thiết kế tháp chưng cất cồn 96% từ gỗ vụn – năng suất nhập liệu 1000 kgh

Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly,chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựachọn phương pháp thích hợp..

ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN 96%

TỪ GỖ VỤN – NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 Kg/h

Tác giả

Nguyễn Quốc ThắngNguyên Bình Phương Thanh Trúc

Báo cáo được đệ trình để đáp ứng yêu cầu

môn học Đồ ÁnCông Nghệ Hóa Học

Giáo viên hướng dẫn:

PGS TS TRƯƠNG VĨNH

Tháng 3/2013

MỤC LỤC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 1

ĐỒ ÁN 1

CÔNG NGHỆ HÓA HỌC 1

THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN 96% 1

TỪ GỖ VỤN – NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 Kg/h 1

GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH 1

SINH VIÊN THỰC HIỆN: 1

1

Tháng 03/2013 1

THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN 96% 2

TỪ GỖ VỤN – NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 Kg/h 2

MỤC LỤC 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 7

I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: 7

1 Phương pháp chưng cất: 7

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU: 9

1 Ethanol 9

2 Nước: 12

3 Hỗn hợp Ethanol – Nước: 12

III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETHANOL – NƯỚC: 14

CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT 18

I THÔNG SỐ VẬT LIỆU THÔ 18

II CÁC THÔNG SỐ BẢN ĐẦU: 18

IV XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP: 19

1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: 19

2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp: 20

V PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC SỐ MÂM LÝ THUYẾT: 21

1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất: 21

2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng: 21

3 Số mâm lý thuyết: 21

VI XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ: 22

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 25

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP: (Dt) 25

1.Đường kính đoạn cất: 25

2.Đường kính đoạn chưng: 27

II MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM: 29

1 Cấu tạo mâm lỗ: 29

2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm: 29

3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động: 33

III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP: 34

1 Bề dày thân tháp: 34

2 Đáy và nắp thiết bị: 36

3 Bích ghép thân, đáy và nắp: 37

4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn: 38

5 Tai treo và chân đỡ: 41

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ 44

I CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT: 44

1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: 45

2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: 50

3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy: 55

4 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy: 59

5 Thiết gia nhiệt nhập liệu: 64

II TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ: 69

III TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU: 70

1 Tính chiều cao bồn cao vị: 70

2 Chọn bơm: 74

CHƯƠNG V: GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 77

I TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ: 77

II KẾT LUẬN: 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

LỜI MỞ ĐẦU

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nóiriêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học Đặc biệt là ngành hóachất cơ bản

Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóahọc, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợpvới quy trình sản suất hoặc nhu cầu sử dụng

Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly,chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựachọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Ethanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàntoàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Ethanol

Đồ án môn học Công Nghệ Hóa Học là một môn học mang tính tổng hợp trongquá trình học tập của các kỹ sư hoá tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyếtnhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bịtrong sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụngnhững kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuậtthực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Ethanol - Nước hoạt độngliên tục với nâng suất nhập liệu: 1000 kg/h có nồng độ 10% mol ethanol, thu đượcsản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol ethanol với độ thu hồi ethanol là 99%

Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Công Nghệ Hóa Học, các bạnsinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ

án không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN.

I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:

1 Phương pháp chưng cất:

Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu

tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khácnhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng

tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại Khác với cô đặc,chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc làquá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thuđược bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôinhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) Đốivới hệ Ethanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm ethanol và một ít nước, ngượclại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít ethanol

Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:

•Áp suất làm việc: chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao.Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếunhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảmnhiệt độ sôi của các cấu tử

•Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chưng đơn giản và liên tục)

* Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trongcác trường hợp sau:

+ Khi nhiệt độsôi của các cấu tử khác xa nhau

+ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

* Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quátrình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn

•Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước:thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước

Vậy: đối với hệ Ethanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp

nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

2 Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêucầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độphân tán của lưu chất này vaò lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thườngđược ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước của tháp: đường kínhtháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinhkhiết của sản phẩm Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm vàtháp chêm

•Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có

cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâmpha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, tacó:

* Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chép dạng:tròn, xú bắp, chữ s…

* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm

•Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng

mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phươngpháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

* So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp:

- Hiệu suất tương đối

- Trở lực thấp

- Hoạt động khá ổn

- Làm việc với chấtlỏng bẩn

- Độ ổn định kém

- Yêu cầu lắp đặt khắtkhe -> lắp đĩa thật

Vậy: Chưng cất hệ Ethanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên

tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU:

Nguyên liệu là hỗn hợp Ethanol - Nước

Do 10 14

2 2

của nước, nên khi muối Natri etylat tan trong nước sẽ bị thuỷ phân thànhrượu trở lại

+ Tác dụng với acid tạo ester: Rượu ethanol có tính bazơ tương đươngvới nước Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơđều tạo ra ester

CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O

CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 CH3-COO-C2H5 + H2O

* Phản ứng trên nhóm hydroxyl:

+ Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O+ Tác dụng với Triclo Phốt pho:

CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl

+ Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 C2H5-NH2 + H2O+ Phản ứng tạo eter và tách loại nước:

Sơ đồ tóm tắt vị trí của ethanol trong các ngành công nghiệp.

Ethanol

Công nghiệp cao su tổng hợp

.Rượu mùi

Dấm

Dung môi hữu cơ

Nguyên liệu

Thuốc súng không khói

Nhiên liệu hỏa tiển, bom bay

•Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế ethanol: hydrat hoáetylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của ethanol khiđun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldehite acetic; từ cáchợp chất cơ kim…

Trong công nghiệp, điều chế ethanol bằng phương pháp lên men từ nguồntinh bột và rỉ đường Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suấtethanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lênmen tinh bột:

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + 28 KcalTrong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành ethanol và CO2

5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acidsucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ(lactic, butylic…)

2 Nước:

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không

vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt

Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:

Khối lượng phân tử : 18 g / molKhối lượng riêng d40 c : 1 g / mlNhiệt độ nóng chảy : 00C Nhiệt độ sôi : 1000 CNước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nướcbiển) và rất cần thiết cho sự sống

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dungmôi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học

III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETHANOL – NƯỚC:

Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,30C ở760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg: hơi cách biệt khá xa nênphương pháp hiệu quả để thu ethanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưngcất

Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tửđều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phươngpháp hấp thụ do phải đưa vào một pha mới để tách, có thể làm cho quá trình phứctạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn

* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Ethanol – nước:

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

TIỀN XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU(CƠ/

HÓA/ SINH)

THỦY PHÂN NGUYÊN LIỆU

(TỔ HỢP ENZ THỦY PHÂN)

SẢN PHAM ĐÁY

NỒI ĐUN

BỒN CHỨA SP ĐÁY

SP ĐỈNH

t’F = 28 oC, 10% phân

mol ethanol

t’D = 35oC85% phân mol ethanol

t’W= 35oC

HL

Sơ Đồ Khối Quy Trình Sản Xuất Ethanol Từ Gỗ Vụn

Đồ Hệ Thống Chưng Cất Ethanol – Nước

Thuyết minh qui trình công nghệ:

Hỗn hợp ethanol – nước có nồng độ ethanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độkhoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (4)

Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm đáy Sau đó, hỗn hợpđược đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt (5), hỗn hợp được đưa vàotháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảyxuống Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếpxúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưngcàng xuống dưới càng giảm nồng độ, các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên

từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nênkhi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụlại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử ethanol chiếm nhiềunhất (sản phẩm cồn 96 độ với nồng độ 85% phân mol) Hơi này đi vào thiết bịngưng tụ (8) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết

bị làm nguội sản phẩm đỉnh (10), được làm nguội đến 350C, rồi được đưa qua bồnchứa sản phẩm đỉnh (14) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu vềtháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấpđược bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng.Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ ethanol rất nhỏ, chủ yếu là nước Dung dịchlỏng đáy, đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đun, dung dịch lỏng một phần

sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp, nhằm giảm nhiệt độ dòng sản phẩm đáy, tận dụngnhiệt thoát ra cung cấp cho nồi hơi tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đunđược trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là ethanol, sản phẩm đáy saukhi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 600C được dẫn về bể chứa

CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I THÔNG SỐ VẬT LIỆU THÔ

• Năng suất nhập liệu: GF = 1000 (Kg/h)

• Nồng độ nhập liệu: xF = 10% phân mol ethanol

 46. 46(1.x ).18

F F

F F

x x

x

−+

 Khối lượng ethanol trong dòng nhập liệu: 221,2 (Kg/h) = > 4.8 (Kmol/h)

• Ta có các phương trình sau:

(C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6 (xúc tác H+)

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 (xúc tác Saccharomyces cerevisiae)

• Tính toán theo phương trình:

+ Lượng vật liệu thô ban đầu cần sử dụng là: 392 (Kg/h) (với hiệu suấtchuyển hóa đạt 99%)

+ Lượng nước cần bổ sung: 43,2 (Kg/h)

II CÁC THÔNG SỐ BẢN ĐẦU:

•Năng suất nhập liệu: GF = 1000 (Kg/h)

•Nồng độ nhập liệu: xF = 10% mol ethanol

•Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 85%mol ethanol

•Tỷ lệ thu hồi ethanol: h= 99%

•Khối lượng phân tử của rượu và nước: MR = 46, MN = 18

•Chọn:

+ Nhiệt độ nhập liệu: t’F = 28oC

+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t’D = 35oC

+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’W = 35oC

+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

•Các kí hiệu:

+ GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h, Kmol/h

+ GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h, Kmol/h

+ GW,W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h, Kmol/h

+ xi,x i : phân mol, phân khối lượng của cấu tử i

III XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHAM ĐỈNH VÀ SẢN PHAM ĐÁY:

•Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F = D + W (II.1)

•Cân bằng cấu tử ethanol (cấu tử nhẹ): F.xF = D.xD + W.xW (II.2)

•Tỷ lệ thu hồi (h= 99%): F.xF h= D.xD (II.3)

Với: * Phân mol nhập liệu: xF = 0,10 (phân mol ethanol )

18)

1(.46

x.46

F F

F F

x x

x

−+

Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:

1000 = 48,077 (Kmol/h)

* Phân mol sản phẩm đỉnh: xD = 0,85 (phân mol ethanol) Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh:

1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết

là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu,nước và bơm…) là tối thiểu

Do đồ thị cân bằng của hệ Ethanol - Nước có điểm uốn, nên xác định tỉ số hoànlưu tối thiểu bằng cách:

+Trên đồ thị cân bằng y-x, từ điểm (0,85; 0,85) ta kẻ một đường thẳng tiếptuyến với đường cân bằng tại điểm uốn, cắt trục Oy tại điểm có yo = 0,26 +Theo phương trình đường làm việc đoạn cất, khi xo = 0 thì

2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp:

Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp, thiết bị ngưng tụ, nồi đun

và công để bơm cũng tăng theo Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăngđến vô cực khi hoàn lưu toàn phần, lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăngtheo tỉ số hoàn lưu

Tổng chi phí bao gồm: chi phí cố định và chi phí điều hành Tỉ số hoàn lưuthích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu

Tuy nhiên, đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp, khó kiểm soát nên người

ta có thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất Để tính được tỉ sốhoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điềuhành),ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp, từ đó chọn Rth

ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất

Nhận thấy, tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp, mà lượng hơi lại tỉ lệvới lượng lỏng hồi lưu trong tháp,d o trong điều kiện làm việc nhất định thì GD sẽkhông đổi nên lượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1), do đó, tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với(R+1) Ngoài ra, chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối mox hay số mâm lýthuyết Nlt Cho nên, thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số mox*(R+1) Nhưvậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa R và Vtháp theo quan hệ R và mox*(R+1).Từ đồthị của quan hệ này ta xác định được điểm cực tiểu của mox*(R+1) ứng với tỉ sốhoàn lưu thích hợp R

2.973 32.801 130.320

Vậy: Tỉ số hoàn lưu thích hợp là R= 2,973

V PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC SỐ MÂM LÝ THUYẾT:

1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất:

y =

1

.1

= 2,9730,85 1

1973,2

973,2

+

++ x

f R

.1

1

−++

+

1973,2

1586,8.1973,2

586,8973,2

+

−+

•Xác định hiệu suất trung bình của tháp ηtb:

+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi:

x

1 y 1

Với: x: phân mol của rượu trong pha lỏng

y*: phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

* Tại vị trí nhập liệu:

xF = 0,10 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y* = 0,442

tF = 86,5 oC+

10,0

10,01.442,01

442,0x

x1y1

yα

F

F

*

* F

Suy ra: aF mF = 7,129.0,422 = 3,007Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171]: hF = 0,395

* Tại vị trí mâm đáy:

xW = 0,0011 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y*

W = 0,018

tW = 100 oC+

0011,0

0011,01.018,01

018,0x

x1y1

yα

W

W

*

* W

1(.46

−+

=

W W

W W

x x

x

khảo [4(tập 1) – trang 107]:

mW = 25.10-6.9,81= 0,245.10-3 (N.s/m2) = 0,245 (cP)

Suy ra: aW mW = 16,177.0,245 = 3,967Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171]: hW = 0,365

*Tại vị trí mâm đỉnh:

xD = 0,85 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y*

D = 0,856

tD = 78,5 oC

+

85,0

85,01.856,01

856,0x

x1y1

yα

D

D

*

* D

1(.46

.46

=

−+

=

D D

D D

x x

3

600,0365,0395,0

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP: (Dt)

tb y y tb

g

)ω.(0188,0ω.3600

π

4VD

tb

tb t

ρ

=

Vtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h)

ωtb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h)

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

tb

+

gd: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h)

g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h)

•Xác định gd: gd = D.(R+1) = 5,600.(2,973+1) = 22,247 (Kmol/h)

= 933,662(Kg/h) (Vì MthD = 46.yD+(1-yD).18 = 41,968 Kg/Kmol)

D

r g r g

x D x G y g

D G g

1 1

1 1 1 1

1 1

(III.1)

Với: G1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất

rd: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp

* Tính r1: t1 = tF = 86,5oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có:

Ẩn nhiệt hoá hơi của nước: rN1 = 41280 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu: rR1 = 37395 (KJ/kmol)

Suy ra: r1 = rR1.y1 + (1-y1).rN1 = 41280 – 3885.y1 (KJ/kmol)

* Tính rd: tD = 78,5oC , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có:

Ẩn nhiệt hoá hơi của nước: rNd = 41628 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu: rRd = 37988 (KJ/kmol)

Suy ra: rd = rRd.yD + (1-yD).rNd = 37988.0,856 + (1- 0,856).41628

= 38512,16 (KJ/kmol)

* x1 = xF = 0,10

Giải hệ (III.1), ta được: G1 = 15,751 (Kmol/h)

y1 = 0,297 (phân mol ethanol) _ M1 = 26,316

g1 = 21,351 (Kmol/h) = 561,873(Kg/h)

2

873,561662,

b 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:

ytb

xtb gh

ρ

ρ

ω =0,05

Với: rxtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

rytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

273.18.146

+

−+

=

tb

tb tb

ytb

t

y y

= 82,5oCSuy ra: rytb = 1,171 (Kg/m3)

= 0,475

Suy ra: 46. 46(1. ).18

tb tb

tb

x x

−+

ttb = 82,5oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có:

rxtb = 821,25 (Kg/m3)

Suy ra:

171,1

25,821.05,0

8,

758,747.0188,

2 Đường kính đoạn chưng:

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp:

2

1 , ,

g tb = n +

(Kg/h)g’n: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h)

g’1: lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h)

1

1 ' 1 1 ' 1 ' 1 '

.'.''.'

'

r g r g r g

x W y g x G

W g G

n n

* Tính r’1: xW = 0,0011 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có: yW = 0,018

Suy ra: Mtbg’ = 46.yW +(1-yW).18= 18,504 (Kg/kmol)t’1 = tW = 100oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có:

Ẩn nhiệt hoá hơi của nước: r’N1 = 40680 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu: r’R1 = 36394,3 (KJ/kmol) Suy ra: r’1 = r’R1.yW + (1-yW).r’N1 = 40543,9 (KJ/kmol)

* Tính r1: r1 = 41280 – 3885.y1 = 41280–3885.0,297 = 40126,155(KJ/kmol)

* W = 42,477 (Kmol/h)

Giải hệ (III.2), ta được: x’1 = 0,0067(phân mol ethanol) _ MtbG’ = 18,189

1 = 63,608 (Kmol/h) = g’1 = 21,131 (Kmol/h) = 391,008(Kg/h)

2

008,391873,

b 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:

ytb

xtb gh

'

'.05,0'

ρ

ρ

ω =

Với: r'xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

r'ytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

273.18.'146.''

+

−+

=

tb

tb tb

ytb

t

y y

= 93,25oCSuy ra: r’ytb = 0,746 (Kg/m3)

= 0,051

Suy ra: ' 46. ' 46(1. ' ' ).18

tb tb

tb

x x

−+

t’tb = 93,25oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có:

Khối lượng riêng của nước: r’N = 963,117(Kg/m3) Khối lượng riêng của rượu: r’R = 720,365(Kg/m3)Suy ra: r’xtb =

1

'

'1'

744,925.05,0'gh=

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:

762,1.8,0'.8,0'h= ω gh=

Vậy: đường kính đoạn cất:

Dchưng=

409,1.746,0

441,476

0188,

Kết luận: hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá

lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là: Dt = 0,500 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở:

+ Phần cất: ωlv = 0,0188. . 0,01880,52..1747,171,768 0,903

2 2

2

=

=

ytb t

2

=

=

ytb t

tb

D

g

II MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM:

1 Cấu tạo mâm lỗ:

Chọn: + Đường kính lỗ: dl = 3 (mm)

+ Tổng diện tích lỗ bằng 9,77% diện tích mâm

+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theotam giác đều )

+ Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 + Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm

=

2 2

003,0

5,0.0977,0

0977,

Vậy: ta bố trí các lỗ trên 1 mâm thành 51(hàng), số lỗ trên đường chéo là 66 lỗ

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 độgiảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng:

htl = hk + hl + hR (mm chất lỏng)Với: + hk: độ giảm áp qua mâm khô (mm chất lỏng)

+ hl: độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm chất lỏng).+hR: độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm chất lỏng).

Trong tháp mâm xuyên lỗ, gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆ làkhông đáng kể nên có thể bỏ qua

a Độ giảm áp qua mâm khô:

Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất ápsuất do dòng chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qualỗ

L

G o

o L

G o

o k

C

u g

C

v h

ρ

ρρ

ρ 51,0. .

2

Với: + uo: vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s)

+ rG: khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m3)

+ rL: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3)

+ Co: hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tíchmâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ

•Đối với mâm ở phần cất:

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ: uo =

0977,0

903,0

%77,

9ωlv =

= 9,243 (m/s)

+ Khối lượng riêng của pha hơi: rG = ρytb = 1,171 (Kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng: rL = ρxtb = 821,25 (Kg/m3)

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất:

25,821

171,1.745,0

243,9.0,

•Đối với mâm ở phần chưng:

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ: u’o =

0977,0

903,0

%77,9

+ Khối lượng riêng của pha lỏng: r’L = ρ’xtb = 925,744 (Kg/m3).

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng:

744,925

746,0.745,0

243,9.0,51

b Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm:

Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chấtlỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw, chiều cao tính toán của lớp chấtlỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm β:

hl = β.( hw + how ) , (mm chất lỏng)Chọn: + Hệ số hiệu chỉnh: β = 0,6

+ Chiều cao gờ chảy tràn: hw = 50 (mm)Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phươngtrình Francis với gờ chảy tràn phẳng:

3

.4,43

L

q

Với: + qL: lưu lượng của chất lỏng (m3/ph)

+ Lw: chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)

Với: no: góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn Lw

M D R q

Suy ra: 3

364,0

01412,0.4,

189,18.608,63'

.60

M G q

364,0

02083,0.4,43

d

h

54,625

ρ

σ

Với: + σ: sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm)

+ ρL: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3)

•Phần cất:

* Khối lượng riêng của pha lỏng: rL = ρxtb = 821,25 (Kg/m3)

* ttb = 82,5oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có:

+ Sức căng bề mặt của nước: σN = 62,138 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của rượu: σR = 17,075 (dyn/cm)

Suy ra: Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần cất:

R N

R N

σσ

σσσ

+

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

003,0.25,821

394,13.54,625

=

R

•Phần chưng:

* Khối lượng riêng của pha lỏng: r’L = ρ’xtb = 925,744 (Kg/m3)

* t’tb = 93,25oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có:

+ Sức căng bề mặt của nước: σ’N = 60,149 (dyn/cm).

+ Sức căng bề mặt của rượu: σ’R = 16,108 (dyn/cm)

Suy ra: Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng:

R N

R N

''

'.''

σσ

σσσ

+

Vậy: Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần chưng là:

003,0.744,925

705,12.54,625'R=

∑htl = 42 htl + 11 h’tl = 42 379,226+11 388,400 = 20199,9(N/m2)

3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động:

Chọn khoảng cách giữa hai mâm là hmâm = 250 (mm)

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ốngchảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức:

hd = hw + how + htl + hd’ , (mm chất lỏng)Với: hd’: tổn thất thuỷ lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm,được xác định theo biểu thức sau:

2

'

.100.128,0

S

Q

trong đó: + QL: lưu lượng của chất lỏng (m3/h)

+ Sd: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đó:

Sd = 0,8 Smâm = 0,8 π.0,252 = 0,1571 (m2)

2498,1.128,0

mâm = =

h

(mm): đảm bảo khi hoạt độngcác mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt

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

Chiều cao của thân tháp: Hthân = Ntt (hmâm+δmâm ) + 0,8

= 53.(0,250+0,0018) +0,8 = 14,2(m)

Chiều cao của đáy và nắp: Hđ = Hn = ht +hgờ = 0,125+0,025= 0,150(m)

(Xem ở phần (III.2): Đáy và Nắp thiết bị )

Chiều cao của tháp: H = Hthân + Hđ + Hn = 14,5(m)

III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP:

1 Bề dày thân tháp:

Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằngphương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang ) Thân tháp được ghép vớinhau bằng các mối ghép bích

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của etylic đối vớithiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T.

•Ap suất tính toán:

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

Ptt = Pcl + ∑htl , (N/mm2)Với: Pcl : áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm2)

Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất màvẫn an toàn nên:

Chọn nhiệt độ tính toán: ttt = tđáy = 100oC

Tra tài liệu tham khảo [5], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T:

[σ]* = 142 (N/mm2)

Đối với rượu hệ số hiệu chỉnh: η = 1

Vậy: ứng suất cho phép: [σ] = η.[σ]* = 142 (N/mm2)

•Xác định bề dày thân chịu áp suất trong:

Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằngtay nên hệ số bền mối hàn: ϕh = 0,9

14446,0

142 h =

tt

thân được tính theo công thức sau:

[ ] 2.142.0,9

14446,0.500

.2

h

tt t t

P D S

ϕ

Suy ra: bề dày thực của thân: St = S’t + C , (mm)

Trong đó: C: hệ số bổ sung bề dày, C = Ca + Cb + Cc + Co

Với: + Ca: hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học, phụ thuộc vào tốc độ ănmòn của chất lỏng Chọn tốc độ ăn mòn của rượu là 0,1(mm/năm),thiết bị hoạt động trong 20 năm, do đó Ca = 2 mm

+Cb: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn Cb = 0

+Cc: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn Cc = 0

D

C S

= 0,002 < 0,1: đúng

* Kiểm tra áp suất tính toán cho phép:

[ ] [ ] ( ( ) ) ( ( ) )

23500

23.9,0.142.2

2

−+

−

=

−+

−

=

a t t

a t h tt

C S D

C S

= 0,5102 > Ptt: đúng

Vậy: Bề dày thực của thân là St = 3 (mm)

2 Đáy và nắp thiết bị:

Chọn đáy và nắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T

Nhận thấy: công thức tính toán bề dày thân, đáy và nắp chịu áp suất trong lànhư nhau Nên chọn bề dày của đáy và nắp là Sđ = Sn = 3 (mm)

Các kích thước của đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ(tài liệu tham khảo[4(tập 2)]:

+ Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao

Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo củabích là bích liền không cổ

Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 2)- trang 417], ứng với Dt = 500(mm) và áp suấttính toán Ptt = 0,14446(N/mm2) ta chọn bích có các thông số sau:

4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn:

Bích được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ

a Vị trí nhập liệu:

Suất lượng nhập liệu: GF = 1000 (Kg/h)

Khối lượng riêng của chất lỏng nhập liệu, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ở

tF = 86,5oC và x F =22,12%: ρF = 920,1 (Kg/m3)

Lưu lượng chất lỏng nhập liệu đi vào tháp:

F

F F

G Q

087,1.4

.3600

.4

Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích:

Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: gd = 933,662 (Kg/h)

Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức (xác định ở

+

−+

=

D

D D

h

t

y y

Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:

h

dρ

483,642.4

.3600

.4

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 0,100 (m)

Tài liệu tham khảo [4(tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích:

G Q

902,0.4

.3600

Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích:

lhl = 100 (mm)

Các thông số của bích ghép ống dẫn hoàn lưu:

db Z

d Ống dẫn hơi vào đáy tháp:

Suất lượng hơi vào đáy tháp: g’1 = 391,008 (Kg/h)

Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp được tính theo công thức (xác định ở

273.18.1

46

+

−+

=

W

W W

y y

Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:

hd 1

722,646.4

.3600

.4

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dhd = 0,100 (m)

Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích:

G Q