1. Trang Chủ
  2. Công nghệ - Môi trường
  3. Đề tài

Đề tài

Trong thực tế, chúng ta sử dụng rất nhiều dạng hoá chất khác nhau: hỗn hợp nhiều chất hay đơn chất tinh khiết. Nhu cầu về một loại hoá chất tinh khiết cũng rất lớn. Quá trình có thể đáp ứng phần nào độ tinh khiết theo yêu cầu là chưng cất: là quá trình tách các cấu tử trong hỗn hợp lỏng – lỏng, hay hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng. Và đối với hệ acetone – nước, do không có điểm đẳng phí nên có thể đạt được bất... i h c Qu c gia Tp. H Chí Minh

Thể loại Tài liệu miễn phí Công nghệ - Môi trường

Số trang 37

Ngày tạo 8/29/2018 7:58:42 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước

Tên tệp

Tải Đề tài (.pdf)

Xem mẫu

  1. i h c Qu c gia Tp. H Chí Minh Tr ng i h c Bách Khoa Khoa Công ngh Hoá h c & D u khí B MÔN MÁY & THI T B ÁN MÔN H C Quá Trình & Thi t B THI T K THÁP CH NG C T H N H P ACETONE – N C LO I THÁP M N NG SU T : 1500 (Kg/h) GVHD : Võ Th Ng c T i SVTH : Võ Ng c Ti p MSSV : 69902203 Lp : HC99HL, MỤC LỤC h Ngàn : Công Ngh Hoá Lý LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG1 : GIỚI THIỆU CHUNG2002 – 2003 N mh c
  2. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi CHƯƠNG2 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT: 1. Đồ thị cân bằng acetone- nước 2. Xác đ ịnh chỉ số hồi lưu a) Chỉ số hồi lưu tối thiểu b) Chỉ số hối lưu thích hợp II. CÂN BẰNG NĂNG LƯ ỢNG: 1. Cân b ằng năng lượng cho tháp chưng cất: 2. Cân b ằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 3. Cân b ằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội 4. Cân b ằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I. ĐƯỜNG KÍNH THÁP: 1. Đường kính đoạn cất: 2. Đường kính đoạn chưng: II. CHIỀU CAO THÁP: III. TRỞ LỰC CỦA THÁP: CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ I. TÍNH CHIỀU DÀY THÂN THÁP II. TÍNH ĐÁY, NẮP THIẾT BỊ 1. Nắp 2. Đáy III. TÍNH ĐƯ ỜNG KÍNH VÀ BULON ỐNG DẪN 1. Ống dẫn hơi: 2. Ống nhập liệu: 3. Ống dẫn lỏng: 4. Ống hoàn lưu: CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ I. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH II. THIẾT BỊ GIA NHIỆT NHẬP LIỆU III. NỒI ĐUN IV. BƠM CHƯƠNG 6 : TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 2- MSSV:69902203
  3. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi LỜI GIỚI THIỆU Trong thực tế, chúng ta sử dụng rất nhiều dạng hoá chất khác nhau: hỗn hợp nh iều chất hay đơn chất tinh khiết. Nhu cầu về một loại hoá chất tinh khiết cũng rất lớn. Quá trình có thể đáp ứng phần nào độ tinh khiết theo yêu cầu là chưng cất: là quá trình tách các cấu tử trong hỗn hợp lỏng – lỏng, hay hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng. Và đ ối với hệ acetone – nước, do không có điểm đẳng phí nên có th ể đạt được bất kỳ độ tinh khiết theo yêu cầu nhờ quá trình chưng cất. Nhiệm vụ thiết kế: tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử : acetone – nước với các số liệu sau đây: Năng suất sản phẩm đỉnh : 1500 Kg/h Nồng độ sản phẩm đỉnh : 95% theo khối lượng Nồng độ nhập liệu : 30% Ap suất làm việc : áp suất thường. CHƯƠNG 1 :GIỚI THIỆU CHUNG 1. Giới thiệu sơ bộ : Acetone có công thức phân tử : CH3COCH3 .Khối lượng phân tử bằng 58 đvC Acetone là chất lỏng sôi 56.10C, tan vô h ạn trong nư ớc, nó là dung môi cho nhiều chất hữu cơ… Nó hoà tan tốt tơ axetat, nitrô xenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng. Acetone là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ. Từ Acetone có thể tổng hợp xeten, sumfonal (thuốc ngủ), các halofom…. Tính ch ất hoá học : Cộng hợp với natri bisunfit: OH 1 CH3COCH3 + NaHSO3 CH3 - C - SO3Na 1 C H3 SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 3- MSSV:69902203
  4. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi ( 1-metyl-1-hydroxi etan sunfonát natri ) Cộng hợp axit HCN OH 1 CH3COCH3 + HCN  CH3 - C - CN 1 C H3 ( pH= 4 -8 ) Phản ứng n gưng tụ : OH O 1 11 CH3-CO-CH3 + HCH2C=O  CH3-C-CH2-C-CH3 1 1 C H3 C H3 ( 4-oxy-4 -mêtyll-2 -pentanon) Acetone khó bị oxi hóa bởi thuốc thử Pheling, Tôluen, HNO3đđ, KMnO4 ,… Chỉ bị oxi hóa bởi hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfôcrômic K2Cr2O7 + H2SO4… Bị gãy m ạch cacbon. Phản ứng khử hoá: CH3COCH3 + H2  CH3CHOH-CH3 Điều chế : Oxy hóa rượu bậc hai: CH3CHOH-CH3  CH3COCH3 + H2O Theo phương pháp Piria : nhiệt phân muối canxi của axit cacboxylic: (CH3COO)2Ca  CH3COCH3 + CaCO3 Từ dẫn xuất cơ magie: Br / CH3-C-Cl + CH3-MgBr CH3-C-CH3 + Mg 11 11 O O Cl Ph ản ứng Kucherôv:  HgSO4 /  CH3-C-CH3  H CH3-CCH + H2O  11 O 2. Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước : Ta có Acetone là một chất lỏng tan vô h ạn trong nước và nhiệt độ sôi của Acetone ( 56.1 0C ở 760 mmHg) và Nước ( 100 0C ở 760 mmHg) : là khá cách xa nhau nên phương pháp hiệu quả nhất để thu được Acetone tinh khiết là chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn h ợp. Chọn loại tháp chưng cất và phương pháp chưng cất : Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay h ơi của chúng ( hay nhiệt độ sôi ), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay h ơi – ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Đối với chưng cất ta có hai phương pháp thực hiện : Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ): Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp sau : SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 4- MSSV:69902203
  5. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau . Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao . Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi . Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử . Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn. Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục . Trong trường hợp này, do sản phẩm là Acetone – với yêu cầu có độ tinh khiết cao khi sử dụng , cộng với hỗn hợp Acetone – Nước là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất. Chọn loại tháp chưng cất : Có rất nhiều loại tháp được sử dụng, nhưng đ ều có chung một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán của một lưu chất này vào lưu ch ất kia . Ta khảo sát hai loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm: Tháp mâm gồm 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 cho tiếp xúc với nhau. Gồm có : mâm chóp, mâm xuyên lỗ , mâm van. Thường sử dụng mâm chóp . Tháp chêm là một tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn . Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một hay hai phương pháp : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự . Chọn loại tháp đệm để thực hiện quá trình ch ưng cất vì những ưu điểm sau: Cấu tạo đơn giản Trở lực thấp Tuy nhiên tháp đ ệm cũng có nhược điểm là: Hiệu suất thấp Độ ổn định kém. Thuy ết minh quy trình công nghệ: Hỗn hợp Aceton – nước có nồng độ Aceton 30% (theo số mol), nhiệt độ khoảng 270C tại bồn chứa nguyên liệu (1), được bơm qua thiết bị gia nhiệt ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy)(5). Sau đó được đ ưa đến thiết bị đun nóng nhập liệu(6) bằng hơi nước bão hòa, ở đ áy nhập liệu đư ợc đưa đến nhiệt độ sôi và được đưa vào tháp chưng cất(11). Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi nhiệt giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dư ới càng giảm nồng độ cấu tử dễ bay h ơi vì đã bị nồi đun lôi cuốn các cấu tử. Nhiệt độ càng lên trên càng th ấp , nên khi hơi đi từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng tren đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử Aceton chiếm nhiều nhất ( 95% theo phần mol ). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ(14 ). Một phần lỏng ngưng được hồi lưu về tháp, một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (17 ). 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 đ ày tháp ta thu được hổn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay hơi (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Aceton là 3% theo ph ần mol, còn lại là nước. Dung dịch lỏng ở đáy tháp đ ược đun tại nồi đun (12 ) ,bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại trao đổi nhiệt với nhâp liệu. Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Aceton, sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ. SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 5- MSSV:69902203
  6. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp Aceton – nước: 14 15 16 11 9 10 9 17 7 15 7 12 6 8 13 5 8 1 2 18 4 20 19 3 SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 6- MSSV:69902203
  7. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi CHƯƠNG 2 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I. Cân bằng vật chất: Số liệu ban đầu: Năng suất 1500kg/h Nồng độ dung dịch đầu: xF = 30% mol Nồng độ đỉnh: xD = 95% mol Nồng độ dung dịch đáy: xW = 3% mol  Các ký hiệu: F , F :lượng nhập liệu ban đầu (kmol/h), (kg/h)  D, D : lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h), (kg/h)  W, W : lượng sản phẩm đáy (kmol/h), kg/h) xF: nồng độ mol acetone trong nhập liệu xD: nồng độ mol acetone trong sản phẩm đỉnh xW: nồng độ mol của acetone trong sản phẩm đáy Phương trình cân bằng vật chất: F=D+W (1) F xF = D xD + W xW (2) Tính khối lư ợng trung bình: MtbF =xF M1 + (1 -xF) M2 =0,3x58+(1 -0,3)18=30kg/kmol MtbD =xD M1 + (1 -xD) M2 =0,95x58+(1 -0,95)18=56kg/kmol MtbW =xW M1+ (1-xW) M2 =0,03x58+(1-0,03)18=19,2kg/kmol Suất lượng sản phẩm đỉnh:  D 1500 D= =  26,786 (kmol/h) M tbD 56 F  26,786  W Từ (1) và (2) ta có:  F * 0,3  26,786 * 0,95  W * 0,03 F  91,27kmol / h Giải hệ phương trình trên ta được:  W  64,485kmol / h _ F  2738.13(Kg / h) h ay  _  W  1238.12(Kg / h)  1. Đồ thị cân bằng acetone- nước: Thành phần cân bằng lỏng (x)- hơi (y) tính b ằng phần % mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử ở 760 mmHg x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 60,3 72 80,3 82,7 84,2 85,5 86,9 88,2 90,4 94,3 100 t 100 77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59 58,2 57,5 56,9 SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 7- MSSV:69902203
  8. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi Vẽ đồ thị y-x: Ñoà thò caân baèng aceyone- nöôùc 100 80 Thaønh phaàn pha hôi 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 Thaønh phaàn pha loûng Đồ thị T- x y Ñoà thò T-xy T 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 xy 2. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp: SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 8- MSSV:69902203
  9. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi a ) Ch ỉ số hối lưu tối thiểu: Đường cân bằng vẽ theo số liệu thực nghiệm có khoảng lõm nên để xác định Rm, từ A(0,95;0,95) vẽ AB tiếp xúc đường cân bằng cắt trục tung tại điểm có tung độ xD góc là 0,65. Ta co : Rm=  0 ,65  Rm = 0,462 Rm  1 Rm 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 b) Chỉ số hồi lưu thích hợp: Cho các giá trị Rxi > Rxmin để tìm các giá trị tung độ Bi tương ứng và vẽ các đường nồng độ làm việc của đoạn luyện ứng với các giá trị Bi đó : xD Bi = Rx i  1 Tìm các đ iểm a ( y= x= xD ), b( y= x= xW ) và đường x = xF ( song song với trục tung ). Cứ mỗi giá trị Bi ta vẽ được đường nồng độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng . Như vậy ứng với mỗi giá trị Rxi ta có số đơn vị chuyển khối chung tương ứng là mxi. Ta có bảng sau : Rxi Bi mx mx(Rxi+1) 0 .600 0.594 11.139 7.2834 0 .785 0.532 8 .595 7.5321 0 .878 0.506 5 .934 6.0881 0 .970 0.482 5 .94 6.7318 1 .063 0.460 6 .313 7.7737 1 .155 0.441 5 .928 8.0018 Thể tích tháp là V = f * H f : tiết diện tháp, m2 SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 9- MSSV:69902203
  10. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi H : chiều cao làm việc của tháp, m Ta biết tiết diện của tháp tỉ lệ thuận với lượng h ơi đi trong tháp, mà lư ợng hơi lại tỉ lệ thuận với lượng lỏng hồi lưu trong tháp, như vậy tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hồi lưu . Tức là f  ( Rx + 1 ) * GD Trong một điều kiện làm việc nhất định thì GD là không đổi, nên f  ( Rx + 1). Còn chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối H  mx , nên cuối cùng ta có thể viết V = f*H  m x ( Rx + 1 ) Từ đó ta sẽ lập đư ợc sự phụ thuộc giữa Rx _ m x * ( Rx + 1 ) . Mối quan hệ này sẽ cho ta tìm được một giá trị Rx mà thể tích của thiết bị chưng cất ứng với nó là tối ưu Rxth . Vẽ đồ thị quan hệ giữa (m x i *(Rxi + 1) _ Rxi ) để tìm Rxth . 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0.5 1 1.5 Đường làm việc : x R x + D = 0.474x +0.5 Phương trình đường làm việc của phần cất : y= R 1 R 1 Rf f 1 Phương trình đường làm việc của phần chưng : y= x- xW R 1 R 1 F 91.271 f= = D 26.786 y= 2.267x -0.038 II. Cân bằng năng lượng: 1. Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất: Phương trình cân bằng năng lượng : QF+QD2+QR=Qy+QW+QXq2+QNg2  Nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang vào QF(J/h) _ QF= F CFtF Trong đó: _ F = 2783.13(Kg/h) tF = 62.5OC (Nhiệt độ đi vào của hổn hợp đầu : ở trạng thái lỏng sôi) CF : Nhiệt dung riêng: tF = 62.5OC  CNước = 4188.265(J/Kg.độ) SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 10- MSSV:69902203
  11. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi CAcetone = 2313.125(J/Kg.độ) _ _ CF = X F x CAcetone + (1 - X F ) x CNước = 0 .58 x 2313.125 + (1 – 0.58) x 4188.265 = 3100.684 (J/Kg.độ)  QF = 2 738.13 x 3100.684 x 62.5 = 0.53 x 10 9 (J/h) = 147.395(kW)  Nhiệt lượng do h ơi đốt mang vào tháp QD2(J/h) QD2 = D22 = D2(r2 + C2 2) Dùng hơi nước ở As 2at , r2 = 2208 (kJ/Kg) , tO = 119.6OC T2,C2 : tO và Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/Kg.độ)  Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang về: QR = QR x CR x tR Trong đó: CR = CD : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh tDO = 57.5OC  CAceton = 2296.875 (J/Kg.độ) CNước = 4188.125 (J/Kg.độ) _ _ CD = CR = x D x CAceton + (1 - x D) x CNước = 0.984 x 2296.875 + (1 - 0.984) x 4188.125 = 2327.135 (J/KG.độ) _ GR = D x R = 1500 x 0.9 = 1350 (Kg/h) tR = tD = 57.5OC.  QR = 1.806 x 108 (J/h) = 50.18(kW)  Nhiệt lượng do h ơi mang ra ở đ ỉnh tháp Qy : _ Qy = D (1 +R) x D Trong đó: D : Nhiệt lượng riêng của hơi ở đ ỉnh tháp _ _ D = Acetone x y D + Nước x (1 - y D) _ y D = 0.984 Acetone = rAcetone + tD x CAcetone Nước = rNước + tD x CNước ở tD = 57.5 OC rAcetone = 523.35 (kJ/Kg) rNước = 2426.77 (kJ/Kg)  Nước = 2667.59 x 103 (J/Kg) Acetone = 655.42 x 103 (J/Kg)  D = 687.614 (kJ/Kg)  Qy = 1.96 x 109 (J/h) = 544.361 (kW)  Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra QW: _ _ Trong đó : W = 1238.12 (Kg/h) , x W = 0 .091 tW = 85OC  CAcetone = 2386.25 (J/Kg.độ) CNước = 4200 (J/Kg.độ) CW = 4034.054 (J/Kg.độ)  QW = 0.424 x 109 (J/Kg) = 117.93 (kW)  Nhiệt lượng tổn thất tỏa ra môi trường xung quanh QXq2: SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 11- MSSV:69902203
  12. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi QXq2 = 5% x QD2 Vậy : Lượng h ơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp: QD2 - QXq2 = Qy + QW – QF - QR Qy  Qw  QF  QR  D2 = 0.95x r2 = 797.57 (Kg/h) 2 . Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ: Ngưng tụ ho àn toàn : _ D (1 +R) x rD = Gnl x Cn x (t2 – t1) Trong đó : t1,t2: Nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh Chọn nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh là: t1 = 27OC t2 = 40 OC _   t 1,2 = t1 t 2 = 33.5OC  rAcetone = 521.46 (kJ/Kg) 2 rNước = 2425.60 (kJ/Kg) _ _  rD = x D x rAcetone + (1 - x D) x CNước = 551.93 x 103 (J/Kg) Suất lượng nước cần tiêu tốn: _ D x(R  1)x r D 1500 x(0.9  1) x551.963x1000  Gnl = = = 28940.87 (Kg/h) Cn x(t 2  t1) 4180.94 x(40  27) 3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh: Phương trình cân bằng năng lượng : _ D (rD + CD x (t1’-t2’)) = Gn3 x Cn x (t2-t1) t1’= 57.5OC  Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh. t2’= 30 OC  Nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh. t1 = 27OC  Nhiệt độ vào của n ước làm lạnh. O  Nhiệt độ ra của nước làm lạnh. t2 = 4 0 C ttb = 33.5OC  Nhiệt độ trung b ình của nước làm lạnh. Cn = 4176.625 (J/Kg.độ) ở 33.5OC 57.5  30 = 43.75 OC CAcetone =2252.19(J/Kg.độ) ở t = 2 Cn = 4177.625 (J/Kg.độ) ở t=43.75OC CD  2283( J / Kg.do)  r D  563168( J / Kg.do) Lư ợng nước cần dùng : _ D x(r D  C D (t1 ' t 2 ' )) Gn3 = = 17292.684(Kg/h) C x(t  t ) n 2 1 4. Cân bằng năng lượng cho thiết bị gia nhiệt (tận dụng nhiệt sản phẩm đáy): Dùng nhiệt sản phẩm đáy để gia nhiệt cho nhập liệu. Chọn nhiệt độ ra của sản phẩm đáy là 45 0C Qw = Gw.Cw.(85-45) = 0.344x4034.05x(85-45) = 55508.825(W) Giả sử nhiệt độ mất mát ra môi trường là 40% SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 12- MSSV:69902203
  13. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi  Qw’ = 95%.Qw = 46131 (W) Nhiệt độ ra của nhập liệu là : Qw' 55508.528  27  41.13 0 C  27  QF = Qw’ = GF.CF.(t-27)  t = G F .C F 0.76x3100.684 SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 13- MSSV:69902203
  14. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I. Đường kính tháp: 4.Vtb Đường kính tháp được xác định theo công thức: D= .3600. tb Trong đó: Vtb lư ợng hơi trung bình đ i trong tháp(m3/h)  tb tốc độ hơi trung bình đi trong tháp(m/s) Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên ta phải tính đường kính trung b ình riêng cho từng đoạn: chưng và cất. 1 . Đường kính đoạn cất: x F  x D 0.3  0.95 Nồng độ trung bình của pha lỏng: x’m=  0.625  2 2 Nồng độ trung b ình của pha hơi theo phương trình đường làm việc: y’m=0.474x’m+0.5=0.796 Nhiệt độ trung bình của pha lỏng, pha hơi theo giản đồ T-x x’m=0.625  t’x=590C y’m=0.796  t’y=650C Khối lượng mol trung bình, khối lượng riêng của pha hơi: M’m=y’m.Ma+(1-y’m).Mn=49.84(kg/kmol) ' M m .T0 y' =  1.797(kg / m 3 ) 22.4T ' y Khối lượng riêng của pha lỏng:  x’m=0.625  x m '  0.843 p hần khối lượng  a '  747.1kg / m 3  t’x=590C  '  n  983.45kg / m 3  Lượng hơi trung bình đi trong đo ạn cất: g d  g1 gtb= 2 * gd : lượng hơi ra của sản phẩm đỉnh  gd=GR+GD= D (Rx+1)=2850kg/h * g1: lượng hơi đi vào đoạn cất: g1=G1+GD=G1+GD=G1+1500 Lượng hơi g1, hàm lượng y1, lượng lỏng G1 được xác định theo:   g 1  G1  D     (x 1 = x F )  g 1 y1  G1 x1  D x D g r  g r  11 dd  r1=ray1+(1-y1)rn SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 14- MSSV:69902203
  15. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi   rd=ra y D  (1  y D )rn ra  516.285( kj / kg) Tại tF=62.50C  rn  2249.882(kj / kg) ra  521.257( kj / kg) Tại tD=57.50C  rn  2425.466(kj / kg) g1  2107.83( kg / h) y  0.867 1 Giải hệ trên ta được:  r1  745.99( kj / kg) G1  607.83( kg / h)  g d  g1 Do đó: gtb=  2478.915( kg / h) 2 Vận tốc hơi đi trong tháp:   ' 2 . . 0.25 0.16  0.125     ytb   A  1.75 G x   x  Lg  s 3 d ytb           Gy   g.Vd . xtb  n   xtb      s ' :Tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương(m/s);  d :Bề mặt riêng của đệm(m 2/m3);Vd:Thể tích tự do của đệm(m3/m 3); g: Gia tốc trọng trường(m/s2); Gx,Gy: Lượng lỏng và lượng h ơi trung bình(kg/h);  xtb ,  ytb :Khối lượng trung bình của lỏng và của hơi(kg/m 3);  x , n :Độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20 0C(Ns/m2) A = 0.125 ytb = 1.797 (Kg/m 3) sxtb = 776.39 (Kg/m 3) Chọn đệm vòng Raschig bằng sứ, kích thước 25 x 25 x 3 (mm)  δd  195(m 2 / m3)  Các thông số đệm: Vd  0.75( m 3 / m3)   600(Kg/ 3)  ρd m tx’ = 59  x = 0.2316 x 103 (Ns/m 2) Gx = 607.83 (Kg/h) = 0.169 (Kg/s) Gy = 2478.915 (Kg/h) = 0.689 (Kg/s) n = 1000 (Kg/m 3)  2 ' x165x1.797  0.2316 x 3  0.16  1/ 4 1/ 8  0.169   1.797  10   Lg  ws x  0.125  1.75x  x   9.81x 0.76x776.39   1000  0.689   776.39      ws’ = 6.11 (m/s) Chọn tốc độ làm việc w = 0.85.ws’=5.19 (m/s) Đường kính đoạn cất: 4xVtb Dcất = x3600 xw tb Lượng hơi trung bình đi trong tháp: Vtb (m 3/h) = gtb (Kg/h) x ytb (Kg/m3) = 2478.915 x 1.797 = 1379.47 (m3/h) SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 15- MSSV:69902203
  16. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi 4x1379.47  Dcất = = 0.3 (m). x3600 x5.76 2. Đường kính đoạn chưng: Nồng độ trung bình pha lỏng: xF  xW 0.3  0.03 xm” = = = 0.165 2 2 Nồng độ trung bình pha hơi theo phương trình đường làm việc: ym” = 2.267 x xm” - 0.038 = 0.336 Nhiệt độ trung bình của pha lỏng, pha hơi từ giản đồ Txy: xm” = 0.165  tx” = 65OC ym” = 0.336  ty” = 88OC Khối lượng mol trung bình và khối lượng riêng pha hơi: Mm” = ym” x Macetone + (1 – ym”) x Mnước = 0.336 x 58 + (1 – 0.336) x 18 = 31.44 (Kg/mol) M m " xT0 31.44 x 273 = 1.061 (Kg/m 3) y” = = 22.4xTy " 22.4 x(88  273) Khối lượng riêng pha lỏng: _ xm” = 0.165  x m " = 0.389  acetone "  739.25(Kg / m 3 ) O tx” = 65 C    nuoc "  980.25(Kg / m 3 )  _ _ x m" (1  x m " ) 1  x” = 869.93 (Kg/m 3)   " " " x  acetone  nuoc Lượng hơi trung bình đi trong đo ạn ch ưng: g n '  g1 ' gtb’ = (Kg/h) 2 Trong đó: g1’: lượng h ơi đi vào đoạn chưng gn’: lượng h ơi ra khỏi đoạn chưng Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng b ằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên gn’ = g1 g 1  g1 ' Hay gtb’ = 2 Lượng hơi đi vào đoạn chưng g1’ ,lư ợng hơi lỏng G1’ và hàm lư ợng lỏng x1’ được xác định theo phương trình cân bằng và cân bằng năng lượng: _  G 1 '  g1 '  W   _ __  G 1 '.x 1 '  g1 ' .y w  W . x w g '.r '  g '.r '  g .r 1 1 nn 11   _ W  1238.12( Kg / h) _ xw = 0.03  x w = 0.091 yw = 0.4 (phần mol) dựa vào đường cân bằng _ y w  0.754 (phần khối lượng) SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 16- MSSV:69902203
  17. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi g1. r1 = 1572413.4 _ _ r1’ = ra . y w + (1 - y w).rb Tại đáy tháp: ra  501.893(KJ / Kg) tw = 85OC   rb  2361.355(KJ / Kg) r1’= 501.893 x 0.754 + (1 – 0.754) x 2361.355 = 959.32 (kJ/Kg) 1572413.4 g1’ = = 1639.09 (Kg/h) 959.32 G1’ = 1639.69 + 1238.12 = 2877.21 (Kg/h) 1639.69 x0.754  1238.12 x0.091 x1’ =  0.469 2877.21  Lượng hơi trung b ình đi trong đo ạn ch ưng: 1639.09  2107.83  1873.46(Kg / h) gtb’ = 2 Vận tốc hơi đi trong tháp: 0.16   1/ 4 1/ 8 2 3   ws ' x195x1.061 x 0.2225x 10    0.125  1.75x 0.799  x 1.061  Lg       9.81x 0.753 x869.93   1000  0.52   869.93     tx” = 65  x” = 0.2225 x 103 (Ns/m 2) Gx = 2877.21 (Kg/h) = 0.799 (Kg/s) Gy = 1837.46 (Kg/h) = .052 (Kg/s)  ws’ = 6.22 wtb’ = 0.85 x ws’ = 5.29 (m/s) 4xVtb 4 x1765.75 D= = = 0.344 (m) x3600 xw tb x3600 x5.29 Vtb = 1873.46 x 1.061 = 1765.75 (m 3/h)  Chọn đường kính : D = 400 (mm). II. Chiều cao tháp: * Chiều cao của tháp đệm (toàn tháp): H = N1 x htđ + (0.8  1) (m) Trong đó: N1: Số đĩa lý thuyết 0 .8  1 : Khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp (m) h tđ: Chiều cao tương đương củ a b ậc thay đổi nồng độ, có thể tính theo các công th ức sau: Gx log a e f d   y xw y  G  mG y     x đb x Vđc x  y  x  x  x  x  x htđ = K x   G   y   y   y  Gy  x     1 m Gx Trong đó: K : h ệ số a,b,c,d,e,f: các số mũ,tìm bằng thực nghiệm x,y : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi (Kg/m3) x,y : Độ nhớt trung bình của pha lỏng và pha hơi (Ns/m2) SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 17- MSSV:69902203
  18. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi (khối lượng riêng, độ nhớt lấy theo nhiệt độ trung b ình) Gx,Gy: Lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp m : h ệ số góc cân bằng y= f(x) với mặt phẳng ngang (Kg/h) Ta có : K = 176.4 d = 0.342 a = 0.2 e = 0.19 b = -1.2 f = 0.038 c =1 G1  G1 ' 607.83  2877.21 Gx = = = 1742.52 (Kg/s) 2 2 g d  g1 ' 2850  1639.09 Gy = = = 2244.545 (Kg/h) 2 2  '  " 776.39  869.93 = 823.16 (Kg/m 3) x = x x = 2 2  y '  y " 1797  869.93 = 1.429 (Kg/m 3) y = = 2 2 đ = 195 (m2/m3) Vđ = 0 .75 (m3/m 3) 6.11  6.22x0.85 = 5.24 (m/s) ws ' ws " wy = = 2 2 t ' t " 59  65 tOtb lỏng = x x = = 62OC 2 2 t y ' t y " 65  88 tOtb hơi = = 76.5OC = 2 2 lg hh = x1 x lg 1 + x2 x lg 2 Trong đó: 1,2:độ nhớt động lực của các cấu tử thành phần x1,x2: nồng độ phần mol của các cấu tử trong hổn hợp t x = 62OC  1(Acetone) = 0.227.103 (Ns/m2), x1 = 0.03 O 2(Nước) = 0 .4578.103 (Ns/m 2), x2 = 0.97 lg x = 0.03 lg 0.227.10 -3 + 0.97 lg 0.4578.10 -3 = -3.348  x = 0.4483.10-3 (Ns/m2) tOy = 76.5OC  1 = 0.2053.10-3 (Ns/m 2), x1 = 0.95 2 = 0 .3766.10-3 (Ns/m 2), x2 = 0.05  lg y = 0.95 x lg 0.2053.10 -3 + 0.05 lg 0.3766.10 -3 = -3.6744  y = 0.2116.10-3 (Ns/m2) 0.2  1.429 x5.24  x 195-1.2 x 0.751 x  htđ = 176.4 x  3   0.2116.10  1742.52 0.038 lg 0.342 0.19  0.2116.10 3   2244.545   823.16  x 3.83x2244.545 = 1.1996 (m)  x  x    0.4483.10 3  2244.545  1742.52   1.429    1  3.83 1742.52  H = N1 x htđ + (0.8 1)  8 (m) * Chiều cao làm việc của tháp : H’ = hđv x mx (m) h đv : chiều cao của một đon vị chuyển khối (m) m x: số đ ơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ pha lỏng SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 18- MSSV:69902203
  19. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi x2 dx  5.9 mx =  x1 x  xcb mG y h2 hđv = h1 + Gx Trong đó: h1 : chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối đối với pha hơi h2 : chiều cao của 1 đ ơn vị chuyển khối đối với pha lỏng Vd . Re 0.25 . Pry / 3 (m ) 2 h1 = y a d 2/3   . Re 0.25 . Prx .5 (m ) 0 h2 = 256.  x    x x  a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm : đệm vòng a = 0.123 x : độ nhớt pha lỏng (Ns/m 2) ( x = 0.4483.10 -9 (Ns/m 2) Vđ : th ể tích tự do của đệm (Vđ = 0.75 (m 2/m3)) x: Khối lượng riêng pha lỏng (x = 823.16 Kg/m3)  :h ệ số thấm ư ớt của đệm ,nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của thép và mật độ tưới thích hợp, xác định bằng đồ thị (H.IX 16,[5]) Vx ; m ật độ tưới thực tế (m3/m 2h) Ut = Ft Uth = B.đ ; mật độ tưới thích hợp (m3/m 2.h) B = 0.065 (m 3/m.h) ( Bảng IX.6,[5]) Ở đây : Vx :lưu lượng thể tích chất lỏng (m 3/h) Gx 1742.52(Kg / h) = 2.1176 (m3/h) Vx = = 3 823.16(kg / m ) x Ft : diện tích mặt cắt tháp (m2)   Ft = D 2 = x0.4 2 = 0.125 (m 2) 4 4 đ : d iện tích bề mặt riêng của đệm (m2/m3) 2 3  d = 195 (m /m ) Rey : Chuẩn số Re pha hơi 0.4. y .w s 0.4 x1.429 x5.24 Ry = =  72.59 0.2116x10 3 x195  y . d Rex : Chuẩn số Re pha lỏng 1742.52 0.04 x 0.04.G x 3600 Rx = =  1.758 6.126 x195x0.4483.10 3 Ft . d . x Dy : h ệ số khuếch tán trong pha hơi (m 2/s) 1/ 2 4.3.10 3.T 3 / 2 1 1 Dy =  M  M   P(V1 / 3  V1 / 3) 2 A B A B Trong đó: T = 273 + 76.5 = 349.5OK P = 1 at MA = MAcetone = 58 (g/mol) MB = Mhơi nước = 18 (g/mol) SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 19- MSSV:69902203
  20. ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : Voõ Thò Ngoïc Töôi VA,VB :th ể tích mol của khí A,B VA = VAcetone =3 x 14.8 + 6 x 3.7 + 7.4 = 74 (cm 3/mo l) VNước = 18.9 (cm3/mol) 1/ 2 4.3.10 3.349.51.5 1 1 Dy   1x(741/ 3  18.91 / 3 ) 2  58 18    0.161(cm 2 / s)  1.61.10 5 (m 2 / s) Dx :h ệ số khuếch tán trong pha lỏng: 7.4.10 8 (.M B ) 0.5 .T Dx = '. V 0.6 A Trong đó: MB :Khối lượng mol của dung môi, MB = 18 (g/mol) T: 273 + 62 = 335 OK ’ : độ nhớt của dung dịch (cp) Nước’ = 0.4578.10-3 (Ns/m 2) = 0.4578 (cp) : hệ số kết hợp cho dung môi  = 2.6 VA: thể tích mol của dung chất VAcetone = 74(cm2/mol) ` 7.4x10 8 (2.6x18) 0.5 x335 = 2.8 x 10 -5(cm 2/s) =2.8 x 10-9 (m2/s)  Dx = 0.6 0.4578x 74 P ry : Chuẩn số Pran của pha h ơi 0.2116x10 3 y  9.197 (N) P ry = = 1.429 x1.61x10 5  y .D y P rx : Chuẩn số Pran của pha lỏng 0.4483x10 3 x  194.59(N) P rx =   x .D x 823.16 x2.8x10 9 Xác đ ịnh hệ số thấm ướt  Vx 2.117(m 3 / h)  16.8(m 3 / m 2 .h) Utt =  2 Ft 0.126(m ) Uth = B.đ = 0.065(m3/m.h) x 195(m2/m3) = 12.675(m 3/m2.h) U tt 16.8  1.32  U th 12.675 Từ bảng IX.6,[5]   = 1 Vñ 0.75 x 72.59 0.25 x9.197 2 / 3  0.4(m ) . Re0.25 . Pr 2 / 3 (m )  h1 = x y a.. ñ 0.123x1x195 2/ 3   h 2 = 2.56  x . Re0.25 . Pr 0.5    x x x  2/ 3  0.4483x10 3  0.25 0.5  823.16  x1.758 x194.5  0.274(m ) = 2.56     m.G y 3.83x2244.545 .h 2  0.4  x0.274  1.752(m ) h đv = h1 + Gx 1742.52 H’ = h đv x m x = 1.752 x 5.9 = 10.34 (m) III. Phần tính trở lực của tháp: SVTH: Voõ Ngoïc Tieäp - Trang 20- MSSV:69902203
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược