Thiết kế tháp chưng cất hệ etanol nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu 2000 kgh có nồng độ 15% 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 thực 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. Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 2000 kgh có nồng độ 15% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 75% mol etanol với độ thu hồi etanol là 98%.

Đồ Án Môn Học 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- thực phẩm tương lai Mơn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hoá chất - thực phẩm Nhiệm vụ ĐAMH thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 2000 kg/h có nồng độ 15% mol etanol ,thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 75% mol etanol với độ thu hồi etanol 98% Đây lần thiết kế hệ thống tháp chưng cất mang tính chất chuyên ngành,do kiến thức tài liệu hạn chế nên em khơng thể tránh khỏi sai sót q trình thiết kế Nên mong giúp đỡ bảo tận tình q thầy mơn để em hoàn thành tốt đồ án Đồ Án Môn Học CHƯƠNG 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 đặc, chưng cất q trình dung mơi chất tan bay hơi, cịn đặc q trình có dung môi 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 sơi 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 sôi cấu tử 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) q trình thực liên tục, nghịch dịng, nhều đoạn Đồ Án Môn Học  Phương pháp cất nhiệt đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp nước: thường áp dụng trường hợp chất tách không tan nước 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: Tháp chưng cất phong phú kích cỡ ứng dụng ,các tháp lớn thường ứng dụng công 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: Tháp chêm Ưu điểm: - Đơn giản - Trở lực thấp Nhược điểm: - Hiệu thấp Tháp mâm xuyên lỗ - Hiệu suất tương đối cao - Hoạt động ổn định - Làm việc với chất lỏng bẩn Tháp mâm chóp - Hiệu suất cao - Hoạt động ổn định suất - Trở lực cao - Cấu tạo phức tạp - Yêu cầu lắp đặt - Độ ổn định khắt khe -> lắp đĩa thật phẳng - Trở lực lớn - Không làm việc - Thiết bị nặng với chất lỏng bẩn Đồ Án Môn Học 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 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 hố 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 H2SO4, HNO3 acid hữu tạo ester Lạnh CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 H+ CH3-COO-C2H5 + H2O Đồ Án Môn Học * Phản ứng nhóm hydroxyl: + Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O + Tác dụng với Triclo Phốt pho: CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl + Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 Al2oO3 C 2H5-NH2 + t H2O + Phản ứng tạo eter tách loại nước: 2CH3-CH2-OH CH3-CH2-OH H2SO4 >150oC H2SO4 >150oC (CH3-CH2)2O + CH2=CH2 + H2 O H2 O * Phản ứng hydro oxy hoá: CH3-CH2-OH Cu 200-300oC CH3-CHO + H2  Ứng dụng: etanol đóng vai trị quan trọng kinh tế quốc dân Nó nguyên liệu dùng để sản suất mặt hàng khác ứng dụng rộng rãi ngành: công nghiệp nặng, y tế dược, quốc phịng, giao thơng vận tải, dệt, chế biến gỗ nông nghiệp  Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hố etylen với xúc tác H 2SO4; 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 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal Zymaza Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol CO2 Đồ Án Môn Học 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, khơng mùi, không vị Khối lượng phân tử : 18 g / mol Khối lượng riêng d40 c : g / ml Nhiệt độ nóng chảy : 00C 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 mơi phân cực mạnh, có khả hồ tan nhiều chất dung môi quan trọng kỹ thuật hóa học III CƠNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC: Etanol chất lỏng tan vô hạn H 2O, nhiệt độ sôi 78,80C 760mmHg, nhiệt độ sôi nước 100 oC 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 khơng thể 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 q 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: Tháp chưng cất Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy Bồn chứa nguyên liệu Bồn chứa sản phẩm đáy Bồn chứa sản phẩm đỉnh Bơm Thiết bị gia nhiệt nhập liệu .8 Bồn cao vị Đồ Án Môn Học Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 10 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Qui trình cơng nghệ thuyết minh qui trình: 3.1 Sơ đồ qui trình: SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT (9) (8) (D) H2O H2O (1) CHUYƯN CNG NGH Hồi lưu Hơi thứ H 2O (F) (7) (10) Nước ngưng (2) Nước ngưng (6) (W) (3) (4) (5) Đồ Án Mơn Học * 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 (3) bơm (6) bơm lên bồn cao vị (8) Từ đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (7) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ) Sau đó, hỗn hợp đun sôi đến nhiệt độ sôi thiết bị gia nhiệt(7), hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (1) 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 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 75% phân mol) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (9) 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 (5) 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 0,37 % phân mol, lại nước 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 Đồ Án Môn Học PHẦN II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT I THƠNG SỐ BAN ĐẦU Gọi F: lượng hỗn hợp đầu (kg/ngày) (kg/h) P: lượng sản phẩm đỉnh (kg/ngày) (kg/h) W: lượng sản phẩm đáy (kg/ngày) hoặc(kg/h) aF: nồng độ phần khối lượng Etanol hỗn hợp đầu aP: nồng độ phần khối lượng Etanol sản phẩm đỉnh aW: nồng độ phần khối lượng Etanol sản phẩm đáy xF: nồng độ phần mol Etanol hỗn hợp đầu xP: nồng độ phần mol Etanol sản phẩm đỉnh xW: nồng độ phần mol Etanol sản phẩm đáy Kí hiệu A: Etanol với MA = 46 B: Nước với MB = 18 Theo yêu ban đầu F = 2.103 kg/h II TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU 2.1 Công thức liên hệ nồng độ phần mol & nồng độ phần khối lượng xj = X jM j ∑ XiM i Thành phần mol hỗn hợp đầu aF MA xF = ⇒ aF − aF + MA MB aF = 46 ∗ x F 46 ∗ 0,15 = = 0,31 46 ∗ x F + (1 − x F ) ∗18 46 ∗ 0,15 + (1 − 0,15) ∗18 Thành phần mol sản phẩm đỉnh aP MA xP = ⇒ aP − aP + MA MB aP = 46 ∗ x P 46 ∗ 0,75 = = 0,8846 46 ∗ x P + (1 − x F ) ∗ 18 46 ∗ 0,75 + (1 − 0,75) ∗18 Đồ Án Môn Học • Cân vật chất cho toàn tháp: F = D + W ⇔ 2.103 = P + W (1) • Cân cấu tử etanol (cấu tử nhẹ): F.xF = D.xD + W.xW ⇔ 2.103 ∗ 0,31 = P ∗ 0,94+ W ∗ xW (2) • Tỷ lệ thu hồi (η ) = 98% F.xF η = D.xD ⇔ 2.103 ∗ 0,31 ∗ 0,98= P ∗ 0,94 Giải phương trình (1), (2), (3) ta có: P = 688,662 kg/h W = 1311,28 kg/h xW = 0,0037 phần mol 2.2 Tính khối lượng mol trung bình (3) n M = ∑ x i ∗M i i =1 Với : n: số cấu tứ hỗn hợp xi: phần mol cấu tử i Mi: khối lượng mol cấu tử i Trong hỗn hợp đầu MF = xF ∗ MA + (1 - xF) ∗ MB = 46 ∗ 0,15 + (1 - 0,15) ∗ 18 = 22,2kg/kmol Trong sản phẩm đỉnh MP = xP ∗ MA + (1 - xP) ∗ MB = 46 ∗ 0,75 + (1 - 0,75) ∗ 18 = 39 kg/kmol Trong sản phẩm đáy MW = xW ∗ MA + (1 - xW) ∗ MB = 46 ∗ 0,0037 + (1 - 0,0037) ∗ 18 = 18,1036 kg/kmol Phần khối lượng Hỗn hợp đầu Sản phẩm đỉnh Sản phẩm đáy 31,08% 88,5% 0,94% P hần mol 5% 5% 0, 37% Lưu lượng (kg/h) Lưu (kmol/h) 2.103 90,09 688,662 17,658 1311,28 72,432 2.3 Thành phần pha hỗn hợp cấu tử Etanol - Nước 10 lượng Đồ Án Môn Học K=[ δ -1 + r1 + + r2 + ] α1 λ α2 (CT V.5, 3, [2]) λ = λCu = 93 W/m2.độ δ = mm = 0,003 m Hệ số cáu bẩn nước bẩn r1 = 0,387.10-3 W/m2.độ Hệ số cáu bẩn nước thường r2 = 0,464.10-3 W/m2.độ (Bảng V.1, 4, [2]) →K=[ 0,003 + 0,387.10 −3 + + 0,464.10 −3 + ]-1 45,42 93 115,02 = 31,65 W/m2.độ 1.3.8 Bề mặt truyền nhiệt Q F = K ∗ ∆t = log 60537,3 = 52,14 m2 (CT VIII.4, 232, [3]) 31,65 ∗ 36,68 1.3.9 Chiều dài ống L= F 52,14 = = 3,07 m (CT VIII.19, 236, [3]) n ∗ π ∗ d h 169 ∗ 3,1416 ∗ 0,032 1.4 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 1.4.1 Điều kiện nhiệt độ trình 119,60C 119,60C 84,850C 550C Chênh lệch nhiệt độ đầu nhỏ: ∆tN = 119,6 – 84,85 = 34,750C Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn: ∆tL = 119,6 – 55 = 64,6 0C Hiệu số nhiệt độ trung bình : ∆t log = 64,6 − 34,75 = 48,14  64,6  C ln   34,75  54 (CT V.8, 5, [2]) Đồ Án Môn Học 1.4.2 Nhiệt tải Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng nhập liệu QD2 = 2.10 ∗ 4139,595(84,85 − 55) = 68648,2 J/s 3600 1.4.3 Chọn thiết bị Chọn loại thiết bị ống chùm, đặt nằm ngang vật liệu đồng thau, hệ số dẫn nhiệt λ = 93 W/m0C (Bảng XII.16, 318, [2]) Thiết bị gồm 61 ống, xếp thành hình sáu cạnh, số ống vịng ngồi 18 ống Chọn đường kính ngồi ống dh = 0,025m, loại ống 25*2mm Đường kính thiết bị : Dtr = t ∗ (b –1) +4 ∗ dh (CT V.140, 49, [2]) t : bước ống, chọn t =1,5 ∗ dh =1,5 ∗ 0,025 = 0,0375 m b = 2∗ a - = 2∗ - = (CT V.139, 48, [2]) (a = 4: số ống cạnh hình sáu cạnh cùng) ⇒ Dtr = 0,0375 ∗ (9 - 1) + ∗ 0,025 = 0,4 m 1.4.4 Xác định hệ số cấp nhiệt từ nước đến thành ống Ở nhiệt độ trung bình dịng nóng tt1 = 119,6 0C, ta tra thông số: ρN =943,3 kg/m3 µ N= 0,233.10-3 Ns.m2 r N= 2208.10-3 λN = 0,685 W/m.độ Dtr − n.d 0,4 − 61 ∗ 0,025 dtd = = = 0,063 m Dtr + n.d 0,4 + 61 ∗ 0,025 Chọn ∆t1 = 0,50C - Hệ số cấp nhiệt α1 = 1.28 ∗ r ∗ ρ ∗ λ3 2208.10 −3 ∗ 9433 ∗ 0,685 = 1,28 ∗ µ ∗ ∆t1 ∗ d td 0,233.10 −3 ∗ 0,5 ∗ 0,063 (CT V.111, 30, [2]) = 21665,51 (W/m2.độ ) Hệ số cấp nhiệt trung bình chùm ống αch = ε ∗ α1 (CT V.109, 31, [2]) Tra đồ thị (V.18, 29, [2]) ε = 0,76 55 Đồ Án Môn Học → αch = 0,76 ∗ 21665,51 = 16465,79 W/m2.độ (CT V.109, 31, [2]) 1.4.5 Xác định hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nhập liệu Nhiệt độ trung bình dịng lạnh ttb2 = (55 + 84,85)/2 = 69,90C, tra thông số: ρF = 937,58 kg/m3 µF = 0,579.10-3N.s/m2 λF = 0,565 W/m.K CF = 3968 J/kg.độ Vận tốc nước ống: w= F π ∗d2 Tính tổng số Re: 3600 ∗ ρ F ∗ n ∗ Re = = 2.103 = 0,02 m/s 3,1416 3600 ∗ 937,58 ∗ 61 ∗ ∗ 0,025 0,02 ∗ 0,025 ∗ 937,58 w.d ρ F = = 809,655 (CT V.36, 13, [2]) µF 0,579.10 −3 10 < Re 50 nên chọn ε2 = 1) Nu = 0,15 ∗ ε1 ∗ Re0.33 ∗ Pr0.43 ∗ Gr0.1 ∗ (Pr/Prt )0.25 (CT V.45, 17, [2]) = 0,15 ∗ ∗ 809,6550,33 ∗ 4,070,43 ∗ (12,96.106)0.,1 ∗ (4,07/3,7)0,.25 = 13,17 56 Đồ Án Môn Học - Hệ số cấp nhiệt α2 = Nu ∗ λ F 13,17 ∗ 0,565 = = 297,64 W/m2.độ (Trang d 0,025 17, [2]) 1.4.6 Nhiệt tải riêng q1 = αch ∗ ∆t1 = 16465,79 ∗ 0,5 = 8232,89 W/m2 (CT VIII.11a, 234, [3]) q2 = α2 ∗ ∆t2 = 297,64 ∗ 27 = 8036,33 W/m2 (CT VIII.11c, 235, [3]) Sai số q1 q2: q1 − q = 0,024 < 0,05 ( 5% ) (CT VIII.12, 235, [3]) q1 1.4.7 Hệ số truyền nhiệt δ -1 K = [ + r1 + + r2 + ] (CT V.5, 3, [2]) α1 λ α2 λ = λCu = 93 W/m2.độ δ = mm = 0,002 m Hệ số cáu bẩn nước bẩn r1 = 0,387.10-3 W/m2.độ Hệ số cáu bẩn nước thường r2 = 0,464.10-3 W/m2.độ (Bảng V.1, 4, [2]) →K=[ 0,002 + 0,387.10 −3 + + 0,464.10 −3 + ]-1 21665,51 93 297,64 = 234,11W/m2.độ 1.4.8 Bề mặt truyền nhiệt Q 68648,2 F = K ∆t = 234,11 ∗ 48,14 = 6,1 m2 (CT VIII.4, 232, [3]) log 1.4.9 Chiều dài ống L= F 6,1 = = 1,27 m (CT VIII.19, 236, [ n.π d h 61 ∗ 3,1416 ∗ 0,025 57 Đồ Án Mơn Học 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) Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF = t F + t'F = 56,425 oC: + Khối lượng riêng: ρF = 947,513 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: µF = 0,7978.10-3 (N.s/m2) Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn: vF = QF 2000 = = 0,298(m/s) 3600.ρ F π d 3600.947,513 π 0,05 a Tổn thất đường ống dẫn:  l v h1 =  λ1 + Σξ1  F  d  2.g   (m) 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 = 0,298(m/s) * Xác định λ1 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu ống: v d ρ 0,298.0,05.947,513 Re = F F = = 17696,09 µF 0,7978.10 −3 Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: 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, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]):  ε 100   λ1= 0,1.1,46 +  d Re1    , 25 = 0,0345 58 Đồ Án Môn Học * 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   0,298 + 42,5  Vậy:Tổn thất đường ống dẫn: h1=  0,0345 =0,256(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:(xem lại mục IV.I.4) Re2= 32320,9 Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: 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    , 25 = 0,0334 * Xác định ∑ξ2: Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + chỗ ống cong quay ngược: ξq2=9.2,2 = 19,8 59 Đồ Án Môn Học + 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   0,0334 =4,217(m) 0,021   2.9,81 c Tổn thất đường ống dẫn thiết bị gia nhiệt nhập liệu:   v3 l3 h3 =  λ3 + Σξ   d  2.g   (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, v3 = 1,2825(m/s) * Xác định λ3 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu:(xem lại mục IV.I.5) Re3= 32898,059 Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: 8  21  d  + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh3= 6.  = 6.  =2704,68 ε   0,1  + 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 Re    , 25 = 0,0319 * 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 60 Đồ Án Môn Học + 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   1,2825 0,0319 + 21,963   =4,388(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 + + = z2 + + +∑hf1-2 ρ F g ρ F g 2.g 2.g 2 P − P v − v1 hay z1 = z2 + + +∑hf1-2 ρ F g 2.g Với: + z1: độ cao mặt thoáng Hcv = 15(m) Chọn bơm: Lưu lượng nhập liệu: VF = GF 2000 = = 2,11 (m3/h) ρ F 947,513 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 dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 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 dòng 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) + ∑ξn : tổng tổn thất cục ống hút + ∑ξd : tổng tổn thất cục ống đẩy 61 Đồ Án Môn Học + λ : hệ số ma sát ống hút ống đẩy * Xác định λ: Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu: v h d h ρ F 1,363.0,021.964,2 = Re= =15574,65 µF 1,772.10 −3 Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 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 Ap dụng phương trình Bernolli cho (1-1) (2-2): z1 + 2 P1 P2 v v + + Hb= z2 + + +∑hf1-2 ρ F g ρ F g 2.g 2.g 62 Đồ Án Mơn Học Với: + z1: độ cao mặt thống (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 Công suất thực tế bơm: Nb = Qb H b ρ F g 1,7.19,86.964,2.9,81 = 3600.η b 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 VI: KẾT LUẬN Qua q trình thiết kế tính tốn ta đưa thiết bị chưng cất rượu nước dạt hiệu xuất cao giúp xác định thiết bị phương pháp chưng 63 Đồ Án Môn Học PHẦN VII: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất (tập 1) - Nhà xuất khoa học kỹ thuật [2] Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất (tập 2) - Nhà xuất khoa học kỹ thuật [3] Phan Văn Thơm - Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất chế biến thực thực phẩm đa dụng (Xuất năm 1992) [4] Phạm Văn Bôn, 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 64 Đồ Án Môn Học MỤC LỤC PHẦN V: .43 TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ .43 PHẦN VI: KẾT LUẬN 63 PHẦN VII: TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 65 ... 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 sơi lớn) Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ... xét: tháp mâm xuyên lỗ trạng thái trung gian tháp chêm tháp mâm chóp Nên ta chọn tháp chưng cất tháp mâm xuyên lỗ Vậy: Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục áp suất. .. phẩm đáy xF: nồng độ phần mol Etanol hỗn hợp đầu xP: nồng độ phần mol Etanol sản phẩm đỉnh xW: nồng độ phần mol Etanol sản phẩm đáy Kí hiệu A: Etanol với MA = 46 B: Nước với MB = 18 Theo yêu ban