ĐỒ án kỹ THUẬT THỰC PHẨM THIẾT kế THÁP CHƯNG cất hỗn hợp ACID ACETIC nước 1200KG NHẬP LIỆU h

Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất - thực phẩm.. Cân bằng nhiệt lượng của th

Trang 1

Bộ Công Thương TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

GVHD: Tiền Tiến Nam

Nhóm : 20

Nguyễn Hửu Tài 2005120361 Nguyễn Thanh Triết 2005120285

Trang 2

GVHD: Tiền Tiến Nam Trang 1

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nhóm sinh viên gồm: Nguyễn Hửu Tài MSSV: 2005120361

Nguyễn Thanh Triết MSSV: 2005120285 Nhận xét :

………

Điểm đánh giá: ………

………

Ngày ……….tháng ………….năm 2015

( Ký tên, ghi rõ họ và tên)

Trang 3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Nhóm sinh viên gồm : Nguyễn Hửu Tài MSSV: 2005120361

Nguyễn Thanh Triết MSSV: 2005120285 Nhận xét:

………

Điểm đánh giá: ………

………

Ngày ……….tháng ………….năm 2015

( Ký tên, ghi rõ họ và tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và 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

Trang 4

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 Kỹ thuật thực phẩm là một môn học mang tính tổng hợp 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 toán 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 tháp chưng cất hỗn hợp acid acetic-nước 1200kg nhập liệu/h ( Tháp mâm chóp )

Nồng độ nhập liệu : 25% nước (theo thể tích)

Sản phẩm đỉnh: 94% nước (theo thể tích), sản phẩm đáy 3% nước (theo thể tích) Các thông số khác tự chọn

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 7

1 Cơ sở lý thuyết về chưng cất 7

1.1 Khái niệm 7

1.2 Các phương pháp chưng cất: 7

1.3 Thiết bị chưng cất 8

2 Tổng quan về nguyên liệu 11

2.1 Nước 11

2.2 Acid Acetic 12

2.3 Hỗn hợp Acid acetic – Nước 14

CHƯƠNG 2 : SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH 16

1 Sơ đồ nguyên lý 16

2 Thuyết minh quy trình 17

CHƯƠNG 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT 18

1 Các thông số ban đầu 18

2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 19

3 Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc 19

4 Xác định suất lượng mol của các dòng 19

4.1 .Tại đỉnh tháp 19

4.2 Tại mâm nhập liệu 20

4.3 Tại đáy tháp 21

CHƯƠNG 4 : CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 22

1 Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất 22

2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ 25

3 Cân bằng nhiệt của thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 25

4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu ban đầu) 26

5 Cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 27

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 29

1 Phương trình đường làm việc 29

2 Đường kính tháp 29

Trang 6

2.1 Đường kính đoạn cất 29

2.2 Đường kính đoạn chưng 32

2.3 Đường kính toàn tháp 35

3 Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế 35

4 Chiều cao tháp 40

5 Tính toán chóp – ống chảy chuyền 40

5.1 Tính cho phần cất 41

5.2 Tính cho phần chưng 42

6 Tính tổng tổn thất qua toàn tháp 46

6.1 Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm  : 46

6.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm ht 47

7 Tính trở lực của tháp 48

7.1 Tổng trở lực phần cất 49

7.2 Tổng trở lực của phần chưng 51

7.3 Tổng trở lực của toàn tháp P 53

CHƯƠNG 6 : TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP 53

1 Tính bề dày thân trụ của tháp 53

2 Tính bề dày đáy nắp và thiết bị 55

3 Tính bề dày mâm 56

4 Tính chi tiết ống dẫn 57

4.1 Đường kính ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ 57

4.2 Ống dẫn dòng chảy hoàn lưu 58

4.3 Ống dẫn dòng nhập liệu 58

4.4 Ống dẫn dòng sản phẩm đáy 58

4.5 Ống dẫn hơi từ nồi đun qua tháp 59

5 Tính mặt bích và vòng đệm 59

5.1 Bích và đệm để nối và bích kín thiết bị 59

5.2 Bích để nối các ống dẫn 60

6 Tính tai treo và chân đỡ 61

6.1 Tính sơ bộ khối lượng tháp 61

6.2 Chọn tai treo 62

6.3 Chọn chân đỡ 63

7 Tính cách lớp cách nhiệt 63

Trang 7

CHƯƠNG 7 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 65

1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu hay thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 65

1.1 Điều kiện nhiệt độ của quá trình 65

1.2 Nhiệt tải 65

1.3 Tính toán thiết bị 65

2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 69

3 Thiết bị ngưng tụ hoàn lưu 73

4 Thiết bị nồi đun 76

5 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 79

5.1 Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống 80

5.2 Xác định hệ số cấp nhiệt của nước bên ngoài ống 81

5.3 Nhiệt tải riêng 82

5.4 Xác định hệ số truyền nhiệt 82

5.5 Bề mặt truyền nhiệt 83

5.6 Chiều dài mỗi ống 83

6 Bồn cao vị 83

6.1 Tổn thất đường ống dẫn 83

6.2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 84

7 Bơm Error! Bookmark not defined 7.1 Năng suất Error! Bookmark not defined 7.2 Cột áp Error! Bookmark not defined. 7.3 Tính tổng trở lực trong ống 86

7.4 Tính cột áp của bơm 87

7.5 Công suất 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

Trang 8

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

Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản 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

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy 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 có độ bay hơi bé

 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn

Đối với hệ Nước – Axit axetic thì:

Trang 9

1.2.2 Phân loại theo nguyên lý làm việc:

- Chưng cất đơn giản:

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp

- Chưng cất

1.2.3 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 nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

1.3 Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu 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 khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

1.3.1 Tháp mâm:

Thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

1.3.1.1 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

Trang 10

1.3.1.2 Tháp mâm xuyên lỗ:

Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

Trang 11

9 Đĩa phân phối lỏng

1.3.3 So sánh ưu nhược, điểm của các loại tháp:

lỗ

Tháp mâm chóp

- Hiệu suất khá cao

- Khá ổn định

- Hiệu suất cao

Trang 12

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

2 Tổng quan về nguyên liệu

2.1 Nước

2.1.1 Sơ lược về nước

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt

Khi hóa rắn nó có 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 nóng chảy : 00C

 Nhiệt độ sôi : 1000 C

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 hồ tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học

2.1.2 Hình học của phân tử nước

Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hiđrô và một nguyên tử ôxy Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45° Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ

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 nhiều vật tư, kết cấu phức tạp

Trang 13

nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện Chiều dài của liên kết

O-H là 96,84 picômét

2.2 Acid Acetic

2.2.1 Sơ lược acid acetic:

Axit axetic hệ thống có tên là axit ethanoic là một hợp chất hữu cơ với công thức hóa học là CH3COOH Nó là một chất lỏng không màu khi không pha loãng cũng được gọi là acid acetic băng Axit axetic là thành phần chính của dấm (ngoài nước), và

có một hương vị chua và mùi hăng đặc biệt Nó chủ yếu được sản xuất như là một tiền thân của polyvinylacetate và cellulose acetate Mặc dù nó được phân loại như là một axit yếu , axit axetic đậm đặc ăn mòn, và tấn công da

Acid axetic nóng chảy ở 16,6oC, điểm sôi 118oC, hỗn hợp trong nước với mọi tỷ lệ Trong quá 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, ngoại trừ đối với các hàm lượng dưới 43%

Tính ăn mòn kim loại:

 Axit axetic ăn mòn sắt

 Nhôm bị ăn mòn bởi axit lỗng, 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 còn gọi là axit glaxial bởi vì nó dễ dàng đông đặc kết tinh như nước đá ở dưới 17oC, đước điều chế chủ yếu bằng sự oxy hóa đối với andehit axetic Không màu sắc, vị chua, tan trong nước và cồn etylic

Trang 14

2.2.2 Điều chế

Axit axetic được điều chế bằng cách oxy hĩa cĩ xúc tác đối với cồn etylic để biến

thành andehit axetic, là một giai đoạn trung gian Sự oxy hĩa kéo dài sẽ tiếp tục oxy

hĩa andehit axetic thành axit axetic

CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH

C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O 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 thành peroxit Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi chế axit axetic kết tinh được

CH3CHO + ½ O2 Cobanaxetatở80oC CH3COOH

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 cồn metylic qua xúc tác

Nhiệt độ từ 200 – 500oC, áp suất 100 – 200atm với sự hiện diện của metaphotphit hoặc photpho – vonframat kim loại 2 và 3 hĩa trị (chẳng hạn sắt, coban)

2.2.3 Ứng dụng:

Axit axetic là một axit quan trọng nhất trong các loại axit hữu cơ Axit axetic tìm được rất nhiều ứng dụng vì nĩ là loại axit hữu cơ rẻ tiền nhất Nĩ được dùng để chế tạo rất nhiều hợp chất và ester Nguồn tiêu thụ chủ yếu của axit axetic là:

 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 được nhiều loại nhựa xenluloza

Trang 15

2.3 Hỗn hợp Acid acetic – Nước

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

-Nước ở 760 mmHg

Trang 16

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

Trang 17

CHƯƠNG 2 : SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH

1 Sơ đồ nguyên lý

Trang 18

2 Thuyết minh quy trình

Hỗn hợp nước-acid acetic có nồng độ nước 25% ( theo thể tích), nhiệt độ khoảng

270C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt (11) (trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy) Ở đây, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ 108,80C Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (5) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống 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 xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (9) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất (có nồng độ 94% theo thể tích) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (6) Phần chất lỏng ngưng còn lại được đưa qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (7) rồi sau đó đến bồn chứa sản phẩm đỉnh (8) Phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi 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 gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (acid acetic) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 3% theo thể tích, còn lại là acid acetic Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần được đun, bốc hơi ở nồi đun (9) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được đưa qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (11) trao đổi nhiệt dòng nhập liệu từ bồn cao vị (3), nhiệt độ của sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt là 400C

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước, sản phẩm đáy là acid acetic sau khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu chảy từ bồn cao vị xuống và sau đó acid được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (12)

Trang 19

CHƯƠNG 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT

1 Các thông số ban đầu

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

)mol/g(60M

COOHCH

:axeticAxit

N 2

A 3

 Năng suất nhập liệu: GF = 1200 (kg/h)

 Nồng độ nhập liệu: xF= 25% (% thể tích nước hay % mol)

 Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD= 94% (% thể tích nước hay % mol)

 Nồng độ sản phẩm đáy: xW= 3% (% thể tích nước hay % mol)

 Chọn:

 Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 27oC

 Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

Thiết bị đun sôi đáy tháp :

 Áp suất hơi đốt : Ph = 3 at Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy :

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 40oC

 Nhiệt độ dòng nhập liệu đi vào: tV = 27oC

 Nhiệt độ dòng nhập liệu đi ra: tf = 40oC Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh :

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 27oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40 oC Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh :

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 27oC

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 60 oC

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

 MA, MN : khối lượng phân tử acid acetic, nước( kg/kmol)

Trang 20

2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

MtbF = xF *MN + (1-xF)*MA=0.25*18+(1-0.25)*60=49,5 (kg/kmol)

Suất lượng mol dòng nhập liệu :

242 , 24 5 , 49

*D

*D0,25

*24,242

WD24,242

3 Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc

 Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu:

136 , 4 03 , 0 25 , 0

03 , 0 94 ,

W D

364,094,0

*

* min

F D

x y

y x

Tỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3 *5,053 +0,3 =6,869

4 Xác định suất lượng mol của các dòng

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

4.1 .Tại đỉnh tháp

Trang 21

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

 Khối lượng của pha hơi(MHD) và pha lỏng(MLD) tại đỉnh tháp là bằng nhau:

389 , 946

GL = R*GD = 6,869 * 120,268 = 826,120 (kg/h)

Suất lượng mol của dòng hoàn lưu:

259 , 40 52 , 20

120 ,

4.2 Tại mâm nhập liệu

Khối lượng mol của dòng nhập liệu:

Trang 22

242 , 24 5 , 49

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:

MHW = MLW = MtbW= 58,74 (kg/mol)

Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy:

381 , 18 74 , 58

70 ,

Trang 23

CHƯƠNG 4 : CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

1 Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất

Phương trình cân bằng năng lượng:

QF + QD2+ QR = Qy+ Qw+ Qxq2 + Qng2

 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào 𝐐𝐅(J/h)

QF = GF CF.tFTrong đó:

GF = 1200 (Kg/h)

tF = 108,8 oC : nhiệt độ đi vào của hỗn hợp đầu (ở trạng thái lỏng sôi)

CF : nhiệt dung riêng

Tra bảng I.147 trang 165 và I.154 trang 172 (Sổ tay QTTB 1)

Trang 24

C2 = 4304,01 (J/kg)

λ2: nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/Kg)

r2: ẩn nhiệt hóa hơi (J/Kg)

t2, C2: nhiệt độ oC và nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/Kg.độ)

 Nhiệt độ do lưu lượng lỏng hoàn lưu mang vào:





𝜆𝑛ướ𝑐, 𝜆𝑎.𝑎𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐: nhiệt lượng riêng của nước, acid acetic:

𝜆𝑛ướ𝑐 = 𝑟𝑛ướ𝑐 + 𝑡𝐷 𝐶𝑛ướ𝑐

𝜆𝑎.𝑎𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐 = 𝑟𝑎.𝑎𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐+ 𝑡𝐷 𝐶𝑎.𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐

Trang 25

𝑟𝑛ướ𝑐, 𝑟𝑎.𝑎𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐, 𝐶𝑛ướ𝑐, 𝐶𝑎.𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐 tra ở bảng I.212 và bảng I.153 (Sổ tay QTTB 1) ở tD= 100,36oC

Trang 26

= 1008,6 (Kg/h)

2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

 Chỉ số ngưng tụ hoàn lưu:

𝐺𝐷 𝑅𝑥 𝑟𝐷 = 𝐺𝑛1 𝐶𝑛1 (𝑡2− 𝑡1)

→ 𝐺𝑛1 = 𝐺𝐷 𝑅𝑥 𝑟𝐷

𝐶𝑛1 (𝑡2− 𝑡1)Như ở phần đầu của cân bằng vật chất ta chọn nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh

Suy ra lượng nước lạnh cần tiêu tốn là: 𝐺𝑛1=12098 (Kg/h)= 3,36 (Kg/s)

3 Cân bằng nhiệt của thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

Phương trình cân bằng năng lượng:

𝐺𝐷 (𝑟𝐷+ 𝐶𝐷 (𝑡1′ − 𝑡2′)) = 𝐺𝑛3 𝐶𝑛 (𝑡2− 𝑡1)

Nhiệt độ vào thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: 𝑡1′ = 100,36℃

Nhiệt độ ra khỏi thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: 𝑡2′ = 40℃

Nước làm nguội có nhiệt độ vào, ra là: 𝑡1 = 27℃, 𝑡2 = 40℃

Nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh là: 𝑡𝑡𝑏 = 27 40⁄ = 33,5 ℃

Trang 27

Nhiệt dung riêng của nước ở 𝑡𝑡𝑏 là: 𝐶𝑛 = 4176,6 (J/Kg.độ)

Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh: 𝑡𝑡𝑏′ =(100,36 + 40)/2= 70,18oC

Ở 𝑡𝑡𝑏′ =70,18oC thì 𝐶𝑛ướ𝑐 = 4190 (J/Kg.độ)

𝐶𝑎.𝑎𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐 = 2262,48 (J/Kg.độ)

→ 𝐶𝐷 =3852,68 (J/Kg.độ)

Ẩn nhiệt hóa hơi là: rD= 2018,94*103 (J/Kg)

Suy ra lượng nước cần dùng là:

Trang 28

5 Cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi dòng nhập liệu:

xq ng F f

Trang 29

Dùng hơi nước ở áp suất 3 (at), r1 = r2 = 2171 (KJ/Kg)

Vậy lượng hơi đốt tiêu tốn là:

Trang 30

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

1 Phương trình đường làm việc

Phần cất :

1 869 , 6

94 , 0 1

869 , 6

869 , 6 1

136 , 4 1 1

869 , 6

136 , 4 869 , 6 1

R

f R

g

).( Trong đó:

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

(tb * y )tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ( kg/m2.s )

Vì rằng lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn cho nên ta phải tính đường kính trung bình riêng cho từng đoạn: đoạn chưng và đoạn cất

Trang 31

D D D

r g

r

g

x G x G

y

g

G G

g

1

1 1 1

rđ = rnước y D + (1 – y D ) r.a.cetic : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp

+ Tại vị trí nhập liệu: (Tra bảng I.212 Trang 254, Sổ tay QTTB tập 1)

825 , 0

* 268 , 120 091 , 0

*

268 , 120

1

1 1

1

1 1

r

g

G y

) / ( 06 , 3127

119 , 0

1

h kG G

h kG g

y

- Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn cất:

)/(46,19162

79,3006869

,6

*268,1202

G R G G G

Trang 32

- Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất:

9 

= 2036,73 (kg/h)

 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

- Dựa vào công thức IX.111 trang 186 Sổ tay QTTB tập 2, ta có:

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

ωgh = 0,032√ρρxtb

ytb

Với:

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

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

Nồng độ trung bình của pha lỏng:

* 595 , 0

18

* 595 , 0

Trang 33

acetic a

) 306 , 0 1 ( 

.4

T

T M

=

) 25 , 104 273 (

* 4 , 22

273

* 204 , 33

 = 1,073 (kg/m3 )

073,1

05,954032,

*073,1

73,20360188

,

Chọn Dcất = 0,9(m)

2.2 Đường kính đoạn chưng

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng: (CT IX.97 Trang 182, Sổ tay tập 2)

g’tb =

2

1 '

g

g n 

(kg/h) Với:

g’1: lượng hơi đi vào đoạn chưng

Trang 34

g’n: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng

Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên g’

n = g1

Hay g’tb =

2

' 1

1 g

g 

- Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’1, lượng lỏng G’

1 và hàm lượng lỏng x’1 được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng:

r g r g

r

g

x G y g

x

G

G g

G

n n

W W W W

3

,

412

009,0

*7,1079017

,0

*

7,1079

'

1

' 1 '

Trang 35

)/(96,5713

)/(26,4634

h kg g

x (phần khối lượng) = 0,048 (phần mol)

+ Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng:

2

96 , 5713 79

, 3006 2

' '

h kg G

,

3127 

= 3880,66 (kg/h)

- Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

Nồng độ trung bình của pha lỏng:

0 

= 0,14 Nồng độ trung bình của pha hơi theo phương trình đường làm việc:

x”m = 0,14 (phần mol)  x”m = 0,047 ( phần khối lượng )

t”x = 112,320C (Tra bảng I.2 Trang 9, Sổ tay QTTB tập 1)

acetic a

047 , 0

+

82 , 935

) 047 , 0 1 ( 

= 1,068.10-3

Trang 36

 ”

x = 936,42 (kg/m3 )

Khối lượng mol trung bình và khối lượng riêng pha hơi:

M”m = y”m Mnước + (1 – y”m) Ma.acetic = 52,27 (kg/kmol)

T

T M

=

) 34 , 113 273 (

4 , 22

273

* 27 , 52

 = 1,649 (kg/m3)

649,1

42,936032,

*649,1

66,38800188

*1

73,2036

*0188,0

.0188,0

2 2 '

tb lv

*1

66,3880

*0188,0

.0188,0

2 2 ''

2

' 2

y t

tb lv

Trang 37

tb

 : hiệu suất trung bình của thiết bị

3

W F D

D , F , W: lần lượt là hiệu suất ở mâm đỉnh, mâm nhập liệu, mâm đáy

Mà tb là hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt hỗn hợp lỏng:

x, y: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, pha hơi

- Độ nhớt của hỗn hợp lỏng : tra theo nhiệt độ

- Hiệu suất ở mâm đỉnh

a.acetic = 0,458.10-3 Ns/m2 (Tra bảng dùng cho toán đồ hình I.18)

Độ nhớt của hỗn hợp: lg hh = x1.lg 1+ x2 lg 2 (CT I.12 Trang 84, Sổ tay QTTB tập 1)

 lg hh = xD lg nước+ (1 – xD) lg a.acetic

= 0,94* lg(0,283.10-3) + (1- 0,94)*lg(0,458.10-3)

 hh = 0,291.10-3 Ns/m2

Trang 38

94,0

94,01.958,01

958,0x

x1y1

yα

a.acetic = 0,416*10-3 Ns/m2 (Tra bảng dùng cho toán đồ hình I.18)

Độ nhớt của hỗn hợp: lg hh = x1.lg 1+ x2 lg 2 (CT I.12 Trang 84, Sổ tay QTTB tập 1)

25,01.364,01

364,0x

x1y1

yα

Trang 39

tWS = 116,60C

+ Xác định độ nhớt của nước và acid acetic theo nhiệt độ:(Tra bảng I.101 Trang 92

Sổ tay QTTB tập 1)

tW = 116,6 0C  nước = 0,241.10-3 Ns/m2

a.acetic = 0,377.10-3 Ns/m2 (Tra bảng dùng cho toán đồ hình I.18)

Độ nhớt của hỗn hợp: lg hh = x1.lg 1+ x2 .lg 2 (CT I.12 Trang 84, Sổ tay QTTB tập 1)

03,01.052,01

052,0x

x1y1

yα

Vậy số mâm thực tế của tháp chọn là 36 mâm, gồm {14 mâm chưng

22 mâm cất

Trang 40

Tiêu đề	Thiết kế Tháp Chưng Cất Hỗn Hợp Acid Acetic Nước 1200kg Nhập Liệu/H
Tác giả	Nguyễn Hữu Tài, Nguyễn Thanh Triết
Người hướng dẫn	Tiền Tiến Nam
Trường học	Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật Thực phẩm
Thể loại	Đồ án kỹ thuật thực phẩm
Năm xuất bản	2015
Thành phố	TP.HCM

Định dạng
Số trang	91
Dung lượng	2,16 MB