THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC AXIT AXETIC

chưng cất axit axetic nước, chưng cất là gì, các phương pháp chưng cất, thiết bị chưng cất,đồ án thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 2000lh, nồng độ nhập liệu là 20 % (kg nướckg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đỉnh là 80 % (kg nướckg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đáy là 5 % (kg nướckg hỗn hợp). Sử dụng hơi đốt có áp suất 2 (at).

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM

Tháng 12, năm 2019

Trong quá trình hoàn thành đồ án, mặc dù đã nổ lực hết sức nhưng khó tránh khỏi sai sót, rất mong Thầy bỏ qua Đồng thời kinh nghiệm thực tiễn cũng như kiến thức còn hạn hẹp, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của Thầy để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn trong những đồ án sau này

Em xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên: Hồ Thị Thu Thảo

Mã số sinh viên: 2004170161

Nhận xét:

Điểm đánh giá:

Ngày … tháng … năm 2019

(Ký tên, ghi rõ họ và tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên: Hồ Thị Thu Thảo

Mã số sinh viên: 2004170161

Nhận xét:

Điểm đánh giá:

Ngày … tháng … năm 2019

(Ký tên, ghi rõ họ và tên)

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Lý thuyết về chung cất 2

1.1.1 Khái niệm 2

1.1.2 Các phương pháp chưng cất 2

1.2 Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu 4

1.2.1 Axit axetic 4

1.2.2 Nước 6

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 7

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 7

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 7

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 8

3.1 Cân bằng vật chất 8

3.2 Cân bằng năng lượng 15

CHƯƠNG 4: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH 24

4.1 Đường kính tháp 24

4.1.1 Đường kính đoạn cất 24

4.1.2 Đường kính đoạn chưng 27

4.2 Chiều cao tháp 30

4.3 Trở lực tháp 31

4.3.1 Trở lực của đĩa khô 32

4.3.2 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt 33

4.3.3 Trở lực của chất lỏng trên đĩa 35

4.3.4 Trở lực của tháp chóp 40

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 43

5.1 Bề dày tháp 43

5.2 Tính chi tiết ống dẫn 48

5.2.1 Đường kính ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ 48

5.2.2 Ống dẫn dòng hoàn lưu, dòng sản phẩm đỉnh 49

5.2.3 Ống dẫn dòng nhập liệu 50

5.2.4 Ống dẫn dòng sản phẩm đáy 51

5.2.5 Ống dẫn từ nồi đun qua tháp 51

5.3 Bích để nối các ống dẫn 52

5.4 Bích ghép thân – đáy và nắp 54

5.5 Tai treo - chân đỡ 55

5.5.1 Tính sơ bộ khối lượng tháp 55

5.5.2 Tai treo 58

5.2.3 Chân đỡ 59

5.6 Lớp cách nhiệt 59

CHƯƠNG 6: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 62

6.1.Thiết bị ngưng tụ 62

6.1.1.Điều kiện nhiệt độ của quá trình 62

6.1.2.Lượng nhiệt trao đổi 62

6.1.3.Chọn thiết bị 62

6.1.4.Hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ 63

6.2.Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 68

6.2.1.Điều kiện nhiệt độ của quá trình 68

6.2.2.Lượng nhiệt trao đổi 68

6.2.3.Chọn thiết bị 69

6.2.4.Bề mặt truyền nhiệt 69

6.2.5.Chiều dài ống 70

6.3.Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 70

6.3.1.Điều kiện nhiệt độ của quá trình 70

6.3.2.Lượng nhiệt trao đổi 70

6.3.3.Chọn thiết bị 71

6.3.4.Bề mặt truyền nhiệt 71

6.3.5.Chiều dài ống 71

6.4 Thiết bị đun sôi đáy tháp 72

6.4.1.Điều kiện nhiệt độ của quá trình 72

6.4.2.Lượng nhiệt trao đổi 72

6.4.3.Chọn thiết bị 72

6.4.4.Hệ số cấp nhiệt 73

6.4.5.Bề mặt truyền nhiệt 75

6.4.6.Chiều dài mỗi ống 76

6.5.Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 76

6.5.1.Điều kiện nhiệt độ của quá trình 76

6.5.2.Lượng nhiệt trao đổi 76

6.5.3.Chọn thiết bị 76

6.5.4.Hệ số cấp nhiệt 77

6.5.5.Bề mặt truyền nhiệt 80

6.5.6.Chiều dài mỗi ống 81

6.6 Bồn cao vị 81

6.7 Bơm 85

KẾT LUẬN 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao

về độ tinh khiết của các sản phẩm Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà chúng ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ Nước – Axit axetic là hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết

Đồ án môn học quá trình và thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học tương lai Môn học giúp em giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để em 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 nhất

Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 2000l/h, nồng độ nhập liệu là 20 % (kg nước/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đỉnh là 80 % (kg nước/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đáy là 5 % (kg nước/kg hỗn hợp)

Sử dụng hơi đốt có áp suất 2 (at)

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý thuyết về chung cất

1.1.1 Khái niệm

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau)

Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình 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 gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình 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 trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

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

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít các cấu

Phân loại theo áp suất làm việc: Áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao

Phân loại theo nguyên lý làm việc: Chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất

Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: Cấp nhiệt trực tiếp, cấp nhiệt gián tiếp

Vậy đối với hệ axit axetic – nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

1.1.3 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 tích 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 khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí 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 hình trụ, thẳng đứng phía 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 trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…

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

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

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

- Hiệu suất khá cao

tăng năng suất thì hiệu ứng

thành tăng  khó tăng năng

Vậy ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ axit axetic – nước

1.2 Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu

1.2.1 Axit axetic

Là 1 chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng, trọng lượng riêng 1,0497 ở 20(oC) Khi hạ nhiệt độ xuống 1 ít đã đông đặc thành 1 khối tinh thể có Tonc = 16,635 – 0,002o, Tosôi = 118 (oC), tan trong nước, rượu và ete theo bất kỳ tỷ lệ nào Là 1 axit yếu, hằng số phân ly nhiệt động của nó ở 25 (oC) là K = 1,75.105

Tính ăn mòn kim loại: Axit axetic ăn mòn sắt, nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, nó

đề kháng tốt đối với axit axetic đặc và thuần khiết Đồng và chì bị ăn mòn bởi axit axetic với sự hiện diện của không khí Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối với axit axetic

Axit axetic được điều chế bằng cách:

- Oxy hĩa cĩ xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là một giai đoạn trung gian Sự oxy hĩa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hĩa andehit axetic thành axit axetic

CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH

C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O

­ Oxy hĩa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ acetylen Sự oxy hĩa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban axetat Người ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80 (oC) để ngăn chặn sự hình thành peroxit Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi chế axit axetic kết tinh được

CH3CHO + ½ O2  Coban    axetat    ở  80o C 

CH3COOH

- Tổng hợp đi từ cồn metylic và cacbon oxit Hiệu suất cĩ thể đạt 50 – 60% so với

lý thuyết bằng cách cố định cacbon oxit trên cồn metylic qua xúc tác Nhiệt độ từ 200 –

- Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic)

­ Làm đơng đặc nhựa mủ cao su

- Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat – làm phim ảnh khơng nhạy lửa

- Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat

- Làm các phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp

- Axetat nhơm dùng làm chất cắn màu (mordant trong nghề nhuộm)

- Phần lớn các ester axetat đều là các dung mơi, thí dụ: izoamyl axetat hịa tan được nhiều loại nhựa xenluloza

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

Tính chất vật lý:

- Khối lượng phân tử : 18 (g/mol)

- Khối lượng riêng d4

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 20% (theo phần khối lượng), nhiệt độ khoảng 30 (oC) tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Sau

đó, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (13), rồi được đưa vào tháp chứng cất (7) 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 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 vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) 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 axit axetic sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất (có nồng độ 80% phần khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ hoàn toàn Được bộ phân chia dòng (9) chia làm 2 dòng Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng Một phần vào thiết bị làm nguội (10) được làm nguồi và sau đó đưa vào bể chứa tại bồn chứa sản phẩm đỉnh (11).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 (axit axetic) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 5% phần khối lượng, còn lại là axit axetic Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12) 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 đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (14), được làm nguội đến 40 (oC), rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (15)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước được thải bỏ, sản phẩm đáy là axit axetic được giữ lại

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG

LƯỢNG 3.1 Cân bằng vật chất

3.1.1 Các thơng số ban đầu

OH:Nước

)mol/g(60M

COOHCH

:axeticAxit

N 2

A 3

­ Năng suất nhập liệu: vF = 2000 (l/h)

- Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sơi

Đối với thiết bị đun sơi đáy tháp

- Áp suất hơi đốt : Ph = 2 (at)

Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 40 (oC)

- Nhiệt độ dịng nước lạnh đi vào: tV = 30 (oC)

- Nhiệt độ dịng nước lạnh đi ra: tR = 40 (oC)

Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

- Nhiệt độ dịng nước lạnh đi vào: tV = 30 (oC)

- Nhiệt độ dịng nước lạnh đi ra: tR = 40 (oC)

Các ký hiệu:

F: lượng nguyên liệu đầu (kmol/h)

F̅: lượng nguyên liệu đầu (kg/h)

D: lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)

D̅: lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)

W: lượng sản phẩm đáy (kmol/h)

W̅ : lượng sản phẩm đáy (kg/h)

xF: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu

x̅F: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu

xD: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh

x̅D: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh

xW: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

x̅W: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

3.1.2 Tính cân bằng vật chất

- Bảng thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử

ở 760mmHg (%mol) (IX.2a trang 148 [2])

18 +

1 − 0,260

= 0,4545 (𝑚𝑜𝑙 𝑛ướ𝑐 𝑚𝑜𝑙 ℎỗ𝑛 ℎợ𝑝)⁄

𝑥𝑤 =

𝑥̅𝑤

𝑀𝑁ướ𝑐𝑥̅𝑤

18 +

1 − 0,0560

= 0,1493(𝑚𝑜𝑙 𝑛ướ𝑐 𝑚𝑜𝑙 ℎỗ𝑛 ℎợ𝑝)⁄

18 +

1 − 0,860

 tF = 105.037 (oC) Nội suy bảng I.2, trang 9, [1] ta được:

 Khối lượng riêng của nước: Nước = 954.2223 (kg/m3)

 Khối lượng riêng của axit axetic : Axit = 948.9334 (kg/m3)

Áp dụng trong công thức (I.2), trang 5, [1]

1 − 0,2948,9334 𝜌ℎℎ = 949,986 (𝑘𝑔 𝑚⁄ 3)

0,9302 × D + 0,1493 × W = 46,4416 × 0,4545

⇒ {D = 18,1508 (kmol/h)

W = 28,2908 (kmol/h)

+ D̅ = D × MD = D × [xD× Mnước+ (1 − xD) × M𝑎𝑥𝑖𝑡]

= 18,1508 × (0,9302 × 18 + (1 − 0,9302) × 60) = 379,9253 (kg/h)

+ W̅ = W × MW = W × [xW× Mnước+ (1 − xW) × Maxit]

= 28,2908 × (0,1493 × 18 + (1 − 0,1493) × 60) = 1520,0477 (kg/h)

 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu

Áp dụng trong công thức (IX.24), trang 158, [2]

𝑅𝑚𝑖𝑛 =𝑥𝐷− 𝑦𝐹

∗

𝑦𝐹∗− 𝑥𝐹 =

0,9302 − 0,58230,5823 − 0,4545 = 2,7222

 Tỉ số hoàn lưu làm việc

Áp dụng trong công thức (IX.25b), trang 159, [2]

𝑅 = 1,3𝑅𝑚𝑖𝑛 + 0,3 = 1,3 × 2,7222 + 0,3 = 3,8389

𝐿 = 𝐹

𝐷 =

46,441618,1508= 2,5587

 Phương trình đường làm việc

Phương trình đường làm việc phần cất

Áp dụng trong công thức (IX.20), trang 144, [2]

0,93023,8389 + 1 = 0,7933𝑥 + 0,1922 Phương trình đường làm việc phần chưng

Áp dụng trong công thức (IX.22), trang 158, [2]

2,5587 − 13,8389 + 10,1493 = 1,3221𝑥 − 0,0481

 Số mâm lý thuyết được suy ra thông qua đồ thị đường cân bằng

 Số mâm lý thuyết là 16 Vị trí mâm nhập liệu là mâm số 6(nằm ở phần chưng)

Số mâm chưng là 5, số mâm cất là 10

tb: hiệu suất trung bình của thiết bị, là một hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng,tb= f(α, μ)

 Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp

∗

1 − y∗×1 − x

x (IX 61 trang 171 [2]) x: phần mol của nước trong pha lỏng

y∗: phần mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

 Tính hiệu suất trung bình của tháp

+ Tra bảng I.101 trang 91 [1] với tF = 105,037°C ta có:

+ Tra hình IX.11 trang 171 [2] ta có F = 0.58

* Tại vị trí mâm đáy

+ Tra bảng IX.2a trang 148 [2] với xW = 0,1493 thì yW∗ = 0,2340, tW =111,9759°C

+ Tra bảng I.101 trang 92 [1] với tW = 111,9759°C ta có:

+ Tra bảng I.101 trang 92 [1] với tD = 100,4188°C ta có:

+ Tra hình IX.11 trang 171 [2] ta có D = 0,61

⇒ Hiệu suất trung bình của tháp

3.2 Cân bằng năng lượng

- Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

QD1+ Qf = QF+ Qng1+ Qxq1 (𝐈𝐗 𝟏𝟒𝟗 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟔 [𝟐])

QD1: nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)

Qf ∶ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)

QF ∶ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)

Qng1 ∶ nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

Qxg1 ∶ nhiệt lượng mất mát (J/h)

1(kW) = 1(kJ/s) = 10

−3

3600(J/h) + Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào :

QD1 = D1× λ1 = D1× (r1+ θ1× C1) (𝐈𝐗 𝟏𝟓𝟎 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟔 [𝟐])

C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg × độ)

λ1: hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)

θ1: nhiệt độ nước ngưng (°C)

r1: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

D1: lượng hơi đốt (kg/h)

 Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa: p=2at

 Tra bảng I.148 trang 166 [1] ta có ts = θ1 = 119,62°C

 Nội suy từ bảng I.212 trang 254 [1] ở ts = θ1 = 119,62°C ta có :

Cf ∶ nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg × độ)

tf : nhiệt độ đầu của hỗn hợp (°C)

 Chọn nhiệt độ ban dầu của hỗn hợp : tf = 30°C

CF : nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra (J/kg × độ)

tF : nhiệt độ hỗn hợp khi đi ra khỏi thiết bị đun nóng(°C)

 Nội suy từ bảng IX.2a trang 148 [2], ta có : tF = 105,037°C

 x = x̅F = 0,2

 Nội suy từ bảng I.153/172 và bảng I.154/172 [1], với tF = 105,037°C, ta có :

C𝑛ướ𝑐 = 4241,3333 (J/kg°C)

Qng1 = Gng1× θ1× C1 = D1× θ1× C1 (𝐈𝐗 𝟏𝟓𝟑 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐]) + Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn:

Qxq1 = 0.05 × QD1 = 0.05 × D1× r1 (𝐈𝐗 𝟏𝟓𝟒 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐]) + Lượng hơi đốt ( lượng hơi nước) cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt

độ sôi:

D1 =QF+ Qng1+ Qxq1− Qf

QF− Qf0.95r1 (𝐈𝐗 𝟏𝟓𝟓 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐])

⇒ D1 =QF− Qf

0.95r1 =

56146728,1 − 140964622,60.95 × 2203.29 × 103 = 200,8969(kg/h)

- Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất

QD2+ QF+ QR

= Qy+ QW+ Qng2+ Qxq2 (𝐈𝐗 𝟏𝟓𝟔 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐]) + Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp : QF = 561467218,1(J/h)

+ Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp QD2

QD2 = D2× λ2 = D2× (r2+ θ2× C2) (𝐈𝐗 𝟏𝟓𝟕 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐])

λ2: hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)

θ2: nhiệt độ nước ngưng (°C)

r2: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

D2: lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp (kg/h)

C2: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg × độ)

+ Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào:

QR = GR × CR× tR (J/h) (𝐈𝐗 𝟏𝟓𝟖 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐])

GR: lượng lỏng hồi lưu (kg/h)

tR: nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu (°C)

λđ: Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp (J/kg)

λđ = λnước× y̅D+ λaxit× (1 − y̅D)λ1

 y̅D = 0.8537

λnước = rnước+ tD× Cnước

λaxit = raxit+ tD× Caxit

 Nội suy từ bảng IX.2a trang 148 [2] với xD = 0.9302 ta có tD = 100,4188°C

 Nội suy từ bảng I.212 trang 254 [1] ở tD = 100,4188°C ta có:

rnước = 538,7278 (kcal/kg) = 2255,5455 × 103 (J/kg)

raxit = 99,0778 (kcal/kg) = 414,8188 × 103 (J/kg)

 Nội suy từ bảng I.153 trang 171 và I.154 trang 172 [1] ở tD =100,4188°C, ta có :

CW : nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg × độ)

tW : nhiệt độ của sản phẩm đáy (°C)

 Nội suy từ bảng IX.2a trang 148 [2], ta có:tw = 111,9759°C

+ Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp:

Qxq2 = 0.05 × QD2 = 0.05 × D2× r2 (𝐈𝐗 𝟏𝟔𝟐 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟖 [𝟐]) + Lượng hơi đốt ( lượng hơi nước) cần thiết để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp:

- Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ:

+ Chọn trường hợp ngưng tụ hoàn toàn:

 Chọn nhiệt độ vào của nước lạnh là: t1 =30 °C

 Chọn nhiệt độ ra của nước lạnh là: t2 =40 °C

 Nhiệt độ trung bình của nước lạnh:

- Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

+ Vì dòng sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ hoàn toàn trong thiết bị ngưng tụ nên ta có công thức:

 Nhiệt độ vào của nước lạnh là: t1 =30 °C

 Nhiệt độ ra của nước lạnh là: t2 =40 °C

 Nhiệt độ trung bình của nước lạnh:

 Nhiệt dung riêng của nước ở ttb là Cn = 4176,25 (J/kg°C)

 Nội suy từ bảng I.153 trang 171 [2] ở 70,2094 °C, ta có :

- Cân bằng nhiệt lượng nồi đun sản phẩm đáy

QD3+ QW3 = QW4+ QD2+ Qng3+ Qxq3 (𝐈𝐗 𝟏𝟓𝟔 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐])

+ Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD3

QD3 = D3× λ3 = D3× (r3+ θ3× C3)

 Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2at, tra bảng I.148 trang 166 [1] ta có:

ts = θ3 = 119.62°C, C3 = C1 = 4245.4152 (J/kg°C)

 Nội suy từ bảng I.212 trang 254 [1] ta có r3 = 2203.29 × 103 (J/kg)

+ Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang vào QW3

QD2 = D2× (r3 + θ3× C3)

= 1,7653 × 103× (2203.29 × 103+ 119,62 × 4245,4152)

= 4785951727(J/h) = 1329,4310 (kW) + Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng3

Qng3 = Gng3× θ3× C3 (J/h) + Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp:

Qxq3 = 0.05 × D3× r3 (J/h) + Lượng hơi đốt cần thiết là:

D3 =QW4+ QD2− QW3

0.95 × r3 = 2300,6674 (kg/h)

CHƯƠNG 4: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH 4.1 Đường kính tháp

G1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất (kg/h)

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất đoạn cất (J/kg)

rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp (J/kg)

+ Tính r1

Nội suy từ bảng IX.2a trang 148 [2] ta có: t1 = tF = 105,037oC

Nội suy từ bảng I.212 trang 254 [1] tại tF = 105,037oC ta có:

rnước = 2242,9774 × 103 (J/kg)

raxit = 412,5337 × 103 (J/kg)

⇒ r = r × y + r × (1 − y )

= 412,5337 × 103+ 1830,4437 × 103y1 (J/kg)

+ y̅D = yD× Mnước

yD× Mnước+ (1 − yD) × M𝑎𝑥𝑖𝑡 =

0,9511 × 180,9511 × 18 + (1 − 0,9511) × 60

= 0,8537 + Tính rđ

Nội suy từ bảng I.212 trang 254 [2] tại tD = 100,4188oC

b Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm chóp có ống chảy chuyền

(ρy× ωy)tb = 0.065 × φ(σ) × √h × ρxtb× ρytb (kg/m2× s) (IX.105 trang

Chọn h theo đường kính tháp Ta chọn h = 0.35 (m) ứng với đường kính tháp

T: nhiệt độ làm việc của tháp (oK) = ttb+ 273 = 375,7279K

ytb: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình

⇒ Dt cất = 0.0188 × √2859,2478

0,9179 = 1,0493 (m) + Vận tốc khi đi qua đoạn cất

ωtb =0.0188

2× gtb

D2× ρytb =

0.01882× 2859,24781.04932× 0,933 = 0,9844 (m/s)

4.1.2 Đường kính đoạn chưng

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp

- Lượng hơi đi vào đoạn chưng g1′, lượng lỏng G1, hàm lượng lỏng x1 ′ được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng như sau:

(2) {

G1′ = g1′ + W̅ ( 𝐈𝐗 𝟗𝟖 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟖𝟐 [𝟐])

G1′ × x1′ = g1′ × y̅W+ W × x̅W (𝐈𝐗 𝟗𝟗 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟖𝟐 [𝟐])

g1′ × r1′ = gn′ × rn′ = g1× r1 (𝐈𝐗 𝟏𝟎𝟎 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟖𝟐 [𝟐]) + x̅W = 0.05

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

Nội suy từ bảng I.212 trang 254 [1], tại t′1 = tw = 111,9759°C ta có:

r′nước = 2224,0937 × 103 (J/kg)

r′𝑎𝑥𝑖𝑡 = 409,1003 (J/kg)

⇒ r′1 = y̅w× r′nước+ (1 − y̅w) × r′

axit = 561,4712 × 103 (J/kg) + Tính r1

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm chóp có ống chảy chuyền

(ρy× ωy)′tb = 0.065 × φ(σ′) × √h′ × ρ′xtb× ρ′ytb (kg/m2× s) (IX.105 trang

+ Khối lượng riêng trung bình của pha hơi ρ′ytb

ρ′ytb= (y′tb1× Mnước+ (1 − y′tb1) × Maxit) × 273

ρ′xtb =

a′tb1ρ′xtb1+

(1 − a′tb1)ρ′xtb2 (kg/m

+ Vận tốc khi đi qua đoạn chưng

ω′tb =0.0188

2× g′tb

D2× ρ′ytb =

0.01882× 5093,93911.32× 1,3999 = 0,7993 (m/s)

4.2 Chiều cao tháp

Số mâm lý thuyết của toàn tháp: nlt = nltL + nltC = 10+6 = 16

Số mâm thực tế của toàn tháp: ntt = nttL + nttC = 17+ 10 = 27

Chiều cao thân :H = Ntt× (Hđ+ δ) + (0.8 ÷ 1) (IX.54 trang 169 [2])

Ntt: số đĩa thực tế Ntt= 27

 δ: chiều dày của đĩa (m) Chọn δ = 4 (mm) = 0.004 (m)

 Hđ: khoảng cách giữa các đĩa (m) Chọn Hđ = 425 (mm) = 0,425 (m)

 0.8 ÷ 1: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị Chọn 0.8

 ⇒ H = 28 × (0,425 + 0.004) + 0.8 = 12,3 (m)

 Từ bảng IX.5 trang 171 [2] ta có số đĩa giữa hai mặt bích là nđ= 5

 + Chiều cao đoạn cất

Chiều cao toàn tháp: H’ = Hthân + 2Hđn = 12,3 + 2.0,35 = 13 (m)

 Kiểm tra khoảng cách mâm tối thiểu :