Thiết kế tháp chưng cất hệ acid axetic - Nước hoạt động liên tục với nâng suất 5m3-h có nồng độ 8% mol acid axetic
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (351.47 KB, 44 trang )
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
MỤC LỤC
trang
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 3
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU 4
III . CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID AXETIC– NƯỚC 6
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU 8
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM
ĐÁY 8
III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU THÍCH HỢP 9
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ
THUYẾT 9
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ 10
CHƯƠNG III :TÍNH TỐN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP 12
II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM 15
III . TÍNH TỐN CƠ KHÍ CỦA THÁP 19
CHƯƠNG IV : TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT
BỊ PHỤ
I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 27
II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ 38
III . TÍNH TỐN BƠM NHẬP LIỆU 39
CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ
I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ 45
II . KẾT LUẬN 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO
LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói
riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành hóa
chất cơ bản.
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
1
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly,
chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa
chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ acid axetic- Nước là 2 cấu tử tan lẫn hồn tồn,
ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho acid axetic.
Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ acid axetic - Nước hoạt động
liên tục với nâng suất nhập liệu : 5m
3
/h có nồng độ 8% mol acid axetic ,thu được sản
phẩm đỉnh có nồng độ 0.5% mol acid axetic với nồng độ dung dịch đáy acid axetic là
30%.
Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, các bạn sinh viên
đã giúp em hồn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hồn thành đồ án không thể
không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn.
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
2
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.
I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:
1 . Phương pháp chưng cất :
Chưng cất là qua ùtrình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử
riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở
cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó
vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc, chưng cất là quá
trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ
có dung môi bay hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được
bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản
phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ),
sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) .Đối với hệ acid
axetic - nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm nước và một ít acid axetic , ngược lại sản
phẩm đáy chủ yếu gồm acid axetic và một ít nước.
Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:
• Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao.
Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ
sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu
tử.
• Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên tục.
* Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các
trường hợp sau:
+ Khi nhiệt độ
sôi của các cấu tử khác xa nhau.
+ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
* Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được
thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn.
• Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường
được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước .
Vậy: đối với hệ acid axetic – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp
nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
3
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
2 . Thiết bị chưng cất:
Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu
cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này phụ thuộc vào độ phân
tán của lưu chất này vaò lưu chất kia .
Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường
được ứng dụng trong công nghiệp lọc hố dầu. Kích thước của tháp : đường kính tháp và
chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản
phẩm. Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.
• Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu
tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha
hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:
* Tháp mâm chóp : trên mâm có chóp dạng tròn hay một dạng khác,có rãnh xung
quanh để pha khí đi qua va ống chảy chuyền có hình tron
* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính 3-12mm được bố trí
trên các đỉnh tam giác,bước lổ bằng 2,5 đến 5 lần đường kính
• Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng
mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp
ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
• So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :
Tháp chêm. Tháp mâm xuyên lo.ã Tháp mâm
chóp.
Ưu
điểm:
Đơn giản.
Trở lực
thấp.
Hiệu suất tương đối
cao.
Hoạt động khá ổn định.
Làm việc với chất lỏng
bẩn.
Hiệu suất
cao.
Hoạt động ổn
định.
Nhược
điểm:
Hiệu suất
thấp
Thiết bị
nặng.
Độ ổn định
kém.
Trở lực khá cao.
Yêu cầu lắp đặt khắt
khe -> lắp đĩa thật phẳng
Cấu tạo phức
tạp.
Không làm
việc với chất lỏng
bẩn.
Trở lực lớn.
Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và tháp mâm
chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ.
Vậy: Chưng cất hệ acid axetic - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên
tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :
Nguyên liệu là hỗn hợp acid axetic - Nước.
1 . Acid acetic:
Axit acetic là chất lỏng không màu , có mùi thơm đặc trưng , vị chua . Khối lượng
riêng của axit acetic ở 20
o
C là 1,0498 kg/cm
3
,nhiệt độ sôi ở áp suất thường là 118
o
C ,
tan vô hạn trong nước.Dung dịch axít acetic 2-15% được dùng làm giấm. Nhân dân ta
thường làm giấm ăn bằng cách lên men nước mía, nước mật, chuối chín … Các chất
đường trong mía, chuối lên men thành rượu rồi thành giấm. Điều kiện thuận lợi cho sự
lên men giấm là nhiệt độ từ 25 đến 50
o
C và men giấm phải được tiếp xúc với không khí.
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
4
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
* Ứng dụng : Nó là nguyên liệu dùng để sản suất nhiều mặt hàng khác nhau và
được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng,
giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp.Từ đó ta có thể điều chế 1 số dược
phẩm, phẩm nhuộm, thuốc trừ cỏ, sợi nhân tao, chất dẻo, dung môi …
2 . Nước:
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị
nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:
Khối lượng phân tử : 18 g / mol
Khối lượng riêng d
4
0
c : 1 g / ml
Nhiệt độ nóng chảy : 0
0
C
Nhiệt độ sôi : 100
0
C
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển)
và rất cần thiết cho sự sống.
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hồ tan nhiều chất và là dung môi
rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
3 . Hỗn hợp Acid acetic – Nước:
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Acid acetic -
Nước ở 760 mmHg:
x(%phân
mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y(%phân
mol) 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100
t(oC) 118.4 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100
III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID ACETIC – NƯỚC:
* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Acid acetic – nước:
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
5
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1 . Bồn chứa nguyên liệu.
2 . Bơm.
3 . Bồn cao vị.
4 . Lưu lượng kế.
5 . Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.
6 . Thiết bị gia nhiệt nhập liệu.
7 . Bẩy hơi.
8 . Tháp chưng cất.
9 . Nhiệt kế.
10 . Aùp kế.
11 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
12 . Nồi đun.
13 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
14 . Bồn chứa sản phẩm đáy.
15 . Bộ phận phân dòng.
* Thuyết minh qui trình công nghệ:
Hỗn hợp acid acetic – nước nhiệt độ khoảng 28
0
C tại bình chứa nguyên liệu (1)
được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (5)
( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ). Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong
thiết bị gia nhiệt(6)ù, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống.
Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
6
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng
xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun
(12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi.Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các
đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh
tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất . Hơi này đi vào thiết bị
ngưng tụ (11) và được ngưng tụ hồn tồn. Một phần chất lỏng ngưng tụ được trao đổi
nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (5) rồi vào bồn chứa sản phẩm đỉnh (13). Phần
còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hồn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hồn lưu tối
ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao
trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết
là các cấu tử khó bay hơi acid acetic .
Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12). Trong nồi đun dung dịch lỏng
một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi
đun được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy .
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
• Năng suất nhập liệu:
(
x
=x
1
*M
1
/(x
1
*M
1
+(1-x
1
)*M
2
)=0.92*18/(0.92*18+0.08*60)=0.775
1/
antb
xx
ρρρ
/)1(/
−+=
=0.775/ +(1-0.775)/1039.6,
tb
ρ
=1005.17kg/m
3
)
G
F
=Q
F
*
tb
ρ
=5*1005.17=5025.86(kg/h).
• Nồng độ nhập liệu : 8% mol acid axetic (x
F
=0.92)
• Nồng độ sản phẩm đỉnh : 0.5% mol acid axetic( x
D
=0.995)
• Nồng độ sản phẩm đáy : 30% mol acid axetic.(x
W
=0.7)
• Khối lượng phân tử của acid axetic và nước : M
A
=60 kg/kmol , M
N
=18
kg/kmol .
• Chọn :
+ Nhiệt độ nhập liệu : t’
F
=28
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’
D
=35
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’
W
= 35
o
C .
+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi .
• Các kí hiệu :
+ G
F
, F : suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ G
D
, D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ G
W
,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ x
i
,
i
x
: phân mol , phân khối lượng của cấu tử i .
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN
PHẨM ĐÁY :
• Cân bằng vật chất cho tồn tháp : F = D + W (II.1)
• Cân bằng cấu tử : F.x
F
= D.x
D
+ W.x
W
(II.2)
Với : Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :
M
F
=
60).1(.18
FF
xx
−+
= 21.36 (Kg/Kmol).
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
7
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
F =
F
F
M
G
=
36.21
86.5025
=235.29 (Kmol/h)
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy :
M
W
=
60).1(.18
WW
xx
−+
= 30.6 (Kg/Kmol).
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh :
M
D
=
60).1(.18
DD
xx
−+
=18.21 (Kg/Kmol).
Giải 2 phương trình (II.1),(II.2)ta có :
D =175.47 (Kmol/h)
W = 59.819 (Kmol/h)
III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU THÍCH HỢP :
1 . Tỉ số hồn lưu tối thiểu:
Tỉ số hồn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô
cực .Do đó ,chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu ,nước và
bơm…) là tối thiểu .
R
min
=
x
y
y
x
F
F
F
D
−
−
*
*
=
92.0945.0
945.0995.0
−
−
=2
Tỉ số hồn lưu thích hợp:R
X
=1.3R
min
+0.3=2.9
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆCSỐ MÂM LÝ
THUYẾT:
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :
y =
1
.
1
.
+
+
+
R
x
x
R
R
D
=
19,2
995,0
.
19,2
9,2
+
+
+
x
=0,7436.x + 0.2551
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
y =
W
x
R
f
x
R
fR
.
1
1
.
1
+
−
+
+
+
=
7.0.
19,2
1341.1
.
19,2
341.19,2
+
−
+
+
+
x
= 1.087x + 0.0612
Với : f =
47.175
29.235
=
D
F
= 1.341 : chỉ số nhập liệu .
3 . Số mâm lý thuyết :
Đồ thị xác định số mâm lý thuyết
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
8
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
số mâm lý thuyết là N
lt
= 27mâm .20 mâm cất,6 mâm chưng,1 mâm nhập liệu
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :
tb
lt
tt
η
N
N
=
(st2/170)
trong đó: η
tb
: hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối
và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : η = f(α,µ).
N
tt
: số mâm thực tế.
N
lt
: số mâm lý thuyết.
• Xác định hiệu suất trung bình của tháp η
tb
:
+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi :
x
x1
y1
y
*
*
−
−
=
α
Với : x :phân mol của nước trong pha lỏng .
y
*
: phân mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
Lg
hh
=x
1
lg
+ x
2
lg
tài liệu [4(tập 1) – trang 84]
* Tại vị trí nhập liệu :
x
F
= 0.92 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
F
= 0.945
t
F
= 100.52
o
C
+
92.0
92.01
.
945.01
945.0
x
x1
y1
y
α
F
F
*
*
F
−
−
=
−
−
=
F
F
= 1.494
+ t
F
= 100.52
o
C ,
a
= 0.46.10
-3
Ns/m
2
;
n
=0.284.10
-3
Ns/m
2
(t2/91,92)
F
=0.443.10
-3
(N.s/m
2
) =0,443 (cP)
Suy ra :
F
.
F
= 1.494*0.443 =0.662
Tra tài liệu tham khảo [(tập 2) – trang 171] :
F
= 0.55
* Tại vị trí mâm đáy :
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
9
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
x
W
= 0.7 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
W
= 0.795
t
W
= 102.1
o
C
+
7.0
7.01
.
795.01
795.0
x
x1
y1
y
α
W
W
*
*
W
−
−
=
−
−
=
W
W
= 1.662
+ và t
W
=102.1
o
C,
a
= 0.46.10
-3
Ns/m
2
;
n
=0.284.10
-3
Ns/m
2
W
=0.443.10
-3
(N.s/m
2
) =0,443 (cP)
Suy ra :
W
.
W
= 1.662*0.443 = 0.736
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] :
W
= 0.53
*Tại vị trí mâm đỉnh :
x
D
= 0.995 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
D
= 0.997
t
D
= 100.22
o
C
+
995.0
995.01
.
997.01
997.0
x
x1
y1
y
α
D
D
*
*
D
−
−
=
−
−
=
D
D
= 1.67
+ t
D
= 100.22
o
C , ,
a
= 0.46.10
-3
Ns/m
2
;
n
=0.284.10
-3
Ns/m
2
D
=0.443.10
-3
(N.s/m
2
) =0,443 (cP)
Suy ra :
D
.
D
= 1.67*0.443 = 0.74
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] :
D
= 0.53
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :
tb
=
537.0
3
55.053.053.0
3
=
++
=
++
DWF
ηηη
• Số mâm thực tế của tháp N
tt
:
537.0
27
=
tt
N
=50.28 mâm
Vậy chọn N
tt
= 50 mâm 37 mâm cất,12 mâm chưng 1 mam nhập liệu
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
10
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
CHƯƠNG III :TÍNH TỐN –THIẾT KẾ THÁP
CHƯNG CẤT .
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(D
t
)
tbyy
tb
g
)ω.(
0188,0
ω.3600.π
4V
D
tb
tb
t
ρ
==
(m)(t2 tr181)
V
tb
:lượng hơi trung bình đi trong tháp (m
3
/h).
ω
tb
:tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h).
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó, đường
kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau .
1. Đường kính đoạn cất :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
2
1
gg
g
d
tb
+
=
(Kg/h)
g
d
: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h).
g
1
: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).
• Xác định g
d
: g
d
= D.(R+1) =175.47(2,9+1) = 684.333 (Kmol/h)
= 12404.22(Kg/h)
(Vì M
thD
=18.y
D
+(1-y
D
).60 = 18.126(Kg/Kmol).
• Xác định g
1
: Từ hệ phương trình :
=
+=
+=
dd
D
rgrg
xDxGyg
DGg
..
...
11
1111
11
(III.1)
Với : G
1
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất .
r
1
: ẩn nhiệt hố hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
r
d
: ẩn nhiệt hố hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính r
1
: t
1
= t
F
= 100.52
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có :
Aån nhiệt hố hơi của nước : r
N1
= 40512.96 (KJ/kmol) .
Aån nhiệt hố hơi của acid : r
a1
= 24195.24 (KJ/kmol) .
Suy ra : r
1
= r
N1
.y
1
+ (1-y
1
).r
a1
= 24195.24 + 16317.72y
1
(KJ/kmol)
* Tính r
d
: t
D
= 100.22
o
C , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có :
Aån nhiệt hố hơi của nước : r
Nd
= 40512.96 (KJ/kmol) .
Aån nhiệt hố hơi của acid : r
ad
= 24195.24(KJ/kmol) .
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
11
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
Suy ra : r
d
= r
Nd
.y
D
+ (1-y
D
).r
ad
=40512.96*0.997 + (1- 0.997)*24195.24
= 40464 (KJ/kmol)
* x
1
= x
F
= 0.92
Giải hệ (III.1) , ta được :
G
1
= 525.316 (Kmol/h)
y
1
= 0.939 (phân mol ) _ M
1
=20.1
g
1
= 700.786 (Kmol/h) = 14085.799(Kg/h)
Vậy : g
tb
=
2
22.12404799.14085
+
=13245.01(Kg/h)
b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :
ytb
xtb
gh
ρ
ρ
ω
.05,0
=
Với :
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m
3
) .
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
) .
• Xác định
ytb
:
( )
[ ]
( )
273.4,22
273.60.118.
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ
Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y
tb
=
2
1 D
yy
+
=
2
997.0939.0
+
=0.968
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : t
tb
=
2
DF
tt
+
=
2
22.10052.100
+
=100.37
o
C
Suy ra :
ytb
=0.631 (Kg/m
3
).
• Xác định
xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình : x
tb
=
2
DF
xx
+
=
2
099592.0
+
= 0.4577
Suy ra :
60).1(.18
.18
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
t
tb
= 100.37
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
a
=958kg/m
3
n
=958 kg/m
3
1/
antb
xx
ρρρ
/)1(/
−+=
xtb
= 958 (Kg/m
3
)
Suy ra :
631.0
958
.05,0
=
gh
ω
=1.948 (m/s)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
948.1.8,0.8,0
==
ghh
ωω
= 1.559 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
D
cất
=
631.0*559.1
01.13245
.0188,0
=2.181 (m).
2. Đường kính đoạn chưng :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
12
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
2
1
,,
,
gg
g
n
tb
+
=
(Kg/h)
g’
n
: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h).
g’
1
: lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h).
• Xác định g’
n
: g’
n
= g
1
=700.786 (Kmol/h) = 14085.799(Kg/h)
• Xác định g’
1
: Từ hệ phương trình :
==
+=
+=
1111
1
'
1
1
'
1
'
1
'
.'.''.'
..'.
rgrgrg
xWygxG
WgG
nn
WW
(III.2)
Với : G
’
1
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng .
r’
1
: ẩn nhiệt hố hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
* Tính r’
1
: x
W
=0.7 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : y
W
=0.795
Suy ra :M
tbg’
=18.y
W
+(1-y
W
).60=26.61 (Kg/kmol)
t’
1
= t
W
= 102.1
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
Aån nhiệt hố hơi của nước : r’
N1
= 40512.96 (KJ/kmol) .
Aån nhiệt hố hơi của rượu : r’
R1
=24195.24 (KJ/kmol) .
Suy ra : r’
1
= r’
N1
.y
W
+ (1-y
W
).r’
R1
= 37167.83 (KJ/kmol)
* Tính r
1
:
r
1
= r
N1
.y
1
+ (1-y
1
).r
a1
= 24195.24 + 16317.72y
1
=39517.579(KJ/kmol)
* W = 59.819 (Kmol/h)
Giải hệ (III.2) , ta được : x’
1
=0.788_ M
tbG’
=26.9
G
’
1
=804.91 (Kmol/h)
g’
1
= 745.09 (Kmol/h) = 20042.921(Kg/h)
Vậy : g’
tb
=
2
799.14085921.20042
+
=17064.36 (Kg/h)
b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :
ytb
xtb
gh
'
'
.05,0'
ρ
ρ
ω
=
Với : '
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m
3
) .
'
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
) .
• Xác định ’
ytb
:
( )
[ ]
( )
273'.4,22
273.60.'118.'
'
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ
Với: + Nồng độ phân mol trung bình :
y’
tb
=
2
1 W
yy
+
=
2
795.0939.0
+
=0.867
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng :t’
tb
=
2
WF
tt
+
=
2
1.10252.100
+
=101.31
o
C
Suy ra : ’
ytb
=0.768 (Kg/m
3
).
• Xác định ’
xtb
:
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
13
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
Nồng độ phân mol trung bình : x’
tb
=
2
WF
xx
+
=
2
7.092.0
+
=0.81
Suy ra :
60).'1('.18
'.18
'
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
=0.5612
t’
tb
= 101.31
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
Khối lượng riêng của nước : ’
N
= 958(Kg/m
3
)
Khối lượng riêng của rượu : ’
a
= 958(Kg/m
3
)
Suy ra :’
xtb
=
1
'
'1
'
'
−
−
+
N
tb
R
tb
xx
ρρ
=958 (Kg/m
3
)
Suy ra :
768,0
958
.05,0'
=
gh
ω
=1.766 (m/s)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
==
ghh
'.8,0'
ωω
0.8*1.766= 1.413 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
D
chưng
=
413.1*768.0
36.17064
.0188,0
=2.36 (m).
Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá lớn
nên ta chọn đường kính của tồn tháp là : D
t
= 2.2(m).
Khi đó tốc độ làm việc thực ở :
+ Phần cất : ω
lv
=
==
631.0.2.2
01.13245.0188,0
.
.0188,0
2
2
2
2
ytbt
tb
D
g
ρ
1.533(m/s).
+ Phần chưng :ω’
lv
=
==
768,0.2.2
36.17064.0188,0
'.
'.0188,0
2
2
2
2
ytbt
tb
D
g
ρ
1.623(m/s).
II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM :
1 . Cấu tạo mâm lỗ :
Chọn : + Đường kính lỗ : d
l
= 8 (mm).
+ Tổng diện tích lỗ bằng 10% diện tích mâm.
+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 3 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo tam giác
đều ).
+ Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 .
+ Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm .
Số lỗ trên 1 mâm :
N =
lo
mâm
S
%.10 S
=
2
2
008,0
2.2
.1.0.1.0
=
l
t
d
D
=7562.5 lỗ.
2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm :
Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng ) là tổng các độ giảm
áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng :
h
tl
= h
k
+ h
l
+ h
R
(mm.chất lỏng)
Với : + h
k
:độ giảm áp qua mâm khô (mm.chất lỏng).
+ h
l
: độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm.chất lỏng).
+h
R
: độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm.chất lỏng).
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
14
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
Trong tháp mâm xuyên lỗ ,gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆ là không
đáng kể nên có thể bỏ qua .
a . Độ giảm áp qua mâm khô :
Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất do
dòng chảy đột thu , đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ.
L
G
o
o
L
G
o
o
k
C
u
g
C
v
h
ρ
ρ
ρ
ρ
..0,51
..2
.
2
2
2
2
=
=
(mm.chất lỏng)
Với : + u
o
:vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s).
+
G
: khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m
3
).
+
L
: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m
3
).
+ C
o
:hệ số orifice ,phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số
giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.
Ta có :
mâm
S
S
lo
∑
=0.1và
lo
mâm
d
δ
=0,6 .Tra tài liệu tham khảo [1 – trang 111] : C
o
= 0,7
• Đối với mâm ở phần cất :
+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u
o
=
1.0
533.1
%10
=
lv
ω
=15.33 (m/s).
+ Khối lượng riêng của pha hơi :
G
= ρ
ytb
= 0.631 (Kg/m
3
).
+ Khối lượng riêng của pha lỏng :
L
= ρ
xtb
= 958 (Kg/m
3
).
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất :
958
631.0
.
7.0
33.15
.51
2
2
=
k
h
=16.11(mm.chất lỏng).
• Đối với mâm ở phần chưng :
+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’
o
=
1.0
623.1
%10
'
=
lv
ω
=16.23 (m/s).
+ Khối lượng riêng của pha hơi : ’
G
= ρ’
ytb
= 0.768 (Kg/m
3
).
+ Khối lượng riêng của pha lỏng : ’
L
= ρ’
xtb
= 958 (Kg/m
3
).
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng :
958
768.0
.
7,0
23.16
.51'
2
2
=
k
h
= 21.98 (mm.chất lỏng).
b . Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm :
Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất
lỏng trên mâm h
l
là từ chiều cao gờ chảy tràn h
w
, chiều cao tính tốn của lớp chất lỏng
trên gờ chảy tràn h
ow
và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm β :
h
l
= β.( h
w
+ h
ow
) , (mm.chất lỏng)
Chọn : + Hệ số hiệu chỉnh : β = 0,6
+ Chiều cao gờ chảy tràn : h
w
= 50 (mm)
Chiều cao tính tốn của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình
Francis với gờ chảy tràn phẳng :
3
2
.4.43
=
w
L
ow
L
q
h
, (mm.chất lỏng)
Với : + q
L
: lưu lượng của chất lỏng (m
3
/ph).
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
15
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
+ L
w
:chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m).
• Xác định L
w
:
Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm , nên ta có phương
trình sau :
π
π
.2,0sin
180
.
=−
o
o
o
n
n
Với : n
o
:góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn L
w
.
Dùng phương pháp lặp ta được : n
o
= 93
o
12’22”
Suy ra : L
w
= D
t
. sin(n
o
/2) = 1.6 (m).
• Xác định q
L
:
• Phần cất :
958.60
785.19.47.175.9.2
.60
..
==
xtb
tb
L
MDR
q
ρ
= 0.175 (m
3
/ph).(T10/285)
• Với : M
tb
=0.9575*18+(1-.9575)*60=19.785
Suy ra :
3
2
6.1
175.0
.4.43
=
ow
h
= 9.926 (mm).
Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là:
h
l
= 0.6.(50+9.926) = 35.956 (mm.chất lỏng).
• Phần chưng :
958.60
98.25*153.774
'.60
).*
'
(
=
+
=
xtb
tb
F
D
L
MR
q
G
G
ρ
=0.336 (m
3
/ph).
• Với :M
tb
=0.81*18+(1-0.81)*60=25.98
Suy ra :
3
2
6.1
336.0
.4.43'
=
ow
h
= 15.333 (mm).
Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng :
h’
l
= 0.6.(50+15.333) = 39.2 (mm.chất lỏng).
c . Độ giảm áp do sức căng bề mặt :
Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác định theo biểu thức :
lL
R
d
h
.
.54.625
ρ
σ
=
, (mm.chất lỏng)
Với : + σ : sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm).
+ ρ
L
: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m
3
).
• Phần cất :
* Khối lượng riêng của pha lỏng :
L
= ρ
xtb
= 958 (Kg/m
3
).
* t
tb
= 100.37
o
C ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
+ Sức căng bề mặt của nước : σ
N
= 58.9 (dyn/cm).
+ Sức căng bề mặt của acid : σ
a
= 19.8 (dyn/cm).
Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần cất :
aN
aN
σσ
σσ
σ
+
=
.
= 14.819 (dyn/cm).
Vậy : Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là :
008.0.958
10.849.14
.54.625
3
−
=
R
h
= 1.212 (mm.chất lỏng).
• Phần chưng :
* Khối lượng riêng của pha lỏng : ’
L
= ρ’
xtb
= 958 (Kg/m
3
).
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
16
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
* t’
tb
= 101.31
o
C ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
+ Sức căng bề mặt của nước : σ’
N
= 58.9 (dyn/cm).
+ Sức căng bề mặt của acid : σ’
a
= 19.8 (dyn/cm).
Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng :
aN
aN
''
'.'
'
σσ
σσ
σ
+
=
= 14.819 (dyn/cm).
Vậy : Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần chưng là :
008.0.958
10.849.14
.54.625'
3
−
=
R
h
= 1.212 (mm.chất lỏng).
Tóm lại : Độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở :
+ Phần cất : h
tl
= 16.11+35.956+1.212 = 53.278 (mm.chất lỏng).
hay h
tl
= 53.278 . 10
-3
. 9.81 . 958 = 500.71 (N/m
2
).
+ Phần chưng : h’
tl
= 21.98+39.2+1.212 = 62.392 (mm.chất lỏng).
hay h’
tl
= 62.392 . 10
-3
. 9.81 . 958 = 586.36 (N/m
2
).
Suy ra :Tổng trở lực của tồn tháp hay độ giảm áp tổng cộng của tồn tháp là :(xem
độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp tổng cộng của
pha khí qua một mâm ở phần chưng )
∑h
tl
= 37. h
tl
+ 13. h’
tl
= 37 . 500.71+13 .586.36 =26148.95 (N/m
2
).
3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :
Chọn khoảng cách giữa hai mâm là h
mâm
=0.4 (m).
Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy
chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức :
h
d
= h
w
+ h
ow
+ h
tl
+ h
d’
, (mm.chất lỏng)
Với : h
d’
: tổn thất thuỷ lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được
xác định theo biểu thức sau :
2
'
.100
.128.0
=
d
L
d
S
Q
h
, (mm.chất lỏng)
trong đó : + Q
L
: lưu lượng của chất lỏng (m
3
/h).
+ S
d
: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đó :
S
d
= 0.8 . S
mâm
= 0.8 . π.1.1
2
=2.76 (m
2
)
• Phần cất : Q
L
= 60.q
L
= 60 . 0.175 =10.5 (m
3
/h).
Suy ra :
2
'
76.2.100
5.10
.128.0
=
d
h
= 0.00018 (mm.chất lỏng).
Vậy : chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần
cất :
h
d
=50+9.926+53.278+0.00018 =113.204 (mm.chất lỏng).
Kiểm tra : h
d
= 113.204 <
200
2
400
2
mâm
==
h
(mm) : đảm bảo khi hoạt động các
mâm ở phần cất sẽ không bị ngập lụt.
• Phần chưng : Q’
L
= 60.q’
L
= 60 .0.336 = 20.16 (m
3
/h).
Suy ra :
2
'
76.2.100
16.20
.128.0'
=
d
h
= 0.00068 (mm.chất lỏng).
Vậy : chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần
chưng :
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
17
