Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử ethanol và nước thì ta thu được 2 sản phẩm: • Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn là ethanol và một phần rất ít các cấu tử có độ ba
TỔNG QUAN
Lý thuyết về chưng cất
Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng-lỏng, lỏng-khí và khí-khí thành các thành phần riêng biệt dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi của chúng Quá trình này diễn ra khi các cấu tử ở cùng nhiệt độ, với áp suất hơi bão hòa khác nhau.
Trong quá trình chưng cất, pha mới được hình thành thông qua sự bốc hơi hoặc ngưng tụ, thay vì việc đưa vào hỗn hợp một pha mới như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí.
Khi chưng cất, quá trình này tạo ra nhiều cấu tử và thường thì số lượng cấu tử thu được tương ứng với số lượng sản phẩm Đối với hệ đơn giản gồm 2 cấu tử là ethanol và nước, chúng ta sẽ thu được 2 sản phẩm.
Sản phẩm đỉnh chủ yếu bao gồm các cấu tử với độ bay hơi lớn như ethanol, cùng với một lượng rất nhỏ các cấu tử có độ bay hơi thấp như nước.
• Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé là nước và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn là ethanol
1.1.2 Các phương pháp chưng cất:
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:
Chưng theo áp suất làm việc được chia thành ba loại: áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Phương pháp này dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử; nếu nhiệt độ sôi quá cao, chúng ta sẽ giảm áp suất làm việc để hạ nhiệt độ sôi của các cấu tử.
Có 2 loại: chưng đơn giản và chưng liên tục
Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các trường hợp sau:
+ Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau
+ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao
+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi
+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử
Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử dùng thiết bị chưng cất liên tục thì quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng và nhiều đoạn
1.1.2.3 Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp
Phương pháp chưng cất hơi nước trực tiếp là kỹ thuật hiệu quả để tách các hỗn hợp chứa chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi Phương pháp này thường được áp dụng khi chất cần tách không tan trong nước, giúp tối ưu hóa quá trình chiết xuất.
→ Vậy đối với hệ ethanol-nước , ta chọn phương pháp chưng cất liên tục làm việc ở áp suất thường
1.1.3 Các thiết bị chưng cất:
Trong sản xuất, tháp là thiết bị quan trọng với yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất Tháp chưng cất đa dạng về kích thước và ứng dụng, đặc biệt trong ngành công nghệ hóa dầu Kích thước, đường kính và chiều cao của tháp phụ thuộc vào suất lượng của pha lỏng và pha khí cũng như độ tinh khiết của sản phẩm Các loại tháp thường được sử dụng trong công nghệ bao gồm nhiều kiểu dáng và chức năng khác nhau.
Tháp mâm là một cấu trúc hình trụ thẳng đứng, bên trong được trang bị các mâm với cấu tạo đa dạng nhằm chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau Các mâm này cho phép pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau, tùy thuộc vào thiết kế của đĩa mà hiệu quả tách biệt sẽ khác nhau.
• Tháp chưng cất dùng mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ
• Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh (đường kính 3-12mm)
Tháp chêm, hay còn gọi là tháp đệm, là một loại tháp hình trụ được cấu tạo từ nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hoặc hàn Bên trong tháp, các đệm được đổ đầy, giúp tối ưu hóa quá trình hấp thụ, chưng luyện và làm lạnh Tháp đệm được ứng dụng phổ biến trong công nghệ hóa học, đóng vai trò quan trọng trong nhiều quy trình công nghiệp.
Mâm chóp Mâm xuyên lỗ Tháp chêm Ưu điểm
Làm việc với chất lỏng bẩn
Cấu tạo đơn giản Trở lực thấp
Tiêu tốn vật tư do kết cấu phức tạp
Không làm việc với chất lỏng bẩn
Yêu cầu lắp đặt phức tạp
Hiệu suất thấp Độ ổn định không cao Thiết bị nặng nề
Bảng 1:Ưu, nhược điểm của từng loại tháp
Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu
Ethanol, một hợp chất hữu cơ thuộc dãy đồng đẳng của ancol, là một rượu không màu, dễ cháy và có công thức hóa học là C2H5OH Nó là thành phần chính trong nhiều loại đồ uống có cồn.
Các thông số hóa lý của ethanol:
• Khối lượng riêng: 0,789 g/cm 3 , trạng thái lỏng
✓ Tác dụng với acid tạo ester
✓ Tác dụng với phosphor trichloride
✓ Phản ứng oxi hóa Ứng dụng:
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị
Nước là trạng thái lỏng của H2O ở điều kiện tiêu chuẩn về nhiệt độ và áp suất, tạo thành mưa và sương mù Mây chứa các giọt nước và băng lơ lửng, trong khi nước đá có thể kết tủa thành tuyết khi phân chia mịn Trạng thái khí của nước được gọi là hơi nước.
Các thông số hóa lý của 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.
Hỗn hợp Ethanol-Nước
Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng %mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử ở 760mmHg (Ethanol-nước): x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100 t 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4
Bảng 2: Bảng thành phần lỏng hơi ethanol-nước
Hình 1: Đường cân bằng lỏng hơi Ethanol-Nước
SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Sơ đồ quy trình công nghệ
Hơi nước bão hòa, lps
LC Hỗn hợp Ethanol-Nước
Bồn chứa sản phẩm đáy P-101
V-103 Bồn chứa sản phẩm đỉnh
E-102 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
E-103 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Thiết bị gia nhiệt nhập liệu E-104
Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
T-101 Tháp chưng mâm xuyên lỗ R-101
Nồi đun sản phẩm đáy
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN: MÁY VÀ THIẾT BỊ HÓA HỌC
THỰC HÀNH TÍNH TOÁN HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Bản vẽ PFD quá trình chưng cất bằng tháp mâm xuyên lỗ hệ Ethanol- nước với năng suất theo nhập liệu 1900 kg/h
Người vẽ: Lê Nguyễn Thanh hải Người duyệt: Phạm Văn Hưng
SIZE DAY VISIO NO REV
A1 Ngày hoàn thành Mã bản vẽ 01
Thuyết minh quy trình công nghệ
Hỗn hợp ethanol-nước với nồng độ 35% (theo khối lượng) và nhiệt độ ban đầu 28°C được bơm vào thiết bị gia nhiệt Tại đây, dòng nguyên liệu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trước khi chuyển vào tháp chưng cất để bắt đầu quá trình chưng cất.
Trong quá trình chưng cất, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp, nơi hơi đi từ dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống, tạo ra sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha Pha lỏng di chuyển xuống dưới, nồng độ các cấu tử dễ bay hơi giảm do ảnh hưởng của pha hơi từ hơi nước cấp vào đáy tháp Khi hơi đi qua các đĩa, cấu tử có nhiệt độ sôi cao như nước sẽ ngưng tụ lại, và tại đỉnh tháp, hỗn hợp thu được chủ yếu là ethanol với nồng độ 88% phần khối lượng Hơi này sau đó được dẫn vào thiết bị ngưng tụ để hoàn toàn hóa lỏng, một phần chất lỏng ngưng tụ sẽ được làm nguội đến 40°C trước khi chuyển vào bồn chứa sản phẩm.
Trong quá trình chưng cất, chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ lệ hoàn lưu thích hợp Ở đáy tháp, ta thu được hỗn hợp lỏng chủ yếu là nước, với nồng độ ethanol khoảng 10% khối lượng Hỗn hợp lỏng này được chuyển ra khỏi tháp vào nồi đun, nơi một phần sẽ bốc hơi và cung cấp lại cho tháp, trong khi phần còn lại được làm nguội và chuyển vào bồn chứa Hệ thống hoạt động liên tục, sản phẩm đầu ra là ethanol ở đỉnh tháp và nước ở đáy tháp.
CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Số liệu ban đầu
Đề bài: Thiết kế hệ thống tháp mâm xuyên lỗ chưng cất liên tục hệ nước – ethanol với năng suất nhập liệu là 1900 kg/h
✓ Nồng độ nhập liệu 35 % phần khối lượng ethanol
✓ Nồng độ sản phẩm đỉnh 88 % phần khối lượng ethanol
✓ Nồng độ sản phẩm đáy 10 % phần khối lượng ethanol
✓ Các thống số khác tự chọn.
Tính toán suất lượng các dòng
⇒xF = 0,17 kmol/kmol ⇒ 𝑥 𝐹 𝐸 = 0,17 kmol/kmol , 𝑥 𝐹 𝑁 = 0,83 kmol/kmol
⇒ xD = 0,74 kmol/kmol ⇒ 𝑥 𝐷 𝐸 = 0,74 kmol/kmol , 𝑥 𝐷 𝑁 = 0,26 kmol/kmol
⇒ xW = 0,04 kmol/kmol ⇒ 𝑥 𝑊 𝐸 = 0,04 kmol/kmol , 𝑥 𝑊 𝑁 = 0,96 kmol/kmol
Chỉ số hồi lưu
Ta có thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng %mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp
2 cấu tử ở 760mmHg (Ethanol-nước): bảng 3 Bảng cân bằng lỏng hơi ethanol-nước x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100 t 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4
Hình 1: Đồ thị cân bằng lỏng hơi ethanol-nước
Do nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hòa, nên Rmin được xác định như sau:
Ta có: x F = 0,17 𝑦 ∗ 𝐹 = 0,5089 ( xác định từ đường cân bằng)
Chỉ số hồi lưu thích hợp được xác định từ thể tích tháp nhỏ nhất, thiết lập mối quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và thể tích tháp Rx – V Thể tích làm việc của tháp tỷ lệ với tích số mx(Rx + 1), trong đó mx là số đơn vị chuyển khối Khi thay thế các giá trị bi từ 1,2 đến 2,5, ta có thể tính toán Rx tương ứng bằng công thức Rx = bi Rmin, từ đó thu được các giá trị mx tương ứng.
Từ đó ta suy ra được mối liên hệ R và Rmin : Rx = bi Rmin b 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,5
Xác định chỉ số hồi lưu:
H : chiều cao làm việc của tháp, m
Tiết diện của tháp tỉ lệ thuận với lượng hơi đi vào tháp, trong khi lượng hơi lại tỉ lệ thuận với lượng lỏng hồi lưu Do đó, có thể kết luận rằng tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hồi lưu, được biểu diễn bằng công thức 𝜎 (Rx + 1).GD.
Trong một điều kiện làm việc nhất định thì GD là không đổi
Còn chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối H mx, nên cuối cùng ta có thể viết
Từ sự phụ thuộc giữa Rx và mx(Rx + 1), chúng ta có thể xác định điểm cực tiểu của mox*(R + 1) dựa trên đồ thị của quan hệ này, tương ứng với tỷ số hoàn lưu thích hợp Rx.
Bảng 4: Mối quan hệ giữa chỉ số hồi lưu với số mâm lý thuyết
Hình 2: Đồ thị tìm giá trị R x
Từ đồ thị ta thấy Rx = 1,09 tại b = 1,6.
Phương trình đường chưng, đường cất
Phương trình làm việc phần cất: y = 𝑅
Tỷ số lưu lượng nhập liệu và đỉnh: f = 𝐹
13,65 = 6,115 Phương trình làm việc phần chưng: y = 𝑅+𝑓
Từ phương trình chưng và phương trình cất ta vẽ được số mâm lý thuyết với b = 1,6
Hình 3: Đồ thị thể hiện số mâm lý thuyết
Từ đồ thị ta có thể xác định số bậc phần chưng và phần cất theo lý thuyết là 8,5 bậc thang tương ứng với số mâm là 9 với:
Ta có: Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi
𝑥 Với: x: phân mol của rượu trong pha lỏng
Y*: phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng
Tại vị trí nhập liệu: xF = 0,17 y* F = 0,5043
18 t F = 96,26 ℃ ⇒ μ E = 0,4781 cP ; μ N = 0,2976 cP Độ nhớt hỗn hợp: log 𝜇 ℎℎ = 𝑥 𝐹 × log 𝜇 𝐸 + (1 − 𝑥 𝐹 ) × log 𝜇 𝑁
Tra tài liệu tham khảo sổ tay thiết bị tập 2 trang 171: η F = 45% = 0,45
Tại vị trí mâm đỉnh: xD = 0,74 𝑦 ∗ 𝐷 = 0,779
Ta có: t D = 83,72 ℃ ⇒ μ E = 0,5721 cP ; μ N = 0,3434 cP Độ nhớt hỗn hợp: log μ hh = x D × log μ E + (1 − x D ) × log μ N
Tra tài liệu tham khảo sổ tay thiết bị tập 2 trang 171: η D ≈ 54% = 0,54
Tại vị trí mâm đáy: xW = 0,04 y* W = 0,2656
Ta có: t W = 99,19 ℃ ⇒ μ E = 0,4561 cP ; μ N = 0,2869 cP Độ nhớt hỗn hợp: log 𝜇 ℎℎ = 𝑥 𝑊 × log 𝜇 𝐸 + (1 − 𝑥 𝑊 ) × log 𝜇 𝑁
Tra tài liệu tham khảo sổ tay thiết bị tập 2 trang 171: η W ≈ 39,5% = 0,395
Hiệu suất trung bình của tháp:
Số mâm thực tế của tháp Ntt:
45 = 13 mâm Vậy số mâm thực tế của hệ thống chưng cất mâm xuyên lỗ hệ Ethanol-Nước:
+ Số mâm nhập liệu: 2 mâm
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Cân bằng năng lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu E-101
Nhiệt lượng hơi nước đi vào: Q12
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: Q13
Nhiệt lượng ra khỏi thiết bị gia nhiệt: Q2
Cân bằng năng lượng ở thiết bị gia nhiệt: Nhiệt lượng vào = Nhiệt lượng ra
+ Cho nhiệt độ dòng nhập liệu vào là 28 o C → 𝑡 𝐹 𝑣 = 28 o C
21 Ở vị trí nhập liệu ta có được tF = tFr= 96,26 o C tra bảng I.153 trang 171, bảng I.153 trang 172 [1] thực hiện phép nội suy với rượu etylic và nước ta được:
Nhiệt dung riêng của ethanol: C ethanol = 3,46 (kJ/kg o C)
Nhiệt dung riêng của nước: C Nước = 4,22 (kJ/kg o C)
𝐶 𝐹 = x̅ F × 𝐶 ethanol + (1 − x̅ F ) × 𝐶 Nước = 0.35 × 3,46 + (1 − 0.35) × 4,22 3,954(kJ/kg.độ)
Dùng hơi nước ở áp suất 1,6at , rhơi = 2227(KJ/Kg), thơi = 112,7 o C (tra bảng I.251-trang
Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ E-102
Nhiệt lượng vào thiết bị: Q3 và Q14
Nhiệt lượng ra khỏi thiết bị: Q4 và Q15 và nhiệt tổn thất: Qm
Lượng hồi lưu đi vào tháp dòng số 7:
ℎ ) Nhiệt lượng sản phẩm đỉnh vào thiết bị ngưng tụ: Q3
Q3 = 𝐷̅ × 𝑖 Nhiệt lượng sản phẩm đỉnh ra thiết bị làm lạnh: Q4
Q4 = 𝐺 4 × 𝐶 × 𝑡 Nhiệt lượng nước vào thiết bị làm lạnh: Q14
Nhiệt lượng nước ra thiết bị làm lạnh: Q15
Ta có: Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ
Ta chọn: nhiệt độ vào và ra của nước giải nhiệt là 28 o C và 40 o C ttb = 𝑡 𝑛𝑣 +𝑡 𝑛𝑟
Từ ttb ta tra bảng I.153 trang 171, bảng I.153 trang 172 [1] và nội suy được: CpN 4,178 kJ/kg o C
Ta có: tD = 83,72 o C ta tra bảng I.212 trang 254, bảng I.212 trang 254 [1] thực hiện phép nội suy với rượu etylic và nước ta được:
Nhiệt hoá hơi của Ethanol: rethanol = 858,88 (kJ/kg)
Nhiệt hoá hơi của Nước: rNước = 2324,85 (kJ/kg) rD = 𝑥 𝐷 𝑟 𝐸 + (1 − 𝑥 𝐷 ) 𝑟 𝑁 = 0,88.858,88 + (1 – 0,88) 2324,85 = 1034,8 (kJ/Kg)
Cân bằng năng lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh E-103
Nhiệt lượng sản phẩm đỉnh vào thiết bị làm lạnh:
Nhiệt lượng ra khỏi thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:
Nhiệt lượng nước vào thiết bị làm lạnh:
Nhiệt lượng nước ra thiết bị làm lạnh:
Cân bằng năng lượng thiết bị làm lạnh:
+ Nhiệt độ vào và ra của nước giải nhiệt là 28 o C và 40 o C
+ Nhiệt độ ra của thiết bị: 35 o C ttb = 𝑡 𝑛𝑣 +𝑡 𝑛𝑟
Từ ttb ta tra bảng I.153 trang 171, bảng I.153 trang 172 [1] và nội suy được: CpN 4,178 kJ/kg o C
Tại tDđ = 83,72 o C, tDs = 35 o C⇒ 𝑡 𝑡𝑏 = 59,36 𝑜 𝐶 ta tra bảng I.153 trang 171, bảng I.153 trang 172 [1] thực hiện phép nội suy với rượu etylic và nước ta được:
Nhiệt dung riêng của ethanol: C ethanol = 2,96 (kJ/kg o C)
Nhiệt dung riêng của nước: C Nước = 4,19 (kJ/kg o C)
𝐶 𝐷 = x̅ D × 𝐶 ethanol + (1 − x̅ D ) × 𝐶 Nước = 0.88 × 2,96 + (1 − 0.88) × 4,19 3,107(kJ/kg.độ)
Cân bằng năng lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy E-104
Nhiệt lượng sản phẩm đáy vào thiết bị làm lạnh:
Q10 = 𝑊̅ × 𝐶 𝑊 × 𝑡 𝑤đ Nhiệt lượng ra khỏi thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:
Q11 = 𝑊̅ × 𝐶 𝑊 × 𝑡 𝑤𝑠 Nhiệt lượng nước vào thiết bị làm lạnh:
Nhiệt lượng nước ra thiết bị làm lạnh:
Cân bằng năng lượng của thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy:
+ Nhiệt độ vào và ra của nước giải nhiệt là 28 o C và 40 o C
+ Nhiệt độ ra của thiết bị: 35 o C
Từ ttb = 34 o C ta tra bảng I.153 trang 171, bảng I.153 trang 172 [1] và nội suy được:
Tại tWđ = 99,19 o C, tWs = 35 o C⇒ 𝑡 𝑡𝑏 = 67,09 𝑜 𝐶 ta tra bảng I.153 trang 171, bảng I.153 trang 172 [1] thực hiện phép nội suy với rượu etylic và nước ta được:
Nhiệt dung riêng của ethanol: C ethanol = 3,06 (kJ/kg o C)
Nhiệt dung riêng của nước: C Nước = 4,19 (kJ/kg o C)
𝐶 𝑊 = x̅ W × 𝐶 ethanol + (1 − x̅ W ) × 𝐶 Nước = 0.1 × 3,06 + (1 − 0.1) × 4,19 4,077(kJ/kg.độ)
Cân bằng năng lượng cho tháp chưng cất T-101
Hơi nước bão hòa, lps
Cân bằng năng lượng cho toàn tháp:
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:
Nhiệt lượng hoàn lưu đi vào tháp:
Ta có: 𝐶 𝐿𝑂 = 𝐶 𝐷 = 3,107(kJ/kg.độ), 𝑡 𝐿𝑂 = 𝑡 𝐷 = 83,72 o C
Nhiệt lượng hơi mang ra ở đỉnh tháp:
Tại tD = 83,72 o C ta tra bảng I.212 trang 254, bảng I.212 trang 254 [1] thực hiện phép nội suy với rượu etylic và nước ta được:
Nhiệt dung riêng của ethanol: C ethanol = 3,28 (kJ/kg o C)
Nhiệt dung riêng của nước: C Nước = 4,19 (kJ/kg o C)
Nhiệt hoá hơi của Ethanol: rethanol = 858,88 (kJ/kg)
Nhiệt hoá hơi của Nước: rNước = 2324,85 (kJ/kg)
0,779×46+(1−0,46)×18 = 0,9 Nhiệt lượng riêng của ethanol:
Nhiệt lượng riêng của nước:
Nhiệt lượng do dung dịch ra khỏi đáy tháp:
Tại tW = 99,19 o C ta tra bảng I.153 trang 171, bảng I.153 trang 172 [1] thực hiện phép nội suy với rượu etylic và nước ta được:
Nhiệt dung riêng của ethanol: C ethanol = 3,28 (kJ/kg o C)
Nhiệt dung riêng của nước: C Nước = 4,19 (kJ/kg o C)
𝐶 𝑊 = x̅ W × 𝐶 ethanol + (1 − x̅ W ) × 𝐶 Nước = 0.1 × 3,28 + (1 − 0.1) × 4,19 4,099(kJ/kg.độ)
Nhiệt lượng hơi đốt đi vào thiết bị nồi đun đáy tháp E-104:
Nhiệt lượng nước ngưng ra khỏi thiết bị nồi đun đáy tháp E-104:
Trong đó: 𝐷 21 Lượng nước ngưng tụ (kg/h), bằng lượng hơi đốt mang vào nồi đun D20
Dùng hơi nước ở áp suất 1,6at , rhơi = 2227(KJ/Kg)
Lượng hơi đốt cần dùng cho thiết bị nồi đun:
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Đường kính tháp
Trong đó: 𝑉 𝑡𝑏 : Lượng hơi trung bình đi trong tháp (m 3 /h)
𝜔 𝑡𝑏 : Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s)
𝑔 𝑡𝑏 : Lượng hơi trung bình đi vào 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
Lượng hơi trung bình trong tháp:
𝑔 𝑑 : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)
𝑔 1 : lượng hơi đốt đi vào đĩa dưới cừng của đoạn cất (kg/h)
GR: Lượng chất lỏng hoàn lưu về tháp (kg/h)
𝑃̅: Lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)
Ta có: hệ phương trình: (trang 182 sổ tay QTTB tập 2)
𝐺 1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất ở đoạn cất (kg/h)
𝑟 1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất (kJ/kg)
𝑟 𝑑 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp (kJ/kg)
+Tại vị trí nhập liệu:
Ta có: t F = 96,26 ℃ ta tra bảng I.212 trang 254, bảng I.212 trang 254 [1] thực hiện phép nội suy với rượu etylic và nước ta được:
Nhiệt hoá hơi của Ethanol: rethanol = 811,69 (kJ/kg)
Nhiệt hoá hơi của Nước: rNước = 2272,34 (kJ/kg)
+Tại vị trí đỉnh tháp:
Ta có: tD = 83,72 o C ta tra bảng I.212 trang 254, bảng I.212 trang 254 [1] thực hiện phép nội suy với rượu etylic và nước ta được:
Nhiệt hoá hơi của Ethanol: rethanol = 858,88 (kJ/kg)
Nhiệt hoá hơi của Nước: rNước = 2324,85 (kJ/kg)
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất: gtb = 𝑔 đ +𝑔 1
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:
𝜌 𝑥𝑡𝑏 : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m 3 )
𝜌 𝑦𝑡𝑏 : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m 3 )
Nồng độ phần mol trung bình theo pha lỏng:
Nhiệt độ trung bình đoạn cất:
Tại 𝑡 𝑡𝑏 = 89,99 o C ta tra bảng (tra bảng I 2Trang 9[1])thực hiện phép nội suy với rượu etylic và nước ta được:
Nồng độ mol trung bình:
1,18 = 1,29 (m/s) Để tránh tạo bọt ta lấy tốc độ làm việc khoảng 80% đến 90% tốc độ tính theo công thức IX.111 trang 186 sổ tay QTTB tập 2
Vậy đường kính đoạn cất là:
Lượng hơi trung bình trong tháp:
𝑔 𝑛 ′ : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)
𝑔 1 ′ : lượng hơi đốt đi vào đĩa dưới cừng của đoạn cất (kg/h)
Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên:
Ta có hệ phương trình: (trang 182 sổ tay QTTB tập 2)
Tại t W = 99,19 ℃ ta tra bảng I.212 trang 254, bảng I.212 trang 254 [1] thực hiện phép nội suy với rượu etylic và nước ta được:
Nhiệt hoá hơi của Ethanol: rethanol = 826,49 (kJ/kg)
Nhiệt hoá hơi của Nước: rNước = 2260,07 (kJ/kg)
Vậy lượng hơi trung bình trong tháp:
Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:
Tốc độ giới hạn của hoi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:
𝜌 𝑥𝑡𝑏 ′ : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m 3 )
𝜌 𝑦𝑡𝑏 ′ : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m 3 )
Nồng độ phần mol trung bình theo pha lỏng:
Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:
Tại 𝑡′ 𝑡𝑏 = 97,73 o C ta tra bảng (tra bảng I 2Trang 9[1])thực hiện phép nội suy với rượu etylic và nước ta được:
Nồng độ mol trung bình:
0,92 = 1,56(𝑚 𝑠⁄ ) Để tránh tạo bọt ta lấy tốc độ làm việc khoảng 80% đến 90% tốc độ tính theo công thức IX.111 trang 186 sổ tay QTTB tập 2
𝜔 ℎ ′ = 0,8 × 𝜔 𝑡𝑏 ′ = 0,8 × 1,56 = 1,25(𝑚 𝑠⁄ ) Vậy đường kính đoạn chưng là:
Vì đường kính đoạn chưng và đoạn cất chênh lệch nhau không quá lớn nên ta chọn đường kính toàn tháp chưng cất là Dt = 0,6 (m)
Khi đó tốc độ làm việc thực ở:
Chiều cao tháp chưng cất
Tra tài liệu IX.54 trang 170, [2] ta có công thức tính chiều cao toàn tháp là:
H = Ntt × (hmâm + δ) + H cp (m) Trong đó:
Ntt: Số đĩa thực tế
𝛿: chiều dày của mâm hmâm: khoảng cách giữa các mâm
Hcp = (0,8÷1) khoảng cách cho phép giữa đỉnh và đáy của thiết bị
Vì D = 0,6(m) nên ta chọn hmâm = 0,4 (m) (ta tra bảng IX.5 sổ tay QTTB tập 2)
Chiều cao nắp (đáy)
Với chiều cao gờ từ 25 ÷ 50 (mm) (trang 119, sổ tay QTTB tập 3 – Vũ Bá Minh)
Chọn chiều cao gờ: 25mm = 0,025 (m)
Chiều cao nắp (đáy): Hnắp(đáy) = ht + hgờ = 0,15 + 0,025 = 0,175 (m)
Vậy chiều cao toàn tháp:
Mâm lỗ - trở lực của mâm
Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền:
Tổng diện tích lỗ bằng 8% diện tích mâm
Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ.Vậy khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 7,5
Tỉ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10
Diện tích dành cho ống chảy truyền là 20% diện tích mâm n = 8% × 𝑆 𝑚â𝑚
Chọn cách sắp xếp lỗ theo kiểu hình lục giác đều
Gọi a số lỗ trên một cạnh của hình lục giác Áp dụng công thức V.139 trang 49, sổ tay tập
⇒ 𝑎 ≈ 32 (lỗ) Vậy số lỗ trên một mâm là: n = 3× 32 × (32 − 1) + 1 = 2977 (lỗ)
Số lỗ trên đường chéo của hình lục giác: b = 2× 𝑎 − 1 = 2 × 32 − 1 = 63 (lỗ)
5.4.2 Trở lực của pha khí qua một mâm
Trở lực tổng cộng của pha khí (tính bằng N/m 2 ) là tổng các trở lực của pha khí qua mâm khô và các trở lực do pha lỏng:
∆𝑃 đ : tổng trở lực một đĩa (N/m 2 )
∆𝑃 𝑠 : trở lực do sức căng bề mặt (N/m 2 )
∆𝑃 𝑡 : trở lực lớp chất lỏng trên đĩa tạo ra (N/m 2 )
5.4.2.1 Trở lực của đĩa khô
𝜔 0 : tốc độ hơi qua lỗ (m/s)
𝜌 𝑦 : khối lượng riêng của pha hơi (khí) (kg/m 3 )
• 𝜉 =1,82 (diện tích lỗ từ 7% - 10% diện tích tháp)
• 𝜉 =1,45 (diện tích lỗ từ 15% - 20% diện tích tháp)
Vận tốc hơi qua lỗ:𝜔 𝑐ấ𝑡 = 𝜔 𝑐ấ𝑡
0,08= 10,25 (m/s) Khối lượng riêng pha hơi: 𝜌 𝑦𝑐ấ𝑡 = 𝜌 𝑦𝑡𝑏 = 1,18 (kg/m 3 )
Vận tốc hơi qua lỗ: :𝜔 𝑐ℎư𝑛𝑔 = 𝜔 𝑐ℎư𝑛𝑔
0,08 = 10,5 (m/s) Khối lượng riêng pha hơi: 𝜌′ 𝑦𝑐ℎư𝑛𝑔 = 𝜌′ 𝑦𝑡𝑏 = 0,92 (kg/m 3 )
5.4.2.2 Trở lực lớp chất lỏng trên đĩa tạo ra
∆𝑃 𝑡 = 1,3 × hb× K × g × 𝜌 𝑥 (sổ tay QTTB[10], trang 285)
Trong đó: hb: chiều cao ống chảy tràn nhô lên trên đĩa (m)
K: tỉ số khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của lỏng không bọt ( chọn K = 0,5) g: gia tốc trọng trường (9,81 m/s 2 )
𝜌 𝑥 : khối lượng riêng của chất lỏng
Chiều cao ống chảy tràn nhô lên trên đĩa: hb = hgờ + ∆ℎ 𝑙
Lgờ: chiều dài gờ chảy tràn (m)
QL: suất lượng thể tích của pha lỏng (m 3 /s)
Chiều dài gờ chảy tràn:
Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm, nên ta có phương trình sau:
Suất lượng thể tích pha lỏng ở phần cất:
3600 × ρ xtb Khối lượng riêng của pha lỏng: 𝜌 𝑥𝑡𝑏 = 788,099 (kg/m 3 )
Suất lượng thể tích pha lỏng ở phần chưng:
3600 × ρ′ xtb Khối lượng riêng của pha lỏng: 𝜌′ 𝑥𝑡𝑏 = 890,72 (kg/m 3 )
5.4.2.3 Trở lực do sức căng bề mặt
Do đĩa có đường kính lỗ lớn hơn 1mm nên ta áp dụng công thức IX.142 trang 195, [2]
𝜎: sức căng bề mặt của chất lỏng (N/m)
𝑑 𝑙ỗ : đường kính lỗ (chọn 3mm)
Tại 𝑡 𝑡𝑏 = 89,99 o C tra sổ tay QTTB trang 301 và 311, [1] ta được:
+ Sức căng bề mặt của nước:𝜎 𝑛ướ𝑐 = 60,75185 × 10 −3 (N/m)
+ Sức căng bề mặt của rượu etylic: :𝜎 𝐸 = 16,4009 × 10 −3 (N/m)
Từ công thức (I.76), trang 299, sổ tay QTTB Tập 1:
Tại 𝑡′ 𝑡𝑏 = 97,73 o C tra sổ tay QTTB trang 301 và 311, [1] ta được:
+ Sức căng bề mặt của nước:𝜎 𝑛ướ𝑐 = 59,31995 × 10 −3 (N/m)
+ Sức căng bề mặt của rượu etylic: :𝜎 𝐸 = 15,7043 × 10 −3 (N/m)
Từ công thức (I.76), trang 299, sổ tay QTTB Tập 1:
Tổng trở lực của tháp:
Kiểm tra ngập lụt khi hoạt động:
Chọn khoảng cách giữa hai mâm là: hmâm = 0,45 (m)
Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức sau:
ℎ 𝑑 = ℎ 𝑔ờ + ∆ℎ 𝑙 + ∆𝑃 + ℎ 𝑑 ′ (mm chất lỏng) (5.20) ( sổ tay QTTB [3], trang 120)
ℎ 𝑔ờ : chiều cao gờ chảy tràn (mm)
∆ℎ 𝑙 : chiều cao mực chất lỏng trên mâm (mm)
ℎ 𝑑 ′ : tổn thất thủy lực đo dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm (mm)
100𝑆 𝑑) 2 ( 5.10) ( sổ tay QTTB [3], trang 114) Trong đó:
QL: lưu lượng chất lỏng (m 3 /h)
Sd: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm
4 = 0,226 (m 2 ) Để đảm bảo điều kiện tháp không bị ngập lụt khi hoạt động, ta có: ℎ 𝑑 ≤ 1
Vậy khi hoạt động thì mâm ở phần cất sẽ không bị ngập lụt
Vậy khi hoạt động thì mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt
Kết luận: Vậy khi hoạt động tháp sẽ không bị lụt
Kích thước ống chảy chuyền
Đường kính ống chảy chuyền:
𝑥 ×𝜔 𝑐 ×𝑧 ( IX.217, sổ tay QTTB [2], trang 236)
𝜔 𝑐 : Vận tốc chất lỏng trong ống chảy chuyền thường lấy 𝜔 𝑐 = 0,1 ÷ 0,2 (m/s)
+ Lượng lỏng trung bình trong phần cất:
Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất: 𝐺 1 = 334,46 (kg/h)
Lượng lỏng hồi lưu: 𝐺 ℎ = 𝑅 × 𝐷 = 528,53 × 1,09 = 576,0977 (kg/h)
+ Lượng lỏng trung bình trong phần chưng:
Lượng sản phẩm đáy: W = 1335,15 (kg/h)
Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng: 𝐺′ 1 = 2045,38 (kg/h)
Lượng lỏng ở mâm nhập liệu:𝐺 2 = 𝐺′ 1 + 𝐹 = 2045,38 + 1900 = 3945,38 (kg/h)
2 = 1547,7725 (kg/h) Vậy đường kính ống chảy chuyền:
3600×𝜋×839,41×0,2×1= 0,05 (m) Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền IX.218/tr237 [2] h = 0,25 × dch= 0,25 × 0,05 = 0,0125 m
Tính toán cơ khí của tháp
Tháp hoạt động ở áp suất thường, do đó, thiết kế thân tháp hình trụ được thực hiện bằng phương pháp hàn hồ quang điện (hàn giáp mối) Các phần của thân tháp được ghép nối với nhau bằng mối ghép bích để đảm bảo độ bền Để nâng cao chất lượng sản phẩm, vật liệu sử dụng cho thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T.
Dựa vào Bảng XII.4 và Bảng XII.7 trong Sổ tay QTTB tập 2, các thông số đặc trưng của thép X18H10T với độ dày từ 4 đến 25 mm được xác định, cung cấp thông tin quan trọng về tính chất vật lý của kim loại đen và hợp kim của chúng.
Hệ số dãn khi kéo ở nhiệt độ 20 − 100℃: 16,6℃ × 10 6 1/℃
Từ bảng XIII.3 trang 356, Sổ tay QTTB tập 2 ta có :
Hệ số an toàn bền kéo : nk = 2,6
Hệ số an toàn bền chảy : nch = 1,5
Hệ số an toàn bền mỏi : nbl = 1,5
Nhiệt độ nóng chảy : t = 1400℃ (trang 31, TT và TK các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí - Hồ Lê Viên)
Mô đun đàn hồi: E = 2,1 × 10 5 (N/mm 2 ) Áp suất tính toán:
P = P L + ∆P (N/mm 2 ) Với: 𝑃 𝐿 = 𝜌 𝐿 × 𝑔 × 𝐻 áp suất thủy tĩnh của chất lỏng ở đáy (N/mm)
Với đường kính tháp Dt = 600mm theo bảng XIII.8 : giá trị bền hàn của thân hình trụ, hàn hồ quang điện nên hệ số mối hàn: 𝜑 ℎ = 0,9
Do thiết bị được bọc lớp cách nhiệt, hệ số hiệu chỉnh được xác định là 𝜂 = 0,95, theo tài liệu "TT và TK các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí" của Hồ Lê Viên (trang 18).
42 Ứng suất cho phép của vật liệu theo giới hạn bền:
2,6 = 200,96 × 10 6 (N/m 2 ) Ứng suất cho phép của vật liệu theo giới hạn chảy:
Bề dày tháp được tính theo công thức:
Bề dày thực tế của thân tháp:
𝑆 = 𝑆 ′ + 𝐶 (trang 97, TT và TK các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí - Hồ Lê Viên) Trong đó: 𝐶 = 𝐶 𝑎 + 𝐶 𝑏 + 𝐶 𝑐 + 𝐶 0
Hệ số bổ sung ăn mòn hóa học 𝐶 𝑎 phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của chất lỏng, với tốc độ ăn mòn của rượu được chọn là 0,1 nm/năm Nếu thiết bị hoạt động trong 20 năm, thì 𝐶 𝑎 sẽ là 2 mm Đối với hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường 𝐶 𝑏, được chọn là 0 mm.
+ 𝐶 𝑐 : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo (mm) Chọn 𝐶 𝑐 = 0
+ 𝐶 0 : hệ số bổ sung để quy tròn kích thước (mm) Chọn 𝐶 0 = 1,8
Kiểm tra điều kiện: (trang 125, TT và TK các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí - Hồ Lê Viên)
600 = 0,0033 < 0,1 (Thỏa) Kiểm tra áp suất tính toán cho phép:
Nên chiều dày thân: S = 4 (mm)
5.6.2 Bề dày đáy, nắp thiết bị Đáy và nắp cũng là một bộ phận quan trọng thường được chế tạo cùng loại vật liệu với thân thiết bị Sử dụng thép không gỉ X18H10T
Chọn loại đáy nắp hình elip có gờ
Tính bề dày đáy và nắp giống nhau
Công thức tính toán bề dày cho thân, đáy và nắp chịu áp suất là giống nhau Đề xuất bề dày cho đáy và nắp là Sđ = Sn = 4mm, theo tiêu chuẩn nắp (đáy) được nêu trong tài liệu "TT và TK các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí" của Hồ Lê Viên (trang 125).
Chọn chiều cao gờ: 25 (mm) Đường kính trong: 600 (mm)
Bề mặt trong: F = 0,44 (m 2 ) (Bảng XIII.10 trang 382 sổ tay tập 2)
Bích ghép thân, đáy và nắp
Mặt bích là bộ phận thiết yếu trong việc kết nối các thành phần của thiết bị và liên kết chúng với các bộ phận khác Có nhiều loại mặt bích được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp.
Bích tự do chủ yếu được sử dụng để kết nối các ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao và các bộ kim loại màu cùng hợp kim của chúng Điều này đặc biệt quan trọng khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn so với thiết bị hiện có.
Bích liền là bộ phận kết nối với thiết bị hàn như hàn, đúc và rèn Loại bích này chủ yếu được sử dụng cho các thiết bị hoạt động dưới áp suất thấp và trung bình.
+ Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao
Chọn bích để ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo bích là bích liền không cổ
Các thông số cơ bản của mặt bích:
Dt: đường kính trong thiết bị (mm)
D: đường kính ngoài của mặt bích (mm)
Db: đường kính vòng bu lông (mm)
Dl: đường kính vòng ngoài đến đệm (mm)
D0: đường kính đến vòng trong đệm (mm) db: đường kính bu lông (mm)
Z: số bu lông (cái) h: chiều dài mặt bích (mm)
Theo tài liệu sổ tay QTTB tập 2, trang 419 ứng với D t `0 (mm) và áp suất tính toán
Dt D Db DI Do h Bu lông mm db Zcái
Bảng 6: Kích thước của bích thân đáy và nắp
Tra bảng IX.5 trang 171 QTTB [2], khoảng cách giữa hai mặt nối bích 1200 (mm) Khoảng cách giữa hai đĩa Hđ = 450 (mm), số đĩa giữa hai bích là 3
Độ kín của mối ghép bích chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu đệm, thường là các vật liệu mềm hơn so với bích Khi bu lông được xiết chặt, đệm sẽ bị biến dạng, giúp lấp đầy các khuyết điểm trên bề mặt bích Để đảm bảo độ kín cho thiết bị, nên chọn đệm amiang với độ dày 3mm.
Đường kính các ống dẫn - Bích ghép ống dẫn
Ống dẫn được làm bằng thép CT3.
Bích được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ
Các thông số cơ bản của mặt bích:
Dy: đường kính trong của ống (mm)
Dn: đường kính ngoài của ống (mm)
D: đường kính ngoài của mặt bích (mm)
Db: đường kính vòng bu lông (mm)
Dl: đường kính vòng ngoài đến đệm (mm)
45 db: đường kính bu lông (mm)
Z: số bu lông (cái) h: chiều dài mặt bích (mm)
Suất lượng nhập liệu: GF = 1900 (kg/h)
Ta có: t F = 96,26 ℃, 𝑥̅ 𝐹 = 0,35 ta tra bảng I.2 trang 10 [1] thực hiện phép nội suy với rượu etylic và nước ta được:
Khối lượng riêng của Ethanol: 𝜌ethanol = 719,553 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của Nước: 𝜌Nước = 960,618 (kg/m 3 )
Ta có: công thức (I.2) sổ tay QTTB [1] ta được
Lưu lượng nhập liệu đi vào tháp:𝑄 𝐹 = 𝐺 𝐹
859,80= 2,21 (m 3 /h) Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu: 𝑣 𝐹 = 0,5 (m/s) Đường kính ống nhập liệu:
3600×𝜋×0,5= 0,04(m) ⇒ chọn đường kính ống nhập liệu 𝐷 𝑦 = 0,04 (m) với Ptt = 0,41799 (N/mm 2 )
Dy Dn D Db Dl h Bu lông mm db Zcái
Bảng 7: Thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu
Suất lượng ở đỉnh tháp: GD = 528,53 (kg/h)
Ta có: tD = 83,72 o C, 𝑦 𝐷 = 0,78 ta tính được khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp:
Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:𝑄 ℎ = 𝐺 𝐷
1,361 = 388,29 (m 3 /h) Chọn vận tốc hơi ở đỉnh: 𝑣 ℎ = 25 (m/s) Đường kính ống dẫn hơi:
⇒ chọn đường kính ống dẫn hơi 𝐷 𝑦 = 0,07 (m) với Ptt = 0,41799 (N/mm 2 )
Dt Dn D Db Dl h Bu lông mm db Zcái
Bảng 8: Thông số của bích ghép ống dẫn hơi
Suất lượng ở ống hoàn lưu: Ghl = 𝐷̅ × 𝑅 = 528,53 × 1,09 = 576,0977 (kg/h)
Ta có: tD = 83,72 o C, 𝑥 𝐷 = 0,88 ta tra bảng I.2 trang 10 [1] thực hiện phép nội suy với rượu etylic và nước ta được:
Khối lượng riêng của Ethanol: 𝜌ethanol = 731,466 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của Nước: 𝜌Nước = 969,396 (kg/m 3 )
Ta có: công thức (I.2) sổ tay QTTB [1] ta được
Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu: 𝑄 ℎ𝑙 = 𝐺 ℎ𝑙
753,66 = 0,764 (m 3 /h) Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu: 𝑣 ℎ𝑙 = 0,15 (m/s) Đường kính ống hoàn lưu:
⇒ chọn đường kính ống hoàn lưu 𝐷 𝑦 = 0,05 (m) với Ptt = 0,41799 (N/mm 2 )
Dy Dn D Db Dl h Bu lông mm db Zcái
Bảng 9: Thông số của bích ghép ống hoàn lưu
5.8.4 Ống dẫn hơi vào đáy tháp
Suất lượng hơi vào đáy tháp: 𝑔 1 ′ = 710,23 ( kg h)
Ta có: yW = 0,2656, t W = 99,19 ℃ ta tính được khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp:
Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:𝑄 ℎ𝑑 = 𝑔′ 1
0,833 = 852,68 (m 3 /h) Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp: 𝑣 ℎ𝑑 = 30 (m/s) Đường kính ống hơi vào đáy tháp:
⇒ chọn đường kính ống hơi vào đáy tháp 𝐷 𝑦 = 0,1 (m) với Ptt = 0,41799 (N/mm 2 )
Dy Dn D Db Dl h Bu lông mm db Zcái
Bảng 10: Thông số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp
5.8.5 Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp
Suất lượng chất lỏng vào nồi đun: 𝐺 1 ′ = 2045,38 ( 𝑘𝑔
Ta có: t W = 99,19 ℃, 𝑥′ 1 = 0,104 ta tra bảng I.2 trang 10 [1] thực hiện phép nội suy với rượu etylic và nước ta được:
Khối lượng riêng của Ethanol: 𝜌ethanol = 716,7695 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của Nước: 𝜌Nước = 958,567 (kg/m 3 )
Ta có: công thức (I.2) sổ tay QTTB [1] ta được
Lưu lượng chất lỏng vào nồi đun :𝑄 𝑙 = 𝐺′ 1
925,88 = 2,21 (m 3 /h) Chọn vận tốc chất lỏng vào nồi đun: 𝑣 𝑙 = 0,2 (m/s) Đường kính ống dẫn chất lỏng:
⇒ chọn đường kính ống dẫn chất lỏng 𝐷 𝑦 = 0,06 (m) với Ptt = 0,41799 (N/mm 2 )
Dy Dn D Db Dl h Bu lông mm db Zcái
Bảng 11: Thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng
5.8.6 Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy)
Suất lượng sản phẩm đáy: GW = 1335,15 (kg/h)
Ta có: Ta có: t W = 99,19 ℃, 𝑥 𝑊 = 0,1 ta tra bảng I.2 trang 10 [1] thực hiện phép nội suy với rượu etylic và nước ta được:
Khối lượng riêng của Ethanol: 𝜌ethanol = 716,7695 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của Nước: 𝜌Nước = 958,567 (kg/m 3 )
Ta có: công thức (I.2) sổ tay QTTB [1] ta được
Lưu lượng sản phẩm đáy: 𝑄 𝑊 = 𝐺 𝑊
927,29 = 1,44 (m 3 /h) Chọn vận tốc sản phẩm đáy: 𝑣 𝑊 = 0,15 (m/s) Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy:
⇒ chọn đường kính ống dẫn sản phẩm đáy 𝐷 𝑦 = 0,05 (m) với Ptt = 0,41799 (N/mm 2 )
Dy Dn D Db Dl h Bu lông mm db Zcái
Bảng 12: Thông số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy
Tay treo và chân đỡ
5.9.1 Trọng lượng của toàn tháp
Các thông số cơ bản: Đường kính ngoài của mặt bích: D = 740 (mm) Đường kính của tháp: Dt = 600 (mm)
Chiều dày nắp, đáy: S = 4 (mm)
Khối lượng của riêng của thép X18H10T: 𝜌 𝑋18𝐻10𝑇 y00 (kg/m 3 )
Khối lượng của một bích ghép thân:
Khối lượng của một mâm:
Khối lượng đáy (nắp) tháp:
⇒ Trọng lượng của toàn tháp: 𝑃 = 𝑚 × 𝑔 = 718,543 × 9,81 = 7048,90683 (N)
Chọn chân đỡ: Tháp được đỡ trên 4 chân
Vật liệu chân đỡ được làm bằng thép CT3
Tải trọng cho phép trên 1 chân: 𝐺 𝑐 = 𝑃
4 = 1762,22 (N) Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn 𝐺 𝑐 = 0,25 × 10 4 (N)
Bảng 13: Kích thước của chân đỡ (tính bằng mm)
Chọn tai treo: Tai treo được gắn trên thân háp để giữ cho tháp không bị dao động trong điều kiện ngoại cảnh
Ta chọn 4 tai treo, tải trọng cho phép trên 1 tai treo: 𝐺 𝑐 = 𝐺 𝑡 = 1762,22 (N) Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn 𝐺 𝑡 = 0,25 × 10 4 (N)
Tấm lót treo bằng thép có kích thước như sau:
+ Chiều dài tấm lót: H = 260 (mm)
+ Chiều rộng tấm lót: B = 140 (mm)
+ Bề dày tấm lót: S = 6 (mm)
Bảng 14: Kích thước của tai treo (tính bằng mm)
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
Bơm
Tại nhiệt độ dòng nhập liệu 28℃, theo bảng I.101 sổ tay QTTB, độ nhớt của Ethanol là 1,095 cP, trong khi độ nhớt của nước là 0,9005 cP.
Ta có: 𝑡 𝐹 = 28℃ ta tra bảng I.2 sổ tay QTTB [1], trang 9 ta được:
Khối lượng riêng của Ethanol: 𝜌 𝐸 = 784,75 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của Nước: 𝜌 𝑁 = 996,5 (kg/m 3 )
Suất lượng thể tích dòng nhập liệu đi trong ống
Vậy chọn bơm có năng suất: 𝑄 𝑏 = 2,5 (m 3 /h)
Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu
Mặt cắt (2-2) là mặt cắt tại vị trí nhập liệu ở tháp Áp dụng phương trình Bernoulli cho 2 mặt cắt (1-1) và (2-2):
𝑍 1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, ta chọn 𝑍 1 = 1 (m)
𝑍 2 : độ cao mặt cắt (2-2) so với mặt đất, ta chọn: 𝑍 2 = 5 (m)
𝑃 1 : Áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn 𝑃 1 = 1 𝑎𝑡
𝑃 2 : Áp suất tại mặt cắt (2-2), chọn 𝑃 2 = 1 𝑎𝑡
𝑣 1 , 𝑣 2 : vận tốc tại mặt thoáng (1-1), (2-2) Σ𝐻 𝑓 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1), (2-2)
Tổng trở lực trong ống:
Chọn đường kính trong ống hút và ống đẩy bằng nhau: 𝑑 ℎú𝑡 = 𝑑 đẩ𝑦 = 𝑑 ố𝑛𝑔 = 50 (mm) Chọn ống nguyên và ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít: 𝜀 = 0,2 (mm)
Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy: Σ𝐻 𝑓 = (𝜆𝑙 ℎú𝑡 + 𝑙 đẩ𝑦
Chiều cao hút của bơm tra bảng II.34, trang 441, [1]⇒ ℎ ℎú𝑡 = 4,2 (m) Chọn 𝑙 ℎú𝑡 = 6(m)
𝑙 đẩ𝑦 : chiều dài ống đẩy, chọn 𝑙 đẩ𝑦 = 8 (m) Σ𝜉 ℎú𝑡 : tổng tổn thất cục bộ trong ống hút Σ𝜉 đẩ𝑦 : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy
𝜆: hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy
𝑣 𝐹 : vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút và ống đẩy
Hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy:
9,31×10 −4 = 17310,45 > 10000 (chế độ chảy rối) Chuẩn số Reynolds giới hạn: (sổ tay QTTB[1], công thức II.60, trang 377)
Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám (sổ tay QTTB[1], công thức II.62, trang 377)
Ta có: 𝑅𝑒 𝑔ℎ < 𝑅𝑒 𝐹 < 𝑅𝑒 𝑛 ứng với khu vực nằm giữa khu vực nhẵn thủy lực và khu vực nhám
Hệ số ma sát trong khu vực chảy quá độ chịu ảnh hưởng từ số Reynolds và độ nhám của thành ống, được xác định theo công thức trong sổ tay QTTB (công thức 11.64, trang 377).
Tổn thất cục bộ của ống hút:
Chỗ uốn cong ( sổ tay QTTB [1], trang 390, bảng II.16)
53 Áp dụng cho đoạn ống cong có góc uốn 𝜃 = 90° tương ứng với A = 1, bán kính R sao cho 𝑅
𝑑 ℎú𝑡 = 2 ứng với B = 0,15, chọn tỷ lệ 𝑎
𝑏 = 1 ứng với C = 1 Nên: 𝜉 = 𝐴𝐵𝐶 = 0,15 × 1 × 1 = 0,15 Đường ống có tổng cộng 2 vị trí uốn nên: 𝜉 𝑢ố𝑛(ℎú𝑡) = 0,15 × 2 = 0,3
Van ( sổ tay QTTB [1], trang 399, bảng II.16) Áp dụng cho van tiêu chuẩn độ mở hoàn toàn
Khi mở hoàn toàn, giá trị𝜉 ứng với đường kính ống 𝑑 ố𝑛𝑔 = 50𝑚𝑚 ta được:𝜉 = 4,675 Đường ống có 1 van nên: 𝜉 𝑣𝑎𝑛(ℎú𝑡) = 4,675 × 1 = 4,675
Tổn thất cục bộ của ống đẩy:
Chỗ uốn cong ( sổ tay QTTB [1], trang 390, bảng II.16) Áp dụng cho đoạn ống cong có góc uốn 𝜃 = 90° tương ứng với A = 1, bán kính R sao cho 𝑅
𝑑 ℎú𝑡 = 2 ứng với B = 0,15, chọn tỷ lệ 𝑎
𝑏 = 1 ứng với C = 1 Nên: 𝜉 = 𝐴𝐵𝐶 = 0,15 × 1 × 1 = 0,15 Đường ống có tổng cộng 2 vị trí uốn nên: 𝜉 𝑢ố𝑛(đẩ𝑦) = 0,15 × 2 = 0,3
Van ( sổ tay QTTB [1], trang 399, bảng II.16) Áp dụng cho van tiêu chuẩn độ mở hoàn toàn
Khi mở hoàn toàn, giá trị𝜉 ứng với đường kính ống 𝑑 ố𝑛𝑔 = 50𝑚𝑚 ta được:𝜉 = 4,675 Đường ống có 1 van nên: 𝜉 𝑣𝑎𝑛(đẩ𝑦) = 4,675 × 1 = 4,675
Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy: Σ𝐻 𝑓 = (𝜆𝑙 ℎú𝑡 + 𝑙 đẩ𝑦
Tính cột áp của bơm:
Chọn hiệu suất của bơm: 𝜂 𝑏 = 0,8
Công suất thực tế của bơm:
Kết luận: Để tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm ly tâm có:
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống, đặt nằm ngang Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T với các thông số: Đường kính ngoài: dn = 25mm = 0,025m
Bề dày ống: 𝛿 = 2𝑚𝑚 = 0,002𝑚 Đường kính trong: dt = 21mm = 0,021m
Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào 𝑡 1 = 28℃, nhiệt độ ra 𝑡 2 = 40℃
Khối lượng riêng: 𝜌 𝑁 = 993,8 (kg/m 3 ) Độ nhớt của nước: 𝜇 𝑁 = 0,7371 × 10 −3 (N.s/m 2 )
Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆 𝑁 = 0,6285 W/m.độ
Nhiệt dung riêng: 𝐶 𝑁 = 4,1765 KJ/kg
Dòng hơi tại đỉnh đi ra ngoài ống: tD = 83,72 o C
6.2.1 Suất lượng nước lạnh cần dùng
6.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt
∆𝑡 𝑙𝑜𝑔 : nhiệt độ trung bình logarit
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên:
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
𝛼 𝑁 : hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh, W/(m 2 K)
𝛼 𝑛𝑡 : hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tụ, W/(m 2 K) Σ𝑟 𝑡 : nhiệt trở qua thành ống và lớp cặn
Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống:
Chọn vận tốc chất lỏng tự chảy: 𝑣 𝑁 = 0,5(m/s) (tra bảng II.2, sổ tay QTTB [1], trang
371) Vận tốc chất lỏng tự chảy:𝑣 𝑁 = 0,1 − 0,5 (m/s)
Số ống trong một đường nước:
Vận tốc thực của dòng nước:
Ta thấy: 𝑅𝑒 𝑁 > 10000: chế độ chảy rối
Chuẩn số Nu ( V.40, sổ tay QTTB [2], trang 15)
𝜀 𝑙 : hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số chiều dài l và đường kính d của ống Hệ số 𝜀 𝑙 trong bảng V.2
0,021= 95,238 > 50 ⇒ 𝜀 𝑙 = 1 𝑃𝑟: chuẩn số Prandlt của nước ở 34℃ (sổ tay QTTB [2], trang 13), ta có: 𝑃𝑟 = 5
𝑃𝑟 𝑡 : chuẩn số Prandlt của nước tra ở nhiệt độ trung bình vách
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
𝑃𝑟 0,25 𝑡 Nhiệt tải phía nước làm lạnh:
𝑃𝑟 0,25 𝑡 (𝑡 𝑤2 − 34) (1) Với 𝑡 𝑤2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống), ℃
Nhiệt tải qua thành ống với lớp cặn:
𝑞 𝑡 =𝑡 𝑤1 − 𝑡 𝑤2 Σ𝑟 𝑡 Trong đó 𝑡 𝑤1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi ngưng tụ, ℃ Σ𝑟 𝑡 =𝛿 𝑡
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ (sổ tay QTTB [2], trang 313, bảng XII.7)
Nhiệt trở trung bình lớp cặn trong ống ( sổ tay QTTB [10], bảng 31, trang 419)
Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ống:
Sự ngưng tụ hơi trên bề mặt ngoài của ống đơn chiếc nằm ngang (sổ tay QTTB [10], công thức 3.65, trang 120)
4 , (W/m 2 độ) Với 𝑑 𝑛 : đường kính ngoài của ống, mm Đặt A = 0,725√ 𝑟×𝜆 3 ×𝜌 2
(83,72−𝑡 𝑤1 ) 0,25 , với Ẩn nhiệt ngưng tụ: 𝑟 𝑛𝑡 = 𝑟 𝐷 34,8 (kJ/kg) = 1034796,4 (J/kg)
Nhiệt tải ngoài thành ống:
Khối lượng riêng: 𝜌 𝑛𝑡 = 975,5 (kg/m 3 ) Độ nhớt của nước: 𝜇 𝑛𝑡 = 0,385 × 10 −3 (N.s/m 2 )
Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆 𝑛𝑡 = 0,66825 W/m.độ
Xem tải nhiệt mất mát là không đáng kể:𝑞 𝑛𝑡 = 𝑞 𝑡 = 45993,54(W/m 2 )
Chuẩn số Prandlt ở 59,495℃ là: 𝑃𝑟 𝑤 = 3,5 (sổ tay QTTB [2], trang 13)
(83,72−66,28) 0,25 = 2637,25 (W/m 2 ) Vậy hệ số truyền nhiệt:
3600×972,86×49,47= 6,597 (m 2 ) Chiều dài ống truyền nhiệt (lấy dư 10%)
So với L = 2m thì số đường nước là:
Khi đó số ống tăng lên 1,357 lần: 𝑛 𝑁 = 1,357 × 37 = 50,214 (ống)
⇒ chọn 𝑛 𝑁 = 61 (ống) (tra bảng V.11, trang 48, sổ tay QTTB[2])
Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống có 𝑛 𝑁 = 61 (ống) Ống được bố trí theo hình lục giác đều
Số ống trên đường chéo của hình 6 cạnh đều:
Chọn bước ống: 𝑡 = 1,2𝑑 𝑛 = 1,2 × 0,025 = 0,03 (m) Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt ( công thức V.140, trang 49, sổ tay QTTB[2])
Kết quả tính toán và thiết kế tháp mâm xuyên lỗ chưng cất hệ Ethanol - Nước cho năng suất nhập liệu 1900 kg/h cho thấy nồng độ ethanol trong nguyên liệu đầu vào là 35% khối lượng Sản phẩm đỉnh đạt nồng độ 88% khối lượng ethanol, trong khi sản phẩm đáy có nồng độ 10% khối lượng ethanol.
Quá trình làm việc của thiết bị cần được tính toán chi tiết, bao gồm khả năng chịu bền của nó đối với ăn mòn cơ học và hóa học, cũng như các điều kiện làm việc mà thiết bị phải đối mặt.
Từ đó rút ra kết luận về thông số cơ khí của thiết bị chưng cất mâm xuyên lỗ cho hệ ethanol - nước:
Tháp có chỉ số hoàn lưu thích hợp : R = 1,09
Số mâm thực tế là : 19 mâm Đường kính tháp chưng cất : Dt = 600 mm
Bề dày mâm : S = 4 mm Đường kính một lỗ trên mâm : dl = 3 mm
Chiều cao toàn bộ của tháp : H = 8,826 mm
Khoảng cách giữa hai mâm : hmâm = 400 mm
Thân, đáy và nắp được làm bằng thép X18H10T với bề dày : 4 mm
Bích ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3 loại bích liền không cổ
Bích ghép các ống dẫn cũng được làm bằng vật liệu tương tự là CT3 loại bích liền không cổ
Tháp được đặt trên 4 chân đỡ và giữ bằng 4 tai treo làm bằng thép CT3.
