THIẾT kế THÁP CHƯNG cất XUYÊN lỗ hệ ETHANOL nước

Nhiệm vụ đồ án môn học của em là thiết kế tháp chưng cất hệ Ethanol - Nước hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu là 1200 Kg/h có nồng độ 30% mol Ethanol, thu được sản phẩm đỉnh có n

Trang 1

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 2

GVHD: NGUYỄN THỊ THANH HIỀN Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

TP HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ : KHOA CNHH – BỘ MÔN QT&TB CNHH-SH-TP PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN

KỸ THUẬT QUÁ TRÌNH &THIẾT BỊ Sinh viên thực hiện đồ án:

Trang 3

11

12

13

14

(Phiếu theo dõi tiến độ được đóng vào đầu quyển báo cáo; sinh viên đánh

máy điền thông tin cá nhân và tên đồ án,GVHD và SVTH có trách nhiệm điền nội dung hướng dẫn và ký tên vào bảng theo dõi đây là tiêu chuẩn đánh giá tính nghiêm túc thực hiện đồ án của SV, đồ án thực hiện trong 12 tuần, 1 trong những tiêu chí được phép bảo vệ là tối thiểu 10 chữ ký GVHD )

Trang 4

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM ĐỘC LẬP-TỰ DO-HẠNH PHÚ

Tp Hồ Chí Minh

Khoa: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Bộ Môn: QT&TB CNHH-SH-TP

ĐỒ ÁN

MÔN HỌC: KỸ THUẬT QUÁ TRÌNH &THIẾT BỊ TRONG CNHH

Họ và tên sinh viên:Phan Khánh Hà ………Chữ kí: ………

MSSV: Lớp:………

.Ngành:………

.I Đầu đề đầu án ( Tên đồ án ) Thiết kế tháp chưng cất xuyên lỗ hệ etanol-nước II Nhiệm vụ đồ án ( nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu ): Nhập liệu: hỗn hợp ban đầu 1200kg/h Nồng độ nhập liệu: 30% (nồng độ % khối lượng) Nồng độ sau chưng cất đạt 90% (nồng độ % khối lượng) Nhiệt độ ban đầu: 30 oC III Nội dung các phần thuyết minh tính toán: Phần 1: Tổng quan ……… ……

………

……… ……

………

Phần 2: Quy trình công nghệ

2.1 Thiết lập sơ đồ quy trình công nghệ (vẽ sơ đồ hệ thống thiết bị)

Trang 5

2.2 Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ (thuyết minh toàn quy trình theo sơ đồ hệ thống thiết bị)

Phần 3: Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng

Phần 6: Tính kinh tế

……… ……

………

IV.Các bản vẽ và đồ thị ( loại và kích thước bản vẽ ):

……… ……

………

V Ngày giao đồ án: 26/01/2019

VI.Ngàyhoànthànhđồán: ……… VII.Ngàynộpđồán:………

TpHCM ngày…….tháng …….năm 2019 TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ tên)

Trang 6

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Hiền

Sinh viên thực hiện: Phan Khánh Hà

Mssv: 2004160042

Đề tài đồ án: Thiết kế chưng cất tháp mâm xuyên lỗ hệ Ethanol- Nước Nhận xét:

………

Ký và ghi rõ họ tên

Trang 7

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Sinh viên thực hiện: Phan Khánh Hà

MSSV: 2004160042

Đề tài đồ án: Thiết kế tháp chưng cất mâm xuyên lỗ hệ Ethanol-Nước Nhận xét:

………

Ký và ghi rõ họ tên

Trang 8

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN……… 6

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN 7

LỜI CẢM ƠN 12

LỜI MỞ ĐẦU 13

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 14

1 Tổng quan về nguyên liệu 14

1.1 Khái niệm 14

1.2 Ứng dụng 14

1.3 Tính chất hóa học 16

1.3.1 Tính chất của rượu đơn chức 17

1.3.2 Phản ứng riêng 17

1.4 Sản xuất 18

1.4.1 Hydrat hóa etilen 18

1.4.2 Lên men 19

1.4.3 Làm tinh khiết 20

2 Công nghệ chưng cất hỗn hợp Ethanol- Nước 22

2.1 Phương pháp thực hiện 22

2.2 Loại tháp chưng cất 23

3 Sơ đồ quy trình công nghệ và thuyết minh quy trình công nghệ 25

3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 25

3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 25

CHƯƠNG 2:CÂN BẰNG VẬT CHẤT……….27

1 Cân bằng vật chất……… 27

1.1 Các số liệu ban đầu 27

Trang 9

1.2 Các ký hiệu 27

1.3 Xác định suất lượng và sản phẩm đáy 27

2 Chỉ số hồi lưu 29

2.1 Đồ thị cân bằng Ethanol-Nước 29

2.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp 30

2.2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu 30

2.2.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp 30

3 Phương trình đường làm việc 31

4 Xác định số mâm lí thuyết và số mâm thực tế 32

4.1 Xác định số mâm lí thuyết 32

4.2 Xác định số mâm thực tế 33

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 36

1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 36

2 Cân bằng năng lượng các thiết bị truyền nhiệt 39

2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ 39

2.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh………40

2.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy có trao đổi với dòng nhập liệu 40

2.4 Cân bằng nhiệt lượng đun sôi dòng nhập liệu 41

CHƯƠNG 4: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH 42

1 Đường kính tháp 42

1.1 Đường kính đoạn cất 42

1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp 43

1.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp 45

1.2 Đường kính đoạn chưng 46 1.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong thápError! Bookmark not defined.

Trang 10

1.2.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp 48

2 Chiều cao tháp………50

3 Mâm lỗ- trở lực của mâm 50

3.1 Cấu tạo mâm lỗ 50

3.2 Độ giảm áp của pha khí qua 1 mâm 50

3.2.1 Độ giảm áp qua mâm khô 50

3.2.2 Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm 52

3.2.3 Độ giảm áp do sức căng bề mặt 54

3.3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 56

CHƯƠNG 5: TÍNH CƠ KHÍ 58

1 Bề dày thân tháp 58

2 Đáy và nắp thiết bị 60

3 Bích ghép thân, đáy và nắp 61

4 Đường kinh các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn 62

4.1 Vị trí nhập liệu 62

4.2 Ống hơi ở đỉnh tháp 63

4.3 Ống hoàn lưu 64

4.4 Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp 65

4.5 Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun ( sản phẩm đáy) 66

4.6 Tai treo và chân đỡ 67

CHƯƠNG 6 : CÁC THIẾT BỊ PHỤ 69

1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 69

1.1 Xác định hệ số truyền nhiệt 69

1.1.1 Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo của thiết bị 74

1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 74

1.2.1 Xác định hệ số truyền nhiệt 76

Trang 11

1.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 80

1.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 81

1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy 86

1.5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 92

2 Bồn cao vị 98

2.1 Tổn thất đường ống dẫn 98

2.1.1 Xác định vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn 98

2.1.2 Xác định hệ số ma sát trong đường ống 99

2.2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 100

2.2.1 Vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn 101

2.2.2 Xác định hệ số ma sát trong đường ống 101

2.2.3 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ 101

2.3 Chiều cao bồn cao vị 102

3 Bơm 103

3.1 Năng suất………103

3.2 Cột áp……… 104

3.2.1 Tính tổng trở lực trong ống……….…104

3.2 2 Tính cột áp của bơm……… 107

3.3 Công suất………107

4 Tính bảo ôn thiết bị……… 107

Trang 12

CHƯƠNG 6: TÍNH KINH TẾ………110 LỜI KẾT……….113 TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 114

LỜI CẢM ƠN

Trang 13

Em chân thành cảm ơn Khoa Công nghệ hóa học, trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM đã tạo điều kiện cho chúng em thực hiện tốt đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Thanh Hiền đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đồ án

Em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh nói chung, quý thầy cô trong

Bộ môn Quá trình Thiết bị nói riêng đã dạy dỗ chúng em những kiến thức đại cương cũng như các kiến thức chuyên ngành, giúp em có được cơ sở

lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng em chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án này

Em chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2019

Sinh viên thực hiện

Trang 14

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

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 lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Ethanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Ethanol

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 hóa - thực phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản phẩm hóa chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên 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

Nhiệm vụ đồ án môn học của em là thiết kế tháp chưng cất hệ Ethanol - Nước hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu là 1200 Kg/h

có nồng độ 30% mol Ethanol, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 90% Ethanol

Trang 15

Là một chất lỏng có mùi đặc trưng, dễ cháy, không màu, không độc

và tan nhiều trong nước

Nó hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như : eter, metanol, acetone, diacetone alcohol…

Trang 16

+ Công nghiệp cao su tổng hợp

+ Thuốc súng không khói

+ Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay

Sơ đồ tóm tắt vị trí của etanol trong các ngành công nghiệp

- Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acetic; từ các hợp chất cơ kim…

- Trong công nghiệp, điều chế ethanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ đường Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ

Trang 17

sản suất etanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses

cerevisiae để lên men tinh bột:

C6H6O6

Nấm men

Zymaza

2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal

Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO2

5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ(lactic, butylic…)

- Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất

là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống

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

1.3 Tính chất hóa học

Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của Etanol

Trang 18

Tính chất hóa học của etanol được quyết định bới cấu trúc phân tử

1.3.1 Tính chất của một rượu đơn chức:

Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ Ví dụ:

CO2 và H2O Ví dụ ở mức 1, trong môi trường nhiệt độ cao

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

Phản ứng tạo ra butadien-1,3: cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp,

ví dụ Cu + Al2O3 ở 380-400 độ C, lúc đó xảy ra phản ứng tách loại nước

Trang 19

1.4.1 Hyđrat hóa etilen

Etanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrat hóa êtylen bằng xúc tác axít, được trình bày theo phản ứng hóa học sau Cho etilen hợp nước ở 300 độ C, áp suất 70-

80 atm với chất xúc tác là axit wolframic hoặc axit phosphoric:

H2C=CH2 + H2O → CH3CH2OH

Chất xúc tác thông thường là axít phốtphoric, được hút bám trong các chất có độ xốp cao chẳng hạn như điatomit (đất chứa tảo cát) hay than củi; chất xúc tác này đã lần đầu tiên được công ty dầu mỏ Shell sử dụng

để sản xuất etanol ở mức độ công nghiệp năm 1947 Các chất xúc tác rắn, chủ yếu là các loại ôxít kim loại khác nhau, cũng được đề cập tới trong

các sách vở hóa học

Trong công nghệ cũ, lần đầu tiên được tiến hành ở mức độ công

nghiệp vào năm 1930 bởi Union Carbide, nhưng ngày nay gần như đã bị

loại bỏ thì êtylen đầu tiên được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của

Trang 20

nó với axít sulfuric đậm đặc để tạo ra êtyl sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành etanol và tái tạo axít sulfuric:

UN 1986

1.4.2 Lên men

Etanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn etanol

sử dụng làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài

men rượu nhất định (quan trọng nhất là Saccharomyces

cerevisiae) chuyển hóa đường trong điều kiện không có ôxy (gọi là yếm

khí), chúng sản xuất ra etanol và cacbon điôxít CO2 Phản ứng hóa học tổng quát có thể viết như sau:

C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2

Quá trình nuôi cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được gọi là ủ rượu Men rượu có thể phát triển trong sự hiện diện của khoảng 20% rượu, nhưng nồng độ của rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất

Để sản xuất etanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc thì tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường Trong việc ủ men bia, theo truyền thống nó được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm

Trang 21

hay ủ mạch nha Trong quá trình nảy mầm, hạt tạo ra các enzym có chức năng phá vỡ tinh bột để tạo ra đường Để sản xuất etanol làm nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bột thành glucoza được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với axít sulfuric loãng, enzym nấm amylas, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp

Về tiềm năng, glucoza để lên men thành etanol có thể thu được

từ xenluloza Việc thực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loại các phế thải và phụ phẩm nông nghiệp chứa nhiều xenluloza, chẳng hạn lõi ngô, rơm rạ hay mùn cưa thành các nguồn năng lượng tái sinh Cho đến gần đây thì giá thành của các enzym cellulas có thể thủy phân xenluloza là rất cao Hãng Iogen ở Canada đã đưa vào vận hành xí nghiệp sản xuất etanol trên cơ sở xenluloza đầu tiên vào năm 2004

Phản ứng thủy phân cellulose gồm các bước Bước 1, thủy phân xenluloza thành mantoza dưới tác dụng của men amylaza

Với giá dầu mỏ tương tự như các mức giá của những năm thập niên

1990 thì công nghệ hyđrat hóa êtylen là kinh tế một cách đáng kể hơn so với công nghệ lên men để sản xuất etanol tinh khiết Sự tăng cao của giá dầu mỏ trong thời gian gần đây, cùng với sự không ổn định trong giá cả

Trang 22

nông phẩm theo từng năm đã làm cho việc dự báo giá thành sản xuất tương đối của công nghệ lên men và công nghệ hóa dầu là rất khó

1.4.3 Làm tinh khiết

Đối với hỗn hợp etanol và nước, điểm sôi hỗn hợp (azeotrope) cực

đại ở nồng độ 96% etanol và 4% nước Vì lý do này, chưng cất phân đoạn hỗn hợp etanol-nước (chứa ít hơn 96% etanol) không thể tạo ra etanol tinh khiết hơn 96% Vì vậy, 95% etanol trong nước là dung môi phổ biến nhất

Hai hướng cạnh tranh nhau có thể sử dụng trong sản xuất etanol tinh chất Để phá vỡ điểm sôi hỗn hợp nhằm thực hiện việc chưng cất thì một lượng nhỏ benzen có thể thêm vào, và hỗn hợp lại được chưng cất phân đoạn một lần nữa Benzen tạo ra điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước

và etanol nhằm loại bỏ etanol ra khỏi nước, và điểm sôi hỗn hợp cấp hai với etanol loại bỏ phần lớn benzen Etanol được tạo ra không chứa nước Tuy nhiên, một lượng rất nhỏ (cỡ phần triệu benzen vẫn còn, vì thế việc

sử dụng etanol đối với người có thể gây tổn thương cho gan

Ngoài ra, sàng phân tử có thể sử dụng để hấp thụ có chọn lọc nựớc từ

dung dịch 96% ethanol Zeolit tổng hợp trong dạng viên tròn có thể sử dụng, cũng như là bột yến mạch Hướng tiếp cận bằng zeolit là đặc biệt

có giá trị, vì có khả năng tái sinh zeolit trong hệ khép kín về cơ bản là không giới hạn số lần, thông qua việc làm khô nó với luồng hơi

CO2 nóng Ethanol tinh chất được sản xuất theo cách này không có dấu tích của benzen, và có thể sử dụng như là nhiên liệu hay thậm chí khi hòa tan có thể dùng để làm mạnh thêm các loại rượu như rượu vang pooctô (có nguồn gốc ở Bồ Đào Nha hay rượu vang sherry (có nguồn gốc

ở Tây Ban Nha) trong các hoạt động nấu rượu truyền thống

Trang 23

2 Công nghệ chưng cất hỗn hợp Ethanol –Nước :

Ta có Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong nước và nhiệt độ sôi của Ethanol (78,39oC ở 760 mmHg) và Nước ( 100oC ở 760 mmHg) : là khá cách xa nhau nên phương pháp hiệu quả nhất để thu được Ethanol tinh khiết là chưng cất dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp

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 hấp thụ do phải đưa vào một pha mới để tách chúng, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn, hay quá trìng tách không được hoàn toàn

Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng ( hay nhiệt độ sôi ), 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

2.1 Phương pháp thực hiện :

Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ):

+ Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

+ Khi 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 liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn

Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục

Trang 24

Trong trường hợp này, do sản phẩm là Ethanol – với yêu cầu có độ tinh khiết cao khi sử dụng , cộng với hỗn hợp Ethanol – Nước là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất

2.2 Loại tháp 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 c ho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

+Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, chữ s…

Trang 25

Bảng 1.1 So sánh ưu điểm và nhược điểm của Tháp chêm, tháp mâm

xuyên lỗ và tháp mâm chóp

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

- Hiệu suất khá cao

- Làm việc với chất lỏng bẩn

- Có trở lực lớn

- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp

- Không làm việc với chất lỏng bẩn

Trang 26

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 Ethanol – Nước ta dung tháp mâm xuyên lỗ hoạt động

lien tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp

3 Sơ đồ qui trình công nghệ và thuyết minh qui trình công nghệ: 3.1 Sơ đồ qui trình công nghệ (đính kèm)

3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp Ethanol - Nước có nồng độ Ethanol 30% ( theo khối lượng) nhiệt độ khoảng 300C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt (4) bằng hơi nước bão hòa Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi Sau đó, hỗn hợp được đưa qua lưu lượng kế (7) vào tháp chưng cất (9) 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 (11) 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 nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử Ethanol chiếm nhiều nhất ( có nồng độ 90% theo khối lượng ) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (10) và được ngưng tụ một phần ( chỉ ngưng tụ hồi lưu) Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (11), được làm nguội, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (12) Phần còn lại của chất

Trang 27

lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu Một phần 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 gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi ( nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Ethanol là 5% theo khối lượng, còn lại là nước Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần dược đun, bốc hơi

ở nồi đun (13) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được làm nguội đến 30 0C bằng thiết bị trao đổi nhiệt (14)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Ethanol, sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ

Trang 28

CHƯƠNG 2:

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

1 Cân bằng vật chất

1.1 Các số liệu ban đầu :

Năng suất nhập liệu ban đầu: 1200 ( Kg/h )

Nhập liệu có nồng độ Ethanol : 30% theo khối lượng

Nồng độ sau chưng cất đạt : 90% theo khối lượng

Thiết bị hoạt động liên tục

1.2 Các ký hiệu :

F : lượng nhập liệu ban đầu (Kmol/h)

D : lượng sản phẩm đỉnh (Kmol/h)

W : lượng sản phẩm đáy (Kmol/h)

x F : nồng độ mol Ethanol trong nhập liệu

x D :nồng độ mol Ethanol trong sản phẩm đỉnh

x W : nồng độ mol Ethanol trong sản phẩm đáy

1.3 Xác định suất lượng nhập liệu và sản phẩm đáy:

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

F.xF = D xD + W.xW (2) Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol:

Trang 29

xF =

2 1

1

) 1 (

M

x M

x

M x

F F

25 , 0 46

25 , 0



 = 0,1436 (phần mol Ethanol )

xD =

2 1

1

) 1 (

M

x M

x

M x

D D

9 , 0 46

9 , 0

0,9 (phần mol Ethanol)

xW =

2 1

1

) 1 (

M

x M

x

M x

w w

05 , 0 46

05 , 0

Trang 30

F D x W x x

F

W D F

.

1014 , 47

W D

9108 , 5

2941 , 235

W

D

(Kg/h)

2 Xác định chỉ số hồi lưu:

2.1 Đồ thị cân bằng Etanol – Nước :

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

Bảng 2.1: Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ Ethanol – nước:

x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

y 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100

t 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80,0 79,4 79,0 78,6 78,4 78,4

Trang 31

Hình 2.1: Đồ thị cân bằng x-y hệ Ethanol– nước

2.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp :

2.2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu :

Do nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hòa, nên Rmin được xác định như sau:

Rmin =

F F

F D

x y

y x

Cho các giá trị Rxi> Rxmin để tìm các giá trị tung độ Bi tương ứng và

vẽ các đường nồng độ làm việc của đoạn luyện ứng với các giá trị Bi đó :

Trang 32

Tìm các điểm a(y= x= xD), b (y= x= x W) và đường x = x F (song song với trục tung) Cứ mỗi giá trị Bi ta vẽ được đường nồng độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng

Như vậy ứng với mỗi giá trị Rxita có số đơn vị chuyển khối chung tương ứng là mxi

Thể tích tháp là V = f.H

Với f : tiết diện tháp, m2

H : chiều cao làm việc của tháp, m

Ta biết tiết diện của tháp tỉ lệ thuận với lượng hơi đi trong tháp, mà lượng hơi lại tỉ lệ thuận với lượng lỏng hồi lưu trong tháp, như vậy tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hồi lưu Tức là f  ( Rx + 1 ).GD

Trong một điều kiện làm việc nhất định thì GD là không đổi

i(Rxi + 1) _ Rxi ) để tìm Rxth

3 Phương trình đường làm việc :

Phương trình đường làm việc làm cất :

= 1,71.x – 0,0071

Trang 33

Phương trình đường làm việc phần chưng:

F R

Trang 34

1 : độ bay hơi tương đối

x, y : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, pha hơi

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng  : tra theo nhiệt độ

Trang 35

(Tra bảng I.101, I.102, [1])

Trang 36

= 24 ( mâm )

Trang 37

CHƯƠNG 3:

CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất

Phương trình cân bằng năng lượng :

QF + QD2+ QR = Qy + Qw + Qxq2+ Qng2

 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào Q F (j/h):

QF = F C t. F.F

F = 1000 (Kg/h)

tF = 86 oC : nhiệt độ đi vào của hỗn hợp đầu ( ở trạng thái lỏng sôi )

CF : nhiệt dung riêng (tra bảng I.147, I.153, I.154, [1])

tF = 86 oC  Cnước = 4202 (J/Kg.độ )

Cethanol = 3310 (J/Kg.độ)

CF = x F Cethanol + ( 1- x F ).Cnước = 0,25.3310 + ( 1- 0,25 ).4202 = 3979 (J/Kg.độ )  QF = 1000 3979.86 = 342,1940.106 (J/h) = 95,0539 (KW)

 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp Q D2 (J/h):

QD2= D2.hơi = D2.(rhơi + Chơi.thơi) Dùng hơi nước ở áp suất 2at , rhơi = 2173 (Kj/Kg), thơi= 119,6 oC

hơi : nhiệt lượng riêng của hơi đốt ( J/Kg)

rhơi : ẩn nhiệt hóa hơi ( J/Kg)

Trang 38

thơi , Chơi : nhiệt độ oC và nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/Kg.độ)

 Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào :

QR = GR.CR.tR

CR = CD : nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh :

tD = 78,7 oC  Cnước = 4190 ( J/Kg.độ)

Cethanol = 3203,75 (J/Kg.độ )  CD = CR = x D.Cethanol + ( 1 -x D ).Cnước

= 0,9.3203,75+ ( 1-0,9 ) 4190 = 3302,3750 ( J/Kg.độ )

GR = D.R = 235,2941.1,4242 = 335,1059 (Kg/h)

tR = tD = 78,7 oC

 QR= GR.CR.tR = 335,1059.3302,3750.78,7 = 87,0929887.106 = 24,1925 (KW)

 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Q y :

Qy = D.( 1+ R).D Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp D :

D = ethanol.y D + nước ( 1 - y D) Với y D = 0,9130 (phần khối lượng )

ethanol , nước :: nhiệt lượng riêng của ethanol, nước :

ethanol = rethanol + tD Cethanol

nước = rnước + tD Cnước

Trang 39

rnước, rethanol, Cethanol, Cnước (tra ở bảng I.212 và bảng I.153, I.154, [1]) ở tD=78,7oC

(J/Kg.độ )

Trang 40

 Qw = 764,7059.4184,43.96,2 = 307,8263622 106 ( J/h) = 85,5073 (KW)

 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Q xq2: Lấy Qxq2 = 5%QD2(Kg.độ )

 Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh : Nhiệt lượng do nước

2 Cân bằng năng lượng các thiết bị truyền nhiệt:

2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ :

Phương trình cân bằng năng lượng :

𝐷̅ 𝑟𝐷(𝑅 + 1) = 𝐺𝑛1 𝐶𝑛(𝑡2− 𝑡1) Chọn nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh t1 = 27 oC , t2 = 40 0C

t = ( 1 2 ) 27 40

t t  

=33,5 0C Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình Cn = 4180,94 (J/Kg.độ )

yD = 0,8042  tD (hơi) = 57,815 0C

 Ẩn nhiệt hóa hơi rethanol = 523,35.103 (J/Kg)

rnước= 2371,249.103 ( J/Kg)  rD = 569,985.103 ( J/Kg)

Định dạng
Số trang	115
Dung lượng	1,53 MB