đồ án môn học quá trình và thiết bị chưng cất etanol nước (kèm bản vẽ)

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.

IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ THUYẾT

1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

2 Đường kính đoạn chưng

II MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM

1 Cấu tạo mâm lỗ

2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm

3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :

III TÍNH TỐN CƠ KHÍ CỦA THÁP

1 Bề dày thân tháp :

2 Đáy và nắp thiết bị :

3 Bích ghép thân, đáy và nắp :

4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :

5 Tai treo và chân đỡ:

CHƯƠNG IV : TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ

I CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy

4 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy

5 Thiết gia nhiệt nhập liệu

II TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ

III TÍNH TỐN BƠM NHẬP LIỆU

1 Tính chiều cao bồn cao vị

2 Chọn bơm

CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ

I TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ

II KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

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 hồn tồn, 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 kỹû sư hố- thự c phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hố 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 kỹû 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 : 1000 kg/h có nồng độ 10% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol là 99%

Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, các bạn sinh viên đãgiúp em hồn thành đồ án này Tuy nhiên, trong quá trình hồn thành đồ án không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn

ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong

đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại Khác với 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 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:

+ 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 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:

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 vaò lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hố 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

 Tháp chêm(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 xếp thứ tự

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

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

  - Trở lực thấp - Hoạt động khá ổn định - Hoạt động ổn định

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

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

  - 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

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:

* Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:

+ 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 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

* 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:

H 2 SO 4

>150 o C

Cu 200-

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

 Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hố etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hố 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:

C6H6O6 2C2H5OH + 2CO2 + 28 KcalTrong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO2

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 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 / molKhối lượng riêng d40 c : 1 g / mlNhiệt độ nóng chảy : 00C

Nhiệt độ sôi : 1000 CNước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển)

+ Thuốc súng không khói.

+ Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay.

Hệ Etanol -Nướ c

III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC:

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

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 hồn tồn

* 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 độ khoảng

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)ù, hỗn hợp được 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 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 vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn 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 cùngtrên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 85%phân mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (11) và được ngưng tụ hồn tồn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (13), được làm nguội đến

350C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hồn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hồn 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 0,11 % phân mol, còn lại là nước Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đun dung 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 đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 600C được thải bỏ

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :

 Năng suất nhập liệu : GF = 1000 (Kg/h)

 Nồng độ nhập liệu : xF = 10%mol etanol.

 Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 85%mol etanol

 Tỷ lệ thu hồi etanol : 99%

 Khối lượng phân tử của 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 = 35oC

+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

 Các kí 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 , : phân mol , phân khối lượng của cấu tử i

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM

 Cân bằng vật chất cho tồn 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%) : F.xF  D.xD (II.3) Với : * Phân mol nhập liệu : xF = 0,10 (phân mol etanol )

=22,12%(theo khối lượng ) Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :

1 Tỉ số hồn lưu tối thiểu:

Tỉ số hồn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết 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

Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol-Nước có điểm uốn ,nên xác định tỉ số hồn lưu tốithiểu bằng cách :

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

+Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi xo =0 thì

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

Tuy nhiên ,đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp ,khó kiểm sốt nên người ta cóthể tính tỉ số hồn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất Để tính được tỉ số hồn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều hành),ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ số hồn 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 nên lượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1) ,do đó , tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với (R+1) Ngồi ra ,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối mox hay số mâm lý thuyết Nlt

.Cho nên ,thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số mox*(R+1) Như vậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa R và Vtháp theo quan hệ R và mox*(R+1) Từ đồ thị của quan hệ này ,ta xác định được điểm cực tiểu của mox*(R+1) ứng với tỉ số hồn lưu thích hợp R

2.496 47.818 167.173 2.723 37.733 140.480 2.973 32.801 130.320 3.023 33.545 134.952

IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆCSỐ MÂM LÝ THUYẾT:

1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :

Từ đồ thị ,ta có : 29 mâm bao gồm : 19 mâm cất

và độ nhớt của hỗn hợp lỏng :  = f(,)

Ntt : số mâm thực tế

Nlt : số mâm lý thuyết

 Xác định hiệu suất trung bình của tháp  tb :

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

Với : x :phân mol của rượu trong pha lỏng

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

* Tại vị trí mâm đáy :

xW = 0,0011 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*

Suy ra : W .W = 16,177.0,245 = 3,967Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : W = 0,365

tb =

 Số mâm thực tế của tháp N tt :

=52,55 mâm Vậy chọn Ntt = 53 mâm , gồm : 42 mâm cất

1 mâm nhập liệu

10 mâm chưng

CHƯƠNG III :TÍNH TỐN –THIẾT KẾ THÁP

CHƯNG CẤT

(m)

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

tb :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

1 Đường kính đoạn cất :

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp :

(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 g d : gd = D.(R+1) =5,600.(2,973+1) = 22,247 (Kmol/h)

= 933,662(Kg/h) (Vì MthD =46.yD+(1-yD).18 = 41,968 Kg/Kmol)

 Xác định g 1 : Từ hệ phương trình :

(III.1)Với : G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

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

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

* Tính r1 : t1 = tF = 86,5oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có :

Aån nhiệt hố hơi của nước : rN1 = 41280 (KJ/kmol)

Aån nhiệt hố hơi của rượu : rR1 = 37395 (KJ/kmol)

Suy ra : r1 = rR1.y1 + (1-y1).rN1 = 41280 – 3885.y1 (KJ/kmol)

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

Aån nhiệt hố hơi của nước : rNd = 41628 (KJ/kmol)

Aån nhiệt hố hơi của rượu : rRd = 37988 (KJ/kmol)

Suy ra : rd = rRd.yD + (1-yD).rNd =37988.0,856 + (1- 0,856).41628

= 38512,16 (KJ/kmol)

* x1 = xF = 0,10

Giải hệ (III.1) , ta được : G1 = 15,751 (Kmol/h)

y1 = 0,297 (phân mol etanol) _ M1 =26,316

g1 = 21,351 (Kmol/h) = 561,873(Kg/h)Vậy : gtb = (Kg/h)

b 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 :

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

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

 Xác định  ytb :

Với: + Nồng độ phân mol trung bình : ytb = = =0,5765+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : ttb = = =82,5oCSuy ra : ytb =1,171 (Kg/m3)

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

= 1,060 (m/s) Vậy :đường kính đoạn cất :

Dcất = = 0,462 (m)

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp :

(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 = 561,873 (Kg/h)

 Xác định g’ 1 : Từ hệ phương trình :

(III.2)Với : G’

1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng r’1 : ẩn nhiệt hố hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

* Tính r’1 : xW =0,0011 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0,018

Suy ra :Mtbg’ =46.yW +(1-yW).18=18,504 (Kg/kmol)t’1 = tW = 100oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :

Aån nhiệt hố hơi của nước : r’N1 = 40680 (KJ/kmol) Aån nhiệt hố hơi của rượu : r’R1 = 36394,3 (KJ/kmol) Suy ra : r’1 = r’R1.yW + (1-yW).r’N1 = 40543,9 (KJ/kmol)

b 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 :

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

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

 Xác định ’ ytb :

Với: + Nồng độ phân mol trung bình :

y’tb = = =0,1575+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’tb = = =93,25oCSuy ra : ’ytb =0,746 (Kg/m3)

 Xác định ’ xtb :

Nồng độ phân mol trung bình : x’tb = = = 0,051

Suy ra : =11,98% t’tb = 93,25oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :

Khối lượng riêng của nước : ’N = 963,117(Kg/m3) Khối lượng riêng của rượu : ’R = 720,365(Kg/m3)Suy ra :’xtb = =925,744 (Kg/m3) Suy ra : =1,762 (m/s)

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

= 1,409 (m/s) Vậy :đường kính đoạn cất :

Dchưng= = 0,400 (m).

Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá lớn

nên ta chọn đường kính của tồn tháp là : Dt = 0,500 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :

+ Phần cất : lv = (m/s)

+ Phần chưng :’lv = (m/s)

II MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM :

1 Cấu tạo mâm lỗ :

Chọn : + Đường kính lỗ : dl = 3 (mm)

+ Tổng diện tích lỗ bằng 9,77% diện tích mâm

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

+ Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 + Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm

Số lỗ trên 1 mâm :

Vậy: ta bố trí các lỗ trên 1 mâm thành 51(hàng), số lỗ trên đường chéo là 66 lỗ

2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm :

Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng ) là tổng các độ giảm

áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng :

htl = hk + hl + hR (mm.chất lỏng)Với : + hk :độ giảm áp qua mâm khô (mm.chất lỏng)

+ hl : độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm.chất lỏng).+hR : độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm.chất lỏng)

Trong tháp mâm xuyên lỗ ,gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm  là khôngđáng kể nên có thể bỏ qua

a Độ giảm áp qua mâm khô :

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

do dòng chảy đột thu , đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ

(mm.chất lỏng)Với : + uo :vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s)

+ G : khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m3)

+ L : khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3)

+ Co :hệ số orifice ,phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ

Ta có : =0,0977 và =0,6 Tra tài liệu tham khảo [1 – trang 111] : Co = 0,745

 Đối với mâm ở phần cất :

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : uo = =9,243 (m/s)

+ Khối lượng riêng của pha hơi : G = ytb = 1,171 (Kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng : L = xtb = 821,25 (Kg/m3)

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất :

=10,683 (mm.chất lỏng)

 Đối với mâm ở phần chưng :

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’o = =9,243 (m/s)

+ Khối lượng riêng của pha hơi : ’G = ’ytb = 0,746 (Kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng : ’L = ’xtb = 925,744 (Kg/m3)

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng :

= 6,039 (mm.chất lỏng)

b Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm :

Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất lỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw , chiều cao tính tốn của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm  :

hl = .( hw + how ) , (mm.chất lỏng)Chọn : + Hệ số hiệu chỉnh :  = 0,6

+ Chiều cao gờ chảy tràn : hw = 50 (mm)Chiều cao tính tốn của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng :

, (mm.chất lỏng)Với : + qL : lưu lượng của chất lỏng (m3/ph)

+ Lw :chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)

+ L : khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3).

 Phần cất :

* Khối lượng riêng của pha lỏng : L = xtb = 821,25 (Kg/m3)

* ttb = 82,5oC ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :

+ Sức căng bề mặt của nước : N = 62,138 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của rượu : R = 17,075 (dyn/cm)

Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần cất :

= 13,394 (dyn/cm)

Vậy : Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là :

= 3,401 (mm.chất lỏng)

 Phần chưng :

* Khối lượng riêng của pha lỏng : ’L = ’xtb = 925,744 (Kg/m3)

* t’tb = 93,25oC ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :

+ Sức căng bề mặt của nước : ’N = 60,149 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của rượu : ’R = 16,108 (dyn/cm)

Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng :

htl = 42 htl + 11 h’tl = 42 379,226+11 388,400 = 20199,9(N/m2).

3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :

Chọn khoảng cách giữa hai mâm là hmâm =250 (mm)

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức :

hd = hw + how + htl + hd’ , (mm.chất lỏng)Với : hd’ : tổn thất thuỷ lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được xác định theo biểu thức sau :

, (mm.chất lỏng)trong đó : + QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h)

+ Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đó :

Vậy : khi hoạt động đảm bảo tháp sẽ không bị ngập lụt.

Chiều cao của thân tháp :Hthân =Ntt (hmâm+mâm ) + 0,8

=53.(0,250+0,0018) +0,8 =14,2(m)

Chiều cao của đáy và nắp : Hđ = Hn =ht +hgờ =0,125+0,025=0,150(m)

(Xem ở phần (III.2) : Đáy và Nắp thiết bị )

Chiều cao của tháp : H = Hthân + Hđ + Hn = 14,5(m)

III TÍNH TỐN CƠ KHÍ CỦA THÁP :

1 Bề dày thân tháp :

Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang ) Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mịn của etylic đối với thiết

bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép khơng gỉ mã X18H10T

 Aùp suất tính tốn :

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

Ptt =Pcl + htl , (N/mm2)Với : Pcl : áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm2)

Chọn áp suất tính tốn 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 hệ số bền mối hàn : h = 0,9

Xét tỷ số : =884,674 > 25,do đĩ, bề dày tính tốn của thân được tính theo cơng thức sau :

= 0,2826 (mm)

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

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

Với : + Ca : hệ số bổ sung do ăn mịn hố học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mịn của chất lỏng Chọn tốc độ ăn mịn của rượu là 0,1 (mm/năm),thiết bị hoạtđộng trong 20 năm, do đĩ Ca = 2 mm

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

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

Chọn đáy và nắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T.

Nhận thấy: công thức tính tốn bề dày thân, đáy và nắp chịu áp suất trong là như nhau Nênchọn bề dày của đáy và nắp là Sđ = Sn = 3 (mm)

Các kích thước của đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ(tài liệu tham khảo [4(tập 2)]:+ Đường kính trong: Dt = 500 (mm)

+ ht =125 (mm)

+ Chiều cao gờ: hgờ = h = 25 (mm)

+Diện tích bề mặt trong: Sđáy = 0,31 (m2)

3 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

bộ phận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng:

+ Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích này chủ yếu dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình

+ Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bị

+ Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao

Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích

là bích liền không cổ

Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 2)- trang 417], ứng với Dt =500(mm) và áp suất tínhtốn Ptt = 0,14446(N/mm2) ta chọn bích có các thông số sau :

bề dày là 3(mm)

4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :

Bích được làm bằng thép CT3 , cấu tạo của bích là bích liền không cổ

a Vị trí nhập liệu :

Suất lượng nhập liệu: GF = 1000 (Kg/h)

Khối lượng riêng của chất lỏng nhập liệu, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ở

tF = 86,5oC và : F = 920,1 (Kg/m3)

Lưu lượng chất lỏng nhập liệu đi vào tháp: = 1,087 (m3/h)

Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu): vF =0,2 (m/s)

Đường kính ống nhập liệu: dF = (m)

Suy ra: chọn đường kính ống nhập liệu: dF = 0,050 (m)

Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lF =

100 (mm)

Các thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu:

(mm) (cái)

b Oáng hơi ở đỉnh tháp:

Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: gd = 933,662 (Kg/h)

Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức (xác định ở

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 0,100 (m)

Tài liệu tham khảo [4(tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lh =

Suất lượng hồn lưu: Ghl =D.MD.R=5,600 41,8 2,973= 695,864 (Kg/h)

Khối lượng riêng của chất lỏng hồn lưu, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ở

tD = 86,5oC và : hl = 771,55 (Kg/m3)

Lưu lượng chất lỏng hồn lưu: = 0,902 (m3/h)

Chọn vận tốc chất lỏng hồn lưu (tự chảy từ bộ phận tách lỏng ngưng tụ vào tháp):

vhl = 0,15 (m/s)

Đường kính ống hồn lưu: dhl = (m)

Suy ra: chọn đường kính ống hồn lưu: dhl = 0,050 (m)

Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhl =

d Oáng dẫn hơi vào đáy tháp:

Suất lượng hơi vào đáy tháp: g’1 = 391,008 (Kg/h)

Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp được tính theo công thức (xác định ở

tW = 100oC và yW = 0,018):

= 0,605 (Kg/m3)

Lưu lượng hơi ra khỏi tháp: = 646,722 (m3/h)

Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp: vhd = 25 (m/s)

Đường kính ống dẫn hơi: dhd = (m)

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dhd = 0,100 (m)

Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhd

Lưu lượng chất lỏng vào nồi đun: = 1,288 (m3/h)

Chọn vận tốc chất lỏng vào nồi đun (chất lỏng tự chảy vào nồi đun):

vL = 0,2 (m/s)

Đường kính ống dẫn chất lỏng: dL= =0,048(m)

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn: dL = 0,050 (m)

Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lL =

f Oáng dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy):

Suất lượng sản phẩm đáy: GW = W.MW = 42,477 18,032= 765,939(Kg/h)

Khối lượng riêng của sản phẩm đáy, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ở

tW= 100oC và xW=0,0011: W = 957,726 (Kg/m3)