r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

Ta có: W = 3,75 kg/s

xw = 0,01 phần mol tương ứng với 0,005 phần khối lượng

y’1 = yw xác định theo đường cân bằng

Bỏ qua giá trị x-y-t = 5-13,2-13,7, ta có:

Với xw= 0,01 phần moldựa vào BẢNG 1 nội suy ta có yw = 0,024 phần mol

Đổi y’

1 = yw = 0,024 phần mol ra phần khối lượng ta có:

' 1

0,024*76 0,024*76 (1 0,024)*154

w

  = 0,012 phần khối lượngTheo phần trên đã tính ta có:

Với rCS2, rCCl4: ẩn nhiệt hoá hơi của CS2 và CCl4 ở t0 = tw0 Với xw = 0,01(phần mol)

dựa vào BẢNG 1 và sử dụng công thức nội suy ta được tw0 = 76,130C

Từ t0 =tw0 =76,130C,nội suy theo Bảng I.212 – 1 trang 254 ta được:

1 1 1 ' 1

’ 1

’ 1

8, 635 /

10, 285 / 0,012

tbc g g

= 7,46 kg/sLượng hơi trung bình trong đoạn chưng là

i Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng

 Đối với pha hơi :

22 , 4 (t ytb+273) ∗273 kg/m3 [IX.102 – 2 trang 183]

Trong đó:

 (t ytb +273 ): nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng, o K.

 y tbA , (1- y tbA ): Nồng độ phần mol của hơi CS 2 và CCl 4 trong đoạn luyện lấy theo giá trị trung bình.

Nồng độ của CS2 lấy theo giá trị trung bình là : ytbA =

→ ytbC =

0, 024 0,648 2



= 0,336 (phần mol)Với ytbC = 0,336 phần mol Nội suy từ số liệu trong Bảng 1 ta tìm được nhiệt độ trung

bình của pha hơi: tytb = 63,488°C

⇒ Khối lượng riêng của pha hơi:

ρxtb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/ m3)

ρ xA, ρ xB : Khối lượng riêng lỏng của CS2 và CCl4 (kg/m3)

atbA: Phần khối lượng trung bình cấu tử CS2

t tb o : nhiệt độ trung bình của đoạn chưng theo pha lỏng Với xtbC= 0,235 phần mol

Dựa vào BẢNG 1 và dùng công thức nội suy ta được: to

j Tốc độ hơi trong đoạn chưng:

1447, 220,05 0,05

4,63

x gh

Y Y tb

g D

   

= 1,7 mQuy chuẩn đường kính đoạn chưng là 1,6m

Thử lại điều kiện:

C ghC



   (0,8 ÷ 0,9)ωgh

⇒ Tốc độ hơi thực tế đi trong tháp là:C 0,8 m/s

Vậy đường kính đoạn chưng 1,6 m là phù hợp điều kiện

Kết luận: Chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 1,6(m)

a Hệ số khuếch tán trong pha lỏng (Dx)

 Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20 0 C:

A, B: Hệ số liên hợp kể đến ảnh hưởng của CS2 và CCl4 Tra bảng VIII.6 và VIII.7- 2.trang 133 ta được A=1, B = 0,94

V, V : Thể tích mol của CS2 và CCl4 (cm/mol)

Tra bảng VIII.2 –2.trang 127, ta có thể tích nguyên tử của :

76 1541*0,94 0,97( 66 113, 2)

l Hệ số khuếch tán trong pha hơi.

Hệ số khuếch tán động học của khí CS2 trong khí CCl4 được tính theo công thức:

P: áp suất tuyệt đối của hỗn hợp, P = 1at

T: nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp, T = t + 273

     [I.18 - 1 trang 85]

 m1: nồng độ CS2 trong pha hơi

 m2: nồng độ CCl4 trong pha hơi, m2 = 1 - m1

 Mhh: trọng lượng phân tử của hỗn hợp khí

Áp dụng công thức I.20 – 1.trang 86

3 2

273 499,5 52,85 27389

273 335 63, 448 27390

273 335 52,85 27390

273 335 63, 448 27390

lghh = xtblgCS2+ (1 - xtb)lgCCl4 [Bảng I.12 – I trang 84]

lghh = 0,242 lg (0,241*10-3) + (1 – 0,242) lg (0,564*10-3)

⇒ hh = x = 0,46*10-3 Ns/m2

n Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi

Re y y y

Hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp (m/s)

h : Kích thước dài, chấp nhận h = 1 m

ρ : Khối lượng riêng trung bình của hơi (kg/m)

μ : Độ nhớt trung bình của hơi (Ns/m)

 Đoạn luyện

y = 0,821 m/s; y = 3,385 kg/m3; µy = 108,39*10-7 Ns/m3

0,821*1*3,385108,39*10

ρ : Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m)

D : Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m/s)

0,342*101314,06* 2,93*10

p Hệ số cấp khối trong pha hơi

Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (IX.42 – 2.trang 164):

D : Hệ số khuếch tán trong pha hơi (m/s)

Re : Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi

Hệ số cấp khối pha hơi đoạn luyện là:

q Hệ số cấp khối trong pha lỏng:

Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (IX.44 – 2 trang 165):

D: Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m/s)

Prx: chuẩn số Pran đối với pha lỏng

h: Kích thước dài, chấp nhận bằng 1 m

M: Khối lượng mol trung bình của pha lỏng

Đoạn luyện: x = xxtbL= 0.72

M = 0,72*76 + (1 – 0,72)*154 = 97,84 (kg/kmol)=

97,84

10 N/kmol = 9,784 N/kmolĐoạn chưng: x = xxtbC = 0,242

m = tg α =

cb cb

0, 043 0,024

yL

kmol K

yC

kmol K

m s kmol

  : Khối lượng riêng trung bình pha lỏngx

 z : Số ống chảy chuyền phụ thuộc vào đường kính tháp

1,5m < D < 3m, chọn z = 2

 ω : Tốc độ chất lỏng trong ống chảy truyền, chọn ω = 0,15 (m/s)

 Đường kính ống chảy chuyền trong đoạn luyện:





= 0,17mQuy chuẩn dchL = 0,1 m; dchC = 0,2 m

Tính ngược lại ta được ωcL = 0,19 m/s,  = 0,11 m/s (thỏa mãn cC c0,1 0, 2 m s/

Từ dch ta tính được fchL =

 2 0,12

chL d



= 0,0314 m2

Diện tích làm việc của đĩa: f = F – f ch m (2.trang 173)

F : Diện tích mặt cắt ngang của tháp (m): F =

2

4

D



fch : Diện tích mặt cắt ngang các ống chảy truyền m2

m : số ống chảy truyền trên mỗi đĩa, chọn m = 2 vì D=1,6m

fL =

2

(1,6)

0, 00785* 24

K f

g (IX.65a- 2.trang 173)

g : Lượng hơi trung bình (kg/s)

Đoạn luyện g = 5,5886 (kg/s) =

5,588697,84 = 0,057 (kmol/s)

Đoạn chưng g = 7,46 (kg/s) =

7, 46135,124 = 0,055 (kmol/s)

Ky : Hệ số chuyển khối (kmol/ms)

f: Diện tích làm việc của đĩa m2

Số đơn vị chuyển khối đoạn luyện: myTL =

1,990,057

yL K

t Đường cong động học.

Xác định số đĩa thực tế bằng đường cong động học theo các bước sau:

- Vẽ đường cong cân bằng y = f(x) và vẽ đường làm việc của đoạn chưng, luyện với R

- Dựng các đường thẳng vuông góc với Ox, các đường này cắt đường

làm việc tại : A; A; A;…; A và cắt đường cân bằng y = f(x) tại C; C;…; C

- Tại mỗi giá trị của x tìm tg góc nghiêng của đường cân bằng:

m = tgα =

cb cb

x x



- Tính hệ số chuyển khối ứng với mỗi giá trị của x:

Hệ số chuyển khối trong đoạn luyện:

2

1 1

0, 043 0,024

yL

kmol K

0, 058 0, 023

yC

kmol K

m kmol

m s kmol

Phương trình đoạn chưng: y = 1,4x – 0,004

Phương trình đoạn luyện: y = 0,663x + 0,33

- Vẽ đường cong phụ đi qua các điểm B ( i = 1 ÷ 9)

- Vẽ số bậc nằm giữa đường cong phụ và đường làm việc, số bậc là số đĩa thực tế củatháp

Bảng số liệu vẽ đường cong động học:

Số đĩa đoạn chưng: 23 đĩa

Số đĩa đoạn luyện: 17 đĩa

11.Hiệu suất tháp, chiềucao tháp

a Hiệu suất tháp

ŋ =

lt tt

N

N 100% =

15

40100% = 37,5 %

u Chiều cao tháp tính theo công thức:

H = Ntt(Hđ + δ) + (0,8 ÷ 1) (IX.50 – 2.trang 169)) + (0,8 ÷ 1) (IX.50 – 2.trang 169)Trong đó:

Ntt : Số đĩa thực tế

Hđ : Khoảng cách giữa các đĩa (m) Nội suy theo bảng IX.4a – 2.trang 169

D = 1,6m, D = 1,6m chọn H = H = 450 mm

(0,8 ÷ 1) m: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị

δ) + (0,8 ÷ 1) (IX.50 – 2.trang 169): Chiều dày đĩa Chọn δ) + (0,8 ÷ 1) (IX.50 – 2.trang 169) = 3 mm

- Diện tích tự do tương đối: ε = 20%

- Chiều cao gờ chảy tràn: h = 60 mm

- Chiều dày đĩa lỗ δ) + (0,8 ÷ 1) (IX.50 – 2.trang 169) = 3mm

- Khoảng cách giữa các đĩa H = 0,45 m

- Đường kính lỗ d = 3 mm

- Bước lỗ t = 10 mm

Tính chiều dài cửa chảy tràn

Diện tích dành cho ống chảy truyền là 20% diện tích đĩa, nên ta có phương trình sau:

quat tamgiac bannguyet

Trong đó:

∆Pd: Tổng trở lực của một đĩa (N/m2)

∆Pd = ∆P + ∆P + ∆P (N/m) (IX.136 – 2.trang 194)

∆P : Trở lực của đĩa khô (N/m)

∆P : Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (N/m)

∆P : Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) (N/m)

1 Trở lực của đĩa khô

2

2

y o k

 

(IX.140 – 2 trang 194)Trong đó:

ξ : Hệ số trở lực tiết diện tự do của lỗ là ε = 20%  ξ = 1,45

Đoạn luyện: yL= 3,385 kg/m3

Đoạn chưng: yC

= 4,63 kg/m3Thay số ta có:

Trở lực đĩa khô đoạn luyện là:

 

= 41,95 N/m2

13.Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt.

Đĩa có đường kính lớn hơn 1mm được tính theo công thức:

2

41,3 0, 08

s P

σ : Sức căng bề mặt của dung dịch trên đĩa (N/m) Có:

Trở lực do sức căng bề mặt đoạn luyện là: