Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật thực phẩm

Mục tiêu nghiên cứu Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu 2500 kg/h ,dòng nhập liệu có thành phần 18% khối lượng etanol

Trang 1

SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

Trang 2

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 4

Mục tiêu nghiên cứu 4

Ý nghĩa đề tài 4

1.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 5

1.1.1 Khái niệm quá trình chưng cất 5

1.1.2 Đặc điểm của quá trình chưng cất 5

1.1.3 Các phương pháp chưng cất 6

1.1.4 Cân bằng lỏng- hơi hỗn hợp 2 cấu tử 7

1.1.5 Ứng dụng quá trình chưng cất trong công nghiệp 7

1.1.6 Thiết bị chưng cất 7

1.2 GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU 9

1.2.1 Etanol 9

1.2.2 Nước 14

1.2.3 Hỗn hợp Etanol – Nước 15

1.3 CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC 15

CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT 18

2.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU 18

2.2 XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY 18

2.3 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP 20

2.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu 20

2.3.2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp 20

2.4 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ THUYẾT 20

2.4.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất 20

2.4.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng 20

2.4.3 Số mâm lý thuyết 20

2.5 XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ - BIỂU ĐỒ CHƯNG CẤT 21

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 24

3.1 ĐƯỜNG KÍNH THÁP 24

3.1.1 Đường kính đoạn cất 24

3.1.2 Đường kính đoạn chưng 29

Trang 3

3.2 MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM 34

3.2.1 Cấu tạo mâm lỗ 34

3.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm 35

3.2 3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 41

3.3 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP 43

3.3.1 Bề dày thân tháp 43

3.3.2 Đáy và nắp thiết bị 46

3.3.3 Bích ghép thân, đáy và nắp 47

3.3.4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn 48

3.4.5 Tai treo và chân đỡ 56

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ 62

4.1 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 62

4.2 CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 69

4.2.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 69

4.2.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 75

4.2.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 82

4.3 TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU 87

4.3.1 Tính chiều cao bồn cao vị 87

4.3.2 Chọn bơm 94

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

Trang 4

Mục tiêu nghiên cứu

Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu 2500 kg/h ,dòng nhập liệu có thành phần 18% khối lượng etanol, dòng sản phẩm đỉnh có 82% khối lượng ethanol, dòng sản phẩm đáy có 2,2% khối lượng etanol

Em chân thành cảm ơn các quý thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị,đặc biệt là thầy Th.s Nguyễn Hữu Quyền , đã giúp em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể không có sai sót, em rất mong quý thầy cô góp ý, chỉ dẫn

Ý nghĩa đề tài

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư hoá- thực phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành 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 quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp

Trang 5

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN

1.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT

1.1.1 Khái niệm quá trình chưng cất

Chưng cất là quá 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 khác nhau 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

1.1.2 Đặc điểm của quá trình chưng cất

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm

Hỗn hợp đem chưng cất gọi là dòng nhập liệu chứa cấu tử dễ bay hơi và cấu tử khó bay hơi, thành phần của các cấu tử tùy thuộc vào đặc điểm của nguồn nguyên liệu

Dòng sản phẩm thu được bằng cách bốc hơi và ngưng tụ gọi là dòng sản phẩm đỉnh chứa chủ yếu cấu tử dễ bay hơi và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi.Dòng sản phẩm thu được ở đáy ở thiết bị gọi là dòng sản phẩm đáy chứa chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi

Dòng hoàn lưu là dòng ngưng tụ ở đỉnh của thiết bị được cấp tuần hoàn trở lại thiết bị nhằm tăng hiệu suất của quá trình chưng cất Ngoài ra còn làm tăng độ tinh khiết của sản phẩm chứa chủ yếu cấu tử dễ bay hơi và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi

Chú ý: Dòng hoàn lưu và dòng sản phẩm đỉnh có các thành phần cấu tử đỉnh hoàn toàn giống nhau

Trang 6

 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

Phân loại theo nguyên lý làm việc:

 Chưng cất đơn giản (gián đoạn)

Phương pháp này được sử dụng trong các trường 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 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

Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:

 Cấp nhiệt trực tiếp

 Cấp nhiệt gián tiếp

 Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước

Trang 7

1.1.4 Cân bằng lỏng- hơi hỗn hợp 2 cấu tử

Đem đun sôi hỗn hợp 2 cấu tử A,B, trong đó A là cấu tử dễ bay hơi, B là cấu tử khó bay hơi, thì trong pha lỏng sôi và pha hơi bão hòa đều có mặt 2 cấu tử này và luôn tồn tại mối quan hệ cân bằng giữa nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng

xA và nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi bão hòa cân bằng với pha lỏng y*A= f(xA) ứng với mỗi hỗn hợp lỏng gồm 2 cấu tử

Vd: hệ etanol- nước , methanol-nước , nước axetic… thì đều có một hàm lượng biểu diễn quan hệ cân bằng với nhau Ứng với mỗi hệ, ở mỗi nồng độ xA1, xA2,… xAi thì luôn tồn tại

y* A1, y*A2,… y*Ai , các số liệu này thành lập 1 bảng số liệu trong hỗn hợp của

hệ chưng cất

1.1.5 Ứng dụng quá trình chưng cất trong công nghiệp

Trong công nghệ sản xuất dung môi hữu cơ: benzene, toulen, silen phục vụ cho sản xuất sơn…

Sản xuất cồn etylic để đáp ứng nhu cầu sản xuất rượu, nước giải khát có cồn…

Chưng cất tinh dầu từ thiên nhiên

Trong nhiều trường hợp quá trình chưng cất là quá trình đơn giản nhất, kinh tế nhất để tách, làm sạch tinh khiết sản phẩm

Quá trình chưng cất có mặt ở hầu hết các quá trình công nghiệp

1.1.6 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 các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước của

Trang 8

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 :

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

Ưu điểm Đơn giản, trở lực thấp

Hiệu suất tương đối cao, hoạt động khá ổn định, làm việc với chất

Lắp đĩa thật phẳng

Cấu tạo phức tạp, trở lực lớn, 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

Trang 9

1.2 GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU

1.2.1 Etanol

 Định nghĩa (còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm)

- Ancol là những hợp chất hữu cơ mà trong phân tử có nhóm hydroxyl (–OH ) liên kết trực tiếp với nguyên tử cacbon no

- Etanol hay còn được gọi là rượu etylic là một ancol đơn chức no mạch hở trong phân

tử chứa một nhóm hydroxyl ( –OH )

 Cấu tạo của Etanol

Công thức phân tử thu gọn nhất : C2H6O hoặc C2H5OH

Công thức cấu tạo:

 Tính chất vật lý

Rượu etylic là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15 độ C)

Hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời

Ancol etylic tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehyde tương ứng là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử rượu với nhau

và với nước

Trang 10

Etanol là một dung môi linh hoạt, có thể pha trộn với nước và với các dung môi hữu cơ khác như axit axetic , axeton, benzen , cacbon tetrachlorua, cloroform , dietyl ete, etylen glycol,…

 Tính chất hóa học

Tính chất của một rượu đơn chức, no, mạch hở

o Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ

Trường hợp 1 : Trong môi trường nhiệt độ cao

CH3-CH2-OH + CuO  CH3-CHO + Cu + H2O

Trường hợp 2 : có xúc tác

CH3-CH2-OH + O2  CH3-COOH + H2O

Trường hợp 3 : nhiệt độ cháy

Trang 11

o Phản ứng lên men giấm ( oxi hóa rượu etylic 10 độ bằng oxi không khí có mặt

men giấm ở nhiệt độ khoảng 250C)

CH3-CH2-OH + O2  CH3-COOH + H2O

 Điều chế

Etanol 94% "biến tính" được bán trong các chai lọ an toàn để sử dụng trong gia đình-không dùng để uống, được sản xuất bằng cả công nghiệp hóa dầu, thông qua công nghệ hyđrat hóa êtylen, và theo phương pháp sinh học, bằng cách lên men đường hay ngũ cốc với men rượu

Hyđrat hóa etylen

Etanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrat hóa etylen bằng xúc tác axít, được trình bày theo phản ứng hóa học sau

Cho etylen hợp nước ở 3000C áp suất 70-80 atm với chất xúc tác là acid wolframic hoặc acid phosphoric:

H2C=CH2 + H2O → CH3CH2OH

Trong công nghệ cũ, lần đầu tiên được tiến hành ở mức độ công nghiệp vào năm

1930 bởi Union Carbide, nhưng ngày nay gần như đã bị loại bỏ thì êtylen đầu tiên được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axít sulfuric đậm đặc để tạo ra etyl sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành êtanol và tái tạo axít sulfuric:

Trang 12

C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2

Quá trình nuôi cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được gọi là ủ rượu Men rượu có thể phát triển trong sự hiện diện của khoảng 20% rượu, nhưng nồng

độ của rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất

Để sản xuất êtanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột

Tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường Trong việc ủ men bia, theo truyền thống nó được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ mạch nha

Trong quá trình nảy mầm, hạt tạo ra các enzym có chức năng phá vỡ tinh bột để tạo ra đường

Để sản xuất êtanol làm nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bột thành glucoza được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với axít sulfuric loãng, enzym nấm amylase, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp

Về tiềm năng, glucoza để lên men thành êtanol có thể thu được từ xenluloza

Trang 13

Việc thực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loại các phế thải và phụ phẩm nông nghiệp chứa nhiều xenluloza, chẳng hạn lõi ngô, rơm rạ hay mùn cưa thành các nguồn năng lượng tái sinh

Cho đến gần đây thì giá thành của các enzym cellulas có thể thủy phân xenluloza

là rất cao Hãng Iogen ở Canada đã đưa vào vận hành xí nghiệp sản xuất êtanol trên cơ sở xenluloza đầu tiên vào năm 2004

Phản ứng thủy phân cellulose gồm các bước

Bước 1 : Thủy phân xenluloza thành mantoza dưới tác dụng của men amylaza

cơ đốt trong…

- Để điều chế các loại rượu uống nói riêng và các đồ uống có etanol nói chung, người ta chỉ dùng sản phẩm của quá trình lên men rượu các sản phẩm nông nghiệp như:

Trang 14

gạo, ngô,sắn, lúa mạch, quả nho.Trong một số trường hợp còn phải tinh chế loại bỏ các chất độc hại đối với cơ thể

1.2.2 Nước

 Cấu tạo

Công thức phân tử thu gọn nhất : H2O

Công thức cấu tạo:

o Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển)

và rất cần thiết cho sự sống Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học

 Tính chất hóa học

o Tác dụng với kim loại : tạo ra dung dịch bazo và khí hidro

2Na + 2H2O 2NaOH + H2

Trang 15

o Tác dụng với oxit bazơ :tạo dung dịch bazơ, làm quỳ tím chuyển sang mày xanh

o Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – nước:

x(%phần

y(%phần

mol) 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100 t(oC) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4

Trang 16

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

Trang 17

o Thuyết minh quy trình công nghệ

Kiểm tra van : V1,V2,V8,V9,V12

Van mở : V3,V4,V5,V6,V7,V10

Hỗn hợp ethanol - nước có nồng độ nhập liệu ethanol 18% (theo phần khối lượng), nhiệt độ khoảng 28oC tại bình chứa nguyên liệu được bơm bơm lên bồn cao vị Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu , rồi được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện 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 hơi nước được cấp trực tiếp vào đáy tháp 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 cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử ethanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 82% phần khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng Phần còn lại được làm nguội đến 400C, rồi đưa về bình chứa sản phẩm đỉnh

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 ethanol là 2,2% phần khối lượng, còn lại là nước Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp đi vào thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy

Trang 18

CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT

2.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

o Năng suất nhập liệu : GF = 2500 (Kg/h)

o Nồng độ phần khối lượng nhập liệu : x F = 18% (pkl etanol)

o Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh : x D = 82% (pkl etanol )

o Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy : x w = 2,2% (pkl etanol )

o Khối lượng phân tử của rượu và nước: MR =46 , MN =18

Trang 19

 Tính suất lượng mol của các dòng :nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

 Tính nồng độ phần mol của các dòng : nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

Chuyển từ phần khối lƣợng sang phần mol

(

)

(

)

Trang 20

MW = 46.x W (1x W).18 = 18,28 (Kg/Kmol)

2.3 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP

2.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu

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

vô cực Do đó chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu ,nước và bơm…) là tối thiểu

Với xF= 0,08 tra đồ thị T-x,y ta được yF* = 0,415

Rmin=

x y

y x

F F

F D

415 , 0

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

1 17 , 1

64 , 0 1 17 , 1

17 ,

f

R

1

1 98 , 8 1 17 , 1

98 , 8 17 ,

Với : f = 8 , 98

77 , 13

67 ,

Trang 21

D duong thang x= xF duong thang noi diem D va I F

Trang 22

Nlt: số mâm lý thuyết

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

Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi :

x

1 y 1

Với : x :phần mol của rượu trong pha lỏng

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

08,01.415,01

415,0x

x1.y

Tra tài liệu tham khảo [STHT và TBCNHC (tập 2) – trang 171] : F = 0,37

Tại vị trí mâm đáy :

xW = 0,01 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*W = 0,09

tW = 97,5 oC

Trang 23

01,0

01,01.09,01

09,0x

x1.y

64,01.72,01

72,0x

x1.y

Tra tài liệu tham khảo [STHT và TBCNHC (tập 2) – trang 171] : D = 0,51

Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :

tb

3

51 , 0 38 , 0 0,37

Trang 24

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

3.1 ĐƯỜNG KÍNH THÁP

tb y y tb

g

)ω.(0188,0ω.3600

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 đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

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 = GD.(R+1) =494,99.(1,17+1) = 1074,13 (Kg/h)

 Xác định g 1 :

) ( 29 , 14

Trang 25

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

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

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

ra: Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu etylic

rb: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước

Trang 26

( ) (

)

Vậy r1= ra87,2.y1+ (1 – y1).rb = 199,12.y1+ (1 – y1).551,80 = 551,80 – 352,68.y1

* Tính rd : hơi đi ra đỉnh tháp ở nhiệt độ 79,4oC tương tự như trên:

Trang 27

Suy ra ta có hệ phương trình như sau:

,

551

20,266.13

,

1047

82,0.99,49418

y r

1 1

1

1 1

68,35280,551

19,286814

89,405.18,0

99,494

y r

r g

G y

g

G g

57

,

0

)/(

42

,

351

)/(

16

,

321

)/(

r

h kg

G

h kg

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 chuyề

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

Trang 28

273 18 1 46

ytb

t

y y

86,870.05,

945,14

0188

,

Trang 29

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 = 816,15(Kg/h)

 Xác định g’ 1 : Từ hệ phương trình ( Sổ tay QTTB tập 2 trang 182) :

)2()3(.'

'

)1(

1 1 1

g

r

g

x G y g

W W W

W

Với : G’1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

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

Trang 30

Đổi yw = 0,09 pmol ra phần khối lượng:

) ( 2 , 0 18 91 , 0

Theo đồ thị đường cong sôi ta có sản phẩm đáy có nhiệt độ sôi là 97,50C, theo các

số liệu Δra,Δrb, Δt, ra1, rb1 đã có ở phần tính toán đoạn cất ta có:

360,48

=2005,01+

0,022 2005,01.

.0,2 607,4 2628,05.x1'    1' 

Trang 31

,

0

) / ( 2

,

472

) / ( 05 , 2628

) / ( 05 ,

kg kcal r

h kg G

h kg g

Vậy lƣợng hơi trung bình đi trong đoạn chƣng

Vậy : g’tb = 719 , 6

2

05 , 623 15 , 16

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

ytb

xtb gh

'

'.05

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

'ytb : khối lƣợng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

273 18 ' 1 46 ' '

ytb

t

y y

pmol





Trang 32

+ Nhiệt độ trung bình đoạn chƣng : t’tb =

5 , 97 2 ,

87  

Suy ra :  'ytb 0 , 81 (kg/m3)

Xác định ' xtb :

% 10 ) ( 1 , 0 2

022 , 0 18 , 0

Trang 33

Bằng phương pháp nội suy ta có:

) / ( 27 , 723 73 , 11 735 ) 80 35 , 92

a a

b b

( ⁄ )

81,0

4,932.05,

Trang 34

)/(36,17,1.8,0

6,719

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

lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 0,5 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :

13,1.5,0

14,945.0188,0

.0188,0

2 2 2

2

s m D

g

ytb t

tb  

81,0.5,0

6,719.0188,0'

'.0188,0

2 2 2

2

s m D

g

ytb t

tb  



3.2 MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM

3.2.1 Cấu tạo mâm lỗ

Chọn : + Đường kính lỗ : dl = 3 (mm)

+ Tổng diện tích lỗ bằng 9% 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 :

Trang 35

5,0.09,0

09,

3.2.2 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 không đáng kể nên có thể bỏ qua

a Độ giảm áp qua mâm khô

Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô đƣợc 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

L G o

o L

G o

o

k

C

u g

.2

Trang 36

+ 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

.Tra tài liệu tham khảo [1 – trang 111] : Co = 0,74

 Đối với mâm ở phần cất

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : uo =

09 , 0

18 , 1 09 ,

0lv 

=13,11 (m/s)

+ Khối lượng riêng của pha hơi : G = ytb = 1,13 (Kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng : L = xtb = 870,86 (Kg/m3)

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

77,2086,870

13,1.74

Trang 37

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’o = 14 ( / ).

09 , 0

26 , 1 09 , 0

'

s m

lv  



+ Khối lượng riêng của pha hơi : 'G = ’ytb = 0,81 (Kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng : 'L = ’xtb = 932,4 (Kg/m3)

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

86,154,932

81,0.74

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 toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn hw và hiệu số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm :

Trang 38

Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng

3

.4,

92,35.77,13.17,1

60

ph m M

D R q

xtb

D



Trang 39

363,0

0111,0.4,43

05,2628'

.60

'

ph m

G q

047,0.4,43'

d

h

Với +  : sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm)

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

 Phần cất

Trang 40

* Khối lượng riêng của pha lỏng : L = xtb = 870,86 (Kg/m3)

* ttb = 83,3oC ,tra tài liệu tham khảo [Sổ tay QTTB (tập 1)/301], ta có :

+ Sức căng bề mặt của nước : N = 61,99 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của rượu : R = 17,003 (dyn/cm)

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

34 , 13

* Khối lượng riêng của pha lỏng : ’L = ’xtb = 932,4 (Kg/m3)

* t’tb = 92,35oC ,tra tài liệu tham khảo [Sổ tay QTTB (tập 1)], ta có

+ Sức căng bề mặt của nước : ’N = 60,16 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của rượu : ’R = 16,19 (dyn/cm)

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

Định dạng
Số trang	100
Dung lượng	2,01 MB