luận văn: : “thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1500 kg/h có nồng độ 15% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol là 99%.”

Chia sẻ: Nguyễn Thị Bích Ngọc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:60

Thêm vào BST

Báo xấu

313
lượt xem 111
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo luận văn - đề án 'luận văn: : “thiết kế tháp chưng cất hệ etanol - nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1500 kg/h có nồng độ 15% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol là 99%.”', luận văn - báo cáo, công nghệ - môi trường phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: luận văn: : “thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1500 kg/h có nồng độ 15% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol là 99%.”

AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “thi t k tháp chưng c t h Etanol - Nư c ho t ng liên t c v i nâng su t nh p li u : 1500 kg/h có n ng 15% mol etanol ,thu ư c s n ph m nh có n ng 85% mol etanol v i thu h i etanol là 99%.” 1
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i M CL C trang L IM U CHƯƠNG I : T NG QUAN .................................................................... I . LÝ THUY T V CHƯNG C T 1 . Phương pháp chưng c t 2 . Thi t b chưng c t: II . GI I THI U SƠ B NGUYÊN LI U 1 . Etanol 2 . Nư c 3 . H n h p Etanol – Nư c III . CÔNG NGH CHƯNG C T H ETANOL – NƯ C CHƯƠNG II : CÂN B NG V T CH T I . CÁC THÔNG S BAN U II . XÁC NH SU T LƯ NG S N PH M NH VÀ S N PH M ÁY III . XÁC NH T S HOÀN LƯU THÍCH H P 1 . T s hoàn lưu t i thi u 2 . T s hoàn lưu thích h p IV . PHƯƠNG TRÌNH Ư NG LÀM VI C – S MÂM LÝ THUY T 1 . Phương trình ư ng n ng làm vi c c a o n c t 2 . Phương trình ư ng n ng làm vi c c a o n chưng 3 . S mâm lý thuy t V . XÁC NH S MÂM TH C T CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THI T K THÁP CHƯNG C T I . Ư NG KÍNH THÁP 1 . ư ng kính o n c t 2 . ư ng kính o n chưng II . MÂM L – TR L C C A MÂM 1 . C u t o mâm l 2
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i 2. gi m áp c a pha khí qua m t mâm 3 . Ki m tra ng p l t khi tháp ho t ng : III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ C A THÁP 1 . B dày thân tháp : 2 . áy và n p thi t b : 3 . Bích ghép thân, áy và n p : 4 . ư ng kính các ng d n – Bích ghép các ng d n : 5 . Tai treo và chân : CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THI T B TRUY N NHI T- THI T B PH I . CÁC THI T B TRUY N NHI T 1 . Thi t b ngưng t s n ph m nh 2 . Thi t b làm ngu i s n ph m nh 3 . N i un gia nhi t s n ph m áy 4 . Thi t b trao i nhi t gi a nh p li u và s n ph m áy 5 . Thi t gia nhi t nh p li u II . TÍNH TOÁN BƠM NH P LI U 1 . Tính chi u cao b n cao v 2 . Ch n bơm CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THI T B I . TÍNH SƠ B GIÁ THÀNH C A THI T B II . K T LU N TÀI LI U THAM KH O 3
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i L IM U M t trong nh ng ngành có s óng góp to l n n ngành công nghi p nư c ta nói riêng và th gi i nói chung, ó là ngành công nghi p hóa h c. c bi t là ngành hóa ch t cơ b n. Hi n nay, trong nhi u ngành s n su t hóa h c cũng như s d ng s n ph m hóa h c, nhu c u s d ng nguyên li u ho c s n ph m có tinh khi t cao ph i phù h p v i quy trình s n su t ho c nhu c u s d ng. Ngày nay, các phương pháp ư c s d ng nâng cao tinh khi t: trích ly, chưng c t, cô c, h p thu… Tùy theo c tính yêu c u c a s n ph m mà ta có s l a ch n phương pháp thích h p. i v i h Etanol - Nư c là 2 c u t tan l n hoàn toàn, ta ph i dùng phương pháp chưng c t nâng cao tinh khi t cho Etanol. án môn h c Quá trình và Thi t b là m t môn h c mang tính t ng h p trong quá trình h c t p c a các k sư hoá- th c ph m tương lai. Môn h c giúp sinh viên gi i quy t nhi m v tính toán c th v : yêu c u công ngh , k t c u, giá thành c a m t thi t b trong s n xu t hoá ch t - th c ph m. ây là bư c u tiên sinh viên v n d ng nh ng ki n th c ã h c c a nhi u môn h c vào gi i quy t nh ng v n k thu t th c t m t cách t ng h p. Nhi m v c a AMH là thi t k tháp chưng c t h Etanol - Nư c ho t ng liên t c v i nâng su t nh p li u : 1500 kg/h có n ng 15% mol etanol ,thu ư c s n ph m nh có n ng 85% mol etanol v i thu h i etanol là 99%. Em chân thành c m ơn các quí th y cô b môn Máy & Thi t B , các b n sinh viên ã giúp em hoàn thành án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành án không th không có sai sót, em r t mong quí th y cô góp ý, ch d n. CHƯƠNG I : T NG QUAN. I . LÝ THUY T V CHƯNG C T: 1 . Phương pháp chưng c t : 4
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i Chưng c t là qua trình phân tách h n h p l ng (ho c khí l ng) thành các c u t riêng bi t d a vào s khác nhau v bay hơi c a chúng (hay nhi t sôi khác nhau cùng áp su t), b ng cách l p i l p l i nhi u l n quá trình bay hơi - ngưng t , trong ó v t ch t i t pha l ng vào pha hơi ho c ngư c l i. Khác v i cô c, chưng c t là quá trình trong ó c dung môi và ch t tan u bay hơi, còn cô c là quá trình trong ó ch có dung môi bay hơi. Khi chưng c t ta thu ư c nhi u c u t và thư ng thì bao nhiêu c u t s thu ư c b y nhiêu s n ph m. N u xét h ơn gi n ch có 2 h c u t thì ta thu ư c 2 s n ph m: s n ph m nh ch y u g m g m c u t có bay hơi l n (nhi t sôi nh ), s n ph m áy ch y u g m c u t có bay hơi bé(nhi t sôi l n) . i v i h Etanol - Nư c s n ph m nh ch y u g m etanol và m t ít nư c , ngư c l i s n ph m áy ch y u g m nư c và m t ít etanol. Các phương pháp chưng c t: ư c phân lo i theo:  Áp su t làm vi c : chưng c t áp su t th p, áp su t thư ng và áp su t cao. Nguyên t c c a phương pháp này là d a vào nhi t sôi c a các c u t , n u nhi t sôi c a các c u t quá cao thì ta gi m áp su t làm vi c gi m nhi t sôi c a các c u t .  Nguyên lý làm vi c: liên t c, gián o n(chưng ơn gi n) và liên t c. * Chưng c t ơn gi n(gián o n): phương pháp này u c s d ng trong các trư ng h p sau: + Khi nhi t sôi c a các c u t khác xa nhau. + Không òi h i s n ph m có tinh khi t cao. + Tách h n h p l ng ra kh i t p ch t không bay hơi. + Tách sơ b h n h p nhi u c u t . * Chưng c t h n h p hai c u t (dùng thi t b ho t ng liên t c) là quá trình ư c th c hi n liên t c, ngh ch dòng, nh u o n.  Phương pháp c t nhi t áy tháp: c p nhi t tr c ti p b ng hơi nư c: thư ng ư c áp d ng trư ng h p ch t ư c tách không tan trong nư c . V y: i v i h Etanol – Nư c, ta ch n phương pháp chưng c t liên t c c p nhi t gián ti p b ng n i un áp su t thư ng. 5
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i 2 . Thi t b chưng c t: Trong s n xu t thư ng s d ng r t nhi u lo i tháp nhưng chúng u có m t yêu c u cơ b n là di n tích b m t ti p xúc pha ph i l n , i u này ph thu c vào phân tán c a lưu ch t này vaò lưu ch t kia . Tháp chưng c t r t phong phú v kích c và ng d ng ,các tháp l n nh t thư ng ư c ng d ng trong công nghi p l c hoá d u. Kích thư c c a tháp : ư ng kính tháp và chi u cao tháp tuỳ thu c su t lư ng pha l ng, pha khí c a tháp và tinh khi t c a s n ph m. Ta kh o sát 2 lo i tháp chưng c t thư ng dùng là tháp mâm và tháp chêm.  Tháp mâm: thân tháp hình tr , th ng ng phía trong có g n các mâm có c u t o khác nhau chia thân tháp thành nh ng o n b ng nhau, trên mâm pha l ng và pha hơi ơc cho ti p xúc v i nhau. Tùy theo c u t o c a ĩa, ta có: * Tháp mâm chóp : trên mâm b trí có chép d ng:tròn ,xú b p ,ch s… * Tháp mâm xuyên l : trên mâm b trí các l có ư ng kính (3-12) mm.  Tháp chêm(tháp m): tháp hình tr , g m nhi u o n n i v i nhau b ng m t bích hay hàn. V t chêm ư c cho vào tháp theo m t trong hai phương pháp: x p ng u nhiên hay x p th t . * So sánh ưu và như c i m c a các lo i tháp : Tháp chêm. Tháp mâm xuyên lo. Tháp mâm chóp. - Hi u su t tương i Ưu i m: - ơn gi n. cao. - Hi u su t cao. - Tr l c th p. - Ho t ng khá n nh. - Ho t ng n nh. - Làm vi c v i ch t l ng b n. Như c i m: - Hi u su t th p. - Tr l c khá cao. - C u t o ph c t p. - Yêu c u l p t kh t - n nh kém. khe -> l p ĩa th t ph ng. - Tr l c l n. - Không làm vi c v i - Thi t b n ng. ch t l ng b n. Nh n xét: tháp mâm xuyên l là tr ng thái trung gian gi a tháp chêm và tháp mâm chóp. Nên ta ch n tháp chưng c t là tháp mâm xuyên l . V y: Chưng c t h Etanol - Nư c ta dùng tháp mâm xuyên l ho t ng liên t c áp su t thư ng, c p nhi t gián ti p áy tháp. II . GI I THI U SƠ B NGUYÊN LI U : Nguyên li u là h n h p Etanol - Nư c. 1 . Etanol: (Còn g i là rư u etylic , c n êtylic hay c n th c ph m). Etanol có công th c phân t : CH3-CH2-OH, kh i lư ng phân t : 46 vC. Là ch t l ng có mùi c trưng, không c, tan nhi u trong nư c.  M t s thông s v t lý và nhi t ng c a etanol: + Nhi t sôi 760(mmHg): 78.3oC. + Kh i lư ng riêng: d420 = 810 (Kg/m3).  Tính ch t hóa h c: 6
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i T t c các ph n ng hoá h c x y ra nhóm hydroxyl (-OH) c a etanol là th hi n tính ch t hoá h c c a nó. * Ph n ng c a hydro trong nhóm hydroxyl: CH3-CH2-OH CH3-CH2-O- + H+ H ng s phân ly c a etanol: K CH −CH −OH = 10 −18 , cho nên etanol là ch t 3 2 trung tính. + Tính acid c a rư u th hi n qua ph n ng v i kim lo i ki m, Natri hydrua(NaH), Natri amid(NaNH2): CH3-CH2-OH + NaH CH3-CH2-ONa + H2 Natri etylat −14 Do K CH −CH −OH < K H O = 10 : tính acid c a rư u nh hơn tính acid c a 3 2 2 nư c, nên khi mu i Natri etylat tan trong nư c s b thu phân thành rư u tr l i. + Tác d ng v i acid t o ester: Rư u etanol có tính bazơ tương ương v i nư c. Khi rư u tác d ng v i acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid h u cơ u t o ra ester. Lạnh CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O + CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 H CH3-COO-C2H5 + H2O * Ph n ng trên nhóm hydroxyl: + Tác d ng v i HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O + Tác d ng v i Triclo Ph t pho: CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl Al2O3 + Tác d ng v i NH3: CH3-CH2-OH + NH3 C2H5-NH2 + H2O + Ph n ng t o eter và tách lo i nư c: t o H2SO4 2CH3-CH2-OH (CH3-CH2)2O + H2 O o >150 C H2SO4 CH3-CH2-OH CH2=CH2 + H2 O o >150 C * Ph n ng hydro và oxy hoá: Cu CH3-CH2-OH CH3-CHO + H2 o 200-300 C  ng d ng: etanol có nhi u ng d ng hơn metanol, nó óng m t vai trò quan tr ng trong n n kinh t qu c dân. Nó là nguyên li u dùng s n su t hơn 150 m t hàng khác nhau và ư c ng d ng r ng rãi trong các ngành: công nghi p n ng, y t và dư c, qu c phòng, giao thông v n t i, d t, ch bi n g và nông nghi p. + Công nghiệp cao su tổng hợp + Dung môi hữu cơ:pha sơn.. + Động lực. + Nguyên liệu. + Rượu mùi. 7 Nhiên liệu. + Dấm.
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i + Thuốc súng không khói. + Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay. Sơ tóm t t v trí c a etanol trong các ngành công nghi p.  Phương pháp i u ch : có nhi u phương pháp i u ch etanol: hydrat hoá etylen v i xúc tác H2SO4; thu phân d n xu t halogen và ester c a etanol khi un nóng v i nư c xúc tác dung d ch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; t các h p ch t cơ kim… Trong công nghi p, i u ch etanol b ng phương pháp lên men t ngu n tinh b t và r ư ng. Nh ng năm g n ây, nư c ta công ngh s n su t etanol ch y u là s d ng ch ng n m men Saccharomyses cerevisiae lên men tinh b t: C6 H 6 O 6 Nấm men 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal Trong ó: 95%Zymaza li u chuy n thành etanol và CO2. nguyên 5% nguyên li u chuy n thành s n ph m ph : glyxêrin, acid sucxinic, d u fusel, metylic và các acid h u cơ(lactic, butylic…). 2 . Nư c: Trong i u ki n bình thư ng: nư c là ch t l ng không màu, không mùi, không v nhưng kh i nư c dày s có màu xanh nh t. Khi hóa r n nó có th t n t i d ng 5 d ng tinh th khác nhau: Kh i lư ng phân t : 18 g / mol 0 Kh i lư ng riêng d4 c : 1 g / ml 0 Nhi t nóng ch y : 0C Nhi t sôi : 1000 C Nư c là h p ch t chi m ph n l n trên trái t (3/4 di n tích trái t là nư c bi n) và r t c n thi t cho s s ng. Nư c là dung môi phân c c m nh, có kh năng hoà tan nhi u ch t và là dung môi r t quan tr ng trong k thu t hóa h c. 3 . H n h p Etanol – Nư c: 8
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i Ta có b ng thành ph n l ng (x) – hơi (y) và nhi t sôi c a h n h p Etanol - Nư c 760 mmHg: x(%phân mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y(%phân mol) 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100 o t( C) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4 y(%mol) Heä Etanol -Nöôùc 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 x(%mol) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 9
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i III. CÔNG NGH CHƯNG C T H ETANOL – NƯ C: Etanol là m t ch t l ng tan vô h n trong H2O, nhi t sôi là 78,30C 760mmHg, nhi t sôi c a nư c là 100oC 760mmHg : hơi cách bi t khá xa nên phương pháp hi u qu thu etanol có tinh khi t cao là phương pháp chưng c t. Trong trư ng h p này, ta không th s d ng phương pháp cô c vì các c u t u có kh năng bay hơi, và không s d ng phương pháp trích ly cũng như phương pháp h p th do ph i ưa vào m t khoa m i tách, có th làm cho quá trình ph c t p hơn hay quá trình tách không ư c hoàn toàn. * Sơ qui trình công ngh chưng c t h Etanol – nư c: Chú thích các kí hi u trong qui trình: 1 . B n ch a nguyên li u. 2 . Bơm. 3 . B n cao v . 4 . Lưu lư ng k . 5 . Thi t b trao i nhi t v i s n ph m áy. 6 . Thi t b gia nhi t nh p li u. 7 . B y hơi. 8 . Tháp chưng c t. 9 . Nhi t k . 10 . Ap k . 11 . Thi t b ngưng t s n ph m nh. 12 . N i un. 13 . Thi t b làm ngu i s n ph m nh. 14 . B n ch a s n ph m nh. 15 . B n ch a s n ph m áy. 16 . B ph n phân dòng. * Thuy t minh qui trình công ngh : H n h p etanol – nư c có n ng etanol 15% ( theo phân mol), nhi t kho ng 280C t i bình ch a nguyên li u (1) ư c bơm (2) bơm lên b n cao v (3). T ó ư c ưa n thi t b trao i nhi t (5) ( trao i nhi t v i s n ph m áy ). Sau ó, h n h p 10
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i ư c un sôi n nhi t sôi trong thi t b gia nhi t(6), h n h p ư c ưa vào tháp chưng c t (8) ĩa nh p li u. Trên ĩa nh p li u, ch t l ng ư c tr n v i ph n l ng t o n c t c a tháp ch y xu ng. Trong tháp hơi, i t dư i lên g p ch t l ng t trên xu ng. ây, có s ti p xúc và trao i gi a hai pha v i nhau. Pha l ng chuy n ng trong ph n chưng càng xu ng dư i càng gi m n ng các c u t d bay hơi vì ã b pha hơi t o nên t n i un (12) lôi cu n c u t d bay hơi.Nhi t càng lên trên càng th p, nên khi hơi i qua các ĩa t dư i lên thì c u t có nhi t sôi cao là nư c s ngưng t l i, cu i cùng trên nh tháp ta thu ư c h n h p có c u t etanol chi m nhi u nh t (có n ng 85% phân mol). Hơi này i vào thi t b ngưng t (11) và ư c ngưng t hoàn toàn. M t ph n ch t l ng ngưng t i qua thi t b làm ngu i s n ph m nh (13), ư c làm ngu i n 350C , r i ư c ưa qua b n ch a s n ph m nh (14). Ph n còn l i c a ch t l ng ngưng t ơc hoàn lưu v tháp ĩa trên cùng v i t s hoàn lưu t i ưu. M t ph n c u t có nhi t sôi th p ư c b c hơi, còn l i c u t có nhi t sôi cao trong ch t l ng ngày càng tăng. Cu i cùng, áy tháp ta thu ư c h n h p l ng h u h t là các c u t khó bay hơi ( nư c). H n h p l ng áy có n ng etanol là 0,19 % phân mol, còn l i là nư c. Dung d ch l ng áy i ra kh i tháp vào n i un (12). Trong n i un dung d ch l ng m t ph n s b c hơi cung c p l i cho tháp ti p t c làm vi c, ph n còn l i ra kh i n i un ư c trao i nhi t v i dòng nh p li u trong thi t b (5) (sau khi qua b n cao v ). H th ng làm vi c liên t c cho ra s n ph m nh là etanol, s n ph m áy sau khi trao i nhi t v i nh p li u có nhi t là 600C ư c th i b . CHƯƠNG II : CÂN B NG V T CH T . I . CÁC THÔNG S BAN U:  Năng su t nh p li u : GF = 1500 (Kg/h) .  N ng nh p li u : xF = 15%mol etanol.  N ng s n ph m nh : xD = 85%mol etanol .  T l thu h i etanol : h= 99%.  Kh i lư ng phân t c a rư u và nư c : MR =46 , MN =18 . 11
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i  Ch n : + Nhi t nh p li u : t’F =28oC . + Nhi t s n ph m nh sau khi làm ngu i : t’D =35oC . + Nhi t s n ph m áy sau khi trao i nhi t : t’W = 60oC . +Tr ng thái nh p li u là tr ng thái l ng sôi .  Các kí hi u : + GF , F : su t lư ng nh p li u tính theo Kg/h , Kmol/h . + GD , D : su t lư ng s n ph m nh tính theo Kg/h , Kmol/h . + GW ,W : su t lư ng s n ph m áy tính theo Kg/h , Kmol/h . + xi , x i : phân mol , phân kh i lư ng c a c u t i . II . XÁC NH SU T LƯ NG S N PH M NH VÀ S N PH M ÁY :  Cân b ng v t ch t cho toàn tháp : F=D+W (II.1)  Cân b ng c u t etanol (c u t nh ) : F.xF = D.xD + W.xW (II.2)  T l thu h i (h=99%) : F.xF . h= D.xD (II.3) V i : * Phân mol nh p li u : xF = 0,15 (phân mol etanol ). 46.x F xF = =31.08%(theo kh i lư ng ) . 46.x F + (1 − x F ).18 Kh i lư ng phân t trung bình dòng nh p li u : MF = 46.x F + (1 − x F ).18 = 22.2(Kg/Kmol). GF 1000 F= = =67.567 (Kmol/h) MF 20.8 * Phân mol s n ph m nh : xD =0,85 (phân mol etanol) . Kh i lư ng phân t trung bình dòng s n ph m nh : MD = 46.x D + (1 − x D ).18 =41,8 (Kg/Kmol). Gi i 3 phương trình (II.1),(II.2),(II.3),ta có : D = 11.8 (Kmol/h) W = 55.767 (Kmol/h) xW = 0,0019 (phân mol etanol ) Suy ra , kh i lư ng phân t trung bình dòng s n ph m áy : MW = 46.xW + (1 − xW ).18 = 18,053 (Kg/Kmol). III . XÁC NH T S HOÀN LƯU THÍCH H P: 1 . T s hoàn lưu t i thi u: T s hoàn lưu t i thi u là ch làm vi c mà t i ó ng v i s mâm lý thuy t là vô c c .Do ó ,chi phí c nh là vô c c nhưng chi phí i u hành (nhiên li u ,nư c và bơm…) là t i thi u . Do th cân b ng c a h Etanol-Nư c có i m u n ,nên xác nh t s hoàn lưu t i thi u b ng cách : +Trên th cân b ng y-x ,t i m (0,85;0,85) ta k m t ư ng th ng ti p tuy n v i ư ng cân b ng t i i m u n , c t tr c Oy t i i m có yo = 0,26 . 12
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i +Theo phương trình ư ng làm vi c o n c t , khi xo =0 thì xD yo = =0,26 Rmin + 1 V y : t s hoàn lưu t i thi u : Rmin = 2,269 2. T s hoàn lưu thích h p: Khi R tăng, s mâm s gi m nhưng ư ng kính tháp ,thi t b ngưng t ,n i un và công bơm cũng tăng theo.Chi phí c nh s gi m d n n c c ti u r i tăng n vô c c khi hoàn lưu toàn ph n ,lư ng nhi t và lư ng nư c s d ng cũng tăng theo t s hoàn lưu . T ng chi phí bao g m : chi phí c nh và chi phí i u hành . T s hoàn lưu thích h p ng v i t ng chi phí là c c ti u . Tuy nhiên , ôi khi các chi phí i u hành r t ph c t p ,khó ki m soát nên ngư i ta có th tính t s hoàn lưu thích h p t i u ki n tháp nh nh t . tính ư c t s hoàn lưu thích h p theo i u ki n tháp nh nh t (không tính n chi phí i u hành),ta c n l p m i quan h gi a t s hoàn lưu và th tích tháp ,t ó ch n Rth ng v i th tích tháp là nh nh t. Nh n th y ,ti t di n tháp t l v i lư ng hơi i trong tháp ,mà lư ng hơi l i t l v i lư ng l ng h i lưu trong tháp ,do trong i u ki n làm vi c nh t nh thì GD s không i nên lư ng l ng h i lưu s t l v i (R+1) ,do ó , ti t di n tháp s t l v i (R+1). Ngoài ra ,chi u cao tháp t l v i s ơn v chuy n kh i mox hay s mâm lý thuy t Nlt .Cho nên ,th tích làm vi c c a tháp t l v i tích s mox*(R+1) .Như v y, ta có th thi t l p quan h gi a R và Vtháp theo quan h R và mox*(R+1) .T th c a quan h này ,ta xác nh ư c i m c c ti u c a mox*(R+1) ng v i t s hoàn lưu thích h p R . R mox mox*(R+1) 2.496 47.818 167.173 2.723 37.733 140.480 2.9497 32.801 130.320 3.023 33.545 134.952 13
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i 170 R*(m ox+1) 160 150 140 130 R 120 2.00 2.50 3.00 3.50 V y : T s hoàn lưu thích h p là R= 2,9497 . IV . PHƯƠNG TRÌNH Ư NG LÀM VI CS MÂM LÝ THUY T: 1 . Phương trình ư ng n ng làm vi c c a o n c t : R. x 2,9497 0,85 y= .x + D = .x + R +1 R +1 2,9497 + 1 2,9497 + 1 =0.747 .x + 0.215 2 . Phương trình ư ng n ng làm vi c c a o n chưng : R+ f f −1 2,9497 + 5,724 5,724 − 1 y= .x + .xW = .x + .0,0019 R +1 R +1 2,9497 + 1 2,9497 + 1 = 2,196 .x – 0.0023 F x 0,85 V i:f= = D = = 5,724 : ch s nh p li u . D x F .η 0,15.0,99 3 . S mâm lý thuy t : th xác nh s mâm lý thuy t :(Xem hình trang sau ). T th ,ta có : 26 mâm bao g m : 20 mâm c t 1 mâm nh p li u 5 mâm chưng(4 mâm chưng+1 n i un) Tóm l i ,s mâm lý thuy t là Nlt = 25 mâm . V . XÁC NH S MÂM TH C T : S mâm th c t tính theo hi u su t trung bình : N lt N tt = η tb 14
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i trong ó: ηtb : hi u su t trung bình c a ĩa, là m t hàm s c a bay hơi tương i và nh t c a h n h p l ng : η = f(α,µ). Ntt : s mâm th c t . Nlt : s mâm lý thuy t.  Xác nh hi u su t trung bình c a tháp ηtb : + bay tương i c a c u t d bay hơi : y* 1 − x α= 1 − y* x V i : x :phân mol c a rư u trong pha l ng . y* : phân mol c a rư u trong pha hơi cân b ng v i pha l ng. * T i v trí nh p li u : xF = 0,15 ta tra th cân b ng c a h : y*F = 0,5 tF = 84,85 oC y* F 1 − x F 0,5 1 − 0,15 + αF = * = . = 5,667 1− y F xF 1 − 0,5 0,15 + T x F = 31.08% và tF = 84,85 oC ,tra tài li u tham kh o [4(t p 1) – trang 107] : mF =45.10-6.9,81 = 0,441.10-3 (N.s/m2) = 0,441 (cP) Suy ra : aF . mF = 5,667.0,441 =2.499 Tra tài li u tham kh o [4(t p 2) – trang 171] : hF = 0,4 * T i v trí mâm áy : xW = 0,0019 ta tra th cân b ng c a h : y*W = 0,02 tW = 100 oC y *W 1 − x W 0,02 1 − 0,0019 + αW = * = . = 10,72 1− y W xW 1 − 0,02 0,0019 46.xW +T xW = = 0,48% và tW = 100 oC ,tra tài li u tham 46.xW + (1 − xW ).18 kh o [4(t p 1) – trang 107] : mW =27.10-6.9,81= 0,265.10-3 (N.s/m2) = 0,265 (cP) Suy ra : aW . mW = 10,72.0,265 = 2,999 Tra tài li u tham kh o [4(t p 2) – trang 171] : hW = 0,37 *T i v trí mâm nh : xD = 0,85 ta tra th cân b ng c a h : y*D = 0,856 tD = 78,5 oC y* D 1 − x D 0,856 1 − 0,85 + αD = * = . = 1,049 1− y D xD 1 − 0,856 0,85 15
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i 46.x D +T xD = = 93,5% và tD = 78,5 oC ,tra tài li u tham kh o 46.x D + (1 − x D ).18 [4(t p 1) – trang 107] : mD =51.10-6.9,81= 0,500.10-3 (N.s/m2) = 0,500 (cP) Suy ra : aD . mD = 1,049.0,500 = 0,525 Tra tài li u tham kh o [4(t p 2) – trang 171] : hD = 0,600 Suy ra: hi u su t trung bình c a tháp : η + ηW + η D 0,441 + 0,37 + 0,600 htb = F = = 0,47 3 3  S mâm th c t c a tháp Ntt : 25 N tt = =53,19 mâm 0,47 V y ch n Ntt = 53 mâm , g m : 42 mâm c t 1 mâm nh p li u 10 mâm chưng CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THI T K THÁP CHƯNG C T . I . Ư NG KÍNH THÁP :(Dt) 4Vtb g tb Dt = = 0,0188 (m) π.3600.ω tb ( ρ y .ω y ) tb Vtb :lư ng hơi trung bình i trong tháp (m3/h). ωtb :t c hơi trung bình i trong tháp (m/s). gtb : lư ng hơi trung bình i trong tháp (Kg/h). Lư ng hơi trung bình i trong o n chưng và o n c t khác nhau.Do ó, ư ng kính o n chưng và o n c t cũng khác nhau . 1. ư ng kính o n c t : a . Lư ng hơi trung bình i trong tháp : g d + g1 g tb = (Kg/h) 2 16
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i gd : lư ng hơi ra kh i ĩa trên cùng c a tháp (Kg/h). g1 : lư ng hơi i vào ĩa dư i cùng c a o n c t (Kg/h).  Xác nh gd : gd = D.(R+1) =11,8.(2,9497+1) = 46,606 (Kmol/h) = 1948.13(Kg/h) (Vì MthD =46.yD+(1-yD).18 = 41,968 Kg/Kmol).  Xác nh g1 : T h phương trình :  g1 = G1 + D   g1 . y1 = G1 .x1 + D.x D (III.1)  g .r = g .r  1 1 d d V i : G1 : lư ng l ng ĩa th nh t c a o n c t . r1 : n nhi t hoá hơi c a h n h p hơi i vào ĩa th nh t c a o n c t rd : n nhi t hoá hơi c a h n h p hơi i ra nh tháp . o * Tính r1 : t1 = tF = 84,85 C , tra tài li u tham kh o [4 (t p 1)] ta có : An nhi t hoá hơi c a nư c : rN1 = 41346 (KJ/kmol) . An nhi t hoá hơi c a rư u : rR1 = 37490 (KJ/kmol) . Suy ra : r1 = rR1.y1 + (1-y1).rN1 = 41346 – 3856.y1 (KJ/kmol) * Tính rd : tD = 78,5oC , tra tài li u tham kh o IV (t p 1) ta có : An nhi t hoá hơi c a nư c : rNd = 41628 (KJ/kmol) . An nhi t hoá hơi c a rư u : rRd = 37988 (KJ/kmol) . Suy ra : rd = rRd.yD + (1-yD).rNd =37988.0,856 + (1- 0,856).41628 = 38512,16 (KJ/kmol) * x1 = xF = 0,15 Gi i h (III.1) , ta ư c : G1 = 33 (Kmol/h) y1 = 0,337 (phân mol etanol) _ M1 =27,436 g1 = 44.8 (Kmol/h) = 1229,1328(Kg/h) 1955,96 + 1229,133 V y : gtb = = 1588,63 (Kg/h) 2 b.T c hơi trung bình i trong tháp : T c gi i h n c a hơi i trong tháp v i mâm xuyên l có ng ch y chuy n : ρ ω gh = 0,05. xtb ρ ytb V i : rxtb : kh i lư ng riêng trung bình c a pha l ng (Kg/m3) . rytb : kh i lư ng riêng trung bình c a pha hơi (Kg/m3) .  Xác nh rytb : ρ ytb = [ ytb .46 + (1 − ytb ).18].273 22,4.(t tb + 273) y1 + y D 0,337 + 0,856 V i: + N ng phân mol trung bình : ytb = = =0,5965 2 2 17
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i t F + t D 84,85 + 78,5 + Nhi t trung bình o n c t : ttb = = =81,675oC 2 2 Suy ra : rytb =1,197 (Kg/m3).  Xác nh rxtb : xF + xD 0,15 + 0,85 N ng phân mol trung bình : xtb = = = 0,5 2 2 46.xtb Suy ra : xtb = =71,9% . 46.xtb + (1 − xtb ).18 ttb = 81,675oC , tra tài li u tham kh o [4 (t p 1)-trang 9], ta có : rxtb = 821,25 (Kg/m3) 821,25 Suy ra : ω gh = 0,05. =1,309 (m/s) 1,197 tránh t o b t ta ch n t c hơi trung bình i trong tháp : ω h = 0,8.ω gh = 0,8.1,309 = 1,042 (m/s) V y : ư ng kính o n c t : 1588.63 Dc t = 0,0188. = 0,67 (m). 1,197.1,042 2. ư ng kính o n chưng : a . Lư ng hơi trung bình i trong tháp : g , n + g ,1 g , tb = (Kg/h) 2 g’n : lư ng hơi ra kh i o n chưng (Kg/h). g’1 : lư ng hơi i vào o n chưng (Kg/h).  Xác nh g’n : g’n = g1 = 1229,1328 (Kg/h)  Xác nh g’1 : T h phương trình : G '1 = g '1 + W  ' ' G 1 .x'1 = g 1 . yW + W .xW (III.2)  g ' .r ' = g ' .r ' = g .r  1 1 n n 1 1 V i : G’1 : lư ng l ng ĩa th nh t c a o n chưng . r’1 : n nhi t hoá hơi c a h n h p hơi i vào ĩa th nh t c a o n chưng. * Tính r’1 : xW =0,0019 tra th cân b ng c a h ta có : yW =0,02 Suy ra :Mtbg’ =46.yW +(1-yW).18=18,56(Kg/kmol) t’1 = tW = 100oC , tra tài li u tham kh o [4 (t p 1)], ta có : An nhi t hoá hơi c a nư c : r’N1 = 40680 (KJ/kmol) . An nhi t hoá hơi c a rư u : r’R1 = 36394,3 (KJ/kmol) . Suy ra : r’1 = r’R1.yW + (1-yW).r’N1 = 40543,9 (KJ/kmol) * Tính r1: r1 = 41346 – 3856.y1 =41346–3856.0,337 = 40007,97 (KJ/kmol) * W = 55,767 (Kmol/h) 18
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i Gi i h (III.2) , ta ư c : x’1 =0,0096(phân mol etanol) _ MtbG’ =18,268 G’1 = 96,998 (Kmol/h) = g’1 = 41,322(Kmol/h) = 754,89 (Kg/h) 1229,1328 + 754,89 V y : g’tb = = 992,011 (Kg/h) 2 b.T c hơi trung bình i trong tháp : T c gi i h n c a hơi i trong tháp v i mâm xuyên l có ng ch y chuy n : ρ ' xtb ω ' gh = 0,05. ρ ' ytb V i : r'xtb : kh i lư ng riêng trung bình c a pha l ng (Kg/m3) . r'ytb : kh i lư ng riêng trung bình c a pha hơi (Kg/m3) .  Xác nh r’ytb : ρ ' ytb = [ y 'tb .46 + (1 − y'tb ).18].273 22,4.(t 'tb +273) V i: + N ng phân mol trung bình : y1 + yW 0,337 + 0,02 y’tb = = =0,1785 2 2 t +t 84,85 + 100 + Nhi t trung bình o n chưng : t’tb = F W = =92,425oC 2 2 Suy ra : r’ytb =0,772 (Kg/m3).  Xác nh r’xtb : x F + xW 0,15 + 0,0019 N ng phân mol trung bình : x’tb = = = 0,076 2 2 46.x'tb Suy ra : x'tb = =17,36% . 46.x'tb +(1 − x'tb ).18 t’tb = 92,425oC , tra tài li u tham kh o [4 (t p 1)-trang 9], ta có : Kh i lư ng riêng c a nư c : r’N = 963(Kg/m3) Kh i lư ng riêng c a rư u : r’R = 720,365(Kg/m3) −1  x' 1 − x' tb  Suy ra :r’xtb =  tb +  =953,52 (Kg/m3)  ρ' ρ 'N   R  953,52 Suy ra : ω ' gh = 0,05. =1,757 (m/s) 0,772 tránh t o b t ta ch n t c hơi trung bình i trong tháp : ω ' h = 0,8.ω ' gh = 0,8.1,757 = 1,405 (m/s) V y : ư ng kính o n c t : 992,0114 Dchưng= 0,0188. = 0,569 (m). 0,772.1,405 19
AMH Quá Trình và Thi t B GVHD : Lê Xuân H i K t lu n : hai ư ng kính o n c t và o n chưng không chênh l ch nhau quá l n nên ta ch n ư ng kính c a toàn tháp là : Dt = 0,700 (m). Khi ó t c làm vi c th c : 0,01882.g tb 0,01882.1588,63 + Ph n c t : ωlv = 2 = = 0,957 (m/s). Dt .ρ ytb 0, 2 .1,197 0,0188 2 .g ' tb 0,0188 2.992,0114 + Ph n chưng :ω’lv = 2 = = 0,927 (m/s). Dt .ρ ' ytb 0,7 2 .0,772 II . MÂM L – TR L C C A MÂM : 1 . C u t o mâm l : Ch n : + ư ng kính l : dl = 5 (mm). + T ng di n tích l b ng 9% di n tích mâm. + Kho ng cách gi a hai tâm l b ng 2,5 l n ư ng kính l (b trí l theo tam giác u ). + T l b dày mâm và ư ng kính l là 6/10 . + Di n tích dành cho ng ch y chuy n là 20% di n tích mâm . S l trên 1 mâm : 2 2 9%.S mâm D   0,7  N= = 0,09. t d  = 0,09.   ~1764 l . S lo  l   0,005  2. gi m áp c a pha khí qua m t mâm : gi m áp t ng c ng c a pha khí (tính b ng mm.ch t l ng ) là t ng các gi m áp c a pha khí qua mâm khô và các gi m áp do pha l ng : htl = hk + hl + hR (mm.ch t l ng) V i : + hk : gi m áp qua mâm khô (mm.ch t l ng). + hl : gi m áp do chi u cao l p ch t l ng trên mâm(mm.ch t l ng). +hR : gi m áp do s c căng b m t (mm.ch t l ng). Trong tháp mâm xuyên l ,gradien chi u cao m c ch t l ng trên mâm ∆ là không áng k nên có th b qua . a. gi m áp qua mâm khô : gi m áp c a pha khí qua mâm khô ư c tính d a trên cơ s t n th t áp su t do dòng ch y t thu , t m và do ma sát khi pha khí chuy n ng qua l .  vo 2   ρ G   uo 2  ρG  .  = 51,0. 2 . hk =  2   2.g.ρ L   C  ρ (mm.ch t l ng)  Co     o  L V i : + uo :v n t c pha hơi qua l (m/s). + rG : kh i lư ng riêng c a pha hơi (Kg/m3). + rL : kh i lư ng riêng c a pha l ng (Kg/m3). + Co :h s orifice ,ph thu c vào t s t ng di n tích l v i di n tích mâm và t s gi a b dày mâm v i ư ng kính l . 20