Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hồn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp. Đối với hệ Etanol – Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết. PD500
Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHÓM: Nguyễn Trùng Dương 1510603 Đàm Nhật Hào 1510889 Nguyễn Vĩnh Khang 1511486 Nguyễn Hoài Nam 1512085 Lê Nguyễn Thành Minh 1511978 Nguyễn Ngọc Tú Quỳnh 1512760 Trần Minh Tiệp 1513477 Đào Duy Tùng 1513945 Hồ Hoàng Tuấn 1513817 Lê Thị Khánh Tuyên 1513895 trưởng nhóm Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước MỤC LỤC SƠ LƯỢC VỀ CHƯNG CẤT 1.1 Nhu cầu chưng cất 1.2 Chưng cất 1.3 Tiêu chuẩn PD5500 CÁC LOẠI THÁP CHƯNG CẤT 2.1 Tháp mâm 2.2 Tháp chêm (tháp đệm) 11 2.3 So sánh ưu nhược điểm loại tháp TÍNH TỐN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ CHƯNG CẤT 11 THEO TIÊU CHUẨN PD5500 12 3.1 Điều kiện làm việc thiết bị 12 3.2 Vật liệu chế tạo thiết bị 13 3.3 Chọn điều kiện làm việc 14 3.4 Tra thơng số tính cần thiết 15 3.6 Chọn tiêu chuẩn để thiết kế 16 3.6.3 Thân trụ chịu áp suất 17 3.6.4 Thiết kế mặt bích cho thân tháp 17 3.6.5 Mâm 19 3.6.6 Bệ đỡ 20 3.7 Kiểm tra điều kiện thiết kế 21 3.7.1.Kiểm tra bề mặt chế tạo 21 3.7.2 Kiểm tra kích thước phận 21 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước 3.7.3 Kiểm tra trình chế tạo 21 SƠ LƯỢC VỀ CHƯNG CẤT 1.1 Nhu cầu chưng cất Khoa học kỹ thuật ngày phát triển với nhu cầu ngày cao độ tinh khiết sản phẩm Vì thế, phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn cải tiến đổi để ngày hồn thiện hơn, là: đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp phù 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 Hình 1: Một hệ thống chưng cất phòng thí nghiệm Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước Hình 2: Một ứng dụng chưng cất Hình 3: Một ứng dụng chưng cất Qua vài hình ảnh thấy chưng cất có ý nghĩa qua trọng sống Nó phục vục cho việc sản xuất sản phẩm với nhiều mục đích khác nhau: chưng cất dầu mỏ, chưng cất rượu ( để uống, để làm nguyên, nhiên liệu…), phục vụ cho việc phân tách hợp chất tan lẫn vào có khác biệt nhiệt độ sơi phòng thí nghiệm Như việc nghiên cứu, xây dựng thiết bị, máy móc cho việc chưng cất khơng thể khơng thực Với bước phát triển ngày nay, công đoạn từ thiết kế kến xây dựng vào quy chuẩn chung Và quy chuẩn tiêu chuẩn PD5500 giới thiệu bên Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước 1.2 Chưng cất Chưng phương pháp dùng để tách hỗn hợp chất lỏng hỗn hợp khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp ( nghĩa điều kiện nhiệt độ, áp suất cấu tử khác nhau) Khi chưng ta thu nhiều sản phẩm thường cấu tử ta nhiêu sản phẩm Đối với trường hợp hai cấu tử ta có: sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé, sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn Ta phân biệt chưng cất thành quy trình lần phòng thí nghiệm để tách hóa chất tinh khiết khỏi hỗn hợp, chưng cất liên tục, tháp chưng cất công nghiệp Trong nhiều trường hợp có tỷ lệ định hỗn hợp hai chất lỏng mà tiếp tục tách phương pháp chưng cất Các hỗn hợp gọi hỗn hợp đẳng phí Nếu muốn tăng nồng độ cồn phải dùng đến phương pháp tinh cất đặc biệt khác _ Ứng dụng lâu đời đồng thời biết đến nhiều chưng cất sản xuất rượu mạnh Nồng độ êtanolchỉ nâng cao đến tối đa 95,57% Trong nhiều trường hợp có tỷ lệ định hỗn hợp hai chất lỏng mà tiếp tục tách phương pháp chưng cất Các hỗn hợp gọi hỗn hợp đẳng phí Nếu muốn tăng nồng độ cồn phải dùng đến phương pháp tinh cất đặc biệt khác Các loại chưng cất: Chưng cất thường Chưng cất chân không: Chưng cất phân đoạn phương pháp kinh điển dùng để tách chất bay khỏi Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước hỗn hợp dựa vào khác biệt nhiệt độ sôi chất hỗn hợp Q trình chưng cất thực áp suất khí hay áp suất giảm Phương pháp chưng cất phân đoạn thực với bình cất có lắp cột phân đoạn thường nối với máy hút chân không để giảm nhiệt độ chưng cất, giảm ảnh hưởng tới chất nhạy cảm với nhiệt độ Nhiệt độ áp suất theo dõi trình chưng cất Phương pháp thường áp dụng để tách chất thành phần tinh dầu Chưng cất phân đoạn: Chưng cất thật cần thiết chất lỏng cần phải tách hòa tan với ví dụ dung dịch cồn nước Nếu hỗn hợp chất khơng hòa tan vào nhau, ví dụ nước dầu lệ thường tách chất lỏng cách lắng gạn Khi khai thác tinh dầu có cỏ nồng độ thấp oải hương (Lavandula angustifolia) hay cúc Đức(Matricaria recutita) người ta cho thêm nước vào cỏ cắt nhỏ đun nóng (chưng cách thủy) Nhờ có phần nước nên nhiệt độ giữ cố định nhiệt độ sôi thời gian, dùng áp suất cao để nâng nhiệt độ lên 100 °C Hơi dầu với nước vào ngưng tụ ngưng tụ lại Hỗn hợp dầu-nước sau tách cách lắng gạn Hơi nước theo thành phần khác thật không tan theo Nếu khơng có nước nhiệt độ tăng cao đến mức dầu bị phân hủy Một cách khác đun nước lò nấu riêng cho nước qua tinh dầu cắt nhỏ để lôi tinh dầu theo nước Chưng cất lôi nước Có thể sử dụng loại tháp chưng cất sau: Tháp chưng cất dạng mâm chop Tháp chưng cất dạng mâm xuyên lỗ Tháp chưng cất dạng tháp đệm Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước Hình 4: Tháp chưng thiết bị phụ trợ 1.3 Tiêu chuẩn PD5500 PD 5500 "Quy cách cho bình áp suất khơng hàn, hàn nhiệt" quy tắc thực cung cấp quy tắc cho việc thiết kế, chế tạo kiểm tra bình áp suất PD 5500 trước tiêu chuẩn Anh sử dụng rộng rãi gọi BS 5500 bị rút khỏi danh sách Tiêu chuẩn Anh khơng hài hòa với Chỉ thị Thiết bị Áp lực Europeran (97/23 / EC) Tại Vương quốc Anh, thay EN 13445 Nó xuất "tài liệu xuất bản" (PD) Cơ quan tiêu chuẩn Anh Ở Anh, tất thiết bị áp lực thông thường sử dụng ngành cơng nghiệp hóa chất ngành lien quan luôn thiết kế, chế tạo tuân thủ theo tiêu chuẩn Anh PD 5500 (British standard PD 5500) tiêu chuẩn châu Âu EN 13445 ( European Standard EN 13445); tiêu chuẩn tương đượng Mỹ Những quy phạm tiêu chuẩn bào gồm : thiết kế, vật liệu chế tạo, gia công, kiểm tra thử nghiệm Chúng hình thành tảng sở Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước thỏa thuận nhà sản xuất với khách hang công ty bảo hiểm khách hang Phiên 2003 PD 5500 kiểm soát thiết bị chế tạo thép cacbon, hợp kim thép nhô Thiết kế thiết bị chế tạo từ nhựa có gia cường kiểm soát BS 4994 Các quốc gia khơng có sẵn quy phạm cách quy phạm tiêu chuẩn Anh Mỹ áp dụng PD 5500 khuyến khích mơ hình để đảm bảo tiêu chuẩn cung cấp khn khổ hữu ích xây dựng đặc điểm để cung cấp cho tổ chức sản xuất nước quốc tế quy mô yêu cầu để đảm bảo bình áp lực sản xuất với chất lượng cao phải an toàn cho hoạt động tiêu chuẩn cần thiết hữu ích để đảm bảo an tồn, phép đo, thiết kế, thủ tục tài liệu đưa vào tài khoản sản xuất phi áp lực tàu Để có truy cập vào tiêu chuẩn để mua một, Tiêu chuẩn Toàn cầu cung cấp cổng để có quyền truy cập vào BSI CÁC LOẠI THÁP CHƯNG CẤT Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung thiết bị giống nghĩa diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở ta khảo sát loại thường dùng tháp mâm tháp chêm 2.1 Tháp mâm Thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: Tháp mâm chóp: mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…, có rãnh xung quanh để pha khí qua ống chảy chuyền có hình tròn Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước Hình 5: Chóp tháp mâm chóp 10 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh Hình 6: Lỗ chế hoạt động tháp mâm lỗ 11 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước 2.2 Tháp chêm (tháp đệm) Tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Hình 7: Hình ảnh minh họa cho tháp đệm 12 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước 2.3 So sánh ưu nhược điểm loại tháp Ưu điểm Nhược điểm Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp _ Cấu tạo đơn giản _ Trở lực thấp _ Làm việc với chất lỏng bẩn dùng đệm cầu có chất lỏng _ Trở lực tương đối thấp _ Hiệu suất cao _ Làm việc với chất lỏng bẩn _ Khá ổn định _ Hiệu suất cao _ Do có hiệu ứng thành hiệu suất truyền khối thấp _ Độ ổn định không cao, khó vận hành _ Do có hiệu ứng thành tăng suất hiệu ứng thành tăng khó tăng suất _ Thiết bị nặng nề _ Kết cấu phức tạp _ Có trở lực lớn _ Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp Vậy ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Etanol – nước TÍNH TỐN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ CHƯNG CẤT THEO TIÊU CHUẨN PD 5500 3.1 Điều kiện làm việc thiết bị 13 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước _ Tháp cao 30,75m; bao gồm 72 đĩa chóp, khoảng cách đĩa 350 mm, đường kính tháp 3,088 m; hoạt động áp suất thường _ Áp suất đỉnh tháp giữ 2,0 - 2,2 bar; áp suất đáy 2,3 - 2,5 bar _ Nhiệt độ đỉnh đáy tháp 96 - 98 độ C 123 - 126 độ C 3.2 Vật liệu chế tạo thiết bị 14 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước Hình 7: Minh họa cho thép 304 dạng 3.2.1 Khả chống ăn mòn Inox 304 loại inox có tính chống ăn mòn cao kể phải tiếp xúc với loại hóa chất khác Chính khả vượt trội khiến inox 304 ứng dụng nhiều ngành kiến trúc, chế biến thực phẩm, 3.2.2 Khả chịu nhiệt Inox 304 có khả oxi hóa tốt nhiệt độ 870 độ C 925 độ C trường hợp cần độ bền cao, chất liệu 304 có độ deo cao hạ nhiệt độ khí hóa lỏng 3.2.3 Các tính chất vật lý inox 304 Hình 8: Thơng số tính tỉnh chấ vật lý thép không gỉ 304 Inox 304 có tính từ tính yếu gần khơng có, nhiên mơi trương nhiệt độ thấp tính từ tính sản phẩm lại mạnh Loại vật liệu có khả dát mỏng khơng cần gia nhiệt Chính chất liệu inox 304 độc quyền lĩnh vực sản xuất chi tiết liên quan đến inox 3.3 Chọn điều kiện làm việc Nồng độ: - Nhập liệu: 50% 15 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước - Đỉnh: 95% - Đáy: 5% Lưu lượng: - Nhập liệu: 27,5 m3/h - Sản phẩm đỉnh: 13 m3/h - Hoàn lưu: 62 m3/h Áp suất làm việc (trên đồng hồ đo áp): - Đỉnh: 2,0 - 2,2 bar - Đáy: 2,3 - 2,5 bar Nhiệt độ làm việc: - Đỉnh: 96 – 98 ̊ C - Đáy: 123 – 126 ̊ C Chỉ số hồn lưu: R = 4,77 3.4 Tra thơng số tính cần thiết Giá trị ứng suất cực đại Ứng suất cực đại cho phép (ksi) (nhân 1000 để chuyển psi) ứng với nhiệt độ kim loại (0F) không vượt Dùng phương pháp nội suy từ PL3.24 tr 266 sách “Thiết kế khí thiết bị áp lực” tác giả TS Nguyễn Hữu Hiếu, chọn số hàng 44 Nhiệt độ 20 - 100 150 200 250 300 20,0 - 16,7 - 15,0 ( ̊ F) Số hàng 43 16 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước 44 20,0 - 20,0 - 18,9 3.5 Chọn phương pháp gia công Đáy nắp nới với thân phương pháp hàn Các phần thân tháp nối với mối ghép bích ( mâm bích) Các phần tháp hàn phần ghép lại tháp cao Hệ số bền mối hàn: φh = 0,8 3.6 Chọn tiêu chuẩn để thiết kế Thiết kế theo tiêu chuẩn Anh - PD5500 Các công thức sử dụng tính tốn bề dày chi tiết: Tính bề dày thân tháp: Tính bề dày đáy nắp cho tháp: Đây công thức cung cấp tiêu chuẩn Anh với: Di đường kính (mm) f ứng suất thiết kế (MPa) J hệ số bền mối hàn, J = 0,8 3.6.1 Nắp elip chịu áp suất Loại elip: 2:1 Áp suất thiết kế: Ptk = 0,275 + 0,025 = 0,3 MPa 17 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước Cùng với dung sai bổ sung ăn mòn là: 2mm Chọn thép 304 có bề dày 6mm để chế tạo nắp thiết bị 3.6.2 Đáy elip chịu áp suất Loại elip: 2:1 BỀ DÀY ĐÁY Áp suất cột chất lỏng (Trường hợp nguy hiểm: dòng sản phẩm đáy ngập toàn đáy tháp): Ptt = 0,2 MPa Áp suất thiết kế: Ptk = P0 + Ptt + h = 0,275 + 0,2 + 0,025 = 0,5 MPa Cùng với dung sai bổ sung ăn mòn là: 2mm Chọn bề dày tối thiểu theo yêu cầu 10mm chịu áp suất 3.6.3 Thân trụ chịu áp suất Cao 30, 75 m Áp suất cột chất lỏng có ảnh hưởng lên thân tháp Áp suất thiết kế: 0,5 MPa (được chọn áp suất thiết kế đáy) 18 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước ● Cùng với dung sai bổ sung ăn mòn: 2mm Chọn bề dày tối thiểu yêu cầu cho thân 10mm THÂN ĐƯỢC CHIA LÀM ĐOẠN Để đảm bảo an toàn tiết kiệm vật liệu Ta thiết kế bề dày cho tháp là: 10 mm mm mm ứng với đoạn tháp từ đáy lên đỉnh tháp Tổng quan cho bề dày gia công thiết bị: TỔNG QUÁT Bề dày (mm) THÂN ĐÁY NẮP 10 7 10 3.6.4 Thiết kế mặt bích cho thân tháp Nối đoạn thân tháp ⟶ Dễ tháo lắp, vệ sinh, sửa chữa, vận chuyển Thiết bị chịu áp suất có xu hướng làm tách mặt bích khỏi ⟶ Áp suất tác dụng lên đệm phải thấp áp suất lực siết chặt đệm ban đầu Đường kính siết bulơng: 3200 mm 19 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước Để đảm bảo diện tích bulơng, ta thiết kế mặt bích với số bulơng (bội số 4) là: 64 Đường kính bulơng khơng nhỏ 12mm để đảm bảo lực siết Từ công thức tính ta xác định đường kính bulơng thích hợp là: 55,5 mm Chọn bulông tiêu chuẩn M56 Thread size Pitch m e s M56 5,5 45 93,56 85 20 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước 3.6.5 Mâm _ Loại mâm chóp _ Đường kính 2,5 m _ Khoảng cách mâm: 350mm Số mâm: 72 Bề dày mâm để chịu áp lực Chọn bề dày mâm: mm (có bao gồm ăn mòn) Lựa chọn mặt bích tiêu chuẩn cho ống nhập liệu thu sản phẩm: Khi cần kết nối đường ống & chi tiết :Mặt bích chọn theo tiêu chuẩn 21 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước Tốt thơng dụng nhất: Mặt bích hàn có cổ Phù hợp với điều kiện làm việc khắc nghiệt: Chịu tải trọng lớn Nhiệt độ cao Áp suất cao Tác động rung cắt Đường kính ống (theo yêu cầu) Tháo sản phẩm đáy 700 mm Nhập liệu 400 mm Hoàn lưu & tháo đỉnh 450 mm Chọn mặt bích tiêu chuẩn số: 21, 17, 18 22 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước 3.6.6 Bệ đỡ Phải chịu kết hợp tải xấu mà không bị phá hỏng: Áp suất tháp điều kiện xấu Tải trọng lượng toàn phần thiết bị chi tiếc nối Tải trọng gió Động đất (địa chấn) Tải bên ngồi đặt lên thiết bị đường ống thiết bị kèm theo 3.7 Kiểm tra điều kiện thiết kế 3.7.1.Kiểm tra bề mặt chế tạo Khi trình tiến hành chế tạo, tất vật liệu sử dụng phải kiểm tra không hồn hảo phát q trình chế tạo để đảm bảo công việc thực 3.7.2 Kiểm tra kích thước phận 23 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước Nhà sản xuất phải kiểm tra phận giữ áp để chắn chúng phù hợp với hình dạng theo quy định đáp ứng yêu cầu bề dày sau hình thành Nhà sản xuất thiết bị phải cung cấp mẫu hình thành xác theo u cầu người kiểm tra để xác nhận Trước gắn miệng, khung cửa người, tăng cứng miệng phụ kiện khác ngồi thiết bị phải kiểm tra để chắn chúng phù hợp với độ cong thiết bị Người kiểm tra phải chứng minh yêu cầu kích thước nêu đáp ứng Điều bao gồm việc đo kích thước thấy cần thiết 3.7.3 Kiểm tra trình chế tạo Khi điều kiện cho phép để vào thiết bị việc hồn tất kiểm tra bên thực trước đóng kín thiết bị Người kiểm tra phải thực việc kiểm tra bên thiết bị hoàn thành thời điểm thử thủy tĩnh thử khí nén sau Tất mối hàn bao gồm mối hàn miệng ống, thiết bị mạ chì đòng phải kiểm tra mắt bên trước thi cơng lớp lót Kiểm tra mắt lớp lót thiện sau hồn thành để đảm bảo khơng có khuyết tật làm suy yếu tồn vẹn lớp lót dẫn đến thiết bị bị phát hủy tác động ăn mòn 24 Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất etanol nước TÀI LIỆU THAM KHẢO ‘‘Thiết kế khí thiết bị áp lực’’ – TS Nguyễn Hữu Hiếu NXB ĐHQG Tp.HCM ‘‘Q trình & thiết bị Cơng nghệ Hóa học & Thực phẩm – tập – TRUYỀN KHỐI’’ – Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh NXB ĐHQG Tp.HCM ‘‘Bảng tra cứu : Quá trình học – truyền nhiệt – truyền khối’’ NXB ĐHQG Tp.HCM Đề tài luận văn: ‘‘Thiết kế tháp chưng cất hệ Ethnol – nước hoạt động liên tục với suất nhập liệu 1500 kg/h có nồng độ 0,15 (mol ethanol), thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 0,85 (mol ethanol) với độ thu hồi 99%’’ Tài liệu tham khảo Thực tập Quá trình & thiết bị Nhà máy sản xuất Ethanol 25 ... Chưng cất lơi nước Có thể sử dụng loại tháp chưng cất sau: Tháp chưng cất dạng mâm chop Tháp chưng cất dạng mâm xuyên lỗ Tháp chưng cất dạng tháp đệm Thiết kế khí cho thiết bị chưng cất. .. thiết bị chưng cất etanol nước MỤC LỤC SƠ LƯỢC VỀ CHƯNG CẤT 1.1 Nhu cầu chưng cất 1.2 Chưng cất 1 .3 Tiêu chuẩn PD5500 CÁC LOẠI THÁP CHƯNG CẤT 2.1 Tháp mâm 2.2 Tháp chêm (tháp đệm) 11 2 .3 So sánh... pháp chưng cất Các hỗn hợp gọi hỗn hợp đẳng phí Nếu muốn tăng nồng độ cồn phải dùng đến phương pháp tinh cất đặc biệt khác Các loại chưng cất: Chưng cất thường Chưng cất chân không: Chưng cất