Chưng cất là quá trình tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng, khí lỏng thànhcác cấu tử riêng biệt dựa vào nhiệt độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗnhợp.. Khi chưng cất ta thu đượ
NỘI DUNG
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN
Etanol có công thức phân tử CH3-CH2-OH, có khối lượng phân tử 46 đvC Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước.
Hình 1: Công thức phân tử ethanol đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, là nguyên liệu chính để sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau Ethanol được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như công nghiệp nặng, y tế, dược phẩm, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt may, chế biến gỗ và nông nghiệp, góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế và đáp ứng nhu cầu đa dạng của xã hội.
Nước chiếm 70% diện tích trái đất và là một chất không thể thiếu trong đời sống con người
hình 2: cấu trúc phân tử của nước
Phân tử nước gồm 2 nguyên tử hydro và 1 nguyên tử oxy Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104.45 °.
Nước có tính lưỡng cực, liên kết giữa các phân tử nước là liên kết hydro. Ở 760mmHg nhiệt độ sôi là 100°C, nhiệt độ nóng chảy là 0°C
1.1.3 ng d ng c a c n th c ph m và th c tr ng s d ng các s n Ứ ụ ủ ồ ự ẩ ự ạ ử ụ ả ph m r ẩ ượ u c n Vi t Nam ồ ở ệ
Cồn ethanol có nhiều ứng dụng quan trọng như pha xăng sinh học E5 chứa 5% cồn ethanol, giúp giảm thiểu khí thải và thân thiện với môi trường Hiện tại, Việt Nam đang thử nghiệm pha ethanol 5% vào xăng, gọi là "xăng sinh học E5," để nâng cao năng lượng tái tạo cho xe cộ Ngoài ra, cồn ethanol còn được sử dụng làm dung môi trong ngành công nghiệp hóa chất, trong sản xuất thuốc, và pha chế đồ uống có cồn, góp phần đa dạng hóa các lĩnh vực công nghiệp tại Việt Nam.
Cồn thực phẩm là hậu quả của các hoạt động sản xuất rượu, đồ uống có cồn, nước ướp gia vị, chiết xuất dược liệu, pha chế thuốc, vệ sinh, sát trùng và mỹ phẩm Tên gọi của nó đã phản ánh rõ ứng dụng đa dạng trong đời sống hàng ngày và ngành công nghiệp Cồn thực phẩm thường được sử dụng để làm dung môi, antiseptics, trong quy trình bảo quản thực phẩm, cũng như trong sản xuất các sản phẩm chăm sóc sắc đẹp Với tính chất sát trùng cao, cồn thực phẩm đóng vai trò quan trọng trong vệ sinh và an toàn thực phẩm, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng.
* Thực trạng tiêu thụ rượu bia ở Việt Nam:
Theo kết quả Điều tra, việc sử dụng rượu bia không có sự khác biệt rõ rệt giữa các nhóm tuổi, từ người trẻ tuổi đến người trung niên và người cao tuổi Cụ thể, 45,7% thanh niên dưới 25 tuổi cho biết đã từng sử dụng rượu bia, trong khi tỷ lệ này ở các nhóm tuổi tiếp theo cao hơn nhưng không chênh lệch đáng kể.
Trong nhóm tuổi 26-35, tỷ lệ người hiện đang sử dụng rượu bia chiếm gần 53%, cho thấy mức độ phổ biến cao trong độ tuổi này Tỷ lệ này giảm nhẹ còn 52% ở nhóm trung niên 36-45 tuổi và còn 50,7% ở nhóm 46-55 tuổi, phản ánh xu hướng giảm nhẹ theo độ tuổi Ở nhóm trên 55 tuổi, tỷ lệ sử dụng rượu bia vẫn còn cao với 48,6%, chứng tỏ rằng chế độ tiêu thụ đồ uống có cồn vẫn còn phổ biến ngay cả khi bước vào tuổi cao.
Trong số phụ nữ hiện đang sử dụng rượu bia, có tới 88,4% sử dụng ở mức "uống ít", cho thấy phần lớn phụ nữ hạn chế tiêu thụ thức uống có cồn Chỉ có 9,6% phụ nữ sử dụng rượu bia với mức "uống vừa", trong khi tỷ lệ người sử dụng ở mức "uống nhiều" trở lên chỉ chiếm 2%, phản ánh xu hướng tiêu dùng rượu bia của phụ nữ ngày càng kiểm soát chặt chẽ hơn.
Nam giới có xu hướng sử dụng rượu bia ở mức “uống vừa” trở lên chiếm tỷ lệ cao hơn so với mức “uống ít,” trong đó 45,1% người được khảo sát cho biết họ sử dụng rượu bia ở mức “uống ít,” trong khi 46,8% sử dụng ở mức cao hơn.
“uống vừa” hoặc “uống nhiều” 8% người được điều tra đã sử dụng rượu bia ở mức nghiện trở lên, trong đó có 6,0% đã sử dụng ở mức “nghiện nặng”.
- Theo nông thôn – thành thị:
Kết quả điều tra cho thấy, không có nhiều khác biệt giữa thành thị và nông thôn về tỷ lệ người sử dụng rượu bia theo các mức độ khác nhau Tỷ lệ người dân nông thôn uống rượu ít cao hơn thành phố 3,6 điểm phần trăm, đạt 55,8%, trong khi thành phố là 52,3% Ở mức “uống vừa”, thành phố chiếm 32,6%, còn nông thôn là 29,4% Không có sự khác biệt đáng kể về tỷ lệ người nghiện rượu hoặc nghiện nặng giữa hai khu vực Tuy nhiên, phương thức sử dụng rượu bia của người Việt Nam đang gây lo ngại, đặc biệt là tỷ lệ lớn người tiêu dùng rượu nấu thủ công và các loại rượu không nhãn mác, không đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng lên tới gần 80%, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng.
1.2 Các phương pháp chưng luyện
- Phân loại theo áp suất làm việc:
- Phân loại theo nguyên lý làm việc:
1.3 Các loại tháp chưng cất sử dụng trong công nghiệp
Trong sản xuất, việc sử dụng các thiết bị chưng cất đa dạng đều cần đảm bảo diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các pha lớn để tối ưu quá trình phân tán Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng, các loại tháp mâm thường được áp dụng, còn nếu pha lỏng phân tán vào pha khí, các loại tháp đệm và tháp phun là lựa chọn phổ biến Trong bài viết này, chúng tôi tập trung phân tích hai loại tháp chưng cất thường dùng nhất là tháp đĩa và tháp đệm, giúp tối ưu hiệu quả quá trình phân tách khí – lỏng trong công nghiệp.
Tháp đĩa là loại tháp có thân hình trụ thẳng đứng, gồm các đĩa có cấu tạo khác nhau, tạo thành hệ thống phân chia không gian Trên các đĩa này, pha lỏng và pha hơi được đưa vào tiếp xúc để thực hiện quá trình trao đổi nóng/lạnh hoặc phản ứng hóa học Tùy thuộc vào thiết kế và cấu tạo của các đĩa trong tháp, hệ thống có thể tối ưu hóa hiệu suất quá trình, đảm bảo sự trao đổi chất lỏng và khí hiệu quả, phù hợp cho các ứng dụng trong công nghiệp sản xuất và xử lý khí.
Tháp đĩa chóp có cấu tạo gồm đĩa gắn chóp và ống chảy truyền, với rãnh chóp xung quanh ở đỉnh để pha khí đi qua Trong quá trình vận hành, chất lỏng di chuyển từ đĩa trên xuống đĩa dưới qua ống chảy truyền, trong khi khí đi từ dưới lên qua ống hơi, xuyên qua các khe chóp để sục vào lớp chất lỏng trên đĩa, đảm bảo quá trình phân chia khí-lỏng hiệu quả.
Tháp đĩa lỗ có đặc điểm nổi bật là trên đĩa có nhiều lỗ hoặc rãnh với đường kính từ 3-12mm, chiếm từ 8-15% tổng tiết diện của tháp Các lỗ được sắp xếp trên các đỉnh của các tam giác đều, với khoảng cách giữa các lỗ từ 2,5-5 lần đường kính của lỗ, giúp tối ưu quá trình khí đi qua Trong tháp đĩa lỗ, pha khí từ phía dưới đi qua các lỗ trên đĩa rồi phân tán vào lớp chất lỏng chuyển động từ trên xuống nhờ các ống chảy truyền, giống như cấu trúc của tháp đĩa chóp, nhằm nâng cao hiệu quả tiếp xúc giữa khí và chất lỏng trong quá trình phản ứng và phân tách.
Tháp đệm là một cấu trúc hình trụ gồm nhiều bậc liên kết với nhau bằng mặt bích hoặc hàn, giúp tối ưu hóa quá trình xử lý khí Vật đệm trong tháp đệm được nạp theo hai phương pháp chính là xếp ngẫu nhiên hoặc xếp theo thứ tự, nhằm nâng cao hiệu quả phân phối khí và chất lỏng Các loại vật đệm phổ biến nhất bao gồm vòng Raschig, vật đệm hình yên ngựa và vật đệm vòng xoắn, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo diện tích tiếp xúc lớn để tăng hiệu suất xử lý khí.
Tháp đệm Tháp đĩa lỗ Tháp đĩa chóp Ưu điểm - Cấu tạo đơn giản
- Trở lực ít hơn tháp chóp
- Hiệu suất tương đối cao
- Hoạt động khá ổn định
- Làm việc với chất lỏng bẩn
- Chế tạo đơn giản, vệ
- Hiệu suất chuyển khối cao
- Làm việc với chất lỏng bẩn
- Ít tiêu hao sinh dễ dàng
- Ít tốn kim loại hơn tháp chóp năng lượng
- Do có hiệu ứng thành do đó hiệu suất truyền khối thấp.
- Độ ổn định không cao do sự phân bố các pha theo tiết diện tháp không đều, khó vận hành.
- Do có hiệu ứng thành do đó khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng vì vậy khó tăng năng suất
- Kết cấu khá phức tạp.
- Yêu cầu lắp đặt cao: đĩa lắp phải phẳng, chất lỏng khó phân phố đều trên mâm nếu đường kinh quá lớn.
- Tiêu tốn nhiều vật liệu kết cấu phức tạp.
Sử dụng tháp đệm hạn chế khả năng kiểm soát quá trình chưng cất theo không gian trong tháp Trong khi đó, tháp đĩa thể hiện quá trình chưng cất rõ ràng qua từng đĩa, giúp dễ dàng quan sát và điều chỉnh Tuy nhiên, tháp đệm gặp khó khăn trong quá trình chế tạo với kích thước quy mô công nghiệp, gây hạn chế trong ứng dụng rộng rãi.
Sử dụng tháp đĩa lỗ không đạt hiệu suất bằng tháp chóp, đồng thời vận hành không ổn định hơn Ngoài ra, khi đường kính của tháp quá lớn, hiệu quả cũng bị giảm sút, không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tối ưu hóa năng suất và ổn định vận hành.
=> Với đồ án chưng cất cồn, em chọn tháp chóp có tấm chảy tràn
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN
Sản xuất cồn etylic về nguyên tắc có thể dùng bất cứ nguyên liệu nào chứa đường lên men hoặc glucid có thể chuyển hóa thành đường lên men.
- nguyên liệu có chứa đường: rỉ đường
- nguyên liệu chứa tinh bột: gạo, ngô, khoai, sắn
- nguyên liệu chứa xeluloza: bã mía, lõi ngô, rơm rạ
2.2 Các phương pháp lên men
-Phương pháp lên men truyền thống có bổ sung nấm men
-Phương pháp lên men bổ xung nấm mốc
-Phương pháp lên men cồn bằng phương pháp cố định tế bào
*Quy trình sản xuất cồn chia làm 3 giai đoạn chính:
Trong giai đoạn 1: chuẩn bị dịch lên men, nếu nguyên liệu chứa tinh bột, quy trình bao gồm nghiền, nấu, đường hóa và làm lạnh tới nhiệt độ phù hợp để lên men Đối với mật rỉ, việc chuẩn bị dịch lên men gồm pha loãng sơ bộ, xử lý mật rỉ, bổ sung nguồn dinh dưỡng, tách cặn và pha loãng đến nồng độ thích hợp để lên men thành công.
Trong Giai đoạn 2 của quá trình lên men, việc chọn men giống có chất lượng cao và số lượng phù hợp, khoảng 10% thể tích lên men, là yếu tố quan trọng để đảm bảo quá trình lên men diễn ra hiệu quả Men giống sau đó được đưa vào dịch đường và hoạt động trong điều kiện kiểm soát chặt chẽ để nấm men chuyển hóa đường thành rượu, góp phần tạo ra sản phẩm đạt tiêu chuẩn về chất lượng và hương vị.
CO2 Dịch nhận được sau lên men gọi là dấm chín.
Giai đoạn 3 trong quy trình sản xuất rượu là xử lý dịch lên men, liên quan đến kiến thức lý học và quá trình chuyển khối Quá trình này sử dụng hệ thống chưng luyện để tách rượu và các hợp chất dễ bay hơi khỏi dấm chín, giúp loại bỏ các tạp chất không mong muốn Sau đó, rượu được tinh luyện để đạt tiêu chuẩn về chất lượng và phù hợp với yêu cầu tiêu dùng Sản phẩm thu được sau xử lý gồm cồn thực phẩm, rượu bậc cao, aldehyt, và dầu fusel, đảm bảo an toàn và độ tinh khiết của rượu thành phẩm.
2.3 Sơ đồ chưng ba tháp gián tiếp một dòng
1 Thùng ch a gi m 7 Bình làm l nh ru t gàứ ấ ạ ộ
2 Bình hâm gi m 8 Tháp aldehyt ấ
3 Bình tách CO2 9, 10 Bình ng ng tư ụ
4 Tháp thô 11 Tháp tinh chế
5 Bình ch ng ph t gi m 12 Bình ng ng t h i l uố ụ ấ ư ụ ồ ư
6 Bình ng ng t c n thô 13 Bình làm l nh s n ph mư ụ ồ ạ ả ẩ
*Thuyết minh quy trình công nghệ:
Giấm chín được bơm lên thùng cao rồi tự chảy vào bình hâm giấm, sau đó được hâm nóng đến nhiệt độ 70-80°C để quá trình lên men tiếp tục Khí CO2 và hơi rượu bay lên rồi ngưng tụ qua các bình và tháp làm sạch, giúp tách rượu khỏi khí thải Tháp thô được đun bằng hơi trực tiếp, trong đó hơi rượu đi từ dưới lên và giấm chảy từ trên xuống, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển đổi khối Ở đáy tháp, nồng độ rượu còn lại trong giấm khoảng 0.015-0.03% V và được thải ra dưới dạng bã rượu, với nhiệt độ khoảng 103-105°C Phần lớn rượu thô (từ 90-95%) tiếp tục đi vào tháp tách aldehyt, nơi sử dụng hơi trực tiếp để ngưng tụ hơi rượu và hồi lưu đến 95%, sau đó lấy ra khoảng 3-5% gọi là cồn đầu Một phần nhỏ rượu thô (5-10%) còn lại ở phần đỉnh của tháp chứa nhiều tạp chất và được hồi lưu trở lại để loại bỏ tạp chất hiệu quả.
Sau khi loại bỏ tạp chất, rượu thô từ đáy tháp aldehyt liên tục được đưa vào tháp tinh 11 với nồng độ 35-45%V, được cấp nhiệt bằng hơi nước trực tiếp hoặc gián tiếp để nâng nồng độ cồn Hơi bay lên qua tháp và ngưng tụ tại tháp 12, sau đó hồi lưu lại tháp để duy trì quá trình tinh luyện Bằng cách điều chỉnh lượng nước làm lạnh, ta thu lấy 1.5-2% cồn đầu và hồi lưu về đỉnh tháp 8 để tối ưu hóa quá trình lên men Cồn sản phẩm được lấy ra dạng lỏng cách đĩa hồi lưu từ 3-6 đĩa và qua đoạn làm lạnh ở tháp 13, trong đó nhiệt độ đáy tháp luôn duy trì khoảng 103-105°C, còn nhiệt độ đỉnh của tháp 4 phụ thuộc vào nồng độ cồn trong giấm, thường dao động từ 93-97°C, đảm bảo quá trình tinh chế đạt hiệu quả cao.
Nhiệt độ tân tháp tinh đạt khoảng 78.3-78.5°C, đảm bảo quá trình tinh luyện diễn ra hiệu quả Nhiệt độ tại vị trí cách đĩa tiếp thứ i về phía trên 3-4 đĩa khống chế trong khoảng 82-83°C để duy trì điều kiện tối ưu Dầu fusel được phân lập dưới dạng hơi từ đĩa thứ 6 đến 11 (tính từ dưới lên), sau đó đi vào thiết bị phân ly dầu để hoàn chỉnh quá trình tinh chế.
*Nguyên tắc chuyển khối xảy ra trong tháp:
Trong quá trình điều chế, hơi đi từ phía dưới của tháp bay qua các ống hơi lên trên, trong khi các dung dịch lỏng di chuyển từ trên xuống theo các ống truyền Nồng độ các thành phần trong hỗn hợp thay đổi theo chiều cao của tháp, dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ sôi tương ứng với sự biến đổi của nồng độ các cấu tử trong quá trình phân tách.
Trên đĩa 1, chất lỏng chứa nồng độ etanol dễ bay hơi, khi bốc hơi tạo ra hơi có nồng độ cao Hơi này di chuyển sang đĩa 2 và được sục qua lớp lỏng ở trên đĩa, dẫn đến bọt khí đi vào dung dịch Nhờ nhiệt độ đĩa 2 thấp hơn đĩa 1, một phần hơi sẽ ngưng tụ lại, khiến nồng độ dung dịch ở đĩa 2 (x2) cao hơn đĩa 1 (x1) Hơi từ đĩa 2 di chuyển lên đĩa 3, nơi nhiệt độ thấp hơn, gây ngưng tụ một phần hơi và làm nồng độ chất lỏng trên đĩa 3 (x3) cao hơn x2, tạo ra quá trình chưng cất hiệu quả.
Trong quá trình phân lập, mỗi đĩa trong tháp xảy ra sự chuyển đổi khối lượng giữa pha lỏng và pha hơi, giúp tách các thành phần dễ bay hơi khỏi các thành phần khó bay hơi Một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, còn phần ít hơn chuyển ngược lại, nhờ đó quá trình bốc hơi và ngưng tụ diễn ra nhiều lần để thu được sản phẩm tinh khiết Cuối cùng, tại đỉnh tháp, ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng gần nguyên chất, trong khi tại đáy tháp, ta thu được cấu tử khó bay hơi cũng ở dạng tinh khiết Quá trình này là cơ sở của công nghệ chưng cất phân đoạn để tách các hợp chất hữu cơ dựa trên điểm sôi của chúng.
TOÁN THIẾT BỊ
- Hỗn hợp nguyên liệu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi
- Đun sôi ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp
- Số mol pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp
- Hơi ra khỏi đỉnh có thành phần bằng lỏng trong thiết bị ngưng tụ
- Số mol chât lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chưng và đoạn luyện
- Tháp tinh dạng đĩa chóp trong hệ thống chưng cất liên tục 3 tháp
- Năng suât thiết bị Gp00 L/ngày, nồng độ cồn sản phẩm 93%V, xả đáy 0.03%V, nguyên liệu 40%V, đo tại 25°C.
- M1 là khối lượng phân tử của etylic, M1F kg/mol
- M2 là khối lượng phân tử của nước, M2 kg/mol
- Mp là khối lượng mol trung bình của sản phẩm đỉnh kg/mol
- GF, F lượng hỗn hợp đầu tính theo kg/h; kmol/h
- GP,P lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh tính theo kg/h; kmol/h
- Gw,W lượng hỗn hợp sản phẩm đáy tính theo kg/h; kmol/h
- XF, aF nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu
- XP, aP nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh
- Xw, aw nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy
Nồng độ C2H5OH trong hỗn hợp ban đầu là 0.3224 theo phần khối lượng, trong khi đó, nồng độ trong sản phẩm đỉnh đạt 0.8996 phần khối lượng, cho thấy quá trình cô đặc đã làm tăng nồng độ ethanol đáng kể Ngược lại, nồng độ ethanol trong sản phẩm đáy rất thấp, chỉ 0.0002394 phần khối lượng, phản ánh quá trình tách ethanol hiệu quả từ hỗn hợp ban đầu Các hệ số và chỉ số liên quan đều cho thấy quá trình phân ly ethanol đạt hiệu quả cao, phù hợp với các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng trong sản xuất.
- Quy đổi phần khối lượng sang phần mol x F
Lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h là:
Khối lượng mol trung bình là:
MF=xF×M1 +(1-xF)×M2=0.157 × 46 + (1- 0.157) × 18".396 ( kmol kg )
MP=xP×M1 +(1-xP)×M2=0.778 × 46 + (1- 0.778) × 189.784 ( kmol kg )
MW=xW×M1 +(1-xW)×M2=0.000933 × 46 + (1- 0.000933) ×18.266 ( kmol kg )
Lượng sản phẩm đỉnh tính theo kmol/h là:
3.3.Tính toán cân bằng vật liệu trong tháp chưng cất liên tục
3.3.1 Tính cân bằng vật liệu
Hỗn hợp đầu vào F gồm C2H5OH và H2O được phân tách qua quá trình chưng cất thành sản phẩm đỉnh P là C2H5OH tinh khiết và sản phẩm đáy W là nước H2O Quá trình này sử dụng thiết bị đun sôi tại đáy tháp, đảm bảo lượng hơi từ nước được hồi lưu để nâng cao hiệu quả tách pha Hơi đi ra từ đỉnh tháp chủ yếu là sản phẩm phân đoạn chứa alcohol, giúp thu hồi ethanol tinh khiết đạt tiêu chuẩn Quá trình chưng cất trong tháp phân ly đảm bảo tách ethanol khỏi nước một cách tối ưu, phù hợp các yêu cầu về SEO và nội dung chuyên ngành.
D0, Du lượng hơi trong đoạn luyện, chưng
L0, Lu lượng lỏng trong đoạn luyện, chưng
Phương trình cân bằng vật liệu của tòan tháp:
F = P+W Phương tình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi
GF.aF= GP.aP+Gw.aw
Thay W= F-P vào phương trình (1) ta có
GF = GP a P −a W a F − a W = 315 x 0.8996 0.3224 −0.0002394 − 0.0002394 = 879.37(Kg/h ) Lượng sản phẩm đáy xả ra:
Hỗn hợp Nồng độ khối lượng (%) Nồng độ phần mol (x ) Lưu lượng mol (kmol/h )
Lưu lượng khối lượng (kg/h)
3.3.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp
* Chỉ số hồi lưu tối thiểu
: là tỉ số giữa lượng lỏng hồi lưu và lượng sản phẩm đỉnh.
Từ bảng số liệu IX.2a(Sổ tay QT&TBCNHC-trang 148) có thành phần cân bẳng lỏng- hơi của rượu etylic-nước được cho như bảng sau :
Từ bảng số liệu trên ta vẽ được đồ thị hình 3.1, từ đó xác định được chỉ số hồi lưu tối thiểu :
Với : nồng độ phần mol cân bằng với
Dựa trên giá trị xF = 0.157, ta vẽ đường song song với trục y và cắt đường cân bằng Tiếp theo, ta kẻ đường song song với trục x để cắt trục y, từ đó xác định được giá trị = 0.49273 Chỉ số hồi lưu tối thiểu được xác định dựa trên các bước tính toán này để đảm bảo độ chính xác của mô hình.
*Tính chỉ số hồi lưu thích hợp
- Rx=b.Rmin xác định qua hệ số điều chỉnh b Theo thực nghiệm b ∈ (1.2-2.5)
Trong quá trình xác định giá trị b, ta sẽ tìm ra Rx dựa trên mối quan hệ giữa Rx và số đĩa lý thuyết, theo quy luật Rx phù hợp với gần nhất theo công thức Rx ≈ (Rx+1)N Khi giá trị (Rx+1)N nhỏ nhất, thì Rx được xem là giá trị thích hợp nhất, đảm bảo tối ưu hóa kết quả.
- Cách xác định số đĩa
+ Vẽ đường làm việc đoạn luyện: đi qua (x p,yp) và cắt trục tung tại điểm có tung độ B x P
+ Vẽ đường làm việc đoạn chưng: đi qua ( xw, yw) và giao điểm của dường làm việc đoạn luyện với đường thẳng x=xF
Vẽ các đường song song với trục x và y đếm số tam giác và suy ra được số đĩa lý thuyết
=> Chỉ số hồi lưu thích hợp là Rx= 1.785
* Phương trình đường nồng độ làm việc
-Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện:
R x + 1 = 1+ 1.785 1.785 × x + 1+ 0.778 1.785 = 0.641x +0.279 -Phương trình nồng độ làm việc của đoạn chưng :
Rx=1.785 xác định được số đĩa lý thuyết Nlt đĩa
Trong đó số đĩa lý thuyết đoạn luyện là 7 đĩa
Số đĩa lý thuyết đoạn chưng là 3 đĩa
3.4 Xác định số đĩa thực tế
Ta đã có số đĩa lý thuyết :
Trong đó : : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng
Trong đó: η1,η2,η3,ηn là hiệu suất tại các vị trí thường lấy giá trị ở đỉnh, đáy và ở vị trí tiếp liệu. n là số vị trí xét.
Xác định hiệu suất trung bình của tháp:
- Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:
Trong đó : x là phần mol của rượu trong pha lỏng y* là phần mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng
- Độ nhớt hỗn hợp lỏng:
Lg àhh= x.lg àe+ (1-x)lg àn
Trong đó: x là nồng độ mol C2H5OH trong hỗn hợp àe; àn độ nhớt động lực của C2H5OH và nước
+ Tại vị trí nhập liệu: xF = 0.157 => y * = 0.49273 ; tF 619°C
Từ aF 2.24% và tF = 84.619 o C theo bảng I.102-sổ tay1-trang 95 àn=0.337; àe=0.4098
Tra hình XI.11 sổ tay 2-trang 171 => ηF =0.425
+ Tại vị trí mâm đáy: xW = 9.33 ×10 -4 => y * = 0.0062; tw = 99.822 o C
Từ aW = 0.2394% và tw.822°C theo bảng I.102-sổ tay1-trang 95 àn= 0.2893; àe= 0.3358
Tra hình IX.11 sổ tay 2- trang 171 => ηW = 0.419
+ Tại vị trí mâm đỉnh : xP = 0.778 => y* = 0.80357; tP = 78.6888 o C
Từ aP = 89.96(%) và tP= 78.6888 ℃ suy ra theo bảng I.102- sổ tay 1-trang 95 àn= 0.3624; àe= 0.445
Tra hình XI.11 sổ tay 2-trang 171 => ηp=0.59
- Hiệu suất trung bình của đoạn luyện là: ηtbl η P + η F
- Hiệu suất trung bình của đoạn chưng là: ηtbc η W + η F
Vậy tổng số đĩa thực tế của tháp là 20 đĩa,trong đó:
3.5 Xác định đường kính tháp Đường kính tháp được xác định theo công thức
Trong quá trình xử lý hơi trong tháp, tốc độ hơi trung bình đi trong tháp được ký hiệu là ωytb (m/s), còn lượng hơi trung bình đi qua tháp là gtb (Kg/h) Ngoài ra, (ρy×ωy)tb mô tả tốc độ hơi trung bình đi trong tháp tính bằng đơn vị kg/m².s, giúp đánh giá hiệu quả quá trình truyền nhiệt và trao đổi khí trong hệ thống.
Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp nên ta phải tính lượng hơi trung bình riêng cho từng đoạn.
3.5.1 Tính lượng hơi trung bình đi trong tháp
Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, công thức rõ ràng là g tbL = g đ + g 1, giúp xác định chính xác quá trình trao đổi hơi trong quá trình luyện kim, đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống và tối ưu hóa quá trình sản xuất.
Trong quá trình luyện, lượng hơi trung bình đi qua đoạn luyện (g_tbL) được đo bằng đơn vị kg/h hoặc kmol/h, phản ánh lượng hơi tổng hợp trong quá trình Lượng hơi thoát ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (g_đ) cũng được tính bằng kg/h hoặc kmol/h, thể hiện lượng hơi mất đi trong quá trình vận hành Đồng thời, lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng (g_1) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu quả của quá trình luyện, cũng được đo bằng các đơn vị này để đảm bảo tính chính xác và kiểm soát quá trình tốt hơn.
- Lượng hơi đi ra khỏi tháp: g đ =G R +G P =G P (R x +1)15×( 1.785+1)= 943.425 (kg/h)
- Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện :
Hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng cho đoạn luyện: g 1 =G 1 +G P g 1 y 1 =G 1 x 1 +G P a P g 1 r 1 =g d r d (*)
G1: lượng lỏng đi vào đoạn luyện (kg/h)
GP: lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)
Trong quá trình luyện, nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha khí (phần khối lượng) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu quả của quá trình Đồng thời, nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng cũng ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất và sự chuyển đổi trạng thái của các hợp chất Giá trị x1 được xác định bằng công thức x1 = aF = 0.3224, thể hiện mối liên hệ giữa các yếu tố trong hệ thống luyện kim, góp phần tối ưu hóa quá trình và nâng cao chất lượng sản phẩm.
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kcal/mol) r1= re.y1 + (1-y1).rn
:ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi tháp (kcal/mol) rđ=re.yd + (1-yd).rn yd= yP= aP= 0.8996
Từ bảng số liệu IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-2 trang 148):
Nội suy với X (% phần mol) và Y (% phần mol) đã biết ta xác định được :
Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu tF = 84.619
Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh tp x.6888
Nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy 822
Để xác định ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp thoát ra khỏi đỉnh tháp, áp dụng phương pháp nội suy theo bảng I.212 trong Sổ tay Công thức tính sử dụng hệ số x = 0.8996, với giá trị nhiệt nhẹ nhàng là 2.52448 kcal/kg và nhiệt độ rắn là 560.3112 kcal/kg Kết quả của phép nội suy cho ra giá trị ẩn nhiệt hóa hơi khoảng 8.45 kcal/kg, giúp xác định chính xác năng lượng cần thiết trong quá trình xử lý hỗn hợp.
Trong đoạn luyện của quá trình, xác định ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất được thực hiện bằng phương pháp nội suy theo bảng I.212 từ Sổ tay 1 trang 255 Công thức tính là \( r_{nU4.381} = y_1 + (1 - y_1) \times 0.1524 \), trong đó, giá trị nhiệt hóa hơi của hỗn hợp được tính dựa trên tỷ lệ \( y_1 \) và các hệ số liên quan, giúp xác định chính xác năng lượng cần thiết để đẩy nhanh quá trình bay hơi.
Thay toàn bộ các đại lượng trên vào hệ phương trình (*): ¿> { g 1 ( 554.381−354.2286 g 1 y 1 =G 1 × g 1 0.3224+ = G × y 1 + 315 1 315 )= 238.45 × 0.8996 × 943.425
Giải hệ phương trình ta được :
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện : g tbL = g đ + g 1
Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện:
Lượng hơi trung bình qua đoạn chưng có thể được ước tính bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra và vào đoạn chưng Công thức tính lượng hơi trung bình này là gtbc = g'n + 2g1', giúp chính xác hơn trong công đoạn xác định lượng hơi trung bình trong quá trình chưng Việc tính toán lượng hơi này là bước quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống chưng và đảm bảo hoạt động ổn định của quy trình.
Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên ta có: gtbc = g 1 + g ' 1
Hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng cho đoạn chưng:
Trong quá trình chưng cất, các thông số quan trọng bao gồm lượng lỏng và hơi đi vào đoạn chưng (g’1, g’1), cũng như lượng hơi thoát ra khỏi đoạn chưng (g1) Nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng (x’1) và trong pha hơi (y’1) cũng là các yếu tố then chốt để xác định hiệu quả của quá trình Ngoài ra, các yếu tố năng lượng như ẩn nhiệt hóa hơi của lượng hơi vào đoạn chưng (r’1) và của hỗn hợp ra khỏi đoạn chưng (r1) ảnh hưởng đến tiêu thụ năng lượng và quá trình chuyển đổi trạng thái của các hỗn hợp.
Nồng độ đĩa cuối cùng của đoạn chưng bằng nồng độ sản phẩm đáy, với x_W = 9.33×10⁻⁴ phần mol, tương ứng với y_W = 0.0631 phần mol Để đổi y*W từ phần mol sang phần khối lượng, ta nhân y_W với khối lượng phân tử của thành phần, kết quả là y'_1 = 0.0631 × 46.
Xác định ẩn nhiệt hóa hơi của lượng hơi vào đoạn chưng là bước quan trọng trong quá trình phân tích nhiệt sản phẩm Áp dụng phương pháp nội suy theo bảng I.212 (Sổ tay 1, trang 255) để tính toán giá trị của tw, ta có: tw = 0.194 re = 4.7224 kcal/kg Công thức tính nhiệt hóa hơi r’1 được xác định là r'1 = y'1 + (1 - y'1) × rn = 194.7224 × 0.1468 + (1 - 0.1468) × 540.806 = 490 kcal/kg, giúp đưa ra kết quả chính xác về năng lượng cần thiết để hóa hơi lượng hơi vào đoạn chưng.
Xác định ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ra khỏi đoạn chưng:
Thay toàn bộ các đại lượng trên vào hệ phương trình (**):
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng : g tbC ' = g 1 + g 1 '
Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng :
3.5.2 Tính khối lượng riêng trung bình
* Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi ρtb [ y tb × M 1+(1− y tb )×M 2 ]×273
Trong đó :ttb nhiệt độ làm việc trung bình của tháp ( )
M1, M2: Khối lượng phân tử rượu etylic và nước ytb:nồng độ mol của cấu tử etylic lấy theo giá trị trung bình y tb = y đ + y c
2 ( yđ, yc: nồng độ tại hai đầu luyện ( chưng)).
2 Đổi sang nồng độ phần mol : y 1 =
Nội suy từ bảng IX.2a (Sổ tay 2-trang 148) với y tb L = 0.57345 có t tb = 81.785
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện : ρ ytbL = [ y tb L M 1 + ( 1− y tb L ) M 2 ] 273
2 = 0.1849 ( p h ầ n mol ) Nội suy từ bảng IX.2a (Sổ tay 2-trang 148) với y tb C =0.1849có t tb 709
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng : ρ ytbC = [ y tb C M 1 + ( 1− y tb C ) M 2 ] 273
*Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng
Trong bài viết này, chúng tôi trình bày các khái niệm quan trọng liên quan đến hỗn hợp ethanol và nước ρ1 và ρ2 lần lượt là khối lượng riêng trung bình của ethanol và nước trong hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình Thông số a thể hiện nồng độ phần khối lượng của ethanol trong pha lỏng, giúp đánh giá tỷ lệ các thành phần trong hợp chất này Các yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong phân tích và xác định đặc tính của hỗn hợp ethanol-nước theo tiêu chuẩn kỹ thuật.
2 =0.4675 (phần mol) Nội suy từ bảng số liệu IX.2a (Sổ tay 2-trang 148) với x tb =0.4675 ta có ttb.26 Nội suy từ bảng số liệu I.2 (Sổ tay 1- trang 10) với ttb 26 ρ 1 s4.753 ; ρ 2 = 971.818
Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha lỏng :
Ta có : x’1=0.079 (phần khối lượng)
Nội suy từ bảng số liệu IX.2a (Sổ tay 2-trang 148) với x ' tb =0.09475 ta có ttb.92 Nội suy từ bảng số liệu I.2 (Sổ tay 1-trang 10) với t tb 92 ρ 1 r8.426 ( kg m 3 ) ; ρ 2 7.156 ( m kg 3 )
Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng đối với pha lỏng :
3.5.3 Tốc độ hơi đi trong tháp
Tốc độ hơi đi trong tháp đĩa chóp được xác định theo công thức :
( = 0,065.ϕ [ σ ] √ h ρ xtb ρ ytb ( kg / m 2 s ) ρ xatb , ρ ytb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi tính theo nhiệt độ trung bình h: khoảng các giữa các đĩa chọn h=0.25m
: hệ số tính đến sức căng bề mặt dym/cm thì =0.8 dym/cm thì =1
*Đoạn luyện ρ xtbL 1.785 ( m kg 3 ) ρ ytbL =1.17 ( m kg 3 )
Nội suy từ bảng I.242 – trang 301 – Tập 1 với t xtbL 26 0 C ta có: σ e 2766 ( dym cm ) σ n b.552 ( dym cm )
Sức căng bề mặt trung bình:
1 σ tbL = a tb σ etylic + 1−a tb σ n ướ c = 0.611
Chọn h=0.25 theo sổ tay hóa công 1- trang 184
*Đoạn chưng: ρ xtbC 5.214 ( kg m 3 ) ρ ytbC =0.772 ( kg m 3 )
Nội suy từ bảng I.242 – trang 301 – Tập 1 với t xtbC 92 ° C ta có: σ e = 16.6772 ( dym cm ) σ nướ c a.32 ( dym cm )
Sức căng bề mặt trung bình:
1 σ tbC = a tb σ etylic + 1− a tb σ n ướ c = 0.1613
3.5.4 Đường kính đoạn chưng, đoạn luyện
Lấy chuẩn đường kính đoạn luyện là 0.6 m
Lấy đường kính chuẩn là 0.5 m
3.6 Vận tốc thực tế của hơi đi trong tháp
Chiều cao của tháp được xác định theo công thức (IX.50).trang 16
Với : :Số đĩa thực tế là 36 đĩa với NC = 6 ; NL
Chiều dày của đĩa, chọn δ=2(mm)=0 002(mm)
: khoảng cách giữa các đĩa (m), chọn theo bảng IX.4a, trang 169-Tập 2; với =0.2-0.25 (m) ta chọn
: là khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp
Chiều cao của đoạn chưng :
Chiều cao của đoạn luyện :
-Chiều cao phần lồi : h b = 0.25Dt = 0.25 × 0,6 = 0.15 (m) ( theo sổ tay hóa công 2- trang 236 )
TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN
Đường kính ống hơi của chóp thường chọn: 50; 75; 100; 125; 150mm, chọn
Chiều dày của chóp thường lấy 2- 3mm chọn δ=2(mm)=0.002(m)
4.1.1 Số chóp phân bố trên đĩa
Trong đó: D : Đường kính trong tháp
: Đường kính ống hơi Đoạn luyện : Thay vào: n = 0.1 0.6 2
0.05 2 = 14.4 chóp Quy chuẩn: n= 15 chóp Đoạn chưng : thay vào n=0.1 0.5 2
0.05 2 chóp Quy chuẩn ta chọn n= 15 chóp
*Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi h2 = 0.25 dh ( theo sổ tay hóa công 2- trang 236 )
Quy chuẩn: phù hợp với bảng chọn
*Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp: S=0÷25(mm)
*Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp:
: Lưu lượng hơi đi trong tháp (
: Trở lực đĩa chóp, =1,5÷2 chọn : =2
: Khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng (Kg/ )
Chiều cao khe chóp đoạn chưng: b= 2× 7.13 2 × 0.768 9.81 ×918.56 =0.00866 (m ) Chọn b=9 (mm)
Chiều cao khe chóp đoạn luyện: b= 2 × 6.44 2 ×1.17
Quy chuẩn chiều cao khe chóp: b mm
Chiều rộng các khe chóp: a= 5 mm
Khoảng cách giữa các khe: c=3÷4, ở đây ta chọn c=4 mm.
* Số lượng khe hở mỗi chóp : i= π
* Đường kính ống chảy chuyền : d c C =√ 3600×π 4 × ×G ρ xC tbC ×ω c ×z ( m)
Lưu lượng lỏng trung bình đi qua tháp, ký hiệu GTbC, được tính bằng khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng (ρ xC) nhân với lưu lượng quá trình Trong thiết kế hệ thống, số ống chảy chuyền (z) được chọn là 1 để tối ưu hóa hiệu suất Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền (ωc) thường được đặt là 0.15 m/s, nằm trong khoảng 0.1 đến 0.2 m/s, nhằm đảm bảo dòng chảy ổn định và hiệu quả trong quá trình chưng cất.
*Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền
S1=0.25×dc ( theo sổ tay hóa công 2- trang 237 )
*Chiều cao ống chảy chyền nhô lên trên đĩa:
Trong đó ∆ h là chiều cao mực chất lỏng bên trên ống chảy truyền
Thể tích chất lỏng chảy qua: V c = G x ρ xtb = 951.4025 918.56 = 1.035 ¿/h) ¿ √ 3 ( 3600 × 1.85 1.035 × π × 0.05 ) 2 =0.0099( m) = 10mm hc =(30+9+15)-10= 44(mm)
Thể tích chất lỏng chảy qua:
Chọn hl= 49 mm Quy chuẩn: h= 49 mm
*Bước tối thiểu của chóp trên đĩa :
: là khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp l 2 = 12.5 + 0.25 × dch= 12.5 + 0.25×74 = 31mm
*Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất:
(mm) l1 khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền, thường chọn: u(mm)
2 + 2+752(mm) Quy chuẩn tc2mm
4.2 Chọn mặt bích, vòng đệm,tai treo và chân đỡ
Bích để ghép đáy, nắp với thân và các đoạn thân tháp nối với nhau Giả thiết rằng
Vì D t =0 6 m nên ta chọn loại bích liền làm bằng thép Các thông số được tra ở bảng XIII.27- trang 417- Sổ tay QT&TBCNHC-2
D y Ống Kích thước nối Kiểu bích
Bu lông d b z h mm cai mm
Theo bảng XIII.31-tương ứng với bẳng XIII.27: kích thước bề mặt đệm bít kín
Chọn 3 tai treo, chọn 3 chân đỡ đáp ứng được tải trọng của tháp.
4.3.Tính đường kính các ống dẫn
Chọn vật liệu ống dẫn cùng loại vật liệu tháp, dày 5(mm)
V: Lưu lượng thể tích w: vận tốc trung bình (m/s)
( được tính ở phần chiều cao của tháp)
Chọn vận tốc lỏng qua ống chảy chuyền là: w= 0.15(m/s)
Chọn số ống chảy chuyền với mỗi đĩa : z =1 (ống)
=>đoạn luyện là: dc L =0.0375(m), quy chuẩn chọn: dc L= 0.038(m).
=>đoạn chưng là: dc C =0.0494(m), quy chuẩn chọn: dc C =0.05(m). Quy chuẩn dc= 0.05 m P mm.
4.3.2 Ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp
Lượng hỗn hợp đầu vào tháp là: GF9.37 (kg/h)
Nhiệt độ của hỗn hợp đầu: tF= 84.619
Theo bảng I.2-9-I, sổ tay 2, áp dụng phương pháp nội suy theo t=tF= 84.619 o C: ρ 1 s0.612 ( m kg 3 ) , ρ 2 8.766 ( kg m 3 )
Nồng độ khối lượng của hỗn hợp đầu là: aF= 0.3224
Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu là: ρ F =( a F ρ 1 + 1−a F ρ 2 )
→Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu là:
Do hỗn hợp tự động chảy vào tháp nên tra bảng II.2 sổ tay 1-trang 370
Chọn tốc độ hỗn hợp đầu là: w= 0.3(m/s)
→ Đường kính của ống dẫn hỗn hợp đầu là: d= √ 0.785 V × w = √ 92.786 0.785 × × 10 0.3 − 4 =0.0344 ( m )
Tốc độ thực tế của hỗn hợp đầu: w tt = V
4.3.3 Ống dẫn hơi đỉnh tháp
Lượng sản phẩm đỉnh P =7.92 (kmol/h)
Lượng hồi lưu Gx= R×P= 1.785×7.92 = 14.1372(kmol/h)
*Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp : g đ = G x + P = 14.1372 + 7.92 = 22.0572 ( kmol h )
Nhiệt độ của hơi đỉnh tháp: x.6888
→Lưu lượng thể tích của hơi đỉnh tháp là :
Do khí bão hòa, chọn tốc độ hơi ở đỉnh là w= 15m/s
→Đường kính của ống dẫn hơi đỉnh tháp là : d= √ 0.785 V × 15 = √ 0.785 0.1768 ×15 =0.1225 ( m)
→ Tốc độ thực tế của hơi đỉnh tháp: w tt = V
Lượng hỗn hợp đáy tháp là: Gw = 564.37 (kg/h)
Nhiệt độ của hỗn hợp đáy: 822
Theo bảng I.2-9-I, sổ tay 2, áp dụng phương pháp nội suy theo t=t 194 o C: ρ 1 q6.1691 ( m kg 3 ) , ρ 2 8.1246 ( kg m 3 )
Nồng độ khôi lượng của sản phẩm đáy là: aW= 0.0002394
Khối lượng riêng của hỗn hợp đáy là: ρ w =( a w ρ 1 + 1−a w ρ 2 )
→Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đáy là:
Do hỗn hợp tự động chảy vào tháp nên tra bảng II.2 sổ tay 1- trang 370 Chọn tốc dộ hỗn hợp đầu là: w=0.3(m/s)
→ Đường kính của ống dẫn hỗn hợp đáy là: d= √ 0,785.0 V , 3 = √ 1.636 0.785× × 10 0.3 −4 = 0.0263 ( m )
Tốc độ thực tế của hỗn hợp đáy: w tt = V
4.3.5 Ống dẫn lỏng ngưng tụ hồi lưu
Lượng hơi ngưng tụ hồi lưu là :
G x =G p R15× 1.785V2.275 ( kg h ) =0.156( kg s ) Nhiệt độ của hơi ngưng tụ hồi lưu: t R = t P = 78.6888 ° C →Khối lượng riêng của rượu và nước theo bảng I.2 trang 9 (sổ tay
QT&TBCNHC1) với tx.6888℃ ta nội suy được : ρ 1 s6.24 ( m kg 3 ) , ρ 2 2.72 ( m kg 3 )
Nồng độ khối lượng ngưng tụ hồi lưu : aR =aP= 0.8996
→Khối lượng riêng của hơi ngưng tụ hồi lưu là: ρ p = ( a ρ p 1 + 1−a ρ 2 p ) −1 = ( 736.24 0.8996 + 1 − 972.72 0.8996 ) −1 = 754.66 ( m kg 3 )
→Lưu lượng thể tích của hơi ngưng tụ hồi lưu là:
Do hỗn hợp tự động chảy vào tháp nên tra bảng II.2sổ tay 1- trang 370
Chọn tốc độ hơi ngưng tụ hồi lưu là: w=0.3 (m/s)
→Đường kính của ống dẫn lỏng ngưng tụ hồi lưu là: d = √ 0.785 V × w = √ 2.067 0.785 × × 10 0.3 −4 = 0.0296 ( m / s )
→ Tốc độ thực tế của hơi đỉnh tháp: w tt = V
4.4 Diện tích làm việc của đĩ a
*F: Diện tích mặt cắt ngang của tháp:
* : diện tích mặt cắt ngang của ống chảy truyền f c h = π d c L 2
4 =1.93 × 10 −3 ( m 2 ) z=1 ố ng * : diện tích mặt cắt ngang của ống hơi = π.dh 2/4 = π.0.05 2 /4 = 1.93 × 10 −3 ( m 2 )
*z: Số ống chảy truyền trên mỗi đĩa, chọn: z=1
Số ống hơi trên mỗi đĩa n ống
TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT
5.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hơp đầu
Phương trình cân bằng nhi nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu :
(J/h) : nhiệt lượng do hơi đốt mang vào(J/h)
: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)
: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)
: nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
: nhiệt lượng mất mát do môi trường xung quanh (J/h)
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 2atm, (sổ tay QT&TBCNHC1-bảng I.97 trang 230 ) - có nhiệt độ sôi bằng 119.62℃
5.1.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào
: hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng ) của hơi đốt (J/kg)
: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg)
Nội suy từ bảng số liệu (sổ tay QT&TBCNHC1- bảng I.212-trang 254),ta có: r1= 2203.3×10 3 (J/kg)
C: Nhiệt dung riêng của nước ngưng, CB45 (J/kg.độ) ( theo sổ tay hóa công 1- trang 166 )
5.1.2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào
Qf = GF × Cf × tf (J/h) ( theo sổ tay hóa công 2-trang 196 )
GF: Lượng hỗn hợp đầu(kg/h), GF= 879.37 (kg/h) tF : nhiệt độ đầu của hỗn hợp 25℃
: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)
Theo bảng số liệu nhiệt dung riêng: bảng I.153 và bảng I.154 (sổ tay QT&TBCNHC1) trang 172 ở nhiệt độ t%℃,ta có: C1= 2537.5 J/kg.độ C2= 4178.75 J/kg.độ
Nồng độ khối lượng hỗn hợp đầu: a F = 0.3224
5.1.3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra
: Nhiệt độ của hỗn hợp đầu sau khi đun nóng (℃): 619℃
: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra (J/kg.độ)
Theo bảng số liệu nhiệt dung riêng: bảng I.153 và bảng I.154 (sổ tay QT&TBCNHC1) trang 172 ở nhiệt độ t.619℃,ta có:
Nồng độ hỗn hợp đầu: aF = 0.3224
5.1.4 Lượng hơi đốt cần thiết
5.1.5 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra
: Lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt (kg/h)
5.1.6 Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh
Lượng nhiệt mất ra môi trường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện:
: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h)
: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp (J/h)
: Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào (J/h)
: Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h)
: Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h)
: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh (J/h)
: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
Chọn hơi đốt là nước bão hòa ở áp suất 2at, có nhiệt độ sôi t9.62℃
5.2.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp
: Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)
: Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg) r2=r1= 2203.3×103 (J/kg)
: Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ) C2 B45 (J/kg.độ)
5.2.2 Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào
: Lượng lỏng hồi lưu (kg/h)
Gr =Gp×Rx15×1.785V2.275 kg/h tR: nhiệt độ lượng lỏng hồi lưu
Lượng lỏng hồi lưu (sau khi qua thiết bị ngưng tụ) ở trạng thái sôi, có nồng độ bằng nồng độ của hơi ở đỉnh tháp: x= y p = Xp= 0.778
: Nhiệt dung riêng của lượng hơi lỏng hồi lưu (J/kg.độ)
=> Theo (II.146), nội suy ta có: tR = tP = 78.6888 0 C
Theo bảng số liệu nhiệt dung riêng: bảng I.153 và bảng I.154 (sổ tayQT&TBCNHC1) trang 172 ở nhiệt độ tx.6888℃, ta có:
Nồng độ lượng lỏng hồi lưu bằng nồng độ sản phẩm đỉnh:a R =aP = 0.8996
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp rượu là:
5.2.3 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp
: Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi ở đỉnh tháp (J/kg) λ d =λ 1 a+λ 2 (1−a) (J/kg
+ : Nhiệt lượng riêng của rượu và nước (J/kg)
Theo bảng số liệu nhiệt dung riêng: bảng I.153 và bảng I.154 (sổ tay QT&TBCNHC1) trang 172 ở nhiệt độ tx.6888℃,ta có
→Theo bảng số liệu bảng I.263 và bảng I.250 (sổ tay QT&TBCNHC1) trang 312-324 Nội suy ta có: r1 = 825.53×10 3 (J/kg), r2 = 2312.8×10 3 ( J/kg)
{ λ 1 = λ 2 825350 #1280+ + 3203.61× 4190 ×78.6888= 78.6888 = 2642506 1077618.3 ( kg J ( kg ) J ) a : Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh a = aP = 0.8996 λ d = 1077618.3 × 0.8996 + 2642506 × ( 1 − 0.8996 )= 1234733.025 ( kg J )
5.2.4 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra
(J/h) W: Lượng sản phẩm đáy (kg/h), W= 564.37 (kg/h)
: Nhiệt độ của lượng sản phẩm đáy (℃), tW= 99.822 o C
: Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ)
Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng : bảng I.153 và bảng I.154 (sổ tay 1- trang 172 ở nhiệt độ t 822℃,ta có:
Nồng độ sản phẩm đáy là : aW = 2.394×10 -4
Cw= C1.aw + C2.(1-aw) = 4229.473 (J/kg.độ)
5.2.5 Lượng hơi đốt cần thiết
5.2.6 Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh
Lượng nhiệt mất ra môi trường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp:
5.2.7 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra
: Lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt (kg/h)
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ (ngưng tụ hoàn toàn):
P.(R x + 1).r = Gn.Cn.(t2-t1) r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đỉnh tháp (J/kg)
Nhiệt của hơi đỉnh tháp là: t đ =t p x.6888 C
Theo bảng số liệu bảng I.250 và bảng I.263 (sổ tay QT&TBCNHC1) trang 312-324
Nội suy ta có: r1 = 825.53 ×10 3 (J/kg) r2 = 2312.8×10 3 (J/kg)
+ : Lượng nước lạnh tiêu tốn (kg/h)
+ : Nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh (℃)
Nhiệt độ vào của nước lạnh lấy là nhiệt độ thường:
Nhiệt độ ra của nước lạnh, chọn:
+ : Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình (J/kg.độ)
Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng: bảng I.153 (sổ tay QT&TBCNHC1) trang 172 ở nhiệt độ t0℃, ta có: Cn= 4205 (J/kg.độ)
→Lượng nước lạnh cần thiết là:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:
P.C p (t ' 1 −t ' 2 )=G n2 C n (t 2 −t 1 ) + : Lượng nước lạnh tiêu tốn (kg/h)
+ : Nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (℃)
Sản phẩm đỉnh sau ngưng tụ ở trạng thái sôi:
→Nhiệt độ vào bằng nhiệt độ sôi ở đỉnh tháp: t ' 1 x.6888 ℃
Nhiệt độ ra của sản phẩm lấy là: ℃ t ' tb Q.8444 0 C
Cp: Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (J/kg.độ)
Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng: bảng I.153 và bảng I.154 (sổ tay QT&TBCNHC1) trang 172 ở nhiệt độ tQ.8444℃ ta có:
Nồng độ sản phẩm đỉnh: a p =0.8996
Lượng nước lạnh cần thiết là:
Trong đề tài "Tính toán, thiết kế tháp đĩa chưng luyện cồn năng suất 9000 lít/ngày", chúng tôi đã nghiên cứu các yếu tố liên quan như nồng độ sản phẩm đạt 93% V, nồng độ xả đáy 0.03% V, và nồng độ nguyên liệu 40% V, đo tại 25°C Việc thu thập tài liệu tham khảo và trao đổi với các chuyên gia giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về quy trình thiết kế và các yếu tố kỹ thuật cần thiết Quá trình thực hiện đã giúp tôi hoàn thành mẫu thiết kế theo yêu cầu, đồng thời rút ra được nhiều bài học quý giá trong kỹ thuật và quy trình vận hành.
Đ i v i h Nố ớ ệ ước-Etanol là hai c u t tan l n hoàn toàn, ta ấ ử ẫ ph i dùng phả ương pháp ch ng c t đ nâng cao đ tinh khi tư ấ ể ộ ế cho Etanol.
Hệ thống có khả năng xử lý tới 9000 lít/ngày, với tháp chưng cất có đường kính 600mm và chiều cao chỉ 2312mm, dài 4328mm Tháp được thiết kế với đĩa chứa 15 lỗ hổng và 1 ngăn chuyển tiếp, giúp tối ưu hóa quá trình chưng cất ethanol Theo lý thuyết, tháp gồm 10 đĩa xác định, trong khi thực tế lắp đặt là 20 đĩa để nâng cao hiệu quả phân tách ethanol.
Tháp chóp này tiêu t n khá nhi u h i đ t cho thi t b gia ố ề ơ ố ế ị nhi t và nệ ước làm l nh cho thi t b ng ng t ạ ế ị ư ụ
Chương trình học không chỉ giúp sinh viên nâng cao kỹ năng tra cứu, tính toán và trình bày theo phong cách khoa học, mà còn hỗ trợ quá trình chuyển đổi từ kiến thức lý thuyết sang ứng dụng thực tiễn Điều này giúp sinh viên phát triển khả năng phân tích, tư duy phản biện và thể hiện ý tưởng một cách logic, có hệ thống Thêm vào đó, việc nắm vững kiến thức môn học còn góp phần nâng cao năng lực thích nghi với các thay đổi trong quá trình học tập và làm việc, mở rộng cơ hội phát triển bản thân trong tương lai.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Ơn và cố GS Hoàng Ngọ đã hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện đề án này Mặc dù đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ, nhưng do hạn chế về tài liệu, khả năng nhận thức, kinh nghiệm, nên có thể còn sai sót trong quá trình thiết kế Tôi mong các thầy xem xét và giúp đỡ tôi chỉnh sửa.
1 Tôn Thất Minh, Phạm Anh Tuấn, Các quá trình và thiết bị chuyển khối, tập
2, Nhà xuất bản Bách Khoa Hà Nội, 2016.
2 TS.Tr n Xoa, TS.Nguy n Tr ng Khuông,ầ ễ ọ KS Hồ Lê Viên, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật.
3 TS.Tr n Xoa, PGS.TS.Nguy n Tr ng Khuông, TS.Ph m Xuân To nầ ễ ọ ạ ả , Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật.
4 PGS.TS Nguy n Đình Thễ ưởng, TS Nguy n Thanh H ng, ễ ằ Công ngh s nệ ả xu t và ki m tra c n etylicấ ể ồ , Nhà xu t b n Khoa h c và kỹ thu t, 2005.ấ ả ọ ậ
