Thiết kế hệ thống sản xuất chưng cất sản xuất cồn 90o từ hỗn hợp rượu etylic nước bằng tháp đệm với năng suất sản phẩm 400kgh, nhập liệu chứa 30% thể tích cồn, sản phẩm đáy chứa 90% thể tích nước

Đồ án học phần Quá Trình và Thiết Bị Hóa Học là môn học tổng hợp và vô cùng cần thiết đối với một kỹ sư hóa học tương lai, nó giúp ta bước đầu làm quen với việc tính toán thiết kế một th

Đồ án học phần Quá Trình và Thiết Bị Hóa Học là môn học tổng hợp và vô cùng cần thiết đối với một kỹ sư hóa học tương lai, nó giúp ta bước đầu làm quen với việc tính toán thiết kế một thiết bị có yêu cầu cụ thể không những giải quết vấn đề về công nghệ

mà còn về kết cấu điều kiện vận hành và giá thành của một thiết bị hóa học từ việc vận dụng kiến thức của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật trong thực tế.Thực trạng hiện nay cho thấy rằng nhu cầu sử dụng hóa chất tinh khiết rất lớn, các

phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết như 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 Một trong những phương pháp có thể đáp ứng một phần yêu cầu đó là chưng cất (phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào nhiệt độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.Đối với hệ Etanol-Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn vào nhau, ta phải dùng phương

pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết của Etanol Nhiệm vụ đồ án: Thiết kế hệ thống

sản xuất chưng cất sản xuất cồn 90o từ hỗn hợp rượu Etylic-Nước bằng tháp đệm với năng suất sản phẩm 400Kg/h, nhập liệu chứa 30% thể tích cồn, sản phẩm đáy chứa 90% thể tích nước

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa Máy-Thiết Bị đã hướng dẫn em làm đồ án này Tuy nhiên trong quá trình làm đồ án cũng không thể tránh khỏi những sai sót nên rất mong các thầy cô đóng góp ý kiến và chỉ dẫn thêm để đồ án này được hoàn thiện hơn.MỤC LỤC:

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG

I/ Lý thuyết về chưng cất

Khái niệm: chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn

hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào nhiệt độ bay hơi khác nhau của các cấu

tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau) Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nênbằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi [1] trang 167

Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấynhiêu sản phẩm Ở đây ta chỉ xét đến trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử, khi đó quá trình chưng cất sẽ cho:

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có

độ bay hơi bé

 Sảm phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có

độ bay hơi lớn

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:

Áp suất làm việc: chưng cất ở áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Nguyên tắc làm việc 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 từ đó có thể giàm nhiệt độ sôi của các cấu tử trong hệ

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

 Chưng cất gián đoạn (gián đoạn): phương pháp này được dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau Thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

 Chưng cất liên tục: là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng và nhiều đoạn

Chưng bằng hơi nước trực tiếp: dùng để tách hốn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan trong nước

Tóm lại với hệ Etanol-Nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục

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 lưu chất này vào lưu chất kia.

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng Kích thước của tháp: đường kính

và chiều cao tùy thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm kháo sát 2 loại tháp thường dùng là tháp đệm, và tháp mâm

Tháp đệm: tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay theo thứ tựTháp 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 được tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa ta có:

Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…

Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính 3-12mm

Ưu nhược điểm của tháp đệm: tuy cấu tạo đơn giản, trở lực thấp nhưng hiệu xuất thấp, độ

ổn định kém và thiết bị khá nặng

II/ Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu

Nguyên liệu là hỗn hợp rượu Etylic-Nước

1 Etylic : (còn được gọi là Etanol hay cồn).

Công thức cấu tạo: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Là chất ỏng có mùiđặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước Một số tính chất vật lý của etanol:

Hằng số phân ly của etanol: K CH 3−CH 2−OH=10−18

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

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

Tác dụng với acid tạo ester: rượu etanol có tính bazơ tương đương với nước Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ tạo nên ra ester.

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

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

* Phản ứng trên nhóm hydroxyl:

+ Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O+ Tác dụng với Triclo Photpho:

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

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

Al2O3 to

 Là nguyên liệu để sản xuất cao su tổng hợp.

 Rượu Etylic dùng để điều chế một số hợp chất hữu cơ như acid axetic, dietyl ete

I/ Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng cất

II/ Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp cồn 30o ở 27oC………

PHẦN 3: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT, CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

I/ Cân bằng vật chất

1/ Các thông số ban đầu

Năng suất sản phẩm đỉnh: D = 400 kg/h

Nhập liệu: cồn 30o

Sản phẩm đỉnh: cồn 90o

Sản phẩm đáy: 90% thể tích nước

Khối lượng phân tử của Etanol và nước: ME=46, MN=18

Chọn nhiệt độ nhập liệu tF = 27oC

Chọn nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội tD = 35oC

Chọn nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi trao đổi nhiệt tW = 35oC

Trạng thái nhập liệu lỏng sôi

Đổi độ cồn ra phần mol: tra khối lượng riêng của cồn (Bảng I.2 trang 9_ [2] vả nước

(Bảng I.249 trang 310_[2] ở điều kiện áp suất khí quyển P = 1 at

90 804

( 100−90 ) 994 18

Phần mol Lưu lượng mol

kmol/h

Phần khối lượng

Lưu lương khốilượng kg/h

x là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng

y là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi

t là nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử ở áp suất 760mmHg

Ta có bảng thành phần cân bằng lỏng(x) – hơi(x) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử rượu Etylic – Nước:

y-hơi 0 33.2 44.2 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.8 100

78.4

Từ số liệu trên ta vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y và vẽ đồ thị t – x,y

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

x D R+1=0 ,5591 x+0 3264

Phương trình đoạn chưng: y=

L+R R+1 x−

L−1 R+1 x W=3 ,7562 x−0 , 1136

với α= y

¿

1− y¿

1−x

x công thức IX.61b trang 171_[2]

Độ nhớt μ của rượu etylic theo nồng độ phần khối lượng và nhiệt độ, tra giản đồ I.28 trang 107_[1] Được:

Nhiệt độ Nồng độ khối lượng Độ nhớt của dd rượu etylic (.9,81.10-6 Ns/m2)

II/ Cân bằng năng lượng

Mục đich là để xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu, đun bốc hơi ởđáy tháp cũng như xác định lượng nước làm lạnh cần thiết

1/ cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng

QD 1+ Qf= Qf '+ Qm+ Qng1

Q D 1=D1 λ1=D1(r1+θ1C1)

D1: lượng hơi đốt mang vào

λ1: hàm nhiệt của hơi nước

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước

θ1: nhiệt đô nước ngưng, oC

C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.K

Dùng hơi nước bào hòa đun sôi hỗn hợp đầu ở áp suất 2at , t=119,6oC có ẩn nhiệt hóa hơi

là r1 = 2208 kJ/kg ( nội suy từ bảng I.125 trang 314_[2])

3/ cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

ADCT IX.165 trang 198_[2] cho thiết bị ngưng tụ hoàn toàn:

D( Rx+1) r=GnCn( t2− t1)

Chon nhiệt độ vào của nước lành lạnh t1=27oC và nhiệt độ ra của nước làm lạnh là

t2=45oC do đó ttb=36oC

Giả thiết rằng nhiệt lượng do hơi ngưng tụ vào trong thiết bị ngưng tụ ở nhiệt độ

tD=78,7oC sẽ truyền hoàn toàn cho nước làm tăng nhiệt độ từ 27oC lên 45oC do đó:

D(t1'−t2')C D=G n 2 C n(t2−t1)

t1'=78 , 7o C : nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh

t '2=35o C : nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh

t tbD=t1' +t2'

2 =56 ,85

o C

: nhiệt độ trung bình của sản phẩm ⇒ CD = 3062,59 J/kgK

t1=27o C : nhiệt độ vào của nước làm lạnh

t2=45o C : nhiệt độ ra của nước làm lạnh

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

gtb lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h

y khối lượng riêng trung bình của pha hơi đi trong tháp (Kg/m3)

ωy vận tốc trung bình của hơi đi trong tháp(m/s)

(ρ y ω y)tb tốc độ hơi trung bình đi trong tháp(kg/m2s)

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi đoạncủa tháp nên phải tính lượng hơi trung bình riêng cho từng đoạn

1 Đường kính đoạn luyện.

g tb=g d+g1

2 (công thức IX.91_[3])

gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h)

gd : lượng hơi đi ra khỏi tháp ở đĩa trên cùng của đoạn luyện

g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện

a)Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp

gd = GR+Gp= Gp(Rx+1) = 400(1+1,268)=907,2 kg/h(IX.92)

Gp= D : lượng sản phẩm đỉnh (kg/h).

GR: lượng chất lỏng hồi lưu (kg/h)

Rx=1,268 Chỉ số hồi lưu

b)Lượng hơi đi vào đoạn luyện

Giữa lượng hơi g1 hàm lượng hơi y1 và lượng hơi G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn cấtđược xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

g1=G1+Gp (1)

g1.y1=G1.x1+Gp.xp  g1.y1=G1.xF+GD.xD (2)

g1.r1 =gd.rd(3)

trong đó: x1= xF = 0,7402

r1 ẩn nhiệt hoá hơi của hổn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất (Kcal/kg)

rd ẩn nhiệt hóa hơi của hổn hợp đi ra khỏi tháp (Kcal/kg)

r1=ra.y1+(1-y1).rb (đĩa thứ nhất)

rd= ra.yd+(1-y1).rb (đĩa trên cùng)

trong đó: rE,rN ẩn nhiệt hóa hơi của rượu và nước nguyên chất

yd nồng độ của H2O trong hổn hợp đầu

y1 hàm lượng hơi đối với đĩa 1 của đoạn luyện

Dựa vào phương pháp nội suy xác định ẩn nhiệt hóa hơi của rượu và của nước ở các nhiệt

độ khác nhau: bảng I.212 trang 254

Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu : rE (kcal/kg)

công thức IX.115 trang187_[3]

ω ' s là tốc độ đảo pha(m/s)

A=-0,125 σd:bề mặt riêng của đệm(m2/m3)

Vd: thể tích tự do của đệm (m3/m3)

G: gia tốc trọng trường (m/s2)

ρxtb, ρytb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi(kg/m3)

μ x ,μ n : độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình và của nước ở 20oC (N.s/m2)

Gx, Gy: lưu lượng lỏng và hơi trung bình (kg/h)

tra bảng IX.8 trang 193_[3]

Phần khối lượng trung bình pha lỏng:

vậy ρxtb= 894,856 kg/m3

μ n=1 , 005 cp=1 ,005 10−3Ns/m2 độ nhớt của nước ở 20oC tra bảng I.102 trang 94_[2]

Độ nhớt của dung dịch rượu ở 81,8oC và xtb=0,5844

lg ω ' 2 s=A−1,75 ( G x

G y)

1 4(ρ ytb

ρ xtb )

1 8

894, 856 )

1

8−lg[195 1, 2285 9,81 0,753.894 ,856.(

0,579

1, 005 )

1 8

2 Đường kính đoạn chưng

Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng:

g tb '

=g n '+g1'

g1+g1'

2 (công thức IX.96 và IX.97 trang 182_[3])

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

ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp vào đĩa thứ nhất của đoạn cất:

ρ xtb)

1 8

công thức IX.115 trang187_[3]-khối lượng riêng pha khí: ρ ytb=0, 9714 ưkg /m3

-khối lượng riêng pha lỏng:

Phần khối lượng trung bình pha lỏng:

μ n=1 , 005 cp=1 ,005 10−3Ns/m2 độ nhớt của nước ở 20oC tra bảng I.102 trang 94_[2]

Độ nhớt của dung dịch rượu ở 88,25oC và xtb=0,19425

lg ω ' 2 s=A−1 ,75 ( G x

G y)

1 4(ρ ytb

ρ xtb )

1 8

II/ Chiều cao tháp

Áp dụng công thức IX.50 trang 168_[3]:

H=N LT h td+(0,8÷1 )

Trong đó: NLT: là số đĩa lý thuyết ( số bậc thay đổi nồng độ)

htd: chiều cao tương đương của bậc thay đổi nồng độ, được tính bằng công

1−0,468.792,056

1071,95

¿0,656m

III/ Tính toán trở lực của tháp

ADCT: IX.118 trang 189_[3]:

Vậy tổng trở lực trên toàn tháp: ΔyP u=4172 , 467+1984 ,551=6157 ,018 N /m2

PHẦN 5: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của rượu đối với thiết bị,

ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

Áp suất tính toán :

Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán :

Ptt =Pcl + htl + 0,10136 , (N/mm2)

Với : Pcl : áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm2)

Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn

Đối với rượu hệ số hiệu chỉnh :  = 1

Vậy : ứng suất cho phép : [] = .[]* = 142 (N/mm2)

Xác định bề dày thân chịu áp suất trong

Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằng tay nên

Suy ra : bề dày thực của thân : St = S’t + C (mm)

Trong đó : C :hệ số bổ sung bề dày, C = Ca + Cb + Cc + Co

Với : + Ca : hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn củachất lỏng Chọn tốc độ ăn mòn của Etylic là 0,1 (mm/năm),thiết bị hoạt động trong 20năm, do đó Ca = 2 mm

+Cb : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn Cb = 0

+Cc : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn Cc = 0

+Co : hệ số bổ sung quy tròn, chọn Co =0,66 (mm)

Vậy bề dày thực của thân là St = 3 (mm).

II/ Bề dày đáy và nắp

Ch n đáy và n p có d ng là ellipise tiêu chu n, có g b ng thép X18H10T.ắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T ạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T ẩn, có gờ bằng thép X18H10T ờ bằng thép X18H10T ằng thép X18H10T

Chi u dày đáy-n p thi t b :ều dày đáy-nắp thiết bị: ắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T ết bị: ị:

S '= D t .P

3 8.[σ k] k ϕ h−P.

D t

2 h b CT XIII.47 trang 385_[3]

h=0,9 : h s b n m i hànệ số bền mối hàn ố bền mối hàn ều dày đáy-nắp thiết bị: ố bền mối hàn

Các kích thư c c a đáy và n p ellipise tiêu chu n, có g (tài li u tham kh o §1ủa đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ(tài liệu tham khảo §1 ắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T ẩn, có gờ bằng thép X18H10T ờ bằng thép X18H10T ệ số bền mối hàn ảo §1trang 381_[3]:

+ Đườ bằng thép X18H10T.ng kính trong: Dt = 500 (mm)

+ chi u cao ph n l i c a đáy hều dày đáy-nắp thiết bị: ần lồi của đáy h ồi của đáy h ủa đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ(tài liệu tham khảo §1 b =0,25Dt =125(mm).(b ng XIII trang 382_[3])ảo §1+ Chi u cao g : hều dày đáy-nắp thiết bị: ờ bằng thép X18H10T g ờ bằng thép X18H10T.= h = 40 (mm)

Chiều cao của đáy và nắp: Hđ = Hn =ht +hgờ =0,125 + 0,04 = 0,165 (m)

(Xem ở phần : Đáy và Nắp thiết bị )

+Di n tích b m t trong: Fệ số bền mối hàn ều dày đáy-nắp thiết bị: ặt trong: F đáy = 0,33 (m2)

0,5

2.0, 125=0, 322.10

−3m

Nên bề dày đáy và nắp là: S=S’ + C = 0,322+2+0+0+0,678 = 3mm

Vậy ta chọn bề dày chung cho thiết bị là 3mm

III/ Bích ghép thân, đáy và nắp

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