chưng luyện liên tục metylic-etylic tháp đệm

Với đề tài: Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp Metylic- Etylic. Tập đồ án này bao gồm 6 nội dung chính : Tính cân bằng vật liệu của tháp Xác định đường kính tháp Xác định chiều cao tháp dựa vào phương pháp số đơn vị chuyển khối Tính trở lực và cân bằng nhiệt lượng của tháp Tính toán cơ khí Tính toán thiết bị phụ

Lời giới thiệu

Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước

nhà, các ngánh công nghiệp nhất là công nghiệp hóa chất và thực phẩm vần thiết nhiềuhóa chất có độ tinh khiết cao Để đạt được điều này người ta thường tiến hành phântách các cấu tử ra khỏi hỗn hợp đầu, trong đó chưng cất là một trong những phươngpháp được sử dụng phổ biến hiện nay

Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách một phần hỗn hợp lỏng ra thành cáccấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng trong hỗn hợp ở cùng nhiệt

độ đo Phương pháp này ứng dụng để tách hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chấthòa tan hoàn toàn hoặc một phần vào nhau Hỗn hợp này có thể chỉ có hai cấu tử hoặcnhiều hơn Với hệ hai cấu tử sẽ thu được sản phẩm đỉnh gồm phần lớn là cấu tử dễ bayhơi và sản phẩm đáy chứa đa phần là cấu tử khó bay hơi

Trong sản xuất ta thường gặp các phương pháp chưng khác nhau như : chưng đơngiản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng chân không và đặc biệt hơn là chưngluyện

Chưng luyện là phương pháp thông dụng dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu

tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau.Chưngluyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao ,các cấu

tử dễ bay hơi và ngược lại

Vật liệu gia công là thép không gỉ bởi vì hỗn hợp cần tách là hệ ăn mòn mạnh,mặt khác tuy giá thành sản xuất còn cao nhưng đáp ứng được những tiêu chuẩn cơ bảncủa thiết bị hóa chất đó là: chống ăn mòn, bền nhiệt, cơ tính tốt, tuổi thọ làm việc lâudài …

Đồ án môn Quá trình và Thiết bị bước đầu giúp sinh viên làm quen với việctính toán và thiết kế một dây chuyền sản xuất, mà cụ thể trong đồ án này là hệ thốngchưng luyện liên tục

Với đề tài:

Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp Metylic- Etylic.

Tập đồ án này bao gồm 6 nội dung chính :

− Tính cân bằng vật liệu của tháp

− Xác định đường kính tháp

− Xác định chiều cao tháp dựa vào phương pháp số đơn vị chuyển khối

− Tính trở lực và cân bằng nhiệt lượng của tháp

− Tính toán cơ khí

− Tính toán thiết bị phụ

PHẦN 1

GIỚI THIỆU HỖN HỢP VÀ SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

I.GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG:

Metylic là chất lỏng linh động và không màu, hòa tan trong nước theo bất cứ tỷ lệ

nào Nhiệt độ sôi 67.40C , Metylic là chất độc đói với cơ thể, nếu uống từ 8 đến 10g thì

có thể bị ngộ độc, mát bị rối loạn và có thể mù lòa

Etylic cũng là chất lỏng linh động không màu và có thể hòa tan vô hạn trong nước.

Nhiệt độ sôi của nó là 78.40C, Etylic được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp, đời sống hàng ngày Metylic – Etylic là sản phẩm của quá trình lên men hoặc quá trình

tổng hợp khác, 2 chất này ở trạng thái bình thường là chất lỏng không liên kết, có độ

bay hơi khác nhau ở đây metylic bay hơi trước do nhiệt độ sôi của nó thấp hơn của etylic Hỗn hợp ăn mòn yếu nên trong quá trình lựa chọn thiết bị để chưng luyện thì ta

nên sử dụng loại thép các bon thường để tránh lãng phí

II.SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

12

Chú thích:

1:Thùng

cao vị

2:Bểchứadungdịch đầu

3: Thiết

bị đunsôi hỗnhợp đầu

4:Lưulượng kế

5:Thápchưngluyện

6:Thiết

bị ngưngtụ

7:Thiết

bị làm

lạnh

8:Bểchứa sảnphẩmđỉnh

9:Bểchứa sảnphẩmđáy

10:Thiết

bị đunsôi đáytháp

11 Cốctháonướcngưng

12 : Bơm

li tâm

II Thuyết minh dây chuyền :

Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (2) và được bơm (12) bơm lênthùng cao vị (1) Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị tự chảy xuống thiết bị đun sôi hỗn hợpđầu (3) lưu lượng được khống chế bằng cách điều chỉnh hệ thống van và lưu lượng kế(4) hơi nước bão hòa từ nồi hơi vào đun sôi hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi sau khi đạttới nhiệt độ sôi hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện (5) loạiđệm.Trong tháp hơi đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên xuống, tạiđây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần Theo chiều cao của tháp, càng lêncao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng đệm từ dưới lên , cấu tử có nhiệt

độ sôi cao sẽ ngưng tụ.Quá trình tiếp xúc lỏng hơi trong tháp diễn ra liên tục làm chotrong pha hơi càng giầu cấu tử dễ bay hơi Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu được hầuhết là cấu tử dễ bay hơi (cụ thể ở đây là Metylic) và một phần cấu tử khó bay hơi(Etylic) Hỗn hợp hơi này được đưa vào thiết bị ngưng tụ (6) và tại đây nó được ngưng

tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh) Một phần chất lỏng sau khi ngưng tụ được đưahồi lưu trở về tháp chưng luyện và cũng được khống chế bằng lưu lượng kế , phần cònlại đạt yêu cầu sẽ được đưa vào thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiếtsau đó được đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8)

Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới lên,một phần cấu tử có nhiệt độ cao tiếp tục ngưng tụ thành lỏng đi xuống.Do đó nồng độcấu tử khó bay hơi trong pha lỏng ngày càng nhiều , cuối cùng ở đáy tháp ta thu đượchỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (etylic) và một phần rất ít cấu tử dễbay hơi (Meylic), hỗn hợp lỏng được đưa ra khỏi đáy tháp qua thiết bị phân dòng, mộtphần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (9) , một phần được đưa vào thiết bị đunsôi đáy tháp (10) và một phần được hồi lưu trở lại đáy tháp.Thiết bị này có tác dụngđun sôi tuần hoàn và bốc hơi sản phẩm đáy (tạo dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp).Nước ngưng của thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng ( 11),Thápchưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm được lấy ra liêntục

III Chế độ thuỷ động của tháp đệm

Trong tháp đệm có 3 chế độ thủy động là chế độ chảy dòng, chế độ quá độ và chế độchảy xoáy.

Khi vận tốc khí bé lực hút phân tử lớn hơn và vượt lực ỳ Lúc này quá trình chuyểnkhối được xác định bằng dòng khuếch tán phân tử Tăng vận tốc lực lỳ trở lên cânbằng với lực hút phân tử Quá trình chuyển khối lúc này không chỉ được quyết địnhbằng khuếch tán phân tử mà cả bằng cả khuếch tán đối lưu Chế độ thủy động này gọi

là chế độ quá độ Nếu ta tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa thì chế độ quá độ chuyểnsang chế độ chảy xoáy Trong giai đoạn này quá trình khuếch tán sẽ được quyết địnhbằng khuếch tán đối lưu

Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện tượng đảo pha.Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ chiều cao tháp và trở thành pha liên tục, còn phakhí khuếch tán vào trong pha lỏng và trở thành pha phân tán Vận tốc khí ứng với thờiđiểm này gọi là vận tốc đảo pha Khí sục vào lỏng và tạo thành bọt khí vì thế trong giaiđoạn này chế độ làm việc trong tháp gọi là chế độ sủi bọt Ở chế độ này vận tốcchuyển khối nhanh đồng thời trở lực cũng tăng nhanh

Trong thực tế, ta thường cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận tốc nhỏ hơn vậntốc đảo pha một ít vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn sủi bọt là mạnh nhất nhưng

vì giai đoạn đó khó khống chế quá trình làm việc

Ưu điểm của của tháp đệm :

- Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn

- Cấu tạo tháp đơn giản

- Trở lực trong tháp không lớn lắm

- Giới hạn làm việc tương đối rộng

Nhược điểm :

•Khó làm ướt đều đệm

•Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều

Bảng kê các ký hiệu thường dùng trong bản đồ án này :

• a: phần trăm khối lượng của Metylic trong hỗn hợp (kg Metylic / kg hỗn hợp )

• x : nồng độ phần mol của Metylic trong hỗn hợp ( kmol Metylic / kmol hỗn hợp )

• M: khối lượng mol phân tử ( kg/ kmol)

PHẦN 2

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

Các số liệu ban đầu:

-Năng suất tính theo độ hỗn hợp đầu F = 3.3 tấn/h = 3300 kg/h

-Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong:

+ Hỗn hợp đầu: xF = 0.15 phần mol

+ Sản phẩm đỉnh: xP = 0.83 phần mol

+ Sản phẩm đáy: x w =0.04 phần mol

-Tháp làm việc ở áp suất thường

-Hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

I TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ

1.Tính toán cân bằng vật liệu cho toàn tháp

1.1.Đổi từ phần mol sang khối lượng

3215.0

×

−+

×

×

=

B F

A F

A F

M x

3283.0

×

−+

×

×

=

B P

A P

A P P

M x

M

x

M x

3204.0

×

−+

×

×

=

B w

A w

A w w

M x

M

x

M x

1.2 Hệ phương trình cân bằng vật liệu

•Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp :

792.358/

792.358028.0773.0

028.0109.0

Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng sau:

F p

x y

y x

15.02077.0

2077.083.0

F p

x y

y x

Vấn đề chọn chỉ số hồi lưu thích hợp là rất quan trọng, vì khi chỉ số hồi lưu bé thì sốbậc của tháp lớn nhưng tiêu tốn ít hơi đốt, ngược lại khi chỉ số hồi lưu lớn thì số bậccủa tháp co ít hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt lại rất lớn

- Với mỗi giá trị của Rx > Rmin từ đồ thị cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp Metylic vàetylic ta xác định được một giá trị của Nlt tương ứng

* Ở đây ta có phương trình đoạn luyện và đoạn chưng như sau:

- Phương trình đoạn luyện:

f x

Phương trình đoạn luyện : y = 0.922x + 0.065

Phương trình đoạn chưng: y = 1.484x -0.019

Có 28 đĩa trong đó đoạn luyện 14, đoạn chưng 14

 Với RX2 = 12.942

Phương trình đoạn luyện : y = 0.928x + 0.06

Phương trình đoạn chưng: y = 1.445x -0.018

Có 23 đĩa trong đó đoạn luyện 12, đoạn chưng 11

 Với RX3= 14.021

Phương trình đoạn luyện : y = 0.933x + 0.055

Phương trình đoạn chưng: y = 1.413x -0.017

Có 21 đĩa trong đó đoạn luyện 11, đoạn chưng 10

 Với RX4 = 15.099

Phương trình đoạn luyện : y = 0.938x + 0.052

Phương trình đoạn chưng: y = 1.385x -0.015

Có 19 đĩa trong đó đoạn luyện 11, đoạn chưng 8

 Với RX5 = 16.178

Phương trình đoạn luyện : y = 0.942x + 0.048

Phương trình đoạn chưng: y = 1.361x -0.014

Có 18 đĩa trong đó đoạn luyện 10, đoạn chưng 8

Từ các phương trình làm việc trên ta vẽ đồ thị biểu diễn quan hệ x –y để tìmđược số đĩa lý thuyết tương ứng với từng giá trị Rx

Các đồ thị được biểu diễn ở trang bên:

* Số đĩa lý thuyết Nlt và chỉ số hồi lưu Rx được tổng hợp trong bảng sau :

Nlt(Rx+1) 360.192 320.666 315.441 305.881 309.204

Từ các giá trị tìm được ở bảng trên, ta xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Rx –

Nlt(Rx+1)

Nlt(Rx+1)

Rx R1 R2 R3 R4 R5

Để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp người ta xác định chỉ số hồi lưu từ điều kiệnthể tích tháp nhỏ nhất ( không tính đến các chỉ tiêu kinh tế vận hành) Mặt khác dễdàng nhận thấy thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số Nlt(Rx+1).Từ đồ thị trên,điểm cực tiểu của đường vẽ được sẽ cho ta giá trị thể tích thiết bị bé nhất và ứng vớiđiểm đó sẽ có chỉ số hồi lưu thích hợp

Mà Nlt(Rx+1) = 305.881 là giá trị nhỏ nhất, ứng với giá trị nhỏ nhất đó thì Rx= 15.099.Vậy chỉ số hồi lưu thích hợp Rth= 15.099 và số đĩa lý thuyết Nlt= 19

2 Phương trình đường nồng độ làm việc

th

R

x x

83.01

++

y

Trong đó:

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

x: Là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ trên xuống

Rth: Là chỉ số hồi lưu thích hợp

2.2 Đoạn chưng

- Lượng sản phẩm đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh :

203.7436

f ( kmol h2 đầu / kmol sản phẩm đỉnh );

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

015.0385.104.01099.15

1203.71

099.15

203.7099.151

+

=+

−

−+

+

R

f x

th

* Nhiệt độ sôi

- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu to

F : từ xF = 0.15 theo bảng t-x, nội suy to

F = 75.75oC

- Nhiệt độ hơi tại đỉnh tháp to

P : từ yp = 0.83 theo bảng t –y nội suy to = 66.6

- Nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy to

w : Từ xw= 0.04 theo bảng t- x nội suy to

w = 77.42

II TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG LUYỆN

Công thức tính đường kính tháp chưng luyện loại đệm :

ytb ytb

tb ytb

g W

G

D

0188,0

Wytb: tốc độ của khí và hơi(m/s)

gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)

ytb

ytb.W

ρ : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (kg/m2s)

Vì lượng hơi đi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhautrong mỗi đoạn nên ta phải tính hơi trung bình cho từng đoạn

1.Lượng hơi trung bình đi trong tháp

1.1.Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện

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

2

1

g g

+ gtb :lượng hơi trung bình của đoạn luyện (kg/h)

+ gđ : lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn luyện (kg/h);

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

* Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp :

gđ = GR + GP = GP(Rth + 1) (STQTTB T2-181)Trong đó

GP : lượng sản phẩm đỉnh ( kg/h)

GR : lượng lỏng hồi lưu đỉnh tháp (kg/h)

R : chỉ số hồi lưu thích hợp

⇒gđ = 358.792( 15.099 + 1) = 5776.192 (kg/h)

* Lượng hơi đi vào đoạn luyện:

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1, lượng lỏng của đĩa thứ nhất của đoạn luyện G1 đượcxác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và nhiệt lượng cho đoạn luyện :

P P P

r g

r

g

a G a G y

G G

1

1

1 1 1

1 =a F =

r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ở đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kJ/kg) ;

rđ : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp (kJ/kg)

r1 = rAy1 + (1- y1)rB; STQTTB T2-182)

rđ = rAyđ + (1- yđ)rB;

Trong đó:

yđ : hàm lượng hơi sản phẩm đỉnh = aP = 0.773 phần khối lượng

rA ; rB : lần lượt là ẩn nhiệt hóa hơi của Metylic và Etylic nguyên chất (kJ/kg)

Từ xF= 0.15 tra bảng IX2a [STQTTB T2-148] suy ra nhiệt độ tF = 75.750C Trabảng I.213 [STQTTB T1-257] với nhiệt độ hỗn hợp đầu 0

Từ xP = 0.83 tra bảng IX2a [STQTTB T1-148] suy ra nhiệt độ của hỗn hợp đỉnh

tP= 66.60C, nội suy từ bảng I.213 [STQTTB T1 -257] với nhiệt độ hỗn hợp đỉnh tP tađược:

×+

=

+

=

652.1064192

.5776785

.873273

.221

773.0792.358109

.0

g

792.358g

1 1

1 1

1

1 1

y g

G y

6790 2

g

tb

g 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 nên ta có :

g’

n = g1

→

21

' 1

' 1

'

1

' 1

'

1

.

.

.

.

n n

w w w

w

r g r g r

g

x G y

g x

G

G g G

[STQTTB T2-182]

Trong đó:

- G’1: lượng lỏng đi vào đoạn chưng(kg/h)

- g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

- x’1 : hàm lượng lỏng(phần khối lượng)

- xw : thành phần cấu tử dễ bay hơi (Metylic ) trong sản phẩm đáy ;

- r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào lớp đệm trên cùng của đoạn chưng(KJ/kg)

- rA : ẩn nhiệt hóa hơi của Metylic (KJ/kg)

- rB : ẩn nhiệt hóa hơi của Etylic (KJ/kg)

w y

y'1 = ∗ là nồng độ cân bằng ứng với x w Dựa theo đồ thị đường cân bằng lỏnghơi ở trên ta có:

Ứng với x w =0.04ta có y w =0.0595 ta đổi sang phần khối lượng

320595.00595

.010595

.0

0595.0

×+

×

×

=

−+

×

×

=

B A

A w

M M

M y

Mặt khác ta có:

B n n

A n

B A

r y y

r r

r y y

r r

)1(

)1(

' '

'

' 1

' 1

'

1

−+

=

−+

=

Tại x w =0.04 nội suy từ bảng I.212 [STQTTB T1 -254] suy ra toC=77.42oC

038.0

);

/(516.9927

1

'

1

' 1

h Kg g

x

h Kg G

.69862

' ' 1

2 Tính khối lượng riêng trung bình

a) Đối với pha hơi :

4 , 22

273 46 ) 512 , 0 1 ( 32 512 0

4 , 22

273 ) 1 (

183 2

4 , 22

273 ) 1 (

3

`

`

m kg T

M y M

y

STQTT T

M y M

y

L

B tbA A

tbA tbl

L

B tbA A

tbA

tbl

= +

×

− +

×

=

− +

=

⇒

−

− +

144

144.0

4 , 22

273 46 ) 12725 , 0 1 ( 32 12725 0

4 , 22

273 ) 1 (

183 2

4 , 22

273 ) 1 (

3

`

`

m kg T

M y M

y

STQTT T

M y M

y

C

B tbA A

tbA

tbC

C

B tbA A

tbA

tbC

= +

×

− +

×

=

− +

=

⇒

−

− +

y tbA = +

+) y1= 0.144 phần khối lượng ta đổi sang phần mol:

 ( ) 0.195

46

144.0132

144

144.0

tbA xtb

a a

ρρ

ρ

−+

1

` [STQTTBT2-183]

Trong đó :

- a tb: phần khối lượng trung bình của cấu tử Mêtylic

-ρxtbA: khối lượng riêng của cấu tử Mêtylic (kg/m3)

-ρxtbB: khối lượng riêng của cấu tử êtylic (kg/m3)

* Đoạn luyện :

xtbB

tbAL xtbA

tbAL xtL

a a

ρρ

ρ

−+

2

83.015.0

Nội suy từ bảng IX2a(STQTTBT2-148) ở nhệt độ trung bình t o O C

tbL

X =70.94Theo bảng I.2 trong (STQTTBT1-9) ta nội suy được:

,743

215,0106,745

215,0

m kg xtbc

xtbL

=

⇒

−+

tbAC xtbc

a

a

ρ ρ

ρ

−+

a a

( ) 0.054

46

038.0132

038

038.0

=

ρ

3.Tính tốc độ của khí và hơi đi trong tháp đệm

Có rất nhiều cách tính tốc dộ của hơi đi trong tháp đệm nhưng ta tính dựa vào vận tốc đảo pha Khi đó W=(0.80.9)W ’

Công thức tính vận tốc đảo pha :

16 0 3

2 '

ytb d S V g

y W Y

µ

µρσ

Y =1,2.e−4X [STQTTBT2- 187]

8

1 4

G X

ρρ

Trong đó:

- W’

s: tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương, còn gọi là vận tốc đảo pha(m/s)

- ρxtb,ρytb:khôi lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí

- µxtb: độ nhớt của hỗn hợp lỏng của đoạn chưng ở o

tb t

- µn : độ nhớt của nước ở 20oC

- Gx Gy : Lưu lượng lỏng và lưu lượng hơi trung bình(Kg/s)

*Chọn đệm vòng loại Rasiga kích thước :20x20x2,2 tra từ bảng 193]

IX.8[STQTTBT2-→ σđ = 240(m2/m3)

→Vđ = 0,73(m3/m3)

3.1.Tốc độ khí và lỏng đi trong đoạn chưng

-Độ nhớt hỗn hợp lỏng của đoạn chưng :

B tbC

A tbC

lg = + − ; [STQTTBT1- 84]Trong đó :

xtbc=0.102 : nồng độ phần mol của metylic ở đoạn chưng(phần mol)

μA ; μB : lần lượt là độ nhớt của 2 cấu tử metylicvà etylic ở nhiệt độ

43,0lg)102,01(272,0lg102,0lg

,9927376

,64312

' 1

544,1238,6888

446,9829

1 4

1 8

1 4

G X

ρρ

Y =1,2.e−4X=1,2.e-4.0,51 = 0.1633

16 , 0 3

2 ' 16

0 3

2 '

1

41,09,738.73,0.10

544,1.240.1633

,0

d

ytbC d

V g

W Y

µ

µρ

ρσ

⇔W SC' =1,246(m/s);

Lấy W C = 0 , 8W SC' = 0 , 8 × 1 , 246 = 0 , 997(m/s)

3.2 Tốc độ của khí hơi đi trong đoạn luyện

+Độ nhớt của hỗn hợp lỏng đoạn luyện :

lgµtbL =x tbL.lgµA +(1−x tbL)lgµB

Trong đó :

xtbc=0.49 : nồng độ phần mol của metylic ở đoạn luyện(phần mol)

μA ; μB : lần lượt là độ nhớt của 2 cấu tử metylicvà etylic ở nhiệt độ to

tbL=70.94oC Nội suy từ bảng I.113- STQTTBT1-116:

475,0lg)49,01(285,0lg49,0lg

cp xC

xL

=

⇔

−+

G

(kg/h)

GyL=g'tb=6238,18 (kg/h)

92,743

377,118

,6238

388,5924

1 4

1 8

1 4

Y =1,2.e− 4X=1,2.e-4.0,45 = 0.198

16 , 0 3

2 ' 16

0 3

2 '

1

37,092,743.73,0.10

377,1.240.198

,0

d

ytbL d

V g

W

Y

µ

µρ

ρσ

18 6283 0188

0

0188 ,

W

g D

L ytbL

238.68880188

.0

.0188,

W

g D

C ytbC

188.1143.1

2

s m

257.1997.0

2

s m

III CHIỀU CAO THÁP CHƯNG LOẠI ĐỆM

Có rất nhiều phương pháp để tínhchiều cao của tháp đệm ở dday ta tính theo số đơn vịchuyển khối

*Chiều cao làm việc của tháp đệm :

H = hđv.my [STQTTBT2-175]Trong đó :

−hđv : chiều cao của một đơn vị chuyển khối (m)

−my :số đơn vị chuyển khối tính theo pha hơi

Ta có :

= ∫P −

W

y

y y

y y

x

y

đv = + [STQTTBT2-177]

Với :

−h1 là chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối đối với pha hơi (m)

−h2 là chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng (m)

( ) ( )m h

m a

V h

x x

x x

y y

đ đ

5 , 0 25 , 0 3 2

2

3

2 25 , 0 1

Pr.Re.256

Pr.Re

- ρx: Khối lượng riêng của lỏng(kg/m3)

- ψ : hệ số thấm ướt của đệm, nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới

thực tế lên tiết diện ngang của tháo và mật độ tưới thích hợp

1.Tính chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối đối với pha hơi & pha lỏng của tháp

( )m a

.ψσ

2 =256 µρ  Re Pr

1.1.Chuẩn số Renold của pha hơi và pha lỏng

x đ t

x x

F

G

µ

σ

.04,0

Re =

+ (STQTTBT2-178)

+

đ y

s y yc

W

σ µ

ρ

4 , 0 Re

2 2

2

m

D = ×π

Gx ,Gy : Lưu lượng lỏng và lưu lượng hơi trung bình(Kg/s)

a, Đoạn chưng :

*Đối với pha lỏng:

G = 9829.446(kg/h)=2.73(Kg/s)

xC đ t

xC xC

73.204,0

W

B tbC A

tbC C

đ yc

sc yc yc

572.4448.102,0132.102,01

4,0Re

'

=

−+

=

−+

=

=

σµρ

Nội suy từ bảng I.113- STQTTBT1-116:

/ 10 049 1 10 12 103

46

1275 , 0 1 10 5 , 114

32 12725 , 0

572 44

1

m s N

M y

M y

M

yC

B

B C A

A C

C yC

=

⇒

− +

=

→

µ

µµ

µ

24010

049.1

246.1544.14.0

xL xL

646.104,0

W

B tbL A

tbL L

đ yL

sL yL yL

14.3946.49,0132.49,01

4,0Re

'

=

−+

=

−+

=

=

σµρ

Nội suy từ bảng I.113- STQTTBT1-116:

/ 10 069 1 10 735 , 101

46

5125 , 0 1 10 65 , 112

32

5125 , 0

14 39

1

m s N

M y

M y

M

yC

B

B C A

A C

C yC

=

⇒

− +

=

→

µ

µµ

µ

306.572

24010

069

1

428.1377.14

1.2 Hệ số khuếch tán của pha lỏng và pha hơi

a)Hệ số khuếch án của pha hơi:

*Đoạn chưng:

B A

C yC

M M v

v P

T

.10.0043.0

2 3

1 3 1

2

3 4

(m2/s) [STQTTBT2-133]

Trong đó :

−DyC : là hệ số khuếch tán của pha hơi (m2/s);

−P : là áp suất tuyệt đối của hệ 2 cấu tử metylic-etylic = 1at ;

−νA; νB : lần lượt là thể tích mol của hơi metylic-etylic (cm3/mol);

−TC : là nhiệt độ tuyệt đối của đoạn chưng = 76.485oC

−TL : là nhiệt độ tuyệt đối của đoạn luyện = 70.94oC

−MA , MB : là khối lượng mol phân tử của 2 cấu tử metylic-etylic ( đvC)+νA = 4.3,7 + 1.14,8+1.7,4 = 37 (cm3/mol);

v P

T D

B A B

A C

C yC

/10.237,146

132

1.2

.5937.1

)273485.76.(

10.0043

,

0

11

.10.0043,0

2 5 2

3

1 3

1

2

3 4

2 3

1 3 1

2

3 4

−

−

−

=+







+

+

=

=+







+

v P

T D

B A B

A L

L yL

/10.229,146

132

1.2

.5937.1

)27394.70.(

10.0043

,

0

11

.10.0043,0

2 5 2

3

1 3

1

2

3 4

2 3

1 3 1

2

3 4

−

−

−

=+







+

+

=

=+







+

=

b)Hệ số khuếch án của pha lỏng:

Trước tiên tính hệ số khuếch tán của hỗn hợp lỏng ở 20oC:

3

1 3 1 20

6 20

11.10







+

+

=

−

B A B

B A x

B A

M M D

ννµ

[STQTTBT2-133]

Trong đó:

- A, B : là hệ số phụ thuộc vào bản chất dung môi và chất tan

Ta có A=B=1do 2 cấu tử không lien kết với nhau

- DxC20 : là hệ số khuếch tán của pha lỏng ở 20o C (m2/s) ;

- νA; νB : lần lượt là thể tích mol của hơi metylic-etylic (cm3/mol);

- MA , MB : là khối lượng mol phân tử của 2 cấu tử metylic-etylic ( đvC

-µB20=1.19 cp: độ nhớt của etylic ở 20oC

(m s)

B A

M M D

B A B

B A xC

/10.037,

4

2.5937.19,1.1.1

46

132

1.10

11.10

2 9

2 3

1 3

1

6 2

3

1 3 1 20

6 20

+

=

⇒

ννµ

*Đoạn chưng:

+D xC = D xC20[1+b(t tbC −20) ]

3

20 20

2

0 0236

789

19 1 2

yC yC

.237,1.544,1

10.049,1

yC yC

D

ρµ

 Pha lỏng:

xC xC

xC xC

PrxC= 58.904

1042.99.738

1041.0

yL yL

10.229,1.377,1

10.069,1

yL yL

D

ρµ

 Pha lỏng:

xL xL

xL xL

PrxL= 55.947

1089.892.743

1037.0

F

V

U = (m3/m2.h) [STQTTBT2 - 177]Trong đó :

−Vx : lưu lượng thể tích của pha lỏng (m3/s)

−Ft : tiết diện ngang của tháp

V

U

xC t

xC t

xC

9.73813.1

446

772

U

xL t

xL t

xL

92.74313.1

388

05

73,0Pr

.Re

3

2 25

, 0 3

2 25 , 0

.55565

.092

.743

1037.0

256

Pr.Re.256

5 0 25

0 3

3

5 , 0 25 , 0 3 2 2

m

xL

xL L

*Đoạn chưng:

( )m a

3

2 25

, 0

3

2 25 , 0 1

.58982

.09

.738

1041

0

256

Pr.Re.256

5 0 25

0 3

3

5 , 0 25 , 0 3 2 2

m

Cx

xC C

2) Tính số đơn vị chuyển khối

Với mỗi giá trị y trong khoảng 0.5→ 0.83 ta tìm được y* Từ đó xây dựng đồ thị

*Kết quả được tổng hợp ở bảng sau:

y y tg

*Với đoạn luyện:

Chọn các giá trị mi tương ứng với giá trị x = 0.2; 0.3; 0.4; 0.6; 0.7; 0.8

024.16

*Với đoạn chưng:

Chọn các giá trị mi tương ứng với giá trị x = 0.04; 0.05; 0.08; 0.1; 0.11; 0.14

322 1 6

*

dy y

y

dy m

YF=0.193 Yw=0.04

F F F F

h m y y

*

dy y

y

dy m

F F F F F

h m y y

.9829

238.6888322

.1089,0

.2

G

G m h

xC

yC C C

⇒

 Đoạn luyện:

( )m h

G

G m h

xL

yL L L

388.5924

18.6238024

.1137.0

4) Chiều cao toàn tháp:

 Chiều cao kớp đệm đoạn chưng:

( )m h

Khoảng cách giữa đện đoạn chưng và đoạn luyện ta chọn là 0.8m

Vậy chiều cao toàn tháp là: HT= HC + HL+ Zn+ Zđ+0.8=7.261(m)

x y m

y

x k

U

G

G A P

P

µ

µ ρ

ρ

.

- ∆P k :tổn thất áp suất của đệm khô (N/m2)

- Gx ,Gy : Lưu lượng lỏng và lưu lượng hơi trung bình đi trong tháp(Kg/s)

- µx,µy: độ nhớt trung bình của pha lỏng, pha hơi (N.s/m2)

- ρx,ρy : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, pha hơi (kg/m3)

Tổn thất áp suất của đệm khô được tính nếu Rey>400

2

4

2

.

3

' 2 '

y y đ

đ y

y td

k

V

H d

H

Trong đó:

- H: chiều cao của lớp đệm

- λ':hệ số trở của đệm bao gồm cả trở lực ma sát và trở lực cục bộ, với các loại đệmkhác nhau thì xác định teo công thức thực nghiệm khác nhau

- ω' : tốc độ của hơi tính trên toàn bộ tiết diện tháp (m/s)

- δd: bề mặt riêng của đệm(m2/m3)

Để tính áp suất của đệm khô ta phụ thuộc vào chuẩn số Renold:

( )

)(0122.0240

73.04

4

43 , 0 57

, 0 '

m

V

d

g d

Ar

G

G Ar

x

y y

1.Trở lực tháp đệm của đoạn chưng

* Chuẩn số Acsimet:

( )

)10049.1(

81.9544.19.738544.10122

0

2 5 3

2 3

yC td

C

g d

Ar

µ

ρρ

ρ

*Chuẩn số Reynolds:

40082

.1986446

.9829

238.6888

201230139045

,

0

045,0

Re

43 , 0 57

0

43 , 0 57

, 0 '

yC

G

G Ar

*Tốc độ hơi thích hợp :

Vậy :

( )

)/(773

2691

10049.1

1041.09

.738

544.1238

.6888

446.982915

,51859

876

1

)/(

859

876

73.0

.10049.1240544

,1106.1777

56

,

1

2

038 , 0 5

3 19

, 0 342

, 0

2

3

2 , 0 5 2

1 8

0 8

, 1 3

2 , 0 2 , 1 8 , 0 8 , 1 '

m N

G

G A P

P

m N

V

H P

c

y x n

x y m

y

x kC

UC

đ

yC đ yC yC

C kC

ρ

µσρ

10069.1(

81.9377.19.743377.10122.0

2 5

3 2

L

g d

Ar

µ

ρρρ

*Chuẩn số Reynolds:

400946

.2178388

.5924

18.6238

0

43 , 0 57

, 0 '

*Tốc độ hơi thích hợp

)/(385.1377

.10122,0

10069.1946.2178

s m

d td yL

yL yL

Vậy :

3

2 , 0 2 , 1 8 , 0 8 , 1

63

1818

73.0

.10069.1240377

,1385.1684

1 8

0 8

, 1

m N

x y m

y

x kL

UL

G

G A P

P

µ

µρ

ρ

1

)/(

176

5004

10069.1

1037.092

.743

377.118

.6238

388.592415

,5163

1818

2

038 , 0 5

3 19

, 0 342

, 0

m N

×

V . TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

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

Q D1 + Q f = Q F + Q ng1 + Q xq1 (J/h) (STQTTBT2-196)

*Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào :

)/)(

.(

−r1 : ẩn nhiệt hóa hơi (J/h)

−λ1: hàm nhiệt của hơi đốt (J/kg)( nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J.kg)

−θ1: nhiệt độ nước ngưng ( o C)

−C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg độ ) tra bảng I.148 [STQTTBT1 - 166]

C1= 1,014(kcal/kg.độ) = 4245,415(J/kg độ )

Q Q

* Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào :

Qf = F.Cf.tf(J/h);

Trong đó :

−F: lượng hỗn hợp đầu (kg.h)

−Cf : nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg độ )

−t `: nhiệt độ của hỗn hợp đầu ( o C )

* Nhiệt lượng ra khỏi thiết bị :

QF = F.CF.tF (J/h)

−F: lượng hỗn hợp đầu ( kg/h) ;

−CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đi ra khỏi thiết bị đun sôi ( J/kg độ )

−tF : nhiệt độ sôi của hỗn hợp ( o C)

* Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra :

Qng1 = Gng1.C1.θ1 = D1 C1 θ1( J / h )

Do Gng1 = D1 (kg/h)(lượng nước ngưng bằng hơi đốt)

*Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xuang quanh bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn::

Qxq1 = 0,05D1.r1 (J/h)

1 1

1

95,0

95

,

t C t C F r

) 1

F A

CA ; CB : lần lượt là nhiệt dung riêng của metylic, etylic ở nhiệt độ to

F = 75.75oC Nội suy từ bảng I.153 trong STQTTBT1-172 ta có :

CA = 2838.75 (J/kg độ )

CB = 3166.875 (J/kg độ )

109.3131875

.3166)109.01(109.075

.2537)109.01(109

.0

25768.245375

.75109.3131

3300

95,0

)/(104.2201)

/(

3 1

h kg r

t C t C

F

D

kg J kg

kcal

r

f f F F

⇒Vậy giá trị nhiệt lượng ở thiết bị này là:

*Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào :

(2201.4 10 119.62 4245.415)

142.261)

1 1 1

• Q F : nhiệt do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)

• Nhiệt do hơi sản phẩm đáy mang vào

QD2 = D2( r2 + C2 θ2) = D2 λ2

(J/h)Trong đó :

- D2: lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáytháp(Kg/h)

- r1 : ẩnnhiệt hóa hơi (J/h)

- λ2: hàm nhiệt(nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)

- θ2, C2 : nhiệt độ oC và nhiệt lượng riêng của nước ngưng (J/kg.độ)

• Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu sản phẩm đỉnh mang vào tháp :

QR = GR.CR.tR = P.Rth.CR.tR(J/h)

Trong đó :

- GR : Lượng lỏng hồi lưu

- CR , tR: Nhiệt dung riêng (J/kg.độ); nhiệt độ của chất lỏng hôilưu(oC)

• Nhiệt do hơi mang ra ở đỉnh tháp :

( P) B P

A đ

đ th y

a a

R P

Q

λλ

λ

λ

−+

=

+

=

1

.1

Trong đó:

− λd : Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp(J/kg)

− λA, λB : nhiệt lượng riêng của cấu tử metylic và etylic ở đỉnh(J/kg)

• Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra :

Q W =W.C W.t W (J/h)

Trong đó :

- Cw : nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ)

• Nhiệt do nước ngưng mang ra :

Q ng2 =G ng2.C2.θ2 =D2.C2.θ2(J /h)

Trong đó :

- Gng2: lượng nước ngưng tụ(kg/h)

• Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh :

ngt W

CR, tR : nhiệt dung riêng và nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu

tR=tP= 66.6oC tra bảng I.154 trong STQTTBT1-172 ta có :

CB = 3063.03 (J/kg độ)

CT = 3052.5(J/kg độ)

64,30605

,3052)773,01(099,15

03

,

3063

.1

=

×

−+

×

=

−+

C

(J/ kg độ )

1104053846 6

66 64 3060 099

15 72

B

B

A P

A

A

B P A

P

d

C t

r

C t

r

a a

)1(

=

λ

λ

λλ

λ

Tra bảng I.213 trong STQTTBT1-257 nội suy ở nhiệt độ to = 66.6oC được

)/(1062.1116)

/(

099 15 1 ( 792 358 )

.2847

.77212.3178208

.2941

0 r

Q Q Q

Q y + w − F − R

r2 = r1 = 2201,4.103(J/kg)(tra bảng I.212 STQTTBT! - 254)

)/(323

3036

104.220195

.0

11040538462

.7826989723

.72370528010

513

7

95,0

3 9

2 2

h kg

r

Q Q Q

=

+ Q ng2 = D 2 C 2 θ 2

θ2= 119.62oC= tS của nước ở P = 2at

Tra bảng I.148 trong STQTTBT1 – 166 ta có:

C2 = C1=1.014(kcal/kg.độ)= 4245.415 (J/kg độ )

)/(1541955774415

.424562

.119323.3036

3.Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ :

(Ngưng hồi lưu, sử dụng chất tải nhiệt là nước lạnh)