Đồ án QTTB SVTH:
Phần 1 : Giới Thiệu Chung
1.1. Mở Đầu.
Chng là phơng pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng (cũng nh các
hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi
khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Chúng ta có thể thực hiện nhiều ph-
ơng pháp chng khác nhau nh chng gián đoạn, chng liên tục, chng đơn giản, và
chng đặc biệt (chng luyện hỗn hợp đẳng phí, chng phân tử, chng bằng hơi nớc
trực tiếp, chng trích ly).
Ngày nay, chng đợc ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp:
+ Dầu mỏ, các tài nguyên đợc khai thác ở dạng lỏng.
+ Không khí hóa lỏng.
+ Quá trình tổng hợp hữu cơ thờng cho sản phẩm ở dạng hỗn hợp chất
lỏng. Ví dụ: sản xuất metanol, etylen
+ Công nghệ sinh học thờng cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng nh
etylic-nớc từ quá trình lên men.
Khi chng, hỗn hợp đầu chứa bao nhiêu cấu tử thì ta thu đợc bấy nhiêu
cấu tử sản phẩm. Để có thể thu đợc sản phẩm đỉnh tinh khiết ta tiến hành chng
nhiều lần hay còn gọi là chng luyện.
Trong quá trình sản xuất Axeton thờng kèm theo rất nhiều sản phẩm phụ
là Nớc. Vì vậy, nồng độ cũng nh độ tinh khiết của Axeton không đợc cao.
Trong phần đồ án này sẽ trình bày thiết kế tháp chng luyện liên tục loại tháp
đệm để phân tách hỗn hợp Axeton Nớc. Hỗn hợp đầu gồm 2 cấu tử là
Axeton và Nớc nên đợc gọi là chng luyện hỗn hợp 2 cấu tử. Axeton Nớc đ-
ợc phân tách thành hai cấu tử riêng biệt nhờ phơng pháp chng luyện liên tục
Khoa Công Nghệ Hóa
1
Đồ án QTTB SVTH:
với tháp chng luyện là loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thờng (1at) với hỗn
hợp đầu vào đợc gia nhiệt đến nhiệt độ sôi.
Sau quá trình chng luyện, ta thu đợc sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay
tháp ta sẽ thu đợc hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (Axeton) và một phần rất nhỏ
cấu tử khó bay hơi (Nớc). Hỗn hợp hơi này đợc đi vào thiết bị ngng tụ hồi lu
(6) và tại đây nó đợc ngng tụ hoàn toàn (tác nhân là nớc lạnh). Một phần chất
lỏng sau ngng tụ cha đạt yêu cầu đợc đi qua thiết bị phân dòng để hồi lu trở về
đỉnh tháp; phần còn lại đợc đa vào thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt
độ cần thiết sau đó đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8). Chất lỏng hồi lu đi từ
trên xuống dới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dới lên, một phần cấu tử có nhiệt
độ sôi thấp (Axeton) lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử khó bay hơi (Nớc)
trong pha hơi sẽ ngng 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 đợc hỗn hợp lỏng gồm
hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Nớc), một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi
(Axeton). Hỗn hợp lỏng này đợc đa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng,
một phần đợc đa ra thùng chứa sản phẩm đáy (10), một phần đợc tận dụng đa
Khoa Công Nghệ Hóa
3
Đồ án QTTB SVTH:
vào thiết bị gia nhiệt đáy tháp (9) dùng hơi nớc bão hòa. Thiết bị gia nhiệt (9)
này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ
dới lên trong tháp). Nớc ngng của các thiết bị gia nhiệt đợc tháo qua thiết bị
tháo nớc ngng (11) đi xử lý.
Tháp chng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản
phẩm đợc cung cấp và lấy ra liên tục.
1.3. Sơ đồ dây chuyền công nghệ.
Khoa Công Nghệ Hóa
4
§å ¸n QTTB SVTH:
H
¬
i
N í c
* Chó thÝch:
Khoa C«ng NghÖ Hãa
5
Đồ án QTTB SVTH:
1- Thùng chứa hỗn hợp đầu 2- Bơm
3- Thùng cao vị 4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
5- Tháp chng luyện 6- Thiết bị ngng tụ hồi lu
7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh
9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 10- Thùng chứa sản phẩm đáy
11- Thiết bị tháo nớc ngng
1.4. Chế độ làm việc của tháp đệm.
Tùy thuộc vào vận tốc khí mà chế độ thủy động trong tháp đệm là chế
độ dòng, xoáy hay sủi bọt. Chế độ dòng, vận tốc khí còn bé, lực hút phân tử
lớn hơn lực ỳ nên chuyển khối đợc quyết định bằng khuếch tán phân tử. Tăng
dần vận tốc đến khi lực ỳ bằng lực phân tử quá trình chuyển khối đợc quyết
định không chỉ bằng khuếch tán phân tử mà còn có khuếch tán đối lu. Chế độ
thủy động chuyển sang chế độ quá độ. Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, ta
có chế độ xoáy và quá trình chuyển khối đợc quyết định bởi khuếch tán đối lu.
Đến một giới hạn nào đó của vận tốc khí sẽ xảy ra hiện tợng đảo pha. Lúc này
chất lỏng sẽ choán toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, còn khí phân tán vào
lỏng và trở thành pha phân tán. Vận tốc khí ứng với điểm đảo pha gọi là vận
tốc đảo pha. Do khí sục vào lỏng nên tạo bọt.
Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất,
song trong thực tế tháp đệm chỉ làm việc ở vận tốc đảo pha, vì nếu tăng nữa sẽ
rất khó đảm bảo quá trình ổn định. Chế độ này, chất lỏng chảy thành màng
bao quanh đệm, nên còn gọi là chế độ màng. Do đó, trong thực tế tháp làm
việc ở chế độ màng.
1.5. Ưu, nhợc điểm của tháp đệm.
1.5.1. Ưu điểm của tháp đệm.
Phần 2 : Tính toán, thiết kế thiết bị chính.
2.1. Tính toán cân bằng vật liệu toàn tháp.
Khoa Công Nghệ Hóa
7
Đồ án QTTB SVTH:
2.1.1. Tính cân bằng vật liệu.
- Phơng trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp.
F = P + W [IX.16 II.144]
- Đối với cấu tử dễ bay hơi:
F.a
F
= P.a
p
+ W.a
w
[IX.17 II.144]
- Lợng sản phẩm đỉnh là:
wp
wF
aa
aa
FP
= .
[IX.18 II.144]
- Lợng sản phẩm đáy là:
W = F P [IX.19 II.144]
Đầu bài cho: F = 5.8 tấn/h
M
a
M
a
x
+
=
[VIII.1 II.126]
Với:
58
0
63
==
HCA
MM
Kg/Kmol
18
0
2
==
HN
MM
Kg/Kmol
Thay số liệu vào ta có:
Khoa Công Nghệ Hóa
8
Đồ án QTTB SVTH:
( )
N
( )
N
P
A
P
A
P
P
M
a
M
a
M
a
x
+
=
1
938.0
18
98.01
58
98.0
58
98.0
=
+
+
=
phần mol
* Tính khối lợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh,
sản phẩm đáy.
- Khối lợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu:
M
F
= x
F
.M
A
+ (1 - x
F
).M
N
M
F
= 0.117*58 + (1- 0.117)*18
M
F
= 22.68 Kg/Kmol
- Khối lợng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh:
M
p
= x
p
.M
A
* Đổi đơn vị của F, P, W từ Kg/h sang Kmol/h
( )
hKmol
M
hkgF
F
F
/73.255
68.22
5800/
===
( )
hKmol
M
hkgP
P
p
/23.31
52.55
1734/
===
( )
hKmol
M
hkgW
W
w
/39.224
12.18
4066/
Fp
x
xy
yx
R
=
*
*
min
[IX.24 II.158]
y
*
F
: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong
pha lỏng x
F
của hỗn hợp.
=>
312.0
117.0743.0
743.0938.0
*
*
min
=
=
lt
(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 R
th
.
Trong đó: V: là thể tích của tháp
H: chiều cao của tháp
S: tiết diện của tháp
N
lt
: số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)
ứng với mỗi giá trị của R > R
min
ta dựng đợc một đờng làm việc tơng ứng
và tìm đợc một giá trị N
lt
(Các hình từ 2 ữ6 là đồ thị xác định số đĩa lý
thuyết).
Hình 2: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết (B=1.27; N
lt
=15)
Hình 3: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết (B=1.35; N
lt
=12)
Khoa Công Nghệ Hóa
12
§å ¸n QTTB SVTH:
H×nh 4: §å thÞ x¸c ®Þnh sè ®Üa lý thuyÕt (B=1.95; N
lt
lt
(R
th
+1). Qua đồ thị ta thấy, với R
th
=
1 thì N
lt
(R
th
+ 1) là nhỏ nhất hay thể tích tháp nhỏ nhất. Vậy ta có R
th
= 1 (Đồ thị
hình 7).
Hình 7: Đồ thị quan hệ giữa R
th
N
lt
(R
th
+1).
2.1.2.3. Phơng trình đờng nồng độ làm việc của đoạn luyện.
11 +
+
+
=
th
P
th
th
= x
R
X
x
R
R
y
th
P
th
th
L
y
L
= 0.5x + 0.469
2.1.2.4. Phơng trình đờng nồng độ làm việc của đoạn chng.
w
thth
th
x
fR
f
y
fR
R
x
+
+
+
f
(lợng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol sản phẩm đỉnh).
Thay số liệu vào ta có:
003.0.
11
119.8
11
19.81
1
1
1 +
+
+
=
+
+
+
= xx
R
f
x
R
fR
y
w
thth
Khoa Công Nghệ Hóa
16
Đồ án QTTB SVTH:
Vì lợng hơi và lợng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau
trong mỗi đoạn nên ta phải tính lợng hơi trung bình cho từng đoạn.
2.2.1. Đờng kính đoạn luyện.
2.2.1.1. Lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện.
Lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình
cộng của lợng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lợng hơi đi vào đĩa dới
cùng của đoạn luyện.
2
1
gg
g
d
tb
+
=
, kg/h [IX.91- II.181]
Trong đó:
+g
tb
: lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h.
+g
đ
: lợng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h.
+g
l
: lợng hơi đi vào đĩa dới cùng của đoạn luyện, kg/h.
*Lợng hơi ra khỏi đỉnh tháp:
1
= G
1
.x
1
+ G
p
.x
p
[II.182]
g
1
.r
1
= g
đ
.r
đ
Trong đó:
Khoa Công Nghệ Hóa
17
Đồ án QTTB SVTH:
+y
1
: hàm lợng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện, phần khối lợng.
+G
1
: lợng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện.
+r
1
F
. Từ x
1
= x
F
= 0.117 dựa vào Bảng 1 ta vẽ đợc đồ thị quan hệ x t
0
[Hình 8] ta đợc t
0
1
= t
0
F
= 68.7
0
C
Hình 8: Đồ thị quan hệ x- t
0
Với t
0
1
= 68.7
0
C nội suy theo Bảng I.212 [I.254] ta đợc:
02.509
63
==
OHCa
rr
kJ/kg.
n
[II.182]
Với r
a
, r
n
: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Axeton và Nớc
ở t
0
2
= t
0
p
. Từ x
p
= 0.938 dựa vào đồ thị quan hệ x t
0
[Hình 8] ta đợc t
0
p
=
57.27
0
C.
+ y
đ
: hàm lợng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần khối lợng.
y
đ
= y
Thay các giá trị đã tính đợc vào hệ phơng trình trên ta đợc:
g
1
= G
1
+ 1734
g
1
y
1
= 0.3G
1
+ 1734*0.98
g
1
(2387.16 1878.14y
1
) = 3468*522.48= 1811960.64
Giải hệ phơng trình ta đợc:
g
1
= 2207.86 kg/h
G
1
= 473.86 kg/h
y
1
= 0.834 phần khối lợng
Thay y
1
).1(.
11
T
MyMy
NtbAtb
y
tb
+
=
,kg/m
3
[IX.102 II.183]
Trong đó:
T: nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện,
0
K.
y
tb1
: nồng độ phần mol của Axeton lấy theo giá trị trung bình
2
11
1
cd
tb
yy
y
+
=
+
=
c
y
phần mol
774.0
2
609.0938.0
2
11
1
=
+
=
+
=
cd
tb
yy
y
phần mol
+ Với
774.0=
L
tb
y
phần mol. Nội suy từ số liệu trong Bảng 1 ta đợc:
Ct
L
tb
=
L
tb
y
,kg/m
3
.
* Khối lợng riêng trung bình đối với pha lỏng:
2
1
1
1
1
1
tbtbtb
x
tb
x
tb
x
aa
+=
, kg/m
3
[IX.104a - II.183]
Trong đó:
=
PF
tb
aa
a
phần khối lợng
5275.0
2
938.0117.0
2
1
=
+
=
+
=
pF
tb
xx
x
phần mol
o
tb
t
: nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha lỏng. Với
5275.0=
L
tb
x
3
.
+ Vậy khối lợng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là:
Khoa Công Nghệ Hóa
21
Đồ án QTTB SVTH:
=
+=
2
1
1
1
1
1
tbtbtb
x
tb
x
tb
x
aa
75.982
64.01
39.745
64.0
+
37.816=
tb
=
n
x
xd
yds
tb
tb
Vg
Y
à
à
[II.187]
8/1
4/1
.
V
đ
: thể tích tự do của đệm, m
3
/m
3
g: gia tốc trọng trờng, m
2
/s
Khoa Công Nghệ Hóa
22
Đồ án QTTB SVTH:
G
x
, G
y
: lợng lỏng và lợng hơi trung bình, kg/s
tbtb
yx
,
:khối lợng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m
3
à
x
, à
n
: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nớc
ở 20
o
+
=
+
=
GRP
GG
G
th
R
x
kg/h
307.0
3600
93.1103
==
x
G
kg/s
Thay số liệu ta có:
3667.0
37.816
76.1
.
788.0
307.0
.
8/14/1
8/1
4/1
=
tb
tb
x
y
y
x
G
G
X
Y = 1.2e
-4*0.3667
= 0.2768
* Tính độ nhớt.
- Độ nhớt của nớc ở t = 20
o
C, Tra Bảng I.102 [I.94] ta có à
n
= 1.005*10
-3
Ns/m
2
.
- Độ nhớt của pha lỏng ở t = 60.45
o
C. Nội suy theo Bảng I.101 [I.91] ta đợc:
3
10*2293.0
63
lgà
hh
= 0.5275lg(0.2293*10
-3
) + (1 0.5275)lg(0.4665*10
-3
) = -3.493854457
à
hh
= à
x
= 0.321*10
-3
Ns/m
2
* Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn. Số liệu Bảng IX.8
[II.193]
Bảng 3
Kích thớc
đệm, mm
Bề mặt riêng
đ
, m
2
/m
3
Thể tích tự
do V
đ
=
n
x
xd
yds
tb
tb
Vg
Y
à
à
16,0
3
3
3
16,0
3
2
10*005.1
10*321.0
*76.1*310
37.816*71.0*81.9*2768.0
..
...
s
2
= 1.75 m/s
s
= 1.33 m/s
Lấy = 0.8*
s
= 0.8*1.33 = 1.065 m/s
Vậy đờng kính của đoạn luyện là:
( )
73.0
065.1*76.1
93.2837
0188.0
.
0188.0 ===
tb
yy
tb
L
g
D
m.
Quy chuẩn đờng kính đoạn luyện là D
L
.4
===
d
d
td
V
d
m
34.87
10*16.9
8.0
3
==
td
d
D
Vậy cách chọn đệm và đờng kính tháp của đoạn luyện nh vậy là chấp
nhận đợc yêu cầu của bài toán và phù hợp với quá trình tính toán.
2.2.2. Đờng kính đoạn chng:
2.2.2.1. Lợng hơi trung bình đi trong đoạn chng.
2
1
''
'
gg
g
n
[IX.97 - II.182]
Khoa Công Nghệ Hóa
25
Copyright: Tài liệu đại học ©