Đề tài tính toán và thiết kế hệ thống tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp aceton – nước

 Nội dung thực hiện: - Tổng quan về các cấu tử trong hỗn hợp - Thiết kế quy trình, thuyết minh quy trình chưng cất - Tính toán cân bằng vật chất, tính toán cân bằng năng lượng, tính toá

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐHCN TP.HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ

THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

KHOA: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

BỘ MÔN: MÁY & THIẾT BỊ

1 Tên đề tài: Tính toán và thiết kế hệ thống tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp Aceton – nước.

2 Nhiệm vụ đề tài (Số liệu ban đầu và nội dung thực hiện)

 Số liệu ban đầu:

- Năng suất theo nhập liệu: 1800 kg/h

- Nồng độ nhập liệu có 32% khối lượng cấu tử dễ bay hơi

- Nồng độ sản phẩm đỉnh có 97% khối lượng cấu tử dễ bay hơi

- Nồng độ sản phẩm đáy có 10% khối lượng cấu tử dễ bay hơi

- Các thông số khác tự chọn

 Nội dung thực hiện:

- Tổng quan về các cấu tử trong hỗn hợp

- Thiết kế quy trình, thuyết minh quy trình chưng cất

- Tính toán cân bằng vật chất, tính toán cân bằng năng lượng, tính toán thiết kế thiết bị chưng cất, tính toán thiết bị phụ

- Bản vẽ A1 sơ đồ QTCN, Bản vẽ A1 chi tiết thiết bị chính

3 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 04/10/2022

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 18/12/2022

5 Họ và tên người hướng dẫn:

Tp Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 10 năm 2022

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá: - Ý thức thực hiện: - Nội dung thực hiện: - Hình thức trình bày: - Tổng hợp kết quả: Điểm bằng số:…….

Điểm bằng chữ:………

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022

Giáo viên hướng dẫn

(Ký ghi họ và tên)

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Phần đánh giá: - Ý thức thực hiện: - Nội dung thực hiện: - Hình thức trình bày: - Tổng hợp kết quả: Điểm bằng số:…….

Điểm bằng chữ:………

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022

Giáo viên hướng dẫn

(Ký ghi họ và tên)

Mục Lục

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 7

I Lý thuyết về chưng cất 7

1 Khái niệm: 7

2 Các phương pháp chưng cất 7

2.1 Phân loại theo áp suất làm việc: 7

II Giới thiệu về nguyên liệu 9

2.1 Aceton: 9

2.2 Nước: 11

2.3 Hỗn hợp Aceton – nước: 12

III Công nghệ chưng cất hệ Aceton – nước 12

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 14

I Tính toán cân bằng vật chất 14

1 Thông số ban đầu: 14

2 Xác định xuất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 15

3 Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp 16

4 Xác định hiệu suất trung bình thiết bị và số mâm thực tế 18

II Tính toán cân bằng năng lượng 21

1 Số liệu ban đầu 21

2 Cân bằng năng lượng trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu 21

3 Cân bằng năng lượng trong tháp chưng cất 24

4 Cân bằng năng lượng trong thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 27

5 Cân bằng năng lượng trong thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 28

6 Cân bằng năng lượng trong thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 30

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 32

I Đường kính tháp: 32

1 Đường kính đoạn cất 32

2 Đường kính đoạn chưng 36

II Chiều cao tháp 40

III Mâm chóp 40

1 Tính toán mâm chóp và ống chảy truyền: 40

2 Độ giảm áp: 46

3 Bố trí ống chảy chuyền: 51

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 52

I Thiết gia nhiệt nhập liệu : 52

1 Suất lượng hơi nước cần dùng : 54

2 Xác định bề mặt truyền nhiệt: 54

II Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy: 60

III Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: 61

IV Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: 62

V Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: 63

VI Chọn bơm 64

1 Năng suất: 64

2 Cột áp: 65

3 Tính tổng trở lực của tháp: 65

4 Tính cột áp của bơm: 67

5 Công suất: 68

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 68

I Tính bề dày thân trụ của tháp 68

4 Tính trở lực tháp 72

II Bích ghép thân đáy và nắp 80

III Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn 82

IV Tính – chọn bề dày đáy và nắp thiết bị 89

V Chân đỡ và tay treo thiết bị 91

1 Tính khối lượng toàn tháp: 91

2 Tai treo: 94

3 Chân đỡ: 95

VI Tính lớp cách nhiệt 96

Tài liệu tham khảo: 98

Mục Lục Hình Ảnh

Hình 1: Giản đồ đường cân bằng Aceton – nước 12

Hình 2: Sơ đồ quy trình công nghệ 13

Hình 3: Đồ thị xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp 17

Hình 4: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của hệ aceton – nước 18

Hình 5: Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 21

Hình 6: Tháp chưng cất (T-101) và nồi đun đáy tháp (E-104) 24

Hình 7: Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 27

Hình 8: Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 30

Hình 9: Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 28

Hình 10: Ống chảy chuyền 51

Hình 11: Sơ đồ tháp chóp 75

Hình 12: Sơ đồ tháp chóp 79

Hình 13: Đáy và nắp có dạng hình ellipise 89

Hình 14: Bích ghép thân đáy và nắp 81

Hình 15: Bích ghép các ống dẫn 82

Hình 16: Tai treo 95

Hình 17: Chân đỡ 95

LỜI MỞ ĐẦU

Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thụ hoặc nhã khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa haiquá trình này có một ranh giới cơ bản là quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêusản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:

- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử có độbay hơi bé

- Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơilớn

Đối với hệ Aceton – Nước thì:

- Sản phẩm đỉnh chủ yếu là Aceton và một ít nước

- Sản phẩm đáy chủ yếu là nước và một ít Aceton

1.2.2 Phân loại theo nguyên lý làm việc:

- Chưng cất đơn giản

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp

- Chưng cất

1.2.3 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:

- Cấp nhiệt trực tiếp

- Cấp nhiệt gián tiếp

Trong trường hợp này, do sản xuất Aceton với yêu cầu có độ tinh khiết cao khi sử dụng, vớihỗn hợp Aceton - nước là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liêntục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường là hiệu quả nhất

1.2.4 Thiết bị chưng

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta

có tháp chêm, tháp phun,…Ở đây ta khảo sát 2 loại 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, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa,

ta có:

 Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ S…

 Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.

 Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay

hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hayxếp thứ tự

Ở đây, ta so sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp này:

- Trở lực tương đối thấp

- Hiệu suất khá cao

- Có tính ổn định cao

- Hiệu suất cao

- Dễ dàng làm vệ sinh thông qua các cửa sữa chữa

- Chi phí tháp mâm có đường kính lớn rẻ

- Tổng khối lượng tháp mâm thường nhỏ hơn

so với tháp chêm

- Có

nên hiệu suất truyền khối thấp

- Độ ổn định không cao, khó vận hành

-Do có hiệu ứng thành, nên khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng, làm khó tăng năng suất

- Thiết bị khá nặng n

- Không làm việc được với chất lỏng bẩn

- Kết cấu khá phức tạp

- Có trở lực lớn

- Tiêu tốn nhiều vật tự, kết cấu phức tạp

Vậy chọn tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Aceton – Nước

2 Giới thiệu về nguyên liệu

Nguyên liệu gồm: hỗn hợp Aceton - Nước

2.1 Aceton:

Aceton có công thức phân tử: CH3-CO-CH3 Khối lượng phân tử: 58,079 đvC

Là chất lỏng không mùi, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm dịu và có mùi thơm.Hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ: eter, metanol, etanol, diaceton alcohol,

 Cộng hợp với natri bisunfit:

CH3-CO-CH3 + H2O→ CH3-(OH)C(CH3)- SO3Na

( 1-metyl-1-hydroxi etan sunfonat natri)

CH3-CO-CH3 → CH3-CO-CH2OH → CH3-CO-CHOH → CH3COOH + HCOOH

 Phản ứng khử hóa:

CH3-CO-CH3 + H2 → CH3-CH(OH)-CH3

 Điều chế:

 Oxy hóa rượu bậc 2:

CH3-CH(OH)-CH3 → CH3-CO-CH3 + H2O

 Theo phương pháp Piria: nhiệt phân muối canxi của acid cacboxylic:

(CH3COO)2Ca → CH3-CO-CH3 + CaCO3

 Từ dẫn xuất cơ mangiê:

CH3-CO-Cl + CH3-Mg-Br → CH3-CO-CH3 + Cl-Mg-Br

 Sản xuất Aceton

Tổng hợp Aceton bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác:

CH3-CH(OH)-CH3 + 15,9 Kcal (ở 327oC) → CH3-CO-CH3 + H2

- Xúc tác sử dụng ở đây: đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và muối

- Ở nhiệt độ khoảng 325oC, hiệu suất khoảng 97%

- Dòng khí nóng sau phản ứng gồm có: Aceton, lượng Isopropyl Alcol chư phản ứng, H2 vàmột phần nhỏ sản phẩm phụ ( như Propylene, diisopropyl eter,…) Hỗn hợp này được làmlạnh và khí không ngưng được lọc bởi nước Dung dịch lỏng được đem đi chưng cất phânđoạn, thu được Aceton ở đỉnh và hỗn hợp của nước, Isopropyl Alcol (ít) ở đáy

Ngoài ra, còn một số quá trình sản xuất Aceton khác:

- Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol và Aceton

- Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan

- Lên men Cacbon hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt

- Công ty Shell sử dụng nó như một sản phẩm phụ

 Ứng dụng

Aceton được ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn, sơn màu,cellulose acetate, nhựa, cao su,… Nó hòa tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenolfocmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng Aceton là nguyên liệu để tổng hợpthủy tinh hữu cơ

Từ Aceton có thể tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), các holofom.

2.2 Nước:

Trong điều kiện bình thường, nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị, nhưng khốinước dày có màu xanh nhạt Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau

Khối lượng phân tử: 18 (g/mol)

Khối lượng riêng: 1 (g/mol)

x

3 Công nghệ chưng cất hệ Aceton – nước

Aceton là một chất lỏng tan vô hạn trong nước, nhiệt độ sôi của Aceton là 56,9oC ở 760mmHg và nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760 mmHg Nhiệt độ sôi của Aceton và nước là cáchbiệt khá xa nên phương pháp hiệu quả nhất để thu được Aceton tinh khiết là phương pháp chưng cấtdựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp

Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đều có khảnăng bay hơi và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp phụ do phải đưavào một khoa mới để tách, có thể làm quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách không được hoàntoàn

ngưng tụ

E-103Thiết bịlàm nguộisản phẩmđỉnh

E-104Nồi đunđáy tháp

E-105Thiết bịlàm nguộisản phẩmđáy

V-101Bồn chứanhập liệu

V-103Bồn chứasản phẩmđỉnh

V-104Bồn chứasản phẩmđáy

T-101Thápchưngcất

Hình 2: Sơ đồ quy trình công nghệ

Hỗn hợp aceton – nước có nồng độ aceton 32% phần khối lượng, nhiệt độ khoảng 28oC tạibình chứa nguyên liệu (V-101) được bơm bơm lên qua bộ phận điều chỉnh lưu lượng vào thiết bịgia nhiệt nhập liệu (E-101) bằng hơi nước bão hòa để gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi chuyển sangtrạng thái lỏng – sôi Hỗn hợp sau khi gia nhiệt được đưa vào tháp chưng cất (T – 101) ở đĩa nhậpliệu.Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng ở đoạn cất của tháp chảy xuống Trongtháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai phavới nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử

dễ bay hơi do pha hơi được tạo nên từ nồi đun nên đã lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lêntrên 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, trên đỉnh tháp thu được hỗn hợp trong đó aceton chiếm nhiều nhất Phần hơi này sẽ qua thiết bịngưng tụ (E-102) chia làm 2 dòng Dòng thứ nhất, cấu tử có nhiệt độ cao hơn là nước sẽ ngưng tụ vàhoàn lưu lại về tháp chưng cất (T-101) ở đĩa trên cùng, phần còn lại đi qua thiết bị làm nguội sảnphẩm đỉnh (E-103) ở 30oC và ta thu được hỗn hợp có cấu tử aceton chiếm nhiều nhất có nồng độ97% phần khối lượng ở bồn chứa (V-103) Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuốngdưới càng giảm nồng độ đi ra ở đáy tháp vào thiết bị nồi đun (E-104), trong nồi đun dung dịch lỏngmột phần sẽ bốc hơi hoàn lưu về tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổinhiệt ở thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (E-105) về 30oC và thu được hỗn hợp có cả nước và aceton(aceton chiếm 10%) tại bồn chứa (V-104)

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN

BẰNG NĂNG LƯỢNG

1 Tính toán cân bằng vật chất

1.1 Thông số ban đầu:

- Lưu lượng khối lượng của dòng nhập liệu: F = 1800 (kg/h)

- Phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi trong dòng nhập liệu: x F= 0,32 (kg A/kg hh)

- Phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: x P= 0,97 (kg A/kg hh)

- Phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: x W= 0,1 (kg A/kg hh)

- Khối lượng phân tử của Aceton: MA = 58 (kg/ kmol)

- Khối lượng phân tử của Nước: MN = 18 (kg/ kmol)

- Nhiệt độ ban đầu của nhập liệu: to = tF = 28oC

- Nhiệt độ sau khi làm nguội sản phẩm đỉnh: tP = 30oC

- Nhiệt độ sau khi làm nguội sản phảm đáy: tW = 30oC

1.2 Xác định xuất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

- Phần mol nhập liệu theo cấu tử dễ bay hơi (Aceton):

Hình 3: Đồ thị xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp

⇒Vậy chỉ số hoàn lưu thích hợp: Ropt = 0,58

1.3.3 Phương trình đường làm việc, số mâm lý thuyết và số mâm thực tế

 Phương trình đường làm việc của đoạn cất:

Hình 4: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của hệ aceton – nước

⇒Từ đồ thị, ta có: số mâm lý thuyết Nlt = 5 mâm

Vậy:

Phần chưng có 2 mâm

Phần cất có 3 mâm

1.4 Xác định hiệu suất trung bình thiết bị và số mâm thực tế

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:

 Xác định hiệu suất trung bình của tháp chưng cất η tb :

Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:

α= y1− y∙

1−x

x

Trong đó:

x: phần mol của aceton trong pha lỏng.

y¿: phần mol của trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

 Tại vị trí mâm nhập liệu:

x F =0,127 tra đồ thị cân bằng của hệ Aceton – nước: y F=¿0,742

t sF =68 , 44 ℃ Tại t sF =68 , 44oC tra bảng I.101 trang 91, I.102 trang 95 sổ tay QTTB tập 1 và nội suy ta xácđịnh được:

μ N =0,4142×10−3(N s /m2)

μ A =0,2126 ×10−3(N s /m2)

o Độ nhớt của hỗn hợp lỏng:

log μ hh =x F × log μ N+(1−xF)× log μ A =0,127 × log(0,4142×10−3)+(1−0.127)× log(0,2126 ×10−3)

Vậy: μ hh =2,32×10−4(N s /m2)=0,232(cP )

→ α= 0,742

1−0,742×

1−0.1270.127 =19 ,77 Vậy: α × μ hh =0.232×19 ,77=4 ,59 Tra hình IX.11 trang 171 sổ tayQTTB tập 2 xác định

Vậy: α × μ hh =1,83×0,258=0 , 47Tra hình IX.11 trang 171 sổ tay QTTB tập 2 xác định

được:

η P =0 ,6

 Tại vị trí mâm đáy:

x W=0,033 tra đồ thị cân bằng của hệ Aceton – nước: y W=¿0,398

t sW =85 , 41℃

Tại t sW =85 , 41oC tra bảng I.101 trang 91, I.102 trang 95 sổ tay QTTB tập 1 và nội suy ta

xác định được:

2 Tính toán cân bằng năng lượng

2.1 Số liệu ban đầu

- Nhiệt độ ban đầu của nhập liệu: to = tF = 28oC

- Nhiệt độ sau khi làm nguội sản phẩm đỉnh: tP = 30oC

- Nhiệt độ sau khi làm nguội sản phảm đáy: tW = 30oC

- Nhiệt độ sôi tra tại bảng 1X.2a Cân bằng lỏng – hơi trang 145 Sổ tay QTTB tập 2

Với xF = 0,127 → Nhiệt độ sôi của dòng nhập liệu tsF = 68,22oCVới xP = 0,909 → Nhiệt độ sôi của dòng sản phẩm đỉnh tsP = 57,45oCVới xW = 0,033 → Nhiệt độ sôi của dòng sản phẩm đáy tsW = 85,41oC

- Nhiệt độ nước vào thiết bị ngưng tụ, làm nguội sản phẩm: tnv = 25oC

- Nhiệt độ nước vào thiết bị ngưng tụ, làm nguội sản phẩm: tnr = 40oC

2.2 Cân bằng năng lượng trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu

Hình 5: Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

F: lưu lượng nhập liệu (Kg/h)CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở tF (J/kg.K)tF: nhiệt độ đầu hỗn hợp nhập liệu (oC)

- Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào Q3:

Q3=D3 λ3=D3.(r3+θ3.C3) (J/h)Trong đó:

D3 : lượng hơi đốt cần dùng (kg/h)

λ3: nhiệt lượng riêng ( hàm nhiệt) của hơi đốt (J/Kg)

r3: ẩn nhiệt hoá hơi (J/kg)

θ3: nhiệt độ nước ngưng mang vào (℃)C3: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.K)

- Nhiệt do hỗn hợp đầu mang ra Q2:

Q2=F CsF t sF (J/h)

Trong đó:

F: lưu lượng nhập liệu (Kg/h)CsF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở tsF (J/kg.K)tsF: nhiệt độ sôi của hỗn hợp nhập liệu (oC)

- Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q4:

Q4=G4.C4.θ4=D4.θ4.C4 (J/h)Trong đó:

G4 : lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt D4 (kg/h)

θ4: nhiệt độ nước ngưng mang ra (℃)C4: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.K)

- Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn:

- Năng suất nhập liệu: F= 1800 (kg/h)

- Hơi đốt là hơi nước bão hòa có Ptđ = 2 at, tra bảng I.251 trang 314 số tay QTTB tập 1:

⟶Nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa: r1 = 2208.103 (J/kg)

- Tại tsF = 68,22oC tra bảng I.154 trang 172 sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt dung riêng của Aceton: CA = 2331,72 (J/kg.độ)

 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4190 (J/kg.độ)

⟶Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tsF = 68,44oC:

C sF =x F C E+(1−x F).C N =0 ,32.2331,72+(1−0 ,32).4190

¿3595 ,35( J /kg độ)

- Tại tF = 28oC tra bảng I.154 trang 171 sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt dung riêng của Aceton: CA = 2204 (J/kg.K)

 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4200 (J/kg.K)

⟶ Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tF = 28oC:

C F =x F C A+(1−xF).C N =0 ,32.2204+(1−0 ,32).4200

¿3561 ,28(J/kg.K)Lượng hơi đốt cần dùng:

D3=D4=F (C sF t sF −C F t F)

0.95 r3

¿1800.(3585 ,35 68 ,22−3561,28 28)

0 , 95.2203 103 =124 ,60(kg/h)

2.3 Cân bằng năng lượng trong tháp chưng cất

Hình 6: Tháp chưng cất (T-101) và nồi đun đáy tháp (E-104)

Phương trình cân bằng năng lượng:

Năng lượng ra = Năng lượng vào

Lưu lượng lỏng hồi lưu: G R =P R (kg/h)

t R: nhiệt lượng dònh lỏng hồi lưu: t R =t sP

 Nhiệt lượng hơi đốt đi vào thiết bị nồi đun đáy tháp E-104:

Q16=D16 λ16=D16.(r16+C16.t16)(J/h)Trong đó:

D16: là lượng hơi đốt cần dùng để đun ở đáy tháp (kg/h).

 Nhiệt lượng do hơi đỉnh mang ra Q5:

W : là lưu lượng sản phẩm đáy (kg/h)

C sW: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đáy (J/kg.K)

t sW : nhiệt độ sản phẩm đáy (℃ )

 Nhiệt lượng nước ngưng mang ra khỏi thiết bị nồi đun đáy tháp:

Q17=D17.C17.t17(J/h)Trong đó:

D17: lượng nước ngưng tụ (kg/h), bằng lượng hơi đốt mang vào nồi đun D16

C17: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.K)

t17: nhiệt độ nước ngưng tụ (oC)

 Nhiệt lượng tổn thức ra môi trường Q tt lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn ở đỉnh tháp

Q2=F C sF t sF =1800.3595 ,35 68 ,22=441494598 ,6 9(J/h)

Tại tsF = 68,22oC tra bảng I.154 trang 171 sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt dung riêng của Aceton: CA = 2331,72 (J/kg.K)

 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4190 (J/kg.K)

⟶Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tsF = 68,22oC:

Tại tR = tsP = 57,45oC tra bảng I.154 trang 171 sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt dung riêng của Aceton: CA = 2296,71 (J/kg.K)

 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4175,64 (J/kg.K)

⟶Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tR = tsP = 57,45oC:

C R =C sP =x P C A+(1−x P).C N =0 ,97 2296 ,7+(1−0 ,97) 4188 ,1

¿2353 , 4 (J/kg.K)

 Nhiệt lượng do hơi đỉnh mang ra Q5:

Q5=P ( R+1) λP (J/h)Tại tsP = 57,45oC tra bảng I.212 trang 254 sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt hóa hơi của Aceton: rA = 550522,33 (J/kg)

 Nhiệt hóa hơi của Nước: rN = 2443756,66 (J/kg)

Tại tsP = 57,45oC tra bảng I.154 trang 171, 172 sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt dung riêng của Aceton: CA = 2296,7 (J/kg.K)

 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4188,1 (J/kg.K)

⟶ Nhiệt lượng riêng của aceton:

λ A =r A +C A t sP =550522,55+2296 ,7.57 , 45=682467 ,9 (kJ/kg)

⟶Nhiệt lượng riêng của nước:

λ N =r N +C N t sP =2443756 ,66+4188 ,1.57 , 45=268436 (kJ/kg) Tại x P = 0,97 tra tại bảng 1X.2a Cân bằng lỏng – hơi trang 145 Sổ tay QTTB tập 2:

 Nồng độ phần mol trong pha hơi của cấu tử: y P =0 ,98

- Nồng độ phần khối lượng trong pha hơi của cấu tử:

Tại tsW = 85,41oC tra bảng I.154 trang 171,172 sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt dung riêng của Aceton: CA = 2387,58 (J/kg.K)

 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4200,82 (J/kg.K)

⟶Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tsW = 85,41oC:

C sW =x W C A+(1−xW).C N =0 ,1.2387 ,58+(1−0 ,1) 4200 ,58

¿4019 ,28(J/kg.K)

- Hơi đốt là hơi nước bão hòa có Ptđ = 2 at, tra bảng I.251 trang 314 số tay QTTB tập 1:

 Nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa: r16 = 2208.103 (J/kg)

⇒Lượng hơi đốt cần dùng cho thiết bị nồi đun đáy tháp E-104:

Năng lượng vào = Năng lượng ra

 Nhiệt lượng do nước làm nguội mang vào thiết bị :

Q8=G8.C n t nr (J/h)Trong đó:

G8: lưu lượng nước làm lạnh (kg/h)Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh (J/Kg.độ)tnr: nhiệt độ nước làm lạnh ra thiết bị, 40℃

Tại tsP = 57,45oC tra bảng I.212 trang 254 sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt hóa hơi của Aceton: rA = 521298,47 (J/kg)

 Nhiệt hóa hơi của Nước: rN = 2425491,74 (J/kg)

⟶ Nhiệt hóa hơi của dòng sản phẩm đỉnh: r P =x P r A+(1−xP) r N

→ Cn = 4178 (J/kg.độ)

 Khi đó, công thức lượng nước làm lạnh IX.165 trang 198 sổ tay QTTB tập 2:

G7=G8=0 , 96 P × ( R+1)×r P

C n ×(t nr −t nv) =

0 , 95.454 , 94 (0 ,58+1).578424 ,27

4178.(40−25) =6302,63(kg/h)

2.5 Cân bằng năng lượng trong thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

Hình 8: Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

Phương trình cân bằng năng lượng:

Năng lượng vào = Năng lượng ra

G19: lưu lượng nước làm lạnh (kg/h)Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh (J/Kg.K)tnv: nhiệt độ nước làm lạnh vào thiết bị, 25℃

 Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra sau khi làm nguội Q21:

Q21=W CW t W (J/h)

Trong đó:

W : là lưu lượng sản phẩm đáy (Kg/h)

C W: nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy ở nhiệt độ tW (J/kg.K)tw: Nhiệt độ của sản phẩm đáy sau làm nguội (℃).

 Nhiệt lượng nước làm lạnh mang ra khỏi thiết bị :

Q20=G20.C n t nr(J/h)Trong đó:

G20: lưu lượng nước làm lạnh (kg/h)Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh (J/kg.K)tnr: nhiệt độ nước làm lạnh ra thiết bị, 40℃

 Lượng nước làm nguội là:

G19=G20=0 , 95.W (C sW t sW −C W t W)

C n ×(t nr −t nv) (kg/h)

Tính toán số liệu:

Tại tW = 30oC tra bảng I.154 trang 171, 172 sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt dung riêng của aceton: CA = 2210 (J/kg.K)

 Nhiệt dung riêng của nước: CN = 4205 (J/kg.K)

⟶Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tW = 30oC:

C W =x W C A+(1−x W).C N =0 ,1.2210+(1−0 ,1).4205

¿4005 ,5(J/kg.K)

Tại tsW = 85,41oC tra bảng I.154 trang 171,172 sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt dung riêng của Aceton: CA = 2387,58 (J/kg.K)

 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4200,82 (J/kg.K)

⟶Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tsW = 85,41oC:

2.6 Cân bằng năng lượng trong thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Hình 9: Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Phương trình cân bằng năng lượng:

Năng lượng vào = Năng lượng ra

P là lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh (kg/h)

C sP là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh tại t sP (J/kg.K)

t sP là nhiệt độ sôi của sản phẩm đỉnh (oC)

 Nhiệt lượng do nước làm nguội mang vào thiết bị :

Q12=G12.C n t nv (J/h)Trong đó:

G12: lưu lượng nước làm lạnh (kg/h)Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh (J/Kg.độ)tnv: nhiệt độ nước làm lạnh vào thiết bị, 25℃

 Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra sau khi làm nguội:

Q11=P CP t P ( J /h)

Trong đó:

G13: lưu lượng nước làm lạnh (kg/h)Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh (J/Kg.K)tnr: nhiệt độ nước làm lạnh ra thiết bị, 40℃

⇒Lượng nước làm nguội là:

G12=G13=0 , 95 P (C sP t sP −C P t P)

C n ×(t nr −t nv) (kg/h)

Tính toán số liệu:

Tại tP = 30oC tra bảng I.154 trang 171, 172 sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt dung riêng của Aceton: CA = 2210 (J/kg.K)

 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4205 (J/kg.K)

⟶Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tW = 30oC:

C P =x P C A+(1−x P).C N =0 ,97 2210+(1−0 ,97).4205

¿2269 , 85(J/kg.K)

Tại tsP = 57,45oC tra bảng I.154 trang 171 sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt dung riêng của Aceton: CA = 2296,7 (J/kg.K)

 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4188,1 (J/kg.K)

⟶Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tR = tsP = 57,45oC:

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

V tb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h)

ω tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

g tb: 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 chung và đoạn cất cũng khác nhau

1.1 Đường kính đoạn cất

Côngthức IX 91−trang 182 sổ tay QTTB tập 2, ta được:

g tb=g đ +g1

2 (kg/h)

Trong đó:

g đ: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)

g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h)

g đ: lượng hơi ra khỏi mâm trên cùng của tháp (kg/h)

GR: Lượng chất lỏng hoàn lưu về tháp (kg/h)

Với: G1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất.

r1 = rA y1 + (1 – y1).rN : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào mâm thứ nhất của đoạncất

r đ = r A y P + (1 – y P ) r N : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp

 Tại vị trí nhập liệu:

Với t sF =68 ,22℃, Tra bảng I.212 – trang 254, Sổ tay QTTB tập 1 ta có:

 Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r N =2379 ,76(kJ /kg)

 Ẩn nhiệt hóa hơi của Aceton: r A =509 ,70(kJ /kg)

⇒ r1=r A y1+(1− y1) r N =509 ,70 y1+(1− y1).2379 ,76

¿−1870 ,06 y1+2379 ,76

 Tại vị trí đỉnh tháp:

Với t sP =57 , 45℃, tra bảng I.212 trang 254 sổ tay QTTB tập ta có:

 Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r N =24 25 , 49 (kJ/kg)

 Ẩn nhiệt hóa hơi của Aceton: r A =521,30 (kJ/kg)

 xP = 0,909 ⇒ yP = 0,948 (phần mol)  y P = 0,983 (phần khối lượng)

⇒ r đ =r A y P+(1− y P) r N =521,30 y P+(1− y P).24 25 , 49

¿521 ,30.0,983+(1−0,983).24 25 , 49 =553,67 (kJ/kg)Với : g1 r1 = gđ rđ = 718,805 553,67 = 397980,76

Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn cất

- Dựa vào công thức IX.111 trang 186 Sổ tay QTTB tập 2, ta có:

ω gh =0 ,05.√ρ xtb

ρ ytb

Trong đó:

ω gh: tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp (m/s)

ρ xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3)

ρ ytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m3)

ρ xtb: khối lượng riêng trung bình

ρ A , ρ N: khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình

x tb: phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng

Ta có: x tb ' = 0,518 ta tra bảng cân bằng lỏng – soi  ttb ' = 60,54oC

Tra bảng I.2 trang 9 sổ tay QTTB 1 với t tb '

= 60,54oC, ta được:

 Khối lượng riêng của Nước: ρ N = 982,70 (kg/m 3)

 Khối lượng riêng của Aceton: ρ A = 745,27 (kg/m3)

M1, M2: khối lượng mol của cấu tử 1 và 2

t tb: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp hay của đoạn chưng, đoạn luyện

- y tb: nồng độ phần mol của cấu tử 1 (cấu tử phân bố) lấy theo giá trị trung bình

y tb=y1+ yP

2Với: y1, y P là nồng độ tại hai đầu đoạn tháp (trong chưng luyện là giữa đĩa tiếp liệu

1.2 Đường kính đoạn chưng