Acid acetic (CH3OOH) là một trong những hợp phần không thể thiếu trông công nghệ thực phẩm cũng như trong một số ngành công nghiệp khác, CH3COOH cũng chiếm một vai trò quan trọng trong cuộc sống.Để sản xuất axit CH3COOH thì có nhiều phương pháp khác nhau nhưng trong công nghiệp thực phẩm thì nó được sản xuất bằng phương pháp lên men bởi tác nhân vi sinh vật. Để thu được CH3COOH tinh khiết có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng như các phương pháp hoá học, hoá lý…trong công nghiệp để thu được lượng lớn CH3COOH với độ tinh khiết theo yêu cầu thì người ta thường sử dụng phương pháp chưng cất.Có nhiều phương pháp chưng cất khác nhau nhưng trong công nghiệp thực phẩm thường sử dụng phương pháp chưng cất liên tục.Nguyên tắc phương pháp là dựa vào nhiệt độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hổn hợp.Về thiết bị thì có nhiều loại khác nhau, tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà người ta chọn loại thiết bị phù hợp.Trông công nghệ thực phẩm thiết bị chưng cất thường dùng là thiết bị loại tháp. Nội dung của đồ án này là tính toán thiết kế hệ thống tháp đệm chưng cất hệ hỗn hợp hai cấu tử là CH3COOH và H2O.Nhiệm vụ của Đồ án này là Thiết kế hệ thống tháp đệm chưng cất hệ acid acetic –nước với năng suất nhập liệu 3500 kgh Hệ acid acetic – nước có nồng độ nhập liệu 8% ( tính theo acid acetic) Nồng độ sản phẩm đáy: 45% tính theo acid acetic Nhập liệu lỏng sôi Trao đổi nhiệt với sản phẩm đá
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM …… ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁP ĐỆM CHƯNG CẤT HỆ ACID ACETIC – NƯỚC VỚI NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 3500 KG/H GVHD: TRẦN CHÍ HẢI SVTH: NGUYỄN THỊ HỒNG NGỌC 2005180561 09DHTP5 PHAN THỊ THÙY DƯƠNG 2005180568 09DHTP5 TP Hồ Chí Minh, 2020 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn cha mẹ, người thân quan tâm tạo điều kiện đầy đủ cho em học tập trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Em xin chân thành cảm ơn thầy trường Đại học Cơng nghiệp Thực phẩm nói chung, khoa Cơng nghệ Thực phẩm nói riêng tận tình truyền đạt kiến thức vơ q kinh nghiệm thực tiễn thời gian học tập trường Và đặc biệt giúp đỡ tận tình thầy Trần Chí Hải mà chúng em có thề hồn thành đồ án Cảm ơn Thầy thời gian qua sát cánh chúng em, hướng dẫn nhiệt tình để đồ án chúng em hoàn thiện Chúng em xin trận trọng gửi tới Thầy lời cảm ơn sâu sắc nhất! Đây lần chúng em làm đồ án Dù cố gắng để hoàn thành cách tốt nhất, sai sót điều khơng thể tránh khỏi Chúng em mong nhận ý kiến đóng góp thầy Một lần chúng em xin chân thành cảm ơn công lao dạy dỗ thầy mái trường mến u Kính chúc quý thầy, cô giáo nhiều sức khỏe đạt nhiều thắng lợi nghiên cứu nghiệp trồng người Chúng em xin chân thành cảm ơn TP.HCM, tháng 12 năm 2020 Sinh viên thực Phan Thị Thùy Dương Nguyễn Thị Hồng Ngọc i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI MỞ ĐẦU iv CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm chưng cất .1 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Các phương pháp chưng cất 1.1.3 Thiết bị chưng cất 1.2 Giới thiệu sơ nguyên liệu 1.2.1 Acid acetic 1.2.2 Nước 1.3 Đồ thị cân acid acetic – nước CHƯƠNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHƯƠNG CÂN BẰNG VẬT CHẤT .7 3.1 Các thông số ban đầu: 3.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy thu 3.3 Xác định số hoàn lưu làm việc .8 3.3.1 .Nồng độ phần mol 3.3.2 Suất lượng mol tương đối dòng nhập liệu 3.3.3 Tỉ số hoàn lưu làm việc 3.3.4 Đường làm việc 3.4 Xác định suất 3.4.1 Tại đỉnh tháp: 3.4.2 Tại mâm nhập liệu: 10 3.4.3 Tại đáy tháp: 10 CHƯƠNG CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 12 4.1 Cân nhiệt lượng thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu 12 4.2 Cân nhiệt lượng tháp chưng luyện 14 4.3 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 15 4.4 Cân nhiệt lượng thiết bị làm lạnh .16 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH .17 5.1 Đường kính tháp chưng cất 17 5.1.1 Lượng trung bình tháp 17 5.1.2 Khối lượng riêng trung bình: 20 5.1.3 Tốc độ khí (hơi) tháp: 23 ii 5.1.4 5.2 Đường kính tháp chưng cất .25 Chiều cao tháp chưng cất 26 5.2.1 Chiều cao đơn vị chuyển khối .27 5.2.2 Số đơn vị chuyển khối .35 5.2.3 Tính m .37 5.2.4 Xác định chiều cao tháp 38 5.2.5 Chiều cao toàn tháp 38 5.3 Trở lực tháp đệm .39 5.3.1 Trở lực đoạn chưng 40 5.3.2 Trở lực đoạn cất 41 CHƯƠNG TÍNH TỐN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN 42 6.1 Tính tốn thân tháp 42 6.1.1 Chọn vật liệu làm thân tháp 42 6.1.2 Tính chiều dày thân tháp 43 6.2 Tính chiều dày đáy tháp nắp thiết bị 45 6.2.1 Chiều dày nắp 46 6.2.2 Chiều dày đáy thiết bị .47 6.3 Tính đường kính ống dẫn 47 6.3.1 Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh 47 6.3.2 Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu .49 6.3.3 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy 50 6.4 Tra bích 51 6.4.1 6.5 Kích thước chiều dài ồng nối 51 Lưới đỡ đệm, dầm đỡ đệm .51 6.5.1 Đĩa phân phối 51 6.5.2 Lưới đỡ đệm 52 6.5.3 Dầm đỡ đệm 52 6.6 Giá đỡ tai treo 56 6.6.1 Tai treo 56 6.6.2 Giá đỡ 57 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 58 7.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 58 7.1.1 Tính hiệu số nhiệt độ trung bình .58 7.1.2 Tính nhiệt lượng trao đổi 58 7.1.3 Tính hệ số cấp nhiệt 59 iii 7.2 Tính thùng cao vị .65 7.2.1 Các trở lực trình tiếp liệu 65 7.2.2 Tính chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu 72 7.3 Tính tốn bơm 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu tạo phân tử acid acetic .3 Hình 1.2 Cấu tạo phân tử nước Hình 1.3 Đồ thị cân Acid acetic-nước Hình 1.4 Đồ thị T - xy .5 iv LỜI MỞ ĐẦU Acid acetic (CH3OOH) hợp phần thiếu trông công nghệ thực phẩm số ngành cơng nghiệp khác, CH3COOH chiếm vai trị quan trọng sống Để sản xuất axit CH3COOH có nhiều phương pháp khác cơng nghiệp thực phẩm sản xuất phương pháp lên men tác nhân vi sinh vật Để thu CH3COOH tinh khiết thực nhiều phương pháp khác phương pháp hố học, hố lý…trong cơng nghiệp để thu lượng lớn CH3COOH với độ tinh khiết theo yêu cầu người ta thường sử dụng phương pháp chưng cất Có nhiều phương pháp chưng cất khác công nghiệp thực phẩm thường sử dụng phương pháp chưng cất liên tục Nguyên tắc phương pháp dựa vào nhiệt độ bay khác cấu tử hổn hợp.Về thiết bị có nhiều loại khác nhau, tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà người ta chọn loại thiết bị phù hợp.Trông công nghệ thực phẩm thiết bị chưng cất thường dùng thiết bị loại tháp Nội dung đồ án tính tốn thiết kế hệ thống tháp đệm chưng cất hệ hỗn hợp hai cấu tử CH3COOH H2O Nhiệm vụ Đồ án Thiết kế hệ thống tháp đệm chưng cất hệ acid acetic – nước với suất nhập liệu 3500 kg/h - Hệ acid acetic – nước có nồng độ nhập liệu 8% ( tính theo acid acetic) Nồng độ sản phẩm đáy: 45% tính theo acid acetic Nhập liệu lỏng sôi Trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy v CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm chưng cất 1.1.1 Khái niệm Chưng cất 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 nhiệt độ, áp suất cấu tử khác nhau) cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Quá trình chưng cất trình dung mơi chất tan bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có hai cấu tử ta thu hai sản phẩm: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé - Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn Đối với hệ Acid acetic – Nước thì: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu nước - Sản phẩm đáy chủ yếu acid acetic 1.1.2 Các phương pháp chưng cất Phân loại theo áp suất làm việc: 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 ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử - Phân loại theo nguyên lý làm việc: chưng cất đơn giản, chưng cất nước trực tiếp chưng cất chân không - Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp, cấp nhiệt gián tiếp Trong cấp nhiệt trực tiếp nước thường áp dụng trường hợp chất tách không tan nước 1.1.3 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 áp dụng công nghiệp lọc hóa dầu Kích thướt tháp: đường kính tháp chiều cao tháp tùy thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí tháp độ tinh khiết sản phẩm Ở ta khảo sát hai loại tháp chưng thường dùng tháp mâm tháp chêm -Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có ctạo khác để chia thân tháp thành đoạn nhau, pha lỏng pha tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: • Tháp mâm chóp: mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ s… • Tháp mâm xuyên lỗ: mâm bố trí lỗ có đường kính ( 3-12mm) -Tháp chêm ( tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Tháp đệm hình trụ, bên có đổ đầy đệm Trong tháp đệm chất lỏng chảy từ xuống theo bề mặt đệm khí từ lên phân tán chất lỏng -So sánh ưu nhược điểm loại tháp: Ưu điểm Tháp đệm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Cấu tạo đơn giản - Hiệu suất tương đối cao - Hoạt động ổn định - Làm việc với chất lỏng bẩn - Hiệu suất cao - Hoạt động ổn định - Trở lực thấp - Làm việc với chất lỏng bẩn dùng đệm cầu có chất lỏng Nhược điểm - Do có hiệu ứng - Trở lực cao thành → hiệu suất - Yêu cầu lắp đặt khắc truyền khối thấp khe → lắp đĩa thật - Độ ổn định khơng phẳng cao, khó vận hành - có hiệu ứng thành → tăng suất hiệu ứng thành tăng → khó tăng suẩt - Thiết bị nặng Vậy: ta sử dụng tháp đệm để chưng cất hệ Acid acetic – Nước - Cấu tạo phức tạp - Trở lực lớn - Không làm việc với chất lỏng bẩn 1.2 Giới thiệu sơ nguyên liệu Nguyên liệu hỗn hợp acid acetic – nước 1.2.1 Acid acetic 1.2.1.1 Tính chất Acid acetic hệ thống có tên acid ethanoic hợp chất hữu với cơng thức hóa học CH3COOH Hình 1.1 Cấu tạo phân tử acid acetic Là chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng, trọng lượng riêng 1,0497 (ở 20C) Khi nhiệt độ hạ xuống đơng đặc thành khối tinh thể có Tnc = 16,635 ± 0,002C; TSôi = 118C Tan nước, rượu ete theo tỷ lệ Là acid yếu, số phân ly nhiệt động 25C K = 1,75.10-5 Tính ăn mịn kim loại: Acid acetic ăn mịn sắt Nhơm bị ăn mịn acid lỗng, đề kháng tốt với acid acetic đặt khiết Đồng chì bị ăn mịn acid acetic với diện khơng khí Thiếc số loại thép nikel – crom đề kháng tốt với acid acetic 1.2.1.2 Điều chế Acid acetic điều chế cách: a) Oxy hóa có xúc tác cồn etylic để biến thành andehit acetic, giai đoạn trung gian Sự oxy hóa kéo dài tiếp tục oxy hóa andehit acetic thành acid acetic CH3 CHO + O2 → CH3 COOH C2 H5 OH + O2 → CH3 COOH + H2 O b) Oxy hóa andehit acetic tạo thành cách tổng hợp từ acetylen Sự oxy hóa andehit tiến hành khí trời với diện coban acetat Người ta thao tác andehit acetic nhiệt độ gần 80C để ngăn chặn hình thành peroxit Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết Người ta đạt dễ dàng sau chế acid acetic kết tinh được: Coban acetic 80℃ CH3 CHO + O2 → CH3 COOH c) Tổng hợp từ cồn metylic cacbon oxit Hiệu suất đạt 50 – 60% so với tỷ lệ lý thuyết cách cố định cacbon oxit cồn metylic qua xúc tác Nhiệt độ từ 200 – 500C, áp suất 100 – 200atm: CH3 OH + CO → CH3 COOH Với diện metaphotphit photpho – vonframat kim loại hóa trị (chẳng hạn sắt, coban) 1.2.1.3 Ứng dụng Acid acetic loại acid quan trọng loại acid hữu Nó rẽ nên ứng dụng rộng rãi hóa chất để điều chế nhiều hợp chất quan trọng Acid acetic ứng dụng ngành: + Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4.5% acid acetic) + Làm đông đặc nhựa mủ cao su + Làm chất dẻo tơ lụa xenluloza axetat – làm phim ảnh không nhạy lửa + Làm chất kết dính polyvinyl acetat + Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp 1.2.2 Nước Hình 1.2 Cấu tạo phân tử nước Trong điều kiện 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 Tính chất vật lý: + Khối lượng phân tử : 18g/ mol + Khối lượng riêng :1g/ml + Nhiệt độ nóng chảy : 0C + Nhiệt độ sơi :100C 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 hịa tan nhiều chất dung mơi quan trọng kỹ thuật hóa học 1.3 Đồ thị cân acid acetic – nước Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Nước – acid acetic 760 mmHg (% mol) d Tính hệ số cấp nhiệt bão hòa Khi tốc độ ống nhỏ (Wh < 10 m/s) màng nước ngưng chuyển động dịng hệ số cấp nhiệt α1 nước bão hòa ống thẳng đứng α = 2,04.A r (W/m2.độ) [STQTTB-II tr.28] Δt1.H H: Chiều cao ống thiết bị gia nhiệt, chọn H = 1,5 m Δt1 = tn - tT1 : hiệu số nhiệt độ nước ngưng (tbh) nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc (tT1) Δt1 = tbh - tT1 Giả thiết Δt1 = 3,5oC r : Ẩn nhiệt ngưng tụ bão hòa t = 119,62oC →r = 526,964 (kcal/kg)=2206,29.10 (J/kg) A: Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm ρ2.λ30,25 A= μ [STQTTB-II tr.29] Với: tm = 0,5.(tT1 + tbh) Δt1 = tbh - tT1 => tT1 = tbh - Δt1 = 119,62 – 3,5 = 116,12oC tm = 0,5.(116,12 + 119,62) = 117,87oC Suy ra: A = 179 + 188 - 179 (117,87 - 100) = 187,0415 (Theo Sổ tay II - 19) 120 - 100 Do đó: α1 = 2,04.187,0415 √ 2206,29 103 = 9715,026 W⁄m2 độ 3,5.1,5 Vậy nhiệt lượng cung cấp cho m2 thành ống là: q1 = α1.Δt1 = 9715,026.3,5 = 34023,043 (W/m2 ) e.Tính tổng trở thành ống Σ r Σ r = r + r2 + δ λ Chọn bề dày thành ống truyền nhiệt δ = mm ( TTQT &TB1- 343) λ : Hệ số dẫn nhiệt thành ống, λ = 16,3 (W.m2.độ), thép X18H10T theo bảng [XII.7 STQTTB-II tr.313) rT1, rT2 : Nhiệt trở lớp cặn nước tạo thành phía thành ống Với nước có cặn bẩn: 1 = = 2000 (kcal/m3.h.độ) ( TTQT&TB1- 346) rT1 rT2 62 rT1 = rT2 = = 4,31.10-4 (m2.độ/W) 2000.1,16 Vậy: Σ r = 2.4,31.10-4 + 2.10-3 = 9,867.10-4 16,3 f.Tính hiệu số nhiệt độ hai thành ống Nhiệt lượng dẫn qua m2 thành ống: qo = ΔtT Σr ΔtT = qo.Σ r Do trình truyền nhiệt ổn định nên: qo = q1 = 34023,043 (W/m2) Do đó: ΔtT = 34023,043.9,867.10-4 = 35,57oC Lại có: ΔtT = tT1 - tT2 ; tT1 = 116,62oC tT2 = 119,62 – 33,57 = 86,05oC Mà: Δt2 = tT2 - t2 Với t2 nhiệt độ hỗn hợp đầu đun nóng ống: t2 = tbh - Δttb = 119,62 – 67,46 = 52,16 Δt2 = 86,05 – 52,16 = 33,89oC g.Tính nhiệt lượng thành ống cung cấp cho dung dịch q2 = α2.Δt2 = 1255,56.33,89 = 42550,9 (W/m2) Xét q1 - q2 = 0,25 > 0,05 (chấp nhận được) q1 →Vậy lượng nhiệt trung bình truyền cho m2 thành ống là: q1 + q2 34023,043 + 42550,9 = = 38286,9715 W⁄m2 2 i.Xác định bề mặt ống truyền nhiệt qtb = Bề mặt ống truyền nhiệt thiết bị gia nhiệt xác định: F = Q q Q lượng nhiệt để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ cần thiết Q 189828,6233 F= = = 4,96 m2 qtb 38286,9715 j.Tính số ống truyền nhiệt, chọn cách xếp ống theo hình cạnh F 4,96 n= = = 50,15 ( ống) π dtđ h 3,14.0,021.1,5 Quy chuẩn ta được: n = 61 ( ống) từ bảng [V.11 STQTTB-II tr.48] Chọn cách xếp ống theo hình lục giác, gọi a số ống cạnh hình lục giác 63 { b = 2a − a=5 →{ n = 3a (a − 1) + = 61 b=9 Chọn a = ống → số ống đường chéo hình lục giác : b = ống h.Tính đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu D = t.(b -1) + 4d (m) (Sổ tay II - 49) Trong đó: t : bước ống t = 1,2.d = 1,2.0,025 = 0,03 (m) d : đường kính ngồi ống: d = 0,025 (m) Số ống đường xuyên tâm là: b = →Theo [STQTTB-II tr.49], đường kính thiết bị : Dt = 0,03.(9 - 1) + 4.0,025 = 0,34 m 0,35 m k.Tính lại vận tốc chia ngăn Vận tốc thực tế : ωt = GF 4.3500 = = 0,047 m⁄s π d2 n ρ 3,14 0,0212 61.988,596 3600 Vận tốc giả thiết : Re 7820,8762.0,5309 10−3 ωgt = = = 0,2 m⁄s d ρ 0,021.988,596 Số ngăn m= ωt 0,2 = = 4,26 ngăn ωgt 0,047 Quy chuẩn, ta chia thiết bị làm :m = ngăn Vậy thông số thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu : F = 4,96 m2 L = 1,5 m Dn = 25 mm D = 350 mm n = 61 ống m = ngăn 64 7.2 Tính thùng cao vị 7.2.1 Các trở lực trình tiếp liệu Áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục tất sức cản thủy lực hệ thống ống dẫn vào thiết bị dòng chảy đẳng nhiệt ∆P = ∆Pđ + ∆Pm + ∆PH + ∆Pc + ∆Pk + ∆Pt , N⁄m2 [II 53 STQTTB − I tr 376] Trong đó: Pđ: áp suất động lực học cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy khỏi ống dẫn, N/m2; ρ ω2 ∆Pđ = [II 54 STQTTB − I tr 377] : khối lượng riêng chất lỏng ống, kg/m3; : tốc độ dòng chảy, m/s; Pm: áp suất để khắc phục trở lực ma sát dòng chảy ổn định ống thẳng, N/m2 L ρ ω2 L ∆Pm = λ = λ ∆Pđ dtb dtb [II 55 STQTTB − I tr 377] : hệ số ma sát; L: chiều dài ống nối, m; dtđ: đường kính tương đương ống dẫn, m; Pc: tổn thất áp suất cục bộ, N/m2 ρ ω2 [II 56 STQTTB − I tr 377] ∆Pc = ξ Với: : hệ số trở lực cục bộ; PH: áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao để khắc phục áp suất thủy tĩnh ∆PH = ρ g H , N⁄m2 [STQTTB − I tr 377] : khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3; H: chiều cao chất lỏng, N/m; Pt: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực thiết bị, N/m2; Pk: áp suất bổ sung cuối ống dẫn nhiều trường hợp a.Trở lực đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến tháp • Tính áp suất động học: ρ ω2 ∆Pđ = 65 Khối lượng riêng dung dịch ts = tF = 73,54C phần tính tốn khí tính với = 957,7385 kg/m3 d = 70 mm ( đường kính ống dẫn liệu, tính phần tính tốn khí) Tốc độ trung bình lưu thể: ω= V 4.3500 = = 0,264 m⁄s π d2 ρ 3600 3,14 0,072 957,7385.3600 ρ ω2 957,7385 0,2642 → ∆Pđ = = = 33,3573 N⁄m2 2 • Tính áp suất để khắc phục trở lực ma sát: ∆Pm = λ L ρ ω2 L = λ ∆Pđ dtb dtb N ⁄m2 Chọn chiều dài ống dẫn: L = 2,5m; Đường kính tương đương ống: dtđ = d = 70mm = 0,07 m Chuẩn số Re lưu thể: Re = ω d ρ μ Độ nhớt hỗn hợp tF = 73,54C Nội suy theo bảng [I.101 STQTTB-I tr.9], ta được: A = 0,60522.10-3 N.s/m2 N = 0,3932.10-3 N.s/m2 → lg μhh = xF lg μN + (1 − xF ) lg μA = = 0,9746 lg 0,3932 10−3 + (1 − 0,9746) lg 0,60522 10−3 → μhh = 0,3975 10−3 N s⁄m2 Re = ω d ρ 0,246.0,07.957,7385 = = 44525,805 > 104 μ 0,3975 10−3 Vậy dòng chảy ống dòng chảy xốy Chọn ống làm ống tráng kẽm bình thường Tra bảng [II.15 STQTTB-I tr.381], ta có: = 0,1 – 0,5 mm → Chọn = 0,1 mm → dtđ 0,07 = = 700 ε 0,1 10−3 Vậy: Regh dtđ = ( ) = 7007 = 10707,593 ε 66 9 dtđ Ren = 220 ( ) = 220 7008 = 349267,3394 ε Ta thấy Regh < Re < Ren hệ số ma sát tính theo cơng thức sau: ε 100 0,25 λ = 0,1 (1,46 + ) dtđ Re [STQTTB − I tr 380] 0,1 10−3 100 → λ = 0,1 (1,46 + ) 0,07 44525,805 → ∆Pm = λ 0,25 = 0,026 L 2,5 ∆Pđ = 0,026 33,3753 = 30,9914 N⁄m2 dtb 0,07 • Tính trở lực cục bộ: PC: ρ ω2 ∆Pc = ξ = ξ ∆Pđ , N⁄m2 : hệ số trở lực cục bộ; Trên ống có: + Một van chắn tiêu chuẩn, mở hoàn toàn Theo bảng [II.26 STQTTB-I tr.397], ta có: 1 = 4,225 + Trở lực khủy 90 khủy 30 tạo thành Chọn a/b = Từ bảng [II.26 STQTTB-I tr.394] → 2 = 3.0,3 = 0,9 + Trở lực khỏi cửa, đột mở: F0 = 0,1667 Ft 3 = 0,6966 → ∑ ξ = ξ1 + ξ2 + ξ3 = 4,225 + 3.0,9 + 0,6966 = 7,6216 ∆PC = ξ ∆Pd = 7,6216.33,3753 = 254,374 N⁄m2 Vậy áp suất tổng cộng là: ∆P1 = ∆Pd + ∆Pm + ∆PC = 33,3753 + 30,9914 + 254,374 = 318,74 N⁄m2 →Chiều cao cột chất lỏng tương ứng với P1 là: H1 = ∆P1 318,74 = = 0,034 m ρ g 957,7385.9,81 b.Trở lực ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu • Tính áp suất động học: ∆Pđ = ρ ω2 67 Khối lượng riêng hỗn hợp: aF − aF = + ρhh ρN ρA Nội suy từ bảng [I.2 STQTTB-I tr.9] 25C, ta được: A = 1042,75 kg/m3 N = 996,5 kg/m3 → ρhh aF − aF −1 0,92 − 0,92 −1 =( + ) =( + ) = 1000,0485 kg⁄m3 ρN ρA 996,5 1042,75 Tốc độ hỗn hợp chảy ống dẫn là: ω= V 4.3500 = = 0,2639 m/s π d 3600 3,14 0,072 3600 ρ ω2 1000,0485 0,26392 → ∆Pđ = = = 34,8233 N⁄m2 2 • Tính Pm: L ρ ω2 L ∆Pm = λ = λ ∆Pđ dtb dtb N ⁄m2 Chuẩn số Reynolt lưu thể Re = ω d ρ μ Độ nhớt dung dịch 25C Nội suy từ bảng [I.101 STQTTB-I tr.91], ta được: A = 1,125.10-3 N.s/m2 N = 0,9005.10-3 N.s/m2 → lg μhh = xF lg μN + (1 − xF ) lg μA = = 0,9746 lg 0,9005 10−3 + (1 − 0,9746) lg 1,125 10−3 → μhh = 0,9056 10−3 N s⁄m2 Re = ω d ρ 0,2639.0,07.1000,0485 = = 20399,62 > 104 μ 0,9056 10−3 Vậy dòng chảy ống dòng chảy xốy Ta thấy Regh < Re < Ren hệ số ma sát tính theo cơng thức sau: ε 100 0,25 λ = 0,1 (1,46 + ) dtđ Re 68 [STQTTB − I tr 380] 0,1 10−3 100 → λ = 0,1 (1,46 + ) 0,07 20399,62 0,25 = 0,0289 Chọn chiều dài đoạn ống là: L = 10m → ∆Pm = λ L 10 ∆Pđ = 0,0289 33,3753 = 137,792 N⁄m2 dtb 0,07 • Tính trở lực cục bộ: PC: ∆Pc = ξ ρ ω2 = ξ ∆Pđ , N⁄m2 : hệ số trở lực cục bộ; Trở lực cục đoạn ống: + Trở lực vào ống thẳng: chọn 1 = 0,5 + Có khủy 90 có khủy 30 tạo thành Chọn a/b = → 2 = 3.0,3 = 0,9 [STQTTB-I tr.394] + van tiêu chuẩn: 3 = 4,225 [STQTTB-I tr.397] ∑ ξ = ξ1 + ξ2 + ξ3 = 0,5 + 2.0,9 + 4,225 = 6,525 ∆PC = ξ ∆Pd = 6,525.34,8233 = 227,222 N⁄m2 Vậy áp suất tổng cộng là: ∆P2 = ∆Pd + ∆Pm + ∆PC = 34,8233 + 137,792 + 227,222 = 399,8373 N⁄m2 →Chiều cao cột chất lỏng tương ứng với P2 là: H2 = ∆P2 399,8373 = = 0,04 m ρ g 1000,0485.9,81 c.Trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu • Tính áp suất động học: ∆Pđ = Tốc độ lưu thể ống là: ωt = ρ ω2 V f V: Thể tích hỗn hợp V= F 3600 ρhh f: tiết diện bề mặt truyền nhiệt 69 , m3 ⁄s f= n π d2 m , m2 n: Số ống thiết bị gia nhiệt, n = 61 ống m: Số ngăn thiết bị gia nhiệt, m = ngăn Theo phần tính tốn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu có: hh = 990,961 kg/m3 →V= F 3600.ρhh = 3500 3600.990,961 →f= = 0,975 10−3 m3 ⁄s1 n π d2 61 3,14 0,0212 = = 4,2235 10−3 m2 m ωt = → ∆Pđ = V 0,975 10−3 = = 0,231 m⁄s f 4,2235 10−3 ρ ω2 990,961 0,2312 = = 26,44 N⁄m2 2 • Tính Pm L ρ ω2 L ∆Pm = λ = λ ∆Pđ dtb dtb N ⁄m2 Chuẩn số Reynolt lưu thể Re = ω dtd ρ μ Theo phần tính tốn thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu nhiệt độ trung bình t = 52,16C ta tính được: = 0,5309.10-3 N.s/m2 Vậy: Re = ω dtd ρ 990,961.0,231.0,021 = = 9054,722 > 104 −3 μ 0,5309 10 Vậy hổn hợp chế độ chảy xốy Ta có: dtđ 0,021 = = 210 ε 0,1 10−3 Vậy: Regh dtđ = ( ) = 2107 = 2704,682 ε 9 dtđ Ren = 220 ( ) = 220 2108 = 90140,3806 ε Ta thấy Regh < Re < Ren hệ số ma sát tính theo cơng thức sau: 70 ε 100 0,25 λ = 0,1 (1,46 + ) dtđ Re [STQTTB − I tr 380] 0,1 10−3 100 → λ = 0,1 (1,46 + ) 0,021 90140,3806 0,25 = 0,029 Chiều dài đoạn ống là: L = m.h = 5.1,5 = 7,5 m → ∆Pm = λ L 7,5 ∆Pđ = 0,029 26,44 = 273,843 N⁄m2 dtb 0,021 • Tính trở lực cục bộ: PC: ∆Pc = ξ ρ ω2 = ξ ∆Pđ , N⁄m2 : hệ số trở lực cục bộ; Khi vào thiết bị, dòng chảy qua nhiều chỗ ngoặt đột thu đột mở + Tiết diện cửa vào tiết diện cửa ống: π d2td 3,14 0,072 f1 = = = 3,8465 10−3 m2 4 + Tiết diện khoảng trống đầu thiết bị ngăn là: π D2t 3,14 0,352 f2 = = = 0,02 m2 m + Tiết diện ống truyền nhiệt ngăn là: π D2t n 3,14 0,0212 61 f3 = = = 4,2235 10−3 m2 m + Khi dòng chảy chảy vào thiết bị ia nhiệt tức đột mở: f1 3,8465 10−3 = = 0,1923 f2 0,02 → ξ1 = (1 − 0,1923)2 = 0,6523 + Khi dòng chảy từ khoảng trống vào ngăn, tức đột thu lần: f2 0,02 = = 0,211 f3 4,2235 10−3 Nội suy theo bảng [II.16 STQTTB-I tr.388] → 2 = 0,59 + Khi dòng chảy từ ngăn khoảng trống, tức đột mở lần: 3 = (1-0,211)2 = 0,6225 Tra bảng [I.16 STQTTB-I tr.388], ta được: f1 3,8465 10−3 = = 0,1923 f2 0,02 71 →4 = 0,612 → = 1 + 5.2 + 3 + 4 = 0,6523 + 5.0,59 + 5.0,6225 + 0,612 = 5,5072 → ∆PC = ξ ∆Pd = 5,5072.26,44 = 154,61 N⁄m2 • Trở lực thủy tĩnh thiết bị ∆PH = ρ g H = 990,961.9,81.1,5 = 14581,991 N⁄m2 ∆P3 = ∆PH + ∆Pm + ∆Pc + ∆Pđ = 14581,991 + 273,843 + 154,61 + 26,44 = 15036,884 N⁄m2 Chiều cao cột chất lỏng tương ứng với P3 là: H3 = ∆P3 15036,884 = = 1,546 m ρ g 990,961.9,81 7.2.2 Tính chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu Các kí hiệu: H0: chiều cao tính từ mặt thống bể chứa dung dịch đến mặt thống thùng cao vị, m; H1: chiều cao tính từ đáy tháp đến đĩa tiếp liệu, m; H2: chiều cao tính từ nơi đặt bơm đến đáy tháp, m; Z: chiều cao tính từ đĩa tiếp liệu đến mặt thoáng thùng cao vị, m; Bơm làm việc liên tục trình chưng luyện, đưa dung dịch từ bể chứa lên thùng cao vị, mức chất lỏng thùng cao vị giữ mức không dồi nhờ ống chảy tràn để trì áp suất khơng đổi nhờ ống chảy tràn để trì áp suất khơng đổi cho trình cấp liệu →Lưu lượng bơm: GB = GF = 3500 kg/h Viết phương trình Becnuli cho hai mặt cắt 1-1 2-2 so với mặt tiêu chuẩn 2-2 72 P1 w12 P2 w22 + +Z= + + Hm ρ1 g g ρ2 g g Trong đó: P1, P2: áp suất măt cắt 1-1 2-2, N/m2 P1 = Pa = 98100 N/m2 P2 = P1 + PuL =91800 + 17928,23 = 116028,23 N/m2 w1: vận tốc dung dịch mặt cắt 1-1 m/s Coi w1 = tiết diện thùng cao vị lớn so với tiết diện ống w2: vận tốc dung dịch mặt cắt 2-2 m/s w2 = 0,168 m/s 1: khối lượng riêng dung dịch trước gia nhiệt, kg/m3 →1 = 957,7385 kg/m3 2: khối lượng riêng dung dịch sau gia nhiệt, kg/m3 →2 = 1000,0485 kg/m3 Hm = H1 + H2 + H3 = 0,034 + 0,04 + 1,546 = 1,62 m P2 w22 P1 Z= + + Hm − ρ2 g g ρ1 g = 116026,23 0,1682 98100 + − + 1,62 = 3,9714 m 957,7385.9,81 2.9,81 1000,0485.9,81 7.3 Tính tốn bơm Để tính bơm việc đưa hỗn hợp đầu lên thùng cao vị đảm bảo u cầu cơng nghệ ta phải tính trở lực đường ống dẫn liệu thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu từ tính chiều cao thùng cao vị so với vị trí đĩa tiếp liệu vào tháp Cuối tính cơng suất áp suất toàn phần bơm Ta chọn bơm ly tâm Bơm ly tâm làm việc áp suất thường, với số vòng quay bơm n = 60 vòng/ phút, chiều cao hút bơm nhiệt độ thường t = 25C 5,75m theo bảng [II.31 STQTTB-I tr.439] Ở chiều cao bơm làm việc tuần hoàn đảm bảo không xảy tượng xâm thực Chiều cao đẩy bơm là: Hđ = H′ C + Z + Hđáy + Hb = 2,2566 + 3,97 + 1,5 + 0,15 = 7,8766 m →Chiều cao làm việc bơm là: HF = Hh + Hd = 5,75 + 7,8766 = 13,63 m • Tổn thất áp suất đường ống: ∆Pđ = ρ ω2 957,7385 0,1682 = = 13,52 N⁄m2 2 • Tính Pm Trong phần tổn thất áp suất từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu ta tính được: 73 Re = 20399,62 = 0,0289 Chiều dài ống: L = H = 13,63m ∆Pm = λ L 13,63 ∆Pđ = 0,0289 13,52 = 76,08 N⁄m2 dtb 0,07 • Tính PC ∆PC = ξ ΔPđ Trên đường ống có khủy khủy khủy 30 tạo thành →1 = 3.0,3 = 0,9 Có van tiêu chuẩn nên → 2 = 4,225 → = 2.1 + 22 = 2.0,9 + 2.4,225 = 10,25 ∆PC = ξ ΔPđ = 10,25.13.52 = 138,58 N⁄m2 Vậy: ∆P = ∆Pm + ∆Pc + ∆Pđ = 76,08 + 138,58 + 13,52 = 228,18 N⁄m2 Chiều cao cột chất lỏng tương ứng là: Hm = ∆P 228,18 = = 0,023 m ρ g 1000,0485.9,81 Do áp suất tồn phần bơm là: H = HF + Hm = 13,63 + 0,023 = 13,623 m • Năng suất bơm: Q= F 3500 = = 3,5 m3 ⁄h ρ 1000,0485 • Cơng suất trục bơm: N= Q ρ g H 1000 η [STQTTB − I tr 439] Trong đó: Q: suất bơm, m3/s; : khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3; g: gia tốc trọng trường, m/s2; H: áp suất toàn phần bơm, m; : hiệu suất chung bơm = 0.tl.ck Theo bảng [II.32 STQTTB-I tr.439] bơm ly tâm ta có thơng số sau: 74 - Hiệu suất thể tích: 0 = 0,85 – 0,96 - Hiệu suất thủy lực: tl = 0,8 – 0,85 - Hiệu suất khí: ck = 0,92 – 0,96 Ta chọn: - Hiệu suất thể tích: 0 = 0,9 - Thể tích thủy lực: tl = 0,85 - Thể tích khí: ck = 0,96 → = 0.tl.ck = 0,9.0,85.0,96 = 0,7344 Vậy công suất bơm là: N= Q ρ g H 3,5.1000,0485.9,81.13,653 = = 0,1773 kW 1000 η 1000.0,7344.3600 • Cơng suất động điện: Nđc = N ηđc ηtr , (kW) [STQTTB − I tr 439] Trong đó: nđ: hiệu suất động điện = 0,8; tr: hiệu suất truyền động = 1; → Nđc = N 0,1773 = = 0,222 kW ηđc ηtr 0,8.0,1 Trong thực tế thường phải chọn công suất động lớn cơng suất tính tốn C Nđc = β Nđc [STQTTB − I tr 439] Trong đó: : hệ số dự trữ cơng suất từ bảng [ II.33 STQTTB-I tr.439] với Nđc < ta suy ra: = 1,8 Vậy: C Nđc = β Nđc = 1,8.0,222 = 0,3996 kW Vậy thực tế ta chọn bơm có cơng suất là: 0,5 kW 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Hùng Dũng – Nguyễn Văn Lục – Hoàng Minh Nam – Vũ Bá Minh, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 1, Quyển 2: Phân riêng khí động, lực ly tâm, bơm, quạt, máy nén Tính hệ thống đường ống”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 1997, 203tr [2] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 388tr [3] Phạm Văn Bôn – Nguyễn Đình Thọ, “Quá trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 5: Q trình Thiết bị Truyền Nhiệt”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2002, 372tr [4] Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hồng Minh Nam, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 10: Ví dụ Bài tập”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 468tr [5] Tập thể tác giả, “Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 1”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 626tr [6] Tập thể tác giả, “Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 447tr 76 ... tốn thiết kế hệ thống tháp đệm chưng cất hệ hỗn hợp hai cấu tử CH3COOH H2O Nhiệm vụ Đồ án Thiết kế hệ thống tháp đệm chưng cất hệ acid acetic – nước với suất nhập liệu 3500 kg/h - Hệ acid acetic. .. chưng cất dung dịch hệ Acid acetic – nước cấu tử dễ bay nước Hỗn hợp: + Acid acetic - CH3COOH → MA = 60 g/mol + Nước – H2O → MH2O = 18 g/mol Năng suất nhấp liệu: GF= 3500 kg/h Nồng độ nhập liệu: ... liệu Nguyên liệu hỗn hợp acid acetic – nước 1.2.1 Acid acetic 1.2.1.1 Tính chất Acid acetic hệ thống có tên acid ethanoic hợp chất hữu với cơng thức hóa học CH3COOH Hình 1.1 Cấu tạo phân tử acid