Đồ án quá trình thiết bị Chưng cất hỗn hợp Ethanol nước bằng tháp đệm

Đồ án Quá trình thiết bị: Thiết kế tháp đệm chưng cất hỗn hợp ethanol-nước Sinh viên thực hiện: Dương Tường Vy Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

LỜI MỞ ĐẦU

Nhu cầu về nguồn nhiên liệu, nguyên liệu và các sản phẩm hóa học trên thế giới ngày càng tăng Nhiệm vụ của chúng ta hiện nay không chỉ có tìm kiếm ra nguồn năng lượng mới mà còn phải khám phá ra các phương pháp có thể tinh chế hỗn hợp nguyên liệu thành những sản phẩm mong muốn và thân thiện với môi trường Ngành công nghệ hóa học đóng vai trò quan trọng và đi tiên phong trong việc thực hiện nhiệm vụ đó Các quá trình hóa học như chưng cất, trích li, cô đặc, sấy, kết tinh, hấp phụ… ngày càng được đổi mới và hoàn thiện hơn nữa để đáp ứng nhu cầu sử sụng các sản phẩm hóa học chất lượng, tinh khiết của con người và thị trường

Mỗi phương pháp đều tiến hành với cách thức khác nhau và có ưu, nhược điểm riêng Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp phù hợp để chưng cất hỗn hợp ethanol – nước

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị là một môn học xương sống của ngành hóa học Môn học này tổng hợp hầu hết các kiến thức cơ bản từ Truyền nhiệt, Truyền khối, Kĩ thuật phản ứng đến Các quá trình cơ học rồi Cơ sở thiết kế máy…, trang bị cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ hóa- Thực phẩm những kiến thức cơ sở để có thể thiết kế một thiết bị hóa học cụ thể và hoàn chỉnh, đáp ứng đầy đủ yêu cầu của quá trình phản ứng, chất lượng sản phẩm, tuổi thọ cao, giá thành phù hợp và quan trọng là phải an toàn với con người và môi trường

Nhiệm vụ của Đồ án môn học này là thiết kế thiết tháp đệm chưng cất hỗn hợp ethanol – nước, hoạt động liên tục ở áp suất thường

Em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Ngọc Pha và các thầy cô trong bộ môn Quá trình

và thiết bị đã hướng dẫn tận tình trong thời gian qua Trong quá trình hoàn thành đồ án không khỏi xảy ra sai sót vì kinh nghiệm còn hơi non mong thầy cô góp ý, giúp đỡ thêm cho em

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT VỀ CHƯNG CẤT 1

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG 2

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 7

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 13

CHƯƠNG 5: VẬN TỐC HƠI VÀ ĐƯỜNG KÍNH 18

CHƯƠNG 6: CHIỀU CAO THÁP 22

CHƯƠNG 7: TRỞ LỰC CỦA THÁP 23

CHƯƠNG 8: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 26

CHƯƠNG 9: TÍNH TOÁN CHO THIẾT BỊ PHỤ 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT VỀ CHƯNG CẤT

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau), 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 đơn giản hệ chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu 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 ethanol – nước thì sản phẩm đỉnh chù yếu gồm ethanol và một ít nước, ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít ethanol

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 làm việc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các 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

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 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 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 chóp dạng:tròn ,xupap ,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

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG 2.1 ETHANOL

2.1.1 Tính chất vật lý:

Ethanol (hay còn gọi là rượu ethylic, ancol ethylic, cồn) là chất lỏng, không màu, dễ cháy, nhẹ hơn nước, tan vô hạn trong nước, hòa tan được nhiều chất như iodine, benzene,… Thuộc tính:

Công thức phân tử: C2H6O hay C2H5OH

Khối lượng phân tử: 46,07 g/mol

Hằng số phân ly của ethanol pKa=15,9 nên ethanol là chất gần như trung tính

Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, NaH, NaNH2:

CH CH OHNaH CH CH ONaH

3 2 2

1410

CH CH OH H O

K K   : tính acid của rượu nhỏ hơn tính acid của nước, nên khi muối

CH3CH2ONa tan trong nước sẽ bị phân hủy thành rượu trở lại

Tác dụng với acid tạo ra ester: Ethanol có tính base tương đương với nước Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ tạo ra ester:

CH CH OHNH C H NH H O Phản ứng tạo eter và tách nước:

H SO C

Ethanol được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nặng, y tế và dược, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ, nông nghiệp,…

Sơn, đồ nhựa, keo dán, hương liệu,…

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

Dung môi hữu cơ Nhiên liệu

Ethanol

2.1.4 Phương pháp điều chế:

Có nhiều phương pháp điều chế ethanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của ethanol khi đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldehyt acetic; từ các hợp chất cơ kim…

Trong công nghiệp, điều chế ethanol 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

2.2 NƯỚC

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị Khi hóa rắn, nước có thể tồn tại ở các dạng tinh thể khác nhau

Công thức phân tử: H2O

Phân tử lượng: 18,01528 g/mol

Khối lượng riêng: 1 kg/l (ở dạng lỏng), 917 kg/m3 (ở dạng rắn)

Hình 1: Giản đồ lý thuyết thành phần pha hơi y theo thành phần pha lỏng x

Hình 2: Giản đồ lý thuyết nhiệt độ T theo thành phần x, y

2.4 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Số liệu ban đầu:

Năng suất nguyên liệu: 0,4 kg/s

Nồng độ nhập liệu: 31 % mol ethanol

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi ở đỉnh tháp: 85 % mol ethanol

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi ở đáy tháp: 1 %

W = 34,69694 (kmol/h)

3.2 Xác định chỉ số hồi lưu

3.2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu:

Từ điểm (0,85; 0,85) trên đường cân bằng, ta vẽ đường thẳng tiếp xúc với đường cân bằng cắt trục tung tại điểm có tung độ là 0,28128

Ta có: 0, 28128

1

D m

x

 suy ra Rm = 2,2022

3.2.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp:

Xác định chỉ số hồi lưu từ điều kiện thể tích tháp nhỏ nhất (không tính đến chỉ tiêu kinh

tế vận hành) Trong trường hợp này ta cần thiết lập quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và thể tích của tháp Rx – V

Thể tích tháp: V  f H

f : tiết diện tháp, m2H: chiều cao làm việc của tháp

Ta biết tiết diện tháp tỉ lệ thuận với lượng hơi đi trong tháp, mà lượng hơi lại tỉ lệ thuận với lượng lỏng hồi lưu trong tháp Như vậy, tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hồi lưu

Tức là: f (R x 1) G D

Trong một điều kiện làm việc nhất định thì G là không đổi, nên f (R 1)

Chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối H m x , nên cuối cùng ta có thể viết

R R ta vẽ đường làm việc của hai đoạn tháp, từ đó xác định số đơn

vị truyền khối mx bằng phương pháp tích phân đồ thị theo công thức:

*

D

W

x x x

dx m

x x





 (3) Với x* là nồng độ cấu tử trong pha lỏng cân bằng với pha hơi

Tìm các điểm (y x x D), (y x x W) và đường xx F (song song với trục tung) Cứ mỗi giá trị Rx ta vẽ được đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn cất

Như vậy, ứng với mỗi giá trị

2 4,4044 16 86,4704 2,1 4,62462 16 89,99392 2,2 4,84484 15 87,6726 2,3 5,06506 15 90,9759 2,4 5,28528 15 94,2792 2,5 5,5055 14 91,077

Từ bảng trên ta tìm được R = Rth = 4,18418

3.3 Xác định số mâm lý thuyết và thực tế

3.3.1 Số mâm lý thuyết:

Phương trình đường làm việc:

Phương trình đường làm việc của đoạn cất: 0,807105 0,16396

D

x R

Từ kết quả tìm chỉ số hồi lưu, ta có số mâm lý thuyết là 16 mâm

Trong đó: Số mâm đoạn chưng là 3 mâm

Số mâm đoạn cất là 13 mâm

3.3.2 Số mâm thực tế:

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: lt

tt tb

N N

Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi: * * 1

Với: x là phân mol của ethanol trong pha lỏng

y* là phân mol của ethanol trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

D

    (N.s/m2) 0,514044= (cP)

Suy ra:  D D  0,555373

Tra đồ thị XI.11, trang 171, Sổ tay QTTB tập 2, ta được D  0,576

Vậy hiệu suất trung bình của tháp:

N N



3.4 Lưu lượng các dòng pha đi trong tháp:

Gọi x tbC,x tbLlần lượt là thành phần mol trung bình trung bình trong đoạn chưng và đoạn luyện

0,85

0

0,

, 58 31

Khối lượng mol trung bình ở đoạn chưng và đoạn luyện:

Đoạn luyện: M tbL M ethanol x tbLM nuoc1x tbL34, 42 (g/mol)

Đoạn chưng: M tbC M ethanol x tbC M nuoc1x tbC22, 84 (g/mol)

3.4.1 Lưu lượng lỏng trong đoạn chưng và đoạn luyện:

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 4.1 Cân bằng năng lượng cho tháp chưng cất:

tF = 81,61oC (Nhiệt độ vào của hỗn hợp nhập liệu lỏng sôi)

CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu, (J.kg-1.độ-1)

Tại tF = 81,61oC, C nuoc  4198, 2888 (J.kg-1.độ-1) và C ethanol  3245, 0188 (J.kg-1.độ-1)

CW: nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy, (J.kg-1.độ-1)

Tại tW = 98,1oC, C nuoc  4217,5624 (J.kg-1.độ-1) và C ethanol  3489, 0915 (J.kg-1.độ-1)

4.1.4 Nhiệt lượng do lượng hồi lưu mang vào tháp: Q R G C t R R R

CR = CD: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh (J.kg-1.độ-1)

Tính lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp:

Theo phương trình cân bằng năng lượng cho toàn tháp:

Suy ra D 2 1911, 472431 (kg/h)

4.2 Cân bằng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:

Ngưng tụ hoàn toàn: D R 1r G C t n n n2t n1

Với r (J/kg): ẩn nhiệt ngưng tụ Tại tD = 78,5 ta có r ethanol  852561,8768(J/kg) và

4.3 Cân bằng năng lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:

Vì sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ hoàn toàn trong thiết bị ngưng tụ, ta có phương trình sau:

2

t 40oC Nhiệt độ nước làm mát vào thiết bị làm lạnh, chọn t  l1 28oC

Nhiệt độ nước làm mát ra khỏi thiết bị làm lạnh, chọn t  l2 42oC

Cn2 (J.kg-1.độ-1) là nhiệt dung riêng của nước làm mát cho thiết bị làm lạnh Tại ttb =

2 2 1

1732, 792

D n

4.4 Cân bằng nhiệt cho thiết bị tận dụng nhiệt dòng đáy để gia nhiệt dòng nhập liệu:

Phương trình cân bằng nhiệt: Q F1Q W Q F2Q W2

C là nhiệt dung riêng của dòng nhập (J.kg-1độ-1)

Tại tF1 = 25oC: C ethanol  2533,1456 (J.kg-1độ-1) và C nuoc  4180, 0835 (J.kg-1độ-1)

Q WC t : nhiệt lượng dòng đáy ra khỏi thiết bị, J/h

Chọn nhiệt độ cần làm nguội dòng đáy t W2  45 C

Tại t W2  45 C: C ethanol  2777, 4581 (J.kg-1độ-1) và C nuoc  4176,9814 (J.kg-1độ-1)

Suy ra, nhiệt độ dòng nhập liệu ra khỏi đỉnh: t F2  52, 28(oC)

4.5 Cân bằng nhiệt cho thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu trước khi vào tháp:

Phương trình cân bằng nhiệt: Q D1Q F2 Q F Q ng1Q xq1

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp: Q D1D1 1 D r1 1C t1 1, J/h

Trong đó: G ng1 là lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt, kg/h

Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh: Q xq1 0, 05D r1 1, J/h

Giải phương trình để tìm lượng hơi đốt cần để đun nóng nhập liệu đến nhiệt độ sôi:

CHƯƠNG 5: VẬN TỐC HƠI VÀ ĐƯỜNG KÍNH 5.1 Vận tốc hơi:

Đối với tháp đệm làm việc ở chế độ màng, ở áp suất khí quyển thường chọn vận tốc làm việc trong khoảng 70 % - 80 % vận tốc sặc Vận tốc sặc (thời điểm bắt đầu) được tính theo công thức thực nghiệm:

n

G gV

 (kg/m3), xtb2 (kg/m3): lần lượt là khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và

2 của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình

y : nồng độ phần mol trung bình trong pha hơi của cấu tử 1,

M1, M2: lần lượt là khối lượng mol của cấu tử 1 và 2,

t (oC): nhiệt độ làm việc trung bình,

x

 (N.s/m2), n (N.s/m2): lần lượt là độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và

độ nhớt của nước ở 20oC

Từ x tbL  0,58tra đường làm việc ta có y tbL  0, 63208, tra giản đồ T-x,y của đường hơi,

ta được nhiệt độ phần hơi tyL = 81,7491oC

Thay các giá trị vào ta tìm được: ytbL  1,226424 (kg/m3)

Độ nhớt: Tại txL = 79,2956oC và x tbL 0, 7792 tra toán đồ I.28 trang 107 Sổ tay QTTB tập 2, được xL  0, 000565056 (N.s/m2)

Thay các giá trị vào, ta tìm được: xtbC  877,5711426 (kg/m3)

22, 4 273

tbC ethanol tbC nuoc ytbC

Thay các giá trị vào ta tìm được: ytbC  0, 789180138 (kg/m3)

Độ nhớt: Tại txC = 83,6645oC và x tbC 0,3274021 tra toán đồ I.28 trang 107 Sổ tay QTTB tập 2, được xC  0, 000472665 (N.s/m2)

5.2.1 Đường kính đoạn cất (luyện):

0 2 2

4

,8 6

L L

tbL ytbL

G D

tbC ytbC

G D

dạng lỏng/hơi klr (kg/m3)

vận tốc (m/s)

đường kính (m)

đường kính quy chuẩn (m)

Thu sp đỉnh 4177,101127 hơi 1,449324324 16,5 0,248614614 0,25 Hồi lưu 3371,361139 lỏng 750,6397722 0,35 0,067385546 0,07 Nhập liệu 1440 lỏng 829,584612 0,45 0,036945246 0,04 Tháo sp đáy 634,2600129 lỏng 951,8127474 0,45 0,022891043 0,025 Cấp hơi đốt 1911,472431 hơi 1,107 15,5 0,198544692 0,2

CHƯƠNG 6: CHIỀU CAO THÁP

Tính chiều cao tháp theo số bậc thay đổi nồng độ:

Chiều cao của tháp đệm được tính theo công thức sau: H  N h td  (0,8 1) 

Trong đó:

H (m) là chiều cao toàn tháp,

N là số đĩa lý thuyết (số bậc thay đổi theo nồng độ),

(0,8 1)  (m) là khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy,

td

h (m) là chiều cao tương ứng của một bậc thay đổi nồng độ

1,2 0,4

Chiều cao đệm: H dem H demLH demC  3, 406322 (m)  3, 5 (m)

Chiều cao tháp: H thap H dem (h day h naph dem)  3,5 2,3   5,8 (m)

Với: hday: khoảng cách từ đáy đệm phần chưng đến đáy thân tháp, m; hnap: khoảng cách từ đỉnh thân thiết bị đến đệm phần cất, m; hdem: tổng khoảng cách giữa các đệm, m

CHƯƠNG 7: TRỞ LỰC CỦA THÁP

Sức cản thủy học của tháp đệm đối với hệ khí – lỏng và hơi – lỏng ở điểm đảo pha có thể

xác định theo công thức sau: 1

' '

dem k

dem

H P

x

G Ar

Ví dụ với đệm vòng đổ lộn xộn ở chế độ xoáy khi Rey > 40: ' 160,2

k

dem

H P

Khối lượng riêng lỏng phần cất: xL xtbL  99, 46589 (kg/m3)

Khối lượng riêng hơi phần cất: ytbL  1,226424 (kg/m3)

Độ nhớt pha hơi phần cất yL:

logyL y Llogethanol   1 y L lognuoc

Với y  L 0,814486 : nồng độ khối lượng pha hơi của phần cất

Tại nhiệt độ hơi tyL = 81,7491oC: 4

4

yL yL demL dem

L kL

dem

H P

Khối lượng riêng hơi phần chưng: ytbL  0, 789180138 (kg/m3)

Độ nhớt pha hơi phần cất yL:

logyL y Llogethanol   1 y L lognuoc

Với y  C 0, 2121 : nồng độ khối lượng pha hơi của phần chưng

Tại nhiệt độ hơi tyC = 96,6847oC: 4

yC yC

C demC dem kC

dem

H P

CHƯƠNG 8: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 8.1 Hình dáng thiết bị và phương thức gia công:

Chọn thiết bị hình trụ được chế tạo bằng thép tấm, các tấm thép được hàn với nhau Yêu cầu mối hàn:

+ Độ bền hóa học, độ bền nhiệt, khả năng chịu mài mòn cao

+ Độ bền cơ học, độ dẻo lớn, độ giòn thấp

Các thông số đặc trưng của thép không gỉ:

+ Giới hạn bền kéo: 6

550 10

k

   (N/m2) + Giới hạn bền chảy: 6

220 10

ch

   (N/m2) + Hệ số giãn khi kéo: 6

16, 6 10   (1/độ) + Khối lượng riêng của thép: 3

7,9 10

  (kg/m3) + Hệ số dẫn nhiệt:   16,3 (W.m-1.độ-1)

t h

pD S

p

 

