Thiết kế hệ thống tháp đệm dùng để chưng cất hỗn hợp Aceton Etanol

1. Tên đề tài:Tính toán, thiết kế hệ thống tháp đệm dùng để chưng cất hỗn hợp Aceton Etanol2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)Năng suất 3500kgh (theo sản phẩm đáy)Thành phần phần mol aceton trong dòng nhập liệu là 25% Quá trình thu hồi được 95% lượng etanol trong dòng nhập liệuSản phẩm đỉnh có thành phần aceton 98% khối lượngTổng quan nguyên liệu, quá trình chưng cấtTính toán công nghệ (cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, điều kiện làm việc….)Xác định kích thước thiết bị. Lựa chọn vật liệu chế tạo, tính bền cho thiết bị (đáy, nắp, mặt bích, thân, chân đỡ, tai treo….)Tính toán, chọn các thiết bị phụ trang bị cho hệ thống (Bơm, bồn cao vị, thiết bị trao đổi nhiệt, nồi đun, hệ thống đường ống….)

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ hóa học cũng như các sản phẩm khác của nó có ảnh hưởng rất lớn đến nhiều ngành sản xuất khác Trong đó acetone và ethanol là những sản phẩm khá được quan tâm Trong công nghiệp, hai chất này thường được sản xuất để có được nồng độ cao, nhằm thỏa mãn nhu cầu sử dụng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, lưu trữ

Ngày nay, các phương pháp được dùng để nâng cao độ tin khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp phụ… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có

sự lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ acetone-ethanol là gồm hai cấu

tử hòa tan lẫn hoàn toàn, nên ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho sản phẩm

Nhiệm vụ của đề tài này là tính toán thiết kế hệ thống tháp đệm dùng để chưng cất hỗn hợp acetone và ethanol có năng suất theo sản phẩm đáy là 3500kg/h, thành phần phần mol acetone trong dòng nhập liệu là 25%, sản phẩm đáy có 95% lượng ethanol và sản phẩm đỉnh có thành phần acetone chiếm 98% khối lượng

Đồ án môn học này được thầy Lê Văn Nhiều trực tiếp hướng dẫn thực hiện,

em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy trong suốt quá trình em nghiên cứu và thực hiện đồ án

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

PHẦN 1: TỔNG QUAN 6

1.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 6

1.1.1 Sơ bộ về quá trình chưng cất 6

1.1.2 Thiết bị chưng cất 6

1.2 SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU 7

1.2.1 Acetone 7

1.2.2 Ethanol 8

1.2.3 Hỗn hợp acetone – ethanol 8

PHẦN 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 10

2.1 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG 10

2.2 QUY TRÌNH CHƯNG CẤT 11

PHẦN 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 11

3.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 12

3.1.1 Quy ước 12

3.1.2 các thông số ban đầu 12

3.1.3 Xác định suất lượng dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 13

3.2 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP 13

3.2.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu 14

3.2.2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp 15

3.3 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC VÀ SỐ MÂM THỰC TẾ 17

3.3.1 Phương trình đường làm việc đoạn cất 17

3.3.2 Phương trình làm việc đoạn chưng 17

3.3.3 Số mâm lý thuyết 18

3.3.3 Số mâm thực tế 19

3.3.3.1 Xác định hiệu suất trung bình của tháp 19

3.3.3.2 Số mâm thực tế 21

3.4 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 21

3.4.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: 22

3.4.1.1 Tính CF, Cf 22

3.4.1.2 Tính r1 23

3.4.1.3 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào 23

3.4.1.4 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào 23

3.4.1.5 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra 24

3.4.1.6 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị 24

3.4.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 24

3.4.2.1 Lượng nhiệt do lượng lỏng hồi lưu mang vào 25

3.4.2.2 Nhiệt lượng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp 25

3.4.2.3 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra: 26

3.4.2.4 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị đun (kettle) 26 3.4.2.5 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh 27

3.4.2.6 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp 27

3.4.2.7 Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp 27

3.4.3 Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ 27

3.4.4 Cân bằng năng lượng cho thiết bị làm nguội 28

3.4.4.1 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 28

3.4.4.2 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy 29

3.5 TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP ĐỆM 29

3.5.1 Đường kính đoạn cất 30

3.5.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất 30

3.5.1.2 Khối lượng riêng trung bình 32

3.5.1.3 Tốc độ hơi đi trong tháp 34

3.5.2 Đường kính đoạn chưng 36

3.5.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng 36

3.5.2.2 Khối lượng riêng trung bình 37

3.5.2.3 Tốc độ hơi đi trong tháp 39

3.6 TÍNH CHIỀU CAO THÁP ĐỆM 41

3.6.1 Tính chiều cao đoạn cất 41

3.6.1.1 Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối 41

3.6.1.2 Tính số đơn vị chuyển khối my 47

3.6.2 Tính chiều cao đoạn chưng 48

3.6.2.1 Tính chiều cao một đơn vị chuyển khối ở đoạn chưng h1, h2 49

3.6.2.2 Tính số đơn vị chuyển khối my 53

3.6.3 Chiều cao của thân tháp 54

3.7 TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM 55

3.7.1 Trở lực của đoạn cất 56

3.7.2 Trở lực của đoạn chưng 57

3.7.3 Trở lực toàn tháp 58

3.8 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN 58

3.8.1 Tính các đường ống dẫn 58

3.8.1.1 Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh 59

3.8.1.2 Tính đường kính ống hồi lưu sản phẩm đỉnh 59

3.8.1.3 Tính đường kính ống dẫn liệu 60

3.8.1.4 Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đáy 60

3.8.1.5 Tính đường kính ống hồi lưu sản phẩm đáy 61

3.8.2 Tính bề dày thân tháp 61

3.8.2.1 Chiều dày thiết bị 63

3.8.2.2 Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử 64

3.8.3 Tính đáy và nắp thiết bị 64

3.8.3.1 Chiều dày nắp 65

3.8.3.2 Chiều dày đáy 66

3.8.4 Tra bích 67

3.8.5 Lưới đỡ đệm, dầm đỡ đệm 69

3.9 TÍNH TAI TREO, TRỤ ĐỠ CHO THÁP 69

3.9.1 Tải trọng của tháp 69

3.9.1.1 Tính khối lượng thân tháp 69

3.9.1.2 Tính khối lượng đệm 71

3.9.1.3 Tính khối lượng dung dịch trong tháp 71

3.9.2 Tính tai treo 72

3.9.3 Tính chân đỡ 73

PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 73

4.1 TÍNH CHIỀU CAO BỒN CAO 73

4.2 TÍNH BƠM 75

PHẦN 5: AN TOÀN LAO ĐỘNG 76

5.1 PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ 76

5.1.1 Những nguyên nhân gây cháy trực tiếp 77

5.1.2 Các biện pháp phòng chống cháy nổ 78

5.2 AN TOÀN ĐIỆN 80

5.2.1 Các nguyên nhân gây ra tai nạn điện 80

5.2.2 Các biện pháp kỹ thuật để phòng tránh tai nạn điện 80

PHẦN 6: KẾT LUẬN 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

HÌNH ẢNH Hình 1.1: đồ thị cân bằng lỏng hơi của acetone và ethanol 9

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống chưng cất 10

Hình 3.1: đồ thị cân bằng lỏng – hơi của hỗn hợp 14

Hình 3.2: đồ thị biểu diễn nhiệt độ sôi hỗn hợp theo phần mol ethanol 15

Hình 3.3: đồ thị biểu diễn quan hệ R và Nlt*(R+1) 17

Hình 3.4: đồ thị xác định số mâm lý thuyết 18

Hình 3.5: xác định hiệu suất trung bình của thiết bị 19

Hình 3.6: sơ đồ tính cân bằng năng lượng quá trình chưng cất 21

Hình 3.7: đồ thị xác định nhiệt độ trung bình hỗn hợp đoạn cất 33

Hình 3.8: đồ thị xác định nhiệt độ trung bình hỗn hợp đoạn chưng 38

Hình 3.9: Hệ số thấm ướt của đệm 43

Hình 3.10: Độ thị biểu diễn mối quan hệ giữa 1 ycb−y và y 48

Hình 3.11: Độ thị biểu diễn mối quan hệ giữa 1 ycb−y và y 54

Hình 3.12: bích và bulông nối 68

PHẦN 1: TỔNG QUAN

1.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT

1.1.1 Sơ bộ về quá trình chưng cất

Chưng cất là quá trình dùng để tiến hành phân tách các hỗn hợp lỏng – lỏng, lỏng – khí và khí – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp

Đối với hệ acetone và ethanol ta có sản phẩm đỉnh là các cấu tử có độ bay hơi lớn (acetone) và sản phẩm đáy gồm các cấu tử có độ bay hơi thấp (ethanol) Trong quá trình chưng cất, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng di chuyển từ trên xuống Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao tháp, nhiệt độ làm việc cũng thay đổi tương ứng với nồng độ

Các phương pháp chưng cất thường được phân loại theo áp suất làm việc (áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưng cất bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất) hay dựa vào phương pháp cấp nhiệt (trực tiếp hay gián tiếp) Với hệ acetone và ethanol ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt bằng hơi nước bảo hòa ở 2at

1.1.2 Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung của các thiết bị vẫn giống nhau là bề mặt tiếp xúc pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mự độ phân tán của pha này vào pha kia

Ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

 Tháp mâm: thân hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc nhau Tùy theo cấu tạo của mâm ta có tháp mâm chóp hay tháp mâm xuyên lỗ

 Tháp đệm: tháu trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp bằng hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay có thứ tự

Tháp đệm Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên

- Khá ổn định

- Hiệu suất cao

- Trở lục tương đối thấp

- Hiệu suất cao

Nhược

điểm

- Do có hiệu ứng thành nên hiệu suất truyền khối thấp

- Độ ổn định không cao, khó vận hành

- Thiết bị nặng nề

- Trở lực lớn

- Kết cấu phức tạp

- Không làm việc được với chất lỏng bẩn

- Kết cấu phức tạp

Trong đồ án này ta sử dụng tháp đệm với vòng đệm Rasiga bằng sứ xếp ngẫu nhiên với kích thước 15x15x2

1.2 SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU

Nguyên liệu là hỗn hợp acetone với ethanol

1.2.1 Acetone

Acetone là hợp chất hữu cơ dạng lỏng, trong suốt, dễ cháy, không màu Nó

có công thức phân tử là (CH3)2CO và có các tính chất lý hóa sau:

 Nhiệt độ sôi: 56.1oC

 Khối lượng riêng ở 28oC: 780 kg/m3

 Độ nhớt ở 28oC: 73,97 10-7 N.s/m2

 Nhiệt dung riêng: 541,5 J.kg.K

 khối lượng phân tử: 58 đvC

Trong công nghiệp acetone được sử dụng như dung môi để pha loãng, làm chất tẩy rửa, làm sạch… hoặc được dùng như một hóa chất trung gian, ví dụ như dùng để tổng hợp metyl metacrilat Trong y dược và kỹ thuật làm đẹp, chất acetone được sử dụng nhiều trong thuốc và các kỹ thuật làm đẹp nói chung, các bác sĩ da liễu dùng acetone và cồn trong điều trị mụn trứng cá… Ngoài ra chất này trong phòng thí nghiệm được sử dụng như một dung môi aprotic trong những phải ứng hữu cơ, và với nhiệt độ đóng băng thấp (đến -78oC), acetone được dùng để duy trì nhiệt độ thấp để tiền hành các thí nghiệm hóa học khi cần Bên cạnh đó acetone còn là thành phần chính trong các chất tẩy rửa sơn móng tay, keo dính…

1.2.2 Ethanol

Ethanol hay còn gọi là rựu etylic, có công thức phân tử CH3-CH2-OH Và

có các tính chất lý hóa như sau:

 Nhiệt độ sôi: 78.3oC

 Khối lượng riêng ở 28oC: 781,17 kg/m3

 Khối lượng phân tử: 46 đvC

 Nhiệt dung riêng: 407,3 J.kg.K

 Độ nhớt ở 28oC: 8,5 10-7 N.s/m2

Ethanol được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, nó là nguyên liệu dùng để sản xuất hơn 150 mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến dỗ và nông nghiệp…

1.2.3 Hỗn hợp acetone – ethanol

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp acetone – ethanol ở 760 mmHg như sau:

1 Bồn chứa hỗn hợp 7 Thiết bị ngưng tụ 13 Bẫy hơi

3 Bồn cao vị 9 Thiết bị làm nguội

4 Lưu lượng kế 10 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 11 Nồi đun (kettle)

6 Tháp chưng cất 12 Bồn chứa sản phẩm đáy

Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng đi từ trên xuống, ở đây có sự tiếp xúc giữa hai pha Trong đoạn chưng, càng đi xuống dưới, nồng độ cấu tử

dễ bay hơi trong pha lỏng càng giảm do bị cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi từ nồi đun (11) đi lên lôi cuốn Hơi càng lên cao thì nhiệt độ càng giảm do đó cấu

tử có nhiệt độ sôi cao là ethanol sẽ ngưng tụ lại đi xuống dưới Cấu tử có nhiệt

độ sôi thấp là acetone sẽ lôi kéo các cấu tử acetone trong pha lỏng đi lên trên Sản phẩm đỉnh là hơi chứa chủ yếu là acetone và một phần nhỏ hơi ethanol Hơi

ở đỉnh được dẫn qua thiết bị ngưng tụ (7) Một phần lỏng được hồi lưu vào tháp chưng cất còn phần lớn được cho vào thiết bị làm nguội (9) và được đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh Hỗn hợp đáy chứa chủ yếu là ethanol được đưa vào nồi đun kettle (11) Hơi từ nồi đun được đưa trở lại vào tháp Sản phẩm đáy sau khi qua nồi đun được đưa vào thiết bị làm nguội và chuyển về thùng chứa sản phẩm đáy (12)

PHẦN 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

3.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT

3.1.1 Quy ước

+ F, P, W: Suất lượng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và đáy, kmol/h

+ xF, xP, xW : Thành phần phần mol cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kmol/kmol

+ 𝑥̅F, 𝑥̅P , 𝑥̅W : Thành phần phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, kg/kg

+ 𝐹̅, 𝑃̅, 𝑊̅ : Lưu lượng khối lượng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và đáy, kg/h + yi, 𝑦̅i: Thành phần phần mol và phần khối lượng của cấu tử khó bay hơi ứng với cấu tử dễ bay hơi xi và 𝑥̅i

+ 𝑦𝑖∗ : Thành phần phần mol ở trạng thái câu bằng của cấu tử khó bay hơi ứng với cấu tử dễ bay hơi xi, kmol/kmol

+ A, B: Lần lược là ký hiệu của acetone và ethanol

+ MA, MB: Khối lượng phân tử của acetone và ethanol

3.1.2 các thông số ban đầu

 Năng suất sản phẩm đáy: 𝐹̅ = 3500kg/h

 Thành phần phần mol acetone trong dòng nhập liệu: xF = 25%

 Lượng ethanol thu hồi được trong dòng nhập liệu: 𝑦̅w = 95%

 Thành phần khối lượng acetone ở sản phẩm đỉnh: 𝑥̅P = 98%

 Khối lượng phân tử của acetone và ethanol: MA= 58,04; MB= 46

 Chọn:

+ Nhiệt độ hỗn hợp và nước ban đầu: tf = t1 28oC

+ Áp suất khí quyển: Pa = 760mmHg = 1atm

+ Nhiệt độ nhập liệu: tF = 56,1oC

+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: t’P = 35oC

+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau làm nguội: t’W = 35oC

3.1.3 Xác định suất lượng dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

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

 Cân bằng cấu tử acetone (cấu tử nhẹ): xF.F = xP.P + xW.W (3.2)

Ta có:

x̅F = 0,3 kg/kg

- Phần mol nhập liệu: xF = 0,25 kmol/kmol

- Phần khối lượng sản phẩm đáy: x̅W = 1 - y̅W = 1 – 0,95 = 0,05 kg/kg

3.2.1 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 hạn nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước và bơm…) là tối thiểu

Do nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi và đồ thị cân bằng của hệ acetone – ethanol không có điểm uốn, nên tỉ số hoàn lưu tối thiểu có thể tính bằng công thức:

Rmin =

𝑥𝑃− 𝑦𝐹∗

𝑦𝐹∗−𝑥𝐹

𝑦𝐹∗ được xác định bằng đồ thị cân bằng lỏng-hơi hệ acetone-ethanol, từ xF = 0,25

ta tra được 𝑦𝐹∗ = 0,4765; tF = 67,34oC Ngoài ra, với xp= 0,975 thì tP= 56,32oC;

Hình 3.2: đồ thị biểu diễn nhiệt độ sôi hỗn hợp theo phần mol ethanol

3.2.2 Tỉ 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 Chi phí cố định 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 hoàn lưu

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

Ta có thể tính chỉ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất, lập mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp, từ đó chọn Rth ứng với thể tích tháp nhỏ nhất

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

tỉ lệ với lượng lỏng hồi lưu trong tháp, do trong điều kiện làm việc nhất định thì 𝑃̅ sẽ không đổi nên lượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1), do đó tiết diện

tháp (S) sẽ tỉ lệ với (R+1) Ngoài ra chiều cao tháp (H) còn tỉ lệ với số mâm lý thuyết (Nlt), cho nên thể tích làm việc của tháp (Vtháp) tỉ lệ với tích số Nlt*(R+1) + Vtháp =H.S

Ta có bảng khảo sát số mâm lý thuyết ứng với mỗi giá trị R sau:

Nlt.(R+1) 102,6 100,4 98,9 94,8 98,4 101, 103,1 104

Từ bảng khảo sát trên, ta lập được đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R và

Nlt*(R+1) dưới đây:

Hình 3.3: đồ thị biểu diễn quan hệ R và N lt *(R+1)

- Từ đồ thị ta thấy chỉ số hoàn lưu thích hợp Rth = 3,74

3.3 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC VÀ SỐ MÂM THỰC TẾ 3.3.1 Phương trình đường làm việc đoạn cất

Phương trình đường làm việc của đoạn cất có dạng:

 y = 0,789x + 0,205

3.3.2 Phương trình làm việc đoạn chưng

Gọi f là suất lượng mol dòng nhập liệu trên suất lượng mol sản phẩm đỉnh:

f = F

P = 97,1 21,8 = 4,454

 y = 1,728x – 0,029

3.3.3 Số mâm lý thuyết

Dựa vào đồ thị cân bằng lỏng hơi của acetone và ethanol, phương trình đường làm việc đoạn chưng và phương trình đường làm việc đoạn cất Ta có thể xác định được số mâm lý thuyết bằng đồ thị

Hình 3.4: đồ thị xác định số mâm lý thuyết

Từ đồ thị ta thấy tháp chưng cất có 20 mâm lý thuyết, trong đó: 3 mâm ở đoạn chưng và 17 mâm ở đoạn cất

3.3.3.1 Xác định hiệu suất trung bình của tháp

Hiệu suất làm việc của tháp được tính theo công thực:

Hình 3.5: xác định hiệu suất trung bình của thiết bị (theo bảng [IX.11- 2, 171])

Vì hiệu suất thay đổi theo chiều cao tháp nên để xác định hiệu suất toàn tháp

ta xác định hiệu suất trung bình của tháp

ηtb = 𝜂1+𝜂2+𝜂3

3

 𝜂1: hiệu suất mâm trên cùng (%)

 𝜂2: hiệu suất mâm nhập liệu (%)

 𝜂3: hiệu suất mâm dưới cùng (%)

1−0,975 0,975 = 1,368

1−0,25 0,25 = 2,73

1−0,04 0,04 = 3,538

 Tại tW = 75,94oC thì µ𝑊 = 0,201 [4]

αF.µ𝐹 = 3,538.0,201 = 0,711

η3 = 54% [XI.11 - 2, 171]Vậy hiệu suất trung bình của tháp là:

ηtb = η1+η2+η3

66,5%+56%+54%

Vậy ta chọn số mâm thực tế là 34 mâm, trong đó có 5 mâm ở đoạn chưng và

29 mâm ở đoạn cất

3.4 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Mục đích của việc tính cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ, làm lạnh cũng như để xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu để đưa vào đĩa tiếp liệu và lượng hơi đáy tháp Để tính toán cho các thiết bị đó ta cần dựa vào sơ đồ cân bằng nhiệt lượng sau đây:

Hình 3.6: sơ đồ tính cân bằng năng lượng quá trình chưng cất

3.4.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:

QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 (J/h) [IX.149 - 2, 196] Trong đó:

QD1 - nhiệt lượng do hơi đốt mang vào J/h

Qf - nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào J/h

QF - nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra J/h

Qxq1 - nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh J/h

Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là:

D1 = F̅(CFtF+ Cftf)

0,95.r1 , kg/h [IX.155 - 2, 197]

Trong đó:

D1 - lượng hơi đốt kg/h

CF - nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí đi ra J/kg.độ

Cf - nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu J/kg.độ

tF - nhiệt độ hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị đun nóng oC

tf - nhiệt độ của hỗn hợp đầu oC

Trong đó: CA- nhiệt dung riêng của acetone, J/kg.độ

CB - nhiệt dung riêng của ethanol, J/kg.độ

λ1 - hàm nhiệt của hơi đốt, J/kg

θ1 - nhiệt độ nước ngưng, θ1 = 119,6oC

C1 - nhiệt dung riêng của nước ngưng, C1 = 2429,54 J/kg.độ [I.149 - 1, 168]

3.4.1.5 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra

QF = F̅.CF.tF [IX.151 - 2,196]

QF = 4758.3012,2.67,34 = 965120,085 KJ/h

3.4.1.6 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị

Qng1 = Gng1.C1 θ1 (J/h) [IX.161 - 2, 198] Trong đó:

Gng1 - lượng nước ngưng tụ, kg/h

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

θ1 - nhiệt độ của nước ngưng, θ2 = 119,6oC

Gng1 = D1 - lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung hỗn hợp nhập liệu

Nội suy C1 theo θ1 theo [I.149 - 1, 168] ta có:

C1 = 2156,11 J.kg.độ

Qng1 = 630,56.2145,11.119,6 = 162602,983 KJ/h

3.4.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất

Ta có tổng nhiệt lượng mang vào bằng với tổng nhiệt lượng mang ra:

QF + QD2 + QR = QY + QW + Qm + Qng2 [IX.156 - 2, 197]Trong đó:

QF - nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp J/h

QD2 - nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp J/h

QR - nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp J/h

Qy - nhiệt lượng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp J/h

QW - nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra J/h

Qng2 - nhiệt lượng do nước ngưng mang ra tháp J/h

Qm - nhiệt lượng do tổn thất ra môi trường J/h

3.4.2.1 Lượng nhiệt do lượng lỏng hồi lưu mang vào

QR = GR.CR.tR [IX.158 - 2, 197]

Trong đó:

GR - lượng chất lỏng hồi lưu, GR = P̅.Rth = 997,5.3,74 = 3730,64 kg/h

tR - nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu, tR = tP = 56,32 oC

CR - nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu, J/kg.độ

W̅ = 3500 kg/h

tw - nhiệt độ của sản phẩm đáy, tW = 75,94oC

Cw - nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy, J/kg.độ

Gng2 - lượng nước ngưng tụ, kg/h

C2 - nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ

θ2 - nhiệt độ của nước ngưng, θ2 = 119,6oC

Gng2 = D2 - lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp

Nội suy C2 theo θ2 theo bảng [I.149 - 1, 168] ta có:

C2 = 2156,11 J.kg.độ

Qng2 = D2.2156,11.119,6 = 257870,756.D2 (J/h)

3.4.2.5 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh

Qm = 0,05.D2.r2 (J/h) [IX.169- 2, 198] Tra bảng [I.251 - 1, 314] ở nhiệt độ 119,6oC ta có r2 = 2208.103 J/kg

3.4.2.7 Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp

- Thấy các giá trị nhiệt lượng đã tính được vào công thức:

3.4.3 Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ

Xét thiết bị ngưng tụ hoàn toàn, ta có:

t1, t2 - nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh ở thiết bị ngưng tụ

Cn2 - nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình của t’1 và t’2, dùng nội suy bảng [I.149 - 1, 168] ta có Cn2 = 4195,475 J/kg.độ

Vậy lượng nước cần thiết để làm lạnh sản phẩm đỉnh đến 35oC là:

CW - nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy, CW = 4224,065 J/kg.độ

tW1; tW2 - nhiệt độ đầu vào và ra thiết bị làm lạnh của hỗn hợp sản phẩm đáy

Gn3 - lượng nước lạnh tiêu tốn ở thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

Cn3 - nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình của t3 và t4, dùng nội suy bảng [I.149 - 1, 168] ta có Cn3 = 4136,56 J/kg.độ

Vậy lượng nước cần thiết để làm lạnh sản phẩm đỉnh đến 35oC là:

gtb - lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h

(ρy.ωy)tb - tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s

Vì lượng hơi và lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn

3.5.1 Đường kính đoạn cất

3.5.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất

gtb1 = gđ+gl

2 , kg/h [IX.91 - 2, 181]

Trong đó:

gtb1 - lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất, kg/h

gđ - lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h

gl - lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất, kg/h

- Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp:

gđ =GR +P̅ = P̅.(Rth+1)

 gđ = 997,5.(3,74+1)

 gđ = 4728,15 kg/h

- Lượng hơi đi vào đoạn cất:

Lượng hơi (gl), hàm lượng hơi (y1) và lượng lỏng (G1) đối với đĩa thứ nhất của đoạn cất được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

gl = G1 + P̅ [IX.93 - 2, 182]

gl y̅1 = G1.x̅1+ P̅ x̅P [IX.94 - 2, 182]

gl.r1 = gđ.rđ [IX.95 - 2, 182]

r1 = ra y̅1+ (1 - y̅1).rb

rđ = ra.y̅đ + (1 - y̅đ).rb

Trong đó: x̅1 = x̅F = 0,3 theo phần khối lượng

y̅đ = x̅P = 0,98 theo phần khối lượng

y̅1 - hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn cất, phần khối lượng

G1 - lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn cất

r1 - ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất

rđ - ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp

ra, rb - ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử A, B nguyên chất

Nội suy theo bảng [I.213 - 1, 256] đối với ethanol và bảng [I.212 - 1, 254] đối với acetone, ở các nhiệt độ tF, tP, tW ta được các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi của A,

B nguyên chất theo bảng sau:

3.5.1.2 Khối lượng riêng trung bình

*khối lượng riêng trung bình của pha lỏng:

ρxtb1 - khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3

ρxtbA, ρxtbB - khối lượng riêng trung bình của acetone và ethanol của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3

x̅tb1 - phần khối lượng trung bình của acetone trong pha lỏng, kg/kg

+ Phần khối lượng acetone trung bình trong pha lỏng ở đoạn cất (x̅tb1) là:

Từ phần mol trung bình của acetone trong pha lỏng ở đoạn cất ta tra vào đồ thị cân bằng lỏng hơi của acetone- ethanol ta được nhiệt độ trung bình của hỗn hợp

ở đoạn cất, ttb1 = 60,23oC

Hình 3.7: đồ thị xác định nhiệt độ trung bình hỗn hợp đoạn cất

Từ ttb1 = 60,23oC, nội suy theo bảng [I.2 - 1, 9] ta tra được khối lượng riêng trung bình của acetone và ethanol ρxtbA= 741,44 kg/m3; ρxtbB= 751,88 kg/m3

ρxtb1= ρxtbA.ρxtbB

x̅tb1.ρxtbA+(1−x̅tb1).ρxtbB=

741,44 751,88 0,64.741,44+(1−0,64).751,88= 748 kg/m

ρytb1 - khối lượng riêng trung bình pha hơi,, kg/m3

ytb1 - nồng độ phần mol trung bình của acetone trong pha hơi

ytb1 = yl+ yđ

2 =

0,515+0,975

2 = 0,745 kmol/kmol

T - nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn cất, oK

T = ttb1 + 273 = 60,23 + 273 = 333,23 oK

ρytb1 = [0,745.58+(1−0,755).46].273

22,4.333,23 = 2,01 kg/m

3

3.5.1.3 Tốc độ hơi đi trong tháp

* Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn Tra bảng [IX.8 - 2, 193] ta có các thông số sau:

Kích thước

đệm, mm

Bề mặt riêng σđ,

Khối lượng riêng xốp ρđ, kg/m3

Gx, Gy - lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/s

- Độ nhớt của nước ở 20oC, tra bảng [I.102 - 1, 94] ta có µn= 1,005.10-3 Ns/m2

- Độ nhớt của pha lỏng ở ttb1 = 60,23oC, tra bảng [I.101 - 1, 91] ta được:

µA = 0,257.10-3 Ns/m2; µB = 0,785.10-3 Ns/m2

- Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là:

lgµhh = xtb1 lgµA + (1- xtb1) lgµB [I.12 - 1, 84] lgµhh = 0,6125.lg(0,257.10-3) + (1-0,6125).lg(0,785.10-3)

Quy chuẩn đường kính đoạn cất là: D1 = 1 m

*Thử lại điều kiện làm việc thực tế:

- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn cất là:

Vậy chọn đường kính là 1m có thể chấp nhận được

3.5.2 Đường kính đoạn chưng

3.5.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được tính gần đúng bằng công thức sau:

gtb2 = gn+g2

2 , kg/h [IX.96 - 2, 182]

Trong đó: gtb2 - lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, kg/h

gn - lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/h

g2 - lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn cất (gn = g1) nên ta có thể viết:

gtb2 = g1+g2

2 [IX.97 - 2, 182] Lượng hơi đi vào trong đoạn chưng(g2), lượng lỏng (G2), và hàm lượng lỏng (x2) được xác định theo hệ phương trình sau:

G2 = g2 + W̅ [IX.98 - 2, 182]

G2 x̅2 = g2.y̅W+ W̅ x̅W [IX.99 - 2, 182]

g2.r2 = g1.r1 [IX.100 - 2, 182]

Trong đó: x̅W = 0,05 theo phần khối lượng

y̅2= y̅W=0,1567 được xác định ứng với x̅W

W̅ = 3500 kg/h

r2 - ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất đoạn chưng

r1 - ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra vào đĩa trên cùng đoạn chưng, r1

3.5.2.2 Khối lượng riêng trung bình

*khối lượng riêng trung bình của pha lỏng:

ρxtb2 - khối lượng riêng trung bình của lỏng ở đoạn chưng, kg/m3

ρxtbA, ρxtbB - khối lượng riêng trung bình của acetone và ethanol của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3

x̅tb2 - phần khối lượng trung bình của acetone trong pha lỏng, kg/kg

+ Phần khối lượng acetone trung bình trong pha lỏng ở đoạn chưng (x̅tb2):

Hình 3.8: đồ thị xác định nhiệt độ trung bình hỗn hợp đoạn chưng

Từ ttb2 = 71,06oC, nội suy theo bảng [I.2 - 2, 9] ta tra được khối lượng riêng trung bình của acetone và ethanol ρxtbA= 728,33 kg/m3; ρxtbB= 741,7 kg/m3

ρxtb2= ρxtbA.ρxtbB

x ̅tb2.ρxtbA+ ( 1−x ̅tb2).ρxtbB =

728,33 741,7 0,145.728,33+(1−0,145).741,7= 730 kg/m

ρytb2 - khối lượng riêng trung bình pha hơi ở đoạn chưng, kg/m3

ytb2 - nồng độ phần mol trung bình của acetone trong pha hơi ở đoạn chưng

3.5.2.3 Tốc độ hơi đi trong tháp

* Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn như sau:

Kích thước

đệm, mm

Bề mặt riêng σđ,

Khối lượng riêng xốp ρđ, kg/m3