Tính toán hệ thống chưng cất tháp mâm chóp dùng Để chưng cất dịch lên men chứa hỗn hợp etanol nước

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

-☯

-BÁO CÁO ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM

TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CHƯNG CẤT THÁP MÂM CHÓP DÙNG ĐỂ CHƯNG CẤT DỊCH LÊN MEN CHỨA HỖN HỢP ETANOL-NƯỚC

GVHD: BÙI TẤN NGHĨASVTH:

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022

Lời cảm ơn

Trên thực tế, không có sự thành công nào mà không gắn liền với sự hỗ trợ dù ít haynhiều, dù gián tiếp hay trực tiếp của người khác nên đầu tiên, nhóm em vô cùng tri ân sựhướng dẫn tận tình và theo dõi sát sao đầy tinh thần trách nhiệm cùng lòng thương mếncủa thầy Bùi Tấn Nghĩa trong suốt quá trình mà chúng em thực hiện đồ án Kỹ thuật thựcphẩm

Nhóm em chân thành cảm ơn quý thầy/cô trong khoa Công nghệ thực phẩm, TrườngĐại Học Công nghiệp Thực phẩm TP Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức trongnhững năm em học tập Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ lànền tảng cho quá trình làm đồ án mà còn là hành trang quý báu để chúng em bước vào đờimột cách vững chắc và tự tin

Cuối cùng, em cũng hết lòng biết ơn sự quan tâm và ủng hộ của gia đình và bạn bè.Đó chính là nguồn động viên tinh thần rất lớn để tôi theo đuổi và hoàn thành đồ án này

Trong quá trình làm đồ án, chúng em đã hệ thống lại những kiến thức đã học để vậndụng vào tính toán thiết kế thiết bị, đồng thời nghiên cứu nhiều nguồn tài liệu tham khảo.Tuy nhiên, do kiến thức chuyên môn còn giới hạn, khả năng lý luận còn hạn chế cũng nhưchưa có nhiều kinh nghiệm thiết kế nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Chúngem kính mong nhận được sự góp ý của quý thầy/cô để hoàn thiện bài làm tốt hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Mục lục

Danh mục hình ảnh iii

Danh mục bảng biểu iv

Mở đầu 1

Chương 1: Tổng quan về nguyên liệu và công nghệ chưng cất 2

1.1 Giới thiệu nguyên liệu 2

1.3 Công nghệ chưng cất Etanol-Nước 7

1.4 Sơ đồ giải thuật 9

Chương 2: Cân bằng vật chất 10

2.1 Các thông số ban đầu 10

2.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 10

2.3 Xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp 11

2.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu 11

2.3.2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp

122.4 Phương trình đường làm việc – Số mâm lý thuyết 12

2.4.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất 12

2.4.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng 12

2.4.3 Số mâm lý thuyết 12

Chương 3: Tính toán – thiết kế tháp chưng cất 16

3.1 Đường kính tháp chưng cất 16

3.7.1 Mặt bích để nối thân và đáy (nắp) thiết bị 42

3.7.2 Mặt bích để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn 43

3.8 Tai treo chân đỡ 46

3.8.1 Tính sơ bộ khối lượng của tháp 46

3.8.2 Tính chân đỡ tháp 49

3.8.3 Tính tai treo tháp 50

Chương 4: Cân bằng năng lượng và tính toán thiết bị phụ 51

4.1 Cân bằng năng lượng 51

4.1.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 51

4.1.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi 51

4.1.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 52

4.1.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 52

4.1.5 Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp 53

4.2.4 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 73

4.2.5 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 77

4.3 Bơm 84

Phụ lục thông số thiết bị 90

Tài liệu tham khảo 91

Danh mục hình ảnh

Danh mục bảng biểu

Mở đầu

Trong bối cảnh xăng dầu tăng giá thì việc tìm nguồn nguyên liệu rẻ tiền để thay thếlà một việc làm cấp thiết Ở Việt Nam có thể áp dụng việc sản xuất Etanol thông qua quátrình lên men rơm rạ và nâng cao nồng độ bằng quá trình chưng cất Để góp thêm một giảipháp kỹ thuật, đồ án này sẽ tập trung vào việc tính toán và thiết kế tháp chưng cất sao chohiệu quả và kinh tế nhất

Đồ án Kỹ thuật thực phẩm là môn học mang tính tổng hợp kiến thức Môn học nàygiúp sinh viên nắm được cách thiết kế quy trình công nghệ, tính toán cân bằng vật chất,cân bằng năng lượng, tính toán tháp chưng cất và thiết bị phụ Đây là chặng cuối trongviệc đánh giá tính cách “kỹ sư” của sinh viên qua 3 khía cạnh: phân tích vấn đề, tìm giảipháp kỹ thuật và bảo vệ ý kiến của mình trước hội đồng phản biện

Nhiệm vụ của đồ án: Tính toán hệ thống chưng cất tháp mâm chóp cho dịch lên menchứa hỗn hợp Etanol – Nước với:

– Năng suất nhập liệu: GF=¿ 1500 kg/h– Dòng nhập liệu có thành phần Etanol là 7 độ cồn (%v/v)– Dòng sản phẩm đỉnh có thành phần Etanol là 35 độ cồn (%v/v)– Dòng sản phẩm đáy có thành phần Etanol là 1 độ cồn (%v/v)– Nồi đun ngoài tháp dạng Kettle

Chương 1: Tổng quan về nguyên liệu và công nghệ chưng cất1.1 Giới thiệu nguyên liệu

1.1.1 Nước

Nước là một hợp chất hóa học của hydro và oxy có công thức hóa học là H2O Nướclà chất quan trọng trong công nghiệp và đời sống, chiếm 70% diện tích của trái đất

Hình 1 1 Cấu tạo của nước

Trong điều kiện thường nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưngkhối nước dày sẽ có màu xanh nhạt

Khi hóa rắn có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau:– Khối lượng phân tử: 18 g/mol

– Khối lượng riêng:1g/mol– Nhiệt độ nóng chảy: 00C – Nhiệt độ sôi: 1000C

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) vàrất cần thiết cho sự sống

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất rất quan trọngtrong kỹ thuật hóa học

1.1.2 Etanol

Etanol được biết đến như là rượu etylic, alcohol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, là mộthợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của alcohol, dễ cháy không màu, là một trongcác rượu thông thường có thành phần của đồ uống chứa cồn

lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước

Hình 1 2 Cấu tạo phân tử Etanol

Ứng dụng: Etanol được dùng làm dung môi hoặc chất pha để pha vecni, dược phẩm,nước hoa Cồn Etanol dùng để pha chế xăng sinh học E5, E10, thường tỉ lệ xăng chiếmtrên 90% Etanol dùng trong công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may Cồn etanoldùng trong ngành điện tử, lau vi mạch bo mạch

1.1.3 Hỗn hợp Etanol-Nước

Ta có bảng lỏng (x)- hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol- Nước ở 760mmHg

Bảng 1 1 Cân bằng lỏng hơi hệ Etanol - Nước

x(%phần mol)

y(%phần mol)

244,2

53,1

57,6

61,4

65,4

69,9

75,3

81,8

89,8

100

t()℃)

100 90,5

86,5

83,2

81,7

80,8

4

678,4

78,4

1.2 Lý thuyết về chưng cất1.2.1 Khái niệm

Chưng cất (Distillation Process) là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗnhợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bayhơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Khi chưng cất ta sẽ thu được khá nhiều thànhphẩm và nó thường phụ thuộc vào cấu tử Xét hệ hai cấu tử thì ta thu được hai sản phẩm:

sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ) và sản phẩm đáy là cấu tửcó độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) Như vậy đối với hệ Etanol-Nước thì sản phẩm đỉnhchủ yếu gồm etanol và một ít nước còn sản phẩm đáy chủ yếu là nước và một ít etanol.

Bản chất của chưng cất chính là dựa vào nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bay hơi khác nhauđể tách các cấu tử bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ

Ứng dụng của chưng cất trong thực phẩm thường là:– Làm sạch các tạp chất như các chất keo, nhựa bẩn, … trong quá trình sản

xuất rượu hoặc chưng cất tinh dầu.– Thu hồi các sản phẩm từ quá trình như chưng cất rượu, chưng cất cồn và

chưng cất tinh dầu, … – Nâng cao chất lượng của sản phẩm vì qua quá trình chưng cất sẽ đem đến sản

phẩm có độ tinh khiết cao hơn

1.2.2 Phân loại các phương pháp chưng cất

● Áp suất làm việc gồm có áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Để lựachọn đúng áp suất làm việc thích hợp cần dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử,nếu nhiệt độ sôi cao thì giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của cáccấu tử

● Nguyên lý làm việc gồm có:+ Liên tục: được thực hiện liên tục, nghịch dòng và nhiều đoạn.+ Gián đoạn (chưng cất đơn giản): được sử dụng khi nhiệt độ sôi của các cấu tử

khác xa nhau, không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao, tách sơ bộ hỗnhợp nhiều cấu tử, tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

● Cấp nhiệt ở đáy tháp gồm các cấp nhiệt gián tiếp và cấp nhiệt trực tiếp

hỗn hợp nhập liệu thu được nước ở đáy tháp và cấu tử còn lại dễ bay hơi thìta có thể sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp

đặt ở đáy tháp để cung cấp nhiệt cho hệ thốngDựa vào các phương pháp làm việc trên, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục vàcấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun với áp suất thường cho hệ Etanol-Nước

1.2.3 Thiết bị chưng cất

Các thiết bị chưng cất trong sản xuất luôn có yêu cầu chung là diện tích bề mặt tiếpxúc pha lớn Điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia Kíchthước của tháp chưng cất phụ thuộc vào suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinhkhiết của sản phẩm

Các loại tháp chưng cất sử dụng trong công nghiệp:– Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ

– Tháp chưng cất dùng mâm chóp– Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật chêm )

❖ Tháp mâm chóp

Trên mâm có gắn chóp và ống chảy chuyền, ống chảy chuyền có thể có tiết diệnhình tròn, viên phân, một ống hay nhiều ống tùy suất lượng pha lỏng Chóp có thể hìnhtròn hay một dạng khác Ở chóp có rãnh xung quanh để pha khí đi qua Rãnh chóp cóthể có hình chữ nhật, tam giác hay hình tròn Theo nghiên cứu thì hình dáng của rãnhkhông ảnh hưởng nhiều đến quá trình truyền khối

Hình 1 3 Mâm chóp

Nguyên lý hoạt động: Chất lỏng chảy từ trên xuống, từ mâm trên xuống mâm dưới nhờ ống chảy chuyền.Khí đi từ dưới lên qua ống khí rồi xuyên qua các rãnh chóp để sục vào lớp chất lỏngtrên mâm Hiệu quả của quá trình sục khí vào lỏng phụ thuộc rất nhiều vào vận tốckhí và chiều cao lớp chất lỏng trên mâm Nếu vận tốc khí nhỏ thì phạm vi sục khínhỏ hoặc không sục vào lỏng được nhưng nếu vận tốc khí quá lớn thì quá trình sục khícũng không tốt vì lúc đó có thể xảy ra hiện tượng hoặc là chất lỏng bị lôi cuốntheo dòng khí hoặc là chất lỏng bị dạt ra một vùng

❖ Tháp mâm xuyên lỗ

Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ 3 ÷ 12mm, tổng tiết diện cáclỗ trên mâm chiếm từ 8 ÷ 15% tiết diện tháp Các lỗ được bố trí trên các đỉnh tam giác

4/10 ÷ 8/10 đường kính lỗ nếu làm bằng thép không rỉ, nếu làm bằng thép carbonhay hợp kim đồng thì bề dầy hơi lớn hơn tỉ lệ trên Mâm phải thật ngang bằng khi lắp vàotháp Đối với những tháp có đường kính quá lớn (>2.4 m), ít dùng mâm xuyên lỗ vìkhi đó chất lỏng phân phối không đều trên mâm

Hình 1 4 Mâm xuyên lỗ

Nguyên lý hoạt động:Trong tháp mâm xuyên lỗ pha khí đi từ dưới lên qua các lỗ trên mâm và phân tánvào lớp chất lỏng chuyển động từ trên xuống theo các ống chảy chuyền Ống chảychuyền ở đây cũng được bố trí như tháp mâm chóp

❖ Tháp chêm

Tháp chêm là một tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hayhàn Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiênhay xếp thứ tự

Bảng 1 2 Nhận xét về ưu-khuyết điểm của từng loại tháp

-Ít tốn kim loại hơn tháp chóp

-Hiệu suất truyền khối cao

-Ổn định , ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số mâm ít hơn

-Cấu tạo đơn giản-Trở lực thấp

-Yêu cầu lắp đặt cao: mâm lắp phải rất phẳng , đối với những tháp có

-Trở lực lớn-Tiêu tốn nhiều vật tư, chế tạo phức tạp

-Hiệu suất truyền khối thấp

-Kém ổn định do

Nhược điểm đường kính quá lớn (>2.4m) ít

dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối không đều trên mâm

sự phân bố các phatheo tiết diện tháp không đều

-Sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cất theo không gian tháp trong khiđó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâm mộtcách rõ ràng -Khó chế tạo được kích thước lớn ở qui mô công nghiệp

1.3 Công nghệ chưng cất Etanol-Nước

quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất.Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đềucó khả năng bay hơi và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấpthụ do phải đưa vào một cấu tử mới để tách sẽ làm cho quá trình phức tạp hơn hay quátrình tách không được hoàn toàn

❖ Thuyết mình quy trình công nghệHỗn hợp Etanol-Nước có năng suất 1500kg/h tại bồn chứa nguyên liệu được bơmqua thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu để đun sôi dòng nhập liệu đến nhiệt độ cần thiết, sauđó chuyển tới tháp chưng cất tại vị trí mâm nhập liệu Trong tháp, chất lỏng chảy từ trênxuống gặp hơi từ dưới đi lên (2 pha tiếp xúc với nhau) Nhiệt độ càng xuống dưới càngtăng lên dẫn đến nồng độ cấu tử dễ bay hơi của pha lỏng chuyển động trong phần chưnggiảm Ngược lại, càng lên cao nhiệt độ càng thấp nên khi hơi từ dưới lên đi qua các đĩa thì

cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn là etanol sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng ở đỉnh tháp ta thu đượchỗn hợp có thành phần etanol và một ít nước.

Tiếp theo hơi được dẫn qua thiết bị ngưng tụ Một phần chất lỏng ngưng tụ được dẫn

bồn chứa sản phẩm đỉnh, phần còn lại của chất lỏng hoàn lưu về tháp chưng cất ở đĩa trêncùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu

Ở đáy tháp, ta thu được hỗn hợp lỏng chứa hầu hết là cấu tử nước khó bay hơi Sảnphẩm sau khi đưa ra khỏi tháp được chuyển tới nồi đun Trong nồi đun, dung dịch lỏngmột phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho đáy tháp để tiếp tục quá trình chưng cất, phần còn

đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy

1.4 Sơ đồ giải thuật

Tính cân bằng vật chất

Tính tỉ số hoàn lưu

Tính số mâm lý thuyết

Tính số mâm thực tếTính đường kính

tháp

Tính toán chóp

Tính ống chảy chuyềnTính trở lực toàn

tháp

Tính bề dày tháp

Tính đáy và nắp tháp

Tính các ống dẫn

Tính tai treo và chân đỡ Tính cân bằng năng lượng

Tính toán thiết bị phụ1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh3 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

5 Nồi đun6 Bơm

Chương 2: Cân bằng vật chất2.1 Các thông số ban đầu

Năng suất nhập liệu: GF = 1500kg/hNồng độ nhập liệu: dF = 7 độ cồn (theo thể tích)Nồng độ sản phẩm đỉnh: dD = 35 độ cồn (theo thể tích)Nồng độ sản phẩm đáy: dW = 1 độ cồn (theo thể tích)Các ký hiệu:

GF, F: Suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/hGD, D: Suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

2.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

Tra bảng Properties of aqueous ethanol solutions

1−xF

Mnước

=

0,053460,053

46 +1−0,053

18=0,021(phần mol Etanol)

xD=

xDMetanolxDMetanol+

1−xD

Mnước

=

0,295460,295

46 +1−0,295

18=0,141(phần mol Etanol)

xwMetanolxwMetanol+

1−xw

Mnước

=

0,008460,008

46 +1−0,008

18=0,003(phần mol Etanol)

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

Cân bằng cấu tử etanol: F xF = D xD + W xw (2)Với phần mol nhập liệu: xF=¿0,021 (phần mol etanol)Khối lượng phân tử trung bình của dòng nhập liệu:MF = ME×xF + MN×(1- xF) = 46× 0,021 + 18× (1-0,021) = 18,59 (kg/kmol)

Với phần mol sản phẩm đỉnh: xD=¿0,141 (phần mol etanol)Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh:

⟹ {D=10,52(kmol /h)W=70,17 (kmol /h)

2.3 Xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp2.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu

Dựa vào đồ thị cân bằng lỏng hơi xác định nồng độ

2.4.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

([3], trang 158, công thức IX.22)L = xxD−xW

F−xW = 0,141−0,0030,021−0,003 = 7,67

L−1R +1xw=¿ 0,3689+7,67

0,3689+1 x – 0,3689+17,67−1 × 0,003= 5,873x – 0,015

2.4.3 Số mâm lý thuyết

Hình 2 1 Số mâm lý thuyết hệ Etanol-Nước

Từ trên đồ thị ta xác định được có 6 mâm lý thuyết gồm 5 mâm chưng và 1 mâm luyện

❖ Xác định số mâm thực tế

Xác định số mâm thực tế theo hiệu suất trung bình (Công thức IX.59, trang 170 tài liệu [3])

Ntt=N¿ηtb

1− y¿F×1−xF

0,1351−0,135×

1−0,0210,021 =7,28

Với tF=96,01℃ tra bảng độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ I.101, trang 92 tài liệu [2],

ta có:

μnước=0,310 cP

μEtanol=0,350 cP

Tính độ nhớt hỗn hợp theo công thức I.12, trang 84 tài liệu [3]

logμhh=xF× log log(μEtanol)+(1− xF)× log log(μnước)

= 0,021 × log log(0,310 )+(1−0,021)× log ⁡(0,350)

= -0,46 ⟹ μhh=0,35 cP

Hiệu suất trung bình của mâm (ηF)

αD= yD

1− y¿D×1−xD

0,4651−0,465×

1−0,1410,141 =5,30

Với tD=85,27℃tra bảng độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ I.101, trang 92 tài liệu [2], ta

có:

μnước=0,327 cP

μEtanol=0,415 cP

Tính độ nhớt hỗn hợp theo công thức I.12, trang 84 tài liệu [3]

logμhh=xD× log log(μEtanol)+(1−xD)× log log(μnước)

= 0,021 × log log(0,415)+(1−0,021)× log ⁡(0,327)

= -0,48 ⟹ μhh=0,33 cP

Hiệu suất trung bình của mâm (ηD)

αD× μhh=5,30 ×0,33=1,75

Tra đồ thị IX.11, trang 171 tài liệu [3] ⟹ ηD=0,45

● Xét vị trí mâm chưng

xw=0,003⟹ yw¿=0,019, tw=99,43℃αw= yw¿

1− yw¿ ×1−xw

0,0191−0,019×

1−0,0030,003 =6,44

Với tw=99,43℃ tra bảng độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ I.101, trang 92 tài liệu [2], tacó:

μnước=0,298 cP

μEtanol=0,336 cP

Tính độ nhớt hỗn hợp theo công thức I.12, trang 84 tài liệu [3]

logμhh=xw× log log(μEtanol)+(1−xw)×log log(μnước)

= 0,003 × log log(0,336 )+(1−0,003) × log ⁡(0,298)

= -0,53 ⟹ μhh=0,30 cP

Hiệu suất trung bình của mâm (ηw)

αw× μhh=6,44 × 0,30=1,93

Tra đồ thị IX.11, trang 171 tài liệu [3] ⟹ ηw=0,41

Hiệu suất trung bình của tháp (IX.60, trang 171 tài liệu [3])

Chương 3: Tính toán – thiết kế tháp chưng cất3.1 Đường kính tháp chưng cất

Công thức IX.89-90, trang 181 tài liệu [3]

Dt= 4 ×Vtb

r × 360× Wtb

=0,0188 ×√❑

Trong đó:

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

Wtb: tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (m/h)

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

(ρy× wy)tb: tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/m2s)

3.1.1 Đường kính đoạn cấtm3.1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất

Công thức IX.91, trang 181 tài liệu [3]

gtb=gd+g1

Trong đó:

gd: 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)Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh:MD = Metanol×xD + Mnước×(1- xD) = 46× 0,141 + 18× (1-0,141) = 21,95 (kg/kmol)Năng suất dòng sản phẩm đỉnh

GD=D × MD = 10,52 × 21,95 = 230,914 (kg/h)Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp (Công thức IX.92, trang 181 tài liệu [3])

gd=GD× ( R+1)=230,914 ×(0,3689+1) = 316,09 (kg/h) = 14,40 (kmol/h)Tính g1:

(Công thức IX.93-94-95, trang 181 tài liệu [3])

{g1=G1+GDg1y1=G1x1+GDxDg1r1=gdrd (1)

Trong đó:

G1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất (kmol/h)

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất (KJ/kmol)

rd: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp (KJ/kmol)❖ Tính r1

Ta có: t1 = tF = 96,01℃ tra bảng I.212, trang 254 tài liệu [2]Ẩn nhiệt hóa hơi của etanol: rethanol = 199,00 kcal/kg = 38325,97 KJ/Kmol

Vậy r1=rethanol× y1+(1− y1)×rnước

= 38325,97× y1 +(1− y1)× 40838,88 = 40838,88– 2512,91× y1 (KJ/kmol)

❖ Tính rd

Ta có: tD = 85,27℃ tra bảng I.212, trang 254 tài liệu [2]Ẩn nhiệt hóa hơi của etanol: rethanol = 204,40 kcal/kg = 39365,97 KJ/Kmol

Vậy rd=rethanol× yD+(1− yD)× rnước

= 39365,97 × 0,475 +(1−0,475)× 41332,508 = 40398,402 (KJ/kmol)

Thay r1và rd vào phương trình (1), ta được:

{g1=G1+230,914 g1y1=0,021G1+0,141× 230,914 g1(40838,88 – 2512,91× y1)=316,09 × 40398,402

⇔{G1=83,88(kg/h)=3,82(kmol/h)g1=314,794 (kg /h)=14,24(kmol /h) y1=0,109(mol etanol/mol hh)

r1=40838,88 – 2512,91 × y1

= 40838,88– 2512,91× 0,109

= 40564,09 (KJ /kmol )gtb=gd+g1

2 = 14,40+14,242 =¿14,37 (kmol/h) = 315,42 kg/h

3.1.1.2 Tốc độ trung bình đi trong tháp ở đoạn cất

Công thức IX.105, trang 184 tài liệu [3]

Nhiệt độ trung bình đoạn cất

ttb=t1+tD

2 =96,01+85,27

Phần khối lượng trung bình của cấu tử etanol trong pha lỏng đoạn cất

xtb etanol= Metanol× xtb

Metanol× xtb+(1−xtb)× Mnước

¿ 46 ×0,081

46 ×0,081+(1−0,081)×18=0,184

Với ttb=90,64℃ tra bảng I.2, trang 9 [2], ta có khối lượng riêng trung bình của 2 cấu

tử trong pha lỏng ở đoạn cất:

+1−xtb etanol

ρnước

= 0,184725,18+

1−0,184964,65

Với ttb=90,64℃ tra bảng I.242, trang 301 [2], ta có sức căng bề mặt của 2 cấu tử

trong pha lỏng ở đoạn cất:

σetanol=16,05 ×103N /m=16,05 dyn /cmσnước=60,4 ×103N /m=60,4 dyn/cm

⇒ σhh=12,68 dyn/cm<20 dyn /cm

⇒ φ[σ]=0,8 (tài liệu [3], điều kiện trang 184)Chọn Hđ=0,35 m (Điều kiện trang 184, tài liệu [3])Từ phương trình ta có:

(ρ¿¿y ωy)tb=0,065 × 0,8×√❑¿ = 0,867 (kg /m2s¿

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình trong tháp khoảng 80%

g1': lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h)Ta có: g1=314,794 (kg /h)=14,24(kmol /h)

❖ Tính g1' :

Công thức IX.98-99-100, trang 182 tài liệu [3] {G1'=g1'+GwG1'x1'=g1'yw¿+Gwxwg1'r1'=g1r1

Trong đó:

G1': lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng (kmol/h)

r1' : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng (KJ/kmol)❖ Tính r1'

Ta có: t1'=tw=99,43℃tra bảng I.251, trang 314 và 256 tài liệu [5], ta được:– Ẩn nhiệt hóa hơi của etanol: reatnol = 197,30 kcal/kg = 37998,56 KJ/Kmol

Ta có: y1'

=y¿w=0,013

Vậy r1'=reatnol× y1'+(1− y1')×rnước

= 37998,56 × 0,013+(1−0,013)× 40658,015 = 40623,44 (KJ/kmol)

Ta có: r1=40564,09(KJ /kmol )

Khối lượng mol trung bình của đáyMw = ME×xw + MN×(1- xw) = 46× 0,003+ 18× (1-0,003 ) = 18,08 (kg/kmol)Năng suất dòng sản phẩm đáy

Gw=W × Mw = 70,17 × 18,08 = 1268,67 (kg/h)Thay vào phương trình, ta được:

3.1.2.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng

Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp xác định theo công thức IX.105, trang 184 tài liệu [3]

Nhiệt độ trung bình đoạn cất

ttb'

=t1'+tw

2 =96,01+99,43

Phần khối lượng trung bình của cấu tử etanol trong pha lỏng đoạn chưng

1−0,03960,80

=97,72℃ tra bảng I.242, trang 301 [2], ta có sức căng bề mặt của 2 cấu tử trong pha lỏng ở đoạn chưng:

σetanol=16,452 ×103N /m=16,452 dyn/cmσnước=59,225× 103N /m=59,225 dyn/cm⇒ σhh=12,875 dyn/cm<20 dyn /cm

⇒ φ[σ]=0,8 (tài liệu [3], điều kiện trang184)Chọn Hđ=0,35 m (Điều kiện trang 184, tài liệu [3])

Từ phương trình ta có:

(ρ¿¿y ωy)tb=0,065 × 0,8×√❑¿ = 0,764 (kg /m2s¿

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình trong tháp khoảng 80%

Tra bảng trang 184 tài liệu [3]

3.3 Tính mâm chóp3.3.1 Tính chóp

Đường kính ống hơi thường được chọn 50,75,125,150

Chọn số chóp phân bố trên đĩa là n = 6 chóp

Dt: Đường kính trong của tháp (m)Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi (công thức IX.213, trang 236 tài liệu [3])

Trong đó: vy= gtb+gtb'

ρytb+ρ'ytb=315,42+ 285,90

0,877+0,648 =394,308 m

3/h

⇒ωy= 4 × vy

3600 ×n × d2h× π=

4 ×394,3083600 ×6 ×0,052× π=9,3m/ s

ρx: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong tháp

4 ×b)=π

4×(74− 50

2

4 ×20)=33,6 kheChọn số lượng khe hở ở mỗi chóp i = 34 kheChiều rộng khe chóp:

hs=7,55 ×( ρy

ρx−ρy)

13

Ss: Tổng diện tích các lỗ chóp trên mỗi mâm, m2

Ss=n ×i× Skhe=n ×i × a× b=6 ×34 × 0,002× 0,02

= 0,0082 m2

vy=394,308 m3

/h=0,101 m3

/s⇒hs=7,55 ×( 0,7625

930,293−0,7625)

1

23×(0,00820,101 )23=27,8 mm

Kiểm tra hiệu quả sử dụng chópTa có: hhs

so

=27,820 =1,4

2

Chiều cao chóp: hchóp=hhơi+h2

Chọn chiều cao ống hơi: hhơi=70 mm

hchóp=hhơi+h2=70+12,5=82,5 mm=0,085 m

Bước tối thiểu của chóp trên mâm ([3] trang 237 công thức IX.220)

Đường kính ống chảy chuyền (công thức IX.217, trang 263 tài liệu [3])

dc=√❑

Trong đó:z: Số ống chảy chuyền Chọn z = 1

ωc: Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền

ωc=0,1 ÷ 0,2m/s Chọn ωc=0,2 m/s

⇒dc=√❑

= 0,040 (m) = 40 (mm)Khoảng cách từ mâm đến ống chảy chuyền (Công thức IX.218, trang 237 tài liệu [3])

Trong đó:

δc: Bề dày ống chảy chuyền δc=2 ÷ 4 mm Chọn δc=3 mm

l1: Khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền Chọn l1=75 mm

⇒t1=dc

2+δc+dchóp

2 +δchóp+l1=40

2 +3+74

2 +2+75¿137 mm

Lưu lượng thể tích trung bình đi trong tháp

QL=vx=Gx

ρx=

833,467930,293=0,9 m

3/h

Chiều cao mực chất lỏng bên trong ống chảy chuyền

Chiều cao mực chất lỏng trung bình trên mâm

Tiết diện hình vành khăn

S1=Saj=π ×[dchóp2 −(dh+2 ×δc)2]

4

S2=Saj=π ×[0,0742−(0,05+ 2× 0,002)2]

4¿2,010 ×10−3m2

π × 0,42

4 =0,126 m

2

Cứ 1 m2 chọn 5 cm2 lỗ tháo lỏngTổng diện tích lỗ tháo lỏng trên một mâm

Sltl=5 × Ftháp=5 ×0,126=0,63 cm2

Chọn đường kính lỗ tháo lỏng là dltl=5 mm=0,5 cm

Số lỗ tháo lỏng cần thiết trên một mâm

nltl= Sltlπ ×(dltl

2 )

π ×(0,5

2 )2=3,209(lỗ)

n: Số hàng chóp trên mỗi mâm

∆': Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm

Cg: Hệ số hiệu chỉnh cho suất lượng pha khí

❖Tính ∆'

x=1,34 ×vx

Bm=1,34 ×

0,90,336=3,59

Số hàng chóp trên mỗi mâm n = 3Ta có: x=3,59 ;hm=67,5 (mm) ;hsc=12,5(mm)

2

Trong đó:

Sr: Tổng diện tích ống hơi của mỗi mâm (m2)

K: Hệ số cho trên đồ thị hình 5.16, trang 115 tài liệu [1]Trong đó tỉ số Saj/Srj giữa diện tích vành khăn và diện tích ống hơi của chóp

SajSrj=

2,010 ×10−31,963 ×10−3=1,024

Tra đồ thị ([1], trang 115, hình 5.16), ta được K=0,615

Tổng diện tích ống hơi của mỗi mâm

Chiều cao lớp chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền ([1], trang 115, công thức 5.9)

hd=hw+how+∆+ht+hd'(mm chất lỏng)

Trong đó:

Theo [1] trang 115 công thức 5.10 thì

Chiều cao hd được dùng để kiểm tra khoảng cách mâm Để đảm bảo điều kiện tháp không bị ngập lụt khi hoạt động ([1], trang 115, công thức 5.11), ta có:

([3], trang 192, công thức IX.136)Tổng trở lực qua một đĩa: ∆ Pđ=∆ Pk+∆ Ps+∆ Pt

Trở lực đĩa khô ∆ Pk ([3], trang 192, công thức IX.137)

∆ Pk=ξ ρytb×ωo2

2

Trong đó

ξ: Hệ số trở lực ξ=4,5 ÷5. Chọn ξ=5ωo: Tốc độ hơi qua rãnh chóp ωo=vycất

Ssvy cất: Lưu lượng pha hơi trung bình đi trong đoạn cất

vy cất= gtbρytb=

315,420,877 =359,658(m

3/h)=0,099(m3/s)

⇒ωo=vy cất

Ss =

0,0990,0082=12,073(m/s)