ĐỒ ÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT HỖN HỢP METHANOL – NƯỚC NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2500 KG HỖN HỢPH

Đồ án Kỹ Thuật Thực Phẩm là môn học mang tình chất tổng hợp trong quá trính học tập của các kỹ sư thực phẩm tương lai, môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tình toán cụ thể về yêu

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM



BÁO CÁO ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT HỖN HỢP METHANOL – NƯỚC NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU

LỜI CẢM ƠN



Sau thời gian nghiên cứu, học tập tại khoa Công Nghệ Thực Phẩm Trường Đại Học Công Nhiệp Thực Phẩm TP.Hồ Chì Minh, được sự giúp đỡ quý báu của các thầy giáo, cô giáo và bạn bè đồng nghiệp em đã hoàn thành bài báo cáo đồ án Kỹ Thuật Thực Phẩm, cho phép em được bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy cô giáo trong khoa Công Nghệ Thực Phẩm Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.Hồ Chì Minh đã giúp đỡ em hoàn thành bài báo cáo này

Đồng thời, em xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt tới thầy Nguyễn Hữu Quyền đã hướng dẫn tận tính và giúp đỡ em trong suốt quá trính thực hiện báo cáo này Do thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế, nên trong bài báo cáo Đồ Án Kỹ Thuật Thực Phẩm này sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, kình mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để bài báo cáo được tốt hơn, tạo điều kiện cho em bổ sung, nâng cao kiến thức của mính, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN



NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN



DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng cân bằng lỏng hơi cho hỗn hợp Methanol-nước ở 1 atm 2

Bảng 1.2 So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp 4

Bảng 3.1 Bảng cân bằng lỏng hơi cho hỗn hợp Methanol-nước ở 1 atm 8

Bảng 4.1 Thông số bìch ghép thân đáy và nắp 26

Bảng 4.2 Thông số đường kình ống dẫn vị trì nhập liệu 27

Bảng 4.2 Thông số đường kình ống dẫn ống hơi ở đỉnh tháp 28

Bảng 4.3 Thông số đường kình ống dẫn ống hoàn lưu 29

Bảng 4.4 Các thông số của bìch ghép ống dẫn hơi ở đáy tháp 29

Bảng 4.5 Các thông số của bìch ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp 30

Bảng 4.6 Các thông số của bìch ghép ống dẫn sản phẩm đáy 31

Bảng 4.7 Các thông số kìch thước của chân đỡ 32

Bảng 4.8 Các thông số kìch thước của tai treo 32

DANH MỤC HÌNH

Hính 3.1 Đồ thị t - x, y cho hệ Methnol- nước 9

Hính 3.2 Đồ thí cân bằng pha của hệ Methanol-nước ở áp suất 1atm 10

Hính 3.3 Biểu đồ chưng cất xác định số mâm lý thuyết 12

Hính 4.1 Hính dáy và nắp thiết bị 25

Hính 4.2 Hính bìch ghép than đáy và nắp 26

Hính 4.3 Hính chân đỡ tháp 32

Hình 4.4 Tai treo 33

MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu sơ bộ nguyên liệu 1

1.1.1 Methanol 1

1.1.2 Nước 2

1.1.3 Hỗn hợp Methanol-nước 2

1.2 Lý thuyết về chưng cất: 2

1.2.1 Khái niệm 2

1.2.2 Các phương pháp chưng cất: 3

1.2.3 Thiết bị chưng cất 3

Chương 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 5

2.1 Quy trình 5

2.2 Chú thích các kí hiệu trong qui trình 5

Chương 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 7

3.1 Các thông số ban đầu 7

3.2 Cân bằng vật chất 7

3.2.1 Nồng độ phần mol của Methanol trong tháp 7

3.2.2 Suất lượng mol của các dòng vật chất 8

3.2.3 Các phương trính làm việc 11

Chương 4: THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 14

4.1 Đường kính tháp 14

4.1.1 Đường kính phần luyện 14

4.1.2 Đường kính phần chưng 16

4.2 Mâm lỗ - Trở lực của mâm 18

4.2.1 Cấu tạo mâm lỗ 18

4.2.2 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 22

4.3 Tình toán cơ khì của tháp 24

4.3.1 Bề dày thân tháp 24

4.3.2 Đáy và nắp thiết bị 25

4.3.3 Bìch ghép thân đáy và nắp 26

4.3.4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn 27

4.3.5 Tai treo và chân đỡ 31

Chương 5: TÍNH THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT, THIẾT BỊ PHỤ 34

5.1 Các thiết bị truyền nhiệt 34

5.1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 35

5.1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 39

5.1.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 45

5.1.4 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 53

5.2 Tình toán bơm nhập liệu 57

5.2.1 Tính chiều cao bồn cao vị 57

5.2.2 Chọn bơm 62

Lời mở đầu

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học đặc biệt là ngành chóa chất cơ bản

Hiện nay, trong nhiều ngành sản xuất hóa học cũng như sử dụng hóa chất thí nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao ngày càng cấp thiết, đáp ứng yếu cầu của người sử dụng hoặc những quy trính sản xuất khác nhau

Có rất nhiều phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như: trìch ly, chưng cất, cô đặc, hập thụ,… tùy theo đặc tình yêu cầu của sản phẩm mà

ta có lựa chọn phương pháp thìch hợp Đối với Methanol-nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Methanol

Đồ án Kỹ Thuật Thực Phẩm là môn học mang tình chất tổng hợp trong quá trính học tập của các kỹ sư thực phẩm tương lai, môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm

vụ tình toán cụ thể về yêu cầu công nghệ, kết cấu của một thiết bị trong sản xuất thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của Đồ Án Môn Học là thiết kế tháp chưng cất Methanol-nước hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu 2500kg/h có nồng độ 10% mol Methanol, thu được sản phẩm đỉnh 92% Methanol

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu sơ bộ nguyên liệu

Nguyên liệu là hỗn hợp Methanol - Nước

1.1.1 Methanol

Methanol là chất lỏng không màu, tan vô hạn trong nước, có mùi đặc trưng, rất độc Một lượng nhỏ Methanol có thể gây mù lòa, lượng lớn gây tử vong Methanol có công thức phân tử CH3OH, phân tử lượng 32.04 đvC Methanol có các tình chất lý hóa sau:

Khoảng 40% Methanol được chuyển thành formal dehyde, từ đó sản xuất ra chất dẻo, sơn… Các hóa chất khác được chế tạo từ dẫn xuất từ Methanol bao gồm dimeylete…

1.1.1.2 Sản xuất

Methanol được sinh ra từ sự trao đổi chất yếm khì của 1 vài loài vi khuẩn Kết quả là 1 lượng nhỏ hơi Methanol được tạo thành trong không khì Và sau vài ngày không khì có chứa Methanol sẽ bị oxy hoá bởi O2 dưới tác dụng của ánh sáng chuyển thành CO2 và H2O theo phương trính:

2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O

Hiện nay Methanol được sản xuất bằng cách tổng hợp trực tiếp từ H2 và CO, gia nhiệt ở áp suất thấp có mặt chất xúc tác

− Khối lượng phân tử : 18g / mol

− Khối lượng riêng d 4oC : 1g / ml

Ta có bảng cân bằng lỏng-hơi cho hỗn hợp Methanol-nước ở 1 atm

Bảng 1.1 Bảng cân bằng lỏng hơi cho hỗn hợp Methanol-nước ở 1 atm

t o C 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,5 66 64,5

y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100 Chú thích: x là thành phần lỏng

Thay ví đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trính hấp thu hoặc nhả khì, trong quá trính chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ

Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gí nhau, tuy

nhiên giữa hai quá trính này có một ranh giới cơ bản là trong quá trính chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trính cô đặc thí chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thí hệ có bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thí ta thu được 2 sản phẩm:

− Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ìt các cấu

1.2.2.2 Phân loại theo nguyên lý làm việc

− Chưng cất đơn giản

− Chưng bằng hơi nước trực tiếp

− Chưng cất đa cấu tử

1.2.2.3 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp

− Cấp nhiệt trực tiếp

− Cấp nhiệt gián tiếp

Vậy đối với hệ Methanol - nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp

(Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng cất, kèm file: He_thong_thiet_bi_chung_cat.dwg )

1.2.3 Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tìch bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khì phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khì ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

 Tháp mâm: thân tháp hính trụ, thẳng đứng phìa trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

− Tháp mâm chóp: trên mâm bố trì có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…

− Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

− Tháp chêm (tháp đệm): tháp hính trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bìch hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

Bảng 1.2 So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp

- Hiệu suất khá cao

Trong báo cáo này ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Methanol - nước

Thiet_bi_chung_cat_thap_mam_xuyen_lo.dwg )

Chương 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 Quy trình

Hỗn hợp Methanol - nước có nồng độ nhập liệu Methanol 10% (theo phần hối lượng), nhiệt độ khoảng 28oC tại bính chứa nguyên liệu (13) được bơm (1) bơm lên bồn cao vị (2) Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy (12) Sau

đó, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (3), rồi được đưa vào tháp chưng cất (5) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi ví đã bị pha hơi tạo nên từ hơi nước được cấp trực tiếp vào đáy tháp lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thí cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử methsanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 95% phần khối lượng) Hơi này đi vào thiết

bị ngưng tụ (7) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng Phần còn lại được làm nguội đến 40oC, rồi đưa về bính chứa sản phẩm đỉnh

Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Methanol là 1,5% phần khối lượng, còn lại là nước Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp đi vào thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu, rồi được đưa qua bồn chứa sản pham đáy (11)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Methanol Sản phẩm đáy là nước sau khi trao khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu được thải bỏ ở nhiệt độ 600

C

2.2 Chú thích các kí hiệu trong qui trình

1 Bồn chứa nguyên liệu

2 Bơm

3 Bồn cao vị

4 Thiết bị trao đổi nhiệt

5 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

Chương 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

3.1 Các thông số ban đầu

Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ Thiết bị hoạt động liên tục

Khi chưng luyện dung dịch Methanol thì cấu tử dễ bay hơi là Methanol

− Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tBĐ = 28oC

− Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tPR = 35oC

− Trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi

 Các ký hiệu:

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

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

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

L: suất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h

xi, : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i

y*: Nồng độ phần mol của cấu tửdễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

3.2 Cân bằng vật chất

3.2.1 Nồng độ phần mol của Methanol trong tháp

F x

W x

i

x

Khối lượng trung bình của dòng nhập liệu

MF = MR×xF + MN(1-xF)=32×0.09 + 1818 = 19.26 (kg/kmol)

Vậy

3.2.2 Suất lượng mol của các dòng vật chất

Phương trính cân bằng vật chất cho toàn tháp

Từ số liệu từ bảng cân bằng lỏng-hơi cho hỗn hợp Methanol-nước ở 1 atm (bảng 1):

Bảng 3.1 Bảng cân bằng lỏng hơi cho hỗn hợp Methanol-nước ở 1 atm

t o C 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,5 66 64,5

y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100



Từ số liệu của bảng 1 ta xây dựng đồ thị t-x,y cho hệ Methnol- nước

Hình 3.1 Đồ thị t - x, y cho hệ Methnol- nước

Hình 3.2 Đồ thì cân bằng pha của hệ Methanol-nước ở áp suất 1atm

Do ta chọn trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi nên từ đồ thị 1 trên, tại xF = 0.09 ta nội suy từ đồ thị 1ra nhiệt độ nhập liệu vào tháp chưng cất là

TF = 88.5 0C, nội suy từ đồ thị 2 được 0.388

3.2.3 Các phương trình làm việc

3.2.3.1 Phương trình làm việc của phần luyện

(1)

Trong đó: R là tỷ số hoàn lưu, R = 1,3Rmin + 0,3 Tỷ số hoàn lưu tối thiểu Rmin

Vậy tỷ số hoàn lưu làm việc R=1.3×1.79+0.3 =2.627 Thay số vào phương trính (1), ta được: hay: y = 0.72x+0.24 Vậy phương trính làm việc của phần luyện là: y = 0.72x+0.24 3.2.3.2 Phương trình làm việc của phần chưng Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu

Phương trính làm việc của đoạn chưng

hay: y=3.65x – 2.69

3.2.3.3 Vẽ biểu đồ chưng cất, xác định số mâm lý thuyết

Bước 1: Vẽ đường cân bằng lỏng-hơi của hỗn hợp Methanol – Nước đem chưng cất Bước 2: Vẽ đường nhập liệu có phương trính x = xF = 0.09

Bước 3: Vẽ đường làm việc phần luyện có phương trính y = 0.72x+0.24 đi qua 2 điểm

D (xD ; yD) và (0; xD/(R+1)) hay D (0.87;0.87) và điểm (0;0.24)

Bước 4: Vẽ đường làm viêc phần chưng đi qua 2 điểm W (xW ; yW = xW) và giao điểm

F của đường nhập liệu và đường làm việc phần luyện

Bước 5: Vẽ các đường bậc thang giới hạn bởi 2 đường làm việc và đường cân bằng, đếm số bậc thang là số mâm lý thuyết của tháp chưng cất

Hình 3.3 Biểu đồ chưng cất xác định số mâm lý thuyết

Từ đồ thị ta đếm được có 7 mâm lý thuyết, trong đó 4 mâm phần luyện và 3 mâm phần chưng

3.2.3.4 Xác định số mâm thực tế

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:

tb

lt tt

N N



Trong đó:

tb: hiệu suất trung bính của đĩa là một hàm số cuar độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng:  = f(,)

Ntt: số mâm thưucj tế, Nlt: số mâm lý thuyết

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

Độ bay hơi tương đối của cấ tử dễ bay hơi

x

x

1y1

Với: x: phân mol của rượu trong pha lỏng

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

b Tại vị trí nhập liệu

xF = 0,09, tra đồ thị cân bằng hệ Methanol-nước ta được: y*F = 0,388 , tF = 88,5 oC

Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi

41.609,0

09,01.388,01

388,0x

x1y1

yα

Tra hình IX, trang 171, [2], ta được F = 0,385

c Tại vị trì mâm đáy

xW = 0,01, Tra đồ thị cân bằng hệ Methanol-nước: y*W = 0,045, tW = 98 oC

01,0

01,01045,01

045,0x

x1y1

yα

d Tại vị trì mâm đỉnh

xD = 0,87, Tra đồ thị cân bằng của hệ: y*D = 0,942, tD = 66,5 oC

87,0

87,01942,01

942,0x

x1y1

yα

+ Từ x D  92 % và tD = 66,5 oC, Tra Toán đồ I.18, trang 90, [1],

D = 0.335 cP Suy ra: αD D = 2.4270.335 = 0.81 Tra hình IX, trang 171, [2], ta được D = 0.52

Suy ra: Hiệu suất trung bình của tháp

3

520.0435.0385.0

Chương 4: THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

Trong đó: Vtb: lượng hơi (khì) trung bính đi trong tháp m3/h

: tốc độ hơi trung bính đi trong tháp, m/s

: Lượng hơi trung bính đi trong tháp, kg/h

: tốc độ hơi trung bính đi trong tháp, kg/m2s

Lượng hơi trung bính đi trong phần chưng và phần luyện khác nhau, do đó đường kính đoạn chưng và đoạn uyện cũng khác nhau

4.1.1 Đường kính phần luyện

 Lượng hơi trung bình đi trong tháp,

Theo CT IX.91, trang 181, [2]

trong đó lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h

: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h

D r

g r g

x D x G y g

D G g

.

.

1 1

1 1 1 1

1 1

Trong đó 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 ở đỉnh tháp

Tính r 1

T1 = TF = 88.50C, Tra bảng 1.212, trang 254, [1], ta được

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rN1 = 41260 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: rR1 = 33077 (KJ/kmol)

Suy ra: r1 = rR1.y1 + (1 - y1).rN1 = 41260 – 33077.y1 (KJ/kmol)

Tính r d

Với xD = 0.87, nội suy từ hình 1, tD = 66,5oC, yD = 0.94

tD = 66,5oC, Tra bảng 1.212, trang 254, [1], ta được

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rN1 = 42617 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: rR1 = 34464 (KJ/kmol)

Suy ra: rd = rRd.yD + (1-yD).rNd

41260 (

87 0 07 12 09 0

07 12

1

1 1 1

1 1

g

G y g

G g

Giải hệ trên ta được :

Trong đó: xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

ytb: khối lượng riêng trung bính trong pha hơi (Kg/m3)

273.18.132

ytb

t

y y

Với: + Nồng độ phân mol trung bình: ytb =

=77,5oC Suy ra: ytb =0.93 (Kg/m3)

= 0.48

Suy ra:

18)

1(32

.32

tb tb

tb tb

x x

x x

13.803.05,0

05,

8 ,

105.5050188

.0(

.0188,

y y



Trong đó: g’n: Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng Kg/h)

g’1: Lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h)

1

1 ' 1 1 ' 1 ' 1 '

.'.''.'

'

r g r g r g

x W y g x G

W g G

n n

W

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

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

Tính r’ 1: xW =0,01 tra đồ thị hệ cân bằng ta có: yW =0,043

Suy ra: Mtbg’ = 32.yW +(1-yW).18

= 32.0.043+18.(1-0.043)=18.602 (Kg/kmol) t’1 = tW = 98oC, Tra bảng 1.212, trang 254, [1], ta được:

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r’N1 = 40620 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: r’R1 = 32422.58 (KJ/kmol)

Suy ra: r’1 = r’R1.yW + (1-yW).r’N1

.96651.40267.'

01.073.117043.0.'

73.117

1

1 ' 1 1 ' 1 ' 1 '

g

g x G

g G

'

'.05,0'





 

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

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

273 18 ' 1 32 ' '

ytb

t

y y





Thay số vào công thức tính ’ytb,Suy ra:  ’ytb =0.679 (Kg/m )

18 ).

' 1 ( ' 32

' 32

tb tb

x x

x

t’tb = 93,25oC, tra bảng I.2 trang 9 [1], ta có:

Khối lượng riêng của nước:  ’N = 967,975(Kg/m3) Khối lượng riêng của rượu:  ’R = 740.25(Kg/m3)

Áp dụng công thức IX.104 a trang183,[I],

Suy ra:  ’xtb =

1

'

'1'

31 953 05 , 0

Để tránh tạo bọt, ta chọn tốc độ hơi trung bính đi trong tháp:

498 1 873 1 8 , 0 ' 8 , 0

29.855

0188,

105.505.0188,0

.0188,0

2 2 2

2





ytb t

29.855.0188,0'

'.0188,0

2 2 2

2





ytb t

tb

D

g

4.2 Mâm lỗ - Trở lực của mâm

4.2.1 Cấu tạo mâm lỗ

Chọn:

+ Đường kính lỗ: dl = 3 (mm)

+ Tổng diện tích lỗ bằng 9% diện tích mâm

+ Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 2.5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo hình lục giác đều)

+ Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10

+ Diện tích dành cho ống chảy truyền là 20% diện tích mâm

+ Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T

Vậy, số lỗ trên một mâm là:

55,0.09,0

09,0

2 2

Giải phương trính bậc 2 suy ra a =35, Tổng số lỗ N=3571

Vậy ta bố trí các lỗ trên một mâm thành 35 hàng, Số lỗ trên đường chéo: b = 2a -

1 = 69 lỗ

4.2.1.1 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm

Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm chất lỏng) là tổng các độ giảm

áp của pha khì qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng

htl = hk + hl + hR (mm chất lỏng)

Với: + hk: độ giảm áp qua mâm khô (mm chất lỏng)

+ hl: độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm (mm chất lỏng) +hR: độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm chất lỏng)

Trong tháp mâm xuyên lỗ Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm  là không đáng kể nên có thể bỏ qua

4.2.1.2 Độ giảm áp qua mâm khô

Độ giảm áp của pha khì qua mâm khô đưuọc tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất

do dòng chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ

L G o

o L

G o

o k

C

u g

.2

2 2 2

Với: + uo: vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s)

+ G: khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m3)

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

+ Co:hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ

số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ

=0,6.Tra tài liệu tham khảo, trang 111, [Quá trính

và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm, tập 3]: Co = 0,745

 Đối với mâm ở phần cất

− Vận tốc của pha hơi qua lỗ: uo = 7

09,0

63,009

0lv  

(m/s)

− Khối lượng riêng của pha hơi: G = ytb = 0.93 (Kg/m3)

− Khối lương riêng của pha lỏng: L = xtb = 803.13 (Kg/m3)

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất

13.803

93.0.745,0

7.0,51

 Đối với mâm ở phần chưng

Vận tốc pha hơi qua lỗ: u’o = 13 7

09 , 0

24 1

% 9

− Khối lượng riêng của pha hơi: ’G = ’ytb = 0,679 (Kg/m3)

− Khối lượng riêng của pha lỏng: ’L = ’xtb = 953.31 (Kg/m3)

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

31.953

679,0.745,0

7.13.0,51

4.2.1.3 Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm

Phương pháp đơn giản để ước tình độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất lỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw, chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm 

hl = .( hw + how ), mm chất lỏng Chọn: + Hệ số hiệu chỉnh:  = 0,6

+ Chiều cao gờ chảy tràn: hw = 50 (mm) Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trính Francis với gờ chảy tràn phẳng

3

.4,

43  



w

L ow

L q

Với: + qL: lưu lượng của chất lỏng (m3/ph)

+ Lw: Chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)

Với: no: Góc ở tâm chắn bởi chiều dài Lw

18.30.07.12.627,2

60

M D R q

0198 , 0 4 , 43

532.18507.46'

.60

M G q

399 , 0

015 , 0 4 , 43 '

d

h

54 , 625





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

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

Tra bảng 1.249, trang 300, [1], ta có

+ Sức căng bề mặt của rượu: R = 18.45 (dyn/cm)

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

42.1445.1804.66

45.1804.66

R N

42.14.54,

+ Sức căng bề mặt của rượu: ’R = 16,5075 (dyn/cm)

Vậy, sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng là

974.125075.166135.60

5075.166135.60'

'

'.'

R N

974,12.54,625

htl = 7 htl + 9 h’tl = 7 × 391.698 + 9 ×390.903=6260.013 (N/m2)

4.2.2 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động

Chọn khoảng cách giữa 2 mâm hmâm = 250mm Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền được tính theo công thức:

hd = hw + how + htl + hd’ (mm chất lỏng) Với: hd’ là tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được xác định theo biểu thức sau:

2 '

100 128

S

Q

Trong đó: + QL: lưu lượng của chất lỏng(m3/h)

+ Sd: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm Khi đó: Sd = 0,8 Smâm = 0,8 .0,2752 = 0,1899 (m2)

 Phần cất: QL = 60.qL = 60 × 0.0198= 1.188 (m3/h)

1899,0.100

1899.1.128,0

9.0.128,0'

mâm  

h

(mm): Đảm bảo khi hoạt động các

mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt Vậy khi tháp hoạt động đảm bảo tháp không

bị ngập lụt

Chiều cao của thân tháp: Hthân =Ntt (hmâm+mâm ) + 0,8

=16×(0,250+0,0018) +0,8 =4,0288(m)

Chiều cao của đáy và nắp: Hđ = Hn =ht +hgờ =0,125+0,025=0,150(m)

(Xem phần chọn trong phần tình đáy và nắp thiết bị)

Chiều cao của tháp: H = Hthân + Hđ + Hn = 4.0288+0.150+0.150=4.3288(m)

4.3 Tính toán cơ khí của tháp

4.3.1 Bề dày thân tháp

Ví tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường, nên ta thiết kế than tháp hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang) Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của etylic đối với thiết

bị, ta chọn vật liệu chế tạo than tháp là thép không gỉ mã X18H10T

Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán

Ptt =Pcl + htl, (N/mm2) Với: Pcl : Áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm2)

Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn an toàn:

Đối với rượu hệ số hiệu chỉnh bằng 1:  = 1

Vậy ứng suất cho phép: [] = .[]* = 142 (N/mm2)

 Xác định bề dày than chịu áp suất trong

Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hồ quang điện bằng tay nên

hệ số mối hàn h = 0,9

Xét tỷ số  

558 2934 9

, 0 04355 , 0

04355,0600

P D

S



Suy ra, bề dày thực của thân:: St = S’t + C,(mm)

Trong đó: C:hệ số bổ sung bề dày, C = Ca + Cb + Cc + Co

Với: + Ca: hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của chất lỏng

Chọn tốc độ ăn mòn của rượu là 0,1 (mm/năm), thiết bị hoạt động trong 20 năm,

2602

2602.2.9,0.142.2

2

a t h tt

C S D

C S

Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao, chọn bìch được ghép than, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích là bích liền không cổ

Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định Đệm làm bằng các vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt của bích Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm

là dây amiăng, có bề dày là 3mm

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

Bìch được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ

4.3.4.1 Vị trí nhập liệu

Suất lượng nhập liệu:GF = 2500 (kg/h), tF = 88,5oC và x F 15%

Khối lượng riêng của chất lỏng nhập liệu, tra tài liệu tham khảo [1],

F = 901,175 (Kg/m3)

Lưu lượng chất lỏng nhập liệu đi vào tháp: 2.77

175.901

G Q

77.24

.3600

.4

Suy ra: chọn đường kính ống nhập liệu: dF = 0,070 (m)

Tra tài liệu tham khảo [2], trang 434 chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích lF = 110 (mm)

Các thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu Tra tài liệu tham khảo [2], Trang

Khối lương riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức (xác định ở tD = 66,5oC và yD = 0,94)

118.1)

2735.66(4.22

27318)94.01(94.032273

.4,22

273.18.1.32

h

t

y y

Lưu lượng hơi ra khỏi tháp: 1181.574

118.1

574.11814

.3600

.4

Suy ra:chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 0,200 (m)

Tra tài liệu tham khảo [2], trang 434: lh = 80 (mm)

Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp, tra tài liệu tham khảo [2], trang 410

Bảng 4.2 Thông số đường kính ống dẫn ống hơi ở đỉnh tháp

29.1148

G Q

57 1 4

3600

4

Suy ra:chọn đường kính ống hoàn lưu: dhl = 0,050 (m)

Tra tài liệu tham khảo [2], trang 434: lhl = 100 (mm)