Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử etanol – nước năng suất sản phẩm đỉnh 1500 kgh nồng độ sản phẩm đỉnh 80% mol nồng độ nhập liệu 15% mol

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 nghệ hoá học. Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản. Trong thực tế, chúng ta sử dụng rất nhiều dạng hoá chất khác nhau: hỗn hợp nhiều chất hay đơn chất tinh khiết. Mà nhu cầu về một loại hoá chất tinh khiết cũng rất lớn. Quá trình có thể đáp ứng phần nào độ tinh khiết theo yêu cầu là chưng cất: là quá trình tách các cấu tử trong hỗn hợp lỏng – lỏng, hay hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng. Đồ án mơn học quá trình và thiết bị là mơn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư thực phẩm tương lai. Mơn học giúp cho sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: yêu cầu cơng nghệ, kết cấu, cách chọ thiết bị sao cho phù hợp, ưu nhực điểm của phương pháp… Nhiệm vụ của đồ án thiết kế là: Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử: Etanol – nước với các số liệu sau đây: Năng suất sản phẩm đỉnh: 1500 Kgh Nồng độ sản phẩm đỉnh: 80% mol Nồng độ nhập liệu: 15% mol Tỷ lệ thu hồi: 97%

LỜI MỞ ĐẦU

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệpnước ta nói riêng và thế giới nói chung đó là ngành công nghệ hoá học Đặcbiệt là ngành hóa chất cơ bản

Trong thực tế, chúng ta sử dụng rất nhiều dạng hoá chất khác nhau: hỗnhợp nhiều chất hay đơn chất tinh khiết Mà nhu cầu về một loại hoá chất tinhkhiết cũng rất lớn Quá trình có thể đáp ứng phần nào độ tinh khiết theo yêucầu là chưng cất: là quá trình tách các cấu tử trong hỗn hợp lỏng – lỏng, hayhỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhaucủa chúng

Đồ án mơn học quá trình và thiết bị là mơn học mang tính tổng hợp trongquá trình học tập của các kỹ sư thực phẩm tương lai Mơn học giúp cho sinhviên giải quyết nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: yêu cầu cơng nghệ, kết cấu, cáchchọ thiết bị sao cho phù hợp, ưu nhực điểm của phương pháp…

Nhiệm vụ của đồ án thiết kế là: Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục đểtách hỗn hợp hai cấu tử: Etanol – nước với các số liệu sau đây:

Năng suất sản phẩm đỉnh: 1500 Kg/h

Nồng độ sản phẩm đỉnh: 80% mol

Nồng độ nhập liệu: 15% mol

Tỷ lệ thu hồi: 97%

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU VỀ ETANOL

VÀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL

1 Giới thiệu sơ bộ :

Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol - Nước

a Etanol: Cịn gọi là rượu etylic

Etanol cĩ cơng thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC

Là chất lỏng cĩ mùi đặc trưng, khơng độc, tan nhiều trong nước

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

nước, nên khi muối Natri etylat tan trong nước sẽ bị thuỷ phân thành rượu trở lại

+ Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol cĩ tính bazơ tương đương với nước Khi rượu tác dụng với acid vơ cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ đều tạo ra ester

CH3-CH2-OH + HO-SO3-H C 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 Photpho:

 Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrathoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanolkhi đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ cáchợp chất cơ kim…

Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồntinh bột và rỉ đường Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất etanol chủyếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột:

Nấm men Zymaza

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

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

b Nước:

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

Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:

Khối lượng phân tử : 18 g / mol

Khối lượng riêng d40 c : 1 g / ml

Nhiệt độ nóng chảy : 0oC

Nhiệt độ sôi : 100o C

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất 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

2 Chọn loại tháp chưng cất

Chưng cất là quá trinh phân tách các hổn hợp thành các cấu tử riêng biệt

dựa vào độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi), bằng cách lập đi lập lập lạinhiều lần quá trình bay hơi ngưng tụ,trong đó vật chất đi tư pha lỏng vào phahơi và ngược lạ

Đối với chưng cất ta có 2 phương pháp thực hiện :

-Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ)

Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp sau

+ khi nhiệt độ sôi các cấu tử khác xa nhau

+ Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

+Tách hổn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

+Tách sơ bộ hổn hợp nhiều cấu tử

Chưng cất hổn hợp 2 cấu tử là quá trình thực hiên liên tục nghịch dòngnhiều đoạn

Ngoài ra còn có thiêt bị bán liên tục

Trong trường hợp này sản phẩm là etanol có độ tinh khiết cao khi sử dụng

ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục

Chọn loại tháp chưng cất

Chọn mâm xuyên lổ để thực hiện quá trình chưng cất vì những ưu điểm sau

- Dễ vệ sinh , sửa chửa

- Hiệu suất lớn chi phí rẻ

- Tính ổn định cao

3,Sơ đồ quy trình công nghệ và thiết minh quy trình

13 Sản Phẩm Đáy Nước Lỏng Nguyên Liệu

2 1 Sản Phẩm Đáy

Nước

12

Sản Phẩm Đỉnh Hơi Nước 11 5 Nước

9 10

Chú thích :

1 Bơm

2 Bồn cao vị

3 Thiết bị gia nhiệt

4 Lưu lượng kế

5 Tháp chưng cất

6 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

7 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

8 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

9 Thiết bị đun sôi đáy tháp

10.Bẩy hơi

11.Bồn chứa nguyên liệu

12.Kênh phân phối

13.Van xả khí không ngưng

14.Bồn chứa sản phẩm đáy

15.Áp kế

16.Nhiệt kế

b Thuyết minh qui trình công nghệ :

Hỗn hợp Etanol - Nước có nồng độ Etanol 10 % ( phần khối lượng ), nhiệtđộ khoảng

270C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từđó được đưa đến thiết bị gia nhiệt (3) Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệtđộ sôi Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu.Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của thápchảy xuống Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ởđây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển độngtrong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi

vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độcàng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có

nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu đượchỗn hợp có cấu tử Etanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 85% mol) Hơi này đivào thiết bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ một phần (chỉ ngưng tụ hồi lưu).Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (10), đượclàm nguội đến 300C, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11) Phầncòn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ sốhoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lạicấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáytháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (nước) Hỗnhợp lỏng ở đáy có nồng độ Etanol là 0.0034 % ( phần mol ), còn lại là nước.Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần được đun, bốc hơi ở nồi đun(12) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được trao đổinhiệt với nhập liệu ( sau khi qua bồn cao vị ).

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

PHẦN II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I THÔNG SỐ BAN ĐẦU

Gọi

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 = 1,5.103 kg/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

15 , 0 46 18

) 1 ( 46

F F

x x

P

M

a M

a M

a x







1

 0 , 91

18 ) 8 , 0 1 ( 8 , 0 46

8 , 0 46 18

) 1 ( 46

P P

x x

x a

Cân bằng vật chất cho toàn tháp:

F = D + W  1,5.103 = P + W (CT IX.16, trang144, [2])

Cân bằng cấu tử etanol (cấu tử nhẹ):

F.aF = D.xD + W.aW  1,5.1030,3108 =P0,91 + WxW (2) (CT IX.17,trang144, [2])

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 = 22,2kg/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0,0139 + (1 - 0,0139)18 = 18,39 kg/kmol Bảng 1: Bảng tổng kết thành phần sản phẩm

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

t 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

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

tF, tP, tW: nhiệt độ sôi 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

II TÍNH TOÁN CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP

3.1 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG NỒNG ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐOẠN

CHƯNG VÀ 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

P

G y P

x n

R

x x R

R y

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:

x

R

L x R

L R y

1

1 1

1 51 1

1 366 5 1

51 1

366 5 51 1

4865 0 8 0

F P

x y

y x

3.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

Rx = 1,3*Rxmin + 0,3 (CT IX.25b, trang 159, [2])

x B R

Vẽ đường làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng Đường làm việc củađoạn luyện qua điểm M(x, y) với x = y = xp và điểm B trên rục tung đã được xácđịnh Đường làm việc của đoạn chưng qua điểm N (x, y) với x = y = xW và cắtđường làm việc của đoạn luyện tại điểm có hoành độ xF Với mỗi đường làmviệc, ta xác định được số bậc thay đổi nồng NL bằng đồ thị x–y như sau:

Trên đồ thị x–y vẽ đường cân bằng, từ điểm M vẽ đường thẳng song song vớitrục hoành cắt đường cân bằng tại một điểm, từ giao điểm này vẽ đường thẳng songsong với trục tung nó cắt đường cân bằng tại một điểm, cứ tiếp tục như vậy cho đếnkhi tới điểm N Đếm số bậc thay đổi nồng độ NL trên đồ thị Với mỗi bậc thay đổinồng độ ứng với một ngăn của thiết bị gọi là số ngăn lý thuyết

Trong thực tế số ngăn của thiết bị lớn hơn số ngăn lý thuyết do điều kiệnchuyển khối chưa được tốt

Từ đồ thị ta xác định được:

Số đĩa lý thuyết là NLT = 19 đĩa

3.2.3 Xác định số đĩa thực tế theo hiệu suất trung bình

N tt = N LT / η tb (CT IX.59, trang 170, [2])Trong đó:

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

ηtb: hiệu suất trung bình của thiết bị

n

tb

3 2

ηtb: hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng

η tb =ƒ(α ,μ)α ,μ))

Trong chưng luyện người ta tính độ bay hơi tương đối như sau:

x

x y

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

α: độ bay tương đối của hỗn hợp

μ: độ nhớt của hỗn hợp lỏng N.s/m2

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

Tại đĩa nạp liệu:

F

F F

F F

x

x y

15 0 1 4865 0 1

4865 0

10

* 45

P P

x

x y

8 0 1 818 0 1

818 0

W W

x

x y

00549 , 0 1 036 , 0 1

036 , 0

* 39 0 81 9

10

*

m Ns

45 0 3

4 0 55 0 4 0

Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượng hơiđốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu, đun bốc hơi ở đáy tháp cũng như xácđịnh 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, phổ biếntrong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ

Các 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 hay mangvào 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

Qxq1 = 5%QD1 = 5%D1r1 (J/h) (CT IX.154, 197, [2])

Qm1 = Gng1C1θ1 (J/h) (CT IX.153, 197, [2])Với:

Gng1: lượng nước ngưng ( lấy bằng lượng hơi đốt ), kg/h

1 1

)

(

95 ,

t C t C F r

Q Q

, 0

25 23 3705 85

185 4089

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, trang 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, trang 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 Etylic ở 78.60C

λ2: hàm nhiệt của Nước ở 78.60C

CP78.6: nhiệt dung riêng của hỗn hợp ra khỏi tháp ở nhiệt độ 78.60C

λhh = rP78.6 + CP78.6*tP = 981.16*103 + 3387.8478.6 = 1247.44*10 3 J/kgVậy:

Gng2: lượng nước ngưng tụ bằng lượng hơi cần thiết để đun sôi dung dịchđáy tháp, kg/h

C2, θ2: nhiệt dung riêng (J/kgđộ) và nhiệt độ của nước ngưng (0C)

Vậy:

2 2

95 ,

0 r

Q Q Q

Q

D Y  w F  Rx

10 2264 95 0

6 10

* 207.7 6 10 679.4*

6 10

* 812.81 6

10

* 714.8

Ta chọn hơi nước bão hòa đun sôi ở áp suất khí quyển:

t0 = 1000C, suy ra r2 = 2264*103 J/kg (Bảng I.125, trang 314, [1])

Lượng nhiệt tiêu tốn môi trường xung quanh:

Qm2 = 0.05.D2.r2

= 0.05*297.8*2264*103 = 33.71*10 6 J/kg

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, trang 198, [2])

1 t t

2 40 25

1

1

t t

C n

r

R x P

) 25 40 ( 19 4

3 10

* 981.16 51

1 9 505

' 2 ' 1

) 1 2 (

*

) ' 2 ' 1 (

* '

*

*

2

t t

C n

t t

C P P

) 25 5 , 78 ( 63 3235

* 505 3 10

* 981.16 9

505

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(Dt)

D =

tb tb

g

) (

0188 0

1.1 ĐƯỜNG KÍNH ĐOẠN LUYỆN

1.1.1 Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn luyện:

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 nhất củađoạn luyện:

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

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

g1r1 = gđrđ (CT IX.95, trang 182, [2])

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

x1: hàm lượng lỏng ở đĩa thữ nhất đoạn luyện

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, trang 181, [2])

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện

rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp

 Với pha hơi:

 

tb

B tb A

tb

M y M

y

* 4 22

273

* 18 589 , 0 1 46 589 0

tb xtb

a a

91 0 31 0

Với: atb = 0.61 là phần khối lượng trung bình của Etanol trong pha lỏngTra (Bảng I.2, 9, [1]) ở t = 81.80C

61 0 1 92 895

61 0

65 , 1076

ytb

tb tb

g V



834.61 (m3/h)Lưu lượng thể tích lỏng đi trong đoạn luyện:

68 923

G G

 : vận tốc hơi, m/s

  : hệ số tính sức căng bề mặt, lấy bằng 1 khi sức căng bề mặt >0,2 kp/m

 h: khoảng cách giữa các đĩa, m

Giá trị h được chọn theo đường kính tháp như sau: (Trang184 [2])

1 82 23

1 (

g

) ( 0188 0

1076,65 0188

.

Để dễ thiết kế và thi công, chọn đường kính đoạn luyện là 0.70 m

(Bảng IX-4b, trang 169, [ 2 ])

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

' 2

' ' g1 g1 g1

1, lượng lỏng G’

1 và hàm lượng hơi trongđoạn chưng được xác định bằng phương trình cân bằng vật liệu và nhiệt lượng:

= 1700.02 kg/h 1.2.2 Khối lượng riêng trung bình đối với pha khí và pha lỏng đoạn chưng

Giống như trong đoạn luyện, khối lượng riêng trung bình của hơi, lỏngtrong đoạn chưng đượctính theo công thức sau:

tb

B tb A

tb ytb

T

M y M

y

4 , 22

tb xtb

a a

Ta có: T t F t W K C

tb       273  365 5  92 5 

2

100 85 273 2

036 0 36 0 2

1

tb

y y

78 0 5

365 4 22

18 ) 198 0 1 ( 46 198 0

0139 0 31 0

Tra (Bảng I.2, trang 9, [1]) các cấu tử ttb = 90,750C

5 926



A

25 963

162 0 1 5 926

162 0 1

tb xtb

a a







93 956



Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn chưng:

91 1114 78

0

1700,02

' '

1.2.3 Vận tốc hơi trung bình trong đoạn chưng:

Tương tự trong đoạn luyện, ta có:

1 28 60

1 75 29

1 1

= 0.78 kg/m2s

Chọn h = 0.3 m

Như vậy đường kính đoạn chưng:

63 0 78 0

63 , 869 0188

.



Ta chọn đường kính đoạn chưng là: 0.63 m

Vậy ta chọn đường kính chung cho toàn tháp là D = 0.70 m

(Bảng IX-4b, trang 169, [ 2 ])Khi đó tốc độ làm việc thực ở:

 Đoạn luyện:

29 1

* 6 0

65 , 1076

* 0188 0

*

* 0188 0

2

2 2

2 '

*65.0

63.869

*0188.0

*

*0188

0

2

2 '

2

' 2

'

ytb

tb C

D

g



II CHIỀU CAO THÁP

Chiều cao tháp chưng luyện được tính theo công thức:

 : chiều dày của đĩa Chọn  = 0,003m

 Khi tăng tốc độ dòng khí (hơi) cao hơn một đại lượng giới hạn nhất định thì

từ chế độ không đồng đều tháp chuyển sang làm việc ở chế độ đồng đều

 Tốc độ tại điểm chuyển chế độ làm việc này được gọi là tốc độ giới hạncủa chế độ đồng đều

 Chế độ làm việc đồng đều của tháp chóp được thực hiện khi khí (hơi)sục qua chất lỏng ở tất cả các rãnh của chóp và các rãnh chóp mở hoàn toàn, còn

ở tháp lưới khi khí (hơi) đi qua lớp chất lỏng ở tất cả các lỗ của đĩa

 Tốc độ của pha lỏng chuyển động trong ống chảy chuyền không vượt quá0,12 m/s mới bảo đảm duy trì một lượng dự trữ nhất định của chất lỏng trên đĩa

3.1 Cấu tạo mâm lỗ

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

- Tiết diện tự do bằng 10% 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

1 1 0 1

0

% 10

m

d

D S

S

= 4.10 3 lỗGọi a là số hình lục giác

 y - khối lượng riêng trung pha khí (hơi), kg/m3

  - hệ số trở lực (đối với đĩa có tiết diện tự do của lỗ = 10% diện tích chung thì  = 1.82)

7- Phần luyện:

1 0

73 0

% 10

* 82

93 0

% 10

* 82

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện ttbL = 81.8oC thì:

(Bảng I.249, 310, [1]) Sức căng bề mặt của nước BL = 0.624 N/m

(Bảng I.242, 300, [1]) Sức căng bề mặt của rượu AL = 0.022 N/m

Áp dụng cơng thức (I.76), trang 299, [1]:

2 1

2 1 2

1

1 1 1

022 0

* 624 0

4

d d

0213 0 4

Tính tốn tương tự như phần luyện

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng ttbC = 92.5oC thì:

(Bảng I.249, 310, [1]) Sức căng bề mặt của nước BC = 0.60 N/m

(Bảng I.242, 300, [1]) Sức căng bề mặt của rượu AC = 0.03 N/m

Ap dụng cơng thức (I.76), trang 299, [1]:

2 1

2 1 2

1

1 1 1

03 0 60 0

4

d d

029 0 4

3 / 2 gờ

Lgờ : chiều dài của gờ chảy tràn, m

K =  b/ L : tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượngriêng của chất lỏng, lấy gần bằng 0.5

L

L L L

M n Q



.

 : suất lượng thể tích của pha lỏng, m3/s

Tính chiều dài gờ chảy tràn:

3600 68

923 4 40

3 31 51 1 44 , 496

LL P

M

M R G

5 0

* 73 0

* 85 1

10

* 75

Tính toán tương tự như phần luyện

Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng:

MC = xtbC*MA+ ( 1- xtbC)*MB

= 0.07646 + (1 – 0.076)18 = 20.13 kg/kmol

xtbC = ( xF + xW )/2 = ( 0.15 + 0.0018)/2 = 0.076 phần molSuất lượng thể tích của pha lỏng trong phần chưng:

L

b

QLC = 4 85 * 10 3

3600 29

957 39 18

13 20 51 1 56 , 1003

LC w

M

M R G

5 0 73 0 85 1

10

* 85

3.3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động

Khoảng cách giữa 2 mâm: h = 300 mm

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ốngchảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức:

hd = hgờ + hl + P + hd’ mm.chất lỏng

Trong đó:

 hgờ : chiều cao gờ chảy tràn ,mm

 hl : chiều cao lớp chất lỏng trên mâm ,mm

 P: tổng trở lực của 1 mâm ,mm.chất lỏng

 hd’ : tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vàomâm, được xác định theo (CT 5.10, trang 115, [4])

2 ' 0.128 100 * 

QL: lưu lượng của chất lỏng m3/h

Sd: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

Sd = 0.8*Smâm = 0.8 4 0.652 = 0.27 m2

Để tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì: hd = 21 h =3002 =150 mm

 Đoạn luyện:

hlL = h lL*D = 0.0041650 = 2.67 mm

81 9 68 923

xtbL

5 2

4 2

27 0 100

3600 10

* 78 1 128 0

* 100 128

 Đoạn chưng:

hlC = h lC*D = 0.037650 = 24.05 (mm)

81 9 29 957

74 615

xtbL

054 0 27

0 100

3600 10

* 85 4 128 0

* 100 128 0

2 3

Kết luận: Khi hoạt động tháp sẽ không bị ngập lụt.

IV BỀ DÀY THÂN THÁP

V ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ:

VI ĐƯỜNG KÍNH ỐNG DẪN

6.1 Đường kính ống dẫn hơi ở đỉnh tháp vào thiết bị ngưng tụ

 Lượng hơi ở đỉnh tháp:

gd = 1246,06 kg/h ( được tính ở phần đường kính đoạn luyện)

 Khối lượng riêng trung bình của hơi ở đỉnh tháp:

ytb

 = 1.29 kg/ m3(được tính ở phần đường kính)

 Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:

29 , 1

06 , 1246





ytb

d h

g Q

h

Q v

Q d

* 785 0

*

* 4

27 0

F F

a a

75 893

10

* 4.41 -4

W

v

Q v

Q

* 785 0

*

* 4

1 994

10

* 88