Tính toán, thiết kế thiết bị chính

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. - Phơng trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp. F = P + W [IX.16 II.144] - Đối với cấu tử dễ bay hơi: F.a F = P.a p + W.a w [IX.17 II.144] - Lợng sản phẩm đỉnh là: wp wF aa aa FP = . [IX.18 II.144] - Lợng sản phẩm đáy là: W = F P [IX.19 II.144] Đầu bài cho: F = 5.8 tấn/h hay F = 5800 Kg/h Vậy ta có lợng sản phẩm đỉnh là: 1734 01.098.0 01.03.0 *5800. = = = wp wF aa aa FP Kg/h - Lợng sản phẩm đáy là: W = F - P = 5800 1734 = 4066 Kg/h * Đổi nồng độ phần khối lợng sang nồng độ phần mol: áp dụng công thức: N N A A A A M a M a M a x + = [VIII.1 II.126] Với: 58 0 63 == HCA MM Kg/Kmol 18 0 2 == HN MM Kg/Kmol Thay số liệu vào ta có: ( ) N F A F A F F M a M a M a x + = 1 117.0 18 3.01 58 3.0 58 3.0 = + = phần mol ( ) N P A P A P P M a M a M a x + = 1 938.0 18 98.01 58 98.0 58 98.0 = + = phần mol ( ) N w A w A w w M a M a M a x + = 1 003.0 18 01.01 58 01.0 58 01.0 = + = phần mol * Tính khối lợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy. - Khối lợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu: M F = x F .M A + (1 - x F ).M N M F = 0.117*58 + (1- 0.117)*18 M F = 22.68 Kg/Kmol - Khối lợng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh: M p = x p .M A + (1 - x p ).M N M p = 0.938*58 + (1- 0.938)*18 M p = 55.52 Kg/Kmol - Khối lợng phân tử trung bình của sản phẩm đáy: M w = x w .M A + (1 - x w ).M N M w = 0.003*58 + (1- 0.003)*18 M w = 18.12 Kg/Kmol * Đổi đơn vị của F, P, W từ Kg/h sang Kmol/h ( ) hKmol M hkgF F F /73.255 68.22 5800/ === ( ) hKmol M hkgP P p /23.31 52.55 1734/ === ( ) hKmol M hkgW W w /39.224 12.18 4066/ === 2.1.2. Xác định số bậc thay đổi nồng độ. 2.1.2.1. Xác định chỉ số hồi lu tối thiểu (R min ) Theo số liệu Bảng IX.2a (II.145) thành phần cân bằng lỏng (x) hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử Axeton Nớc ở 760 mmHg (% mol) ta có bảng sau: Bảng 1 x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 60.3 72 80.3 82.7 84.2 85.5 86.9 88.2 90.4 94.3 100 t o C 100 77.9 69.6 64.5 62.6 61.6 60.7 59.8 59 58.2 57.5 56.9 Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đờng cân bằng lỏng (x) hơi (y) [Hình 1], với giá trị x F = 0.117 ta dóng lên đờng cân bằng và tìm đợc giá trị y * F = 0.743 Hình 1: Đồ thị đờng cân bằng lỏng hơi R min đợc tính theo công thức : FF Fp x xy yx R = * * min [IX.24 II.158] y * F : nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng x F của hỗn hợp. => 312.0 117.0743.0 743.0938.0 * * min = = = FF Fp x xy yx R 2.1.2.2. Tính chỉ số hồi lu thích hợp (R th ). R th : chỉ số hồi lu thích hợp đợc 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 H: chiều cao của tháp S: tiết diện của tháp N lt : số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết) ứng với mỗi giá trị của R > R min ta dựng đợc một đờng làm việc tơng ứng và tìm đợc một giá trị N lt (Các hình từ 2 ữ6 là đồ thị xác định số đĩa lý thuyết). Hình 2: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết (B=1.27; N lt =15) H×nh 3: §å thÞ x¸c ®Þnh sè ®Üa lý thuyÕt (B=1.35; N lt =12) H×nh 4: §å thÞ x¸c ®Þnh sè ®Üa lý thuyÕt (B=1.95; N lt =8 H×nh 5: §å thÞ x¸c ®Þnh sè ®Üa lý thuyÕt (B=2.2; N lt =7) H×nh 6: §å thÞ x¸c ®Þnh sè ®Üa lý thuyÕt (B=5.26; N lt =5) Từ đó ta có bảng số liệu sau: Bảng 2 R th 0.39624 0.4212 0.6084 0.7176 1.64 B 1.27 1.35 1.95 2.2 5.26 N lt 15 12 8 7 5 N lt (R th + 1) 20.95 17.05 12.87 12.02 13.2 Xây dựng đồ thị quan hệ giữa R th N lt (R th +1). Qua đồ thị ta thấy, với R th = 1 thì N lt (R th + 1) là nhỏ nhất hay thể tích tháp nhỏ nhất. Vậy ta có R th = 1 (Đồ thị hình 7). Hình 7: Đồ thị quan hệ giữa R th N lt (R th +1). 2.1.2.3. Phơng trình đờng nồng độ làm việc của đoạn luyện. 11 + + + = th P th th R X x R R y [II.148] Trong đó: +y: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ đĩa dới lên đĩa. +x: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa đó xuống. +R th : chỉ số hồi lu thích hợp. Thay số liệu vào ta có: 11 938.0 11 1 11 + + + = + + + = x R X x R R y th P th th L y L = 0.5x + 0.469 2.1.2.4. Phơng trình đờng nồng độ làm việc của đoạn chng. w thth th x fR f y fR R x + + + + = 1 1 [IX.22 II.158] w thth th x R f x R fR y 1 1 1 + + + = Trong đó: 19.8 23.31 73.255 === P F f (lợng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol sản phẩm đỉnh). Thay số liệu vào ta có: 003.0. 11 119.8 11 19.81 1 1 1 + + + = + + + = xx R f x R fR y w thth th C y c = 4.595x 0.0108 2.2. Tính đờng kính tháp. Đờng kính tháp đợc xác định theo công thức: ( ) tb yy tb g D . 0188.0 = , m [IX.90 II.181] Trong đó: g tb : lợng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h. ( y . y ) tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m 2 .s Vì lợng hơi và lợng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên ta phải tính lợng hơi trung bình cho từng đoạn. 2.2.1. Đờng kính đoạn luyện. 2.2.1.1. Lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện. Lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng của lợng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lợng hơi đi vào đĩa dới cùng của đoạn luyện. [...]... h2 = 0.13 m ,m 2/3 * 0.245 0.25 * 178.16 0.5 2.3.1.2 Tính m: Chọn các giá trị x bất kỳ, tại mỗi giá trị x đó ta tìm góc nghiêng của đờng cân bằng Từ các giá trị tìm đợc tính m theo công thức y cb y x x cb m = tg = Dựa vào các giá trị đã chọn trên đờng cân bằng, ta tính đợc m = 0.59 2.3.1.3 Tính số đơn vị chuyển khối my: - Số đơn vị chuyển khối tính theo pha hơi yc dy yd y y my = * [II.176] y*: thành... độ sủi bọt thì pha lỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và nh vậy pha lỏng là pha liên tục Nếu tăng tốc độ lên thì tháp bị sặc Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc của tháp Tốc độ hơi đi trong tháp đệm = (0.8 ữ 0.9)s [II.187] Với s là tốc độ sặc, m/s đợc tính theo công thức: Y = 1.2e-4X Với [IX.114 - II.187] s2. d ytb à x Y= g.Vd3 xtb à n G X = x G y 1/ 4... Vậy với kết quả tính toán đợc và so với điều kiện thực tế thì ta lấy đờng kính phần chng và đệm là 0.8 m nh đã chọn là hợp lý 2.3 Tính chiều cao tháp Đối với tháp đệm, chiều cao làm việc của tháp hay chiều cao lớp đệm đợc xác định theo công thức: H = hđv.my (m) [II.175] Trong đó: + 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... 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 dới lên chuyển động ngợc 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 chiếm toàn bộ thể tích tự do và nh vậy pha lỏng là pha liên tục Nếu tăng tốc độ lên thì tháp bị sặc Trong phần tính toán này ta tính tốc... nhớt của nớc ở 20oC, Ns/m2 * Tính Gx, Gy: Ta có Gy = gtb = 1542.785 kg/h G yC = G xC = 1542.785 = 0.4286 3600 kg/s F + G1 + G1' 5800 + 473.86 + 4943.71 = = 5608.785 2 2 G xC = 5608.785 = 1.558 3600 kg/h kg/s Thay số liệu đã tính đợc ta có: G X = x G y 1/ 4 y tb x tb 1/ 8 1.558 = 0.4286 1/ 4 1.26 922.3 1/ 8 = 0.6055 Y = 1,2e-4*0.6055 = 0.1065 * Tính độ nhớt: - Độ nhớt của nớc... bình và độ nhớt của nớc ở 20oC, Ns/m2 * Tính Gx, Gy: Ta có: Gy = gtb = 2837.93 kg/h 2837 93 = 0.788 3600 Gy = Gx = kg/s G R + G1 P.Rth + G1 1734 * 1 + 473.86 = = = 1103.93 2 2 2 Gx = 1103.93 = 0.307 3600 kg/h kg/s Thay số liệu ta có: G X = x Gy 1/ 4 y tb x tb 1/ 8 0.307 = 0.788 1/ 4 1.76 816 37 1/ 8 = 0.3667 Y = 1.2e-4*0.3667 = 0.2768 * Tính độ nhớt - Độ nhớt của nớc ở t = 20oC,... G1 = 4943.71 kg/h x1 = 0.02738 phần khối lợng Vậy lợng hơi trung bình đi trong đoạn chng là: g ' tb C = g1 + g '1 2207.86 + 877 71 = = 1542.785 2 2 kg/h 2.2.2.2 Tính khối lợng riêng trung bình * Khối lợng riêng trung bình đối với pha hơi đợc tính theo: ytb = y tb1 M A + (1 y tb1 ).M N 22.4 * T * 273 , kg/m3 [IX.102 - II.183] Trong đó: T: nhiệt độ làm việc trung bình của pha hơi trong đoạn chng, 0K... [hình IX.16 - II.178] ta đợc L = 0.15 * Xác định chuẩn số Reynon: + Chuẩn số Reynon của pha hơi: Re y = 0,4. y s à y d [II.178] Ta có ày = àhh đợc tính theo: M hh m1 M A m2 M N = + à hh àA àN [IX.18 - I.85] Trong đó: m1, m2: nồng độ của Axeton và Nớc tính theo phần thể tích Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol, nên m 1 = y1, m2 = y2 = 1 - y1 Thay vào ta có: (1 y1 ).M... bình đi trong tháp, phần trớc đã tính đợc Gx = 0.307 kg/s Ft: diện tích mặt cắt của tháp, Ft = 0.5027 m2 đ = 310 m2/m3 àx = 0.321*10-3 Ns/m2 Vậy chuẩn số Reynon của pha lỏng là: Re x = 0,04.G x 0.04 * 0.307 = = 0.245 Ft d à x 0.5027 * 310 * 0.321 * 10 3 * Xác định chuẩn số Pran: + Chuẩn số Pran của pha hơi: Pr y = ày y D y [II.178] Hệ số khuyếch tán Dy trong pha hơi tính theo: Dy = 0,0043.10 4.T 1,5... Vậy ta có: Dy = 0.0043 * 10 4 * (339.3)1,5 1 1 + 1 1 3 3 2 58 18 1.( 74 + 18.9 ) = 1.54*10-5 m2/s Thay các giá trị tính đợc vào ta có: Pr y = ày y D y = 0.00866 *10 3 = 0.32 1.76 *1.54 * 10 5 + Chuẩn số Pran của pha lỏng: Prx = àx x D x [II.178] Hệ số khuyếch tán Dx của pha lỏng đợc tính theo công thức: Dx = D20.[1 + b.(t - 20)] b= Với [VIII.15 - II.134] 0,2 à 3 [VIII.16 II.135] : khối lợng riêng . 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. - Phơng. vậy pha lỏng là pha liên tục. Nếu tăng tốc độ lên thì tháp bị sặc. Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc của tháp. Tốc