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 : 2000 kgh có nồng độ 20% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol là 98%. 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. Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa,giáo viên hướng dẫn và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện đồ án
Đồ Án Môn Hoc 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 : 2000 kg/h có nồng độ 20% mol etanol ,thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol 98% Tuy cố gắng nhiều với điều kiện lực hạn chế nên chắn làm đồ án 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 Hoc CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 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 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 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 sôi cấu tử 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 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 Hoc 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 (312)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: Đồ Án Môn Hoc 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 - 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 : Nguyên liệu hỗn hợp Etanol - Nước Etanol: (Còn gọi rượu etylic,cồn êtylic hay cồn thực phẩm) Etanol có cơng thức phân tử: CH3-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 Đồ Án Môn Hoc Do K CH −CH − OH < K H 2O = 10 −14 : tính acid rượu nhỏ tính acid nước, nên muối Natri etylat tan nước bị thuỷ phân thành rượu trở lại + Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với nước Khi rượu tác dụng với acid vô H2SO4, HNO3 acid hữu tạo ester Lạnh CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O H+ CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 CH3-COO-C2H5 + H2O * Phản ứng nhóm hydroxyl: + Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O + Tác dụng với Triclo Phốt pho: CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl + Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 + Phản ứng tạo eter tách loại nước: 2CH3-CH2-OH CH3-CH2-OH * Phản ứng hydro oxy hoá: CH3-CH2-OH H2SO4 >150oC H2SO4 >150oC Cu 200-300oC Al2O3 C2H5-NH2 + H2O to (CH3-CH2)2O + H2O CH2=CH2 + H2 O CH3-CHO + H2 + metanol, đóng • Ứng nghiệp etanol có nhiều ứng dụng Dung môi hữu cơ:pha sơn vai + Công dụng:cao su tổng hợp + Nguyên liệu + Động lực trị quan trọng kinh tế quốc dân Nó nguyên liệu dùng để sản suất 150 mặt hàng khác ứng dụng rộng rãi + Rượu mùi Nhiên liệu ngành: công+nghiệp nặng, y tế dược, quốc phịng, giao thơng vận tải, dệt, Dấm chế biến gỗ nông nghiệp + Động lực + Thuốc trừ sâu Etano l + Đồ nhựa + Keo dán + Hương liệu + Thuốc nhuộm + Tơ nhân tạo + Sát trùng + Pha chế thuốc + Sơn + Vecni Đồ Án Môn Hoc + Thuốc súng khơng khói + Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay Sơ đồ tóm tắt vị trí etanol ngành cơng nghiệp • Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H 2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen ester etanol đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ hợp chất kim… Trong công nghiệp, điều chế etanol phương pháp lên men từ nguồn tinh bột rỉ đường Những năm gần đây, nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột: 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 d40 c : g / ml Nhiệt độ nóng chảy : 00C Nhiệt độ sơi : 1000 C Nước hợp chất chiếm phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất nước biển) cần thiết cho sống Đồ Án Mơn Hoc Nước dung mơi phân cực mạnh, có khả hồ tan nhiều chất dung mơi quan trọng kỹ thuật hóa học Hỗn hợp Etanol – Nước: Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Etanol - Nước 760 mmHg: Đồ Án Môn Hoc Bảng 1: Thành phần lỏng (x) (y) nhiệt độ x(%phân mol) y(%phân mol) t(oC) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4 Từ bảng số liệu ta vẽ đường cân độ thị x-y đồ thị t-x,y Hình 1: Đường cân hệ etanol – nước Đồ Án Mơn Hoc Hình 2: đồ thị t – x –y hỗn hợp III CÔNG 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 đặc cấu tử có khả bay hơi, không sử dụng phương pháp trích ly phương pháp hấp thụ phải đưa vào khoa để tách, làm cho trình phức tạp hay trình tách khơng hồn tồn * Sơ đồ qui trình cơng nghệ chưng cất hệ Etanol – nước: Chú thích kí hiệu qui trình: Bồn chứa ngun liệu Bơm Bồn cao vị Đồ Án Môn Hoc 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 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 dòng 10 Đồ Án Mơn Hoc 5922,75 Khi đó: α W = 2,49 0, 25 = 4714,44 (W/m2.oC) αF = 5103,347 = 3428,34 (W/m2.oC) 4,910, 25 Từ (IV.18): K= = 982,31 1 (W/m2.oC) + + 3428,34 1944,444 4714,44 Từ (IV.17), bề mặt truyền nhiệt trung bình: Ftb = 49,98.1000 = 1,303 (m2) 982,31.39,03 Suy chiều dài ống truyền nhiệt : L = 1,303 = 14,305 0,025 + 0,021 (m) π Chọn: L = 20(m),(dự trữ khoảng 20%) L 20 Kiểm tra: d = 0,021 = 952,38 > 50 εl = 1: thoả tr Vậy: thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 20(m), chia thành dãy, dãy dài (m) Thiết gia nhiệt nhập liệu : Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ong truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống trong:25x2; kích thước ống ngồi: 38x2 Dòng nhập liệu ống 25x2 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t”F =58,55oC ,nhiệt độ cuối: tF =83,4oC Chọn đốt nước at, ống 38x2(ống ngoài) Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có: + Nhiệt độ sơi: tsN = 100oC + An nhiệt ngưng tụ: rN = 2260 (KJ/kg) Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo ([1]) ứng với nhiệt độ trung bình ttbF = t" F +t F 58,55 + t 83,4 = 70,975oC: 2 + Nhiệt dung riêng: cF = 3,968 (KJ/kg.độ) + Khối lượng riêng: ρF = 937,58 (Kg/m3) 56 Đồ Án Môn Hoc + Độ nhớt động lực: µF = 0,5786.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: λF = 0,5652 (W/moK) a Suất lượng nước cần dùng : Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho dòng nhập liệu: Qc = 2000 GF cF.(tF – t”F) = 3,968.(83,4 -58,55)=54,78 (KW) 3600 3600 Suất lượng nước cần dùng: Q 54,78 c GhN = r = 2260 = 0,024 (Kg/s) N b Xác định bề mặt truyền nhiệt : Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: Qt ,(m2) Ftb = K ∆t log (IV.22) Với: + K : hệ số truyền nhiệt + ∆tlog : nhiệt độ trung bình logarit • Xác định ∆tlog : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: ∆t log = (100 − 58,55) − (100 − 83,4) = 27,15 o 100 − 58,55 ( K) (CT V.8,trang 5, [2]) Ln 100 − 83,4 • Xác định hệ số truyền nhiệt K: Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức: K= 1 + Σrt + αF αN ,(W/m2.oK) (CT V.5,trang 3,[2]) (IV.23) Với: + αF : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu (W/m2.oK) + αN : hệ số cấp nhiệt nước (W/m2.oK) + ∑rt : nhiệt trở thành ống lớp cáu * Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: Vận tốc dịng nhập liệu ống ngồi: vF = GF 2000 = = 1,71 (m/s) 3600.ρ F π d ng 3600.937,58 π 0,0212 57 Đồ Án Môn Hoc Chuẩn số Reynolds : Re F = v F d td ρ F 1,71.0,009.937,58 = = 24938,39 > 104 : chế độ chảy rối, cơng µF 0,5786.10 −3 thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Nu F = 0,021.ε l Re F ,8 PrF , 43 ( PrF 0, 25 ) Prw Trong đó: + εl : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re W tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReW=20207,63 ,chọn εl =1 + PrF : chuẩn số Prandlt dòng nhập liệu 74,033oC, nên c F µ F 3968.0,5786.10 −3 = PrF = = 4,062 λF 0,5652 158,077 Suy ra: Nu F = Pr 0, 25 w2 Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống nhỏ: αF = Nu F λ F 158,077.0,5652 9927,23 = = , 25 , 25 d td Prw 0,009 Prw Nhiệt tải phía dịng nhập liệu: q F = α F (t w − t tbF ) = 9927,23 Prw , 25 (t w − 70,975) (W/m2) (IV.24) Với tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ) * Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: qt = t w1 − t w , (W/m2) Σrt Trong đó: + tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (ngoài ống nhỏ) δ t + Σrt = λ + r1 + r2 t Bề dày thành ống: δt = 2(mm) Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 17,5 (W/moK) Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.oK/W) Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W) Suy ra: ∑rt = 1/1944,444 (m2.oK/W) 58 Đồ Án Môn Hoc Vậy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) (IV.25) 59 Đồ Án Môn Hoc * Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống nhỏ: Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,034- 0,025 = 0,009 (m) Hệ số cấp nhiệt nước xác định theo công thức: rN αN= 0,725 A. (t − t ).d sN w1 td , 25 2260.1000 = 0,725 A. (100 − t ).0,009 w1 , 25 91,265 A = (100 − t ) 0, 25 w1 Với: + A : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ, tra tài liệu tham khảo [2] Nhiệt tải phía nước: q N = α N (t sN − t w1 ) = 91,265 A.(100 − t w1 ) 0,75 (W/m2) (IV.26) Chọn: tw1 = 96,58oC : Khi đó, nhiệt độ trung bình 100 + 96,58 = 98,29oC ta tra A = 173,8 Từ (IV.26): qN =91,265.173,8.(100 – 96,58)0,75 = 39890,87(W/m2) Xem nhiệt tải mát không đáng kể: qt = qW =39890,87 (W/m2) Từ (IV.25), ta có: tw2 = tw1Suy ra: ttbw = 39890,87 qt =96,58- 1944,444 =76,07oC 1944,444 t w1 + t w 96,58 + 76,07 = 86,325 oC = 2 Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbw = 86,325oC: + Nhiệt dung riêng: cR = 3,941 (KJ/kg.độ) + Độ nhớt động lực: µR = 0,442.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: λR = 0,5764 (W/moK) c R µ R 3,941.0,442.10 −3 = Khi đó: Prw2 = = 3,02 λR 0,5764 Từ (IV.24): qF = 9927,23 (76,07 − 70,975) = 38368,12 (W/m2) 3,02 0, 25 Kiểm tra sai số: ε= qN − q F qN = 39890,87 − 38368,12 39890,87 =3,8% < 5%: thoả Vậy: tw1 = 96,58oC tw2 = 76,07oC 60 Đồ Án Mơn Hoc 91,265.178,36 Khi đó: α N = (100 − 96,58) 0, 25 = 11663,99 (W/m2.oC) αF = 9927,23 = 7530,543 (W/m2.oC) 3,02 0, 25 Từ (IV.23): K= = 1364,628 1 (W/m2.oC) + + 7530,543 1944,444 11663,99 Từ (IV.22), bề mặt truyền nhiệt trung bình: Ftb = 54,78.1000 = 1,478 (m2) 1364,628.27,158 Suy chiều dài ống truyền nhiệt : L = 1,478 = 20,52 0,025 + 0,021 (m) π Chọn: L = 20(m),(dự trữ khoảng 20%) L 20 Kiểm tra: d = 0,021 = 952,38 > 50 εl = 1: thoả tr Vậy: thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L =20(m), chia thành 10 dãy, dãy dài (m) III TÍNH TỐN BƠM NHẬP LIỆU: Tính chiều cao bồn cao vị: Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu (nhập liệu): d = 50 (mm), độ nhám ống ε=0,1(mm) Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF = 83,4 + 28 t F + t'F = =55,7 oC: 2 + Khối lượng riêng: ρF = 935,33 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: µF = 0,787.10-3 (N.s/m2) Vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn: Q F vF = 3600.ρ F 2000 = = 0,30 (m/s) 3600.935,33 π 0,05 π d a Tổn thất đường ống dẫn: l v h1 = λ1 + Σξ1 F d 2.g (m) (II.15, trang 381,[1]) 61 Đồ Án Môn Hoc Với: + λ1 : hệ số ma sát đường ống + l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 20(m) + d1 : đường kính ống dẫn, d1 = d = 0,05(m) + ∑ξ1 : tổng hệ số tổn thất cục + vF : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, vF = 0,149(m/s) * Xác định λ1 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu ống: Re1 = v F d1 ρ F 0,30.0,05.935,33 = = 17945,97 µF 0,787.10 −3 Theo tài liệu tham khảo [1], ta có: 8 d 50 + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh1= 6. = 6. =7289,343 ε 0,1 + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: d Ren1= 220. ε (CT II.62 trang 379, [1]) 50 = 220. =23,9.104 0,1 Suy ra: Regh1 < Re1< Ren1: khu vực chảy độ, (II.15, trang 380, [1]) ε 100 λ1= 0,1.1,46 + d1 Re1 , 25 = 0,03 (CT 11.64 trang380,[1]) * Xác định ∑ξ1: Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + 10 chỗ uốn cong: ξu1=10.1,1 = 11 + van (van cầu): ξv1= 3.10 = 30 + lần đột thu: ξt1 = 0,5 + lần đột mở: ξm1 = + lưu lượng kế: ξl1 = (không đáng kể) Suy ra: ∑ξ1 = ξu1 + ξv1 + ξt 1+ ξm1 + ξl1 = 42,5 Vậy:Tổn thất đường ống dẫn: h1= 0,03 20 0,30 + 42,5 =0,261(m) 0,05 2.9,81 62 Đồ Án Môn Hoc b Tổn thất đường ống dẫn thiết bị trao đổi nhiệt: v2 l2 h2 = λ + Σξ d 2.g (m) Với: + λ2 : hệ số ma sát đường ống + l2 : chiều dài đường ống dẫn, l2 = 18(m) + d2 : đường kính ống dẫn, d2 = 0,021(m) + ∑ξ2 : tổng hệ số tổn thất cục + v2 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, v2 = 1,79(m/s) * Xác định λ2 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu:(xem lại mục IV.I.4) Re2= 33826,08 Theo tài liệu tham khảo [ 1], ta có: 8 d 21 + Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh2= 6. = 6. =2704,68 ε 0,1 + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: d Ren2= 220. ε (CT II.62 trang 379, [1]) 21 = 220. =90140,38 0,1 Suy ra: Regh2 < Re2 < Ren2: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [1]: ε 100 λ2= 0,1.1,46 + d Re , 25 (CT 11.64 trang380,[1]) 0,0001 100 + = 0,1.1,46 0,021 33826,08 , 25 = 0,031 * Xác định ∑ξ2: Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + 11 chỗ ống cong quay ngược: ξq2=11.2,2 = 24,2 + chỗ uốn cong: ξu2= 1,1 + lần co hẹp: ξc2 = 0,385 0,0212 + lần mở rộng: ξm2 = 1 − 0,05 = 0,6783 63 Đồ Án Môn Hoc Suy ra: ∑ξ2 = ξu2 + ξq2 + ξc2+ ξm =1,1 + 19,8 + 0,385 + 0,6783 = 21,963 Vậy:Tổn thất đường ống dẫn thiết bị trao đổi nhiệt: h 2= 20 1,79 + 21,963 0,031 =8,4(m) 0,021 2.9,81 c Tổn thất đường ống dẫn thiết bị gia nhiệt nhập liệu: v2 l λ3 + Σξ h3 = 2.g d3 (m) Với: + λ3 : hệ số ma sát đường ống + l3 : chiều dài đường ống dẫn, l3 = 15(m) + d3 : đường kính ống dẫn, d3 = 0,021(m) + ∑ξ3 : tổng hệ số tổn thất cục + v3 : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, v3 = 1,71(m/s) * Xác định λ3 : Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu:(xem lại mục IV.I.5) Re3= 24938,39 Theo tài liệu tham khảo ([1]), ta có: + Chuẩn số Reynolds tới hạn: d Regh3= 6. ε (CT II.60 trang378,[1]) 21 = 6. =2704,68 0,1 + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: d Ren3= 220. ε (CT II.62 trang 379, [1]) 21 = 220. =90140,38 0,1 Suy ra: Regh3 < Re3 < Ren3: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo ([1]): ε 100 λ3= 0,1.1,46 + d Re , 25 = 0,0323 (CT 11.64 trang380,[1]) 64 Đồ Án Môn Hoc * Xác định ∑ξ3: Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua: + chỗ ống cong quay ngược: ξq3=9.2,2 = 19,8 + chỗ uốn cong: ξu3= 1,1 + lần co hẹp: ξc2 = 0,385 0,0212 + lần mở rộng: ξm2 = 1 − 0,05 = 0,6783 Suy ra: ∑ξ3 = ξu3 + ξq3 + ξc3+ ξm =21,963 Vậy:Tổn thất đường ống dẫn thiết bị gia nhiệt: 15 1,712 + 21,963 0,0323 h3= =6,7(m) 0,021 2.9,81 Chọn : + Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị + Mặt cắt (2-2) mặt cắt vị trí nhập liệu tháp Ap dụng phương trình Bernolli cho (1-1) (2-2): P1 v P2 v z1 + ρ g + = z2 + ρ g + +∑hf1-2 2.g 2.g F F 2 P − P v − v1 hay z1 = z2 + + +∑hf1-2 ρ F g 2.g Với: + z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem chiều cao bồn cao vị Hcv = z1 + z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem chiều cao từ vị trí nhập liệu tới mặt đất: z2 = hchân đỡ + hnắp + (Nchưng+1) (h + δmâm ) = 0,165+ 0,24 + 7.(0,3 + 0,005) = 2,54 (m) + P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at + P2 : áp suất mặt thoáng (2-2) Xem ∆P=P2 –P1 =Ncất htl = 38 27,12 = 20030,56 (N/m2) + v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1), xem v1 = 0(m/s) + v1 : vận tốc vị trí nhập liệu, v1 = vF = 0,30 (m/s) + ∑hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2): ∑hf1-2 = h1 + h2 + h3 = 0,261 + 8,4 + 67 = 15,3(m) 2 P − P v − v1 Vậy: Chiều cao bồn cao vị: Hcv = z2 + + +∑hf1-2 ρ F g 2.g 65 Đồ Án Môn Hoc 20030,56 0,30 − + =2,54 + + 4,307 935,33.9,81 2.9,81 = 20(m) Chọn Hcv = 20(m) Chọn bơm: G 2000 F Lưu lượng nhập liệu: VF = ρ = 935,33 = 2,13 (m3/h) F Chọn bơm có suất Qb = 2,2 (m3/h).Đường kính ống hút, ống đẩy 21(mm),nghĩa chọn ống 25x2 Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra tài liệu tham khảo ([1]) ứng với nhiệt độ trung bình t’F = 28 oC: + Khối lượng riêng: ρF = 964,2 (Kg/m3) + Độ nhớt động lực: µF = 1,772.10-3 (N.s/m2) Vận tốc dịng nhập liệu ống hút đẩy: vh = vd = 4.Qb 3600.π d h = 4.2,2 = 1,765(m/s) 3600.π ,0,0212 Tổng trở lực ống hút ống đẩy: lh + ld vh + Σξ h + Σξ d hhd = λ 2.g dh Với: + lh : chiều dài ống hút, chọn lh = 2,5 (m) + ld : chiều dài ống đẩy, chọn ld = 15,5 (m) + ∑ξh : tổng tổn thất cục ống hút + ∑ξd : tổng tổn thất cục ống đẩy + λ : hệ số ma sát ống hút ống đẩy * Xác định λ: Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu: Re= v h d h ρ F 1,765.0,021.964,2 = =20168,65 µF 1,772.10 −3 Theo tài liệu tham khảo [1], ta có: + Chuẩn số Reynolds tới hạn: d Regh= 6. h ε (CT II.60 trang378,[1]) 66 Đồ Án Môn Hoc 21 = 6. =2704,68 0,1 + Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: d Ren= 220. h ε (CT II.62 trang 379, [1]) 21 = 220. =90140,38 0,1 Suy ra: Regh < Re < Ren: khu vực chảy độ, (tài liệu tham khảo [4 (tập 1)]): ε 100 λ= 0,1.1,46 + d h Re , 25 = 0,033 (CT 11.64 trang380,[1]) * Xác định ∑ξh: Hệ số tổn thất cục ống hút qua: + van cầu: ξvh= 10 + lần vào miệng thu nhỏ: ξt = Suy ra: ∑ξh = ξvh + ξt =10 * Xác định ∑ξd: Hệ số tổn thất cục ống đẩy qua: + van cầu: ξvd= 10 + lần uốn góc: ξu =2.1,1 = 2,2 Suy ra: ∑ξh = ξvd + ξu =12,2 Vậy:Tổn thất ống hút ống đẩy: hhd = 0,033 2,5 + 15,5 1,765 + 10 + 12,2 =8,01(m) 0,021 2.9,81 Chọn : + Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu + Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Ap dụng phương trình Bernolli cho (1-1) (2-2): P1 v P2 v z1 + ρ g + + Hb= z2 + ρ g + +∑hf1-2 2.g 2.g F F Với: + z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất + z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất + P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at 67 Đồ Án Mơn Hoc + P2 : áp suất mặt thống (2-2), chọn P2 = at + v1,v2 : vận tốc mặt thoáng (1-1) và(2-2), xem v1=v2= 0(m/s) + ∑hf1-2 =hhd: tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2) + Hb : cột áp bơm Suy ra: Hb = (z2 – z1) + hhd = Hcv + hhd = 20 +8,01 =28,01(m.chất lỏng) Chọn hiệu suất bơm: ηb = 0,8 Q H ρ g b b F Công suất thực tế bơm: Nb = 3600.η = b 2,2.28,01.964,2.9,81 3600.0,8 = 202,38(W) = 0,27 (hp) Tóm lại: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM Qb = 1,2 (m3/h) rượu chất không độc hại 68 Đồ Án Mơn Hoc KẾT LUẬN: Sau gần hai tháng nghiên cứu, em tìm hiểu học tập vấn đề: + Thiết kế tháp chưng cất Etanol – Nước tương đối hoàn chỉnh biết trước suất, nồng độ nhập liệu nồng độ, độ thu hồi sản phẩm đỉnh + Tính toán tương đối chi tiết trình làm việc thiết bịvà khả chịu bền thiết bị tính ăn mòn học hoá học, điều kiện làm việc thiết bị Đặc tính kỹ thuật thiết bị chưng cất thiết kế ứng với thông số cho ban đầu: + Tỉ số hoàn lưu thích hợp: R = 3,6304 + Số mâm chưng cất thực tế: 44 mâm + Đường kính tháp chưng cất: 1000 mm + Đường kính lỗ mâm: mm + Bề dày mâm: 1,8 mm + Số lỗ mâm: 3908 lỗ + Trở lực toàn tháp: 22979,02 N/m2 + Khoảng cách hai mâm: 250 mm + Chiều cao tháp: 14,81 m + Thân – đáy – nắp làm thép X18H10T, có bề dày: mm + Bích ghép thân – đáy – nắp làm thép X18H10T, loại bích liền không cổ + Bích ghép ống dẫn làm thép CT3, loại bích liền không cổ + Đường kính ống dẫn chất lỏng: 60 mm + Đường kính ống dẫn hơi: 200 mm TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 Đồ Án Môn Hoc [1] Võ Văn Ban, Vũ Bá Minh – Quá trình thiết bị cơng nghệ hố học, truyền khối(tập 3) – Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM [2] Phạm Văn Bơn, Vũ Bá Minh, Hồng Minh Nam – Q trình thiết bị cơng nghệ hố học, Ví dụ tập(tập 10) - Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM [3] Phạm Văn Bơn, Nguyễn Đình Thọ - Q trình thiết bị cơng nghệ hố học, Q trình thiết bị truyền nhiệt(tập 5) – Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP.HCM [4] Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hố chất (tập 1, 2) – Nhà xuất khoa học kỹ thuật [5] Hồ Lê Viên – Thiết kế tính tốn chi tiết thiết bị hố chất – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 1978 70 ... Năng suất nhập liệu : GF = 2000 (Kg/h) • Nồng độ nhập liệu : xF = 20 %mol etanol • Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 85 %mol etanol • Tỷ lệ thu hồi etanol : h= 98% • Khối lượng phân tử rượu nước :... 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... nhập liệu Bẩy Tháp chưng cất Nhiệt kế 10 Áp kế 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