dung tính toán và thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp Axeton – Nước

phÇn I. MỞ ĐẦU • Giới thiệu chung về dây chuyền sản xuất. Trong quá trình chế biến một sản phẩm từ sản phẩm thô ban đầuđến khi nó trở thành một sản phẩm có Ých đựơc ứng dụng trong đời sống thường ngày thì công nghiệp hoá thực phẩm đóng một vai trò hết sưc quan trọng.Quá trình sản suất này có liên quan đến nhiều thể loại ,phương pháp hoá học khác nhau như:lắng , lọc ,hấp thụ, kết tinh …. nhưng đặc biệt trong đó chưng là một trong những phương pháp được ứng dung nhiều nhất trong nhiều ngành đặc biệt là trong công nghệ lên men Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dùa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là ở cùng một nhiệt độ,áp suất hơi của các cấu tử khác nhau).Trong trường hợp đơn giản nhất thì chưng và cô đặc hầu như không khác gì nhau .Tuy nhiên ,giữa chúng có ranh giới căn bản: trong trường hợp chưng thì dung môi và chất tan đều bay hơi , trường hợp cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi Khi chưng ta thu đươc nhiều sản phẩm và thường bao nhiêu cấu tử ta sẽ được bấy nhiêu sản phẩm .Đối với trường hợp hai cấu tử ta có : Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất Ýt cấu tử có độ bay hơi bé còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất Ýt cấu tử có độ bay hơi lớn Trong sản suất ta hay gặp những phương pháp chưng sau: 1. Chưng đơn giản:dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau .Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất. 2. Chưng bằng hơi nước trực tiếp: dung để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi , thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước 3. Chưng chân không : dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử .Ví dô nh trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôI quá cao 4. Chưng luyện :là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hoà tan một phần hoặc hoàn toàn vào nhau. .Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao và hỗn hợp có nhiệt độ sôI quá cao .Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hoá lỏng ở áp suất thường 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 được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị được 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 được theo dõi bằng đồng hồ lưu lượng. Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão hoà), hỗn hợp đầu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt tới nhiệt độ sôi, hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm (5). Trong tháp, hơi đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên xuống, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng 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 dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng 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 được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (Axeton) và một phần rất Ýt cấu tử khó bay hơi (Nước). Hỗn hợp hơi này được đi vào thiết bị ngưng tụ (6) và tại đây nó được ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh). Một phần chất lỏng sau ngưng tụ chưa đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng (7) để hồi lưu trở về đỉnh tháp, phần còn lại được đưa 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 lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới 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 ngưng 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 được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Nước) và một phần rất Ýt cấu tử dễ bay hơi (Axeton), hỗn hợp lỏng này được đưa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (11), một phần được tận dụng đưa vào nồi đun sôi đáy tháp (9) dùng hơi nước bão hoà. Thiết bị (9) này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp). Nước ngưng của thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (12). Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm được 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 hót phân tử lớn hơn và vượt lực lỳ. Lúc này quá trình chuyển khối được xác định bằng dòng khuyếch tán phân tử. Tăng vận tốc lên lực lỳ trở nên cân bằng với lực hót phân tử. Quá trình chuyển khối lúc này không chỉ được quyết định bằng khuyếch tán phân tử mà cả bằng khuyếch tán đối lưu. 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 được quyết định bằng khuyếch tán đối lưu. Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện tượng 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 thường cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận tốc nhỏ hơn vận tốc đảo pha mét Ýt vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn sủi bọt là mạnh nhất, nhưng 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 tương đối rộng. Nhược điểm. + Khó làm ướt đều đệm. + Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều. IV. BẢNG KÊ CÁC KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG TRONG BẢN ĐỒ ÁN. - F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - P: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - W: Lượng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - Các chỉ sè F, P, W, A, B : tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy của Axeton vàNước - a: nồng độ phần khối lượng, kg axeton/kg hỗn hợp - x: nồng độ phần mol, kmol axeton/kmol hỗn hợp - M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol - µ: độ nhít, Ns/m 2 - ρ: khối lượng riêng, kg/m 3 - Các chỉ sè A, B, x, y, hh : tương ứng chỉ đại lượng thuộc về cấu tử Axeton, Nước, thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp. - Ngoài ra các ký hiệu cụ thể khác được 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 phương trình cân bằng vật liệu. - Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp. F = P + W [II – 144] [II – 144] - Đối với cấu tử dễ bay hơi Fa F = Pa p + Wa w [II – 144] [II – 144] hay Fx =Px +Wx Lượng sản phẩm đỉnh là: = Trong đó: F: năng suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h a F , a p , a w : lần lượt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lượng Đầu bài cho F = 5 T/h=5.10 hay F = + hay F= + ⇒F=243,29(Kmol/h) I.1.2. Đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol của a F , a p , a w . Áp dụng công thức [II – 126] Trong đó: a A, a B : nồng độ phần khối lượng của axeton và Nuóc M a, M B : khối lượng mol phân tử của axeton và Nước Với kg/kmol M = M = 18 kg/kmol Thay số liệu vào ta có: = =0,064phần mol = =0,938 phần mol = =0,003phần mol Vây ta có lượng sản phẩm đỉnh là: P= =15,87(Kmol/h) Lượng sản phẩm đáy là: W= F− P ⇒ W=243,29 −15,87 ⇒ W =227,42 (Kmol/h) I.1.3. Tính khối lượng 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 lượng phân tử trung bình, kg/kmol x: nồng độ phần mol của axêtôn - Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh. M p = x p .M A + (1 – x p )M B M p = 0,938.58 + (1− 0,938).18 M p = 55,52 (Kmol/h) - Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu. M F = x F .M A + (1 – x F )M B M = 0,064.58 + (1− 0,064).18 M = 20,56 (kg/kmol) - Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy. M w = x w .M A + (1 – x w )M B M = 0,003.58 + (1− 0,003 ).18 M = 18,12 (kg/kmol) I.1.5. Lượng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh: I.2. Xác định số bậc thay đổi nồng độ. I.2.1. Xác định R min dùa trên đồ thị y – x. Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng sau: [II – 145] Bảng 1. x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 60, 3 72 80, 3 82, 7 84, 2 85, 5 86, 9 88, 2 90, 4 94, 3 100 t o C 100 77, 9 69, 6 64, 5 62, 6 61, 6 60, 7 59, 8 59 58, 2 57, 5 56, 9 - Trongđó thành phần cân bằng láng (x) , hơi (y) được tinh bằng %mol - Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và đường chéo góc y=x - Đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng chung : y =A.x+ B nó đúng với tất cả mọi thiết diện của đoạn luyện .Như ta đã biết ,thoe giả thuyết thì thành phần cấu tử dễ bay hơi trong chất lỏng ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ đi vào tháp bằng thành phần cấu tử dễ bay hơi từ đỉnh tháp đi ra Do đó ở đĩa trên cùng thì :y=x và phương trình làm việc của đĩa trên cùng là: y =Ax+B … Thay các giá trị Avà Bvào và giải ra ta được:y=x Điều đó chứng tỏ rằng điểm trên cùng của đường làm việc của đoạn luyện ở toạ độ y=x=x phương trình đường làm việc của đoạn chưng có dạng chung là: y’=A’x’+ B’, ta có thể coi nồng độ ở đĩa cuối cùng của đoạn chưng bằng nồng độ đáy x .Thay giá trị của A’,B’ vào phương trình nồng độ làm việc của đoạn chưng ta có : y’= x w ⇒Điều này chứng tỏ rằng điểm cuối cùng của đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có toạ độ: y’= x’=x w ⇒Giao điểm của hai đường này là nghiệm của hệ phương trình y=Ax+B y’=A’x+B’ ⇒x=x F ⇒Điều này chứng tỏ giao điểm của hai đường nồng độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng nằm trên một đường thẳng song song với trục tung và có hoành độ x F . Tung độ phụ thuộc vào chỉ số hồi lưu R • Xác định chỉ số hồi lưu nhỏ nhất( R min ) _ Như ta đã biết, giao điểm của hai đường làm việc không thể nằm phía trên đường cân bằng y=f(x) hay phía dưới đường y=x vì khi hai đường này cắt nhau ở điểm d 2 → nồng độ làm việc lớn hơn nồng độ cân bằng, về ý nghĩa vật lý điều này không thể có được. Còn giao điểm của hai đường là điểm d’ 2 → nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi bé hơn trong pha lỏng, điều này không thể trong chưng cất ⇒ như vậy giao điểm của hai đường làm việc không thể nằm ngoài đường cân bằng và đường chéo góc. Giới hạn hai điểm đó là hai điểm d 2 và d’ 2 _ứng với giao điểm d 0 ta có tung độ B lớn nhất là B 0 , trong trường hợp này nồng độ làm việc bằng nồng độ cân bằng, theo lý thuyết thì có thể đạt được điều đó khi số bậc thay đổi nồng độ vô cùng lớn và chỉ số hồi lưu lớn nhất. Thật vậy ta có: - R min : lượng hồi lưu tối thiểu được tính theo công thức Ta có: ⇔ ⇒ ⇔ ⇒ Mặt khác từ đồ thị ⇒ B 0 = 0,628 [...]... [II – 178] Ta có µy = µhh được tính theo [I – 85] Trong đó: Mhh, MA, MB: khối lượng phân tử của hỗn hợp và cấu tử Axeton và Nước µhh, µA, µB: độ nhít của hỗn hợp và cấu tử Axeton và Nước m1, m2: nồng độ của Axeton và Nước 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: a1, a2: nồng độ phần khối lượng của Axeton. .. 20oC là: , m2/s[II – 133] [II – 133] Trong đó: A, B: hệ số liên hợp kể đến ảnh hưởng của Axeton và Nước Do Axeton và Nước là những chất lỏng không liên kết nên A = 1; B = 4,7 , m2/s - Nhiệt độ trung bình của lỏng trong đoạn luyện là to = 60,7oC Vậy ta có: Dx = 1,22.10-9[1 + 0,02.(60,7 - 20)] Dx = 2,213.10-9 m2/s Thay các giá trị vào ta có: Vậy: ,m h1 = 1,34m ,m h2 = 0,165m III.1.2 Tính m - Chọn các... bình của lỏng trong đoạn luyện là: ⇒ ⇒ ρxtb =829,56 (kg/m3 ) II.1.3 Tính tốc độ hơi đi trong tháp Tốc độ hơi đi trong tháp đệm ω = (0,8 ÷ 0,9)ωs [II – 187] Với ωs là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức Y = 1,2e-4X Với [II – 187] [II – 187] [II – 187] Trong đó: σđ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3 Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3 g: gia tốc trọng trường, m2/s Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình,... , m[II – 177] [II – 177] ,m[II – 177] [II – 177] Trong đó: a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng thì a = 0,123 µx: độ nhít của pha láng, Ns/m2 Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3 ρx: khối lượng riêng của lỏng, kg/m3 ψ: hệ số thấm ướt của đệm, nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp, xác định theo đồ thị IX.16 [II – 178] : mật độ tưới... có thể chấp nhận được • Kiểm tra cách chọn đệm m III TÍNH CHIỀU CAO THÁP - Đối với tháp đệm, chiều cao làm việc của tháp hay chiều cao líp đệm được xác định theo công thức: H = hđv.my (m)[II – 175] [II – 175] Trong đó: hđv: chiều cao của một đơn vị chuyển khối, m my: sè 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... sản phẩm đỉnh Thay số liệu vào ta có y’=7,5.x-0,0195 II TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG LUYỆN Đường kính tháp được xác định theo công thức , m [II - 181] [II - 181] Trong đó: gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h (ρy.ϖy)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho... của tháp đệm phụ thuộc vào đặc trưng của đệm và trạng thái pha, được 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 láng m: hệ sè phân bố trung bình ở điều kiện cân bằng pha Gy, Gx: lưu lượng hơi và lỏng trung bình đi trong tháp, • Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h1, h2 , m[II – 177]... đoạn luyện là: m/s - Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là: Vậy chọn đường kính là 0,5 m có thể chấp nhận được • Kiểm tra cách chọn đệm m II 2 Đường kính đoạn chưng II.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng của tháp : [II - 182] [II - 182] Trong đó: g’n: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kmol/h g’1: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kmol/h Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào... trong đoạn chưng là: ⇒ g’ytb =26,95 (kmol/h) II.2.2 .Tính lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng của tháp : Ta có : Trong đó lượng lỏng đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng chính bằng tổng lượng lỏng chảy từ đĩa cuối cùng của đoạn luyện và lượng hỗn hơp ban đầu: ⇒ G’n = G1 + F = 14,5 +243,29 = 257,79 kmol/h •Vậy ta có lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là : = 279,37 kmol/h II.2.3 Tính khối lượng... Xác định chuẩn số Pran - Chuẩn sè Pran của pha hơi: [II – 178] Hệ số khuyếch tán Dy trong pha hơi tính theo , m2/s[II – 127] [II – 127] Trong đó: T: nhiệt độ trung bình của hơi, 0K P: áp suất chung của hơi, P = 1at MA = 58: khối lượng phân tử của cấu tử Axeton MB = 18: khối lượng phân tử của cấu tử Nước vA, vB: thể tích mol của hơi Axeton và Nước , cm3/nguyên tử cm3/nguyên tử cm3/nguyên tử Phần trước . tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (12). Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm được lấy ra liện tục. III. CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP ĐỆM. Trong tháp đệm có 3. bay hơi có tính chất hoà tan một phần hoặc hoàn toàn vào nhau. .Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao và hỗn hợp có nhiệt độ sôI quá cao .Chưng luyện ở áp. giản:dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau .Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất. 2. Chưng bằng hơi nước trực tiếp: dung để tách