THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT LIÊN TỤC HỖ’N HỢP ETHANOL-NƯỚC BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ, NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1800 L.H-1 , NỒNG ĐỘ PHÂN KHỐI LƯỢNG CẤU TỬ DỄ BAY HƠI TRONG HỖN HỢP ĐẦU LÀ 0.384

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

HỖN HỢP ĐÁY LÀ 0.957

PGS.TS Lương Huỳnh Vũ Thanh Phạm Văn Tín

MSSV: B1909842 Ngành: CN Kỹ thuật hóa học - Khóa: 45

Trang i

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH SÁCH BẢNG iii

DANH SÁCH HÌNH iv

LỜI CẢM ƠN v

LỜI MỞ ĐẦU vi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Chưng cất 5

CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ 10

2.1 Công nghệ chưng cất hệ ethanol – nước 10

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 14

3.1 Các thông số ban đầu 14

3.2 Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp 14

3.3 Xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu 16

3.4 Tỉ số hoàn lưu thích hợp 16

3.5 Xác định phương trình đường làm việc 16

3.6 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất 16

3.7 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng 16

3.8 Số mâm lý thuyết 16

3.9 Xác định số mâm thực tế 17

3.10 Xác định hiệu suất trung bình của tháp 17

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 20

4.1 Đường kính tháp (𝑫𝒕) 20

4.2 Đường kính đoạn cất 20

4.3 Đường kính đoạn chưng 22

4.4 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp 23

4.5 Mâm lỗ - trở lực của mâm 25

tb



4.6 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 29

4.7 Tính toán cơ khí của tháp 31

4.8 Chân đỡ và tai treo 41

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 46

5.1 Cân bằng năng lượng cho thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu và sản phẩm đáy 46

5.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng hỗn hợp 46

5.3 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất 46

5.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 49

5.5 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 49

5.6 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm mát Chipller 50

CHƯƠNG 6: Tính toán thiết bị phụ 52

6.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 52

6.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 57

6.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 62

6.4 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy 66

6.5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 71

6.6 Tính bảo ôn của thiết bị 76

6.7 Tính toán bơm nhập liệu 77

CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN CHI PHÍ 95

KẾT LUẬN 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

Trang iii

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1-1 Các thông số vật lý của ethanol 1

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

Bảng 1-3: Thành phần lỏng (x)–hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol– nước ở 760 mmHg 4

Bảng 1-4: So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp 8

Bảng 3-1: Tóm tắt số liệu cân bằng vật chất 18

Bảng 4-1: Tóm tắt các thông số đường kính tháp 24

Bảng 4-2: Tóm tắt thông số mâm, trở lực tháp 30

Bảng 4-3: Các thông số bề dày tháp 33

Bảng 4-4: Thông số bích ghép thân, đáy, nắp 35

Bảng 4-5: Bích liền không cổ ghép ống dẫn với thiết bị 36

Bảng 4-6: Bảng thông số bích ghép ống nhập liệu 37

Bảng 4-7: Thông số bích ghép ống hơi ở đỉnh tháp 38

Bảng 4-8: Thông số bích ghép ống hoàn lưu 39

Bảng 4-9: Thông số bích ghép ống dẫn hơi vào tháp 39

Bảng 4-10: Thông số bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp 40

Bảng 4-11: Thông số bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy 41

Bảng 4-12: Kích thước chân đỡ 43

Bảng 4-13: Kích thước tai treo tháp 44

Bảng 5-1: Tóm tắt thông số thiết bị làm ngưng tụ sản phẩm đỉnh 56

Bảng 5-2: Tóm tắt thông số thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 61

Bảng 5-3: Tóm tắt các thông số nồi đun chất lỏng ở đáy tháp 66

Bảng 5-4: Tóm tắt thông số thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu 71

Bảng 5-5: Tóm tắt thông số thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu 76

Bảng 6-1 Tính sơ bộ giá thành vật liệu của tháp chưng cất 95

Bảng 6-2 Tính sơ bộ giá Bulông 95

Bảng 6-3 Tính sơ bột thiết bị phụ 96

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1-1 Công thức phân tử của ethanol 1

Hình 1-2: Ứng dụng của ethanol 2

Hình 1-3: Giản đồ thành phần lỏng – hơi của hệ ethanol – nước ở 760 mmHg 5

Hình 1-4: Hình dạng tháp mâm 7

Hình 1-5: Hình dạng của mâm chóp và mâm xuyên lỗ 7

Hình 1-6: Một số vật liệu chêm thường dùng trong tháp 8

Hình 3-1: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết 17

Hình 4-1: Đáy nắp elip có gờ tiêu chuẩn 33

Hình 4-2: Bích liền ghép thân, đáy, nắp 35

Hình 4-3: Bích liền không cổ ghép ống dẫn với thiết bị 36

Hình 4-4: Chân đỡ tháp 42

Hình 4-5: Tai treo của thiết bị thằng đứng 43

Trang v

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình làm đồ án, em đã mai mắn khi được sự hướng dẫn và giúp

đỡ tận tình của thầy Lương Huỳnh Vũ Thanh Thầy đã giúp em cũng cố lại kiến thức

đã học cũng như góp ý, chỉ dẫn em về những điều em còn sai sót

Em xin cảm ơn thầy đã giúp em hoàn thiện đồ án tốt nhất có thể Trong quá trình làm đồ án em cũng xin cảm ơn chân thành đến các bạn khóa 45 và anh chị đã giúp em rất nhiều trong khoản thời gian làm đồ án này

Đồ án này là một môn đề tài rất thú vị với em, giúp em cũng cố kiến thức và tiếp cận với các qui trình công nghệ mới hơn nay

Cuối lời em xin cảm ơn chân thành một lần nữa đến thầy Lương Huỳnh Vũ

Thanh và các anh chị và các bạn đã giúp em trong khoản thời gian vừa qua

Cần Thơ, ngày 25 tháng 11 năm 2022

Phạm Văn Tín

LỜI MỞ ĐẦU

Ethanol (rượu, rượu etylic) đã được sử dụng rộng rãi ở khắp nơi trên thới giới, đây là một thành phần quan trọng của mỹ phẩm, nhiên liên liệu tái tạo, hóa chất chất tẩy rửa, và thường được sử dụng làm dung môi công nghiệp Với nguồn dự trữ xăng dầu trên thế giới đang nhanh chóng cạn kiệt, trong những năm gần đây ethanol đã nổi lên như một tài nguyên thay thế quan trọng cho nhiên liệu lỏng và đã tạo ra rất nhiều quan tâm nghiên cứu trong quá trình lên men etanol Nghiên cứu về cải thiện sản xuất ethanol đã được đẩy nhanh cho cả hai các lý do sinh thái và kinh tế, chủ yếu vì nó được sử dụng như một chất thay thế cho nhiên liệu gốc dầu mỏ

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

đề thực tế và vận dụng được những kiến thức em đã tích lũy trong thời gian vừa qua để hoàn thành môn học Và có cái nhìn nhận trực quan về công việc chuyên ngành mà em

sẽ làm trong tương lai sắp tới

Vì thế, đề tài đồ án môn học "Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ chưng cất liên tục hệ ethanol – nước" cũng là một bước giúp cho sinh viên tập luyện và chuẩn bị cho việc thiết kế Quá trình và Thiết bị công nghệ hoá học Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế tháp mâm xuyên lỗ chưng cất liên tục hệ ethanol – nước với nguồn nguyên liệu đầu vào là khoai mì sau quá trình lên men và chưng cất sơ bộ đến 40 độ rượu (ở 30 oC) và

đi qua hệ thống chưng cất liên tục ta thu được ethanol 96 độ (ở 30 oC) Chưng cất ethanol 96 độ nhằm sản xuất cồn công nghiệp ứng dụng trong công nghiệp tẩy rửa, vệ sinh dầu mỡ máy móc; công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may, Các thông số nhập liệu ban đầu như sau: năng suất nhập liệu là 1800 L/h, nồng độ nhập liệu là

38.5% phân khối lượng (ứng với rượu 40 độ ở 30 oC), sản phẩm đỉnh có nồng độ

96.7% phân khối lượng (ứng với rượu 96 độ ở 30 oC) và độ thu hồi dung môi là 94%

Trang vii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu

1.1.1 Ethanol

Hình 1-1 Công thức phân tử của ethanol

Tên thường gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan vô hạn trong nước

Bảng 1-1 Các thông số vật lý của 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

CHƯƠNG I : Tổng Quan CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

SVTH: Phạm Văn Tín Trang 2

Hình 1-2 : Ứng dụng của ethanol

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

1.1.2 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 tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị

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

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

Độ nhớt ở 20 oC μ = 1 cP Nhiệt độ nóng chảy T onc= 0 oC

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

CHƯƠNG I : Tổng Quan CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

1.1.3 Hỗn hợp ethanol – nước

Hỗn hợp ethanol – nước là hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sôi cực tiểu có điểm đẳng phí ở 1 atm là 89,4% mol ethanol ở 78,2 oC

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 này thường vào khoảng 10 - 50% về thể tích Vì vậy yêu cầu bức thiết là cần phải nâng cao nồng 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 tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử ethanol với nhau và với nước, nhiệt độ sôi của ethanol (78,39 oC ở 760 mmHg) < nước (100 oC ở 760 mmHg) nên trong các phương pháp tách hỗn hợp chất thì phương pháp phù hợp nhất với hệ ethanol - nước đó là phương pháp chưng cất

CHƯƠNG I : Tổng Quan CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

CHƯƠNG I : Tổng Quan CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

Hình 1-3 : Giản đồ thành phần lỏng – hơi của hệ ethanol – nước ở 760 mmHg

1.2 Chưng cất

1.2.1 Lý thuyết chưng cất

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của 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 (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác nhau) Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ [1] Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên

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 tan không bay hơi [2]

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

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

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

CHƯƠNG I : Tổng Quan CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

SVTH: Phạm Văn Tín Trang 6

Theo nguyên lý làm việc: thì có chưng cất gián đoạn (chưng cất đơn giản) và chưng cất liên tục Chưng cất đơn giản (gián đoạn) được sử dụng đối với hỗn hợp nhập liệu mà các cấu tử có nhiệt độ sôi khác xa nhau, không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết 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 phương pháp 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 tinh khiết cao và nồng độ mong muốn

Bên cạnh đó, người ta còn phân loại phương pháp chưng cất theo cách cấp nhiệt cho hỗn hợp nhập liệu như cấp nhiệt trực tiếp ở đáy tháp và cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun Cấp nhiệt trực tiếp thường dùng để tách các hợp chất khó bay hơi và không tan trong nước Tuy nhiên với năng suất nhập liệu tương đối nhỏ và hệ ethanol – nước không 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 hợp hai cấu tử ethanol – nước, quá trình chưng cất sẽ dựa vào đường cân bằng lỏng – hơi như 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 nhiệt trực tiếp bằng điện trở ở đáy tháp trong điều kiện áp suất thường được chọn

1.2.2 Thiết bị chưng cất

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

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường được 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 của sản phẩm Hai loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

1.2.2.1 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 và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau

CHƯƠNG I : Tổng Quan CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

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 )

CHƯƠNG I : Tổng Quan CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

Bảng 1-4 : So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp

Loại Tháp chêm Tháp mâm

CHƯƠNG I : Tổng Quan CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

SVTH: Phạm Văn Tín 10

2.1 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 nên phương 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 tử đều 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

Hình 2-1: Sơ đồ qui trình công nghệ

CHƯƠNG 2: Qui trình công nghệ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

2.1.1 Thuyết minh qui trình công nghệ

Hỗn hợp ethanol – nước có nồng độ ethanol 40 độ ở 15 oC, nhiệt độ 30 oC tại bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) lên bồn cao vị (3) Sau đó được đưa đến thiết

bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy (4) với lưu lượng nhập liệu 1800 L.h-1 Hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi 88 oC trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu (5) Tiếp sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở mâm nhập liệu, trước khi đi vào tháp chưng cất thì dòng nhập liệu sẽ đi qua lưu lượng kế để điều chỉnh lưu lượng vào tháp 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 và gặp chất lỏng đi từ trên đỉnh tháp xuống Tại đây sẽ diễn ra quá trình tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống gần đáy tháp càng bị giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ thiết bị gia nhiệt chất lỏng đáy (11) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi đi lên phía 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 lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ bị ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được rượu 96 độ ở 70 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 (79,78 oC) Hỗn hợp này sẽ đi qua bộ phận chỉnh dòng (9) một phần dòng lỏng ngưng tụ đi qua thiết 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 số hoàn 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 hỗn hợp lỏng (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ ethanol là 0,025% phân khối lượng, còn lại là nước Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (11) 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 đổii nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (6) Sau khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu, sản phẩm đáy sẽ được dẫn vào bồn chứa sản phẩm đáy (5)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là ethanol ở 40 oC

CHƯƠNG 2: Qui trình công nghệ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

SVTH: Phạm Văn Tín 14

3.1 Các thông số ban đầu

Các thông số ban đầu:

Năng suất nhập liệu: 𝐺𝐹 = 1800 L.h-1

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

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: 𝑉𝐷 = 96% theo thể tích ethanol

Tỉ lệ thu hồi ethanol: 𝜂 = 96%

Khối lượng phân tử của ethanol: 𝑀𝑅 = 46

Khối lượng phân tử của nước: 𝑀𝑁 = 18

Trạng thái nhập liệu lỏng sôi Loại thiết bị sử dụng là tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền

Các ký hiệu:

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

𝑥𝐹, 𝑥𝐷, 𝑥𝑤: phân mol tương ứng của ethanol trong nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

𝑥𝐹, 𝑥𝐷, 𝑥𝑊: phân khối lượng tương ứng của ethanol trong nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

3.2 Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp

Cân bằng vật chất cho toàn tháp:

Với 𝑡 = 30 oC, ta có khối lượng riêng của rượu và nước lần lượt là:

𝜌𝑅 = 929kg.m-3 (tra bảng I.2, trang 9, [1])

𝜌𝑁 = 995.2 kg.m-3 (tra bảng I.249, trang 310, [1])

CHƯƠNG 3: Cân bằng vật chất CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

Phần mol theo độ rượu:

Tra bảng I.249 (trang 310, [1]): 𝜌𝑁 = 969,69 kg.m-3

Tra bảng I.2 (trang 9, [1]): 𝜌𝐸𝑡 = 895.118 kg.m-3

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:

CHƯƠNG 3: Cân bằng vật chất CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

SVTH: Phạm Văn Tín Trang 16

3.3 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 và

bơm…) là tối thiểu

Dựa vào đồ thị với 𝑥𝐹 = 0,197 ta xác định được 𝑦𝐹∗ = 0,532

⇒ 𝑅𝑥𝐷−𝑦𝐹

∗

𝑦𝐹∗−𝑥𝐹𝑚𝑖𝑛

3.5 Xác định phương trình đường làm việc

3.5.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

CHƯƠNG 3: Cân bằng vật chất CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

SVTH: Phạm Văn Tín Trang 17

Hình 3-1 : Đồ thị xác định số mâm lý thuyết

Từ đồ thị có: 8 mâm bao gồm: 5 mâm cất, 3 mâm chưng

Vậy, số mâm lí thuyết là 𝑁𝑙𝑡 = 8 mâm

3.7 Xác định số mâm thực tế

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:

𝑁𝑡𝑡 =𝑁𝑙𝑡

𝜂𝑡𝑏 (3-6) Với:

𝜂𝑡𝑏: là hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và

độ nhớt của hỗn hợp lỏng 𝜂 = 𝑓(𝛼, 𝜇)

𝑁𝑡𝑡: số mâm thực tế

𝑁𝑙𝑡: số mâm lí thuyết

3.8 Xác định hiệu suất trung bình của tháp

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

𝛼 = 𝑦∗

1−𝑦 ∗.1−𝑥

𝑥 IX.61 (171.T2) (3-7) Với:

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

Tra bảng I.101 (trang 91, [1]): Độ nhớt của rượu: 𝜇𝑅 =0.447 cP

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

𝑙𝑜𝑔 𝜇𝐹 = 𝑥𝐹 𝑙𝑜𝑔 𝜇𝐸𝑡 + (1 − 𝑥𝐹) 𝑙𝑜𝑔 𝜇𝑁

→ 𝜇𝐹 = 0,643 cP nên 𝛼𝐹 𝜇𝐹 = 2,998

Tra hình IX.11 (trang 171, [2]): 𝜂𝐹 = 37,08%

Tại vị trí mâm đáy:

CHƯƠNG 3: Cân bằng vật chất CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

SVTH: Phạm Văn Tín Trang 18

Tra bảng I.102 (trang 94, [1]): Độ nhớt của nước: 𝜇𝑁 = 0,294 cP

Tra bảng I.101 (trang 91, [1]): Độ nhớt của rượu: 𝜇𝑅 = 0,350 cP

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đáy:

Tra bảng I.101 (trang 91[1]): Độ nhớt của rượu: 𝜇𝑅 = 0,465 cP

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đỉnh:

𝑙𝑜𝑔 𝜇𝐷 = 𝑥𝐷 𝑙𝑜𝑔 𝜇𝑅+ (1 − 𝑥𝐷) 𝑙𝑜𝑔 𝜇𝑁

→ 𝜇𝐷 = 0,678 cP nên 𝛼𝐷 𝜇𝐷 = 1,293

Tra hình IX.11 (trang 171, [2]): 𝜂𝐷 = 45,3%

Hiệu suất trung bình của tháp 𝜂𝑡𝑏 = 39%

Số mâm thực tế của tháp 𝑁𝑡𝑡: 𝑁𝑡𝑡 = 8

39% = 18 Vậy chọn 𝑁𝑡𝑡 = 18 mâm, bao gồm 10 mâm cất, 7 mâm chưng, 1 mâm nhập liệu

CHƯƠNG 3: Cân bằng vật chất CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

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

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

𝐺𝑡𝑏: 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 đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

4.2 Đường kính đoạn cất

4.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp

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

𝑔𝑡𝑏 =𝑔𝑑 +𝑔 1

2 (4-2) Với:

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

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

𝐺𝑙: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

𝑟𝑙: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất

𝑟𝑑: ẩn nhiệt hóa hợi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp

Tính 𝒓𝒍: Từ 𝑡𝑙 = 𝑡𝐹 = 83.119 oC ta có:

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước (bảng I.250, trang 312[1]): 𝑟𝑁 = 41892.529 kJ.kmol-1

Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol (bảng I.212, trang 254[1]): 𝑟𝑅 = 38663.470 kJ.kmol-1

→ 𝑟1 = 𝑟𝑅 𝑦1+ (1 − 𝑦1) 𝑟𝑁 = 41892.529 − 3229,059𝑦1

Tính 𝒓𝒅: Từ 𝑡𝐷 = 79.695oC ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước (bảng I.250, trang 312 [1]): 𝑟𝑁 = 42150.546 kJ.kmol-1

Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol (bảng I.212 trang 254 [1]): 𝑟𝑅 =38664.470 kJ.kmol-1

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

𝜔𝑔ℎ = 0,05 √𝜌𝑥𝑡𝑏

𝜌 𝑦𝑡𝑏 (IX111, trang 186, [1]) Với:

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

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

Xác định 𝝆𝒚𝒕𝒃:

𝜌𝑦𝑡𝑏 =[𝑦𝑡𝑏 46+(1−𝑦𝑡𝑏).18].273

22,4.(𝑡 𝑡𝑏 +273) (IX.102, trang 83, [1]) Nồng độ phân mol trung bình:

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

SVTH: Phạm Văn Tín Trang 22

𝑉𝑡𝑏 = 𝑔𝑡𝑏

𝜌 𝑦𝑡𝑏 = 951,002

1,041.3600= 0,254 m3.s-1 Xác định 𝝆𝒙𝒕𝒃:

Nồng độ phân mol trung bình:

Lượng hơi trung bình đi trong tháp:

𝑔𝑡𝑏 =𝑔𝑛′+𝑔1′

2 (4-4) Trong đó:

𝑔𝑛′ : 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 : 𝑥𝑤 = 0,01 → 𝑦𝑤 = 0,112

'

1

r

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

⇒ 𝑀𝑡𝑏𝑊 = 46 𝑦𝑊 + (1 − 𝑦𝑤).18 = 46.0,112 + (1 − 0,112).18 = 21,126

kg.kmol-1

𝑡1′ = 𝑡𝑤 = 97.255 oC ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước (bảng I.250, trang 312, [1]): 𝑟𝑁 = 40827,203 kJ.kmol-1

Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol (bảng I.212, trang 254, [1]): 𝑟𝑅 = 37574,47 kJ.kmol-1

4.3 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:

𝜔𝑔ℎ′ = 0,05 √𝜌𝑥𝑡𝑏′

𝜌𝑦𝑡𝑏′ (4-6)

Với:

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

𝜌𝑦𝑡𝑏′ : khối lượng riêng trung bình củ pha hơi (kg.m-3)

Xác định 𝝆𝒚𝒕𝒃′ :

𝜌𝑦𝑡𝑏′ =[𝑦𝑡𝑏′ .46+(1−𝑦𝑡𝑏′ ).18].273

22,4.(𝑡𝑡𝑏′ +273) (4-7) Nồng độ phân mol trung bình:

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

Nồng độ phân mol trung bình:

Khối lượng riêng của nước tra bảng I.249 trang 310, [1]: 𝜌𝑁′ = 963,004 Kg.m-3 Khối lượng riêng của rượu tra bảng I.2 trang 9, [1]: 𝜌𝑅′ = 891,915 Kg.m-3

𝐷𝑡2.𝜌𝑦𝑡𝑏′ =0,01882.738

0,5 2 0,822 = 1,27 (m.s-1)

Bảng 4-1: Tóm tắt các thông số đường kính tháp

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

4.4 Mâm lỗ - trở lực của mâm

4.4.1 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 8% 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 1/1

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

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:

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

SVTH: Phạm Văn Tín Trang 26

ℎ𝑡𝑙 = ℎ𝑘+ ℎ𝑙 + ℎ𝑅 (5.15, trang 118, [3])

4.4.1.1 Độ giảm áp qua mâm khô

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

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

𝜌𝐿: 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

Khối lượng riêng của pha lỏng: 𝜌𝑙 = 𝜌𝑥𝑡𝑏 = 937.643 kg.m-3

Độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất:

ℎ𝑘 = 51 ⋅ (13,0122

0,75 2 ) ⋅ 1,27

937.643 = 17.044 (mm chất lỏng) Đối với mâm ở phần chưng:

Vận tốc pha hơi qua lỗ: 𝑢0′ =𝜔𝑙𝑣′

8% =1,22

8% = 15,875 m.s-1 Khối lượng riêng của pha hơi: 𝜌𝐺′ = 𝜌𝑦𝑡𝑏′ = 0,82 kg.m-3

Khối lượng riêng của pha lỏng: 𝜌𝑙′ = 𝜌𝑥𝑡𝑏′ = 945,9 kg.m-3

Độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng:

ℎ𝑘′ = 51 ⋅ (15,8752

0,755 2) ⋅ 0,82

945,9 = 19,868 (mm chất lỏng) 4.4.1.2 Độ giảm chất lỏng trên mâm Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất lỏng trên mâm ℎ𝑙 là từ chiều cao gờ chảy tràn ℎ𝑤, chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn ℎ𝑜𝑤 và hệ số hiệu chỉnh theo 𝛽:

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

ℎ1 = 𝛽 (ℎ𝑤+ ℎ𝑜𝑤)

Chọn hệ số hiệu chỉnh: 𝛽 = 0,6

Chiều cao gờ chảy tràn: ℎ𝑤 = 50 mm

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

ℎ𝑜𝑤 = 43,4 ⋅ (𝑞𝐿

𝐿𝑤)

2 3

(5.13, trang 116, [3])

Với:

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

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

= 43,4 ⋅ (0,019

0,292)

2 3

= 7.23 (mm chất lỏng) Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất

ℎ𝑙 = 𝛽 (ℎ𝑤 + ℎ𝑜𝑤) = 0,6 (50 + 7,23) = 34,37 (mm chất lỏng)

Phần chưng:

𝑞𝐿′ =𝐺1

′ 𝑀𝑡𝑏𝐺′′60.𝜌𝑥𝑡𝑏′ =88,657.19,288

60.945,899 = 0,03 (m3.ph-1)

⇒ ℎ𝑜𝑤′ = 43,4 ⋅ (𝑞𝐿′

𝐿𝑤)

2 3

= 43,4 ⋅ (0,03

0,292)

2 3

= 9,518 (mm chất lỏng) Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng:

ℎ𝑙′ = 𝛽 (ℎ𝑤 + ℎ𝑜𝑤′ ) = 0,6 (50 + 9,518) = 35,71(mm chất lỏng)

4.4.1.3 Độ giảm áp do sức căng bề mặt

Độ giảm áp sức căng bề mặt được xác định theo công thức:

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

SVTH: Phạm Văn Tín Trang 28

ℎ𝑅 = 625,54 ⋅ 𝜎

𝜌𝐿⋅𝑑𝑙 (mm chất lỏng) (5.19, trang 120, [3]) Với:

Khối lượng riêng của pha lỏng: 𝜌𝑙′ = 𝜌𝑥𝑡𝑏′ = 945,89 kg.m-3

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

hay ℎ𝑡′ = 59,237.10−3 9,81.945,89 = 549,68 (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 của pha khí qua một mâm ở phần chưng)

∑ℎ𝑡 = 10.524,2 + 8.549,68 = 9639,44 (N.m-2)

Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động

Chọn khoảng cách giữa hai mâm, với đường kính tháp nằm trog khoảng 0 – 0,6m là:

ℎ𝑚â𝑚 = 0,3 m = 350 mm

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng của mâm xuyên

lỗ được xác định theo biếu thức:

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

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

Chiều cao thân tháp

Chiều cao của thân tháp: 𝐻𝑡ℎâ𝑛 = 𝑁𝑡𝑡 (ℎ𝑚â𝑚+ 𝛿𝑚â𝑚) + 1.2 (IX.54 trang 169, [2])

⇒ 𝐻𝑡ℎâ𝑛 = 18 (0,35 + 0,002) + 1.2 = 6900 (m)

Với 𝐷𝑡 = 500 mm tra bảng XIII.10 trang 384, [2] ta được ℎ𝑡 = 162 mm

Chiều cao của đáy và nắp: 𝐻đá𝑦 = 𝐻𝑛 = ℎ𝑡+ ℎ𝑔 = 0,162 + 0,025 = 0,187 (m) Chiều cao của tháp: 𝐻 = 𝐻𝑡ℎâ𝑛+ 𝐻đ+ 𝐻𝑛 = 6,9 + 0,187 + 0,187 = 7,214 (m) nên chọn H=7 m

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

4.5 Tính toán cơ khí của tháp

4.5.1 Bề dày thân tháp

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

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của ethanol đối với thiết

bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép CT3 Tháp làm việc 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:

(N.mm-2) (4-8) Với 𝑃𝑐𝑙: 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:

Xác định bề dày thân chịu áp suất trong:

Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằng tay, hàn giáp môi 2 bên nên hệ số mối hàn: 𝜑ℎ = 0,95 (bảng XIII1-8 trang 362, [5])

Ứng suất cho phép giới hạn bền xác định theo công thức XIII.1 và bảng XIII.3, [3]