THIẾT kế THÁP đệm HOẠT ĐỘNG LIÊN tục CHƯNG cất hỗn hợp ETHANOL – nước

TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT

KHÁI NIỆM VỀ CHƯNG CẤT

Chưng cất là quá trình tách các cấu tử trong hỗn hợp lỏng và khí – lỏng dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng Quá trình này diễn ra qua nhiều lần bay hơi và ngưng tụ, cho phép chuyển đổi giữa pha lỏng và pha hơi Điểm khác biệt giữa chưng cất và cô đặc là trong chưng cất, cả dung môi và chất tan đều bay hơi, trong khi cô đặc chỉ có dung môi bay hơi.

Khi tiến hành chưng cất, chúng ta thu được nhiều cấu tử tương ứng với số lượng sản phẩm Đối với hệ chỉ có hai cấu tử, sẽ có hai sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu chứa cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi thấp), trong khi sản phẩm đáy chủ yếu chứa cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi cao) Cụ thể, trong hệ ethanol – nước, sản phẩm đỉnh chủ yếu là ethanol và một lượng nhỏ nước, trong khi sản phẩm đáy chủ yếu là nước cùng với một ít ethanol.

CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT

Theo áp suất làm việc:

• Chưng cất ở áp suất thấp: dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao

• Chưng cất ở áp suất thường

• Chưng cất ở áp suất cao: dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường Theo nguyên lí làm việc:

Chưng đơn giản là phương pháp tách các hỗn hợp có nhiều cấu tử với độ bay hơi khác nhau, không yêu cầu sản phẩm đạt độ tinh khiết cao.

• Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp: dùng để tách hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi

Chưng cất là một phương pháp hiệu quả để tách biệt các hợp chất dễ bay hơi, đặc biệt là những hợp chất có khả năng hòa tan một phần hoặc hoàn toàn vào nhau.

THIẾT BỊ CHƯNG CẤT

Trong sản xuất, nhiều loại tháp được sử dụng với yêu cầu chung là diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các pha phải lớn Yếu tố này phụ thuộc vào mức độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất khác.

Tháp chưng cất có nhiều kích cỡ và ứng dụng khác nhau, trong đó các tháp lớn thường được sử dụng trong ngành công nghiệp lọc hóa dầu Kích thước của tháp, bao gồm đường kính và chiều cao, phụ thuộc vào suất lượng pha lỏng, pha khí và độ tinh khiết của sản phẩm cần đạt được.

Bảng 1 So sánh ưu, nhược điểm của các loại tháp chưng cất

Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Tháp đệm Ưu điểm Chế tạo đơn giản

Trở lực thấp hơn tháp chóp

Vệ sinh dễ dàng Ít tốn vật liệu

Hiệu suất truyền khối cao, ổn định Ít tiêu hao năng lượng nên có ít số mâm

Chế tạo đơn giản Trở lực thấp

Nhực điểm Yêu cầu lắp đặt cao

(mâm lắp phải rất phẳng)

Tháp có đường kính lớn (d>2,4m) thì chất lỏng phân phối không đều trên mâm

Hiệu suất thấp, kém ổn định

Khó chế tạo được kích thước lớn, quy mô công nghiệp

Khó kiểm soát quá trình chưng cất theo không gian tháp.

GIỚI THIỆU CHUNG

ETHANOL

Ethanol, hay còn gọi là rượu ethylic, ancol ethylic, là một chất lỏng không màu, dễ cháy và nhẹ hơn nước Nó có khả năng tan vô hạn trong nước và hòa tan nhiều chất khác như iodine và benzene.

Công thức phân tử: C2H6O hay C2H5OH

Khối lượng phân tử: 46,07 g/mol

Tỷ trọng và pha: 0,789 g/cm 3

Nhiệt độ nóng chảy: -114,3 o C Độ nhớt: 1,200 cP ở 20 o C

Tất cả các phản ứng hóa học đa phần xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của ethanol

Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl

Hằng số phân ly pKa của ethanol là 9, cho thấy ethanol gần như có tính trung tính Tính axit của ethanol được thể hiện qua các phản ứng với kim loại kiềm như NaH và NaNH2.

K K − : tính acid của rượu nhỏ hơn tính acid của nước, nên khi muối

CH3CH2ONa tan trong nước sẽ bị phân hủy thành rượu trở lại

Ethanol có tính base tương đương với nước và khi tác dụng với các acid vô cơ như H2SO4, HNO3 hoặc acid hữu cơ, sẽ tạo ra ester.

CH CH OH+HSO OH⎯⎯⎯⎯→CH CH O SO H− +H O

CH CH OH+CH COOH⎯⎯⎯⎯→CH CO OC H− +H O

Phản ứng trên nhóm hydroxyl:

Tác dụng với HX: CH CH OH 3 2 +HX⎯⎯⎯⎯→CH CH X 3 2 +H O 2

Tác dụng với PCl3: CH CH OH 3 2 +PCl 3 ⎯⎯⎯⎯→CH CH Cl 3 2 +POCl+HCl

CH CH OH+NH ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→CH CH NH +H O Phản ứng tạo eter và tách nước:

2CH CH OH⎯⎯⎯→  (CH CH ) O H O+

Phản ứng hydro và oxi hóa: 200 C 300 C o o

CH CH OH⎯⎯⎯⎯⎯ − →CH CHO+H

Ethanol được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nặng, y tế và dược, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ, nông nghiệp,…

Ethanol có thể được điều chế qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm: hydrat hóa etylen sử dụng xúc tác H2SO4, thủy phân dẫn xuất halogen và ester của ethanol khi đun nóng với nước và xúc tác dung dịch bazo, hydro hóa aldehyde acetic, và từ các hợp chất cơ kim.

Trong ngành công nghiệp, ethanol được sản xuất chủ yếu thông qua quá trình lên men từ tinh bột và rỉ đường Gần đây, công nghệ sản xuất ethanol tại Việt Nam chủ yếu sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae để thực hiện quá trình lên men tinh bột.

NƯỚC

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị

Khi hóa tắn, nước có thể tồn tại ở các dạng tinh thể khác nhau

Khối lượng riêng: 1 kg/l (ở dạng lỏng), 917 kg/m 3 (ở dạng rắn)

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong ngành kỹ thuật hóa học.

ĐỒ THỊ CÂN BẰNG ETHANOL-NƯỚC

Bảng 2 Số liệu cân bằng hệ ethanol – nước x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 89,4 90 100 y 0 33,2 44,3 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,4 89,8 100 t, oC

SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

SỐ LIỆU BAN ĐẦU

Năng suất nhập liệu: 3000kg/h

Nồng độ nhập liệu: 15% mol ethanol

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi ở đỉnh tháp: 80% mol ethanol

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi ở đáy tháp: 2%e ethanol

F, F : lần lượt là lưu lượng nhâp liệu ban đầu theo kmol/h và kg/h

D, D : lần lượt là lưu lượng sản phẩm đỉnh theo kmol/h và kg/h

W, W : lần lượt là lưu lượng sản phẩm đáy theo kmol/h và kg/h x , F x : lần lượt là nồng độ phần mol và nồng độ khối lượng của ethanol nhập liệu F x , D x : lần lượt là nồng độ phần mol và nồng dộ khối lượng của ethanol sản phẩm đỉnh D x , W x : lần lượt là nồng độ phần mol và nồng dộ khối lượng của ethanol sản phẩm đáy W x F x F x D x D x W x W

Phương trình cân bằng vật chất:

Methanol(g/mol) Mnuoc(g/mol) MtbF(g/mol) MtbD(g/mol) MtbW(g/mol)

Lưu lượng nhập liệu theo kmol/h: tbF

XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU

3.2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu

Từ xF% ta tra phần mol của ethanol trong pha hơi cân bằng với pha lỏng yF *H,7% Công thức IX.24, trang 158 , Sổ tay QTTB tập 2:

3.2.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp

Theo cách tính chỉ số hồi lưu thích hợp và số đĩa lý thuyết theo Gilliland trang 99, sách QTTB tập 4:

Khi đã biết chỉ số hồi lưu thích hợp, số đĩa lí thuyết được xác định theo đồ thị hình 2.48

• Từ R và Rmin xác định điểm trên trục hoành

• Từ điểm trên trục hoành vừa xác định dựa vào đồ thị xác định được giá trị trên trục tung o lt lt min lt

• Từ giá trị Co trên trục hoành tính được Nlt: lt lt min o o

Khi áp dụng phương pháp này, lý thuyết vẫn khẳng định rằng giá trị K nhất định sẽ mang lại giá trị R tối ưu Tuy nhiên, số đĩa lý thuyết có thể không chính xác Do đó, sau khi xác định được hệ số K, chúng ta cần thực hiện các phép tính tiếp theo để điều chỉnh.

R và vẽ lại số mâm lí thuyết ra giản đồ để được số liệu chính xác nhất

 ; trong đó αtb là độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi

Đối với mỗi giá trị K, ta có thể xác định giá trị R Sử dụng công thức và đồ thị, ta tính được Nlt và cần tìm giá trị nhỏ nhất của Nlt.(R+1) Dưới đây là bảng kết quả.

Bảng 3 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu

Vậy với K=1,85 ta có giá trị Nlt.(R+1) nhỏ nhất, và ta có chỉ số hồi lưu tối ưu R=1,7182

XÁC ĐỊNH SỐ MÂM LÝ THUYẾT VÀ THỰC TẾ

Phương trình đường làm việc đoạn cất: R x D y x 0,632x 29, 431

Phương trình đường làm việc đoạn chưng: R f f 1 W y x x 2,839x 3,679

Từ đồ thị vẽ được 14 mâm lí thuyết, trong đó có 3 mâm phần chưng và 11 mâm phần luyện

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: tt lt tb

 ; với  tb : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng  =   f ( , )

Tại vị trí nhập liệu:

Từ x F =0,311 và t F ,85 C o , dùng toán đồ I.28 trang 107, Sổ tay QTTB tập 1, ta được

 = Suy ra:   = F F 1,867; Tra đồ thị XI.11, trang 171, Sổ tay QTTB tập 2, được  = F 0, 43

Từ x W =0, 0496 và t W , 2 C o , dùng toán đồ I.28 trang 107, Sổ tay QTTB tập 1, ta tra được  = W 0,000297N.s / m 2 =0, 297cP

Suy ra:   = W W 2, 225; Tra đồ thị XI.11, trang 171, Sổ tay QTTB tập 2, được  = W 0, 41

Từ x D =0,9109và t D x,6 C o , dùng toán đồ I.28 trang 107, Sổ tay QTTB tập 1, ta tra được  = D 0,000429N.s / m 2 =0, 429cP

Suy ra:   = D D 0, 482; Tra đồ thị XI.11, trang 171, Sổ tay QTTB tập 2, được  = D 0,59

Vậy hiệu suất trung bình của tháp: tb F W D 0, 4767

 = Số mâm thực tế của tháp: tt lt tb

 , ta làm tròn thành 30 mâm.

LƯU LƯỢNG CỦA CÁC DÒNG PHA ĐI TRONG THÁP

Gọi x tbC , x tbL lần lượt là thành phần mol trung bình trong đoạn chưng và đoạn luyện

= + Khối lượng mol trung bình ở đoạn chưng: tbC ethanol tbC nuoc tbC

Khối lượng mol trung bình ở đoạn luyện: tbL ethanol tbL nuoc tbL

Lưu lượng lỏng trong đoạn chưng và đoạn luyện: Đoạn chưng: C tbC tbD

= M Lưu lượng dòng hơi trong đoạn chưng và đoạn luyện: Đoạn chưng: C tbC tbD

CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO THÁP CHƯNG CẤT

Q +Q +Q =Q +Q +Q +Q , Công thức IX.156, trang 197, Sổ tay QTTB tập 2

4.1.1 Nhiệt lượng của nhập liệu mang vào tháp

Tại nhiệt độ t F ,85 C o , x F =0,15, bảng I.147 trang 165, Sổ tay QTTB tập 1 để tra nhiệt dung riêng của nước và trang 154 để tra nhiệt dung riêng của ethanol

Cnuoc = 4203,09J/kg.độ; Cethanol = 3292,75J/kg.độ; Suy ra nhiệt dung riêng của nhập liệu

4.1.2 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra

Tại nhiệt độ t W , 2 C o , x W =0, 02, bảng I.147 trang 165, Sổ tay QTTB tập 1 để tra nhiệt dung riêng của nước và trang 154 để tra nhiệt dung riêng của ethanol

Cnuoc = 4214,40J/kg.độ; Cethanol = 3463J/kg.độ; suy ra nhiệt dung riêng dòng sản phẩm đáy mang ra CW = 4177,15J/kg.độ

4.1.3 Nhiệt lượng của dòng sản phẩm đỉnh

Q =D(1 R)+  ; D9,889kg / h;  D : nhiệt lượng hơi riêng của sản phẩm đỉnh J/kg

Từ giá trị x D = 0,8, ta suy ra y D = 0,818 và y D = 0,9109 ở t D x,6 C o Để tra cứu ẩn nhiệt hóa hơi của nước, tham khảo bảng I.250 trang 312 trong Sổ tay QTTB tập 1; tương tự, bảng I.147 trang 165 trong Sổ QTTB tập 1 cung cấp thông tin về ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol Cụ thể, ẩn nhiệt hóa hơi của nước là rnuoc = 2313100 J/kg với nhiệt dung riêng Cnuoc = 4198,1 J/kg.độ, trong khi ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol là rethanol = 869012 J/kg và Cethanol = 3202,5 J/kg.độ, với giá trị t CD ethanol là 1120729 J/kg.

 = + nuoc rnuoc t CD nuoc 2643049J / kg

4.1.4 Nhiệt lượng do lượng hồi lưu mang vào tháp

Tại nhiệt độ t R =t D x,6 C o , x D =0,8 ta có: Cnuoc = 4198,078 J/kg.độ;

Cethanol = 3202,5 J/kg.độ; suy ra nhiệt dung riêng dòng hồi lưu mang vào tháp

GR =RD63, 42kg / h; suy ra Q R @4439236,3J / h

4.1.5 Nhiệt độ của hơi đốt mang vào đáy tháp của thiết bị đun đáy tháp

Q =D  =D (r +C t ); trong đó D 2 là lượng hơi đốt cần thiết để cấp vào kg/h

Dùng hơi nước ở 2 at, suy ra r 2 "08000J / kg, bảng tra cứu truyền nhiệt, truyền khối trang 40 Ở 2at, được nhiệt độ t 2 9,6 C o , tra bảng I.148, trang 166, Sổ tay QTTB tập 1 được

4.1.6 Nhiệt ngưng tụ hơi nước của thiết bị đun đáy tháp ng ng 2 2 2 2 2 2

4.1.7 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh xq2 D2 2

Theo phương trình cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp:

CÂN BẰNG NHIỆT CHO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH

Ngưng tụ hoàn toàn: D(R 1)r+ =G C (t n n n 2 −t ) n1 ; tn1, tn2( o C) lần lượt là nhiệt độ nước vào và nước ra thiết bị ngưng tụ

Tại t D x,6 C o, với x D = 0,8, tham khảo bảng I.250 trang 312 trong Sổ tay QTTB tập 1 để tra cứu ẩn nhiệt hóa hơi của nước, và bảng I.147 trang 165 trong Sổ QTTB tập 1 để tra cứu ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol là r = 869012,208 J/kg, trong khi ẩn nhiệt hóa hơi của nước là rnuoc = 2313080 J/kg Từ đó, suy ra ẩn nhiệt của hơi ngưng tụ sản phẩm đỉnh là rD = 997691,516 J/kg.

Chọn t n1 % C o và t n 2 P C o , suy ra t tb 7,5 C o , ta có C nuoc A81J/kg.độ

Lượng nước cần làm mát cho thiết bị ngưng tụ Gn(kg/h): n n n 2 n1

CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH

Sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn: DC (t D ' 1 −t ) ' 2 =G C (t n 2 n 2 l2 −t ) l1

Nhiệt độ sản phẩm vào thiết bị làm mát: t 1 ' x,6 C o

Nhiệt độ sản phẩm ra khỏi thiết bị làm mát: t 2 ' @ C o

Nhiệt độ nước làm mát vào thiết bị làm mát: t l1 % C o

Nhiệt độ nước làm mát ra khỏi thiết bị làm mát: t l2 P C o

Nhiệt độ trung bình của nước làm mát: ltb t l1 t l2 o t 37,5 C

= + Tại tntb ta tra được C ltb A81,043J/kg.độ

Lượng nước cần làm mát cho thiết bị làm mát Gn2(kg/h):

CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ TẬN DỤNG NHIỆT DÒNG ĐÁY ĐỂ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU

ĐỂ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU

Phương trình cân bằng nhiệt: Q F1 +Q W =Q F2 +Q W 2

Nhiệt lượng dòng nhập liệu ở tF1: Q F1 t F1 F1 J/h

Tại t F1 % C o , x F =0,15, tra nhiệt dung riêng ta được: Cethanol = 2537,5J/kg.độ; Cnuoc 4182,287J/kg.độ; Suy ra nhiệt dung riêng dòng nhập liệu CF1 = 3671,063J/kg.độ

Nhiệt lượng dòng đáy ra khỏi thiết bị: Q W 2 =WC W 2 W 2 t (J/h)

Chọn nhiệt độ làm nguội dòng đáy t W2 E C o , ta có x W =0, 02, tra nhiệt dung riêng:

Cethanol = 2775J/kg.độ; Cnuoc = 4182,195J/kg.độ; Suy ra nhiệt dung riêng dòng đáy ra khỏi thiết bị CW2 = 4112,441J/kg.độ

Nhiệt lượng dòng nhập liệu ra khỏi thiết bị:

Q t =Q +Q −Q r8425821,946J / h Ước lượng t F2 ` C o , ta có: C nuoc A87,093J/kg.độ; C ethanol )70J/kg.độ; Suy ra

Suy ra nhiệt độ nước ra sau thiết bị tận dung nhiệt sản phẩm đáy: t F2 c,749 C o

CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU TRƯỚC KHI ĐI VÀO THÁP

Phương trình cân bằng nhiệt: Q D1 +Q F2 =Q F +Q ng1 +Q xq1

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp: Q D1 =  =D 1 1 D (r 1 1 +C t ) 1 1 , J/h

1: hàm nhiệt của hơi đốt, J/kg t1: nhiệt độ của nước ngưng, o C r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước ở nhiệt độ t1, J/kg

Chọn hơi đốt ở 2 at, suy rat 1 9,6 C o , C 1 B45, 415J/kg; r 1 "62340J / kg

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

ĐƯỜNG KÍNH

5.1.1 Đường kính tháp chưng Đối với tháp đệm làm việc ở chế độ màng, ở áp suất khí quyển thường chọn vận tốc làm việc trong khoảng 70%-80% vận tốc sặc Theo công thức 5.40, trang 232, QTTB tập 10 ta tính vận tốc v theo vận tốc pha khí vf ứng với điểm lụt theo phương trình:

  = −        ;với C=0,125(Mục 10, trang 258,QTTB tập 10)

Trong bài viết này, các thông số quan trọng được đề cập bao gồm: vf (m/s) là tốc độ sặc, σ (m²/m³) là bề mặt riêng của đệm, Vt (m³/m³) là thể tích tự do của đệm, g (m/s²) là gia tốc trọng trường, G (kg/s) là lượng lỏng trung bình, L (kg/s) là lượng hơi trung bình, và ρl (kg/m³), ρg (kg/m³) lần lượt là khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi.

Pha lỏng: tb1 tb1 l xtb1 xtb2 x 1 x

   ; trong đó: x tb1 : phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng;  xtb1 (kg / m ) 3 ,  xtb2 (kg / m ) 3 : lần lượt là khối lượng riêng trung bình của cấu tử

1 và 2 trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình

Nồng độ phần mol trung bình trong pha hơi của cấu tử 1 được ký hiệu là ytb1, trong khi M1 và M2 đại diện cho khối lượng mol của cấu tử 1 và 2 tính bằng gam trên mol (g/mol) Nhiệt độ làm việc trung bình được ký hiệu là t và đo bằng độ Celsius (°C).

 : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình

Pha lỏng: tbL tbL lL e tan ol nuoc x 1 x

Ta có tính phần trước x tbL =0, 475, suy ra x tbL =0, 698, theo giản đồ cân bằng lỏng hơi tra được t xL , 2 C o

Tại t xL , 2 C o ta tra được:  e tan ol s5kg / m 3 ,  nuoc 2kg / m 3 , suy ra:

 Tại t xL , 2 C o theo giản đồ ta tra được y tbL =0,644, t xL =t yL , 2 C o

Suy ra: gL tbL ethanol tbL nuoc 3 yL

Tại t xL , 2 C o , x tbL =0, 475, tra được độ nhớt của ethanol ở bảng I.101, trang 92, Sổ tay QTTB tập 1:  ethanol =0,000435N.s / m 2 , tra độ nhớt của nước ở bảng I.102, trang 94,

Sổ tay QTTB tập 1:  nuoc =0,00357N.s / m 2

Suy ra độ nhớt hỗn hợp:  = L 0,000394N.s / m 2

GL = 1916, 2kg / h=0,5323kg / s Độ nhớt của nước ở 20 o C:  nuoc =0,001N.s / m 2

Chọn đệm kích thước 25x25 ta có các thông số sau:

Suy ra vận tốc v lấy bằng 70% vận tốc sắc: v=2,5013m / s Đường kính phần luyện theo công thức IX.89, trang 181, Sổ tay QTTB tập 2: tb L tb

Pha lỏng: tbC tbC lC e tan ol nuoc x 1 x

Từ x tbC =0, 085, dựa vào giản đồ cân bằng lỏng hơi tra đượct xC =t yC , 7 C o , ytbC =0, 4097

Tại t xC ,7 C o tra được khối lượng riêng:  ethanol r7,685kg / m 3 ,

 = , suy ra khối lượng riêng hỗn hợp:  = lC 909,51kg / m 3 tbC nuoc tbC ethanol 3 gC yC

Tại nhiệt độ t xC ,7 C o , tra độ nhớt:  ethanol =0,000393N.s / m 2 ,

 = , suy ra độ nhớt hỗn hợp:  = C 0,000323N.s / m 2

Chọn đệm kích thước 25x25, dựa vào mục 7.11.1, trang 298, Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử, ta có các thông số sau:

Từ công thức tính vận tốc vf: v f =4.039m / s

Suy ra vận tốc v lấy bằng 70% vận tốc vf: v=2,8273m / s Đường kính tháp chưng theo công thức tính đường kính tháp phần luyện:

Từ đường kính tháp phần chưng và phần luyện ta lấy đường kính toàn tháp: D t =0,5m

5.1.2 Đường kính các ống dẫn

Tại nhiệt độ t F ,85 C o , tra khối lượng riêng:  nuoc 8,745kg / m 3 ,

 = , suy ra khối lượng riêng hỗn hợp:  = F 879,54kg / m 3

Chọn vận tốc của dòng nhập liệu vào tháp: v F =0, 45m / s

Lưu lượng dòng nhập liệu: G F = =F 3000kg / h

Công thức IX.89, trang 181, Sổ tay QTTB tập 2: Đường kính ống nhập liệu DF(m): F F

Từ bảng XIII.26, trang 409, Sổ tay QTTB tập 2, ta chọn được mặt bích loại 1 của ống nhập liệu Áp suất của ống trong khoảng: P 10 F − 6 =0, 25N / m 2

Bảng 4 Lựa chọn ống nhập liệu

Dy Dn D Db Dl h bulong db Z mm Cái

Khối lượng riêng của phần hơi ở đỉnh:  = gL 1, 2433kg / m 3

Chọn vận tốc hơi ở đỉnh v D ,5m / s

Lưu lượng hơi ở đỉnh: G D =G L 61, 2kg / h

Công thức IX.89, trang 181, Sổ tay QTTB tập 2: Đường kính ống hơi ở đỉnh DD(m): D D gL D

Từ bảng XIII.26, trang 409, Sổ tay QTTB tập 2, ta chọn được mặt bích loại 1 của ống hơi ở đỉnh Áp suất của ống trong khoảng: P 10 F − 6 =0, 25N / m 2

Bảng 5 Lựa chọn ống hơi ở đỉnh

Nhiệt độ dòng hoàn lưu t L =t D x,6 C o

Tại t L x,6 C o , tra được  nuoc 2,687kg / m 3 ,  ethanol s6,33kg / m 3

Suy ra khối lượng của hỗn hợp:  = L 752,627kg / m 3

Chọn vận tốc dòng hoàn lưu: v L =0,35m / s

Lưu lượng dòng hoàn lưu: G L =RD63, 42kg / h

Công thức IX.89, trang 181, Sổ tay QTTB tập 2: Đường kính ống hơi ở đỉnh DR(m): L L

Từ bảng XIII.26, trang 409, Sổ tay QTTB tập 2, ta chọn được mặt bích loại 1 của ống hoàn lưu Áp suất của ống trong khoảng: P 10 F − 6 =0, 25N / m 2

Bảng 6 Lựa chọn ống hoàn lưu

Lưu lượng dòng hơi cấp vào đáy tháp: G hW =D 2 28,151kg / h

Khối lượng riêng của hơi cấp vào đáy tháp:  =  = hW gC 1,167kg / m 3

Chọn vận tốc dòng hơi cấp vào tháp: v hW ,5m / s

Công thức IX.89, trang 181, Sổ tay QTTB tập 2: Đường kính ống hơi ở đáy DhW(m): hW hW hW hW

Suy ra chọn đường kính ống hơi ở đáy D hW =0, 2m

Từ bảng XIII.26, trang 409, Sổ tay QTTB tập 2, ta chọn được mặt bích loại 1 của ống hơi ở đáy tháp Áp suất của ống trong khoảng: P 10 F − 6 =0, 25N / m 2

Bảng 7 Lựa chọn ống hơi ở đáy tháp

5.1.2.5 Ống dẫn lỏng vào nồi đun

Nhiệt độ dòng đáy t W , 2 C o ; tra khối lượng riêng:  nuoc 1,070kg / m 3 ,

 = , Suy ra khối lượng riêng hỗn hợp:  = W 945,347kg / m 3

Lưu lượng dòng lỏng vào nồi đun: G W =W 90,1kg / m 3

Chọn vận tốc dòng lỏng vào nồi đun: v W =0, 45m / s

Công thức IX.89, trang 181, Sổ tay QTTB tập 2: Đường kính ống dẫn lỏng vào nồi đun DW(m): W W

Suy ra chọn đường kính ống dẫn lỏng vào nồi đun D W =0, 04m

Từ bảng XIII.26, trang 409, Sổ tay QTTB tập 2, ta chọn được mặt bích loại 1 của ống dẫn lỏng vào nồi đun Áp suất của ống trong khoảng: P 10 F − 6 =0, 25N / m 2

Bảng 8 Lựa chọn ống dẫn lỏng vào nồi đun

CHIỀU CAO THÁP

Tính chiều cao tháp theo số bậc thay đổi nồng độ

Công thức IX.50, trang 168, Sổ tay QTTB tập 2: H=Nh td +(0,8 1), m

N: số đĩa lý thuyết (số bậc thay đổi theo nồng độ)

(0,8 1) (m): khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy h (m): chiều cao tương ứng của một bậc thay đổi nồng độ: td

5.2.1 Chiều cao đệm phần cất

1.2 dem demL L tdL L 0.4 dem tbL

NL Vdem(m 3 /m 3 )  dem (m 2 /m 3 )  tbL (m / s) HdemL(m)

1.2 dem demC C tdC C 0.4 dem tbC

NC Vdem(m 3 /m 3 )  dem (m 2 /m 3 )  tbC (m / s) HdemC(m)

Chọn chiều cao phần đệm luyện: H demL =2m

Chọn chiều cao phần đệm chưng: H demC =0,5m

Chiều cao phần đệm: H dem =H demL +H demC =2.5m

Chọn chiều cao từ đỉnh thiết bị đến đệm phần luyện: h nap =0, 42m

Chọn khoảng cách giữa các đệm: h dem =0, 47m

Chọn khoảng cách từ đáy đến đệm phần chưng: h day =0, 4m

Tổng chiều cao của tháp chưng cất: H thap =H dem +h day +h nap +h dem =3,79m

TRỞ LỰC CỦA THÁP

Sức cản thủy học của tháp đệm trong hệ khí-lỏng và hơi-lỏng tại điểm đảo pha có thể được tính toán bằng công thức IX.118, như đã nêu trong Sổ tay QTTB tập 2, trang 189.

Tổn thất áp suất của đệm khô, công thức IX.119, trang 189:

Hdem (m): chiều cao phần đệm

Tốc độ khí tính trên toàn bộ diện tích tháp: y y y td y

 : đường kính tương đương của tháp, m; d td =0, 0154m

Hệ số trở lực của đệm bao gồm cả trở lực do ma sát và trở lực cục bộ Hệ số này phụ thuộc vào số Reynolds (Re) và được xác định cho các loại đệm khác nhau thông qua công thức thực nghiệm Các giá trị A, m, n, c được cung cấp trong bảng IX.7, trang 189 của Sổ tay QTTB tập 2.

Vì hệ hơi-lỏng nên: A = 5,15; m = 0,342; n = 0,19; c = 0,038

5.3.1 Trở lực của phần luyện

=  Đường kính tương đương: d td =0, 0154m

Khối lượng riêng của pha hơi trong phần luyện:  = yL 1, 2433kg / m 3

Khối lượng riêng của pha lỏng trong phần luyện:  = xL 793, 4071kg / m 3

Tại nhiệt độ t yL , 2 C o , ta tra được độ nhớt:  ethanol =0,000435N.s / m 2 ,

 = ; phần khối lượng hơi trong phần luyện: y L =0,822

Suy ra độ nhớt của pha hơi trong phần luyện:  = yL 0, 000420N.s / m 2

Tốc độ khí: yL yL yL td yL

Hệ số trở lực ' : yL tbL td yL 3 yL dem

Vì 40 < ReyL < 400, suy ra L 0,2 yL

 = Re = , trang 189, Sổ tay QTTB tập 2

Tổn thất áp suất đệm khô:

L demL dem yL yL 2 kL 3 dem

 = Trở lực phần luyện: m n c yL 2

=  Đường kính tương đương: d td =0, 0154m

Khối lượng riêng pha hơi phần chưng:  = yC 1,167kg / m 3

Khối lượng riêng pha lỏng phần chưng:  = xC 909,510kg / m 3

Tại nhiệt độ t yC , 7 C o , tra được độ nhớt:  ethanol =0,000393N.s / m 2 ,

 = ; phần khối lượng hơi trong phần chưng y C =0, 214

Suy ra độ nhớt của hỗn hợp:  = yC 0, 000338N.s / m 2

Tốc độ khí: yC yC yC td yC

Hệ số trở lực ' : yC tbC td yC 3 yC dem

Vì 40 < ReyC < 400, suy ra C 0,2 yC

 = Re = , trang 189, Sổ tay QTTB tập 2

Tổn thất áp suất đệm khô:

C demC dem yC yC 2 kC 3 dem

 = Trở lực phần chưng: m n c yC 2

TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

5.4.1 Hình dáng thiết bị và phương thức gia công

Tháp được thiết kế với thân hình trụ, sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện theo kiểu hàn giáp mối hai phía, nhằm hoạt động hiệu quả ở áp suất thường Các phần của thân tháp được kết nối với nhau thông qua các mối ghép bích chắc chắn.

• Đường hàn càng ngắn càng tốt

• Bố trí các đường hàn dễ quan sát

• Không khoan lỗ qua mối hàn

5.4.2 Chọn vật liệu Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm, ta chọn thiết bị thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

Thép có các tính chất sau:

• Độ bền hóa học, độ bền nhiệt, khả năng chịu ăn mòn cao

• Độ bền cơ học, độ dẻo lớn, độ giòn thấp

Thép có các tính chất sau:

• Giới hạn bền chảy:  = ch 220.10 N / m 6 2

• Khối lượng riêng của thép:  y00kg / m 3

• Hệ số dẫn nhiệt:  ,3W/m.độ

• Hệ số an toàn bề kéo: n k =2, 6

Tháp hoạt động chịu áp suất trong, công thức (5-4), trang 96, Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí:

=   − Trong đó: p: áp suất tính toán trong tháp, N/m 2

Dt: đường kính trong của tháp, m; Ta lấy đường kính trong của tháp D t =0,5m

   : ứng suất cho phép khi kéo, N/m 2

Hệ số bền mối hàn của thân theo phương dọc trục được chọn là  = h 0,95 Áp suất trong toàn tháp được tính theo công thức p = p mt + p tt + p u, với p là áp suất tại đỉnh tháp (N/m²) và pmt được lấy bằng 1 atm, tương đương 101325 N/m² Áp suất thủy tĩnh được xác định bằng công thức p tt =  hh gH (N/m²).

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng: hh xL xC 851, 458kg / m 3

Trở lực của đệm ướt tại điểm đảo pha:  =p u 3421,053N / m 2

Chọn nhiệt độ làm việc là nhiệt độ cao nhất của thiết bị khi hoạt động

Suy ra t=t W , 2 C o , lấy xấp xỉ 100 o C Tra hình 1.2 trang 16, Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí, ta được   =* 142,5.10 N / m 6 2

Chọn hệ số hiệu chỉnh  =0,95 Ứng suất cho phép:     =   =* 1,35.10 N / m 8 2

Suy ra bề dày tháp theo công thức (5-4), trang 96, Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí:

Bề dày thực tế của thân tháp: S S' C= + ; C=C a +C b +C c +C o , công thức (1-10), trang 20, Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí

Hệ số bổ sung do ăn mòn canxi cần được tính toán trong môi trường có tính ăn mòn Với thiết bị hoạt động trong 20 năm và tốc độ ăn mòn của rượu là 0,1mm/năm, ta suy ra rằng giá trị canxi (Ca) là 2mm.

Cb: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học; Cb = 0

Cc: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo; Cc = 0

Co: hệ số bổ sung để quy tròn quy ước, mm

Suy ra bề dày thực của tháp: S=2, 265 C , mm+ o

Vì 400 < Dt < 1000, nên ta chọn bề dày chuẩn cho thân: S = 3mm = 0,003m (Bảng 5-1, trang 94, Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí)

Kiểm tra áp suất tính toán cho phép bên trong biết bị, công thức 6-11, trang 97, Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí:

= + − > áp suất làm việc p = 144839,521N/m 2 (thỏa)

Chọn đáy, nắp hình elip tiêu chuẩn Đường kính Rt = Dt = 0,5m

Suy ra bề dày tháp theo công thức (6-9), trang 126, Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí:

Bề dày thực tế của thân tháp: S S' C= + ; C=C a +C b +C c +C o (công thức (1-10), trang 20, Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí)

Hệ số bổ sung do ăn mòn Ca được xác định trong môi trường có tính ăn mòn, với thiết bị hoạt động trong 20 năm Tốc độ ăn mòn của rượu được chọn là 0,1mm/năm, từ đó suy ra rằng Ca = 2mm.

Cb: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học; Cb = 0

Cc: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo; Cc = 0

Co: hệ số bổ sung để quy tròn quy ước, mm

Suy ra bề dày thực của đáy, nắp: S=2,179 C , mm+ o

Chọn bề dày chuẩn cho đáy, nắp: S = 3mm = 0,003m

Kiểm tra áp suất tính toán cho phép bên trong biết bị, công thức 6-11, trang 97, Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí:

Chọn mặt bích kiểu liền làm bằng thép CT3 Áp suất làm việc: p 144839,521N / m= 2 =0,145N / mm 2

Chọn mặt bích kiểu 1 với các thông số sau, bảng XIII.27, trang 417, Sổ tay QTTB tập 2

Bảng 9 Lựa chọn mặt bích và bulong

Kích thước nối Kiểu bích nối

Bulong Kiểu 1 db Z h mm Cái

5.4.6 Đĩa phân phối lỏng và lưới đỡ đệm

Chọn đĩa phân phối loại 2 với các thông số sau, bảng IX.22, trang 230, Sổ tay QTTB tập 2

Bảng 10 Lựa chọn đĩa phân phối lỏng Đường kính tháp, mm Đĩa phân phối loại 1 và 2 Đường kính đĩa

Dđ Ống dẫn chất lỏng

Chọn lưới đỡ đệm loại 25 x 25 ta có các thông số sau, bảng IX.22, trang 230, Sổ tay QTTB tập 2

Bảng 11 Lựa chọn lưới đỡ đệm Đường kính tháp, mm

Lưới đỡ đệm Đường kính lưới Dl

Chiều rộng của bước b Đệm 25 x 25 mm

Khối lượng trên lưới: m=m dem +m long , kg

=   − Đường kính trong của tháp: D t =0,5m

Chiều cao lớp đệm: Hdem = 2,5m

Khối lượng riêng của đệm:  dem `0kg / m 3

Thể tích tự do của đệm: V dem =0,75m / m 3 3

Suy ra khối lượng đệm khô: mdem = 73,594kg

Khối lượng lỏng trên đệm:

2 t long dem long dem m D H V 313,310kg

=   Khối lượng trên lưới: m=m dem +m long 86,904kg

Bề dày tính toán của lõi ống:

Dt: đường kính trong của tháp, m; K = 0,45 ÷ 0,6, ta chọn K = 0,5 ; P: áp lực trên lưới, N/m 2 ;    ch : giới hạn bền chảy, N/m 2

Số thanh trên lưới là 16, nên ta có 17 khe d=0, 023.17 =0,319m

 , suy ra  = 0, 218, suy ra S = 0,00471m, chọn S = 0,005m

Chọn vật liệt chế tạo lớp cách nhiệt là Amiang carton có  = CN 0,144W / m.K, khối lượng riêng  = CN 2600kg / m 3

Tổng nhiệt trở của lớp cách nhiệt: can r CN r CN

  Trong đó: Nhiệt trở của lớp cặn rcan = 0,387.10 -3 m K / W 2

CN: Chiều dày lớp cách nhiệt, m

r: chiều dày của thân tháp, m

r= 16,3 Wm/K: hệ số dẫn nhiệt của thép X18H10T

Nhiệt mất mát riêng: m v1 v2 tb t t

= − Trong đó: tv1: nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc với bề mặt ngoài của tháp, o C tv2: nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp xúc ngoài không khí, o C

Ta chọn tv1 = tW = 96,2 o C và tv2 = 30 o C

Qm = Qxq2 = 166767606,9: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh, W

Ftb: diện tích xung quanh bề mặt trung bình của tháp (cả lớp cách nhiệt), m 2 tb t than CN

Thế các giá trị vào ta có phương trình: m v1 v2

CN t than CN r can r CN t t

  Giải phương trình, ta tìm được  = CN 0, 00157m

Thể tích lớp Amiang cần dùng: V CN =  H CN (D t +  than +  CN )=0,01196m 3

Tổng khối lượng tháp: G=G than +G day +G nap +G bich +G long +G dem +G luoi +G dia

Khối lượng thân tháp: G than ( D t 2S than ) 2 D t 2 H thep 141,868kg

Khối lượng đáy, nắp elip tra bảng XIII.11, trang 384, Sổ tay QTTB tập 2: Đáy, nắp: Dt = 500mm, S = 3mm, suy ra Gday = Gnap = 10kg

Khối lượng bích: G bich n bich A 2 (D t 2S than ) 2 h bich

Trong đó: A = 0,63m: đường kính ngoài của bích nbich = 5: số lượng bích

 = : khối lượng riêng của vật liệu CT3 làm bích

Suy ra khối lượng bích: G bich ,804kg

Khối lượng lỏng trong tháp là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn khi xảy ra sự cố ngập lụt Để tính toán khối lượng lỏng, cần xem xét thể tích toàn bộ tháp nhằm đánh giá khả năng chịu đựng của cấu trúc trong tình huống khẩn cấp.

Khối lượng đệm: G dem D H t 2 dem dem (1 V dem )

Khối lượng lưới đỡ đệm:

Khối lượng một thanh: m 1thanh S D th 2 l vl

Với Sth = 0,005m: bề dày thanh

Khối lượng 2 lưới: G luoi n.16 S D th 2 l vl

=   = 2,366kg ( khối lượng riêng của lưới là khối lượng riêng của thép CT3:  = vl 7850kg / m 3 )

Khối lượng đĩa phân phối lỏng:

Tải trọng toàn tháp: G = 970,2kg

Chọn vật liệu là thép CT3, tấm lót là vật liệu làm thân thiết bị

Tải trọng cho phép: ' gG

Từ bảng XIII.35, trang 437, Sổ tay QTTB tập 2 ta có được các thông số của chân đỡ:

Bảng 12 Lựa chọn chân đỡ

Tải trọng cho phép trên 1 chân

Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ q.10 -6 , N/m 2

Chọn vật liệu là thép CT3, tải trọng cho phép: ' gG

= 4 Bảng 13 Lựa chọn tai treo

Tải trọng cho phép trên 1 chân

Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ q.10 -6 , N/m 2

Khối lượng một tai treo, kg mm

TÍNH TOÁN CHO THIẾT BỊ PHỤ

THIẾT BỊ GIA NHIỆT CHO DÒNG NHẬP LIỆU TRƯỚC KHI VÀO THÁP

Chọn thiết bị gia nhiệt là loại ống chùm nằm ngang, làm bằng thép X18H10T, kích thước 38x3 Đường kính ngoài dn = 38mm = 0,038m

Bề dày ống:  = t 3mm=0, 003m Đường kính trong: d tr =d n −  =2 t 0,032m

Chọn ống chùm ngang có 4 hình 6 cạnh, từ bảng V.11, trang 48, Sổ tay QTTB tập 2 ta có thông số sau:

Bảng 14 Thông số ống chùm nằm ngang của thiết bị gia nhiệt cho dòng nhập liệu

Số ống trên đường xuyên tâm 9

Trong thiết bị gia nhiệt, hơi nước bão hòa đi ngoài ống, dòng nhập liệu đi trong ống Sau khi gia nhiệt, dòng nhập liệu được đưa vào tháp

6.1.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình

Nhiệt độ dòng nhập liệu vào: t F2 c,75 C o

Nhiệt độ dòng nhập liệu ra: t F ,85 C o

Hơi bão hòa 1 at đi ngoài ống với nhiệt độ hơi và nhiệt độ ngưng tụ: tn = 99,1 o C

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều: o

Công thứ V.5, trang 3, Sổ tay QTTB tập 2: 2 1 t n F

Trong đó:  n : hệ số cấp nhiệt của hơi nước, W/m 2 K

F: hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu, W/m 2 K rt

 : nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu, m 2 K/W

6.1.2.1 Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống

Nhiệt độ trung bình của dòng nhập liệu đi trong ống: Ftb t F2 t F o t 74,3 C

= + Tại nhiệt độ này ta tra được:

Hệ số dẫn nhiệt của dòng nhập liệu:  = F 0,5951W/m.độ Độ nhớt của dòng nhập liệu:  = F 0,000347Ns / m 2

Chuẩn số Prandtl của nước được tra cứu tại bảng I.249, trang 310 trong Sổ tay QTTB tập 1, trong khi chuẩn số Prandtl của ethanol được tìm thấy ở bảng I.264, trang 324 cùng trong Sổ tay QTTB tập 1 Từ đó, ta suy ra rằng Pr F = 2,178.

Vận tốc của dòng nhập liệu đi trong ống: F 2

 < 2300, suy ra chế độ chảy tầng

Từ ReF, chuẩn số Nu tính theo công thức V.45, trang 17, Sổ tay QTTB tập 2:

Nu 0.15 Re Pr Gr Pr

6.1.2.2 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu w1 w 2 t t t q r

 , W/m 2 ; Với t w1 và t w2 lần lượt là nhiệt độ của vách ngoài ống tiếp xúc với hơi nước và nhiệt độ của vách trong ống tiếp xúc với dòng nhập liệu, o C

Với  t : bề dày thành ống, m;  t : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống W/m.K; r1: nhiệt trở lớp bẩn trong ống, m 2 K/W; r2: nhiệt trở lớp cáu ngoài ống, m 2 K/W

Suy ra nhiệt độ vách ngoài ống: t w 2 =t w1 −q t r

6.1.2.3 Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ

Nhiệt độ hơi nước ngưng tụ ngoài ống đạt 99,1 °C, trong khi ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước là 2262340 J/độ Đối với ống nằm ngang, hệ số cấp nhiệt được xác định theo công thức V.111 trong Sổ tay QTTB tập 2, trang 30.

  Các thông số khối lượng riêng , hệ số dẫn nhiệt , độ nhớt của hỗn hợp ta tra tại nhiệt độ màng m ( n w1 ) t 1 t t

Chọn t w1 C o , suy ra nhiệt độ màng tm = 99,05 o C

Tại nhiệt độ này ta tra được các thông số:

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:  = m 959,053kg / m 3

32 Độ nhớt của hỗn hợp:  = m 0,000287Ns / m 2

Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp:  = m 0,6825W/m.độ

2 t n n n w1 q =q =  (t −t )573W / m (nhiệt độ mất mát là không đáng kể) o w2 w1 t t =t −q r ,1 C, chọn t w 2 = 86,7 C o

Tra chuẩn số Prandtl: Pr w 2 =1,855, suy ra Nu F ,993

Suy ra hệ số truyền nhiệt: 2 t n F

=   ; trong đó Q F =Q F −Q F2 &9447980, 6J / h: nhiệt lượng dòng nhập liệu nhận vào

Số ống truyền nhiệt 61, bố trí theo hình lục giác đều

Chiều dài ống truyền nhiệt: n tr

=  + , chọn L = 2m Đường kính thiết bị, công thức V.140, trang 49, Sổ tay QTTB tập 2

Trong đó: dn = 0,038m : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m; t là bước ống, thường chọn t = 1,2d; b = 9: số ống trên đường xuyên tâm

THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH

Chọn thiết bị gia nhiệt là loại ống chùm nằm ngang, làm bằng thép X18H10T, kích thước 38x3 Đường kính ngoài dn = 38mm = 0,038m

Chọn ống chùm ngang có 4 hình 6 cạnh, từ bảng V.11, trang 48, Sổ tay QTTB tập 2 ta có thông số sau:

Bảng 15 Thông số ống chùm nằm ngang của thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Số ống trên đường xuyên tâm 9

Nước lạnh đi trong ống:

Nhiệt độ nước vào: t n1 % C o , nhiệt độ nước ra: t n 2 P C o

Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống: nhiệt độ ngưng tụ t D x,6 C o

Công thứ V.5, trang 3, Sổ tay QTTB tập 2: 2 1 t n D

Trong đó:  n : hệ số cấp nhiệt của nước lạnh, W/m 2 K

D: hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tụ, W/m 2 K rt

6.2.2.1 Hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống

Nhiệt độ trung bình của nước đi trong ống: ntb t n1 t n 2 o t 37,5 C

= + Tại nhiệt độ này ta tra được:

Khối lượng riêng của nước:  = n 993,18kg / m 3

Hệ số dẫn nhiệt của nước:  = n 0,6298W/m.độ Độ nhớt của nước:  = n 0,000688Ns / m 2

Chuẩn số Prandtl của nước: Pr n =4, 605

Vận tốc của dòng nước đi trong ống: n n 2 n tr

=   , Gn 23607,458kg/h: lượng nước làm lạnh cấp vào

=  , chế độ chảy quá độ vì: 2300 < Ren < 10000

Từ ReF, chuẩn số Nu tính theo công thức V.44, trang 16, Sổ tay QTTB tập 2:

  ; trong đó tra ko ở trang 16, Sổ tay QTTB tập 2, chọn  = l 1

6.2.2.2 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu

Giống như trong thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu đi vào tháp

Nhiệt độ vách ngoài ống: t w 2 =t w1 −q t r

6.2.2.3 Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ

Nhiệt độ hơi ngưng tụ ngoài ống là t D x,6 °C với ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi là r D 6862,896 J/kg Đối với ống nằm ngang, hệ số cấp nhiệt được xác định theo công thức V.111 trong Sổ tay QTTB tập 2, trang 30.

Các thông số khối lượng riêng , hệ số dẫn nhiệt , độ nhớt của hỗn hợp ta tra tại nhiệt độ màng m ( D w1 ) t 1 t t

Chọn t w1 w C o , suy ra nhiệt độ màng t m w,8 C o

Tại nhiệt độ này ta tra được các thông số:

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:  = m 753,380kg / m 3 Độ nhớt của hỗn hợp:  = m 0,000435Ns / m 2

Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp:  = m 0, 2655W/m.độ

2 t D D D w1 q =q =  (t −t )42,126W / m (nhiệt độ mất mát là không đáng kể) o w2 w1 t t =t −q r I C

Tra chuẩn số Prandtl: Pr w 2 =3, 626, suy ra Nu n A, 606 n n n tr

Suy ra hệ số truyền nhiệt: 2 t n D

6.2.3 Bề mặt truyền nhiệt n 2 log

=  ; trong đó Q n =G C (t n n n 2 −t ) n1 $67594972J / h: Nhiệt lượng nước lạnh nhận vào

=  + , chọn L = 5m Đường kính thiết bị, công thức V.140, trang 49, Sổ tay QTTB tập 2

THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP

Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp là nồi đun Kettle, làm bằng thép X18H10T, kích thước 38x3 Đường kính ngoài dn = 38mm = 0,038m

Chọn ống chùm có 11 hình 6 cạnh, từ bảng V.11, trang 48, Sổ tay QTTB tập 2 ta có thông số sau:

Bảng 16 Thông số ống chùm nằm ngang của thiết bị đun sôi đáy tháp

Số ống trên đường xuyên tâm, b 23

Hơi đốt 2 at đi trong ống, có nhiệt độ hơi đốt: t h 9,6 C o , ẩn nhiệt hóa hơi: rn "08000J / kg

Dòng sản phẩm đáy đi ngoài ống:

Chọn Nhiệt độ trước khi vào nồi: t s1 C o

Nhiệt độ dòng đáy ra khỏi nồi đun: t s2 =t W , 2 C o

Công thứ V.5, trang 3, Sổ tay QTTB tập 2: 2 1 t n S

Trong đó:  n : hệ số cấp nhiệt của hơi nước, W/m 2 K

S: hệ số cấp nhiệt của dòng đáy, W/m 2 K rt

6.3.2.1 Hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ống

Nhiệt độ sôi trung bình của dòng sản phẩm đáy ngoài ống: s t s1 t s2 o t 95,1 C

= + Hệ số cấp nhiệt, công thức V.89, trang 26, Sổ tay QTTB tập 2:

=  Tại nhiệt độ tS này:

Khối lượng riêng của pha hơi ở ngoài ống: n tbW 3

P = 1at: áp suất lấy bằng áp suất khí quyển Ẩn nhiệt hóa hơi sản phẩm đáy: r S "43521,585J / kg Độ nhớt của sản phẩm đáy:  = S 0,0003Ns / m 2

Hệ số dẫn nhiệt của sản phẩm đáy:  = S 0,6711W/m.độ

Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy: C S A97,679J/kg.độ

Sức căng bề mặt của sản phẩm đáy, bảng I.242, trang 300, Sổ tay QTTB tập 1:

 6.3.2.2 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu

6.3.2.3 Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt trong ống

Công thức 3.65, trang 120, Sổ tay QTTB tập 10

Chọn t W1 7 C o , nhiệt độ trung bình của màng nước ngưng tụ: m t n t W1 o t 118,3 C

Khối lượng riêng của nước:  = n 944,692kg / m 3 Độ nhớt của nước:  = n 0,000236Ns / m 2

Hệ số dẫn nhiệt của nước:  = n 0, 0249W / mK

Suy ra hệ số truyền nhiệt: 2 1 t n S

6.3.3 Bề mặt truyền nhiệt n 2 log

=  ; trong đó Q n =Q D2 335352130J / h: nhiệt lượng hơi đốt cấp vào nồi đun

=  + , chọn L = 3,5m Đường kính thiết bị, công thức V.140, trang 49, Sổ tay QTTB tập 2

THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH

Thiết bị làm nguội sản phẩm hiệu quả nhất là ống lồng ống truyền nhiệt, được chế tạo từ thép X18H10T Kích thước ống ngoài là 36x2 mm và ống trong là 25x2 mm, với đường kính ngoài của ống ngoài là 0,036 m.

Dt =0,032m Đường kính ngoài của ống trong: d n =0, 025m; đường kính trong của ống trong: dt =0, 021m

Nước làm mát đi trong ống trong với nhiệt độ đầu: t n1 % C o , nhiệt độ ra: t n 2 P C o , suy ra nhiệt độ trung bình: ntb t n1 t n 2 o t 37,5 C

= + = , tại nhiệt độ này ta tra được:

Nhiệt dung riêng của nước: C n A81,04J/kg.độ

Khối lượng riêng của nước:  = n 993,18kg / m 3 Độ nhớt của nước:  = n 0,000688Ns / m 2

Hệ số dẫn nhiệt của nước:  = n 0,6298W/m.độ

Chuẩn số Prandtl của nước: Pr n =4, 605

Sản phẩm đỉnh đi trong ống ngoài với nhiệt độ đầu: t D1 x, 6 C o , nhiệt độ ra: t D2 @ C o , suy ra nhiệt độ trung bình: Dtb t D1 t D2 o t 59,3 C

= + = , tại nhiệt độ này ta tra được:

Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh: C D 206, 086J/kg.độ

Khối lượng riêng của sản phẩm đỉnh:  = D 770,615kg / m 3 Độ nhớt của sản phẩm đỉnh:  = D 0,000574Ns / m 2

Hệ số dẫn nhiệt của sản phẩm đỉnh:  = D 0, 2635W/m.độ

Chuẩn số Prandtl của sản phẩm đỉnh: Pr D =1, 246

Công thứ V.5, trang 3, Sổ tay QTTB tập 2: 2 1 t n D

Trong đó:  n : hệ số cấp nhiệt của nước làm mát, W/m 2 K

D: hệ số cấp nhiệt của dòng đỉnh, W/m 2 K rt

6.4.2.2 Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh ở ngoài ống

Vận tốc của dòng sản phẩm đỉnh: W 2 2

=   − Đường kính tương đương: d td =D t −d n =0, 007m

=  , chế độ chảy quá độ vì 2300 < ReD < 10000

Từ ReD, chuẩn số Nu tính theo công thức V.44, trang 16, Sổ tay QTTB tập 2:

  ; trong đó tra ko = 32,814 ở trang 16, Sổ tay QTTB tập 2, chọn l 1

Chọn t W1 U C o , suy ra nhiệt độ màng m t Dtb t W1 o t 57,15 C

= + Tại nhiệt độ t m W,15 C o , tra chuẩn số Prandtl của dòng sản phẩm đỉnh: Pr W1 =1, 272 Suy ra:

6.4.2.3 Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ

Vận tốc nước đi trong ống: n n 2 n tr v 4G 0,893m / s

=  , chế độ chảy rối vì Ren > 10000

Công thức V.40, trang 14, Sổ tay QTTB tập 2:

=      , trong đó tại t w2 7,96 C o , tra được chuẩn số Prandtl của nước: Pr W 2 =4,302

Suy ra hệ số truyền nhiệt: 2 1 t n D

6.4.3 Xác định bề mặt truyền nhiệt n 2 log

=  ; trong đó Q n 5593090,5J / h: nhiệt lượng nước làm mát nhận được

6.4.4 Chiều dài ống truyền nhiệt n tr

Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt là 65m chia thành 13 đoạn, mỗi đoạn 5m.

THIẾT BỊ TẬN DỤNG NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY CHO NHẬP LIỆU

Thiết bị làm nguội sản phẩm hiệu quả nhất là ống lồng ống truyền nhiệt, được chế tạo từ thép X18H10T Kích thước ống ngoài là 76x3 mm và kích thước ống trong là 38x2 mm, với đường kính ngoài của ống ngoài là D n = 0,076 m.

Dt =0,07m Đường kính ngoài của ống trong: d n =0, 038m; đường kính trong của ống trong: dt =0,034m

Dòng nhập liệu đi trong ống trong với nhiệt độ đầu: t F1 % C o , nhiệt độ đầu ra: o tF2 c,749 C, suy ra nhiệt độ trung bình của dòng nhập liệu: Ftb t F1 t F2 o t 44,375 C

= + , tại nhiệt độ này ta tra được:

Khối lượng riêng của dòng nhập liệu:  = F 908,708kg / m 3

Nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu: C F 969,740J/kg.độ Độ nhớt của dòng nhập liệu:  = F 0,000630Ns / m 2

Hệ số dẫn nhiệt của dòng nhập liệu:  = F 0,5689W/m.độ

Chuẩn số Prandtl của dòng nhập liệu: Pr F =3,502

Dòng sản phẩm đáy đi trong ống ngoài có nhiệt độ đầu vào t W1, 2 °C và nhiệt độ đầu ra t W2 °C Từ đó, ta có thể suy ra nhiệt độ trung bình của dòng sản phẩm đáy là t Wtb p,6 °C Tại nhiệt độ này, chúng ta có thể tra cứu các thông số liên quan.

Khối lượng riêng của dòng sản phẩm đáy:  = W 962, 483kg / m 3

Nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đáy: C W A70, 489J/kg.độ Độ nhớt của dòng sản phẩm đáy:  = W 0,000405Ns / m 2

Hệ số dẫn nhiệt của dòng sản phẩm đáy:  = W 0, 6578W/m.độ

Chuẩn số Prandtl của dòng sản phẩm đáy: Pr W =2, 497

Công thứ V.5, trang 3, Sổ tay QTTB tập 2: 2 1 t

Trong đó:  F : hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu, W/m 2 K

S: hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đỉnh, W/m 2 K rt

6.5.2.2 Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy ở ống ngoài

Vận tốc của sản phẩm đáy đi trong ống ngoài: W 2 2

=   − Đường kính tương đương: d td =D t −d n =0, 032m

=  , chế độ chảy rối vì ReW > 10000

Từ ReW, công thức V.40, trang 14, Sổ tay QTTB tập 2:

Chọn t W1 ` C o , nhiệt độ lớp màng: t m e,3 C o , tại nhiệt độ này ta tra được chuẩn số Prandtl của dòng sản phẩm đáy: Pr W1 =2, 653

W 2 W1 t t =t −q rQ, 472 C, chọn t W2 = 49, 2 C o , từ nhiệt độ này ta tra được chuẩn số Prandtl: Pr W 2 =3, 453

6.5.2.3 Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu đi trong ống nhỏ

Vận tốc dòng nhập liệu: F 2

=  , chế độ chảy rối vì ReF > 10000

Từ ReF, công thức V.40, trang 14, Sổ tay QTTB tập 2:

Suy ra hệ số truyền nhiệt: 2 1 t

=   ; trong đó Q F E3096067,5J / h: nhiệt lượng dòng nhập liệu nhận vào

6.5.4 Chiều dài ống truyền nhiệt n tr

Thiết bị tận dụng nhiệt từ đáy để gia nhiệt cho nguyên liệu được thiết kế dưới dạng ống lồng ống, với chiều dài tổng cộng là 65m, được chia thành 13 đoạn, mỗi đoạn dài 5m.

BƠM

Nhiệt độ dòng nhập liệu: t F % C o

Khối lượng riêng của hỗn hợp:  = F 919,734kg / m 3 Độ nhớt của hỗn hợp:  = F 0,000924Ns / m 2

Suất lượng thể tích của dòng nhập liệu trong ống: F 3

Chọn bơm có năng suất Q b =5m / h 3

Chọn: Mặt thoáng (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu

Mặt thoáng (2-2) là mặt thoáng chất lỏng tại mâm nhập liệu Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2):

• Z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = 1m

• Z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất

• P1: áp suất tại mặt thoáng (1-1), P1 = 1atm

• P2: áp suất tại mặt thoáng (2-2), P2 = 1atm

• V1,v2: lần lượt là vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút và ống đẩy của bơm, m/s

• h f 1 2 − : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2)

• Hb: cột áp của bơm Độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất: z 2 =H chan +H day +h day +H demC =1, 445m

Trong đó: Hchan: chiều cao của chân đế, m

Hday: chiều cao của đáy thiết bị, m hday: khoảng cách từ đáy thiết bị đến phần dưới của phần đệm chưng, m

HdemC: chiều cao của phần đệm của phần chưng, m

6.6.2.1 Tổng trở lực trong ống

Chọn đường kính ống hút và ống đẩy bằng nhau: d tr =0, 05m

Tra bảng II.15, trang 381, sổ tay QTTB tập 1, độ nhám tuyệt đối của ống nguyên và ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít:  =0, 2mm=0, 0002m

Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy:

Trong đó: lh: chiều dài ống hút, chọn lh = 2m ld: chiều dài ống đẩy, chọn ld = 8m

 : tổng tổn thất cục bộ trong ống hút

 : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy

1,  2 : lần lượt là hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy

Vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút: 1 b 2 tr v 4Q 0,708m / s

 Chuẩn số Re tới hạn:

Chuẩn số Re khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:

Ta có: Re 1gh Re 1F Re 1n : chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ

Tra bảng II.4, trang 379, Sổ tay QTTB tập 1 được:  = 1 0,0318

Vận tốc dòng nhập liệu trong ống đẩy: v 2 =v F =0, 45m / s

Ta có: Re 1gh Re 2F Re 1n : chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ

Tra bảng II.4, trang 379, Sổ tay QTTB tập 2 được:  = 2 0,0339

Xác định tổng tổn thất cục bộ trong ống hút:

• Chỗ uốn cong: không có chỗ uốn cong

• Van: Tra bảng 9.5, trang 94, Sổ tay QTTB tập 1

Chọn van có độ mở hoàn toàn thì:  v1(1cai) Ống hút có 1 van nên  = v2 10

Xác định tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy:

• Chỗ uốn cong: Tra bảng 9.5, trang 94, Sổ tay QTTB tập 1

Chọn dạng ống uốn cong 90 o có bán kính R với R/d = 2 thì  u 2 1cho ( ) =0,15 Ống đẩy có 5 chỗ uốn:  = u 2 0,15.5=0, 75

• Van: Tra bảng 9.5, trang 94, Sổ tay QTTB tập 1

Chọn van mở hoàn toàn:  v2(1cai) Ống đẩy có 1 van nên  = v2 10

Công suất thực tế của bơm là: b b b F b

Chọn 2 bơm ly tâm có:

Để đảm bảo quy trình hoạt động liên tục, chúng tôi đã chọn hai bơm với công suất 0,1Hp, trong đó một bơm đảm nhiệm chức năng chính và bơm còn lại được sử dụng làm dự phòng trong trường hợp xảy ra sự cố Công suất yêu cầu là N b = 0,04Hp, do đó, việc lựa chọn bơm 0,1Hp là hợp lý để duy trì hiệu suất làm việc ổn định.

Tiêu đề	Thiết Kế Tháp Đệm Hoạt Động Liên Tục Chưng Cất Hỗn Hợp Ethanol – Nước
Tác giả	Trương Tiến Anh
Người hướng dẫn	GVHD: Bùi Ngọc Pha
Trường học	Đại học Bách Khoa TPHCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật Hóa học
Thể loại	Đồ án
Thành phố	TPHCM

Định dạng
Số trang	55
Dung lượng	1,37 MB