Đồ án môn học: Quá Trình và Thiết Bị
Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước nhà, các
ngành công nghiệp cần rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao. Các phương pháp được sử
dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu
cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp.
Đồ án môn học
Quá Trình và Thiết Bị
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN........................................................................
I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT
1 . Phương pháp chưng cất
2 . Thiết bị chưng cất:
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU
1 . Nước
2 . Acid acetic
3 . Hỗn hợp Nước – Acid acetic
III . CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC – ACID ACETIC
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY
III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP
1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu
2 . Tỉ số hoàn lưu thích hợp
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ THUYẾT
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng
3 . Số mâm lý thuyết
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP
1 . Đường kính đoạn cất
2 . Đường kính đoạn chưng
II.TRỞ LỰC CỦA MÂM
1 . Cấu tạo mâm lỗ
2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm
3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :
III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP
1 . Bề dày thân tháp :
2 . Đáy và nắp thiết bị :
3 . Bích ghép thân, đáy và nắp :
4 . Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :
5 . Tai treo và chân đỡ:
CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ
PHỤ
1
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
1 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
2 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
3 . Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy
4 . Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy
5 . Thiết gia nhiệt nhập liệu
II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ
III . TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU
1 . Tính chiều cao bồn cao vị
2 . Chọn bơm
CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ
I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ
II . KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
2
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước nhà, các
ngành công nghiệp cần rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao. Các phương pháp được sử
dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu
cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp.
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá
trình học tập của các kỹ sư hoá- thự c phẩm tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết
nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong
sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến
thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng
hợp.
Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ nước – acid acetic hoạt động liên tục
với nâng suất nhập liệu: 0,8 m3/h có nồng độ 88% khối lượng nước ,thu được sản phẩm đỉnh
có nồng độ 99,5% khối lượng nước, sản phẩm đáy 70% khối lượng nước. Đối với hệ nước –
acid acetic là hệ 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, có nhiệt độ sôi cách xa nhau, nên ta dùng phương
pháp chưng cất để thu được nước có độ tinh khiết cao.
Trong qua trình chưng cat ta thu sản phảm day với nơng do nhỏ de phục vụ cho nganh
cơng nghiep sản xuat cao su
Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, thầy Hoang Minh Nam,
các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Em rất mong sự góp ý, chỉ dẫn của quí
thầy cô.
3
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.
I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:
1 . Phương pháp chưng cất :
Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng
biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp
suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó vật chất đi
từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó
cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay
hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy
nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản
phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy
chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) .Đối với hệ nước – acid acetic sản
phẩm đỉnh là nước, sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid acetic và một ít nước.
Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:
Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao.
Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt
độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của
các cấu tử.
Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên tục.
* Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các
trường hợp sau:
+ Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.
+ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
* Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được
thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn.
Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường
được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước .
Vậy: đối với hệ nước – acid acetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt
gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
4
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
2 . Thiết bị chưng cất:
Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu
cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này phụ thuộc vào độ phân tán của
lưu chất này vaò lưu chất kia .
Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường được
ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thước của tháp : đường kính tháp và chiều
cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm.
Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.
Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu
tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và
pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:
* Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s…
* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm.
Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt
bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp
ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
* So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :
Tháp chêm. Tháp mâm xuyên lo. Tháp mâm chóp.
Ưu điểm: - Đơn giản. - Hiệu suất tương đối cao. - Hiệu suất cao.
- Trở lực thấp. - Hoạt động khá ổn định. - Hoạt động ổn định.
- Làm việc với chất lỏng
bẩn.
Nhược điểm: - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp.
- Yêu cầu lắp đặt khắt khe
- Độ ổn định kém. -> lắp đĩa thật phẳng. - Trở lực lớn.
- Không làm việc với
- Thiết bị nặng. chất lỏng bẩn.
Nhận xét:ta nhan thay thap chem don giản dẽ sử dụng nhat.
Vậy: Chưng cất hệ nước – acid acetic ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở
áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp, nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với thiet bi
gia nhiet nhap lieu,san pham day dược làm nguội để thu sản phẩm chính, sản phẩm đỉnh
được dẫn vào nồi đun để tạo hơi nước quá nhiệt cấp nhiệt cho nhập liệu và nồi đun đáy
tháp.
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :
Nguyên liệu là hỗn hợp bezen – acid acetic.
1 . NƯỚC:
Nước: là chất lỏng không màu, khơng mùi,la dung mơi hoa tan tốt c hợp chất phan
cực,năng hơn dung mơi hữu cơ, không hoa tan dung mơi hữu cơ,…nước sôi ở 1000C và
đông đặc ở 00C.
2 . Acid acetic:
5
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
Acid acetic: là một loại acid quan trọng nhất trong các loại acid hữu cơ. Nó rẻ nên
được ứng dụng rộng rãi và là hoá chất cơ bản để điều chế nhiều hợp chất quan trọng. Acid
acetic được ứng dụng trong các nghành :
+ Làm dấm ăn.
+ Đánh đông mủ cao su
+ Làm chất dẻo tơ lụa xeluloza acetat .
+ Làm phim ảnh không nhạy lửa.
+ Làm chất kết dính polyvinyl acetat .
+ Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp.
3 . Hỗn hợp Nước-Acid acetic:
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Nước-Acid
acetic 760 mmHg:
x(%phân mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y(%phân mol) 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100
t(oC) 118.1 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100
Ñ o à t h ò x , y c u ûa h e ä B e z e n - A c i d a c e t i c
y(% )
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
50 x (% ) 60
0 10 20 30 40 70 80 90 100
6
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC-ACID ACETIC:
* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ nước-acid acetic:
3 Hôi khoâng ngöng
Nöôùc
8
15
14
P T
Nöôùc
T
9
6
Nöôùc
10
5
7
T
Nöôùc
11
Saûn Phaåm Ñænh
Hôi Nöôùc
T
P
12
T
4
Nöôùc Loûn g
13 Saûn Phaåm Ñaùy
N guyeân Lieäu
2
1 Saûn Phaåm Ñaùy
Chú thích :
1. Bồn chứa nguyên liệu .
2. Bơm.
3. Bồn cao vị .
4. Bẩy hơi .
5. Lưu lượng kế .
6. Van .
7. Tháp chưng cất .
8. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh .
9. Bộ phận chỉnh dòng .
10. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh .
11. Bồn chứa sản phẩm đỉnh .
12. Nồi đun .
13. Đun sôi nhập liệu bằng sản phẩm đáy .
14. Ap kế .
15. Nhiệt kế .
* Thuyết minh qui trình công nghệ:
7
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
Hỗn hợp nước-acid acetic có nồng độ nước 88% ( theo khối lượng) , nhiệt độ khoảng 25
0
C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đó được đưa đến
thiết bị gia nhiệt (13) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy). Ở đây, hỗn hợp được gia nhiệt đến
nhiệt độ 100,17270C . Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất 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 càng xuống dưới càng giảm
nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay
hơi . Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có
nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu
tử nước chiếm nhiều nhất ( có nồng độ 99,5% theo khối lượng ). Hơi này đi vào thiết bị
ngưng tụ (8) và được ngưng tụ một phần ( chỉ ngưng tụ hồi lưu). Một phần chất lỏng ngưng
được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11). Phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu
về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu . 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 gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (
acid acetic). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 70% theo khối lượng, còn lại là acid
acetic. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần được đun, bốc hơi ở nồi đun (12) cung
cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được đưa qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm
đáy(10) trao đổi nhiệt với nước lm mt , nhiệt độ của sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt là
400C .
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước, sản phẩm đáy là acid acetic
sau khi trao đổi nhiệt với nươc làm mát được đưa vào bồn chứa.
8
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
Ký hiệu các đại lượng:
Kí hiệu Ý nghĩa Đơn vị
Cân bằng vật chất
Năng suất nhập liệu theo khối lượng kg/h
F
Năng suất nhập liệu theo số mol kmol/h
F
Suất lượng sản phẩm đỉnh theo khối lượng kg/h
D
Suất lượng sản phẩm đđỉnh theo số mol kmol/h
D
Suất lượng sản phẩm đáy theo khối lượng kg/h
W
Suất lượng sản phẩm đáy theo số mol kmol/h
W
Nồng độ phần mol nhập liệu trong pha lỏng % mol
xF
Nồng đđộ phần khối lượng nhập liệu trong % khối lượng
xF
pha lỏng
Nồng đđộ phần mol sản phẩm đđỉnh trong % mol
xD
pha lỏng
Nồng đđộ phần khối lượng sản phẩm đđỉnh % khối lượng
xD
trong pha lỏng
Nồng độ phần mol dịng sản phẩm đy trong % mol
xW
pha lỏng
Nồng đđộ phần khối lượng sản phẩm đáy % khối lượng
xW
trong pha lỏng
Nồng độ phần mol nhập liệu trong pha hơi % mol
yF
Nồng độ phần khối lượng dịng nhập liệu % khối lượng
yF
trong pha hơi
Nồng đđộ phần mol sản phẩm đđỉnh trong % mol
yD
pha hơi
Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đđỉnh % khối lượng
yD
trong pha hơi
Nồng đđộ phần mol sản phẩm đđáy trong % mol
yW
pha hơi
Nồng đđộ phần khối lượng sản phẩm đđáy % khối lượng
yW
trong pha hơi
Nồng đđộ phần mol trong pha lỏng % mol
x
Nồng đđộ phần khối lượng trong pha lỏng % khối lượng
x
Nồng độ phần mol trong pha hơi cân bằng % mol
y*
với pha lỏng
Nồng đđộ phần khối lượng trong pha hơi cân % khối lượng
y*
bằng với pha lỏng
Khối lượng mol phân tử bezen kg/kmol
Ma
9
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
Khối lượng mol phân tử acid acetic kg/kmol
Ma
Khối lượng mol phân tử trung bình kg/kmol
M tb
Suất lượng theo số mol kmol/h
G
Suất lượng theo khối lượng kg/h
G
Khối lượng mol phân tử trung bình nhập liệu kg/kmol
MF
Khối lượng mol phân tử trung bình sản phẩm kg/kmol
MD
đđỉnh
Khối lượng mol phân tử trung bình sản phẩm kg/kmol
MW
đđáy
0
Nhiệt đđộ sôi của dung dịch C
tS
0
Nhiệt đđộ sôi của nhập liệu C
t FS
0
Nhiệt đđộ sôi của sản phẩm đđỉnh C
t DS
0
Nhiệt đđộ sôi của sản phẩm đđáy C
tWS
0
Nhiệt đđộ nhập liệu vào C
t Fv
0
Nhiệt đđộ sản phẩm đđỉnh ra C
t Dr
0
Nhiệt đđộ sản phẩm đáy ra C
tWr
0
Nhiệt đđộ nước ra C
t Nr
0
Nhiệt đđộ nước vào C
t Nv
Tính số đĩa thực
Rmin Chỉ số hồn lưu tối thiểu
Rth Chỉ số hồn lưu thích hợp
f Chỉ số nhập liệu
α Độ bay hơi tương đđối
μ Độ nhớt cP
μ hh Độ nhớt của hỗn hợp cP
μa Độ nhớt của aceton cP
μn Độ nhớt của nước cP
η Hiệu suất đđĩa
ηD Hiệu suất đđĩa ở đỉnh
ηW Hiệu suất đđĩa ở đáy
ηF Hiệu suất đđĩa ở vị trí nhập liệu
ηtb Hiệu suất đđĩa trung bình
Ntt Số đđĩa thực tế Đĩa
NttC Số đđĩa thực tế đđoạn chưng Đĩa
NttL Số đđĩa thực tế đđoạn luyện Đĩa
NttT Số đđĩa thực tế cả tháp Đĩa
Nlt Số đđĩa lí thuyết Đĩa
Cân bằng năng lượng
10
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
rb Nhiệt hóa hơi của bezen J/kg
ra Nhiệt hóa hơi của nước J/kg
rhh Nhiệt hóa hơi của hỗn hợp J/kg
rh Nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa dùng gia J/kg
nhiệt
rD Nhiệt hóa hơi của sản phẩm đđỉnh J/kg
Chh Nhiệt dung riêng của hỗn hợp J/kg
Cb Nhiệt dung riêng của benzen J/kg
Ca Nhiệt dung riêng của acid acetic J/kg
CFv Nhiệt dung riêng của nguyên liệu vào J/kg
CFs Nhiệt dung riêng của nguyên liệu ở trạng thái J/kg
sôi
CDs Nhiệt dung riêng của sản phẩm đđỉnh ở trạng J/kg
thái sôi
CD Nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm J/kg
đđỉnh
CWs Nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm J/kg
đáy ở trạng thái sôi
CW Nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm J/kg
đđáy
CN Nhiệt dung riêng trung bình của nước J/kg
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
Năng suất nhập liệu: F = 0.8 (m3/h) .
Nồng độ nhập liệu: xF = 88%kl nước.
Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 99,55%kl nước .
Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 70 %kl nước.
Khối lượng phân tử của nước và acid axetic: MN =18, MA =60 .
Chọn:
+ Nhiệt độ nhập liệu: tF =100,1727oC .
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh: tD =100,0235oC .
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’W = 40oC .
+Trạng thái nhập liệu: lỏng ,sôi .
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY
:
Suất lượng dòng lưu chất theo khối lượng:
G = G . M tb . ,kg/h
Suất lượng dòng lưu chất theo mol:
11
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
G= G ,kmol/h
M tb
Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol:
xF 0.88
Mb 18
xF = = = 0.9607(phần mol bezen )
0.88 (1 − 0.88)
x F (1 − x F ) +
+
18 60
Mb Ma
xD 0.995
Mb 18
xD = = = 0.9985 (phần mol benzen
0.995 (1 − 0.995)
x D (1 − x D ) +
+
18 60
Mb Ma
xw 0.70
Mb 18
xW = = = 0.8861 ( phần mol benzen)
0.70 (1 − 0.70)
x w (1 − x w ) +
+
18 60
Mb Ma
Tính Mtb :
Mtb F = xF . Mb + (1- xF ) .Ma
= 0.9607*18+(1-0.9607)*60
= 19.6506 ( Kg/Kmol)
Mtb D = xD . Mb + (1- xD ) . Ma
= 0.9985*18 + (1 – 0.9985) * 60
= 18.063 ( Kg/Kmol)
Mtb W = xW * Mb + (1- xW ) * Ma
= 0.8861 * 18 + (1 – 0.8861 ) * 60
= 22.7838( Kg/Kmol)
Khối lượng riêng của hỗn hợp nhập liệu:
ρN = 958.2231(kg / m3 )
ρA = 957.6891(kg / m3 )
ρhh = 957.7532(kg / m3 )
Suất lượng dòng nhập liệu :
F 800
F= = = 33.2695 ( kmol/h )
M tbF ρhh 19.6506 * 957.6891
Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất :
⎧F = D + W F D W
= =
⎨ =>
x D − xW x F − xW x D − x F
⎩F * x F = D * x D + W * x W
12
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
x F − xW 0,9607 − 0,8861
=>D= *F= *33.2695=22.084 (kmol/kg)
x D − xW 0,9985 − 0,8861
=>W=F-D=11.1854 (kmol/kg)
D =D* Mtb D =18.063*22.084=467.7115 (kg/h)
W =W* Mtb W =22.7838*11.1854=298.8157 (kg/h)
III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP:
1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô
cực .Do đó ,chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu ,nước và
bơm…) là tối thiểu .
Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol-Nước có điểm uốn ,nên xác định tỉ số hoàn lưu tối
thiểu bằng cách :
+Trên đồ thị cân bằng y-x ,từ điểm (0,85;0,85) ta kẻ một đường thẳng tiếp tuyến với
đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điểm có yo = 0,26 .
+Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi xo =0 thì
x −x
Rmin= D =2,269
xF − x
Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : Rmin = 2,269
2. Tỉ số hoàn lưu thích hợp:
Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp ,thiết bị ngưng tụ ,nồi đun và
công để bơm cũng tăng theo.Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cực
khi hoàn lưu toàn phần ,lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu .
Tổng chi phí bao gồm : chi phí cố định và chi phí điều hành . Tỉ số hoàn lưu thích hợp
ứng với tổng chi phí là cực tiểu .
Tuy nhiên ,đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp ,khó kiểm soát nên người ta có
thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất .Để tính được tỉ số hoàn lưu
thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều hành),ta cần lập mối
quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn Rth ứng với thể tích tháp là nhỏ
nhất.
Nhận thấy ,tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp ,mà lượng hơi lại tỉ lệ với
lượng lỏng hồi lưu trong tháp ,do trong điều kiện làm việc nhất định thì GD sẽ không đổi
nên lượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1) ,do đó , tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với (R+1). Ngoài ra
,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối mox hay số mâm lý thuyết Nlt .Cho nên ,thể
tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số mox*(R+1) .Như vậy, ta có thể thiết lập quan hệ
giữa R và Vtháp theo quan hệ R và mox*(R+1) .Từ đồ thị của quan hệ này ,ta xác định được
điểm cực tiểu của mox*(R+1) ứng với tỉ số hoàn lưu thích hợp R .
R mox mox*(R+1)
2.496 47.818 167.173
2.723 37.733 140.480
2.973 32.801 130.320
3.023 33.545 134.952
13
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
170
R*(m ox+1)
160
150
140
130
R
1 20
2.00 2.50 3.00 3.50
Vậy : Tỉ số hoàn lưu thích hợp là R= 4.4 .
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆCSỐ MÂM LÝ THUYẾT:
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :
x 4,4 0,9985
R.
.x +
.x + D =
y=
R +1 R +1 4,4 + 1 4,4 + 1
=0,8148 .x + 0,1849
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
4,4 − 1,5067 1,5067 − 1
f −1
R+ f
.x +
.x +
y= .xW = .0,8861
R +1
R +1 4,4 + 1 4,4 + 1
= 1,0938 .x – 0,0831
F x 0,9985
V ới : f = = D = = 1,5067 : chỉ số nhập liệu .
D xF .η 0,9067.0,69
3 . Số mâm lý thuyết :
Đồ thị xác định số mâm lý thuyết :(Xem hình ở trang sau ).
Từ đồ thị ,ta có : 23 mâm bao gồm : 20 mâm cất
1 mâm nhập liệu
3 mâm chưng
Tóm lại ,số mâm lý thuyết là Nlt = 23 mâm .
14
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP
CHƯNG CẤT .
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(Dt)
4Vtb
Dt = (m)
π.3600.ω tb
Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h).
ωtb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h).
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó, đường
kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau .
1. Đường kính đoạn cất :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
g + g1
g tb = d (Kg/h)
2
gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h).
g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).
Xác định gd : gd = D.(R+1) =467,7115.(4,4+1) = 2525,6421 (Kg/h)
Xác định g1 : Từ hệ phương trình :
⎧ g1 = G1 + D
⎪
⎨ g1 . y1 = G1 .x1 + D.x D (III.1)
⎪ g .r = g .r
⎩11 dd
Với : G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất .
r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính r1 : t1 = tF = 100.1727oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có :
An nhiệt hoá hơi của nước : rN1 =2201,7868 (KJ/kg) .
An nhiệt hoá hơi của acid axetic: rA1 = 390,7385 (KJ/kg) .
Suy ra : r1 = rN1.y1 + (1-y1).rA1 = 390,7385+1811,.0483y1
Tham khảo IV (tập 1) ta có :
An nhiệt hoá hơi của nước : rNd = 2256,5573 (KJ/kg) .
An nhiệt hoá hơi của acid axetic : rRd = 38,9795 (KJ/kg) .
Với xD=0.9985 tra đồ thị ta có: yD=0,995
Suy ra : rd = rNd.yD + (1-yD).rAd =2256,5573.0,995 + (1- 0,995).38,9795
= 2245,4694 (KJ/kg)
* x1 = xF = 0,9607
Giải hệ (III.1) , ta được : G1 = 2341,0525 (Kg/h)
y1 = 0.8991 (phân khối lượng nước) =>y1=0,9641
g1 = 2808,7641 (Kg/h)
15
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
2525.6421 + 2808.7641
= 2667.2031 (Kg/h)
Vậy : gtb =
2
b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm:
Y = 1,2.e −4. X
0.16
ω 2δ ρ ⎛ μ ⎞
Y = S3 d ytb ⎜ x ⎟
ν ρ xtb g ⎜ μ N ⎟
⎝ ⎠
1/ 8
1/ 4
⎛ ρ ytb ⎞
⎛G ⎞
⎜
⎜ρ ⎟
X =⎜ X ⎟
⎜G ⎟ ⎟
⎝Y ⎠ ⎝ xtb ⎠
⎧ ⎫⎧ν 3 ρ g ⎛ μ ⎞0.16 ⎫
1/ 8
1/ 4
⎛ ρ ytb ⎞
⎛G ⎞
⎪ ⎪⎪ ⎪
ω = lg⎨1,2.(− 4)⎜ X ⎜
⎜ρ ⎟
⎟ ⎜ N⎟ ⎬
2 xtb
⎬⎨
⎜G ⎟ ⎜μ ⎟
⎟
S
⎪⎪ δ d ρ ytb ⎝ A ⎠ ⎪
⎝T ⎠
⎪ ⎝ xtb ⎠ ⎭⎩ ⎭
⎩
ωs = ωs2
Với : rxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3) .
rytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) .
tốc dộ sặc(m/s)
ωK :tốc dộ lm việc thích hợp(m/s)
δ d :bề mặt rieng của dệm(m2/m3)
ν d :thể tích tự do của dệm(m3/m3)
μ A :dộ nhớt của pha long theo nhiệt dộ trung bình(NS/m2)
μ N :dộ nhớt của nước ở 200C(NS/m2)
GX :lượng long trung bình qua thp(kg/s)
GY :lượng hơi trung bình qua thp(kg/s)
g:gia tốc trọng trường(m/s)
Giai phương trình trn ta tìm được tốc độ sặc:
Tốc độ làm việc thicchs hợp:
ωK = (0,8 ÷ 0,9)ωS
Xác định rytb :
[ ytb .18 + (1 − ytb ).60].273
ρ ytb =
22,4.(ttb + 273)
y1 + y D 0,9641 + 0,995
Với: + Nồng độ phân mol trung bình : ytb = = =0,9796
2 2
t + t 100,1727 + 100,0235
=100,0614oC
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : tt= F D =
2 2
Suy ra : rytb =0,6113 (Kg/m3).
Xác định rxtb :
x + x D 0,9607 + 0,9985
Nồng độ phân mol trung bình : xtb = F = = 0,9796
2 2
16
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
18.xtb
Suy ra : xtb = =0,9351% .
18.xtb + (1 − xtb ).60
ttb = 100,0614oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
rxtb =1000,02341 (Kg/m3)
Độ nhớt trung bình của pha lng:
μ A = 0,2837cp
μ N = 0,4596cp
lg μ X = xtb1 lg μ N + (1 − xtb )lg μ A = 0,9796. lg 0,4596 + 0,0204. lg 0.2837 = −1,2498
μ x = 0.2866cp
Chọn đệm vịng sứ cĩ kích thước:50x50x5 với:
δ d = 95(m 2 / m3 )
ν d = 0.79(m3 )
d d = 0,05(m )
ρ d = 500(Kg / m3 )
N d = 5800(viên )
⎧ 3⎫
1/ 4 1/ 8
⎞
⎛
(− 0,125) − 1,75.⎛ 0,611 ⎞ .⎛ 0,6113 ⎞ ⎜ 9,81.1000,0231.0,79 ⎟⎪
⎪
ωS = . lg ⎨ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ 0 ,16 ⎟ ⎬
⎝ 0,741 ⎠ ⎝ 1000,0231 ⎠ ⎝ 95.0,6613(0.2866) ⎠⎪
Suy ra : ⎪
⎩ ⎭
ωS = 6.8072(m / s )
Tốc độ làm việc thích hợp của tháp :
ωh = 0,8.ω gh = 0,8.6,8072 = 5,4457 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
4.G y 4.0,7409
=
Dcất = . = 0,5325 (m).
3600.0,785.ρ ytb .ωK 3600.0,785.0,6113.5,4457
2. Đường kính đoạn chưng :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
g , n + g ,1
g , tb = (Kg/h)
2
g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h).
g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h).
Xác định g’n : g’n = g1 = 2808,7641 (Kg/h)
Xác định g’1 : Từ hệ phương trình :
⎧G '1 = g '1 + W
⎪'
⎨G 1 .x'1 = g 1 . yW + W .xW (III.2)
'
⎪ g ' .r ' = g ' .r ' = g .r
⎩11 n n 11
Với : G’1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng .
r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
Tính r’1 : xW =0,8861 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0,9227
17
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
18. yW 18.0,9227
yW = = = 0,7817
18. yW + (1 − yW ).60 18.0,9227 + (1 − 0,9227 ).60
Suy ra :
y1 = yW = 0,7817
Suy ra :Mtbg’ =18.yW +(1-yW).60=21,2466 (Kg/kmol)
t’1 = tW = 100,6266oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
An nhiệt hoá hơi của nước : r’N1 = 2200,5516(KJ/kg) .
An nhiệt hoá hơi của rượu : r’R1 = 390,7528 (KJ/kg) .
Suy ra : r’1 = r’R1.yW + (1-yW).r’N1 = 1805,4838 (KJ/kg)
* Tính r1: r1 = 390,7385+1811,0483.y1 =390,7385+1811,0483.0,7817
=2019,1419(KJ/kmol)
* W = 11,1854 (Kmol/h)
Giải hệ (III.2) , ta được : x’1 =0,7746(phân khối lượng acid axetic)
G’1 = 3439,9645 (Kgl/h) =
g’1 = 3141,1488 (Kg/h)
2808,7641 + 3141,1488
= 2974,9565 (Kg/h)
Vậy : g’tb =
2
b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm:
Y = 1,2.e −4. X
0.16
ωS δ d ρ ytb ⎛ μ x ⎞
2
⎜ ⎟
Y= 3
ν ρ xtb g ⎜ μ N ⎟
⎝ ⎠
1/ 8
1/ 4
⎛ ρ ytb ⎞
⎛G ⎞
⎜
⎜ρ ⎟
X =⎜ X ⎟
⎜G ⎟ ⎟
⎝Y ⎠ ⎝ xtb ⎠
⎧ ⎫⎧ν 3 ρ g ⎛ μ ⎞0.16 ⎫
1/ 8
1/ 4
⎛ ρ ytb ⎞
⎛G ⎞
⎪ ⎪⎪ ⎪
ω = lg⎨1,2.(− 4)⎜ X ⎜
⎜ρ ⎟
⎟ ⎜ N⎟ ⎬
2 xtb
⎬⎨
⎜G ⎟ ⎜μ ⎟
⎟
⎪⎪ δ d ρ ytb ⎝ A ⎠ ⎪
S
⎝T ⎠
⎪ ⎝ xtb ⎠ ⎭⎩ ⎭
⎩
ωs = ωs2
Với : rxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3) .
rytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) .
tốc dộ sặc(m/s)
ωK :tốc dộ lm việc thích hợp(m/s)
δ d :bề mặt rieng của dệm(m2/m3)
ν d :thể tích tự do của dệm(m3/m3)
μ A :dộ nhớt của pha long theo nhiệt dộ trung bình(NS/m2)
μ N :dộ nhớt của nước ở 200C(NS/m2)
GX :lượng long trung bình qua thp(kg/s)
GY :lượng hơi trung bình qua thp(kg/s)
g:gia tốc trọng trường(m/s)
Giai phương trình trn ta tìm được tốc độ sặc:
18
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Hoàng Minh Nam
Tốc độ làm việc thicchs hợp:
ωK = (0,8 ÷ 0,9)ωS
Xác định r’ytb :
[ y' .18 + (1 − y'tb ).60].273
ρ ' ytb = tb
22,4.(t 'tb +273)
Với: + Nồng độ phân mol trung bình :
y + yW 0,9227 + 0,9641
y’tb = 1 = =0,9434
2 2
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’tb
t +t 100,1727 + 100,6266
=100,3996oC
=F W=
2 2
Suy ra : r’ytb =0,6883 (Kg/m3).
Xác định r’xtb :
x + xW 0,7 + 0,88
Nồng độ khối lượng trung bình : x’tb = F = = 0,79
2 2
Suy ra : x'tb = 0.79 =79% .
t’tb = 100,3996oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
Khối lượng riêng của nước : r’N = 957,9608(Kg/m3)
Khối lượng riêng của rượu : r’R = 957,906(Kg/m3)
−1
⎛ x'tb 1 − x'tb ⎞
⎟
Suy ra :r’xtb = ⎜ 3
⎜ ρ ' + ρ ' ⎟ =957,9493 (Kg/m )
⎠
⎝R N
Độ nhớt trung bình của pha lng:
μ A = 0,2829cp
μ N = 0,4582cp
lg μ X = xtb1 lg μ N + (1 − xtb )lg μ A = 0,9234. lg 0,4582 + 0,0766. lg 0,2829 = −1,2228
μ x = 0,2944cp
Chọn đệm vịng sứ cĩ kích thước:50x50x5 với:
δ d = 95(m 2 / m3 )
ν d = 0.79(m3 )
d d = 0,05(m )
ρ d = 500(Kg / m3 )
N d = 5800(viên )
⎧ ⎛ 0,5842 ⎞ ⎛ 0,6883 ⎞ ⎛ 9,81.957,9493.0,793 ⎞⎫
1/ 4 1/ 8
⎪ ⎪
ωS = . lg ⎨(− 0,125) − 1,75.⎜ ⎜ 95.0,883(0,2944)0,16 ⎟⎬
⎟⎜
⎟ .⎜ ⎟
Suy ra : ⎝ 0,8264 ⎠ ⎝ 957,9493 ⎠ ⎝
⎪ ⎠⎪
⎩ ⎭
ωS = 6.303(m / s )
Tốc độ làm việc thích hợp của tháp :
ωh = 0,8.ω gh = 0,8.6,303 = 5,0424 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
19
