Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợp ethanol nước bằng tháp mâm xuyên lỗ

Các phương pháp để nâng cao chấtlượng và độ tinh khiết của sản phẩm luôn được cải tiến, đổi mới và ngày cànghoàn thiện hơn như: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính c

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ethanol là một trong những thành phần rất quan trọng và phổ biến trongcuộc sống hằng ngày, trong công nghiệp nói chung và trong công nghệ thựcphẩm nói riêng Ethanol còn được biết đến với như là rượu etylic, rượu ngũ cốchay cồn Ethanol mới đầu chỉ là một loại thức uống làm ngây ngất lòng người

mà nay được biết đến dưới nhiều tên gọi tùy thuộc nguồn nguyên liệu vùng miềnnhư rượu nàng hương, đế gò đen, vodka, shochu… và ethanol hiện diện đa dạngqua các dẫn xuất ethyl este sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như chấtkết dính, vật liệu che phủ, sơn, mực in, dược phẩm, chất tạo mùi… Đặc biệt nócòn được sử dụng trong công nghiệp nhiên liệu, công nghiệp hóa chất như sảnxuất acid axetic

Hiện nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là yêucầu ngày càng cao về chất lượng cũng như độ tinh khiết của sản phẩm Để cóđược sản phẩm có độ tinh khiết cao ta cần tách chúng từ hỗn hợp nguyên liệu,thường là hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí Các phương pháp để nâng cao chấtlượng và độ tinh khiết của sản phẩm luôn được cải tiến, đổi mới và ngày cànghoàn thiện hơn như: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính củahỗn hợp cũng như yêu cầu của sản phẩm mà ta chọn phương pháp tách phù hợp.Đối với hệ ethanol – nước, để nâng cao nồng độ cồn ta dùng phương phápchưng cất

Chưng cất là quá trình tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khíthành những cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng tronghỗn hợp Có rất nhiều phương pháp chưng cất khác nhau như : chưng cất bằnghơi nước trực tiếp, chưng cất gián đoạn, chưng cất đơn giản… Và thiết bị chưngcất cũng có nhiều loại như tháp mâm chóp, tháp đệm hay tháp mâm xuyên lỗ…Quá trình chưng cất là rất quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong côngnghiệp Tùy theo tính chất của hệ câu tử đem chưng cất, độ tinh khiết của sảnphẩm và hiệu suất chưng cất… mà ta chọn phương pháp và thiết kế tháp cho phùhợp Đối với chưng cất hỗn hợp 2 cấu tử dễ bay hơi nước – ethanol thường dùngtháp mâm xuyên lỗ

Nhiệm vụ của đồ án này là: Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợpEthanol - Nước bằng tháp mâm xuyên lỗ Với: năng suất sản phẩm đỉnh:

Gp=1000kg/h, nồng độ sản phẩm đỉnh: xp = 90% khối lượng ethanol, nồng độhỗn hợp đầu: xf = 35% khối lượng ethanol, hiệu suất thu hồi ethanol: 95%

cô đặc, chưng cất là quá trình 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 sẽthu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thuđược 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độsôi nhỏ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi lớn).Đối với hệ Ethanol – Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm ethanol và một ít nước,ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít ethanol

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, nếunhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ra giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độsôi của các cấu tử

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

Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này được sử dụng trongcác trường hợp sau:

- Khi nhiệt độ sôi 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 quátrình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn

Phương pháp cấp 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 Ethanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tụccấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

2

2 Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều cómột yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộcvào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhấtthường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hóa dầu Kích thước của tháp:đường kính tháp và chiều cao tháp tùy thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí củatháp và độ tinh khiết của sản phẩm Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thườngdùng là tháp mâm và tháp chêm

Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm cócấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm phalỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp 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 bằngmặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào thép theo một trong hai phương pháp:xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

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

- Hiệu suất cao

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU:

Nguyên liệu là hỗn hợp Ethanol – Nước

1 Ethanol: (Còn được gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm).

Ethanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC

Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, không tan nhiều trong nước

Một số thông số vật lý của ethanol:

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

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

- Phản ứng hydro và oxy hóa:

Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế ethanol như hydrathóa etylen với xúc tác H2SO4; thủy phân dẫn xuất halogen và ester của ethanolkhi đun nóng với nước xúc tác dung dịch base; hydro hóa aldyhyt acetic; từ cáchợp kim…

Trong công nghiệp, điều chế ethanol bằng phương pháp lên men từ nguồntinh bột và rỉ đường Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản xuất ethanol

chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh

bột

C6H6O6 Nấm men 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal

Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành ethanol và CO2

5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glycerine, acid sucxinic, dầufusel, metylic và các acid hữu cơ (lactic, butylic…)

2 Nước:

Cu 200-300 o C

Đồ nhựa.Keo dán.Hương liệu

Sát trùng

Pha chế thuốc

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi,

không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt

Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 tinh thể khác nhau:

Khối lượng phân tử: 18 g/mol

Khối lượng riêng ρ40 c :1g/mol

Nhiệt độ nóng chảy: 0oC

Nhiệt độ sôi: 100oC

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước

biển) và rất cần thiết cho sự sống

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là

dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học

III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETHANOL – NƯỚC:

6

Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong nước, nhiệt độ sôi là 78,3 oC ở760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760 mmHg: hơi cách biệt khá xanên phương pháp hiệu quả để thu ethanol có độ tinh khiết cao là phương phápchưng cất

Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu

tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng nhưphương pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quátrình phức tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn

1 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước:

Chú thích các kí hiệu trong quy trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

2 Thuyết minh quy trình công nghệ:

Hỗn hợp Etanol – Nước có nồng độ ethanol 35% (theo phần khối lượng),nhiệt độ nhập liệu khoảng 30oC tại bình chứa nguyên liệu số (1) được bơm (2)bơm lên bồn cao vị (3) Dòng nguyên liệu được dẫn qua thiết bị đun sôi dòngnhập liệu (5) Ở đây, hỗn hợp được đun đến nhiệt độ sôi, sau đó hỗn hợp đượcđưa qua van để điều chỉnh lưu lượng trước khi vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhậpliệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với chất lỏng từ đoạn luyện củatháp chảy xuống Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống Ởđây, có sự tiếp xúc và trao đổi nhiệt giữa hai pha lỏng - hơi với nhau Pha lỏngchuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử

dễ bay hơi (ethanol) vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (13) lôi cuốn các cấu tử

dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên cao càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dướilên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao (nước) sẽ chỉ bay hơi một phần, còn lại ở dạnglỏng sôi ở đáy tháp, cuồi cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tửethanol chiếm nhiều nhất (ethanol 90% theo khối lượng) Hơi này đi vào thiết bịngưng tụ (9) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng sau khi ra khỏithiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh đi vào thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh cho đếnnhiệt độ cần thiết, sau đó được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh Một phần chấtlỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng Ở đây, một phần cấu tử cónhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại các cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chấtlỏng ngày càng tăng Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết làcác cấu tử khó bay hơi (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy tháp có nồng độ ethanol 2,78

% (theo khối lượng) Dung dịch lỏng ở đáy tháp đi ra khỏi tháp vào nồi đun sôiđáy tháp (13) Trong nồi đun dung dịch lỏng, một phần sẽ bốc hơi cung cấpnhiệt lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun vào bồn chứasản phẩm đáy Hệ thống được làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là ethanol

và sản phẩm đáy là nước

8

CHƯƠNG II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU:

Năng suất sản phẩm đỉnh: GP = 1000kg/h;

Nồng độ sản phẩm đỉnh: aP = 90% khối lượng ethanol;

Nồng độ hỗn hợp đầu: aF = 35% khối lượng ethanol;

Hiệu suất thu hồi ethanol: ŋ = 95%

Khối lượng phân tử của rượu và nước: MR = 46 (g/mol), MN = 18 (g/mol)

Các ký hiệu :

+ GF , F : suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h , Kmol/h

+ GP, P : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h , Kmol/h

+ GW ,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h , Kmol/h

+ xi , ai : phần mol , phần khối lượng của cấu tử i

+ yF, yP, yw : nồng độ phần mol của pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hỗnhợp đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy (%mol)

+ tF , tP , tW : nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

II TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU:

Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F= P + W (II.1)

Cân bằng cấu tử ethanol (cấu tử nhẹ) : F.xF = P.xP +W.xW (II.2)

Hiệu suất thu hồi (ŋ = 95%) : F.x F ŋ = P x P (II.3)

Nồng độ phần mol của ethanol trong sản phẩm đỉnh:

779 0 18

9 0 1 46

9

0 46

9 0

P

E P P

M

a M

35 , 0 1 46

35 ,

35 , 0

F E F F

M

a M

W

x M a

Từ đó tìm ra được phần mol các cấu tử trong pha hơi nằm cân bằng với pha lỏngứng với nhiệt độ sôi của từng dòng F,P,W.

Y 0 33.2 44.2 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.8 100

T 100 90.5 86.5 83.2 81.7 80.8 80 79.4 79 78.6 78.4 78.4

Bằng phương pháp nội suy và dựa trên đồ thị ta có kết quả như sau:

phần mol (mol/l) phần khối lượng suất lượng

Đường thẳng tiếp tuyến cắt trục tung tại điểm Bo có tọa độ (0; 42,8)

428 0 779 0

o

o P B

B x R

Với mỗi giá trị β = (1.2÷2.5) ta tính được giá trị Rx, suy ra tọa độ điểm Bcủa đường làm việc đoạn chưng ứng với giá trị Rx này Từ đó vẽ được đườnglàm việc đoạn luyện và vẽ được số bậc thay đổi nồng độ Cuối cùng xác địnhđược số đĩa lý thuyết Nlt

Nhận xét: Tích Nlt(Rx+1) nhỏ nhất là 26,534 khi β = 2.

Do đó ta chọn giá trị β = 2, khi đó Rx có giá trị tối ưu và Rx= 1,653

Từ đồ thị xác định số bậc thay đổi nồng độ tương ứng với Rx = 1,653 ta xácđịnh được số mâm lý thuyết thu được của tháp là 10 mâm

V PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG NỒNG ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐOẠN CHƯNG VÀ ĐOẠN LUYỆN:

1 Đoạn luyện:

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng:

R

x x R

R

; B= 1

x

P R x

Với Rx = 1,653

294 , 0 623 , 0 1 653 , 1

779 0 1 653

,

1

653 ,

R

L x R

L R

1

1

372 , 118

1 713 , 4 1 653 , 1

713 , 4 653

N N





Trong đó:

+Nlt: số bậc thay đổi nồng độ hoặc số đĩa lí thuyết

+tb: hiệu suất trung bình của thiết bị

n

n tb

+ 1 ,  2 , : hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ

x y

2 Tính α,μ tại 3 vị trí: đĩa nạp liệu, đỉnh, đáy tháp:

Tại đĩa nạp liệu:

- Từ xF = 0,174, tra đồ thị cân bằng của hệ ta có: y*

F= 51,44; tF = 84,058 oC

- Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp lỏng tại vị trí nạp liệu:

03 , 5 174 0

174 0 1 5144 0 1

5144 0 1

F

x

x y

y



 Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nạp liệu:

+Tại tF=84,058oC dùng phương pháp nội suy ta tra được độ nhớt của nước (bảng I.101,T92,[1] và dùng toán đồ tra được độ nhớt của etanol ( toán đồI.28,T107,[1])

4

3

10 8 ,

4

10 342

10 37 , 0

Tại vị trí mâm đáy

 Từ xW=0.011 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y*

10 84 , 2

10 292 0

E W

8 2

/ )



F D

ltL L

N N



2 / ) 43 0 36 0 (

2 2

/ )



F W

ltC C

N N



Đĩa nhập liệu là đĩa 6 tính từ dưới lên

16

CHƯƠNG III: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

I MỤC ĐÍCH:

Xác định lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ và làm lạnh

Xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu và đun bốchơi ở đáy tháp

Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nhiên liệu rẻ tiền, phổ biếntrong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ

Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

QD1: nhiệt độ do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng, J/h

Qf: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun nóng, J/h

QF:nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng hay mangvào tháp chưng cất, J/h

Qng1:nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị đun nóng, J/h

Qxq1:nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh, J/h

QD2:nhiệt lượng do hơi đốt mang vào cần đun nóng sản phẩm đáy, J/h

QR:nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào, J/h

Qy:nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp, J/h

QW: nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp, J/h

Qng2: nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi tháp, J/h

qxq2: nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh, J/h

II CÂN BẰNG NHIỆT CỦA THIẾT BỊ ĐUN NÓNG HỖN HỢP ĐẦU:

Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng

QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 (CT:IX.149, T196,[2])

Trong đó:

QD1 = D1λ1 = D1(r1+θ1C1) J/h (CT:IX.150, T196, [2])Với:

 D1: Lượng hơi đốt mang vào, kg/h

 λ1: Hàm nhiệt của hơi nước, J/kg

 r1: Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, J/kg

 θ1: Nhiệt độ của nước ngưng, oC

 C1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ

Qxq1 = 5%QD1 = 5%D1r1 (J/h) (CT:IX.154, T197[2])

Qng1 = Gng1C1θ1 = D1C1θ1 (J/h) (CT:IX.154, T197[2])Với:

 Gng1: Lượng nước ngưng ( lấy bằng lượng hơi đốt) ,jg/h

Qf = GFtfCf (J/h) (CT:IX.151,T196[2])

QF = GFtFCF (J/h) (CT:IX.151,T196[2])Với:

 tf: Nhiệt độ hỗn hợp đầu oC, chọn tf = 30oC ( ở nhiệt độ dụng cụ chứatrong phòng )

 tF: Nhiệt độ điểm sôi của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng oC,

tF = 84,058 oC

 CF: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng (J/kg.độ)

 Cf: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, (J/kg.độ)

Suy ra, lượng nhiệt hơi nước bão hòa cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu là:

18

1 1

1 1 1

95

0 r

Q Q r

Q Q Q Q

D  F  ng  xq  f  F  f

1

1 0 95

) (

r

C t C t G

D  F F F f f (kg/h) (CT:IX, 155, T197,[2])

Tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:

) 1 (

30 30

F N

F E

058 , 84 058

, 84

F N

F E

r1 = 2208.103 (J/kg)

Do đó:

36 , 275 10

2208 95 , 0

) 3623,625

30 3831,22

058 , 84 (

4 , 2707 95

0

) (

3 1

r

C t C t G

III CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO TOÀN THÁP:

Trong đó:

 GP: Lưu lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)

 Rx: Chỉ số hồi lưu tối ưu

 CR: Nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu, (J/kg.độ)

 tR: Nhiệt độ củ lượng lỏng hồi lưu, (oC)

Nhiệt dung riêng của lượng lỏng hồi lưu ứng với nhiệt độ tR=tP=78,7 oC là:Với:

= 429609596,4(J/h)

 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy

Qy = GP(1+Rx)λđ (J/h)Trong đó:

- λđ: Nhiệt lượng riêng của hơi mang ra ở đỉnh tháp, (J/kg)

 Gng2: lượng nước ngưng tụ, (kg/h)

 C2, θ2: Nhiệt dung riêng, (J/kg.độ) và nhiệt độ (oC) của nước ngưng

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qxq2:

Qxq2 = 0,05D2r2

Vậy:

2 2

2 2 2

95 ,

0 r

Q Q Q Q Q Q Q Q Q

8 871903795, 8

 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

- Ngưng tụ hoàn toàn thì:

+t1,t2: Nhiệt độ vào và ra của nước lạnh

Chọn t1 = 30oC, t2 = 45oC, vì phù hợp với nhiệt độ môi trường, suy ra:

Cn37,5 = 4175,63 (J/kg.độ)

Do đó lượng nước cần thiết để làm lạnh là:

7 , 42259 )

30 45 (

63 , 4175

997705,4 ).

1 653 , 1 (

1000 )

(

) 1 (

1 2

C

r R

CTra nhiệt dung riêng của nước tại t’

3045.(

63,4175

)407,78.(

346,3084.1000)

(

)'(

1 2

1 ' 2 '

C

t t

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP:

 y ytb

tb tb

V D





 0 , 0188

3600 14 , 3

4



Trong đó:

 Vtb: Lượng hơi trung bình đi trong tháp, (m3/h)

 ωytb: Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, (m/s)

 gtb: Lượng hơi trung bình đi trong tháp, (kg/h)

 ρytb: Khối lượng riêng trung bình của pha hơi, (kg/m3)

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

Đường kính đoạn luyện

 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng bằng trungbình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp gđ và lượng hơi đi vàođĩa dưới cùng của đoạn luyện g1

2

1

g g

tb



 (CT:IX.91,T181,[2])Trong đó:

P P P

r g r

g

x G x

G y

g

G G

g

1 1

1 1 1

1

1 1

(CT:IX.93,94,95,T182,[2])

 y1: lượng hơi của đĩa thứ nhất đoạn luyện ( phần khối lượng)

 x1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất đoạn luyện ( phần khối lượng)

 r1,rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất và đi ra khỏi tháp(J/kg)

86 , 2345 913

, 0 91 , 847 ) 1

1

1

1 1

1

1 1

49 ,

1 48 4

4 3 ,

2 3 23

56 7 ,

25 9 52 48

2 32 ,

97 8

26 5 3

9 , 0

10 00

35 , 0

1 00 0

y r

r g r

g

G y

g

G g

đ đ

Giải hệ phương trình ta được:

( 17 ,

13 72

) /

( 34 ,

18 9 1

) /

(

3 4 ,

89 1

6 41 ,

0

1 1 1

kg kJ

r

h kg

g

h kg

G y

(y: phần khốilượng=>phần mol y=0,411)

Suy ra lưu lượng hơi trung bình:

17 , 2272 2

34 1891 2653 2

 

T

M y M

y tb E tb N ytb 22 , 4

273 ) 1

- ME: khối lượng mol của ethanol

- MN: khối lượng mol của nước

- ytb1: nồng độ phần mol của ethanol trong pha hơi của đoạn luyện

6075 , 0 2

804 , 0 411 , 0 2

1

tb

y y

T=ttb: nhiệt độ trung bình đoạn luyện

) ( 379 , 354 ) ( 379 , 81 2

058 , 84 7 , 78

t t

273 18 ).

6075 , 0 1 ( 46 6075 , 0

tb xtb

a a

 ρxtb: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng trong đoạn luyện

 ρxA, ρxB: khối lượng riêng trung bình của nước và ethanol trong pha lỏnglấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m3)

Tra bảng (I.2,T9,[1]) tại ttb=81,379oC

ρxE=733,69 (kg/m3)

ρxN=971,053 (kg/m3)

 atb1: phần khối lượng trung bình của cấu tử Etanol trong pha lỏng

625 , 0 2

9 , 0 35 , 0 2

1  F  P   

tb

a a

3 1

053 , 971

625 , 0 1 69 , 733

625 , 0 1

tb xtb

a a

Vận tốc làm việc của tháp phụ thuộc vào sức căng bề mặt của hỗn hợplỏng, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng, hơi và khoảng cách giữa các đĩa ( đượcchọn theo đường kính tháp), theo công thức:

ytb xtb tb

hh  



1 1 1

345 , 62

1 10

176 , 17

1 1

1 1

] [ 065 , 0 )

0188 , 0 0188

,



tb y y tb g D



Vậy ta chọn DL = 1(m).

Kết luận: Với h= 0,35 thì đường kính đoạn luyện DL = 1(m) thuộc 0,6 ÷ 1,2(m)

Đường kính đoạn chưng

 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được tính gần đúng bằng trungbình cộng lượng hơi ra khỏi đoạn chưng và lượng hơi vào đoạn chưng:

22

1

' 1 1 ' ' ' g g g g

g tb n 





Trong đó:

g’

n:lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/h)

g’

1: lượng hơi vào đoạn chưng (kg/h)

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên

' 1

' 1 '

1 ' 1 ' 1

' 1 '

1 ' 1

'

r g r

g r

g

x G

y g x

G

G g

G

n n

W W

W

(CT:IX,98,99,100,T182,[2])

,2021

17,1372.34,1891

1

1 '

,170758

,1283

1 '

1

088,098

,2990

0276,0.4,1707168

,0.58,12831

' 1

' 1 ' 1

 Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

46,15872

58,128334

,18912

1

' 1 '

' 1

' '

.4,22

273.)1

(

T

M y M

073 , 0 411 , 0 2

1 1 '

91 , 97 7 , 78 2

273]

18)

242,01(46.242,0[

4,22

273.)1

(

' 1

' 1

' '

y tb E tb N ytb

 Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng

xN

tb xE

tb xtb

a a

' '

tb1: phần khối lượng trung bình cua cấu tử Ethanol trong đoạn chưng:

189 , 0 2

0276 0 35 , 0 2

189,0111,727

189,01

xN

tb xE

tb xtb

a a







Suy ra: 'xtb =909,1 (kg/m3)

 Tính vận tốc hơi đi trong đoạn chưng:

Vận tốc làm việc của tháp phụ thuộc vào sức căng bề mặt của hổn hợplỏng, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng, hơi và khoảng cách giữa các đĩa ( đượcchọn theo đường kính tháp), theo công thức: (IX.105,T184,[2])

ytb xtb tb

hh  



1 1 1

Nên  [  ' ] =0,8

848 , 0 836 , 0 1 , 909 35 , 0 8 , 0 065 , 0

] [ 065 , 0 )

( yy tb    hxtbytb   (kg/m.s)

Đường kính đoạn chưng:

46 , 1587 0188 , 0 0188

,



tb y y tb g D



30

Vậy chọn đường kính đoạn chưng là 0,9m Vậy với h= 0,35 thì đường kínhđoạn chưng DC = 0,9(m) thuộc 0,6 ÷ 1,2 (m).

Kết luận: Do đường kính của đoạn chưng và đoạn luyện của tháp chênhlệch không đáng kể nên ta chon đường kính của tháp D = 1(m)

II CHIỀU CAO THÁP CHƯNG LUYỆN:

 Chiều cao tháp được tính theo công thức:

) 1 8 , 0 ( )

h: khoảng cách giữa các đĩa: 0,35 m

 : chiều dày của đĩa Chọn  =0,003 m

Chọn khoảng cách ở đỉnh và đáy tháp là 0,9 m

Vậy chiều cao tháp là: H  22 ( 0 , 35  0 , 003 )  0 , 9  8 , 666  9m

III MÂM LỖ:

1 Cấu tạo của mâm lỗ:

Chọn: Tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:

 Đường kính lỗ: d1 = 3(mm)

 Tổng diện tích lỗ bằng 10% diện tích mâm

 Khoảng cách hai tâm lỗ bằng 9(mm) lỗ bố trí theo tam giác đều

 Bề dày mâm là 3(mm)

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

 Chiều cao gờ chảy tràn hgờ = 50 (mm) = 0,05(m)

Số lỗ trên 1 mâm của tháp là:

003 , 0

1 1 , 0

- ∆Pt : Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra.

1 Tính trở lực của đĩa khô ∆P k:

∆Pk =

2

2 0 



 y (N/m2) (CT IX.140 – T194 – [2])

Trong đó:

-  0: Tốc độ khí (hơi) qua lỗ, m/s

- y: Khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi), kg/m3

-  : Hệ số trở lực (đối với đĩa có tiết diện tự do của lỗ bằng 10% diện tíchchung thì   1 , 82)

a) Phần luyện:

Vận tốc hơi qua lỗ ở phần luyện là:

1 , 0

959 , 0

% 10

848 , 0

% 10

, 1

-  : Sức căng bề mặt, N/m2

- dlỗ: Đường kính lỗ

32

345 , 62

1 10

176 , 17

1 1

1 1

 = 13,844(N/m2)

b Phần chưng:

Tại nhiệt độ trung bình pha lỏng ở phần chưng t’

tb=88,305oC, tra bảng(I.242,T300,[1])

Ta tìm được: σE = 16,55.10-3 (N/m)

σN = 61,06.10-3 (N/m)Suy ra: σhh = 0,013 (N/m)

Vậy trở lực do sức căng bề mặt ở phần chưng là:

∆PsC = 1 , 3 0 , 003 0 , 08 0 , 003 2

013 , 0 4

(

K L

Q g L

Trong đó:

- Lg : chiều dài của gờ chảy tràn, m

- K = b/ L : tỷ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng củalỏng không bọt, (K=0,5)

-L

L L L

M n

Tính chiều dài gờ chảy tràn:

Ta có: Squạt - S∆ = Sbán nguyệt

2 2

2

% 20 2 2

2

1 2

872 , 22 812 , 39

Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:

611 1 73 , 807 812 , 39

342 , 31 653 , 1 1000





LL P

LL P LL

M

RM G

Q

3 3

/ 2 4

10 6 , 7 5

, 0 73 , 0 85 , 1

10 475 ,

59 , 20 2

872 , 22 308 , 18

M

Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần chưng là:

49 , 3 1

, 909 308 , 18

59 , 20 653 , 1 4 , 1707





LC w

LC w

LC

M

RM G

Q

0127 , 0 5

, 0 73 , 0 85 , 1

10 69 ,

5 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động:

Khoảng cách giữa 2 mâm: ∆h = 0,35 (m) = 350 (mm)

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trongống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức:

hd = hg + ∆hl + ∆P + hd, , (mm chất lỏng)

Với:

- hg =50mm: chiều cao gờ chảy tràn

- ∆hl: chiều cao lớp chất lỏng trên mâm, mm

128 ,

0

d

L S Q

mm chất lỏng

QL: lưu lượng của chất lỏng (m3/h).

Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

238 , 411 1000

.

238 ,

4 2

, ) 8 , 43 10

628 , 0 100

3600 10 476 , 4 (

128 , 0 ) 100 (

494 , 431 1000

.

494 ,

4 2

, ) 3 , 95 10

628 , 0 100

3600 10 69 , 9 (

128 , 0 ) 100 (

Ta có: hdC = 50 + 12,7 + 48,383 +3,95 10-4 = 111,0834 (mm) < 175 (mm)Vậy khi tháp hoạt động thì mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt

36

CHƯƠNG V: TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH

I CHỌN VẬT LIỆU:

 Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hìnhtrụ bằng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía Thân thápđược ghép với nhau bằng các mối ghép bích

 Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm ta chọn thiết bị thân tháp là thépkhông gỉ mã X18H10T

II TÍNH BỀ DÀY CỦA THÁP:

- ∆ Ptháp = 9168,772 (N/m2) : tổng trở thủy lực của tháp

- Pcl: áp suất thủy tĩnh do cột lỏng gây ra

Áp suất thủy tĩnh do cột lỏng gây ra được tính theo công thức:

 Ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T:

] [ *

 =142 (N/m2) (hình 1.2 – T16 [4])

 Hệ số hiệu chỉnh đối với rượu:  = 1

Vậy ứng suất cho phép: [] = .[]* = 142 (N/mm2)

 Xác định bề dày thân chịu áp suất trong:

Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện nênchọn hệ số bền mối hàn: h = 0,9

Xét tỷ số:

  .0,9

085 , 0

2

.

h

tt t t

P D S



Bề dày thực của thân tháp: St = S’t + C (mm)

Trong đó: C: Hệ số bổ sung bề dày

D

C S

2

a t h

C S D

C S

Ta có: P > Ptt (thỏa mãn)

Vậy bề dày thực của thân là St = 3 (mm)

III ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ:

 Chọn đáy và nắp có dạng hình elip tiêu chuẩn, có gờ làm bằng thépX18H10T

 Nhận thấy công thức tính toán bề dày thân, đáy và nắp chịu áp suất trong

là như nhau nên ta chọn bề dày của đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp Sđ =

Sn = 3 (mm)

 Các kích thước đáy và nắp elip tiêu chuẩn, có gờ

- Đường kính trong: Dt = 1000 (mm)

38

- Chiều cao gờ: hgờ = 50mm.

- Vì đáy và nắp có hình elip tiêu chuẩn với: 0,25

t

t D

h

(T381 [2])Vậy ht = Dt.0,25 = 1000.0,25 = 250 (mm)

- Diện tích bề mặt trong đáy:

Sđáy = 1,24 (m2) (Bảng XIII.10-T382[2])

IV BÍCH GHÉP THÂN, ĐÁY VÀ NẮP:

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng nhưnối các bộ phận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng:

 Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích nàychủ yếu dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình

 Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các

bộ bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bíchbằng vật liệu bền hơn thiết bị

 Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao

Chọn bích ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích

Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định Đệm làm bằngcác vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng vàđiền đầy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt của bích Vậy để đảm bảo độ kín chothiết bị ta chọn đệm là dây amiang có bề dày là 3mm