Thiết kế tháp mâm chóp họat động liên tục để chưng cất hỗn hợp Etanol – Nước ở áp suất thường.

HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ---oOo---NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Bá Minh Họ và tên sinh viên thực hiện: MSSV Tên đồ án

(Từ ngày 5/10/2020-6/1/2021)

GVHD: PGS.TS Vũ Bá Minh

SVTH:

TP.Hồ Chí Minh – tháng 10/2020

Họ và tên sinh viên thực hiện: MSSV

1 Đầu đề đồ án: Thiết kế tháp mâm chóp họat động liên tục để chưng

cất hỗn hợp Etanol – Nước ở áp suất thường

2 Số liệu ban đầu:

1) Năng suất nguyên liệu: 2.000 lít/h

2) Nhập liệu có nồng độ ruợu là 20% mol Etanol

3) Nồng độ sản phẩm đỉnh là 85% mol Etanol

4) Tỷ lệ thu hồi rượu là 97%

5) Các số liệu khác tự chọn

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính tóan:

1) Tổng quan về sản phẩm và các loại tháp chưng cất,thiết bị trao đổi nhiệt và ngưng tụ

2) Đề nghị qui trình chưng cât

3) Tính cân bằng vật chất-năng lượng

4) Tính số mâm thực tế tháp chưng cất

5) Tính toán cấu tạo tháp chưng cất

6) Lập bảng tính khối lượng vật tư và chi phí chế tạo tháp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

-oOo -NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Bá Minh Họ và tên sinh viên thực hiện: MSSV Tên đồ án: Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ họat động liên tục để chưng cất hỗn hợp Etanol – Nước ở áp suất thường 1 Nhận xét về nội dung các phần thuyết minh:

2 Nhận xét về các bản vẽ thiết kế:

3 Nhận xét về quá trình thực hiện thiết kế của sinh viên (kỹ năng, thái độ):

4 Điểm số: 1……… Điểm: ………

2……… Điểm: ………

5 Kết luận (cho phép bảo vệ/không cho phép bảo vệ):

TP Hồ Chí Minh, 06 tháng 01 năm 2021 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS.TS Vũ Bá Minh

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời buổi công nghiệp hóa, hiện đại hóa như ngày nay, hóa họcchiếm một phần quan trong và hầu như không thể thiếu trong các ngànhcông nghiệp từ hóa dầu, hóa dược, hóa mỹ phẩm đến hóa phân tử, hóathực phẩm…giúp đóng góp một phần quan trọng trong sự phát triển khôngngừng của xã hội

Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sảnphẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinhkhiết cao ngày càng gia tăng để giúp có được sản phẩm sau cùng chấtlượng nhất

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 sảnphẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Etanol -Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải 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 tổnghợp trong quá trình học tập của các kỹ sư hoá thực phẩm tương lai Mônhọc giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu côngnghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thựcphẩm cũng như rèn luyện cho sinh viên khả năng tính toán và tư duy logic.Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học củanhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cáchhiệu quả nhất

Nhiệm vụ của đồ án môn học là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol Nước hoạt động liên tục với nâng suất sản phẩm đỉnh : 2000 lít/h, nhậpliệu có nồng độ rượu là 20% mol ethanol, thu được sản phẩm đỉnh có nồng

-độ 85% mol etanol với -độ thu hồi etanol là 97%

Nhóm em chân thành cảm ơn thầy TS Vũ Bá Minh, đã giúp nhóm emhoàn thành đồ án này Tuy nhiên, vì thời gian thực hiện đồ án là có hạn, vìthế trong quá trình hoàn thành đồ án không thể không có sai sót, em rấtmong quí thầy cô đóng góp ý kiến, chỉ dẫn để chúng em có thể hoàn thiệntốt hơn và hoàn thành thật tốt đồ án của mình

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 9

1.1 Tổng quan về sản phẩm 9

1.1.1 Ethanol 9

1.1.2 Nước 10

1.1.3 Hỗn hợp Ethanol – Nước: 10

1.2 Phương pháp và thiết bị chưng cất 11

1.2.1 Phương pháp chưng cất 11

1.2.2 Thiết bị chưng cất: 12

1.3 Công nghệ chưng cất Ethanol-Nước: 13

CHƯƠNG 2 : ĐỀ NGHỊ QUY TRÌNH CHƯNG CẤT 13

2.1 Sơ đồ nguyên liệu 13

2.2 Sơ đồ quy trình chưng cất Ethanol – Nước 14

CHƯƠNG 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯỢNG 17

3.1 Các thông số ban đầu 17

3.2 Cân bằng vật chất 17

3.2.1 Xác định số lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được, suất lượng mol mỗi dòng pha 17

3.2.2 Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc 18

3.3 Cân bằng năng lượng 24

3.3.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng dòng nhập liệu 24

3.3.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ 28

3.3.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh 29

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 31

4.1 Chọn bích và chọn vòng đệm 47

4.1.1 Bích và đệm để nối và bít kín thiết bị : 47

4.1.2 Bích để nối các ống dẫn 47

4.2 Chân đỡ và tai treo 51

4.2.1 Tính khối lượng của toàn tháp: 51

4.2.2 Chọn chân đỡ: 55

4.3 Tính lớp cách nhiệt 56

CHƯƠNG 5 TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 57

5.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 57

5.1.1 Hiệu số nhiệt trung bình giữa hai lưu thể 57

5.1.2 Xác định các thông số của dòng nhập liệu theo nhiệt độ trung bình 57

5.1.3 Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng dòng nhập liệu 58

5.1.4 Khối lượng của hơi nước bão hòa dùng để trao đổi nhiệt 58

5.1.5 Tính hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hòa 58

5.1.6 Xác định chế độ chảy của dòng nhập liệu trong ống 59

5.1.7 Tính hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống 60

5.1.8 Tính tổng trở thành ống 60

5.1.9 Nhiệt tải riêng phía dòng nhập liệu 61

5.1.10.Tính nhiệt tải trung bình 61

5.1.11 Xác định hệ số truyền nhiệt K 61

5.1.12 Bề mặt truyền nhiệt 62

5.1.13 Tính đường kính trong của thiết bị 62

5.1.14 Kiểm tra lại vận tốc và chuẩn số Re 62

5.2 Tính bơm và thùng cao vị 63

5.2.1 Các trở lực 63

5.2.2 Tính chiều cao của thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu 73

5.2.3 Tính và chọn bơm 74

CHƯƠNG 6: LẬP BẢNG TÍNH KHỐI LƯỢNG VẬT TƯ VÀ CHI PHÍ CHẾ TẠO THÁP 76

6.1 Tính sơ bộ giá thành của thiết bị 76

6.2 Tổng số tiền 77

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN 78

DANH MỤC HÌ

Hình 1 1 Cấu trúc phân tử Ethhanol 11

Y Hình 2 1 Đồ thị đường cân bằng Aceton – Nước 15

Hình 2 2 Sơ đồ quy trình 17

Hình 3 1 Đồ thị cân bằng lỏng hơi x – y của hệ Ethanol – nước .21

Hình 3 2 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R và N(R+1) 22

Hình 3 3 Đồ thị số mâm lý thuyết 24

Hình 4 1 Diện tích bề mặt 48

Hình 4 2 Bề mặt đỡ 56

Hình 4 3 Chân đỡ 57

DANH MỤC BẢ

Bảng 1 1 Thành phần lỏng (x) – hơi (y) 12

Bảng 1 2 So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp 14

Y Bảng 2 1.Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) , ( Acetone – Nước ) 15

Bảng 3 1 Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ Ethanol – nước 20

Bảng 3 2 Bảng quan hệ giữa các chỉ số hồi lưu thích hợp với Ni 22 Bảng 3 3 Tính toán cân bằng vật chất thiết bị chưng cất mâm chóp 25

Bảng 4 1 Kích thước bulong 52

Bảng 4 2 Kích thước bề mặt 53

Bảng 4 3 Kích thước tai treo 57

Bảng 4 4 Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng 58

Bảng 6 1.Tính toán sơ độ giá thành thiết bị 79

Bảng 6 2 Gía vật liệu 79

Bảng 6 3 Gía bulong 79

Bảng 6 4 Giá chi tiết khác 80

xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Tổng quan về sản phẩm

Nguyên liệu là hỗn hợp Ethanol - Nước

1.1.1 Ethanol

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

Hình 1 1 Cấu trúc phân tử Ethhanol

+ Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg: 78.3oC

+ Khối lượng riêng: d420 = 810 Kg/m3

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

1.1.2 Nước

Nước là một hợp chất hóa học của Hydro và Oxy, công thức hóa học làH2O Nước là một chất quan trọng trong công nghiệp và đời sống, chiếm70% diện tích của trái đất

Hình 1.2: Cấu tạo phân tử nước

Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy

Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45° Do các cặpđiện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởngcủa hình tứ diện Chiều dài của liên kết O-H là 96,84 picomet

Nước có tính lưỡng cực, liên kết giữa các phân tử nước là liên kếthidro

- Nhiệt độ sôi của nước :100oC ( ở 760mmHg)

- Nhiệt độ nóng chảy : 0oC ( ở 760mmHg)

1.1.3 Hỗn hợp Ethanol – Nước:

Bảng 1 1 Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol - Nước ở

760 mmHg

Hình 1.3: Đồ thị cân bằng lỏng-hơi hệ Ethanol-Nước

1.2 Phương pháp và thiết bị chưng cất

x(%phân

mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100y(%phân

mol) 0

33,2

44,2

53,1

57,6

61,4

65,4

69,9

75,3

81,8

89,8

100

t(oC) 100

90,5

86,5

83,2

81,7

78,478,4

1.2.1 Phương pháp chưng cất

Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thànhcác cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (haynhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lầnquá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơihoặc ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dungmôi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dungmôi 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 hệ cấu tửthì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bayhơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bayhơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ Ethanol - Nước sản phẩm đỉnh chủyếu gồm etanol và một ít nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồmnước và một ít ethanol

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 sôicủa các 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) và liên

tục

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

+ 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): làquá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn

 Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:

 Sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp: khi chưngcất hỗn hợp nhập kiệu thu được nước ở đáy tháp chưng cất, cấu

tử còn lại đễ bay hơi thì ta có thể sử dụng hơi nước để cấp nhiệttrực tiếp cho đáy tháp

 Sử dụng nồi đun để cấp nhiệt cho tháp chưng cất: nồi đun chotháp chưng cất là thiết bị trao đổi nhiệt được đặt ở đáy tháp, đểcung cấp nhiệt cho hệ thống Có các loại nồi đun cho tháp chưngcất:

+ Thiết bị trao đổi nhiệt loại hai vỏ: dùng cho tháp chưng cất

năng suất nhỏ.

+ Thiết bị trao đổ nhiệt dạng ốm chùm

+ Nồi đun đặt ngoài Chất tải nhiệt nóng đi trong ống, hơi đi vàotháp cân bằng với dòng sản phẩm đáy, do đó nồi đun được xemlàm một mâm lý thuyết Dùng cho tháp chưng cất năng suất cao.+ Thiết bị trao đổi nhiệt đặt đứng Chất tải nhiệt đi ngoài ống, bốchơi hoàn toàn phần lỏng đi vào nồi đun Do đó, hơi có cùng thànhphần với dòng sản phẩm đáy

+ Thiết bị trao đổi nhiệt nhận dòng lỏng từ mâm đáy và nó chỉbốc hơi một phần

Vậy: đối với hệ Ethanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liêntục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun đặt ngoài ở áp suất thường

1.2.2 Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều

có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều nàyphụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vaò lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớnnhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước củatháp : đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng,pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm Ta khảo sát 2 loại thápchưng cất 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 để chia thân tháp thành những đoạnbằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc vớinhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

 Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữs…

 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 mộttrong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

Bảng 1 2 So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp

THÁP CHÊM THÁP MÂM XUYÊN

LỖ

THÁP MÂM CHÓP

Ưu điểm - Đơn giản.

- Trở lực thấp

- Hiệu suất tương đốicao

- Làm việc với chất lỏngbẩn

- Hiệu suất cao

- Trở lực khá cao - Cấu tạo phức tạp

► Đồ án này sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Nước

Ethanol-1.3 Công nghệ chưng cất Ethanol-Nước:

Ethanol 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 nên phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phươngpháp chưng cất

Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vìcác cấu tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích

ly cũng như phương pháp hấp thụ do có thể làm cho quá trình phức tạphơn hay quá trình tách không được hoàn toàn

CHƯƠNG 2 : ĐỀ NGHỊ QUY TRÌNH CHƯNG CẤT

2.1 Sơ đồ nguyên liệu

Nguyên liệu là hỗn hợp Aceton – Nước , trong đó Aceton là cấu tử dễbay hơi

Bảng 2 1.Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng %mol và nhiệt độ sôi của hỗn

hợp hai cấu tử ở 760 mmHg ( Acetone – Nước )

y

0

33,2

44,2

53,1

57,6

61,4

65,4

69,9

75,3

81,8

86,5

83,2

81,7

78,4

78,4

Hệ Etanol -Nước

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

x(%mol) y(%mol)

Hình 2 1 Đồ thị đường cân bằng Aceton – Nước

2.2 Sơ đồ quy trình chưng cất Ethanol – Nước

 Chú thích các kí hiệu trong qui trình

1 Bồn chứa nguyên liệu

11 Thùng chứa sản phẩm đỉnh

12 Thiết bị gia nhiệt đáy tháp

13 Thùng chứa sản phẩm đáy

Hình 2 2 Sơ đồ quy trình

Hỗn hợp Nước – Ethanol có nồng độ nước 85% (theo phần khốilượng), nhiệt độ khoảng 270C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơmbằng bơm định lượng (2) bơm lên thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (5), rồiđược đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu.

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyệncủa tháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trênxuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏngchuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ cáccấu 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 acetone sẽ ngưng tụ lại, cuốicùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiềunhất (có nồng độ 99% phần khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ(9) và được ngưng tụ hòan toàn Một phần của chất lỏng ngưng tụ đượchồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấpđược bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càngtăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu

tử khó bay hơi (ethanol) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 70%phần khối lượng, còn lại là acetone Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi thápvào nồi đun (12) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cungcấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun và đượcđưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (13)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước được thải

bỏ, sản phẩm đáy là ethanol được giữ lại

CHƯƠNG 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯỢNG3.1 Các thông số ban đầu

Thiết bị lựa chọn là tháp mâm chóp Thiết bị hoạt động liên tục Khichưng luyện dung dịch Ethanol thì cấu tử dễ bay hơi là Ethanol Hỗn hợpEthanol – nước bao gồm:

 Ethanol: C2H5OH , MA = 46 (g/mol)

 Nước: H2O, MB = 18 (g/mol)

 Năng suất nhập liệu: F=2000 lít/h

 Nồng độ Ethanol trong hỗn hợp đầu: xF = 20% mol

 Nồng độ Ethanol trong sản phẩm ở đỉnh: xD = 85% mol

 Nồng độ Ethanol trong sản phẩm ở đáy: xW = 0,78% mol (mục3.2.1)

 Các thông số tự chọn

 Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tBĐ = 270C

 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tPR = 350C

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 250C

 Nhiệt độ dòng lạnh đi ra: tR = 450C

 Trang 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 tính theo kg/h, kmol/h

 L: suất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h

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

3.2 Cân bằng vật chất

Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất:

F = D + W(1)

Phương trình cân bằng đối với cấu tử dễ bay hơi:

F.xF = D.xD + W.xW(2)

3.2.1 Xác định số lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được, suất lượng mol mỗi dòng pha

Phân tử lượng trung bình của dòng nhập liệu (MtbF) và dòng sảnphẩm (MtbD):

MtbF=xF.MA+(1-xF) MB =0,20.46+(1-0,20).18=23,6 (kg/kmol)

MtbD=xD.MA+(1-xD) MB =0,85.46+(1-0,85).18=41,8 (kg/kmol)

MtbW=xW.MA+(1-xW) MB =0,0078.46+(1- 0,0078).18=18,22 (kg/kmol)

Nồng độ Ethanol nhập liệu tính theo phần khối lượng (xF = 0.20)

 ´x F=M A × x F

MtbF = 46.0,20

23.6 = 0,3898 (% khối lượng)Nồng độ Ethanol sản phẩm đỉnh theo phần khối lương (xD = 0.85)

3.2.2 Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc

3.2.2.1 Đồ thị cân bằng Ethanol – nước

Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng % mol và nhiệt độsôi của hỗn hợp hai cấu tử ở 760 mmHg (Ethanol – nước):

Bảng 3 1 Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ Ethanol – nước

x 0 0,0

5

0,1 0

0,2 0

0,3 0

0,4 0

0,5 0

0,6 0

0,7 0

0,8 0

0,9 0

1

y 0 0,33

2

0,442

0,531

0,576

0,614

0,654

0,699

0,753

0,818

0,898

Đồ thị cân bằng x - y hệ Ethanol - nước

Hình 3 1 Đồ thị cân bằng lỏng hơi x – y của hệ Ethanol – nước

3.2.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

a Chỉ số hồi lưu 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 (0,77;0,77) ta kẻ một đườngthẳng tiếp tuyến với đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điểm

có yo = 0,40

 Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi xo =0 thì

yo = Rmin 1

x D

=0,40Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : Rmin = 1,125

Vẽ các đường làm việc của đoạn luyện ứng với các giá trị Bi đó Từ

đó qua đồ thị ta tìm được các giá trị Ni tương ứng Từ các giá trị Ni tìmđược ta thành lập các giá trị tương ứng Ni(Ri + 1)

Bảng 3.2 Bảng quan hệ giữa các chỉ số hồi lưu thích hợp với Ni

R x N lt

N lt (R x + 1)

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 80

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R và N(R+1)

Hình 3 2 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R và N(R+1)

Từ đồ thị bên trên, ta suy ra được chỉ số hồi lưu thích hợp là Rth =2,8125 tại giá trị b = 2,5 với số đĩa lý thuyết là Nlt = 24

c Phương trình đường làm việc

Để tính phương trình đường làm việc, trước tiên ta tính chỉ sô nhậpliệu f (trong đó, các giá trị xD, xW tính theo %mol)

f = x D−x W

x F−x W=¿

0,85−0,00780,20−0,0078 = 4,38Phương trình đường làm việc phần chưng:

y= R+f R+1 × x+

1−f

R+1 × x W(ST 2: IX 22/158)

¿2,8125+4,382,8125+1 × x+

1−4,382,8125+1× 0,0078 = 1.88705x −¿0.00692

Phương trình đường làm việc phần cất (với xD tính theo % mol)

y= R

R+1 × x+

x D R+1(ST 2: IX 20 /144)

¿ 2,8125

2,8125+1× x +

0,852,8125+ 1 = 0,7377x + 0,22295

3.2.2.3 Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế

 Vẽ đường nhập liệu theo phương trình x = xF = 25 %mol (do nhậpliệu lỏng sôi)

 Vẽ đường làm việc phần chưng qua điểm W (x = y = xw) theophương trình y = 2,32x – 1,033 và cho giao điểm với đường nhập liệu vàđường làm việc phần cất

Dựa vào đồ thị Hình 2 bên dưới, ta thấy:

 Số mâm lý thuyết là 23 mâm + 1 nồi đun

 Vị trí mâm nhập liệu là 21

 Số mâm phần cất là 20

 Số mâm phần chưng là 3

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0

5

10

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0

x (phần mol ethanol trong pha lỏng)

❑tb là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợplỏng:

❑tb = f (, )

Trong chưng cất, người ta tính độ bay hơi tương đối như sau:

lghh = xlgethanol + (1 – x) lgnước(ST1: I.12/84)

Đầu tiên, từ giãn đồ x – y và t – x, y ta tìm nhiệt độ tại các vị trí vànồng độ pha hơi cần bằng, trong đó:

 Các giá trị ts và y* được nội suy từ các giá trị x trong Bảng 1.

 Các giá trị ethanol và nước được nội suy từ các giá trị t trong bảng độnhớt I.101 của sổ tay tập 1 trang 91

 Các giá trị ❑tb được xác định bằng cách tra hình trong sổ tay 2

(IX.1) trang 171 dựa vào tích số (αμ¿

Bảng 3 3 Tính toán cân bằng vật chất thiết bị chưng cất mâm chóp

Dòng nhập liệu

 N tt=N¿

❑tb=

230,68 = 33,82

 Vị trí mâm nhập liệu là mâm thứ 31

 Thêm 2 mâm: 1 mâm ở nồi đun và 1 mâm ở thiết bị ngưng tụ

 Tổng cộng là 37 mâm

3.3 Cân bằng năng lượng

3.3.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng dòng nhập liệu

 Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Q D 1+Q f=Q F+Q ng1+Q xq1 (ST2: IX.149/196)

QD1 : Nhiệt lượng hơi đốt mang vào tháp (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)

 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào Q f :

Q f=G F ×C f ×t f (ST2: IX.151/196) Trong đó:

 Nồng độ ethanol nhập liệu x=´x F=0,3898 ( pkl)

 Suất lượng hỗn hợp đầu: GF = 2000 lít/h

 Chọn Nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp: tf = 27oC

 Nhiệt dung riêng được nội suy từ sổ tay bảng I.153 trang 172 và

bảng I.154 trang 172 với t f=27 °C:

C n 1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.oC)

λ n1: Nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)

θ n 1 = 119,62oC (ST1: BảngI.148/166)

r h 1: Ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

D1 : Lượng hơi đốt (Kg/h)

 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q ng 1:

Q ng 1=G ng 1 × θ n 1 × C n 1=D1×θ n1 ×C n 1 (ST2: IX.153/196)

 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5%

nhiệt do hơi đốt mang vào Q xq 1:

 Nội suy từ sổ tay tập 1 bảng I.148 trang 166 ta tìm được nhiệt dung

riêng của nước ở θ n 1=119.62° C

3.3.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất

 Tổng lượng nhiệt mang vào tháp bằng tổng lượng nhiệt mang ra:

Q D 2+Q F+Q R=Q Y+Q W+Q ng 2+Q xq2 (ST2: IX.156/197)

QD2 : Nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)

QR : Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào tháp (J/h)

QF : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h)

Qy : Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h)

Qw : Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h)

Qng2 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

C n 2 :nhi ệ t dung riêng c ủ a n ướ c ng ư ng(kg J °C)

 Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp Q R:

Q R=G R C R t R (ST2:IX.158/197)

GR: lượng lỏng hồi lưu Với:

GR = GD×Rth = 588,18 × 1,55287 = 913,367 (Kg/h)

tR – nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu: tR = tD = 78,470C

{¿C n ướ c=4188,91

⇒ CR= 0,9354× 3974,96+ (1 – 0,9354)×4188,91 = 3988,781 (J/Kg.độ)

 Tìm nhiệt dung riêng bằng cách tra sổ tay tập 1 bảng I.147 trang

165 và I.153 trang 171 và nội suy tại tD = 78,47oC:

{¿C n ướ c=4188,92

¿C ethanol=3974,96 (J/Kg.độ)

 Nhiệt lượng riêng của nước và ethanol là:

λ nướ c=r n ướ c+θ C n ướ c=2357279+78,47 ×4188,92

¿2685983,552(J/Kg)

λ ethanol=r ethanol+θ C ethanol=851206,2+78,47 ×3974,96

= 1163121,311(J/Kg)

⇒ λd= 1163121,311× 0,9354 + (1 – 0,9354) × 2685983,552 =1261498,212 (J/Kg)

 Vậy nhiệt lượng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp:

 Tìm nhiệt dung riêng bằng cách tra sổ tay tập 1 bảng I.153 trang

171 và nội suy tại tW = 98,31oC

{¿C n ướ c=4225,85

¿C ethanol=4063,38 (J/Kg.độ)

 Cw = 4063,38 × 0,0197 + (1 −¿0,0197) × 4225,85 = 4222,65 (J/Kg.độ)

 Qw=G w ×C w ×t w=¿ 411,82 × 4222,65 × 98,31= 170958310,1 (J/h)

 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra ngoài Q ng 2: (ST2: IX.106/198)

Q ng 2=G ng 2 C2 θ n 2=D2 C2.θ n 2

Gng2 – lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt (Kg/h)

θ n 2 – nhiệt độ nước ngưng (0C) với θ n 2=119,60C

C2 – nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/Kg.độ)

 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh (Q xq2) lấy bằng 5% nhiệt do hơi đốt mang vào:

3.3.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

 Nếu chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu thì:

G D R th r =G nl C n (t2−t1)

⇒ Lượng nước lạnh cần tiêu tốn là Gnl

G nl=G D R th r

C n(t2−t1)(ST2.IX.164/198)

⇒ Vậy nhiệt độ trung bình: t tb=30+40

 Ta lấy r = rn ở t = 350C Nội suy từ bảng I.212 sổ tay tập 1 trang

254 để tìm nhiệt hóa hơi của nước ta có: r = 582,49 (Kcal/Kg) = 2438776(j/Kg)

 Vậy lượng nước lạnh cần tiêu tốn:

G nl=588,18 ×1,55287 ×2344721,044

4172,41×(45−25) =¿25663,71 (Kg/h)

 Nếu ngưng tụ hoàn toàn thì : GD×(Rth + 1) × r = Gnl×Cn×(t2 −¿ t1)

 Vậy lượng nước lạnh cẩn tiêu tốn:

G nl=G D (R x+1) r

C n (t2−t1) = 588,18×(1+1,55287)×2344721,044

4172,41×(45−25) = 42190,35 (Kg/h)

3.3.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh

 Nếu trong thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu Áp dụngcông thức:

CP: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/Kg.độ

t1’, t2’: nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ

Gn3: lượng nước làm lạnh chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu

Gn4: lượng nước làm lạnh ngưng tụ hoàn toàn

Nhiệt độ đầu vào sản phẩm đỉnh t1’ = tD = 78,47oC

 Tìm nhiệt dung riêng bằng cách tra sổ tay tập 1 bảng I.147 trang

165 và I.153 trang 171 và nội suy tại t’tb = 54,24oC:

{¿c n ướ c=4187,30

¿C ethanol=3928,22 (J/Kg.độ)

CD = ´xD×Cethanol + (1−´xD) ×Cnước = 0,9354 ×3928,22 + (1−¿0,9354)×4187,30

 Nếu ngưng tụ hoàn toàn:

G n 4=G D ×C D ×(t1'−t2')

C n ×(t2−t1) =

588,18 ×3944,96 ×(78,47−30) 4187,30 ×(45−30) = 1790,61 Kg/h

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

g tb : lượng hơi trung bình đi trong tháp ( Kg/h )

(ρtb × ωy )tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ( Kg/h )tb × ωy )tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ( Kg/h )y )tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ( Kg/h )

Vì rằng lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp vàkhác nhau trong mỗi đoạn cho nên ta phải tính đường kính trung bìnhriêng cho từng đoạn : đoạn chưng và đoạn cất

 Đường kính đoạn cất :

Nồng độ trung bình của pha lỏng:

x’m =x F +¿x D

2 ¿ = 0,2+0,852 = 0,525Nồng độ trung bình của pha hơi theo phương trình đường làm việc :

y’m = 0,7377.x’m + 0,22295

= 0,7377×0,525+ 0,22295 = 0,61

Nhiệt độ trung bình của pha hơi, pha lỏng từ giãn đồ t-x,y:

x’m = 0,525 → t’x = 79,82OC

y’m = 0,61 → t’y = 80,89OC

Khối lượng mol trung bình và khối lượng riêng pha hơi :

M’m = y’m×Methanol + ( 1 – y’m ) ×Mnước

Khối lượng riêng pha lỏng :

x’m = 0,525 → x ’m = 0,525× 46

0,525× 46+(1−0,525)×18

= 0,739 ( phần khối lượng ) t’x = 79,82OC → ρtb × ωy )tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ( Kg/h )’ethanol = 934,11 ( Kg/m3 )

ρtb × ωy )tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ( Kg/h )’nước = 972,11 ( Kg/m3 ) ( Bảng I.2 – Sổ tay tập một )

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện :

r1 = rethanol×y 1 + ( 1 – y1 )×rnước [I.182]

rđ = rethanol× ´y D + ( 1 - ´y D )×rnước [I.182]

Tại vị trí nhập liệu :

tF = 83,2OC → ra = rethanol = 845,02( KJ/Kg )

rb = rnước = 2334,89 ( KJ/ Kg )( Bảng I.212 - Sổ tay tập một )

⇒ r1 = ra × y 1 + ( 1 - y 1 ) × rb = 2334,89 – 1489,87× y 1