TỔNG QUAN
Giới thiệu chung
Trong thời kỳ Cổ đại, tinh dầu được chưng cất phổ biến, và vào khoảng năm 1000, sự phát triển của axít sulfuric, axít nitric và rượu (êtanol) đã làm cho chưng cất trở thành một phương pháp quan trọng Đặc biệt, vào thế kỷ 17, chưng cất còn được ứng dụng để lấy nước ngọt từ nước biển và chưng cất nhựa đường, hắc ín để bảo vệ tàu thuyền.
Hình 1.1 Hệ thống chưng cất lấy nước ngọt từ nước biển
1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở nước ta, chưng cất cũng đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: chưng cất tinh dầu hồi từ quả, chưng cất ethanol, chưng cất dầu thô,
Hình 1.2 Hệ thống chưng cất dầu thô
Một số nghiên cứu tiêu biểu về tháp chưng cất trong nước:
Công ty CP Công nghệ Minh Đức và Công ty Food Technology của Nga, dưới sự dẫn dắt của thạc sỹ Chế tạo máy Ngô Văn Dực và tiến sỹ khoa học Đặng Ngọc Đường, đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo Hệ thống Tháp chưng cất rượu với công suất 15 lít/h.
Hình 1.3 Tháp chưng cất rượu công suất 15 lít/h
Với những cải tiến trong thiết kế và chế tạo như thân tháp có cấu trúc đĩa lỗ xuyên tâm không ống chảy chuyền, hệ thống ngưng tụ hồi lưu loại trao đổi nhiệt ống chùm nằm ngang, và đáy tháp được cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa từ nồi hơi, cùng với cấu trúc nồi 2 vỏ được trang bị cánh khuấy mỏ neo, sản phẩm mới này vượt trội hơn so với các phiên bản trước.
16 chế tạo trong nước và một số được nhập từ nước ngoài, hệ thống Tháp chưng cất rượu này có các ưu điểm vượt trội như:
+Tách triệt để các tạp chất có trong sản phẩm lên men rượu như: aldehyde, methanol, dầu fuzen, acid,
Có thể chưng cất các sản phẩm lên men có nồng độ cồn thấp và nhiều tạp chất, chẳng hạn như từ hoa quả hoặc phế phụ phẩm Đồng thời, quy trình này cũng cho phép cô đặc và chiết xuất dược liệu cũng như các hợp chất thiên nhiên và hóa học khác.
Cấu trúc đĩa lỗ xuyên tâm không ống chảy chuyền giúp tháp có trở lực thấp, từ đó nâng cao năng suất chưng cất so với các hệ thống tháp chưng cất có cùng công suất nhiệt, số đĩa, đường kính và chiều cao.
Kết quả thực nghiệm cho thấy, sản phẩm rượu từ Hệ thống Tháp chưng cất giữ được hương vị đặc trưng và các chỉ tiêu hóa học như hàm lượng aldehyde, methanol, dầu fuzen đều dưới ngưỡng cho phép theo Tiêu chuẩn rượu trắng Việt Nam (TCVN 7043-2013) Đây là một thành công nổi bật trong nghiên cứu phát triển sản xuất rượu chất lượng cao từ ngũ cốc và hoa quả Đồng thời, dự án lọc hóa dầu Nghi Sơn đã lắp đặt thành công tháp chưng cất.
Công ty cổ phần Lilama 18 đã hợp tác với Công ty Nippon Express (NEX) để lắp đặt tháp chưng cất Propane / Prolylene Splitter cho dự án Lọc hóa dầu Nghi Sơn Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc tách biệt các hợp chất Propane và Prolylene, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của nhà máy.
+Theo Tổng công ty Lắp máy Việt Nam (Lilama), tháp có đường kính 6,3m, cao 95m và có khối lượng gần 900 tấn
Hình 1.4 Hệ thống lọc hóa dầu Nghi Sơn
-Thiết kế,chế tạo thành công thiết bị chưng cất nước ngọt quy mô hộ gia đình cho người dân miền biển của các sinh viên ĐH Cần Thơ
Hình 1.5 Hệ thống chưng cất nước ngọt quy mô hộ gia đình
1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Một số bằng sáng chế về nghiên cứu tháp chưng cất
-Cột chưng cất downcomer có tường thấm chất lỏng:
Một downcomer được trang bị bức tường thấm chất lỏng nhằm tối ưu hóa khối lượng chuyển nhượng hoặc cột chưng cất Những bức tường này tạo ra một con đường thay thế cho việc loại bỏ chất lỏng khỏi downcomer, từ đó nâng cao khả năng xử lý chất lỏng Khi ướt, tường thấm chất lỏng còn đóng vai trò như một hàng rào ngăn chặn hơi vào downcomer qua các bức tường.
Hình 1.6 Cột chưng cất downcomer
-Phương pháp chưng cất ethanol khan:
Một phương pháp chưng cất cải tiến đã được phát triển để phục hồi ethanol khan từ quá trình lên men hoặc nguyên liệu tổng hợp Hệ thống này bao gồm ít nhất một tháp stripper-chỉnh lưu, một tháp bị mất nước và một đại lý đẳng phí tước tháp Việc tiết kiệm năng lượng được thực hiện bằng cách vận hành tháp không bị mất nước và tối ưu hóa các đại lý đẳng phí tước tháp ở áp suất cao hơn tháp stripper-chỉnh lưu Ngoài ra, hơi ngưng tụ từ tháp bị mất nước hoặc đại lý đẳng phí tước tháp được sử dụng để cung cấp nhiệt cần thiết cho tháp stripper-chỉnh lưu.
Tính cấp thiết của đề tài
Trước sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp thực phẩm, việc sản xuất thực phẩm không chỉ chú trọng đến chất lượng mà còn cần đảm bảo cung ứng kịp thời cho thị trường Để tăng năng suất sản xuất thực phẩm, việc áp dụng công nghệ tự động hóa là rất cần thiết, đặc biệt trong sản xuất rượu ethanol Do đó, thiết kế tháp chưng cất ethanol trở thành một yêu cầu cấp bách nhằm nâng cao hiệu quả chế biến rượu và đáp ứng nhu cầu thị trường.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÁP CHƯNG CẤT
Giới thiệu chung về chưng cất [4]
Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng
Khi tiến hành chưng, chúng ta thu được nhiều sản phẩm khác nhau Số lượng sản phẩm thu được thường tương ứng với số lượng cấu tử trong hỗn hợp Đặc biệt, trong trường hợp có hai cấu tử, quá trình chưng sẽ tạo ra các sản phẩm như minh họa trong sơ đồ dưới đây.
Hình 2.1 Hệ thống chưng cất
+ Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi
+ Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi
2.1.2 Mục đích công nghệ và phạm vi sử dụng
Quá trình chưng cất nhằm mục đích thô chế và làm sạch các tạp chất như keo, nhựa và bụi bẩn trong sản xuất rượu, cũng như trong việc thô chế các nguyên liệu chứa tinh dầu.
Một mục đích quan trọng của quá trình chưng cất là thu nhận các sản phẩm như cồn, rượu và tinh dầu Chưng cất không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn là quá trình tinh chế, ví dụ như tinh chế cồn và các loại tinh dầu có giá trị kinh tế cao.
+ Phân loại theo áp suất làm việc: chân không, áp suất thường hoặc áp suất cao
Hỗn hợp được phân loại dựa trên số lượng cấu tử, bao gồm hệ 2 cấu tử, hệ 3 cấu tử, hoặc các hệ có số cấu tử ít hơn mười Ngoài ra, còn có hệ nhiều cấu tử, với số lượng cấu tử lớn hơn mười.
+ Phân loại theo phương thức làm việc: liên tục, gián đoạn
+ Phân loại theo mức độ phức tạp: chưng đơn giản, chưng luyện
Ngoài ra, có nhiều phương pháp chưng khác nhau như chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng trích ly, chưng đẳng phí và chưng cất thăng hoa.
Các phương pháp chưng cất
Chưng cất đơn giản là phương pháp dùng để tách các cấu tử dễ bay hơi khỏi tạp chất khó bay hơi trong hỗn hợp, thường không yêu cầu sản phẩm có độ tinh khiết cao Phương pháp này được ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, chẳng hạn như trong quá trình chiết xuất tinh dầu từ nguyên liệu chứa tinh dầu hoặc sản xuất cồn thủ công Trong quá trình chưng cất, nếu sử dụng nước và áp suất thường, nhiệt độ sôi đạt 100°C.
Hình 2.2: Hệ thống chưng cất đơn giản
Trong quá trình chưng cất, vật liệu được nạp vào nồi và đun nóng đến nhiệt độ bay hơi Nguồn nhiệt có thể được cung cấp trực tiếp bằng củi hoặc than trong nồi cất thủ công, hoặc gián tiếp qua các bộ phận truyền nhiệt Hơi bay hơi sau đó được ngưng tụ trong thiết bị làm lạnh, thường là các ống ruột gà, với nước làm mát bên ngoài ống Sản phẩm lỏng thu được (sản phẩm đỉnh) sẽ được chứa trong thùng, trong khi bã hoặc dung dịch khó bay hơi còn lại sẽ được tháo ra ngoài.
Sản phẩm đỉnh sau khi ngưng tụ cho quay 1 phần trở về thiết bị chưng với mục đích nâng cao chất lượng và tăng hiệu suất thu hồi
Hình 2.3 Hệ thống chưng cất hồi lưu
2.2.3 Chưng bằng hơi nước trực tiếp
Hơi nước có thể bão hòa hoặc quá nhiệt khi phun trực tiếp qua lớp chất lỏng hoặc vật liệu rắn Trong quá trình này, cấu tử cần chưng khuếch tán vào hơi nước Hỗn hợp hơi nước và cấu tử bay hơi sẽ được ngưng tụ và tách thành sản phẩm Phương pháp này đặc biệt hiệu quả đối với các chất có nhiệt độ sôi cao.
Tốt hơn nên áp dụng phương pháp đốt gián tiếp để đun bốc hơi hỗn hợp, vì lớp hơi nước trực tiếp chỉ có nhiệm vụ mang các cấu tử dễ bay hơi ra ngoài.
Để ngăn chặn sự phân hủy của chất lỏng và giảm thiểu chi phí nhiệt, người ta thường sử dụng phương pháp chưng cất bằng hơi nước dưới áp suất chân không.
Tổng lượng nhiệt chi phí cho chưng cất với hơi nước bao giờ cũng lớn hơn chưng cất đơn giản
Hình 2.4 Hệ thống chưng cất trực tiếp
2.2.4 Chưng luyện Để thu được sản phẩm tinh khiết ta tiến hành chưng nhiều lần
Chưng nhiều lần trong một nhóm thiết bị:
Hình 2.5 Hệ thống chưng luyện nhiều lần
Hỗn hợp đầu A liên tục được đưa vào nồi chưng thứ nhất, nơi một phần chất lỏng sẽ bay hơi tạo thành sản phẩm đỉnh C Mức chất lỏng trong nồi giữ ổn định, trong khi hơi C duy trì trạng thái cân bằng với chất lỏng.
Quá trình chưng cất diễn ra qua ba nồi, mỗi nồi có bộ phận đốt nóng riêng biệt, trong đó hơi B và C được ngưng tụ thành chất lỏng D và tiếp tục chuyển vào nồi chưng tiếp theo Sản phẩm thu được ở đáy và đỉnh của mỗi nồi chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi Để thu được sản phẩm đáy với nhiều cấu tử ít bay hơi, sản phẩm đáy của các nồi sẽ được quay lại các nồi trước, dẫn đến sự thay đổi trạng thái cân bằng trong các nồi chưng Kết quả là ta có một sản phẩm đỉnh và một sản phẩm đáy.
Hình 2.6 Sơ đồ chưng luyện sản phẩm đáy quay trở lại
Phương án chưng luyện sản phẩm cuối có hồi lưu cho sản phẩm đỉnh là một phương pháp hiệu quả, tuy nhiên sơ đồ chưng trong nhóm thiết bị này thường cồng kềnh Để đơn giản hóa quy trình, người ta đã thay thế hệ thống đó bằng một tháp chưng luyện.
Tháp chưng cất gồm nhiều đĩa, mỗi đĩa tương ứng với một nồi chưng, với bộ phận đun nóng nằm ở đáy tháp Hơi nước từ dưới lên đi qua các lỗ của đĩa, trong khi chất lỏng chảy xuống theo ống Nồng độ các cấu tử và nhiệt độ sôi của tháp thay đổi theo chiều cao Tại đĩa 1, chất lỏng có nồng độ x1, trong khi hơi nước bốc lên có nồng độ y1, với y1 > x1 Khi hơi này đi qua đĩa 2, nhiệt độ thấp hơn dẫn đến một phần hơi ngưng tụ, tạo ra nồng độ x2 > x1 Hơi nước từ đĩa 2 tiếp tục lên đĩa 3, nơi nhiệt độ thấp hơn khiến một phần hơi ngưng tụ, dẫn đến nồng độ x3 > x2.
Trong quá trình chưng cất, mỗi đĩa trong tháp thực hiện sự chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi, dẫn đến việc một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, trong khi một phần nhỏ hơn chuyển ngược lại Qua nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ, cấu tử dễ bay hơi thu được ở dạng lẫn tạp chất tại đỉnh tháp, trong khi cấu tử khó bay hơi được tách ra ở dạng nguyên chất ở đáy tháp Mỗi đĩa trong tháp tương ứng với một bậc thay đổi nồng độ, và tổng số đĩa xác định số bậc thay đổi nồng độ trong quá trình chưng cất.
Quá trình chưng luyện có thể xảy ra ở áp suất thường, áp suất cao hoặc áp suất chân không Có thể làm gián đoạn hoặc liên tục
Hình 2.7 Sơ đồ chưng luyện gián đoạn trong đó:
5:thùng chứa phần ngưng tụ
Hình 2.8 Sơ đồ chưng luyện liên tục trong đó:
1:đáy tháp 5:thiết bị ngưng tụ hồi lưu
2:thiết bị đun nóng thiết bị ban đầu 6:thiết bị làm sạch
3:phần đỉnh tháp 7:thùng chứa phần ngưng tụ
4:thùng chứa cao vị 8:thùng chứa bã
9:dụng cụ nhìn kiểm tra
Lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy có thể xác định thông qua nồng độ cấu tử dễ bay hơi Ngược lại, nồng độ cấu tử dễ bay hơi cũng có thể được tính toán khi biết lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, dựa vào phương trình cân bằng vật liệu của toàn bộ tháp.
F – lượng hỗn hợp đầu đi vào tháp kmol/h
P – lượng sản phẩm đỉnh kmol/h
W – lượng sản phẩm đáy kmol/h
Nếu viết theo cấu tử dễ bay hơi ta có:
Trong đó x1, xp, xw là nồng độ của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.
Thiết bị chưng cất
Các thiết bị trong quá trình chưng cất bao gồm tháp chưng cất, thiết bị ngưng tụ sản phẩm ở đỉnh, và thiết bị gia nhiệt ở đáy Ngoài ra, có thể sử dụng thêm thiết bị gia nhiệt cho dòng nhập liệu.
Tháp chưng cất là nơi phân tách các cấu tử dựa vào sự tiếp xúc giữa hai pha khí lỏng
Để đạt hiệu quả phân tách cao trong quá trình tiếp xúc lỏng hơi trong cột chưng cất, cần đảm bảo sự đồng đều và triệt để Do đó, các cơ cấu bên trong cột chưng cất được trang bị để tối ưu hóa quá trình này Thực tế, có hai loại tháp chưng cất phổ biến là tháp loại mâm đĩa và tháp đệm.
Tháp đĩa là một thiết bị có cấu trúc hình trụ thẳng đứng, bên trong được trang bị các tấm ngăn (đĩa) cách nhau một khoảng nhất định Trong tháp, hai pha chuyển động ngược chiều diễn ra: chất lỏng di chuyển từ trên xuống hoặc theo chiều ngang, trong khi khí đi từ dưới lên hoặc xuyên qua chất lỏng Quá trình tiếp xúc giữa các pha diễn ra theo từng bậc trên các đĩa Tùy thuộc vào thiết kế của đĩa, chất lỏng trên đĩa có thể được khuấy lý tưởng hoặc chảy qua.
Tháp đĩa có ống chảy chuyền bao gồm các thành phần như tháp đĩa chóp, lỗ, xupap và lưới Cấu trúc đặc biệt trên đĩa cho phép lỏng di chuyển từ đĩa trên xuống đĩa dưới qua ống chảy chuyền Đĩa cuối cùng của ống chảy chuyền ngập sâu trong khối chất lỏng ở đáy tháp, tạo thành van thủy lực, ngăn không cho khí di chuyển lên đĩa trên.
Hình 2.9 Tháp chưng cất mâm xuyên lổ
1:ống hơi bay ra 5:ống hơi vào
2:ống hoàn lưu 6:ống lỏng ra
4:phần chưng 8:ống nhập liệu
Tháp đĩa không có ống chảy chuyền: khi đó khí và lỏng đi qua cùng một lỗ trên đĩa
Trong công nghiệp thường sử dụng hai loại tháp đĩa là tháp đĩa lỗ và tháp chóp
Tháp đĩa lỗ sở hữu kết cấu đơn giản, trở lực thấp và hiệu suất cao Tuy nhiên, nhược điểm của nó là không hoạt động hiệu quả với chất lỏng bẩn và có khoảng làm việc hẹp hơn so với tháp chóp.
Tháp chóp có nhiều ưu điểm như khả năng hoạt động hiệu quả với tỉ trọng khí và lỏng thay đổi mạnh, đồng thời mang lại hiệu suất cao hơn so với tháp đĩa lỗ Tuy nhiên, tháp chóp cũng gặp phải một số nhược điểm, bao gồm trở lực lớn, tiêu tốn nhiều vật liệu kim loại trong quá trình chế tạo và có kết cấu phức tạp.
Hình 2.10 Tháp chóp tròn: (a) chóp bằng sứ, (b) chóp bằng thép
Tháp được cấu tạo với thân rỗng bên trong, chứa đệm làm từ nhiều loại vật liệu như gỗ, nhựa, kim loại và gốm Để đảm bảo sự phân phối đồng đều của chất lỏng lên khối đệm, tháp sử dụng các bộ phận phân phối như lưới phân phối, màng phân phối và vòi phun hoa sen Ngoài ra, còn có bánh xe quay với ống có lỗ để phun quay và ổ đỡ, giúp tối ưu hóa quá trình dẫn khí và lỏng vào ra.
Khi chọn đệm, cần chú ý đến các yếu tố như khả năng thấm ướt tốt chất lỏng, trở lực nhỏ và thể tích tự do lớn Đệm nên có tiết diện ngang rộng để chịu tải trọng lớn từ lỏng và khí, đồng thời có khối lượng riêng nhỏ và phân phối lỏng đều Ngoài ra, tính chịu ăn mòn cao, giá thành rẻ và dễ kiếm cũng là những yếu tố quan trọng Đối với việc làm việc với chất lỏng bẩn, nên ưu tiên chọn đệm cầu có khối lượng riêng nhỏ.
-Ưu – nhược điểm Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, trở lực nhỏ
Nhược điểm: hoạt động kém ổn định, hiệu suất thấp, dễ bị sặc, khó tách nhiệt, khó thấm ướt
Bảng 2.1 so sánh các ưu- nhược điểm của các loại tháp:
So sánh các ưu nhược điểm của các loại tháp:
Tháp đệm Tháp mâm xuyên lổ Tháp mâm chóp Ưu điểm
-Cấu tạo khá đơn giản
-làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dung đệm cầu có của chất lỏng
-Trở lực tương đối thấp -Hiệu suất khá cao
-Do có hiệu ứng thành nên hiệu suất truyền khối thấp
-Độ ổn định không cao, khó vận hành
-Do có hiệu ứng thành, khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng nên khó tăng năng suất
-thiết bị khá nặng nề
-Không làm việc được với chất lỏng bẩn
-Kết cấu khá phức tạp
-Có trở lực lớn -Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp
Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ ethanol- nước
Thiết bị ngưng tụ có tác dụng chuyển hơi thành lỏng để đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh hoặc hoàn lưu lại tháp chưng cất
Thiết bị ngưng tụ được thiết kế với cấu trúc ba lớp bao gồm vỏ ngoài, phần trong và ống xoắn, giúp tăng bề mặt tiếp xúc giữa chất giải nhiệt và hơi Cấu trúc này không chỉ nâng cao hiệu quả trong quá trình giải nhiệt mà còn giảm thiểu thất thoát hơi ra môi trường bên ngoài, đặc biệt khi lượng hơi lớn do thiết bị thông với không khí bên ngoài.
2.3.3 Thiết bị gia nhiệt đáy
Thiết bị gia nhiệt đáy có chức năng cung cấp nhiệt để đun sôi chất lỏng cần chưng cất hoặc nước trong quá trình chưng cất trực tiếp bằng hơi nước.
Có thể đun sôi chất lỏng trực tiếp bằng than, củi… hoặc gián tiếp bằng thiết bị trao đổi nhiệt
NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM
Ethanol
Etanol(Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm) được xem là một trong số những thực phẩm lâu đời nhất của con người
Ethanol là một chất lỏng không màu và có khả năng hòa tan hoàn toàn trong nước, ether, acetone, benzene cùng nhiều dung môi hữu cơ khác Một số thông số vật lý quan trọng của ethanol bao gồm tính chất hòa tan và trạng thái lỏng của nó.
- Nhiệt độ đông đặc ở 760 (mmHg): -114,15 o C
Ethanol có điểm đẳng phí với nước là 95,57% (kl) ethanol và 4,43% (kl) nước Ethanol 99% được ứng dụng rộng rãi trong y học, đóng vai trò là dung môi trong điều chế dược phẩm, chất bảo quản và khử trùng Ngoài ra, ethanol cũng là thành phần chính trong các đồ uống có cồn như bia và rượu, được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp lên men Trong công nghiệp, ethanol được sử dụng như một dung môi và nguyên liệu để sản xuất hóa chất, mặc dù có thể chứa tạp chất như methanol, pyridine và formaldehyde.
Nước
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu,không mùi không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau
-Khối lượng phân tử :18g/mol
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất(3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống
Nước là dung môi phân cực mạnh,có khả năng hòa tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học
Bảng 3.1 Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol - Nước ở 760 mmHg:
78,4 100 100 Để tăng nồng độ của Ethanol trong dung dịch ta thường dùng phương pháp chưng cất
Hình 3.1 Đồ thị x-y của hệ ethanol-nước ở 760 mmHg
Hình 3.2 Đồ thị T-x,y của hệ ethanol-nước ở 760mmHg.
Qui trình công nghệ
Hình 3.3 quy trình công nghệ
Bảng 3.2 Liệt kê các thiết bị trong sơ đồ nguyên lý stt Tên gọi
4 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
9 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
11 Thiết bị đun sôi đáy tháp
12 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
13 Bồn chứa sản phẩm đáy
15 Bồn chứa sản phẩm đỉnh
Hỗn hợp etanol-nước có nồng độ etanol thấp được lưu trữ trong bồn nguyên liệu, với nhiệt độ và áp suất bình thường khoảng 28°C.
Nguyên liệu được bơm từ bồn chứa lên bồn cao vị, sau đó hỗn hợp được chuyển đến thiết bị gia nhiệt nồi hơi để đun sôi đến nhiệt độ sôi Cuối cùng, hỗn hợp sẽ được đưa vào tháp chưng cất để thực hiện quá trình chưng cất tại đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp, trong khi tháp hơi hoạt động theo chiều từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Sự tiếp xúc giữa hai pha diễn ra tại đây, tạo ra sự trao đổi chất Khi pha lỏng di chuyển xuống dưới, nồng độ các cấu tử dễ bay hơi giảm do bị pha hơi lôi cuốn Nhiệt độ giảm dần từ dưới lên trên, khiến các cấu tử có nhiệt độ sôi cao ngưng tụ lại Cuối cùng, ở đỉnh tháp, chúng ta thu được hỗn hợp với etanol chiếm ưu thế, đạt nồng độ 85% phần mol.
Hơi đi qua thiết bị ngưng tụ và được ngưng tụ một phần Một phần chất lỏng được làm nguội đến 35°C trước khi chuyển vào bồn chứa sản phẩm đỉnh Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu.
Quá trình chưng cất diễn ra khi một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, trong khi các cấu tử có nhiệt độ sôi cao tồn tại trong chất lỏng Cuối cùng, ở đáy tháp chưng cất, ta thu được hỗn hợp lỏng chủ yếu là nước, với nồng độ etanol rất thấp.
Dung dịch lỏng từ đáy tháp được dẫn vào nồi nung (11), nơi một phần sẽ bốc hơi và được đưa trở lại tháp để tiếp tục quy trình Phần còn lại của dung dịch lỏng sẽ thực hiện trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị.
CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
Các thông số ban đầu
Bảng 4.1 Bảng các thông số ban đầu
STT Các thông số kỹ thuật Giá trị
6 Nồng độ sản phẩm đỉnh X D 85%
7 Tỉ lệ thu hồi ethanol h 99%
Khối lượng phân tử etanol và nước: MRF; MN
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t’D5 0 C
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’W5 0 C
GF ,F: Suất lượng nhập liệu (tính theo kg/h , kmol/h)
GD,D: Suất lượng sản phẩm đỉnh (tính theo kg/h , kmol/h)
GW ,W: Suất lượng sản phẩm đáy (tính theo kg/h , kmol/h) xi, i: phần mol, phần khối lượng cấu tử i
Cân bằng vật chất
Cân bằng vật chất cho toàn tháp:
F=D+W (4.1) Cân bằng theo cấu tử ethanol:
Tỷ lệ thu hồi (h%): h.F xF = D.xD (4.3) Với phần mol nhập liệu: xF %=0,2 (theo etanol)
+ Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:
MFF.xF+(1-xF).18F.0,2+18.(1-0,2)#,6 (kg/kmol) (4.5)
M B,37 (kmol/h) (4.6) + Phần mol sản phẩm đỉnh: xD=0,85 (theo ethanol)
+Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh:
MDF.xD+18.(1-xD)F.0,85+18.(1-0,85)A,8 (kg/kmol) (4.7)
Suy ra, khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đáy:
MWF.xW+18.(1- xW)F.0,011+18.(1-0,011),308 (kg/kmol) (4.9)
Xác định tỷ sô hoàn lưu thích hợp
4.3.1 Tỷ số hoàn lưu tối thiểu R min
Tỷ số hoàn lưu tối thiểu là trạng thái hoạt động mà số mâm lý thuyết đạt đến vô cực Khi đó, chi phí cố định trở nên vô hạn, trong khi chi phí điều hành như nhiên liệu, nước và bơm được giữ ở mức tối thiểu.
Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol-Nước cóđiểm uốn nên xác định tỷ số hoàn lưu tối thiểu bằng cách:
+ Trên đồ thị cân bằng xy,từ điểm (0,85;0,85) Ta kẻ một đường thẳng tiếp tuyến với đường cân bằng tại điểm uốn, cắt trục Oy tại y0=0,26
+ Theo phương trình đường làm việc đoạn cất, khi x0= 0 thì
(4.10) Vậy tỷ số hoàn lưu tối thiểu: min
4.3.2 Tỷ số hoàn lưu thích hợp
Khi R tăng, số mâm giảm nhưng đường kính tháp, thiết bị ngưng tụ, nồi đun và công suất bơm sẽ tăng Chi phí cố định giảm dần đến mức cực tiểu và tiến đến vô cực khi đạt hoàn lưu toàn phần, trong khi lượng nhiệt và nước sử dụng cũng tăng theo tỷ số hoàn lưu.
Tổng chi phí bao gồm phí cố định và chi phí điều hành Tỷ số hoàn lưu thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu
Để tính tỷ số hoàn lưu thích hợp trong điều kiện tháp nhỏ nhất mà không tính đến chi phí điều hành, cần thiết lập mối quan hệ giữa tỷ số hoàn lưu và thể tích tháp Từ đó, có thể xác định tỷ số hoàn lưu Rth ứng với thể tích tháp nhỏ nhất.
Tiết diện tháp tỷ lệ với lượng hơi và lượng lỏng hồi lưu, trong đó lượng lỏng hồi lưu tỷ lệ với (R+1) khi GD không đổi Chiều cao tháp tỷ lệ với số đơn vị chuyển khối m0x hay số mâm lý thuyết Nlt Do đó, thể tích làm việc của tháp tỷ lệ với tích số m0x.(R+1) Qua đó, ta thiết lập được mối quan hệ giữa R và Vtháp dựa trên R và m0x.(R+1), từ đó xác định điểm cực tiểu của m0x.(R+1) ứng với tỷ số hoàn lưu thích hợp R.
Phương trình đường làm việc sô mấm lý thuyết
4.4.1 Phương trình đường làm việc số mâm đoạn cất
4.4.2 Phương trình nồng độ làm việc đoạn chưng
Từ đồ thị ta tìm được số mâm lý thuyết Nlt#
+3 mâm chưng và 1 mâm nồi đun
4.4.4 Xác định số mâm thực tế
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:
(4.18) trong đó: tb :hiệu suất trung bình củađĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: f ( , )
N tt : số mâm thực tế
Nlt: số mâm lý thuyết
Xác định hiệu suất trung bình của tháp: tb
+Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi
(4.19) Trong đó: x: phần mol của rượu pha lỏng y* : phần mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng
Tại vị trí nhập liệu:
Tra đồ thị cân bằng ta có: xF=0,2
Tra bảng IV.2a sổ tay QTTB tập1/trang 107 y*=0,531;tF,2 0 C
(4.20) Tra bảng IV.2a sổ tay QTTB tập1/trang 107 ta có:
F F a m =2,4 (4.22) Tra sổ tay bảng IV.11QTTB tập 2/trang 171 ta có:
Tại vị trí đáy mâm: xW=0,0011; y*W=0,06; tW0 0 C
Tại vị trí đỉnh tháp xD=0,85 ta tra đồ thị cân bằng hệ: y * D=0,856 ;tDx,5 0 C
D D m a =0,51.1,049=0,535 (4.29) Tra sổ tay bảng IV.11QTTB tập 2/trang 171 ta có:
D =0,58 (4.30)Hiệu suất trung bình của tháp
Số mâm thực tế của tháp Nt
mâm (4.32) Vậy chọn NttI mâm
Trong đó: 39 mâm cất, 1 mâm nồi đun, 8 mâm chưng và 1 mâm nhập liệu
TÍNH TOÁN-THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
Đường kính tháp (D t ) [4] [5] [6]
D tb (5.1) vtb: Lượng hơi trung bình đi trong tháp (m 3 /h) tb: Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s) gtb: Lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)
Lượng hơi trung bình đi trong tháp
2 d l tb g g g (kg/h) (5.2) gd: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp(kg/h) gl: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng củađoạn cất (kg/h)
Xác định: gd=D.(R+1)=9,87.(3,2497+1)A,94 (kmol/h)60,134 (kg/h) (5.3) (vì MtbDFyD+18(1-yD)F.9856+18.(1-856)A,968 kmol/kmol)
Xác định gl từ hệ phương trình:
Trong quá trình chưng cất, lượng lỏng tại đĩa thứ nhất (r1) là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến hiệu suất tách biệt Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi khi vào đĩa thứ nhất (rd) và ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra ở đỉnh tháp (n) cũng đóng vai trò thiết yếu trong quá trình này.
Tra bảng sổ tay quá trình thiết bị 1-trang 255 ta được: t 1 t F 83, 2 0 C (5.5)
Tra bảng sổ tay quá trình thiết bị 1-trang 255 ta có: tdx,5 0 C (5.8) -Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rNdD0 (kcal/kg)1587(kJ/kmol) (5.9) rRd8 (kcal/kg))743 (kJ/kmol) (5.10)
Tốc độ hơi trung bình trong tháp [4]
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:
xtb : Khối lượng trung bình của pha lỏng (kg/m 3 )
ytb : Khối lượng trung bình của pha hơi (kg/m 3 )
(5.18) +Nồng độ phần mol trung bình:
+Nhiệt độ trung bình đoạn cất:
Tra bảng I.2 trang 4 TL [4] ta được:
Nồng độ phần mol trung bình:
Tra bảng sổ tay quá trình thiết bị 1-trang 9: ttb,85 0 C ; xtb y9 (kg/m 3 ) (5.24)
(5.25) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp: (tra bảng sức căng bề mặt)
Lượng hơi trung bình đi trong tháp g’tb ' '
(kg/h) (5.28) g’n : Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/h) g’l: Lượng hơi vào đoạn chưng (kg/h)
Xác định: g’n g’n=g186,29 (kg/h) (5.29) Xác định g’1: từ hệ phương trình:
G’1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng r’1: ẩn nhiệt hóa hơi của hổn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng
MtbF.yW+(1-yW).18,68 (kg/kmol) (5.32) Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r’N1A5 (kcal/kg) 1275,4 (kJ/kmol) (5.33) Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: r’R1F5 (kcal/kg) 1777,8 (kJ/kmol) (5.34) r’1=r’R1.yW+(1-yW).r’N1 (5.35)
Tốc độ hơi trung bình trong tháp
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:
xtb : khối lượng riêng trung bình pha lỏng (kg/m 3 )
xtb : khối lượng riêng trung bình pha hơi (kg/m 3 )
+ Với nồng độ mol trung bình y’tb = 1 w
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t’tb= w
Suy ra r’ytb= ' ytb =0,798 (kg/m 3 ) (5.43) Xác định : xtb '
Nồng độ phần mol trung bình: x’tb= w 0,1055
(5.45) t'tb,16 0 C, tra tài liệu tham khảo sổ tay QTTB 1
Khối lượng riêng của nước: r’N2 (kg/m 3 ) (5.46) Khối lượng riêng của rượu: r’Rx8 (kg/m3) (5.47) Suy ra:
(5.49) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:
(5.50) Vậy đường kính đoạn chưng:
Kết luận: hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là 0,65(m)
Khi đó tốc độ làm việc thực:
Mâm lỗ và trở lực của mâm [6]
(Đường kính lỗ của đĩa loại lỗ nằm trong khoảng 4-12mm) + Tổng diện tích lỗ bằng 10% diện tích mâm (5.55)
+Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5-4 lần đường kính lỗ (5.56)
Chọn 2,5 (bố trí lỗ theo tam giác đều)
+Tỷ lệ giữa bề dày mâm và đường kính lỗ là
0,4 < t l t d < 0,7 (5.57) t t : chiều dày d l : đường kính của lỗ
Chọn bề dày mâm đĩa: t t = 3 mm
+ Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm
5.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm
Độ giảm áp tổng cộng của pha khí, tính bằng mm chất lỏng, được xác định bằng tổng các độ giảm áp qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng, theo công thức: htl = hk + hl + hR (mm chất lỏng).
+ hk: độ giảm áp qua mâm khô (mm chất lỏng)
+hl: độ giảm áp do chiề cao lớp chất lỏng trên mâm (mm chất lỏng)
+hR: độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm chất lỏng)
Trong tháp mâm xuyên lỗ, gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm là không đáng kể nên có thể bỏ qua
5.2.3 Độ giảm áp qua mâm khô: Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất do dòng chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ
U0: vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s) r G :khối lượng riêng pha hơi (kg/m 3 ) r 1 :khối lượng riêng của pha lỏng (kg/m 3 )
C0: Hệ số Orifice, phụ thuộc vào tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ
Tra bảng: C0=0,745 (5.62) Đối với mâm ở phần cất:
+Vận tốc pha hơi qua lỗ:
+ Khối lượng riêng của pha hơi: ytb r G 1206
+ Khối lượng riêng của pha lỏng: xtb r l 799
(kg/m 3 ) (5.65) Suy ra độ giảm áp của mâm khô ở phần cất: hk=6,14 (m.m chất lỏng) (5.66) Đối với mâm phần chưng
+Vận tốc pha hơi qua lỗ:
+ Khối lượng riêng của pha hơi:
+Khối lượng riêng của pha lỏng: 887,06 kg/m3 (5.69) Suy ra độ giảm áp qua mâm khô:
5.2.4 Độ giảm áp do chiều cao mực chất lỏng trên mâm:
Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm được thực hiện bằng cách sử dụng chiều cao gờ chảy tràn hW, chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn h0W, cùng với hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm.
=0,6 (5.72) + Chiều cao gờ chảy tràn: hWP (mm) (5.73)
Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình
Francis với gờ chảy tràn phẳng:
Với : +qL: lưu lượng chất lỏng (m 3 /ph)
+LW: chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)
Diện tích dành cho ống chảy truyền là 20% diện tích mâm, nên ta có phương trình sau:
Với: n 0 : góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn LW
Dùng phương pháp lập ta được: n 0= 93 0 12’22 (5.76) Suy ra:
Vậy độ giảm áp do chiều cao mực chất lỏng trên mâm ở phần cất là: h’1=0,6.(h0W+hW)3,97 (mm) (5.80)
L =6,44 (mm chất lỏng) (5.82) Vậy độ giảm áp do chiều cao mực chất lỏng ở phần chưng là: h1’=0,6.(50+6,44)3,87( mm chất lỏng) (5.83)
5.2.5 Độ giảm áp do sức căng bề mặt: Độ giảm áp theo sức căng bề mặt được xác định theo biểu thức: hR=625, 54. l d l
(mm chất lỏng) (5.84) Trong đó:
+ : sức căng bề mặt pha lỏng (dyn/cm)
+ L : khối lượng riêng pha lỏng (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của pha lỏng
L xtb r y9 (kg/m 3 ) (5.85) Tra tài liệu tham khảo ta có: ttb,85 0 C
N/m(dyn/cm) (5.87) Suy ra sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần cất:
,329 (cyn) (5.88) Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là: hR=4,001 (mm chất lỏng) (5.89)
Khối lượng riêng của pha lỏng: r’L= xtb ' 7,06(kg/m 3 ) (5.90)
Tra bảng sổ tay QTTB tập 1/trang 299 t’tb,6 0 C (5.91) +Sức căng bề mặt của nước:
N `,7 (dyn/cm) (5.92) + Sức căng bề mặt của rượu:
R 0,1 (dyn/cm) (5.93) Suy ra sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng:
Tóm lại: Độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở:
+Phần cất: htl=hk+hL+hR=4,16+33,97+4,001D,111(mm chất lỏng) (5.96) Hay hltE,12 mm chất lỏng
+Phần chưng: h’tl=h’K+h’L+h’R=3,721+34,744+4,729C,19 (mm chất lỏng) (5.97)
Tổng trở lực của toàn bộ tháp, hay độ giảm áp tổng cộng, được xác định thông qua độ giảm áp của pha khí qua mâm nhập liệu, tương tự như độ giảm áp của pha khí qua một mâm ở phần chưng.
5.2.6 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động:
Chọn khoảng cách giữa hai mâm là hmâm%0 (mm)
Chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo công thức: hd = kW = h0w + htl + hd (mm chất lỏng) Bỏ qua sự tạp bọt trong ống chảy chuyền, công thức này giúp tính toán chính xác mực chất lỏng trong hệ thống.
Với: hd: tổn thất thủy lực do dòng chảy từống chảy chuyền vào mâm, được xát định theo biểu thức sau: hd’=0,128.
Trong đó: + QL: Lưu lượng của chất lỏng (m 3 /h)
+ Sd: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đó:
100.0, 265 (mm chất lỏng) (5.105) Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần cất: hdP+8,092+45,12+0,000513,21 (mm chất lỏng) (5.106) kiểm tra: hd3,21 250 125( )
Nên đảm bảo khi hoạt động các mâm ở phần cất sẽ không bị ngập lụt
Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần chưng: h’dP+7,906+43,19+0,00048,21348 (mm chất lỏng) (5.110)
mm (5.111) Đảm bảo khi hoạt động các mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt
Vậy: Khi hoạt động đảm bảo tháp sẽ không ngập lụt
Chiều cao của thân tháp:
Hthân=Ntt.( h m + m )+ 0,8I.(0,250+0,0018)+0,8,14 (m) (5.112) với Dt=0,65 (m) ht2 (mm)
Hd=0,162+0,05=0,212 (m) (5.113) Chiều cao của tháp:
Tính toán cơ khí của tháp [4] [5]
Tháp chưng cất được thiết kế với thân hình trụ bằng phương pháp hàn hồ quang, hoạt động ở áp suất thường Các mối ghép bích đảm bảo sự kết nối chắc chắn cho thân tháp Để nâng cao chất lượng sản phẩm và chống ăn mòn do Etanol, vật liệu chế tạo thân tháp được chọn là thép không gỉ mã X18H10T Áp suất tính toán được xác định để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Tháp làm việc ởáp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán:
Ptt=Pcl+ h tl (N/mm 2 ) (5.115) Với Pcl: Áp suất thủy tỉnh do chất lỏng ở đáy (N/mm 2 )
Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn an toàn nên:
Chọn nhiệt độ tính toán: ttt=tđáy0 0 C (5.118) Tra tài liệu tham khảo, ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T
Bảng XII.6 TL [4] tập 2 Trang 312 ta có:
[ ]*2 (N/mm 2 ) (5.119) Bảng XIII.2 TL [4] tập 2 Trang 356 ta có: Đối với rượu hê số hiệu chỉnh: =1 (5.120)
Vậy ứng suất cho phép: [ ]= [ ]*2 (N/mm 2 ) (5.121)
Xác định bề dày thân chịu áp suất trong:
Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằng tay
Tra bảng XIII.8 TL [4] Trang 362 trường hợp hàn giáp mối 1 bên ta có:
Do đó, bề dày tính toán của thân được tính theo công thức sau:
Suy ra: bề dày thực của thân: St=S’t+C (mm) (5.125) Trong đó:
+ C: hệ số bổ xung bề dày
Hệ số bổ sung Ca do ăn mòn hóa học phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của chất lỏng Với tốc độ ăn mòn của rượu là 0,1 mm/năm và thiết bị hoạt động trong 20 năm, giá trị của Ca được tính là 2 mm.
+Cb: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn Cb=0 (5.127) +Cc: hệ số bổ xugn do sai lệch khi chế tạo, chọn Cc=0 (5.128)
+C0: hệ số bổ xung qui tròn, chọn C0=0,6694 mm (5.129) Suy ra: C=2+0+0+0,6694=2,6694 mm (5.130) Vậy: St=0,3306+2,6694=3 mm (5.131) +Kiểm tra công thức với St=3mm
+ Kiểm tra áp suất tính toán cho phép:
Vậy: Bề dày thực của mâm là St=3 (mm) (5.134)
5.3.2 Đáy và nấp thiết bị:
Chọn đáy và nấp có dạng ellipse siêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T
Hình 4.1 Thiết bị đáy và nắp
Công thức tính toán bề dày của thân, đáy và nắp chịu áp suất là giống nhau Đề xuất bề dày cho đáy và nắp là S đáy = S nắp = 3 mm Các kích thước của đáy và nắp ellipse siêu chuẩn có gờ cần được tuân thủ.
+Đường kính trong; Dte0 (mm) (5.136) +ht2 (mm) (5.137) +Chiều cao gờ: h gờ=hP (mm) (5.138) +Diện tích bề mặt trong S đáy=0,65 (m 2 ) (5.139)
5.3.3 Bích ghép thân, đáy và nấp:
Mặt bích là thành phần quan trọng trong việc kết nối các phần của thiết bị và các bộ phận khác Các loại mặt bích thường được sử dụng bao gồm nhiều kiểu dáng và kích thước khác nhau, phục vụ cho các ứng dụng đa dạng trong ngành công nghiệp.
Bích liền là bộ phận kết nối các thiết bị như hàn, đúc và rèn, chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng có áp suất thấp và trung bình.
Bích tự do chủ yếu được sử dụng để nối ống dẫn hoạt động ở nhiệt độ cao, kết nối các bộ phận bằng kim loại màu và hợp kim Điều này đặc biệt quan trọng khi cần tạo ra mặt bích bền hơn so với vật liệu thiết bị hiện có.
+ Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao
Chọn bích được ghép thân, đáy và nấp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích là bích liền không cổ
Theo tài liệu tham khảo QTTB tập 2/trang 419, ta có ứng với Dte0 (mm) và áp suất tính toán Ptt=0,13 (N/mm2) ta chọn bích có các thông số sau:
Bảng 5.1 Bảng giá trị thông số của bích ghép thân
Dt D Db Dl h Bu lông db Z
Theo tài liệu tham khảo QTTB tập 2, trang 170, số lượng mâm giữa hai mặt bích được chọn là 3 mâm Do đó, tổng số bích ghép cho thân, đáy và nấp là 13 bích, với khoảng cách giữa hai bích là 1000mm.
Độ kín của mối ghép bích chủ yếu phụ thuộc vào vật đệm, thường được làm từ vật liệu mềm hơn bích Khi xiết bu lông, đệm sẽ bị biến dạng, giúp lấp đầy các chỗ gồ trên bề mặt bích Việc chọn vật liệu đệm dựa vào áp suất và đường kính (Dg), theo bảng XIII.30 TL [4] T2 Tr 432 Chúng tôi đã chọn vật liệu đệm là cao su chịu kiềm và axit mã 6290 với bề dày 3 mm.
5.3.4 Đường kính các ống dẫn- Bích ghép các ống dẫn:
Bích được làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích là bích liền không cổ
Từ bảng XII.46 TL[4] Trang 349:
Hình 4.3 Bích ghép ống dẫn
Suất lượng nhập liệu: GF00 (kg/h)
Khối lượng riêng của chất lỏng nhập liệu, tra tài liệu tham khảo QTTB tập 1 ở tF,2 0 C và x F 9 % là:
Lưu lượng chất lỏng nhập liệu đi vào tháp: QF= F
=1,114 (m 3 /h) (5.141) Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu):
Bảng II.2 QTTB Tập 1 Trang 370 chất lỏng tự chảy ta có: vF=0,2 (m/s) (5.142) Đường kính ống nhập liệu:
Chọn đường kính ống nhập liệu: dF=0,05 (m) (5.144) Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích:
Tra bảng XIII.26 Sổ tay QTTB Tập 2 Trang 412: lF0 (mm) (5.145)
Các thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu:
Bảng 5.2 Bảng giá trị thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu
Dt Db Dn D D1 h Bu lông
Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: gd60,552 (kg/h) (5.146)
Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức (xác định ở tD= 78,5 0 C và yD= 0.865 )
(kg/m 3 ) (5.147) Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:
Tra bảng Sổ tay QTTB Tập 1 Trang 370 trường hợp hơi bảo hòa đi trong ống dẫn khí áp suất:
Chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp: vh@ (m/s (5.149) Đường kính ống dẫn hơi:
Chọn đường kính ống dẫn hơi: dh=0,125 (m) (5.151) Tra bảng XIII.26 Sổ tay QTTB Tập 2 Trang 412
Chọn chiều dài đoạn ống ghép mặt bích: lh0 (mm) (5.152) Tra bảng XIII.26 Sổ tay QTTB Tập 2 Trang 413 ta được:
Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp:
Bảng 5.3 Bảng giá trị tjo6ng số của bích ghép ống dẩn hơi ở đỉnh tháp
Dt Db Dn D D1 h Bu lông db Z
Qhl=D.MD.R=9,87.41,8.3,2540,28 (kg/h) (5.153) Khối lượng riêng của chất lỏng hoàn lưu ở tDx,5 0 C vàx D ,5 %
Tra bảng I.2 Sổ tay QTTB Tập 1 Trang 9:
hl y1,65 (kg/m 3 ) (5.154) Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu:
Từ bảng II.2 QTTB tập 1 Trang 370:
Chọn vận tôc chất lỏng hoàn lưu (tự chảy từ bộ phận tách lỏng ngưng tụ vào tháp): vhl=0,25 (m/s) (5.156) Đường kính ống hoàn lưu: dlh= 4 4.1, 693
v =0,0498 (m) (5.157) Suy ra đường kính ống hoàn lưu:
59 dhl=0,05 (m) (5.158) Tra bảng XIII.32 Sổ tay QTTB Tập 2 Trang 434:
Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhl0 (mm) (5.159) Tra bảng XIII.26 Sổ tay QTTB Tập 2 Trang 412 ta có:
Các thông số của bích ghép ống dẫn hoàn lưu:
Bảng 5.4 Bảng giá trị thông số của bích ghép ống hoàn lưu
Ống dẫn hơi vào đáy tháp:
Suất lượng hơi vào đáy tháp: g’1y8,024 (kg/h) (5.160)
Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp được tính theo công thức (xác định ở tW0 0 C và yW=0,06) w w
=0,643 (kg/m 3 ) (5.161) Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:
41,037 (m 3 /h) (5.162) Hơi bảo hòa đi trong ống dẫn bảng I.2 QTTB Tập 1 Trang 370:
Chọn tốc độ hơi vào đáy tháp: vhd (m/s) Đường kính ống dẫn hơi:
Suy ra đường kính ống hoàn lưu: dhd=0,1 (m) (5.164) Tài liệu tham khảo Sổ tay QTTB tập 2 Bảng XIII.32
Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhd0 (mm) (5.165) Tra bảng XIII.26 Sổ tay QTTB Tập 2 Trang 413 ta có:
Các thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp:
Dt Db Dn D D1 h Bu lông db Z
Bảng 5.5 Bảng giá trị thông số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp
Dt Db Dn D D1 h Bu lông db Z
Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp
Suất lượng dẫn chất lỏng vào nồi đun:
Khối lượng riêng của chất lỏng vào nồi đun được tính theo công thức (xác định ở tW0 0 C và x’1=0,038 )
Tra bảng I.2 Sổ tay QTTB Tập 1 trang 9:
l 7,35 (kg/m 3 ) (5.167) Lưu lượng chất lỏng vào nồi đun:
Chọn tốc độ hơi vào nồi đun: vL=0.5 (m/s) (5.169) Đường kính ống dẫn chất lỏng:
Đường kính ống dẫn được suy ra là dL = 0,05 m Theo tài liệu tham khảo [QTTB tập 2], chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích được xác định là lL0 (mm) Các thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp cũng cần được xem xét.
Bảng 5.6 Bảng giá trị thông số của bích ghép ống dẩn chất lỏng ở đáy tháp
Dt Db Dn D D1 h Bu lông db Z
Ống dẫn chất lỏng sản phẩm đáy
Suất lượng sản phẩm đáy:
GW= W.MW2.5.18,308d9,98 (kg/h) (5.173) Khối lượng riêng của sản phẩm đáy ở tw 0 0 C và xW=0,011
w =0,679 (kg/m 3 ) (5.174) Lưu lượng sản phẩm đáy:
=0,679 (m 3 /h) (5.175) Chất lỏng tự chảy Bảng I.2 QTTB Tập 1 Trang 370:
Chọn vận tốc chất lỏng (tự chảy): vW=0,1 (m/s) (5.176) Đường kính ống : dW= w w
Để xác định đường kính ống dẫn sản phẩm đáy, ta có công thức dW = 0,05 (m) Theo tài liệu tham khảo [QTTB tập 2], chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích được ký hiệu là lW0 (mm) Các thông số liên quan đến bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.
Bảng 5.7 Bảng giá trị thông số của bích ghép ống dẩn sản phẩm đáy
Dt Db Dn D D1 h Bu lông db Z
Tai treo và chân đỡ
5.4.1 Tính trọng lượng của toàn tháp
-Khối lượng của một bích ghép thân thép X18H10T:
-Khối lượng của một mâm: (thép X18H10T: X 18 H 10 T y00 (kg/m 3 )
(5.181) -Khối lượng của thân tháp: m3 4
-Khối lượng của đáy (nấp) tháp: m4=S đáy. đáy X 18 H 10 T (5.183)
-Khối lượng của toàn tháp: m%.m1+49.m2+m3+2m469,8 (kg) (5.184) -Khối lượng dung dịch trong tháp: (Vdd=0,8V tháp)
Suy ra trọng lượng của toàn tháp:
Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên 4 chân
Kích thước của chân đỡ:(tính bằng mm) (Tra bảng XIII.35 ST QTTB T2 Trang 437)
Bảng 5.8 Bảng giá trị thông số kích thước chân đỡ
Tai treo là thiết bị được lắp đặt trên thân tháp nhằm giữ tháp ổn định trước các tác động từ môi trường Khi chọn tai treo, cần lưu ý chọn bốn tai treo, với tải trọng tối đa cho phép trên mỗi tai treo.
Gt=0,5.10 4 (N) (5.187) chọn tấm lót tai treo khi ghép vào than có kích thước sau: ( với chiều dày 3mm)
+Chiều dài tấm lót: H&0 (mm) (5.188)
+Chiều rộng tám lót: B= 140 (mm) (5.189)
+Bề dày tấm lót là 6(mm) (5.190)
Các kích thước củatai treo (tính bằng mm) (Tra bảng XIII.36 STQTTB T2 Trang 438)
Bảng 5.9 Bảng giá trị thông số kích thước của tai treo
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TUYỀN NHIỆT - THIẾT BỊ PHỤ
Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu [1] [3] [7]
Hình 6.1 Thiết bị đun sôi nhập liệu
6.1.1 Các thông số ban đầu
Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, hơi nước 2at ngưng tụ ở ngoài ống, gia nhiệt hỗn hợp nhập liệu đi trong ống từ 25 o C lên nhiệt độ sôi 86,35 o C
Vỏ thiết bị có bọc cách nhiệt bằng amiang
Chọn sơ bộ ống truyền nhiệt làm bằng thép không rỉ X18H10T với kích thước:
Hình 6.2 : Biến thiên nhiệt độ trong thiết bị đun sôi nhập liệu
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu chất :
Nhiệt độ trung bình phía hơi nước : t1= 119,6 o C (6.3)
Nhiệt độ trung bình phía hỗn hợp: t2 = t 1 t log = 60,9 o C (6.4)
Hệ số truyền nhiệt tổng quát:
1 : Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ W 2
2 : Hệ số cấp nhiệt phía dòng hỗn hợp nhập liệu W 2
: Nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu
Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ :
- chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và nhiệt độ thành ống tiếp xúc, o C
H - chiều cao ống truyền nhiệt,m
A - tra theo nhiệt độ màng ngưng tm
Hệ số cấp nhiệt phía dòng hỗn hợp chảy quá độ :
-Chọn chế độ chảy quá độ, Re = 6000 (6.13) -Chuẩn số Nussen :
- Pr : chuẩn số Pran ở nhiệt độ trung bình của dòng hỗn hợp, t2= 60,9 o C (6.17)
- Các tính chất của dòng nhập liệu trong ống (ethanol 10%) ở t2= 60,9 o C: (6.18) 3487(J/ (kg C))
-rt : nhiệt trở lớp cáu ở 2 bên ống truyền nhiệt :
rt = rcáu1 + /+rcáu2 (6.23) Tra bảng TL [2] trang 29:
-Nhiệt trở lớp cáu trong ống:
1/rcáu1 = 5800 W/(m 2 K) rcáu1=1, 724 10 4 (m 2 K/W) (6.24) -Nhiệt trở lớp cáu ngoài ống :
-Hiệu số nhiệt độ giữa 2 phía ống :
tw = tw1 - tw2 = q1rt = 10,5 o C (6.28) tw1 = th - t1 = 117,5 o C (6.29)
-Prw : chuẩn số Pr ở nhiệt độ vách ống truyền nhiệt phía hỗn hợp tw2 = 107,0 o C (6.31)
-Các tính chất của dòng nhập liệu ở nhiệt độ t w 2 107, 0C : (6.32) -Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp 10% Etanol ở 107 o C là 0,600 W/m o C (6.33)
Nhiệt dung riêng C p 3501 (kJ/kg.độ) (6.34)
(6.38) -Nhiệt tải riêng về phía hỗn hợp : q2= t 2 2= 63531,4 (W/m 2 ) (6.39)
-Tính toán tương tự trên ta có bảng kết quả sau :
Bảng 6.1 Kết quả tính lặp lần 2 cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu
5 117,1 186,8 8260,5 41320 20,1 tw1 tw2 t2 Pr Prw Nu 2 q2
-Hệ số truyền nhiệt tổng quát:
Chọn n = 19 ống, sắp xếp theo hình lục giác tạo thành 2 vòng lục giác đều: vòng 1 có 7 ống và vòng 2 có 12 ống Số ống trên đường xuyên tâm của thiết bị là m = 5 Bước ống được tính là t = 1,3d = 26mm Đường kính trong của vỏ thiết bị gia nhiệt cần được xác định.
Làm tròn lấy D = 250 mm (6.50) -Kiểm tra lại vận tốc dòng hỗn hợp :
w Do đó ta phải chia ngăn (6.53)
Số ngăn chia : Z= w gt /w t 3 ngăn, lấy Z nguyên, chẵn chọn 4 ngăn (6.54)
Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh [1] [3] [7]
6.2.1 Các thông số ban đầu
Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh nằm ngang, bố trí 2 dạng lưu chất ngược chiều nhau
Dòng hơi đi ra khỏi tháp chưng cất có nhiệt độ 78,14 o C, ẩn nhiệt hoá hơi rD = 99,71 kJ/kg, dòng hơi đi ngoài vỏ
Dòng nước giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ đi trong ống, nhiệt độ đầu vào 30 o C, nhiệt độ đầu ra 48 o C, đi trong ống
Chọn thiết bị truyền nhiệt ống chùm với 61 ống kích thước 25x2 mm được sắp xếp theo hình lục giác, được làm từ thép không rỉ X18H10T, với 9 ống nằm trên đường xuyên tâm.
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu chất :
Hình 6.3: Biến thiên nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ
Nhiệt độ trung bình phía hơi sản phẩm đỉnh: tD = 78,1 0 C (6.57)
Nhiệt độ trung bình phía nước giải nhiệt: t2 = 78,1 -tlog = 39,7 0 C (6.58)
Hệ số truyền nhiệt tổng quát:
1 : Hệ số cấp nhiệt phía hơi sản phẩm định ngưng tụ W 2
2 : Hệ số cấp nhiệt phía nước giải nhiệt W 2
: Nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu
t1 chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đỉnh và nhiệt độ thành ngoài ống truyền nhiệt, chọn t1
Hệ số cấp nhiệt phía hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ bị ảnh hưởng bởi sự phân bố hơi ngưng tụ trên bề mặt ngoài của chùm ống nằm ngang Các dãy ống phía dưới thường bị phủ một lớp ngưng dày hơn so với các dãy ống phía trên, dẫn đến việc vận tốc hơi giảm từ trên xuống dưới do một phần hơi đốt bị ngưng tụ Kết quả là, hệ số cấp nhiệt giảm dần đối với các dãy ống phía dưới.
(6.65) -Nhiệt tải riêng phía hơi đỉnh : q1=1t1= 33998,8 (W/m 2 ) (6.66)
-rt : nhiệt trở lớp cáu ở 2 bên ống truyền nhiệt
-Nhiệt trở lớp cáu ngoài ống :
-Nhiệt trở lớp cáu trong ống :
-Hiệu số nhiệt độ giữa 2 phía ống :
tt = tw1-tw2=q1rt,5 o C (6.70) tw1 = tD - t1 = 78,1 – 3 = 73,1 o C (6.71)
Hệ số cấp nhiệt phía dòng nước giải nhiệt :
-Hiệu quả truyền nhiệt tốt nhất khi dịng hỗn hợp chảy rối Re > 10000 (6.74)
(6.76) -Các tính chất của nước giải nhiệt ở nhiệt độ t 2 39, 7C : (6.77)
-Nhiệt dung riêng C n 4167 (kJ/kg.độ) (6.79)
-Chọn l/d > 50 l = 1 (6.81) -Tính Pr : chuẩn số Prant ở nhiệt độ trung bình của nước - t2 = 39,7 o C
-Prw : chuẩn số Prant ở nhiệt độ mặt trong ống truyền nhiệt tw2 = 63,7 o C (6.83) Các tính chất của nước giải nhiệt ở nhiệt độ t 2 63, 7C :
-Hệ số dẫn nhiệt n 0, 657 W/m o C (6.84) -Nhiệt dung riêng C n 4102 (kJ/kg.độ) (6.85)
-Nhiệt tải riêng phía nước giải nhiệt :
-Chọn lại t1 = 3,8 o C (6.92) -Tính toán tương tự trên ta có bảng kết quả sau :
Bảng 6.2 Kết quả tính lặp lần 2 cho thiết bị ngưng tụ hơi đỉnh tháp
5 76,2 167 7282,66 27674,11 15,1 tw1 tw2 t2 Pr Prw Nu 2 q2
-Hệ số truyền nhiệt tổng quát:
= 8,56 m2 (6.94) -Chiều dài ống truyền nhiệt : tb
(6.95) -Chọn thiết bị có L = 2 (6.96) -Bước ống: t = 1,3d = 30mm (6.97) -Đường kính trong của vỏ thiết bị gia nhiệt :
D = t(m-1)+4d 2(7-1) + 4.25 = 240,1mm (6.98) -Chọn đường kính trong của vỏ thiết bị gia nhiệt D = 250 mm (6.99) -Kiểm tra lại vận tốc dòng nước :
Do đó ta phải chia ngăn để dòng nước chảy rối
= 2,43 ngăn Quy chuẩn lấy Z nguyên,chẵn : Z = 4 ngăn (6.103)
Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh [1] [3] [7]
Hình 6.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
6.3.1 Các thông số ban đầu
Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T
60x3 mm,Dn = 60 mm = 0,060 m, ng = 3 mm = 0,003m, dng = 54mm = 0,054m
Sản phẩm đỉnh đi ngoài ống: tv = 78,14 o C, tr = 35 o C
38x2, Dtr = 38 mm = 0,038 m, tr = 2 mm = 0,002 m,dtr = 34 mm = 0,034 m
Nước giải nhiệt đi trong ống: t1 = 30 o C, t2= 42 o C
Suất lượng nước giải nhiệt:
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu chất:
Hình 6.5: Biến thiên nhiệt độ trong thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Nhiệt độ trung bình của nước : t2tb=0,5 42 30 36 o C (6.105)
Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh: t1tb = 36 +tlog = 51,7 o C (6.106)
Hệ số truyền nhiệt tổng quát:
1 : Hệ số cấp nhiệt phía nước giải nhiệt W 2
2 : Hệ số cấp nhiệt phía sản phẩm đỉnh W 2
: Nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu
Hệ số cấp nhiệt phía sản phẩm đỉnh đi ngoài ống :
-Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh được tra tính tại nhiệt độ trung bình dòng
2 tb 51, 7 t C (6.108) -Đường kính tương đương: dtd = dng – Dtr = 0,054 – 0,038 = 0,016 m (6.109) -Hệ số dẫn nhiệt :
(6.113) -Vận tốc dòng sản phẩm đỉnh:
(6.115) Vậy cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối Khi đó, Nusselt xác định theo công thức:
(6.116) Trong đó: 1 là hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt dựa trên tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính của ống, L/d > 50 1 = 1 (6.117)
Chuẩn số Prv1 của sản phẩm đỉnh được xác định tại nhiệt độ tv1 tiếp xúc phía ngoài thành ống trong
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
Trong đó tv1 nhiệt độ của vách ngoài tiếp xúc với sản phẩm đỉnhC tv2 nhiệt độ của vách trong tiếp xúc với nước giải nhiệtC t 1 2 t t r r r
Trong đó: -Bề dày thành ống trong: δtr = 0,002 m (6.121)
-Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ : t 16, 3 W m K / (6.122)
-Nhiệt trở lớp bẩn ngoài ống:
-Nhiệt trở lớp bẩn trong ống:
Hệ số cấp nhiệt của nước giải nhiệt đi trong ống trong:
Các tính chất lý học của nước giải nhiệt được tra tính tại nhiệt độ trung bình của nước đi trong ống: ttbN = 0,5.(t1 + t2) = 0,5 30 45 = 37,5 o C (6.127)
-Hệ số dẫn nhiệt : lN = 0,63 W/m.K (6.128) -Nhiệt dung riêng: CN = 4178 J/kg.K (6.129) -Khối lượng riêng: rN = 993 kg/m 3 (6.130)
-Độ nhớt động lực: mN = 6, 91 10 4 N.s/m 2 (6.131)
Chọn vận tốc nước đi trong ống vN = 0,3 m/s
(6.133) Vậy cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối Khi đó, Nusselt xác định theo công thức :
(6.134) Trong đó: 1 là hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt dựa trên tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính của ống, L/d > 50 1 = 1 (6.135)
-Chuẩn số Prv2 của nước giải nhiệt được xác định tại nhiệt độ tv2 tiếp xúc phía trong thành ống trong
-Chọn tv1 = 48 o C Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh được tra tính tại tv1:
+Hệ số dẫn nhiệt lB = 0,1384 W/m.K, lT = 0,13 W/m.K:
+Nhiệt dung riêng CB = 1876 J/kg.K, CT = 1843 J/kg.K
Xem nhiệt tải mất mát không đáng kể, khi đó nhiệt tải ngoài thành ống trong, qua thành ống trong và lớp cáu có giá trị:
Kết luận: tv1 = 48 o C và tv2 = 43,2 o C (6.148)
Xác định hệ số truyền nhiệt:
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Dự trữ bề mặt truyền nhiệt khoảng 20%:
Cấu tạo của thiết bị:
Chiều dài ống truyền nhiệt:
Chọn L = 12 m Vậy thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 12 m, chia thành 6 dãy, mỗi dãy 2 m.
Nồi đun [1] [3] [7]
6.4.1 Các thông số ban đầu
Lượng hơi bão hoà cung cấp cho nồi đốt là :
Chọn ống bằng thép X18H10T có kích thước d = 25x2 ,chiều dài ống l = 2m được xếp theo hình lục giác và chia 2 pass
Thiết bị này là một hệ thống đun sôi lỏng đáy tháp, hoạt động bằng cách sử dụng hơi đốt để đun nóng dòng lỏng thông qua chế độ đối lưu tự nhiên Mực lỏng trong thiết bị luôn duy trì ở mức cao nhất, tương đương với mực lỏng ở đáy tháp, do đó dòng lỏng không cần phải chảy cưỡng bức mà tự nhiên lưu thông nhờ vào sự chênh lệch nhiệt độ.
t = t1 – t2 = 119,6 – 103 = 16,6 o C Với : t1 là nhiệt độ dòng hơi đốt và t2 là nhiệt độ dòng lỏng cần đun sôi
Hệ số cấp nhiệt của hơi nước ngưng tụ trong ống nằm ngang :
; (6.154) d = 21mm = 0,021m; l/d= 80 q 1 : Nhiệt tải riêng (W/m 2 ) r: Ẩn nhiệt ngưng tụ (J/kg)
Hệ số truyền nhiệt tổng quát:
1 : Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ W 2
2 : Hệ số cấp nhiệt phía dòng hỗn hợp nhập liệu W 2
: Nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu
-Chọn t1 = 5,1 0 C = t1 – tw1 tw14,4 o C, tm = t1 – 0,5t1 = 113,1 o C (6.156) -Khối lương riêng của hơi nước : ' 1,107kg m/ 3 (6.157) -Các thông số vật lý của nước ngưng ở tm:
rt : nhiệt trở lớp cáu ở 2 bên ống truyền nhiệt
Nhiệt trở lớp cáu ngoài ống :
1/rcau1 = 5800 W/m 2 K rcu1 = 0,000172 (m 2 K/W) (6.161) Nhiệt trở lớp cáu trong ống :
rt = rcu1 + /+rcu2 = 0,000487 (W/m 2 K) (6.163) Hiệu số nhiệt độ giữa 2 phía ống :
tw2 = tw1-tt = 108,4 o C (6.165) t2= tw2-t2tb4 – 103 =5,4 0 C (6.166)
Hệ số cấp nhiệt của dòng chất lỏng sôi ngoài ống :
(6.167) Áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng p = 111900 N/m 2
Hệ số truyền nhiệt tổng quát:
Số ống truyền nhiệt: tb
Chọn số ống là 61 ống (6.174)
Kết luận : Thiết bị có 61 ống d%x2 mm, dài 2m làm bằng thép X18H10T, xếp hình lục giác đều và chia làm 2 pass phía ống
Bồn cao vị
Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt giữa dòng nhập liệu và sản phẩm đáy là không đáng kể, trong khi tổn thất chủ yếu phát sinh từ đường ống dẫn từ bồn cao vị đến vị trí nhập liệu tại tháp chưng cất.
Chọn ống dẫn có kích thước 57x3 Tổn thất đường ống xác định theo công thức:
Trong đó 1 : hệ số ma sát trong đường ống; l1: chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 20 m; d1: đường kính trong ống dẫn, d1 = do = 0,051 m;
1: tổng hệ số tổn thất cục bộ, m; v1: vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn, m/s
6.5.1 Xác định vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn:
Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra tính ở nhiệt độ trung bình ttbF = 60,9 oC
Vận tốc của dòng nhập liệu đi trong ống:
6.5.2 Xác định hệ số ma sát trong ống dẫn:
Theo mục 34, dòng nhập liệu trong ống ở chế độ chảy rối có thể được suy ra Độ nhám của ống được tra trong bảng II.15 là = 0,2 mm (hay 0,0002 m), cho thấy ống bị ăn mòn ít Chuẩn số Reynolds tới hạn cũng cần được xem xét trong quá trình này.
Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
Vì Regh < Re1 < Ren nên chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ Áp dụng công thức ta có:
6.5.3 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ:
-Chỗ uốn cong: tra bảng II.16 [1,382]: chọn dạng ống uốn cong 90 o có bán kính R với R/d
= 2 thì 1 chỗ uốn có = 0,15 Đường ống có 7 chỗ uốn suy ra uon = 0,15 7 1,05 -Van: tra bảng 9.5 [4,110], chọn van cầu với độ mở hoàn toàn thì 1 van có = 10
-Lưu lượng kế: llk = 0 (coi như không đáng kể)
Chiều cao bồn cao vị:
Chọn: Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị
Mặt cắt (2-2) là mặt cắt tại vị trí nhập liệu ở tháp Áp dụng phương trình Bernoulli cho 2 mặt (1-1) và (2-2) ta có:
Tính bơm [2]
-z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, z1 = Hcv
-z2: độ cao mặt thoáng (2-2) tính từ mặt đất đến vị trí nhập liệu,
-z2 = h chung = 1 + 1,23 +1 = 3,23 m (6.189) -P1, P2: lần lượt là áp suất tại mặt thoáng (1-1) và (2-2)
- v1: vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = 0 m/s
-v2: vận tốc nhập liệu tại mặt thoáng (2-2), v2 = vF = 0,14 m/s (6.191) -h(1-2) = 0,025 m (6.192) Suy ra chiều cao bồn cao vị:
H cv (6.193) Vậy ta chọn chiều cao đặt bồn cao vị Hcv = 4 m (6.194)
Trong ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành hóa chất, có nhiều loại bơm được sử dụng phổ biến, với bơm ly tâm là lựa chọn hàng đầu Việc lựa chọn bơm phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật như năng suất và công suất, cũng như yêu cầu kinh tế về chi phí Bơm ly tâm nổi bật với những ưu điểm như cung cấp dòng chảy đều, vận hành nhanh chóng, thiết kế đơn giản, và khả năng bơm các chất lỏng sạch mà không có xupap, từ đó giảm thiểu nguy cơ tắc nghẽn và hư hỏng.
Dung dịch được nhập liệu với lưu lượng = 1000 l/h tại nhiệt độ dòng nhập liệu là tF = 28 o C, (6.195) Vậy chọn bơm có năng suất Qb = QF = 1,5 m 3 /h (6.196)
Chọn: Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu;
Mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2):
Trong đó: z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = 0 m; z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 4m;
P1, P2: áp suất tại mặt thoáng (1-1) và (2-2), chọn P1 = P2 = 1 at; v1, v2: vận tốc tại mặt thoáng (1-1) và (2-2), xem v1 = v2 = 0 m/s;
h(1-2): tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2);
Hb: cột áp của bơm, m
Tính tổng trở lực trong ống:
Chọn kích thước ống hút và ống đẩy bằng nhau là 57x3 Tổng trở lực:
+ lh: chiều dài ống hút Chọn lh = 2m
+ ld: chiều dài ống đẩy, chọn ld = 6 m
+ vF: vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút và ống đẩy:
+ h d : hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy:
Suy ra dòng nhập liệu đi trong ống ở chế độ chảy rối Tra bảng II.15 [1,381] suy ra độ nhám của ống là 0,2 mm Chuẩn số Reynolds tới hạn:
(6.201) Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
Vì Regh < ReF < Ren nên chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ Áp dụng công thức II.64 [1,379] ta có:
(6.203) + Xác định tổn thất cục bộ trong ống hút h:
Chỗ uốn cong: tra bảng II.16 [1,382] chọn dạng ống uốn cong 90 o có bán kính R với R/d
= 2 thì 1 chỗ uốn có = 0,15 Ống hút có 2 chỗ uốn suy ra uon =0,15 2 0, 3 (6.204)
Van cầu với độ mở hoàn toàn có hệ số cản là = 10 Đối với ống hút có 1 van cầu, hệ số cản được tính là van = 1/10 = 10 Tổng hệ số cản trong hệ thống được xác định là h = uon + van = 10,3 Tiếp theo, cần xác định tổn thất cục bộ trong ống đẩy với hệ số cản d.
Chỗ uốn cong: tra bảng II.16 [1,382] chọn dạng ống uốn cong 90 o có bán kính R với R/d
= 2 thì 1 chỗ uốn có = 0,15 Ống đẩy có 2 chỗ uốn suy ra uon 0,15 2 0, 3 (6.206)
Theo bảng 9.5 [4,110], khi chọn van cầu với độ mở hoàn toàn, ta có hệ số cản là = 10 Với ống đẩy có 1 van cầu, hệ số cản của van là van = 1/10 = 10 Tổn thất cục bộ từ ống đẩy vào bồn cao vị được xác định là cv = 1 Do đó, tổng hệ số cản là d = uon + van + cv = 11,3.
Tính toán cột áp của bơm:
Chọn hiệu suất của bơm b = 0,8 Vậy công suất thực tế của bơm:
Kết luận: để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn 2 bơm li tâm luân phiên nhau loại
XM có năng suất khi làm việc Qb = 1,5m 3 /h, cột áp Hb = 4,2 m, công suất Nb = 18,5 kW