TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCMKHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÁO CÁO ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT THÁP MÂM XUYÊN LỖDÙNG ĐỂ CHƯNG CẤT DỊCH LÊN
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ sở lý thuyết của thiết bị chưng cất
Chưng cất là kỹ thuật tách biệt hỗn hợp các chất lỏng có nhiệt độ sôi khác nhau Khi đun nóng hỗn hợp, chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ bốc hơi trước, sau đó là chất lỏng có nhiệt độ sôi cao hơn Sự chênh lệch nhiệt độ sôi là yếu tố quyết định thứ tự bay hơi của các thành phần trong hỗn hợp.
1.1.2 Đặc điểm quá trình chưng cất
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm.
Hỗn hợp đem chưng cất gọi là dòng nhập liệuc chứa cấu tử dễ bay hơi và cấu tử khó bay hơi, thành phần của các cấu tử tùy thuộc vào đặc điểm của nguồn nguyên liệu.
Dòng sản phẩm thu được bằng cách bốc hơi và ngưng tụ gọi là dòng sản phẩm đỉnh chứa chủ yếu cấu tử dễ bay hơi và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi Dòng sản phẩm thu được ở đáy ở thiết bị gọi là dòng sản phẩm đáy chứa chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi.
Dòng hoàn lưu là dòng ngưng tụ ở đỉnh của thiết bị được cấp tuần hoàn trở lại thiết bị nhằm tăng hiệu suất của quá trình chưng cất Ngoài ra còn làm tăng độ tinh khiết của sản phẩm chứa chủ yếu cấu tử dễ bay hơi và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi.
1.1.3 Các biến đổi của nguyên liệu
Chủ yếu là sự thay đổi về pha diễn ra trong suốt quá trình chưng cất Sự thay đổi về thành phần hóa học trong hai pha lỏng và khí cũng diễn ra liên tục theo khuynh hướng sau: trong pha lỏng, càng lúc càng giàu các cấu tử khó bay hơi; trong pha khí, càng lúc càng giàu các cấu tử dễ bay hơi
1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng
Nguyên liệu: nồng độ các cấu tử trong hỗn hợp ban đầu là yếu tố cần quan tâm.
Sự chênh lệch nhiệt độ sôi giữa các cấu tử: sự chênh lệch nhiệt độ sôi của các cấu tử trong hỗn hợp càng lớn, quá trình chưng cất thực hiện càng dễ dàng
Các tính chất về nhiệt động của nguyên liệu: độ nhớt, nhiệt dung riêng, khả năng dẫn nhiệt, nhiệt hóa hơi đều có ảnh hưởng đến quá trình chưng cất.
Các thông số công nghệ như nhiệt độ, áp suất, …Thiết bị chưng cất
Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước của tháp: đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm Trong đồ án này, ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp 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 mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:
- 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 còn được gọi là tháp đệm, có hình dạng trụ gồm nhiều đoạn tháp nối với nhau bằng mặt bích hoặc hàn Quá trình nạp vật liệu chêm vào tháp có hai phương pháp chính: xếp ngẫu nhiên và xếp thứ tự.
Cơ sở lý thuyết của nguyên liệu
1.2.1 Nước Ở điều kiện thường nước (H2O) là một hợp chất vô cơ phân cực, là một chất lỏng không mùi, không vị và gần như không màu, nhưng một khối nươc dày ta sẽ thấy có màu xanh nhạt Nước là hợp chất chiếm phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và nước là thành phần vô cùng quan trọng cho cuộc sống Nước còn là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là dung môi cực kì quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
- Là chất lỏng, không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
- Là chất duy nhất mà chúng ta gặp trên trái đất trong điều kiện tự nhiên ở trạng thái rắn, lỏng, khí.
- Là một dung môi vạn năng, hòa tan được nhiều muối và các chất khác, hơn bất kì một chất nào khác.
Nước là một chất ăn mòn mạnh, có thể phá hủy hầu hết các kim loại và xói mòn cả những loại đá cứng nhất Tuy nhiên, khi đóng băng, thể tích nước sẽ tăng lên, khiến cho băng nhẹ hơn nước lỏng Do đó, băng sẽ nổi trên mặt nước.
• Khối lượng phân tử: 18g/mol
- Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học
Tác dụng với kim loại: tạo ra dung dịch bazơ và khí hidro:
Tác dụng với oxit bazơ: tạo dung dịch bazơ, làm quỳ tím chuyển sang mày xanh
CaO+2H 2 O→ Ca(OH) 2 Tác dụng với oxit axit: tạo axit tương ứng, làm quỳ tím chuyển sang đỏ.
Ethanol (còn được gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm) có công thức phân tử CH3-CH2-CH, có khối lượng phân tử 46 đvc Là chất lỏng, không màu, không độc, có mùi thơm nhẹ, dễ cháy và có vị cay đặc trưng Tan vô hạn trong nước, nhẹ hơn nước và dễ bay hơi.
• Một số thông số vật lý và nhiêt động của ethanol:
- Khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15 ℃. - Nhiệt độ 78,39 độ C.
Mang tính chất của một một rượu đơn chức nên tất cả các phản ứng hóa học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của ethanol.
Phản ứng thế H của -OH:
- Tác dụng với kim loại:
Phương trình: 2 C 2 H 5 OH+2Na →2C 2 H 5 ONa+H 2
- Phản ứng với Cu (OH ) 2: Phương trình: 2 C 3 H 5 (OH) 3 +Cu(OH) 2 →¿ Phản ứng thế nhóm -OH:
- Phản ứng với axit vô cơ:
Phương trình: C 2 H 5 OH+HBr → C 2 H 5 Br+H 2 O
- Phản ứng với axit hữu cơ (phản ứng este hóa):
Phương trình: CH 3 COOH+C 2 H 5 OH →CH 3 COOC 2 H 5 +H 2 O
- Phản ứng với ancol (phản ứng tạo ete) xúc tác H 2 SO 4 đậm đặc, 140℃:
Phương trình: C 2 H 5 OH +CH 2 H 5 OH H 2 SO 4 đđ → , 140 ℃ C 2 H 5 −O−CH 2 H 5 + H 2 O - Phản ứng tách nhóm -OH (xúc tác H 2 SO 4 đậm đặc, 170 ℃)
Phương trình: C 2 H 5 OH H 2 SO 4 đđ → , 170 ℃ CH 2 =CH 2 + H 2 O
Ngày nay, ethanol được sản xuất bằng quá trình lên men của nguyên liệu chứa hydratcacbon như lúa mì, lúa mạch, đường, ngô, sắn … Qúa trình sản xuất này có thể phân chia thành 2 giai đoạn Thứ nhất là công đoạn lên mêm nhằm sản xuất bio ethanol và công đoạn chưng cất, làm khan ethanol có nồng độ cao để pha trộn vào xăng Hiện nay, phương pháp sinh học này khá là phổ biến.
Trong công nghiệp, ethanol được điều chế bằng dây chuyền công nghệ hydrat hóa khí etylen bằng chất xúc tác acid.
Ethanol cũng có thể được điều chế thông qua con đường làm tinh khiết giữa ethanol và nước.
+ Dùng làm chất chống đông
+ Điều chế một số hợp chất hữu cơ như axit acetic, dietyl ete, etyl axetat,…
+ Làm dung môi, chất pha vacxin, dược phẩm, nước hoa,…
+ Dung môi pha chế xăng sinh học E5, E10 với tỷ lệ ethanol: xăng là 1:9
+ Ethanol được sử dụng phổ biến trong công nghiệp in, công nghiệp điện tử và dệt may, để lau các bo mạch, vi mạch
Trong công nghiệp thực phẩm:
Ethanol là thành phần của đồ uống có cồn như rượu, bia, đóng vai trò chuyển hóa năng lượng và cung cấp dưỡng chất cho cơ thể Khi tiêu thụ ở mức độ vừa phải, các thức uống này có tác dụng hỗ trợ hệ tiêu hóa.
+ Dùng làm nước ướp gia vị
+ Ethanol được dùng với tác dụng như một chất sát trùng, chống vi khuẩn, vi sinh vật, nấm,…
Là nguyên liệu để điều chế thuốc ngủ vì khả năng gây mê, buồn ngủ với người sử dụng
+ Ở nồng độ 70 – 90%, Ethanol được sử dụng làm dung dịch vệ sinh, tẩy rửa các dụng cụ y tế
1.2.2.3 Một số lưu ý khi sử dụng và bảo quản ethanol
- Ethanol phải được cất trong khu vực thông gió tốt, tránh xa ánh nắng mặt trời, các nguồn gay cháy và các nguồn nhiệt khác
- Ethanol và hỗn hợp của nó với nước chứa trên 50% Ethanol (cồn 50 độ trở lên) là các chất dễ gây cháy và dễ bắt lửa Do đó, hãy bảo quản Ethanol tránh xa các bình xịt, các nguyên tố dễ cháy, oxy hóa, chất ăn mòn và cách xa các sản phẩm dễ cháy khác mà các sản phẩm này không gây hại hay gây độc cho con người và môi trường.
1.2.3 Hỗn hợp Ethanol – nước t o C 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4 x(% phần mol)
Thành phần lỏng (x)- hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol - Nước ở 760mmHg
Chương II: THUYẾT MINH VỀ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ
Sơ đồ công nghệ
Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống chưng cất Ethanol – Nước.
Chú thích các kí hiệu trong sơ đồ:
1 Bồn chứa nguyên liệu 2 Bơm
5 Lưu lượng kế 6 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 7 Thiết bị gia nhiệt
8 Thiết bị ngưng tụ 9 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 10 Bồn chứa sản phẩm đáy
11 Nồi đun đáy tháp dạng Kettle 12 Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy 13 Bồn chứa sản phẩm đáy
14 Bẩy hơi 15 Phân phối lỏng 16 áp kế
Thuyết minh sơ đồ
Hỗn hợp Ethanol – Nước có nồng độ Ethanol 1.9% (theo phần mol) nhiệt độ khoảng 28 0 C tại bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (12) Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt (6), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống.
Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới cũng càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp các cấu tử Ethanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 7% phần mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ hoàn toàn Mottj phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (9), được làm nguội đến 37 0 C, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (10) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở mâm trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được 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 hầy hết là các cấu tử nhó bay hơi (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Ethanol là 0.3% phần mol, còn lại là nước.
Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đỉnh (11) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được làm nguội thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (12) Sau đó được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (13).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Ethanol, sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ 60 0 C được thải bỏ.
CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Cân bằng vật chất
Loại tháp: tháp mâm xuyên lỗ Thiết bị hoạt động liên tục.
Chưng cất hỗn hợp Ethanol- Nước với cấu tử nhẹ (dễ bay hơi) là Ethanol Ethanol: C 2 H 5 OH M= 46(g/mol)
Nước: H 2 O M= 18(g/mol) -Năng suất nhập liệu : G F = 1000 Kg/h - Dòng nhập liệu có thành phần ethanol là 6 độ cồn(%v/v) - Dòng sản phẩm đỉnh có thành phần ethanol là 20 độ cồn (%v/v) - Dòng sản phẩm đáy có thành phần ethanol là 1 độ cồn (%v/v) Các ký hiệu :
F : lượng nhập liệu ban đầu ( Kmol/h ) D : lượng sản phẩm đỉnh ( Kmol/h ) W : lượng sản phẩm đáy ( Kmol/h ) xF : nồng độ mol Etanol trong nhập liệu xD : nồng độ mol Etanol trong sản phẩm đỉnh xW : nồng độ mol Etanol trong sản phẩm đáy
1.1.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy
M tbF =0,019.46+(1−0,019).18,532(kg/mol) M tbD =0,07.46+(1−0,07).18,96(kg/mol) M tbW =0,003.46+(1−0,003).18,084(kg/kmol)
18,532S,96¿ Ta có phương trình cân bằng vật chất:
Xác định chỉ số hoàn lưu
Bảng thành phần lỏng (x)-hơi(y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol-nước ở 760mmHg
1.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp
Chỉ số hồi lưu tối thiểu:
Tính R min x F =0,019→ y F ¿ =0,062(xác địnhtừ đường cân bằng)
Chỉ số hồi lưu thích hợp:
-Phương trình làm việc của đoạn cất y= R R+1x+ x D
⇒y=0,844x+0,109 -Phương trình làm việc của đoạn chưng
Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế
Từ đồ thị trên ta có:
- Có 1 mâm chưng - Có 1 mâm cất - Có 1 mâm nhập liệu Vậy số mâm lý thuyết Nlt = 5
1.3.2 Xác định số mâm thực tế
Số mâm lý thuyết tính theo hiệu suất trung bình: Áp dụng công thức (IX.59), trang 170, tài liệu tham khảo [2]:
Trong đó: η tb : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp chất lỏng: η=( α , μ)
N ¿:Số mâm lý thuyết N tt : Số mâmthực tế
Xác định hiệu suất trung bình của tháp η tb : Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi: Áp dụng công thức (IX.61), trang 171, tài liệu tham khảo [2]: α = y ¿
Với: x: phần mol của rượu trong pha loãng. y*: phần mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng. Độ nhớt của hỗn hợp lỏng μ : tra theo nhiệt độ μ tb =η 1 +η 2 +η 3
3 η 1 , η 2 ,η 3 : lần lượt là hiệu suất ở mâm đỉnh, mâm đáy, mâm nhập liệu.
Từ giản đồ x-y, t-x,y: tìm nhiệt độ tại các vị trí và nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng:
Từ t D =¿ 88.9 o C μ ethanol =0.38610 -3 Ns/m 2 μ nước = 0.320 × 10 -3 Ns/m 2 log μ hh = x D log μ ethanol + (1 − x D ) log μ nước
= 0,07 × log(0.386 × 10 -3 ) + (1 − 0,07) log(0,320 × 10 -3 ) ⟹ μ hh = 0,324 × 10 -3 Ns/m 2 = 0.324 cP
Suy ra: α × μ=¿ 7.702 × 0.324 = 2,5 Tra tài liệu [2] hình IX.11 trang171, suy ra: ηD = 72,8%
Vị trí mâm nhập liệu: x F =¿0.019 y ¿ F =¿0.062 ´ y F = 0.145 t F =¿ 96.39 o C
Từ t F =¿ 96.39 o C μ ethanol =0.346×10 -3 Ns/m 2 μ nước = 0.295 × 10 -3 Ns/m 2 log μ hh = x F log μ ethanol + (1 − x F ) log μ nước
= 0,019 × log(0.346 × 10 -3 ) + (1 − 0,019) log(0,295 × 10 -3 ) ⟹ μ hh = 0,296 × 10 -3 Ns/m 2 = 0,296 cP
Suy ra: α × μ=¿ 3,413 × 0,296 = 1,01 Tra tài liệu [2] hình IX.11 trang171, suy ra: ηF = 90%
Từ t W =¿ 99.43 o C μ ethanol =0,32×10 -3 Ns/m 2 μ nước = 0.2856 × 10 -3 Ns/m 2 log μ hh = x W log μ ethanol + (1 − x W ) log μ nước
= 0,003 × log(0.32 × 10 -3 ) + (1 − 0,019) log(0,2856 × 10 -3 ) ⟹ μ hh = 0,326 × 10 -3 Ns/m 2 = 0,326 cP
Suy ra: α × μ=¿ 6,44 × 0,326 = 2,1 Tra tài liệu [2] hình IX.11 trang171, suy ra: ηW = 41%
Vậy hiệu suất trung bình của tháp: η tb =η 1 +η 2 +η 3
Số mâm thực tế là:
0.6793=7mâm(đã làmtròn)Vậy số mâm thực tế là 7 mâm,
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Cân bằng năng lượng các thiết bị truyền nhiệt
Phương trình cân bằng năng lượng
Trong đó: r là ẩn nhiệt ngưng tụ (J/kg)
C N 1 nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t 1 , t 2 : nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh Chọn nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh: t1 = 28 o C, t2 = 46 o C t tb = ( t 1+t 2 )
C N = C N 1= 4175.75 (J/kg.độ) Nồng độ nước trong pha hơi : y D = 0.376 t D = 88.9 o C ẩn nhiệt nhưng tụ ở nhiệt độ: t D = 88.9 o C ( tra bảng I.212[2])
r ethanol = 830.8 × 10 3 (J/kg) r nước = 2303 × 10 3 (J/kg) ´y D = 0.61 r D = r ethanol ×´y D + (1- ´ y D ) × r nước
= 1404958 (J/kg)Vậy lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết là:
4.3.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩn đỉnh
Phương trình cân bằng năng lượng
) = G N 2 ×C N 2 × ( t 2- t 1) (IX.167[3]) Chọn nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh: t 1 ' = t D = 88.9 0 C Chọn nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh: t 2 ' = 32 0 C
Chọn nhiệt độ vào và ra của sản phẩm đỉnh: t1 = 28 o C, t2 = 46 o C t tb = ( t 1+t 2 )
C N 2= 4175.75 (J/kg.độ) Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh t tb ' = (t 1
' +t 2 ' ) 2 = 88.9 2 +32 = 60.45 0 C Tra bảng I.153 và I.154 trang 172[2] ở t tb ' = 60.45 o C
C ethanol = 2975.75 (J/kg.độ) ´x D = 0.1624 C D = C ethanol ×x´ D + (1- ´ x D ) ×C nước
= 3980.5 (J/kg) Vậy lượng nước nguội cần dùng là:
4.3.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩn đáy
Phương trình cân bằng năng lượng
W´ ×C W × (t 1 ' - t 2 ' ) = G N 3 ×C N 3 × ( t 2- t 1) (IX.167[3]) Chọn nhiệt độ vào của sản phẩm đáy: t W = 99.43 0 C Chọn nhiệt độ ra của sản phẩm đáy: t W ' = 60 0 C Chọn nhiệt độ vào và ra của sản phẩm đáy: t1 = 28 o C, t2 = 64 o C t tb = ( t 1+t 2 )
C N 3= 4179.5 (J/kg.độ) Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đáy t tb ' = (t W −t W
' ) 2 = 99.43 2 +60 = 79.72 0 C Tra bảng I.153 và I.154 trang 172[2] ở t tb ' = 79.72 o C
C ethanol = 3216.5 (J/kg.độ) ´x w = 0.0079 C w = C ethanol ×x´ w + (1- ´ x w ) ×C nước
= 4184.26 (J/kg) Vậy lượng nước nguội cần dùng là:
TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH
Đường kính đoạn cất
2 (IX.91[3]) Trong đó: gđ : lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h) g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h) -Xác định gđ: gđ = D × (R + 1) = 257.3 × (0.542 + 1) = 396.76 (kg/h) -Xác định g1: từ hệ phương trình
Trong đó: G1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ I rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh Tính r1: t1 = tF = 96.39 0 C, Tra bảng I.212[2]
Ta có : r ethanol 1= 816.96 (kj/kg); r nước 1= 2268.11 (kj/kg)
Tính rđ: tD = 88.9 0 C, Tra bảng I.212[2]
Ta có : r ethanol đ = 829.48 (kj/kg); r nước đ = 2299.42 (kj/kg)
= 1402.76 (kj/kg) ´x 1 = ´ x F = 0.048 (phần khối lượng ethanol)
Giải hệ ta được { ´ y 1 =0.156 G 1 29 phần khốilượng kg / h g 1 '2.59kg/h
Chuyển phần khối lượng ethanol về phần mol ethanol: y 1 ´y 1 M ethanol ´y 1 M ethanol +(1− ´y 1 )
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: gtb = g đ +¿g 1
5.1.1.2 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 (IX.111[3])
Trong công thức xác định khối lượng riêng trung bình của pha hơi (ρytb), các yếu tố bao gồm tỷ lệ khối lượng của ethanol (ytb) và tỷ lệ khối lượng của nước (1 - ytb) Khối lượng mol của ethanol (Methanol) và nước cũng được đưa vào tính toán Sau khi xác định tỷ lệ khối lượng riêng, cần nhân với hệ số 273 để tìm ra khối lượng riêng trung bình của pha hơi (ρytb).
Với nồng độ phần mol trung bình: y tb = y 1 + y D
2 = 0.067 +0.376 2 = 0.2215 Nhiệt độ trung bình đoạn cất: t tb = t F + t D
Nồng độ phần mol trung bình: x tb = x D + x F
)×18 =0.107 t tb = 92,65 tra bảng trang 9[2] ta có: ρ ethanol = 722.98 (kg/m 3 ) ρ nước = 963.145 (kg/m 3 )
Khi có khối lượng riêng của 2 cấu tử, ta tính được khối lượng riêng hỗn hợp ở đỉnh tháp bằng công thức sau:
Vậy: ω gh = 0.05 × √ ρ ρ xtb ytb = 0.05 × √ 938.08 0.806 = 1.72 (m/s) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp là: ω C = 0.8 ×ω gh = 0.8 ×1.72 = 1.376 (m/s) Vậy:
Đường kính đoạn chưng
5.1.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp g tb ' = g n
Trong đó: g n ' : lượng hơi thứ đi ra khỏi đoạn chưng (kg/h) g 1 ' : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h) Xác định g n '
Xác định g 1 ' : Từ hệ phương trình (5.2)
Với G 1 ' : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng r 1 ' : ẩn nhiệt hóa hơi đi vào đĩa thứ I của đoạn cất Tính r 1 ' : r 1 ' = r ethanol ' 1 × y W + (1- y W ) ×r nước ' 1
(trang182[3]) Ta có: x w y w = 0.019 t 1 ' = t w = 99.43 o C Tra bảng
' = 2258.5 (kj/kg) Vậy r 1 ' = 824.65 × 0.05 + (1-0.05) × 2258.5 = 2168.8 (kj/kg) Tính r 1 r 1 = r ethanol 1 × ´y 1 + ( 1 - ´ y 1 ) × r nước 1
= 824.65 × 0.156 + (1-0.156) × 2258.5 = 2034.82 (kj/kg) Giải phương trình (5.2) x 1 ' = 0.0071 phần mol ethanol g 1 ' = 255.75 kg/h
G 1 ' = 998.45 kg/h Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng: g tb ' = g n
2 = 272.59+ 2 255.75 = 264.17 (kg/h) Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ω ' = 0.05 × √ ρ ρ xtb ' ' ytb (IX.111[2])
Với : ρ ' xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m 3 ) ρ ' ytb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m 3 ) Xác định ρ ' ytb : ρ ' ytb = [ y tb
Nồng độ phần mol trung bình: y tb ' = y 1 + y w
2 = 0.067 +0.019 2 = 0.043 Nồng độ trung bình đoạn chưng: t tb ' = t F + t w
Nồng độ phần mol trung bình: x tb '
46×0.01146×0.011+(1−0.011)×18 = 0.027 phần khối lượngTừ t tb = 97.91 tra bảng trang 9[2] ρ nước ' = 959.463 (kg/m 3 ); ρ ethanol ' = 717.99 (kg/m 3 );
Khi có được khối lượng riêng của 2 cấu tử, ta tính được khối lượng riêng hỗn hợp ở đáy tháp bằng công thức sau:
' ρ ethanol ' + ´ x nước ρ nước ' = 717.99 0.027 + 1−0.027 959.463 = 1.39 × 10 3 ρ ' xtb = 719.42 (kg/m 3 ) Suy ra ω gh ' = 0.05 × √ ρ ρ xtb ' ' ytb = 0.05 × √ 719.42 0.63 = 1.69 (m/s) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp là: ω L = 0.8 × ω gh '
= 0.8 × 1.69 = 1.352 (m/s) Vậy đường kính đoạn chưng
D Chưng = 0.018 × √ ρ ' ytb g × ω tb ' L = 0.018 × √ 0.63 264.17 × 1.352 = 0.335 (m) Kết luận: đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là:
Chiều cao tháp
Áp dụng công thức IX.54[2]:
H = N tt × ( H đ + δ mâm ) + (0.8÷1) (m) Trong đó: N tt : Số mâm thực tế : N tt = 7 mâm
H đ = 0.25 m = 250 mm : Khoảng cách giữa 2 mâm (Bảng IX.5 trang 170[2]) δ mâm = 0.003 m = 3 mm: chiều dày của mâm
0.8 ÷ 1: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp, chọn 0.8 m Suy ra: H = 7 × (0.25 + 0.003) + 0.8 = 2.571 (m )
Vậy chiều cao thân tháp chưng cất: H = 2.571 m Chọn chiều cao gờ: h gờ =¿25 (mm) = 0.025 (m).
Dựa vào D t = 0.4 m , tra bảng XIII.10 trang 382 [3]
h t = 100 (mm) = 0.1 (m) Chiều cao của đáy và nắp:
Trở lực tháp
Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:
Tiết diện tự do bằng 7% diện tích mâm. Đường kính lỗ: d lỗ = 3 mm = 0.003 (m) Chiều cao gờ chảy tràn: h gờ = 25 mm = 0.025(m) Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 15% diện tích mâm Lỗ bố trí theo hình lục giác đều
Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 10 mm Mâm được làm bằng thép không gỉ inox304 Số lỗ trên 1 mâm:
Gọi a là số lỗ trên mỗi cạnh của hình lục giác Áp dụng công thực (V.139) trang 48[2]
→ a = 21 lỗ Số lỗ trên đường chéo: b = 2a - 1 = 41 lỗ
5.3.2 Trở lực của đĩa khô Áp dụng công thức (IX.140) trang 194[3]
2 (N/m 2 ) Đối với đĩa có tiết diện tự do bằng 7% diện tích mâm thì ξ = 1.82
5.3.3 Trở lực do sức căng bề mặt
Vì mâm có đường kính lỗ > 1mm Nên áp dụng công thức (IX.142) trang 194, [3]
5.3.3.1 Phần cất ( luyện )Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần cất tF = 96.39 0 C
⇒ Sức căng bề mặt của Nước: σ N =0,5956(N/m) Tra bảng (I.242) trang 300, [2]:
⇒ Sức căng bề mặt của Ethanol: σ E =0,018(N/m) Áp dụng công thức (I.76) trang 299,[2]:
5.3.3.2 Phần chưng Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần cất t w = 99.43 0 C Tra bảng (I.249) trang 310, [2]:
⇒ Sức căng bề mặt của Nước: σ N =0,5896(N/m) Tra bảng (I.242) trang 300, [2]:
⇒ Sức căng bề mặt của Ethanol: σ E =0,0155(N/m) Áp dụng công thức (I.76) trang 299,[2]:
5.3.4 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra Áp dụng công thức trang 285[4]: ∆ P b = 1.3 × h b × k × ρ L ×gVới h b = h gờ + ∆ h 1
Trong đó: L gờ : chiều dài gờ chảy tràn (m) k= ρ b /ρ L : tỷ lệ giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng của chất lỏng, lấy gần bằng 0.5
L : suất lượng thể tích của pha lỏng (m 3 /s) Tính chiều dài gờ chảy tràng
Ta có: S quạt - S ∆ = S bán nguyệt
↔α – sin α = 0.2 × π Dùng phép lặp → α = 1.627 (Rad) = 93.32 0
Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần cất:
= 0.045 × 46 + ( 1 – 0.045 ) × 18 = 19.26 (kg/mol) Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần cất:
Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng:
= 0.011 × 46 + ( 1 – 0.011 ) × 18 = 18.308 (kg/mol) Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần chưng:
5.3.5 Tổng trở lực của tháp
Tổng trở lực của 1 mâm trong phần cất:
= 468.61 (N/m 2 ) Tổng trở lực của 1 mâm trong phần chưng:
5.3.5.1 Kiểm tra hoạt động của mâm
Kiểm tra lại khoảng cách mâm: h = 0.25m đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình thường của tháp. h > 1.8 × ρ ∆ P
Với các mâm trong phần chưng trở lực thủy lực qua một mâm lớn hơn trở lực thủy lực của mâm trong phần cất:
→ Điều kiện trên được thỏa mãn
5.3.5.2 Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động mâm
Từ công thức trang 288[4] ta có vận tốc tối thiểu qua lỗ của pha hơi V min đủ để cho các lỗ trên mâm hoạt động.
→ Các lỗ trên mâm đều hoạt động bình thường.
Tổng trở lực thủy lực của tháp:
= 2642.129 (N/m 2 ) Với N ttL : số mâm thực tế phần cất
N ttC : số mâm thực tế phần chưng
Tính toán cơ khí tháp
Bề dày thân tháp
Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn gấp mối 2 phía Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích. Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của thân tháp, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã Inox 304
6.1.1 Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán
Nhiệt độ tính toán: t = t max 0 0 C Áp suất tính toán Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên
P = P thủy tinh + ∆P Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp ρ L = ρ ¿ + ρ LC
2 = 836.81 (kg/m 3 ) Với ρ ¿= ρ xtb = 954.2 (kg/m 3 ) ρ LC = ρ ' xtb
Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường Vì môi trường có tính ăn mòn, thiết bị hoạt động trong 20 năm Chọn tốc độ ăn mòn của ethanol là 0.1 mm/năm → C a = 2 mm ứng suất cho phép tiêu chuẩn, vì vật liệu là Inox 304 →[σ] ¿ = 193×10 3 Hệ số hiệu chỉnh: vì thiết bị không có lớp cách nhiệt → η = 1 ứng suất cho phép: [ σ ] = [σ] ¿ × η = 193×10 3 (N 2 /mm) Chọn áp suất thiết bị : p = 2 (atm) = 0.20265 (N/mm 2 )
Hệ số bền hàn mối: vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện kiểu hàn giấp mối 1 phía:
Bề dày tối thiểu của thân
0.019 ∗0.942105.2>25 Do đó bề dày tính toán được tính theo công thức sau:
2×193×10 3 ×0.9=2.3×10 −4 (mm) Bề dày thực của thân: S=S ' +C(mm).
Trong đó hệ số C: hệ số bổ sung bề dày, C = Ca + Cb + Cc + Co
Các hệ số bổ sung trong dung sai kích thước bao gồm: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học Cb (chọn Cb = 0), hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo Cc (chọn Cc = 0) và hệ số bổ sung quy tròn Co (chọn Co = 0,5 mm).
S=S ' +C = 2.3×10 −4 + 2.5 = 2.5 (mm) Kiểm tra công thức tính toán với S = 2.5 ( mm )
400 =0.00125
