Đồ Án Thiết kế dây chuyền sản xuất chưng cất hỗn hợp rượu Etylic và nước

phần I. mở đầu Giới thiệu chung về dây chuyền sản xuất. Chng cất là phơng pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏng cũng nh các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Khi chng cất, hỗn hợp đầu có bao nhiêu cấu tử thì ta thu đợc bấy nhiêu cấu tử sản phẩm. Theo đề bài thì hỗn hợp đầu gồm 2 cấu tử là RợuEtylic và Nớc nên đợc gọi là chng cất hỗn hợp 2 cấu tử. Sau quá trình chng cất, ta thu đợc sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi lớn hơn(RợuEtylic) và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé hơn (Nớc). Sản phẩm đáy gồm hầu hết các cấu tử khó bay hơi (Nớc) và một phần rất ít cấu tử dề bay hơi (RơuEtylic). Trong trờng hợp này ta dùng tháp chng luyện loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thờng (1at) với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi. Phần II. Sơ đồ dây chuyền công nghệ. I. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất. (hình 1) II. Thuyết minh sơ đồ. Nguyên liệu đầu đợc chứa trong thùng chứa (1) và đợc bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị đợc khống chế bởi của chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), quá trình tự chảy này đợc theo dõi bằng đồng hồ lu lợng. Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nớc bão hoà), hỗn hợp đầu đợc gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt tới nhiệt độ sôi, hỗn hợp này đợc đa vào đĩa tiếp liệu của tháp chng luyện loại tháp đệm (5). Trong tháp, hơi đi từ dới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên xuống, tại đây 3 xảy ra quá trình bốc hơi và ngng tụ nhiều lần. Theo chiều cao của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng đệm từ dới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngng tụ. Quá trình tiếp xúc lỏng hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giầu cấu tử dễ bay hơi, pha lỏng ngày càng giầu cấu tử khó bay hơi. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu đợc hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (RợuEtylic) và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi(N- ớc). Hỗn hợp hơi này đợc đi vào thiết bị ngng tụ (6) và tại đây nó đợc ngng tụ hoàn toàn (tác nhân là nớc lạnh). Một phần chất lỏng sau ngng tụ cha đạt yêu cầu đợc đi qua thiết bị phân dòng (7) để hồi lu trở về đỉnh tháp, phần còn lại đợc đa vào thiết bị làm lạnh (8) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (10). Chất lỏng hồi lu đi từ trên xuống dới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dới lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử khó bay hơi trong pha hơi sẽ ngng tụ đi xuống. Do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu đợc hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Nớc) và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (RợuEtylic), hỗn hợp lỏng này đợc đa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, một phần đợc đa ra thùng chứa sản phẩm đáy (11), một phần đợc tận dụng đa vào nồi đun sôi đáy tháp (9) dùng hơi nớc bão hoà. Thiết bị (9) này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dới lên trong tháp). Nớc ngng của thiết bị gia nhiệt đợc tháo qua thiết bị tháo nớc ng- ng (12). Tháp chng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm đợc lấy ra liện tục. III. Chế độ thuỷ động của tháp đệm. Trong tháp đệm có 3 chế độ thuỷ động là chế độ chảy dòng, chế độ quá độ và chế độ xoáy. Khi vận tốc khí bé, lực hút phân tử lớn hơn và vợt lực lỳ. Lúc này quá trình chuyển khối đợc xác định bằng dòng khuyếch tán phân tử. Tăng vận tốc lên lực lỳ trở nên cân bằng với lực hút phân tử. Quá trình chuyển khối lúc này 4 không chỉ đợc quyết định bằng khuyếch tán phân tử mà cả bằng khuyếch tán đối lu. Chế độ thuỷ động này gọi là chế độ quá độ. Nếu ta tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa thì chế độ quá độ sẽ chuyển sang chế độ xoáy. Trong giai đoạn này quá trình khuyếch tán sẽ đợc quyết định bằng khuyếch tán đối lu. Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện t- ợng đảo pha. Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, còn pha khí phân tán vào trong chất lỏng và trở thành pha phân tán. Vận tốc khí ứng với thời điểm này gọi là vận tốc đảo pha. Khí sục vào lỏng và tạo thành bọt vì thế trong giai đoạn này chế độ làm việc trong tháp gọi là chế độ sủi bọt. ở chế độ này vận tốc chuyển khối tăng nhanh, đồng thời trở lực cũng tăng nhanh. Trong thực tế, ta thờng cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận tốc nhỏ hơn vận tốc đảo pha một ít vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn sủi bọt là mạnh nhất, nhng vì trong giai đoạn đó ta sẽ khó khống chế quá trình làm việc. Ưu điểm của tháp đệm: + Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn. + Cấu tạo tháp đơn giản. + Trở lực trong tháp không lớn lắm. + Giới hạn làm việc tơng đối rộng. Nhợc điểm. + Khó làm ớt đều đệm. + Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều. IV. Bảng kê các ký hiệu thờng dùng trong bản đồ án. - F: Lợng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - P: Lợng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - W: Lợng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - Các chỉ số F, P, W, A, B : tơng ứng chỉ đại lợng đó thuộc về hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy củaRợuEtylic và Nớc. 5 - a: nồng độ phần khối lợng, RợuEtylic kg /kg hỗn hợp - x: nồng độ phần mol, kmol RợuEtylic /kmol hỗn hợp - M: Khối lợng mol phân tử, kg/kmol - à: độ nhớt, Ns/m 2 - : khối lợng riêng, kg/m 3 - Các chỉ số A, B, x, y, hh : tơng ứng chỉ đại lợng thuộc về cấu tử RợuEtylic, Nớc, thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp. - Ngoài ra các ký hiệu cụ thể khác đợc định nghĩa tại chỗ. Phần IIi. Tính toán thiết bị chính 6 I. Tính cân bằng vật liệu. I.1. Tính toán cân bằng vật liệu. I.1.1. Hệ phơng trình cân bằng vật liệu. - Phơng trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp. F = P + W [II 144] - Đối với cấu tử dễ bay hơi Fa F = Pa p + Wa w [II 144] - Lợng sản phẩm đỉnh là: wp wF aa aa FP = . Trong đó: F: năng suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h a F , a p , a w : lần lợt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lợng Đầu bài cho F = 4000(kg/h). Vậy ta có lợng sản phẩm đỉnh là: 1537 04,093,0 04,042,0 .3600. = = = wp wF aa aa FP (kg/h) - Lợng sản phẩm đáy là: W = F -P = 3600-1537= 2063 (kg/h) I.1.2. Đổi nồng độ phần khối lợng sang nồng độ phần mol của a F , a p , a w . áp dụng công thức 7 B B A A A A M a M a M a x + = [II 126] Trong đó: a A, a B : nồng độ phần khối lợng của RợuEtylic và Nớc. M a, M B : khối lợng mol phân tử củaRợuEtylic và Nớc. Với 46 62 == oMM HCA (kg/kmol) 18 2 == OHB MM (kg/kmol) Thay số liệu vào ta có: ( ) B F A F A F F M a M a M a x + = 1 221,0 18 42,01 46 42,0 46 42,0 = + = (phần mol) ( ) B P A P A P P M a M a M a x + = 1 839,0 18 93,01 46 93,0 46 93,0 = + = (phần mol) ( ) B w A w A w w M a M a M a x + = 1 016,0 18 04,01 46 04,0 46 04,0 = + = (phần mol) I.1.3. Tính khối lợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy. Theo công thức: M = x.M A + (1 x)M B Trong đó: M: khối lợng phân tử trung bình, kg/kmol x: nồng độ phần mol - Khối lợng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh. M p = x p .M A + (1 x p )M B M p = 0,839.0,839 +(1- 0,839).18 M p = 39,71 kg/kmol 8 - Khối lợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu. M F = x F .M A + (1 x F )M B M F = 0,221.46 +(1- 0,221).18 M F = 24,188(kg/kmol) - Khối lợng phân tử trung bình của sản phẩm đáy. M w = x w .M A + (1 x w )M B M w = 0,016.46 +(1- 0,016).18 M w = 18,448 (kg/kmol) I.1.4. Đổi đơn vị của F, P, W từ kg/h sang kmol/h ( ) )/(834,148 188,24 3600/ hkmol M hkgF F F === ( ) )/1(706,38 71,39 1537/ hkmol M hkgP P p === ( ) )/(828,111 448,18 2063/ hkmol M hkgW W w === I.1.5. Lợng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh: 845,3 706,38 834,148 === P F f I.2. Xác định số bậc thay đổi nồng độ. I.2.1. Xác định R min dựa trên đồ thị y x . Dựng đờng cân bằng theo số liệu đờng cân bằng sau: [II 145] Bảng 1. x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 Hỗnhợ p đẳng phí y 0 33. 2 44. 2 53. 1 57. 6 61. 4 65. 4 69. 4 75. 3 81. 8 89. 8 10 0 89.4 t 10 0 90. 5 86. 5 83. .2 81. 7 80. 8 80 79. 4 79 78. 6 78. 4 78. 4 78.15 9 - Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đờng nồng độ cân bằng lỏng(x)_ hơi(y) ta có:B m ax =0.324 (kẻ tiếp tuyến với đờng nồng độ cân bằng cắt trục tung ở đâu đó là B m ax ).mà R min =1,59 -Cho các giá trị từ 1đến 7 của B<B max ta tìm đợc những số đĩa khác nhau. Ta có kết quả trong bảng sau: Bảng2 B 0.324 0.284 0.244 0.204 0.164 0.124 0.088 0.044 R 1.59 1.95 2.44 3.11 4.12 5.77 8.49 16.33 N lt 29 20 16 13 12 11 10 N lt (R+1) 85,55 68,8 65,76 66,56 81,24 104,9 163,3 .2.2. Tính chỉ số hồi lu thích hợp Từ đồ thị N(R+1)_R xác định đợc R th =3.11 ứng với số đĩa lý thuyết là N lt =16 trong đó có 13 đoạn luyện và 3 đoạn chng. R th : chỉ số hồi lu thích hợp đợc tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất. Cơ sở của việc chọn R th theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất là: V = H.S H: tỷ lệ với N lt G = W.S = P.(R + 1) S tỷ lệ với R + 1 V = H.S tỷ lệ với N lt (R + 1) Giá thành tháp tỷ lệ với V, mà V tỷ lệ với N lt (R + 1), giá thành tháp thấp nhất ứng với thể tích tháp nhỏ nhất. Vì vậy cần phải chọn chế độ làm việc thích hợp cho tháp, tức là R th . Trong đó: V: là thể tích của tháp H: chiều cao của tháp S: tiết diện của tháp 10 1 min max + = R x B p N lt : số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết) .2.3. Phơng trình đờng nồng độ làm việc của đoạn luyện. 11 + + + = x P x x R X x R R y [II 148] Trong đó: y: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dới lên. x: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống. R x : chỉ số hồi lu. Thay số liệu vào ta có. 111,3 839,0 111,3 11,3 11 + + + = + + + = x R X x R R y x P x x y L = 0,757x + 0,204 I.2.4. Phơng trình đờng nồng độ làm việc của đoạn chng. w xx x x R f x R fR y 1 1 1 + + + = [II.158] Trong đó: 845,3 706,38 834,148 === P F f : lợng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol sản phẩm đỉnh. Thay số liệu vào ta có. 016,0. 111,3 1845,3 111,3 845,311,3 1 1 1 + + + = + + + = xx R f x R fR y w xx x y c = 1,692x 0,0111 II. Tính đờng kính tháp chng luyện. Đờng kính tháp đợc xác định theo công thức ( ) tb yy tb g D . 0188,0= , (m) [II - 181] Trong đó: 11 g tb : lợng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h. ( y . y ) tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m 2 .s Vì lợng hơi và lợng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên ta phải tính lợng hơi trung bình cho từng đoạn. II.1. Đờng kính đoạn luyện. II.1.1. Xác định lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện. Lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng của lợng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lợng hơi đi vào đĩa dới cùng của đoạn luyện. 2 1 gg g d tb + = , (kg/h) [II - 181] Trong đó: g tb : lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h. g đ : lợng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h. g l : lợng hơi đi vào đĩa dới cùng của tháp, kg/h. Lợng hơi ra khỏi đỉnh tháp. g đ = G R + G p = G p (R x +1) [II 181] g đ = 38,706(3,11 + 1) g đ = 159,08(kJ/h) Lợng hơi đi vào đoạn luyện: Lợng hơi g 1 , hàm lợng hơi y 1 và lợng lỏng G 1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện đợc xác định theo hệ phơng trình. g 1 = G 1 + G p (1) g 1 .y 1 = G 1 .x 1 + G p .x p (2) [II - 182] g 1 .r 1 = g đ .r đ (3) Trong đó: y 1 : hàm lợng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện, phần khối lợng. G 1 : lợng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện. 12 [...]... B = + à hh àA àB [I 85] Trong đó: Mhh, MA, MB: khối lợng phân tử của hỗn hợp và cấu tử Rợu Etylic và Nớc àhh, àA, àB: độ nhớt của hỗn hợp và cấu tử Rợu Etylic và Nớc m1, m2: nồng độ của Rợu Etylic và Nớc tính theo phần thể tích Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol, nên m 1 = y1, m2 = y2 = 1 y1 Thay vào ta có: y1 M A + (1 y1 ).M B y1 M A (1 y1 ).M B = + à hh àA àB ... HC + H1 + H2 + H3 Trong đó: HL, HC: chiều cao đoạn luyện và đoạn chng, m H1: khoảng cách không gian phần đỉnh tháp để đặt đĩa phân phối chất lỏng và ống hồi lu sản phẩm đỉnh, m H2: khoảng cách không gian giữa đoạn chng và đoạn luyện để đặt đĩa tiếp liệu và ống dẫn hỗn hợp đầu, m H3: khoảng cách không gian cho hồi lu đáy và để đặt ống hồi lu sản phẩm đáy, m Chọn: H1 = H3 = 1m 36 H2 = 1,2m Vậy chiều...r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa rđ: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp x1 = xF = 0,221(phần mol) y1 = yF =0,371(phần mol) r1 = ra.y1 + (1-y1).rb [II - 182] Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Rợu Etylic và Nớc ở t0 = tF = 82,86(0C) Nội suy theo bảng I.212 trong [I 254] ta đợc ra = rC2... của dung môi Nớc ở 200C, cP; à = à2 = 0,65 cP b= - 0,2 0,65 3 879 = 0,0168 Hệ số khuyếch tán của lỏng ở 20oC là: 28 1.10 6 D20 = ( 1 1 + M1 M 2 A.B à 2 v 1/ 3 1 +v , m2/s ) [II 1/ 3 2 2 133] Trong đó: A, B: hệ số liên hợp kể đến ảnh hởng của Rợu Etylic và Nớc Do Rợu Etylic và Nớc là những chất lỏng không liên kết nên A = 1; B = 1 1.10 6 D20 = - ( 1 1 + 58 78 0,65 741 / 3 + 961 / 3 ) 2 2 = 2,79.10... ra khỏi đoạn chng bằng lợng hơi đi vào đoạn luyện (gn= g1) nên ta có thể viết: ' g tb g 1 + g '1 = 2 [II - 182] Lợng hơi đi vào đoạn chng gl, lợng lỏng G1 và hàm lợng lỏng xl đợc xác định theo hệ phơng trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lợng sau: G1 = g1 + Gw G1 x1 = g1.yw + Gw.xw [II - 182] g1.r1 = g1.r1 Trong đó: 18 r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chng xw:... phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng thì a = 0,123 àx: độ nhớt của pha lỏng, Ns/m2 Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3 x: khối lợng riêng của lỏng, kg/m3 24 : hệ số thấm ớt của đệm, nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tới thích hợp, xác định theo đồ thị IX.16 [II 178] Với U tt = Vx : mật độ tới thực tế, m3/m2.h Ft Utt = B.đ : mật độ tới thích hợp, m3/m2.h... hh àA àB [I 85] Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol, nên m 1 = y1, m2 = y2 = 1 y1 Thay vào ta có: y1 M A + (1 y1 ).M B y1 M A (1 y1 ).M B = + à hh àA àB y1 M A (1 y1 ) M B 1 1 1 = + à hh y1 M A + (1 y1 ) M B à A y1 M A + (1 y1 ) M B à B a a a 1 a1 1 = 1 + 2 = 1 + à hh à A à B 2 à A àB a1, a2: nồng độ phần khối lợng của Rợu Etylic và Nớc Ta có y tb = 0,31075... a1 1 = 1 + 2 = 1 + à hh à A à B 2 à A àB a1, a2: nồng độ phần khối lợng của Rợu Etylic và Nớc Ta có y tb = 0,7348 phần mol 1 a1 = y tb1 M A ( ) y tb1 M A + 1 y tb1 M B = 0,7348.58 0,7348.58 + (1 0,7348).78 a1 = 0,6732 phần khối lợng 26 Từ dụng toán đồ hình I.35 trong [I 117] với X A = 8,8; YA = 13,0; XB = 8,5; YB =13,2 và to = 62,27450C ta tìm đợc à A = 0,0088.10 3 N.s/m2 à B = 0,0086.10 3 N.s/m2... 0,838 0,876 0,914 0,9596 1/y*-y 18,45 16,67 19,05 22,22 22,47 22,73 25,97 30,30 34,48 40 46,51 55,56 75,76 30 1 Từ bảng số liệu trên ta vẽ đồ thị y * y y Từ đồ thị ta tính đợc diện - tích phần gạch chéo là S = 958,108 (Xem đồ thị 9) - Với tỷ lệ trục hoành 1/100 và tỷ lệ trục tung là 1,5152/1 ta có: my = 958,108 1,5152.1/100 my = 14,52 Thay các giá trị : h1 = 0,16869 m h2 = 0,1258 m m = 0,66875 my... Pr y = ày y D y [II 178] Hệ số khuyếch tán Dy trong pha hơi tính theo Dy = 0,0043.10 4.T 1,5 1 1 + , m2/s 1 1 3 3 2 MA MB P.(v A + v B ) [II 127] Trong đó: 27 T: nhiệt độ trung bình của hơi, 0K P: áp suất chung của hơi, P = 1at MA = 58: khối lợng phân tử của cấu tử Rợu Etylic MB = 78: khối lợng phân tử của cấu tử Nớc vA, vB: thể tích mol của hơi Rợu Etylic và Nớc , cm3/nguyên tử v A = vC3 H 6O = . về dây chuyền sản xuất. Chng cất là phơng pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏng cũng nh các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. . đó thuộc về hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy củaRợuEtylic và Nớc. 5 - a: nồng độ phần khối lợng, RợuEtylic kg /kg hỗn hợp - x: nồng độ phần mol, kmol RợuEtylic /kmol hỗn hợp - M: Khối. (RơuEtylic). Trong trờng hợp này ta dùng tháp chng luyện loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thờng (1at) với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi. Phần II. Sơ đồ dây chuyền công nghệ. I. Sơ đồ dây chuyền