thiết kế thấp chưng cất (tháp đệm) hệ 2 cấu tử metylic - nước
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (960.2 KB, 28 trang )
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ hóa học cũng như các sản phẩm của nó có ảnh hưởng rất lớn
đến nhiều ngành sản xuất khác. Trong đó metylic là một sản phẩm khá được
quan tâm. Trong quy trình sản xuất, metylic thường được chưng cất để đạt
được nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng và tiết kiệm chi phí vận chuyển,
lưu trữ.
Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất methanol bằng
tháp đệm có năng suất 6480 kg/h, nhập liệu ở nhiệt độ sôi với nồng độ 30% ,
sản phẩm đỉnh có nồng độ 97%, sản phẩm đáy có nồng độ 4% khối
lượng/khối lượng. Hệ thống được gia nhiệt bằng hơi nước có áp suất 2 at.
Việc thực hiện đồ án là một cơ hội tốt để sinh viên hệ thống hóa các kiến
thức đã học cũng như làm quen với việc lựa chọn tính toán các thiết bị thực tế.
Thực hiện đồ án là một bước để sinh viên làm quen với công việc của một kỹ
sư trong tương lai.
Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của cô
Phạm Thị Thu Hoài. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ của
cô trong thời gian qua để em có thể hoàn thành đồ án này.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
1
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
MỤC LỤC
A. GIỚI THIỆU ………………………………………………………………4
I. SƠ BỘ VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT ………………………………… 4
II. SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU ………………………………………… 5
2.1. Methanol ……………………………………………………………… 5
2.2. Nước …………………………………………………………………… 5
2.3. Ứng dụng của methanol ………………………………………………….5
B. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ………………………………………………5
C. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH ………………………………………….7
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT ………………………………………………….7
II. PHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THÁP …………………………… 8
III. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG ………………………………………… 10
3.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu ……………10
3.2. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện ……………………………11
3.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn ……………… 11
3.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh ……………………………12
IV. ĐƯỜNG KÍNH THÁP ĐỆM ……………………………………………12
4.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp …………………………………….12
4.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện ……………………………12
4.1.2. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng………………………… 13
4.2. Khối lượng riêng trung bình ……………………………………………14
4.2.1. Khối lượng riêng trung bình pha lỏng……………………………… 14
4.2.2. Khối lượng riêng trung bình pha hơi …………………………………15
4.3. Tốc độ hơi đi trong tháp ……………………………………………… 15
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
2
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
4.4. Đường kính tháp đệm ………………………………………………… 16
V. CHIỀU CAO THÁP ĐỆM………………………………………………. 16
5.1. Chiều cao đoạn luyện ………………………………………………… 17
5.1.1. Số đơn vị chuyển khối đoạn luyện ……………………………………17
5.1.2. Chiều cao một đơn vị chuyển khối đoạn luyện…………………… 18
5.2. Chiều cao đoạn chưng ………………………………………………… 19
5.2.1. Số đơn vị chuyển khối đoạn chưng ………………………………… 19
5.2.2. Chiều cao một đơn vị chuyên khối đoạn chưng …………………….20
VI. TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM ………………………………………… 21
VII. TÍNH BỀN THÁP ĐỆM……………………………………………… 22
7.1. Tính bề dày thân tháp ………………………………………………… 22
7.2. Tính đáy, nắp ………………………………………………………… 23
7.3. Tính mặt bích ………………………………………………………… 23
7.4. Tính tai treo ……………………………………………………………25
7.5. Tính chân đỡ ………………………………………………………… 26
VIII. TÍNH CÁC ỐNG DẪN ……………………………………………….26
8.1. Ống nhập liệu ………………………………………………………….26
8.2. Ống hồi lưu sản phẩm đỉnh …………………………………………….26
8.3. Ống tháo sản phẩm đáy ……………………………………………… 27
8.4. Ống lấy hơi ở đỉnh …………………………………………………… 27
8.5. Ống hơi ở đáy ………………………………………………………….27
D. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ ………………………………………… 28
I. THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU ……………………………… 28
II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH …………………………….29
III. TÍNH THÙNG CAO VỊ VÀ BƠM 30
IV. THIẾT BỊ GIA NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY 33
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
3
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
E. AN TOÀN LAO ĐỘNG ………………………………………………….34
I. PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ …………………………………………… 34
1.1. Những nguyên nhân gây cháy nổ trực tiếp …………………………….36
1.2. Các biện pháp phòng chống cháy nổ ………………………………… 36
II. AN TOÀN ĐIỆN …………………………………………………………36
2.1. Các nguyên nhân gây ra tai nạn điện………………………………… 36
2.2. Các biện pháp để phòng tai nạn điện ……………………………………37
F. TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………… 37
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
4
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
A. GIỚI THIỆU
I. SƠ BỘ VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như
hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các
cấu tử trong hỗn hợp. Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp
xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất,
pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ
thu đực bấy nhiêu sản phẩm. Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn
và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé. Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ
bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn.
Đối với hệ metylic – nước thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là methanol, sản phẩm
đáy chủ yếu là nước.
Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc
( áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản,
chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất) hay dựa vào phương pháp cấp nhiệt (trực
tiếp hay gián tiếp). Việc lựa chọn các phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất
lý hóa của sản phẩm. Đối với hệ methanol nước ta chọn phương pháp chưng cất liên
tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất.
Tuy nhiên yêu cầu chung của các thiết bị vẫn giống nhau là bề mặt tiếp xúc pha phải
lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của pha này vào pha kia. Ta khảo sát
hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp đệm.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
5
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
• Tháp mâm: thân hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạo
khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của mâm
ta có tháp mâm chóp hay tháp mâm xuyên lỗ.
• Tháp đệm: tháp trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng bích hay hàn. Vật chêm
được cho vào tháp bằng hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay có thứ tự.
So sánh ưu nhược điểm của hai loại tháp
Tháp đệm Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ
Ưu
điểm
- Cấu tạo đơn giản
- Trở lực thấp
- Làm việc được với
chất
lỏng bẩn
- Khá ổn định
- Hiệu suất cao
- Trở lực tương đối
thấp
- Hiệu suất cao
Nhược
điểm
- Do có hiệu ứng
thành nên
hiệu suất truyền khối
thấp
- Độ ổn định không
cao, khó
vận hành.
- Thiết bị nặng nề
- Trở lực lớn
- Kết cấu phức
tạp
- Không làm việc
được
với chất lỏng bẩn
- Kết cấu phức tạp.
Trong đồ án này ta sử dụng tháp đệm với vòng đệm Raschig xếp ngẫu nhiên với
kích thước 25x25x3.0
II. SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU
2.1. Metylic
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
6
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
Metyliclà chất lỏng không màu, tan vô hạn trong nước, có mùi đặc trưng, rất độc.
Một lượng nhỏ methanol có thể gây mù lòa, lượng lớn gây tử vong. Methanol có
công thức phân tử CH
3
OH, phân tử lượng 32 đvC. Metylic có các tính chất lý hóa
sau:
- Nhiệt độ sôi: 64.5
o
C
- Khối lượng riêng ở 20
o
C: ρ = 791.7 kg/m
3
- Độ nhớt ở 20
o
C: μ = 0.6 x 10
-3
N.s/m2 = 0.6 cP
- Hệ số dẫn nhiệt ở 20
o
C: λ = 0.179 kcal/m.h.độ = 0.2082 W/m.độ
- Nhiệt dung riêng ở 20
o
C: C
p
= 2570 J/kg.độ
2.2. Nước
Nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị. Công thức phân tử H
2
O,
phân tử lượng 18đvC.
- Nhiệt độ sôi: 100
o
C
- Khối lượng riêng ở 20
o
C: ρ = 998 kg/m
3
- Độ nhớt ở 20
o
C: μ = 1 x 10-3 N.s/m
2
= 1cP
- Hệ số dẫn nhiệt ở 20
o
C: λ = 0.597 W/m.độ
- Nhiệt dung riêng ở 20
o
C: C
p
= 4180 J/kg.độ
2.3. Ứng dụng của metylic
Metylic có thể hòa tan với nước, alcohol, ester, ether, ketol và hầu hết các
dung môi hữu cơ. Do đó, metylic thường được dùng làm dung môi và nguyên liệu để
sản xuất những chất hữu cơ khác với số lượng lớn.
Metylic có ái lực đặc biệt với Carbon dioxide và hydrogen sulfide, đây được
xem là dung môi trong quá trình làm ngọt khí Rectisol. Mang tính phân cực trong tự
nhiên, methanol thường tạo hỗn hợp cộng phị với nhiều hợp chất. Mettylic làm giảm
nhiệt độ hình thành của hydrate khí tự nhiên, nên được sử dụng là chất chống đông
trong đường ống.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
7
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
Metylic được dùng để sản xuất formaldehyde, chiếm khoảng 40% lượng tiêu thụ
methanol trên thế giới. Tại Mỹ, vai trò của metylic được tăng cao do được sử dụng
trong nhiên liệu
oxygenated với MTBE. Một ứng dụng quan trọng khác của methanol là sản xuất acid
acetic; ngoài ra, nó còn được dùng làm dung môi và hóa chất trung gian.
Ngoài ra methanol còn được dùng làm nguyên liệu sản xuất những hóa chất khác,
như dimethyl terephthalate (DMT), methyl methacrylate, methylamine, và methyl
halogenur. Ứng dụng mới đây nhất là ứng dụng trong nông nghiệp, phun trực tiếp
vào cây trồng để kích thích sự phát triển của cây.
B. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
1 : Thùng chứa hỗn hợp đầu
2 : Bơm chất lỏng
3 : Thùng cao vị
4 : Lưu lượng kế
5 : Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
6 : Tháp chưng cất
7 : Thiết bị ngưng tụ
8 : Thiết bị làm nguội
9 : Thùng chứa sản phẩm
10 : Nồi đun Kettle
11: Thùng chứa hỗn hợp đáy
12 : Bẫy hơi
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
8
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
Hỗn hợp từ thùng chứa (1) được bơm ly tâm (2) chuyển lên thùng cao vị (3). Từ
thùng cao vị, hỗn hợp được cho chảy tự nhiên xuống thiết bị gia nhiệt ống chùm. Sau
khi qua thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đạt được nhiệt độ sôi và được đưa vào tháp chưng
cất ở đĩa tiếp liệu.Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng từ hỗn hợp đầu được trộn với phần
lỏng đi xuống từ đoạn luyện.
Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng đi từ trên xuống, ở đây có sự tiếp xúc
giữa hai pha. Trong đoạn chưng, càng đi xuống dưới, nồng độ cấu tử dễ bay hơi
trong pha lỏng càng giảm do bị cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi từ nồi đun (10) đi lên
lôi cuốn. Hơi càng lên cao thì nhiệt độ càng giảm do đó cấu tử có nhiệt độ sôi cao là
nước sẽ ngưng tụ lại đi xuống dưới. Cấu tử có nhiệt độ sôi thấp là metylic sẽ lôi kéo
các cấu tử metylic trong pha lỏng đi lên trên. Sản phẩm đỉnh là hơi chứa chủ yếu là
methanol và một phần nhỏ hơi nước. Hơi ở đỉnh được dẫn qua thiết bị ngưng tụ (7).
Một phần lỏng được hồi lưu vào tháp chưng cất còn phần lớn được cho vào thiết bị
làm nguội (8) và được đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh. Hỗn hợp đáy chứa chủ
yếu là nước được đưa vào nồi đun Kettle. Hơi từ nồi đun được đưa trở lại vào tháp.
Sản phẩm đáy sau khi qua nồi đun được đưa vào thiết bị làm nguội và chuyển về
thùng chứa sản phẩm đáy (11).
C. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Quy ước:
- F, P, W: lần lượt là hỗn hợp đầu vào, đỉnh và đáy
- G
F
: lưu lượng hỗn hợp đầu vào, kmol/h
- G
P
: lưu lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h
- G
W
: lưu lượng sản phẩm đáy, kmol/h
- G
R
: lượng chất lỏng hồi lưu, kmol/h
- M
F
: khối lượng phân tử trung bình hỗn hợp đầu vào
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
9
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
- M
P
: khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đỉnh
- M
W
: khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đáy
- x
F
: nồng độ phân mol hỗn hợp đầu vào theo metylic, kmol/kmol
- x
P
: nồng độ phân mol hỗn hợp đỉnh theo metylic, kmol/kmol
- x
w
: nồng độ phân mol hỗn hợp đáy theo metylic, kmol/kmol
- a
F
: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu vào theo metylic, kg/kg
- a
P
: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đỉnh theo metylic, kg/kg
- a
W
: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đáy theo metylic, kg/kg
- y
i
: nồng độ phần mol của pha hơi ứng với nồng độ phần mol x
i
của pha
lỏng,kmol/kmol
- y
i
*: nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi ứng với nồng độ phân mol xi
của pha lỏng, kmol/kmol
- A, B: lần lượt là ký hiệu của methanol và nước
- M
A
, M
B
: lần lượt là khối lượng phân tử của methanol và nước
- M
A
= 32 ; M
B
= 18
SỐ LIỆU BAN ĐẦU
- Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: 1,8 kg/s
- Hỗn hợp đầu: 30% khối lượng
- Sản phẩm đỉnh: 97% khối lượng
- Sản phẩm đáy: 4% khối lượng
Phương trình cân bằng vật liêu cho toàn tháp
G
F
= G
P
+ G
w
[2-144]
Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi
G
F
F
a×
=G
P
wwP
aGa ×+×
[2-144]
Lưu lượng hỗn hợp đầu vào:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
10
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
G
F
=
B
F
A
F
M
aF
M
aF )1( −×
+
×
G
F
=
75,312
18
)3,01(6480
32
3,06480
=
−×
+
×
( kmol/h)
Nồng độ phần mol của hỗn hợp đầu vào:
x
F
=
FA
F
GM
aF
×
×
=
194,0
75,31232
3,06480
=
×
×
(kmol/kmol)
Nồng độ phần mol hỗn hợp đỉnh:
x
p
=
=
−
+
B
P
P
P
A
P
M
a
M
a
M
a
)1(
95,0
18
)97,01(
32
97,0
32
97,0
=
−
+
(kmol/kmol)
Nồng độ phần mol của hỗn hợp đáy:
x
w
=
023,0
18
04,01
32
04,0
32
04,0
1
=
−
+
=
−
+
B
w
A
w
A
w
M
a
M
a
M
a
(kmol/kmol)
Tính khối lượng trung bình
M
F
=
( )
BFAF
MxMx −+ 1
= 0,194 x 32 + (1-0,194)18 = 20,716 (kg/kmol)
3,3118)95,01(3295,0)1( =−+=−+= xMxMxM
BPAPP
(kg/kmol)
322,1818)023,01(32023,0)1( =−+=−+== xMxMxM
BwAww
(kg/kmol)
Theo phương trình cân bằng ta có:
G
F
= G
P
+ G
w
[2-144]
wwPPFF
aGaGaG ×+×=×
[2-144]
⇒
lượng sản phẩm đáy là:
69,57
023,095,0
)023,0194,0(75,312
)(
=
−
−×
=
−
−×
=
wP
wFF
P
xx
xxG
G
(kmol/h) [2-144]
697,18053,3169,57 ==×=⇒ xMGP
PP
(kg/h)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
11
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
⇒
lượng sản phẩm đỉnh là:
G
w
= G
F
- G
P
= 312,75-57,69=255,06 (kmol/h) [2-144]
W = F – P = 6480 – 1805,697 = 4674,303 (kg/h)
II.PHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THÁP
Bảng 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp metylic- nước
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100
t 100 92,3 87,7 81,7 87 75,3 73,1 71,2 69,3 67,6 66 64,5
12
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
Đồ thị cân bằng pha của hệ metylic-nước ở áp suất 1 atm
Các phương trình làm việc
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng:
11 +
+
+
=
x
P
x
x
R
x
x
R
R
y
[2-144]
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
13
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
w
xx
x
x
R
f
x
R
fR
y
1
1
1 +
−
+
+
+
=
[2-158]
Chỉ số hồi lưu của tháp chưng luyện :
R
xmin
=
FF
FP
xy
yx
−
−
*
*
[2-158]
Trong đó y
*
F
– nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha cân bằng với nồng độ
trong pha long x
F
của hỗn hợp đầu.
Từ bảng 1 ta nội suy được x
F
= 0,194
⇒
y
*
F
= 0,569; t
F
= 82,06
o
C
;
x
w
= 0,023
⇒
y
w
=0,1233; t
w
= 96,458
o
C;
x
P
= 0,95
⇒
y
P
= 0,979 ; t
P
= 65,25
o
C;
Chỉ số hồi lưu lam việc
R
x
= b
×
R
xmin
(với b la hệ số dư, b = [1,2
÷
2,5] ) [2-158]
016,1
194,0569,0
0,569-0,95
*
*
min
=
−
=
−
−
=
FF
FP
x
xy
yx
R
⇒
ta có bảng 2
b 1,2 1,3 1,5 1,8 2 2,2
R
x
1,219 1,321 1,524 1,829 2,032 2,235
β
0,428 0,409 0,376 0,328 0,313 0,294
N
lt
11 10 8 8 8 8
N
x
24,409 23,21 20,192 22,632 24,256 25,88
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
14
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
Từ bảng số liệu trên ta có đồ thị chỉ số hồi lưu thích hợp:
Dựa vào đồ thị ta thấy Rx = 1.524
Ta có:
42,5
69,57
75,312
===
P
F
G
G
f
Phương trình đường làm việc đoạn luyện:
y = 0,604x + 0,376
Phương trình đường làm việc đoạn chưng:
y = 2,732x – 0,04
IV. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP
Đường kính tháp đệm được tính theo công thức:
DV= 0,0188
×
tbyy
tb
g
)(
ωρ
Với g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h.
(
ρ
y
ω
y)
tb
: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m
2
.s.
4.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
15
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
4.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng theo công thức
sau:
2
lđ
tbl
gg
g
+
=
[2- 181]
Với
tbl
g
: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h hay kmol/h.
đ
g
: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h hay kmol/h.
l
g
: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h hay kmol/h.
[2- 181]
=⇒
đ
g
57,69 x (1,524 + 1) = 145,61 (kmol/h)
Hay g
đ
= 4557,58 (kg/h)
Lượng hơi
;l
g
, hàm lượng hơi
l
y
, lượng lỏng G
l
đối với đĩa dưới cùng của đoạn
luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng
sau:
Pll
GGg +=
PPllll
xGxGyg +=
[II – 182]
g
l
r
l =
g
đ
r
đ
bllal
ryyrr )1( −+=
bđđađ
ryyrr )1( −+=
Trong đó: x
l
= x
F
y
đ
= x
P
r
l
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện
r
đ
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp.
ra, rb: ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử A, B nguyên chất.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
16
( )
1
+=+=
xPPRđ
RGGGg
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
Nội suy theo bảng I.213 đối với metylic và bảng I.250 đối với nước sổ tay quá
trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 ở các nhiệt độ t
F
, t
p
, t
w
ta được các giá trị ẩn
nhiệt hóa hơi của A, B nguyên chất theo bảng sau
Bảng 3: Ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử A, B nguyên chất theo nhiệt độ
Giá trị t
F
=82,06
o
C t
P
= 65,25
o
C t
w
= 96,458
o
C
r
a
(kcal/kg) 252,32 261,98 244,04
r
b
(kcal/kg) 566,94 573,75 542,54
r
a
(kj/kg) 1056,41 1096,86 1021,75
r
b
(kj/kg) 2373,66 2402,18 2271,51
Với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đầu vào ta tính được r
l
. Với các giá
trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đỉnh ta tính được r
đ
. Với y
đ
là nồng độ hơi tương ứng
với nồng độ pha lỏng x
P
theo phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện. Ta
được hệ phương trình:
g
l
= G
l
+ 1805,697
g
l
y
l
= G
l
x 0,194 + 1715,41
ta có:
r
đ
= 1096,86 x 10
3
x 0,95 + (1- 0,95)x 2402,18 x 10
3
= 1152,7208 x 10
3
(j/kg)
r
l
= (1056,41 x 10
3
)y
l
+ (1 – y
l
) x 2373,66 x 10
3
= 2373,66 x 10
3
- 1317,25 x 10
3
y
l
⇒
g
l
( 2373,86 – 1317,25 y
l
) = 5253617,285
⇒
G
l
= 1523,273 ( kg/h)
g
l
= 3328,97 kg/h
y
l
= 2010,93 kg/ kmol
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện
2
97,332858,4557 +
=
tbl
g
= 3943,275 kg/h
Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
17
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
G
tbl
=
2
lR
GG +
= 2137,58 kg/h
4.1.2. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được xác định gần đúng bằng công
thức sau:
g
tbc
=
2
''
ln
gg +
Với g
tbc
: lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, kg/h hay kmol/h.
g’
n
: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/h hay kmol/h
g
n
’= g
l
vì lượng hơi bốc lên từ đĩa trên cùng của đoạn chưng bằng lượng
hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện
g’
l
: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h hay kmol/h.
Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’
l
, lượng lỏng G’
l
và hàm lượng lỏng x’
l
được
xác định theo hệ phương trình sau:
G’
l
= g’
l
+G
w
G’
l
x’
l
= g’
l
y
w
+G
w
x
w
g’
l
r’
l
= g’
n
r’
l
= g
l
r
l
[II – 182]
Trong đó y’
l
= y
w
= 0,1233: tìm theo đường cân bằng ứng với x
w
r’
l
= r
a
y’
l
+ (1- y’
l
)r
b
- ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất
của đoạn chưng.
r’
n
= r
a
y’
n
+ (1- y’
n
)r
b
- ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng
của đoạn chưng.
Tính tương tự như trên ta được các giá trị G’
l
, g’
l
, x’
l
G’
l
= 4676,784 kg/h
g’
l
= 2,481 kg/h
x’
l
= 0,023 kg/h
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
18
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:
g
tbc
=
2
''
ln
gg +
=
2
481,297,3328 +
= 1665,7255 kg/h
Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là:
G
tbc
=
2
'
ll
GG +
=
2
784,4676273,1523 +
= 3100,0285 kg/h
Khối lượng riêng trung bình
* Đối với pha lỏng.
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được tính theo công thức:
[IX-104a][II-183]
Trong đó:
ρ
xtb
: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3.
ρ
xtb1
, ρ
xtb2
: khối lượng riêng trung bình của methanol và nước của pha lỏng lấy
theo nhiệt độ trung bình, kg/m3.
a
tb
: phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng, kg/kg.
Phần khối lượng trung bình của metylic trong pha lỏng ở đoạn luyện a
tbl
và
đoạn chưng a
tbc
là:
a
tbl
=
2
97,03,0
2
+
=
+
PF
aa
= 0,635
a
tbc
=
2
04,03,0
2
+
=
+
wF
aa
=0,17
Phần mol trung bình của metylic trong pha lỏng ở đoạn luyện x
tbl
và đoạn
chưng x
tbc
là:
x
tbl
=
2
95,0194,0
2
+
=
+
PF
xx
= 0,572
x
tbc
=
2
023,0194,0
2
+
=
+
wF
xx
= 0,1085
Từ phần mol trung bình của metylic trong pha lỏng ở đoạn chưng và đoạn
luyện ta tra vào đồ thị cân bằng lỏng hơi của metylic- nước ta được nhiệt độ trung
bình của đoạn luyện t
tbl
=71,7
o
C, nhiệt độ trung bình của đoạn chưng t
tbc
= 87,2
o
C
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
19
21
11
xtb
tb
xtb
tb
xtb
aa
ρρρ
−
+=
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
Với các nhiệt độ trung bình trên nội suy theo bảng I.2, sổ tay quá trình và thiết
bị công nghệ hóa chất
t
tbl
= 71,7
o
C, ρ
xtb1
=744,3 kg/m
3
, ρ
xtb2
= 976,565 kg/m
3
.
t
tbc
= 87,2
o
C, ρ
xtb1
= 728,08 kg/m
3
, ρ
xtb2
= 966,96kg/m
3.
Vậy khối lượng riêng trung bình của của pha lỏng trong đoạn luyện ρ
xtbl
và
đoạn chưng ρ
xtbc
là:
ρ
xtbl
=
12
21
)1(
xtbtblxtbtbl
xtbxtb
aa
ρρ
ρρ
−+
=
3,744)635,01(565,976635,0
565,9763,744
xx
x
−+
=815,056 (kg/m
3
)
ρ
xtbc
=
12
21
)1(
xtbtbcxtbtbc
xtbxtb
aa
ρρ
ρρ
−+
=
08,728)17,01(96,96617,0
96,96608,728
xx
x
−+
= 915,8758 (kg/m
3
)
Khối lượng phân tử trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện và đoạn chưng:
M
xtbl
= x
tbl
M
A
+ (1- x
tbl
)M
B
= 0,572 x 32 + (1- 0,572)x 18 = 26,008 (kg/kmol)
M
xtbc
= x
tbc
M
A
+ (1- x
tbc
)M
B
= 0,1085x 32 + (1- 0,1085)x 18 = 19,519 kg/kmol
* Đối với pha hơi.
Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp được xác định theo công thức:
T
MyMy
BtbAtb
ytb
.4,22
273].).1(.[ −+
=
ρ
, kg/m
3
[IX-102][II-183]
Trong đó:
- M
A
, M
B
– khối lượng mol của metylic và nước
- T: Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, hay của đoạn chưng hay đoạn
luyện,tính theo
o
K
- y
tb
: nồng độ phân mol pha hơi trung bình của đoạn chưng, đoạn luyện. Được
tính bằng trung bình cộng nồng độ hai đầu đoạn tháp:
y
tbl
=
=
+
=
+
2
979,0569,0
2
PF
yy
0,774
y
tbc
=
2
023,0569,0
2
+
=
+
wF
yy
=0,296
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng:
T
MyMy
BtbAtb
ytbl
.4,22
273].).1(.[
11
−+
=
ρ
=
[ ]
)2737,71(4,22
27318)774,01(32774,0
+
−+
x
xx
= 1,02 (kg/m
3
)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
20
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
T
MyMy
BtbcAtbc
ytbc
.4,22
273].).1(.[ −+
=
ρ
=
[ ]
)2732,87(4,22
27318)296,01(32296,0
+
−+
x
xx
= 0,749 (kg/m
3
)
Khối lượng phân tử trung bình của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng:
M
ytbl
= y
tbl
M
A
+ (1- y
tbl
)M
B
= 0,774 x 32 + (1- 0,774) x 18 = 28,836 (kg/kmol)
M
ytbc
= y
tbc
M
A
+ (1- y
tbc
)M
B
= 0,296 x 32 + (1 – 0,296) x 18 = 22,144 (kg/kmol)
4.3. Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm
Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn kích thước đệm 25x25x3 mm. Tra
bảng IX.8, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tâp 2 ta được các
thông số sau: σ
đ
=195m
2
/m
3
, ρ
đ
=600kg/m
3
, V
đ
= 0.75m
3
/m
3
, số đệm trong một
mét khối là 46.10
3
. Tốc độ hơi đi trong tháp đệm có thể xác định theo công
thức sau:
Y = 1,2 x e
-4X
16,0
3
2
=
n
x
xtbđ
ytbđs
gV
w
Y
µ
µ
ρ
ρσ
[ IX.114 - II – 187]
8
1
4
1
=
xtb
ytb
y
x
G
G
X
ρ
ρ
Trong đó:
ω, ω
s
: tốc độ làm việc của tháp, tốc độ sặc, m/s
σ
đ
: bề mặt riêng của đệm, m
2
/m
3
.
V
đ
: thể tích tự do của đệm, m
3
/m
3
.
g : gia tốc trọng trường.
G
x
, G
y
: lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/s
μ
x
, μ
n
: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của
nước ở 20
o
C, N.s/m2. Tốc độ làm việc
( )
s
ωω
9,08,0 ÷=
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
21
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
Độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình có thể được tính theo công thức
sau:
lg
x
µ
= x
tb
lg
1
µ
+ (1 – x
tb
) lg
2
µ
Tra bảng I.101 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 trang 92 ta
được μ
n
=1 x 101
-3
N.s/m
2
. Tra trên toán đồ hình I.18 sổ tay quá trình và thiết bị công
nghệ hóa chất tập 1 trang 90, ứng với nhiệt độ trung bình của đoạn luyện và đoạn
chưng ta có:
t
tbl
= 71,7
o
C, μ
1
= 0,36 x 10
-3
N.s/m
2
, μ
2
= 0,40348 x 10
-3
N.s/m
2
suy ra μ
xl
= 0, 347 x 10
-3
N.s/m
2
t
tbc
= 87,2
o
C, μ
1
= 0,275 x 10
-3
N.s/m
2
, μ
2
= 0,33072 x 10
-3
N.s/m
2
suy ra , μ
xc
= 0, 324 x 10
-3
N.s/m
2
Thay các giá trị vào công thức ở trên ta tính được tốc độ làm việc của đoạn
luyện:
X
l
=
4
1
59,2137
275,3943
8
1
056,815
02,1
= 0,505
Y
l
= 1,2 x e
-4 x 0,505
= 0,159
=
=
=
−
−
16,0
3
33
16,0
3
1045,0
101
02,1195
056,81575,081,9159,0
x
x
x
xxx
YgV
xl
n
ytblđ
xtbl
đ
sl
µ
µ
ρσ
ρ
ω
1,75
75,185,0 x
l
=
ω
= 1,488
Tốc độ làm việc của đoạn chưng
X
c
=
4
1
0285,3100
7255,1665
8
1
8758,915
749,0
= 0,352
Y
c
=1,2 x e
-4 x 0,352
= 0,294
=
=
=
−
−
16,0
3
33
16,0
3
10324,0
101
749,0195
8758,91575,081,9294,0
x
x
x
xxx
YgV
xc
n
ytbcđ
xtbc
đ
sc
µ
µ
ρσ
ρ
ω
3,02
c
ω
= 0,8 x 3,02 = 2,416
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
22
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
4.4. Đường kính tháp đệm
Đường kính đoạn luyện
D
l
= 0,0188
488,102,1
275,3943
x
= 0,96 (m) quy chuẩn D
l
= 1m ω = 1,37 = 78%
sl
ω
Đường kính đoạn chưng:
D
c
= 0,0188
416,2749,0
7255,1665
x
= 0,6 Quy chuẩn D
c
= 0.6m ω = 2,416 = 80%
sc
ω
Vậy ta chọn đường kính tháp là D = 1 m
V. TÍNH CHIỀU CAO THÁP ĐỆM THEO SỐ ĐƠN VỊ CHUYỂN KHỐI
Chiều cao toàn tháp được xác định theo công thức:
H = N
l
x h
tđ
+ ( 0,8
÷
1) [2-168]
Trong đó: ( 0,8
÷
1) khoảng cho phép ở đỉnh và đáy tháp
N
l
– số đĩa lý thuyết
h
tđ
– chiều cao tương đương của 1 bậc thay đổi nồng độ
h
tđ
tính theo công thức sau đây:
h
tđ
= 200
4,0
2,1
1
ω
σ
đ
đ
V
m [2-168]
5.1. chiều cao của đoạn luyện
h
tđl
= 200
4,0
2,1
1
l
đ
đ
V
ω
σ
= 200 x
4,0
2,1
37,1
1
195
75,0
= 0,223 m
H
l
= 8 x 0,223 + 0,6 = 2,384 m
5.2 chiều cao của đoạn chưng
h
tđ
= 200
4,0
2,1
1
ω
σ
đ
đ
V
= 200 x
4,0
2,1
416,2
1
195
75,0
= 0,178
H
c
= 8 x 0,178 + 0,8 = 2,222 m
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
23
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
Chiều cao toàn tháp H = H
l
+ H
c
= 2,348 + 2,222= 4,57 m
VI. TÍNH TRỞ LỰC TRONG THÁP ĐỆM.
Sức cản thủy học của tháp đệm đối với hệ hơi lỏng được xác định theo công thức sau:
+∆=∆
µ
µ
ρ
ρ
y
x
x
y
y
x
A
G
G
pp
kæ
038,0
19,0
342,0
1.
(N/m
2
) (IX.118_sổ tay II)
A = 5,15: hệ số
p
æ
∆
: tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha có tốc độ của khí đi qua đệm khô
(N/m
2
)
p
k
∆
: tổn thất áp suất của đệm khô[ N/m
2
]
G
x
,
G
y
: lượng lỏng, hơi trung bình đi trong tháp [kg/s]
µ
x
µ
y
: độ nhớt trung bình của lỏng, hơi [N.S/m
2
]
ρ
x
,
ρ
y
:khối lượng riêng trung bình của lỏng,hơi [kg/m
3
]
Tổn thât áp suất của đệm kho tính theo công thức :
2
.
.
.
.
42
.
2
3
,
2
,
ρ
δ
λ
ρ
λ
y
y
d
d
t
y
td
k
w
V
w
d
p
H
H
==∆
[N/m
2
] (IX.119_sổ tay II)
Vận tốc thực của khí trong lớp đệm
V
w
w
d
y
t
,
=
(IX.120_sổ tay II)
Trong đó H: chiều cao tháp đệm[m]
λ
,
:hệ số trở lực của đệm bao gồm cả trở lực ma sát và trở lực cục bộ,với các loại
đệm khác nhau thì xác định theo công thức thực nghiệm khác nhau
w
y
,
: Tốc độ của hơi tính trên toàn bộ tiết diện của tháp [m/s]
δ
d
: bề mặt riêng của đệm [m
2
/m
3
]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
24
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ GVHD: PHẠM THỊ THU HOÀI
V
d
: thể tích tự do của đệm [m
3
/m
3
]
Tổn thất áp suất của đệm khô xác định theo công thức sau ( chọn
R
ey
> 40 nghĩa là đệm đổ
lộn xộn)
V
w
p
d
y
d
y
y
k
H
3
2,0
2,1
8,0
8,1,
56,1
µ
σ
ρ
=∆
[N/m
2
] (IX.121_sổ tay II).
Tính độ nhớt của pha hơi theo công thức
2
22
1
11
µµµ
MmMm
M
hh
hh
+=
μ
1
, μ
2
là độ nhớt của metylic và nước; m
1
, m
2
là phần thể tích tương ứng của
metylic và nước.
VI.1 . Trở lực cho đoạn luyện
Các số liệu đã có :
Tốc độ bay hơi w
y
= 1,37 [m/s]
G
xl
= 2137,58 [kg/h]
G
yl
= 3943,275 [kg/h]
ρ
xl
= 815,056 [kg/m
3
]
ρ
yl
= 1,02 [kg/m
3
]
µ
xl
= 0,347 [10
-3
.N.s/m
2
]
Tra toán đồ hình I.35 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập1 ta
được các giá trị độ nhớt như sau: μ
1
= 113.10-7, μ
2
= 115.10-7. Từ đó ta tính được độ
nhớt của hỗn hợp khí:
yl
µ
= 113,28 x 10
-7
[N.s/m
2
]
Vận tốc của hơi trong đệm
75,0
37,1
'
1
=
w
= 1,83 [m/s]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
25
