Thiết kế tháp chưng cất hệ etanol nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu 1000 kg

Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nươ ùc hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1000 kg/h có nồng độ 10% mol etan ol ,thu được sản... Phương pháp chưng cất

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh

MỤC LỤC

trangLỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN

I LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT

1 Phương pháp chưng cất

2 Thiết bị chưng cất:

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU

1 Etanol

2 Nước

3 Hỗn hợp Etanol – Nước

III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC

CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN

PHẨM

ĐÁY

III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP

1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu

2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp

IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ TH

3 Số mâm lý thuyết

V XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ

CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP

1 Đường kính đoạn cất

2 Đường kính đoạn chưng

II MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM

1 Cấu tạo mâm lỗ

2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm

3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :

III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP

1 Bề dày thân tháp :

2 Đáy và nắp thiết bị :

3 Bích ghép thân, đáy và nắp :

4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :

5 Tai treo và chân đỡ:

CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾ

T BỊ

PHỤ

I CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy

4 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩ

m đáy

5 Thiết gia nhiệt nhập liệu

II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ

III TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU

1 Tính chiều cao bồn cao vị

2 Chọn bơm

CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ

I TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ

II KẾT LUẬN

http://www.ebook.edu.vn 2

LỜI MỞ ĐẦU

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành cô

ng 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 suất 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 suất 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 Etanol - Nước là 2 cấu tư

û tan lẫn hoàn toàn,

ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết c

ho Etanol

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong

quá trình học tập của các kỹû sư hoá- thự c phẩm tương lai Mô

n 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 xuất hoá chất - thực phẩm Đây là bướ

c đầu tiên để sinh

viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học và

o giải quyết những vấn

đề kỹû thuật thực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nươ

ùc hoạt động liên

tục với nâng suất nhập liệu : 1000 kg/h có nồng độ 10% mol etan

ol ,thu được sản

phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol là 99%.

Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết

Bị, các bạn sinh

viên đã giúp em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, trong quá trì

nh hoàn thành đồ án

không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, ch

ỉ dẫn

I LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT :

1 Phương pháp chưng cất :

Chưng cất là qua ùtrình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu

tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác

nhau ở cùng áp suất), 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 Khác với cô đặc,

chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều ba

y hơi, còn cô đặc là

quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiê

u cấu tử sẽ thu

được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được

2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có đ

ộ bay hơi lớn (nhiệt độ

sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn)

.Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol và một ít nước ,

ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít etanol.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 so

âi của 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) va

ø liên tục

* Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc sư

û dụng trong 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) là quá

trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn

Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường

được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nươ

ùc

t liên tục cấp

nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh

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 na

øy phụ 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 lớn nhất thường

được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước của tháp : 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 tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và

tháp chêm

Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có g

ắn các mâm có

cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằ

ng nhau, trên mâm

pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấ

u tạo của đĩa, ta

Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn no

ái với nhau bằng

Tháp chêm Tháp mâm xuyên Tháp mâm chóp

Ưu điểm: - Đơn giản

- Làm việc với chất

- Hiệu suất cao

- Hoạt động ổn định

Nhược điểm:- Hiệu suất thấ

p

- Độ ổn định kém

- Trở lực khá cao

- Yêu cầu lắp đặt khắt

khe -> lắp đĩa thậtphẳng

- Cấu tạo phức tạp

- Trở lực lớn

- Không làm việc với

mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một tro

ng hai phương

pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

tháp mâm chóp Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ

ã hoạt động liên

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

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :

Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol - Nước

1 Etanol: (Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm)

Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Là chất

lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước

Một số thông số vật lý và nhiệt động của etanol:

+ Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78.3oC

+ Khối lượng riêng: d420 = 810 (Kg/m3)

Tính chất hóa học:

Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl OH) của etanol là

(-thể hiện tính chất hoá học của nó

* Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:

CH3-CH2-OH CH3-CH2-O- + H+Hằng số phân ly của etanol: K CH3 CH 2 OH  10−18 , cho nên etanol là chất

trung tính

+ Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri

hydrua(NaH), Natri amid(NaNH2):

CH3-CH2-OH + NaH CH3-CH2-ONa + H2

nước, nên khi muối Natri etylat tan trong nước sẽ bị thuỷ phân thành rượu

trở lại

+ Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tươn

g đương vớinước Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ đều

CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O

* Phản ứng hydro và oxy hoá:

+ Thuốc súng không khói.

+ Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay.

hợp chất cơ kim…

Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn

tinh bột và rỉ đường Những năm gần đây, ở nước ta côn

g nghệ sản suất etanolchủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisia

e để lên men

Nấm men ZymazaTrong 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…)

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:

Khối lượng phân tử : 18 g / mol

0

Nhiệt độ nóng chảy : 00CNhiệt độ sôi : 1000 CNước 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 nhiề

u chất và là dung

môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học

3 Hỗn hợp Etanol – Nước:

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol -

g:

http://www.ebook.edu.vn 10

III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC:

Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi la

ø 78,30C ở

760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg : hơi các

h biệt khá xa nên

phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phươ

tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn

* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – nước:

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

2 Bơm

3 Bồn cao vị

4 Lưu lượng kế

5 Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy

6 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

13 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

14 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

15 Bồn chứa sản phẩm đáy

16 Bộ phận phân dòng

http://www.ebook.edu.vn 11

http://www.ebook.edu.vn 12

* Thuyết minh qui trình công nghệ:

Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ

khoảng 280C 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 (5) ( trao đổi nhiệt vơ

ùi sản phẩm đáy )

Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gi

a nhiệt(6)ù, hỗn hợp

được đưa vào tháp chưng cất (8) 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 tro

khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi ca

o là nước sẽ ngưng tụ

lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều nhất

(có nồng độ 85% phân mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (11) và được ngưng tụ

hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

(13), được làm nguội đến 350C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14)

Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ 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 cù

ng, ở đáy tháp ta thu

được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi ( nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy

có nồng độ etanol là 0,11 % phân mol, còn lại là nước Dung dị

ch lỏng 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 nồ

i đun được trao đổi

nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (5) (sau khi qua bồn cao vị)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩm đáy sau

khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 600C được thải bỏ

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :

Năng suất nhập liệu : GF = 1000 (Kg/h)

x F  =22,12%(theo khối lượng )

Nồng độ nhập liệu : xF = 10%mol etanol.

Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 85%mol etanol

Tỷ lệ thu hồi etanol :  99%

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

Chọn :

+ Nhiệt độ nhập liệu : t’F =28oC

+ 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 +Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

Các kí 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

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

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢ N

PHẨM

ĐÁY :

Cân bằng vật chất cho toàn tháp : F = D + W (II.1) Cân bằng cấu tử etanol (cấu tử nhẹ) : F.xF = D.xD + W.xW (II.2) Tỷ lệ thu hồi (99%) : F.xF  D.xD (II.3)

Với : * Phân mol nhập liệu : xF = 0,10 (phân mol etanol )

46.x F

46.x F  (1  xF ).18Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :

III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP:

1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứn

g 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 (0,85;0,85) ta kẻ một đường thẳng tiếp

tuyến với đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điể

m có yo = 0,26

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

yo = x D =0,26

Rmin  1Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : Rmin = 2,269

2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp:

Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp ,thiết bị ngưng tụ ,nồi đun

và công để bơm cũng tăng theo.Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng

đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần ,lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng

theo tỉ số hoàn lưu

Tổng chi phí bao gồm : chi phí cố định và chi phí điều hành Tỉ số hoàn lưu

thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu

Tuy nhiên ,đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp ,khó kie

åm soát nên người

ta có thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất Để tính được tỉ số

hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đế

n chi phí điều

hành),ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn Rth

ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất

Nhận thấy ,tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp ,m

à lượng hơi lại tỉ lệ

với lượng lỏng hồi lưu trong tháp ,do trong điều kiện làm việc nhất định thì GD sẽ

không đổi nên lượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1) ,do đó , tie

át diện tháp sẽ tỉ lệ

với (R+1) Ngoài ra ,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối mox hay số mâm

lý thuyết Nlt Cho nên ,thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tíc

đồ thị của quan hệ này ,ta xác định được điểm cực tiểu của mo

Vậy : Tỉ số hoàn lưu thích hợp là R= 2,973

.0,0011

= 2,9094 x – 0.0022Với : f

=

D

x F 0,1.0,99

x D 0,85

3 Số mâm lý thuyết :

Đồ thị xác định số mâm lý thuyết :(Xem hình ở trang sau )

hoàn lưu thích hợp

http://www.ebook.edu.vn 17

Từ đồ thị ,ta có : 29 mâm bao gồm : 19 mâm cất

1 mâm nhập liệu

5 mâm chưng(4 mâm chưng+1 nồ

i đun)

Tóm lại ,số mâm lý thuyết là Nlt = 28 mâm

V XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :

N tt N lt

ηtb

trong đó: tb : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương

đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng :  = f(,)

Ntt : số mâm thực tế

Nlt : số mâm lý thuyết

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 trong pha lỏng

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

* Tại vị trí nhập liệu :

xF = 0,10 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*F = 0,442

tF = 86,5oC

1  y F x F 1  0,442 0,10+ Từ x F  22,12% và tF = 86,5oC ,tra tài liệu tham khảo [4(ta

äp 1) – trang

107] : F =43.10-6.9,81 = 0,422.10-3 (N.s/m2)

= 0,422 (cP)Suy ra : F F = 7,129.0,422 =3,007Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : F = 0,395

* Tại vị trí mâm đáy :

xW = 0,0011 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*W = 0,018

tW = 100oC+ α W  y



46.x W 46.x W  (1  xW ).18  0,29% và tW = 100oC ,tra tài liệu tha

mkhảo [4(tập 1) – trang 107] :

W =25.10-6.9,81= 0,245.10-3 (N.s/m2)

= 0,245 (cP)Suy ra : W W = 16,177.0,245 = 3,967Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : W = 0,365

= 7,129+ α F  y*F 1  x F 0,442 1  0,10

1  y W

*Tại vị trí mâm đỉnh :

xD = 0,85 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*D = 0,856

tD = 78,5oC+ α D  y*D 1  x D

1  0,856 .1  0,850,85 = 1,049+ Từ x D  46.x D

46.x D  (1  xD ).18  93,5% và tD = 78,5oC ,tra tài liệu tha

mkhảo [4(tập 1) – trang 107] :

D =51.10-6.9,81= 0,500.10-3 (N.s/m2)

= 0,500 (cP)Suy ra : D D = 1,049.0,500 = 0,525Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : D = 0,600Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :

Số mâm thực tế của tháp N tt :

280,4567

 0,4567

Vậy chọn Ntt = 53 mâm , gồm : 42 mâm cất

1 mâm nhập liệu

10 mâm chưng

N tt 

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

1 Đường kính đoạn cất :

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp :

g

d  g 1

2

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)

Xác định g d : gd = D.(R+1) =5,600.(2,973+1) = 22,247 (Kmol/h)

= 933,662(Kg/h)(Vì MthD =46.yD+(1-yD).18 = 41,968 Kg/Kmol)

Xác định g 1 : Từ hệ phương trình :

⎧g1  G1  D

⎪

⎪g1.r1  g d r d

Với : G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

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

* Tính r1 : t1 = tF = 86,5oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta co

ù :

Aån nhiệt hoá hơi của nước : rN1 = 41280 (KJ/kmol) Aån nhiệt hoá hơi của rượu : rR1 = 37395 (KJ/kmol) Suy ra : r1 = rR1.y1 + (1-y1).rN1 = 41280 – 3885.y1 (KJ/kmol)

* Tính rd : tD = 78,5oC , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có :Aån nhiệt hoá hơi của nước : rNd = 41628 (KJ/kmol)

Aån nhiệt hoá hơi của rượu : rRd = 37988 (KJ/kmol) Suy ra : rd = rRd.yD + (1-yD).rNd =37988.0,856 + (1- 0,856).41628

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh

Giải hệ (III.1) , ta được : G1 = 15,751 (Kmol/h)

y1 = 0,297 (phân mol etanol) _ M1 =26,316

g1 = 21,351 (Kmol/h) = 561,873(Kg/h)

933, 662  561,873

2

b Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :

gh  0,05  xtb

 ytb

Với : xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

Xác định ytb :

 ytb Với: + Nồng độ phân mol trung bì

ttb = 82,5oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :

xtb = 821,25 (Kg/m3)Suy ra : gh  0,05 821,25

1,171 =1,324 (m/s)Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

h  0,8.gh  0,8.1,324 = 1,060 (m/s)Vậy :đường kính đoạn cất :

Vậy : gtb =  747,758 (Kg/h)

y tb 46  1  y tb .18.27322,4.t tb  273

=82,5oC+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất

http://www.ebook.edu.vn 21

g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h)

g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h)

* Tính r1: r1 = 41280 – 3885.y1 =41280–3885.0,297

=40126,155(KJ/kmol)

* W = 42,477 (Kmol/h)Giải hệ (III.2) , ta được : x’1 =0,0067(phân mol etanol) _ MtbG’ =18,189

G’1 = 63,608 (Kmol/h) =g’1 = 21,131 (Kmol/h) = 391,008(Kg/h)561,873  391,008

2

b Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :

'gh  0,05  'xtb

 ' ytb

Với : 'xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

'ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

Xác định ’ ytb :

 ' ytb Với: + Nồng độ phân mol trung bình :

Khối lượng riêng của nước : ’N = 963,117(Kg/m3)Khối lượng riêng của rượu : ’R = 720,365(Kg/m3)

'h  0,8.'gh  0,8.1,762 = 1,409 (m/s)Vậy :đường kính đoạn cất :

476,4410,746.1,409 = 0,400 (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 = 0,500 (m).Khi đó tốc độ làm việc thực ở :

+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t

=11,98% Suy ra : x' tb 

⎛ x' 1  x' tb ⎞Suy ra :’xtb = ⎜⎜ tb  'N ⎟⎠

D t  ytb

D t  ' ytb

II MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM :

1 Cấu tạo mâm lỗ :

Chọn : + Đường kính lỗ : dl = 3 (mm)

+ Tổng diện tích lỗ bằng 9,77% diện tích mâm

+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo

tam giác đều )

+ Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 + Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm

Số lỗ trên 1 mâm :

N

=

9, 77%.S mâm

16 lỗ ⎠ ⎝ 0,003 ⎠

Vậy: ta bố trí các lỗ trên 1 mâm thành 51(hàng), số lỗ trên đường chéo là 66 lỗ

2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm :

Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏn

g ) là tổng các độ

giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do ph

a lỏng :

htl = hk + hl + hR (mm.chất lỏng)Với : + hk :độ giảm áp qua mâm khô (mm.chất lỏng)

+ hl : độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm.chất lỏng)

+hR : độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm.chất lỏng)

Trong tháp mâm xuyên lỗ ,gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm  là

không đáng kể nên có thể bỏ qua

a Độ giảm áp qua mâm khô :

Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp

suất do dòng chảy đột thu , đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua

+ G : khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m3)

+ L : khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3)

+ Co :hệ số orifice ,phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tíc

h lỗ với diện tíchmâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ

9,77%

⎛ v o2 ⎞ ⎛ G ⎛ u o2 ⎞ G

⎜ C 2 ⎟.

⎛ 9,24322

⎞ 0,746

⎠ 925,744 = 6,039 (mm.chất lỏng)

b Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm :

Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qu

a mâm do lớp chất

lỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw , chiều cao tí

nh toán của lớp chất

lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghie

äm  :

hl = .( hw + how ) , (mm.chất lỏng)Chọn : + Hệ số hiệu chỉnh :  = 0,6

+ Chiều cao gờ chảy tràn : hw = 50 (mm)Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn đươ

+ Lw :chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)

= 0,01412 (m3/ph)

* Phần cất : q L





Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm , nên ta có

w

2

 43,4.⎜ ⎟ = 4,978 (mm)

⎝ 0,364 ⎠Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm

ở phần cất là:

2

Suy ra : h' ow  43,4.⎜ ⎟ = 6,445 (mm)

⎝ 0,364 ⎠Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm

ở phần chưng :

h’l = 0,6.(50+6,445) = 33,867 (mm.chất lỏng)

c Độ giảm áp do sức căng bề mặt :

Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác định theo biểu thư

ùc :

h R  625,54

Với : +  : sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm)

+ L : khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3)

Phần cất :

* Khối lượng riêng của pha lỏng : L = xtb = 821,25 (Kg/m3)

* ttb = 82,5oC ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :+ Sức căng bề mặt của nước : N = 62,138 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của rượu : R = 17,075 (dyn/cm)

Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần cất :

⎛ 0,01412 ⎞ 3

⎛ 0,02083 ⎞ 3

, (mm.chất lỏng)



L d l

* Khối lượng riêng của pha lỏng : ’L = ’xtb = 925,744 (Kg/m3).

* t’tb = 93,25oC ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :+ Sức căng bề mặt của nước : ’N = 60,149 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của rượu : ’R = 16,108 (dyn/cm)

Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng :

là :(xem độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm

áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở phần chưng )

htl = 42 htl + 11 h’tl = 42 379,226+11 388,400 = 20199,9(N/m2)

3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :

Chọn khoảng cách giữa hai mâm là hmâm =250 (mm)

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống

chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức :

hd = hw + how + htl + hd’ , (mm.chất lỏng)

 '  = 12,705 (dyn/cm)

Với : hd’ : tổn thất thuỷ lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm,

được xác định theo biểu thức sau :

2

, (mm.chất lỏng)

⎝ 100.Sd ⎠trong đó : + QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h)

+ Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đ

phần cất :

hd =50+4,978+47,071+0,0004 =102,0494 (mm.chất lỏng)

phần chưng :

h’d =50+6,445+42,768+0,0008 =99,2138 (mm.chất lỏng)

hmâm 250

các mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt

Vậy : khi hoạt động đảm bảo tháp sẽ không bị ngập lụt.

Chiều cao của thân tháp :Hthân =Ntt (hmâm+mâm ) + 0,8

=53.(0,250+0,0018) +0,8 =14,2(m)

Chiều cao của đáy và nắp : Hđ = Hn =ht +hgờ =0,125+0,025=0,150(m)

(Xem ở phần (III.2) : Đáy và Nắp thiết bị )

Chiều cao của tháp : H = Hthân + Hđ + Hn = 14,5(m)

Pcl = x g.H =xtb g.H= 9,81 14,5

=124250,58 (N/m )

= 0,2826 (mm)

' t S  Xét tỷ số :   9,0.142 h =884,674 > 25,do đó, bề dày tính toán của thân

III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP :

1 Bề dày thân tháp :

Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết k

ế thân hình trụ bằng

phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang ) Thân tháp được ghép với

nhau bằng các mối ghép bích

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của etylic đối với

thiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

Aùp suất tính toán :

Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán :

Ptt =Pcl + htl , (N/mm2)Với : Pcl : áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm2).Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà

vẫn an toàn nên :

Nhiệt độ tính toán :

Chọn nhiệt độ tính toán : ttt = tđáy = 100oC Tra tài liệu tham khảo [5], ứng suất tiêu chuẩn đối với thé

p X18H10T :

[]* = 142 (N/mm2)

Đối với rượu hệ số hiệu chỉnh :  = 1Vậy : ứng suất cho phép : [] = .[]* = 142 (N/mm2)

Xác định bề dày thân chịu áp suất trong :

Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằng

tay nên hệ số bền mối hàn : h = 0,9

P tt 0,14446được tính theo công thức sau :

D t P tt 500.0,14446

Suy ra : bề dày thực của thân : St = S’t + C ,(mm)

Trong đó : C :hệ số bổ sung bề dày, C = Ca + Cb + Cc + Co

Với : + Ca : hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học, phụ thuộc vào tốc độ ăn

mòn của chất lỏng Chọn tốc độ ăn mòn của rượu la

+Cc : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn Cc = 0

+Co : hệ số bổ sung qui tròn, chọn Co =0,7174 (mm).Suy ra : C = 2 + 0 + 0 + 0,7174 = 2,7174 (mm)

Vậy : St = 0,2826 + 2,7174 = 3 (mm)

* Kiểm tra công thức tính toán với St = 3 (mm) :

= 0,002 < 0,1 : đúng

S t  Ca 3  2

