Tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử : Butanol – nước với Năng suất nhập liệu : 2000 lít/h

MUÏC LUÏC Lôøi môû ñaàu 5 CHÖÔNG 1: GIÔÙI THIEÄU VEÀ BUTANOL VAØ QUI TRÌNH COÂNG NGHEÄ 6 Giôùi thieäu sô boä 7 Saûn xuaát Butanol 8 Coâng ngheä chöng caát hoãn hôïp Butanol –Nöôùc 9 Choïn loaïi thaùp chöng caát vaø phöông phaùp chöng caát 9 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 Caân baèng vaät chaát 15 Ñoà thò caân baèng Butanol – Nöôùc 16 Xaùc ñònh chæ soá hoài löu thích hôïp 17 Veõ ñöôøng laøm vieäc 19 Xaùc ñònh soá maâm lyù thuyeát vaø soá maâm thöïc teá 19 Caân baèng naêng löôïng 21 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thaùp chöng caát 21 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò ngöng tuï 23 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh 23 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy 23 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò laøm nguoäi ñun soâi doøng nhaäp lieäu 24 CHÖÔNG 3: TÍNH TOAÙN THAÙP CHÖNG CAÁT 25 Kích thöôùc thaùp 26 Ñöôøng kính ñoaïn caát 26 Ñöôøng kính ñoaïn luyeän 28 Chieàu cao thaùp 30 Tính toaùn choùp vaø oáng chaûy chuyeàn 31 Tính cho phaàn caát 31 Tính cho phaàn chöng 32 Tính trôû löïc thaùp 39 Toång trôû löïc phaàn caát 39 Trôû löïc ñóa khoâ (Pk 39 Trôû löïc do söùc caêng beà maët 40 Trôû löïc cuûa lôùp chaát loûng treân ñóa ( Trôû löïc thuûy tónh (Pt ) 40 Toång trôû löïc phaàn chöng 41 Trôû löïc ñóa khoâ (Pk 41 Trôû löïc do söùc caêng beà maët 41 Trôû löïc cuûa lôùp chaát loûng treân ñóa ( Trôû löïc thuûy tónh (Pt ) 42 CHÖÔNG 4: TÍNH TOAÙN THIEÁT BÒ LAØM NGUOÄI SAÛN PHAÅM ÑAÙY 44 Suaát löôïng nöôùc caàn duøng 45 Hieäu soá nhieät ñoä trung bình 47 Heä soá truyeàn nhieät 48 Beà maët truyeàn nhieät 49 Caáu taïo thieát bò 50 Tính toaùn cô khí cho thieát bò laøm nguoäi 53 Ñöôøng kính oáng daãn nöôùc, thaùo nöôùc 24 Toån thaát aùp löïc ôû phía doøng saûn phaåm ñaùy 24 Toån thaát aùp löïc ôû phía doøng nöôùc laøm nguoäi 24 Choïn bích, bu loâng noái caùc ñoaïn oáng 24 Toång khoái löôïng cuûa thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy 24 Khoái löôïng cuûa daøn giaù ñôõ thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy 24 CHÖÔNG 5: TÍNH THIEÁT BÒ PHUÏ 58 Thieát bò ñun soâi ñaùy thaùp 59 Suaát löôïng hôi ñoát caàn duøng 59 Hieäu soá nhieät ñoä trung bình 60 Heä soá truyeàn nhieät 60 Beà maët truyeàn nhieät 61 Caáu taïo thieát bò 62 Thieát bò ngöïng tuï saûn phaåm ñænh 64 Suaát löôïng nöôùc laøm laïnh caàn duøng 64 Hieäu soá nhieät ñoä trung bình 65 Heä soá truyeàn nhieät 65 Beà maët truyeàn nhieät 66 Caáu taïo thieát bò 67 Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh 69 Suaát löôïng nöôùc caàn duøng 69 Hieäu soá nhieät ñoä trung bình 70 Heä soá truyeàn nhieät 70 Beà maët truyeàn nhieät 70 Caáu taïo thieát bò 71 Thieát bò ñun soâi doøng nhaäp lieäu 73 Suaát löôïng hôi ñoát caàn duøng 73 Hieäu soá nhieät ñoä trung bình 74 Heä soá truyeàn nhieät 74 Beà maët truyeàn nhieät 74 Caáu taïo thieát bò 75 Boàn cao vò 76 Toån thaát ñöôøng oáng daãn 76 Toån thaát ñöôøng oáng daãn trong thieát bò ñun soâi doøng nhaäp lieäu 79 Chieàu cao boàn cao vò 80 Bôm 76 Naêng suaát 76 Coät aùp 80 Coâng suaát 81 CHÖÔNG 6: TÍNH GIAÙ THAØNH THIEÁT BÒ 81 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO 83 LÔØI MÔÛ ÑAÀU 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. Ngaøy nay, caùc phöông phaùp ñöôïc söû duïng ñeå naâng cao ñoä tinh khieát: trích ly, chöng caát, coâ ñaëc, haáp thu… Tuøy theo ñaëc tính yeâu caàu cuûa saûn phaåm maø ta coù söï löïa choïn phöông phaùp thích hôïp. Ñoái vôùi heä Butanol - Nöôùc, ta neân duøng phöông phaùp chöng caát ñeå naâng cao ñoä tinh khieát cho Butanol, maëc duø butanol tan coù giôùi haïn trong nöôùc vaø heä naøy coù ñieåm ñaúng phí. Ñoà aùn moân hoïc Quaù trình vaø Thieát bò laø moät moân hoïc mang tính toång hôïp trong quaù trình hoïc taäp cuûa caùc kyõû sö hoaù- thöï c phaåm töông lai. Moân hoïc giuùp sinh vieân giaûi quyeát nhieäm vuï tính toaùn cuï theå veà: yeâu caàu coâng ngheä, keát caáu, giaù thaønh cuûa moät thieát bò trong saûn xuaát hoaù chaát - thöïc phaåm. Ñaây laø böôùc ñaàu tieân ñeå sinh vieân vaän duïng nhöõng kieán thöùc ñaõ hoïc cuûa nhieàu moân hoïc vaøo giaûi quyeát nhöõng vaán ñeà kyõû thuaät thöïc teá moät caùch toång hôïp. Nhieäm vuï thieát keá: tính toaùn heä thoáng chöng luyeän lieân tuïc ñeå taùch hoãn hôïp hai caáu töû : Butanol – nöôùc vôùi caùc soá lieäu sau ñaây: Naêng suaát nhaäp lieäu : 2000 lít/h Noàng ñoä saûn phaåm ñaùy : 5% mol nöôùc Noàng ñoä nhaäp lieäu : 20% mol nöôùc Aùp suaát laøm vieäc : aùp suaát thöôøng. CHÖÔNG 1 GIÔÙI THIEÄU VEÀ BUTANOL VAØ QUI TRÌNH COÂNG NGHEÄ GIÔÙI THIEÄU SÔ BOÄ : Butanol coù coâng thöùc phaân töû : CH3CH2CH2CH2OH .Khoái löôïng phaân töû baèng 74 ñvC Laø chaát loûng khoâng maøu, coù muøi höông cuûa chuoái vaø raát deã chaùy. Noù khoâng ñoäc nhöng neáu ñeå laâu ngoaøi khoâng khí seõ gaây kích öùng leân da vaø maét, raát nguy hieåm khi ngöûi vaø uoáng phaûi, thaäm chí coù theå daãn ñeán töû vong. Noù tan coù giôùi haïn trong nöôùc nhöng laïi tan hoaøn toaøn trong moät soá hôïp chaát höõu cô nhö : glycol, ketone, alcohol, aldehyde, ete, hydrocacbon thôm, chaát beùo… ÖÙng duïng : Butanol ñöôïc söû duïng trong vieäc saûn xuaát caùc chaát hoùa hoïc khaùc, noù coù trong thaønh phaàn cuûa myõ phaåm vaø ñöôïc duøng nhieàu laøm dung moâi cho coâng nghieäp, ví duï vôùi vai troø laø dung moâi, noù ñöôïc duøng laøm vecni, sôn, sôn maøi, keïo cao su, thuoác nhuoäm, long naõo, chaát laøm meàm … trong myõ phaåm noù laø thaønh phaàn coù trong son moâi, kem caïo raâu, kem neàn, phaán loùt, saûn phaåm chaêm soùc moùng tay,….Vaø ñaëc bieät gaàn ñaây n-butanol ñöôïc duøng laøm chaát ñeå theâm vaøo xaêng, daàu hoûa taêng hoaït tính chaùy noå… Coù nguồn gốc từ caùc nguyeân liệu chứa lignocellulosic, ñaây laø phần sinh khối thực vật gồm thaân gỗ, rơm, baõ noâng nghiệp, xơ bắp vaø vỏ trấu, tất cả đều chứa một lượng lớn chất xơ vaø một số chất gỗ. Butanol được coi laø nhieân liệu sinh học tốt hơn ethanol vì noù ít bị hao moøn vaø coù giaù trị calo cao hơn neân noù cung caáp giaù trị năng lượng cao hơn. Moät soá thoâng soá vaät lyù vaø nhieät ñoäng cuûa butanol : Nhieät ñoä noùng chaûy : -90(C ; Nhieät ñoä soâi : 118(C ; Tyû troïng : 0.810 (ôû 20(C); Ñoä tan trong nöôùc : 7.9g/100g nöôùc Tính chaát hoaù hoïc : Tính acid-base cuûa röôïu: CH3CH2CH2CH2OH + Na ( CH3(CH2)3ONa + 1/2H2 CH3CH2CH2CH2OH + NaNH2 ( CH3(CH2)3ONa + NH3 Phaûn öùng ester hoùa: H2SO4 CH3(CH2)3OH + RCOOH ( RCOO(CH2)3CH3 Phaûn öùng hình thaønh ether : Al2O3 2CH3(CH2)3OH ( CH3(CH2)3O(CH2)3 350-400(C Phaûn öùng theá nhoùm –OH baèng halogen xuùc taùc CH3(CH2)3OH + HX ( CH3(CH2)3OX + H2 pyriddine CH3(CH2)3OH + SOCl2 ( CH3(CH2)3OCl + SO2 + Cl2 Phaûn öùng taùch nöôùc taïo ankene: xuùc taùc CH3(CH2)3OH ( CH3 – CH2 – CH = CH2 + H2O t(C Phaûn öùng oxy hoùa: Caùc taùc nhaân oxy hoùa thöôøng ñöôïc söû duïng trong tröôøng hôïp naøy laø KMnO4, K2Cr2O7, CrO3, Na2Cr2O7 … trong moäi tröôøng axit H2SO4 PCC CH3(CH2)3OH ( CH3 – CH2 – CH2 – CHO CH2Cl2 Ñieàu cheá : Phaûn öùng hydrobo hoùa – oxy hoùa hình thaønh röôïu: 1. B2H6 CH3 – CH2 – CH = CH2 ( CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – OH 2. H2O2/NaOH Thuûy phaân daãn xuaát halogen: H2O CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – Br + NaOH ( CH3(CH2)3OH Ñi töø hôïp chaát cô magnesium: 1. ether khan CH3CH2CH2CH2MgBr + HCHO ( CH3(CH2)3OH 2. H2O/H+ Khử hoùa caùc hợp chất carbonyl: 1. LiAlH4/ ether CH3CH2CH2CHO ( CH3(CH2)3OH 2. H3O+ SAÛN XUAÁT BUTANOL : Coâng ty BP, một coâng ty daàu lôùn nhất chaâu AÂu, ñang hôïp taùc vôùi coâng ty DuPont để phaùt triển, saûn xuaát vaø kinh doanh moät loại nhieân liệu sinh hoïc môùi coù thể thay thế caùc nhieân liệu duøng trong ngaønh giao thoâng vaän tải. Caùc coâng ty döï kieán ñöa ra saûn phaåm ñaàu tieân n-butanol  (butanol sinh học) vaø năm 2007 seõ baùn ôû Anh nhö moät thaønh phaàn cuûa xaêng . Caùc coâng ty naøy cuõng ñang laøm vieäc vôùi British Sugar – moät chi nhaùn coâng ty cuûa Associated British Foods – ñeå chuyeån ñoåi nhaø maùy leân men etanol ñaàu tieân cuûa Anh, söû duïng cuû caûi ñöôøng ñeå saûn xuaát 30.000 taán (hoaëc 9 triệu gal) butanol/naêm. Charle O.Holliday Jr., ñaïi dieän cuûa DuPont, cho biết hoï seõ keát hôïp khoa hoïc coâng ngheä cuûa mình vôùi chuyeân moân maketing cuûa BP để nhanh choùng cung caáp butanol ra thò tröôøng. DuPont cho raèng nhieân lieäu sinh hoïc seõ giuùp loaøi ngöôøi bôùt phuï thuoäc vaøo nhieân lieäu hoùa thaïch vaø butanol thu ñöôïc töø quaù trình leân men caïnh tranh ñöôïc khi giaù daàu moû ôû möùc töø 30 ñeán 40 USD/ thuøng. Coøn coâng ty BP ñang tìm bieän phaùp ñeå giaûm phaùt thaûi khí nhaø kính. John Browne, moät chuyeân gia thuoäc BP cho bieát, vaän taûi laø moät laõnh vöïc quan troïng, chieám khoaûng 20% phaùt thaûi toaøn caàu. Trong töông lai gaàn, vieäc taêng tæ leä caùc thaønh phaàn sinh hoïc trong nhieân lieäu laø moät trong nhöõng löïa choïn thöïc teá ñeå phaùt trieån lónh vöïc nhieân lieäu tr6en phaïm vi toaøn caàu. DuPont cho bieát caáu truùc hoùa hoïc n-butanol laøm cho noù coù moät soá lôïi theá hôn etanol nhö aùp suaát hôi rieâng phaàn thaáp, hoøa hôïp ñöôïc vôùi taïp chaát nöôùc trong hoãn hôïp xaêng vaø deã daøng söû duïng trong ñöôøng oáng phaân phoái hieän nay. Coøn etanol laïi haáp thuï caùc phaân töû nöôùc vaø aên moøn ñöôøng oáng. Moät lôïi theá khaùc cuûa butanol laø noù coù theå ñöôïc troän vôùi xaêng ôû noàng ñoä cao hôn etanol, taïo ra hoãn hôïp nhieân lieäu kinh teá hôn hoãn hôïp xaêng - etanol. Dean Oestreich, chuû tòch moät chi nhaùnh coâng ty cuûa DuPont, cho biết butanol cuõng ñöôïc saûn xuaát nhôø quaù trình leân men töông töï vôùi quaù trình leân men cuûa etanol. Moät soá caây coâng nghieäp coù theå ñöôïc duøng ñeå saûn xuaát butanol sinh hoïc nhö: ngoâ, luùa mì, cuû caûi ñöôøng, mía, hoaëc caây luùa mieán vaø trong töông lai chuùng ta hy voïng coù theå söû duïng xenluloâ nhö thaân caây ngoâ hoaëc voû vaøo muïc ñích naøy. Trong giai ñoaïn tieáp theo cuûa döï aùn,caùc ngaønh nghieân cöùu cuûa DuPont ñang phaùt trieån moät vi khuaån leân men vôùi coâng ngheä môùi ñeå taêng toác ñoä chuyeån ñoåi trong quaù trình cheá bieán nghuyeân lieäu thaønh nhieân lieäu, theo ñoù coù theå taêng caû veà saûn löôïng vaø noàng ñoä butanol thu ñöôïc trong nhaø maùy leân men. Ngoaøi ra, n-butanol coøn ñöôïc saûn xuaát theo quy trình sau vôùi nguyeân lieäu ban ñaàu laø propylene:
COÂNG NGHEÄ CHÖNG CAÁT HOÃN HÔÏP BUTANOL –NÖÔÙC : Ta coù Butanol laø moät chaát loûng tan coù giôùi haïn trong nöôùc vaø nhieät ñoä soâi cuûa Butanol( 118 (C ôû 760 mmHg) vaø Nöôùc ( 100 (C ôû 760 mmHg) : laø khaù gaàn nhau Tuy nhieân, 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. Vì theá phöông phaùp hieäu quaû nhaát ñeå thu ñöôïc butanol töông ñoái tinh khieát laø chöng caát phaân ñoaïn döïa vaøo ñoä bay hôi khaùc nhau cuûa caùc caáu töû trong hoãn hôïp. 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: 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. SÔ ÑOÀ QUI TRÌNH COÂNG NGHEÄ VAØ THUYEÁT MINH QUI TRÌNH COÂNG NGHEÄ : Sô ñoà qui trình coâng ngheä (xem trang sau)
 Chuù thích : Boàn chöùa nguyeân lieäu . Bôm. Boàn cao vò . Thieát bò ñun soâi doøng nhaäp lieäu. Baãy hôi. Löu löôïng keá. Nhieät keá . Thaùp chöng caát . Thieát bò ngöng tuï saûn phaåm ñænh . Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh . Boä phaän phaân phoái loûng. Boàn chöa saûn phaåm ñænh. Van . Aùp keá . Thieát bò ñun soâi ñaùy thaùp. Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy. Boàn chöùa saûn phaåm ñaùy. Thuyeát minh qui trình coâng ngheä : Hoãn hôïp Butanol- Nöôùc coù noàng ñoä butanol 80%( theo mol) , nhieät ñoä khoaûng 28 0C taïi bình chöùa nguyeân lieäu (1) ñöôïc bôm (2) bôm leân boàn cao vò (3). Töø ñoù ñöôïc ñöa ñeán thieát bò ñun soâi doøng nhaäp (4). ÔÛ ñaây, hoãn hôïp ñöôïc ñun soâi ñeán nhieät ñoä soâi . Sau ñoù, hoãn hôïp ñöôïc ñöa vaøo thaùp chöng caát (8) 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 (15) 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 nöôùc chieám nhieàu nhaát ( coù noàng ñoä 69% theo mol ). Hôi naøy ñi vaøo thieát bò ngöng tuï (9) vaø ñöôïc ngöng tuï hoaøn toaøn. Moät phaàn chaát loûng sau khi ngöng ñi qua thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh (10), ñöôïc laøm nguoäi ñeán 35 0C , roài ñöôïc ñöa qua boàn chöùa saûn phaåm ñænh (12). Phaàn coøn laïi cuûa chaát loûng ngöng ñöôïc hoài löu veà thaùp ôû ñóa treân cuøng vôùi tyû soá hoaøn löu thích hôïp. Moät phaàn caáu töû coù nhieät 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 ( butanol). Hoãn hôïp loûng ôû ñaùy coù noàng ñoä butanol laø 95% theo mol, coøn laïi laø nöôùc. Dung dòch loûng ôû ñaùy ñi ra khoûi thaùp, moät phaàn döôïc ñun, boác hôi ôû noài ñun (15) cung caáp laïi cho thaùp ñeå tieáp tuïc laøm vieäc, phaàn coøn laïi ñöôïc ñöa qua thieát bò laøm nguoäi ñeán nhieät ñoä 350C. Heä thoáng laøm vieäc lieân tuïc cho ra saûn phaåm ñaùy laø Butanol, saûn phaåm ñænh sau khi laøm nguoäi ñöôïc tích tröõ laïi vì noàng ñoä cuûa butanol ôû saûn phaåm ñænh laø coøn cao neân giöõ laïi ñeå coù theå tieáp tuïc taùch butanol ra khoûi nöôùc. CHÖÔNG 2 CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT CAÂN BAÈNG NAÊNG LÖÔÏNG CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT: Caùc soá lieäu ban ñaàu : Naêng suaát nguyeân lieäu : 2000 ( lít/h ) Saûn phaåm ñaùy coù noàng ñoä butanol : 95% theo mol ( xW = 0.05 (phaàn mol nöôùc) Nhaäp lieäu coù noàng ñoä butanol : 80% theo mol ( xF = 0.2 (phaàn mol nöôùc Tæ leä thu hoài röôïu : ( = 91%. 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 ) GF : khoái löôïng nhaäp lieäu ban ñaàu (kg/h) GD : khoái löôïng saûn phaåm ñænh (kg/h) GW : khoái löôïng saûn phaåm ñaùy (kg/h) xF : noàng ñoä mol nöôùc trong nhaäp lieäu xD : noàng ñoä mol nöôùc trong saûn phaåm ñænh
xW : noàng ñoä mol nöôùc 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 ) W*(1 – xW) = F*(1 - xF)*( Khoái löôïng rieâng trung bình nhaäp lieäu: tF = 28(C ( (n = 996.18 (kg/m3) (r = 804 (kg/m3) (
(*) Chuyeån töø phaàn khoái löôïng sang phaàn mol:.
=
=
= 0.0573(phaàn kl nöôùc )
=
=
= 0.0126 (phaàn kl nöôùc) Tính Mtb : Mtb
= xF * Mn + (1- xF ) * Mr = 0.2 * 18 + (1 – 0.2 ) * 74 = 62.8 ( Kg/Kmol) MtbW = xW * Mn + (1- xW ) * Mr = 0.05* 18 + (1 – 0.05) * 74 = 71.2 ( Kg/Kmol) Khoái löôïng nhaäp lieäu : Töø (*) (
( (tbF = 812.99 (kg/m3) GF = (tbF . V = 812.99*2000*10^(-3) = 1625.97 (kg/h) F =
=
= 25.89 (Kmol/h) ( 1 ) vaø ( 2 ) ta coù heä phöông trình :
(
(
Khoái löôïng rieâng trung bình saûn phaåm ñænh: MtbD = xD*Mn + (1 – xD)*Mr = 0.69*18 + (1 – 0.69)*74 = 35.36 (kg/kmol)
=
=
= 0.3512 (phaàn kl nöôùc)
Ñoà thò caân baèng Butanol – 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 ( Butanol – nöôùc ): x  3.9  5.5  25.7  29.2  49.6  55.2  57.1  97.5  98.8  98.6  99.2  99.4  99.7  99.8   y  26.7  32.3  62.9  65.5  73.6  75.0  74.8  75.2  75.8  78.4  84.3  88.4  92.9  95.1   t  111.5  109.6  97.9  96.7  93.5  92.9  92.9  92.7  92.8  93.4  95.4  96.8  98.3  97.4  
Xaùc ñònh chæ soá hoài löu thích hôïp : Chæ soá hoài löu toái thieåu : Do nhaäp lieäu ôû traïng thaùi loûng baõo hoøa, neân Rmin ñöôïc xaùc ñònh nhö sau: Rmin =
xF = 0.20 ( y
= 0.5748 ( Xaùc ñònh töø ñöôøng caân baèng ) xD = 0.69 ( Rmin = 0.307 Chæ soá hoài löu thích hôïp : AÙp duïng coâng thöùc (IX.25b), [ 5 ] R = 1.3*Rmin + 0.3 = 1.3*0.307 + 0.3 = 0.699 Veõ ñöôøng laøm vieäc : Phöông trình ñöôøng laøm vieäc laøm caát : y =
x +
= 0.411*x + 0.406 Phöông trình ñöôøng laøm vieäc phaàn chöng: y =
x -
xW Suaát löôïng mol töông ñoái cuûa doøng nhaäp lieäu:
= 4.267 ( y = 2.293*x – 0.0961 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 = 0.2 keû caùc ñöôøng laøm vieäc cuûa phaàn caát vaø phaàn chöng treân cuøng ñoà thò ñöôïc soá baäc thang laø 4 , töông öùng vôùi soá maâm lyù thuyeát laø 4 ( keå caû noài ñun ) Xaùc ñònh hieäu suaát trung bình cuûa thaùp (tb : (tb = f ( ( , ( ) ( =

: 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 ( : tra theo nhieät ñoä (tb = ((1 + (2 + (3) / 3 (1 , (2 , (3 : laàn löôït laø hieäu suaát ôû maâm ñænh(1), maâm nhaäp lieäu (2) vaø maâm treân noài ñun (3). 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 (1) : x1 = 0.4386 y1 = 0.7166 t1 = 94.170C Vò trí maâm (2) : x2 = 0.2119 y2 = 0.5874 t2 = 99.640C Vò trí maâm (3) : x3 = 0.1376 y3 = 0.4948 t3 = 103.210C Xaùc ñònh ñoä nhôùt, ñoä bay hôi töông ñoái, hieäu suaát taïi caùc vò trí : Vò trí maâm (1) : t1 = 94.170C ( (nöôùc = 0.29999 * 10-3 Ns/m2 (butanol = 0.599 * 10-3 Ns/m2 (Tra baûng I.102 vaø I.101, trang 91, [5]) ( lg (hh = x1* lg (nöôùc + ( 1 – x1 ) * lg (butanol ( (hh = 0.442*10-3 Ns/m2 ( = 3.237 (*( = 1.431*10-3 ( (1 = 0.45 ( Hình IX.11- Soå tay taäp 2 ) Vò trí maâm (2) : tF = 99.640C ( (nöôùc = 0.283 * 10-3 Ns/m2 (acetone = 0.536 * 10-3 Ns/m2 (Tra baûng I.102 vaø I.101, trang 91, [5]) ( lg (hh = x2 * lg (nöôùc + ( 1 – x2 ) * lg (butanol ( (hh = 0.468 * 10-3 Ns/m2 ( = 5.295 (*( = 2.478 * 10-3 ( (2 = 0.39 ( Hình IX.11- Soå tay taäp 2 ) Vò trí maâm (3) : tW = 103.210C ( (nöôùc = 0.275 * 10-3 Ns/m2 (acetone = 0.5099 * 10-3 Ns/m2 (Tra baûng I.102 vaø I.101, trang 91, [5]) ( lg (hh = x3 * lg (nöôùc + ( 1 – x3 ) * lg (butanol ( (hh = 0.468 * 10-3 Ns/m2 ( = 6.138 (*( = 2.873 * 10-3 ( (3 = 0.36 ( Hình IX.11- Soå tay taäp 2 )
( (hh = ( (1 + (2 + (3 )/3 = ( 0.45 + 0.39 + 0.36 )/3 = 0.4 ( Ntt =
= 10 ( maâm ) ( Soá maâm thöïc teá cho phaàn caát : 5 Soá maâm thöïc teá cho phaàn chöng : 5 Vaø nhaäp lieäu ôû maâm soá : 10 2. CAÂN BAÈNG NAÊNG LÖÔÏNG: Caân baèng nhieät löôïng cho toaøn thaùp chöng caát: Phöông trình caân baèng naêng löôïng : Qñ + GFhFS = (R+1) GDrD + GDhDS + GWhWS + Qm Giaû söû Qm = 0,05Qñ ( 0,95Qñ = (R+1) GDrD + GD(hDS – hFS) + GW(hWS – hFS) ( hFS = cF.tFS = [
]tFS ( hWS = cW.tWS = [
]tWS ( hDS = cD.tDS = [
]tDS ( rD =
Vôùi xF = 0.2 ( tFS = 100.14oC xW = 0.05 ( tWS = 110.16oC xD = 0.69 ( tDS = 93.59oC Nhieät dung rieâng: Tra baûng 1.249, trang 310, [5] ( Nhieät dung rieâng cuûa nöôùc ôû 100.14oC = 4.220 (kJ/kg.K) ( Nhieät dung rieâng cuûa nöôùc ôû 110.16oC = 4.233 (kJ/kg.K) ( Nhieät dung rieâng cuûa nöôùc ôû 93.59oC = 4.214 (kJ/kg.K) Tra baûng 1.154, trang 172, [5] ( Nhieät dung rieâng cuûa butanol ôû 100.14oC = 3.215 (kJ/kg.K) ( Nhieät dung rieâng cuûa butanol ôû 110.16oC = 3.314 (kJ/kg.K) ( Nhieät dung rieâng cuûa butanol ôû 93.59oC = 3.1396 (kJ/kg.K) Enthalpy: ( hFS = (0.0573*4220 + 0.9427* 3215)* 100.14 = 319.221 (kJ/kg) ( hWS = (0.0126*4233 + 0.9874*3.314)* 110.16 = 366.346 (kJ/kg) ( hDS = (0.3512*4214 + 0.6488*3.1396)*93.59 = 329.149 (kJ/kg) Nhieät hoùa hôi: Tra baûng 1.250, trang 312, [5] ( Nhieät hoùa hôi cuûa nöôùc ôû 93.59oC = rN = 2282.98 (kJ/kg) Duøng toaùn ñoà 1.65, trang 255, [5] ( Nhieät hoùa hôi cuûa butanol ôû 93.59oC = rR = 617.835 (kJ/kg) Tra baûng 1.251, trang 314, [5] ( Nhieät hoùa hôi cuûa nöôùc ôû 2,5 at =
= 2189,5 (kJ/kg) Neân: rD = 0.3512*2282.98 + 0.6488*617.835 = 1202.634 (kJ/kg) Tính löôïng hôi nöôùc caàn duøng: Nhieät löôïng caàn cung caáp: Qñ =
= 531201 (kJ/h) Neáu duøng hôi nöôùc baõo hoøa (khoâng chöùa aåm) ñeå caáp nhieät thì: Qñ =
.
Vaäy:
= 242.613 (kg/h) Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò ngöng tuï : Ngöng tuï hoài löu hoaøn toaøn: GD*rD*(R + 1) = GN*(hR – hV) GN =
Choïn nhieät ñoä vaøo, ra cuûa nöôùc laøm laïnh tV = 28 oC , tR = 40 0C (
xD = 0.69 ( tD (hôi) = 93.59 0C Aån nhieät hoùa hôi rD = 1202.634*103 ( J/kg) Suy ra löôïng nöôùc laïnh caàn tieâu toán GN = 8691.3 (kg/h) = 2.414 ( kg/s) 2.3. Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh : Phöông trình caân baèng naêng löôïng :
Nhieät ñoä vaøo cuûa saûn phaåm ñænh tDS = 93.59 0C Nhieät ñoä ra cuûa saûn phaåm ñænh tDR = 35 0C Nöôùc laøm nguoäi coù nhieät ñoä vaøo, ra laø : tV = 28 0C, tR = 40 0C Enthalpy của nước vaøo, ra laø: hV = 117.34 kJ/kg ; hR = 167.5 kJ/kg Enthalpy của sản phẩm đỉnh trước khi laøm nguội hDS = 329.149 kJ/kg Enthalpy của sản phẩm đỉnh sau khi laøm nguội
ÔÛ tDR = 35 0C CN = 4178 ( J/kg.ñoä ) CR = 2486.5 (J/Kg.ñoä ) ( hDR = 107.82 ( J/kg.ñoä ) Suy ra löôïng nöôùc caàn duøng : GN =
= 941.45 (kg/h) Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy : Phöông trình caân baèng nhieät löôïng :
tWS = 110.16 0C tWR = 35 0C Enthalpy cuûa saûn phaåm ñaùy ôû nhieät ñoä 110.160C laø hWS = 366.346 (kJ/kg) Enthalpy cuûa saûn phaåm ñaùy ôû nhieät ñoä 350C
( hWR = 87.774 (kJ/kg) Enthalpy cuûa nöôùc ôû nhieät ñoä 280C laø hV = 117.34 (kJ/kg) Enthalpy cuûa nöôùc ôû nhieät ñoä 400C la2 hR = 167.5 (kJ/kg) Suy ra löôïng nöôùc caàn duøng laøm nguoäi: GN =
= 7845.17 (kg/h) Caân baèng nhieät löôïng cho thieát bò ñun soâi doøng nhaäp lieäu: Phöông trình caân baèng nhieät löôïng:
Doøng nhaäp lieäu coù nhieät ñoä vaøo tFV = 280C ; nhieät ñoä ra tFS = 100.140C Enthalpy cuûa doøng nhaäp lieäu ôû 280C laø
= 70.359 (kJ/kg) Enthalpy cuûa doøng nhaäp lieäu ôû 100.140C laø hFS = 319.221 (kJ/kg) Söû duïng hôi ñoát laø hôi nöôùc ôû 2.5 at ( nhieät hoùa hôi cuûa nöôùc ôû 2.5 at laø rh =2189.5 (kJ/kg) Coi maát maùt nhieät Qm = 0.05*Gh *rh Suy ra löôïng hôi ñoát caàn duøng laø Gh =
= 194.54 (kg/h) CHÖÔNG 3 TÍNH TOAÙN THAÙP CHÖNG CAÁT KÍCH THÖÔÙC THAÙP: Ñöôøng kính thaùp ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc sau : D = 0.0188
(Coâng thöùc (IX.90), trang 181, [6]) Trong ñoù g
: löôïng hôi trung bình ñi trong thaùp ( Kg/h ) ((tb * (y )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 . Ñöôøng kính ñoaïn caát : Noàng ñoä trung bình cuûa pha loûng : x’m = ( xF + xD )/2 = (0.2 + 0.69)/2 = 0.445 Noàng ñoä trung bình cuûa pha hôi theo phöông trình ñöôøng laøm vieäc : y’m = 0.411* x’m + 0.406 = 0.411 * 0.445 + 0.406 = 0.589 Nhieät ñoä trung bình cuûa pha hôi, pha loûng töø giaõn ñoà t-x,y: x’m = 0.445 ( t’x = 94.1 OC y’m = 0.589 ( t’y = 99.66 OC Khoái löôïng mol trung bình vaø khoái löôïng rieâng pha hôi : M’m = y’m * Mnöôùc + ( 1 – y’m ) * Mbutanol = 0.589 * 18 + ( 1 – 0.589 ) * 74 = 41.016 ( kg/ kmol ) (’y =
=
= 1.341 ( kg/m3 ) Khoái löôïng rieâng pha loûng : x’m = 0.445 (
’m =
= 0.1632 ( phaàn khoái löôïng ) t’x = 94.1 OC ( (’butanol = 755.43 ( kg/m3 ) (’nöôùc = 962.43 ( kg/m3 ) ( Tra baûng I.2, trang 9, [5] ) (
=
+
=
+
= 1.2773 * 10-3 ( (’x = 782.9 (kg/m3 ) Löôïng hôi trung bình ñi trong ñoaïn luyeän : (tb = ( gñ + g1 )/2 ( kg/h ) gñ : löôïng hôi ra khoûi ñóa treân cuøng gñ = GR + GD = GD*( R + 1) (Coâng thöùc (IX.92), trang 181, [6]) = GD*( R +1 ) = 213.36*( 0.699 + 1) = 362.499 ( kg/h ) g1 : löôïng hôi ñi vaøo ñóa döôùi cuøng cuûa ñoaïn caát g1 = G1 + GD = G1 + 362.499 (kg/h ) Löôïng hôi g1, haøm löôïng y
, löôïng loûng G1 ñöôïc xaùc ñònh theo heä phöông trình sau :
(
) (Coâng thöùc (IX.93-95), trang 182, [6]) r1 = rnöôùc *
+ ( 1 -
) * rbutanol rñ = rnöôùc *
+ ( 1 -
) * rbutanol Taïi vò trí nhaäp lieäu : Tra baûng I.212, trang 254, [5] tF = 100.14 OC ( rR = rbutanol = 610.95 ( kJ/kg ) rN = rnöôùc = 2259.96 ( kJ/ kg ) ( r1 = 610.95 + 1649.01 *
Taïi vò trí ñænh thaùp : Tra baûng I.212, trang 254, [5] tD = 93.59 OC ( rR = rbutanol = 617.83 ( kJ/kg ) rN = rnöôùc = 2282.98 ( kJ/ kg) yD = 0.7323 ( phaàn mol ) (
= 0.3995 ( phaàn khoái löôïng ) rñ = rnöôùc *
+ ( 1 -
) rbutanol = 1283.06 ( kJ/ kg ) ( g1 * r1 = gñ * rñ = 465108 (
(
( gtb = ( g1 + gñ ) /2 = ( 512.74 + 362.499 )/2 = 437.62 ( g/h) Vaän toác hôi ñi trong thaùp : AÙp duïng coâng thöùc (IX.105), trang 184, [6] ( (y * (y )tb = 0.065 * ([(] *
(kg/m2*s ) (x
: khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha loûng: (’x = 782.9 ( kg/m3 ) (y
: khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi: (’y = 1.341( kg/ m3) h : khoaûng caùch maâm ( m ), choïn h = 0.25 ([(] : heä soá tính ñeán söùc caêng beà maët
=
+
Tra ôû baûng I.242, trang 300, [5] ôû 93.590C = (
+
) ( (hh = 14.113 < 20 dyn/cm Neân theo [6], trang 184: ([(] = 0.8 ( ( (y * (y )tb = 0.065 * 0.8 *
= 0.842 (Kg/m2*s ) ( Ñöôøng kính ñoaïn caát : Dcaát = 0.0188 *
= 0.429 ( m ) Choïn Dcaát theo tieâu chuaån : 0.5 ( m) Ñöôøng kính ñoaïn chöng: Noàng ñoä trung bình cuûa pha loûng : x”m = ( xF + xW )/2 = (0.2 + 0.05 )/2 = 0.125 Noàng ñoä trung bình cuûa pha hôi theo phöông trình ñöôøng laøm vieäc : y”m = 2.923 * x”m - 0.0961 = 2.923 * 0.125 – 0.0961 = 0.269 Nhieät ñoä trung bình cuûa pha hôi, pha loûng töø giaõn ñoà t-x,y: x”m = 0.125 ( t”x = 103.96 OC y”m = 0.269 ( t”y = 111.44 OC Khoái löôïng mol trung bình vaø khoái löôïng rieâng pha hôi : M”m = y”m * Mnöôùc + ( 1 – y”m ) * Mbutanol = 0.269 * 18 + ( 1 – 0.269 ) * 74 = 58.936 ( kg/ kmol ) (”y =
=
= 1.868 ( Kg/m3 ) Khoái löôïng rieâng pha loûng : x”m = 0.125 (
”m = 0.0336 ( phaàn khoái löôïng ) t”x = 103.96 OC ( (”butanol = 747.832 ( Kg/m3 ) (”nöôùc = 955.47 ( Kg/m3 ) ( Tra baûng I.2, trang 9, [5] ) (
=
+
=
+
( (”x = 753.33 (kg/m3 ) Löôïng hôi trung bình ñi trong ñoaïn chöng : g’tb = ( g’n + g’1 )/2 ( Kg/h ) (Coâng thöùc (IX.96), trang 182, [6]) 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 :
(Coâng thöùc (IX.98-100), trang 182, [6]) Vôùi
= 1412.61 ( kg/h )
= 0.0126 xW = 0.05 ( töø ñöôøng caân baèng yW = 0.3071 ( phaàn mol ) (
= 0.0973 ( phaàn khoái löôïng ) gi * r1 = 465108 r’1 = rN *
+ ( 1 -
) rR Taïi ñaùy thaùp : Tra baûng I.212, trang 254, [5] tW = 110.16 OC ( rN = 598.37 ( kJ/kg ) rR = 2228.50 ( kJ/kg ) ( r’1 = 756.98 ( kJ/kg ) (
Löôïng hôi trung bình ñi trong ñoaïn chöng : g’tb = ( g1 + g’1 )/2 = ( 512.74 + 614.43 ) /2 = 563.59 ( Kg/h) Vaän toác hôi ñi trong thaùp : AÙp duïng coâng thöùc (IX.105), trang 184, [6] ( (y * (y )tb = 0.065 * ([(] *
(Kg/m2*s ) (x
: khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha loûng = (”x = 753.33 (Kg/m3) (y
: khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi = (”y = 1.868 ( Kg/ m3 ) h : khoaûng caùch maâm ( m ), choïn h = 0.3 ([(] : heä soá tính ñeán söùc caêng beà maët
=
+
Tra ôû baûng I.242, trang 300, [5] ôû nhieät ñoä t”y = 111.44O C = (
+
) ( (hh = 13.83 < 20 dyn/cm Neân theo [6], trang 184: ([(] = 0.8 ( ( (y * (y )tb = 0.065 * 0.8 *
= 0.975 (Kg/m2*s ) ( Ñöôøng kính ñoaïn chöng : Dchöng = 0.0188 *
= 0.452 ( m ) Choïn Dchöng theo tieâu chuaån = 0.5 ( m) Do ñoù choïn Dthaùp = 0.5 ( m ) Chieàu cao thaùp : Soá maâm thöïc teá cuûa toaøn thaùp: ntt = nttL + nttC = 5 + 5 = 10 Chieàu cao thaân thaùp: Hthaân = (ntt –1)*(h + 1 = (10 – 1)*0.25 + 1 = 3.25 (m) Choïn ñaùy (naép) ellip tieâu chuaån coù
= 0,25 ( ht = 0.25*0.5 = 0,125 (m) Choïn chieàu cao gôø: hg = 25mm = 0,025 (m) Chieàu cao ñaùy (naép): Hñn = ht+ hg = 0,15 (m) Keát luaän: Chieàu cao toaøn thaùp: H = Hthaân + 2Hñn = 3.25 + 2*0,15 = 3.55 (m) TÍNH TOAÙN CHOÙP VAØ OÁNG CHAÛY CHUYEÀN: Choïn ñöôøng kính oáng hôi dh = 40 ( mm ) = 0.040 ( m ) Soá choùp phaân boá treân ñóa : N = 0.1 *
= 0.1 *
= 16 ( choùp ) Coâng thöùc (IX.212), trang 236, [6]) ( D : ñöôøng kính trong cuûa thaùp ) Chieàu cao choùp phía treân oáng daãn hôi : h2 = 0.25 * dh = 0.01 ( m ) Coâng thöùc (IX.213), trang 236, [6]) Ñöôøng kính choùp: dch =
Coâng thöùc (IX.214), trang 236, [6]) (ch : chieàu daøy choùp, choïn baèng 2 ( mm ) ( dch =
= 59.46 ( mm ) Choïn dch = 60 (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 = 25 ( mm ) Tieát dieän thaùp : F = ( * D2/4 = 3.1416 * 0.52/4 =0.1963 ( m2 ) Böôùc toái thieåu cuûa choùp treân maâm : tmin = dch + 2*(ch + l2 l2 : khoûang caùch nhoû nhaát giöõa caùc choùp l2 = 12.5 + 0.25*dch = 12.5 + 0.25*60 = 27.5 (mm) choïn l2 = 35 (mm) ( tmin =60 + 2*2 + 35 = 99 (mm) Tính cho phaàn caát : Chieàu cao khe choùp : b = (( * (2y * (y)/ (g * (x ) (Coâng thöùc (IX.215), trang 236, [6]) ( : heä soá trôû löïc cuûa ñóa choùp ( = 1.5 (2 , choïn ( = 2 (y = ( 4* V’y )/ ( 3600 * ( * d2h * n ) V’y : löu löôïng hôi ñi trong thaùp V’y = gtb / (ytb = 437.62/1.341 = 362.34 ( m3/h) ( (y = ( 4* 362.34) / ( 3600 * ( * 0.0402 * 16 ) = 4.509 ( m/s) ( b = ( 2 * 4.5092 * 1.341 ) / ( 9.81 * 782.9 ) = 7.1 * 10-3 ( 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 = (/c * ( dch –
) (Coâng thöùc (IX.216), trang 236, [6]) c = 3 ( 4 mm ( khoaûng caùch giöõa caùc khe ) , choïn c = 3 ( mm ) ( i = 3.1416/3 * ( 60 -
) = 41.9 ( khe ) Choïn i = 42 ( khe ) Ñöôøng kính oáng chaûy chuyeàn:
(Coâng thöùc (IX.217), trang 236, [6]) Gx : löu löôïng loûng trung bình ñi trong thaùp ( kg/h ) Gx =
* ( G1 + GF ) =
* (299.38 + 1625.97 ) = 962.98 ( g/h) z : soá oáng chaûy chuyeàn , choïn z = 1 (c : toác ñoä chaát loûng trong oáng chaûy chuyeàn , (c = 0.1 ( 0.2 ( m/s ) Choïn (c = 0.1 ( m/s ) (x = 782.9 ( Kg/m3 ) (
= 0.0659 (mm) Choïn dc = 65 mm Tính cho phaàn chöng : Chieàu cao khe choùp : b = (( * (2y * (y)/ (g * (x ) ( : heä soá trôû löïc cuûa ñóa choùp ( = 1.5 ( 2 , choïn ( = 2 (y = ( 4* V’’y )/ ( 3600 * ( * d2h * n ) V’’y : löu löôïng hôi ñi trong thaùp V’’y = g’tb / (’ytb = 563.59 / 1.868 = 301.71 ( m3/h) ( (y = ( 4* 301.71) / (3600 * 3.1416 * 0.0402 * 16 ) = 4.1683 ( m/s) ( b = ( 2 * 4.16832 * 1.868 ) / ( 9.81 * 753.33 ) = 8.78*10-3 ( 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 = (/c * ( dch –
) c = 3 : 4 mm ( khoaûng caùch giöõa caùc khe ) , choïn c = 3 ( mm ) ( i = 3.1416/3 * ( 60 -
) = 41.9 ( khe ) Choïn i= 42 ( khe ) G’x : löu löôïng loûng trung bình ñi trong thaùp ( Kg/h ) G’x =
* ( G’1 + GF ) =
* ( 2027.04 + 1625.97 ) = 1826.51 ( Kg/h) z : soá oáng chaûy chuyeàn , choïn z = 1 (c : toác ñoä chaát loûng trong oáng chaûy chuyeàn , (c = 0.1 ( 0.2 ( m/s ) Choïn (c = 0.1 ( m/s ) (x = 753.33 ( Kg/m3 ) (
= 0.0926 (mm) Choïn dc = 90 mm (c : beà daøy oáng chaûy chuyeàn, choïn (c = 2 ( mm ) Chieàu cao lôùp chaát loûng treân maâm : hm = h1 + S + hsr + b = 25 + 12.5 + 5 + 20 = 62.5 (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= (*
/4 = 3.1416*0.0402 /4 = 1.26*10-3 (m2) Tieát dieän hình vaønh khaên : Saj = S2 = (*( d2ch,t - d2h,n )/4 = 3.1416*(0.062 - 0.0442) = 1.31*10-3 (m2 ) Toång dieän tích caùc khe choùp : S3 = i.a.b = 42*0.002*0.02 =1.68*10-3 (m2) Tieát dieän loã môû treân oáng hôi : S4 = ( .dhôi.h2 = 3.1416 * 0.040*0.01 = 1.26*10-3 (m2) Neân ta coù S1 ( S2 ( S3 ( S4 ( hôïp lyù ) Loã thaùo loûng : Tieát dieän caét ngang cuûa thaùp F = 0.1963 m2 Cöù 1 m2 choïn 4 cm2 loã thaùo loûng . Do ñoù toång dieän tích loã thaùo loûng treân moät maâm laø:0.1963 *4 /1 = 0.7852 cm2 Choïn ñöôøng kính loã thaùo loûng laø 5mm = 0.5cm Neân soá loã thaùo loûng caàn thieát treân moät maâm laø :
= 4 loã ** Kieåm tra khoaûng caùch giöõa caùc maâm : hmin = 23300*
(y , (x : khoái löôïng rieâng trung bình cuûa pha hôi, pha loûng (y = (('y+ ("y)/2 = 1.6045 ( kg/m3) (x = (('x+ ("x)/2 = 768.12 (kg/m3) (y : vaän toác hôi trung bình ñi trong thaùp (y =
= 0.575 (m/s) hmin = 23300*
= 0.068 (m) < 0.25 (m) Vaäy khoaûng caùch giöõa hai maâm laø 0.25 m laø hôïp lyù. Ñoä môû loã choùp hs : hs = 7.55*
(Coâng thöùc (5.2), trang 108, [2]) Hs = hso = b = 20 (mm) VG = ( V’y + V’’y) /2 = 0.087 (m3/s) Ss = n * S3= 16*1.68*10-3 = 0.02688 (m2) hs = 7.55*
= 15.6 (mm) Neân ta coù
( 1 : khaù hôïp lyù Chieàu cao möïc chaát loûng treân gôø chaûy traøn : hwo = 2.84 * E*
(Coâng thöùc (5.3), trang 110, [2]) Vôùi E : heä soá hieäu chænh cho gôø chaûy traøn , phuï thuoäc vaøo 2 giaù trò : X,
X = 0.226*
Trong ñoù : QL :löu löôïng pha loûng trung bình trong thaùp ñöôïc tính nhö sau : + Löu löôïng chaát loûng trong phaàn caát cuûa thaùp :
+ Löu löôïng chaát loûng trong phaàn chöng cuûa thaùp :

= 6.54*10-4 (m3) + Löu löôïng chaát loûng trung bình trong thaùp : QL = ( Q'L + Q"L) /2 = 3.58*10-4 ( m3/s) = 1.289 ( m3/h) Lw : chieàu daøi gôø chaûy traøn = 0.5*D = 0.25 (m)
=0.5 Tra hình 5.9, trang 186, [2] ( E = 1.1425 Do ñoù how = 2.84 * 1.1425 *
Gradient chieàu cao möïc chaát loûng treân maâm ( : ( = Cg * (' *nh (Coâng thöùc (5.5), trang 111, [2]) -Chieàu roäng trung bình cuûa maâm Bm : + Chieàu roäng cuûa oáng chaûy chuyeàn : dw = 0.1* D= 0.05 (m) + Dieän tích cuûa oáng chaûy chuyeàn Sd = 0.04*F = 7.85*10-3 (m2) Khoaûng caùch giöõa hai gôø chaûy traøn l = D - 2.dw= D ( 1 -2*0.1)=0.8D = 0.4 m + Dieän tích giöõa hai gôø chaûy traøn : A = F - 2*Sd = F(1 -2*0.04 ) = 0.92F = 0.181 (m2) Chieàu roäng trung bình : Bm =
= 0.45(m) Heä soá ñieàu chænh toác ñoä pha khí Cg phuï thuoäc hai giaù trò : + x = 1.34 *
+ 0.82* v*
= 0.82*0.444*1.2667 = 0.46 Vôùi v=
Tra ñoà thò hình 5.10, trang 111, [2]: Cg = 0.5 Giaù trò 4* (' tra töø hình 5.14a, trang 112, [2] vôùi: x = 3.84 hsc = 12.5 hm = 62.5 ñöôïc 4* (' = 3.75 hay (' = 0.9375 Soá haøng choùp nh = 3 Khi ñoù ( = 0.5 * 0.9375 * 3 = 1.41 (mm) Chieàu cao gôø chaûy traøn hw : Do hm = hw + how + 0.5( = Suy ra hw = hm - how - 0.5*( = 62.5 – 9.43 - 0.5*1.41 = 52.37 (mm) Kieåm tra söï oån ñònh cuûa maâm : ( < 0.5 ( hfv + hs ) Ñoä giaûm aùp do ma saùt vaø bieán ñoåi vaän toác pha khí thoåi qua choùp khi khoâng coù chaát loûng, hfv : hfv =274* K *
(Coâng thöùc (5.8), trang 115, [2]) Saj/Srj = S2/S1= 1.04 , neân theo hình 5.16 trang 83 Taäp 3 ñöôïc K= 0.62 Sr = n*Srj = 16*1.26*10-3 = 0.02016 (m2) Neân hfv = 274* 0.62 *
= 6.62(mm) Do ñoù 0.5*(hfv + hs ) = 0.5 * (6.62 + 15.6 ) = 11.11 > ( ( = 1.41 ) Vaäy maâm oån ñònh . Ñoä giaûm aùp cuûa pha khí qua moät maâm ht : Chieàu cao thuûy tónh lôùp chaát loûng treân loã choùp gôø chaûy traøn hss : hss = hw - (hsc + hsr + Hs ) = 52.37 - ( 12.5 + 5 +20 ) = 14.87 (mm) - Ñoä giaûm aùp cuûa pha khí qua moät maâm : ht = hfv + hs + hss + how + 0.5*( (Coâng thöùc (5.7), trang 114, [2]) = 6.62 + 15.6 + 14.87 + 9.43 + 0.5*3.75 = 48.4 (mm) Chieàu cao lôùp chaát loûng khoâng boït treân oáng chaûy chuyeàn : hd = hw + how + ( + h'd +ht (Coâng thöùc (5.9), trang 115, [2]) Toån thaát thuûy löïc do doøng loûng chaûy töø oáng chaûy chuyeàn vaøo maâm h'dñöôïc xaùc ñònh theo bieåu thöùc sau : h'd = 0.128*
, mmchaát loûng (Coâng thöùc (5.10), trang 115, [2]) Khoaûng caùch giöõa hai gôø chaûy traøn l = 0.8D = 0.8*500 = 400 <1500 neân khoaûng caùch giöõa meùp treân cuûa gôø chaûy traøn vaø meùp döôùi cuûa oáng chaûy chuyeàn ñöôïc choïn laø 12.5 mm Do ñoù khoaûng caùch giöõa meùp döôùi oáng chaûy chuyeàn vaø maâm : C = 52.37 - 12.5 = 39.87 (mm)=0.03987 (m) Neân tieát dieän giöõa oáng chaûy chuyeàn vaø maâm döôùi : Sd = 0.03987*Lw = 0.03987*0.25 = 9,97*10-3 ( m2) Vaø h'd = 0.128 *
= 0.214 Ta tính ñöôïc hd = 52.37 + 9.43 + 3.75 + 48.4 + 0.214 = 114.3(mm) ** Chieàu cao hd duøng ñeå kieåm tra maâm : Ñeå ñaûm baûo ñieàu kieän thaùp khoâng bò ngaäp luït khi hoaït ñoäng, ta coù : hd = 114.3 < 0.5*0.25 = 125 Chaát loûng chaûy vaøo oáng chaûy chuyeàn tc : dtw = 0.8*
(Coâng thöùc (5.12), trang 116, [2]) Khoaûng caùch rôi töï do trong oáng chaûy chuyeàn : ho = H + hw - hd = 250 + 52.37 -114.3 = 188.4 mm how = 9.43(mm) Suy ra dtw = 0.8*
(mm) - Ñaïi löôïng naøy ñeå kieåm tra chaát loûng chaûy vaøo thaùp coù ñeàu khoâng vaø chaát loûng khoâng va ñaäp vaøo thaønh : tyû soá
33.7/50 = 0.67 ( 0.6 Ñoä giaûm aùp toång coäng cuûa pha hôi giöõa thaùp : Ht = Nt * ht = 10*48.4*10-3 =0.484 mchaát loûng Vaäy oång trôû löïc toaøn thaùp : (P = (*g*Ht = 768.12 * 9.81*0.484 = 3647.1 N/m2 = 0.037 at TÍNH TRÔÛ LÖÏC THAÙP: Trôû löïc thaùp choùp ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc : (P = Ntt * (Pñ ( N/m2) Ntt : soá maâm thöïc cuûa thaùp (Pñ : toång trôû löïc qua moät maâm ÔÛ phaàn chöng vaø phaàn caát, trôû löïc qua caùc ñóa khoâng ñoàng ñeàu . Do ñoù ñeå chính xaùc , trôû löïc seõ ñöôïc tính rieâng cho töøng phaàn . Toång trôû löïc phaàn caát : Toång trôû löïc qua moät dóa : (Pñ = (Pk + (Ps +(Pt Trôû löïc ñóa khoâ (Pk : AÙp duïng coâng thöùc (IX.137), trang 192, [6]: (Pk = ( * (y* (20 ( N/m2) ( : heä soá trôû löïc ñó a khoâ, ( = 4.5 : 5 , choïn ( = 5 (y = (’y = 1.341 ( Kg/m3) (o : vaän toác hôi qua raõnh choùp ( m/s ) (o =
V’y : löu löôïng pha hôi trung bình ñi trong phaàn caát V’y = 326.34 (m3/h) = 0.091 (m3/s) ( (O =
= 3.39 (m/s) ( (Pk = 5*1.341* 3.392 /2 = 38.53 ( N/m2) Trôû löïc do söùc caêng beà maët : AÙp duïng coâng thöùc (IX.138), trang 192,[6]: (Ps =
( : söùc caêng beà maët trung bình cuûa hoãn hôïp ÔÛ t’x = 94.1 OC ( (butanol = 18.3*10-3 (N/m) (nöôùc = 60.0*10-3 (N/m) Tra baûng (I.242),trang 300, [5]
=
+
( (hh = 14.0*10-3 (N/m) dtd : ñöôøng kính töông ñöông cuûa khe raõnh : dtd =
=
fx : dieän tích tieát dieän töï do cuûa raõnh H : chu vi raõnh dtd = 4.2.20 / 2(2+20) = 3.64 ( mm ) = 3.64*10-3 (m) ( (Ps = 4.( / dtd = 4*14.0*10-3 / ( 3.6410-3 ) = 15.38 ( N/m2) Trôû löïc cuûa lôùp chaát loûng treân ñóa ( Trôû löïc thuûy tónh (Pt ): AÙp duïng coâng thöùc (IX.139), trang 194, [6]: (Pt = (b.g.( hb – hr /2) (N/m2) (b : khoái löôïng rieâng cuûa boït, thöôøng (b = ( 0.4 ( 0.6 ). (x Choïn (b = 0.5*(x = 0.5*782.9 ( Kg/m3) = 393.64 ( Kg/m3) hr : chieàu cao cuûa khe choùp (m), hr = b = 20 (mm) = 0.02 (m) hb : chieàu cao lôùp boït treân ñóa (m) AÙp duïng coâng thöùc (IX.110), trang 185, [6]: hb =
hc : chieàu cao ñoaïn oáng chaûy chuyeàn nhoâ leân treân ñóa hc = 52.37 (mm) = 0.05237 (m) hx : chieàu cao lôùp chaát loûng ( khoâng laãn boït ) treân ñóa hx = S + 0.5*b = 0.0125 + 0.5* 0.02 = 0.0225 (m) = 22.5 (mm) F : phaàn dieän tích beà maët ñóa coù gaén choùp ( nghóa laø tröø hai phaàn dieän tích ñóa ñeå boá trí oáng chaûy chuyeàn ) F = A = 0.181 (m2) f : toång dieän tích caùc choùp treân ñóa f = 0.785* dch2 *n = 0.785 * 0.062*16 = 0.0452 (m2) hch : chieàu cao cuûa choùp hch = hc + ( = 0.05237 + 0.00943 = 0.0618 (m) ( hb=
+
= 0.0744 (m) = 74.4 (mm) ( (Pt = 391.45 * 9.81 * ( 0.0744 – 0.02/2 ) = 247.32 (N/m2) Toång trôû löïc qua moät ñóa : (Pñ = (Pk + (Ps +(Pt = 38.5 + 15.38 + 247.32 = 301.2 (N/m2) Toång trôû löïc phaàn caát: (Pcaát = Ntt.caát * (Pñ.caát = 5* 301.2 = 1506 (N/m2) Toång trôû löïc phaàn chöng : Toång trôû löïc qua moät dóa : (Pñ = (Pk + (Ps +(Pt
Trôû löïc ñóa khoâ (Pk : AÙp duïng coâng thöùc (IX.137), trang 192, [6]: (Pk = ( * (”y* (20 ( N/m2) ( : heä soá trôû löïc ñó a khoâ, ( = 4.5 ( 5 , choïn ( = 5 (y = (”y = 1.868 ( Kg/m3) (o : vaän toác hôi qua raõnh choùp ( m/s ) (o =
V”y : löu löôïng pha hôi trung bình ñi trong phaàn chöng : V”y = 301.71 (m3/h) = 0.084 (m3/s) ( (O =
= 3.118 (m/s) ( (Pk = 5* 1.868 * 3.1182 /2 = 45.4 ( N/m2) Trôû löïc do söùc caêng beà maët : AÙp duïng coâng thöùc (IX.138), trang 192,[6]: (Ps =
( : söùc caêng beà maët trung bình cuûa hoãn hôïp ÔÛ t”x = 103.96 OC ( (butanol = 17.444*10-3 (N/m) (nöôùc = 58.074*10-3 (N/m) Tra baûng (I.242),trang 300, [5]
=
+
( (hh = 13.415*10-3 (N/m) dtd : ñöôøng kính töông ñöông cuûa khe raõnh : dtd =
=
fx : dieän tích tieát dieän töï do cuûa raõnh H : chu vi raõnh dtd = 4.2.20 / 2(2+20) = 3.64 ( mm ) = 3.64*10-3 (m) ( (Ps = 4.( / dtd = 4*13.415* 10-3 / ( 3.6410-3 ) = 14.74 ( N/m2) Trôû löïc cuûa lôùp chaát loûng treân ñóa ( Trôû löïc thuûy tónh (Pt ) AÙp duïng coâng thöùc (IX.139), trang 194, [6]: (Pt = (’b.g.( hb – hr /2) (N/m2) (’b : khoái löôïng rieâng cuûa boït, thöôøng (’b = ( 0.4 ( 0.6 ). (”x Choïn (’b = 0.5*(’’x = 0.5* 753.33 ( Kg/m3) = 376.67 ( Kg/m3) hr : chieàu cao cuûa khe choùp (m), hr = b = 20 (mm) = 0.02 (m) hb : chieàu cao lôùp boït treân ñóa (m) AÙp duïng coâng thöùc (IX.110), trang 185, [6]: hb =
( : chieàu cao cuûa chaát loûng treân oáng chaûy chuyeàn = (h = 9.43 (mm) = 0.00943 (m) hc : chieàu cao ñoaïn oáng chaûy chuyeàn nhoâ leân treân ñóa hc = 52.37 (mm) = 0.05237(m) hx : chieàu cao lôùp chaát loûng ( khoâng laãn boït ) treân ñóa hx = S + 0.5*b = 0.0125 + 0.5* 0.02 = 0.0225 (m) = 22.5 (mm) F : phaàn dieän tích beà maët ñóa coù gaén choùp ( nghóa laø tröø hai phaàn dieän tích ñóa ñeå boá trí oáng chaûy chuyeàn ) F = A = 0.181 (m2) f : toång dieän tích caùc choùp treân ñóa f = 0.785* dch2 *n = 0.785 * 0.062* 16 = 0.0452 (m2) hch : chieàu cao cuûa choùp hch = hc + ( = 0.05237 + 0.00943 = 0.0618 (m) hb=
+
= 0.0745 (m) = 74.5 (mm) ( (Pt = 376.67 * 9.81 * ( 0.0722 – 0.02/2 ) = 238.34 (N/m2) Toång trôû löïc qua moät ñóa : (Pñ = (Pk + (Ps +(Pt = 45.4 + 14.74 + 229.84 = 298.48 (N/m2) Toång trôû löïc phaàn chöng :