Đồ án chưng cất dầu thô

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 lựachọn phương pháp thích hợp..

LỜI MỞ ĐẦU

Trong nhiều ngành sản xuất hóa học cũng như sử dụng, nguyên liệu cần có độtinh khiết cao Để có được sản phẩm có độ tinh khiết cao, ta cần tách chúng từ hỗn hợpnguyên liệu, thường hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí

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 lựachọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Etanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, taphải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol

Như ta đã biết, đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tínhtổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư tương lai ngành công nghệ thực phẩm.Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ,kết cấu 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 quyếtnhững 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 liêntục với năng suất sản phẩm đỉnh: 1000 kg/h có nồng độ 90% phần khối lượng, và nồng độcủa dòng nhập liệu là: 20% phần khối lượng với độ thu hồi etanol là 97%

Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô đã hướng dẫn em, các bạn sinh viên đãgiúp em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thểkhông có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn

Chương1 : TỔNG QUAN

1.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:

1.1.1 Phương pháp chưng cất :

Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu

tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khácnhau 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, chưngcất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trìnhtrong đó chỉ có dung môi bay hơi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thuđược bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôinhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệEtanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol và một ít nước , ngược lại sản phẩmđáy 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 độsôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của cáccấu 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 cáctrường 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 trìnhđược 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 cấpnhiệt gián tiếp bằng 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 yêucầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này phụ thuộc vào độ phântán của lưu chất này vaò lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thườngđược 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 củasản 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 vàpha 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 ngẫunhiên hay xếp thứ tự

So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lo Tháp mâm chóp.Ưu

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

- Yêu cầu lắp đặt khắt khe ->

lắp đĩa thật phẳng - Trở lực lớn.

- Thiết bị nặng - Hơi phân bố không đều

như mâm chop

- Không làm việc với chất lỏng bẩn

1.2 GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :

Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol - Nước

1.2.1 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 Làchất lỏng không màu, có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước, tan trong ete

và clorofom, hút ẩm, dễ cháy, khi chaý khng có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời

 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).

2 3

>

→ (CH3-CH2)2O + H2O

CH3-CH2-OH 2 4

150

H SO C

−

→ CH3-CHO + H2

 Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò quantrọng trong nền kinh tế quốc dân Nó là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150 mặthàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế vàdược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp

• Công nghệ cao su tổng hợp, động lực

• Sử dụng trong các sản phẩm đông lạnh

• Rượu mùi, dấm

• Thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm, tơ nhân tạo

• Thuốc súng không khói, nhiên liệu hỏa tiễn, bom

• Sử dụng làm dung môi hữu cơ: nước hoa, pha sơn, vecni

• Sử dụng làm chất sát trùng, pha chế thuốc

• Sử dụng làm đồ nhựa, keo dán, hương liệu

 Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: được sản xuấtbằng cả công nghiệp hóa dầu, thông qua công nghệ hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4;thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc tác dung dịchbazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ kim…

Trong công nghiệp, điều chế etanol theo phương pháp sinh học bằng cách lênmen từ nguồn tinh bột và rỉ đường Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suấtetanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinhbột:

C6H6O6 N Zymazaâm men→ 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal

Trong 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…)

1.2.2 Nước:

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng khơng màu, khơng mùi, khơng

vị nhưng khối nước dày sẽ cĩ màu xanh nhạt

Khi hĩa rắn nĩ cĩ 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 nĩng chảy : 00C

Nhiệt độ sơi : 1000 CNước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nướcbiển) và rất cần thiết cho sự sống

Nước là dung mơi phân cực mạnh, cĩ khả năng hồ tan nhiều chất và là dungmơi rất quan trọng trong kỹ thuật hĩa học

1.3 CƠNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC:

Etanol là một chất lỏng tan vơ hạn trong H2O, nhiệt độ sơi là 78,80C ở760mmHg, nhiệt độ sơi của nước là 100oC ở 760mmHg : hơi cách biệt khá xa nênphương pháp hiệu quả để thu etanol cĩ độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất

Trong trường hợp này, ta khơng thể sử dụng phương pháp cơ đặc vì các cấu tửđều cĩ khả năng bay hơi, và khơng sử dụng phương pháp trích ly cũng như phươngpháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, cĩ thể làm cho quá trình phức tạphơn hay quá trình tách khơng được hồn tồn

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

8 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

9 Bộ phận chỉnh dòng

10 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

11 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

12 Nồi đun

13 Đun sôi nhập liệu bằng sản phẩm đáy

14 Aùp kế

15 Nhiệt kế

13

Sa ûn Phẩm Đáy Nước Lỏng Nguyên Liệu

2 1 Sản Phẩm Đáy T P

7 T T 6

4 Nước

12 Sản Phẩm Đỉnh Hơi Nước 11 5 Nước

9 10

3 P 14 T 15 Nước 8 Hơi không ngưng Nước

• Thuyết minh quy trình công nghệ:

Hỗn hợp Etanol-Nước có nồng độ Etanol 20% (phần khối lượng), nhiệt độkhoảng 29oC tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ

đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt (13) Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi.Sau đó, hỗn hợp được 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 chạyxuống Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống Ở đây có sự tiếpxúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càngxuống dưới càng giảm cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôicuốn cấu tử dễ bay hơi.Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từdưới 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 (nồng độ 77,88% mol) Hơi đivào thiết bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ một phần ( chỉ ngưng tụ hồi lưu) Một phầnchất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (10), được làm nguội đến

35oC, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11) 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 có nhiệt độ sôi cao trong ngày càngtăng Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết cấu tử cấu tử có nhiệt độsôi cao (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy tháp có nồng độ etanol là 0,003% (phần mol), cònlại là nước Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần được đun bốc hơi ở nồi(12) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phâm đỉnh là Etanol, sản phẩm đáy chủyếu là nước được đưa về thùng chứa sản phẩm đáy

Chương 2 : CÂN BẰNG VẬT LIỆU

Các thông số ban đầu

năng suất nhập liệu: 1500kg/h;

Nồng độ sản phẩm đỉnh: 92% khối lượng Ethanol;

Nồng độ hỗn hợp đầu: 30% khối lượng ethanolNồng độ sản phẩm đáy 0.5% khối lượng ethanolKhối lượng phân tử rượu và nước: MR=46, MN=18

Các kí hiệu :

• F, GF :suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h, Kmol/h ;

• D , GD :suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h , Kmol/h ;

• W , GW : Suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h, Kmol/h

• xi ,x i : phần mol, phần khối lượng của cấu tử i

Kí hiệu : A: Ethanol với MA= 46 B: Nước với MB= 18

M x

M x x

463.0)

F

A F

M

a M

x

M x

Thành phần mol trong sản phẩm đỉnh

18)92.01(4692.0

4692.0)

D

A D

M

a M

x

M x

Thành phần mol trong sán phẩm đáy:

XW= 0.00196

18)005.01(46005.0

46005.0)

W

A W

M

a M

x

M x

• Cân bằng vật chất cho toàn tháp:

F=D + w  1500= D + W (1)

• Cân bằng cấu tử ethanol (cấu tử nhẹ)

F.xF = D.x D + W.x W

 1500.0,3 = D.0,92 + W 0.00196 (2)Giải 2 phương trình (1),(2) ta có :

h kg F

h kg D

/4.1016

/1500

/6.483

2.2.2.Tính khối lượng MOL trung bình

Với : n: số cấu tử của hỗn hợp

xi: phần mol của cấu tử i

Mi: khối lượng mol của cấu tử iTrong hỗn hợp đầu :

MF = xF.MA + (1-xF).MB = 46.0,144 + (1-0,144).18 = 22.03 kg/kmolTrong sản phẩm đỉnh :

MD = xD.MA+(1-xD).MB = 46.0,818+(1-0,818).18 = 29.2 kg/kmolTróng sản phẩm đáy :

2.2.3.Thành phần pha của hỗn hợp 2 cấu tử Ethanol-Nước :

Dựa vào (Bảng IX.2a, T148, [2] ) thành phần cân bằng lỏng x, hơi y tính bằng

% mol và nhiệt độ sôi của hai cấu tử ở 760mmHg

Do đồ thị cân bằng của hệ ethanol – nước có điểm uốn, nên xác định tỉ số hồilưu tối thiểu như sau:

* Trên đồ thị cân bằng x-y, từ điểm (0,818; 0,818) kẻ một đường thẳng tiếptuyến với đường cân bằng tại điểm uốn ,cắt trục Oy tại điểm có:

y0=0,3592

* Theo phương trình đường làm việc đoạn chưng, khi x0=0 thì :

y0=(xD/Rmin+1)Vậy tỉ số hồi lưu tối thiểu là: Rmin=1.283

2.3.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng dường kính tháp, thiết bị ngưng tụ, nồi đun

và công để bơm thì tăng, nhiệt lương tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều Chi phí cốđịnh sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần,lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hồi lưu

Tổng chi phí bao gồm: chi phí cố định và chi phí điều hành Tỉ số hoàn lưuthích hợp ứng với chi phí là cực tiểu

Tuy nhiên, đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp, khó kiểm soát nên người

ta có thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất Để tính được

tỉ số hoàn lưu thích howpjtheo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phíđiều hành ), ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp , từ đóchọn Rth=βRmin (CT2.41,T82 [4]) với β là hệ số (1,2;2,5) (CT :IX.25a,T158,[2])

Xác định Rth thích hợp theo số bậc thay đổi nồng độ được tiến hành như sau :cho nhiều giá trị Rth lớn hơn Rmin Với mỗi giá trị trên , ta xác định được tung độcủa đường làm việc với trục tung B, với :

B=(xD/ Rth+1)

Vẽ đường làm việc của đoạn luyện và đôạn chưng Đường làm việc của đoạnluyện qua điểm M(x,y) với x=y=xD và điểm B trên trục tung đã được xác định.Đường làm việc của đoạn luyện và 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 Với mỗi đươờnglàm việc, ta xác định được số bậc thay đổi nồng độ NL bằng đồ thị x-y như sau :Trên đồ thị x- y vẽ đường cân bằng, từ điểm M vẽ đường đường thẳng songsong với trục hoành cắt đường cân bằng tại một điểm, từ giao điểm này vẽđường thẳng song song với trụcg tunnó cắt đường cân bằng tại một điểm, cứtiếp tục như vậy cho tới điểm N Đếm số bậc thay đổi nồng độ NL trên đồ thị

Với mỗi bậc thay đổi nồng độ ứng với một ngăn cả thiết bị gọi là số ngăn líthuyết.

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 ta xác định số bậc thay đổi nồng độ ta có kết quả sau:

2.4 Phương trình đường làm việc số mâm lý thuyết

2.4.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

R

y D (CT:IX.20,T144,[2])

=

1438.2

818.01

438.2

438.2

+

++ x =0 709x+ 0 238

2.4.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:

W

x R

f x R

f R y

1

1

−++

+

=

56.16

1

Vậy : y =1.905x−0.00177

2.4.3 Số mâm lý thuyết

Từ đồ thị xác định số bậc thay đổi nồng độ tương ứng với :Rth=2.438 ta xácđịnh được :17 mâm lý thuyết

2.5 Xác định số mâm thực tế

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :

tb

lt tt

N N

η

=Xác định số đĩa thực tế theo hiệu suất trung bình :

tb

lt tt

N N

ηη

η

η = 1 + 2 + + CT IX.60, T171 ,[2]

η1,η2 :hiệu suất thay đổi nồng độ

n : số vị tríi ính hiệu suất

ηtb :hiệu sất trung bình của đĩa ,là một hàm số của độ bay hơi tương đối

và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : η=f(a,µ)Trong chưng luyện người ta tính độ bay hợi tương đối như sau :

x

x y

y

−

= 11

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

831 , 0 818

, 0

*

Ds

D D

t

y x

 Tại tDs=78,564

Độ nhớt của nước :

µN=0,365.10-3(Ns/m2)

Độ nhớt của rựu :

µR=0,446.10-3(Ns/m2)

Độ nhớt của hỗn hợp tại đỉnh

N D R

µhh= 0,43.10-3 (Ns/m2)

Độ bay hơi tương đối :

818,0

818,01.831,01

831,01

.1

D D

x

x y

y a

=1.094

=>αD.µhh=1,094.0,43.10-3= 0,47.10-3Vậy hiệu suất sản phẩm đỉnh tra tại ( hình IX.11 T171,[2])

4908 , 0 144

, 0

*

Ds

F F

t

y x

144,01.4908,01

4908,0x

1.y

F F

0253,010

.96.1

* 3

Ds

W W

t

y x

R W

00196,01.0253,01

0253,0x

1.y

W W

x y

a

=>αF.µhh = 13,22 0,356.10-3 = 4,705.10-3Vậy hiệu suất sản phẩm đỉnh tra tại hình IX.11 trang 171 tập 2 :

33,0

%443

334158

=++

=

tb

η

Số mâm thực tế của tháp :

N N

tb

lt

44,0

=

=η

=> Vậy ta lấy số đĩa thực tế :Nlt=39 mâm

Trong đó :

Số mâm thực tế của đoạn luyện :

)27(2,2744,0

12

mâm

N N

Mục đính việc tính toán cân bằng nhiệt lương là để xác định lượng hơiđốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu ,đun bốc hơi của 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 nguyên liệu rẻ tiền, có khảnăng đáp ứng yêu cầu công nghê

Sơ đồ :

Các kí hiệu :

QD1: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng ,J/h

Qf: Nhiệt lương do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun nóng ,J/h

QF : Nhiệt lượng do hỗn hợp dầu mang vào thiết bị đun nóng hay mangvào tháp chưng luyện, J/h

Qm1 : Nhiệt lượng do nước nguwngmang 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 đun nongsanr phẩm đáy ,J/h

QR : Nhiệt lượng do 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

3.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng

Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng :

1 1

1

Q D = λ = +θ (J/h) (CTIX.150,T196,[2])Với :

D1:lượng hơi đốt mang vào, kg/h

λ1: hàm nhiệt của hơi nước, J/h

r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, J/h

θ1: nhiệt độ của nước ngưng

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

95,

Q Q

1

.95,0

)

.(

r

t C t C

F F F − f f

(CTIX.155,T197,[2])

Tính nhiệt dung riêng của hỗ hợp đầu :

)1.(

29 29

F N

F R

29 =

R

25,4177

29 =

N

1.3699)

3,01.(

25,41773

,0.5,2583

F.625,1072741

,3699.29

=F C t F

(J/kg.độ)Tương tự ta có nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu ở nhiệt độ sôi tF=85,050C:

)1.(

05 , 85 05

,

85

F N

F R

75,3395

3,01(1,42203

,0.75,3395

C1=4274,1 (J/kg.độ)

10.2208.95,0

)29.1,369905

,85.73,3972.(

Lượng nhiệt tiêu tốn môi trường xung quanh :

Qxq1 = 0,05.D1.r1 = 0,05.109,94.2208.103

= 12,14.106 (J/h)

3.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp

Phương trình cân bằng năng lượng:

)./(3202

do kg J C

do kg J C

N

R

(Bảng I.153,T172,[1])

tD: nhiệt độ sôi của sản phẩm đinh ,tD = 78,56 0C

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

56 , 78 56

, 78 56

GR = D.Rth

Trong đó: D: lượng sản phẩm đỉnh, D=483,6 (kg/h)

Rth: chỉ số hồi lưu thích hợp, Rth=2,438Suy ra: GR = 483,6.2,438 = 1179,017 (kg/h)

tR: nhiệt độ chất lỏng hôi lưu: tR= tD= 78,56 0C

Vậy: QR=1179.3281,04.78,56=303897274,3 (J/h)

3.2.3.Nhiệt lượng mang ra ở đỉnh tháp (Q y )

D th

)/(10.145,848

3

3

kg J r

kg J r

R D R R

C t r

C t r

λλ

=

=+

=

)/(10.616,26754190

.56,7810.45,2346

)/(10.694,10993202

.56,7810.145,848

3 3

3 3

kg J

kg J

Suy ra: Qy = 483,6.(1 + 2,438).1230,81.103

= 2046365384 (J/kg)

3.2.4 Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra (Q W )

t C W

)./(45,3514

do kg J C

do kg J C

N R

Cw: Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy

N R

r2: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

t2, C2: nhiệt độ 0C, nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)

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)

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

0,95.r

Q Q Q Q

D = Y + W − −

(CT IX.163, T198,[2])

3 2

10.2208.95,0

3,3038972748

,5068210298

.427909984

3.2.6.Nhiệt lương tổn thất ra môi trường xung quanh (Q xq )

2 G C t D C t

Suy ra: Qng2 = 739,076.119,6.4274,1

= 377802613,9 (J/h)Với Qng2: lượng nước ngưng tụ bằng lượng hơi đốt (kg/h)

3.3.Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

Nếu thiết bị ngưng tụ hoàn toàn :

Ta có: G nt =D.(R th +1)

Suy ra lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết :

ngung n

th

t t C

R D

).(

)1.(

40292

2

1+ = + =

=t t

t tb 0C: nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh

Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ttb

)/(10.45,2346

3

3

kg J r

kg J r

Vậy nước lạnh tiếu tốn là:

( ).968009,4 35033,18( / )11

.375,4176

1438,2.6,483

h kg

3.4.Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:

Ta có phương trình cân bằng nhiệt:

).(

.)

C

).(

1 2

, 2

, 1

2 C t t

t t C D G

t1, t2:nhiệt độ vào ra của nước lạnhchọn t1=290C, t2=400C

5,342

29

=

tb

t 0C nhiệt độ của nước làm lạnh

Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh tại ttb

Cn=4174,2 (J/kg.độ) (Bảng I.153.T171, [1]),

)./(14,2928

đô kg J C

do kg J C

N R

CD: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đi vào

CD = 2928,14.0,92 + 4187,59.0,08

= 3028,896 (J/kg.độ)

Lượng nước lạnh tiêu tốn:

11.2,4171

56,43.896,3028.6,483)

.(

).(

1 2

, 2

, 1

t t C D G

n

D nl

= 1389,6 (kg/h)Vậy tổng lượng nước dùng trong ngưng tụ nước làm lạnh là:

CN= 35033,18 + 1389,16 = 36422,34 (kg/h)

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG

4.1 ĐƯỜNG KÍNH THÁP

Đường kính tháp được xác định theo công thức sau:

tb Y Y tb

g D

).(0188,

0

ωρ

Trong đó:

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

tb Y

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

Ytb

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

4.1.1 Đường kính đoạn luyện

4.1.1.1 Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn luyện

gtb = ( gđ + g1 )/2 ( Kg/h ) (CTIX.91,T181, [2])

gđ : lượng hơi ra khỏi đĩa tháp ở 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 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, 95 trang 182, [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

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào mâm thứ nhất của đoạn luyện

rd: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp

5,533,272

tb

g g

= 1858,4 (kg/h)

Lưu lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện:

615,152

56,1567,152

tb

G G

4,22

273.18)

1(46

m kg t

y y

tb

tb tb

−+

831,042,02

tb

y y

Nhiệt độ trung ình của đoạn luyện:

805,812

56,7805,85

= F+ D

tb

t t

4,22

6255,01.1846.6255,0

+

−+

tb xtb

a a

ρρρ

−+

1

(CTIX, 104a, T183, [2])

61,02

3,092,0

+

= F D tb

a a a

Với atb = 0,61 là phần khối lượng của etanol trong pha lỏng

Khối lượng riêng của nước tại 0

Do vậy:

3

10.234,174,970

)61,01(29,733

61,0

=

−+

h:khoảng cách giữa các đĩa, (m)

Giá trị h được chọn theo đường kính tháp như sau: (Trang 184[2]):

3

3 0,0744.1010

.266,62

114,17

Nên: Wtb=(ρy.ωy)tb=0,065.0,8 hρxtb.ρytb chọn h=0,35m

W tb =(ρy.ωy)tb =0,065.0,8 0,35.810,62.1,2199

= 0,9674 (kg/m2.s)

Vậy :

824,09674,0

4.1858.0188,

=

L

Chọn đường kính đoạn luyện: 0,8m

4.1.2.Đường kính của đoạn chưng

4.1.2.1.Lưu lượng hơi trung bình đoạn chưng

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

22

1 ' 1 1 ' '

1 1 ' .g

r

r

g =

⇒Với:

r1: đã được xác định từ phép tính cân bằng nhiêt lượng

Suy ra: (3) 27,3 19,45

64,530

05,378

45,193,272

, 1

1,68749,752

, 1

tb

G G

4.1.2.2.Khối lượng riêng trung bình đối với pha khí và pha lỏng đoạn chưng

Khối lượng riêng trung bình của hơi, lỏng trong đoạn chưng được tính theocông thức sau:

)273.(

4,22

273.18)

1(46

'

' '

t

y y

tb

tb tb

Ytb

+

−+

=ρ

Ta có: ρ'Xtb =

1

'

'1'

x

ρρ

(CT IX.104a; T183;[2])

2

63,9905,85

+

= F W tb

t t

223,02

0253,042,02

1

tb

y y

34,365.4,22

18)

223,01(46.223,0.273

ytb

1525,02

005,03,02

, = F + W = + =

tb

x x

Tra (Bảng I.2,T9,[1]) các cấu tử ttb=92,340C:

277,723

, =

R

362,970

1525,

, ,

ytb

tb tb

g v

ρ

809,0

25,1075

= (m3/h)

4.1.2.3.V ân tốc hơi trung bình trong đoạn chưng

Tương tự trong đoạn luyện ta có :

, , , 0,065 .)

.(ρyωy tb = ϕσ hρxtb ρytb (Kg/m2.s)

ở nhiệt độ t=92,340C thì sức căn bề mặt của ethanol và nước là :

σR=16,189.10-3 (N/m)

σN=60,32.10-3 (N/m)Suy ra:

3 3

10

1.32,60

1189,16

)./(84,0809,0.312,922.35,0.8,0.065,0)

25,1075.0188,

Kết luận: hai đường kính đoạn luyện và đoạnchưng khoog chênh lệch nhau quá

lớn nên ta cho dường kính cho toàn tháp là 0,8m Dt=0,8(m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở phần luyện là:

8,0.2199,1

4,1858.0188,0

.0188,0

2

2 2

2

s m D

g

ytb t

tb

ρω

+ 0,0188. . 0,01880,82.0.1075,809,25 0,734( / )

2 ,

2

, 2

s m D

g

ytb t

tb

ρω

4.2.CHIỀU CAO THÁP

Chiều cao tháp chưng luyện được tính theo công thức:

H = N h tt.( d + +δ) (0,8 1)( )÷ m (CT IX 54, trang 169, [2])

Trong đó:

Nt: số mâm thực tế; Nt = 39 mâm

)18,0( ÷ m: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp

Ta chọn khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy là 0,9 mh: khoảng cách giữa các mâm; chọn h = 0,35m

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

Do vậy chiều cao của tháp chưng luyện là:

H=N t(h+δ)+1=39.(0,35+0,004)+0,9=14,706(m)Vậy chiều cao của tồn tháp là 15m

8,0.1,

Chọn số chĩp phân bố trên đĩa: n = 21 (chĩp)

- Chiều cao chĩp phía trên ống dẫn hơi:

)(01375,0.25,0

⇒Chọn dch = 81(mm)

- Khoảng cánh từ mặt đĩa đến chân chĩp:

S = 0 ÷ 25 (mm), chọn S = 12,5 (mm)

- Chiều cao mực chất lỏng trên khe chĩp:

h1 = 15 ÷40 ( mm ), chọn h1 = 35 ( mm )

- Tiết diện tháp:

=> tmim= 81 + 4 + 33= 118 (mm)

- Lưu lượng hơi trung bình đi trong tháp:

)/(67,2160809

,02199,1

25,1075527

g V

tb tb

tb tb

+

+

=+

+

=

ρρ

- Chiều cao khe chóp:

x

y y

g

b

ρ

ρωξ

2

=

ξ: hệ số trở lực của đĩa chóp, ξ =1,5÷2, chọnξ = 2

21.055,0.3600

67,2160.4

.3600

4

2

n d

2199,1.03,12

mm

=

- Số lượng khe hở của mỗi chóp:

c=3÷4 mm (khoảng cách giữa các khe), chọn c=3 (mm)

4,44.4

5581(3

)4

(

2 2

h ch

• Lượng lỏng trung bình đi trong tháp:

2

764,33.67,15332,42.749,712

′

• Khối lượng riêng trung bình của lỏng đi trong tháp:

)/(466,8702

312,92262,8102

3

m kg

xtb xtb

x c

z

G

ωρ

π.3600 .

.4

2,0.466,870.1.3600

039,1783.4

Chọn dc=60 (mm)

• Khoảng cách từ mâm đến chân ống chảy chuyền:

S1 = 0,25.dc= 0,25.60 = 15 (mm) = 0,015 (m)

• Bề dày ống chảy chuyền: δc = 3 (mm)

• Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất:

l: khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền

Chọn l = 0,055 (mm)

t1= 0,003 0,081 0,002 0,055 0,171

2

06,0

d

ch ch c

• Lưu lượng thể tích trung bình đi trong tháp:

466,870

039,

h m G

h rj

Tiết diện cắt ngang của tháp F = 0,5026 (m2)

Cứ 1m2 chọn 4cm2 lỗ tháo lỏng Do đó tổng diện tích lỗ tháo lỏng trên mộtmâm là:

0,5026.4/1 =2,0104 (cm2)Chọn đường kính lỗ tháo lỏng là 5 mm = 0,5 cm

Nên số lỗ tháo lỏng cần thiết trên một mâm là:

)(138,0.4

1416,3

,,, ,,

ρ ρ : khối lượng riêng trung bình của pha hơi, pha lỏng

)/(01445,12

809,02199,12

3

m kg

y y

ρ

)/(466,8662

62,810312,9222

3

m kg

x x

809,0

84,02199,1

9674,02

).()

(

s m

y

tb y y y

tb y y

ρωρ

ωρ

y k

084,4

m N

∆

2 Trở lực do sức căng bề mặc:

σ : sức căng bề mặc trung bình của hỗn hợp

Ở t xtb = 81,805OC, (tra bảng I.242, T 300 [1]):

3 3

17, 033.10 ( / )62,05.10 ( / )

σ =σ +σ ⇒ =σ +σ (CT I.76,T 299, [1])

)/(10.44,1310

)

14,17266,62(

10.14,17.10.266,

3

3 3

m N

4,44.3

m mm

+

)/(57,910

.62,5

10.44,13.4

3

3

m N d

hr: chiều cao khe chóp (m), hr = b = 44,4 (mm) = 0,0444 (m)

hb: chiều cao lớp bọt trên đĩa (m)

hc:chiều cao đoạn ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa

hx: chiều cao lớp chất lỏng (không lẫn bọt) trên đĩa

F: phần diện tích bề mặt đĩa có gắn chóp (nghĩa là trừ hai phần diện tích đĩa để

f : tổng diện tích các chóp trên đĩa.

f =0,5026.d2ch.n=0,5026.0,0812.67=0,221(m2)

ch

233,435.5026,0

)221,0.233,435.0944,0()221,05026,0).(

0944,0014,00754,0

233,435.221,0)

0944,008375,0(

)= 63,19 (N/m2)+ Tổng trở lực qua một đĩa:

∆Pñ = ∆Pk + ∆Ps +∆Pt = 664,41 + 9,57 + 63,19 = 737,17 (N/m2)+ Tổng trở của phần luyện:

)/(6,1990369

,737.27

V y′ = =

)/(974,10444,0.003,0.21.67

37,0

m N

σ : sức căng bề mặc trung bình của hỗn hợp

Ở t xtb = 92,34OC, (tra bảng I.242, T 300 [1]):

)/(10.189,

σ

)/(10.32,

σ