THIẾT kế THÁP CHƯNG cất AXETON – rượu ETYLIC BẰNG THÁP đĩa lỗ có ỐNG CHẢY TRUYỀN

Trường ĐH Bà Rịa – Vũng TàuKhoa hóa học và công nghệ thực phẩm Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt NamĐộc lập - Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Họ tên sinh viên: NGUYỄN ĐỨC LONG Giới tính:

TRƯỜNG ĐH BÀ RỊA – VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT AXETON – RƯỢU ETYLIC

BẰNG THÁP ĐĨA LỖ CÓ ỐNG CHẢY TRUYỀN

NHÓM SV : NGUYỄN ĐỨC LONG

LỚP : DH10H1

Vũng Tàu, ngày tháng năm 2013

Trường ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu

Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt NamĐộc lập - Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

Họ tên sinh viên:

NGUYỄN ĐỨC LONG Giới tính: Nam Nơi sinh: Quảng Bình NGUYỄN DUY LINH Giới tính: Nam Nơi sinh: Lâm Đồng

LÊ THỊ KIM LIÊN Giới tính: Nữ Nơi sinh: Quảng Bình KHÓA: 2010-2014

KHOA: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

1.Tên đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT LIÊN TỤC HỖN HỢP

AXETON-RƯỢU ETYLIC LOẠI THÁP ĐĨA LỖ CÓ ỐNG CHẢY CHUYỀN VỚI

CÔNG SUẤT 5 (Kg/s) 2.Nhiệm vụ đồ án:

- Giới thiệu công nghệ và thiết kế quy trình công nghệ.

- Cân bằng vật chất cho tháp và tính toán hệ thống.

- Tính toán thiết kế tháp chưng cất:

- Đường kính, chiều cao

- Mâm lỗ - trở lực mâm

- Tính toán tính cơ khí

- Tính toán các thiết bị truyền nhiệt – Thiết bị phụ:

- Các thiết bị truyền nhiệt

- Tính toán bảo ôn

- Tính toán bơm nhập liệu

- Tính toán giá thành thiết bị

- Kết luận.

3.Ngày giao:

4.Hoàn thành:

5.Họ và tên GVHD: Nguyễn Văn Toàn

6.Họ và tên CNBM: PGS.TS Nguyễn Văn Thông

MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU: trang 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN trang 2

I.LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: trang 2 I.1 Phương pháp chưng cất trang 2 I.2 Thiết bị chưng cất: trang 3

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU: trang 4 II.1 Axeton trang 4 II.2 Rượu Etylic trang 5 II.3 Hỗn hợp Axeton – Rượu etylic trang 7 III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ RƯỢU ETYLIC – AXETON trang 7

CHƯƠNG II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT trang 9

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU trang 9

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY trang 9 II.1.Cân bằng vật chất trang 9 II.2.Xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp trang 11 III XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ trang 14

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT trang 17

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP trang 17 I.1.Đường kính đoạn luyện trang 17 I.2.Đường kính đoạn chưng trang 19 II.CHIỀU CAO THÁP trang 22 III MÂM LỖ - TRỞ LỰC CỦA MÂM trang 23 III.1.Cấu tạo mâm lỗ trang 23 III.2.Trở lực của đĩa khô trang 23 III.3 Trở lực do sức căng bề trang24 III.4.Trở lực thủy do chất lỏng trên đĩa tạo ra trang 25

III.5 Tổng trở lực thủy lực của tháp trang 27

III.6 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động trang 28

IV TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP trang 30

IV.1.Bề dày thân tháp trang 30 IV.2.Đáy và nắp thiết bị trang 32 IV.3.Bích ghép thân- đáy và nắp trang 32 IV.4.Chân đỡ trang 33 IV.5 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn trang 35

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ

TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ trang 39

I CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG trang 39

II CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT trang 40 II.1.Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh trang 40 II.2.Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh trang 44 II.3.Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy trang 47 II.4.Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy trang 50 II.5.Thiết bị gia nhiệt nhập liệu trang 54 III TÍNH TOÁN BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ trang 58

IV TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU trang 60

KẾT LUẬN trang 64

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 Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước nhà, cácngành công nghiệp rất cần nhiều hóa chất có độ tinh khiết cao Với mỗi nhu cầu sử dụngnguyên liệu hay sản phẩm có độ tinh khiết cao sẽ có các phương pháp sản xuất thích hợp đểnâng cao độ tinh khiết như: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu … Tùy theo đặc tính yêu cầucủa sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp.Đối với hệ axeton và rượu etylic

là hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn ta cần phải dung phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinhkhiết cho

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quátrình học tập của các kỹ sư hoá thực phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyếtnhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trongsản xuất hoá chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiếnthức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổnghợp Vì thế, đề tài  Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Aceton – rượu etylic hoạt động liên tụcvới năng suất nhập liệu: 5 Kg/s  của môn  Đồ án môn học quá trình thiết bị  cũng là mộtbước giúp cho sinh viên tập luyện và chuẩn bị cho việc thiết kế quá trình & thiết bị côngnghệ trong lĩnh vực này

Để hoàn thành đồ án này, thực sự nhóm em đã cố gắng rất nhiều Song , vì đây là bướcđầu làm quen với công tác thiết kế nên chắc hẳn nhóm chúng em không tránh khỏi nhữngsai sót, mong thầy cô thông cảm và góp ý cho chúng em lần sau

Cuối cùng, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn, đặc biệt làthầy Nguyễn Văn Toàn, là người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ chúng em rất nhiều

trong suốt thời gian thực hiện đồ án thiết kế này

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:

I.1 Phương pháp chưng cất :

Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tửriêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ởcùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đóvật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất là quátrình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ

có dung môi bay hơi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu đượcbấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩmđáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ Etanol - axetonsản phẩm đỉnh chủ yếu gồm axeton và một etanol, ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồmetanol và một ít axeton

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:

Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chưng đơn giản) và liên tục

* Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong cáctrường hợp 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, nhều đoạn

Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường được

áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước

Vậy: đối với hệ Etanol – Axeton, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục bằng tháp

đĩa lỗ có ống chảy chuyền ở áp suất thường

I.2 Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu

cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này phụ thuộc vào độ phân tán củalưu chất này vaò lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường đượcứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước của tháp : đường kính tháp vàchiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sảnphẩm Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo

khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

* Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s…

* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm

Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt

bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

* So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

Ưu

điểm: - Đơn giản - Hiệu suất tương đốicao - Hiệu suất cao

- Trở lực thấp - Hoạt động khá ổnđịnh - Hoạt động ổn định

- Làm việc với chất lỏngbẩn

Nhược

điểm: - Hiệu suất thấp - Trở lực khá cao - Cấu tạo phức tạp

- Độ ổn địnhkém

- Yêu cầu lắp đặt khắtkhe -> lắp đĩa thật

- Thiết bị nặng - Không làm việc vớichất lỏng bẩn.Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và thápmâm chóp Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ

Vậy: Chưng cất hệ Etanol - Axeton ta dùng tháp đĩa lỗ hoạt động liên tục ở áp

suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU:

Nguyên liệu là hỗn hợp axeton – rượu etylic

II.1.Axeton:

Acetone có công thức phân tử : CH3COCH3 Khối lượng phân tử bằng 58.079 đvC

Là một chất lỏng không màu, dễ lưu động và dễ cháy và có mùi thơm

Nó hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như : eter, metanol, etanol,diacetone alcohol…

 Ứng dụng : Acetone được ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụcho vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su … Nó hoà tan tốt tơacetate, nitroxenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn,mực in ống đồng Acetone là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ TừAcetone có thể tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), các holofom

Được tìm thấy đầu tiên vào năm 1595 bởi Libavius, bằng chưng cất khan đường, và đếnnăm 1805 Trommsdorff tiến hành sản xuất Acetone bằng cách chưng cất Acetat của bồ tạt

và sođa : là một phân đoạn lỏng nằm giữa phân đoạn rượu và eter

 Một số thông số vật lý và nhiệt động của Acetone :

và những năm 20

Tuy nhiên, đến giữa những năm 20 và cho đến nay công nghệ trên được thay bằng công nghệ có hiệu quả hơn (chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuất Acetone của Hoa Kỳ) : Dehydro Isopropyl Alcol

Ngoài ra, còn một số qúa trình sản xuất Acetone khác :

 Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol và Acetone

 Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan

H+

 Lên men Carbo hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt

 Công ty Shell sử dụng nó như một sản phẩm phụ

Tổng hợp Acetone bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác:

+ CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 3270C ) ⃗xuctac CH3COCH3 + H2

+ Xúc tác sử dụng ở đây : đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và muối

+ Ở nhiệt độ khoảng 3250C, hiệu suất khoảng 97%

+ Dòng khí nóng sau phản ứng gồm có : Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưaphản ứng, H2 và một phần nhỏ sản phẩm phụ ( như Propylene, diisopropyl eter

…) Hỗn hợp này được làm lạnh và khí không ngưng được lọc bởi nước Dungdịch lỏng được đem đi chưng cất phân đoạn, thu được Acetone ở đỉnh và hỗnhợp của nước, Isopropyl Alcol ( ít) ở đáy

II.2.Etanol : (Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm).

Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Là chất lỏng có

mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước

Một số thông số vật lý và nhiệt động của etanol:

Hằng số phân ly của etanol: K CH 3−CH 2−OH=10 −18

, cho nên etanol là chất trung tính.+ Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua(NaH), Natri

+ Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với nước Khi rượu tác

dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ đều tạo ra ester

CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O

CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 CH3-COO-C2H5 + H2O

* Phản ứng trên 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

Al2O3 to

vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp.

Sơ đồ tóm tắt vị trí của etanol trong các ngành công nghiệp.

Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ kim…

Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉđường Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu là sử

dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột:

+ Thuốc súng không khói.

+ Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay.

Nấm men Zymaza

C6H6O6 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal

Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO2.5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic và

các acid hữu cơ(lactic, butylic…)

II.3.Hỗn hợp Etanol – Axeton:

Ta có bảng cân bằng pha sau:

y 0 15,5 26,2 41,7 52,4 60,5 67,4 73,9 80,2 86,5 92,9 100

t 78,3 75,4 73 69 65,9 63,6 61,8 60,4 59,1 58 57 56,1

III.Công nghệ chưng cất hệ axeton – elylic:

1 Bồn chứa nguyên liệu

12 Thiết bị trao đổi nhiệt

Thuyết minh qui trình công nghệ:

Hỗn hợp axeton – rượu etylic có nồng độ axeton 35% ( theo phân khối lượng), nhiệt độ khoảng 280C tại bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm đưa đến thiết bị gia nhiệt nhậpliệu dạng ống chùm (3) để gia nhiệt cho hỗn hợp axeton và rượu etylic ban đầu đưa vào Tại đây, ta dùng hơi nước bão hòa có áp suất tuyệt đối là 2 at, có nhiệt độ là khoảng 119,6oC để đun sôi dung dịch đầu ở 28oC lên trạng thái lỏng sôi ở 65,9217oC, lúc này hơi nước bão hòa

đi trong ống còn dòng lỏng đáy đi ngoài ống.Sau khi hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt(3), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (5) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (9) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là rượu etylic (78,3oC) sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử axeton chiếm nhiều nhất (có nồng độ 97,49% phần mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (6) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết

bị làm nguội sản phẩm đỉnh (7), tại đây dòng sản phẩm đỉnh đi ngoài vỏ còn nước đi trong

vỏ do nước bẩn hơn sản phẩm đỉnh và được làm nguội đến 380C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (8) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi ( rượu etylic) Hỗn hợp ở đáy tháp có nồng độ axeton là 1,59% (phần mol), còn lại là rượu etylic Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (9) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị trao đổi nhiệt (12)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là axeton, sản phẩm đáy sau khi trao đổinhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 600C được thải bỏ

Chương II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU:

Chọn loại tháp là tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền

Khi chưng luyện hỗn hợp Axeton – rượu Etylic thì cấu tử dễ bay hơi là Axeton

 Nồng độ nhập liệu: ( ´x F=0,35)

 Nồng độ sản phẩm đỉnh: ( ´x D=0,98)

 Nồng độ sản phẩm đáy: ( ´x W=0,02)

 Khối lượng phân tử của Axeton và rượu Etylic : M A=58 kg/kmol, M E=46 kg/kmol

 Năng suất nhập liệu: F=5 (kg/s)

 Nhiệt độ nhập liệu vào tháp: t FV=28℃

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: t WR=35℃

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: t V=35℃

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: t R=40℃

 Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

 Các ký hiệu:

 G F, F: Suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h

 G D, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

 G W, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

 x i, ´x i: nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i

II XÁC ĐỊNH LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯỢC II.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT :

II.1.1 Nồng độ phần mol của Axeton trong tháp:

Do ta chọn trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi nên từ đồ thị II.1 ta

có tại xF =0,2993 ta nội suy ra nhiệt độ nhập liệu vào tháp chưng cất là :

TF = 65,9217 ℃

II.1.2 Suất lượng mol của các dòng :

Phương trình cân bằng vật chất của toàn tháp:

F = D + WF.xF = D.xD + W.xW

Thế các giá trị vào ta được hệ phương trình sau :

MD = ´x D.MA + (1-´x D).ME =0,98.58 + (1-0,98).46= 57,76 (kg/kmol)Suy ra: GD = D.MD = 105,9620 57,76 =6120,3651 (kg/h)

GW = W.MW = 252,6037 46,24 =11680,3951 (kg/h)

II.2 Xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp:

II.2.1 Tỉ số hồi lưu tối thiểu R min

Từ bảng số liệu 1 ta xây dựng đồ thị cân bằng pha II.2 của hệ Axeton và rượu Etylic ở ápsuất 1atm

Với xF = 0,2993 ta nội suy từ đồ thị 3.2 được y F

Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu:

II.2.2 Chỉ số hoàn lưu thích hợp:

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện :

y = R

R +1 x+

x D R+1

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :

y = R +1 R+f x− f −1

R +1 x W

Tỉ số hồi lưu làm việc

Thường được xác định qua tỉ số hồi lưu tối thiểu

R = b R min Trong đó: hệ số dư b =1,2 ÷ 2,5

Với các giá trị R i > R minta tìm được các giá trị tung độ B i tương ứng

y=0,7840x + 0,2106

y=0,8013x + 0,1937 Đoạn chưng y=1,6236x –

0,0099

y=1,5641x – 0,0089

y=1,5150x – 0,0082

y=1,4737x – 0,0075

Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ của R i và N i(R i + 1) Từ đồ thị ta xác định được R

Hiệu suất trung bình của tháp:

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

¿

x

Với : x là phần mol của Axeton trong pha lỏng

y* là phần mol của Axeton trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

= -0,6165Suy ra : µhh =0,2418 (cP)

Vtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h).

ῳtb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn luyện khác nhau Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn luyện cũng khác nhau.

I.1 Đường kính đoạn cất:

I.1.1.Lượng hơi trung bình đi trong tháp:

gtb=

g d+g1

2 (kg/h)

gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)

g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h)

G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất.

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

rd : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp

 Tính r 1 :

t1 = tF =65,9217oC, tra bảng I.216 tr 260 [5] ta có :

Ẩn nhiệt hóa hơi của axeton : ra1 = 29716,0098 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu etylic : rr1 = 39988,2934 (KJ/kmol)

Suy ra : r1 = ra1.y1 + (1-y1).rr1 = 39988,2934 - 10272,2836y1 (KJ/kmol)

 tính r d :

td = 56,3259oC tra bảng I.216 tr 260 [5] ta có:

Ẩn nhiệt hóa hơi của axeton : rad = 30289,9003 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu etylic : rrd = 40586,0052 (KJ/kmol)

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

ωtb=0.055 √ pxtb/ pytb

Với :

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

 Ρytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

Dc = √ 4∗V tb

π 3600 ω tb=0.0188√ g tb

(ρ y ω y)tb=0,0188√22122 ,5937 1 ,9575 0,8596=2,156 (m)

Với :

gtb : lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h)

ῳtb : tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn luyện (m/s)

ρtb : khối lượng riêng trung bình pha hơi (Kg/m3)

I.2 Đường kính đoạn chưng

I.2.1.Lượng hơi trung bình đi trong tháp

g’tb=

g' n+g'1

2 (kg/h)Trong đó:

 g’n: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/ h)

 g’1: lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

 G’1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

 r’1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

 Tính r’ 1 :

xw =0,0159 (phần mol) tra đồ thị cân bằng của hệ ta có: yw= 0,016 (phần mol)

Suy ra: Mtbg’ =58.yw + (1-yw).46= 46,192 (kg/kmol)

t’1 = tw = 77,3778 ℃, tra bảng I.212 tr 254, [5] ta có:

 Ẩn nhiệt hóa hơi của Axeton : r’a1 = 28950,9843 (KJ/kmol)

 Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu Etylic : r’r1 = 39105,7562 (KJ/kmol)

Suy ra: r’1 = r’a1.yw +(1- yw).r’r1= 38943,2798(KJ/Kmol)

II.2.2.Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:

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

ωtb= 0.055 √ pxtb/ pytb

Với :

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

 Ρytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

gtb : lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng (kg/h).

ῳtb : tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng (m/s)

ρtb : khối lượng riêng trung bình pha hơi (Kg/m3)

Ta tra bảng IX.4a,trang 169,[2],ta chọn đường kính chuẩn là D=2,2 m

Khi đó tốc độ hơi làm việc thực ở:

Vậy chọn Ntt =39 mâm gồm : 28 mâm cất

δ - bề dày của đĩa, m.

(0,8 ¿ 1) – khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị, m

Hđ – khoảng cách giữa các đĩa, m

Vậy : H = 39.(0,4+0.002)+0.8=16,478 m

Trong đó bề dày đĩa δ = 0.002 m tính ở phần bề dày đĩa

Chọn đáy nắp tiêu chuẩn có ht = 0,25 D = 0,25 2,2 = 0,55 (m)

Chọn chiều cao gờ : hg = 0,04 (m)

Vậy kết luận chiều cao tháp H = 18 (m)

III Mâm lỗ - trở lực của mâm:

III.1.Cấu tạo mâm lỗ:

Chọn tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền với :

Tiết diện tự do bằng 9% diện tich mâm

Đường kính lỗ d1=0,009 m

Chiều cao gờ chảy tràn : hg = 0,04 m

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

Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 16 mm

Áp dụng công thức (V.139),trang 48,[2]: N=3a(a-1)+1

Giải phương trình bậc 2 ta có a= 43

Suy ra : N= 5419

Số lỗ trên đường chéo : b= 2a-1=85

III.2.Trở lực của đĩa khô

Áp dụng công thức (IX.140), trang 194,[2]

Tính toán tương tự như phần luyện

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng TLC= 71,6498 oC thì:

Lgờ : chiều dài của gờ chảy tràn,m

K=ρb/ρL : tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng của chất lỏng, lấy gần bằng 0,5

Q L=n L ρ L

ρ L : suất lượng thể tích của pha lỏng, m3/s

Tính chiều dài gờ chảy tràn :

Nên L go=D t sin(α2)=2,2 sin(93 , 322 )=1,6( m )

III.4.1 Phần luyện:

Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện:

MLL=0,6388 58+ (1-0,6388) 46=53,6656 kg/kmolSuất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:

Tính toán tương tự như phần luyện

Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng :

MLC= 0,15935.58+(1-0,15935).46=47,91(kg/kmol)Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần chưng:

ΔPhLC= ( 0,01258 1,85.1,6.0,5 )23=0,0416(m)

Cho ta :

= 385,2901(N /m2)

III.5 Tổng trở lực thủy lực của tháp:

Tổng trở lực của 1 mâm trong phần luyện của tháp là:

Tổng trở lực của 1 mâm trong phần chưng của tháp là:

ΔPPC= ΔPPkC+ ΔPPσC+ ΔPPbC=106 , 044+2 , 833+385 , 2901=494 ,1671( N /m2)

Kiểm tra hoạt động của mâm:

Kiểm tra lại khoảng cách mâm h=0,4 m đảm bảo cho điều kiện hoạt động bình thường của

tháp : h>1,8 ρ ΔPP

L g (trang 70,[3])

Với các mâm trong phần chưng trở lực thủy lực qua 1 mâm lớn hơn trở lực thủy lực của

mâm trong phần luyện, ta có:

1,8 ΔPP C

494 ,1671 740,4834.9,81 =0,122(m)

Điều kiện trên thỏa mãn

Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động của mâm,

Từ công thức trang 70 ,[3] Ta có vận tốc tối thiểu qua lỗ của pha hơi vmin đủ để cho các lỗ trên mâm đều hoạt động:

III.6.Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động:

Khoảng cách giữa hai mâm : ∆h = 400mm

Chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo

công thức (5.20), trang 120, [3]:

mm chất lỏngTrong đó: hgờ : chiều cao gờ chảy tràn , mm

∆h1: chiều cao lớp chất lỏng trên mâm , mm

∆P: tổng trở lực của 1 mâm , mm chất lỏng

hd’: tổn thất thủy lực do dòng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được xác

định theo biểu thức (5.10), trang 115, [3]:

hd '=0,128 ( QL

100.Sd)2 mm chất lỏng

QL: lưu lượng của chất lỏng ( m3/h)

Sd: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

Sd=0,8 Smâm = 0,8 π/4.2,22=3,039 m2

Để tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì : hd ≤ 1/2 ∆h = 200 mm( 5.11,trang 121,[3])

III.6.1.Phần luyện :

Vậy : Khi hoạt động thì mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt

IV Tính toán cơ khí của tháp:

IV.1 Bề dày thân tháp

Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế than hình trụ bằng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm ta chọn thiết bị than tháp là thép không gĩ mã

X18H10T

IV.1.1 Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán:

Nhiệt độ tính toán : t = tmax = 78,3 oC

Áp suất tính toán : vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên P = Pthủy tĩnh + ∆P

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp:

Suy ra bề dày của thân

Trong đó : C là hệ số bổ sung bề dày, C=Ca+Cb+Cc+Co

Với :