Chưng cất là quá trình tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng, khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào nhiệt độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.. Đồ án này em được giao
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 minh họa quá trình phân tử ethanol, một thành phần quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm Ứng dụng của cồn trong lĩnh vực này đóng vai trò đáng kể, không chỉ giúp tăng nồng độ rượu, bia mà còn có nhiều ứng dụng khác như bảo quản thực phẩm, tạo hương vị và làm tăng giá trị sản phẩm Cồn còn được sử dụng rộng rãi trong chế biến thực phẩm, dược phẩm và các sản phẩm tiệt trùng.
Chế biến thức ăn, khử mùi cho thực phẩm (với những thực phẩm có mùi không mong muốn) , làm tăng mùi thơm đặc trưng cho món ăn.
Cồn còn có ứng dụng để sát trùng, sản xuất dược phẩm, để chữa bệnh trong ngành Y Tế.
Trong công nghiệp ứng dụng làm chất đốt, làm dung môi hòa tan các chất vô cơ và hữu cơ.
Cồn có khả năng thay xăng sản xuất từ dầu mỏ
Cồn là một trong những hướng phát triển tiềm năng để xây dựng nền công nghiệp, do có nhiều ứng dụng đa dạng trong các ngành Việc khai thác cồn hiệu quả là yếu tố then chốt không chỉ trong ngành thực phẩm mà còn trong các ngành khác, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng Tuy nhiên, hiện nay công nghệ và máy móc để tinh chế cồn, đặc biệt là tách bỏ tạp chất, vẫn còn hạn chế về năng suất và hiệu quả, chưa đáp ứng kịp yêu cầu tiêu thụ Do đó, đề án này nhằm nâng cao trình độ chuyên môn về công nghệ cồn, thiết kế máy móc phù hợp với tiêu chí chi phí thấp nhất và hiệu quả cao nhất nhằm thúc đẩy ngành công nghiệp cồn phát triển bền vững.
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
1.2 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, các thiết bị chưng luyện được sử dụng đa dạng để đảm bảo quá trình phân tán hiệu quả giữa các pha Yêu cầu chung của các thiết bị này là diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các pha phải lớn để tối ưu hóa hiệu suất chuyền nhiệt và trao đổi chất Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia, giúp nâng cao hiệu quả tách mẫu trong quá trình chưng luyện.
Trong quá trình xử lý khí và chất lỏng, các loại tháp phân tán được sử dụng phổ biến với hai dạng chính là tháp mâm và tháp chêm, tháp phun Khi pha khí phân tán vào pha lỏng, người ta thường sử dụng tháp mâm để tối ưu hóa quá trình hòa trộn và trao đổi chất Ngược lại, khi pha lỏng phân tán vào pha khí, các loại tháp như tháp chóp và tháp phun được áp dụng để nâng cao hiệu suất phân tán và truyền nhiệt Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung khảo sát hai loại tháp thông dụng nhất là tháp đĩa và tháp chóp để phân tích đặc điểm kỹ thuật và hiệu quả của chúng trong các quá trình công nghiệp.
Tháp đĩa có thân hình trụ đứng, bên trong được trang bị các đĩa với cấu tạo khác nhau để tối ưu quá trình trao đổi nhiệt Các đĩa trong tháp đĩa tạo điều kiện cho pha lỏng và pha hơi tiếp xúc trực tiếp, nâng cao hiệu quả phân chia và làm lạnh trong quá trình hoạt động Tuỳ thuộc vào thiết kế của từng đĩa, tháp đĩa có thể điều chỉnh để phù hợp với các yêu cầu xử lý khí hoặc chất lỏng, giúp tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt và tăng năng suất hoạt động.
+ Tháp đĩa chóp: trên mâm bố trí chóp có dạng tròn, xupap, chữ s… + Tháp đĩa xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.
Tháp đệm có hình dạng trụ đứng, gồm nhiều bậc liên kết với nhau qua các mặt bích hoặc mối hàn chắc chắn Vật đệm được xếp vào tháp theo hai phương pháp chủ yếu là xếp ngẫu nhiên hoặc xếp theo thứ tự để đảm bảo ổn định và an toàn trong quá trình sử dụng.
Tháp đệm Tháp đĩa xuyên lỗ Tháp đĩa chóp Ưu điểm
- Cấu tạo khá đơn giản.
- Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có ρ ≈ ρ của chất lỏng
- Trở lực tương đối thấp.
- Chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng.
- Ít tốn kim loại hơn tháp chop
- Hiệu suất truyền khối cao
- Ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số đĩa ít hơn.
-Do có hiệu ứng thành do đó hiệu suất truyền khối thấp.
- Kết cấu khá phức tạp.
-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.
Thiết bị có trọng lượng khá nặng và yêu cầu đĩa lắp đặt phải phẳng để đảm bảo hoạt động chính xác Nếu đường kinh quá lớn, chất lỏng khó phân phối đều trên mâm, gây ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc Ngoài ra, thiết bị còn đi kèm nhiều vật tư và có kết cấu phức tạp, đòi hỏi sự lắp đặt và bảo trì kỹ lưỡng.
Tháp đệm không cho phép kiểm soát quá trình chưng luyện theo không gian tháp, gây ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng sản phẩm Trong khi đó, tháp đĩa thể hiện quá trình chưng luyện rõ ràng qua từng đĩa riêng biệt, giúp dễ dàng điều chỉnh và tối ưu hóa quá trình Tuy nhiên, tháp đệm khó chế tạo với kích thước lớn phù hợp cho quy mô công nghiệp, khiến việc ứng dụng trở nên hạn chế trong các nhà máy lớn.
Sử dụng tháp đĩa xuyên lỗ không đạt hiệu suất bằng tháp đĩa chóp, đồng thời chế độ làm việc cũng không ổn định như ở tháp đĩa chóp Ngoài ra, khi tháp có đường kính quá lớn, việc sử dụng cũng trở nên không hiệu quả, ảnh hưởng đến năng suất và hiệu quả vận hành của hệ thống.
Vậy nên với đồ án chưng cất cồn, em chọn tháp dạng đĩa chóp có ống chảy chuyền.
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN
Sản xuất cồn etylic có thể áp dụng nguyên tắc sử dụng bất kỳ nguyên liệu nào chứa đường hoặc polysaccharit sau quá trình thủy phân, tạo thành đường hoặc polysaccharit thủy phân thành đường, từ đó tiến hành quá trình lên men để sản xuất cồn etylic.
Bạn có thể sử dụng nguyên liệu giàu Xenluloza để thủy phân thành đường, tuy nhiên, hiệu quả kinh tế của phương pháp này còn hạn chế Do điều kiện sản xuất tại Việt Nam chủ yếu tập trung vào sử dụng tinh bột và mật rỉ đường, nên việc khai thác nguồn nguyên liệu từ Xenluloza chưa thực sự phù hợp hoặc mang lại lợi ích cao về mặt kinh tế.
- Nguyên liệu chứa tinh bột gồm có:
Tinh bột được sản xuất từ ngũ cốc hoặc củ.
Các lọai ngũ cốc như gạo, bắp, lúa mạch , đại mạch,…
Các loại củ như khoai tây,khoai mì,…
Các nguyên liệu chứa đường bao gồm saccharose dạng tinh thể hoặc dạng dung dịch, nước ép mía, dịch chiết từ củ cải đường, các loại syrup glucose và maltose có nguồn gốc từ tinh bột, cùng mật rỉ đường.
- Nguyên liệu chứa cellulose như: bã mía, dăm bào, mạt cưa, lõi ngô
- Nguồn nguyên liệu khác: huyết thanh sữa, waste sulphite liquor (phụ phẩm của công nghiệp sản xuất giấy).
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, quá trình này đặc biệt quan trọng để tạo môi trường thuận lợi cho quá trình lên men Nếu nguyên liệu chứa tinh bột, công đoạn bao gồm nghiền, nấu, đường hóa và làm lạnh đến nhiệt độ thích hợp để lên men hiệu quả Đối với mật rỉ, quy trình chuẩn bị dịch lên men liên quan đến pha loãng sơ bộ, xử lý mật rỉ, bổ sung nguồn dinh dưỡng, tách cặn và pha loãng đến nồng độ thích hợp để kích hoạt quá trình lên men.
Trong giai đoạn 2 của quá trình lên men, việc chọn men giống có chất lượng cao và lượng phù hợp, khoảng 10% thể tích lên men, là rất quan trọng để đảm bảo quá trình lên men diễn ra hiệu quả Men giống sau đó được đưa vào dịch đường, và quá trình lên men được kiểm soát ở điều kiện thích hợp để nấm men chuyển hóa đường thành rượu và CO2 Dịch thu được sau khi lên men hoàn tất chính là dấm chín, đạt tiêu chuẩn về chất lượng và hương vị.
Giai đoạn 3 trong quá trình lên men là xử lý dịch lên men nhằm tách rượu và các chất dễ bay hơi khỏi dấm chín bằng hệ thống chưng luyện Quá trình này giúp loại bỏ các hợp chất không mong muốn như aldehyt, dầu fusel, và tinh luyện để thu được cồn thực phẩm đạt tiêu chuẩn Sản phẩm cuối cùng sau xử lý bao gồm cồn thực phẩm, rượu bậc cao và các hợp chất khác phù hợp với yêu cầu tiêu dùng.
2.3 Sơ đồ chưng ba tháp gián tiếp một dòng
1 Thùng chứa giấm 7 Bình làm lạnh ruột gà
2 Bình hâm giấm 8 Tháp aldehyt
3 Bình tách CO2 9, 10 Bình ngưng tụ
4 Tháp thô 11 Tháp tinh chế
5 Bình chống phụt giấm 12 Bình ngưng tụ hồi lưu
6 Bình ngưng tụ cồn thô 13 Bình làm lạnh sản phẩm
* Thuyết minh quy trình công nghệ:
Giấm chín được bơm lên thùng cao vị 1, sau đó tự chảy vào bình hâm giấm
2 Ở đây giấm chín được hâm nóng đến nhiệt độ 70-80°C rồi chảy qua bình tách CO2 số 3 vào tháp 4 Khí CO2 và hơi rượu bay lên ngưng tụ ở 6 qua 7 rồi ra ngoài Tháp thô được đun bằng hơi trực tiếp, hơi rượu đi từ dưới lên, giấm chảy từ trên xuống nhờ đó quá trình chuyển khối được thực hiện Ở dưới đáy nồng độ rượu trong giấm còn khoảng 0.015-0.03% V được thải ra ngoài gọi là bã rượu, nhiệt độ đáy 103-105°C.
Phần lớn rượu thô (90-95%) luôn được đưa qua tháp tách aldehyt 8 để tinh lọc, sử dụng hơi trực tiếp để ngưng tụ và hồi lưu trở lại, giúp đạt độ cồn 95% Trong quá trình này, lượng nước làm lạnh được điều chỉnh để lấy ra khoảng 3-5% cồn đầu, chứa hàm lượng tạp chất thấp Một phần nhỏ rượu thô (5-10%) còn lại tại các hồi lưu cuối cùng được dẫn tới đỉnh của tháp aldehyt để loại bỏ các tạp chất còn sót lại trong rượu.
Sau khi loại bỏ tạp chất, rượu thô từ đáy tháp aldehyt liên tục chuyển sang tháp tinh 11 với nồng độ 35-45%V Tháp tinh 11 được cấp nhiệt bằng hơi nước trực tiếp hoặc gián tiếp, giúp hơi bay lên và nâng dần nồng độ, sau đó ngưng tụ tại tháp 12 và hồi lưu trở lại đỉnh 8 Việc điều chỉnh lượng nước làm lạnh cho phép lấy ra 1.5-2% cồn đầu, sau đó hồi lưu về đỉnh tháp Cồn sản phẩm được thu dạng lỏng cách đĩa hồi lưu 3-6 đĩa và đoạn làm lạnh ở 13 Nhiệt độ đáy tháp luôn duy trì ở mức 103-105°C, trong khi nhiệt độ đỉnh tháp 4 dao động khoảng 93-97°C tùy theo nồng độ cồn trong giấm Nhiệt độ đỉnh tháp tinh 11 nằm trong khoảng 78.3-78.5°C, còn nhiệt độ tại vị trí cách đĩa tiếp theo phía trên 3-4 đĩa được kiểm soát trong khoảng 82-83°C Dầu fusel được tách ra dưới dạng hơi từ đĩa 6 đến 11 (tính từ dưới lên) rồi đi vào thiết bị phân ly dầu.
* Nguyên tắc chuyển khối xảy ra trong tháp:
Hơi bay từ dưới lên qua các ống hơi, trong khi chất lỏng di chuyển từ trên xuống theo các ống truyền Nồng độ các thành phần trong tháp thay đổi theo chiều cao, dẫn đến sự biến đổi của nhiệt độ sôi tương ứng với sự thay đổi này Điều này giúp quá trình phân lập các hợp chất diễn ra hiệu quả hơn nhờ sự phân tầng nhiệt và nồng độ trong tháp.
Cụ thể là trên đĩa 1, chất lỏng có nồng độ cấu tử dễ bay hơi (etanol) là
Hơi bốc hơi lên nồng độ cao hơn và được chuyển sang đĩa 2, nơi này sục qua dung dịch ở trên đĩa nhằm tạo ra sự ngưng tụ của một phần hơi do nhiệt độ thấp hơn so với đĩa 1 Quá trình này dẫn đến sự ngưng tụ hơi, làm cho nồng độ của dung dịch tại đĩa 2 (x2) cao hơn so với tại đĩa 1 (x1), qua đó thúc đẩy quá trình phân ly hiệu quả hơn.
2 có nồng độ tương ứng cân bằng với x2, trong đó y2>y1 Hơi từ đĩa 2 đi lên đĩa
3 và nhiệt độ đĩa 3 thấp hơn, hơi ngưng tụ một phần do đó chất lỏng trên đĩa 3 có nồng độ x3>x2.
Trong quá trình phân tích trên mỗi đĩa, xảy ra sự chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi Một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, trong khi một phần ít hơn chuyển ngược lại từ pha hơi về pha lỏng, tạo ra quá trình tuần hoàn bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần Cuối cùng, tại đỉnh tháp thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng gần nguyên chất, còn tại đáy tháp là nơi tập trung cấu tử khó bay hơi, cũng ở dạng gần nguyên chất.
TOÁN THIẾT BỊ
- GF: Năng suất thiết bị tính theo nguyên liệu, Kg/h
- M1: phân tử của Etylic M1F Kg/Kmol
- M2: phân tử của nước M2 Kg/Kmol
- MF, MD, MW: mol trung bình tương ứng của nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, Kg/Kmol
- GF, F: Lượng nguyên liệu, tương ứng tính theo Kg/h và Kmol/h.
- GD, D: Lượng sản phẩm đỉnh, tương ứng tính theo Kg/h và Kmol/h.
- GW, W: Lượng sản phẩm đáy, tương ứng tính theo Kg/h và Kmol/h.
- a, x: Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, tương ứng phần khối lượng Kg/Kg và phần mol Kmol/Kmol
- Các chỉ số dưới F, D, W: Tương ứng cho nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.
3.1.2 Các giả thiết dùng trong tính toán
- Nguyên liệu vào tháp ở nhiệt độ sôi
- Tổn thất nhiệt của tháp không đáng kể.
- Lỏng trên các đĩa ở trạng thái sôi Hơi trong tháp ở trạng thái bão hòa.
- Nồng độ pha hơi đỉnh tháp yn bằng nồng độ pha lỏng sau ngưng tụ xD.
Tính toán, thiết kế tháp đĩa chưng luyện cồn lưu lượng nguyên liệu
G F = 3000 Kg/h, nồng độ sản phẩm đỉnh a D =0,8 , nồng độ xả đáy a W = 0,0005, nồng độ nguyên liệu a F = 0,4
- Quy đổi phần khối lượng sang phần mol:
- Khối lượng mol trung bình là:
MF=xF×M1 +(1-xF)×M2=0.207 × 46 + (1- 0.207) × 18#.796 ( kmol kg )
MD=xD×M1 +(1-xD)×M2=0.610 × 46 + (1- 0.610) × 185.080 ( kmol kg )
MW=xW×M1+(1-xW)×M2=1.96 × 10 −4 × 46+(1-1.96 × 10 −4 ) × 18.005 ( kmol kg )
Lượng hỗn hợp đầu 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 (C2H5OH, H2O) được tách thành sản phẩm đỉnh D (C2H5OH) và sản phẩm đáy W (H2O), trong đó có lượng lỏng hồi lưu quan trọng để duy trì hiệu quả của quá trình phân ly Tại đỉnh tháp, lượng hơi đi ra là sản phẩm D, chứa ethanol tinh khiết, trong khi đáy tháp thu hồi nước Quá trình này sử dụng thiết bị đun sôi ở đáy tháp để tạo ra hơi, giúp tách ethanol và nước một cách hiệu quả.
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 = D+W Phương tình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi
GF.aF= GD.aD+Gw.aw
Thay W= F-D vào phương trình (1) ta có :
0.8 − 0.0005 = 1499.062 (Kg/h ) Lượng sản phẩm đáy xả ra:
Lưu lượng khối lượng (kg/h)(G)
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 Đường cân bằng hỗn hợp Cồn êtylic - nước [Xtabnhicov V.H và Sưgancov P.X]
STT Giới hạn đoạn X, phần mol Phương trình mô phỏng đường cân bằng
Với y F *: nồng độ phần mol cân bằng với
Với giá trị xF = 0.207 ,khi đó ta xác định được giá trị y F * = X
y F * = 1.48∗0.207 0.207 +0.0792 = 0.537 Chỉ số hồi lưu tối thiểu là:
*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)
Dựa trên các giá trị của b, ta xác định được R_x và có mối quan hệ đặc trưng giữa R_x và số đĩa lý thuyết, cụ thể là R_x x (R_x + 1) = N Khi R_x + 1 là nhỏ nhất, R_x sẽ là giá trị thích hợp nhất để tối ưu hóa quá trình.
- Cách xác định số đĩa
+ Vẽ đường làm việc đoạn luyện: đi qua (xD,yD) và cắt trục tung tại điểm có tung độ B = R X D
+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= 0,332
* Phương trình đường nồng độ làm việc
-Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện:
-Phương trình nồng độ làm việc của đoạn chưng :
Rx=0.332 xác định được số đĩa lý thuyết Nlt=8 đĩa
Trong đó : Số đĩa lý thuyết đoạn luyện là 3 đĩa
Số đĩa lý thuyết đoạn chưng là 5 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.
3.4.1 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
Phương pháp nội suy được sử dụng để xác định nhiệt độ của hỗn hợp tại vị trí cần xét nhằm đảm bảo độ chính xác của kết quả Đồng thời, toán đồ hình I.28 (trang 107) giúp xác định độ nhớt của dung dịch rượu etylic trong nước một cách chính xác Việc ứng dụng các phương pháp này là quan trọng trong quá trình phân tích và đo lường các đặc tính của hỗn hợp hóa học.
+ Khi tính được tích số ( ) ta tra đồ thị hình IX.11 (II, trang 171) để tìm hiệu suất trung bình :
Tại vị trí nhập liệu:
- Từ aF =0.4 và tF = 83.095 o C theo bảng I.102-sổ tay I-trang 95: àn=0.3432; àe=0.4181 => àF= 0.3575
Tra hình XI.11 sổ tay II-trang 171 => ηF =0.438
Tại vị trí mâm đáy:
- Từ aW = 0.0005 và tw.964°C theo bảng I.102-sổ tay I-trang 95: àn= 0.2839; àe= 0.3262 => àW = 0.2839
Tra hình IX.11 sổ tay II- trang 171 => ηW = 0.363
Tại vị trí mâm đỉnh :
- Từ aD = 0.8 và tD= 79.36 ℃ theo bảng I.102- sổ tay I-trang 95: àn= 0.3594; àe= 0.440 => àD= 0.4066
Tra hình XI.11 sổ tay II-trang 171 => ηD=0.625
3.4.2 Xác định số đĩa thực tế
- Hiệu suất trung bình của đoạn luyện là: ηtbl = η D + η F
- Hiệu suất trung bình của đoạn chưng là: η tbc η W + η F
=>Nttc = N η ltc tbc = 0.4005 5 = 12 đĩa Vậy tổng số đĩa thực tế của tháp là 18 đĩa,trong đó:
3.5 Xác định đường kính tháp
- Đường kính tháp được xác định theo công thức
Trong đó : + ωytb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s)
+ gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg /h)
+ (ρy×ωy)tb:là tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (kg/m 2 s)
- 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 thường được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện Công thức tính lượng hơi trung bình này thể hiện mối liên hệ giữa các quá trình trao đổi khí trong quá trình luyện kim, giúp tối ưu hóa hiệu quả quá trình và đảm bảo chính xác hơn trong kiểm soát khí Áp dụng phương pháp này giúp nâng cao hiệu suất sản xuất và duy trì chất lượng sản phẩm trong quá trình luyện kim.
Trong đó: +g tbL : lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h hay kmol/h) + g đ : lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h hay kmol/h)
+ g 1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h hay kmol/h)
- Lượng hơi đi ra khỏi tháp: gđ = GR + GD = GD(Rx + 1) = 1499.062×(0.332+1) = 1996.751 kg/h
Với GR: lượng chất lỏng hồi lưu
- 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:
Gl : lượng lỏng đi vào đĩa 1 của đoạn luyện (kg/h)
GD: lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)
: hàm lượng hơi đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện
: hàm lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kcal/kg)
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp (kcal/kg)
Ta coi = = 0,4 (phần khối lượng)
(phần mol) = = 0,8 (phần khối lượng)
Từ bảng số liệu IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-II trang 148):
78. 4 Nội suy với X (% phần mol) và Y (% phần mol) đã biết ta xác định được :
Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu tF = 83.095
Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh tD y.36
Nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy 964
- Xác định ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp: Áp dụng phưng pháp nội suy theo bảng I.212 (Sổ tay I-trang 255) với tD y.36 :
r e 2.256 kcal/kg rnU9.64 kcal/kg rđ=re.yđ+ (1-yđ).rn 2.256×0.80+(1-0.80)×559.64'3.733 kcal/kg
- Xác đinh ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn luyện: Áp dụng phương pháp nội suy theo bảng I.212 (Sổ tay 1-trang 255) với
r e 0.762 (kcal/kg) rnU5.905 kcal/kg r1=re.y1 + (1-y1).rn 0.762 ×y1+(1-y1)× 555.905 U5.905-355.143×y1
Thay toàn bộ các đại lượng trên vào hệ phương trình (*): ¿> { g 1 ( 555.905 g 1 y − 1 = 355.143 G g 1 1 =G × 0.40 1 × y + 1499.062 + 1 1499.062× ) = 1996.751 0.80 ×273.733
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 đi qua đoạn chưng có thể được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đoạn và lượng hơi đi vào đoạn, thể hiện qua công thức: gtbc = g'n + 2g1' Công thức này giúp tối ưu hóa quá trình tính toán lượng hơi trung bình, rất hữu ích trong các ứng dụng liên quan đến quá trình chưng Việc xác định lượng hơi trung bình này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và độ chính xác của quá trình chưng separations.
- Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên ta có: gtbc= g 1+ 2 g ' 1
- Hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng cho đoạn chưng:
Trong quá trình chưng, lượng lỏng đi vào đoạn chưng là G’1 (kg/h) và lượng hơi đi vào là g’1 (kg/h) Lượng hơi thoát ra khỏi đoạn chưng là g1 (kg/h), trong đó nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng là x’1, còn trong pha hơi là y’1 Nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi là g’1 và ẩn nhiệt hóa hơi của lượng hơi vào đoạn chưng là r’1, trong khi đó ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ra khỏi đoạn chưng là r1 Các thông số này quan trọng để tối ưu hóa quá trình chưng và đảm bảo hiệu quả phân ly cao.
Nồng độ đĩa cuối cùng của đoạn chưng bằng nồng độ sản phẩm đáy, tương ứng với xW = 1.96×10^-4 phần mol, nên yW bằng 0.0025 phần mol Để chuyển đổi y*W từ phần mol sang phần khối lượng, ta tính y’1 = 0.0025 × 46 / [0.0025 × 46 + (1 - 0.0025 × 46) × 18], kết quả là khoảng 0.0064 phần khối lượng.
Xác định ẩn nhiệt hóa hơi của lượng hơi vào đoạn chưng dựa trên phương pháp nội suy theo bảng I.212 (Sổ tay 1 - trang 255) với nhiệt độ thoát hơi (tw) là 0.964 Quá trình tính toán sử dụng công thức nội suy: re = 4.014 kcal/kg và rn = 539.036 kcal/kg, sau đó áp dụng công thức nội suy để tìm giá trị cuối cùng Kết quả cuối cùng là khoảng 6.828 kcal/kg, phản ánh chính xác nhiệt ẩn hóa hơi của 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
22 4×(t tb +273 ) (kg/m 3 ) 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))
Đổi sang nồng độ phần mol : y 1 =
Nội suy từ bảng IX.2a (Sổ tay II-trang 148) với y tbL =0.560 có t tbl = 82.233
+ Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện : ρ ytbL = [ y tbL M 1 + ( 1 − y tbL ) M 2 ] 273
Nội suy từ bảng IX.2a (Sổ tay 2-trang 148) với y tbC =0.256có t tb
+ Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng : ρ ytbC = [ y tbC M 1 + ( 1− y tbC ) M 2 ] 273
*Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng
Trong hỗn hợp gồm etylic và nước, ρ₁ và ρ₂ lần lượt là khối lượng riêng trung bình của etylic và nước theo nhiệt độ trung bình Nồng độ phần khối lượng của etylic trong pha lỏng được ký hiệu là a Việc xác định chính xác các giá trị này giúp tối ưu hóa quá trình phân tích và ứng dụng trong công nghiệp hóa chất.
Nội suy từ bảng số liệu IX.2a (Sổ tay II-trang 148) với x tb =0.409 ta có ttb.732 :
Nội suy từ bảng số liệu I.2 (Sổ tay I- trang 10) với ttb 732 : ρ 1 = 734.305 ; ρ 2 = 971.488
Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha lỏng :
Ta có : x’1=0.0029 (phần khối lượng)
Nội suy từ bảng số liệu IX.2a (Sổ tay 2-trang 148) với x ' tb =0.104 ta có ttb.368 :
Nội suy từ bảng số liệu I.2 (Sổ tay 1-trang 10) với t tb 368 : ρ 1 = 728.950 ( kg m 3 ) ; ρ 2 = 967.542 ( kg m 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 :
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi tính theo nhiệt độ trung bình (kg/m 3 )
h :khoảng các giữa các đĩa (chọn theo đường kính của tháp) (m)
: hệ số tính đến sức căng bề mặt :
*Đoạn luyện ρ xtbL = 813.776 ( kg m 3 ) ρ ytbL = 1.156 ( m kg 3 )
Nội suy từ bảng I.242 – trang 301 – Tập 1 với t xtbL 732 0 C ta có: σ e 234 ( dym cm ) σ n b.079 ( dym cm )
Sức căng bề mặt trung bình:
1 σ tbL = a tb σ etylic + 1 − a tb σ nước = 0.60
Chọn h=0.25 theo sổ tay hóa công 1- trang 184
*Đoạn chưng: ρ xtbC 8.096 ( m kg 3 ) ρ ytbC = 0.839 ( m kg 3 )
Nội suy từ bảng I.242 – trang 301 – Tập 1 với t xtbC 368 ° C ta có: σ e 727 ( dym cm ) σ nước a.149 ( dym cm )
Sức căng bề mặt trung bình:
1 σ tbC = a tb σ etylic + 1 − a tb σ nước = 0.104
3.5.4 Đường kính đoạn chưng, đoạn luyện
Lấy đường kính chuẩn là 0.8 m
3.6 Vận tốc thực tế của hơi đi trong tháp
Chiều cao của tháp được xác định theo công thức (IX.54)(II,trang 169) :
H = Ntt(Hđ +δ) + (0.8 ÷1.0) (m) Trong đó : :Số đĩa thực tế là 18 đĩa với NC = 12 ; NL=6
Chiều dày của đĩa, chọn δ = 2 ( mm )= 0 002 ( mm )
: khoảng cách giữa các đĩa (m),
Theo bảng IX.4a, trang 169-Tập II; với =0.3-0.35 (m) ta chọn =0,3 (m)
: là khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp
Chiều cao của đoạn chưng :
H c = N ttC ( H đ + δ ) + 0 , 8 = 12× ( 0.3 + 0.002 )+ 0.8 = 4.424 ( m ) Chiều cao của đoạn luyện :
-Chiều cao phần lồi : h b = 0.25Dt = 0.25 × 0,8 = 0.20 (m) ( theo sổ tay hóa công 2- trang 236 )
TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN
4.1 Tính số chóp và kích thước cơ bản của chóp Đường kính ống hơi của chóp thường chọn: 50; 75; 100; 125; 150mm, chọn dh = 0.06m
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
* Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi h2 = 0.25 dh ( theo sổ tay hóa công II- trang 236 )
Quy chuẩn : dch= 90 mm 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× 9.246 2 × 0.839 9.81 × 908.096 =0.016 ( m)
Chiều cao khe chóp đoạn luyện: b= 2× 9.009 2 × 1.156 9.81 × 813.776 =0.024 ( m)
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 :
GtbC : Lưu lượng lỏng đi trung bình đi trong tháp (kg/h)
ρ xC : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng (kg/m 3 )
z: Số ống chảy chuyền ; chọn z=1
ωc: Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền, chọn ωc= 0.2(m/s) ( ωc=0.1-0.2 m/s )
*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 = 2759.379 908.096 =3.039 ¿/h) ¿ √ 3 ( 3600 × 1.85 3.039 × π ×0.085 ) 2 =0.014 (m) = 14mm hc =(30+16+15) -14= 47 (mm)
Chọn hcG mm -Đoạn luyện:
Thể tích chất lỏng chảy qua:
Chọn hl= 65 mm Quy chuẩn: h= 65 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 + 0.25×90 5 mm
*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)
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 tháp làm việc chịu áp suất môi trường Py=0.3×10 6 N/m 2
Vì D t =0.8 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
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)
4.3.2 Ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp
- Lượng hỗn hợp đầu vào tháp là: GF000 (kg/h)
- Nhiệt độ của hỗn hợp đầu: tF= 83.095
Theo bảng I.2-I-9, áp dụng phương pháp nội suy theo t=tF= 83.095 o C: ρ 1 s2.060 ( kg m 3 ) , ρ 2 = 969.834 ( m kg 3 )
- Nồng độ khối lượng của hỗn hợp đầu là: aF= 0.40
- 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 I-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 = √ 9.708 0.785 × ×0.3 10 −4 = 0.064 ( m )
Tốc độ thực tế của hỗn hợp đầu: w tt = V
4.3.3 Ống dẫn hơi đỉnh tháp
Lượng sản phẩm đỉnh D B.755 (kmol/h)
Lượng hồi lưu Gx= R×D= 0.332×42.755 = 14.195 (kmol/h)
*Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp : g đ =G x + D.195+ 42.755V.95 ( kmol h )
Nhiệt độ của hơi đỉnh tháp: t D y.36
→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 0.457 × 15 =0.197 ( m)
→ Tốc độ thực tế của hơi đỉnh tháp: w tt = V
Lượng hỗn hợp đáy tháp là: Gw = 1500.938 (kg/h)
Nhiệt độ của hỗn hợp đáy: t W 964
Theo bảng I.2-9-I, sổ tay 2, áp dụng phương pháp nội suy theo t=tW.964 o C: ρ 1 q6.034 ( m kg 3 ) , ρ 2 8.025 ( m kg 3 )
Nồng độ khôi lượng của sản phẩm đáy là: aW= 0.0005
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 = √ 4.353 0.785 × ×0.3 10 −4 = 0.043 ( 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 :
Khối lượng riêng của hơi ngưng tụ hồi lưu được tính dựa trên nhiệt độ và các giá trị của rượu và nước tại nhiệt độ 79.36°C, với ρ₁ là 5.608 kg/m³ và ρ₂ là 972.448 kg/m³ Công thức tính khối lượng riêng của hơi ngưng tụ hồi lưu là ρ_R = (a ρ_D1 + (1 – a) ρ₂)⁻¹, trong đó hệ số a là 0.80 Kết quả tính toán cho ra khối lượng riêng của hơi ngưng tụ hồi lưu là khoảng 3.274 kg/m³, giúp xác định chính xác độ đặc của hơi theo các tiêu chuẩn kỹ thuật.
→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 = √ 1.785 0.785 × × 10 0.3 −4 = 0.028 ( 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 chl = π d c L 2
2 =2.690 x 10 −3 z=1 ống * : diện tích mặt cắt ngang của ống hơi
*z: Số ống chảy truyền trên mỗi đĩa, chọn: z=1
Số ống hơi trên mỗi đĩa n ống
TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT
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)
C1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng, C1B45 (J/kg.độ) ( theo sổ tay hóa công 1- trang 166 )
5.1.2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào
GF: Lượng hỗn hợp đầu(kg/h), GF= 3000 (kg/h) t f : 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:
Ce= 2537.5 J/kg.độ Cn= 4178.75 J/kg.độ Nồng độ khối lượng hỗn hợp đầu: a F = 0.4
5.1.3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra
: Nhiệt độ của hỗn hợp đầu sau khi đun nóng (℃): 095 ℃
: 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.095 ℃,ta có:
Ce = 3266.425 (J/kg.độ), Cn = 4196.19 (J/kg.độ)
Nồng độ hỗn hợp đầu: aF = 0.4
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 =GD×Rx99.062×0.332= 497.689 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 D = X D =0.610
: Nhiệt dung riêng của lượng hơi lỏng hồi lưu (J/kg.độ)
=> Theo (II.146), nội suy ta có: tR = tD = 79.36 0 C
Theo bảng số liệu nhiệt dung riêng: bảng I.153 và bảng I.154 (sổ tayQT&TBCNHC1) trang 172 ở nhiệt độ ty.36 ℃, ta có:
C e 212 (J/kg.độ) Cn = 4190 (J/kg.độ)
Nồng độ lượng lỏng hồi lưu bằng nồng độ sản phẩm đỉnh:a R =aD = 0.80
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 ty.36 ℃,ta có
Ce212 (J/kg.độ) Cn = 4190 (J/kg.độ)
→Theo bảng số liệu bảng I.263 và bảng I.250 (sổ tay QT&TBCNHC1) trang 312-324
Nội suy ta có: r1 = 824452 (J/kg), r2 = 2311408 ( J/kg)
{ λ 1 4452+3212 ×79.36 79356.32 ( kg J ) λ 2 = 2311408 + 4190 × 79.36 = 2643926.4 ( kg J ) a : Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh a = aD = 0.8 λ d = 1079356.32 × 0.8 + 2643926.4 × ( 1 − 0.8 )= 1392270.08 ( kg J )
5.2.4 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra
GW: Lượng sản phẩm đáy (kg/h), GW= 1500.938 (kg/h)
: Nhiệt độ của lượng sản phẩm đáy (℃), tW= 99.964 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
Ce= 3519.46 (J/kg.độ) Cn = 4229.928 (J/kg.độ)
Nồng độ sản phẩm đáy là : aW = 0.0005
Cw= Ce.aw + Cn.(1-aw) = 4229.573 (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):
G D (Rx + 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 D y.36 ℃
Theo bảng số liệu bảng I.250 và bảng I.263 (sổ tay QT&TBCNHC1) trang 312-324
Nội suy ta có: r1 = 824452 (J/kg) r2 = 2311408 (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:
+ : 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 = 79.36 ℃
Nhiệt độ ra của sản phẩm lấy là: ℃ t ' tb R.18 0 C
CD: 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 tR.18 ℃ ta có:
Ce= 2868.34 (J/kg.độ) Cn A84.135 (J/kg.độ)
Nồng độ sản phẩm đỉnh: a D =0.8
Lượng nước lạnh cần thiết là:
Dưới đây là các câu chính thể hiện ý nghĩa của đoạn văn đã được tối ưu hóa theo chuẩn SEO:"Tôi đã hoàn thành nhiệm vụ thiết kế tháp đĩa chưng luyện cồn dựa trên các thông số kỹ thuật: lưu lượng nguyên liệu G F = 3000 Kg/h, nồng độ sản phẩm đỉnh a D = 0,8, nồng độ xả đáy a W = 0,0005, nồng độ nguyên liệu a F = 0,4, và nồng độ cồn đo tại 25°C." "Trong quá trình thực hiện, tôi đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm và rút ra các nhận xét quý giá về quá trình tính toán và thiết kế tháp đĩa chưng luyện cồn." "Nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo, tôi đã hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ thiết kế theo yêu cầu đề tài: Tính toán, thiết kế tháp đĩa chưng luyện cồn lưu lượng nguyên liệu 3000 Kg/h."
Đối với hệ Nước-Etanol là hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol.
Dựa trên lượng nguyên liệu G F = 3000 Kg/h, thiết kế tháp chưng cất ethanol với đường kính 800mm là phù hợp Chiều cao đoạn chưng là 2612mm, trong khi đoạn luyện đạt 4424mm, đảm bảo hiệu quả quá trình tinh luyện Mỗi đĩa trong tháp có 18 ống hơi cùng với 1 ống chảy truyền, tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt Mặc dù lý thuyết tính số đĩa cần là 7 đĩa, thực tế lại cần đến 18 đĩa để đạt yêu cầu chất lượng và năng suất mong muốn.
Tháp chóp này tiêu tốn khá nhiều hơi đốt cho thiết bị gia nhiệt và nước làm lạnh cho thiết bị ngưng tụ.
Thiết kế đồ án môn học không chỉ giúp củng cố kiến thức về quá trình chưng cất mà còn nâng cao kỹ năng tra cứu, tính toán và trình bày theo phong cách khoa học Nó còn giúp phát triển khả năng nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống, từ đó cải thiện tư duy kỹ thuật và nâng cao năng lực giải quyết các bài toán liên quan đến quá trình chuyển đổi khối.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Minh Hệ đã hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện đồ án này, giúp tôi có thêm kiến thức và kinh nghiệm Dù đã cố gắng hoàn thành tốt nhiệm vụ, nhưng do hạn chế về tài liệu, khả năng nhận thức và kinh nghiệm thực tế, tôi xin lỗi những sai sót có thể mắc phải trong quá trình thiết kế.
Em mong các thầy xem xét và chỉ bảo giúp em.
Em xin chân thành cảm ơn!
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.Trần Xoa, TS.Nguyễn Trọng Khuông, 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.Trần Xoa, PGS.TS.Nguyễn Trọng Khuông, TS.Phạm Xuân Toản ,
Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật.
4 PGS.TS Nguyễn Đình Thưởng, TS Nguyễn Thanh Hằng, Công nghệ sản xuất và kiểm tra cồn etylic, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật,
PHỤ LỤC Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết:
