Đồ án Thiết kế hệ thống chưng cất Methanol bằng tháp đệm

Công nghệhóa học cũng nhưcác sản phẩm của nó có ảnh hưởng rất lớn đến nhiều ngành sản xuất khác. Trong đó methanol là một sản phẩm khá được quan tâm. Trong quy trình sản xuất, methanol thường được chưng cất để đạt được nồng độcao, thỏa mãn nhu cầu sửdụng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, lưu trữ. Nhiệm vụcủa đồán này là thiết kếhệthống chưng cất methanol bằng tháp đệm có năng suất 4000kg/h, nhập liệu ởnhiệt độsôi với nồng độ40% , sản phẩm đỉnh có nồng độ98%, sản phẩm đáy có nồng độ0.5% khối lượng/khối lượng. Hệthống được gia nhiệt bằng hơi nước có áp suất 2 at. Việc thực hiện đồán là một cơhội tốt đểsinh viên hệthống hóa các kiến thức đã học cũng nhưlàm quen với việc lựa chọn tính toán các thiết bịthực tế. Thực hiện đồán là một bước đểsinh viên làm quen với công việc của một kỹ sưtrong tương lai. Đồán này được thực hiện dưới sựgiúp đỡvà hướng dẫn trực tiếp của thầy Nguyễn Văn Lục. Em xin chân thành cảm ơn sựhướng dẫn và giúp đỡcủa thầy trong thời gian qua đểem có thểhoàn thành đồán này.

pdf38 trang | Chia sẻ: ngtr9097 | Lượt xem: 10321 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đồ án Thiết kế hệ thống chưng cất Methanol bằng tháp đệm, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
1 LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ hóa học cũng như các sản phẩm của nó có ảnh hưởng rất lớn đến nhiều ngành sản xuất khác. Trong đó methanol là một sản phẩm khá được quan tâm. Trong quy trình sản xuất, methanol thường được chưng cất để đạt được nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, lưu trữ. Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất methanol bằng tháp đệm có năng suất 4000kg/h, nhập liệu ở nhiệt độ sôi với nồng độ 40% , sản phẩm đỉnh có nồng độ 98%, sản phẩm đáy có nồng độ 0.5% khối lượng/khối lượng. Hệ thống được gia nhiệt bằng hơi nước có áp suất 2 at. Việc thực hiện đồ án là một cơ hội tốt để sinh viên hệ thống hóa các kiến thức đã học cũng như làm quen với việc lựa chọn tính toán các thiết bị thực tế. Thực hiện đồ án là một bước để sinh viên làm quen với công việc của một kỹ sư trong tương lai. Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy Nguyễn Văn Lục. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy trong thời gian qua để em có thể hoàn thành đồ án này. 2 MỤC LỤC A. GIỚI THIỆU 4 I. SƠ BỘ VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 4 II. SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU 5 2.1. Methanol 5 2.2. Nước 5 2.3. Ứng dụng của methanol 5 B. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 5 C. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 7 I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT 7 II. PHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THÁP 8 III. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 10 3.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 10 3.2. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 11 3.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 11 3.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh 12 IV. ĐƯỜNG KÍNH THÁP ĐỆM 12 4.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp 12 4.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện 12 4.1.2. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng 13 4.2. Khối lượng riêng trung bình 14 4.2.1. Khối lượng riêng trung bình pha lỏng 14 4.2.2. Khối lượng riêng trung bình pha hơi 15 4.3. Tốc độ hơi đi trong tháp 15 4.4. Đường kính tháp đệm 16 V. CHIỀU CAO THÁP ĐỆM 16 5.1. Chiều cao đoạn luyện 17 5.1.1. Số đơn vị chuyển khối đoạn luyện 17 5.1.2. Chiều cao một đơn vị chuyển khối đoạn luyện 18 5.2. Chiều cao đoạn chưng 19 5.2.1. Số đơn vị chuyển khối đoạn chưng 19 5.2.2. Chiều cao một đơn vị chuyên khối đoạn chưng 20 VI. TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM 21 VII. TÍNH BỀN THÁP ĐỆM 22 7.1. Tính bề dày thân tháp 22 7.2. Tính đáy, nắp 23 7.3. Tính mặt bích 23 7.4. Tính tai treo 25 7.5. Tính chân đỡ 26 VIII. TÍNH CÁC ỐNG DẪN 26 8.1. Ống nhập liệu 26 8.2. Ống hồi lưu sản phẩm đỉnh 26 8.3. Ống tháo sản phẩm đáy 27 8.4. Ống lấy hơi ở đỉnh 27 3 8.5. Ống hơi ở đáy 27 D. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 28 I. THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU 28 II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH 29 III. TÍNH THÙNG CAO VỊ VÀ BƠM 30 IV. THIẾT BỊ GIA NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY 33 E. AN TOÀN LAO ĐỘNG 34 I. PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ 34 1.1. Những nguyên nhân gây cháy nổ trực tiếp 36 1.2. Các biện pháp phòng chống cháy nổ 36 II. AN TOÀN ĐIỆN 36 2.1. Các nguyên nhân gây ra tai nạn điện 36 2.2. Các biện pháp để phòng tai nạn điện 37 F. TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 4 A. GIỚI THIỆU I. SƠ BỘ VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. 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 nhả khí, trong quá trình chưng cất, pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu đực bấy nhiêu sản phẩm. Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay 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 hơi lớn. Đối với hệ methanol – nước thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là methanol, sản phẩm đáy chủ yếu là nước. Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc ( áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất) hay dựa vào phương pháp cấp nhiệt (trực tiếp hay gián tiếp). Việc lựa chọn các phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của sản phẩm. Đối với hệ methanol nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu chung của các thiết bị vẫn giống nhau là bề mặt tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của pha này vào pha kia. Ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. • Tháp mâm: thân hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của mâm ta có tháp mâm chóp hay tháp mâm xuyên lỗ. • Tháp đệm: tháp trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp bằng hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay có thứ tự. So sánh ưu nhược điểm của hai loại tháp Tháp đệm Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ Ưu điểm - Cấu tạo đơn giản - Trở lực thấp - Làm việc được với chất lỏng bẩn - Khá ổn định - Hiệu suất cao - Trở lực tương đối thấp - Hiệu suất cao Nhược điểm - Do có hiệu ứng thành nên hiệu suất truyền khối thấp - Độ ổn định không cao, khó vận hành. - Thiết bị nặng nề - Trở lực lớn - Kết cấu phức tạp - Không làm việc được với chất lỏng bẩn - Kết cấu phức tạp. Trong đồ án này ta sử dụng tháp đệm với vòng đệm Raschig xếp ngẫu nhiên với kích thước 25x25x3.0 . 5 II. SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU 2.1. Methanol Methanol là chất lỏng không màu, tan vô hạn trong nước, có mùi đặc trưng, rất độc. Một lượng nhỏ methanol có thể gây mù lòa, lượng lớn gây tử vong. Methanol có công thức phân tử CH3OH, phân tử lượng 32.04 đvC. Methanol có các tính chất lý hóa sau: - Nhiệt độ sôi: 64.5oC - Khối lượng riêng ở 20oC: ρ = 791.7 kg/m3 - Độ nhớt ở 20oC: μ = 0.6*10-3 N.s/m2 = 0.6 cP - Hệ số dẫn nhiệt ở 20oC: λ = 0.179 kcal/m.h.độ = 0.2082 W/m.độ - Nhiệt dung riêng ở 20oC: Cp = 2570 J/kg.độ 2.2. Nước Nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị. Công thức phân tử H2O, phân tử lượng 18.02 đvC. - Nhiệt độ sôi: 100oC - Khối lượng riêng ở 20oC: ρ = 998 kg/m3 - Độ nhớt ở 20oC: μ = 1.005*10-3 N.s/m2 = 1.005 cP - Hệ số dẫn nhiệt ở 20oC: λ = 0.597 W/m.độ - Nhiệt dung riêng ở 20oC: Cp = 4180 J/kg.độ 2.3. Ứng dụng của methanol Methanol có thể hòa tan với nước, alcohol, ester, ether, ketol và hầu hết các dung môi hữu cơ. Do đó, methanol thường được dùng làm dung môi và nguyên liệu để sản xuất những chất hữu cơ khác với số lượng lớn. Methanol có ái lực đặc biệt với Carbon dioxide và hydrogen sulfide, đây được xem là dung môi trong quá trình làm ngọt khí Rectisol. Mang tính phân cực trong tự nhiên, methanol thường tạo hỗn hợp cộng phị với nhiều hợp chất. Methanol làm giảm nhiệt độ hình thành của hydrate khí tự nhiên, nên được sử dụng là chất chống đông trong đường ống. Methanol được dùng để sản xuất formaldehyde, chiếm khoảng 40% lượng tiêu thụ methanol trên thế giới. Tại Mỹ, vai trò của methanol được tăng cao do được sử dụng trong nhiên liệu oxygenated với MTBE. Một ứng dụng quan trọng khác của methanol là sản xuất acid acetic; ngoài ra, nó còn được dùng làm dung môi và hóa chất trung gian. Ngoài ra methanol còn được dùng làm nguyên liệu sản xuất những hóa chất khác, như dimethyl terephthalate (DMT), methyl methacrylate, methylamine, và methyl halogenur. Ứng dụng mới đây nhất là ứng dụng trong nông nghiệp, phun trực tiếp vào cây trồng để kích thích sự phát triển của cây. B. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 1 : Thùng chứa hỗn hợp đầu 2 : Bơm chất lỏng 3 : Thùng cao vị 4 : Lưu lượng kế 5 : Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6 : Tháp chưng cất 7 : Thiết bị ngưng tụ 8 : Thiết bị làm nguội 9 : Thùng chứa sản phẩm 6 10 : Nồi đun Kettle 11: Thùng chứa hỗn hợp đáy 12 : Bẫy hơi Hỗn hợp từ thùng chứa (1) được bơm ly tâm (2) chuyển lên thùng cao vị (3). Từ thùng cao vị, hỗn hợp được cho chảy tự nhiên xuống thiết bị gia nhiệt ống chùm. Sau khi qua thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đạt được nhiệt độ sôi và được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa tiếp liệu.Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng từ hỗn hợp đầu được trộn với phần lỏng đi xuống từ đoạn luyện. Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng đi từ trên xuống, ở đây có sự tiếp xúc giữa hai pha. Trong đoạn chưng, càng đi xuống dưới, nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng càng giảm do bị cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi từ nồi đun (10) đi lên lôi cuốn. Hơi càng lên cao thì nhiệt độ càng giảm do đó cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại đi xuống dưới. Cấu tử có nhiệt độ sôi thấp là methanol sẽ lôi kéo các cấu tử methanol trong pha lỏng đi lên trên. Sản phẩm đỉnh là hơi chứa chủ yếu là methanol và một phần nhỏ hơi nước. Hơi ở đỉnh được dẫn qua thiết bị ngưng tụ (7). Một phần lỏng được hồi lưu vào tháp chưng cất còn phần lớn được cho vào thiết bị làm nguội (8) và được đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh. Hỗn hợp đáy chứa chủ yếu là nước được đưa vào nồi đun Kettle. Hơi từ nồi đun được đưa trở lại vào tháp. Sản phẩm đáy sau khi qua nồi đun được đưa vào thiết bị làm nguội và chuyển về thùng chứa sản phẩm đáy (11). 7 C. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT Quy ước: F, P, W: lần lượt là hỗn hợp đầu vào, đỉnh và đáy GF: lưu lượng hỗn hợp đầu vào, kmol/h GP: lưu lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h GW: lưu lượng sản phẩm đáy, kmol/h GR: lượng chất lỏng hồi lưu, kmol/h xf: nồng độ phân mol hỗn hợp đầu vào theo methanol, kmol/kmol xp: nồng độ phân mol hỗn hợp đỉnh theo methanol, kmol/kmol xw: nồng độ phân mol hỗn hợp đáy theo methanol, kmol/kmol af: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu vào theo methanol, kg/kg ap: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đỉnh theo methanol, kg/kg aw: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đáy theo methanol, kg/kg yi: nồng độ phần mol của pha hơi ứng với nồng độ phần mol xi của pha lỏng, kmol/kmol yi*: nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi ứng với nồng độ phân mol xi của pha lỏng, kmol/kmol A, B: lần lượt là ký hiệu của methanol và nước MA, MB: lần lượt là khối lượng phân tử của methanol và nước MA= 32.04 ; MB= 18.02 Lưu lượng hỗn hợp đầu vào: * *(1 )f f F A B F a F a G M M −= + 4000*0.4 4000*(1 0.4) 183.12 32.04 18.02F G −= + = kmol/h Nồng độ phân mol của hỗn hợp đầu vào * * 4000*0.4 0.27 32.04*183.12 f f A F f F a x M G x = = = Nồng độ phân mol của hỗn hợp đỉnh: 8 1 0.98 32.04 0.960.98 1 0.98 32.04 18.02 f A p f f A B p a Mx a a M M x = −+ = =−+ Nồng độ phân mol của hỗn hợp đáy 1 0.005 32.04 0.00280.005 1 0.005 32.04 18.02 w A w w w A B w a Mx a a M M x = −+ = =−+ Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu vào MF, đỉnh MP và đáy MW 84.21 12.183 4000 === F F G FM kg/kmol 55.31 02.18 98.01 04.32 98.0 1 1 1 =−+ =−+ = B f A f P M a M a M kg/kmol 06.18 02.18 005.01 04.32 005.0 1 1 1 =−+ =−+ = B w A w W M a M a M kg/kmol Phương trình cân bằng vật chất F P WG G G= + [2- 144] Đối với cấu tử dễ bay hơi là methanol * * *F f P p W wG x G x G x= + [2- 144] Từ hai phương trình trên ta suy ra 0.27 0.0028* 183.12* 51.36 0.96 0.0028 f w P F p w x x G G x x − −= = =− − kmol/h [2- 144] 0.96 0.27* 183.12* 131.76 0.96 0.0028 p f w F p w x x G G x x − −= = =− − kmol/h [2- 144] II. PHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THÁP Bảng 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol- nước 9 x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 26.8 41.8 57.9 66.5 72.9 77.9 82.5 87 91.5 95.8 100 oC 100 92.3 87.7 81.7 78 75.3 73.1 71.2 69.3 67.6 66 64.5 Hình 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol – nước Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng: 11 +++= x p x x R x x R Ry [2- 144] Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng: w xx x x R Lx R LRy 1 1 1 + −++ += [2- 158] Với : Rx= Gx/GP: chỉ số hồi lưu L=GF/GP Vì hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi nên ta có ff fp x xy yx R − −= * * min [2- 158] Từ đồ thị cân bằng lỏng hơi của methanol- nước với xf =0.27 ta tra được yf* = 0.64; tf = 79oC; với xp= 0.96 thì tP =65oC; với xw=0.0028 thì tw =99.7oC Vậy ta có: 10 88.0 27.064.0 64.096.0 min =− −=xR Dùng phương pháp thử ta cho các giá trị Rx khác nhau để tính các giá trị my khác nhau từ đó ta có bảng sau: Bảng 2: Chỉ số hồi lưu thích hợp Rx 1.06 1.15 1.24 1.33 1.42 1.5 1.59 1.68 1.77 1.86 1.95 my 8.9 8.19 7.71 7.36 7.10 6.90 6.74 6.60 6.49 6.39 6.31 my(Rx+1) 18.33 17.60 17.27 17.16 17.19 17.25 17.45 17.69 17.97 18.29 18.62 Hình 2: Chỉ số hồi lưu thích hợp Dựa vào đồ thị ta thấy Rx = 1.33 Phương trình đường làm việc đoạn luyện: 41.057.0 += xy Phương trình đường làm việc đoạn chưng: 0031.01.2 −= xy III. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 3.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu. 11 111 xqngFfD QQQQQ ++=+ J/h [2- 196] Trong đó: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1, chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2at. )( 1111111 θλ CrDDQd +== J/kg [2- 196] Với D1: lượng hơi đốt, kg/h. θ1 = 119.62oC nhiệt độ nước ngưng, C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng. Tra bảng I.148 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất và thực phẩm tập1 được C1 = 1.014kcal/kg.độ = 4245.42 J/kg.độ. Ẩn nhiệt hóa hơi r1 tra ở bảng I.212 sổ tay tập 1 ta được r1 = 526.25kcal/kg = 2203303.5 J/kg. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào: fff tCFQ ..= J/h [2- 196] Với F= 4000kg/h; tf = 30oC; Cf = 3583.5 sổ tay tâp 1 trang 172. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra: FFF tCFQ ..= J/h [2- 196] Với tF = 79oC; CF = 3645J/kg.độ Nhiệt lượng do nước ngưng tụ mang ra: 1111111 .... θθ CDCGQ ngng == J/h [2- 197] Nhiệt độ mất ra môi trường xung quanh 111 05.0 rDQxq = J/h [2- 197] Vậy lượng hơi nước cần thiết để đốt nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là: 84.344 5.2203303*95.0 )30*5.358379*3645(4000 95.0 )( 1 1 =−= −= r tCtCF D ffFF kg/h [2- 197] 3.2. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 22 ngxqwyRDF QQQQQQQ +++=++ [2- 197] Với QF: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào, J/h QD2 = D2(r2+C2θ2) J/h, nhiệt lượng do hơi nước đun nóng hỗn hợp ở đáy tháp. QR = GR.CR.tR J/h, nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào. tR = 65oC, CR = 2813 J/kg.độ QR = 51.36*31.55*1.33*2813*65= 394069723.6 J/h Qy = P(1+Rx)λđ ; nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp. Với λđ = λ1a1+λ2a2 là nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, trong đó λ1, λ2 lần lượt là nhiệt lượng riêng của cấu tử 1 và 2 ở đỉnh J/kg, a1, a2 là phần khối lượng của cấu tử 1 và 2. Với tđ = 79oC ta tính được λđ = 1328485 J/kg, Qy = 5015762248 J/h Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Qw = W.Cw.tw . Với tw = 99.7oC, Cw = 4212.48 J/kg.độ ta tính được Qw = 999387671 J/h. Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qngt = Gngt.C2.θ2 = D2. C2.θ2 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qxq2= 0.05D2r2 Vậy lượng hơi nước cần thiết để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp là: 46.2323 5.2203303*095.0 11518200009993876715015762248 95.0 2 2 =−+= −+= r QQQ D Fwy kg/h 3.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 12 P(Rx+1)r = Gn.Cn(t2 – t1) [2- 198] Với Gn : lượng nước lạnh tiêu tốn, kg/h; t1 = 30oC, t2 = 45oC là nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh. Cn = 4181.043 J/kg.độ : nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở nhiệt độ trung bình của t1 và t2; ẩn nhiệt ngưng tụ r = 1145634 J/kg.độ. Vậy lượng nước làm lạnh tiêu tốn để ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh là: 43.68968 )3045(*043.4181 1145634*)133.1(*55.31*36.51 )( )1( 12 =− +=− += ttC rRPG n x n kg/h [2- 198] 3.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh P.Cp(t’1+ t’2 ) = GnCn(t2 - t1) Với Cp = 2785 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ t’1 = 65oC , t’2 = 30oC là nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh t1 = 10oC , t2 = 30oC là nhiệt độ đầu và cuối của nước làm lạnh Cn = 4184.58 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của nước ở 20oC Vậy lượng nước cần để làm lạnh sản phẩm đỉnh là 28.1887 )1030(*58.4184 )3065(*55.31*36.51 )( )(. 12 ' 2 ' 1 =− −=− −= ttC ttCP G n p n kg/h IV. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP ĐỆM Đường kính tháp đệm được tính theo công thức: tbyy tbgD )( 0188.0 ωρ= (m) Với gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h. (ρyωy)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s. 4.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp 4.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng theo công thức sau: 2 lđ tbl gg g += [2- 181] Với gtbl: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h hay kmol/h. gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h hay kmol/h. gl: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h hay kmol/h. )1( +=+= xpPRđ RGGGg [2-181] 68.119)133.1(*36.51 =+=đg kmol/h Lượng hơi gl, hàm lượng hơi yl, lượng lỏng Gl đối với đĩa dưới cùng của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: đđll pPllll Pll rgrg xGxGyg GGg = += += [2- 182] 13 bđđađ bllal ryyrr ryyrr )1( )1( −+= −+= Trong đó: xl = xf rl: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp. ra, rb: ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử A, B nguyên chất. Nội suy theo bảng I.213 đối với methanol và bảng I.250 đối với nước sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 ở các nhiệt độ tf, tp, tw ta được các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi của A, B nguyên chất theo bảng sau: Bảng 3: Ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử A, B nguyên chất theo nhiệt độ Giá trị tf = 79oC tp = 65oC tw = 99.7oC rA (kcal/kg) 259.6 267.5 246 rA (kcal/kmol) 8317.58 8570.70 7881.84 rB (kcal/kg) 551.76 559.7 539.4 rB (kcal/kmol) 9942.72 10085.79 9719.99 Với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đầu vào ta tính được rl. Với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đỉnh ta tính được rđ. Với yđ là nồng độ hơi tương ứng với nồng độ pha lỏng xp theo phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện. Ta được hệ phương trình: 1032091)13.162572.9942( 57.4927.0** 36.51 =− += += ll lll ll yg Gyg Gg Giải hệ phương trình trên ta được: gl = 114.7 kmol/h Gl = 63.34 kmol/h yl = 0.55 kmol/kmol Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là: 19.117 2 7.11468.119 2 =+=+= lđtbl ggg kmol/h Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là: 83.65 2 34.6332.68 2 =+=+= lRtbl GGG kmol/h 4.1.2. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được xác định gần đúng bằng công thức sau: 2 '' ln tbc gg g += [2- 182] Với gtbc: lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, kg/h hay kmol/h. gn’: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, gn’= gl , kg/h hay kmol/h/ gl’: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h hay kmol/h. Lượng hơi đi vào đoạn chưng gl’, lượng lỏng Gl’ và hàm lượng lỏng xl’ được xác định theo hệ phương trình sau: 14 llnnll wwwlll Wll rgrgrg xGygxG GgG *** *** '''' ''' '' == += += [2- 182] Trong đó yl’ = yw = 0.0028: tìm theo đường cân bằng ứng với xw bllal ryyrr )1( ''' −+= ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng. bnnan ryyrr )1( ''' −+= ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng. Tính tương tự như trên ta được hệ phương trình 103209181.9714* 37.00028.0* 76.131 ' ''' '' = += += l lll ll g gxG gG Giải hệ phương trình trên ta được: gl’ =106.24 kmol/h Gl’ = 238 kmol/h Xl’ = 0.0028 kmol/h Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là: 47.110 2 24.1027.114 2 '' =+=+= lntbc ggg kmol/h Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là: 67.150 2 23834.63 2 ' =+=+=