BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT HỖN HỢP ETHANOL NƯỚC CÓ NĂNG SUẤT 1000KGH VỚI NỒNG ĐỘ ETHA.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC ĐỒ ÁN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT HỖN HỢP ETHANOL - NƯỚC CÓ NĂNG SUẤT 1000KG/H VỚI NỒNG ĐỘ ETHANOL 10% (VOL), 60%(VOL) VÀ ĐỘ THU HỒI ETHANOL 99.5% GVHD: Ths Trịnh Hoài Thanh SVTH:1 Nguyễn Thành Phong _ MSSV: 2205200035 Khổng Thị Huỳnh Như _ MSSV: 2205200033 TP Hồ Chí Minh, Tháng 07 năm 2022 MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm chưng cất 1.2 Giới thiệu nguyên liệu 1.2.1 Ethanol 1.2.2 Nước 1.2.3 Công nghệ chưng cất Etanol – Nước 1.2.4 Quy trình cơng nghệ 10 CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 12 VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 12 2.1 Các thông số ban đầu .12 2.2 Cân vật chất 12 2.2.1 Tính tốn dịng 12 2.2.2 Xác định tỉ số hồi lưu 14 2.2.3 Phương trình làm việc tháp chưng cất 15 2.2.4 Tính số mâm thực tế 15 2.3 Cân lượng .18 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 25 3.1 Đường kính tháp 25 3.1.1 Đường kính đoạn cất .25 3.1.2 Đường kính đoạn chưng 29 3.2 Chiều cao tháp 33 3.2.1 Chiều cao thân thiết bị 33 3.2.2 Chiều cao đáy nắp thiết bị 33 3.3 Tính tốn chóp ống chảy chuyền 33 3.3.1 Tính cho phần cất 34 3.3.2 Tính cho phần chưng 35 3.4 Tính chi tiết ống dẫn 43 3.4.1 Ống dẫn dịng hồn lưu 43 3.4.2 Ống dẫn dòng nhập liệu 43 3.4.3 Ống dẫn dòng sản phẩm đáy 44 3.4.4 Ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt qua tháp 45 3.5 Tính trở lực tháp 45 3.5.1 Tổng trở lực phần cất 45 3.5.1.1 Trở lực đĩa khô ∆Pk 45 3.5.1.2 Trở lực sức căng bề mặt 46 3.5.1.3 Trở lực lớp chất lỏng đĩa ( Trở lực tủy tĩnh ∆Pt) .46 3.5.2 Tổng trở lực phần chưng 47 3.5.2.1 Trở lực đĩa khô ∆Pk 48 3.5.2.2 Trở lực sức căng bề mặt 48 3.5.2.3 Trở lực lớp chất lỏng đĩa ( Trở lực tủy tĩnh ∆Pt) .49 3.5.3 Tổng trở lực tháp 50 CHƯƠNG 4: TÍNH CƠ KHÍ 51 4.1 Tính bề dày thân trụ tháp 51 4.2 Tính – chọn bề dày đáy nắp thiết bị 51 4.3 Chọn bích vịng đệm 55 5.3.1 Bích đệm để nối bít kín thiết bị 55 4.3.2 Bích để nối ống dẫn 55 4.4 Chân đỡ tai treo thiết bị 57 4.4.1 Tính trọng lượng tồn tháp 57 4.4.2 Tính chân đỡ tháp 58 4.5 Tai treo tháp 59 CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ PHỤ 60 5.1 Thiết bị đun sôi 60 5.1.1 Hiệu số nhiệt trung bình 60 5.1.2 Hệ số truyền nhiệt 60 5.1.2.1 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu 61 5.1.2.2 Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy ống 61 5.1.2.3 Xác định hệ số cấp nhiệt đốt ống 62 5.1.2.4 Xác định hệ số truyền nhiệt 63 5.1.3 Bề mặt truyền nhiệt 63 5.1.4 Cấu tạo thiết bị 63 5.2 Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu 64 5.2.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 64 5.2.2 Hệ số truyền nhiệt 64 5.2.2.1 Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống: 65 5.2.2.2 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu 66 5.2.2.3 Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống nhỏ 67 5.2.2.4 Xác định hệ số truyền nhiệt 68 5.2.3 Bề mặt truyền nhiệt 69 5.2.4 Cấu tạo thiết bị 69 5.3 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 69 5.3.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 69 5.3.2 Hệ số truyền nhiệt 70 5.3.2.1 Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống 70 5.3.2.2 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu 71 5.3.2.3 Xác định hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ống 72 5.3.2.4 Xác định hệ số truyền nhiệt 73 5.3.3 Bề mặt truyền nhiệt 73 5.3.4 Cấu tạo thiết bị 74 5.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 77 5.4.1 Hiệu số nhiệt trung bình 77 5.4.2 Hệ số truyền nhiệt 75 5.4.3 Bề mặt truyền nhiệt .75 5.4.4 Cấu tạo thiết bị .75 5.5 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 75 5.5.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 76 5.5.2 Hệ số truyền nhiệt 76 5.5.3 Bề mặt truyền nhiệt 76 5.5.4 Cấu tạo thiết bị 76 5.6 Bồn cao vị 77 5.6.1 Tổn thất đường ống dẫn 77 5.6.2 Chiều cao bồn cao vị .79 5.7 Bơm 80 5.7.1 Năng suất 80 5.7.2 Cột áp 80 5.7.3 Công suất 83 CHƯƠNG 6: TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 84 KẾT LUẬN .84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 LỜI MỞ ĐẦU Nhu cầu nguồn nhiên liệu, nguyên liệu sản phẩm hóa học giới ngày gia tăng Nhiệm vụ khơng có tìm kiếm nguồn lượng mà cịn phải khám phá phương pháp tinh chế hỗn hợp nguyên liệu thành sản phẩm mong muốn thân thiện với môi trường Ngành cơng nghệ thực phẩm đóng vai trị quan trọng việc thực nhiệm vụ Các q trình vật lí chưng cất, trích ly, đặc, sấy, kết tinh, hấp phụ ngày đổi hoàn thiện để đáp ứng nhu cầu sử dụng sản phẩm hóa học chất lượng, tinh khiết người thị trường Mỗi phương pháp tiến hành với hình thức khác có ưu, nhược điểm riêng Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp phù hợp để chưng cất hỗn hợp Etanol-nước Đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm môn học tổng hợp hầu hết kiến thức từ truyền nhiệt, truyền khối, kỹ thuật phản ứng đến trình học sở thiết kế máy , trang bị cho sinh viên chuyên ngành công nghệ thực phẩm kiến thức sở để thiết kế thiết bị cụ thể hoàn chỉnh, đáp ứng đầy đủ yêu cầu trình phản ứng, chất lượng sản phẩm, tuổi thọ cao, giá thành phù hợp quan trọng phải an toàn với người môi trường Chúng em xin chân thành cám ơn thầy Trịnh Hồi Thanh thầy mơn q trình thiết bị hướng dẫn cho em thời gian qua Trong q trình hồn thành đồ án khơng khỏi xảy sai xót kinh nghiệm chúng em cịn non yếu, mong thầy góp ý, giúp đỡ thêm cho chúng em! GVHD: Trịnh Hoài Thanh Đồ án kỹ thuật thực phẩm CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm chưng cất Khái niệm Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí – lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng (nhiệt độ sôi khác áp suất) cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng pha ngược lại Quá trình chưng cất q trình mà dung mơi chất tan bay Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử dễ bay phần cấu tử có độ bay thấp hơn, sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử có độ bay nhỏ phần nhỏ cấu tử dễ bay Phương pháp chưng cất Theo áp suất làm việc: - Chưng cất áp suất thấp: Dùng cho hỗn hợp dễ bị phân hủy nhiệt độ cao hỗn hợp có nhiệt độ sôi cao - Chưng cất áp suất thường - Chưng cất áp suất cao: Dùng cho hỗn hợp khơng hóa lỏng áp suất thường Theo nguyên lý làm việc: - Chưng cất đơn giản: Dùng để tách hỗn hợp gồm nhiều cấu tử có độ bay khác không yêu cầu sản phẩm có độ tinh khiết cao - Chưng cất nước trực tiếp: Dùng để tách hỗn hợp gồm chất khó bay tạp chất khơng bay - Chưng cất: Là phương pháp đơn giản để tách hoàn toàn cấu tử dễ bay có tính chất hịa tan phần hịa tan hoàn toàn khác 1.2 Giới thiệu nguyên liệu 1.2.1 Ethanol GVHD: Trịnh Hoài Thanh Đồ án kỹ thuật thực phẩm Etanol hay gọi rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm Có cơng thức phân tử 즰 즰, khối lượng phân tử 46 đvC Là chất lỏng có mùi đặc trưng, 즰 khơng độc, tan nhiều nước Một số thông số vật lý nhiệt động etanol: - Nhiệt độ sôi Etanol 760 (mmHg): 78,3OC - Khối lượng riêng d40 = 810 (kg/m3) Tính chất hóa học: - Tất phản ứng hóa học xảy nhóm hydroxyl ( OH) etanol thể tính chất hóa học - Phản ứng hydro nhóm hydroxyl: 즰 즰 즰 즰 - Hằng số phân ly etanol KCH CH Tác dụng với kim loại kiềm: 즰 즰 Tác dụng với acid: 즰 즰 즰 OH 즰 18 = 10 즰 즰 , etanol chất trung tính 즰 즰 즰 즰 - Phản ứng nhóm hydroxyl 즰 즰 즰 O H 즰 O Tác dụng với acid (HX): 즰 즰 Tác dụng với Triclo phốt pho: 즰 즰 Tác dụng với Amoniac: 즰쳌 즰 즰 h 즰 즰 즰 즰 즰 즰 즰 즰 - Phản ứng tạo ester tách loại nước: 즰 즰 즰 h 00 즰 쳌 h h 즰 즰 즰 즰 즰 즰 h 즰 즰 GVHD: Trịnh Hoài Thanh 즰 Đồ án kỹ thuật thực phẩm 즰 - Phản ứng hydro oxy hóa: 즰 즰 즰 즰 즰 000 00 000 즰 = 즰 즰 즰 즰 즰 Ứng dụng: Ethanol có nhiều ứng dụng methanol Là nguyên liệu dùng để sản suất nhiều mặt hang khác ứng dụng rộng rãi ngành: Công nghiệp nặng, y tế dược, quốc phịng, giao thơng vận tải, dệt, chế biến gỗ nơng nghiệp,… Phương pháp điều chế: Có nhiều phương pháp điều chế ethanol hydroxyl hóa etylen với xúc tác 즰 4, thủy phân dẫn xuất halogen ester ethanol đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazo, hydro hóa aldyhyt acetic, từ hợp chất kim,… Trong công nghiệp điều chế ethanol phương pháp lên men từ nguồn tinh bột rỉ đường Ở nước ta công nghệ sản xuất ethanol chủ yếu sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột: Trong đó: 즰 즰 즰 䀀 h 95% nguyên liệu chuyển thành ethanol CO2 5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ glycerin, acid succinic, metylic acid hữu (lactic, butyric,…) 1.2.2 Nước Trong điều kiện bình thường nước chất lỏng không màu, không mùi, không vị khối nước dày có màu xanh nhạt, hóa rắn nước tồn dạng tinh thể khác - Khối lượng phân từ: 18 g/mol - Khối lượng riêng d04 c: g/ml - Nhiệt độ nóng chảy: O0C - Nhiệt độ sơi 1000C GVHD: Trịnh Hồi Thanh Đồ án kỹ thuật thực phẩm Nước hợp chất chiếm phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất nước biển) cần thiết cho sống Nước dung mơi phân cực mạnh có khả hịa tan nhiều chất dung mơi quan trọng kỹ thuật hóa học Hỗn hợp Ethanol – Nước Bảng 1: Số liệu cân lỏng – Ethanol – Nước t(0C) 100 90,3 86,5 83,2 81,7 80,8 80,0 79,4 79,0 78,6 78,4 78,4 x(pmol) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y(pmol) 33,2 44,2 53,1 57,6 61.6 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100 1.2.3 Công nghệ chưng cất Ethanol – Nước Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung thiết bị giống nghĩa diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,…Ở ta khảo sát loại thường dùng tháp mâm tháp chêm + Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ s… Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh + Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Ưu điểm nhược điểm tháp mâm chóp: Ưu điểm: - Hiệu suất truyền khối cao, ổn định - Ít tiêu hao lượng nên có số mâm ... pháp phù hợp để chưng cất hỗn hợp Etanol-nước Đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm môn học tổng hợp hầu hết kiến thức từ truyền nhiệt, truyền khối, kỹ thuật phản ứng đến trình học sở thiết kế máy ,... Trịnh Hồi Thanh Đồ án kỹ thuật thực phẩm Nhược điểm: - Cấu tạo phức tạp - Trở lực lớn Chọn loại tháp chưng cất phương pháp chưng cất Quá trình chưng cất thực dựa vào nhiều loại tháp có cấu tạo... chúng em! GVHD: Trịnh Hoài Thanh Đồ án kỹ thuật thực phẩm CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm chưng cất Khái niệm Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí – lỏng thành cấu tử riêng