Đề tài " tính toán thiết kế tháp đệm chưng luyện liên tục hổn hợp hai cấu tử là CH3COOH và H2O " pot

ĐỒ ÁN QT&TBCNHH SVTH:NGUYỄN ANH TUẤN ĐỀ TÀI TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP ĐỆM CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC HỔN HỢP HAI CẤU TỬ LÀ CH 3 COOH VÀ H 2 O Giáo viên hướng dẫn : Họ tên sinh viên : GVHD:TRẦN XUÂN NGẠCH Trang1 ĐỒ ÁN QT&TBCNHH SVTH:NGUYỄN ANH TUẤN GVHD:TRẦN XUÂN NGẠCH Trang2 ĐỒ ÁN QT&TBCNHH SVTH:NGUYỄN ANH TUẤN GVHD:TRẦN XUÂN NGẠCH Trang3 ĐỒ ÁN QT&TBCNHH SVTH:NGUYỄN ANH TUẤN Axít CH 3 OOH là một tronh những hợp phần không thể thiếu trông công nghệ thực phẩm cũng như trong một số ngành công nghiệp khác, CH 3 COOH cũng chiếm một vai trò quan trọng trong cuộc sống. Để sản xuất axit CH 3 COOH thì có nhiều phương pháp khác nhau nhưng trong công nghiệp thực phẩm thì nó được sản xuất bằng phương pháp lên men bởi tác nhân vi sinh vật. Để thu được CH 3 COOH tinh khiết có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng như các phương pháp hoá học, hoá lý…trong công nghiệp để thu được lượng lớn CH 3 COOH với độ tinh khiết theo yêu cầu thì người ta thường sửdụng phương pháp chưng cất. Có nhiều phương pháp chưng cất khác nhau nhưng trong công nghiệp thực phẩm thường sử dụng phương pháp chưng cất liên tục. Nguyên tắc phương pháp là dựa vào nhiệt độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hổn hợp.Về thiết bị thì có nhiều loại khác nhau, tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà người ta chọn loại thiết bị phù hợp.Trông công nghệ thực phẩm thiết bị chưng cất thường dùng là thiết bị loại tháp. Nội dung của đồ án này là tính toán thiết kế tháp đệm chưng luyện liên tục hổn hợp hai cấu tử là CH 3 COOH và H 2 O. Các số liệu ban đầu : Năng suất theo hổn hợp đầu: 1800(l/h). Nồng độ hổn hợp đầu là: 75%. Nồng độ sản phẩm đỉnh là : 90%. Nồng độ sản phẩm đáy là: 10%. (Các số liệu trên được cho theo cấu tử dể bay hơi) GVHD:TRẦN XUÂN NGẠCH Trang4 ĐỒ ÁN QT&TBCNHH SVTH:NGUYỄN ANH TUẤN GVHD:TRẦN XUÂN NGẠCH Trang5 (4) H i tơ đố (3) (6) (5) (8) (1) (2) (F) (P) N c ng ngướ ư (7) S T NG QUÁT DÂY CHUY N CÔNG Ơ ĐỒ Ổ Ề (9) H 2 O ĐỒ ÁN QT&TBCNHH SVTH:NGUYỄN ANH TUẤN Chuong 1 TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ 1.Cân bằng vật liệu. Phương pháp cân bằng vật liệu cho toàn tháp G F = G p +G w (kg/h). G F : lưu lượng hổn hợp đầu. G p :lưu lượng hổn hợp đỉnh. G w :lưu lượng sản phẩm đáy. Cân bằng vật liệu cho cấu tử dể bay hơi G F .x F = G P .x p +G w .x w (kg/h). x F :phần mol hổn hợp đầu. x p :phần mol sản phẩm đỉnh. x w :phần mol sản phẩm đáy Theo giả thiết ta có : a F = 0,75: nồng độ của hổn hợp đầu (phần mol). a p = 0,9:nồng độ của sản phẩm đỉnh (phần mol). a w =0,1:nồng độ phần mol khối lượng sản phẩm đáy. Suy ra các giá trị của x F , x p , x w : x F = M a M M A F OH OH a a F F )1( 2 2 − + = 60 25,0 18 75,0 18 75,0 + = 0,91 M O H 2 :phân tử lượng của nước. M A = 60 :Phân tử lượng của CH 3 COOH. x p = 60 1 18 18 aa a PP P − + = 60 1,0 18 9,0 18 9,0 + = 0,968 x w = 60 1 18 18 aa a WW W − + = 60 9,0 18 1,0 18 1,0 + = 0, 27 Lượng sản phẩm đỉnh: (kg/h) G p = G F . aa aa wp wF − − =1853,1. 1,09,0 1,075,0 − − = 1505,64 Lượng sản phẩm đáy là: (kg/h) G w =G F - G p = 1853,1-1505,64 = 347,46 Gọi :M là phân tử lượng trung bình của hổn hợp (Kmol/Kg) M =x F . M O H 2 +(1-x F ).M A =0,91.18 + 0,09.60 = 21,78. F: lượng hổn hợp đầu (Kmol/h) P:lượng sản phẩm đỉnh W:Lượng sản phẩm đáy. GVHD:TRẦN XUÂN NGẠCH Trang6 ĐỒ ÁN QT&TBCNHH SVTH:NGUYỄN ANH TUẤN F = M G F = 78,21 1,1853 = 85,08 P =F. xx xx wp wF − − = 85,08. 27,0968,0 27,091,0 − − = 78,01 => W = F-P = 85,05- 78,01 =7,07 2. Xác định chỉ số hồi lưu - số đĩa lý thuyết . Gọi x: nồng độ cấu tử dể bay hơi trong pha lỏng y: nồng độ cấu tử dể bay hơi trong pha hơi. t: nhiệt độ sôi của hổn hợp hai cấu tử ở áo suất 760 mmHg a(% khối lượng) x(phần mol) y(phần mol) Kg/h Kmol/h Nhiệt độ sôi a F = 0,75 x F = 0,91 y F = 0.937 1853,1 85,08 100,6 a p = 0,9 x p = 0,968 y p = 0,9776 1505,64 78,01 100,2 a w = 0,1 x w =0,27 y w = 0,3884 347,46 7,07 108,28 Chỉ số hồi lưu thích hợp: R OPT R OPT = β.R min β: hệ số hiệu chỉnh ; β = (1,2 ÷ 2,5) R min : chỉ số hồi lưư tối thiểu Dựa vào bảng (IX. 2a, trang 148- T 2 ) kết hợp với nội suy ta suy ra : y F = 0,937 là nồng độ cân bằng ứng giá trị x F = 0,91. Suy ra chỉ số hồi lưu tối thiểu là: R min = x y y x F F p p − − = 148,1 91.0937,0 937,0968,0 = − − R min = 1,148 Để xác định số đĩa lý thuyết của tháp bằng cách dựa vào phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chung. Pương trình làm việc của đoạn luyện: y = 1 R OPT + R OPT .x + 1+ R OPT P x Phương trình làm việc của đoạn chung : X = RL R OPT OPT + +1 .y + RL OPT L + −1 . Với: L = P F = 09,1 01,78 08,85 = Mà: R OPT = β.R min : đặt B = 1+ OPT p R x ứng với mổi giá trị của βsẽ là một đĩa lý thuyết N ở bảng sau β 1,2 1,4 1,6 1,8 2,1 2,3 2,5 GVHD:TRẦN XUÂN NGẠCH Trang7 ĐỒ ÁN QT&TBCNHH SVTH:NGUYỄN ANH TUẤN R OPT 1,378 1,607 1,837 2,066 2,411 2,64 2,87 N 17 15 14 13 13 12 11 N(R+1) 38,048 39,105 39,718 39,858 44,343 43,68 42,57 B 0,407 0,371 0,341 0,316 0,284 0,266 0,25 Lập biểu đồ biểu diển sự phụ thuộc N(R+1) và R . Điểm cực tiểu của giá trị N(R+1) ứng với R thích hợp nhất là R x = 1,378. Tương ứng với R x =1,378 thì số đĩa lý thuyết : Của tháp là 17 (đĩa) Đoạn chưng 6 đĩa (11,3) Đoạn luyện 11 đĩa (5,7) Phương trình làm việc đoạn luyện y = 0,579x + 0,407 Phương trình đường làm việc đoạn chưng X = 0,964y + 0,036 3.Xác định số đĩa thực tế Hiệu suất làm việc của tháp được tính theo biểu thức: η=α.µ η:hiệu suất của tháp (%). α: độ bay hơi của hổn hợp. µ:độ nhớt của hổn hợp: (10 -3 N.S/m 2 ). α= x x y y − − 1 . 1 (13-34- QT-TBCNHH II ) Vì hiệu suất thay đổi theo chiều cao tháp nên để xác định hiệu xuất của toàn tháp ta xac định hiệu xuất trung của tháp. Hiệu xuất trung bình của tháp được xác định: η = 3 321 ηηη ++ (%) (13-53-QH-TBVNHH II) η1: hiệu suất đĩa trên cùng (%) η2: hiệu suất đĩa tiếp liệu (%) η3: hiệu suất đĩa dưới cùng (%) a)Hiệu suất đĩa trên cùng: Các số liệu đã có X p =0,968 ; y p =0,9776 ; t p =100,2 o C Độ nhớt của CH 3 COOH ở nhiệt độ t 1 40 o C là µ 1 =0,9 (10 -3 .N.S/m 3 ) ở nhiệt độ t 2 là µ 2 =0,56 (10 -3 .N.S/m 3 ). Độ nhớt của nước ở nhiệt độ θ 1 =24 o C là 0,9, θ 2 =49 o C là 0,56 Theo công thức páp lốp: 6,1 4924 8040 21 21 = − − == − − K tt θθ Độ nhớt của CH 3 COOH ở nhiệt độ t p =100,2 là: θ 3 = + − 6,1 1 tt p θ 1 = 4,2 6,1 402,100 + − = 61,625 ( o C) Tra bảng độ nhớt của CH 3 COOH ta có GVHD:TRẦN XUÂN NGẠCH Trang8 ĐỒ ÁN QT&TBCNHH SVTH:NGUYỄN ANH TUẤN µ 2 100,2 = 0,4617 (10 -3 .N.S/m 3 ) Độ nhớt của H 2 O ở 100,2 o C là : µ 1 100,2 =0,2835(10 -3 .N.S/m 3 ) Độ nhớt của hổn hợp ở 100,2 o C là lg µ 1 hh =x p .lg µ 1 100,2 +(1-x p ).lg µ 2 100,2 =0,968.lg0,2835 + 0,032lg0,4617 lg µ 1 hh = -0,54067; µ 1 hh = 0,288 (10 -3 .N.S/m 3 ) α 1 = 443,1 968,0 032,0 . 0224,0 9776,0 1 . 1 == − − x x y y p p p p η 1 =α 1 . µ 1 hh =1,443.0,288 = 0,4156 b)Hiệu suất của đĩa tiếp liệu Độ nhớt của CH 3 COOH ở 100,6 o C µ 2 100,6 =0,455(10 -3 .N.S/m 3 ) Độ nhớt của nước ở 100,6 o C là µ 1 100,6 = 0,283(10 -3 .N.S/m 3 ) Độ nhớt của hổn hợp ở 100,6 o C là lg µ 2 hh =x F .lg µ 1 100,6 +(1-x F ).lg µ 2 100,6 =0,91.lg0,283 + 0,09lg0,455 lg µ 2 hh = -0,529 ;µ 2 hh =0,296(10 -3 .N.S/m 3 ) α 2 = 47,1 91,0 09,0 . 063,0 937,0 1 . 1 == − − x x y y F F F F η 2 =α 2 . µ 2 hh =1,47.0,296 = 0,435 c)Hiệu suất của đĩa dưới cùng Độ nhớt của CH 3 COOH ở 108,28 o C µ 2 108,28 =0,5304(10 -3 .N.S/m 3 ) Độ nhớt của nước ở 108,28 o C là µ 1 100,6 = 0,2625(10 -3 .N.S/m 3 ) Độ nhớt của hổn hợp ở 108,28 o C là lg µ 3 hh =x w .lg µ 1 108,28 +(1-x w ).lg µ 2 108,28 =0,27.lg0,2625 + 0,73lg0,5304 lg µ 2 hh = -0,5378 ;µ 2 hh =0,4387(10 -3 .N.S/m 3 ) α 3 = 717,1 27,0 73,0 . 6116,0 3884,0 1 . 1 == − − x x y y w w w w η 3 =α 3 . µ 3 hh =1,717.0,4387 = 0,753 Vậy hiệu suất trung bình của tháp là: η= 5345,0 3 4156,0435,0753,0 3 321 = ++ = ++ ηηη Từ đây ta tính được số đĩa thực tế là: N tt = 8,31 5345,0 17 == η N lt (đĩa) Như vậy số đĩa thực tế là 32 đĩa Trong đó: Chưng :N c = 21 đĩa Luyện: N l =11 đĩa CHƯƠNG II TÍNH KÍCH THƯỚCTHIẾT BỊ I.Tính đường kính thiết bị: D chưng ≥ D luyện Đường kính của thiết bị được xác định theo công thức GVHD:TRẦN XUÂN NGẠCH Trang9 ĐỒ ÁN QT&TBCNHH SVTH:NGUYỄN ANH TUẤN D = 0,0188. W . y y tb g ρ (m) (IX.90-sô tay T II ) Trong đó : g tb lượng hơi trung bình đi trong tháp ρ y khối lượng riêng trung bình của pha hơi đi trong tháp (Kg/m 3 ) w y vận tốc trung bình của hơi đi trong tháp(m/s) Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi đoạn của tháp nên phải tính lượng hơi lỏng cho từng đoạn. 1. Đường kính đoạn luyện. g tb = 2 1 gg d + (IX.91.ST-T II ) g tb : lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h, kmol/h) g d : lượng hơi đi ra khỏi điã trên cùng của đoạn luyện. g 1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện. a)Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp. g d = G R +G p = G p (R x +1) (IX.92 ST-T II ). G p : lượng sản phẩm đỉnh (kg/h,kmol/h). G R : lượng chất lỏng hồi lưu (kg/h,kmol/h). R x : Chỉ số hồi lưu. Mà G p = 1505,64.2,378 = 3580,4 (kg/h). b)Lượng hơi đi vào đoạn luyện. Giữa lượng hơi g 1 hàm lượng hơi y 1 và lượng hơi G 1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: g 1 =G 1 +G p (1) g 1 .y 1 =G 1 .x 1 +G p .x p (2) g 1 .r 1 =g d .r d (3) trong đó: x 1 = x F = 0,91 r 1 ẩn nhiệt hoá hơi của hổn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (Kcal/kg). r d ẩn nhiệt hóa hơi của hổn hợp đi ra khỏi tháp (Kcal/kg) r 1 =r a .y 1 +(1-y 1 ).r b (đĩa thứ nhất) r d = r a .y d +(1-y 1 ).r b (đĩa trên cùng) trong đó: r a, r b ẩn nhiệt hóa hơi của H 2 O và CH 3 COOH nguyên chất y d nồng độ của H 2 O trong hổn hợp đầu. y 1 hàm lượng hơi đối với đĩa 1 của đoạn luyện. Dựa vào phương pháp nội suy xác định ẩn nhiệt hóa hơi của nước và của CH 3 COOH ở các nhiệt độ khác nhau: Ở 100 o C r 1a =539(kcal/kg) Ở 140 o C r 2a =513(kcal/kg) Ta có ở nhiệt độ t F =100,6 o C (ứng với r d ) ẩn nhiệt hóa hơi của nước là: r 3a = 539 - 0,65.0,6 = 538,61 (kcal/kg) ở nhiệt độ t p =100,2 o C (ứng với r d ) ẩn nhiệt hóa hơi của nước là: r 4a = 539 - 0,65.0,2 = 538,87 (kcal/kg) Ẩn nhiệt hóa hơi của CH 3 COOH : r b (kcal/kg) GVHD:TRẦN XUÂN NGẠCH Trang10 [...]... vi ytbl =0,9573 xtb1 : Khi lng riờng ca H2O ti 100,8 oC (kg/m3) xtb2 : Khi lng riờng ca CH3COOH ti 100,8 oC (kg/m3) Da vo phng phỏp ni suy 100oC 1 ca nc l 958,38 (kg/m3) 1 ca CH3COOH l 958 (kg/m3) 110oC 2 ca nc l 951 (kg/m3) Khi lng riờng ca nc ti 100,8oC l xtb1= (951- 958)/10 0,8+958,38 = 957,79 120oC khi lng riờng ca l 2 = 922(kg/m3) Suy ra khi lng riờng ca CH3COOH 100,8oC l xtb2 =(922-958):20.0,8+958... lng riờng ca H2O l , xtb1 = 952,47 [kg/m3] Khi lng riờng ca CH3COOH l 1 suy ra , = xtb a tb 2 , + 1 atb 2 xtb1 Vy , , xtb , xtb 2 = 943,58 [kg/m3] = 944,6 [kg/m3] xtb 2 nht nhit 108,01 0C 0,232 0,284 8,01 + 0,284 = 0,263 [10-3N.s/m2] 20 108, 01 0,63 0,46 8,01 + 0,46 = 0,528 [10-3N.s/m2] nht ca CH3COOH l à 2 = 20,01 108, 01 108 + (1 0,2943) lg à Vy lg à = 0,2943 lg à nht ca H2O l à x 108,... lng [J/kg ] C = 0,75.C1 + 0,25.C2 C1 : nhit dung riờng ca H2O 48 0C , C1 = 4182,9 [J/kg ] C2 : nhit dung riờng ca CH3COOH 48 0C , C2 = 2072,5 [J/kg ] C = 0,75.4182,9 + 0,25.2072,5 = 3655,3 [J/kg ] : khi lng riờng ca cht lng 48 0C c xỏc nh theo cụng thc (IX.104a_s tay II) vi 1 : khi lng ca H2O 48 0C , 1 = 988,96 [kg/m3] : khi lng riờng ca CH3COOH 48 0C , => = 996,15 [kg/m3] 2 = 3,58.10-8.3655,3.996,15... 100 , 6 Nhit dung riờng ca CH3COOH 100,6 0C C 2 = 2433,2 [J/kg ] 100.6 Nhit dung riờng cuar H2O 100,6 0C C1 = 4219,4 [J/kg.õọỹ] Nhit dung riờng ca hn hp ra khi thit b un núng CF= 0,75.4219,4 + 0,25.2433,2 = 3772,85 [J/kg ] Chn nhit ca hn hp u trc khi vo thit b un núng l 28 0C , ta cú : 28 Nhit dung riờng ca nc 28 0C l (ỏp sut kq) C1 = 4181,8 [J/kg ] Nhit dung riờng ca CH3COOH 28 0C l (ỏp sut kq)... Nhit lng ca sn phm chỏy Sn phm ỏy sụi 108,3 0C QW = W CW tW [J/h] 108, 3 108, 3 m: CW = a 2 C1 + (1 a 2 ).C 2 Nhit dung riờng ca H2O 108,3 0C l: C 108 , 3 1 = 2,07467 [J/kg ] 108 , 3 Nhit dung riờng ca CH3COOH 108,3 0C : C 2 = 2644,18 [J/kg ] a2 :nng phn khi lng ca H2O trong sn phm ỏy CW = 0,1.2074,67 + 0,9.2644,18 = 2587,23 [J/kg ] GVHD:TRN XUN NGCH Trang20 N QT&TBCNHH SVTH:NGUYN ANH TUN Q =... [m/s] à x = 0,5937 [10-3.N.s/m2] y = 0,646 [kg/m3] x =957,51 [kg/m3] [N.s/m 2] nht ca pha hi : 1 à à = y y a à h + 1 1 ah à 2 a :Nng phn khi lng ca H2O trong pha hi nhit 100,8oC a = 0,775 à : nht ca H2O 100,80C , à = 28,19 [10-3.N.s/m2] à : nht ca CH3COOH 100,8 0C , à = 0,4668 [10-3.N.s/m2] suy ra à = 0,3095 [10-3.N.s/m2] h h 1 1 2 2 y GVHD:TRN XUN NGCH Trang15 N QT&TBCNHH R = e SVTH:NGUYN ANH... [J/h] P = 1505,64 [kg/h] : lng sn phm nh Rx : ch s hi lu (Rx = 1,378) : nhit lng riờng ca hn hp hi [J/kg] = a1 1 + (1 a1) 2 Vi : a1 , 1 : l nng phn khi v nhit lng riờng ca H2O trong hi lng 2 : nhit 100,2 riờng ca CH3COOH trong hi [J/kg] 100,20C 100, 2 1 = r1 + C1 100,2 100 , 2 r = 538,94 (kcal/kg) = 2256,43.103 [J/kg] C = 4218,87 [J/kg ] = 2256,43.103 + 4218,87.100,2 = 2679,16.103 [J/kg]... =0,69524 [10-3.N.s/m2] = 0,5364 [kg/m3] ; m = 0,69,dtd =0,00916 nht ca pha hi y a , h = x = 944,6 [kg/m3 ] 0,4058.18 0,4058.18 + 0,5942.60 = 0,17 ' ' 1 a h + 1 ah = à à y 1 à 2 Vi à1 ,à2 :l nht ca H2O v CH3COOH nhit 108,01oC 1 = 0,17 0,83 + -3 2 0,263 0,528 =>ày =0,45 (10 N.s/m ) à 2,217.0,00916.0,5364 103 = 34,094 R= 0,71.0,45 y e Thay cỏc giỏ tr vo cụng thc (10_41) ta cú h d td = 34,024 => htd... hi i vo on chng r = r a y + 1 y r : n nhit húa hi ca hi i vo a th nht ca on , , 1 W ' 1 1 W W , , , 1 1 n n W , 1 1 , 1 , 1 W , , , 1 1 1 b chng r : n nhit húa hi ca H2O 108,3 0C , r = 534,2 [kcal/kg] r : n nhit húa hi ca CH3COOH 108,3 0C , r = 96,46 [kcal/kg] r = 267,18 [kcal/kg] =25644,87 r : n nhit húa i i voa trờn cựng ca on chng , r = r G : lng sn phm ỏy [kmol/h] a a b b , 1 , , n n 1... thay i nng cỏc cu t trong hn hp l khụng ỏng k sau khi gia nhit ng kớnh ng l : d3 = 0,0188 F w F F =1853,1 [kg/m3] F = 0,75 1 + 0,25 Chn w F = 2,2 m/s F 2 Khi lng riờng ca H2O 100,6 0C l 1 = 957,93 [kg/m3] Khi lng riờng ca CH3COOH 100,6 0C l 2 = 956,92 [kg/m3] Suy ra F = 0,75.957,93 + 0,25.956,92 = 957,7 [kg/m3] 1853,1 d3 = 0,0188 2,2.957,7 = 0,0176[m] Ta chn d3 = 18 [mm] 4 ng kớnh ng thỏo . dùng là thiết bị loại tháp. Nội dung của đồ án này là tính toán thiết kế tháp đệm chưng luyện liên tục hổn hợp hai cấu tử là CH 3 COOH và H 2 O. Các số liệu ban đầu : Năng suất theo hổn hợp đầu:. ĐỒ ÁN QT&TBCNHH SVTH:NGUYỄN ANH TUẤN ĐỀ TÀI TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP ĐỆM CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC HỔN HỢP HAI CẤU TỬ LÀ CH 3 COOH VÀ H 2 O Giáo viên hướng dẫn : Họ tên sinh viên :. nhau của các cấu tử trong hổn hợp. Về thiết bị thì có nhiều loại khác nhau, tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà người ta chọn loại thiết bị phù hợp. Trông công nghệ thực phẩm thiết bị chưng cất