intTypePromotion=1
ADSENSE

Đồ án môn học: Thiết kế tháp chưng luyện liên tục hai cấu tử Benzen và Tooluen

Chia sẻ: Nguyễn Thành Chung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

112
lượt xem
19
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đồ án môn học: Thiết kế tháp chưng luyện liên tục hai cấu tử Benzen và Tooluen hướng đến trình bày sơ đồ công nghệ và các chế độ thủy động của tháp; tính toán, thiết kế thiết bị chính; tính toán cân bằng nhiệt lượng;...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Đồ án môn học: Thiết kế tháp chưng luyện liên tục hai cấu tử Benzen và Tooluen

  1. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn LỜI NÓI ĐẦU Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏng cũng như các hỗn hợp khí - lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Chúng ta có thể thực hiện nhiều biện pháp chưng cất khác nhau như chưng cất gián đoạn, chưng cất liên tục, chưng cất đơn giản, chưng cất đặc biệt. Khi chưng cất, hỗn hợp đầu có bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản phẩm. Theo đề bài thì hỗn hợp đầu gồm 2 cấu tử là Benzen và Toluen nên được gọi là chưng cất hỗn hợp 2 cấu tử. Trong phần đồ án này hỗn hợp hai cấu tử Benzen – Toluen được phân tách thành hai cấu tử riêng biệt nhờ phương pháp chưng cất liên tục với tháp chưng luyện là loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi. Sau quá trình chưng cất, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi lớn hơn (Benzen) và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé hơn (Toluen). Sản phẩm đáy gồm hầu hết các cấu tử khó bay hơi (Toluen) và một phần rất ít cấu tử dề bay hơi (Benzen). Trong suốt quá trình tính toán và thiết kế , đặc biệt đƣợc sự hƣớng dẫn trực tiếp và giúp đỡ nhiệt tình của cô Lê Ngọc Thuỵ bản đồ án thiết kế tháp chƣng luyện liên tục hai cấu tử Benzen và Tooluen đã hoàn thành với các nội dung sau: Phần I: Sơ đồ công nghệ và các chế độ thuỷ động của tháp. Phần II: Tính toán, thiết kế thiết bị chính. Phần III: Tính toán cân bằng nhiệt lƣợng. Phần VI: Tính toán cơ khí. Phần V: Tính toán các thiết bị cần thiết. Phần IV: Kết luận và nhận xét. Trường ĐHBK – Hà Nội - 3- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  2. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP I. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT. (HÌNH 1): Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị được khống chế bởi của chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), quá trình tự chảy này được theo dõi bằng đồng hồ lưu lượng. Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão hoà), hỗn hợp đầu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt tới nhiệt độ sôi, hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm (5). Trong tháp, hơi đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên xuống, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần. Theo chiều cao của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng đệm từ dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ. Quá trình tiếp xúc lỏng – hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giầu cấu tử dễ bay hơi, pha lỏng ngày càng giầu cấu tử khó bay hơi. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (Benzen) và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi (Toluen). Hỗn hợp hơi này được đi vào thiết bị ngưng tụ (6) và tại đây nó được ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh). Một phần chất lỏng sau ngưng tụ chưa đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng (7) để hồi lưu trở về đỉnh tháp, phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (8) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (10). Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử khó bay hơi trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi xuống. Do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Toluen) một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (Benzen), hỗn hợp lỏng này được đưa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (11), một phần được tận dụng đưa vào nồi đun sôi đáy tháp (9) dùng hơi nước bão hoà. Thiết bị (9) này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp). Nước ngưng của thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (12). Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm được lấy ra liện tục. II. CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP ĐỆM: Trong tháp đệm có 3 chế độ thuỷ động là chế độ chảy dòng, chế độ quá độ và chế độ xoáy. Trường ĐHBK – Hà Nội - 4- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  3. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Khi vận tốc khí bé, lực hút phân tử lớn hơn và vượt lực lỳ. Lúc này quá trình chuyển khối được xác định bằng dòng khuyếch tán phân tử. Tăng vận tốc lên lực lỳ trở nên cân bằng với lực hút phân tử. Quá trình chuyển khối lúc này không chỉ được quyết định bằng khuyếch tán phân tử mà cả bằng khuyếch tán đối lưu. Chế độ thuỷ động này gọi là chế độ quá độ. Nếu ta tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa thì chế độ quá độ sẽ chuyển sang chế độ xoáy. Trong giai đoạn này quá trình khuyếch tán sẽ được quyết định bằng khuyếch tán đối lưu. Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện tượng đảo pha. Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, còn pha khí phân tán vào trong chất lỏng và trở thành pha phân tán. Vận tốc khí ứng với thời điểm này gọi là vận tốc đảo pha. Khí sục vào lỏng và tạo thành bọt vì thế trong giai đoạn này chế độ làm việc trong tháp gọi là chế độ sủi bọt. Ở chế độ này vận tốc chuyển khối tăng nhanh, đồng thời trở lực cũng tăng nhanh. Trong thực tế, ta thường cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận tốc nhỏ hơn vận tốc đảo pha một ít vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn sủi bọt là mạnh nhất, nhưng vì trong giai đoạn đó ta sẽ khó khống chế quá trình làm việc. * Ưu điểm của tháp đệm: + Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn. + Cấu tạo tháp đơn giản. + Trở lực trong tháp không lớn lắm. + Giới hạn làm việc tương đối rộng. * Nhược điểm. + Khó làm ướt đều đệm. + Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều. * Bảng kê các ký hiệu thường dùng trong bản đồ án: - F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - P: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - W: Lượng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - Các chỉ số F, P, W, A, B : tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy của Axeton và Benzen. - a: nồng độ phần khối lượng, kg axeton/kg hỗn hợp - x: nồng độ phần mol, kmol axeton/kmol hỗn hợp - M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol - : độ nhớt, Ns/m2 - : khối lượng riêng, kg/m3 Trường ĐHBK – Hà Nội - 5- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  4. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn - Các chỉ số A, B, x, y, hh: tương ứng chỉ đại lượng thuộc về cấu tử axeton, benzen, thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp. - Ngoài ra các ký hiệu cụ thể khác được định nghĩa tại chỗ. PHẦN III TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU: 1. Tính toán cân bằng vật liệu: - Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp. F=P+W [II – 144] - Đối với cấu tử dễ bay hơi FaF = Pap + Waw [II – 144] - Lượng sản phẩm đỉnh là: aF  aw P  F. a p  aw Trong đó: F: năng suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h aF, ap, aw: lần lượt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lượng Đầu bài cho F = 3,5 kg/s hay F = 3,5.3600 = 12.600kg/h. Vậy ta có lượng sản phẩm đỉnh là: aF  aw 0,28  0,02 P  F.  12600.  2.800 kg/h a p  aw 0,98  0,02 - Lượng sản phẩm đáy là: W = F - P = 12.600 – 2.800 = 9.800 kg/h 2. Đổi nồng độ phần khối lƣợng sang nồng độ phần mol của aF, ap, aw: Áp dụng công thức aA MA x [II – 126] aA a  B MA MB Trường ĐHBK – Hà Nội - 6- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  5. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trong đó: aA, aB: nồng độ phần khối lượng của Benzen và Toluen Ma, MB: khối lượng mol phân tử của Benzen và Toluen Với M A  M C6 H 6  78 kg/kmol M B  M C7 H8  92 kg/kmol Thay số liệu vào ta có: aF 0,28 MA 78 xF    0,314 phần mol aF  1  a F  0,28 1  0,28  MA MB 78 92 aP 0,98 MA 78 xP    0,983 phần mol a P 1  a P  0,98 1  0,98   MA MB 78 92 aw 0,02 MA 78 xw    0,024 phần mol a w 1  a w  0,02 1  0,02   MA MB 78 92 3. Tính khối lƣợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy: Theo công thức: M = x.MA + (1 - x)MB Trong đó: M: Khối lượng phân tử trung bình, kg/kmol x: Nồng độ phần mol - Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh: Mp = xp.MA + (1 - xp)MB Mp = 0,983.78 +(1- 0,983).92 Mp = 87,604 kg/kmol - Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu: MF = xF.MA + (1 - xF)MB MF = 0,314.78 +(1- 0,314).92 MF = 78,238 kg/kmol Trường ĐHBK – Hà Nội - 7- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  6. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn - Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy: Mw = xw.MA + (1 - xw)MB Mw = 0,024.78 +(1- 0,024).92 Mw = 91,664 kg/kmol 4. Đổi đơn vị của F, P, W từ kg/h sang kmol/h: F kg / h  12.600 F   161,05kmol / h MF 78,238 Pkg / h  2.800 P   31,96kmol / h Mp 87,604 W kg / h  9800 W   106,91kmol / h Mw 91,664 5. Lƣợng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh: F 161,05 f    5,04 P 31,96 II. XÁC ĐỊNH SỐ BẬC THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ: 1. Xác định Rmin dựa trên đồ thị y – x: Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng tra trong bảng phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hai cấu tử ở 760mmHg (phần trăm số mol) của Benzen và Toluen ta có bảng sau: [II – 145] Bảng 1 x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 11,8 21,4 38 51,1 61,9 71,2 79 85,4 91 95,9 100 toC 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2 - Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng (x) – hơi (y) (hình 1), với giá trị của xF = 0,314 ta dóng lên đường cân bằng và tìm được giá trị y*F = 0,525% - Rmin: lượng hồi lưu tối thiểu được tính theo công thức x p  y F* R xmin  [II – 158] y F*  x F Trường ĐHBK – Hà Nội - 8- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  7. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn y*F: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng xF của hỗn hợp. x p  y F* 0,983  0,525 => Rx    2,17 min y  xF * F 0,525  0,314 2. Tính chỉ số hồi lƣu thích hợp: Rth: chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất. Cơ sở của việc chọn Rth theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất là: V = H.S H: tỷ lệ với Nlt G = W.S = P.(R + 1)  S tỷ lệ với R + 1  V = H.S tỷ lệ với Nlt(R + 1) Giá thành tháp tỷ lệ với V, mà V tỷ lệ với Nlt(R + 1), giá thành tháp thấp nhất ứng với thể tích tháp nhỏ nhất. Vì vậy cần phải chọn chế độ làm việc thích hợp cho tháp, tức là Rth. Trong đó: V: là thể tích của tháp H: chiều cao của tháp S: tiết diện của tháp Nlt: số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết) Ứng với mỗi giá trị của R > Rmin ta dựng được một đường làm việc tương ứng và tìm được một giá trị Nlt (Các đồ thị từ 3 7 là đồ thị xác định số đĩa lý thuyết) Từ đó ta có bảng số liệu sau. Bảng 2 Rx 2,28 2,932 3,915 5,553 8,83 B 0,249 0,246 0,24 0,23 0,208 Nlt 22 21 20 19 18 Nlt(Rx + 1) 84,7 81,9 80 79,23 82,8 Xây dựng đồ thị quan hệ giữa Rx – Nlt(Rx+1). Qua đồ thị ta thấy, với Rx = 2,93 thì Nlt(Rx + 1) là nhỏ nhất hay thể tích tháp nhỏ nhất. Vậy ta có Rth = 2,93 (Đồ thị 8). 3. Phƣơng trình đƣờng nồng độ làm việc của đoạn luyện: Trường ĐHBK – Hà Nội - 9- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  8. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Rx XP y x [II – 148] Rx  1 Rx  1 Trong đó: y: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên. x: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống. Rx : chỉ số hồi lưu. Thay số liệu vào ta có. Rx XP 2,93 0,983 yL  x  x Rx  1 Rx  1 2.93  1 2,93  1 yL = 0,75x + 0,25 4. Phƣơng trình đƣờng nồng độ làm việc của đoạn chƣng: Rx  f f 1 y x xw [II.158] Rx  1 Rx  1 Trong đó: F 306,95 f    2,84 : lượng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol sản phẩm đỉnh. P 107,81 Thay số liệu vào ta có. Rx  f f 1 2,93  5,04 5,04  1 yC  x xw  x .0,024 Rx  1 Rx  1 2,93  1 2,93  1 yc = 2,028x – 0,0247 III. TÍNH ĐƢỜNG KÍNH THÁP CHƢNG LUYỆN: Đường kính tháp được xác định theo công thức g tb D  0,0188  y . y tb , m [II - 181] Trong đó: gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h. (y.y)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn. 1. Đƣờng kính đoạn luyện: Trường ĐHBK – Hà Nội - 10- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  9. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn a. Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện. g d  g1 g tb  , kg/h [II - 181] 2 Trong đó: gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h. gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h. gl: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp, kg/h. * Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp: gđ = GR + Gp = Gp(Rx+1) [II – 181] gđ = 2800(2,93 + 1) gđ = 11.004 kg/h * Lượng hơi đi vào đoạn luyện: Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình. g1 = G1 + Gp (1) g1.y1 = G1.x1 + Gp.xp (2) [II - 182] g1.r1 = gđ.rđ (3) Trong đó: y1: hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện, phần khối lượng. G1: lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện. r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa. rđ: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp. x1 = xF = 0,314 phần khối r1 = ra.y1 + (1-y1).rb [II - 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Benzen và Toluen ở t 1 = tF . Từ x1= xF = 0,314 tra đô thị lỏng hơi hình 9 ta được t01 = tf = 97,6 0C 0 Với t01 = 97,6 0 C nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được; ra  rC6 H 6  380,66 kJ/kg. Trường ĐHBK – Hà Nội - 11- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  10. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn rb  rC7 H8  369,64 kJ/kg.  r1 = 380,66.y1 + (1 - y1).369,64  r1 = 11,02y1 + 369,64 kJ/kg. rđ = ra.yđ + (1 – yđ).rb [II - 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Benzen và Toluen ở t 2 = tp. Từ xp = 0,983 tra đồ thị lỏng hơi hình 9 ta được tp = 82,60C. 0 yđ: hàm lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần khối lượng. yđ = yp = xp = 0,95 phần khối lượng. Với t02 = tP = 82,60C nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được: ra  rC6 H 6  391,65 kJ/kg. rb  rC7 H8  377,18 kJ/kg.  rđ = 391,65.0,98 + (1 - 0,98).377,18  rđ = 391,36 kJ/kg. Thay các giá trị đã tính được vào hệ phương trình trên ta được g1 = G1 + 2800 g1.y1 = 0,314G1 + 2800.0,98 g1(11,02y1 + 369.64) = 11004.391,36 = 4306525,44 Giải hệ phương trình ta được: g1 = 30012,06 kg/h G1 = 27212,06 kg/h y1 = 0,345 phần khối lượng Thay y1 = 0,345 vào r1 ta được: r1 = 11,02.0,345 + 369,64 = 373,4419 kJ/kg Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là: g d  g1 11004  30012,06 g tb L    20508,03 kg/h. 2 2 b. Tính khối lượng riêng trung bình * Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo ytb1 .M A  (1  ytb1 ).M B y  .273 , kg/m3. [II - 183] tb 22,4.T Trường ĐHBK – Hà Nội - 12- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  11. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trong đó: MA MB: khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K. ytb1: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình y d1  y c1 y tb1  [II - 183] 2 Với y d , y c : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol. 1 1 y d1 = yp = 0,983 phần mol y c1 = y1 = 0,345 phần khối lượng Đổi sang phần mol ta có: 0,345 y c1  78  0,383 phần mol 0,345 1  0,345  78 92 y d1  y c1 0,983  0,383  ytb1    0,683 phần mol 2 2 Với ytb  0,7348 phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta L được t 0 ytb L  93,50 C  T = 93,5 + 273 = 366,5 0K. Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là: ytb1 .M 1  (1  ytb1 ).M 2 y  .273 tb L 22,4.T 0,83.78  (1  0,683).92 y  .273  2,74 kg/m3. tb L 22,4.366,5 * Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng 1 a tb1 1  a tb1   , kg/m3 [II - 183] x tb x tb1 x tb 2 Trong đó:  x : khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3. tb Trường ĐHBK – Hà Nội - 13- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  12. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn  x ,  x : khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo tb1 tb 2 nhiệt độ trung bình, kg/m3. a tb1 : phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng. a F  a P 0,28  0,98 atb1    0,63 phần khối lượng 2 2 t tbo : nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha lỏng xF  x p 0,314  0,983 xtb1    0,6485 phần mol. 2 2 Với xtb  0,6485 phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a, [II-145] ta L được t 0 xtb  87,6 0 C Ứng với t0 = 87,60C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được:  x  795,64 kg/m3. tb1 x tb 2  790,4 kg/m . 3 Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là: 1 atb1 1  atb1 0,63 1  0,63     x tb xtb1 x tb 2 795,64 790,4   xtb  793,69 kg/m3 c. Tính tốc độ hơi đi trong tháp: Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lên chuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động; Chế độ chảy màng, chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt. ở chế độ sủi bọt thì pha lỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục. Nếu tăng tốc độ lên thì tháp bị sặc. Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc của tháp. Tốc độ hơi đi trong tháp đệm  = (0,8  0,9)s [II – 187] Với s là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức Y = 1,2e-4X [II – 187] 0 ,16  s2. d .  y   x  Với Y . tb  [II – 187] g.Vd3 . xtb   y  Trường ĐHBK – Hà Nội - 14- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  13. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn 1/ 4 1/ 8 G   y  X  x  . tb  [II – 187] G   x   y   tb  Trong đó: đ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3 Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3 g: gia tốc trọng trường, m2/s Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/s  x ,  y :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3 tb tb x, n: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở o 20 C, Ns/m2 * Tính Gx, Gy: Ta có Gy = gtb = 30012,06 kg/h 28382,86  Gy   8,337 kg/s 3600 GR  G1 P.Rx  G1 2800.2,93  27212,06 Gx     17708,03 kg/h 2 2 2 17708,03  Gx   4,919 kg/s 3600 * Tính độ nhớt. - Độ nhớt của nước ở t = 20oC, Tra bảng I.102 trong [I – 94] ta có n = 1,005.10-3 Ns/m2. - Độ nhớt của pha lỏng ở t = 87,6oC. Nội suy theo bảng I.101 trong [I – 91] ta được.  A   C H  0,2676.10 3 N.s/m2 6 6  B   C H  0,27676.10 3 N.s/m2 7 8 Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là lghh = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB [I – 84] lghh = 0,6485.lg(0,2676.10-3) + (1 - 0,6485)lg(0,27676.10-3) = -0,525525  hh = x = 0,298.10-3 Ns/m2 Thay số liệu ta có Trường ĐHBK – Hà Nội - 15- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  14. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn 1/ 4 1/ 8 G   y   17708,03  1/ 4  2,74  1/ 8 X  x  . tb    .   0,4315 G   x   30012,06   793,69   y   tb  Y = 1,2e-4.0,4315 = 0,2136 Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn. Số liệu trong [II – 193] Bảng 3 Kích thước Bề mặt riêng Thể tích tự do Số đệm trong Khối lượng riêng đệm, mm đ, m2/m3 Vđ, m3/m3 1m3 xốp, đ, kg/m3 30x30x3,5 165 0,76 25.102 570 Từ công thức: 0 ,16  s2. d .  y   x  Y . tb  [II – 187] g.Vd3 . x   y  tb Y .g.Vd3 . xtb 0,2136.9,81.0,76 3.793,69 Suy ra;   2 s 0 ,16  0,16    0,298.10 3   d . ytb . x   165.2,74. 3    y   1,005.10  s2 = 1,96155 m/s  s = 1,4 m/s Lấy  = 0,8s   = 0,8.1,4 = 1,12 m/s Vậy đường kính của đoạn luyện là: g tb 20508,03 DL  0,0188.  0,0188.  1,54 m.  y . y tb 1,12 x 2,74 Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DL = 1,6 m * Thử lại điều kiện làm việc thực tế. - Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn luyện là: 20508,03.0,0188 2 y   1,033 m/s 1,6 2.2,74 - Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là:  tt 1,033   0,739 s 1,4 Trường ĐHBK – Hà Nội - 16- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  15. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Vậy chọn đường kính là 1,6m có thể chấp nhận được. * Kiểm tra cách chọn đệm. 4.Vd 4.0,76 d td    0,0184 m d 165 D 1,6    86,9 d td 0,0184 Vậy cách chọn đệm và đường kính tháp của đoạn luyện như vậy là chấp nhận được yêu cầu của bài toán và phù hợp với quá trình tính toán 2. Đƣờng kính đoạn chƣng: a. Lượng hơi trung bình đi trong tháp g ' n  g '1 ' g tb  [II - 182] 2 Trong đó: g’n: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/h. g’1: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h. Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện (g’n= g1) nên ta có thể viết: g 1  g '1 ' g tb  [II - 182] 2 Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’l, lượng lỏng G1’ và hàm lượng lỏng x’l được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: G’1 = g’1 + Gw G’1. x’1 = g’1.yw + Gw.xw [II - 182] g’1.r’1 = g1.r1 Trong đó: r’1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng. xw: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy. r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng. Ta có: Gw = W = 9800 kg/h. Trường ĐHBK – Hà Nội - 17- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  16. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn xw = 0,024 phần mol tương ứng với 0,02 phần khối lượng y’1 = yw xác định theo đường cân bằng ứng với xw = 0,024 phần mol.  yw = 0,062 phần mol. Đổi y’1 = yw = 0,062 phần mol ra phần khối lượng ta có: 0,062.78 y '1  y w   0,053 phần khối lượng 0,062.78  (1  0,062).92 r’1 = ra. y’1 + (1- y’1).rb [II – 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất ở t0 = tw. Với xw = 0,024 tra đồ thị hình 9 ta được tw = 100,50C. Từ t0 = tw =100,50C nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được. ra  378,49 kJ/kg. rb  368,13 kJ/kg. => r’1 = 378,49.0,053 + (1 - 0,053).368,13 r’1 = 368,68 kJ/kg Thay vào hệ phương trình trên ta được: G’1 = g’1 + 9800 G’1. x’1 = g’1.0,053 + 9800.0,02 g’1.368,68 = 30012,06.373,4419 Giải hệ phương trình trên ta được: g’1 = 30399,69 kg/h G’1 = 40199,698 kg/h x’1 = 0,04496 phần khối lượng Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là: g1  g '1 30012,06  30399,698 g ' tb C    30205,879 kg/h. 2 2 b. Tính khối lượng riêng trung bình: * Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo: ytb1 .M A  (1  ytb1 ).M B y  .273 , kg/m3. [II - 183] tb 22,4.T Trong đó: Trường ĐHBK – Hà Nội - 18- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  17. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn MA MB: khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K. ytbc: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình y d1  yc1 ytbC  [II - 183] 2 Với y d , y c : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol. 1 1 y d1 = y’1 = yw = 0,062 phần mol y c1 = y1 = 0,383 phần mol y d1  yc1 0,062  0,383  ytbC    0,2225 phần mol 2 2 Với ytb  0,2225 phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta C được t 0 tbC  106,80 C  T = 106,8 + 273 = 379,8 0K. Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng là: ytb1 .M 1  (1  ytb1 ).M 2 y  .273 tb C 22,4.T 0,2225.78  (1  0,2225).92 y  .273  2,852 kg/m3. tb C 22,4.379,8 * Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng 1 a tb1 1  a tb1   , kg/m3 [II - 183] x tb x tb1 x tb 2 Trong đó:  x : khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3. tb  x ,  x : khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo tb1 tb 2 nhiệt độ trung bình, kg/m3. a tb1 : phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng. a F  a1' atb1  2 Với a’1: nồng độ phần khối lượng của pha lỏng ở đĩa dưới cùng của đoạn chưng. Trường ĐHBK – Hà Nội - 19- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  18. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Ta có: a’1 = x’1 = 0,04496 phần khối lượng a F  a1' 0,28  0,04496  atb1    0,1625 phần khối lượng 2 2 t tbo : nhiệt độ trung bình của đoạn chưng theo pha lỏng x F  x1' xtb1  2 Ta có x’1 = 0,04496 phần khối lượng 0,04496 x1'  78  0,0526 phần mol 0,04496 1  0,04496  78 92 x F  x1' 0,314  0,0526  xtbC    0,1838 phần mol 2 2 Với xtb  0,1838 phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta C được t 0 xtb  104,50 C Ứng với t0 = 104,50C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được:  x  787,6 kg/m3. tb1 x tb 2  783,06 kg/m3. Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chưng là: 1 atb1 1  atb1 0,1625 1  0,1625      0,001276 xtb xtb1 x tb 2 787,6 783,06   xtb  783,8 kg/m3 c. Tính tốc độ hơi đi trong đoạn chưng: Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lên chuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động; Chế độ chảy màng, chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt. ở chế độ sủi bọt thì pha lỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục. Nếu tăng tốc độ lên thì tháp bị sặc. Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc của tháp. Tốc độ hơi đi trong tháp đệm  = (0,8  0,9)s [II – 187] Trường ĐHBK – Hà Nội - 20- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  19. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Với s là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức Y = 1,2e-4X [II – 187] 0 ,16  s2. d .  y   x  Với Y .  tb [II – 187] g.Vd3 . xtb   y  1/ 4 1/ 8 G   y  X  x  . tb  [II – 187] G   x   y   tb  Trong đó: đ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3 Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3 g: gia tốc trọng trường, m2/s Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/s  x ,  y :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3 tb tb x, n: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20 C, Ns/m2 o * Tính Gx, Gy: Ta có Gy = g’tb = 30205,879 kg/h 30205,879  G yC   8,39 kg/s 3600 G1  G1' 27212,06  40199,698 G xC    33705,879 kg/h 2 2 33705,879  G yC   9,36 kg/s 3600 * Tính độ nhớt: - Độ nhớt của nước ở t = 20oC, Tra bảng I.102 trong [I - 94] ta có n = 1,005.10-3 Ns/m2. - Độ nhớt của pha lỏng ở totb = 104,5oC. Nội suy theo bảng I.101 trong [I - 91] ta được.  A   C H  0,2516.10 3 N.s/m2 6 6  B   C H  0,262.10 3 N.s/m2 7 8 Trường ĐHBK – Hà Nội - 21- Líp Ho¸ GiÊy - K44
  20. Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là lghh = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB [I – 84] lghh = 0,1849.lg(0,2516.10-3) + (1 - 0,1849)lg(0,262.10-3)  hh = x = 0,3095.10-3 Ns/m2 Thay số liệu đã tính được ta có 1/ 4 1/ 8 G   y   33705,899  1/ 4  2,852  1/ 8 X  x  . tb    .   0,5024 G   x   30205,879   783,8   y   tb  Y = 1,2e-4.0,5024 = 0,1586 Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn như đã chọn ở trên. Từ công thức: 0 ,16  s2. d .  y   x  Y . tb [II – 187] g.Vd3 . x   y  tb Y .g.Vd3 . xtb 0,1586.9,81.0,76 3.783,8  s2  0 ,16  0 ,16    0,287.10 3   d . ytb . x   165.2,852.  3   y   1,005.10  s2 = 1,59 m/s  s = 1,26 m/s Lấy  = 0,8s   = 0,8.1,26 = 1,008 m/s Vậy đường kính của đoạn luyện là: g tb 30205,879 DC  0,0188.  0,0188.  1.76 m.  y . y tb 1,008.2,852 Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DC = 1,6 m * Thử lại điều kiện làm việc thực tế: - Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chưng là: 30205,879.0,0188 2 y   1,46 m/s 1,6 2.2,852 - Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là:  tt 1,46   0,89  s 1,59 Trường ĐHBK – Hà Nội - 22- Líp Ho¸ GiÊy - K44
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2