Đồ án: Thiệu thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp MetylicNước để thu được Metanol có nồng độ 96%

Chia sẻ: Nguyen Ha | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:55

Thêm vào BST

Báo xấu

233
lượt xem 41
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Metanol là chất lỏng không màu, sôi ở 64oC, có tính độc. Metanol tan vô hạn trong nước , tan nhiều trong dung môi hữu cơ. Ngày nay, Metanol sử dụng rất rộng rải trong những ngành công nghiệp. Metanol được dùng để tổng hợp thuốc nhuộm, formaldehit, hương liệu, dùng làm dung môi pha sơn. Metanol chủ yếu được dùng để sản xuất Andehit Fom

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án: Thiệu thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp MetylicNước để thu được Metanol có nồng độ 96%

Đồ án Thiệu thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp Metylic- Nước để thu được Metanol có nồng độ 96%. 1
PHẦN MỞ ĐẦU Metanol là chất lỏng không màu, sôi ở 64oC, có tính độc. Metanol tan vô hạn trong nước , tan nhiều trong dung môi hữu cơ. Ngày nay, Metanol sử dụng rất rộng rải trong những ngành công nghiệp. Metanol được dùng để tổng hợp thuốc nhuộm, formaldehit, hương liệu, dùng làm dung môi pha sơn. Metanol chủ yếu được dùng để sản xuất Andehit Fomic nguyên liệu cho công nghiệp chất dẻo. Thành phần phần phần trăm của Metanol sử dụng trong công nghiệp được tổng hợp theo bản sau: Nguyên liệu để sản xuất HCHO 40-50 % Nguyên liệu để Metyl hóa 30-40 % Nguyên liệu sản xuất axit CH3COOH 5% Làm nhiên liệu và dung môi 5-10 % Nguyên liệu sản xuất MTBE 3% Trong đó có những ngành công nghiệp đòi hỏi phải sử dụng Metanol có nồng độ tương đối cao. Sau đây em xin giới thiệu thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp Metylic- Nước để thu được Metanol có nồng độ 96%. 2
MỤC LỤC Phần mở đầu ........................................................................................................... 1 Sơ đồ dây chuyền sản xuất ...................................................................................... 3 Phần 1: Tính các thiết bị chính ............................................................................... 5 1/ Đổi thành phần khối lượng sang phần mol ..................................................... 5 2/ Phương trình cân bằng vật liệu toàn tháp ....................................................... 5 3/ Số liệu đường cân bằng lỏng(x)- hơi(y) của Metyl- Nước .............................. 5 4/ Tính Rmin ....................................................................................................... 6 5/ Xác định số đĩa lí thuyết ................................................................................ 6 6/ Giải phương trình cân bằng vật chất và tính đường kính ................................ 6 7/ Tính chiều cao tháp...................................................................................... 12 8/ Tính trở lực của tháp .................................................................................... 20 Phần 2: Tính toán cơ khí ....................................................................................... 24 1/ Chiều dày của thân ...................................................................................... 24 2/ Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử( dùng H2O) ........................... 26 3/ Tính đường kính ống dẫn ............................................................................. 26 4/ Tính đáy và nắp thiết bị ............................................................................... 29 5/ Chọn mặt bích ............................................................................................. 30 6/ Chọn chân đỡ và tai treo của thiết bị ............................................................ 32 Phần 3: Tính cân bằng nhiệt lượng ....................................................................... 35 1/ Cân bằng nhiệt lượng thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu .................................... 35 2/ Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện ................................................. 36 3/ Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ .................................................. 37 Phần 4: Tính toán và chọn thiết bị phụ .................................................................. 39 1/ Tính toán và chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu .......................................... 39 2/Tính chọn bơm ............................................................................................. 44 Kết luận ................................................................................................................. 53 Tài liệu tham khảo................................................................................................. 54 3
CÁC KÍ HIỆU THƯỜNG DÙNG TRONG QUÁ TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ: ai: phần khối lượng của cấu tử thứ i xi:phần mol của pha lỏng của cấu thứ i yi:phần mol của pha hơi của cấu tử thứ i Mi: trong lượng phân tử của hỗn hợp có n cấu tử F: lượng sản phẩm ban đầu (kg/h) P: lượng sản phẩm định (kg/h) W: lượng sản phẩm đáy (kg/h) GF: lượng sản phẩm ban đầu(kmol/h) GP: lượng sản phẩm đỉnh(kmol/h) GW: lượng sản phẩm đáy(kmol/h) R: chỉ số hồi lưu Rth:chỉ số hồi lưu thích hợp N: số đĩa lí thuyết Nth: số đĩa lí thuyết ứng với Rth 4
Ta xét tháp chưng luyện loại đĩa lỗ có ống chảy chuyền, làm việc ở áp suất thường. Nguyên liệu đầu được chứa vào thùng chứa(1 ) vào được bơm ( 2) bơm lên thùng cao vị ( 3) . Từ thùng cao vị, dung dịch hỗn hợp đầu đi vào thiết bị đun nóng dung dịch hỗn hợp đầu (4). Ở đây, dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bảo hòa có nhiệt độ trung bình ttb=119,60C và P=2at rồi sau đó vào tháp chưng luyện(5) ở đĩa tiếp liệu. Tháp chưng luyện gồm hai phần: + Đoạn chưng: phần từ đĩa tiếp liệu trở xuống. + Đoạn luyện: phần từ đĩa tiếp liệu trở lên. Ở đoạn chưng có bộ phận đun nóng bốc hơi (9). Bộ phận này được gia nhiệt bằng hơi nước bảo hòa ở ttb=119,60C và P=2at. Như vậy trong tháp hơi đi từ dưới lên tiếp xúc với dòng lỏng đi từ trên xuống. Vì theo chiều cao tháp nhiệt độ càng lên cao thì càng thấp nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùng ở trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết là các cấu tử dể bay hơi. Ở đây hơi được ngưng tụ bằng thiết bị ống chùm (6), sau đó cho một phần hồi lưu về đĩa trên cùng của tháp, một phần khác vào thiết bị làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh. Trong quá trình chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, khi đó một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp hơn( các cấu tử dể bay hơi) được bốc hơi lên và do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết các các cấu tử khó bay hơi là nước. Thiết bị gia nhiệt (9) để đun sôi tuần hoàn và bốc hơi đáy tháp. Một phần chất lỏng tháo ra ở đáy nồi và được cung cấpvào phần dưới của đáy tháp. Một phần khác được tháo ra liên tục. Nước ngưng của các thiết bị gia nhiệt được tháo qua cốc tháo nước ngưng (11). 5
Phần 1: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 1/ Đổi thành phần khối lượng sang phần mol: [II-126] aj / M j xj   (a .M j j ) xj:phần mol của cấu tử thứ j aj:phần khối lượng cấu tử thứ j Mj:trọng lượng phân tử của hỗn hợp có n cấu tử j = 1,2,…n 22 Phần mol của sản phẩm đầu: xF  32  0,1369 (kmol/kmol) 22 78  32 18 96 Phần mol của sản phẩm đỉnh: x p  32  0,931 (kmol/kmol) 96 4  32 18 0,9 Phần mol của sản phẩm đáy: xw  32  0, 00508 (kmol/kmol) 0,9 99,1  32 18 2/ Phương trình cân bằng vật liệu toàn tháp: [II-144] GW = GF - GP Cho cấu tử dể bay hơi: GF.XF = GP.XP + GW.XW Từ hai phương trình trên ta suy ra được: - Sản phẩm đỉnh GP: (XF  Xw) (22  0, 9) GP  GF  7920  1757, 2( kg / h ) (X p  Xw) (96  0,9) với GF = 2,2kg/s = 2,2.3600 =7920 kg/h - Sản phẩm đáy GW: GW = GF-GP = 7920-1757,2 = 6162,8(kg/h) Ta chuyển đổi từ kg/h sang kmol/h bằng công thức sau: n = m/M 1757, 2 P  54,91 (kmol/h) 32 6162,8 W= =342,38 (kmol/h) 18 3/ Số liệu đường cân bằng lỏng(x)- hơi(y) của Metyl- Nước: 6
Tra bảng [II-149] ta được số liệu đường cân bằng lỏng – hơi của Metyl- Nước như sau: 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 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,6 66 64,5 4/ Tính Rmin: Phương trình đường làm việc của đoạn luyện: Rx x y x p Rx  1 Rx  1 x Khi x=0 ta suy ra được: y p m Rx  1 Vậy khi Rx = Rmin thì m = mmax xp Ta suy ra được: mmax  Rmin  1 x Hay Rmin  p  1 mmax Từ số liệu của đường ta sẽ vẽ được đường cân bằng, và ta sẽ thu được m max = 41,62 từ đó ta suy được Rmin = 93,1/41,62 -1 = 1,237 theo đồ thị xác định Rmin 5/ Xác định số đĩa lí thuyết: Trong thực tế thì người ta nhận thấy rằng Rx = (1,25-2,5)Rmin và nó sẽ lớn hơn Rmin. Do đó ta sẽ cho Rx với các giá trị ở bảng dưới đây. Từ đó tính được m%, ĐỒ THỊ XÁC ĐỊNH Rth 35.5 N x + 1) 35 (R 34.5 34 33.5 33 32.5 32 31.5 31 30.5 30 29.5 29 Rx 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 và cứ mỗi m% ta sẽ vẽ được một đồ thị để xác định được số đĩa N tương ứng. Rx m% N V=N(R+1) 7
1,4 38,8 13 31,2 2 31 10 30 2,3 28,2 9 29,7 3 23,3 8 32 4 18,6 7 35 Từ bản số liệu thu được ở trên ta sẽ vẽ được đồ thị quan hệ giữa RX và V, điểm cực tiểu trên đồ thị sẻ là Rth và ứng với nó sẽ là Nth Dựa vào đồ thị ta nhận thấy điểm cực tiểu trên đồ thị ứng với Rx=2,3 và N = 9. Do vậy Rth=2,3 và Nth=9 6/ Giải phương trình cân bằng vật chất và tính đường kính: Đường kính được xác định theo công thức: [2 -181] gtb D  0, 0188 (m) (  y y )tb g tb :lượng hơi khí trung bình đi trong tháp ( kg/h) (  y y )tb : tốc độ hơi khí trung bình đi trong tháp (kg/m2.s) Do lượng hơi thay đổi theo chiều cao của tháp nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho riêng từng đoạn. 6.1/ Tính lượng hơi đi trong tháp: 6.1.1/ Tính lượng hơi đi trong đoạn luyện: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được tính dựa theo công thức [II-182]: L g d  g1 g tb  (kg/h) 2 Với g d :lượng hơi đi vào đĩa trên cùng của tháp (kg/h) g1 :lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h) - Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp : g d  GX  GP  GP ( Rx  1) với GX : lượng lỏng chảy hồi lưu. g d  1757,22(2,3+1) = 5798,83 (kg/h) Dựa vào đường cân bằng và từ xp ta suy ra được yp = 0,97 Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp hơi ở đỉnh tháp Mhh = 32.0,97+ (1- 0,97).18 = 31,58 Vậy lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp tính theo (kmol/h) là: 5798,83 gd   183, 62 (kmol/h) 31,58 - Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện: Phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng của đoạn luyện: 8
 g1  G1  GP   g1 y1  G1 x1  GP .xP g r  g r  11 d d G1 : lượng chất lỏng đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kmol/h) r1 :ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (J/kmol) rd :ẩn nhiệt hóa hơi đi ra khỏi tháp (J/kmol) r1  rR y1  (1  y1 )rH 2O với rR , rH 2O : lần lược là ẩn nhiệt hóa hơi rd  rR yd  (1  yd )rH 2O của rượu và nước ở nhiệt độ của hỗn hợp đầu. Dựa vào đồ thị t-x,y ta tìm được: t F  85,5o C  o t P  65,5 C  o tw  99 C Tính r1: Từ bảng [I-254]  rR ,60o C  265( J / kmol )    rR ,100o C  242( J / kmol )   rH 2O ,60o C  579( J / kmol )    rH 2O ,100o C  539( J / kmol )  Dùng phương pháp nội suy ta tính được rR,tF = 250,33(kcal/kg) = 250,33.4,1868.103.32=33538,61.103 (J/kmol) Tương tự ta cũng tính được: rH2O,tF = 553,5(kcal/kg) = 553,5.4,1868.103.18=41713,088.103 (J/kmol) Vậy r1= 33538,61.103 y1 + (1-y1)41713,088.103 Hay r1=41713,088.10 3 – 8174,478.103 y1 (J/kmol) Tính rd: Cũng dùng phương pháp nội suy ta tính được rR,tP rR ,t P  261, 84( kcal / kg )  261, 84.4,1868.103.32=35080,69.10 3 ( J / kmol ) rH2O,tP = 573,5(kcal/kg) = 573,5.4,1868.103.18=43220,33.103(J/kmol) Vậy: rd  rR yd  (1  yd )rH 2O với yd = xp = 0,93 rd= 35080,69.103 .0,97 + (1-0,97).43220,33.103=35324,9.103(J/kmol) Thay các đại lượng đã tính trên vào hệ phương trình và với x1 = xF = 0,1369  g1  G1  54,91   g1 y1  G1 .0,1369  54, 91.0,93  3 3 3  g1 (41713, 088.10  8174, 478.10 y1 )  183, 62.35324,9.10 9
 g1  168,55(kmol / h)  Giải ra ta được G1  113, 64(kmol / h)  y  0,395  1 Thay y1vào r1 ta tính được: r1=41713,088.103 – 8174,478.103.0,395 = 38484,169.103 (J/kmol). Do vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là: L g d  g1 183, 62  168,55 g tb    176, 085(kmol / h) 2 2 Nồng độ phần mol trung bình của đoạn luyện: L y1  yd 0, 395  0,97 ytb    0, 682 2 2 Phân tử lượng trung bình của hơi trong đoạn luyện: 32.0,682+18(1-0,682) = 27,555 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính theo kg/h L g tb  176, 085.27,55  4852, 022 (kg/h) 6.1.2 Tính lượng hơi đi trong đoạn chưng: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được tính dựa theo công thức[II- 182]: C g1,  g n , g  tb (kg/h) 2 g1, :lượng hơi đi vào đoạn chưng , g n = g1: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng Phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng của đoạn chưng. Dựa vào công thức [II-182] ta được: G1'  g1,  Gw  ' ,  , G1 x1  g1 yw  Gw .xw  , , , ,  g1r1  g n rn  g1r1  G1' : lượng lỏng đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng. r1, :ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng gn .rn, = g1r1 = 168, 55.38484,169.103 = 6, 286.109 (km ol / h ) , Trong đó y1’ = yw được tìm theo đường cân bằng ứng với xw. Từ đồ thị của đường cân bằng x-y với x w=0,00508 suy ra yw= 0,0331. Dựa vào công thức [II-182] ta có: r1, = rR y1 + (1 - y1 )rH O , , 2 Tra bảng [I-254] và nội suy ở tw=99oC ta được: 10
rR ,t w = 242, 35kcal / kg = 242, 35.4,1868.103.32 = 32469, 47.103 (J / kmol ) rH 2O = 540kcal / kg = 40695, 696.103 (J / km ol ) r1, = 32469, 47.103.0, 0331 + (1 - 0, 0331)40695, 696.103 = 40423, 41.103 (J / kmol ) Thay các số liệu vào hệ phương trình ta được: G1'  g1,  342,38 G1'  502,84(kmol / h)  ' ,    , G1 x1  g1.0, 0331  342,38.0,00508   g1,  160, 46(kmol / h)  ,  ,  x1  0, 014 3 9  g1.40423, 41.10  6, 4865.10   Vây lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là: , , c g1 + gn 160, 46 + 168, 55 gtb = = = 164, 505(kmol / h ) 2 2 Nồng độ trung bình của đoạn chưng: , c y1 + y1 0, 395 + 0, 0331 y tb = = = 0, 21405 2 2 Phân tử lượng trung bình của hơi đi trong đoạn chưng: M= 32.0,21405+ 18.(1-0,21405) = 20,996 Vậy lượng hơi trung bình chưng tính theo kg/h là: c gtb = 164, 505.20, 996 = 3454, 06(kg / h ) 6.2 Tính khối lượng riêng trung bình: 6.2.1 Đối với pha khí: é tb1.M R + (1 - y tb1 )M H O ù.273 y ê 2 ú r ytb = ë û (kg / m 3 ) 22, 4.T T: nhiệt độ trung bình làm việc của đoạn chưng hay đoạn luyện (oK). y tb1 : nồng độ phần mol của các cấu tử rượu lấy theo giá trị trung bình y d 1 + yc 1 y tb1 = 2 y d 1 , y c 1 : nồng độ tại hai đầu tháp. Tính cho đoạn luyện: L Ta có: y tb1 = y tb = 0, 6825 Nhiệt độ hỗn hợp trung bình của hỗn hợp trong đoạn luyện: L t P + tF 65, 5 + 85, 5 t tb = = = 75, 5O C 2 2 [32.0, 6825 + (1 - 0, 6825)18 ] .273 Vậy: r Lytb = = 0, 964(kg / m 3 ) 22, 4.(75, 5 + 273) Tính cho đoạn chưng: c Ta có: y tb1 = ytb = 0, 21405 Nhiệt độ hỗn hợp trung bình của hỗn hợp trong đoạn luyện: c t w + tF 99 + 85, 5 t tb = = = 92, 25O C 2 2 11
[32.0, 21405 + (1 - 0, 21405)18 ].273 Vậy: r c = = 0, 7006(kg / m 3 ) ytb 22, 4.(92, 25 + 273) 6.2.2 Đối pha lỏng: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng: 1 abt 1 - atb = + r xtb r xtb1 r xtb 2 3 r xtb :khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m ). r xtb1 , r xtb 2 :khối lượng riêng trung bình của cấu tử rượu, nước của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình ( kg/m3). atb :phần khối lượng của cấu tử rượu trong pha lỏng. Tính cho đoạn luyện: aF + aP L X + XP 0, 22 + 0, 96 Ta có: a tb = = F = = 0, 59 2 2 2 Với t tb = 75, 5oC , tra bảng I.2[1-9] và nội suy ta được: L ì r xtb1,60o C = 756(kg / m 3 ï ï ï í Þ r xtb1;75,5o C = 751, 5(kg / m 3 ) ï r xtb1,80o C = 736(kg / m 3 ï ï î ì r xtb2,60o C = 983(kg / m 3 ï ï ï í Þ r xtb2;75,5o C = 974, 4(kg / m 3 ) ï r xtb2,80o C = 972(kg / m 3 ï ï î 1 0, 59 1 - 0, 59 Vậy : L = + Þ r xtb = 821, 33(kg / m 3 ) L r xtb 740, 5 974, 4 Tính cho đoạn chưng: aF + a W X + XW 0, 22 + 0, 009 Ta có: ac = = F = = 0,1145 tb 2 2 2 Với t tb = 92, 25oC , tra bảng [I-9] và nội suy ta được: C ì r xtb1,80o C = 736(kg / m 3 ï ï í Þ r xtb1,92.25o C = 722, 5(kg / m 3 ) ï r xtb1,100o C = 714(kg / m 3 ï ï î ì r xtb2,80o C = 972(kg / m 3 ï ï í Þ r xtb 2,92.25o C = 963, 4(kg / m 3 ) ï r xtb2,100o C = 958(kg / m 3 ï ï î 1 0, 1145 1 - 0, 1145 Vậy : c = + Þ r xtb = 927, 97(kg / m 3 ) c r xtb 722, 5 963, 4 6.3 Tốc độ hơi đi trong tháp đĩa lưới: Theo công thức [II-186] ta có công thức sau: rx wgh = 0, 05 (m/s) ry r x , r y : khối lượng riêng của lỏng và hơi (kg/m3). w gh : tốc độ giới hạn của khí (m/s). Tốc độ trung bình của khí: w t b = (0, 8 ¸ 0, 9)wgh (m/s) 6.3.1 Xét cho đoạn luyện: 12
r xtb = 821, 33(kg / m 3 ) L r ytb = 0, 964(kg / m 3 ) L 821, 33 wL = 0, 05 gh = 1, 459(m / s ) 0, 964 6.3.2 Xét cho đoạn chưng: r xtb = 927, 97(kg / m 3 ) c r ytb = 0, 7006(kg / m 3 ) c 927, 97 wc = 0, 05 gh = 1, 8(m / s ) 0, 7006 6.4 Đường kính tháp: 6.4.1Đường kính đối với đoạn luyện: wL = 0, 9.wL = 1, 459.0, 9 = 1, 3131(m / s ) tb gh 4852, 022 DL  0,0188  1,16( m) 0,964.1,3131 6.4.2 Đường kính đối với đoạn chưng: w c = 0, 8.wC = 1, 8.0, 8 = 1, 44(m / s ) tb gh 3454, 06 DC  0, 0188  1,1(m) 0,7006.1, 44 Quy chuẩn đường kính ta được: D L = 1, 2m D C = 1,1m 6.5 Tính lại tốc độ hơi: 6.5.1 Đối với đoạn luyện: gtb (0, 0188)2 4852, 022.(0, 0188)2 wL = y = = 1, 23(m / s ) = 85%w gh giá D 2 r yL 1, 22.0, 964 trị tính ở trên. 6.5.2 Đối với đoạn chưng: gtb (0, 0188)2 3454, 06.(0, 0188)2 wc = y = = 1, 44(m / s ) = 80%w gh giá trị D 2 r yL 1,12.0, 7006 tính ở trên. ì D L = 1, 2m ï ï Vậy với ï C í tháp làm việc sẻ không có hiện tượng sặc. ï D = 1, 1m ï ï î 7/ Tính chiều cao tháp: Tính chiều cao tháp bằng phương pháp đường cong động học. 7.1 Đối với đoạn luyện: 7.1.1 Độ nhớt: a/ Xét pha hơi: 13
M hh m .M m .M = 1 1+ 2 2 mhh m1 m2 M hh , M 1 , M 2 : khối lượng mol của hỗn hợp khí và cấu tử rượu, nước trong hỗn hợp (kg/kmol) mhh , m1 , m2 :lần lượt là độ nhớt của hỗn hợp và của các cấu tử rượu, 2 nước (Ns/m ) m 1 , m 2 :nồng độ phần thể tích của từng cấu tử trong pha hơi. Nhưng nồng độ phần thể tích của từng cấu tử trong pha hơi thì bằng nồng độ phần mol của từng cấu tử trong hỗn hợp. L Do đó m 1 = y tb = 0, 685 Với M hh = 27, 59 Ở t L = 75, 5oC ,ta tra toán đồ [I-117] ta được: o Ns m1 = 0, 0115.10- 3 2 m Ns m2 = 0, 0116.10- 3 2 m Thay số liệu vào công thức trên ta được: 27, 59 0, 685.32 (1 - 0, 685).18 = - 3 + mhh 0, 0115.10 0, 0116.10- 3 Ns Þ mhh = 0, 0115.10- 3 ( 2) m b/ Xét pha lỏng: lg mhh = x 1 lg m1 + x 2 lg m2 x1,x2: nồng độ mol của các cấu tử trong hỗn hợp xF + x P 0,1369 + 0, 931 Với x1 = = = 0, 533 2 2 Ở t L = 75, 5oC , ta tra toán đồ [I-90] ta được: o Ns m1 = 0, 27.10- 3 2 m - 3 Ns m2 = 0, 35.10 m2 Thay số liệu vào công thức trên ta được: lg mhh = 0, 533 lg 0, 27.10- 3 + (1 - 0, 533) lg 0, 35.10- 3 N .s Þ mhh = 0, 3048.10- 3 ( ) m2 7.1.2 Hệ số khuyết tán của khí vào hơi: [II-127] 0, 0043.10- 4.T 1,5 1 1 Dy = + (m 2 / s ) P .(vA 3 + v B 3 )2 1/ 1/ MA MB T: nhiệt độ trung bình của đoạn chưng tính theo K. P: áp suất chung (at) MA, MB :khối lượng mol của khí A,B . v A,vB: thể tích mol của khí A và B (cm 3/mol) Thể tích mol tính theo công thức: 14
v = n å Vi n: số nguyên tử cùng loại Vi: thể tích của nguyên tử thứ i Ta có: vR = 1.14, 8 + 4.3, 7 + 1.7, 4 = 37(cm 3 / mol ) vH 2O = 18, 9(cm 3 / mol ) Với đoạn luyện nên T= 75,5+273=348,5 K Vậy : 0, 0043.10- 4.(348, 5)1,5 1 1 Dy = + = 2, 2926.10- 5 (m 2 / s ) 1.(371/ 3 + 18, 91/ 3 )2 32 18 7.1.3 Hệ số cấp khối: a/ Hệ số cấp khối pha hơi:[II-164] Dy kmol by = (0, 79 Rey + 11000) ( ) 22, 4 2 kmol m s kmol với Dy: hệ số khuyết tán trung bình của khí vào hơi (m2/s) w y .h .r y Rey = với w y :tốc độ hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp m/s my h: kích thước dài, chấp nhận h=1 r y : khối lượng riêng trung bình của hơi (kg/m3) N .s my :độ nhớt trung bình của hơi m2 1,23.1.0,964 Rey = = 103,106.103 0, 0115.10- 3 0, 22926.10- 4 Do đó b y = (0, 79.103,106.10 3 + 11000) = 0, 095 22, 4 b/ Hệ số cấp khối pha lỏng: [II-165] 38000.r x .Dx kmol bx = P rx0,62 ( ) M x .h kmol m 2 .s . kmol Mx: khối lượng mol trung bình của lỏng (kg/kmol) Mx= 0,533.32 + (1-0,533).18 = 25,462 (kg/kmol) h: kích thước dài,ta chấp nhận h=1 3 r x : khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m ) Dx: hệ số khuyết tán trung bình trong pha lỏng (m2/s) Theo công thức[II-134] ta được: Dx=D20[1+b(t-20)] 0, 2 m Trong đó: b = 3 r o m : là độ nhớt của dung môi ở 20 C. Ở đây dung môi là H2O: mH 2O (20o C ) = 10- 3 Ns / m 2 mH 2O (20o C ) = 1cp 15
o 3 r : khối lượng riêng của dung môi ở 20 C ( kg/m ) Tra bảng [I-10] ta có: r =998,23 ( kg/m 3) 0, 2 1 b= = 0, 02 3 998, 23 Theo công thức (II-133) ta được: 1 1 1.10- 6 + MA MB D20 = (m 2 / s ) A .B mB (vA + vB 3 )2 1/ 3 1/ D20: hệ số khuyết tán của khí trong lỏng (m 2/s) A,B: hệ số hiệu chỉnh của khí khuyết tán và của dung môi. o mB : độ nhớt của dung môi ở 20 C, cp v A,vB: thể tích mol (cm3/mol). Với v A=37 cm3/mol, vB=18,9 cm3/mol Tra bảng [II-133] ta được A = 1,19 Tra bảng [II-134] ta được B = 4,7 Tra bảng [I-92] có mB =1 cp 1 1 1.10- 6 + D20 = 32 18 = 1, 4652.10- 9 (m 2 / s ) 1,19.4, 7 1(371/ 3 + 18, 91/ 3 )2 Vậy Dx= 1, 4652.10- 9 [1+0,02(75,5-20)] = 3,0917.10-9 (m2/s) Chuẩn số Pran: mx P rx = r x .Dx P rx : chuẩn số Pran đối với pha lỏng. mx : độ nhớt trung bình của lỏng r x : khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m3) Với r x =831,088 (kg/m 3) Thay vào ta có: 0, 3048.10- 3 P rx = = 120, 03 821, 33.3, 0917.10- 9 Thay vào công thức ta có: 38000.821, 33.3, 0917.10- 9 kmol bx = 120, 030,62 = 0, 0737 ( ) 25, 46.1 2 kmol m .s . kmol 7.1.4 Hệ số chuyển khối: 1 ky = 1 m + i by bx m i : hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và nồng độ Thay các số liệu vào công thức ta được: 1 ky = 1 mi + 0, 095 0, 0737 16
7.1.5 Tính đường kính ống chảy chuyền: Dựa vào công thức [II-236] ta được: L 4gxtb dc = (m) 3600.P .r x .w c .z c Trong đó: r x : khối lượng trung bình của hỗn hợp lỏng ở nhiệt độ trung bình của đoạn luyện t L = 75, 5oC , r x = 751, 5(kg / m 3 ) . o z c : số ống chảy chuyền, phụ thuộc đường kính tháp,chọn zc = 1 L gxtb : lưu lượng lỏng đi trong đoạn luyện (kg/h) L G + Gx gxtb = 1 2 với G1 = 113,64 (kmol/h) Gx= Rx.Gp=2,3.54,91=126,293 (kmol/h) L 113, 64 + 126, 293 gxtb = = 119, 97 (kmol/h) 2 L gxtb (kg/h) = 119, 97.27, 24 = 3267, 88 w c :tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền (m/s) Thường w c nằm trong khoảng (0,1- 0,2) m/s, ta chọn w c =0,15 m/s Thay vào công thức tính đường kính ta có: 4.3267, 88 dc = = 0, 097(m ) 3600.P .821, 33.0,15.1 Ta chọn đường kính ống chảy chuyền của đoạn luyện là: 100 mm Tính lại vận tốc hơi đi trong ống chảy chuyền: 4.g L xtb 4.3267,88 w=   0,14 (m/s) 3600.d .. .z 3600.0,12..821,33.1 2 Vậy ta chấp nhận được đường kính ống chảy chuyền là: 100 mm 7.1.6 Tính số đơn vị chuyển khối: [II-173] L K y .fL m yT = gytb Trong đó: gytb : lượng hơi trung bình của đoạn luyện (kmol/h) gytb = 176, 085(km ol / h ) = 0, 049 (kmol / s ) với fL = F - m .fch F: diện tích của mặt cắt ngang của tháp(m 2) P .D 2 P .1, 22 F = = (m 2 ) 4 4 fch : diện tích mặt cắt ngang của ống chảy chuyền P .dc2 P .0, 097 2 fL = = (m 2 ) 4 4 17
P .1, 22 P .0, 097 2 Vậy fL = - = 1,1236 (m 2 ) 4 4 L K y .1,1236 Do đó: m yT = = 22, 9.K y 0, 049 7.2 Đối với đoạn chưng: 7.2.1 Độ nhớt: a/ Xét pha hơi: M hh m .M m .M = 1 1+ 2 2 mhh m1 m2 M hh , M 1 , M 2 : khối lượng mol của hỗn hợp khí và cấu tử rượu, nước trong hỗn hợp (kg/kmol) mhh , m1 , m2 :lần lượt là độ nhớt của hỗn hợp và của các cấu tử rượu, 2 nước (Ns/m ) m 1 , m 2 :nồng độ phần thể tích của các cấu tử trong hỗn hợp c Với m 1 = y tb = 0, 2115 Với M hh = 20, 961 Ở t co = 92, 25oC ,ta tra toán đồ [I-117] ta được: Ns m1 = 0, 012.10- 3 2 m Ns m2 = 0, 0122.10- 3 2 m Thay số liệu vào công thức trên ta được: 20, 961 0, 2115.32 (1 - 0, 2115).18 = - 3 + mhh 0, 012.10 0, 0122.10- 3 Ns Þ mhh = 0, 0121.10- 3 2 = 0, 0121cp m b/ Xét pha lỏng: lg mhh = x 1 lg m1 + x 2 lg m2 x1,x2: nồng độ mol của các cấu tử trong hỗn hợp xF + x w 0, 1369 + 0, 00508 Với x1 = = = 0, 07099 2 2 Ở t co = 92, 25oC ,ta tra toán đồ [I-90] ta được: Ns m1 = 0, 22.10- 3 m2 Ns m2 = 0, 28.10- 3 2 m Thay số liệu vào công thức trên ta được: lg mhh = 0, 07099 lg 0, 22.10- 3 + (1 - 0, 07099) lg 0, 28.10- 3 N .s Þ mhh = 0, 2752.10- 3 ( ) m2 7.2.2 Hệ số khuyết tán của khí vào hơi: [II-127] 0, 0043.10- 4.T 1,5 1 1 Dy = + (m 2 / s ) P .(vA 3 + v B 3 )2 1/ 1/ MA MB Với đoạn luyện nên T= 92,25+273=365,25 oK 18
0, 0043.10- 4.(365, 25)1,5 1 1 Vậy : Dy = + = 0, 246.10- 4 (m 2 / s ) 1.(371/ 3 + 18, 91/ 3 )2 32 18 7.2.3 Hệ số cấp khối: a/ Hệ số cấp khối pha hơi: [II-164] Dy kmol by = (0, 79 Rey + 11000) ( ) 22, 4 kmol m 2s kmol w y .h .r y 1,44.1.0,7006 Rey = = = 83, 377.10 3 my 0, 0121.10- 3 - 4 0, 246.10 kmol Do đó b y = (0, 79.83, 377.103 + 11000) = 0, 0846 ( ) 22, 4 2kmol m s kmol b/ Hệ số cấp khối pha lỏng: theo công thức [II-165] ta được: 38000.r x .Dx kmol bx = P rx0,62 ( ) M x .h kmol m 2 .s . kmol Theo công thức [II-134] ta có: Dx=D20[1+b(t-20)] 1 1 1.10- 6 + D20 = 32 18 = 1, 465.10- 9 (m 2 / s ) 1,19.4, 7 1(371/ 3 + 18, 91/ 3 )2 Vậy Dx= 1, 4652.10- 9 [1+0,02(92,25-20)] = 3,5824.10-9(m2/s) Chuẩn số Pran: mx P rx = r x .Dx P rx : chuẩn số Pran đối với pha lỏng: 0, 2752.10- 3 P rx = = 82, 78 927, 97.3, 5824.10- 9 Mx = 0,07099.32+(1-0,07099).18=18,99 Thay vào công thức ta có: 38000.927, 97.3, 5824.10- 9 kmol bx = 82, 78 0,62 = 0,103 ( ) 18, 99.1 kmol m 2 .s . kmol 7.2.4 Hệ số chuyển khối: 1 ky = 1 m + i by bx m i : hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và nồng độ Thay các số liệu vào công thức ta được: 1 ky = 1 mi + 0, 0846 0,103 7.2.5 Tính đường kính ống chảy chuyền: 19
Đường kính ống chảy chuyền được tính dựa theo công thức [II-236] c 4gxtb dc = (m) 3600.P .r x .w c .z c c G F + G 1' + G 1 gxtb = 2 c 397, 29 + 502, 84 + 113, 64 gxtb = = 506, 88(km ol / h ) 2 M x = 0, 07099.32 + (1 - 0, 07099).18 = 18, 99 c gxtb = 506, 88.18, 99 = 9625, 65(kg / h ) w c :tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền (m/s) Thường w c nằm trong khoảng (0,1  0,2) m/s, ta chọn w c =0,15 m/s Ta giả thuyết rằng ta dùng 2 ống chảy chuyền ( z = 2) có đường kính như của đường kính ống chảy chuyền của đoạn chưng: dc = dL = 100(mm ) Kiểm tra lại vận tốc lỏng đi trong ống: 4.gtb 4.9625, 65 w0 = 2 = 2 = 0, 18(m / s ) < 0, 2(m / s ) d .3600.P .r c .z c 0,1 .3600.P .927, 97.2 Vậy ta chấp nhận ở mỗi đĩa trong đoạn chưng có 2 ống chảy chuyền có đường kính 100 (mm) 7.2.6 Tính số đơn vị chuyển khối: Theo công thức tính số đơn vị chuyển khối [II-173] c K y . fc m yT = gytb Trong đó: gytb : lượng hơi trung bình của đoạn luyện (kmol/h) gytb = 164, 505(km ol / h ) = 0, 0456(kmol / s ) P .1,12 P .0,1562 Vậy fc = - = 0, 931(m 2 ) 4 4 c K y .0, 931 Do đó: m yT = = 20, 43.K y 0, 0456 7.3 Xác định hệ số phân bố: (mi) Vẽ đường cong cân bằng Vẽ đường làm việc của đoạn luyện, đoạn chưng Dựng các đường thẳng vuông góc với Ox tại điểm có hoành độ 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9 các đường này cắt đường làm việc tại A1,A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9, A10 và cắt đường cân bằng tại C1,C2,C3,C4,… Tại mỗi giá trị hoành độ x ta tìm tg góc nghiêng của đường cân bằng theo công thức: ycb - y m i = tga = x - x cb 20