Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp dung dịch axeton axit axetic dùng tháp chưng cất mâm xuyên lỗ có gờ chảy chuyền
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (508.09 KB, 65 trang )
!"
# $#
%&'()
#$*+,()
/0120340156-78
9 :;<"8
=> ?&@8
AB8
#C&!D"E;F=GH$&I
C&!J=>'K
'!9 :LMNOLD?DMPK
C&!J=>'QER
J=>'>SR
J=>'QER
#C&!=>&T?BU
)+,&VF$;U
8C&!=>$9$WU
/01#2034010X01.Y01#
9 :EZ?"#
0[+\#
]0-L^#
/01)_0--`3a-_0-8
VAQbcd8
VAQ&Ne"8
E+ ,&+N8
>&f+ ,&+NI
VAQ&NeK
E+ ,&+N&NeK
>&f ?+ ,&+Ng&NeR
h?Ni
#+gWZ?i
#"eN$9$D\ji
#+gWZ?&T?A(U
##+gW[N=kl h$mU
#)ZWn[N"o+\&T?eN+?
#8pS$+?<qANe&f
)QNAQZ?)
)3h[F9)
);Fr&<8
)#3h[F$9$8
))3Qs9O&;FrK
)89&tR
)8Q+uEZ?NFR
)8Q9&ti
)I?+MNi
)Kv?>>[w;x !y Q> f<Z? !;F>[w#U
)Kzg&J#U
)KzNF#
)K#zg&#
)K)>[wo;FN'&#
)K8>[wo+?Ao'&#
)Rx##
/018_0--`3a-{#)
!+h#)
!&=(&#)
-=>+h#8
0G*?F>;Fx#8
#C&!=>"Z?[|=GH$&NF>#8
)C&!=>"Z?&>+N>#I
8C&!=>+h#K
I3h$m+h#K
K"eN !#K
!F$f=GH$&#K
="ExF$e@[}#K
=>&f+ ,#R
#-=>+h#R
)C&!=>"Z?x+N>#R
80G*?F>;Fx#i
IC&!=>"Z?[|=GH$&NF>#i
KD&!=>+h)
R3h$m+h)
i"eNZ? !)
# !q=GH$&J)
#="ExF$e@[})
#=>&f+ ,)
##-=>+h)
#)C&!=>"Z?x&+N>)
#80G*?F>Fx)#
#IC&!=>"Z?xqNF>)#
#KC&!=>+h))
#R3h$m+h))
#i"eN !)8
) !+?N&~•?[|<;F=GH$&J)8
)&f&@+?Z?[|<)8
)-=>&f+ ,)I
)#-=>+h)I
))C&!=>"Z?[|<+N>)I
)80G*?F>;Fx)K
)IC&!=>"Z?[|=GH$&JNF>)K
)KC&!=>+h)i
)R3h$m+h)i
)i"eN !)i
8 !&=([|<)i
8="E&>@[}8U
8=>&f+ ,8U
8#-=>+h8U
8)C&!=>"Z?[|<+N>8U
880G*?F€;Fx8
8IC&!=>"Z?qNF>8
8KC&!=>+h8#
8R3h$m+h8#
8i"eN !8#
3'?N;!8#
~"&V>[w8#
C&!;<>[|<+N>[w8#
#C&!=>$?=+N&V>8)
)C&!~=>~"q f8)
8~"&V>[w+N !+?N&~•?[|<;F=GH$
&J8)
I5<>[|<+N>[w88
KC&!~=>~"q f88
Rh?N '?N;!8I
#3$8K
#0l="8K
#f8K
##Q~+gW+N>8K
#)QfZ? $8i
#8(="8i
•‚-Lp-ƒ„I
Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước
nhà, các ngành công nghiệp cần rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao. Quá trình có
thể đáp ứng phần nào độ tinh khiết theo yêu cầu là chưng cất: là quá trình tách các cấu
tử trong hỗn hợp lỏng – lỏng, hay hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa
vào độ bay hơi khác nhau của chúng.
Vì thế, đề tài ″ Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton – Axit axetic ″ của môn ″ Đồ
Án Môn Học Quá Trình Thiết Bị ″ cũng là một bước giúp cho sinh viên tập luyện và
chuẩn bị cho việc thiết kế quá trình & thiết bị công nghệ trong lĩnh vực này.
Nhiệm vụ thiết kế: tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai
cấu tử : acetone – Axit axetic với các số liệu sau đây:
Năng suất hỗn hợp đầu F : 8 Kg/s
Nồng độ sản phẩm đỉnh : 98% theo khối lượng
Nồng độ nhập liệu : 38% theo khối lượng
Nồng độ sản phẩm đáy: 1.7% theo khối lượng
Áp suất làm việc : áp suất thường.
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ
Chưng cất là quá trình 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
axeton -axit axetic sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm axeton và một ít acid axetic, ngược lại
sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid axetic và một ít axeton.
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 axeton – axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp
nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
!"
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 vào 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 tròn.
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 lỗ 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 axeton – axit axetic ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động
liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
# $
Máy bơm ly tâm khá đa dạng nó có thể bơm nhiều chất lỏng khác nhau từ nước
tới xăng dầu cho tới các hỗn hợp chất lỏng và chất rắn. Hiêu suất làm việc của máy
bơm khá khỏe và tương đối cao, máy có chi tiết phù hợp với công việc di chuyển.
1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt: dạng ống lồng ống
Ưu điểm: kết cấu ngắn gọn, chắc chắn, công nghệ chế tạo không phức tạp, bề
mặt truyền nhiệt lớn, dễ dàng vệ sinh sửa chữa.
Nhược điểm: khó chế tạo bằng vật liệu giòn, giá thành cao.
%&'(
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. áp 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.
# $*+,(
Hỗn hợp axeton – axit axetic 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), 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 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 axeton sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh
tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử axeton chiếm nhiều nhất . Hơi này đi vào thiết bị
ngưng tụ (11) và được ngưng tụ hoàn toàn. 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 hồi 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.
/0120340156-7
9 :;<"
=> ?&@
Năng suất theo hỗn hợp đầu F: 8 kg/s
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi
: 38% khối lượng
: 98% khối lượng
: 1.7% khối lượng.
AB
F : lượng nhập liệu ban đầu ( Kmol/h )
D : lượng sản phẩm đỉnh ( Kmol/h )
W : lượng sản phẩm đáy ( Kmol/h )
x
F
:nồng độ mol Acetone trong nhập liệu
x
D
:
nồng độ mol Acetone trong sản phẩm đỉnh
x
W
: nồng độ mol Acetone trong sản phẩm đáy.
# C&!D"E;F=GH$&
Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất.
F= D + W (1)
F = D + W (2)
Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol.
F
X
=
1
1 2
1
F
F F
X
M
X X
M M
−
+
=
0.38
58
0.38 1 0.38
58 6
0 8
0
.38
=
−
+
phần mol
0.98
58
1
0.98 1 0.98
1
58 60
1 2
D
D
D D
M
M M
X
X
X X
= =
−
−
+
+
= 0.98065 phần mol
W
W
W W
2
0.017
58
1
0.017 1 0.017
1
58 60
1
M
M
X
X
X X
M
= = =
−
−
+
+
0.0182 phần mol
0.388*58+(1-0.388)*60= 59.224
( )
1 2
1 0.98*58 (1 0.98)*60
tbD D D
M X M X M
= + − = + − =
58.0387
( )
W W 1 W 2
1 0.017*58 (1 0.017) * 59.9660 4
tb
kg
kmol
M X M X M
= + − = + − =
Sản phẩm đỉnh
28800
59.224
486.29
tbF
F
F
M
= = =
( )
1 2
1
tbF F F
M X M X M
= + − =
D W
F D W
F x D x W x
F
= +
= +
⇔
486.29 W
486.29*0.388 *0.981 W*0.0182
D
D
= +
= +
⇔
186.78( / )
299.51( / )
D Kmol h
W Kmol h
=
=
⇔
10840.47( / )
W 17959.82( / )
D Kg h
Kg h
=
=
C&!J=>'
'!9 :LMNOLD?DMP
Tra bảng IX 2.a (sổ tay QT và TBCNHH-2 trang 146)
X 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Y 0 16.2 30.6 55.7 72.5 84 91.2 94.7 96.9 98.4 99.3 100
t 118.7 110 103.8 93.1 85.8 79.7 74.6 70.2 66.1 62.6 59.2 56
Hình 1: đồ thị cân bằng x-y hệ axeton-axit axetic
Hình 2: đồ thị t-xy
C&!J=>'QE
J=>'>S
Do dòng nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hòa nên, sẽ được xác định như sau
R
min
=
FF
FD
xy
yx
−
−
*
*
Với = 0.388 ta kẻ đường song song với y cắt đường cân bằng, từ đó ta kẻ đường song
song với x cắt y tại 1 điểm ta xác định được y
*
F
= 0.83.từ đó xác định được
R
min
= 0.34
J=>'QE
Chỉ số hồi lưu làm việc sẽ được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu
R=βR
min
Trong đó β là hệ số dư hay hệ số hiệu chỉnh
Tính gần đúng ta có
( )
min
1.2 2.5R
R
= ÷
Ta biết được R
min
và β trong khoảng
1.2 2.5÷
tính được R tương ứng. Ở mỗi R tương
ứng ta vẽ đường làm việc và các bậc thay đổi nồng độ lý thuyết N.
Dưới đây là các đồ thị xác định số đĩa lý thuyết trên cơ sở đường cân bằng, X
D,
X
W
, X
F
.
Đường làm việc đoạn luyện đi qua điểm (X
D,
Y
D
) và cắt trục tung tại điểm B có tung độ
1
D
B
R
X
=
+
đường làm việc đoạn chưng đi qua giao điểm đường làm việc đoạn luyện với
đường X
F
= const và điểm (X
W,
Y
W
) vẽ các tam giác ta được số đĩa lý thuyết. Ta được
bảng tổng kết sau:
β 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
R 0.41 0.44 0.48 0.51 0.54 0.58
B 0.70 0.68 0.66 0.65 0.64 0.62
N 13 15 12 12 11 11
N(R+1)
18.30 21.63 17.71 18.12 16.98 17.36
β 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
R 0.61 0.65 0.68 0.71 0.75 0.78 0.82 0.85
B 0.61 0.60 0.58 0.57 0.56 0.55 0.54 0.53
N 12 12 11 11 12 11 10 10
N(R+1)
19.34 19.75 18.48 18.85 20.98 19.60 18.16 18.50
Thiết lập đồ thị R-N(R+1) ta xác định được R
th
tại giá trị nhỏ nhất của N(R+1). Kết
quả là R
th
= 0.54 tại β = 1.6
# C&!=>&T?B
Với R
th
= 0.54 ta xác định được số đĩa lý thuyết N
lt
= 11
Trong đó: số đĩa đoạn chưng: 8
Số đĩa đoạn luyện: 3
) +,&VF$;
Phương trình đường làm việc làm cất :
y =
1
R
R
+
x +
1
D
x
R
+
= 0.62x + 0.15
Phương trình đường làm việc phần chưng:
y =
1
1
L
R
+
+
x -
1
1
L
R
−
+
W
X
Với L =
W
W
0.98 0.017
0.38
2.
0.0
6
1
0
7
D
D
X X
X X
−
−
= =
− −
⇒ y = 1.38x – 0.011
8 C&!=>$9$W
Xác định hiệu suất trung bình của tháp
η
tb
= f ( α , µ )
α =
y
y
−
1
x
x−1
: độ bay hơi tương đối
x, y : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, pha hơi
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng µ : tra theo nhiệt độ
µ
tb
= (η
1
+ η
2
+ η
3
) / 3
η
1
, η
2
, η
3
: lần lượt là hiệu suất ở mâm đỉnh, mâm đáy, mâm nhập liệu.
Từ giãn đồ x-y, t-x,y : tìm nhiệt độ tại các vị trí và nồng độ pha hơi cân bằng với
pha lỏng :
Vị trí mâm đỉnh :
x
D
= 0.98
y
D =
0.975
t
D
= 57,8
Vị trí mâm nhập liệu :
x
F
= 0.388
y
F =
0.83
t
F
= 80
Vị trí mâm đáy :
x
W
= 0.018
y
W =
0.035
t
W
= 100
Xác định độ nhớt, độ bay hơi tương đối, hiệu suất tại các vị trí :
Vị trí mâm đỉnh :
t
D
= 57.8
O
C ⇒ µ
axetic
= 0.72 * 10
-3
Ns/m
2
b µ
acetone
= 0.4846 * 10
-3
Ns/m
2
(Tra bảng I.101, I.102, [1])
⇒ lg µ
hh
= x
D
* lg µ
acetone
+ ( 1 – x
D
) * lg µ
axetic
⇒ µ
hh
= 0.49*10
-3
Ns/m
2
α = 0.77
α*µ = 0.38*10
-3
⇒ η
1
= 0.65 ( Hình IX.11, [2])
Vị trí mâm nhập liệu :
t
F
= 80
O
C ⇒ µ
axetic
= 0.56 * 10
-3
Ns/m
2
µ
acetone
= 0.20 * 10
-3
Ns/m
2
(Tra bảng I.101, I.102, [1])
⇒ lg µ
hh
= x
F
* lg µ
acetone
+ ( 1 – x
F
) * lg µ
axetic
⇒ µ
hh
= 0.38 * 10
-3
Ns/m
2
α = 7.7
α*µ = 2.89 * 10
-3
⇒ η
2
= 0.38 ( Hình IX.11, [2])
Vị trí mâm đáy :
t
W
= ⇒ µ
axetic
= 0.46 * 10
-3
Ns/m
2
µ
acetone
= 0.17 * 10
-3
Ns/m
2
(Tra bảng I.101, I.102, [1])
⇒ lg µ
hh
= x
W
* lg µ
acetone
+ ( 1 – x
W
) * lg µ
axetic
⇒ µ
hh
= 0.45 * 10
-3
Ns/m
2
α = 1.96
α*µ = 0.88 * 10
-3
⇒ η
3
= 0.52 ( Hình IX.11, [2])
⇒ η
hh
= (η
1
+ η
2 +
η
3
)/3
= ( 0.65 + 0.38 + 0.52 )/3
= 0.52
⇒ N
tt
=
11
0.52
= 21 ( mâm )
⇒ Số mâm thực tế cho phần luyện :
3
6
0.52
ttl
N
= =
Số mâm thực tế cho phần chưng :
8
15
0.53
ttc
N
= =
/01#2034010X01.Y01
9 :EZ?"
Chọn hơi đốt là nước ở 2.5 atm
Tra bảng 1251 trang 134
Nhiệt hóa hơi:
2171000
N
r
=
(J/kg)
Nhiệt độ sôi:
132.9
s
t
=
0
C
Cân bằng nhiệt toàn tháp:
( )
w w
1
D
F FS D D DS
d m
R
Q Q
G h G G h G h
r
+ = + + + +
Cho
0.05
m d
Q Q
=
( )
( ) ( )
w w
0.95 1
D
D s FS D DS FS
d
R
Q
G G h h G h h
r
= + + − + −
w
0.018 118
s
x t
= => =
0
C
( )
w w w
w w
. . 1 . .
s FS axeton axetic s
h c t c c t
x x
= = + −
( )
. . 1 . .
Ds D DS axeton axetic Ds
D D
h c t c c t
x x
= = + −
( )
. 1
D axeton axetic
D D
r r r
x x
= + −
Với:
0.388 80
F s
x t
= => =
0
C
0.981 57.8
D s
x t
= => =
0
C
w
0.018 118
s
x t
= => =
0
C
0[+\
Tra bảng I.153 trang 171, [1]:
Nhiệt dung riêng của axeton ở 57.8
0
C: 2298 (J/kg.K)
Nhiệt dung riêng của axeton ở 80
0
C: 2370 (J/kg.K)
Nhiệt dung riêng của axeton ở 118
0
C: 2489 (J/kg.K)
Tra bảng I.154, trang 172, sổ tay QTTB 1
Nhiệt dung riêng của axetic ở 57.8
0
C: 3180 (J/kg.K)
Nhiệt dung riêng của axetic ở 80
0
C: 3270 (J/kg.K)
Nhiệt dung riêng của axetic ở 118
0
C: 3348 (J/kg.K)
]0-L^
0.38*2298 (1 0.38)*3180 2844.84
FS
h
= + − =
w
0.017*2489 ((1 0.017)*3348) 3333.397
s
h
= + − =
0.98*2370 ((1 0.98)*3270) 2388
DS
h
= + − =
Nhiệt hóa hơi:
Tra bảng I.212 trang 254, [1]:
Nhiệt hóa hơi của axeton ở 80
0
C = 496.14 kJ/kg
Nhiệt hóa hơi của axetic ở 80
0
C = 481.48 kJ/kg
Nên
0.981*496.14 ((1 0.981)*481.48) 495.86
D
r
= + − =
kJ/kg
Nhiệt lượng cần cung cấp:
( )
w w
1 . ( ) ( )
2784174.33
0.995
D
D s FS D Fs dS
d
R
G G h h G h h
r
Q
+ + − + −
= =
kJ/kg
Nếu bổ sung hơi nước bão hòa (không chứa ẩm) để cung cấp nhiệt thì:
.
n
n
d
Q
G
r
=
Vậy hơi nước cần cung cấp là:
27841747.33
13056.11
2131
d
n
n
Q
Q
r
= = =
kg/h
/01)_0--`3a-_0-
VAQbc
d
tbyy
tb
g
)ω.(
0188,0
ω.3600.π
4V
D
tb
tb
t
ρ
==
(m)
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 .
VAQ&Ne"
E+ ,&+N
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) =10840.47*(1.6+1) = 28185.22 (Kg/h
(Vì M
thD
=58.y
D
+(1-y
D
).60 = 58.05 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 hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
r
d
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
tính
1
r
:
Với t
1
= t
F
= 80
o
C , (Tra tài liệu tham khảo ) ta có :
Ần nhiệt hoá hơi của axetic : r
axetic
= 3832.54 (KJ/kmol)
Ẩn nhiệt hoá hơi của aceton : r
axeton
= 494.04 (KJ/kmol) .
Suy ra: r
1
= r
axeton
.y
1
+ (1-y
1
).r
axetic
= 3832.54 - 3338.5y
1
(KJ/kmol)
Tính r
d
:
Với t
D
= 57,8
o
C (Tra tài liệu tham khảo ) ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của axetic : r
axetic
= 372.89 (KJ/kmol)
Ẩn nhiệt hoá hơi của aceton : r
axeton
= 514.98 (KJ/kmol) .
Suy ra: r
d
= r
axeton
.y
D
+ (1-y
D
).r
axetic
= 514.98 *0,975+ (1- 0,975)*372.89
= 511.43 (KJ/kmol)
x
1
= x
F
= 0,388
Giải hệ (III.1), ta được : G
1
= 3304.3 (Kg/h)
y
1
= 0,84 (phân mol aceton) _ M
1
= 58.32
g
1
= 14160.37(Kg/h)
Vậy : g
tb
=
28185.22 14160.37
21172.80
2
+
=
(Kg/h)
>&f+ ,&+N
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :
0,032.
L
gh
H
ρ
ω
ρ
=
Với :
L
ρ
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m
3
) .
H
ρ
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
).
Xác định
L
ρ
:
Nồng độ mol trung bình của pha lỏng trong phần cất
0.388 0.981
0.68
2 2
F D
l
X X
X
+
+
= = =
Dựa vào đồ thị X,Y phụ thuộc vào T ta có
Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần cất:
L
t
=
87.5
0
C
Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong phần cất:
0.38 0.98
0.68
2
L
X
+
= =
Tra bảng I.2, trang 10, [1]: ta có:
Khối lượng riêng của axetic ở 87.5
0
C: 1020 kg/m
3
Khối lượng riêng của axeton ở 87.5
0
C: 709.25 kg/m
3
3
1
1 0.68 1 0.68
1.27*
709.25 1020
10
L L
l axeton axetic
X X
ρ ρ ρ
−
−
−
= + = + =
L
ρ
=
787.4 kg/m
3
Xác đinh
H
ρ
:
Nồng độ trung bình trong pha hơi trong phần cất:
0.62 0.15 0.57
L
L
y
x
= + =
Dựa vào đồ thị X,Y phụ thuộc T ta có:
Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần cất:
H
t
=
95
0
C
Khối lượng trung bình của pha hơi trong phần cất:
. (1 ) 0.57.58 (1 0.57).60 58.86
H axeton axtiic
L L
y y
M M M
= + − = + − =
kg/kmol
Khối lượng riêng trung bình pha hơi trong đoạn cất:
0
.
58.86*273
1.95
. 22.4*(95 273)
H
H
H
R
M T
T
ρ
= = =
+
kg/m
3
Suy ra:
787.4
0.05 0.05 1
1.95
L
gh
H
ρ
ω
ρ
= = =
m/s
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình:
0.8 0.8*1 0.8
h gh
ω ω
= = =
m/s
Đường kính đoạn cất:
21172.80
0.0188 2.19
1.95*0.8
C
D
= =
m
VAQ&Ne
E+ ,&+N&Ne
1
2
' '
'
n
tb
g g
g
+
=
'
n
g
là lượng hơi ra khỏi đoạn chưng(kg/h)
1
'g
là lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)
Xác đinh
'
n
g
:
1
14160.37
'
n
g g
= =
kg/h
Xác định g’
1
từ hệ phương trình:
Với : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng
Tính : = 0.018 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có: = 0.035
Suy ra
w
w
w w
58.
58*0.035
0.034
58*0.035 (1 0.035)*60
58. (1 ).60
y
y
y y
= = =
+ −
+ −
1
w
0.034
y
y
= =
Suy ra:
'
w w
58. (1 ).60 59.93
tbg
y y
M
= + − =
kg/kmol
1 w
't t
= =
100
0
C tra bảng I.216 trang 261, [1]: ta có:
ẩn nhiệt hóa hơi của axeton:
'
axeton
r
=
563.75 (kJ/kg)
tra bảng I.213 trang 256, [1]: ta có
ẩn nhiệt hóa hơi của axetic:
'
axetic
r
=
389.53 (kj/kg)
suy ra:
1
w w
. (1 ) 563.75*0.035 (1 0.035)*389.53 395.62
' ' '
axeton axetic
y y
r r r
= + − = + − =
(kj/kg)
tính r
1
= r
axeton
.y
1
+ (1-y
1
r
axetic
= 3832.54 - 3338.5y
1
(KJ/kmol)
với W = 17943.93 (kg/h)
giải hệ phương trình ta được:
vậy
14160.37 133114.74
73637.56
2
'
tb
g
+
= =
kg/h
>&f ?+ ,&+Ng&Ne
tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền
0.05
'
'
L
gh
H
ρ
ω
ρ
=
Với:
'
L
ρ
khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m
3
)
'
H
ρ
khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m
3
)
Xác định
'
H
ρ
1 w
0.034 0.035
0.0345
2 2
'
tb
y y
y
+
+
= = =
Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:
w
80 100
90
2 2
'
F
tb
t t
t
+
+
= = =
0
C
0
.58 (1 ).60 .
59.931*273
2.01
22.4 22.4*(90 273)
' '
'
tb tb
H
H
y y
T
T
ρ
+ −
= = =
+
kg/m
3
Xác định:
'
L
ρ
Nồng độ mol trung bình:
w
0.203
2
'
F
tb
X X
x
+
= =
58
58*0.203
0.198
58 (1 )60 58*0.203 (1 0.203)60
tb
tb
tb tb
x
x
x x
= = =
+ − + −
Tại
'
tb
t
=
90
0
C ta tra bảng I.2 trang 9, [1]:
Khối lượng riêng của axeton
axeton
ρ
=
706 kg/m
3
Khối lượng riêng của axetic
axetic
ρ
=
1002 kg/m
3
Vậy khối lượng trung bình của pha lỏng ở đoạn chưng:
3
1
1 0.203 1 0.203
1.08*
706 1002
10
'
tb tb
tb axeton axetic
x x
ρ ρ ρ
−
−
= + = + =
'
tb
ρ
= 923.41 kg/m
3
Suy ra:
923.41
0.05 1.07
2.01
gh
ω
= =
m/s
Để tránh tạo bọt
0.8 0.8*1.07 0.856
h gh
ω ω
= = =
m/s
Vậy đường kính đoạn chưng
73637.56
0.0188 3.5
2.01*1.07
C
D
= =
m
Vậy đường kính của tháp
2.845
t
D
=
m
h?N
H = (n-1).h
n: số mâm thực tế của tháp chưng cất
h: khoảng cách giữa các mâm
ta lấy h = 0.4 từ đó ta tính được H = (21-1)0.4 = 8 m.
# +gWZ?
# "eN$9$D\j
chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:
tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm.
Đường kính lỗ d
lo
= 0.003 m
Chiều cao gờ chảy tràn: h
go
= 0.05 m
Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm.
Lỗ bố trí theo hình lục giác đều.
Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 7 mm.
Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T.
Số lỗ trên 1 mâm:
2
2
8%
0.08 6422
0.85
0.08
0.003
mam
lo
N
lo
s
s
d
θ
= = = =
÷
÷
lỗ
Gọi a là số hình lục giác.
Áp dụng công thức (V.139),trang 48[6]: N = 3a(a+1)+1
Giải phương trình bậc 2 ta được: a = 45.77 ta lấy 46 => N = 6484 (lỗ)
Số lỗ trên đường chéo: b = 2a+1 = 93 lỗ
# +gWZ?&T?A(
Áp dụng công thức (IX.140), trang 19, [6]:
2
2
'
H
k
p
ξ
ρ
ω
∆ =
Đối với đĩa có tiết diện tự do bằng 8% diện tịch mâm thì
1.82
ξ
=
Phần luyện
Vận tốc hơi qua lỗ:
0.8
10
8% 0.08
'
L
L
ω
ω
= = =
m/s
Nên:
2
*1.95
1.82 177.45
2
10
kL
p
∆ = =
(N/m
2
)
Phần chưng
Vận tốc hơi qua lỗ:
0.856
10.7
8% 0.08
'
ch
ch
ω
ω
= = =
(m/s)
Nên:
2
.2.01
1.82 209.41
2
10.7
kc
p
∆ = =
(N/m
2
)
## +gW[N=kl h$m
Vì đĩa có đường kính > 1mm
Áp dụng công thức (IX.142,trang 9[6]:
4
2
1.3 0.08
lo
lo
p
d
d
σ
σ
∆ =
+
Phần luyện
Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện
l
T
=
87.5
0
C
Tra bảng I.242, trang 300, [1]:
Sức căng bề mặt của axeton:
axeton
σ
=
15.3*10
-3
(N/m)
Sức căng bề mặt của axetic:
axetic
σ
=
28.875*10
-3
(N/m)
Áp dụng công thức (I.76), trang 299, [1]:
3 3
1 2
3 3
1 2 1 2
*
15.3* *28.875*
1 1 1
0.01
15.3* 28.875*
10 10
10 10
σ
σ
σ σ
σ σ σ σ
− −
− −
= + => = = =
+
+
N/m
Ta có:
2
4*0.01
10.24
1.3*0.003 0.08*
0.003
L
p
σ
∆ = =
+
N/m
2
Phần chưng
Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng
c
T
=
90
0
C
Tra bảng I.242 trang 300, [1]:
Sức căng bề mặt của axeton:
axeton
σ
=
15*10
-3
N/m
Sức căng bề mặt của axetic:
axetic
σ
=
28.5*10
-3
N/m
Áp dụng công thức I.76 trang 299, [1]:
( ) ( )
3 3
3 3
1 2
15* *28.5*
1 1 1
0.00983
15* 28.5*
10 10
10 10
σ
σ σ
− −
− −
= + = =
+
N/m
2
4*0.00983
10.08
1.3*0.003 0.08*
0.003
c
p
σ
∆ = =
+
N/m
2
#) ZWn[N"o+\&T?eN+?
Áp dụng công thức trang 285, [3]:
1.3
b
b
K g
p
h
ρ
∆ =
Với
1b go
h h h
= + ∆
2/3
1
1.85
v
go
Q
h
K
L
∆ =
÷
÷
Trong đó:
go
L
: chiều dài của gờ chảy tràn, m
b L
K
ρ ρ
=
: tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng của chất
lỏng, ta lấy bằng 0.5
Tính chiều dài gờ chảy tràn:
Ta có:
quat bannguyet
S S S
∆
− =
2
2
1 20%
2 sin cos
2 2 2 2 2
R R
R
R
α α
α π
− =
sin 0.2
α α π
− =
R
α
L
gờ
