Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài MỤC LỤC Trang Lời mở đầu .2 Chương I : Tổng quan 3 Chương II : Hệ thống chưng luyện 6 Chương III : Tính toán kỹ thuật thiết bị chính 8 I Tính cân bằng vật liệu 8 1 Tính cân bằng vật liệu 8 2 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu 9 3 Số đĩa lý thuyết .11 II Tính đường kính tháp 12 1 Tính tốc độ hơi đoạn luyện 12 2 Tính tốc độ hơi đoạn chưng 17 3 Tính đường kính tháp 21 III Tính chiều cao tháp 21 IV Tính trở lực tháp .22 a Đoạn luyện 23 b Đoạn chưng 25 Chương IV: Tính cân bằng nhiệt lượng 27 Chương V: Chọn thiết bị phụ .33 Kết luận 34 Tài liệu tham khảo 35 1 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 1 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài LỜI MỞ ĐẦU Trong công nghệ thực phẩm hiện nay, quá trình chưng luyện là một khâu quan trong trong sản xuất dùng để tách chiết các cấu tử quý trong nguyên liệu Phương pháp này đã có từ rất lâu đời mà dễ thấy nhất chính là quá trình chưng cất rượu để tạo ra các sản phẩm rượu đã được ưa chuộng từ ngàn năm nay Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, quá trình chưng luyện giờ đây đã có thể sử dụng với nhiều loại nguyên liêu, tách chiết được nhiều loại chất quý dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của từng loại cấu tử ta tìm được trong nguyên liệu Góp phần gia tăng giá trị thương phẩm của sản phẩm mà vẫn giảm được không ít bất tiện Ví dụ trước đây để bổ sung Vitamin A ta phải ăn nhiều các loại rau quả, cá, hay các nguyên liệu thô chứa Vitamin A, giờ đây với phương pháp chưng luyện ta đã có thể tách chiết vitamin A thậm chí cả các loại chất khác ra khỏi nguyên liệu và đưa trực tiếp vào sản phẩm Với lợi ích to lớn như thế, có thể nói chưng luyện là một quá trình vô cùng quan trọng trong nghệ thực phẩm nói riêng và nền công nghiệp nói chung Về môn học Kỹ thuật thực phẩm, đây là một môn học cơ sở rất cần thiết, môn học này giúp ta biết rõ về các loại thiết bị sử dụng, cách thức hoạt động, cơ sở lý thuyết của các quá trình công nghệ trong ngành công nghệ thực phẩm Nhiệm vụ của đồ án kỹ thuật thực phẩm là giúp sinh viên hiểu rõ và hiểu đúng về thiết kế các loại thiết bị trong quá trình đã học Ở đây, tôi giới thiệu một bài thiết kế tháp chưng luyện loại tháp đệm dùng để tách cấu tử Metylic khỏi hỗn hợp Metylic Nước 2 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 2 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN 1) Cơ sở lý thuyết về quá trình chưng luyện: 1.1) Khái niệm: - Chưng cất là quá trình tách các cấu tử lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào nhiệt độ bay hơi khác nhau của từng cấu tử trong hỗn hợp - Quá trình chưng cất thực hiện dựa trên quá trình gia nhiệt để chuyển pha cho một cấu tử (lỏng sang hơi) rồi tách ra khỏi hỗn hợp nhờ quá trình ngưng tụ Nghĩa là ta đưa nhiệt độ của hỗn hợp đến nhiệt độ sôi của cấu tử dễ bay hơi và giữ nguyên ở trạng thái đó để làm bay hơi cấu tử dễ bay hơi nhưng không làm cho cấu tử còn lại bị bay hơi (không nâng nhiệt đến nhiệt độ bay hơi của cấu tử còn lại) - Quá trình chưng cất và cô đặc khá giống nhau, sự khác nhau cơ bản của 2 quá trình này là trong chưng cất các cấu tử đều có thể bay hơi còn trong cô đặc chỉ có dung môi bay hơi - Ở đây ta sử dụng với hệ Metylic - Nước: + Sản phẩm đỉnh chủ yếu là Metylic (do Metylic có nhiệt độ sôi thấp hơn Nước) + Sản phẩm đáy chủ yếu là Nước (do Nước có nhiệt độ sôi cao hơn Metylic) 1.2) Phân loại các phương pháp chưng cất: Ta có thể phân loại các phương pháp chưng cất theo: - Áp suất làm việc: + Áp suất thấp + Áp suất thường + Áp suất cao - Nguyên lý làm việc: + Chưng một bậc + Chưng lôi cuốn theo hơi nước + Chưng cất - Theo cách thức cấp nhiệt: + Cấp nhiệt trực tiếp + Cấp nhiệt gián tiếp Đối với hệ Metylic - Nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất thường (do nhiệt đọ sôi của Benzen ở điều kiện thường vào khoảng 80oC nên ta chon theo phương pháp này) 2) Giới thiệu về nguyên liệu: 3 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 3 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài Nước - Công thức cấu tạo là H2O Giới thiệu chung Tính - Khối lượng phân tử: 18 đvC chất vật - Nhiệt độ sôi: 100oC (đk thường) lý Metylic - Công thức cấu tạo: CH3OH - Khối lượng phân tử: 32 đvC - Nhiệt độ sôi: 64,5oC (đk thường) Hỗn hợp Metylic - Nước : Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Metylic Nước ở 760 mmHg.( bảng IX.2a - Sổ tay quá trình và thiết bị II – trang 149) x (% phân 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 mol) y (% phân 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 10 mol) t (oC) 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,6 66 3) Cấu tạo thiết bị chưng luyện: - Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp đệm, tháp phun, …Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp đĩa và tháp đêm Tháp đĩa: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đượ cho tiếp xúc với nhau Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có: - Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, … - Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh Tháp đệm: tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật đệm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp : Tháp đêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chóp - Cấu tạo khá đơn giản - Trở lực tương đối - Khá ổn định thấp - Trở lực thấp - Hiệu suất cao Ưu điểm - Làm việc được với chất lỏng - Hiệu suất khá cao bẩn nếu dùng đệm cầu có ρ ≈ ρ của chất lỏng 4 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 4 64 Đồ án KTTP Nhược điểm GVHD: Phạm Thị Thu Hoài - Do có hiệu ứng thành → - Không làm việc được với chất lỏng bẩn hiệu suất truyền khối thấp - Độ ổn định không cao, khó - Kết cấu khá phức tạp vận hành - Do có hiệu ứng thành → khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng → khó tăng năng suất - Thiết bị khá nặng nề 5 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN - Có trở lực lớn - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp trang 5 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài CHƯƠNG II HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN 1) Sơ đồ hệ thông dây chuyền sản suất: Chú thích 1-Thùng chứa hỗn hợp đầu 5-Tháp chưng luyện 2-Bơm 6-Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 3-Thùng cao vị 7-Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 4-Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 8-Thùng chứa sản phẩm đỉnh 9-Thiết bị gia nhiệt đáy 10-Thùng chứa sản phẩm đáy 11-Thiết bị tháo nước ngưng 2) Thuyết minh dây chuyền công nghệ hệ thống chưng luyện: • Thuyết minh quá trình: 6 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 6 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài - Bơm số 2 sẽ đẩy hỗn hợp đầu (số 1) vào thùng cao vị (số 3) Quá trình này là quá trình tạo áp suất cho hỗn hợp đầu khi đưa vào tháp - Từ thùng cao vị (số 3) hỗn hợp đầu sẽ đi qua thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (số 4) để gia nhiệt trước rồi đưa vào tháp Công đoạn này nhằm nâng nhiệt ban đầu của hỗn hợp để rút ngắn thời gian chưng cất - Trong tháp sẽ xảy ra các quá trình sau: + Ở giai đoạn đầu, nhiệt nặng khi gia nhiệt trước khi vào tháp chưa dủ để làm bay hơi hết Metylic nên trong sản phẩm đáy chứa tỷ lệ Metylic khá cao Do vậy hỗn hợp đáy ban đầu sẽ được hồi lưu toàn bộ và gia nhiệt thêm Còn phần cấu tử bay hơi sẽ được ngưng tụ (số 6) rồi qua thiết bị làm lạnh (số 7) và chuyển về thùng chứa (số 8) + Sau một thời gian, hỗn hợp đáy được gia nhiệt đến quá nhiệt độ sôi của cấu tử Metylic (chưa đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp), Metylic trong hỗn hợp đáy sẽ bay hơi đi qua các lỗ đệm lên đỉnh tháp qua thiết bị ngưng tụ (số 6) sau đó được hồi lưu một phần còn lại sẽ đến thiết bị làm lạnh (số 7) và chuển đến thùng chứa (số 8) + Sau khi nồng độ Metylic trong hỗn hợp đáy đạt đến tỷ lệ nhất định, hỗn hợp đáy sẽ được tháo ra một phần, phần còn lại vẫn tiếp tục được ra nhiệt (số 9) rồi đưa lại vào đáy tháp (số 5) Ở đây thiết bị gia nhiệt (số 9) có thể đặt ở trong tháp hoặc ngoài tháp đều được • Giải thích quá trình - Ở đây ta chọn tháp đệm nên trong tháp sẽ rải các lớp đệm chồng lên nhau nhằm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa hơi và hỗn hợp đầu - Quá trình chưng luyện sẽ theo chiều như sau: + Cấu tử hơi của Metylic sẽ đi từ dưới lên đỉnh tháp, còn cấu tử lỏng của Metylic trong hỗn hợp đầu sẽ đi từ khoảng giữa tháp xuống và trong hồi lưu thì đi từ gần đỉnh tháp xuống + Cấu tử lỏng Nước sẽ đi từ giữa tháp xuống 7 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 7 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài CHƯƠNG III TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH - Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: - Nồng độ hỗn hợp đầu: - Nồng độ sản phẩm đỉnh: - Nồng độ sản phẩm đáy: 2 kg/s = 7200 kg/h aF = 15 % khối lượng aP = 98 % khối lượng aW = 1,5 % khốlượng Ta có: MA = 32 : khối lượng phân tử của Metylic MB = 18 : khối lượng phân tử của Nước I Tính cân bằng vật liệu 1 Tính cân bằng vật liệu MF = aF MA + (1- aF).MB = 0,15.32 + (1-0.15).18 = 101,7 (kg/kmol) MP = aP.MA + (1- aP).MB = 0,98.32 + (1-0,98).18 = 31,72 (kg/kmol) MW = aW.MA + (1- aW).MB = 0,015.32 + (1-0,015).18 = 18,21 (kg/kmol) Theo phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp: F= P + W Và phương trình cân bằng vật liệu cho cho cấu tử dễ bay hơi: F.aF = P.aP + W.aW Suy ra, lượng sản phẩm đáy là: aP − aF 0,98 − 0,15 a −a W 0,98 − 0,015 W= F P = 2 = 1,7202 (kg/s) = 6192,72 (kg/h) Vậy lượng sản phẩm đỉnh là: P= F – W = 2–1,7202 = 0,2792 (kg/s) = 1007,28(kg/h) Chuyển đổi nồng độ khối lượng sang nồng độ phần mol: 8 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 8 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài aF MA aF 1 − aF + MA MB xF = aP MA aP 1 − aP + MA MB xp = xW = 0,15 32 0,15 1 − 0,15 + 32 18 = 0,09 (kmol/kmol) = 0,98 32 0,98 1 − 0,98 + 32 18 = 0,97 (kmol/kmol) = aW MA aW 1 − aW + MA MB 0,015 32 0,015 1 − 0,015 + 32 18 = = 0,01 (kmol/kmol) Tính lượng hỗn hợp đầu F’, lượng sản phẩm đỉnh P’, lượng sản phẩm đáy W’ theo kmol/s:  aF 1 − aF  + MB F' = MA  .F   a 1 − aP P ' =  P + MB MA   0,98 1 − 0,98  −3 .P =  + .0,2792 = 8,86 10 18   32  W ' a 1 − aW =  W + MB  MA =  0,15 1 − 0,15  +  .2 = 0,104 18   32  .W  (kmol/s)  0,015 1 − 0,015  = + .1,7202 = 0,095 18   32 (kmol/s) (kmol/s) 2.Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp a Chỉ số hồi lưu tối thiểu Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành( nhiên liệu, nước, bơm,…) là tối thiểu Ta có bảng thành phần cân bằng lỏng(x) – hơi(y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Metylic - Nước ở 1 atm như sau: (Dựa theo bảng IX.2a - Sổ tay quá trình và thiết bị II – trang 149) x (% phân 0 mol) y (% phân 0 mol) t (oC) 100 5 10 20 30 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 92,3 87,7 81,7 78 9 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN 40 50 60 70 80 90 10 91,5 95,8 10 75,3 73,1 71,2 69,3 67,6 66 trang 9 64 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài Từ đồ thị H1: đồ thị y-x biểu diễn đường cân bằng xF = 0,09 dùng phương pháp nội suy, ta có y*F = 0,48 Vậy, chỉ số hồi lưu tối thiểu: Rmin x P − y F∗ 0,97 − 0,48 = ∗ = = 1,256 y F − x F 0,48 − 0,09 b Chỉ số hồi lưu thích hợp Chỉ số hồi lưu thích hợp được xác định theo công thức: R = Rth = β RMin β= Ta có: R Rmin Với mỗi giá trị của thuyết tương ứng + Với (với β β∈ [1,2; 2,5] là hệ số hồi lưu) cho ta mỗi giá trị của R và từ đó xác định được số đĩa lý β = 1,5 ⇒ R = 1,5.1,256 = 1,884 Vậy phương trình làm việc của đoạn luyện là : y= xp R x + R +1 R +1 →y= 1,884 0,97 x+ 1,884 + 1 1,884 + 1 → y = 0,65 x + 0,336 (Đồ thị H2) → m = y (0) = 0,336 + Với → Từ đồ thị H2 ta xác định được N=19 β = 1,8 ⇒ R = 1,8.1,256 = 2,26 Vậy phương trình làm việc của đoạn luyện là : y= xp R x + R +1 R +1 →y= 2,26 0,97 x+ 2,26 + 1 2,26 + 1 → y = 0,693 x + 0,298 (Đồ thị H3) → m = y (0) = 0,298 + Với → Từ đồ thị H3 ta xác định được N=15 β = 2,1 ⇒ R = 2,1.1,256 = 2,638 10 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 10 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài ω sl2 σ d ρ ytb  µ xc Yc =  g.Vd3 ρ xtb  µ n    0 ,16 Y g Vd3 ρ xtb  µ n ⇒ ω sc = 1  σd ρ ytb  µ xc    0 ,16  0,32.9,8.0,75 3 931,8  10 −3   195 0,71  0,283 10 −3  ⇒ ω sc = 0,16 = 3,301 ⇒ ω c = 0,84 3,301 = 2,773( m / s ) ω l = 3,108 (m / s) + Phần luyện: ω c = 2,773 (m / s) + Phần chưng: 3 Tính đường kính tháp: g tb ( ρ y ω y ) tb D = 0,0188 - Đoạn luyện: Dl = 0,0188 g tb ( ρ y ω y ) tbl = 0,0188 2,66.10 3 = 0,57(m) 0,92.3,108 - Đoạn chưng: g tb' 1,4.10 3 Dc = 0,0188 = 0,0188 = 0,50( m) ( ρ y ω y ) tbc 0,71.2,773 Kết luận: ta thấy đường kính đoạn luyện và đoạn chưng gần bằng nhau nên ta lấy đường kính chung toàn tháp là 0,57 m III Tính chiều cao tháp Chiều cao tháp được xác định bằng phương pháp đường cong động học H = N 1 htd + ( 0,8 ÷ 1) (m) Trong đó : H : Chiều cao tháp N1 : Số đĩa lý thuyết htd : khoảng cách giữa các đĩa V htd = 200. d σ d (CT IX.50/T168, [3]) 1, 2  1  0, 4  ω - Đoạn luyện: htdl V = 200. d σd 1, 2 1, 2  1 0,75  1  0, 4 = 200. = 0,16  0, 4  195  3,108  ωl 22 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 22 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài H l = N 1l htdl + ( 0,8 ÷ 1) = 8.0,16 + 0,8 = 2,08(m) - Đoạn chưng: V = 200. d σd htdc 1, 2 1, 2  1 0,75  1  0, 4 = 200. = 0,17  0, 4  195  2,773  ωc H c = N 1c htdc + ( 0,8 ÷ 1) = 4.0,17 + 0,8 = 1,48( m) Vậy ta có chiều cao tháp là: H = H l + H c = 2,08 + 1,48 = 3,56 (m) IV Tính trở lực của tháp Trở lực của tháp đệm được xác định theo công thức:  G ∆Pu = ∆Pk 1 + A. x G   y      m  ρy   ρx    n µ  x µ  y     c     (N/m2) (CT IX.118/T189, [3]) Trong đó: ∆Pu : tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha cá tốc độ của khí bằng tốc độ của khí đi qua đệm khô (N/m2) ∆Pk : tổn thất áp suất của đệm khô (N/m2) Gx , G y ρx , ρy µx , µy : lưu lượng lỏng và hơi (kg/h) : khối lượng riêng của lỏng và hơi (kg/m3) : độ nhớt của lỏng và hơi (N.s/m2) A, m, n, c: hệ số tra theo bảng IX.7 tài liệu số 3 trang 189 A = 5,15 m = 0,342 n = 0,19 c=0,038 Ta có: 23 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 23 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài  G ∆Pu = ∆Pk 1 + 5,15. x G   y      0 , 342  ρy   ρx    0,19 µ  x µ  y     0 , 038     Tổn thất áp suất đệm khô tính theo công thức: 2 2 ' σ w y ρ y H ρ y wt λ' ∆Pk = λ = H d3 d td 2 4 2 Vd ' Trong đó: d td = 4 ωt = Vd σd ω y' Vd H: chiều cao lớp đệm λ' : hệ số trở lực của tháp đệm gồm trở lực ma sát và trở lực cục bộ, phụ thuộc vào chuẩn số Reynon với các loại đệm khác nhau σd bề mặt riêng của đệm, lấy σ d = 195 (m2/m3) Vd: thể tích tự do của đệm, lấy Vd=0,75 (m3/m3) ωy ρy : vận tốc hơi đi trong lớp đệm (m/s) : khối lượng riêng của hơi (kg/m3) a Đoạn luyện Chuẩn số Reynon:   Gy rey = 0,045 Ary0,57    Gx Ary = d td =    0 , 43    (CT IX.117/T188, [3]) d td3 ρ ytb ( ρ xtb − ρ ytb ).g µ y2 4.Vd 4.0,75 = = 0,015 σd 195 (T188, [3]) (m) Ta có: 24 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 24 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài ρ xtb = 803,79 ρ ytb = 0,92 G x = 8694 G y = 7215 µ ytb (kg/m3) (kg/m3) (kg/h) (kg/h) : độ nhớt trung bình của hơi ở nhiệt độ trung bình t tb = 91,93 o C, dựa theo bảng I.101 tài liệu số 2 trang 91 ta nội suy độ nhớt: µ B = 0,283 10 −3 µ T = 0,29.10 −3 (N.s/m2) (N.s/m2) y tb = 0,632 xtb = x f + xP 2 = 0,1723 + 0,983 = 0,578 2 Ta có: lg µ x = xtb lg µ A + (1 − xtb ) lg µ B → µ x = 0,31.10 −3 (N.s/m2) lg µ y = y tb lg µ A + (1 − y tb ) lg µ B → µ y = 0,32.10 −3 (N.s/m2) Vậy: Ary = Ary = d td3 ρ ytb ( ρ xtb − ρ ytb ).g µ y2 0,015 3.0,92.( 803,79 − 0,92) 9,8 25 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN ( 0,32.10 ) −3 2 = 238,58.10 3 trang 25 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài 0 , 43  Gy   0 , 57    rey = 0,045 Ary  G   x   3 0 , 43   3 0, 57  2,66.10    = 60,3 rey = 0,045 238,58.10    1910   ( Do rey > 40 ) 16 λ' = ( 60,3) 0,2 nên = 7,05 Nên ta có tổn thất áp suất đệm khô là: 2 ' σ d ω y ρ y 7,05 λ' 195 3,108 2.0,92 ∆Pk = H 3 = 2,08 = 7530 4 2 4 2 Vd 0,75 3 Trở lực đoạn luyện: 0, 342 0 , 038 0 ,19    Gx   ρ y   µx          ∆Pu = ∆Pk 1 + 5,15 .  G  µ  ρ    x  y  y   0 , 038 0 , 19 0, 342    0,92   0,33.10 −3   1910     ⇒ ∆Pu = 7530.1 + 5.15.    −3    2660     803,79   0,287 10  ⇒ ∆Pu = 17142,86 (N/m2) b Đoạn chưng   Gy rey = 0,045 Ary0,57    Gx Ary =    0 , 43    (CT IX.177/T188, [3]) d td3 ρ ' ytb ( ρ ' xtb − ρ ' ytb ).g 2 µ'y (T188, [3]) Ta có: d td = 0.015 ' ρ ytb = 0,71 (m) (kg/m3) ' ρ xtb = 931,8 (kg/m3) 26 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 26 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài G x' = 4878,02 G y' = 1,4.10 3 ' µ ytb (kg/h) (kg/h) : độ nhớt trung bình của hơi ở nhiệt độ trung bình t tb = 99,92 o C, dựa theo bảng I.101 tài liệu số 2 trang 91 ta nội suy độ nhớt: µ A = 0,324.10 −3 µ B = 0,281 10 −3 (N.s/m2) (N.s/m2) y tb = 0,26 xtb = x f + xw 2 = 0,05 Ta có: lg µ x' = xtb lg µ A + (1 − xtb ) lg µ B → µ x' = 0,283 10 −3 (N.s/m2) lg µ y' = y tb lg µ A + (1 − y tb ) lg µ B → µ y' = 0,292.10 −3 (N.s/m2) Vậy: Ary = d td3 ρ ' ytb ( ρ ' xtb − ρ ' ytb ).g ⇒ Ary = 2 µ'y 0,015 3.0,71.( 931,8 − 0,71).9,8 = 256,44.10 3 (0,292.10 −3 ) 2   Gy rey = 0,045 Ary0,57    Gx 27 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN    0 , 43    trang 27 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài  ⇒ rey = 0,045 256,44.10 3  ( Do rey 〈 40 λ' = nên ) 0, 57  1,4.10 3    4878 , 02   0, 43   = 31,86  140 140 = = 4,4 rey 31,86 Nên ta có tổn thất áp suất đệm khô là: 2 ' σ d ω y ρ y 4,4 λ' 195 2,773 2.0,71 ∆Pk = H 3 = 1,48 = 2054,155 4 2 4 2 Vd 0,75 3 Vậy trở lực của toàn tháp là: ∆P = 17142,86 + 2054,155 = 7083,81 28 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN (N/m2) trang 28 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài CHƯƠNG IV TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG I Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Phương trình cân bằng nhiệt lượng: Q D1 + Q f = Q F + Qng1 + Q xq1 (T196, [3]) QD1 : Nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h) Qf : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h) QF :Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h) Qng1 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h) Qxq1 : Nhiệt lượng mất mát (J/h) Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất p =2at , tso= (119,62oC) 1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào Q D1 = D1 λ1 = D1 (r1 + θ 1C1 ) D1 : Lượng hơi đốt (Kg/h) λ1: Nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg) θ1 = 119,6 o C :Nhiệt nước ngưng (CT I.251/314, [2]) r1 : ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg) θ Tại to = 1 , nội suy từ bảng I.251 tài liệu số 2 trang 314 ta có r1 = 2208.103 (kcal/kg) C : nhiệt dung riêng của nước ngưng 2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào Q f = F C f t f (T196, [3]) Trong đó : F : lượng hỗn hợp đầu vào F = 7200 29 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 29 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài Chọn tf = 20oC Cf : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp Ở tf = 20oC nội suy theo bảng I.153 tài liệu số 2 trang 172 và bảng I.154 tài liệu số 2 trang 172 ta có: CA = 2570 (J/Kg độ ) CB = 4180 (J/Kg độ ) Ta có : C f = a f C A + (1 − a f ).C B = 0,15.2570 + (1 − 0,15).4180 = 3938,5 Vậy Q f = F C f t f = 7200.3938,5.20 = 567,072.10 6 (J/kg.độ) (J/h) 3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra QF = G f C f t f Trong đó : tf = 99,86oC ( suy từ đồ thị T-x,y) : Nhiệt độ của hỗn hợp đầu mang sau khi đun nóng Cf : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra ( J/kg độ ) Nội suy theo bảng I.153 tài liệu số 2 trang 172 và bảng I.154 tài liệu số 2 trang 172 ở nhiệt độ tf = 99,86oC ta có: CA = 2964,265 (J/Kg độ ) CB = 4229,72 (J/Kg độ ) Với af =0,15, ta có : C f = a f C A + (1 − a f ).C B = 0,15.2964,265 + (1 − 0,15).4229,72 = 4039,9 (J/kg độ) Vậy : QF = G f C f t f = 7200.4039,9.99,86 = 2904,656.10 6 (J/h) 4 Nhiệt do nước ngưng mang ra Qng1 = D1 C1 θ 1 30 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN (J/h) (T197, [3]) trang 30 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài 5 Nhiệt lượng mất mát Q xq1 = 0,05D1 r1 (J/h) (T197, [3]) 6 Lượng hơi đốt cần thiết D1 = D1 = Q F + Qng1 + Q xq1 − Q f λ1 = QF − Q f 0,95r1 2904,656.10 6 − 567,072.10 6 = 1114,41 0,95.2208.10 3 (CT IX.155/T197, [3]) (kg/h) II Tháp chưng luyện Phương trình cân bằng nhiệt lượng Q F + Q D 2 + Q R = Q y + Q w + Q xq 2 + Qng 2 (CT IX.156/T197, [3]) QD2 : Nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h) QR : Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào tháp (J/h) QF :Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h) Qy :Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h) Qw :Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h) Qng2 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h) Qxq2 : Nhiệt lượng mất mát (J/h) Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất p =2at , tso= (119,62oC) 1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD 2 = D2 λ2 = D2 ( r2 + C 2 θ 2 ) (J/h) (CT IX.157/T197, [3]) D2 : Lượng hơi đốt (Kg/h) λ2: Hàm nhiệt của hơi đốt (J/kg) θ2 =119,62oC : Nhiệt nước ngưng r2 : ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg) r2=r1 = 2208.103 (J/kg) 31 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 31 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài C2 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/Kg độ ), nội suy từ bảng [I.149][I/168] ta có C2=2156,62 (J/Kg độ ) QD 2 = D2 ( r2 + C 2 θ 2 ) = D2 ( 2208.10 3 + 2156,62.119,62) = 2465,97.10 3.D2 2 Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào QR = G R C R t R (J/h) (CT IX.158/T197, [3]) Trong đó : GR : lượng lỏng hồi lưu G R = R x P = 2,638.1007,28 = 2657,2 (Kg/h) o TR=96 C CR : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp Ở tR = 96oC nội suy theo bảng I.153 tài liệu số 2 trang 172 và bảng I.154 tài liệu số 2 trang 172 ta có: CA = 2944 (J/Kg độ ) CB = 4222 (J/Kg độ ) Ta có: C R = 0,98.2944 + (1 − 0,98).4222 = 2969 Vậy: QR = G R C R t R = 2657,2.2969.96 = 757,4.10 6 (J/h) 3 Nhiệt lượng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp Q y = P.(1 + R x )λđ (CT IX.159/T197, [3]) Trong đó P : Lượng sản phẩm đỉnh (kg/h) P = 1007,28 λđ (kg/h) : Hàm nhiệt của hơi ở đỉnh tháp λ đ = a.λ1 + (1 − a ).λ 2 λ1 , λ2 :Nhiệt lượng riêng của metylic và nước λ1 = r1 + C1 θ 1 λ 2 = r2 + C 2 θ 2 θ1` = θ 2 = t R = 98,5 0 C C1 = CA = 2957,125 (J/kg độ) C2 = CB = 4227 (J/kg độ) 32 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 32 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài Theo bảng I.212 tài liệu số 2 trang 254, nội suy ta có: r1 = rA = 243 (J/kg) r2 = rB = 541 (J/kg) Ta có: λ1 = r1 + C1 θ1 = 243 + 2957,125.98,5 = 291,52.10 3 λ2 = r2 + C 2 θ 2 = 541 + 4227.98,5 = 417.10 3 λđ = a P λ1 + (1 − a P ).λ2 = 0,98.292.10 3 + (1 − 0,98).417.10 3 = 294,5.10 3 Vậy: Q y = P.(1 + R x )λ đ = 1007,28.(1 + 2,638).294,5.10 3 = 1079,2.10 6 (J/h) 4 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra: Qw = W C w t w (J/h) (CT IX.160/T197, [3]) Trong đó: W- lượng sản phẩm đáy tháp: W=6192,72 kg/h tw- nhiệt độ của sản phẩm đáy: tw=99,98oC Cw- Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy C w = a w C A + (1 − a w ).C B Nội suy theo bảng I.153 tài liệu số 2 trang 172 và bảng I.154 tài liệu số 2 trang 172] ta có: CA= 2964,5 (J/kg độ) CB= 4229,9 (J/kg độ) C w = a w C A + (1 − a w ).C B = 0,015.2964,5 + (1 − 0,015).4229,9 = 4211 Ta có: Qw = W C w t w = 6192,72.4211.99,98 = 2607,23.10 6 (J/h) 5 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: Qngt = Gngt C 2 θ 2 (CT IX.16/T198, [3]) Trong đó: Gngt- lượng nước ngưng tụ; Gngt = D2 C2- nhiệt dung riêng; C2= 2156,62 (J/kg độ) θ2 - nhiệt độ của nước ngưng; 33 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN θ 2 = 119,62 o C trang 33 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài Ta có: Qngt = D2 C 2 θ 2 = D2 2156,62.119.62 = D2 257,97.10 3 (J/h) 6 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường: Q xq' 2 = 0,05.D2 r2 = 0,05.D2 2208.10 3 = 110400.D2 (J/h) (CT IX.162/T198, [3]) 7 Lượng hơi đốt cần thiết để đưa vào tháp: D2 = Q y + Qw + Qngt + Q xq 2 − Q F − QR λ2 (CT IX.163/T198, [3]) 1079,2.10 6 + 2607,23.10 6 + D2 257,97.10 3 + D2 110400 − 2904,656.10 6 − 757,4.10 6 ⇒ D2 = 2465,97.10 3 ⇒ D2 = 11,62(kg / h) 34 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 34 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài CHƯƠNG V CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 1) Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: - Ở đây dựa vào lượng hơi đốt mang vào, em chọn thiết bị gia nhiệt là lò đốt than như sau: - Thông số kỹ thuật : Công suất 500 - 20.000 kg/h Áp suất thiết kế 25 bar Hiệu suất đến 90% Nhiện liệu : Than, củi, Bã Điều, Trấu, Chế độ làm việc : hoàn toàn tự động 2) Thiết bị ngưng tụ: - Ở đây em chon thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm đứng sử dụng NH3 để làm lạnh Đây là loại thiết bị được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp 3) Thiết bị làm lạnh: - Ở đây chon nhiệt độ cuối khi làm lạnh là 35oC, em chon thiết bị làm lạnh kiểu ống chùm bằng nước sử dụng thép X18H10T với nhiệt độ của nước bắt đầu vào trong ống là 30oC 4) Thùng cao vị: - Dựa theo hóa chất chon thùng cao vị sử dụng thép X18H10T đặt tại độ cao 4m (tính từ chân tháp) 5) Bơm: - Dựa theo năng suất và nhiệt độ của hỗn hợp đầu em chọn bơm ly tâm có công suất 9 m3/h, hiệu suất máy là 0,8 35 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 35 Đồ án KTTP GVHD: Phạm Thị Thu Hoài CHƯƠNG V KẾT LUẬN Do đặc điểm quá trình chưng luyện là hệ số phân bố thay đổi theo chiều cao tháp đồng thời quá trình truyền nhiệt diễn ra song song với quá trình chuyển khối vì vậy làm cho quá trình tính toán trở nên phức tạp Trong phạm vi khuôn khổ đồ án môn học và thời gian hạn chế , đồng thời đây là lần đầu tiên em làm đồ án nên không tránh khỏi những sai sót Em xin cảm ơn cô giáo Phạm Thị Thu Hoài cùng các thầy cô giáo bộ môn trong khoa Công Nghệ Thực Phẩm - trường Đại học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp đã giúp đỡ em tận tình trong quá trình học tập cũng như quá trình làm đồ án Em xin cảm ơn Hà Nội, ngày 1, tháng 10 năm 2015 Sv : Chu Hoàng Thành 36 Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN trang 36