THIẾT kế hệ THỐNG CHƯNG cất LIÊN tục hỗn hợp ETHANOL nước BẰNG THÁP mâm XUYÊN lỗ, NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2200 l h 1

TỔNG QUAN

Giới thiệu

Hình 1-2 Công thức phân tử của ethanol

(Nguồn: https://www.vectorstock.com/royalty-free-vector/c2h5oh-ethanol-molecule-vector-

Tên thường gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan vô hạn trong nước.

Bảng 1-1 Các thông số vật lý của ethanol

Tính chất Thông số vật lý

Công thức phân tử CH3-CH2-OH

Khối lượng phân tử 46 đvC

Nhiệt độ nóng chảy T o nc= -114,3 o C

(Nguồn: https://vi.wikipedia.org/wiki/Ethanol)

CHƯƠNG : Tổng Quan CBHD: Nguyễn Việt Bách

Ethanol hiện nay đóng vai trò quan trọng trong ngành nhiên liệu sinh học và là một thành phần thiết yếu trong nhiều lĩnh vực công nghiệp Nó được sử dụng rộng rãi như một hợp chất hữu cơ, bao gồm các ứng dụng như thuốc sát trùng, thành phần trong sơn, cồn thuốc, cũng như trong các sản phẩm chăm sóc cá nhân như nước hoa và chất khử mùi.

Hình 1-3 : Ứng dụng của ethanol

(Nguồn: https://dhanhcs.violet.vn/document/ung-dung-ruou-etylic-645229.html)

Nước chiếm 3/4 diện tích trái đất và là hợp chất thiết yếu cho sự sống Với tính chất là dung môi phân cực mạnh, nước có khả năng hòa tan nhiều chất, đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật hóa học Ở điều kiện bình thường, nước tồn tại dưới dạng chất lỏng không màu, không mùi và không vị.

Bảng 1-2 : Các thông số vật lý của nước

Tính Chất Thông số vật lý

Công thức phân tử HOH

Khối lượng phân tử 18 đvC

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang2

Tính Chất Thông số vật lý

C = 1000 kg.m -3 Độ nhớt ở 20 o C μ = 1 cP Nhiệt độ nóng chảy T o nc= 0 o C

(Nguồn: https://vi.wikipedia.org/wiki/Nước)

Hỗn hợp ethanol – nước là hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sôi cực tiểu có điểm đẳng phí ở 1 atm là 89,4% mol ethanol ở 78,2 o C.

Trong công nghiệp, quá trình sản xuất ethanol thông qua lên men tinh bột và rĩ đường tạo ra hỗn hợp chủ yếu gồm ethanol và nước, với nồng độ ethanol thường dao động từ 10% đến 50% thể tích Do đó, việc nâng cao nồng độ ethanol là rất cần thiết để có thể sử dụng hiệu quả.

Ethanol có tính chất tan vô hạn trong nước nhờ vào khả năng tạo liên kết hydro giữa các phân tử ethanol và nước Nhiệt độ sôi của ethanol là 78,39 °C ở áp suất 760 mmHg, thấp hơn so với nước (100 °C ở 760 mmHg) Do đó, phương pháp chưng cất là phương pháp tối ưu để tách hỗn hợp ethanol và nước.

CHƯƠNG : Tổng Quan CBHD: Nguyễn Việt Bách

Bảng 1-3 : Thành phần lỏng (x)–hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol–nước ở 760 mmHg

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang4

Hình 1-4 : Giản đồ thành phần lỏng – hơi của hệ ethanol – nước ở 760 mmHg

Chưng cất CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

Chưng cất là quá trình tách các cấu tử trong hỗn hợp lỏng hoặc khí lỏng dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng Quá trình này không giống như hấp thu hay nhả khí, mà tạo ra pha mới thông qua bốc hơi hoặc ngưng tụ Mặc dù chưng cất và cô đặc có nhiều điểm tương đồng, sự khác biệt chủ yếu là trong chưng cất, cả dung môi và chất tan đều bay hơi, trong khi ở cô đặc chỉ có dung môi bay hơi, còn chất tan không bay hơi.

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo áp suất làm việc, bao gồm chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Nguyên tắc chính của phương pháp này dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử; khi nhiệt độ sôi quá cao, ta có thể giảm áp suất làm việc để hạ nhiệt độ sôi của các cấu tử.

1 x (phân mol) Ethanol trong pha lỏng y ( p h â n m o l) E th a n o l tr o n g p h a h ơ i

CHƯƠNG : Tổng Quan CBHD: Nguyễn Việt Bách

Hệ thống cấu tử tròn hỗn hợp có thể được phân loại thành các loại khác nhau dựa trên số lượng cấu tử Cụ thể, hệ hai cấu tử và hệ ba cấu tử là những hệ thống có số lượng cấu tử ít hơn mười, trong khi hệ nhiều cấu tử bao gồm các hệ thống có hơn mười cấu tử.

Chưng cất có hai nguyên lý chính: chưng cất gián đoạn (đơn giản) và chưng cất liên tục Chưng cất gián đoạn được áp dụng cho hỗn hợp có nhiệt độ sôi khác biệt lớn, không yêu cầu độ tinh khiết cao, và thường dùng để tách lỏng khỏi tạp chất không bay hơi Ngược lại, chưng cất liên tục được sử dụng cho các hỗn hợp phức tạp hơn, thực hiện liên tục và nghịch dòng, mặc dù thiết bị phức tạp hơn, nhưng mang lại sản phẩm với độ tinh khiết cao và nồng độ mong muốn.

Phương pháp chưng cất có thể được phân loại theo cách cấp nhiệt cho hỗn hợp, bao gồm cấp nhiệt trực tiếp ở đáy tháp và cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun Cấp nhiệt trực tiếp thường được áp dụng để tách các hợp chất khó bay hơi và không tan trong nước Với năng suất nhập liệu tương đối nhỏ và hệ ethanol – nước không dễ phân hủy ở nhiệt độ cao, phương pháp cấp nhiệt trực tiếp là lựa chọn khả thi.

Quá trình chưng cất xác định rằng lượng sản phẩm thu được tương ứng với số cấu tử ban đầu Trong trường hợp hỗn hợp ethanol và nước, chưng cất diễn ra theo đường cân bằng lỏng - hơi Sản phẩm đỉnh chủ yếu chứa cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi thấp), trong khi sản phẩm đáy chủ yếu bao gồm cấu tử có độ bay hơi thấp (nhiệt độ sôi cao) cùng một lượng nhỏ cấu tử có độ bay hơi lớn.

Đối với hệ ethanol – nước, phương pháp chưng cất liên tục thường sử dụng điện trở để cấp nhiệt trực tiếp ở đáy tháp, và điều này được thực hiện trong điều kiện áp suất thường.

Trong sản xuất, nhiều loại tháp được sử dụng với yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các pha phải lớn Yêu cầu này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất khác.

Tháp chưng cất có kích thước và ứng dụng đa dạng, với các tháp lớn thường được sử dụng trong ngành công nghiệp lọc hóa dầu Kích thước, đường kính và chiều cao của tháp phụ thuộc vào suất lượng của pha lỏng và pha khí, cũng như độ tinh khiết của sản phẩm Hai loại tháp chưng cất phổ biến là tháp mâm và tháp chêm.

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang6

Thân tháp hình trụ thẳng đứng được trang bị các mâm cấu tạo khác nhau, giúp chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau Trên các mâm này, pha lỏng và pha hơi được tiếp xúc với nhau, tạo điều kiện cho quá trình trao đổi chất hiệu quả.

Hình 1-5 : Hình dạng tháp mâm

(Nguồn: https://www.wikiwand.com/en/Plate_column)

Tùy theo cấu tạo của các loại đĩa, có các loại tháp mâm:

- Tháp mâm chóp: Trên mâm bố trí có chốp dạng tròn, xupap, chữ s,

- Tháp mâm xuyên lỗ: Trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3 – 12) mm.

Hình 1-6 : Hình dạng của mâm chóp và mâm xuyên lỗ

CHƯƠNG : Tổng Quan CBHD: Nguyễn Việt Bách a) Mâm chóp; b) Mâm xuyên lỗ

(Nguồn: http://www.wermac.org/equipment/distillation_part2.html và https://www.chem- dist.com/sieve-tray.html)

Tháp hình trụ được cấu tạo từ nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hoặc hàn Vật chêm được đưa vào tháp thông qua hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hoặc xếp theo thứ tự.

Hình 1-7 : Một số vật liệu chêm thường dùng trong tháp

(Nguồn: http://industrial.ecpltd.co/product/tower-vessel-packing/)

Bảng 1-4 : So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp

Loại Tháp chêm Tháp mâm

- Hiệu suất tương đối cao

- Hoạt động khá ổn định

- Làm việc với chất lỏng bẩn

N - Hiệu suất - Trở lực khá cao - Cấu tạo phức

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang8

Loại Tháp chêm Tháp mâm hư ợc đi ể m thấp

- Yêu cầu lắp đặt khắt khe tạp

- Không làm việc với chất lỏng bẩn

CHƯƠNG : Tổng Quan CBHD: Nguyễn Việt Bách

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang10

CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

Công nghệ chưng cất hệ ethanol – nước

Ethanol là một chất lỏng có khả năng hòa tan vô hạn trong nước, với nhiệt độ sôi là 78,3 ℃ ở áp suất 760 mmHg So với nước, có nhiệt độ sôi 100 ℃ ở cùng áp suất, sự chênh lệch nhiệt độ sôi giữa ethanol và nước là khá lớn Do đó, chưng cất là phương pháp hiệu quả để thu được ethanol với độ tinh khiết cao.

Trong trường hợp này, không áp dụng phương pháp cô đặc vì tất cả các cấu tử đều bay hơi Ngoài ra, phương pháp trích ly và hấp thụ cũng không được sử dụng do cần phải đưa vào một khoa mới để tách, điều này có thể làm cho quá trình phức tạp hơn và khả năng tách không đạt hiệu quả hoàn toàn.

Hình 2-1: Sơ đồ qui trình công nghệ

Hỗn hợp ethanol – nước với nồng độ 40 độ ở 15 o C được bơm lên bồn cao vị tại nhiệt độ 30 o C Sau đó, hỗn hợp được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy, có lưu lượng nhập liệu 1800 L.h -1 Hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi 84.5 o C trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu Cuối cùng, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất ở mâm nhập liệu, trước khi vào tháp, dòng nhập liệu đi qua lưu lượng kế để điều chỉnh lưu lượng.

Trong quá trình chưng cất, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp, nơi hơi đi từ dưới lên và gặp chất lỏng đi từ trên xuống, tạo ra sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi Khi chất lỏng di chuyển xuống gần đáy tháp, nồng độ cấu tử dễ bay hơi giảm do bị cuốn lên bởi pha hơi từ thiết bị gia nhiệt ở đáy Nhiệt độ trong tháp giảm dần lên trên, khiến cấu tử có nhiệt độ sôi cao như nước ngưng tụ lại khi hơi đi qua các mâm Cuối cùng, trên đỉnh tháp thu được rượu 96 độ ở 15°C, được dẫn vào thiết bị ngưng tụ và hoàn toàn chuyển thành dòng lỏng với nhiệt độ cao Dòng lỏng này tiếp tục qua bộ phận chỉnh dòng, một phần được làm nguội và chứa trong bồn, trong khi phần còn lại được hoàn lưu về tháp Ở đáy tháp, thu được hỗn hợp lỏng với nồng độ ethanol chỉ 0,01% phân mol, phần còn lại chủ yếu là nước, sau đó dung dịch này được đưa vào nồi đun.

Trong quá trình đun dung dịch lỏng, một phần sẽ bốc hơi và được cung cấp lại cho tháp để tiếp tục hoạt động, trong khi phần còn lại sẽ ra khỏi nồi đun và thực hiện trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị Sau khi hoàn tất quá trình trao đổi nhiệt, sản phẩm đáy sẽ được dẫn vào bồn chứa sản phẩm đáy.

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là ethanol ở 40 o C.

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

3.1 Các thông số ban đầu

Các thông số ban đầu:

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: V F @ % theo thể tích ethanol

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: V D % theo thể tích ethanol

Tỉ lệ thu hồi ethanol: η %

Khối lượng phân tử của ethanol: M R F

Khối lượng phân tử của nước: M N

Trạng thái nhập liệu lỏng sôi Loại thiết bị sử dụng là tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền.

G F, F suất lượng nhập liệu (đơn vị kg.h -1, kmol.h -1) x F, x D, x w là phân mol tương ứng của ethanol trong nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy Trong khi đó, x F, x D, x W đại diện cho phân khối lượng tương ứng của ethanol trong nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.

3.2 Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp

Cân bằng vật chất cho toàn tháp:

Cân bằng cấu tử ethanol:

Với t 0 o C, ta có khối lượng riêng của rượu và nước lần lượt là: ρ R y3.25kg.m -3 (tra bảng I.2, trang 9, [1]) ρ N = 995.2 kg.m -3 (tra bảng I.249, trang 310, [1])

Phần mol theo độ rượu: x F = 1

Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp:

Do trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là lỏng - sôi, từ bảng cân bằng lỏng - hơi của hệ ethanol - nước với x F = 0,172, ta suy ra t F = 81.024 oC.

Tra bảng I.2 (trang 9, [1]): ρ Et = 894.486 kg.m -3

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:

22,816 811 (kmol.h -1 ) Giải hệ phương trình (3-1), (3-2), (3-3) ta có:

CHƯƠNG 3: Cân bằng vật chất CBHD: Nguyễn Việt Bách

Phân khối lượng sản phẩm đáy: x W = x W M R x W M R +(1− x W ) M N = 0,013 .46

3.3 Xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó số mâm lý thuyết đạt đến vô cực Kết quả là chi phí cố định trở nên vô cực, trong khi chi phí điều hành như nhiên liệu, nước và bơm ở mức tối thiểu.

Dựa vào đồ thị với x F =0,172 ta xác định được y F ¿ = 0,599

3.4 Tỉ số hoàn lưu thích hợp

Tỉ số hoàn lưu thích hợp thường được xác định qua tỉ số hồi lưu tối thiểu.

3.5 Xác định phương trình đường làm việc

3.6 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất y= R

3.7 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

Với f là chỉ số nhập liệu, ta có: f = F D = 19.992 90.811 = 4.558 y= R+ f

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang3

Hình 3-8 : Đồ thị xác định số mâm lý thuyết

Từ đồ thị có: 8 mâm bao gồm: 4 mâm cất, 3 mâm chưng, 1 mâm nhập liệu.

Vậy, số mâm lí thuyết là N ¿ =8 mâm.

3.9 Xác định số mâm thực tế

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:

Với: η tb : là hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng η=f ( α , μ)

N tt : số mâm thực tế

3.10 Xác định hiệu suất trung bình của tháp  tb Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi: α = y ¿

- x : phân mol của rượu trong pha lỏng.

CHƯƠNG 3: Cân bằng vật chất CBHD: Nguyễn Việt Bách

- y ¿ : phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.

Tại vị trí nhập liệu: x F =0,172 , y F ¿ =0 , 599 , t ¿ F 024 o C α f = y ¿ F

1−x F x F = 2.809 Tra bảng I.102 (trang 94, [1]): Độ nhớt của nước: μ N = 0.352 cP

Tra bảng I.101 (trang 91, [1]): Độ nhớt của rượu: μ R =¿0.389 cP Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu: log μ F = x F log μ Et +(1− x F ) log μ N

Tại vị trí mâm đáy: α w = y w ¿

1− y w ¿ 1−x w x w =1 0.59 Tra bảng I.102 (trang 94, [1]): Độ nhớt của nước: μ N = 0,307 cP

Tra bảng I.101 (trang 91, [1]): Độ nhớt của rượu: μ R =0,310cP Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đáy: log μ w =x w log μ R +(1− x w ) log μ N

Tại ví trí mâm đỉnh: x D =0,8 77 , y D ¿ =0,8 79 , t D x,06 o C α D = y ¿ D

1− y ¿ D 1− x D x D =1,024 Tra bảng I.102 (trang 94[1]): Độ nhớt của nước: μ N = 0,365cP

Tra bảng I.101 (trang 91[1]): Độ nhớt của rượu: μ R =0,473 cP Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đỉnh: log μ D =x D log μ R +(1− x D ) log μ N

 Hiệu suất trung bình của tháp η tb 9 08 %

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang5

Số mâm thực tế của tháp N tt : N tt = 8

39.08 % ! Vậy chọn N tt ! mâm, bao gồm 10 mâm cất, 8 mâm chưng, 3 mâm nhập liệu.

Bảng 3-5: Tóm tắt số liệu cân bằng vật chất

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

4.1 Đường kính tháp ( D t ) Đường kính tháp được xác định theo IX.90 (trang 181, [1]):

V tb : lượng hơi trung bình đi trong tháp m 3 h -1 ω tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp m.s -1

G tb : lượng hơi trung bình đi trong tháp kg.h -1

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.

4.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất xác định theo XI.91 (trang 181[2]): g tb = g d +g 1

2 (4-2) Với: g d : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp kg.h -1 g l : lượng hơi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất kg.h -1

Theo công thức IX92 (trang 181, [1]): g d = D ( R +1)B.454 kmol.h -1 → g d 09.793kg.h -1

Xác định g l : Từ hệ phương trình: { ¿ g 1 y ¿ ¿ g 1 g =G 1 1 r =G 1 = 1 x 1 g + 1 d + D r D x d D (4-3)

Trong quá trình chưng cất, lượng lỏng ở đĩa thứ nhất được ký hiệu là G l Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất được ký hiệu là r l, trong khi ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp được ký hiệu là r d.

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 1

Tính r l : Từ t l =t F 024 o C ta có: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước (bảng I.250, trang 312[1]): r N = ¿ 47593.46 kJ.kmol -1 Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol (bảng I.212, trang 254[1]): r R =¿ 38953.59 kJ.kmol -1

Tính r d : Từ t D =7 8.062 o C ta có: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước (bảng I.250, trang 312 [1]): r N = ¿ 47500.51 kJ.kmol -1 Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol (bảng I.212 trang 254 [1]): r R =¿ 39187.33 kJ.kmol -1

Giải hệ (4-3), ta được: { ¿ y 1 =0,3577( ¿ G 1 ,42 phân mol etanol) (kmol h -1 ) ¿ g 1 8,345 ( kmol h -1 )

Tốc độ hơi trung bình trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền: ω gh =0,05 √ ρ ρ xtb ytb (IX111, trang 186, [1])

Với: ρ xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg.m -3 ) ρ ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg.m -3 )

Xác định ρ ytb : ρ ytb = [ y tb 46 +(1− y tb ) 18] 273

22,4.(t tb +273 ) (IX.102, trang 83, [1]) Nồng độ phân mol trung bình: y tb = y 1 + y D

2 = 0.62 Nhiệt độ trung bình đoạn cất: t tb = t F +t D

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách

22,4.( 79,543+ 273) =0 237 kg.m -3 Lưu lượng pha hơi đi trong phần cất:

Nồng độ phân mol trung bình: x tb = x F +x D

46.0,612+(1−0,612) 18 =0,801 t tb y.543 o C tra bảng I.2 trang 9 [1] → ρ xtb y9.6609 kg.m -3

⇒ω gh = 0,05 √ 799.6609 0.237 =2,9 m.s -1 Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp: ω h =0,8 ω gh =0,8.2,2=2 322m.s -1

Vậy đường kính đoạn cất:

4.3.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp: g tb = g n ' +g 1

' : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg.h -1 )

- g 1 ' : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg.h -1 )

Xác định g 1 ' : Từ hệ phương trình { ¿ ¿ G g 1 ' 1 ' x r ¿ 1 ' G 1 ' =g = 1 ' = g 1 ' n ' g y r 1 ' +W n ' w = +W x g 1 r 1 w (4-5)

- G 1 ' : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 3

- r 1 ' : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

⇒ M tbW = 46 y W +(1− y w ).18F.0,112+(1−0,112).18 B,629 kg.kmol -1 t 1 ' =t w = 9 2.525 o C ta có: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước (bảng I.250, trang 312, [1]): r N = ¿ 47958.2 kJ.kmol -1 Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol (bảng I.212, trang 254, [1]): r R =¿ 38002.01 kJ.kmol -1

Giải hệ (4-5), ta được: { ¿ G 1 ' 1.4348(kmol h -1 ) ¿ x 1 ' =0,006 ¿ g 1 ' @,545 ( Kmol h -1 )

4.4 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: ω gh ' =0,05 √ ρ ρ ' xtb ' ytb (4-6)

Với: ρ ' xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg.m -3 ) ρ ' ytb : khối lượng riêng trung bình củ pha hơi (kg.m -3 )

Xác định ρ ' ytb : ρ ' ytb = [ y tb ' 46 +(1− y tb ' ) 18] 273

22,4.(t tb ' +273 ) (4-7) Nồng độ phân mol trung bình: y tb ' = y 1 + y w

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách t tb ' = t F +t W

Lưu lượng pha hơi trong phần chưng:

Nồng độ phân mol trung bình: x tb ' = x F +x w

Khối lượng riêng của nước tra bảng I.249 trang 310, [1]: ρ N

' t1,24 Kg.m -3 Khối lượng riêng của rượu tra bảng I.2 trang 9, [1]: ρ R

⇒ ω gh = 0,05 √ 956,515 0,85 = 1,548 (m.s -1 ) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp: ω h =0,8 ω gh =0,8.1,548=1,238 (m.s -1 )

Vậy đường kính đoạn chưng:

Do đường kính của đoạn chưng và đoạn cất không chênh lệch nhiều, để thuận tiện tính toán ta chọn D t = D cấtt = D chưng =0,9 m.

Tốc độ làm việc thực:

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 5

Bảng 4-6 : Tóm tắt các thông số đường kính tháp

Kí hiệu Đoạn cất Đoạn chưng g d (kg.h -1 ) 1809,793 975.8127 g 1 (kg.h -1 ) 1634,652 1031.81 g tb (kg.h -1 ) 924,0692 2666,46 ρ ytb (kg.m -3) 0,237 0,905 ρ xtb (kg.m -3) 799,66 914,926 ω lv (m.s -1 ) 1,7 1,28

4.5 Mâm lỗ - trở lực của mâm

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền.

Chọn đường kính lỗ d 1 =3 mm ¿ 0,003 m.

Tổng diện tích lỗ bằng 8% diện tích mâm.

Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ.

Bố trí theo hình lục giác đều.

Tỉ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 2/3.

Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm.

S l ô =0,08⋅ ( D d 1 t ) 2 =0,08 ⋅ ( 0,003 0.5 ) 2 =7 200 lỗ Áp dụng công thức V.139 trang 48, [2]

Số lỗ trên đường chéo: b=2 a−1=2.43−1 lỗ

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách

4.5.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng) là tổng các độ giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng: h tl = h k +h l +h R (5.15, trang 118, [3])

4.5.2.1 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 lỗ. h k = ( C v 0 2 0 2 ) ⋅ ( 2 ρ g ρ G L ) Q⋅ ( C u 0 2 0 2 ) ⋅ ρ ρ G L (5.16, trang 119, [3])

Với: u 0 : vận tốc pha hơi qua lỗ m.s -1 ρ G : khối lượng riêng của pha hơi Kg.m -3 ρ L : khối lượng riêng của pha lỏng Kg.m -3

C 0 : hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.

S mâm = 0,08 và δ mâm d 1 =0,667 tra hình 5.20 trang 119, [3] ta được C 0 =0,75 Đối với mâm ở phần cất:

Vận tốc pha hơi qua lỗ: u 0 = ω lv

8 % !,25 (m.s -1 ) Khối lượng riêng của pha hơi: ρ G =ρ ytb =0,23 kg.m -3

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ l = ρ xtb y9.66 kg.m -3 Độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất: h k 818(mm chất lỏng) Đối với mâm ở phần chưng:

Vận tốc pha hơi qua lỗ: u 0 ' = ω lv

8 % ,06 m.s -1 Khối lượng riêng của pha hơi: ρ G ' =ρ ytb

' =0,905 kg.m -3 Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ l ' = ρ xtb ' 4,4 2 kg.m -3 Độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng: h ' k $.44 (mm chất lỏng)

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 7

4.5.2.2 Độ giảm chất lỏng trên mâm

Để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm, phương pháp đơn giản là sử dụng chiều cao gờ chảy tràn (h_w), chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn (h_ow) và hệ số hiệu chỉnh (β) Công thức tính được biểu diễn như sau: h_1 = β (h_w + h_ow).

Chọn hệ số hiệu chỉnh: β=0,6

Chiều cao gờ chảy tràn: h w P mm

Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng: h ow C,4 ⋅ ( L q L w ) 3 2 (5.13, trang 116, [3])

- L w : lưu lượng của chất lỏng (m 3 ph -1 )

- L w : chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)

Dùng phương pháp lặp ta được: n o =9 3 o

⇒ h ow C,4 ⋅ ( q L L w ) 2 3 C,4 ⋅ ( 0,019 0,467 ) 2 3 =5.307 (mm chất lỏng) Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất h l = β ( h w +h ow )=0,6.(50+5,307 )3,18 (mm chất lỏng)

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách

Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng: h l

4.5.2.3 Độ giảm áp do sức căng bề mặt Độ giảm áp sức căng bề mặt được xác định theo công thức: h R = 625,54 ⋅ σ ρ L ⋅ d l (mm chất lỏng) (5.19, trang 120, [3]) Với: σ : sức căng bề mặt chất lỏng (dyn.cm-1) ρ L : khối lượng riêng của pha lỏng (kg.m -3 )

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ l = ρ xtb v6,663 kg.m- 3

Tại t tb y,543 oC ta có:

Tra bảng I.249 trang 310, [1] sức căng bề mặt của nước: σ N f3,49 14 dyn.cm -1 Tra bảng I.242 trang 300, [1] sức căng bề mặt của rượu: σ R ,4 7 dyn.cm -1 σ hh = σ N ⋅ σ R σ N +σ R

Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là: h R = 4,68 (mm chất lỏng)

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ l

' y9,669 kg.m -3 Tại t tb y.543 o C ta có:

Tra bảng I.249 trang 310, [1] sức căng bề mặt của nước: σ N

' =¿ 707.4974 dyn.cm -1 Tra bảng I.242 trang 300, [1] sức căng bề mặt của rượu: σ ' R =¿ 16.1816 dyn.cm -1 σ hh ' = σ ' N ⋅σ ' R σ ' N +σ ' R = 610,167.17,06

610,167.17,06 =¿ 15.81978 (dyn.cm -1 ) (I.76 trang 299, [1]) Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là: h R

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 9

Kết luận độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm:

4.5.2.6 Phần cất: h t ' =¿ 50.6886 (mm chất lỏng)

4.5.2.7 Phần chưng: h t ' =¿ 67.01675 (mm chất lỏng) hay h t ' =¿ 733.149 (N.m -2 )

Tổng trở lực của toàn bộ tháp, hay còn gọi là độ giảm áp tổng cộng, được xác định bằng độ giảm áp của pha khí qua mâm nhập liệu, tương đương với độ giảm áp của pha khí qua một mâm trong quá trình chưng.

4.6 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động

Chọn khoảng cách giữa hai mâm, với đường kính tháp nằm trog khoảng 0 – 0,6m là: h m â m =0,5 m ¿ 500 mm.

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng của mâm xuyên lỗ được xác định theo biếu thức: h d =h w + h ow +h t + h d ' (mm chất lỏng) (5.20 trang 120, [3])

Với: h d ' =0,128 ⋅ ( 100 Q L S d ) 2 mm chất lỏng (5.10 trang 115, [3])

S d : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần cất là: h d =8 8.49 (mm chất lỏng)

2 %0 mm, đảm bảo khi hoạt động các mâm phần cất

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách Phần chưng:

Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần chưng là: h d =¿ 103,68 (mm chất lỏng)

2 5 mm, đảm bảo khi hoạt động các mâm phần chưng sẽ không bị ngập lụt.

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

Chiều cao của thân tháp: H th â n = N tt (h m â m + δ m â m )+1.2 (IX.54 trang 169, [2])

Với D t 0 mm tra bảng XIII.10 trang 384, [2] ta được h t =0.3 mm

Chiều cao của đáy và nắp: H đá y = H n =h t + h g =0,3 +0,025 =0,325(m)

Chiều cao của tháp: H = H thâ n +H đ +H n 49 (m) nên chọn H.5 m

Bảng 4-7 : Tóm tắt thông số mâm, trở lực tháp

Thông số Phần cất Phần chưng hk độ giảm áp qua mâm khô (mm chấtlỏng) 17 19,8 h1 độ giảm áp do chiều cao mực chất lỏng trên mâm

Độ giảm áp do sức căng bề mặt là 34-36 hR (mm.chất lỏng), trong khi độ giảm áp khi tháp hoạt động là 5-4 hd (mm.chất lỏng) Độ giảm áp pha khí qua một mâm đạt 92-95 ht (N.m-2), và chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn là 524-550 mm.

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 11

Thông số Phần cất Phần chưng h ’ d tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm (mm)

4.7 Tính toán cơ khí của tháp

Các thông số ban đầu

Các thông số ban đầu:

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: V F @ % theo thể tích ethanol

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: V D % theo thể tích ethanol

Tỉ lệ thu hồi ethanol: η %

Khối lượng phân tử của ethanol: M R F

Khối lượng phân tử của nước: M N

Trạng thái nhập liệu lỏng sôi Loại thiết bị sử dụng là tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền.

G F, F suất lượng nhập liệu (đơn vị kg.h -1, kmol.h -1) là phân mol tương ứng của ethanol trong nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy Các ký hiệu x F, x D, x W đại diện cho phân khối lượng tương ứng của ethanol trong nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.

Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp

Cân bằng vật chất cho toàn tháp:

Cân bằng cấu tử ethanol:

Với t 0 o C, ta có khối lượng riêng của rượu và nước lần lượt là: ρ R y3.25kg.m -3 (tra bảng I.2, trang 9, [1]) ρ N = 995.2 kg.m -3 (tra bảng I.249, trang 310, [1])

Phần mol theo độ rượu: x F = 1

Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp:

Do trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng - sôi, từ bảng cân bằng lỏng – hơi của hệ ethanol – nước với x F = 0,172, ta nội suy ra nhiệt độ t F = 81,024 °C.

Tra bảng I.2 (trang 9, [1]): ρ Et = 894.486 kg.m -3

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:

22,816 811 (kmol.h -1 ) Giải hệ phương trình (3-1), (3-2), (3-3) ta có:

CHƯƠNG 3: Cân bằng vật chất CBHD: Nguyễn Việt Bách

Phân khối lượng sản phẩm đáy: x W = x W M R x W M R +(1− x W ) M N = 0,013 .46

Xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là trạng thái hoạt động khi số mâm lý thuyết đạt mức vô cực Trong tình huống này, chi phí cố định trở nên vô hạn, trong khi chi phí điều hành như nhiên liệu, nước và bơm lại ở mức tối thiểu.

Dựa vào đồ thị với x F =0,172 ta xác định được y F ¿ = 0,599

Tỉ số hoàn lưu thích hợp

Tỉ số hoàn lưu thích hợp thường được xác định qua tỉ số hồi lưu tối thiểu.

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

Với f là chỉ số nhập liệu, ta có: f = F D = 19.992 90.811 = 4.558 y= R+ f

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang3

Số mâm lý thuyết

Hình 3-8 : Đồ thị xác định số mâm lý thuyết

Từ đồ thị có: 8 mâm bao gồm: 4 mâm cất, 3 mâm chưng, 1 mâm nhập liệu.

Vậy, số mâm lí thuyết là N ¿ =8 mâm.

Xác định số mâm thực tế

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:

Với: η tb : là hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng η=f ( α , μ)

N tt : số mâm thực tế

Xác định hiệu suất trung bình của tháp  tb CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 1 4.1 Đường kính tháp ( Dt ) 4.2 Đường kính đoạn cất 4.3 Đường kính đoạn chưng 4.4 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi: α = y ¿

- x : phân mol của rượu trong pha lỏng.

CHƯƠNG 3: Cân bằng vật chất CBHD: Nguyễn Việt Bách

- y ¿ : phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.

Tại vị trí nhập liệu: x F =0,172 , y F ¿ =0 , 599 , t ¿ F 024 o C α f = y ¿ F

1−x F x F = 2.809 Tra bảng I.102 (trang 94, [1]): Độ nhớt của nước: μ N = 0.352 cP

Tra bảng I.101 (trang 91, [1]): Độ nhớt của rượu: μ R =¿0.389 cP Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu: log μ F = x F log μ Et +(1− x F ) log μ N

Tại vị trí mâm đáy: α w = y w ¿

1− y w ¿ 1−x w x w =1 0.59 Tra bảng I.102 (trang 94, [1]): Độ nhớt của nước: μ N = 0,307 cP

Tra bảng I.101 (trang 91, [1]): Độ nhớt của rượu: μ R =0,310cP Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đáy: log μ w =x w log μ R +(1− x w ) log μ N

Tại ví trí mâm đỉnh: x D =0,8 77 , y D ¿ =0,8 79 , t D x,06 o C α D = y ¿ D

1− y ¿ D 1− x D x D =1,024 Tra bảng I.102 (trang 94[1]): Độ nhớt của nước: μ N = 0,365cP

Tra bảng I.101 (trang 91[1]): Độ nhớt của rượu: μ R =0,473 cP Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đỉnh: log μ D =x D log μ R +(1− x D ) log μ N

 Hiệu suất trung bình của tháp η tb 9 08 %

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang5

Số mâm thực tế của tháp N tt : N tt = 8

39.08 % ! Vậy chọn N tt ! mâm, bao gồm 10 mâm cất, 8 mâm chưng, 3 mâm nhập liệu.

Bảng 3-5: Tóm tắt số liệu cân bằng vật chất

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

4.1 Đường kính tháp ( D t ) Đường kính tháp được xác định theo IX.90 (trang 181, [1]):

V tb : lượng hơi trung bình đi trong tháp m 3 h -1 ω tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp m.s -1

G tb : lượng hơi trung bình đi trong tháp kg.h -1

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.

4.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất xác định theo XI.91 (trang 181[2]): g tb = g d +g 1

2 (4-2) Với: g d : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp kg.h -1 g l : lượng hơi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất kg.h -1

Theo công thức IX92 (trang 181, [1]): g d = D ( R +1)B.454 kmol.h -1 → g d 09.793kg.h -1

Xác định g l : Từ hệ phương trình: { ¿ g 1 y ¿ ¿ g 1 g =G 1 1 r =G 1 = 1 x 1 g + 1 d + D r D x d D (4-3)

Trong quá trình chưng cất, lượng lỏng ở đĩa thứ nhất được ký hiệu là G l, trong khi ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi vào đĩa thứ nhất là r l Đồng thời, ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra ở đỉnh tháp được ký hiệu là r d.

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 1

Tính r l : Từ t l =t F 024 o C ta có: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước (bảng I.250, trang 312[1]): r N = ¿ 47593.46 kJ.kmol -1 Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol (bảng I.212, trang 254[1]): r R =¿ 38953.59 kJ.kmol -1

Tính r d : Từ t D =7 8.062 o C ta có: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước (bảng I.250, trang 312 [1]): r N = ¿ 47500.51 kJ.kmol -1 Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol (bảng I.212 trang 254 [1]): r R =¿ 39187.33 kJ.kmol -1

Giải hệ (4-3), ta được: { ¿ y 1 =0,3577( ¿ G 1 ,42 phân mol etanol) (kmol h -1 ) ¿ g 1 8,345 ( kmol h -1 )

Tốc độ hơi trung bình trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền: ω gh =0,05 √ ρ ρ xtb ytb (IX111, trang 186, [1])

Với: ρ xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg.m -3 ) ρ ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg.m -3 )

Xác định ρ ytb : ρ ytb = [ y tb 46 +(1− y tb ) 18] 273

22,4.(t tb +273 ) (IX.102, trang 83, [1]) Nồng độ phân mol trung bình: y tb = y 1 + y D

2 = 0.62 Nhiệt độ trung bình đoạn cất: t tb = t F +t D

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách

22,4.( 79,543+ 273) =0 237 kg.m -3 Lưu lượng pha hơi đi trong phần cất:

Nồng độ phân mol trung bình: x tb = x F +x D

46.0,612+(1−0,612) 18 =0,801 t tb y.543 o C tra bảng I.2 trang 9 [1] → ρ xtb y9.6609 kg.m -3

⇒ω gh = 0,05 √ 799.6609 0.237 =2,9 m.s -1 Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp: ω h =0,8 ω gh =0,8.2,2=2 322m.s -1

Vậy đường kính đoạn cất:

4.3.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp: g tb = g n ' +g 1

' : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg.h -1 )

- g 1 ' : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg.h -1 )

Xác định g 1 ' : Từ hệ phương trình { ¿ ¿ G g 1 ' 1 ' x r ¿ 1 ' G 1 ' =g = 1 ' = g 1 ' n ' g y r 1 ' +W n ' w = +W x g 1 r 1 w (4-5)

- G 1 ' : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 3

- r 1 ' : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

⇒ M tbW = 46 y W +(1− y w ).18F.0,112+(1−0,112).18 B,629 kg.kmol -1 t 1 ' =t w = 9 2.525 o C ta có: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước (bảng I.250, trang 312, [1]): r N = ¿ 47958.2 kJ.kmol -1 Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol (bảng I.212, trang 254, [1]): r R =¿ 38002.01 kJ.kmol -1

Giải hệ (4-5), ta được: { ¿ G 1 ' 1.4348(kmol h -1 ) ¿ x 1 ' =0,006 ¿ g 1 ' @,545 ( Kmol h -1 )

4.4 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: ω gh ' =0,05 √ ρ ρ ' xtb ' ytb (4-6)

Với: ρ ' xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg.m -3 ) ρ ' ytb : khối lượng riêng trung bình củ pha hơi (kg.m -3 )

Xác định ρ ' ytb : ρ ' ytb = [ y tb ' 46 +(1− y tb ' ) 18] 273

22,4.(t tb ' +273 ) (4-7) Nồng độ phân mol trung bình: y tb ' = y 1 + y w

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách t tb ' = t F +t W

Lưu lượng pha hơi trong phần chưng:

Nồng độ phân mol trung bình: x tb ' = x F +x w

Khối lượng riêng của nước tra bảng I.249 trang 310, [1]: ρ N

' t1,24 Kg.m -3 Khối lượng riêng của rượu tra bảng I.2 trang 9, [1]: ρ R

⇒ ω gh = 0,05 √ 956,515 0,85 = 1,548 (m.s -1 ) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp: ω h =0,8 ω gh =0,8.1,548=1,238 (m.s -1 )

Vậy đường kính đoạn chưng:

Do đường kính của đoạn chưng và đoạn cất không chênh lệch nhiều, để thuận tiện tính toán ta chọn D t = D cấtt = D chưng =0,9 m.

Tốc độ làm việc thực:

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 5

Bảng 4-6 : Tóm tắt các thông số đường kính tháp

Kí hiệu Đoạn cất Đoạn chưng g d (kg.h -1 ) 1809,793 975.8127 g 1 (kg.h -1 ) 1634,652 1031.81 g tb (kg.h -1 ) 924,0692 2666,46 ρ ytb (kg.m -3) 0,237 0,905 ρ xtb (kg.m -3) 799,66 914,926 ω lv (m.s -1 ) 1,7 1,28

4.5 Mâm lỗ - trở lực của mâm

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền.

Chọn đường kính lỗ d 1 =3 mm ¿ 0,003 m.

Tổng diện tích lỗ bằng 8% diện tích mâm.

Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ.

Bố trí theo hình lục giác đều.

Tỉ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 2/3.

Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm.

S l ô =0,08⋅ ( D d 1 t ) 2 =0,08 ⋅ ( 0,003 0.5 ) 2 =7 200 lỗ Áp dụng công thức V.139 trang 48, [2]

Số lỗ trên đường chéo: b=2 a−1=2.43−1 lỗ

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách

4.5.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng) là tổng các độ giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng: h tl = h k +h l +h R (5.15, trang 118, [3])

4.5.2.1 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 lỗ. h k = ( C v 0 2 0 2 ) ⋅ ( 2 ρ g ρ G L ) Q⋅ ( C u 0 2 0 2 ) ⋅ ρ ρ G L (5.16, trang 119, [3])

Với: u 0 : vận tốc pha hơi qua lỗ m.s -1 ρ G : khối lượng riêng của pha hơi Kg.m -3 ρ L : khối lượng riêng của pha lỏng Kg.m -3

C 0 : hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.

S mâm = 0,08 và δ mâm d 1 =0,667 tra hình 5.20 trang 119, [3] ta được C 0 =0,75 Đối với mâm ở phần cất:

Vận tốc pha hơi qua lỗ: u 0 = ω lv

8 % !,25 (m.s -1 ) Khối lượng riêng của pha hơi: ρ G =ρ ytb =0,23 kg.m -3

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ l = ρ xtb y9.66 kg.m -3 Độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất: h k 818(mm chất lỏng) Đối với mâm ở phần chưng:

Vận tốc pha hơi qua lỗ: u 0 ' = ω lv

8 % ,06 m.s -1 Khối lượng riêng của pha hơi: ρ G ' =ρ ytb

' =0,905 kg.m -3 Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ l ' = ρ xtb ' 4,4 2 kg.m -3 Độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng: h ' k $.44 (mm chất lỏng)

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 7

4.5.2.2 Độ giảm chất lỏng trên mâm

Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm là sử dụng chiều cao gờ chảy tràn (h_w), chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn (h_ow) và hệ số hiệu chỉnh (β) Công thức tính được biểu diễn như sau: h_1 = β (h_w + h_ow).

Chọn hệ số hiệu chỉnh: β=0,6

Chiều cao gờ chảy tràn: h w P mm

Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng: h ow C,4 ⋅ ( L q L w ) 3 2 (5.13, trang 116, [3])

- L w : lưu lượng của chất lỏng (m 3 ph -1 )

- L w : chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)

Dùng phương pháp lặp ta được: n o =9 3 o

⇒ h ow C,4 ⋅ ( q L L w ) 2 3 C,4 ⋅ ( 0,019 0,467 ) 2 3 =5.307 (mm chất lỏng) Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất h l = β ( h w +h ow )=0,6.(50+5,307 )3,18 (mm chất lỏng)

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách

Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng: h l

4.5.2.3 Độ giảm áp do sức căng bề mặt Độ giảm áp sức căng bề mặt được xác định theo công thức: h R = 625,54 ⋅ σ ρ L ⋅ d l (mm chất lỏng) (5.19, trang 120, [3]) Với: σ : sức căng bề mặt chất lỏng (dyn.cm-1) ρ L : khối lượng riêng của pha lỏng (kg.m -3 )

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ l = ρ xtb v6,663 kg.m- 3

Tại t tb y,543 oC ta có:

Tra bảng I.249 trang 310, [1] sức căng bề mặt của nước: σ N f3,49 14 dyn.cm -1 Tra bảng I.242 trang 300, [1] sức căng bề mặt của rượu: σ R ,4 7 dyn.cm -1 σ hh = σ N ⋅ σ R σ N +σ R

Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là: h R = 4,68 (mm chất lỏng)

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ l

' y9,669 kg.m -3 Tại t tb y.543 o C ta có:

Tra bảng I.249 trang 310, [1] sức căng bề mặt của nước: σ N

' =¿ 707.4974 dyn.cm -1 Tra bảng I.242 trang 300, [1] sức căng bề mặt của rượu: σ ' R =¿ 16.1816 dyn.cm -1 σ hh ' = σ ' N ⋅σ ' R σ ' N +σ ' R = 610,167.17,06

610,167.17,06 =¿ 15.81978 (dyn.cm -1 ) (I.76 trang 299, [1]) Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là: h R

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 9

Kết luận độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm:

4.5.2.6 Phần cất: h t ' =¿ 50.6886 (mm chất lỏng)

4.5.2.7 Phần chưng: h t ' =¿ 67.01675 (mm chất lỏng) hay h t ' =¿ 733.149 (N.m -2 )

Tổng trở lực của toàn bộ tháp, hay còn gọi là độ giảm áp tổng cộng, được xác định thông qua độ giảm áp của pha khí khi đi qua một mâm nhập liệu Điều này có thể được so sánh với độ giảm áp của pha khí qua một mâm trong quá trình chưng.

4.6 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động

Chọn khoảng cách giữa hai mâm, với đường kính tháp nằm trog khoảng 0 – 0,6m là: h m â m =0,5 m ¿ 500 mm.

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng của mâm xuyên lỗ được xác định theo biếu thức: h d =h w + h ow +h t + h d ' (mm chất lỏng) (5.20 trang 120, [3])

Với: h d ' =0,128 ⋅ ( 100 Q L S d ) 2 mm chất lỏng (5.10 trang 115, [3])

S d : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần cất là: h d =8 8.49 (mm chất lỏng)

2 %0 mm, đảm bảo khi hoạt động các mâm phần cất

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách Phần chưng:

Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần chưng là: h d =¿ 103,68 (mm chất lỏng)

2 5 mm, đảm bảo khi hoạt động các mâm phần chưng sẽ không bị ngập lụt.

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

Chiều cao của thân tháp: H th â n = N tt (h m â m + δ m â m )+1.2 (IX.54 trang 169, [2])

Với D t 0 mm tra bảng XIII.10 trang 384, [2] ta được h t =0.3 mm

Chiều cao của đáy và nắp: H đá y = H n =h t + h g =0,3 +0,025 =0,325(m)

Chiều cao của tháp: H = H thâ n +H đ +H n 49 (m) nên chọn H.5 m

Bảng 4-7 : Tóm tắt thông số mâm, trở lực tháp

Thông số Phần cất Phần chưng hk độ giảm áp qua mâm khô (mm chấtlỏng) 17 19,8 h1 độ giảm áp do chiều cao mực chất lỏng trên mâm

Áp suất giảm do sức căng bề mặt được đo bằng 34-36 hR (mm.chất lỏng), trong khi độ ngập kiểm tra khi tháp hoạt động là 524-550 hd (mm.chất lỏng) Độ giảm áp pha khí qua một mâm đạt 92-95 ht (N.m-2), và chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn là một thông số quan trọng cần lưu ý.

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 11

Thông số Phần cất Phần chưng h ’ d tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm (mm)

4.7 Tính toán cơ khí của tháp

Tháp chưng cất được thiết kế với thân hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối để hoạt động ở áp suất thường Các mối ghép bích được sử dụng để ghép nối thân tháp Để đảm bảo chất lượng sản phẩm và khả năng chống ăn mòn của ethanol, vật liệu chế tạo thân tháp được chọn là thép CT3 Vì tháp làm việc ở áp suất khí quyển, chỉ cần tính toán cho thân chịu áp suất bên trong.

Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán: tt cl tl đinh

Với P cl : áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy

Chọn áp suất sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn an toàn:

Chọn nhiệt độ tính toán: t tt =t đáy 0 oC

Tra hình 1.2 trang 16, [5] ứng với thép CT3 ta tìm được:

[σ] ¿ 1 N.mm -2 Đối với rượu, ta có hệ số hiệu chỉnh η=0,95

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, hàn giáp môi 2 bên nên hệ số mối hàn: φ h =0,95 (bảng XIII1-8 trang 362, [5])

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách

8,076 10 6 Ứng suất cho phép giới hạn chảy xác định theo công thức XIII.2 và bảng XIII.4, [3]

Ta lấy giá trị bé hơn trong hai kết quả trên để tính toán

Do đó, bề dày tính toán của thân theo công thức sau:

Mà bề dày thực của thân tháp là: S t = S ’ t +C (mm) (4-10)

Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của chất lỏng Với tốc độ ăn mòn của rượu là 0,1 mm/năm và thiết bị hoạt động trong 20 năm, cần tính toán để đảm bảo độ bền và hiệu quả của thiết bị trong suốt thời gian sử dụng.

C b : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn C b =0 mm.

C c : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn C c =0mm

C o : hệ số bổ sung qui tròn, chọn C o =1.759mm.

900 =0,0027 P tt (thỏa điều kiện) Kết luận: Bề dày thực của tháp: S t =4.45 mm

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 13

Bảng 4-8 : Các thông số bề dày tháp

Thông số Đơn vị Giá trị

Ptt N.mm -2 0,07 ttt = tmaxđáy oC 100

4.7.3 Đáy và nắp thiết bị

Chọn đáy và nắp có dạng là elip tiêu chuẩn, có gờ bằng thép ct3 Đáy và nắp làm việc chịu áp suất trong:

Hình 4-9 : Đáy nắp elip có gờ tiêu chuẩn [2]

Do đáy (nắp) có lỗ làm việc chịu áp suất trong nên:

(4-12) Với k : hệ số không thứ nguyên k =1− d

Đường kính lớn nhất (kích thước lớn nhất của lỗ không phải hình tròn) của lỗ không tăng cứng được ký hiệu là d t (XIII.48 trang 385, [2]) Đối với thiết kế, đường kính lỗ ống hơi của đáy và nắp tháp được chọn là d = 100 mm.

CHƯƠNG 4: Tính toán thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách

0,9 =0,89 Chọn nhiệt độ tính toán: t tt =t đá y 0 o C.

Tra bảng XII.5 CT3ta tìm được: [σ] ¿ 2 N.mm -2 Đối với rượu, ta có hệ số hiệu chỉnh η=1

P tt ⋅ k ⋅ φ h = 844.2298>30 Chiều dày tính toán được xác định theo công thức (XIII.47 trang 385, [2]):

Với h b : chiều cao phần lồi của đáy ( h b =0,1 m) (XIII.10 trang 384 [2]).

Tra bảng XIII.11 trang 384 [2] ta được chiều cao gờ của đái nắp h gờ =0,025 m.

Chiều dày thực của đáy được xác định như sau:

C được tính giống như phần xác định bề dày thân: C =2.9998 mm, nên:

Vì S – C