Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục etylic bằng mâm tháp xuyên lỗ năng suất 275 kg sản phẩmh

Trong thời đại phát triển hiện nay, thì các ngành công nghiệp hóa chất cũng như nhu cầu sử dụng hóa chất – nguyên vật liệu có độ tinh khiết của Việt Nam ta nói riêng và thế giới nói chung ngày càng cao, để làm tăng độ tinh khiết của dung dịch ta có thể sử dụng một số phương pháp: cô đặc, chưng cất, kết tinh, trích ly, hấp thụ,… tùy vào đặc tính của dung dịch, yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp sao cho phù hợp. Đối với dung dịch etylic là dung dịch hai cấu tử hòa tan hoàn toàn vào nhau và etylic dễ bay hơi nên phương pháp thích hợp nhất để có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất. Trong đó, thiết bị chưng cất rất quan trọng trong quá trình sản xuất vì vậy việc lựa chọn thiết bị chưng cất phải phù hợp với yêu cầu sản xuất nhằm thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao nhất.

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Cân bằng vật chất

GF: lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu kg/h

GP: lưu lượng khối lượng sản phẩm đỉnh kg/h

GW: lưu lượng khối lượng sản phẩm đáy kg/h

F: lưu lượng mol hỗn hợp đầu kmol/h

P: lưu lượng mol sản phẩm đỉnh kmol/h

W: lưu lượng mol sản phẩm đáy kg/h aF: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu aP: nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh aW: nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy xF: nồng độ phần mol hỗn hợp đầu xP: nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh xW: nồng độ phần mol sản phẩm đáy

Năng suất: GP'5 (Kg/h) aF= 12% aP= 90% aw= 1%

1.1.2 Tính cân bằng vật liệu

- Tính nồng độ phần khối lượng dựa vào nồng độ phần mol: xi= 𝑎 𝑖 /𝑀 𝑖

- Thành phần khối lượng trong hỗn hợp đầu: xF 𝑎𝐹 𝑀𝐴 𝑎𝐹

- Thành phần khối lượng trong sản phẩm đỉnh: xP 𝑎𝑃 𝑀𝐴 𝑎𝑃

- Thành phần mol trong sản phẩm đáy: xW 𝑎𝑊 𝑀𝐴 𝑎𝑊

- Tính khối lượng trung bình:

 n: số cấu tử trong hỗn hợp

 xi: phần mol của cấu tử i

 Mi: khối lượng mol của cáu tử i

- Phương trình cân bằng vật chất tính cho toàn tháp:

- Phương trình cân bằng vật chất viết cho cấu tử dễ bay hơi:

⇒ GP (aP – aW)= GF (aF – aW)

- Lưu lượng tính theo Kmol/h:

Bảng 1.1: Thành phần pha của hỗn hợp hai cấu tử ethanol – nước

Phần khối lượng Phần mol Lưu lượng

Bảng 1.2: Số liệu cân bằng lỏng – hơi của hỗn hợp etanol – nước

Hình 1.1: Đồ thị thể hiện số liệu cân bằng lỏng-hơi của hỗn hợp etanol-nước

Từ bảng số liệu trên ta ta suy ra được nồng độ phần mol (Y*) và nhiệt độ điểm sôi(ts 0) ứng với nồng độ phần mol X, như sau:

X(phần mol) Y * (phần mol) Nhiệt độ điêm sôi t s o

 y F ∗ , y p ∗ , y w ∗ là nồng độ phần mol của pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

 tF, tp, tw : là nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

1.1.3 Xác định đường nồng độ làm việc a Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện

- Phương trình cân bằng vật liệu ở vị trí bất kì của đoạn luyện:

 Gy: lưu lượng pha hơi của đoạn luyện (kmol/h)

 Gx: lưu lượng lỏng hồi lưu từ trên xuống (kmol/h)

 P: lưu lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)

- Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử dễ bay hơi:

Chỉ số hồi lưu là lượng hồi lưu tính trên một đơn vị sản phẩm đỉnh

Hoặc y = A x + B phương trình đi qua điểm: y = x = x p

R x + 1 b Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

 G y , : lưu lượng pha hơi của đoạn chưng

 G x , = G x + F: lượng lỏng trong đoạn chưng từ trên xuống

- Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử dễ bay hơi:

G x, −Wx w Mặt khác: G x , = G x + F và W = F – P nên G x , − W = G x + P

P = L: Chỉ số hỗn hợp đầu

Chỉ số hỗn hợp đầu là lượng hỗn hợp đầu tính trên một đơn vi sản phẩm đỉnh

Phương trình đi qua điểm y = x = x w

R x + 1x w Hai đường làm việc này cắt nhau tại điểm có hoành độ là x = x F

1.1.4 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

- Chỉ số hồi lưu làm việc thường được xác định qua chỉ số hồi lưu tối thiểu:

Trong đó: b là hệ số dư, b ϵ (1.2 ; 2.5)

- Từ công thức trên, suy ra:

0,334 − 0,051= 1,572 Trong đó: y F ∗ là nồng độ cân bằng đối với xF

Đối với mỗi giá trị của b trong khoảng (1,2 ; 2,5), chúng ta có thể tính toán giá trị R x để xác định tọa độ điểm B trên đường làm việc của đoạn luyện Từ đó, có thể vẽ đường làm việc đoạn chưng, thể hiện số bậc thay đổi nồng độ và xác định số đĩa lý thuyết N lt.

Việc lựa chọn chỉ số hồi lưu phù hợp là rất quan trọng trong quy trình chưng cất Chỉ số hồi lưu thấp dẫn đến số bậc tháp lớn nhưng tiêu tốn hơi đốt ít, trong khi chỉ số hồi lưu cao làm giảm số bậc tháp nhưng lại tiêu tốn nhiều năng lượng Khi chỉ số hồi lưu tăng, lượng nhiệt cần thiết để bay hơi hồi lưu tại đáy tháp cũng tăng theo Do đó, việc xác định giá trị tối ưu cho chỉ số hồi lưu là cần thiết để cân bằng hiệu suất và tiêu thụ năng lượng.

Phương pháp đồ thị được sử dụng để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp bằng cách phân tích mối quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và số đĩa lý thuyết Cụ thể, công thức Nlt(Rx + 1) = f(R) cho thấy sự tương quan giữa các yếu tố này, giúp tối ưu hóa quá trình tính toán chỉ số hồi lưu.

Để xác định giá trị thích hợp của chỉ số hồi lưu Rx, ta sử dụng mối quan hệ Nlt(Rx + 1) = f(R) Giá trị cực tiểu trên đồ thị cho thấy chỉ số hồi lưu tối ưu, tại điểm này kích thước thiết bị nhỏ nhất nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất làm việc tốt nhất Điều này phản ánh sự phụ thuộc của chỉ số hồi lưu vào kích thước tháp thông qua thể tích làm việc.

Trong đó: f: tiết diện của tháp(m 2 )

- Tiết diện tháp lại tỉ thuận lệ với lượng hơi đi trong tháp D = (Rx + 1)P do đó trong điều kiện lưu lượng sản phẩm đỉnh không đổi thì f ̴ D ̴ R nên:

V ̴ Nlt(Rx + 1) Trên cơ sở đó xây dựng quan hệ Nlt(Rx + 1) = f(R) từ đó xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

Bảng 1.3: Quan hệ giữa R và N lt và thể tích tháp b 𝐑 𝐱 B N lt 𝐍 𝐥𝐭 (𝐑 𝐱 + 𝟏)

- Dựa vào bảng ta vẽ đồ thị phụ thuộc của N lt (R x + 1) vào R x Sau đó dựa vào đồ thị để xác định chỉ số R x thích hợp

- Nhận xét: Tích Nlt (Rx+1) nhỏ nhất 34,416 khi b = 2,1 Do đó ta chọn b 2,1; khi đó Rx có giá trị tối ưu và Rx = 3,302

- Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện: a Đoạn luyện

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng: y = 𝑅 𝑥

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng: y = 𝑅 𝑥 + 𝐿

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

Từ đó ta vẽ được đồ thị xác định số bậc thay đổi nồng độ

- Xác định số đĩa thực tế theo hiệu suất trung bình:

N tt = N lt ɳ tb Trong đó:

 N lt : Số bậc thay đổi nồng độ hoặc số đĩa lý thuyết

Hiệu suất trung bình của thiết bị được tính bằng công thức ɳ tb = (ɳ 1 + ɳ 2 + ⋯ + ɳ n) / n, trong đó ɳ 1, ɳ 2, … là hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ và n là số vị trí tính hiệu suất Hơn nữa, ɳ tb là hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng, được biểu diễn dưới dạng ɳ tb = f(α, à).

- Trong chưng luyện người ta tính độ bay hơi tương đối như sau: α = y

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

 à: độ nhớt của hỗn hợp lỏng N.s/m 2

- Tớnh α,à tại 3 vị trớ: đĩa nạp liệu, đỉnh và đỏy thỏp a Tại đĩa nạp liệu: α F = y F

Dựa vào bảng độ nhớt của một số chất lỏng và phương pháp nội suy, độ nhớt của hỗn hợp etanol - nước tại nhiệt độ tF = 90,42 °C được xác định là A,F = 0,461 * 10^3 và B,F = 0,319 * 10^3.

Ta cú: lgà F = a F lgà A,F + (1 − a F )lgà B,F

Tương tự tại tp = 78,68 0 C, ta có: à A,P = 0,669*10 3 à B,P = 0,364*10 3

Lại cú: lgà p = a p lgà A,P + (1 − a p )lgà B,P

⇒ ηP = 0,51 (2) (Hình IX.11,T171, [2]) c Tại đáy tháp: α w = y w

Tương tự tại tw= 99,24 o C, ta có: à A,w = 0,539*10 3 à B,w = 0,287*10 3

Lại cú: lgà w = a w lgà A,w + (1 − a w )lgà B,w

Từ (1), (2), (3) ta suy ra hiệu suất trung bình sẽ bằng: η 𝐹 +η 𝑊 +η 𝑃

- Số mâm thực tế của mâm:

Kết luận: Vậy số mâm thực tế là 18 mâm, trong đó có 14 mâm của đoạn chưng và 5 mâm của đoạn luyện.

CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt lượng là xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu và lượng nước làm lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ Điều này cũng bao gồm việc tính toán lượng hơi bốc hơi ở đáy tháp.

Chúng tôi lựa chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nguyên liệu kinh tế, phổ biến trong tự nhiên và đáp ứng tốt các yêu cầu công nghệ.

 QD1: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng (J/h)

 Qf : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun nóng (J/h)

 QF: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng hay mang vào tháp chưng luyện (J/h)

 Qng1: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị đun nóng (J/h)

 Qxq1: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh (J/h)

 QD2: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp cần để đun nóng sản phẩm đáy (J/h)

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

 Qy: Lượng nhiệt do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h)

 QW: Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra ở đáy tháp (J/h)

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

 Qxq2: Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh (J/h)

2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho quá trình đun nóng:

QD1 + Qf = QF + Qngl + Qxql (CT : IX.149, T196, [2])

 D1: Lượng hơi đốt mang vào, kg/h

 λ1: hàm nhiệt của hơi nước, J/kg

 r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, J/kg

 θ1: nhiệt độ của nước ngưng, 0 C

 C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg độ

 Gng1: lượng nước ngưng (lấy bằng lượng hơi đốt), kg/h

- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào Qf

 tf : nhiệt độ hỗn hợp đầu, chọn tf # o C

 Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu

C f 23 = C A 23 a F + C B 23 (1 − a F ) Tra bảng I.153 (T171 và T172, [1]) và dùng phương pháp nội suy, ta có:

⇒ Vậy nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào là:

- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp:

 tF: nhiệt độ hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng, tF = 90,42 o C

 CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra

𝐶 𝐹 90,42 = 𝐶 𝐴 90,42 𝑎 𝐹 + 𝐶 𝐵 90,42 (1 − 𝑎 𝐹 ) Tra bảng I.153 (T171 và T172, [1]) và dùng phương pháp nội suy, ta có:

⇒ C F 85,84 = 3459,156*0,12+4210,84*(1-0.12)= 4120.638 (J/kg.độ) ⇒ Vậy nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp:

Chúng tôi đã chọn hơi nước bão hòa đun sôi ở áp suất 2 at, từ đó xác định được nhiệt độ là 9,6 °C Dựa vào thông tin này, chúng tôi tra cứu được ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt, cụ thể là r1 = 2208*10^3 (J/Kg) theo Bảng I.125.

2.2 Cân bằng nhiệt lượng của toàn tháp

QD2 + QF + QR = Qy + QW + Qng2 + Qxq2 (CT IX.156, T197, [2])

 Nhiệt lượng do hơi nước mang vào tháp:

D2 là lượng hơi nước cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp (kg/h), trong khi λ2 đại diện cho hàm nhiệt của hơi nước bão hòa (J/kg) Ngoài ra, r2 là ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước (J/kg) và θ2 là nhiệt độ của nước ngưng (°C).

C2: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kgđộ)

- Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào QR:

QR = GXCXtX = GPRXCXtX (CT IX.158, T197, [2])

⇒Vậy nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào là:

- Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy:

 Nhiệt độ hơi ở đỉnh tháp = 78,68 o C

 λđ là nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp

 𝐶 𝑝 78,68 : nhiệt dung riêng của hỗn hợp ra khỏi tháp ở nhiệt độ 78,68 o C

 𝑟 𝑝 78,68 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp ở nhiệt độ 78,68 o C

- 𝑟 𝐴 78,68 = 202,528 kcal/kg = 847,944*10 3 J/Kg (Tra bảng I.212 T254, [1])

- Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra QW:

Qw = GwCwtw (J/h) (CT IX.160, T 197, [2]) Trong đó:

Tra bảng (I.153 T171 và T172 [1]) bằng phương pháp nội suy ở nhiệt độ 99,24 o C

- Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh Qxq2:

- Nhiệt lượng do nước ngưng tụ mang ra Qng2:

Qng2 = Gng2C2θ2 =D2C2θ2 (CT IX.161, T198, [2]) Trong đó:

 Gng2: là lượng nước ngưng tụ bằng lượng hơi cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp(kg/h)

 C2, θ2: nhiệt dung riêng(J/kgđộ), nhiệt độ( 0 C) của nước ngưng

Ta chọn hơi nước bão hòa đun sôi ở áp suất 2 at nên t s o = 119.6 0 C

- Lượng nhiệt tiêu tốn ra môi trường xung quanh

2.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

- Ngưng tụ hoàn toàn thì:

P (RX +1)r = GnCn(t2-t1) (CT X.165, T198, [2]) Trong đó:

 r: ẩm nhiệt ngưng tụ ở đỉnh tháp(J/kg) r = rP = 997,74*10 3 J/Kg

 t 1 , t 2 : nhiệt độ vào và ra của nước lạnh

Tra (Bảng I.147, T165[1]) nhiệt dung riêng của nước ở tTB = 37,5 0 C ⇒ Cn = 4181,04 ( J/kgđộ)

Do đó lượng nước cần thiết để làm lạnh là:

2.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

 t’1 , t’2: nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đáy

Tra (Bảng I.153 T171 và T172 [1]) nhiệt dung riêng của nước tại tTB 54,34 0 C và nội suy, ta được:

Vậy tổng lượng nước dùng cho quá trình ngưng tụ và làm lạnh sản phẩm đỉnh là:

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

 Vtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m 3 /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 luyện khác nhau Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn luyện cũng khác nhau

- Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn luyện: gtb = g đ +g 1

 gđ: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)

Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện được ký hiệu là g1 (kg/h) Để áp dụng phương trình cân bằng vật liệu và nhiệt lượng cho đĩa thứ nhất, ta có các công thức: g1 = G1 + Gp (CT : IX.93, T182, [2]) và g1y1 = G1x1 + Gpxp (CT : IX.94, T182, [2]) Thêm vào đó, công thức g1r1 = gđrđ (CT : IX.95, T182, [2]) cũng cần được xem xét trong quá trình tính toán.

 y1: hàm lượng hơi ở đĩa thứ nhất của đoạn luyện

 x1: hàm lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn luyện

(Trong các phương trình trên ta xem x 1 = a F ).

 G1 : lượng lỏng đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện

 r1, rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất và đi ra khỏi đỉnh tháp

GF = 2225 Kg/h x1 = a F = 0,12(phần khối lượng) gđ = GR + GP = Gp(Rx + 1) = 275(3,302+1) = 1183,05 (Kg/h) r1 = ray1 + rb(1 – y1) rđ = r’ayđ + r’b(1 – yđ)

(r a , r b : ẩn nhiệt hóa hơi của etanol và nước nguyên chất)

- tF = 90,42 0 C ra = 197,832 (Kcal/Kg) = 828,283*10 3 (J/Kg) = 828,283 (KJ/Kg) rb = 548,58 (Kcal/Kg) = 2296,795*10 3 (J/Kg) = 2296,795 (KJ/Kg)

- tp = 78,68 0 C r’a = 202,528 (Kcal/Kg) = 847,944*10 3 (J/Kg) = 847,944 (KJ/Kg) r’b = 560,32 (Kcal/Kg) = 2345,948*10 3 (J/Kg) = 2345,948 (KJ/Kg)

0,804∗46+(1−0,804)∗18 = 0,913 (Kg.etanol/Kg.hỗn hợp)

Giải hệ (1) ta tìm được g1, G1, y1 như sau : g1 = 732,292 (Kg/h)

⇒ r1 = ray1 + rb(1 – y1) = 828,283*10 3 *0,37 + (1 – 0,37)*2296,795*10 3 = 1753,445*10 3 (J/Kg) = 1753,445 (KJ/Kg)

- Lưu lượng hơi trung bình là : gtb = 𝑔 1 +𝑔 đ

- Lưu lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện :

- Khối lượng riêng trung bình đối với pha khí, pha lỏng của đoạn luyện:

 Đối với pha hơi: ρ ytb = [y tb M A +(1−y tb )M B ]273

 Ttb: nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện

1 ρ xtb = a tb ρ A + 1−a tb ρ B (CT IX 104, T183 [2]) Trong đó:

2 = 0,51: khối lượng trung bình của ethanol trong pha lỏng

Tra (Bảng 1.2 trang 9 [1]) khối lượng riêng etanol và nước tại nhiệt độ trung bình của đoạn luyện t = 84,55 0 C, ta được: ρ A = 762,246 (Kg/m 3 ) ρ B = 968,815 (Kg/m 3 )

- Lưu lượng trung bình của hơi đi trong đoạn luyện:

- Lưu lượng thể tích lỏng đi trong đoạn luyện:

- Tìm vận tốc hơi trung bình trong đoạn luyện:

(ρ y ⍵ y ) tb = 0,065φ[σ]√hρxtbρ ytb (Kg/m 2 s) ( CT IX.105 T184 [2]) Trong đó:

 φ[σ]: là hệ số tính đến sức căng bề mặt, giá trị lấy bằng 1 khi sức căng bề mặt σ > 20dyn/cm và bằng 0,8 khi σ < 20dyn/cm

 h: khoảng cách giữa các đĩa (m)

Bảng 3.1: Giá trị của h được tính theo đường kính tháp

- Tính sức căng bề mặt của hỗn hợp

1 σ hh = 1 σ A + 1 σ B Tra (Bảng I.242, T300 [1]) sức căng bề mặt của aceton và etanol ở Ttb : 84,55 o C

Ta tìm được σ A = 18,218 dyn/cm σ B = 61,758 dyn/cm

⇒ σ hh = 14,068 (dyn/cm) < 20 (dyn/cm) nên φ[σ] = 0,8 ta chọn h = 0,3m

Ta đồng nhất đoạn luyện về đường kính chuẩn: DL = 0,6 m (CT IX.89, T181 [2])

- Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn chưng:

 Được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng và lượng hơi đi vào đoạn chưng: g’tb = g n

 Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện do đó: g’n = g’1 = 732,292 (Kg/h)

 Lượng hơi đi vào đoạn chưng g 1 ,

 Lượng lỏng G 1 , và hàm lượng hơi trong đoạn chưng được xác định bằng phương trình cân bằng vật liệu và nhiệt lượng:

G’1x’1 = g’1yw + Gwxw (2) (CT IX.99, T182 [2]) g’1r’1 = g’nr’n = g1r1 (3) (CT IX.100, T182 [2])

Từ công thức g’1 = r1 * r1, với r1 được xác định từ phép tính cân bằng nhiệt lượng là 1753,445 * 10^3 (J/Kg), ta có thể tính r’1 theo công thức r’1 = ray’1 + rb(1 – y’1) Ở nhiệt độ Tw = 99,24 oC, tra bảng I.212 T254, ta tìm ra ra = 194,304 Kcal/Kg (tương đương 813,512 KJ/Kg hoặc 813,512 * 10^3 J/Kg) và rb = 539,76 Kcal/Kg (tương đương 2259,867 * 10^3 J/Kg).

Ta suy ra lượng hơi trung bình trong đoạn chưng là: g’tb = g 1 +g 1

Lượng lỏng trung bình trong đoạn chưng là:

- Khối lượng riêng đoạn chưng:

 Khối lượng riêng trung bình của hơi, lỏng trong đoạn chưng được tính theo công thức sau: ρ ytb , = [y tb1

 y’tb1 : hàm lượng hơi trung bình đoạn chưng y’tb1 = y 1 +y w

Tra (Bảng I.2, T9 [1]) khối lượng riêng của cấu tử ở Ttb = 94,83 o C ρ A , = 753,765 Kg/m 3 ρ B , = 961,619 Kg/m 3

- Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn chưng

- Lưu lượng thể tích lỏng trung bình của đoạn chưng

- Tính vận tốc hơi trung bình trong đoạn chưng

Tra (Bảng I.242, T300 [1]) sức căng bề mặt của aceton và etanol ở t 99,24 o C σ A = 16,822 (dyn/cm) σ B = 59,041 (dyc/cm)

⇒ σ hh = 13,092 (dyc/cm)< 20 (dyc/cm) nên φ[σ] = 0,8

= 0,065 ∗ 0,8√0,3 ∗ 944,686 ∗ 0,748 = 0,757 (m/s) Như vậy đường kính đoạn chưng sẽ là

Ta chọn đường kính đoạn chưng theo đường kính quy chuẩn DC = 0,6 m Vậy chọn đường kính của tháp chưng luyện là Dt = 0,6m

3.1.2 Chiều cao tháp chưng luyện

- Được tính theo công thức:

H = Ntt*(h + δ ) + (0,8 ÷ 1) (CT IX.54, T169, [2]) Trong đó :

 (0,8  1) m: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp

 Ntt : Số mâm thực tế; Ntt = 18 (mâm)

 h: khoảng cách giữa các mâm : h = 0,3 (m)

 𝛿 : chiều dày của mâm (3÷5mm), chọn 𝛿 = 0,004 (m)

 Chọn khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp là 0,9(m)

Vậy chiều cao của tháp chưng luyện là :

H = 18*(0,3+0,004) + 0,9 = 6,372 (m) Để dễ thi công, chế tạo ta chọn chiều cao của toàn tháp là 7 (m)

3.2 Cấu tạo của mâm lỗ

- Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:

 Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm

 Đường kính lỗ dl = 5mm = 0,005(m)

 Chiều cao gờ chảy tràn hgờ = 50mm = 0,05m

 Diện tích của hai đáy bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm

 Lỗ bố trí theo hình tam giác đều

 Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ = 2,5*3 = 7,5mm

 Bề dày mâm bằng 4mm

 Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T

- Số lỗ trên một mâm:

3.3 Tính trở lực của tháp

2 (IX.140, T194, [2]) Đối với đĩa có tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm thì ξ = 1,82

Vận tốc hơi qua lỗ: 𝜔′ 𝐿 = 𝜔 𝐿

Vận tốc hơi qua lỗ: 𝜔′ 𝐶 = 𝜔 𝐶

3.3.2 Trở lực do sức căng bề mặt

Vì đĩa có đường kính lỗ > 1 mm nên:

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 84,55 o C thì: σAL ,218*10 -3 (N/m) (Bảng I.242, T300, [1]) σBL = 61,758*10 -3 (N/m) (Bảng I.242, T300, [1]) Áp dụng công thức (I.76, T299, [1]):

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng TLC = 94,83 o C thì: σAC = 17,241*10 -3 (N/m) (Bảng I.242, T300, [1]) σBC = 59,856*10 -3 (N/m) (Bảng I.242, T300, [1]) Áp dụng công thức(I.76, T299, [1]):

3.3.3 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra

∆𝑃 𝑏 = 1,3hbK𝜌 𝐿 g (CT IX.143, T194, [2]) Với: hb = hgờ + hl

 Lgờ : chiều dài của gờ chảy tràn, m

 K = 𝜌 𝑏 ⁄𝜌 𝐿 : tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng của chất lỏng, lấy gần bằng 0,5

QL = n L M L ρ L : hiệu suất lượng thể tích của pha lỏng (m 3 /s)

- Tính chiều dài gờ chảy tràn:

Hình 3.1: Chiều dài gờ chảy tràn

Ta có: Squạt - 𝑆 ∆ = Sbán nguyệt ↔ 𝛼 𝑅 2

Dùng phép lặp nên: 𝛼 = 1,627 (rad) = 93,32 0 C

Mà α là góc chắn bởi cung, nên:

- Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện:

- Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:

- Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng:

- Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần chưng

3.3.4 Tổng trở lực thủy lực của tháp

- Tổng trở lực của 1 mâm trong phần luyện của tháp là:

- Tổng trở lực của 1 mâm trong phần chưng của tháp là:

- Vậy Tổng trở lực thủy lực của tháp:

3.3.5 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động

- Khoảng cách giữa 2 mâm: h = 275 (mm)

Chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo công thức: hd = hgờ + Δhl + ΔP + hd’ (mm.chất lỏng), trong đó cần lưu ý rằng sự tạo bọt trong ống chảy chuyền có thể bị bỏ qua.

 hgờ : chiều cao gờ chảy tràn (mm)

 ∆hl : chiều cao lớp chất lỏng trên mâm ( mm)

 ∆P: tổng trở lực của 1 mâm (mm.chất lỏng)

 hd’ : tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được xác định theo biểu thức h’d = 0,128 ( Q L

 QL: lưu lượng của chất lỏng (m 3 /h)

 Sd: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

⇒ Để tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì hd < 1

851,174∗9,81x 1000 = 52,725 (mm chất lỏng) h’dL = 0,128 ( Q LL

⇒ hdL = 50 + 6,03 + 52,725 + 1,579*10 -4 = 108,755 (mm) < 150 (mm) Vậy khi hoạt động thì mâm ở phần luyện sẽ không bị ngập lụt b Phần chưng

944,686∗9,81∗ 1000 = 56,806 (mm chất lỏng) h’dC = 0,128 ( Q LC

⇒ hdC = 50 +25,9 + 56,806 + 12,477*10 -3 = 132,718 (mm) < 150 mm Vậy khi hoạt động thì mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt

⇒ Kết luận: Khi hoạt động thì tháp sẽ không bị ngập lụt

Tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường, do đó, thân tháp được thiết kế hình trụ bằng phương pháp hàn hồ quang điện với kiểu hàn giáp mối hai phía Các mối ghép bích được sử dụng để ghép nối thân tháp lại với nhau.

- Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm ta chọn thiết bị thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

- Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán:

 Nhiệt độ tính toán: t = tđáy= 99,24 o C

 Áp suất tính toán: vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên

Pt = Pthủy tĩnh + ∆P Trong đó:

Pthủy tĩnh: áp suất thuỷ tĩnh lên chất lỏng ở đáy (N/m 2 )

∆P: là tổng trở lực lên tháp (N/m 2 )

 Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp: ρ L = ρ LL +ρ LC

Hệ số bổ sung do ảnh hưởng của ăn mòn hóa học trong môi trường được xác định, với điều kiện môi trường có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị lên đến 20 năm Do đó, giá trị Ca được chọn là 2mm để đảm bảo độ bền và hiệu suất của thiết bị.

 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn [σ] ⃰ = 142𝑁/𝑚𝑚 2

 Hệ số hiệu chỉnh: vì thiết bị xếp vào loại II nhóm 2 nên η=1

- Tính bề dày thân chịu áp suất trong:

Vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện kiểu hàn giáp mối hai bên nên hệ số bền mối hàn 𝜑 ℎ = 1 (Bảng XIII.8, T362 [2])

Do đó bề dày thân được tính theo công thức

Suy ra bề dày thật của thân tháp : S = S’ + C

 Đại lượng bổ sung C = C0 + Cb + Ca + Cc

Chọn: C0 = 1: hệ số bổ sung quy tròn

Cb = 0: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học

Ca = 2: hệ số bổ sung do bào mòn hóa học

Cc = 0,4: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo

⇒ S = 3,4 + 2,113 = 5,513 (mm) ≈ 6 (mm) Điều kiện kiểm tra độ bền:

3.5 Đáy và nắp thiết bị

- Chọn đáy và nắp có dạng hình elip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10T

- Chọn bề dày của đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp S = 6mm

- Đáy và nắp elip có gờ: h b

⇒ Suy ra chiều cao phần lồi của đáy:

Hình 3.2: Đáy và nắp có gờ

- Điều kiện trên thỏa mãn như đã kiểm tra ở phần thân tháp

- Chiều cao của gờ: h = 25 (mm) ứng với Dt = 600 (mm) và S = 6 (mm) (Bảng XIII.11, T384 [2])

F = 0,44 (m 2 ) ứng với Dt = 600 (mm) và h = 25 (mm) (Bảng XIII.10, T382

- Chọn vật liệu cách nhiệt là bông thủy tinh có bề dày δ cn

- Hệ số dẫn nhiệt của bông thủy tinh (Bảng I.126, T128 [1])

 Chiều dày thân tháp S = 6mm = 6*10 -3 (m)

- Nhiệt độ trung bình tháp :

2 = 89,69 0 C Chấp nhận quá trình truyền nhiệt trên là quá trình truyền nhiệt ổn định Xem nhiệt truyền từ bên trong ra bên ngoài theo tường phẳng nhiều lớp

Chấp nhận nhiệt độ mặt ngoài của lớp cách nhiệt t1 = 35 o C

- Tính tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh theo công thức: q2 = α 2 ∆t 2 (W/m 2 )

 α 2 : hệ số cấp nhiệt bằng bức xạ và đối lưu từ bề mặt lớp cách nhiệt ra môi trường không khí α 2 = 9,3 + 0,058∆t 2 (W/m 2 ) (CT V.136, T41 [2])

- Nhiệt lượng truyền từ trong tháp ra mặt ngoài lớp cách nhiệt: q1 = K.∆t 1 (W/m 2 )

 K: hệ số truyền nhiệt ( W m 2 độ)

 ∆t 1 : hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ trong tháp và nhiệt độ mặt ngoài tháp

 Vì truyền nhiệt ổn định nên q1 = q2 = q

K = r cặn + δ th λ th + δ cn λ cn

Ta có: rcặn = 0,378*10-3 (W/m2 độ) (Bảng V.1, T4 [2])

16,3 )] * 0,0372 = 0,021 (m) Vậy bề dày lớp cách nhiệt là 21 (mm)

3.7 Tính chi tiết ống dẫn

3.7.1 Đường kính ống dẫn hơi ở đỉnh tháp vào thiết bị ngưng tụ d = √ 4V πW = √ 0,785W V (m) (CT II.36 T369 [1]) Trong đó:

 V: lưu lượng thể tích trung bình m 3 /s

 W: vận tốc trung bình của lưu thể m/s

 Lưu lượng sản phẩm đỉnh: gđ = 1183,05 (Kg/h) = 0,329 (Kg/s)

Khối lượng riêng sản phẩm đỉnh: ρ ytb = 1,140 (Kg/m 3 ).

- Vận tốc dòng W = 20 m/s (Bảng II.2, T370 [1])

Do đó chọn đường kính ống dẫn: d = 150 mm theo (Bảng XIII.26, T413

[2]) để lắp ráp ống với thiết bị bằng những mặt bích theo quy chuẩn sẵn có mà không cần gia công lại măt bích

3.7.2 Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu d = √ V

- Lưu lượng hỗn hợp ban đầu: GF = 2225

- Khối lượng riêng của hỗn hợp ban đầu được tính theo công thức:

 ρ A , ρ B : khối lượng riêng của etanol và nước ở tF = 90,42 0 C

Tra (Bảng I.2, T9 [1]) và bằng phương pháp nội suy ta được: ρ A 90,42 = 757,04 Kg/m 3 ρ B 90,42 = 964,706 Kg/m 3

Chọn đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu: d = 70 mm

3.7.3 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy d = √ V

- Lưu lượng sản phẩm đáy Gw = 1950

- Khối lượng riêng của sản phẩm được tính theo công thức:

 ρ A , ρ B : khối lượng riêng của etanol và nước ở tW = 99,24 0 C ρ A 99,24 = 750,127 (Kg/m 3 ) ρ B 99,24 = 958,532 (Kg/m3)

Chọn đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: d = 70mm

3.7.4 Đường kính ống dẫn hơi vào đáy tháp d = √ V

 V: lưu lượng thể tích trung bình m 3 /s

 W: vận tốc trung bình của lưu thể m/s

 Lưu lượng hơi đi vào đáy tháp g’1 = 539,249 Kg/h = 0,149 (Kg/s)

 Khối lượng riêng trung bình đối với pha hởi đáy tháp: ρ ytb , = 0,748 (Kg/m 3 )

 Vận tốc dòng W = 20(m/s) (Bảng II.2, T370 [1])

Do đó d = 150 (mm) (Bảng XIII.26, T413 [2])

3.7.5 Đường kính ống hồi lưu d = √ V

- Lưu lượng hồi lưu GR = GPr = 275*3,302 = 908,05 Kg/h = 0,252 (Kg/s)

- Khối lượng riêng của sản phẩm hồi lưu được tính theo công thức sau:

 ρ A , ρ B : khối lượng riêng của etanol và nước ở tP = 78,68 0 C ρ A 78,4 = 767,155 Kg/m 3 ρ B 78,4 = 972,726 Kg/m 3

Chọn đường kính ống dẫn hồi lưu: d = 50mm (Bảng XIII.26, T411 [2])

- Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị

Công nghệ chế tạo mặt bích phụ thuộc vào vật liệu, phương pháp nối và áp suất môi trường Đối với quá trình chưng luyện hỗn hợp etanol và nước diễn ra ở áp suất thường, việc lựa chọn bích liền là phương án tối ưu nhất.

3.8.1 Bích để nối thiết bị

Dựa vào Bảng XII.27, T419 [2], lựa chọn bích kiểu 1 để kết nối các đoạn của thân tháp, cũng như nối thân với đáy và nắp Để đảm bảo an toàn trong những tình huống bất thường, áp suất được chọn là

Tương ứng với đường kính trong của tháp Dt = 600 mm ta được các kích thước của bích như sau:

Bảng 3.2: Bích liền bằng thép để nối thiết bị

Kích thước nối (mm) kiểu bích

3.8.2 Bích nối tháp với ống dẫn

Chọn mặt bích kiểu 1 cho các ống dẫn theo (Bảng XIII.26, T409 [2])

Bảng 3.3: Bích liền bằng kim loại đen để nối tháp với ống dẫn Ống dẫn

Kích thước ống nối Bu lông h

3.9 Cửa nối thiết bị với ống dẫn

- Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo được hoặc không tháo được Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo được

- Đối với mối ghép tháo được, người ta làm đoạn ống nối, đó là đoạn ống ngắn có mặt bích hay ren để nối với ống dẫn

 Loại có mặt bích thường dùng với ống có đường kính Dy > 10 mm

 Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính Dy  10 mm

- Chiều dài đoạn ống nối xác định theo (Bảng XIII.32, T434 [2]) như sau:

Bảng 3.4: Kích thước chiều dài đoạn ống nối Đường kính ống (mm)

Chiều dài đoạn ống nối

(mm) Ống dẫn hơi vào TBNT 150 130 Ống dẫn hơi hỗn hợp đầu 70 110 Ống dẫn sản phẩm đáy 70 110 Ống dẫn hơi vào đáy tháp 150 130 Ống hồi lưu 50 100

3.10 Vòng đệm bít kín thiết bị

- Đối với bích để nối thiết bị:

Theo (Bảng XIII.31, T4337 [2]) đối với bích cho ở Bảng XIII.27 kích thước bề mặt đệm bít kín :

 D3 = D2 + 1mm = 650+1 = 651 (mm) (Vì Dy < 1000mm)

3.11 Chân đỡ và tai treo tháp

3.11.1 Khối lượng toàn tháp a Khối lượng thân tháp

Thân tháp làm bằng thép X18H10T có khối lượng riêng là ρ = 7900 kg/m 3 , gồm có thân tháp, phần gờ dư của đáy và nắp tháp

- Do đó khối lượng toàn thân tháp:

- Phần gờ dư của đáy và nắp:

- Suy ra khối lượng phần gờ dư:

4 (0,613 2 – 0,6 2 ) = 4,892 (Kg) b Khối lượng đáy và nắp tháp

Với bề dày 6 mm, gờ 25mm được cho trong (Bảng XIII.11, T384 [2])

 21 (kg): khối lượng của nắp ứng với Dt = 0,6m

 1,01: hệ số tương ứng với thép không gỉ

 2: số nắp ứng với nắp đỉnh và đáy c Khối lượng chất lỏng trong tháp

- Để thuận tiện cho việc tính toán, người ta chấp nhận chất lỏng chiếm 1/2 tháp, với khối lượng riêng của lỏng lớn nhất: ρ max = 944,686 (Kg/m 3 )

- Vậy khối lượng lỏng là:

4 = 934,863 (Kg) d Tổng khối lượng bích

- Khối lượng của bích để nối thiết bị:

- Khối lượng của bích nối thiết bị với ống dẫn sản phẩm đỉnh:

- Khối lượng của bích nối thiết bị với ống dẫn hỗn hợp đầu:

- Khối lượng của bích nối thiết bị với ống dẫn sản phẩm đáy:

- Khối lượng của bích nối thiết bị với ống dẫn hơi vào đáy tháp:

- Khối lượng của bích nối thiết bị với ống hồi lưu:

4 * (0,16 2 – 0,057 2 )*0,018 = 2,496 (Kg) e Khối lượng của lớp cách nhiệt

⇒ Vậy trọng tải toàn tháp là:

Khi lắp đặt thiết bị, cần sử dụng tai treo và chân đỡ thay vì đặt trực tiếp lên bệ Cụ thể, cần dùng 4 chân đỡ và 4 tai treo Việc treo tháp không thể thực hiện đồng thời với cả 4 chân đỡ và 4 tai treo, mà phải thực hiện theo một trong hai cách.

Để lắp đặt tháp, trước tiên cần sử dụng dây để móc vào các tai treo và dùng cẩu nâng tháp đặt lên giá đỡ Sau đó, cần cố định cả giá đỡ và tai treo Việc tính toán 4 tai treo phải đảm bảo đủ khả năng chịu tải trọng của tháp, nhằm tránh xảy ra sự cố trong quá trình lắp ráp.

Để lắp đặt tháp, trước tiên cần cố định tháp trên các chân đỡ và lắp ráp các tai treo vào vị trí phù hợp Quan trọng là tính toán sao cho bốn chân đỡ có thể chịu được tải trọng ban đầu của tháp, tương tự như trong trường hợp đã nêu.

- Vật liệu làm chân đỡ tháp là CT3

- Tải trọng cho phép trên một chân đỡ:

⇒ Để đảm bảo an toàn ta chọn Gc = 0,6*10 4 (N)

- Chọn chân đỡ theo (Bảng XIII.35, T437 [2])

Bảng 3.5: Kích thước chân đỡ

Tải trọng cho phép trên một chân

Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ q*10 6 N/m

Hình 3.3.: Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng

3.11.3 Tai treo thiết bị Ứng với tải trọng cho phép trên một chân lấy G = 1*10 4 N, chọn chân đỡ có kích thước sau: (Bảng XIII.35, T438 [2])

Bảng 3.6: Kích thước tai treo thiết bị

Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q*10 6 N/m 2

Khối lượng một tai treo