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-8837810 )

Tên thương gọi là rươu etylic, cồn etylic hay cồn thưc phẩm Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan vô hạn trong nươc.

Bảng 1-1 Các thông số vật lý của ethanol

Tính chất Thông số vật lý

Công thức phân tử CH 3 -CH 2 -OH

Khối lượng phân tử 46 đvC

Khối lượng riêng D 42 o C = 810 kg.m -3 Độ nhớt ở 20 o C μ = 1,2 cP

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 ngày nay đóng vai trò quan trọng trong ngành nhiên liệu sinh học và là thành phần thiết yếu trong nhiều lĩnh vực công nghiệp Nó được sử dụng rộng rãi như một hợp chất hữu cơ, có mặt trong thuốc sát trùng, 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 khoảng 3/4 diện tích bề mặt trái đất và là yếu tố thiết yếu cho sự sống Là dung môi phân cực mạnh, nước có khả năng hòa tan nhiều chất, đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật hóa học Trong 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 Trang

Tính Chất Thông số vật lý

Khối lượng riêng D 42 o 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 la hôn hơp đẳng phi co nhiêt độ sôi cưc tiêu co điêm đẳng phi ơ 1 atm la 89,4% mol ethanol ơ 78,2 o C.

Trong ngành công nghiệp, quá trình lên men tinh bột và rĩ đường để sản xuất ethanol tạo ra một hỗn hợp chủ yếu gồm ethanol và nước, với nồng độ ethanol thường dao động từ 10 - 50% thể tích Do đó, việc nâng cao nồng độ ethanol trong hỗn hợp là rất cần thiết để phục vụ cho các ứng dụng sử dụng hiệu quả hơn.

Ethanol có tính chất tan vô hạn trong nước nhờ vào sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử ethanol và nước Nhiệt độ sôi của ethanol là 78,39 °C ở 760 mmHg, thấp hơn nhiệt độ sôi của nước là 100 °C ở cùng áp suất Do đó, phương pháp chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất phù hợp nhất cho hệ ethanol - nước.

CHƯƠNG : Tổng Quan CBHD: Nguyễn Việt

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

CHƯƠNG : Tổng Quan CBHD: Nguyễn Việt

Et ha n ol tr on g

(phân mol) Ethanol trong pha l ng ỏng

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 của hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí lỏng dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng Quá trình này tạo ra pha mới thông qua sự bốc hơi hoặc ngưng tụ, thay vì sử dụng một pha mới như trong hấp thu hay nhả khí Mặc dù chưng cất và cô đặc có nhiều điểm tương đồng, sự khác biệt chính giữa chúng là trong chưng cất, cả dung môi và chất tan đều bay hơi, trong khi trong 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 của phương pháp này dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử; nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao, ta sẽ giảm áp suất làm việc để hạ nhiệt độ sôi của chúng.

Hệ thống cấu tử trong hỗn hợp có thể được phân loại thành hai nhóm chính: hệ hai cấu tử và hệ ba cấu tử, cùng với các hệ có số lượng cấu tử ít hơn mười Ngoài ra, còn có hệ nhiều cấu tử, trong đó số lượng cấu tử vượt quá mười.

Theo nguyên lý làm việc, chưng cất được chia thành hai loại: chưng cất đơn giản (gián đoạn) và chưng cất liên tục Chưng cất đơn giản thường được áp dụng để tách các hợp chất có nhiệt độ sôi khác nhau xa và không yêu cầu độ tinh khiết cao Phương pháp này cũng được sử dụng để tách hợp chất lỏng khỏi các chất không bay hơi Đối với các hợp hợp phức tạp hơn, chưng cất liên tục là phương pháp thường được sử dụng, diễn ra liên tục và nghịch dòng Mặc dù thiết bị cho phương pháp này phức tạp hơn, nhưng sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao và nồng độ như mong muốn.

Bên cạnh đó, phương pháp chưng cất còn được phân loại theo cách cấp nhiệt cho hợp chất nhập liệu, bao gồm cấp nhiệt trực tiếp và cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun Cấp nhiệt trực tiếp thường được sử dụng để tách các hợp chất có khả năng bay hơi và không tan trong nước Tuy nhiên, với năng suất nhập liệu tương đối nhỏ và hỗn hợp ethanol – nước khó phân hủy ở nhiệt độ cao, phương pháp cấp nhiệt này vẫn có thể được áp dụng.

Khi tiến hành chưng cất, số lượng cấu tử thu được tương ứng với số lượng cấu tử ban đầu Đối với hỗn hợp ethanol và nước, quá trình chưng cất sẽ diễn ra theo đường cân bằng lỏng - hơi Sản phẩm thu được chủ yếu chứa cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi thấp) và một lượng nhỏ cấu tử có độ bay hơi thấp, trong khi sản phẩm còn lại chủ yếu bao gồm cấu tử có độ bay hơi thấp (nhiệt độ sôi cao) cùng với một phần nhỏ cấu tử có độ bay hơi lớn.

Phương pháp chưng cất liên tục để tách ethanol và nước sử dụng nguồn nhiệt trực tiếp từ điện trở, hoạt động hiệu quả 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 mức độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất khác.

Tháp chưng cất có đa dạng kích cỡ và ứng dụng, với các tháp lớn thường được sử dụng trong ngành công nghiệp lọc hoá 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 cuối cùng Hai loại tháp chưng cất phổ biến là tháp mâm và tháp chêm.

Thân tháp hình trụ thẳng đứng được trang bị các mâm có cấu tạo đa dạng, 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 diễn ra 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 kết 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

Xuyên lỗ Chóp Ư - Đơn giản - Hiệu suất tương đối cao u - Trở lực thấp - Hoạt động khá ổn định đi - Làm việc với chất lỏng ể bẩn m

N - Hiệu suất - Trở lực khá cao

Loại Tháp chêm Tháp mâm hư thấp - Yêu cầu lắp đặt khắt tạp ợc - Độ ổn định khe

- Trở lực lớn đi kém

- Không làm ể - Thiết bị việc với chất m nặng lỏng bẩn

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang9

CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

Công nghệ chưng cất hệ ethanol – nước

Ethanol là một chất lỏng có khả năng tan vô hạn trong nước, với nhiệt độ sôi là 78,3 ℃ ở áp suất 760 mmHg, trong khi nước sôi ở 100 ℃ Sự chênh lệch nhiệt độ sôi này cho phép sử dụng phương pháp chưng cất 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 yêu cầu đưa vào một khoa mới để tách, điều này có thể làm phức tạp quá trình và giảm hiệu quả tách.

Hình 2-1: Sơ đồ qui trình công nghệ

2.1.1 Thuyết minh qui trình công nghệ

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

Trong quá trình chưng cất, chất lỏng trên mâm nhập liệu được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp, trong khi hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống, tạo ra sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi Khi di chuyển xuống gần đáy tháp, nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng giảm do bị cuốn lên bởi pha hơi từ thiết bị gia nhiệt ở đáy Nhiệt độ trong tháp giảm dần lên cao, khiến cấu tử có nhiệt độ sôi cao như nước bị ngưng tụ, và cuối cùng, ở đỉnh tháp, ta thu được rượu 96 độ ở 15°C Hơi ra khỏi tháp được dẫn vào thiết bị ngưng tụ, nơi chúng được biến đổi hoàn toàn thành dòng lỏng với nhiệt độ cao (79,78°C) Dòng lỏng này sau đó được điều chỉnh và một phần sẽ qua thiết bị làm nguội trước khi vào bồn chứa sản phẩm Phần còn lại được hoàn lưu về tháp với tỉ lệ tối ưu, trong khi một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bốc hơi, làm tăng nồng độ cấu tử có nhiệt độ cao trong chất lỏng Cuối cùng, ở đáy tháp, hỗn hợp lỏng thu được có nồng độ ethanol 0,01% phân mol, phần còn lại chủ yếu là nước Dung dịch lỏng này sẽ được đưa ra khỏi tháp vào nồi đun.

Trong quá trình đun, một phần dung dịch lỏng sẽ bốc hơi và quay trở lại tháp để tiếp tục quá trình, trong khi phần còn lại sẽ được 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 và F suất lượng nhập liệu (đơn vị kg.h -1 , kmol.h -1 ) thể hiện 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.

3.2 Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp

Cân bằng vật chất cho toàn tháp:

Cân bằng cấu tử ethanol:

Với t0 o C, ta có khối lượng riêng của rượu và nước lần lượt là: ρ R y3.25 kg.m -3 (tra bảng I.2, trang 9, [1]) ρ N 5.2 kg.m -3 (tra bảng I.249, trang 310, [1])

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

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 có thể nội suy để tìm được t F = 81.024 °C.

Tra bảng I.2 (trang 9, [1]): ρ Et 4.486 kg.m -3

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:

Giải hệ phương trình (3-1), (3-2), (3-3) ta có:

Phân khối lượng sản phẩm đáy: x W M R 0,013 .46

3.3 Xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu

Ti sô hoan lưu tôi thiêu là chế độ làm việc mà tỷ lệ với số mâm lý thuyết là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực, trong khi chi phí điều hành như nguyên liệu, nước và bơm lại là hữu hạn.

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= RR

3.7 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

Với f là chỉ số nhập liệu, ta có: f = F

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

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 Với:

1− y ¿ x x : phân mol của rượu trong pha lỏng.

CHƯƠNG 3: Cân bằng vật chất CBHD: Nguyễn Việt

- 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 y ¿ F 1−x F

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

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: y w ¿ 1−x w

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

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 %

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

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

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=G 1 +D ¿ g 1 y 1=G 1 x 1 +D x D (4-3)

Trong quá trình chưng cất, lượng lỏng ở đĩa thứ nhất (G l) đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra sản phẩm tinh khiết Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất (r l) ảnh hưởng đến hiệu suất chưng cất, trong khi ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp (r d) quyết định chất lượng sản phẩm cuối cùng.

SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 1

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

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]): 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(phân mol etanol) ¿ g 18,345(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

Nồng độ phân mol trung bình: y tb = y 1+ y D

Nhiệt độ trung bình đoạn cất: t tb

Lưu lượng pha hơi đi trong phần cất:

Nồng độ phân mol trung bình: x tb = x

46 x +(1−x ).18 46.0,612+(1−0,612).18 ¯ tb tb tb 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 =2,9 m.s -1 0.237 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 : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg.h -1 )

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

Xác định g n ' : g n ' =g 1 5,536 kg.h -1 hay 31,405 kmol.h -1 ¿ G ' =g ' +W

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

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

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

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

⇒ M tbW F y W +(1− y w ).18F.0,112+(1−0,112).18B,629 kg.kmol -1 t ' 1 =t w =9 2.525 oC 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: ¿ 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:

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 )

(t tb +273) Nồng độ phân mol trung bình:

Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:

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:

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 7,44 Kg.m -3 x ' 1− x ' −1

⇒ ρ ' xtb =( ρ Et tb ' + ρ ' N tb ) =9 14.42 (Kg.m -3 )

⇒ 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:

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 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 ( d 1 ) ( 0,003 ) Áp dụng công thức V.139 trang 48, [2]

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

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 =( v

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.

=0,667tra hình 5.20 trang 119, [3] ta được C 0 =0,75

S mâm d 1 Đối với mâm ở phần cất:

Vận tốc pha hơi qua lỗ: u = ω lv

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 % 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)

4.5.2.2 Độ giảm chất lỏng trên mâm

Một 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 toán được đưa ra 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 phẳ̉ng:

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

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

18 0 o Dùng phương pháp lặp ta được: n o =9 3 o

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 q ' L

⇒h ow C,4 ⋅ ( L w ) C,4 ⋅ ( 0,467 ) 3 =1 4.801 (mm chất lỏng) Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng: h ' l =β ( h w +h ' ow )=0,6.(50+14.801)8,8 806(mm chất lỏng)

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 b5,54 ⋅ σ

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 ,47 dyn.cm -1 σ =σ

Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là: h

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ ' l =ρ ' xtb y9,669 kg.m -3

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

Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là: h ' R b5,54 ⋅ 16.59 1 0 −3

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 tháp, hay còn gọi là độ giảm áp tổng cộng của toàn tháp, được xác định thông qua độ giảm áp tổng cộng của pha khí khi đi 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 âm =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 ) 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 sẽ không bị ngập lụt.

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 ân =N tt (h mâm + δ mâm )+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 thân +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 h k độ giảm áp qua mâm khô (mm chấtlỏng) 17 19,8 h 1 độ giảm áp do chiều cao mực chất lỏng trên mâm 34 36

Trong quá trình hoạt động của tháp, độ giảm áp do sức căng bề mặt được ghi nhận là 5 mm chất lỏng, trong khi độ giảm áp pha khí qua một mâm đạt 92 N.m-2 Kiểm tra ngập cho thấy chiều cao chất lỏng là 524 mm, và chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn là 7,229 mm.

Thông số Phần cất Phần chưng h ’ d tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy 6,187.10 -4 16,8.10 -4 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, sử dụng các mối ghép bích để đảm bảo độ bền Để nâng cao chất lượng sản phẩm và khả năng chống ăn mòn của ethanol, vật liệu chế tạo thân tháp được chọn là thép CT3 Do tháp hoạt động ở áp suất khí quyển, chỉ cần tính toán cho thân chịu áp suất trong.

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

P tt P cl h tl P đinh (N.mm -2 ) (4-8)

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:

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 đại diện cho 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 thể hiện phân khối lượng tương ứng của ethanol trong các thành phần này.

Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp

Cân bằng vật chất cho toàn tháp:

Cân bằng cấu tử ethanol:

Với t0 o C, ta có khối lượng riêng của rượu và nước lần lượt là: ρ R y3.25 kg.m -3 (tra bảng I.2, trang 9, [1]) ρ N 5.2 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:

Trong quá trình chưng cất, trạng thái nhập liệu vào tháp là lỏng - sôi Từ bảng cân bằng lỏng – hơi của hệ ethanol – nước với x F = 0,172, ta có thể nội suy để xác định nhiệt độ t F = 81.024 °C.

Tra bảng I.2 (trang 9, [1]): ρ Et 4.486 kg.m -3

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:

Giải hệ phương trình (3-1), (3-2), (3-3) ta có:

Phân khối lượng sản phẩm đáy: x W M R 0,013 .46

Xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu

Ti sô hoan lưu tôi thiêu là chế độ làm việc mà tại đó, tỷ lệ ưng với số mâm lý thuyết là vô cùng Do đó, chi phí cố định là vô cùng, nhưng chi phí điều hành như nguyên liệu, nước và bơm lại là tôi thiêu.

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

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

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 Với:

1− y ¿ x x : phân mol của rượu trong pha lỏng.

CHƯƠNG 3: Cân bằng vật chất CBHD: Nguyễn Việt

- 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 y ¿ F 1−x F

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

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: y w ¿ 1−x w

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

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 %

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

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

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=G 1 +D ¿ g 1 y 1=G 1 x 1 +D x D (4-3)

Trong quá trình cất, lượng lỏng ở đĩa thứ nhất đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất của hệ thống Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi vào đĩa thứ nhất ảnh hưởng đến khả năng tách biệt các thành phần Đồng thời, ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra ở đỉnh tháp cũng là yếu tố quyết định đến hiệu quả của quá trình cất.

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]): 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(phân mol etanol) ¿ g 18,345(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

Nồng độ phân mol trung bình: y tb = y 1+ y D

Nhiệt độ trung bình đoạn cất: t tb

Lưu lượng pha hơi đi trong phần cất:

Nồng độ phân mol trung bình: x tb = x

46 x +(1−x ).18 46.0,612+(1−0,612).18 ¯ tb tb tb 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 =2,9 m.s -1 0.237 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 : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg.h -1 )

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

Xác định g n ' : g n ' =g 1 5,536 kg.h -1 hay 31,405 kmol.h -1 ¿ G ' =g ' +W

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

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

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

⇒ M tbW F y W +(1− y w ).18F.0,112+(1−0,112).18B,629 kg.kmol -1 t ' 1 =t w =9 2.525 oC 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: ¿ 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:

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 )

(t tb +273) Nồng độ phân mol trung bình:

Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:

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:

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 7,44 Kg.m -3 x ' 1− x ' −1

⇒ ρ ' xtb =( ρ Et tb ' + ρ ' N tb ) =9 14.42 (Kg.m -3 )

⇒ 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:

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 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 ( d 1 ) ( 0,003 ) Áp dụng công thức V.139 trang 48, [2]

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

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 =( v

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.

=0,667tra hình 5.20 trang 119, [3] ta được C 0 =0,75

S mâm d 1 Đối với mâm ở phần cất:

Vận tốc pha hơi qua lỗ: u = ω lv

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 % 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)

4.5.2.2 Độ giảm chất lỏng trên mâm

Để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm, có thể sử dụng phương pháp đơn giản dựa trên 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 toán 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 phẳ̉ng:

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

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

18 0 o Dùng phương pháp lặp ta được: n o =9 3 o

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 q ' L

⇒h ow C,4 ⋅ ( L w ) C,4 ⋅ ( 0,467 ) 3 =1 4.801 (mm chất lỏng) Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng: h ' l =β ( h w +h ' ow )=0,6.(50+14.801)8,8 806(mm chất lỏng)

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 b5,54 ⋅ σ

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 ,47 dyn.cm -1 σ =σ

Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là: h

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ ' l =ρ ' xtb y9,669 kg.m -3

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

Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là: h ' R b5,54 ⋅ 16.59 1 0 −3

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 tháp, hay còn gọi là độ giảm áp tổng cộng, được xác định bằng cách xem xét độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu, tương tự như độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm trong phần 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 âm =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 ) 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 sẽ không bị ngập lụt.

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 ân =N tt (h mâm + δ mâm )+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 thân +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 h k độ giảm áp qua mâm khô (mm chấtlỏng) 17 19,8 h 1 độ giảm áp do chiều cao mực chất lỏng trên mâm 34 36

Độ giảm áp do sức căng bề mặt của chất lỏng là 5 mm, trong khi độ giảm áp pha khí qua một mâm đạt 92 N.m-2 Kiểm tra ngập khi tháp hoạt động cho thấy chiều cao chất lỏng là 524 mm, và chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ tràn là 7,229 mm.

Thông số Phần cất Phần chưng h ’ d tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy 6,187.10 -4 16,8.10 -4 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, sử dụng mối ghép bích để đảm bảo độ bền Để nâng cao chất lượng sản phẩm và khả năng chống ăn mòn của ethanol, vật liệu chế tạo thân tháp được chọn là thép CT3 Với việc tháp hoạt động ở áp suất khí quyển, chỉ cần tính toán cho thân chịu áp suất trong.

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

P tt P cl h tl P đinh (N.mm -2 ) (4-8)

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:

Chúng tôi chọn phương pháp chế tạo thân bằng hàn hồ quang điện tay và hàn giáp môi 2 bên, với hệ số mối hàn φ h = 0,95 (theo bảng XIII1-8 trang 362, [5]) Ứng suất cho phép giới hạn bền được xác định dựa trên công thức XIII.1 và bảng XIII.3, [3].

[ σ k ] = σ k 8,076 10 6 n k 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)

C a : hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của chất lỏng.

Chọn tốc độ ăn mòn của rượu là 0,1 mm.năm -1 , thiết bị hoạt động trong 20 năm Do đó

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 =0 mm.

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

Kiểm tra áp suất cho phép trong thân thiết bị: (5-11 trang 97, [5])

D t +(S t −C a )Kết luận: Bề dày thực của tháp: S t =4.45 mm

Bảng 4-8 : Các thông số bề dày tháp

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 (D t d) là kích thước lớn nhất của lỗ không phải hình tròn trong cấu trúc không tăng cứng Để đảm bảo hiệu quả, cần chọn đường kính lỗ ống hơi ở đáy và nắp tháp là d0 mm.

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

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

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

Tiêu đề	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
Tác giả	Đỗ Huỳnh Trung
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Việt Bách
Trường học	Trường Đại Học Cần Thơ
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
Thể loại	Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị CNHH
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Cần Thơ

Định dạng
Số trang	140
Dung lượng	1,19 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1]. Võ Văn Bang –Vũ Bá Minh, Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, truyền khối tập 3, Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh 2010	Khác
[2]. Phạm Xuân Toản, Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm [3]. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 1999	Khác
[4]. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 1999	Khác
[5]. Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật chưng cất nhiều cấu tử, Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TPHCM, 2008	Khác
[6]. Hồ Lê Viên, Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2006	Khác
[7]. Nguyễn Bin, Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm tập 1, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2002	Khác
[8]. Phan Văn Bôn, Quá trình và thiết bị công nghệ thực phẩm, Bài tập truyền nhiệt, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TPHCM, 2002	Khác
[9]. Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử, Các nguyên lý và ứng dụng tập 1, Nhà xuất bản Bách khoa – Hà Nội, 2012	Khác