Thiết kế tháp chưng cất hệ etanol nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu 2000 kgh có nồng độ 15% 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 thực 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. 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 15% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 75% mol etanol với độ thu hồi etanol là 98%.

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- thực 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

Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 2000 kg/h có nồng độ 15% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 75% mol etanol với độ thu hồi etanol là 98%.

Đây là lần đầu tiên thiết kế hệ thống tháp chưng cất mang tính chất chuyên ngành,do kiến thức và tài liệu còn hạn chế nên em không thể tránh khỏi sai sót trong quá trình thiết kế Nên mong được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình quí thầy cô bộ môn để em có thể hoàn thành tốt đồ án này.

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 tử thì ta thu được 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 độ sôi lớn) Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu 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 áp suất cao Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu 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 dụng trong các trường hợp sau:

+ 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 trình được 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:

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường 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 của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.

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

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

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 ưu và nhược điểm của các loại tháp:

- Hiệu suất tương

- Trở lực thấp.

- Hoạt động khá ổn định.

- Hoạt động ổn định.

- Làm việc với chất lỏng bẩn.

- Yêu cầu lắp đặt khắt khe -> lắp đĩa

- Thiết bị nặng.

- Không làm việc với chất lỏng bẩn.

Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm

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

Vậy: 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).

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:

+ Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri

CH3-CH2-OH + NaH CH3-CH2-ONa + H2

của 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 có tính bazơ tương đương

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

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:

 Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol:

của etanol khi đun nóng 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 nguồn tinh bột 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:

Nấm men Zymaza

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.

Khối lượng phân tử : 18 g / mol

Khối lượng riêng d40 c : 1 g / ml

Nhiệt độ nóng chảy : 00C

Nhiệt độ sôi : 1000 C

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

là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống.

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

là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.

III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC:

khá xa nên phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất.

Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho 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 Tháp chưng cất.

2 Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy

3 Bồn chứa nguyên liệu

Nước ngưng

Nước ngưng

* Thuyết minh qui trình công nghệ:

Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 15% ( theo phân mol),

bồn cao vị (8) Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (7) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ) Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt(7), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (1) ở đĩa nhập liệu.

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy 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 phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi.Nhiệt độ càng 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 được hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều nhất

ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội

sản phẩm đỉnh (5) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi ( nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ etanol là

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 600C 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 = 2.103 kg/h

II TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU

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



i M i X j M j

X j x

Thành phần mol trong hỗn hợp đầu

B

F

A F A F

F

M

a M

a M

a x

15,04618

)1(46

F F

x x

P

M

a M

a M

a x

75,04618

)1(46

P P

x x

x a

Với : n: số cấu tứ của hỗn hợp

xi: phần mol của cấu tử i

Mi: khối lượng mol của cấu tử i

Trong hỗn hợp đầu

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

Trong sản phẩm đỉnh

MP = xPMA + (1 - xP)MB = 460,75 + (1 - 0,75)18 = 39 kg/kmol

Trong sản phẩm đáy

MW = xWMA + (1 - xW)MB = 460,0037 + (1 - 0,0037)18 =18,1036 kg/kmol

Phần khối lượng

P hần mol

Lưu lượng (kg/h)

Lưu lượng (kmol/h)

Dựa vào (Bảng IX.2a, 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 đáyBằng 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)

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, T144, [2])

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

R

x B R

R A

3.1.2 Đoạn chưng

Phương trình cân bằng vật liệu đoạn chưng:

Gx’ = Gy + WVới:

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

L R A

(CT IX.23, T158, [2])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

Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol-Nước có điểm uốn, nên xác định tỉ sốhồi lưu tối thiểu bằng cách:

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

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

1 min

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 Vì vậy số ngăn thực tế phải được điều chỉnh

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

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

N tt = N LT / η tb (CT IX.59, 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

Trong đó

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 1 487 , 0 1 487 , 0

85 ,

84

 = 0,343.103 Ns/m2

C A

P P

x

x y

75 , 0 1 786 , 0 1

786 , 0

W W

x

x y

0037 , 0 1 0246 , 0 1

0246 , 0

μA = 0,39.103 Ns/m2

0 3

 Ta lấy số đĩa thực tế: Ntt = 21 đĩa

Trong đó

Số đĩa thực tế của đoạn luyện: NL = 6 / 45% = 13,3 chọn 13 đĩa

Số đĩa thực tế của đoạn chưng: Nc = 3,5 / 45% = 7,7 chọn 8 đĩa

PHẦN 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

Sơ đồ:

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, T196, [2])

Trong đó:

QD1 = D1λ1 = D1(r1 + θ1C1) J/h (CT IX.150, T196, [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

)

(

95 ,

t C t C F r

Q Q

, 0

28 4082 85

, 84 59 , 4139 10

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

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

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

θ2: nhiệt độ của nước ngưng,0C

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

2.3 Nhiệt lượng lỏng hồi lưu mang vào

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

tx = tp = 78,80C

Cx78,8: nhiệt dung riêng hỗn hợp sau khi ngưng tụ sản phẩm đỉnh (J/kg độ)

Cx78,8 được tính theo công thức sau:

Nhiệt độ hơi tại đỉnh tháp 78,80C

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

λhh = λ1aP + (1 - aP)λ2 = rP + CP78,8 tP

λ1: hàm nhiệt của Axeton ở 78,80C

λ2: hàm nhiệt của Etanol ở 78,80C

CP78,8: nhiệt dung riêng của hỗn hợp ra khỏi tháp ở nhiệt độ 78,80C

CP78,8 = aPCA78,8+(1 - aP)CB78,8 = 0,8853445,36 + 0,1154190 = 3530,99 J/h

Suy ra: λhh = rP78,8 + CP78,8.tP = 1038,5.103 + 3530,9978,8 = 1316,742.103 J/kgVậy:

Qy = P.(Rx + 1).λhh = 688,662(1,404+1)1316,742.103 =2179,9.106 J/h

2.5 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra:

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

CW: được xác định theo công thức: CW99,3 = CA99,3aW – CB99,3(1 – aW)

CA,CB: tra (Bảng I.153,T 171, [1]) bằng phương pháp nội suy ở 99,30C

CA99,3 = 4070,89 J/kgđộ

CB99,3 = 4228,59 J/kgđộ

Suy ra: CW = 4070,90,0094 + 4228,59( 1 – 0,0094) = 4227,11J/kgđộ

2 2

95 ,

0 r

Q Q Q Q

D Y  w  F  Rx

10 2264 95 , 0

6 10 488 , 702 6 10 488 , 702 6 10 395 , 550 6 10 9 , 2179

Lượng nhiệt tiêu tốn môi trường xung quanh: Qm2 = 0,05.D2.r2 = 188,8.106 J/kg

III CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ

Sử dụng thiết bị hồi lưu:

1 t

t

2 55 35

1

.

1 t t

C n

r

R x P

Gn  

) 35 55 ( 2 , 4182

3 10 5 , 1038 404 , 1 662 , 688

t t

t t

ttb

1 2

' 2 ' 1 '

) 1 2 (

) ' 2 ' 1 (

' 2

t t

C n

t t

C P r P

) 25 55 ( 2 , 4182

) 35 8 , 78 ( 25 , 3275

* 662 , 688 3 10 5 , 1038

* 662 , 688

PHẦN IV TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP

D =

tb tb V



  3600  (m) (CT IX- 89,T 181 [II])

tb y y tb

y

) ( 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, T182, [2])

g1y1 = G1x1 + Gpxp (CT IX.94, T182, [2]) (1)

g1r1 = gđrđ (CT IX.95, T182, [2])

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

x1: hàm lượng lỏng ở đĩa thữ nhất đoạn luyệnTrong các phương trình trên ta xem x1 = xF

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

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

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 = r1y1 + rb(1 – y1)

Giải hệ (1) cho ta tìm được g1, G1, y1:

g1 = 1013,2 kg/h = 45,64 kmol/h

G1 = 621,6kg/h = 28 kmol/h

y1 = 0,676 kg/kg

→ r1 = ray1 + rb (1 - y1) = 10128kcal/kmolSuy ra lương hơi trung bình:

2 1

g g

,

= 1334,37 kg/h = 0,3706 kg/s

Lưu lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện:

Gtb =

2 1

G

G P

=688,6622621,6= 655,131kg/h

1.1.2 Khối kượng riêng trung bình đối với pha khí, pha lỏng của đoạn luyện

tb

B tb A

tb ytb

T

M y M

y

4,22

T: nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện

 F

p t t

2

85 , 84 8 , 78





= 354,8250K

Do đó: ytb 0,5844622,41354 0,,58482518273 = 1,18 (kg/m3)

Với pha lỏng:

B

tb A

tb xtb

a a

885 , 0 31 , 0

5975 , 0 1 886

5975 , 0

, 1

37 , 1334

g V



m3/h

Lưu lượng thể tích lỏng đi trong đoạn luyện:

714 , 0 5 , 917

131 , 655

G G

h: khoảng cách giữa các đĩa, m

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

Sức căng bề mặt của hỗn hợp ở ttb = 81,820C (Bảng I.242, T300, [1])

Ta tìm được: A = 23.10-3 N/m, B = 61,7.10-3 N/m

1 ) 7 , 61

1 23

937 , 0

37 , 1334 0188

,

Để dễ thiết kế và thi công, chọn đường kính đoạn luyện là 0,7m

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 ' g

1 = 532,9 1013,208

22 , 456

g’

25 , 867 208

,

= 940,229 kg/hLượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng:

G’

tb = 2

10 2 53 ,



= 2089,26 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

: 1

tb

2 , 0 2

0037 , 0 382 , 0 2

1

tb

y y

7878 , 0 075

, 365 4 , 22

18 ) 2 , 0 1 ( 46 2 , 0

0094 , 0 31 , 0

1597 , 0 1 916

1597 , 0 1

tb xtb

a a







023 , 956



Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn chưng:

16 , 1190 8

, 0

229 , 940 '

g V

Lưu lượng thể tích lỏng trung bình của đoạn chưng:

18 , 2 203 , 956

26 , 2089

' '

G G

1.2.3 Vận tốc hơi trung bình trong đoạn chưng:

Tương tự trong đoạn luyện, ta có:

1 8 , 29

1 1

229 , 940 0188 ,



Ta chọn đường kính đoạn chưng là: 0,65 m

Vậy ta chọn đường kính chung cho toàn tháp là D = 7 m

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

III TÍNH TRỞ LỰC CỦA THÁP

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

7 , 0 1 , 0 1

, 0

% 10

m

d

D S

S

= 1960 lỗGọi a là số hình lục giác (CT IX.139, 48, [2]) Áp dụng

Áp dụng (CT IX.139, 48, [2]):N = 3a*(a - 1) + 1

Giải phương trình bậc 2: a = 26

Số lỗ trên đường chéo: b = 2*37 - 1 =51lỗ

3.2 Trở lực của đĩa khô

2

' 2

H k

937 , 0

% 10

782 , 0

% 10

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện tLL = 81,82oC thì:

(Bảng I.249, T310, [1]) Sức căng bề mặt của nước sBL =0,617. N/m

(Bảng I.242, T300, [1]) Sức căng bề mặt của rượu sAL = 0,023 N/m

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

2 1

2 1 2

1

1 1 1

023 , 0

* 617 , 0

022 , 0 4

Tính toán tương tự như phần luyện

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện TLC = 92,075oC thì:

(Bảng I.249, T310, [1]) Sức căng bề mặt của nước sNC = 0,6036N/m

(Bảng I.242, T300, [1]) Sức căng bề mặt của rượu sRC = 0,0298 N/m

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

2 1

2 1 2

1

1 1 1

0298 , 0 6036 , 0

028 , 0 4

L

Q h

Lgờ : chiều dài của gờ chảy tràn, m

K =  b/ L : tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khốilượng riêng 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:

, 917 39

64 , 31 404 , 1 23 , 808

LL P

M

M R G

5 , 0 73 , 0 85 , 1

10 374 ,

Tính toán tương tự như phần luyện

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

MLC = 0,025 46 + (1 – 0,025)18 = 18,7kg/kmol

Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần chưng

3600 023

, 956 103 , 18

7 , 18 404 , 1 28 , 1311

LC w

M

M R G

5 , 0 73 , 0 85 , 1

10 6 ,

3.5 Tổng trở lực thuỷ lực của tháp

Tổng trở lực của 1 mâm trong phần luyện của tháp là:

PL = PkL + PsL + PbL =95,58 + 13,55+ 319,43 = 428,56N/mTổng trở lực của 1 mâm trong phần chưng của tháp là:

3.6 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động

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

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 (CT 5.10, 115, [4])

2 ' 0,128. 100 

QL: lưu lượng của chất lỏng m3/h

Sd: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

57 , 425 1000

* 57 , 425

4 2

628 , 0 100

3600 10

374 , 2 128 , 0

100 128 ,

3.6.2 Phần chưng

hlC = 0,0091000 = 9 (mm)

81 , 9 023 , 956

26 , 416 1000

26 , 416

3 2

628 , 0 100

3600 10

594 , 0 128 , 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.

IV BỀ DÀY THÂN THÁP

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

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm ta chọn thiết bị thân tháp là thép không 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:

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

Vì thiết bị không bọc lớp cách nhiệt = 1 (T 26, [7])

0908 , 0 700

2

(mm)

Quy tròn theo chuẩn: S =3 mm (Bảng XIII.9, trang 364, tập 2)

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

2

a h

C S D

C S



> P = 0,0706 (thỏa)

Kết luận: S = 3 mm

V ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ

Chọn đáy và nắp có dạng hình ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10T

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

t

t D

h

(T 381,[ 2])

175 , 0 25 , 0 7 , 0 25 , 0