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.
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị 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, 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 q trình học tập kỹ sư hố- thự c phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: u cầu cơng 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 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 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Phương pháp chưng cất : Chưng cất qua 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 trình bay - ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất q 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 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 sôi 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 sơi cấu tử q cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) liên tục * Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp đuợc sử dụng trường hợp sau: + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Không 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) trình thực liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn Phương pháp cất nhiệt đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp nước: thường áp dụng trường hợp chất tách không tan nước Vậy: hệ Etanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị 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 ,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 Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Ưu điểm: - Đơn giản - Hiệu suất tương đối cao - Hiệu suất cao - Hoạt động ổn - Trở lực thấp định - Hoạt động ổn định - Làm việc với chất lỏng bẩn Nhược điểm: - Hiệu suất thấp - Trở lực cao - Cấu tạo phức tạp - Yêu cầu lắp đặt khắt - Độ ổn định khe -> lắp đĩa thật 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 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 : Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị 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 thông 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 Lạnh tạo ester CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 H+ CH3-COO-C2H5 + H2O Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị * 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 + Phản ứng tạo eter tách loại nước: 2CH3-CH2-OH H2SO4 >150oC CH3-CH2-OH (CH3-CH2)2O H2SO4 >150oC Al2O3 to + C2H5-NH2 + H2O 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: công nghiệp nặng, y tế dược, quốc phịng, giao thơng vận tải, dệt, chế biến gỗ nơng nghiệp Đồ Án Q Trình Và Thiết Bị + 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 + Thuốc súng không khói + Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay Etano l + 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 cơng nghiệp Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen ester etanol đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hố 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 Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Khối lượng riêng d40 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 III CƠNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC: Etanol chất lỏng tan vô hạn H 2O, nhiệt độ sôi 78,30C 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 cô 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 a Sơ đồ qui trình cơng nghệ chưng cất hệ Etanol – nước: Chú thích: 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 không ngưng 14.Bồn chứa sản phẩm đáy 15.Áp kế 16 Nhiệt kế Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị b Thuyết minh quy trình cơng nghệ: Hỗn hợp Etanol - Nước có nồng độ Etanol 20 % ( phần khối lượng), nhiệt độ khoảng 280C bình chứa nguyên liệu (10) bơm (1) bơm lên bồn cao vị (2) Từ đưa đến thiết bị gia nhiệt (3) Ở đây, hỗn hợp đun sôi đến nhiệt độ sôi Sau đó, hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (5) đóa nhập liệu Trên đóa 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 Nhiệt độ lên thấp, nên qua đóa 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% mol) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (6) ngưng tụ phần (chỉ ngưng tụ hồi lưu) Một phần chất lỏng ngưng qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (7), làm nguội đến 35 0C, đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (8) Phần lại chất lỏng ngưng hồi lưu tháp đóa với tỷ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bốc hơi, lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay (nước) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ Etanol 0,0027 % ( phần mol ), lại nước Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp, phần đun, bốc nồi đun (9) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại trao đổi nhiệt với 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 Đồ Án Q Trình Và Thiết Bị CHƯƠNG II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU: Gọi: GF, F: suất lượng hỗn hợp đầu 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 x F : nồng độ hỗn hợp đầu ( phần mol) x D : nồng độ sản phẩm đỉnh (phần mol) x w : nồng độ sản phẩm đáy (phần mol) xi , xi : phần mol, phần khối lượng cấu tử i Theo yêu cầu ban đầu ta có: Năng suất nhập liệu : GF = 2000 (kg/h) Nồng độ nhập liệu : x F = 20% mol etanol Nồng độ sản phẩm đỉnh : x D = 80% mol etanol η = 99% Tỷ lệ thu hồi etanol Khối lượng riêng phân tử rượu nước: MR = 46, MN = 18 Chọn: + Nhiệt độ nhập liệu: t’F =28oC + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: t’D =35oC + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt: t’W = 60oC +Trạng thái nhập liệu trạng thái lỏng sôi II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY: Cân vật chất cho toàn tháp : F=D+W (II.1) Cân cấu tử etanol (cấu tử nhẹ) : F.xF = D.xD + W.xW (II.2) Tỷ lệ thu hồi( η = 99%): F.x F η = D.xD (II.3) Với : * Phần mol nhập liệu : xF = 0,2 (phần mol etanol ) xF = 46.x F = 0,389(phần khối lượng ) 46.x F + (1 − x F ).18 Khối lượng phân tử trung bình dịng nhập liệu : MF = 46.x F + (1 − x F ).18 = 23,6 (Kg/Kmol) GF F=M F 2000 = 23,6 = 84,746 (Kmol/h) Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị * Phần mol sản phẩm đỉnh : xD =0,8 (phần mol etanol) xD = 46.x D = 0,911 (phần khối lượng) 46.x D + (1 − x D ).18 Khối lượng phân tử trung bình dịng sản phẩm đỉnh: MD = 46.x D + (1 − x D ).18 = 40,4 (Kg/Kmol) Giải phương trình (II.1),(II.2),(II.3),ta có: D = 20,97 (Kmol/h) GD = D.MD = 847,188 (kg/h) W = 63,776 (Kmol/h) ⇒ GW =W.MW = 1152,815 (kg/h) xW = 0,0027 (phần mol etanol ) xw = 46.x w = 0,0068 (phần khối lượng) 46.x w + (1 − x w ).18 Suy , khối lượng phân tử trung bình dịng sản phẩm đáy: MW = 46.xW + (1 − xW ).18 = 18,076 (Kg/Kmol) Như ta có bảng tổng kết thành phần sau: Hỗn hợp đầu Phần khối lượng 38,9% 0,2 Suất lượng (kg/h) 2000 Suất lượng (kmol/h) 84,746 Sản phẩm đỉnh 91,1% 0,8 847,188 20,97 Sản phẩm đáy 0,68% 0,0027 1152,815 63,776 Phần mol Thành phần pha hỗn hợp hai cấu tử etanol – nước: Dựa vào bảng IX 2a/148 sổ tay QTTB&CNHH Tập II, thành phần cân lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp hai cấu tử 760mmHg 10 Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị 3.8 Bề mặt truyền nhiệt Q F = K ∆t = log 53430,8 = 39,66 m2 (CT VIII.4, trang 232, [3]) 30,382.44,34 3.9 Chiều dài ống F 39,66 L = n.π d = 169.3,14.0,032 = 2,336 m (CT VIII.19, trang 236, [3]) h Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 4.1 Điều kiện nhiệt độ trình 119,60C 119,60C 83,20C 280C Chênh lệch nhiệt độ đầu nhỏ: ∆tN = 119,6 – 83,2 = 36,40C Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn: ∆tL = 119,6 – 28 = 91,6 0C Hiệu số nhiệt độ trung bình : ∆t log = 91,6 − 36,4 = 59,8 91,6 C ln 36,4 (CT V.8, trang 5, tập 2) 4.2 Nhiệt tải Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng nhập liệu QD2 = 2719182360 J/h = 755328,43 J/s (tiếp theo phần cân nhiệt lượng) 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, trang 318, tập 2) 61 Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị 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, trang 49, tập 2) t : bước ống, chọn t =1,5.dh =1,5.0,025 = 0,0375 m b = 2.a - = 2.5 - = (CT V.139, trang 48, tập 2) (a = 4: số ống cạnh hình sáu cạnh ngồi cùng) ⇒ Dtr = 0,0375.(9 - 1) + 4.0,025 = 0,4 m 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 thông số: ρN =943,3 kg/m3 (Bảng I 2, trang 9, tập 1) µ N= 0,233.10-3 Ns.m2 (Bảng I 101, trang 92, tập 1) r N= 2208.10-3 (Bảng I 153, trang 172, tập 1) λN = 0,685 W/m.độ (Bảng I 130,trang 135, tập 1) 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 3.9433 2.0,685 = 1,28.4 (CT V.111, trang 30, tập 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, trang 31, tập 2) Tra đồ thị (V.18, trang 29, tập 2) ε = 0,76 → αch = 0,76.21665,51 = 16465,79 W/m2.độ (CT V.109, trang 31,tập 2) 4.5 Xác định hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nhập liệu - Nhiệt độ trung bình dòng lạnh ttb2 = (28 + 83,2)/2 = 55,60C, tra thông số: ρF = 757,96 kg/m3 (Bảng I 2, trang 9, tập 1) 62 Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị µF = 0,6394.10-3N.s/m2 λF = 0,16505 W/m.độ CF = 2912,8 J/kg.độ Vận tốc nước ống: w= F π 3600.ρ F n .d = (Bảng I 101, trang 92, tập 1) (Bảng I 130,trang 135, tập 1) (Bảng I 153, trang 172, tập 1) 2.103 = 0,024 (m/s) 3,14 3600.757,96.61 .0,025 - Tính tổng số Re: w.d ρ F Re = µ F = 0,024.0,025.757,96 = 711,25 (CT V.36, trang 13, tập 2) 0,6394.10 −3 10 < Re 50 nên chọn ε2 = 1) Nu = 0,15.ε1.Re0.33 Pr0.43.Gr0.1.(Pr/Prt )0.25 (CT V.45, trang 17, tập 2) = 0,15.1.711,250,,33.11,280,43.(27,798.106)0.,1.(11,28/7,5)0,.25 = 22,83 - Hệ số cấp nhiệt α2 = Nu.λ F 22,83.0,16505 = = 292,98 (W/m2.độ) d 0,025 (Trang 17, tập 2) 4.6 Nhiệt tải riêng 63 Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị q1 = αch.∆t1 = 16465,79.0,5 = 8232,894 W/m2 (CT VIII.11a, trang 234, [3]) q2 = α2.∆t2 = 292,98.27 = 7910,46 W/m2 235, [3]) Sai số q1 q2: q1 − q 8232,894 − 7910,46 = = 0,039 < 0,05 ( 5% ) q1 8232,894 (CT VIII.11c, trang (CT VIII.12, trang 235, [3]) 4.7 Hệ số truyền nhiệt δ K = [ α + r1 + λ + r2 + α ]-1 (CT V.5, trang 3, tập 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 Hệ số cáu bẩn nước thường r2 = 0,464.10-3 W/m2.độ (Bảng V.1, trang 4, tập 2) 0,002 −3 −3 → K = [ 21665,51 + 0,387.10 + 93 + 0,464.10 + 292,98 ]-1 = 230,85 (W/m2.độ) 4.8 Bề mặt truyền nhiệt Q 755328,43 F = K ∆t = 230,85.59,8 = 5,47 (m2) (CT VIII.4, trang 232, [3]) log 4.9 Chiều dài ống F 5,47 L = n.π d = 61.3,14.0,025 = 1,14 (m) (CT VIII.19, trang 236, [3]) h 64 Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị II TÍNH BỜN CAO VỊ VÀ 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 đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu d = 60 (mm) = 0,06 (m) Hỗn hợp đầu nhiệt độ 28oC có khối lượng riêng ρ = 782,2 (kg/m3) Như vận tốc lỏng là: 4.F 4.2000 = = 0,25 (m/s) ρ π d 782,2.3,14.0,06 2.3600 ω= Cơng thức tính chiều cao bồn cao vị so với cửa nạp liệu: h= ∆Ρd + ∆Ρm + ∆Ρc + ∆Ρtt ρ g a) Áp suất động học ∆Ρd : áp suất động lực học áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy khỏi ống dẫn: ∆Ρd = ρ ω (N / m2 ) ρ : khối lượng riêng hỗn hợp 28oC ω : vận tốc hỗn hợp chảy ống Vậy ∆Ρd = ρ ω (N / m2 ) 782,2.0,25 = = 2,44( N / m ) b) Áp suất khắc phục trở lực ma sát ∆Ρm : Áp suất để khắc phục trở lực ma sát dòng chảy ổn định ống: ∆Ρm = λ L ρ ω d td L: chiều dài ống dẫn, chọn L = 15 (m) dtd: đường kính ống dẫn, dtd = 0,06 (m) ω : vận tốc hỗn hợp chảy ống λ : hệ số ma sát phụ thuộc vào độ nhẵn thành ống chế độ chảy chất lỏng phụ thuộc vào Re: Re = ω.d ρ µ 65 Đồ Án Q Trình Và Thiết Bị µ : độ nhớt hỗn hợp 28oC, tính: lg µ = x F lg µ R + (1 − x F ) lg µ N XF = 0,2 (phần mol) µ R = 1,038 103 (Ns/m2) µ N = 0,8408 103 (Ns/m2) lg µ = x F lg µ R + (1 − x F ) lg µ N = 0,2 lg(1,038.10 ) + (1 − 0,2) lg(0,8408.10 ) ⇒ µ = 0,87 (Ns/m2) ⇒ Re = 0,25.0,06.782,2 = 13,48 ⇒ chế độ chảy dịng 0,87 - tính Regh: Regh = d ε Với ε :độ nhám tuyệt đối, tra bảng II-5, trang 381, tập với điều kiện ống không hàn: ε = 0,08 (mm) = 0,08.10-3 (m) ⇒ Regh = ( 0,06 ) = 1931 0,08.10 −3 Ta có: Re = 13,48 < 2300 λ= A Re Theo Bảng II-10, trang 387, tập λ= 64 = 4,748 13,48 ⇒ ∆Ρm = 4,748 15 2,44 = 2896,28 (N/m ) 0,06 c) Áp suất khắc phục trở lực cục bộ: ω ρ ∆Ρc = ξ Trên đường ống từ bồn cao vị đến đĩa nạo liệu, ta bố trí van ống trịn có hệ số trở lực ξ1 , khúc ngoặc 900 hai khủy 450 tạo thành hệ thống trở lực ξ 66 Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Van đơn giản ống trịn có ξ1 tương ứng với độ mở van 50% ξ = 2,1( tra bảng II- 16, Trang 398, tập 1) Khủy ghép 900 hai khủy 450 tạo thành, theo bảng II- 16 , trang 394, tập chọn a/b = 1, ta ξ = 0,38 ∆Ρc = ξ ω ρ = ξ ∆Ρd = (2,1 + 6.0,38).2,44 = 10,6872 (N/m2) d) Áp suất khắc phục trở lực qua thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu: Thường chọn ∆Ρtt = 0,4.10 (N/m) Như chiều cao thùng cao vị là: h= ∆Ρd + ∆Ρm + ∆Ρc + ∆Ρtt 2,44 + 2896,28 + 10,6872 + 0,4.10 = = 5,6 ρ g 782,2.9,81 (m) Tháp cao 9,8 m vị trí nạp liệu nằm 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 12 m Tính bơm - Chọn bơm ly tâm - Công suất bơm lượng tiêu hao để tạo lưu lượng Q cột cao áp bơm - Công suất bơm tính theo cơng thức: N= Q.H ρ g ( KW ) 1000.η Trong đó: Tại tf = 28oC có ρ hh = 782,2 (Kg/m3) Q: suất bơm, m3/s Q= GF 2000 = = 0,71.10 −3 (m / s ) 3600.ρ hh 3600.782,2 H: áp suất toàn phần bơm, mH2O ρ : khối lượng riêng khối chất lỏng, Kg/m3 η : hiệu suất bơm, chọn η = 75% Áp suất toàn phần xác định theo công thức: H= p − p1 + H + ∆H ρ g Hay: H = H1+ H2 + H3 + H4 + H5 (mH2O) a) Cột áp khắc phục chiều cao nâng hình học: 67 Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị H1 = Z2 – Z1 Z1: chiều cao hút, chọn Z1 = Z2: chiều cao ống đẩy, chọn Z2 = m ⇒ H = − = (mH2O) b) Cột áp để khắc phục chênh lệch hai đầu ống hút ống đẩy: 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 =2= 196200 N/m2 ⇒ H2 = 196200 − 98100 = 12,78(mH O) 782,2.9,81 c) Cột áp để khắc phục trở lực ống hút ống đẩy: v12 l H3 = (λ1 + ∑ ξ h ) 2g d1 H4 = v2 l (λ 2 + ∑ ξ d ) 2g d2 Trong λ1 , λ2 : hệ số ma sát ống hút ống đẩy, λ1 = λ2 = λ Tính λ : vdρ Chuẩn số Re ống: Re = µ Trong đó: µ = 0,737.10-3 Pa.s d: đường kính ống hút đẩy, chọn d = 0,04 m υ : vận tốc chất lỏng chảy ống hút đẩy, m/s υ= Q 0,71.10 −3.4 = = 0,565(m / s ) S 3,14.0,04 ⇒ Re = λ= 0,565.0,04.782,2 = 9976,14 1,772.10 −3 0,3164 0,3164 = = 0,032 , 25 9976,14 0, 25 Re l1 d1 l2 d2 : chiều dài đường kính ống hút 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 đẩy, m/s v1 = v2 = 0,565 (m/s) 68 Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị ∑ξ , ∑ξ h d : tống hệ số trở lực cục ống đẩy hút đẩy ∑ξ = ξ + A Re ζ A: hệ số tra bảng V-5, trang 40, tập +Ống hút: khóa van ξ = A = 4000 ξh = + 4000 = 4,4 9976,14 +Ống đẩy: khủy cong ξ = A = 130 Và khóa van ξ = A = 4000 Σξ d = 4.(0,2 + 130 4000 ) + (4 + ) = 5,253 9976,14 9976,14 υ1 l1 0,565 0,2 H3 = (λ1 + Σξ h ) = (0,032 + 4,4) = 0,074(mH O) 2.g d1 2.9,81 0,04 υ2 l 0,565 (λ2 + Σξ d ) = (0,032 + 5,253) = 0,189(mH O) 2.g d2 2.9,81 0,04 H4 = Cột áp để khắc phục động ống hút ống đẩy H5 = v2 − v1 =0 g Vậy H = + 12,78 + 0,074 + 0,189 + = 17,043 (mH2O) Công suất bơm: Q.H ρ g 0,71.10 −3.17,043.782,2.9,81 N= = = 0,124( KW ) 1000.η 1000.0,75 Vậy chọn bơm có cơng suất: N= 0,13 (KW) 69 Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị CHƯƠNG VI KẾT LUẬN Tổng kết kết tính từ đồ án CHƯƠNG II Sản phẩm Phần X(phần Y(phần tsôi Suất khối mol) mol) lượng lượng (kg/h) F 38,9% 0,2 0,531 83,2 2000 D 91,1% 0,8 0,818 78,6 847,188 W 0,68% 0,0027 0,0179 99,5 1152,815 - Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện: y = 0,65.x + 0,279 - Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng: y = 2,063.x − 0,0028 - Chỉ số hồi lưu thích hợp: Rx = 1,859 - Số mâm lý thuyết là: NLT = 13,5 mâm Suất lượng (kmol/h) 84,746 20,97 63,776 - Hiệu suất trung bình: η tb ≈ 48,3% - Số mâm thực tế : NTT = 28 mâm CHƯƠNG III - Lượng đốt cung cấp thiết bị đốt nóng đầu: - Lượng đốt mang vào để đun sôi hỗn hợp đáy tháp: 609,873 (KW) - Lượng nước đưa vào thiết bị ngưng tụ: 464457,66 (kg/h) 28oC - Lượng nước đua vào thiết bị làm lạnh: 6205 (kg/h) 28oC CHƯƠNG IV - Đường kính đoạn luyện: 0,83 m - Đường kính đoạn chưng: 0,73 m - Đường kính chung cho tồn tháp: 0,8 m - Chiều cao tháp: 9,8 m - Trở lực toàn tháp: 12409,46 (N/m2) - Bề dày mâm: mm - Số lỗ mâm: 2304 lỗ - Đường kính số lỗ mâm: mm - Khoảng cách hai lỗ: 25 mm - Khoảng cách hai mâm: 320 mm 70 Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị - Chiều cao gờ chảy tràn: 50 mm Ống dẫn đỉnh tháp: d = 200 mm Ống dẫn hỗn hợp đầu: d = 60 mm Ống dẫn sản phẩm đáy: d = 50 mm Ống hồi lưu: d = 60 mm Tải trọng tháp: 18786,236 kg Đáy nắp elip có gờ cao 50 mm, nắp cao 200 mm Thân - đáy - nắp làm thép X18H10T, có bề dày mm Bích ghép thân – đáy – nắp làm thép X18H10T, loại bích liền khơng cổ - Bích ghép ống dẫn làm thép CT3 , loại bích liền khơng cổ - Chân đỡ tai treo tính tốn chi tiết trang 45,46,47 CHƯƠNG V - Công suất bơm: N = 0,13 (KW) 71 Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị TÀI LIỆU THAM KHẢO Tập 1: Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất (tập 1) - Nhà xuất khoa học kỹ thuật Tập 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 Bôn, 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 72 Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị MUC LUC TÀI LIỆU THAM KHẢO .72 73 ... nghệ chưng cất hệ Etanol – nước: Chú thích: 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. .. ta thu sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm 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 sôi lớn) Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ... suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h x F : nồng độ hỗn hợp đầu ( phần mol) x D : nồng độ sản phẩm đỉnh (phần mol) x w : nồng độ