Đang tải... (xem toàn văn)
VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN QUÁ TRÌNH – THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM
_○O○ _
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ RƯỢU ETYLIC – NƯỚC
Trang 2Tính toán, thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất khí quyển để tách hỗn hợp hai cấu tử Rượu Etylic – Nước
Loại tháp: tháp chưng luyện loại đĩa chóp
II Các số liệu ban đầu:
- Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: F = 3,0 kg/s - Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi:
+ Hỗn hợp đầu: aF = 45 (% khối lượng) + Sản phẩm đỉnh: aP = 94 (% khối lượng) + Sản phẩm đáy: aW = 1,0 (% khối lượng)
III Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
1 Phần mở đầu
2 Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4) 3 Tính toán kỹ thuật thiết bị chính
V.Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Thu Huyền
VI.Ngày giao nhiệm vụ: thứ 5, ngày 03 tháng 11 năm 2022
VII Ngày phải hoàn thành: thứ 6, ngày 24 tháng 02 năm 2023
Người hướng dẫn
(Họ tên và chữ ký)
Trang 3Mục lục
I Mở đầu……… ….5
1.1 Khái quát về chưng……….……… 5
1.2 Giới thiệu về hỗn hợp chưng………5
II Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ…….……… 8
2.1 Sơ đồ công nghệ và chú thích………8
2.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ………10
III Tính toán kỹ thuật thiết bị chính……… 11
3.1 Tính cân bằng vật liệu……….11
3.1.1 Chuyển đổi nồng độ……….11
3.1.2 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp Rth……….….11
3.1.2.1 Biểu diễn đường cân bằng pha lỏng hơi……….11
3.1.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu nhỏ nhất Rmin………12
3.1.2.3 Xác định số đĩa lý thuyết nhỏ nhất NLTmin……… 15
3.1.2.4 Xác địch chỉ số hồi lưu thích hợp Rth……….15
3.1.3 Tính cân bằng vật liệu của đoạn chưng và đoạn luyện để xác định lưu lượng các dòng pha đi trong từng đoạn của tháp ……… ………….18
3.1.3.1 Giải cân bằng vật liệu toàn tháp chưng luyện……….………….………18
3.1.3.2 Tính toán lưu lượng các dòng pha đi trong từng đoạn tháp……….20
3.2 Xác định đường kính của tháp chưng luyện……… 22
3.2.1 Xác định tốc độ làm việc của pha hơi trong đoạn chưng, đoạn luyện………….22
3.2.1.1 Khối lượng riêng trung bình……….23
3.2.1.2 Tốc độ khí (hơi) trung bình đi trong đoạn luyện của tháp chóp……… 24
3.2.1.3 Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng của tháp chóp……….26
3.2.2 Tính đường kính của tháp chóp……… 26
3.2.2.1 Tính đường kính đoạn luyện của tháp……… 26
3.2.2.2 Tính đường kính đoạn chưng của tháp……….27
3.3 Xác định chiều cao của tháp chưng luyện……… 29
3.3.1 Xác định số đĩa lý thuyết dựa vào đồ thị Mc Cabe – Thiele……… 30
3.3.2 Xác định số đĩa thực tế theo hiệu suất trung bình……… 32
3.3.3 Tính chiều cao tháp……… 35
3.4 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện……… 35
3.4.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu………35
3.4.1.1 Nhiệt lượng hơi đốt mang vào………35
3.4.1.2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào……… ……….36
3.4.1.3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra……….36
Trang 43.4.1.4 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra………37
3.4.1.5 Nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy……….37
3.4.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện……… 38
3.4.2.1 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào………38
3.4.2.2 Nhiêt lượng do hơi đốt mang vào đáy tháp……… 38
3.4.2.3 Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào……… 39
3.4.2.4 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp……… 39
3.4.2.5 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra……….40
3.4.2.6 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra………40
3.4.2.7 Nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy……….40
3.4.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ………41
3.4.3.1 Nếu chỉ ngưng tụ hồi lưu……… 41
3.4.3.2 Nếu ngưng tụ hoàn toàn……… 42
3.4.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh……….42
3.4.4.1 Nếu trong thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu……… 42
3.4.4.2 Nếu đã ngưng tụ hoàn toàn trong thiết bị ngưng tụ……… 43
IV Tính cơ khí thiết bị chính……….………44
4.1 Tính và chọn đường kính của các ống nối……… 44
4.1.1 Ống dẫn nhập liệu đầu……….44
4.1.2 Ống tháo sản phẩm đáy……… 45
4.1.3 Ống lấy sản phẩm đỉnh………45
4.1.4 Đường kính ống dẫn hồi lưu lỏng từ thiết bị ngưng tụ về tháp……… 46
4.1.5 Đường kính ống dẫn hồi lưu hơi ở đáy tháp………46
4.2 Tính chiều dày thành tháp, đáy tháp và nắp tháp………47
4.2.1 Tính chiều dày thân tháp……… 47
4.2.2 Tính đáy và nắp thiết bị………49
4.3 Chọn các mặt bích……… 52
4.3.1 Chọn mặt bích nối giữa thân tháp với đáy và nắp tháp……….52
4.3.2 Chọn bích nối giữa thân tháp với các ống dẫn……… 53
4.3.3 Lắp kính quan sát……….54
4.4 Tính và chọn (tra cứu) kết cấu đĩa chóp……….55
4.4.1 Tính, chọn các thông số của chóp……… 55
4.4.2 Tra cứu, tính chọn các đặc trưng kĩ thuật của đĩa chóp………58
4.4.3 Tính và chọn các cơ cấu đỡ tháp (trụ đỡ, chân đỡ, tai treo…)………59
4.4.3.1 Tính tải trọng của tháp khi làm việc……… 59
Trang 54.4.3.2 Phân tích ứng suất Tính chiều dày của trụ đỡ………64
4.4.3.3 Vòng chịu tải đáy trụ đỡ và các bu-lông định vị……….65
4.5 Tính trở lực của tháp chưng luyện……… 66
4.5.1 Trở lực của đĩa khô ΔPk……… 67
4.5.1.1 Trở lực của đĩa khô trên đoạn luyện……… 67
4.5.1.2 Trở lực của đĩa khô trên đoạn chưng……… 67
4.5.2 Trở lực do lớp chất lỏng không chứa khí trên đĩa tạo ra 𝛥𝑃𝐿……… 67
4.5.2.1 Trở lực do lớp chất lỏng không chứa khí trên đĩa đoạn luyện……….68
4.5.2.2 Trở lực do lớp chất lỏng không chứa khí trên đĩa đoạn chưng………68
4.5.3 Trở lực tổng cộng của tháp chưng luyện……… 69
V Tính toán, lựa chọn các thiết bị phụ trợ……….70
5.1 Tính toán thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu……… 70
5.1.1 Tính lượng nhiệt trao đổi……… 70
5.1.1.1 Xác định động lực của quá trình truyền nhiệt……….70
5.1.1.2 Xác định nhiệt lượng trao đổi Q……….71
5.1.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt……… 75
5.1.4 Xác định số ống, cách sắp xếp ống trong thiết bị trao đổi nhiệt……….75
5.1.5 Tính lại vận tốc và chia ngăn trong thiết bị……… 75
5.1.6 Đường kính trong của thiết bị……… 76
5.2.3.4 Chiều cao toàn phần của bơm………81
5.2.4 Công suất toàn phần của bơm……… 81
Trang 65.2.5 Công suất động cơ điện……… ………81
5.3 Tính toán thiết bị ngưng tụ hồi lưu……….82
5.3.1 Tính lượng nhiệt trao đổi……….82
5.3.1.1 Xác định động lực quá trình truyền nhiệt……….82
5.3.1.2 Lượng nhiệt trao đổi……….83
5.3.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt………86
5.3.4 Xác định số ống, cách sắp xếp ống trong thiết bị trao đổi nhiệt……… 87
5.3.5 Đường kính trong của thiết bị……… 87
VI Kết luận……… 88
VII Tài liệu tham khảo……… 89
Trang 7PHẦN 1 MỞ ĐẦU
Đồ án môn học “Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học” là một môn học quan trọng trong bước đầu tiếp xúc với các quá trình, thiết bị thực tế của các kỹ sư trong tương lai Môn học này nhằm giúp sinh viên biết vận dụng các kiến thức của môn học “Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học” và các môn học khác vào việc tính toán và thiết kế thiết bị chính, một số thiết bị phụ trong quá trình công nghệ Từ đó, sinh viên sẽ nắm vững được các yêu cầu như: biết sử dụng tài liệu tham khảo (tìm, đọc, tra cứu, ghi chép, …); nâng cao kỹ năng tính toán và trình bày các kết quả một cách khoa học; vận dụng đúng những kiến thức và các quy định thiết kế khi trình bày các bản vẽ thiết kế; nhìn nhận vấn đề một cách hệ thống
1.1 Khái quát về chưng
- Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóa
lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Chúng ta có thể thực hiện nhiều phương pháp chưng khác nhau như chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, chưng luyện hỗn hợp đẳng phí, chưng phân tử, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng trích ly
- Ngày nay, phương pháp chưng được sử dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp Ở trong đồ án này, ta xét chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử rượu etylic – nước; chúng là sản phẩm thường thấy từ các quá trình lên men trong công nghệ sinh học - Khi chưng, hỗn hợp đầu chứa bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản phẩm Để có thể thu được sản phẩm đỉnh với độ tinh khiết cao ta tiến hành chung luyện nhiều lần hay còn gọi là chưng luyện
- Phần đồ án này sẽ trình bày thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa chóp để phân tách hỗn hợp gồm hai cấu tử Rượu etylic – Nước, làm việc ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi
- Sau quá trình chưng luyện, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi lớn hơn (rượu etylic) và một phần nhỏ cấu tử khó bay hơi hơn (nước) Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi (nước) và một phần nhỏ cấu tử dễ bay hơi hơn (rượu
Trang 8- Là chất lỏng không màu, nhẹ hơn nước và tan vô hạn trong nước - Một số thông số vật lý quan trọng (với rượu etylic 100%)
+ Nhiệt độ sôi: 78,4 °C
+ Nhiệt dung riêng: 3,06 kJ/kg.độ + Độ nhớt: 1,19.103 N.s/m2 (ở 20°C) + Nhiệt hóa hơi: 826 kJ/kg
+ Khối lượng riêng: 789 kg/m3 (ở 20°C)
+ Trong thực phẩm: sản xuất bia, rượu + Làm nhiên liệu: sản xuất xăng
+ Làm dung môi cho nhiều chất hữu cơ - Điều chế:
+ Phương pháp tổng hợp: đi từ etilen bằng phản ứng hợp nước có xúc tác H2SO4 hoặc H3PO4 ở nhiệt độ cao:
C2H4 + H2O → C2H5OH
Trang 9+ Phương pháp sinh hóa: Từ nông sản chứa nhiều tinh bột, đường (gạo, ngô, khoai, sắn, các quả 7hin, …), bằng phương pháp lên men:
(C6H10O5)n → C6H12O6 → C2H5OH
1.2.2 Nước
- Công thức phân tử: H2O
- Khối lượng phân tử: 18,015 g/mol - Là chất lỏng, không màu, không mùi
- Một số thông số vật lý quan trọng (ở nhiệt độ 20°C): + Khối lượng riêng: 998,3 kg/m3
+ Nhiệt dung riêng: 0,99947 cal/kg.độ (ở áp suất khí quyển) + Độ nhớt động lực: 1,002.103 N.s/m2
+ Nhiệt lượng riêng: 839.10-2 J/kg
- Trong công nghiệp hóa học nước được dung với nhiều mục đích khác nhau, vì vậy các nhà máy hóa chất thường được đặt cạnh những nguồn nước Có nhiều nguồn nước khác nhau để cung cấp cho nhà máy như là nước trời, nước ngầm và nước bề mặt Mỗi loại nước sẽ có cách xử lý khác nhau phù hợp với quá trình sản xuất, chủ yếu với các quá trình chính là lắng, lọc, làm mềm, trung hòa, giải khí độc và sát trùng nước
1.2.3 Hỗn hợp rượu etylic – nước
- Một số thông số vật lý quan trọng: + Nhiệt độ sôi: 78,4 °C
+ Nhiệt dung riêng: 3,06 kJ/kg.độ + Độ nhớt: 1,19.103 N.s/m2 (ở 20°C) + Nhiệt hóa hơi: 826 kJ/kg
+ Khối lượng riêng: 789 kg/m3 (ở 20°C) + Có điểm đẳng phí
- Là hỗn hợp dễ cháy nổ, có tình ăn mòn
Trang 105 H-1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6 H-2 Thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp 7 C-1 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy
8 C-2 Thiết bị ngưng tụ hồi lưu sản phẩm đỉnh 9 C-3 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy
10 R-1 Cơ cấu hồi lưu sản phẩm đỉnh 11 R-2 Cơ cấu hồi lưu hơi ở đáy tháp
16 F-1 Lưu lượng kế đo lưu lượng hỗn hợp đầu 17 F-2 Lưu lượng kế đo lưu lượng sản phẩm đỉnh 18 Hệ thống van V-1; V-2; ; V-18
Trang 122.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ
Dung dịch đầu từ thùng chứa hỗn hợp đầu T-1 được bơm P-1 bơm liên tục đưa vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu H-1 qua van V-2 và lưu lượng kế F-1 Bơm P-2 được lắp song song dự phòng trường hợp bơm P-1 bị hỏng hóc Tại thiết bị gia nhiệt H-1, dung dịch đƣợc đun nóng đến nhiệt độ sôi tF thì được đưa vào tháp chưng luyện E-1 tại vị trí đĩa tiếp liệu
Trong tháp chưng luyện E-1, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống, nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi của nồng độ Cụ thể trên một đĩa chóp của tháp, chất lỏng có nồng độ của cấu tử dễ bay hơi là x1, hơi bốc lên có nồng độ y1, trong đó y1>x1 Hơi này qua ống hơi đi lên đĩa trên, qua khe chóp, sục vào (tiếp xúc pha) với lỏng trên đó Nhiệt độ của chất lỏng trên đĩa 2 thấp hơn đĩa 1, nên một phần hơi được ngưng tụ lại, do đó nồng độ cấu tử dễ bay hơi trên đĩa này là x2 >x1 Hơi bốc lên từ đĩa 2 có nồng độ cấu tử dễ bay hơi là y2 >x2 đi lên đĩa 3, nhiệt độ của lỏng trên đĩa 3 thấp hơn đĩa 2, nên hơi được ngưng tụ một phần và chất lỏng trên đĩa 3 có nồng độ x3>x2 Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truyền chất giữa pha lỏng và pha hơi, quá trình bốc hơi và ngưng tụ một phần lặp lại nhiều lần, cuối cùng trên đỉnh tháp thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ cấu tử dễ bay hơi cao và dưới đáy tháp thu được sản phẩm đáy có nồng độ cấu tử khó bay hơi cao
Lỏng dưới đáy giàu cấu tử khó bay hơi qua cơ cấu hồi lưu đáy tháp R-1, một phần sẽ được đưa ra khỏi thiết bị và làm lạnh ở thiết bị làm lạnh C-1, khi đạt đến nhiệt độ cần thiết sẽ được đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy T-2 Một phần sản phẩm đáy sẽ được qua thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp H-2 để hồi lưu hơi trở về tháp
Hơi trên đỉnh tháp giàu cấu tử dễ bay hơi đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu C-2, ở đây nó được ngưng tụ lại Qua cơ cấu hồi lưu R-2, một phần chất lỏng hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng, một phần khác đi qua thiết bị làm lạnh C-3 để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phầm đỉnh T-3
Như vậy với thiết bị làm việc liên tục thì hỗn hợp đầu được đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được tháo ra liên tục
Trang 13PHẦN 3 TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH
3.1 Tính cân bằng vật liệu
- Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp: F = P + W - Cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi:
3.1.2.1 Biểu diễn đường cân bằng pha lỏng hơi
a) Bảng thành phần cân bằng pha lỏng (x)- hơi (y) và nhiệt độ sôi hỗn hợp hai cấu tử ở 760 mmHg (%mol) [2-149, Bảng IX.2a.]
Bảng 3.1.1 Bảng thành phần cân bằng pha lỏng – hơi và nhiệt độ sôi hỗn hợp Rượu etylic – Nước
Trang 14Hệ hai cấu tử rượu etylic – nước trên đường cân bằng pha lỏng hơi có điểm đẳng phí Nhưng trong đồ án này các thông số tính toán nằm dưới điểm đẳng phí Nên chỉ cần sử dụng riêng phương pháp chưng luyện cũng có thể tách thu được 2 cấu tử tinh khiết riêng biệt
Sử dụng công thức nội suy tuyến tính, ta cũng có thể xác định được nhiệt độ sôi hỗn hợp 2 cấu tử trong:
b) Đồ thị đường cân bằng pha lỏng (x) - hơi (y)
Sử dụng công thức nội suy tuyến tính, cũng có thể xác định được nồng độ rượu etylic trong pha hơi cân bằng với pha lỏng ở trong:
3.1.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu nhỏ nhất Rmin a) Những giả thiết của Mc Cabe và Thiele [5 – 74]
Trang 15- Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp được ngưng tụ hoàn toàn Vì vậy trên đường làm việc của đoạn luyện có một điểm xP = yD
- Chấp nhận quy tắc của Trouton, tức r/TS = 21 kcal/kmol0K = const Với nhiệt hóa hơi r không đổi có thể xác định nhiệt độ sôi
- Bỏ qua sự khác biệt về nhiệt độ sôi của các thành pần coi dòng mol trên đoạn chưng và đoạn luyện không đổi
- Để có dòng mol không đổi và đường làm việc là đường thẳng cần chấp nhận, tháp chưng luyện làm việc đoạn nhiệt, tức sẽ không có sự lấy và cấp nhiệt với môi trường - Đường làm việc của đoạn chưng đi qua điểm xW = yW
b) Phương trình đường nồng độ làm việc
* Phương trình đường làm việc của đoạn luyện
c) Xác định chỉ số hồi lưu nhỏ nhất Rmin
- Khi chỉ số hồi lưu của tháp chưng cất bằng Rmin để đạt được mức độ tách cần thiết của hỗn hợp (xF ÷ xP) thì số đĩa lí thuyết NLT của tháp sẽ tiến đến ∞ (do đường làm
việc của tháp và đường cân bằng pha cắt nhau hoặc tiếp xúc với nhau)
- Dựng đồ thị y – x (đồ thị Mc Cabe – Thiele) của hỗn hợp 2 cấu tử rượu etylic – nước ở chế độ chỉ số hồi lưu nhỏ nhất Rmin (Hình 3.1.2) Đường làm việc đoạn chưng qua điểm xW = yW = 0,4 (%mol), đường làm việc đoạn luyện qua điểm xP = yP =86 (%mol) Hai đường cắt nhau tại điểm xF = 24,3 (%mol) trên đường cân bằng pha Kéo dài đường làm việc đoạn luyện cho tới khi cắt trục tung tại điểm 𝐵̅̅̅̅̅̅̅ = 32 𝑚𝑎𝑥
Mà 𝐵̅̅̅̅̅̅̅ = 𝑚𝑎𝑥 𝑥𝑃
𝑅𝑚𝑖𝑛+1=> 𝑅𝑚𝑖𝑛 = 𝑥𝑃
𝐵𝑚𝑎𝑥− 1 = 86
32− 1 = 1,688
Trang 173.1.2.3 Xác định số đĩa lý thuyết nhỏ nhất NLTmin
❖ Xác định NLTmin ở chế độ hồi lưu hoàn toàn bằng công thức Fenske
- Đối với hỗn hợp lý tưởng thì α = const không phụ thuộc vào nồng độ Còn với các trường hợp khác lí tưởng như trường hợp rượu etylic – nước đang xét thì α có giá trị trung bình:
𝛼 = (𝛼1 𝛼2… 𝛼𝑘)1/𝑘 [6 − 11]
- Trong đó αi (i = 1 ÷ k) là các giá trị tương ứng với các giá trị xi khác nhau Do đó áp dụng công thức tính α ta xây dựng được bảng số liệu các giá trị αi tương ứng với các giá trị xi như sau:
Bảng 3.1.2 Bảng giá trị các αi tương ứng với các giá trị xi
- Hệ số bay hơi tương đối 𝛼 = (𝛼1 𝛼2… 𝛼10)101 = 2,504
- Áp dụng công thức Fenske với xP = 0,86 (phần mol); xW= 0,004 (phần mol); α=2,504
- Chỉ số hồi lưu R có ảnh hưởng trực tiếp đến vị trí tương đối của đường làm việc so với đường cân bằng pha trên đồ thị y-x (Mc Cabe- Thiele) vì góc nghiêng đường làm việc của đoạn luyện 𝑡𝑎𝑛 ∝= 𝑅
𝑅+1 nên sẽ ảnh hưởng đến số đĩa lý thuyết NLT và chiều cao H của tháp Mặt khác chỉ số hồi lưu cũng liên quan trực tiếp tới lượng nhiệt Q cần cấp cho thiết bị đun bay hơi ở dưới đáy tháp Q ~ G = P(R+1) Ở đây G - lưu lượng dòng hơi đi trong tháp; P - lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh
- Như vậy chỉ số hồi lưu R có ảnh hưởng trái chiều đến chiều cao của tháp (khi R tăng, chiều cao H giảm, kinh phí chế tạo tháp giảm) và ảnh hưởng xuôi chiều đến lượng nhiệt tiêu tốn Q (khi R tăng, lượng nhiệt Q tăng, chi phí vận hành tăng) Vì vậy để tháp chưng cất làm viêc đạt được hiệu quả kinh tế cao cần xác định được chỉ số hồi lưu
x (phần mol) 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 y* (phần mol) 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8
αi 9,443 7,129 4,529 3,170 2,386 1,890 1,548 1,307 1,124 0,978
Trang 18thích hợp Rth Chỉ số hồi lưu Rth có thể xác định theo 2 tiêu chí là: chiều cao H của tháp và thể tích VT của tháp Tùy theo yêu cầu mức độ chính xác, trong tính toán công nghiệp thường tính gần đúng chỉ số hồi lưu làm việc bằng:
Rx = (1,2 ÷ 2,5).Rmin [2 – 158 – IX.25a] hay Rx = 1,3.Rmin + 0,3 [2 – 159 – IX.25b] Do Rmin = 1,688 nên chỉ số hồi lưu làm việc sẽ trong khoảng Rx = 2,03 ÷ 4,22 hoặc Rx = 2,49
❖ Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Rth theo tiêu chí thể tích VT của tháp
- Để chọn Rth ta lập quan hệ NLT = f(R) sử dụng quan hệ thực nghiệm Gililand dựa trên
- Đối với các tháp chuyển khối, kinh phí chế tạo tháp thông thường tỷ lệ thuận với thể tích của tháp VT ~ V = NLT(R + 1) nên để tìm được chỉ số hồi lưu thích hợp cần phải xây dựng được quan hệ V = NLT(R + 1) = f(R) Quan hệ này cũng sẽ xây dựng được bằng cách sử dụng đồ thị x – y của Mc Cabe hoặc sử dụng phương trình của
→ Sử dụng phương trình Molokanov có bảng số liệu 3.1.3 và dựng được đồ thị quan hệ V=NLT(R+1) như trên hình 3.1.3 Từ đồ thị hình 3.1.3 cho thấy nếu chọn thể tích của tháp làm tiêu chí tối ưu thì chỉ số hồi lưu thích hợp Rth = 2,7 ứng với NLT = 14,02 đĩa
Trang 203.1.3 Tính cân bằng vật liệu của đoạn chưng và đoạn luyện để xác định lưu lượng các dòng pha đi trong từng đoạn của tháp
3.1.3.1 Giải cân bằng vật liệu toàn tháp chưng luyện a) Tính theo lưu lượng mol (kmol/s)
• Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp: 𝑀 = ∑𝑛𝑖=1𝑀𝑖𝑥𝑖 - Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu:
b) Tính theo lưu lượng khối lượng (kg/h)
• Phương trình cân bằng vật liệu cho toán tháp (kg/s): F=P+W
• Cân bằng vật chất với cấu tử dễ bay hơi rượu etylic: 𝐹 𝑎𝐹 = 𝑃 𝑎𝑃+ 𝑊 𝑎𝑊
Trang 21• Lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đáy: W= F – P = 3,0 – 1,42 = 1,58 (kg/s)= 5688 (kg/h)
• Lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu: F = 3,0 (kg/s) = 10800 (kg/h) Như vậy, ta có bảng số liệu:
t0C Lưu lượng mol Lưu lượng khối lượng
- Chọn Rth = 2,7; phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện là: y = 0,72973x + 0,23243; phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng là:
y = 1,30072x - 0,0012
- Dựa vào phương trình đường làm việc, đồ thị đường cân bằng pha và công thức đổi từ phần mol sang phần khối lượng: 𝑎𝐴 = 𝑀𝐴.𝑥𝐴
𝑀𝐴.𝑥𝐴+𝑀𝐵.𝑥𝐵 [2 − 126 𝐵ả𝑛𝑔 𝑉𝐼𝐼𝐼 𝐼] với MA=Mrượu etylic= 46 (kg/kmol); MB=MNước = 18 (kg/kmol), ta xây dựng được bảng số liệu 3.1.5 như sau:
Đầu xF = 0,243 yF = 0,41 y*F = 0,55 aF = 0,45 ayF = 0,64 ay*F = 0,757
Đỉnh tháp xP = 0,86 yP = 0,86 y*P = 0,866 aP = 0,94 ayP = 0,94 ay*P = 0,943
Đáy tháp xW = 0,004 yW = 0,004 y*W = 0,027 aW = 0,01 ayW = 0,01 ay*W = 0,066
Trang 22Bảng 3.1.5 Bảng số liệu nồng độ cấu tử phân bố trong pha lỏng (x), trong pha hơi ra khỏi đĩa (y) và trong pha hơi cân bằng với lỏng trên đĩa (y*) trong hỗn hợp đầu,
hỗn hợp sản phẩm đỉnh, hỗn hợp sản phẩm đáy
3.1.3.2 Tính toán lưu lượng các dòng pha đi trong từng đoạn tháp
- Đối với tháp chưng luyện loại đĩa, do ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử trong hỗn hợp cần tách khác nhau cho nên lượng hơi sẽ khác nhau ở các tiết diện khác nhau của tháp Để tính lượng hơi này cần giải kết hợp các phương trình cần bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng
a) Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện
𝑔𝑡𝑏 =𝑔đ+ 𝑔1
2 [2 − 181 − 𝐼𝑋 91
Trong đó: +) gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h) +) gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h) +) g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h) • Tính lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp
Lượng lỏng đi vào đĩa tiếp liệu của đoạn luyện: G1 =g1 - GP
• Cân bằng vật liệu riêng phần cho cấu tử dễ bay hơi từ đĩa tiếp liệu đến đỉnh tháp 𝑔1 𝑎𝑦1 = 𝐺1 𝑎1+ 𝐺𝑃 𝑎𝑃 [2 − 182 − 𝐼𝑋 94]
Trong đó: +) ay1: phần khối lượng của cấu tử phân bố (rượu etylic) trong pha hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện
+) a1 = aF = 0,45: nồng độ phần khối lượng của rượu etylic trong pha lỏng ở
+) r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện +) rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp
Trang 23Bảng 3.1.6 Bảng nhiệt hóa hơi rhh (kcal/kg) phụ thuộc vào nhiệt độ của Rượu etylic và Nước [1-254- Bảng I.212] (1 kcal/kg = 4,1868.103 J/kg)
- Hỗn hợp đầu 𝑡𝐹𝑜 = 82,555𝑜𝐶 => rrượu etylic = 200,98 (kcal/kg); rnước = 556,45 (kcal/kg) - Sản phẩm đỉnh 𝑡𝑃𝑜 = 78,48𝑜𝐶 => rrượu etylic = 202,61 (kcal/kg); rnước = 560,52 (kcal/kg) - Sản phẩm đáy 𝑡𝑊𝑜 = 99,24𝑜𝐶 => rrượu etylic = 194,30 (kcal/kg); rnước = 539,76 (kcal/kg) - Tính ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện r1:
r1 = ay1.rrượu etylic + (1 - ay1) rnước = 200,98 ay1 + (1-ay1).556,45 = 556,45 – 355,47 ay1 (kcal/kg)
- Tính ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp rđ:
rđ = ayP.rrượu etylic + (1-ayP) rnước = 0,94.202,61 + (1 - 0,94).560,52 = 224,08 (kcal/kg) Trong đó: +) gtbC: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng (kg/h) +) g’n: Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn chưng (kg/h) +) g’1: Lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)
+) g1: Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h)
• Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện g’n = g1 = 12929,56 (kg/h)
Trang 24• Cân bằng vật liệu cho đĩa thứ nhất của đoạn chưng: G’1 = g’1+GW [2-182-IX.98] • Cân bằng vật liệu riêng phần cho cấu tử dễ bay hơi tại đĩa thứ nhất của đoạn chưng: 𝐺′1 𝑎𝑥′1 = 𝑔′1 𝑎𝑦𝑤+ 𝐺𝑊 𝑎𝑊 [2 − 182 − 𝐼𝑋 99]
Trong đó: +) ax’1 : là phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi rượu etylic trong pha lỏng tại đĩa thứ nhất của đoạn chưng
+) ayw: là nồng độ phần khối lượng của rượu etylic trong pha hơi ở sản phẩm đáy +) aw: là nồng độ phần khối lượng của rượu etylic trong pha lỏng ở sản phẩm đáy • Phương trình cân bằng nhiệt lượng toàn phần từ đĩa tiếp liệu đến đáy tháp:
𝑔1′ 𝑟1′ = 𝑔𝑛′ 𝑟𝑛′ = 𝑔1 𝑟1 [2 − 182 − 𝐼𝑋 100] Trong đó:
+) r’1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng +) r’n: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng
- Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng r’n chính bằng ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện r1: r’n = r1 = 1371290,044 (J/kg)
- Tính cẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng: r’1 = ay’1 rrượu etylic + (1 - ay’1) rnước [2-182]
Với rrượu etylic = 194,30 (kcal/kg); rnước = 539,76 (kcal/kg);
ay’1 = ay*w = 0,066 là nồng độ phần khối lượng của cấu tử rượu etylic trong pha hơi
Với G’n = G1 + GF = 7819,88 + 10800 = 18619,88 (kg/h) là lượng lỏng đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng
𝐺𝑡𝑏𝐶 =𝐺𝑛′ + 𝐺1′
2 =18619,88+13879,698
2 = 16249,789 (𝑘𝑔 ℎ )
3.2 Xác định đường kính của tháp chưng luyện
3.2.1 Xác định tốc độ làm việc của pha hơi trong đoạn chưng, đoạn luyện
Trang 253.2.1.1 Khối lượng riêng trung bình
a) Khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi) đi trong đoạn luyện (kg/m3)
+) 𝑦đ1, 𝑦𝑐1: nồng độ làm việc giữa đĩa tiếp liệu và đỉnh tháp +) T: nhiệt độ làm việc trung bình đoạn luyện, K
Trong đó: +) 𝜌𝑥𝑡𝑏𝐿: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện +) 𝜌𝑥𝑡𝑏(1), 𝜌𝑥𝑡𝑏(2): Khối lượng riêng của rượu etylic và nước của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình
+) 𝑎𝑡𝑏𝐿: Phần khối lượng trung bình của rượu etylic trong pha lỏng
- Nồng độ phần khối lượng trung bình của đoạn luyện:
Trang 262 : nồng độ phần mol của cấu tử phân bố lấy theo giá trị trung bình +) 𝑦đ2, 𝑦𝑐2: nồng độ làm việc giữa đĩa tiếp liệu và đỉnh tháp
+) T: nhiệt độ làm việc trung bình đoạn chưng, K
- Nồng độ làm việc trung bình của cấu tử phân bố trong pha hơi trong đoạn chưng:
- Tại 𝑥𝑡𝑏2 = 0,124 (𝑝ℎầ𝑛 𝑚𝑜𝑙), nội suy từ bảng IX 2a, [2-148] ta có nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng là:
Trong đó: +) 𝜌𝑥𝑡𝑏𝐶: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng +) 𝜌𝑥𝑡𝑏(1), 𝜌𝑥𝑡𝑏(2): Khối lượng riêng của rượu etylic và nước của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình
+) 𝑎𝑡𝑏𝐶: Phần khối lượng trung bình của rượu etylic trong pha lỏng
- Nồng độ phần khối lượng trung bình của đoạn chưng:
Trang 27- Khi tính toán đường kính cần biết trước tốc độ khí đi trong tháp Tốc độ khí phụ thuộc vào cấu tạo tháp, chế độ làm việc, khối lượng riêng, mật độ tưới Công thức tính tốc độ khí (hơi) trung bình đi trong đoạn luyện của tháp chóp:
+) h: khoảng cách giữa các đĩa (m)
+) hệ số 𝜑(𝑥) phụ thuộc vào sức căng bề mặt, khi 𝜎 < 20 (dyn/cm) thì 𝜑(𝑥)= 0,8,
+) 𝜎𝑥𝑡𝑏1, 𝜎𝑥𝑡𝑏2: lần lượt là sức căng bề mặt của rượu etylic và nước trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình
+) 𝑎𝑡𝑏𝐴: Phần khối lượng trung bình của rượu etylic trong pha lỏng
Trang 28Do đó: (𝜌𝑦𝜔𝑦)𝑡𝑏𝐿 = 0,065.1 √ℎ 794,327.1,238 = 2,038√ℎ (𝑘𝑔 𝑚2𝑠)
3.2.1.3 Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng của tháp chóp
- Công thức tính tốc độ khí (hơi) trung bình đi trong đoạn chưng của tháp chóp:
+) h: khoảng cách giữa các đĩa (m)
+) hệ số 𝜑(𝑥) phụ thuộc vào sức căng bề mặt, khi 𝜎 < 20 (dyn/cm) thì 𝜑(𝑥)= 0,8,
+) 𝜎𝑥𝑡𝑏1, 𝜎𝑥𝑡𝑏2: lần lượt là sức căng bề mặt của rượu etylic và nước trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình
+) 𝑎𝑡𝑏𝐴: Phần khối lượng trung bình của rượu etylic đi trong đoạn chưng
3.2.2.1 Tính đường kính đoạn luyện của tháp
- Đường kính đoạn luyện: 𝐷𝐿 = 0,0188 √ 𝑔𝑡𝑏𝐿
(𝜌𝑦𝜔𝑦)𝑡𝑏𝐿 (𝑚)[2 − 181 − 𝐼𝑋 90] Trong đó:
Trang 29+) (𝜌𝑦𝜔𝑦)𝑡𝑏𝐿: tốc độ hơi trung bình trong đoạn luyện, (𝜌𝑦𝜔𝑦)𝑡𝑏𝐿= 2,038√ℎ (𝑘𝑔
3.2.2.2 Tính đường kính đoạn chưng của tháp
- Đường kính đoạn chưng: 𝐷𝐶 = 0,0188 √ 𝑔𝑡𝑏𝐶
(𝜌𝑦𝜔𝑦)𝑡𝑏𝐶 (𝑚)[2 − 181 − 𝐼𝑋 90] Trong đó:
+) (𝜌𝑦𝜔𝑦)𝑡𝑏𝐶: tốc độ hơi trung bình trong đoạn chưng, (𝜌𝑦𝜔𝑦)𝑡𝑏𝐶= 1,755√ℎ (𝑘𝑔 𝑚2𝑠) +) 𝑔𝑡𝑏𝐶: lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, 𝑔𝑡𝑏𝐶= 10560,629 (kg/h)
- Giả thiết đường kính đoạn chưng DC trong khoảng 1,2 ÷ 1,8 Chọn h = 0,45m Do
1,888 = 5,6% (sai số không quá 20%) Ta quy chuẩn đường kính DC = DL = 2m
• Không quy chuẩn về 1,9m vì tỉ lệ giữa vận tốc làm việc thực tế và vận tốc giới hạn vượt quá khoảng 0,8 – 0,9 dẫn đến chế độ sặc, giải thích:
❖ Đối với đoạn luyện
- Vận tốc giới hạn của pha hơi trong đoạn luyện
+) h: khoảng cách giữa các đĩa
+) 𝜌𝑥𝑡𝑏𝐿, 𝜌𝑦𝑡𝑏𝐿: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí trong đoạn luyện
Trang 301,353 = 0,93 (không thỏa mãn vì vượt quá giới hạn dẫn đến chế độ sặc) ❖ Đối với đoạn chưng:
- Vận tốc giới hạn của pha hơi trong đoạn chưng:
+) h: khoảng cách giữa các đĩa
+) 𝜌𝑥𝑡𝑏𝐶, 𝜌𝑦𝑡𝑏𝐶: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí trong đoạn chưng
1,329 = 0,96 (không thỏa mãn vì vượt quá giới hạn dẫn đến chế độ sặc) • Quy chuẩn đường kính DC = DL = 2m, tính lại vận tốc:
❖ Đối với đoạn luyện
- Vận tốc giới hạn của pha hơi trong đoạn luyện
+) h: khoảng cách giữa các đĩa
+) 𝜌𝑥𝑡𝑏𝐿, 𝜌𝑦𝑡𝑏𝐿: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí trong đoạn luyện
Trang 31❖ Đối với đoạn chưng:
- Vận tốc giới hạn của pha hơi trong đoạn chưng:
+) h: khoảng cách giữa các đĩa
+) 𝜌𝑥𝑡𝑏𝐶, 𝜌𝑦𝑡𝑏𝐶: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí trong đoạn chưng
3.3 Xác định chiều cao của tháp chưng luyện
- Có nhiều phương pháp xác định chiều cao của tháp đĩa trong chưng luyện:
+ Cách 1: theo số bậc thay đổi nồng độ, động học của quá trình được biểu diễn qua hiệu suất của đĩa, động lực quá trình được tính gián tiếp qua số bậc thay đổi nồng độ lí thuyết (số đĩa lí thuyết)
+ Cách 2: theo số đơn vị chuyển khối, động học quá trình được biểu diễn qua số đơn vị chuyển khối tương ứng với một đĩa, động lực được tính theo số đơn vị chuyển khối chung toàn tháp
Trong đồ án này sẽ dụng cách 1 tính chiều cao theo số bậc thay đổi nồng độ, công thức tính chiều cao:
H = Ntt (Hđ + δ) + (0,8 ÷ 1) [5-169]
Trang 32Trong đó: H: chiều cao tháp (m) Ntt: số đĩa thực tế
Hđ: khoảng các giữa các đĩa (m) δ: chiều dày của đĩa (m)
(0,8 ÷ 1): khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị
3.3.1 Xác định số đĩa lý thuyết dựa vào đồ thị Mc Cabe – Thiele:
- Với Rth = 2,7, phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện là: y = 0,72973x + 0,23243; phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng là: y = 1,30072x – 0,0012
- Dựa vào đồ thị xác định được:
+ Số đĩa lý thuyết đoạn chưng: Nlt(C) = 4 (đĩa) + Số đĩa lý thuyết đoạn luyện: Nlt(L) = 18 (đĩa) + Số đĩa lý thuyết toàn tháp: Nlt = 22 (đĩa)
Trang 343.3.2 Xác định số đĩa thực tế theo hiệu suất trung bình:
Trong đó: Ntt: số đĩa thực tế
Nlt: số đĩa lí thuyết, Nlt(C) = 4 đĩa, Nlt(L) = 18 đĩa ηtb: hiệu suất trung bình của thiết bị
Trong đó: y*: nồng độ phần mol cân bằng của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi x: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng
Trang 35Bảng 3.3.1: Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ của ethanol và nước ở trạng thái lỏng [I-12-84]
Có công thức tính độ nhớt của hỗn hợp lỏng thường không liên hợp: lg μhh = x1 lgμA + (1 – x1) lgμB [1-84-I.12]
Trong đó: μA, μB: lần lượt là độ nhớt động lực của rượu etylic, nước (N.s/m2) x1: nồng độ của rượu etylic trong hỗn hợp
- Tính toán: tại vị trí đĩa tiếp liệu, ta có:
Trang 37+) h = hC = hL = 600mm = 0,6m là khoảng cách giữa hai đĩa +) δ: chiều dày của đĩa, chọn δ = 3mm = 0,003m
+) ∆ℎ: là khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị (0,8 – 1m), chọn ∆ℎ = 0,8m - Chiều cao đoạn luyện:
3.4 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện
3.4.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:
𝑄𝐷1+ 𝑄𝑓 = 𝑄𝐹 + 𝑄𝑛𝑔1+ 𝑄𝑥𝑞1 [2 − 196 − 𝐼𝑋 149] Trong đó:
+) QD1 là nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h) +) Qf là nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào (J/h) +) QF là nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang ra (J/h) +) Qng1 là nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
+) Qxq1 là nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy (J/h)
3.4.1.1 Nhiệt lượng hơi đốt mang vào
𝑄𝐷1 = 𝐷1 𝜆1 = 𝐷1 (𝑟1+ 𝜃1𝐶1) [2 − 196 − 𝐼𝑋 150] Trong đó:
+) QD1 là nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)
Trang 38+) D1 là lượng hơi đốt (kg/h) +) r1 là ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
+) λ1 là hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg) +) θ1 là nhiệt độ nước ngưng
+) C1 là nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
• Do không cần đun nóng quá 180oC ở đây ta sử dụng loại hơi đốt phổ biến trong công nghiệp là hơi nước bão hòa
• Vì nhiệt độ của hỗn hợp đầu là 𝑡𝐹°= 82,555oC nên nhiệt độ của hơi đốt phải cao, chọn nhiệt độ hơi đốt là 119,6oC tương ứng với áp suất 2at [1-314- Bảng I.251] Tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào áp suất
• Tra bảng tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc áp suất [1-314] có nhiệt hóa hơi r1= 527,0 (kcal/kg) = 2208.103 (J/kg); nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) λ1=
+) tf là nhiệt độ đầu của hỗn hợp (oC)
+) Cf là nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)
• Bảng nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ của rượu etylic và nước Chất Nhiệt dung riêng Cp, J/kg ở nhiệt độ
• Giả sử gia nhiệt cho hỗn hợp đầu từ 𝑡𝑓°= 20oC Từ bảng số liệu 3.4.1 có nhiệt dung riêng của ethanol và nước ở 20oC là: CE = 2480 (J/kg.độ); CN = 4180 (J/kg.độ)
• Sử dụng công thức [1-152-I.42] tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra:
Trang 39Trong đó:
+) QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)
+) tF là nhiệt độ hỗn hợp sau khi ra khỏi thiết bị đun nóng (oC) +) CF là nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra (J/kg.độ)
• Từ bảng số liệu 3.4.1 sử dụng công thức nội suy tìm giá trị nhiệt dung riêng của Ethanol và Nước ở nhiệt độ 𝑡𝐹° = 82,555oC là: CE = 3258,33 (J/kg.độ); CNước = 4195,24
+) Qng1 là nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
+) Gng1 là lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt D1 (kg/h)
3.4.1.5 Nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy
𝑄𝑥𝑞1 = 0,05 𝐷1 𝑟1 [2 − 197 − 𝐼𝑋 154]
Trong đó:
+) Qxq1 là nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh, lấy bằng 5% nhiệt lượng tiêu tốn (J/h)
• Vậy, lượng hơi đốt (lượng hơi nước bão hòa) cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi tF là: [2-197-IX.155]
Trang 40𝑄𝑥𝑞1 = 0,05 𝐷1 𝑟1 = 0,05.1252,339.2208 103 = 138258225,6 (𝐽
ℎ) = 38,41 (𝑘𝑊)
3.4.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện
- Tổng nhiệt lượng mang vào tháp = Tổng nhiệt lượng mang ra khỏi tháp 𝑄𝐹 + 𝑄𝐷2+ 𝑄𝑅 = 𝑄𝑦+ 𝑄𝑊+ 𝑄𝑛𝑔2+ 𝑄𝑥𝑞2 [2 − 197 − 𝐼𝑋 156] Trong đó:
+) QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h) +) QD2 là nhiệt lượng hơi đốt mang vào tháp (J/h)
+) QR là nhiệt lượng do chất lỏng hồi lưu mang vào (J/h) +) Qy là nhiệt lượng do hơi nước mang ra ở đỉnh tháp (J/h) +) QW là nhiệt lượng do sản phẩm mang ra (J/h)
+) Qng2 là nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
+) Qxq2 là nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh (J/h)
3.4.2.1 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào
𝑄𝐹 = 𝐹 𝐶𝐹 𝑡𝐹 [2 − 196 − 𝐼𝑋 152] Trong đó:
+) QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)
+) tF là nhiệt độ hỗn hợp sau khi ra khỏi thiết bị đun nóng (oC) +) CF là nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)
• Từ bảng số liệu 3.4.1 sử dụng công thức nội suy tìm giá trị nhiệt dung riêng của rượu etylic và nước ở nhiệt độ 𝑡𝐹° = 82,555oC là:
+) QD2 là nhiệt lượng hơi đốt mang vào đáy tháp (J/h)
+) D2 là lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp (kg/h) +) r2 là ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
+) λ2 là hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg) +) θ2 là nhiệt độ nước ngưng
+) C2 là nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
• Sử dụng hơi đốt là hơi nước bão hòa, ở nhiệt độ 119,6oC tương ứng với áp suất 2at [1-314-Bảng I.251]