Thiết kế tháp chưng luyện liên tục hai câú tử Benzen và Tooluen

à chưng cất hỗn hợp 2 cấu tử. Trong phần đồ án này hỗn hợp hai cấu tử Benzen – Toluen được phân tách thành hai cấu tử riêng biệt nhờ phương pháp chưng cất liên tục với tháp chưng luyện là loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi. Sau quá trình chưng cất, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi lớn hơn (Benzen) và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé hơn (Toluen). Sản phẩm đáy gồm hầu hết các cấu tử khó bay hơi (Toluen) và một phần rất ít cấu tử dề bay hơi (Benzen). Trong suốt quá trình tính toán và thiết kế bản đồ án thiết kế tháp chưng luyện liên tục hai câú tử Benzen và Tooluen đã hoàn thành với các nội dung sau: Phần I: Sơ đồ công nghệ và các chế độ thuỷ động của tháp. Phần II: Tính toán, thiết kế thiết bị chính. Phần III: Tính toán cân bằng nhiệt lượng. Phần VI: Tính toán cơ khí. Phần V: Tính toán các thiết bị cần thiết. Phần IV: Kết luận và nhận xét. Sơ đồ dây chuyền công nghệ và chế độ thuỷ động của tháp I. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất. (hình 1): Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị được khống chế bởi của chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), quá trình tự chảy này được theo dõi bằng đồng hồ lưu lượng. Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão hoà), hỗn hợp đầu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt tới nhiệt độ sôi, hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm (5). Trong tháp, hơi đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên xuống, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần. Theo chiều cao của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng đệm từ dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ. Quá trình tiếp xúc lỏng – hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giầu cấu tử dễ bay hơi, pha lỏng ngày càng giầu cấu tử khó bay hơi. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (Benzen) và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi (Toluen). Hỗn hợp hơi này được đi vào thiết bị ngưng tụ (6) và tại đây nó được ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh). Một phần chất lỏng sau ngưng tụ chưa đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng (7) để hồi lưu trở về đỉnh tháp, phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (8) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (10). Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử khó bay hơi trong pha hơi sẽ ngưng 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 được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Toluen) một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (Benzen), hỗn hợp lỏng này được đưa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (11), một phần được tận dụng đưa vào nồi đun sôi đáy tháp (9) dùng hơi nước bão hoà. Thiết bị (9) này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp). Nước ngưng của thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (12). Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm được lấy ra liện tục. II. Chế độ thuỷ động của tháp đệm: Trong tháp đệm có 3 chế độ thuỷ động là chế độ chảy dòng, chế độ quá độ và chế độ xoáy. Khi vận tốc khí bé, lực hút phân tử lớn hơn và vượt lực lỳ. Lúc này quá trình chuyển khối được xác định bằng dòng khuyếch tán phân tử. Tăng vận tốc lên lực lỳ trở nên cân bằng với lực hút phân tử. Quá trình chuyển khối lúc này không chỉ được quyết định bằng khuyếch tán phân tử mà cả bằng khuyếch tán đối lưu. Chế độ thuỷ động này gọi là chế độ quá độ. Nếu ta tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa thì chế độ quá độ sẽ chuyển sang chế độ xoáy. Trong giai đoạn này quá trình khuyếch tán sẽ được quyết định bằng khuyếch tán đối lưu. Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện tượng đảo pha. Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, còn pha khí phân tán vào trong chất lỏng và trở thành pha phân tán. Vận tốc khí ứng với thời điểm này gọi là vận tốc đảo pha. Khí sục vào lỏng và tạo thành bọt vì thế trong giai đoạn này chế độ làm việc trong tháp gọi là chế độ sủi bọt. ở chế độ này vận tốc chuyển khối tăng nhanh, đồng thời trở lực cũng tăng nhanh. Trong thực tế, ta thường cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận tốc nhỏ hơn vận tốc đảo pha một ít vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn sủi bọt là mạnh nhất, nhưng vì trong giai đoạn đó ta sẽ khó khống chế quá trình làm việc. * Ưu điểm của tháp đệm: + Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn. + Cấu tạo tháp đơn giản. + Trở lực trong tháp không lớn lắm. + Giới hạn làm việc tương đối rộng. * Nhược điểm. + Khó làm ướt đều đệm. + Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều. * Bảng kê các ký hiệu thường dùng trong bản đồ án: - F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - P: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - W: Lượng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - Các chỉ số F, P, W, A, B : tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy của Axeton và Benzen. - a: nồng độ phần khối lượng, kg axeton/kg hỗn hợp - x: nồng độ phần mol, kmol axeton/kmol hỗn hợp - M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol - m: độ nhớt, Ns/m2 - r: khối lượng riêng, kg/m3 - Các chỉ số A, B, x, y, hh: tương ứng chỉ đại lượng thuộc về cấu tử axeton, benzen, thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp. - Ngoài ra các ký hiệu cụ thể khác được định nghĩa tại chỗ. Phần IIi Tính toán thiết bị chính I. Tính cân bằng vật liệu: 1. Tính toán cân bằng vật liệu: - Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp. F = P + W [II – 144] - Đối với cấu tử dễ bay hơi FaF = Pap + Waw [II – 144] - Lượng sản phẩm đỉnh là: Trong đó: F: năng suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h aF, ap, aw: lần lượt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lượng Đầu bài cho F = 3,5 kg/s hay F = 3,5.3600 = 12.600kg/h. Vậy ta có lượng sản phẩm đỉnh là: kg/h - Lượng sản phẩm đáy là: W = F - P = 12.600 – 2.800 = 9.800 kg/h 2. Đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol của aF, ap, aw: áp dụng công thức [II – 126] Trong đó: aA, aB: nồng độ phần khối lượng của Benzen và Toluen Ma, MB: khối lượng mol phân tử của Benzen và Toluen Với kg/kmol kg/kmol Thay số liệu vào ta có: phần mol phần mol phần mol 3. Tính khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy: Theo công thức: M = x.MA + (1 - x)MB Trong đó: M: Khối lượng phân tử trung bình, kg/kmol x: Nồng độ phần mol - Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh: Mp = xp.MA + (1 - xp)MB Mp = 0,983.78 +(1- 0,983).92 Mp = 87,604 kg/kmol - Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu: MF = xF.MA + (1 - xF)MB MF = 0,314.78 +(1- 0,314).92 MF = 78,238 kg/kmol - Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy: Mw = xw.MA + (1 - xw)MB Mw = 0,024.78 +(1- 0,024).92 Mw = 91,664 kg/kmol 4. Đổi đơn vị của F, P, W từ kg/h sang kmol/h: 5. Lượng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh: II. Xác định số bậc thay đổi nồng độ: 1. Xác định Rmin dựa trên đồ thị y – x: Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng tra trong bảng phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hai cấu tử ở 760mmHg (phần trăm số mol) của Benzen và Toluen ta có bảng sau: [II – 145] Bảng 1 x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 11,8 21,4 38 51,1 61,9 71,2 79 85,4 91 95,9 100 toC 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2 - Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng (x) – hơi (y) (hình 1), với giá trị của xF = 0,314 ta dóng lên đường cân bằng và tìm được giá trị y*F = 0,525% - Rmin: lượng hồi lưu tối thiểu được tính theo công thức [II – 158] y*F: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng xF của hỗn hợp. => 2. Tính chỉ số hồi lưu thích hợp: Rth: chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất. Cơ sở của việc chọn Rth theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất là: V = H.S H: tỷ lệ với Nlt G = W.S = P.(R + 1) S tỷ lệ với R + 1 V = H.S tỷ lệ với Nlt(R + 1) Giá thành tháp tỷ lệ với V, mà V tỷ lệ với Nlt(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 Rth. Trong đó: V: là thể tích của tháp H: chiều cao của tháp S: tiết diện của tháp Nlt: số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết) ứng với mỗi giá trị của R > Rmin ta dựng được một đường làm việc tương ứng và tìm được một giá trị Nlt (Các đồ thị từ 3 á7 là đồ thị xác định số đĩa lý thuyết) Từ đó ta có bảng số liệu sau. Bảng 2 Rx 2,28 2,932 3,915 5,553 8,83 B 0,249 0,246 0,24 0,23 0,208 Nlt 22 21 20 19 18 Nlt(Rx + 1) 84,7 81,9 80 79,23 82,8 Xây dựng đồ thị quan hệ giữa Rx – Nlt(Rx+1). Qua đồ thị ta thấy, với Rx = 2,93 thì Nlt(Rx + 1) là nhỏ nhất hay thể tích tháp nhỏ nhất. Vậy ta có Rth = 2,93 (Đồ thị 8). 3. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện: [II – 148] Trong đó: y: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên. x: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống. Rx : chỉ số hồi lưu. Thay số liệu vào ta có. yL = 0,75x + 0,25 4. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng: [II.158] Trong đó: : lượng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol sản phẩm đỉnh. Thay số liệu vào ta có. yc = 2,028x – 0,0247 III. Tính đường kính tháp chưng luyện: Đường kính tháp được xác định theo công thức , m [II - 181] Trong đó: gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h. (ry.vy)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn. 1. Đường kính đoạn luyện: a. Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện. , kg/h [II - 181] Trong đó: gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h. gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h. gl: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp, kg/h. * Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp: gđ = GR + Gp = Gp(Rx+1) [II – 181] gđ = 2800(2,93 + 1) gđ = 11.004 kg/h * Lượng hơi đi vào đoạn luyện: Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình. g1 = G1 + Gp (1) g1.y1 = G1.x1 + Gp.xp (2) [II - 182] g1.r1 = gđ.rđ (3) Trong đó: y1: hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện, phần khối lượng. G1: lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện. r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa. rđ: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp. x1 = xF = 0,314 phần khối r1 = ra.y1 + (1-y1).rb [II - 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Benzen và Toluen ở t01 = tF . Từ x1= xF = 0,314 tra đô thị lỏng hơi hình 9 ta được t01 = tf = 97,6 0C Với t01 = 97,6 0 C nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được; kJ/kg. kJ/kg. r1 = 380,66.y1 + (1 - y1).369,64 r1 = 11,02y1 + 369,64 kJ/kg. rđ = ra.yđ + (1 – yđ).rb [II - 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Benzen và Toluen ở t02 = tp. Từ xp = 0,983 tra đồ thị lỏng hơi hình 9 ta được tp = 82,60C. yđ: hàm lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần khối lượng. yđ = yp = xp = 0,95 phần khối lượng. Với t02 = tP = 82,60C nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được: kJ/kg. kJ/kg. rđ = 391,65.0,98 + (1 - 0,98).377,18 rđ = 391,36 kJ/kg. Thay các giá trị đã tính được vào hệ phương trình trên ta được g1 = G1 + 2800 g1.y1 = 0,314G1 + 2800.0,98 g1(11,02y1 + 369.64) = 11004.391,36 = 4306525,44 Giải hệ phương trình ta được: g1 = 30012,06 kg/h G1 = 27212,06 kg/h y1 = 0,345 phần khối lượng Thay y1 = 0,345 vào r1 ta được: r1 = 11,02.0,345 + 369,64 = 373,4419 kJ/kg Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là: kg/h. b. Tính khối lượng riêng trung bình * Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo , kg/m3. [II - 183] Trong đó: MA MB: khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K. ytb1: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình [II - 183] Với : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol. = yp = 0,983 phần mol = y1 = 0,345 phần khối lượng Đổi sang phần mol ta có: phần mol phần mol Với phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta được T = 93,5 + 273 = 366,5 0K. Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là: kg/m3. * Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng , kg/m3 [II - 183] Trong đó: : khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3. : khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3. : phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng. phần khối lượng : nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha lỏng phần mol. Với phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a, [II-145] ta được ứng với t0 = 87,60C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được: kg/m3. kg/m3. Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là: kg/m3 c. Tính tốc độ hơi đi trong tháp: Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lên chuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động; Chế độ chảy màng, chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt. ở chế độ sủi bọt thì pha lỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục. Nếu tăng tốc độ lên thì tháp bị sặc. Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc của tháp. Tốc độ hơi đi trong tháp đệm w = (0,8 á 0,9)ws [II – 187] Với ws là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức Y = 1,2e-4X [II – 187] Với [II – 187] [II – 187] Trong đó: sđ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3 Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3 g: gia tốc trọng trường, m2/s Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/s :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3 mx, mn: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20oC, Ns/m2 * Tính Gx, Gy: Ta có Gy = gtb = 30012,06 kg/h kg/s kg/h kg/s * Tính độ nhớt. - Độ nhớt của nước ở t = 20oC, Tra bảng I.102 trong [I – 94] ta có mn = 1,005.10-3 Ns/m2. - Độ nhớt của pha lỏng ở t = 87,6oC. Nội suy theo bảng I.101 trong [I – 91] ta được. N.s/m2 N.s/m2 Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là lgmhh = xtb.lgmA+ (1 - xtb).lgmB [I – 84] lgmhh = 0,6485.lg(0,2676.10-3) + (1 - 0,6485)lg(0,27676.10-3) = -0,525525 mhh = mx = 0,298.10-3 Ns/m2 Thay số liệu ta có Y = 1,2e-4.0,4315 = 0,2136 Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn. Số liệu trong [II – 193] Bảng 3 Kích thước đệm, mm Bề mặt riêng sđ, m2/m3 Thể tích tự do Vđ, m3/m3 Số đệm trong 1m3 Khối lượng riêng xốp, rđ, kg/m3 30x30x3,5 165 0,76 25.102 570 Từ công thức: [II – 187] Suy ra; ws2 = 1,96155 m/s ws = 1,4 m/s Lấy w = 0,8ws w = 0,8.1,4 = 1,12 m/s Vậy đường kính của đoạn luyện là: m. Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DL = 1,6 m * Thử lại điều kiện làm việc thực tế. - Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn luyện là: m/s - Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là: Vậy chọn đường kính là 1,6m có thể chấp nhận được. * Kiểm tra cách chọn đệm. m Vậy cách chọn đệm và đường kính tháp của đoạn luyện như vậy là chấp nhận được yêu cầu của bài toán và phù hợp với quá trình tính toán 2. Đường kính đoạn chưng: a. Lượng hơi trung bình đi trong tháp [II - 182] Trong đó: g’n: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/h. g’1: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h. Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện (g’n= g1) nên ta có thể viết: [II - 182] Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’l, lượng lỏng G1’ và hàm lượng lỏng x’l được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: G’1 = g’1 + Gw G’1. x’1 = g’1.yw + Gw.xw [II - 182] g’1.r’1 = g1.r1 Trong đó: r’1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng. xw: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy. r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng. Ta có: Gw = W = 9800 kg/h. xw = 0,024 phần mol tương ứng với 0,02 phần khối lượng y’1 = yw xác định theo đường cân bằng ứng với xw = 0,024 phần mol. yw = 0,062 phần mol. Đổi y’1 = yw = 0,062 phần mol ra phần khối lượng ta có: phần khối lượng r’1 = ra. y’1 + (1- y’1).rb [II – 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất ở t0 = tw. Với xw = 0,024 tra đồ thị hình 9 ta được tw = 100,50C. Từ t0 = tw =100,50C nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được. kJ/kg. kJ/kg. => r’1 = 378,49.0,053 + (1 - 0,053).368,13 r’1 = 368,68 kJ/kg Thay vào hệ phương trình trên ta được: G’1 = g’1 + 9800 G’1. x’1 = g’1.0,053 + 9800.0,02 g’1.368,68 = 30012,06.373,4419 Giải hệ phương trình trên ta được: g’1 = 30399,69 kg/h G’1 = 40199,698 kg/h x’1 = 0,04496 phần khối lượng Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là: kg/h. b. Tính khối lượng riêng trung bình: * Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo: , kg/m3. [II - 183] Trong đó: MA MB: khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K. ytbc: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình [II - 183] Với : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol. = y’1 = yw = 0,062 phần mol = y1 = 0,383 phần mol phần mol Với phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta được T = 106,8 + 273 = 379,8 0K. Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng là: kg/m3. * Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng , kg/m3 [II - 183] Trong đó: : khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3. : khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3. : phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng. Với a’1: nồng độ phần khối lượng của pha lỏng ở đĩa dưới cùng của đoạn chưng. Ta có: a’1 = x’1 = 0,04496 phần khối lượng phần khối lượng : nhiệt độ trung bình của đoạn chưng theo pha lỏng Ta có x’1 = 0,04496 phần khối lượng phần mol phần mol Với phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta được ứng với t0 = 104,50C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được: kg/m3. kg/m3. Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chưng là: kg/m3 c. Tính tốc độ hơi đi trong đoạn chưng: Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lên chuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động; Chế độ chảy màng, chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt. ở chế độ sủi bọt thì pha lỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục. Nếu tăng tốc độ lên thì tháp bị sặc. Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc của tháp. Tốc độ hơi đi trong tháp đệm w = (0,8 á 0,9)ws [II – 187] Với ws là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức Y = 1,2e-4X [II – 187] Với [II – 187] [II – 187] Trong đó: sđ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3 Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3 g: gia tốc trọng trường, m2/s Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/s :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3 mx, mn: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20oC, Ns/m2 * Tính Gx, Gy: Ta có Gy = g’tb = 30205,879 kg/h kg/s kg/h kg/s * Tính độ nhớt: - Độ nhớt của nước ở t = 20oC, Tra bảng I.102 trong [I - 94] ta có mn = 1,005.10-3 Ns/m2. - Độ nhớt của pha lỏng ở totb = 104,5oC. Nội suy theo bảng I.101 trong [I - 91] ta được. N.s/m2 N.s/m2 Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là lgmhh = xtb.lgmA+ (1 - xtb).lgmB [I – 84] lgmhh = 0,1849.lg(0,2516.10-3) + (1 - 0,1849)lg(0,262.10-3) mhh = mx = 0,3095.10-3 Ns/m2 Thay số liệu đã tính được ta có Y = 1,2e-4.0,5024 = 0,1586 Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn như đã chọn ở trên. Từ công thức: [II – 187] ws2 = 1,59 m/s ws = 1,26 m/s Lấy w = 0,8ws w = 0,8.1,26 = 1,008 m/s Vậy đường kính của đoạn luyện là: m. Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DC = 1,6 m * Thử lại điều kiện làm việc thực tế: - Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chưng là: m/s Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là: Vậy chọn đường kính là 1,6 m có thể chấp nhận được. * Kiểm tra cách chọn đệm: m Vậy với kết quả tính toán được và sơ với điều kiện thực tế thì ta lấy đường kính phần chưng là 1,6 m và đệm như đã chọn là hợp lý. VI. Tính chiều cao tháp: - Đối với tháp đệm, chiều cao làm việc của tháp hay chiều cao lớp đệm được xác định theo công thức: H = hđv.my (m) [II – 175] Trong đó: hđv: chiều cao của một đơn vị chuyển khối, m my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ pha hơi. 1. Tính chiều cao đoạn luyện: a. Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối: - Chiều cao của một đơn vị chuyển khối của tháp đệm phụ thuộc vào đặc trưng của đệm và trạng thái pha, được xác định theo công thức. [II – 177] Trong đó: h1: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng m: hệ số phân bố trung bình ở điều kiện cân bằng pha Gy, Gx: lưu lượng hơi và lỏng trung bình đi trong tháp, kg/s * Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h1, h2: , m [II – 177] ,m [II – 177] Trong đó: a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng thì a = 0,123 mx: độ nhớt của pha lỏng, Ns/m2 Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3 rx: khối lượng riêng của lỏng, kg/m3 y: hệ số thấm ướt của đệm, nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp, xác định theo đồ thị IX.16 [II - 178] Với : mật độ tưới thực tế, m3/m2.h Utt = B.sđ : mật độ tưới thích hợp, m3/m2.h Trong đó: Vx: lưu lượng thể tích của chất lỏng, m3/h Ft: diện tích mặt cắt tháp, m2 sđ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3 B: hằng số, B = 0,065 m3/m.h Bảng IX.6 trong [II – 177] - Chọn đệm loại vòng Rasiga có các thông số : 30x30x3,5mm Vđ = 0,76 m3/m3 sđ = 165 m2/m3 a = 0,123 * Xác định y: Ta có ; Uth = B.sđ Mà m2 m3/h m3/m2.h sđ = 165 m2/m3 Uth = 0,065.165 = 10,725 m3/m2.h Tra hình IX.16 trong [II – 178] ta được yL = 1 * Xác định chuẩn số Reynon: - Chuẩn số Reynon của pha hơi: [II – 178] Ta có my = mhh được tính theo [I – 85] Trong đó: Mhh, MA, MB: khối lượng phân tử của hỗn hợp và cấu tử Benzen và Toluen. mhh, mA, mB: độ nhớt của hỗn hợp và cấu tử Benzen và Toluen. m1, m2: nồng độ của Benzen và Toluen tính theo phần thể tích. Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol, nên m1 = y1, m2 = y2 = 1 - y1. Thay vào ta có: a1, a2: nồng độ phần khối lượng của Benzen và Toluen. Ta có phần mol a1 = 0,599 phần khối lượng Từ dụng toán đồ hình I.35 trong [I – 117] với XA = 8,8; YA = 13,0; XB = 8,5; YB =13,2 và to = 960C ta tìm được. N.s/m2 N.s/m2 => mhh = 0.1547.10-3 N.s/m2 - Chuẩn số Reynon của pha lỏng: [II – 178] Trong đó: Gx: lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp, phần trước đã tính được Gx = 4,919kg/s Ft: diện tích mặt cắt của tháp, Ft = 2,0096 m2 sđ = 165 m2/m3 mx = 0,298.10-3Ns/m2 Vậy chuẩn số Reynon của pha lỏng là: * Xác định chuẩn số Pran: - Chuẩn số Pran của pha hơi: [II – 178] Hệ số khuyếch tán Dy trong pha hơi tính theo. , m2/s [II – 127] Trong đó: T: nhiệt độ trung bình của hơi, 0K P: áp suất chung của hơi, P = 1at. MA = 78: khối lượng phân tử của cấu tử Benzen. MB = 92: khối lượng phân tử của cấu tử Toluen. vA, vB: thể tích mol của hơi Benzen và Toluen , cm3/nguyên tử cm3/nguyên tử cm3/nguyên tử Phần trước ta đã tìm được nhiệt độ trung bình của pha hơi trong đoạn luyện là , vậy T = 335,27450K. Vậy ta có: = 5,322.10-6 m2/s. Thay các giá trị tính được vào ta có: * Chuẩn số Pran của pha lỏng: [II – 178] Hệ số khuyếch tán Dx của pha lỏng được tính theo công thức: Dx = D20.[1 + b.(t - 20)] [II – 134] Với r: khối lượng riêng của dung môi Benzen ở 200C, kg/m3; tra ở bảng I.2 trong [I-9] ta được r = 866 kg/m3 m: độ nhớt của dung môi Benzen ở 200C, cP; m = m2 = 0,586 cP Hệ số khuyếch tán của lỏng ở 20oC là: , m2/s [II – 133] Trong đó: A, B: hệ số liên hợp kể đến ảnh hưởng của Benzen và Toluen. Do Benzen và Toluen là những chất lỏng không liên kết nên A = 1; B = 1. , m2/s Nhiệt độ trung bình của lỏng trong đoạn luyện là to = 93,5oC. Vậy ta có: Dx = 2,3.10-9[1 + 0,0161.(93,5 - 20)] Dx = 5,022.10-9 m2/s Thay các giá trị vào ta có: Vậy: ,m h1 = 0,318m ,m h2 = 0,13677m b. Tính m: - Chọn các giá trị x bất kỳ, tại mỗi giá trị x đó ta tìm góc nghiêng của đường cân bằng. Từ các giá trị tìm được tính m theo công thức [II – 125] - Dựa vào các giá trị đã chọn trên đường cân bằng, ta tính được m = 0,541. c. Tính số đơn vị chuyển khối my: - Số đơn vị chuyển khối tính theo pha hơi. [II – 176] y*: thành phần mol cân bằng của pha hơi, %mol y: thành phần mol làm việc của pha hơi, %mol ứng với mỗi giá trị của xẻ {0,37; 0,96} ta tìm được một giá trị của y* tương ứng và theo đường làm việc của đoạn luyện y = 0,75x + 0,25 ta xác định được y. Bảng 4. X Y* Y 1/y*-y 0,314 0,525 0,488 27,03 0,35 0,562 0,51 19,23 0,4 0,619 0,55 14,49 0,45 0,678 0,592 11,63 0,5 0,712 0,625 11,49 0,55 0,742 0,662 12,5 0,6 0,79 0,722 14,29 0,65 0,8402 0,735 14,93 0,7 0,854 0,80 18,52 0,75 0,882 0,83 19,23 0,8 0,91 0,868 23,81 0,85 0,93 0,884 27,78 0,9 0,959 0,93 34,48 0,95 0,98 0,96 50 0,983 0,99 0,98 100 Từ bảng số liệu trên ta vẽ đồ thị (Đồ thị hình 10). Từ đồ thị ta tính được diện tích phần gạch chéo là S = 10,52 (Xem đồ thị 10) Với tỷ lệ trục hoành 1.100 và tỷ lệ trục tung là 1/100 ta có: my = 10,52. 100.1/100 my = 10,52 Thay các giá trị : h1 = 0,318 m h2 = 0,13667 m m = 0,541 my = 10,52 Gx = 4,919 kg/s Gy = 8,337 kg/s hđv = 0,4433 m Vậy chiều cao lớp đệm của đoạn luyện là: HL = hđv . my = 0,4433 . 10,52 = 4,66m 2. Chiều cao của đoạn chưng: Các công thức cũng như ý nghĩa các ký hiệu có trong các công thức tính chiều cao đoạn chưng tương tự như đối với đoạn luyện, chỉ khác về trị số nên trong phần này không giải thích lại. a. Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h1, h2: * Tính y [II – 177] m2 m3/h m3/m2.h sđ = 165 m2/m3 Uth = 0,065.165 = 10,725 m3/m2.h Tra hình IX.16 trong [II – 178] ta lấy yL = 1 * Xác định chuẩn số Reynon: Chuẩn số Reynon của pha hơi: [II – 178] Ta có my = mhh được tính theo [I – 85] Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol, nên m1 = y1, m2 = y2 = 1 - y1. Thay vào ta có: Trong đó; a1, a2: nồng độ phần khối lượng của Benzen và Toluen. Ta có phần mol a1 = 0,1953 phần khối lượng Từ dụng toán đồ hình I.35 trong [I – 117] với XA = 8,8; YA = 13,0; XB = 8,5; YB =13,2 và to = 82,60C ta tìm được. N.s/m2 N.s/m2 => mhh = 0,3126.10-3 N.s/m2 Chuẩn số Reynon của pha lỏng: [II – 178] Ta có Gx = 9,363 kg/s Ft = 2,0096 m2 sđ = 165 m2/m3 mx = 0,287.10-3Ns/m2 Vậy chuẩn số Reynon của pha lỏng là: * Xác định chuẩn số Pran: Chuẩn số Pran của pha hơi: [II – 178] Hệ số khuyếch tán Dy trong pha hơi tính theo. , m2/s [II – 127] Trong đó: MA = 78 kg/kmol. MB = 92kg/kmol. cm3/nguyên tử cm3/nguyên tử Phần trước ta đã tìm được nhiệt độ trung bình của pha hơi trong đoạn chưng là , vậy T = 82,6 + 273 = 355,60K. Vậy ta có: = 5,086.10-6 m2/s. Thay các giá trị tính được vào ta có: Chuẩn số Pran của pha lỏng: [II – 178] Hệ số khuyếch tán Dx của pha lỏng được tính theo công thức: Dx = D20.[1 + b.(t - 20)] [II – 134] ở phần trước đã tính được D20 = 2,3.10-3 m2/s, với b = 0,0168 Nhiệt độ trung bình của lỏng trong đoạn luyện là to = 106,8oC. Vậy ta có: Dx = 2,79.10-9[1 + 0,0168.(106,8 - 20)] Dx = 5,654.10-9 m2/s Thay các giá trị vào ta có: Vậy: ,m h1 = 0,0617 m ,m h2 = 0,1596 m b. Tính m: - Chọn các giá trị x bất kỳ, tại mỗi giá trị x đó ta tìm góc nghiêng của đường cân bằng. Từ các giá trị tìm được tính m theo công thức [II – 125] - Dựa vào các giá trị đã chọn trên đường cân bằng, ta tính được m = 1,52 c. Tính số đơn vị chuyển khối my: - Số đơn vị chuyển khối tính theo pha hơi. [II – 176] Trong đó: y*: thành phần mol cân bằng của pha hơi, %mol y: thành phần mol làm việc của pha hơi, %mol ứng với mỗi giá trị của xẻ {0,04;0,37} ta tìm được một giá trị của y* tương ứng và theo đường làm việc của đoạn chưng y = 2,028x - 0,0247 ta xác định được y. Bảng 5. X y* y 1/y*-y 0,024 0,045 0,02 40 0,05 0,118 0,05 14,7 0,1 0,214 0,148 14,9 0,15 0,295 0,236 15,38 0,2 0,38 0,318 16,13 0,25 0,447 0,397 16,66 0,3 0,511 0,465 21,7 0,314 0,525 0,488 27,03 Từ bảng số liệu trên ta vẽ đồ thị (đồ thị hình 10). Từ đồ thị ta tính được diện tích phần gạch chéo là S = 8,225 (Xem đồ thị 10) Với tỷ lệ trục hoành 1.100 và tỷ lệ trục tung là 1/ 100 ta có : my = 8,225.100.1/100 my = 8,225 Thay các giá trị : h1 = 0,0617 m h2 = 0,1596 m m = 1,52 my = 8,225 Gx = 9,363 kg/s Gy = 8,39 kg/s hđv = 0,279 m Vậy chiều cao lớp đệm của đoạn chưng là: HC = hđv . my = 0,279. 8,225 = 2,3m 3. Tính chiều cao của toàn tháp: H = HL + HC + H1 + H2 + H3 Trong đó: HL, HC: chiều cao đoạn luyện và đoạn chưng, m H1: khoảng cách không gian phần đỉnh tháp để đặt đĩa phân phối chất lỏng và ống hồi lưu sản phẩm đỉnh, m H2: khoảng cách không gian giữa đoạn chưng và đoạn luyện để đặt đĩa tiếp liệu và ống dẫn hỗn hợp đầu, m H3: khoảng cách không gian cho hồi lưu đáy và để đặt ống hồi lưu sản phẩm đáy, m. Chọn: H1 = H3 = 1m H2 = 1,2m Vậy chiều cao toàn tháp là H = 4,66 + 2,3 + 1 + 1,2 + 1 = 10,16m V. Tín._.