THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP CHƯNG CẤT ACETON NƯỚC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HĨA HỌC  BÁO CÁO ĐỒ ÁN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CƠNG NGHỆ HĨA HỌC CHƯNG LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ ACETON - NƯỚC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG Họ tên: Du Đức Hoàng Long MSSV: 14095651 Lớp: DHHO10C Nhóm: Tổ: GVHD: Nguyễn Tiến Đạt Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 29, tháng 9, năm 2017 Chương 1: CÂN BẰNG VẬT CHẤT I Các thông số ban đầu - Năng suất theo nhập liệu: 6000 kg/h - Nồng độ cấu tử dễ bay (acetone) nhập liệu: 24% khối lượng - Nồng độ cấu tử dễ bay (acetone) sản phẩm đỉnh: 98% khối lượng - Nồng độ cấu tử dễ bay (acetone) sản phẩm đáy: 2% khối lượng - Nguyên liệu vào hệ thống nhiệt độ sôi - Quá trình làm việc thiết bị áp suất thường - Loại thiết bị chưng cất sử dụng tháp mâm chóp - Khối lượng phân tử acetone nước là: MA = 58, MN = 18 * Chọn: + Nhiệt độ nhập liệu: tFv = 30oC + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: tD = 35oC + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt: tw = 35oC * Các kí hiệu: + GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h, Kmol/h + GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h, Kmol/h + GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h, Kmol/h +xF,xD,xW : phần khối lượng acetone hỗn hợp đầu, đỉnh đáy + xF, xD, xW : phần mol acetone pha lỏng hỗn hợp đầu, đỉnh đáy + yF, yD, yW: phần mol acetone pha hỗn hợp đầu, đỉnh đáy II Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy Xác định suất lượng khối lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy Cân vật chất cho toàn tháp: GF = G D + G W (1) Cân vật chất cấu tử nhẹ (acetone): xF.GF = xD.GD +xW.GW (2) Giải hệ phương trình (1) (2): GF = G D + G W 6000 = GD + GW xF.GF = xD.GD +xW.GW ⇔ 24.6000 = 98.GD + 2.GW ⇔ GD = 1375 (Kg/h) GW = 4625 (Kg/h) Tính tốn phân mol dòng Cơng thức tổng qt: xi = (xi /MA) / [xi /MA + (1 -xi )/MN] + Nhập liệu: xF = (xF /MA) / [xF /MA + (1 -xF )/MN] = (0,24 /58) / [0,24 /58 + (1 - 0,24)/18] = 0,089 ( phân mol acetone ) + Sản phẩm đỉnh : xD = (xD /MA) / [xD /MA + (1 -xD )/MN] = (0,98 /58) / [0,98 /58 + (1 - 0,98 )/18] = 0,938 ( phân mol acetone ) + Sản phẩm đáy : xW = (xW /MA) / [xW /MA + (1 -xW )/MN] = (0,02 /58) / [0,02 /58 + (1 - 0,02)/18] = 6,294 10-3 ( phân mol acetone ) Tính tốn khối lượng phân tử trung bình dòng Cơng thức tổng qt : Mi = MA.xi + MB.(1 - xi ) + Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu : MF = MA.xF + MB.(1 - xF ) = 58 0,089 + 18.(1 - 0,089) = 21,56 ( Kg/Kmol ) + Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh : MD = MA.xD + MB.(1 - xD ) = 58 0,938 + 18.(1 - 0,938) = 55,52 ( Kg/Kmol ) + Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy : MW = MA.xW + MB.(1 - xW ) = 58 6,294 10-3 + 18.(1 - 6,294 10-3 ) = 18,252 ( Kg/Kmol ) Tính tốn suất lượng mol dòng Cơng thức tổng qt: i= + Suất lượng mol dòng nhập liệu: F = = = 278,293 ( Kmol/h ) + Suất lượng mol dòng sản phẩm đỉnh: D = = = 24,766 ( Kmol/h ) + Suất lượng mol dòng sản phẩm đáy: W = F - D = 278,293 - 24,766 = 253,527 ( Kmol/h ) x y t( C) 10 o 0,05 0,60 77,9 0,1 0,7 69, 0,2 0,80 0,3 0,82 0,4 0,84 0,5 0,85 0,6 0,86 0,7 0,88 0,8 0,90 0,9 0,94 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59 58,2 57,5 1 56, Bảng Thành phần lỏng (x), (y) tính theo phần mol hỗn hợp hai cấu tử Acetone - Nước áp suất thường Dựa vào bảng ta vẽ đường cân ycb = f(x) xác định thành phần mol (y) nhiệt độ sôi tương ứng Đồ thị Đường cân lỏng - Acetone - nước áp suất thường Nhiệt độ sôi (oC) tF = 71,43 tD = 56,97 tW = 96,91 Thành phần Acetone hỗn hợp % Khối lượng Phần mol x Phần mol y 24 0,089 0,694 98 0,938 0,965 0,007 0,084 Bảng Thành phần Acetone - Nước hỗn hợp III Xác định số hồi lưu thích hợp Chỉ số hồi lưu thông số quan ảnh hưởng đến chế độ làm việc, chất lượng sản phẩm yêu cầu công nghệ Đây thơng số cần thiết phương trình đường làm việc tháp muốn xác định đường làm việc ta phải xác định số hồi lưu thích hợp Việc xác định số hồi lưu dựa sở giản đồ y - x Chỉ số hồi lưu thích hợp (R) xác định thơng qua số hồi lưu tối thiểu quan hệ theo phương trình sau: R = b.Rmin Xác định số hồi lưu tối thiểu Chỉ số hồi lưu tối thiểu chế độ làm việc mà ứng với số mâm lí thuyết vơ cực Do đó, chi phí cố định vơ cực chi phí vận hành (bơm, nước, nhiên liệu, ) cực tiểu Chỉ số hồi lưu tối thiểu xác định theo bước sau: Vẽ đồ thị đường cân pha đồ thị x, y Xác định điểm D (xD, yD = xD) đỉnh tháp chưng cất đồ thị Xác định điểm nhập liệu (xF, y*F) y*F nồng độ pha cân ứng với nồng độ nhập liệu Dựng đường thẳng qua điểm trên, giá trị giao điểm đường thẳng với trục tung Bo = , từ suy giá trị Rmin Từ sở phương pháp tiến hành trên, ta rút phương trình tính tốn giá trị Rmin Rmin = ⇒ Rmin = = 0,403 ( Dùng đồ thị tìm Bo = 0,668, từ tính Rmin) Chỉ số hồi lưu thích hợp Khi R tăng, số mâm giảm đường kính tháp, thiết bị ngưng tụ, nồi đun công để bơm tăng theo Chi phí cố định giảm dần đến cực tiểu tăng đến vơ cực hồn lưu toàn phần, lượng nhiệt lượng nước sử dụng tăng theo số hồi lưu Tổng chi phí bao gồm: chi phí cố định chi phí điều hành Chỉ số hồi lưu thích hợp ứng với tổng chi phí cực tiểu • Cách 1: Tính tốn số hồi lưu theo công thức kinh nghiệm: R = (1,2 ÷ 2,5).Rmin hay R = 1,3.Rmin + 0,3 ⇒ R = 1,3.0,403 + 0,3 ≈ 0,824 • Cách 2: Tính tốn số hồi lưu theo phương pháp thể tích nhỏ : Đơi chi phí điều hành phức tạp, khó kiểm sốt nên người ta tính số hồi lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ Để tính số hồi lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ ( khơng tính đến chi phí vận hành ), ta cần lập mối quan hệ số hồi lưu thể tích tháp, từ chọn Rth ứng với thể tích tháp nhỏ Nhận thấy, tiết diện tháp tỉ lệ với lượng tháp, mà lượng tỉ lệ với lượng lỏng hồi lưu tháp, điều kiện làm việc định GD khơng đổi nên lượng lỏng hồi lưu tỉ lệ với (R + 1) Do đó, tiết diện tháp tỉ lệ với R + Ngoài ra, chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối mx hay số mâm lí thuyết Nlt Cho nên, thể tích làm việc tháp tỉ lệ với tích số mx*(R+1) Nlt*(R+1) Như vậy, ta thiết lập quan hệ R Vtháp theo quan hệ R Nlt*(R+1) Từ đồ thị quan hệ này, ta xác định điểm cực tiểu Nlt*(R+1) ứng với số hồi lưu thích hợp R Vấn đề phải xác định trị số mx ứng với giá trị R khác để thiết lập quan hệ phụ thuộc R mx(R+1) đồ thị Muốn ta cho nhiều giá trị R lớn Rmin, tính tung độ Bi vẽ đường làm việc tháp Cứ giá trị R ta tính số đơn vị chuyển khối tương ứng STT b 1,2 1,4 1,6 1,8 2,2 2,4 2,5 Bo 0,632 0,6 0,57 0,544 0,519 0,497 0,477 0,467 R 0,484 0,564 0,645 0,725 0,806 0,887 0,967 1,008 Nlt 12 11 10 10 9,6 8,2 8 (R+1).Nlt 17,808 17,204 16,45 17,25 17,338 15,473 15,736 16,064 Bảng Quan hệ R Nlt Đồ thị liên hệ R - Nlt*(R+1) Theo đồ thị ta nội suy số hồi lưu thích hợp Rth = 0,9 IV Phương trình đường làm việc, số mâm lý thuyết Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn cất: y =.x + = x + = 0,4737.x + 0,4937 Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng: y =.x - xw = x - 0,007 = 6,444.x - 0,0381 Số mâm lý thuyết Xác định số mâm lý thuyết đồ thị tiến hành sau : Vẽ đường cân x -y đồ thị nồng độ phần mol Xác định phương trình đường làm việc biểu diễn phương trình đường làm việc đồ thị Các phương trình đường làm việc đường thẳng nên cần thiết lập điểm để vẽ phương trình Vẽ số bậc thang thay đổi điểm D (xD, yD = xD) kết thúc điểm (xw, xw) Số bậc thang đồ thị ứng với số mâm lý thuyết cần tìm W Đồ thị tính tốn mâm lý thuyết đường làm việc Từ đồ thị, ta có số mâm lý thuyết Nlt = mâm V Xác định số mâm thực tế Có nhiều phương pháp xác định số mâm thực tế, ngoại trừ ảnh hưởng thiết kế khí tháp ta xác định số mâm thực dựa vào hiệu suất trung bình : Nt = : Nt - số mâm thực tế Nlt - số mâm lý thuyết ηtb - hiệu suất trung bình thiết bị Hiệu suất η hàm số độ bay tương đối α hỗn hợp thực độ nhớt chất lỏng η = f(α.µ) Muốn xác định hiệu suất ta phải xác định tích số α.µ, nhờ giá trị ta tìm hiệu suất theo đồ thị hình IX.1 STT1 Vì hiệu suất tháp thay đổi theo chiều cao nên ta phải tính nhiều trị số lấy trị số trung bình Ta lấy trị số mâm cùng, trị số mâm nhập liệu trị số mâm ηtb = với η1 : hiệu suất mâm η2 : hiệu suất mâm nhập liệu η1 : hiệu suất mâm cuối  Xác định hiệu suất trung bình tháp ηtb : + Độ bay tương đối cấu tử dễ bay : α= với : x - phân mol acetone pha lỏng y* - phân mol acetone pha cân với lỏng - Tại vị trí nhập liệu: xF = 0,089 ta tra đồ thị cân hệ: y*F = 0,694, tF = 71,43oC • αF = = = 23,215 - Tại vị trí đỉnh tháp: xD = 0,938 ta tra đồ thị cân hệ: y*D = 0,965, tD = 56,97oC • αD = = = 1,822 - Tại vị trí đáy tháp: xW = 0,007 ta tra đồ thị cân hệ: y*W = 0,0844, tW = 96,91oC • αW = = = 13,076 + Độ nhớt hỗn hợp xác định theo nhiệt độ: Độ nhớt (cP) µA µN Đỉnh tháp 0,235 0,493 Giữa tháp 0,214 0,407 Độ nhớt hỗn hợp tính theo cơng thức: lg µhh = xA.lgµA + (1-xA).lgàN nht sn phm nh: lg àD = xD.lgµA + (1-xD).lgµN = 0,938.lg0,235 + (1-0,938).lg0,493 = -0,609 àD = 10-0,609 = 0,246 (cP) nht nguyên liệu đầu: lg µF = xF.lgµA + (1-xF).lgµN = 0,089.lg0,214 + (1-0,089).lg0,407 Đáy tháp 0,175 0,295 = -0,415 ⇒ µF = 10-0,415 = 0,385 (cP) • Độ nhớt nguyên liệu đầu: lg µW = xW.lgµA + (1-xW).lgµN = 0,007.lg0,175 + (1-0,007).lg0,295 = -0,532 ⇒ µW = 10-0,532 = 0,294 (cP) Khi biết tích số α.µ ta tính hiệu suất tương ứng α 1,822 23,125 13,076 Dòng Sản phẩm đỉnh Nhập liệu Sản phẩm đáy µ 0,246 0,385 0,294 α.µ 0,448 8,903 3,844 Hiệu suất η 60% 30% 36% Từ tính hiệu suất trung bình thiết bị: ηtb = = = 42% Suy số mâm thực: Nt = = = 19 mâm CHƯƠNG : CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG Cân nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu Qnl = GF CpF (tFr - tFv) + Qm Qnl : nhiệt lượng cần cung cấp, kJ/h CpF : nhiệt lượng riêng hỗn hợp nhập liệu, kJ/kg.oC tFv, tFr : nhiệt độ nhập liệu vào khỏi thiết bị , oC Từ ta có: Acetone Nước Hỗn hợp tFv 30 tFr 71,43 ttb 50,72 Cp 2,275 4,183 3,725 Qnl 974695,263 Cp = xF.CpA + (1 -xF).CpN Qm = 5% Qnl Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ Cho q trình ngưng tụ khơng làm lạnh Qng = GD.(R+1).rD , kJ/h Xác định rD ( ẩn nhiệt hóa sản phẩm đỉnh): Tra tài liệu tham khảo, tD = 56,97 oC ta có: Ẩn nhiệt hóa Acetone rA: 522,138 (kJ/kg) Ẩn nhiệt hóa nước rN: 2365,658 (kJ/kg) ⇒ rD = rA.xD + ( -xD).rN = 522,138.0,98 + 0,02.2365,658 =559,008 (kJ/kg) Vậy: Qng = GD.(R+1).rD = 1375.(0,9+1).559,008 = 1460408,4 (kJ/h) Cân nhiệt lượng thiết bị làm lạnh Làm lạnh sản phẩm đỉnh: QDll = GD.CpD (tsD - tD) Làm lạnh sản phẩm đáy: QWll = GW.CpW (tsW -tW) CpD, CpW : nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kJ/kg.oC Cân nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất: QF + QK + Qlo = QD + QW + Qm + Qng ⇒ QK = QD + QW + Qm + Qng - QF - Qlo • QK : nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, kJ/h • Qm: nhiệt lượng mát mơi trường xung quanh Chọn Qm = 5%.QK • QF : nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào, kJ/h QF = GF.CF.tF Ở tF = 71,43 oC, tra tài liệu tham khảo, ta có nhiệt dung riêng Acetone CpA = 2,342 (kJ/kg.oC) Suy ra: CF =xF.CpA + (1 -xF).CpN = 0,24.2,342 + 0,76.4,180 = 3,739 (kJ/kg.oC) Vậy: QF = GF.CF.tF = 6000.3,739.71,43 = 1602460,62 (kJ/h) • QD : nhiệt lượng dòng sản phẩm mang ra, kJ/h QD = GD.CpD.tD Ở tD = 56,97 oC, tra tài liệu tham khảo, ta có nhiệt dung riêng Acetone CpA = 2,295 (kJ/kg.oC) Suy ra: CpD =xD.CpA + (1 -xD).CpN = 0,98.2,295 + 0,02.4,188 = 2,333 (kJ/kg.oC) Vậy: QF = GF.CF.tF = 1375.2,333.56,97 = 182752,64 (kJ/h) • QW: nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang ra, kJ/h QW = GW.CpW.tW Ở tW = 96,91 oC, tra tài liệu tham khảo, ta có nhiệt dung riêng Acetone = 2,425 (kJ/kg.oC) Suy ra: CpW =xW.CpA + (1 -xW).CpN = 0,02 2,425 + 0,98.4,224 = 4,188 (kJ/kg.oC) Vậy: QW = GW.CW.tW = 4625.4,188.96,91 = 1877098,245 (kJ/h) • Qng : nhiệt lượng trao đổi thiết bị ngưng tụ, kJ/h Qng = GD.(R+1).rD Xác định rD ( ẩn nhiệt hóa sản phẩm đỉnh): Tra tài liệu tham khảo, tD = 56,97 oC ta có: Ẩn nhiệt hóa Acetone rA: 522,138 (kJ/kg) Ẩn nhiệt hóa nước rN: 2365,658 (kJ/kg) ⇒ rD = rA.xD + ( -xD).rN = 522,138.0,98 + 0,02.2365,658 =559,008 (kJ/kg) Vậy: Qng = GD.rD = 1375.559,008 = 768636 (kJ/h) CpA ... ( 1-0 ,089).lg0,407 Đáy tháp 0,175 0,295 = -0 ,415 ⇒ µF = 1 0-0 ,415 = 0,385 (cP) • Độ nhớt nguyên liệu đầu: lg µW = xW.lgµA + (1-xW).lgµN = 0,007.lg0,175 + ( 1-0 ,007).lg0,295 = -0 ,532 ⇒ µW = 1 0-0 ,532... MA.xD + MB.(1 - xD ) = 58 0,938 + 18.(1 - 0,938) = 55,52 ( Kg/Kmol ) + Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy : MW = MA.xW + MB.(1 - xW ) = 58 6,294 1 0-3 + 18.(1 - 6,294 1 0-3 ) = 18,252... nồng độ làm việc đoạn chưng: y =.x - xw = x - 0,007 = 6,444.x - 0,0381 Số mâm lý thuyết Xác định số mâm lý thuyết đồ thị tiến hành sau : Vẽ đường cân x -y đồ thị nồng độ phần mol Xác định phương