THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT LIÊN TỤC HỖN HỢP ETHANOL – NƯỚC NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 900 L.h-1

Đốivới hệ ethanol – nước là hai cấu tử có nhiệt độ sôi chênh lệch nhau khoảng 12 oC, taphải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết của ethanol.. Nhiệm vụ của Đồ án này là t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ -🙢 🙢✧ -

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CNHH

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT LIÊN TỤC HỖN HỢP ETHANOL – NƯỚC NĂNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: SINH VIÊN THỰC HIỆN:

TS Lương Huỳnh Vủ Thanh Trương Thị Huyền Trang

MSSV: B1606688 Ngành: CN Kỹ thuật hóa học - Khóa: 42

Tháng 11/2019

3.2 Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp 11

3.5.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất 133.5.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng 13

4.1.2 Đường kính đoạn chưng 19

4.3.4 Đường kính các ống dẫn, thông số của bích ghép các ống dẫn 33

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ 425.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng hỗn hợp 425.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất 43

5.3.4 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy 61

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1-3: Thành phần lỏng (x)–hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol–nước

Bảng 4-8: Thông số bích ghép ống dẫn hơi vào tháp 37Bảng 4-9: Thông số bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp 38Bảng 4-10: Thông số bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy 38

Bảng 5-1: Tóm tắt thông số thiết bị làm ngưng tụ sản phẩm đỉnh 51Bảng 5-2: Tóm tắt thông số thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 57Bảng 5-3: Tóm tắt các thông số nồi đun chất lỏng ở đáy tháp 61Bảng 5-4: Tóm tắt thông số thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu 67Bảng 5-5: Tóm tắt thông số thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu 72

Hình 1-6: Một số vật liệu chêm thường dùng trong tháp 7

Hình 4-2: Bích liền không cổ ghép thân, đáy, nắp [3] 33Hình 4-3: Bích liền không cổ ghép ống dẫn với thiết bị [3] 34

Hình 4-5: Tai treo của thiết bị thằng đứng (trang 438, [2]) 41

4

LỜI CẢM ƠN

Trong khoảng thời gian thực hiện Đồ án Quá trình và thiết bị Công nghệ hóa học,

em đã nhận được sự hướng dẫn và những góp ý đầy chân thành từ thầy Lương Huỳnh

Vủ Thanh Với kiến thức và kinh nghiệm chuyên môn dồi dào, thầy đã giúp em

không chỉ học hỏi được nhiều kiến thức quý báu về thực tế và lý thuyết mà còn có cảthái độ và phong cách làm việc nghiêm túc, chuyên nghiệp Nhờ vào điều đó mà em cóthể học tập và làm việc một cách chủ động hơn cũng như học được cách tìm hiểu mộtvấn đề trong thực tế

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

Thầy Lương Huỳnh Vủ Thanh, thầy trực tiếp hướng dẫn cho em những lời chỉbảo, nhận xét trong suốt quá trình thực hiện đồ án

Các thầy, cô trong Hội đồng Đồ án Quá trình thiết bị đã cho em những lờikhuyên, nhận xét bổ ích để giúp đồ án này được hoàn thiện hơn

Các bạn trong tập thể lớp Công nghệ kỹ thuật hóa học K42 và các anh chị khóaK41 đã nhiệt tình giúp đỡ

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, những người đã luôn bêncạnh động viên, ủng hộ, cùng em vượt qua những khó khăn trong cuộc sống

Xin chân thành cảm ơn!

Cần Thơ, ngày 25 tháng 11 năm 2019

Trương Thị Huyền Trang

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay khoa học kỹ thuật nói chung và ngành công nghiệp hóa học nói riêngngày càng phát triển không ngừng nhằm đáp ứng tốt nhu cầu sản xuất, tiêu dùng vàsinh hoạt của con người cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của cácsản phẩm Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến vàđổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly Tùytheo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp Đốivới hệ ethanol – nước là hai cấu tử có nhiệt độ sôi chênh lệch nhau khoảng 12 oC, taphải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết của ethanol

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trongquá trình học tập của các kỹ sư hoá - thực phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giảiquyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết

bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụngnhững kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực

tế một cách tổng hợp

Vì thế, đề tài đồ án môn học "Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ chưng cất liên tục hệethanol – nước" cũng là một bước giúp cho sinh viên tập luyện và chuẩn bị cho việcthiết kế Quá trình và Thiết bị công nghệ hoá học Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kếtháp mâm xuyên lỗ chưng cất liên tục hệ ethanol – nước với nguồn nguyên liệu đầuvào là khoai mì sau quá trình lên men và chưng cất sơ bộ đến 40 độ rượu (ở 15 oC) và

đi qua hệ thống chưng cất liên tục ta thu được ethanol 96 độ (ở 15 oC) Chưng cấtethanol 96 độ nhằm sản xuất cồn công nghiệp ứng dụng trong công nghiệp tẩy rửa, vệsinh dầu mỡ máy móc; công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may, Các thông sốnhập liệu ban đầu như sau: năng suất nhập liệu là 900 L/h, nồng độ nhập liệu là 34,7%phân khối lượng (ứng với rượu 40 độ ở 15 oC), sản phẩm đỉnh có nồng độ 95% phânkhối lượng (ứng với rượu 96 độ ở 15 oC) và độ thu hồi dung môi là 99%

Lưu ý: chỗ số mâm lý thuyết, k đc chọn số lỗ trên 1 mâm mà phải tính diện tích mâm,chọn diện tích lỗ trên mâm (thường là 60% dt mâm) từ đó suy ra số lỗ trên 1 mâm.Nếu làm theo bài viết này thì chọn số lỗ trước, như vậy số lỗ sẽ rất nhiều, khi đó sẽlàm yếu mâm và cũng khó vẽ CAD

Khi vẽ CAD tới phần gờ chảy tràn trên mâm, thì 2 gờ k bằng nhau, gờ ngoài lớn hơnhoặc bằng 50mm (theo hồ lê duyên), gờ trong cùng phải ngắn hơn gờ ngoài (thầy việtnói khoảng 20mm là đc)

6

CHƯƠNG 1: LƯU

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Sơ lược về nguyên liệu

Nguyên liệu là hỗn hợp ethanol - nước với tỷ lệ khối lượng nhất định được bơmcao áp bơm nhập liệu vào giữa tháp chưng cất ở trạng thay lỏng - sôi

Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg 78,3 oCKhối lượng riêng D42 oC = 810 kg.m-3

Độ nhớt ở 20 oC μ = 1,2 cP

nc= -114,3 oC

(Nguồn: https://vi.wikipedia.org/wiki/Ethanol )

Ngày nay, ethanol có vai trò và vị trí quan trọng trong ngành nhiên liệu sinh học,

là thành phần quan trọng trong công nghiệp và sử dụng rộng rãi như một hợp chất hữu

cơ khác, làm thuốc sát trùng, ethanol có trong sơn, cồn thuốc, các sản phẩm chăm sóc

cá nhân như nước hoa, chất khử mùi và một số ứng dụng khác

Hình 1-2: Ứng dụng của ethanol

(Nguồn: https://dhanhcs.violet.vn/document/ung-dung-ruou-etylic-645229.html )

2.1.2 Nước

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển)

và rất cần thiết cho sự sống Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tannhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học Trong điều kiện bìnhthường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị

Bảng 1-2: Các thông số vật lý của nước

Thông số vật lý

Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg 100 oCKhối lượng riêng D42 oC = 1000 kg.m-3

Độ nhớt ở 20 oC μ = 1 cP Nhiệt độ nóng chảy T o

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh

Trong công nghiệp khi điều chế ethanol bằng cách lên men tinh bột và rĩ đường

sẽ thu được hỗn hợp đa phần là ethanol và nước Lượng ethanol trong hỗn hợp nàythường vào khoảng 10 - 50% về thể tích Vì vậy yêu cầu bức thiết là cần phải nâng caonồng độ ethanol mới có thể sử dụng

Dựa vào một số tính chất vật lý của ethanol như tan vô hạn trong nước do sự tạothành liên kết hydro giữa các phân tử ethanol với nhau và với nước, nhiệt độ sôi củaethanol (78,39 oC ở 760 mmHg) < nước (100 oC ở 760 mmHg) nên trong các phươngpháp tách hỗn hợp chất thì phương pháp phù hợp nhất với hệ ethanol - nước đó làphương pháp chưng cất

Bảng 1-3: Thành phần lỏng (x)–hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol–nước

sự khác nhau căn bản nhất của 2 quá trình này là trong quá trình chưng cất dung môi

và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với

tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tankhông bay hơi [2]

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo [2]:

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh

Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Nguyêntắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi củacác cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

Số lượng cấu tử tròn hỗn hợp: hệ hai cấu tử, hệ ba cấu tử hay sô cấu tử ít hơnmười và hệ nhiều cấu tử (nhiều hơn mười)

Theo nguyên lý làm việc: thì có chưng cất gián đoạn (chưng cất đơn giản) vàchưng cất liên tục Chưng cất đơn giản (gián đoạn) được sử dụng đối với hỗn hợp nhậpliệu mà các cấu tử có nhiệt độ sôi khác xa nhau, không đòi hỏi sản phẩm có độ tinhkhiết cao Ngoài ra còn dùng để tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

Để tách hỗn hợp nhiều cấu tử phức tạp hơn người ta thường sử dụng phươngpháp chưng cất liên tục là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.Phương pháp này có cấu tạo thiết bị phức tạp hơn nhưng sản phẩm thu được có độ tinhkhiết cao và nồng độ mong muốn

Bên cạnh đó, người ta còn phân loại phương pháp chưng cất theo cách cấp nhiệtcho hỗn hợp nhập liệu như cấp nhiệt trực tiếp ở đáy tháp và cấp nhiệt gián tiếp bằngnồi đun Cấp nhiệt trực tiếp thường dùng để tách các hợp chất khó bay hơi và khôngtan trong nước Tuy nhiên với năng suất nhập liệu tương đối nhỏ và hệ ethanol – nướckhông dễ phân hủy ở nhiệt độ cao nên ta có thể sử dụng phương pháp cấp nhiệt này[2]

Khi chưng cất bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Đối với hỗn hợphai cấu tử ethanol – nước, quá trình chưng cất sẽ dựa vào đường cân bằng lỏng – hơinhư trên (Hình 1-3) khi đó sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt

độ sôi nhỏ) và một phần ít cấu tử có độ bay hơi bé và sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu

tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi lớn) và một phần ít cấu tử có độ bay hơi lớn

Như vậy, đối với hệ ethanol – nước, phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệttrực tiếp bằng điện trở ở đáy tháp trong điều kiện áp suất thường được chọn

2.2.2 Thiết bị chưng cất [1]

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêucầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phântán của lưu chất này vào lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thườngđược ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước của tháp, đường kính tháp

và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết củasản phẩm Hai loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

Tháp mâm: Thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu

tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng vàpha hơi được cho tiếp xúc với nhau

SVTH: Trương Thị Huyền Trang5

Hình 1-4: Hình dạng tháp mâm

(Nguồn: https://www.wikiwand.com/en/Plate_column )

Tùy theo cấu tạo của các loại đĩa, có các loại tháp mâm:

- Tháp mâm chóp: Trên mâm bố trí có chốp dạng tròn, xupap, chữ s,

- Tháp mâm xuyên lỗ: Trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3 – 12) mm

Hình 1-5: Hình dạng của mâm chóp và mâm xuyên lỗ

a) Mâm chóp; b) Mâm xuyên lỗ

(Nguồn: http://www.wermac.org/equipment/distillation_part2.html và

https://www.chem-dist.com/sieve-tray.html )

Tháp chêm (tháp đệm): Tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nói với nhau bằng mặt

bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp xếp ngẫunhiên hay xếp theo thứ tự

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh

Hình 1-6: Một số vật liệu chêm thường dùng trong tháp

- Làm việc với chất lỏng bẩn

- Hiệu suất cao

- Hoạt động ổnđịnh

N

hược

điểm

- Hiệu suất thấp

- Độ ổn địnhkém

- Thiết bị nặng

- Trở lực khá cao

- Yêu cầu lắp đặt khắt khe

- Cấu tạo phức tạp

- Trở lực lớn

- Không làm việc với chất lỏng bẩn

SVTH: Trương Thị Huyền Trang7

CHƯƠNG 3: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

3.1 Công nghệ chưng cất hệ ethanol – nước

Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong nước, nhiệt độ sôi 78,3 ở 760℃mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100 ℃ ở 760 mmHg, hơi cách biệt khá xa nênphương pháp hiệu quả để thu ethanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất.Trong trường hợp này chúng ta không dùng phương pháp cô đặc vì các cấu tửđều 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 quátrình tách không được hoàn toàn

3.2 Sơ đồ qui trình công nghệ

Chú thích các ký hiệu trong qui trình công nghệ

1 Bồn chứa nguyên liệu

2 Bơm

3 Bồn cao vị chứa nguyên liệu

4 Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy

5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

13 Bồn cao vị chứa nước

14 Thiết bị gia nhiệt chất lỏng ở đáy

15 Bồn chứa sản phảm đáy

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh

Hình 2-1: Sơ đồ qui trình công nghệ

SVTH: Trương Thị Huyền Trang9

Thuyết minh qui trình công nghệ

Hỗn hợp ethanol – nước có nồng độ ethanol 34,7% phân khối lượng (ứng vớirượu 40 độ ở 15 oC), nhiệt độ 30 oC tại bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) lên bồncao vị (3) Sau đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy (4) với lưulượng nhập liệu 900 L.h-1 Hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi 84 oC trong thiết bịgia nhiệt nhập liệu (5) Tiếp sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở mâmnhập liệu, trước khi đi vào tháp chưng cất thì dòng nhập liệu sẽ đi qua lưu lượng kế đểđiều chỉnh lưu lượng vào tháp

Trên mâm nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảyxuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên và gặp chất lỏng đi từ trên đỉnh tháp xuống Tạiđây sẽ diễn ra quá trình tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi Pha lỏng chuyển động trongphần chưng càng xuống gần đáy tháp càng bị giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì đã bịpha hơi tạo nên từ thiết bị gia nhiệt chất lỏng đáy (14) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi đi lênphía trên, ngược lại nồng độ cấu tử dễ bay hơi sẽ tăng dần theo chiều cao của tháp.Nhiệt độ trong tháp càng lên trên sẽ càng thấp, nên khi hơi đi qua các mâm từ dưới lênthì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ bị ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thuđược hỗn hợp có có cấu tử dễ bay hơi chiếm 95% phân khối lượng (ứng với rượu 96

độ ở 15 oC) Hơi này khi ra khỏi tháp sẽ được dẫn vào thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh(8) và được ngưng tụ hoàn toàn thành dòng lỏng nhưng vẫn còn nhiệt độ cao (78,2 oC).Hỗn hợp này sẽ đi qua bộ phận chỉnh dòng (9) một phần dòng lỏng ngưng tụ đi quathiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (10) sau đó cho qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11).Phần còn lại của dòng lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở mâm trên cùng với tỉ sốhoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, phần còn lại cấu tử

có nhiệt độ cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗnhợp lỏng (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ ethanol là 0,5% phân khối lượng,còn lại là nước Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (14) Trong nồi đundung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phầncòn lại ra khỏi nồi đun được trao đổii nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (4) Saukhi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu, sản phẩm đáy sẽ được dẫn vào bồn chứa sảnphẩm đáy (15)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là ethanol ở 50 oC, sản phẩmđáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ 60 oC được thải bỏ

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

4.1 Các thông số ban đầu

Các thông số ban đầu:

- Năng suất nhập liệu: G F=900 L.h-1

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: V F=40% theo thể tích ethanol

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: V D=96% theo thể tíchethanol

- Tỉ lệ thu hồi ethanol: η=99%

- Khối lượng phân tử của ethanol: M R=46

- Khối lượng phân tử của nước: M N=18

- Trạng thái nhập liệu lỏng sôi Loại thiết bị sử dụng là tháp mâm xuyên lỗ

có ống chảy chuyền

Các ký hiệu:

- G F, F suất lượng nhập liệu (đơn vị kg.h-1, kmol.h-1)

- x F, x D, x w: phân mol tương ứng của ethanol trong nhập liệu, sản phẩm đỉnh

và sản phẩm đáy

- x F, x D, x W: phân khối lượng tương ứng của ethanol trong nhập liệu, sảnphẩm đỉnh và sản phẩm đáy

4.2 Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp

Cân bằng vật chất cho toàn tháp:

Với t=15oC, ta có khối lượng riêng của rượu và nước lần lượt là:

ρ R=793,25kg.m-3 (tra bảng I.2, trang 9, [1])

ρ N=999,68kg.m-3 (tra bảng I.249, trang 310, [1])

Phần mol theo độ rượu:

x D= 11+ρ N

Tra bảng I.249 (trang 310, [1]): ρ N=969,24 kg.m-3

Tra bảng I.2 (trang 9, [1]): ρ Et=904,405 kg.m-3

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh

4.3 Xác định 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 vàbơm…) là tối thiểu

Dựa vào đồ thị với x F=0,172 ta xác định được y¿F=0,512

4.5 Xác định phương trình đường làm việc

4.5.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0

Từ đồ thị có: 12 mâm bao gồm: 9 mâm cất, 3 mâm chưng

Vậy, số mâm lí thuyết là N¿ =12 mâm

Xác định hiệu suất trung bình của tháp

Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:

α= y¿

tb



QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh

Với:

- x: phân mol của rượu trong pha lỏng

- y¿: phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

Tra bảng I.102 (trang 94, [1]): Độ nhớt của nước: μ N=0,3395 cP

Tra bảng I.101 (trang 91, [1]): Độ nhớt của rượu: μ R=0,568 cP

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu:

log μ F =x F log μ Et +(1−x F ).log μ N

→μ F=0,371 cP nên α F μ F=1,874

Tra hình IX.11 (trang 171, [2]): η F=42 %

Tại vị trí mâm đáy:

α w= y w¿

1− y w¿ . 1−x w

x w =9,031

Tra bảng I.102 (trang 94, [1]): Độ nhớt của nước: μ N=0,3395 cP

Tra bảng I.101 (trang 91, [1]): Độ nhớt của rượu: μ R=0,2853 cP

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đáy:

log μ w =x w log μ R +(1−x w ) log μ N

Tra bảng I.102 (trang 94[1]): Độ nhớt của nước: μ N=0,3646 cP

Tra bảng I.101 (trang 91[1]): Độ nhớt của rượu: μ R=0,6261 cP

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đỉnh:

log μ D =x D log μ R +(1−x D ).log μ N

→μ D=0,587 cP nên α D μ D=0,605

Tra hình IX.11 (trang 171, [2]): η D=56 %

Hiệu suất trung bình của tháp: η tb=η F +η3W +η D= 42+39+563 =45,7 %

SVTH: Trương Thị Huyền Trang15



CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ THÁP CHƯNG

- V tb: lượng hơi trung bình đi trong tháp m3.h-1

- ω tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp m.s-1

- G tb: lượng hơi trung bình đi trong tháp kg.h-1

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau Do đó đườngkính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

5.1.1 Đường kính đoạn cất

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất xác định theo XI.91 (trang 181[2]):

g tb=g d +g1

Với:

- g d: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp kg.h-1

- g l: lượng hơi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất kg.h-1

- G l: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

- r l: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất

- r d: ẩn nhiệt hóa hợi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp

Tính r l: Từ t l =t F=84 oC ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước (bảng I.250, trang 312[1]): r N=41392,8 kJ.kmol-1

Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol (bảng I.212, trang 254[1]): r R=39481,5 kJ.kmol-1

→r1=r R y1+(1− y1).r N =41392,8−1911,276 y1

Tính r d: Từ t D=78,2 oC ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước (bảng I.250, trang 312 [1]): r N=41651,3 kJ.kmol-1

Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol (bảng I.212 trang 254 [1]): r R=40005,4 kJ.kmol-1

→r d =r R y D +(1− y D ).r N=40194,66 kJ.kmol-1

Có x1=x F=0,172

Giải hệ (4-3), ta được: { ¿G1=12,168(kmol h -1 )

¿y1=0,436(phâ n mol etanol)

¿g1=19,37(kmol h -1 )

M1= y1M R +(1− y1) M N=0,436.46+(1−0,436).18=30,208 (đvC)

→g1=19,37.30,208=585,129 (kg.h-1)

Vậy g tb= 834,536+585,1292 =709,833 (kg.h-1)

b Tốc độ hơi trung bình trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:

ω gh=0,05.√ρ xtb

ρ ytb (IX111, trang 186, [1])Với:

- ρ xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg.m-3)

- ρ ytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg.m-3)

Xác định ρ ytb :

ρ ytb=[ y tb .46+(1− y 22,4.(t tb).18].273

tb+273) (IX.102, trang 83, [1])Nồng độ phân mol trung bình:

Xác định ρ xtb :

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh

Nồng độ phân mol trung bình:

5.1.2 Đường kính đoạn chưng

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp:

g tb=g n ' +g1'

Trong đó:

- g n ': lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg.h-1)

- g1': lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg.h-1)

- G1': lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

- r1': ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

Tính : x w =0,00214 → y w=0,019

⇒ M tbW =46 y W +(1− y w).18=46.0,019+(1−0,019).18=18,532 kg.kmol-1

t1' =t w=99,42 oC ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước (bảng I.250, trang 312, [1]): r N=40703,4 kJ.kmol-1

Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol (bảng I.212, trang 254, [1]): r R=37407,6 kJ.kmol-1

SVTH: Trương Thị Huyền Trang19

'

1

r

b Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:

ω gh ' =0,05.√ρ ' xtb

Với:

- ρ ' xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg.m-3)

- ρ ' ytb: khối lượng riêng trung bình củ pha hơi (kg.m-3)

Xác định ρ ' ytb :

ρ ' ytb=[ y tb ' .46+(1− y tb ' ).18].273

22,4.(t tb ' +273) (4-7)Nồng độ phân mol trung bình:

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh

46 x '

tb +(1−x '

tb).18=0,196

Với t tb ' =91,75 oC ta có:

Khối lượng riêng của nước tra bảng I.249 trang 310, [1]: ρ ' N=964,01 Kg.m-3

Khối lượng riêng của rượu tra bảng I.2 trang 9, [1]: ρ ' R=962,95 Kg.m-3

Kí hiệu Đoạn cất Đoạn chưng

5.2 Mâm lỗ - trở lực của mâm

5.2.1 Cấu tạo mâm lỗ

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền

Chọn đường kính lỗ d1=3 mm ¿ 0,003 m

Tổng diện tích lỗ bằng 9% diện tích mâm

Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ

Bố trí theo hình lục giác đều

Tỉ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10

Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm

5.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm

Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng) là tổng các độ giảm

áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng:

h tl =h k +h l +h R (5.15, trang 118, [3])

a Độ giảm áp qua mâm khô

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh

Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất

do dòng chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ

- u0: vận tốc pha hơi qua lỗ m.s-1

- ρ G: khối lượng riêng của pha hơi Kg.m-3

- ρ L: khối lượng riêng của pha lỏng Kg.m-3

- C0: hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm

và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ

Ta có: ∑S lô

S mâm =0,09 và δ mâm

d1 =0,6 tra hình 5.20 trang 119, [3] ta được C0=0,745

Đối với mâm ở phần cất:

Vận tốc pha hơi qua lỗ: u0=ω lv

9 %= 1,259%=13,889 (m.s-1)Khối lượng riêng của pha hơi: ρ G =ρ ytb=1,257 kg.m-3

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ l =ρ xtb=811,83 kg.m-3

Độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất:

h k =51⋅(13,88 92

0,74 5 2 )⋅ 1,257811,83=27,445 (mm chất lỏng)

Đối với mâm ở phần chưng:

Vận tốc pha hơi qua lỗ: u0'=ω lv '

9 %= 1,229%=13,556 m.s-1

Khối lượng riêng của pha hơi: ρ G ' =ρ ' ytb=0,85 kg.m-3

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ l ' =ρ xtb ' =956,515 kg.m-3

Độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng:

h ' k =51⋅(13,556 2

0,74 52 )⋅ 0,85956,515=15 (mm chất lỏng)

b Độ giảm chất lỏng trên mâm

Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chấtlỏng trên mâm h l là từ chiều cao gờ chảy tràn h w, chiều cao tính toán của lớp chất lỏngtrên gờ chảy tràn h ow và hệ số hiệu chỉnh theo β:

h1=β.(h w +h ow)

Chọn hệ số hiệu chỉnh: β=0,6

SVTH: Trương Thị Huyền Trang23

Chiều cao gờ chảy tràn: h w=50 mm

Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trìnhFrancis với gờ chảy tràn phẳng:

h ow =43,4 ⋅(q L

L w)2

3

(5.13, trang 116, [3])Với:

- L w: lưu lượng của chất lỏng (m3.ph-1)

- L w: chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh

Tra bảng I.249 trang 310, [1] sức căng bề mặt của nước: σ N=624,1 dyn.cm-1

Tra bảng I.242 trang 300, [1] sức căng bề mặt của rượu: σ R=20,49 dyn.cm-1

Tra bảng I.249 trang 310, [1] sức căng bề mặt của nước:σ N ' =604,3dyn.cm-1

Tra bảng I.242 trang 300, [1] sức căng bề mặt của rượu:σ '

R=29,825 dyn.cm-1

σ hh '=σ

'

N ⋅σ ' R

σ '

N +σ ' R

= 604,3.29,825604,3+29,825=28,422 (dyn.cm-1) (I.76 trang 299, [1])Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là:

h ' R =625,54 ⋅ 28,422.1 0956,515.0,003−3 =6,196 (mm chất lỏng)

Kết luận độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm:

Phần cất:

h t '=15+33,765+6,196=54,966 (mm chất lỏng)Hay h t '=56,966.1 0 −3 9,81.956,515=515,769 (N.m-2)

Tổng trở lực của toàn tháp hay độ giảm áp tổng cộng của toàn tháp là: (xem

độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp tổng cộng củapha khí qua một mâm ở phần chưng)

∑h t=17.521,438+9.515,769=13506,367 (N.m-2)

5.2.3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động

Chọn khoảng cách giữa hai mâm, với đường kính tháp nằm trog khoảng 0 – 0,6mlà: h mâm=0,25 m ¿ 250 mm

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng của mâmxuyên lỗ được xác định theo biếu thức:

h d =h w +h ow +h t +h d ' (mm chất lỏng) (5.20 trang 120, [3])Với: h d ' =0,128 ⋅( Q L

h d=50+4,888+65,474+0,00023=120,362 (mm chất lỏng)Kiểm tra: h d=120,362<h mâm

2 = 2502 =125 mm, đảm bảo khi hoạt động các mâmphần cất sẽ không bị ngập lụt

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh

Kiểm tra: h d=111,241<h mâm

2 = 2502 =125 mm, đảm bảo khi hoạt động các mâmphần chưng sẽ không bị ngập lụt

Vậy: khi hoạt động, đảm bảo tháp sẽ không bị ngập lụt.

Chiều cao của thân tháp: H t hân =N tt .(h mâm +δ mâm)+0,8 (IX.54 trang 169, [2])

⇒ H t hân=27.(0,25+0,002)+0,8=7,6 (m)Với D t=400 mm tra bảng XIII.10 trang 384, [2] ta được h t=100 mm

Chiều cao của đáy và nắp: H đá y =H n =h t +h g=0,1+0,025=0,125(m)

Chiều cao của tháp: H=H t hâ n + H đ +H n=7,6+0,125+0,125=7,85 (m)

Bảng 4-2: Tóm tắt thông số mâm, trở lực tháp

chưngh

từ ống chảy chuyền vào mâm (mm) 0,00023 0,00048

SVTH: Trương Thị Huyền Trang27

5.3 Tính toán cơ khí của tháp

5.3.1 Bề dày thân tháp

Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằngphương pháp hàn giáp mối ( phương pháp hồ quang) Thân tháp được ghép với nhaubằng các mối ghép bích

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của ethanol đối vớithiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T Tháp làmviệc ở áp suất khí quyển, nên ta chỉ cần tính thân chịu áp suất trong

Áp suất tính toán:

Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán:

Với P cl: áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy

Chọn áp suất sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn an toàn:

P cl =ρ x .g H= ρ xtb +ρ ' xtb

2 ⋅g⋅ H P cl= 811,83+956,515

2 ⋅9,81 ⋅7,85=68088,798(N.m -2)(4-9)

Xác định bề dày thân chịu áp suất trong:

Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằng taynên hệ số mối hàn: φ h=0,7 (bảng 1-8 trang 19, [5])

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh

- C a: hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn củachất lỏng Chọn tốc độ ăn mòn của rượu là 0,1 mm.năm-1, thiết bị hoạtđộng trong 20 năm Do đó C a=2 mm

- C b: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn C b=0 mm

- C c: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn C c=0mm

- C o: hệ số bổ sung qui tròn, chọn C o=2,635 mm

⇒C=C a +C b +C c +C0=4,635 (mm)Suy ra: S t=0,365+0,435=5 (mm)

Chọn đáy và nắp có dạng là elip tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T

Đáy và nắp làm việc chịu áp suất trong:

SVTH: Trương Thị Huyền Trang29

Hình 4-1: Đáy nắp elip có gờ tiêu chuẩn [2]

Do đáy (nắp) có lỗ làm việc chịu áp suất trong nên:

(4-12)Với k: hệ số không thứ nguyên

C được tính giống như phần xác định bề dày thân: C=2,026 mm, nên:

QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh

Vì S –C <10 mm nên S tăng thêm 2 mm (trang 386, [2])

Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất khí quyển nên ta cĩ thể bỏ qua phần tínhtốn cho đáy nắp chịu áp suất ngồi Để dễ dàng cho việc lắp ráp các bộ phận của thápchưng cất ta nên chọn bề dày của thân và bề dày của đáy nắp thiết bị như nhau:

Kết luận: bề dày thân thiết bị S t =S đá y =S na é p=5 mm

Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích này chủ yếu

dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình

Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng

kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bềnhơn vật liệu

Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao.

Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích

là bích liền khơng cổ

Hình 4-2: Bích liền khơng cổ ghép thân, đáy, nắp [3]

SVTH: Trương Thị Huyền Trang31

Ứng với D t=400 mm và áp suất tính toán P tt=0,1816 N.mm−2 dựa vào bảngXIII.27 trang 417, [2] ta chọn bích có các thông số sau:

Bảng 4-4: Thông số bích ghép thân, đáy, nắp

i)40

Tra bảng IX.5 trang 170, [2] ta chọn khoảng cách giữa hai mặt bích là 1100 mm

=> số mâm giữa hai mặt bích là 4, số mặt bích ghép thân – đáy – nắp là 8 bích

Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định Đệm làm bằng vật liệumềm hơn so với vật liệu bích Khi xiết bu- lông, đệm bị biến dạng và lắp đầy lên cácchỗ gồ ghề trên bề mặt của bích Vậy để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm làđệm cao su cách nhiệt có bề dày là 3 mm

5.3.4 Đường kính các ống dẫn, thông số của bích ghép các ống dẫn

Do áp thiết bị làm việc ở áp suất thường nên để tiết kiệm chi phí, ta chọn bíchghép các ống dẫn làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ

Hình 4-3: Bích liền không cổ ghép ống dẫn với thiết bị [3]

a Tại vị trí nhập liệu:

Lưu lượng chất lỏng nhập liệu: Q F=900 L.h-1 ¿ 0,9 m3.h-1

Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu):

v F=0,2 m.s-1

Đường kính nhập liệu: