Thiết kế hệ thống tháp chưng luyện trong sản xuất sạch

Nhiệm vụ thiết kế đồ án môn học I. Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống thỏp chưng luyện trong sản xuất sạch. II. Các số liệu ban đầu: Hỗn hợp cần tách: Benzen – Tôluen. Lưu lượng hỗn hợp đầu vào tháp(): F = 3000 . Nồng độ hỗn hợp đầu (phần khối lượng): aF = 30% Nồng độ sản phẩm đỉnh (phần khối lượng): ap = 97% Nồng độ sản phẩm đáy (phần khối lượng): aW= 1,5%. Thiết bị chưng luyện: Tháp chóp III. Nội dung các phần thuyết minh tính toán: Mở đầu. Tính toán thiết kế tháp chưng luyện (mô phỏng theo một số điều kiện). Đường kính. Chiều cao. Trở lực của tháp. Các chi tiết tháp. Tính toán thiết bị truyền nhiệt đun sôi hỗn hợp đầu. Tính toán hệ thống bơm hỗn hợp đầu. Tính chọn cơ khí . Kết luận. IV. Các bản vẽ và đồ thị. - Bản vẽ sơ đồ dây chuyền. - Bản vẽ hệ thống tháp. mục lục Phần mở đầu..............................................................................................4 Vẽ và thuyết minh dây chuyền................................................................5 Tính toán thiết bị chính............................................................................7 I.Tính cân bằng vật liệu..................................................................7 II.Đường kính tháp.........................................................................10 III.Số đĩa thực tế và chiều cao tháp...............................................17 IV. Tính toán cơ khí......................................................................27 V. Trở lực......................................................................................44 Cân bằng nhiệt........................................................................................50 I. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu....................................................50 II.Tháp chưng luyện.......................................................................52 III. Thiết bị ngưng tụ.....................................................................55 IV.Thiết bị làm lạnh......................................................................55 Tính và chọn thiết bị phụ......................................................................57 I. Tính và chọn thiết bị gia nhiệt....................................................57 II.Tính bơm..................................................................................64 Kết lụân.................................................................................................75 Tài liệu tham khảo................................................................................76 Phụ lục.....................................................................................................77 Phần mở đầu Trong công nghiệp, việc phân tách các cấu tử từ hỗn hợp ban đầu là rất cần thiết nhằm mục đích hoàn thiện, khai thác, chế biến... Có rất nhiều phương pháp phân tách các cấu tử trong công nghiệp, trong đó có phương pháp chưng luyện là một trong những phương pháp hay được sử dụng. Chưng là phương pháp tách các cấu tử từ hỗn hợp ban đầu dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng trong hỗn hợp. Hỗn hợp này có thể là chất lỏng hoặc chất khí, thường khi chưng một hỗn hợp có bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Với hỗn hợp có hai cấu tử ta sẽ thu được hai sản phẩm là sản phẩm đỉnh gồm phần lớn là cấu tử dễ bay hơi và sản phẩm đáy chứa phần lớn là cấu tử khó bay hơi. Trong thực tế có thể gặp rất nhiều kiểu chưng khác nhau như : Chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng đơn giản, chưng luyện... Chưng luyện là phương pháp chưng phổ biến nhất dùng để tách hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hoà tan hoàn toàn hoặc một phần vào nhau. Chưng luyện là một phương thức sản xuất đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế và đem lại hiệu quả kinh tế cao. Do dó việc nghiên cứu thiết bị và qui trình công nghệ là một công việc có ý nghĩa rất quan trọng . Do thời gian có hạn và để đi sâu vào nội dung chính ,đồ án chỉ thực hiện và giải quyết việc tính toán kỹ thuật và thiết kế tháp chưng luyện chưa đi sâu tính toán hết thiết bị phụ . Nội dung đồ án bao gồm các phần sau : Sơ đồ nguyên lý dây chuyền sản xuất . Tính toán cân bằng vật liệu của tháp . Xác định đường kính của tháp . Xác định số đĩa thực tế bằng phương pháp đường cong động học và từ đó xác định chiều cao tháp . Ttính toán và chọn thiết bị phụ . Tính toán cơ khí . vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất I. Thuyết minh 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 (được điều chỉnh nhờ van và lưu lượng kế) qua thiết bị đun nóng dung dịch 4. Tại đây, dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà 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 trên là đoạn luyện, còn từ đĩa tiếp liệu trở xuống là 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 tăng 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 tăng. Cấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi nên khi nồng độ của nó tăng thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm. Tóm lại, theo chiều cao tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) tăng dần, nồng độ cấu tử khó 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 hầu hết là cấu tử dễ bay hơi còn ở đáy 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 xung bằng dòng hồi lưu được ngưng tụ từ hơi đỉnh tháp. Hơi đỉnh tháp được ngưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 6, dung dịch lỏng thu được sau khi ngưng tụ một phần được dẫn hồi 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 thiết 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 cũng được lấy ra liên tục). II. Sơ đồ dây chuyền : Chú thích : 1- Thùng chứa hỗn hợp đầu 2- Bơm 3- Thùng cao vị 4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 5- Tháp chưng luyện 6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh 9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 10- Thùng chứa sản phẩm đáy 11- Thiết bị tháo nước ngưng tính toán đường kính tháp và chiều cao tháp - 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 đoạn chưng và đoạn luyện. - Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi. - Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra ở đỉnh tháp. - Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp. - Yêu cầu thiết bị : F : Năng suất thiết bị tính theo lượng hỗn hợp đầu = 5000(kg/h). Thiết bị làm việc ở áp suất thường, P = 1 at Tháp loại : Tháp chóp - Điều kiện : : Nồng độ Benzen trong hỗn hợp đầu = 30% khối lượng. : Nồng độ Benzen trong sản phẩm đỉnh = 97% khối lượng. : Nồng độ Benzen trong sản phẩm đáy = 1,5% khối lượng. : Khối lượng phân tử của rượu Benzen = 78 kg/kmol. : Khối lượng phân tử của Toluen =92 kg/kmol. I. Tính cân bằng vật liệu : 1/ Tính cân bằng vật liệu: Theo phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp : F = P + W Và phương trình cân bằng vật liệu cho riêng cấu tử dễ bay hơi (Benzen): ị Lượng sản phẩm đáy là : ị Lượng sản phẩm đỉnh là : P = F – W = 5000 –3507,8534= 1492,1466 (kg/h) Tính lượng hỗn hợp đầu F’, lượng sản phẩm đỉnh P’, lượng sản phẩm đáy W’ theo kmol/s : 2/ Tính chỉ số hồi lưu thích hợp, số đĩa lý thuyết : Đổi nồng độ từ phần khối lượng sang phần mol : Dựa vào đường cân bằng lỏng-hơi của hệ Benzen-Toluluen cho trong bảng(II-146) nội suy ta có : a/ Chỉ số hồi lưu tối thiểu : b/ Chỉ số hồi lưu thích hợp : Cho R biến thiên (R >Rmin), với mỗi giá trị của R ta xác định được số đĩa lý thuyết tương ứng : b 1,3 1,4 1,5 1,75 2,0 2,25 2,5 R 2,5453 2,7411 2,9369 3,4263 3,9158 4,4053 4,8946 B 0,2748 0,2605 0,2475 0,2201 0,1982 0,1803 0,1653 N 19 18 15 14 13 12 12 N(R+1) 67,3607 67,3398 59,0535 61,9682 63,9054 64,8636 70,7352 Hệ số hiệu chỉnh : Từ bảng số liệu, ta xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ R – N(R+1). Dựa vào đồ thị , ta xác định được Rth = 2,9369 c/ Phương trình đường nồng độ làm việc : - Đường nồng độ làm việc đoạn chưng : Lượng hỗn hợp đầu tính theo 1 kmol sản phẩm đỉnh : Phương trình : - Đường nồng độ làm việc đoạn luyện : Phương trình : d/ Số đĩa lý thuyết : Với Rth = 2,9369 dựa vào đường cân bằng và đường làm việc, ta xác định được số đĩa lý thuyết. NLT =15 Trong đó : số đĩa đoạn chưng : 8 số đĩa đoạn luyện : 7 II. Đường kính của tháp : 1/ Lưu lượng trung bình các dòng pha đi trong tháp : a/ Trong đoạn luyện : Số liệu : GP : Lượng sản phẩm đỉnh (P’) = 19,0428 (kmol/h). R : Hệ số hồi lưu thích hợp = 2,9369 GR : Lượng hồi lưu = GP . R (kmol/h) ă Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp gđ : gđ = GR + GP = GP . (R + 1) = 19,0428. (2,9369+ 1) = 74,97 (kmol/h) ă Lượng hơi đi vào đoạn luyện g1 , nồng độ hơi y1 , lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện, nồng độ lỏng x1 : Coi x1 = xF = 0,3358 Phương trình cân bằng vật liệu : g1 = G1 + GP (1) Phương trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi (Benzen) : g1 y1 = G1 x1 + GP xP (2) Phương trình cân bằng nhiệt lượng : g1 r1 = gđ rđ (3) r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa luyện thứ nhất (kcal/kmol) rđ : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp (kcal/kmol) Gọi : rA : ẩn nhiệt hóa hơi của Benzen rB : ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen Từ đồ thị (t,x,y) ta có : - Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (x = xP = 0,9744): tP = 81,50C Nội suy theo bảng r – to (I-301) với to = 81,5°C : ị rđ = rA . yđ + rB (1 - yđ) = 7311,525 . 0,9744+ 8300,24 .(1- 0,9744) = 7311,9354 (kcal/kmol) - Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu (x = xF = 0,3358): Từ bảng thành phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử Benzen- Tuluen ở 1 at (II- 146) nội suy ra với x=0,3358 ta có tF = 95,38280C Nội suy theo bảng r – to (I-254) với to = 95,3828 ị rl = rA . yl + rB (1 – yl) = 7108,2024 . yl +8146,974 . (1 – yl) Thay rl vào (3) và giải hệ 3 phương trình trên (ẩn yl, gl, Gl), ta được : ị Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện : ị Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện : b/ Trong đoạn chưng : Số liệu : GW : Lượng sản phẩm đáy (W’) = 38,2314 (kmol/h) ă Lượng hơi đi vào đoạn chưng , nồng độ hơi , lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn chưng, nồng độ lỏng , lượng hơi ra khỏi đoạn chưng chính là lượng hơi đi vào đoạn luyện g1 : Ta có là nồng độ cân bằng ứng với xW , nội suy theo bảng số liệu đường cân bằng (II-146) :0 ị Phương trình cân bằng vật liệu : (1’) Phương trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi (Benzen) : (2’) Phương trình cân bằng nhiệt lượng : (3’) rl : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đoạn chưng. ị rl = rA . yl + rB (1 – yl) = 7108,2024 . 0,529 + 8146,974 . (1 – 0,529) = 7597,464 (kcal/kmol) r1’: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa chưng thứ nhất. Từ bảng số liệu x – to sôi dd (II-146), nội suy ta có: Nhiệt độ sôi hỗn hợp đáy (x = xW = 0,0176): tW = 109,3°C Nội suy theo bảng r – to (I-254) với to = 109,3°C : ị ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa chưng thứ nhất : rl’ = rA . yl’ + rB (1 – yl’) = 6915,7335.0,04367 + 7969,799 . (1 – 0,04367) = 7923,77 (kcal/kmol) ị Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng : ị Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng : 2/ Vận tốc hơi đi trong tháp : Tốc độ khí đi trong tháp chóp xác định theo: (.)tb= (Kg/m2.s) (II-184) : Khối lượng riêng trung bình pha lỏng (kg/ m3) : Khối lượng riêng trung bình pha hơi (kg/ m3) h : Khoảng cách giữa các đĩa (m) a/ Khối lượng riêng trung bình pha lỏng : (II-184) Trong đó : : Khối lượng riêng trung bình pha lỏng (kg/ m3) : Khối lượng riêng trung bình cấu tử 1 (kg/ m3) : Khối lượng riêng trung bình cấu tử 2 (kg/ m3) : Nồng độ khối lượng trung bình cấu tử 1 (kg/ kg) - Đoạn luyện : Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn luyện: Nội suy với xtbL theo bảng số liệu nồng độ – to sôi dung dịch (II-146) : ị Nhiệt độ trung bình đoạn luyện : ttbL = 88,07°C ị Khối lượng riêng của Benzen và Toluen theo t = ttbL : rxL1 = 806,123 (kg/m3) rxL2 = 799,93 (kg/m3) (I- 9) ị Nồng độ khối lượng trung bình của Benzen đoạn luyện : ị(kg/m3) - Đoạn chưng : Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn chưng : Nội suy với xtbC theo bảng số liệu nồng độ – to sôi dung dịch (II-146) : ị Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : ttbC = 103,2°C ị Khối lượng riêng của Benzen và Toluen theo t = ttbC : (kg/m3) (kg/m3) (I-10) ị Nồng độ khối lượng trung bình của Benzen đoạn luyện : ị(kg/m3) b/ Khối lượng riêng trung bình pha hơi : - Đoạn luyện : Nồng độ pha hơi đầu đoạn luyện là : yđL = y1 = 0,529 Nồng độ pha hơi cuối đoạn luyện là : ycL = yP = xP = 0,9744 ị Nồng độ trung bình pha hơi đoạn luyện : ị Khối lượng mol trung bình hơi đoạn luyện : = ytbL.M1+(1- ytbL).M2 = 0,7517 . 78 + (1- 0,7517).92 = 81,48 (kg/kmol) đ Khối lượng riêng trung bình pha hơi đoạn luyện : (kg/m3) - Đoạn chưng : Nồng độ pha hơi đầu đoạn chưng là : Nồng độ pha hơi cuối đoạn chưng là : ycC = y1 = 0,529 ị Nồng độ trung bình pha hơi đoạn chưng : đ Khối lượng mol trung bình hơi đoạn chưng : = ytbC.M1+(1-ytbC).M2 = 0,2863.78+(1– 0,2863).92 =87,995 (kg/kmol) đ Khối lượng riêng trung bình pha hơi đoạn chưng : (kg/m3) Sức căng bề mặt tính theo công thức: = + (I-299) Sức căng bề mặt của Toluen: = 20,65.10-3 (N/m) = 20,65 () Sức căng bề mặt của Benzen: = 20,29.10-3(N/m) = 20,29() = (+)-1 = ()-1 = 10,2336() < 20() Vậy hệ số tính đến sức căng bề mặt = 0,8 Chọn h = 0,4 (m) Tốc độ khí của hơi đoạn luyện: tbl = 0,065... (Kg/m2.s) Thay số: tbl = 0,065.0,8. = 1,5463(Kg/m2.s) Tốc độ khí của hơi đoạn chưng: tbc = 0,065... (Kg/m2.s) Thay số: tbc = 0,065.0,8. = 1,5561(Kg/m2.s) 3/ Đường kính tháp : (m) ( II-181) Trong đó : gtb : Lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h) - Đoạn luyện : Khối lượng mol trung bình pha hơi : Lưu lượng hơi trung bình : gtbL = 69,0031 (kmol/h) - Đoạn chưng : Khối lượng mol trung bình pha hơi : Lưu lượng hơi trung bình : gtbC = 61,74 (kmol/h) : Vận tốc hơi trung bình đi trong tháp (m/s) : Khối lượng riêng trung bình của hơi đi trong tháp (kg/m3) ị Đường kính đoạn luyện : ị Đường kính đoạn chưng : Vì đường kính hai đoạn chưng và luyện sai khác nhau không đáng kể, chuẩn hóa ta chọn đường kính cho cả tháp : D = 1,1 (m) ị Vận tốc thực tế của hơi trong tháp : - Đoạn luyện : - Đoạn chưng : III. Số đĩa thực tế và chiều cao tháp : Trong kĩ thuật thường áp dụng một trong 3 phương pháp tính chiều cao như sau: Tính chiều cao thiết bị theo phương trình chuyển khối- động học của quả trình được biểu diễn qua hệ số chuyển khối, còn động lực của quá trình tính theo hiệu số nồng độ hay gián tiếp qua số đơn vị chuyển khối. Tính chiều cao theo số bậc thay đổi nồng độ - động học của quá trình được biểu diễn qua chiều cao tương ứng với bậc thay đổi nồng độ lý thuyết ( đối với tháp đệm) hay hiệu suet của đĩa ( với tháp đĩa), còn động lực của quá trình tính gián tiếp qua số bậc thay đổi nồng độ lý thuyết (hay số đĩa lý thuyết). Tính chiều cao theo số đơn vị chuyển khối - động học quá trình được biểu diễn qua chiều cao một đơn vị chuyển khối - động học quá trình được biểu diễn qua chiều cao một đơn vị chuyển khối ( với tháp đệm) hay số đơn vị chuyển khối tương ứng với một đĩa (với tháp đĩa), còn động lực được tính theo số đơn vị chuyển khối chung của toàn tháp. Đối với tháp đĩa như trong bài này ta tính chiều cao của tháp theo số bậc thay đổi nồng độ, xác định số đĩa thep phương pháp vẽ đường cong động học. Phương pháp này có tính đến động học quá trình. Đây là một trong những phương pháp chính xác nhất dùng để tính tháp đĩa. 1/ Hệ số khuếch tán : a/ Hệ số khuếch tán trong pha lỏng: ă Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20oC: (m2/s) ( II-133) Trong đó : A,B : Hệ số liên hợp của chất tan và dung môi : A= 1; B= 1 MA, MB : Khối lượng mol của Benzen và Toluen (kg/kmol) MA = 78(kg/kmol) ; MB = 92 (kg/kmol) mB : Độ nhớt của dung môi ở 20oC (cP) : mtoluen, 20C = 0,586 (cP) vA, vB : Thể tích mol của Benzen và Toluen (cm3/mol) vA = 6.14,8 + 6.3,7 -15 =96 (cm3/mol) vB =7.14,8+8.3,7-15 = 118,2 (cm3/mol) (m2/s) ă Hệ số khuếch tán ở nhiệt độ xác định t: (II-134) Hệ số nhiệt độ : m : Độ nhớt của dung môi ở 20oC (cP) : mToluen, 20C = 0,586 (cP) r : Khối lượng riêng của dung môi ở 20oC (kg/m3). Tra bảng (I-9) ta được Toluen, 20C = 866 (kg/m3) ị Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn chưng : t = ttbC =103,2 °C (m2/s) ị Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn luyện : t = ttbL = 88,07°C (m2/s) b/ Hệ số khuếch tán trong pha hơi: Hệ số khuếch tán của khí trong khí (m2/s) Trong đó : MA, MB : Khối lượng mol của Benzen và Toluen (kg/kmol) MA = 78 (kg/kmol), MB = 92 (kg/kmol) vA, vB : Thể tích mol của Benzen và Toluen (cm3/mol) vA = 96 (cm3/mol) vB = 118,2 (cm3/mol) P : áp suất tuyệt đối của hỗn hợp : P = P0 = 1 (atm) T : Nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp : T = 273 + t (oK) ị Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn chưng : t = ttbC = 103,2°C (m2/s) ị Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn luyện : t = ttbL = 88,07°C (m2/s) 2/ Hệ số cấp khối : a/ Độ nhớt của hỗn hợp hơi : ( I-94) Trong đó : y : Nồng độ Benzen trong pha hơi : - Đoạn chưng : y = ytbC = 0,2836 - Đoạn luyện : y = ytbL = 0,7517 Mhh : Trọng lượng phân tử của hỗn hợp khí : - Đoạn chưng : (kg/kmol) - Đoạn luyện : (kg/kmol) M1, M2 : Trọng lượng phân tử của Benzen và Toluen : M1 = 78 (kg/kmol), M2 = 92 (kg/kmol) m1, m2 : Độ nhớt của Benzen và Toluen : - Đoạn chưng : t = ttbC = 103,2°C theo bảng (I-116) và (I-117) nội suy ta có: m1 = 95,8.10-7 (Ns/m2) m2 = 88.10-7 (Ns/m2) - Đoạn luyện : t = ttbL = 88,07°C theo bảng (I-116) và (I-117) nội suy ta có: m1 = 92,14.10-7 (Ns/m2) m2 = 85.10-7 (Ns/m2) ị Độ nhớt hỗn hợp hơi đoạn chưng là : (Ns/m2) ị Độ nhớt hỗn hợp hơi đoạn luyện là : (Ns/m2) b/ Độ nhớt của hỗn hợp lỏng : ( I-93) Trong đó : x : Nồng độ phần mol của Benzen trong hỗn hợp : - Đoạn chưng : x = xtbC = 0,1767 - Đoạn luyện : x = xtbL = 0,6511 m1, m2 : Độ nhớt động lực của Benzen và Toluen : - Đoạn chưng : t = ttbC = 103,2°C theo bảng (I-91): m1 = 0,2543.10-3(Ns/m2) m2 = 0,2664.10-3(Ns/m2) - Đoạn luyện : t = ttbL = 88,07°C theo bảng (I-134): m1 = 0,294.10-3 (Ns/m2) m2 = 0,2996.10-3 (Ns/m2) ị Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn chưng : lg(mhh) = 0,1767 . lg(0,2543) + (1- 0,1767) . lg(0,2664) = - 0,578 mhh = 0,2642 (cP) = 0,2642 . 10-3 (Ns/m2) ị Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn luyện : lg(mhh) = 0,6511 . lg(0,294) + (1- 0,6511) . lg(0,2996) = - 0,5288 mhh = 0,296 (cP) = 0,296 . 10-3 (Ns/m2) c/ Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi : ( II-164) Trong đó : : Tốc độ hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp (m/s) - Đoạn chưng : - Đoạn luyện : h : Kích thước dài, chấp nhận bằng 1m : Khối lượng riêng trung bình của hơi (kg/m3) - Đoạn chưng : - Đoạn luyện : : Độ nhớt trung bình của hơi (Ns/m2) ị Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn chưng là : ị Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn luyện là : d/ Chuẩn số Prand đối với pha lỏng : (II-165) Trong đó : : Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m3) - Đoạn chưng : rx = rxC = 785,21(kg/m3) - Đoạn luyện : rx = rxL =803,85 (kg/m3) : Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m2/s) : Độ nhớt trung bình của lỏng (Ns/m2). ị Chuẩn số Pran đối với pha lỏng đoạn chưng là : ị Chuẩn số Pran đối với pha lỏng đoạn luyện là : e/ Hệ số cấp khối trong pha hơi : Theo công thức tính cho tháp chóp: (II-164) Trong đó : : Hệ số khuếch tán trong pha hơi (m2/s) : Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi. ị Hệ số cấp khối pha hơi đoạn chưng là : ị Hệ số cấp khối pha hơi đoạn luyện là : f/ Hệ số cấp khối trong pha lỏng : () Trong đó : : Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m3) - Đoạn chưng : rx = rxC = 785,21(kg/m3) - Đoạn luyện : rx = rxL =803,85 (kg/m3) : Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m2/s) : Khối lượng mol trung bình của lỏng (kg/kmol) Mx = x.MA + (1-x).MB - Đoạn chưng : x = xtbC = 0,1767 ị MxC = 0,1767.78 + (1- 0,1767).92 = 89,5262 (kg/kmol) - Đoạn luyện : x = xtbL = 0,6511 ị MxL = 0,6511.78+ (1- 0,6511).92 = 82,8846 (kg/kmol) h : Kích thước dài, chấp nhận bằng 1m. : Chuẩn số Prand đối với pha lỏng. ị Hệ số cấp khối pha lỏng đoạn chưng là : () ị Hệ số cấp khối pha lỏng đoạn luyện là : () 3/ Hệ số chuyển khối – Đường cong động học – Số đĩa thực tế : a/ Hệ số chuyển khối : () ( II-162) Trong đó : ,: Hệ số cấp khối pha lỏng và pha hơi ( ) m : Hệ số phân bố vật chất. b/ Số đơn vị chuyển khối đối với mỗi đĩa trong pha hơi : ( I-173) Trong đó : f : Diện tích làm việc của đĩa f = F – (fh.n + m.fch ) fh: Mặt cắt ngang của ống hơi; chọn dh = 75mm fh = = = 4,4179.10-3 (m2) n: Số ống hơi phân bố trên đĩa; n = ( II-236) Thay số: n = = 21,5 Chọn n = 22 m: Số ống chảy truyền trên mỗi đĩa; chọn m = 2 fch: Mặt cắt ngang ống chảy truyền; Tỷ số Chọn fch= 0,06.F; Thay số: f==0,74(m2) GY: Lưu lượng hơi đi trong tháp: - Đoạn chưng : GYc = - Đoạn luyện : GYl = c/ Đường cong động học : Với mỗi giá trị x, tương ứng có A là điểm thuộc đường làm việc, C là điểm thuộc đường cân bằng và B là điểm thuộc đường cong động học (chưa biết), thì : Cho x các giá trị : {0,05 ; 0,1 ; 0,2 ; 0,9}, với mỗi giá trị của x tính hệ số phân bố vật chất m (m chính bằng hệ số góc của đường cân bằng), tính hệ số chuyển khối , tính số đơn vị chuyển khối myT và tỷ số Cy tương ứng. Từ đó tìm được các điểm B tương ứng thuộc đường cong động học, nằm giữa A và C. Nối chúng lại ta được đường cong động học của quá trình. Bảng tổng hợp kết quả : Từ đường nồng độ làm việc và đường cong động học vừa vẽ, ta tìm được số đĩa thực tế của tháp. NTT = 21 Trong đó : Số đĩa đoạn chưng : 12 Số đĩa đoạn luyện : 9 4/ Hiệu suất tháp – chiều cao tháp : Hiệu suất tháp : Theo các thông số của đĩa đã chọn : - Khoảng cách giữa các đĩa lỗ là : Hđ = 400 mm - Chiều dày mỗi đĩa lỗ là : d = 2 mm ị Chiều cao tháp (Theo công thức II-169): H = NTT (Hđ + d) + 0,8 = 21 .(0,4 + 0,002) + 0,8 = 9,242 (m) IV. tính toán cơ khí : 1.Tính chóp và kích thước cơ bản của chóp. - Đường kính ống hơi của chóp: 50, 75, 100, 125, 150 (mm) Chọn dh = 0,075(m) với chiều dày đường kính trong dh=0,071(m) - Số chóp phân bố trên đĩa: (II-236) D: Đường kính trong của tháp(m) dh: Đường kính ống hơi(m) Thay số: Qui chuẩn n = 24 - Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi: ( II-236) -Đường kính chóp : ( II-236) : Chiều dày chóp , , Chọn = 2(mm) = 0,002 Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp: ; Chọn S = 15(mm) Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp: Chọn h1 = 30(mm) Chiều cao khe chóp: (II-236) Trong đó: Vy: Lưu lượng hơi đi trong tháp (m3/h). : Trở lực đĩa chóp, chọn = 2 : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi (Kg/m3) g = 9,81m/s2. + Đối với đoạn chưng: Chiều cao khe chóp đoạn chưng: , Chọn b = 34(mm) + Đối với đoạn luyện: Chiều cao khe chóp đoạn luyện: , Chọn b = 25(mm) Ta chọn: Chiều rộng các khe chóp: a = 5(mm) Khoảng cách giữa các khe: c = , ở đây chọn c = 4(mm) Số lượng khe hở mỗi chóp: (II-236) . Đoạn chưng: . Đoạn luyện: Đường kính ống chảy chuyền: (m) (II.236) Gx: Lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp (Kg/h) : Khối lượng riêng của lỏng(Kg/m3) z : Số ống chảy chuyền z = 1 : Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền Chọn =0,1(m/s) . Đoạn chưng: . Đoạn luyện: Khoảng cách từ đĩa đến ống chảy chuyền: . Đoạn chưng: S1 = 0,25.dc ( II-237) Thay số: S1 = 0,25.135 = 33,75(mm), ta lấy S1=34(mm) . Đoạn luyện: S2 = 0,25.dc ( II-237) Thay số: S2 = 0,25.201 = 50,25(mm), ta lấy S2 =50 (mm) Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa (mm) ( II-237) V: Thể tích chất lỏng chảy qua (m3/h) . Đoạn chưng: . Đoạn luyện: Bước tối thiểu của chóp trên đĩa: ( II-237) l2 = 12,5 + 0,25.dch Thay số: l2 = 12,5 + 0,25.110 = 40 Qui chuẩn tmin = 154(mm) Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất: (mm) : Bề dày ống chảy chuyền Chọn = 2(mm) l1 : Khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền, thường chọn l1= 75(mm) . Đoạn chưng: . Đoạn luyện: 2/ Thân tháp : Thân hình trụ là bộ phận chủ yếu của để tạo thàn