Thiết kế tháp chưng cất hệ etanol nước hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu 1000 kgh có nồng độ 10% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 75% mol etanol

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 ĐATB là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1000 kgh có nồng độ 10% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 75% mol etanol với độ thu hồi etanol là 98%.Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn , các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn.

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 phẩmhóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phảiphù 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 tửtan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinhkhiết cho Etanol

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợptrong quá trình học tập của các kỹ sư hoá- thự c phẩm tương lai Môn họcgiúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kếtcấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây làbước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều mônhọc vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của ĐATB là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liêntục với nâng suất nhập liệu : 1000 kg/h có nồng độ 10% mol etanol ,thu được sảnphẩm đỉnh có nồng độ 75% mol etanol với độ thu hồi etanol là 98%

Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn , các bạn sinh viên đã giúp

em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án khôngthể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽthu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thuđược 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn(nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độsôi lớn) Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol và một ítnước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít etanol.

Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:

 Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao.Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếunhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độsôi của các cấu tử

 Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên tục

* Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong cáctrường hợp sau:

+ Khi nhiệt độsôi của các cấu tử khác xa nhau

+ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

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

+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

* Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trìnhđược thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn

 Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước:thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước

Vậy: đối với hệ Etanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp

nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

2 Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều cómột yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này phụthuộc 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 lớn nhấtthường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước của tháp :đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí củatháp và độ tinh khiết của sản phẩm Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thườngdùng 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 phalỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của 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 (3-12) mm

 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 trong hai phương pháp:xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

* So sánh u và nh c đi m c a các lo i tháp : ưu và nhược điểm của các loại tháp : ưu và nhược điểm của các loại tháp :ợc điểm của các loại tháp : ểm của các loại tháp : ủa các loại tháp : ại tháp :

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

Ưu điểm: - Đơn giản - Hiệu suất tương đối cao - Hiệu suất cao

- Trở lực thấp - Hoạt động khá ổn định - Hoạt động ổn định

- Làm việc với chất lỏngbẩn

Nhược

điểm: - Hiệu suất thấp - Trở lực khá cao - Cấu tạo phức tạp

- Độ ổn địnhkém

- Yêu cầu lắp đặt khắt khe-> lắp đĩa thật phẳng - Trở lực lớn

Vậy: 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

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :

Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol - Nước

1 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: 46 đvC

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 tươngđương với nước Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 vàacid hữu cơ đều 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:

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 hoáetylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khiđun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợpchất cơ kim…

Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinhbột và rỉ đường Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu là

sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột:

C6H6O6 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal

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…)

2 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

Nấm men Zymaza

Thuốc súng không khói Nhiên liệu hỏa tiễn, bom bay

Động lực

Thuốc trừ sâu

Sơn Vecni

Đồ nhựa Keo dán

Sát trùng Pha chế thuốc

Khối lượng riêng d40 c : 1 g / mlNhiệt độ nóng chảy : 00C

Nhiệt độ sôi : 1000 CNước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất lànước biển) và rất cần thiết cho sự sống

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và làdung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học

III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC:

Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,30C ở760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg : hơi cách biệt khá

xa nên phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phươngpháp 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 cũngnhư 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:

1 Bồn chứa nguyên liệu

* Thuyết minh qui trình công nghệ:

Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 15% ( theo phân mol), nhiệt độkhoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (4)

Từ đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt nhập liệu (5) Sau đó, hỗn hợp được đunsôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt(5), hỗn hợp được đưa vào tháp chưngcất (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 Ở đây,

có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trongphần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bịpha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi.Nhiệt độ càng lên trêncàng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao lànước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tửetanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 85% phân mol) Hơi này đi vào thiết bịngưng tụ (8) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi quathiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (10), được làm nguội đến 350C , rồi được đưaqua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơchoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử cónhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏngngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cáccấu tử khó bay hơi ( nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ etanol là 0,19 %phân mol, còn lại là nước Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12).Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếptục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệutrong thiết bị (5) (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 có nhiệt độ là 600C được thải bỏ

PHẦN II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT.

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU:

Gọi: F: lưu lượng hỗn hợp đầu (Kg/h-Kmol/h)

P: lưu lượng sản phẩm đỉnh (Kg/h-Kmol/h)

W: lưu lượng sản phẩm đáy (Kg/h-Kmol/h)

XF: Nồng độ hỗn hợp đầu (phần mol)

Xp: Nồng độ hỗn hợp đỉnh (phần mol)

Xw: Nồng độ hỗn hợp đáy (phần mol)

+ GF: Lưu lượng nhập liệu tính theo Kg/h, Kmol/h

+ GD: Lưu lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h, Kmol/h

+ GW : Lưu lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h, Kmol/h

+ xi ,x i : phân mol , phân khối lượng của cấu tử i

Năng suất nhập liệu: GF = 1000 (Kg/h)

Nồng độ nhập liệu: xF = 10%mol etanol

Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 75%mol etanol

Tỷ lệ thu hồi etanol: h= 98%

Khối lượng phân tử của rượu(MR) và nước(MN): MR =46, MN =18

Chọn:

+ Nhiệt độ nhập liệu: t’F =28oC

+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t’D =35oC

+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’W = 60oC

+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY :

Cân bằng vật chất cho toàn tháp:

Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập (MF):

* Phân mol sản phẩm đỉnh: xD =0,75 (phân mol etanol)

Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh:

MD = 46 x D  ( 1  x D) 18 =39 (Kg/Kmol)Giải 3 phương trình (II.1), (II.2), (II.3) ta có :

III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP:

3.1 THÀNH PHẦN PHA CỦA HỖN HỢP CẤU TỬ ETANOL-NƯỚC

Dựa vào tài liệu tham khảo (1 b ng IV 2a/145), thành ph n cân b ng l ng (x), h i (y) và ảng IV 2a/145), thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) và ần cân bằng lỏng (x), hơi (y) và ằng lỏng (x), hơi (y) và ỏng (x), hơi (y) và ơi (y) và nhi t đ sôi c a h n h p 2 c u t 760 mmHg: ệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử ở 760 mmHg: ộ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử ở 760 mmHg: ủa các loại tháp : ỗn hợp 2 cấu tử ở 760 mmHg: ợc điểm của các loại tháp : ấu tử ở 760 mmHg: ử ở 760 mmHg: ở 760 mmHg:

x(phân mol)

y(%phân mol)

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

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

Hệ Etanol -Nước

Bằng phương pháp nội suy và dựa vào đồ thị ta cĩ kết quả:

Sản phẩm X

(phần mol)

Y(phần mol)

T0điểm sôi

Y - Xp

*

*

 (CT: IX.24,trang 158, [2]) = 0 , 442 0 , 1

442 ,

0 75

, 0





=0,9Trong đó: Xp: nồng độ phần mol của etanol ở hỗn hợp đỉnh

XF: nồng độ phần mol của etanol ở hỗn hợp đầu

Rx=bRxmin với b là hệ số (1.2-2.5) (CT: IX.25, trang158, [2])

Xác định Rx thích hợp theo bậc thay đổi nồng độ được tiến hành nhưsau: cho nhiều giá trị Rx lớn hơn giá trị Rxmin.Với mỗi giá trị trên ta xác địnhđược tung độ của đường làm việc vơi trục tung B, với:

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 điểm này vẽ đườngthẳng song song với truc tung nó cắt đường làm việc tại một điểm cứ tiếp tụcnhư vậy cho khi tới điểm N Đếm số bậc thay đổi nồng độ NL trên đồ thị Vớimỗi bậc thay đổi nồng độ ứng với một ngăn lý thuyết do điều kiện chuyển khốichưa được tốt vì vậy thực tế phải được hiệu chỉnh

Vậy : Tỉ số hoàn lưu thích hợp là Rx= 1,44.

IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC SỐ MÂM LÝ THUYẾT:

1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :

y =

1

1

= . 1,044,751

1 44 , 1

44 , 1

f R

1

1

1 65 , 7 1 44 , 1

65 , 7 44 , 1

F

= 7,65 chỉ số nhập liệu

3 Số mâm lý thuyết :

Từ đồ thị xác định số mâm lý thuyết tương ứng với Rx= 1,44 ta xác định được :

9 mâm bao gồm: 6 mâm cất

1 mâm nhập liệu

2 mâm chưngTóm lại số mâm lý thuyết là Nlt= 9 mâm

V XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:

Đồ thị xác định số bậc thay đổi nồng độ

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :

tb

lt tt

η

N

N Trong đó:

tb: hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối

và độ nhớt của hỗn hợp lỏng:  = f(,)

Ntt : số mâm thực tế

Nlt : số mâm lý thuyết

Xác định hiệu suất trung bình của tháp  tb :

+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi :

x

x 1 y 1

x :phân mol của rượu trong pha lỏng

y* : phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

* Tại vị trí nhập liệu:

xF = 0,1 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*

F = 0,442

tF = 86,5 oC1

, 0

1 , 0 1 442 , 0 1

442 , 0 x

x 1

* Tại vị trí mâm đáy :

xW = 0,0023 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*

W = 0,015

tW = 99,6 oC0023

, 0

0023 , 0 1 015 , 0 1

015 , 0 x

x 1 y 1

y α

W

W

*

* W

= 6,6

Tương tự ta có: µR,w= 0,328.103 Ns/m2

µN,w= 0,285.103 Ns/m2Suy ra µw= 0,389.103 Ns/m2

, 0

75 , 0 1 7855 , 0 1

7855 , 0 x

x 1 y 1

y α

D

D

*

* D

µN,D= 0,364.103 Ns/m2Suy ra µD= 0,419.103 Ns/m2

Suy ra: (µα)D= 0,419.103 1,22=0,5.103Ns/m2

Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :(µtb)

(µα)F + (µα)D + (µα)w (α)tb =

3Dựa vào giản đồ Gilliand - giản đồ thực nghiệm tại hình IX.11, trang 171- Tàiliệu tham khảo [2] ta được µtb= 40%

Vậy số mâm thực tế:

4 , 0

Số mâm thực tế đoạn luyện: Nl= 6/0,4= 15

Số mâm thực tế đoạn chưng kể cả mâm nhập liệu: Nc= 3/0,4=7,5

chọn Nc= 8

PHẦN III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(D t )

tb y y tb g

) ω ( 0188 , 0 ω 3600.

π

4V D

tb

tb t





181, [2]):

Trong đó: Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h)

tb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/h)

gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do

đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

tb



 (Kg/h)Trong đó: gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h)

g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất(Kg/h)

D r

g r

g

x D x

G y

g

D G

g

.

.

.

1 1

1 1 1

1

1 1

(III.1) (trang 181, [2]):Trong đó : G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhấtcủa đoạn cất

rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp

* Tính r1 : t1 = tF = 86,5oC , tra (bảng I-212, trang 254 [1]) ta có :

Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : rN1 = 48114,7 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu : rR1 = 27344,8 (KJ/kmol)

Suy ra : r1 = rR1.y1 + (1-y1).rN1 =48114,7 – 27344,8 y1 (KJ/kmol)

* Tính rd : tD = 78,8oC, tra (bảng I-212, trang 254 [1]) ta có :

Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : rNd = 91495,1 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu : rRd = 33071,2 (KJ/kmol)

Suy ra : rd = rRd.yD + (1-yD).rNd =33071,2 .0,7855 + 0,7855 ).91495,1

(1-= 45603,1 (KJ/kmol)

* x1 = xF = 0,1

Giải hệ (III.1) , ta được : G1 = 10,748 (Kmol/h)

y1 = 0,34 (phân mol etanol)

g1 = 17,028 (Kmol/h) = 657,9(Kg/h)Vậy : gtb = 627 , 75

2

9 , 657 6 , 597

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảychuyền :

273.18.146

ytb

t

y y

tb tb

tb tb

x x

x x

425 , 0 1 48 , 732

425 , 0 1

L xtb

x x







Suy ra  xtb = 854,7 kg/m3

Suy ra : gh  0 , 05 1854,1568,7 =1,359 (m/s) (CT IX.111, trang 186, [2])

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

359 , 1 8 , 0

8 , 0

ytb

xtb gh





  0 , 05

Dcất =0 , 0188 1,1568627.1,75,0872 = 0,42 (m).

2 Đường kính đoạn chưng :

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp :

2 1 , ,

g tb n

 (Kg/h)Trong đó: g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h)

g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h)

1

1 ' 1

1 '

1 ' 1

'

'

' '

'

.

'

r g r

g r

g

x W y

g x

G

W g

G

n n

* Tính r’1 : xW =0,0023 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0,015Suy ra :Mtbg’ =46.yW +(1-yW).18=18,42(Kg/kmol)

t’1 = tW = 99,6oC, tra (bảng I-212, trang 254 [1]) ta có :

Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : r’N1 = 40785,98 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu : r’R1 = 14681,12 (KJ/kmol) Suy ra : r’1 = r’R1.yW + (1-yW).r’N1 = 40394,4 (KJ/kmol)

* Tính r1: r1 = 48114,7 – 20769,9.y1 =48114,7 –20769,9.0,34 = 41052,9(KJ/kmol)

* W = 41,797 (Kmol/h)

Giải hệ (III.2) , ta được : x’1 =0,006(phân mol etanol)

G’

1 = 59,097(Kmol/h) g’1 = 17,3(Kmol/h) = 668,65 (Kg/h)Vậy : g’tb = 663 , 275

2

65 , 668 9 , 657





(Kg/h)

b Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảychuyền :

ytb

xtb gh

'

' 05 , 0 '

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

273.18.'146.''

ytb

t

y y

tb tb

tb tb

x x

x x

1

'

' 1 '

tb x x



 =927,64 (Kg/m3) Suy ra :  'gh 0 , 05 927,640,709 =1,809 (m/s)

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

809 , 1 8 , 0 ' 8 , 0 'h  gh

Vậy :đường kính đoạn cất :

Dchưng=0 , 0188 0,709663,.2751,447 = 0,478 (m)

Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch

nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 0,500 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :

1568 , 1 5 , 0

75 , 627 0188 , 0

0188 , 0

2

2 2

2





ytb t

tb D

g

+ Phần chưng :’lv = 1 , 323

709 , 0 5 , 0

275 , 663 0188 , 0 '

.

' 0188 , 0

2

2 2

2





ytb t

tb D

g

II.Trở lực tháp:

1.Cấu tạo mâm lỗ:

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

- Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm

- Đường kính lỗ dl = 3 mm = 0,003 m

- Chiều cao gờ chảy tràn: hgờ = 30mm = 0,03 m

- Diện tích của dành cho ống chảy chuyền bằng 20% diện tích mâm

- Lỗ bố trí theo hình tam giác đều

- Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 15 mm

003 , 0

5 , 0 08 , 0 08

, 0

% 8

m

d

D S

S

= 2222 lỗ

2 Trở lực của đĩa khô:

Áp dụng công thức (IX.140), trang 194, [2]:

2

'

2.1 Phần luyện

Vận tốc hơi qua lỗ: 9 , 59

08 , 0

767 , 0

% 8 'L L  

2

1568 , 1 59 , 9 82 , 1

323 , 1

% 8 'C  C  

2

709 , 0 54 , 16 82 ,



Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 82,65oC thì:

· Tra bảng 1.249, trang 310, [1] Þ Sức căng bề mặt của nước  NL = 0,6213 N/m

· Tra bảng 1.242, trang 300, [1] Þ Sức căng bề mặt của rượu  RL = 0,017 N/m

Áp dụng (CT (I.76), trang 299, [1]):

2 1

2 1 2

1

1 1 1

017 , 0 6213 , 0

0165 , 0 4

Tính toán tương tự như phần luyện

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 93,05oC thì:

· Tra bảng 1.249, trang 310, [1] Þ Sức căng bề mặt của nước  NL = 0,6019 N/m

· Tra bảng 1.242, trang 300, [1] Þ Sức căng bề mặt của rượu  RL = 0,0161 N/m

Áp dụng (CT (I.76), trang 299, [1]):

2 1

2 1 2

1

1 1 1

0161 , 0 6019 , 0

0157 , 0 4

3 / 2 gờ

L

l 1 , 85 L K

Q h

Lgờ : chiều dài của gờ chảy tràn, m

K = b/L : tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêngcủa chất lỏng, lấy gần bằng 0,5

L

L L L

M n Q

cos 2

sin 2

1 2

5 , 0 ) 2 sin(

9 , 29 44 , 1 92 , 224

LL P

M

M R G

5 , 0 364 , 0 85 , 1

10 07 ,

Tính tốn tương tự như phần luyện

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

MLL = xc.46 + (1 – xc).18

Trong đó: xL: nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện

MLC = 0,05.46 + (1 – 0,05).18 = 19,4 kg/kmol

Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:

3600 64 , 927 39

4 , 19 44 , 1 92 , 224

LC P

M

M R G

5 , 0 364 , 0 85 , 1

10 82 ,

6 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 (5.20), trang 120, [3]:

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 biểu thức (5.10), trang 115, [3]:

2 d

L '

Q 128 , 0

+ QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h).

+ Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

Sd = 0,8 Smâm = 0,8

4

.0,52 = 0,15 m2

Để tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì: hd< 21 h = 300/2=150 mm

6.1.Phần luyện

hlL = 0,0039 1000 = 3,9 mm

81 , 9 7 , 854

43 , 298 1000

43 , 298

4 2

5 2

10 , 0 100

3600 10 07 , 8 128 , 0

100 128 ,

79 , 262 1000

79 , 262

5 2

5 2

10 , 0 100

3600 10 82 , 4 128 , 0

100 128 ,

Vậy: Khi hoạt động thì mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt

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

Chiều cao của thân tháp :Hthân =Ntt (hmâm+mâm ) + 0,8

=23.(0,30+0,002) +0,8 = 7,746(m)

Chiều cao của đáy và nắp : Hđ = Hn =ht +hgờ =0,125+0,025=0,15(m)

(Xem ở phần (III.2) : Đáy và Nắp thiết bị )

Chiều cao của tháp : H = Hthân + Hđ + Hn = 7,896(m)

III Bề dày tháp :

1 Thân tháp

Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phươngpháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía Thân tháp được ghép vớinhau bằng các mối ghép bích.

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm ta chọn thiết bị thân tháp là thépkhông gỉ mã X18H10T

1.1 Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp:

2

7 , 854 64 , 927

= 0,0756 N/mm2

Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường:

Vì môi trường có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị là trong 20 năm nên Ca = 1 mm theo (trang363,[2])

Ứng suất cho phép tiêu chuẩn:

Vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía

nên h= 0,95 (Bảng XIII.8, trang 362, [2])

1.2 Tính bề dày

Ta có: 0 , 9 1690 , 48

0756 , 0

142 ]

0756 , 0 500 ]



 mm nên S’ + Ca = 0,14 + 1 = 1,14mm

Quy tròn theo chuẩn: S = 2 mm (Bảng XIII.9, trang 364, [2])

Bề dày tối thiểu: Smin = 2 mm (Bảng 5.1, trang 94, [7])

2 10 0 , 1 500

) 1 2 ( 9 , 0 142 2 ) (

) (

] [ 2 ]

a h

C S D

C S

Chọn bề dày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp: S = 3 mm

Kiểm tra điều kiện:

)CS(][2]P[

125,0D

CS

a t

a h

t a

Vì đáy và nắp có hình ellip tiêu chuẩn với  0 , 25

Kết luận: Kích thước của đáy và nắp:

Đường kính trong: Dt = 500 mm

ht = 125 mm

Chiều cao gờ: hgờ = 25 mm

Bề dày: S = 2 mm

Diện tích bề mặt trong: Sbề mặt = 0,31 m2 (Bảng XIII.10, trang 382, [2])

IV Bích ghép thân – đáy và nắp :

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng nhưnối các bộ phận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng:

Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích này

chủ yếu dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình

Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các

bộ bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bíchbằng vật liệu bền hơn thiết bị

Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao

Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích

là bích liền không cổ

toán P = 0,0756 (N/mm2) suy ra chọn bích có các thông số sau:

V Chân đỡ tháp :

1 Tính trọng lượng cùa toàn tháp:

Tra bảng XII.7, trang 313, [2]:

Þ Khối lượng riêng của tháp CT3 là: CT3 = 7900 kg/m3

Khối lượng của một bích ghép thân:

mbích ghép thân =   0 , 63 0 , 50  0 , 02 7900 18 , 23

4

.

4

2 2

3 2

Khối lượng của thân tháp:

mđáy(nắp) = Sbề mặt .dđáy rX18H10T = 0,31 0,002 7900 = 4,898 kg

Khối lượng của toàn tháp:

m =10 mbích ghép thân + 23 mmâm + mthân + 2 mđáy(nắp)

mg P

N

Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gc = 2500N

Tra bảng XIII.35, trang 437, [2] suy ra chọn chân đỡ có các thông số sau:

VI Tai treo tháp :

Chọn tai treo: tai treo được gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị daođộng trong điều kiện ngoại cảnh

Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3

Ta chọn bốn tai treo, tải trọng cho phép trên một tai treo: Gt = Gc = 2500(N)

Tra bảng XIII.36, trang 438, [2] Þ chọn tai treo có các thông số sau:

Khối lượng một tai treo: mtai treo = 1 kg

VII Cửa nối ống dẫn với thiết bị- bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn:

Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo được hoặc khôngtháo được Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo được

Đối với mối ghép tháo được, người ta làm đoạn ống nối, đó là đoạn ống ngắn

có mặt bích hay ren để nối với ống dẫn:

Loại có mặt bích thường dùng với ống có đường kính d > 10mm

Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính d £ 10mm, đôi khi có thểdùng với d £ 32mm

Ống dẫn được làm bằng thép X18H10T

Bích được làm bằng thép CT3 , cấu tạo của bích là bích liền không cổ

1. Ống nhập liệu :

Khối lượng riêng của hỗn hợp: F = 937,2 kg/m3

Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị

Chọn vận tốc chất lỏng trong ống nối là vF = 1 m/s

Đường kính trong của ống nối:

1 2 , 937 3600

2 , 937 4 3600

4

Tra bảng XIII.26, trang 409, [2]

Suy ra Các thông số của bích ứng với P = 0,0756 N/mm2 là:

- Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện:

MHL = yL MR + (1 – yL) MN = 0,75.46 + (1 – 0,75) 18 = 39kg/kmol

- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:

3

/ 35 , 1 ) 273 79 ( 273

4 , 22

39 1

m kg RT

Đường kính trong của ống nối:

50 14 , 3 35 , 1 3600

92 , 244 4 3600

4





HD HD

- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]

Khối lượng riêng của nước ở 78,8 oC:  N = 972,66 kg/m3

- Tra bảng 1.2, trang 9, [1]

Khối lượng riêng của etanol ở 78,8 oC:  R = 736,14 kg/m3

- Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [1]

66 , 972

75 , 0 1 14 , 736

75 , 0 1

N

p R

p LC

x x

68 , 352 4 3600

4

Tra bảng XIII.26, trang 409, [2]

Suy ra Các thông số của bích ứng với P = 0,0756 N/mm2 là:

- Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện:

MHW = yW MR + (1 – yW) MN = 0,0023.46 + (1 – 0,0023).18 = 18,06kg/kmol

- Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:

3

/ 59 , 0 ) 273 100 ( 273

4 , 22

06 , 18 1

m kg RT

Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp là vHW = 120 m/s

Đường kính trong của ống nối:

120 59 , 0 3600

85 , 754 4 3600

4

Tra bảng XIII.32, trang 434, [2] Suy ra Chiều dài đoạn ống nối l = 110 mmTra bảng XIII.26, trang 409, [2]

Các thông số của bích ứng với P = 0,0756 (N/mm2 ) là:

- Tra bảng 1.249, trang 311, [1]

Khối lượng riêng của nước ở 99,60C:  N = 958,28 kg/m3

- Tra bảng 1.2, trang 9, [1]

Khối lượng riêng của etanol ở 99,6oC:  R = 716,38 kg/m3

- Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [1]

28 , 958

0023 , 0 1 38 , 716

0023 , 0 1

W LW

x x

85 , 754 4 3600

4

Tra bảng XIII.32, trang 434, [2] suy ra Chiều dài đoạn ống nối l = 90 mm Tra bảng XIII.26, trang 409, [6]

Suy ra Các thông số của bích ứng với P = 0,0756 N/mm2 là:

PHẦN IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ.

I CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT:

Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất:

QF + Qđ = QW + QD + Qnt + Qm (IV.1)Trong đó:

Q nt : nhiệt lượng ngưng tụ do hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thànhlỏng Chọn hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng

Qnt = D.(R+1).MD rD , (KJ/h)

Xác định rD (ẩn nhiệt hoá hơi của sản phẩm đỉnh):

ở tD = 78,8oC ta có: (bảng I-212, trang 254,[1])

Ẩn nhiệt hoá hơi của nước: rN = 2312,64 (KJ/kg)

Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu: rR = 868,67 (KJ/kg)

Suy ra: rD = rR x D +(1-x D ).rN = 0,8846).2312,64

868,67.0,8846+(1-= 1035,65(KJ/kg)

18 ).

75 , 0 1 ( 75 , 0 46

75 , 0 46

Suy ra: cF = x F cR +(1-x F ).4186

=22,12%.2882,25+(1-22,12%).4186 =3897,6(J/kg.độ)

Vậy: QF = 1000.389,6.(86,5-20) = 259190,4 (KJ/h)

Q W : nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra từ nồi đun.

QW = GW HW =W.MW.cW (tW –to ) ,(KJ/h).

Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 20oC

Do sản phẩm đáy chứa nhiều nước nên nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy

có thể tính gần đúng theo công thức sau: