Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước

Trong bối cảnh xăng dầu tăng giá thì việc tìm một nguồn nguyên liệu rẻ tiền để thay thế là một việc làm cấp thiết. Ở Việt Nam có thể áp dụng việc sản xuất ethanol thông qua quá trình lên men rơm rạ và nâng cao nồng độ bằng quá trình chưng cất. Như để góp thêm một giải pháp kỹ thuật, đồ án này sẽ tập trung vào việc tính toán và thiết kế tháp chưng cất sao cho hiệu quả và kinh tế nhất. Nhiệm vụ của đồ án chưng cất hệ ethanol – nước là thiết kế một tháp đệm có năng suất nhập liệu GF = 4100 kgh để cất từ 41% lên 91,5% và sản phẩm đáy là 0,5%. Nhập liệu vào sẽ tận dụng nhiệt đáy tháp sau đó cấp vào tháp. Qua môn học Đồ án QTTB này sinh viên sẽ có cơ hội hệ thống hoá và phối hợp kiến thức từ các môn truyền nhiệt, cơ học, truyền khối và thiết kế máy hoá chất. Ngoài ra môn học này là chặng cuối trong việc đánh giá tính cách “kỹ sư” của sinh viên năm 4 qua 3 khía cạnh: phân tích vấn đề, tìm giải pháp kỹ thuật và bảo vệ ý kiến của mình trước hội đồng phản biện.

1.1 Định nghĩa 2

1.2 Các phương pháp chưng 2

1.3 Thiết bị chưng cất 2

II GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU 3

2.1 Etanol (rượu etylic) C2H5OH 3

2.2 Nước 4

2.3 Giản đồ T-xy 4

III QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ 5

3.1 Sơ đồ qui trình 5

3.2 Thuyết minh qui trình 5

IV CÂN BẰNG VẬT CHẤT 5

4.1 Xác định phương trình đường nhập liệu 7

1.1 Xác định chỉ số hồi lưu R thích hợp 8

1.2 Tính đường kính đoạn cất 11

1.2.1 Tính ωyTB 11

1.2.2 Tính Gy = gTB 15

1.2.3 Tính Gx 16

1.3 Tính chiều cao đoạn cất 16

1.4 Tính đường kính đoạn chưng 17

1.4.1 Tính ω’yTB 18

1.4.2 Tính G’y = g’TB 21

1.4.3 Tính G’x 23

1.5 Tính chiều cao đoạn chưng 23

1.6 Trở lực của tháp đệm 24

1.6.1 Trở lực ở phần cất 24

1.6.2 Trở lực ở phần chưng 25

II TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 25

2.1 Thân thiết bị 25

2.1.1 Các thông số cơ bản 26

2.1.2 Tính bề dày của thân hình trụ 27

2.3 Lưới đỡ đệm 28

2.4 Mặt bích 29

2.5 Đường kính và bích ghép các ống dẫn 30

2.5.1 Ống dẫn hơi ở đỉnh tháp 30

2.5.2 Ống hoàn lưu 31

2.5.3 Ống nhập liệu 32

2.5.4 Ống dẫn hơi vào đáy tháp 33

2.5.5 Ống dẫn hỗn hợp ra khỏi đáy tháp 34

2.6 Tính chân đỡ 35

2.7 Tính lớp cách nhiệt 36

III TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 36

3.1 Cân bằng năng lượng ở tháp – Tính thiết bị đun sôi đáy tháp 36

3.2 Cân bằng năng lượng ở thiết bị ngưng tụ 40

3.3 Cân bằng năng lượng ở thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 44

3.4 Cân bằng năng lượng ở thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 47

3.5 Bồn cao vị 52

3.5.1 Tổn thất đường ống dẫn 52

3.5.2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 53

3.5.3 Chiều cao bồn cao vị 54

3.6 Bơm 55

3.6.1 Năng suất bơm 55

3.6.2 Cột áp 55

3.6.3 Công suất bơm 56

IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

LỜI MỞ ĐẦU

Trong bối cảnh xăng dầu tăng giá thì việc tìm một nguồn nguyên liệu rẻ tiền để thay thế làmột việc làm cấp thiết Ở Việt Nam có thể áp dụng việc sản xuất ethanol thông qua quá trìnhlên men rơm rạ và nâng cao nồng độ bằng quá trình chưng cất Như để góp thêm một giảipháp kỹ thuật, đồ án này sẽ tập trung vào việc tính toán và thiết kế tháp chưng cất sao chohiệu quả và kinh tế nhất

Nhiệm vụ của đồ án chưng cất hệ ethanol – nước là thiết kế một tháp đệm có năng suất nhậpliệu GF = 4100 kg/h để cất từ 41% lên 91,5% và sản phẩm đáy là 0,5% Nhập liệu vào sẽ tậndụng nhiệt đáy tháp sau đó cấp vào tháp

Qua môn học Đồ án QTTB này sinh viên sẽ có cơ hội hệ thống hoá và phối hợp kiến thức từcác môn truyền nhiệt, cơ học, truyền khối và thiết kế máy hoá chất Ngoài ra môn học này làchặng cuối trong việc đánh giá tính cách “kỹ sư” của sinh viên năm 4 qua 3 khía cạnh: phântích vấn đề, tìm giải pháp kỹ thuật và bảo vệ ý kiến của mình trước hội đồng phản biện

I GIỚI THIỆU VỀ CHƯNG CẤT

I.1 Định nghĩa

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau) Trong trường hợp đơn giản nhất thì chưng và cô đặc hầu như không khác nhau, tuy nhiên giữa chúng có ranh giới căn bản như sau:

 Trong chưng thì dung môi và chất tan đều bay hơi

 Trong cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

 Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường chưng bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm

Đối với trường hợp hai cấu tử, ta có :

o Sản phẩm đỉnh: gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé

o Sản phẩm đáy: gồm các cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn

I.2 Các phương pháp chưng

Các phương pháp chưng thường gặp là:

 Chưng ở áp suất thấp: dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và các hỗnhợp có nhiệt độ sôi quá cao

 Chưng ở áp suất cao: dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường

 Chưng chân không: dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử

 Chưng đơn giản: dùng để tách hỗn hợp gồm có các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

 Chưng bằng hơi nước trực tiếp: dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi

và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước

 Chưng cất: là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử

dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau

I.3 Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu chung cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào 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 nhất thường được

sử dụng trong công nghiệp hóa lọc dầu Kích thước, đường kính và chiều cao tháp của tháp tùy thuộc suất lượng pha lỏng, pha hơi đi trong tháp và độ tinh khiết của sản phẩm Trong

công nghiệp hóa chất nói chung người ta thường sử dụng hai loại tháp chưng cất là tháp mâm

và tháp đệm (tháp chêm)

 Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía trong gắn các mâm có cấu tạo khác

nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau; pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau trên bề mặt mâm và tại đây xảy ra quá trình truyền khối, có hai loại là tháp mâm chóp và tháp mâm xuyên lỗ

o Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí các chóp dạng tròn, chữ S,…

o Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính từ 3 – 12mm

 Tháp đệm: thân hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật

đệm được cho vào tháp một cách ngẫu nhiên hay được xếp một cách thứ tự; vật đệm

có cấu tạo đa dạng như: đệm vòng rasiga, đệm hình yên ngựa, đệm vòng sứ,…

Dưới đây là bảng so sánh ưu và nhược điểm của từng loại tháp:

Ưu điểm Cấu tạo đơn giản.Trở lực thấp

Làm việc được với chất lỏng bẩn

Hiệu suất khá cao

Hoạt động khá ổn định Hiệu suất cao.

Tuy nhiên đồ án thiết kế tháp đệm chưng cất hệ etanol – nước là muốn hướng đến thiết kế đơn giản và làm việc được với chất lỏng bẩn, có thể dung dịch nhập liệu được lấy từ xưởng lên men rượu chuyển qua mà không cần qua tinh chế loại cặn bẩn Trong quá trình tính toán và thiết kế hệ thống, ta sẽ tính toán sao cho hiệu suất truyền khối đạt cao nhất có thể(tính chiều cao thiết bị chính xác) và giảm được hiệu ứng thành xuống thấp nhất

II.1 Etanol (rượu etylic) C 2 H 5 OH

+ Trong công nghiệp, rượu etylic là nguồn nguyên liệu rẻ tiền để điều chế etylacetat làm

dung môi, acid acetic, điều chế butadien để tổng hợp cao su

 Điều chế

+ Trong phòng thí nghiệm, rượu etylic được điều chế từ etylen tác dụng với nước có mặt xúctác acid H2SO4, H3PO4:

CH2=CH2 + H2O  C2H5OH+ Trong công nghiệp, rượu etylic được điều chế từ tinh bột và từ cellulose Lên men tinh bột qua nhiều giai đoạn sẽ nhận được rượu, tổng quát sẽ theo phương trình:

III QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

III.1 Sơ đồ qui trình

Bản vẽ qui trình công nghệ khổ A1 đi kèm với đồ án

III.2 Thuyết minh qui trình

Nguyên liệu có tf = 300C sẽ được hút từ bồn chứa nguyên liệu lên bồn cao vị Sau đó từ bồn cao vị dòng nguyên liệu sẽ chảy qua hệ thống ống lồng ống và trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm đáy để đạt nhiệt độ khoảng 650C

Nguyên liệu sau khi trao đổi nhiệt được cấp vào tháp và chưng từ 41% lên 91,5% Dòng hơi sản phẩm đỉnh đi qua thiết bị ngưng tụ và được ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng Dòng lỏng này sẽ tách ra một phần quay về hồi lưu với chỉ số R = 1,8 và phần còn lại sẽ được làm nguội xuống 350C rồi đưa về bồn chứa sản phẩm đỉnh

aF nồng độ nhập liệu, % khối lượng 0,41

aD nồng độ sản phẩm đỉnh, % khối lượng 0,91

5

aW nồng độ sản phẩm đáy, % khối lượng 0,00

5M

R

phân tử lượng của rượu etylic, đvC 46

M

N

phân tử lượng của nước, đvC 18

GF suất lượng khối lượng nhập liệu, kg/h 4100

GD suất lượng khối lượng sản phẩm đỉnh,

F suất lượng mol nhập liệu, kmol/h

D suất lượng mol sản phẩm đỉnh, kmol/h

W suất lượng mol sản phẩm đáy, kmol/h

Tương tự, ta được MtbD = 40,628 kg/kmol; MtbW = 18,055 kg/kmol

 Xác định phân tử lượng trung bình pha hơi M tbyF , M tbyD , M tbyW

Tính ra suất lượng khối lượng thì GW = 2274,42 kg/h; GD = 1826,63 kg/h

 Tính nồng độ phần mol hơi cân bằng y F , y D , y W

Từ giản đồ T-xy, ứng với phần mol của rượu trong pha lỏng xF, xD, xW thì ta tra được phần mol của rượu trong pha hơi bão hoà ở cùng nhiệt độ đó Như vậy, ta có các giá trị yF = 0,537; yD = 0,824; yW = 0,0133

 Tính nồng độ phần khối lượng pha hơi a yF , a yD , a yW

Để tìm nhiệt độ sôi ứng với trạng thái lỏng – hơi bão hoà thì dựa vào giản đồ T-xy, dùng phương pháp nội suy, ứng với xF, xD, xW thì ta tính được tsF = 830C, tsD = 78,580C và tsW = 99,620C.

Như vậy, đến đây ta có một bảng số liệu tổng kết các thông số ban đầu của tháp đệm chưng cất hệ etanol – nước như sau:

Suất lượng khối lượng G (kg/h) 4100 1826,63 2274,42

Phân tử lượng trung bình pha lỏng Mtb (kg/kmol) 23,986 40,628 18,055

Phân tử lượng trung bình pha hơi Mtby (kg/kmol) 33,036 41,072 18,372

 Cân bằng năng lượng ở thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu

Vì đề bài yêu cầu tận dụng nhiệt ở đáy tháp để gia nhiệt dòng nhập liệu có nhiệt độ tf = 300C

là nhiệt độ môi trường nên ta phải tính cân bằng nhiệt lượng để tìm tF là nhiệt độ nhập liệu vào tháp

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu được xác định theo công thức

IX.149/196 Sổ tay QTTB II:

Q = QW + Qf = QF + Qng + Qxq

Trong đó:

o QW = GW.CW.tW = 959628000 J/h là nhiệt do dòng sản phẩm đáy mang vào Với GW =

2274 kg/h, CW = 4220 J/kg.K là nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm đáy ở tW =

1000C (xem như nước)

o Qf = GF.Cf.tf = 485112000 J/h là nhiệt do dòng nhập liệu trước khi được gia nhiệt mang vào thiết bị Với GF = 4100 kg/h, Cf = 3944 J/kg.K là nhiệt dung riêng trung bình của dòng nhập liệu ở tf = 300C

o QF = GF.CF.tF = 4100.CF.tF là nhiệt do dòng nhập liệu mang ra sau khi ra khỏi thiết bị Với GF = 4100 kg/h, CF là nhiệt dung riêng trung bình của dòng nhập liệu ở tF sau khi trao đổi nhiệt

o Qng = GW.Cw.tw = 332527020 J/h là nhiệt do nước ngưng mang ra Với GW = 2274 kg/h, Cw = 4178 J/kg.K là nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nhiệt độ tw = 350C

o Qxq = 5%.QW là nhiệt mất ra môi trường xung quanh của dòng sản phẩm đáy mang vào

Giải hệ ra tìm CF.tF ta được: 1444740000 = 380508420 + 4100.CF.tF  CF.tF = 259569

Tìm nghiệm bằng cách cho tF trước, sau đó tìm CR và CN ở nhiệt độ tF, suy ra CF = CR.xF + (1 – xF).CN Tính lặp sao cho giá trị CF.tF tìm được chênh lệch không quá 5% so với giá trị ban đầu Kết quả: ứng với tF = 650C thì CF = 3960 J/kg.K và CF.tF = 257400 ~ 259569

Vậy lượng nhiệt trao đổi là: Q = 1444740000/3600 = 401316 W

IV.1 Xác định phương trình đường nhập liệu

Phương trình đường nhập liệu được xác định theo công thức 7.68/196 QTTB Truyền khối

y= q

q−1 x−

x F q−1

Trong đó: q là tỉ số giữa nhiệt cần thiết để biến đổi 1 mol nhập liệu từ trạng thái ban đầu thành ra hơi bão hoà với ẩn nhiệt bốc hơi mol là HG – HL Do ta nhập liệu dưới điểm sôi nên giá trị q sẽ lớn hơn 1

độ phần mol ở ngay đĩa nhập liệu

 Tìm H G , H F , H L

HF = CF.tF.MtbF

HL = CLF.tsF.MtbF

HG = (CGF.tsF + yFrR + (1-yF).rN).MtbF

Trong đó: CF, CLF, CGF là nhiệt dung riêng trung bình của dòng nhập liệu, dòng lỏng

và dòng hơi ngay tại vị trí đĩa nhập liệu, J/kg.K; rR, rN là ẩn nhiệt hoá hơi của rượu và nước ở nhiệt độ sôi tsF, J/kg

o Xác định CF, CLF

Tra hình I.52/166 Sổ tay QTTB I, ở tF = 650C, ta có CR = 3140 J/kg.K và CN =

4183 J/kg.KVậy ta tìm được

CF = CLF = CR.xF + (1-xF).CN = 3140.0,214 + (1 – 0,214).4183 = 3960 J/kg.K

o Xác định CGF

Tra hình I.52/166 Sổ tay QTTB I, ở tF = 650C, ta có CR = 3140 J/kg.K và CN =

4183 J/kg.KVậy ta tìm được

CGF = CR.yF + (1-yF).CN = 3140 0,537 + (1 – 0,537).4183 = 3623 J/kg.K

o Xác định rR, rN

Tra bảng I.212/254 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy

rR ở 600C 879

Vậy rR ở 650C = 870 kJ/kgTra hình I.212/254 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy

Từ đó tìm được phương trình nhập liệu:

y= q

q−1 x−

x F q−1=

1, 0459

1, 0459−1 x−

0, 214

1, 0459−1=22, 78 x−4 , 66

I.1 Xác định chỉ số hồi lưu R thích hợp

Do đường cân bằng có điểm uốn, nên trong đồ thì x – y thì ta sẽ xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin như sau: từ điểm xD = yD trên đường làm việc, ta kẻ một đường thẳng là tiếp tuyến với điểm uốn trên đường cân bằng, kéo dài đường thẳng này cắt trục tung tại một điểm có tung độ là 0,38

Vậy, sau khi đo xong ta được:

x D

Rmin+1=0 , 38⇒ Rmin=1 , 1267Theo công thức IX.25a/158 giá trị chỉ số hồi lưu R = (1,2 ÷ 2,5).Rmin

Để tìm chỉ số hồi lưu thích hợp R này ta sẽ lập đồ thị quan hệ giữa số đĩa lý thuyết và chỉ số hồi lưu nhằm tìm ra giá trị R mà tại đó tháp có thể tích làm việc nhỏ nhất, cách xác định theo phần 2.4.2.3/82 QTTB Truyền khối BKHN

Để tìm được số đĩa lý thuyết Nlt trên đồ thị x-y ứng với từng giá trị R thì ta cần xác định phương trình đoạn cất, phương trình đoạn chưng

Phương trình đoạn cất: y=

R R+1 x+

x D R+1

Phương trình đoạn chưng: y= R+f

R+1 x+

1−f

R+1 xW

N lt R 32,449 28,393 28,843 29,407 29,294 30,984 32,449Với giá trị R = 1,8 ta thấy giá trị Nlt.R là nhỏ nhất, do đó R = 1,8 là chỉ số hồi lưu thích hợp

cần tìm

 Phương trình nhập liệu: y = 22,78.x – 4,66

 Phương trình đoạn cất: y = 0,6432.x + 0,2883

 Phương trình đoạn chưng: y = 2,0011.x – 0,002

 Số đĩa lý thuyết đoạn chưng: 10,75 đĩa

 Số đĩa lý thuyết đoạn luyện: 5,25 đĩa

 Tổng số đĩa lý thuyết: 16 đĩa

Hình 1 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp theo thể tích tháp nhỏ nhất

Hình 2 Xác định số đĩa lý thuyết ở trường hợp R = 1,8

I.2 Tính đường kính đoạn cất

Chọn chế độ làm việc của tháp ở trạng thái bắt đầu nhũ tương (dưới điểm lụt)

Theo bảng IX.8/193 Sổ tay QTTB II: vòng đệm Rasiga, có thông số: kích thước đệm (mm) 25x25x3,0; bề mặt riêng đ (m2/m3) 195; thể tích tự do Vđ (m3/m3) 0,75; số đệm trong 1m346.103; khối lượng riêng xốp ρđ (kg/m3) 600

Theo công thức IX.90/181 Sổ tay QTTB II thì đường kính của phần cất là

D=0 , 0188⋅√ g TB

(ρ y ω y)TB

Trong đó: D là đường kính, m; gTB = Gy là lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h; ρyTB là khối lượng riêng trung bình pha hơi ở nhiệt độ làm việc, kg/m3; ωyTB là vận tốc hơi đi trong tháp, m/s (ωy = 0,85.ωs)

Trong đó: ωs là tốc độ sặc, tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương, m/s; µx là độ nhớt của hỗn hợp lỏng

ở nhiệt độ làm việc, kg/m.s(N.s/m2); dtd là đường kính tương đương của vật chêm, m; Gy, Gx

là lưu lượng hơi và lưu lượng lỏng, kg/s; g là gia tốc trọng trường, 9,81 m/s2; ρxTB là khối lượng riêng trung bình pha lỏng ở nhiệt độ làm việc, kg/m3; C = -0,125 trong trường hợp chưng cất

 Nhiệt độ làm việc là nhiệt độ trung bình ở đoạn cất t tb=

Trong đó: yR, yN là phần thể tích của rượu, nước trong pha lỏng

Do xét trong pha lỏng ở đoạn cất, nên khi xét 1 mol hỗn hợp, ta có phần mol trung bình là xtb = 0,511

Độ nhớt của rượu ở pha lỏng, được tính như sau:

Tra bảng I.101/91 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy

Độ nhớt của nước ở pha lỏng, được tính như sau:

Tra hình I.102/94 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy

µN ở 800C 3,57E-04

Vậy µN ở 80,7870C = 3,5.10-4 N.s/m2Vậy:

Xét trong 1mol hỗn hợp khí, thì ytb = 0,617 chính là số mol rượu, và mR = VR

Độ nhớt của rượu ở pha hơi, được tính như sau:

Tra hình I.35/117 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy

Vậy µR ở 80,7870C = 1,10157.10-5 N.s/m2

Độ nhớt của nước ở pha hơi, được tính như sau:

Tra hình I.35/117 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy

Trong đó: ρxR, ρxN là khối lượng riêng trung bình pha lỏng của rượu và nước ở nhiệt

độ trung bình của đoạn cất, kg/m3; atb là phần khối lượng của rượu trong pha lỏng

a tb=a F+a D

0 , 41+0 , 915

2 =0 ,6625Tra bảng I.2/9 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy

o Tính ρyR

Ta xem trạng thái hơi của rượu trong đoạn cất như là khí lý tưởng, theo công thức 1.13/18 QTTB Cơ học 1, ta có khối lượng riêng chất khí được tính như sau:

ρ yR=M R 273 P

22 , 4 T P o

Trong đó: MR = 46 đvC; Po là áp suất ở điều kiện tiêu chuẩn (1 at); T, P là nhiệt độ và áp suất chất khí Ở đây tháp chưng cất trong điều kiện áp suất khí quyển, P = Po = 1 at Do đó, ta tính được:

1,82,8=0 , 643Như vậy, ωs được tính như sau:

đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất, kg/h hay kmol/h

 Tính gd (IX.92/181 Sổ tay QTTB II)

Trong đó: g1 là lượng hơi đi vào đoạn luyện, kg/h hay kmol/h; y1 là phần khối lượng

hơi rượu ở ngay đĩa 1 của đoạn cất; G1 là lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn

luyện, kg/h hay kmol/h; x1 = aF = 0,41; xD = aD = 0,915; rl là ẩn nhiệt hoá hơi đi vào đĩa thứ nhất, kcal/kg; rd là ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp, kcal/kg.

o Xác định r1 ở tsF = 830C (đĩa thứ nhất đoạn cất là nơi bắt đầu nhập liệu)

Vậy rR ở 78,5840C = 202,5664 kcal/kg Tra hình I.212/254 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy

kg/m.s kg/m.sVậy, đường kính của đoạn cất là:

D=0,0188⋅√ g TB

(ρ y ω y)TB=0,0188 √4394 ,39 1,215 1,328=0,98 m

I.3 Tính chiều cao đoạn cất

Theo công thức IX.50/168 Sổ tay QTTB II và công thức 1.51/19 BT Truyền khối, chiều cao của phần chêm ứng với đoạn cất được tính như sau:

H1 = Nlt.htd

Trong đó: H1 là chiều cao phần chêm, m; Nlt là số đĩa lý thuyết tương ứng ở phần chêm, nhìn trên đồ thị ta có 10,75 đĩa; htd là chiều cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ, m.Theo công thức 2.24/45 BT Truyền khối, ta tính được htd như sau:

Và:

G x(kmol /h)

G y(kmol /h )=

R R+1=

1,82,8=0 , 643

Trong đó: m là hệ số phân bố, được xác định bằng cách lấy giá trị trung bình tg góc nghiêng của đường cân bằng với mặt phẳng ngang, ứng với đoạn ở phần cất

⇒h td=0,633 m

Như vậy, chiều cao đoạn cất là:

H1 = 0,633.10,75 = 6,8m

Để tránh hiệu ứng thành, thì ta chia đoạn cất này ra thành những tầng chêm có độ dài khoảng

3 đến 4 lần đường kính Nghĩa là cứ 3,4m sẽ là một lớp đệm và ngăn cách bởi những đĩa phânphối lại chất lỏng Do đó, trong suốt 6,8m chiều cao thì có 2 đĩa phân phối lại chất lỏng

I.4 Tính đường kính đoạn chưng

Theo công thức IX.90/181 Sổ tay QTTB II thì đường kính của phần chưng là

D'=0 ,0188⋅√ g ' TB

(ρ' y ω' y)TB

Trong đó: D’ là đường kính, m; g’TB = G’y là lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h; ρ’yTB làkhối lượng riêng trung bình pha hơi ở nhiệt độ làm việc, kg/m3; ω’yTB là vận tốc hơi đi trong tháp, m/s (ωy = 0,85.ωs)

Trong đó: ω’s là tốc độ sặc, tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương, m/s; µ’x là độ nhớt của hỗn hợp lỏng ở nhiệt độ làm việc, kg/m.s(N.s/m2); dtd là đường kính tương đương của vật chêm, m; G’y, G’x là lưu lượng hơi và lưu lượng lỏng, kg/s; g là gia tốc trọng trường, 9,81 m/s2; ρ’xTB là khối lượng riêng trung bình pha lỏng ở nhiệt độ làm việc, kg/m3; C = -0,125 trong trường hợpchưng cất

 Nhiệt độ làm việc là nhiệt độ trung bình ở đoạn chưng

Trong đó: yR, yN là phần thể tích của rượu, nước trong pha lỏng.

Do xét trong pha lỏng ở đoạn chưng, nên khi xét 1 mol hỗn hợp, ta có phần mol trung bình là xtb = 0,108

Độ nhớt của rượu ở pha lỏng, được tính như sau:

Tra bảng I.101/91 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy

Độ nhớt của nước ở pha lỏng, được tính như sau:

Tra hình I.102/94 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy

Vậy µN ở 91,30C = 3,12.10-4 N.s/m2Vậy:

3 , 12 10−4⇒μ ' x=0 , 327 10−3N s/m2

 Xác định µ’ y

Dựa vào công thức 1.8/17 QTTB Cơ học 1, độ nhớt của hỗn hợp khí được tính như sau:

áp suất, chưng cất ở 1 at; T là nhiệt độ, K.

Xét trong 1mol hỗn hợp khí, thì ytb = 0,214 chính là số mol rượu, và mR = VR

Độ nhớt của rượu ở pha hơi, được tính như sau:

Tra hình I.35/117 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy

Vậy µR ở 91,30C = 1,265.10-5 N.s/m2 (Pa.S)

Độ nhớt của nước ở pha hơi, được tính như sau:

Tra hình I.35/117 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy

Trong đó: ρxR, ρxN là khối lượng riêng trung bình pha lỏng của rượu và nước ở nhiệt

độ trung bình của đoạn chưng, kg/m3; a’tb là phần khối lượng của rượu trong pha lỏng

a ' tb=a F+a W

0 , 41+0 , 005

2 =0 , 2075Tra bảng I.2/9 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy

o Tính ρyR

Ta xem trạng thái hơi của rượu trong đoạn chưng như là khí lý tưởng, theo công thức 1.13/18 QTTB Cơ học 1, ta có khối lượng riêng chất khí được tính như sau:

ρ yR=M R 273 P

22 , 4 T P o

Trong đó: MR = 46 đvC; Po là áp suất ở điều kiện tiêu chuẩn (1 at); T, P là nhiệt độ và áp suất chất khí Ở đây tháp chưng cất trong điều kiện áp suất khí quyển, P = Po = 1 at Do đó, ta tính được:

Tuy nhiên tỉ số trên chỉ dùng trong trường hợp nhập liệu lỏng sôi, ở đây ta nhập liệu lỏng chưa sôi nên phải tính cụ thể G’x và G’y và lập tỉ số

I.4.2 Tính G’ y = g’ TB

Theo công thức IX.96/182 Sổ tay QTTB II, lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng g’TB là:

G' y=g ' TB=g ' n+g '1

2Trong đó: g’n là lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng để vào đoạn luyện (ở mâm cuối của đoạn chưng, sát dưới mâm nhập liệu), kg/h hay kmol/h; g’1 là lượng hơi đi vào đoạn chưng (trong quy trình công nghệ, ta chọn việc sục khí vào đáy tháp nên lượng hơi này sẽ là cơ sở để tính cần bao nhiêu hơi để sục vào), kg/h hay kmol/h

Trong đó: G’1 là lượng lỏng đi xuống đĩa dưới cùng đoạn chưng, kg/h hay kmol/h; GW

là suất lượng sản phẩm đáy, kg/h; x’1 là phần khối lượng pha lỏng của rượu ở đĩa dướicùng đoạn chưng; y’1 = yW = 0,033 là phần khối lượng pha hơi ở đĩa dưới cùng của đoạn chưng; xw = 0,005 là phần khối lượng pha lỏng ở đoạn chưng; y’n = y1 = 0,664

là phần khối lượng pha hơi ở đĩa trên cùng của đoạn chưng hay đĩa đầu tiên của đoạn cất, đã được giải ra ở trên; r’l là ẩn nhiệt hoá hơi của lượng hơi đi vào đĩa thứ nhất củađoạn chưng, kcal/kg; r’n là ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng, kcal/kg

o Xác định r’1 ở tsW = 99,620C

r '1=y'1.r R+(1−y'1).rN

Tra bảng I.212/254 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.

Vậy rR ở 99,620C = 194,152 kcal/kg Tra hình I.212/254 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy

kg/m.s kg/m.sVậy tốc độ sặc của hơi đi trong đoạn chưng là:

I.5 Tính chiều cao đoạn chưng

Theo công thức IX.50/168 Sổ tay QTTB II và công thức 1.51/19 BT Truyền khối, chiều cao

của phần chêm ứng với đoạn chưng được tính như sau:

Trong đó: m’ là hệ số phân bố, được xác định bằng cách lấy giá trị trung bình tg góc nghiêng của được cân bằng với mặt phẳng ngang, ứng với đoạn ở phần chưng

Vậy xác định htd như sau:

 Chiều cao của tháp: Hth = H1 + H2 + (0,8÷1) = 6,8 + 1,26 + 1 = 9,06m

 Chọn đường kính tháp chuẩn là Dth = 1m Khi đó tra bảng IX.22/230 Sổ tay QTTB II,

ta chọn đĩa phân phối loại 1 và các thông số tương ứng như sau:

là lưu lượng của lỏng và hơi, kg/s

Ta có Rey = 1003,94 > 400 nên tổn thấp áp suất khi đệm khô được tính theo công thức

IX.121/189 Sổ tay QTTB II, với H là chiều cao lớp đệm ở phần cất

là lưu lượng của lỏng và hơi, kg/s.

Ta có Rey = 646,46 > 400 nên tổn thấp áp suất khi đệm khô được tính theo công thức

IX.121/189 Sổ tay QTTB II, với H là chiều cao lớp đệm ở phần chưng

II.1 Thân thiết bị

Tháp hoạt động ở áp suất thường 1 at nên ta sẽ thiết kế tháp theo các chỉ tiêu sau:

 Theo bảng XII.46/349 Sổ tay QTTB II, chọn thép không gỉ X18H10T làm vật liệu chếtạo tháp chưng etanol-nước ở bất kì nồng độ và nhiệt độ nào

 Thân tháp được chế tạo bằng cách cuốn các tấm thép với kích thước đã được tính sẵn sau đó hàn ghép mối 2 phía (phương pháp hàn hồ quang điện), theo bảng XIII.8/362

Sổ tay QTTB II có hệ số bền mối hàn φh = 0,95 đối với trường hợp Dth > 700mm và thép không gỉ

 Thân tháp phần cất và phần chưng, thân tháp và đáy (nắp) được ghép với nhau bằng mối ghép bích liền, không cổ

 Tháp hoạt động ở nhiệt độ cao, khoảng 800C nên ta phải bọc cách nhiệt cho tháp

II.1.1 Các thông số cơ bản

 Xác định nhiệt độ tính toán t

Đối với thiết bị bọc lớp cách nhiệt thì nhiệt độ tính toán bằng nhiệt độ ở bề mặt lớp cách nhiệt cộng thêm 200C Nhiệt độ ở bề mặt lớp cách nhiệt ta sẽ lấy là nhiệt độ lớn nhất trong quá trình làm việc của tháp, ở phần chưng có tsW = tmax = 99,62 ~ 1000C.Vậy t = tmax + 20 = 100 + 20 = 1200C.

 Xác định áp suất tính toán P

Do tháp hoạt động ở điều kiện áp suất khí quyển 1 at = 101325 N/m2, ta tính áp suất tính toán ở vị trí sát đáy tháp Tuy nhiên, khi tính trở lực tháp thì ta đã tính trở lực trong điều kiện ở 1 at rồi, nên trong công thức tính áp suất tính toán ta sẽ không cộng

 Hệ số bổ sung bề dày tính toán C

Khi tính kiểm tra độ bền các chi tiết hoặc các bộ phận của thiết bị cần phải chú ý đến tác dụng hoá học và cơ học của môi trường lên vật liệu chế tạo thiết bị Do đó cần bổ sung cho bề dày tính toán của các chi tiết và bộ phận đó một đại lượng C

C = Ca + Cb + Cc = 1 + 0 + 0,8 = 1,8mm

Với Ca là hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học của môi trường, ta chọn là 1mm vì vật liệubền, tốc độ ăn mòn do rượu gây ra trong khoảng 0,05 ÷ 0,1mm/năm, tháp hoạt động tối thiểu 10 năm; Cb = 0 vì trong tháp chỉ đơn thuần là sự chuyển động của lưu chất, không có bào mòn cơ học do các hạt rắn chuyển động; Cc = 0,8mm là đại lượng bổ sung cho dung sai của bề dày đối với thép X18H10T theo bảng XIII.9/364 Sổ tay QTTB II

Theo bảng XIII.2/356 Sổ tay QTTB II, do thiết bị hóa chất thuộc nhóm 2 (các chi tiết,

bộ phận không bị đốt nóng hay được cách ly với nguồn đốt nóng trực tiếp bằng ngọn lửa, khí lò, điện trở) và thuộc loại II (các thiết bị không dùng để sản xuất và không dùng để chứa ở áp suất cao, hoặc không dùng để sản xuất và không chứa các chất cháy nổ, độc ở áp suất thường)  giá trị hiệu chỉnh η = 1

ch ứng suấtchảy

Ta tra bảng XIII.3/356 Sổ tay QTTB II, ta được giá trị hệ số an toàn bền kéo

ηk = 2,6 và hệ số an toàn bền chảy ηc = 1,5 đối với thep không gỉ

o Ứng suất cho phép của thép X18H10T theo giới hạn bền kéo:

[σ k]=σ k

η k η=

550 1062,6 ⋅1=211, 538.10

6N /m2=211, 538 N /mm2