Tài liệu Thiết kế mâm chóp chưng cất hỗn hợp benzen toluen có năng suất 200lh tính theo sản phẩm đỉnh

ĐAMH Quá trình & Thiết bị BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO COÄNG HOØA XAÕ HOÄI CHUÛ NGHÓA VIEÄT NAM Ñoäc laäp – Töï do – Haïnh phuùc TRÖÔØNG Thaønh phoá Hoà Chí Minh Khoa: Boä moân: Quaù trình vaø Thieát bò ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC: ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC QT&TB. Hoï vaø teân sinh vieân: Lôùp: B Ngaønh (neáu coù): 1. Ñaàu ñeà ñoà aùn: Thieát keá thaùp mâm chóp chöng caát hoãn hôïp Benzen – Toluen coù naêng suaát 200 l/h tính theo saûn phaåm ñænh 2. Nhieäm vuï (noäi dung yeâu caàu vaø soá lieäu ban ñaàu): Noàng ñoä nhaäp lieäu: F = 40%phaàn khoái löôïng - Noàng ñoä saûn phaåm ñænh: D = 98% phaàn khoái löôïng - Noàng ñoä saûn phaåm ñaùy: W - Nguoàn naêng löôïng vaø caùc thoâng soá khaùc töï choïn = 1% phaàn khoái löôïng 3. Noäi dung caùc phaàn thuyeát minh vaø tính toaùn: Xem ôû phaàn muïc luïc 4. Caùc baûn veõ vaø ñoà thò (loaïi vaø kích thöôùc baûn veõ): Goàm 2 baûn veõ A1: baûn veõ quy trình coâng ngheä vaø baûn veõ chi tieát thieát bò 5. Ngaøy giao ñoà aùn: 6. Ngaøy hoaøn thaønh ñoà aùn: 7. Ngaøy baûo veä hay chaám: CHUÛ NHIEÄM BOÄ MOÂN (Kyù vaø ghi roõ hoï teân) Ngaøy thaùng naêm NGÖÔØI HÖÔÙNG DAÃN (Kyù vaø ghi roõ hoï teân) Trang 1 ĐAMH Quá trình & Thiết bị NHAÄN XEÙT ÑOÀ AÙN Caùn boä höôùng daãn. Nhaän xeùt: ____________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Ñieåm: _______________ Chöõ kyù: ____________________ Caùn boä chaám hay Hoäi ñoàng baûo veä. Nhaän xeùt: ______________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Ñieåm: _______________ Chöõ kyù: ____________________ Ñieåm toång keát: Trang 2 ĐAMH Quá trình & Thiết bị LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công nghiệp nƣớc ta nói riêng và thế giới nói chung. Một trong những ngành có đóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất các hoá chất cơ bản. Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao. Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều phƣơng pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm nhƣ : trích ly, chƣng cất, cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phƣơng pháp cho phù hợp. Đối với hệ benzen – toluen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phƣơng pháp chƣng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzen. Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sƣ Công nghệ Hoá học tƣơng lai. Môn học này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là lần đầu tiên sinh viên đƣợc vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp để chƣng cất hỗn hợp Benzen – Toluen ở áp suất thƣởng với năng suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene) là 200 lít/h có nổng độ 98% phần khối lƣợng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là 99% khối lƣợng Toluene,Nồng độ nhập liệu là 40% khối lƣợng Benzene, nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi. Trang 3 ĐAMH Quá trình & Thiết bị MUÏC LUÏC Lời mở đầu ..................................................................................... 3 CHÖÔNG 1 : TỔNG QUAN ........................................................................................ 4 I. Lý thuyết về chưng cất .......................................................................................... 5 II. Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu ............................................................................ 7 CHÖÔNG 2 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ................................................................. 9 CHÖÔNG 3 : CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT .................................................................... 10 I. Caùc thoâng soá ban ñaàu ........................................................................................ 10 II. Xaùc ñònh suaát löôïng saûn phaåm ñænh vaø saûn phaåm ñaùy thu ñöôïc..................... 10 III. Xaùc ñònh tæ soá hoaøn löu laøm vieäc ....................................................................... 11 IV. Xaùc ñònh phöông trình ñöôøng laøm vieäc – Soá maâm lyù thuyeát............................ 13 V. Xaùc ñònh soá maâm thöïc teá .................................................................................... 14 CHÖÔNG 4 : TÍNH TOAÙN THAÙP CHÖNG CAÁT ................................................... 16 I. Đường kính đoạn cất .......................................................................................... 16 II. Đường kính đoạn chưng..................................................................................... 18 III. Trở lực của tháp .................................................................................................. 20 CHÖÔNG 5 : CÂN BẰNG NHIỆT LƢỢNG ............................................................. 22 I. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh ............................ 22 II. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu ..................................... 22 III. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy ............................ 22 IV. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh .......................... 22 V. Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp.................................................................... 23 CHƢƠNG 6: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ .......................................................................... 24 I. Tính toán thân tháp ............................................................................................ 24 II. Tính toán chóp .................................................................................................... 24 III. Tính toán đáy nắp thiết bị ................................................................................... 25 IV. Bích ghép thân .................................................................................................... 26 V. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép ống dẫn ................................................. 28 VI. Chân đỡ - tai treo ................................................................................................ 31 CHÖÔNG 7 : TÍNH TOAÙN THIEÁT BÒ PHU ............................................................ 33 I. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh ................................................................... 33 II. Thieát bò ñun soâi ñaùy thaùp .................................................................................... 36 III. Thieát bò laøm nguoâïi saûn phaåm ñænh .................................................................... 39 IV. Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy ...................................................................... 43 V. Thiết bị đun sôi nhập liệu ................................................................................... 47 VI. Bồn cao vị ............................................................................................................ 50 VII. Bơm ...................................................................................................................... 52 Trang 4 ĐAMH Quá trình & Thiết bị Keát luaän ......................................................................................................................... 54 Taøi lieäu tham khaûo ....................................................................................................... 54 Trang 5 ĐAMH Quá trình & Thiết bị Chƣơng 1 : TỔNG QUAN I. LÝ THUYẾT VỀ CHƢNG CẤT : 1. Khái niệm : - Chƣng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng nhƣ hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác nhau). - Thay vì đƣa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha nhƣ trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chƣng cất pha mới đƣợc tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngƣng tụ. - Chƣng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của 2 quá trình này là trong quá trình chƣng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhƣng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi. - Khi chƣng cất ta thu đƣợc nhiều cấu tử và thƣờng thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu đƣợc bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu đƣợc 2 sản phẩm :  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) - Đối với hệ Benzen – Toluen  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen.  Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen. 2. Phƣơng pháp chƣng cất : Các phƣơng pháp chƣng cất đƣợc phân loại theo : - Áp suất làm việc :  Áp suất thấp  Áp suất thƣờng  Áp suất cao  Nguyên tắc làm việc : dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử. - Nguyên lí làm việc :  Chƣng một bậc  Chƣng lôi cuốn theo hơi nƣớc  Chƣng cất - Cấp nhiệt ở đáy tháp :  Cấp nhiệt trực tiếp  Cấp nhiệt gián tiếp Vậy : Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phƣơng pháp chƣng cất liên tục ở áp suất thƣờng. 3. Thiết bị chƣng cất : Trong sản xuất, ngƣời ta thƣờng dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chƣng cất. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lƣu chất này vào lƣu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, …Ở đây ta khảo sát 2 loại thƣờng dùng là tháp mâm và tháp chêm. Trang 6 ĐAMH Quá trình & Thiết bị  Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đƣợ cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có : - Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, …. - Tháp mâm xuyên lỗ : trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.  Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm đƣợc cho vào tháp theo một trong hai phƣơng pháp sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. So sánh ƣu nhƣợc điểm của các loại tháp : Tháp chêm Ƣu điểm Nhƣợc điểm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chóp - Cấu tạo khá đơn giản. - Trở lực thấp. - Làm việc đƣợc với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có    của chất lỏng. - Do có hiệu ứng thành  hiệu suất truyền khối thấp. - Độ ổn định không cao, khó vận hành. - Do có hiệu ứng thành  khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng  khó tăng năng suất. - Thiết bị khá nặng nề. - Trở lực tƣơng đối thấp. - Hiệu suất khá cao. - Khá ổn định. - Hiệu suất cao. - Không làm việc đƣợc - Có trở lực lớn. với chất lỏng bẩn. - Tiêu tốn nhiều - Kết cấu khá phức tạp. vật tƣ, kết cấu phức tạp. Vậy :qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chƣng cất hệ Benzen – Toluen. II. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU : 1. Benzen & Toluen : Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ.Công thức phận tử là C6H6. Benzen không phân cực,vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực và tan rất ít trong nƣớc. Trƣớc đây ngƣời ta thƣờng sử dụng benzen làm dung môi. Tuy nhiên sau đó ngƣời ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen đƣợc sử dụng hạn chế hơn Các tính chất vật lí của benzen: o Khối lƣợng phân tử: 78,11 o Tỉ trọng(200C): 0,879 o Nhiệt độ sôi: 80oC o Nhiệt độ nóng chảy: 5,50C Toluen: là một hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng và có tính thơm ,công thức phân tử tƣơng tự nhƣ benzen có gắn thêm nhóm –CH3. Không phân cực,do đó toluen tan tốt trong benzen.Toluen có tính chất dung môi tƣơng tự benzen nhƣng độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thƣờng đƣợc sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp. Các tính chất vật lí của toluen: o Khối lƣợng phân tử : 92,13 o Tỉ trọng (20oC) : 0,866 o Nhiệt độ sôi : 111oC Trang 7 ĐAMH Quá trình & Thiết bị o Nhiệt độ nóng chảy : -95 oC Các phƣơng thức điều chế : o Đi từ nguồn thiên nhiên Thông thƣờng các hidrocacbon ít đƣợc điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thu đƣợc lƣợng lớn nó bằng phƣơng pháp chƣng cất than đá, dầu mỏ…. o Đóng vòng và dehiro hóa ankane o Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác nhƣ Cr2O3, hay các lim loại chuyển tiếp nhƣ Pd, Pt O CH3(CH2)4CH3 Cr2O3  C6H6  3 / Al 2 o Dehidro hóa các cycloankane Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen C6H12 Pt / C6H6 Pd o Đi từ acetylen Đun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken nhƣ Ni(CO)[(C6H5)P] sẽ thu đƣợc benzen 3C2H2 xt  C6H6 o Từ benzen ta có thể điều chế đƣợc các dẫn xuất của benzen nhƣ toluen bằng phản ứng Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự có mặt cảu xúc tác AlCl3 khan AlCl C6H6 + CH3- Cl  3  C6H5-CH3  2. Hỗn hợp benzen – toluen : Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen ở 760 mmHg.(Tham khảo STT1) x (% phân mol) y (% phân mol) t (oC) 0 0 110,6 5 11,8 108,3 10 21,4 106,1 20 38 102,2 30 51,1 98,6 40 61,9 95,2 50 71,2 92,1 60 79 89,4 70 85,4 86,8 80 91 84,4 90 95,9 82,3 100 100 80,2 Trang 8 ĐAMH Quá trình & Thiết bị Chƣơng 2 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen là 40% (phần khối lƣợng), nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu là 300C tại bình chứa nguyên liệu (1), đƣợc bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Dòng nhập liệu đƣợc gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong thiết bị truyền nhiệt ống chùm. Sau đó hỗn hợp đƣợc đƣa vào tháp chƣng cất (6) ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chƣng cất. Lƣu lƣợng dòng nhập liệu đƣợc kiểm soát qua lƣu lƣợng kế (14). Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng đƣợc trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống. Trong tháp, hơi đi dƣới lên gặp lỏng đi từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chƣng càng xuống phía dƣới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (10) lôi cuốn cấu tữ dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dƣới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là toluen sẽ ngƣng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu đƣợc hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều nhất (nồng độ 98% phần khối lƣợng). Hơi này đi vào thiết bị ngƣng tụ (7) đƣợc ngƣng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngƣng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (8), đƣợc làm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống(8) rồi đƣợc đƣa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (9). Phần còn lại của chất lỏng ngƣng tụ đƣợc hoàn lƣu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lƣu thích hợp và đƣợc kiểm soát bằng lƣu lƣợng kế(5). Cuối cùng ở đáy tháp ta thu đƣợc hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Toluen). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Toluene là 99% phần khối lƣợng, còn lại là Benzene. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (10). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun đƣợc cho qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13) rồi đi vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy(13) sau đó vào bồn chứa sản phẩm đáy(12). Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Benzen, sản phẩm đáy là Toluen Trang 9 ĐAMH Quá trình & Thiết bị Chƣơng 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU : Choïn loaïi thaùp laø thaùp maâm chóp. Khi chöng luyeän hoãn hôïp Benzen - Toluen thì caáu töû deã bay hôi laø Benzen. Benzen : C6 H 6  M B  78 g / mol Hoãn hôïp:  Toluen : C6 H 5CH 3  M T  92 g / mol  Naêng suaát sản phẩm đỉnh : D = 200l/h  Noàng ñoä nhaäp lieäu : xF = 40% phân khối lƣợng  Noàng ñoä saûn phaåm ñænh : xD = 98% phân khối lƣợng  Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 99% phân khối lƣợng  Nhieät ñoä nhaäp lieäu: nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi  Choïn:  Nhieät ñoä nhaäp lieäu: tFV = 94oC  Nhieät ñoä saûn phaåm ñaùy sau khi laøm nguoäi: tWR = 35oC  Nhieät ñoä doøng nöôùc laïnh ñi vaøo: tV = 30oC  Nhieät ñoä doøng nöôùc laïnh ñi ra: tR = 40oC  Caùc kyù hieäu:  F , F: suaát löôïng nhaäp lieäu tính theo kg/h, kmol/h.  D , D: suaát löôïng saûn phaåm ñænh tính theo kg/h, kmol/h.  W , W: suaát löôïng saûn phaåm ñaùy tính theo kg/h, kmol/h.  xi, xi : noàng ñoä phaàn mol, phaàn khoái löôïng cuûa caáu töû i. II. XAÙC ÑÒNH SUAÁT LÖÔÏNG DÒNG NHẬP LIỆU VÀ DÒNG SẢN PHẨM ĐÁY: MF =xF.MB + (1-xF).MT = 0,4.78 + (1-0.4).92 = 86.4 kg/kmol MD =xD.MB + (1- xD).MT = 0,98.78 + (1-0,98).92 = 78.28 kg/kmol MW =xW.MB + (1- xW).MT = 0,01. 78 + (1-0,01).92 =91,86 kg/kmol xF 0,4 MB 78 xF    0,44 0,4 1  0,4 xF 1  xF   78 92 MB MT xW xW 0,01 MB 78    0,012 0,01 1  0,01 xW 1  xW   78 92 MB MT Trang 10 ĐAMH Quá trình & Thiết bị Dòng sản phẩm đỉnh có nhiệt độ 800C nên ta có khối lƣợng riêng của dòng này:  kg/m3, kg/m3 x 1  xD 1   D  809kg / m3  D  D B T  D  VD . D  0,2.809  161,8kg / h D  2,07kmol / h  D MD F  D  W Phƣơng trình cân bằng vật chất:   F .xF  D.xD  W .xW W  240,6kg / h  W  2,8kmol / h F  402.4kg / h F  4,87 kmol / h W = 240,6 kg/h F = 402,4 kg/h F = 4,87 kmol/h D = 161,8 kg/h D = 2,07 kmol/h W = 2,8 kmol/h x F  0.4 x D  0,98 xW  0,01 xF  0.44 xD  0,983 xW  0,012 III. XAÙC ÑÒNH CHÆ SOÁ HOÀI LÖU THÍCH HÔÏP : * Chæ soá hoài löu toái thieåu : Tæ soá hoaøn löu toái thieåu laø cheá ñoä laøm vieäc maø taïi ñoù öùng vôùi soá maâm lyù thuyeát laø voâ cöïc. Do ñoù, chi phí coá ñònh laø voâ cöïc nhöng chi phí ñieàu haønh (nhieân lieäu, nöôùc vaø bôm…) laø toái thieåu. Trang 11 ĐAMH Quá trình & Thiết bị Hình 1: Ñoà thò caân baèng pha cuûa heä Benzen – Toluen tại P = 1atm Döïa vaøo hình 1 ta có xF = 0,44 yF* = 0,643 * x  y F 0,983  0,64.3  Tæ soá hoaøn löu toái thieåu : Rmin  D = 1,68 * 0,643  0,44 y F  xF Tæ soá hoaøn löu laøm vieäc tính theo công thức kinh nghiệm: R = 1,5Rmin = 1,5.1,68 = 2,52 Theo Phƣơng pháp thể tích tháp nhỏ nhất ta có: V = S.H Với S – diện tích tiết diện ngang của tháp; H – chiều cao tháp. Mặt khác diện tích tiết diện tháp tỉ lệ vơi lƣợng hơi, lƣợng hơi này lại tỉ lệ với lƣợng hoàn lƣu hay S tỉ lệ với R. Chiều cao tháp tỉ lệ với số đĩa lý thuyết Nlt. Vậy thể tích tháp tỉ lệ với giá trị Nlt.(R+1). Lần lƣợt cho các giá trị R và tìm thể tích tháp, ứng với giá trị nào nhỏ nhất của thể tích tháp thì R đó là tỉ số hoàn lƣu tối ƣu. R 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 Nlt (R+1).Nlt 12 72 13 71.5 14 70 16 72 15 60 15 52.5 18 54 Biểu diễn trên đồ thị: Trang 12 ĐAMH Quá trình & Thiết bị (R+1).Nlt R Theođđồ thị trên ta chọn giá trị tỉ số hồi lƣu thích hợp R = 2,48 IV . PHÖÔNG TRÌNH ÑÖÔØNG LAØM VIEÄC - SOÁ MAÂM LYÙ THUYEÁT: 1 . Phöông trình ñöôøng laøm vieäc cuûa ñoaïn caát: y= 2,48 0,983 R x x D = x R 1 R 1 2,48  1 2,48  1 = 0,771.x + 0,284 2 . Phöông trình ñöôøng làm việc phần chƣng: -Phöông trình ñöôøng laøm vieäc cuûa phaàn chöng R f f 1 y= xW =1,37x -0.0044 x R 1 R 1 x  xW 0,983  0,012 vôùi f= D = =2,27 x F  xW 0,44  0,012 Trang 13 ĐAMH Quá trình & Thiết bị y x Hình 2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chƣng hệ Benzen – Toluen tại P = 1atm 3 . Soá đĩa lyù thuyeát : Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết : Döïng ñöôøng laøm vieäc cuûa thaùp bao goàm ñöôøng laøm vieäc phaàn caát vaø phaàn chöng. Treân ñoà thò y-x ta laàn löôït veõ caùc ñöôøng baäc thang töø ñoù xaùc ñònh ñöôïc soá đĩa lyù thuyeát laø14.56 đĩa, ta lấy tròn 15 Töø ñoà thò, ta coù : 15 đĩa bao goàm : 6 maâm caát 1 maâm nhaäp lieäu 6 maâm chöng (5 maâm chöng + 1 noài ñun) Toùm laïi, soá đĩa lyù thuyeát laø Nlt = 15 maâm. V . XAÙC ÑÒNH SOÁ MAÂM THÖÏC TEÁ: có nhiều phƣơng pháp xác định số mâm thực của tháp, ngoại trừ các ảnh hƣởng của thiết kế cơ khí tháp thì ta có thể xác định số mâm thực dựa vào hiệu suất trung bình: Nt = Nlt/tb Trong đó: Nt – số đĩa thực tế, Nlt - số đĩa lý thuyết, tb – hiệu suất trung bình của thiết bị n  n2  n3  ....  nn x tb = 1 n Trong đó ni - hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ, n - số vị trí tính hiệu suất Trong trƣờng hợp này ta tính Trang 14 ĐAMH Quá trình & Thiết bị nD  nF  nW 3 Với n D n F nW - lần lƣợt là hiệu suất ở đĩa trên cùng, hiệu suất ở đĩa nhập liệu và hiệu suất ở đĩa dƣới cùng - Xác định nD ta có: Tđ(nhiệt độ đỉnh tháp) = 800C, xD = 0,983 suy ra yD = 0,994 sử dụng bảng I.101 trang 91 STT1 tra và nội suy các giá trị độ nhớt B = 0,316.10-3 N.s/m2, T = 0,319.10-3 N.s/m2. Độ nhớt của hỗn hợp lg hh = xD.lgB – (1- xD).lgT (theo công thức I.12 trang 84 5 )  hh = 0,316. 10-3 N.s/m2 (= 0.316cP) 0.994 1  0.983 y 1 x Và độ bay hơi tƣơng đối    . . 1  0.994 0.983 1 y x  hh = 2,87.0,316 = 0,905, theo hình IX.11 trang 171 thì nD = 0,53 - Xác định nF , tƣơng tự nhƣ trên ta có: TF(nhiệt độ đĩa nhập liệu) = 940C, xf = 0,44 suy ra yD = 0,643 sử dụng bảng I.101 trang 91 5 tra và nội suy các giá trị độ nhớt B = 0,277.10-3 N.s/m2, T = 0,291.10-3 N.s/m2. Độ nhớt của hỗn hợp lg hh = xD.lgB – (1- xD).lgT (theo công thức I.12 trang 84 STT1)  hh = 0,293. 10-3 N.s/m2 (= 0,293 cP) 0.643 1  0.44 y 1 x Và độ bay hơi tƣơng đối    . . 1  0.643 0.44 1 y x  hh = 2,29.0,293 = 0,672, theo hình IX.11 trang 171 thì nD = 0,58 - Xác định nw , tƣơng tự nhƣ trên ta có: Tw(nhiệt độ đĩa dƣới cùng) = 1100C, xw = 0,012 suy ra yD = 0,065 sử dụng bảng I.101 trang 91 5 tra và nội suy các giá trị độ nhớt B = 0,239.10-3 N.s/m2, T = 0,250.10-3 N.s/m2. Độ nhớt của hỗn hợp lg hh = xD.lgB – (1- xD).lgT (theo công thức I.12 trang 84 5 )  hh = 0,249. 10-3 N.s/m2 (= 0,249 cP) 0.0365 1  0.012 y 1 x Và độ bay hơi tƣơng đối    . . 1  0.0365 0.012 1 y x  hh = 3,12.0,249 = 0,777, theo hình IX.11 trang 171 thì nD = 0.62 n  nF  nW 0,53  0,58  0,62 tb = D = = 0.58 3 3 Suy ra số mâm thực : Nt = Nlt/tb = 15/0,58 = 25,8 lấy tròn 26 mâm tb = Trang 15 ĐAMH Quá trình & Thiết bị Chƣơng 4 : TÍNH TOAÙN THAÙP CHÖNG CAÁT * Ñöôøng kính thaùp chöng caát (Dt) : Dt  4Vtb g tb  0,0188 π.3600.ω tb (  y .ω y ) tb (m) Vtb :löôïng hôi trung bình ñi trong thaùp m3/h. tb :toác ñoä hôi trung bình ñi trong thaùp m/s. gtb : löôïng hôi trung bình ñi trong thaùp Kg/h. Löôïng hôi trung bình ñi trong ñoaïn chöng vaø ñoaïn caát khaùc nhau.Do ñoù, ñöôøng kính ñoaïn chöng vaø ñoaïn caát cuõng khaùc nhau. I. Ñöôøng kính ñoaïn caát : 1 . Löôïng hôi trung bình ñi trong thaùp ở đoạn cất: g  g1 g tb  d kg/h 2 gd : löôïng hôi ra khoûi ñóa treân cuøng cuûa thaùp kg/h g1 : löôïng hôi ñi vaøo ñóa döôùi cuøng cuûa ñoaïn caát kg/h  Xaùc ñònh gd: gd = D.(R+1) =2,07.(2,48+1) = 7,204 kmol/h = 563,93 kg/h (Vì MhD =78.yD+(1-yD).92 = 78,28 kg/kmol)  Xaùc ñònh g1 : Töø heä phöông trình :  g1  G1  D   g1 . y1  G1 .x1  D.x D (IV.1)  g .r  g .r d d  1 1 Vôùi: G1 : löôïng loûng ôû ñóa thöù nhaát cuûa ñoaïn caát . r1 : aån nhieät hoaù hôi cuûa hoãn hôïp hôi ñi vaøo ñóa thöù nhaát cuûa ñoaïn caát rd : aån nhieät hoaù hôi cuûa hoãn hôïp hôi ñi ra ôû ñænh thaùp . * Tính r1 : t1 = tFs = 94oC , tra baûng I.212, trang 254, [5] ta coù : AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Benzen : rB1 = 383,1 kJ/kg. AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Toluen : rT1 = 371,3 kJ/kg. Suy ra : r1 = rB1.y1 + (1-y1).rT1 = 373,1y1 - 11,8y1  r1 = 373,1y1 - 11,8y1 kJ/kg * Tính rd : tD = 80 oC , tra baûng I.212, trang 254, [5] ta coù : AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Benzen : rBd = 393,3 kJ/kg. AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Toluen : rTd = 378,3 kJ/kg . Suy ra : rD = rBd.yD + (1-yD).rTd = 393,3.0,99 + 378,3.0,01  rD = 393,15 kJ/kg (với xD = 0,983 suy ra yD theo phân khối lƣợng là 0,99) * x1 = xF = 0,4(ta coi n) Trang 16 ĐAMH Quá trình & Thiết bị Giaûi heä (IV.1) , ta ñöôïc : G1 = 593,3 kg/h y1 = 0,524 (phaân khối lƣợng benzen) g1 = 755,1 kg/h 563,93  755,1 Vaäy : gtb =  659,5 kg/h 2 2 . Toác ñoä hôi trung bình ñi trong thaùp ở đoạn cất: Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn cất:  y .wy tb  0,065.  h. xtb  ytb Vôùi : xtb : khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha loûng kg/m3 . ytb : khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi kg/m3 . h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-1,2m)    : hệ số tính đến sức căng bề mặt  Xaùc ñònh ytb : y .78  1  ytb .92.273  ytb  tb 22,4.ttb  273 y1  y D 0,468  0,99 = = 0,725 2 2 t t 98,5  80,5 + Nhieät ñoä trung bình ñoaïn caát : ttb = 1 D = = 89,5 oC 2 2 3 Suy ra : ytb =2,752 kg/m .  Xaùc ñònh xtb : x  x D 0,44  0,983 Noàng ñoä phaân mol trung bình : xtb = F = = 0,692 2 2 78.xtb Suy ra : xtb  = 65,5 %. 78.xtb  (1  xtb ).92 Vôùi: + Noàng ñoä phaân mol trung bình : ytb = ttb = 89,5oC , tra baûng I.2, trang 9, [5], ta coù : benzen  804kg / m3  toluen  798kg / m3  1  xtb  xtb benzen  1  xtb toluen  xtb = 802 kg/m3 Xác định    : hệ số tính đến sức căng bề mặt Ta có: 1 1 1 1 1       hh  10,7.10 3 N / m  10,7dyn / cm 3  hh  B  T 21,3.10 21,5.10 3 Với:  B =21,3.10-3 N/m,  T = 21,5.10-3 N/m (số liệu tra từ bảng I.242 trang 300 STT1) Ta thấy  hh < 20 theo STT2 – tr184 chọn    = 0,8  y .wy tb  0,065.   h. xtb  ytb  0,065.0,8. 0,3.802.2,752  1,33kg / m 2 .s D t  0,0188 g tb 659,5  0,0188.  0,419m 1,33 (  y .ω y ) tb Trang 17 ĐAMH Quá trình & Thiết bị Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn cất: w' y  II.  y .w y tb y  1,33  0,483m / s 2,752 Ñöôøng kính ñoaïn chöng : 1 . Löôïng hôi trung bình ñi trong thaùp ở đoạn chƣng : g , n  g ,1 ; kg/h g , tb  2 g’n : löôïng hôi ra khoûi ñoaïn chöng ; kg/h. g’1 : löôïng hôi ñi vaøo ñoaïn chöng ; kg/h.  Xaùc ñònh g’n : g’n = g1 = 755,1 kg/h  Xaùc ñònh g’1 : Töø heä phöông trình : G '1  g '1  W  ' ' G 1 .x'1  g 1 . yW  W .xW (IV.2)  g ' .r '  g ' .r '  g .r n n 1 1  1 1 Vôùi : G’1 : löôïng loûng ôû ñóa thöù nhaát cuûa ñoaïn chöng . r’1 : aån nhieät hoaù hôi cuûa hoãn hôïp hôi ñi vaøo ñóa thöù nhaát cuûa ñoaïn chöng. * Tính r’1 : xW =0,012(phần mol) tra ñoà thò caân baèng cuûa heä ta coù : y*W =0,016(phần mol), tƣơng đƣơng với nồng độ khối lƣợng là y*W = 0,014(phần khối lƣợng) t’1 = tW = 110oC, tra baûng I.212, trang 254, [5], ta coù : AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Benzen : r’B1 = 370,56 kJ/kg. AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Toluen : r’T1 = 362,20 kJ/kg.  r’1 = r’B1.yW + (1-yW).r’T1 =362,3 kJ/kg * Tính r1 : t1 = tFs = 94oC , tra baûng I.212, trang 254, [5] ta coù : AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Benzen : rB1 = 383,1 kJ/kg. AÅn nhieät hoaù hôi cuûa Toluen : rT1 = 371,3 kJ/kg. r1 = rB1.y1 + (1-y1).rT1 = 378,9 kJ/kg * W = 240,6 kg/h Giaûi heä (IV.2) , ta ñöôïc : x’1 = 0,0135 (phaân mol) G’1 = 1030,3 kg/h g’1 = 789,7kg/h 789,7  755,1 Vaäy : g’tb =  772,4 kg/h 2 2 . Toác ñoä hôi trung bình ñi trong thaùp ở đoạn chƣng: Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn chƣng:  y .wy tb  0,065.  h. xtb  ytb Vôùi : xtb : khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha loûng kg/m3 . ytb : khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi kg/m3 . h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-1,2m)    : hệ số tính đến sức căng bề mặt  Xaùc ñònh ytb :  ytb  ytb .78  1  ytb .92.273 22,4.t tb  273 Trang 18 ĐAMH Quá trình & Thiết bị y1  y D 0,468  0,014 = = 0,241 2 2 t t 98,5  110 + Nhieät ñoä trung bình đoạn chƣng : ttb = 1 W = = 104,2oC 2 2 Suy ra : ytb =2,96 kg/m3.  Xaùc ñònh xtb : x  xW 0,44  0,012 Noàng ñoä phaân mol trung bình : xtb = F = = 0,226 2 2 78.xtb Suy ra : xtb  = 18,8 %. 78.xtb  (1  xtb ).92 t t 93  110 ttb = F W =  101,5oC , tra baûng I.2, trang 9, 5 , ta coù : 2 2  benzen  793kg / m3  Vôùi: + Noàng ñoä phaân mol trung bình : ytb =  toluen  788kg / m3  1  xtb  xtb benzen  1  xtb toluen  Suy ra: xtb = 789 kg/m3 Xác định    : hệ số tính đến sức căng bề mặt Ta có: 1  hh  1 1 1    hh  10,3.10 3 N / m  10,3dyn / cm 3 3  B  T 18,8.10 21,5.10 -3 Với:  B =18,8.10 N/m,  T = 21,5.10-3 N/m (số liệu tra từ bảng I.242 trang 300 5 ) Ta thấy  hh < 20 theo STT2 – tr184 chọn    = 0,8   y 1  .wy tb  0,065.   h. xtb  ytb  0,065.0,8. 0,3.789,7.2,96  1,38 D t  0,0188 g tb 772,4  0,0188.  0,444m 1,38 (  y .ω y ) tb Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chƣng: w' y   y .wy tb  ytb  1,38  0,466m / s 2,96 Keát luaän : hai ñöôøng kính ñoaïn caát vaø ñoaïn chöng khoâng cheânh leäch nhau quaù lôùn neân ta choïn ñöôøng kính cuûa toaøn thaùp laø : Dt = 0,50 m. Khi ñoù toác ñoä hơi ở chế độ laøm vieäc thöïc: 0,0188 2.g tb 0,0188 2.659,5   0,339 m/s + Phaàn caát : lv = 2 0,50 2.2,752 Dt . y tb + Phaàn chöng : lv = 0,0188 2.g tb Dt . y tb 2  0,0188 2.772,4  0,369 m/s. 0,50 2.2,96 * chiều cao tháp chƣng cất (Dt) : H = Nt(Hđ + ) + (0,8 ÷ 1), m (công thức IX.54- STT2 -Tr.169) Trong đó Nt - số đĩa thực tế; bề dày của đĩa, m; 0,8 ÷ 1 – khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị, m; Hđ – khoảng cách giữa các đĩa, m Trang 19 ĐAMH Quá trình & Thiết bị III. H = 26.(0,25 +0,004 ) +0,8 = 7,4 m lấy tròn là H = 7,5 m Trong đó bề dày đĩa m tính ở phần bề dày đĩa Vậy kết luận chiều cao tháp H = 7,5 m Trở lực của tháp chóp : Trở lực của tháp chóp bao gồm: tổn thất áp suất khi dòng khí đi qua đĩa khô, tổn thất do sức căng bề mặt, tổn thất thất do lớp chất lỏng trên đĩa và bỏ qua sự biến đổi chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa Trở lực của tháp chóp đƣợc xác định the công thức: P  N tt .Pd , N / m 2 Trong đó Ntt – số đĩa thực tế của tháp; Pd - tổng trở lực của một đĩa, N/m2 Pd = Pk + Ps + Pt 2 Pk - trở lực đĩa khô, N/m Ps - trở lực đĩa do sức căng bề mặt, N/m2 Pt - Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa, N/m2  Trở lực của đĩa khô Pk : Pk =   y .w 2 0 2 Trong đó:  - hệ số trở lực, thƣờng chọn  = 4,5 – 5(ở đây ta chọn  = 5);  y khối lƣợng riêng của pha hơi, kg/m3; w0 – tốc độ khí qua rãnh chóp, m/s Với khối lƣợng riêng pha hơi đi trong toàn tháp: 2,752  2,96 y   2,856kg / m 3 2 Vận tốc khí trung bình đi qua một rãnh của chóp(phần tính toán chóp ta chọn một đĩa 10 chóp, một chóp 10 rãnh), vậy: 0,369  0.339 1 1 w0   35,4m / s 2 10 10  y .w2 0 2,586.35,4 2 Suy ra: Pk =   5.  8045,3N / m 2 2 2  Trở lực do sức căng bề mặt Ps , N/m2 4. Ps = , N/m2 d tđ Trong đó  - sức căng bề mặt, N/m; dtđ – đƣờng kính tƣơng đƣơng của khe rãnh chóp,m 4. f x Khi rãnh chóp mở hoàn toàn: dtđ =  Ở đây f x - diện tích tiết diện tự do của rãnh. f x = a.b = 5.10 = 50mm2 với a,b là bề rộng và chiều cao của rãnh chóp, mm.  - chu vi rãnh chóp,  = 2.(a+b) = 30mm 4. f x 4.50   6,67mm  6,67.10 3 m Suy ra: dtđ =  30 4. 4.10,5.10 3   6,296 N / m 2 , với  là sức căng bề mặt trung bình Vậy Ps = 3 d tđ 6,67.10 của phần chƣng và phần cất, nhƣ ta đã tính ở phần vận tốc hơi đi trong tháp thì Trang 20