Mở đầu: Giới thiệu tóm tắt mục đích đề tài, phương pháp công nghệ được giao thiết kế, tính chất sản phẩm và ứng dụng Phần 2: Sơ đồ, mô tả dây chuyền công nghệ Phần 3: Phương pháp và các kết quả tính thiết bị chính với các nội dung chính: Tính cân bằng vật liệu, xác định các thông số của tháp (đường kính, chiều cao, trở lực, .), tính cân bằng nhiệt luợng, Phần 4: Tính toán cơ khí Phần 5: Tính toán các thiết bị phụ: thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, bơm, thiết bị ngƣng tụ hồi luu sản phẩm đỉnh. 11 PHẦN 2: SƠ ĐỒ, MÔ TẢ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 12 Hoạt động của dây chuyền sản xuất Hỗn hợp đầu từ thùng chứa 1 được bơm 2 bơm liên tục lên thùng cao vị 3. Mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn. Từ thùng cao vị, hỗn hợp đầu qua thiết bị đun nóng dung dịch 4.
Tại đây, dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đến nhiệt độ sôi. Sau đó, dung dịch được đưa vào tháp chưng luyện qua đĩa tiếp liệu Tháp chưng luyện gồm hai phần: Phần từ đĩa tiếp liệu trở lên là đoạn luyện, phần từ đĩa tiếp liệu trở xuống là của đoạn chưng Như vậy, ở trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với pha hơi đi từ dưới lên. Hơi bốc từ đĩa dưới lên qua các lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏng của đĩa trên, ngưng tụ một phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tang dần theo chiều cao tháp. Vì nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng nên nồng độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tang.
Cấu tử dễ bay hơi có nheietj độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi nên khi nồng độ của nó tang thì nheiejt độ sôi của dung dịch giảm. Do đó, theo chiều cao của tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) tang dần, nồng độ cấu tử khhos bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần và nhiệt độ giảm dần. Cuối cùng, ở đỉnh tháp ta sẽ thu được hỗn hợp hơi có thành phần haaif hết là cấu tử dễ bay hơi còn ở dáy tháp ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay hơi chiếm tỷ lệ lớn. Để duy trì pha lỏng trong các đĩa trong đoạn luyện, ta bổ sung bằng dòng hồi lưu ngưng tụ từ hơi đỉnh tháp.
Hơi đỉnh tháp dược ngưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 6, dung dịch lỏng thu được sau khi ngưng tụ một phần được dẫn hòi lưu trở lại đĩa luyện trên cùng để duy trì pha lỏng trong các đĩa đoạn luyện, phần còn lại được đưa qua thiết bị làm lạnh 7 để đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh 8. Chất lỏng ở đáy tháp được tháo ra ở đáy tháp, sau đó một phần được đun sôi bằng thiết bị gia nhiệt đáy tháp 9 và hồi lưu về đĩa đáy tháp, phần chất lỏng còn lại đưa vào bể chứa sản phẩm đáy 10. Nước ngưng của các theiets bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng 11 Như vậy thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đưa vào liên tục và sản phẩm được đẩy ra liên tục). 13 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 3.1 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ Kí hiệu các đại lượng: F: lượng nguyên liệu đầu (kmol/h) P: lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h) W: lượng sản phẩm đáy (kmol/h) xf: nồng độ mol cấu tử hỗn hợp dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu xp: nồng độ mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh xw: nồng độ mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy GIẢ THIẾT + Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp + số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao của đoạn chưng vầ đoạn luyện + Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi + Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp + Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra ở đỉnh tháp YÊU CẦU THIẾT BỊ F: Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu = 4 (kg/s) Thiết bị làm việc ở áp suất thường (P = 1 at) Tháp chưng loại: Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền ĐIỀU KIỆN : aF: nồng độ methanol trong hỗn hợp đầu = 14% phần khối lượng aP: nồng độ methanol trong sản phẩm đỉnh = 97% phần khối lượng aw: nồng độ methanol trong sản phẩm đáy = 1.8% phần khối lượng MA: khối lượng phần tử methanol = 32(kg/mol) MB: khối lượng phân tử nước = 18 kg/mol ĐỔI PHẦN KHỐI LƯỢNG SANG PHẦN MOL 𝑎𝑓/𝑀𝑎 14/32 xf = = = 0.084 phần mol 𝑎𝑓/𝑀𝑎+(100−𝑎𝑓)/𝑀𝑏 14/32+(100−14)/18 𝑎𝑝/𝑀𝑎 97/32 xp = = =0.8)/18 14 TÍNH KHỐI LƯỢNG MOL TRUNG BÌNH: Áp dụng công thức: M= x.
MB Ta có: MF =0.1 Cân bằng vật liệu: Hỗn hợp đầu vào F (methanol- nước ) được phân tách thành sản phẩm đỉnh P (methanol) và sản phẩm đáy W ( nước ). Ở đĩa trên cùng có 1 lượng lỏng hồi lưu, ơ đáy tháp có thiết bị đun sôi. Lượng hơi đi ra từ đỉnh tháp D0 Hình 3. 1 Sơ đồ hệ thống chưng Phương trình cân bằng vật liệu GF = G P + G W Trong đó: GF là lượng hỗn hợp đầu đi vào tháp (kg/h) GP là lượng saen phẩm đỉnh (kg/h) 15 GW là lượng sản phẩm đáy (kg/h) Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi (METHANOL) GF.
aW Theo đề bài: Lượng hỗn hợp đầu: 14400 GF = 4 (kg/s) = 14400 (kg/h) = = 750.176 Lượng sản phẩm đỉnh: 𝑎𝐹−𝑎𝑊 14−1.272 Lượng sản phẩm đáy: 𝑎𝑃−𝑎𝐹 97−14 Gw = GF.2 Tính chỉ số tối thiểu Dựa vào sổ tay hóa công (2-148) ta có thành phần cân bằng lỏng hơi của methanol- nước cho theo bẳng sau Bảng 3. 1 Cân bằng lỏng hơi nước-Methnol 16 Hình 3. 2 Đồ thị YX xác định số đĩa lý thuyết Hình 3. 3 Đồ thị YX xác định 𝑿𝑭 và 𝒀∗𝑭 Với giá trị xF=0.084 phần mol ta kẻ đường song song với trục y và cắt đường cân bằng, từ đó ta kẻ dường song song với trục x cắt y tại B và ta xác định được: y*F= 0.
từ đó ta tính được Rmin Hoặc Ap dụng công thức nội suy 𝑦𝑏−𝑦𝑎 Y=yA+ (x-xA)* 𝑋𝑏−𝑋𝑎 𝑡°𝑏−𝑡°𝑎 T=t°𝑎 + (𝑥 − 𝑥𝑎) ∗ 𝑋𝑏−𝑋𝑎 Hỗn hợp đầu F có xF= 0.084 phần mol 17 Theo bảng 1 ta có A: Ya= 26.8 %mol, Xa= 5 %mol, t°a= 92.8 %mol, Xb= 10 %mol, t°b=87.1 SP X phần mol y* phân mol t F 0. 2 Tính toán X và 𝒀∗ 0.3 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp Chỉ số hồi lưu làm việc thường được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu R= 𝛽. Rmin Trong đó :𝛽 : hệ số dư hay hê số điều chỉnh Tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu làm việc bằng R = (1.5) Rmin Ta biết Rmin cho β biến thiên bất kì trong khoảng (1.5), tính được R tương ứng. Ở mỗi R tương ứng ta sẽ vẽ đường làm việc và vẽ các bậ thay đổi nồng độ lý thuyết N.
Dưới đây là các đồ thị số đĩa lí thuyết trên cơ sở đường cân bằng, xP, xF, xW. Đường làm việc đoạn luyện đi qua các điểm ( xP, yP) và cắt trực tung có điểm 𝑥𝑃 B= , đường làm việc đoạn chưng đi qua giao điểm của đường làm việc 𝑅+1 đoạn luyện với đường xF = const và điểm ( xW, yW). Vẽ các tam giác như hình ta thu được số đĩa lý thuyết. Phương trình đoạn chưng 𝑅+𝑓 𝑓−1 Y= x+ xw 𝑅+1 𝑅+1 Phương trình đoạn luyện 𝑅 𝑥𝑝 Y= x+ 𝑅+1 𝑅+1 18 Β=1.
4 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết β=1. 5 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết 19 β=1. 6 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết β=1. 7 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết 20 β=2, R=2Rmin =4.
8 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết β=2. 9 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết 21 β 1. 3 Tổng hợp kết quả Hình 3. 10 Đồ thị xác định chỉ số hồ lưu thích hợp Thiết lập quan hệ N(R+1)-R ta xác định được Rth tại giá trị nhỏ nhất N(R+1) Kết quả thu được Rth=2.4 Số đĩa lý thuyết Với Rth= 2.82 xác định được số đĩa lý thuyết Nlt=9.8 ~ 10 Trong đó Số đĩa doạn chưng là 4 Số đĩa đoạn luyện là 6 3.5 Phương trình nồng độ làm việc Phương trình nồng độ làm việc đoạn luyện: 22 𝑅 𝑥𝑃 Y= x+ 𝑅+1 𝑅+1 Thay số ta được: 2.82+1 Phương trình nồng độ đoạn chưng: 𝑅+𝑓 1−𝑓 Y= x+ 𝑅+1 𝑅+1 𝐺𝐹 750.73 Thay số ta được y= x+ => y= 4.2 Tính đường kính tháp Vtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h).
tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s). gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h). Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn luyện khác nhau. Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau.1 Đường kính đoạn luyện 3.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp gd: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h).
g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn chưng (Kg/h). gtB: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h) + Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp gđ = GR + GP = GP (R+1) = 59.42 ( kmol/h) Trong đó: GP: Lượng sản phẩm đỉnh (kg/h) GR: Lượng chất lổng hồi lưu (kg/h) R: chỉ số hồi lưu + Lượng hơi đi vào đoạn luyện Từ hệ phương trình: g1 = G1 + Gp g1y1= G1x1+ GPxP (2.rđ Trong đó: G1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn luyện. r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất 23 rd: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp y1: hàm lượng hơi Tính r1 : r1= rA.211 Sổ tay HCONG I Ta có: Ở 60℃ có rA= 265 kcal/kg 100 ℃ rA =242 kcal/kg 242−265 Tại tF=89.172 ℃ nội suy : rA = 265+ (89.211 sổ tay HCONG I ta có: ở 60℃ có rn = 579 kcal/kg 100 ℃ có rn= 539 kcal/kg 539−579 Tại tF=89.172 ℃ nội suy : rn = 579+ (89.211 Sổ tay HCONG I Ta có: Ở 60℃ có rA= 265 kcal/kg 100 ℃ rA =242 kcal/kg 242−265 Tại tP= 65.28 t ℃ nội suy : rA = 265+ (65.211 sổ tay HCONG I ta có : ở 60℃ có rn = 579 kcal/kg 100 ℃ có rn= 539 kcal/kg 539−579 Tại tF=65.28 ℃ nội suy : rn = 579+ (65.70 (kj/kmol) Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp là rđ = 35040.88 kj/kmol Ta thiết lập được hệ phương trình: g1 = G1 + 59.41 Giải hệ trên ta thu được: g1= 206.