tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử dễ bay hơi Nước và Axit axetic + cad

LỜI MỞ ĐẦU
Sự phát triển về công nghệ bên cạnh đó là là sự phát triển về nhu cầu của
con người về độ tinh khiết cao. Vì vậy mà các phương pháp nâng cao độ tinh khiết
được cải tiến và luôn được đổi mới để hoàn thiện: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích
ly…Tùy vào từng đặc tính của sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp cho phù hợp.
Axit axetic đây là một trong những hợp phần quan trọng, nó không thể thiếu
trong cuộc sống hằng ngày, nó góp phần to lớn đến các ngành công nghiệp hóa học
cũng như công nghệ thực phẩm.
Đối với hệ Nước – Axit axetic là hệ 2 cấu tử tan vào nhau, do đó mà ta cần
phải dùng chưng cất để nâng cao nhiệt độ tinh khiết. Người ta thường sử dụng thiết
bị tháp mâm xuyên lỗ, làm việc ở áp suất thường.
Nhiệm vụ của đồ án này: tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên
tục hỗn hợp hai cấu tử dễ bay hơi Nước và Axit axetic với năng suất nhập liệu
1600kg/h có nồng độ 40%, nồng độ sản phẩm đỉnh là 97%, nồng độ sản phẩm đáy 5%.

1


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT VÀ
DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

I. TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM
1. Axit axetic
a. Tính chất
- Axit axetic còn gọi là etanoic, là một axit hữu cơ, có công thức phân tử
là CH3COOH.
- Là một chất lỏng không màu, có mùi thơm đặc trưng, vị chua, tỉ trọng so
với nước ở trạng thái lỏng 1,049kg/cm3 ở 200C và ở trạng thái rắn 1,226kg/cm3.
- Khi hạ nhiệt độ xuống thì đông đặc thành một khối tinh thể có t nc= 16,50C;
ts= 118,10C.

- Tan vô hạn trong nước, rượu và ete theo bất kì tỉ lệ nào.
- Là 1 axit yếu, hằng số phân ly nhiệt động học của nó là K a= 1,75*10-5 ở
250C; pKa = 4,76.
- Tính ăn mòn kim loại:
+ Axit axetic ăn mòn sắt.
+ Nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, nó đề kháng tốt với axit axetic đặc và
thuần khiết. Đồng và chì bị ăn mòn với sự hiện diện của không khí.
+ Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối với axit axetic.
b. Điều chế
- Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là một
giai đoạn trung gian.
Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic.
CH3CHO +2O2 = CH3COOH
C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O
2


•

•

Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ axetylen
Sự oxy hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban
axetat. Người ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80 0C để ngăn chặn sự
hình thành của peoxit. Hiệu xuất đạt được là 95% - 98% so với lý thuyết. Người ta
đạt như thế rất dễ dàng sau khi axit axetic kết tinh được.
CH3CHO + 2O2 coban axetat ở 800C
CH3COOH
Tổng hợp từ cồn metylic và cacbon oxit
Hiệu suất có thể đạt được 50% - 60% so với lý thuyết bằng cách ổn định

cacbon oxit trên cồn metylic qua xúc tác.
Nhiệt độ từ 200 – 5000C, áp suất 100 – 200 atm.
CH3CHO + CO → CH3COOH
c. Ứng dụng
- Axit axetic là nguyên liệu dùng để sản xuất nhiều mặt hàng khác nhau và
được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế, dược, giao thông
vận tải…Vì nó là một loại axit rẻ tiền nhất.
- Axit axetic là một trong những ứng dụng quan trọng trong các loại axit hữu
cơ. Nguồn tiêu thụ chủ yếu:
+ Làm giấm ăn ( chứa 4,5% axit axetic ).
+ Làm đông đặc nhựa mủ cao su.
+ Làm chất dẻo sợi celluloza acetat – làm phim ảnh không nhạy lửa.
+ Làm chất kết dính polyvinyl acetat.
+ Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp.
2. Nước

•

•

- Trong điều kiện thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị.
- Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau.
Khối lượng phân tử: 18g/mol
Khối lượng riêng d4oC: 1g/ml
Nhiệt độ nóng chảy: 00C
Nhiệt độ sôi: 1000C
Nước là dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng cực:
+ Các hợp chất phân cực hoặc có tính ion như axit, rượu và muối đều dễ tan
trong nước.
+ Tính hòa tan của nước nó đóng vai trò quan trọng trong sinh học vì có

nhiều phản ứng hóa sinh chỉ xảy ra trong dung dịch nước.
Nước được sử dụng trong công nghiệp từ lâu như là nguồn nhiên liệu, nước là một
chất trao đổi nhiệt, và là dung môi quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
3


3. Hỗn hợp nước – axit axetic
Ta có bảng: Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp
nước – axit acetic ở 760 mmHg.
X

0

5

10

Y

0

9,2

20

30

16,7 30,3 42,5

40

53

50

60

70

80

62,6 71,6 79,5 86,4

90

100

93

100

T 118,4 115,4 113,8 110,1 107,5 105,8 104,4 103,3 102,1 101,3 100,6 100
Từ bảng số liệu ta vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y và đồ thị t-x,y.

Hình 2.1 Đồ thị t – x,y của hỗn hợp Nước – Axit acetic

4


Hình 2.2: đồ thị cân bằng lỏng hơi cửa hỗn hợp Nước và Axit axetic
II. QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT

1. Khái niệm
- Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng dựa trên nhiệt độ bay hơi
của chúng.
- Chưng khác với cô đặc: trong quá trình chưng, các cấu tử đều bay hơi, còn
trong cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi mà chất tan không bay hơi.
- Sản phẩm của quá trình chưng tuy chưa đạt tinh khiết tuyệt đối, nhưng
nồng độ của nó khá cao.
- Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường hệ có bao nhiêu cấu
tử thì ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm:
•

Đối với hệ 2 cấu tử: Nước – Axit axetic:
+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước và một ít axit axetic.
+ Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic và một ít nước.
2. Các phương pháp chưng cất
5


•

•
•
•
•

Các phương pháp chưng cất được phân loại dựa theo:
+ Áp suất làm việc
+ Chưng cất ở áp suất thấp.
+ Chưng cất ở áp suất thường.
+ Chưng cất ở áp suất cao.

Nguyên tắc: dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử
quá cao thì ta phải giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của cấu tử.
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.
+ Cấp nhiệt gián tiếp bằng hơi nước: áp dụng đối với trường hợp chất được
tách tan vào trong nước.
Phương thức làm việc:
+ Chưng liên tục là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, và nhiều
đoạn.
+ Chưng gián đoạn: phương pháp này sử dụng trong các trường hợp:
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 nhiều cấu tử.
Đối với hệ Nước – Axit axetic ta dùng phương pháp chưng luyện liên tục để
tách hệ này.
3. Thiết bị chưng

-

- Trong sản xuất thì có rất nhiều tháp chưng nhưng chúng đều có chung là
diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này nó phụ thuộc vào độ phân tán của
cấu tử này vào cấu tử kia.
- Kích thước của tháp: đường kính tháp và chiều cao của tháp nó phụ thuộc
vào suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm.
- Các loại tháp thường dùng trong công nghiệp:
+ Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa tưới.
+ Tháp chưng cất dùng mâm chóp.
+ Tháp đệm: tháp chưng cất dùng vật chêm.

Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo
khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo
đĩa mà ta có:

6


+ Tháp mâm chóp: trên mâm có bố trí các chóp dạng tròn hay một dạng
khác, có rãnh xung quanh để pha khí đi qua và ống chảy chuyền có hình
tròn.
+ Tháp mâm xuyên lỗ: Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh có đường kính
3 – 12mm được bố trí trên các đỉnh tam giác, bước lỗ bằng 2,5 - 5 lần đường
-

kính.
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 2 phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp
theo thứ tự.
Bảng 1. So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp
Tháp đệm
Ưu
điểm

- Cấu tạo khá đơn giản.
- Trở lực thấp.

- Hiệu suất thấp
- Kém ổn định do sự
phân bố các pha theo tiết
diện tháp không đều.

- Sử dụng tháp không
cho phép ta kiểm soát
Nhược
quá trình chưng cất theo
điểm
không gian tháp trong
khi đó ở tháp mâm thì
quá trình thể hiện qua
từng mâm một cách rõ
rệt.

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp chóp

- Hiệu suất truyền
- Chế tạo đơn giản
- Trở lực thấp hơn khối cao, ổn định.
- Ít tiêu hao năng
tháp chóp, ít tốn kim
lượng hơn nên có
loại hơn tháp chóp
số mâm ít

- Yêu cầu lắp đặt cao:
mâm phải rất phẳng,
đối với những tháp có
đường kính quá lớn (
> 2,4m) ít dùng mâm
xuyên lỗ vì lúc đó

chất lỏng phân phối
không đều trên mâm.
- Trở lực khá cao

- Cấu tạo phức tạp
- Không làm việc
với chất lỏng bẩn.
- Trở lực lớn.

Nhận xét: Tháp mâm xuyên lỗ ở trạng thái trung gian giữa 2 tháp nên ta chọn tháp
mâm xuyên lỗ để chưng cất.
Vậy: chưng cất hệ Nước – Axit axetic ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động ở áp
suất thường.
7


III. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC – AXIT AXETIC
1. Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ nước – axit axetic
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.

13.
14.
15.

Bồn chứa nguyên liệu.
Bơm.
Bồn cao vị.
Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu.
Bẫy hơi.
Lưu lượng kế.
Nhiệt kế.
Tháp chưng cất.
Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
Áp kế
Thiết bị đun sôi sản phẩm đáy.
Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy.
Bồn chứa sản phẩm đáy.
Bộ phận chia dòng.
Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
2. Thuyết minh sơ đồ công nghệ
Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ 40% ( theo khối lượng), nhiệt độ
nhập liệu là 280C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị
(3). Tiếp theo, hỗn hợp được dẫn qua thiết bị đun sôi nhập liệu ( thiết bị trao đổi
nhiệt) (4). Sau đó, được đưa qua van (6) để điều chỉnh lưu lượng trước khi vào
tháp chưng (8) ở đĩa nhập liệu.
Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Tại đây, có sự
tiếp xúc và trao đổi giữa pha lỏng và hơi với nhau. Pha lỏng chuyển động trong
phần chưng, càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử để bay hơi vì đã bị
pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi cuốn các 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 axit axetic sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử nước
chiếm nhiều nhất ( có nồng độ 97% theo phần khối lượng). Hơi này sẽ đi vào thiết
bị ngưng tụ (9) và sẽ được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ nó sẽ
được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (4). Phần còn lại của chất lỏng
ngưng tụ nó sẽ được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng. Một phần cấu tử có nhiệt độ
sôi thấp được bốc hơi, còn lại là cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng nó sẽ
8


càng tăng. Cuối cùng ở đáy tháp ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng là hầu hết các cấu tử
khó bay hơi ( axit axetic). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ là nước 5% ( theo khối
lượng). Dung dịch lỏng ở đáy nó sẽ đi ra khỏi tháp rồi vào nồi đun (11). Trong nồi
đun (11) 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 và rồi sau đó được đưa qua bồn chứa sản phẩm
đáy (13).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước, sau khi trao đổi với
dòng nhập liệu và được thải bỏ. Sản phẩm đáy là axit axetic được giữ lại.

9


CHƯƠNG 2
TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
I. CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG
1. Cân bằng vật liệu
1.1 Thông số ban đầu
- Chọn loại tháp mâm xuyên lỗ
Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước.
+ Axit axetic: CH3COOH, MA= 60 (g/mol)
+ Nước: H2O, MA = 18 (g/mol)

- Năng suất nhập liệu: GF = 1600 (kg/h).
- Nồng độ hỗn hợp ban đầu: aF = 40% khối lượng.
- Nồng độ sản phẩm đỉnh: aF = 97% khối lượng.
- Nồng độ sản phẩm đáy: aW = 5% khối lượng.
Chọn:

-

+ Nhiệt độ nhập liệu: 280C.
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: 300C.
+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: 300C.
+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: 450C.
+ Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.
+ Áp suất hơi đốt: Ph = 3at.
Các ký hiệu:

10


Bảng 2. Bảng ký hiệu
Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

GF

Lưu lượng khối lượng dòng nguyên liệu

Kg/h

GP

Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh

Kg/h

GW

Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy

Kg/h

F

Lưu lượng dòng nguyên liệu

Kmol/h

P

Lưu lượng của dòng sản phẩm đỉnh

Kmol/h

W

Lưu lượng của dòng sản phẩm đáy

Kmol/h

aF

Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu

% khối
lượng

aP

Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đỉnh

% khối
lượng

aW

Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đáy

% khối
lượng

xF

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng nguyên liệu

% mol

xp

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm
đỉnh

% mol

xW

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm
đáy

% mol

yF

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng nguyên liệu

% mol

yP

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng sản phẩm
đỉnh

% mol

yW

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng sản phẩm đáy

% mol

1.2 Tính cân bằng vật liệu
- Công thức liên hệ nồng độ phần mol và nồng độ phần khối lượng:
x
- Thành phần mol của nước ở sản phẩm đỉnh:
= 0,69 ( phần mol )
11


- Thành phần mol nước ở sản phẩm đỉnh:
0,99 ( phần mol )
- Thành phần mol nước của sản phẩm đáy:
0,15 ( phần mol )
- Tính phân tử lượng trung bình của hỗn hợp theo công thức:
)
+ Trong hỗn hợp đầu:
MF = MA *xF + MB *( 1- xF ) = 18*0,69 + 60*( 1- 0,69) = 31,02 ( kg/kmol )
+ Trong sản phẩm đỉnh:
Mp = MA *xP + MB*( 1-xP ) = 18* 0,99 + 60*( 1-0,99 ) = 18,42 ( kg/kmol)
+ Trong sản phẩm đáy:
MW = MA *xp + MB*( 1- xW ) = 18* 0,15 + 60 * ( 1- 0,15 ) = 53,7 (kg/kmol)
- Phuơng trình cân bằng vật liệu của tháp:
GF = GP + GW (1)
-

Đối với cấu tử dễ bay hơi:
aF* GF = aP * GP + aW * Gw (2)
từ (1) và (2) suy ra:
+ Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh:

Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy:

- Lưu lượng mol tính theo công thức:
+ Lưu lượng mol của nguyên liệu vào:
+ Lưu lượng mol của sản phẩm đỉnh:
+ Lưu lượng mol của sản phẩm đáy:
1.3 Thành phần mol cân bằng của các cấu tử dựa vào dữ liệu cân bằng pha

12


-

Ta có số liệu cân bằng pha của hỗn hợp Nước – Axit axetic ở áp suất thường
( sổ tay QTTB – T2 – T148 ), thiết lập đồ thị phụ thuộc giữa đại lượng x-y, T – x, y
( hình 2.1 và hình 2.2 ). Từ đó mà ta xác định được phần mol các cấu tử trong pha
hơi nằm cân bằng với pha lỏng ứng với nhiệt độ sôi của từng dòng F, P, W.
Gọi yF*, yp*, yp* là nồng độ phần mol của pha hơi cân bằng với lỏng trong hỗn hợp
đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, t F, tP, tW là nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu, của
sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.
- Bằng phương pháp nội suy và dựa vào đồ thị ta có kết quả như sau:
Sản phẩm

x

Y

ts0C

F

0,69

0,79

102,22

P

0,99

0,993

100,06

W

0,15

0,235

111,95

1.4. Xác định số đĩa lý thuyết

-

a. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện
Gọi:
+ Gx : Lưu lượng pha lỏng hồi lưu trở lại tháp.

+ Gy : Lưu lượng pha hơi đi từ dưới lên.
+ P : Lưu lượng sản phẩm đỉnh.
+ x : Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa
trên xuống.
+ y : Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi chảy từ đĩa dưới
lên.
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện:

-

Trong đó: là chỉ số hồi lưu.
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng
và đi qua điểm: .
b. Chọn tỉ số hồi lưu thích hợp
- Đường nồng độ làm việc của đoạn luyện cắt trục O y trên đồ thị cân bằng
pha x-y tại điểm B. Điểm B phụ thuộc vào giá trị chỉ số hồi lưu làm việc Rx.
13


được chọn qua tỉ số hồi lưu tối thiểu theo công thức:
Rx = b* Rxmin. Với b: hệ số dư, b
( 1,2
2,5 ); ( CT IX.25, T158 [2] )
Trong đó:
Với mỗi giá trị của b

(1,2

2,5) ta tính được , suy ra toạ độ điểm B của đường

làm việc đoạn luyện ứng với giá trị này, vẽ được đường làm việc đoạn chưng, vẽ
số bậc thay đổi nồng độ và xác định được số đĩa lý thuyết.
B

Rx

B

1,2

2,4

0,29

1,4

2,8

0,26

1,6

3,2

0,24

1,8

3,6

0,215

2,0

4

0,198

2,2

4,4

0,183

2,4

4,8

0,171

Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp tương ứng với số đĩa lý thuyết tối ưu:
Vlàm việc Nlt(Rx+1). Sau khi xác định số đĩa lý thuyết ta có bảng số liệu sau:

14


Nlt

Nlt(Rx + 1)

57

193,8

35

133

33

138,6

29

133,4

27

135

24

129,6

24
139,2
Dựa vào bảng ta vẽ đồ thị phụ thuộc của Nlt(Rx+1) và Rx. Sau đó dựa vào đồ thị
xác định chỉ số Rx thích hợp.

Từ bảng số liệu trên, ta có thể biểu diễn quan hệ Nlt(Rx + 1) và Rx

Nhận xét: Tích Nlt(Rx + 1) nhỏ nhất là 129,6 khi b = 2,2
Do đó ta chọn giá trị b = 2,2 khi đó Rx có giá trị tối ưu và Rx = 4,4

15


Hình 2.3: đồ thị xác định bậc thay đổi nồng độ
Từ đồ thị trên, ta xác định được số bậc thay đổi nồng độ tương ứng với R x = 4,4 ta
xác định được số mâm lý thuyết thu được là 24 mâm.
1.5. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện
a. Đoạn luyện
Ta có phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng:
Trong đó :
Với: Rx= 2
b. Đoạn chưng
Ta có phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng:

1.6. Xác định số đĩa thực tế
a. Tính số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình
16


( CT IX.59, T170, [2] )
Trong đó:
+ Nlt : số bậc thay đổi nồng độ hoặc số đĩa lý thuyết.
+ : hiệu suất trung bình của thiết bị.
)
Với:
+ η1, η2... : hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ.
+n

: số vị trí tính hiệu suất

+ ηtb
hợp lỏng

: hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn

Trong đó:
+ α: độ bay hơi tương đối hỗn hợp lỏng.
+ µ: độ nhớt của hỗn hợp lỏng.
Trong chưng luyện người ta tính độ bay hơi tương đối như sau:

Trong đó:
+ x,y : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi của pha lỏng.
+α

: độ bay hơi tương đối của hỗn hợp.

+µ

: độ nhớt của hỗn hợp lỏng N.s/m2.

b. Tính α, μ tại 3 vị trí: đĩa nạp liệu, đỉnh và đáy tháp


Tại đĩa nạp liệu

-

Từ xF = 0,69 ta tra đồ thị cân bằng của hệ ta có: y*F = 0,79; tF = 102,220C.

-

Dùng phương pháp nội suy ta suy ra được:

( Bảng I.101, T91, T92, [1] )

17


aF = * = 1,6901
Suy ra: αF * µF = 1,6901* 0,3227 = 0,54
Tra giản đồ thực nghiệm tại ( Hình IX.11,st 2/ T171): ηF = 0,59


(4)

Tại vị trí mâm đỉnh:
- Từ xp = 0,99 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: yp* = 0,995; tP = 100,060C
- Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp lỏng tại vị trí đỉnh :

- Tìm độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đỉnh:
+ Tại t = 100,060C dùng phương pháp nội suy ta tra được độ nhớt của nước
và axit axetic (Bảng I.101, T91,92, [1])


-

= 0,29

Suy ra ta có: = 2,01= 0,58 ta suy ra = 0,52 (Hình IX.11, T171, [2]). ( 5)
Tại vị trí mâm đáy
Từ ta tra đồ thị cân bằng của hệ: ; tW = 111,950C
Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp lỏng tại vị trí đáy :
- Tìm độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đáy:
+ Tại t = 111,95 0C dùng phương pháp nội suy ta tra được độ nhớt của
nước và axit axetic (bảng I.101, T 91,92, [1]).

= 0,15lg0,253 + (1
0,194 (cP)
18


Suy ra: αW µW = 0,194 1,74 = 0,34
+ Từ tích số = 1,74 0,34 = 0,6 ta suy ra = 0,63
(Hình IX.11, T171, [2]). ( 6)
+ Từ 4, 5, 6 suy ra:
- Hiệu suất trung bình của tháp:
- Số đĩa thực tế của tháp N tt :
Vậy chọn N tt = 42 đĩa
+ Trong đó :
Số đĩa thực tế của đoạn luyện: N L=
Số đĩa thực tế của đoạn chưng: N c =
Số đĩa thực tế của đoạn luyện: N L= 32,4 đĩa, chọn 32 đĩa.
Số đĩa thực tế của đoạn chưng: N c = 9,8 đĩa, chọn 10 đĩa.
2. Cân bằng nhiệt lượng trong quá trình chưng luyện.
Mục đích:
- Xác định được lượng nước lạnh cần thiết để cho vào quá trình ngưng tụ
và làm lạnh.
- Xác định được lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn đầu và đun

bốc hơi ở đáy tháp.
- Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nhiên liệu rẻ tiền, phổ biến
và dễ tìm trong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ.
- Sồ đồ cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

19


Hình 2.4. Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện
- Giải thích:
Ký
hiệu

Ý nghĩa

Đơn
vị

QD1

Nhiệt độ do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng

J/h

Qf

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun nóng

J/h

QF

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng
hay mang vào tháp chưng luyện

J/h

Qng1

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị đun nóng
J/h

J/h

Qxq1

Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh

J/h

QD2

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào cần đun nóng sản phẩm
đáy

J/h

QR

Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào

J/h

Qy

Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp

J/h

QW

Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp

J/h

Qng2

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi tháp

J/h
20


Qxq2

Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh

J/h

2.1. Cân bằng nhiệt của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

- Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng
QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1
( CT IX.149, T196, [2] )
Trong đó:
QD1 = D1λ1 = D1( r1 +θ1C1 ) J/h ( CT IX.150, T196, [2] )
Với:
D1
: lượng hơi đốt mang vào, kg/h
λ1
: hàm nhiệt của hơi nước, J/kg
r1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, J/kg
θ1
: nhiệt độ của nước ngưng, 0C
C1
: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg .độ
Qxq1 = 5%QD1 = 5%D1r1 (J/h) ( CT IX.154, T197[2] )
Qng1 = Gng1C1θ1 = D1C1θ1 (J/h) ( CT IX.153, T197[2] )
Với:
Gng1: lượng nước ngưng ( lấy bằng lượng hơi đốt ), kg/h.
Qf = GFtfCf (J/h) (CT IX.151, T196[2])
QF = GFtFCF (J/h) (CT IX.152, T196[2])
Với:
tf: nhiệt độ hỗn hợp đầu 0C, chọn tf = 280C
tF: nhiệt độ điểm sôi của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng 0C, chọn
tF = 102,220C.
CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng, (J/kg*độ).
Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, (J/kg*độ).
Suy ra, lượng hơi nước bão hoà cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu là:

- Tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:
Sử dụng công thức nội suy ta có:
Bảng I.153, t172, [1])
Bảng I.154, T172, [1])
(J/ kg*độ)
= 1600*2896,64*28 = 129769472
- Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra khỏi thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:
21


(J/ kg*độ)
(J/ kg*độ) ( Bảng I.154, T172, [1] )
(J/ kg*độ)
Ta chọn hơi nước bão hoà đun sôi ở áp suất P = 3atm; t 0= 132,90C; từ đó ta
tra được ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt:
( J/kg) ( Bảng I.125, T315,[1])
Do đó:
2.2. Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp

2.2.1.Nhiệt lượng toả ra do hỗn hợp đầu mang vào tháp QF

2.2.2. Nhiệt lượng lỏng hồi lưu mang vào QR

-

- Trong đó:
+ GP là lưu lượng sản phẩm đỉnh, (kg/h).
+ Rx là chỉ số hồi lưu tối ưu.
+ CR là nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu, (J/kg*độ).
+ tR là nhiệt độ của lượng lỏng hồi lưu, (0C).

Nhiệt dung riêng của lượng lỏng hồi lưu ứng với nhiệt độ tR= tP= 100,060C là:
( Bảng I.153, t172, [1] )
(J/ kg*độ)
( Bảng I.154, T172, [1] )
Suy ra:
608,69*2**100,06
2.2.3. Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy

- Trong đó:
là nhiệt lượng riêng của hơi mang ra ở đỉnh tháp, (J/kg)
là nhiệt lượng riêng của cấu tử A và B ở đỉnh tháp, (J/kg)
tP là nhiệt độ của đỉnh tháp, tP=100,060C
22


CP là nhiệt dung riêng của hỗn hợp ra khỏi đỉnh tháp ở nhiệt độ
tP=100,060C (J/kg*độ).
(
(

+ rP là ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp sản phẩm đỉnh ở tP =100,060C
Tra ẩn nhiệt hóa hơi của nước và axit axetic tại 100,060C
(Bảng I.211, I.212, T254, [1]) ta có:
= 2256,52*103 (J/kg)
rB = 406,103*103 (J/kg)
Suy ra:
rP = 2256,52*103 *0,97 + ( 1- 0,97 ) * 406,103*103 = 2201007,49 ( J/kg )
= 2201007,49+ *100,06 = 2615960,352 (J/kg)
Vậy 2615960,352
= 4776926721 (J/h)

2.2.4. Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Qw
( CT IX.160, T197, [2] )

23


Trong đó:
+ là lưu lượng sản phẩm đáy, (kg/h)
+ là nhiệt độ của hỗn hợp đáy, (0C)
+ là nhiệt dung riêng của hỗn hợp sản phẩm đáy ở nhiệt độ 111,950C

= 4256,8875*0,05 + 2492,73*( 1- 0,05) = 2580,938

2.2.5. Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng2.

-

-

-

( CT IX.161, T198, [2] )
Trong đó:
+ là lượng nước ngưng tụ, (kg/h)
+ là nhiệt dung riêng, (J/kg*độ)
+ nhiệt độ ( 0C ) của nước ngưng.
Nhiệt lượng tổn thấp ra môi trường xung quanh :
( CT IX.162, T198, [2] )
Vậy: theo ( CT IX.163, T98, [2] )
= = 1959,582 (kg/h)

Tổng lượng hơi cần dùng là:
= 2147,172 ( kg/h)
Ta chọn hơi nước bão hòa đun sôi ở áp suất: Ph = 3 at
suy ra r2 = 2171*103 (J/kg) ( Bảng I.125, T314, [1] )
Lượng nhiệt tiêu tốn môi trường xung quanh:
Qxq2 = 0,05*D2*r2
= 0,05 * 1959,582 * 2171 *103 = 212712626,1 (J/h )

24


2.3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
- Ngưng tụ hoàn toàn thì:
)
Trong đó:
+ r: ẩn nhiệt ngưng tụ ở đỉnh tháp (J/kg)
Với
: nhiệt độ vào ra của nước lạnh
Chọn ,
Tra nhiệt dung riêng của nước ở 0C ( I.153, T172, [1] )
Do đó lượng nước cần thiết để làm lạnh là:
2.4. Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh
)
Trong đó:
: nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đáy
Suy ra:
Tra nhiệt dung riêng tại
( J/kg*độ)
( J/kg*độ)
Suy ra:( J/kg*độ)

II. CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA THÁP
1. Đường kính tháp
)
-

+ Vtb
+
+ gtb

Trong đó:
: lượng hơi trung bình đi trong tháp, (m3/h)
: Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, (m/s)
: lượng hơi trung bình đi trong tháp, (Kg/h)
25