Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp methanol và ethanol

Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp methanol và ethanol

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM

2.Nguyễn Hoàng Thư 3.Vũ Ngọc Huy

Lớp K4LHD

Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2017

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Họ và tên SV: Lê Đức Tâm 04PPR110013

Nguyễn Hoàng Thư 04PPR110016

Ngành: Lọc Hóa Dầu

Lớp: K4LHD

1 Tên Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp Methanol – Ethanol

2 Nhiệm vụ (Nêu nội dung và dữ liệu ban đầu):

Dữ liệu ban đầu:

 Lưu lượng nhập liệu: 25 kmol/ h

 Áp suất chưng cất: áp suất khí quyển

 Nồng độ nhập liệu (tính theo methanol): 0,4 (mol/mol)

 Nồng độ sản phẩm đỉnh (tính theo methanol): 0,95 (mol/mol)

 Nồng độ sản phẩm đáy (tính theo methanol) : 0,05 (mol/mol)

Nội dung:

 Giới thiệu tính chất sản phẩm và quy trình sản xuất

 Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ

 Tính cân bằng vật chất và năng lượng

 Tính toán công nghệ thiết bị chính

 Tính toán cơ khí thiết bị chính

3 Ngày giao Đồ án môn học: ngày 20 tháng 9 năm 2017

4 Ngày hoàn thành Đồ án môn học: ngày 15 tháng 12 năm 2017

5 Họ tên Người hướng dẫn: TS Đàm Thị Thanh Hải

Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày tháng năm

TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM

KHOA DẦU KHÍ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp Methanol – Ethanol

Tên sinh viên: Lê Đức Tâm, Nguyễn Hoàng Thư, Vũ Ngọc Huy

Chuyên ngành: Lọc hóa dầu Khoá: 4

Họ và tên người phản biện:

I PHẦN NHẬN XÉT:

1) Về hình thức và kết cấu ĐAMH:

2) Về nội dung:

2.1 Nhận xét phần tổng quan tài liệu:

2.2 Nhận xét về phương pháp nghiên cứu:

2.3 Nhận xét về kết quả đạt được:

2.4 Nhận xét phần kết luận:

2.5 Những thiếu sót và tồn tại của ĐAMH:

II ĐIỂM: (ghi bằng chữ)

Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày tháng năm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM

KHOA DẦU KHÍ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp Methanol – Ethanol

Tên sinh viên: Lê Đức Tâm, Nguyễn Hoàng Thư, Vũ Ngọc Huy

Chuyên ngành: Lọc hóa dầu Khoá: 4

Họ và tên của GVHD: Đàm Thị Thanh Hải

1 Nhận xét về tinh thần thái độ làm việc và nghiên cứu của SV

2 Nhận xét về kết quả:

3 Những tồn tại nếu có:

Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày tháng năm

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

PHIẾU CHO ĐIỂM BẢO VỆ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Sinh viên:……….………

……… Khóa:……… Lớp:… ……

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM

LỜI CÁM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô Đàm Thị Thanh Hải – người

đã đồng hành cùng chúng em trong suốt thời gian làm đồ án môn học Quá trình và Thiết

bị Cô đã giúp đỡ chúng em rất nhiều không chỉ nội dung mà còn cách trình bày một đồ án sao cho hợp lý Đây là lần đầu tiên em cũng như các bạn trong nhóm được tiếp cận với đồ

án nên bài làm sẽ khó tránh khỏi sai sót, mong thầy cô Bộ môn Lọc – Hóa Dầu có thể chỉ dạy thêm cho chúng em Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn các thầy cô

MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN I MỤC LỤC II DANH MỤC HÌNH ẢNH V DANH MỤC BẢNG BIỂU VI

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 2

1.1 Methanol 2

1.1.1 Tính chất vật lý 2

1.1.2 Tính chất hóa học 2

1.1.3 Ứng dụng 3

1.2 Ethanol 3

1.2.1 Tính chất vật lý 3

1.2.2 Tính chất hóa học 4

1.2.3 Ứng dụng 5

1.3 Chưng cất 5

1.4 Sơ đồ công nghệ 7

CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 9

2.1 Thông số đầu vào 9

2.2 Xác định lượng sản phẩm đỉnh 9

2.3 Xác định chỉ số hồi lưu 10

2.3.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu 10

2.3.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp 12

2.4 Phương trình làm việc và số đĩa 13

2.4.1 Phương trình đường làm việc của đoạn cất 13

2.4.2 Phương trình đường làm việc của đoạn chưng 13

2.4.3 Số đĩa lý thuyết 13

2.4.4 Số đĩa thực tế 14

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG 19

3.1 Đường kính 19

3.1.1 Đường kính đoạn cất 19

3.1.2 Đường kính đoạn chưng 23

3.2 Chiều cao 27

3.3 Trở lực của tháp 27

CHƯƠNG 4 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 31

4.1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 31

4.2 Nhiệt lượng cung cấp cho thiết bị ngưng tụ 36

4.3 Nhiệt lượng của thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 37

4.4 Nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy xuống 35oC 38

4.5 Nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh xuống 35oC 39

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 41

5.1 Chọn vật liệu 41

5.2 Tính chiều dày tháp 41

5.3 Tính toán chóp 44

5.5 Bích ghép thân và nắp 47

5.6 Đường kính các ống dẫn và bích ghép các ống dẫn 49

5.7 Tính toán khối lượng ước tính của tháp, chân đỡ và tai treo 55

CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 58

6.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 58

6.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 65

6.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 71

6.4 Thiết bị đun sôi nhập liệu 77

6.5 Thiết bị đun sôi đáy tháp 83

6.6 Bồn cao vị 89

6.7 Bơm 92

KẾT LUẬN 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1.Sơ đồ công nghệ của quá trình chưng cất hỗn hợp methanol và ethanol 7

Hình 2.1 Giản đồ cân bằng lỏng – hơi của hỗn hợp methanol và ethanol ở 1 atm 11

Hình 2.2 Đồ thị quan hệ giữa R và (R+1).Nlt 12

Hình 2.3 Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết của hỗn hợp methanol – ethanol 13

Hình 2.4 Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị 15

Hình 4.1 Tháp chưng cất 31

Hình 5.1 Nắp và đáy thiết bị 46

Hình 5.2 Bích ghép thân và nắp 48

Hình 5.3 Đường kính ống dẫn và bích ghép ống dẫn 49

Hình 5.4 Chân đỡ 56

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh ưu nhược điểm của hai loại tháp 6

Bảng 2.1 Tóm tắt các thông số 10

Bảng 2.2 Số liệu cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol – ethanol 11

Bảng 2.3 Quan hệ giữa R và Nlt 12

Bảng 4.1 Cân bằng nhiệt lượng 36

Bảng 5.1 Bảng thông số chọn bích 48

Bảng 5.2 Bảng chọn kích thước bích 49

Bảng 5.3 Thông số bích 1 51

Bảng 5.4 Thông số bích 2 52

Bảng 5.5 Thông số bích 3 53

Bảng 5.6 Thông số bích 4 53

Bảng 5.7 Thông số bích 5 54

Bảng 5.8 Thông số chân đỡ 57

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công nghiệp toàn cầu Một trong những ngành có đóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hóa học, đặc biệt

là ngành sản xuất các hóa chất cơ bản

Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiêu hóa chất có độ tinh khiết cao Do

đó các nhà sản xuất cần sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như: chưng cất, trính ly, hấp thụ, Tùy theo từng yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp Đối với hỗn hợp methanol – ethanol là hỗn hợp của 2 chất lỏng hòa tan vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho methanol và ethanol

Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế hệ thống chưng cất methanol – ethanol có lưu lượng dòng nhập liệu là 100kmol/h, nhập liệu ở nhiệt độ sôi với nồng độ 40% phần mol methanol, sản phẩm đỉnh có nồng độ 95% phần mol methanol, sản phẩm đáy có nồng độ 5% phần mol methanol

 Phản ứng oxy hóa

Khi oxy hóa methanol trên xúc tác kim loại (Ag, Pt, Cu, O2) hay xúc tác oxide hoặc

(Fe-Mo, Ti-Mo) trong điều kiện thích hợp thu được fomandehyde và các sản phẩm phụ:

CH3OH + 1O2 HCHO + H2O, H = -159 KJ/mol

Nếu oxy hóa lâu hơn sẽ tạo ra fomandehyde:

CH3OH + O2 HCHO + H2O

Nếu oxy hóa hoàn toàn thu được CO, CO2 và H2O:

CH3OH + 1

2O2 CO2 + H2O

 Phản ứng dehydro hóa

Khi tham gia phản ứng dehydro hóa sẽ tạo thành sản phẩm là HCHO

CH3OH ⇌ CH2O + H2

1.1.3 Ứng dụng

Methanol thường được dùng làm dung môi và làm nguyên liệu cho sản xuất những hóa chất hữu cơ khác với lượng lớn (như formaldehyde) Tuy nhiên, sau năm 1990, nhu cầu methanol làm nguyên liệu sản xuất methyl tert-butyl ether (MTBE) tăng cao khi MTBE trở thành một thành phần thiết yếu trong nhiên liệu động cơ

Methanol không phải là thực phẩm Vì vậy, việc sử dụng các loại rượu có nồng độ methanol vượt mức quy định (ngưỡng cho phép là <0.1%, nghĩa là trong 100 ml rượu chỉ có dưới 1

ml methanol) có thể gây ngộ độc methanol

Một số lượng lớn methanol được sử dụng để bảo vệ các đường ống dẫn khí thiên nhiên chống lại sự tạo thành khí hydrat ở nhiệt độ thấp, làm tác nhân hấp phụ trong các thiết bị làm sạch khí để loại bỏ CO2, H2S ở nhiệt độ thấp

Nói tóm lại, methanol dùng để sản xuất MTBE, acide axetic, làm dung môi, chất tải lạnh, chất chống đông, có trong thành phần của sơn và vecni, sản xuất fomandehyde, nhiên liệu /xăng

1.2 Ethanol

1.2.1 Tính chất vật lý

Ethanol gọi là rượu etylic, rượu ngũ cốc, rượu nguyên chất, là một chất lỏng không màu,

dễ bay hơi, dễ cháy Ethanol được biết đến phổ biến nhất là đồ uống có cồn, bên cạnh đó

nó còn được dùng làm dung môi, nhiên liệu

Ethanol có công thức phân tử: C2H5OH, là chất lỏng không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước

 Phản ứng lên men giấm:

CH3-CH2-OH + O2 (kk)CH3-COOH + H2O (lên men trong môi trường hiếm khí)

1.2.3 Ứng dụng

- Ethanol được dùng để pha vào xăng để tăng trị số octan cho xăng Hiện nay Việt Nam đang sản xuất xăng sinh học E5 với % ethanol

- Dùng làm dung môi cho ngành công nghiệp hóa chất, dùng trong ngành dược, …

- Cồn thực phẩm: sản xuất rượu, đồ uống có cồn, nước ướp gia vị, chiết xuất dược liệu, pha chế thuốc, vệ sinh, sát trùng, mỹ phẩm, …

- Cồn công nghiệp: dùng cho công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may, sản xuất mỹ phẩm, dược phẩm, …

1.3 Chưng cất

Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Trong chưng cất, có hai loại: chưng cất đơn giản và chưng cất phức tạp Với chưng cất đơn giản, số lượng cấu tử có thể đếm được, ví dụ như đối với hệ Etanol - Metanol là chưng cất

2 cấu tử, trong đó sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm metanol và một ít etanol, ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm etanol và một ít methanol Chưng cất phức tạp thì số của rất nhiều, thường phải chia thành các phân đoạn

Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc (chân không,

áp suất thường, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất) hay dựa vào phương pháp cấp nhiệt (trực tiếp hay gián tiếp) Việc lựa chọn các phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của sản phẩm Đối với hệ Etanol - Metanol ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun

ở áp suất thường

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 mức độ phân tán của pha này vào pha kia Ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp đệm

 Tháp đĩa: 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 với nhau Tùy theo cấu tạo của mâm ta có tháp mâm chóp hay tháp mâm xuyên lỗ

 Tháp đệm: tháp 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

Bảng 1.1 So sánh ưu nhược điểm của hai loại tháp

Tháp đệm Tháp đĩa chóp Tháp đĩa xuyên lỗ

- Hiệu suất cao

Nhược điểm

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

-Độ ổn định không cao, khó vận hành

- Trở lực lớn

- Kết cấu phức tạp

- Không làm việc được với chất lỏng bẩn

- Kết cấu phức tạp

*Ở đây, để chưng cất hỗn hợp methanol và ethanol ta chọn tháp chưng cất loại đĩa chóp

vì tháp hoạt động khá ổn định và hiệu suất cao

13 Thiết bị đun sôi đáy tháp

14 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

15 Bồn chứa sản phẩm đáy

16 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

*Mô tả sơ đồ công nghệ:

Hỗn hợp methanol - ethanol có nồng độ methanol 40% (theo số mol), nhiệt độ khoảng 30oC tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm lên bồn cao vị (2) Từ đó được đưa đến thiết bị đun sôi nhập liệu (5) (trao đổi nhiệt hơi đốt) Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (9)

ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng chảy từ trên xuống Tại đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa 2 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 thiết bị đun sôi đáy tháp (13) 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 etanol sẽ bị ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử methanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 95% theo

số mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (10) và được ngưng tụ, sau đó được chứa ở bồn chứa tạm thời, tại đây một phần chất lỏng ngưng tụ được đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh rồi đưa tới bồn chứa sản phẩm đỉnh (12), phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu 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 tháo ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay hơi (etanol) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ methanol là 5% theo số mol, còn lai là etanol Dung dịch lỏng

ở đáy ra khỏi tháp vào thiết bị đun sôi đáy tháp (13), tại đây dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lạ tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi thiết bị đun sôi đáy tháp rồi đi qua thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy (14), rồi được đưa tới bồn chứa sản phẩm đáy

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là methanol, sản phẩm đáy là etanol

CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT

2.1 Thông số đầu vào

Khi chưng cất hỗn hợp methanol – ethanol thì cấu tử dễ bay hơi là methanol

 Ký hiệu:

 F: lưu lượng nhập liệu, kmol/h

 D: lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h

 W: lượng sản phẩm đáy, kmol/h

 Mm: Khối lượng mol của methanol là 32 kg/mol

 Me: Khối lượng mol của ethanol là 46 kg/mol

 Lưu lượng nhập liệu: F = 25kmol/h

 Áp suất chưng cất: áp suất khí quyển P= 1atm

 Nồng độ nhập liệu (tính theo methanol): xF = 0.4 mol/mol

 Nồng độ sản phẩm đỉnh (theo phần mol): xD = 0.95 mol/mol

 Nồng độ sản phẩm đáy (theo phần mol):: xW = 0.05mol/mol

 Nồng độ phần khối lượng nhập liệu (tính theo methanol): x̅F

 Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh: x̅D

 Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy: x̅W

 Chọn:

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: 35°C

 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: 35°C

 Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

Tương tự với dòng sản phẩm đỉnh ta có phần khối lượng ứng với xD = 0.95 mol/mol là x̅D = 0.9297 và phần khối lượng sản phẩm đáy với xW = 0.05mol/mol là x̅W = 0.0353 Phương trình cân bằng vật chất[3]:

{ F = W + D

xFF = xWW + xDDVới F = 25 kmol/h, xF = 0.4 mol/mol, xD = 0.95 mol/mol, xW = 0.05 mol/mol, thay vào phương trình cân bằng vật chất ta tính được:

{ D = 9.72 kmol/h

W = 15.28 kmol/h

Bảng 2.1 Tóm tắt các thông số

xF = 0.4 mol/mol xD = 0.95 mol/mol xW = 0.05mol/mol

F̅ = 1010 kg/h D̅ = 317.9 kg/h W̅ = 692.1 kg/h

x̅F = 0.3168 kg/kg x̅D = 0.9297 kg/kg x̅W = 0.0353 kg/kg

2.3 Xác định chỉ số hồi lưu

2.3.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu

Ta có công thức tính chỉ số hồi lưu tối thiểu [3]:

Rmin =xD− yF

∗

yF∗− xFTrong đó: yF∗ là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi (methanol) trong pha hơi của dòng nhập liệu

yF∗ được xác định bằng đồ thị cân bằng lỏng hơi

Ta có bảng giá trị x, y của đường cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol và ethanol như sau:

Bảng 2.2 Số liệu cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol – ethanol [5]

Từ bảng giá trị ta vẽ được đồ thị cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol và ethanol như sau:

Hình 2.1 Giản đồ cân bằng lỏng – hơi của hỗn hợp methanol và ethanol ở 1 atm

2.4 Phương trình làm việc và số đĩa

2.4.1 Phương trình đường làm việc của đoạn cất (CT 2.31/78, [3])

2.4.2 Phương trình đường làm việc của đoạn chưng (CT 2.38/78, [3])

⇒ ySOL = 1.285 ∗ x − 0.0143

2.4.3 Số đĩa lý thuyết

Xác định số đĩa lý thuyết theo phương pháp Fenske [3]

Hình 2.3 Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết của hỗn hợp methanol – ethanol

*Từ đồ thị ta có 22 đĩa, số thứ tự đĩa được sắp xếp tăng dần từ đỉnh tháp đến đáy tháp, trong đó:

 11 đĩa cất

 1 đĩa nhập liệu tại đĩa số 12

 10 đĩa chưng ( 9 đĩa chưng + 1 nồi đun)

2.4.4 Số đĩa thực tế

Ta tính số đĩa thực tế dựa vào hiệu suất trung bình (IX.59/170, [2]):

Ntt = Nlt

ηtbTrong đó:

* Xác định 𝜂𝐷: Ta xác định ηD dựa vào hình IX/171, [2]:

Sau khi tính được tích số giữa độ bay hơi tương đối α và độ nhớt của hỗn hợp lỏng μhh, ta tra đồ thị sau để tìm ηD:

Hình 2.4 Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị

Xác định độ nhớt của hỗn hợp theo công thức (CT I.12/84, [1])

lgμhh= xD*lgμm + (1 – xD)* lgμeTrong đó:

μethanol = 0.534*10-3 Ns/m2Vậy độ nhớt của hỗn hợp lỏng:

 x, y: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, pha khí

 x, y: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, pha khí

lgμhh= xD*lgμm + (1 – xD)* lgμe = 0.95*lg(0.315*10-3) + (1-0.95)*lg(0.465*10-3)

=> μhh = 0.302*10-3 Ns/m2 = 0.302cP

Xác định độ bay hơi tương đối theo công thức [2]:

α = y

1 − y

1 − xxTrong đó:

 x, y: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, pha khí

*Vậy:

 20 đĩa cất

 1 đĩa nhập liệu tại đĩa số 12

 18 đĩa chưng

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG

Vtb: Lượng hơi trung bình trong tháp m3/h

ωtb: Tốc độ hơi trung bình 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 là 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 gd:(CT IX.92/181, [2])

gd = D (R + 1)= 9.72*(4.5+1) = 53.46 kmol/h = 1748.14 kg/h (Với D là sản phẩm đỉnh,

R là dòng hồi lưu và MhD = 32*0.95+(1-0.95)*46 = 32.7 kg/kmol)

G1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

r1: 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 từ đỉnh tháp

* Tính r 1 :

T1 = TF = 71.9oC tra bảng I.212/254 [1] và nội suy ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của methanol: rM1 = 1080.854 kJ/Kg

Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol: rE1 = 859.3 kJ/Kg

Suy ra: r1 = rM1*y1 + (1-y1)*rE1 = 1080.854y1 + 859.3 – 859.3y1 = 859.3 + 221.55y1

*Tính r d :

TD = 64.9oC tra bảng I.212/254 [1] và nội suy ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của methanol: rMd = 1097.71 kJ/Kg

Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol: rEd = 871.02 kJ/Kg

Suy ra: rd = rMd*yD + (1-yD)*rEd = 1097.71*0.97 + 0.0284*871.09 = 1089.52 kJ/kg

(Với xD = 0.95 suy ra yD = 0.97)

*Thế x1 = xF = 0.4; xD = 0.95; r1 = 859.3 + 221.55y1; rd = 1089.52; gd = 1748.14 vào phương trình:

3.1.1.2 Vận tốc hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất

Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn cất:(CT IX.105/184, [2])

(ρy∗ ωy)tb= 0,065 ∗ φ[σ]√h ∗ ρxtb∗ ρytb

ρxtb: khối lương riêng trung bình của pha lỏng kg/m3

ρytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi kg/m3

h: khoảng cách mâm (chọn h = 0.3 ứng với D = 0.6-1.2m)

φ[σ]: hệ số tính đến sức căng bề mặt

*Xác định 𝜌𝑦𝑡𝑏:

ρytb =[ytb∗ 32 + (1 − ytb) ∗ 46] ∗ 273

22.4 ∗ (ttb+ 273) -Nồng độ phần mol trung bình:

3.1.1.3 Đường kính đoạn cất

Dcất = 0.0188 ∗ √(ρ gtb

y∗ ωy)tb = 0.0188 ∗ √

1858.280.88 = 0.86 m

3.1.2 Đường kính đoạn chưng

3.1.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng

Tương tự phần tính của đoạn cất ta có:

Theo CT IX.91/181, [2]:

gtb′ = gn

′ + g1′

2 kg/h

gn′ : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng kg/h

g1′ : lượng hơi đi vào đoạn chưng kg/h

G1′: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

r1′: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

*Tính 𝑟1′: xW = 0.05 phần mol

⇒ yW = 0.08 (phần mol) = 0.057 (phần khối lượng)

T1′ = 77.2 oC (tra bảng I.212/254,[1]) ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của methanol: rM1′ = 1068.09 kJ/Kg

Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol: rE1′ = 850.42 kJ/Kg

Suy ra: r1′ = rM1′ yW + (1-yW) rE1′ = 862.96 kJ/kg

* Tính r 1: T1 = 71,9oC (tra bảng I.212/254,[1]) ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của methanol: rM1 = 1080.854 kJ/Kg

Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol: rE1 = 859.3 kJ/Kg

3.1.2.2 Vận tốc hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng

Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn chưng: (CT IX.105/184, [2])

(ρ ∗ ω ) = 0.065 ∗ φ[σ]√h ∗ ρ ∗ ρ

ρxtb: khối lương riêng trung bình của pha lỏng kg/m3

ρytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi kg/m3

h: khoảng cách mâm (chọn h = 0.3 ứng với D = 0.6-1.2m)

φ[σ]: hệ số tính đến sức căng bề mặt

*Xác định 𝜌𝑦𝑡𝑏:

ρytb =[ytb∗ 32 + (1 − ytb) ∗ 46] ∗ 273

22.4 ∗ (ttb+ 273) Nồng độ phần mol trung bình:

Ttb = 74,55 oC tra bảng I.2/9 [1] ta có:

ρmethanol = 741.45

ρethanol = 740.18

3.1.2.3 Đường kính đoạn chưng

Dchưng = 0.0188√ gtb

′(ρy ωy)tb= 0.88 m

Kết luận: hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng chênh lệch nhau không quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là 0.9 m

Từ đường kính D = 0.9 m ta tính vận tốc hơi thực tế như sau:

-Phần cất: