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

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 công nghiệpnước 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 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 tính tổnghợp 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 cầucông 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 đãhọc 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 - Nước hoạtđộng 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 chưng cấtmang tính chất đào sâu chuyên ngành,do kiến thức và tài liệu còn hạn chếnên 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

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:

1 Phương pháp chưng cất :

Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thànhcác cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (haynhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lầnquá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơihoặc ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dungmôi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dungmôi bay hơi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu

tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tửthì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độbay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độbay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủyếu gồm etanol và một ít nước , 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 ápsuất cao Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của cáccấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc

để giảm nhiệt độ sôi 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 dụngtrong các 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) làquá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn

 Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơinước: thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trongnước

Vậy: đối với hệ Etanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liêntục 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

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,pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm Ta khảo sát 2 loại thápchưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

 Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn cácmâm 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 (3-12) mm

 Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối vớinhau 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 lỗ Tháp mâm chóp

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

- Trở lực thấp

- Hoạt động khá ổn

- 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 khắtkhe -> lắp đĩa thật

- Thiết bị nặng

- Không làm việc vớichất 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: Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạtđộng 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: 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:

+ Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78.3oC

+ Khối lượng riêng: d420 = 810 (Kg/m3)

 Tính chất hóa học:

Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của etanol

là thể hiện tính chất hoá học của nó

* Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:

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

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

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

Lạnh

H +

* 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:

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

 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; từcác 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 2C2H5OH + 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…)

2 Nước:

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, khôngmùi, 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 hoả tiễn, bom bay.

Khối lượng riêng d40 c : 1 g / ml

Nhiệt độ nĩng chảy : 00C

Nhiệt độ sơi : 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 mơi phân cực mạnh, cĩ khả năng hồ tan nhiều chất và

là dung mơi rất quan trọng trong kỹ thuật hĩa học

III CƠNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC:

Etanol là một chất lỏng tan vơ hạn trong H2O, nhiệt độ sơi là 78,30C

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

Trong trường hợp này, ta khơng thể sử dụng phương pháp cơ đặc vì cáccấu tử đều cĩ khả năng bay hơi, và khơng sử dụng phương pháp trích ly cũngnhư phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, cĩ thể làmcho quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách khơng được hồn tồn

a Sơ đồ qui trình cơng nghệ chưng cất hệ Etanol – nước:

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 quy trình cơng nghệ:

Hỗn hợp Etanol - Nước có nồng độ Etanol 20 % ( phần khối lượng),nhiệt độ khoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (10) được bơm (1) bơmlên bồn cao vị (2) Từ đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt (3) Ở đây, hỗnhợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi Sau đó, hỗn hợp được đưa vào thápchưng cất (5) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cấtcủa tháp 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 tửdễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩatừ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuốicùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử Etanol chiếm nhiềunhất (có nồng độ 80% mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (6) và đượcngưng tụ một phần (chỉ ngưng tụ hồi lưu) Một phần chất lỏng ngưng điqua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (7), được làm nguội đến 350C, rồiđược đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (8) Phần còn lại của chất lỏngngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu.Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử cónhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp

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 0,0027 % ( phần mol ), còn lại lànước Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần được đun, bốc hơi

ở nồi đun (9) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lạiđược trao đổi nhiệt với nhập liệu ( sau khi qua bồn cao vị )

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

CHƯƠNG II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU:

Gọi: GF, F: suất lượng hỗn hợp đầu tính theo kg/h, kmol/h

GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

 Năng suất nhập liệu : GF = 2000 (kg/h)

 Nồng độ nhập liệu : x F = 20% mol etanol

 Nồng độ sản phẩm đỉnh : x D = 80% mol etanol

 Tỷ lệ thu hồi etanol  = 99% = 99%

 Khối lượng riêng của phân tử rượu và nước: 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 : F = D + W (II.1)  Cân bằng cấu tử etanol (cấu tử nhẹ) : F.xF = D.xD + W.xW (II.2)

 Tỷ lệ thu hồi( = 99% = 99%): F.x = 99% F  = D.x = 99% D (II.3)Với : * Phần mol nhập liệu : xF = 0,2 (phần mol etanol )

18 ).

1 ( 46

.x 46

F F

F F

x x

G

=200023,6 = 84,746 (Kmol/h)

* Phần mol sản phẩm đỉnh : xD =0,8 (phần mol etanol)

0 , 911

18 ).

1 (

46

46

D D

x x

1 (

46

46

w w

x x

Suất lượng(kg/h)

Suất lượng(kmol/h)

Sản phẩm đáy 0,68% 0,0027 1152,815 63,776

Thành phần pha của hỗn hợp hai cấu tử etanol – nước:

Dựa vào bảng IX 2a/148 sổ tay QTTB&CNHH Tập II, thành phần cânbằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử ở 760mmHg

X 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Y 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100

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

Hình 1: Đồ thị đường cân bằng Etanol – Nước

Hình 2: Đồ thị t-x,y cho hệ Etanol – Nước

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

Sản phẩm X (phần mol) Y(phần mol) To

điểm sôi

III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP:

1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu ( R xmin )

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lýthuyết là vô cực do đó chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành(nhiên liệu, nước và bơm… ) là tối thiểu

Rxmin =

813 , 0 2 , 0 531 , 0

531 , 0 8 , 0

F D

x y y x

Với:

xD: nồng độ phần mol của etanol sản phẩm đỉnh

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

B = 1



x

D R x

Vẽ đường làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng Đường làm việccủa đoạn luyện qua điểm M(x,y) với x = y = xD và điểm B trên trục 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 độ NL bằng đồthị x – y như sau:

Trên đồ thị x – y vẽ đường cân bằng, từ điểm M vẽ đường thẳngsong song với trục hoành cắt đường cân bằng tại một điểm, từ giao điểmnày vẽ đường thẳng song song với trục tung nó cắt đường làm việc tại mộtđiểm, cứ tiếp tục như vậy cho đến điểm N Đếm số bậc thay đổi nồng độ NLtrên đồ thị Với mỗi bậc thay đổi nồng độ ứng với một ngăn của thiết bị gọi

IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC SỐ MÂM LÝ THUYẾT: 1.Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện:

D x

x

R

x x R

R

= . 1,8590,8 1

1 859 ,

1

859 , 1

R

L x

R

L R

1

1

746 , 84



 : chỉ số nhập liệu

1 859 , 1

04 , 4 1 1 859 , 1

04 , 4 859 ,

O Ds

D

6 , 78 818 , 0

D D

x

x y

8 , 0 1 818 , 0 1

818 , 0

4285 , 0 124 , 1

y

O Ds

F

2 , 83 531 , 0

*

 Tại tDs = 83,2 oC, ta có:

Độ nhớt của nước

) / ( 10 345 ,

F F

x

x y

2 , 0 1 531 , 0 1

531 , 0

358 , 0 53 , 4

y

O Ds

w

5 , 99

0179 , 0

*

 Tại tDs = 99,5 oC, ta có:

Độ nhớt của nước

) / ( 10 286 ,

Độ bay hơi tương đối:

w w w

w F

x

x y

0027 , 0 1 0179 , 0 1

0179 , 0

288 , 0 73 , 6

% 3 , 48 3

42 44 59

5 , 13

N N

N N

Số mâm thực tế của đoạn chưng

7 483 , 0

5 , 3

N N

CHƯƠNG III CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

Cân bằng nhiệt lượng

Từ đồ thị x, y ta có:

XF = 0,2  yF = 0,531

XD = 0,8  yD = 0,818

XW = 0,0027  yW = 0,0179Chuyển từ phần mol sang phần khối lượng:

 0 , 74

18 ).

531 , 0 1 ( 46 531 , 0

46 531 , 0 ).

1 (

F

R F F

M y M

y

M y y

18 ).

818 , 0 1 ( 46 818 , 0

46 818 , 0 ).

1 (

D

R D D

M y M

y

M y y

18 ).

0179 , 0 1 ( 46 0179 , 0

46 0179 , 0 ).

1 (

w

R w w

M y M

y

M y y

I Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất:

phương trình cân bằng năng lượng:

QF + QD2 + QR = Qy + QW +Qxq2 + Qng2

1 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (Q F )

F F

) / ( 3268

do kg J C

do kg J C

N R

(bảng I 153, trang 172, tập 1)

 CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu (J/kg.độ)

N F R

 CR: nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu CR = CD

) / ( 5 , 3202

do kg J C

do kg J C

N R

(bảng I 153, trang 172, tập 1)

) / ( 5875 , 3290 4190

).

911 , 0 1 ( 5 , 3202 911 , 0

).

1 (

do kg J C

C x C

x C

D

N D R

D D

Rth: chỉ số hồi lưu thích hợp, Rth = 1,859

GR = 847,188.1,859 = 1574,922 (kg/h)

 tR: nhiệt độ chất lỏng hồi lưu: tR = tD = 78,6oC

QR=1574,922.3290,5875.78,6=407338105,6(J/h) =113,149(kW)

3 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (Q y )

) / ( 10 078 , 848

3 3

kg J r

kg J r

N R

(bảng I 212, trang 254, tập 1) Với: R r R t D.C R

N D N

N r t .C

 

6 , 78 10 195 , 2120

) / ( 10 794 , 1099 5

, 3202 6 , 78 10 078 , 848

3 3

3 3

kg J kg J N

592 , 2449 ).

92 , 0 1 ( 10 794 , 1099 92 ,

) / ( 5 , 3512

do kg J C

do kg J C

N R

(Bảng I 153, trang 172,tập 1)

 CW: nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy

N w R

 r2: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

 t2, C2: nhiệt độ oC, nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.do)

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

 2:hàm nhiệt của hơi nước bão hòa (J/kg)

Do hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2at

95 ,

Q Q Q Q

D Y  w  F  R

 (CT IX 163, trang 198, tập 2)

10 2208 95 , 0

87 , 10082621 6

, 638062297 2

, 632552907 1709253464

Qng2 = 807,428.4274,1.119,6 = 412742950,6 (J/h)

= 114,651 (KW)Trong đó : Gng2 – lượng nước ngưng tụ bằng lượng hơi đốt (kg/h)

II Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:

Phương trình cân bằng năng lượng cho thiết bị nung nóng hỗn hợp ban đầu

QD2 + Qf = QF + Qxq2 + Qng2

1 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (Q f )

f f

) / ( 2572

do kg J C

do kg J C

N R

(Bảng I 154, trang 172 tập 1)

 Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu (J/kg.do)

N f R

) / ( 2760

do kg J C

do kg J C

N R

(Bảng I 154, trang 72,tập 1)

 CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu (J/kg.do)

N F R

F

C   ( 1  ).

) / ( 586 , 3632 4190

).

3898 , 0 1 ( 2760 3898 ,

QF = 2000.3632,586.60 = 435910320 (J/h) = 121,086 (KW)

3 Nhiệt lượng hơi nước mang vào (Q D2 )

Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp ban đầu:

) / ( 1000 10

2208 95 , 0

) 28 98 , 3551 60

586 , 3632 (

2000

95 , 0

)

.(

3 1

r

t C t C

F

D

D

f f F F

Do hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2at nên:

 r2: ẩn nhiệt hóa hơi, r2 = 2208 10 3(J/kg) (bảng I.251, trang 314, tập 1)

 t2, C2: nhiệt độ oC, nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)

5 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh (Q xq2 )

Qxq2 = 0,05 D2 r2 (J/h) (CT IX 162, trang 198, tập 2)

110400000 10

2208 1000 05 ,

xq

III Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ:

Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn Gnt = D (R + 1)

Suy ra lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết

) (

) 1 (

1

2 t t C

R D G

n

th nl

t

t tb      34 

2

40 28 2

2

1 : nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh

 Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh tại ttb

) / ( 10 078 , 848

3 3

kg J r

kg J r

N R

(bảng I 212, trang 254, tập 1)

rngưng x D.r R  ( 1  x D).r N

) / ( 10 296 , 961 10

195 , 2120 ).

911 , 0 1 ( 10 078 , 848 911 ,

kg J

5 , 4176

) 1 859 , 1 (

188 ,

.)

) (

.

1 2

C

t t

C W G

n

w n

t

t tb      34 

2

40 28 2

2

1 : nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh

 Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh tại ttb

t

2 35 5

, 99 2

) / ( 625 , 3060

do kg J C

do kg J C

N R

(Bảng I 154, trang 172, tập 1)

 C w: nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy

t'2

N w R

w

C   ( 1  ).

) / ( 32 , 4182 4190

).

0068 , 0 1 ( 625 , 3060 0068 ,

Vậy lượng nước lạnh tiêu tốn:

) / ( 724 , 1 ) / ( 6205 )

28 40 (

5 , 4176

) 35 5 , 99 (

32 , 4182 815 , 1152

CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP

Đường kính tháp được xác định theo công thức sau:

tb Y Y tb g D

) ( 0188 ,

Y )

(   : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (kg/m2.s)

Ytb

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

Vì rằng lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp vàkhác nhau trong mỗi đoạn cho nên ta phải tính đường kính trung bìnhriêng cho từng đoạn: đoạn chưng và đoạn luyện

1 Đường kính đoạn luyện:

a Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn luyện:

Được tính theo công thức sau:

2

1

g g

tb



 (kg/h) (CT IX.91,trang 181, tập 2)

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

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

Áp dụng phương trình cân bằng vật liệu, nhiệt lượng cho mâm thứ nhất củađoạn luyện:

D D D

r g r

g

x G x

G y

g

G G

g

.

.

.

1 1

1 1 1

1

1 1

(hệ 1 ) (CT IX 93, 94, 95trang 182, tập 2)

Với:

y1: hàm lượng hơi của mâm thứ nhất đoạn luyện

x1: hàm lượng lỏng ở mâm thứ nhất đoạn luyện

Trong các phương trình trên ta xem x1 = xF

r1, rd: ẩn nhiệt hóa hơi đi vào mâm thứ nhất và đi ra khỏi tháp

Ta có:

GD = 20,97 (kmol/h)

GF = 84,746 (kmol/h)

x1 = xF = 0,2 (phần mol)

gd = GR + GD = GD.(Rx +1) (CT IX 92, trang 181, tâp 2)

rR = 202,56 (kcal/kg) (Bảng I 212, trang 254, tâp 1)

rN = 560,4 (kcal/kg)

yd = yD = 0,818Suy ra rD = 202,56.0,818 + (1-0,818).560,4 = 267,689kcal/kg)Giải hệ (1) ta tìm được g1, G1, y1 như sau:

G1 = 21,33 (kmol/h)

g1 = 42,3 (kmol/h)

r1 = 381,81 (kcal/kg)

y1 = 0,49 (phần mol)Suy ra lưu lượng hơi trung bình trong đoạn luyện:

2

953 , 59 3 , 42 2

2

97 , 20 33 , 21 2





  0 , 05 (m/s) (CT IX 111, trang 186,tập 2)Với:

4 , 22

273 18 ).

1 ( 46

m kg t

y y

tb

tb tb

Nồng độ phần mol trung bình: ytb = 0 , 654

2

818 , 0 49 , 0 2

(phần mol)Nhiệt độ trrung bình đoạn luyện: ttb = t F t D C

6 , 78 2 , 83 2

) 273 9 , 80 (

4 , 22

273 18 ).

654 , 0 1 ( 46 654 ,

m kg

% 87 , 71 7187 , 0 18 ).

5 , 0 1 ( 5 , 0 46

5 , 0 46

18 ).

1 ( 46

46

tb tb

x

x x

x x

Với ttb = 80,9oC:

) / ( 145 ,

145 , 734 05 ,

8 , 0

s m

h

gh h

) ( 83 , 0 9698 , 0 2505 , 1

819 , 2351 0188

,

2 Đường kính đoạn chưng:

a Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn chưng:

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

22

1

' 1 1 ' ' ' g g g g





 (kg/h) (CT IX 96, trang 182, tâp 2)

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

g’

n = g1 = 42,3 (kmol/h)Lượng 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:

1 1 ' .g

81 , 381 3 , 42

1 '

1 1 1 '

(1)  G'1 g'1 G w 30,2863,77694,056 (kmol/h)Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng:

29,362

28,303,422

1

' 1 '

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng:

G’

2

746,84056,942

1 '







G F G

(kmol/h)

c Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:

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

Ytb

xtb

' ' 0,05





  (m) (CT IX 90, trang 181, tập 2)Với:

4,22

273.18)

1(46

'

' '

t

y y

tb

tb tb

Nồng độ phần mol trung bình: y’

2

0179 , 0 49 , 0 2

(phần mol)Nhiệt độ trrung bình đoạn chưng: t’

5 , 99 2 , 83 2

) 273 35 , 91 (

4 , 22

273 18 ).

254 , 0 1 ( 46 254 ,

10135 , 0 1 ( 10135 , 0 46

10135 , 0 46

18 ).

1 (

46

46

'

' '

' '

tb tb

x

x x

x x

Với ttb = 91,35oC:

)/(2175,

, 964

2237 , 0 1 2175 , 724

2237 ,

56 , 897 05 , 0

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

) / ( 308 , 1 635 , 1 8 , 0 '

8 ,

'

s m h

gh h





308 , 1 839 , 0

34 , 1669 0188

, 0

819 , 2351 0188 , 0

0188 , 0

2

2 2

2

s m D

g

Ytb t

34 , 1669 0188 , 0

0188 , 0

2

2 '

2

' 2

s m D

g

Ytb t

tb





II CHIỀU CAO THÁP CHƯNG LUYỆN

Chiều cao tháp chưng luyện được tính theo công thức:

H = N t.(h  )  ( 0 , 8  1 )(m) (CT IX 54, trang 169, tâp 2)Trong đó:

Nt: số mâm thực tế; Nt = 28 mâm

) 1 8 , 0 (  m: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp

Ta chọn khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy là 0,8 mh: khoảng cách giữa các mâm; chọn h = 0,32 m

(Bảng IX 4a, trang 169, tập 2)

 : chiều dày của mâm; chọn  = 0,004 m

Do vậy chiều cao của tháp chưng luyện là:

H = N t.(h  )  0 , 8 (m) = 28.(0,32+0,004) +0,8 = 9,8 (m)Vậy chiều cao của toàn tháp là 9,8 m

III TRỞ LỰC THÁP

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 = 50mm = 0,05 m

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

- Lỗ bố trí theo hình lục giác đều

005 , 0

8 , 0 09 , 0 09

, 0

% 9

m

d

D S

S

= 2304 lỗGọi a là số hình lục giác

Ta có:

N = 3a(a-1) +1 (CT V 139, trang 48, tập 2)Giải phương trình bậc 2 ta được; a = 28  N = 2269 lỗ

Số lỗ trên đường chéo: b = 2a - 1 = 55 lỗ

2 Trở lực của đĩa khô ( )

) / ( ' 2

.

2

m N

 

    (CT IX 140, trang 194, tập 2)Trong đó:

2.1 Phần luyện:

Vận tốc hơi qua lỗ:

53 , 11 09 , 0

038 , 1

53 , 11 2505 , 1 82 ,

098 , 1

2 , 12 839 , 0 82 , 1

, 1

4





 (N/m2) (CT IX 142, trang 194, tập 2)Trong đó:

 : sức căng bề mặt (N/m2)

dlỗ: đường kính lỗ (m)

3.1 Phần luyện:

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện ttb = 80,9oC thì:

 Sức căng bề mặt của nước:

1 1 1

01722 , 0 6245 , 0

Suy ra trở lực do sức căng bề mặt của phần luyện là:

lơ lơ

L L

d

d 0 , 08 3

, 1

4





31 , 10 005 , 0 08 , 0 005 , 0 3 , 1

01675 , 0 4

Tính tốn tương tự như phần luyện ta cĩ:

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng ttb =91,35oC thì:

 Sức căng bề mặt của nước:

1 1 1

01627 , 0 605 , 0

C C

d

d 0 , 08 3

, 1

4





75 , 9 005 , 0 08 , 0 005 , 0 3 , 1

015844 ,

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:

32 859 , 1 188 , 847

LL D

M

M R G

5 , 0 67 , 0 85 , 1

10 27 ,

Tính toán tương tự như phần luyện

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

84 , 20 859 , 1 815 , 1152

LC w

M

M R G

L

b

0 , 0115

5 , 0 67 , 0 85 , 1

10 65 ,

6 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động

Khoảng cách giữa 2 mâm: h = 0,32 m = 320 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

(CT 5.20, trang 120,[3])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 chuyềnvào mâm, được xác định theo công thức sau:

2 '

100 128 ,

S

Q

h mm.chất lỏng (CT 5.10, trang 115, [4])

QL: lưu lượng của chất lỏng m3/h

Sd: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

Sd = 0,8.Smâm = 0,8.4 0,82 = 0,402 (m2)

Để tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì: hd = 21 h =3202 =160(mm)

6.1 Phần luyện

hlL = 0,0078.1000 = 7,8 (mm)

81 , 9 145 , 734

47 , 432 1000

47 , 432

4 2

402 , 0 100

3600 10 72 , 4 128 , 0

100 128 ,

Q h

37 , 475 1000

37 , 475

2

402 , 0 100

3600 10 65 , 7 128 , 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.

Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằngphương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía Thân tháp đượcghép với nhau bằng các mối ghép bích

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

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

Nhiệt độ tính toán: t = tmax= 100oC

Áp suất tính toán: vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên:

P = Pthủy tĩnh + ∆P

Trong đó: Pthủy tĩnh: áp suất thuỷ tĩnh lên chất lỏng ở đáy (N/m2)

∆P :Tổng trở lực lên tháp (N/m2)