ĐÒ-ÁN-CHƯNG-CẤT-99%

Các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: Trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thụ… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp.. Để giải

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM

Đề Tài 8:

THIẾT KẾ HÊ THỐNG CHƯNG CẤT MÂM CHÓP HỆ ETHANOL- NƯỚC NĂNG

SUẤT SẢN PHẨM ĐỈNH 2000L/H

GVHD: Ths TRẦN CHÍ HẢI

Người thực hiện:

Nguyễn Thị Thanh Hoa 2005170371

TP Hồ Chí Minh, tháng 12/2019

i

MỤC LỤC

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 1

LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN: 3

I Giới thiệu về nguyên liệu: 3

1 Ethanol: 3

1.1 Định nghĩa: 3

1.2 Tính chất vật lý của Ethanol: 4

1.3 Tính chất hóa học của Ethanol: 4

1.4 Nguồn gốc của Ethanol: 5

2 Nước: 6

3 Hỗn hợp Ethanol-nước 7

II Giới thiệu về sản phẩm: 8

1 Các dạng sản phẩm: 8

2 Ứng dụng của sản phẩm: 8

3 Giới thiệu về chưng cất: 9

3.1 Phương pháp chưng cất: 9

3.2 Thiết bị chưng cất: 10

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ: 11

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 14

I TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT: 14

1 Các thông số ban đầu: 14

2 Tính toán các dòng: 14

2.1 Tính toán dòng sản phẩm đỉnh: 14

2.2 Tính toán dòng nhập liệu và dòng sản phẩm đáy: 15

ii

3 Tỉ số hoàn lưu: 16

3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: 16

3.2 Tỉ số hoàn lưu thực: 16

4 Phương trình đường làm việc Xác định số mâm: 16

4.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất: 16

4.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng: 17

4.3 Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế: 17

II Tính cân bằng năng lượng: 20

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN-THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 23

I Đường kính tháp: 23

1 Đường kính đoạn cất: 23

1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp: 23

1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : 24

2 Đường kính đoạn chưng: 26

2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp: 26

2.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : 27

3 Chiều cao tháp: 29

4 Tính toán chóp và ống chảy truyền: 29

5 Tính trở lực của tháp: 33

5.1 Tổng trở lực phần cất : 33

5.2 Trở lực đĩa khô Pk : 33

5.2.1 Trở lực do sức căng bề mặt : 33

5.2.2 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa 34

5.3 Tổng trở lực phần chưng : 35

5.3.1 Trở lực đĩa khô Pk : 35

5.3.2 Trở lực do sức căng bề mặt : 35

5.3.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa 36

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP 37

Bề dày thân tháp : 37

I

iii

Đáy và nắp thiết bị : 39

II Bích ghép thân, đáy và nắp : 39

III Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn : 41

IV 1 Ống dẫn dòng nhập liệu : 41

2 Ống hơi ở đỉnh tháp: 42

3 Ống dẫn dòng hoàn lưu: 43

4 Ống dẫn từ nồi đun qua tháp: 43

5 Ống dẫn dòng sản phẩm đáy: 44

Tai treo và chân đỡ: 45

V 1 Chọn tai treo : 48

2 Chọn chân đỡ: 49

CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT-THIẾT BỊ PHỤ52 I Các thiết bị truyền nhiệt: 52

1 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: 52

2 Suất lượng nước cần dùng để làm mát sản phẩm đỉnh: 52

3 Xác định bề mặt truyền nhiệt : 53

4 Nhiệt độ dòng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy: 57

5 Xác định bề mặt truyền nhiệt : 58

6 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu : 63

6.1 Suất lượng hơi nước cần dùng : 64

6.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt : 64

7 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy: 68

7.1 Suất lượng hơi nước cần dùng : 68

7.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt : 68

8 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: 71

8.1 Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh: 72

8.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt : 72

II Tính toán bơm nhập liệu 75

iv

1 Tính chiều cao bồn cao vị: 75

2 Tổn thất đường ống dẫn: 75

3 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt: 77

4 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu: 78

5 Chọn bơm: 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

v

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Công thức cấu tạo của Ethanol 3

Hình 2 Cấu tạo dạng rỗng của Ethanol 3

Hình 3 Cấu tạo dạng đặc của Ethannol 4

Hình 4 Sơ đồ tổng quát quy trình sản xuất Ethanol từ nguyên liệu cellulose 6

Hình 5 Biểu đồ hệ Ethanol- Nước 8

Hình 6 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất Ethanol - Nước 11

Hình 7 Đồ Thị Xác Định Số Mâm Lý Thuyết (Hệ Ethanol – Nước) 17

Hình 8 Đáy và nắp thiết bị 39

Hình 9 Bích nối đáy nắp và thân của thiết bị 40

Hình 10 Bích ghép ống dẫn 41

Hình 11 Tai treo, chân đỡ 49

Hình 12 Tai treo, chân đỡ 50

Hình 13 Nhiệt độ thành ống tw1 và tw2 55

Hình 14 Sơ đồ phân bố nhiệt độ khi truyền nhiệt giữa các lưu chất qua vách ngăn 61

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Thành phần lỏng (x) - hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 7

Bảng 2 Các thông số của dòng F, D, W 16

Bảng 3 Thông số của bích ghép thân-đáy-tháp 40

Bảng 4 Các thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu: 42

Bảng 5 Các thông số của bích ghép ống hơi ở đỉnh tháp: 42

Bảng 6 Các thông số của bích ghép ống dẫn dòng hoàn lưu: 43

Bảng 7 Các thông số của bích ghép ống dẫn từ nồi đun qua tháp: 44

Bảng 8 Các thông số của bích ghép ống dẫn dòng sản phẩm đáy: 45

Bảng 9 Kích thước tai treo 49

Bảng 10 Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng 50

2

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 hóa chất cơ bản

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

Các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: Trích ly, chưng cất,

cô đặc, hấp thụ… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Ethanol – Nước là hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Ethanol

Để giải quyết vấn đề trên chúng em đã được giao thực hiện nhiệm vụ của môn học Đồ Án Kỹ Thuật Thực Phẩm đó là thiết kế hệ thống chưng cât hệ Ethanol –Nước năng suất sản phẩm đỉnh 2000L/h, nồng độ nhập liệu 9%, nồng độ sản phẩm đỉnh 90

độ cồn Nhập liệu trạng thái lỏng sôi Trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy

Chân thành cảm ơn thầy Trần Chí Hải đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này Trong quá trình hoàn thiện đồ án không thể không có sai sót, chúng em rất mong quý thầy cô góp ý và chỉnh sửa

Cấu tạo của Ethanol:

Công thức phân tử: C2H6O hoặc C2H5OH

Công thức cấu tạo:

Hình 1 Công thức cấu tạo của Ethanol Cấu tạo dạng rỗng:

Hình 2 Cấu tạo dạng rỗng của Ethanol

Điểm ba trạng thái của Ethanol là 150ºK ở áp suất 4,3 x 10-4 Pa

Ethanol là một dung môi linh hoạt, có thể pha trộn với nước và với các dung môi hữu cơ khác như: axit axetic, axeton, benzene, cacbon tetrachlorua, chloroform, dietyl ete, etylen glycon, …

Nó cũng có thể trộn với các hydrocacbon béo nhẹ như: pentan, hexan và với các clorua béo như: trichloroetan, và tetrachloroetylen

1.3 Tính chất hóa học của Ethanol:

Mang tính chất của một rượu đơn chức, no, mạch hở

 Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ:

2 C2H5OH + 2 Na 2 C2H5ONa + H2

Trường hợp 1: Trong môi trường nhiệt độ cao

CH3-CH2-OH + CuO CH3-CHO + Cu + H2O

Gần đây, nhiên liệu sinh học được nghiên cứu và sản xuất dựa trên những nguồn nguyên liệu phi lương thực khác điển hình là cellulose Cellulose là thành phần rất phổ biến trong thân cây, rơm rạ…

Trong rơm có một số đặc điểm mà làm cho nó có tiềm năng để trở thành nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu Ethanol Nó có cellulose cao và hemicelluloses có thể được dễ dàng thủy phân để lên men đường

Nhân giống Lên men

Lên men

Ethannol

7

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 5 dạng tinh thể khác nhau

Khối lượng phân tử: 18g/mol

Khối lượng riêng d4ºC: 1g/ml

Hỗn hợp Ethanol-nước có thể tích nhỏ hơn tổng thể tích thành phần với một tỷ

lệ nhất định Khi trộn lẫn cùng một lượng Ethanol với nước chỉ tạo thành 1,92 thể tích hỗn hợp Hỗn hợp Ethanol và nước có tính tỏa nhiệt

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

8

Hình 5 Biểu đồ hệ Ethanol- Nước

II Giới thiệu về sản phẩm:

2 Ứng dụng của sản phẩm:

Cồn là một hợp chất được ứng dụng nhiều trong cuộc sống, trong công nghiệp,

y tế… vì nó nhiều công dụng có ích cho con người Cồn gồm có nhiều loại như cồn

Trong các bệnh viện có rất nhiều bệnh nhân với nhiều bệnh khác nhau nên rất

dễ lây lan do vi khuẩn Vì vậy trước khi sử dụng dụng cụ cho một bệnh nhân nào đó, các bác sĩ, y tá phải sử dụng cồn 900 mới tiêu diệt hoàn toàn những vi khuẩn bám trên thiết bị đó

Cồn 900

còn được các bác sĩ, y tá bôi lên vùng da trước khi tiêm chích để sát khuẩn, làm sạch vùng da ấy Việc bôi như vậy giúp vùng da ấy hạn chế vi khuẩn xâm nhập vào trong cơ thể gây ảnh hưởng đến quá trình điều trị bệnh của bệnh nhân

độ cồn Nhập liệu trạng thái lỏng sôi Trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy

3 Giới thiệu về chưng cất:

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:

 Áp suất làm việc: Chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của 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

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

 Chưng cất đơn giản: (gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các trường hợp sau:

10

 Khi nhiệt độ sôi 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 cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước

Vậy: Đối với hệ Ethanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp

nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

3.2 Thiết bị chưng cất:

Tháp mâm chóp trạng thái cuối của tháp chêm và tháp mâm xuyên lỗ nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm chóp hoạt động liên tục ở áp xuất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp

Tháp mâm chóp có cấu tạo gồm nhiều mâm, trên mỗi mâm bố trí ống chảy chuyền, gờ chảy tràn, ống hơi và trên các ống hơi có gắn các chóp có tác dụng tăng khả năng tiếp xúc pha giữa pha lỏng và pha hơi trên mâm

 Ưu điểm: hiệu suất truyền khối cao, ổn định và ít tiêu hao năng lượng nên

có số mâm ít hơn

 Nhược điểm: chế tạo phúc tạp và trở lực lớn

11

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ:

Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong nước, nhiệt độ sôi là 78,30C ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg hơi cách biệt khá xa nên phương 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 tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn

Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – nước

Hình 6 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất Ethanol - Nước

12

Chú thích các kí hiệu trong quy trình

1 Bồn chứa nguyên liệu

13 Thiết bị đun sôi đáy tháp

14 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống sản phẩm đáy

15 Bồn chứa sản phẩm đáy

13

Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp Ethanol – Nước có nồng độ Ethanol là 9 độ cồn, nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu là 28℃ tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3)

Từ đó, được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (14), sau đó hỗn hợp tiếp tục được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (5) Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (9) ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp lỏng đi 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 phía dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (13) lôi cuốn cấu tữ 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 nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử ethanol chiếm nhiều nhất (nồng độ 90 độ cồn) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (10) được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ được làm nguội khi đi qua thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (11), rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (12) Phần còn lại của chất lỏng ngưng

tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế (7) Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Ethanol là 1 độ cồn phần khối mol, còn lại là Nước Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (13) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được cho qua thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (14) một phần trao đổi nhiệt với nguyên liệu ban đầu, một phần đi vào bồn chứa sản phẩm đáy(15)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Ethanol, sản phẩm đáy là Nước

 Nhập liệu trạng thái lỏng sôi

 Trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy

 Khối lượng phân tử của rượu và nước: MR =46, MN =18

 Chọn:

 Nhiệt độ nhập liệu : t’F =25oC

 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’D =35oC

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’W = 35oC

 Các ký hiệu:

 GF, F: Suất lượng nhập liệu tính theo l/h, Kmol/h

 GD, D: Suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo l/h, Kmol/h

 GW, W: Suất lượng sản phẩm đáy tính theo l/h, Kmol/h

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

= 0,735

 Khối lượng riêng trung bình của dòng sản phẩm đỉnh:

= ̅̅̅ × + (1- ̅̅̅ => = 0,876 ×784,75 + (1-0,876) × 997,08 = 811,079 (kg/m3)

= 38,562 (kg/kmol)

 Suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kmol/h:

D = =

= 42,066 (kmol/h)

15

2.2 Tính toán dòng nhập liệu và dòng sản phẩm đáy:

 Phân khối lượng ethanol trong dòng nhập liệu:

 Suất lượng dòng nhập liệu tính theo kmol/h:

F = => GF = F MF = 1188,774 18,825 = 22378,671 (kmol/h)

3 Tỉ số hoàn lưu:

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 lý thuyết là

vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu ,nước

và bơm…) là tối thiểu

Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol-Nước có điểm uốn, nên xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu bằng cách :

Trên đồ thị cân bằng y-x, từ điểm (0,734; 0,734) ta kẻ 1 đường thẳng tiếp tuyến với đường cân bằng tại điểm uốn, cắt trục Oy tại điểm có y*F = 0,193

Theo phương trình đường làm việc đoạn cất, khi x0 = 0

Vậy: tỉ số hoàn lưu tối thiểu: Rmin =

=

= 3,305

3.2 Tỉ số hoàn lưu thực:

R = 1,3 × Rmin + 0,3 = 1,3 × 3,305 + 0,3 = 4,597

4 Phương trình đường làm việc Xác định số mâm:

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

Hình 7 Đồ Thị Xác Định Số Mâm Lý Thuyết (Hệ Ethanol – Nước)

 a có phương trình đường chưng là: 5,87x-0,015



4.3 Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế:

Đồ thị xác định số mâm lý thuyết : Nlt = 12 mâm

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:

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

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

α =

×

Với: x: phân mol của rượu pha lỏng;

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

*Tại vị trí mâm đáy:

xW = 3,101 10-3 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y*W = 0,021

20

 Số mâm thực tế của tháp Ntt :

Ntt =

= 27,45 mâm

Vậy ta chọn Ntt = 28 mâm, gồm: 16 mâm chưng

12 âm cất Nhập liệu ở mâm số 12

II Tính cân bằng năng lƣợng:

Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất:

Ẩn nhiệt hoá hơi của nước: rN = 2345,244 (kJ/kg)

Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu: rR = 847,663 (kJ/kg)

→ Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 2966,685 (J/kg.độ)

→ Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4189,809 (J/kg.độ)

Suy ra: cF = x F cR + (1-x F ) cN

21

= 0,072 2966,685 + (1-0,072) 4189,809 = 4101,744 (J/kg.độ)

 QF = GF HF = GF cF (tF –to )

= 22378,671 4101,744 (94,49 - 25) = 6378596860 (J/h) = 6378596,860 (kJ/h)

► Q W : nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra từ nồi đun

→ Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 2997,575 (J/kg.độ)

→ Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4190 (J/kg.độ)

► Q D : nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra từ bộ phận tách hoàn lưu

→ Nhiệt dung riêng của rượu: cR = 2865,012 (J/kg.độ)

→ Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4183,943 (J/kg.độ)

Suy ra: cD = x D cR +(1-x D) cN

= 0,876 2865,012 +(1 - 0,876) 4183,943 = 3028,559 (J/kg.độ)

 QD = GD HD = GD cD (tD –to )

= 1622,158 3028,559 (78,848 - 25) = 264544519,6 (J/h)

1 ( Qnt + QW + QD – QF )

=

95 , 0

1 (9382128,287 + 6708842,52 + 264544,52 – 6378596,86)

= 10502019,44 (kJ/h) = 2917,228 (kW) (1kW=3600kJ/h)

23

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN-THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

I Đường kính tháp (D t ):

tb y y tb g

)ω.(0188,0ω.3600

π

4VD

tb

tb

(m)

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)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất 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)

r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất

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

24

* Tính r1 : t1 = tF = 94,49oC , tra [STQTTB 1/254]

→ Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : rN1 = 2279,754 (kJ/kg)

→ Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu : rR1 = 821,467 (kJ/kg)

► r1 = rR1 ̅̅̅+ (1- ̅̅̅) rN1 = 821,467 ̅̅̅+ (1- ̅̅̅̅) 2279,754

= 2279,754 – 1458,287 ̅̅̅ (kJ/kg)

* Tính rd : tD = 78,848oC , tra [STQTTB 1/254]

→ Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : rNd = 2345,136 (kJ/kg)

→ Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu : rRd = 847,663 (kJ/kg)

 ytb : Khối lượng riêng trung bình của pha hơi

4 , 22

273 18 1 46

ytb

t

y y

+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : ttb =

273 18 1 46

ytb

t

y y

= 1,053 (kg/m3)

 xtb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng

+ Nồng độ phân khối lượng trung bình pha lỏng:

σr, σn : Sức căng bề mặt của ethanol và nước ở nhiệt độ làm việc (dyn/cm)

 ttb = 86,6690C , tra bảng I.242 trang 300 [4]- tập 1

+ Sức căng bề mặt của nước : N = 61,366 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của rượu : R = 16,7 (dyn/cm)

→ =13,128 dyn/cm < 20 dyn/cm

 = 0,8

 h : khoảng cách mâm ( m ), chọn h = 0,3 m

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

W (III.2)

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

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

* Tính r’1 : xW = 3,101 10-3 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có :

yW =0,02 → ̅̅̅̅ =

=

= 0,05 t’1 = tW = 99,411oC , tra bảng [STQTTB 1/254]

→ Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : r’N1 = 2259,151 (kJ/kg)

→ Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu : r’R1 = 1225,74 (kJ/kg)

► r’1 = r’R1 ̅̅̅̅+ (1 - ̅̅̅̅) r’N1 = 1225,74 0,05+ (1 – 0,05) 2259,151

= 2207,48 (kJ/kg)

27

* Tính r1: r1 = 2279,754 – 1458,287 ̅̅̅ = 2279,754 – 1458,287 0,324

= 1807,269 (kJ/kg)

* GW = 21566,137 (kg/h)

Giải hệ (III.2) , ta được :

x’1 = 0,003 (phân khối lượng ethanol)

G’1 = 25538,881 (kg/h) g’1 = 3972,744 (kg/h)

►

2

1 , ,

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 46 ' '

ytb

t

y y

' 273

4 , 22

273 18 ' 1 46 ' '

ytb

t

y y

= 947,417 (kg/m3)

 : Hệ số tính đến sức căng bề mặt

-Khi < 20 dyn/cm thì = 0,8 -Khi > 20 dyn/cm thì = 1 Trong đó, được tính theo công thức I.76 trang 299 [4]- tập 1 :

 t’tb = 96,9510C , tra bảng I.242 trang 300 [4]- tập 1 + Sức căng bề mặt của nước : ’N = 59,464 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của rượu : ’R = 15,774 (dyn/cm)

► Đường kính đoạn chưng :

D chưng= 0,0188√  

= 0,0188√ = 1,417 (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 = 1,8 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :

+ Phần cất : lv =

 =

= 0,753 (m/s)

 : chiều dày của mâm, chọn  = 4 ( mm ) = 0.004 ( m )

Hđ : khoảng cách giữa các mâm ( m ) , chọn theo bảng IX.4a- [4]-tập 2/169

→ Hđ = 0.5 ( m ) ( 0,8  1,0 ) : khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp → 0,9

D

= 0.1

= 90 ( chóp ) ( D : đường kính trong của tháp )

 Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi :

2 )

 c = 3  4 mm ( khoảng cách giữa các khe )

2 ) = (

31

dc =

C x

x z

G





 3600 4

 Gx : lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp (kg/h)

x z

 h1 : Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp = 30 (mm)

 b : Chiều cao khe chóp = 20 (mm)

 S : Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp = 16,5 (mm)

 Δh : Chiều cao mực chất lỏng ở bên trên óng chảy chuyền

► tmin = 87,727 + 2 2 + 40 = 131,727 (mm)

 Chiều rộng khe chóp : a = 2 : 7 mm ; chọn a = 4 ( mm )

 Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất:

t1 =

 dc : Đường kính ống chảy chuyền = 0,171 (m)

 : Bầ dày ống chảy chuyền, thường lấy 2 ÷ 4 mm

→ Chọn = 3 (mm) = 0,003 (m)

 dch : Đường kính chóp = 90 (mm) = 0,09 (m)

 l1 : Khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền

V y



.4

  : sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp

Ở t’x = 86,669OC → hh = 13,128 10-3 (N/m)

 dtd : đường kính tương đương của khe rãnh :

dtd =

H

f x

4

=

).(

2

4

b a

b a



 fx : diện tích tiết diện tự do của rãnh