Đồ án chưng cất Ethanol Nước

tính toán thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp Ethanol Nước với năng suất nhập liệu 1,3 m3h, nồng độ nhập liệu 10%, nồng độ sản phẩm đỉnh 75% và độ thu hồi 90%. Tháp mâm lỗ, tháp chưng cất etanol, nước. Hỗn hợp Ethanol, nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ KHOA CƠNG NGHỆ SINH HĨA – THỰC PHẨM - - BÁO CÁO THỰC TẬP THỰC TẾ QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THÁP CHƯNG HỖN HỢP ETHANOL – NƯỚC VỚI NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU LÀ 1.5 M3/H Nhóm sinh viên thực hiện: TRẦN THỊ PHƯƠNG OANH LÊ THỊ HUỲNH NHƯ LÊ THỊ YẾN NHƯ TRẦN GIA PHÚ Cần Thơ - năm 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ SINH HÓA – THỰC PHẨM - - THỰC TẬP THỰC TẾ Q TRÌNH THIẾT BỊ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THÁP CHƯNG HỖN HỢP ETHANOL – NƯỚC VỚI NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU LÀ 1.5 M3/H Giảng viên hướng dẫn: Nhóm sinh viên thực hiện: TS LÊ SĨ THIỆN TRẦN THỊ PHƯƠNG OANH (1900196) LÊ THỊ HUỲNH NHƯ (1900567) LÊ THỊ YẾN NHƯ (1900529) TRẦN GIA PHÚ (1900263) Cần Thơ - năm 2021 ĐH KỸ THUẬT – CƠNG NGHỆ CT CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa: CN Sinh Hóa – Thực phẩm Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ĐỒ ÁN MÔN HỌC Lớp: Công nghệ thực phẩm 2019 Ngành: Công Nghệ Thực Phẩm Tên đề tài: Tính tốn thiết kế tháp chưng hỗn hợp Ethanol – Nước với suất nhập liệu 1.5 m3/h Số liệu ban đầu - Năng suất nhập liệu:1.5 m3/h - Nồng độ nhập liệu: xF = 10% phần mol - Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD= 75% phần mol - Độ thu hồi: h = 90% Nội dung phần thuyết minh tính tốn Chương I: Tổng quan Chương II: Cân vật chất nhiệt lượng Chương III: Tính tốn thiết bị Các vẽ phụ lục Một vẽ hệ thống thiết bị A1 Ngày giao nhiệm vụ: 20/9/2021 Ngày hoàn thành đồ án: 24/12/2021 Giáo viên hướng dẫn TS LÊ SĨ THIỆN i MỤC LỤC DANH SÁCH BẢNG iv DANH SÁCH HÌNH v CÁCH TRÍCH DẪN TÀI LIỆU vi LỜI MỞ ĐẦU vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .1 1.1 Lý thuyết chưng cất .1 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Các phương pháp chưng cất: .1 1.1.3 Thiết bị chưng cất: .2 1.2 Nguyên liệu 1.2.1 Ethanol a Tính chất b Điều chế c Ứng dụng .4 1.2.2 Nước 1.2.3 Hỗn hợp Ethanol – Nước 1.3 Công nghệ chưng cất hệ Ehanol – Nước: 1.3.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước: 1.3.2 Thuyết minh quy trình cơng nghệ: CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NHIỆT LƯỢNG 2.1 Cân vật chất .9 2.1.1 Thông số ban đầu 2.1.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy: .9 2.1.3 Xác định tỉ số hồn lưu thích hợp .11 2.1.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu .11 2.1.3.2 Tỉ số hồn lưu thích hợp Rth 11 2.1.4 Phương trình làm việc – số mâm lý thuyết .12 2.1.5 Xác định số mâm thực tế 13 2.1.5.1 Tính số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình 13 ii 2.1.5.2 Tính α, μ vị trí: đĩa nạp liệu, đỉnh đáy tháp 13 2.2 Cân nhiệt lượng .15 2.2.1 Cân nhiệt lượng thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 15 2.2.2 Cân nhiệt lượng cho toàn tháp 17 2.2.3 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 19 2.2.4 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh 19 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH .21 3.1 Đường kính tháp 21 3.1.1 Đường kính đoạn cất 21 3.1.2 Đường kính đoạn chưng 24 3.2 Chiều cao tháp chưng cất 27 3.3 Tính trở lực tháp 27 3.3.1 Cấu tạo mâm lỗ 27 3.3.2 Độ giảm áp pha khí qua mâm 27 3.3.2.1 Độ giảm áp qua mâm khô 28 3.3.2.2 Độ giảm áp chiều cao mức chất lỏng mâm 29 3.3.2.3 Độ giảm áp sức căng bề mặt 30 3.4 Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 iii DANH SÁCH BẢNG Bảng 1.1 So sánh ưu nhược điểm loại tháp Bảng 1.2: Bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Ethanol - Nước 760 mmHg iv DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ ứng dụng ethanol Hình 1.2: Đồ thị cân lỏng hỗn hợp Ethanol Nước Hình 1.3: Giản đồ t – x,y hệ Ethanol – Nước Hình 1.4: Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất ethanol nước Hình 2.1: Giản đồ số mân lý thuyết 12 v CÁCH TRÍCH DẪN TÀI LIỆU Bảng IX.2a, trang 145, [2]: Tra bảng IX.2a trang 145 tài liệu số mục tài liệu tham khảo Công thức IX.20, trang 144, [2]: Theo công thức IX.20 trang 144 tài liệu số mục tài liệu tham khảo vi LỜI MỞ ĐẦU Trong công ngày đổi phát triển Ta ngày tiến sâu vào trình cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước khơng ngừng Áp dụng thành tựu khoa học, kỹ thuật mới, tiên tiến Trên giới, ngành công nghiệp phát triển đổi không ngừng nhằm phục vụ cho nhu cầu người Mỗi ngành có thành tựu to lớn người ghi nhận cách khách quan Cùng với phát triển đó, đất nước ta ln ln học hỏi, tìm tịi cải tiến để áp dụng ngành công nghiệp nước nhà Mỗi ngành cơng nghiệp có đóng góp to lớn ngành cơng nghiệp hóa học, sinh học, khi, kỹ thuật Trong đó, ngành cơng nghệ thực phẩm ngành có đóng góp vơ to lớn nước ta nói riêng giới nói chung Hiện nay, nhiều ngành sản xuất hóa học sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu sản phẩm hóa học có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản xuất nhu cầu sử dụng Ngày nay, có nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm trích lỵ, chưng cất, cô đặc, hấp thu Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ Ethanol – Nước cấu tử tan hoàn tồn vào có chênh lệch nhiệt độ sơi (Ethanol có nhiệt độ sơi nhỏ nước), ta nên dùng phương pháp chưng cất để thu rượu tinh khiết cách triệt để Nhiệm vụ đồ án này: thiết kế hệ thống chưng cất hệ Ethanol – Nước với suất nhập liệu 1,5 m3/h, nồng độ nhập liệu 10% mol, nồng độ sản phẩm đỉnh 75% mol, với độ thu hồi 90% Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS Lê Sĩ Thiện hướng dẫn giúp đỡ chúng em suốt q trình xây dựng để án Trong q trình hồn thành đồ án khơng tránh khỏi sai sót, mong q thầy góp ý dẫn vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý thuyết chưng cất 1.1.1 Khái niệm Chưng cất trình phân tách hỗn hợp chất lỏng (hoặc hỗn hợp khí – lỏng) thành cấu tử riêng biệt dựa độ bay chúng (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hòa cấu tử khác nhau) Chưng khác với đặc: q trình chưng, cấu tử bay hơi, cịn đặc có dung mơi bay mà chất tan khơng bay Sản phẩm q trình chưng chưa đạt tinh khiết tuyệt đối, nồng độ cao Khi chưng cất ta thu nhiều sản phẩm thường hệ có cấu tử ta thu nhiêu sản phẩm Đối với hỗn hợp gồm hai cấu tử, trình chưng cất cho: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé - Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn  Đối với hệ cấu tử: Ethanol – Nước: + Sản phẩm đỉnh chủ yếu ethanol nước + Sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước ethanol 1.1.2 Các phương pháp chưng cất: Các phương pháp chưng cất phân loại theo: - Áp suất làm việc: chưng cất áp suất thấp, áp suất thường áp suất cao Nguyên tắc phương pháp dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, nhiệt độ sôi cấu tử cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử - Nguyên lý làm việc: gián đoạn (chưng đơn giản) liên tục  Chưng cất gián đoạn (đơn giản): phương pháp đuợc sử dụng trường hợp sau: + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Khơng địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao + Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay + Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử D2 = Qy + Qw + Qng2 + Qxq2 − QF − QR λ2 (Công thức IX.163, trang 98, [2]) ↔ D2 ∙ (r2 + C2 ∙ t ) = Qy + QW + (D2 ∙ C2 ∙ θ2 ) + (0,05 ∙ D2 ∙ r2) – QF – QR ↔ D2 ∙ (r2 + C2 ∙ t2 – C2 ∙ θ2 – 0,05 ∙ r2) = Qy + QW – QF – QR ↔ D2 = = Qy + Qw − QF − QR 0,95 ∙ r2 1286810480 + 433758110,1 − 472243591 − 169693244 0,95 ∙ 2208 ∙ 103 = 514,222 (kg/h) → Qxq2 = 0,05 ∙ D2 ∙ r2 = 0,05 ∙ 514,222 ∙ 2208 ∙ 103 = 5770108,8 (J/h) 2.2.3 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ - Ngưng tụ hồn tồn thì: GD ∙ (Rx + 1) ∙ r = Gn ∙ Cn ∙ (t2 – t1) → Gn = GD ∙ (Rx +1) ∙ r Cn ∙ (t2 −t1 ) (Cơng thức X.165, trang 198, [2]) Trong đó: + r: ẩn nhiệt ngưng tụ đỉnh tháp (J/kg) Với r = rD = 1013205,6 (J/kg) +t1, t2: nhiệt độ vào nước lạnh (oC) Chọn: t1 = 27 oC, t2 = 40 oC → ttb = 27+40 = 33,5 oC Tra nhiệt dung riêng nước ttb = 33,5oC (Bảng I.153, trang 172, [1]), ta được: Cn = 4176,625 (J/kg∙độ) Do lượng nước cần thiết để làm lạnh là: Gn = GD ∙ (Rx +1) ∙ r Cn ∙ (t2 −t1 ) = 306,54 ∙ (1,8 + 1) ∙ 1013205,6 4176,625 ∙ (40−27) = 16016,733 (kg/h) 2.2.4 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh GD ∙ Cp ∙ (t’1 – t’2) = Gn3 ∙ CN ∙ (t2 – t1) (Công thức IX.166, trang 198, [1]) Trong đó: + Cp: nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh ngưng tụ, (J/kg∙độ) + t’1, t’2: nhiệt độ đầu cuối sản phẩm đỉnh ngưng tụ + Gn3: lượng nước làm lạnh, (kg/h) Nhiệt độ đầu sản phẩm đỉnh: t’1 = tD = 78,8oC 19 Chọn nhiệt độ cuối sản phẩm đỉnh: t’2 = 30oC t’tb = 78,8 +30 = 54,4oC Tra bảng I.153 I.154, trang 172, [1] t’tb = 54,4oC ta được: CN = 4185,8 (J/kg∙độ) CR = 2897,2 (J/kg∙độ) Cp = wD∙CR+(1–wD)∙CN = 0,885 ∙ 2897,2 + (1– 0,885) ∙ 4185,8 = 3045,389 (J/kg∙độ) → Gn3 = GD CP (t′ −t′ ) Cn (t2 −t1 ) = 306,54 ∙ 3045,389 ∙ (78,8−30) 4176,625 ∙ (40−27) 20 = 839,037 (kg/h) CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 3.1 Đường kính tháp D=√ 4∙Vtb 3,14∙3600∙ωtb = 0,0188 √ gtb (ρy ∙ωy )tb (m) (Công thức IX.90, trang 181, [2]) Trong đó: + Vtb: lượng trung bình tháp, (m3/h) + ωytb : tốc độ trung bình tháp, (m/s) + gtb : lượng trung bình tháp, (Kg/h) + ρytb : khối lượng riêng trung bình pha hơi, (kg/m3) Lượng trung bình đoạn chưng đoạn luyện khác Do đó, đường kính đoạn chưng đoạn cất khác 3.1.1 Đường kính đoạn cất - Lưu lượng trung bình đoạn cất: gtb = gđ + g1 (kg/h) (Công thức IX.91, trang 181, [2]) Trong đó: + gđ: lượng khỏi đĩa tháp (kg/h) gđ = Gr + GD = GD ∙ (Rx + 1) = 306,54 ∙ (1,8 + 1) = 858,312 (kg/h) + g1: lượng vào đĩa đoạn cất (kg/h) g1 = G1 + GD Áp dụng phương trình cân vật liệu, nhiệt lượng cho đĩa thứ đoạn cất: g1 = G1 + GD (𝐂ô𝐧𝐠 𝐭𝐡ứ𝐜 𝐈𝐗 𝟗𝟑, 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟖𝟐, [𝟐]) (3.1){ g1 ∙ y1 = G1 ∙ w1 + GD ∙ wD (𝐂ô𝐧𝐠 𝐭𝐡ứ 𝐈𝐗 𝟗𝟒, 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟖𝟐, [𝟐]) g1 ∙ r1 = g đ ∙ rđ (𝐂ô𝐧𝐠 𝐭𝐡ứ𝐜 𝐈𝐗 𝟗𝟓, 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟖𝟐, [𝟐]) Trong đó: + G1: Lượng lỏng đĩa thứ đoạn cất (kg/h) + y1: lượng đĩa thứ đoạn cất (phần khối lượng) + w1 : lượng lỏng đĩa thứ đoạn cất (phần khối lượng) + r1, rđ: ẩn nhiệt hóa hỗn hợp vào đĩa thứ khỏi tháp (J/kg) Ta có: GF = 1362,378 (kg/h) 21 GD= 360,54 (kg/h) w1= wF = 0,221 (phần khối lượng) r1 = rethanol ∙ y1+ (1 – y1) ∙ rnước rđ = rethanol ∙ yd+ (1 – yd) ∙ rnước Từ Hình 1.66, trang 256, [1] tD=78,8oC wD = 0,885 ta được: rd = 242 (kcal/kg) = 242 ∙ 4,1868 ∙ 103 = 1013205,6 (J/kg) = 1013,2056 (kJ/kg) Từ Bảng I.212, trang 254, [1] nhiệt độ tF = 78,8oC, ta được: rR = 847,743 (kJ/kg) rN = 2345,445 (kJ/kg) r1 = 847,743 ∙ y1 + (1 – y1) ∙ 2345,445 = 2345,445 – 1497,702 ∙ y1 Vậy ta có hệ phương trình sau: g1 = G1 + 306,54 (3.1) => { g1 ∙ y1 = G1 ∙ 0,221 + 306,54 ∙ 0,885 g1 ∙ r1 = 858,312 ∙ 1013,2056 g1 = G1 + 306,54  { g1 ∙ y1 = G1 ∙ 0,221 + 271,2879 g1 ∙ (2345,445 – 1497,702 ∙ y1 ) = 869646,5249 kg g1 = 583,033 ( ) h kg  G1 = 276,493 ( ) h { y1 = 0,570 (phần khối lượng) = 0,342 (phần mol) → r1 = 2345,445 – 1497,702 ∙ 0,570 = 1492,097 (kJ/kg) → gtb = gđ + g1 = 858,312 + 583,033 = 720,6725(kg/h) - Tính khối lượng riêng trung bình pha đoạn cất: ρytb = [ytb1 ∙MR +(1−ytb1 )MN ]∙273 22,4∙T (Công thức IX.102, trang 183, [2]) Trong đó: + MN khối lượng mol nước + MR khối lượng mol ethanol + ytb1 nồng độ phần mol ethanol pha đoạn cất ytb1= y1 +yD = 0,342+0,7855 = 0,564 (phân mol) + T = ttb nhiệt độ trung bình đoạn cất 22 ttb = tD +tF = 78,8 +86,5 = 82,65oC = 355,65K [0,564∙46+(1−0,564)∙18]∙273 → ρytb = 22,4∙355,65 = 1,158 (kg/m3) - Khối lượng riêng trung bình pha lỏng đoạn cất: ρxtb = atb1 ρxR + 1− atb1 ρxN Công thức IX.104a, trang 183, [2]) Trong đó: + ρxtb khối lượng riêng trung bình hỗn hợp lỏng đoạn cất + ρxR , ρxN khối lượng riêng trung bình ethanol nước pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m3) + atb1 phần khối lượng trung bình cấu tử ethanol pha lỏng Tra Bảng I.2, trang 9, [1]) ttb = 82,65oC, ta được: ρxR = 732,483 (kg/m3) ρxN = 970,145 (kg/m3) atb1 = → wF + wD ρxtb = atb1 ρxR = + 0,221 + 0,885 1− atb1 ρxN = = 0,553 (phân khối lượng) 0,553 732,483 + 1− 0,553 970,145 → ρxtb = 822,556 (kg/m3) - Tính vận tốc trung bình đoạn cất Vận tốc làm việc tháp phụ thuộc vào sức căng bề mặt hỗn hợp lỏng, khối lượng riêng hỗn hợp lỏng, khoảng cách đĩa (được chọn theo đường kính tháp), theo cơng thức: (ρy ωy )tb = 0,065φ[σ]√h ∙ ρxtb ∙ ρytb (kg/m∙s) (Công thức IX 105, trang 184,[2]) Trong đó: + ρxtb , ρytb khối lượng riêng trung bình pha lỏng pha tính theo nhiệt độ + h khoảng cách đĩa, giá trị h chọn theo điều kiện tháp sau: h= 0,25m (trang 184, [2]) + φ[σ] hệ số tính đến sức căng bề mặt Cơng thức tính σhh sau: 1 = + σhh σR σN Trong đó: σhh sức căng bề mặt hỗn hợp nhiệt độ trung bình t tb = 23 82,65oC, (N/m) Tra Bảng I.242, trang 301, [1] ttb = 82,65oC, ta được: σR = 17,0615∙10-3 N/m σN = 62,10975∙10-3 N/m σhh = σR + σN = 17,0615∙10−3 + 62,10975∙10−3 → σhh = 13,385∙10-3 (N/m) = 13,385 (dyn/cm) Do σhh < 20 (dyn/cm) nên φ[σ] = 0,8 → (ρy ωy )tb = 0,065φ[σ]√h ∙ ρxtb ∙ ρytb = 0,065 ∙ 0,8√0,25 ∙ 822,556 ∙ 1,158 = 0,802 (kg/m∙s) - Đường kính đoạn cất là: Dcất = 0,0188 √ gtb (ρy ∙ωy )tb = 0,0188√ 720,6725 0,802 = 0,564 (m) Vậy đường kính đoạn cất 0,564(m) Ta đồng đường kính đoạn cất đường kính chuẩn: Dcất= 0,5 (m) 3.1.2 Đường kính đoạn chưng - Lượng trung bình đoạn chưng tính gần trung bình cộng lượng khỏi đoạn chưng lượng vào đoạn chưng: g’tb = g′ n +g′ = g1 +g′ (Công thức IX.96, trang 182, [2]) Trong đó: + g’n lượng khỏi đoạn chưng (kg/h) + g’1 lượng vào đoạn chưng (kg/h) Vì lượng khỏi đoạn chưng lượng vào đoạn luyện nên: g’n = g1 = 583,033 (kg/h) Lượng vào đoạn chưng g’1, lượng lỏng G’1 hàm lượng lỏng x’1 xác định theo hệ phương trình cân vật chất lượng: G′1 = g′1 + GW (𝐂ô𝐧𝐠 𝐭𝐡ứ𝐜 𝐈𝐗 𝟗𝟖, 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟖𝟐, [𝟐]) ′ ′ ′ (3.2) {G ∙ x = g ∙ yW + GW ∙ wW (𝐂ô𝐧𝐠 𝐭𝐡ứ 𝐈𝐗 𝟗𝟗, 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟖𝟐, [𝟐]) g′1 ∙ r ′ = g ′ n ∙ r′n = g1 ∙ r1 (𝐂ô𝐧𝐠 𝐭𝐡ứ𝐜 𝐈𝐗 𝟏𝟎𝟎, 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟖𝟐, [𝟐]) Trong đó: + yW: lượng nước sản phẩm đáy (kg nước/kg hỗn hợp) yW = 0,076 (phân mol) = 0,174 (phân khối lượng) 24 + G’1: lượng lỏng đĩa thứ đoạn chưng (kg/h) + r’1: ẩn nhiệt hoá hỗn hợp vào đĩa thứ đoạn chưng Từ Hình 1.66, trang 256, [1] tW = 97,8oC wW = 0,029 ta được: r’1 = 524 (kcal/kg) = 524 ∙ 4,1868 ∙ 103 = 2193883,2 (J/kg) = 2193,883 (kJ/h) G′1 = g′1 + 1054,939 (3.2) => {G ∙ x = g ′ ∙ 0,174 + 1054,939 ∙ 0,029 g′1 ∙ 2193,883 = 583,033 ∙ 1492,097 ′ ′ kg G′1 = 1451,47 ( ) h  x ′ = 0,069 (phân khối lượng) kg {g′1 = 396,531 ( h ) - Vậy lượng trung bình đoạn chưng: g’tb = g1 +g′ = 583,033+ 396,531 = 489,782 (kg/h) - Khối lượng riêng trung bình pha đoạn chưng: ρ′ytb = [y′tb1 ∙MR +(1−y′tb1 )MN ]∙273 22,4 ∙ T′ (Công thức IX.102, trang 183, [2]) Trong đó: + y’tb1 nồng độ phần mol nước pha đoạn chưng y’tb1= y1 +yD = 0,342+0,076 = 0,209 (phân mol) + T’ = t’tb nhiệt độ trung bình đoạn chưng t’tb = tD +tW → ρ′ytb = = 78,8+97,8 = 88,3oC = 361,3K [0,209 ∙ 46+(1−0,209) ∙ 18] ∙ 273 22,4 ∙ 361,3 = 0,805 (kg/m3) - Khối lượng riêng trung bình pha lỏng: ρ′xtb = a′tb1 ρxR + 1− a′tb1 ρxN Cơng thức IX.104a, trang 183, [2]) Trong đó: + ρ'xtb khối lượng riêng trung bình hỗn hợp lỏng đoạn chưng + ρxR , ρxN khối lượng riêng trung bình ethanol nước pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m3) + a’tb1 phần khối lượng trung bình cấu tử ethanol pha lỏng 25 Tra Bảng I.2, trang 9, [1] ttb = 88,3oC, ta được: ρxR = 727,115 (kg/m3) ρxN = 966,190 (kg/m3) a’tb1 = → wF + wW ρ′xtb = a′tb1 ρxR = + 0,221 + 0,029 1− a′tb1 ρxN = = 0,125 (phân khối lượng) 0,125 727,115 + 1− 0,125 966,190 → ρ′xtb = 928,047 (kg/m3) - Tính vận tốc đoạn chưng: Vận tốc làm việc tháp phụ thuộc vào sức căng bề mặt hỗn hợp lỏng, khối lượng riêng hỗn hợp lỏng, khoảng cách đĩa (được chọn theo đường kính tháp), theo công thức: (Công thức IX.105, trang 184, [2]) (ρy ωy )′tb = 0,065φ[σ′]√h ∙ ρ′xtb ∙ ρ′ytb (kg/m∙s) Trong đó: + ρ' xtb ρ' ytb khối lượng riêng trung bình pha lỏng pha tính theo nhiệt độ trung bình (kg⁄m3 ) + h khoảng cách đĩa, chọn h= 0,25(m) (trang 184, [2]) + φ[σ' ] hệ số tính đến sức căng bề mặt Cơng thức tính σ'hh sau: 1 = + σ′hh σR σN Trong đó: σ'hh sức căng bề mặt hỗn hợp nhiệt độ trung bình t’tb = 88,3 C, (N/m) o Tra Bảng I.242, trang 301, [1] ttb = 88,3oC, ta được: σR = 16,553∙10-3 N/m σN = 61,0645∙10-3 N/m σ′hh = σR + σN = 16,553∙10−3 + 61,0645∙10−3 → σ′hh = 13,023∙10-3 (N/m) = 13,023 (dyn/cm) Do σ′hh < 20 (dyn/cm) nên φ[σ'] = 0,8 → (ρy ωy )′tb = 0,065φ[σ′]√h ∙ ρ′xtb ∙ ρ′ytb = 0,065∙0,8√0,25 ∙ 928,047 ∙ 0,805 = 0,711 (kg/m∙s) - Đường kính đoạn chưng là: 26 Dchưng = 0,0188 √ g′tb (ρy ∙ωy )′tb = 0,0188√ 489,782 0,711 = 0,493 (m) Ta chọn đường kính đoạn chưng theo đường kính quy chuẩn Dchưng = 0,5 m Vậy chọn đường kính chung tháp chưng cất Dt= 0,5 m 3.2 Chiều cao tháp chưng cất Chiều cao tháp đĩa tính theo cơng thức: H = Ntt (Hđ + δ) + (0,8 ÷ 1) (m) (Cơng thức IX.54, trang 169, [2]) Trong : + (0,8 ÷ 1) m: khoảng cách cho phép đỉnh đáy tháp + Ntt: Số đĩa thực tế 21 đĩa + Hđ: khoảng cách đĩa Hđ = 0,25m + δ: chiều dày đĩa Chọn δ = 0,003m + Chọn khoảng cách đỉnh đáy tháp 0,9 (m) → Vậy chiều cao tháp chưng luyện là: H = 21 ∙ (0,25 + 0,003) + 0,9 = 6,213 m Vậy ta chọn chiều cao toàn tháp m 3.3 Tính trở lực tháp 3.3.1 Cấu tạo mâm lỗ Chọn : + Đường kính lỗ: dl = (mm) + Tổng diện tích lỗ 9,77% diện tích mâm + Khoảng cách hai tâm lỗ 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo tam giác đều) + Tỷ lệ bề dày mâm đường kính lỗ 6/10 + Diện tích dành cho ống chảy chuyền 20% diện tích mâm Số lỗ mâm : N= 9,77% ∙ Smâm Slo = 0,0977 ∙ ( Dt ) d1 = 0,0977 ∙ ( 0,5 0,003 )2 ≈ 2716 lỗ Vậy: ta bố trí lỗ mâm thành 51 (hàng), số lỗ đường chéo 66 lỗ 3.3.2 Độ giảm áp pha khí qua mâm Độ giảm áp tổng cộng pha khí (tính mm chất lỏng) tổng độ giảm áp pha khí qua mâm khô độ giảm áp pha lỏng: htl = hk + hl + hR (mm∙chất lỏng) 27 Với: + hk: độ giảm áp qua mâm khô (mm∙ chất lỏng) + hl: độ giảm áp chiều cao lớp chất lỏng mâm (mm∙ chất lỏng) + hR: độ giảm áp sức căng bề mặt (mm∙ chất lỏng) Trong tháp mâm xuyên lỗ, gradien chiều cao mực chất lỏng mâm lỗ không đáng kể nên bỏ qua 3.3.2.1 Độ giảm áp qua mâm khơ Độ giảm áp pha khí qua mâm khơ tính dựa sở tổn thất áp suất dòng chảy đột thu, đột mở ma sát pha khí chuyển động qua lỗ hk = ( (vo )2 )∙( (Co ) ρG 2∙g∙ρL ) = 51,0 ∙ ( (vo )2 (Co )2 )∙ ρG ρL (mm∙ chất lỏng) Với: + uo: vận tốc pha qua lỗ (m/s) + ρG : khối lượng riêng pha (Kg/m3) + ρL : khối lượng riêng pha lỏng (Kg/m3) + Co: hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm tỷ số bề dày mâm với đường kính lỗ Ta có: ΣSlo Smâm = 0,0977 Smâm d1 = 0,6 Tra Hình 5.20, trang 119, [3]: Co = 0,745  Đối với mâm phần cất: Tốc độ làm việc thực đoạn cất: ωcất = 0,01882 ∙ gtb D2t ∙ ρytb = 0,01882 ∙ 720,6725 0,52 ∙ 1,158 Vận tốc pha qua lỗ: uo = ωlv 9,77% = 0,880 (m/s) 0,880 = 0,0977 = 9,007 (m/s) Khối lượng riêng pha hơi: ρG = ρytb = 1,158 (Kg/m3) Khối lượng riêng pha lỏng: ρL = ρxtb = 822,556 (Kg/m3) Suy độ giảm áp qua mâm khô phần cất: 9,007 hk = 51,0 ∙ ( 0,7452 1,158 ) ∙ 822,556 = 10,494 (mm∙chất lỏng)  Đối với mâm phần chưng: Tốc độ làm việc thực đoạn chưng: 28 ωchưng = 0,01882 ∙ g′tb D2t ∙ ρ′ytb = 0,01882 ∙ 489,782 = 0,860 (m/s) 0,52 ∙ 0,805 Vận tốc pha qua lỗ: u’o = ω′ lv 9,77% = 0,860 0,0977 = 8,802 (m/s) Khối lượng riêng pha hơi: ρ′ G = ρ′ ytb = 0,805 (Kg/m3) Khối lượng riêng pha lỏng: ρ′ L = ρ′ xtb = 928,047 (Kg/m3) Suy độ giảm áp qua mâm khô phần chưng: 8,8022 h’k = 51,0 ∙ ( 0,7452 0,805 ) ∙ 928,047 = 6,175 (mm∙chất lỏng) 3.3.2.2 Độ giảm áp chiều cao mức chất lỏng mâm Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp pha qua mâm lớp chất lỏng mâm hl từ chiều cao gờ chảy tràn hw, chiều cao tính tốn lớp chất lỏng gờ chảy tràn how hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm 𝛽: hl =𝛽 ∙ (hw + how), (mm∙chất lỏng) Chọn: + Hệ số hiệu chỉnh: 𝛽 = 0,6 + Chiều cao gờ chảy tràn: hw = 50 (mm) Chiều cao tính tốn lớp chất lỏng gờ chảy tràn tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng: q how = 43,4 ∙ ( L )3 , (mm∙chất lỏng) Lw Với: + qL: lưu lượng chất lỏng (m3/ph) + Lw: chiều dài hiệu dụng gờ chảy tràn (m)  Xác định Lw Diện tích dành cho ống chảy chuyền 20% diện tích mâm, nên ta có phương trình sau: n Lw 29 Ta có: Squạt - S  = Sbán nguyệt nR2 − R ∙ sin n = 0,2πR2 2 o Với: n : góc tâm chắn chiều dài đoạn Lw Dùng phương pháp lặp ta được: no = 1,627 rad = 93,22o Suy ra: Lw = Dt∙sin(no/2) = 0,5∙sin( 93,22 ) = 0,363 (m)  Xác định qL * Phần cất: qL = R∙D∙MD 60∙ρxtb = 1,8 ∙ 7,860 ∙ 39 60 ∙ 822,556 = 0,011 (m3/ph) 2 0,011 ( 0,363 ) qL Suy ra: how = 43,4 ∙ ( ) =43,4 ∙ Lw = 4,218 (mm) Vậy: Độ giảm áp chiều cao mức chất lỏng mâm phần cất là: hl = 0,6∙(50 + 4,218) = 32,531 (mm∙chất lỏng) * Phần chưng: Ta có: x’1 = 0,069 (phần khối lượng) = 0,028 (phần mol) MtbG’1 = MR∙x’1 + MN ∙(1- x’1) = 46 ∙0,028 + 18 ∙(1 – 0,028) = 18,784 (kg/kmol) G’1 = 1451,47 (kg/h) = 77,272 (kmol/h) q’L = G′1 ∙ MtbG′ 60∙ρ′ ′ xtb = 77,272 ∙ 18,784 60 ∙ 928,047 Suy ra: h ow = 43,4∙ = 0,026 (m3/ph) 2 q′ ( L L) w 0,026 (0,363) = 43,4∙ = 7,485 (mm) Vậy: Độ giảm áp chiều cao mức chất lỏng mâm phần chưng: h’l = 0,6 ∙ (50 + 7,485) = 34,491 (mm∙chất lỏng) 3.3.2.3 Độ giảm áp sức căng bề mặt Độ giảm áp sức căng bề mặt xác định theo biểu thức: hA = 625,54 ∙ σ ρL ∙d1 (mm∙chất lỏng) Với: +σ: sức căng bề mặt chất lỏng (dyn/cm) +ρL: khối lượng riêng ‘pha lỏng (Kg/m3) 30  Phần cất Khối lượng riêng pha lỏng: ρL = ρxtb = 822,556 (Kg/m3) Tra Bảng I.242, trang 301, [1] ttb = 82,65oC, ta được: +Sức căng bề mặt nước: σN = 62,110 dyn/cm +Sức căng bề mặt rượu: σR = 17,062 dyn/cm Suy ra: sức căng bề mặt chất lỏng phần cất: 𝜎= σN σR σN +σR = 62,110 ∙ 17,062 62,110+17,062 = 13,385 (dyn/cm) Vậy độ giảm áp sức căng bề mặt phần cất là: hR = 625,54 ∙ 13,385 822,556 ∙ 0,003 = 3,393 (mm∙chất lỏng)  Phần chưng Khối lượng riêng pha lỏng: ρ’L = ρ’xtb = 928,047 (Kg/m3) Tra Bảng I.242, trang 301, [1] ttb = 88,3oC, ta được: +Sức căng bề mặt nước: σ′N = 61,065 dyn/cm +Sức căng bề mặt rượu: σ′R = 16,553 dyn/cm Suy ra: sức căng bề mặt chất lỏng phần chưng: σ′ = σ′N σ′R σ′N +σ′R = 61,065 ∙ 16,553 61,065+16,553 = 13,023 (dyn/cm) Vậy độ giảm áp sức căng bề mặt phần chưng là: h′R = 625,54 ∙ 13,023 928,047.0,003 = 2,926 (mm∙chất lỏng) Tóm lại: Độ giảm áp tổng cộng pha khí qua mâm ở: + Phần cất: htl = 10,494 + 32,531 + 3,393 = 46,418 (mm∙chất lỏng) hay htl = 46,418 ∙ 10-3 ∙ 9,81 ∙ 822,556 = 374,560 (N/m2) + Phần chưng: h’tl = 6,175 + 34,491 + 2,926 = 43,592 (mm∙chất lỏng) hay h’tl = 43,592 ∙ 10-3 ∙ 9,81 ∙ 928,047 = 396,868 (N/m2) Suy ra: Tổng trở lực tồn tháp hay độ giảm áp tổng cộng tồn tháp là: (xem độ giảm áp tổng cộng pha khí qua mâm nhập liệu độ giảm áp tổng cộng pha khí qua mâm phần chưng) ∆htl = 13 ∙ htl + (8+1) ∙ h’tl = 13 ∙ 374,560 + ∙ 396,868 = 8441,092 (N/m2) 3.4 Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động Chọn khoảng cách hai mâm hmâm = 250 (mm) 31 Bỏ qua tạo bọt ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng ống chảy chuyền mâm xuyên lỗ xác định theo biểu thức: hd = hw + how + htl + hd′ (mm∙chất lỏng) Với: - hd′ : tổn thất thuỷ lực dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, xác định theo biểu thức sau: hd′ = 0,128 ∙ ( QL 100∙Sd )2 (mm∙chất lỏng) (Cơng thức 5.10, trang 115, [3]) Trong đó: + QL: lưu lượng chất lỏng (m3/h) + Sd: tiết diện ống chảy chuyền mâm, đó: Sd = 0,8∙Smâm = 0,8∙ 𝜋 ∙ 0,52 = 0,157 (m2)  Phần cất: QL = 60∙qL = 60 ∙ 8,571∙10-3 = 0,514 (m3/h) Suy ra: hd′ = 0,128 ∙ ( 0,514 100∙0,157 )2 = 0,0001 (mm ∙chất lỏng) Vậy: chiều cao mực chất lỏng ống chảy chuyền mâm xuyên lỗ phần cất: hd = 50 + 3,572 + 46,418 + 0,0001 = 99,9901 (mm ∙chất lỏng) Kiểm tra: hd = 99,9901 < hmâm = 250 = 125 (mm): đảm bảo hoạt động mâm phần cất không bị ngập lụt  Phần chưng: Q’L = 60∙q’L = 60 ∙ 0,026 = 1,56 (m3/h) Suy ra: h′ d′ = 0,128 ∙ ( 1,56 100∙0,157 )2 = 0,00126 (mm ∙chất lỏng) Vậy: chiều cao mực chất lỏng ống chảy chuyền mâm xuyên lỗ phần chưng: h′ d= 50 + 9,300 + 43,592 + 0,00126 = 102,893 (mm ∙chất lỏng) Kiểm tra: h′ d= 102,893 < hmâm = 250 = 125 (mm): đảm bảo hoạt động mâm phần chưng không bị ngập lụt Vậy: hoạt động đảm bảo tháp không bị ngập lụt 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Trần Xoa, TS Nguyễn Trọng Khuôn, KS Hồ Lê Viên, TS Phạm Xuân Toản, TS Phan Văn Thơm, GS.TSKH Nguyễn Bin, PGS.TS Đỗ Văn Đài, KS Long Thanh Hùng, 2006 Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hố chất Tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [2] TS Trần Xoa, TS Nguyễn Trọng Khuôn, TS Phạm Xuân Toản, KS Hồ Lê Viên, TS Phan Văn Thơm, GS.TSKH Nguyễn Bin, PGS.TS Đỗ Văn Đài, KS Long Thanh Hùng, TS Đinh Văn Huỳnh, 2006 Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hố chất Tập 2, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [3] Vũ Văn Bang, Vũ Bá Minh, 2004 Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất Tập 3, NXB Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh 33 ... Hình 1.2: Đồ thị cân lỏng hỗn hợp Ethanol Nước Hình 1.3: Giản đồ t – x,y hệ Ethanol – Nước Hình 1.4: Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất ethanol nước Hình 2.1: Giản đồ số mân lý... .4 1.2.2 Nước 1.2.3 Hỗn hợp Ethanol – Nước 1.3 Công nghệ chưng cất hệ Ehanol – Nước: 1.3.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước: 1.3.2 Thuyết... Ethanol – Nước: + Sản phẩm đỉnh chủ yếu ethanol nước + Sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước ethanol 1.1.2 Các phương pháp chưng cất: Các phương pháp chưng cất phân loại theo: - Áp suất làm việc: chưng cất