NỒNG độ PHÂN KHỐI LƯỢNG cấu tử dễ BAY hơi TRONG hỗn hợp đầu là 0 384, PHÂN KHỐI LƯỢNG cấu tử dễ BAY hơi TRONG hỗn hợp đáy là 0 957

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

TRƯỜNG BÁCH KHOA - 

ĐÁY LÀ 0.957.

PGS.TS Lương Huỳnh Vũ Thanh Phạm Văn Tín

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

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 tb 17

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

4.1 Đường kính tháp ( ) 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

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 ii

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 iv

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 trìnhlàm đồ án em cũng xin cảm ơn chân thành đến các bạn khóa 45 và anh chị đã giúp emrất 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 vàtiếp 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 nổilên 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 hệethanol – 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 vi

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 mùiđặc trưng, không độc, tan vô hạn trong nước

Bảng 1-1 Các thông số vật lý của ethanol

Tính chất

Công thức phân tửKhối lượng phân tửNhiệt độ sôi ở 760 mmHgKhối lượng riêng

Độ nhớt ở 20 oCNhiệt độ nóng chảy

(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 chấthữu cơ khác, làm thuốc sát trùng, ethanol có trong sơn, cồn thuốc, các sản phẩm chămsóc cá nhân như nước hoa, chất khử mùi và một số ứng dụng khác

SVTH: Phạm Văn Tín

CHƯƠNG I : Tổng Quan CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

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

Tính Chất

Công thức phân tửKhối lượng phân tửNhiệt độ sôi ở 760 mmHgKhối lượng riêng

Độ nhớt ở 20 oCNhiệt độ nóng chảy

(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 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 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

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

T ( o C)

100.35 100.00 100.35 100.00 99.66 99.33 99.01 98.39 97.81 97.25 94.89 93.01 91.50 89.20 87.55 86.31

(Nguồn: VLE-calc.com)

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)

SVTH: Phạm Văn Tín Trang 5

CHƯƠNG I : Tổng Quan CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

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 nhậpliệu 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 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 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 – 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 – 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 nhiệttrực 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 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

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 chotiếp 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

(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

Tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nói với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật chêmđược cho vào tháp theo một trong hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay xếp theothứ tự

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

(Nguồn: http://industrial.ecpltd.co/product/tower-vessel-packing/ )

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

CHƯƠNG I : Tổng Quan CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh

CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

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

SVTH: Phạm Văn Tín

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 chảyxuống 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 trongphần 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 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 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 lỏngngưng 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 đượcdẫn vào bồn chứa sản phẩm đáy (5)

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

SVTH: Phạm Văn Tín

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

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

3.1 Các thông số ban đầu

Các thông số ban đầu:

Năng suất nhập liệu: = 1800 L.h -1

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

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

Tỉ lệ thu hồi ethanol: = 96%

Khối lượng phân tử của ethanol: = 46

Khối lượng phân tử của nước: = 18

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

Các ký hiệu:

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

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

, , : 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 = 30 o C, ta có khối lượng riêng của rượu và nước lần lượt là:

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

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

SVTH: Phạm Văn Tín

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

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

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:1

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

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 vàbơm…) là tối thiểu

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

⇒

3.4 Tỉ số hoàn lưu thích hợp

Tỉ số hoàn lưu thích hợp thường được xác định qua tỉ số hồi lưu tối thiểu

= 1,3.=1,716

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

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 = 8 mâm.

3.7 Xác định số mâm thực tế

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:

(3-6)Với:

: là hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng = ( , )

: số mâm thực tế

: 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:

= ∗ 1− IX.61 (171.T2) (3-7)

1− ∗

Với:

- : phân mol của rượu trong pha lỏng

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

Tại vị trí nhập liệu:

=

Tra bảng I.102 (trang 94, [1]): Độ nhớt của nước: = 0.343 cP

Tra bảng I.101 (trang 91, [1]): Độ nhớt của rượu: = 0.447 cP Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu:

→ = 0,643 cP nên = 2,998

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

Tại vị trí mâm đáy:

=

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

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

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

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đáy:

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

Hiệu suất trung bình của tháp

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

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

4.1 Đường kính tháp ( )

Đường kính tháp được xác định theo IX.90 (trang 181, [1]):

= √

Với:

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

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

: 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

4.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp

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

=

+ 1

Với:

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

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

: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

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

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

Tính : Từ = = 83.119 o C 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]): = 41892.529 kJ.kmol -1

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

→ 1 = 1 + (1 − 1 ) = 41892.529 − 3229,059 1

Tính : Từ= 79.695 o C ta có:

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

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

Tốc độ hơi trung bình trong tháp

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

Với:

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

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

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

Đường kính đoạn chưng

Lượng hơi trung bình đi trong tháp:′

+ ′

= 2 1 (4-4)Trong đó:

′

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

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

Xác định ′ : ′ = 1 = 865,536 kg.h-1 hay 31,405 kmol.h-1

Xác định ′

Với:

1′: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

1′: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

Tính r1'

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

⇒ = 46 + (1 − ).18 = 46.0,112 + (1 − 0,112).18 = 21,126 kg.kmol-1

1′ = = 97.255 oC ta có:

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

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

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp

Khối lượng riêng của nước tra bảng I.249 trang 310, [1]: ′

Khối lượng riêng của rượu tra bảng I.2 trang 9, [1]: ′

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

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp

Kí hiệu(kg.h-1)

1 (kg.h-1)

(kg.h-1)(kg.m-3)(kg.m-3)(m.s-1)(m)

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 1 = 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

ℎ = ℎ + ℎ + ℎ (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

2

2

Với:

0 : vận tốc pha hơi qua lỗ m.s-1

: khối lượng riêng của pha hơi Kg.m-3

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

0 : 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:

∑ ô

= 0,08 và

â

Đối với mâm ở phần cất:

Vận tốc pha hơi qua lỗ: 0 =

Khối lượng riêng của pha hơi:= = 1,04 kg.m-3

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

Độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất:

ℎ =51⋅

Đối với mâm ở phần chưng:

Vận tốc pha hơi qua lỗ: 0′ =

Khối lượng riêng của pha lỏng:′ =′ = 945,9 kg.m-3 Độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng:

ℎ ′ = 51 ⋅ ( 15,875 2 ) ⋅ 0,82 = 19,868 (mm chất lỏng)

4.4.1.2Độ 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 ℎ là từ chiều cao gờ chảy tràn ℎ , chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn ℎ và hệ số hiệu

chỉnh theo :

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

ℎ 1 = (ℎ +ℎ )

Chọn hệ số hiệu chỉnh: = 0,6

Chiều cao gờ chảy tràn: ℎ = 50 mm

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

2

Với:

- : lưu lượng của chất lỏng (m3.ph-1)

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

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp

Tra bảng I.249 trang 310, [1] sức căng bề mặt của nước: = 623,45 dyn.cm-1

Tra bảng I.242 trang 300, [1] sức căng bề mặt của rượu: = 23,856 dyn.cm-1

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp

hay ℎ ′ = 59,237.10 −3 9,81.945,89 = 549,68

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 khíqua một mâm ở phần chưng)

∑ ℎ = 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:

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

lỗ được xác định theo biếu thức: