Tính toán thiết kế tháp đệm chưng luyện liên tục hổn hợp hai cấu tử là CH3COOH và H2O

Tính toán thiết kế tháp đệm chưng luyện liên tục hổn hợp hai cấu tử là CH3COOH và H2O.

Axít CH3OOH là một tronh những hợp phần không thể thiếu trông côngnghệ thực phẩm cũng như trong một số ngành công nghiệp khác, CH3COOHcũng chiếm một vai trò quan trọng trong cuộc sống.

Để sản xuất axit CH3COOH thì có nhiều phương pháp khác nhau nhưngtrong công nghiệp thực phẩm thì nó được sản xuất bằng phương pháp lên menbởi tác nhân vi sinh vật Để thu được CH3COOH tinh khiết có thể thực hiệnbằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng như các phương pháp hoá học, hoálý…trong công nghiệp để thu được lượng lớn CH3COOH với độ tinh khiết theoyêu cầu thì người ta thường sửdụng phương pháp chưng cất

Có nhiều phương pháp chưng cất khác nhau nhưng trong công nghiệp thựcphẩm thường sử dụng phương pháp chưng cất liên tục

Nguyên tắc phương pháp là dựa vào nhiệt độ bay hơi khác nhau của các cấu

tử trong hổn hợp.Về thiết bị thì có nhiều loại khác nhau, tuỳ thuộc vào yêu cầucông nghệ mà người ta chọn loại thiết bị phù hợp.Trông công nghệ thực phẩmthiết bị chưng cất thường dùng là thiết bị loại tháp

Nội dung của đồ án này là tính toán thiết kế tháp đệm chưng luyện liên tụchổn hợp hai cấu tử là CH3COOH và H2O

Các số liệu ban đầu :

Năng suất theo hổn hợp đầu: 1800(l/h)

Hơi đốt

(3) (6)

(5)

(8)

(1)

(2) (F)

(P)

Nước ngưng

Gw :lưu lượng sản phẩm đáy.

Cân bằng vật liệu cho cấu tử dể bay hơi

GF.xF = GP.xp+Gw.xw (kg/h)

xF:phần mol hổn hợp đầu

xp:phần mol sản phẩm đỉnh

xw:phần mol sản phẩm đáy

Theo giả thiết ta có :

aF = 0,75: nồng độ của hổn hợp đầu (phần mol)

ap = 0,9:nồng độ của sản phẩm đỉnh (phần mol)

aw =0,1:nồng độ phần mol khối lượng sản phẩm đáy

Suy ra các giá trị của xF, xp, xw:

xF

=

M a M

M

A

F O

H

O Ha

a

F

F

) 1

75 ,

75 , 0



= 0,91

M H2O:phân tử lượng của nước

MA= 60 :Phân tử lượng của CH3COOH

xp

=

60

1 18

18

a a

a

P P

18

a a

a

W W

w F

Gọi :M là phân tử lượng trung bình của hổn hợp (Kmol/Kg)

w F





= 85,08.00,968,9100,27,27 = 78,01

=> W = F-P = 85,05- 78,01 =7,07

2 Xác định chỉ số hồi lưu - số đĩa lý thuyết

Gọi x: nồng độ cấu tử dể bay hơi trong pha lỏng

y: nồng độ cấu tử dể bay hơi trong pha hơi

t: nhiệt độ sôi của hổn hợp hai cấu tử ở áo suất 760 mmHg

a(% khối lượng) x(phần mol) y(phần mol) Kg/h Kmol/h Nhiệt độ sôi

Dựa vào bảng (IX 2a, trang 148- T2) kết hợp với nội suy ta suy ra : yF = 0,937

là nồng độ cân bằng ứng giá trị xF = 0,91

Suy ra chỉ số hồi lưu tối thiểu là:

Rmin =

x y

y x

F F

p p





91 0 937 , 0

937 , 0 968 , 0

Với: L = PF = 1 , 09

01 , 78

08 , 85

Đoạn chưng 6 đĩa (11,3)

Đoạn luyện 11 đĩa (5,7)

Phương trình làm việc đoạn luyện

:hiệu suất của tháp (%)

: độ bay hơi của hổn hợp

1: hiệu suất đĩa trên cùng (%)

2: hiệu suất đĩa tiếp liệu (%)

3: hiệu suất đĩa dưới cùng (%)

a)Hiệu suất đĩa trên cùng:

Các số liệu đã có

Xp=0,968 ; yp=0,9776 ; tp =100,2oC

Độ nhớt của CH3COOH ở nhiệt độ t1 40oC là 1=0,9 (10-3.N.S/m3)

ở nhiệt độ t2 là 2=0,56 (10-3.N.S/m3).

Độ nhớt của nước ở nhiệt độ 1=24oC là 0,9, 2 =49oC là 0,56

Theo công thức páp lốp:

6, 1 49 24

80 40

40 2 , 100





= 61,625 (oC)Tra bảng độ nhớt của CH3COOH ta có

032,0.0224,0

9776,0

y

p

p p

09 , 0 063 , 0

937 , 0 1

73 , 0 6116 , 0

3884 , 0 1

w

3=3 3 hh=1,717.0,4387 = 0,753

Vậy hiệu suất trung bình của tháp là:

= 0,5345

3

4156,0435,0753,03

3 2

Trong đó: Chưng :Nc = 21 đĩa

Luyện: Nl =11 đĩa

CHƯƠNG II TÍNH KÍCH THƯỚCTHIẾT BỊ

I.Tính đường kính thiết bị: D chưng  D luyện

Đường kính của thiết bị được xác định theo công thức

D = 0,0188

W

y tb

g

 (m) (IX.90-sô tay TII)

Trong đó : gtb lượng hơi trung bình đi trong tháp

y khối lượng riêng trung bình của pha hơi đi trong tháp (Kg/m3)

wy vận tốc trung bình của hơi đi trong tháp(m/s)

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trongmỗi đoạn của tháp nên phải tính lượng hơi lỏng cho từng đoạn

1 Đường kính đoạn luyện

gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h, kmol/h)

gd : lượng hơi đi ra khỏi điã trên cùng của đoạn luyện

g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện

a)Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp

b)Lượng hơi đi vào đoạn luyện

Giữa lượng hơi g1 hàm lượng hơi y1 và lượng hơi G1 đối với đĩa thứ nhất củađoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằngnhiệt lượng sau:

r1=ra.y1+(1-y1).rb (đĩa thứ nhất)

rd= ra.yd+(1-y1).rb (đĩa trên cùng)

trong đó: ra,rb ẩn nhiệt hóa hơi của H2O và CH3COOH nguyên chất

yd nồng độ của H2O trong hổn hợp đầu

y1 hàm lượng hơi đối với đĩa 1 của đoạn luyện

Dựa vào phương pháp nội suy xác định ẩn nhiệt hóa hơi của nước và củaCH3COOH ở các nhiệt độ khác nhau:

Vậy với nhiệt độ tF=100,6 suy ra r3b=96,96 (kcal/kg)

Với tp =100,2 suy ra r4b= 96,98(kcal/kg)

c) Vận tỗc hơi đi trong đoạn luyện

Vận tốc hơi được xác định theo công thức

xtb d

ytb d

8 4

x

G

G

.(Sổ tay II-IX.115)

Trong đó : A hằng số A= -0,125

wx: vận tốc đặc pha (m/s).

d :Bề mặt tự do của đệm (m2/m3)

Vd: Thể tích tự do của đệm (m3/m3)

ytb :khối lượng riêng trung bình của hơi.(kg/m3)

xtb : Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m3)

x: Độ nhớt của hổn hợp lỏng ở điều kiện trung bình (N.S/m2)

n : Độ nhớt của nước ở 20oC (N.S/m2)

Gy :Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h)

Gx : Lượng lỏng trung bình đi trong doạn luyện (kg/h)

Chọn loại đệm vòng có kích thước chưa có và d =310(m2/m3),

Vd =0,71(m3/m3)

Xác định khối lượng riêng:

ytb =

)4,100273.(

4,22

273]

60)

1(18.[

4 , 22

273 ].

60 0427 , 0 18 9573 , 0 [

xtb

tb xtb

tb xtb

18 92 , 0 60

).

1 ( 18

18

1 1

(phần khối lượng ứng với to trung bình)

Với xtb1: nồng độ trung bình của pha lỏng tương ứng với ytbl

=0,9573

xtb1 : Khối lượng riêng của H2O tại 100,8 oC (kg/m3)

xtb2 : Khối lượng riêng của CH3COOH tại 100,8 oC (kg/m3)

Dựa vào phương pháp nội suy

Ở 120oC khối lượng riêng của là 2 = 922(kg/m3)

Suy ra khối lượng riêng của CH3COOH ở 100,8oC là

xtb2 =(922-958):20.0,8+958 =956,56

Vậy 1 9570,775,799560,225,56

xtb

066 , 4033

0188 ,

tb

' ' '

'

g

gn

(kg/h)

gn' : lượng hơi đi ra khỏi đọan chưng (kg/h)

gn' : Lượng hơi đi vào đọa chưng (kg/h)

g1 :lượng đi vào đoạn chưng trừ GF

g1= gn'=218,485 (kmol/h) - 85,08(kmol/h) = 5730,599(kg/h)

Nên g' tb =

2

' 1

1 g

g 

Ta có hệ phương trình sau

G g

g x

, , ,

, 1

rb : ẩn nhiệt hóa hơi của CH3COOH ở 108,3 0C , rb = 96,46 [kcal/kg]

GW : lượng sản phẩm đáy [kmol/h]

Giãi hệ phương trình trên ta có:

,69212

, 1 1 , g g

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng

, 1 , G G

' 1 ,

1

y y

18

18 , 1

, 1

, 1 2

x x

x a

tb tb

Khối lượng riêng của CH3COOH là ,xtb2= 943,58 [kg/m3]

2 ,

1

2 ,

1 1

Độ nhớt của CH3COOH là   8 , 01  0 , 46 

20

46 , 0 63 , 0 01 , 108 2

G G

G R

d h

x y y x

td

td

m

m x

y y

x x

y e

1

.

lg

.

, 0 342

, 0 2

, 0

: đường kính tương đương của đệm [m]



y d

y td y e

y:Khối lượng riêng của hơi [kg/m3]

x :khối lượng riêng của lỏng [kg/m3]

wy : Vận tốc hơi đi trong tháp

d : bề mặt riêng của đệm[m2/m3]

V d : thể tích tự do của đệm [m3/m3]

Gy,Gx: lượng lỏng và hơi trung bình đi trong tháp [kg/h]

x y : độ nhớt của hơi và lỏng đi trong tháp theo nhiệt độ trung bình [N.s/m2]

m : giá trị tg trung bình trên đường cân bằng

1 Chiều cao đệm của đoạn luyện

Suy ra chiều cao đoạn luyện là H1 = 0,3178.11 = 3,496 [m]

2 Chiều cao đoạn chưng và toàn tháp

,

0

18 4058 , 0

,





17,01

Vậy chiều cao của toàn tháp là H = Hc +HL +h = 6,545 + 3,496 +0,8=10,84 (m)

Chọn h=0,8 :chiều cao cho phép ở đỉnh và đáy H=10,84(m)

y y

x A

G

G p

pæ k

038 , 0 19

, 0 342

, 0

.1

(N/m2) (IX.118_sổ tayII)

 : tổn thất áp suất của đệm khô[ N/m2]

Gx,Gy: lượng lỏng, hơi trung bình đi trong tháp [kg/s]

x y: độ nhớt trung bình của lỏng, hơi [N.S/m2]

x,y:khối lượng riêng trung bình của lỏng,hơi [kg/m3]

Tổn thât áp suất của đệm kho tính theo công thức :

.

4 2

.

2

3

, 2

d

d t

y td k

w V

w d

d

y t

d

y d y k

H

3

2 , 0 2 , 1 8 , 1 ,

56 ,





[N/m2] (IX.121_sổ tay II)

I Trở lực cho đoạn luyện

0 310

646 ,

0 93 ,

3

3

2 , 0 2

, 1 8

, 0 8

, 1

1

3

.

496 , 3 56 ,



 pk

=24478,215 [N/m2]

5937 ,

0 51

, 957

646 ,

0 066

, 4033

3 ,

pæ

= 54799,26 [N/m2]

II Trở lực của đoạn chung

Vận tốc thực của hơi trong đệm w1'= 4,46[m/s]

 0 , 71 

10 45 , 0 5364

, 0 310 46

,

4

3

2 , 0 8

, 0 2

, 1 8

, 1

2

3

.

45 , 6 56 ,

69524 ,

0 6

, 944

5364 ,

0 867

, 6325

285 ,

pæ æ1 æ2

CHƯƠNG 4 CÂN BẰNG NHIỆT LUYỆN CHO QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN

I Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hổn hợp

QD Qf QF QnglQxql

Trong đó :

* Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1 D1 1 D1  r1 1 C1 [J/h]

D1: lượng hơi đốt [kg/h]

r1 : Ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt [J/kg]

1 : hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt [J/kg]

1 : nhiệt độ nước nhưng [0C]

C1 : nhiệt dung riêng của nước ngưng [J/kg.âäü]

* Nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang ra QF F.CF.tF [J/h]

F : lượng hổn hợp đầu [kg/h]

CF : nhiệt dung riêng của hổn hợp khí đi ra [J/kg độ]

tF : nhiệt độ của hổn hợp khí ra khỏi hổn hợp khí đun nóng [0C]

* Nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang vào Qf F.Cf.tf [J/h]

Cf : nhiệt dung rieng của hổn hợp đầu [J/kg độ]

tf : nhiệt độ đầu của hổn hợp [0C]

* Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qngl Gngl.C1.1D1.C1.1[J/h]

Gngl : lượng nước ngưng ,bằng lượng hơi đốt [kg/h]

* Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn

r D

C r

Q Q

Q Q

Q

Q

D F ngl xql f F f F F F f f

1 1

1

.

.

95 , 0

Chọn nhiệt độ của hổn hợp đẩu trước khi vào thiết bị đun nóng là 28 0C , ta có :

Nhiệt dung riêng của nước ở 28 0C là (áp suất kq) C28

1 = 4181,8 [J/kg độ] Nhiệt dung riêng của CH3COOH ở 28 0C là (áp suất kq)

Vậy lượng hơi đốt cần để đun hổn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là :

.2194.95,0

28.6,36606

,100.85,37721,

= 334,193 [kg/h]

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào là:

QD1 = D1.r1 = 234,193.2194.103 = 733219315 [J/h]

II Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng luyện

Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hổn hợp ở đáy tháp được xác định theo biểuthức sau :

Q Q

Q Q

D2 :lượng hơi đốt cần thiết [kg/h]

Qn: Nhiệt lượng của hơi mang ra khỏi đỉnh tháp [J/h]

QW : nhiệt lượng của sản phẩm đáy [J/h]

Qm: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh , Qw= 5%.Qm2 [J/h]

Qx: nhiệt lượng của lỏng hồi lưu [J/h]

Qf : nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang vào [J/h]

r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt [J/kg]

1 Nhiệt lượng của hơi mang ra khỏi đỉnh tháp

Hơi ra khỏi đỉnh có nhiêt độ là tp = 100,2 0C

a1,1: là nồng độ phần khối và nhiệt lượng riêng của H2O trong hơi

2: nhiệt lượng riêng của CH3COOH trong hơi [J/kg] ở 100,20C

2 , 100 2

2 , 100

3 , 108 1

3 Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào tháp

Ta xem quá trình ngưng tụ của sản phẩm đỉnh là đẳng nhiệt (nghĩa là nhiệt độ của

lỏng hồi lưu vào tháp là100,1 0C )

CF :nhiệt dung riêng của hổn hợp ra khỏi thiết bị đun nóng

Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hổn hợp ở đáy tháp

Q Q

Q Q

10

10

3

6 6

6 6

2194 95 , 0

) 34 , 703

76 , 774 193 , 334 2194 05 , 0

3573 , 97

386 , 8801

D2= 3560,3 [kg/h]

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD2 = 3560,3.2194.103 = 7811,24.106 [J/h]

III Cân băng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

Dùng chất tải nhiệt là nước lạnh

Gn : Lượng hơi nước tiíu tốn [kg/h].

r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước

I Tính thiết bị gia nhiệt đầu :

Chọn thiết bị gia nhiệt hổn hợp loại ống chùm vă thẳng đứng có cấu tạo như hình

vẽ dưới :

Hỗ n hợ p vào gia nhiệ t

Hỗ n hợ p đã đượ c đun nóng

Hơi đố t vào

Nước ngưng

Trong thiết bị thì hơi nước đi ngoăi ống, chất lỏng chuyển động trong ống; sau khigia nhiệt thì chất lỏng được bơm vận chuyển văo thâp

Tính toân thiết bị

* Nhiệt lượng cần cung cấp cho chất lỏng sôi :

Q = G.t.C [J/h]

G : Lượng hổn hợp đầu [kg/h]

t : Biến thiín nhiệt độ đầu vă cuối [0C]

C : Nhiệt dung riíng của chất lỏng [J/kg độ]

Q = 1853,1.(100,8 - 28).3660,55 [J/h]

t =tF -td :

tF =100,8oC : Nhiệt độ của hổn hợp sau khi dược gia nhiệt

td =28oC : Nhiệt độ của hổn hợp trước khi văo gia nhiệt

C = 3660,55[J/kg đô.] :Nhiệt dung riíng của hổn hợp chất lỏng ở 28oC

Q = 493,83.106 [J/h]

* Nhiệt độ trung bình của chất lỏng vă của hơi đốt

t1 = t2d- t1d= 125 - 28 = 97 [0C]

t2 = t2c - t1c = 125 - 100,6 = 24,4 [ 0C]

Với t1d, t1c : Nhiệt đọ trước vă sau khi đun nóng

t2d, t2c : Nhiệt độ của hơi đôt vă hơi ngưng ( xem quâ trình truyền nhiệt lă đẳngnhiệt nín nhiệt độ hơi ngưng bằng nhiệt độ hơi nước bảo hoă)

Hiệu số nhiệt trung bình của hai môi trường :

2 1

Nhiệt độ trung bình của chất lỏng t1tb= 100,6 - 52,6 = 48 [0C]

Nhiệt độ trung bình của hơi ngưng t2tb = 125 - 52,6 = 72,4 [0C]

* Tính hệ số cấp nhiệt từ hơi bảo hoà đến thành ống:1

Đây là quá trình cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi bảo hoà khô không chứa không khí vànước ngưng tạo thành thành màng phủ kín bề mặt truyền nhịêt đứng, trong trường hợpnày nước ngưng chuyển động trên bề mặt màng ở chế độ chảy dòng Ta có :

A : Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ của màng tm

tm = 0,5.(t1 + tbh) = (125 + 120).0,5 = 122,5 [0C] và A = 188,75

t1 : Nhiệt độ bề mặt thành , ta chọn t1 = 120 [0C]

t bh : Nhiệt độ hơi bảo hoà,tbh = 25 [0C]

r : ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ngưng lấy theo nhiệt hơi độ báo hoà,

r = 2195,47.103 [J/kg]

t = tn - t = 125 - 120 = 5 [0C]

tn : Nhiệt độ nước ngưng (nhiệt độ bảo hoà)

t : Nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc với hơi ngưng

H : Chiều cao ống truyền nhiệt, ta chọn H = 1,2 [m]

1= 2,04.188,75.4

2 , 1 5

47 , 2195

C1 : nhiệt dung riêng của H2O ở 48 0C , C1 = 4182,9 [J/kg độ]

C2 : nhiệt dung riêng của CH3COOH ở 48 0C , C2 = 2072,5 [J/kg độ]

C = 0,75.4182,9 + 0,25.2072,5 = 3655,3 [J/kg độ]

 : khối lượng riêng của chất lỏng ở 48 0C

 được xác định theo công thức (IX.104a_sổ tay II) với

1: khối lượng của H2O ở 48 0C , 1= 988,96 [kg/m3]

2: khối lượng riêng của CH3COOH ở 48 0C , 2= 1018,37 [kg/m3]

25 , 0 43

, 0 8 , 0 1

0 0 , 021

t

Trong đó

N0: chuẩn số Nuyxen của chất lỏng

1 : hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều cao H và đường kính dcủa ống , ta chọn ống có đường kính là d = 30 [mm]

H/d = 40 , tra bảng (V.2-sổ tay II) với Re =10000 ta được 1= 1,03

Pr : chuẩn số Pran của dòng tính theo nhiệt độ trung bình của dòng tức là 48 0C

Prt : chuẩn số Pran tính theo nhiệt độ trung bình của thành ống

Vì chênh lệch nhiệt độ giữa thành và dòng chất lỏng nhỏ nên ta có thể xem tỉ số(Pr/Prt)0,25 = 1

tT3 : nhiệt độ bề mặt tường tiếp xúc với chất lỏng [0C]

t3 : nhiệt độ trung bình của chất lỏng [0C]

Hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt tường

R = r r2

2 2

2 1 1

2 : chiều dăy của thănh ống , chọn 2= 0,002 [m]

2 : hệ số dẩn nhiệt của tường , chọn vật liệu lăm ống lă đồng có

Q : lượng nhiệt truyền qua tường phẳng trong một giđy [ W ]

qtb : nhiệt tải riíng trung bình [ W/m2 ]

F = 30185493,65,83.3600.106 = 4,544 [m2]

* Tính số ống truyền nhiệtiệt

n = H

F

dn



F : bề mặt truyền nhiệt [m2]

dn : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt [m]

H : chiều cao ống truyền nhiệt [m]

b : số bước trên đường chéo của hình sáu cạnh

b = 2.a - 1 (V.139_sổ tay II)

a : số ống trên một cạnh của hình sáu cạnh ở ngoài cùng , a = 4

D = 0,048.6 + 1,5.6.0.032 = 0,576[m]

II Tính các đường kính dẩn

1 Đường kính ống dẩn hơi thiết bị gia nhiệt hổn hợp đầu:

Sử dụng hơi đốt là hơi nước bảo hoà có nhiệt độ là 125 0C và có áp suất là 2,37 atmĐường kính ống được xác định:

d1 = D w 

0188 ,

[m]

Với: lượng hơi đốt sử dụng [kg/h]

w : vận tốc hơi đi trong ống , ta chọn w= 20 m/s

 : khối lượng riêng của hơi đốt ,  = 1,296 (kg/m3)