ĐỒ ÁN CHƯNG CẤT ETANOLNƯỚC

Đồ án chưng cất hệ etanolnước của sinh viên đại học công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh. Tháng 8 2014. Năng suất 3000kgh ứng dụng tháp mâm xuyên lỗ, Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: Cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,…

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN MÁY – THIẾT BỊ

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN MÁY – THIẾT BỊ

KHÓA: 2011-2015

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2014

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được đồ án học phần lần này ngoài sự cố gắng của bản thân thì sự chỉdạy, hướng dẫn của các thầy trong bộ môn nói chung và thầy hướng dẫn nói riêng là vô cùngquan trọng Đây có thể nói là một cơ hội để cho em có thể làm quen với công việc tính toán,thiết kế của một kỹ sư ngành hóa và bên cạnh đó giúp em nghiệm ra được rất nhiều điều.Việc thiết kế và tính toán một hệ thống chưng cất là việc làm phức tạp, đòi hỏi tính tỉ

mỉ và lâu dài Đòi hỏi một nền tảng kiến thức vững chắc và rộng để có thể tính toán đến cáckhía cạnh có thể gặp phải khi thiết kế cũng như vận hành trong thực tế

Không chỉ có vậy, việc thiết kế đồ án môn quá trình thiết bị này còn giúp em củng cốthêm nhưng kiến thức về bộ môn máy thiết bị hóa chất Giúp em hiểu ra được nhiều quátrình đòi hỏi việc tìm hiểu thêm các thông số để tính toán mà trên lớp chưa được tìm hiểu.Chính vì vậy, em xin chân thành cảm ơn các thầy trong bộ môn và thầy Võ ThanhHưởng là giáo viên hướng dẫn trực tiếp đã cung cấp những kiến thức cơ bản và hướng giảiquyết khi gặp khó khăn trong tính toán thiết kế hệ thống

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành tốt nhiệm vụ song do hạn chế về tài liệu , kinh nghiệmthực tế nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thiết kế Em kính mong đượccác thầy xem xét và chỉ dẫn thêm

TP Hồ Chí Minh, ngày 3 tháng 8 năm 2014

Sinh viên Hoàng Văn Minh

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá: • Ý thức thực hiện:

• Nội dung thực hiện:

• Hình thức trình bày:

• Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014

Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Phần đánh giá: • Ý thức thực hiện:

• Nội dung thực hiện:

• Hình thức trình bày:

• Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH ẢNH

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độtinh khiết của các sản phẩm Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn đượccải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: Cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,

…

Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp.Đối với hệ metanol-nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải sử dụng phương pháp chưngcất để năng cao độ tinh khiết

Đồ án môn học hoá công là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập vậnhành thiết bị chế biến hóa chất trong tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụtính toán cụ thể về: Quy trình công nghệ, kết cấu, cũng như điều kiện làm việc vận hành của

hệ thống chưng cất trong công nghiệp hoá chất và công nghiệp lọc hoá dầu

Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học

mà nhất là môn học hoá công vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế 1 cách tổng hợp.Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế, tính toán tháp chưng cất hệ hỗn hợp 2 cấu tử Etanol-Nước, với năng suất nhập liệu là 3000kg/h, nồng độ nhập liệu 30 % thể tích rượu, nồng độsản phẩm đỉnh 93% thể tích rượu, nhập liệu trạng thái nhập liệu lỏng sôi

Em chân thành cảm ơn thầy Võ Thanh Hưởng đã giúp đỡ, hướng dẫn em trong suốt quátrình thực hiện đồ án Vì kiến thức còn hạn chế nên đồ án của em còn nhiều thiếu sót, kínhmong quý thầy cô giúp đỡ

TPHCM, tháng 8 năm 2014

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu đượcbấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sảnphẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáychủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩmđỉnh 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 tắccủa phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tửquá 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 trườnghợp sau:

• Khi nhiệt độ sôi 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 trình đượcthực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn

Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường được ápdụng 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 tiếpbằng nồi đun ở áp suất thường

1.1.2 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 này phụ thuộc vào độ phân tán của lưuchất này vaò lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường đượcứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước của tháp : đường kính tháp và chiềucao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm Takhảo 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 khácnhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơccho 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 bíchhay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hayxếp thứ tự

So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lo Tháp mâm chóp

- Làm việc với chất lỏngbẩn

- Độ ổn định kém - Yêu cầu lắp đặt khắt khe-> lắp đĩa thật phẳng - Trở lực lớn

Bảng 1-1: Bảng so sánh ưu nhược điểm các loại tháp

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 suấtthường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp

1.2 GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU

Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol-Nước

1.2.1 Etanol

1.2.1.1 Tính chất chung

Etanol : (Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm) có công thức phân tử:CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tannhiều trong nước

Một số thông số vật lý và nhiệt động của etanol:

+ Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78.3oC

10

2 3

−

−

−CH OH =

CH K

, cho nên etanol là chất trung tính.+ Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua(NaH),Natri amid(NaNH2):

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

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:

2CH3-CH2-OH (CH3-CH2)2O + H2O

CH3-CH2-OH CH2=CH2 + H2O

* Phản ứng hydro và oxy hoá:

CH3-CH2-OH CH3-CHO + H2Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò quan trọngtrong nền kinh tế quốc dân Nó là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150 mặt hàng khác nhau

và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành:

• Công nghệ hóa chất, công nghệ sản xuất cao su tổng hơp

• Thuốc sát trùng trong y tế

1.2.1.3 Điều chế

Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúctác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc tácdung 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 rỉđường Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu là sử dụng chủngnấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột:

C6H6O6 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal

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

Khối lượng phân tử : 18 g / molKhối lượng riêng d40oC: 1 g / ml

Hình 1-1: Đồ thị thành phần x-y của hệ etanol-nước

Hình 1-2: Đồ thị nhiệt độ sôi theo thành phần của hệ etanol-nước

1.3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,30C ở 760mmHg,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 phương pháp chưng cất

Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đều cókhả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ dophải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá trình táchkhông 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

1 2

10 4

5 6 7

9

11

12 13

14

Hình 1-3:Quy trình công nghệ chưng cất etanol-nước

* Thuyết minh qui trình công nghệ:

Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 30% ( theo thể tích), nhiệt độ khoảng 200Ctại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đó được đưa đếnthiết bị gia nhiệt (5 )hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệthỗn hợpđược đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảyxuống Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc vàtrao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dướicàng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi cuốncấu tử dễ bay hơi.Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thìcấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗnhợp có cấu tử etanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 93% phân thể tích) Hơi này đi vào thiết

bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làmnguội sản phẩm đỉnh (9), được làm nguội đến 300C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩmđỉnh (10) 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 cónhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợplỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi ( nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ etanol 5 %phân thể tích, còn lại là nước Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (11) Trongnồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phầncòn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi nhiệt với dòng nước giải nhiệt qua thiết bị làm nguộiđáy (12)

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

2.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

• Năng suất nhập liệu:Gf= 3000 kg/h

Các ký hiệu:

GF, F: suất lượng nhập liệu 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

xi, i

x

: nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i

2.2 SUẤT LƯỢNG ĐỈNH VÀ ĐÁY

Khối lượng riêng của nước và etanol : ρN20 = 998 kg/m3

E20= 789 kg/m3Nồng độ sản phẩm đỉnh:

= = 0.804 (molE/ molhh) = 0.9376 ( kgE/ kghh )Tương tự ta có :

Khối lượng mol trung bình nhập liệu

Mhh= * ME + (1-)*MN = 0,117*46 + 0,883*18 = 21,276 (kg/kmol)Suất lượng mol nhập liệu

(kmol/h)Cân bằng năng lượng cho toàn tháp ta có



2.3 XÁC ĐỊNH TỶ SỐ HOÀN LƯU

2.3.1 Tỷ số hoàn lưu tối thiểu

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

là tối thiểu

Dựa vào hình 1-1 ta xác định được yF* = 0.46

Rmin=

2.3.2 Tỷ số hoàn lưu làm việc

Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp ,thiết bị ngưng tụ ,nồi đun vàcông để bơm cũng tăng theo.Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cựckhi hoàn lưu toàn phần ,lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu

Tổng chi phí bao gồm : chi phí cố định và chi phí điều hành Tỉ số hoàn lưu thíchhợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu

Tuy nhiên ,đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp ,khó kiểm soát nên người ta cóthể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất Để tính được tỉ số hoàn lưu thíchhợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều hành),ta cần lập mối quan hệgiữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn Rth ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất

Nhận thấy ,tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp ,mà lượng hơi lại tỉ lệ vớilượng lỏng hồi lưu trong tháp ,do trong điều kiện làm việc nhất định thì GD sẽ không đổi nênlượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1) ,do đó , tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với (R+1) Ngoài ra ,chiều

cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối mox hay số mâm lý thuyết Nlt Cho nên ,thể tích làmviệc của tháp tỉ lệ với tích số mox*(R+1) Như vậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa R vàVtháp theo quan hệ R và mox*(R+1) Từ đồ thị của quan hệ này ,ta xác định được điểm cựctiểu của mox*(R+1) ứng với tỉ số hoàn lưu thích hợp R.

Bảng 2-2: Xác định tỷ số hoàn lưu làm việc

Hình 2-4: Xác định tỷ số hoàn lưu làm việc của tháp

Vậy tỷ số hoàn lưu thích hợp cần tìm R=2.1

2.4 PHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC VÀ SỐ MÂM LÝ THUYẾT

2.4.1 Phương trình đường làm việc đoạn cất

1

804,0.11,2

1,2

+

++ x

=0,6674 x + 0,2593

2.4.2 Phương trình làm việc đoạn chưng

y =

W

x R

f x R

f R

1

1

−

− +

+

=

0011,0.11,2

18,7.11,2

1,28,7

+

−

−+

= 3,19 x – 0,035

Với : f =

016.0117.0

016.0804.0

W D x x

x x D F

Tóm lại số mâm lý thuyết là Nlt = 12 mâm

2.5 XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :

lt tt

2.5.1 Xác định hiệu suất trung bình của tháp ηtb

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

x

x

1 y 1

Với : x :phân mol của rượu trong pha lỏng

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

117,01.46,01

46,0x

x1y1

yα

F

F

*

* F

* Tại vị trí mâm đáy :

xW = 0,016 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*

W = 0,147

tW = 94 oC

+

016,0

016,01.147,01

147,0x

x1y1

yα

W

W

*

* W

804,01.820,01

820,0x

x1y1

yα

D

D

*

* D

57 , 0 38 , 0 36 , 0

F η ηη

2.5.2 Số mâm thực tế của tháp Ntt

437,0

12

=

tt N

=27,46 mâm Vậy chọn Ntt = 28 mâm , gồm : 3 mâm cất

25 mâm chưng Nhập liệu tại mâm số 4

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN-THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

3.1 ĐƯỜNG KÍNH THÁP

tb y y tb g

)ω.(0188,0ω.3600

π

4VD

tb

tb

(m)

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

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

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, đườngkính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

g d tb

+

=

(Kg/h)

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)

Xác định gd : gd = D.(R+1) =18,07.(2,1+1) = 55,831 (Kmol/h)

= 2272,5(Kg/h) (Vì MthD =46.yD+(1-yD).18 = 40,568 Kg/Kmol)

D r

g r g

x D x G y g

D G g

1 1

1 1 1 1

1 1

Với : G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

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

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

* Tính r1 : t1 = tF = 85,4oC , tra tài liệu tham khảo [1] ta có :

An nhiệt hoá hơi của nước : rN1 = 2297 (KJ/kmol)

An nhiệt hoá hơi của rượu : rE = 837,2 (KJ/kmol)

Suy ra : r1 = rE.y1 + (1-y1).rN = (KJ/kmol)

* Tính rd : tD = 78,5oC , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có :

An nhiệt hoá hơi của nước : rNd = 2315 (KJ/kmol)

An nhiệt hoá hơi của rượu : rE = 849 (KJ/kmol)

Suy ra : rd = rE.yD + (1-yD).rNd =849.0,9376+2315.(1-0,9376)

= 940,5 (KJ/kmol)Giải hệ, ta được

Vậy : gtb =

7 , 1766 2

5 , 2272

(Kg/h)

3.1.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

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

ytb

xtb gh

ρ

ρ

ω = 0 , 05

Với : rxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

rytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) Xác định ρytb :

.4,22

273.18.146

+

−+

=

tb

tb tb

ytb

t

y y

804 , 0 46 ,

=0,5765

+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : ttb = 2

D

F t

t +

==81,95oCSuy ra : ρytb =1,226 (Kg/m3)

5 , 810 05 , 0

8 ,

Dcất =

1226 03 , 1

7 , 1766

0188

,

0

= 0,703 (m)

3.1.2 Đường kính đoạn chưng

3.1.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp

2

1 , , , g g

g tb = n +

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

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

Xác định g’n : g’n = g1 = 1261(Kg/h)

Xác định g’1 : Từ hệ phương trình :

1

' 1 1

'

1 ' 1

'

.'.''.'

'

r g r g r g

x W y g x G

W g G

n n

W W

Với : G’

1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

* Tính r’1 : xW =0,004 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0,3

Suy ra :Mtbg’ =46.yW +(1-yW).18=18,504 (Kg/kmol)

t’1 = tW = 94oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :

An nhiệt hoá hơi của nước : r’N1 = 2239 (KJ/kmol)

An nhiệt hoá hơi của rượu : r’E = 828.8 (KJ/kmol)

Suy ra : r’1 = r’R1.yW + (1-yW).r’N1 = 1815 (KJ/kmol)

1261 6 ,

(Kg/h)

3.1.2.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

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

ytb

xtb gh

'

' 05 , 0 '

ρ

ρ

Với : r'xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

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

273.18.'146.''

+

−+

=

tb

tb tb

ytb

t

y y

ρ

Với: + Nồng độ phân mol trung bình :

=0,3035với yl , yw tra trên đường cân bằng qua xF , xw

+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’tb = 2

=89,7oCSuy ra : ρ’ytb =0,89 (Kg/m3)

= 0,1465

t’tb =89,7oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :

Khối lượng riêng của nước : r’N = 960(Kg/m3)

Khối lượng riêng của rượu : r’E = 716(Kg/m3)

Suy ra :ρ’xtb =

1

'

'1'

tb x x

ρρ

=914,35 (Kg/m3)

Suy ra :

89 , 0

35 , 914 05 , 0

ω

= 1,28 (m/s) Vậy :đường kính đoạn chưng

Dchưng=

28 , 1 89 , 0

3 , 1219

0188 , 0

= 0,615 (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 = 0,7 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :

+ Phần cất : ωlv =

04 , 1 226 , 1 7 , 0

7 , 1766 0188 , 0

0188 , 0

2

2 2

2

=

=

ytb t

, 0 7 , 0

6 , 1177 0188 , 0 '

.

' 0188 , 0

2

2 2

2

=

=

ytb t

Trong đó với đáy (nắp) tiêu chuẩn, ta có

 chiều sâu bên trong của phần elip trang 126

Theo [2], hình XIII.11, trang 381  Chọn chiều cao gờ đáy nắp h=25 (mm

 chiều cao đáy (nắp)

Theo bảng XIII.10 trang 382 ta có diện tích của đáy : S= 0,59

3.2 MÂM LỖ-TRỞ LỰC CỦA MÂM

3.2.1 Cấu tạo mâm lỗ

Chọn : +Đối với chất lỏng sạch đường kính lỗ được chọn từ 2-6mm Thường chọnđường kính lỗ 4-5 mm Nên ta chọn lỗ có đường kính d=4 mm

+ Tổng diện tích lỗ bằng 10% diện tích mâm

+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo tamgiác đều )

+ Tỷ lệ bề dày mâm 3 mm + Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm + Chiều cao gờ chảy tràn trên mâm: hg= 40 mm

Ta có :

+ Diện tích nằm ngang của tháp : Ac= = 0,3848 (m2)

+ Diện tích kênh chảy truyền lỏng : Ad= 10% Ac= 0,03848 (m2)

+ Diện tích thực của đĩa: An= Ac-Ad = 0,3463(m2)

+Diện tích làm việc của đĩa:

Aa= Ac-2Ad= 0,3078 (m2)+ Diện tích sơ bộ của lỗ:

Chọn 10%Aa => Ah= 0,03078 (m2)+ Diện tích làm việc của 1 lỗ: S==1,2566.10-5 (m2)

Số lỗ trên đĩa : N==2448 lỗ

Vậy: ta bố trí các lỗ trên 1 mâm thành 57(hàng), số lỗ trên đường chéo là 43 lỗ

3.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm

Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính toán dựa trên cơ sở tổn thất áp suất

do chảy đột thu đột ở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ

3.2.2.1 Trở lực đĩa khô

Đối với đĩa có tiết diện tự do của lỗ bằng 15-20% diện tích chung thì

Do tiết diện tự do của lỗ bằng 10% tiết diện chung  vận tốc hơi qua lỗ

Trở lực sức căng bề mặt tháp đĩa lỗ theo IX.142 [2], trang 194

Sức căng bề mặt của rượu

Thay  trở lực sức căng bề mặt đoạn cất

3.2.2.3 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra (∆P t )

Trở lực thủy tĩnh theo [3], trang 285

Chiều dài cửa chảy tràn [3], trang 285

P

lưu lượng chất lỏng:

Khối lượng mol trung bình trong đoạn lỏng cất:

Mcất = =30,89 (kg/kmol)Khối lượng lỏng đoạn cất: ρ=810,5 (kg/m3)

Thay vừa tính; từ (3.76); k=0.5 vào (3.74)





3.2.3 Tổng trở lực của tháp chưng cất

Tổng trở lực trên 1 mâm theo IX.136 [2], trang 192

Đoạn cất

 Đoạn chưng

 Tổng trở lực của tháp: P= 383,32 25+ 420,3 3= 10843,9 (N/m2)

3.2.4 Kiểm tra hoạt động của tháp

- Kiểm tra lại khoảng cách mâm =0.25 m

- Tính đồng nhất của hoạt động của mâm

Vận tốc tối thiểu qua lỗ của pha hơi đủ để các lỗ trên mâm hoạt động ổn