Tính toán và thiết kế hệ thống chưng cất ethanol nước dùng tháp mâm xuyên lỗ, năng suất 2000lh

Đồ án về chưng cất Ethanol Nước bằng tháp mâm xuyên lỗ cho bạn nào cần..Bài viết chỉ mang tính chất tham khảo thôi nhé...Chúc các bạn báo cáo đồ án thật tốt..........................................................................................................................................................................Good luck..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ

Giáo viên hướng dẫn: KS BÙI VĂN A

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN THỊ QUỲNH NHƯ

NGUYỄN VĂN NGỌC Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC Niên khóa: 2013 - 2017

Tháng 11/2017

ĐỒ ÁN MÔN HỌC TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT ETHANOL – NƯỚC

BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NĂNG SUẤT 2000 L/H

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóahọc, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp vớiquy trình sản suất hoặc nhu cầu sử dụng

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 Ethanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn,

ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Ethanol

Đồ án thiết kế tháp chưng cất hệ Ethanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suấtnhập liệu: 2000 L/h có nồng độ 15% mol ethanol, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ85% mol ethanol với độ thu hồi ethanol là 99%

Bằng sự nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của thầyBùi VĂN A, chúng em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn Do thời gian làm đồ án cóhạn và trình độ còn nhiều hạn chế không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mongnhận được sự đóng góp ý kiến của thầy, cô cũng như là các bạn sinh viên để bài đồ ánnày hoàn thiện hơn nữa

Nhóm sinh viên thực hiện đồ án

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên giáo viên:

Chức vụ:

Nhận xét:

Giáo viên hướng dẫn

KS Bùi VĂN A

TÓM TẮT

Sinh viên thực hiện Nguyễn VĂN NGỌC – Nguyễn Thị Quỳnh Như đồ ánđược bảo vệ vào tháng 11 năm 2017, tên đồ án “Tính toán và thiết kế hệ thống chưngcất Ethanol – Nước dùng tháp mâm xuyên lỗ, năng suất 2000l/h”

Đồ án được thực hiện từ tháng 8 đến tháng 9 năm 2017

Nội dung đồ án và kết quả thu được:

- Thiết kế, tính toán tháp chưng cất ethanol – dùng tháp mâm xuyên lỗ quy môcông nghiệp

- Tính toán tương đối chi tiết quá trình làm việc và khả năng chịu bền của thiết bị

về tính ăn mòn cơ học và hoá học, cũng như điều kiện làm việc của thiết bị

MỤC LỤC

TRANG TỰA I LỜI NÓI ĐẦU II NHẬN XÉT III TÓM TẮT IV MỤC LỤC V DANH SÁCH HÌNH VII DANH SÁCH BẢNG VIII

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1 1 Nguyên liệu 1

1.1.1 Ethanol 1

1.1.2 Nước 5

1.1.3 Hỗn hợp ethanol – nước 7

1 2 Phương pháp chưng cất 7

1.2.1 Bản chất quá trình chưng cất 7

1.2.2 Phân loại chưng cất 8

1.2.3 Thiết bị chưng cất 12

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 15

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ ethanol – nước 15

2.2 Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ 17

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 18

3.1 Các thông số ban đầu 18

3.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 18

3.3 Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp 20

3.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu 20

3.3.2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp 21

3.4 Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết 21

3.4.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất: 21

3.4.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng: 21

3.4.3 Số mâm lý thuyết: 22

3.5 Xác định số mâm thực tế 23

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 25

4.1 Đường kính tháp 25

4.1.1 Đường kính đoạn cất 25

4.1.2 Đường kính đoạn chưng 27

4.2 Mâm lỗ - trở lực của mâm 30

4.2.1 Cấu tạo mâm lỗ 30

4.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm 31

4.2.3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 35

4.2.4 Chiều cao của tháp 36

4.3 Tính toán cơ khí của tháp 37

4.3.1 Bề dày thân tháp 37

4.3.2 Đáy và nắp thiết bị 38

4.3.3 Bích ghép thân, đáy và nắp 39

4.3.4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn 40

4.3.5 Tai treo và chân đỡ 44

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ 47

5.1 Các thiết bị truyền nhiệt 47

5.1.1 Cân bằng năng lượng 47

5.1.2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 49

5.1.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 53

5.1.4 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 58

5.1.5 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy 61

5.1.6 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 65

5.2 Tính bảo ôn của thiết bị 69

5.3 Tính toán bơm nhập liệu 70

5.3.1 Tính chiều cao bồn cao vị 70

5.3.2 Chọn bơm 75

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 78

DANH SÁCH HÌNH

Hình1.1: Cấu trúc phân tử của ethanol 1

Hình 1.2: Sơ đồ tóm tắt ứng dụng của ethanol trong các đời sống 3

Hình 1.3: Biểu đồ cân bằng lỏng hơi của hệ ethanol – nước 7

Hình 1.4: Hệ thống chưng cất đơn giản 9

Hình 1.5: Hệ thống chưng cất liên tục 10

Hình 1.6: Hệ thống chưng cất hơi nước trực tiếp 11

Hình 1.7: Hệ thống chưng cất chân không 12

Hình 1.8: Tháp mâm chóp 13

Hình 1.9: Tháp mâm xuyên lỗ 13

Hình 1.10: Tháp đệm (tháp chêm) 14

Hình 2.1: Sơ đồ khối quy trình chưng cất ethanol – nước 15

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp ethanol – nước 16

Hình 3.1: Biểu đồ xác định Rmin 20

Hình 3.2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết 22

Hình 4.1: Đáy và nắp thiết bị 40

Hình 4.2: Bích ghép thân 41

Hình 4.3: Tai treo và chân đỡ 46

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1: Một số thông số vật lý và nhiệt động của ethanol 1

Bảng 1.2: Một số thông số vật lý và nhiệt động của nước 6

Bảng 1.3: Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol - Nước ở 760 mmHg 7

Bảng 1.4: So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp 14

Bảng 3.1: Tổng kết cân bằng vật chất 19

Bảng 4.1: Tổng kết tính toán, thiết kế tháp chưng cất 48

Bảng 5.1: Bảng tổng kết các thông số nhiệt lượng 51

Công thức phân tử: C2H5OH, C2H6O.

Khối lượng phân tử: 46 đvC

1.1.1.1 Tính chất vật lý

Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu, vị cay,nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 150C), dễ bay hơi (sôi ở nhiệt độ78,390C), hóa rắn ở -114,150C, hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa

có màu xanh da trời, tan vô hạn trong nước, sở dĩ rượu etylic tan vô hạn trong nước

và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehyde có khối lượng phân tử xấp

xỉ là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử rượu với nhau và với nước

Ethanol có tính khúc xạ hơi cao hơn so với của nước, với hệ số khúc xạ là1,36242 (ở λ=589,3 nm và 18,350C) Điểm ba trạng thái của ethanol là 1500K ở ápsuất 4,3.10−4 Pa

Bảng 1.1: Một số thông số vật lý và nhiệt động của ethanol

Nhiệt độ nóng chảy -114,30C (158,80K)Nhiệt độ sôi 78,40C (351,60K)

Hình1.1: Cấu trúc phân tử của ethanol

Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của ethanol làthể hiện tính chất hoá học của nó

- Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:

CH3-CH2-OH CH3-CH2-O- + H+

Hằng số phân ly của ethanol: K CH 3−CH 2−OH=10−18

, cho nên ethanol là chấttrung tính

 Tính acid của ethanol 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 CCH3-CH2O-SO3-H + H2O

CH3-CH2-OH + HO-CO-CH3 CH3-COO-C2H5 + H2O

LạnhH+

Al2O3 toH2SO4

>150o

C H2SO4

>150o C

Cu200-3000C

Hình 1.2: Sơ đồ tóm tắt ứng dụng của ethanol trong các đời sống

- Nhiên liệu hoặc phụ gia xăng dầu:

 Ethanol có thể sử dụng như nhiên liệu (thông thường trộn lẫn với xăng) vàdùng trong các quy trình công nghiệp khác

 Hỗn hợp xăng (90%) và cồn ethanol (10% thường thu được bằng cách lênmen nông sản) hoặc xăng dầu (97%) và methanol hoặc rượu

 Ethanol được sử dụng trong các sản phẩm chống đông lạnh vì điểm đóngbăng thấp của nó

- Thuốc sát trùng:

 Cồn ethanol được sử dụng trong y tế và chống vi khuẩn

 Dung dịch chứa 70% ethanol chủ yếu được sử dụng như chất tẩy uế Nó làhiệu quả trong việc chống lại phần lớn các loại vi khuẩn và nấm cũng nhưnhiều loại virus,…nhưng không hiểu quả trong việc chống lại các bào tử vikhuẩn

- Làm dung môi:

 Có thể hòa tan trong nước và các dung môi khác Cồn ethanol có trong sơn,cồn thuốc, các sản phẩm chăm sóc cá nhân như nước hoa và chất khửmùi…

- Dược:

 Về mặt y dược, ethanol là thuốc ngủ, mặc dù nó ít độc hại hơn so với cácrượu khác, cái chết thường xảy ra nếu nồng độ cồn trong máu vượt quákhoảng 5%

 Có thể giảm thị lực, bất tỉnh sẽ xảy ra ở nồng độ thấp hơn

1.1.1.4 Điều chế

Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nóđược sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrathóa etylen bằng xúc tác acid, 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 acidwolframic hoặc acid phosphoric:

H2C = CH2 + H2O CH3CH2OHEthanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ethanol sửdụng làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rượu

nhất định (quan trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa đường trong

điều kiện không có oxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra ethanol và CO2 Phảnứng hóa học tổng quát có thể viết như sau:

C6H6O6 2C2H5OH + 2CO2 + 28 KcalTrong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành ethanol và CO2, 5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ (lactic, butylic…)

Cấu tạo của phân tử nước tạo nên các liên kết hydro giữa các phân tử là cơ

sở cho nhiều tính chất của nước Cho đến nay một số tính chất của nước vẫn còn làcâu đố cho các nhà nghiên cứu mặc dù nước đã được nghiên cứu từ lâu

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nước đã được Anders Celsius dùnglàm hai điểm mốc cho độ bách phân Celcius Cụ thể, nhiệt độ đóng băng của nước

là 0 độ Celcius, còn nhiệt độ sôi (760 mmHg) bằng 100 độ Celcius

Nước đóng băng được gọi là nước đá Nước đã hóa hơi được gọi là hơinước Nước có nhiệt độ sôi tương đối cao nhờ liên kết hidro

Dưới áp suất bình thường, nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cao nhất là

1 g/cm³ (ở 40C) đó là vì nước vẫn tiếp tục giãn nở khi nhiệt độ giảm xuống dưới

40C Hiện tượng này không được quan sát ở bất kỳ một chất nào khác

Điều này có nghĩa là: với nhiệt độ trên 40C, nước có đặc tính giống mọi vậtliệu khác là khi nóng sẽ giãn nở, khi lạnh sẽ co lại; nhưng với nhiệt độ dưới 40C,nước lại lạnh nở, nóng co

Do hình thể đặc biệt của phân tử nước (với góc liên kết 104,45°), khi bị làmlạnh các phân tử phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác mở Vì vậy mà tỉtrọng của nước đá nhẹ hơn nước dạng thể lỏng

Nấm men Zymaza

Nước tinh khiết không dẫn điện Tuy nhiên do khả năng hòa tan tốt nênnước hay có tạp chất pha lẫn bên trong, thường các chất pha lẫn bên trong là muối,các muối này khi hòa tan vào nước sẽ phân ly ra các ion tự do trong dung dịch,dung dịch này có khả năng dẫn điện tốt.

Nước là hợp chất có cấu tạo bền vừng về mặt hóa học nhờ có liên kết hydronên rất khó oxy hóa Nước còn là chất duy nhất trong điều kiện tự nhiên tồn tại ở cả

3 trạng thái rắn, lỏng, khí

Nước là dung môi phân cực mạnh, hoà tan tốt các chất tan phân cực hoặc cótính ion như acid, rượu và muối có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rấtquan trọng trong kỹ thuật hóa học

Bảng 1.2: Một số thông số vật lý và nhiệt động của nước

Khối lượng phân tử 18 g/mol

Khối lượng riêng ở nhiệt độ 4oC 1 g/cm3

1.1.2.2 Tính chất hóa học

Nước là một chất lưỡng tính, có thể phản ứng như một acid hay bazơ Ở

pH =7 (trung tính) hàm lượng các ion hydroxyt (OH-) cân bằng với hàm lượng củahydronium (H3O+) Khi phản ứng với một axit mạnh hơn thí dụ như HCl, nước phảnứng như một chất kiềm:

HCl + H2O ↔ H3O+ + Cl

-Với ammoniac nước lại phản ứng như một axit:

NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH

53,1

57,6

61,4

65,4

69,9

75,3

81,8

86,5

83,2

81,7

78,

4 78,4

(Nguồn: Tài liệu tham khảo [1], Bảng 51, trang 44)

Hệ Etanol -Nước

Hình 1.3: Biểu đồ cân bằng lỏng hơi của hệ ethanol – nước

1 2 Phương pháp chưng cất

1.2.1 Bản chất quá trình chưng cất

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng nhưhỗn 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 nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu

tử khác nhau)

Có thể nói chưng cất là một phương pháp tách dùng nhiệt để tách hỗn hợpđồng thể (dung dịch) của các chất lỏng khác nhau Chất rắn hòa tan, thí dụ như cácloại muối, được tách ra khỏi chất lỏng bằng cách kết tinh Dung dịch muối có thểlàm cô đặc bằng cách cho bay hơi Một khả năng khác để tách dung dịch là đông tụ.Trong các ngôn ngữ châu Âu, từ chưng cất bắt nguồn từ tiếng La tinh destillare cónghĩa là nhỏ giọt xuống

Chưng cất dựa trên nhiệt độ sôi khác nhau của các chất lỏng tham gia.Người ta cũng nói là các chất lỏng có áp suất hơi khác nhau tại cùng một nhiệt độ.Nếu đưa năng lượng vào hệ thống, vì có áp suất hơi khác nhau, chất có áp suất hơicao hơn (nhiệt độ sôi thấp hơn) bốc hơi nhiều hơn các chất khác Vì thế mà nồng độcủa chất có nhiệt độ sôi thấp hơn trong phần cất cao hơn là ở trong hỗn hợp banđầu

Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa haipha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mớiđược tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ

1.2.2 Phân loại chưng cất

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:

1.2.2.1 Áp suất làm việc

- Áp suất thấp: dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và hỗnhợp có nhiệt độ sôi quá cao

- Áp suất thường

- Áp suất cao: dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường

Nguyên tắc: 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

1.2.2.2 Nguyên lý làm việc

- Chưng cất đơn giản:

Chưng đơn giản có 2 loại là chưng đơn giản có hồi lưu và chưng đơn giảnkhông có hồi lưu

Phương pháp này được sử dụng trong các trường hợp sau:

 Khi có sự khác biệt lớn giữa nhiệt độ sôi của các cấu tử

 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

Trong công nghệ thực phẩm, phương pháp này thường được ứng dụng đểsản xuất các loại tinh dầu thô từ thực vật hoặc các loại rượu thủ công Quá trìnhchưng cất thường được thực hiện ở điều kiện thường

Nguyên liệu được đưa vào nồi, sau đó được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi bằngcác tác nhân như củi, than đốt trực tiếp hay hơi nước Hơi bay lên được đưa vàothiết bị ngưng tụ, sản phẩm ngưng tụ sẽ được đưa về thùng chứa Sau khi kết thúcphần chưng cất thì phần bả hoặc chất lỏng khó bay hơi sẽ được tháo ra ngoài ở phầnđáy

Trong quá trình chưng đơn giản, hơi (khí) được lấy ra gay và cho ngưng tụthu sản phẩm tại đỉnh, thành phần chất lỏng ngưng tụ luôn thay đổi Thành phần cấu

tử nhẹ trong sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy giảm dần trong quá trình chưng cất

Ưu điểm của quá trình chưng cất này là thiết bị rất đơn giản, vốn đầu tưthấp, linh động và thực hiện dễ dàng

Nhược điểm là nồng độ sản phẩm đỉnh không cao, còn nhiều cấu tử nhẹtrong sản phẩm đáy, năng suất chưng cất thấp

Hình 1.4: Hệ thống chưng cất đơn giản

- Chưng liên tục

Chưng liên tục dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi.Nguyên tắc của chưng liên tục là lặp lại quá tình chưng đơn giản nhiều lần.Tức là thực hiện liên tục quá trình bốc hơi và ngưng tụ một phần, nồng độ các cấu

tử dễ bay hơi trong pha khí càng lúc sẽ càng tăng cao

Chất lỏng từ trên tháp chưng đi xuống do trọng lượng, hơi từ dưới lên nhờ

áp suất dư của quá trình sôi ở nồi đun Một phần sản phẩm ngưng tụ trong tháp sẽđược hoàn lưu Nguyên liệu được đưa vào tháp liên tục

Hình 1.5: Hệ thống chưng cất liên tục

- Chưng cất hơi nước trực tiếp:

Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp dùng để tách cấu tử không tan trongnước khỏi tạp chất không bay hơi

Khi chưng bằng hơi nước trực tiếp người ta phun hơi nước qua lớp chấtlỏng bằng một bộ phận phun Hơi nước có thể là bão hòa hay quá nhiệt Trong quátrình tiếp xúc giữ hơi nước và lớp chất lỏng, các cấu tử cần chưng sẽ khuếch tán vàotrong hơi Hỗn hợp hơi nước và cấu tử bay hơi đó được ngưng tụ và tách thành sảnphẩm

Ưu điểm của quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp là giảm được nhiềunhiệt độ sôi của hỗn hợp nghĩa là chúng ta có thể chưng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt

độ sôi bình thường

Điều này rất có lợi đối với các chất dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao cũng nhưđối với các chất có nhiệt độ sôi quá cao mà khi chưng gián tiếp đòi hỏi dùng hơi ápsuất cao

Trong cả 2 trường hợp trên người ta đều phải dùng cách đốt gián tiếp đểđun bốc hơi hỗn hợp Lượng hơi nước trực tiếp đi vào hỗn hợp chỉ có nhiệm vụmang cấu tử dễ bay hơi ra ngoài

Hình 1.6: Hệ thống chưng cất hơi nước trực tiếp

- Chưng cất chân không:

Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử, nhằm hạn chếgây hỏng mẫu khi các cấu tử dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao hay trường hợp cấu tử

có nhiệt độ sôi quá cao

Chưng cất chân không thường được ứng dụng để chưng cất dầu thô

Hình 1.7: Hệ thống chưng cất chân không

- Phương pháp cấp nhiệt ở đáy:

Gồm cấp nhiệt trực tiếp và cấp nhiệt gián tiếp Cấp nhiệt trực tiếp bằng hơinước thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước

1.2.3 Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có mộtyêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độphân tán của lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta cócác loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun…

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhấtthường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước của tháp: đườngkính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độtinh khiết của sản phẩm Ta tìm hiểu 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm

và tháp chêm

1.2.3.1 Tháp mâm

Thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khácnhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơiđựơc cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

Trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm Trong tháp mâm xuyên

lỗ, pha khí đi từ dưới lên và phân tán vào lớp chất lỏng đang chuyển động từ trênxuống theo các ống chảy chuyền

1.2.3.2 Tháp chêm (tháp đệm)

Tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vậtchêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp là xếp ngẫu nhiên hay xếpthứ tự

1 Ống hơi ra

2 Ống hoàn lưu

3 Ống phân phối lỏng hoàn lưu

- Hiệu suất khá cao

tăng năng suất thì hiệu ứng thành

tăng  khó tăng năng suất

- Thiết bị khá nặng nề

- Không làm việcđược với chất lỏngbẩn

- Kết cấu khá phứctạp

- Có trở lực lớn

- Tiêu tốn nhiều vật

tư, kết cấu phứctạp

Chương 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,30C ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 1000C ở 760 mmHg : hơi cách biệt khá xa nênphương pháp hiệu quả để thu ethanol 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 tửđều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phươngpháp hấp thụ do phải đưa vào một pha mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạphơn hay quá trình tách không được hoàn toàn

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ ethanol – nước

Hình 2.1: Sơ đồ khối quy trình chưng cất ethanol – nước

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp ethanol – nước

Chú thích:

1 – Thùng chứa hỗn hợp đầu 2 – Bơm

3 – Thùng cao vị 4 – Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

5 – Tháp chưng luyện 6 – Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

7 – Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 8 – Thùng chứa sản phẩm đỉnh

9 – Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 10 – Thùng chứa sản phẩm đáy

11 – Thiết bị tháo nước ngưng

2.2 Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ

Hỗn hợp đầu từ thùng chứa 1 được bơm 2 bơm liên tục lên thùng cao vị Mựcchất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn Từ thùng cao vị,hỗn hợp đầu (được điều chỉnh nhờ van và lưu lượng kế) qua thiết bị đun nóng dungdịch 4 Tại đây, dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đến nhiệt độ sôi Sau

đó, dung dịch được đưa vào tháp chưng cất qua đĩa tiếp liệu

Tháp chưng cất gồm 2 phần: phần từ đĩa tiếp liệu trở lên gọi là đoạn cất, phần

từ đĩa tiếp liệu trở xuống gọi là đoạn chưng

Như vậy, ở trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống và tiếp xúc với pha hơi đi từdưới lên Hơi bốc từ đĩa dưới lên qua các lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏng của đĩatrên, ngưng tụ một phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tăng dần theochiều cao tháp Vì nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tăng nên nồng độ của nótrong hơi do lỏng bốc lên cũng tăng Cấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu tửkhó bay hơi nên khi nồng độ của nó tăng thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm Tóm lại,theo chiều cao tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) tăng dần, nồng

độ cấu tử khó bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần, và nhiệt độ giảm dần Cuốicùng, ở đỉnh tháp ta sẽ thu được hỗn hợp hơi có thành phần hầu hết là cấu tử dễ bayhơi còn ở đáy tháp ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay hơichiếm tỉ lệ lớn

Để duy trì pha lỏng trong các đĩa trong đoạn cất ta bổ sung bằng dòng hồi lưuđược ngưng tụ từ hơi đỉnh tháp Hơi ở đỉnh tháp được ngưng tụ bằng thiết bị ngưng tụhoàn toàn 6, dung dịch lỏng thu được sau khi ngưng tụ một phần được hồi lưu trở lạiđĩa trên cùng của đoạn cất để duy trì pha lỏng trong các đĩa đoạn cất, phần còn lạiđược đưa qua thiết bị làm lạnh 7 để ngưng tụ tiếp và đi vào bể chứa sản phẩm 8 Chấtlỏng ở đáy tháp được tháo ra ở đáy tháp sau đó một phần được đun sôi bằng thiết bịgia nhiệt đáy tháp 9 và hồi lưu về đĩa đáy tháp phần còn lại được đưa vào bể chứa sảnphẩm đáy 10 Nước ngưng của các thiết bị gia nhiệt được tháo qua cá thiết bị tháonước ngưng 11

Như vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đưa vào liên tục và sản phẩmcũng được lấy ra liên tục)

Chương 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Các thông số ban đầu

Ta có:

- Năng suất ban đầu: VF = 2000(l/h)

- Nồng độ nhập liệu: x F= 15% phân mol ethanol/hh.

- Nồng độ sản phẩm đỉnh: x D= 85% phân mol ethanol/hh.

- Tỉ lệ thu hồi ethaol: h= 99%

Chọn:

Nhiệt độ nhập liệu: t ' F = 280C

Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t '

D = 350CNhiệt độ sản phẩm đáy khi trao đổi nhiệt: t ' w = 600C

Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

Các ký hiệu:

GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h

GD, D: suất lượng dòng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

GW, W: suất lượng dòng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

xi, x´i: phân mol, phân khối lượng của cấu tử i

3.2 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 ethanol (cấu tử nhẹ): F.xF = D.xD + W.xW (3.2)

M F=M E x F+M N (1−x F)=46.0,15+18 (1−0,15)=22,2(kg /kmol)

Dựa vào giản đồ T-x,y ,ta có: xF = 0,15 phân mol => tF=84,85oC

Tại nhiệt độ tF = 84,85oC và x´F=0,311 Tra tài liệu tham khảo [4(tập 1)- trang 9

và 12] ta được: ρ F=920( kg/m3) Do đó:

G F=V F ρ F=2000 10−3.920=1840 (kg/h)

F= G F

M F=82,88 (kmol/h)

Phân mol sản phẩm đỉnh: xD = 0,85 (phân mol ethanol)

Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh:

M W=M E x W+M N (1−x W)=46.0,0018+18.(1−0,0018)=18,05 (kg /kmol)

Suất lượng dòng sản phẩm đáy:

GW = W.MW = 68,4.18,05 = 1234,73 (kg/h)

3.3 Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp

3.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lýthuyết và vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiênliệu, nước và bơm…) là tối thiểu

Dựa vào đồ thị cân bằng lỏng hơi của hệ Ethanol – Nước dựng đường thẳngqua xD = 0,85, tiếp xúc với đường cân bằng trong vùng làm việc cắt trục tung tạiđiểm y0 = 0,26

Đường tiếp tuyến

Hình 3.1: Biểu đồ xác định Rmin

Khi đó: Rmin được xác định theo công thức: (Tài liệu tham khảo [3])

Tổng chi phí bao gồm: chi phí cố định và chi phí điều hành Tỉ số hoàn lưuthích hợp ứng với tổng 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 một cách gần đúng như sau:

R x=1,3 Rmin+0,3=1,3.2,27+0,3=3,25

(Tài liệu tham khảo [4], công thức IX.25b, trang 159)

3.4 Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết

3.4.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất:

0,853,25+1=0,765 x+ 0,2

(Tài liệu tham khảo [4], công thức IX.20, trang 144)

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

x= R x+1

R x+L y +

L−1 L+R x x W

(Tài liệu tham khảo [4], công thức IX.22, trang 158)

{ 1 mâm nhập liệu 20 mâm cất

5 mâm chưng(4 mâm chưng+1 nồiđun)

Tóm lại, số mâm lý thuyết là Nlt = 26 mâm

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

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

x: phân mol của ethanol trong pha lỏng

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

Các giá trị độ nhớt của nước và ethanol ta tra tài liệu tham khảo [5], Bảng 1.101, trang 92

Giá trị hiệu suất  ta tra tài liệu tham khảo [4], hình IX.11, trang 171

1−0,150,15 =5,466Tại tF = 84,850C:

(Tài liệu tham khảo [5], công thức I.102, trang 84)

F = 0,441.10-3 (N.s/m2) = 0,441 (cP)

F.F = 5,466.0,441 = 2,411Suy ra: F = 0,4

 Tại vị trí mâm đáy:

xW = 0,0018 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y*W = 0,018, tW = 1000C

1−0,00180,0018 =10,067Tại tW = 1000C:

W = 0,265.10-3 (N.s/m2) = 0,265 (cP)

W.W = 10,067.0,265 = 2,668Suy ra: W = 0,37

1−0,850,85 =1,409Tại tD = 790C:

D = 0,5.10-3 (N.s/m2) = 0,5 (cP)

D D = 1,409.0,5 = 0,525Suy ra: D = 0,6

Suy ra hiệu suất trung bình của tháp:

Chương 4 TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

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

(yy)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau Do đó, đườngkính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

gtb: 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

 Xác định lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp gđ:

gd = GD + GR = GD.(Rx + 1) = 605,27.(3,25 + 1) = 2572,39 (kg/h)

(Tài liệu tham khảo [4], công thức IX.92, trang 181)

 Xác định lượng hơi đi vào đoạn luyện gl: Từ hệ phương trình:

Gl: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

rl: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất

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

xl, yl: hàm lượng hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất

Các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi của nước và ethanol tra tài liệu tham khảo [5], bảng I.212, trang 254

 Tính rl:

tl = tF = 87,50C ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rNl = 2302,49 (kJ/kg)

Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol: rEl = 815,32 (kJ/kg)

=> rl = rEl.yl + (1 – yl).rNl = 815,32.yl + (1 – yl).2302,49= 2302,49– 1487,17.yl (kJ/kg)

 Tính rd:

tD = 78,50C ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rNd = 2312,67 (kJ/kg)

Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol: rEd = 825,82 (kJ/kg)

=> rd = rEd.yD + (1-yD).rNd = 825,82 0,856 + (1 – 0,856) 2312,67 = 1039,93 (kJ/kg)

 xl = xF = 0,08

Giải hệ ba phương trình (4.1), (4.2), (4.3), ta được: { G l=984,217(kg/h)

y l=0,316 (phân mol ethanol)

g l=1589,487 (kg /h)

Vậy:

g tb=1589,487+2572,39

2 =2080,94 (kg /h)

Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn cất:

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong đoạn cất với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:

ω gh=0,05.√ρ xtb

ρ ytb , m/s

(Tài liệu thao khảo [4], công thức IX.111, trang 186)

Với:

xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, kg/m3

ytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi, kg/m3

x tb= M E x tb

M E x tb+M N (1−x tb)=

46.0,546.0,5+18.(1−0,5)=71,88 %

Các giá trị khối lượng riêng của nước và ethanol tra tài liệu tham khảo [5], bảng I.2, trang 9

Với ttb = 81,6750C ,ta có: ρ xtb=821,25(kg/m3)

Suy ra:

ω gh=0,05.√821,251,182 =1,318 (m/s)

 Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ trung bình đi trong đoạn cất:

(Tài liệu tham khảo [4], trang 186)

h = 0,8.gh = 0,8.1,318 = 1,054 (m/s)

Vậy đường kính đoạn cất:

D cất=0,0188.√1,182.1,0542080,94 =0,768(m)

4.1.2 Đường kính đoạn chưng

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

g ' tb=g ' n+g ' l

Trong đó:

g ' tb: lượng hơi trug bình đi trong đoạn chưng, kg/h

g ' n: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng, kg/h

g ' l: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h

 Xác định lượng hơi ra khỏi đoạn chưng g’n (bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện)

G ' l: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

r ' l: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

Các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi của nước và ethanol tra tài liệu tham khảo [5], bảng I.212, trang 254

Tính r ' l:

xW = 0,0018, tra đồ thị cân bằng của hệ ta có: y’l = yW = 0,018

t ' l = tW =1000C, ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r’Nl = 2260,69 (kJ/kg)

Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol: r’El = 791,19(kJ/kg)

Suy ra:

r ' l= r’El.yW + (1 - yW).r’Nl = 791,19 0,018 + (1 – 0,018) 2260,69 = 2234,24 (kJ/kg)Tính rl:

rl = 2302,49– 1487,17.yl = 2302,49 – 1487,17 0,316 = 1850,51 (kJ/kg)Giải hệ ba phương trình (4.4), (4.5), (4.6), ta được:

Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong đoạn chưng với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:

ω ' gh=0,05.√ρ' xtb

ρ ' ytb

Với: ’xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3)

’ytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m3)

´

x ' tb= M E x ' tb

M E x ' tb+M N (1−x ' tb)=

46.0,07646.0,076+18.(1−0,076)=17,35 %Với t’tb = 93,750C, tra tài liệu tam khảo, ta có:

ρ ' xtb=909,819(kg /m3)

Suy ra:

ω ' gh=0,05.√909,8190,756 =1,734(m/ s)

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ trung bình đi trong đoạn chưng:

’h = 0,8 ’gh = 0,8.1,734= 1,387 (m/s)Vậy đường kính đoạn chưng:

D chưng=0,0188√0,756 1,3871452,99 =0,7(m)

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 = 0,8 m

 Phần chưng:

ω ' lv=0,01882 g ' tb

D t2 ρ ' ytb =

0,01882.1452,990,82.0,756 =1,061(m/s)

4.2 Mâm lỗ - trở lực của mâm

4.2.1 Cấu tạo mâm lỗ

Chọn:

- Đường kính lỗ: dl = 5 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 tamgiác đều)

- Tỉ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 3/5, δ mâm