đồ án chưng cất etanol

Chưng cất là quá trình tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí thành những cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng trong hỗn hợp.. Có nhiều phương pháp chư

MỞ ĐẦU

Trong nhiều ngành sản xuất hoá học cũng như sử dụng, nguyên liệu cần có độ tinh khiết cao Để có được sản phẩm có độ tinh khiết cao, ta cần tách chúng từ hỗn hợp nguyên liệu, thường hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí

Các phương pháp phổ biến để tách riêng hỗn hợp cũng như nâng cao nồng độ gồm: chưng cất , trích ly ,cô đặc ,hấp thu …

Tuỳ theo đặc tính của hỗn hợp cũng như yêu cầu của ssản phẩm mà ta chọn phương pháp tách phù hợp

.Đối với hệ etanol-nước để tách cồn và nước , nâng cao nồng độ cồn ta dùng phương pháp chưng cất.

Chưng cất là quá trình tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí thành những cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng trong hỗn hợp.

Có nhiều phương pháp chưng cất khác nhau:

• Chưng cất đơn giản

• Chưng bằng hơi nước trực tiếp

• Chưng gián đoạn … Thiết bị chưng cất có nhiều loại:

• Tháp mâm chóp

• Tháp đệm

• Tháp mâm xuyên lỗ Qúa trinh chưng cất được ứng dụng rộng rãi và có ý nghĩa quan trọng trong kĩ thuật hóa học Tuỳ theo tính chất của hệ cấu tử đem chưng cất, độ tinh khiết của sản phẩm, hiệu suất chưng cất, … mà ta chọn phương pháp và thiết kế tháp

cho phù hợp Vì vậy việc thiết kế tháp chưng cất cho phù hợp với yêu cầu sản xuất, đáp ứng yêu cầu kĩ thuật và quan tâm đến tính kinh tế là vấn đề quan trọng

Đồ án môn học này thiết kế tháp chưng cất cồn thô với năng xuất theo nguyên liệu đầu vào 5000 kg/h Nồng độ dung dịch đầu 35% (khối lượng), sản phẩm đỉnh có độ thu hồi 99.5% Tháp chưng loại mâm chóp tròn , đun bằng cách sục hơi nước trực tiếp, đáy chủ yếu là nước Áp suất hơi đốt :2.5 at

Tập đồ án môn học này gồm 7 phần :

Phần 1: giới thiệu sơ lược về etanol

Phần 2: Thuyết minh quy trình

Phần 3: Cân bằng vật chất

Phần 4: Tính kích thước tháp

Phần 5: Tính cơ khí

Phần 6: Tính cân bằng năng lượng

Phần 7: Tính các thiết bị phụ

Kết luận Tài liệu tham khảo

PHẦN 1: SƠ LƯỢC VỀ ETANOL (hỏi thằng Trí thêm)

1 Tính chất vật lý cơ bản của Etanol:

Hệ số bay hơi K của etylic

% khối lượng

rượu Hệ số bay hơi % khối lượng rượu Hệ số bay hơi

0.9 0.7 0.5 0.3 0.1

10.6 11.1 11.3 11.2 11.0

Quan hệ giữa nồng độ rượu và nhiệt độ sôi

% khối lượng Nhiệt

độ sôi

oC 99.8 99.3 98.75 91.3 89.0 87 85.7 84.7 83.1 81.9 80.96 80.2 79.5 78.5

% phân tử Thể

0.51 2.48 4.51 29.92 36.98 42.09 46.08 49.16 53.46 56.71 60.29 64.21 70.09 80.42 Khối lượng riêng và thể tích riêng của hỗn hợp etilic-nước ở áp suất P= 1 & 1.1 at

% khối

lượng

trong

Nhiệt độ sôi,

oC

Khối lượng 1

m3 ở

Thể tích của 1

Nhiệt độ sôi,

oC

Khối lượng

1 m3 ở

Thể tích của

1 Kg ,

0.638 0.670 0.693 0.768 0.95 1.247 1.75

1.567 1.492 1.443 1.302 1.052 0.802 0.571

100.0 95.0 91.5 85.8 81.9 79.7 78.2

0.589 0.620 0.643 0.722 0.887 1.145 1.592

1.697 1.513 1.555 1.385 1.127 0.812 0.622

2 Các nguồn điều chế Etanol :

a Hidrat hóa anken: Đun nóng anken với nước

CH2 =CH2 + H-OH  CH3-CH2-OH Phương pháp này được dùng phổ biến trong sản xuất công nghiệp

b Thuỷ phân dẫn xuất halogen trong dung dich kiềm

C2H5-Br + NaOH  C2H5-OH + NaBr Phương pháp này chỉ dùg trong phòng thí nghiệm

3 Ứng dụng của Etanol:

- Là nghuyên liệu để sản xuất cao su tổng hợp

- Rượu etylic dùng để điều chế một số hợp chất hữu cơ như acid acetic, dietyl ete, etylacetat…

- Do có khả năng hoà tan tốt một số chất hữu cơ nên rượu etylic dùng để pha vecni, dược phẩm , nước hoa…

- Khi cháy toả nhiều nhiệt nên rượu etylic còn được dùng làm nhiên liệu

PHẦN 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Chưng cất được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học và có khả năng tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hoàn toàn Hỗn hợp cần chưng cất là etanol-nước.

Để cho qúa trình chưng cất được liên tục cần cho hỗn hợp đi vào phân li tiếp xúc trực tiếp với luồng hơi có nộng độ cấu tử khó bay hơi lớn hơn so với dung dịch Do đó trong hệ thống thiết bị để chưng cất liên tục, tháp gồm hai phần đoạn chưng và đoạn luyện.

Ơû đoạn chưng của tháp xảy ra: cấu tử dễ bay hơi được tách ra khỏi chất lỏng chảy ở trên xuống, còn ở đoạn cất thì hơi đi lên càng giàu cấu tử dễ bay hơi.

Hệ thống thiết bị chưng cất (xem sơ đồ) :

Hỗn hợp etanol-nước có nồng độ 35%(khối lượng) etanol tại bình chứa 3 có nhiệt độ 25 0C được bơm vào thiết bị gia nhiệt 2 Ở đó hỗn hợp được làm nóng lên đến nhiệt độ sôi của nhập liệu (tF =83.8oC), sau đó được đưa vào tháp chưng cất Từ thiết bị gia nhiệt, hỗn hợp đi vào tháp chưng cất 1, ở đĩa nhập liệu (đĩa trên cùng của đoạn chưng) Tại đây qúa trình chưng cất xảy ra

Trên đĩa nhập liệu , chất lỏng được trộn lẫn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống Hơi từ đĩa dưới đi vào các ống hơi của các chóp, vào trục qua lớp chất lỏng, một phần chóp ngập vào chất lỏng , chóp có răng cưa , hơi đi qua đó, tạo thành những tia rất nhỏ để làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa hơi và lỏng Vì nhiệt độ càng lên trên càng thấp nên phần dưới là cấu tử có nhiệt độ bay hơi cao Trên đỉnh, ta thu được hỗn hợp hơi gồm etanol chiếm tỉ lệ cao Hơi đó đi vào thiết bị ngưng tụ 5 và được ngưng tụ hoàn toàn, thiết bị ngưng tụ với chất làm lạnh là nước, nhiệt độ vào là 25 oC , nhiệt độ ra là 45oC

Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm 4, phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với chỉ số hồi lưu R= 2.5

Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn , một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp : etanol được bốc hơi ra do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng và cuối cùng ở đáy thápthu được hỗn hợp lỏng hầu hết là nước Dung dịch lỏng ở đáy tháp ra khỏi tháp một phần dược đưa vào thiết bị nồi hơi để đung bốc hơi cung cấp cho tháp, một phần qua thết bị làm nguội sau đó đưa vào bình chứa.

Hệ thống làm việc liên tục cho etanol ở đỉnh tháp

PHẦN 1: TÍNH TOÁN THÁP

Cân bằng vật chất và năng lượng cho toàn tháp trong trường hợp đun bằng hơi nước trực tiếp:

Cồn loại 1 theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN-71) > = 96%(tt)

Chọn xD= 96%(tt) Đổi ra 92.8% (khối lượng)

F + Gn+1 = D + W

FxF + 0 = DxD + WxW

FhF +Gn+1HG n+1= DHD + WHW + QC

QC = (R+1)D (HG – HD)

R = 1.3 Rm + 0.3

Lượng Etanol có trong nhập liệu: 5000* 0.35= 1750 kg/h

Lượng Etanol có trong sản phẩm đỉnh: 0.995*1750=1741.25 kg/hSuất lượng sản phẩm đỉnh: D= 0.928

25.1741

kg/hĐổi ra phân mol:

xF =

nuoc

F ol

E F

ol E F

M

x M

x

M x

)1(

xD=

18072.046928

928.0

Cw= 4.18 kj/kgoC (Sản phẩm đáy xem như là nước nguyên chất )

Hơi nước bão hoà ở Pt d = 2 at

 Hw = 415.2 kj/kg ×18 kg/kmol =7473.6 kj/kmol (t chuẩn = 20oC)

= 0.714 x M + 0.238Phương trình đường làm việc phần chưng :

- Số mâm lý thuyết :

- Vẽ hai đường làm việc trên đồ thị xy Hai đường này cắt nhau tại một điểm chính là vị trí mâm nhập liệu Vẽ các đường bậc thang tạo bởi hai đường làm việc và đường can bằng (hình vẽ) , ta xác định được số mâm lý thuyết cũng là số bậc thang :15 mâm

- Xác định số mâm thực tế

Công thức xác định số mâm thực tế : Nt = Nlt/η

η: hiệu suất trung bình của đãi

Ntt: số mâm thực tế

Nlt: số mâm lý thuyết

Hiệu suất mâm η phụ thuộc vào độ bay hơi tương đối & độ nhớt µ của hỗn hợp : η = f(α,µ)

Độ bay hơi tương đối :

31.0

− 0.174

174.0

1−

= 2.133

độ nhớt µ = 0.6 Ns / m2

 α*µ= 2.133*0.6 = 1.28tra đồ thị ta được ηo = 0.47 [3] đồ thị IX-11

835.0

834.0

− 0.00066

00066.0

13

= 28.7Tính riêng cho phần cất : Nt chưng =

452.0

2

= 4.4

Vị trí mâm nhậo liệu tại giao điểm đường làm việc phần chưng & phần cất Đối với mâm lý thuyết, vị trí mâm nhập liệu là mâm thứ 14 Đối với thực tế nhập liệu ở mâm thứ 30 đếm từ trên xuống

Vậy: số mâm thực là 33 mâm (trừ 1 mâm làm nồi đun)

Vị trí nhập liệu trên mâm thứ 30 (tính từ trên xuống)Phần cất có 28 đĩa

Phần chưng có 5 đĩa

PHẦN III: KÍCH THƯỚC THÁP

Đường kính tháp được xác định theo công thức sau:

D =

wtb

Vtb

*3600

*14.3

= 0.0188

tb wy y

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

wtb: tốc độ hơi (khí ) trung bình đi trong tháp , m/s

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

(ρy wy )tb : tốc độ (khí ) trung bình đi trong tháp , m3/h

lượng hơi (khí ) trung bình đi qua tháp luyện có thể tính gần đúng b82ng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp & lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện

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

Ở t = 83.8oC (tại vị trí mâm nhập lịêu )

r1 = retanol y1 + (1-y1)rnước

Xác định vận tốc hơi đi trong phần cất :

ol ytbMe

4.22

273])

1(tan

ytb: phân mol pha hơi trung bìmh trong phần cất

T: nhiệt độ tuyệt đối (oK)

*4.22

273]18

*)673.01(46

+ 972

693.0

5

5502 = 1.176 m

2 Phần chưng:

Dchưng = 0.0188

tb w

gtb

)(ρ

Lượng hơi trung bình: gtb = 0.5(g’1 + g’c)

Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng với lượng hơi vào đoạn cất

r’1 = y’1retanol + (1- y’1) rnước

y’1: phần khối lượng của hơi tại đáy tháp

y’1 = yw = Metanolyw / Mtb,M = 46*0.055/18.02 = 0.14

yc = y1= 0.594 (Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng với lượng hơi vào đoạn cất)

 r’1= 0.14*823.46 +(1-0.14) 2260 = 2059.2 kj/kg

Gnước rnước = (119.465*18)2207 = 4745866.6 kj/hAùp suất hơi nước sục vào là 2.5 at (tuyệt đối)

t = 120 oC [4]/427 , rnước = 2207 kj/kgG’1 + 2150.37 = g’1 + 5277.5

g’1x’1 = 0.14 g’1+ 8.866

2059.2g’1= 4437.8 * 1406.7 + 4745866.6

r’c = 0.594*823.46 + (1- 0.594) 2260

= 1406.7 kj/ kg giải hệ ba phương trình trên ta được:

ol ytbMe

4.22

273])

1(tan

ytb: phân mol pha hơi trung bình của pha hơi đi trong phần chưng

T: nhiệt độ tuyệt đối (oK)

ytb = 0.5(y1 + y2)

ydt , ytl : nồng độ phần mol của pha hơi tại đáy tháp và đĩa tiếp liệu

273]18

*)27.01(46

+ 965

176.0

05

4887 = 1.2 m Chọn D = 1.2 m cho toàn tháp

PHẦN IV: TÍNH CHIỀU CAO THÁP VÀ TÍNH CHÓP

1 Chiều cao tháp:

W: vận tốc hpa hơi ,m/s

F: tiết diện mặt cắt ngang của tháp, m2

n: số chóp trên moat mâm

dch: đường kính chóp, m

Phần cất:

Hmin= 2330

7.992

268.1 (

150

*26

*268.1

*14.3

*4

1000

*406.1

*2.12.1

*14.3

)2

= 0.31 m Phần chưng:

Hmin= 2330

28.958

855.0 (

150

*26

*855.0

*14.3

*4

1000

*2.12.12.114.3

)2

= 0.349 m Thấy rằng trong cả hai phần, Hmin < 400 mm (thỏa)

3.3 Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi:

h2 = 0.25dh = 0.25*75 = 18.75 mm

3.4 Đường kính chóp:

dch = ( 2 ( 2 )2)

ch h

g

w

ρ

ρ2

ξ: hệ số trở lực của đĩa chóp; ξ= 1.5÷2 ; chọn ξ= 2

ρh, ρl: khối lượng riêng trung bình của pha hơi & pha lỏng, kg/m3

ωh: vận tốc pha hơi trong tháp, m/s

*3600

*4

Vh: lưu lượng hơi đi trong tháp , m3/h

n: số chóp trên một đĩa

dh: đường kính ống hơi

Vh=

tb

tb h h

775.5194

= 4900.7 m3/h

075.0

*26

*14.3

*3600

7.4900

*4

= 11.857 m/s

hso=

49.940

*81.9

06.1

*857.11

h

d d

75120

(

4

2

−

π = 62.6 khe; chọn 63 khe

3.9 Bề rộng khe:

G

ωπρ

36004

Gltb: lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp, kg/h

z: số ống chảy chuyền

ρltb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng , kg/m3

*3600

32.5248

*4

3.11 Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền:

hc = 0.25dc= 0.25*100 = 25 mm3.12 Chiều cao mực chất lỏng trên ống chảy chuyền:

h = 3

*

*85.1

177.3626

= 3.39 m3/hPhần chưng:

Vltb= 0.5(3.93 + 7.71)= 5.55V’l=

l

G

ρ1 = 958.28

465.6870

= 7.17 m3/h

100

*85.13600

100

*55.5(

π = 0.0192 m = 19.2 mm

3.13 Chiều cao gờ chảy tràn:

how= 40 + 35 +12.5 + 5 – 19.2 = 73.3 mmlấy tròn 73 mm

3.14 Độ mở lỗ chóp :

hs = 7.55( )1/3

tb

tb h tb l

h

ρρ

a: chiều rộng khe chóp (2 mm)

hso: chiều cao khe chóp (35 mm)

Ss= 26*87*2*35*10-6 = 0.1583 m2

15834.0

*3600

7.4900(

35)06.128.958

06.1

thấy rằng hs ≈hso , xem như chóp mở hoàn toàn

3.15 Gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm:

∆= Cg ∆’.n

n : số hàng chóp trên mỗi mâm

Cg: hệ số hiệu chỉnh cho suất lượng pha khí

∆’: gradient chiều cao mực chất lỏng qua một hàng chóp

hm = 40 + 12.5 + 25 + 35 = 112.5 mmtra đồ thị 5.13 [5]/81

4∆’ = 2 => ∆’= 0.5Tính Cg: Cg = 0.82ωg ρh tb

Ứng với khoảng cách mâm là 400 mm ;

Ta có: c=0.025

ωg = 0.025

06.1

06.128

958 − = 0.7513 m/s

Cg = 0.28 *0.75 1.06 = 0.633số hàng chóp trên mỗi mâm: n = 7

h l

h

ρρ

ρ

−

S: tổng diện tích ống hơi mỗi mâm, m2

K: hệ số tra theo tỷ số (Saj/Srj) đồ thị 5.16 [5]/83

d

d d

2

2 2

*2

*210

*75(14.3

*264

)2(

*3600

7.4900)(

06.128.958

06

= 10.5 mm 3.18 Độ giảm áp tổng cộng qua một mâm:

*100

55.5

= 400/ 2 → tháp làm việc không ngập lục

BẢNG TÓM TẮT:

Đường kính trong của ống hơi của chóp

Số chóp phân bố trên mâm

Đường kính trong của chóp

Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp

Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi

Khoảng cách từ mặt đĩa đến mép dưới chân chóp

Chiều cao khe chóp

Số lượng khe hở của mỗi chóp

Chiều rộng khe chóp

Khoảng cách giữa các khe

Đường kính ống chảy chuyền

Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền

Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa

Chiều cao mực chất lỏng trên ống chảy chuyền

Bước tối thiểu của chóp trên đĩa

Số lượng ống chảy chuyền

K/c từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất

Chiều dày chóp

75

1204018.7512.535

241002519.2

3

26

63

33*2

Chiều dày đĩa

Chiều dày ống chảy chuyền

Chiều cao gờ chảy tràn

Độ mở của chóp

Gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm

Độ giảm áp do ma sát và biến đổi vận tốc pha khí

δ2δ3

PHẦN V: TÍNH TRỞ LỰC CỦA THÁP

Trở lực toàn tháp:

∆p = Ntt ∆pd

Ntt: số đĩa thực của tháp

∆pd: tổng trở lực 1 đĩa

ξ: hệ số trở lực ; ξ = 4.5÷5; chọn ξ = 5

ρh: khối lượng riêng của pha hơi, ρh = 1.268 kg/m3

ωo: vận tốc qua rãnh chóp

ωo =

so

y

h a i n

V

Vy = ( 1)3600*22.4

o D

m D

T M

T R

=

3600

*273

*352.41

)2.81273(4.22

*)15.2(35

*2

*63

*26

282.1

− = 11.18 m/s

∆pk= 5

2

18.11

*268

dtd = 2(4 )

so

so

h a

ah

+ = 2(2 35)

35

*2

*4

+ = 3.784*10-3 (m)

10

*10

*784.3

21

*4

− = 22.2 N/ m2

Trở lực lớp chất lỏng trên đĩa:

∆pt= ρb*g(hb – hso/ 2)

ρb: khối lượng riêng của bọt, kg/ m3

hb: chiều cao lớp bọt trên đĩa, m

hx: chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa, m

x x x

ow w

F

f h h f h f

F h h h

ρ

ρρ

))(

Tổng diện tích hình viên phân trên đĩa:

*73.0

4.461

*3.0

*)03.0111.0(3.0

*35.461

*03.010

*7.922

*)30010

*73.0)(

• Phần chưng:

Trở lực đĩa khô:

Vy = 223600.4

o w

m w

T

M

T G

3600

*273

*02.18

)5.91273(4.22

*5

10

*35

*2

*63

*26

433.2

so

y

h a

*855.0

30

*4 = 31.71 N/ m2

Trở lực lớp chất lỏng trên đĩa:

2

b b

h h

*73.0

14.479

*3.0)03.0111.0(3.0

*14.479

*03.010

*28.958)300730)(

302.1973

PHẦN VI: TÍNH CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Nhiệt lượng cần cung cấp cho dòng nhập liệu đến trạng thái lỏng bảo hoà:

QF = F*HF

F: suất lượng nhập liệu (kmol/ s)

HF : enthalpy của dòng nhập liệu ở trạng thái lỏng bảo hòa (kj/ kmol)

QF =

3600

6.218

*36.4640

= 281 kw

• Nhiệt lượng sản phẩm đáy:

= 485.58 Kw

• Nhiệt lượng do hơi nước cung cấp:

QH = Gn+1 + HG n+1

Gn+1 : suất lượng hơi nước bảo hoà sục vào đáy tháp, kmol/ s

HG n+1: enthalpy của hơi nước

QH =

3600

2.47275

*645.119

*35

89.42 kw

I Thiết bị gia nhiệt:

Chọn thiết bị gia nhiệt có dạng ống chùm

Đường kính ống d = 16 x 1.6

Tổng số ống: n = 37 ống

Số ống trên một cạnh của hình sáu cạnh r :

Số ống trên đường chéo của hình sáu cạnh:

) tlog =

)8.832.99(

)303.53(ln

)8.832.99()303.53(

f: tiết diện dòng chảy

Β : chu vi thấm ước của dòng , m

f =

44

2 2

n

d n

n t

nd D

d n

= 0.04224 m Độ nhớt của dòng chảy:

log : = x log :etanol + ( 1 –x ) log:nước

x : phân mol của etanol, x = 0.174

nuoc ol

e hh

x x

ρρ

ρ

−+

=

−

11

4

ππ

ρhh F D td =

G

= 1.02 m/sChuẩn số Reynolds:

10

*941.0

86.970

*04224.0

*02.1

−

=µ

ρhh

tđ

F D w

= 44452Chuẩn số Prant:

10

*941.0

Nu = 1.16 D td0 6Re0 6Pr0 33

= 1.16*0.042240.6*444520.6*6.437 0.33

= 197.466Hệ số cấp nhiệt:

6.89470128

.0

58.0

*466

Độ nhớt của dòng nóng:

logµ = x logµetanol + ( 1-x ) logµnước