Đang tải... (xem toàn văn)
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 Etanol Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol. 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 Etanol Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 2000 kgh có nồng độ 20% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 80% mol etanol với độ thu hồi etanol là 99%. Đây là lần đầu tiên tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế hệ thống tháp chưng cất mang tính chất đào sâu chuyên ngành,do kiến thức và tài liệu còn hạn chế nên em không thể tránh khỏi sai sót trong quá trình thiết kế . Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của GVHD và quí thầy cô bộ môn các bạn sinh viên để em có thể hoàn thành tốt đồ án này
LỜI MỞ ĐẦU Một ngành có đóng góp to lớn đến ngành cơng nghiệp nước ta nói riêng giới nói chung, ngành cơng nghiệp hóa học Đặc biệt ngành hóa chất Hiện nay, nhiều ngành sản suất hóa học sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản suất nhu cầu sử dụng Ngày nay, phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính u cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Etanol Nước cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol Đồ án mơn học Q trình Thiết bị mơn học mang tính tổng hợp trình học tập kỹ sư hố- thự c phẩm tương lai Mơn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ ĐAMH thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 2000 kg/h có nồng độ 20% mol etanol ,thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 80% mol etanol với độ thu hồi etanol 99% Đây lần tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế hệ thống tháp chưng cất mang tính chất đào sâu chuyên ngành,do kiến thức tài liệu cịn hạn chế nên em khơng thể tránh khỏi sai sót q trình thiết kế Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ bảo tận tình GVHD q thầy mơn bạn sinh viên để em hồn thành tốt đồ án Huế, ngày 16 tháng 11 năm 2010 Sinh viên PHẦN I: TỔNG QUAN Những yêu cầu đồ án: • Hiểu cách tra cứu sổ tay Những số liệu liên quan đến hỗn hợp etanol – nước khối lượng riêng, nhiệt độ sôi,độ nhớt, nhiệt dung riêng…của cấu tử để xử lý số liệu ban đầu mà đồ án đề • Hiểu cách xây dựng quy trình cơng nghệ sản xuất, hiểu cách thức vận hành sử chữa bảo dưỡng thiết bị dây chuyền • Tính tốn thiết kế thiết bị (tháp chưng cất thiết bị phụ) Bao gồm việc tính tốn cơng suất thiết bị cho thích hợp với yêu cầu đồ án Nghiên cứu đề cá cách khắc phục có cố điều kiện vận hành khác yếu tố an tồn sản xuất • Biết cách thiết lập vẽ kỹ thuật hiểu chi tiết vẽ Sơ lược lý thuyết chưng luyện: Trong ngành công nghệ để phân riêng, hỗn hợp hay nhiều cấu tử hòa tan phần hay hồn tồn vào nhau, ta sử dụng nhiều phương pháp khác hấp thụ, hấp phụ, trích ly, chưng cất… Mỗi phương pháp có đặc thù riêng có ưu nhược điểm định Việc lựa chọn phương pháp thiết bị cho phù hợp tùy thuộc vào hỗn hợp ban đầu, yêu cầu sản phẩm điều kiện kinh tế Đối với hỗn hợp etylen – nước hỗn hợp cấu tử hịa tan hồn tồn vào có nhiệt độ sôi khác biệt cung điều kiện áp suất Phương pháp tối ưu để tách hỗn hợp chưng cất Phương pháp dựa vào độ bay khác cấu tử cách thực hiên trình chuyển pha trao đổi nhiệt pha lỏng – khí Sản phẩm thu đỉnh gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay thấp (chủ yếu etanol phần nước) Và sản phẩm đáy thu chủ yếu cấu tử khó bay phần cấu tử dễ bay hơi(chủ yếu nước phần etamol) Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp chúng có yêu cầu diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào độ phân tán lưu chất vaò lưu chất Tháp chưng cất phong phú kích cỡ ứng dụng, tháp lớn thường ứng dụng cơng nghiệp lọc hố dầu Kích thước tháp: đường kính tháp chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí tháp độ tinh khiết sản phẩm Ta khảo sát loại tháp chưng cất thường dùng tháp mâm tháp chêm • Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác để chia thân tháp thành đoạn nhau, mâm pha lỏng pha đựơc cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: * Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chép dạng: trịn, xú bắp, chữ s… * Tháp mâm xun lỗ: mâm bố trí lỗ có đường kính (312mm) • Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự * So sánh ưu nhược điểm loại tháp : Tháp chêm Ưu điểm: - Đơn giản - Trở lực thấp Nhược điểm: - Hiệu thấp Tháp mâm xuyên lỗ - Hiệu suất tương đối cao - Hoạt động ổn định - Làm việc với chất lỏng bẩn Tháp mâm chóp - Hiệu suất cao - Hoạt động ổn định suất - Trở lực cao - Cấu tạo phức tạp - Yêu cầu lắp đặt - Độ ổn định khắt khe -> lắp đĩa thật phẳng - Trở lực lớn - Không làm việc - Thiết bị nặng với chất lỏng bẩn Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ trạng thái trung gian tháp chêm tháp mâm chóp Nên ta chọn tháp chưng cất tháp mâm xuyên lỗ Vậy để Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp đáy tháp 4.Giới thệu nguyên liệu: Nguyên liệu hỗn hợp Etanol - Nước a Etanol: (Còn gọi rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm) Etanol có cơng thức phân tử: CH 3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Là chất lỏng có mùi đặc trưng, khơng độc, tan nhiều nước • Một số thơng số vật lý nhiệt động etanol: + Nhiệt độ sôi 760 (mmHg): 78.3oC + Khối lượng riêng: d420 = 810 (Kg/m3) • Tính chất hóa học: Tất phản ứng hố học xảy nhóm hydroxyl (-OH) etanol thể tính chất hố học * Phản ứng hydro nhóm hydroxyl: CH3-CH2-OH CH3-CH2-O- + H+ Hằng số phân ly etanol: K CH −CH − OH = 10 −18 , etanol chất trung tính + Tính acid rượu thể qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua (NaH), Natri amid (NaNH2): CH3-CH2-OH + NaH CH3-CH2-ONa + H2 Natri etylat Do K CH −CH − OH < K H 2O = 10 −14 : tính acid rượu nhỏ tính acid nước, nên muối Natri etylat tan nước 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 H2SO4, HNO3 acid hữu tạo ester CH3-CH2-OH + HO-SO3-H Lạnh CH3-CH2O-SO3-H + H2O CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 H+ CH3-COO-C2H5 + H2O * Phản ứng 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 + Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 Al2O3 to C 2H5-NH2 + H2O + Phản ứng tạo eter tách loại nước: 2CH3-CH2-OH CH3-CH2-OH H2SO4 >150oC H2SO4 >150oC (CH3-CH2)2O + H2 O CH2=CH2 + H2 O * Phản ứng hydro oxy hoá: CH3-CH2-OH Cu 200-300oC CH3-CHO + H2 • Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng metanol, đóng vai trị quan trọng kinh tế quốc dân Nó nguyên liệu dùng để sản suất 150 mặt hàng khác ứng dụng rộng rãi ngành: cơng nghiệp nặng, y tế dược, quốc phịng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ nông nghiệp + Công nghiệp cao su tổng hợp + Động lực + Dung môi hữu cơ: pha sơn + Nguyên liệu + Rượu mùi + Dấm + Động lực + Thuốc trừ sâu Nhiên liệu Etano l + Thuốc súng khơng khói + Đồ nhựa hoả tiễn, bom bay + Nhiên liệu + Keo dán + Hương liệu + Thuốc nhuộm + Tơ nhân tạo + Sát trùng + Pha chế thuốc + Sơn + Vecni Sơ đồ tóm tắt vị trí etanol ngành cơng nghiệp • Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H 2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen ester etanol đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ hợp chất kim… Trong công nghiệp, điều chế etanol phương pháp lên men từ nguồn tinh bột rỉ đường Những năm gần đây, nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột: C6H6O6 Nấm men C C2 H5OH + 2CO2 + 28 Kcal Zymaza Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol CO2 5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic acid hữu cơ(lactic, butylic…) y (chủ yếu nước phần etanol) Trong điều b Nước: kiện bình thường: nước chất lỏng khơng màu, khơng mùi, khơng vị khối nước dày có màu xanh nhạt Khi hóa rắn tồn dạng dạng tinh thể khác nhau: Khối lượng phân tử : 18 g/mol Khối lượng riêng : 1g/ml Nhiệt độ nóng chảy : 00C Nhiệt độ sơi : 1000 C Nước hợp chất chiếm phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất nước biển) cần thiết cho sống Nước dung mơi phân cực mạnh, có khả hồ tan nhiều chất dung môi quan trọng kỹ thuật hóa học Cơng nghệ chưng cất hỗn hợp etanol-nước: Etanol chất lỏng tan vô hạn H 2O, nhiệt độ sôi 78,3 0C 760mmHg, nhiệt độ sôi nước 100 oC 760mmHg: cách biệt xa nên phương pháp hiệu để thu etanol có độ tinh khiết cao phương pháp chưng cất Trong trường hợp này, ta sử dụng phương pháp đặc cấu tử có khả bay hơi, khơng sử dụng phương pháp trích ly phương pháp hấp thụ phải đưa vào khoa để tách, làm cho q trình phức tạp hay q trình tách khơng hồn tồn * Sơ đồ qui trình cơng nghệ chưng cất hệ Etanol – nước: Chú thích kí hiệu qui trình: Bơm Bồn cao vị Thiết bị gia nhiệt Lưu lượng kế Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Bồn chứa sản phẩm đỉnh Thiết bị đun sôi đáy tháp 10 Bẩy 11 Bồn chứa nguyên liệu 12 Kênh phân phối 13 Van xả khí khơng ngưng 14 Bồn chứa sản phẩm đáy 15.Áp kế * Thuyết minh qui trình cơng nghệ: Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 15% (theo phân mol), nhiệt độ khoảng 270C bình chứa nguyên liệu (11) bơm(1) bơm lên bồn cao vị (2) Từ đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (3) (trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy) Ở đây, hỗn hợp đun sôi đến nhiệt độ sôi Sau hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (5) đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn cất tháp chảy xuống Trong tháp hơi, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (9) lôi cấu tử dễ bay hơi.Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sôi cao nước ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều (có nồng độ 80% phân mol) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (6) ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (7), làm nguội đến 300C , đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (8) Phần lại chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu tháp đĩa với tỉ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp bốc hơi, cịn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay ( nước) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ etanol 0,0032% phân mol, lại nước Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (9) Trong nồi đun dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại khỏi nồi đun trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu (sau qua bồn cao vị) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh etanol, sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt với nhập liệu thải bỏ PHẦN II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT I THƠNG SỐ BAN ĐẦU: F: lượng hỗn hợp đầu (kg/ngày) (kg/h) P: lượng sản phẩm đỉnh (kg/ngày) (kg/h) W: lượng sản phẩm đáy (kg/ngày) (kg/h) aF: nồng độ phần khối lượng Etanol hỗn hợp đầu aP: nồng độ phần khối lượng Etanol sản phẩm đỉnh aW: nồng độ phần khối lượng Etanol sản phẩm đáy xF: nồng độ phần mol Etanol hỗn hợp đầu xP: nồng độ phần mol Etanol sản phẩm đỉnh xW: nồng độ phần mol Etanol sản phẩm đáy Kí hiệu A: Etanol với MA = 46 B: Nước với MB = 18 Theo yêu ban đầu F = 2.103 kg/h = 90,09 kmol/h II TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU 2.1 Cơng thức liên hệ nồng độ phần mol & nồng độ phần khối lượng Thành phần mol hỗn hợp đầu: aF MA xF = aF − aF + MA MB ⇒ aF = 46 ∗ x F 46 * 0,15 = = 0,3108 46 ∗ x F + (1 − x F ) ∗18 46 * 0,15 + (1 − 0,15) *18 aP MA Thành phần mol sản phẩm đỉnh: x P = a − aP P + MA MB ⇒ aP = • 46 ∗ x P 46 ∗ 0,8 = = 0,91 46 ∗ x P + (1 − x F ) ∗ 18 46 ∗ 0,8 + (1 − 0,8) ∗18 Cân vật chất cho toàn tháp: F = P + W ⇔ 2.103 = P + W (1) • Cân cấu tử etanol (cấu tử nhẹ): F.xF = P.xp + W.xW ⇔ 90,09 ∗ 0,15 = P ∗ 0,8 + W ∗ xW (2) Tỷ lệ thu hồi (η ) = 98% F.xF η = P.xp ⇔ 90,09 ∗ 0,15 ∗ 0,98 = P ∗ 0,9354 Giải phương trình (1), (2), (3) ta có: P = 16,6 kmol/h = 670,6 kg/h W = 73,5 kmol/h = 1329,6 kg/h xW = 0,0032 phần mol 2.2 Tính khối lượng mol trung bình: (3) n M = ∑ x i ∗M i i =1 Với : n: số cấu tứ hỗn hợp xi: phần mol cấu tử i Mi: khối lượng mol cấu tử i Trong hỗn hợp đầu: MF = xF ∗ MA + (1 - xF) ∗ MB = 46 ∗ 0,15 + (1 - 0,15) ∗ 18 = 22,2 kg/kmol Trong sản phẩm đỉnh: MP = xP ∗ MA + (1 - xP) ∗ MB = 46 ∗ 0,8 + (1 - 0,8) ∗ 18 = 40,4 kg/kmol Trong sản phẩm đáy: MW = xW ∗ MA + (1 - xW) ∗ MB = 46 ∗ 0,0032 + (1 - 0,0032) ∗ 18 = 18,09 kg/kmol Bảng 1: thành phần khối lượng mol khối lựong: Phần khối lượng Phần mol Lưu lượng (kg/h) Lưu lượng (kmol/h) Hỗn hợp đầu 31% 15% 2.103 90,09 Sản phẩm đỉnh 91% 80% 670,6 16,6 Sản phẩm đáy 0,8% 0,32% 1329,6 73,5 2.3 Thành phần pha hỗn hợp cấu tử Etanol - Nước Dựa vào (Bảng IX.2a, trang 135, [2]) thành phần cân lỏng x, y tính % mol nhiệt độ sôi hỗn hợp hai cấu tử 760 mmHg x(phân 10 20 30 40 10 50 60 70 80 90 100 CN = 4181 J/kg.độ λN = 0,624 W/m2 độ - Vận tốc nước ống: Gn = = 0,045 π 3,1416 w= m/s 2 ρN ∗ n ∗ ∗ d 994,9 ∗ 169 ∗ ∗ 0,026 4 - Tính tổng số Re : Re = w ∗ d ∗ ρ 0,045 ∗ 0,026 ∗ 994,9 = = 1552,044 µ 0,76.10 −3 (CT V.36, 13, [2]) 10 < Re 50 nên chọn ε2 = 1) + Nu = 0,15 ∗ ε2 ∗ Re0.33 ∗ Pr0.43 ∗ Gr0.1 ∗ (Pr/Prt )0.25 (CT V.45, 17, [2]) = 0,15 ∗ ∗ 1552,0440,33 ∗ 5,70,43 ∗ (0,191.106)0,1 ∗ (15,1/5)0.25 = 11,58 - Hệ số cấp nhiệt α2 = Nu ∗ λ 11,58 ∗ 0,624 = = 225,81 W/m2.độ d 0,032 (Trang 17, [2]) 1.2.6 Nhiệt tải riêng - q1 = α1 ∗ ∆t1 = 37,18 ∗ 12 = 446,16 W/m2 - q2 = α2 ∗ ∆t2 = 225,81 ∗ = 451,62 W/m2 46 (CT VIII.11a, 234, [3]) (CT VIII.11c, 235, [3]) Sai số q1 q2: q − q1 451,62 − 446,16 = = 0,012 < 0,05 ( 5% ) thỏa (CT VIII.12, 235, [3]) q2 451,62 1.2.7 Hệ số truyền nhiệt δ 1 K = [ α + r1 + λ + r2 + α ]-1 (CT V.5, 3, [2]) λ = λCu = 93 W/m2.độ δ = mm = 0,003 m Hệ số cáu bẩn nước bẩn r1 = 0,387.10-3 W/m2.độ Hệ số cáu bẩn nước thường r2 = 0,464.10-3 W/m2.độ (Bảng V.1, 4, [2]) 0,003 −3 −3 → K = [ 37,18 + 0,387.10 + 93 + 0,464.10 + 225,81 ]-1 = 31,05 W/m2.độ 1.2.8 Bề mặt truyền nhiệt Q 8897,45 F = K ∗ ∆t = 37,18 ∗ 14,94 = 16 m2 (CT VIII.4, 232, [3]) log 1.2.9 Chiều dài ống F 16 L = n ∗ π ∗ d = 169 ∗ 3,1416 ∗ 0,032 = 0,942 m (CT VIII.19, 236, [3]) h Chọn L = 0,942 m 1.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 1.3.1 Điều kiện nhiệt độ trình 98,30C 550C 600C 300C Chênh lệch nhiệt độ đầu nhỏ: ∆tn = 60 – 30= 300C Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn: 47 ∆tL = 98,3 – 55 = 43,30C Hiệu số nhiệt độ trung bình: ∆tlog = 43,3 − 30 = 36,24 43,3 C ln 30 (CT V.8, 5, [2]) 1.3.2 Nhiệt tải Nhiệt lượng cần thiết để làm nguội sản phẩm đáy QW = GW CW (t − t1 ) = 11329,6 * 4199 ∗ (98,3 − 60) = 59396,8 J/s 3600 1.3.3 Chọn thiết bị Chọn theo tiêu chuẩn: thiết bị ống chùm, đặt nằm ngang vật liệu đồng thau, hệ số dẫn nhiệt λ = 93 W/m0C (Bảng XII.16, 318, [2]) Thiết bị gồm 169 ống, xếp thành hình sáu cạnh, số ống vịng ngồi 43 ống Chọn đường kính ngồi ống dh = 0,032m, loại ống 32 ∗ 3mm + Đường kính thiết bị: Dtr =t.(b –1) +4.dh (CT V.140, 49, [2]) t: bước ống, chọn t =1,5 ∗ dh =1,5 ∗ 0,032 = 0,048 m b = ∗ a –1 = ∗ –1 =15 (CT V.139, 48, [2]) (a = 8: số ống cạnh hình sáu cạnh ngồi cùng) ⇒ Dtr = 0,048 ∗ (15-1) + ∗ 0,032 = 0,8 m 1.3.4 Xác định hệ số cấp nhiệt từ dòng sản phẩm đáy đến thành ống Nhiệt độ trung bình dịng sản phẩm đáy ttb1 = (98,3 + 60)/2 = 79,150C, ta có: ρW = 972 kg/m3 µW = 0,357.10-3 Ns.m2 CW = 4199 J/kg độ λW = 0,672 W/m2.độ - Đường kính tương đương khoảng ngồi ống: D − n∗d2 0,8 − 169 ∗ 0,032 dtđ = tr = = 0,075 m Dtr + n ∗ d 0,8 + 169 ∗ 0,032 - Tiết diện ngang khoảng ống là: S= π ∗ (D2tr – n ∗ d2) 48 = 3,1416 ∗ (0,82 – 169 ∗ 0,0322) = 0,367 m2 - Tốc độ chảy dòng sản phẩm đỉnh: w= W 3600 ∗ ρW ∗ S 1191,77 = 3600 ∗ 4199 ∗ 0,367 = 2,15.10-4 m/s - Chuẩn số Nu: ε2 : hệ số hiệu chỉnh tra theo (Bảng V.2, 15, [2]) - Tính tổng số Re: w ∗ d td ∗ ρ 2,15.10 -4 ∗ 0,075 ∗ 972 = Re = = 43,9 µW 0,357.10 −3 (CT V.36, 13, [2]) 10 < Re < 2000: chế độ chảy tầng - Tính chuần số Pr : + Chọn ∆t1 = 13 0C → tt1 = t1tb - ∆t1 = 79,15 - 13 = 66,15 0C Tra (Hình V.12, 12, [2]): Prt = 2,6 CW ∗ µW 4199 ∗ 0,357.10 −3 = = 2,23 + Pr = λW 0,672 (CT V.35, 12, [2]) - Chuẩn số Gr: β: hệ số giản nở thể tích, β = 0,63.10-3 (1/ độ) tra (Bảng 33, 420, [4]) g ∗ d td ∗ ρ D ∗ β ∗ ∆t1 Gr = → Gr = µD 9,81 ∗ 0,075 ∗ 972 ∗ 0,63.10 −3 ∗ 13 = 272,8.106 (0,357.10 −3 ) - Chuẩn số Nu: + ε1: hệ số hiệu chỉnh tra theo (Bảng V.2, 15, [2]) (l/d > 50 nên chọn ε1 = 1) Nu = 0,15 ∗ ε1 ∗ Re0.33 ∗ Pr0.43 ∗ Gr0.1 ∗ (Pr/Prt )0.25 →Nu = 0,15 ∗ ∗ 43,90,33 ∗ 2,230,43 ∗ (227,8 ∗ 106)0,1 ∗ (2,23/2,6)0,25 = 4,864 - Hệ số cấp nhiệt 49 α1 = Nu ∗ λW 4,864 ∗ 0,672 = = 43,58 W/m2.độ d td 0,075 (Trang 17, [2]) 1.3.5 Xác định hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến hổn hợp đầu ttb2 = (55 + 30)/2 = 42,50C, tra thơng số: ρF =920,3 kg/m3 µF = 1,06.10-3 Ns.m2 CF = 3690 J/kg.độ λF = 0,514 W/m2.độ - Vận tốc nước ống: Gn3 2.10 / 3600 = = 6,73.10 w= (m/s) π 3,1416 ρ N ∗ n ∗ ∗ d 920,31 ∗ 169 ∗ ∗ 0,026 4 - Tính chuần số Re : w ∗ d ∗ ρ 6,73.10 ∗ 0,026 ∗ 920,31 = Re = = 214,71 (CT V.36, 13, [2]) µ 1,06.10 −3 10 < Re 50 nên chọn ε2 = 1) + Nu = 0,15 ∗ ε2 ∗ Re0.33 ∗ Pr0.43 ∗ Gr0.1 ∗ (Pr/Prt )0.25 50 (CT V.45, 17, [2]) = 0,15 ∗ ∗ 214,710,33 ∗ 7,610,43 ∗ (0,741.106)0,1 ∗ (7,61/15)0.,25 = 6,885 - Hệ số cấp nhiệt α2 = Nu ∗ λF 6,885 ∗ 0,514 = = 110,59 W/m2.độ (Trang 17, [2]) d 0,032 1.3.6 Nhiệt tải riêng - q1 = α1 ∗ ∆t1 = 43,58 ∗ 13 = 566,54 W/m2 (CT VIII.11a, 234, [3]) - q2 = α2 ∗ ∆t2 = 110,59 ∗ = 552,95 W/m2 (CT VIII.11c, 235, [3]) Sai số q1 q2: q1 − q 566,54 − 552,95 = = 0,024 < 0.05 (thõa) q1 566,54 1.3.7 Hệ số truyền nhiệt δ 1 K = [ α + r1 + λ + r2 + α ]-1 (CT V.5, 3, [2]) λ = λCu = 93 W/m2.độ δ = mm = 0,003 m Hệ số cáu bẩn nước bẩn r1 = 0,387.10-3 W/m2.độ Hệ số cáu bẩn nước thường r2 = 0,464.10-3 W/m2.độ (Bảng V.1, 4, [2]) 0,003 −3 −3 → K = [ 43,38 + 0,387.10 + 93 + 04464.10 + 110,59 ]-1 = 30,421 W/m2.độ 1.3.8 Bề mặt truyền nhiệt Q F = K ∗ ∆t = log 53239,6 = 48,29 m2 30,421 ∗ 36,24 (CT VIII.4, 232, [3]) 1.3.9 Chiều dài ống F 6,547 L = n ∗ π ∗ d = 169 ∗ 3,1416 ∗ 0,032 = 2,842 m h 51 (CT VIII.19, 236, [3]) 1.4 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 1.4.1 Điều kiện nhiệt độ trình 119,60C 119,60C 83,20C 550C Chênh lệch nhiệt độ đầu nhỏ: ∆tN = 119,6 – 83,2 = 36,40C Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn: ∆tL = 119,6 – 55 = 64,6 0C Hiệu số nhiệt độ trung bình : ∆tlog = 64,6 − 36,4 = 49,2 64,6 C ln 36,4 (CT V.8, 5, [2]) 1.4.2 Nhiệt tải Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng nhập liệu QD2 = 2.10 ∗ 3968(83,2 − 55) = 62165,3 J/s 3600 1.4.3 Chọn thiết bị Chọn loại thiết bị ống chùm, đặt nằm ngang vật liệu đồng thau, hệ số dẫn nhiệt λ = 93 W/m0C (Bảng XII.16, 318, [2]) Thiết bị gồm 61 ống, xếp thành hình sáu cạnh, số ống vịng ngồi 18 ống Chọn đường kính ngồi ống dh = 0,025m, loại ống 25*2mm Đường kính thiết bị : Dtr = t ∗ (b –1) +4 ∗ dh (CT V.140, 49, [2]) t : bước ống, chọn t =1,5 ∗ dh =1,5 ∗ 0,025 = 0,0375 m b = 2∗ a - = 2∗ - = (CT V.139, 48, [2]) 52 (a = 4: số ống cạnh hình sáu cạnh ngồi cùng) ⇒ Dtr = 0,0375 ∗ (9 - 1) + ∗ 0,025 = 0,4 m 1.4.4 Xác định hệ số cấp nhiệt từ nước đến thành ống Ở nhiệt độ trung bình dịng nóng tt1 = 119,6 0C, ta tra thơng số: ρN =943,3 kg/m3 µ N= 0,233.10-3 Ns.m2 r N= 2208.10-3 λN = 0,685 W/m.độ Dtr − n.d 0,42 − 61 ∗ 0,025 dtd = = = 0,072 m Dtr + n.d 0,42 + 61 ∗ 0,025 Chọn ∆t1 = 0,50C - Hệ số cấp nhiệt α1 = 1.28 ∗ r ∗ ρ ∗ λ3 2208.10 ∗ 9433 ∗ 0,685 = 1,28 ∗ (CT V.111, 30, [2]) µ ∗ ∆t1 ∗ d td 0,233.10 −3 ∗ 0,5 ∗ 0,072 = 21665,51 (W/m2.độ ) - Hệ số cấp nhiệt trung bình chùm ống αch = ε ∗ α1 (CT V.109, 31, [2]) Tra đồ thị (V.18, 29, [2]) ε = 0,76 → αch = 0,76 ∗ 21665,51 = 16465,79 W/m2.độ (CT V.109, 31, [2]) 1.4.5 Xác định hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nhập liệu - Nhiệt độ trung bình dịng lạnh ttb2 = (55 + 83,2)/2 = 69,10C, tra thông số: ρF = 937,58 kg/m3 µF = 0,579.10-3N.s/m2 λF = 0,565 W/m.K CF = 3968 J/kg.độ - Vận tốc nước ống: 2.103 = = 0,02 m/s w= π 3,1416 2 3600 ∗ ρ F ∗ n ∗ ∗ d 3600 ∗ 937,58 ∗ 61 ∗ ∗ 0,025 4 F - Tính tổng số Re: w.d ρ F Re = µ F = 0,02 ∗ 0,025 ∗ 937,58 = 809,655 0,579.10 −3 53 (CT V.36, 13, [2]) 10 < Re 50 nên chọn ε2 = 1) Nu = 0,15 ∗ ε1 ∗ Re0.33 ∗ Pr0.43 ∗ Gr0.1 ∗ (Pr/Prt )0.25 (CT V.45, 17, [2]) = 0,15 ∗ ∗ 809,6550,,33 ∗ 4,070,43 ∗ (12,008.106)0.,1 ∗ (4,07/3,7)0,.25 = 12,98 - Hệ số cấp nhiệt α2 = Nu ∗ λ F 12,98 ∗ 0,505 = = 193,35 W/m2.độ d 0,025 Trang 17, [2]) 1.4.6 Nhiệt tải riêng q1 = αch ∗ ∆t1 = 16465,79 ∗ 0,5 = 8232,894 W/m2 (CT VIII.11a, 234, [3]) q2 = α2 ∗ ∆t2 = 293,35 ∗ 27 = 7920,45 W/m2 (CT VIII.11c, 235, [3]) Sai số q1 q2: q1 − q2 = 0,039 < 0,05 ( 5% ) q1 (CT VIII.12, 235, [3]) 1.4.7 Hệ số truyền nhiệt δ K = [ α + r1 + λ + r2 + α ]-1 (CT V.5, 3, [2]) λ = λCu = 93 W/m2.độ δ = mm = 0,002 m Hệ số cáu bẩn nước bẩn r1 = 0,387.10-3 W/m2.độ 54 Hệ số cáu bẩn nước thường r2 = 0,464.10-3 W/m2.độ (Bảng V.1, 4, [2]) 0,002 −3 −3 → K = [ 21665 ∗ 51 + 0,387.10 + 93 + 0,464.10 + 293,35 ]-1 = 231,1 W/m2.độ 1.4.8 Bề mặt truyền nhiệt Q 62165,3 F = K ∆t = 1231,1 ∗ 49,2 = 5,47 m2 log (CT VIII.4, 232, [3]) 1.4.9 Chiều dài ống F 4,324 L = n.π d = 61 ∗ 3,1416 ∗ 0,025 = 1,14 m h 55 (CT VIII.19, 236, [3]) PHẦN VI: TỔNG KẾT KẾT QUẢ TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT Phần mol Lưu lượng (kg/h) Lưu lượng (kmol/h) Hỗn hợp đầu 0,15 2000 90,09 Sản phẩm đỉnh 0,80 670,6 16,6 Sản phẩm đáy 0,32 1329,6 73,5 Sản phẩm X(phần mol) Y(phần mol) T0điểm sôi F 0,15 0,487 84,85 P 0,80 0,818 78,6 W 0,0032 0,021 99,94 - Số mâm thực tế Ntt= 29 mâm - Tỉ số hồn lưu thích hợp Rx= 1.99 TÍNH TỐN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT -Đường kính tồn tháp : Dt = 0,8 (m) -Đường kính đoạn luyện:0,73 (m) -Đường kính đoạn chưng:0,628 (m) -Chiều cao tháp: 10,058 (m) -Trở lực tồm tháp:19406,82(N/m2) -Tháp làm thép khơng gỉ, ký hiệu X18H10T - Bề dày thân tháp: 3mm -Đáy nắp chọn đáy nắp có dạng hình ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm thép X18H10T Chiều cao gờ: hgờ = 50 mm, Bề dày: S = 3mm -Ống nhập liệu: d=100mm -Ống đỉnh tháp d=200mm -Ống hoàn lưu d=010mm -Ống dẫn lỏng khỏi đáy 50mm TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ 56 -Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: thiết bị gồm 127 ống, xếp thành hình cạnh,số vịng ngồi 43 ống, đường kính ngồi ống d n =0,032, loại ống 32*3mm,đường kính thiết bị dtr = 1,328 - Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: thiết bị gồm 169 ống, xếp thành hình cạnh,số vịng ngồi 43 ống, đường kính ngồi ống dn =0,032, loại ống 32*3mm,đường kính thiết bị dtr = 0,8 - Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: thiết bị gồm 169 ống, xếp thành hình cạnh,số vịng ngồi 43 ống, đường kính ngồi ống d n =0,032, loại ống 32*3mm,đường kính thiết bị dtr = 0,8 - Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: thiết bị gồm 61 ống, xếp thành hình cạnh,số vịng ngồi 18 ống, đường kính ngồi ống d n =0,025, loại ống 25*2mm,đường kính thiết bị dtr = 0,4 KẾT LUẬN: Sau nghiên cứu, em tìm hiểu học tập vấn đề: + Thiết kế tháp chưng cất Etanol – Nước tương đối hoàn chỉnh biết trước suất, nồng độ nhập liệu nồng độ, độ thu hồi sản phẩm đỉnh + Tính tốn tương đối chi tiết q trình làm việc thiết bịvà khả chịu bền thiết bị tính ăn mịn học hoá học, điều kiện làm việc thiết bị 57 PHẦN VII: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất (tập 1) - Nhà xuất khoa học kỹ thuật [2] Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất (tập 2) - Nhà xuất khoa học kỹ thuật [3] Phan Văn Thơm - Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất chế biến thực thực phẩm đa dụng (Xuất năm 1992) [4] Phạm Văn Bơn, Vũ Bá Minh, Hồng Minh Nam - Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học, Ví dụ tập (Tập 10) - Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM 58 MỤC LỤC PHẦN V: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 40 PHẦN VI: TỔNG KẾT KẾT QUẢ TÍNH TỐN .56 PHẦN VII: TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 59 ... lượng Etanol sản phẩm đáy xF: nồng độ phần mol Etanol hỗn hợp đầu xP: nồng độ phần mol Etanol sản phẩm đỉnh xW: nồng độ phần mol Etanol sản phẩm đáy Kí hiệu A: Etanol với MA = 46 B: Nước với MB... cơng nghệ chưng cất hệ Etanol – nước: Chú thích kí hiệu qui trình: Bơm Bồn cao vị Thiết bị gia nhiệt Lưu lượng kế Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh. .. P: lượng sản phẩm đỉnh (kg/ngày) (kg/h) W: lượng sản phẩm đáy (kg/ngày) (kg/h) aF: nồng độ phần khối lượng Etanol hỗn hợp đầu aP: nồng độ phần khối lượng Etanol sản phẩm đỉnh aW: nồng độ phần