Thiết kế tháp chưng cất hệ etanol nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu 2000 kgh có nồng độ 20% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 80% mol etanol với

LỜI MỞ ĐẦU Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản. Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản suất hoặc nhu cầu sử dụng. Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ Etanol Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol. Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư hoá thự c phẩm tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 2000 kgh có nồng độ 20% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 80% mol etanol với độ thu hồi etanol là 99%. Đây là lần đầu tiên tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế hệ thống tháp chưng cất mang tính chất đào sâu chuyên ngành,do kiến thức và tài liệu còn hạn chế nên em không thể tránh khỏi sai sót trong quá trình thiết kế . Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của GVHD và quí thầy cô bộ môn các bạn sinh viên để em có thể hoàn thành tốt đồ án này

LỜI MỞ ĐẦU

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành côngnghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệphóa học Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản

Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sảnphẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiếtcao phải phù hợp với quy trình sản suất hoặc nhu cầu sử dụng

Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết:trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sảnphẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Etanol -Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất đểnâng cao độ tinh khiết cho Etanol

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tínhtổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư hoá- thự c phẩm tươnglai Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêucầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất

- thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức

đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế mộtcách tổng hợp

Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nướchoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 2000 kg/h có nồng độ 20% moletanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 80% mol etanol với độ thu hồietanol là 99%

Đây là lần đầu tiên tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế hệ thống tháp chưngcất mang tính chất đào sâu chuyên ngành,do kiến thức và tài liệu còn hạnchế nên em không thể tránh khỏi sai sót trong quá trình thiết kế Em xinchân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của GVHD và quí thầy cô

bộ môn các bạn sinh viên để em có thể hoàn thành tốt đồ án này

Huế, ngày 16 tháng 11 năm 2010

Sinh viên

PHẦN I: TỔNG QUAN

1 Những yêu cầu của đồ án:

 Hiểu được cách tra cứu sổ tay Những số liệu liên quan đến hỗnhợp etanol – nước như khối lượng riêng, nhiệt độ sôi,độ nhớt, nhiệt dungriêng…của từng cấu tử để xử lý số liệu ban đầu mà đồ án đề ra

 Hiểu được cách xây dựng một quy trình công nghệ sản xuất, hiểuđược cách thức vận hành sử chữa và bảo dưỡng thiết bị của dây chuyền đó

 Tính toán và thiết kế một thiết bị (tháp chưng cất và các thiết bịphụ) Bao gồm việc tính toán công suất thiết bị sao cho thích hợp với yêucầu đồ án Nghiên cứu và đề ra cá cách khắc phục nếu có sự cố trong cácđiều kiện vận hành khác nhau cũng như các yếu tố an toàn trong sản xuất

 Biết cách thiết lập một bản vẽ kỹ thuật và hiểu đúng các chi tiếttrong bản vẽ

2 Sơ lược về lý thuyết chưng luyện:

Trong các ngành công nghệ để phân riêng, hỗn hợp 2 hay nhiều cấu

tử hòa tan một phần hay hoàn toàn vào nhau, ta có thể sử dụng nhiềuphương pháp khác nhau như hấp thụ, hấp phụ, trích ly, chưng cất… Mỗiphương pháp đều có những đặc thù riêng và có ưu nhược điểm nhất định.Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị cho phù hợp tùy thuộc vào hỗn hợpban đầu, yêu cầu sản phẩm và điều kiện kinh tế

Đối với hỗn hợp etylen – nước là hỗn hợp 2 cấu tử hòa tan hoàn toànvào nhau có nhiệt độ sôi khác biệt nhau ở cung một điều kiện áp suất.Phương pháp tối ưu để tách hỗn hợp này là chưng cất Phương pháp nàydựa vào độ bay hơi khác nhau giữa các cấu tử bằng cách thực hiên quátrình chuyển pha và trao đổi nhiệt giữa 2 pha lỏng – khí Sản phẩm thuđược ở đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần cấu tử có độ bayhơi thấp hơn (chủ yếu là etanol và một phần là nước) Và sản phẩm đáy thuđược chủ yếu là cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi(chủ yếu

là nước một phần là etamol)

3 Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều

có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều nàyphụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vaò lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớnnhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước củatháp: đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, phakhí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm Ta khảo sát 2 loại tháp chưngcất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

 Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các

mâm có cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau,trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạocủa đĩa, ta có:

* Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chép dạng: tròn, xú bắp, chữ s…

* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính 12mm)

(3- Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với

nhau bằng mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một tronghai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

* So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :

Tháp chêm

Tháp mâm xuyên

Ưu điểm: - Đơn giản

- Hiệu suất tương đốicao - Hiệu suất cao

- Trở lực thấp

- Hoạt động khá ổnđịnh

- Hoạt động ổnđịnh

- Làm việc với chấtlỏng bẩn

Nhược

điểm:

- Hiệu suấtthấp - Trở lực khá cao - Cấu tạo phức tạp

- Độ ổn địnhkém

- Yêu cầu lắp đặtkhắt khe -> lắp đĩathật phẳng - Trở lực lớn

- Thiết bị nặng

- Không làm việcvới chất lỏng bẩn.Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm

và tháp mâm chóp Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ

Vậy để Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt

động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp

4.Giới thệu nguyên liệu:

Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol - Nước

a Etanol : (Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm).

Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46đvC Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước

 Một số thông số vật lý và nhiệt động của etanol:

+ Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đươngvới nước Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơđều tạo ra ester

CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O

CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 CH3-COO-C2H5 + H2O

* Phản ứng trên nhóm hydroxyl:

+ Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O+ Tác dụng với Triclo Phốt pho:

Lạnh

H +

Sơ đồ tóm tắt vị trí của etanol trong các ngành công nghiệp.

 Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol:hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester

+ Thuốc súng không khói + Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay.

của etanol khi đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoáaldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ kim…

Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từnguồn tinh bột và rỉ đường Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sảnsuất etanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae

để lên men tinh bột:

C6H6O6 C C2 H5OH + 2CO2 + 28 Kcal

Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO2

5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acidsucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ(lactic, butylic…)

y hơi (chủ yếu là nước một phần etanol)

Trong điều

b Nước:

kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không

vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt

Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:Khối lượng phân tử : 18 g/mol

Khối lượng riêng : 1g/ml

Nhiệt độ nóng chảy : 00C

Nhiệt độ sôi : 1000 C

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất

là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và

là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học

5 Công nghệ chưng cất hỗn hợp etanol-nước:

Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,30C

ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg: hơi cách biệtkhá xa nên phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao làphương pháp chưng cất

Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì cáccấu tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng

Nấm men Zymaza

như phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làmcho quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn

* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – nước:

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

11 Bồn chứa nguyên liệu

12 Kênh phân phối

13 Van xả khí không ngưng

14 Bồn chứa sản phẩm đáy

15.Áp kế

* Thuyết minh qui trình công nghệ:

Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 15% (theo phân mol),nhiệt độ khoảng 270C tại bình chứa nguyên liệu (11) được bơm(1) bơm lênbồn cao vị (2) Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (3) (trao đổi nhiệtvới sản phẩm đáy) Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi Sau đóhỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (5) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất củatháp chảy xuống Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trênxuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏngchuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ cáccấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (9) lôi cuốn cấu tử dễbay hơi.Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dướilên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trênđỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều nhất (có nồng

độ 80% phân mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (6) và được ngưng tụhoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩmđỉnh (7), được làm nguội đến 300C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩmđỉnh (8) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp ở đĩatrên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấpđược bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càngtăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tửkhó bay hơi ( nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ etanol là 0,0032%phân mol, còn lại là nước Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun(9) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại chotháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi nhiệtvới dòng nhập liệu (sau khi qua bồn cao vị).

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩmđáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ

PHẦN II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I THÔNG SỐ BAN ĐẦU:

F: lượng hỗn hợp đầu (kg/ngày) hoặc (kg/h)

P: lượng sản phẩm đỉnh (kg/ngày) hoặc (kg/h)

W: lượng sản phẩm đáy (kg/ngày) hoặc (kg/h)

aF: nồng độ phần khối lượng của Etanol trong hỗn hợp đầu

aP: nồng độ phần khối lượng của Etanol trong sản phẩm đỉnh

aW: nồng độ phần khối lượng của Etanol trong sản phẩm đáy

xF: nồng độ phần mol của Etanol trong hỗn hợp đầu

xP: nồng độ phần mol của Etanol trong sản phẩm đỉnh

xW: nồng độ phần mol của Etanol trong sản phẩm đáy

Kí hiệu A: Etanol với MA = 46

B: Nước với MB = 18

Theo yêu ban đầu F = 2.103 kg/h = 90,09 kmol/h

II TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU

2.1 Công thức liên hệ nồng độ phần mol & nồng độ phần khối lượng

Thành phần mol trong hỗn hợp đầu:

B

F A

F A F F

M

a M

a M

a x

* 46

15 , 0

* 46 18

) 1 ( 46

F F

x x

P A P P

M

a M

a M

a x

8 , 0 46 18

) 1 ( 46

P P

x x

x a

 Cân bằng vật chất cho toàn tháp:

F = P + W  2.103 = P + W (1)

 Cân bằng cấu tử etanol (cấu tử nhẹ):

F.xF = P.xp + W.xW  90,090,15 = P0,8 + WxW (2)

Với : n: số cấu tứ của hỗn hợp

xi: phần mol của cấu tử i

Mi: khối lượng mol của cấu tử i

Trong hỗn hợp đầu:

MF = xFMA + (1 - xF)MB = 460,15 + (1 - 0,15)18 =22,2 kg/kmol

Trong sản phẩm đỉnh:

MP = xPMA + (1 - xP)MB = 460,8 + (1 - 0,8)18 = 40,4 kg/kmol

Trong sản phẩm đáy:

MW = xWMA + (1 - xW)MB = 460,0032 + (1 - 0,0032)18 =18,09 kg/kmol

Bảng 1: thành phần khối lượng mol và khối lựong:

Phần khối lượng Phần mol

Lưu lượng (kg/h)

Lưu lượng (kmol/h)

2.3 Thành phần pha của hỗn hợp 2 cấu tử Etanol - Nước

Dựa vào (Bảng IX.2a, trang 135, [2]) thành phần cân bằng lỏng x, hơi

y tính bằng % mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử ở 760 mmHg

y(%phân

mol) 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100t(oC)

100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4

Từ bảng số liệu trên ta vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y và vẽ đồ thị t-x,y

Hệ Etanol -Nước

Gọi yF, yP, yW là nồng độ phần mol của pha hơi cân bằng với phalỏng trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

tF, tP, tW: nhiệt độ sơi của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

Bằng phương pháp nội suy và dụa vào đồ thị ta có kết quả sau:

Sản phẩm x (phần mol) y (phần mol) t 0 điểm sôi

III TÍNH TOÁN CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP

3.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện:

3.1.1 Đoạn luyện:

Ta có phương trình cân bằng vật liệu đối với đoạn luyện:

GY = GX + PVới:

GY: Lưu lượng pha hơi đi từ dưới lên (kmol/h)

GX: Lưu lượng lỏng hồi lưu từ trên xuống (kmol/h)

P: Lưu lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)

Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử dễ bay hơi:

Gy.yn+1 = Gx.xn + P.xp

Suy ra: Y n x x D x P

P

G y P

x n

R

x x R

R y

(CT IX.20, trang144, [2])

Do đó phương trình đường nồng độ làm việc có dạng:

yn+1 = A.xn + B (CT IX.21, trang 158, [2])

Với   1,  x 1

P x

x

R

x B R

Gx’ = Gy + F lượng lỏng trong đoạn chưng từ trên xuống W: lưu lựợng sản phẩm đáy (kmol/h)

F: lưu lượng hỗn hợp đầu (kmol/h)Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử Axeton:

Gx’.x’

n = Gy.y’

n+1 + W.xW

Suy ra x w

n x

x

R

L x R

L R y

1

1 1

(CT IX.23, trang 158, [2])Hai đường làm việc này cắt nhau tại điểm có hoành độ x = xF

3.2.Xác định số bậc thay đổi nồng độ :

3.2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu :

Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol-Nước có điểm uốn, nên xác định tỉ

số hồi lưu tối thiểu bằng cách:

 Trên đồ thị cân bằng x-y, từ điểm (0,85; 0,85) kẻ một đường thẳng tiếptuyến với đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điểm có yo = 0,26

 Theo phương trình đường làm việc đoạn chưng, khi xo =0 thì:

0 , 276

1 min

Vẽ đường làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng Đường làm việccủa đoạn luyện qua điểm M(x, y) với x = y = xp và điểm B trên rục tung đãđược xác định Đường làm việc của đoạn chưng qua điểm N (x, y) với x =

y = xW và cắt đường làm việc của đoạn luyện tại điểm có hoành độ xF Vớimỗi đường làm việc, ta xác định được số bậc thay đổi nồng NL bằng đồ thịx–y như sau:

Trên đồ thị x–y vẽ đường cân bằng, từ điểm M vẽ đường thẳng songsong với trục hoành cắt đường cân bằng tại một điểm, từ giao điểm này vẽđường thẳng song song với trục tung nó cắt đường cân bằng tại một điểm,

cứ tiếp tục như vậy cho đến khi tới điểm N Đếm số bậc thay đổi nồng độ

NL trên đồ thị Với mỗi bậc thay đổi nồng độ ứng với một ngăn của thiết bịgọi là số ngăn lý thuyết.

Trong thực tế số ngăn của thiết bị lớn hơn số ngăn lý thuyết do điềukiện chuyển khối chưa được tốt Vì vậy số ngăn thực tế phải được điều chỉnh

Dựa vào đồ thị xác định số bậc thay đổi nồng độ ta có kết quả sau :

NLT: số bậc thay đổi nồng độ hoặc số đĩa lí thuyết

ηtb: hiệu suất trung bình của thiết bị

tb

3 2

Tính α, μ tại 3 vị trí: đĩa nạp liệu, đỉnh và đáy tháp

Tại đĩa nạp liệu: xF = 0,15 ; y*

F =0,487

F

F F

F F

x

x y

15 , 0 1 487 , 0 1 487 , 0

P P

x

x y

8 , 0 1 818 , 0 1

818 , 0

W W

x

x y

0032 , 0 1 021 , 0 1

021 , 0









Vậy số đĩa thực tế Ntt = Nlt / tb  13 / 0,46 = 29 đĩa

 Ta lấy số đĩa thực tế: Ntt =29 đĩa

Trong đó:

Số đĩa thực tế của đoạn luyện: 24 đĩa

Số đĩa thực tế của đoạn chưng: 4 đĩa

Đĩa nhập liệu : 1đĩa

PHẦN III: TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượnghơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu, đun bốc hơi ở đáy tháp cũng nhưxác định lượng nước làm lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ làm lạnh.Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nhiên liệu rẻ tiền, phổbiến trong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ

Sơ đồ:

Sơ đồ cân bằng nhiệt lượngCác ký hiệu:

QD1: Nhiệt độ do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng, J/h

Qf : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun nóng, J/h

QF : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng haymang vào tháp chưng luyện, J/h

Qm1: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị đun nóng, J/h

Qxq1: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh, J/h

QD2: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào cần đun nóng sản phẩm đáy, J/h

QR: Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào, J/h

Qy: Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp, J/h

QW: Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp, J/h

Qm2: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi tháp, J/h

Qxq2: Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh, J/h

I CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THIỆT BỊ ĐUN NÓNG

Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng

QD1 + Qf = QF + Qm1 + Qmxq1 (CT IX.149, 196, [2])Trong đó:

QD1 = D1λ1 = D1(r1 + θ1C1) J/h (CT IX.150, 196, [2])Với:

D1: lượng hơi đốt mang vào, kg/h

λ1: hàm nhiệt của hơi nước, J/kg

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, J/kg

θ1: nhiệt độ của nước ngưng

C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg độ

1

95 , 0

)

(

95 ,

t C t C F r

Q Q

D  F  f  F F  f f (CT IX.155, 197, [2])

Tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu

, 0

30 2 , 3944 85

, 84 03 , 3910 10

D2: lượng hơi nước cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp, kg/h

λ2: hàm nhiệt của hơi nước bão hòa, J/kg

r2: ẩn nhiệt hóa hơi của hoi nước, J.kg

θ2: nhiệt độ của nước ngưng,0C

C2: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg độ

2.3 Nhiệt lượng lỏng hồi lưu mang vào

QRx = GxCxtx = PRxCxtx (CT IX.158, 197, [2])

tx = tp = 78,60C

Cx78,6: nhiệt dung riêng hỗn hợp sau khi ngưng tụ sản phẩm đỉnh(J/kg độ)

Cx78,6 được tính theo công thức sau:

2.4 Nhiệt lượng do hơi mang ra

Qy = Gyλhh = P(Rx + 1)λhh (CT IX.159, 197, [2])

Nhiệt độ hơi tại đỉnh tháp 78,60C

λhh: nhiệt lượng riêng của hỗn hợp hơi ở đỉnh tháp

λhh = λ1aP + (1 - aP)λ2 = rP + CP78,6 tP

λ1: hàm nhiệt của nước ở 78,60C

λ2: hàm nhiệt của Etanol ở 78,50C

CP78,6: nhiệt dung riêng của hỗn hợp ra khỏi tháp ở nhiệt độ 78,50C

CP78,6 = aPCA78,6+(1 - aP)CB78,6 = 0,913203 + (1-0,91)4190 =3291,8 J/h

J/kg

Vậy:

Qy = P.(Rx + 1).λhh = 670,6(1,99 +1)1234,93.103 = 2,476.109 J/h

2.5 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra:

QW = W.CW.tW (J/h) (CT IX.160, 197, [2])

CW: được xác định theo công thức: CW99,94 = CA99,94aW – CB99,94(1 – aW)

CA,CB: tra (Bảng I.153, 171, [1]) bằng phương pháp nội suy ở 99,940C

CA99,94 = 3519 J/kgđộ

CB99,94 = 4229,9 J/kgđộ

Suy ra: CW = 35190,008 + 4229,9( 1 – 0,008) = 4224,2 J/kgđộ.Vậy: QW = 1329,64224,299,94 = 561,313.106. J/h

2.6 Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh

95 ,

0 r

Q Q Q

Q

D Y  w  F  Rx

6 10 28 , 345 6 10 5 , 663 6 10 313 , 561 9 10 476 , 2

III CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ

Sử dụng thiết bị hồi lưu:

P.Rx.r = Gn1.Cn.(t2 – t1) (CT IX.164, 198, [2])Với:

1 t t

2 40 25

Cn = 4181 (J/kgđộ)

Lượng nước lạnh tiêu thụ cần thiết Gn1:

) 1 2 (

1

.

C n

r

R x P

) 25 40 ( 4181

3 10 11 , 983 99 , 1 6 , 670

t t

t t

t tb

1 2

' 2 ' 1

) 1 2 (

) ' 2 ' 1 (

) 25 5 , 78 ( 3218

* , 670 3 10 11 , 983 6 , 670

) ( 0188 , 0

1.1 ĐƯỜNG KÍNH ĐOẠN LUYỆN

1.1.1.Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn luyện:

gtb =

2 1

g

g đ 

(CT IX.91, 181, [2])

gd: lượng hơi ra khỏi tháp ở đĩa trên cùng (kg/h)

g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h)

Áp dụng phương trình cân bằng vật liệu, nhiệt lượng cho đĩa thứ nhấtcủa đoạn luyện:

g1 = G1 + Gp (CT IX.93, 182, [2])

g1y1 = G1x1 + Gpxp (CT IX.94, 182, [2]) (1)

g1r1 = gđrđ (CT IX.95, 182, [2])

Với: y1: hàm lượng hơi của đĩa thứ nhất đoạn luyện

x1: hàm lượng lỏng ở đĩa thữ nhất đoạn uyện

Trong các phương trình trên ta xem x1 = xF

r1, rđ: ẩn nhiệt hóa hơi hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất và đi ra khỏi tháp

(CT IX.92,181, [2])

* Tính r1 : t1 = tF = 86,5oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập1)] ta có :

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước : rN = 51507 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu : rR= 18701 (KJ/kmol)

Suy ra : r1 = rR1.y1 + (1-y1).rN1 = 51507 – 32804.y1 (KJ/kmol)

* Tính rd : tD = 78,5oC , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có :

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước : rN = 94778 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu : rR = 34235 (KJ/kmol)

, 2005





(Kg/h)1.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp

ytb

xtb gh





  0 , 05

Với 'xtb : khối lượng riêng trung bình cuả pha lỏng (Kg/m3)

'ytb : khối lượng riêng trung bình cuả pha hơi (Kg/m3)

273 18 1 46

ytb

t

y y

=81,73oCSuy ra: ytb =1,177 (Kg/m3)

tb tb

x x

x x

Suy ra : gh  0 , 05 7331,177,39=1,252 (m/s)

Để tránh sự tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

252 , 1 8 , 0

1.2 Đường kính đoạn chưng

1.2.1 Lưu lượng hơi trung bình đoạn chưng

Được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi ra khỏi đoạnchưng và lượng hơi đi vào đoạn chưng:

g’tb= 2

' 2

' ' g1 g1 g1

1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện do đó:

g’

n = g1 = 1543,34 kg/h = 55,91kmol/hLượng hơi đi vào đoạn chưng g’

1, lượng lỏng G’

1 và hàm lượng hơitrong đoạn chưng được xác định bằng phương trình cân bằng vật liệu vànhiệt lượng:

* Tính r’1: xW =0,0032 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0,021Suy ra: Mtbg’ =46.yW +(1-yW).18

=46.0,021 + (1 – 0,021).18 = 18,59 (kg/kmol)

t’1 = tW = 99,94oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r’N = 40868 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: r’R = 14701 (KJ/kmol)

Suy ra : r’1 = r’R1.yW + (1-yW).r’N1)

=14701.0,021 + (1 – 0,021).40868 = 40318,5

Vậy : g’tb = 1282 , 67

2

1022 34

, 1543





(Kg/h)

b Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp :

ytb

xtb gh

'

' 05 , 0 '





Với 'xtb : khối lượng riêng trung bình cuả pha lỏng (Kg/m3)

'ytb : khối lượng riêng trung bình cuả pha hơi(Kg/m3)

273 18 ' 1 46 ' '

ytb

t

y y

=0,182+ Nhiệt độ trung bình của đoạn chưng:

=92,395oCSuy ra : ’ytb =0,768 (Kg/m3)

tb tb

x x

x x





t’tb = 92,395oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :

Khối lượng riêng của nước: ’N = 963,32(Kg/m3)

Khối lượng riêng của rượu : ’R = 723,22(Kg/m3)

Suy ra: ’xtb =

1 '

' 1 '



 = 910,23 (Kg/m3)

Suy ra:  'gh 0 , 05 9100,768,23= 1,721 (m/s)

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

721 , 1 8 , 0 ' 8

Kết Luận : Hai đường kính đoạn luyện và đoạn chưng không chênh

lệch nhau lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là Dt = 0,800 (m).Khi đó tốc độ làm việc thực ở:

+ Phần luyện: lv =0,0188. . 0,01880,82..11774,177,22 0,832

2 2

2





ytb t

tb D

g

768 , 0 8 , 0

67 , 1282 0188 , 0 '

.

' 0188 , 0

2

2 2

2





ytb t

tb D

g

II TÍNH TRỞ LỰC CỦA THÁP

2.1 Cấu tạo mâm lỗ

+ Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:

- Tiết diện tự do bằng 9% diện tích mâm

- Đường kính lỗ dl = 5 mm = 0,005 m

- Chiều cao gờ chảy tràn: hgờ = 50 mm = 0,05 m

- Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm

- Lỗ bố trí theo hình lục giác đều

- Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 25 mm

005 , 0

8 , 0 09 , 0 09

, 0

m

d

D S

Số lỗ trên đường chéo: b = 2*37 - 1 = 73 lỗ

2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm:

Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm chất lỏng ) là tổngcác độ giảm áp của pha khí qua mâm khô và độ giảm áp qua pha lỏng :

htl = hk + hl + hR (mm.chất lỏng)

Với : + hk : độ giảm áp qua mâm khô (mm.chất lỏng)

+ hl : độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm.chất lỏng).+hR : độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm.chất lỏng)

Trong tháp mâm xuyên lỗ gradien chiều cao mức chất lỏng trên mâm 

là không đáng kể nên có thể bỏ qua

a Độ giảm áp qua mâm khô :

Độ giảm áp qua của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổnthất áp suất do dòng chảy đột thu đột mở và do ma sát khi pha khí chuyểnđộng qua lỗ

L

G o

o L

G o

o

k

C

u g

0,51

.2

Với : + uo :vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s)

+ G : khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m3)

+ L : khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3)

+ Co :hệ số orifice ,phụ thuộc vào tỉ số tổng diện tích lỗ với diện tíchmâm và tỉ số giữa bề dày mâm và đường kính lỗ



=0,6 Tra tài liệu tham khảo[1 – trang111] : Co = 0,74

 Đối với mâm ở phần luyện:

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : uo =9%lv 00,832,09

=9,24 (m/s)

+ Khối lượng riêng của pha hơi : G = ytb = 1,177 (Kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng : L = xtb = 733,39 (Kg/m3)

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất :

39 , 733

177 , 1 74 , 0

24 , 9 0 ,

 Đối với mâm ở phần chưng:

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ: u’o =9%'lv 00,922,09

=10,24 (m/s)

+ Khối lượng riêng của pha hơi: ’ = ’ = 0,768 (Kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng: ’L = ’xtb = 910,23 (Kg/m3).

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng:

23 , 910

768 , 0 74 , 0

24 , 10 0 ,

b Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm:

Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm dolớp chất lỏng trên gờ chảy tràn hw, chiều cao của lớp chất lỏng trên gờ chảytràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm  :

hl = .( hw + how ) , (mm.chất lỏng)

Chọn : + hệ số hiệu chỉnh :  = 0,6

+Chiều cao gờ chảy tràn : hw = 50 (mm)

Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từphương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng:

3

4 ,

L

q

h , (mm.chất lỏng)

Với : + qL : lưu lượng của chất lỏng (m3/ph)

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

Với: no : góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn Lw

M D R q

436 , 0 03 , 0 4 ,

308,18.32,129'

.60

.' 1 '

M G q

Suy ra:

436 , 0 043 , 0 4 , 43

h

.

Với : +  : Sức căng bề mặt chất lỏng(dyn/cm)

+ L : khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3)

 Phần cất:

* Khối lượng riêng của pha lỏng : L = xtb = 733,39 (Kg/m3)

* ttb = 81,73oC ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :

+ Sức căng bề mặt của nước: N = 62,23 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của rượu: R = 17,12 (dyn/cm)

Suy ra : Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần luyện:

414 , 13

* Khối lượng riêng của pha lỏng: ’L = ’xtb = 910,23 (Kg/m3)

* t’tb = 92,395oC ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :

+ Sức căng bề mặt của nước : ’N = 60,306 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của rượu : ’R = 16,18 (dyn/cm)

Suy ra: Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng:

757 , 12 54