Thiết kế tháp chưng hệ Etanol và Nước

ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh MỤC LỤC trang LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I : TỔNG QUAN I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT . Phương pháp chưng cất . Thiết bò chưng cất: II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU . Etanol . Nước . Hỗn hợp Etanol – Nước III . CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HP . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu . Tỉ số hoàn lưu thích hợp IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ THUYẾT . Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn cất . Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng . Số mâm lý thuyết V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP . Đường kính đoạn cất . Đường kính đoạn chưng II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM . Cấu tạo mâm lỗ . Độ giảm áp pha khí qua mâm . Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động : ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP . Bề dày thân tháp : . Đáy nắp thiết bò : . Bích ghép thân, đáy nắp : . Đường kính ống dẫn – Bích ghép ống dẫn : . Tai treo chân đỡ: CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT . Thiết bò ngưng tụ sản phẩm đỉnh . Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh . Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy . Thiết bò trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy . Thiết gia nhiệt nhập liệu II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ III . TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU . Tính chiều cao bồn cao vò . Chọn bơm CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ II . KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh LỜI MỞ ĐẦU Một ngành có đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng giới nói chung, ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt ngành hóa chất bản. Hiện nay, nhiều ngành sản suất hóa học sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản suất nhu cầu sử dụng. Ngày nay, phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ Etanol - Nước cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol. Đồ án môn học Quá trình Thiết bò môn học mang tính tổng hợp trình học tập kỹû sư hoá- thự c phẩm tương lai. Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành thiết bò sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹû thuật thực tế cách tổng hợp. Nhiệm vụ ĐAMH thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1000 kg/h có nồng độ 10% mol etanol ,thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol 99%. Em chân thành cảm ơn q thầy cô môn Máy & Thiết Bò, bạn sinh viên giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trình hoàn thành đồ án sai sót, em mong q thầy cô góp ý, dẫn. ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh CHƯƠNG I : TỔNG QUAN. I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: . Phương pháp chưng cất : Chưng cất qua ùtrình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng (hay nhiệt độ sôi khác áp suất), cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay - ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại. Khác với cô đặc, chưng cất trình dung môi chất tan bay hơi, cô đặc trình có dung môi bay hơi. Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản có hệ cấu tử ta thu sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé(nhiệt độ sôi lớn) .Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước etanol. Các phương pháp chưng cất: phân loại theo: • Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường áp suất cao. Nguyên tắc phương pháp dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, nhiệt độ sôi cấu tử cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử. • Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) liên tục. * Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp đïc sử dụng trường hợp sau: + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa nhau. + Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao. + Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay hơi. + Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử. * Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bò hoạt động liên tục) trình thực liên tục, nghòch dòng, nhều đoạn. • Phương pháp cất nhiệt đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp nước: thường áp dụng trường hợp chất tách không tan nước . Vậy: hệ Etanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường. ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh . Thiết bò chưng cất: Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp chúng có yêu cầu diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều phụ thuộc vào độ phân tán lưu chất vaò lưu chất . Tháp chưng cất phong phú kích cỡ ứng dụng ,các tháp lớn thường ứng dụng công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thước tháp : đường kính tháp chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí tháp độ tinh khiết sản phẩm. Ta khảo sát loại tháp chưng cất thường dùng tháp mâm tháp chêm. • Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác để chia thân tháp thành đoạn nhau, mâm pha lỏng pha đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo đóa, ta có: * Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s… * Tháp mâm xuyên lỗ: mâm bố trí lỗ có đường kính (3-12) mm. • Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn. Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. * So sánh ưu nhược điểm loại tháp : Tháp chêm. Ưu điểm: - Đơn giản. - Trở lực thấp. Nhược điểm: - Hiệu suất thấp. - Độ ổn đònh kém. Tháp mâm xuyên lo.ã - Hiệu suất tương đối cao. - Hoạt động ổn đònh. - Làm việc với chất lỏng bẩn. - Trở lực cao. - Yêu cầu lắp đặt khắt khe -> lắp đóa thật phẳng. - Thiết bò nặng. Tháp mâm chóp. - Hiệu suất cao. - Hoạt động ổn đònh. - Cấu tạo phức tạp. - Trở lực lớn. - Không làm việc với chất lỏng bẩn. Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ trạng thái trung gian tháp chêm tháp mâm chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất tháp mâm xuyên lỗ. Vậy: Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp đáy tháp. II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU : Nguyên liệu hỗn hợp Etanol - Nước. ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh . Etanol: (Còn gọi rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm). Etanol có công thức phân tử: CH 3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC. Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều nước. • Một số thông số vật lý nhiệt động etanol: + Nhiệt độ sôi 760(mmHg): 78.3oC. + Khối lượng riêng: d420 = 810 (Kg/m3). • Tính chất hóa học: Tất phản ứng hoá học xảy nhóm hydroxyl (-OH) etanol thể tính chất hoá học nó. * Phản ứng hydro nhóm hydroxyl: CH3-CH2-OH CH3-CH2-O- + H+ K CH −CH −OH = 10 −18 Hằng số phân ly etanol: , etanol chất trung tính. + Tính acid rượu thể qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua(NaH), Natri amid(NaNH2): CH3-CH2-OH + NaH CH3-CH2-ONa + H2 Natri etylat K CH −CH −OH < K H O = 10 −14 Do : tính acid rượu nhỏ tính acid nước, nên muối Natri etylat tan nước bò thuỷ phân thành rượu trở lại. + Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với nước. Khi rượu tác dụng với acid vô H 2SO4, HNO3 acid hữu tạo ester. Lạnh CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O H+ CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 CH3-COO-C2H5 + H2O * Phản ứng 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 + Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 + Phản ứng tạo eter tách loại nước: 2CH3-CH2-OH H2SO4 >150oC (CH3-CH2)2O Al2O3 to + C2H5-NH2 + H2O H2O H2SO4 >150oC ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh CH3-CH2-OH CH2=CH2 + H2O * Phản ứng hydro oxy hoá: CH3-CH2-OH Cu 200-300oC CH3-CHO + H2 • Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng metanol, đóng vai trò quan trọng kinh tế quốc dân. Nó nguyên liệu dùng để sản suất 150 mặt hàng khác ứng dụng rộng rãi ngành: công nghiệp nặng, y tế dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ nông nghiệp. + Công nghiệp cao su tổng hợp + Động lực. + Dung môi hữu cơ:pha sơn + Nguyên liệu. + Rượu mùi. + Dấm. + Động lực. + Thuốc trừ sâu. Nhiên liệu. + Thuốc súng không khói. + Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay. Etano l + Đồ nhựa. + Keo dán. + Hương liệu. + Thuốc nhuộm. + Tơ nhân tạo. + Sát trùng. + Pha chế thuốc. + Sơn. + Vecni. Sơ đồ tóm tắt vò trí etanol 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 ester etanol đun nóng với nước xúc tác dung dòch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ hợp chất kim… Trong công nghiệp, điều chế etanol phương pháp lên men từ nguồn tinh bột rỉ đường. Những năm gần đây, nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men Nấm men tinh bột: Zymaza C6H6O6 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol CO2. 5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic acid hữu cơ(lactic, butylic…). . Nước: Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng không màu, không mùi, không vò khối nước dày có màu xanh nhạt. Khi hóa rắn tồn dạng dạng tinh thể khác nhau: Khối lượng phân tử : 18 g / mol Khối lượng riêng d4 c : g / ml Nhiệt độ nóng chảy : 0C Nhiệt độ sôi : 1000 C Nước hợp chất chiếm phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất nước biển) cần thiết cho sống. Nước dung môi phân cực mạnh, có khả hoà tan nhiều chất dung môi quan trọng kỹ thuật hóa học. . Hỗn hợp Etanol – Nước: Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Etanol Nước 760 mmHg: ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh x(%phân mol) y(%phân mol) 0 33,2 10 44,2 20 53,1 30 57,6 40 61,4 50 65,4 60 69,9 70 75,3 80 81,8 90 89,8 100 100 t(oC) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4 10 ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh Suất lượng nước cần dùng: GhN == 0,0122 (Kg/s). b . Xác đònh bề mặt truyền nhiệt : Bề mặt truyền nhiệt xác đònh theo phương trình truyền nhiệt: Ftb = ,(m2) Qt (IV.22). Với: + K : hệ số truyền nhiệt. K .∆t log + ∆tlog : nhiệt độ trung bình logarit. • Xác đònh ∆tlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: (100 − 61,566) − (100 − 86,5) (o ∆t log = = 23,832 100 − 61,566 K). Ln 100 − 86,5 • Xác đònh hệ số truyền nhiệt K: Hệ số truyền nhiệt K , K= o 1 (W/m . K) + Σrt + αF αN (IV.23). Với: + αF : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu (W/m2.oK). + αN : hệ số cấp nhiệt nước (W/m2.oK). + ∑rt : nhiệt trở thành ống lớp cáu. * Xác đònh hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: Vận tốc dòng nhập liệu ống ngoài: GF 1000 = vF = . = . 2 3600.ρ F π .d ng 3600.937,58 π .0,021 0,855 (m/s). Chuẩn số Reynolds : v d .ρ 0,855.0,009.937,58 > Re F = F td F = = 2910841 −3 µF 0,5786.10 10 : chế độ chảy rối, công thức xác đònh chuẩn số Nusselt có dạng: Qc 27,484 = rN 2260 Nu F = 0,021.ε l . Re F ,8 PrF , 43 .( PrF 0, 25 ) Prw Trong đó: + εl : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re W tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReW=10360,42 ø,chọn εl =1. + PrF : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 74,033 oC, nên c F .µ F 3968.0,5786.10 −3 PrF == 4,062 = λF 0,5652 58 ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh Prw , 25 ống nhỏ: Nu F .λ F 249,521.0,5652 d td = Prw Suy ra: Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu 249,521 Nu F = 0, 25 .0,009 = αF = Nhiệt tải phía dòng 6715,679 Prw , 25 nhập liệu: q F = α F .(t w − t tbF ) = 6715,679 Prw 0, 25 ( W /m (t w2 − 74,033) ) (IV.24). Với tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ). * Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: t −t , (W/m2). qt = w1 w Σrt Trong đó: + tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (ngoài ống nhỏ). δ + Σrt = t + r1 + r2 λt Bề dày thành ống: δt = 2(mm). Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 17,5 (W/moK). Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.oK/W). Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W). Suy ra: ∑rt = 1/1944,444 (m2.oK/W). Vậy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) (IV.25). * Xác đònh hệ số cấp nhiệt nước ống nhỏ : Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,034- 0,025 = 0,009 (m) Hệ số cấp nhiệt nước xác đònh theo công thức:  rN 0,725. A.  (t sN − t w1 ).d td αN=    , 25  2260.1000   = 0,725. A.  (100 − t w1 ).0,009  , 25 = Với: + A : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ, tra tài liệu tham khảo [2]. 91,265. A (100 − t w1 ) 0, 25 59 ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh Nhiệt tải phía nước: q N = α N .(t sN − t w1 ) = 91,265. A.(100 − t w1 ) 0,75 (IV.26). Chọn: tw1 = 97,44oC : 100 + 97,44 (W/ m2) Khi đó, nhiệt độ trung bình = 98,72oC ta tra A = 178,36 Từ (IV.26): qN =91,265.178,36.(100 – 96,92)0,75 = 32944,407(W/m2). Xem nhiệt tải mát không đáng kể: qt = qW =32944,407 (W/m2). qt Từ (IV.25), ta có: tw2 = tw11944,444 =80,497oC 97,44 + 80 t w1,497 + t w2 Suy ra: ttbw = =oC = 88,969 2 Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbw = 88,969 oC: + Nhiệt dung riêng: cR = 4,0204 (KJ/kg.độ). + Độ nhớt động lực: µR = 0,4517.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: λR = 0,588 (W/moK). c R .µ R 4,0204.0,4517.10 −3 Khi đó: Prw2 == = λR 0,588 3,088 6715,679 .(80,497 − 74,033) = 32747,033 3,088 0, 25 Từ (IV.24): qF = (W/m2). Kiểm tra sai số: qN − q F qN = ε = =0,6% < 5%: 32944,407 − 32747,033 32944,407714 thoả. Vậy: tw1 = 97,44oC tw2 = 80,497oC. αN = 91,265.178,36 = 12868,909 (100 − 97,44) 0, 25 Khi đó: (W/m . o C). 6715,679 = 5066,063 3,088 0, 25 K= = 1266,810 1 + + 5066,063 1944,444 12868,909 αF = (W/m2.o C). Từ 60 ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh (IV.23): (W/m2.oC). Từ (IV.22), bề mặt truyền nhiệt trung bình: Ftb = 27,484.1000 1266,81.23,832 = 0,9103 (m ). Suy chiều dài ống truyền nhiệt : = 0,9103 = 12,598 0,025 + 0,021 π. L (m). Chọn: L = 15(m), (dự trữ khoảng 20%). Kiểm tra: εl = 1: thoả. Vậy: thiết bò gia nhiệt dòng nhập liệu thiết bò truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 15(m), chia thành 10 dãy, dãy dài 1,5 (m). L 15 = = 714,29 > 50 d tr 0,021 II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ: Trong trình hoạt động tháp, tháp tiếp xúc với không khí nên nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh ngày lớn. Để tháp hoạt động ổn đònh, với thông số thiết kế, ta phải tăng dần lượng đốt gia nhiệt cho nồi đun để tháp không bò nguội (nhất sản phẩm đỉnh, ảnh hưởng đến hiệu suất tháp). Khi đó, chi phí cho đốt tăng. Để tháp không bò nguội mà không tăng chi phí đốt, ta thiết kế lớp cách nhiệt bao quanh thân tháp. Chọn vật liệu cách nhiệt cho thân tháp amiăng có bề dày δa .Tra tài liệu tham khảo [2], hệ số dẫn nhiệt amiăng λa = 0,151 (W/m.oK). Nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh: Qm = 0,05.Qd = 0,05.265,148 = 13,2574 (KW). Nhiệt tải mát riêng: Qm λ a λ = .(t v1 − t v ) = a .∆t v f tb δ a δa qm = (W/m2). (IV.27) Với: + tv1 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt tháp. + tv1 : nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp xúc với không khí. + ∆tv : hiệu số nhiệt độ hai bề mặt lớp cách nhiệt. Nhận thấy: qm = const, nên chọn ∆tv = ∆tmax = tđáy -tkk ,tkk = 28oC. Suy (tv = 100 – 28 = 72oC. + ftb : diện tích bề mặt trung bình tháp (kể lớp cách nhiệt). ftb = π.H.Dtb = π.H.(Dt + Sthân + δa) Từ (IV.27), ta có phương trình: 61 ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh 13,2574.1000 0,151 = .72 π .14,5.(0,500 + 0,003 + δ a ) δa 0,0195(m). Vậy: chọn δa = 20 (mm). Suy ra: δa = 62 ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh III . TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU: . Tính chiều cao bồn cao vò: Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu (nhập liệu): d = 50 (mm), độ nhám ống ε=0,1(mm). Các tính chất lý học dòng t F + t ' F nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF == 57,25 oC: + Khối lượng riêng: ρF = 947,513 (Kg/m3). + Độ nhớt động lực: µF = 0,7978.10-3 (N.s/m2). Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn: QF 1000 vF == . = . 3600.ρ F π .d 3600.947,513 π .0,05 0,149 (m/s). a . Tổn thất đường ống dẫn:  l1  vF (m).  h1 =  λ1 . + Σξ1 . Với: + λ1 : hệ số ma  d1  2.g sát đường ống. + l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 20(m). + d1 : đường kính ống dẫn, d1 = d = 0,05(m). + ∑ξ1 : tổng hệ số tổn thất cục bộ. + vF : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, vF = 0,149(m/s). * Xác đònh λ1 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu ống: v .d .ρ 0,149.0,05.947,513 = Re1 = F F = −3 µF 0,7978.10 8848,05 Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: 88 + Chuẩn số Reynolds d1  77  50 6.  tới hạn: Regh1===7289,343  0ε,1 + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren1===23,9.104. d1   50 220.  Suy ra: Regh1 < Re1<  0ε,1  Ren1: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]): , 25 λ1=  ε 100    0,1.1,46. + = , 0345 * Xác đònh ∑ξ1: d1 Re1   63 ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + 10 chỗ uốn cong: ξu1=10.1,1 = 11. + van (van cầu): ξv1= 3.10 = 30. + lần đột thu: ξt1 = 0,5. + lần đột mở: ξm1 = 1. + lưu lượng kế: ξl1 = (không đáng kể). Suy ra: ∑ξ1 = ξu1 + ξv1 + ξt 1+ ξm1 + ξl1 = 42,5. Vậy:Tổn thất đường ống dẫn: h1==0,064(m). b . Tổn thất đường ống dẫn thiết bò trao đổi nhiệt:   v2 (m). l2 h2 =  λ . + Σξ . Với: + λ2 : hệ số  d2  2.g ma sát đường ống. + l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = 18(m). + d2 : đường kính ống dẫn, d2 = 0,021(m). + ∑ξ2 : tổng hệ số tổn thất cục bộ. + v2 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, v2 = 0,84(m/s). * Xác đònh λ2 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu:(xem lại mục IV.I.4) Re2= 15888,48. Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: + Chuẩn số Reynolds  d212  6.  tới hạn: Regh2===2704,68.  0ε,1  + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren2===90140,38  d212  220.  .  0ε,1  Suy ra: Regh2 < Re2 < Ren2: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]): , 25 λ2=  ε 100   0,1.1,46. + = 0,0334 * Xác đònh ∑ξ2: d Re   Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + 11 chỗ ống cong quay ngược: ξq2=11.2,2 = 24,2. + chỗ uốn cong: ξu2= 1,1. + lần co hẹp: ξc2 = 0,385. 20   0,149 + 42,5 .  0,0345. 0,05   2.9,81 64 ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh  0,0212 1 − 0,05  + lần mở rộng:   = 0,6783  ξm2 =. ξq2 + ξc2+ ξm =26,363. 18   0,84 , 0334 . + 26 , 363  . 0,021   2.9,81 Suy ra: ∑ξ2 = ξu2 + Vậy:Tổn thất đường ống dẫn thiết bò trao đổi nhiệt: h2==1,978(m). c . Tổn thất đường ống dẫn thiết bò gia nhiệt nhập liệu:   v2 l h3 =  λ3 . + Σξ .  d3  2.g (m). Với: + λ3 : hệ số ma sát đường ống. + l3 : chiều dài đường ống dẫn, l3 = 15(m). + d3 : đường kính ống dẫn, d3 = 0,021(m). + ∑ξ3 : tổng hệ số tổn thất cục bộ. + v3 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, v3 = 0,855(m/s). * Xác đònh λ3 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu:(xem lại mục IV.I.5) Re3= 29108,41. Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: + Chuẩn số Reynolds  d213  77 6.  tới hạn: Regh3===2704,68.  0ε,1 + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren3===90140,  d213  220.  38.  0ε,1  Suy ra: Regh3 < Re3 < Ren3: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]): , 25 λ3=  ε 100   0,1.1,46. + = 0,0319 * Xác đònh ∑ξ3: d Re   Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + chỗ ống cong quay ngược: ξq3=9.2,2 = 19,8. + chỗ uốn cong: ξu3= 1,1. + lần co hẹp: ξc2 = 0,385. + lần mở  0,0212  1 −  = , 6783 rộng: ξm2 =. 0,05   65 ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh Suy ra: ∑ξ3 = ξu3 + ξq3 + ξc3+ ξm =21,963. Vậy:Tổn thất đường ống dẫn 15   0,855 + 21,963 .  0,0319. 0,021   2.9,81 thiết bò gia nhiệt: h3==1,667(m). Chọn : + Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vò. + Mặt cắt (2-2) mặt cắt vò trí nhập liệu tháp. p dụng phương trình Bernolli cho (1-1) (2-2): z1 + + = z2 + + +∑hf1-2 vP2112 2 hay z1 = z2 + +∑hf1-2 P2 − P1ρ2F.g.vg2 − v1 + Với: + z1: độ cao mặt ρ F .g 2.g thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem chiều cao bồn cao vò Hcv = z1. + z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem chiều cao từ vò trí nhập liệu tới mặt đất: z2 = hchân đỡ + hnắp + (Nchưng+1) .(h + δmâm ) = 0,145 + 0,15 + 11.(0,25 + 0,0018) = 3,0648 (m). + P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at. + P2 : áp suất mặt thoáng (2-2). Xem ∆P=P2 –P1 =Ncất .htl = 42 . 379,226 = 15927,492 (N/m2). + v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = 0(m/s). + v1 : vận tốc vò trí nhập liệu, v1 = vF = 0,149 (m/s). + ∑hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2): ∑hf1-2 = h1 + h2 + h3 = 0,064 + 1,978 + 1,667 = 3,709(m). 2 P2 − P1 v − v1 Vậy: Chiều cao bồn cao vò: + ρ F .g 2.g Hcv = z2 + +∑hf1-2 15927,492 0,149 − + 947,513.9,81 2.9,81 =2,813 ++ 4,307 = 8,489(m). Chọn Hcv = 10(m). . Chọn bơm: Lưu lượng nhập liệu: VF = (m /h). Chọn bơm có suất Qb = 1,2 (m /h).Đường kính ống hút, ống đẩy 21(mm),nghóa chọn ống 25x2. GF 1000 = = 1,055 ρ F 947,513 66 ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh Các tính chất lý học dòng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình t’F = 28 oC: + Khối lượng riêng: ρF = 964,2 (Kg/m3). + Độ nhớt động lực: µF = 1,772.10-3 (N.s/m2). Vận tốc dòng nhập liệu ống hút đẩy: 4.Qb 4.1,2 vh = vd = = = 2 3600.π ,0,021 3600.π .d h 0,962(m/s). Tổng trở lực ống hút ống đẩy:  lh + ld  vh hhd =  λ. + Σξ h + Σξ d . Với: + lh : chiều dh   2.g dài ống hút, chọn lh = 1,5 (m). + ld : chiều dài ống đẩy, chọn ld = 11,5 (m). + ∑ξh : tổng tổn thất cục ống hút. + ∑ξd : tổng tổn thất cục ống đẩy. + λ : hệ số ma sát ống hút ống đẩy. * Xác đònh λ: Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu: v h .d h .ρ F 0,962.0,021.964,2 Re==10992,53. = −3 µF 1,772.10 Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: + Chuẩn số Reynolds tới  d21  6. h  hạn: Regh===2704,68.  0ε,1  + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren===90140,38.  d21h  220.  Suy ra: Regh < Re <  0ε,1  Ren: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]): , 25 λ=   ε 100  0,1.1,46. + = 0,0356 * Xác đònh ∑ξh:  d h Re   Hệ số tổn thất cục ống hút qua: + van cầu: ξvh= 10. + lần vào miệng thu nhỏ: ξt = 5. Suy ra: ∑ξh = ξvh + ξt =10,5. * Xác đònh ∑ξd: 67 ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh Hệ số tổn thất cục ống đẩy qua: + van cầu: ξvd= 10. + lần uốn góc: ξu =2ø.1,1 = 2,2. Suy ra: ∑ξh = ξvd + ξu =12,2. Vậy:Tổn thất ống hút ống đẩy: hhd ==2,110(m). Chọn : + Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu. + Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vò. p dụng phương trình Bernolli cho (1-1) (2-2): z1 + + + Hb= z2 + + vP21122 +∑hf1-2 Với: + z1: độ cao mặt thoáng ρ2F.g.g (1-1) so với mặt đất. + z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất. + P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at. + P2 : áp suất mặt thoáng (2-2), chọn P2 = at. + v1,v2 : vận tốc mặt thoáng (1-1) và(2-2), xem v1=v2= 0(m/s). + ∑hf1-2 =hhd: tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2). + Hb : cột áp bơm. Suy ra: Hb = (z2 – z1) + hhd = Hcv + hhd = 10 +2,11 =12,11(m.chất lỏng) Chọn hiệu suất bơm: ηb = 0,8. Qb H b ρ F .g 1,2.12,11.964,2.9,81 Công suất thực tế = 3600.η b 3600.0,8 bơm: Nb = = 47,73(W) = 0,064 (hp). Tóm lại: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM Qb = 1,2 (m3/h) rượu chất không độc hại. 1,5 + 11,5   0,962 + 10,5 + 12,2 .  0,0356. 0,021   2.9,81 68 ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ. I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ: • Lượng thép X18H10T cần dùng: G1 = 53.m2+ m3+ 2.m4 = 53.1,955 + 531,808 + 2.7,347 = 650,117(Kg). • Lượng thép CT3 cần dùng: G2 = Gbích ghép thân + Gbích ghép ống dẫn = 30.18,144 +(2.4 (0,1402- π 0,0502).0,012 + 2.2. . (0,2052-0,1002) . . 0,014). 7850 = 565,498(Kg). • Số lượng bulông cần mua: n = 15.20 + 4.5 = 320 (bulông). • Thể tích vật liệu cách nhiệt cần dùng: V = π.(Dt + St ).δa .H = π.(0,5 + 0,003).0,02.14,5 = 0,4583(m3). • Chiều dài ống dẫn: * ng 25mm: L1= Lb +LTBTĐN +LTBGN +Lnồi đun +LTBnt +LTBln = 13 + 18 + 15 + 91.1,5 + 91.1,5 + 20.2 =359(m)~360(m). * ng (31-50)mm: L2= Ldẫn + LTBGN +LTBTĐN +l1 = 40 +15 +18 +20 = 93(m) ~ 95(m). * ng 100mm: chọn ống dẫn đỉnh đáy tháp: L3 = 10(m). • Kính quan sát: đường kính là:100(mm), dày 5(mm). π S = 2.0,12 = 0,0157(m2). • Bộ phận nối cong ống: Những chỗ quay ngược ống ta dùng phận nối ống cong 90o. * Nối ống 25mm: 11.2 + + 2.2 = 27 (cái). * Nối ống (31-50)mm: 10 + 11.2 + = 33 (cái). • Vậy: số tiền mua vật tư chế tạo thiết bò 55394934 (đồng). Tiền gia công chế tạo thiết bò(gia công phức tạp, độ xác cao) 500% tiền vật tư: 500%.55394934 = 276974670 (đồng). Tóm lại: Chi phí đầu tư: 55394934 + 276974670 = 332369604 (đồng). Tổng chi phi đầu tư (bao gồm chi phí phát sinh) chọn 400 (triệu đồng). 69 ĐAMH Quá Trình Thiết Bò Vật liệu GVHD : Vũ Bá Minh Số lượng Đơn gía Thành tiền 70 ĐAMH Quá Trình Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh Thép X18H10T 650,117 (kg) 50000 (đ/kg) 32505850 Thép CT3 565,498 (kg) 10000 (đ/kg) 5654980 Bulông 320 (bulông) 3000 (đ/bulông) 960000 Vật liệu cách nhiệt 0,4583 (m ) 4000000 (đ/m ) 1833200 ng dẫn 25mm 360 (m) 15000 (đ/m) 5400000 ng dẫn (31-50)mm 95 (m) 20000 (đ/m) 1900000 ng dẫn 100mm 10 (m) 40000 (đ/m) 400000 Bộ phận nối 25mm 27 (cái) 30000 (đ/cái) 810000 Bộ phận nối (31-50)mm 33 (cái) 50000 (đ/cái) 1650000 Bơm 2.0,064 (hp) 700000 (đ/hp) 89600 p kế tự động (cái) 600000 (đ/cái) 600000 Nhiệt kế điện trở tự ghi (cái) 200000 (cái) 1000000 Lưu lượng kế ([...]... nhập liệu 7 Bẩy hơi 8 Tháp chưng cất 9 Nhiệt kế 10 p kế 11 Thiết bò ngưng tụ sản phẩm đỉnh 12 Nồi đun 13 Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh 14 Bồn chứa sản phẩm đỉnh 15 Bồn chứa sản phẩm đáy 16 Bộ phận phân dòng 11 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh 12 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh * Thuyết minh qui trình công nghệ: Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân... ,do đó , tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với (R+1) Ngoài ra ,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vò chuyển khối m ox hay số mâm lý thuyết Nlt Cho nên ,thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số m ox*(R+1) Như vậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa R và V tháp theo quan hệ R và mox*(R+1) Từ đồ thò của quan hệ này ,ta xác đònh được điểm cực tiểu của m ox*(R+1) ứng với tỉ số 16 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ... thực tế của tháp Ntt : N tt = = 0,4567 28 0,4567 b = ηt =52,55 mâm Vậy chọn Ntt = 53 mâm , gồm : 42 mâm cất 1 mâm nhập liệu 10 mâm chưng 20 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh 21 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT I ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(Dt) Dt = 4Vtb g tb = 0,0188 π.3600.ω tb ( ρ y ω y ) tb (m) Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h)... đảm bảo tháp sẽ không bò ngập lụt Chiều cao của thân tháp :Hthân =Ntt (hmâm+δmâm ) + 0,8 =53.(0,250+0,0018) +0,8 =14,2(m) Chiều cao của đáy và nắp : Hđ = Hn =ht +hgờ =0,125+0,025=0,150(m) (Xem ở phần (III.2) : Đáy và Nắp thiết bò ) Chiều cao của tháp : H = Hthân + Hđ + Hn = 14,5(m) 30 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP : 1 Bề dày thân tháp : Vì tháp chưng cất...ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC: Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H 2O, nhiệt độ sôi là 78,3 0C ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100 oC ở 760mmHg : hơi cách biệt khá xa nên phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương... bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn * Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – nước: Chú thích các kí hiệu trong qui trình: 1 Bồn chứa nguyên liệu 2 Bơm 3 Bồn cao vò 4 Lưu lượng kế 5 Thiết bò trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy 6 Thiết bò... 57 140 90 12 12 Z (cái) 4 d ng dẫn hơi vào đáy tháp: Suất lượng hơi vào đáy tháp: g’1 = 391,008 (Kg/h) Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp được tính theo công thức (xác đònh ở tW = 100oC và yW = 0,018): [ 46 yW + (1 − yW ).18].273 = 0,605 ρhd = 3 22,4.( tW + 273) (Kg/m ) Lưu lượng hơi ra Q = g '1 hd 3 ρ hd khỏi tháp: = 646,722 (m /h) Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp: vhd = 25 (m/s) Đường kính ống 4.Qhl... hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất Để tính được tỉ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều hành),ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn R th ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất Nhận thấy ,tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp ,mà lượng hơi lại tỉ lệ với lượng lỏng hồi lưu trong tháp ,do trong điều kiện làm việc... :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 cất khác nhau.Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau 1 Đường kính đoạn cất : a Lượng hơi trung bình đi trong tháp : g tb = g d + g1 2 (Kg/h) gd : lượng hơi ra khỏi đóa trên cùng của tháp (Kg/h) g1 : lượng hơi đi vào đóa dưới cùng của đoạn cất... Từ đó được đưa đến thiết bò trao đổi nhiệt (5) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ) Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bò gia nhiệt(6)ù, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đóa nhập liệu Trên đóa 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 . của tháp : đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp. là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1000 kg/h có nồng độ 10% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol. bé(nhiệt độ sôi lớn) .Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol và một ít nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít etanol. Các phương pháp chưng cất: được phân loại