Thiết kế tháp chưng cất hệ etanol nước hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu 1000 kgh có nồng độ 10% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 75% mol etanol

LỜI MỞ ĐẦU Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản.Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với 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 lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ Etanol Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol. Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư hoá thự c phẩm tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp.Nhiệm vụ của ĐATB là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1000 kgh có nồng độ 10% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 75% mol etanol với độ thu hồi etanol là 98%.Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn , các bạn sinh 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.

ĐATB Quá Trình Thiết Bị LỜI MỞ ĐẦU Một ngành có đóng góp to lớn đến ngành cơng nghiệp nước ta nói riêng giới nói chung, ngành cơng nghiệp hóa học Đặc biệt ngành hóa chất Hiện nay, nhiều ngành sản suất hóa học sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản suất nhu cầu sử dụng Ngày nay, phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Etanol - Nước cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol Đồ án mơn học Q trình Thiết bị mơn học mang tính tổng hợp q trình học tập kỹ sư hố- thự c phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: u cầu cơng nghệ, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ ĐATB thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1000 kg/h có nồng độ 10% mol etanol ,thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 75% mol etanol với độ thu hồi etanol 98% Em chân thành cảm ơn q thầy mơn , bạn sinh viên giúp em hồn thành đồ án Tuy nhiên, q trình hồn thành đồ án khơng thể khơng có sai sót, em mong q thầy góp ý, dẫn ĐATB Quá Trình Thiết Bị PHẦN I : TỔNG QUAN I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: Phương pháp chưng cất : Chưng cất qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng (hay nhiệt độ sôi khác áp suất), cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay - ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất q trình dung mơi chất tan bay hơi, cịn đặc q trình có dung mơi bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có hệ cấu tử ta thu sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé(nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước etanol Các phương pháp chưng cất: phân loại theo: • Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường áp suất cao Nguyên tắc phương pháp dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, nhiệt độ sơi cấu tử q cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử • Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) liên tục * Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp đuợc sử dụng trường hợp sau: + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Khơng địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao + Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay + Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử * Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) trình thực liên tục, nghịch dịng, nhều đoạn • Phương pháp cất nhiệt đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp nước: thường áp dụng trường hợp chất tách khơng tan nước ĐATB Q Trình Thiết Bị Vậy: hệ Etanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp chúng có yêu cầu diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều phụ thuộc vào độ phân tán lưu chất vaò lưu chất Tháp chưng cất phong phú kích cỡ ứng dụng ,các tháp lớn thường ứng dụng cơng nghiệp lọc hố dầu Kích thước tháp : đường kính tháp chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí tháp độ tinh khiết sản phẩm Ta khảo sát loại tháp chưng cất thường dùng tháp mâm tháp chêm • Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác để chia thân tháp thành đoạn nhau, mâm pha lỏng pha đựơc cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: * Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s… * Tháp mâm xuyên lỗ: mâm bố trí lỗ có đường kính (3-12) mm • Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự * So sánh ưu nhược điểm loại tháp : Ưu điểm: Nhược điểm: Tháp chêm - Đơn giản - Trở lực thấp Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Hiệu suất tương đối cao - Hiệu suất cao - Hoạt động ổn định - Hoạt động ổn định - Làm việc với chất lỏng bẩn - Hiệu suất thấp - Trở lực cao - Cấu tạo phức tạp - Độ ổn định - Yêu cầu lắp đặt khắt khe -> lắp đĩa thật phẳng - Trở lực lớn - Không làm việc với - Thiết bị nặng chất lỏng bẩn Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ trạng thái trung gian tháp chêm tháp mâm chóp Nên ta chọn tháp chưng cất tháp mâm xuyên lỗ ĐATB Quá Trình Thiết Bị Vậy: Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp đáy tháp II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU : Nguyên liệu hỗn hợp Etanol - Nước Etanol: (Còn gọi rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm) Etanol có cơng thức phân tử: CH 3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Là chất lỏng có mùi đặc trưng, khơng độc, tan nhiều nước • Một số thông số vật lý nhiệt động etanol: + Nhiệt độ sôi 760(mmHg): 78.3oC + Khối lượng riêng: d420 = 810 (Kg/m3) • Tính chất hóa học: Tất phản ứng hoá học xảy nhóm hydroxyl (-OH) etanol thể tính chất hố học * Phản ứng hydro nhóm hydroxyl: CH3-CH2-OH CH3-CH2-O- + H+ Hằng số phân ly etanol: K CH −CH − OH = 10 −18 , etanol chất trung tính + Tính acid rượu thể qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua(NaH), Natri amid(NaNH2): CH3-CH2-OH + NaH CH3-CH2-ONa + H2 Natri etylat Do K CH −CH − OH < K H 2O = 10 −14 : tính acid rượu nhỏ tính acid nước, nên muối Natri etylat tan nước bị thuỷ phân thành rượu trở lại + Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với nước Khi rượu tác dụng với acid vô H 2SO4, HNO3 acid hữu tạo ester Lạnh CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 H2O * Phản ứng nhóm hydroxyl: H+ CH 3-COO-C2H5 + ĐATB Quá Trình Thiết Bị + Tác dụng với HX: CH 3-CH2-OH + HX CH 3-CH2-X + H2O + Tác dụng với Triclo Phốt pho: CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl Al2O3 + Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 H2O + Phản ứng tạo eter tách loại nước: 2CH3-CH2-OH CH3-CH2-OH H2SO4 >150oC H2SO4 >150oC to (CH3-CH2)2O + CH2=CH2 + C2H5-NH2 + H2 O H2 O * Phản ứng hydro oxy hố: CH3-CH2-OH Cu 200-300oC CH3-CHO + H2 • Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng metanol, đóng vai trò quan trọng kinh tế quốc dân Nó nguyên liệu dùng để sản suất 150 mặt hàng khác ứng dụng rộng rãi ngành: công nghiệp nặng, y tế dược, quốc phịng, giao thơng vận tải, dệt, chế biến gỗ nơng nghiệp ĐATB Q Trình Thiết Bị • Cơng nghiệp cao su tổng hợp +dung mơi hưu cơ:pha sơn +nguyên liệu Rượu Dấm Nhiên liệu Động lực Thuốc trừ sâu Thuốc súng khơng khói Nhiên liệu hỏa tiễn, bom bay Etanol Đồ nhựa Keo dán Thuốc nhuộm Tơ nhân tạo Sát trùng Pha chế thuốc Sơn Vecni Sơ đồ tóm tắt vị trí etanol ngành cơng nghiệp • Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen ester etanol đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ hợp chất kim… Trong công nghiệp, điều chế etanol phương pháp lên men từ nguồn tinh bột rỉ đường Những năm gần đây, nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột: C6H6O6 Nấm men Zymaza 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol CO2 5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic acid hữu cơ(lactic, butylic…) Nước: Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng khơng màu, không mùi, không vị khối nước dày có màu xanh nhạt Khi hóa rắn tồn dạng dạng tinh thể khác nhau: Khối lượng phân tử : 18 g / mol ĐATB Quá Trình Thiết Bị Khối lượng riêng d40 c : g / ml Nhiệt độ nóng chảy : 0C Nhiệt độ sôi : 1000 C Nước hợp chất chiếm phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất nước biển) cần thiết cho sống Nước dung môi phân cực mạnh, có khả hồ tan nhiều chất dung mơi quan trọng kỹ thuật hóa học III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC: Etanol chất lỏng tan vô hạn H 2O, nhiệt độ sôi 78,30C 760mmHg, nhiệt độ sôi nước 100oC 760mmHg : cách biệt xa nên phương pháp hiệu để thu etanol có độ tinh khiết cao phương pháp chưng cất Trong trường hợp này, ta sử dụng phương pháp đặc cấu tử có khả bay hơi, khơng sử dụng phương pháp trích ly phương pháp hấp thụ phải đưa vào khoa để tách, làm cho trình phức tạp hay q trình tách khơng hồn tồn * Sơ đồ qui trình cơng nghệ chưng cất hệ Etanol – nước: Chú thích kí hiệu qui trình: Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bơm dự phòng Bồn cao vị Thiết bị gia nhiệt nhập liệu Lưu lượng kế Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Bộ phận chảy dòng 10 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 11 Bồn chứa sản phẩm đỉnh 12 Nồi đun 13 Bẩy ĐATB Quá Trình Thiết Bị * Thuyết minh qui trình cơng nghệ: Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 15% ( theo phân mol), nhiệt độ khoảng 280C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (4) Từ đưa đến thiết bị gia nhiệt nhập liệu (5) Sau đó, hỗn hợp đun sôi đến nhiệt độ sôi thiết bị gia nhiệt(5), hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (7) đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn cất tháp chảy xuống Trong tháp hơi, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (12) lôi cấu tử dễ bay hơi.Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sôi cao nước ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều (có nồng độ 85% phân mol) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (8) ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (10), làm nguội đến 35 0C , đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11) Phần cịn lại chất lỏng ngưng tụ đựơc hồn lưu tháp đĩa với tỉ số hồn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp bốc hơi, cịn lại cấu tử có nhiệt độ sơi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay ( nước) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ etanol 0,19 % phân mol, lại nước Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đun dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại khỏi nồi đun trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu thiết bị (5) (sau qua bồn cao vị) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh etanol, sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ 600C thải bỏ ĐATB Quá Trình Thiết Bị PHẦN II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU: Gọi: F: lưu lượng hỗn hợp đầu (Kg/h-Kmol/h) P: lưu lượng sản phẩm đỉnh (Kg/h-Kmol/h) W: lưu lượng sản phẩm đáy (Kg/h-Kmol/h) XF: Nồng độ hỗn hợp đầu (phần mol) Xp: Nồng độ hỗn hợp đỉnh (phần mol) Xw: Nồng độ hỗn hợp đáy (phần mol) + GF: Lưu lượng nhập liệu tính theo Kg/h, Kmol/h + GD: Lưu lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h, Kmol/h + GW : Lưu lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h, Kmol/h + xi , xi : phân mol , phân khối lượng cấu tử i • Năng suất nhập liệu: GF = 1000 (Kg/h) • Nồng độ nhập liệu: xF = 10%mol etanol • Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 75%mol etanol • Tỷ lệ thu hồi etanol: h= 98% • Khối lượng phân tử rượu(MR) nước(MN): MR =46, MN =18 • Chọn: + Nhiệt độ nhập liệu: t’F =28oC + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: t’D =35oC + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt: t’W = 60oC +Trạng thái nhập liệu trạng thái lỏng sôi II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY : • Cân vật chất cho tồn tháp: F=D+W (II.1) • Cân cấu tử etanol (cấu tử nhẹ): F.xF = D.xD + W.xW (II.2) • Tỷ lệ thu hồi(η )= 98% F.xF η = D.xD (II.3) Với : * Phân mol nhập liệu: xF = 0,1 (phân mol etanol ) ĐATB Quá Trình Thiết Bị Khối lượng phân tử trung bình dịng nhập (MF): MF = 46.x F + (1 − x F ).18 = 20,8(Kg/Kmol) GF F=M F 1000 = 20,8 =48,077 (Kmol/h) * Phân mol sản phẩm đỉnh: xD =0,75 (phân mol etanol) Khối lượng phân tử trung bình dịng sản phẩm đỉnh: MD = 46.x D + (1 − x D ).18 =39 (Kg/Kmol) Giải phương trình (II.1), (II.2), (II.3) ta có : D = 6,28 (Kmol/h) W = 41,797 (Kmol/h) xW = 0,0023 (phân mol etanol ) Suy ra, khối lượng phân tử trung bình dịng sản phẩm đáy: MW = 46.xW + (1 − xW ).18 = 18,06 (Kg/Kmol) Ta có bảng tổng kết thành phần sản phẩm sau: Phần mol Hỗn hợp đầu Sản phẩm đỉnh Sản phẩm đáy 0,1 0,75 0,23 Lưu lượng (kg/h) 1000 244,92 754,85 Lưu lượng (kmol/h) 48,077 6,28 41,797 III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU THÍCH HỢP: 3.1 THÀNH PHẦN PHA CỦA HỖN HỢP CẤU TỬ ETANOL-NƯỚC Dựa vào tài liệu tham khảo (1 bảng IV 2a/145), thành phần cân lỏng (x), (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp cấu tử 760 mmHg: x(phân mol) y(%phân mol) t(oC) 10 20 30 40 50 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 60 70 79,4 79 Từ bảng số liệu ta vẽ đường cân đồ thị x-y 80 90 100 78,6 78,4 78,4 ĐATB Quá Trình Thiết Bị D= 0,035(11-1)+4.0,025=0,45m Vậy: thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 1,5(m) Thiết gia nhiệt nhập liệu : Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ong truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống trong:25x2; kích thước ống ngồi: 34x2 Dịng nhập liệu ống 25x2 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t”F =58,55oC ,nhiệt độ cuối: tF =86,5oC Chọn đốt nước at, ống 34x2(ống ngồi) Tra tài liệu tham khảo [1], ta có: + Nhiệt độ sôi: tsN = 100oC + An nhiệt ngưng tụ: rN = 2260 (KJ/kg) Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF = t " F +t F =72,525oC: + Nhiệt dung riêng: cF = 4,0136 (KJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: ρF = 948,368(Kg/m3) + Độ nhớt động lực: µF = 0,5852.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: λF = 0,5717 (W/moK) a Suất lượng nước cần dùng : Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho dòng nhập liệu: Qc = GF 1000 cF.(tF – t”F) = 4,0136.(86,5 –58,55)=31,16 (KW) 3600 3600 Suất lượng nước cần dùng: Q 31,16 c GhN = r = 2260 = 0,0179 (Kg/s) N b Xác định bề mặt truyền nhiệt : Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Qt Ftb = K ∆t log ,(m2) Với: + K : hệ số truyền nhiệt (IV.22) ĐATB Quá Trình Thiết Bị + ∆tlog : nhiệt độ trung bình logarit • Xác định ∆tlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: ∆tlog = (100 − 58,55) − (100 − 86,5) = 24,915 o 100 − 58,55 ( K) Ln 100 − 86,5 • Xác định hệ số truyền nhiệt K: Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức: K= 1 + Σrt + αF αN ,(W/m2.oK) (IV.23) Với: + αF : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu (W/m2.oK) + αN : hệ số cấp nhiệt nước (W/m2.oK) + ∑rt : nhiệt trở thành ống lớp cáu * Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: Vận tốc dòng nhập liệu ống ngoài: vF = GF 1000 = = 0.8456 (m/s) 3600.ρ F π d ng 3600.948,368 π 0,0212 Chuẩn số Reynolds : Re F = vF d td ρ F 0.8456 0,009.948,368 = = 12333,32 > 104 : chế độ µF 0,5852.10 − chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Nu F = 0,021.ε l Re F ,8 PrF , 43 ( PrF 0, 25 ) Prw Trong đó: + εl : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re W tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReF=12333,32 ,chọn εl =1 + PrF : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 74,033oC, nên cF µ F 4013.0,5852.10 −3 = PrF = = 4,107 λF 0,5717 102,868 Suy ra: NuF = Pr 0, 25 w2 Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: ĐATB Quá Trình Thiết Bị αF = Nu F λF 102,868.0,5717 6534,4 = = 0, 25 , 25 d td Prw 0,009 Prw Nhiệt tải phía dịng nhập liệu: qF = α F (t w − ttbF ) = 6534,4 (t w − 72,525) (W/m2) , 25 Prw (IV.24) Với tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ) * Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: qt = t w1 − t w , (W/m2) Σrt Trong đó: + tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (ngoài ống nhỏ) δ t + Σrt = λ + r1 + r2 t Bề dày thành ống: δt = 2(mm) Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 17,5 (W/moK) Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.oK/W) Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W) Suy ra: ∑rt = 1/1944,444 (m2.oK/W) Vậy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) (IV.25) * Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống nhỏ: Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,034- 0,025 = 0,009 (m) Hệ số cấp nhiệt nước xác định theo công thức:  rN αN= 0,725 A.  (t − t ).d  sN w1 td     , 25  2260.1000  = 0,725 A.  (100 − t ).0,009   w1   , 25 91,265 A = (100 − t ) 0, 25 w1 Với: + A : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ, tra tài liệu tham khảo [2] Nhiệt tải phía nước: q N = α N (t sN − t w1 ) = 91,265 A.(100 − t w1 ) 0,75 (W/m2) (IV.26) Chọn: tw1 = 97,3oC : ĐATB Q Trình Thiết Bị Khi đó, nhiệt độ trung bình 100 + 97,3 = 98,65oC ta tra A = 178,496 Từ (IV.26): qN =91,265.178,496.(100 – 97,3)0,75 = 34312,75(W/m2) Xem nhiệt tải mát không đáng kể: qt = qW =34312,75(W/m2) Từ (IV.25), ta có: tw2 = tw1Suy ra: ttbw = qt =79,65oC 1944,444 t w1 + t w 97,3 + 79,65 = 88,475 oC = 2 Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbw = 88,475 oC: + Nhiệt dung riêng: cR = 4,039 (KJ/kg.độ) + Độ nhớt động lực: µR = 0,4538.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: λR = 0,591 (W/moK) cR µ R 4,039 0,4538.10 −3 = Khi đó: Prw2 = = 3,1 λR 0,591 6534,4 Từ (IV.24): qF = 3,10, 25 (79,65 − 72,525) = 35087,3 (W/m2) Kiểm tra sai số: ε= qN − q F qN = 34312,75 − 35087,3 35087,3 =2,207% < 5%: thoả Vậy: tw1 = 97,3oC tw2 = 79,65oC 91,265.178,496 Khi đó: α N = (100 − 97,3)0, 25 = 12708,4 (W/m2.oC) αF = Từ (IV.23): 6534,4 = 4924,536 (W/m2.oC) 3,10, 25 K= = 1256,22 1 (W/m2.oC) + + 4924,536 1944,444 12708,4 Từ (IV.22), bề mặt truyền nhiệt trung bình: Ftb = 31,16.1000 = 0,995(m2) 1256,22.24,915 Suy chiều dài ống truyền nhiệt : ĐATB Quá Trình Thiết Bị L = 0,995 = 13,77 0,025 + 0,021 (m) π Chọn: L =15(m),(dự trữ khoảng 20%) L 15 Kiểm tra: d = 0,021 = 714,28 > 50 εl = 1: thoả tr Vậy: thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L =15(m), chia thành 10 dãy, dãy dài 1,5 (m) II TÍNH TỐN BƠM NHẬP LIỆU: Tính chiều cao bồn cao vị: Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu (nhập liệu): d = 50 (mm), độ nhám ống ε=0,1(mm) t'F =28, t F =86,5 Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF = t F + t 'F = 57,25 oC: + Khối lượng riêng: ρF = 953,85 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: µF = 0,6068.10-3 (N.s/m2) Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn: Q 1000 F vF = 3600.ρ π d = 3600.953,85 π 0,052 = 0,148 (m/s) F a Tổn thất đường ống dẫn:  l1  vF h1 =  λ1 + Σξ1   d  2.g   (m) (II.15, trang 381,[1]) Với: + λ1 : hệ số ma sát đường ống + l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 20(m) + d1 : đường kính ống dẫn, d1 = d = 0,05(m) + ∑ξ1 : tổng hệ số tổn thất cục + vF : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, vF = 0,149(m/s) * Xác định λ1 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu ống: Re1 = vF d1.ρ F 0,148.0,05.953,85 = = 11632,3 µF 0,6068.10− Theo tài liệu tham khảo [1], ta có: ĐATB Quá Trình Thiết Bị 8  50  d  + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh1= 6.  = 6.  =7289,343 ε   0,1  + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 9  50  d  Ren1= 220.  = 220.  =23,9.104 ε   0,1  Suy ra: Regh1 < Re1< Ren1: khu vực chảy độ, (CT II.64, trang 379,[1]):  ε 100   λ1= 0,1.1,46 +  d1 Re1    , 25 = 0,0327 * Xác định ∑ξ1: Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + 10 chỗ uốn cong: ξu1=10.1,1 = 11 + van (van cầu): ξv1= 3.10 = 30 + lần đột thu: ξt1 = 0,5 + lần đột mở: ξm1 = + lưu lượng kế: ξl1 = (không đáng kể) Suy ra: ∑ξ1 = ξu1 + ξv1 + ξt 1+ ξm1 + ξl1 = 42,5 20   0,1482 + 42,5   0,0327 Vậy:Tổn thất đường ống dẫn: h1= =0,062(m) 0,05   2.9,81 b Tổn thất đường ống dẫn thiết bị trao đổi nhiệt:   v2 l2 h2 =  λ + Σξ   d  2.g   (m) Với: + λ2 : hệ số ma sát đường ống + l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = 20(m) + d2 : đường kính ống dẫn, d2 = 0,021(m) + ∑ξ2 : tổng hệ số tổn thất cục + v2 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, v2 = 1,26(m/s) * Xác định λ2 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu: Re2= 15501,8 (đã tính thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy) Theo tài liệu tham khảo [1], ta có: ĐATB Q Trình Thiết Bị 8  21  d  + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh2= 6.  = 6.  =2704,68 ε   0,1  + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 9  21  d  Ren2= 220.  = 220.  =90140,38 ε   0,1  Suy ra: Regh2 < Re2 < Ren2: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]):  ε 100   λ2= 0,1.1,46 +  d Re    0, 25 = 0,034 * Xác định ∑ξ2: Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + chỗ ống cong quay ngược: ξq2=9.2,2 = 19,8 + chỗ uốn cong: ξu2= 1,1 + lần co hẹp: ξc2 = 0,385  0,0212 + lần mở rộng: ξm2 = 1 −  0,05    = 0,6783   Suy ra: ∑ξ2 = ξu2 + ξq2 + ξc2+ ξm =21,963 Vậy:Tổn thất đường ống dẫn thiết bị trao đổi nhiệt: h 2= 20   1,26 + 21,963   0,034 =4,416(m) 0,021   2.9,81 c Tổn thất đường ống dẫn thiết bị gia nhiệt nhập liệu:   v2 l  λ3 + Σξ  h3 =   2.g  d3  (m) Với: + λ3 : hệ số ma sát đường ống + l3 : chiều dài đường ống dẫn, l3 = 20(m) + d3 : đường kính ống dẫn, d3 = 0,021(m) + ∑ξ3 : tổng hệ số tổn thất cục + v3 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, v = 1,2825(m/s) * Xác định λ3 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu: Re3= 12333,32 (đã tính thiết bị gia nhiệt nhập liệu) ĐATB Quá Trình Thiết Bị Theo tài liệu tham khảo [1], ta có: + Chuẩn số Reynolds tới hạn:  21  d  Regh3= 6.  = 6.  ε   0,1  =2704,68 + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: 9  21  d  Ren3= 220.  = 220.  =90140,38 ε   0,1  Suy ra: Regh3 < Re3 < Ren3: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]):  ε 100   λ3= 0,1.1,46 +  d Re3    , 25 = 0,035 * Xác định ∑ξ3: Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + chỗ ống cong quay ngược: ξq3=9.2,2 = 19,8 + chỗ uốn cong: ξu3= 1,1 + lần co hẹp: ξc2 = 0,385  0,0212 + lần mở rộng: ξm2 = 1 −  0,05    = 0,6783   Suy ra: ∑ξ3 = ξu3 + ξq3 + ξc3+ ξm =21,963 Vậy:Tổn thất đường ống dẫn thiết bị gia nhiệt: h 3= 20   1,28252 + 21,963   0,035 =4,635(m) 0,021   2.9,81 Chọn : + Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị + Mặt cắt (2-2) mặt cắt vị trí nhập liệu tháp Ap dụng phương trình Bernolli cho (1-1) (2-2): 2 P1 P2 v1 v2 z1 + ρ g + = z2 + ρ g + +∑hf1-2 2.g 2.g F F hay z1 = z2 + P2 − P1 v − v1 + +∑hf1-2 ρ F g 2.g Với: + z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem chiều cao bồn cao vị Hcv = z1 + z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem chiều cao từ vị trí nhập liệu tới mặt đất: ĐATB Quá Trình Thiết Bị z2 = hchân đỡ + hnắp + (Nchưng+1) (h + δmâm ) = 0,120 + 0,15 + 8.(0,3 + 0,002) = 2,686 (m) + P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at + P2 : áp suất mặt thoáng (2-2) Xem ∆P=P2 –P1 =Ncất ∆Pl = 15 286,27 = 4294,05 (N/m2) + v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = 0(m/s) + v1 : vận tốc vị trí nhập liệu, v1 = vF = 0,148 (m/s) + ∑hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2): ∑hf1-2 = h1 + h2 + h3 = 0,062 + 4,416 + 4,635 = 9,113(m) 2 P − P v − v1 Vậy: Chiều cao bồn cao vị: Hcv = z2 + + +∑hf1-2 ρ F g 2.g 4294,05 0,1482 − + =2,686 + + 9,113 953,85.9,81 2.9,81 = 12,259(m) Chọn Hcv = 15(m) Chọn bơm: G 1500 F Lưu lượng nhập liệu: VF = ρ = 953,85 = 1,573 (m3/h) F Chọn bơm có suất Qb = 1,7 (m3/h).Đường kính ống hút, ống đẩy 21(mm),nghĩa chọn ống 25x2 Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình t’F = 28 oC: + Khối lượng riêng: ρF = 964,2 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: µF = 1,772.10-3 (N.s/m2) Vận tốc dịng nhập liệu ống hút đẩy: vh = vd = 4.Qb 3600.π d h = 4.1,7 = 1,363(m/s) 3600.π ,0,0212 Tổng trở lực ống hút ống đẩy:  lh + ld  vh  λ + Σξ h + Σξ d  hhd =   2.g dh   Với: + lh : chiều dài ống hút, chọn lh = 2,5 (m) + ld : chiều dài ống đẩy, chọn ld = 15,5 (m) + ∑ξh : tổng tổn thất cục ống hút ĐATB Quá Trình Thiết Bị + ∑ξd : tổng tổn thất cục ống đẩy + λ : hệ số ma sát ống hút ống đẩy * Xác định λ: Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu: Re= v h d h ρ F 1,363.0,021.964,2 = =15574,65 µF 1,772.10 −3 Theo tài liệu tham khảo [1], ta có: 8  21  d  + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh= 6. h  = 6.  =2704,68 ε   0,1  + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: d  Ren= 220. h  ε  9  21  = 220.  =90140,38  0,1  Suy ra: Regh < Re < Ren: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]):  ε 100   λ= 0,1.1,46 +  d h Re    , 25 = 0,034 * Xác định ∑ξh: Hệ số tổn thất cục ống hút qua: + van cầu: ξvh= 10 + lần vào miệng thu nhỏ: ξt = Suy ra: ∑ξh = ξvh =10 * Xác định ∑ξd: Hệ số tổn thất cục ống đẩy qua: + van cầu: ξvd= 10 + lần uốn góc: ξu =2.1,1 = 2,2 Suy ra: ∑ξh = ξvd + ξu =12,2 Vậy:Tổn thất ống hút ống đẩy: 2,5 + 15,5   1,363 + 10 + 12,2   0,034 hhd = =4,86(m) 0,021   2.9,81 Chọn : + Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu + Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị ĐATB Quá Trình Thiết Bị Ap dụng phương trình Bernolli cho (1-1) (2-2): 2 P1 P2 v1 v2 z1 + ρ g + + Hb= z2 + ρ g + +∑hf1-2 2.g 2.g F F Với: + z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất + z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất + P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at + P2 : áp suất mặt thoáng (2-2), chọn P2 = at + v1,v2 : vận tốc mặt thoáng (1-1) và(2-2), xem v1=v2= 0(m/s) + ∑hf1-2 =hhd: tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2) + Hb : cột áp bơm Suy ra: Hb = (z2 – z1) + hhd = Hcv + hhd = 15 +4,86 =19,86(m.chất lỏng) Chọn hiệu suất bơm: ηb = 0,8 Q H ρ g b b F Công suất thực tế bơm: Nb = 3600.η = b 1,7.19,86.964,2.9,81 3600.0,8 = 110,08(W) = 0,148 (hp) Tóm lại: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM Qb = 1,7 (m3/h) rượu chất không độc hại Phần V:Tổng kết kết tính tốn từ đồ án PHẦN II: Cân vật chất Phần mol Lưu lượng (kg/h) Lưu lượng (kmol/h) Hỗn hợp đầu 0,1 1000 48,077 Sản phẩm đỉnh 0,75 244,92 6,28 Sản phẩm đáy 0,23 754,85 41,797 Sản phẩm X(phần mol) Y(phần mol) T0điểm sơi F 0,1 0,442 86,5 ĐATB Q Trình Thiết Bị P 0,75 0,7855 78,8 W 0,0023 0,015 99,6 - Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn cất : y = 0,59 x + 0,3 - Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng: y = 3,725x + 0,00627 - Số mâm thực tế Ntt= 23 mâm - Tỉ số hồn lưu thích hợp Rx= 1,44 PHẦN III :TÍNH TỐN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT -Đường kính tồn tháp : Dt = 0,5 (m) -Đường kính đoạn luyện:0,42 (m) -Đường kính đoạn chưng:0,478 (m) -Chiều cao tháp: 7,896 (m) -Trở lực tồm tháp:6578,77(N/m2) -Tháp làm thép khơng gỉ, ký hiệu X18H10T - Bề dày thân tháp:2mm -Đáy nắp chọn đáy nắp có dạng hình ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm thép X18H10T Chiều cao gờ: hgờ = 25 mm, Bề dày: S = mm -Bích ghép thân, đáy, nắp trình bày chi tiết trang 26 -Chân đỡ tai treo tính trang 26,27 -Ống nhập liệu: d=20mm -Ống đỉnh tháp d=40mm -Ống hoàn lưu d=20mm -Ống đáy tháp d= 70mm -Ống dẫn lỏng khỏi đáy 25mm PHẦN IV: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ -Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh : gồm 52(ống), dài 1,5 (m).Ống bố trí theo hình lục giác đều, số ống đường chéo hình lục giác: 7(ống) Đường kính vỏ thiết bị: 0,31(m) - Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:Đường kính D:0,15m, chiều dài ống truyền nhiệt :1(m), chia thành 10 dãy, dãy dài (m) ĐATB Quá Trình Thiết Bị -Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy số ống n = 91, chiều dài ống truyền nhiệt 2,8(m) Ống bố trí theo hình lục giác đều, số ống đường chéo hình lục giác:9(ống) Đường kính vỏ thiết bị: 0,380(m) -Thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu sản phẩm đáy đường kính: 0,45m, thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 1,5(m) -Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L =15(m), chia thành 10 dãy, dãy dài 1,5 (m) -Bơm nhập liệu:năng suất bơm:1,7m3/h -Bồn cao vị co chiều cao12,259 m KẾT LUẬN: Sau nghiên cứu, em tìm hiểu học tập vấn đề: + Thiết kế tháp chưng cất Etanol – Nước tương đối hoàn chỉnh biết trước suất, nồng độ nhập liệu nồng độ, độ thu hồi sản phẩm đỉnh + Tính tốn tương đối chi tiết trình làm việc thiết bịvà khả chịu bền thiết bị tính ăn mịn học hoá học, điều kiện làm việc thiết bị + Sơ tính chi phí đầu tư ban đầu cho tháp chưng cất ĐATB Quá Trình Thiết Bị TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất (tập 1) - Nhà xuất khoa học kỹ thuật [2] Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất (tập 2) - Nhà xuất khoa học kỹ thuật [3] Võ Văn Ban, Vũ Bá Minh,Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học-tập 3: Truyền khối, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh [4] Phạm Văn Bơn, Vũ Bá Minh, Hồng Minh Nam - Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học, Ví dụ tập (Tập 10) - Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM ĐATB Quá Trình Thiết Bị MỤC LỤC PHẦN II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT PHẦN II: Caân vật chất .64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 ... • Năng suất nhập liệu: GF = 1000 (Kg/h) • Nồng độ nhập liệu: xF = 10 %mol etanol • Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 75 %mol etanol • Tỷ lệ thu hồi etanol: h= 98% • Khối lượng phân tử rượu(MR) nước( MN):... trung gian tháp chêm tháp mâm chóp Nên ta chọn tháp chưng cất tháp mâm xuyên lỗ ĐATB Quá Trình Thiết Bị Vậy: Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục áp suất thường,... (Kg/h-Kmol/h) P: lưu lượng sản phẩm đỉnh (Kg/h-Kmol/h) W: lưu lượng sản phẩm đáy (Kg/h-Kmol/h) XF: Nồng độ hỗn hợp đầu (phần mol) Xp: Nồng độ hỗn hợp đỉnh (phần mol) Xw: Nồng độ hỗn hợp đáy (phần mol)