TRƯỜNG CƠ KHÍ – ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ THIẾT BỊ NHIỆT Đề tài THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT ETYLIC NƯỚC VỚI NĂNG SUẤT 800L/H MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN[.]
1.1 TRƯỜNG CƠ KHÍ – ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ THIẾT BỊ NHIỆT Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT ETYLIC - NƯỚC VỚI NĂNG SUẤT 800L/H MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 RƯỢU ETYLIC 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Thơng số nhiệt vật lí rượu ethylic 1.1.3 Ứng dụng rượu ethylic 1.2 CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT RƯỢU ETYLIC CHƯƠNG II CÂN BẰNG VẬT CHẤT .9 2.1 CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO 2.2 XÁC ĐỊNH LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY .9 2.3 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU THÍCH HỢP 10 2.4 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC 10 2.5 XÁC ĐỊNH SỐ MÂM LÝ THUYẾT SỐ MÂM THỰC TẾ 10 2.5.1 Số mâm lý thuyết 10 2.5.2 Số mâm thực tế .11 CHƯƠNG III TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 14 3.1 ĐƯỜNG KÍNH THÁP (Dt) 14 3.1.1 Đường kính đoạn cất 14 3.1.2 Đường kính đoạn chưng .16 3.2 MÂM LỖ - TRỞ LỰC CỦA MÂM: 18 3.2.1 Cấu tạo mâm lỗ 18 3.2.2 Độ giảm áp pha khí qua mâm 19 3.2.3 Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động: 22 3.3 TÍNH TỐN CƠ KHÍ CỦA THÁP .23 3.3.1 Bề dày thân tháp: 23 3.3.2 Đáy nắp thiết bị: 25 3.3.3 Bích ghép thân, đáy, nắp: 25 3.3.4 Đường kính ống dẫn – Bích ghép ống dẫn: 26 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT-THIẾT BỊ PHỤ .30 4.1 CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT: 30 4.1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: 32 4.1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: 36 4.1.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 40 4.1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy: 43 4.1.5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 48 4.2 TÍNH TỐN BƠM NHẬP LIỆU: 53 4.2.1 Tính bồn cao vị .53 4.2.2 Chọn bơm: 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.2 RƯỢU ETYLIC 1.2.1 Khái niệm Rượu ethylic (hay gọi ethanol, alcohol ethylic, rượu ngũ cốc hay cồn thực phẩm) một chất lỏng, không màu, suốt, mùi thơm dễ chịu đặc trưng, vị cay, tan nước vơ hạn Rượu ethylic có cơng thức hóa học C2H5OH Nó có khả hút ẩm, dễ cháy, cháy khơng có khói lửa có màu xanh da trời 1.2.2 Thơng số nhiệt vật lí rượu ethylic Nhiệt độ sơi 760mmHg: 78,3oC Khối lượng riêng 𝜌 = 967,45 kg/m3 Nhiệt dung riêng 0,548 KJ/kg.độ (ở 20oC) 0,769 KJ/kg.độ (ở 60oC) 1.2.3 Ứng dụng rượu ethylic Là nguyên liệu để sản xuất dược phẩm, rượu bia, cao su tổng hợp, axit axetic Dùng làm dung môi để pha chế vecni, nước hoa Ngoài etanol (rượu etylic) cịn sử dụng nhiên liệu cồn (thường trộn lẫn với xăng) hàng loạt quy trình cơng nghiệp khác Etanol (rượu etylic) cịn dùng sản phẩm chống đơng lạnh điểm đóng băng thấp Dung dịch chứa 70% etanol (rượu etylic) dùng làm tẩy uế Các gel vệ sinh kháng khuẩn phổ biến nồng độ 62% Khử trùng tốt sử dụng etanol dung dịch khoảng 70%, nồng độ cao hay thấp lại có khả kháng khuẩn Etanol giết chết sinh vật chủ yếu cách biến tính protein chúng hịa tan lipit chúng Ngồi ra, etanol (rượu etylic) cịn có hiệu việc chống lại loại vi khuẩn nấm với nhiều loại virus lại hiệu việc chống lại bào tử vi khuẩn 1.3 CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT RƯỢU ETYLIC Etanol chất lỏng tan vơ hạn H2O có nhiệt độ sôi 78,30C 760mmHg, nhiệt độ sôi nước 100oC 760mmHg Nhiệt độ sôi chât cách biệt xa nên để thu etanol có độ tinh khiết cao từ hỗn hợp etanol – nước ta sử dụng phương pháp chưng cất * Sơ đồ qui trình cơng nghệ chưng cất hệ Etanol – nước: Hình Sơ đồ qui trình cơng nghệ chưng cất hệ Etanol – nước Chú thích : Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bồn chứa cao vị Bẫy Lưu lượng kế Van Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Bộ phận chỉnh dòng 10 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 11 Bồn chứa sản phẩm đỉnh 12 Nồi đun 13 Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy 14 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 15% với nhiệt độ đầu vào 25 0C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (13) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ) Sau đó, hỗn hợp đun sôi đến nhiệt độ sôi thiết bị gia nhiệt (14), hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (7) đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn cất tháp chảy xuống Trong tháp, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi cân hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (12) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sơi cao nước ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều (có nồng độ 85% phân mol) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (8) ngưng tụ phần (chỉ ngưng tụ hồi lưu) Một phần chất lỏng ngưng tụ qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (10), làm nguội đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11) Phần lại chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu tháp đĩa với tỉ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp bốc hơi, cịn lại cấu tử có nhiệt độ sơi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay (nước) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ etanol 0,19 % phân mol, cịn lại nước Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đun dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại khỏi nồi đun trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu thiết bị (13) (sau qua bồn cao vị) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh etanol, sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ 600C thải bỏ CHƯƠNG II CÂN BẰNG VẬT CHẤT 1.4 2.1 CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO Năng suất sản phẩm đỉnh thu được: VD = 800 l/h = 0,8 m3/h Nồng độ nhập liệu: xF = 15% mol etanol Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 85% mol etanol Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 0,19% mol etanol Nhiệt độ nhập liệu: t 'F = 25oC Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: 35oC Nhiệt độ sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt 60oC Khối lượng phân tử rượu nước: Mr = 46 (Kg/kmol), MN = 18 (Kg/kmol) 1.5 2.2 XÁC ĐỊNH LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY Cân vật chất cho toàn tháp: F = D + W Cân cấu tử etanol: F.xF = D.xD + W.xW Phân mol nhập liệu: xF = 0,15 (mol etanol) xF = 46 x F =31 % (theo khối lượng) 46 x F +(1−x F ).18 Khối lượng phân tử trung bình dịng nhập liệu: MF = 46 x F (1 x F ).18 = 46.0,15 (1 0,15).18 = 22,2 (Kg/Kmol) Phân mol sản phẩm đỉnh: xD = 0,85 (mol etanol) Khối lượng phân tử trung bình dịng sản phẩm đỉnh: MD = 46.xD (1 xD ).18 = 46.0,85 (1 0,85).18 = 41,8 (Kg/Kmol) Suất lượng sản phẩm đỉnh GD VD ρ 0,8 967,45 D= M = M = = 18,52 ( Kmol/h) 41,8 D D Phân mol sản phẩm đáy: xW = 0,19% (mol etanol) Khối lượng phân tử trung bình dịng sản phẩm đáy: Mw = 46.xw (1 xw ).18 = 46.0,0019 (1 0,0019).18 = 18.1 (Kg/Kmol ) Thay vào phương trình (2-1), (2-2) ta có: F=18,52+W {F 0,15=18,52.0,85+W 0,0019 { → F=106,05(Kmol /h) W =87,53(Kmol /h) 1.6 2.3 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU THÍCH HỢP Tỉ số hồn lưu tối thiểu Tỉ số hoàn lưu tối thiểu chế độ làm việc mà ứng với số mâm lý thuyết vơ cực Do đó, chi phí cố định vơ cực chi phí điều hành (nhiên liệu , nước bơm…) tối thiểu Do đồ thị cân hệ Etanol-Nước có điểm uốn, nên xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu cách : + Trên đồ thị cân y-x ,từ điểm (0,85;0,85) ta kẻ đường thẳng tiếp tuyến với đường cân điểm uốn , cắt trục Oy điểm có yo = 0,26 + Theo phương trình đường làm việc đoạn cất, xo = ta có: yo = xD =0,26 Rmin Tỉ số hoàn lưu tối thiểu : Rmin = 2,269 Tỉ số hoàn lưu làm việc R x= 1,3 R xmin +0,3=1,3.2,269+ 0,3=3,2497 1.7 2.4 Phương trình đường làm việc Phương trình đường làm việc đoạn cất y= xD R 3,2497 0,85 x+ = x+ =0,765 x +0,200 R+1 R+ 3,2497+1 3,2497+1 Phương trình đường làm việc đoạn chưng y= R+ f f −1 3,2497+ 5,724 5,724−1 x+ xW = x+ 0,0019=2,112 x +0 , 0021 R+1 R+ 3,2497+1 3,2497+ Với số nhập liệu: f= xD F 0,85 = = =5,724 D x F h 0,15.0,99 1.8 2.5 Xác định số mâm lý thuyết số mâm thực tế 2.5.1 Số mâm lý thuyết Hình biểu diễn đồ thị xác định số mâm lý thuyết: Hình Đồ thị xác định số mâm lý thuyết Dựa vào đồ thị hình 2, ta xác định có 22 mâm lý thuyết, gồm: Mâm đoạn chưng: mâm Mâm đoạn cất: 19 mâm Mâm nhập liệu: mâm 2.5.2 Số mâm thực tế Xác định hiệu suất trung bình tháp htb : + Độ bay tương đối cấu tử dễ bay hơi: α= y ¿ 1−x ¿ x 1− y Với: x phân mol rượu pha lỏng y* phân mol rượu pha cân với pha lỏng * Tại vị trí nhập liệu : xF = 0,15 ta tra đồ thị cân hệ : y*F = 0,5 tF = 84,85oC 10