Đồ án Về máy và thiết bị hóa chất trong tách hai cấu tử

Đồ án môn học Page 1 Sv: Hà Minh Tiến Đồ án này gồm có: Trang I. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống Giới thiệu chung 2 1.tính toán chung 3 2. tính toán cho ống trong là ống tròn trơn 6 3. tính toán cho ống trong là ống có gân dọc 10 II. Tính toán tháp chưng cất hai cấu tử Giới thiệu chung 16 1. Tính toán nồng độ phần mol và lưu lượng (kmol/h) của nguyên liệu,sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 17 2. Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y 19 3. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, đường là việc và số đĩa lý thuyết 20 4. Xác dịnh đường kính 25 5. Số đĩa thực tế và chiều cao cơ bản của tháp 29 6. Xác định nhiệt độ đỉnh ,đáy và vị trí đĩa tiếp liệu ứng với trường hợp nguyên liệu vào tháp ở trạng thái sôi . 34 Kết luận 36 Đồ án môn học Page 2 Sv: Hà Minh Tiến I. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống: Giới thiệu chung về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống: Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống có cấu tạo rất gọn gàng do hiệu quả trao đổi nhiệt cao, chúng có các ưu điểm nổi bật sau:  Thường được sử dụng để trao đổi nhiệt giữa các chất lỏng với nhau hoặc chất lỏng với môi chất đang sôi hay đang ngưng tụ với khả năng trao đổi nhiệt lớn.  Cả hai môi chất khi chuyển động qua thiết bị đều chuyển động đối lưu cưỡng bức với tốc độ rất lớn nên thời gian đạt yêu cầu trao đổi nhiệt sẽ giảm xuống.  Kết cấu gọn gàng, an toàn và dễ chế tạo. Tuy nhiên, các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống hiện nay chỉ là các ống trơn hiệu quả thấp, ít nhiều bị hạn chế , đặc biệt trong moi trường ngưng tụ môi chất , ống trơn sẽ hạn chế khả năng ngưng tụ của môi chất. nên người ta thiết kế ống lồng ống với ống trong có gân dọc mặt ngoài. Một số dạng ống lồng ống trong thực tế hay gặp như hình dưới đây: Đồ án môn học Page 3 Sv: Hà Minh Tiến Hình 1 :Cấu tạo ống lồng ống Yêu cầu và mục tiêu cần đạt được: Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống dung dầu điesel đun nóng dầu thô trong hai trường hợp :  ống trong là ống tròn trơn  ống trong là ống tròn ,mặt ngoài có gân dọc số liệu như sau:lưu lượng dầu thô 35000kg/h, lưu lượng diesel là 27000 kg/h một số tính chất ban đầu được cho ở bảng dưới đây: Thông số Dầu thô diezen Nhiệt độ đầu vào (oC) 25 280 Nhiệt độ đầu ra (oC) Cần tính 150 Tỷ khối d420 0,89 0,8 Độ nhớt(cst) 20oC 40oC 100oC 200oC 250oC 300oC 6,2 3,8 1,4 0,5 0,4 0,3 1,1 0,81 0,45 0,26 0,21 0,15 Đồ án môn học Page 4 Sv: Hà Minh Tiến Đồ thị độ nhớt theo nhiệt độ được vẽ để tiện cho tính toán: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 50 100 150 200 250 300 350 đ ộ n h ớ t( cs t) nhiệt độ(o C) dầu thô diezen Đồ án môn học Page 5 Sv: Hà Minh Tiến 1. Tính toán chung 1.1lượng nhiệt trao đổi và tính lượng nhiệt đầu ra : nhiệt dung riêng điesel và dầu được tính theo công thức: 0.5 91625 1,1886( 32) 5 ( )tt tC d     Tại 280oc nhiệt dung riêng diesel là : Cd=1884 j/ kgo=0,497 kcal/kgo  Tại 150oc nhiệt dung riêng diesel là : Cd=1884,3 j/ kgo=0,497 kcal/kgo  Lượng nhiệt trao đổi của diesel là: . . 0, 497.27000.(280 150) 1744470( / )PQ C m T Kcal h       Do lượng nhiệt của dầu thô nhận bằng lượng nhiệt diesel cung cấp nên theo cân bằng nhiệt: Q(dầu thô)=Q(diesel)=1744470 kcal/h  Tại 25oc nhiệt dung riêng của dầu thô là: Cp=1793,39j /kgo=0,429 kcal/kgo Theo công thức : . .PQ C m T   => 1744470 116,18 35000.0,429 o p QT c C m       Nhiệt độ đầu ra của dầu thô là:t= 116,18-25=91,18oC 1.2 nhiệt độ và độ nhớt :  hiệu số nhiệt độ trung bình: diesel 280o → 150o dầu thô 91,18o← 25 o 188,8o 125o 188,8 125 154,9 155188,82,3lg 125 o ot c c    Đồ án môn học Page 6 Sv: Hà Minh Tiến  Độ nhớt trung bình của dầu thô được tính : Nhiệt độ trung bình dầu thô là: (25+91,18)/2=58,09oc Theo đồ thị ta có độ nhớt động học dầu thô là: ν = 2,1(cst)=2,8.10-6(m2/s) độ nhớt động lực học tương ứng là: µp=vp.ρp=2,8*10-6.860=2,408.10-3(N.s/m2)  Độ nhớt trung bình của diesel được tính : Nhiệt độ trung bình diesel là: (280+150)/2=215oc Theo đồ thị ta có độ nhớt động học diesel là: ν =0,22(cst)=0,22.10-6(m2/s) độ nhớt động lực học tương ứng là: µd=vd.ρd=2,2.10-7.640=1,408.10-4(N.s/m2) 2. phần tính toán riêng cho ống trong là ống tròn trơn: Đối với loại ống lồng ống quy định đường kính ống trong là 38-57mm, đường kính ống ngoài là 76-108 mm. nên ta chọn ống trong có kích thước 57х2 mm, ống ngoài 108х3mm được làm bằng thép X18H10T (có λ=16,3w/m0) 2.1 hệ số cấp nhiệt diesel: Hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức: dd dNud    Trong đó chuẩn số Nu được tính: 0.25 0,8 0.43 Pr0,021.Re .Pr Pr d d d d w Nu        Đồ án môn học Page 7 Sv: Hà Minh Tiến Vận tốc diesel được tính theo công thức:  2 2 4. 4.27000 5,3145 / 3,14.0,053 .640.3600 d d d GW m s d     Chuẩn số reynold được tính cho dầu diesel: 4 4 . . 5,3145.0,053.640Re 1280303,94 10 1, 408.10 d d d d        Nên chế độ thuỷ động của diesel là chảy rối. Chuẩn số Pr của điesel tại nhiệt độ trung bình t=215oc 43600. . 3600.0,497.1, 408.10Pr 3,072 0,082 d d d C       Tại 215oc hệ số dẫn nhiệt điesel được ngoại suy là ג=0,082 [kcal/m.h.độ] Thay vào công thức tính chuẩn số Nu ta có : 0,25 0,25 0,8 0,43 Pr Pr0,021.Re .Pr 2616,14 Pr Pr d d d d d w w Nu              Vậy hệ số cấp nhiệt của diesel là : 0,25 0,25 Pr Pr0,083.2616,14 4097 0,053 Pr Pr d d d d d w w Nu d                 2.2 hệ số cấp nhiệt dầu thô là: Nhiệt độ trung bình dầu thô là :58,09oc , nhiệt dung riêng dầu thô là Cp=0,404 [kcal/m.h.độ] Vận tốc dầu thô được tính theo công thức:  2 2 2 4. 4.35000 2,013 / 3,14.(0.102 0,057 ).860.3600 p p p G W m s d      Chuẩn số reynold được tính cho dầu thô: 4 3 . . 2,013.(0,102 0,057).860Re 32351,78 10 2, 408.10 p d d d         Đồ án môn học Page 8 Sv: Hà Minh Tiến Chế độ thuỷ động của dầu thô là chảy rối. Chuẩn số Pr của dầu thô tại nhiệt độ trung bình t=58,09oc có hệ số dẫn nhiệt ג= 0,12[kcal/m.h.độ] 33600. . 3600.0,404.2, 408.10Pr 29,185 0,12 p p p C       Chuẩn số Nu của dầu thô được tính: 0,25 0,25 0,8 0,43 ' ' Pr Pr 0,021.Re .Pr 363, 2 Pr Pr p p p p p w w Nu              Hệ số cấp nhiệt phía dầu thô là: d=0,102-0,057=0,045 (m) 0,25 0,25 ' ' Pr Pr0,12 .363, 2 968,5 0,045 Pr Pr p p p d p w w Nu d                 2.3 hệ số truyền nhiệt K khi bỏ qua Ta có 2 1 57 2 53 d d   nên có thể coi như truyền nhiệt qua tường phẳng. Trở lực qua tường là: 3 3 3 3 1 2 2.101,16.10 1,16.10 2, 4427.10 16,3 r r r              [m2.h.độ/kcal] Khi bỏ qua 0,25 0,25 ' PrPr 1 Pr Pr pd w w              Hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức: 2 3 1 1 268,87( / . . ) 1 1 1 12, 4427.10 4097 968,5d p K Kcal m h do r            Nhiệt tải riêng : 0,25 Pr Pr d w       Đồ án môn học Page 9 Sv: Hà Minh Tiến Q=K.Δt=268,87.155 =41674,85 [kcal/m2.h] 2.4 hệ số truyền nhiệt khi chú ý đến Giả thiết hiệt độ thành của dầu diesel là:203,8oc Tại đó độ nhớt động học µ=0,258.10-6N.m2/s, hệ số dẫn nhiệt ג= 0,084 kcal/m2.h.độ . Chuẩn số Prw được tính 63600. . 3600.0, 497.0,258.10 .640Pr 3,517 0,084 d d d C       0.25 Pr 0,9668 Prw       Hệ số cấp nhiệt của dầu diesel là: 0,968.4097 3961,063   [kcal/m2.h.độ] Nhiệt cung cấp phía dầu điesel là: Qd= α.(td-tt)=3961,063.(215-203,8)=44363,91 [kcal/m2.h] Nhiệt độ tường phía dầu thô là: twp=tt-Qd.Σr=203,8-44363,91.2,4427.10- 3=95,43228oC Chuẩn số Prwp phía dầu thô là: 63600. . 3600.0, 404.(1, 43.10 .860)Pr 15,158 0,118 wp wp wp wp C       0,25 0,25Pr 29.185 1,178 Pr 15,1578 p wp              Hệ số cấp nhiệt của dầu thô:α=968,5.1,178=1140,855 [kcal/m2.h.độ] Nhiệt cấp phía thành ống phía dầu thô Qw=α(twp-tp)=1375,258.(95,43-58,09)=42602,13[kcal/m2.h] Sai số ε=(44363,91-42602,13)/44363,91.100 %=1,986%<5% 0,25 Pr Pr d w       Đồ án môn học Page 10 Sv: Hà Minh Tiến Nên chấp nhận được. khi đó Qtb=(44363,91+42602,13)/2=43483,02[kcal/m2.h] Sai số dòng nhiệt  ( ) 1140,85 95, 43 58,091 1 0,03977 3,977% ( ) 3961,063(215 203,8) p wp p d d wd t t t t              Vậy αd ,αp được lấy như trên.khi đó 2 3 1 1 280( / . . ) 1 1 1 12,4427.10 3961,063 1140,855d p K Kcal m h do r            Diện tích trao đổi nhiệt 21744470 40,118 43483,02tb QF m Q    Số modul : 1 40,118 80,4 81 3,14.0,053.3 FN d l     ống Hiệu suất trao đổi nhiệt: 280 150 0,51 51% 250 25 max d p t t t          1. tính toán riêng cho ống trong là ống tròn mặt ngoài có gân dọc: Đồ án môn học Page 11 Sv: Hà Minh Tiến Chọn kích thước ống 57х2 và 108х3 ống có gân h= 12,7 mm ; w=0,082mm, bước gân wr=4,02mm độ dày gân w=0,82 mm; Số gân trên bề mặt ống tỏng là: 2. 3,14.57 37 0,82 4,02r dn w        3.1Hệ số cấp nhiệt của dầu diesel chảy trong ống không thay đổi tính như 2.1 0,25 0,25 Pr Pr0,083.2616,14 4097 0,053 Pr Pr d d d d d w w Nu d                 3.2 hệ số cấp nhiệt của dầu thô:  Diện tích dòng chảy dầu thô ngoài ống là : 2 2.( ) .( . ) 4 r S D d n h       2 2 6 6 3.(0,102 0,057 ) 37.(12,7.0,82.10 4,02.0,82.10 ) 5,1.10 4 S         m2  Vận tốc dầu thô được tính theo công thức: 3 35000 2, 217( / ) 3600. . 3600.5,1.10 .860 p p p G m s S       Chu vi thấm ướt : Đồ án môn học Page 12 Sv: Hà Minh Tiến 2 2 ( ) 1,56rC D d n h n n m           Đường kính tương đương được tính: 35,1.104 4. 0,0131[ ] 1,56td Sd m C      Chuẩn số Reynold tính ở 58,09oC là: 4 3 . . 2, 217.0,0131.860Re 10372, 4 10 2, 408.10 p td p p p d        Chế độ thuỷ động là chảy rối.  Chuẩn số Pr của dầu thô được tính như sau; 33600. . 3600.0,404.2, 408.10Pr 29,185 0,12 p p p C       Với λ=0,12(kcal/m.h.độ)  Chuẩn số Nu được tính theo : 0,25 0,25 0,25 0,43 ' ' Pr Pr 0,021.Re .Pr 146,2 Pr Pr p p p p p w w Nu              Hệ số cấp nhiệt của dầu thô: 0,25 0,25 ' ' Pr Pr0,12 .146, 2 1339, 24 0,0131 Pr Pr p p p d p w w Nu d                 Trở lực tường và cặn bẩn: 3 3 3 3 1 2 2,82.101,16.10 1,16.10 2, 49.10 16,3 r r r              [m2.h.đô/kcal] r1 là trở lực tường bên diesel r2 là trở lực phía tường bên dầu thô Đồ án môn học Page 13 Sv: Hà Minh Tiến δ là bề dày ống λ là độ dẫn nhiệt vật liệu chế tạo ống 3.3 tính hệ số truyền nhiệt và nhiệt tải riêng khi bỏ qua Ta có 2 1 57 2 53 d d   nên có thể coi như truyền nhiệt qua tường phẳng. Khi bỏ qua 0,25 0,25 ' PrPr 1 Pr Pr pd w w              Hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức: 2 3 1 1 287,3( / . . ) 1 1 1 12, 49.10 4097 1339, 24d p K Kcal m h do r            Nhiệt tải riêng : Q=K.Δt=287,3.155=44531,5 [kcal/m2.h] 3.4 tính hệ số truyền nhiệt và nhiệt tải riêng khi tính đến Giả thiết hiệt độ thành của dầu diesel là:203,2oc Tại đó độ nhớt động học µ=0,258.10-6N.m2/s, hệ số dẫn nhiệt ג= 0,084 kcal/m2.h.độ . Chuẩn số Prw được tính 63600. . 3600.0, 497.0,258.10 .640Pr 3,517 0,084 d d d C       0.25 Pr 0,9668 Prw       Hệ số cấp nhiệt của dầu diesel là: 0,968.4097 3961,063   [kcal/m2.h.độ] 0,25 Pr Pr d w       0,25 Pr Pr d w       Đồ án môn học Page 14 Sv: Hà Minh Tiến Nhiệt cung cấp phía dầu điesel là: Qd= α.(td-tt)=3961,063.(215-203,2)=46740,55 [kcal/m2.h] Nhiệt độ tường phía dầu thô là: twp=tt-Qd.Σr=203,2-46740,55.2,49.10-3=86,81oC Chuẩn số Prwp phía dầu thô là: 63600. . 3600.0, 404.(1,6.10 .860)Pr 16,96 0,118 wp wp wp wp C       0,25 0,25Pr 29.185 1,1145 Pr 16,96 p wp              Hệ số cấp nhiệt của dầu thô:α=1339,24.1,1145=1533,887 [kcal/m2.h.độ] Nhiệt cấp phía thành ống phía dầu thô Qw=α(twp-tp)=1533,887.(88,81-58,09)=44062,49[kcal/m2.h] Sai số ε=(46740,55-44062,49)/46740,55.100 %=2,865%<5% Nên chấp nhận được. khi đó Qtb=(46740,55+44062,49)/2=45401,52[kcal/m2.h] Sai số dòng nhiệt  ( ) 1533,887 86,81 58,091 1 0,0575 5,75% 10% ( ) 3961,063(215 203,2) p wp p d d wd t t t t               Vậy αd ,αp được lấy như trên.khi đó 2 3 1 1 295( / . . ) 1 1 1 12, 49.10 3961,063 1533,887d p K Kcal m h do r            Diện tích trao đổi nhiệt 21744470 38, 423 45401,52tb QF m Q    Số modul : 1 38,423 76,959 77 3,14.0,053.3 FN d l     ống Đồ án môn học Page 15 Sv: Hà Minh Tiến Hiệu suất trao đổi nhiệt: 280 150 0,51 51% 250 25 max d p t t t          . Đồ án môn học Page 16 Sv: Hà Minh Tiến II.Tính toán thiết bị truyền chất Giới thiệu chung: Chưng là một trong các phương pháp tách các cấu tử trong công nghiệp. nó dựa trên nguyên tắc độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp khác nhau. Tháp chưng luyện gồm có hai phần phần từ đĩa tiếp liệu đi lên gọi là đoạn luyện ,còn phần từ đĩa tiếp liệu đi xuống gọi là đoạn chưng. Nguyên lý hoạt động của tháp là lỏng đi từ trên xuống và hơi đi từ dưới lên. Hơi bốc từ dưới lên qua lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏngcảu đĩa trên, ngưng tụ một phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng nên nồng độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tăng.cấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi, nên nồng độ của nó tăng nhiệt đô sôi của dung dịch giảm. theo chiều cao tháp nồng độ của cấu tử dễ bay hơi tăng dần cả trong pha lỏng và pha hơi, nhiệt độ giảm dần. Đồ án môn học Page 17 Sv: Hà Minh Tiến Yêu cầu và mục tiêu cần đạt: Tính toán các thông số cơ bản của thiết bị (tháp) chuyển khối làm việc ở áp suất khí quyển (760mmHg) để chưng luyện hỗn hợp hai cấu tử, đảm bảo các yêu cầu về năng suất tính theo hỗn hợp đầu và thành phần nguyên liệu đỉnh và đáy.Các yêu cầu cụ thể như sau: 1. Xác định nồng độ phần mol và lưu lượng(kmol/h) của nguyên liệu, sản phầm đỉnh và sản phẩm đáy. 2. Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y. 3. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, đường làm việc và số đĩa lý thuyết của tháp. 4. Xác định đường kính, số đĩa thực tế và chiều cao cơ bản của tháp. 5. Xác định nhiệt độ đỉnh, đáy và trí đĩa tiếp liệu ứng với trường hợp nguyên liệu vào tháp ở nhiệt độ sôi. Tháp đĩa dùng để chưng cất hai cấu tử axeton và etanol với nong độ phần khối lượng của nguyên liệu là aF=0,28 , nồng độ sản phẩm đỉnh là ap=0,985, nồng độ sản phẩm đáy là aw=0,02, với lưu lượng đầu vào 4000 kg/h 1.xác định nồng độ phần mold lưu lượng nguyên liệu sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh .1.1 nguyên liệu: Gọi phần mold cấu tử dễ bay hơi hơn (axeton) trong nguyên liệu là xF theo bài ra ta có: 58. 0, 28 58. (1 ).46 F F F x x x    từ đó ta có xF=0,2357=23,57% Lưu lượng mol đầu vào: 4000.0,28 4000.0,72 81,92( / ) 58 46 F kmol h   Đồ án môn học Page 18 Sv: Hà Minh Tiến .1.2 sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy: Gọi nồng độ phần mol pha lỏng của axeton ở đỉnh và đáy lần lượt là xP ,xW Khi đó được tính theo công thức: 58. 0,985 58. (1 ).46 P P P x x x    từ đó ta tính được xp=0,9812=98,12% Sản phẩm đáy: w w w 58. 0,02 58. (1 ).46 x x x    từ đó ta có xw=0,0159=1,59% Để tính lưu lượng ta có hệ: Cân bằng vật liệu: W+P=81,92 (1) Cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi: 0,0159W+0,9812P=81,92.0,2357 (2) Từ (1) và (2) ta có W=63,27 Kmol/h và P =18,65 kmol/h 2.Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y Số liệu: x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 11,2 23,04 39,8 50,9 59,3 66 73,1 79,5 86 92,4 100 t 78,3 75,4 73 69 65,9 63,6 61,8 60,4 59,1 58 57 56,1 Đường cân bằng trên đồ thị x- được vẽ: Đồ án môn học Page 19 Sv: Hà Minh Tiến 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 n ồ n g đ ộ p h a h ơ i ( y) nồng độ pha lỏng (x) Đồ án môn học Page 20 Sv: Hà Minh Tiến Đồ thị đường hoá hơi và đường ngưng tụ được vẽ: 3, chỉ số hồi lưu, đường làm việc và số đĩa lý thuyết của tháp: 3.1 Để tìm chỉ số hồi lưu nhỏ nhất ta xác định từ phương trình: * min min 0,9812 0,45 0,7124 1 0,9812 0, 2357 p F p F y yR R x x         từ đó ta có :Rmin=2,47826 Để tìm độ bay hơi tương đối: tính theo công thức:α=Pbh axeton/ Pbh etanol 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 n h iệ t đ ộ nồng độ ngưng tụ bay hơi Đồ án môn học Page 21 Sv: Hà Minh Tiến Ngoại suy từ đồ thị PL.26 tính toán quá trình thiết bị của Gs.Nguyễn Bin) Nhiệt độ(độ C) 10 20 30 40 50 60 P axeton(torr) 110 185 280 425 620 900 Petanol(torr) 30 55 90 150 240 360 Ta vẽ được đồ thị: Từ đó ngoại suy được tại nhiệtđộ trung bình (tp+tw)/2 =(56,5+78)/2=67,25oC Ta có α=2 (độ bay hơi tưong đối) Từ đó ta tính Nlt min theo công thức: 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 10 20 30 40 50 60 70 Pa /P e nhiệt độ (độ C) Series1 Đồ án môn học Page 22 Sv: Hà Minh Tiến min .(1 ) 0,9812(1 0,0159)lg lg((1 ) 0,0159(1 0,9812) 11,65 lg lg 2 p w w p lt x x x x N         Đặt min 1 lt lt lt N N C N    , β=R/Rmin stt β C Nlt N(R+1) 1 1,1 0,55 27,11 101,02 2 1,2 0,51 24,82 98,62 3 1,3 0,45 22 92,88 4 1,4 0,41 20,44 91,36 5 1,5 0,39 19,74 93,11 6 1,6 0,37 19,1 94,74 7 1,7 0.36 18.1 97.82 8 1,8 0.35 18,46 100,82 9 1,9 0.34 18.467 103.8 10 2 0.33 17.88 106.5 Ta vẽ được đồ thị Nlt(R+1) phụ thuộc vào β như sau: Đồ án môn học Page 23 Sv: Hà Minh Tiến Ta tìm được Rop khi β=1,36 khi đó Rop=1,36Rmin= 3,37 Tanα=3,37/(3,37+1)=0,7712 hệ số góc đoạn luyện 90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 1 1.5 2 Series1 Đồ án môn học Page 24 Sv: Hà Minh Tiến Bằng cách vẽ theo đường làm việc và đường cân bằng ta có số đĩa lý thuyết là 26đĩa Đoạn chưng 6 đĩa, đoạn luyện 20 đĩa Đồ án môn học Page 25 Sv: Hà Minh Tiến 3.4.. các phương trình đường làm việc của đoạn chưng và đọn luyện: 3.4.1đoạn luyện: Phương trình có dạng : 3,37 0,9812 1 1 4, 47 4, 47 px x x xRy x x R R       Vậy phương trình là: y=0,754x+0,2245 3.4.2 đoạn chưng Tính tỷ số f=F/P=81,92/18,65=4,553 Phương trình có dạng: ( 1) 3,37 4,553 (4,553 1).0,0159 1 1 4,47 4, 47 x w x x R f x fy x x R R           Vậy y=1,7725x-0,01264 4.. Đường kính tháp: 4.1 lưu lượng trung bình các dòng trong đoạn luyện: Lượng hơi đỉnh tháp:Dd=P(R+1)=18,65(3,37+1)=81,5 (kmol/h) Coi nồng độ pha lỏng đĩa thứ nhất đoạn luyên băngf nồng độ nguyên liệu.x1=xf=0,2357 Khi đó ta có phương trình cân bằng vật liệu: Do=P+Lo (*) Cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi: DO.yO=PxP+LOxp (**) Cân bằng nhiệt: Doro=Ddrd (***)  Tại đỉnh nhiệt độ sôi là: x=xp=0,912 ta có t=56,5oC Nhiệt hoá hơi axeton ra=125kcal/kg=7250kcal/kmol Nhiệt hoá hơi của etanol re=210kcal/kg=9660kcal/kmol. . rd=rayd+re(1-yd)=7250.0,99+9660(1-0,99)=7274,1kcal/kmol  Tại đĩa thứ nhất x=xF=0,2357 ta có nhiệt độ sôi t=67oC Đồ án môn học Page 26 Sv: Hà Minh Tiến Nhiệt hoá hơi axeton ra=122kcal/kg=7076kcal/kmol Nhiệt hoá hơi của etanol re=207,2kcal/kg=9531,2kcal/kmol . rd=rayo+re(1-yo)=7076.yo+9531,2(1-yo) Thay vào (*), (**), (***) ta có Do=70,03kmol/h, Lo=51,38 Kmol/h, yo=0,434 Lượng hơi trung bình : 70,03 81,5 75,765 2 2 o dD D   kmol/h Lỏng trung bình: 18,65.3,37 51,38 57,12 2 2 oPR L   kmol/h 4.2 lưu lượng dòng trung bình đoạn chưng Lượng hơi đi vào đọn chưng D L, lượng lỏng đi vào LL, nồng độ xL Lượng hơi đi ra đoạn chưng Do,=75,765 kmol/h, lỏng W=63,27 kmol/h, nồng độ xw=0,0159 Khi đó ta có phương trình cân bằng vật liệu: LL=DL+W (*) Cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi:LLxL=DLyL+W.xw (**) Cân bằng nhiệt: Doro=DLrL (***) Ta có ro=7076.0,434+9531,2(1-0,434)=8465,64 kcal/kmol  Tại đáy xw=0,0158 ta có nhiệt độ sôi đáy là:78oC . Nhiệt hoá hơi axeton ra=119,05kcal/kg=6904,9kcal/kmol Nhiệt hoá hơi của etanol re=203,2kcal/kg=9347,2kcal/kmol Tại xw=0,0159 suy ra yw=0,0493 Ta có r L=0,0493.6904,9+9347,2(1-0,0493)=9226,8 (kcal/kmol) Thay vào (*),(**),(***) ta có: DL=8465,64.75,765/9226,8=69,5148 99(kmol/h) LL=69,5148+63,27=132,758(kmol/h) Đồ án môn học Page 27 Sv: Hà Minh Tiến Lượng lỏng trung bình đoạn chưng là: 51,38 81,92 132,785 133,0425 2 2 O LL F LG       Kmol/h Lượng hơi trung bình đoạn chưng là : 132,785 75,765 104,275 2 2 L OD DD     kmol/h 4.3 tính toán đường kính: Tốc độ khí trong tháp được tính theo công thức: ( . ) 0, 065 [ ] .y y tb xtb ytbw h      khối lượng riêng pha lỏng: 11 t b a t b a x t b t b a t b e a a       trong đó a là nồng độ phần khối lượng .atb=(0,28+0,985)/2=0,6325(kg/h) Nhiệt độ trung bình đoạn luyện là: Ttp=(td +tF)/2= (56,5+67)/2=61,75oC Tại nhiệt độ đó ρaxeton=732(kg/m3),ρetylic=740(kg/m3) Khối lượng riêng trung bình pha lỏng đoạn luyện là: 10,6325 1 0,6325( ) 734,92 732 740xtb       (kg/3) Nhiệt độ trung bình đoạn chưng là:t=(67+78)/2=72,5oC Tại nhiệt độ đó ρaxeton=730(kg/m3),ρetylic=737(kg/m3) 0,28 0,02 0,15 2tb a   (kg/h) Khối lượng riêng trung bình pha lỏng đoạn luyện là: Đồ án môn học Page 28 Sv: Hà Minh Tiến 10,15 1 0,15( ) 736,79 730 738xtb       (kg/m3)  khối lượng riêng trung bình pha hơi:  đoạn luyện : nồng độ pha hơi trung bình đoạn luyện là: 0,99 0,434 0,712 2tb y   Khối lượng trung bình pha hơi là: Mtb=0,712.58+(1-0,712).46=54,544(kg/m3)  Đoạn chưng: Nồng độ trung bình pha hơi đoạn chưng là: 0,0493 0, 434 0, 24165 2tb y   Khối lượng trung bình pha hơi đoạn chưng là: Mtb=0,24165.58+(1-0,24165).46=48,8998(kg/m3)  Sức căng bề mặt: Sức căng bề mặt được tính theo công thức: tan 1 1 1 axeton e ol     Ta có sức căng bề mặt của axeton và etylic lầ lượt là:σaxeton=18,6.10- 3N.m,σetylic=17,88.10-3N/m Thay vào công thức ta có σ=9,116.10-3N/m<0,02N/m nên φ[σ]=0,8 Chọn h= 0,45 m  Đoạn luỵên: ( ) 0,065,0,8 0, 45.731,92.1,9858 1,3235y y tb    kg/m 3  Đoạn chưng: ( ) 0,065,0,8 0, 45.736,79.1,7803 1, 26336y y tb    kg/m 3  Tính đường kính theo công thức :   0,0188 tb y y tb gD     Đoạn luyện: gtb=Mtb.Lo=54,544.75,765 Đường kính là: 54,544.75,7650,0188 1,05( ) 1,3235 D m   Đoạn chưng: gtb=Mtb.Ld=48,8998.104,275 Đồ án môn học Page 29 Sv: Hà Minh Tiến Đường kính là: 48,8998.104,2750,0188 1,194( ) 1, 2636 D m  Từ đó chọn đường kính tháp ltheo tiêu chuẩn là D=1,2 m 5. số đĩa thực tế và chiều cao tháp : 5.1 hệ số khuếch tán pha lỏng::   6 20 21/3 1/3 tan tan 1 110 A E x e ol e ol axeton M M D AB        Trong đó A,B là hệ số liên hợp của dung môi A=1 ,B=2 MA=58,MB=46 kg/kmol ở 20oC ρaxeton=810kg/m3=0,81g/cm3 nên thể tích riêng v=1,2345679 cm3/g=71,6cm3/mol ρetilic=790kg/m3=0,79g/cm3 nên thể tích riêng v=1,258228 cm3/g=58,2278cm3/mol   6 20 9 21/3 1/3 1 110 46 58 1,398.10 1.2 1, 2 71,6 58,2278 xD       (m2/s) Tại nhiệt độ bất kỳ hệ số khuếch tán được tính:  20 1 ( 20)tx xD D b t   Trong đó b được tính theo công thức: 33 0, 2 0, 2 1, 2 0,0237 790 b       Đoạn chưng Dx=1,398.10-9(1+0,0237(72,5-20))=3,1375.10-9m2/s  Đoạn luyện: Dx=1,398.10-9(1+0,0237(61,75-20))=2,78.10-9m2/s 5.2 Hệ số khuếch tán pha khí: 4 1,5 9 1,5 1/3 1/3 2 0,0043.10 1 1 1,31715.10 . ( )y A B A B TD T p v v M M       Đồ án môn học Page 30 Sv: Hà Minh Tiến Trong đó MA=58. MB=46 là khối lượng mol của axeton và etanol P là áp suất chung=1at T nhiệt độ kenvin Hệ số khuếch tán khí đoạn chưng là: Dy=(273+72,5)1,51,31715.10-9=8,46.10-6 (m2/s) Hệ số khuếch tán pha khí đoạn luyện là: Dy=(273+61,75)1,51,31715.10-9=8,067.10-6 (m2/s) 5.3 hệ số cấp khối:  Độ nhớt của hỗn hợp lỏng Độ nhớt được tính theo công thức: 1 2lg .lg (1 ) lghh x x     Trong đó x là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi , µ1là độ nhớt câu tử dễ bay hơi, µ2 là độ nhớt của cấu tử còn lại.  Đoạn chưng: Tại 72,5oC µaxeton=0,2125.10-3Ns/m2, µetanol=0,4935.10-3Ns/m2 Thay vào công thức trên ta có độ nhớt đoạn chưng µhh=4,03.10- 4Ns/m2  Đoạn luyện: Tại 61,75oC µaxeton=0,2274.10-3Ns/m2, µetanol=0,57735.10-3Ns/m2 Thay vào công thức trên ta có độ nhớt đoạn chưng µhh=2,974.10- 4Ns/m2  Độ nhớt hỗn hợp hơi là: Độ nhớt của hỗn hợp hơi tính theo công thức: 1 tan 58. (1 ).46 hh axeton e ol y yM            Đoạn chưng: ta có tại 72,5oC độ nhớt của các cấu tử lần lượt là: µaxeton=0,0088.10-3Ns/m2, µetanol=0,0108.10-3Ns/m2 1 5 2 3 3 58.0, 24165 (1 0.24165).4648,8998 1,014.10 / 0,0084.10 0,0108.10hh Ns m             Đồ án môn học Page 31 Sv: Hà Minh Tiến  Đoạn luyện: ta có tại 61,75oC độ nhớt của các cấu tử lần lượt là: µaxeton=0,0084.10-3Ns/m2, µetanol=0,01.10-3Ns/m2 1 5 2 3 3 58.0,712 (1 0.712).4654,544 0.874.10 / 0,0084.10 0,01.10hh Ns m              Chuẩn số reynol pha hơi: . .Re y yy y h     Đoạn chưng: ( ) 0,065,0,8 0, 45.736,79.1,7803 1, 26336y y tb    kg/m 3 µy=1,014.10 -5Ns/m2 nên chuẩn số reynol tính được sẽ là: Re=1,256.105  Đoạn luyện: ( ) 0,065,0,8 0, 45.731,92.1,9858 1,3235y y tb    kg/m 3 µy=0,874.10 -5Ns/m2 nên chuẩn số reynol tính được sẽ là: Re=1,5143.105  chuẩn số Pr cho pha lỏng: Pr xx x xD     đoạn chưng:ρx=736,79(kg/m3),Dx=3,1375.10-9(m2/s), µx=4,03.10-4Ns/m2 thay vào công thức trên ta có Pr=174,33  đoạn luyện:ρx=734,92(kg/m3),Dx=2,78.10-9(m2/s), µx=2,974.10-4Ns/m2 thay vào công thức trên ta có Pr=145,565  hệ số cấp khối pha hơi: được tính theo công thức   2 0,79Re 11000 22,4 . y y y D kmol kmolm s kmol               đoạn chưng:   6 5 2 8, 46.10 0,791, 256.10 11000 0,0416 22, 4 . y kmol kmolm s kmol                 đoạn luyện:   6 5 2 8,667.10 0,79.1,5143.10 11000 0,047 22,4 . y kmol kmolm s kmol                Đồ án môn học Page 32 Sv: Hà Minh Tiến  hệ số cấp khối pha lỏng: 0,62 2 38000. . Pr . . . x x x x x D kmol kmolh m s kmol                đoạn chưng :có ρx=736,79 kg/m3, Dx=3,1375.10-9(m2/s), x=0,60845, Mx=53,3014, Pr=174,33 thay vào công thức trên ta có βx=0,0404(kmol/m2.s)  đoạn chưng :có ρx=734,92 kg/m3, Dx=2,78.10-9(m2/s), x=0,1258, Mx=47,5, Pr=145,565thay vào công thức trên ta có βx=0,03585(kmol/m2.s) 5.4 hệ số truyền khối , đường cong động học, số đĩa thực tế:  Hệ số truyền khối được tính theo công thức: 1 1y y x K m     trong đó m là hệ số phân bố vật chất  Số đơn vị chuyển khối đối với mỗi đĩa trong pha hơi: . 22,4(273 ). . . 3600. .273. y tb o y yT y y K f T P K m G w P    Trong đó diện tích làm việc của đĩa: ( . . )h chf F f n m f   Trong đó fh là diện tích mặt cắt ngang của chóp, chọn dh=75mm 22 3 275 4, 4179.10 4 4 1000 h h df m         N là số ống hơi phân bố trên đĩa 2 2 22 1,80,1. 0,1. 36 75 1000 h Dn d          Trong đó chọn số ống chảy truyền m=1; và fch/F=0,05-0,2 chọn fch/F=0,06 diện tích làm việc của đĩa f=0,88π.22/4-4,4179.10-3.58=1,98(m2) lưu lượng hơi đi trong tháp: Đồ án môn học Page 33 Sv: Hà Minh Tiến Gy=D=(Dchưng +Dluyện)/2=(104,275+75,765)/2=90,02 (kmol/h).  Cách xác định số đĩa thực tế bằng xác định đưòng cong động học: Với mối giá trị của x, tương ứng có A là điểm thuộc đường làm việc , C là điểm thuộc đường cân bằng và B là điểm thuộc đường cong động học (chưa biết) thì: yTm y AC e C BC   Cho x các giá trị {0,05;0,1;…;0,9} với mỗi giá trị chúng ta tính m là hệ số góc của đường cân bằng. tính lại hệ số chuyển khối Ky, tính lại myT,tìm được các điểm B tương ứng và tìm được y động học tương ứng với từng x ta có bảng: Đoạn chưng Đoạn luyện %x 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 %ycb 15,5 26,2 41,7 52,4 60,5 67,4 73,9 80,2 86,5 92,9 m 4,14 1,8 1,2 1 0,7 0,7 0,6 0,7 0,6 0,5 %ylàm việc 7,48 16,16 33,52 45,07 52,61 60,15 67,69 75,23 87,77 90,31 AC 8,02 10,04 8,18 7,33 7,89 7,25 6,21 4,97 3,73 2,59 K 0,0079 0,0146 0,0186 0,0203 0,0245 0,0245 0,0263 0,0245 0,0263 0,0284 MyT 0,6255 1,156 1,47 1,61 1,94 1,94 2,0282 1,94 2,082 2,249 emyT 1,87 3,178 4,36 5 7 7 8 7 8 9,5 BC 4,3 3,16 1,9 1,5 1,2 1,1 0,8 0,7 0,5 0,3 Đồ án môn học Page 34 Sv: Hà Minh Tiến ydh 11,2 23,04 39,8 50,9 59,3 66,3 73,1 79,5 86 92,4 Ta tính được số đĩa thực tế 40 đĩa Đồ án môn học Page 35 Sv: Hà Minh Tiến Hiệu suất đĩa là . 26 0,65 40 lt th t N N     =65% Theo các thông số của đĩa đã chọn: Khoảng cách giữa các đĩa lỗ là: Hđ=450 mm Chiều dày mỗi đĩa lỗ là : δ=2mm Chiều cao tháp (tính theo công thức) H=Ntt(Hđ+δ)+0,8=40.(0,45+0,002)+0,8=18,88 (m). 6. xác định nhiệt độ đỉnh , đáy và vị trí đĩa tiếp liệu ứng với trường hợp nguyên liệu vào tháp ở nhiệt độ sôi:  Theo đường cong động học ở trên vị trí đĩa tiếp liệu ứng với trường hợp này là vào đĩa thứ 32 tính từ đỉnh xuống (vào khoảng 31,02)  Tính nhiệt độ đỉnh tháp: Ta coi như áp suất của đỉnh và đáy bằng nhau khi bỏ qua tổn hao áp suất trên tháp. Coi áp suất 760 torr Khi đó trên đỉnh tháp xuất hiện sự ngưng tụ Thành phần hơi đỉnh tháp là:yaxeton=0,987 Giả sử nhiệt độ đỉnh tháp là 58oC ta có bảng sau: Cấu tử Áp suất hơi bão hoà Ki=Pi/760 yi xi Axeton 800 1,0526316 0,987 0,93765 Etanol 340 0,447368 0,013 0,029 Tổng 0,9667 Tại 57o C Cấu tử Áp suất hơi bão hoà Ki=Pi/760 yi xi Axeton 780 1,02632 0,987 0,961688 Etanol 320 0,42105 0,013 0,0308 Tổng 0,992488 Đồ án môn học Page 36 Sv: Hà Minh Tiến Tại 56,5oC Cấu tử Áp suất hơi bão hoà Ki=Pi/760 yi xi Axeton 770 1,01316 0,987 0,97418 Etanol 310 0,4079 0,013 0,03187 Tổng 1,006 Vậy nhiệt độ đỉnh tháp là:56,5oC  Nhiệt độ đáy tháp:ở đáy tháp xuất hiện sự bay hơi của hỗn hợp ,bỏ qua tổn thất áp suất ta coi áp suất tổng là 1atm=760 torr Tại nhiệt độ đáy giả sử là 80oC Cấu tử Áp suất hơi bão hoà Ki=Pi/760 xi yi=xi.ki Axeton 1540 2,02632 0,0159 0,032218 Etanol 800 1,05263 0,9841 1,035893 Tổng 1,0681 Tại nhiệt độ79oC Cấu tử Áp suất hơi bão hoà Ki=Pi/760 xi yi=xi.ki Axeton 1500 1,9736842 0,0159 0,03138 Etanol 780 1,026315 0,9841 1,00999 Tổng 1,041 Tại nhiệt độ 78oC Cấu tử Áp suất hơi bão hoà Ki=Pi/760 xi yi=xi.ki Axeton 1420 1,86842 0,0159 0,0297 Etanol 755 0,99342 0,9841 0,977624 Tổng 1,007324 Vậy nhiệt độ đáy là 78oC phù hợp với giả thiết của các phần trước. Đồ án môn học Page 37 Sv: Hà Minh Tiến Kết luận Phần đồ án này cơ bản tính toán sơ bộ được thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống với hai trường hợp ống trong là ống tròn trơn và ống trong là ống tròn mặt ngoài có gân dọc. Hoàn thành bước đầu phần tính toán cho thiết bị chưng liên tục để tách hỗn hợp axeton và etanol với mục đích và yêu cầu đề ra. Đồ án môn học Page 38 Sv: Hà Minh Tiến Tài liệu tham khảo: 1.Sổ tay các quá trình và thiết bị công nghệ hoá học tập 1 2. Sổ tay các quá trình và thiết bị công nghệ hoá học tập 2 3. các quá trình và thiết bi trong công nghệ hoá chất và thực phẩm.