Tài liệu Tính đường kính và chiều cao tháp đệm chưng cất (Bài tập lớn môn truyền khối)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ₪₪ ® ₪₪ BÀI TẬP LỚN Đề bài: Tính đường kính và chiều cao tháp đệm chưng cất Học viên thực hiện MSHV : Nguyễn Văn Tú : 51305919 GVHD : PGS.TS Trịnh Văn Dũng TPHCM, tháng 5/2014 MỤC LỤC MỤC LỤC......................................................................................................................2 MỞ ĐẦU........................................................................................................................3 Phần I..............................................................................................................................4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT.....................................................................................................4 Phần II............................................................................................................................5 TÍNH TOÁN CỤ THỂ...................................................................................................5 1. Thiết lập đường làm việc của đoạn cất, tìm chỉ số hồi lưu R, suất lượng lỏng L và suất lượng khí G.........................................................................................................5 2. Tính vận tốc pha khí trong tháp..............................................................................5 3. Tính đường kính tháp đệm chưng cất.....................................................................6 4. Tính số đơn vị truyền khối của tháp đệm chưng cất..............................................6 5. Tính chiều cao đơn vị truyền khối và chiều cao phần cất tháp đệm......................7 Phần III...........................................................................................................................8 KẾT LUẬN....................................................................................................................8 PHỤ LỤC.......................................................................................................................9 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................11 2 MỞ ĐẦU Các quá trình và thiết bị truyền khối là một trong những nội dung cơ bản của môn học “Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm”. Nội dung đề cập đến các quá trình xảy ra dưới tác dụng của nhiệt như: chưng cất, hấp thụ, trích ly, sấy…. Trong nội dung này thì quá trình chưng cất là một nội dung lớn và căn bản, có khối lương kiến thức lớn và tính toán phức tạp. Quá trình chưng cất được chia làm 2 phần: chưng và cất. Ở từng phần có cách tính toán tương đối khác nhau trên cơ sở suất lượng dòng khí và dòng lỏng đi trong tháp. Một trong những bài toán cơ bản của quá trình chưng cất là dựa trên những giá trị cho trước về lượng sản phẩm và nồng độ các pha, tính toán đường kính và chiều cao của tháp chưng cất. Trong phạm vi của bài tập này sẽ giải quyết vấn đề tính đường kính và chiều cao của đoạn cất tháp đệm trên cơ sở số liệu ban đầu của đoạn cất sau đây: Hơi (% kh.l) Lỏng (% kh.l) h (m) Hệ Benzen - Axit axetic D Vào Ra Vào Ra x y 54.3 98.0 35.7 98.0 0.45 0.32 4500 3 Phần I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Thiết lập cân bằng vật chất cho đoạn cất G.y = L.x + D.xD Suy ra: y L D . x  . xD G G Giả sử lưu lượng theo mol trong tháp không đổi, nên có: G = G1 = (R + 1). D L = Lo = R.D R 1 Suy ra: y  R  1 . x  R  1 . x D Đây là phương trình làm việc của đoạn cất. - Phương trình làm việc là đường thẳng. - Nếu R → ∞ thì y → x. - Đường thẳng đi qua điểm I1 (xD, xD) và I2 (0, xD ). R 1 4 R R 1 - Hệ số góc tgα = → 1 khi R → ∞, tức hồi lưu hoàn toàn. 2. Tính đường kính và chiều cao của tháp đệm * Đường kính tháp được tính theo công thức: Ø  √ G 0,785. w = √  R1 . D 0,785. w với w là vận tốc của pha khí ứng với điểm sặc theo phương trình sau:   2 log a. ws . 3 g .ε  ρk . μ0,16 l ρL = C−1 ,75  0,25 ρk 0,125 L  .  ρL G ứng với tháp đệm chưng cất: C = - 0,125 * Chiều cao tháp đệm: H = hoy.noy yr với noy = ∫ y dy− y yv và hoy = G K y . a . S .φ = hy + hx A L với A = mG 5 Phần II TÍNH TOÁN CỤ THỂ 1. Thiết lập đường làm việc của đoạn cất, tìm chỉ số hồi lưu R, suất lượng lỏng L và suất lượng khí G Với hệ benzen - axit axetic, nhiệt độ sôi của hai cấu tử lần lượt là 80,20C (benzen) và 118,70C (đối với axit axetic), do đó cấu tử thu được trên đỉnh tháp là benzen, ở đáy tháp là axit axetic. Biến đổi nồng độ của cấu tử dễ bay hơi benzen sang nồng độ phần mol, ta có bảng số liệu sau: Đầu Vào Ra x 0.2993 0.9742 y 0.4775 0.9742 Phần mol Lượng benzen thu được D (kmol/h) 4500 78 = 57,692 Đường làm việc của đoạn cất (phụ lục 1): y = 0.7359x + 0.2573 Mặt khác, ta có đường làm việc ứng với đoạn cất có dạng: y R 1 .x .x R1 R1 D Nên ta có hệ phương trình: R 0,7359 R 1 xD 0,2573 R 1 6 Giải hệ phương trình, ta tìm được các giá trị: R = 2,786 và xD = 0,9742 Suy ra: Lưu lượng theo pha lỏng và pha khí đi trong đoạn cất là: G = (R+1)D = (2,786+1).57,692 = 218,422 (kmol/h). L = Lo = RD = 2,786.57,692 = 160,73 (kmol/h). 2. Tính vận tốốc pha khí trong tháp Đối với tháp đệm, ta sử dụng phương trình: log   a . w 2s . g . ε3  ρk . μ0,16 L ρL = (-0,125) −1 ,75 ρ  k ρL 0,125 L .  G 0,25 (1) Chọn loại đệm bằng sứ 50 x 50 x 5 có các thông số sau (sổ tay tập 2): ε = 0,79 (m3/m3) và a = 95 (m2/m3). Tra sổ tay tập 1, với các số liệu lấy ở nhiệt độ 800C và coi không đổi với giá trị độ nhớt và khối lượng riêng của dòng lỏng, Dòng lỏng đi trong đoạn cất có hàm lượng 98% benzen, ta có thể coi khối lượng riêng và độ nhớt của dòng lỏng đi vào đoạn cất là khối lượng riêng và độ nhớt của benzen: ρL = 815 (kg/m3) và µL = 0,316 (cP). Khối lượng riêng của dòng khí ở 800C và áp suất 760 mmHg theo công thức: ρK  M .273 78.273  2,7 22,4.t  273 22,4.353 (kg/m3) Thay các giá trị đã có vào phương trình (1), ta có ws = 1,5 (m/s) 7 Chọn w = 0,8ws = 0,8.1,5 = 1,2 (m/s). 3. Tính đường kính tháp đệm chưng cất Đường kính của tháp đệm được tính theo công thức: Ø  √ G  0,785. w √ 218,422.78 1,4 m 2,7 .0,785 .1,2.3600 4. Tính số đơn vị truyền khối của tháp đệm chưng cất Tra sổ tay tập 2, ta có bảng số liệu cân bằng lỏng - hơi của hệ benzen - axit axetic như sau: x 0 0.05 0.1 0.2 y 0 0.26 0.42 0.59 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.666 0.75 0.79 0.83 0.88 0.92 5 0.9 1 0.97 1 Vẽ đường cân bằng và đường làm việc trên cùng hệ tọa độ (phụ lục 2). Phương trình đường cân bằng như sau: y* = -23.06x6 + 78.009x5 - 105.44x4 + 73.293x3 - 28.173x2 + 6.3705x + 0.0012 Sử dụng phương pháp tích phân đồ thị, ta chia đoạn từ xF đến xD thành nhiều điểm và lập được bảng sau: x 0.2993 y 0.478 y* 0.674 1 5.093 y −y  0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.51 0.55 0.58 0.62 0.66 0.69 0.73 0.77 5 2 8 5 2 9 6 2 0.70 0.73 0.76 0.79 0.81 0.83 0.85 0.87 7 8 6 2 6 8 7 7 5.20 5.37 5.63 5.98 6.49 7.20 8.20 0 9 2 6 1 8 7 0.974 0.75 0.8 0.85 0.9 0.809 0.846 0.883 0.920 0.974 0.898 0.922 0.948 0.974 1.001 9.55 11.25 13.22 15.38 18.23 37.17 2 3 7 9 9 0 2 8 1 y −y Vẽ đồ thị  1  y −y  = f(y), ta có phương trình hàm số tương ứng (phụ lục 3): = 99379y6 - 412018y5 + 704488y4 - 635600y3 + 319087y2 - 84508y + 9229.6 Suy ra, số đơn vị truyền khối: yD noy = = ∫ yF 0,974 dy dy ∫   y − y 0,478 y − y 99379 y6 −412018 y 5  704488 y 4 −635600 y 3  319087 y 2−84508 y 9229.6  dy 0.974 ∫  0.478 noy = 5,428 5. Tính chiềều cao đơn vị truyềền khốối và chiềều cao phầền cầốt tháp đ ệm Chiều cao đơn vị truyền khối được tính theo công thức: hoy = G K y . a . S .φ = hy + hx A L với A = mG * Tìm hệ số góc đường cân bằng m Chia đoạn cong trên đường cân bằng y* = f(x) từ điểm (0,3; 0,666) đến điểm (1; 1) thành các đoạn nhỏ và coi các đường nối các điểm trong đoạn này là đường thẳng theo số liệu cho ở bảng sau: x 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 y* 0.666 0.75 0.79 0.83 0.88 0.925 0.97 1 Xây dựng phương trình đường thẳng và hệ số góc cho mỗi đoạn (phụ lục 4). 9 Hệ số góc đường cân bằng được tính theo hệ số góc trung bình như sau: 7 m∑ mi  i 1 0,84  0,4 0,4  0,5  0,45 0,45  0,3 0,477 7 Thừa số truyền khối A được tính: L 160,73 A = mG  0,477.218,422 1,543 Chiều cao đơn vị truyền khối được tính: hoy = hy + hx 0,45 0,32  0,612 A 1,543 (m) Chiều cao phần cất của tháp đệm với các điều kiện đã chọn như trên là: H = hoy.noy = 0,612.5.428 = 3,322 (m). 10 Phần III KẾT LUẬN Với các điều kiện cho trước tính toán đối với đoạn cất, đường kính và chiều cao đoạn cất tháp đệm chưng cất là: Đường kính Ø 1,4  m Và chiều cao H = 3,3 (m) 11 PHỤ LỤC Phụ lục 1. Đồ thị đường làm việc của đoạn cất y 1 f(x) = 0.74x + 0.26 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 X Phụ lục 2. Đồ thị đường làm việc và đường cân bằng 12 f(x) = 1 f(x) = =- 23.06x^6 - 105.44x^4 + 73.29x^3 - 28.17x^2 + 6.37x +0 0.88 f(x) 0.24 ln(x) ++78.01x^5 0.98 0.83 0.79 0.75 0.67 0.59 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 y 0.93 0.42 Đườ ng làm vi ệc đoạn cấấ t Linear (Đườ ng làm vi ệc đoạn cấấ t) 0.4 0.26 0.3 0.2 0.1 0 1 0.97 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 x Phụ lục 3. Đồ thị 1 y −y  = f(y) 1/(y*-y) 40 35 f(x) = 99379.25x^6 - 412017.55x^5 + 704487.6x^4 - 635600.22x^3 + 319087.14x^2 - 84508.5x + 9229.57 30 25 20 15 10 5 0 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 y Phụ lục 4. Phương trình đường thẳng và hệ số góc tương ứng để xác định hệ số góc m 13 x 0.3 0.4 0.4 0.5 0.5 0.6 y* 0.666 0.75 0.75 0.79 0.79 0.83 Đường thẳng Hệ số góc m y = 0.84x + 0.414 y = 0.4x + 0.59 y = 0.4x + 0.59 0.84 0.4 0.4 x 0.6 0.7 0.7 0.8 0.8 0.9 0.9 1 y* 0.83 0.88 0.88 0.925 0.925 0.97 0.97 1 Đường thẳng Hệ số góc mi y = 0.5x + 0.53 y = 0.45x + 0.565 y = 0.45x + 0.565 y = 0.3x + 0.7 0.5 0.45 0.45 0.3 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trịnh Văn Dũng, Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm (Bài tập truyền khối), NXB ĐHQG TPHCM, 2012. 2. Nguyễn Bin, Các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm (Tập 4: Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt), NXB Khoa học và Kỹ thuật. 3. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất, Tập 1 và 2, NXB Khoa học và Kỹ thuật. 14