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

Chng cất là phơng pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏngcũng 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

phần I mở đầu

 Giới thiệu chung về dây chuyền sản xuất.

Chng cất là phơng pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏngcũng 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 đợcbấy nhiêu cấu tử sản phẩm Theo đề bài thì hỗn hợp đầugồm 2 cấu tử là RợuEtylic và Nớc nên đợc gọi là chng cất hỗnhợp 2 cấu tử

Sau quá trình chng cất, ta thu đợc sản phẩm đỉnh làcấu tử có độ bay hơi lớn hơn(RợuEtylic) và một phần rất ítcấu tử có độ bay hơi bé hơn (Nớc) Sản phẩm đáy gồm hầuhết các cấu tử khó bay hơi (Nớc) và một phần rất ít cấu tử dềbay 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 ởnhiệt 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 đợcbơm (2) bơm lên thùng cao vị (3) Mức chất lỏng cao nhất và

Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị đunnóng hỗn hợp đầu (4), quá trình tự chảy này đợc theo dõibằng 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 độsôi, sau khi đạt tới nhiệt độ sôi, hỗn hợp này đợc đa vào đĩatiếp 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 xảy ra quá trình bốc hơi và ngng tụ nhiều lần Theochiều cao của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nênkhi hơi đi qua các tầng đệm từ dới lên, cấu tử có nhiệt độsôi cao sẽ ngng tụ Quá trình tiếp xúc lỏng – hơi trong thápdiễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giầu cấu tử dễbay hơi, pha lỏng ngày càng giầu cấu tử khó bay hơi Cuốicùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu đợc hầu hết là cấu tử dễ bayhơi (RợuEtylic) và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi(Nớc).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 phầnchất lỏng sau ngng tụ cha đạt yêu cầu đợc đi qua thiết bịphân 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 cầnthiết 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 lạibốc hơi đi lên, một phần cấu tử khó bay hơi trong pha hơi sẽngng tụ đi xuống Do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trongpha lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu đợc hỗnhợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Nớc) và mộtphần rất ít cấu tử dễ bay hơi (RợuEtylic), hỗn hợp lỏng này đ-

ợc đa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, một phần

đợc đa ra thùng chứa sản phẩm đáy (11), một phần đợc tậndụng 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 hơihỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dới lên trong tháp) Nớc ngngcủa thiết bị gia nhiệt đợc tháo qua thiết bị tháo nớc ngng(12).

Tháp chng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầuvào 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 chảydòng, 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 dòngkhuyếch tán phân tử Tăng vận tốc lên lực lỳ trở nên cânbằng với lực hút phân tử Quá trình chuyển khối lúc nàykhông chỉ đợc quyết định bằng khuyếch tán phân tử màcả bằng khuyếch tán đối lu Chế độ thuỷ động này gọi làchế độ quá độ Nếu ta tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa thìchế độ quá độ sẽ chuyển sang chế độ xoáy Trong giai

đoạn này quá trình khuyếch tán sẽ đợc quyết định bằngkhuyếch tán đối lu

Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì

sẽ xảy ra hiện tợng đảo pha Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn

bộ tháp và trở thành pha liên tục, còn pha khí phân tán vàotrong chất lỏng và trở thành pha phân tán Vận tốc khí ứngvới 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 tốcchuyển khối tăng nhanh, đồng thời trở lực cũng tăng nhanh.Trong thực tế, ta thờng cho tháp đệm làm việc ở chế độmàng có vận tốc nhỏ hơn vận tốc đảo pha một ít vì quátrình chuyển khối trong giai đoạn sủi bọt là mạnh nhất, nhngvì trong giai đoạn đó ta sẽ khó khống chế quá trình làmviệc.

Ưu điểm của tháp đệm:

+ Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn

+ Cấu tạo tháp đơn giản

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 hỗnhợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy củaRợuEtylic vàNớc

- 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

- : độ nhớt, Ns/m2

- : khối lợng riêng, kg/m3

- Các chỉ số A, B, x, y, hh: tơng ứng chỉ đại lợng thuộc về cấu tửRợuEtylic, 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

I Tính cân bằng vật liệu.

I.1 Tính toán cân bằng vật liệu.

I.1.1 Hệ phơng trình cân bằng vật liệu.

F = P + W [II –144]

- Đối với cấu tử dễ bay hơi

144]

- Lợng sản phẩm đỉnh là:

Trong đó:

F: năng suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h

aF, ap, aw: lần lợt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp

aA, aB: nồng độ phần khối lợng của RợuEtylic và Nớc.

Ma, MB: khối lợng mol phân tử củaRợuEtylic và Nớc

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

Hỗnhợp

53.1

57.6

61.4

65.4

69.4

75.3

81.8

89.8

10

0 89.4

t 1 90 86 83 81 80 80 79 79 78 78 78 78.15

0 .5 .5 2 7 .8 .4 .6 4 4

- 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

Rmin=1,

59

-Cho các giá trị từ 1đến 7 của B<Bmax ta tìm đợc những số

đĩa khác nhau Ta có kết quả trong bảng sau:

Bảng2

4

0.284

0.244

0.204

0.164

0.124

0.088

0.044

68,8 65,7

6

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 Rth=3.11 ứng với số đĩa

lý thuyết là Nlt=16

trong đó có 13 đoạn luyện và 3 đoạn chng

Rth: chỉ số hồi lu thích hợp đợc tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất Cơ sở của việc chọn Rth theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất là:

V = H.S

H: chiều cao của tháp

S: tiết diện của tháp

Nlt: số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)

.2.3 Phơng trình đờng nồng độ làm việc của đoạn luyện.

[II – 148]Trong đó:

y: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi

Trong đó: : lợng hỗn hợp đầu tính cho1kmol sản phẩm đỉnh.

Thay số liệu vào ta có

gtb: lợng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h

(y.y)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s

Vì lợng hơi và lợng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp vàkhác nhau trong mỗi đoạn nên ta phải tính lợng hơi trungbình 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

, (kg/h) [II - 181]

Trong đó:

gtb: lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h

gđ: lợng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h

gl: lợng hơi đi vào đĩa dới cùng của tháp, kg/h

 Lợng hơi ra khỏi đỉnh tháp

gđ = GR + Gp = Gp(Rx+1) [II –181]

gđ = 38,706(3,11 + 1)

gđ = 159,08(kJ/h)

 Lợng hơi đi vào đoạn luyện: Lợng hơi g1, hàm lợng hơi y1

và lợng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện đợc xác

định theo hệ phơng trình

g1 = G1 + Gp (1)

g1.y1 = G1.x1 + Gp.xp (2) [II 182]

-g1.r1 = gđ.rđ (3)

Trong đó:

y1: hàm lợng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện, phần khối ợng

l-G1: lợng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện

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 RợuEtylic và Nớc ở t0 = tF = 82,86(0C)

Nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta đợc

gx=(G1+R.P)/2=(117,694+3,11.38,076)/2=118,055(kJ/h).

II.1.2 Tính khối lợng riêng trung bình

 Khối lợng riêng trung bình đối với pha hơi đợc tính theo

, kg/m3 [II 183]

-Trong đó:

MA MB: khối lợng phần mol của cấu tử Rợu Etylic và Nớc

T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K

ytb1: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trungbình

, (kg/m3 ) [II 183]

-Trong đó:

: khối lợng riêng trung bình của lỏng, kg/m3

: khối lợng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của phalỏng lấy theo nhiệt

Với (phần mol) Từ đồ thị t_xy ta có:

ứng với t0 = 79,840C Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta đợc:

(kg/m3)

(kg/m3)

Vậy khối lợng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là:

kg/m3

II.1.3 Tính tốc độ hơi đi trong tháp

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

Y = 1,2e-4X [II –187]

lghh = xtb.lgA+ (1 - xtb).lgB [I– 84]

Khèi lîngriªng xèp, ®,kg/m3

Vậy đờng kính của đoạn luyện là:

m

Quy chuẩn đờng kính đoạn luyện là DL = 2m

 Thử lại điều kiện làm việc thực tế.

- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn luyện là:

II 2 Đờng kính đoạn chng

II.2.1 Lợng hơi trung bình đi trong tháp

1: lợng hơi đi vào đoạn chng, kg/h

Vì lợng hơi đi ra khỏi đoạn chng bằng lợng hơi đi vào đoạnluyện (g’

n= g1) nên ta có thể viết:

Lợng hơi đi vào đoạn chng g’

l, lợng lỏng G1’ và hàm lợng lỏng

x’

l đợc xác định theo hệ phơng trình cân bằng vật liệu vàcân bằng nhiệt lợng sau:

xw: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của

Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất ở t0 = tw

= 78,660C Nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta đợc

II.2.2 Tính khối lợng riêng trung bình

 Khối lợng riêng trung bình đối với pha hơi đợc tính theo

, kg/m3 [II 183]

-Trong đó:

MA MB: khối lợng phần mol của cấu tử Rợu Etylic và Nớc

T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K

ytbc: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trungbình

Với : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phầnmol.

= y’1 = yw = 0,112 phần mol

= y1 = 0,5095 phần mol

phần molVới phần mol Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta đợc

: khối lợng riêng trung bình của lỏng, kg/m3

: khối lợng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của phalỏng lấy theo nhiệt

độ trung bình, kg/m3

: phần khối lợng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng

Ta có: a’1 = x’1 = 0,06838 phần khối lợng

phần khối lợng : nhiệt độ trung bình của đoạn chng theo pha lỏng

Ta có x’1 = 0,06838 phần khối lợng

phần mol

phần mol Với phần mol Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta đợc

ứng với t0 = 71,48320C Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta ợc:

đ-kg/m3.kg/m3.Vậy khối lợng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chng là:

kg/m3

II.2.3 Tính tốc độ hơi đi trong đoạn chng

- Các công thức cũng nh ý nghĩa các ký hiệu có trong cáccông thức tính tốc độ hơi đi trong đoạn chng tơng tự nhtrong đoạn luyện, chỉ khác về trị số nên trong phần nàykhông giải thích lai

 Tính G x , G y

Quy chuẩn đờng kính đoạn luyện là DC = 2m

 Thử lại điều kiện làm việc thực tế.

- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chng là:

III Tính chiều cao tháp.

- Đối với tháp đệm, chiều cao làm việc của tháp hay chiều cao lớp đệm đợc xác định theo công thức:

175]

Trong đó:

hđv: chiều cao của một đơn vị chuyển khối, m

my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ pha hơi

III.1 Tính chiều cao đoạn luyện.

III.1.1 Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối

- Chiều cao của một đơn vị chuyển khối của tháp đệm phụ thuộc vào đặc trng của đệm và trạng thái pha, đợc xác

định theo công thức

[II – 177]Trong đó:

h1: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi

h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏngm: hệ số phân bố trung bình ở điều kiện cân bằng pha

Gy, Gx: lu lợng hơi và lỏng trung bình đi trong tháp, kg/s

 Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h 1 , h 2

: 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 tớithích hợp, xác định theo đồ thị IX.16 [II – 178]

Tra hình IX.16 trong [II – 178] ta đợc L = 0,91

 Xác định chuẩn số Reynon

- Chuẩn số Reynon của pha hơi:

[II – 178]

Ta có y = hh đợc tính theo [I– 85]

Trong đó:

Mhh, MA, MB: khối lợng phân tử của hỗn hợp và cấu tử Rợu Etylic

và Nớc

hh, A, B: độ nhớt của hỗn hợp và cấu tử Rợu Etylic và Nớc

m1, m2: nồng độ của Rợu Etylic và Nớc tính theo phần thểtích

Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độphần mol, nên m1 = y1, m2 = y2 = 1 – y1

Thay vào ta có:

a1, a2: nồng độ phần khối lợng của Rợu Etylic và Nớc

Ta có phần mol

Gx: lu lợng lỏng trung bình đi trong tháp, phần trớc đã tính

, m2/s [II –127]

Trong đó:

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

cm3/nguyên tử

cm3/nguyên tửPhần trớc ta đã tìm đợc nhiệt độ trung bình của pha hơitrong đoạn luyện là , vậy T = 335,27450K

Vậy ta có:

= 5,94.10-6 m2/s

Thay các giá trị tính đợc vào ta có:

- Chuẩn số Pran của pha lỏng:

[II – 178]

Hệ số khuyếch tán Dx của pha lỏng đợc tính theo công thức:

Dx = D20.[1 + b.(t - 20)] [II –134]

Với

: khối lợng riêng của dung môi Nớc ở 200C, kg/m3; tra ở bảng I.2 trong [I-9] ta đợc  = 879 kg/m3

: độ nhớt của dung môi Nớc ở 200C, cP;  = 2 = 0,65 cP

- Hệ số khuyếch tán của lỏng ở 20oC là:

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

- Dựa vào các giá trị đã chọn trên đờng cân bằng, ta tính

đ-ợc m = 0,66875

III.1.3 Tính số đơn vị chuyển khối m y

- Số đơn vị chuyển khối tính theo pha hơi

[II – 176]

y*: thành phần mol cân bằng của pha hơi, %mol

y: thành phần mol làm việc của pha hơi, %mol

- ứng với mỗi giá trị của x {0,37; 0,96} ta tìm đợc một giátrị của y* tơng ứng và theo đờng làm việc của đoạn luyện y

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 tacó:

III.2 Chiều cao của đoạn chng.

- Các công thức cũng nh ý nghĩa các ký hiệu có trong cáccông thức tính chiều cao đoạn chng tơng tự nh đối với đoạnluyện, chỉ khác về trị số nên trong phần này không giảithích lại

III.2.1 Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h 1 ,

Dx = D20.[1 + b.(t - 20)] [II –134]

ở phần trớc đã tính đợc D20 = 2,79.10-3 m2/s, với b = 0,0168Nhiệt độ trung bình của lỏng trong đoạn luyện là to =

- Dựa vào các giá trị đã chọn trên đờng cân bằng, ta tính

đ-ợc m = 1,252

III.2.3 Tính số đơn vị chuyển khối m y

- Số đơn vị chuyển khối tính theo pha hơi

[II – 176]

y*: thành phần mol cân bằng của pha hơi, %mol

y: thành phần mol làm việc của pha hơi, %mol

- ứng với mỗi giá trị của x {0,04; 0,37} ta tìm đợc một giátrị của y* tơng ứng và theo đờng làm việc của đoạn chng y

HL, HC: chiều cao đoạn luyện và đoạn chng, m

H1: khoảng cách không gian phần đỉnh tháp để đặt đĩaphân 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 ốnghồi lu sản phẩm đáy, m

- Trở lực đối với tháp đệm có thể đợc xác định theo côngthức sau:

, N/m2 [II – 189]Trong đó:

P : tổn thất áp suất tại điểm đảo pha có tốc độ của khíbằng tốc độ của khí khi đi qua đệm khô, N/m2

Pk: tổn thất áp suất của đệm khô, N/m2

Vì Rey > 400 nên tổn thất áp suất của đệm khô xác địnhtheo công thức sau:

[II –189]