Đồ án môn học Kỹ thuật thực phẩm

Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợpnước -acid acetic bằng tháp mâm chóp với năng suất nhập liệu: 1900kg/h, nồng độ ban đầu 27% khối lượng acid và nồng độ sản ph

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhucầu 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 hồn 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 Axit axetic – Nước là 2 cấu tử tan

lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ

tinh khiết

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổnghợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Thực phẩm tương lai

Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: quy trình

công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất - thực

phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học

của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách

tổng hợp

Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợpnước -acid acetic bằng tháp mâm chóp với năng suất nhập liệu:

1900kg/h, nồng độ ban đầu 27% khối lượng acid và nồng độ sản phẩm

đáy 82% khối lượng acid

Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha nhưtrong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nênbằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiêngiữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi vàchất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệkhác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan khôngbay hơi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu đượcbấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử

2.2 Phân loại theo nguyên lý làm việc:

- Chưng cất đơn giản

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp

- Chưng cất

2.3 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:

- Cấp nhiệt trực tiếp

- Cấp nhiệt gián tiếp

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

Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiênyêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải

lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khíphân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có thápchêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại 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 khácnhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa,

ta có:

-Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…, 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

 Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn.Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếpthứ tự

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:

- Hiệu suất khá cao

- Làm việc được với chất lỏng bẩn

tăng năng suất thì hiệu ứng

thành tăng  khó tăng năng

suất

- Thiết bị khá nặng nề

- Kết cấu khá phức tạp - Có trở lực lớn

- Tiêu tốn nhiềuvật tư, kết cấuphức tạp

Vậy ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp AXIT AXETIC – NƯỚC

1 Axit axetic:

1.1 Tính chất:

Axit axetic nóng chảy ở 16,6oC, điểm sôi 118oC, hỗn hợp trong nước với mọi tỷ lệ Trongquá trình hỗn hợp với nước có sự co thể tích, với tỷ trọng cực đại, chứa 73% axit axetic (D :1,078 và 1,0553 đối với axit thuần khiết)

Người ta không thể suy ra được hàm lượng axit axetic trong nước từ tỷ trọng của nó, ngoạitrừ đối với các hàm lượng dưới 43%

Tính ăn mòn kim loại:

 Axit axetic ăn mòn sắt

 Nhôm bị ăn mòn bởi axit lỏng, nó đề kháng tốt đối với axit axetic đặc và thuần khiết.Đồng và chì bị ăn mòn bởi axit axetic với sự hiện diện của không khí

 Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối với axit axetic.

Axit axetic thuần khiết cịn gọi là axit glaxial bởi vì nĩ dễ dàng đơng đặc kết tinh như nước

đá ở dưới 17oC, được điều chế chủ yếu bằng sự oxy hĩa đối với andehit axetic Khơng màu sắc,

vị chua, tan trong nước và cồn etylic

1.2 Điều chế:

Axit axetic được điều chế bằng cách:

1) Oxy hĩa cĩ xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là một giai đoạntrung gian Sự oxy hĩa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hĩa andehit axetic thành axit axetic

CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH

C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O

2) Oxy hĩa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ acetylen

Sự oxy hĩa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban axetat.Người ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80oC để ngăn chặn sự hình thànhperoxit Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết Người ta đạt được như thế rất dễ dàngsau khi chế axit axetic kết tinh được

CH3CHO + ½ O2 ⃗Coban axetat ở 80 o C CH3COOH

3) Tổng hợp đi từ cồn metylic và Cacbon oxit

Hiệu suất cĩ thể đạt 50 – 60% so với lý thuyết bằng cách cố định cacbon oxit trên cồnmetylic qua xúc tác

Nhiệt độ từ 200 – 500oC, áp suất 100 – 200atm:

 Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic)

 Làm đơng đặc nhựa mủ cao su

 Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat – làm phim ảnh khơng nhạy lửa

 Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat

 Làm các phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp

 Axetat nhơm dùng làm chất cắn màu (mordant trong nghề nhuộm)

 Phần lớn các ester axetat đều là các dung mơi, thí dụ: izoamyl axetat hịa tan đượcnhiều loại nhựa xenluloza

2 Nước:

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng khơng màu, khơng mùi, khơng vị

Khi hĩa rắn nĩ cĩ thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau

Tính chất vật lý:

 Khối lượng phân tử : 18 g / mol

 Khối lượng riêng d4 c : 1 g / ml

 Nhiệt độ nĩng chảy : 00C

 Nhiệt độ sơi : 1000 C

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) vàrất cần thiết cho sự sống.

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hồ tan nhiều chất và là dung môi rấtquan trọng trong kỹ thuật hóa học

3 Hỗn hợp Acid acetic – Nước:

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Acid acetic

Hình 2: Giản đồ T – x,y của hệ Axit axetic–Nước

CHƯƠNG 2 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

12 Thiết bị đun sôi đáy tháp

13 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

14 Bồn chứa sản phẩm đáy

Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 92% (theo phần khối lượng), nhiệt độkhoảng 270C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Sau đó,

hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (5), rồi đượcđưa vào tháp chưng cất (9) ở đĩa nhập liệu.

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảyxuống 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 xuốngdưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôicuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từdưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là axit axetic sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnhtháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất (có nồng độ 94% phần khốilượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (10) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần củachất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng Một phần cấu tử có nhiệt độsôi thấp được bốc hơi, 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 (axitaxetic) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ axit axetic là 82% phần khối lượng, còn lại lànước Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đun dung dịchlỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏinồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13), được làm nguội đến 400C, rồi đượcđưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (14)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước được thải bỏ, sản phẩm đáy

là axit axetic được giữ lại

1 2

Vũ Bá Minh

Thiết bị đun sôi đáy tháp

Áp kế Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Nhiệt kế Lưu lượng kế Bẫy hơi Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu B?n ch?a s?n ph?m d?nh

Bồn cao vị Bơm Bồn chứa nguyên liệu

1/2 Chức năng

SVTH GVHD

Chữ ký Họ tên

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Tỉ lệ Bản vẽ số Ngày HT Ngày BV Hoàng Minh Nam

Mai Th? Ng?c H?

Đồ án môn học : Quá trình và Thiết bị

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT AXIT AXETIC - NƯỚC DÙNG THÁP MÂM CHÓP

Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Khoa Công nghệ Hóa học BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ STT TÊN GỌI ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT SL VẬT LIỆU 1

4 7 11 9

Sản phẩm đỉnh

Dòng hồi

P

Hơi đốt

P = 2,5at

Nước ngưng

Nước lạnh Nước nóng

Khí không

5

10

3

6 8

1 2 3 1

13 14

Thiết bị làm nguội sản phẩm đáyB?n ch?a s?n ph?m dáy13

14

1 1

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :

Khi chưng cất dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước

Hỗn hợp: {Axit axetic : CH 3 COOH ⇒ M A=60 (g /mol )

 Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

với thiết bị đun sôi đáy tháp :

 Áp suất hơi đốt : Ph = 2,5at

Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy :

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 210C

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 380C

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 420C

Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh :

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 260C

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 680C

 Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 94% (kg nước/ kg hỗn hợp)

 Các ký 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,xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯỢC

2.1 X ác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy:

18 +

1−0,7360

=0,900123 (mol nước/ mol hỗn hợp)

18 +

1−0,1860

=0,422535 (mol nước/ mol hỗn hợp)

18 +

1−0,9460

=0,981211(mol nước/ mol hỗn hợp)

2 Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu:

Tỉ số hồn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 2,51814

IV XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA :

Coi lưu lượng mol của các dòng pha đi trong mỗi đoạn tháp (chưng và cất) là không đổi

1 Tại đỉnh tháp:

Vì tại đỉnh tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau.

 Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đỉnh tháp là bằng nhau:

MHD = MLD = xD MN + (1 – xD) MA

= 0,981211 18 + (1 – 0,981211) 60 = 18,789 (kg/ kmol)Suất lượng khối lượng của dòng hơi tại đỉnh tháp:

Khối lượng mol của dòng nhập liệu:

Và: nLF = L = 257,46(kmol/h)

n’LF = L + F = 257,4614 + 85,6056 =343,067(kmol/h)

nHF = nHD = 184,2803(kmol/h)

3 Tại đáy tháp:

Vì tại đáy tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau

 Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đáy tháp là bằng nhau:

F

W

MHW = MLW = xW MN + (1 – xW) MA

= 0,422535 18 + (1 – 0,422535) 60 = 42,25353 (kg/mol)Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy:

W = G W

M LW=

52542,25353=12,425(kmol/h)

Và: nLW = n’LF = 343,067(kmol/h)

nHW = nHF = nHD =184,2803(kmol/h)

V PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC - SỐ MÂM LÝ THUY ẾT

1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

0,9812112,51814 +1=0,71576 x+0,2789

¿1,04826 x−0,02039

Vậy y= 1,04826x - 0,02039

3 Số mâm lý thuyết

Đồ thị xác định số mâm lý thuyết

Từ đồ thị ta thấy có 18 mâm bao gồm 10 mâm cất, 1 mâm nhập liệu và 7 mâm chưng.

* Xác ịnh hiệu suất trung bình của tháp định hiệu suất trung bình của tháp η tb:

Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi: α= y

: phần mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

lghh = x1lg1 + x2lg2 (công thức (I.12), trang 84, [5])

- Tại vị trí nhập liệu:

xF =0,900123, tra đồ thị cân bằng của hệ : [y F

¿=0,9300861

t F=100,599℃

1−0,9001230,900123 =1,4761

1−0,9812110,981211 =1,437

t D=100,1127℃

Tra bảng I.101, trang 91, st1, ta được :

μ NL=0,2837 cP

μ AL=0,4574 cP

→ μ D=0,2863cP

Suy ra : α D μ D=1,437.0,2863=0,4114 cP

Tra hình IX.11, trang 171, St2, ta được: η D=0,64

- Tại vị trí mâm đáy:

x W=0,422535, tra đồ thị cân bằng của hệ : [ y W

1−0,4225350,422535 =1,6814

Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp:

η tb=η F+η D+η W

0,66+0,64+0,46

Số mâm thực tế của tháp: 18/0,587=30,66 mâm chọn 31 mâm

Vậy có 18 mâm cất, 1 mâm nhập liệu và 12 mâm chưng

CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

4.1.1 Cân bằng nhiệt lượng thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

QD1 + Qf = QF + Qm (*) Trong đó:

QD1 - Nhiệt lượng hơi nước cung cấp để đun sôi hỗn hợp đầu, J/h

Qf - Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun sôi, J/h

QF - Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun sôi, J/h

Qy : Nhiệt lượng do hơi mang ra khỏi tháp chưng cất J/h

QR : nhiệt lượng do lượng hồi lưu mang vào tháp J/h

Qh : nhiệt lượng do hơi mang ra khỏi thiết bị ngưng thụ hồi tụ J/h

Qm : Nhiệt lượng do tổn thất vào môi trường xung quanh, J/h

QD2 : Nhiệt lượng do hơi đốt đun sôi ở đáy tháp mang vào J/h

 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào

QD1 = D1 r1 (J/h) (công thức IX.150 trang 196 STQTTB tập 2 )

Trong đó:  D1 - lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp ban đầu, kg/h

 r1 - ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước J/kgChọn hơi đốt là hơi nước ở 2,5at

tf - nhiệt độ của hỗn hợp đầu, ta chọn tf = 260C

Cf - nhiệt dung của hỗn hợp đầu , J/kg độ

tF - nhiệt độ của hỗn hợp ra khỏi thiết bị đun nóng, tF = 100,5990C

CF - nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi ra khỏi thiết bị đun nóng

CN = 4220,78 (J/kg.độ) ( Tra bảng I.1249, 310,st1)

CA = 2443,14 (J/kg.độ) ( Tra bảng I.1249, 310,st1)

 Lượng hơi đốt cần dùng để đun sôi hỗn hợp đầu

4.1.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

Phương trình cân bằng nhiệt của tháp chưng luyện:

tR: nhiệt độ lỏng hồi lưu= 100,11270C

CR: nhiệt dung riêng của lỏng hồi lưu

CR = ´x D C N + (1-´x D ).C A

Với CN, CA: nhiệt dung riêng của nước và axit axetic ở 100,11270C Dùng phuong pháp nội suy ta tra được:

CN = 4227,13 J/kg.độ ( Tra bảng I.1249, 310,st1)

CA=2458,79 J/kg.độ( Tra bảng I.1249, 310,st1)

CW= ´xW.C N + (1-´x W ).C A

= 0,18.4227,13+(1-0,18).2458,79 = 2777,09 (J/kg độ)Vậy nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra là :

Nhiệt dung riêng một cấu tử được tính theo công thức:

𝜆=r+C.t

Với: r: ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử đó, J/kg

C: nhiệt dung riêng của cấu tử ở t = tD =100,11270C

Tra bảng I.1250, 312, st1, ta ược: định hiệu suất trung bình của tháp r N=2259,73(kJ

Q y=1375 (1+2,51814 ) 2561007,209=12388725,12(kJ

h )

 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp Q D2 :

Nhiệt lượng tổn hao Qm= 0,05.QD2, thay vào (**), ta được:

4.1.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hồi lưu

Ta dùng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh

P.(R+1).r =Gn1.Cn(t2-t1)

Với :

P: Lượng sản phẩm đỉnh : GD = 1375 (kg/h)

R: Chỉ số hồi lưu, R = 2,51814

Gn1:Lượng nước cần dùng cho thiết bị ngưng tụ hồi lưu

t1 , t2:Nhiệt độ của nước đi vào và đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ hồi lưu, chọn t1= 260C, t2=680C

Nhiệt độ trung bình trong thiết bị ngưng tụ hồi lưu

Tra bảng I.249, 310, st1, ta được: Cn=4178(J/kg.độ)

Vậy lượng nước lạnh cần dùng cho thiết bị hồi lưu là

 Nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào tV = 26oC và nhiệt độ ra tR = 38oC

 Dòng hơi tại đỉnh đi ngồi ống với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 100,1127 (oC)

nhiệt độ ra tWR = 42oC

Cân bằng nhiệt: Q = GW(hWS – hWR) = Gn (hR – hV)

Nhiệt dung riêng của nước ở 42oC = 4178 (J/kg.K)

Nhiệt dung riêng của axit ở 42oC = 2110,7(J/kg.K)

Nên: hWR = (0,18 4178 + (1-0,18) 2110,7) 42= 104278,2 (J/kg)

Tra bảng 1.250, p312, ST I  Enthalpy của nước ở 26oC : hV = 108,94 (kJ/kg)

 Enthalpy của nước ở 38oC : hR = 159,22 (kJ/kg)Lượng nhiệt trao đổi: Q = GW(hWS – hWR) = 525.(2777,09.105,4845- 104278,2)=99047,4( (kJ/h)

Suất lượng nước lạnh cần dùng:

99047,4159,22−108,94=1969,9(kg/h)

4.1.5 THIẾT BỊ ĐUN SÔI DÒNG NHẬP LIỆU

 Chọn: Dòng nhập liệu đi trong ống trong với nhiệt độ vào tV = tFV = 26 oC và nhiệt độ ra tR = tFS = 100,599 oC

 Hơi ngưng tụ đi trong ống ngồi có áp suất 2,5at:

 Nhiệt hóa hơi: r H2O = rn = 2189500 (J/kg)

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

tb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h)

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

1 ĐƯỜNG KÍNH ĐOẠN LUYỆN:

a Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện :

gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h).

g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h)

r1 : ẩn nhiệt hố hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất

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

* Tính r1 : t1 = tF = 100,599oC

Tra bảng 1.251, trang 314 và bảng I.213, trang 256, [1] ta có:

Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : rN = 2259,59 (KJ/kg) = 40672,64(kJ/mol)

Ẩn nhiệt hoá hơi của axit : rA = 23391,98(KJ/kmol)

Suy ra : r1 = rN.y1 + (1-y1).rA = 17280,66y1+ 23391,98 (KJ/kmol)

* Tính rd : tD = 100.1127oC

Tra bảng 1.251, trang 314 và bảng I.213, trang 256, [1] ta có:

Ẩn nhiệt hố hơi của nước : rN = 40698,386(KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hố hơi của axit : rA =23388,3(KJ/kmol)

xD = 0,981211 , tra bảng cân bằng ta được yD = 0,9868477

Suy ra : rd = rN.yD + (1-yD).rA = 40470,72 (KJ/kmol)

* x1 = xF = 0,900123

Giải hệ (III.1) , ta được : G1 = 191,72(Kmol/h)

y1 = 0,9225 (phân mol) M1=21,255(kg/kmol)

g1 = 264,9(Kmol/h) =5630,45(Kg/h)Vậy : gtb =

4837 , 44 +5630 ,45

b Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

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

(Công thức IX.111, trang 186, [2])

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần cất:

Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần cất:

ω gh=0 05 √ρ LL

ρ HL

x L=x D+x F

0 , 981211+0 , 900123

Dựa vào bảng cân bằng

 Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần cất: TLL = 100,356 (oC)

Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện:

xL= 0,8263 (kg nước/ kg hỗn hợp)

Tra bảng 1.249, trang 310, [1]

Tra bảng 1.2, trang 9, [1]

 Khối lượng riêng của axit axetic ở 100,356oC: AL = 957,359 (kg/m3)

Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [1]:

Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần cất:

yL = 0,71576xL + 0,2789 = 0,9522

Dựa vào bảng cân bằng

 Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần luyện: THL = 100,41 (oC)

Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần cất :

2 ĐƯỜNG KÍNH ĐOẠN CHƯNG :

a Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng :

g , tb

g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h)

g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h)

 Xác định g’ n : g’n = g1 =264,9(kmol/h) = 1865,792 (kg/h)

 Xác định g’ 1 : Từ hệ phương trình :

{ G ' 1 = g ' 1 + W ¿ { G ' 1 .x' 1 = g ' 1 .y W + W.x W ¿¿¿¿

(III.2)Với : G’

1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng r’1 : ẩn nhiệt hố hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

* Tính r’1 : xW =0,422535

Tra bảng cân bằng của hệ, ta có : yW =0,4225365

Suy ra :Mtbg’ =18.yW +(1-yW).60= 42,2535(Kg/kmol)t’1 = tW = 105,4845 oC

Tra bảng 1.251, trang 314 và bảng I.213, trang 256, [1]

Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : r’N = 40420,344(KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hoá hơi của axit : r’A = 23428,797(KJ/kmol)

* Suy ra : r’1 = r’N.yW + (1-yW).r’A = 30608,3458 (KJ/kmol)

* W = 12,425 (Kmol/h)

Giải hệ (III.2) , ta được : x’1 =0,422536 (phân mol ), MtbG’ =42,2535(kg/kmol)

G’

1 = 352,835(Kmol/h) g’1 = 340,41(Kmol/h) = 14383,51 (Kg/h)

Vậy : g’tb =

5630,45+14383,51

b Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

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

ω' gh=0 , 05 √ρ ' xtb

ρ ' ytb

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần chưng:

Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng:

0 , 422535+0 , 900123

Dựa vào bảng cân bằng

 Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng: TLC = 102,564 (oC)

Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong chưng:

Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [1]:

Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần chưng:

yC = 1,04826xC – 0,02039 = 0,6728558

Dựa vào bảng cân bằng

 Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần chưng: THC = 102,426 (oC)

Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần chưng :

Vậy :đường kính đoạn chưng :

 : chiều dày của mâm, chọn  = 4 ( mm ) = 0.004 ( m )

Hđ : khoảng cách giữa các mâm ( m )

Chọn theo bảng IX.4a, trang 169-[2], Hđ = 0,5 ( m )

( 0.8  1.0 ) : khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp

 H = 31.(0,5 + 0,004 ) + 0,8 =16,4( m ) (Công thức IX.54 trang 169 [2]¿