CHƯƠNG 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
3.3 Xác định tỉ số hồn lưu tối thiểu
Tỉ số hồn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đĩ ứng với số mâm lý thuyết là vơ cực. Do đĩ, chi phí cố định là vơ cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước và bơm…) là tối thiểu.
Dựa vào đồ thị với 𝑥𝐹 = 0,197 ta xác định được 𝑦𝐹∗ = 0,532
⇒ 𝑅𝑥𝐷−𝑦𝐹 ∗ 𝑦𝐹∗−𝑥𝐹 𝑚𝑖𝑛 = 0,898−0,532 0,532−0,197 = 1,088 3.4 Tỉ số hồn lưu thích hợp
Tỉ số hồn lưu thích hợp thường được xác định qua tỉ số hồi lưu tối thiểu.
𝑅 = 1,3. 𝑅𝑚𝑖𝑛=1,716 (3-5)
3.5 Xác định phương trình đường làm việc
3.5.1. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất
𝑦 = 𝑅
𝑅+1𝑥 + 𝑥𝐷
𝑅+1⇒ 𝑦𝑐ấ𝑡 = 0,632𝑥 + 0,31
3.5.2. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng
Với 𝑓 là chỉ số nhập liệu, ta cĩ: 𝑓 = 𝐹 𝐷= 72.009 15.088 = 4.772 𝑦 =𝑅+𝑓 𝑅+1𝑥 −𝑓−1 𝑅+1𝑥𝑤 ⇒ 𝑦𝑐ℎư𝑛𝑔 = 2,389𝑥 − 0.014 3.6 Số mâm lý thuyết 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 phầ n m ol etha nol tr ong pha hơi
Phần mol ethanol trong pha lỏng
Đồ thị xác định số mâm lý thuyết
XD
CHƯƠNG 3: Cân bằng vật chất CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 17
Hình 3-1: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết
Từ đồ thị cĩ: 8 mâm bao gồm: 5 mâm cất, 3 mâm chưng. Vậy, số mâm lí thuyết là 𝑁𝑙𝑡 = 8 mâm.
3.7 Xác định số mâm thực tế
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:
𝑁𝑡𝑡 =𝑁𝑙𝑡
𝜂𝑡𝑏 (3-6) Với:
𝜂𝑡𝑏: là 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 lí thuyết
3.8 Xác định hiệu suất trung bình của tháp
Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:
𝛼 = 𝑦∗
1−𝑦∗.1−𝑥
𝑥 IX.61 (171.T2) (3-7) Với:
- 𝑥: phân mol của rượu trong pha lỏng.
- 𝑦∗: phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng. Tại vị trí nhập liệu: 𝑥𝐹 = 0,196, 𝑦𝐹∗ = 0,532, 𝑡𝐹∗ = 85.119 𝑜𝐶
𝛼𝑓 = 𝑦𝐹∗ 1−𝑦𝐹∗
1−𝑥𝐹
𝑥𝐹 = 4.644
Tra bảng I.102 (trang 94, [1]): Độ nhớt của nước: 𝜇𝑁 = 0.343 cP
Tra bảng I.101 (trang 91, [1]): Độ nhớt của rượu: 𝜇𝑅 =0.447 cP Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu:
𝑙𝑜𝑔 𝜇𝐹 = 𝑥𝐹. 𝑙𝑜𝑔 𝜇𝐸𝑡 + (1 − 𝑥𝐹). 𝑙𝑜𝑔 𝜇𝑁 → 𝜇𝐹 = 0,643 cP nên 𝛼𝐹. 𝜇𝐹 = 2,998
Tra hình IX.11 (trang 171, [2]): 𝜂𝐹 = 37,08%
Tại vị trí mâm đáy:
𝛼𝑤 = 𝑦𝑤∗
1−𝑦𝑤∗ .1−𝑥𝑤
𝑥𝑤 = 12,433
tb
CHƯƠNG 3: Cân bằng vật chất CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 18
Tra bảng I.102 (trang 94, [1]): Độ nhớt của nước: 𝜇𝑁 = 0,294 cP
Tra bảng I.101 (trang 91, [1]): Độ nhớt của rượu: 𝜇𝑅 = 0,350 cP
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đáy:
𝑙𝑜𝑔 𝜇𝑤 = 𝑥𝑤. 𝑙𝑜𝑔 𝜇𝑅 + (1 − 𝑥𝑤). 𝑙𝑜𝑔 𝜇𝑁 → 𝜇𝑤 = 0,588 cP nên 𝛼𝑤. 𝜇𝑤 = 7,351
Tra hình IX.11 (trang 171, [2]): 𝜂𝑊 = 31%
Tại ví trí mâm đỉnh: 𝑥𝐷 = 0,503, 𝑦𝐷∗ = 0,659, 𝑡𝐷 = 79,694 𝑜𝐶 𝛼𝐷 = 𝑦𝐷∗
1−𝑦𝐷∗ .1−𝑥𝐷
𝑥𝐷 = 1,909
Tra bảng I.102 (trang 94[1]): Độ nhớt của nước: 𝜇𝑁 = 0,358 cP
Tra bảng I.101 (trang 91[1]): Độ nhớt của rượu: 𝜇𝑅 = 0,465 cP
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đỉnh:
𝑙𝑜𝑔 𝜇𝐷 = 𝑥𝐷. 𝑙𝑜𝑔 𝜇𝑅+ (1 − 𝑥𝐷). 𝑙𝑜𝑔 𝜇𝑁 → 𝜇𝐷 = 0,678 cP nên 𝛼𝐷. 𝜇𝐷 = 1,293
Tra hình IX.11 (trang 171, [2]): 𝜂𝐷 = 45,3%
Hiệu suất trung bình của tháp 𝜂𝑡𝑏 = 39% Số mâm thực tế của tháp 𝑁𝑡𝑡: 𝑁𝑡𝑡 = 8
39% = 18
Vậy chọn 𝑁𝑡𝑡 = 18 mâm, bao gồm 10 mâm cất, 7 mâm chưng, 1 mâm nhập liệu.
Bảng 3-1: Tĩm tắt số liệu cân bằng vật chất G=1800 L.h-1 G=1800 L.h-1 x y 𝒙 T (oC) M(kmol) G(Kg.h-1) F 0,196 0,533 0,384 83,137 72.009 1691.34 D 0,503 0,65 0,659 79.696 15.088 650.95 W 0,010 0.112 0,025 97.255 56.921 1014.85
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 20
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN - THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
4.1 Đường kính tháp (𝑫𝒕)
Đường kính tháp được xác định theo IX.90 (trang 181, [1]):
𝐷𝑡 = √𝜋.3600.𝜔4.𝑉𝑡𝑏
𝑡𝑏 = 0,0188. √(𝜌𝑦.𝜔)𝑔𝑡𝑏
𝑡𝑏
(m) (4-1)
Với:
𝑉𝑡𝑏: lượng hơi trung bình đi trong tháp m3.h-1.
𝜔𝑡𝑏: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp m.s-1.
𝐺𝑡𝑏: lượng hơi trung bình đi trong tháp kg.h-1.
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau. Do đĩ đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau.
4.2 Đường kính đoạn cất
4.2.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất xác định theo XI.91 (trang 181[2]):
𝑔𝑡𝑏 =𝑔𝑑+𝑔1
2 (4-2) Với:
𝑔𝑑: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp kg.h-1.
𝑔𝑙: lượng hơi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất kg.h-1.
Xác định 𝒈𝒅:
Theo cơng thức IX92 (trang 181, [1]):
𝑔𝑑 = 𝐷. (𝑅 + 1) = 31.632 kmol.h-1 → 𝑔𝑑 = 1036.468 kg.h-1 Xác định 𝒈𝒍: Từ hệ phương trình: { 𝑔1 = 𝐺1+ 𝐷 𝑔1. 𝑦1 = 𝐺1. 𝑥1 + 𝐷. 𝑥𝐷 𝑔1. 𝑟1 = 𝑔𝑑. 𝑟𝑑 (4-3) Với:
𝐺𝑙: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất.
𝑟𝑙: ẩn nhiệt hĩa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất.
𝑟𝑑: ẩn nhiệt hĩa hợi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp.
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
Ẩn nhiệt hĩa hơi của nước (bảng I.250, trang 312[1]): 𝑟𝑁 = 41892.529 kJ.kmol-1
Ẩn nhiệt hĩa hơi của ethanol (bảng I.212, trang 254[1]): 𝑟𝑅 = 38663.470 kJ.kmol-1
→ 𝑟1 = 𝑟𝑅. 𝑦1+ (1 − 𝑦1). 𝑟𝑁 = 41892.529 − 3229,059𝑦1
Tính 𝒓𝒅: Từ 𝑡𝐷 = 79.695oC ta cĩ:
Ẩn nhiệt hĩa hơi của nước (bảng I.250, trang 312 [1]): 𝑟𝑁 = 42150.546 kJ.kmol-1
Ẩn nhiệt hĩa hơi của ethanol (bảng I.212 trang 254 [1]): 𝑟𝑅 =38664.470 kJ.kmol-1
→ 𝑟𝑑 = 𝑟𝑅. 𝑦𝐷+ (1 − 𝑦𝐷). 𝑟𝑁 = 40174.5 kJ.kmol-1
Cĩ 𝑥1 = 𝑥𝐹 = 0.196
Giải hệ (4-3), ta được: {
𝐺1 = 16,014 (kmol.h-1) 𝑦1 = 0,345 (phân mol etanol) 𝑔1 = 31,292 (kmol.h-1)
𝑀1 = 𝑦1𝑀𝑅 + (1 − 𝑦1)𝑀𝑁 = 0,345.46 + (1 − 0,345).18 = 27.66 (đvC) → 𝑔1 = 31,292.27,66 = 865.536 (kg.h-1)
Vậy 𝑔𝑡𝑏 =865.536+1036.468
2 = 951 (kg.h-1) Tốc độ hơi trung bình trong tháp
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ cĩ ống chảy chuyền:
𝜔𝑔ℎ = 0,05. √𝜌𝑥𝑡𝑏
𝜌𝑦𝑡𝑏 (IX111, trang 186, [1]) Với:
𝜌𝑥𝑡𝑏: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg.m-3)
𝜌𝑦𝑡𝑏: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg.m-3) Xác định 𝝆𝒚𝒕𝒃:
𝜌𝑦𝑡𝑏 =[𝑦𝑡𝑏.46+(1−𝑦𝑡𝑏).18].273
22,4.(𝑡𝑡𝑏+273) (IX.102, trang 83, [1]) Nồng độ phân mol trung bình:
𝑦𝑡𝑏 =𝑦1+𝑦𝐷
2 =0,345+0.659
2 = 0,439
Nhiệt độ trung bình đoạn cất:
𝑡𝑡𝑏 =𝑡𝐹+𝑡𝐷
2 =83.098+79,694
2 = 81,4 oC
⇒ 𝜌𝑦𝑡𝑏 =[0,439.46+(1−0,439).18].273
22,4.(81,41+273) = 1,041 kg.m-3
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh SVTH: Phạm Văn Tín Trang 22 𝑉𝑡𝑏 = 𝑔𝑡𝑏 𝜌𝑦𝑡𝑏 = 951,002 1,041.3600= 0,254 m3.s-1 Xác định 𝝆𝒙𝒕𝒃:
Nồng độ phân mol trung bình:
𝑥𝑡𝑏 =𝑥𝐹+𝑥𝐷 2 =0,196+0,503 2 = 0,35 ⇒ 𝑥̄𝑡𝑏 = 46.𝑥𝑡𝑏 46.𝑥𝑡𝑏+(1−𝑥𝑡𝑏).18= 46.0,35 46.0,35+(1−0,35).18= 0,579
𝑡𝑡𝑏 = 81,4 oC tra bảng I.2 trang 9 [1] → 𝜌𝑥𝑡𝑏 = 937,7 kg.m-3 ⇒ 𝜔𝑔ℎ = 0,05. √937,7
1,041 = 1,5 m.s-1
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:
𝜔ℎ = 0,8. 𝜔𝑔ℎ = 0,8.1,5 = 1,2 m.s-1
Vậy đường kính đoạn cất:
𝐷𝑐ấ𝑡 = 0,0188. √ 𝑔𝑡𝑏
(𝜌𝑦.𝜔𝑦)𝑡𝑏= 0,0188. √ 951
1,041.1.5 = 0,5 m
Đường kính đoạn chưng
Lượng hơi trung bình đi trong tháp:
𝑔𝑡𝑏 =𝑔𝑛′+𝑔1′
2 (4-4) Trong đĩ:
𝑔𝑛′ : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg.h-1)
𝑔1′: lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg.h-1)
Xác định 𝒈𝒏′: 𝑔𝑛′ = 𝑔1 = 865,536 kg.h-1 hay 31,405 kmol.h-1 Xác định 𝒈𝟏′: Từ hệ phương trình { 𝐺1′ = 𝑔1′ + 𝑊 𝐺1′. 𝑥1′ = 𝑔1′. 𝑦𝑤 + 𝑊. 𝑥𝑤 𝑔1′. 𝑟1′ = 𝑔𝑛′. 𝑟𝑛′ = 𝑔1. 𝑟1 (4-5) Với:
𝐺1′: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng
𝑟1′: ẩn nhiệt hĩa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng Tính : 𝑥𝑤 = 0,01 → 𝑦𝑤 = 0,112
' 1
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
⇒ 𝑀𝑡𝑏𝑊 = 46. 𝑦𝑊 + (1 − 𝑦𝑤).18 = 46.0,112 + (1 − 0,112).18 = 21,126
kg.kmol-1
𝑡1′ = 𝑡𝑤 = 97.255 oC ta cĩ:
Ẩn nhiệt hĩa hơi của nước (bảng I.250, trang 312, [1]): 𝑟𝑁 = 40827,203 kJ.kmol-1
Ẩn nhiệt hĩa hơi của ethanol (bảng I.212, trang 254, [1]): 𝑟𝑅 = 37574,47 kJ.kmol-1 → 𝑟1′ = 𝑟𝑅′. 𝑦𝑤+ (1 − 𝑦𝑤). 𝑟𝑁′ = 40464.013 kJ.kmol-1 Tính 𝒓𝟏: → 𝑟1 = 40039,27 kJ.kmol-1 Ta cĩ 𝑊 = 56,921 kmol.h-1. Giải hệ (4-5), ta được: { 𝐺1′ = 88,657 (kmol.h-1) 𝑥1′ = 0,046 𝑔1′ = 31,736 (𝐾𝑚𝑜𝑙.h-1) 𝑀𝑡𝑏𝐺′ = 𝑥1′𝑀𝑅+ (1 − 𝑥1′)𝑀𝑁 = 0,046.46 + (1 − 0,046).18 = 19,288 (kg.kmol-1) → 𝑔1′ = 19,288.31,736 = 612.124 (kg.h-1) Vậy 𝑔𝑡𝑏′ =615,24+83.536 2 = 738.83 (kg.h-1)
4.3 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ cĩ ống chảy chuyền:
𝜔𝑔ℎ′ = 0,05. √𝜌𝑥𝑡𝑏′
𝜌𝑦𝑡𝑏′ (4-6)
Với:
𝜌𝑥𝑡𝑏′ : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg.m-3)
𝜌𝑦𝑡𝑏′ : khối lượng riêng trung bình củ pha hơi (kg.m-3) Xác định 𝝆𝒚𝒕𝒃′ :
𝜌𝑦𝑡𝑏′ =[𝑦𝑡𝑏′ .46+(1−𝑦𝑡𝑏′ ).18].273 22,4.(𝑡𝑡𝑏′ +273) (4-7) Nồng độ phân mol trung bình:
𝑦𝑡𝑏′ =𝑦1+𝑦𝑤
2 =0,345+0,112
2 = 0,228
Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:
𝑡𝑡𝑏′ =𝑡𝐹+𝑡𝑊
2 =83,1+97,225
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 24
⇒ 𝜌𝑦𝑡𝑏′ =[0,228.46+(1−0,228).18].27322,4.(88,47+273) = 0,823 Kg.m-3
Lưu lượng pha hơi trong phần chưng:
𝑉𝑡𝑏′ = 𝑔𝑡𝑏′
𝜌𝑦𝑡𝑏′ = 738.83
0,823.3600 = 0,25 m3.s-1
Xác định 𝝆𝒙𝒕𝒃′ :
Nồng độ phân mol trung bình:
𝑥𝑡𝑏′ =𝑥𝐹+𝑥𝑤 2 =0,196+0,012 2 = 0,103 ⇒ 𝑥𝑡𝑏′ = 46.𝑥′𝑡𝑏 46.𝑥′ 𝑡𝑏+(1−𝑥′ 𝑡𝑏).18= 0,227 Với 𝑡𝑡𝑏′ = 88,474 oC ta cĩ:
Khối lượng riêng của nước tra bảng I.249 trang 310, [1]: 𝜌𝑁′ = 963,004 Kg.m-3
Khối lượng riêng của rượu tra bảng I.2 trang 9, [1]: 𝜌𝑅′ = 891,915 Kg.m-3 ⇒ 𝜌𝑥𝑡𝑏′ = (𝑥𝑡𝑏 ′ 𝜌𝐸𝑡′ +1−𝑥𝑡𝑏′ 𝜌𝑁′ ) −1 = 945,89 (Kg.m-3) ⇒ 𝜔𝑔ℎ = 0,05. √956,515 0,85 = 1,696 (m.s-1)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:
𝜔ℎ = 0,8. 𝜔𝑔ℎ = 0,8.1,696 = 1,356 (m.s-1)
Vậy đường kính đoạn chưng:
𝐷𝑐ℎư𝑛𝑔 = 0,0188. √ 𝑔′𝑡𝑏 (𝜌′
𝑦.𝜔′𝑦)𝑡𝑏= 0,0188. √ 738.83
0,823.1,356= 0,484 m
Do đường kính của đoạn chưng và đoạn cất khơng chênh lệch nhiều, để thuận tiện tính tốn ta chọn 𝐷𝑡 = 𝐷𝑐ấ𝑡𝑡 = 𝐷𝑐ℎư𝑛𝑔 = 0,5 m. Tốc độ làm việc thực: Phần cất: 𝜔𝑙𝑣 =0,01882.𝑔𝑡𝑏 𝐷𝑡2.𝜌𝑦𝑡𝑏 =0,01882.951,002 0,52.1.041 = 1.291 (m.s-1) Phần chưng: 𝜔𝑙𝑣′ =0,01882.𝑔𝑡𝑏′ 𝐷𝑡2.𝜌𝑦𝑡𝑏′ =0,01882.738 0,52.0,822 = 1,27 (m.s-1) Bảng 4-1: Tĩm tắt các thơng số đường kính tháp
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
Kí hiệu Đoạn cất Đoạn chưng
𝑔𝑑 (kg.h-1) 1,036.47 865.54 𝑔1 (kg.h-1) 868,54 612.12 𝑔𝑡𝑏 (kg.h-1) 951,00 738,83 𝜌𝑦𝑡𝑏 (kg.m-3) 1,04 0,82 𝜌𝑥𝑡𝑏 (kg.m-3) 937.64 945,83 𝜔𝑙𝑣 (m.s-1) 1,291 1,270 𝐷 (m) 0,5 0,5
4.4 Mâm lỗ - trở lực của mâm 4.4.1. Cấu tạo mâm lỗ
Chọn tháp mâm xuyên lỗ cĩ ống chảy chuyền. Chọn đường kính lỗ 𝑑1 = 3 mm = 0,003 m.
Tổng diện tích lỗ bằng 8% diện tích mâm.
Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ. Bố trí theo hình lục giác đều.
Tỉ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 1/1.
Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm. Số lỗ trên 1 mâm: 𝑁 =8%.𝑆𝑚â𝑚 𝑆𝑙ơ = 0,08 ⋅ (𝐷𝑡 𝑑1)2 = 0,08 ⋅ ( 0.5 0,003)2 = 2222.22 lỗ Áp dụng cơng thức V.139 trang 48, [2] 𝑁 = 3𝑎(𝑎 − 1) + 1 ⇒ 𝑎 = 28 ⇒ 𝑁 = 2269 lỗ
Số lỗ trên đường chéo:
𝑏 = 2𝑎 − 1 = 2.24 − 1 = 55 lỗ
Độ giảm áp của pha khí qua một mâm
Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng) là tổng các độ giảm áp của pha khí qua mâm khơ và các độ giảm áp do pha lỏng:
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 26
ℎ𝑡𝑙 = ℎ𝑘+ ℎ𝑙 + ℎ𝑅 (5.15, trang 118, [3])
4.4.1.1 Độ giảm áp qua mâm khơ
Độ giảm áp của pha khí qua mâm khơ được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất do dịng chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ.
ℎ𝑘 = (𝑣02 𝐶02) ⋅ ( 𝜌𝐺 2𝑔𝜌𝐿) = 51 ⋅ (𝑢02 𝐶02) ⋅𝜌𝐺 𝜌𝐿 (5.16, trang 119, [3]) Với:
𝑢0: vận tốc pha hơi qua lỗ m.s-1
𝜌𝐺: khối lượng riêng của pha hơi Kg.m-3
𝜌𝐿: khối lượng riêng của pha lỏng Kg.m-3
𝐶0: hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.
Ta cĩ: ∑ 𝑆𝑙ơ
𝑆𝑚â𝑚 = 0,08 và 𝛿𝑚â𝑚
𝑑1 = 0,667 tra hình 5.20 trang 119, [3] ta được 𝐶0 = 0,75
Đối với mâm ở phần cất:
Vận tốc pha hơi qua lỗ: 𝑢0 =𝜔𝑙𝑣
8% =1,04
8% = 13,012 (m.s-1)
Khối lượng riêng của pha hơi: 𝜌𝐺 = 𝜌𝑦𝑡𝑏 = 1,04 kg.m-3
Khối lượng riêng của pha lỏng: 𝜌𝑙 = 𝜌𝑥𝑡𝑏 = 937.643 kg.m-3
Độ giảm áp qua mâm khơ ở phần cất:
ℎ𝑘 = 51 ⋅ (13,0122
0,752 ) ⋅ 1,27
937.643 = 17.044 (mm chất lỏng)
Đối với mâm ở phần chưng: Vận tốc pha hơi qua lỗ: 𝑢0′ =𝜔𝑙𝑣′
8% =1,22
8% = 15,875 m.s-1
Khối lượng riêng của pha hơi: 𝜌𝐺′ = 𝜌𝑦𝑡𝑏′ = 0,82 kg.m-3
Khối lượng riêng của pha lỏng: 𝜌𝑙′ = 𝜌𝑥𝑡𝑏′ = 945,9 kg.m-3
Độ giảm áp qua mâm khơ ở phần chưng:
ℎ𝑘′ = 51 ⋅ (15,8752
0,7552) ⋅ 0,82
945,9 = 19,868 (mm chất lỏng)
4.4.1.2 Độ giảm chất lỏng trên mâm
Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất lỏng trên mâm ℎ𝑙 là từ chiều cao gờ chảy tràn ℎ𝑤, chiều cao tính tốn của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn ℎ𝑜𝑤 và hệ số hiệu chỉnh theo 𝛽:
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
ℎ1 = 𝛽. (ℎ𝑤+ ℎ𝑜𝑤)
Chọn hệ số hiệu chỉnh: 𝛽 = 0,6 Chiều cao gờ chảy tràn: ℎ𝑤 = 50 mm
Chiều cao tính tốn của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng:
ℎ𝑜𝑤 = 43,4 ⋅ (𝑞𝐿 𝐿𝑤) 2 3 (5.13, trang 116, [3]) Với:
- 𝐿𝑤: lưu lượng của chất lỏng (m3.ph-1)
- 𝐿𝑤: chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m) Xác định 𝑳𝒘: Ta cĩ: 𝜋.𝑛 0 180𝑜− 𝑠𝑖𝑛 𝑛𝑜 = 0,2𝜋 Dùng phương pháp lặp ta được: 𝑛𝑜 = 93𝑜 ⇒ 𝐿𝑤 = 𝐷𝑡. 𝑠𝑖𝑛 (𝑛𝑜 2) = 0,5. 𝑠𝑖𝑛 (93𝑜 2 ) = 0,292 (m) Xác định 𝒒𝑳: Phần cất: 𝑞𝐿 =𝑅.𝐷.𝑀𝐷 60.𝜌𝑥𝑡𝑏 =1,716.15,088.43,14 60.937.64 = 0,019 (m3.ph-1) ⇒ ℎ𝑜𝑤 = 43,4 ⋅ (𝑞𝐿 𝐿𝑤) 2 3 = 43,4 ⋅ (0,019 0,292) 2 3 = 7.23 (mm chất lỏng)
Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất
ℎ𝑙 = 𝛽. (ℎ𝑤 + ℎ𝑜𝑤) = 0,6. (50 + 7,23) = 34,37 (mm chất lỏng) Phần chưng: 𝑞𝐿′ =𝐺1 ′.𝑀𝑡𝑏𝐺′′ 60.𝜌𝑥𝑡𝑏′ =88,657.19,288 60.945,899 = 0,03 (m3.ph-1) ⇒ ℎ𝑜𝑤′ = 43,4 ⋅ (𝑞𝐿′ 𝐿𝑤) 2 3 = 43,4 ⋅ (0,03 0,292) 2 3 = 9,518 (mm chất lỏng)
Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng:
ℎ𝑙′ = 𝛽. (ℎ𝑤 + ℎ𝑜𝑤′ ) = 0,6. (50 + 9,518) = 35,71(mm chất lỏng)
4.4.1.3 Độ giảm áp do sức căng bề mặt
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh SVTH: Phạm Văn Tín Trang 28 ℎ𝑅 = 625,54 ⋅ 𝜎 𝜌𝐿⋅𝑑𝑙 (mm chất lỏng) (5.19, trang 120, [3]) Với: 𝜎: sức căng bề mặt chất lỏng (dyn.cm-1) 𝜌𝐿: khối lượng riêng của pha lỏng (kg.m-3)
4.4.1.4 Phần cất:
Khối lượng riêng của pha lỏng: 𝜌𝑙 = 𝜌𝑥𝑡𝑏 = 937,643 kg.m-3
Tại 𝑡𝑡𝑏 = 81,41 oC ta cĩ:
Tra bảng I.249 trang 310, [1] sức căng bề mặt của nước: 𝜎𝑁 = 623,45 dyn.cm-1
Tra bảng I.242 trang 300, [1] sức căng bề mặt của rượu: 𝜎𝑅 = 23,856 dyn.cm-1 𝜎ℎℎ = 𝜎𝑁⋅𝜎𝑅
𝜎𝑁+𝜎𝑅 =623,45.23,856
623,45+23,56 = 22,978 (dyn.cm-1) (I.76 trang 299, [1]) Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là:
ℎ𝑅 = 625,54 ⋅ 12,987.10−3
937,643.0,003 = 5,11 (mm chất lỏng)
Phần chưng:
Khối lượng riêng của pha lỏng: 𝜌𝑙′ = 𝜌𝑥𝑡𝑏′ = 945,89 kg.m-3
Tại 𝑡𝑡𝑏 = 88.47 oC ta cĩ:
Tra bảng I.249 trang 310, [1] sức căng bề mặt của nước:𝜎𝑁′ = 610,167 dyn.cm-1
Tra bảng I.242 trang 300, [1] sức căng bề mặt của rượu:𝜎′
𝑅 = 17.06 dyn.cm-1 𝜎ℎℎ′ = 𝜎′𝑁⋅𝜎′𝑅
𝜎′𝑁+𝜎′𝑅 =610,167.17,06
610,167.17,06 = 16,59 (dyn.cm-1) (I.76 trang 299, [1])
Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là: