Thu hồi benzen thô từ khí cốc theo phương pháp nhận 2 benzen

g vật chất Thành phần khí cốc theo trọng lượng, kg/h Lượng khí cốc khô: GKCK = 40000.0,8096 = 32384 Lượng hơi nước: G= 40000.0,1098 = 4392 Lượng hydro cacbon benzen: GHB = 40000.0,0541 = 2164 Lượng H2S: G= 40000.0,0265 = 1060 Tổng cộng 40000 ĐKhối lượng riêng của khí cốc khô: Khối lượng riêng của khí cốc khô được xác định từ thành phần của khí và khối lượng riêng của các cấu tử của nó: dKCK=d.%V+d.%V+d.%V+d.%V+d.%V+ +d. %V+d.%V dKCK= dKCK= 0,454 kg/m3 Thành phần khí cốc tính theo thể tích, m3/h Thể tích khí cốc khô: VKCK= Trong đó: dKCK: khối lượng riêng khí cốc khô, kg/m3 GKCK: lượng khí cốc khô theo trọng lượng, kg/h Từ đó ta có: VKCK==71330 m3/h Thể tích hơi nước: V= Trong đó: 18: trọng lượng phân tử của nước, kg/kmol 22,4: thể tích của phân tử nước ở điều kiện tiêu chuẩn, l 4392: lượng nước trong thành phần khí cốc, kg/h V==5466 m3/h Thể tích hydro cacbon benzen: V Trong đó: 83: trọng lượng phân tử trung bình của hydro cacbon benzen, kg/kmol 22,4: thể tích của phân tử hydro cacbon benzen ở điều kiện tiêu chuẩn, l 2164: lượng hydro cacbon benzen trong thành phần khí cốc, kg/h V=584 m3/h Thể tích H2S: V Trong đó: 34: trọng lượng phân tử H2S, kg/kmol 22,4: thể tích phân tử H2S chiếm ở điều kiện tiêu chuẩn, l 1060: lượng H2S trong thành phần khí cốc, kg/h V=698 m3/h Bảng 1: Lượng khí cốc vào thiết bị làm lạnh. Thành phần Kg/h m3/h Khí cốc khô 32384 71330 Hơi nước 4392 5466 Hydro cacbon benzen 2164 584 H2S 1060 698 Tổng cộng 40000 78078 Lượng hơi nước ra khỏi thiết bị làm lạnh. V Trong đó: p: áp suất của hơi nước ở 250C, mmHg P: áp suất khí ra khỏi tháp(P=847mmHg) Ta có: p = 0,0323.760 = 24,548 mmHg [ I-312 ] V=2129 m3/h Lượng hơi nước ra khỏi thiết bị làm lạnh tính theo trọng lượng: Gkg/h Vậy lượng hơi nước ra khỏi thiết bị làm lạnh là: G= 1711, kg/h hay 2129, m3/h Lượng nước ngưng tụtrong thiết bị làm lạnh. Vnt= Vv-Vr =5466 – 2129 = 3337, m3/h Tính theo trọng lượng: Gnt = , kg/h Bảng 2: Lượng khí cốc ra khỏi thiết bị làm lạnh. Thành phần Kg/h m3/h Khí cốc khô 32384 71330 Hơi nước 1711 2129 Hydro cacbon benzen 2164 584 H2S 1060 698 Tổng cộng 37319 74741 B. Cân bằng nhiệt lượng Nhiệt lượng vào:(QV ), kcal/h Nhiệt do khí cốc mang vào: Q1 Nhiệt do khí cốc khô mang vào: q1 q1= GKCK.CKCK.t Trong đó: GKCK: lượng khí cốc khô vào, kg/h CKCK: tỉ nhiệt của khí cốc khô ở nhiệt độ khí vào, kcal/m3độ t: nhiệt độ vào của khí cốc,0C (t = 55) Tính : CKCK= Tỉ nhiệt của các cấu tử của khí cốc khô ở 550C được xác định như sau: kcal/m3độ [ III – VI – 286 ] kcal/m3độ [ III – VI – 287 ] kcal/m3độ [ III – VI – 286 ] kcal/m3độ [ III – VI – 286 ] kcal/m3độ [ III – VI – 286 ] kcal/m3độ [ III – VI – 286 ] kcal/m3độ [ III – VI – 286 ] Thay số liệu vào công thức trên ta có: CKCK = 0,30955.0,579 + 0,3737.0,262 + 0,3042.0,046 + 0,3128.0,006 + + 0,3052.0,06 + 0,4108.0,022 + 0,50925.0,025 CKCK = 0,333, kcal/m3độ = 0,73368, kcal/kg độ Từ đó ta có: q1 = GKCK.CKCK.t = 32384.0,73368.55 = 1306770, kcal/h Nhiệt do hơi nước mang vào: q2 q2 = Trong đó: r: ẩn nhiệt hoá hơi của nước ở 550C kcal/kg [ I.212 – 254 ] t: nhiệt độ vào của hơi nước (t =550) kcal/kg độ [ III – VI – 287 ] : khối lượng hơi nước vào kg/h Từ đó: q2 = 4392.(579,63 + 0,43595.55) = 2651021, kcal/h Nhiệt do hydro cacbon benzen mang vào: q3 q3 = GHB.CHB.t Trong đó: GHB: lượng hydro cacbon benzen vào, kg/h CHB: tỉ nhiệt của hydro cacbon benzen ở 550C, kcal/kg độ t: nhiệt độ của hydro cacbon benzen vào thiết bị (t = 550C) CHB = 0,2621 kcal/kg độ [ III – VI – 287 ] Do đó: q3 = 2164.0,2621.55 = 31189, kcal/h Nhiệt do H2S mang vào: q4 q4 = Trong đó: : lượng H2S vào thiết bị làm lạnh, kg/h : tỉ nhiệt của H2S ở nhiệt độ 550C, kcal/kg độ t: nhiệt độ của H2S vào (t = 550C) =0,2364 kcal/kg độ [ III – VI – 287 ] Do đó: q4 = 0,2364.1060.55 = 13782, kcal/h Nhiệt do khí cốc mang vào: Q1 = q1 + q2 + q3 +q4 = 1306770 + 2651021 +31189 +13782 = 4002762, kcal/h Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang vào: Q2 Gọi lượng nước lạnh mang vào là W, kg/h Nhiệt độ của nước vào là: 230c Ta có: Q2 = W..t Trong đó: , kcal/kg độ Q2 = 23.W, kcal/h Tổng lượng nhiệt vào: QV = Q1 + Q2 = 4002762 + 23W, kcal/h Nhiệt lượng ra: Qr Nhiệt lượng do khí cốc mang ra: Q3 Nhiệt lượng do khí cốc khô mang ra: Trong đó: : lượng khí cốc khô đi ra, kg/h : tỉ nhiệt của khí cốc khô ở nhiệt độ t’, kcal/kg độ t’: nhiệt độ ra của khí cốc khô (t’ = 250C) Tính : Tỉ nhiệt của các cấu tử trong khí cốc khô ở 250C được xác định như sau: , kcal/m3độ [ III – VI – 286 ] , kcal/m3độ [ III – VI – 287 ] , kcal/m3độ [ III – VI – 286 ] , kcal/m3độ [ III – VI – 286 ] , kcal/m3độ [ III – VI – 286 ] , kcal/m3độ [ III – VI – 286 ] , kcal/m3độ [ III – VI – 286 ] = 0,30925.0,579 + 0,3635.0,262 + 0,303.0,046 +0,31125.0,006 + + 0,304.0,06 + 0,406.0,022 + 0,49875.0,025 , kcal/m3độ = 0,7263, kcal/kg độ Từ đó: , kcal/h Nhiệt lượng do hơi nước mang ra: Trong đó: : lượng hơi nước đi ra, kg/h r’: ẩn nhiệt hoá hơi của nước ở 250C, kcal/kg : tỉ nhiệt của hơi nước ở 250C, kcal/kg độ t’: nhiệt độ của hơi nước (t’= 250C) r’ = 583,375, kcal/kg [ I.212 – 254 ] , kcal/kg độ [ III – VI – 287 ] Từ đó: , kcal/h Nhiệt lượng do hydro cacbon benzen mang ra: Với: : lượng hydro cacbon benzen ra khỏi thiết bị, kg/h : tỉ nhiệt của hydro cacbon benzen ở nhiệt độ t’ ,kcal/kg độ t’: nhiệt độ hydro cacbon benzen ra khỏi thiết bị t’=250C = 0,25275, kcal/kg độ [ III – VI – 287 ] Từ đó: , kcal/h Nhiệt lượng do H2S mang ra: Trong đó: : lượng H2S ra khỏi thiết bị làm lạnh, kg/h : tỉ nhiệt của H2S ở nhiệt độ t’, kcal/kg độ t’: nhiệt độ ra của H2S (t’=250C) , kcal/kg độ [ III – VI – 287 ] Từ đó ta có: , kcal/h Tổng lượng nhiệt do khí cốc mang ra: Q3 = = 588010 + 1016687 + 13674 + 6201 = 1624572, kcal/h Nhiệt lượng do nước làm lạnh và nước ngưng tụ mang ra: Q4 Ta có: Q4 = (W + Gnt). Trong đó: Gnt: lượng nước ngưng tụ, kg/h : nhiệt dung riêng của nước, kcal/kg độ t: nhiệt độ ra của nước làm lạnh và nước ngưng tụ t =350C Từ đó: Q4 = (W + 2682).35 = 93870 + 35W, kcal/h Tổng lượng nhiệt ra: Qr = Q3 + Q4 =1624572 + 93870 +35W, kcal/h Cân bằng giữa nhiệt vào và nhiệt ra ta sẽ tính được W QV = Qr 4002762 + 23W = 1718442 + 35W W = 190360, kg/h hay 190,36, m3/h Vậy lượng nước lạnh đưa vào tháp làm lạnh là: W = 190360, kg/h hay 190,36 m3/h Nhiệt lượng do nước lạnh mang vào: Q2 = 23.W = 23.190360 = 4378280, kcal/h Nhiệt lượng do nước làm lạnh và nước ngưng tụ mang ra: Q4 Q4 = 93870 + 35.W = 93870 + 35.190360 = 6756470, kcal/h Bảng 3: Cân bằng nhiệt lượng của tháp làm lạnh Nhiệt lượng vào Kcal/h Nhiệt lượng ra Kcal/h Nhiệt do khí cốc mang vào Nhiệt do khí cốc mang ra Do khí cốc khô mang vào 1306770 Do khí cốc khô mang ra 588010 Do hơi nước mang vào 2651021 Do hơi nước mang ra 1016687 Do hydro cacbon benzen mang vào 31189 Do hydro cacbon benzen mang ra 13674 Do H2S mang vào 13782 Do H2S mang ra 6201 Nhiệt do nước mang vào Nhiệt do nước mang ra Do nước lạnh mang vào 4378280 Do nước ngưng tụ mang ra 93870 Do nước làm lạnh mang ra 6662600 Tổng cộng 8381042 Tổng cộng 8381042 C. Tính kích thước tháp làm lạnh Tính thể tích của khí cốc vào tháp ở điều kiện nhiệt độ và áp suất khí vào: (Vv) t = 3280K và P = 858mmHg VV = , m3/h Thể tích khí cốc ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất của khí ra: (VR) t = 2980K và P = 847mmHg VR = , m3/h Thể tích trung bình của khí cốc qua tháp: VTB VTB = , m3/h Tiết diện tự do của đĩa Std = , m2 Trong đó: v: vận tốc khí ở tiết diện tự do của đĩa, lấy v = 4,5 m/s Std = m2 Std = 0,25.Schung Schung = m2 Đường kính của thiết bị làm lạnh: D D = , m Khoảng cách giữa các đĩa: h = DTB: đường kính trung bình khi khí chuyển động theo phương nằm ngang DTB = 0,7.D = 0,7.5 = 3,5 m h = m Ta chọn khoảng cách giữa các đĩa là: h = 1,4 m Ta chọn tháp làm lạnh là tháp đĩa lỗ có các đặc trưng sau: Đường kính của lỗ đĩa: 10 mm Bước lỗ: 75 mm Đường kính cực đại của vòng tròn trên đó có phân bố các lỗ: D0 = 0,9.D = 0,9.5 = 4,5 m Khi đó tiết diện : S0 = m2 Số tia giữa các đĩa: n = t: bước lỗ, m n = , tia Tiết diện của các tia giữa 2 đĩa: f = p.d.h.n d: đường kính lỗ, m f = 3,14.10-2.1,4.2827 = 124 m2 6. Hệ số truyền nhiệt khi tiếp xúc trực tiếp giữa khí và nước được xác định theo phương trìnhGavazoncop: Ki = Hay K = Trong đó: K: hệ số truyền nhiệt, kcal/m2.h.độ Ki: chuẩn số Kipich l: hệ số dẫn nhiệt, kcal/m.h.độ d: đường kính tương đương, m Tính Ki: Ki = Để tính Ki ta phải tính Rek và Prk Tính Rek: Rek = 1000. Với: r: khối lượng riêng của khí cốc ở nhiệt độ trung bình r = , kg/m3 v: vận tốc trung bình của khí vào tháp, v = 4,5 m/s. Z: độ nhớt của khí ở nhiệt độ trung bình, Z = 0,0134 CP dtd: đường kính tương đương của tiết diện tự do của đĩa, m dtd = Std = 4,8, m2 P: chu vi của tiết diện tự do, m P = 2,09.D = 2,09.5 = 10,45, m Vậy dtd = , m Rek = - Xác định C0: Hằng số C0 được xác định theo mật độ tưới: U U = m3/m2.h Trong điều kiện đó thì C0 = 0,225 Tính Prk: Prk = 3,6. Trong đó: C: tỷ nhiệt trung bình của khí cốc, C = 0,73 kcal/kg độ l: hệ số dẫn nhiệt, l = 0,11 kcal/m.h.độ Vậy Prk = 3,6. Từ đó ta có: Ki = 0,225.(305865)0,76.(0,32)0,33 = 2280 Khi đó: K = , kcal/m2.h.độ Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit của quá trình truyền nhiệt 550C 250C khí 350C 230C H2O Dt1 = 550C – 350C = 200C Dt2 = 250C – 230C = 20C DTTB = độ Bề mặt truyền nhiệt cần thiết: F (m2) F = , m2 Q: lượng nhiệt truyền cho thiết bị, kcal/h F: bề mặt truyền nhiệt, m2= DTTB: hiệu số nhiệt độ trung bình logarit của quá trình truyền nhiệt Q = Q1 – Q3 = 4002762 – 1624572 = 2378190, kcal/h F = , m2 Số đĩa cần thiết: N = , đĩa Chiều cao phần khí: H1 = N.h = 18.1,4 = 25,2 m Phần nước có 8 đĩa và chiều cao là: H2 = 12, m Khoảng cách phần khí và phần nước chọn là: H3 = 4, m Vậy chiều cao toàn bộ thiết bị làm lạnh là: H = H1 + H2 +H3 = 25,2 + 12 + 4 = 41,2, m Chọn H = 42, m Vậy tháp làm lạnh có kích thước sau: D = 5, m H = 42, m Tháp hấp thụ Các số liệu ban đầu cho để tính toán Lượng khí cốc sau tháp làm lạnh cuối đi vào tháp hấp thụ, kg/h ( Lấy số liệu từ thiết bị làm lạnh) Thành phần Kg/h m3/h Khí cốc khô 32384 71330 Hơi nước 1711 2129 Hydro cacbon benzen 2164 584 H2S 1060 698 Tổng cộng 37319 74741 Nhiệt độ của khí cốc mang vào, 0C 25 Nhiệt độ của khí cốc ra, 0C 30 áp suất của khí vào, mmHg 847 áp suất của khí ra, mmHg 825 Tổn thất hydro cacbon theo khí khô, g/m3 2 A. Cân bằng vật chất: 1.Tính lượng khí đi ra khỏi tháp, kg/h Lượng benzen mất mát theo khí nghịch là: , kg/h Khi đó mức độ thu hồi benzen là: h = 1 - hay 93,4% Lượng hydro cacbon benzen được hấp thụ là: G = 2164 -143 = 2021, kg/h Lượng khí cốc ra khỏi tháp có thành phần: Thành phần Kg/h m3/h Khí cốc khô 32384 71330 Hơi nước 1711 2129 Hydro cacbon benzen 143 39 H2S 1060 698 Tổng cộng 35298 74196 2. Hàm lượng thực tế của hydro cacbon benzen trong khí vào ở nhiệt độ và áp suất của khí vào: (a1) a1 = Trong đó: M1: lượng hydro cacbon benzen trong khí vào tháp, kg/h V1: tổng thể tích của khí vào, m3/h Thay giá trị M1, V1 vao biểu thức ta có: a1 = g/m3 Hàm lượng hydro cacbon benzen trong khí ra tính ở nhiệt độ và áp suất của khí ra: (a2) a2 = Trong đó: M2: lượng hydro cacbon benzen trong khí ra, kg/h V2: thể tích khí ra, m3/h Thay giá trị M2, V2 vào biểu thức ta có: a2 = g/m3 Hàm lượng cực đại của hydro cacbon benzen trong dầu đi vàotháp ở nồng độ không lớn được xác định theo công thức: C1max = (1) Trong đó: a2: hàm lượng hydro cacbon benzen trong khí ra, g/m3  P2: áp suất khí ra khỏi tháp benzen, mmHg (P2 = 825 mmHg) Md: trọng lượng phân tử của dầu hấp thụ (Md = 170) Pd: áp suất hơi của hydro cacbon benzen trong dầu đi vào, mmHg Để tính toán ta lấy thành phần benzen là: Benzen: 73% Toluen: 21% Xylen: 5% Sonven: 1% Để thuận tiện cho việc tính toán ta giả thuyết thành phần của hydro cacbon benzen trong dầu đã khử benzen bằng thành phần của benzen nhận được. áp suất hơi bão hoà của các cấu tử của benzen thô ở 300C là: PBenzen = 118,4 mmHg [ III – XIII – 289 ] PToluen = 39,5 mmHg [ III – XIII – 289 ] PXylen = 23,52 mmHg [ III – XIII – 289 ] PSonven = 5,0 mmHg [ III – XIII – 289 ] Khối lượng phân tử trung bình của benzen thô là: MTB = Số mol của các cấu tử của benzen thô: XBenzen = XToluen = XXylen = XSonven = áp suất hơi bão hoà của hydro cacbon benzen ở 300C là: Pb = SXi.Pi Thay giá trị Xi, Pi vào ta có: Pb = 0,777.118,4 + 0,189.39,5 + 0,039.23,52 + 0,007.5 Pb = 100,4 mmHg Thay giá trị Pb, Md, a2, P2 vào biểu thức (1) ta được: C1max = , % Hàm lượng thực tế của hydro cacbon benzen trong dầu C1 có thể nhỏ hơn hàm lượng cân bằng để tạo ra động lực hấp thụ phía trên của tháp và được tính theo công thức: C1 = Trong đó: n: là hệ số chuyển dịch cân bằng, n= 1,1á1,2. Ta chọn n = 1,2 Khi đó: C1= , % Hàm lượng cực đại của hydro cacbon benzen ở trong dầu đi ra khỏi tháp benzen được xác định theo công thức sau: C2max = (2) Thay gía trị của a1, Md, Pb vào (2) ta được: C2max = , % Hàm lượng thực tế của hydro cacbon benzen trong dầu đi ra là: C2 = n: hệ số chuyển dịch cân bằng phía dưới tháp hấp thụ benzen. Lấy n = 1,5 C2 = , % Lượng dầu tối thiểu được xác định theo phương trình sau: Lmin = , kg/h Với G: lượng hydro cacbon benzen được hấp thụ, kg/h Thay giá trị G, C2max, C1 vào biểu thức trên ta có: Lmin = , kg/h Lượng dầu thực tế: (L) L = , kg/h Thay giá trị của G, C2, C1 vào biểu thức trên ta có: L = , kg/h Tính cho 1m3 khí khô là: , kg Khi đó lượng hydro cacbon benzen trong dầu vào là: , kg/h Thay giá trị L, C1 vào biểu thức trên ta được: , kg/h Lượng benzen trong dầu đi ra là: , kg/h Thay giá trị L, C2 vào biểu thức trên ta được: , kg/h Lượng hydro cacbon benzen được hấp thụ là: 2191 – 170 = 2021, kg/h Bảng 4: Cân bằng vật chất của tháp hấp thụ Cấu tử Lượng vào, kg/h Lượng ra, kg/h Khí cốc 37319 35298 Dầu hấp thu 100064 100064 Lượng hydro cacbon benzen 170 2191 Tổng cộng 137553 137553 Xác định bề mặt hấp thụ kích thước tháp hấp thụ 1. Đường kính tháp hấp thụ: Ta chọn đệm gỗ có các kích thước như sau: Chiều dày thanh đệm: a = 0,01m Khoảng cách giữa các thanh đệm: b = 0,02m Chiều cao thanh đệm: c = 0,1m Tốc độ tới hạn của khí cốc ra ở nhiệt độ và áp suất ra được xác định theo phương trình: v = 2,32. (3) Trong đó: Z: độ nhớt của khí, CP dtd: đường kính tương đương của đệm, m (dtd = 2.b) r: mật độ khí ra, kg/m3( tính ở điều kiện nhiệt độ và áp suất khí ra) Nhiệt độ khí ra: t = 300C = 3030K áp suất khí ra: P = 825mmHg Ta có: Z = 0,0127CP Trong đó: M2: trọng lượng khí cốc ra, kg/h V2: thể tích khí cốc ra, m3/h Thay các giá trị M2, V2 vào ta được: kg/m3 Đường kính tương đương của đệm dtd = 2.b = 2.0,02 = 0,04m Thay các giá trị Z, dtd, r vào biểu thức (3) ta có: v = 2,32.m/s Bề mặt ướt cần thiết của đệm xác định theo công thức sau: Sư = , m2 Trong đó: v: vận tốc tới hạn, m/s V: thể tích thực tế của khí ra khỏi tháp hấp thụ, m3/h Tính ở điều kiện nhiệt độ và áp suất khí ra ta có: V = VR ., m3/h Với: VR là thể tích khí ra khỏi tháp, m3/h Thay vào ta có: V = m3/h Khi đó: Sư = m2 Tiết diện chung của đệm của tháp: Schung = , m2 Thay số a, b, Sư vào ta có: Schung = m2 Đường kính của tháp hấp thụ D = , m Thay giá trị Schung, p vào ta có: D = 2. Xác định bề mặt hấp thụ Bề mặt hấp thụ được xác định theo công thức sau: F = , m2 Trong đó: G: lượng benzen hấp thụ được, kg/h K: hệ số hấp thụ, kg/m2.h.mmHg DPTB: động lực hấp thụ trung bình, mmHg Động lực hấp thụ DP phải tính riêng ở phần trên và phần dưới của tháp. - Động lực hấp thụ ở phần trên của tháp hấp thụ: DP2 Trong đó: : là áp suất riêng phần của hydrocacbon benzen trong khí ra, mmHg MB: phân tử lượng trung bình của hydrocacbon benzen mmHg : áp suất hơi của hydrocacbon benzen ở trên dầu vào, mmHg Thay giá trị C1, Md, Pb, MB vào biểu thức trên ta có: mmHg Vậy DP2 = = 0,42 – 0,35 = 0,07 mmHg - Động lực hấp thụ ở phần dưới của tháp hấp thụ benzen: DP1 Trong đó: : là áp suất riêng phần của hydrocacbon benzen trong khí vào, mmHg Thay giá trị a1, P1, MB vào biểu thức ta có: mmHg : áp suất hơi của hydrocacbon benzen trên dầu đi ra, mmHg Pb: áp suất hơi bão hoà của hydro cacbon benzen ở 300C Thay giá trị C2, Md, Pb, MB vào biểu thức trên ta có: mmHg mmHg Vậy mmHg Tính hệ số hấp thụ: K K = , Kg/m2.h.mmHg Trong đó: Kk: hệ số chuyển khối khi hấp thụ qua màng khí, kg/m2.h.mmHg - Xác định chuẩn số Nuk: Với: C: chiều dày thanh đệm, m (c = 0,1) dtd: đường kính tương đương của đệm, m (dtd = 0,04) Chuẩn số Rek được xác định theo công thức: Trong đó: v: vận tốc khí qua tháp,m/s Z: độ nhớt của khí (Z = 0,0127 Cp) Thay giá trị v, dtd, Z, r vào biểu thức ta có: - Xác định chuẩn số Prk: Chuẩn số Prk được xác định bỡi công thức sau: Trong đó: gk: độ nhớt động học của khí ở điều kiện trung bình, m2/s Mật độ của khí vào , kg/m3 Trong đó: M1: lượng khí vào, kg/h V1: thể tích khí vào, m3/h V1= m3/h kg/m3 Mật độ của khí ra Trong đó: M2: lượng khí ra, kg/h V2: thể tích khí ra, m3/h V2 =m3/h kg/m3 Mật độ trung bình của khí: r0 kg/m3 Mật độ khí tính ở điều kiện thực tế: , kg/m3 Thay giá trị PTB, TTB, r0 ta có: kg/m3 Vậy: m2/s Hệ số khuyếch tán của hydrocacbon benzen trong khí cốc ở điều kiện tiêu chuẩn: Trong đó: Mk: phân tử lượng của khí cốc Mk = r.22,4 = 0,487.22,4 = 11 Vậy m2/s Hệ số khuyếch tán ở điều kiện thực tế tức nhiệt độ trung bình và áp suất trung bình của khí vào và ra: Thay giá trị PTB, TTB, vào ta có: m2/s Khi đó: Chuẩn số Nuk sẽ là: Thay số ta có: Khi đó: Kk = m/s Chuyển đổi đơn vị của Kk từ m/s sang kg/m2.h.mmHg: kg/m2.h.mmHg - Tính hệ số chuyển khối hấp thụ qua màng lỏng: Kd ,m/h Tính Nud: ( Chuẩn số Nuychxen đối với dầu) (1) Với: c là chiều cao thanh đệm, m Tính Red: (2) Trong đó: qd: mật độ tưới của dầu, m3/m.h nd: độ nhớt động học của dầu, m2/h Đại lượng qd được xác định theo phương trình: (3) L: lượng dầu hấp thụ vào, kg/h rd: mật độ dầu hấp thụ, kg/m3 (rd = 1055) U: chu vi của dầu trong một vòng đệm, m U = 2.l l: chiều dài thanh đệm trong một vòng đệm, m l = , m Thay giá trị Schung, Sư , a vào biểu thức trên ta có: l = m Khi đó: U = 2.l = 2.660 = 1320 m Thay giá trị U, L, rd vào biểu thức (3) ta có: m3/m.h Độ nhớt động lực học của dầu ở 300C là 16,5 Cp, tính chuyển thành độ nhớt động học: (nd) Thay giá trị Zd, rd vào ta có: m2/s hay 5630,4.10-5 m2/h Thay qd, nd vào (2) ta có: Tính Prd: chuẩn số Prăng đối với dầu hấp thụ được xác định theo công thức sau: (4) Trong đó: Dd: hệ số khuyếch tán của hydrocacbon benzen trong dầu hấp thụ ở 300C Dd = 0,14.10-6 m2/h Thay giá trị nd, Dd vào (4) ta có: Thay giá trị Red, Prd, dtd, c vào (1) ta có: Thay giá trị Nud, Dd, dt d ta tính được Kd m/h Chuyển đổi đơn vị Kd từ m/h sang kg/m2.h.mmHg ,kg/m2.h.mmHg H: hằng số henry, mmHg.m3/kg áp suất hydrocacbon benzen trong dầu vào Pd = H1.x1 x1: hàm lượng hydrocacbon benzen trong dầu vào, kg/m3 x1 = kg/m3 Pd = 0,35 mmHg (tính ở phần trước) H1 = mmHg.m3/kg áp suất hydrocacbon benzen trong dầu ra x2: hàm lượng hydrocacbon benzen trong dầu ra, kg/m3 kg/m3 = 4,5 mmHg mmHg Ta có H = H1 = H2 = 0,195 mmHg kg/m2.h.mmHg Thay giá trị Kk, Kd vào ta tính được K: kg/m2.h.mmHg Bề mặt hấp thụ cần thiết: F = m2 3. Tính chiều cao tháp hấp thụ: Bề mặt một vòng đệm f, m2 f = U.c U: chu vi chảy của chất lỏng trong 1 vòng đệm, m U = 1320 m c: chiều cao thanh đệm, m (c = 0,1) f = 1320.0,1 = 132 m2 Số vòng đệm cần thiết: vòng Chọn n = 690 vòng Vì ta có 3 tháp hấp thụ nên số vòng đệm trong mỗi tháp là: vòng Ta chia tháp ra 10 ngăn đệm nên số vòng đệm mỗi ngăn là: vòng Khoảng cách giữa các ngăn là: 0,5 m Chiều cao 1 vòng đệm là: 0,12 m Khoảng cách từ mặt trên đệm đến nắp và từ mặt dưới đệm đến đáy là: 5 m Vậy chiều cao tháp hấp thụ là: 10.(23.0,12) + (0,5.9) + 5 = 37,1m Ta chọn chiều cao tháp hấp thụ là: 38 m Cột chưng benzen Cân bằng vật chất phần dưới của cột Pha lỏng từ thiết bị đun nóng dầu đi vào phần dưới của cột chưng có thành phần như sau: Thành phần Kg/h Dầu hấp thu 100064 Benzen 1599 Toluen 460 Xylen 110 Sonven 22 Tổng cộng 102255 Mức độ chưng của các cấu tử ở phần dưới của cột phụ thuộc vào nhiều yếu tố: áp suất hơi của các cấu tử và nhiệt độ đun nóng dầu, áp suất trong cột, số đĩa, lượng hơi nước đưa vào trong cột. Sự liên quan giữa các yếu tố với mức độ chưng của mỗi cấu tử được biểu thị bằng phương trình sau: Trong đó: hi: mức độ chưng của mỗi cấu tử n: số đĩa ở phần dưới của cột chưng ki: hằng số cân bằng đối với mỗi cấu tử ki = Pi: áp suất hơi của cấu tử, mmHg. P: áp suất chung trong cột, mmHg. l : tỷ số lượng dầu với lượng nước đưa vào. Để xác định mức độ chưng của mỗi cấu tử cần phải biết nhiệt độ dầu, áp suất trong cột, số đĩa và chi phí lượng hơi. Do đó từ việc tính toán mức độ chưng của mỗi cấu tử có thể xác định hàm lượng còn lại của các cấu tử ở trong dầu hấp thụ đi ra khỏi cột. Nếu như sau khi tính toán mà hàm lượng hydrocacbon ở trong dầu đã khử benzen cao hơn mức độ cho thì cần phải tăng số đĩa trong cột hoặc tăng chi phí hơi nước, hoặc tăng nhiệt độ đun nóng dầu. Nếu như hàm lượng hydrocacbon còn lại nhỏ hơn cần thiết thì những yếu tố này cần phải giảm đi: Lấy nhiệt độ của dầu ra là 1350C Tỷ số lượng mol dầu với lượng mol hơi l=1,5 Số đĩa ở phần dưới của cột là: 12 đĩa áp suất hơi của các cấu tử ở 1350C: áp suất các cấu tử mmHg PB 3172 PT 1550 PX 709,85 PS 350 PD 60 áp suất chung của cột P = 820 mmHg Hằng số cân bằng đối với từng cấu tử được xác định như sau: Mức độ chưng đối với từng cấu tử như sau: Thay số đối với từng cấu tử ta có: Lượng các cấu tử được chưng ra ở phần dưới của cột chưng xác định như sau: kg/h Benzen: kg/h Toluen: kg/h Xylen: kg/h Sonven: kg/h Dầu hấp thụ: kg/h Tổng cộng các cấu tử chưng ra là: Lượng còn lại của các cấu tử trong pha lỏng,kg/h Lượng benzen: 1599 – 1595,6 = 3,4 kg/h Lượng toluen: 460 – 430,4 = 29,6 kg/h Lượng xylen: 110 – 62,5 = 47,5 kg/h Lượng sonven: 22 – 6,3 = 15,7 kg/h Lượng dầu hấp thụ: 100064 – 4883 = 95181 kg/h Vậy lượng còn lại ở pha lỏng tổng cộng là: 3,4 + 29,6 + 47,5 + 15,7 +95181 = 95277,2 kg/h Tính lượng hơi cần thiết để chưng: Ta đã biết tỷ số giữa lượng mol dầu/hơi nước Thay giá trị l, Gd, Md vào biểu thức trên ta có: kg/h Lượng hơi tính cho 1m3 dầu: kg/h.m3 dầu Bảng cân bằng vật chất ở phần dưới của cột chưng: Các cấu tử Lượng vào Đi ra từ phần dưới cột chưng Vào phần trên cột chưng Còn lại pha lỏng Tổng cộng Benzen 1599 1595,6 3,4 1599 Toluen 460 430,4 29,6 460 Xylen 110 62,5 47,5 110 Sonven 22 6,3 15,7 22 Dầu hấp thu 100064 4883,0 95181,0 100064 Hơi nước 7064 7064,0 0,0 7064 Tổng cộng 109319 14041,8 95277,2 109319 Cân bằng vật chất phần trên cột chưng ở phần trên của cột chưng đi vào có hơi từ thiết bị đun nóng hơi từ phần dưới của cột chưng. Số liệu chung được nêu ra ở bảng sau: Các cấu tử Lượng vào kg/h Lượng vào Kmol/h Từ thiết bị đun nóng Từ phần dưới cột chưng Tổng cộng Benzen 466 1595,6 2061,6 26,430 Toluen 92 430,4 522,4 4,930 Xylen 16 62,5 78,5 0,853 Sonven 5 6,3 11,3 0,094 Hơi nước 1040 7064,0 8104,0 450,220 Dầu hấp thu 1125 4883,0 6008,0 35,340 Tổng cộng 2744 14041,8 16785,8 517,867 ở phần trên của cột chưng xảy ra sự ngưng tụ hơi dầu khi đó nhiệt độ giảm xuống cho đến đại lượng tương ứng để ngưng tụ hơi dầu và hơi nước. Số đĩa cực đại của cột nghĩa là số đĩa đạt được ở nhiệt độ ra của Ơtecti được xác định theo công thức sau: Trong đó: nmax: số đĩa cực đại r: nhiệt ngưng tụ hơi dầu, kcal/kmol q: tổn thất nhiệt vào bề mặt bên cạnh của cột ứng với 1 đĩa, kcal/h hàm lượng tương ứng của hơi dầu và hơi nước đi vào cột, kmol/h. hàm lượng tương ứng của hơi dầu và hơi nước ở trạng thái Ơtecti. Thành phần Ơtecti được xác định theo phương trình: Trong đó: P: áp suất chung ở lối ra của cột, mmHg tE: nhiệt độ Ơtecti,0C Xác định tE theo phương trình: Lấy áp suất ở lối ra của cột P = 790 mmHg Khi đó: 0C Bởi vì nhiệt độ cho phép nhỏ nhất của hơi là 100,40C. Thành phần hơi này là: Và Nhiệt ngưng tụ của hơi dầu, kcal/kmol r = 62,2.170 = 10574 kcal/kmol Để tính tổn thất nhiệt q ta lấy: - Đường kính cột D = 3000 mm - Khoảng cách giữa các đĩa h = 850 mm - Nhiệt độ thành thiết bị 1250C - Nhiệt độ không khí là 250C Tính bề mặt bên của cột tương ứng 1 đĩa. F = p.D.h m2 F = 3,14.3.0,85 = 8,01 m2 Hệ số cấp nhiệt đối lưu: ađl = 5,3 + 3,6.v v: vận tốc của gió (lấy v = 3 m/s) Khi đó: ađl = 5,3 + 3,6.3 = 16,1 kcal/m2.h.độ Hệ số cấp nhiệt bức xạ: abx Trong đó: tTTB: nhiệt độ thành thiết bị, 0C tKK: nhiệt độ không khí, 0C kcal/m2.h.độ Lượng nhiệt mất mát vào môi trường xung quanh tương ứng 1 đĩa: q = (16,1 + 8).8,01.(125 – 25) = 19304 kcal/h Thay các giá trị r, q, ta có: đĩa (14 đĩa) Ta lấy số đĩa nhỏ hơn số đĩa thực tế: n = 12 đĩa Khi đó hàm lượng hơi đi ra khỏi cột ứng 12 đĩa sẽ là: Thay các giá trịq, n, r, vào ta có: Nhiệt độ hơi đi ra khỏi cột chưng vào thiết bị hồi lưu ngưng tụ: Thay các giá trị vào ta có: Lượng hơi dầu được ngưng tụ ở phần trên của cột chưng Thay các giá trị vào ta có: kmol/h Tính theo đơn vị kg/h: md = 21,9.170 = 3722 kg/h Do đó lượng dầu còn lại ở pha hơi: m = kg/h Cân bằng vật chất ở phần trên của cột chưng: Các cấu tử Lượng vào kg/h Vào thiết bị hồi lưu, kg/h Lượng được ngưng tụ kg/h Tổng cộng kg/h Benzen 2061,6 2061,6 0 2061,6 Toluen 522,4 522,4 0 522,4 Xylen 78,5 78,5 0 78,5 Sonven 11,3 11,3 0 11,3 Dầu hấp thu 6008,0 2286,0 3722 6008,0 Hơi nước 8104,0 8104,0 0 8104,0 Tổng cộng 16785,8 13063,8 3722 16785,8 Cân bằng vật chất cho toàn bộ cột chưng: Lượng vào kg/h Lượng ra kg/h Từ thiết bị đun nóng - Pha lỏng - Pha hơi 102255 2744 Từ phần dưới cột chưng - Còn lại pha lỏng - Lượng dầu ngưng tụ 95277,2 3722,0 Hơi nước trực tiếp 7064 Từ phần trên cột chưng 13063,8 Tổng cộng 112063 Tổng cộng 112063,0 Bảng cân bằng vật liệu của cột theo các cấu tử, kg/h Các cấu tử Lượng vào, kg/h Lượng ra, kg/h Pha lỏng Pha hơi Tổng cộng Pha lỏng Pha hơi Tổng cộng Benzen 1599 466 2065 3,4 2061,6 2065 Toluen 460 92 552 29,6 522,4 552 Xylen 110 16 126 47,5 78,5 126 Sonven 22 5 27 15,7 11,3 27 Dầu hấp thụ 100064 1125 101189 98903,0 2286,0 101189 Hơi nước 0 1040 1040 0,0 1040,0 1040 Hơi nước trực tiếp 0 7064 7064 0,0 7064,0 7064 Tổng cộng 102255 9808 112063 98999,2 13063,8 112063 B. Cân bằng nhiệt lượng. I. Nhiệt vào, QV: 1. Nhiệt do pha lỏng từ thiết bị đun nóng, Q1: Q1 = 6867000 kcal/h 2. Nhiệt do pha hơi từ thiết bị đun nóng, Q2: Q2 = 896500 kcal/h Nhiệt mang vào do hơi nước. Lấy hơi nước bão hoà có: P = 4 atm i = 654 kcal/kg t = 142,9 0C Q3 = m.i Trong đó: i: ẩn nhiệt hoá hơi, kcal/kg m: lượng hơi nước dùng, kg/h Q3 = 7064.654 = 4619856 kcal/h Tổng lượng nhiệt vào là: QV = Q1 + Q2 +Q3 = 6867000 + 896500 + 4619856 = 12383356 kcal/h III. Nhiệt mang ra, QR: 1. Do pha hơi mang ra ở t = 1020C, Q4 a. Hơi dầu, q1 i = 62,2 + 0,403.t Thay giá trị t vào ta có: i = 62,2 + 0,403.102 = 103,306 kcal/kg q1 = m.i Với m là lượng dầu trong pha hơi m = 2286 kg/h Từ đó: q1 = 2286.103,306 = 236157 kcal/kg b.Do hơi nước, q2: Hàm nhiệt hơi nước ở 1200C: i = 640 kcal/h q2 = m.i = (7064 + 1040).640 = 5186560 kcal/h c. Do hơi hydro cacbon benzen, q3 Hàm nhiệt của hơi hydro cacbon benzen được xác định như sau: i = 103 + 0,281.tTB tTB: là nhiệt độ trung bình của các cấu tử (tTB = 121,63) i = 103 +0,281.121,63 = 137,2 kcal/kg Từ đó: q3 = m.i = 2673,8.137,2 = 366845 kcal/h Vậy nhiệt do pha hơi mang ra ở nhiệt độ t = 1020C là: Q4 = q1 + q2 + q3 = 236157 + 5186560 +366845 = 5789562 kcal/h 2. Nhiệt mang ra do pha lỏng ở nhiệt độ t0C, Q5 a. Do dầu, q1: q1 = m.C.t C: tỉ nhiệt của dầu hấp thụ C = Giả thiết t = 128,630C kcal/kg.độ q1 = m.C.t = 98903.0,4938.t = 48838,3.t kcal/h b. Do hydro cacbon benzen, q2: q2 = m.C.t C = 0,383 + 0,001043.t ( C: tỉ nhiệt của hydro cacbon benzen, kcal/kg độ) Cũng với giả thiết t = 128,630C ta có: C = 0,383 + 0,001403.128,63 = 0,5172 kcal/kg.độ Thay số vào ta có: q2 = 96,2.0,5172.t = 49,755.t kcal/h Tổng nhiệt do pha lỏng mang ra: Q5 = q1 + q2 = 48838,3.t + 49,755.t = 48888,055.t kcal/h 3. Nhiệt lượng tổn thất vào môi trường xung quanh, Q6: a. Lượng nhiệt tổn thất ở phần trên của cột,q1: q1 = 12.19304 = 231648 kcal/h 12: số đĩa của cột 19304: nhiệt tổn thất ứng với 1 đĩa của cột, kcal/h b. Lượng nhiệt tổn thất ở phần dưới của cột, q2: Lấy nhiệt độ thành thiết bị 600C và tốc độ gió v = 3m/s: Hệ số cấp nhiệt bức xạ: abx kcal/m2.h.độ Hệ số cấp nhiệt đối lưu: ađl kcal/m2.h.độ Bề mặt 1 đoạn thiết bị F = 8,01 m2 Khi đó: q2 = n.F.(ađl +abx).(tTB – tKK) Thay số vào ta có: q2 = 12.8,01.(16,1 + 5,8).(60 – 25) = 73676 kcal/h Vậy lượng nhiệt tổn thất vào môi trường xung quanh: Q6 = q1 + q2 =231648 + 73676 = 305324 kcal/h Tổng lượng nhiệt ra: QR = Q4 + Q5 + Q6 = 5789562 + 48888,055.t + 305324 = 6094886 +48888,055.t kcal/h Cân bằng giữa nhiệt vào và nhiệt ra ta tính được nhiệt độ dầu ra khỏi cột chưng (t): QV = QR 12383356 = 6094886 + 48888,055.t t = 128,630C. Vậy ta giả thiết nhiệt độ t = 128,630C là hoàn toàn chính xác Bảng cân bằng nhiệt lượng: Nhiệt vào,QV kcal/h Nhiệt ra, QR kcal/h Với pha lỏng từ thiết bị đun nóng ._.