tính toán và thiết kế tháp chưng luyện

MỞ ĐẦU•Giới thiệu chung về dây chuyền sản xuất.Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏng còng nh­ các hỗn hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dùa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Khi chưng cất, hỗn hợp đầu có bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản phẩm. Theo đề bài thì hỗn hợp đầu gồm 2 cấu tử là RượuEtylic và Nước nên được gọi là chưng cất hỗn hợp 2 cấu tử.Sau quá trình chưng cất, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi lớn hơn(RượuEtylic) và một phần rất Ýt cấu tử có độ bay hơi bé hơn (Nước). Sản phẩm đáy gồm hầu hết các cấu tử khó bay hơi (Nước) và một phần rất Ýt cấu tử dề bay hơi (RươuEtylic).Trong trường hợp này ta dùng tháp chưng luyện loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi.

phÇn I. MỞ ĐẦU • Giới thiệu chung về dây chuyền sản xuất. Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏng còng nh các hỗn hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dùa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Khi chưng cất, hỗn hợp đầu có bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản phẩm. Theo đề bài thì hỗn hợp đầu gồm 2 cấu tử là RượuEtylic và Nước nên được gọi là chưng cất hỗn hợp 2 cấu tử. Sau quá trình chưng cất, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi lớn hơn(RượuEtylic) và một phần rất Ýt cấu tử có độ bay hơi bé hơn (Nước). Sản phẩm đáy gồm hầu hết các cấu tử khó bay hơi (Nước) và một phần rất Ýt cấu tử dề bay hơi (RươuEtylic). Trong trường hợp này ta dùng tháp chưng luyện loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi. PHẦN II. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ. I. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT. (HÌNH 1) II. THUYẾT MINH SƠ ĐỒ. Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị được khống chế bởi của chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), quá trình tự chảy này được theo dõi bằng đồng hồ lưu lượng. Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão hoà), hỗn hợp đầu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt tới nhiệt độ sôi, hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm (5). Trong tháp, hơi đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên 3 xuống, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần. Theo chiều cao của tháp, càng lên cao 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 cho pha hơi ngày càng giầu cấu tử dễ bay hơi, pha lỏng ngày càng giầu cấu tử khó bay hơi. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (RượuEtylic) và một phần rất Ýt cấu tử khó bay hơi(Nước). Hỗn hợp hơi này được đi 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 ngưng tụ chưa đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng (7) để hồi lưu trở về đỉnh tháp, phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (8) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (10). 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 sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử khó bay hơi trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi xuống. Do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Nước) và một phần rất Ýt cấu tử dễ bay hơi (RượuEtylic), hỗn hợp lỏng này được đưa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (11), một phần được tận dụng đưa vào nồi đun sôi đáy tháp (9) dùng hơi nước bão hoà. Thiết bị (9) này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp 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 (12). Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm được lấy ra liện tục. III. CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP ĐỆM. Trong tháp đệm có 3 chế độ thuỷ động là chế độ chảy dòng, chế độ quá độ và chế độ xoáy. Khi vận tốc khí bé, lực hót phân tử lớn hơn và vượt lực lỳ. Lúc này quá trình chuyển khối được xác định bằng dòng khuyếch tán phân tử. Tăng vận 4 tốc lên lực lỳ trở nên cân bằng với lực hót phân tử. Quá trình chuyển khối lúc này không chỉ được quyết định bằng khuyếch tán phân tử mà cả bằng khuyếch tán đối lưu. Chế độ thuỷ động này gọi là chế độ quá độ. Nếu ta tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa thì chế độ quá độ sẽ chuyển sang chế độ xoáy. Trong giai đoạn này quá trình khuyếch tán sẽ được quyết định bằng khuyếch 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 tháp và trở thành pha liên tục, còn pha khí phân tán vào trong chất lỏng và trở thành pha phân tán. Vận tốc khí ứng với thời điểm này gọi là vận tốc đảo pha. Khí sục vào lỏng và tạo thành bọt vì thế trong giai đoạn này chế độ làm việc trong tháp gọi là chế độ sủi bọt. Ở chế độ này vận tốc chuyển khối tăng 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 vận tốc đảo pha mét Ýt vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn sủi bọt là mạnh nhất, nhưng vì trong giai đoạn đó ta sẽ khó khống chế quá trình làm việc. 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 tương đối rộng. Nhược điểm. + Khó làm ướt đều đệm. + Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều. IV. BẢNG KÊ CÁC KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG TRONG BẢN 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) 5 - W: Lượng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - Các chỉ sè F, P, W, A, B : tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy củaRượuEtylic và Nước. - a: nồng độ phần khối lượng, RượuEtylic kg /kg hỗn hợp - x: nồng độ phần mol, kmol RượuEtylic /kmol hỗn hợp - M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol - µ: độ nhít, Ns/m 2 - ρ: khối lượng riêng, kg/m 3 - Các chỉ sè A, B, x, y, hh : tương ứng chỉ đại lượng thuộc về cấu tử RượuEtylic, Nước, thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp. - Ngoài ra các ký hiệu cụ thể khác được định nghĩa tại chỗ. 6 Phần IIi. Tính toán thiết bị chính I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU. I.1. Tính toán cân bằng vật liệu. I.1.1. Hệ phương trình cân bằng vật liệu. - Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp. F = P + W [II – 144] [II – 144] - Đối với cấu tử dễ bay hơi Fa F = Pa p + Wa w [II – 144] [II – 144] - Lượng sản phẩm đỉnh là: Trong đó: F: năng suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h a F , a p , a w : lần lượt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lượng Đầu bài cho F = 4000(kg/h). Vậy ta có lượng sản phẩm đỉnh là: (kg/h) - Lượng sản phẩm đáy là: W = F -P = 3600-1537= 2063 (kg/h) I.1.2. Đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol của a F , a p , a w . 7 Áp dụng công thức [II – 126] Trong đó: a A, a B : nồng độ phần khối lượng của RượuEtylic và Nước. M a, M B : khối lượng mol phân tử củaRượuEtylic và Nước. Với (kg/kmol) (kg/kmol) Thay số liệu vào ta có: (phần mol) (phần mol) (phần mol) I.1.3. Tính khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy. Theo công thức: M = x.M A + (1 – x)M B Trong đó: M: khối lượng phân tử trung bình, kg/kmol x: nồng độ phần mol - Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh. M p = x p .M A + (1 – x p )M B M p = 0,839.0,839 +(1- 0,839).18 8 M p = 39,71 kg/kmol - Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu. M F = x F .M A + (1 – x F )M B M F = 0,221.46 +(1- 0,221).18 M F = 24,188(kg/kmol) - Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy. M w = x w .M A + (1 – x w )M B M w = 0,016.46 +(1- 0,016).18 M w = 18,448 (kg/kmol) I.1.4. Đổi đơn vị của F, P, W từ kg/h sang kmol/h I.1.5. Lượng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh: I.2. Xác định số bậc thay đổi nồng độ. I.2.1. Xác định R min dùa trên đồ thị y – x. Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng sau: [II – 145] Bảng 1. x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 Hỗnhợ p đẳng phí y 0 33. 2 44. 2 53. 1 57. 6 61. 4 65. 4 69. 4 75. 3 81. 8 89. 8 10 0 89.4 9 t 10 0 90. 5 86. 5 83. .2 81. 7 80. 8 80 79. 4 79 78. 6 78. 4 78. 4 78.15 - Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đường nồng độ cân bằng lỏng(x)_ hơi(y) ta có:B m ax =0.324 (kẻ tiếp tuyến với đường nồng độ cân bằng cắt trục tung ở đâu đó là B m ax ).mà R min =1,59 -Cho các giá trị từ 1đến 7 của B<B max ta tìm được những số đĩa khác nhau. Ta có kết quả trong bảng sau: Bảng2 B 0.324 0.284 0.244 0.204 0.164 0.124 0.088 0.044 R 1.59 1.95 2.44 3.11 4.12 5.77 8.49 16.33 N lt 29 20 16 13 12 11 10 N lt (R+1) 85,55 68,8 65,76 66,56 81,24 104,9 163,3 .2.2. Tính chỉ số hồi lưu thích hợp Từ đồ thị N(R+1)_R xác định được R th =3.11 ứng với số đĩa lý thuyết là N lt =16 trong đó có 13 đoạn luyện và 3 đoạn chưng. R th : chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất. Cơ sở của việc chọn R th theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất là: V = H.S H: tỷ lệ với N lt G = W.S = P.(R + 1)  S tỷ lệ với R + 1  V = H.S tỷ lệ với N lt (R + 1) Giá thành tháp tỷ lệ với V, mà V tỷ lệ với N lt (R + 1), giá thành tháp thấp nhất ứng với thể tích tháp nhỏ nhất. Vì vậy cần phải chọn chế độ làm việc thích hợp cho tháp, tức là R th . Trong đó: V: là thể tích của tháp 10 H: chiều cao của tháp S: tiết diện của tháp N lt : sè bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết) .2.3. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện. [II – 148] [II – 148] 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 đĩa xuống. R x : chỉ số hồi lưu. Thay số liệu vào ta có. y L = 0,757x + 0,204 I.2.4. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng. [II.158] [II.158] Trong đó: : lượng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol sản phẩm đỉnh. Thay số liệu vào ta có. yy c = 1,692x – 0,0111 II. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG LUYỆN. 11 Đường kính tháp được xác định theo công thức , (m) [II - 181] [II - 181] Trong đó: g tb : lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h. (ρ y .ϖ y ) tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m 2 .s Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn. II.1. Đường kính đoạn luyện. II.1.1. 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. , (kg/h) [II - 181] [II - 181] Trong đó: g tb : lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h. g đ : lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h. g l : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp, kg/h. • Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp. g g đ = G R + G p = G p (R x +1)[II – 181] [II – 181] g đ = 38,706(3,11 + 1) g đ = 159,08(kJ/h) 12 . hơi và hỗn hợp. - Ngoài ra các ký hiệu cụ thể khác được định nghĩa tại chỗ. 6 Phần IIi. Tính toán thiết bị chính I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU. I.1. Tính toán. qua thiết bị phân dòng (7) để hồi lưu trở về đỉnh tháp, phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (8) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó đi vào