Luận văn: Máy và thiết bị chưng cất

Chia sẻ: Thoi Nga | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:53

Thêm vào BST

Báo xấu

332
lượt xem 108
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản. Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản suất hoặc nhu cầu sử dụng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: Máy và thiết bị chưng cất

Luận văn Máy và thiết bị chưng cất
MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 4 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN. ................................................................................................ 5 I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: ....................................................................................... 5 1 . Phương pháp chưng cất : ................................................................................................... 5 2 . Thiết bị chưng cất: ............................................................................................................ 6 II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU : ............................................................................. 7 1 . Etanol: (Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm). .......................................... 7 2 . Nước: ................................................................................................................................ 8 3 . Hỗn hợp Etanol – Nước:................................................................................................... 9 III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC: ................................................... 9 III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC: ................................................. 10 CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT . ........................................................................... 13 I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU : .......................................................................................... 13 II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY : ............................ 13 III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP: ................................................................. 14 1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:.................................................................................................... 14 IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆCSỐ MÂM LÝ THUYẾT: ..................................... 14 1 . Phương trình đ ường nồ ng độ làm việc của đoạn cất : ....................................................... 14 2 . Phương trình đ ường nồng độ làm việc củ a đ oạn chưng : ................................................. 14 3 . Số mâm lý thuyết : ........................................................................................................... 14 V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ: ..................................................................................... 14 CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT . ........................................... 16 I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(Dt)............................................................................................... 16 1. Đường kính đ oạn cất :...................................................................................................... 16 2. Đường kính đ oạn chưng : ................................................................................................ 17 II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM : ................................................................................. 19 1 . Cấu tạo mâm lỗ : .............................................................................................................. 19 2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm :............................................................................. 19 3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động : ............................................................................. 22 III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP : ................................................................................. 23 1 . Bề dày thân tháp : ................................................................................................................ 23 2 . Đáy và nắp thiết bị : ........................................................................................................... 24 3 . Bích ghép thân, đ áy và nắp : ................................................................................................. 24 4 . Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn : ............................................................ 25 5 . Tai treo và chân đỡ: ........................................................................................................... 28 CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ. ....................... 30 I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT: ................................................................................... 30 1 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:.................................................................................... 31 3 . Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy: ...................................................................................... 33 4.Thiết bị trao đổi nhiệt sản phẩm đỉnh và nhập liệu: ............................................................ 35 5 .thiết bị gia nhiệt nhập liệu : ............................................................................................ 39 2
II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ: ................................................................................... 42 III . TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU: ................................................................................... 43 1 . Tính chiều cao bồn cao vị: .............................................................................................. 43 2 . Chọn bơm: ...................................................................................................................... 46 CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ.................................................................................... 48 I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ: ...................................................................... 48 II . KẾT LUẬN: .................................................................................................................. 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 50 3
LỜI MỞ ĐẦU Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản. Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản suất hoặc nhu cầu sử dụng. Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ acid axetic- Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho acid axetic. Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư hoá- thự c phẩm tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ acid axetic - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 5m3/h có nồng độ 8% mol acid axetic ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 0.5% mol acid axetic với nồng độ dung dịch đáy acid axetic là 30%. Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn. 4
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN. I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: 1 . Phương pháp chưng cất : Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi. Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) .Đối với hệ acid axetic - nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm nước và một ít acid axetic , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid axetic và một ít nước. Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:  Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử.  Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên tục. * Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các trường hợp sau: + Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau. + Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao. + Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi. + Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử. * Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn.  Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước . Vậy: đối với hệ acid axetic – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. 5
2 . Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vaò lưu chất kia . Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thước của tháp : đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.  Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: * Tháp mâm chóp : trên mâm có chóp dạng tròn hay một dạng khác,có rãnh xung quanh để pha khí đi qua va ống chảy chuyền có hình tron * Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính 3-12mm được bố trí trên các đỉnh tam giác,bước lổ bằng 2,5 đến 5 lần đường kính  Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.  So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp : Tháp chêm. Tháp mâm xuyên lo. Tháp mâm chóp. - Hiệu suất tương đ ối Ưu điểm: - Đơn giản. - Hiệu suất cao. cao. - Trở lực thấp. - Hoạt động khá ổn định. - Ho ạt động ổn định. - Làm việc với chất lỏng bẩn. Nhược đ iểm: - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp. - Không làm việc với - Thiết bị nặng. chất lỏng bẩn. - Yêu cầu lắp đặt khắt - Độ ổn định kém. khe -> lắp đĩa thật phẳng. - Trở lực lớn. 6
Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và tháp mâm chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ. Vậy: Chưng cất hệ acid axetic - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp. II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU : Nguyên liệu là hỗn hợp acid axetic - Nước. 1 . Etanol: (Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm). Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, kh ối lượng phân tử: 46 đvC. Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước.  Một số thông số vật lý và nhiệt động của etanol: + Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78.3oC. + Khối lượng riêng: d420 = 810 (Kg/m3).  Tính chất hóa học: Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của etanol là thể hiện tính chất hoá học của nó. * Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl: CH3-CH2-O- + H+ CH3-CH2-OH Hằng số phân ly của etanol: K CH CH OH  10 18 , cho nên etanol là chất 3 2 trung tính. + Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua(NaH), Natri amid(NaNH2): CH3-CH2-OH + NaH CH3-CH2-ONa + H2 Natri etylat 1 4 Do K CH CH OH  K H O  10 : tính acid của rượu nhỏ hơn tính acid 3 2 2 của nước, nên khi muối Natri etylat tan trong nước sẽ bị thuỷ phân thành rượu trở lại. + Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với nước. Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4 , HNO3 và acid hữu cơ đều tạo ra ester. CH3-CH2-OH + HO-SO3-H L nh CH3-CH2O-SO3-H + H2O + CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 H CH3-COO-C2H5 + H2O * Phản ứng trên nhóm hydroxyl: + Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O + Tác dụng với Triclo Phốt pho: CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl Al2O3 + Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 C2H5-NH2 + H2O to + Phản ứng tạo eter và tách loại nước: H 2SO4 2CH3-CH2-OH (CH3-CH2)2O + H2O >150oC H2SO4 CH3-CH2-OH CH2=CH2 + H2O >150oC * Phản ứng hydro và oxy hoá: 7
Cu CH3-CH2-OH CH3-CHO + H2 200-300oC  Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150 mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp. + Công nghi p cao su t ng + Dung môi h u c :pha hp s n.. + ng l c. + Nguyên li u. +R u Nhiên li u. mùi. +D m. + T hu c súng không khói. + Nhiên li u ho ti n, bom + ng l c. Etanol bay. + Thu c tr sâu. + nh a. + Thu c + K eo dán. nhu m. +H ng + T nhân t o. li u. + Sát trùng. +S n. Sơ đồ tóm tắt+vịha chcủa etanol trongecni. ngành công nghiệp. trí các P +V  Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá thu c. etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ kim… Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ đường. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột: N m men C6H6O6 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal Z ymaza Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO2. 5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ(lactic, butylic…). 2 . N ước: 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 dạng 5 dạng tinh thể khác nhau: Khối lượng phân tử : 18 g / mol 0 Khối lượng riêng d4 c :1 g / ml : 00C Nhiệt độ nóng chảy : 1000 C Nhiệt độ sôi 8
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 hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học. 3 . Hỗn hợp Etanol – Nước: Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol - Nước ở 760 mmHg: x(%phân mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y(%phân mol) 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100 t(o C) 118.4 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100 0 0 100 5 9.2 0 Y(% m ol) 10 16.7 10 90 20 30.3 20 30 42.5 30 80 40 53 40 70 50 62.6 50 60 71.6 60 60 70 79.5 70 80 86.4 80 50 90 93 90 100 100 100 40 30 20 92 10 99.5 X(% mol) 92 0 9
III. CÔNG NGH Ệ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC: Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,30C ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg : hơi cách biệt khá xa nên phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất. Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng ph ương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn. * Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – nước: Chú thích các kí hiệu trong qui trình: 1 . Bồn chứa nguyên liệu. 2 . Bơm. 3 . Bồn cao vị. 4 . Lưu lượng kế. 5 . Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy. 6 . Thiết bị gia nhiệt nhập liệu. 7 . Bẩy hơi. 8 . Tháp chưng cất. 9 . Nhiệt kế. 10 . Ap kế. 11 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh. 12 . Nồi đun. 13 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh. 14 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh. 15 . Bồn chứa sản phẩm đáy. 16 . Bộ phận phân dòng. 10
11
* Thuyết minh qui trình công nghệ: Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ khoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (5) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ). Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt(6), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu. Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống. Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi.Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 85% phân mol). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (11) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (13), được làm nguội đến 350C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi ( nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ etanol là 0,11 % phân mol, còn lại là nước. Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (5) (sau khi qua bồn cao vị). Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 600C được thải bỏ. 12
CHƯƠNG II : C ÂN BẰNG VẬT CHẤT . I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :  Năng suất nhập liệu:  ( x =x1*M1/(x1*M1+(1-x1)*M2)=0.92*18/(0.92*18+0.08*60)=0.775  1/  tb  x / n  (1  x) /  a =0.775/995.6 +(1-0.775)/1039.6, tb =1005.17kg/m3)  GF=QF*  tb =5*1005.17=5025.86(kg/h).  Nồng độ nhập liệu : 8% mol acid axetic (xF=0.92)  Nồng độ sản phẩm đỉnh : 0.5% mol acid axetic( xD=0.995)  Nồng độ sản phẩm đáy : 30% mol acid axetic.(xW=0.7)  Khối lượng phân tử của acid axetic và nước : MA =60 kg/kmol , MN =18 kg/kmol .  Chọn : + Nhiệt độ nhập liệu : t’F =28oC . + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’D =35oC . + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’W = 35oC . +Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi .  Các kí hiệu : + 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 , xi : phân mol , phân khối lượng của cấu tử i . II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY :  Cân bằng vật chất cho toàn tháp : F=D+W (II.1)  Cân bằng cấu tử : F.xF = D.xD + W.xW (II.2) Với : Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu : MF = 18.x F  (1  x F ).60 = 21.36 (Kg/Kmol). GF 5025.86 F= = =235.29 (Kmol/h) MF 21.36 Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy : MW = 18.xW  (1  xW ).60 = 30.6 (Kg/Kmol). Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh : MD = 18.x D  (1  x D ).60 =18.21 (Kg/Kmol). Giải 2 phương trình (II.1),(II.2)ta có : D =175.47 (Kmol/h) W = 59.819 (Kmol/h) 13
III . XÁC Đ ỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP: 1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực .Do đó ,chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu ,nước và bơm…) là tối thiểu . x  y* 0.995  0.945 D F Rmin= = =2 y*  x 0.945  0.92 F F Tỉ số ho àn lưu thích hợp:RX=1.3Rmin+0.3=2.9 IV . PHƯƠNG TR ÌNH Đ ƯỜNG LÀM VIỆCSỐ MÂM LÝ THUYẾT: 1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất : x 2,9 0,995 R. .x  D = y= .x  2,9  1 2,9  1 R 1 R 1 =0,7436.x + 0.2551 2 . P hương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng : 2,9  1.341 1.341  1 R f f 1 y= .xW = .x  .x  .0.7 2,9  1 2,9  1 R 1 R 1 = 1.087x – 0.0612 F 235.29 Với : f = = 1.341 : chỉ số nhập liệu .  D 175.47 3 . Số mâm lý thuyết : Đồ thị xác định số mâm lý thuyết :(Xem hình ở trang sau ). số mâm lý thuyết là Nlt = 27mâm .20 mâm cất,6 mâm chưng,1 mâm nhập liệu V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ: Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình : N lt (st2/170) N tt  η tb trong đó: tb : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng :  = f(,). Ntt : số mâm thực tế. Nlt : số mâm lý thuyết.  Xác định hiệu suất trung bình của tháp tb : + Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi : y* 1  x α 1  y* x Với : x :phân mol của nước trong pha lỏng . y* : phân mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng. Lgmhh =x1lgm1 + x2lgm2 ,tài liệu [4(tập 1) – trang 84] * Tại vị trí nhập liệu : 14
xF = 0.92 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*F = 0.945 tF = 100.52 oC y* F 1  x F 0.945 1  0.92 + αF  = 1.494  . * 1  0.945 0.92 1 y F xF + tF = 100.52 oC , ma = 0.46.10-3 Ns/m2 ; mn=0.284.10-3 Ns/m2(t2/91,92) mF =0.443.10-3 (N.s/m2) =0,443 (cP) Suy ra : aF . mF = 1.494*0.443 =0.662 Tra tài liệu tham khảo [(tập 2) – trang 171] : hF = 0.55 * Tại vị trí mâm đáy : xW = 0.7 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*W = 0.795 tW = 102.1 oC y *W 1  x W 0.795 1  0.7 + αW  = 1.662  . * 1  0.795 0.7 1 y W xW + và tW =102.1oC,ma = 0.46.10-3 Ns/m2 ; mn=0.284.10-3 Ns/m2 mW =0.443.10-3 (N.s/m2) =0,443 (cP) Suy ra : aW . mW = 1.662*0.443 = 0.736 Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : hW = 0.53 *Tại vị trí mâm đỉnh : xD = 0.995 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*D = 0.997 tD = 100.22 oC y* D 1  x D 0.997 1  0.995 + αD  = 1.67  . * 1  0.997 0.995 xD 1 y D + tD = 100.22oC , ,ma = 0.46.10-3 Ns/m2 ; mn=0.284.10-3 Ns/m2 mD =0.443.10-3 (N.s/m2) =0,443 (cP) Suy ra : aD . mD = 1.67*0.443 = 0.74 Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : hD = 0.53 Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :    W   D 0.53  0.53  0.55 htb = F   0.537 3 3  Số mâm thực tế của tháp Ntt : 27 =50.28 mâm N tt  0.537 Vậy chọn Ntt = 50 mâm 37 mâm cất,12 mâm chưng 1 mam nhập liệu 15
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT . I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(D t) 4Vtb g tb Dt   0,0188 (m)(t2 tr181) (  y .ω y ) tb π.3600.ω tb Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/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 đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau . 1. Đường kính đoạn cất : a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp : g d  g1 (Kg/h) g tb  2 gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h). g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).  Xác định gd : gd = D.(R+1) =175.47(2,9+1) = 684.333 (Kmol/h) = 12404.22(Kg/h) (Vì MthD =18.yD+(1-yD).60 = 18.126(Kg/Kmol).  Xác định g1 : Từ hệ phương trình :  g1  G1  D  (III.1)  g1 . y1  G1 .x1  D.x D  g .r  g .r 11 dd Với : G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất . r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp . * Tính r1 : t1 = tF = 100.52oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có : An nhiệt hoá hơi của nước : rN1 = 40512.96 (KJ/kmol) . An nhiệt hoá hơi của acid : ra1 = 24195.24 (KJ/kmol) . Suy ra : r1 = rN1.y1 + (1-y1).ra1 = 24195.24 + 16317.72y1 (KJ/kmol) * Tính rd : tD = 100.22oC , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có : An nhiệt hoá hơi của nước : rNd = 40512.96 (KJ/kmol) . An nhiệt hoá hơi của acid : rad = 24195.24(KJ/kmol) . Suy ra : rd = rNd.yD + (1-yD).rad =40512.96*0.997 + (1- 0.997)*24195.24 = 40464 (KJ/kmol) * x1 = xF = 0.92 Giải hệ (III.1) , ta được : G1 = 525.316 (Kmol/h) y1 = 0.939 (phân mol ) _ M1 =20.1 g1 = 700.786 (Kmol/h) = 14085.799(Kg/h) 14085.799  12404.22 Vậy : gtb = =13245.01(Kg/h) 2 b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền : 16
 xtb  gh  0,05.  ytb Với : rxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3) . rytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) .  Xác định rytb :  ytb .18  1  y tb .60.273  ytb  22,4.t tb  273 y1  y D 0.939  0.997 Với: + Nồng độ phân mol trung bình : ytb = = =0.968 2 2 t t 100.52  100.22 =100.37oC + Nhiệt độ trung bình đoạn cất : ttb = F D = 2 2 Suy ra : rytb =0.631 (Kg/m3).  Xác định rxtb : x F  x D 0.92  0995 Nồng độ phân mol trung bình : xtb = = = 0.4577 2 2 18.xtb Suy ra : xtb  18.xtb  (1  xtb ).60 ttb = 100.37oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có : ra=958kg/m3 rn =958 kg/m3 1/  tb  x / n  (1  x) /  a rxtb = 958 (Kg/m3) 958 Suy ra :  gh  0,05. =1.948 (m/s) 0.631 Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :  h  0,8. gh  0,8.1.948 = 1.559 (m/s) Vậy :đường kính đoạn cất : 13245.01 Dcất = 0,0188. =2.181 (m). 1.559 * 0.631 2. Đường kính đoạn chưng : a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp : g , n  g ,1 g , tb  (Kg/h) 2 g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h). g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h).  Xác định g’n : g’n = g1 =700.786 (Kmol/h) = 14085.799(Kg/h)  Xác định g’1 : Từ hệ phương trình : G '1  g '1  W ' ' (III.2) G 1 .x'1  g 1 . yW  W .xW  g ' .r '  g ' .r '  g .r 11 n n 11 Với : G’1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng . 17
r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng. * Tính r’1 : xW =0.7 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0.795 Suy ra :Mtbg’ =18.yW +(1-yW).60=26.61 (Kg/kmol) t’1 = tW = 102.1oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có : An nhiệt hoá hơi của nước : r’N1 = 40512.96 (KJ/kmol) . An nhiệt hoá hơi của rượu : r’R1 =24195.24 (KJ/kmol) . Suy ra : r’1 = r’N1.yW + (1-yW).r’R1 = 37167.83 (KJ/kmol) * Tính r1: r1 = rN1.y1 + (1-y1).ra1 = 24195.24 + 16317.72y1 =39517.579(KJ/kmol) * W = 59.819 (Kmol/h) Giải hệ (III.2) , ta được : x’1 =0.788_ MtbG’ =26.9 G’1 =804.91 (Kmol/h) g’1 = 745.09 (Kmol/h) = 20042.921(Kg/h) 20042.921  14085.799 Vậy : g’tb = =17064.36 (Kg/h) 2 b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :  ' xtb  ' gh  0,05.  ' ytb Với : r'xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3) . r'ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) .  Xác định r’ytb : y 'tb .18  1  y 'tb .60.273  ' ytb  22,4.t ' tb 273 Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y1  yW 0.939  0.795 y’tb = = =0.867 2 2 t t 100.52  102.1 =101.31oC + Nhiệt độ trung bình đoạn chưng :t’tb= F W = 2 2 Suy ra : r’ytb =0.768 (Kg/m3).  Xác định r’xtb : x F  xW 0.92  0.7 Nồng độ phân mol trung bình : x’tb = = =0.81 2 2 18.x' tb Suy ra : x' tb  =0.5612 18.x' tb  (1  x'tb ).60 t’tb = 101.31oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có : Khối lượng riêng của nước : r’N = 958(Kg/m3) Khối lượng riêng của rượu : r’a = 958(Kg/m3) 1  x'  1  x' tb  =958 (Kg/m3) Suy ra :r’xtb =  tb   '  'N R  18
958 Suy ra :  ' gh  0,05. =1.766 (m/s) 0,768 Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :  ' h  0,8. ' gh  0.8*1.766= 1.413 (m/s) Vậy :đường kính đoạn cất : 17064.36 Dchưng= 0,0188. =2.36 (m). 0.768 * 1.413 Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn ch ưng không chênh lệch nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 2.2(m). Khi đó tốc độ làm việc thực ở : 0,01882.g tb 0,01882.13245.01 + Phần cất : lv =  1.533(m/s).  2 2.2 2.0.631 Dt . ytb 0,01882.g ' tb 0,01882.17064.36 + Phần chưng :’lv =  1.623(m/s).  2 2.2 2.0,768 Dt . ' ytb II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM : 1 . Cấu tạo mâm lỗ : Chọn : + Đường kính lỗ : dl = 8 (mm). + Tổng diện tích lỗ bằng 10% diện tích mâm. + Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 3 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo tam giác đều ). + Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 . + Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm . Số lỗ trên 1 mâm : 2 2 D  10%.S mâm  2.2  = 0.1. t   0.1.  =7562.5 lỗ. N= d   0,008  S lo l  2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm : Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng ) là tổng các độ giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng : (mm.chất lỏng) htl = hk + hl + hR Với : + hk :độ giảm áp qua mâm khô (mm.chất lỏng). + hl : độ giảm áp do chiều 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 ,gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm  là không đáng kể nên có thể bỏ qua . a . 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.  vo 2    G   uo 2  G  .   51,0. 2 . (mm.chất lỏng) hk   C 2   2 .g .  C    o  L o L Với : + uo :vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s). 19
+ rG : khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m3). + rL : khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3). + Co :hệ số orifice ,phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ. Ta có :  lo =0.1và mâm =0,6 .Tra tài liệu tham khảo [1 – trang S  d lo S mâm 111] : Co = 0,7  Đối với mâm ở phần cất :  lv 1.533 + Vận tốc pha hơi qua lỗ : uo = =15.33 (m/s).  10% 0.1 + Khối lượng riêng của pha hơi : rG = ytb = 0.631 (Kg/m3). + Khối lượng riêng của pha lỏng : rL = xtb = 958 (Kg/m3). Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất :  15.332  0.631  0.7 2 . 958 =16.11(mm.chất lỏng). hk  51.     Đối với mâm ở phần chưng :  ' lv 1.623 + Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’o = =16.23 (m/s).  10% 0.1 + Khối lượng riêng của pha hơi : r’G = ’ytb = 0.768 (Kg/m3). + Khối lượng riêng của pha lỏng : r’L = ’xtb = 958 (Kg/m3). Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng :  16.23 2  0.768  0,7 2 . 958 = 21.98 (mm.chất lỏng). h' k  51.    b . Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm : Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất lỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw , chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm  : hl =  .( hw + how ) , (mm.chất lỏng) Chọn : + Hệ số hiệu chỉnh :  = 0,6 + Chiều cao gờ chảy tràn : hw = 50 (mm) Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng : 2 3 q  how  43.4. L  , (mm.chất lỏng) L   w Với : + qL : lưu lượng của chất lỏng (m3/ph). + Lw :chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m).  Xác định Lw : Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm , nên ta có phương trình sau :  .n o  sin n o  0,2. o 180 Với : no :góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn Lw . 20