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

ĐẶT VẤN ĐỀ Ethanol thành phần quan trọng phổ biến sống ngày, công nghiệp nói chung công nghệ thực phẩm nói riêng Ethanol biết đến với rượu etylic, rượu ngũ cốc hay cồn Ethanol đầu loại thức uống làm ngây ngất lòng người mà biết đến nhiều tên gọi tùy thuộc nguồn nguyên liệu vùng miền rượu nàng hương, đế gò đen, vodka, shochu… ethanol diện đa dạng qua dẫn xuất ethyl este sử dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp chất kết dính, vật liệu che phủ, sơn, mực in, dược phẩm, chất tạo mùi… Đặc biệt sử dụng công nghiệp nhiên liệu, công nghiệp hóa chất sản xuất acid axetic Hiện nay, khoa học kỹ thuật ngày phát triển với yêu cầu ngày cao chất lượng độ tinh khiết sản phẩm Để có sản phẩm có độ tinh khiết cao ta cần tách chúng từ hỗn hợp nguyên liệu, thường hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí Các phương pháp để nâng cao chất lượng độ tinh khiết sản phẩm cải tiến, đổi ngày hoàn thiện như: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính hỗn hợp yêu cầu sản phẩm mà ta chọn phương pháp tách phù hợp Đối với hệ ethanol – nước, để nâng cao nồng độ cồn ta dùng phương pháp chưng cất Chưng cất trình tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác chúng hỗn hợp Có nhiều phương pháp chưng cất khác : chưng cất nước trực tiếp, chưng cất gián đoạn, chưng cất đơn giản… Và thiết bị chưng cất có nhiều loại tháp mâm chóp, tháp đệm hay tháp mâm xuyên lỗ… Quá trình chưng cất quan trọng ứng dụng rộng rãi công nghiệp Tùy theo tính chất hệ câu tử đem chưng cất, độ tinh khiết sản phẩm hiệu suất chưng cất… mà ta chọn phương pháp thiết kế tháp cho phù hợp Đối với chưng cất hỗn hợp cấu tử dễ bay nước – ethanol thường dùng tháp mâm xuyên lỗ Nhiệm vụ đồ án là: Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợp Ethanol - Nước tháp mâm xuyên lỗ Với: suất sản phẩm đỉnh: Gp=1000kg/h, nồng độ sản phẩm đỉnh: xp = 90% khối lượng ethanol, nồng độ hỗn hợp đầu: xf = 35% khối lượng ethanol, hiệu suất thu hồi ethanol: 95% CHƯƠNG I: TỔNG QUAN: I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: Phương pháp chưng cất: Chưng cất trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác 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 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 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 Ethanol – Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm ethanol nước, ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước ethanol 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 giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử •Nguyên lý làm việc: gián đoạn (chưng đơn giản) liên tục  Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp sử dụng trường hợp sau: - Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa - Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao - Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay - Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử  Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) trình thực liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn •Phương pháp cấp nhiệt đáy tháp (cấp nhiệt trực tiếp nước): thường áp dụng trường hợp chất tách không tan nước Vậy hệ Ethanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường Thiết bị 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 vào lưu chất Tháp chưng cất phong phú kích cỡ ứng dụng, tháp lớn thường ứng dụng công nghiệp lọc hóa dầu Kích thước tháp: đường kính tháp chiều cao tháp tùy 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 cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có:  Tháp mâm chóp: mâm bố trí có chóp 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 thép theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự  So sánh ưu nhược điểm loại tháp: Tháp chêm Tháp mâm Tháp mâm chóp xuyên lỗ Ưu điểm: - Đơn giản - Hiệu suất tương - Hiệu suất cao - Trở lực thấp đối cao - Hoạt động ổn định - Hoạt động ổn định - Làm việc với chất lỏng bẩn Nhược - Hiệu suất thấp - Trở lực cao - Cấu tạo phức tạp điểm: - Độ ổn định - Yêu cầu lắp đặt - Trở lực lớn - Thiết bị nặng khắt khe ( lắp đĩa - Không làm việc với thật phẳng) 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 Ethanol – 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 Ethanol – Nước Ethanol: (Còn gọi rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm) Ethanol có công thức phân tử: CH 3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, không tan nhiều nước •Một số thông số vật lý ethanol:  Nhiệt độ sôi 760 mmHg: 78,3oC  Khối lượng riêng: ρ20 = 810 Kg/m3 •Tính chất hóa học: Tất phản ứng hóa học xảy nhóm hydroxyl (-OH) ethanol thể tính chất hóa học  Phản ứng hóa học nhóm hydroxyl: CH3-CH2-OH CH3-CH2-O- + H+ −18 Hằng số phân ly ethanol: K CH −CH −OH = 10 , ethanol 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 −14 Do K CH −CH −OH < K H O = 10 :tính acid rượu nhỏ tính acid 2 nước nên muối Natrri etylat tan nước bị thủy phân thành rượu trở lại - Tác dụng với acid tạo ester: Rượu ethanol có tính base tương đương nước Khi rượu tác dụng với acid vô H2SO4, HNO3 acid hữu tạo ester CH3-CH2-OH + HO-SO3-H Lạnh CH3-CH2O-SO3-H + H2O + CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 H CH3-COO-C2H5 + H2O  Phản ứng nhóm hydroxyl: - Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O - Tác dụng với Triclo Phospho: CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl - Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 Al2O3 C2H5-NH2 + H2O 2CH3-CH2-OH H2SO4 H2SO4 >150oC >150oC CH3-CH2)2O CH3-CH2-OH CH2=CH2 - Phản ứng hydro oxy hóa: CH3-CH2-OH Cu + + to H2 O H2O CH3-CHO + H2 o 200-300 C •Ứng dụng: Ethanol có nhiều ứng dụng methanol, đóng vai trò quan trọng kinh tế quốc dân Nó nguyên liệu dùng để sản xuất 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 Dung môi hữu cơ: pha sơn… Nguyên liệu Rượu mùi Nhiên liệu Dấm Động lực Ethanol Thuốc trừ sâu Thuốc nhuộm Tơ nhân tạo Đồ nhựa Sát trùng Sơn Keo dán Pha chế Vec Hương •Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế ethanol hydrat thuốc ni liệu hóa etylen với xúc tác H2SO4; thủy phân dẫn xuất halogen ester ethanol đun nóng với nước xúc tác dung dịch base; hydro hóa aldyhyt acetic; từ hợp kim… Trong công nghiệp, điều chế ethanol phương pháp lên men từ nguồn tinh bột rỉ đường Những năm gần đây, nước ta công nghệ sản xuất ethanol chủ yếu 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 CO2 5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glycerine, acid sucxinic, dầu fusel, metylic acid hữu (lactic, butylic…) Nước: Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng không màu, không mùi, không vị khối nước dày có màu xanh nhạt Khi hóa rắn tồn dạng 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 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 hòa tan nhiều chất dung môi quan trọng kỹ thuật hóa học Hỗn hợp Ethanol – Nước: Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Ethanol – Nước 760 mmHg x(%mol) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y(%mol) T 100 33.2 44.2 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.8 90.5 86.5 83.2 81.7 80.8 80 79.4 79 100 78.6 78.4 78.4 III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETHANOL – NƯỚC: Ethanol chất lỏng tan vô hạn nước, nhiệt độ sôi 78,3 oC 760mmHg, nhiệt độ sôi nước 100 oC 760 mmHg: cách biệt xa nên phương pháp hiệu để thu ethanol 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 khoa để tách, làm cho trình phức tạp hay trình tách không hoàn toàn Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước: Chú thích kí hiệu quy trình: Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bồn cao vị Lưu lượng kế Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu Nhiệt kế Áp kế Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 10 Bộ phận phân dòng 11 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 12 Bồn chứa sản phẩm đỉnh 13 Nồi đun đáy tháp 14 Bồn chứa sản phẩm đáy 15 Bẫy 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 bình chứa nguyên liệu số (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Dòng nguyên liệu dẫn qua thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (5) Ở đây, hỗn hợp đun đến nhiệt độ sôi, sau hỗn hợp đưa qua van để điều chỉnh lưu lượng trước vào tháp chưng cất (8) đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với chất lỏng từ đoạn luyện tháp chảy xuống Trong tháp từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi nhiệt hai pha lỏng - với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay (ethanol) bị pha tạo nên từ nồi đun (13) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên cao thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sôi cao (nước) bay phần, lại dạng lỏng sôi đáy tháp, cuồi đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử ethanol chiếm nhiều (ethanol 90% theo khối lượng) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (9) ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng sau khỏi thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh vào thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh nhiệt độ cần thiết, sau đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh Một phần chất lỏng ngưng tụ hoàn lưu tháp đĩa Ở đây, phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bốc hơi, lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao chất lỏng ngày tăng Cuối đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay (nước) Hỗn hợp lỏng đáy tháp có nồng độ ethanol 2,78 % (theo khối lượng) Dung dịch lỏng đáy tháp khỏi tháp vào nồi đun sôi đáy tháp (13) Trong nồi đun dung dịch lỏng, phần bốc cung cấp nhiệt lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại khỏi nồi đun vào bồn chứa sản phẩm đáy Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh ethanol sản phẩm đáy nước 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 rượu 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 , : phần mol , phần khối lượng cấu tử i + yF, yP, yw : nồng độ phần mol pha cân với pha lỏng hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy (%mol) + tF , tP , tW : nhiệt độ sôi hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy II TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU: •Cân vật chất cho toàn tháp: F= P + W (II.1) • Cân cấu tử ethanol (cấu tử nhẹ) : F.xF = P.xP +W.xW • Hiệu suất thu hồi (ŋ = 95%) : F.xF ŋ = P xP (II.2) (II.3) •Nồng độ phần mol ethanol sản phẩm đỉnh: aP 0.9 ME 46 xP = = = 0.779 (phần mol) aP − aP 0.9 − 0.9 + + ME MN 46 18 Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh: • MP =46.xP + (1-xP).18 = 39.812 (kg/kmol) Lưu lượng mol sản phẩm đỉnh: • P= GP =25,118 (kmol/h) MP •Nồng độ phần mol ethanol hỗn hợp đầu: aF 0,35 ME 46 xF = = = 0,174 (phần mol) aF − aF 0,35 − 0,35 + + ME MN 46 18 Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu: • MF =46.xF + (1-xF ).18 = 22.872 (kg/kmol) Giải phương trình (II.1), (II.2), (II.3) ta có: F = 118,372 (kmol/h) W = 93,254 (kmol/h) xW = 0,011 (phần mol ethanol) Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy: • MW = 46.xW + (1 − xW ).18 = 18,308 (kg/kmol) Nồng độ phần khối lượng ethanol sản phẩm đáy: • aW = xW M E 0,011.46 = = 0,0276 xW M E + (1 − xW ).Mn 0,011.46 + (1 − 0,011).18 Suất lượng dòng nhập liệu: • GF = F MF = 2707,4 (kg/h) Suất lượng dòng sản phẩm đáy: • GW = W.MW = 1707,4 (kg/h) 10 αF: hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống (W/m2.K) ∑ r : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu t Σrt = δt + r1 + r2 λt •Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: qt = t w1 − t w ( W/m2) r ∑t Trong đó: - tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với đốt, oC tw2: nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu,oC Bề dày thành ống: δt =2 mm Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt= 17,5(W/mK) Nhiệt trở lớp cáu ống: r1= 1/5000 (m2.K/W) Nhiệt trở lớp cáu ống: r2 =1/5000 (m2.K/W) Nên ∑ rt = 9/17500 (m2.K/W) c Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống: Nhiệt độ trung bình dòng nhập liệu ống: tF= ½ (tV+ tV) = 57,029 (oC) Tại nhiệt độ thì: •Khối lượng riêng: Khối lượng riêng nước: ρ N = 984,337 (kg/m3) ( Bảng I.2, T9, [1]) Khối lượng riêng ethanol: ρ E = 756,25 (kg/m3) ( Bảng I.2, T9, [1]) Nên: aF − aF 0,35 − 0,35 = + = + ρ ρN ρE 984,337 756,25  ρ = 822,996 (kg/m3) •Độ nhớt: Độ nhớt nước: μN = 0,493.10-3 (N.s/m2) ( Bảng I.101, T91, [1]) Độ nhớt ethanol: μE = 0,624.10-3 (N.s/m2) ( Bảng I.101, T91, [1]) Nên: lgμ = xF.lgμN + (1-xF)lgμE 65 = 0,35.lg0,493.10-3 + (1- 0,35)lg0,624.10-3  μ = 0,575.10-3 (N.s/m2) •Hệ số dẫn nhiệt: Hệ số dẫn nhiệt nước : λN = 0,655 (W/m.K) ( Bảng I.130, T134, [1]) Hệ số dẫn nhiệt ethanol: λE = 0,1624 (W/m.K) ( Bảng I.130, T134, [1]) Áp dụng công thức (I.33, T123, [1]) λ = λ N a F + λ E (1 − a F ) − 0,72.a F (1 − a F ).(λ N − λ E ) = 0,254 (W/m.K) •Nhiệt dung riêng: Nhiệt dung riêng nước: CN = 4180,029 ( J/kg.độ) ( Bảng I.154, T10, [1]) Nhiệt dung riêng ethanol: CE = 2931,377 (J/kg.độ) ( Bảng I.154, T172, [1]) Nên: C = CNaF + CE(1-aF) = 3368,4(J/kg.độ) Áp dụng công thức: PrF = µ F C F 0,575.10 −3.3368,4 = = 7,536 λF 0,254 66 Vận tốc dòng nhập liệu ống vF = GF 2707,4 = = 1,136 (m/s) 3600.ρ F π d tr 3600.822,996 π 0,032 Chuẩn số Reynolds: Re F = v F d tr ρ F 1,136.0,032.882,996 = = 55823,775 >104: chế độ chảy rối, công µF 0,575.10 −3 thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: 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 ReF tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống Tra bảng V.2 – T15 – [2] => chọn εl =1 Prw2: chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu nhiệt độ trung bình vách 520,152 Suy ra: Nu F = Pr 0, 25 w2 Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống: αF = Nu F λ F 520,152.0,254 4128,7065 = = 0, 25 , 25 d tr Prw2 0,032 Prw Nhiệt tải phía dòng nhập liệu: q F = α F (t w − t tbF ) = 4128,7065 (t w − 57,029) (W/m2) , 25 Prw d Xác định hệ số cấp nhiệt ống: • Áp dụng công thức: ( 3.65, T120, [3]) r ρ g.λn α n = 0,725.4 n n µ n (t n − t w1 ).d tr Nhiệt tải phía nước: q N = α N (t sN − t w1 ) • (W/m2) Dùng phép lặp để xác định tw1 tw2: Chọn tw1 = 92,6oC 67 Khi đó: t tb = t w1 + t n = 106,1 oC Các thông số nước ttb = 106,1oC: - Độ nhớt động học: μN = 0,2636.10-3 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt: λN = 0,6835 (W/m.độ) Khối lượng riêng: ρN = 953,28 (kg/m3) Khi đó: r ρ g.λ n α n = 0,725.4 n n = 1661,707 µ n (t n − t w1 ).d tr q N = α N (t sN − t w1 ) = 44866,08 (W/m2) - - Ta có: qN = qt = 44866,08 (W/m2)  tw2 = tw1- qt = 69,526oC 1944,45 Tra tài liệu tham khảo [2] - T12 ta có Prw2 = 2.1 Nu F λ F 520,152.0,254 4128,7065 = = = 3429,724 , 25 , 25 d tr Prw2 0,032 Prw 4128,7065 (t w − 57,029) = 4286,339(W/m2)  q F = α F (t w − t tbF ) = , 25 Prw - αF =  Kiểm tra sai số: ε= q N − qF 100% = 4,47% < 5% ( thõa) qN Vậy: tw1 = 92,6oC tw2 = 69,526oC Khi đó: rn ρ n g.λ n α n = 0,725 = 1661,707 µ n (t n − t w1 ).d tr Nu F λ F 520,152.0,254 4128,7065 - - αF = d tr = Prw2 , 25 0,032 = Prw , 25 = 3429,724 Vậy hệ số truyền nhiệt K= = 710,406 1 (W/m2.oC) + + 1661,707 1944,445 3429,724  Bề mặt truyền nhiệt trung bình: 68 Q 871903795,8 F Ftb = K ∆t = 3600.710,406.58,464 = 5,831 log ,(m2) Suy chiều dài ống truyền nhiệt: L= 5,831 = 53,03 0,038 + 0,032 (m) π Chọn L = 54 m Vậy thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt vỏ ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 54 m , chia thành 27 dãy, dãy dài m L Kiểm tra: d = 0,032 = 62,5 > 50 ε = : thõa tr II TÍNH CHIỀU CAO THÙNG CAO VỊ: Mục đích dùng bơm, bơm chất lỏng lên thùng cao vị để ổn định lưu lượng hỗn hợp đầu vào thân tháp Như chiều cao thùng cao vị phải đảm bảo cho hỗn hợp lỏng đủ thắng trở lực đường đi, đảm bảo lưu lượng theo yêu cầu ban đầu • Ta thiết kế đường ống dẫn hỗn hợp từ thùng cao vị chảy đến nạp liệu có đường kính đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu d = 50 mm = 0,05 m Hỗn hợp đầu nhiệt độ 30oC có khối lượng riêng ρ = 785,146 (kg/m3) • Vậy vận tốc lỏng chảy là: ω= 4.G F 4.2707,4 = = 0,488 (m/s) ρ π d 785,146.π 0,05 2.3600 Công thức tính chiều cao thùng cao vị so với cửa nạp liệu: h= ∆Pd + ∆Pm + ∆Pc + ∆Ptt ρ g Áp suất động lực học: ∆Pd = ρ ω2 Với : + ρ: khối lượng riêng hỗn hợp đầu 30 oC + ω: Vận tốc hỗn hợp đầu ống Suy : ∆Pd = 785,146 0,488 = 93,489 (N/m2) 69 Áp suất khắc phục trở lực ma sát: • Áp suất khắc phục trở lực ma sát dòng chảy ổn định ống thẳng: ∆Pm = λ L ∆Pd d Với : + L: chiều dài ống dẫn, chọn L = 10 m + d: đường kính ống dẫn, d = 0,1 m + λ: hệ số ma sát phụ thuộc vào độ nhẵn thành ống chế độ chất lỏng, phụ thuộc vào Re: Re = ω.d ρ µ Trong đó: + μ: độ nhớt hỗn hợp đầu 30 oC: μ = 2,45.10-3 (N.s/m2) (Hình I.28, T107, [1]) Re =  0,488.0,1.785,146 = 15638,826 > 4000 2,45.10 −3 Suy chế độ chảy rối • Tính Regh ( giới hạn trên) d Re gh = 6( ) (CT II.60, [1]) ε Với : ε: độ nhám tuyệt đối, tra bảng II.15, T381, [1], với điều kiện ống không hàn, chọn ε = 0,06mm Suy ra: Ta có: d Re gh = 6( ) = 28857,859 ε 4000 < Re < Regh Do hệ số ma sát tính theo công thức sau: λ= 1 = = 0,0286 (CT II.61, T378,[1]) (1,8 lg Re − 1,64) (1,8 lg 15638,826 − 1,64) 70 10 93,489 = 267,379 ( N.s/m2) 0,1 Áp suất khắc phục trở lực cục bộ:  ∆Pm = 0,0286 ω2 ∆Pc = ξρ • Trên đường từ thùng cao vị đến nạp liệu, ta bố trí van chắn đơn giản ống tròn có hệ số trở lực cục ξ , tương ứng với độ mở van 0,5 ( 50% ống) ξ = 2,1 ( Tra TLTK, Bảng II.16,T398, [1]) ∆Pc = 2,1.785,146 Vậy: 0,488 = 196,327 (N/m2) Áp suất khắc phục trở lực qua thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu: • Thường chọn ΔPtt = 0,4.10 (N/m )  Vậy chiều cao thùng cao vị so với nạp liệu: h= 93,489 + 267,379 + 196,327 + 0,4.10 = 5,266 m 785,146.9,81 Chọn chiều cao bồn cao vị: 8m III TÍNH TOÁN VÀ CHỌN BƠM: Để vận chuyển hỗn hợp đầu từ bể chứa lên thùng cao vị, ta phải sử dụng bơm thủy lực Trong điều kiện làm việc với yêu cầu kĩ thuật yêu cầu suất để vận chuyển hỗn hợp đầu ta nên chọn bơm ly tâm có ưu điểm sau: Vận chuyển chất lỏng liên tục đặn Có số vòng quay lớn, truyền động trực tiếp từ động điện Có thể bơm chất lỏng bẩn Không có suppape nên tắc hư hỏng Tính suất bơm: • Hỗn hợp đầu có lưu lượng GF = 2707,4 (kg/h), ứng với suất bơm là: • Q= GF ρ 71 Trong đó: + ρ: khối lượng riêng hỗn hợp đầu 30oC, tính theo công thức: aF − aF = + ρ ρN ρE  ρ = 785,146 (kg/m3) Vậy suất bơm là: Q= • 2707,4 = 3,45 (m3/h) = 9,58.10-4 (m3/s) 785,146 Đường kính ống bơm: Tra TLTK ( CT II.36, T369, [1]) d= V 0,785.w w: vận tốc chất lỏng ống 1,5 (m/s) (tra bảng II.2, T370, [1] ), chọn w = Do đó: d= 9,58.10 −4 = 0,0285 m = 28,5 mm 0,785.1,5 Chọn đường kính bơm hợp với tiêu chuẩn d = 38mm Tính áp suất toàn phần bơm: • Áp suất bơm toàn phần tính theo công thức ∆P = ∆Pd + ∆Pm + ∆Pc + ∆PH + ∆Pk Trong đó: + ∆Pd : áp suất động lực + ∆Pm :áp suất để khắc phục lực ma sát dòng chảy ổn định ống thẳng + ∆Pc : áp suất để khắc phục trở lực cục + ∆PH :áp suất để nâng chất lỏng lên cao + ∆Pk : áp suất để bổ sung cần thiết 72 • Tính ∆Pd ∆Pd = ρ Với ω2 ρ = 785,146 kg/m3 ω = 1,5 m/s ∆Pd = 785,146 Suy ra: • 1,5 = 883,289 (N/m2) Tính ∆Pm ∆Pm = λ L ∆Pd d L: chiều dài ống dẫn , chọn L = 10 m d: đường kính ống dẫn tương đương, d = 38 mm λ: hệ số ma sát phụ thuộc vào độ nhám thành ống chế độ chuyển động chất lỏng, phụ thuộc vào Re: Re = ω.d ρ µ Trong đó: + μ: độ nhớt hỗn hợp đầu 30 oC: μ = 2,45.10-3 (N.s/m2) (Hình I.28, T107, [1]) Re =  1,5.0,038.785,146 = 18266,662 > 4000 2,45.10 −3 Suy chế độ chảy rối + Tính Regh ( giới hạn trên) Re gh d = 6( ) (CT II.60, [1]) ε Với : ε: độ nhám tuyệt đối, tra bảng II.15, T381, [1], với điều kiện ống không hàn, chọn ε = 0,06mm Suy ra: d Re gh = 6( ) = 9550,295 ε Nên 4000 < Regh < Re 73 + Tính Ren : d Re n = 220.( ) = 312075,066 ε Regh < Re < Ren Do hệ số ma sát tính theo công thức sau: λ = 0,1.(1,46 d 100 0, 25 + ) = 0,55 (CT II.63, T378,[1]) ε Re ∆Pm = 0,55 10 883,289 = 127844,46 ( N.s/m2) 0,038 Tính tổn thất áp suất trở lực cục bộ: Tra TLTK ( CT II.56, T377, [1]), ta có công thức: ω2 ∆Pc = ξρ k ξ : hệ số trở lực cục hệ thống gồm: ống dài 1m, đoạn ống dài 10 m , khuỷu ghép vuông góc có hệ số trở lực ξ ; van chắn trước ống đẩy có hệ số trở lực ξ ; van chiều có hệ số trở lực ξ ; đầu vào thùng cao vị có hệ số trở lực ξ •Tính ξ : khuỷu ghép vuông góc, theo bảng II.16 No29, T394, chọn tỷ số: a/b = => ξ =0,38 •Tính ξ : Chọn van tiêu chuẩn theo bảng II.16 No37, T397 ta có: Ứng với đường kính ống d = 38 mm, áp dụng nội suy ta có: ξ = 5,21 •Tính ξ Van chiều có đĩa cố định với thông số sau: h: chiều cao mở cửa van b: chiều rộng vành đĩa Chọn h = b Do: đường kính ống dẫn trước van Wo: tốc độ dòng mặt cắt trước van Chọn b/Do = 0,12 Tra TLTK ( bảng No47, No48, T400, [1]), xác định α, β sau: α = 0,63 β = 10,8 74  ξ = α + β = 11,43 •Tính ξ Chọn δ b = 0,05 , = 0,1 d td d td Theo bảng II.16 No8, T384, [1] Suy ra: ξ = 0,5 Vậy tổng trở lực cục hệ thống dẫn: ξ = 17,52  ∆Pc = 2080.558 (N/m2) Tính áp suất để nâng chất lỏng lên cao: Tra TLTK ( CT II.57, T377, [1]) ∆PH = ρgH H: chiều cao chất lỏng cột chất lỏng  ∆PH = 785,146.9,81.9 = 69320,54 (N/m2) •Công suất bơm động điện: Giả sử chiều cao toàn phần bơm tạo H = 20 m Công suất yêu cầu trục bơm tính theo công thức II.189, T439, [1] N= QρgH 1000η η : hiệu suất bơm, chọn η = 0,85 Q = 9,58.10-4 (m3/s) 9,58.10 −4.785,146.9,81.20 (KW) N= = 0,1736 1000.0,85 Công suất động điện: Tra TLTK ( CT II.190, T439, [1]) N dc = N N td N dc Ntd : hiệu suất truyền động, Ntd = 0,95 Ndc: hiệu suất động điện, Ndc = 0,75 N dc = 0,1736 = 0,244 (KW) 0,95.0,75 75 Thông thường chọn động điện có công suất thực tế lớn công suất tính toán Ndctt = β.Ndc β: hệ số dự trữ công suất Theo bảng II.33, T439, [1] Với Ndc = 0,244 < nên ta chọn β = 1,5 Ndctt = 1,5.0,244 = 0,366 (KW) Vậy công suất bơm: N = 0,1736 (KW) Công suất động cơ: Ndctt = 0,366(KW) 76 KẾT LUẬN Sau ba tháng nghiên cứu, em tìm hiểu học tập vấn đề sau: •Thiết kế tháp chưng cất Ethanol – Nước tương đối hoàn chỉnh biết trước suất sản phẩm đỉnh, nồng độ sản phẩm đỉnh, nồng độ hỗn hợp đầu hiệu suất 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 hóa học điều kiện làm việc thiết bị Đặc tính kỹ thuật thiết bị chưng cất thiết kế ứng với thông số cho ban đầu: •Chỉ số hoàn lưu thích hợp: Rx = 1,653 •Số mâm thực tế: 22 mâm •Đường kính tháp chưng cất: 1000mm •Đường kính lỗ mâm: 3mm •Bề dày mâm: 3mm •Số lỗ mâm: 11111 lỗ •Trở lực toàn tháp: 9168,772 (N/m2) •Khoảng cách hai mâm: 350mm •Chiều cao tháp: 9m •Thân – đáy – nắp tháp làm thép X18H10T, có bề dày: 3mm •Bích ghép thân – đáy – nắp làm thép X18H10T, loại bích liền không cổ •Bích ghép ống dẫn làm thép CT3, loại bích liền không cổ •Đường kính ống dẫn vị trí nhập liệu: 50mm •Đường kính ống đỉnh tháp: 100mm •Đường kính ống dẫn dòng hoàn lưu: 70mm •Đường kính ống dẫn vào đáy tháp: 125mm •Đường kính ống dẫn chất lỏng đáy tháp: 50mm Ưu nhược điểm tháp chưng cất mâm xuyên lỗ tóm tắt phần đầu 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất (tập 1) – Nhà xuất khoa học kỹ thuật [2] Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất (tập 2) - Nhà xuất khoa học kỹ thuật [3] Lê Ngọc Trung, Bài giảng trình thiết bị truyền chất – Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng [4] Hồ Lê Viên – Thiết kế tính toán chi tiết thiết bị hóa chất – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 1978 78 MỤC LỤC 79 [...]... phép ở đỉnh tháp và đáy tháp (m) Ntt: số đĩa thực tế là 22 đĩa h: khoảng cách giữa các đĩa: 0,35 m δ : chiều dày của đĩa Chọn δ =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 ≈ 9 m 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... cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu và đun bốc hơi ở đáy tháp •Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nhiên liệu rẻ tiền, phổ biến trong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ •Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện Qy H2O H2O QR H2O QF Qxq2 QD1 Qxq1 H2O QD2 Qf Qng1 QP QW Qng2 Các kí hiệu: •QD1: nhiệt độ do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng, J/h •Qf: nhiệt lượng do hỗn hợp. .. diện tích mâm • Khoảng cách hai tâm lỗ bằng 9(mm) lỗ bố trí theo tam giác đều • 31 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: • 2 2 10%.S mâm D  1   = 11111 (lỗ) N= = 10%.  = 0,1. Sl  0,003   dl  IV TÍNH TRỞ LỰC CỦA THÁP: Trở lực của tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền được xác định... = 30oC ( ở nhiệt độ dụng cụ chứa trong phòng ) o • tF: Nhiệt độ điểm sôi của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng C, 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) • f Suy ra, lượng nhiệt hơi nước bão hòa cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu là: D1 = QF + Qng1 + Q xq1 − Q f r1 = Q F −Q f 0.95r1 18 D1 = G F (t... (kg/m.s) Đường kính đoạn chưng: D = 0,0188 g tb 1587,46 = 0,0188 = 0,813 (m) ( ρ y ω y ) tb 0,848 Vậy chọn đường kính đoạn chưng là 0,9m Vậy với h= 0,35 thì đường kính đoạn chưng DC = 0,9(m) thuộc 0,6 ÷ 1,2 (m) Kết luận: Do đường kính của đoạn chưng và đoạn luyện của tháp chênh lệch 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... hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng η tb =f(α,μ) Trong đó: + α: độ bay hơi tương đối của hỗn hợp lỏng 14 + μ: độ nhớt của hỗn hợp lỏng Trong chưng luyện người ta tính độ bay hơi tương đối như sau: y* 1 − x α= 1 − y* x Trong đó: của pha lỏng (CT:IX.61,T171,[2]) x,y*: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi 2 Tính α,μ tại 3 vị trí: đĩa nạp liệu, đỉnh, đáy tháp: Tại đĩa nạp... - ξ : Hệ số trở lực (đối với đĩa có tiết diện tự do của lỗ bằng 10% diện tích chung thì ξ = 1,82 ) a) Phần luyện: •Vận tốc hơi qua lỗ ở phần luyện là: ω 'L = ω L 0,959 = = 9,59 (m/s) 10% 0,1 Vậy trở lực của đĩa khô ở phần luyện là: 1,204.9,59 2 ∆PkL = 1,82 = 100,764 (N/m2) 2 b) Phần chưng: •Vận tốc hơi qua lỗ ở phần chưng là: ω 'C = ωC 0,848 = = 8,48 (m/s) 10% 0,1 Vậy trở lực đĩa khô ở phần chưng là:... hồi lưu mang vào, J/h 17 •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])... 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) 3 • ρytb: Khối lượng riêng trung bình của pha hơi, (kg/m ) • 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 trung... 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 g n=g1=1891,34(kg/h) ’ Gọi G’1 là lượng lỏng, hàm lượng x 1 trong đoạn chưng được xác định bằng hệ phương trình sau: G '1 = g '1 + GW  ' ' ' ' G 1 x 1 = g 1 y 1 + GW xW (CT:IX,98,99,100,T182,[2])  ' ' ' '  g 1 r 1 = g n r n = g1 r1 Trong đó: 28 y’1: lượng hơi ethanol ... 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 Ethanol – Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục. .. - Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O - Tác dụng với Triclo Phospho: CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl - Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 Al2O3 C2H5-NH2 + H2O 2CH3-CH2-OH... Rượu ethanol có tính base tương đương nước Khi rượu tác dụng với acid vô H2SO4, HNO3 acid hữu tạo ester CH3-CH2-OH + HO-SO3-H Lạnh CH3-CH2O-SO3-H + H2O + CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 H CH3-COO-C2H5