Đồ án quá trình thiết bị
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.01 MB, 74 trang )
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
MỤC LỤC
MỤC LỤC.................................................................................................................1
LỜI MỞ ĐẦU...........................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT,
DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ...............................................................................2
CHƯƠNG II: TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH....................................12
CHƯƠNG III: TÍNH KẾT CẤU CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH...............36
CHƯƠNG IV: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ.................................................................56
PHỤ LỤC................................................................................................................66
Xác định số đĩa lý thuyết bằng phương pháp vẽ số bậc thay đổi nồng độ.......66
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................71
LỜI MỞ ĐẦU
Trong công nghệ hóa học, để phân riêng hỗn hợp hai hay nhiều cấu tử hòa tan một
phần hay hoàn toàn vào nhau, ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như: hấp
thụ, hấp phụ, trích ly, chưng cất…Mỗi phương pháp đều có những ưu, nhược điểm nhất
định. Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị cho phù hợp tùy thuộc vào hỗn hợp ban đầu,
yêu cầu của sản phẩm và điều kiện kinh tế.
Đồ án môn học Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học là môn học tổng hợp
giúp sinh viên có thể tính toán và thiết kế được một hệ thống thiết bị trong công nghệ hóa
học cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của các thiết bị trong dây chuyền
công nghệ.
Nhiệm vụ của đồ án này là: Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên
tục để phân riêng hỗn hợp Chloroforme-Benzene với:
•
Năng suất theo hỗn hợp đầu: 66000 kg/ngày
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 1
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
•
•
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
xF = 38 % khối lượng, xP = 92 % khối lượng, xW = 4,8 % khối lượng
Tháp đĩa, làm việc ở áp suất thường.
Đối với hệ Chloroforme-Benzene là hệ hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, có nhiệt
độ sôi cách xa nhau, nên ta dùng phương pháp chưng luyện liên tục để phân riêng hỗn
hợp này.
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT,
DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
I.TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM: CHLOROFORME-BENZENE
1.Chloroforme
Tính chất:
a. Tính chất vật lý:
Chloroforme (CHCl3) còn gọi là tricloromêtan hoặc mêtyl triclorua. Đây là
một hợp chất hoá học thuộc nhóm trihalomêtan. Ở điều kiện thường, chloroforme là chất
lỏng không màu, không cháy trong không khí, trừ khi tạo thành hỗn hợp với các chất dễ
bắt cháy hơn. Người ta sử dụng clorofom làm chất phản ứng và dung môi. Chloroforme
còn là một chất độc với môi trường.
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 2
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
-
Công thức phân tử: CHCl3
-
Khối lượng phân tử: 119,38 g/mol
-
Tỷ trọng: 1,48
-
Điểm nóng chảy: -63,5 0C
-
Điểm sôi: 61,2 0C ở áp suất thường 1atm
-
Độ hòa tan trong nước: 0,8 g/100 ml ở 1 at và 20 0C
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
b. Tính chất hóa học:
- Chloroforme không dễ cháy nhưng lại dễ bị oxy hóa dưới tác nhân oxy hóa mạnh
kèm theo sự tạo thành khí clo và photgen. Chloroforme tinh khiết nhạy cảm với ánh sáng.
- Chloroforme tạo thành hyddrate CHCl3.17H2O khi bị phân ly ở 1,6 0C và
áp suất 8 kPa. Khi gặp nước ở nhiệt độ thường với sự có mặt của oxy,
chloroforme vẫn ở trạng thái bền vững cho đến khi nhiệt độ đến 290 0C. Đun
nóng chloroforme trong dung dịch kiềm mạnh pha loãng sẽ tạo thành acid
formic.
- Nhiệt phân chloroforme ở 450 0C tạo thành tetrachloroathane, acid hydrochloric và
những hydrocacbon clo hóa.
Điều chế:
Trong công nghiệp, người ta điều chế chloroforme bằng đốt nóng hỗn
hợp clo và clomêtan hay mêtan. Ở nhiệt độ 400-500 °C, phản ứng halogen hóa gốc tự
do diễn ra, chuyển mêtan hayclomêtan dần dần thành các hợp chất clo hóa.
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl
CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl
Tiếp tục phản ứng clo hóa, clorofom chuyển thành CCl4:
CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HCl
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 3
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
Hỗn hợp sản phẩm sau phản ứng gồm 4 chất: clomêtan, diclomêtan, clorofom, và
cacbon tetraclorua, chúng tách ra qua quá trình chưng cất.
Ứng dụng:
Ngày nay chloroforme sử dụng chủ yếu để tổng hợp chất làm lạnh R-22 cho máy
điều hòa không khí. Tuy nhiên, vì R-22 gây ra sự suy giảm ozon nên clorofom gần như ít
sử dụng cho mục đích này.
-
Gây mê:
Từ giữa thế kỷ 18, clorofom chủ yếu sử dụng làm chất gây mê. Hơi clorofom ảnh
hưởng đến hệ thần kinh trung ương của người bệnh, gây ra chóng mặt, mỏi mệt và ngất,
cho phép bác sỹ phẫu thuật.
-
Làm dung môi:
Clorofom là một dung môi phổ biến vì nó khá trơ, trộn hợp với hầu hết các chất
lỏng hữu cơ, và dễ bay hơi. Trong công nghiệp dược phẩm, người ta sử dụng clorofom
làm dung môiđể sản xuất thuốc nhuộm và thuốc trừ sâu. Clorofom chứadơtơri (hydro
nặng), CDCl3, là dung môi phổ biến cho phương pháp đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân.
2.Benzene
Tính chất:
a. Tính chất vật lý:
Benzene (C6H6) có tên gọi khác là PhH, hoặc benzol, hoặc cyclohexa-1,3,5trien . Đây là một hợp chất hữu cơ có công thức hoá học C6H6. Benzene là một
hydrocarbon thơm, trong điều kiện bình thường là một chất lỏng không màu, mùi dịu ngọt
dễ chịu nhưng mùi này rất có hại cho sức khỏe con người (gây bệnh bạch cầu), bốc hơi
vào không khí rát nhanh, dễ cháy. Benzen tan rất kém trong nước và rượu. Benzen cũng
có khả năng cháy tạo ra khí CO2 và nước, đặc biệt có sinh ra muội than.
-
Công thức phân tử: C6H6
-
Khối lượng phân tử: 78,1121 g/mol
-
Tỷ trọng: 0,8786
-
Điểm nóng chảy: 5,5 0C (278,6 K)
-
Điểm sôi: 80,1 0C ở áp suất thường 1atm
-
Độ hòa tan trong nước: 1,79 (g/l) ở 25 0C
-
Độ nhớt: 0,652 cP ở 20 0C
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 4
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
b. Tính chất hóa học:
i.
Phản ứng cộng:
Benzen trong điều kiện có xúc tác niken, nhiệt độ cao cộng với khí hiđrô tạo
ra xiclohexan. Khi có chiếu sáng, benzen tác dụng khí clo tạo ra hexacloran C6H6Cl6 (còn
gọi là thuốc trừ sâu ba số 6, thuốc trừ sâu 6-6-6), một thuốc trừ sâu hoạt tính rất mạnh, đã
bị cấm.
ii.
Phản ứng Friedel-Crafts:
Khi có axit Lewis, benzen phản ứng với metylclorua tạo ratoluen.
iii.
Phản ứng thế electrophyl:
Benzen phản ứng thế với halogen (X 2) khi có sắt hoặc axit Lewis (AlCl3) tạo phenyl
halogenua (C6H5X), phản ứng với axit nitric đặc có xúc tác axit sulfuric đậm đặc tạo nitro
benzen (trong điều kiện ngặt nghèo hơn - axit bốc khói và nhiệt độ cao - sinh ra TNB),
phản ứng với axit sulfuric đậm đặc thành axit benzosulfonic. Quy tắc chung được nói
trong hình dưới.
iv.
Phản ứng thế trong nhân thơm:
Nếu như có thêm nhóm thế thì phản ứng thế vào nhân thơm sẽ nhanh hơn hoặc chậm
hơn tuỳ vào bản chất nhóm thế:
Dạng định
hướng đồng
phân
Mức
độ
mạnh
trung
Định hướng bình
ortho, para
yếu
yếu
Định
meta
hướng
trung
bình
mạnh
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Nhóm thế tiêu
biểu
Hoạt
Mức hoạt
hoá/Phản hoạt
hoá
hoá
-OH, -NH2
Mạnh
-OCH3
-CH3
-X (halogen)
-CH=CH2
-COOH
-NO2, -SO3H
Trung
bình
Hoạt hoá
Yếu
Yếu
Trung
bình
Phản hoạt hoá
Mạnh
Trang 5
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
Điều chế:
Benzene được chế tạo phần lớn từ các nguồn dầu hỏa.
Ứng dụng:
Ngày nay một lượng lớn benzen chủ yếu để:
Sản xuất styren cho tổng hợp polymer.
Sản xuất cumen cho việc sản xuất cùng lúc axeton và phenol.
Sản xuất cyclohexan tổng hợp tơ nilon.
Làm dung môi, sản xuất dược liệu.
II.TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT, PHƯƠNG PHÁP CHƯNG,
CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC VÀ VIỆC LỰA CHỌN THÁP ĐĨA
Trong công nghệ hóa học có nhiều phương pháp để phân riêng hỗn hợp hai hay
nhiều cấu tử tan một phần hay hoàn toàn vào nhau như : hấp thụ, hấp phụ, li tâm, trích li,
chưng…Mỗi phương pháp đều có những đặc thù riêng và những ưu nhược điểm nhất
định. Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị cho phù hợp tuỳ thuộc vào hỗn hợp ban đầu,
yêu cầu sản phẩm và điều kiện kinh tế. Đối với hỗn hợp ethanol và nước là hỗn hợp hai
cấu tử tan hoàn toàn vào nhau theo bất kỳ tỷ lệ nào có nhiệt độ sôi khác biệt nhau thì
phương án tối ưu để tách hỗn hợp trên là chưng cất.
Quá trình chưng cất bắt đầu với việc sản xuất rượu từ thế kỷ XI. Ngày nay được ứng
dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp:
Dầu mỏ, tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng, 3 tỷ tấn/năm.
Không khí hóa lỏng được chưng cất ở nhiệt độ -190 0C để sản xuất Oxy và Nitơ.
Quá trình tổng hợp hữu cơ thường cho sản phẩm ở dạng hỗn hợp chất lỏng. Ví dụ:
sản xuất metanol, etylen, propylen, butadien.
Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng như etylic-nước từ
quá trình lên men.
Chưng cất là phương pháp tách cấu tử ra khỏi hỗn hợp dựa vào độ bay hơi
khác nhau giữa các cấu tử (nghĩa là ở cùng một nhiệt độ áp suất hơi của các cấu tử sẽ khác
nhau) bằng cách thực hiện quá trình chuyển pha và trao đổi nhiệt giữa hai pha lỏng, khí:
Sản đỉnh thu được gồm cấu tử có độ bay hơi lớn, một phần cấu tử có độ bay hơi
thấp hơn (P).
Sản phẩm đáy thu được chủ yếu là cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay
hơi (W). Ở đây dung môi và chất tan đều bay hơi.
Đối với hệ Chloroforme-Benzene thì:
Sản phẩm đỉnh chủ yếu là cấu tử Chloroforme.
Sản phẩm đáy chủ yếu là cấu tử Benzene.
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 6
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
Trong sản xuất chúng ta thường gặp những phương pháp chưng cất sau đây :
- Chưng đơn giản : dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất (yêu cầu
các cấu tử có độ bay hơi khác xa nhau).
- Chưng bằng hơi nước trực tiếp : tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp
chất không bay hơi (chất được tách không tan trong nước).
- Chưng chân không : trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử.
Chưng luyện : là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các
cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hay hòa tan hoàn toàn vào nhau. Về thực
chất đây là quá trình chưng nhiều lần để thu được sản phẩm tinh khiết.
Để thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết (chủ yếu là cấu tử chloroforme) sẽ cần tiến
hành chưng nhiều lần, tức là quá trình chưng được tiến hành trong hệ thống thiết bị
chưng luyện liên tục.
Người ta đơn giản hệ thống bằng cách thay cả hệ thống sơ đồ thiết bị phải chế tạo phức
tạp và cồng kềnh bởi một tháp gọi là tháp chưng luyện. Trong đó các dòng pha chuyển
động ngược chiều nhau.
Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và các hỗn
hợp có nhiệt độ sôi quá cao.
Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường.
Quá trình chưng luyện được thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tục hay gián
đoạn.
Thiết bị chưng cất:
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên
yêu cầu cơ bản chung cuả các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc
pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tasncuar một lưu chất này vào lưu chất
kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán
vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,…Hai loại tháp thường dùng là tháp đĩa (tháp
mâm) và tháp đệm (tháp chêm).
Tháp đĩa: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các đĩa (mâm) có cấu
tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được tiếp xúc nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa,
ta có:
-
Tháp đĩa chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, soupape, chữ s…
-
Tháp đĩa xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.
Tháp đệm: tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật
chêm được ch vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp theo thứ
tự.
Một số hình ảnh của các loại tháp chưng luyện:
Tháp đĩa (tháp mâm):
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 7
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
A. Đĩa chóp
C. Đĩa van tròn
B. Đĩa lưới có ống chảy truyền
D. Đĩa van hình chữ nhật
Đĩa chóp
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 8
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
Đĩa van (đĩa soupape)
Đĩa van Norton
Đĩa van Glitsch
Tháp đệm (tháp chêm):
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 9
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
Quá trình tách Choloroforme – Benzene được tiến hành trong thiết bị chưng luyện loại
tháp đĩa (theo yêu cầu của đề tài).
III.TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
1.Sơ đồ dây chuyền công nghệ
Hệ thống thiết bị chưng luyện tổng quát gồm có:
-
(1): Thùng chứa nguyên liệu.
-
(2): Bơm.
-
(3): Bơm dự phòng.
-
(4): Thùng cao vị.
-
(5): Thiết bị gia nhiệt nhập liệu dùng để đun nóng hỗn hợp đầu. Sử dụng thiết bị
loại ống chùm dùng hơi nước bão hòa để đun nóng vì nó có hệ số cấp nhiệt lớn, ẩn nhiệt
nhưng tụ cao. Hơi nước bão hòa đi ngoài ống, nguyên liệu đi trong ống.
-
(6): Lưu lượng kế.
-
(7): Tháp chưng luyện gồm có hai phần: phần trên kể từ đĩa tiếp liệu trở lên gọi là
đoạn luyện, phần dưới kể từ đĩa tiếp liệu trở xuống gọi là đoạn chưng.
-
(8): Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh.
-
(9): Bộ phận hồi lưu.
-
(10): Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh.
-
(11): Thùng chứa sản phẩm đỉnh.
-
(12): Thiết bị đun sôi lại sản phẩm đáy.
-
(13): Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy.
-
(14): Thùng chứa sẩn phẩm đáy.
2.Thuyết minh dây chuyền công nghệ
Ta có tsChloroforme= 61,2 0C < tsBenzene= 80,1 0C nên độ bay hơi của Chloroforme lớn hơn
độ bay hơi của Benzene, vậy nên sản phẩm đỉnh chủ yếu là Chloroforme và một phần rất
ít Benzene và ngược lại, sản phẩm đáy chủ yếu là Benzene và một phần rất ít
Chloroforme.
Hỗn hợp Chloroforme – Benzene có nồng độ Chloroforme 38% (theo khối lượng) tại
thùng chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) lên thùng cao vị (4). Sự có mặt của thùng cao vị
đảm bảo cho hỗn hợp đầu vào tháp không dao động, trong trường hợp công suất bơm quá
lớn, hỗn hợp đầu sẽ theo ống tuần hoàn tràn về bể chứa hỗn hợp đầu. Từ đó được đưa đến
thiết bị gia nhiệt (5) để đun nóng dòng nguyên liệu đi trong ống đến nhiệt độ sôi bằng hơi
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 10
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
nước bão hòa. Ra khỏi thiết bị gia nhiệt, dung dịch qua lưu lượng kế (6) rồi đi vào tháp
chưng luyện ở vị trí đĩa tiếp liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn từ đoạn luyện 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 động càng xuống dưới càng giảm
nồng độ cấu tử dễ bay hơi (chloroforme) vì đã bị pha hơi tạo nên từ thiết bị đun sôi lại
(12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi (chloroforme). Càng lên trên nhiệt độ càng thấp, nên khi
hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao, khó bay hơi (benzene) sẽ
ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử choloroforme nhiều
nhất (có nồng độ 92% theo khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) và được
ngưng tụ hoàn toàn bằng cách trao đổi nhiệt với nước lạnh đi ngoài ống. Một phần của
hỗn hợp lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng để tăng mức độ phân tách.
Phần hỗn hợp lỏng ngưng tụ còn lại được đưa qua thiết bị làm lạnh (10) bằng nước lạnh đi
ngoài ống, sau đó được đưa đến thùng chứa sẩn phẩm đỉnh (11), tại đây nồng độ của cấu
tử Chloroforme đạt được 92% theo khối lượng.
Trong tháp chưng luyện, dòng lỏng đi từ trên xuống 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 cấu tử khó bay hơi (benzene). Ở đây,
dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi ở thiết bị đun sôi ngoài dạng Kettle nhằm cung cấp
lại cho tháp tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun có nồng độ Chloroforme là
4,8% theo khối lượng, còn lại là Benzene đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13),
được làm nguội rồi được đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy (14).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh chủ yếu là chloroforme, và sản phẩm
đáy chủ yếu là benzene.
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 11
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
CHƯƠNG II: TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
A.CÂN BẰNG VẬT LIỆU, NHIỆT LƯỢNG
I.CÂN BẰNG VẬT LIỆU
1.Thông số ban đầu:
Các ký hiệu:
- GF, GP, GW: lưu lượng khối lượng dòng nguyên liệu vào , sản phẩm đỉnh, sản
phẩm đáy (kg/h)
- F, P, W: lưu lượng mol của dòng nguyên liệu vào, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy
(kmol/h)
-
aF, aP, aW : nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi (cấu tử nhẹ) trong hỗn
hợp lỏng của dòng nguyên liệu vào, sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy (kg
chloroforme/kg hỗn hợp lỏng)
- xF, xP, xW: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp lỏng của dòng
nguyên liệu vào, sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy (kmol chloroforme/kmol hỗn hợp
lỏng)
- bF, bP, bW : nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp hơi của
dòng nguyên liệu vào, sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy (kg chloroforme/kg hỗn hợp
hơi)
- yF, yP, yW : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp hơi của dòng
nguyên liệu vào, sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy (kmol chloroforme/kmol hỗn hợp
hơi)
Số liệu ban đầu:
- GF = 66000 (kg/ngày) = 2750 (kg/h)
- aF = 38% khối lượng = 0,38 (kg chloroforme/kg hỗn hợp dòng vào)
- aP = 92% khối lượng = 0,92 (kg chloroforme/kg hỗn hợp đỉnh)
- aW= 4,8% khối lượng = 0,048 (kg chloroforme/kg hỗn hợp đáy)
- MCHCl3 = 119,5 (kg/kmol), MC6H6 = 78 (kg/kmol)
2.Tính cân bằng vật liệu:
• Cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp và cân bằng vật liệu cho chloroforme (cấu
tử nhẹ)
G F = G P + GW
G F .a F = G P .a P + GW .aW
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 12
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GW
GF
GP
=
=
a P − aW a F − aW a P − a F
⇔
⇒
⇒
•
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
GP =
a F − aW
0,38 − 0,048
.GF =
.2750 = 1047,018( kg / h)
a P − aW
0,92 − 0,048
GW = GF - GP = 2750 - 1047,018 = 1702,982 (kg/h)
Chuyển từ nồng độ phần khối lượng sang phần mol
aF
0,38
M CHCl3
119,5
xF =
=
aF
1 − aF
0,38 1 − 0,38
+
+
78
M CHCl3 M C6 H 6 119,5
= 0,286 (kmol CHCl3/kmol hỗn hợp F)
aP
0,92
M CHCl3
119,5
xP =
=
aP
1 − aP
0,92 1 − 0,92
+
+
78
M CHCl3 M C6 H 6 119,5
= 0,882 (kmol CHCl3/kmol hỗn hợp P)
aW
0,048
M CHCl3
119,5
xW =
=
aW
1 − aW
0,048 1 − 0,048
+
+
78
M CHCl3 M C6 H 6 119,5
= 0,032 (kmol CHCl3/kmol hỗn hợp W)
•
Tính khối lượng mol trung bình của
Hỗn hợp nguyên liệu:
M F = xF .M CHCl3 + (1 − xF ).M C6 H 6 = 0,286.119,5 + (1-0,286).78= 89,869 (kg/kmol)
Sản phẩm đỉnh:
M P = xP .M CHCl3 + (1 − xP ).M C6 H 6 = 0,882.119,5 + (1-0,882).78=114,603 (kg/kmol)
Sản phẩm đáy:
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 13
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
M W = xW .M CHCl3 + (1 − xW ).M C6 H 6 = 0,032.119,5 + (1-0,032).78=79,328 (kg/kmol)
•
Quy đổi lưu lượng khối lượng nguyên liệu và sản phẩm thành lưu lượng mol:
F=
GF
2750
=
= 30,600 (kmol/h)
M F 89,869
P=
GP 1047,018
=
= 9,136 (kmol/h)
M P 114,603
W=
GW 1702,982
=
= 21,468 (kmol/h)
MW
79,328
Bảng cân bằng vật chất cho toàn tháp:
Hỗn hợp
Nồng độ
phần khối
lượng
Nồng độ
phần mol
Lưu lượng
khối lượng
(kg/h)
Lưu lượng
mol (kmol/h)
Nguyên
liệu vào
0,38
0,286
2750
30,600
Sản phẩm
đỉnh
0,92
0,882
1047,018
9,316
Sản hẩm
đáy
0,048
0,032
1702,982
21,468
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng, đoạn luyện:
a. Đoạn luyện:
Để đơn giản tính toán ta thừa nhận những giả thiết sau:
-
Số mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong mọi tiết diện của tháp
-
Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi
- Chất lỏng ngưng trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi đi ra
khỏi đỉnh tháp
-
Đun sôi ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp
-
Số mol chất lỏng không thay dổi theo chiều cao trong đoạn chưng và đọan luyện
Ta có phương trình cân bằng vật liệu đối với đoạn luyện:
Gy = G x + P
Trong đó:
-
Gy: lưu lượng pha hơi đi từ dưới lên ra khỏi đỉnh tháp (kmol/h)
-
Gx: lưu lượng pha lỏng đi hồi lưu trở về lại đi từ trên xuống (kmol/h)
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 14
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
-
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
P: lưu lượng sản phẩm đỉnh
Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử dễ bay hơi (chloroforme):
Gyyn+1 = Gxxn + PxP
Gy
Suy ra :
P
y n +1 =
y n +1 =
Gx
xn + x p
P
xp
Rx
xn +
Sy
Sy
với Rx =
Sy =
Gx
chỉ số hồi lưu
P
Gy
P
= R x + 1 chỉ số hơi
Do đó phương trình đường nồng độ làm việc có dạng:
yn+1 = Axn + B
Våïi A =
xp
Rx
,B =
Rx + 1
Rx + 1
b. Đoạn chưng:
Phương trình cân bằng vật liệu đoạn chưng:
G ’x = G y + W
Với
G ’x = G x + F
lượng lỏng trong đoạn chưng từ trên xuống
W : lưu lượng sản phẩm đáy (kmol/h)
F : lưu lượng hỗn hợp đầu (kmol/h)
Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi (chloroforme):
G’xx’n = Gyy’n+1 + WxW
Suy ra: y n′ +1 =
Rx + L
L −1
x ′n −
xW với L=F/P
Rx + 1
Rx + 1
Có dạng: y ′n +1 = A′x ′n + B ′ với: A' =
Rx + L
L −1
, B' = −
Rx + 1
Rx + 1
Hai đường làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện giao nhau tại hoành độ x=xF
3.Tính thành phần mol cân bằng của các cấu tử dựa vào dữ liệu cân bằng pha:
Thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử
Chloroforme-Benzene ỏ áp suất thường (P=760 mmHg) (phần trăm mol):
x
0
5
10
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Trang 15
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
y
0
6,5
12,6
7,5
41
t
( C)
80,6
80,1
79,6
78,4
77,2
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
54,6
66
75,9 74,5
74,6
83
90,5
96,2
100
73,1
71
68,7
65,7
61,5
0
[trang 148 Sổ tay QTTBCNHC tập 2]
Từ số liệu trên ta vẽ đường cân bằng trên đồ thị y-x và vẽ giản đồ T-x,y
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 16
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
Gọi:
• y*F, y*P, y*W là nồng độ phần mol của pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hỗn
hợp đầu, sản phẩm đáy và sản phẩm đáy
•
t0sF, t0sP, t0sW là nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu, sản phẩm đáy và sản phẩm đáy
Dựa vào giản đồ T-x,y kết hợp với phương pháp nội suy, ta có kết quả sau :
Hỗn hợp
x
%mol
y*
Phần mol
%mol
Phần mol
T0s
F
28,6
0,286
39,1
0,391
77,368
P
88,2
0,882
95,2
0,952
66,240
W
3,2
0,032
4,2
0,042
80,280
Với công thức nội suy như sau:
y = y A + (x − xA )
yB − y A
xB − x A
t Bs − t AS
t = t + (x − xA )
xB − x A
S
A
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 17
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
4.Xác định số đĩa lý thuyết:
Xác định chỉ số hồi lưu Rx và số đĩa lý thuyết tối thiểu:
Chỉ số hồi lưu Rx là tỷ số giữa lượng lỏng hồi lưu và lượng sản phẩm đỉnh
Xác định Rxmin:
R x min
x P − y * F 0,882 − 0,391
= *
=
= 4,676
y F − x F 0,391 − 0,286
Xác định các giá trị Rx=b.Rxmin với b=1,2-2,5
Xác định các giá trị B =
xP
: giá trị tọa độ gốc của phương trình đường nồng độ
Rx + 1
làm việc của đoạn luyện
4.1.Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện:
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện là phương trình đường thẳng có
dạng :
y n +1 = Ax n +B
Và qua điểm y=x=x P
Rx
A = R + 1
x
⇒
B = x P
R x + 1
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng là phương trình đường thẳng có dạng:
y ′n +1 = A′x ′n + B ′
Rx + L
A' = R + 1
x
⇒
B' = − L − 1
R x + 1
Và đi qua điểm y=x=x ¦W
Trên đồ thị y-x :
- Đường làm việc của đoạn luyện đi qua điểm (xP,yP) cắt Oy tại B. Điểm B phụ
thuộc theo chỉ số hồi lưu Rx.
- Đường làm việc của đoạn chưng đi qua điểm (x W,yW) và giao điểm của đường làm
việc của đoạn luyện với đường thẳng x=xF.
Với mỗi đường làm việc của đoạn luyện ta xác định số bậc thay đổi nồng độ lý thuyết
Nlt bằng đồ thị y-x
4.2.Chọn tỷ số hồi lưu thích hợp:
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 18
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
Bảng xác định các giá trị Nlt
b
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,5
Rx
5,611
6,546
7,482
8,417
9,352
10,287
11,222
11,69
B
0,133
0,117
0,104
0,094
0,085
0,078
0,072
0,07
Nlt
49
33,5
27,3
24,1
22,3
20,6
20,7
20,3
226,95
230,85
Nlt.(Rx+1)
323,939 252,791 231,559
232,512 252,995 257,607
Từ đồ thị, ta thấy giá trị Ntl.(Rx+1) nhỏ nhất tại b=1,8. Tiếp tục xét hai giá trị b=1,7 và
b=1,9 xung quanh b=1,8, ta được kết quả sau:
b
1,7
1,8
1,9
Rx
7,949
8,417
8,884
B
0,099
0,094
0,089
Nlt
25,8
24,1
24,3
Nlt.(Rx+1)
230,884
226,95
240,181
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 19
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
Nlt=24,1
b=1,8
B=0,094
Xw=0,032
XP=0,882
XF=0,286
Kết luận : Giá trị nhỏ nhất của Nlt.(Rx+1)=226,95 tương ứng với b=1,8. Khi đó chỉ số
hồi lưu Rx=8,417 và số đĩa lý thuyết Nlt=24,1 trong đó:
-
Số đĩa lý thuyết của đoạn luyện là: 6
-
Số đĩa lý thuyết của đoạn chưng là: 18,1
Suy ra :
-
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện:
y=
-
Rx
x
8,417
0,882
x+ P =
x+
= 0,894x + 0,094
8,417 + 1
Rx + 1
R x + 1 8,417 + 1
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:
y' =
Rx + L
1− L
8,417 + 3,349
1 − 3,349
x '+
xW =
x '+
.0,032 = 1,249x'- 0,008
8,417 + 1
8,417 + 1
Rx + 1
Rx + 1
Với L =
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
F 30,600
=
= 3,349
P
9,136
Trang 20
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
5.Xác định số đĩa thực tế:
N tt =
N lt
η tb
Với:
-
Nlt: số đĩa lý thuyết (số bậc thay đổi nồng độ)
-
ηtb : hiệu suất trung bình của thiết bị
η tb =
η P + η F + ηW
3
Với:
- ηP, ηF, ηW lần lượt là hiệu suất đĩa đầu tiên ở đỉnh tháp, của đĩa nạp liệu và của đĩa
cuối cùng ở đáy tháp
Xác định hiệu suất trung bình của tháp ηtb :
ηtb = f ( α , µ )
Trong đó:
α là độ bay hơi tương đối của hỗn hợp
µ là độ nhớt của hỗn hợp lỏng, N.s/m2
α=
y 1− x
1− y x
y, x : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi và pha lỏng
Vị trí đĩa đầu tiên ở đỉnh tháp:
xP = 0,882 (phần mol)
yP = 0,952 (phần mol)
TsP = 66,240 0C
Vị trí đĩa nạp liệu:
xF = 0,286 (phần mol)
yF = 0,391(phần mol)
TsF = 77,368 0C
Vị trí đĩa cuối cùng ở đáy tháp:
xW = 0,032 (phần mol)
yW = 0,042 (phần mol)
TsW = 80,280 0C
Xác định độ nhớt, độ bay hơi tương đối, hiệu suất tại các vị trí:
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 21
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
Vị trí đĩa đầu tiên của đỉnh tháp:
TsP = 66,240 0C ⇒ µchloroforme = 0,371*10-3 N.s/m2
µBenzene = 0,367*10-3 N.s/m2
[Tra bảng I.101 và I.102-Sổ tay QTTBCNHH tậpI]
⇒ log(µhh) = xP*log(µchloroforme) + (1-xP)*log(µBenzene )
⇒ µhh = 0,371*10-3 (N.s/m2) = 0,371 (cSt)
α=
0,952 1− 0,882
= 2,653
1 − 0,952 0,882
α*µhh = 2,653.0,371 = 0,984
⇒ ηP = 0,485 [Tra đồ thị IX.11 Trang 171 Sổ tay QTTBCNHH tập II]
Vị trí đĩa nạp liệu:
TsF = 77,368 0C ⇒ µchloroforme = 0,338*10-3 N.s/m2
µBenzene = 0,326*10-3 N.s/m2
[Tra bảng I.101 và I.102-Sổ tay QTTBCNHH tậpI]
⇒ log(µhh) = xF*log(µchloroforme) + (1-xF)*log(µBenzene )
⇒ µhh = 0,329*10-3 (N.s/m2) = 0,329 (cSt)
α=
0,391 1− 0,286
= 1,603
1 − 0,391 0,286
α*µhh = 1,603.0,329 = 0,527
⇒ ηF = 0,66 [Tra đồ thị IX.11 Trang 171 Sổ tay QTTBCNHH tập II]
Vị trí đĩa cuối cùng của đáy tháp:
TsW = 80,280 0C
⇒
µchloroforme = 0,329*10-3 N.s/m2
µBenzene = 0,315*10-3 N.s/m2
[Tra bảng I.101 và I.102-Sổ tay QTTBCNHH tậpI]
⇒ log(µhh) = xW*log(µchloroforme) + (1-xW)*log(µBenzene )
⇒ µhh = 0,315*10-3 (N.s/m2) = 0,315 (cSt)
α=
0,042 1− 0,032
= 1,326
1 − 0,042 0,032
α*µhh = 1,326.0,315 = 0,418
⇒ ηW = 0,713 [Tra đồ thị IX.11 Trang 171 Sổ tay QTTBCNHH tập II]
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 22
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
Suy ra:
η tb =
η P + η F + ηW 0,485 + 0,66 + 0,713
=
=0,619
3
3
Số đĩa thực tế:
N tt =
N lt
24,1
=
=38,93
0,619
η tb
Trong đó:
-
Số đĩa thực tế của đoạn luyện là: N tt đl =
-
Số đĩa thực tế của đoạn chưng là: N tt đc =
N lt
6
=
= 9,69
η tb 0,619
N lt
18,1
=
= 29,24
η tb 0,619
Vậy số đĩa thực tế : Ntt=39 trong đó:
-
Số đĩa thực tế của đoạn luyện là: 10
-
Số đĩa thực tế của đoạn chưng là: 29
II.CÂN BẰNG NHIỆT
Mục đích:
-Xác định lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ tại thiết bị ngưng tụ hoàn
toàn.
-Xác định lượng hơi nước cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu đến cuối nhiệt độ sôi tại
thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu và đun bốc hơi ở đáy tháp chưng cất.
-Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguyên liệu rẻ tiền, phổ biến trong thiên nhiên
và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ.
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 23
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
Với:
-QD1: Lượng nhiêt hơi nước mang vào đun sôi hỗn hợp đầu.
-Qf: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào.
-QF: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra.
-Qxq1: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh.
-QD2: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp.
-QR: Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào.
-Qy: Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp.
-QW: Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra.
-Qxq2: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh.
1.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:
Theo công thức IX149/198 Sổ tay QTTB & CNHH tập II
QD1 + Qf = QF +Qxq1 + Qng1 (J/h)
•
Nhiệt hơi đốt mang vào tháp:
Q D1 = D1 .λ1 = D1 (r1 + t1C1 ) (J/h)
(IX-150/149 sổ tay QTTB CNHH tập 2 )
Trong đó : -D1: Lượng hơi đốt, (kg/h)
- r1: Ẩn nhiệt hóa hơi, (J/kg)
- λ1: Hàm nhiệt hóa hơi của hơi đốt, (j/kg)
- t1: Nhiệt độ nước ngưng, (oC)
- C1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng, (J/kg0C)
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 24
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
•
GVHD: TS Lê Thị Như Ý
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:
Q f = F .C f .t f (J/h)
- F: Lượng hỗn hợp đầu, (kg/h)
- Cf: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, (J/kg.độ)
- tf: Nhiệt độ đầu của hỗn hợp, (0C)
•
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:
QF = GF .C F .t F (J/h)
- CF: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra, (J/kg độ)
- tF: Nhiệt độ hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng, (0C)
•
Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh:
Qxq1 = Qm1= 5% QD1= 0,05D1r1, (J/h)
•
Nhiệt độ do nước ngưng mang ra:
Qng1 = Gng1* Ө1*C1 = D1* Ө1*C1, (J/h)
Vậy lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến t0 sôi là:
D
1
=
⇒D1 =
Q
F
+ Qng1 + Q
xq1
r
_Q
f
=
Q
F
+ Qng1 + Q _ Q
Q
F
0,95 r1
f
=
f
r
1
_Q
m
1
G F (CF t F _ Cf
0,95 r1
t)
f
Ta chọn hơi nước làm hơi đốt với:
t 0F = 77,368 0C và chọn t 0f = 25 0C
Tại áp suất thường P =1 at, [tra bảng I.97/230], có r1=2260,453.103 J/kg, t0C = 99,1 0C
Theo I.251/314 Sổ tay tập I QTTB&CNHH
25
.a
+ C 25
.(1 − a
)
C f = C CHCl
CHCl3
C6 H 6
CHCl
3
3
.a
+ 77,368 .(1 − a
)
C F = C 77,368
CHCl3
CHCl 3 CHCl3 C C 6 H 6
Với aF =0,39 (phần khối lượng)
Ở 25 0C
Ở 77,368 0C
CCHCl3=1030 J/kgđộ
CCHCl3= 1106,184 J/kgđộ
CC6H6 =1753,75 J/kgđộ
CC6H6 =2021,182 J/kgđộ
Cf =1478,725 J/kgđộ
CF =1673,483 J/kgđộ
(I 153/171-sổ tay QTTB&CNHH-tập 1)
SVTH: Nguyễn Hơn Lớp: 09H5
Trang 25
