ĐỒ án thiết kế tháp đệm chưng luyện liên tục hổn hợp CH3COOH và h20

Để sản xuất axit CH3COOH thì có nhiều phương pháp khác nhau nhưng trong công nghiệp thực phẩm thì nó được sản xuất bằng phương pháp lên men bởi tác nhân vi sinh vật.. Để thu được CH3COOH

Axít CH3OOH là một tronh những hợp phần không thể thiếu trông công nghệ thực phẩm cũng như trong một số ngành công nghiệp khác, CH3COOH cũng chiếm một vai trò quan trọng trong cuộc sống

Để sản xuất axit CH3COOH thì có nhiều phương pháp khác nhau nhưng trong công nghiệp thực phẩm thì nó được sản xuất bằng phương pháp lên men bởi tác nhân vi sinh vật Để thu được CH3COOH tinh khiết có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng như các phương pháp hoá học, hoá lý…trong công nghiệp để thu được lượng lớn CH3COOH với độ tinh khiết theo yêu cầu thì người ta thường sửdụng phương pháp chưng cất

Có nhiều phương pháp chưng cất khác nhau nhưng trong công nghiệp thực phẩm thường sử dụng phương pháp chưng cất liên tục

Nguyên tắc phương pháp là dựa vào nhiệt độ bay hơi khác nhau của các cấu

tử trong hổn hợp.Về thiết bị thì có nhiều loại khác nhau, tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà người ta chọn loại thiết bị phù hợp.Trông công nghệ thực phẩm thiết bị chưng cất thường dùng là thiết bị loại tháp

Nội dung của đồ án này là tính toán thiết kế tháp đệm chưng luyện liên tục hổn hợp hai cấu tử là CH3COOH và H2O

Các số liệu ban đầu :

Năng suất theo hổn hợp đầu: 1800(l/h)

(4)

Hơi đốt

(3) (6)

(5)

(8)

(1)

(2) (F)

Chuong 1 TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ 1.Cân bằng vật liệu

Phương pháp cân bằng vật liệu cho toàn tháp

GF = Gp+Gw (kg/h)

GF: lưu lượng hổn hợp đầu

Gp :lưu lượng hổn hợp đỉnh

Gw :lưu lượng sản phẩm đáy

Cân bằng vật liệu cho cấu tử dể bay hơi

GF.xF = GP.xp+Gw.xw (kg/h)

xF:phần mol hổn hợp đầu

xp:phần mol sản phẩm đỉnh

xw:phần mol sản phẩm đáy Theo giả thiết ta có :

aF = 0,75: nồng độ của hổn hợp đầu (phần mol)

ap = 0,9:nồng độ của sản phẩm đỉnh (phần mol)

aw =0,1:nồng độ phần mol khối lượng sản phẩm đáy

Suy ra các giá trị của xF, xp, xw:

xF =

M

a M

M

A F

O H

O H

2

2

− +

=

60

25 , 0 18

75 ,

75 , 0

+

= 0,91

MH2O

:phân tử lượng của nước

MA= 60 :Phân tử lượng của CH3COOH

xp =

60

1 18

18

a a

a

P P

P

− +

=

60

1 , 0 18

9 ,

0 18

9 , 0

18

a a

a

W W

W

− +

=

60

9 , 0 18

1 ,

0 18

1 , 0

a a

w p

w F

−

−

=1853,1

1 , 0 9 , 0

1 , 0 75 , 0

M =xF MH2O

+(1-xF).MA =0,91.18 + 0,09.60 = 21,78

F: lượng hổn hợp đầu (Kmol/h)

P:lượng sản phẩm đỉnh W:Lượng sản phẩm đáy

F =

M

GF =

78 , 21

1 ,

1853 = 85,08

P =F

x x

x x

w p

w F

−

−

= 85,08

27 , 0 968 , 0

27 , 0 91 , 0

−

− = 78,01

=> W = F-P = 85,05- 78,01 =7,07

2 Xác định chỉ số hồi lưu - số đĩa lý thuyết

Gọi x: nồng độ cấu tử dể bay hơi trong pha lỏng y: nồng độ cấu tử dể bay hơi trong pha hơi

t: nhiệt độ sôi của hổn hợp hai cấu tử ở áo suất 760 mmHg

a(% khối lượng) x(phần mol) y(phần mol) Kg/h Kmol/h Nhiệt độ sôi

aF = 0,75 xF = 0,91 yF= 0.937 1853,1 85,08 100,6

ap = 0,9 xp = 0,968 yp= 0,9776 1505,64 78,01 100,2

aw = 0,1 xw =0,27 yw= 0,3884 347,46 7,07 108,28 Chỉ số hồi lưu thích hợp: ROPT

y x

F F

p p

−

−

= 1 , 148

91 0 937 , 0

937 , 0 968 ,

ROPT P x

Phương trình làm việc của đoạn chung :

X =

R L

08 ,

Mà: ROPT = β.Rmin : đặt B =

1 +

OPT

p R

x ứng với mổi giá trị của βsẽ là một đĩa

lý thuyết N ở bảng sau

β 1,2 1,4 1,6 1,8 2,1 2,3 2,5

ROPT 1,378 1,607 1,837 2,066 2,411 2,64 2,87

N 17 15 14 13 13 12 11 N(R+1) 38,048 39,105 39,718 39,858 44,343 43,68 42,57

y = 0,579x + 0,407 Phương trình đường làm việc đoạn chưng

X = 0,964y + 0,036

3.Xác định số đĩa thực tế

Hiệu suất làm việc của tháp được tính theo biểu thức:

η=α.μ η:hiệu suất của tháp (%)

α: độ bay hơi của hổn hợp

μ:độ nhớt của hổn hợp: (10-3 N.S/m2 )

α=

x

x y

−

1

η + + (%) (13-53-QH-TBVNHH II)

η1: hiệu suất đĩa trên cùng (%) η2: hiệu suất đĩa tiếp liệu (%) η3: hiệu suất đĩa dưới cùng (%) a)Hiệu suất đĩa trên cùng:

80 40

2 1

θ θ

Độ nhớt của CH3COOH ở nhiệt độ tp=100,2 là:

θ3= − +

6 , 1

1

t

tp θ1 = 2 , 4

6 , 1

40 2 ,

100 − + = 61,625 (oC) Tra bảng độ nhớt của CH3COOH ta có

032 , 0 0224 , 0

9776 , 0 1

.

x y

y

p p

p p

η1=α1 μ1

hh=1,443.0,288 = 0,4156 b)Hiệu suất của đĩa tiếp liệu

09 , 0 063 , 0

937 , 0 1

.

x y

y

F F

F F

η2=α2 μ2

hh=1,47.0,296 = 0,435 c)Hiệu suất của đĩa dưới cùng

73 , 0 6116 , 0

3884 , 0 1

.

x y

y

w w

w w

η3=α3 μ3

hh=1,717.0,4387 = 0,753 Vậy hiệu suất trung bình của tháp là:

3

4156 , 0 435 , 0 753 , 0 3

3 2

=η

Nlt (đĩa) Như vậy số đĩa thực tế là 32 đĩa Trong đó: Chưng :Nc = 21 đĩa

Luyện: Nl =11 đĩa

CHƯƠNG II TÍNH KÍCH THƯỚCTHIẾT BỊ

I.Tính đường kính thiết bị: D chưng ≥ D luyện

Đường kính của thiết bị được xác định theo công thức

D = 0,0188

W

y tb

g

ρ (m) (IX.90-sô tay TII) Trong đó : gtb lượng hơi trung bình đi trong tháp

ρy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đi trong tháp (Kg/m3)

wy vận tốc trung bình của hơi đi trong tháp(m/s)

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi đoạn của tháp nên phải tính lượng hơi lỏng cho từng đoạn

1 Đường kính đoạn luyện

gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h, kmol/h)

gd : lượng hơi đi ra khỏi điã trên cùng của đoạn luyện

g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện

a)Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp

b)Lượng hơi đi vào đoạn luyện

Giữa lượng hơi g1 hàm lượng hơi y1 và lượng hơi G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

g1=G1+Gp (1)

g1.y1=G1.x1+Gp.xp (2)

g1.r1 =gd.rd (3) trong đó: x1= xF = 0,91

r1 ẩn nhiệt hoá hơi của hổn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (Kcal/kg)

rd ẩn nhiệt hóa hơi của hổn hợp đi ra khỏi tháp (Kcal/kg)

r1=ra.y1+(1-y1).rb (đĩa thứ nhất)

rd= ra.yd+(1-y1).rb (đĩa trên cùng) trong đó: ra,rb ẩn nhiệt hóa hơi của H2O và CH3COOH nguyên chất

yd nồng độ của H2O trong hổn hợp đầu

y1 hàm lượng hơi đối với đĩa 1 của đoạn luyện

Dựa vào phương pháp nội suy xác định ẩn nhiệt hóa hơi của nước và của

CH3COOH ở các nhiệt độ khác nhau:

Ở 100oC r1a =539(kcal/kg)

Ở 140oC r2a =513(kcal/kg)

Ta có ở nhiệt độ tF=100,6oC (ứng với rd) ẩn nhiệt hóa hơi của nước là:

Suy ra r1=538,61.y1+(1-y1).96,96

rd= 538,87.0,9776+0,0224.96,98 = 528,97 Giãi hệ 4 phương trình:

gtbl = 4033 , 066

2

1 = +g

gd

(kg/h)

gd =189,031(kmol/h) Lượng lỏng trung bình trong đoạn luyện

Gtbl =

2

378 , 1 01 , 78 495 , 296 2

w 0,163

2 x

.

.

μ

μ ρ

ρ ρ

n

x g

xtb d

ytb d

v = A - 6,75.( ) ( )

8 4

wx: vận tốc đặc pha (m/s)

ρd :Bề mặt tự do của đệm (m2/m3)

Vd: Thể tích tự do của đệm (m3/m3)

ρytb :khối lượng riêng trung bình của hơi.(kg/m3)

ρxtb : Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m3)

μx: Độ nhớt của hổn hợp lỏng ở điều kiện trung bình (N.S/m2)

μn : Độ nhớt của nước ở 20oC (N.S/m2)

Gy :Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h)

Gx : Lượng lỏng trung bình đi trong doạn luyện (kg/h)

Chọn loại đệm vòng có kích thước chưa có và ρd =310(m2/m3),

Vd =0,71(m3/m3)

Xác định khối lượng riêng:

ρytb =

) 4 , 100 273 (

4 , 22

273 ].

60 ).

1 ( 18 [

y p

Suy ra : ρytb = 0 , 646

) 4 , 100 273 (

4 , 22

273 ].

60 0427 , 0 18 9573 , 0

ρ 11 21

1 1

xtb tb

xtb tb

18 92 , 0 60

).

1 ( 18

18

1 1

tb

(phần khối lượng ứng với to trung bình)

Với xtb1: nồng độ trung bình của pha lỏng tương ứng với ytbl =0,9573

ρxtb1 : Khối lượng riêng của H2O tại 100,8 oC (kg/m3)

ρxtb2 : Khối lượng riêng của CH3COOH tại 100,8 oC (kg/m3)

Dựa vào phương pháp nội suy

Ở 120oC khối lượng riêng của là ρ2 = 922(kg/m3)

Suy ra khối lượng riêng của CH3COOH ở 100,8oC là

ρxtb2 =(922-958):20.0,8+958 =956,56 Vậy

56 , 956

225 , 0 79 , 957

775 , 0

μx =0,5937 (10-3.N.S/m2); μn = 1,005 (10-3.N.S/m2) ở 20oC Thay các giá trị vào công thức (IX.115-ST II)

066 , 4033

0188 , 0

2 Đường kính đoạn chưng

Dc =0,0188

w

g

ytb ytb

tb

' ' '

'

g

gn+

(kg/h)

gn' : lượng hơi đi ra khỏi đọan chưng (kg/h)

gn' : Lượng hơi đi vào đọa chưng (kg/h)

g1 :lượng đi vào đoạn chưng trừ GF

1 g

g +

Ta có hệ phương trình sau

G g

G . '. W W. W

1

, 1

,

1 = + (2)

r g r g r

g n n 1 1

, , , 1 ,

,

1 = . + ⎜⎝⎛ − ⎟⎠⎞ : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

ra : ẩn nhiệt hóa hơi của H2O ở 108,3 0C , ra = 534,2 [kcal/kg]

rb : ẩn nhiệt hóa hơi của CH3COOH ở 108,3 0C , rb = 96,46 [kcal/kg]

GW : lượng sản phẩm đáy [kmol/h]

Giãi hệ phương trình trên ta có:

, 1 1

gtb 6325,867 [kg/h]

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng

2

, 1

' 1 , 1

y y

273 60 603 , 0 18 397 , 0

− +

=

60 1 18

18

, 1

, 1

, 1 2

x x

x a

tb tb

tb

tb 0,103

Ở nhiệt độ108,01 0C : Khối lượng riêng của H2O là ρ,

1

xtb = 952,47 [kg/m3] Khối lượng riêng của CH3COOH là ρ,

2

xtb = 943,58 [kg/m3] suy ra

ρ ρ

2

2 ,

1

2 ,

1 1

xtb tb

xtb tb

01 , 108 1

μ 0,263 [10-3N.s/m2]

Độ nhớt của CH3COOH là = − 8,01+0,46=

20

46,063,0

01 , 108 2

μ 0,528 [10-3N.s/m2] Vậy lgμ μ μ108 , 01

2

01 , 108

1 (1 0,2943).lglg

.2943,

=

suy ra μx=0,69524 [10-3N.s/m2] Thay các giá trị vào công thức (IX.115) ta có wy'=3,167 [m/s]

867 , 6325

( )

G G G G

G

G R

d h

x y y x

td td

m

m x

y y

x x

y e

1

lg

.

4 , 8

039 , 0 19

, 0 342

, 0 2

, 0

ρ

(10_41_QT&TBCNHH II) trond đó dtd=

δd td

V

4

: đường kính tương đương của đệm [m]

μ

ρ

y d

y td y e

V

d w

.

3

= Chuẩn số Reynon

ρy:Khối lượng riêng của hơi [kg/m3]

ρx :khối lượng riêng của lỏng [kg/m3]

wy : Vận tốc hơi đi trong tháp

δd : bề mặt riêng của đệm[m2/m3]

Vd : thể tích tự do của đệm [m3/m3]

Gy,Gx: lượng lỏng và hơi trung bình đi trong tháp [kg/h]

μx μy : độ nhớt của hơi và lỏng đi trong tháp theo nhiệt độ trung bình [N.s/m2]

m : giá trị tgα trung bình trên đường cân bằng

1 Chiều cao đệm của đoạn luyện

3095 , 0 71 , 0

646 , 0 00916 , 0 954 , 1

=

Re 103 = 52,618

m = 0,81 Thay các thông số vào công thức (10_41)

ta có Htd =34,6912.0,00916 = 0,3178 [m]

Suy ra chiều cao đoạn luyện là H1 = 0,3178.11 = 3,496 [m]

2 Chiều cao đoạn chưng và toàn tháp

18 4058 , 0

=

Với μ1 ,μ2 :là đọ nhớt của H2O và CH3COOH ở nhiệt độ 108,01oC

528 , 0

83 , 0 263 , 0

17 , 0

μy =>μy =0,45 (10-3.N.s/m2)

45 , 0 71 , 0

5364 , 0 00916 , 0 217 , 2

=

Re 103 = 34,094 Thay các giá trị vào công thức (10_41) ta có

024 , 34

Chọn h=0,8 :chiều cao cho phép ở đỉnh và đáy H=10,84(m)

= Δ

ρ

y

x x

y y

x A

G

G p

pæ k

038 , 0 19

, 0 342

, 0

.

1 (N/m2) (IX.118_sổ tay II)

Δ : tổn thất áp suất của đệm khô[ N/m2]

Gx,Gy: lượng lỏng, hơi trung bình đi trong tháp [kg/s]

μx μy: độ nhớt trung bình của lỏng, hơi [N.S/m2]

ρx,ρy:khối lượng riêng trung bình của lỏng,hơi [kg/m3] Tổn thât áp suất của đệm kho tính theo công thức :

2

.

4 2

.

2

3

, 2

d

d t

y

td k

w V

w d

d

y t

V

w p

d

y d y k

H

3

2 , 0 2 , 1 8 , 1 ,

56 ,

=

Δ [N/m2] (IX.121_sổ tay II)

I Trở lực cho đoạn luyện

Các số liệu đã có : Tốc độ bay hơi wy= 2,79 [m/s]

μy= 0,3095 [10-3.N.s/m2] Vận tốc của hơi trong đệm

71 , 0

79 , 2

, 0 93 ,

3

3

2 , 0 2

, 1 8 , 0 8

, 1

1

3

.

496 , 3 56 ,

0

5937 ,

0 51

, 957

646 ,

0 066

, 4033

3 ,

3875 0,342 0,19 0,037

pæ

= 54799,26 [N/m2]

II Trở lực của đoạn chung

Vận tốc thực của hơi trong đệm w1'= 4,46[m/s]

( ) 0 , 71

10 45 , 0 5364 ,

0 310 46

,

4

3

2 , 0 8

, 0 2

, 1 8 , 1

2

3

.

45 , 6 56 ,

69524 ,

0 6

, 944

5364 ,

0 867

, 6325

285 ,

4215 0,324 0,19 0,038

pæ

= 112754 [N/m2] Vậy trở lực của toàn tháp là :

p p

pæ= Δ æ1+ Δ æ2

Δ = 53447,76 +112754 = 167553,27 [N/m2]

CHƯƠNG 4 CÂN BẰNG NHIỆT LUYỆN CHO QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN

I Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hổn hợp

r1 : Ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt [J/kg]

λ1 : hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt [J/kg]

θ1 : nhiệt độ nước nhưng [0C]

C1 : nhiệt dung riêng của nước ngưng [J/kg.âäü]

* Nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang ra QF= F.CF.tF [J/h]

F : lượng hổn hợp đầu [kg/h]

CF : nhiệt dung riêng của hổn hợp khí đi ra [J/kg độ]

tF : nhiệt độ của hổn hợp khí ra khỏi hổn hợp khí đun nóng [0C]

* Nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang vào Qf =F.Cf.tf [J/h]

Cf: nhiệt dung rieng của hổn hợp đầu [J/kg độ]

tf : nhiệt độ đầu của hổn hợp [0C]

* Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qngl=Gngl.C1 θ1 = D1 C1 θ1 [J/h]

Gngl : lượng nước ngưng ,bằng lượng hơi đốt [kg/h]

* Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn

r D

Q Q Q Q Q

Q

D F ngl xql f F f F F F f f

1 1

1

.

.

95 , 0

=

Để đảm bảo đun nóng ở đáy tháp được liên tụcvới hiệu suất cao,ta chọn hơi đốt là hơi nước bảo hoà có nhiệt độ là125 0C và ở áp suất 2,37 atm

Nhiệt dung riêng của CH3COOH ở 100,6 0C C1002 ,6= 2433,2 [J/kg độ]

Nhiệt dung riêng cuar H2O ở 100,6 0C C1001 .6= 4219,4 [J/kg.âäü]

Nhiệt dung riêng của hổn hợp ra khỏi thiết bị đun nóng

Ở 125 0C ẩn nhiệt hoá hơi của hơi nước là r1 = 523,5 (kcal/kg) = 2194.103 [J/kg]

Vậy lượng hơi đốt cần để đun hổn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là :

103

2194 95 , 0

28 6 , 3660 6 , 100 85 , 3772 1 ,

= 334,193 [kg/h]

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào là:

QD1 = D1.r1 = 234,193.2194.103 = 733219315 [J/h]

II Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng luyện

Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hổn hợp ở đáy tháp được xác định theo biểu thức sau :

D2 =

r

Q Q Q Q

Qn W m f x

1

−

− + +

[kg/h]

Trong đó

D2 :lượng hơi đốt cần thiết [kg/h]

Qn: Nhiệt lượng của hơi mang ra khỏi đỉnh tháp [J/h]

QW: nhiệt lượng của sản phẩm đáy [J/h]

Qm: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh , Qw= 5%.Qm2 [J/h]

Qx: nhiệt lượng của lỏng hồi lưu [J/h]

Qf: nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang vào [J/h]

r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt [J/kg]

1 Nhiệt lượng của hơi mang ra khỏi đỉnh tháp

Hơi ra khỏi đỉnh có nhiêt độ là tp = 100,2 0C

λ =a1. 1+ 1−a1. 2

Với :

a1,λ1: là nồng độ phần khối và nhiệt lượng riêng của H2O trong hơi

λ2: nhiệt lượng riêng của CH3COOH trong hơi [J/kg] ở 100,20C

2 , 100 2 2 , 100 2

QW= W.CW.tW [J/h]

mà: CW a C ( a ) C108 , 3

2 2 3

, 108 1

2 + 1 −

=

Nhiệt dung riêng của H2O ở 108,3 0C là: C1081 ,3= 2,07467 [J/kg độ]

Nhiệt dung riêng của CH3COOH ở 108,3 0C : C1082 ,3= 2644,18 [J/kg độ]

a2:nồng độ phần khối lượng của H2O trong sản phẩm đáy

CW= 0,1.2074,67 + 0,9.2644,18 = 2587,23 [J/kg độ]

QW= 347,46.2587,23.108.3= 97,3573.106 [J/h]

3 Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào tháp

Ta xem quá trình ngưng tụ của sản phẩm đỉnh là đẳng nhiệt (nghĩa là nhiệt độ của lỏng hồi lưu vào tháp là100,1 0C )

CF :nhiệt dung riêng của hổn hợp ra khỏi thiết bị đun nóng

Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hổn hợp ở đáy tháp

D2 =

r

Q Q Q Q

Qn w m f x

1

−

− + +

6 6

2194 95 , 0

) 34 , 703

76 , 774 193 , 334 2194 05 , 0

3573 , 97

386 , 8801

D2= 3560,3 [kg/h]

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD2 = 3560,3.2194.103 = 7811,24.106 [J/h]

III Cân băng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

Dùng chất tải nhiệt là nước lạnh Chọn : tvào =25oC ,tra =50oC Theo nguyên tắc ngược chiều ta có: Gp.Rx.r = Gn.Cn.Δt Nhiệt đọ trung bình: ttb = 37 , 5

2

25

Cn :Nhiệt dung riêng của H2O ở 27,5oC ,Cn = 4181,043 [J/kg độ]

Gn : Lượng hơi nước tiêu tốn [kg/h]

r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước