Qua nhiều năm, công nghệ sản xuất Cồn đã được phát triển mạnh mẽ, đem lại hiệu quả cao. Các hệ thống Chưng cất càng ngày càng được cải tiến, đổi mới để nâng cao năng suất. Vì vậy, vấn đề tính toán, thiết kế công đoạn chưng cất cũng như toàn quá trình nói chung là tất yếu. Bản đồ án với đề tài: Tính toán thiết kế Tháp Tiền tinh trong Hệ thống Chưng cất 8 tháp hoạt động liên tục của nhà máy sản xuất cồn Halico năng suất nhập liệu 3.5m3h. Nồng độ nguyên liệu 40% Thể tích. Nồng độ sản phẩm đỉnh là 75% Thể tích. Nồng độ xả đáy là 0.024% Thể tích. Trong đó gồm các phần chính sau: Chương 1: Tổng quan về cồn và Công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Halico Bắc Ninh Chương 2: Tổng quan về quá trình chưng luyện Chương 3: Tính toán cân bằng vật chất Chương 4: Tính toán kết cấu cho Tháp Tiền Tinh Chương 5: Tính toán cân bằng nhiệt Chương 6: Tính toán các thiết bị phụ trợ
MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỒN VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN TẠI NHÀ MÁY RƯỢU HÀ NỘI5 1.1.Tổng quan Cồn 1.1.1.Khái niệm Cồn 1.1.2.Lịch sử phát triển ứng dụng Cồn 1.2.Dây chuyền công nghệ sản xuất Cồn nhà máy Rượu Hà Nội 1.2.1.Nguyên liệu sản xuất .6 1.2.2.Tổng quan Quy trình Cơng Nghệ 1.2.3.Tổng quan Hệ thống Chưng Cất .6 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN 2.1.Cơ sở lý thuyết trình chưng cất 2.1.1.Khái niệm chưng cất 2.1.2.Khái niệm cân lỏng -hơi 2.1.3.Phân loại hỗn hợp hai cấu tử 10 2.2.Các phương pháp chưng cất 10 2.2.1.Chưng cất đơn giản 10 2.2.2.Chưng cất liên tục 11 2.3.Cơ sở tính tốn cơng nghệ chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử 13 2.3.1.Cân pha 13 2.3.2.Cân vật liệu 14 2.3.3.Chỉ số hồi lưu thích hợp 15 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT 17 3.1.Các thông số ban đầu 17 3.2.Cân pha Etanol – Nước áp suất làm việc 17 3.3.Cân vật chất 18 3.3.1.Nồng độ phần mol Etanol tháp 18 3.3.2.Lưu lượng mol dòng 19 3.3.3.Xác định Tỷ số hồi lưu thích hợp 19 3.3.4.Phương trình Đường nồng độ làm việc đoạn Chưng .23 3.3.5.Phương trình Đường nồng độ làm việc đoạn Luyện 23 3.3.6.Số đĩa Lý thuyết .23 3.3.7.Số đĩa Thực tế 24 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN KẾT CẤU CHO THÁP TIỀN TINH 27 4.1.Đường kính tháp chưng luyện .27 4.1.1.Lượng trung bình tháp .27 4.1.2.Tính khối lượng riêng trung bình 30 4.1.3.Tính tốn tốc độ tháp 31 4.1.4.Đường kính đoạn Luyện 32 Page | 4.1.5.Đường kính đoạn Chưng .32 4.1.6.Vận tốc thực tế tháp 32 4.2.Tính tốn chiều cao Tháp .33 4.3.Tính số chóp kích thước chóp .33 4.3.1.Số chóp phân bố đĩa .33 4.3.2 Kích thước chóp .33 4.4.Tính tốn Ống chảy truyền 35 4.4.1.Đường kính ống chảy truyền 35 4.4.2.Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy truyền .36 4.4.3.Chiều cao ống chảy truyền nhô lên đĩa 36 4.4.4.Khoảng cách từ tâm ống chảy truyền đến tâm chóp gần 36 4.4.5.Chiều cao lớp chất lỏng đĩa 37 4.4.6.Tình tốn lỗ tháo lỏng 37 4.5.Tính tốn đường kính Ống dẫn 37 4.5.1.Đường kính Ống cấp liệu cho tháp .37 4.5.2.Đường kính Ống dẫn Đỉnh tháp 38 4.5.3.Đường kính Ống dẫn sản phẩm Đáy .39 4.5.4.Đường kính Ống hồi lưu .39 4.5.5.Diện tích làm việc đĩa .40 4.6.Tính trở lực tháp chưng luyện .41 4.6.1.Trở lực đoạn Luyện .41 4.6.2.Trở lực đoạn Chưng .43 4.6.3.Trở lực Tháp 45 4.7.Tính tốn bề dày thiết bị chi tiết khác .45 4.7.1.Tính bề dày thân trụ tháp 45 4.7.2.Tính bề dày đáy nắp thiết bị .47 4.8.Tính chân đỡ, tai treo 48 4.8.1.Tính khối lượng sơ tháp .48 4.8.2.Chọn chân đỡ 50 4.8.3.Chọn tai treo 51 4.9.Chọn mặt bích .52 4.9.1.Mặt bích ghép thân nắp 52 4.9.2.Mặt bích ghép ống dẫn 53 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN CÂN BẰNG NHIỆT 55 5.1.Tháp chưng luyện 55 5.1.1.Nhiệt lượng đốt mang vào tháp 55 5.1.2.Nhiệt lượng lượng lỏng hồi lưu mang vào 55 5.1.3.Nhiệt lượng mang đỉnh tháp .56 5.1.4.Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang 56 5.1.5.Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào 57 5.1.6.Lượng đốt cần thiết 57 Page | 5.1.7.Nhiệt lượng môi trường xung quanh 57 5.1.7 Nhiệt lượng nước ngưng mang 57 5.2.Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 58 5.2.1.Hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy ống: .58 5.2.2.Hệ số truyền nhiệt 61 5.2.3.Tính tốn bề mặt truyền nhiệt .62 5.2.4.Tính tốn thơng số khác 62 LỜI KẾT 63 DANH MỤC THAM KHẢO 64 Page | MỞ ĐẦU Ngày với phát triển khoa học kĩ thuật, công nghiệp mang lại cho người lợi ích vơ to lớn vật chất tinh thần Để nâng cao đời sống nhân dân, để hòa nhập với phát triển chung nước khu vực giới, Đảng nhà nước ta đề mục tiêu cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước Trong tiến trình cơng nghiệp hóa- đại hóa đất nước, nghành mũi nhọn Công Nghệ Thông Tin, Công nghệ Sinh học, Công nghệ điện tử tự động hóa…Cơng nghệ Thực Phẩm giữ vai trò quan trọng việc sản suất thực phẩm phục vụ cho kinh tế quốc dân, tạo tiền đề cho nhiều nghành khác phát triển Khi kinh tế phát triển nhu cầu người ngày tăng Do phẩm đòi hỏi cao hơn, đa dạng hơn, phong phú hơn, theo cơng nghệ sản xuất nâng cao Có nhiều phương pháp khác để làm tăng nồng độ, độ tinh khiết như: Chưng cất, Cơ đặc, Trích ly Tùy vào tính chất hệ mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp Do nhu cầu sử dụng sản phẩm có độ tinh khiết lớn nên sử dụng trình chưng cất Quá trình chưng bắt đầu với việc sản xuất rượu từ kỉ XI Ngày ứng dụng rộng rãi để tách hỗn hợp như: - Dầu mỏ, tài nguyên khai thác dạng lỏng Khơng khí hóa lỏng chưng cất nhiệt độ -190℃ để sản xuất oxi Nitơ Quá trình tổng hợp hữu VD: metanol, etylen, butadiene, propylen Công nghệ sinh học thực phẩm cho sản phẩm hỗn hợp chất lỏng như: etylic- nước từ q trình lên men Qua nhiều năm, cơng nghệ sản xuất Cồn phát triển mạnh mẽ, đem lại hiệu cao Các hệ thống Chưng cất ngày cải tiến, đổi để nâng cao suất Vì vậy, vấn đề tính tốn, thiết kế cơng đoạn chưng cất tồn q trình nói chung tất yếu Bản đồ án em với đề tài: Tính tốn thiết kế Tháp Tiền tinh Hệ thống Chưng cất tháp hoạt động liên tục nhà máy sản xuất cồn Halico suất nhập liệu 3.5m 3/h Nồng độ nguyên liệu 40% Thể tích Nồng độ sản phẩm đỉnh 75% Thể tích Nồng độ xả đáy 0.024% Thể tích Trong gồm phần sau: - Chương 1: Tổng quan cồn Công nghệ sản xuất cồn nhà máy Halico Bắc Ninh Chương 2: Tổng quan trình chưng luyện Chương 3: Tính tốn cân vật chất Chương 4: Tính tốn kết cấu cho Tháp Tiền Tinh Chương 5: Tính tốn cân nhiệt Chương 6: Tính tốn thiết bị phụ trợ Page | CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỒN VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN TẠI NHÀ MÁY RƯỢU HÀ NỘI 1.1 Tổng quan Cồn 1.1.1 Khái niệm Cồn Cấu trúc phân tử Etanol Hình 1: Cấu tạo phân tử rượu etylic Cơng thức phân tử: C2H5OH Khối lượng mol: M=46 1.1.2 Lịch sử phát triển ứng dụng Cồn Ở nước ta, nghề nấu rượu thủ cơng có từ ngàn đời xưa chưa có tài liệu cho biết điểm khởi đầu Sản xuất Cồn rượu theo kiểu công nghiệp nước ta bắt đầu năm 1898 người Pháp thiết kế xây dựng Cồn nhà máy nước ta làm nói chung đạt TCVN -71, thuộc loại thấp so với nước tiên tiến giới Cồn có nhiều ứng dụng nhiều lĩnh vực như: - Chiếm vị trí đáng kể Cơng nghiệp thực Phẩm.Ngoài việc làm tăng nồng độ cho rượu, bia, cồn nhiều ứng dụng khác: Ví dụ như: Chế biến thức ăn, khử mùi cho thực phẩm (nhiều loại thực phẩm có mùi khơng mong muốn), làm tăng mùi thơm đặc trưng cho ăn - Ứng dụng để sát trùng, sản xuất dược phẩm, để chữa bệnh ngành Y Tế - Cồn dung để tăng nồng độ rượu, bia Tùy theo cách sử dung lượng cồn mà nước giới có loại rượu, bia khác - Trong công nghiệp ứng dụng làm chất đốt, làm dung mơi hòa tan chất vơ hữu - Cồn có khả thay xăng sản xuất từ dầu mỏ (xăng sinh học) Cồn có hướng phát triển tốt để xây dựng nề công nghiệp Nó có nhiều ứng dụng, nên việc khai thác cồn hiệu công việc cần thiết không riêng nghành thực Phẩm mà niềm quan tâm đáng kể với nghành khác Nhưng máy móc, cơng nghệ, xuất để tinh chế cồn (tách bỏ tạp chất khỏi cồn) chưa nâng cao, chưa đáp ứng nhu cầu tiêu thụ Page | 1.2 Dây chuyền công nghệ sản xuất Cồn nhà máy Rượu Hà Nội 1.2.1 Nguyên liệu sản xuất - Sản xuất cồn etylic nguyên tắc dùng nguyên liệu chứa đường Polysaccarit sau thủy phân biến thành đường lên men Do ta dùng nguyên liệu giàu Xenluloza để thủy phân thành đường Tuy nhiên dùng nguyên liệu hiệu kinh tế Trong thực tế điều kiện sản xuất nước ta dung tinh bột mật rỉ - Nguyên liệu chứa tinh bột gồm có: Tinh bột sản xuất từ ngũ cốc củ Các lọai ngũ cốc gạo, bắp, lúa mạch , đại mạch,… Các loại củ khoai tây,khoai mì,… - Nguyên liệu chứa đường: bao gồm saccharose dạng tinh thể dạng dung dịch, nước ép mía, dịch chiết từ củ cải đường, loại syrup glucose, maltose có nguồn gốc từ tinh bột, mật rỉ - Nguyên liệu chứa cellulose bã mía, dăm bào, mạt cưa, 1.2.2 Tổng quan Quy trình Cơng Nghệ Quy trình Cơng nghệ Sản xuất Cồn nhà máy sản xuất Cồn Halico Nguyên liệu vận chuyển băng tải vào Silo chứa làm nghiền Máy nghiền búa Sau đem nấu, đường hóa lên men Tank chứa Dịch sau lên men bơm đến Hệ thống tháp chưng cất cho sản phẩm 1.2.3 - Tổng quan Hệ thống Chưng Cất Hệ chưng cất đa áp suất Hệ gồm tháp làm việc đồng thời để chưng cất sản phẩm cuối cồn nguyên chất Hệ thống bao gồm: Tháp khử khí; Tháp thơ; Tháp Aldehyde; Tháp Tiền Tinh; Tháp trích ly; Tháp Tinh; Tháp Fusel; Tháp Sôi (Tháp Metanol) Tháp Khử khí: Page | - - - - - - Chức năng: Loại bỏ khí hòa tan chất có độ bay thấp sinh trình lên men Tháp hoạt động áp suất khí Dịch men gia nhiệt cấp vào tháp Hơi đỉnh tháp thô làm nguồn cấp nhiệt cho tháp Hơi đỉnh đến tháp Aldehyt để vừa làm nguồn cấp liệu vừa làm nguồn cấp nhiệt Tháp Thô Chức năng: Tách cồn khỏi dịch lên men Tháp hoạt động áp suất khí Bã đáy tháp đưa đến phận tách bã Dịch đáy từ tháp khử khí cấp liệu cho tháp Hơi từ Tank hóa (nguồn từ sản phẩm đáy tháp tinh) Hơi đỉnh tới thiết bị đun sôi đáy tháp tinh Bã tách đáy Tháp Aldehyde Chức năng: Tách tạp chất có độ bay thấp (chủ yếu Aldehyt) Làm việc áp suất khí Nhiệt cấp cho tháp lấy từ Tháp khử khí Sản phẩm đáy tháp đưa đến Tank nhập liệu Tháp tiền tinh Sản phẩm đỉnh tháp ngưng tụ hồi lưu lại Tháp Tiền Tinh Chức năng: Nâng cao nồng độ cồn nồng độ dầu Fusel từ dịch cồn cấp vào tháp Làm việc áp suất khí Nhiệt cấp từ nguồn nước Hơi đỉnh Tháp đưa đến Thiết bị đun sơi đáy Tháp Trích ly Tháp Metanol Hơi ngưng sau hồi lưu trở lại Sản phẩm đáy Tháp xả ngồi sử dụng để cấp nhiệt cho Tank hóa nhanh Nguồn cấp liệu: Sản phẩm đáy tháp Aldehyt Hơi đỉnh tháp thơ sau ngưng tụ Tháp Trích ly Chức năng: Phân tách tạp chất có độ bay thấp khỏi đỉnh tháp Làm việc áp suất khí Hơi đỉnh ngưng tụ đưa đến tháp Fusel Sản phẩm đáy cấp vào Tháp Tinh Nguồn cấp nhiệt từ đỉnh tháp tiền tinh Tháp Tinh Chức năng: Nâng cao cao nồng độ cồn nồng độ dầu Fusel từ dịch cồn cấp vào tháp Làm việc áp suất chân không Nhiệt cấp đun sôi đáy tháp lấy từ đỉnh tháp thô Sản phẩm đáy tháp sử dụng cho thiết bị đun sơi Tank hóa Hơi đỉnh ngưng tụ hồi lưu lại, phần tách cồn công nghiệp Tháp Fusel Chức năng: Nâng cao nồng độ cồn Fusel từ sản phẩm vào tháp Làm việc áp suất khí Page | - Cồn công nghiệp rút từ tháp Nhiệt cấp từ nước Tháp Metanol Chức năng: Nâng cao nồng độ Metanol Diacetyl từ cồn tinh Làm việc áp suất khí Cồn công nghiệp lấy khỏi tháp Cồn tinh rút từ đáy tháp Nhiệt cấp từ đỉnh tháp tiền tinh Page | CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN 2.1 Cơ sở lý thuyết trình chưng cất 2.1.1 Khái niệm chưng cất Chưng phương pháp dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí – lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hòa cấu tử khác nhau) Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha trình hấp thụ nhả khí, q trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ (Tr.39 – [4]) - Sự khác chưng cô độc: Chưng: dung môi chất tan bay hơi; Cơ đặc: có dung mơi bay chất tan khơng bay - Khi chưng hỗn hợp hai cấu tử [9, tr50]: 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 Trong sản xuất, thường gặp phương pháp chưng sau: - - - Chưng đơn giản: Dùng để tách hỗn hợp gồm cấu tử có độ bay khác Thường dùng để tách sơ làm cấu tử khỏi tạp chất Chưng nước trực tiếp: Tách hỗn hợp gồm chất khó bay tạp chất không bay Thường dùng trường hợp chất tách không tan vào nướ Chưng chân không: Dùng trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi cấu tử (đối với cấu tử hỗn hợp dễ bị phân huỷ nhiệt độ cao hay có nhiệt độ sơi q cao) Chưng luyện: Là phương pháp phổ biến dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp cấu tử dễ bay có tính chất hòa tan phần hòa tan hồn tồn vào Chưng luyện áp suất thấp dùng cho hỗn hợp dễ bị phân huỷ nhiệt độ cao Chưng luyện áp suất cao dùng cho hỗn hợp khơng hóa lỏng áp suất thường 2.1.2 Khái niệm cân lỏng -hơi Cân lỏng trạng thái mà pha lỏng pha (pha khí) cân với nhau, tốc độ bay tốc độ ngưng tụ mức độ phân tử lúc đó, xem khơng có chuyển pha lỏng – Mặc dù, theo lý thuyết, q trình chuyển pha ln đạt đến cân bằng, thực tế, cân thiết lập hệ tương đối kín, chất lỏng tiếp xúc với thời gian đủ dài khơng có tác động từ bên Nồng độ pha tiếp xúc với pha lỏng nó, đặc biệt trạng thái cân bằng, đặc trưng áp suất hơi, áp suất riêng phần hỗn hợp Áp suất cân chất lỏng thường phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Ở trạng thái cân lỏng – hơi, pha lỏng với cấu tử có nồng độ định có pha cân bằng, nồng độ hay áp suất riêng phần cấu tử đạt giá trị không đổi, phụ thuộc vào nồng độ cấu tử pha lỏng nhiệt độ Ngược lai, Page | pha có nồng độ cấu tử hay áp suất riêng phần khơng đổi trạng thái cân bằng, pha lỏng có nồng độ không đổi, phụ thuộc vào nồng độ pha nhiệt độ Nồng độ cân cấu tử pha lỏng thường khác với nồng độ hay áp suất pha hơi, chúng có tương quan Nồng độ cân lỏng – thường xác định qua thực nghiệm cho hỗn hợp lỏng – có nhiều cấu tử Trong số trường hợp, số liệu cân lỏng – xác định nhờ Định luật Raoult, Định luật Dalton hay Định luật Henry Cân lỏng ứng dụng nhiều việc thiết kế tháp chưng cất, đặc biệt tháp đĩa 2.1.3 Phân loại hỗn hợp hai cấu tử - Dung dịch lý tưởng: dung dịch mà lực liên kết phân tử loại lực liên kết phân tử khác loại nhau, cấu tử hòa tan vào theo tỷ lệ Cân lỏng hoàn toàn tuân theo định luật Raoult - Dung dịch thực: dung dịch khơng hồn tồn tn theo định luật Raoult, sai lệch với định luật Raoult dương lực liên kết phân tử loại lớn lực liên kết phân tử khác loại, ngược lai, sai lệch âm lực liên kết phân tử loại nhỏ lực liên kết phân tử khác loại Trường hợp lực liên kết phân tử khác loại bé so với lực liên kết phân tử loại dung dịch phân lớp, nghĩa cấu tử khơng hòa tan vào hòa tan khơng đáng kể - Căn vào mức độ hòa tan, chia dung dịch hai cấu tử thành loại sau: Chất lỏng hòa tan vào theo tỷ lệ Chất lỏng hòa tan phần vào Chất lỏng khơng hòa tan vào 2.2 Các phương pháp chưng cất 2.2.1 Chưng cất đơn giản *Nguyên tắc sơ đồ chưng đơn giản: Trong trình chưng đơn giản lấy cho ngưng tụ Ta xem diễn biến q trình đồ thị t-y-x (hình 2.1): Hình 2.1: Cân pha cho trường hợp chưng đơn giản Lúc đầu dung dịch có thành phần biểu thị điểm C, đun đến nhiệt độ sơi bốc lên có thành phần ứng với điểm P, có cấu tử dễ bay lỏng nên thời gian chưng cất thành phần lỏng chuyển dần phía cấu tử khó bay Cuối ta có chất lỏng lại nồi chưng với thành phần Cn thu hỗn hợp P, P1, P2, , Pn, thành phần trung bình hỗn hợp biểu thị điểm Ptb Page | 10 m’ctL = dchs = 0.110.08457.91032.410-3 = 0.55 (kg) Tính cho tồn tháp: Mct = Ntzm’c = (9 0.55 + 70.62)1 = 9.29 (kg) *Tổng khối lượng toàn tháp Mtháp = mi = 1118.468 (kg) 4.8.2 Chọn chân đỡ Chọn chân đỡ: tháp đỡ bốn chân Vật liệu làm chân đỡ tháp thép CT3 *Đối với tháp khô: Gk = Mtháp x g = 1118.468 x 9.81 = 10972.17 (N) *Đối với tháp ướt Giả sử tháp chứa đầy lỏng Gướt = Gk + = 10972.17 + 9.81 815 = 71756.53 (N) Tải trọng cho phép chân đỡ là: Gc = = = 1.8 x 104 (N) Để đảm bảo an toàn, ta chọn Gc = 2.5 x 104 (N) Chọn chân đỡ “IV-2.5” Tra bảng XIII.35 – [2]-Tr.437 => Chọn chân đỡ có thơng số sau: Tải trọng L B B1 B2 H h s l d Page | 47 cho phép Tải trọng cho phép chân bề mặt G.104 N đỡ Bề mặt đỡ F.10 m2 mm -4 q.106 N/m2 2.5 0.56 444 25 18 21 29 35 18 *Tính khối lượng gần chân đỡ: Thể tích chân đỡ: Vchân đỡ = [2.(H-s).s.B2 + L.s.B].10-9 = [2 (350 – 16) 16 290 + 25016180] 10-9 = 3.82 10-3 (m3) Khối lượng chân đỡ: mchân đỡ = Vchân đỡ = 3.82 10-3 7850 = 30 (kg) 4.8.3 Chọn tai treo Tai treo gắn thân tháp tựa vào giàn đỡ để giữ tháp vững trình làm việc Chọn vật liệu làm tai treo thép CT3 Tải trọng tai treo chọn với tải trọng chân đỡ Gc = 2.5 104(N) Chọn tai treo “VIII – 2.5” Page | 48 Tra bảng XIII.36 – [2]-Tr.438 => Chọn tai treo có thơng số sau: Tải trọng cho phép chân Tải trọng cho phép bề mặt đỡ G.104 N q.106 N/m2 2.5 1.45 Bề mặt L đỡ B B1 F.10-4 m2 173 H S l a d Khối lượn g tai treo (kg) 60 3.48 mm 150 12 13 21 4.9 Chọn mặt bích 4.9.1 Mặt bích ghép thân nắp Mặt bích phận quan trọng dùng để nối phần thiết bị nối phận khác thiết bị Cơng nghệ chế tạo mặt bích phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo mặt bích, phương pháp nối áp suất mơi trường Vì tháp làm việc áp suất khí nên ta chọn kiểu bích liền Chọn bích ghép thân, đáy nắp làm thép CT3, cấu tạo bích bích phẳng hàn kiểu theo bảng XIII.27 ([2]-Tr.419) Với Dt = 1100 mm áp suất tính tốn P = (N/m2) = 0.075 (N/mm2) Theo bảng XIII.27 ([2] -Tr 419) P106 Dy Ống Kích thước nối (mm) (N/m2) (mm) Dn D (mm) (mm) (mm) (mm) 0.25 1100 1240 1190 1160 Kiểu bích Bulơng z h(mm) (cái) 1113 M20 24 22 Page | 49 Theo bảng IX.5 ([2] -Tr 170) Ta chọn số đĩa hai bích là: nđ = Vậy số bích cần dùng ghép thân là: NB = +1 = 4.2 Quy chuẩn: (bích) 4.9.2 Mặt bích ghép ống dẫn Ống dẫn thường nối với thiết bị mối ghép tháo mối ghép không tháo Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo Đối với mối ghép tháo được, người ta làm đoạn ống nối, đoạn ống ngắn có mặt bích hay ren để nối với ống dẫn: - Loại có mặt bích thường dùng với ống có đường kính d > 10 mm Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính d 10 mm, đơi dùng với d 32 mm Ống dẫn làm thép X18H10T Bích làm thép CT3, cấu tạo bích bích liền khơng cổ Ta có: P = 0.075 x 10-6 (N/m2) < 2.5 *Ống dẫn sản phẩm đáy Dy = 40 mm Theo bảng XIII.32 [2] -Tr.434: Chiều dài đoạn ống nối: lđ = 100 mm Theo bảng XIII.26 [2] -Tr.411: P106 Dy Ống Kích thước nối (mm) (N/m2) (mm) Dn D (mm) Kiểu bích Bulơng (mm) (mm) (mm) 0.25 40 45 130 100 z h(mm) (cái) 80 M12 12 *Ống dẫn khỏi tháp Dy = 300 mm Theo bảng XIII.32 [2] -Tr.434: Chiều dài đoạn ống nối: lh = 140 mm Theo bảng XIII.26 [2] -Tr.415: P106 Dy Ống Kích thước nối (mm) (N/m2) (mm) Dn D (mm) Kiểu bích Bulơng (mm) (mm) (mm) 0.25 300 325 435 395 z h(mm) (cái) 365 M20 12 22 *Ống nạp liệu Dy = 80 mm Page | 50 Theo bảng XIII.32 [2] -Tr.434: Chiều dài đoạn ống nối: ltl = 110 mm Theo bảng XIII.26 [2] -Tr.413: P106 Dy Ống Kích thước nối (mm) (N/m2) (mm) Dn D (mm) Kiểu bích Bulơng (mm) (mm) (mm) 0.25 80 89 185 150 z h(mm) (cái) 128 M16 14 *Ống dẫn lỏng hoàn lưu Dy = 70 mm Theo bảng XIII.32 [2] -Tr.434: Chiều dài đoạn ống nối: lhl = 110 mm Theo bảng XIII.26 [2] -Tr.413: P106 Dy Ống Kích thước nối (mm) (N/m2) (mm) Dn D (mm) Kiểu bích Bulơng (mm) (mm) (mm) 0.25 70 76 160 130 z h(mm) (cái) 110 M12 14 Page | 51 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN CÂN BẰNG NHIỆT 5.1 Tháp chưng luyện Phương trình cân nhiệt lượng tháp chưng luyện: Trong đó: : Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h) : Nhiệt lượng đốt mang vào tháp (J/h) : Nhiệt lượng lượng lỏng hồi lưu mang vào (J/h) : Nhiệt lượng mang đỉnh tháp (J/h) : Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang (J/h) : Nhiệt lượng mát môi trường xung quanh (J/h) (5% tổng nhiệt lượng có ích cung cấp cho đáy) : Nhiệt lượng nước ngưng mang (J/h) Chọn đốt nước bão hòa áp suất atm Theo Bảng I.97 – [1] -Tr.230: Hơi đốt có nhiệt độ sơi 119.62℃ 5.1.1 Nhiệt lượng đốt mang vào tháp (J/h) Trong đó: : lượng đốt (kg/h) : hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) đốt (J/kg) : nhiệt độ nước ngưng (℃), : ẩn nhiệt hóa hơi đốt (J/kg) Nội suy từ bảng số liệu Bảng I.212 – [1] – Tr.254, Ta có : Nhiệt dung riêng nước ngưng (J/kg độ) Theo Bảng 1.149 - [1] – Tr.168 C1 = 2.07 x 103 (J/kg.K) Page | 52 5.1.2 Nhiệt lượng lượng lỏng hồi lưu mang vào Trong đó: GR: Lượng lỏng hồi lưu (kg/h), GR= GD Rx = 3360 (kg/h) : Nhiệt độ lượng lỏng hồi lưu () Lượng lỏng hồi lưu (sau qua thiết bị ngưng tụ) trạng thái sơi, có nồng độ phần mol nồng độ đỉnh tháp: x = yD = 0.7838 tR = tD = 79.21 : Nhiệt dung riêng lượng lỏng hồi lưu (J/kg độ) Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng: bảng I.153 bảng I.154 ([1] – Tr.172) nhiệt độ t = 79.21 , ta có: CE = 3210.125 (J/kg.độ) Cw = 4228.42 (J/kg.độ) Nồng độ khối lượng lượng lỏng hồi lưu: aR = aD = 0.8846 = 3327.64 (J/kg.độ) 79.21 = 8.86 108 (J/h) 5.1.3 Nhiệt lượng mang đỉnh tháp (J/kg) : Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) đỉnh tháp (J/kg) (J/kg) : Nhiệt lượng riêng rượu nước (J/kg) Mà: Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng: bảng I.153 bảng I.154 ([1] – Tr.172) nhiệt độ t = 79.21 , ta có: C1 = 3210.125 (J/kg.độ) C2 = 4228.42 (J/kg.độ) Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng: bảng I.250 bảng I.263 ([1]–Tr.312/324) Nội suy ta có: => : Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh: = 77.96 108 (J/h) 5.1.4 Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang Page | 53 Trong đó: Gw: Lượng sản phẩm đáy (kg/h), Gw = 1099.8 (kg/h) : Nhiệt độ sản phẩm đáy () tw = 99.99 : Nhiệt dung riêng sản phẩm đáy (J/kg.độ) Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng: bảng I.153 bảng I.154 ([1] – Tr.172) nhiệt độ t = 99.99 , ta có: C1 = 3520 (J/kg.độ) C2 = 4230 (J/kg.độ) Nồng độ khối lượng lượng lỏng hồi lưu: aw = 0.0006 = 4229.574 (J/kg.độ) 99.99 = 4.65 108 (J/h) 5.1.5 Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào Trong đó: GF: Lượng nhập liệu (kg/h), Gw = 3822.63 (kg/h) : Nhiệt độ hỗn hợp nhập liệu () tF = : Nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu (J/kg.độ) Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng: bảng I.153 bảng I.154 ([1] – Tr.172) nhiệt độ t = 80.8 , ta có: C1 = 3232 (J/kg.độ) C2 = 4231.8 (J/kg.độ) Nồng độ khối lượng hỗn hợp đầu: aF = 0.63 = 3602 (J/kg.độ) 80.8 = 11.18 108 (J/h) 5.1.6 Lượng đốt cần thiết = 5.1.7 Nhiệt lượng môi trường xung quanh Lượng nhiệt môi trường lấy 5% lượng nhiệt tiêu tốn đáy tháp: 5.1.7 Nhiệt lượng nước ngưng mang = 7.4 x 108 (J/h) ( : Lượng nước ngưng, lượng đốt (kg/h) ) Page | 54 5.2 Thiết bị gia nhiệt đáy tháp Chọn thiết bị ống xoắn ruột gà với nguồn cấp nhiệt nước bão hòa 2atm, đường kính ống dẫn 34 mm với bề dày mm bán kính vòng xoắn D = 1100 m Lượng đốt cần thiết D1 = 2994 (kg/h) Chất cấp nhiệt: Hơi nước bão hòa áp suất atm (nhiệt độ sôi 119.62 ℃) Hơi đốt: Nhiệt vào 119.62 – Nhiệt 119.62 Cồn thô: Nhiệt vào 80.8 (lỏng) - Nhiệt 99.9 (hơi) *Tra bảng I.251 – [1] – Tr.314, Ta có thơng số nước bão hòa áp suất atm rhh = 2208000 (J/kg) ts = 119.62 ( ) *Hiệu số nhiệt độ trung bình = 119.62 – 80.8 = 38.82 = 119.62 – 99.9 = 19.72 = = 28.2 (K) 5.2.1 Hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy ngồi ống: Áp dụng cơng thức V.89 – [1] – Tr.26 : Hệ số dẫn nhiệt chất lỏng, W/m2K : Độ nhớt chất lỏng, N.s/m2 : Khối lượng riêng lỏng hơi, kg/m3 r: Ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg T: Nhiệt độ bão hòa, oK : sức căng bề mặt (lỏng -hơi), N/m C: Nhiệt dung riêng chất lỏng, J/kg.K Lấy thông số nhiệt độ bão hòa T Nhiệt độ sơi trung bình dòng sản phẩm ngồi ống: ts = (tv + tr)/2 = (80.8 + 99.96)/2 = 90.38 () => Ts = 363.38 oK Nồng độ phần mol: xW = 0.00024, y*w = 0.0032 Ts = 90.38 oC = 13.37 (%khối lượng) *Nhiệt tải qua thành ống (W/m2) = 64406.78 Trong đó: Page | 55 tw1: Nhiệt độ vách tiếp xúc với đốt (trong ống), tw2: Nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (trong ống), Tại nhiệt độ sơi trung bình *Khối lượng riêng pha hơi: = 1.156 (kg/m3) *Khối lượng riêng = 725.139 (kg/m3) (Theo bảng I.2 - [1] -Tr.9) = 964.734 (kg/m3) (Theo bảng I.2 - [1] -Tr.9) Khối lượng riêng hỗn hợp lỏng theo cơng thức Trong xw: Nồng độ mol Ethanol hỗn hợp : Khối lượng riêng Ethanol Nước Khối lượng riêng hỗn hợp vị trí đáy tháp là: = 964.658 (kg/m3) *Độ nhớt = 3.78 x 10-4 (Ns/m2) (Theo bảng I -101 ([1] -Tr.92) = 3.152 x 10-4 (Ns/m) (Theo bảng I-102 ([1] -Tr.95) Độ nhớt hỗn hợp lỏng theo công thức I.12 ([1] -Tr.84) lg() = x lg() + (1-x).lg() Trong x: Nồng độ mol Ethanol hỗn hợp : Độ nhớt động lực Ethanol Nước Độ nhớt hỗn hợp vị trí đáy tháp là: = 3.15 x 10-4 (Ns/m) *Hệ số dẫn nhiệt = 0.676 (W/m2K) (Theo bảng I.130 - [1] -Tr.135) = 0.162 (W/m2K) (Theo bảng I.130 - [1] -Tr.135) Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp lỏng theo cơng thức = x + (1-x) Trong x: Nồng độ mol Ethanol hỗn hợp : Hệ số dẫn nhiệt Ethanol Nước Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp vị trí đáy tháp là: = 0.162 (W/m2K) Page | 56 *Nhiệt dung riêng = 3375.7 (J/kg.K) (Theo bảng I.154 - [1] -Tr.172) = 4210.76 (J/kg.K) (Theo bảng I.153 - [1] -Tr.172) Nhiệt dung riêng hỗn hợp lỏng theo công thức = x + (1-x) Trong x: Nồng độ mol Ethanol hỗn hợp : Nhiệt dung riêng Ethanol Nước Nhiệt dung riêng hỗn hợp vị trí đáy tháp là: = 4210.56 (J/kg.K) *Sức căng bề mặt = 0.01636 (N/m) (Theo bảng I.142 - [1] -Tr.301) = 0.06068 (N/m) (Theo bảng I.142 - [1] -Tr.301) Sức căng bề mặt hỗn hợp lỏng theo cơng thức = Trong x: Nồng độ mol Ethanol hỗn hợp : Sức căng bề mặt Ethanol Nước Sức căng bề mặt hỗn hợp vị trí đáy tháp là: = 0.01288 (N/m) *Nhiệt hóa = 201.81 (kcal/kg) (Theo bảng I.213 - [1] -Tr.257) = 558.24 (kcal/kg) (Theo bảng I.65 - [1] -Tr.255) Nhiệt hóa hỗn hợp lỏng theo công thức I.12 ([1] -Tr.84) = x + (1-x) Trong x: Nồng độ mol Ethanol hỗn hợp : Nhiệt hóa Ethanol Nước Nhiệt hóa hỗn hợp vị trí đáy tháp là: =558.15(kcal/kg) =2336.88 x 103 (J/kg) Vậy = 1.733 x q0.7 = 4027.64 Hệ số cấp nhiệt đốt ống Page | 57 Với : Hệ số cấp nhiệt lưu thể ống thẳng d: Đường kính ống xoắn R: Đường kính vòng xoắn Note: Chiều dài ống xoắn thiết bị trao đổi nhiệt thường lớn, trở lực thủy lực cao Thường người ta lấy vận tốc chất tải nhiệt lỏng vào khoảng 0.3 – 0.8 (m/s) vận tốc chất áp suất thường lấy từ -10 (m/s) Chọn vận tốc ống v = 10 (m/s), dtr = 0.034 m Re = = 28 x 106 > 1000 => Chảy rối Ta có = 332648.4 => c = 369046 Nu = 0.021.Re0.8Pr0.43 Với chất cấp nhiệt nước bão hòa cơng thức tính theo Nu = 0.021.Re0.8Pr0.43 = 0.021280000000.80.720.43 = 16542.41 Dùng phép lặp, chọn tw1 = 110 Nhiệt độ trung bình màng nước ngưng tụ: tm = (tn +tw1)/2 = 114.81 Tại nhiệt độ -Khối lượng riêng nước: = 946.89 (kg/m3) -Độ nhớt nước: = 0.011544 cP = 1.15 x 10-5 (N.s/m2) -Hệ số dẫn nhiệt nước: = 0.6837 (W/m.K) 5.2.2 Hệ số truyền nhiệt Hệ số truyền nhiệt K tính cơng thức tường phẳng K = (W/m2.K) Với : Hệ số cấp nhiệt đốt (W/m2.K) : Hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy (W/m2.K) : Nhiệt trở qua thành ống Bề dày thành ống: = 0.002 (m) Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: = 16.3 (W/m.K) ( Bảng XII.7 – [1] – Tr.313) Nhiệt trở lớp bẩn ống r1: r1 = 1/5800 (m2.K/W) = 2.95 x 10-4 (m2.K/W) Vậy K = 1831.52 (W/m2.K) Page | 58 5.2.3 Tính tốn bề mặt truyền nhiệt Bề mặt truyền nhiệt F = = = 19 (m2) (Với Qn = D1 x r1) 5.2.4 Tính tốn thơng số khác Chiều dài ống truyền nhiệt là: L = = 167.99 (m) => Chọn L =168 (m) Số vòng xoắn: n = = 48 Chiều cao ống xoắn: dn n + (n-1) = 48 x 38 + 47 x = 1918 (mm) ( : Khoảng cách hai vòng xoắn, chọn = mm) LỜI KẾT 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 u cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ Nước – Cồn cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết Đồ án Chuyên ngành Quá trình & Thiết bị Thực phẩm môn học mang tính tổng hợp q trình học tập kỹ sư Công nghệ Thực Phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: quy trình cơng nghê, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hóa chất – thực phẩm Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp Page | 59 Như với hệt thống chưng cất Cồn-Nước dùng tháp đĩa chóp thiết kế, ta thấy bên cạnh ưu điểm có nhiều nhược điểm Thiết bị có ưu điểm suất hiệu suất cao thiết bị cồng kềnh, lực qn tính tương đối lớn, đòi hỏi phải có vận hành với độ xác cao Khi lắp đặt thực tế, cần tính tốn thêm kinh tế cho vật liệu công lắp đặt tối ưu Bên cạnh vận hành thiết bị cần phải ý đến vấn đề an toàn lao động để tránh rủi ro xảy ra, gây thiệt hại người Việc thiết kế đồ án môn học giúp em củng cố kiến thức q trình chưng cất phần riêng mơn Qúa trình chuyển khối Giúp em nâng cao kĩ tra cứu, tính tốn, biết cách trình bày, vẽ Autocad máy Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Nhà máy Rượu Hà Nội tạo hội cho em tham quan thực tế hướng dẫn tận tình, chu đáo TS Phạm Ngọc Hưng tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án chuyên ngành Mặc dù cố gắng tỉ mỉ để hồn thiện nhiệm vụ mình, khơng thể tránh thiếu sót q trình thiết kế Mong thầy cô xem xét bảo giúp em Em xin chân thành cảm ơn! DANH MỤC THAM KHẢO Tập thể tác giả Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập Nhà xuất Khoa Học & Kỹ Thuật – Hà Nội 1992 Hiệu đính PTS Trần Xoa, PTS Nguyễn Trọng Khuông, PTS Phạm Xuân Toản Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập Nhà xuất Khoa Học & Kỹ Thuật – Hà Nội 1999 Pgs.Ts Nguyễn Đình Thưởng, Ts Nguyễn Thanh Hằng Công nghệ sản xuất kiểm tra cồn etylic Nhà xuất Khoa Học & Kỹ Thuật – Hà Nội 2005 Page | 60 Page | 61 ... thay tháp gọi tháp chưng luyện trình chưng nhiều lần gọi trình chưng luyện Hình 2.6: Sơ đồ tháp chưng luyện Sơ đồ tháp chưng luyện: tháp gồm nhiều đĩa, đĩa tháp ứng với nồi sơ đồ Ở tháp có phận... thống Chưng Cất Hệ chưng cất đa áp suất Hệ gồm tháp làm việc đồng thời để chưng cất sản phẩm cuối cồn nguyên chất Hệ thống bao gồm: Tháp khử khí; Tháp thơ; Tháp Aldehyde; Tháp Tiền Tinh; Tháp. .. CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN KẾT CẤU CHO THÁP TIỀN TINH Trong chương 3, em đề cập đến cân vật chất tháp chưng luyện, từ tính số đĩa lý thuyết số đĩa thực tế tháp Trong phần này, em tiến hành tính tốn kết cấu