Tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử acetone – nước dạng tháp mâm chóp (Thuyết minh + Bản vẽ)

ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 1 MUÏC LUÏC Lôøi môû ñaàu ................................................................................................................ 5 CHÖÔNG 1: GIÔÙI THIEÄU VEÀ ACETONE VAØ QUI TRÌNH COÂNG NGHEÄ...... 6 1. Giôùi thieäu sô boä.................................................................................................... 7 2. Saûn xuaát Aceton .................................................................................................. 8 3. Coâng ngheä chöng caát hoãn hôïp Acetone –Nöôùc ................................................ 9 4. Choïn loaïi thaùp chöng caát vaø phöông phaùp chöng caát ...................................... 9 5. Sô ñoà qui trình coâng ngheä vaø thuyeát minh qui trình coâng ngheä .................... 10 CHÖÔNG 2: CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT – CAÂN BAÈNG NAÊNG LÖÔÏNG ........... 14 1. Caân baèng vaät chaát ............................................................................................. 15 1.1 Ñoà thò caân baèng Acetone – Nöôùc ............................................................... 16 1.2 Xaùc ñònh chæ soá hoài löu thích hôïp ............................................................... 17 1.3 Veõ ñöôøng laøm vieäc..................................................................................... 19 1.4 Xaùc ñònh soá maâm lyù thuyeát vaø soá maâm thöïc teá .......................................... 19 2. Caân baèng naêng löôïng ........................................................................................ 21 2.1 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thaùp chöng caát .................................................. 21 2.2 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò ngöng tuï ............................................... 23 2.3 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò laøm laïnh saûn phaåm ñænh ....................... 23 2.4 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy (trao ñoåi nhieät vôùi nhaäp lieäu ban ñaàu) ................................................................................. 24 CHÖÔNG 3: TÍNH TOAÙN THIEÁT BÒ CHÍNH .................................................... 25 I. Kích thöôùc thaùp .............................................................................................. 26 1. Ñöôøng kính ñoaïn caát ................................................................................... 26 2. Ñöôøng kính ñoaïn luyeän ............................................................................... 28 ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 2 3. Chieàu cao thaùp ............................................................................................ 30 II. Tính toaùn choùp vaø oáng chaûy chuyeàn.............................................................. 31 A. Tính cho phaàn caát ........................................................................................ 31 B. Tính cho phaàn chöng.................................................................................... 32 III. Tính chi tieát oáng daãn ...................................................................................... 37 1. Ñöôøng kính oáng daãn hôi vaøo thieát bò ngöng tuï ............................................ 37 2. OÁng daãn doøng chaûy hoaøn löu....................................................................... 38 3. OÁng daãn doøng nhaäp lieäu .............................................................................. 38 4. OÁng daãn doøng saûn phaåm ñaùy....................................................................... 38 5. OÁng daãn töø noài ñun qua thaùp ....................................................................... 39 IV. Tính trôû löïc thaùp ............................................................................................. 39 A. Toång trôû löïc phaàn caát ..................................................................................... 39 1. Trôû löïc ñóa khoâ ΔPk..................................................................................... 39 2. Trôû löïc do söùc caêng beà maët ......................................................................... 40 3. Trôû löïc cuûa lôùp chaát loûng treân ñóa ( Trôû löïc thuûy tónh ΔPt ) ......................... 40 B. Toång trôû löïc phaàn chöng ................................................................................ 41 1. Trôû löïc ñóa khoâ ΔPk.................................................................................... 41 2. Trôû löïc do söùc caêng beà maët ........................................................................ 41 3. Trôû löïc cuûa lôùp chaát loûng treân ñóa ( Trôû löïc thuûy tónh ΔPt )......................... 42 CHÖÔNG 4: TÍNH CÔ KHÍ ................................................................................. 44 1. Tính beà daøy thaân truï cuûa thaùp ......................................................................... 45 2. Tính - choïn beà daøy ñaùy vaø naép thieát bò ............................................................ 47 3. Choïn bích vaø voøng ñeäm .................................................................................... 48 4. Tính maâm ........................................................................................................... 49 5. Chaân ñôõ vaø tai treo thieát bò .............................................................................. 50 6. Tính baûo oân ........................................................................................................ 53 ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 3 CHÖÔNG 5: TÍNH THIEÁT BÒ PHUÏ ..................................................................... 58 I. Thieát bò gia nhieät hoãn hôïp ñaàu hay thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy......... 59 1. Ñieàu kieän nhieät ñoä cuûa quaù trình .................................................................... 59 2. Nhieät taûi.......................................................................................................... 60 3. Choïn thieát bò ................................................................................................... 60 II. Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh ................................................................ 64 1. Ñieàu kieän nhieät ñoä cuûa quaù trình ................................................................... 64 2. Nhieät taûi.......................................................................................................... 65 3. Choïn thieát bò ................................................................................................... 65 III. Thieát bò ngöng tuï hoài löu................................................................................. 69 1. Ñieàu kieän nhieät ñoä cuûa quaù trình .................................................................... 69 2. Nhieät taûi.......................................................................................................... 70 3. Choïn thieát bò ................................................................................................... 70 4. Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät töø doøng saûn phaåm ñænh ñeán thaønh oáng................... 70 5. Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät töø thaønh oáng ñeán nöôùc........................................... 71 6. Nhieät taûi rieâng ................................................................................................ 72 7. Heä soá truyeàn nhieät .......................................................................................... 72 8. Beà maët truyeàn nhieät........................................................................................ 72 9. Chieàu daøi moãi oáng .......................................................................................... 72 IV. Thieát bò noài ñun................................................................................................ 73 1. Ñieàu kieän nhieät ñoä cuûa quaù trình ................................................................... 73 2. Nhieät taûi.......................................................................................................... 74 3. Choïn thieát bò ................................................................................................... 74 4. Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät töø doøng saûn phaåm ñænh ñeán thaønh oáng................... 74 5. Tính heä soá caáp nhieät cuûa saûn phaåm ñaùy noài ................................................... 75 6. Heä soá truyeàn nhieät .......................................................................................... 75 7. Beà maët truyeàn nhieät........................................................................................ 75 8. Chieàu daøi moãi oáng .......................................................................................... 75 ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 4 V. Tính boàn cao vò- Bôm....................................................................................... 76 1. Tính boàn cao vò ............................................................................................... 76 2. Tính bôm......................................................................................................... 79 CHÖÔNG 6: TÍNH GIAÙ THAØNH THIEÁT BÒ....................................................... 81 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO...................................................................................... 83 LÔØI MÔÛ ÑAÀU ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 5 Moät trong nhöõng ngaønh coù söï ñoùng goùp to lôùn ñeán ngaønh coâng nghieäp nöôùc ta noùi rieâng vaø theá giôùi noùi chung ñoù laø ngaønh coâng ngheä hoaù hoïc. Ñaëc bieät laø ngaønh hoùa chaát cô baûn. Trong thöïc teá, chuùng ta söû duïng raát nhieàu daïng hoaù chaát khaùc nhau: hoãn hôïp nhieàu chaát hay ñôn chaát tinh khieát. Maø nhu caàu veà moät loaïi hoaù chaát tinh khieát cuõng raát lôùn. Quaù trình coù theå ñaùp öùng phaàn naøo ñoä tinh khieát theo yeâu caàu laø chöng caát: la quaù trình taùch caùc caáu töû trong hoãn hôïp loûng – loûng, hay hoãn hôïp loûng – khí thaønh caùc caáu töû rieâng bieät döïa vaøo ñoä bay hôi khaùc nhau cuûa chuùng. Vaø ñoái vôùi heä acetone – nöôùc, do khoâmg coù ñieåm ñaúng phí neân coù theå ñaït ñöôïc baát kyø ñoä tinh khieát theo yeâu caàu nhôø quaù trình chöng caát. Nhieäm vuï thieát keá: tính toaùn heä thoáng chöng luyeän lieân tuïc ñeå taùch hoãn hôïp hai caáu töû : acetone – nöôùc vôùi caùc soá lieäu sau ñaây: Naêng suaát saûn phaåm ñænh : 1500 Kg/h Noàng ñoä saûn phaåm ñænh : 98% theo khoái löôïng Noàng ñoä nhaäp lieäu : 30% Aùp suaát laøm vieäc : aùp suaát thöôøng. CHÖÔNG 1 ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 6 GIÔÙI THIEÄU VEÀ ACETONE VAØ QUI TRÌNH COÂNG NGHEÄ 1. Giôùi thieäu sô boä : ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 7 Acetone coù coâng thöùc phaân töû : CH3COCH3 .Khoái löôïng phaân töû baèng 58.079 ñvC Laø moät chaát loûng khoâng maøu, deã löu ñoäng vaø deã chaùy, vôùi moät caùch eâm dòu vaø coù muøi thôm. Noù hoøa tan voâ haïn trong nöôùc vaø moät soá hôïp chaát höõu cô nhö : eter, metanol, etanol, diacetone alcohol… ÖÙng duïng : Acetone ñöôïc öùng duïng nhieàu laøm dung moâi cho coâng nghieäp, ví duï cho vecni, sôn, sôn maøi, cellulose acetate, nhöïa, cao su … Noù hoaø tan toát tô acetate, nitroxenluloz, nhöïa phenol focmandehyt, chaát beùo, dung moâi pha sôn, möïc in oáng ñoàng. Acetone laø nguyeân lieäu ñeå toång hôïp thuûy tinh höõu cô. Töø Acetone coù theå toång hôïp ceten, sumfonat (thuoác nguû), caùc holofom. Ñöôïc tìm thaáy ñaàu tieân vaøo naêm 1595 bôûi Libavius, baèng chöng caát khan ñöôøng, vaø ñeán naêm 1805 Trommsdorff tieán haønh saûn xuaát Acetone baèng caùch chöng caát Acetat cuûa boà taït vaø soña : laø moät phaân ñoaïn loûng naèm giöõa phaân ñoaïn röôïu vaø eter. Moät soá thoâng soá vaät lyù vaø nhieät ñoäng cuûa Acetone : • Nhieät ñoä noùng chaûy : -94.6 0C ; • Nhieät ñoä soâi : 56.9 0C ; • Tyû troïng : 4 20d ; • Nhieät dung rieâng Cp : 22 Kcal/mol (chuaån ôû 102 0C) • Ñoä nhôùt μ : 0.316 cp ( ôû 250C) • Nhieät trò : 0.5176 cal/g ( ôû 200C) Tính chaát hoaù hoïc : Coäng hôïp vôùi natri bisunfit: OH CH3COCH3 + H2O → CH3 - C - SO3Na CH3 ( 1-metyl-1-hydroxi etan sunfonaùt natri ) Coäng hôïp axit HCN: OH CH3CO + HCN → CH3-C-CN CH3 ( pH= 4-8 ) Phaûn öùng ngöng tuï : OH O CH3-CO-CH3 + HCH2C=O → CH3-C-CH3-C-CH3 CH3 CH3 ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 8 ( 4-oxy-4-meâtyll-2-pentanon) Acetone khoù bò oxi hoùa bôûi thuoác thöû Pheling, Toâluen, HNO3ññ, KMnO4 ,… Chæ bò oxi hoùa bôûi hoãn hôïp KMnO4 + H2SO4, Sunfoâcroâmic K2Cr2O7 + H2SO4… Bò gaõy maïch cacbon. CH3-C-CH3 → CH3-C-CH2-OH → CH3-C-CH=O → CH3COOH + HCOOH O O O Phaûn öùng khöû hoaù : CH3COCH3 + H2 → CH3CHOH-CH3 Ñieàu cheá : Oxy hoùa röôïu baäc hai: CH3CHOH-CH3 → CH3COCH3 + H2O Theo phöông phaùp Piria : nhieät phaân muoái canxi cuûa axit cacboxylic: (CH3COO)2Ca → CH3COCH3 + CaCO3 Töø daãn xuaát cô magieâ : O O CH3-C-Cl + CH3-MgBr → CH3-C-CH3 + Mg-Br Cl 2. Saûn xuaát Acetone : Trong thôøi kyø chieán tranh theá giôùi laàn thöù nhaát, do nhu caàu veà nguoàn Acetone raát lôùn, tong khi coù söï giôùi haïn trong vieäc thu döôïc Acetone töø söï chöng caát goã, neân ñeå boå sung nguoàn Acetone Hoa Kyø ñaõ aùp duïng phöông phaùp chöng caát khan Ca(CH3COO)2 – thu ñöôïc baèng caùch leân men röôïu coù maët xuùc taùc vi khuaån ñeå chuyeån carbohydrate thaønh Acetone vaø Butyl Alcohol.Coâng ngheä naøy ñöôïc öùng duïng chuû yeáu trong suoát chieán tranh theá giôùi laàn thöù nhaát vaø nhöõng naêm 20 . Tuy nhieân, ñeán giöõa nhöõng naêm 20 vaø cho ñeán nay coâng ngheä treân ñöôïc thay baèng coâng ngheä coù hieäu quaû hôn (chieám khoaûng ¾ phöông phaùp saûn xuaát Acetone cuûa Hoa Kyø) : Dehydro Isopropyl Alcol. Ngoaøi ra, coøn moät soá quùa trình saûn xuaát Acetone khaùc : - Oxi hoùa Cumene Hydro Peroxide thaønh Phenol vaø Acetone. - Oxi hoùa tröïc tieáp Butan – Propan. - Leân men Carbo hydrate bôûi vi khuaån ñaëc bieät. - Coâng ty Shell söû duïng noù nhö moät saûn phaåm phuï. Toång hôïp Acetone baèng caùch Dehydro Isopropyl Alcol coù xuùc taùc: • CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ôû 3270C ) ⎯⎯ →⎯xuctac CH3COCH3 + H2 • Xuùc taùc söû duïng ôû ñaây : ñoàng vaø hôïp kim cuûa noù, oxit kim loaïi vaø muoái. • ÔÛ nhieät ñoä khoaûng 325 0C , hieäu suaát khoaûng 97%. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 9 • Doøng khí noùng sau phaûn öùng goàm coù : Acetone, löôïng Isopropyl Alcol chöa phaûn öùng, H2 vaø moät phaàn nhoû saûn phaåm phuï ( nhö Propylene, diisopropyl eter …). Hoãn hôïp naøy ñöôïc laøm laïnh vaø khí khoâng ngöng ñöôïc loïc bôûi nöôùc . Dung dòch loûng ñöôïc ñem ñi chöng caát phaân ñoaïn, thu ñöôïc Acetone ôû ñænh vaø hoãn hôïp cuûa nöôùc, Isopropyl Alcol ( ít ) ôû ñaùy. 3. Coâng ngheä chöng caát hoãn hôïp Acetone –Nöôùc : Ta coù Acetone laø moät chaát loûng tan voâ haïn trong nöôùc vaø nhieät ñoä soâi cuûa Acetone ( 56.9 0C ôû 760 mmHg) vaø Nöôùc ( 100 0C ôû 760 mmHg) : laø khaù caùch xa nhau neân phöông phaùp hieäu quaû nhaát ñeå thu ñöôïc Acetone tinh khieát laø chöng caát phaân ñoaïn döïa vaøo ñoä bay hôi khaùc nhau cuûa caùc caáu töû trong hoãn hôïp. Trong tröôøng hôïp naøy ta khoâng theå söû duïng phöông phaùp coâ ñaëc vì caùc caáu töû ñeàu coù khaû naêng bay hôi, vaø khoâng söû duïng phöông phaùp trích ly cuõng nhö haáp thuï do phaûi ñöa vaøo moät pha môùi ñeå taùch chuùng, coù theå laøm cho quaù trình phöùc taïp hôn, hay quaù trìng taùch khoâng ñöôïc hoaøn toaøn. 4. Choïn loaïi thaùp chöng caát vaø phöông phaùp chöng caát : • Chöng caát laø quaù trình phaân taùch caùc hoãn hôïp loûng thaønh caùc caáu töû rieâng bieät döïa vaøo söï khaùc nhau veà ñoä bay hôi cuûa chuùng ( hay nhieät ñoä soâi ), baèng caùch laëp ñi laëp laïi nhieàu laàn quaù trình bay hôi – ngöng tuï, trong ñoù vaät chaát ñi töø pha loûng vaøo pha hôi hoaëc ngöôïc laïi. • Ñoái vôùi chöng caát ta coù hai phöông phaùp thöïc hieän : - Chöng caát ñôn giaûn (duøng thieát bò hoaït ñoäng theo chu kyø): Phöông phaùp naøy söû duïng trong caùc tröôøng hôïp sau : + Khi nhieät ñoä soâi cuûa caùc caáu töû khaùc xa nhau . + Khi khoâng ñoøi hoûi saûn phaåm coù ñoä tinh khieát cao . + Taùch hoãn hôïp loûng ra khoûi taïp chaát khoâng bay hôi . + Taùch sô boä hoãn hôïp nhieàu caáu töû . - Chöng caát lieân tuïc hoãn hôïp hai caáu töû (duøng thieát bò hoaït ñoäng lieân tuïc): laø quaù trình ñöôïc thöïc hieän lieân tuïc, nghòch doøng, nhieàu ñoaïn. Ngoaøi ra coøn coù thieát bò hoaït ñoäng baùn lieân tuïc . • Trong tröôøng hôïp naøy, do saûn phaåm laø Acetone – vôùi yeâu caàu coù ñoä tinh khieát cao khi söû duïng , coäng vôùi hoãn hôïp Acetone – Nöôùc laø hoãn hôïp khoâng coù ñieåm ñaúng phí neân choïn phöông phaùp chöng caát lieân tuïc laø hieäu quaû nhaát. • Choïn loaïi thaùp chöng caát : Coù raát nhieàu loaïi thaùp ñöôïc söû duïng, nhöng ñeàu coù chung moät yeâu caàu cô baûn laø dieän tích beà maët tieáp xuùc pha phaûi lôùn, ñieàu naøy phuï thuoäc vaøo ñoä phaân taùn cuûa moät löu chaát naøy vaøo löu chaát kia . Ta khaûo saùt hai loaïi thaùp chöng caát thöôøng duøng laø thaùp maâm vaø thaùp cheâm: ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 10 - Thaùp maâm goàm thaân thaùp hình truï, thaúng ñöùng, phía trong coù gaén caùc maâm coù caáu taïo khaùc nhau, treân ñoù pha loûng vaø pha hôi ñöôïc cho tieáp xuùc vôùi nhau. Goàm coù : maâm choùp, maâm xuyeân loã , maâm van. Thöôøng söû duïng maâm choùp . - Thaùp cheâm laø moät thaùp hình truï, goàm nhieàu ñoaïn noái vôùi nhau baèng maët bích hay haøn . Vaät cheâm ñöôïc ñoå ñaày trong thaùp theo moät hay hai phöông phaùp : xeáp ngaãu nhieân hay xeáp thöù töï . Choïn loaïi maâm choùp ñeå thöïc hieän quaù trình chöng caát vì nhöõng öu ñieåm sau: - Deã daøng laøm veä sinh thoâng qua caùc cöûa söõa chöõa . - Vôùi cuøng moät chöùc naêng, toång khoái löôïng thaùp maâm thöôøng nhoû hôn so vôùi thaùp cheâm. - Hieäu suaát maâm khoâng ñoåi ñoái vôùi moät khoaûng vaän toác doøng loûng hoaëc khí. - Coù theå laép ñaët oáng xoaén giaûi nhieät treân maâm khi caàn thieát . - Thaùp maâm thích hôïp trong tröôøng hôïp coù soá maâm lyù thuyeát hoaëc soá ñôn vò truyeàn khoái lôùn . - Thaùp ñöôïc thieát keá ñeå coù theå giöõ ñöôïc moät löôïng loûng nhaát ñònh treân maâm. - Chi phí thaùp maâm coù ñöôøng kính lôùn reû hôn so vôùi thaùp ñeäm . - Deã daøng ñöa vaøo hoaëc loaïi boû caùc doøng beân . - Tính oån ñònh cao. 5. Sô ñoà qui trình coâng ngheä vaø thuyeát minh qui trình coâng ngheä : a. Sô ñoà qui trình coâng ngheä (xem trang sau) ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 11 13 Saûn Phaåm Ñaùy Nöôùc Loûng Nguyeân Lieäu 2 1 Saûn Phaåm Ñaùy T P T 7 T T 6 4 Nöôùc 12 Saûn Phaåm Ñænh Hôi Nöôùc 11 5 Nöôùc 9 10 3 P 14 T 15 Nöôùc 8 Hôi khoâng ngöng Nöôùc ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 12 Chuù thích : 1. Boàn chöùa nguyeân lieäu . 2. Bôm. 3. Boàn cao vò . 4. Baåy hôi . 5. Löu löôïng keá . 6. Van . 7. Thaùp chöng caát . 8. Thieát bò ngöng tuï saûn phaåm ñænh . 9. Boä phaän chænh doøng . 10. Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh . 11. Boàn chöùa saûn phaåm ñænh . 12. Noài ñun . 13. Ñun soâi nhaäp lieäu baèng saûn phaåm ñaùy . 14. Aùp keá . 15. Nhieät keá . b. Thuyeát minh qui trình coâng ngheä : Hoãn hôïp Acetone- Nöôùc coù noàng ñoä Acetone 30% ( theo khoái löôïng) , nhieät ñoä khoaûng 27 0C taïi bình chöùa nguyeân lieäu (1) ñöôïc bôm (2) bôm leân boàn cao vò (3). Töø ñoù ñöôïc ñöa ñeán thieát bò gia nhieät (3) ( trao ñoåi nhieät vôùi saûn phaåm ñaùy). ÔÛ ñaây, hoãn hôïp ñöôïc ñun soâi ñeán nhieät ñoä soâi . Sau ñoù, hoãn hôïp ñöôïc ñöa vaøo thaùp chöng caát (7) ôû ñóa nhaäp lieäu. Treân ñóa nhaäp lieäu, chaát loûng ñöôïc troän vôùi phaàn loûng töø ñoaïn caát cuûa thaùp chaûy xuoáng. Trong thaùp hôi, ñi töø döôùi leân gaëp chaát loûng töø treân xuoáng . ÔÛ ñaây, coù söï tieáp xuùc vaø trao ñoåi giöõa hai pha vôùi nhau. Pha loûng chuyeån ñoäng trong phaàn chöng caøng xuoáng döôùi caøng giaûm noàng ñoä caùc caáu töû deã bay hôi vì ñaõ bò pha hôi taïo neân töø noài ñun (12) loâi cuoán caáu töû deã bay hôi . Nhieät ñoä caøng leân treân caøng thaáp, neân khi hôi ñi qua caùc ñóa töø döôùi leân thì caáu töû coù nhieät ñoä soâi cao laø nöôùc seõ ngöng tuï laïi, cuoái cuøng treân ñænh thaùp ta thu ñöôïc hoãn hôïp coù caáu töû Acetone chieám nhieàu nhaát ( coù noàng ñoä 98% theo khoái löôïng ). Hôi naøy ñi vaøo thieát bò ngöng tuï (8) vaø ñöôïc ngöng tuï moät phaàn ( chæ ngöng tuï hoài löu). Moät phaàn chaát loûng ngöng ñi qua thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh (10), ñöôïc laøm nguoäi ñeán 30 0C , roài ñöôïc ñöa qua boàn chöùa saûn phaåm ñænh (11). Phaàn coøn laïi cuûa chaát loûng ngöng ñöôïc hoài löu veà thaùp ôû ñóa treân cuøng vôùi tyû soá hoaøn löu toái öu . Moät phaàn caáu töû coù nhioeät ñoä soâi thaáp ñöôïc boác hôi, coøn laïi caáu töû coù nhieät ñoä soâi cao trong chaát loûng ngaøy caøng taêng . Cuoái cuøng, ôû ñaùy thaùp ta thu ñöôïc hoãn hôïp loûng goàm haàu heát laø caáu töû khoù bay hôi ( nöôùc). Hoãn hôïp loûng ôû ñaùy coù noàng ñoä Acetone laø 2% theo khoái löôïng, coøn laïi laø nöôùc. Dung dòch loûng ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 13 ôû ñaùy ñi ra khoûi thaùp, moät phaàn döôïc ñun, boác hôi ôû noài ñun (12) cung caáp laïi cho thaùp ñeå tieáp tuïc laøm vieäc, phaàn coøn laïi ñöôïc trao ñoåi nhieät vôùi nhaäp lieäu ( sau khi qua boàn cao vò ). Heä thoáng laøm vieäc lieân tuïc cho ra saûn phaåm ñænh laø Acetone, saûn phaåm ñaùy sau khi trao ñoåi nhieät vôùi nhaäp lieäu ñöôïc thaûi boû. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 14 CHÖÔNG 2 CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT CAÂN BAÈNG NAÊNG LÖÔÏNG ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 15 1. Caân baèng vaät chaát • Caùc soá lieäu ban ñaàu : Naêng suaát saûn phaåm ñænh thu ñöôïc :1500 ( Kg/h ) Saûn phaåm coù noàng ñoä Acetone : 98% theo khoái löôïng. Nhaäp lieäu coù noàng ñoä Acetone : 30% theo khoái löôïng . Thieát bò hoaït ñoäng lieân tuïc. • Caùc kyù hieäu : F : löôïng nhaäp lieäu ban ñaàu ( Kmol/h ) D : löôïng saûn phaåm ñænh ( Kmol/h ) W : löôïng saûn phaåm ñaùy ( Kmol/h ) xF :noàng ñoä mol Acetone trong nhaäp lieäu xD : noàng ñoä mol Acetone trong saûn phaåm ñænh xW : noàng ñoä mol Acetone trong saûn phaåm ñaùy • Phöông trình caân baèng vaät chaát cho toaøn boä thaùp chöng caát : F = D + W ( 1 ) F * xF = D * xD + W * xW ( 2 ) • Chuyeån töø phaàn khoái löôïng sang phaàn mol: xF = 21 1 )1( M x M x M x FF F − + = 18 )30.01( 58 30.0 58 30.0 − + = 0.117(phaàn molAcetone ) x D = 21 1 )1( M x M x M x DD D − + = 18 )98.01( 58 98.0 58 98.0 − + = 0.938 (phaànmolAcetone) xW = 21 1 )1( M x M x M x ww w − + = 18 )02.01( 58 02.0 58 02.0 − + = 0.006 ( phaàn molAcetone) (Choïn saûn phaåm ñaùy coù noàng ñoä khoái löôïng cuûa Acetone laø 2% ) • Tính Mtb : Mtb F = xF * M1 + (1- xF ) * M2 = 0.117 * 58 + (1 – 0.117 ) * 18 = 22.68 ( Kg/Kmol) Mtb D = xD * M1 + (1- xD ) * M2 = 0.938* 58 + (1 – 0.938) * 18 ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 16 = 55.52 ( Kg/Kmol) MtbW = xW * M1 + (1- xW ) * M2 = 0.006 * 58 + (1 – 0.006 ) * 18 = 18.24 ( Kg/Kmol) • Suaát löôïng saûn phaåm ñænh : D = Dtb M D = 52,55 1500 = 27.017 ( Kmol/h ) ( 1 ) vaø ( 2 ) ta coù heä phöông trình : ⎩⎨ ⎧ += += WD x* W x* D x* F W D F F ⇔⎩⎨ ⎧ += += 006.0*938.0*017.27117.0* 017.27 WF WF ⇔ ⎩⎨ ⎧ = = )/(83.199 )/(84.226 hKmolW hKmolF hay ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ = = )/(86.3644 )/(86.5144 hKgW hKgF 1.1 Ñoà thò caân baèng Acetone – Nöôùc : Thaønh phaàn caân baèng loûng (x), hôi (y) tính baèng %mol vaø nhieät ñoä soâi cuûa hoãn hôïp hai caáu töû ôû 760 mmHg ( Acetone – nöôùc ): x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 60.3 72 80.3 82.7 84.2 85.5 86.9 88.2 90.4 94.3 100 t 100 77.9 69.6 64.5 62.6 61.6 60.7 59.8 59 58.2 57.5 56.9 ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 17 ACETONE-NÖÔÙC 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 x = phaân mol acetone trong pha loûng y = ph aân m ol a ce to ne tr on g ph a hô i 1.2 Xaùc ñònh chæ soá hoài löu thích hôïp : a. Chæ soá hoài löu toái thieåu : Do nhaäp lieäu ôû traïng thaùi loûng baõo hoøa, neân Rmin ñöôïc xaùc ñònh nhö sau: Rmin = FF FD xy yx − − * * xF = 0.117 ⇔ y *F = 0.74 ( Xaùc ñònh töø ñöôøng caân baèng ) ⇒ Rmin = 0.3178 b. Chæ soá hoài löu thích hôïp : Cho caùc giaù trò Rxi > Rxmin ñeå tìm caùc giaù trò tung ñoä Bi töông öùng vaø veõ caùc ñöôøng noàng ñoä laøm vieäc cuûa ñoaïn luyeän öùng vôùi caùc giaù trò Bi ñoù : Bi = 1+i D Rx x ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 18 Tìm caùc ñieåm a( y= x= xD ), b( y= x= xw ) vaø ñöôøng x = xF ( song song vôùi truïc tung ). Cöù moãi giaù trò Bi ta veõ ñöôïc ñöôøng noàng ñoä laøm vieäc cuûa ñoaïn luyeän vaø ñoaïn chöng . Nhö vaäy öùng vôùi moãi giaù trò Rxi ta coù soá ñôn vò chuyeån khoái chung töông öùng laø mxi. Ta coù baûng sau : Rx Bi mx mx* (Rx + 1) 0.8 0.5211 6.86 12.348 0.9 0.4936 6.00 11.400 0.92 0.4885 5.92 11.366 0.95 0.4810 5.91 11.524 1.0 0.4690 5.89 11.780 1.1 0.4466 5.82 12.222 1.2 0.4263 5.79 12.738 1.3 0.4078 5.74 13.202 1.4 0.3908 5.64 13.536 Theå tích thaùp laø V = f * H f : tieát dieän thaùp, m2 H : chieàu cao laøm vieäc cuûa thaùp, m Ta bieát tieát dieän cuûa thaùp tæ leä thuaän vôùi löôïng hôi ñi trong thaùp, maø löôïng hôi laïi tæ leä thuaän vôùi löôïng loûng hoài löu trong thaùp, nhö vaäy tieát dieän thaùp tæ leä vôùi löôïng hoài löu . Töùc laø f ∼ ( Rx + 1 ) * GD Trong moät ñieàu kieän laøm vieäc nhaát ñònh thì GD laø khoâng ñoåi, neân f ∼ ( Rx + 1). Coøn chieàu cao thaùp tæ leä vôùi soá ñôn vò chuyeån khoái H ∼ mx , neân cuoái cuøng ta coù theå vieát V = f*H ∼ mx ( Rx + 1) Töø ñoù ta seõ laäp ñöôïc söï phuï thuoäc giöõa Rx _ mx * ( Rx + 1 ) . Moái quan heä naøy seõ cho ta tìm ñöôïc moät giaù trò Rx maø theå tích cuûa thieát bò chöng caát öùng vôùi noù laø toái öu Rxth . Veõ ñoà thò quan heä giöõa (mx i *(Rxi + 1) _ Rxi ) ñeå tìm Rxth . ( Xem trang sau) ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 19 1.3 Veõ ñöôøng laøm vieäc : Phöông trình ñöôøng laøm vieäc laøm caát : y = 1+x x R R x + 1+x D R x =0.479*x + 0.4885 Phöông trình ñöôøng laøm vieäc phaàn chöng: y = 1+ + x x R FR x - 1 1 + − xR L x Vôùi L = D L0 = 8.396 ⇒ y = 4.8521*x – 0.023 1.4 Xaùc ñònh soá maâm lyù thuyeát vaø soá maâm thöïc teá : • Do ñieàu kieän nhaäp lieäu laø loûng baõo hoøa, ta coù ñöôøng nhaäp lieäu laø ñöôøng : x = xF = 0.117 keû caùc ñöôøng laøm vieäc cuûa phaàn caát vaø phaàn chöng treân cuøng ñoà thò ñöôïc soá baäc thang laø 5.92 , töông öùng vôùi soá maâm lyù thuyeát laø 6 ( keå caû noài ñun ) • Xaùc ñònh hieäu suaát trung bình cuûa thaùp ηtb : ηtb = f ( α , μ ) α = y y −1 x x−1 : ñoä bay hôi töông ñoái x, y : noàng ñoä phaàn mol cuûa caáu töû deã bay hôi trong pha loûng, pha hôi Ñoä nhôùt cuûa hoãn hôïp loûng μ : tra theo nhieät ñoä μtb = (η1 + η2 + η3) / 3 Chæ soá hoài löu thích hôïp 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Rxi m x i *( R x i + 1) ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 20 η1 , η2 , η3 : laàn löôït laø hieäu suaát ôû maâm ñænh, maâm ñaùy, maâm nhaäp lieäu. Töø giaõn ñoà x-y, t-x,y : tìm nhieät ñoä taïi caùc vò trí vaø noàng ñoä pha hôi caân baèng vôùi pha loûng : Vò trí maâm ñænh : xD = 0.938 yD = 0.962 → Dy = 0.988 tD = 57.55 O C Vò trí maâm nhaäp lieäu : xF = 0.117 yF = 0.74 → Fy = 0.902 tF = 68.5 O C Vò trí maâm ñaùy : xW = 0.006 yW = 0.09 → wy = 0.242 tW = 96.00 OC • Xaùc ñònh ñoä nhôùt, ñoä bay hôi töông ñoái, hieäu suaát taïi caùc vò trí : Vò trí maâm ñænh : tD = 57.55 OC ⇒ μnöôùc = 0.49 * 10-3 Ns/m2 μacetone = 0.2386 * 10-3 Ns/m2 ( Tra baûng I.102 vaø I.101 – Soå tay taäp moät ) ⇒ lg μhh = xD* lg μacetone + ( 1 – xD ) * lg μnöôùc ⇒ μhh = 0.2477*10-3 Ns/m2 α = 1.6733 α*μ = 0.4145*10-3 ⇒ η1 = 0.63 ( Hình IX.11- Soå tay taäp 2 ) Vò trí maâm nhaäp lieäu : tF = 68.5 OC ⇒ μnöôùc = 0.4145 * 10-3 Ns/m2 μacetone = 0.2175 * 10-3 Ns/m2 ( Tra baûng I.102 vaø I.101 – Soå tay taäp moät ) ⇒ lg μhh = xF * lg μacetone + ( 1 – xF ) * lg μnöôùc ⇒ μhh = 0.3844 * 10-3 Ns/m2 α = 21.48 α*μ = 8.258 * 10-3 ⇒ η2 = 0.31 ( Hình IX.11- Soå tay taäp 2 ) Vò trí maâm ñaùy : tW = 96 OC ⇒ μnöôùc = 0.2962 * 10-3 Ns/m2 μacetone = 0.1759 * 10-3 Ns/m2 ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 21 ( Tra baûng I.102 vaø I.101 – Soå tay taäp moät ) ⇒ lg μhh = xW * lg μacetone + ( 1 – xW ) * lg μnöôùc ⇒ μhh = 0.2953 * 10-3 Ns/m2 α = 16.385 α*μ = 4.838 * 10-3 ⇒ η3 = 0.33 ( Hình IX.11- Soå tay taäp 2 ) ⇒ μhh = ( μ1 + μ2 + μ3 )/3 = ( 0.64 + 0.3 + 0.33 )/3 = 0.432 ⇒ Ntt = 432.0 92.5 = 13 ( maâm ) ⇒ Soá maâm thöïc teá cho phaàn caát : 10 Soá maâm thöïc teá cho phaàn chöng : 3 Vaø nhaäp lieäu ôû maâm soá : 10 2. Caân baèng naêng löôïng 2.1 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thaùp chöng caát Phöông trình caân baèng naêng löôïng : QF + QD 2 + QR = Qy + Qw + Qxq 2 + Qng 2 • Nhieät löôïng do hoãn hôïp ñaàu mang vaøo QF (j/h) QF = . .F FF C t F = 5144.86 (Kg/h) tF = 68.5 oC : nhieät ñoä ñi vaøo cuûa hoãn hôïp ñaàu ( ôû traïng thaùi loûng soâi ) CF : nhieät dung rieâng : tF = 68.5 oC → Cnöôùc = 4190 (J/Kg.ñoä ) Cacetone = 2332.62 (J/Kg.ñoä) CF = Fx .Cacetone + ( 1- Fx ).Cnöôùc = 0.3* 2332.62 + ( 1- 0.3 )*4190 = 3632.78 (J/Kg.ñoä ) ⇒ QF = 5144.86 * 3632.78 68.5 = 1.280109 (J/h) = 355.63 (KW) • Nhieät löôïng do hôi ñoát mang vaøo thaùp QD 2 (J/h): QD 2 = D2 *λ2 = D2 * (r2 + C2* t2) Duøng hôi nöôùc ôû aùp suaát 2at , r2 = 2173 (Kj/Kg), to= 119.6 oC λ2 : nhieät löôïng rieâng cuûa hôi ñoát ( J/Kg) r2 : aån nhieät hoùa hôi ( J/Kg) t2 , C2 : nhieät ñoä oC vaø nhieät dung rieâng cuûa nöôùc ngöng (J/Kg.ñoä) • Nhieät löôïng do löu löôïng loûng hoài löu mang vaøo : ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 22 QR = GR * CR * tR CR = CD :nhieät dung rieâng cuûa saûn phaåm ñænh : tD = 57.3 oC → Cnöôùc = 4187.96 ( J/Kg.ñoä) Cacetone = 2296.06 (J/Kg.ñoä ) ⇒ CD= CR = Dx * Cacetone + ( 1 - Dx ) Cnöôùc = 0.98*2296.06 + ( 1-0.98 )*4187.94 = 2333.89 ( J/Kg.ñoä ) GR = D *R = 1500*0.92 = 1380( Kg/h) tR = tD = 57.3 oC ⇒ QR = 1380*2333.89*57.25 = 1.844*108 = 51.22(KW) • Nhieät löôïng do hôi mang ra ôû ñænh thaùp Qy : Qy = D .( 1+ R).λD Nhieät löôïng rieâng cuûa hôi ôû ñænh thaùp λD : λD = λacetone. Dy + λnöôùc ( 1 - Dy ) Vôùi Dy = 0.988 (phaàn khoái löôïng ) λacetone , λnöôùc :: nhieät löôïng rieâng cuûa acetone, nöôùc : λacetone = racetone + tD . Cacetone λnöôùc = rnöôùc + tD . Cnöôùc rnöôùc, racetone , Cacetone , C nöôùc tra ôû baûng I.212 vaø baûng I.153 (Soå tay taäp moät ) ôû tD=57.3 oC Cacetone = 2296.06 ( J/Kg.ñoä ) Cnöôùc = 4187.94 (J/Kg.ñoä ) racetone = 521.46 (Kj/Kg) nöôùc = 2425.6 ( Kj/Kg) → λnöôùc = 2665.36*103(J/Kg) λacetone = 652.91 *103(J/Kg) → λD = 677.06 ( Kj/Kg) → Qy= 1.95*109(J/h) = 541.65 (KW) → * Nhieät löôïng do saûn phaåm ñaùy mang ra Qw : Qw= . .w wW C t W = 3644.86 (Kg/h) tw = 96 oC wx = 0.02 ( phaàn khoái löôïng ) ÔÛ nhieät ñoä 96 oC → Cacetone = 2422(J/Kg.ñoä) Cnöôùc = 4222( J/Kg.ñoä) → Cw= 4186 (J/Kg.ñoä ) → Qw = 1.465*109 ( J/h) =406.86 (KW) • Nhieät löôïng toån thaát ra moâi tröôøng xung quanh Qxq2: ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 23 Laáy Qxq2 = 5%QD 2 • Nhieät löôïng do nöôùc ngöng mang ra Qng2 (J/h) Qng2 = Gng2 . C2 .t2 Vaäy löôïng hôi ñoát caàn thieát ñeå ñun soâi dung dòch ôû ñaùy thaùp : D2 = 2 2 20.95* y w xq F R y w F RQ Q Q Q Q Q Q Q Q rλ + + − − + − − = = 930 (Kg/h) 2.2 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò ngöng tuï : • Chæ ngöng tuï hoài löu : 1 1 2 1. . . .( )x D n nD R r G C t t= − → Gn1 = 1 2 1 . . .( ) x D n D R r C t t− Choïn nhieät ñoä vaøo, ra cuûa nöôùc laøm laïnh t1 = 27 oC , t2 = 40 0C t = 1 2( ) 27 40 2 2 t t+ + = =33.5 0C Nhieät dung rieâng cuûa nöôùc ôû nhieät ñoä trung bình Cn = 4180.94 (J/Kg.ñoä ) yD = 0.962 → tD (hôi) = 57.3 0C Aån nhieät hoùa hôi r 057.3 Cacetone = 521.46 * 10 3 (J/Kg) r 057.3 Cnuoc = 2425.60*10 3 ( J/Kg) → rD = 544.31 *103 ( J/Kg) Suy ra löôïng nöôùc laïnh caàn tieâu toán Gn = 13820 (Kg/h) =3.839( Kg/s) 2.3 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò laøm laïnh saûn phaåm ñænh : Phöông trình caân baèng naêng löôïng : ' '1 2 3 2 1.( .( )) . .( )D D n nD r C t t G C t t+ − = − Nhieät ñoä vaøo cuûa saûn phaåm ñænh t '1 =57.3 0C Nhieät ñoä ra cuûa saûn phaåm ñænh t ' 2 = 30 0C Nöôùc laøm nguoäi coù nhieät ñoä vaøo, ra laø :t1 = 27 0C, t2 = 40 0C Nhieät ñoä trung bình cuûa nöôùc laøm laïnh ttb = (27+ 40 )/2 = 33.5 0C Nhieät dung rieâng cuûa nöôùc ôû nhieät ñoä ttb laø Cn = 4176.6 (J/Kg.ñoä ) Nhieät ñoä trung bình cuûa saûn phaåm ñænh : t 'tb = (57.3 + 30 )/2 = 43.65 0C ÔÛ t 'tb = 43.65 0C Cacetone = 2251.86 ( J/Kg.ñoä ) Cnöôùc = 4177.74 (J/Kg.ñoä ) → CD = 2290.38 ( J/Kg.ñoä ) Aån nhieät hoùa hôi rD = 544.31 *103 ( J/Kg) ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 24 Suy ra löôïng nöôùc caàn duøng : Gn3 = ' ' 1 2 2 1 .( ( )) .( ) D D n D r C t t C t t + − − = 16764.76 ( Kg/h) 2.4 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy ( trao ñoåi nhieät vôùi nhaäp lieäu ban ñaàu ): Phöông trình caân baèng nhieät löôïng : ' ' ' '1 1 2. .( ) . .( )F F f xq wQ F C t t Q W C t t= − + = − tf = 27 0C tF = 68.5 0C → 047.75 2 f Ft tt C + = = → Cacetone = 2265.19 ( J/Kg.ñoä ) Cnöôùc = 4180.81 ( J/Kg.ñoä ) → Cf = . (1 ).F acetone F nuocx C x C+ − = 0.3*2265.19 + ( 1- 0.3)* 4180.81 = 3606.12 ( J/Kg.ñoä ) t '1 =tw = 96 0C Choïn t '2 = 70 0C → ' ' ' 01 2 83 2 t tt C+= = → Cacetone = 2379.75 ( J/Kg.ñoä ) Cnöôùc = 4196 ( J/Kg.ñoä ) → Cw = . (1 ).w acetone w nuocx C x C+ − = 0.02 * 2379.75 + ( 1- 0.02 )*4196 = 4159.67 (J/Kg.ñoä) Choïn Qxq = 5% Q 'w → 0.95* ' ' '1 2. .( ) . .( )w F F fW C t t F C t t− = − → ' ' ' 1 2 . .( ) 1500*3606.12*(68.5 27) 2184.86( / ) 0.95* *( ) 0.95*4159.67*(96 70) F F f w F C t t W Kg h C t t − − = = = − − Coøn 3644.85 - 2184.86 = 1460 (Kg/h) thaûi ra ngoaøi. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 25 CHÖÔNG 3 TÍNH TOAÙN THIEÁT BÒ CHÍNH ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 26 I. Kích thöôùc thaùp Ñöôøng kính thaùp ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc sau : D = 0.0188 tbyy tbg )*( ωρ Trong ñoù g tb : löôïng hôi trung bình ñi trong thaùp ( Kg/h ) (ρtb * ωy )tb : toác ñoä hôi trung bình ñi trong thaùp ( Kg/h ) Vì raèng löôïng hôi vaø löôïng loûng thay ñoåi theo chieàu cao cuûa thaùp vaø khaùc nhau trong moãi ñoaïn cho neân ta phaûi tính ñöôøng kính trung bình rieâng cho töøng ñoaïn : ñoaïn chöng vaø ñoaïn caát . 1. Ñöôøng kính ñoaïn caát : • Noàng ñoä trung bình cuûa pha loûng : x’m = ( xF + xD )/2 = (0.117 + 0.938 )/2 = 0.5257 • Noàng ñoä trung bình cuûa pha hôi theo phöông trình ñöôøng laøm vieäc : y’m = 0.479 * x’m + 0.4885 = 0.479 * 0.5275 + 0.4885 = 0.7412 • Nhieät ñoä trung bình cuûa pha hôi, pha loûng töø giaõn ñoà t-x,y: x’m = 0.5275 → t’x = 60.25 OC y’m = 0.7412 → t’y = 68.3 OC • Khoái löôïng mol trung bình vaø khoái löôïng rieâng pha hôi : M’m = y’m * Macetone + ( 1 – y’m ) * Mnöôùc = 0.7412 * 58 + ( 1 – 0.7412 ) * 18 = 47.648 ( Kg/ Kmol ) ρ’y = ' ' *4.22 * y Om T TM = )3.68273(*4.22 273*648.47 + = 1.701 ( Kg/m3 ) • Khoái löôïng rieâng pha loûng : x’m = 0.5275 → x ’m = 18*)5275.01(58*5275.0 58*5275.0 −+ = 0.7825 ( phaàn khoái löôïng ) t’x = 60.25 OC → ρ’acetone = 746 ( Kg/m3 ) ρ’nöôùc = 983 ( Kg/m3 ) ( Baûng I.2 – Soå tay taäp moät ) ⇒ '1 xρ = ' ' acetone mx ρ + ' ' )1( nuoc mx ρ − = 746 7825.0 + 983 )7825.01( − = 1.270 * 10-3 ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 27 ⇒ ρ = 787.28 (Kg/m3 ) • Löôïng hôi trung bình ñi trong ñoaïn luyeän : ρtb = ( gñ + g1 )/2 ( Kg/h ) gñ : löôïng hôi ra khoûi ñóa treân cuøng gñ = GR + GD = GD ( Rx + 1) = D ( Rx +1 ) = 1500 ( 0.92 + 1) = 2880 ( Kg/h ) g1 : löôïng hôi ñi vaøo ñóa döôùi cuøng cuûa ñoaïn caát g1 = G1 + GD = G1 + D = G1 + 1500 (Kg/h ) • Löôïng hôi g1, haøm löôïng y 1 , löôïng loûng G1 ñöôïc xaùc ñònh theo heä phöông trình sau : ⎪⎪⎩ ⎪⎪⎨ ⎧ = += += dd D rgrg xDxGyg DGg ** *** 11 1111 11 ( x1 = Fx ) r1 = racetone * y 1 + ( 1 - y 1 ) * rnöôùc rñ = racetone * Dy + ( 1 - Dy ) * rnöôùc Taïi vò trí nhaäp lieäu : tF = 68.5 OC → ra = racetone = 509.38 ( Kj/Kg ) rb = rnöôùc = 2388.57 ( Kj/ Kg ) ( Baûng I.212-Soå tay taäp moät ) ⇒ r1 = ra * y 1 + ( 1 - y 1 ) * rb = 2388.57 - 1879.19 * y 1 Taïi vò trí ñænh thaùp : tD = 57.25 OC → ra = racetone = 521.46 ( Kj/Kg ) rb = rnöôùc = 2425.60 ( Kj/ Kg ) ( Baûng I.212-Soå tay taäp moät ) yD = 0.962 ( phaàn mol ) → Dy = 0.988 ( phaàn khoái löôïng ) rñ = ra * Dy + ( 1 - Dy ) rb = 544.31 ( Kj/ Kg ) ⇒ g1 * r1 = gñ * rñ = 1567612.8 ⇒ ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ = += += 8.1567612* 98.0*150030.0** 1500 11 111 11 rg Gyg Gg ( r1 = 2388.57 – 1879.19* y 1 ) ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 28 ⇒ ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ = = = 448.409 448.1909 834.0 1 1 1 G g y ⇒ gtb = ( g1 + gñ ) /2 = ( 1909.448 + 2880 )/2 = 2394.72 ( Kg/h) • Vaän toác hôi ñi trong thaùp : ( ρy * ωy )tb = 0.065 * ϕ[δ] * tbtb yxh ρρ ** (Kg/m 2*s ) ρx tb : khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha loûng: ρ’x = 787.28 ( Kg/m3 ) ρy tb : khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi: ρ’y = 1.701( Kg/ m3) h : khoaûng caùch maâm ( m ), choïn h = 0.3 ϕ[δ] : heä soá tính ñeán söùc caêng beà maët hhδ 1 = acetoneδ 1 + nuocδ 1 (δacetone , δnuoc tra ôû baûng I.242- Soå tay taäp moät ) = ( 604.17 1 + 706.64 1 ) ⇒ δhh = 13.84 < 20 dyn/cm Neân theo soå tay taäp hai : ϕ[δ] = 0.8 ⇒ ( ρy * ωy )tb = 0.065 * 0.8 * 701.1*28.787*3.0 = 1.042 (Kg/m2*s ) ⇒ Ñöôøng kính ñoaïn caát : Dcaát = 0.0188 * 042.1 72.2394 = 0.901 ( m ) Choïn Dcaát theo tieâu chuaån : 0.9 ( m) 2. Ñöôøng kính ñoaïn luyeän : • Noàng ñoä trung bình cuûa pha loûng : x”m = ( xF + xW )/2 = (0.117 + 0.006 )/2 = 0.0615 • Noàng ñoä trung bình cuûa pha hôi theo phöông trình ñöôøng laøm vieäc : y”m = 4.8521 * x”m - 0.023 = 4.8521 * 0.0615 – 0.023 = 0.2754 • Nhieät ñoä trung bình cuûa pha hôi, pha loûng töø giaõn ñoà t-x,y: x”m = 0.0615 → t”x = 73.75 OC y”m = 0.2754 → t”y = 89.91 OC • Khoái löôïng mol trung bình vaø khoái löôïng rieâng pha hôi : M”m = y”m * Macetone + ( 1 – y”m ) * Mnöôùc ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 29 = 0.2754 * 58 + ( 1 – 0.2754 ) * 18 = 29.016 ( Kg/ Kmol ) ρ”y = " " *4.22 * y Om T TM = )91.89273(*4.22 273*016.29 + = 0.974 ( Kg/m3 ) • Khoái löôïng rieâng pha loûng : x”m = 0.0615 → x ”m = 0.1743 ( phaàn khoái löôïng ) t”x = 73.75 OC → ρ”acetone = 727.44 ( Kg/m3 ) ρ”nöôùc = 975.44 ( Kg/m3 ) ( Baûng I.2 – Soå tay taäp moät ) ⇒ "1 xρ = " " acetone mx ρ + '' '' )1( nuoc mx ρ − = 44.727 1743.0 + 44.975 )1743.01( − ⇒ ρ”x = 920.73 (Kg/m3 ) • Löôïng hôi trung bình ñi trong ñoaïn chöng : g’tb = ( g’n + g’1 )/2 ( Kg/h ) g’1: löôïng hôi ñi vaøo ñoaïn chöng g’n : löôïng hôi ra khoûi ñoaïn chöng Vì löôïng hôi ra khoûi ñoaïn chöng baèng löôïng hôi ñi vaøo ñoaïn luyeän neân g’n = g1 Hay g’tb = ( g1 + g’1 )/2 Löôïng hôi ñi vaøo ñoaïn chöng g’1, löôïng loûng G’1 vaø haøm löôïng loûng x’1 ñöôïc xaùc ñònh theo heä phöông trình caân baèng vaät chaát vaø caân baèng naêng löôïng : g rgrgrg xWygxG WgG nn WW ⎪⎪⎩ ⎪⎪⎨ ⎧ == += += 11 ''' 1 ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 *** *** Vôùi W = 3644.86 ( Kg/h ) Wx = 0.02 xW = 0.006 → töø ñöôøng caân baèng yW = 0.09 ( phaàn mol ) → Wy = 0.242 ( phaàn khoái löôïng ) gi * r1 = 1567612.8 r’1 = ra * Wy + ( 1 - Wy ) rb Taïi ñaùy thaùp : tW = 96 OC → ra = 477.71 ( Kj/Kg ) rb = 2273.43 ( Kj/Kg ) ( Baûng I.212- Soå tay taäp moät ) ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 30 ⇒ r’1 = 1838.86 ( Kg/Kg ) ⇒ ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ = = = 062.0 )/(35.4497 )/(49.852 ' 1 ' 1 ' 1 x hKgG hKgg • Löôïng hôi trung bình ñi trong ñoaïn chöng : g’tb = ( g1 + g’1 )/2 = ( 1909.448 + 760.58 ) /2 = 1380.97 ( Kg/h) • Vaän toác hôi ñi trong thaùp : ( ρy * ωy )tb = 0.065 * ϕ[δ] * tbtb yxh ρρ ** (Kg/m 2*s ) ρx tb : khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha loûng = ρ ” x = 920.73 (Kg/m3) ρy tb : khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi = ρ ” y = 0.974 ( Kg/ m3 ) h : khoaûng caùch maâm ( m ), choïn h = 0.3 ϕ[δ] : heä soá tính ñeán söùc caêng beà maët hhδ 1 = acetoneδ 1 + nuocδ 1 (δacetone , δnuoc tra ôû baûng I.242 ôû nhieät ñoä t”y = 89.91O C- Soå tay taäp moät ) = ( 15 1 + 75.60 1 ) ⇒ δhh = 12.03 < 20 dyn/cm Neân theo soå tay taäp hai : ϕ[δ] = 0.8 ⇒ ( ρy * ωy )tb = 0.065 * 0.8 * 974.0*73.920*3.0 = 0.853 (Kg/m2*s ) ⇒ Ñöôøng kính ñoaïn chöng : Dchöng = 0.0188 * 853.0 97.1380 = 0.756 ( m ) Choïn Dchöng theo tieâu chuaån = 0.8 ( m) Do ñoù choïn Dthaùp = 0.8 ( m ) 3. Chieàu cao thaùp : • Chieàu cao thaùp ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc sau : H = Ntt * ( Hñ + δ ) + ( 0.8 ÷ 1.0 ) ( m ) Vôùi Ntt : soá ñóa thöïc teá = 13 δ : chieàu daøy cuûa maâm, choïn δ = 4 ( mm ) = 0.004 ( m ) Hñ : khoaûng caùch giöõa caùc maâm ( m ) , choïn theo baûng IX.4a- Soå tay taäp hai, Hñ = 0.3 ( m ) ( 0.8 ÷ 1.0 ) : khoaûng caùch cho pheùp ôû ñænh vaø ñaùy thaùp ⇒ H = 13 * ( 0.3 + 0.004 ) + ( 0.8 ÷ 1.0 ) = 5 ( m ) ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 31 II. Tính toaùn choùp vaø oáng chaûy chuyeàn • Choïn ñöôøng kính oáng hôi dh = 47 ( mm ) = 0.047 ( m ) • Soá choùp phaân boá treân ñóa : N = 0.1 * 2 2 hd D = 0.1 * 2 2 047.0 8.0 = 29 ( choùp ) ( D : ñöôøng kính trong cuûa thaùp ) • Chieàu cao choùp phía treân oáng daãn hôi : h2 = 0.25 * dh = 0.01175 ( m ) • Ñöôøng kính choùp: dch = 22 )*2( chhh dd δ++ δch : chieàu daøy choùp, choïn baèng 2 ( mm ) ⇒ dch = 22 )2*247(47 ++ = 69.39 ( mm ) Choïn dch = 70 (mm) • Khoaûng caùch töø maët ñóa ñeán chaân thaùp : S = 0 ÷25 ( mm ), choïn S = 12.5 ( mm ) • Chieàu cao möïc chaát loûng treân khe choùp : h1 = 15 ÷40 ( mm ), choïn h1 = 30 ( mm ) • Tieát dieän thaùp : F = π * D2/4 = 3.1416 * 0.82/4 =0.5062 ( m2 ) • Böôùc toái thieåu cuûa choùp treân maâm : tmin = dch + 2*δch + l2 l2 : khoûang caùch nhoû nhaát giöõa caùc choùp l2 = 12.5 + 0.25*dch = 12.5 + 0.25*71 = 36.25 (mm) choïn l2 = 35 (mm) ⇒ tmin =70 + 2*2 + 35 = 109 (mm) A. Tính cho phaàn caát : • Chieàu cao khe choùp : b = (ξ * ω2y * ρy)/ (g * ρx ) ξ : heä soá trôû löïc cuûa ñóa choùp ξ = 1.5 ÷2 , choïn ξ = 2 ωy = ( 4* Vy )/ ( 3600 * π * d2h * n ) Vy : löu löôïng hôi ñi trong thaùp Vy = gtb / ρ tby = 2193.16/1.701 = 1407.83 ( m 3/h) ⇒ ωy = ( 4* 1407.83) / ( 3600 * π * 0.0472 * 29 ) = 7.772 ( m/s) ⇒ b = ( 2 * 7.7722 * 1.701 ) / ( 9.81 * 787.28 ) = 26.6 * 10-3 ( m ) ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 32 Choïn b = 20 ( mm ) ( 10 ÷ 50 mm ) • Chieàu roäng khe choùp : a = 2 : 7 mm ; choïn a = 2 ( mm ) • Soá löôïng khe hôû cuûa moãi choùp : i = π/c * ( dch – b dh *4 2 ) c = 3 ÷ 4 mm ( khoaûng caùch giöõa caùc khe ) , choïn c = 3 ( mm ) ⇒ i = 3.1416/3 * ( 70 - 20*4 472 ) = 44.4 ( khe ) Choïn i = 45 ( khe ) Gx : löu löôïng loûng trung bình ñi trong thaùp ( Kg/h ) Gx = 2 1 * ( G1 + GF ) = 2 1 * (409.448 + 5144.86 ) = 2777.15 ( Kg/h) z : soá oáng chaûy chuyeàn , choïn z = 1 ωc : toác ñoä chaát loûng trong oáng chaûy chuyeàn , ωc = 0.1 ÷ 0.2 ( m/s ) Choïn ωc = 0.15 ( m/s ) ρx = 787.28 ( Kg/m3 ) B. Tính cho phaàn chöng : • Chieàu cao khe choùp : b = (ξ * ω2y * ρy)/ (g * ρx ) ξ : heä soá trôû löïc cuûa ñóa choùp ξ = 1.5 ÷ 2 , choïn ξ = 2 ωy = ( 4* V’y )/ ( 3600 * π * d2h * n ) V’y : löu löôïng hôi ñi trong thaùp V’y = g’tb / ρ ' tby = 1380.97 / 0.984 = 1407.83 ( m 3/h) ⇒ ωy = ( 4* 1417.83) / (3600 * 3.1416 * 0.0472 * 29 ) = 7.828 ( m/s) ⇒ b = ( 2 * 7.828 * 0.974 ) / ( 9.81 * 920.73 ) = 0.0132 ( m ) Choïn b = 20 ( mm ) ( 10 ÷ 50 mm ) • Chieàu roäng khe choùp : a = 2 : 7 mm ; choïn a = 2 ( mm ) • Soá löôïng khe hôû cuûa moãi choùp : i = π/c * ( dch – b dh *4 2 ) c = 3 : 4 mm ( khoaûng caùch giöõa caùc khe ) , choïn c = 3 ( mm ) ⇒ i = 3.1416/3 * ( 70 - 20*4 472 ) = 44.4 ( khe ) ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 33 Choïn i= 45 ( khe ) G’x : löu löôïng loûng trung bình ñi trong thaùp ( Kg/h ) G’x = 2 1 * ( G’1 + GF ) = 2 1 * ( 4405.44 + 5144.86 ) = 4775.15 ( Kg/h) z : soá oáng chaûy chuyeàn , choïn z = 1 ωc : toác ñoä chaát loûng trong oáng chaûy chuyeàn , ωc = 0.1 ÷ 0.2 ( m/s ) Choïn ωc = 0.15 ( m/s ) ρx = 920.73 ( Kg/m3 ) l1 : khoaûng caùch nhoû nhaát giöõa choùp vaø oáng chaûy chuyeàn Choïn l1 = 75 ( mm ) δc : beà daøy oáng chaûy chuyeàn, choïn δc = 2 ( mm ) • Chieàu cao lôùp chaát loûng treân maâm : hm = h1 + ( S + hsr + b ) = 30 + 12.5 + 5 + 20 = 67.5 (mm) hsr : khoaûng caùch töø meùp döôùi cuûa choùp ñeán meùp döôùi cuûa khe choùp choïn hsr = 5 mm • Tieát dieän oáng hôi : Srj = S1= π* 2,h td /4 = 3.1416*0.047 2 /4 = 0.001735 m2 • Tieát dieän hình vaønh khaên : Saj = S2 = π*( d2ch,t - d2h,n )/4 = 3.1416*(0.072 - 0.0512) = 0.001805 (m2 ) • Toång dieän tích caùc khe choùp : S3 = i.a.b = 45*0.002*0.02 =0.0018 m2 • Tieát dieän loã môû treân oáng hôi : S4 = π .dhôi.h2 = 3.1416 * 0.047*0.01175 = 0.001735 m2 Neân ta coù S1 ≅ S2 ≅ S3 ≅ S4 ( hôïp lyù ) • Loã thaùo loûng : Tieát dieän caét ngang cuûa thaùp F = 0.5026 m2 Cöù 1 m2 choïn 4 cm2 loã thaùo loûng . Do ñoù toång dieän tích loã thaùo loûng treân moät maâm laø:0.5026 *4 /1 = 2.0104 cm2 Choïn ñöôøng kính loã thaùo loûng laø 5mm = 0.5cm Neân soá loã thaùo loûng caàn thieát treân moät maâm laø : ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 34 2 2.0104 * 4 dπ ≅ 10 loã ** Kieåm tra khoaûng caùch giöõa caùc maâm : hmin = 23300* 2 , * * * * y y x ch t F n d ρ ω ρ π ⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ρy , ρx : khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi, pha loûng ρy = (ρ'y+ ρ"y)/2 = 1.3375 ( Kg/m3) ρx = (ρ'x+ ρ"x)/2 = 854.005 (Kg/m3) ωy : vaän toác hôi trung bình ñi trong thaùp ωy = ( ) ( )' ' " * * 2 y y y ytb tb y y ρ ω ρ ϖ ρ ρ ⎛ ⎞⎜ ⎟+⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ = 0.7441 (m/s) hmin = 23300* 21.3775 0.5026*0.7441* 854.005 29* *0.071π ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ = 0.12 (m) < 0.3 (m) Vaäy khoaûng caùch giöõa hai maâm laø 0.3 m laø hôïp lyù. • Ñoä môû loã choùp hs : hs = 7.55* 1/3 2 /3 2 /3* *y Gs x y s VH S ρ ρ ρ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ − ⎝ ⎠⎝ ⎠ Hs = hso = b = 20 (mm) VG = ( Vy + V'y) /2 = 0.3924 (m3/s) Ss = n * S3= 29*0.0018 = 0.0522 (m2) hs = 7.55* 1/3 2/3 2 /31.3375 0.3924*20 * 854.005 1.3375 0.0522 ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟ −⎝ ⎠ ⎝ ⎠ = 24.805 (mm) Neân ta coù 1.24s so h h = ≅ 1 : khaù hôïp lyù • Chieàu cao möïc chaát loûng treân gôø chaûy traøn : hwo = 2.84 * K* 2/3 L w Q h L ⎛ ⎞ = Δ⎜ ⎟⎝ ⎠ Vôùi K : heä soá hieäu chænh cho gôø chaûy traøn , phuï thuoäc vaøo 2 giaù trò : x = 0.226* 2.5 2.5 4.7720.226* 6.685 0.48 L w Q L ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠ Trong ñoù : QL :löu löôïng pha loûng trung bình trong thaùp ñöôïc tính nhö sau : ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD: LEÂ XUAÂN HAÛI SVTH: TRAÀN VAÊN PHUÙC Trang 35 + Löu löôïng chaát loûng trong phaàn caát cuûa thaùp : ' ' ' 3 ' * * * * 1500*0.92*47.648 0.00042( / ) 3600* * 3600*55.52*787.28 3600*55.52*787.28 D x m x m L D x G R M D R MQ m s M ρ = = = = + Löu löôïng chaát loûng trong phaàn chöng cuûa thaùp : " " " " " 3 * *( )* ( )* 3600* 3600* 1500*0.92 5144.86 29.016( )* 0.00220( / ) 55.52 22.68 3600*920.73 D x m x mF L D F x D F x G R M D R MG FQ M M M M m s ρ ρ = + = + = + = + Löu löôïng chaát loûng trung bình trong thaùp : QL = ( Q'L + Q"L) /2 = 0.0013 ( m3/s) = 4.772 ( m3/h) Lw : chieàu daøi gôø chaûy traøn = 0.6*D = 0.48 (m) 0.6wL D = Tra ñoà thò hình IX22 trang 186 Soå tay taäp hai, ñöôïc K = 1.12 Do ñoù how = 2.84 * 1.12 * 2/34.722 14.60( ) 0.48 mm⎛ ⎞ =⎜ ⎟⎝ ⎠ • Gradient chieàu cao möïc chaát loûng treân maâm Δ : Δ = Cg * Δ' *nh -Chieàu roäng trung bình cuûa maâm Bm : + Chieàu