Thiết kế tháp chưng cất hệ etanol nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu 1500 kgh có nồng độ 15% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 80% mol etanol

LỜI MỞ ĐẦU 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 tương lai ngành công nghệ thực phẩm . Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu 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 : 1500 kgh có nồng độ 15% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 80% mol etanol với hiệu suất thu hồi etanol là 99%.Tuy đã cố gắng nhiều nhưng với điều kiện và năng lực còn hạn chế nên chắc chắn bài làm đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót, mong thầy cô trong khoa và các bạn đọc đóng góp ý kiến để báo cáo ngày càng hoàn thiện

LỜI MỞ ĐẦU

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 tương lai ngành công nghệ thực phẩm Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu côngnghệ, kết cấu của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây là bướcđầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vàogiải 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 hoạtđộng liên tục với nâng suất nhập liệu : 1500 kg/h có nồng độ 15% moletanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 80% mol etanol với hiệu suất thuhồi etanol là 99%

Tuy đã cố gắng nhiều nhưng với điều kiện và năng lực còn hạn chế nênchắc chắn bài làm đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót, mong thầy cô trong khoa và cácbạn đọc đóng góp ý kiến để báo cáo ngày càng hoàn thiện

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa,giáo viên hướng dẫn vàcác bạn đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện đồ án

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ

cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn

cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi

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 cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độsôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôilớn) 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 suấtcao 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 được sử dụng trongcác trường 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 quátrình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn

 Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nướcthường 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 phụ thuộcvào 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

có cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâmpha lỏng 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

bằng mặt bích hay hàn.Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phươngpháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

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

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

Ưu điểm: - Đơn giản

- Hiệu suất tương đối

- Trở lực thấp

- Hoạt động khá ổnđịnh - Hoạt động ổn định

- Làm việc với chấtlỏng bẩn

Nhược

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

- Độ ổn định kém

- Yêu cầu lắp đặt khắtkhe -> lắp đĩa thật

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:

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:

CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl

+ Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 C2H5-NH2 + H2O + Phản ứng tạo eter và tách loại nước:

Lạnh

H +

Al2O3

t o

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

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 khi đunnóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp 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 etanolchủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinhbột:

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, dầufusel, 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

Khối lượng riêng d4 c : 1 g / ml

Zymaza

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 xanên phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương phápchưng 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 làm choquá 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

2 Bơm

3 Bồn cao vị

4 Lưu lượng kế

5 Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy

6 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

* Thuyết minh qui trình công nghệ:

Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độkhoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3)

Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (5) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ).Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt(6), hỗn hợpđược đưa vào tháp chưng cất (8) 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 trong phầnchưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơitạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi.Nhiệt độ càng lên trên càngthấp, 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 được hỗn hợp có cấu tử etanolchiếm nhiều nhất (có nồng độ 85% phân mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ(11) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bịlàm nguội sản phẩm đỉnh (13), được làm nguội đến 350C , rồi được đưa qua bồnchứa sản phẩm đỉnh (14) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu vềtháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôithấp được 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 tử khóbay hơi ( nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ etanol là 0,11 % phân mol, cònlại là nước Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đundung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc,phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong 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

CHƯƠNG 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 kg/kmol

B: Nước với MB = 18 kg/kmol

Theo yêu ban đầu F = 1500 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 khối lượng trong hỗn hợp đầu

B F F

A

F A F

M x x

M

x M a

18 ) 15 0 1 ( 15 0 46

15 0 46

A

P A P

M x x

M

x M a

18 ) 80 0 1 ( 80 0 46

80 0 46

w A w w

M

a M

a M

a x







1

18

10

* 65 4 1 46

10

* 65 4

46

10

* 65 4

3 3

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

F.aF = P.aP + W.aW

 1500*0.31= P*0.91 + WaW (2)

 Tỷ lệ thu hồi ( ) = 99%

F*aF* = P*aP

 15000.310.99 = P0.91 (3) Giải 3 phương trình (1), (2), (3) ta có:

Với : n: số cấu tứ của hỗn hợp

xi: phần mol của cấu tử i

Mi: khối lượng mol của cấu tử i

= 18.05 (kg/kmol)

2.3 Lưu lượng tính theo 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

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

III 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)

Bảng 3: Nồng độ phần mol và nhiệt độ điểm sôi của hỗn

ợp

 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

x n

P

G y P

x n

R

x x R

R y

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

1 51 1

8 0 1

51 1

51 1

 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 Etanol:

x

R

L x R

L R y

1

1 1

1 51 1

1 396 5 1

51 1

396 5 51 1

Hai đường làm việc này cắt nhau tại điểm có hoành độ x = xF

3.2 XÁC ĐỊNH SÔ BẬC THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ

3.2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu

15 0 4865 0

4865 0 8 0

F P

x y

y x

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 songvới trục hoành cắt đường cân bằng tại một điểm, từ giao điểm này vẽ đườngthẳng song song với trục tung nó cắt đường cân bằng tại một điểm, cứ tiếp tụcnhư vậy cho đến 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 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

Hình 2 : Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết

15 20

Từ đồ thị ta xác định được:

Số đĩa lý thuyết là NLT = 19đĩa

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

 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

F

F F

F F

x

x y

15 0 1 4865 0 1

4865 0

aF = 0.31 phần khối lượng, tF = 85oC dựa vào toán đồ để xác định

độ nhớt của dung dịch rượu etylic trong nước ( Bảng I.109, trang 106, [1])

3

6

10

* 441 0 81 9

10

* 45

P P

P P

x

x y

8 0 1 818 0 1

818 0

W W

x

x y

0018 0 1 012 0 1

012 0







 ) / ( 10

* 39 0 81 9

4.055.04.0

CHƯƠNG III TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

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 đunnóng hay mang 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, trang 196, [2])

Trong đó:

QD1 = D1λ1 = D1(r1 + θ1C1) J/h (CT IX.150, trang 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, chọn θ1= 250C

C1 : nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg độ, C125= 4178.75 J/kg độ

1

* 95 0

)

(

* 95

t C t C F r

Q Q

Cf25 = CA25aF + CB25(1 – aF)

CA25, CB25 tra (Bảng I.153, 171, [1])

CA25 = 2651.25 J/kgđộ

CB25 = 4178.75 J/kgđộ  Cf25 = 2651.250.31 + 4178.75(1 – 0.31)

, 0

25 23 3705 85

185 4089

II CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO TOÀN THÁP

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/

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

CP78.6 = aP *CA78.6+(1 - aP)*CB78.6 = 0.913308.5 + (1- 0.91)4190

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

Vậy:

Gng2: lượng nước ngưng tụ bằng lượng hơi cần thiết để đun sôidung dịch đáy 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:

1 t

t

2 40 25





Cn: nhiệt dung riêng của nước ở ttb = 32.50C (Bảng I.147, trang 165, [1])

Cn = 4.19 (J/kgđộ)

Lượng nước lạnh tiêu thụ cần thiết Gn1:

) 1 2 (

1

1

t t

C n

r

R x P Gn





) 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

) ( 0188

1.1 ĐƯỜNG KÍNH 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

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

r1 = ray1 + rb(1 – y1)

rd = rayđ + rb(1 – yđ) (CT, trang 182, [2])

rA, rB: ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử Rượu và Nước

Gtb =

2 1

505 

= 520.67 kg/h

 Với pha hơi:

tb

B tb A

tb ytb

T

M y M

y

*4.22

T = 273

2 

 F

p t t

2

85 5 , 78

273

*18617.0146617.0

tb xtb

a a

91.031.0

Với: atb = 0.61 là phần khối lượng trung bình của Etanol trong pha lỏng

61 0 1 92 895

61 0







32 1

52 1088

ytb

tb tb

g V



824.64 (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])

D(m) 0 0.6 0.6 1.2 1.2 1.8 >1.8

1 82 23

1 (

g

) ( 0188 0

1088.52 0188

.

Đường kính đoạn luyện là 0.62 m (Bảng IX-4b, trang 169, [ 2 ])

1.2 Đường kính đoạn chưng

Được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi ra khỏi đoạn chưng

và lượng hơi đi vào đoạn chưng

' 2

' ' g1 g1 g1

1 1

1 ' g

1922 

= 1711.01 kg/h

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

012 0 416 0 2

1

tb

y y

8 0 5

365 4 22

18 ) 214 0 1 ( 46 214 0

00465 0 31 0

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

5 926



A

25 963



B

3 10

* 044 1 25 963

157 0 1 5 926

157 0 1

tb xtb

a a







29 957



 xtb kg/m3

Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn chưng:

96 1146 8

0

917.57 '

1711.01

' '

G

G

Tương tự trong đoạn luyện, ta có:

1 75 29

1 1

57 917 0188

.



Ta chọn đường kính đoạn chưng là: 0.64 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:

*65.0

52.1088

*0188.0

*

*0188

0

2

2 2

2 '





ytb

tb L

* 65 0

57 917

* 0188 0

*

* 0188

.

0

2

2 '

2

' 2 '

II CHIỀU CAO THÁP

Chiều cao tháp chưng luyện được tính theo công thức:

 h: khoảng cách giữa các đĩa; h = 0.3m

  : chiều dày của đĩa Chọn  = 0.003m

lỗ mà không chảy theo ống chảy chuyền

 Khi tăng tốc độ dòng khí (hơi) cao hơn một đại lượng giới hạn nhấtđịnh 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 giớihạn của 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

m

d

D S

S

= 4.10 3 lỗGọi a là số hình lục giác

 pk: Trở lực của đĩa khô, N/m2

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

  - hệ số trở lực (đối với đĩa có tiết diện tự do của lỗ = 7-10%diện tích chung thì  = 1.82)

Vận tốc hơi qua lỗ: 6.7

1.0

67.0

%10

'

0L  L  

* 82

96 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 công thức (I.76), trang 299, [1]:

2 1

2 1 2

1

1 1 1

.

0

022 0

* 624

.

1

4

d d

0213 0 4

Tính toán 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 công thức (I.76), trang 299, [1]:

2 1

2 1 2

1

1 1 1

.

0

03 0 60

1

4

d d

17 59

005 0 08 0 005 0 3 1

029 0 4

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:

L

b

QLL = 1 78 * 10 4

3600 68

923 4 40

3 31 51 1 9 505

LL P

M

M R G

5 0

* 73 0

* 85 1

10

* 78

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:

LC w

M

M R G

5 0 73 0 85 1

10

* 86

PC = PkC + PsC + PbC = 67.09+ 17.59 + 531.06 = 615.74 N/m2

Kết luận:

Tổng trở lực thủy lực của tháp:

P = NttL.PL + NttCPC = 34385.66 + 9615.74 = 18654.1 (N/m2)

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 trongống chảy 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

QL: lưu lượng của chất lỏng m3/h

Sd: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

xtbL

5 2

4 2

27 0 100

3600 10

* 78 1 128 0

* 100

xtbL

lỏng

054 0 27

0 100

3600 10

* 86 4 128 0

* 100 128 0

2 3

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

IV BỀ DÀY THÂN THÁP

1 Tính bề dày thân trụ của tháp:

Thân của tháp được chế tạo bằng phương pháp hàn tự động có lớpthuốc hàn và hàn giáp mối một bên Thân tháp được ghép từ nhiều đoạn bằngmối ghép bích

Tra Bảng IX-4b, trang 169, [ 2 ] :

 Đường kính của tháp D, mm: 700

 Khoảng cách giữa các đđĩa Hđ , mm: 200

 Khoảng cách giữa hai mặt bích, mm: 1000

 Số đĩa giữa hai mặt bích, nđ: 5

Chọn vật liệu làm thân là thép không gỉ X18H10T

Tốc độ ăn mòn của thép  0.1 mm/năm Tra bảng XII-1, Trang 305,[ 2 ]

Dựa vào bảng XII-4 và bảng XII-7, Trang 310, [ 2 ] các thông số đặctrưng của X18H10T ( với chiều dày tấm thép 4  25 mm ):

 Giới hạn bền kéo: k = 550*106 N/m2

 Giới hạn bền chảy: ch = 220*106 N/m2

 Hệ số dãn khi kéo ở nhiệt độ 20  100 oC là 16.6*10-6 1/0C

 Khối lượng riêng  = 7.9*103 ( Kg/m3)

( Tra bảng XII-7, Trang 313, [ 2 ] )

 Hệ số an toàn bền kéo: nk = 2.6

 Hệ số an toàn bền chảy: nch = 1.5

( Tra bảng XIII-3, Trang 356, [ 2 ] )

 Nhiệt độ nóng chảy: t = 1400 0C

 Mô đun đàn hồi: E = 2.1*105 N/mm2

 Hệ số Poatxông  = 0.33

 Điều kiện làm việc của tháp chưng cất :

Áp suất bên trong tháp ( tính tại đáy tháp ) với môi trường làm việclỏng -khí:

P =P h + PL + P

Áp suất hơi trong tháp : P h = 1 at = 9.81*104 ( N/m2)

Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng:

Do đó áp suất tại đáy tháp:

P = 9.81*104 + 14.14*104 + 18654.1

= 258154.1 ( N/m2 )

Theo bảng XIII-8, Trang 362, [2]:

 D =700 mm

 Cách hàn: hàn tay bằng hồ quang điện

 Kiểu hàn: hàn giáp mối hai bên

 Hệ số bền mối hàn h  0 95

Do trên thân có khoét lỗ nên hệ số bền của thành hình trụ theo phươngdọc được tính theo công thức :

93 13

24 0

* 6 93 13 95 0 0

Ứng suất cho phép [k] của vật liệu được tính:

: giá tri hệ số hiệu chỉnh

= 1.95*10 -3 m = 1.95 mm

 Bề dày thực tế của thân tháp:

S = S’ + C

Trong đó C = C1 + C2 + C3 (CT XIII.17, trang 363, [2])

- Chọn thiết bị làm việc trong 15 năm, vật liệu bền ( 0.05 – 0.1

mm ): Hệ số bổ sung do ăn mòn: C1 = 1 ( mm )

- Hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường C2 = 0

- Hệ số do sung sai của chiều dày: C3 = -0.18 (mm) ( bảng XIII.9,trang 364, [2])

Do đó: C = 1 + 0 – 0.18 = 0.82 (mm)

Khi đó S = S’ + C =1.95 + 0.82 = 2.77 (mm)

Theo bảng XIII-11 Trang 384 [2]:

- Chọn S = 4 ( mm )

- Chiều cao gờ h, mm: 25

 Kiểm tra bề dày của thân:

- Kiểm tra điều kiện:

0,1

a

S C D





1 0 10

* 29 4 700

1

) 1 4 ( 7 0

) 1 4 (

* 85 0

* 10

* 62 54

* 2 )

(

) (

*

*

* 2

C S

Như vậy Ptt > P ( hợp lý )