THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN THÔ VỚI NĂNG XUẤT THEO NGUYÊN LIỆU ĐẦU VÀO 5000 K/GH

THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN THÔ VỚI NĂNG XUẤT THEO NGUYÊN LIỆU ĐẦU VÀO 5000 K/GH

Phần 1: giới thiệu sơ lược về etanol

Phần 2: Thuyết minh quy trình Phần 3: Cân bằng vật chất

Phần 4: Tính kích thước tháp Phần 5: Tính cơ khí

Phần 6: Tính cân bằng năng lượng Phần 7: Tính các thiết bị phụ

Kết luận Tài liệu tham khảo

MỞ ĐẦU

Trong nhiều ngành sản xuất hoá học cũng như sử dụng, nguyên liệu cần có

độ tinh khiết cao Để có được sản phẩm có độ tinh khiết cao, ta cần tách chúng từ hỗn hợp nguyên liệu, thường hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí

Các phương pháp phổ biến để tách riêng hỗn hợp cũng như nâng cao nồng

độ gồm: chưng cất , trích ly ,cô đặc ,hấp thu …

Tuỳ theo đặc tính của hỗn hợp cũng như yêu cầu của ssản phẩm mà ta chọn phương pháp tách phù hợp

.Đối với hệ etanol-nước để tách cồn và nước , nâng cao nồng độ cồn ta dùng phương pháp chưng cất.

Chưng cất là quá trình tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí thành những cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng trong hỗn hợp.

Có nhiều phương pháp chưng cất khác nhau:

Thiết bị chưng cất có nhiều loại:

Đồ án môn học này thiết kế tháp chưng cất cồn thô với năng xuất theo nguyên liệu đầu vào 5000 kg/h Nồng độ dung dịch đầu 35% (khối lượng), sản phẩm đỉnh có độ thu hồi 99.5% Tháp chưng loại mâm chóp tròn , đun bằng cách sục hơi nước trực tiếp, đáy chủ yếu là nước Áp suất hơi đốt :2.5 at

PHẦN 1: SƠ LƯỢC VỀ ETANOL (hỏi thằng Trí thêm)

1 Tính chất vật lý cơ bản của Etanol:

Hệ số bay hơi K của etylic

% khối lượng

rượu

Hệ số bay hơi

% khối lượng rượu

Hệ số bay hơi

10 8 6 4 2

5.16 5.78 6.63 7.80 9.25

0.9 0.7 0.5 0.3 0.1

10.6 11.1 11.3 11.2 11.0

Quan hệ giữa nồng độ rượu và nhiệt độ sôi

độ sôi

oC 99.8 99.3 98.75 91.3 89.0 87 85.7 84.7 83.1 81.9 80.96 80.2 79.5 78.5

% phân tử Thể lỏng Thể

0.04 0.19 0.39 4.16 6.46 8.92 11.55 14.35 20.68 28.12 36.98 47.72 61.02 77.8

0.51 2.48 4.51 29.92 36.98 42.09 46.08 49.16 53.46 56.71 60.29 64.21 70.09 80.42 Khối lượng riêng và thể tích riêng của hỗn hợp etilic-nước ở áp suất P= 1 & 1.1 at

tích của 1

0.638 0.670 0.693 0.768 0.95 1.247 1.75

1.567 1.492 1.443 1.302 1.052 0.802 0.571

100.0 95.0 91.5 85.8 81.9 79.7 78.2

0.589 0.620 0.643 0.722 0.887 1.145 1.592

1.697 1.513 1.555 1.385 1.127 0.812 0.622

2 Các nguồn điều chế Etanol :

a Hidrat hóa anken: Đun nóng anken với nước

Phương pháp này được dùng phổ biến trong sản xuất công nghiệp

b Thuỷ phân dẫn xuất halogen trong dung dich kiềm

Phương pháp này chỉ dùg trong phòng thí nghiệm

3 Ứng dụng của Etanol:

- Là nghuyên liệu để sản xuất cao su tổng hợp

- Rượu etylic dùng để điều chế một số hợp chất hữu cơ như acid acetic, dietyl ete, etylacetat…

- Do có khả năng hoà tan tốt một số chất hữu cơ nên rượu etylic dùng để pha vecni, dược phẩm , nước hoa…

- Khi cháy toả nhiều nhiệt nên rượu etylic còn được dùng làm nhiên liệu

PHẦN 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Chưng cất được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học và có khả năng tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hoàn toàn Hỗn hợp cần chưng cất là etanol-nước.

Để cho qúa trình chưng cất được liên tục cần cho hỗn hợp đi vào phân li tiếp xúc trực tiếp với luồng hơi có nộng độ cấu tử khó bay hơi lớn hơn so với dung dịch Do đó trong hệ thống thiết bị để chưng cất liên tục, tháp gồm hai phần đoạn chưng và đoạn luyện.

Ơ đoạn chưng của tháp xảy ra: cấu tử dễ bay hơi được tách ra khỏi chất lỏng chảy ở trên xuống, còn ở đoạn cất thì hơi đi lên càng giàu cấu tử dễ bay hơi.

Hệ thống thiết bị chưng cất (xem sơ đồ) :

Hỗn hợp etanol-nước có nồng độ 35%(khối lượng) etanol tại bình chứa 3 có

Từ thiết bị gia nhiệt, hỗn hợp đi vào tháp chưng cất 1, ở đĩa nhập liệu (đĩa trên cùng của đoạn chưng) Tại đây qúa trình chưng cất xảy ra

Trên đĩa nhập liệu , chất lỏng được trộn lẫn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống Hơi từ đĩa dưới đi vào các ống hơi của các chóp, vào trục qua lớp chất lỏng, một phần chóp ngập vào chất lỏng , chóp có răng cưa , hơi đi qua đó, tạo thành những tia rất nhỏ để làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa hơi và lỏng Vì nhiệt độ càng lên trên càng thấp nên phần dưới là cấu tử có nhiệt độ bay hơi cao Trên đỉnh, ta thu được hỗn hợp hơi gồm etanol chiếm tỉ lệ cao Hơi đó đi vào thiết bị ngưng tụ 5 và được ngưng tụ hoàn toàn, thiết bị ngưng tụ với chất làm lạnh là nước, nhiệt độ vào là 25

Hệ thống làm việc liên tục cho etanol ở đỉnh tháp

PHẦN 1: TÍNH TOÁN THÁP

Cân bằng vật chất và năng lượng cho toàn tháp trong trường hợp đun bằng hơi nước trực tiếp:

Cồn loại 1 theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN-71) > = 96%(tt)

Chọn xD= 96%(tt) Đổi ra 92.8% (khối lượng)

Lượng Etanol có trong nhập liệu: 5000* 0.35= 1750 kg/h

Lượng Etanol có trong sản phẩm đỉnh: 0.995*1750=1741.25 kg/h

Suất lượng sản phẩm đỉnh: D= 0.928

25.1741

kg/hĐổi ra phân mol:

xF =

nuoc

F ol

E F

ol E F

M

x M

x

M x

)1(

35.0

 = 0.174

xD=

18072.046928

928.0

= 0.714 x M + 0.238Phương trình đường làm việc phần chưng :

x + xW R

- Vẽ hai đường làm việc trên đồ thị xy Hai đường này cắt nhau tại một điểm chính là

vị trí mâm nhập liệu Vẽ các đường bậc thang tạo bởi hai đường làm việc và đường can bằng (hình vẽ) , ta xác định được số mâm lý thuyết cũng là số bậc thang :15 mâm

834.01

00066.0

13

= 28.7Tính riêng cho phần cất : Nt chưng =

452.0

2

= 4.4

Vị trí mâm nhậo liệu tại giao điểm đường làm việc phần chưng & phần cất Đối với mâm

lý thuyết, vị trí mâm nhập liệu là mâm thứ 14 Đối với thực tế nhập liệu ở mâm thứ 30 đếm từ trên xuống

Vậy: số mâm thực là 33 mâm (trừ 1 mâm làm nồi đun)

Vị trí nhập liệu trên mâm thứ 30 (tính từ trên xuống)

Phần cất có 28 đĩa

Phần chưng có 5 đĩa

= 0.0188

tb wy y

Vtb: lượng hơi (khí ) trung bình đi trong tháp , m3/h

wtb: tốc độ hơi (khí ) trung bình đi trong tháp , m/s

gtb: lượng hơi (khí ) trung bình đi trong tháp , kg/h

(y wy )tb : tốc độ (khí ) trung bình đi trong tháp , m3/h

lượng hơi (khí ) trung bình đi qua tháp luyện có thể tính gần đúng b82ng trung bình cộng củalượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp & lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện

r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất

Ở t = 83.8oC (tại vị trí mâm nhập lịêu )

r1 = retanol y1 + (1-y1)rnước

ol ytbMe

4.22

273])

1(tan

ytb: phân mol pha hơi trung bìmh trong phần cất

T: nhiệt độ tuyệt đối (oK)

*4.22

273]18

*)673.01(46

xtb : phần khối lượng trung bình trong phần cất

+ 972

693.01

 L = 922.7 kg/m3

Vậy (ywy)tb = 0.065*1* 0.4*922.7 1.268 = 1.406 (kg/m3.h)

Dluyện = 0.0188

406.1

5.5502

= 1.176 m

2 Phần chưng:

tb w

gtb

)(

Lượng hơi trung bình: gtb = 0.5(g’1 + g’c)

Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng với lượng hơi vào đoạn cất

r’1 = y’1retanol + (1- y’1) rnước

y’1: phần khối lượng của hơi tại đáy tháp

g’1x’1 = 0.14 g’1+ 8.866

2059.2g’1= 4437.8 * 1406.7 + 4745866.6

r’c = 0.594*823.46 + (1- 0.594) 2260

= 1406.7 kj/ kg giải hệ ba phương trình trên ta được:

ol ytbMe

4.22

273])

1(tan

ytb: phân mol pha hơi trung bình của pha hơi đi trong phần chưng

T: nhiệt độ tuyệt đối (oK)

ytb = 0.5(y1 + y2)

ydt , ytl : nồng độ phần mol của pha hơi tại đáy tháp và đĩa tiếp liệu

ytb = 0.5(yd + ytl) = 0.5(0.51 + 0.031) = 0.27

ttb: nhiệt độ trung bình của phần chưng

ttb = 0.5( tw + tF ) = 0.5(99.2 + 83.8) = 91.5 oC

= 91.5 + 273 = 364.5 o K

h =

5.364

*4.22

273]18

*)27.01(46

xtb : phần khối lượng trung bình trong phần chưng

+ 965

176.0

05.4887

= 1.2 m Chọn D = 1.2 m cho toàn tháp

PHẦN IV: TÍNH CHIỀU CAO THÁP VÀ TÍNH CHÓP

nd

FW

14

W: vận tốc hpa hơi ,m/s

F: tiết diện mặt cắt ngang của tháp, m2

n: số chóp trên moat mâm

dch: đường kính chóp, m

Phần cất:

Hmin= 2330

7.992

268.1 (

150

*26

*268.1

*14.3

*4

1000

*406.1

*2.1

*2.1

*14.3

)2

= 0.31 m Phần chưng:

Hmin= 2330

28.958

855.0 (

150

*26

*855.0

*14.3

*4

1000

*2.12.12.114.3

)2

= 0.349 m Thấy rằng trong cả hai phần, Hmin < 400 mm (thỏa)

h, l: khối lượng riêng trung bình của pha hơi & pha lỏng, kg/m3

h: vận tốc pha hơi trong tháp, m/s

h=

n d

*3600

*4

Vh: lưu lượng hơi đi trong tháp , m3/h

g

 =

2

) ( )

Vh=

06.1

775.5194

= 4900.7 m3/h

075.0

*26

*14.3

*3600

7.4900

*4

= 11.857 m/s

hso=

49.940

*81.9

06.1

*857.11

*

= 0.0323 m = 32.3 mm; chọn hso= 35 mm3.8 Số khe hở mỗi chóp:

75120

tb tb

G





36004

Gltb: lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp, kg/h

*49.940

*3600

32.5248

*4

3.11 Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền:

hc = 0.25dc= 0.25*100 = 25 mm3.12 Chiều cao mực chất lỏng trên ống chảy chuyền:

h = 3

*

*85.1

177.3626

= 3.39 m3/hPhần chưng:

Vltb= 0.5(3.93 + 7.71)= 5.55V’l=

465.6870

= 7.17 m3/h

100

*85.13600

100

*55.5(

 = 0.0192 m = 19.2 mm

3.13 Chiều cao gờ chảy tràn:

how= 40 + 35 +12.5 + 5 – 19.2 = 73.3 mmlấy tròn 73 mm

*3600

7.4900(

35)06.128.958

06.1

thấy rằng hs  hso , xem như chóp mở hoàn toàn3.15 Gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm:

= Cg ’.n

n : số hàng chóp trên mỗi mâm

Cg: hệ số hiệu chỉnh cho suất lượng pha khí

’: gradient chiều cao mực chất lỏng qua một hàng chóp

hm = 40 + 12.5 + 25 + 35 = 112.5 mmtra đồ thị 5.13 [5]/81

4’ = 2 => ’= 0.5Tính Cg: Cg = 0.82g h tb

Ứng với khoảng cách mâm là 400 mm ;

Ta có: c=0.025

g = 0.025

06.1

06.128

hfv = 274K( ( )(V S tb)2

tb tb

h l

d

d d

2

2 2

*2

*210

*75(14.3

*264

)2(

*3600

7.4900)(

06.128.958

06

*100

55.5

= 6.4 mm

hd= 73 + 19.2 + 2.2 + 80.8 + 6.4 = 181.6 mm

Đường kính trong của ống hơi của chóp

Số chóp phân bố trên mâm

Đường kính trong của chóp

Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp

Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi

Khoảng cách từ mặt đĩa đến mép dưới chân chóp

Chiều cao khe chóp

Số lượng khe hở của mỗi chóp

Chiều rộng khe chóp

Khoảng cách giữa các khe

Đường kính ống chảy chuyền

Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền

Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa

Chiều cao mực chất lỏng trên ống chảy chuyền

Bước tối thiểu của chóp trên đĩa

Số lượng ống chảy chuyền

K/c từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất

Chiều dày chóp

Chiều dày đĩa

Chiều dày ống chảy chuyền

Chiều cao gờ chảy tràn

Độ mở của chóp

Gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm

Độ giảm áp do ma sát và biến đổi vận tốc pha khí

35373352.21615

Vy =

3600

4.22

*)1(

o D

m D

T M

T R

=

3600

*273

*352.41

)2.81273(4.22

*)15.2(35

*2

*63

*26

282.1

 = 11.18 m/s

pk= 5

2

18.11

*268

ah

 =

)352(2

35

*2

*4

 = 3.784*10-3 (m)

ps = 3 3

10

*10

*784.3

21

*4

 = 22.2 N/ m2

Trở lực lớp chất lỏng trên đĩa:

pt= b*g(hb – hso/ 2)

b: khối lượng riêng của bọt, kg/ m3

hb: chiều cao lớp bọt trên đĩa, m

hx: chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa, m

x x x

ow w

F

f h h f h f

F h h h

Tổng diện tích hình viên phân trên đĩa:

= 0.785*0.122*26 = 0.3 m2

F = 1.13- 2*0.2 = 0.73 m2

hb=

35.461

*73.0

4.461

*3.0

*)03.0111.0(3.0

*35.461

*03.010

*7.922

*)30010

*73.0)(

o w

m w

T M

T G

3600

*273

*02.18

)5.91273(4.22

*5.5277

*2

*63

*26

433.2

so

y

h a i n

*855.0

= 784.3

30

*4 = 31.71 N/ m2

Trở lực lớp chất lỏng trên đĩa:

pt = )

2

( so b b

h h

*73.0

14.479

*3.0)03.0111.0(3.0

*14.479

*03.010

*28.958)300730)(

302.1973

PHẦN VI: TÍNH CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Nhiệt lượng cần cung cấp cho dòng nhập liệu đến trạng thái lỏng bảo hoà:

QF = F*HF

F: suất lượng nhập liệu (kmol/ s)

HF : enthalpy của dòng nhập liệu ở trạng thái lỏng bảo hòa (kj/ kmol)

QF =

3600

6.218

*36.4640

= 485.58 Kw

 Nhiệt lượng do hơi nước cung cấp:

Gn+1 : suất lượng hơi nước bảo hoà sục vào đáy tháp, kmol/ s

QH =

3600

2.47275

*645.119

*35

89.42 kw

Chọn thiết bị gia nhiệt có dạng ống chùm

Đường kính ống d = 16 x 1.6

Tổng số ống: n = 37 ống

Số ống trên một cạnh của hình sáu cạnh r :

Số ống trên đường chéo của hình sáu cạnh:

b = 2* a – 1 = 2*4 – 1 = 7

Bước ống t:

t = 1.5 d = 1.5*16 = 24 mm

Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt:

*5.5277

3600

*281

)303.53(ln

)8.832.99()303.53(

f: tiết diện dòng chảy

: chu vi thấm ước của dòng , m

f =

44

2 2

n

d n

2 2

n t

nd D

d n

= 0.04224 m

Độ nhớt của dòng chảy:

log = x logetanol + ( 1 –x ) lognước

x : phân mol của etanol, x = 0.174

= 0.58 W/ m.độKhối lượng riêng của dòng lạnh:

nuoc ol

e hh

x x

*86.970

*3600

5000

*43600

10

*941.0

86.970

*04224.0

*02.1

= 44452Chuẩn số Prant:

10

*941.0

.0

58.0

*466.197

log = x logetanol + ( 1-x ) lognước

x: phân mol etanol có trong sản phẩm đáy

xw = 0.00066

x x

0128.0

*14.34

)137(

5.52773600

4

)1

G

= 1.3 m/ sChuẩn số Reynol:

10

*377.0

972

*0128.0

*3.1

Pr = 2.4 tra tại ttb = 76.25 oCThực hiện tính lặp ta được kết quả sau:

Dòng lạnh đi phía ngoài ống:

t1 = 33 o C: ta có

065.01

.58391

35.545801

.58391

qtb = 0.5( q1+ q2 ) = 0.5 ( 58391.1 + 54580.35)

= 56485.725 Diện tích bề mặt truyền khối:

725.56485

Chọn thiết bị truyền nhiệt có dạng ống chùm, 6 pass phía ốngĐường kính ống: d = 16 * 1.6

Tổng số ống: n = 19 ống

Số ống trên một cạnh của hình sáu cạnh ngoài cùng: a = 3

Số ống trên đường chéo của hình sáu cạnh: b = 2a – 1 = 2*3 – 1 = 5Bước ống t : t = 1.5d = 1.5* 16 = 24 mm

Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt, D:

)406.78(ln

)2730()406.78(

f: tiết diện dòng chảy m2

: chu vi thấm ước của dòng (m)

f =

44

2 2

n

d n

*1916.0

016.0

*1916

2 2

n t

nd D

nd D

 = 0.834*0.164 + ( 1 – 0.834 ) 0.6645

= 0.247 W/ m.độKhối lượng riêng của dòng sản phẩm đỉnh:

nuoc ol

e hh

x x

16.132310

*495.0

17.775

*0447.0

*019.0

.0

10

*495.0

*445.3173



Chuẩn số Nuyxen:

7.2436

.6

*1323

*0447.0

*16.1PrRe16

.0

247.0

*7.24

*18.4

10

*42.89)

t t C

Q

Vận tốc của nướn đi trong ống:

0128.0

*14.319

648.0

14.517410

*656.0

992

*0128.0

*267.0

021.0

Dòng sản phẩm đỉnh đi phía ngoài ống:

2.5826 43.5 41.41 4.3 5 35.42 1776.8 3700.3

Chọn : tt1 = 44 oC

061.0

3.3700905

.39272

*14.3

*19

*6

44.23

Thiết bị ngưng tụ là thiết bị nằm ngang, dòng lạnh là nước đi trong ống, dòng nóng là rượu đi ngoài ống.

Nhiệt lượng cần trao đổi:

Qc = 4565857.5 kj/ h

= 1268.3 kwLượng nước tối thiểu cung cấp cho thiết bị ngưng tụ:

)2745(10

*18.4

10

*3.1268)

2545

6.53ln

6.336.53





K: hệ số truyền nhiệt cuả thiết bị ngưng tụ

K = 340870 W/ m2.độ bảng V-9 [3]

Chọn sơ bộ giá trị K, sau đó tính và thử lại giá trị K sao cho sai lệch < 5%

Sau khi tính lặp nhiều lần ta được kết quả cuối cùng

Chọn Ksb = 500 W/m2.độ

F: bề mặt truyền nhiệt sơ bộ

2 log

2.5982.42

*500

3.1268

m t

Chọn ống truyền nhiệt là ống đồng có đường kính d = 25 x 2 mm

Nhiệt tải riêng : q = 500* 42.82 = 21465 W/ m2

*4.1040

*10

*546.0

*2

21465)130

*2(025.02

*

*28.1

d t

4

3

3 2

3

025.0

*82.42

*10

*546.0

)244.0(80010

*4.104028

t = 0.5 ( 25 + 45) = 35 oCVận tốc của nước vào và ra:

s m nS

G

9924

021.0130

2.15

*546.0

992

*021.0

*34.0

Pr

Pr(PrRe021.0

w

2 =

021.0

244.0

*3.91



d

Nu

= 1060.8 w/m2 độTrở lực lớp cáu của nước và rượu:

12900

193

10

*25800

16.25831

11

1

1

3 2

2 1

Vậy kết quả K là chấp nhận được:

K = 535.2 W/ m2.độ

 Bề mặt truyền nhiệt:

2 3

log

3.5582.42

*2.535

10

*3.1268

*025.0

*

3.55

L = 2.7 mPHẦN 9: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

1 Tính bề dày thân trụ tháp chưng:

* Thân của t háp chưng được chế tạo bằng phương pháp hàn hồ quang Thân tháp được ghép nhiều đoạn bằng mối ghép bích

* Vật liệu làm thân chọn loại thép không ghỉ để không ảnh hưởng lên chất lượng sản phẩm

Tra bảng XII – 46a[3,439], cho thiết bị chịu ăn mòn, chọn thép không ghỉ OX18H125

 Điều kiện làm việc của tháp chưng :

- Ap suất:

Môi trường làm việc của tháp là hỗn hợp khí-lỏng

Ap suất bên trong tháp (tính tại đáy tháp)

với :

h: hệ số bền mối hàn; tra bảng: h = 0.8[]: ứng suất cho phép của vật liệu được tính thông qua:

[]k = 0.9

6.2

8.0

*10

*144]

C1: hệ số bổ sung ăn mòn Chọn thiết bị làm việc trong 10 năm  C1 = 10*0.1 = 1.0 mm