TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁP ĐỆM CHƯNG CẤT LIÊN TỤC ĐỂ TÁCH HỖN HỢP HAI CẤU TỬ ETHANOL – NƯỚC

Đồ án quá trình thiết bị: Thiết kế hệ thống tháp đệm chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử Ethanol-Nước với các số liệu sau:Lưu lượng hỗn hợp đầu vào tháp (Kgh) :F=2000 KghNồng độ hỗn hợp đầu (phần khối lượng) :aF= 38%Nồng độ sản phẩm đỉnh (phần khối lượng) :aD= 97%Nồng độ sản phẩm đáy (phần khối lượng) :aW= 3,2%

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH BỘ MƠN CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM Đồ án mơn học: Đồ án mơn học Q trình thiết bị Công nghệ Thực phẩm Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁP ĐỆM CHƯNG CẤT LIÊN TỤC ĐỂ TÁCH HỖN HỢP HAI CẤU TỬ ETHANOL – NƯỚC Thành phố Hồ Chí Minh, 12/2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ BÀI TẬP THIẾT KẾ THIẾT BỊ BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM HỌ VÀ TÊN: MSSV: LỚP: Tên đồ án: Thiết kế hệ thống tháp đệm chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử Ethanol-nước với số liệu sau: − Lưu lượng hỗn hợp đầu vào tháp (Kg/h) : F=2000 Kg/h − Nồng độ hỗn hợp đầu (phần khối lượng) : aF= 38% − Nồng độ sản phẩm đỉnh (phần khối lượng) : aD= 97% − Nồng độ sản phẩm đáy (phần khối lượng) : aW= 3,2% Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu) - Tổng quan nguyên liệu - Tổng quan phương pháp chưng cất - Thuyết minh quy trình - Tính toán cân vật chất cân lượng - Tính tốn thiết kế thiết bị - Tính toán chọn thiết bị phụ - Bản vẽ A1 quy trình cơng nghệ - Bản vẽ A1 chi tiết thiết bị thiết kế Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 5/08/2019 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 19/12/2019 Họ tên người hướng dẫn: Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 08 năm 2019 TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký ghi rõ họ tên) GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Phần đánh giá: • Ý thức thực hiện: • Nội dung thực hiện: • Hình thức trình bày: • Tổng hợp kết quả: Điểm số: Điểm chữ: TP Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2019 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Phần đánh giá: • Ý thức thực hiện: • Nội dung thực hiện: • Hình thức trình bày: • Tổng hợp kết quả: Điểm số: Điểm chữ: TP Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2019 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG LỜI MỞ ĐẦU A: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT .4 I Tổng quan trình chưng cất Định nghĩa, phân loại thiết bị chưng cất 1.1 Định nghĩa chưng cất 1.2 Phân loại 1.3 Thiết bị chưng cất Giới thiệu tháp đệm 10 II TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU 11 Ethanol 11 Nước 14 III QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETHANOL-NƯỚC 16 Sơ đồ quy trình cơng nghệ 17 Thuyết minh quy trình cơng nghệ 19 B TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 21 I: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 21 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 21 1.1 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC CỦA THÁP 23 1.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp Rx 25 1.3 Xác định số đĩa lý thuyết số đĩa thực tế: 26 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 29 2.1 Cân nhiệt lượng thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 29 2.2 Cân nhiệt lượng tháp chưng luyện 30 2.3 Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ 32 Tính đường kính tháp chưng luyện 32 3.1 Tính đường kính đoạn luyện 32 3.2 Tính đường kính đoạn chưng 36 Tính chiều cáo tháp chưng luyện 38 Tính trở lực tháp 39 5.1 Trở lực đoạn luyện 39 5.2 Trở lực đoạn chưng 40 Tính tốn khí 41 6.1 Tính tốn đường kính đường ống dẫn 41 6.2 Tính chiều dày thân tháp hình trụ 43 6.3 Tính chiều dày đáy nắp thiết bị 45 6.4 Tra mặt bích 46 6.5 Tính lưới đỡ đệm, đĩa phân phối chất lỏng 48 6.6 Tính chọn tai treo chân đỡ 52 II TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 54 Tính tốn thiết bị truyền nhiệt: 54 1.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 54 1.2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 57 1.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 60 1.4 Thiết bị đun sôi đáy tháp 64 Bồn cao vị 66 2.1 Tổn thất đường ống dẫn 66 2.2 Tổn thất đường ống dẫn thiết bị đun sơi dịng nhập liệu 68 2.3 Tính chiều cao bồn cao vị 68 Bơm 69 3.1 Năng suất bơm 69 3.2 Tính cột áp 69 III TÍNH TỐN GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 71 C KẾT LUẬN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Ưu điểm, nhược điểm loại tháp 10 Hình 2: Cơng thức cấu tạo ethanol 13 Hình 3: Sơ đồ thiết bị chưng cất 18 Hình 4: Phương trình cân lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp cấu tử ethanol – Nước 760 mmHg 24 Hình 5: Xác định đồ thị số bậc thay đổi nồng độ tháp chưng cất 27 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Các thiết bị hệ thống chưng cất 19 Bảng 2: Cân lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp cấu tử ethanol – Nước 760 mmHg 24 Bảng 3: Thông số vật liệu thép X18H10T 44 Bảng 4: Thông số mặt bích liền thép X18H10T để nối thân với đáy nắp thiết bị47 Bảng 5: Thông số phận thiết bị ống 47 Bảng 6: Chiều dài đoạn ống nối dựa vào đường kính ống 48 Bảng 7: Thông số lưới đỡ đệm, đĩa phân phối 48 Bảng 8: Thông số thiết bị tai treo 53 Bảng 9: Thông số thiết bị chân đỡ 53 Bảng 10: Tính tốn giá tiền thiết bị 72 LỜI MỞ ĐẦU Ngày cùng với phát triển vượt bậc công nghiệp giới nước nhà, ngành công nghiệp cần nhiều hóa chất có độ tinh khiết cao Chưng cất trình áp dụng từ lâu đời đã nghiên cứu kỹ lưỡng Nó áp dụng rộng rãi công nghệ thực phẩm, sinh học hóa chất đễ chế biến rượu, cồn, tinh dầu, dầu thực vật, điều chế oxi, lọc dầu Vì thế, phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn cải tiến đổi để ngày hồn thiện là: đặc, hấp thụ, hấp phụ, chưng cất, trích ly… Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lực chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ ethanol – nước hai cấu tử hòa tan lẫn hoàn toàn vào nhau, nên ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm Nhiệm vụ đồ án thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp ethanol – nước có suất 2000 kg/h, nồng độ hỗn hợp đầu 38% mol, nồng độ sản phẩm đỉnh 97% mol, nồng độ sản phẩm đáy 3.2% mol, tháp làm việc áp suất bình thường Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy đã tận tâm hướng dẫn, hỗ trợ giúp đỡ tận tình em hồn thành đồ án Trong q trình thực đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót hạn chế Vì thế, em mong nhận góp ý, nhận xét phê bình quý thầy cô bạn để đồ án em hoàn thiện 0, 002 = + + = 4, 59.10−4 ∑ r = m K/W 117, N t 17, 5800 93 29772, 78.4, 59.10−4 = 104, 26 0C − * Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy chảy ngồi ống: 5800 Nhiệt độ trung bình dòng 98,81+ 99,81 sản phẩm đáy chạy = = ống: ttb 99, 310C 2 t * Xác định hệ số cấp nhiệt nước: Ta tra thông số sau: ρh = 0,59kg/m3; n ρ = 957,66kg/m3; μ = 0,287.10-3N.s/m2; Cp r ρ 2.λ3 Hệ số cấp nhiệt nước n.d (t − tr n xác định theo công tw1 ) thức: αN = 1, 28.4 µ = 4226,787kJ/kg.độ; λ = 0,545W/m.K; σ = 0,0123N/m; r = 2256,448kJ/kg Vậy: Với: tw1: nhiệt độ vách tiếp  0,59.2256 , 448.103 0,033  957, 66 0,333 xúc với nước(trong ống) Chọn tw1 = 117,930C Vậy nhiệt độ trung bình màng nước ngưng tụ: tm = 118, 65 0C Ta tra thông số: ρn = α = 7, 77.10−2.  957, 66 − 0,59 N.s/m2; λn = 0,54W/m.K α = 1, N 4n 28 n 28.41, 2208.1 17828 = = W/m2.K 03.943, 932.0, 543 µ d (t−3 − t ) 0, 235.10 0,qN021.(119, −117, q 93) n tr n w1  qN = αN (tN − tw1) =17828.(119, −117,93) = 29772, 78 W/m2  t = tw1 − q = 596 1,8 65    943,93kg/m3; μn = 0,235.10-3 r 0,75 0,545 29772, 780,7 (0, 287.10−3)0,45.4226, 7870,117 (99, 31+ 273)0,37   0, 0123  W/m2.K  q = α.(tw2 – ttb) = 5961,865.(104,2699,3) = 29516,72 W/m2 Kiềm tra sai số: ε = qN 29772, 78 − 29516, 72 100 = 0,86% (thỏa) 29772, 78 = Vậy tw1 = 117,930C tw2 = 104,260C  K = 1 + 4,59.10−4 + = 1464,5 W/m2.K 17828 5961,865 1.4.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt F 2= đ m Q 12, 05.104 = = 4, 06 K.∆tlog 1464, 5.20, 28 1.4.4 Chọn thiết bị Kiểm tra hệ số cấp nhiệt hỗn hợp sản phẩm đáy có kể đến ảnh hưởng xếp, bố trí ống Chọn cách xếp ống thẳng hàng, bố trí theo dạng lục giác đều, với 37 ống ta có: n = 3a(a1)+1 = 37 suy a = Số ống đường chéo đường cạnh: b = 2a – = ống Chọn ống dẫn có đường kính nhập Tạ 81,3007+ iliệu = t= = nh f+ 55, C iệt tF độ tr un ống g bì dẫn nh củ a2.1.1 Xác dò ng định nh ập vận tốc liệ dòng u: t nhập Ftb liệu Với tFtb ống dẫn = dtr = 10 (mm) Tra bảng II.15, trang 55,50C 381, [8] ⇒ Độ nhám ống: ε = 0,2 , ta tra (mm) (với ống nguyên ống hàn điều kiện ăn mòn ít) Tổn = Chiều dài L = F ống 4, 06 truyền n 37 nhiệt: π π dn 0, + dtr = 2, 79m 025 Đường kính thiết bị: D = t(b-1) + 4dn = 1,5.0,025.(7-1)+4.0,025 = 0,325(m) Bồn cao vị 2.1 Tổn thất đường ống dẫn  l thất đường ống dẫn xác1 định theo công thức: h1 = λ1 + F Σξ1  (m)  (2.1) Trong đó: λ1:hệ số ma sát đường ống; l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 10(m); d1 : đường kính ống dẫn, d1 = dtr = 0,01(m); ∑ξ1 : tổng hệ số tổn thất cục bộ; vF : vận tốc dòng thông số sau: ρA = 758,05  kg/m3; d ρB =  985 kg/m3; μA = 0,6405 10-3 N.s/m2 ; μB = 0,505.10-3 N.s/m2; CpA = 2911,5 J/kg.độ; CpB = 4186,6 J/kg.độ Ta tính được: ρhh = 835 kg/m3; µ = 0, 55.10−3 N.s / m2 ; C = 3421, 54hh F J/kg.độ phh Vận tốc dòng nhập liệu ống: vF = 4.20 G = 00 36 F 00 × 83 5× π ρ × π 0, 01 d = (m/s) , 2.1.2 Xác định hệ số ma sát đường ống C h 8, 47 × 0, R= = u v 01× 835 e = ẩF 128590 > n F s d 4000 0,55.10−3 ố R tr e ρ y n F o µ l d s : C h uẩn số Reynol ds tới hạ n: Re gh dtd = 6.( ) = 6.( 10 8/7 ) = 524, 8/7 εdtd ng hệ số ma sát cục 3, ] =60 0, ε − ] ) ,0,9), = Chuẩn số Reynolds 8+2 bắt đầu xuất = ,0 vùng nhám: d Re = 220.( td )9/8 = 220 49 10 9/8 ( ) = 17937, , n ε 0, ⇒ Do Regh < Re < Ren nên xác định theo công thức:  = − l o g[( +  6,81 0,9 ) Re = ξu1 (1 chỗ) = 0,15 Đường ống có chỗ uốn ⇒ ξu1 = 0,15 = 0,9 * Van : Tra bảng 9.5, hoàn tồn ξvan (1 cái) khu vực nhẵn số ma sát 90o có bán kính R với R/d = ( vực nhám Hệ Chọn dạng ống uốn cong trang 94, [8]: Chọn vực nằm thủy lực khu II.16, trang 382, [8]: λ van cầu với độ mở nằm khu vực độ (khu * Chỗ uốn cong : Tra bảng = 10 Đường ống có van cầu ⇒ ξvan = 10 = 20 128590 10.3, * Lưu lượng kế : ξl1 = (coi 4, không đáng kể) 2.1.3 X c đ ị n h  t ổ * Vào tháp : ξtháp = Nên: ∑ξ1 = ξu1 + ξvan + ξll + ξtháp = 21,9  10  0, 423 Vậy h1 =  0, 02 + 21,  0,1 2× 9,81 : = 0, 382 (m) 2.2 Tổn thất đường ống dẫn thiết bị đun sôi dòng nhập liệu  l v2 h2 = λ2 + Σξ2   d2  2g (m) (2.2) Trong đó: λ2 : hệ số ma sát đường ống; l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = 3.2 (m); d2 : đường kính ống dẫn, d2 = dtr = 0,032(m); ∑ξ2 : tổng hệ số tổn thất cục bộ; v2 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn Ta có: v2 d 4.2000 = 3600.835 π 0, 032 = 4.G F 3600 π = 0,827 m/s ρ hh tr 2.2.1 Xác định hệ số ma sát đường ống Chuẩn số Reynolds: Re = v2 dtr ρ µ = 0,827.0, 032.835 0, 55.10 = 1991,85