Thiết kế tháp chưng cất ethanol và nước năng suất 5000kg trên giờ

Mục lục Lời mở đầu 7 Chương 1: Tổng quan 8 I. Giới thiệu về nguyên liệu…………………………………………………… 8 1. Etanol 8 1.1. Tính chất vật lý………………………………………... 8 1.2. Tính chất hóa học 8 1.3. Ứng dụng 9 2. Nước 9 3. Hỗn hợp methanol – nước 9 II. Cơ sở chưng cất 11 1. Khái niệm 11 2. Thiết bị chưng cất 12 Chương 2: Quy trình công nghệ 14 I. Lựa chọn quy trình công nghệ 14 II. Thuyết minh quy trình công nghệ 15 Chương 3: Tính toán thiết kế 15 I. Số liệu ban đầu 16 II. Cân bằng vật chất 17 1. Cân bằng vật chất cho toàn tháp 17 2. Xác định chỉ số hoàn lưu 18 3. Các phương trình làm việc, số mâm lý thuyết 19 4. Xác định số mâm thực tế 20 III. Cân bằng nhiệt lượng 20 1. Cân bằng nhiệt lượng giữa thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu với sản phẩm đáy 20 2. Cân bằng nhiệt lượng cảu thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 20 3. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 21 4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ 21 IV. Tính toán thiết bị chính 21 1. Đường kính đoạn luyện 23 2. Đường kính đoạn chưng 23 3. Chiều cao của tháp 23 V. Tính toán kết cấu cảu tháp 24 1. Cấu tạo mâm lỗ 24 2. Trở lực của mâm xuyên lỗ 24 3. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 25 VI. Tính toán cơ khí của tháp 25 1. Bề dày tháp 28 2. Bích ghép thân, đáy và nắp 28 3. Đường kính của các ống 29 4. Tai treo và chân đỡ 29 5. Tính bề dày lớp cách nhiệt 29 Chương 4: Tính thiết bị phụ 30 I. Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 30 1. Suất lượng nước cần làm lạnh 39 2. Xác định bề mặt truyền nhiệt 41 3. Cấu tạo của thiết bị 41 II. Thiết bị đun nóng sản phẩm đáy 42 1. Điều kiện nhiệt độ quá trình 44 2. Tải nhiệt 45 3. Tính chọn thiết bị 47 III. Thiết bị đun nóng dòng nhập liệu 49 1. Hiệu số truyền nhiệt 50 2. Bề mặt truyền nhiệt 52 3. Cấu tạo thiết bị 55 IV. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa dòng nhập liệu với sản phẩm đáy 57 1. Nhiệt độ dòng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy 58 2. Xác định bề mặt truyền nhiệt 60 3. Cấu tạo thiết bị 62 Kết luận 64 Tài liệu tham khảo 65

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Trường Đại Học Bà Rịa - Vũng Tàu Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Quá trình và thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học và Thực Phẩm

1. Họ và tên sinh viên:

Năng suất nhập liệu 5000kg/h

Nồng độ Etanol: = 35% (khối lượng), = 90% (khối lượng)

Độ thu hồi Etanol:=99.5%

3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

3.1 Giới thiệu sơ lược tổng quát về nguyên liệu

3.2. Thuyết minh quy trình công nghệ

3.3. Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng

3.4. Tính toán và thiết kế thiết bị chính

3.5. Tính toán thiết bị phụ

3.6. Kết luận

4. Các bản vẽ:

Bản vẽ tay: 1 bản thiết bị chính trên giấy A1

Bản vẽ máy: 1 bản sơ đồ công nghệ trên giấy A3

1 bản sơ đồ công nghệ trên giấy A1

Điểm: _ Chữ ký: 2. Giảng viên hay Hội đồng bảo vệ Nhận xét:

Điểm: _ Chữ ký:

Điểm tổng kết: _

Mục lục

Lời mở đầu 7

Chương 1: Tổng quan 8

I. Giới thiệu về nguyên liệu……… 8

1. Etanol 8

1.1. Tính chất vật lý……… 8

1.2. Tính chất hóa học 8

1.3. Ứng dụng 9

2. Nước 9

3. Hỗn hợp methanol – nước 9

II. Cơ sở chưng cất 11

1. Khái niệm 11

2. Thiết bị chưng cất 12

Chương 2: Quy trình công nghệ 14

I. Lựa chọn quy trình công nghệ 14

II. Thuyết minh quy trình công nghệ 15

Chương 3: Tính toán thiết kế 15

I. Số liệu ban đầu 16

II. Cân bằng vật chất 17

I. Cân bằng vật chất cho toàn tháp 17

II. Xác định chỉ số hoàn lưu 18

III. Các phương trình làm việc, số mâm lý thuyết 19

IV. Xác định số mâm thực tế 20

III. Cân bằng nhiệt lượng 20

1. Cân bằng nhiệt lượng giữa thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu với sản phẩm đáy 20

2. Cân bằng nhiệt lượng cảu thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 20

3. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 21

4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ 21

IV. Tính toán thiết bị chính 21

1. Đường kính đoạn luyện 23

2. Đường kính đoạn chưng 23

3. Chiều cao của tháp 23

V. Tính toán kết cấu cảu tháp 24

1. Cấu tạo mâm lỗ 24

2. Trở lực của mâm xuyên lỗ 24

3. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 25

VI. Tính toán cơ khí của tháp 25

1. Bề dày tháp 28

2. Bích ghép thân, đáy và nắp 28

3. Đường kính của các ống 29

4. Tai treo và chân đỡ 29

5. Tính bề dày lớp cách nhiệt 29

Chương 4: Tính thiết bị phụ 30

I. Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 30

1. Suất lượng nước cần làm lạnh 39

2. Xác định bề mặt truyền nhiệt 41

3. Cấu tạo của thiết bị 41

II. Thiết bị đun nóng sản phẩm đáy 42

1. Điều kiện nhiệt độ quá trình 44

2. Tải nhiệt 45

3. Tính chọn thiết bị 47

III. Thiết bị đun nóng dòng nhập liệu 49

1. Hiệu số truyền nhiệt 50

2. Bề mặt truyền nhiệt 52

3. Cấu tạo thiết bị 55

IV. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa dòng nhập liệu với sản phẩm đáy 57

1. Nhiệt độ dòng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy 58

2. Xác định bề mặt truyền nhiệt 60

3. Cấu tạo thiết bị 62

Kết luận 64

Tài liệu tham khảo 65

LỜI MỞ ĐẦU

Từ thế kỷ XI người ta đã biết ứng dụng quá trình chưng cất đơn giản trongviệc sản xuất rượu etylic Hiện nay, trong nhiều ngành sản xuất hóa học cũng như sửdụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm rượu etylic có độtinh khiết cao là rất lớn

Trong thực tế, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết :trích

ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tuy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sựlựa chọn phương pháp thích hợp Đối với cồn thô gồm hai cấu tử etanol và nước hòalẫn hoàn toàn Ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết khi thuhồi etanol

Quá tình chưng cất được sử dụng rộng rãi và có ý nghĩa quan trọng trongngành kỹ thuật hóa học Tùy theo tính chất của hệ cấu tử đem chưng, độ tinh khiết củasản phẩm, hiệu suất chưng, mà người ta chọn phương pháp 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

kỹ thuật và phải ít tốn kém về mặt kinh tế là điều rất quan trọng

Trong đồ án môn học này thiết kế tháp chưng cất cồn thô hoạt động liên tụcvới năng suất theo nguyên liệu đầu vào 5000 kg/h Nồng độ dung dịch đầu 35% (khốilượng), nồng độ sản phẩm đỉnh 90% (khối lượng), sản phẩm đỉnh có độ thu hồi 99,5%.Tháp chưng cất loại mâm xuyên lỗ

Cu 200-300oC

Các thông số của etanol:

+ Khối lượng phân tử: 46 g/mol

+ Khối lượng riêng: d415 = 0,7936 g/cm3

C2H5 HO + CH3COOH → CH3COOC2H5 + H2OPhản ứng tách nước để tạo thành olefin, trong môi trường acid sulfuric đặc ở

170oC

C2H5 HO → C2H4 + H2OPhản ứng hydro và oxy hóa

1.3. Ứng dụng

Dùng để pha chế và sản xuất các loại rượu, bia và chế biến thức ăn, hươngliệu

Dùng làm chất sát trùng, rửa vết thương và điều chế thuốc chữa bệnh

Dùng sản xuất tơ nhân tạo, thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, nhựa, keo dán

Dung môi hữu cơ: pha sơn, vecni…

Dung làm nguyên liệu sạch, có độ tinh khiết cao pha vào trong xăng được xem

là một hướng đi hiệu quả và được chú ý rất nhiều Điều này giúp giải quyết vấn đề tàinguyên môi trường ngày càng cạn kiệt

2. Nước

Nước là một chất hóa học với công thức hóa học H2O Trong điều kiện bìnhthường nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là dungmôi quan trọng trong kỹ thuật hóa học.

Các thông số của nước:

+ Khối lượng phân tử: 18g/mol

+ Khối lượng riêng ở d415: 1g/cm3

+ Nhiệt độ nóng chảy: 0oC

+ Nhiệt độ sôi: 100oC

3. Hỗn hợp etanol – nước

Ta có bảng cân bằng lỏng – hơi của hỗn hợp etanol – nước:

Bảng số liệu cân bằng lỏng hơi của etanol và nước

toC 100 90,3 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4

y 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100

Trong đó: x là thành phần lỏng của etanol (%mol)

y là thành phần hơi của etanol (%mol)

Hệ Etanol-Nước

Hình vẽ: Giản đồ hệ etanol-nước

Hình vẽ: Giản đồ cân bằng lỏng hơi của etanol

II. Cơ sở chưng cất

1. Khái niệm

Chưng cất là phương pháp dùng nhiệt để tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như cáchỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành các cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhaucủa các cấu tử trong hỗn hợp

Chưng cất khác cô đặc: trong quá trình chưng, các cấu tử đều bay hơi, còn côđặc chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi.

Khi chưng cất, ta thu được nhiều sản phẩm, thường hỗn hợp có bao nhiêu cấu

tử thì có bấy nhiêu sản phẩm Trường hợp có hai cấu tử thì sản phẩm đỉnh chủ yếu làcấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi, sản phẩm đáy chủ yếu là cấu tử khóbay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi

Vì vậy đối với hệ etanol – nước thì:

+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu là etanol

+ Sản phẩm đáy chủ yếu là nước

Để có thể thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao người ta tiến hành chưngnhiều lần (chưng luyện)

Khi tiến hành chưng cất cần chý ý:

Áp suất làm việc: chân không, áp suất cao hoặc áp suất thường Nguyên tắccủa phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của cáccấu tử khá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

Số cấu tử trong hỗn hợp: hệ hai cấu tử, hệ có ba cấu tử hoặc số cấu tử ít hơnmười và nhiều cấu tử

Phương thức làm việc: liên tục hay gián đoạn (chưng cất đơn giản)

Phương pháp chưng cất đơn giản( gián đoạn) được sử dụng trong các trườnghợp sau:

 Khi nhiệt độsôi của các cấu tử khác xa nhau

 Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

 Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

 Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử ( dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trìnhđược thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn

Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: Cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước, thườngđược áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước( Chưng bằng hơi nướctrực tiếp)

Ngoài ra còn có một số phương pháp chưng cất khác như:

cầu về chất lượng thiết bị và sản phẩm Tùy theo thành phần của nguyên liệu và yêucầu của sản phẩm mà chọn thiết bị cho phù hợp để có hiệu quả chưng cao nhất.

Một số ưu, nhược điểm của thiết bị chưng:

- Hiệu suất cao - Khá ổn định.- Hiệu suất cao

- Ít hao năng lượng

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

I. Lựa chọn quy trình công nghệ

Etanol là chất lỏng tan vô hạn trong nước, nhiệt độ sôi là 78,39oC ở760mmHg, còn nước sôi 100oC ở 760 mmHg : hơi cách biệt khá xa nhau nên phươngpháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất, và ở đâychọn tháp chưng cất bằng mâm xuyên lỗ để hiệu quả tốt nhất, ít tốn năng lượng

Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol-nước

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

1.Bồn chứa nguyên liệu

11.Thiết bị đun sôi đáy tháp

12.Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

13.Bồn chứa sản phẩm đáy

II. Thuyết minh qui trình công nghệ.

Hỗn hợp etanol - nước có nồng độ etanol 35% ( theo khối lượng), nhiệt độkhoảng 280C tại bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm nguyên liệu đưa đếnthiết bị gia nhiệt (12) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy) đến 50oC Sau đó được gianhiệt bằng hơi nước ở thiết bị trao đổi nhiệt (3), ở đây hỗn hợp được đun sôi đếnnhiệt độ 83,8oC, sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của thápchảy xuống Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sựtiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau, pha lỏng chuyển động trong phần chưngcàng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì hơi nước được đưa vào

dưới đáy tháp Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lênthì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thuđược hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều nhất (90% theo khối lượng) Hơi này điqua thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (8) và được bộ phận chia dòng (9),chia một phầnchất lỏng được quay trở lại tháp làm dòng hồi lưu Một phần chất lỏng rồi được đưaqua bồn chứa sản phẩm đỉnh (10).Tại đây, nhiệt độ còn khoảng 30oC.

Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độsôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏnggồm chủ yếu là cấu tử khó bay hơi (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy tháp có nồng độ etanol

là 0,28% (theo khối lượng), còn lại là nước Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp,được đưa vào thiết bị đun sôi sản phẩm đáy (10) một phần sẽ hóa hơi để cung cấp hơicho tháp chưng cất, một phần vào thiết bị trao đổi nhiệt (12), sản phẩm đáy sau khitrao đổi nhiệt với dòng nhập liệu được đưa ra bồn chứa sản phẩm đáy (13)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol,sản phẩm đáy lànước

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

I. Số liệu ban đầu

Chọn loại tháp là tháp chưng mâm chóp

Chưng luyện hỗn hợp etanol – nước, trong đó etanol là cấu tử nhẹ dễ bay hơi.Hỗn hợp:

W= 40 oC +Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

Các ký hiệu tính toán chung:

+ GF , F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h

+ GD , D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

+ GW , W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

+ L suất lượng dòng hồi lưu (kmol/h)

+ xi, nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i

II. Cân bằng vật chất

1) Cân bằng vật chất cho toàn tháp

Áp dụng cân bằng vật chất cho tháp chưng cất liên tục:

Khối lượng phân tử trung bình của dòng nhập liệu :

3) Các phương trình làm việc, số mâm lý thuyết

a. Phương trình làm việc phần chưng của tháp

y =

y = 2.476x + 0,0015 Với (chỉ số nhập liệu)

b. Phương trình làm việc phần luyện của tháp

y =

y = 0.578x + 0.328

c. Số mâm lý thuyết

Đồ thị xác định số mâm lý thuyết

Từ đồ thị R=1,37Rmin ta có: 15 mâm bao gồm: +12 mâm cất

+3 mâm chưng

4) Xác định số mâm thực tế

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:

Trong đó: ηtb :hiệu suất trung bình của đĩa,là một hàm số của độ bay hơi tươngđối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : η=f(α,µ)

Ntt :số mâm thực tế

Nlth :số mâm lý thuyết

a. Xác định hiệu suất trung bình của tháp η tb

+ Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:

Với :x: phân mol của rượu trong pha lỏng.

y* :phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

 Tại vị trí mâm đáy tháp:

xW =0,001 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : 0.02

III. Cân bằng nhiệt lượng

1. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu với sản phẩm đáy

Chọn Qxq = 5%.QW

→ 0,95.W.CW.(tW – tWR) = GF.CF.(tF – tf)

→ W = = 1854,35 (kg/h)

Lượng sản phẩm đáy dư: 3065,28 – 1854,35 = 1209,93 (kg/h)

Như vậy lượng sản phẩm đáy có thể gia nhiệt cho nguyên liệu hơn 50oC

2. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

QD1 + Qf = QF + Qngl + Qxql (*)

a) Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào Q D1

+ QD1 = D1.r1 - Công thức IX.150

+ D1 : lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp đầu , kg/h

+ r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, J/kg

Vì nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu vào tháp là 83,80C nên nhiệt độ của hơi nướcphải cao, chọn 119,6oC tương ứng với nước sôi ở áp suất 2at và r1 = 2171 J/kg

b) Nhiệt lượng hỗn hợp mang vào thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu Q f

Qf = GF.Cf tf J/h - Công thức IX.151 ).

Với: Cf nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg.độ

tf nhiệt độ đầu của hỗn hợp, xét ở 500C (vì dòng nhập liệu đã qua thiết bị traođổi nhiệt với sản phẩm đáy)

Ta có:

Cf = CE + (1 - ).CN

: nồng độ phần khối lượng trong hỗn hợp đầu, = 0,35

CE, CN : nhiệt dung riêng của etanol và nước ở 500C

→ CE = 3667,5 J/kg.độ, tra tài liệu )

Ta có: CF = CE + (1 - ).CN

CE ,CN: nhiệt dung riêng của etanol và nước ở 83,8oC.Tra bảng nhiệt dung riêng và theo phương pháp nội suy ta có :

Nhiệt dung riêng của etanol ở 83,8oC :

→CE= 3853,5J/kg.độ, tra tài liệu

Nhiệt dung riêng của nước ở 83,8oC :

CN = 1,00372 Kcal/kg.độ = 4201,37 J/kg.độ ,

→ CF = 0,35.3853,5 + (1- 0,35).4201,37 = 4079,615 J/kg.độ

= > QF = 5000 4079,615.83,8 = 1,7093.109 J/h

d) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q ngl

Qngl = Gng1.C1.tng = D1.C1.tng

Gng1 lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt (kg/h)

e) Nhiệt lượng tổn hao ra môi trường xung quanh Q m

Qm = 0,05.QD1Thay vào (*) ta được:

QD1 + Qf = QF + D1.C1.tng + 0,05.QD1

= > QD1 = 3,436.105 J/h

→ D1 = = 158,268 kg/h

→ Qxq1 = 0,05 3,436.105 = 1,72.104 J/h

3. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất

Phương trình cân bằng năng lượng

QF + QD

2+ QR = Qy + Qw + Qxq

2+ Qng

+ λ2: nhiệt lượng riêng của hơi đốt ( J/kg)

+ r2 : ẩn nhiệt hóa hơi ( J/kg)

+ t2, C2 : nhiệt độ (oC) và nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)

Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào

QR = GR CR tR+ CR = CD: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh :

ở tD = 78,8oC

CE = 2605 ( J/kg.độ )

CN = 4196,6 (J/kg.độ )

ta được rE , rN :

Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: rE = 869,44.103 (J/kg)

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rN = 2315,5.103 ( J/kg)

→ D2 = = 2484,414 (kg/h)

4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

 Ngưng tụ hồi hoàn toàn:

GD.(RX + 1).rD = Gn1.Cn(t2 - t1) Chọn nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh t1 = 28 oC, t2 = 400C

t

= = 340CNhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình CN = 4196,6 (J/kg.độ),

tD (hơi) = 78,8 0C

Ẩn nhiệt hóa hơi tD = 78,8oC:

rE = 869,44.103 (J/kg), rN = 2315,5.103 ( J/kg)

→ rD = 0,9 869,44.103 + 0,1.2315,5.103 = 1,014.106 ( J/kg)Nên : Gđ= GD.(RX + 1).rD = 1934,72 (1,37+1) 1,014.= 4649480410 (J/h)

Suy ra lượng nước lạnh cần tiêu tốn:

Gn = = 32585,765 (kg/h)

IV. Tính toán thiết bị chính

Đường kính tháp được xác định từ công thức (IX.90)

, m

Hay, , m

Trong đó: Vtb - lượng hơi trung bình đi trong tháp , m3/h

ωtb - tốc độ hơi trung bình đi trong tháp , m/s

gtb - lượng hơi trung bình đi trong tháp ,kg/h

(ρy.ωy)tb - tốc độ hơi trung bình đi trong tháp , kg/m2.s

1. Đường kính đoạn luyện

1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện g tb

Có thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùngcủa tháp gđ và lượng hơi đi vào dưới cùng g1 của đoạn luyện:

Trong đó:

G1: lượng lỏng đĩa thứ nhất đoạn luyện

rđ : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp

r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn luyện

Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: rE = 852,72.103 (J/kg)

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rN = 2303,5.103 ( J/kg)

Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: rE = 869,44.103 (J/kg)

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rN = 2315,5.103 ( J/kg)

1.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn luyện

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyềnđược xác định bằng công thức

, m/s

Với : ρxtb : khối lượng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

ρytb: khối lượng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

 Xác định ρ xtb :

( 273)

4,22

273.18.1

46

+

−+

=

tb

tb tb

ytb

t

y y

ρ

Với: + Nồng độ phần mol trung bình: ytb= 0,62 (phần mol)

+Nhiệt độ trung bình đoạn cất: ttb= = 81,3 oC

1(.46

.46

tb tb

tb tb

x x

x x

−+

Dluyện == 1,05 (m)

2. Đường kính đoạn chưng

2.1. Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng g’ tb

Có thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưngg’n và lượng hơi đi vào đoạn chưng g’1:

g’tb = 2

' ' g1

g n+

, kg/h

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện:

→ g’n = g1 = 3448,998 kg/hLượng hơi đi vào đoạn chưng g’1 , lượng lỏng G’1 và hàm lượng lỏng x’1được xác định theo hệ phương trình,

(VI.2)Trong đó r’1 :ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạnchưng, được tính theo công thức:

r’1= ra.y’1 + (1-y’1).rb Với y’1 = yW là thành phần cấu tử dễ bay hơi (etanol) trong pha hơi cân bằngvới pha lỏng trong sản phẩm đáy Dựa vào đồ thị đường cân bằng etanol-nước, ứngvới xW = 0,0028 (KL) ta có y’1 = yW = 0,0127 (phần khối lượng) =0,005 (phần mol)

t’1 = tW = 99,5 oC ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r’N1 = 2235,217 (KJ/kg)

Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: r’E1 = 812,045 (KJ/kg)

Thành phần hơi trung bình đi trong đoạn chưng: y’tb =

Với y’n là hàm lượng trên đĩa trên cùng đoạn chưng xem bằng hàm lượng hơiđĩa thứ nhất đoạn luyện:

y’n = y1 = 0,51 (phần khối lượng) = 0,2894 (phần mol)

→ y’tb = = 0,1472 phần molPhân tử lượng trung bình của hỗn hợp hơi trong đoạn chưng :

'

M

hh = y’tb.MA + (1-y’tb).MB = 0,1472.46 + (1 – 0,1472).18 = 22,122 đvC

2.2. Tốc độ hơi trung bình trong đoạn chưng

Tốc độ giới hạn của hơi đi lỏng tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:

, m/s

Với: ρ'xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

ρ'ytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

273 18 ' 1 46 ' '

+

− +

=

tb

tb tb

ytb

t

y y

ρ

Với :

+ Nồng độ phân mol trung bình của pha hơi đáy tháp và đĩa nhập liệu:

83 +

= 91,65 0C.Suy ra : ρ’ytb = 0,739 (Kg/m3)

= 0,0875

Suy ra:

18 ).

' 1 ( ' 46

' 46 '

tb tb

tb tb

x x

x x

− +

=

=19,68 % (phần khối lượng) t’tb = 91,65oC , tra tài liệu tham khảo ( [3] -trang 9), ta có:

Khối lượng riêng của nước: ρ’N = 965(Kg/m3)

Khối lượng riêng của rượu: ρ’

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:

(m/s) Vậy đường kính đoạn chưng: Dchưng = (m)

Kết luận: Hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng chênh lệch nhau không quá

lớn nên ta chọn theo chuẩn của toàn tháp là Dt=1 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :

+Phần cất: ωlv =

=

ytb t

2 2

1,167(m/s)

+Phần chưng: ω’lv=

=

ytb t

tb D

g

'

'.0188,02

Chiều cao thân tháp

Hthân =Ntt (hmâm+δmâm ) + (0,8÷1) , m

Với:

δmâm : chiều dày của đĩa (3÷5) mm, chọn δmâm= 0,003 m

hmâm : khoảng cách giữa hai đĩa, chọn hmâm= 0,3 m

Chiều cao của đáy và nắp: Hđ= Hn =ht +hgờ=0,25+0,05= 0,3 (m)

Chiều cao của tháp: H = Hthân + Hđ+ Hn=11,708+0,3+0,3

=12,308 (m)

V. Tính toán kết cấu cảu tháp

1. Cấu tạo mâm lỗ

Chọn : + Đường kính lỗ: d1=5(mm)

+ Tổng diện tích lỗ bằng 9% diện tích mâm

+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí theotam giác điều)

+ Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10

+ Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm

005,0

1.09,0

09,

= 3600 lỗ

Gọi a là số hình lục giác

Áp dụng công thức (V.139): N=3a(a-1)+1

Giải phương trình bậc 2 => a=35 => N=3571 lỗ

Số lỗ trên đường chéo: b=2a-1=69 lỗ

2. Trở lực của mâm xuyên lỗ

Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng) là tổng các độgiảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng:

htl = hk + hl + hR (mm.chất lỏng)

Với: + hk: độ giảm áp qua mâm khô (mm.chất lỏng)

+ h1: độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm (mm.chất lỏng)

+hr: độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm.chất lỏng).

Trong tháp mâm xuyên lỗ, gradien chiều cao mực chất lỏng trênmâm ∆ là không đáng kể nên có thể bỏ qua

a. Độ giảm áp qua mâm khô:

Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thấp ápsuất do dòng chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển qua lỗ

L

G o

o L

G o

o k

C

u g

2

2 2

+ ρG: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3)

+ Co: hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tíchmâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ

167,1

%

9lv =

ω

= 12,966 (m/s)

+Khối lượng riêng của pha hơi: ρG = ρytb = 1,216(Kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng: ρL = ρxtb = 827,5 (Kg/m3)

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất:

5,827

216,1.74,0

966,12.0,

= 23 (mm.chất lỏng)

 Đối với mâm ở phần chưng:

+ Vận tốc hơi qua lỗ: u’o =

09,0

326,1

%9'lv =ω

= 14,733(m/s)

+ Khối lượng riêng của pha hơi: ρ’G = ρ’ytb = 0,739 (Kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ’L = ρ’xtb = 957,487(Kg/m3)

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng :

487,957

739,0.74,0

733,14.0,51

= 15,6 (mm.chất lỏng)

b. Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm:

Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớpchất lỏng trên mâm h1 là từ chiều cao gờ chảy tràn hw, chiều cao tình toán của lớp chấtlỏng trên gờ chảy tràn howvà hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm β :

hl = β.( hw + how ) (mm.chất lỏng)

Chọn : + Hệ số hiệu chỉnh: β = 0,6

+ Chiều cao gờ chảy tràn :hw = 50 (mm)Chiều cao tình toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phươngtrình Francis gờ chảy tràn phẳng:

3 2

4 , 43

(mm.chất lỏng)Với: + qL : lưu lượng của chất lỏng (m3/ph)

+ Lw : chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)

Với: no: góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn Lw

72 , 1934 37 , 1

60

.

=

=

xtb

D L

M D R q

ρ

= 0,053 (m3/ph)

Suy ra:

3 2

723 , 0

053 , 0 4 ,