ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ: CHƯNG CẤT ETANOLNƯỚC

Nhiệm vụ của Đồ án môn học là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol- Nước hoạtđộng liên tục với năng suất nhập liệu: 3500 kg/h, năng suất nhập liệu là 30% khốilượng, thu được sản phẩm đỉnh c

VIỆN KỸ THUẬT– KINH TẾ BIỂN

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

VIỆN KỸ THUẬT – KINH TẾ BIỂN Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NGÀNH CN KỸ THUẬT HÓA HỌC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

1 Họ tên sinh viên

Trần Bá Thuần MSSV:16031492

2 Giáo viên hướng dẫn: Thầy Dương Quốc Khanh

3 Tên đồ án: Thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp hai cấu tử

etanol – nước năng suất 3500 kg/h.

4 Dữ kiện ban đầu

+ Năng suất nhập liệu 30% khối lượng.

+ Nồng độ ethanol trong sản phẩm đỉnh 80% khối lượng + Nồng độ ethanol trong sản phẩm đáy 0,5% khối lượng.

5 Nhiệm vụ đồ án

Nội dung:

- Xây dựng hoặc lựa chọn được quy trình công nghệ vàdạng thiết bị phù hợp

- Tính cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng

- Tính các thông số cơ bảng cho thiết bị

- Tính toán và lựa chọn thiết bị phụ

Bảng vẽ:

- 01 bảng A1 vẽ sơ đồ công nghê (vẽ máy)

- 01 bảng vẽ A1 chi tiết thiết bị chính (vẽ tay)

6 Ngày nhận đồ án: 24/12/2019

7 Ngày hoàn thành:

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 suốtthời gian từ khi bắt đầu làm đồ án đến nay, chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan

tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô và bạn bè đặc biệt là Thầy Dương Quốc Khanh thầy

luôn quan tâm, động viên cũng như giúp đỡ chúng em để chúng em có thể hoàn thànhđược đồ án này

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến quý Thầy Cô khi màvới tri thức và tâm huyết của mình đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng emtrong suốt thời gian qua Và đặc biệt, trong học kỳ này, Ngành đã tổ chức cho chúng

em được tiếp cận với môn học mà theo em là rất hữu ích đối với sinh viên ngành Công

Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học Đó là “Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị”.

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Dương Quốc Khanh đã tận tâm

hướng dẫn chúng em qua từng buổi học trên lớp cũng như những buổi hướng dẫnriêng Nếu không có những lời hướng dẫn, chia sẽ của thầy thì em nghĩ đồ án củachúng em rất khó có thể hoàn thiện được Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm

ơn thầy

Đồ án này được thực hiện trong khoảng thời gian gần 10 tuần Lần đầutiên được tiếp xúc với đồ án, kiến thức của chúng em còn hạn chế và còn nhiều bỡngỡ Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được những

ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của

em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn

Nhóm sinh viên thực hiện

Trần Bá Thuần

1 Mức độ hoàn thành yêu cầu

2 Bố cục

3 Nội dung

4 Nhận xét khác

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(ký và ghi rõ họ tên)

1 Mức độ hoàn thành yêu cầu

2 Bố cục

3 Nội dung

4 Nhận xét khác

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

(ký và ghi rõ họ tên)

LỜI MỞ ĐẦU

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

Hiện nay, trong nhiều ngành sản xuất hóa học và sử dụng sản phẩm hóa học,nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quytrình sản xuất 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 Etanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, taphải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trongquá trình học tập của các kỹ sư hóa học tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyếtnhiệm vụ tính tốn cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bịtrong sản xuất hóa chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng nhữngkiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế mộtcách tổng hợp

Nhiệm vụ của Đồ án môn học là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol- Nước hoạtđộng liên tục với năng suất nhập liệu: 3500 kg/h, năng suất nhập liệu là 30% khốilượng, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 80% khối lượng etanol, sản phẩm đáy cónồng độ 0.5% khối lượng etanol với áp suất làm việc của nồi hơi là 2,5at

MỤC LỤ

LỜI MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý Thuyết Về Chưng Cất 4

1.1.1 Phương pháp chưng cất 4

1.1.2 Thiết bị chưng cất 5

1.2 Giới Thiệu Sơ Bộ Nguyên Liệu 6

1.2.1 Dung dịch Etanol (Còn gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm) 7

1.2.2 Nước 10

1.2.3 Hỗn hợp Etanol – Nước 10

1.3 Công Nghệ Chưng Cất Hệ Etanol – Nước 11

1.3.1 Thuyết minh dây chuyền công nghệ 11

1.3.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ 12

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 14

2.1 Các Thông Số Ban đầu 14

2.2 Cân bằng vật liệu 15

2.2.1 Tính nồng độ phần mol dựa vào nồng độ khối lượng 15

2.2.2 Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp 15

2.2.3 Tính khối lượng mol trung bình 16

2.2.4 Chỉ số hồi lưu thích hợp, số đệm lý thuyết 16

2.3 Phương trình đường làm việc số mâm lý thuyết 18

2.3.1 Phương trình đường làm việc của đoạn luyện 18

2.3.2 Phương trình đường làm việc của đoạn chưng 18

2.4 Xác định số đĩa thực tế 20

3.1 Đường kính tháp 23

3.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp 23

3.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp 26

3.1.3 Tính lượng hơi trung bình trong đoạn cất 27

3.1.4 Đường kính đoạn chưng 28

3.2 Mâm Lỗ – Trở Lực Của Mâm 31

3.2.1 Cấu tạo mâm lỗ 31

3.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm 32

3.2.3 Độ giảm áp qua mâm khô 32

3.2.4 Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm 34

3.2.5 Độ giảm áp do sức căng bề mặt 35

3.2.6 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 36

3.3.1 Bề dày thân tháp 38

3.3.2 Đáy và nắp thiết bị 40

3.3.3 Bích ghép thân, đáy và nắp 41

3.3.4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn 42

CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ 52

4.1 Các Thiết Bị Truyền Nhiệt 52

4.2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 54

4.2.1 Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh 54

4.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 55

4.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 60

4.3.1 Suất lượng nước cần dùng để làm mát sản phẩm đỉnh 60

4.3.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 61

4.4 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 66

4.4.1 Suất lượng hơi nước cần dùng 67

4.4.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 67

4.5 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy 71

4.5.1 Nhiệt độ dòng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy 71

4.5.2 Xác định bề mặt truyền nhiệu 72

4.6 Thiết gia nhiệt nhập liệu 78

4.6.1 Suất lượng hơi nước cần dùng : 79

4.6.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 79

4.7 Tính chiều cao bồn cao vị 85

4.7.1 Tổn thất đường ống dẫn 86

4.7.2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt 87

4.7.3 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu 88

4.8 Chọn bơm 91

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN1.1 Lý Thuyết Về Chưng Cất.

1.1.1 Phương pháp chưng cất.

Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu

tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khácnhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi- ngưng tụ,trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại Khác với cô đặc, chưngcất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thuđược bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sảnphẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ), sảnphẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi thấp (nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ Etanol-Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol và một ít nước, ngược lại sản phẩm đáy chủyếu gồm nước và một ít etanol

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:

 Áp suất làm việc:

+ Chưng Cất Áp Suất Thấp

+ Áp Suất Thường

+ Áp Suất Cao

Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu

tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảmnhiệt độ sôi của các cấu tử

 Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chưng đơn giản) và liên tục

– Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong

các trường hợp sau:

+ Khi nhiệt độsôi của các cấu tử khác xa nhau

+ 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

– Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá

trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn

 Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thườngđược áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước

Vậy: đối với hệ Etanol– Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt

gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

1.1.2 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

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhấtthường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hóa dầu Kích thước của tháp: đườngkính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinhkhiết của sản phẩm Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm vàtháp chêm

 Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu

tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng

và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

– Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm

 Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt

bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếpngẫu nhiên hay xếp thứ tự

Bảng 1.1: So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp.

Ưu điểm - Đơn giản - Hiệu suất tương đối

cao - Hiệu suất cao

- Trở lực thấp - Hoạt động khá ổn định - Hoạt động ổn định

- Làm việc với chất lỏng bẩn

Nhược

điểm - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp.

- Độ ổn định kém

- Yêu cầu lắp đặt khắt khe → lắp đĩa thật phẳng

- Trở lực lớn

- Thiết bị nặng - Không làm việc với

chất lỏng bẩn

Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và

tháp mâm chóp Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ

Vậy: Chưng cất hệ Etanol- Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở

áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp

1.2 Giới Thiệu Sơ Bộ Nguyên Liệu.

Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol- Nước.

1.2.1 Dung dịch Etanol (Còn gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm).

Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Là chấtlỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước

 Một số thông số vật lý và nhiệt động của etanol:

– Hằng số phân ly của etanol: , cho nên etanol là chất trung tính.

– Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm,Natrihydrua(NaH), Natriamit(NaNH2)

CH3-CH2-OH + NaH → CH3-CH2-ONa + H2

cơ đều tạo ra ester

CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O

CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 CH3-COO-C2H5 + H2O

Lạnh

H+

Phản ứng trên nhóm hydroxyl:

+ Tác dụng với HX:

CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O+ Tác dụng với Photpho trichloride:

CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl+ Tác dụng với NH3:

CH3-CH2-OH + NH3 C2H5-NH2 + H2O+ Phản ứng tạo eter và tách loại nước:

2CH3-CH2-OH (CH3-CH2)2O + H2O

CH3-CH2-OH CH2=CH2 + H2O+ Phản ứng hydro và oxy hoá

CH3-CH2-OH CH3-CHO + H2

 Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò quantrọng trong nền kinh tế quốc dân Nó là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệpnặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nôngnghiệp

Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần Trang 8

Al2O3, t0

H2SO4

<150oC

H2SO4 170oC

Cu 200- 300oC

Sơ đồ 1.1: Tóm tắt vị trí của etanol trong các ngành công nghiệp.

 Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrathóa etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và este của etanol khi đunnóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hóa aldyhyt acetic; từ các hợp chất cơkim…

Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinhbột Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản xuất etanol chủ yếu là sử dụng

chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột:

C6H6O6 2C2H5OH + 2CO2 (+28 Kcal)Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO2

Nấm men Zymaza

+ Thuốc súng không khói.+Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay

5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxerin, acidsucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ (lactic, butyric…).

1.2.2 Nước.

– Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi,không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt

– Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:

+ Khối lượng phân tử : 18 g/mol+ Khối lượng riêng c : 1 g/ml+ Nhiệt độ nóng chảy : 00C + Nhiệt độ sôi : 1000 C– Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nướcbiển) và rất cần thiết cho sự sống

– Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và làdung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học

1.2.3 Hỗn hợp Etanol – Nước.

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol Nước ở 760 mmHg:

-Bảng 1.2: Thành phần lỏng x (% phần mol)– hơi y(% phần mol) và nhiệt độ sôi của

hỗn hợp Etanol - Nước ở 760 mmHg Trích bảng IX.2a(II-146)

y 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,

8 100

t( o C) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78, 78,

4 4

Hình 1.1: Thành phần lỏng x (% phần mol)– hơi y(% phần mol) và nhiệt độ sôi của

hỗn hợp Etanol - Nước ở 760 mmHg

1.3 Công Nghệ Chưng Cất Hệ Etanol – Nước.

Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,30C ở760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg: hơi cách biệt khá xa nênphương pháp hiệu quả để thu etanol 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 khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạphơn hay quá trình tách không được hồn tồn

1.3.1 Thuyết minh dây chuyền công nghệ.

Dung dịch đầu được bơm vào thùng chứa (1) lên bồn cao vị (4) nhờ bơm thủy lực(2) rồi chảy vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) của dòng tận dụng nhiệt của sản phẩm đáy Sau

đó được dẫn qua lưu lượng kế (8) để kiểm soát lưu lượng trước khi vào thiết bị gia nhiệtnhập liệu (6) Ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước qua nhiệt.Dung dịch sau khi đun sôi sẽ đi vào tháp chưng luyện

Tại đĩa tiếp liệu đoạn lỏng được trộn lẫn với phần lỏng của đoạn cất của tháp chảyxuống Trong tháp chưng luyện, hơi đi từ dưới lên và gặp chất lỏng chảy từ trên xuống Ởđây đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trongphần chưng, càng xuống dưới càng giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì bị pha hơi tạo nênnồi đun đi từ dưới lên lôi cuốn các cấu tử dễ bay hơi Đối với hỗn hợp nguyên liệu này thìetanol có nhiệt độ sôi thấp nên là cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nênhơi có đi từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ bị ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnhtháp ta thu được etanol nhiều nhất Hơi ra khỏi tháp sẽ qua thiết bị ngưng tụ sản phẩmđỉnh (13), sản phẩm đỉnh sau khi được ngưng tụ được chia dòng tại thiết bị chia dòng(14) Một lượng dòng sẽ được hồi lưu đi qua lưu lượng kế trước khi về tháp tại đĩa trêncùng để nâng cao hiệu suất tách etanol trong sản phẩm đỉnh Dòng còn lại sẽ đi qua thiết

bị làm lạnh (15) để giảm nhiệt độ rồi chuyển xuống thùng chứa sản phẩm đỉnh (16)

Chất lỏng chảy từ trên xuống gặp hơi nước từ dưới lên có nhiệt độ cao nên một phầncấu tử nhẹ sẽ bay hơi Do đó càng xuống thấp nồng độ cấu tử khó bay hơi càng cao, cuốicùng sản phẩm đáy ta thu được hầu hết là cấu tử nặng Hỗn hợp này sẽ ra khỏi tháp đượcbơm vào nồi đun sản phẩm đáy (10) Trong nồi đun các cấu tử dễ bay hơi sẽ bốc hơi cungcấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun và đi qua thiết bị traođổi nhiệt (5) để tận dụng nhiệt Sau đó được đưa vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (11)rồi vào bồn chứa sản phẩm đáy (12) Ở đáy tháp có áp kế (18) và nhiệt kế (17) để kiểmsoát áp suất và nhiệt độ

Thiết bị gia nhiệt (6) và nội đun (10) được gia nhiệt bằng hơi đốt nên sau mộtkhoảng thời gan trao đổi nhiệt sẽ có nước ngưng tụ, nước ngưng này sẽ chiếm mộtkhoảng thể tích trong thiết bị gia nhiệt nên nó được tháo ra ngoài bằng bẩy hơi (7)

1.3.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ.

TRANG

NÀY BỎ

SÀI CAD

THẾ VÀO

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT2.1 Các Thông Số Ban đầu.

Kí hiệu đại lượng như sau:

–F: Lượng nguyên liệu đầu (kmol/h)

–P: Lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)

–W: lượng sản phẩm đáy (kmol/h)

–GF, GP, GW: lượng nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

–xF, xP, xW: phần mol của etanol trong pha lỏng ở nhập liệu, đỉnh và đáy

–y*F, y*p, y*W: nồng độ cân bằng của etanol ứng với xF, xP, xW

–yF, yp, yW: phần mol của axeton trong pha hơi ở nhập liệu, đỉnh và đáy

Giả thiết:

–Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp.–Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao của đoạn chưng và đoạn luyện.–Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi

–Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi

đi ra ở đỉnh

–Cấp nhiệt bằng đáy tháp hơi đốt gián tiếp

Yêu cầu thiết bị:

–Năng suất nhập liệu: F = 3500 kg/h

–Nồi hóa hơi làm việc ở áp suất (P= 2.5at)

–Tháp loại: Tháp mâm xuyên lỗ

–Điều kiện:

=30% khối lượng (kg etanol/kg hỗn hợp) = 0,3 (kg etanol/kg hỗn hợp)

= 80% khối lượng (kg etanol/kg hỗn hợp) = 0,8 (kg etanol/kg hỗn hợp)

= 0.5% khối lượng (kg etanol/kg hỗn hợp) = 0,005 (kg etanol/kg hỗn hợp)

Khối lượng phân tử của etanol MA = 46 kg/kmol

Khối lượng phân tử của nước MB = 18 kg/kmol

2.2 Cân bằng vật liệu.

2.2.1 Tính nồng độ phần mol dựa vào nồng độ khối lượng.

 Thành phần mol trong hỗn hợp đầu

 Thành phần mol trong sản phẩm đỉnh

 Thành phần mol trong sản phẩm đáy

2.2.2 Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp.

F = P + W (1)Hay GF = GP + GW

 Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi (axeton)

xF F = xP P + xW.W (2)hay GF xF = GP xP + xW GW

Giải hệ phương trình (1) và (2) ta được

P = GP = 815,4390 (kg/h) W= GW = 2684,561 (kg/h)

2.2.3 Tính khối lượng mol trung bình.

 Trong hỗn hợp đầu

MF = xF MA + (1 –xF) MB = 0,1436.46 + (1- 0,1436) 18 = 22,0208 (kg/kmol)

 Trong hỗn hợp đỉnh

MP = xP MA + (1 –xP) MB = 0,6101.46 + (1- 0,6101) 18 = 35,0828 (kg/kmol)

 Trong hỗn hợp đáy

MW = xW MA + (1 –xW) MB = 0,0019.46 + (1- 0,0019) 18 = 18,0532 (kg/kmol)Lưu lượng mol tính theo kmol/h

Bảng 1.1: Bảng thống kê thành phần nguyên liệu đầu.

Phần khốilượng Phần mol

Lưu lượng(kg/h)

Lưu lượng(kmol/h)Hỗn hợp đầu 0,3000 0,1436 3500,0000 158,9406Sản phẩm đỉnh 0,8 0,6101 815,4390 23,2432Sản phẩm đáy 0,0050 0,0019 2684,561 148,7028

2.2.4 Chỉ số hồi lưu thích hợp, số đệm lý thuyết.

Có rất nhiều phương pháp để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, ta sử dụng phươngpháp xác định thay đổi theo bậc nồng độ (số đĩa lý thuyết)

 Là lượng hồi lưu nhỏ nhất ở đỉnh tháp

 Từ số liệu bảng IX, 2a, trang 146 - [2] ta có thành phần cân bằng lỏng-hơi củaetanol-nước là:

Bảng 2.2: Thành phần lỏng x (% phần mol)– hơi y(% phần mol) và nhiệt độ sôi của

hỗn hợp Etanol - Nước ở 760 mmHg Trích bảng IX.2a(II-146)

2

44,2

53,1

57,6

61,

4 65,4 69,9 75,3

81,

8 89,8 100

t( o C) 100 90,

5

86,5

83,2

81,7

80,

8 80 79,4 79

78,

6 78,4 78,4

 Từ bảng số liệu ta vẽ được đồ thị biểu diễn đường cân bằng lỏng – hơi

Hình 2 1 : Đồ thị biểu diễn đường cân bằng lỏng- hơi

Với giá trị xF = 0,1436 và áp dụng vào đồ thị ta tìm được y*

F = 0,482 (phần mol)

Gọi

 y*F, y*P, y*W: Nồng độ phần mol của phần mol hơi cân bằng với pha lỏngtrong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy của etanol ứng với xF, xP, xW

 tF, tP, tW: nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

+Chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin

+ Tỉ số hoàn lưu làm việc:

R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3 0,3448+0,3 = 0,7842+Chỉ số nhập liệu

2.3 Phương trình đường làm việc số mâm lý thuyết.

2.3.1 Phương trình đường làm việc của đoạn luyện.

Từ đồ thị xác định số đĩa lý thuyết là:

 Số đĩa lý thuyết của đoạn luyện là 18

 Số đĩa lý thuyết của đoạn chưng là 9

 Số đĩa nhập liệu là 1

2.4 Xác định số đĩa thực tế.

Ntt = ŋtb =

 ntb là hàm phụ thuộc vào độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp

 xác định theo công thức CT.61 (II-171)

Với x, y: là nồng độ phần mol của pha lỏng và pha hơi

F Xác định độ bay hơi trong các hỗn hợp sau:

F Xác định độ nhớt của hỗn hợp theo nhiệt độ

(Xác định độ nhớt của etanol và nước theo nhiệt độ dựa vào bảng I.101 trang 91[1].)

Dùng phương pháp nội suy ta có:

Bảng 2.3: Độ nhớt của etanol và nước theo nhiệt độ

Nhiệt độ oC Độ nhớt etanol Độ nhớt nước

Hình 2.3: xác định hiệu suất trung bình của thiết bị

( sổ tay “quá trình thiết bị 2” trang 171-[2])

Suy ra hiệu suất làm việc của tháp

ŋtb = = 39%

F Số đĩa thực tế của đoạn luyện

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ3.1 Đường kính tháp.

Đường kính tháp được tính theo công thức

=

Trong đó:

F Vtb lượng hơi trung bình đi trong tháp

F vận tốc hơi trung bình di trong tháp

3.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp.

FLượng hơi trung bình trong đoạn luyện được tính bằng công thức sau:

gtb = CT(IX – 91) trang 181- [2]

Trong đó

Fgd lượng hơi ra khỏi tháp ở đĩa trên cùng của đoạn luyện (Kg/h)

Fg1 lượng hơi đi vào đệm dưới cùng của đoạn luyện (Kg/h)

Áp dụng phương trình cân bằng vật liệu, nhiệt lượng cho đệm thứ nhất của đoạnluyện

– g1 = G1 + GP (IX-93) trang 182 – [2]

– g1 y1= G1 x1 + Gp xP (IX-94) trang 182 – [2]

– g1 r1= gd rd (IX-95) trang 182 – [2]

Với

– y1 hàm lượng hơi của đĩa thứ nhất của đoạn luyện

– x1 hàm lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn luyện

– G1 lượng lỏng ở đệm thứ nhất của đoạn cất

– r1 ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện

– rd ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp

+ r1 = ra ya + rb (1-ya)+ rd = ra yd + rb (1-yd) (CT.trang 182-[2])

– ra, rb ẩn nhiệt hóa hơi của etanol và nước

 Ở nhiệt độ tF = 84,85oC ta tra bảng (I-212) trang 254 - [1]

+ ra = 891788 (J/kg)+ rb = 2319478 (J/kg)+ ya = yF = 0,4905 (phần mol)+ rd = ra yd + rb (1-yd) + rd =891788 0,7039 + (1-0,7039) 2319478 = 1314527,009 (J/kg)

 Ở nhiệt độ tp = 79,4oC ta tra bảng (I-212) trang 254 - [1]

 Từ phương trình cân bằng vật liệu và nhiệt lượng ta có

(kg/m3) (trang 183 – [2])Với:

a) Đường kính đoạn luyện:

+ khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi (kg/m3)

+ độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình và của nước ở 20oC

+ lưu lượng và hơi trung bình (kg/s)

+ Tính khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và hơi

+ Đối với pha hơi

= 1,18 (kg/m3)+ Đối với pha lỏng

– Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng tính CT IX- 104a trang 183 – [2]

– khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng trong luyện

– khối lượng riêng của etanol và nước ở nhiệt độ trung bình(ttb=84,85), (bảng I-2 trang 9-[1]).

= 735 (kg/m3)

= 972 (kg/m3)

= = = 0,55 (phần khối lượng)

= 853,5 (kg/m3)– Xác định độ nhớt

 độ nhớt của hỗn hợp lỏng trung bình trong đoạn luyện, được tính theo côngthức:

lg = xtb lg + (1 - xtb) lg

xtb= = = 0,3768 (phần mol)

 độ nhớt của etanol và nước ở 80,6oC tra bảng I-101 trang 91 -[1] bằng

phương pháp nội suy ta có

= 0,435.10-3 (Ns/m2) = 0,357 10-3 (Ns/m2) =0,396.10-3 (Ns/m2)

3.1.3 Tính lượng hơi trung bình trong đoạn cất.

GR = GP Rx =815,4390 0,7842= 639,4677 (kg/h) = 0,1776(kg/s)

GF = 3500 (kg/h) = 0,9722(kg/s)

Gxtb = = 0,5749(kg/s)

Gytb = = gtb = 1304,5711 (kg/h) = 0,3623(kg/s)– Xác định xtb:

Nồng độ phân mol trung bình:

xtb= = = 0,3768 (phần mol)– Suy ra:

=60,71%

xtb = 853,5 (Kg/m3) – Xác định ytb:

= 1,1892Với:

+ Nồng độ phân mol trung bình:

ytb ===0,5869+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất:

ttb ==79,875oC+ Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :

=1,3253Với:+xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

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

+Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:

= 1,6002 (m/s)

Vậy đường kính đoạn cất

Dcất == 0,4922m

3.1.4 Đường kính đoạn chưng.

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

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

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

+ Xác định g’n: g’n = g1 =1154,2361(Kg/h)

+ Xác định g’1:

Từ hệ phương trình :

(III.2)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 =0,0019 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có: yW =0,0248

Giải hệ (III.2), ta được:

x’1 =0,0269 (phân mol etanol) _ MtbG’ =18,189

G’

1 = 49951,6036 (Kmol/h) =899118 (kg/h)g’1 = 47267,0426 (Kmol/h) = 850806(Kg/h)Vậy: g’tb = (Kg/h)

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

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

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

+ Xác định ’ytb:

Với: + Nồng độ phân mol trung bình:

y’tb ===0,2474+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng :

t’tb ===92,43oCSuy ra: ’ytb =0,8313 (Kg/m3)

+ Xác định ’xtb

– Nồng độ phân mol trung bình:

x’tb = == 0,07275– Suy ra : =16,70%

t’tb = 92,43oC, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có:

– Khối lượng riêng của nước:

’N = 963,117(Kg/m3)– Khối lượng riêng của rượu:

’R = 720,365(Kg/m3)– Suy ra:

’xtb = =145,31 (Kg/m3) – Suy ra: =0,6610 (m/s)

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

= 0,5288 (m/s) Vậy đường kính đoạn chưng:

Dchưng== 0,3418 (m)

Kết luận: hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá lớn

nên ta chọn đường kính của tồn tháp là: Dt = 0,500 (m)

3.2 Mâm Lỗ – Trở Lực Của Mâm.

3.2.1 Cấu tạo mâm lỗ.

Chọn

+ Đường kính lỗ : dl = 3 (mm)

+ Tổng diện tích lỗ bằng 9,77% diện tích mâm

+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo tam giác đều )

+ Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 + Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm

Số lỗ trên 1 mâm :

N = = 2716 lỗ

Vậy: ta bố trí các lỗ trên 1 mâm thành 51(hàng), số lỗ trên đường chéo là 66 lỗ

3.2.2 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 khí 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 ,gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm  là khôngđáng kể nên có thể bỏ qua

3.2.3 Độ giảm áp qua mâm khô.

Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được 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

(mm.chất lỏng)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

Ta có :

=0,0977 và =0,6 →

Tra tài liệu tham khảo [1 – trang 111]: Co = 0,745

– Đối với mâm ở phần cất :

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ: uo ==15,8730 (m/s)

+ Khối lượng riêng của pha hơi: G = ytb = 1,171 (Kg/m3)

= 

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất : (mm.chất lỏng)

=32,8613 (mm.chất lỏng)

– Đối với mâm ở phần chưng :

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’o ==3,9754 (m/s)

+ Khối lượng riêng của pha hơi : ’G = ’ytb = 0,746 (Kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng : ’L = ’xtb = 925,744 (Kg/m3)

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng : = 1,1702 (mm.chất lỏng)

3.2.4 Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm.

Phương pháp đơn giản để ước tính 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 toámn 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 tốn của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng :

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

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

– Xác định L w:

Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm, nên ta có phương trình sau :

Với : no :góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn Lw

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

– Phần cất:

Khối lượng riêng của pha lỏng: L = xtb = 821,25 (Kg/m3)