đồ án qttb: chưng cất hỗn hợp Etanol Nước ở áp suất thường

1 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 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 bị môn học mang tính tổng hợp trình học tập kỹ sư công nghệ hoá- thực 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 bị sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ Đồ Án Môn Học thiết kế thiết bị ngưng tụ hệ thống tháp mâm chóp hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Etanol - Nước áp suất thường với thông số : sản phẩm đỉnh dung dịch Etanol có suất 1000 (l/h) nồng độ rượu đỉnh 85% Etanol theo mol,với dòng nhập liệu có nồng độ 25% Ethanol theo mol, tỉ lệ thu hồi Etanol 99% Em xin chân thành cảm ơn Thầy Vũ Bá Minh Thầy, Cô môn Quá trình Thiết bị, khoa Kỹ Thuật Hóa Học tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án Mặc dù cố gắng kinh nghiệm thực tiễn non yếu nên tránh khỏi sai sót Em mong nhận ý kiến đóng góp, nhận xét giúp đỡ dẫn từ Thầy, Cô để em củng cố thêm kiến thức bổ sung để đồ án hoàn thiện CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan sản phẩm: 1.1.1 Etanol: Etanol hay gọi rượu etylic, ancol etylic ancol đơn chức, no, mạch hở, phân tử chứa nhóm hydroxyl (-OH) Có công thức phẩn tử C2H5OH  Tính chất vật lý: - Là chất lỏng, không màu, suốt, có mùi đặc trưng, vị cay, nhẹ nước, hút ẩm, dễ cháy, cháy có lửa màu xanh không tạo khói - Nhiệt độ sôi 78,30C, nhiệt độ nóng chảy -1150C, tỉ trọng 200C 0,789 g/cm3, tan vô hạn nước, độ nhớt 200C 1,2cP −4 - Điểm ba trạng thái etanol 1500K áp suất 4,3 × 10 Pa  Tính chất hóa học: - Tính acid – base: Là hợp chất lưõng tính, nhiên tính acid lẫn tính base ancol etylic yếu pK a = 18 , có tính acid yếu nên khả phản ứng với base Na2CO3, NaOH Chỉ có khả tham gia phản ứng với base mạnh kim loại kiềm, hợp chất magnesium, base NaH NaNH2 H2 C H 5OH + NaNH → C H 5ONa + NH C H 5OH + Na → C H 5ONa + - Phản ứng ester hóa: H SO4 ,t  → CH 3COOC H + H 2O C H5OH + CH 3COOH ¬   - Phản ứng hình thành ether: H SO4 2CH3 -CH -OH  → CH -CH -O-CH -CH + H O 1400 C Al2O3 2CH3 -CH -OH  → CH -CH -O-CH -CH + H 2O 350 − 4000 C - Phản ứng với HX: H SO4 CH -CH -OH + HBr  → CH -CH -Br + H 2O ZnCl2 CH -CH -OH + HCl  → CH -CH -Cl + H 2O - Phản ứng với PX3, PX5, SOX2: pyridine → 3CH3 -CH -OH + PCl3 ¬  3CH -CH -Cl + H 3PO pyridine → CH -CH -OH + PCl5 ¬  CH -CH -Cl + POCl + HCl pyridine → CH -CH -OH + SOCl ¬  CH -CH -Cl + SO + HCl - Phản ứng dehydro hóa: H SO4 ,95% CH -CH -OH → CH =CH + H 2O 1700 C ZnO / Al2 O3 2CH -CH -OH  → CH =CH-CH=CH + 2H 2O + H 450 − 5000 C Cu CH -CH -OH  → CH -CHO + H 200 − 3000 C - Phản ứng lên men giấm: oxi hóa rượu etylic 10 độ oxi không khí có mặt men giấm nhiệt độ khoảng 25 độ C C H 5OH + O → CH 3COOH + H 2O - Phản ứng cháy: t C H 5OH + 3O  → 2CO + 3H O  Điều chế ứng dụng: - Điều chế: có nhiều phương pháp để điều chế etanol hydrat hóa etylen với xúc tác H2SO4, thủy phân dẫn xuất halogen ester etanol môi trường kiềm, từ hợp chất magnesium, khử hóa hợp chất carbonyl, cacboxylic dẫn xuất,… • Trong phòng thí nghiệm: thưởng sử dụng phản ứng thủy phân dẫn xuất halogen để điều chế etanol • Trong công nghiệp: etanol sản xuất công nghiệp hóa dầu thông qua công nghệ hydrat hóa etylen, theo phương pháp sinh học cách lên men từ tinh bột rỉ đường Những năm gần đây, nước ta công nghệ sản xuất etanol lên men sử dụng chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae để chuyển hóa đường lên men tinh bột - Ứng dụng: Alcohol biết đến sớm sử dụng rộng rãi công nghiệp đời sống ngày etanol, C 2H5OH Trong công nghiệp, etanol sử dụng làm dung môi cho nhiều trình sản xuất sơn mài, verni, hay số sản phẩm mỹ phẩm Etanol dung môi thường sử dụng cho nhiều trình kết tinh kết tinh lại để tinh chế chất rắn Ngoài ra, etanol hợp chất trung gian sử dụng để tổng hợp nhiều hóa chất quan trọng khác, ví dụ từ etanol điều chế ethyl acetate nhiều ester khác có giá trị sử dụng cao; từ etanol điều chế ethyl amine dẫn xuất, nguyên liệu cho nhiều trình sản xuất dược phẩm, sản xuất hóa chất cho nông nghiệp Trong công nghiệp thực phẩm, etanol thành phần quan trọng nhiều sản phẩm sản xuất theo phương pháp lên men đường Và nay, etanol sử dụng để làm nhiên liệu cho động đốt trong, điển hình xăng E5 ( 95% xăng + 5% etanol) mà nước ta bước áp dụng cho động xe máy,… 1.1.2 Nước: Ở nhiệt độ phòng, nước chất lỏng không màu, không mùi, không vị Nhiệt độ sôi nước tinh khiết 1000C, nhiệt độ nóng chảy 00C, áp suất thường 40C nươc có tỷ trọng 1g/cm3 Nước hợp chất chiếm phần lớn trái đất (hơn 3/4 diện tích Trái Đất bao phủ nước) cần thiết cho sống Nước dung môi phân cực mạnh, có khả hòa tan nhiều chất dung môi quan trọng ngành Hóa 1.2 Quá trình thiết bị chưng cất: 1.2.1 Quá trình chưng cất: Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí-lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp, nghĩa nhiệt độ cấu tử có áp suất lớn dễ bay hơn; hay áp suất cấu tử có nhiệt độ sôi thấp dễ bay Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất cô đặc không khác nhau, nhiên hai trình có ranh giới trình chưng cất dung môi chất tan bay với hàm lượng khác nhau, trình cô đặc có dung môi bay chất tan không bay Khi chưng cất, ta thu nhiều sản phẩm thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét đến trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử, trình chưng cất cho: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé - Sản phẩm chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn Chưng áp suất khác áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao: - Chưng áp suất thấp dùng cho hỗn hợp dễ bị phân hủy nhiệt độ cao như: tinh dầu, vitamin,…hoặc có nhiệt độ sôi cao: cặn mazut dầu mỏ,… - Chưng áp suất thường hay sử dụng đơn giản: chưng rượu, axit, dầu mỏ,… - Chưng áp suất cao tiến hành hỗn hợp không hóa lỏng nhiệt độ thường: để sản xuất O2 N2 từ không khí,… Có thể tiến hành chưng đơn giản (một bậc), chưng lôi nước trực tiếp, chưng cất ( chưng luyện): - Chưng đơn giản: dùng để tách hỗn hợp gồm cấu tử có độ bay khác nhau, thường dùng để tách cấu tử có nhiệt đọ sôi xa nhau, độ sản phẩm không cần cao lắm, để tách chất lỏng khỏi hợp chất không bay hơi, tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử - Chưng lôi nước trực tiếp: trộn hai chất lỏng không hòa tan vào cấu tử giữ nguyên tính chất trạng thái nguyên chất Dùng để tách hỗn hợp gồm chất khó bay tạp chất không bay hơi, thường ứng dụng trường hợp chất tách không tan vào nước - Chưng cất: phương pháp phổ biến dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp cấu tử dễ bay có tính chất hòa tan phần hòa tan hoàn toàn vào 1.2.2 Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất, thường dùng nhiều thiết bị khác để thực trình chưng cất Tuy nhiên, chúng có chung yêu cầu có bề mặt tiếp xúc pha lớn để tăng hiệu xuất trình Tháp chưng cất phong phú kích cỡ ứng dụng, loại dùng phổ biến tháp đệm tháp mâm - Tháp đệm: tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Đệm đổ đầy tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Đệm làm từ nhiều loại vật liệu rắn khác với hình dạng khác Yêu cầu đệm: phải có diện tích bề mặt riêng lớn, độ rỗng lớn để giảm trở lực cho pha khí, khối lượng riêng nhỏ, bền hóa học, rẽ tiền, dễ kiếm - Tháp mâm: gồm thân tháp hình trụ thằng đứng có gắn mâm cách khoảng định có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo mâm ta có: • Tháp mâm chóp: mâm có gắn chóp ống chảy chuyền, ống chảy chuyền có tiết diện tròn, viên phân, ống hay nhiều ống tùy suất lượng pha lỏng Chóp có hình tròn hay hình dạng khác ( xupap, chữ s,…) Ở chóp có rãnh để pha khí qua, rãnh chóp hình chữ nhật, tam giác hay hình tròn Chóp gắn vào mâm nhiều cách khác Chất lỏng chảy từ mâm xuống mâm nhờ ống chảy chuyền, khí từ lên qua ống khí xuyên qua rãnh chóp để sục vào lớp chất lỏng mâm • Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ ÷12 mm, lỗ bố trí đỉnh tam giác Trong tháp, khí từ lên qua lỗ mâm phân tán vào lớp chất lỏng chuyển động từ xuống theo ống chảy chuyền  So sánh ưu – nhược điểm loại tháp: Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ - Hiệu suất tương đối Ưu điểm - Đơn giản cao - Hoạt động ổn - Trở lực thấp định - Làm việc với chất lỏng bẩn Nhược điểm - Hiệu suất thấp - Trở lực cao - Yêu cầu lắp đặt khắt khe -> lắp đĩa thật - Độ ổn định phẳng - Thiết bị nặng Tháp mâm chóp - Hiệu suất cao - Hoạt động ổn định - Cấu tạo phức tạp - Trở lực lớn - Không làm việc với chất lỏng bẩn .3 Quá trình thiết bị ngưng tụ: 1.2.1 Quá trình ngưng tụ: Là trình (hay hỗn hợp hơi) chuyển pha thành dạng lỏng điều kiện định Quá trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chủ yếu tính tan lẫn chất lỏng sau ngưng Người ta nhận thấy thường xảy hai dạng biến thiên nhiệt độ trình ngưng tụ đẳng áp là: dạng ngưng tụ đẳng nhiệt, dạng ngưng tụ với nhiệt độ ngưng tụ giảm dần 1.2.2 Thiết bị ngưng tụ: Là thiết bị trao đổi nhiệt, tùy theo tính chất điều kiện làm việc ngưng phụ thuộc vào chất tải ẩn nhiệt ngưng tụ ( dòng lạnh) mà thiết bị ngưng tụ có cấu tạo đa dạng - Phân loại theo chất làm lạnh: nước, không khí, NH3, freon R-12, R-22,… - Phân loại theo điều kiện áp suất ngưng tụ: thiết bị ngưng tụ áp suất thấp( chân không), áp suất thường, áp suất cao - Phân loại theo khả tiếp xúc hai lưu chất: kiểu gián tiếp(hay kiểu bề mặt), kiểu trực tiếp(TBNT nước kiểu baromet) Đối với thiết bị trao đổi nhiệt nói chung phải thõa mãn yêu cầu sau: - Đáp ứng yêu cầu công nghệ, hiệu suất truyền nhiệt cao, thiết bị có khả tự điều chỉnh tốt - Thiết bị làm việc ổn định, an toàn, kết cấu gọn nhẹ, dễ vận hành, lắp đặt, sửa chữa, lau chùi, vệ sinh thuận tiện Một số loại thiết bị ngưng tụ thường gặp như: thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới, kiểu vỏ - ống nằm ngang, kiểu vỏ - ống thẳng đứng,…và số loại thiết bị truyền nhiệt khác Sơ lượt thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm: - Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm có diện tích trao đổi nhiệt lớn, đến hàng nghìn mét vuông, hệ số trao đổi nhiệt cao, thích hợp dùng làm thiết bị truyền nhiệt lỏng – lỏng, lỏng – khí, khí – khí, thiết bị ngưng tụ Bởi loại thiết bị ứng dụng rộng rãi công nghiệp hoá chất thực phẩm - Ưu điểm: cấu tạo gọn, chắn, tốn kim loại ( tính theo đơn vị truyền nhiệt) Dễ làm phía ống phương pháp học trừ thiết bị có ống truyền nhiệt hình chữ U - Nhược điểm: khó chế tạo vật liệu không nong hàn gang thép silic CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CHƯNG CẤT 2.1 Sơ nguyên liệu: Nguyên liệu hỗn hợp Etanol – nước, hỗn hợp đẳng phí Etanol cấu tử dễ bay Ta có bảng thành phần cân lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Etanol - nước 760 mmHg x (%phân mol) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 44, 53, 65, 75, (%phân mol) 33,2 57,6 61,4 69,9 81,8 89,8 100 86, 83, O t ( C) 100 90,5 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4 Hình 1: Đồ thị quan hệ thành phần nhiệt độ hệ Etanol – Nước Hình 2: Đồ thị y-x hệ Etanol – Nước Etanol chất lỏng tan vô hạn H 2O, nhiệt độ sôi 78,5 0C 760 mmHg, nhiệt độ sôi nước 100oC 760 mmHg: nhiệt độ sôi cách biệt xa nên phương pháp hiệu để thu etanol có độ tinh khiết cao phương pháp chưng cất Trong trường hợp này, ta sử dụng phương pháp cô đặc cấu tử có khả bay hơi, không sử dụng phương pháp trích ly phương pháp hấp thụ phải đưa vào tách thêm lần nữa, làm cho trình phức tạp hay trình tách không hoàn toàn 2.2 Sơ đồ quy trình chưng cất Etanol – nước: Chú thích kí hiệu quy trình: Bồn chứa nguyên liệu Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Bơm nhập liệu thuộc dạng có biến tầng Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Bồn chứa sản phẩm đáy 10 Lưu lượng kế Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản 11 Bơm hoàn lưu thuộc dạng có biến phẩm đáy tầng Nồi đun đáy tháp 12 Bình phân phối lỏng ngưng Thiết bị đun sôi nhập liệu 13 Bồn chứa sản phẩm đỉnh Tháp chưng cất 14 Van chiều 15 Bẫy .3 Thuyết minh quy trình công nghệ: Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 25% ( theo mol), nhiệt độ khoảng 30 C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt (4) (trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ) Sau đó, hỗn hợp đun sôi đến nhiệt độ sôi thiết bị gia nhiệt (6) đốt nước bảo hòa 2,5atm, hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (7) đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn cất tháp chảy xuống Trong tháp, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống nồng độ cấu tử dễ bay giảm bị pha (tạo nên từ nồi (5) nước 3atm cấp nhiệt gián tiếp) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sôi cao nước ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều (85% mol) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (8) ngưng tụ hoàn toàn nước gián tiếp Một phần chất lỏng ngưng tụ qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (9), làm nguội đến 40 0C , đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (13) Phần lại chất lỏng ngưng tụ đựơc hồi lưu tháp đĩa với số hoàn lưu thích hợp Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bốc hơi, lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay (nước) Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu chứa bồn chứa (3) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh etanol, sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt với nhập liệu đưa khu xử lý nước thải CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Các thông số ban đầu: 10 ⇒ α1 = α × ε = 21280 × 0, 75 = 15960 ( W/m 0C ) - Nhiệt tải đốt ngưng tụ thành ống, q1: ( ) q1 = q = α1 × th − tV = 35920 ( W/m ) • Nhiệt trở cặn bẩn phía dòng nhập liệu: • Nhiệt trở cặn bẩn phía ngưng: r1 = 5800 r2 = 0,116 ×10−3 ( m C/W ) ( m C/W ) 2 δ   tV = tV − q ×  r1 + + r2 ÷ = 110,115 0C λ   • Nhiệt độ bề mặt thành ống là: - Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu bên ống, α : tV = 110,115 0C Prt = 2,821 • Tại , chuẩn số Pr dòng nhập liệu là: 0,25 Nu = k0 × ε1 × Pr 0,43 NL  Pr  ×  NL ÷  Prt  • Chuẩn số Nu dòng nhập liệu ống: k0 =18,164: hệ số phụ thuộc Re, cho phần b, trang 16, [2] ε l = 1: hệ số hiệu tính đến ảnh hưởng tỉ số chiều dài đường kính ống, cho bảng V.2, trang 15, [2] 0,25 0,25  Pr   4,185  ⇒ Nu = k0 × ε1 × Pr ×  NL ÷ = 18,164 ×1 × 4,1850,43 ×  ÷  2,821   Prt  Nu × λNL 37,1× 0,366 ⇒ α2 = = =1061 ( W/m C ) dtr 0, 0128 0,43 NL - - = 37,1 Nhiệt tải dòng nhập liệu, q2: ( ) q2 = α × tV2 − t F = 1061× ( 110,115 − 82,3) = 29500 ( W/m ) Kiểm tra điều kiện sai số, ε < 0, 05 : ε0 = q1 − q2 35920 − 29500 = = 0, 217 q2 29500 t Tiếp tục, ta thực phép tính lặp giá trị V khác bảng sau: 124,2 124,3 124,5 tV ( C ) 1 α α1 q1 q tV ( W/m C ) ( W/m C ) ( W/m ) ( W/m ) ( C) Prt Nu 21790 22070 22670 16340 16550 17010 33500 32270 29760 33500 32270 29760 111,249 111,825 113 2,792 37,194 2,776 37,245 2,745 37,349 32 α2 q2 ( W/m C ) ( W/m ) 1064 1065 1068 30790 31440 32780 0,088 0,026 0,092 ε0 - K= - 1 = = 721,501 ( W/m 0C ) δ 1 0, 0016 + r1 + + r2 + + + + ( 0,116 × 10-3 ) + α1 λ α 16550 5800 16,3 1065 Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F: F= - tV = 124,3 C thõa mãn điều khiện ε < 0, 05 t = 124,3 0C Hệ số truyền nhiệt K ứng với V là: Từ bảng ta thấy: Q ×1000 107077,03 ×1000 = = 0,786 ( m ) K × ∆Tlog × 3600 721,501× 52,418 × 3600 Chiều dài ống ống ứng với diện tích F là: F l= π× dtr + d ng = 0, 786 = 0,915 ( m ) 0, 0128 + 0,016 π × 19 × Vậy, để dự trữ 25% diện tích bề mặt truyền nhiệt an toàn ta chọn chiều dài ống truyền nhiệt 1,2m 6.2 Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu sản phẩm đáy: - Chọn thiết bị dạng ống lồng ống, dòng nhập liệu vào không gian ống ( ống trong), dòng sản phẩm đáy vào không gian ống ống ( ống ngoài) - Ống truyền nhiệt làm thép INOX 304 (X18H10T) có thông số sau:  Ống 1: • Đường kính ống: dng1 = 38 mm = 0,038 m • Đường kính ống: dtr1 = 34 mm = 0,034 m • Bề dày thành ống: δ1 = mm = 0,002 m λ = 16,3 ( W/m.0C ) •  • • Hệ số dẫn nhiệt thành ống thép: Ống 2: Đường kính ống: dng2 = 57 mm = 0,057 m Đường kính ống: dtr2 = 51 mm = 0,051 m • Bề dày thành ống: δ = mm = 0,003 m - Dòng nhập liệu có: • Nhiệt độ vào t F1 = 30 C , nhiệt độ • Suất lượng là: GF = 1609 kg/h - Dòng sản phẩm đáy có: t F2 = 64,34 C 33 t = 40 0C • Nhiệt độ vào tW = 99,8 C , nhiệt độ W • Suất lượng là: GW = 825,63 kg/h - Nhiệt lượng trao đổi dòng là: - Xác định ∆Tlog = - ∆Tlog (t W Q = 210515,34 ( kJ/h ) ngược chiều: ) ( − t F2 − tW1 − t F1  t W − t F2 ln   tW − t F  1  ÷ ÷  ) = ( 99,8 − 64,34 ) − ( 40 − 30 ) = 20,113  99,8 − 64,34  ln  ÷  40 − 30  Nhiệt độ trung bình dòng nhập liệu: t Ftb t Ftb = t F1 + t F2 = C 30 + 64,34 = 47,17 0C , ta có: • Khối lượng riêng dòng nhập liệu: ρ F = 867,188 kg/m -4 • Độ nhớt dòng nhập liệu: µ F = 6,15×10 N.s/m • Nhiệt dung riêng dòng nhập liệu: CpF = 3500 J/kg C • Hệ số dẫn nhiệt dòng nhập liệu: λF = 0,36 W/m C • Chuẩn số Pr dòng nhập liệu: - PrF = Nhiệt độ trung bình sản phẩm đáy: tWtb CpF × µ F 3500 × 6,15×10-4 = = 6, 075 λF 0,36 tWtb = t Ftb + ∆tlog = 47,17 + 20,113 = 67,283 0C ta có: • Khối lượng riêng dòng sản phẩm đáy: ρ W = 976,3 kg/m -4 • Độ nhớt dòng sản phẩm đáy: µ W = 4,315×10 N.s/m • Nhiệt dung riêng dòng sản phẩm đáy: CpW = 4180 J/kg C • Hệ số dẫn nhiệt dòng sản phẩm đáy: λW = 0,543 W/m C • Chuẩn số Pr dòng sản phẩm đáy: CpW × µW 4180 × 4,315×10-4 = = 3,321 λW 0,543 Hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy, α W : PrW = - d = d tr − d ng1 = 0, 051 − 0, 038 = 0,013 m • Đường kính tương đương: td • Vận tốc dòng sản phẩm đáy: vW = × GW × 825, 63 = = 0,26 m/s 3600 × π × ρ W × ( dtr2 − d ng2 ) 3600 × π × 976, 297 × ( 0, 0512 − 0, 0382 ) 34 • Chuẩn số Re dòng sản phẩm đáy: Re W = v W × dtd × ρ W 0, 26 × 0, 034 × 976,297 = = 7603 µW 4,315×10-4 Vậy thuộc chế độ chảy độ, 2300 < Re < 10000 • Giả sử, chọn nhiệt độ bề mặt thành ống là: tWv = 59 C , t Wv ta có: Nhiệt dung riêng sản phẩm đáy: CpWv = 4179 J/kg C -4 Độ nhớt dòng sản phẩm đáy: µWv = 4,822×10 N.s/m Khối lượng riêng dòng sản phẩm đáy: ρ Wv = 969,962 kg/m Hệ số dẫn nhiệt dòng sản phẩm đáy: λWv =0,538 W/m C Chuẩn số Pr dòng sản phẩm đáy: PrWv = CpWv × µ Wv = 3, 744 λWv 0,25 NuW = k0 × ε1 × Pr 0,43 W  Pr  × W ÷  PrWv  • Chuẩn số Nu dòng sản phẩm đáy: Hệ số k0 phụ thuộc vào ReW cho phần b, trang 16, [2]: k0 = 25,5 Hệ số hiệu chỉnh ε1 cho bảng V.2, trang 15, [2]: ε = 0,25  3,321  ⇒ NuW = 25,5 × 1× 3,321×  ÷ = 41, 466  3, 744  NuW × λW 41, 466 × 0,543 ⇒ αW = = = 1732 W/m C d td 0, 013 - Nhiệt tải dòng sản phẩm đáy: qW = α W × (tW − t Wv )=1732 × (67, 283 − 59) = 14350 W/m Nhiệt tải qua thành ống lớp cấu: tb - m C/W ) ( 5800 • Nhiệt trở lớp bẩn thành ống 1: r2 = m C/W ) ( 5800 • Nhiệt trở lớp bẩn thành ống 1: • Nhiệt tải qua thành ống lớp cấu: q = qW = 14350 W/m r1 = δ   t Fv = tWv − qW ×  r1 + r2 + ÷ = 52,29 C λ  • Nhiệt độ thành ống 1: - Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu, α F : • Vận tốc dòng nhập liệu: vF = × GF ×1609 = = 0,57 m/s 3600 × π × ρ F × dtr1 3600 × π × 867,188 × 0, 0342 35 • Chuẩn số Re dòng nhập liệu: v ×d ×ρ 0,57 × 0, 034 × 976,297 ReF = F tr1 F = = 27210 µF 6,15×10-4 • Tại t Fv = 52,29 C ta có: Khối lượng riêng dòng nhập liệu: ρ Fv = 863, 486 kg/m Nhiệt dung riêng dòng nhập liệu: CpFv = 3583 J/kg C Độ nhớt dòng nhập liệu: µ F v = 5, 731×10−4 ( N.s/m ) Hệ số dẫn nhiệt dòng nhập liệu: Chuẩn số Pr dòng nhập liệu: λFv =0,361 ( W/m.0 C ) PrFv = CpFv × µFv = 5, 693 λFv 0,25  Pr  NuF = 0, 021× ε1 × Re × Pr ×  F ÷  PrFv  • Chuẩn số Nu dòng nhập liệu: Hệ số hiệu chỉnh ε1 cho bảng V.2, trang 15, [2]: ε = 0,8 F 0,43 F 0,25 ⇒ NuF = 0, 021×1× 27210 × 6, 075 ⇒ αF = - 0,43  6, 075  × ÷  5, 693  = 163, 68 NuF × λF 163, 68 × 0,36 = = 1731 W/m C dtr1 0, 034 Nhiệt tải dòng nhập liệu: qF = α F × (t Fv − t F )=1731× (52, 291 − 47,17) = 8866 W/m tb - Kiểm tra điều kiện ε < 0, 05 : ε0 = q F − qW 8866 − 14350 = = 0,382 qW 14350 Tiếp tục, ta thực phép tính lặp giá trị tWv khác bảng sau: 60 60,2 62,4 t ( C) Wv PrWv 3,619 3,611 3,602 NuW 41,819 41,843 41,866 1747 1748 1749 12730 12380 12040 12730 12380 12040 54,05 54,411 54,771 5,531 164,866 1744 5,498 165,114 1747 5,465 165,365 1749 ( W/m C ) ( W/m ) ( W/m ) ( C) αW qW q t Fv 2 PrFv NuF αF ( W/m C ) 36 ( W/m ) qF ε0 - 13300 0,057 0,021 0,104 1 = = 620,34 ( W/m 0C ) δ1 1 0, 002 1 1 +r + +r + + + × + α F λ α W 1747 5800 16,3 5800 1748 Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F: F= - 12650 Từ bảng ta thấy: tWv = 60,2 C thõa mãn điều khiện ε < 0, 05 Hệ số truyền nhiệt K ứng với tWv = 60,2 C là: K= - 12000 Q ×1000 210515,34 × 1000 = = 4,69 ( m ) K × ∆Tlog × 3600 620,34 × 20,113 × 3600 Chiều dài ống ứng với diện tích F là: F L= π× dtr + d ng = 4, 69 = 41,67 ( m ) 0, 038 + 0,034 π× Vậy, để giữ trữ 20% diện tích truyền nhiệt an toàn ta chọn ống truyền nhiệt dài 50m 6.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: - Chọn thiết bị dạng ống lồng ống, dòng nước giải nhiệt vào không gian ống ( ống trong), dòng sản phẩm đỉnh vào không gian ống ống ( ống ngoài) - Ống truyền nhiệt làm thép INOX 304 (X18H10T) có thông số sau:  Ống 1: • Đường kính ống: dng1 = 38 mm = 0,038 m • Đường kính ống: dtr1 = 34 mm = 0,034 m • Bề dày thành ống: δ1 = mm = 0,002 m λ = 16,3 ( W/m.0C ) •  • • Hệ số dẫn nhiệt thành ống thép: Ống 2: Đường kính ống: dng2 = 57 mm = 0,057 m Đường kính ống: dtr2 = 51 mm = 0,051 m • Bề dày thành ống: δ = mm = 0,003 m - Dòng nước giải nhiệt có: 0 • Nhiệt độ vào t3 = 30 C , nhiệt độ t4 = 40 C • Suất lượng là: GN = 2188,93 kg/h - Dòng sản phẩm đỉnh có: • Nhiệt độ vào t D1 = 78,4 C , nhiệt độ t D = 40 C • Suất lượng là: GD = 783,332 kg/h 37 - Nhiệt lượng trao đổi dòng là: - Xác định ∆Tlog = - ∆Tlog (t D1 Q = 91440,367 ( kJ/h ) ngược chiều: ) − t − ( t D − t3 )  t D − t4  ln  ÷  t D − t3  = ( 78, − 40 ) − ( 40 − 30 )  78, − 40  ln  ÷  40 − 30  Nhiệt độ trung bình nước giải nhiệt liệu: t Ntb = 21,11 C t Ntb = t3 + t4 30 + 40 = = 35,5 C 2 , ta có: • Khối lượng riêng nước giải nhiệt: ρ N = 994 kg/m -4 • Độ nhớt nước giải nhiệt: µ N = 7, 23×10 N.s/m • Nhiệt dung riêng nước giải nhiệt: CpN = 4178 J/kg C • Hệ số dẫn nhiệt nước giải nhiệt: λN = 0,626 W/m C • Chuẩn số Pr nước giải nhiệt: PrN = 4,9 - Nhiệt độ trung bình sản phẩm đỉnh: t Dtb t Dtb = t Ntb + ∆tlog = 35,5 + 21,11 = 56, 61 0C , ta có: • Khối lượng riêng dòng sản phẩm đỉnh: ρ D = 768, kg/m -4 • Độ nhớt dòng sản phẩm đỉnh: µ D = 6,149×10 N.s/m • Nhiệt dung riêng dòng sản phẩm đỉnh: CpD = 3000 J/kg C • Hệ số dẫn nhiệt dòng sản phẩm đỉnh: λD = 0,219 W/m C • Chuẩn số Pr dòng sản phẩm đỉnh: - PrD = CpD × µD = 8, 446 λD Hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đỉnh, α D : d = d tr − d ng1 = 0, 051 − 0, 038 = 0,013 m • Đường kính tương đương: td • Vận tốc dòng sản phẩm đỉnh: vD = × GD × 783,332 = = 0,312 m/s 2 3600 × π × ρ D × ( dtr − d ng1 ) 3600 × π × 768, × ( 0, 0512 − 0, 0382 ) • Chuẩn số Re dòng sản phẩm đỉnh: ReD = v D × dtd × ρ D 0,312 × 0, 034 × 768, = = 5063 µD 6,149×10-4 Vậy thuộc chế độ chảy độ, 2300 < Re < 10000 • Giả sử, chọn nhiệt độ bề mặt thành ống là: tDv = 40 C , tWv ta có: Nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh: CpDv = 2806 J/kg C 38 -4 Độ nhớt dòng sản phẩm đỉnh: µDv = 7,971×10 N.s/m Khối lượng riêng dòng sản phẩm đỉnh: ρ Dv = 783, 291 kg/m Hệ số dẫn nhiệt dòng sản phẩm đỉnh: λDv =0,21 W/m C Cp × µDv PrDv = Dv = 10, 676 λ Dv Chuẩn số Pr dòng sản phẩm đỉnh: 0,25 NuW = k0 × ε1 × Pr 0,43 D  Pr  × D ÷  PrDv  • Chuẩn số Nu dòng sản phẩm đỉnh: Hệ số k0 phụ thuộc vào ReW cho phần b, trang 16, [2]: k0 = 15,5 Hệ số hiệu chỉnh ε1 cho bảng V.2, trang 15, [2]: ε = 0,25  8, 446  ⇒ NuD = 15,5 ×1× 8, 446 ×  ÷ = 36,59  10, 676  Nu D × λD 36,59 × 0,219 ⇒ αD = = = 615,113 W/m C dtd 0, 013 - Nhiệt tải dòng sản phẩm đỉnh: qD = α D × (t D − tDv )=615,113 × (56,11 − 40) = 9908 W/m Nhiệt tải qua thành ống lớp cấu: tb - m C/W ) ( 5000 • Nhiệt trở lớp bẩn thành ống 1: r2 = m C/W ) ( 5800 • Nhiệt trở lớp bẩn thành ống 1: • Nhiệt tải qua thành ống lớp cấu: q = qD = 9908 W/m r1 = δ   t Nv = tDv − qD ×  r1 + r2 + ÷=35,1 C λ  • Nhiệt độ thành ống 1: - Hệ số cấp nhiệt dòng nước giải nhiệt, α N : • Vận tốc dòng nước giải nhiệt: × GN × 2188,93 = = 0,674 m/s 3600 × π × ρ N × dtr1 3600 × π × 994 × 0, 034 v ×d ×ρ 0, 674 × 0, 034 × 994 Re N = N tr1 N = = 31490 -4 µ 7,23×10 N Chuẩn số Re dòng nhập liệu: , vN = • thuộc độ chảy rối Re > 10000 • Tại t Nv = 35,1 C ta có, chuẩn số Pr dòng nước giải nhiệt: PrNv = 4,891 0,25 Nu F = 0, 021× ε1 × Re × Pr 0,8 N 0,43 N • Chuẩn số Nu dòng nước giải nhiệt: Hệ số hiệu chỉnh ε1 cho bảng V.2, trang 15, [2]: ε1 =  Pr  × N ÷  PrNv  0,25 ⇒ Nu N = 0, 021×1× 31490 × 4,9 0,43  4,9  × ÷  4,891  = 165,114 39 ⇒ αN = - Nu N × λN 165,114 × 0,626 = = 3040 W/m 0C dtr1 0, 034 Nhiệt tải dòng nhập liệu: qN = α N × (t Nv − t N )=3040 × (35, 094 − 35) = 286,833 W/m tb ε0 = q N − qD 286,833 − 9908 = = 0,971 qD 9908 - Kiểm tra điều kiện ε < 0, 05 : - Tiếp tục, ta thực phép tính lặp giá trị t Wv khác bảng sau: ( C) 41 42,1 42,3 PrDv 10,541 10,391 10,364 Nu D 36,707 36,838 36,862 617,083 619,293 619,7 9230 8675 8557 9230 8675 8557 36,384 37,805 38,063 4,766 166,187 3060 4,628 167,411 3082 4,603 167,639 3087 4235 8646 9455 0,0546 0,00375 0,105 tDv ( W/m C ) ( W/m ) ( W/m ) ( C) αD qD q 2 t Nv PrNv Nu N qN ε0 - Từ bảng ta thấy: tDv = 42,1 C thõa mãn điều khiện ε < 0, 05 Hệ số truyền nhiệt K ứng với tDv = 41,1 C là: K= - 1 = = 410, 79 ( W/m 0C ) δ1 1 0, 002 1 1 +r + +r + + + × + α D λ α N 619, 293 5000 16,3 5800 3082 Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F: F= - ( W/m C ) ( W/m ) αN Q × 1000 91440,367 × 1000 = = 2,93 ( m ) K × ∆Tlog × 3600 410, 79 × 21,11 × 3600 Chiều dài ống ứng với diện tích F là: F L= π× dtr + d ng = 2,93 = 26 ( m ) 0, 038 + 0, 034 π× Vậy, để giữ trữ 15% diện tích truyền nhiệt an toàn ta chọn ống truyền nhiệt dài 30m 6.4 Nồi đun đáy tháp: 40 - Chọn nồi đun đáy tháp nồi đun Kettle, đốt ống truyền nhiệt, dòng sản phẩm đáy bên ống truyền nhiệt - Ống truyền nhiệt làm thép INOX 304 (X18H10T) có thông số sau: • Đường kính ống: dng = 38 mm = 0,038 m • Đường kính ống: dtr = 34 mm = 0,034 m • Bề dày thành ống: δ = mm = 0,002 m • Hệ số dẫn nhiệt thành ống thép: - λ = 16,3 ( W/m.0C ) Dòng đốt có áp suất 3atm có: • Nhiệt độ vào th = 132,9 C • Nhiệt ngưng tụ rh = 2171 kJ/kg • Suất lượng là: Gh = 1799,905 kg/h - Dòng sản phẩm đáy có: 0 • Nhiệt độ vào tW = 99,8 C , nhiệt độ t D = 40 C • Suất lượng là: GD = 783,332 kg/h • Nhiệt độ dòng vào tháp tW y = 100 C - Nhiệt lượng trao đổi dòng là: Qh = Gh × rh = 3,908×10 kJ/h - Xác định ∆Tlog = - ∆Tlog : ( th − tW ) − ( th − tWy ) ( 132, − 99,8 ) − ( 132,9 − 100 ) =  t −t ln  h W  t −t  h Wy  ÷ ÷   132,9 − 99,8  ln  ÷  132,9 − 100  = 33 C Hệ số cấp nhiệt dòng đốt, α h : • Giả sử, chọn nhiệt độ bề mặt thành ống là: tv1 = 129,5 C tm = th + tv1 = 131, C , tm : • Nhiệt độ trung bình màng nước ngưng: Độ nhớt nước ngưng: µ N = 0, 0002188 N.s/m Khối lượng riêng nước ngưng: ρ N = 933, 206 kg/m Hệ số dẫn nhiệt nước ngưng: λN =0,686 W/m C • Áp dụng công thức 3.65, trang 120, [6]: r × ρ N2 × g × λN3 ⇒ α h = 0,725 × h = 15730 W/m C µ N × dtr × (th − tv1 ) - Nhiệt tải đốt ống: qh = α h × (th − tv1 )=53480 W/m - Nhiệt tải qua thành ống lớp cấu: 41 m C/W ) ( 5000 • Nhiệt trở lớp bẩn thành ống : r2 = m C/W ) ( 5800 • Nhiệt trở lớp bẩn thành ống 1: • Nhiệt tải qua thành ống lớp cấu: q = qh = W/m r1 = δ  tv2 = t v1 − qh ×  r1 + r2 + ÷=103,023 0C λ  • Nhiệt độ thành ống: - Hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy, α W : • Xem sản phẩm đáy có nước, áp dụng công thức V.91, trang 26, [2]: α W = 0,145 × ∆t 2,33 × p 0,5 = W/m C • Hiệu số nhiệt độ bề mặt truyền nhiệt nước sôi: ∆t = t v2 − tW = 3,223 C • Áp suất tuyệt đối mặt thoáng: p = 10 N/m ⇒ α W = 0,145 × ∆t 2,33 × p0,5 = 7009 W/m C - Nhiệt tải dòng sản phẩm đáy: qW = α W × (t v2 − tW )=22590 W/m - Kiểm tra điều kiện ε < 0, 05 : ε0 = qW − q h 22590 − 53480 = = 0,578 qh 53480 Tiếp tục, ta thực phép tính lặp giá trị t v1 khác bảng sau: 129,6 129,62 129,63 t ( C) v1 ( W/m C ) q ( W/m ) q ( W/m ) t ( C) α ( W/m C ) q ( W/m ) 15850 15870 15880 52300 52060 51940 52300 52060 51940 103,707 103,844 103,913 10970 11890 12370 42870 48100 50870 ε0 0,18 0,076 0,021 αh h v2 W W - Từ bảng ta thấy: tv1 = 129,63 C thõa mãn điều khiện ε < 0, 05 Hệ số truyền nhiệt K ứng với tv1 = 129, 63 C là: K= - 1 = = 1565 ( W/m C ) δ 1 0, 002 1 +r + +r + + + × + α h λ α W 15880 5000 16,3 5800 12370 Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F: 42 F= - Q × 1000 3,908×106 × 1000 = = 21, 015 ( m ) K × ∆Tlog × 3600 1565 × 33 × 3600 Chọn số ống truyền nhiệt n = 187 ống Chiều dài ống ứng với diện tích F là: L= π ×n× F = dtr + d ng 21, 015 = 0,994 ( m ) 0, 038 + 0, 034 π × n× Vậy, để giữ trữ 20% diện tích truyền nhiệt an toàn ta chọn ống truyền nhiệt dài 1,2m CHƯƠNG 7: GIÁ THÀNH THIẾT BỊ - - Lượng thép Inox 304 cần dùng: m304 = mthân + 2mbích + 2mvỉ = 159, 63 + × 107,33 + × 26,31 = 426,91 kg Lượng ống thép Inox 304 Φ 21 không hàn cần dùng: L = 301× = 602 m Lượng ống nối thép Inox 304 ( Φ ≥ 50 ) cần dùng: × 0,13 + 0,11 = 0,37 m Số lượng bulong cần dùng: 48 bulong M20 Vật liệu Số lượng Đơn giá Thành tiền Thép 304 426,91 kg 100.000 (đ/kg) 42.691.000 đ 602 m 87.000 (đ/m) 52.374.000 đ Thép 304 Φ 21 0,37 m 87.000 (đ/m) 32.190 đ Thép 304 ( Φ ≥ 50 ) Bulong 48 7.000 (đ/cái) 336.000 đ Tổng cộng 95.433.190 đ Tiền gia công chế tạo thiết bị 200% tiền vật tư: 200% × 95.433.190=190.866.380 đ Chi phí đầu tư = 190.866.380 + 95.433.190 = 286.299.570 đ CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu, em tìm hiểu học tập vấn đề: 43 - Thiết kế thiết bị ngưng tụ ống chùm tương đối hoàn chỉnh cho tháp chưng cất Etanol – Nước biết trước suất, nồng độ nhập liệu, nồng độ đỉnh, độ thu hồi sản phẩm đỉnh - Tính toán tương đối chi tiết trình làm việc thiết bị khả chịu bền thiết bị tính ăn mòn học hoá học, điều kiện làm việc thiết bị - Tính toàn sơ tháp chưng cất quy trình chưng cất hệ Etanol – nước - Đặc tính kỹ thuật thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh thiết kế ứng với thông số cho ban đầu: • Chiều dài thân thiết bị: 2000 mm • Chiều dài tổng cộng thiết bị: 2573 mm • Đường kính thiết bị: 800 mm • Đường kính thiết bị: 808 mm • Thân – đáy – nắp làm thép Inox, có bề dày: mm • Số ống truyền nhiệt: 301 ống không hàn làm thép Inox 304 • Loại ống truyền nhiệt: 25×2 mm • Chiều dài ống truyền nhiệt: 2000 mm • Số chặng phía vỏ : chặng • Số chặng phía ống: chặng • Số vỉ ống : • Bề dày vỉ ống: 20 mm • Gia cố ống truyền nhiệt vào vỉ ống phương pháp hàn • Hơi ngưng tụ bên ống, nước giải nhiệt bên ống • Bích ghép thân – nắp (đáy) làm thép Inox 304, loại bích phẳng hàn, dày 20mm • Ống dẫn nước vào Φ150 mm, ống dẫn nước Φ150 mm, ống dẫn vào Φ200 mm, ống dẫn lỏng ngưng Φ80mm • chân đỡ, cách 1382 mm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bị Công nghệ Hóa chất – tập 1”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999 [2] Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bị Công nghệ Hóa chất – tập 2”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999 [3] Hồ Lệ Viên, “Tính toán, thiết kế chi tiết thiết bị hoá chất dầu khí”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1978 [4] R K Sinnott “Chemical Engineering Design”, Volume 6, Fourth edition [5] Phạm Văn Bôn – Nguyễn ĐÌnh Thọ, “Quá trình Thiết bị Công nghệ Hoá học & Thực phẩm – Tập 5: Quá trình Thiết bị Truyền nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM, 2013 44 [6] Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam, “Quá trình Thiết bị Công nghệ Hoá học – Tập 10: Ví dụ Bài tập”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM [7] Phạm Văn Bôn – Nguyễn ĐÌnh Thọ, “Quá trình Thiết bị Công nghệ Hoá học & Thực phẩm – Bài tập Truyền nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM, 2013 [8] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình Thiết bị Công Nghệ Hóa Học & Thực Phẩm – Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM, 2014 [9] Phạm Xuân Toản, “Các trình, Thiết bị Công Nghệ Hóa Học Thực Phẩm – Tập 3: Các trình Thiết bị Truyền nhiệt”, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 2003 [10] Nguyễn Văn May, “Thiết bị Truyền Nhiệt Chuyển Khối”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [11] Bùi Hải, Dương Đức Hồng, Hà Mạnh Thư, “Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2001 [12] Hoàng Đình Tín, “Truyền Nhiệt Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2001 45 46 [...]... cho tháp chưng cất: Chọn: • Hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 3at, có ẩn nhiệt hóa hơi r h = 2171 • • • 3 kJ/kg, khối lượng riêng ρ h = 1,618 kg/m Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt lượng do dòng hơi nước bão hòa mang vào đáy tháp GL0 : suất lượng khối lượng của dòng lỏng hồi lưu vào đỉnh tháp Gy : suất lượng khối lượng của dòng hơi mang ra ở đỉnh tháp Q +... hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng α - độ bay hơi tương đối của hỗn hợp μ - độ nhớt của hỗn hợp lỏng, N.s/m2 3.3.4.1 Hiệu suất trung bình của tháp chưng cất, η tb : - Hiệu suất mâm nhập liệu, ηF : Từ đồ thị t –x,y (hình 1): xF = 0,25 → tF = 82,3 0C * Từ đồ thị y – x (hình 2): x = 0,25 → y F = 0,555 F Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp nhập liệu: 14 y* 1 - xF 0,555 1 − 0, 25 αF = × F * = × 3, 742 =... hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thiết bị có thân hình trụ được gia công bằng phương pháp hồ quan tự động dưới lớp thuốc, kiểu hàn giáp mối hàn 2 phía Để đảm bảo chất lượng sản phẩm và độ bền ăn mòn của thiết bị ta sẽ chọn vật liệu làm thân thiết bị là thép không ghỉ INOX 304 (X18H10T) - Các thông số: • Thiết bị hoạt động ở áp suất thường nên không có áp suất dư và xem chiều cao 2 cột áp thủy... đó: Nlt - số mâm lý thuyết Ntt - số mâm thực tế η tb - hiệu suất trung bình của tháp chưng cất, là một hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: η tb = f(α,μ) η + η2 + η3 + + ηn ηtb = 1 n Công thức IX.60, trang 171, [2]: η1 , η2 , - hiệu suất của các mâm n – số vị trí tính hiệu suất Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp: công thức IX.61, trang 171, [2]: y* 1 - x α=× 1 - y*... th +1 R th +1 3,95+1 3,95+1 Số mâm lý thuyết: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết: Từ đồ thị, ta xác định được: Nlt = 18 mâm 3.3.4 Hình 5: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết Xác định số mâm thực tế tháp chưng cất: Có nhiều phương pháp xác định số mâm thực của tháp, ngoại trừ các ảnh hưởng của thiết kế cơ khí tháp thì ta có thể xác định số mâm thực dựa vào hiệu suất trung bình N N tt = lt ηtb Công thức IX.59,... C2 H5OH Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu : công thức I.12, trang 84, [1]: logμ W = x W log μ C2H5OH + (1 − x W ) log μ H2O ⇒ μ W = 0, 285 cP Suy ra: α W × μ W = 6, 40 × 0, 285 = 1,825 Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2] ⇒ ηW = 43% 15 Vậy, suy ra hiệu suất trung bình của tháp chưng cất, ηtb là: η +η +η 60% + 46% + 43% ηtb = D F W = = 49,67% 3 3 3.3.4.2 Số mâm thực tế tháp chưng cất: Công thức IX.59,... 3: Đồ thị xác định Rmin của hệ Etanol – Nước 3.3.2 Chỉ số hoàn lưu thích hợp Rth: Chỉ số hồi lưu càng lớn thì lượng nhiệt được tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều, vì phải làm bay hơi lượng hồi lưu này Mặt khác số đĩa lý thuyết của tháp giảm cùng với sự tăng của chỉ số hồi lưu Nếu giảm chỉ số hồi lưu thì sẽ làm tăng chi phí chế tạo tháp mặc dù có giảm chi phí làm việc Vì vậy, cần xác định giá trị thích hợp. .. thích hợp theo công thức ( IX.25b, trang 159 [2]): Rth = 1,3Rmin + 0,3 Ngoài ra, có thể xác định chỉ số hồi lưu thích hợp từ điều kiện thể tích tháp nhỏ nhất (không tính đến các chỉ tiêu kinh tế vận hành) Trong trường hợp này ta cần thiết lập quan hệ giữa chỉ số hồi lưu R và thể tích của tháp V Thể tích tháp: V = S × H trong đó: S là tiết diện tháp (m2); H là chiều cao tháp (m) Ta biết tiết diện tháp... 0,85×46 = 0,935 0,85×46 + (1-0,85)×18 Khối lượng mol của hỗn hợp sản phẩm đỉnh, M D : M D = M C2 H5OH ×x D + (1-x D )×M H 2O = 46×0,85 + (1-0,85)×18 = 41,8 ( - Tra bảng I.2 , trang 9, [1]: • Khối lượng riêng của Etanol ở 400C: • Khối lượng riêng của nước ở 400C: - kg ) kmol ρ C2H5OH = 772 (kg/m 3 ) ρ H2O = 992 (kg/m3 ) Khối lượng riêng của hỗn hợp sản phẩm đỉnh, ρ D : 11 1 xD 1-x D 0,935 1-0,935 = +... Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu : công thức I.12, trang 84, [1]: logμ F = x F log μ C2H5OH + (1 − x F ) log μ H2O ⇒ μ F = 0,366 cP Suy ra: α F × μ F = 3, 742 × 0,366 = 1,37 Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2] ⇒ ηF = 46% - Hiệu suất mâm sản phẩm đỉnh, ηD : Từ đồ thị t –x,y (hình 1): xD = 0,85 → tD = 78,4 0C * Từ đồ thị y – x (hình 2): x = 0,85 → y D = 0,86 D Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp sản phẩm ... thành tốt đồ án Mặc dù cố gắng kinh nghiệm thực tiễn non yếu nên tránh khỏi sai sót Em mong nhận ý kiến đóng góp, nhận xét giúp đỡ dẫn từ Thầy, Cô để em củng cố thêm kiến thức bổ sung để đồ án hoàn... khiết cho Etanol Đồ án môn học Quá trình Thiết bị môn học mang tính tổng hợp trình học tập kỹ sư công nghệ hoá- thực phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu... 0,172 R th +1 R th +1 3,95+1 3,95+1 Số mâm lý thuyết: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết: Từ đồ thị, ta xác định được: Nlt = 18 mâm 3.3.4 Hình 5: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết Xác định số mâm thực