TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH 1 Tính toán, thiết kế hệ thống chưng luyện cồn năng suất 4000líth Ngành Kỹ thuật thực phẩm Chuyên ngành Q. Trong công nghiệp cũng như trong đời sống hiện nay, nhu cầu sử dụng các sản phẩm có độ tinh khiết cao rất lớn như thu dầu mỏ từ dầu thô, tách axeton và etylic, etylic nước...Ngày nay có nhiều phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thụ,...tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH Tính tốn, thiết kế hệ thống chưng luyện cồn suất 4000lít/h Ngành Kỹ thuật thực phẩm Chuyên ngành Quá trình thiết bị CNSH - CNTP Giảng viên hướng dẫn: Chữ ký GVHD Bộ môn: Viện: Q trình thiết bị CNSH - CNTP Cơng nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm HÀ ỘI, 01/2021 N MỤC LỤC PHẦN I: MỞ ĐẦU PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN 1.1 Tổng quan cồn 1.2 Các phương pháp chưng luyện 1.3 Các loại tháp chưng cất sử dụng công nghiệp CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN .6 2.1 Nguyên liệu 2.2 Các phương pháp lên men 2.3 Sơ đồ chưng ba tháp gián tiếp dòng CHƯƠNG 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 10 3.1 Tính cân vật chất 10 3.1.1 Các thơng số ban đầu kí hiệu 10 3.1.2 Chuyển sang nồng độ phần mol: 11 3.2 Tính tốn cân vật liệu tháp 12 3.2.1 Tính cân vật liệu 12 3.2.2 Xác định số hồi lưu thích hợp 13 3.2.3 Số đĩa lý thuyết .15 3.3 Xác định số đĩa thực tế 15 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT .19 4.1 Đường kính đoạn cất 20 4.2 Đường kính đoạn chưng 23 4.2.1 Lượng trung bình tháp 23 4.2.2 Tốc độ trung bình tháp 24 4.2.3 Kết luận 26 Chiều cao tháp: 26 • Chiều cao đoạn chưng: 26 • Chiều cao đoạn luyện: 26 4.3 Tính tốn chóp ống chảy chuyền .26 4.3.1 Tính tốn chóp 26 4.3.2 Tính tốn ống chảy chuyền .28 4.4 Đáy nắp thiết bị 31 4.5 Bích ghép thân, đáy nắp 31 4.5.1 Chọn bích .31 4.5.2 Chọn đệm .33 4.6 Đường kính ống dẫn – Bích ghép ống dẫn: 33 4.6.1 Ống dẫn dòng nhập liệu: 34 4.6.2 Ống đỉnh tháp 35 4.6.3 Ống dẫn hồi lưu 35 4.7 Tai treo chân đỡ 37 4.7.1 Chọn tai treo .37 4.7.2 Chọn chân đỡ .38 CHƯƠNG 5: TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT 39 5.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hơp đầu 39 5.1.1 Nhiệt lượng đốt mang vào 39 5.1.2 Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào 39 5.1.3 Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang .40 5.1.4 Lượng đốt cần thiết 40 5.1.5 Nhiệt lượng nước ngưng mang 40 5.1.6 Nhiệt lượng môi trường xung quanh 41 5.2 Tháp chưng luyện 41 5.2.1 Nhiệt lượng đốt mang vào tháp 41 5.2.2 Nhiệt lượng lượng lỏng hồi lưu mang vào 41 5.2.3 Nhiệt lượng mang đỉnh tháp 42 5.2.4 Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang 43 5.2.5 Lượng đốt cần thiết 43 5.2.6 Nhiệt lượng môi trường xung quanh 43 5.2.7 Nhiệt lượng nước ngưng mang 44 5.3 Thiết bị ngưng tụ 44 5.4 Thiết bị làm lạnh 44 PHẦN III: TỔNG KẾT 46 PHẦN I: MỞ ĐẦU Một ngành có đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nới riêng giới nói chung cơng nghiệp hóa học Trong công nghiệp đời sống nay, nhu cầu sử dụng sản phẩm có độ tinh khiết cao lớn thu dầu mỏ từ dầu thô, tách axeton etylic, etylic nước Ngày có nhiều phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm như: trích ly, chưng cất, đặc, hấp thụ, tùy theo đặc tính u cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Etanol-Nước hệ cấu tử tan lẫn hoàn toàn phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol.Chưng cất trình tách cấu tử hỗn hợp lỏng, khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào nhiệt độ bay khác cấu tử hỗn hợp Khi chưng cất ta thu nhiều sản phẩm thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé, sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn Chưng cất khác đặc chỗ chưng cất tất cấu tử bay cịn đặc có dung mơi bay Đồ án mơn học trình thiết bị giúp sinh viên biết cách tiếp cận, cách tìm hiểu giải cơng việc thiết kế thiết bị Đồ án em giao nhiệm vụ: Tính tốn, thiết kế tháp đĩa chưng luyện cồn suất 4000 lít/ giờ, nồng độ sản phẩm A D = 0,85%, nồng độ xả đáy AW = 0,0005%, nồng độ nguyên liệu AF =0,38%, nồng độ cồn đo 25°C Đồ án sâu vào nội dung chính, đưa bước thực hiện, giải việc tính tốn kĩ thuật thiết kế tháp chưng luyện cịn việc tính tốn thiết bị phụ khơng sâu Vấn đề cho nội dung đồ án em xây dựng gồm phần: - Phần mở đầu - Phần nội dung: + Tổng quan công nghệ sản xuất cồn + Công nghệ sản xuất cồn + Tính tốn thiết bị + Tính tốn khí lựa chọn + Tính cân nhiệt - Phần kết luận PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN 1.1 Tổng quan cồn 1.1.1 Etanol - Etanol có cơng thức phân tử CH3-CH2-OH, có khối lượng phân tử 46 đvC Là chất lỏng có mùi đặc trưng, khơng độc, tan nhiều nước Nhiệt độ sôi 760 mmHg: 78,30C Khối lượng riêng: d20 4=810 kg/m3 Hình 1: Cơng thức phân tử etanol - Ứng dụng: đóng vai trị quan trọng kinh tế quốc dân, nguyên liệu dùng đê sản xuất nhiều loại mặt hàng khác ứng dụng rộng rãi ngành khác: công nghiệp nặng, y tế, dược, quốc phịng, giao thơng vận tải, dệt, chế biến gỗ, nông nghiệp 1.1.2 Nước - Cơng thức hóa học H2O - Nước chiếm 70% diện tích trái đất chất khơng thể thiếu đời sống người Hình 2: Cấu trúc phân tử nước - Phân tử nước gồm nguyên tử hydro nguyên tử oxy Về mặt hình học phân tử nước có góc liên kết 104.45 ° - Nước có tính lưỡng cực, liên kết phân tử nước liên kết hydro - Ở 760mmHg nhiệt độ sơi 100°C, nhiệt độ nóng chảy 0°C 1.2 Các phương pháp chưng luyện - Phân loại theo áp suất làm việc: + áp suất cao + áp suất thấp + áp suất trung bìnnh - Phân loại theo nguyên lý làm việc: + chưng cất đơn giản + chưng cất liên tục 1.3 Các loại tháp chưng cất sử dụng công nghiệp Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung cho thiết bị giống nhau, 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 đệm, tháp phun ta khảo sát hai loại tháp thường dùng tháp đĩa tháp đệm Tháp đĩa: thân tháp hình trụ thẳng đứng gắn đĩa có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc Tùy theo cấu tạo đĩa ta có: + Tháp đĩa chóp: đĩa gắn chóp ống chảy truyền, chóp có rãnh chóp xung quanh để pha khí qua Sự chuyển động pha khí lỏng tháp sau: chất lỏng chảy từ đĩa xuống đĩa nhờ ống chảy truyền, khí từ lên qua ống xuyên qua khe chóp để sục vào lớp chất lỏng đĩa + Tháp đĩa lỗ: đĩa có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ 3-12mm, tổng tiết diện lỗ đĩa chiếm từ 8-15% tiết diện tháp Các lỗ bố trí đỉnh tam giác đều, bước lỗ 2,5-5 lần đường kính lỗ Trong tháp đĩa lỗ, pha khí từ lên qua lỗ đĩavà phân tán vào lớp chất lỏng chuyển động từ xuống theo ống chảy truyền, ống chảy truyền bố trí tháp đĩa chóp Tháp đệm: tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật đệm đổ đầy tháp theo phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Vật đệm sử dụng phổ biến: vòng raschig, vật đệm hình n ngựa, vật đệm vịng xoắn Tháp đệm Tháp đĩa lỗ Tháp đĩa chóp - Cấu tạo đơn giản - Trở lực tháp - Hiệu suất cao - Trở lực thấp chóp - Hiệu suất tương đối cao - Hoạt động ổn Ưu điểm định - Làm việc với chất lỏng bẩn - Chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng - Ít tốn kim loại tháp chóp - Hoạt động ổn định - Hiệu suất chuyển khối cao - Làm việc với chất lỏng bẩn - Ít tiêu hao lượng - Do có hiệu ứng thành hiệu suất truyền khối thấp Độ ổn định không cao phân bố pha theo tiết diện tháp không đều, Nhược khó vận hành điểm Do có hiệu ứng thành tăng suất hiệu ứng thành tăng khó tăng suất - Thiết bị nặng - Kết cấu phức tạp - Có trở lực lớn - Yêu cầu lắp đặt cao: đĩa lắp phải phẳng, chất lỏng khó phân phố mâm đường kinh lớn - Tiêu tốn nhiều vật liệu kết cấu phức tạp - Nặng Sử dụng tháp đệm khơng cho phép ta kiểm sốt q trình chưng cất theo khơng gian tháp tháp đĩa trình thể qua đĩa cách rõ ràng, tháp đệm khó chế tạo kích thước quy mô công nghiệp Sử dụng tháp đĩa lỗ, hiệu suất đạt khơng tháp chóp, chế độ làm việc khơng ổn định tháp chóp, với đường kính q lớn khơng hiệu => Với đồ án chưng cất cồn, em chọn tháp chóp có chảy tràn CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN 2.1 Nguyên liệu Sản xuất cồn etylic nguyên tắc dùng nguyên liệu chứa đường lên men glucid chuyển hóa thành đường lên men Phân loại: - nguyên liệu có chứa đường: rỉ đường - nguyên liệu chứa tinh bột: gạo, ngô, khoai, sắn