Thiết kế tháp chóp chưng cất hệ etanol – nước

TRƯỜNG ĐH BÀ RỊA VŨNG TÀU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHŨ NGHĨA VIỆT NAM KHOA HÓA HỌC & CNTP Độc lập-tự do-hạnh phúc ---o0o---NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học và công ngh

TRƯỜNG ĐH BÀ RỊA VŨNG TÀU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHŨ NGHĨA VIỆT NAM KHOA HÓA HỌC & CNTP Độc lập-tự do-hạnh phúc

-o0o -NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học và công nghệ thực phẩm

I.TÊN ĐỀ TÀI : Thiết kế tháp chóp chưng cất hệ etanol – nước hoạt động liên tục

với năng suất nhập liệu 1000kg/h có nồng độ nhập liệu 40% mol etanol thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol, nồng độ sản phẩm đáy 3% etanol.

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

………(Viết thường, size 13)……….… …

………(Viết thường, size 13) ……….… …

…

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V HỌ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Th.s Tống Thị Minh Thu

TRƯỞNG BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA

(Ký và ghi rỏ họ tên) (Ký và ghi rỏ họ tên)

MỤC LỤC:

CHƯƠNG 1: T NG QUANỔ 6

1.1.2.1 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

được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: 7

1.1.2.2 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 7

CHƯƠNG 2: CÔNG NGH CH NG C T H ETANOL VA NÊ Ư Â Ê ƯƠ 11C 2.1 S đ qui trình công ngh ch ng c t h Etanol – N c:ơ ồ ệ ư ấ ệ ướ 11

2.1.1 Chú thích các ký hiệu trong qui trình: 11

2.1.2 Thuyết trình sơ đồ công nghệ: 11

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN 13

3.1 Cân b ng v t ch tă â ấ 13

3.1.1 Các thông số ban đầu: 13

3.1.3.1 Xac đ nh t s hoan l u thich h pi y ô ư ơ 14

14

3.2 Cân b ng nhi t l ngă ệ ươ 14

3.2.1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 14

3.3.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất 16

3.3.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng 16

3.3.3 Số mâm lý thuyết 16

3.4 Xac đ nh s mâm th c ti ô ư ê 18

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THI T B CHÍNH VA C KHÍ C A THÁP CH NG C TẾ Ị Ơ Ủ Ư Â 19

4.1 Thi t b chinhê i 19

4.1.1 Đường kính tháp 19

4.2 Tinh c khiơ 36

4.2.1 Tính bề dày thân trụ của tháp 37

4.2.3 Chọn bích và vòng đệm 39

4.2.5 Chân đỡ và tai treo thiết bị 41

4.2.5.1 Tinh s b kh i l ng thap:ơ ộ ô ươ 41

4.2.5.2 Ch n tai treo:ọ 42

4.2.5.3 Ch n chân đ :ọ ỡ 43

4.3 Tinh thi t b phê i ụ 44

4.3.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đẩu hay thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 44

4.3.1.1 i u ki n nhi t đ c a qua trìnhĐ ề ệ ệ ộ ủ 44

4.3.1.3 Ch n thi t bọ ê i 46

4.3.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 49

4.3.2.1 i u ki n nhi t đ c a qua trìnhĐ ề ệ ệ ộ ủ 49

4.3.3 Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 53

4.3.3.1 i u ki n nhi t đ c a qua trìnhĐ ề ệ ệ ộ ủ 53

4.3.3.4 Xac đ nh h s c p nhi t t dòng s n ph m đ nh đ n thanh ngi ệ ô ấ ệ ừ ả ẩ ỉ ê ô 54

4.3.3.5 Xac đ nh hê s c p nhi t t thanh ng đ n n ci ô ấ ệ ừ ô ê ướ 54

4.3.3.6 Nhi t t i riêngệ ả 55

4.3.3.7 H s truy n nhi tệ ô ề ệ 55

4.3.3.8 B m t truy n nhi tề ặ ề ệ 56

4.3.4 Thiết bị nồi đun 56

4.3.4.1 i u ki n nhi t đ c a qua trìnhĐ ề ệ ệ ộ ủ 56

4.3.4.2 Nhi t t iệ ả 57

4.3.4.3 Ch n thi t bọ ê i 57

4.3.4.4 Xac đ nh h s c p nhi t t dòng s n ph m đ nh đ n thanh ngi ệ ô ấ ệ ừ ả ẩ ỉ ê ô 57

4.3.4.5 Tinh h s c p nhi t c a s n ph m đay n iệ ô ấ ệ ủ ả ẩ ồ 58

4.3.4.6 H s truy n nhi tệ ô ề ệ 58

4.3.4.7 B m t truy n nhi tề ặ ề ệ 59

4.3.4.8 Chi u dai m i ngề ỗ ô 59

4.3.5 Tính bồn cao vị 59

CHƯƠNG 5: K T LU N VA KI N NGH Ế Ậ Ế Ị 63

ĐỒ ÁN THAM KHẢO 64

Và đối với hệ etanol – nước, do không có điểm đẳng khí nên có thể đật được bất kì độtinh khiết theo yêu cầu nhờ quá trình chưng cất.

Nhiệm vụ thiết kế: thiết kế tháp chóp chưng cất hệ etanol – nước hoạt động liên tục vớinăng suất nhập liệu 1000kg/h có nồng độ nhập liệu 40% mol etanol thu được sản phẩmđỉnh có nồng độ 85% mol etanol, nồng độ sản phẩm đáy 3% mol etanol

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 cấu tử thì ta thu được 2 sảnphẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ), sảnphẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ Etanol -Nước 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 cáccấu 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 được sử dụng trong cáctrường hợp 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 r a 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, nhiều đoạn

• Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước

Vậy: đối với hệ Etanol-nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt giántiếp 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 vào 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 hóa dầu Kích thước của tháp: đường kính tháp

và chiều cao tháp tùy 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

1.1.2.1 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 được 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

1.1.2.2 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

Bảng 1.1 So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp:

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

Ưu điểm: -Đơn giản

-Trở lực thấp -Hiệu suất tương đốicao.

-Hoạt động khá ổnđịnh

-Làm việc với chấtlỏng bẩn

-Hiệu suất cao.-Hoạt động ổn định

Nhược điểm: -Hiệu suất thấp

-Độ ổn địnhkém

-Thiết bị nặng

-Trở lực khá cao

-Yêu cầu lắp đặt khắtkhe =>lắp đĩa thậtphẳng

-Cấu tạo phức tạp.-Trở lực lớn

-Không làm việcvới chất lỏng bẫn

Nhận xét: Tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chem và tháp mâmchóp 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 ápsuất thường, 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 : (Còn gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm).

Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Làchất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước

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

Hằng số phân ly của etanol: KCH3-CH2-OH = 10-18, 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 H3- CH2O-SO3-H + H2O

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

Hình 1.1 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 hóaetylen với xúc tác H2SO4; thủy phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóngvới nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hóa aldyhyt acetic; từ các hợp chất cơ kim…

Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinhbột và rỉ đường Những năm gần đây, ở nước ta công nghiệp sản xuất etanol chủ yếu là

sử dụng chủng nắm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột:

Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau:

• Khối lượng phân tử: 18 g/mol

nhuộm

Tơ nhân tạo

Sát trùng

Pha chế

thuốc

Sơn

vecni

Đồ nhựa

keo dán

Hương liệu

Nhiên liệuThuốc

súng không khói

tiễn

Dung môi hữu cơ: pha sơn

• Khối lượng riêng c: 1 g/l

• Nhiệt độ nóng chảy : 0oC

• Nhiệt độ sôi: 100oC

Nước là hợp chất chiềm phần lớn trên trái đất (¾ diện tích trái đất là nước

biển) và rất cần thiết cho sự sống

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

môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL VÀ NƯỚC.

Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,3oC ở760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg: hơi cách biệt khá xa nênphương 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 cô đặc vì các cấu tử đều có khảnăng 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 quátrình tách không được hoàn toàn

2.1 Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – Nước:

2.1.1 Chú thích các ký hiệu trong qui trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

17 Lưu lượng kế

2.1.2 Thuyết trình sơ đồ công nghệ:

Hỗn hợp Nước – Etanol có nồng độ nhập liệu là 40% nhiệt độ khoảng 25 C tại bồnchứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (4) Từ đó được đua đến thiết

bị đun sôi dòng nhập liệu (5) Sau đó hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi, rồi đượcvào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập dữ liệu

Trên đĩa nhập dữ liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của thápchảy xuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây có sựtiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưngcàng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (13) lôi

cuốn 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 etanol sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnhtháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất ( có nồng độ 85%) Hơi này

đi vào thiết bị ngưng tụ (10) và được ngưng tụ hoàn toàn, sau đó đi qua bộ phận chỉnhdòng (11) Ở đây một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trêncùng Phần còn lại sẽ đi qua thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh (12) rồi đưa vào bồn chứasản phẩm đỉnh (16) 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 đượchỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (etanol) Hỗn hợp lỏng ở đấy có nồng

độ nước là 3% mol, còn lại là etanol Dung dịch lỏng đi qua ở đáy đi ra khỏi tháp vàonồi đun (13) 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 đi qua thiết bị làm nguội sản phẩmđáy (14), được làm nguội đến 350C, rồi đưa ra bồn chứa sản phẩm đáy (15)

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN 3.1 Cân bằng vật chất

3.1.1 Các thông số ban đầu:

• Năng suất nhập liệu : G F= 1000(Kg/h)

• Nồng độ nhập liệu : x F= 40% mol etanol

• Nồng độ sản phẩm đỉnh : x D=85%mol etanol

• Nồng độ sản phẩm đáy : x W =3%mol etanol

• Khối lượng phân tử cua rượu va nước :M R =46,M N =18

• Chọn :

♦ Nhiệt độ nhập liệu:t' F= 28oC

♦ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi lam nguội: t'D =35o C

♦ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt :t'W = 35o C

♦ Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.

• Chọn kí hiệu:

♦ G , F: suất lượng nhập liệu tinh theo Kg/h, Kmol/h F

♦ G D, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h, kmol/h

♦ G W , W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h, Kmol/h

♦ : phần mol,phần khối lượng của cấu tử i

3.1.2 Xác định suất lượng nhập liệu.

Với: Phần mol nhập liệu: x F=0.4(phần mol etanol)

46.0.4 (1 0.4).18 63.013%

4.0.4618

)

1(46

.46

=

−+

=

−+

=

F F

F F

X X

x

Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:

M F =46×x F +(1−x F)×18=46×0.4+(1−0.4)×18=29,2(Kg/Kmol)Suất lượng nhập liệu là:

F = 34,247

2,29

3.1.3 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F=D + W (3.1)

Cân bằng cấu tử etanol (cấu tử nhẹ): F.x F=D.x D+W.x W (3.2)

Tỷ lệ thu hồi: F .η=D (3.3)

Phần mol sản phẩm đỉnh: x D=0,85 (phần mol etanol)

18)

85.01(85.0.46

85.0.4618

)

1(46

.46

=

−+

=

−+

=

D D

D D

x x

x

Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh:

1(

3.01(3.0.46

3.0.4618

)

1(46

.46

=

−+

=

−+

=

W W

W W

x x

1(

)/(453.15

h Kmol W

h Kmol D

3.1.3.1 Xác định tỷ số hoàn lưu thích hợp

a.Tỷ số hoàn lưu tối thiểu

Với x F =0.4 tra đồ thị cân bằng (hình 2.1) được:

Tỷ số hoàn lưu tối thiểu là:

F D

x y

y x R

b.Tỷ số hoàn lưu thích hợp

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

và công để bơm cũng tăng theo.Chỉ số sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vôcực khi hoàn toàn phần, nhiệt lượng và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ sốhoàn lưu

Tổng chi phí bao gồm: chi phí cố định và chi phí điều hành.Tỉ số hoàn lưuthích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất(không tính đến chi phí điều hành) ta cần lậpmối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp từ đó chọn Rth ứng với thể tíchtháp là thấp nhất

Nhận thấy,tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp,mà lượng hơi lại tỷ

lệ với lượng lỏng hồi lưu trong tháp, do trong điều kiện làm việc nhất định thì GD

sẽ không đổi nên lượng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1),do đó,tiết diện tháp sẽ tỉ lệR+1 Ngoài ra ,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối mox*(R+1).Như vậy,

ta có thể thiết lập quan hệ giữa R và Vtháp theo quan hệ m0x*(R+1)

3.2 Cân bằng nhiệt lượng

3.2.1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất

Q F +Q đ =Q W +Q D +Q nt+Q M (Tài liệu [2] –trang 41).

Trong đó:

+Q nt: nhiệt lượng ngưng tụ do hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng Chọn hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng

Q nt=D(R+1)×M D r D (KJ/h) (công thức 2.14 –trang 42 [2] )

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r N=2312.67 (kJ/kg), ([3] – trang 225)

Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: r R=825.84 (kJ/kg), ([3] – trang 225)

Ẩn nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh:

) / ( 889 921 67 2321 )

9354 0 1 ( 9354 0 84 825 )

1

_

kg KJ r

x x

G H G

Q F = F × F = F × F F − (kJ/h).

F

c : nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu (J/kg.độ)

- Nhiệt dung riêng của nước: c N =4186 (J/kg.độ)

Chọn nhiệt đọ chuẩn: t o =20 C

Ở nhiệt độ trung bình:t F t 50.4O C

2

208.802

W W W

W

c w: nhiệt dung riêng sản phẩm đáy

Do sản phẩm đáy chứa nhiều nước nên nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy có thểtính gần đúng theo công thức sau:

4186 )

5227 0 1 ( )

D D D

D

c ( 1 ) 0.9354× 2882 25 + ( 1 − 0 9354 ) × 4186 =2966.47(J/kg.độ) =2.9665 (kJ/kg.độ)

Vậy Q D =15.453× 41 8 × 2 9665 × ( 78 5 − 20 ) =112095.79 (kJ/h)

+Q m: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh.Chọn : Q m =0.05×Q đ

Vậy : nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp :

) 7 223958 545

162043 79

112095 120

79108 ( 95

.

0

1

) (

95 0

1

− +

+

=

− + +

3.3 Phương trình đường làm việc - Số mâm lý thuyết

3.3.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

25.0706.0

14.2

85,01

4.2

4.21

.1+

+

×+

=+

++

=

x

x R

x x R

2162 2 1 1 4 2

2162 2 4 2

1

1

+

− + +

+

= +

− + +

R

L x

R

L R

W

=1.358x - 0.0107

Với: L= 2 2162

453 15

247 ,

* Xác định hiệu suất trung bình của tháp ηtb

+ Độ bay tương đối của hỗn hợp etanol – nước

α= - ( [4]-171)

với: - x: nồng độ phần mol của etanol trong pha lỏng

Y*: nồng độ phần mol của etanol trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

rF = 47 % = 0.47 ( [4]– trang 171)

* Tại vị trí mâm đáy:

Với xw= 0.03 Tra đồ thị cân bằng hệ etanol – nước (hình 1.1)

y* = 3.8% = 0.038

nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy : tw = 90.5

+ Độ bay hơi tương đối của sản phẩm đáy:

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH VÀ CƠ KHÍ

g

)

*(ρ ωTrong đó gtb: lượng hơi nước đi trung bình trong tháp (Kg/h )

(ρtb * ωy )tb : tốc độ hơi đi trung bình trong tháp ( Kg/h )

Vì rằng lượng hơi và lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp

và khác nhau trong mỗi đoạn cho nên ta phải tính đường kính trung bình riêng chotừng đoạn: đoạn chưng và đoạn cất

• Nhiệt độ trung bình của pha hơi, pha lỏng từ giãn đồ t-x,y:

ρ’

'

*4.22

*

y

O m

T

T M

= 22.437*.(36273*273+79.5)= 1.292(Kg/m3)

• Khối lượng riêng pha lỏng:

+

385.972

)80986.01( −

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

D

r g r g

x D x G y g

D G g

1 1 1 1

1 1

(x1 = x F )

r1 = retanol* y1 + (1 - y1 ) * rnước

rđ = retanol* y D + ( 1 - y D ) * rnước

Tại vị trí nhập liệu:

tF =86.5 OC → ra = retanol =199.4 kcal/kg= 834.84 Kj/Kg= 38402.64(kJ/kmol)

rb = rnước= 552.5 kcal/kg = 2313,207Kj/ Kg= 41637.726(kJ/kmol)

rb = rnước =560.5kcal/kg =2346.7( Kj/ Kg )= 42240.6(kJ/kmol)

(Bảng I.212-Sổ tay tập một)

yD = 0.85 ( phần mol ) → y D = 0.94 ( phần khối lượng )

1 1 1

1 1

10

*069.2

*

85.0

*453.154.0

*

*

453.15

r g

G y g

G g

35.36

8.51

5343.0

1 1 1

h kg h

kmol G

g y

ϕ[δ]: hệ số tính đến sức căng bờ mặt

= (

4275.17

1 + 87.62

1 )

47.2189

= 0.919 (m )Chọn Dcất theo tiêu chuẩn : 1 ( m)

4.1.1.2 Đường kính đoạn chưng

a Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

• Nồng độ trung bình của pha lỏng :

y = "

"

*4.22

*

y

O m

T

T M

4117.0

+

9175.969

)4117.01( −

n: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng

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

g’

n = g1

Hay g’tb = ( g1 + g’

1 )/2 Lượng hơi đi vào đoạng chưng g’

x W y g x G

W g G

n n

W W

' 1

' 1

' 1

' 1

' 1

' 1

Áp dụng Công thức nội suy ta có tw = 94.3

Áp dụng sổ tay QTTB bảng I.242 và CT nội suy ta có:

= 16.013 = 59.9545 = + => = 12.638< 20dyn/cm

Nên theo sổ tay tập 2: = 0.8

(kg/m2.s)

Đường kính đoạn chưng

Dchưng = 0.0188 =0.782 (m)

Chọn Dchưng theo tiêu chuẩn = 0.8(m)

Do đó Dtháp = 1(m)

4.1.2 Chiều cao toàn bộ tháp

• Chiều cao tháp được xác định theo công thức sau :

H = Ntt * (Hđ +δ ) + (0.8 ÷ 1.0) (m) Với Ntt: số đĩa thực tế = 39

δ : Chiều dày của mâm, chọn δ = 4 (mm) = 0.004 (m)

Hđ: khoảng cáh giữa các mâm (m) theo bảng IX.4a- Sổ tay tập hai, Hđ

1 = 44 (chóp)(D: đường kính trong của tháp )

• Chiều cao chop phía trên ống dẫn hơi :

• Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân tháp :

2 )

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

⇒ i = 3.1416/3 * (70 -

20

*4

472) = 44.4 (khe)Chọn i = 45 (khe)

Gx: lưu luọng lỏng trung bình đi trong tháp ( Kg/h )

Gx =

2

1

* (G1 + GF) =

2

1

* (1525.54 + 1000) = 1262.77 (Kg/h)

z: số ống chảy chuyền, chọn z = 1

ωc: tốc độ chất lỏng trong ống chẩy chuyền, ωc = 0.1 ÷ 0.2 ( m/s )

Chọn ωc = 0.15 (m/s)

ρx = 855.545 (Kg/m3)

4.1.3.2 Tính cho phần chưng

• Chiều cao khe chĩp :

2 )

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

⇒ i = 3.1416/3 * (70 -

20

*4

472) = 44.4 (khe)Chọn i= 45 (khe)

G’

x: lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp (Kg/h)

G’

x = 2

1

* (G’

1 + GF) =

2

1

* (2894.33 + 1000) = 1947.165 (Kg/h)

δc: bề dày ống chảy chuyền, chọn δc = 2 ( mm )

• Chiều cao lớp chất lỏng trên mâm :

hm = h1 + ( S + hsr + b ) = 30 + 12.5 + 5 + 20

• Tổng diện tích các khe chóp:

S3 = i.a.b = 45*0.002*0.02 =0.0018 m2

• Tiết diện lỗ mở trên ống hơi:

S4 = π dhơi.h2 = 3.1416 * 0.047*0.01175 = 0.001735 m2

Nên ta có S1≅ S2 ≅ S3≅ S4 (hợp lý)

• Lỗ tháo lỏng:

Tiết diện cắt ngang của tháp F = 0.5026 m2

Cứ 1 m2 chọn 4 cm2 lỗ tháo lỏng Do đó tổng diện tích lỗ tháo lỏng trên mộtmâm là: 0.5026 *4 /1 = 2.0104 cm2

*1416.3

*39

802.0

*63585.0(

*58.827

078.1

= 0.107 (m) < 0.3 (m)Vậy khoảng cách giữa hai mâm là 0.3 m là hợp lý

2 3 1

0702.0

45.0

*20

*078.158.827

078

hwo= 2.84 * K*

2 / 3

L w

Q

h L

 

= ∆

 

 Với K: hệ số chênh lệch cho gờ chảy tràn, phụ thuộc vào 2 giá trị:

Lw: chiều dài gờ chảy tràn = 0.6*D = 0.6 (m)

- Chiều cao trung bình của mâm Bm:

+ Chiều rộng của ống chảy chuyền: dw = 0.08* D= 0.064 (m)+ Diện tích của ống chảy chuyền Sd = 0.04*F = 0.02 (m2)Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn l = D - 2.dw= D (1 -2*0.08)=0.84D

+ Diện tích giữa hai gờ chảy tràn :

A = F - 2*Sd = F(1 -2*0.04 ) = 0.92FChiều rộng trung bình : Bm = 0.92* 0.86

Tra đồ thị hình 5.10 trang 80 Tập 3 (Kỹ thuật phân riêng) được

2

*850.01 1.3375 0.050837

Do đó 0.5*(hfv + hs) = 0.5 * (16.645 + 24.805 ) = 20.725 > ∆ ( = 5.77 )Vậy mâm ổn định

• Độ giảm áp của pha khí qua một mâm ht :

- Chiều cao thủy tĩnh lớp chất lỏng trên lỗ chop gờ chảy tràn hss :

hss = hw - (hsc + hsr + Hs ) = 50.015 - (12.5 + 5 +20 ) = 12.915 (mm)

- Độ giảm áp của pha khí qua một mâm :

Q S

  , mm chất lỏng

Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn l = 0.84D = 0.84*1000 = 840 <1500 nênkhoảng cách giữa mép trên của gờ chảy tràn và mép dưới của ống chảy chuyềnđược chọn 12.5 mm

Do đó khoảng cách giữa mép dưới ống chảy chuyền và mâm:

Qy: lưu lượng hơi đi ra khỏi tháp ( m3/s)

Qy = 3600

y y

G

ρ =3600*1.292

2205

= 0.47 (/s)v: vận tốc hơi đi qua ống, chọn v = 30 ( m/s )

⇒ d1 = 4*0.470

3.1416*30 = 0.141 (m) = 141 (m)Chọn d1 = 150 (mm)

( [4]- 434 , choọn l1 = 130 ( mm )

( chiều dài đoạn nối ống )

4.1.4.2 Ống dẫn dòng chảy hoàn lưu

*3600

2400

= 8.06 * 10-4 (m3 /h) (ρx: khối lượng riêng pha lỏng trong đoạn cất = ρ’

x = 827.58 Kg/m3 ) Chọn v = 0.6 ( m/s )

⇒ d2 = 4*4.869*10 4

3.1416*0.5

−

= 0.041 (m) = 41 (mm) Chọn d2 = 40

Q =

F F

tF = 86.5OC ( bảng I.2 – Sổ tay tập một ) →ρetanol = 734.24 ( Kg/m3)

ρnước = 971.44( Kg/m3)

⇒ρF = 0.4 * 734.24+ (1 – 0.4) * 971.44 = 876.56 (Kg/m3)

Q =

W W

0789.354

tW =90.5 OC ( bảng I.2 Sổ tay tập một ) →ρetanol = 725.025 ( Kg/m3)

ρnước = 964.65 ( Kg/m3)

⇒ρW = 0.03*725.025 + (1 – 0.03) * 964.65

= 957.46 (Kg/m3)

⇒ Q = 1.027 * 10-4 (m3/s)

Chọn v = 0.1 (m/s)

⇒ d4 =

1.0

*1416.3

10

*027.1

*

0.0362 (m) = 36.2 (mm)Chọn d3 = 40 (mm)

= 0.1138 (m3/s)Chọn v = 5(m/s )

⇒ d5 =

5

*1416.3

1138.0

*4

= 0.170 (m) = 170 (mm)Chọn d5 = 200 (mm)

*

*

*'

*002.0

*45

*39

405.0

= 5.769 (m/s)

⇒∆Pk = 5*1.292* 5.7692 /2 = 107.49 (N/m2)

b Trở lực do sức căng bề mặt