rong công ngày đổi phát triển Ta ngày tiến sâu vào q trình cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước khơng ngừng Áp dụng thành tựu khoa học, kỹ thuật mới, tiên tiến Trên giới, ngành công nghiệp phát triển đổi không ngừng nhằm phục vụ cho nhu cầu người Mỗi ngành có thành tựu to lớn người ghi nhận cách khách quan Cùng với phát triển đó, đất nước ta ln ln học hỏi, tìm tịi cải tiến để áp dụng ngành công nghiệp nước nhà Mỗi ngành cơng nghiệp có đóng góp to lớn ngành cơng nghiệp hóa học, sinh học, khí, kỹ thuật… Trong đó, ngành cơng nghiệp thực phẩm ngành có đóng góp vơ to lớn nước ta nói riêng giới nói chung Hiện nay, nhiều ngành sản xuất hóa học sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu sản phẩm hóa học có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản xuất nhu cầu sử dụng Ngày nay, có nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm như: trích ly, chưng cất, đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ ethanol – nước cấu tử tan hoàn toàn vào có chênh lệch nhiệt độ sơi (ethanol có nhiệt độ sôi nhỏ nước), ta nên dùng phương pháp chưng cất để thu rượu tinh khiết cách triệt để Đồ án mơn học Q trình thiết bị môn học quan trọng Môn học tổng hợp hầu hết kiến thức mà sinh viên ngành Cơng nghệ hóa – Thực phẩm phải có từ truyền nhiệt, kỹ thuật, truyền khối đến trình học, sở thiết kế máy móc,… giúp sinh viên có đầy đủ kiến thức kinh nghiệm để thiết kế thiết bị hóa học hồn chỉnh, đáp ứng đầy đủ u cầu trình phản ứng, chất lượng sản phẩm, tuổi thọ cao, giá thành phù hợp, an toàn với người môi trường phục vụ tốt yêu cầu xã hội người Nhiệm vụ nhóm: Thiết kế hệ thống chưng cất mâm chóp hệ ethanol – nước với suất nhập liệu 2000 L/h, nồng độ nhập liệu độ cồn, nồng độ sản phẩm đỉnh 90 độ cồn, nhập liệu trạng thái lỏng sôi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy
TỔNG QUAN
Lý thuyết về chưng cất
Chưng cất là phương pháp sử dụng nhiệt để phân tách các chất lỏng trong một hỗn hợp đồng thể, dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi và nhiệt độ sôi của chúng ở cùng áp suất.
Quá trình chưng cất dựa vào sự khác biệt về áp suất hơi của các chất lỏng tại cùng một nhiệt độ, do đó các chất có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ bốc hơi nhiều hơn Khi năng lượng được cung cấp vào hệ thống, chất lỏng có áp suất hơi cao sẽ tạo ra nồng độ cao hơn trong phần cất so với hỗn hợp ban đầu.
Chưng cất là quá trình mà cả dung môi và chất tan đều bay hơi, khác với cô đặc, trong đó chỉ có dung môi bay hơi.
Khi thực hiện quá trình chưng cất, chúng ta thu được nhiều cấu tử, và số lượng cấu tử thu được tương ứng với số lượng sản phẩm Đối với hệ đơn giản chỉ có hai cấu tử, kết quả là hai sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu chứa các cấu tử có độ bay hơi cao (nhiệt độ sôi thấp) và sản phẩm đáy chủ yếu chứa các cấu tử có độ bay hơi thấp (nhiệt độ sôi cao).
Vậy đối với hệ ethanol – nước:
- Sản phẩm đỉnh chủ yếu là ethanol.
- Sản phẩm đáy chủ yếu là nước.
Phân loại theo quá trình chưng cất
Chưng cất phân đoạn là phương pháp được sử dụng để đạt được độ tinh khiết cao cho các thành phần cất hoặc để tách biệt nhiều chất khác nhau từ một hỗn hợp Việc chưng cất dưới áp suất thấp hơn có thể cải thiện hiệu quả tách biệt, đặc biệt khi nhiệt độ sôi của các chất gần nhau, giúp tăng khoảng cách giữa các nhiệt độ sôi.
Chưng cất lôi cuốn là phương pháp tách các chất lỏng hòa tan, chẳng hạn như dung dịch cồn và nước Đối với hỗn hợp không hòa tan như nước và dầu, thường có thể tách biệt chúng bằng cách lắng và gạn.
Phân loại theo nguyên lý làm việc
Chưng cất đơn giản (gián đoạn) là phương pháp được sử dụng để tách các hỗn hợp có các cấu tử với độ bay hơi khác nhau Phương pháp này thường được áp dụng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất, giúp nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm cuối cùng.
Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp là phương pháp phổ biến để tách các hỗn hợp chứa chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi Phương pháp này thường được áp dụng khi chất cần tách không tan trong nước.
Chưng cất chân không là phương pháp được sử dụng để hạ thấp nhiệt độ sôi của các cấu tử trong hỗn hợp Phương pháp này đặc biệt hữu ích khi các cấu tử dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc khi nhiệt độ sôi của chúng quá cao.
+ Chưng cất hỗn hợp 2 cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.
Phân loại theo áp suất làm việc
Phương pháp này dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử để điều chỉnh áp suất làm việc Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao, việc giảm áp suất sẽ giúp hạ nhiệt độ sôi, từ đó tối ưu hóa quá trình tách biệt các thành phần.
Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp
Thường được áp dụng chất được tách không tan trong nước.
Vậy: đối với hệ Ethanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
Trong sản xuất, việc sử dụng các loại tháp chưng cất là rất phổ biến, với yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào độ phân tán của các lưu chất trong quá trình chưng cất.
Tháp chưng cất có nhiều kích cỡ và ứng dụng khác nhau, trong đó các loại tháp lớn nhất 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 lưu lượng pha lỏng, pha khí và yêu cầu về độ tinh khiết của sản phẩm.
Ta sẽ khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.
Tháp chêm (tháp đệm). Ưu, nhược điểm của các loại tháp chưng cất:
Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chêm Ưu điểm
Hiệu suất truyền khối cao, ổn định, ít tiêu hao năng lượng => số mâm ít hơn.
Chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp hơn tháp chóp, ít tốn kim loại hơn tháp chóp.
Chế tạo đơn giản,trở lực thấp.
Nhược điểm Chế tạo phức tạp, trở lực lớn.
Yêu cầu lắp đặt cao.
Những tháp có đường kính quá lớn (> 2.4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối không đều trên mâm.
Hiệu suất thấp,kém ổn định, khó kiểm soát, khó chế tạo.
Giới thiệu
1.2.1 Hệ thống chưng cất mâm chóp
Ethanol, hay còn gọi là rượu etylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hoặc cồn, là một hợp chất hữu cơ thuộc dãy đồng đẳng của ancol Đây là một chất lỏng dễ cháy, không màu và là thành phần chính trong nhiều loại đồ uống có cồn Trong giao tiếp hàng ngày, ethanol thường được đơn giản gọi là rượu.
Ethanol, hay còn gọi là rượu etylic, có công thức hóa học là C2H6O hoặc C2H5OH Công thức thay thế của ethanol là CH3-CH2-OH, trong đó nhóm metyl (CH3–) liên kết với nhóm metylen (–CH2–), và nhóm này lại kết nối với oxy trong nhóm hydroxyl (–OH) Ethanol cũng được coi là đồng phân nhóm chức của dimetyl ete và thường được viết tắt là EtOH, với ký hiệu hóa học đại diện cho nhóm etyl (C2H5) là Et.
Rượu etylic là một chất lỏng không màu, trong suốt, có mùi thơm dễ chịu và vị cay, nhẹ hơn nước Nó tan vô hạn trong nước, ete và clorofom, đồng thời có khả năng hút ẩm Rượu etylic dễ cháy, khi cháy tạo ra ngọn lửa xanh da trời và không có khói.
- Dễ bay hơi (sôi ở nhiệt độ 78,39°C)
Rượu etylic tan vô hạn trong nước nhờ vào khả năng tạo liên kết hydro giữa các phân tử rượu và nước Điều này cũng giải thích tại sao nhiệt độ sôi của rượu etylic cao hơn nhiều so với các este hay aldehyde có khối lượng phân tử tương đương.
+ Tính chất của một rượu đơn chức.
+ Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ:
+ Phản ứng este hóa, phản ứng giữa rượu và axit với môi trường là axit sulfuric đặc nóng tạo ra este:
C2H5OH + CH3COOH → CH3COOC2H5 + H2O
+ Phản ứng loại nước như tách nước trong một phân tử để tạo thành olefin trong môi trường axit sulfuric đặc ở 170 o C:
C2H5OH C2H4 + H2O + Hay tách nước giữa 2 phân tử rượu thành ether:
C2H5OH + C2H5OH → C2H5 – O ‒ C2H5 + H2O + Phản ứng oxi hóa:
CH3-CH2-OH + CuO → CH3-CHO + Cu + H2O
CH3-CH2-OH + O2 → CH3-COOH + H2O
C2H5OH + 3O2 → 2 CO2 + 3H2O + Phản ứng tạo ra butadien-1,3: cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp:
2C2H5OH → CH2=CH-CH=CH2 + 2H2O + H2
+ Phản ứng lên men giấm:
CH3-CH2-OH + O2 → CH3-COOH + H2O
Ethanol có thể được sản xuất thông qua hai phương pháp chính: công nghiệp hóa dầu, sử dụng công nghệ hydrat hóa etylen, và phương pháp sinh học, bằng cách lên men đường hoặc ngũ cốc với men rượu.
Ethanol là nguyên liệu công nghiệp chủ yếu được sản xuất từ dầu mỏ thông qua phương pháp hydrat hóa etylen Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ 300°C và áp suất 70-80 atm, sử dụng xúc tác axit wolframic hoặc axit phosphoric.
Ethanol, được sử dụng trong đồ uống có cồn và làm nhiên liệu, được sản xuất thông qua quá trình lên men Trong quá trình này, một số loài men rượu, chủ yếu là Saccharomyces cerevisiae, chuyển hóa đường trong điều kiện yếm khí, tạo ra ethanol và carbon dioxit (CO2) Phản ứng hóa học tổng quát của quá trình này có thể được mô tả một cách đơn giản.
Ethanol ứng dụng trong công nghiệp:
- Etanol cũng được sử dụng trong các sản phẩm chống đông lạnh vì điểm đóng băng thấp của nó.
- Etanol dùng để điều chế một số hợp chất hữu cơ như axit axetic, dietyl ete, etyl axetat…
- Etanol được dùng làm dung môi hoặc chất pha để pha vecni, dược phẩm, nước hoa…
- Cồn Etanol dùng để pha chế xăng sinh học E5, E10, thường tỉ lệ xăng chiếm trên 90%.
- Ethanol dùng trong công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may.
- Cồn Ethanol dùng trong ngành điện tử, lau vi mạch, bo mạch.
Ethanol ứng dụng vào ngành công nghiệp thực phẩm hay còn gọi là cồn thực phẩm và có những ứng dụng sau đây:
- Ethanol là một trong những nguyên liệu để tạo ra đồ uống có cồn mà hằng ngày chúng ta vẫn hay sử dụng như bia, rượu,…
- Ethanol còn được dùng như nước ướp gia vị.
Ethanol ứng dụng trong dược phẩm và y học:
- Ethanol được dùng như một chất chống vi khuẩn, sát trùng.
- Ethanol được dùng để điều chế thuốc ngủ.
- Ethanol ở nồng độ nhất định còn là dung dịch dùng để tẩy rửa, vệ sinh các dụng cụ y tế. b Nước
Nước, với công thức hóa học H2O, là hợp chất của oxy và hydro, đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống nhờ vào các tính chất lý hóa đặc biệt như tính lưỡng cực và liên kết hiđrô Mặc dù nước chiếm 70% diện tích bề mặt Trái Đất, chỉ có 0,3% tổng lượng nước trên hành tinh này là có thể khai thác để sử dụng làm nước uống.
Nước là một chất lỏng trong suốt, không màu và không mùi, thường có màu sắc ngả về màu lam khi ở trạng thái lỏng hoặc khi kết tinh.
+ Khi hóa rắn, nước có thể tồn tại ở nhiều dạng tinh thể khác nhau.
+ Khối lượng riêng: 999.9720 kg/m 3 ≈ 1 t/m 3 = 1 kg/l = 1 g/cm 3 ≈ 62.4 lb/ft 3
Nước là một dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất, đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật hóa học Trong công nghiệp, nước có thể được hóa lỏng bằng cách làm tan băng đá hoặc lọc từ nước biển và các nguồn nước không tinh khiết thông qua các phương pháp như lọc, chiết, tách, chưng cất, bay hơi và ngưng tụ Hỗn hợp etanol và nước cũng là một lĩnh vực đáng chú ý trong nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp.
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ của hỗn hợp Ethanol – Nước ở 760 mmHg: x (% mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y (% mol) 0 33,
Hình 1.2 Giản đồ x-y (% mol) của hệ Etanol – Nước
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước
6/ Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
7/ Bồn chứa sản phẩm đỉnh
9/ Thiết bị trao đổi nhiệt sản phẩm đáy với nhập liệu
10/ Bồn chứa sản phẩm đáy
12/ Phân phối sản phẩm đỉnh
Thuyết minh quy trình công nghệ
Hỗn hợp Ethanol – Nước với nồng độ 9 độ cồn và nhiệt độ khoảng 25 o C được bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt Sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm ở đáy, hỗn hợp được đun sôi bằng hơi nước bão hòa 2,5 atm trong thiết bị gia nhiệt Cuối cùng, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất tại đĩa nhập liệu.
Trong quá trình chưng cất, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp, nơi hơi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống, tạo ra sự tiếp xúc giữa hai pha Khi di chuyển xuống dưới, nồng độ các cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng giảm do bị hơi lôi cuốn Nhiệt độ giảm dần từ dưới lên, khiến các cấu tử có nhiệt độ sôi cao như nước ngưng tụ lại Cuối cùng, tại đỉnh tháp, hỗn hợp thu được có nồng độ Ethanol cao nhất (90 độ cồn) và được đưa vào thiết bị ngưng tụ Một phần chất lỏng ngưng tụ được làm nguội và chứa trong bồn, trong khi phần còn lại được hoàn lưu về tháp Ở đáy tháp, hỗn hợp lỏng chủ yếu là các cấu tử khó bay hơi với nồng độ Ethanol chỉ 1% Dung dịch lỏng này sau đó được chuyển đến thiết bị trao đổi nhiệt và chứa trong bồn.
Hệ thống hoạt động liên tục sản xuất Ethanol chất lượng cao, trong khi sản phẩm thải sau quá trình trao đổi nhiệt với nguyên liệu sẽ được chuyển đến khu xử lý nước thải.
CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Các thông số ban đầu
+ Nồng độ nhập liệu 9 độ cồn.
+ Nồng độ sản phẩm đỉnh 90 độ cồn.
+ Nồng độ sản phẩm đáy: ´ x w = 1%.
+ Khối lượng phân tử của rượu và nước: MR = 46; MN = 18.
+ Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi
+ F ´ (GF), F: suất lượng nhập liệu (kg/h); (kmol/h)
+ D ´ (GD), D: suất lượng sản phẩm đỉnh (kg/h); (kmol/h)
+ W ´ (GW), W: suất lượng sản phẩm đáy (kg/h); (kmol/h)
+ xi, x ´ i : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i
Xác định các suất lượng sản phẩm đỉnh và đáy
Nồng độ nhập liệu 9 độ cồn:
Ta có: ρ n c ướ 8 kg/m 3 và ρ ethanol x9 kg/m 3 ´x F = v ethanol × ρ ethanol v ethanol × ρ ethanol +(1−v ethanol )ρ n c ướ =0,0725
Trong đó: v ethanol là %V ethanol so với hỗn hợp. x F x´ F 46 ´x F
Dựa vào bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ của hỗn hợp Ethanol – Nước ở 760 mmHg => Ứng với nồng độ nhập liệu xF = 0,0297 thì tF = 94,357°C.
Tra bảng 1.2, trang 9 (sổ tay tập 1):
Khối lượng riêng của nước ở 94,357°C: ρ n c ướ 1,9501 kg/m 3
Tra bảng 1.2, trang 9 (sổ tay tập 1):
Khối lượng riêng của ethanol ở 92,92°C: ρ ethanol r1,3609 kg/m 3
Áp dụng công thức 1.2, trang 5 (sổ tay tập 1):
→ Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:
Ta có: 2000 L/h = 2 m 3 /h → F ´ = 2 (m 3 /h) x 939,23903 (kg/m 3 ) = 1878,4781 (kg/h) Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:
Nồng độ sản phẩm đỉnh 90 độ cồn:
Ta có: ρ n c ướ 8 kg/m 3 và ρ ethanol x9 kg/m 3 ´x D = v ethanol × ρ ethanol v ethanol × ρ ethanol +(1−v ethanol )ρ n c ướ =0,8768
Trong đó: v ethanol là %V ethanol so với hỗn hợp. x D x´ D
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh:
Nồng độ sản phẩm đáy ´ x w = 1%: x W ´x W
Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F=D+W (II.1)
Cân bằng cấu tử ethanol (cấu tử nhẹ): F x F =D x D +W x W (II.2)
Từ (II.1), (II.2), ta có:
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy:
Xác định chỉ số hoàn lưu làm việc
3.3.1 Chỉ số hoàn lưu tối thiểu
Chỉ số hoàn lưu tối thiểu của tháp chưng luyện là chế độ làm việc tại đó số mâm lý thuyết đạt giá trị vô cực Khi đó, chi phí cố định cũng trở nên vô cực, trong khi chi phí điều hành như nhiên liệu, nước và bơm được giữ ở mức tối thiểu.
Dựa vào bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ của hỗn hợp Ethanol – Nước ở áp suất 760 mmHg, khi nồng độ nhập liệu xF = 0,0297, nồng độ pha hơi cân bằng y*F đạt giá trị 0,197208.
3.3.2 Chỉ số hoàn lưu làm việc
Chỉ số hoàn lưu làm việc thường được xác định qua chỉ số hoàn lưu tối thiểu:
Việc chọn chỉ số hoàn lưu phù hợp là rất quan trọng trong thiết kế tháp, vì chỉ số hoàn lưu thấp dẫn đến số bậc tháp cao nhưng tiêu tốn hơi đốt ít, trong khi chỉ số hoàn lưu cao làm giảm số bậc tháp nhưng lại tiêu tốn nhiều hơi đốt Do đó, trong tính toán công nghiệp, cần lựa chọn phương pháp xác định chỉ số hoàn lưu một cách hợp lý.
Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết
3.4.1 Phương trình đường làm việc
Phương trình đường làm việc của đoạn cất: (IX.20, trang 144, sổ tay 2) y= R
Phương trình đường làm việc của đoạn chưng: (IX.22, trang 158, sổ tay 2) y=R+L
3.4.2 Xác định số mâm lý thuyết
Hình 3.1 Giản đồ số mâm lý thuyết
Từ đồ thị => Số mâm lý thuyết: Nlt = 10,4 mâm (phần chưng là 5,4; phần cất là 5)
Xác định số mâm thực tế
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: Ntt = N η ¿ tb
+ ηtb: hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: η = f (α, à)
+ Ntt: số mâm thực tế.
+ Nlt: số mâm lý thuyết.
Giản đồ số mâm lý thuyết
Xác định hiệu suất trung bình của tháp ηtb ηtb = η F+¿ η D+¿η W
3 ¿ ¿ Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:
Với x: phần mol của rượu trong pha lỏng y * : phần mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng
Tại vị trí nhập liệu: xF = 0,0297 ta tra đồ thị cân bằng của hệ → y F ¿=0,1972 t F ,357℃# α F = y ¿ F
Từ tF = 94,357 o C, tra tài liệu [1], bảng I.101, trang 91: àN = 0,3046 (mPa.s) = 0,3046.10 3 (N.s/m 2 ) = 0,3046 (cP) àR = 0,3568 (mPa.s) = 0,3568.10 3 (N.s/m 2 ) = 0,3568 (cP) logμ hh =x F ×logμ R +(1− x F ) × log μ N =0,0297×log 0,3568+(1−0,0297)×log 0,3046
Tra tài liệu tham khảo [2] trang 171: ηF = 0,4
Tại vị trí mâm đáy: xW = 0,0039 ta tra đồ thị cân bằng của hệ → y W ¿ =0,0259 t W ,259℃# α W = y W ¿
Từ tW = 99,259 o C, tra tài liệu [1], bảng I.101, trang 91: àN = 0,2867 (mPa.s) = 0,2867.10 3 (N.s/m 2 ) = 0,2867 (cP) àR = 0,33 (mPa.s) = 0,33.10 3 (N.s/m 2 ) = 0,33 (cP) logμ hh =x W ×logμ R +(1− x W ) × log μ N =0,0039×log0,33+(1−0,0039)×log 0,2867
Tra tài liệu tham khảo [2] trang 171: ηW = 0,42
Tại vị trí mâm đỉnh: xD = 0,7358 ta tra đồ thị cân bằng của hệ → y D ¿=0,7763 t D y,8568℃# α D = y ¿ D
Từ tD = 79,8568 o C, tra tài liệu [1], bảng I.101, trang 91: àN = 0,3578 (mPa.s) = 0,3578.10 3 (N.s/m 2 ) = 0,3578 (cP) àR = 0,4361 (mPa.s) = 0,4361.10 3 (N.s/m 2 ) = 0,4361 (cP) logμ hh =x D ×logμ R +(1− x D ) × log μ N =0,7358×log 0,4361+(1−0,7358)×log 0,3578
Tra tài liệu tham khảo [2] trang 171: ηW = 0,572
Vậy hiệu suất trung bình của tháp: η tb =η F +η D +η W
→ Số mâm thực tế là Ntt = 23
Số mâm thực tế cho phần cất Ntt cất = 10
Số mâm thực tế cho phần chưng Ntt chưng = 13
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp ban đầu
QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 ([2],IX.149 trang 196)Tính nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
QD1 = D11 = D1.(r1 + C1 θ 1) ([2],IX.150 trang 196) Trong đó: + D1: lượng hơi đốt (kg/h)
+ r1: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
+ 1: nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)
+ θ 1, C1: nhiệt độ nước ngưng (°C), nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Chọn áp suất vào của hơi đốt (hơi nước) là 2at Tra bảng I.251 trang 314, [1] ta được:
Tính nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:
Qf = GF.Cf.tf ([2],IX.151 trang 196)
Trong đó: + GF: lượng hỗn hợp đầu (kg/h)
+ Cf : nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)
+ tf : nhiệt độ đầu của hỗn hợp ( o C )
Chọn nhiệt độ đầu của hỗn hợp tf = 25 o C Tra bảng I.153 và I.154 trang 172, [1] ta được:
CR = 2537,5 (J/kg.độ) và CN = 4178,75 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:
Cf = x F CR + (1 - x F ).CN = 0,0725.2537,5 + (1 – 0,0725).4178,75 = 4059,7594 (J/kg.độ)
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra: ([2],IX.152 trang 196)
Trong đó: + GF: lượng hỗn hợp đầu (kg/h)
+ CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra (J/kg.độ)
+ tF: nhiệt độ của hỗn hợp khi đi ra khỏi thiết bị đun nóng (94,357 o C )
Tra bảng I.153 và I.154 trang 172, [1] ở 94,357 o C, ta được:
CR = 3435,355 (J/kg.độ) và CN = 4218,714 (J/kg.độ)
Vậy CF = x F CR + (1 - x F ).CN = 0,0725.3435,355 + (1 – 0,0725).4218,714 4161,9205 (J/kg.độ)
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
Trong đó: Gng1: lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt
Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn:
Lượng hơi đốt (lượng hơi nước) cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi:
Cân bằng nhiệt cho toàn tháp
Tổng lượng nhiệt mang vào bằng tổng lượng nhiệt mang ra:
Tính nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
QD2 = D22 = D2.(r2 + C2 θ 2) ([2],IX.157 trang 197) Trong đó: + D2: lượng hơi đốt để đun sôi dung dịch trong đáy tháp (kg/h)
+ R2: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
+ 2: nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)
+ θ 2, C2: nhiệt độ nước ngưng (°C), nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ) Nhiệt lượng do hỗn hợp mang vào tháp:
QF = 7,3769.10 8 (J/h) Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp:
+ GR: lượng lỏng hồi lưu
G R =G D × R x 5,7376×4,4799`8,0909(kg h ) + Rx: chỉ số hồi lưu
+ CR = CD, tR = tD: nhiệt dung riêng và nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu Ở nhiệt độ tD = 79,8568 o C, tra bảng I.153 và bảng I.154 trang 172, [1] ta được:
CR = 3218,21 (J/kg.độ) và CN = 4190 (J/kg.độ)
CD = x D CR + (1 - x D ).CN = 0,8768.3218,21 + (1 – 0,8768).4190 = 3337,9345 (J/kg.độ)
Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp:
Trong đó: λ đ : nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp (J/kg)
Tra bảng I.212 trang 254, [1] ở tD = 79,8568 o C, ta có: rR = 845,9734.10 3 J/kg và rN = 2341,0208.10 3 J/kg
Q y =G D ×(1+ R x ) ( r D +t D # D )5,7376 ×( 1+4,4799)(1030163,24+79,8568×3337,9345)=9,6454×10 8 (J h) Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra:
Trong đó: + GW = 1742,7407 (kg/h): lượng sản phẩm đáy
+ tW = 99,259 o C: nhiệt độ của sản phẩm đáy Ở nhiệt độ tW = 99,259 o C, tra bảng I.153 và bảng I.154 trang 172, [1] ta được:
CR = 3508,885 (J/kg.độ) và CN = 4228,518 (J/kg.độ)
Q W =G W # W t W 42,7407×4221,3217×99,259=7,3022×10 8 (J h) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
Trong đó: + Gngt: lượng nước ngưng tụ (kg/h)
+ C2, θ 2: nhiệt dung riêng (J/kg.độ) và nhiệt độ nước ngưng ( o C)
Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp:
Chọn áp suất vào của hơi đốt (hơi nước) là 2at Tra bảng I.251 trang 314, [1] ta được:
Vậy lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp: ([2], IX.163, trang 198)
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ
Trong hệ thống này ta ngưng tụ hoàn toàn thì:
# n (t r −t v ) Trong đó: + r: ẩn nhiệt ngưng tụ (J/kg)
+ Cn: nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình (J/kg.độ)
+ tv, tr: nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh ( o C)
Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh: Q tt =5%Q
Chọn nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh: tv = 28 o C, tr = 40 o C t tb =t v +t r
Tra bảng I.153 trang 172 [1] ở tTB = 34 o C: Cn = 4176,5 (J/kg.độ)
Nồng độ ethanol trong pha hơi ở tD = 79,8568°C là yD = 0,7763 ´y D = 46y D
46×0,7763+(1−0,7763)×18=0,8987 Ẩn nhiệt ngưng tụ ở nhiệt độ tD = 79,8568 o C: Tra bảng I.212 trang 254, [1] rR = 845,9734.10 3 J/kg và rN = 2341,0208.10 3 J/kg
r D = ´y D r R +(1− ´ y D ) r N =0,8987×845,9734×10 3 +(1−0,8987)×2341,0208×10 3 7421,7016( J kg) Nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ:
Q nt =G D ( R x +1) r5,7376 ×( 4,4799+ 1)× 997421,7016=7,4191×10 8 (J h) Lượng nước lạnh tiêu tốn:
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
) =G n 3 # N (t r −t v ) ([2], IX.166 trang 198) Trong đó: + Cp: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/kg.độ
+ Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh: t ’ v = tD = 79,8568 o C
+ Chọn nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh t ’ r = 30 o C
+ Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh: t ’ TB = 54,9284 o C
+ Chọn nhiệt độ vào của nước làm lạnh sản phẩm đỉnh tv = 28 o C
+ Chọn nhiệt độ ra của nước làm lạnh sản phẩm đỉnh tr = 40 o C
Tra bảng I.153 trang 172, [1] ở tTB = 34 o C: Cn = 4176,5 (J/kg.độ)
Tra bảng I.153 và I.154 trang 172, [1] ở t ’ TB = 54,9284 o C:
CR = 2904,0692 (J/kg.độ) và CN = 4186,1963 (J/kg.độ)
# P =´x D # R +(1− ´ x D ) # N =0,8768×2904,0692+(1−0,8768)×4186,1963062,0273(J/kg.độ) Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh: Q tt =5%Q
Nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:
Lượng nước làm lạnh cần dùng:
Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy
Dòng nhập liệu (ống trong) với nhiệt độ đầu tf = 25°C
Sản phẩm đáy với nhiệt độ đầu (ống ngoài) tw = 99,259°C, nhiệt độ cuối t’w 60°C
CN = 4190 (J/kg.độ) và CR = 3215,3688 (J/kg.độ)
# w =´x w # R +(1−´ x w ) # N =0,01×3215,3688+(1−0,01).4190A80,2537 (J/kg.độ)Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh: Q tt =5%Q
Q t =G w # w ( t w −t w ' ) 42,7407 × 4180,2537 × (99,259−60)=2.8601×10 8 (J h) Ở tf = 25 o C Tra bảng I.153 và I.154 trang 172, [1] ta được:
CR = 2537,5 (J/kg.độ) và CN = 4178,75 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:
Cf = x F CR + (1 - x F ).CN = 0,0725.2537,5 + (1 – 0,0725).4178,75 = 4059,7594(J/kg.độ) Nhiệt độ của sản phẩm đỉnh sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy: t F '' =Q t −Q tt
Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Dòng nhập liệu (ống trong) với nhiệt độ đầu t F '' `,6286℃#, nhiệt độ cuối tF 94,357°C → t tb w,4928℃#
Tra bảng I.153 và I.154 trang 172, [1] ta được:
CR = 3188,66 (J/kg.độ) và CN = 4190 (J/kg.độ)
Chọn áp suất vào của hơi đốt (hơi nước) là 1at Tra bảng I.251 trang 314, [1] ta được:
Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh: Q tt =5%Q
Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho dòng nhập liệu:
Suất lượng nước cần dùng:
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Tính đường kính tháp (D t )
Dt = √ π 3600 4 V tb ω tb = 0,0188 √ ( ρ y g ω tb y ) tb (m)
Vtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, m 3 /h ω 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 đoạn chưng và đoạn cất khác nhau Do đó, đường kính đoạn chưng và cất cũng khác nhau.
Nồng độ trung bình của pha lỏng: x m ' =(x F +x D )
Nồng độ trung bình của pha hơi theo phương trình đường làm việc: y m ' =0,8175x m ' +0,1343=¿ 0,8175 x 0,3828 + 0,1343 = 0,4472 Nhiệt độ trung bình của pha hơi, pha lỏng từ giản đồ t-x-y: x m ' =0,3828→ t ' x ,955℃# y m ' =0,4472→ t ' y ,307℃#
Khối lượng mol trung bình và khối lượng riêng pha hơi:
22,4x(273+86,307) = 1,0353 (kg/m 3 ) Khối lượng riêng pha lỏng: x m ' =0,3828→x̅ m
,955℃#, tra bảng I.2 trang 9, sổ tay tập 1 ta được: ρ ethanol '
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: gtb = g d + g 1
2 , kg/h Trong đó: gd: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h g d =G R +G D =G D x( R x +1)= ´ D x ( R x +1)
(Rx: tỷ số thu hồi, Rx = D x F x D
F = 0,8733) g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất, kg/h g 1 =G 1 +G D =G 1 + ´D=G 1 +¿ 135,7376 (kg/h) Lượng hơi g1, hàm lượng y1, lượng lỏng G1 được xác định theo hệ phương trình:
(5.1) { g 1 y 1 =G 1 x 1 g + ´ g 1 D 1 r =G 1 = x̅ D 1 g + ´ ( d x D( r 1 =´ d ( IX x IX F 93trang =0,0725 95 trang 182 )( 182 IX , [ 94 , 2 [ 2 ] ) ] ) trang182 , [ 2 ] ) r 1 =r ethanol y 1 +(1− y 1) r n c ướ r d =r ethanol y d +(1− y d ) r n c ướ
Tại vị trí nhập liệu:
t F ,357℃#, tra bảng I.212 trang 254, [1] → r a =r ethanol =¿ 821,69 (kJ/kg) r b =r n c ướ = 2280,31 (kJ/kg)
Ta có: rd = 997,422 (kJ/kg) (theo cân bằng năng lượng chương IV – phần 4.3)
2 = 254,277+ 2 189,862 = 222,0695 (kg/h) Vận tốc hơi đi trong tháp:
+ ρ ' x tb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng ρ ' xtb = 810,68 (kg/m 3 ) + ρ ' y tb : Khối lượng riêng trung bình của pha hơi ρ ' ytb =¿ 1,0353 (kg/m 3 ) + h: khoảng cách giữa các mâm (m), chọn h = 0,25 (m)
+ φ [ δ ]: hệ số tính đến sức căng bề mặt
,307℃#ta được: δ ethanol = 16,732 và δ n c ướ = 61,433
Vậy đường kính đoạn cất là:
Nồng độ trung bình của pha lỏng: x m } = {( {x} rsub {F} + {x} rsub {W} )} over {2¿ = (0,0297 + 0,0039)
Nồng độ trung bình của pha hơi theo phương trình đường làm việc: y m ' ' =5,9943.x m '' −0,0195=¿ 5,9943 x 0,0168 – 0,0195 = 0,0812 Nhiệt độ trung bình của pha lỏng, pha hơi từ giản đồ t-x-y: x m '' =0,0168→ t ' ' x ,808℃# y m ' ' =0,0812→ t ' ' y ,677℃#
Khối lượng mol trung bình và khối lượng riêng pha hơi:
22,4x(273+97,677) = 0,667 (kg/m 3 ) Khối lượng riêng pha lỏng: x m '' =0,0168→x̅ m
t x '' ,808℃#, tra bảng I.2 trang 9, [1] ta được: ρ ethanol ' ' =¿ 719,0324 (kg/m 3 ) và ρ n c ' ' ướ
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng: g ’ tb = g d ' + g 1 '
: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng
+ g 1 ' : lượng hơi đi vào đoạn chưng
Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên: g’d = g1 hay g’tb = g 1 + g 1
Lượng hơi đi vào đoạn chưngg 1 ' , lượng lỏng G 1 ' , và hàm lượng lỏng x 1 ' được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng:
Với W̅ = 1742,7407 (kg/h) và ´ x W = 0,01 xw = 0,0039 => từ đường cân bằng (t-x-y): yw = 0,026
t ' w ,259℃#, tra bảng I.212 trang 254, [1] → r ' a =r ethanol =¿ 813,48 (kJ/kg) r ' b =r n c ướ = 2259,79 (kJ/kg)
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng: g ’ tb = 189,862+117,026
2 = 153,444 (kg/h) Vận tốc hơi đi trong tháp:
+ ρ ' ' xtb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng ρ ' ' xtb = 946,89 (kg/m 3 ) + ρ ' ' ytb : Khối lượng riêng trung bình của pha hơi ρ ' ' ytb =¿ 0,667 (kg/m 3 ) + h: khoảng cách giữa các mâm (m), chọn h = 0,25 (m)
+ φ [ δ ]: hệ số tính đến sức căng bề mặt
Tra bảng I.242 trang 301, [1] ở nhiệt độ t '' y ,677℃# ta được: δ ethanol = 15,71 và δ n c ướ = 59,33
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: Dt = 0,4 (m)
Khi đó tốc độ làm việc thực ở:
Chiều cao của thân thiết bị:
Trong đó: + Ntt: Số mâm thực tế: Ntt = 23 mâm
+ Hđ = 250 mm = 0,25 m: khoảng cách giữa 2 mâm (Bảng IX.5 trang 170, [2]) + = 2 mm = 0,002 m: chiều dày mâm
+ Chọn khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp là 0,9
Chiều cao đáy và nắp thiết bị:
+ Dt = 0,4 (m) => ht = 0,1 (m) (tra bảng XIII.10 trang 382, [2])
Vậy chiều cao toàn thiết bị là: H + Hđ+n = 6,7 + 0,25 = 7 (m)
Tính toán chóp - ống chảy chuyền
Chọn đường kính ống hơi dh = 40 (mm) = 0,04 (m)
+ Số chóp phân bố trên đĩa: n = 0,1 D t
0,04 2 = 10 Chọn số chóp phân bố trên đĩa: n = 10 (chóp) (Dt: đường kính trong của tháp) + Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi: h2 = 0,25.dh = 0,25.0,04 = 0,01 (m) + Đường kính chóp: dch = √ d h 2 +( d h +2❑ ch ) 2
❑ ch : chiều dày chóp, chọn ❑ ch =¿2 (mm)
+ Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp:
S = 0 ÷ 25 (mm), chọn S = 12 (mm) + Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp: hl = 15 40 (mm); chọn h1 = 30 (mm) + Tiết diện tháp:
Kiểm tra khoảng cách giữa các mâm: hmin = 23300 ρ ρ y x
+ ρy, ρx: khối lượng riêng trung bình của pha hơi, pha lỏng ρy = ρ' ytb + ρ ytb
2 = 810,68 +946,89 2 = 878,785 (kg/m 3 ) + ω y: vận tốc hơi trung bình đi trong tháp ω y = [ ( ρ y ρ' ω ytb y ) tb + 2 ( ρ y ρ ω ' ' ytb y ) tb ' ] = [ 0,7532 1,0353 + 2 0,6534 0,667 ] = 0,854 (m/s) hmin = 23300 ρ ρ y x
878,785 ( 0,13.0,85410.π.0,06) 2 = 0,0783 (m) < 0,25 (m) Vậy khoảng cách giữa hai mâm là 0,25m là hợp lý.
Bước tối thiểu của khe chóp trên mâm: tmin = dch + 2 δ ch + l2 l2: khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp: l2 = 12 + 0,25.dch = 12 + 0,25.60 = 27 (mm)
+ : hệ số trở lực của đĩa chóp; = 1.5 2; chọn = 2
+ ’ytb, ’xtb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng, kg/m 3
+ y: vận tốc pha hơi trong tháp, m/s
+ n: số chóp trên một đĩa
+ dh: đường kính ống hơi
+ Vy: lưu lượng hơi đi trong tháp (m 3 /h)
Chiều rộng khe chóp: a = 2 ÷ 7 (mm) → Chọn a = 6 (mm)
Số lượng khe hở của mỗi chóp: i = π c ( d ch −4 d h 2 b )
+ c = 3 4 (mm): khoảng cách giữa các khe; chọn: c = 3 (mm)
Chiều cao khe chóp: b = ω ' y 2 ρ' ' ytb g ρ ' ' xtb
+ : hệ số trở lực của đĩa chóp; = 1.52; chọn = 2
+ ’’ytb, ’’xtb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng, kg/m 3
+ ’y: vận tốc pha hơi trong tháp, m/s
+ n: số chóp trên một đĩa
+ dh: đường kính ống hơi
+ V’y: lưu lượng hơi đi trong tháp (m 3 /h)
Chiều rộng khe chóp: a = 2 ÷ 7 (mm) → Chọn a = 6 (mm)
Số lượng khe hở của mỗi chóp: i = π c ( d ch −4 d h 2 b )
+ c = 3 4 (mm) khoảng cách giữa các khe → Chọn c = 3 (mm)
5.3.2 Tính toán ống chảy chuyền
Chiều cao lớp chất lỏng trên mâm: hm = h1 + (S + hsr + b) = 30 + (12 + 5 + 10) = 57 (mm) hsr: khoảng cách từ mép dưới của chóp đến mép dưới của khe chóp; chọn hsr = 5 mm
4 = 0,00126 (m 2 ) Tiết diện hình vành khăn:
Tổng diện tích các khe chóp:
Diện tích lỗ mở trên ống hơi:
Tiết diện cắt ngang của tháp F = 0,13 (m 2 )
Cứ 1m 2 chọn 4cm 2 lỗ tháo lỏng Do đó tổng diện tích lỗ tháo lỏng trên 1 mâm là:
Chọn đường kín lỗ tháo lỏng là 5 (mm) = 0,5 (cm)
Nên số lỗ tháo lỏng cần thiết trên 1 mâm là:
- Độ mở lỗ chóp hs: hs = 7,55 ( ρ x ρ −ρ y y ) 1/3 H s 2 /3 ( V S S G ) 2 /3
Nên ta có h h s so = 10,034 10 ≈ 1 (hợp lý).
Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn: how = 2,84.K.( Q L W L ) 2 /3
Với K: hệ số hiệu chỉnh cho gờ chảy tràn, phụ thuộc vào 2 giá trị: x = 0,226.( L Q w L
QL: lưu lượng pha lỏng trung bình trong tháp được tính như sau:
+ Lưu lượng chất lỏng trong phần cất của tháp:
3600.38,6024 810,68 = 0,000165 (m 3 /s) + Lưu lượng chất lỏng trong phần chưng của tháp:
18,8316 ) 3600.946,8920,2736 = 0,00069 (m 3 /s) Vậy lưu lượng chất lỏng trung bình đi trong tháp:
Lw: chiều dài gờ chảy tràn
Tra đồ thị hình IX.22 trang 186, sổ tay tập 2, ta chọn Lw = 0,6.Dt = 0,6.0,4 = 0,24 m
Đường kính ống chảy chuyền, CT (IX.217), trang 236, [2]: dc = √ 3600 4 π ρ G x x ω c z
Gx: lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp (kg/h)
2 = 54,124 +1859,767 2 = 956,946 (kg/h) z: số ống chảy chuyền, chọn z = 1 ω c : tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền, ω c = 0,1 ÷ 0,2 (m/s)
Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền, CT (IX.218) trang 237, [2]:
Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa, CT (IX.219) trang 237, [2]: h c =( h 1+b+S)−h
+ h1: chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp = 30 (mm)
+ b: chiều cao khe chóp = 10 (mm)
+ S: khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp = 12 (mm)
+ h: chiều cao mực chất lỏng ở bên trên ống chảy chuyền
Với: V là thể tích chất lỏng chảy qua, m 3 /h
Khoảng cách từ ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất: t 1 =d c
+ dc: đường kính ống chảy chuyền, dc = 44 (mm)
+ l1: khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền, chọn l1 = 19 (mm) + δ : bề dày ống chảy chuyền (2-4 mm), chọn δ = 2 (mm)
+ ❑ ch : chiều dày chóp = 2 (mm)
+ dch: đường kính chóp = 60 (mm)
Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm:
Chiều rộng trung bình của mâm Bm:
Chiều rộng của ống chảy chuyền: dw = 0,16.Dt = 0,16.0,4 = 0,064 (m)
Diện tích của ống chảy chuyền: Sd = 0,08.F = 0,08.0,13 = 0,0104 (m 2 )
Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn l = Dt – 2.dw = 0,4 – 2.0,064 = 0,272 (m)
Diện tích giữa gờ chảy tràn:
Chiều rộng trung bình: Bm = A l = 0,1092 0,272 = 0,401 (m)
Hệ số hiệu chỉnh suất lượng pha khí Cg phụ thuộc hai giá trị: x = 1,34 B Q L m = 1,34.1,539 0,401 = 5,143 0,82.v.√ ρ G = 0,82.0,5.√ 0,8512 = 0,38 với v = 4 V G π D 2 = 4.0,062 π 0,4 2 = 0,5 (m/s) Tra đồ thị hình 5.10 trang 111, [3] ta được Cg = 0,362
Giá trị 4.∆’ tra từ hình 5.14a trang 112, [3] với x = 5,143
Với: hsc = 12,5 (mm) và hm = 57 (mm)
Số hàng chóp nh = 3 Khi đó ∆ = 0,362.1,12.3 = 1,216 (mm)
Chiều cao gờ chảy tràn hw:
Kiểm tra sự ổn định của mâm:
+ Độ giảm áp do ma sát và biến đổi vận tốc pha khí thổi qua chóp khi không có chất lỏng, hfv: hfv = 274.E ρ ρ y x −ρ y ( V S G r ) 2
S rj ≈ 1, nên theo hình 5.16 trang 115,[3] ta được E = 0,65
Độ giảm áp của pha khí qua một mâm ht:
+ Chiều cao thủy tĩnh lớp chất lỏng trên lỗ chóp gờ chảy tràn hss: hss = hw - ( hsc + hsr + Hs ) = 46,292 – (12,5 + 5 + 10) = 18,792 (mm)
+ Độ giảm áp của pha khí qua một mâm: ht = hfv + hs + hss + 0,5.∆ + how = 4,181 + 10,034 + 18,792 + 0,5.1,216 + 10,1 = 43,715
Chiều cao lớp chất lỏng không bọt trên ống chảy chuyền: hd = hw + how + ∆ + h’d + ht
Tổn thất thủy lực do dòng chất lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm hd được xác định theo biểu thức sau: h’d = 0,128.( 100 Q L S d ) 2 (mm chất lỏng)
Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn l = 272 < 1500 nên khoảng cách giữa mép trên của gờ chảy tràn và mép dưới của ống chảy chuyền được chọn là 12,5 (mm).
Do đó khoảng cách giữa mép dưới ống chảy chuyền và mâm:
Nên tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm dưới:
Ta tính được hd = 46,292 + 10,1 + 1,216 + 0,462 + 43,715 = 101,785 (mm)
Chiều cao hd dùng để kiểm tra mâm: Để đảm bảo điều kiện tháp không bị ngập lụt khi hoạt động, ta có: hd = 101,785 < 0,5.Hđ = 0,5.250 = 125
Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền tc: dtw = 0,8.√ h ow h o
Khoảng cách rơi tự do trong ống chảy chuyền: ho = Hđ + hw – hd = 250 + 46,292 – 101,785 = 194,507 (mm) how = 10,1 (mm)
Suy ra dtw = 0,8.√10,1.194,507 = 35,46 (mm) Đại lượng này để kiểm tra chất lỏng chảy vào tháp có đều không và chất lỏng không va đập vào thành: tỷ số d d tw w
64 ¿0,554≤ 0,6 (thỏa) Độ giảm áp tổng cộng của pha hơi giữa tháp:
Ht = Ntt.ht = 23.43,715.10 -3 = 1,005 (m chất lỏng) Vậy tổng trở lực toàn tháp:
Tính trở lực tháp
Trở lực tháp chóp được xác định theo công thức:
Ntt: số mâm thực tế của tháp
Tổng trở lực qua một mâm trong quá trình chưng và cất không đồng đều giữa các đĩa Vì vậy, để đảm bảo tính chính xác, cần tính toán trở lực riêng biệt cho từng phần.
5.4.1 Tính trở lực phần cất
Tổng trở lực qua một đĩa:
+ ξ: hệ số trở lực đĩa khô, ξ = 4,5 ÷ 5, chọn ξ = 5
+ ω0: vận tốc hơi qua rãnh chóp (m/s) ω0 = V y n i a b
Vy: lưu lượng pha hơi trung bình đi trong phần cất
5.4.1.2 Trở lực do sức căng bề mặt ΔPs = 4 d σ hh td σ: sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp Ở t’x = 80,955 ℃# , tra bảng I-242 trang 301, [1] → σethanol = 17,214.10 -3 (N/m) σnước = 62,423.10 -3 (N/m)
σhh = 0,0135 (N/m) dtđ: đường kính tương đương của khe rãnh dtđ = 4 f x
) fx: diện tích tiết diện tự do của rãnh
H: chu vi rãnh dtđ = 2.(6+10) 4.6 10 = 7,5 (mm) = 7,5.10 -3 (m)
5.4.1.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh ∆ P t ) ΔPt = ρb.g.(hb – hr/2) (N/m 2 ) + ρb: khối lượng riêng của bọt, thường ρb = (0,4 ÷0,6).ρ’x
Chọn ρb = 0,5.ρ’x = 0,5.810,68 = 405,34 (kg/m 3 ) + hr: chiều cao của khe chóp (m), hr = b = 10 (mm) = 0,01 (m)
+ hb: chiều cao lớp bọt trên đĩa (m) hb = (h¿ ¿ c+ Δ− h x ).( F− f ) ρ ' F ρ x + h x ρ b f +(h ch − h x ) f ρ b b ¿
Chiều cao của chất lỏng trên ống chảy chuyền được tính là Δ = Δh = 14,1 mm (0,0141 m) Đoạn ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa có chiều cao hc = 37,9 mm (0,0379 m) Chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa được xác định là hx = S + 0,5.b = 0,012 + 0,5 × 0,01 = 0,017 m (17 mm).
+ F: phần diện tích bề mặt đĩa có gắn chóp (nghĩa là trừ hai phần diện tích để bố trí ống chảy chuyền)
Fo = F – 2.Sd = 0,84.F = 0,84.0,13 = 0,1092 (m 2 ) + f: tổng diện tích các chóp trên đĩa f = 0,785.d ch 2 n = 0,785.0,06 2 10 = 0,02826 (m 2 )
+ hch: chiều cao của chóp hch = hc + Δ = 0,0379 + 0,0141 = 0,052 (m)
→ hhơi = hch - h2 - ❑ ch + ❑ mâm + ❑ h + S = 52 – 10 – 2 + 2 + 2 + 12 = 56 (mm)
Chọn bề dày ống hơi: ❑ h = 2 (mm)
2 ) = 111,518 (N/m 2 ) Tổng trở lực qua một đĩa: ΔPđ cất = ΔPk + ΔPs + ΔPt = 57,91 + 7,2 + 111,518 = 176,628 (N/m 2 )
Tổng trở lực phần cất: ΔPcất = Ntt cất ΔPđ cất = 10.176,628 = 1766,28 (N/m 2 )
5.4.2 Tính trở lực phần chưng
Tổng trở lực qua một đĩa:
5.4.2.1 Trở lực đĩa khô ∆ P k ΔPk = ξ ρ } {ω} rsub {0} rsup {2}} over {2 y ¿ ¿ (N/m 2 ) + ξ: hệ số trở lực đĩa khô, ξ = 4,5 ÷5, chọn ξ = 5
+ ω0: vận tốc hơi qua rãnh chóp (m/s) ω0 = V y
V’y: lưu lượng pha hơi trung bình đi trong phần chưng
5.4.2.2 Trở lực do sức căng bề mặt ΔPs = 4.σ d hh td σ: sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp Ở t”x = 96,808 ℃# , tra bảng I.242 trang 301, [1] → σethanol = 15,787.10 -3 (N/m) σnước = 59,5.10 -3 (N/m)
σhh = 0,0125 (N/m) dtđ: đường kính tương đương của khe rãnh dtđ = 4 f x
) fx: diện tích tiết diện tự do của rãnh
H: chu vi rãnh dtđ = 2.(6+10) 4.6 10 = 7,5 (mm) = 7,5.10 -3 (m) ΔPs = 4 d σ hh tđ = 4.0,0125 7,5.10 −3 = 6,667 (N/m 2 )
5.4.2.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh ∆ P t ) ΔPt = ρ’b.g.(h’b – hr/2) (N/m 2 ) + ρ’b: khối lượng riêng của bọt, thường ρ’b = (0,4 ÷ 0,6).ρ”x
Chọn ρ’b = 0,5.ρ’’x = 0,5.946,89 = 473,445 (kg/m 3 ) + hr: chiều cao của khe chóp (m), hr = b = 10 (mm) = 0,01 (m)
+ h’b: chiều cao lớp bọt trên đĩa (m) h’b = (h¿ ¿ c+ Δ−h x ) (F −f ) ρ ' ' F ρ ' x + h x ρ' b f +( h ch − h x ) f ρ ' b b ¿
Chiều cao của chất lỏng trong ống chảy chuyền được tính là Δ = Δh = 14,1 mm (0,0141 m) Đoạn ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa có chiều cao hc = 37,9 mm (0,0379 m) Chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa được xác định là hx = S + 0,5.b = 0,012 + 0,5 × 0,01 = 0,017 m (17 mm).
+ F: phần diện tích bề mặt đĩa có gắn chóp (nghĩa là trừ hai phần diện tích để bố trí ống chảy chuyền)
Fo = F – 2Sd = 0,84.F = 0,84.0,13 = 0,1092 (m 2 ) + f: tổng diện tích các chóp trên đĩa f = 0,785.d ch 2 n = 0,785.0,06 2 10 = 0,02826 (m 2 ) + hch: chiều cao của chóp hch = hc + Δ = 0,0379 + 0,0141 = 0,052 m
2 ) = 130,255 (N/m 2 ) Tổng trở lực qua một đĩa: ΔPđ chưng = ΔPk + ΔPs + ΔPt = 43,032 + 6,667 + 130,255 = 179,954 (N/m 2 )
Tổng trở lực phần chưng: ΔPchưng = Ntt chưng ΔPđ chưng = 13.179,954 = 2339,402 (N/m 2 )
5.4.3 Tổng trở lực của tháp
Tổng trở lực của tháp ΔP: ΔP = ΔPcất + ΔPchưng = 1766,28 + 2339,402 = 4105,682 (N/m 2 ) = 0,042 (at) Kiểm tra lại khoảng cách mâm h = 0,25 (m) đảm bảo điều kiện hoạt động bình thường của tháp: h > 1,8 ΔP ρ đ ch ng ư x g
Vì ΔPđ cất < ΔPđ chưng nên ta lấy ΔPđ chưng để kiểm tra:
Vậy chọn h = 0,25 (m) là hợp lý.
TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
Tính bề dày thân trụ của tháp
Tháp chưng cất được thiết kế với thân hình trụ, sử dụng phương pháp hàn giáp mối để hoạt động ở áp suất thường Thân tháp được ghép bằng các mối ghép bích, không có lỗ, thuộc nhóm thiết bị 2 loại II Để đảm bảo chất lượng sản phẩm và khả năng chống ăn mòn của etylic, vật liệu chế tạo thân tháp được chọn là thép không gỉ mã X18H10T, với tốc độ ăn mòn không vượt quá 0,1 mm/năm.
Dựa vào bảng XII.4 và bảng XII.7 trang 310 và 313 về tính chất vật lý của kim loại đen và hợp kim của chúng, các thông số đặc trưng của thép X18H10T với chiều dày từ 4 đến 25 mm được trình bày rõ ràng.
+ Giới hạn bền chảy: ch = 220.10 6 (N/m 2 )
+ Hệ số dãn khi kéo ở nhiệt độ 20-100 o C là 16,6.10 -6 (1/ o C)
Tra bảng XIII.3 trang 356, [2] ta được:
+ Hệ số an toàn bền kéo: nk = 2,6
+ Hệ số an toàn bền chảy: nch = 1,5 Ðiều kiện làm việc của tháp chưng cất:
+ Áp suất bên trong tháp (tính tại đáy tháp => Ph = 0) với môi trường làm việc lỏng - khí:
P = Ph + PL + ∆P + Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng: PL = ρ L.g.H (XIII.10, trang 360, [2])
2 ×9,81×6,7W759,9017( m N 2 ) =0,0578( mm N 2 ) Tổng trở lực của tháp: P = 8664 (N/m 2 )
Ta có Dt = 400mm => Theo bảng XIII.8 trang 362, [2] hệ số bền mối hàn φ h = 0,9
Theo bảng XIII.2 trang 356, thiết bị không đốt nóng trực tiếp thuộc loại II.
Hệ số hiệu chỉnh: η=1,0 Ứng suất cho phép:
1,5 ×16,6667×10 6 (N m 2 ) (XIII.2, trang 355, [2]) Theo bảng XIII.4, trang 357, [2] => chọn giá trị bé nhất
Do đó có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số
Bề dày tháp được tính theo công thức:
Trong đó: C là hệ số bổ sung bề dày
Hệ số bổ sung do ăn mòn (C1) được xác định dựa trên điều kiện ăn mòn của môi trường và thời gian hoạt động của thiết bị Với tốc độ ăn mòn là 0,1 mm/năm và thiết bị hoạt động trong 20 năm, ta có C1 = 2 mm.
+ C2: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học => C2 = 0
+ C3: hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu cho ở bảng XIII.9 => C3 = 0,4 mm
Vì P= 0,0664 ( mm N 2 ) < 0,07=> Theo bảng XIII.5, trang 358 [2], ta có: p th =(p+0,1)×10 6 =(0,0664+0,1)×10 6 =0,1664×10 6 ( m N 2 ) =0,1664( mm N 2 ) Áp suất thử tính toán p0 được xác định theo công thức: (XIII.27, trang 366, [2]) p 0 =p th +p L =0,1664+0,0578=0,2242( N mm 2 )
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử bằng công thức: (XIII.26, trang 365, [2]) σ=[ D t +(S−#)] p 0
1,22,2223( N mm 2 ) Kiểm tra bề dày của thân:
400 =0,005 C2 = 0
+ C3: hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu cho ở bảng XIII.9 => C3 = 0,4 mm
Chọn bề dày của nắp và đáy thiết bị 6 mm.
Kiểm tra ứng suất thành ở áp suất thử thủy lực theo công thức: (XIII.49, trang 386, [2]) σ=[ D t 2 + 2h t (S−# ) ] p 0
Vậy bề dày của đáy và nắp thiết bị là 6 mm.
Chọn bích và vòng đệm
Mặt bích là bộ phận thiết yếu trong việc kết nối các phần của thiết bị và các bộ phận khác Có nhiều loại mặt bích thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau.
- Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc, rèn) Loại bích này chủ yếu dùng với áp suất thấp và áp suất trung bình.
Bích tự do được sử dụng chủ yếu để nối các ống thép trong môi trường nhiệt độ cao và kết nối các bộ phận bằng kim loại màu cùng hợp kim Việc sử dụng bích tự do là cần thiết khi yêu cầu làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn so với thiết bị.
- Bích ren: chủ yếu dùng cho áp suất cao.
Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích là bích liền không cổ (kiểu I).
Hình 6.5 Bích liền không cổ (kiểu I)
Bích và đệm để nối và bít kín thiết bị
Bích được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ (kiểu 1).
Theo bảng XIII.27, trang 417 [2], ứng với Dt = 400mm và áp suất tính toán P 0,0664 (N/mm 2 ), ta có:
Bảng 6.1 Bích liền bằng thép để nối thiết bị
D Db Dl Do Bu-lông db Z mm cái mm
+ Dn = 408 mm: đường kính ngoài của thiết bị
+ Dt: đường kính trong thiết bị
+ Db: đường kính tâm bu-lông
+ Dl: đường kính mép vát
+ db: đường kính bu-lông
Theo bảng IX.5 trang 170, số mâm giữa hai mặt bích được chọn là 4 mâm, tương ứng với đường kính trong tháp Dt = 400 mm và khoảng cách giữa hai đĩa Hđ = 250 mm.
Số mặt bích dùng để ghép thân-đáy-nắp là:
Theo bảng XIII.31 trang 433, [2] tương ứng với bảng XIII.27 trang 417, [2]: kích thước bề mặt đệm bít kín:
Và do Dt < 1000 (mm) nên D3 = D2 + 1 = 448 (mm)
Bích để nối ống dẫn
Chọn vật liệu là thép CT3, chọn kiểu 1, theo bảng XIII.26 trang 409, [2] và tra bảng XIII.32 trang 434, [2].
Bảng 6.2 Kích thước chiều dài đoạn ống nối
Theo bảng XIII.30 trang 432, [2] tương ứng với bảng XIII.26 trang 409, [2]: kích thước bề mặt đệm bít kín:
Bảng 6.3 Kích thước bề mặt đệm bít kín
Chân đỡ và tai treo thiết bị
Tra bảng XII.7 trang 313, [2] ta có khối lượng riêng của thép CT3 là: ρ CT3 = 7850 (kg/m 3 ) và ρ X18H10T = 7900 (kg/m 3 )
Khối lượng của một bích ghép thân:
Chọn khoảng cách 2 mặt nối bích là 900 – 1100 (mm) và số đĩa giữa 2 mặt bích là
Số mặt bích cần dùng để ghép là: 23 4 + 2=7,75 ≈ 8bích m 1 =π
Khối lượng của một mâm:
Chọn bề dày mâm bằng 2 mm và vật liệu là thép X18H10T. m 2 =π
Khối lượng của thân tháp: m 3 =π
Khối lượng của đáy (nắp) tháp: m 4 =S bề m t ặ ×❑ đáy × ρ X 18H 10T =0,2×0,006×7900=9,48kg
Khối lượng của dung dịch trong tháp: m dd =V dd × ρ dd =π
Khối lượng của toàn tháp: m=8m 1 +22m 2 +m 3 +2m 4 +m dd =8×13,0577+22×1,3898+268,716+2×9,48+773,0295,7332kg
Trọng lượng của toàn tháp:
Chọn chân đỡ: Tháp được đỡ trên bốn chân.
Vật liệu làm chân đỡ tháp là thép CT3.
Tải trọng cho phép trên một chân: G c =P
4 )32,536N Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gc = 5000 (N)
Tra bảng XIII.35, trang 437, [2] ta chọn chân đỡ có các thông số sau:
Bảng 6.4 Thông số chân tháp
Tính tai treo thiết bị
Chọn tai treo: Tai treo được gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động trong điều kiện ngoại cảnh.
Chọn vật liệu tai treo là thép CT3.
Ta chọn bốn tai treo, tải trọng cho phép trên một tai treo: Gt = Gc = 5000 (N)
Hình 6.7 Tai treo thiết bị
Tra bảng XIII.36, trang 438, [2], ta chọn tai treo có các thông số sau:
Bảng 6.5 Thông số tai treo thiết bị
Chưng luyện là quá trình diễn ra chủ yếu trong tháp với các dòng chuyển động ngược chiều nhau, yêu cầu có các chi tiết như đĩa để đảm bảo tiếp xúc pha tốt nhất Việc tính toán và thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục và hấp thụ có nhiều điểm tương đồng, nhưng do hệ số phân bố thay đổi theo chiều cao tháp và quá trình truyền nhiệt diễn ra song song với truyền khối, nên việc tính toán và thiết kế trở nên phức tạp hơn.
Một thách thức lớn trong việc tính toán và thiết kế tháp chưng luyện là thiếu công thức chung để xác định các hệ số động học của quá trình này Các công thức hiện có thường không phản ánh đầy đủ các tác động của hiệu ứng hóa học và lý học, chủ yếu dựa vào thực nghiệm Hơn nữa, nhiều tính toán cần phải dựa vào các giá trị trung bình và nội suy các thông số vật lý, dẫn đến khó khăn trong việc đạt được độ chính xác cao trong tính toán.
Trong khuôn khổ đồ án môn học, do thời gian hạn chế và đây là lần đầu tiếp xúc với cách làm đồ án, chúng tôi không tránh khỏi những bỡ ngỡ và sai sót Quá trình tính toán thiết kế chủ yếu dựa trên lý thuyết, do đó các kết quả cần được quy chuẩn và điều chỉnh khi áp dụng vào thực tế sản xuất Là sinh viên, chúng tôi chưa có nhiều kinh nghiệm với công nghệ và thực tế sản xuất, dẫn đến việc tính toán cơ khí và tính bền của các chi tiết cũng có thể xảy ra sai sót.
Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng em rất biết ơn thầy Trần Chí Hải vì sự quan tâm và hỗ trợ nhiệt tình Thầy đã giúp chúng em nắm vững kiến thức môn học, hướng dẫn phương pháp tính toán thiết kế, cũng như cách tra cứu và xử lý số liệu, từ đó giúp chúng em hoàn thành đồ án một cách tốt nhất Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy!
