trao đổi nhiệt với lượng như sau (kg/h):
Lượng dầu hấp thụ: ………60780 kg/h Lượng hydrobenzen đi ra khỏi tháp hấp thụ: ……….1248 kg/h
Tổng: 62028 kg/h Hàm lượng nước cĩ trong dầu hấp thụ đi ra chiếm khoảng 1% dầu bão hịa benzen thơ, hàm lượng nước là: 602 kg/h.
Mà hàm lượng từng thành phần các hydrobenzen trong khí cốc chiếm: Benzen: 73%, toluen: 21%, xylen: 4%, solven: 2%
Đưa vào phần dưới của tháp pha lỏng từ máy gia nhiệt dầu (kg/h). Benzen...1121.0,73 = 818,3
Toluen...1121.0,21 = 235,4 Xylen ...1121.0,04 = 44,8 Solven ...1121.0,02 = 22,5
Tổng: 1121 kg/h Hàm lượng các hydrobenzen cĩ trong dầu hấp thụ:
Benzen: 2,5%, toluen: 19%, xylen: 31%, solven: 47,5% Benzen...127.0,025 = 3,2
Toluen...127.0,19 = 24,1 Xylen ...127.0,31= 39,4 Solven ...127.0,475 = 60,3
Tổng: 127 kg/h
Bảng 3.6. Thành phần các cấu tử vào máy gia nhiệt
Thành phần kg/h kmol/h Dầu hấp thụ 60780 357,53 Benzen 822 10,53 Toluen 260 2,82 Xylen 84 0,79 Solven 83 0,69 Hàm lượng nước 602 33,44 Tổng 62631 405,8
Để xác định lượng sản phẩm chưng cất ở trong máy gia nhiệt khi đun nĩng dầu ta thừa nhận nhiệt độ gia nhiệt đến 1350C; áp suất hơi khi ra khỏi máy gia nhiệt là 830 mmHg; tồn bộ nước được chưng khỏi dầu.
Gọi lần lượt là số mol riêng phần của mỗi cấu tử benzen, toluen, xylen, solven, dầu hấp thụ. Và được xác định bởi cơng thức:
Trong đĩ
là áp suất hơi riêng phần của từng thành phần, mmHg.
P: áp suất hoạt động của tháp chưng cất, P= 830 mmHg. ni: số mol của cấu tử i, Kmol/h
Áp suất hơi riêng phần của các cấu tử ở 135oC cĩ đơn vị là mmHg
Vậy ta cĩ:
Do đĩ, hàm lượng cịn lại trong pha lỏng:
kmol/h kg/h Dầu hấp thụ ……….357,53.0,98 = 353,6 60112 Benzen ……….………10,53.0,7 = 7,37 575 Toluen ……… 2,82.0,822 = 2,32 213 Xylen………0,79.0,911 = 0,72 76 Solven………0,69.0,955 = 0,66 79 Tổng 365,07 61055 Hàm lượng các cấu tử trong pha hơi, kg/h
kg/h kmol/h Dầu hấp thụ ……….60780 – 60112 = 668 3,93 Benzen ………821,5 – 575 = 247 3,16 Toluen ………..……259,9 – 213 = 47 0,5 Xylen………84,2 – 76 = 8 0,07 Solven………...…..82,8 – 79 = 4 0,03 Hàm lượng nước………= 602 33,44 Tổng 1576 41,13 Hàm lượng hydrobenzen cĩ trong dầu tinh khiết là:
Bảng 3.7. Cân bằng vật chất trong máy gia nhiệt
Dầu hấp thụ 60780 357,53 60112 353,6 668 3,93 Benzen 822 10,53 575 7,37 247 3,16 Toluen 260 2,82 213 2,32 47 0,5 Xylen 84 0,79 76 0,72 8 0,07 Solven 83 0,69 79 0,66 4 0,03 Nước 602 33,44 - - 602 33,44 Tổng 62631 405,8 61055 364,67 1576 41,13
3.3.2. Tính tốn thiết bị chưng cất benzen thơ – dầu than đá
Tính tốn vật chất phần chưng của tháp
Đưa vào phần dưới của tháp pha lỏng từ máy gia nhiệt dầu (kg/h) kg/h Dầu hấp thụ …………..………. 60112 Benzen ……….……… 575 Toluen ……… 213 Xylen……… 76 Solven……… … 79 Tổng 61055
Mức độ chưng cất cấu tử từ dầu ở phần dưới của tháp phụ thuộc vào các yếu tố:
a) Áp suất hơi của cấu tử phụ thuộc vào nhiệt độ đun nĩng dầu;
b) Áp suất trong tháp;
c) Số đĩa;
d) Lượng hơi nước đưa vào tháp.
Tất cả 4 yếu tố trên liên quan với mức độ chưng cất của mỗi cấu tử bằng phương trình sau:
Trong đĩ:
- Mức độ chưng cất của mỗi cấu tử. - Số đĩa ở phần dưới của tháp chưng cất.
- Hằng số cân bằng của mỗi cấu tử được tính bằng phương trình:
Với: - Áp suất hơi của mỗi cấu tử, mmHg. P - Áp suất chung ở trong tháp, mmHg.
- Tỉ lệ số mol dầu trên số mol hơi nước đưa vào.
Để xác định mức độ chưng cất của mỗi cấu tử cần phải cho trước nhiệt độ dầu, áp suất trong tháp, số đĩa và lượng tiêu hao hơi nước. Kết quả tính tốn mức độ chưng cất mỗi cấu tử cĩ thể xác định hàm lượng cịn lại của từng cấu tử ở trong dầu khi ra khỏi tháp, nghĩa là trong dầu đã khử benzen. Nếu như hàm lượng các hydrocacbon benzen thu được sau tính tốn ở trong dầu đã khử benzen
tiêu hao hơi nước hoặc tăng nhiệt độ đun nĩng dầu.
Nếu như hàm lượng cịn lại của hydrocacbon benzen thấp hơn thì tất cả các yếu tố trên phải giảm đi.
Thừa nhận nhiệt độ dầu đi ra t = 1350C; tiêu hao hơi Gh = 4100 kg/h; số đĩa ở phần dưới của tháp n = 12.
Khi đĩ, lượng dầu riêng phần là:
mol dầu/mol hơi.
Khi áp suất ở trong tháp P = 830 mmHg thì hằng số cân bằng đối với mỗi cấu tử là:
; ;
; ;
. Như vậy mức độ chưng cất mỗi cấu tử sẽ là:
; ;
; ;
Do đĩ, lượng bốc hơi ở phần dưới của tháp, kg/h:
kg/h Dầu hấp thụ …………..………..60112.0,06 = 3607 Benzen ……….………575.0,995 = 572 Toluen ……….. 213.0,9 = 191 Xylen………....76.0,5 = 38 Solven………...…79.0,2 = 15 Tổng 4423
Cịn lại trong pha lỏng, kg/h :
Benzen ...575 – 572 = 3 Toluen ...213 – 191 = 22 Xylen ...76 – 38 = 38 Solven ...79 – 15 = 64
Dầu hấp thụ...…60112 – 3607 = 56505 Tổng : 56632
Vì rằng lượng benzen thơ cịn lại trong dầu đã khử bằng 127 kg/h và điều đĩ tương ứng với hàm lượng đã cho của dầu đã khử benzen đưa vào trong tháp, cho nên chế độ đã chọn (nhiệt độ, tiêu hao hơi, số đĩa) là hợp lí.
Bảng 3.8. Cân bằng vật chất ở phần dưới của tháp chưng cất
Cấu tử
Đưa vào phần dưới
của tháp, kg/h
Đi ra khỏi phần dưới của tháp, kg/h Đưa lên phần trên của cột Dầu đã khử benzen Tổng Dầu hấp thụ 60112 3607 56505 60112 Benzen 575 572 3 575 Toluen 213 191 22 213 Xylen 76 38 38 76 Solven 79 15 64 79 Hơi nước 4100 4100 - 4100 Tổng 65155 8523 56632 65155
Tính tốn vật chất của phần trên của tháp hồi lưu
Đưa vào phần trên của tháp hơi của máy gia nhiệt và hơi từ phần dưới của tháp. Tổng lượng của hơi đĩ đưa ra ở bảng sau:
Cấu tử
Đưa vào, kg/h Đưa vào,mol/h Từ máy gia nhiệt Từ phần dưới của tháp Tổng Dầu hấp thụ 668 3607 4275 25,15 Benzen 247 572 819 10,5 Toluen 47 191 238 2,59
Solven 4 15 19 0,16
Hơi nước 602 4100 4702 261
Tổng 1576 8523 10099 299,83
Ở phần trên của tháp tiến hành quá trình ngưng tụ hơi dầu, khi đĩ nhiệt độ sẽ giảm cho đến đại lượng nhiệt độ bắt đầu ngưng tụ đồng thời dầu và nước. Nếu tiếp tục giảm nhiệt độ cĩ thể gây ra ngưng tụ hơi nước; Vì vậy số đĩa cần phải sao cho khơng ngưng tụ hơi nước mà chỉ ngưng tụ phần lớn hơi của dầu. Nhiệt độ phần hơi đi ra khỏi tháp cần phải cao hơn một chút so với nhệt độ etecti của dầu và nước.
Số đĩa cực đại ở phần trên của tháp khi đạt được nhiệt độ etecti khi ra khỏi tháp được xác định theo cơng thức sau:
, Trong đĩ:
: Số đĩa cực đại;
: Nhiệt ngưng tụ mol của hơi dầu , tính bằng kcal/mol;
: Mất mát nhiệt ra mơi trường xung quanh của tháp tính
cho một đĩa, kcal/h;
: Hàm lượng hơi dầu trong hỗn hợp etecti;
: Hàm lượng hơi nước trong hỗn hợp etecti;
: Số mol nước đưa vào trong tháp. Thành phần etecti được xác định:
và Trong đĩ:
: Áp suất tổng cộng khi ra khỏi tháp, mmHg;
: Nhiệt độ etecti tính bằng độ.
Nhiệt độ etecti được xác định theo phương trình:
Thừa nhận áp suất đi ra khỏi tháp là mmHg, khi đĩ:
Nghĩa là, nhiệt độ cho phép thấp nhất của hơi là 100,50C. Thành phần của hơi đĩ sẽ là:
và Nhiệt độ ngưng tụ của một mol dầu:
kcal/mol
Để xác định mất mát nhiệt q ta thừa nhận đường kính của tháp là 2,5 m, khoảng cách giữa các đĩa là 0,75 m, nhiệt độ của tường là , nhiệt độ
khơng khí .
Bề mặt truyền nhiệt tính cho một đĩa là :
m2. Hệ số cấp nhiệt đối lưu:
,
Trong đĩ: m/s là tốc độ giĩ. Khi đĩ:
kcal/m2.h.độ.
Trong đĩ:
tt: nhiệt độ ngồi tường của thiết bị, oC tkk: nhiệt độ mơi trường, oC
kcal/m2.h.độ. Lượng nhiệt mất mát vào mơi trường xung quanh ứng với một đĩa:
Hay
kcal/h.
Như vậy, số đĩa cực đại ở phần trên của tháp là:
. Thừa nhận số đĩa nhỏ hơn số đĩa cực đại và bằng .
Thành phần thực tế của hơi đi ra khỏi tháp khi chọn 15 đĩa được xác định theo phương trình sau:
Hay: .
Nhiệt độ hơi đi ra khỏi tháp thực tế cao hơn 101,60C và cụ thể:
Hay: .
Vậy lượng ngưng tụ ở phần trên của tháp là:
mol.
Hay: kg.
Do đĩ, trong pha hơi lượng dầu sẽ là:
kg/h,
Lượng đĩ sẽ được đưa vào tháp hồi lưu để ngưng tụ tiếp tục.
Bảng 3.10. Cân bằng vật chất ở phần trên của tháp chưng cất
Cấu tử Đi vào, kg/h
Đi ra, kg/h Vào máy hồi
Benzen Toluen Xylen Solven Hơi nước 819 238 46 19 4702 819 238 46 19 4702 - - - - - 819 238 46 19 4702 Tổng 10099 7192 2907 10099 Bảng 3.11. Cân bằng vật chất của tồn tháp
Lượng vào kg/h Lượng ra kg/h
Từ thiết bị đun nĩng - Pha lỏng - Pha hơi 61055 1576 Từ phần dưới cột chưng - Cịn lại pha lỏng
- Lượng dầu ngưng tụ
56632 2907 Hơi nước trực tiếp 4100 Từ phần trên cột chưng 7192
Tổng cộng 66731 Tổng cộng 66731
Bảng 3.12. Cân bằng vật chất của tháp tính theo cấu tử
Cấu tử Pha lỏng Vào, kg/hPha hơi Tổng Pha lỏng Ra, kg/hPha hơi Tổng Dầu hấp thụ Benzen Toluen Xylen Solven Hơi nước của dầu Hơi chưng 60112 575 213 76 79 - - 668 247 47 8 4 602 4100 60780 822 260 84 83 4702 59412 3 22 38 64 - - 1368 819 238 46 19 4702 60780 822 260 84 83 4702 Tổng 61055 5676 66731 59539 7192 66731
Tính tốn nhiệt của máy gia nhiệt
Trong đĩ:
G: khối lượng của dầu hấp thụ đã bảo hịa benzen; Cp: nhiệt dung riêng của dầu hấp thụ;
t: nhiệt độ của dầu;
Q1 = 62630. 0,463. 90 = 2609792 kcal/h Trong đĩ tỉ nhiệt của dầu hấp thụ là:
kcal/kg.độ 2. Nhiệt mang vào bởi hydrocacbon benzen:
Q2 = 1249.0,47.90 = 52833 kcal/h Trong đĩ tỉ nhiệt của benzen thơ:
C = 0,383 + 0,001043.t = 0,838 + 0,00104 .90 = 0,47 kcal/kg.độ 3. Nhiệt mang vào bởi nước cĩ ở trong dầu:
Q3 = 602 .1.90 = 54200 kcal/h 4. Nhiệt do hơi nước cung cấp – Q4
Tổng cộng nhiệt mang vào:
Qvào = 2716825 + Q4
Nhiệt ra 1. Nhiệt mang ra bởi dầu lỏng ở 1350C:
Trong đĩ:
kcal/h 2. Nhiệt mang ra bởi hydrocacbon benzen ở trong dầu:
Q6 = 943.0,52.135 = 66199 kcal/h Trong đĩ:
C = 0,383+0,001043.135 = 0,52 kcal/h.độ
Tổng cộng nhiệt mang ra bởi pha lỏng 4107529 kcal/h. 3. Nhiệt mang ra bởi pha hơi dầu hấp thụ:
Q7 = 668.116,7 = 77956 kcal/h Trong đĩ hàm nhiệt của hơi dầu ở 1350C:
= 62,2 + 0,403.t = 62,6 + 0,403.135 =116,7 kcal/kg 4. Nhiệt do hơi hydrocacbonbenzen mang ra:
Q8 = 306. 142,4 = 43574 kcal/h Trong đĩ hàm nhiệt của hơi hydrocacbon benzen:
= 103 + C.t kcal/kg
Hay: kcal/kg.độ Khi đĩ: = 103 + 0,292.135 = 142,4 kcal/kg 5. Nhiệt mang ra bởi hơi nước bốc hơi từ dầu:
Q9 = 602.656 = 394912 kcal/h Trong đĩ: 656 – hàm nhiệt của hơi nước, kcal/kg
Tổng cộng nhiệt mang ra bởi pha hơi là 516442 kcal/h
Tổng cộng nhiệt mang ra bởi pha lỏng và pha hơi là 4623971 kcal/h.
6. Thừa nhận mất mát nhiệt mang ra mơi trường xung quanh bằng 0,5% lượng nhiệt do hơi cung cấp, nghĩa là
Tổng tiêu hao nhiệt:
Qra = 4623971 + 0,005.Q4
Cân bằng nhiệt vào và ra ta sẽ thu được lượng nhiệt do hơi nước cung cấp: 2716825 + Q4 = 4623971 + 0,005.Q4
Ta thu được:
Q4 = 1916729 kcal/h Mất mát nhiệt:
Q10 = 0,005.1941900 = 9583 kcal/h
Tiêu hao hơi cho quá trình gia nhiệt khơng kể đến sử dụng nhiệt của nước ngưng:
Trong đĩ - nhiệt ngưng tụ hơi, kcal/kg.
Thừa nhận hơi bão hịa cĩ áp suất p = 6 atm, nhiệt độ 158,10C, = 499,9 kcal/kg. Ta được:
= = 3834 kg/h
Bảng 3.13. Cân bằng nhiệt của máy gia nhiệt
Nhiệt vào (kcal/h) Nhiệt ra (kcal/h)
Dầu 2716825 Pha lỏng 4107529
Hơi đốt 1916729 Pha hơi 516442
Mất mát 9583
Tổng 4633554 Tổng 4633554
Cân bằng nhiệt của Tháp
Nhiệt vào 1. Nhiệt do pha lỏng mang vào:
kcal/h 2. Nhiệt do pha hơi mang vào:
kcal/h 3. Nhiệt do hơi nước mang vào:
kcal/h
Thừa nhận hơi nước bão hịa cĩ atm , kcal/kg, .
Tổng nhiệt vào:
Qvào = 7309061 kcal/h Nhiệt ra 1. Nhiệt của pha hơi mang ra từ tháp ở 1020C:
a) Nhiệt của hơi dầu:
kcal/h Trong đĩ hàm nhiệt của hơi dầu là:
kcal/kg
b) Nhiệt của hơi nước:
kcal/h
Trong đĩ, hàm nhiệt của hơi nước ở 1020C là 640 kcal/kg;
c) Nhiệt của hơi hydrocacbonbenzen:
kcal/h Trong đĩ:
kcal/kg Tổng pha hơi mang ra:
kcal/h 2. Nhiệt mang bởi pha lỏng từ tháp ở nhiệt độ t:
a) Nhiệt mang ra bởi dầu:
kcal/h ( ) 1 0, 403 0, 00081.130 0, 493 1, 06 C = + = kcal/kg.độ Trong đĩ: 1300 là nhiệt độ dự kiến của dầu khi ra khỏi tháp;
b) Nhiệt do hydrocacbonbenzen mang ra:
kcal/h kcal/kg.độ Tổng nhiệt mang ra bởi pha lỏng:
kcal/h 3. Nhiệt mất ra mơi trường xung quanh:
a) Nhiệt mất ở phần trên của tháp:
kcal/h Trong đĩ : 15 - Số đĩa;
13000 - Lượng nhiệt mất tương với một đĩa, kcal/h.
Thừa nhận rằng phần dưới của tháp được cách nhiệt, khi đĩ:
và
Hệ số cấp nhiệt đối lưu khi tốc độ giĩ bằng 3 m/s là:
kcal/m2.h.độ
Hệ số cấp nhiệt theo bức xạ:
kcal/m2.h.độ
Bề mặt của vịng cách nhiệt khi đường kính của tháp là 2,5 m và chiều cao là 0,75m:
m2
Khi đĩ:
kcal/h Mất mát nhiệt ra mơi trường xung quanh:
kcal/h Tiêu hao nhiệt tổng cộng:
tháp:
Cân bằng nhiệt tổng cộng
Nhiệt vào, kcal/h Nhiệt ra, kcal/h
Với pha lỏng từ máy gia nhiệt .4107529 Với pha hơi ...3298909 Với pha hơi từ máy gia nhiệt . .516442 Với pha lỏng ...3793487 Với hơi ngưng ...2685090 Mất mát nhiệt ... 216665
Tổng: 7309061 Tổng: 7309061
Xác định đường kính tháp
Từ phần dưới của tháp và từ máy gia nhiệt đưa lên phần trên của tháp là 298,68 mol hơi/h (xem tính tốn phần trên của tháp). Thể tích của hơi đĩ ở nhiệt độ 1350C và áp suất 830 mmHg sẽ là:
m3/h
Khi khoảng cách giữa các đĩa là 600 mm thì tốc độ chuyển động của hơi ở trong tháp là 0,5 – 0,6 m/s.
m2
Và đường kính trong của tháp:
m Ta chọn D= 2,43 m= 2430 mm
Chiều cao của thân tháp (IX.54 [2] – trang 169):
Hthân = Ntt.(hđĩa + δđĩa ) + 0,8 = 27.(0,6 + 0,006) + 0,8 = 17,2 m Chiều cao của đáy và nắp thiết bị:
Hđ = Hn = ht + hgờ = 0,6 + 0,025 = 0,625 m
Vậy chọn chiều cao tháp:
Htháp = Hthân + Hn + Hđ = 17,2 + 0,625 + 0,625 = 18,45 m 3.3.3. Tính tốn cơ khí
3.3.3.1. Tính chiều dày thân tháp
Thiết bị làm việc ở mơi trường ăn mịn, nhiệt độ làm việc 30oC, áp suất mơi trường 1 atm (1,01325.105 N/m2). Nên ta chọn vật liệu là thép khơng rỉ, bền nhiệt và chịu nhiệt để chế tạo thiết bị.
Chọn thép: X18H10T (C < 0,1%, Cr khoảng 18%, Ni khoảng 10%, Ti khơng quá 1 – 1,5%).
Độ giản nở tương đối: Độ nhớt va đập:
Ứng suất cho phép tiêu chuẩn đối với thép X18H10T ở 30oC là:
Hệ số hiệu chỉnh: Ứng suất cho phép là: Áp suất tính tốn:
Trong đĩ: Plv: áp suất làm việc của mơi trường : khối lượng riêng chất lỏng