I. Lý thuyết về chưng luyện
2.2.2Khối lượng riờng trung bỡnh
2 Giới thiệu về hồn hợp được chưng luyện
2.2.2Khối lượng riờng trung bỡnh
a.Tớnh khối lượng riờng trung bỡnh của đoạn luyện:
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa [ (1 ) ] 3 273( / ) 22, 4. tbA A tbB B ytb y M y M kg m T ρ = + −
T: nhiệt độ làm việc trung bỡnh của thỏp (0K)
ytbA :nồng độ phần mol của cấu tử A tớnh theo giỏ trị trung bỡnh Đổi y1 sang nồng độ phần mol:
y1==0,795
y = = = = 0,8745(phần mol)
Với yđA, ycA: nồng độ tại 2 đầu đoạn luyện (phần mol)
Nội suy từ bảng số liệu IX.2a - T2 với ytbA = 0,8745 cú tytb = 69C
Suy ra khối lượng riờng trung bỡnh của pha hơi đối với đoạn luyện là ρ = .273 = 0,704(kg/m)
• Khối lượng riờng trung bỡnh của đoạn luyện đối với pha lỏng:
3 1 1 ( / ) tbA tbB xtb xtbA xtbB a a kg m ρ ρ ρ − = + Trong đú:
ρxtb: khối lượng riờng trung bỡnh trong pha lỏng (kg/m3)
ρxtbA, ρxtbB: khối lượng riờng trung bỡnh trong pha lỏng đối với cấu tử A,B lấy theo nhiệt độ trung bỡnh (kg/m3)
atbA: phần khối lượng trung bỡnh của cấu tử A trong pha lỏng a = = = 0,6245 (phần khối lượng)
x = = = 0,7085(phần mol)
Nội suy từ bảng số liệu IX.2a - T2 với xtbA = 0,7085 cú txtb = 69C Khối lượng riờng trung bỡnh trong pha lỏng đối với cấu tử A:
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa Khối lượng riờng trung bỡnh trong pha lỏng đối với cấu tử B:
ρ = 752 + .(69-60) = 759,65 (kg/m)
Vậy khối lượng riờng trung bỡnh của đoạn luyện đối với pha lỏng: =+ =1,126.10-3
=> ρ =888,099(kg/m)
b.Tớnh khối lượng riờng trung bỡnh của đoạn chưng
• Khối lượng riờng trung bỡnh của đoạn chưng đối với pha hơi:
[ (1 ) ] 3 273( / ) 22, 4. tbA A tbB B ytb y M y M kg m T ρ = + −
T: nhiệt độ làm việc trung bỡnh của thỏp (0K)
ytbA :nồng độ phần mol của cấu tử A tớnh theo giỏ trị trung bỡnh y = = = =0,4875
Với yđA, ycA: nồng độ tại 2 đầu đoạn chưng (phần mol)
Nội suy từ bảng IX.2a - T2 với ytbA = 0,4875 cú tytb = 84,375 0C
Suy ra khối lượng riờng trung bỡnh của pha hơi đối với đoạn chưng là: ρ = .273 = 0,8585(kg/m)
• Khối lượng riờng trung bỡnh của đoạn chưng đối với pha lỏng:
3 1 1 ( / ) tbA tbA xtb xtbA xtbB a a kg m ρ ρ ρ − = + Trong đú:
ρxtb: khối lượng riờng trung bỡnh trong pha lỏng (kg/m3) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
ρxtbA, ρxtbB: khối lượng riờng trung bỡnh trong pha lỏng đối với cấu tử A,B lấy theo nhiệt độ trung bỡnh (kg/m3)
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa Với:
a = x = 0,0698 (phần khối lượng) x ==0,1177(phần mol)
x = = =0,29035( phần mol)
Nội suy từ bảng IX.2a - T2 ứng với xtbA = 0,29035 cú txtb = 78,3 C Nội suy từ bảng I.2a - T1 ứng với txtb = 78,3 0C cú:
Khối lượng riờng trung bỡnh trong pha lỏng đối với cấu tử A: ρ =983+(78,3-60)=993,065(kg/m)
Khối lượng riờng trung bỡnh trong pha lỏng đối với cấu tử B: ρ =756+(78,3-60)= 774,3(kg/m3)
Vậy khối lượng riờng trung bỡnh của đoạn chưng đối với pha lỏng: ρ =(+)-1
=> ρ = 804,149 (kg/m)
2.2.3. Vận tốc hơi đi trong thỏp
Tốc độ hơi trong thỏp đĩa được xỏc định theo cụng thức:
0, 05 . x gh y ρ ω ρ = Trong đú: ωgh: tốc độ giới hạn trờn (m/s) Tốc độ hơi trong đoạn luyện:
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa Để trỏnh tạo bọt ta lấy tốc độ làm việc khoảng (80ữ90%)ωgh
Ta lấy 80% => ωlv = 0,8.1,77588 = 1,420704 (m/s) Tốc độ hơi trong đoạn chưng:
ω = 0,05 . = 0,05 =1,53(m/s) ωlv = 0,8.1,53=1,224(m/s)
2.2.4. Tớnh đường kớnh thỏpa. Đường kớnh đoạn luyện: a. Đường kớnh đoạn luyện:
Lượng hơi trung bỡnh: gytbL =1865,145 (kg/h)
Khối lượng riờng trung bỡnh của pha hơi: ρ =0,704(kg/m3) Vậy đường kớnh đoạn luyện là:
D = 0,0188 . = 0,0188 . =0,81(m)
Quy chuẩn đường kớnh đoạn luyện là D = 0,8 (m)
Thử lại điều kiện thực tế :
Từ D = 0,8 => ω = 1,463 (m/s)
= = 0,822 (thỏa món)
b. Đường kớnh đoạn chưng
Lượng hơi trung bỡnh: gytbC = 7792,37 (kg/h)
Khối lượng riờng trung bỡnh của pha hơi: ρ = 0,8585 (kg/m) Vậy đường kớnh đoạn chưng là:
D = 0,0188 = 0,0188=1,61(m)
Quy chuẩn đường kớnh đoạn chưng là D = 1,6 (m) Thử lại điều kiện thưc tế:
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa
2.3. TÍNH CHIỀU CAO THÁP 2.3.1. Hệ số khuếch tỏn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
a. Hệ số khuếch tỏn trong pha lỏng (Dx)
• Hệ số khuếch tỏn trong pha lỏng ở 200C: D = (m/s) (SBT II - trang 127)
Trong đú:
A, B: Hệ số liờn hợp của chất tan nước và dung mụi metylic : A= 1; B =1 μ : Độ nhớt của dung mụi metylic ở 25C (cP), nội suy từ bảng I.101 - sổ tay QT&TBCNHC - T1 ta được
μmetylic=1,78+(25-20)=1,94(Cp)
V, V : Thể tớch mol của nước và metylic (cm/mol) Tra bảng VIII.2 - T2, ta cú thể tớch nguyờn tử của :
C = 14,8; H = 3,7; O =7,4
Cụng thức phõn tử của axit propionic là CH4O, của nước là HO V = 18,9 (cm/mol); V = 37 (cm/mol) D ==7,0233.10-9(m2/s) • Hệ số khuếch tỏn ở nhiệt độ xỏc định t: D = D [1 + b.(t - 20] Hệ số nhiệt độ: b =
ρ: Khối lượng riờng của dung mụi ở 25C (kg/m ) Nội suy từ bảng I.2 - Sổ tay QT&TBCHHC - T 1 ta cú: ρ =792+(25-20)=796,5(kg/m)
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa =>Hệ số khuếch tỏn trong pha lỏng đoạn luyện: t = t = 69C
D = 7,0233.10-9 [ 1 + 0,03.(69 - 25) = 1,629.10-8 (m/s)
=>Hệ số khuếch tỏn trong pha lỏng đoạn chưng: t = t = 78,3C DxC = 7,0233.10-9 [ 1 + 0,03.(78,3 - 25) = 1,825.10-8 (m/s)
b. Hệ số khuếch tỏn trong pha hơi:
D = . (m/s) Trong đú:
p: ỏp suất tuyệt đối của hỗn hợp: p = p = 1 (atm) T: Nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp : T = 273 + t (K) Hệ số khuếch tỏn trong pha hơi đoạn luyện: t = t = 69C D==2,23.10-5-(m2/s)
Hệ số khuếch tỏn trong pha hơi đoạn chưng: t = t = 84,375 C D = =2,38.10-5(m2/s)
2.3.2. Hệ số cấp khối
a. Độ nhớt của hỗn hợp hơi:
μ = M. Trong đú:
y : Nồng độ nước trong pha hơi
Đoạn luyện cú y = y = 0,8745 ; Đoạn chưng: y = y =0,4875
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa M = = y.M + (1 - y).M = 0,8745.18 + (1- 0,8745).32 = 19,757 (kg/kmol) Đoạn chưng M = = y.M + (1 - y).M = 0,4875.18 + (1 - 0,4875)32 = 25,175 (kg/kmol) μ, μ : Độ nhớt của nước và metylic
Đoạn luyện : t = t = 690C theo toỏn đồ I.35 - T1 μ = 0,035.10-3- (Ns/m) và μ = 0,0312.10 (Ns/m)
Đoạn chưng: t = t = 84,375C theo toỏn đồ hỡnh I.35 - T1 μ = 0,036.10 (Ns/m) và μ = 0,0315.10 (Ns/m)
=> Độ nhớt của hỗn hợp hơi đoạn luyện là: μ =19,757.= 3.41510-5(Ns/m)
=> Độ nhớt hỗn hợp hơi của đoạn chưng là: μ =25,175.(= 3,29.10-5-(Ns/m2)
b. Độ nhớt của hỗn hợp lỏng.
lg μ = x.lg μ + (1 - x).lg μ Trong đú:
x : Nồng độ phần mol của axit propionic trong hỗn hợp:
Đoạn luyện cú: x = x = 0,7085; Đoạn chưng cú x = x = 0,29035 μ, μ : Độ nhớt động lực của nước và axit propionic (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đoạn luyện: t = t = 69C nội suy theo bảng I.101 - T1: μ = 0,4761 (cP), μ = 0,601 (cP)
Đoạn chưng cú: t = t = 78,3C nội suy theo bảng I.101 đối với nước và toỏn đồ đối với metylic ( Sổ tay QT&TBCNHC - T1) ta được:
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa Lgμ = 0,7085.lg(0,4761) + (1 - 0,7085)lg(0,601) = -0,292 μ = 0,51 (cP) = 0,51.10 (Ns/m) Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn chưng: Lg (μ) = 0,29035 . lg(0,453) + (1 – 0,29035).lg(0,541) = - 0,289 μ = 0,514 (cP) = 0,514 .10 (Ns/m)
c. Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi
Re = Trong đú:
ω : Tốc độ hơi tớnh cho mặt cắt tự do của thỏp (m/s) h : Kớch thước dài, chấp nhận h = 1 m
ρ : Khối lượng riờng trung bỡnh của hơi (kg/m) μ : Độ nhớt trung bỡnh của hơi (Ns/m)
Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn luyện là: Re ==30,159.103
Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn chưng là: Re = =32,69.103
d. Chuẩn số Prand đối với pha lỏng:
Pr = Trong đú:
ρ : Khối lượng riờng trung bỡnh của lỏng (kg/m)
D : Hệ số khuếch tỏn trung bỡnh trong pha lỏng (m/s) μ : Độ nhớt trung bỡnh của lỏng (Ns/m)
=> Chuẩn số Prand đối với pha lỏng đoạn luyện là: Pr = =35,27
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa
e. Hệ số cấp khối trong pha hơi
Theo cụng thức tớnh cho đĩa lỗ cú ống chảy chuyền (II-164): β = (0,79.Re + 11000)
Trong đú:
D : Hệ số khuếch tỏn trong pha hơi (m/s) Re : Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi. => Hệ số cấp khối pha hơi đoạn luyện là: β = .(0,79.30,159. + 11000) = 0,0346 => Hệ số cấp khối pha hơi đoạn chưng là: β = .(0,79.32,69.103 + 11000) = 0,039
f. Hệ số cấp khối trong pha lỏng:
Theo cụng thức tớnh cho đĩa lỗ cú ống chảy chuyền (II-165): β = .Pr
Trong đú:
D : Hệ số khuếch tỏn trung bỡnh trong pha lỏng (m/s) M : Khối lượng mol trung bỡnh của pha lỏng (kg/kmol)
Đoạn luyện: x = x = 0,7085
=> M = 0,7085.18 + (1 - 0,7085).32 = 22,081 (kg/kmol)
Đoạn chưng: x = x = 0,29035
=> M = 0,29035.18 + (1 - 0,29035).32 =27,9351 (kg/kmol) H: Kớch thước dài, chấp nhận bằng 1 m
Pr : Chuẩn số prand đối với pha lỏng
=> Hệ số cấp khối trong pha lỏng đoạn luyện là
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
β = =0,18
2.3.3. Hệ số chuyển khối, đường cong động học, số đĩa thực tế:a. Hệ số chuyển khối a. Hệ số chuyển khối
k = ( sbt II - trang 130)
m : Hệ số phõn bố vật chất phụ thuộc vào t, ỏp suất, nồng độ của cỏc pha m = tg α =
β: Hệ số cấp khối
=> Hệ số chuyển khối trong đoạn luyện:
K=
=> Hệ số chuyển khối trong đoạn chưng: KYc=
b. Tớnh đường kớnh ống chảy chuyền:
d = (m) (sbt II - trang 122) G : Lưu lượng lỏng đi trong thỏp
Đoạn luyện G = 1865,145 (kg/h) Đoạn chưng: G =7792,37 (kg/h)
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa ω : Tốc độ chất lỏng trong ống chảy truyền, chọn ω = 0,15 (m/s)
=> Đường kớnh ống chảy chuyền trong đoạn luyện: d = 0,0703(m)
Quy chuẩn: d = 0,07 (m)
Tớnh ngược lại ta được ω = 0.151 (m/s) Từ d ta tớnh được f = = 3,848.10 (m)
=> Đường kớnh ống chảy truyền trong đoạn chưng: d =0,151(m)
Quy chuẩn d = 0,15 (m)
Tớnh ngược lại ta được ω = 0,1523 (m) Từ d ta tớnh được f = = 0,0176 (m) Diện tớch làm việc của đĩa: f = F - f.m
F : Diện tớch mặt cắt ngang của thỏp (m): F = (m) Đoạn luyện : f = - 1.3,848.10 = 2,83 (m)
Đoạn chưng : f = - 1.0,0176 = 2,817 (m)
c. Tớnh số đơn vị chuyển khối
m =
g : Lượng hơi trung bỡnh (kg/h)
Đoạn luyện g = 1865,145 (kg/h) = = 0,026 (kmol/s) Đoạn chưng g = 7792,37 (kg/h) = = 0,085 (kmol/s)
k : Hệ số chuyển khối (kmol/ms)
f : Diện tớch làm việc của đĩa: f = F - f.m F : Diện tớch mặt cắt ngang của thỏp
f : Diện tớch mặt cắt ngang của ống chảy chuyền m: Số ống chảy chuyền trờn mỗi đĩa : chọn m = 1 => Số đơn vị chuyển khối đoạn luyện: m = =108,8.k => Số đơn vị chuyển khối đoạn chưng: m = = 33,14.k
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa Xỏc định số đĩa thực tế bằng đường cong động học theo cỏc bước sau:
- Vẽ đường cong cõn bằng y = f(x) và vẽ đường làm việc của đoạn chưng, đoạn luyện với R
- Dựng cỏc đường thẳng vuụng gúc với Ox, cỏc đường này cắt đường làm việc tại : A; A; A;…; A và cắt đường cõn bằng y = f(x) tại C; C ;…; C. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Tại mỗi giỏ trị của x tỡm tg gúc nghiờng của đường cõn bằng: m = tgα =
- Tớnh hệ số chuyển khối ứng với mỗi giỏ trị của x: Hệ số chuyển khối trong đoạn luyện:
K =
Hệ số chuyển khối trong đoạn chưng: K =
- Tớnh đơn vị chuyển khối: Cú: m = =108,8.k và m = = 33,14.k
- Xỏc định C theo cụng thức: C = e
- Với mỗi giỏ trị của x tương ứng ta cú A là điểm thuộc đường làm việc, C là điểm thuộc đường cõn bằng và B là điểm thuộc đường cong động học cần xỏc định: Tỡm đoạn theo cụng thức: =
- Vẽ đường cong phụ đi qua cỏc điểm B ( i = 1 ữ 9)
- Vẽ số bậc nằm giữa đường cong phụ và đường làm việc, số bậc là số đĩa thực tế của thỏp.
Bảng tổng hợp kết quả:
Đoạ
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa g 0, 2 0,0523 0,2769 0,579 2,045 0,026 2,83 16,94 0,3021 0,0178 0, 3 0,1004 0,419 0,665 1,23 0,029 3,155 23,45 0,24 0,01 0, 4 0,1847 0,5058 0,729 1,036 0,0298 3,242 25,58 0,2232 0,008 Đoạ n luyệ n 0, 5 0,3097 0,6735 0,779 0,554 0,031 3,372 29,13 0,1055 0,004 0, 6 0,4113 0,7352 0,825 0,475 0,0322 3,5 33,11 0,0898 0,0027 0, 7 0,5085 0,7969 0,87 0,38 0,0326 3,54 34,46 0,0731 0,002 0, 8 0,6744 0,8585 0,915 90,44 0,0323 3,51 33,44 0,0565 0,0016 0, 9 0,8119 0,9202 0,958 0,429 0,0324 3,525 33,95 0,0378 0,0011
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa
XF X
Xw
Hỡnh 2.10 : Xỏc định số đĩa thực tế
Từ đường nồng độ làm việc và đường cong động học ta vừa vẽ được, ta tỡm được số đĩa thực tế của thỏp là N = 8. Trong đú:
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa
2.3.4. Hiệu suất thỏp, chiều cao thỏpa. Hiệu suất thỏp a. Hiệu suất thỏp
ŋ = =.100% = 100 %
b. Chiều cao thỏp tớnh theo cụng thức:
H = N .(H + δ) + (0,8 ữ 1) Trong đú:
N : Số đĩa thực tế
H : Khoảng cỏch giữa cỏc đĩa (m). Nội suy theo bảng IX.4a (Sổ tay QT&TBCNHC - T2)
D = 0,8m
D = 1,6m chọn H = H = 550 mm
(0,8 ữ 1): khoảng cỏch cho phộp ở đỉnh và đỏy thiết bị δ: Chiều dày đĩa (m) chọn δ = 3 mm
Suy ra
Đoạn luyện: H = 5.(0,550 + 0,003) + 1,0 = 3,765 (m) Đoạn chưng: H = 3.(0,550 + 0,003) + 1,0 = 1,659 (m) => Chiều cao thỏp là H = H + H = 5,424 (m)
Quy chuẩn chiều cao thỏp là H = 5,4(m), H = 3,765 (m); H = 1,659 (m) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.3.5. Chọn loại đĩa
Ta chọn loại đĩa với cỏc thụng số như sau: Đoạn luyện:
- Đường kớnh : D = 0,8 m
- Diện tớch đĩa: F = = 2,835 m
- Diện tớch tự do tương đối: ε = 8%
- Chiều dài gờ chảy tràn: L = 0,5 m
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa
- Khoảng cỏch giữa cỏc đĩa H = 0,550 m
- Đường kớnh lỗ d = 3 mm
- Bước lỗ t = 10 mm Đoạn chưng:
- Đường kớnh : D = 1,6 m
- Diện tớch đĩa F = = 2,835 m
- Diện tớch tự do tương đối: ε = 8%
- Chiều dài gờ chảy tràn: L = 0,5 m
- Chiều cao gờ chảy tràn : h = 30 mm
- Chiều dày đĩa lỗ δ = 2mm
- Khoảng cỏch giữa cỏc đĩa H = 0,550 m
- Đường kớnh lỗ d = 3 mm - Bước lỗ t = 10 mm 2.4. TÍNH TRỞ LỰC THÁP ∆P = N .∆P (N/m) Trong đú: ∆P : Tổng trở lực của một đĩa (N/m) ∆P = ∆P + ∆P + ∆P (N/m) ∆P : Trở lực của đĩa khụ (N/m)
∆P : Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (N/m)
∆P : Trở lực của lớp chất lỏng trờn đĩa (trở lực thủy tĩnh) (N/m)
2.4.1. Trở lực của đĩa khụ
∆P = ξ (N/m) (IX.140 - T2 trang 194) Trong đú:
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa ω : Tốc độ khớ qua lỗ (m/s): ω = ω /ε (m/s)
Đoạn luyện: ω = = = 18,28 (m/s)
Đoạn chưng: ω = = = 15,66(m/s)
ρ : Khối lượng riờng trung bỡnh của pha khớ (kg/m) => Trở lực đĩa khụ đoạn luyện là:
∆P = 1,82. = 214,075 (N/m) => Trở lực đĩa khụ đoạn chưng là:
∆P = 1,82. = 191,58 (N/m)
2.4.2. Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt.
Đĩa cú đường kớnh lớn hơn 1mm được tớnh theo cụng thức: ∆P = (N/m) (IX.142 - T2 trang 194) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong đú:
σ : Sức căng bề mặt của dung dịch trờn đĩa (N/m). Cú: = + σ; σ : Sức căng bề mặt của nước và axitpropionic
Nội suy theo bảng I.242 của nước và lấy axit axetic thay cho axit propionic (Sổ tay QT&TBCNHC - T1) ta được:
Đoạn luyện: t = 690C
σ = 67,65.10-3 (N/m); σ = 19,5.10 (N/m); Đoạn chưng: t = 84,375
Trường Đại Học Cụng Nghiệp Hà Nội Khoa Cụng Nghệ Húa => Sức căng bề mặt dung dịch đoạn luyện là:
σ = ( = 0,015 (N/m)
=> Sức căng bề mặt dung dịch đoạn chưng là: σ = 0,014 (N/m)
d : Đường kớnh lỗ (m): theo thụng số đó chọn d = 3 mm = 3.10 (m) => Trở lực do sức căng bề mặt đoạn luyện là: