Đồ án chưng cất Ethanol Nước

tính toán thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp Ethanol Nước với năng suất nhập liệu 1,3 m3h, nồng độ nhập liệu 10%, nồng độ sản phẩm đỉnh 75% và độ thu hồi 90%. Tháp mâm lỗ, tháp chưng cất etanol, nước. Hỗn hợp Ethanol, nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HÓA – THỰC PHẨM

LÊ THỊ HUỲNH NHƯ

LÊ THỊ YẾN NHƯ TRẦN GIA PHÚ

Cần Thơ - năm 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HÓA – THỰC PHẨM

TS LÊ SĨ THIỆN TRẦN THỊ PHƯƠNG OANH (1900196)

LÊ THỊ HUỲNH NHƯ (1900567)

LÊ THỊ YẾN NHƯ (1900529)

TRẦN GIA PHÚ (1900263)

Cần Thơ - năm 2021

ĐH KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Khoa: CN Sinh Hóa – Thực phẩm Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Lớp: Công nghệ thực phẩm 2019

Ngành: Công Nghệ Thực Phẩm

1 Tên đề tài: Tính toán và thiết kế tháp chưng hỗn hợp Ethanol – Nước với

năng suất nhập liệu là 1.5 m 3 /h

2 Số liệu ban đầu

- Năng suất nhập liệu:1.5 m3/h

Chương II: Cân bằng vật chất và nhiệt lượng

Chương III: Tính toán thiết bị chính

MỤC LỤC

DANH SÁCH BẢNG iv

DANH SÁCH HÌNH v

CÁCH TRÍCH DẪN TÀI LIỆU vi

LỜI MỞ ĐẦU vii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý thuyết về chưng cất 1

1.1.1 Khái niệm 1

1.1.2 Các phương pháp chưng cất: 1

1.1.3 Thiết bị chưng cất: 2

1.2 Nguyên liệu 3

1.2.1 Ethanol 3

a Tính chất 3

b Điều chế 4

c Ứng dụng 4

1.2.2 Nước 5

1.2.3 Hỗn hợp Ethanol – Nước 5

1.3 Công nghệ chưng cất hệ Ehanol – Nước: 6

1.3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước: 7

1.3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ: 7

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NHIỆT LƯỢNG 9

2.1 Cân bằng vật chất 9

2.1.1 Thông số ban đầu 9

2.1.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy: 9

2.1.3 Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp 11

2.1.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu 11

2.1.3.2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp Rth 11

2.1.4 Phương trình làm việc – số mâm lý thuyết 12

2.1.5 Xác định số mâm thực tế 13

2.1.5.1 Tính số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình 13

2.1.5.2 Tính α, μ tại 3 vị trí: đĩa nạp liệu, đỉnh và đáy tháp 13

2.2 Cân bằng nhiệt lượng 15

2.2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 15

2.2.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp 17

2.2.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 19

2.2.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh 19

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 21

3.1 Đường kính tháp 21

3.1.1 Đường kính đoạn cất 21

3.1.2 Đường kính đoạn chưng 24

3.2 Chiều cao của tháp chưng cất 27

3.3 Tính trở lực của tháp 27

3.3.1 Cấu tạo của mâm lỗ 27

3.3.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm 27

3.3.2.1 Độ giảm áp qua mâm khô 28

3.3.2.2 Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm 29

3.3.2.3 Độ giảm áp do sức căng bề mặt 30

3.4 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 33

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1 So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp 2 Bảng 1.2: Bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol - Nước ở 760 mmHg 5

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ ứng dụng của ethanol 5

Hình 1.2: Đồ thị cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp Ethanol và Nước 6

Hình 1.3: Giản đồ t – x,y của hệ Ethanol – Nước 6

Hình 1.4: Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất ethanol và nước 7

Hình 2.1: Giản đồ số mân lý thuyết 12

CÁCH TRÍCH DẪN TÀI LIỆU

Bảng IX.2a, trang 145, [2]: Tra bảng IX.2a ở trang 145 của tài liệu số 2 trong mục tài liệu tham khảo

Công thức IX.20, trang 144, [2]: Theo công thức IX.20 ở trang 144 của tài liệu

số 2 trong mục tài liệu tham khảo

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công cuộc ngày càng đổi mới và phát triển Ta ngày càng tiến sâu vào quả trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước không ngừng Áp dụng những thành tựu khoa học, kỹ thuật mới, tiên tiến Trên thế giới, các ngành công nghiệp luôn phát triển và đổi mới không ngừng nhằm phục vụ cho nhu cầu của con người Mỗi ngành đều có những thành tựu to lớn được con người ghi nhận một cách khách quan Cùng với sự phát triển đó, đất nước ta luôn luôn học hỏi, tìm tòi những cải tiến mới để áp dụng trong ngành công nghiệp của nước nhà

Mỗi ngành công nghiệp đều có những đóng góp to lớn như ngành công nghiệp hóa học, sinh học, cơ khi, kỹ thuật Trong đó, ngành công nghệ thực phẩm là một trong những ngành có đóng góp vô cùng to lớn đối với nước ta nói riêng cũng như trên thế giới nói chung

Hiện nay, trong nhiều ngành sản xuất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm hóa học có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng

Ngày nay, có rất nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như trích lỵ, chưng cất, cô đặc, hấp thu Tùy theo đặc tính và yêu cầu của sản phẩm mà ta có thể lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ Ethanol – Nước là 2 cấu tử tan hoàn toàn vào nhau có sự chênh lệch về nhiệt độ sôi (Ethanol có nhiệt độ sôi nhỏ hơn nước), ta nên dùng phương pháp chưng cất để thu được rượu tinh khiết một cách triệt để

Nhiệm vụ của đồ án này: thiết kế hệ thống chưng cất hệ Ethanol – Nước với năng suất nhập liệu 1,5 m3

/h, nồng độ nhập liệu 10% mol, nồng độ sản phẩm đỉnh 75% mol, với độ thu hồi là 90%

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS Lê Sĩ Thiện đã hướng dẫn và giúp

đỡ chúng em trong suốt quá trình xây dựng để án Trong quá trình hoàn thành đồ án

sẽ không tránh khỏi sai sót, mong quý thầy cô sẽ góp ý và chỉ dẫn

độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau).

Chưng khác với cô đặc: trong quá trình chưng, các cấu tử đều bay hơi, còn trong cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi mà chất tan không bay hơi

Sản phẩm của quá trình chưng tuy chưa đạt tinh khiết tuyệt đối, nhưng nồng

độ của nó khá cao

Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường hệ có bao nhiêu cấu tử thì ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Đối với hỗn hợp gồm hai cấu tử, khi đó quá trình chưng cất sẽ cho:

- 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 hơn

- 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 hơn

 Đối với hệ 2 cấu tử: Ethanol – Nước:

+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu là ethanol và một ít nước

+ Sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít ethanol

1.1.2 Các phương pháp chưng cất:

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:

- Áp suất làm việc: chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt

độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

- Nguyên lý làm việc: gián đoạn (chưng đơn giản) và liên tục

 Chưng cất gián đoạn (đơn giản): phương pháp này đuợc sử dụng trong các trường hợp sau:

+ Khi nhiệt độsôi của các cấu tử khác xa nhau

+ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

 Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn

- Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước

Vậy: đối với hệ Ethanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

1.1.3 Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thì có rất nhiều tháp chưng nhưng chúng đều có chung là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này nó phụ thuộc vào độ phân tán của cấu tử này vào cấu tử kia

Kích thước của tháp: đường kính tháp và chiều cao của tháp nó phụ thuộc vào suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm

Các loại tháp thường dùng trong công nghiệp:

- Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa tưới

- Tháp chưng cất dùng mâm chóp

- Tháp đệm: tháp chưng cất dùng vật chêm

- Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được tiếp xúc với nhau

Tùy theo cấu tạo đĩa mà ta có:

- Tháp mâm chóp: trên mâm có bố trí các chóp dạng tròn hay một dạng khác,

có rãnh xung quanh để pha khí đi qua và ống chảy chuyền có hình tròn

- Tháp mâm xuyên lỗ: Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh có đường kính 3 – 12mm được bố trí trên các đỉnh tam giác, bước lỗ bằng 2,5 đến 5 lần đường kính

- Tháp đệm: tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong 2 phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp theo thứ tự

Bảng 1.1 So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp

- Hiệu suất truyền khối cao, ổn định

- Ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số mâm ít

điểm

- Kém ổn định do sự

phân bố các pha theo

tiết diện tháp không

đó chất lỏng phân phối không đều trên mâm

Ethanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, dể bay hơi, nhẹ hơn nước, tan trong nước vô hạn, tan trong ete và clorofom, hút ẩm,

dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời

Khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC, nhiệt độ sôi 78,39oC ở 760 (mmHg), nhiệt độ nóng chảy ở 114,15o

- Phản ứng este hóa với axit axetic:

Tổng quát phản ứng este hóa

ROH + R’COOH ↔ R’COOR + H2O Phản ứng được thực hiện trong môi trường axit và đun nóng

Phản ứng có tính thuận nghịch nên chú ý đến chuyển dịch cân bằng

- Cho ethylene cộng hợp với nước có acid làm xúc tác

Tuân theo quy tắc Maccopnhicop

Phản ứng cần xúc tác acid: H2SO4, H3PO4 (không dùng HX)

CH2 = CH2 + H2O → C2H5OH Ngoài ra còn các phương pháp sau:

- Cộng hydrogen vào aldehyde

Hình 1.1 Sơ đồ ứng dụng của ethanol 1.2.2 Nước

Trong điều kiện thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau

Khối lượng phân tử: 18g/mol

Khối lượng riêng d4oC: 1g/ml

Nhiệt độ nóng chảy: 00C

Nhiệt độ sôi: 1000C

Nước là dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng cực:

- Các hợp chất phân cực hoặc có tính ion như acid, rượu và muối đều dễ tan trong nước

- Tính hòa tan của nước nó đóng vai trò quan trọng trong sinh học vì có nhiều phản ứng hóa sinh chỉ xảy ra trong dung dịch nước

Nước được sử dụng trong công nghiệp từ lâu như là nguồn nhiên liệu, nước là một chất trao đổi nhiệt, và là dung môi quan trọng trong kỹ thuật hóa học

Hình 1.2: Đồ thị cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp Ethanol và Nước

Hình 1.3: Giản đồ t – x,y của hệ Ethanol – Nước 1.3 Công nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước:

Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,3oC ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg: hơi cách biệt khá xa nên phương pháp hiệu quả để thu ethanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất

Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn

1.3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước:

Hình 1.4: Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất ethanol và nước

1.3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ:

Hỗn hợp ethanol – nước có nồng độ ethanol 10% (theo phân mol), nhiệt độ khoảng 27oC tại bình chứa nguyên liệu được bơm bơm lên bồn cao vị Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy) Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa nhập liệu

Trên mâm nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có

sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử ethanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 75% phân mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh,

Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Bồn chứa sản phẩm đỉnh

Thiết bị làm nguội

đỉnh Bồn chứa sản phẩm đáy

Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Thiết bị phân phối dòng lỏng

Nồi đun

Nước

ngưng

Nước Hơi nước

Hơi nước

Nước lỏng

được làm nguội đến 35oC, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối

ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi tại van xả khí, còn lại cấu tử

có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ ethanol là 1,14 % phân mol, còn lại là nước Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết (sau khi qua bồn cao vị)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là ethanol, sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 86oC được thải bỏ

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NHIỆT LƯỢNG

2.1 Cân bằng vật chất

2.1.1 Thông số ban đầu

Chọn loại tháp mâm xuyên lỗ Thiết bị hoạt động liên tục

Khi chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước thì cấu tử dể bay hơi là Ethanol Năng suất nhập liệu: GF = 1,5 m3/h

Nồng độ nhập liệu: xF = 10% mol

Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 75% mol

Tỷ lệ thu hồi Ethanol: h= 90%

Khối lượng phân tử của rượu và nước: MR =46 kg/kmol, MN =18 kg/kmol Chọn:

- Nhiệt độ đầu của hỗn hợp: t’F = 27oC

- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: t’W = 40oC

- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tv = 27oC

- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tr = 40oC -Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

- Áp suất hơi đốt: Ph = 2 at Các kí hiệu :

- GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h , kmol/h

- GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

- GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

- xi, wi: phân mol, phân khối lượng của cấu tử i

2.1.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy:

Công thức liên hệ nồng độ phần mol và nồng độ phần khối lượng:

Tính phân tử lượng trung bình của hỗn hợp theo công thức:

- Thành phần khối lượng của Ethanol ở sản phẩm đáy:

GD = D ∙MD = 7,860 ∙ 39 = 306,54 kg/h

Suất lượng sản phẩm đáy theo kg/h:

GW = W ∙MW = 57,589 ∙ 18,32 = 1054,939 kg/h

2.1.3 Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp

2.1.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu

- Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước và bơm…) là tối thiểu

Dựa vào bảng 1.1 với xF = 0,1 → 𝑦𝐹∗ = 0,442

Tỷ số hoàn lưu tối thiểu: (Công thức IX.24, trang 158, [2])

Rmin = xD − yF∗

yF∗ − xF =

0,75−0,442 0,442−0,1 = 0,9

2.1.3.2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp Rth

Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp, nồi đun và công để bơm cũng tăng theo Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần, lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu

Tổng chi phí bao gồm: chi phí cố định và chi phí điều hành Tỉ số hoàn lưu thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu

Tuy nhiên, đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp, khó kiểm soát nên người

ta có thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất Để tính được tỉ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều hành),

ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp, từ đó chọn Rth ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất

Để tính được tỉ số hoàn lưu thích hợp theo diều kiện tháp nhỏ nhất, ta cần lập mối quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và thể tích tháp thông qua lập mối quan hệ giữa R

và tích số Nth∙(R+1)

Chỉ số hồi lưu làm việc tổng quát:

R = 𝛽 ∙Rmin (Công thức IX.25, trang 158, [2])

1,8 1,8+1x +

0,75 1,8+1(Công thức IX.20, trang 144, [2])

8,327−1 1,8+1 ∙ 0,0144

→ ychưng = 3,617x − 0,03

Với L = F

D=

65,449 7,86 = 8,327

Hình 2.1 Giản đồ số mâm lý thuyết