ĐỒ án MÔN HỌC thiết kế tháp chưng cất mâm chóp chưng cất hỗn hợp etanol – nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KĨ THUẬT HÓA HỌC - - ĐỒ ÁN MÔN HỌC Thiết kế tháp chưng cất mâm chóp chưng cất hỗn hợp Etanol – Nước GVHD: Lê Phan Hoàng Chiêu SVTH: Quách Nhật Minh MSSV: 1712193 Lớp: HC17MB Năm học 2020 – 2021 MỤC LỤC Tổng quan .5 Quá trình chưng cất Nguyên liệu làm việc Thiết bị .6 Quy trình sản xuất Cân vật chất .11 Các thông số ban đầu 11 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy 11 Cân lượng 14 Cân lượng cho toàn tháp 14 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy .15 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 16 Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu 16 Tính tốn thiết bị 17 Tính tốn đường kính tháp .17 Chiều cao thân tháp 24 Tính tốn trở lực tháp 28 Tính tốn khí cho tháp 38 Thân tháp chưng cất 38 Đáy nắp tháp chưng cất 42 Chọn bích vịng đệm .44 Tính chi tiết ống dẫn 44 Tai treo – Chân đỡ 49 Tính tốn thiết bị phụ 54 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 54 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 58 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 63 Thiết bị đun sôi đáy tháp 68 Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu 75 Bơm 81 Tổng kết kết tính tốn 84 Tài liệu tham khảo 86 TỔNG QUAN Quá trình chưng cất - Chưng cất trình phân riêng hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp Trong trình chưng cất vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại, pha tạo nên từ pha lỏng q trình bốc hơi, pha lỏng tạo nên từ pha trình ngưng tụ Các cấu tử diện hai pha với tỉ lệ khác có độ bay khác - Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có cấu tử ta thu 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 Nguyên liệu làm việc a Etanol - Etanol hợp chất hữu nằm dãy đồng đẳng ancol, chất lỏng không màu, suốt, mùi thơm dễ chịu đặc trưng Etanol nhẹ nước (khối lượng riêng 0.7936 g/ml 15oC), dễ bay (sôi 78.39oC), nóng chảy -114.3oC, tan vơ hạn nước - Etanol thể tính chất rượu đơn chức: + Phản ứng với kim loại kiềm + Phản ứng este hóa + Phản ứng tách nước mơi trường acid + Phản ứng oxi hóa - Etanol sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác đời sống: làm dung môi ngành công nghiệp dược phẩm, nước hoa, in ấn ; nhiên liệu động đốt trong; sử dụng rộng rãi ngành y tế nhờ tính sát khuẩn cao; sản xuất đồ uống có cồn - Điều chế etanol: + Thơng qua cơng nghệ hóa dầu hydrat hóa ethylene + Thông qua đường sinh học (lên men) b Nước - Nước chất lỏng không màu, không mùi, khơng vị, nóng chảy 0oC, nhiệt độ sơi 100oC, có khối lượng riêng g/ml - Nước hợp chất chiếm phần lớn Trái Đất cần thiết cho sống - Nước chất phân cực mạnh, có khả hịa tan nhiều chất dung mơi quan trọng ngành hóa học x (% phân mol) y (% phân mol) t (oC) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 33.2 44.2 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.8 100 100 90.5 86.5 83.2 81.7 80.8 80 79.4 79 78.6 78.4 78.4 Bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp etanol – nước Đường cân pha hệ Etanol – nước - Với hệ làm việc hệ etanol – nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục hệ có độ bay hai chất khác nhau, khơng có điểm đẳng phí nên cho phép ta thu sản phẩm với đội tinh khiết mong muốn Thiết bị - Thiết bị 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 hai loại thường dùng tháp mâm tháp chêm - 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 trịn, xupap, chữ s…, có rãnh xung quanh để pha khí qua ống chảy chuyền có hình trịn + Tháp mâm xun lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh - 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 - So sánh ưu nhược điểm loại tháp: Ưu điểm Nhược điểm Tháp chêm - Cấu tạo đơn giản - Trở lực thấp - Làm việc với chất lỏng bẩn dùng đệm cầu có    chất lỏng Tháp mâm xuyên lỗ - Trở lực tương đối thấp - Hiệu suất cao - Làm việc với chất lỏng bẩn Tháp mâm chóp - Khá ổn định - Hiệu suất cao - Do có hiệu ứng thành  hiệu suất truyền khối thấp - Độ ổn định khơng 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 - Chọn tháp mâm chóp để tiến hành chưng cất liên tục hỗn hợp etanol – nước tháp có hiệu suất cao, ổn định hệ làm việc chất lỏng bẩn cần phải xử lí QUY TRÌNH SẢN XUẤT STT 1-1 Dịng cơng nghệ Đặc điểm - Nhiệt độ: 25oC - Lưu lượng: 1080 kg/h - Áp suất: 3at - Nhiệt độ: 132.9oC - Lưu lượng: 115.46 kg/h Nguyên liệu đầu vào 2-2 Hơi nước 3-3 4-4 5-5 6-6 Khí khơng ngưng Nước ngưng Dịng nhập liệu đun sơi Dịng khỏi đỉnh tháp chưng cất 7-7 Nước lạnh (vào) 8-8 9-9 Nước lạnh (ra) Dịng hồn lưu sản phẩm đỉnh 10-10 Dòng sản phẩm đỉnh 11-11 12-12 Dòng sản phẩm đỉnh (đã làm nguội) Nước lạnh (vào) 13-13 14-14 15-15 16-16 Nước lạnh (ra) Dòng sản phẩm đáy - Nhiệt độ: 81.7oC - Lưu lượng: 1080 kg/h - Nhiệt độ : 78.3oC - Lưu lượng: 1728.25 kg/h - Nhiệt độ: 25oC - Lượng nước cần dùng: 26897.11 kg/h - Nhiệt độ: 40oC - Nhiệt độ : 78.3oC - Lưu lượng: 1148.3 kg/h - Nhiệt độ : 78.3oC - Lưu lượng: 579.95 kg/h - Nhiệt độ : 30oC - Nhiệt độ: 30oC - Lượng nước cần dùng: 1629.43 kg/h - Nhiệt độ: 40oC - Nhiệt độ : 94.3oC - Lưu lượng: 505.05 kg/h Hơi bốc cung cấp tháp chưng cất - Áp suất: 3at - Nhiệt độ: 132.9oC - Lưu lượng: 842 kg/h Hơi nước 17-17 18-18 Nước ngưng Dòng sản phẩm đáy làm nguội 19-19 Nước lạnh (vào) 20-20 Nước lạnh (ra) - Nhiệt độ: 45oC - Nhiệt độ: 25oC - Lượng nước cần dùng: 1666.91 kg/h - Nhiệt độ: 40oC Tên thiết bị STT Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bồn cao vị Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Thiết bị phân phối lỏng Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Bồn chứa sản phẩm đỉnh 10 Thiết bị đun sôi đáy tháp 11 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 12 Bồn chứa sản phẩm đáy Hỗn hợp Etanol- nước có nồng độ ban đầu 30% nhiệt độ 25oC bồn chứa nguyên liệu bơm đưa lên bồn cao vị để ổn định lưu lượng Hỗn hợp từ bồn cao vị qua thiết bị trao đổi nhiệt để đun sôi đến nhiệt độ sôi 76,8oC trước đưa vào tháp chưng cất Hơi nước 2at ngồi ống cịn dịng lỏng ống Lưu lượng nhập liệu 1080 kg/h Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn cất tháp chảy xuống Trong tháp nước từ lên gặp chất lỏng từ xuống xảy tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo từ nồi đun lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên cao thấp nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sơi cao nước ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp Etanol 80% có nhiệt độ 81,7oC Hỗn hợp từ đỉnh tháp qua thiết bị ngưng tụ để chuyển từ pha sang pha lỏng hoàn toàn cách cho hỗn hợp ngồi ống cịn nước giải nhiệt ống sau đưa đến phận phân phối chất lỏng Một phần đưa qua thiết bị giải nhiệt dạng ống chùm để giảm nhiệt độ xuống 30 oC trước đưa bồn chứa sản phẩm đỉnh Phần cịn lại hồn lưu trở tháp với lưu lượng 1148.3 kg/h Ở đáy tháp ta thu hỗn hợp hầu hết cấu tử khó bay nước nên có nồng độ Etanol thấp 3% Dung dịch lỏng khỏi đáy tháp vào nồi đun Dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại chảy tràn qua vách ngăn khỏi nồi sang thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm Dung dịch giảm xuống 45 oC để đưa bồn chứa sản phẩm đáy 10 - Tra bảng I.153 I.154 trang 172 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 78,6oC , ta được: + C1 = CC2H5OH = 3,2 (kJ/kg.độ) + C2 = CH2O = 4,19 (kJ/kg.độ) 𝐶𝐿 = 𝐶ℎℎ = 𝑥̅ 𝐷 𝐶𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + (1 − 𝑥̅ 𝐷 ) 𝐶𝐻2𝑂 = 0,911.3,2 + (1 − 0,911) 4,19 = 3,29 ( 𝑘𝐽 ) 𝑘𝑔 độ - Vậy: 𝑘𝐽 𝑄𝐿 = 𝐺𝐿 𝐶𝐿 𝑡𝐿 = 1148,30.3,29.78,6 = 296943,5 ( ) ℎ - Vậy ta có: → 𝐷2 = = 𝑄𝑦 + 𝑄𝑊 − 𝑄𝐹 − 𝑄𝐿 0.95𝑟ℎ2 2143601,56 + 194163,61 − 327355,56 − 296943,5 = 842 (𝑘𝑔/ℎ) 0,95.2167,15 → 𝑄𝐷2 = 𝐷2 (𝑟ℎ2 + 𝜃𝑛2 𝐶𝑛2 ) 𝑘𝐽 = 842 (2167,15 + 132,9.2,17) = 2067567,21 ( ) ℎ c Chọn thiết bị - Chọn vật liệu làm nồi đun hợp kim đồng (89Cu + 11Zn) có λ = 115 (W/m.độ) - Tra bảng V.11 trang 48 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2, ta chọn: + Thiết bị gồm 173 ống + Sắp xếp thành vịng trịn (n0) + Số ống vịng ngồi 43 ống - Chọn đường kính ngồi ống dống = 0,032 (m), loại ống 32x3 (mm) - Bước ống chọn t = 1,2 dống = 1,2 0,032 = 0,0384 (m) (công thức trang 49 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) 72 - Đường kính ống chùm: Dtr = t.(2.n0 + 1) = 0,0384.(2.7 + 1) = 0,576 (m) => Ta chọn Dtr = 0,6 (m) (công thức V.141 trang 49 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) d Hệ số cấp nhiệt * Xác định hệ số cấp nhiệt từ nước bão hòa đến thành ống - Tra bảng I.5 trang 11 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 132,9oC , ta có khối lượng riêng dịng nóng ρn = 932,65 kg/m3 - Tra bảng I.104 trang 96 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 132,9oC , ta có độ nhớt dịng nóng μn = 0,207.10-3 N.s/m2 - Tra bảng I.148 trang 166 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 132,9oC , ta có nhiệt dung riêng dịng nóng Cn = 2,17 kJ/kg.độ - Tra bảng I.212 trang 254 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 132,9oC , ta có nhiệt hóa dịng nóng rn = 2167,15 kJ/kg - Tra bảng I.129 trang 133 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 132,9oC , ta có hệ số dẫn nhiệt dịng nóng λn = 0,095 W/m.độ - Hệ số cấp nhiệt (ngưng tinh khiết mặt ống nằm ngang): 𝛼1 = 1,28 √ 𝑟 𝜌𝑛 𝜆3 𝜇𝑛 ∆𝑡 𝑑ố𝑛𝑔 (chọn ∆tN = 3oC) = 1,28 √ 2167,15 932,652 0,0953 𝑊 = 683,56 ( ) −3 0,207 10 3.0,032 𝑚2 độ (cơng thức V.111 trang 30 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) - Hệ số cấp nhiệt trung bình ống chùm: 𝛼𝑐ℎ = 𝜀 𝛼1 (tra bảng V.20 trang 30 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2, chọn số ống đường thẳng n =6 nên ta có ε = 0,62) 𝛼𝑐ℎ = 𝜀 𝛼1 = 0,62 683,56 = 423,81 73 𝑊 ( ) 𝑚 độ (công thức V.109 trang 31 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) - Nhiệt tải riêng dòng nóng: 𝑞1 = 𝛼𝑐ℎ ∆𝑡𝑁 = 423,81.3 = 1271,43 (𝑊/𝑚2 ) * Xác định hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến dung dịch đáy - Do nồng độ C2H5OH sản phẩm đáy nhỏ, nên ta xem dung dịch sản phẩm đáy nước - Ta có: 𝛼2 = 0,145 ∆𝑡𝐿 2,33 𝑝0,5 (chọn áp suất đáy nồi đun p = 1,1 at ∆t L = 2,65oC) 𝛼2 = 0,145 2,652,33 (1,1.98066,5)0,5 = 461,30 ( 𝑊 𝑚2 độ ) (cơng thức V.91 trang 26 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) - Nhiệt tải riêng dòng lạnh: 𝑞2 = 𝛼2 ∆𝑡𝐿 = 461,3.2,65 = 1222,45 (𝑊/𝑚2 ) * Hệ số truyền nhiệt - Bề dày ống δống = 0,003 m - α1 = 683,56 W/m2.độ - α2 = 461,3 W/m2.độ - Hệ số truyền nhiệt: 𝐾= 𝛿ố𝑛𝑔 1 + 𝑟 + + 𝑟2 + 𝛼 𝛼1 𝜆 (công thức V.5 trang Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) Theo bảng V.1 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2, ta có trị số nhiệt trở trung bình r1 = 0,116.10-3 m2.độ/W r2 = 0,464.10-3 m2.độ/W →𝐾= = 236,03 1 −3 + 0,003 + 0,464 10−3 + + 0,116 10 683,56 115 461,3 e Bề mặt truyền nhiệt 𝐹= 𝑄𝐷2 ̅̅̅ 𝐾 ∆𝑡 74 ( 𝑊 𝑚2 độ ) (cơng thức trang 46 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) 2067567,21.1000 3600 →𝐹= = 68,22 (𝑚2) 236,03.35,67 f Chiều dài ống 𝑙= 𝐹 68,22 = = 3,92 (𝑚) 𝑛 𝜋 𝑑ố𝑛𝑔 173 𝜋 0.032 - Chọn l = m Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu a Điều kiện trình - Ta dùng nước bão hịa có áp suất 3at để cấp nhiệt + rn = 2167,15 (kJ/kg) + Cn = 2,17 (kJ/kg.độ) - Nhiệt độ dịng nóng: tNV = tNR = 132,9oC - Nhiệt độ dòng lạnh: tLV = 25oC (lỏng), tLR = 81,7oC (lỏng – hơi) - Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn: ∆t1 = 132,9 – 25 = 107,9oC - Chênh lệch nhiệt độ đầu nhỏ: ∆t2 = 132,9 – 81,7 = 51,2oC - Hiệu số nhiệt trung bình: ̅̅̅ ∆𝑡 = ∆𝑡1 − ∆𝑡2 107,9 − 51,2 == = 76,06 (°𝐶) ∆𝑡 107,9 ln (∆𝑡1 ) ln ( 51,2 ) b Lượng nhiệt trao đổ - Nhiệt lượng nước cần thiết: 𝑄𝐷1 = 𝐷1 (𝑟ℎ1 + 𝜃𝑛1 𝐶𝑛1 ) - Trong đó: 𝐷1 = 𝑄𝐹 + 𝑄𝑛𝑔1 + 𝑄𝑥𝑞1 − 𝑄𝑓 𝑄𝐹 − 𝑄𝑓 = 𝜆𝑛1 0,95 𝑟𝑛1 (cơng thức IX.155 trang 197 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) * Tính tốn QF - Nhiệt lượng hỗn hợp nhập liệu mang ra: 75 𝑄𝐹 = 𝐺𝐹 𝐶𝐹 𝑡𝐹 (công thức IX.152 trang 196 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) - Tra bảng I.153 I.154 trang 172 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 81,7oC , ta được: + CC2H5OH = 3,25 (kJ/kg.độ) + CH2O = 4,22 (kJ/kg.độ) 𝐶𝐹 = 𝐶ℎℎ = x̅F 𝐶𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + (1 − x̅F ) 𝐶𝐻2𝑂 = 0,523.3,25 + (1 − 0,523) 4,22 = 3,71 ( 𝑘𝐽 ) 𝑘𝑔 độ - Vậy: 𝑘𝐽 𝑄𝐹 = 𝐺𝐹 𝐶𝐹 𝑡𝐹 = 1080.3,71.81,7 = 327355,56 ( ) ℎ * Tính tốn Qf - Nhiệt lượng hỗn hợp nhập liệu mang vào: 𝑄𝑓 = 𝐺𝐹 𝐶𝑓 𝑡𝑓 - Tra bảng I.153 I.154 trang 172 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập tf 25oC , ta được: + CC2H5OH = 2,54 (kJ/kg.độ) + CH2O = 4,18 (kJ/kg.độ) 𝐶𝑓 = 𝐶ℎℎ = 𝑥̅ 𝐹 𝐶𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + (1 − 𝑥̅ 𝐹 ) 𝐶𝐻2𝑂 = 0,523.2,54 + (1 − 0,523) 4,18 = 3,32 ( - Vậy: 𝑘𝐽 𝑄𝑓 = 𝐺𝐹 𝐶𝑓 𝑡𝑓 = 1080.3,32.25 = 89640 ( ) ℎ 76 𝑘𝐽 ) 𝑘𝑔 độ - Vậy ta có: → 𝐷1 = = 𝑄𝐹 − 𝑄𝑓 0,95 𝑟𝑛1 327355,56 − 89640 = 115,46 (𝑘𝑔/ℎ) 0,95.2167,15 → 𝑄𝐷1 = 𝐷1 (𝑟ℎ1 + 𝜃𝑛1 𝐶𝑛1 ) 𝑘𝐽 = 115,46 (2167,15 + 132,9.2,17) = 283517 ( ) ℎ c Chọn thiết bị - Chọn vật liệu làm nồi đun hợp kim đồng (89Cu + 11Zn) có λ = 115 (W/m.độ) - Tra bảng V.11 trang 48 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2, ta chọn: + Thiết bị gồm 173 ống + Sắp xếp thành vòng tròn (n0) + Số ống vịng ngồi 43 ống - Chọn đường kính ngồi ống dống = 0,032 (m), loại ống 32x3 (mm) - Bước ống chọn t = 1,2 dống = 1,2 0,032 = 0,0384 (m) (công thức trang 49 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) - Đường kính ống chùm: Dtr = t.(2.n0 + 1) = 0,0384.(2.7 + 1) = 0,576 (m) => Ta chọn Dtr = 0,6 (m) (công thức V.141 trang 49 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) d Hệ số cấp nhiệt * Xác định hệ số cấp nhiệt từ nước bão hòa đến thành ống - Tra bảng I.5 trang 11 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 132,9oC , ta có khối lượng riêng dịng nóng ρn = 932,65 kg/m3 - Tra bảng I.104 trang 96 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 132,9oC , ta có độ nhớt dịng nóng μn = 0,207.10-3 N.s/m2 77 - Tra bảng I.148 trang 166 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 132,9oC , ta có nhiệt dung riêng dịng nóng Cn = 2,17 kJ/kg.độ - Tra bảng I.212 trang 254 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 132,9oC , ta có nhiệt hóa dịng nóng rn = 2167,15 kJ/kg - Tra bảng I.129 trang 133 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 132,9oC , ta có hệ số dẫn nhiệt dịng nóng λn = 0,095 W/m.độ - Hệ số cấp nhiệt (ngưng tinh khiết mặt ống nằm ngang): 𝛼1 = 1,28 √ 𝑟 𝜌𝑛 𝜆3 𝜇𝑛 ∆𝑡 𝑑ố𝑛𝑔 (chọn ∆tN = 3oC) = 1,28 √ 2167,15 932,652 0,0953 𝑊 = 683,56 ( ) −3 0,207 10 3.0,032 𝑚 độ (công thức V.111 trang 30 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) - Hệ số cấp nhiệt trung bình ống chùm: 𝛼𝑐ℎ = 𝜀 𝛼1 (tra bảng V.20 trang 30 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2, chọn số ống đường thẳng n =6 nên ta có ε = 0,62) 𝛼𝑐ℎ = 𝜀 𝛼1 = 0,62 683,56 = 423,81 𝑊 ( ) 𝑚 độ (cơng thức V.109 trang 31 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) - Nhiệt tải riêng dịng nóng: 𝑞1 = 𝛼𝑐ℎ ∆𝑡𝑁 = 423,81.3 = 1271,43 (𝑊/𝑚2 ) * Xác định hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến dung dịch đáy - Nhiệt độ trung bình dịng nhập liệu: 81,7 + 25 = 53,35 °C - Dung dịch sơi sủi bọt nên ta có: 𝛼2 = 780 ′ 𝜆𝑛𝑙 1.3 𝜌𝑛𝑙 0.5 𝜌𝑛𝑙 0.66 𝑞 0.6 𝜎𝑛𝑙 0.5 𝑟𝑛𝑙 0.6 𝜌0 0.66 𝐶đ 0.3 𝜇đ 0.3 (công thức V.93 trang 26 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) 78 - Giả thiết ρ’nl = ρ0: khối lượng riêng pha lúc khối lượng riêng pha áp suất 1at → 𝛼2 = 780 𝜆𝑛𝑙 1.3 𝜌𝑛𝑙 0.5 𝑞 0.6 𝜎𝑛𝑙 0.5 𝑟𝑛𝑙 0.6 𝐶đ 0.3 𝜇đ 0.3 - Tra bảng I.2 trang Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 53,35oC , ta có khối lượng riêng dòng nhập liệu là: 𝜌𝐶2𝐻5𝑂𝐻 = 760 (kg/m3 ) 𝜌𝐻2𝑂 = 986 (kg/m3 ) → 𝜌𝑛𝑙 = 𝑥̅ 𝐹 − 𝑥̅ 𝐹 𝜌𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + 𝜌𝐻2𝑂 = 0,523 − 0,523 + 760 986 = 853,3 (kg/m3 ) - Tra bảng I.101 trang 91 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 53,35oC , ta có độ nhớt: 𝜇𝐶2𝐻5𝑂𝐻 = 0,664 10−3 (𝑁 𝑠/𝑚2 ) 𝜇𝐻2𝑂 = 0,522 10−3 (𝑁 𝑠/𝑚2 ) 𝑙𝑔𝜇𝑛𝑙 = 𝑥 𝑙𝑔𝜇𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + (1 − 𝑥 ) 𝑙𝑔𝜇𝐻2𝑂 = 0,3 lg(0,664 10−3 ) + (1 − 0,3) lg(0,522 10−3 ) → 𝜇𝑛𝑙 = 0,561 10−3 (𝑁 𝑠/𝑚2 ) - Tra bảng I.153 trang 171 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 53,35oC , ta có nhiệt dung riêng: 𝐶𝐶2𝐻5𝑂𝐻 = 2884 𝐶𝐻2𝑂 = 4185 (𝐽/𝑘𝑔 độ) (𝐽/𝑘𝑔 độ) → 𝐶𝑛𝑙 = 𝑥̅ 𝐹 𝐶𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + (1 − 𝑥̅ 𝐹 ) 𝐶𝐻2𝑂 = 0,523.2884 + (1 − 0,523) 4185 = 3504,58 (𝐽/𝑘𝑔 độ) - Tra bảng I.212 trang 254 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 53,35oC , ta có ẩn nhiệt hóa hơi: 𝑟𝐶2𝐻5𝑂𝐻 = 211,33 (𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔) 79 𝑟𝐻2𝑂 = 579,83 (𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔) → 𝑟𝑛𝑙 = 𝑥̅ 𝐹 𝑟𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + (1 − 𝑥̅ 𝐹 ) 𝑟𝐻2𝑂 = 0,523.211,33 + (1 − 0,523) 579,83 = 387,1 (𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔) = 387,1.4.1868 103 = 1620710 (𝐽/𝑘𝑔) - Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆𝑛𝑙 = 3,58 10−8 × 𝐶𝑛𝑙 × 𝜌𝑛𝑙 × √ = 3,58 10−8 3504,58 853,3 √ 𝜌𝑛𝑙 𝑀 853,3 𝑊 = 0,3 ( ) 26,4 𝑚 độ (công thức I.32 trang 123 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 1) - Tra bảng I.242 trang 300 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 53,35oC , ta có sức căng bề mặt: 𝜎𝐶2𝐻5𝑂𝐻 = 19,53 10−3 (𝑁/𝑚2 ) 𝜎𝐻2𝑂 = 67,33 10−3 (𝑁/𝑚2 ) 𝜎𝑛𝑙 = 𝜎𝐶2𝐻5𝑂𝐻 → 𝜎𝑛𝑙 = +𝜎 𝐻2𝑂 1 + −3 19,53 10 67,33 10−3 = 0,015 (𝑁/𝑚2 ) - Giả thiết truyền nhiệt ổn định: q = 𝑞1 = 1271,43 (𝑊/𝑚2 ) → 𝛼2 = 780 = 780 𝜆𝑛𝑙 1.3 𝜌𝑛𝑙 0.5 𝑞 0.6 𝜎𝑛𝑙 0.5 𝑟𝑛𝑙 0.6 𝐶đ 0.3 𝜇đ 0.3 0,31.3 853,30.5 1271,430.6 0,0150.5 16207100.6 3504,580.3 (0,561 10−3 )0.3 = 435,05 ( 𝑊 𝑚2 độ - Chọn ∆tL = 3oC - Nhiệt tải riêng dòng lạnh là: 𝑞2 = 𝛼2 ∆𝑡𝐿 = 435,05.3 = 1305,15 80 (𝑊/𝑚2 ) ) * Hệ số truyền nhiệt - Bề dày ống δống = 0,003 m - α1 = 683,56 W/m2.độ - α2 = 435,05 W/m2.độ - Hệ số truyền nhiệt: 𝐾= 𝛿ố𝑛𝑔 1 + 𝑟 + + 𝑟2 + 𝛼 𝛼1 𝜆 (công thức V.5 trang Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) Theo bảng V.1 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2, ta có trị số nhiệt trở trung bình r1 = 0,116.10-3 m2.độ/W r2 = 0,464.10-3 m2.độ/W →𝐾= = 228,96 0,003 −3 −3 683,56 + 0,116 10 + 115 + 0,464 10 + 435,05 e Bề mặt truyền nhiệt 𝐹= 𝑄𝐷1 𝐾 ̅̅̅ ∆𝑡 (cơng thức trang 46 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 2) 283517.1000 3600 →𝐹= = 4,52 (𝑚2 ) 228,96.76,06 f Chiều dài ống 𝑙= 𝐹 4,52 = = 0,26 (𝑚) 𝑛 𝜋 𝑑ố𝑛𝑔 173 𝜋 0.032 - Chọn l = 0,3 m Bơm * Độ nhớt động học ngun liệu - Độ nhớt động học có cơng thức: v = k μ (với k = 1) ρ (công thức I.21 trang 86 Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 1) 81 ( 𝑊 𝑚2 độ ) - Tra bảng I.2 trang Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 25oC , ta có khối lượng riêng dòng nhập liệu là: 𝜌𝐶2𝐻5𝑂𝐻 = 784,75 (kg/m3 ) 𝜌𝐻2𝑂 = 996,5 (kg/m3 ) → 𝜌𝑛𝑙 = 𝑥̅ 𝐹 − 𝑥̅ 𝐹 𝜌𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + 𝜌𝐻2𝑂 = 0,523 − 0,523 784,75 + 996,5 = 873,26 (kg/m3 ) - Tra bảng I.101 trang 91 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 30oC , ta có độ nhớt: 𝜇𝐶2𝐻5𝑂𝐻 = 1,1 10−3 (𝑁 𝑠/𝑚2 ) 𝜇𝐻2𝑂 = 0,9 10−3 (𝑁 𝑠/𝑚2 ) 𝑙𝑔𝜇𝑛𝑙 = 𝑥 𝑙𝑔𝜇𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + (1 − 𝑥 ) 𝑙𝑔𝜇𝐻2𝑂 = 0,3 lg(1,1 10−3 ) + (1 − 0,3) lg(0,9 10−3 ) → 𝜇𝑛𝑙 = 0,956 10−3 (𝑁 𝑠/𝑚2 ) μ 0,956 10−3 → v = k = = 1,1 10−6 (𝑚2 /𝑠) ρ 873,26 * Độ nhớt động học dịng hồn lưu - Ta có khối lượng riêng dịng hồn lưu ρhh = 752,61 kg/m3 - Ta có độ nhớt động lực dịng hồn lưu μhh = 0,428.10-3 N.s/m2 μ 0,428 10−3 → v = k = = 5,69 10−7 (𝑚2 /𝑠) ρ 752,61 - Tra bảng II.39 trang 447 Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 1, ta chọn bơm có suất 24-140 m3/h, áp suất toàn phần 26-54 m, 3000 vòng quay/phút, làm théo 10X18H19T để bơm dòng nguyên liệu dịng hồn lưu 82 Tóm tắt kết tính tốn Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Thiết bị đun sôi đáy tháp Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu Bơm - Nhiệt lượng trao đổi Q = 104702,6192 kJ/h - Lượng nước cần dùng G = 1666,91 kg/h - Đường kính trong: 0,15 m - ống loại 32x3 mm - Bề mặt truyền nhiệt: 2,12 m2 - Nhiệt lượng trao đổi Q = 102409,59 kJ/h - Lượng nước cần dùng G = 1629,43 kg/h - Đường kính trong: 0,15 m - ống loại 32x3 mm - Bề mặt truyền nhiệt: 6,53 m2 - Nhiệt lượng trao đổi Q = 1696140,1 kJ/h - Lượng nước cần dùng G = 26987,11 kg/h - Đường kính trong: 0,6 m - 173 ống loại 32x3 mm - Bề mặt truyền nhiệt: 45,2 m2 - Nhiệt lượng cung cấp Q = 2067567,21 kJ/h - Lượng nước cần dùng G = 842 kg/h - Đường kính trong: 0,6 m - 173 ống loại 32x3 mm - Bề mặt truyền nhiệt: 68,22 m2 - Chiều dài ống trao đổi nhiệt: m - Nhiệt lượng cung cấp Q = 283517 kJ/h - Lượng nước cần dùng G = 115,46 kg/h - Đường kính trong: 0,6 m - 173 ống loại 32x3 mm - Bề mặt truyền nhiệt: 4,52 m2 - Chiều dài ống trao đổi nhiệt: 0,3 m - Năng suất 24 -140m3/h - Áp suât toàn phần 26 – 54 m - 3000 vịng quay/phút 83 TỔNG KẾT KẾT QUẢ TÍNH TỐN Bảng kết tính tốn đồ án tháp chưng cất Dịng nhập liệu Dòng sản phẩm đỉnh Dòng sản phẩm đáy Dịng hồn lưu Tỉ số hồn lưu thực Cân nhiệt cho toàn tháp Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Thiết bị đun sôi đáy tháp - Suất lượng: 1080 kg/h - Nồng độ mol: 0,3 - Nồng độ khối lượng: 0,523 - Nhiệt độ ban đầu – đun sôi : 25oC – 81,7oC - Suất lượng: 579,95 kg/h - Nồng độ mol: 0,8 - Nồng độ khối lượng: 0,911 - Nhiệt độ đầu – làm nguội: 78,3oC – 30oC - Suất lượng: 505,05 kg/h - Nồng độ mol: 0,03 - Nồng độ khối lượng: 0,073 - Nhiệt độ đầu – làm nguội: 94,3oC – 45oC - Suất lượng: 1148,3 kg/h - Nồng độ mol: 0,8 - R = 1,98 - Nhiệt lượng cần cung cấp Q = 11806454,483 kJ/h - Lượng nước cần để cấp nhiệt G = 832 kg/h - Nhiệt lượng trao đổi Q = 104702,6192 kJ/h - Lượng nước cần dùng G = 1666,91 kg/h - Đường kính trong: 0,15 m - ống loại 32x3 mm - Bề mặt truyền nhiệt: 2,12 m2 - Nhiệt lượng trao đổi Q = 102409,59 kJ/h - Lượng nước cần dùng G = 1629,43 kg/h - Đường kính trong: 0,15 m - ống loại 32x3 mm - Bề mặt truyền nhiệt: 6,53 m2 - Nhiệt lượng trao đổi Q = 1696140,1 kJ/h - Lượng nước cần dùng G = 26987,11 kg/h - Đường kính trong: 0,6 m - 173 ống loại 32x3 mm - Bề mặt truyền nhiệt: 45,2 m2 - Nhiệt lượng cung cấp Q = 2067567,21 kJ/h - Lượng nước cần dùng G = 842 kg/h - Đường kính trong: 0,6 m - 173 ống loại 32x3 mm - Bề mặt truyền nhiệt: 68,22 m2 84 Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu Bơm Thơng số tháp chưng cất Cân nhiệt cho toàn tháp - Chiều dài ống trao đổi nhiệt: m - Nhiệt lượng cung cấp Q = 283517 kJ/h - Lượng nước cần dùng G = 115,46 kg/h - Đường kính trong: 0,6 m - 173 ống loại 32x3 mm - Bề mặt truyền nhiệt: 4,52 m2 - Chiều dài ống trao đổi nhiệt: 0,3 m - Năng suất 24 -140m3/h - Áp suât toàn phần 26 – 54 m - 3000 vịng quay/phút - Đường kính đoạn cất: 0,6 m - Đường kính đoạn chưng: 0,6 m - Số mâm lí thuyết: 11 mâm - Số mâm thực tế: 23 mâm - Chiều cao tháp: 7,892 m - Tổng trở lực tháp: 13234,68 N/m2 - Bề dày thân tháp: 0,004 m - Bề dày đáy nắp: 0,005 m - Nhiệt lượng cần cung cấp Q = 11806454,483 kJ/h - Lượng nước cần để cấp nhiệt G = 832 kg/h 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh : Q trình thiết bị Cơng nghệ hóa học thực phẩm tập “Truyền khối”, NXB: Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh 86 ... 79.4 79 78.6 78.4 78.4 Bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp etanol – nước Đường cân pha hệ Etanol – nước - Với hệ làm việc hệ etanol – nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục... nghệ Hóa chất – Tập 2) - Trong đó: + h: Khoảng cách đĩa (m), giá trị h lựa chọn theo đường kính D tháp D (m) h (m) 0,6 – 1,2 0,3 – 0,35 - 0,6 0,25 1,2 – 1,8 0,35 – 0,45 > 1,8 0,45 – 0,6 + ϕ(σ’):... ϕ(σ) = 0,8 19 1,2 – 1,8 0,35 – 0,45 > 1,8 0,45 – 0,6 Khi σ > 20 đyn/cm ϕ(σ) = 1 1 = +