Đang tải... (xem toàn văn)
LỜI MỞ ĐẦU 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 tương lai ngành công nghệ thực phẩm . Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu 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 : 1500 kgh có nồng độ 15% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 80% mol etanol với hiệu suất thu hồi etanol là 99%.Tuy đã cố gắng nhiều nhưng với điều kiện và năng lực còn hạn chế nên chắc chắn bài làm đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót, mong thầy cô trong khoa và các bạn đọc đóng góp ý kiến để báo cáo ngày càng hoàn thiện
Đồ Án Môn Học LỜI MỞ ĐẦU Đồ án môn học Q trình Thiết bị mơn học mang tính tổng hợp q trình học tập kỹ sư tương lai ngành công nghệ thực phẩm Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: u cầu cơng nghệ, kết cấu 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 : 1500 kg/h có nồng độ 15% mol etanol ,thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 80% mol etanol với hiệu suất thu hồi etanol 99% Tuy cố gắng nhiều với điều kiện lực hạn chế nên chắn làm đồ án cịn nhiều thiếu sót, mong thầy khoa bạn đọc đóng góp ý kiến để báo cáo ngày hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa,giáo viên hướng dẫn bạn nhiệt tình giúp đỡ trình thực đồ án Đồ Án Môn Học CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ THỰC HIỆN I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: Phương pháp chưng cất : Chưng cất trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng (hay nhiệt độ sôi khác áp suất), cách lặp lặp lại nhiều lần q trình bay ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất trình dung mơi chất tan bay hơi, cịn đặc q trình có dung mơi bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có hệ cấu tử ta thu sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé(nhiệt độ sơi lớn) Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol nước,ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước etanol Các phương pháp chưng cất phân loại theo: • Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường áp suất cao Nguyên tắc phương pháp dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, nhiệt độ sôi cấu tử cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sơi cấu tử • Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) liên tục * Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp sử dụng trường hợp sau: + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Khơng địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao + Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay + Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử * Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) q trình thực liên tục, nghịch dịng, nhều đoạn • Phương pháp cất nhiệt đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp nước thường áp dụng trường hợp chất tách không tan nước Đồ Án Môn Học Vậy: hệ Etanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp chúng có u 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 ,các 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 xuyên lỗ: mâm bố trí lỗ có đường kính (3-12)mm • 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: Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Hiệu suất tương đối cao - Hiệu suất cao - Hoạt động ổn định - Hoạt động ổn định - Làm việc với chất lỏng bẩn - Hiệu suất thấp - Trở lực cao - Cấu tạo phức tạp - Yêu cầu lắp đặt khắt khe -> lắp đĩa thật - Độ ổn định phẳng - Trở lực lớn - Không làm việc với - Thiết bị nặng 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 Đồ Án Môn Học Vậy: Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp đáy tháp II GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU : Nguyên liệu hỗn hợp Etanol - Nước 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 H 2SO4, 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 Al2O3 + Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3to C2H5-NH2 + H2O Đồ Án Môn Học + Phản ứng tạo eter tách loại nước: 2CH3-CH2-OH CH3-CH2-OH H2SO4 >150oC H2SO4 >150oC (CH3-CH2)2O + H2O CH2=CH2 + H2O * 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: công nghiệp nặng, y tế dược, quốc phịng, giao thơng 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 Nhiên liệu + Động lực + Thuốc trừ sâu + Thuốc súng khơng khói + Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay Etanol + Đồ nhựa + Keo dán + Hương liệu + Thuốc nhuộm + Tơ nhân tạo + Sát trùng + Pha chế thuốc + Sơn + Vecni Sơ đồ tóm tắt vị trí etanol ngành công nghiệp Đồ Án Môn Học Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hố etylen với xúc tác H2SO4; 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: Nấm men C6H6O6 2C2H5OH + 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…) Nước: Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng không màu, không mùi, không 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 d4 c : g / ml Nhiệt độ nóng chảy : 0C Nhiệt độ sôi : 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 mơi quan trọng kỹ thuật hóa học Hỗn hợp 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 Bảng 1: Thành phần lỏng (x) (y) nhiệt độ x y t 0 100 33.2 90.5 10 44.2 86.5 20 53.1 83.2 30 57.6 81.7 40 61.4 80.8 50 64.4 80 60 69.9 79.4 Hình 1: Đường cân hệ etanol – nước 70 75.3 79 80 81.8 78.6 90 89.8 78.4 100 100 78.4 Đồ Án Môn Học Hình 1: Đường cân hệ etanol – nước III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC: Etanol chất lỏng tan vô hạn H2O, nhiệt độ sôi 78,30C 760mmHg, nhiệt độ sôi nước 100oC 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: Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bồn cao vị Lưu lượng kế Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy Thiết bị gia nhiệt nhập liệu Bẩy Tháp chưng cất Nhiệt kế 10 Áp kế Đồ Án Môn Học 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 dịng Đồ Án Mơn Học * Thuyết minh qui trình cơng nghệ: Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ khoảng 280C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (5) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ) Sau đó, hỗn hợp đun sơi đến nhiệt độ sôi thiết bị gia nhiệt(6), hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (8) 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 (12) lôi cấu tử dễ bay hơi.Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sơi cao nước ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều (có nồng độ 85% phân mol) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (11) ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (13), làm nguội đến 35 0C , đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14) 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 sơi 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 0,11 % phân mol, lại nước Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (12) 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 thiết bị (5) (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 có nhiệt độ 600C thải bỏ Đồ Án Môn Học CHƯƠNG II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT I THƠNG SỐ BAN ĐẦU Gọi 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) hoặc(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 kg/kmol B: Nước với MB = 18 kg/kmol Theo yêu ban đầu F = 1500 kg/h II TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU 2.1 Cơng thức liên hệ nồng độ phần mol & nồng độ phần khối lượng Thành phần khối lượng hỗn hợp đầu aF = = M A ∗ xF M A ∗ x F + (1 − x F ) ∗ M B 46 ∗ 0.15 = 0.31 46 ∗ 0.15 + (1 − 0.15) ∗18 ( kg/kg) Thành phần khối lượng sản phẩm đỉnh aP = = M A ∗ xP M A ∗ x P + (1 − x F ) ∗ M B 46 ∗ 0.80 = 0.91 46 ∗ 0.80 + (1 − 0.80) ∗18 Thành phần mol sản phẩm đáy aw MA xw = aw − aw + MA MB 10 ( kg/kg) Đồ Án Môn Học Chiều dài ống L= F 30.45 = = 1.62 m (CT VIII.19, 236, [3]) n ∗ π ∗ d h 187 ∗ 3,1416 ∗ 0, 032 Chọn L = 1.7 m Tóm lại : Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: Thiết bị ống chùm có: đường kính thiết bị D = 0.8 (m), số ống n = 187 ống Chiều dài ống L =1.7 (m), đường kính d = 0.032 (m) Nước ống, dịng sản phẩm đỉnh ngồi ống , thiết bị đặt nằm ngang IV.Thiết bị làm nguội sản phảm đáy Điều kiện nhiệt độ trình : 1000C 400C 330C 270C Chênh lệch nhiệt độ đầu nhỏ : ∆tn = 33 –27= 0C Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn : ∆tL = 100 – 40 = 60 0C Hiệu số nhiệt độ trung bình : ∆t log = 60 − = 23.45 60 C ln Nhiệt tải : Nhiệt lượng cần thiết để làm nguội sản phẩm đỉnh ( tính phần cân nhiệt ): 63 Đồ Án Môn Học Q1N = GN3*CN*(t2 – t1) = 1.35*4145.4 *(40 – 27) = 72225.27(W) 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/h.độ) Theo ( Bảng V.11, trang 48, [2]) Bảng 13: Số ống thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm Sắp xếp theo hình sáu cạnh Số hình sáu Số ống cạnh đường xuyên tâm hình sáu cạnh 15 Tổng số ống Tổng số ống thiết bị không kể ống hình viên phân 169 187 Chọn đường kính ngồi ống dh = 0.032m, loại ống 32x3mm + Đường kính thiết bị : Dtr =t.(b –1) +4*dh t : bước ống, chọn t =1.5*dh =1.5*0.032 = 0.048 (m) b : Số ống đường xuyên tâm hình sáu cạnh, b = 15 ⇒ Dtr = 0.048*(15-1) + 4*0.032 = 0.8 (m) Xác định hệ số cấp nhiệt từ dòng sản phẩm đỉnh đến thành ống - Nhiệt độ trung bình dịng sản phẩm đỉnh t tb1 = (100 + 33)/2 = 66.5, ta có: ρW = 972 kg/m3 µW = 0,357.10-3 Ns.m2 CW = 4150 J/kg độ λW = 0,672 W/m2.độ - Đường kính tương đương khoảng ngồi ống : dtđ = Dtr − n * d 0.82 − 187 * 0.0322 = = 0.066 (m) Dtr + n * d 0.8 + 187 * 0.032 - Tiết diện ngang khoảng ống : π *(D2tr – n*d2) 3.1416 = *(0.82 – 187*0.0322) = 0.352 m2 S= 64 Đồ Án Môn Học - Tốc độ chảy dòng sản phẩm đỉnh : w= = W 3600 * ρW * S 994.1 = 0.81*10-3 (m/s) 3600 * 972 * 352 - Tính chuẩn số Re : w * dtd * ρ 0.81*10−3 *0.066*972 = Re = = 145.55 µW 0.357*10−3 (CT V.36, trang 13, [2]) 10 < Re < 2000 : chế độ chảy tầng - Tính chuẩn số Pr : + Chọn ∆t1 = 19 0C → tt1 = t1tb - ∆t1 = 65.5 - 19 = 46.5 0C Tra hình V.12 trang 12 Sổ tay tập hai : Prt = 11 CW * µW 4150*0.357 *10−3 = = 2.2 + Pr = λW 0.672 (CT V.35, trang 12, [2]) - Chuẩn số Gr : β : hệ số giãn nở thể tích, β = 0.63 *10-3 (1/độ) (Bảng 33, 420, [4]) g * d td * ρ D * β * ∆t1 µD Gr = → Gr = 9,81 ∗ 0, 0663 ∗ 972 ∗ 0, 63.10 −3 ∗19 = 250.26*106 −3 (0,357.10 ) - Chuẩn số Nu : + ε1 : hệ số hiệu chỉnh (Bảng V.2, trang 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*1*145.550.33*2.2 0.43*(250.26*106)0.1*(2.2 /11)0.25 = 5.037 - Hệ số cấp nhiệt α1 = Nu * λW 5.037 *0.666 = = 51.3 (W/m2.độ ) dtd 0.066 Xác định hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nước : ttb2 = (40 + 27) = 33.5 0C , tra thông số : ρN =993.95 (Kg/m3) µN = 0.75*10-3(Ns.m2) CN = 4176.625 (J/kg.độ) 65 Đồ Án Môn Học λN = 0.627 (W/m2.độ) - Vận tốc nước ống : Gn 0.387 = = 2.59 w = ρ * n * π * d 993.95 *187 * 3.1416 * 0.0322 (m/s) N 4 - Tính chuẩn số Re : w * d * ρ 2.57 * 0.032 * 993.95 = Re = = 109.847 µ 0.75 * 10− 10 < Re 50 nên chọn ε2 = 1) + Nu = 0.15* ε2* Re0.33 * Pr0.43 *Gr0.1*(Pr/Prt )0.25 = 0.15*1*109.8470.33*4.9960.43*(5.28*106)0.1*(4.996/12)0.25 = 5.335 - Hệ số cấp nhiệt α2 = Nu * λ 5.335*0.625 = = 104.206 (W/m2.độ ) d 0.032 Nhiệt tải riêng : - q1 = α1* ∆t1 = 51.3 *19 = 974.52 (W/m2) - q2 = α2* ∆t2 = 104.206*9 = 937.86 (W/m2) Sai số q1 q2 : q1 − q2 974.52 − 937.86 = = 0.037 < 0.05 q1 937.86 66 Đồ Án Môn Học Hệ số truyền nhiệt K=[ δ -1 + r1 + + r2 + ] α1 λ α2 λ = λCu = 93 (W/m2.độ) δ = (mm)= 0.003 (m) Xem hệ số cáu bẩn nước bẩn r1 = 0.387*10-3 (W/m2.độ) Xem hệ số cáu bẩn nước thường r2 = 0.464*10-3 (W/m2.độ) (Bảng V.1, 4, [2]) 0.003 + 0.387 *10 −3 + + 0.464*10 −3 + ]-1 51.3 93 104.206 →K=[ = 33.36 (W/m2.độ ) Bề mặt truyền nhiệt Q F = K ∗ ∆t = log 72225.27 = 9.7 m2 (CT VIII.4, trang 232, [3]) 33.36 ∗ 22.292 Chiều dài ống L= F 9.7 = = 0.58 n ∗ π ∗ d h 187 ∗ 3,1416 ∗ 0, 032 Chọn L = 0.6 (m) Tóm lại : Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: Thiết bị ống chùm có: đường kính thiết bị D = 0.8 (m), số ống n = 187 ống Chiều dài ống L = 0.6 (m), đường kính d = 0.032 (m) Nước ống, dòng sản phẩm đỉnh ống , thiết bị đặt nằm ngang V Tính bồn cao vị bơm Tính bồn cao vị: Ta thiết kế đường ống dẫn hỗn hợp từ bồn cao vị chảy đến cửa nạp liệu có đường kính bằng đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu d = 100 mm = 0.1m Hỗn hợp đầu nhiệt độ 250C có khối lượng riêng: ρ 25 = F aF 1− a 0.31 − 0.31 + 25 F = + = 1.025 * 10 −3 25 932 996.5 ρ A ρ B ρ 25 A = 932 kg/m3 ρ 25 B = 996.5 kg/m3 25 ρ F = 975.57 kg/m3 67 Đồ Án Môn Học Như vậy, vận tốc lỏng là: w= 4* F * 1500 = = 0.054 (m/s ) ρ *π * d 975.57 * π * 0.12 * 3600 Cơng thức tính chiều cao bồn cao vị so với cửa nạp liệu: h= ∆Pd + ∆Pm + ∆Pc + ∆Ptt ρ*g a) Áp suất động học ∆ Pđ: áp suất động lực học áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy khỏi ống dẫn: ρ *ω ∆Pd = ( N/m2 ) ρ : khối lượng riêng hỗn hợp 250C ω : vận tốc hỗn hợp chảy ống Vậy: ∆Pd = 975.57 * 054 = 1.42 ( N/m2 ) b) Áp suất khắc phục trở lực ma sát ∆Pm : Áp suất để khắc phục trở lực ma sát dòng chảy ổn định ống: L ρ *ω ∆Pm = λ * * dtd Trong đó: L: chiều dài ống dẫn, chọ L = 10 ( m ) Dtd: đường kính ống dẫn, d = 0.1 ( m ) ω : vận tốc hỗn hợp chảy ống λ :hệ số ma sát phục thuộc vào độ nhẵn thành ống chế độ chảy chất lỏng, phụ thuộc vào Re: Re = ω *d * ρ µ ( CT II.58, trang 377, [1]) µ F : độ nhớt hỗn hợp đầu 250C, tính: aF = 0.31 phần khối lượng, tF = 25oC dựa vào toán đồ để xác định độ nhớt dung dịch rượu etylic nước ( Bảng I.109, trang 106, [1]) µ F = 0.76 Ns/m2 68 Đồ Án Môn Học Re = 0.054 * 0.1 * 975.57 = 6.967 0.76 Chế độ chảy dịng - Tính Regh: d Regh = * ( ) ε ( CT II.60, trang 378, [1]) Với ε :độ nhám tuyệt đối, tra bảng II-5; trang 381; [1]) với điều kiện ống không hàn: ε = 0.08 ( mm ) = 0.08*10-3 ( m ) Regh = * ( 0.1 ) = 3461 −3 0.08 * 10 Ta có: Re = 1.7 < 2300 λ= A Re Theo (bảng II-10; Trang 378; [1]) λ= 64 = 9.186 6.967 L ρ *ω ∆Pm = λ * * ( N/m2 ) dtd ∆Pm = 9.186 * 10 * 1.42 = 1304.41 N/m2 0.1 c) Áp suất khắc phục trở lực cục bộ: ∆Pc = ξ * ω2 * ρ Trên đường từ bồn cao vị đến đĩa nạp liệu, ta bố trí van ống trịn có hệ số trở lực ξ1 , khúc ngoặc 900do hai khuỷu 450 tạo thành hệ số trở lực ξ Van đơn giản ống trịn có ξ1 tương ứng với độ mở van 50% ξ1 = 2.1 ( tra bảng II-16; Trang 398; [1]) Khuỷu ghép 900 hai khuỷu 450 tạo thành, Theo bảng II-16; Trang 394; [1]), chọn a/b = 1, ta ξ = 0.38 ω2 * ρ ∆PC = ζ * = ∑ ζ * ∆Pd 69 N/m2 Đồ Án Môn Học ∆PC = (2.1+0.38)*1.42 = 3.5216 N/m2 d) Áp suất khắc phục trở lực qua thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu: Thường chọn ∆Ptt = 0.4*105 ( N/m ) Như chiều cao thùng cao vị là: h= ∆Pd + ∆Pm + ∆PC + ∆Ptt 1.42 + 1304.41 + 3.5216 + * 10 = = 4.38 m ρ*g 975.57 * 9.81 Tháp cao 14 m vị trí nạp liệu nằm gần tháp Vì để đảm bảo an toàn thỏa mãn yêu cầu đặt cho bồn cao vị Ta chọn chiều cao bồn cao vị so với vị trí thùng chứa hỗn hợp đầu la 10 m Tính bơm - Chọn bơm ly tâm - Công suất bơm lượng tiêu hao để tạo lưu lượng Q cột áp bơm - Công suất bơm tính theo công thức: N= QHρg ( KW ) 1000η Trong đó: tf = 250C có ρ hh = 962.75(Kg/m3) Q: suất bơm, m3/s Q= GF 1500 = = 0.432*10−3 (m3 / s) 3600* ρ hh 3600*962.75 H: áp suất toàn phần bơm, mH2O ρ hh - khối lượng riêng khối chất lỏng, Kg/m3 η hiệu suất bơm, chọn η = 75% Áp suất toàn phần bơm xác định theo công thức: H= p − p1 + H + ∆H ρg Hay: H = H1 + H2 + H3 + H4 + H5 ( mH2O ) a) Cột áp khắc phục chiều cao nâng hình học H1 = Z2 – Z1 Z1: chiều cao hút, chọn Z1 = Z2: chiều cao đẩy, chọn Z2 = m ⇒ H1= – = mH2O b) Cột áp để khắc phục chênh lệch hai đầu ống hút đẩy 70 Đồ Án Mơn Học H2 = p − p1 , mH O ρg p1: áp suất đầu ống hút, N/m2; p1 = 1at = 98100 N/m2 p2: áp suất đầu ống đẩy, N/m2; p2 = 2at = 196200 N/m2 ⇒ H2 = 196200 − 98100 = 11.515( mH 2O) 962.75*9.81 c) Cột áp để khắc phục trở lực ống hút đẩy: v12 l H3 = (λ1 + ∑ ξ h ) 2g d1 H4 = v2 l (λ 2 + ∑ ξ d ) 2g d2 Trong đó: λ1 , λ21 : hệ số ma sát ống hút đẩy, λ1 = λ2 = λ Tính λ : vdρ - Chuẩn số Re ống: Re = µ µ = 0.737.10-3 Pa.s Trong đó: d: dường kính ống hút đẩy, chọn d = 0.04m v: vận tốc chất lỏng chảy ống hút đẩy, m/s v= ⇒ Re = Q 0, 432*10 −3 * = = 0,343( m / s ) S 3,1416*0, 042 0.343*0, 04*962.75 = 7454.25 1, 772*10−3 λ= 0.3164 0.3164 = = 0.034 0.25 Re 7454.250.25 l1, d1, l2, d2: chiều dài đường kính ống hút ống đẩy, m Ta chọn: l1 = 0.2 m d1 = 0.04 m l2= m d2= 0,04 m v1, v2: vận tốc chất lỏng ống hút ống đẩy, m/s v1 = v2 = 0.343 ( m/s ) ∑ξ , ∑ξ h ∑ξ = ξ d : tổng hệ số trở lực cục ống hút đẩy + A Re ξ A: hệ số tra ( bảng V-5; trang 40; [1]) 71 Đồ Án Mơn Học + Ống hút: khóa van ξ = vaø A = 4000 ∑ξ h =4 + 4000 = 4.52 7454.25 + Ống đẩy: khuỷu cong ξ = 0,2 A = 130 khóa van: ξ = A = 4000 ∑ξ H3 = d = 4*(0.2 + 130 4000 ) + (4 + ) = 5.4 7454.25 7454.25 v12 l 0.3432 0.2 (λ1 + ∑ ξ h ) = (0,034* + 4.52) = 0.028( mH 2O ) 2g d1 2*9.81 0.04 H4 = v2 l 0.3432 (λ2 + ∑ ξ d ) = (0.034* + 5.4) = 0.073(mH 2O ) 2g d2 2*9.81 0.04 Cột áp để khắc phục động ống hút ống đẩy: H5 = v2 − v1 =0 2g Vaäy H = + 11.515 + 0.028 + 0.0473 + = 15.6 ( mH2O ) - Coâng suất bơm: Q * H * ρ * g 0, 432*10−3 *15.6*962.25*9.81 N= = = 0.08( KW ) 1000*η 1000*0, 75 Vậy chọn bơm có công suất: N = 0.08 ( KW ) 72 Đồ Án Môn Học CHƯƠNG VI: TỔNG KẾT CÁC KẾT QUẢ Chương II: Cân vật chất Bảng tổng kết thành phần sản phẩm Phần khối lượng Hỗn hợp đầu F Sản phẩm đỉnh P Sản phẩm đáy W Phần mol Lưu lượng (kg/h) Lưu lượng (kmol/h) 31% 91% 0.465% 15% 80% 0.18% 1500 505.9 994.1 67.57 12.52 55.07 Nồng độ phần mol nhiệt độ điểm sôi hỗn hợp Sản phẩm F P W x (phần mol) 0.15 0.80 0.0018 y (phần mol) 0.4865 0.818 0.012 t0 điểm sôi 85 78.6 100 - Phương trình đường nộng độ làm việc đoạn luyện: y = 0.6*x + 0.318 - Phương trình đường nộng độ làm việc đoạn chưng: y = 2.75*x + 3.15*10-3 - Chỉ số hồi lưu tối thiểu : RXmin =0.93 - Chỉ số hồi lưu thích hợp : Rx = 1.51 - Số đĩa lý thuyết NLT = 19 đĩa - Số đĩa thực tế: Ntt = 43 đĩa Số đĩa thực tế đoạn luyện: 34 đĩa Số đĩa thực tế đoạn chưng : đĩa Chương IV : Tính tốn thiết kế tháp chưng cất - Đường kính đoạn luyện 0.62 m Đường kính đoạn chưng là: 0.64 m Đường kính chung cho toàn tháp D = 0.70 m Chiều cao toàn tháp 14 m Tổng trở lực thủy lực tháp: 18654.1 (N/m2) Bề dày thân trụ tháp S = mm Bề dày đáy nắp thiết bị S = mm Đường kính ống dẫn đỉnh tháp vào thiết bị ngưng tụ dh = 100 mm 73 Đồ Án Mơn Học - Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu dF = 100 mm - Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy dW = 50 mm - Đường kính ống hồi lưu dRX = 50 mm Chương V: Tính tốn thiết bị phụ - Thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu: Thiết bị ống chùm có đường kính thiết bị D = 0.325 (m), số ống n = 37 ống Chiều dài ống L = 0.6 (m), đường kính d = 0.025 (m) - Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Thiết bị ống chùm có: đường kính thiết bị D = 0.8 (m), số ống n = 187 ống Chiều dài ống L = 1.7 (m), đường kính d = 0.032 (m) - Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: Thiết bị ống chùm có: đường kính thiết bị D = 0.8 (m), số ống n = 187 ống Chiều dài ống L =1.7 (m), đường kính d = 0.032 (m) - Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: Thiết bị ống chùm có: đường kính thiết bị D = 0.8 (m), số ống n = 187 ống Chiều dài ống L = 0.6 (m), đường kính d = 0.032 (m) Nước ống, dòng sản phẩm đỉnh ống , thiết bị đặt nằm ngang - Chiều cao bồn cao vị so với vị trí thùng chứa hỗn hợp đầu la 10 m - Bơm có cơng suất N = 0.08 KW KẾT LUẬN 74 Đồ Án Mơn Học Qua thời gian nghiên cứu, tính tốn với nổ lực thân giúp đỡ tận tình thầy giáo mơn, đặc biệt TS Đỗ Thị Bích Thủy Đến nay, em hồn thành đồ án mơn học giao với đề tài “ Chưng cất liên tục hỗn hợp Etanol – Nước tháp mâm xuyên lỗ” Trong q trình tính tốn khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong góp ý quý thầy cô Em xin chân thành cám ơn 75 Đồ Án Môn Học 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 76 Đồ Án Môn Học MỤC LỤC CHƯƠNG V TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 50 CHƯƠNG VI: TỔNG KẾT CÁC KẾT QUẢ .73 77 ... 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 kg/kmol B: Nước với. .. tử có độ bay bé(nhiệt độ sơi lớn) Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol nước, ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước etanol Các phương pháp chưng cất phân loại theo: • Áp suất. .. thái trung gian tháp chêm tháp mâm chóp Nên ta chọn tháp chưng cất tháp mâm xuyên lỗ Đồ Án Môn Học Vậy: Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục áp suất thường, cấp