THIẾT KẾ THÁP MÂM ĐỆM CHƯNG HỖN HỢP ETANOL NƯỚC

Nồng độ hỗn hợp đầu phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi: 32%.. luyện là loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thường 1at với hỗn hợp đầu vào đượcgia nhiệt đến nhiệt độ sôi.Sau quá trình chưng

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA

- -ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÔN THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

Đề tài: THIẾT KẾ MÂM THÁP ĐỆM CHƯNG CẤT LIÊN TỤC

HAI CẤU TỬ ETANOL – NƯỚC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN

KHOA : CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN :CƠ HỌC VÀ THIẾT BỊ

HỌ VÀ TÊN:

1 Tên đồ án: Thiết kế mâm tháp đệm làm việc ở áp suất thường, chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử Etanol – nước

2 Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung với số liệu ban đầu)

Số liệu ban đầu:

Lưu lượng hỗn hợp đầu vào tháp: 2500 kg/h

Nồng độ hỗn hợp đầu (phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi): 32%

Nồng độ sản phẩm đỉnh (phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi): 84%

Nồng độ sản phẩm đy (phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi): 4%

Nội dung:

Tính tốn thiết kế tháp chưng cất, cn bằng nhiệt lượng

Tính tốn các thiết bị chính, thiết bị phụ

Thể hiện sơ đồ công nghệ vẽ chi tiết thp ln giấy A1

3 Ngày giao nhiệm vụ đồ án:

4 Ngày hòan thành nhiệm vụ:

5 Họ và tên người hướng dẫn: Nguyễn Tiến Đạt

TP Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 8 năm 2017

(ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên)

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN

Người duyệt:

Đơn vị:

Ngày bảo vệ:

Điểm tổng kết:

Nơi lưu trữ:

NHẬN XÉT

Mục Lục Phần 1 : Giới Thiệu Chung

1.2 1.2 Thuyết minh dây chuyền sản xuất.

1.5 Ưu, nhược điểm của tháp đệm.

1.5.1 Ưu điểm của tháp đệm

1.5.2 Nhược điểm của tháp đệm

1.6 Bảng kê các ký hiệu thường dùng trong đồ án.

Phần 2 : Tính toán, thiết kế thiết bị chính.

2.1 Tính toán cân bằng vật liệu toàn tháp.

2.1.1 Tính cân bằng vật liệu

2.1.2 Xác định số bậc thay đổi nồng độ

2.1.2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin)

2.1.2.2 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp (Rth)

2.1.2.3 Phương trình đường nồng độ làm của đoạn luyện

2.1.2.4 Phương trình đường nồng độ làm của đoạn chưng

2.1.2.5 Tính số mâm lý thuyết

2.1.2.6 Tính số mâm thực tế

2.2 Tính đường kính tháp.

2.2.1 Đường kính đoạn luyện

2.2.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện

2.2.1.2 Tính khối lượng riêng trung bình

2.2.1.3 Tính tốc độ hơi đi trong tháp

2.2.2 Đường kính đoạn chưng:

2.2.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng

2.2.2.2 Tính khối lượng riêng trung bình

2.2.2.3 Tốc độ hơi đi trong đoạn chưng.

2.3 Tính chiều cao tháp.

2.3.1 Tính chiều cao đoạn luyện

2.3.1.1 Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối:

2.3.1.2 Tính m:

2.3.1.3 Tính số đơn vị chuyển khối my:

2.3.2 Chiều cao của đoạn chưng:

2.3.2.1 Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối:

2.3.2.2 Tính m:

2.3.2.3 Tính số đơn vị chuyển khối my:

2.3.2.3 Tính số đơn vị chuyển khối my:

2.4 Trở lực của tháp đệm.

2.4.1 Trở lực của đoạn luyện:

2.4.2 Trở lực của đoạn chưng:

2.4.3 Trở lực của toàn tháp:

2.5 Cân bằng nhiệt lượng.

2.5.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:

2.5.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

2.5.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ:

2.5.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh:

Phần 3: Tính toán, thiết kế thiết bị phụ

3.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

3.1.1 Lượng nhiệt cần thiết:

3.1.2 Tải nhiệt trung bình cho quá trình truyền nhiệt

3.2 Tính toán cơ khí và lựa chon.

3.2.1 Tính các đường ống dẫn

3.2.1.1.Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh

3.2.1.2 Tính đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh

3.2.1.4 Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đáy.

3.2.1.5 Tính đường kính ống dẫn hồi lưu sản phảm đáy

3.2.2 Tính chiều dày của thân tháp hình trụ

3.2.3 Tính đáy và nắp thiết bị

3.2.4 Tra Bích

3.2.5 Tính lưới đỡ đệm, dầm đỡ đệm, đĩa phân phối chất lỏng:

3.2.6 Tính chọn tai treo và chân đỡ:

3.3 Tính thùng cao vị.

3.3.1 Các trở lực trong quá trình tiếp liệu

3.3.1.1 Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu tới tháp

3.3.1.2 Trở lực của ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu.3.3.1.3 Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

3.3.2 Tính chiều cao của thùmg cao vị so với đĩa tiếp liệu:

3.4 Tính Bơm.

Phần 4 : Kết Luận

Phần 5 : Tài Liệu Tham Khảo

Phần 1 : Giới Thiệu Chung

1.1 Mở Đầu.

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng (cũng như cáchỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khácnhau của các cấu tử trong hỗn hợp Chúng ta có thể thực hiện nhiều phương phápchưng khác nhau như chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, và chưngđặc biệt (chưng luyện hỗn hợp đẳng phí, chưng phân tử, chưng bằng hơi nước trựctiếp, chưng trích ly)

Ngày nay, chưng được ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp:

+ Dầu mỏ, các tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng

Trong quá trình sản xuất Etanol thường kèm theo rất nhiều sản phẩm phụ làNước Vì vậy, nồng độ cũng như độ tinh khiết của Etanol không được cao Trongphần đồ án này sẽ trình bày thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm đểphân tách hỗn hợp Etanol – Nước Hỗn hợp đầu gồm 2 cấu tử là Etanol và Nướcnên được gọi là chưng luyện hỗn hợp 2 cấu tử Etanol – Nước được phân tách

luyện là loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào đượcgia nhiệt đến nhiệt độ sôi.

Sau quá trình chưng luyện, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơilớn hơn (Etanol) và một phần rất nhỏ cấu tử khó bay hơi hơn (Nước) Sản phẩmđáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi (Nước) và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi(Etanol)

Trong suốt quá trình tính toán và thiết kế, được sự hưóng dẫn trực tiếp và sự

giúp đỡ nhiệt tình của ……cũng như với sự nỗ lực và cố gắng của bản thân bản đồ

án thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách Etanol – Nước vớicác thông số như nội dung đề tài được giao của em đã được hoàn thành với nộidung sau:

Phần 1 Giới thiệu chung.

Phần 2 Tính toán, thiết kế thiết bị chính.

Phần 3 Tính toán, thiết kế thiết bị phụ.

Phần 4 Kết luận chung.

Phần 5 Tài liệu tham khảo.

1.2 Thuyết minh dây chuyền sản xuất.

Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm lênthùng cao vị (3) Mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế bởi cửachảy tràn Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị đun nóng hỗnhợp đầu (4), quá trình tự chảy này được theo dõi bằng van và đồng hồ đo lưulượng Tại thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão hoà), hỗn hợpđầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi Sau khi đạt đến nhiệt độ sôi, hỗn hợp nàyđược đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm (5) Trong tháp, phalỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với hơi được tạo thành ở thiết bị đun sôi đáy tháp(9) đi từ dưới lên, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần Theochiều cao của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầngđệm 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 cho pha hơi ngày càng giàu cấu tử dễ bay hơi,pha lỏng ngày càng giàu cấu tử khó bay hơi Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thuđược hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (Etanol) và một phần rất nhỏ cấu tử khó bay hơi(Nước) Hỗn hợp hơi này được đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6) và tại đây nóđược ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh) Một phần chất lỏng sau ngưng tụchưa đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng để hồi lưu trở về đỉnh tháp; phầncòn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó

đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8) Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặphơi có nhiệt độ cao đi từ dưới lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp (Etanol) lạibốc hơi đi lên, một phần cấu tử khó bay hơi (Nước) trong pha hơi sẽ ngưng tụ đixuống Do đó, nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng ngày càng tăng Cuốicùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi(Nước), một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (Etanol) Hỗn hợp lỏng này được đưa rakhỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩmđáy (10), một phần được tận dụng đưa vào thiết bị gia nhiệt đáy tháp (9) dùng hơi

hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp) Nước ngưng của các thiết bịgia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (11) đi xử lý.

Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩmđược cung cấp và lấy ra liên tục

1.5. Sơ đồ dây chuyền công nghệ.

3

4 5

* Chú thích:

1- Thùng chứa hỗn hợp đầu 2- Bơm

3- Thùng cao vị 4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

5- Tháp chưng luyện 6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh

9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 10- Thùng chứa sản phẩm đáy

11- Thiết bị tháo nước ngưng

1.6. Chế độ làm việc của tháp đệm.

Tùy thuộc vào vận tốc khí mà chế độ thủy động trong tháp đệm là chế

độ dòng, xoáy hay sủi bọt Chế độ dòng, vận tốc khí còn bé, lực hút phân tử lớnhơn lực ỳ nên chuyển khối được quyết định bằng khuếch tán phân tử Tăng dầnvận tốc đến khi lực ỳ bằng lực phân tử quá trình chuyển khối được quyết địnhkhông chỉ bằng khuếch tán phân tử mà còn có khuếch tán đối lưu Chế độ thủyđộng chuyển sang chế độ quá độ Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, ta có chế

độ xoáy và quá trình chuyển khối được quyết định bởi khuếch tán đối lưu Đếnmột giới hạn nào đó của vận tốc khí sẽ xảy ra hiện tượng đảo pha Lúc này chấtlỏng sẽ choán toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, còn khí phân tán vào lỏng vàtrở thành pha phân tán Vận tốc khí ứng với điểm đảo pha gọi là vận tốc đảo pha

Do khí sục vào lỏng nên tạo bọt

Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất,song trong thực tế tháp đệm chỉ làm việc ở vận tốc đảo pha, vì nếu tăng nữa sẽ rấtkhó đảm bảo quá trình ổn định Chế độ này, chất lỏng chảy thành màng bao quanhđệm, nên còn gọi là chế độ màng Do đó, trong thực tế tháp làm việc ở chế độmàng

1.5 Ưu, nhược điểm của tháp đệm.

1.5.1 Ưu điểm 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 của tháp tương đối rộng

1.5.2 Nhược điểm của tháp đệm.

+ Khó làm ướt đều đệm

+ Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều

1.6 Bảng kê các ký hiệu thường dùng trong đồ án.

- F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

- P: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

- W: Lượng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

- Các chỉ số F, P, W : tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp đầu, sảnphẩm đỉnh, sản phẩm đáy

- a: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi, kg nước/kg hỗn hợp

- x: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi, kmol nước/kmol hỗn hợp

- M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol

- µ: độ nhớt, Ns/m2

- ρ: khối lượng riêng, kg/m3

- Các chỉ số A, N, x, y, hh: tương ứng chỉ đại lượng thuộc về cấu tử axeton, nước,thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp

Phần 2 : Tính toán, thiết kế thiết bị chính.

2.1 Tính toán cân bằng vật liệu toàn tháp.

2.1.1 Tính cân bằng vật liệu.

- Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp

F = P + W

- Đối với cấu tử dễ bay hơi:

F.aF = P.ap+ W.aw

- Lượng sản phẩm đỉnh là:

w p

w F a a

a a F P

04.032.0

*2500

w F a a

a a F

M

a M a M

a x

+

=

Với: M A =M C3H60 =46 Kg/Kmol

F A F F

M

a M

a M

a x

−+

=

18

32.0146

32

32.0

=

−+

N

P A

P A P P

M

a M

a M

a x

−+

=

18

84.0146

84

84.0

=

−+

N

w A

w A w w

M

a M

a M

a x

−+

=

18

04.0146

04

04.0

=

−+

F

/ 83 111 354 22

P

p

/76.23816.36

875/

W

w

/ 09 80 446 18

1625

=

2.1.2 Xác định số bậc thay đổi nồng độ.

2.1.2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin).

Theo số liệu Bảng tra cứu thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ

sôi của hỗn hợp 2 cấu tử etanol – Nước ở 760 mmHg (% mol) ta có bảng sau:

Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng (x) – hơi (y) [Hình

1], với giá trị x F = 0.1555 ta dóng lên đường cân bằng và tìm được giá trị y *

F = 0.494

Hình 1: Đồ thị đường cân bằng lỏng – hơi

Rmin được tính theo công thức :

F F

F p x

x y

y x R

494.0672.0

F p x

x y

y x R

2.1.2.2 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp (R ).

x(%mol)

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Hệ Etanol -Nước

y(%mol)

100

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

Cơ sở của việc chọn Rth theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất là:

(Đồ thị hình 2)

Hình 2: Đồ thị quan hệ giữa Rth – Nlt(Rth+1)

2.1.2.3 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện.

th

R

X x R

R

y Trong đó:

+y: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ đĩa dưới lênđĩa

+x: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa đó xuống +Rth : chỉ số hồi lưu thích hợp

Thay số liệu vào ta có:

1575.1

672

1575.1

575.11

R y

th

P th

th L

yL = 0.611x + 0.26

2.1.2.4 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng.

w th

th

f R

f y f R

R x

+

−+++

= 1 1

w th th

R

f x R

f R y

+

=

⇔Trong đó:

7 4 76 23

83

17.41

575.1

7.4575.11

1

−

−+

+

=+

−

−+

+

R

f x R

f R

th th

th C

- Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :

Trong đó: ηtb: hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối

và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : η = f(α,μ)

Ntt: số mâm thực tế Nlt: số mâm lý thuyết

- Xác định hiệu suất trung bình của tháp ηtb

Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi :

x

x 1 y 1

Với : x là phần mol của rượu trong pha lỏng

y*: phần mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

+Tại vị trí nhập liệu:

Từ và , tra tài liệu tham khảo [1 (tập 1) – trang 107] ta được:

Suy ra:

Tra tài liệu tham khảo [1 (tập 2) – trang 171]: F = 0,39

+Tại vị trí mâm đáy:

Từ và , tra tài liệu tham khảo [1 (tập 1) – trang 107] tađược:

Suy ra:

Tra tài liệu tham khảo [1 (tập 2) – trang 171]: F = 0,38

+Tại vị trí mâm đỉnh:

Từ và , tra tài liệu tham khảo [1 (tập 1) – trang 107] tađược:

Tra tài liệu tham khảo [1 (tập 2) – trang 171]: P = 0,75

ω

ρ 0188.0

Trong đó:

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

(y.y)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s

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

2.2.1 Đường kính đoạn luyện.

2.2.1.1 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

2

1

g g

+gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h.

+gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h

+gl: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h

*Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp:

gđ = + = (Rth+1) [IX.92 - II.181]

gđ = 875(1.575 + 1)

gđ = 2253.125 kg/h

*Lượng hơi đi vào đoạn luyện:

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất củađoạn luyện được xác định theo hệ phương trình

g1 = G1 + Gp

g1.y1 = G1.x1 + Gp.xp [II.182]

g1.r1 = gđ.rđ

Trong đó:

+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

+r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất

+rđ: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp

x1 = xF = 0.1555 phần mol tương đương với 0.32 phần khối lượng

1 = 85 0 C nội suy theo Bảng I.212 [I.254] ta được:

02.1011

=

=r r

p Từ xp = 0.672 dựa vào Bảng I ta được t0 = 79.10C.

+ yđ: hàm lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần khối lượng

yđ = yp = xp = 0.84 phần khối lượng

Với t0

2 = tP = 79.10C nội suy theo Bảng I.212 [I.254] ta được:

61.8545

g1 = 1588.51 kg/h

G1 = 713.51 kg/h

y1 = 0.606 phần khối lượng Thay y1 = 0.606 vào r1 ta được:

r1 = 2387.16 – 1375.96*0.606 = 1553.91 kJ/kg

* Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:

8175.19202

51.1588125

.22532

2.2.1.2 Tính khối lượng riêng trung bình.

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo:

273

*

*4.22

)

1(

1 1

T

M y M

y tb

−+

=

ρ ,kg/m3 [IX.102 – II.183]Trong đó:

T: nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện, 0K

ytb1: nồng độ phần mol của Etanol lấy theo giá trị trung bình

2

1 1 1

c d tb

y y

376.018

606.0146

606

606.0

−+

=

c

y phần mol

524.02

376.0672.02

1 1

tb

y y

+ Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là:

*4.22

)

1(

1

T

M y M

y tb L

−+

=ρ

.273 1.1958

8.352

*4.22

18

*)524.01(46

*524

=

L tb

y

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng:

2 1

1

1

tb tb

tb x

tb x

a a

ρρ

ρ

−+

tb

a a

0.41375

2

672.01555.02

tb

x x

o

tb

t : nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha lỏng Với x tb L =0.41375

phần mol Dựa vào Bảng I ta được t x0tb =80.70C

Với t0 = 80.70C Nội suy từ số liệu trong Bảng I.2 [I-9] ta được:

2 =

tb

x

ρ kg/m3.+ Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là:

−+

=

2 1

1

1

tb tb

tb x

tb x

a a

ρρ

18.947

=

⇒ρx tb kg/m3

2.2.1.3 Tính tốc độ hơi đi trong tháp.

Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lênchuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động: Chế độ chảy màng,chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt Chế độ sủi bọt thì pha lỏng chiếmtoàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục Nếu tăng tốc độ lên thìtháp bị sặc Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặccủa tháp

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

ω = (0.8 ÷ 0.9)ωs [II.187]

Với ωs là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức:

Y = 1.2e-4X [IX.114 – II.187]

Với

16 , 0 3

.

2

 

=

n

x x d

y d s

tb

tb

V g

Y

µ

µρ

ρσω

[II.187]

8 / 1 4

/ 1

x G

G X

tb y

ρ , :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3

µx, µn: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở

20oC, Ns/m2

* Tính G x , G y :

Ta có: Gy = gtb = 1920.8175 kg/h

534.03600

8175

=

8175.10452

51.713575.18752

.2

8175.1045

.947

1958.1.534.0

29.0

8 / 1 4

/ 1 8

/ 1 4

/ 1

x G

G X

ρρ

lgµhh = 0.41357lg(0.2293*10-3) + (1 – 0.41357)lg(0.4665*10-3) = -3.493854457

 µhh = µx = 0.321*10-3 Ns/m2

* Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn Số liệu Bảng IX.8 [II.193]

Bảng 3:Các thông số của đệm Rasiga.

Khối lượng riêngxốp, ρđ, kg/m3

Từ công thức:

16 , 0 3

.

2

 

=

n

x x d

y d s

tb

tb

V g

Y

µ

µρ

ρσω

3 3

3 16

, 0

3 2

10

*005.1

10

*321.0

*1958.1

*1000

18.947

*62.0

*81.9

*27.0

x d s

tb

tb

V g Y

µ

µρσ

ρω

*1958.1

8175.19200188

.0

0188

=

tb y y

tb L

g D

ω

Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DL = 1 m

2.2.2 Đường kính đoạn chưng:

2.2.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng.

2

1 ' '

1: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện (g’

n=

g1) nên ta có thể viết:

2

1 ' 1

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 = 1625 kg/h

xw = 0.016 phần mol tương ứng với 0.04 phần khối lượng

*)064.01(46

*064.0

46

*064.0

1

−+

Với ra, rn: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất ở t0 = tw0 Với xw =

0.016 dựa vào Bảng I ta được tw0 = 98.670C Từ t0 =tw0 =98.670C ,nội suy theo

Bảng I.212 [I.254] ta được.

2.934

=

a

r kJ/kg

71.2261

76.119551.15882

1 ' 1

2.2.2.2 Tính khối lượng riêng trung bình.

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo:

273

*

*4.22

)

1(

1

T

M y M

y tb

−+

=

ρ , kg/m3 [IX.102 - II.183]Trong đó:

T: nhiệt độ làm việc trung bình của pha hơi trong đoạn chưng, 0K

ytbc: nồng độ phần mol của Etanol lấy theo giá trị trung bình

2

1

d tb

y y y

672.01487.02

*273

*4.22

)

1(

1

T

M y M

y tb C

−+

=ρ

7.355

*4.22

18

*)41035.01(46

*41035

1

1

tb tb

tb x

tb x

a a

ρρ

ρ

−+

1

a a

086.032.02

' 1

1

x x

086

086.0

tb

t : nhiệt độ trung bình của đoạn chưng theo pha lỏng

Với x tb C =0.17465phần mol Dựa vào đồ thị quan hệ x – t0 ta được

=

2 1

1

1

tb tb

tb x

tb x

a a

ρρ

ρ 0940.203+1974−0..20331 =0.001034

14.967

=

2.2.2.3 Tốc độ hơi đi trong đoạn chưng.

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

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

ω = (0.8 ÷ 0.9)ωs [II.187]

Với ωs là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức:

Với

16 , 0 3

.

2

 

=

n

x x d

y d s

tb

tb

V g

Y

µ

µρ

ρσω

[II.187]

8 / 1 4

/ 1

x G

G X

ρ , :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3

µx, µn: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở

20oC, Ns/m2

* Tính G x , G y :

Ta có Gy = g’tb = 1392.135kg/h

3867.03600

135

.71325002

' 1

135

14.967

07.1.3867.0

838.0

8 / 1 4

/ 1 8

/ 1 4

/ 1

x G

G X

ρρ

Y = 1,2e-4*0.5181 = 0.151

- Độ nhớt của nước ở t = 20oC, Tra Bảng I.102 [I.94] ta có µn = 1.005*10-3

.

2

 

=

n

x x d

y d s

tb

tb

V g

Y

µ

µρ

ρσω

[II.187]

16 , 0 3 3

3 16

, 0

3 2

10

*469.0

10

*508.0

*07.11000

14.967

*62.0

*81.9

*151.0

x d s

tb

tb

V g Y

µ

µρσ

ρω

( ) 0.956

504.0

*07.1

135.13940188

.0

'0188

=

tb y y

tb C

g D

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

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

2.3.1 Tính chiều cao đoạn luyện.

2.3.1.1 Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối:

Chiều cao của một đơn vị chuyển khối của tháp đệm phụ thuộc vào đặc trưngcủa đệm và trạng thái pha, được xác định theo công thức

2

1 . h G

G m h h

m: hệ số phân bố trung bình ở điều kiện cân bằng pha

Gy, Gx: lưu lượng hơi và lỏng trung bình đi trong tháp, kg/s

* Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h 1 , h 2 :

3 / 2 25 , 0

d a

V h

σψ

5 , 0 25 , 0 3 / 2

a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng thì a = 0,123

µx: độ nhớt của pha lỏng, Ns/m2

Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3

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 tháp và mật độ tưới thích hợp, xác định theo đồ thị IX.16 [II 178]

Chọn đệm loại vòng Rasiga có các thông số :

V

U = :là mật độ tưới thực tế, m3/m2.h

Utt = B.σđ :là mật độ tưới thích hợp, m3/m2.hTrong đó:

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

Ft: diện tích mặt cắt tháp, m2

σđ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3

G V

3245.1785.0

04

3245

Tra [hình IX.16 ] ta được ψL = 0.022

* Xác định chuẩn số Reynon:

+ Chuẩn số Reynon của pha hơi:

d y

s y y

σµ

ωρ

4,0

Re = [II.178]

Ta có µy = µhh được tính theo:

N

N A

A hh

M

µµ

µ = 1 + 2 [IX.18 - I.85]

Trong đó:

m1, m2: nồng độ của Etanol và Nước tính theo phần thể tích

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

A hh

N

M y

µµ

µ

.1

N A

A

M y M

y M

y

M y

µµ

µ

1.1

)1(1

.1

1

1 1

1 1

1

1

−+

−+

−+

=

⇒

a a

a

aA, aN: nồng độ phần khối lượng của Etanol và Nước.

1

.1 1

1

⇒

N tb A

tb

A tb

M y M

y

M y a

10

*011.0

738.0110

*0085.0

738.01

=

−+

*10

*009038

0

775.0

*1958.14.0

+ Chuẩn số Reynon của pha lỏng:

x d t

x x

*321.0

*1000

*785.0

29.0

*04.0

.04,0

x d t

x x

F

G

µσ