MỞ ĐẦU Trong nhiều ngành sản xuất hoá học sử dụng, nguyên liệu cần có độ tinh khiết cao Để có sản phẩm có độ tinh khiết cao, ta cần tách chúng từ hỗn hợp nguyên liệu, thường hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí Các phương pháp phổ biến để tách riêng hỗn hợp nâng cao nồng độ gồm: chưng cất , trích ly ,cô đặc ,hấp thu … Tuỳ theo đặc tính hỗn hợp yêu cầu ssản phẩm mà ta chọn phương pháp tách phù hợp Đối với hệ etanol-nước để tách cồn nước , nâng cao nồng độ cồn ta dùng phương pháp chưng cất Chưng cất trình tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác chúng hỗn hợp Có nhiều phương pháp chưng cất khác nhau: • Chưng cất đơn giản • Chưng nước trực tiếp • Chưng gián đoạn … Thiết bò chưng cất có nhiều loại: • Tháp mâm chóp • Tháp đệm • Tháp mâm xuyên lỗ Qúa trinh chưng cất ứng dụng rộng rãi có ý nghóa quan trọng kó thuật hóa học Tuỳ theo tính chất hệ cấu tử đem chưng cất, độ tinh khiết sản phẩm, hiệu suất chưng cất, … mà ta chọn phương pháp thiết kế tháp cho phù hợp Vì việc thiết kế tháp chưng cất cho phù hợp với yêu cầu sản xuất, đáp ứng yêu cầu kó thuật quan tâm đến tính kinh tế vấn đề quan trọng Đồ án môn học thiết kế tháp chưng cất cồn thô với xuất theo nguyên liệu đầu vào 5000 kg/h Nồng độ dung dòch đầu 35% (khối lượng), sản phẩm đỉnh có độ thu hồi 99.5% Tháp chưng loại mâm chóp tròn , đun cách sục nước trực tiếp, đáy chủ yếu nước Áp suất đốt :2.5 at Tập đồ án môn học gồm phần : Phần 1: giới thiệu sơ lược etanol Phần 2: Thuyết minh quy trình Phần 3: Cân vật chất Phần 4: Tính kích thước tháp Phần 5: Tính khí Phần 6: Tính cân lượng Phần 7: Tính thiết bò phụ Kết luận Tài liệu tham khảo PHẦN 1: SƠ LƯC VỀ ETANOL (hỏi thằng Trí thêm) Tính chất vật lý Etanol: Hệ số bay K etylic % khối lượng rượu Hệ số bay % khối lượng rượu Hệ số bay 10 5.16 5.78 6.63 7.80 9.25 0.9 0.7 0.5 0.3 0.1 10.6 11.1 11.3 11.2 11.0 Quan hệ nồng độ rượu nhiệt độ sôi % khối lượng Thể Thể lỏng 0.1 0.5 1.0 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 1.3 6.1 10.75 52.2 60 65 68.7 71.3 74.6 77 79.5 82.1 85.8 91.3 Nhiệt % phân tử độ Thể lỏng Thể sôi o C 99.8 0.04 0.51 99.3 0.19 2.48 98.75 0.39 4.51 91.3 4.16 29.92 89.0 6.46 36.98 87 8.92 42.09 85.7 11.55 46.08 84.7 14.35 49.16 83.1 20.68 53.46 81.9 28.12 56.71 80.96 36.98 60.29 80.2 47.72 64.21 79.5 61.02 70.09 78.5 77.8 80.42 Khối lượng riêng thể tích riêng hỗn hợp etilic-nước áp suất P= & 1.1 at % khối Nhiệt lượng độ sôi, o C Khối lượng m3 Thể tích Nhiệt độ sôi, o C Khối lượng m3 Thể tích Kg , 10 25 50 75 100 100.0 99.5 99.0 98.0 92.4 84.5 78.4 P=1.1 at 0.638 0.670 0.693 0.768 0.95 1.247 1.75 Kg , m3 1.567 1.492 1.443 1.302 1.052 0.802 0.571 100.0 95.0 91.5 85.8 81.9 79.7 78.2 P=1.0 at 0.589 0.620 0.643 0.722 0.887 1.145 1.592 m3 1.697 1.513 1.555 1.385 1.127 0.812 0.622 Các nguồn điều chế Etanol : a Hidrat hóa anken: Đun nóng anken với nước CH2 =CH2 + H-OH  CH3-CH2-OH Phương pháp dùng phổ biến sản xuất công nghiệp b Thuỷ phân dẫn xuất halogen dung dich kiềm C2H5-Br + NaOH  C2H5-OH + NaBr Phương pháp dùg phòng thí nghiệm Ứng dụng Etanol: - Là nghuyên liệu để sản xuất cao su tổng hợp - Rượu etylic dùng để điều chế số hợp chất hữu acid acetic, dietyl ete, etylacetat… - Do có khả hoà tan tốt số chất hữu nên rượu etylic dùng để pha vecni, dược phẩm , nước hoa… - Khi cháy toả nhiều nhiệt nên rượu etylic dùng làm nhiên liệu PHẦN 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Chưng cất ứng dụng rộng rãi công nghiệp hóa học có khả tách hoàn toàn hỗn hợp cấu tử dễ bay có tính chất hòa tan phần hoàn toàn Hỗn hợp cần chưng cất etanol-nước Để cho qúa trình chưng cất liên tục cần cho hỗn hợp vào phân li tiếp xúc trực tiếp với luồng có nộng độ cấu tử khó bay lớn so với dung dòch Do hệ thống thiết bò để chưng cất liên tục, tháp gồm hai phần đoạn chưng đoạn luyện đoạn chưng tháp xảy ra: cấu tử dễ bay tách khỏi chất lỏng chảy xuống, đoạn cất lên giàu cấu tử dễ bay Hệ thống thiết bò chưng cất (xem sơ đồ) : Hỗn hợp etanol-nước có nồng độ 35%(khối lượng) etanol bình chứa có nhiệt độ 25 0C bơm vào thiết bò gia nhiệt Ở hỗn hợp làm nóng lên đến nhiệt độ sôi nhập liệu (tF =83.8oC), sau đưa vào tháp chưng cất Từ thiết bò gia nhiệt, hỗn hợp vào tháp chưng cất 1, đóa nhập liệu (đóa đoạn chưng) Tại qúa trình chưng cất xảy Trên đóa nhập liệu , chất lỏng trộn lẫn với phần lỏng từ đoạn cất tháp chảy xuống Trong tháp từ lên gặp chất lỏng từ xuống Hơi từ đóa vào ống chóp, vào trục qua lớp chất lỏng, phần chóp ngập vào chất lỏng , chóp có cưa , qua đó, tạo thành tia nhỏ để làm tăng bề mặt tiếp xúc lỏng Vì nhiệt độ lên thấp nên phần cấu tử có nhiệt độ bay cao Trên đỉnh, ta thu hỗn hợp gồm etanol chiếm tỉ lệ cao Hơi vào thiết bò ngưng tụ ngưng tụ hoàn toàn, thiết bò ngưng tụ với chất làm lạnh nước, nhiệt độ vào 25 oC , nhiệt độ 45oC Một phần chất lỏng ngưng qua thiết bò làm nguội sản phẩm 4, phần lại chất lỏng ngưng hồi lưu tháp đóa với số hồi lưu R= 2.5 Chất lỏng từ xuống gặp có nhiệt độ cao , phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp : etanol bốc nồng độ cấu tử khó bay chất lỏng ngày tăng cuối đáy thápthu hỗn hợp lỏng hầu hết nước Dung dòch lỏng đáy tháp khỏi tháp phần dược đưa vào thiết bò nồi để đung bốc cung cấp cho tháp, phần qua thết bò làm nguội sau đưa vào bình chứa Hệ thống làm việc liên tục cho etanol đỉnh tháp PHẦN 1: TÍNH TOÁN THÁP Cân vật chất lượng cho toàn tháp trường hợp đun nước trực tiếp: Cồn loại theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN-71) > = 96%(tt) Chọn xD= 96%(tt) Đổi 92.8% (khối lượng) F + Gn+1 = D + W FxF + = DxD + WxW FhF +Gn+1HG n+1= DHD + WHW + QC QC = (R+1)D (HG – HD) R = 1.3 Rm + 0.3 Lượng Etanol có nhập liệu: Lượng Etanol có sản phẩm đỉnh: Suất lượng sản phẩm đỉnh: 5000* 0.35= 1750 kg/h 0.995*1750=1741.25 kg/h 1741.25 D= 0.928 kg/h Đổi phân mol: xF xF = xD= xF M E tan ol 0.928 0.928 M E tan ol + (1 − x F ) 46 + 072 0.35 = M nuoc 0.35 46 = 0.174 + 0.65 46 18 =0.834 46 18 xF = 0.174 từ đồ thò T-x,y => yF* = 0.51 Từ đồ thò, kẻ tiếp tuyến => yo = 0.31 xD Ta có = yo => Rmin = 1.69 ( R + 1) R = 1.3 Rm + 0.3 = 1.3* 1.69 + 0.3 = 2.4974 , lấy Rmin = 2.5 MtbF = xF* M etanol + (1- xF) Mnước = 0.174*46 + (1- 0.174)*18 = 22.872 kg/ kmol F = F/Mtb,F = 5000/ 22.872 = 218.6 kmol/h D = D/ Mtb,D= 1876.35/ 41.352= 45.375 kmol/h Mtb,D = 0.834 *46 +(1-0.834) *18 = 41.352 kg/kmol Mtb,W= 18.02 kg/kmol Từ giản đồ (T-xy) xF= 0.174 => tF,L= 83.8oC xD= 0.834 => tD,L= 78.6oC CF= 3.81 kj/kgoC CD= 3.325 kj/kgoC Cw= 4.18 kj/kgoC (Sản phẩm đáy xem nước nguyên chất ) Hơi nước bão hoà Pt d = at Có HG h= 2710 kj/kg Qui to = 20oC : HG h= [2710 kj/kg -4.18 kj/kg(20oC -0OC) ]-18kg/kmol = 47275.2 kj/kmol Sản phẩm đáy xem nước nguyên chất , sôi at => Hw=415,2 kj/kg  Hw = 415.2 kj/kg ×18 kg/kmol =7473.6 kj/kmol (t chuẩn = 20oC) Quy 20oC : Hw =7473.6 -18×4.18×20 = 5968.8kj/kmol • HF = CF( tF-to)×Mtb,F + ∆Hs Xem CF = const , ∆Hs = 0, HF = 3.81 kj/kgoC×(83.8 oC -20oC)×22.872 kg/kmol = 4640.36 kj/kmol • HD = 3.325 kj/kgoC×(78,6oC – 20oC)× 40.344 kg/kmol = 7860.8 kj/kmol Như hệ phương trình (I) viết lại : 218.6 + Gn+1 = 45.375 +W 218.6 *0.174 = 45.375*0.834 + W 218.6*4640.36 + 45275.2 Gn1 = 45.375*7860.8 + 5968.8*W+4565857.7 • QC = (R+1)*D*(HG – HD) = (2.4974 +1)*45.375*(47275.2-7860.8) = 4565857.7 kj/kmol Giải hệ phương trình ta : Gn= 119.645 kmol/h W = 292.87 kmol/h XW = 0.00066 Nồng độ Suất lượng Phần mol Phần khối lượng Phần mol Phần khối Đỉnh lượng Nhập liệu 0.834 0.9277 45.375 1876.35 0.174 0.35 218.6 5000 0.00066 0.00168 292.87 5277.5 - Phương trình đường làm việc phần luyện biểu thò quan hệ nồng độ cấu tử có nhiệt độ sôi thấp; lên (y) ,trong chất lỏng chảy xuống (x), sản phẩm (xD) số hổi lưu R biểu diễn phương trình: R xD Ym+1= xM + R +1 R +1 = 0.714 x M + 0.238 Phương trình đường làm việc phần chưng : R+ f f −1 xW x+ R +1 R +1 Phương trình đường làm việc biểu diễn , vào khỏi mâm tháp Việc xác đònh phương trình hai đường làm việc giúp ta xác đònh số mâm lý thuyết & vò trí mâm nhập liệu - Số mâm lý thuyết : - Vẽ hai đường làm việc đồ thò xy Hai đường cắt điểm vò trí mâm nhập liệu Vẽ đường bậc thang tạo hai đường làm việc đường can (hình vẽ) , ta xác đònh số mâm lý thuyết số bậc thang :15 mâm - Xác đònh số mâm thực tế Công thức xác đònh số mâm thực tế : Nt = Nlt/η η: hiệu suất trung bình đãi Ntt: số mâm thực tế Nlt: số mâm lý thuyết Hiệu suất mâm η phụ thuộc vào độ bay tương đối & độ nhớt µ hỗn hợp : η = f(α,µ) Độ bay tương đối : y * 1− x α== 1− y * x • vò trí mâm nhập liệu : to = 83.8oC [1] xo = xF = 0.174 yo* = 0.31 0.31 1− 0.174 α= = 2.133 − 0.31 0.174 Ym+1= độ nhớt µ = 0.6 Ns / m2  α*µ= 2.133*0.6 = 1.28 tra đồ thò ta ηo = 0.47 [3] đồ thò IX-11 • đỉnh tháp : tD= 78.6oC xD= 0.834oC yD= 0.835oC µ = 0.5025oC 0.835 1− 0.834 α= =1 − 0.835 0.835 => α*µ = 0.505 ηD = 0.585 [3] • đáy tháp : tW = 99.2oC xW = 0.00066 yW = 0.06 µ = 0.284 Ns/ m2 0.06 − 0.00066 α= = 96.65 − 0.06` 0.00066 ηµ = 27.448 ηW = 0.3 hiệu suất trung bình: η = (ηo + ηD +ηW)*1/3 = (0.47 + 0.585 + 0.3) *1/3= 0.452 số mâm thực tế : Ntt = Nlt/ η = 15 / 0.452 = 33.21 Chọn Nt = 34 mâm 13 = 28.7 0.452 Tính riêng cho phần cất : Nt chưng = = 4.4 0.452 Vò trí mâm nhậo liệu giao điểm đường làm việc phần chưng & phần cất Đối với mâm lý thuyết, vò trí mâm nhập liệu mâm thứ 14 Đối với thực tế nhập liệu mâm thứ 30 đếm từ xuống Vậy: số mâm thực 33 mâm (trừ mâm làm nồi đun) Vò trí nhập liệu mâm thứ 30 (tính từ xuống) Phần cất có 28 đóa Phần chưng có đóa Tính riêng cho phần cất : Nt cất = PHẦN III: KÍCH THƯỚC THÁP Đường kính tháp xác đònh theo công thức sau: 4Vtb D= ,m 3.14 * 3600 * wtb = 0.0188 gtb ,m ( ρy * wy )tb : Vtb: lượng (khí ) trung bình tháp , m3/h wtb: tốc độ (khí ) trung bình tháp , m/s gtb: lượng (khí ) trung bình tháp , kg/h (ρy wy )tb : tốc độ (khí ) trung bình tháp , m3/h lượng (khí ) trung bình qua tháp luyện tính gần b82ng trung bình cộng lượng khỏi đóa tháp & lượng vào đóa đoạn luyện gtb = 0.5(g1+gd) - lượng khỏi đóa tháp: gD = GR + GD = GD + (1+ R) = 1876.35(1+2.5) = 6557.225 kg/h - lượng vào đóa đoạn luyện: g1 = G1+ GD Lượng g1, hàm lượng y1 & lượng lỏng G1 đóa thứ đoạn luyện xác đònh theo hệ phương trình can vật chất cân nhiệt: g1 = G1 + GD g1y1= g1x1 + GDxD g1r1 = gdrd xem x1 = xF r1: ẩn nhiệt hoá hỗn hợp vào đóa thứ Ở t = 83.8oC (tại vò trí mâm nhập lòêu ) r1 = retanol y1 + (1-y1)rnước retanol= 852.72 kj/kg [2]/ 256 rnước = 2303.5 kj/kg [4]/441 thay vào : r1 = 852.72 y1 + (1-y1) 2303.5 = 957.2 kj/kg r1= 2303.5 – 1450.78 y1 Ở t = 78.6 oC (mâm tháp) retanol = 869.44 kj/kg [2]/ 269 rnước = 2315.5 kj/kg [4]/ 441 rD = 869.44* 0.9277 + (1- 0.9277) 2315.5 = 974 kj/ kg Ta có: g1 = G1 + 1876.35 (1) g1y1= 0.35G1 + 1740.69 (2) 3203.5g1- 1450.78g1y1 = 6567.225*974 (3) Giải hệ phương trình ta G1 = 2561.48 kg/h y1 = 0.594 g1 = 4437.8 kg/h r1 = 1441.35 kj/kg gtb = 0.5(gd + g1) = 0.5(6567.225 + 4437.8) = 5502.5 kg/h Q = GW CW ( tW – tra ) = 281 kw Với : tW = 99.2 oC 281 * 3600 tra = 99.2 - 5277.5 * 4.18 = 53.3 oC Dòng nóng: 99.2 oC  o Dòng lạnh : 83.8 C  53.3 oC 30 oC (53.3 − 30) − (99.2 − 83.8) (53.3 − 30) )tlog = = 19.078 oC ln (99.2 − 83.8) Dòng lạnh phía vỏ: ttb1 = 0.5 ( 83.8 + 30 ) = 26.9 o C 4f Dtd = π f: tiết diện dòng chảy Β: chu vi thấm ước dòng , m πd n2 πD −n f= 4 Β = ΒDt + Β n dn Dt2 − nπd n2 0.208 − 37 * 0.016 Dtd = D + nd = 0.208 + 37 * 0.016 = 0.04224 m t n Độ nhớt dòng chảy: log: = x log:etanol + ( –x ) log:nước x : phân mol etanol, x = 0.174 Ở ttb1 = 26.9o C :etanol = 2.02*10-3 Ns / m2 [2,92] :nước = 0.801*10-3 Ns / m2 [2,92] -3 log: = 0.174 log 2.02*10 + ( – 0.174 ) log 0.801*10-3 : = 0.94*10-3 Ns / m2 Hệ số dẫn nhiệt dòng lạnh: = x 8etanol + ( - x ) 8nước x : phân khối lượng etanol Ở ttb1 = 26.9o C 8etanol = 0.3985 W/ m.độ [2,135] 8nước = 0.62 W/ m.độ [2,135] = 0.174*0.3985 + ( – 0.174 ) 0.62 = 0.58 W/ m.độ Khối lượng riêng dòng lạnh: − x 1− x = + ρ hh ρ e tan ol ρ nuoc − x : phân khối lượng etanol − x = 0.35 Ở ttb1 = 26.9o C: ∆etanol = 929 kg/m3 ∆etanol = 995 kg/m3  ∆hh = 970.86 kg/m3 Vận tốc dòng lạnh phía ống: 4G F * 5000 = wF = = 1.02 m/s 3600 ρ hhπDtd 3600 * 970.86π * 0.04224 Chuẩn số Reynolds: wF Dtđ ρ hh 1.02 * 0.04224 * 970.86 = Re = = 44452 µ 0.941 * 10 −3 Chuẩn số Prant: C µ Pr = P λ CP : nhiệt dung riêng dòng lạnh ( j/ kg.độ ) CP = xCPetanol + ( – x ) CP nước x: phân khối lượng etanol x = 0.35 Ở ttb1 = 26.9o C: CP etanol = 3582.5 j / kg.độ [2,172] CP nước = 4.175*10 j / kg.đo [2,165] CP = 0.35*3582.5 + ( 1- 0.35) 4175 = 3967.6 J/kg.độ 3967.6 * 0.941 * 10 −3 Pr = = 6.437 0.58 Chuẩn số Nuyxen: 0.6 0.6 0.33 Nu = 1.16 Dtd Re Pr = 1.16*0.042240.6*444520.6*6.437 0.33 = 197.466 Hệ số cấp nhiệt: Nuλ 197.466 * 0.58 α= = = 8947.6 dt 0.0128 Dòng nóng phía ống: ttb = 0.5 ( 99.2 + 53.3 ) = 76.25 oC Độ nhớt dòng nóng: logµ = x logµetanol + ( 1-x ) logµnước x: phân mol etanol có sản phẩm đáy xw = 0.00066 Ở ttb2 = 76.25 oC µetanol = 0.51*10-3 Ns/ m2 [2,92] µnước = 0.377*10-3 Ns/ m2 [2,92] logµ = 0.00066 log (0.51*10-3) + ( 1- 0.00066 )log(0.377*10-3) µ = 0.377*10-3 Khối lượng riêng dòng nóng: − − x 1− x = + ρ ρ e tan ol ρ nuoc − x : phân khối lượng etanol − x = 0.00168 Ở ttb2 = 76.25 oC ρetanol = 934 kg/ m3 [2,9] ρnước = 972 kg/ m3 [2,9]  ρ = 972 kg/ m Hệ số dẫn nhiệt dòng nóng λ = λnước = 0.0669 W/ m.độ [2,135] Vận tốc dòng nóng ống: Gw 5277.5 = ( n − ) w= S ong 3600 ρ (37 − 1) 3.14 * 0.0128 3600 * 972 = 1.3 m/ s 4 Chuẩn số Reynol: wd t ρ 1.3 * 0.0128 * 972 = Re = µ 0.377 *10 −3  chế độ chảy rối 0.8 0.43 Pr 0.25  Nu = 0.021ε Re Pr ( t ) Pr o Pr = 2.4 tra ttb = 76.25 C Thực tính lặp ta kết sau: Dòng lạnh phía ống: ttb1 (oC) tt1 (oC) α1 q1= (tt1 - ttb1 ) α1 ∑rcáu 26.9 33.0 8947.6 5580.35 0.6575*10-3 26.9 32.5 8947.6 50106.56 0.6575*10-3 Dòng nóng phía ống: ∆t =q∑rcáu ttb2 (oC) tt2 (oC) 35.9 76.25 68.9 32.94 76.25 65.45 Pr Prt 2.4 2.6 2.4 2.8 Nu 152 149.9 α2 q2=(ttb2– t2) 7944.37 58391.1 7833.6 844603 t1 = 33 o C: ta có q − q1 58391.1 − 54580.35 = = 0.065 q2 58391.1 Sai số giũa q1 & q2 không lớn lắm, ta chọn trường hợp qtb = 0.5( q1+ q2 ) = 0.5 ( 58391.1 + 54580.35) = 56485.725 Diện tích bề mặt truyền khối: Q 281000 = = 4.975 m2 F= qtb 56485.725 Chiều dài ống: F 4.975 = l = = 2.6 m nπd n 37 * π * 0.016 THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH: Chọn thiết bò truyền nhiệt có dạng ống chùm, pass phía ống Đường kính ống: d = 16 * 1.6 Tổng số ống: n = 19 ống Số ống cạnh hình sáu cạnh cùng: a = Số ống đường chéo hình sáu cạnh: b = 2a – = 2*3 – = Bước ống t : t = 1.5d = 1.5* 16 = 24 mm Đường kính thiết bò trao đổi nhiệt, D: D = t ( b – ) + 4dn = 24*4 + 4*16 = 160 mm Lượng nhiệt cần thiết để làm nguội sản phẩm đỉnh xuống tới 30 oC: Q = 89.42 kw Dòng nóng: 78.6 oC  30 oC o Dòng lạnh: 40 C  27 oC (78.6 − 40) − (30 − 27) = 37.4 (78.6 − 40) ∆tlog = ln (30 − 27) Dòng sản phẩm đỉnh phía vỏ: ttb = 0.5( 78.6 + 30 ) = 54.3 oC 4f Dtd = π f: tiết diện dòng chảy m2 π: chu vi thấm ước dòng (m) πD nπd n2 − f= 4 π = πDt + nπdn Dt2 − nd n2 0.16 − 19 * 0.016 = = 0.0447 m Dtd = Dt + nd n 0.16 + 19 * 0.016 Độ nhớt dòng sản phẩm đỉnh: logµ = 0.834 log(0.6*10-3 )+ (1-0.834)log(0.509*10-3)  µ = 0.05*10-3 Ns/ m2 Hệ số dẫn nhiệt dòng sản phẩm đỉnh: λ = x λetanol + ( – x ) λnước Ở ttb = 54.3 oC : λetanol = 0.164 (W/ m.độ ) [2,135] λnước = 0.6645 (W/ m.độ ) [2,135] λ = 0.834*0.164 + ( – 0.834 ) 0.6645 = 0.247 W/ m.độ Khối lượng riêng dòng sản phẩm đỉnh: x 1− x = + ρ hh ρ e tan ol ρ nuoc Ở ttb1 = 54.3 oC: ρetanol = 763 kg/m3 [2,9] ρnước = 987 kg/m3 [2,9]  ρhh = 792.87 kg/ m3 Vận tốc dòng sản phẩm ống: 4GD *1876.35 = = 0.019 m/s WD = 3600 ρ hhπDtd 3600 * 792.87π * 0.0477 Chuẩn số Reynol: w D ρ 0.019 * 0.0447 * 775.17 Re = D td hh = = 1323.16 µ 0.495 *10 −3 Chuẩn số Prant: C µ Pr = P λ CP: nhiệt dung riêng dòng lạnh (j/kg.độ ) − − CP = x CP etanol + (1- x )CP nước o Ở ttb1 = 54.3 C: CP etanol = 3095 J/ kg.độ [2,172] CPnước = 4180 J/ kg.độ [2,165]  CP = 3173.445 j/ kg.độ 3173.445 * 0.495 *10 −3 Pr = = 6.36 0.247 Chuẩn số Nuyxen: Nu = 1.16 Dtd0.6 Re 0.6 Pr 0.33 = 1.16 * 0.0447 0.6 *13230.6 * 6.36 0.33 = 24.7 Hệ số cấp nhiệt: α= Nuλ 24.7 * 0.247 = = 381.35 dn 0.016 Dòng nước phía ống: ttb2 = 0.5 ( 60 + 27 ) = 43.5 oC Ở ttb2 = 43.5 oC: µnước = 0.656*10-3 Ns/m3 [2,92] ρnước = 992 kg/ m3 [2,9] λnước = 0.642 W/ m.độ [2,135] CW = 4.18*10 j/ kg.độ Lượng nước cần để làm nguội sản phẩm đỉnh: Q 89.42 *10 Gtr = = = 0.648 CW (t − t vao ) 4.18 *10 (60 − 27) Vận tốc nướn ống: Gw 0.648 ω= = = 0.267 nS ong ρ 3.14 * 0.0128 19 992 Chuẩn số Reynol: ωd ρ 0.267 * 0.0128 * 992 Re = t = = 5174.14 µ 0.656 *10 −3 Pr Nu = 0.021ε Re 0.8 Pr 0.43 ( ) 0.25 Pt t kg/s m/s Pr = 4.3 tra ttb2 = 43.5oC Prt tra nhiệt độ tường phía ống tt2 Chọn: l/ d > 50  ε1 = Thực tính lặp: Dòng sản phẩm đỉnh phía ống: ttb1 (oC) tt1 (oC) α1 q1= (tt1 - ttb1 ) α1 54.3 43.5 381.35 4118.6 54.3 44 381.35 3927.905 Dòng nóng phía ống: ∆t =q∑rcáu ttb2 (oC) tt2 (oC) 2.71 43.5 40.79 2.5826 43.5 41.41 Chọn : tt1 = 44 oC Pr Prt 4.3 5.1 4.3 Nu 35.25 35.42 ∑rcáu 0.6575*10-3 0.6575*10-3 α2 q2=(ttb2– t2) 1768 4787.7 1776.8 3700.3 q − q1 = 0.061 q2 Sai số q1 & q2 khônglớn lắm, ta chọn trường hợp q + q 3927.905 + 3700.3 qtb = = = 3814.1 2 Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt: Q 89420 F= = = 23.44 m2 qtb 3814.1 Chiều dài ống: F 23.44 l= = =4 m nπd n *19 * 3.14 * 0.016 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ: Thiết bò ngưng tụ có tác dụng ngưng tụ C2H5OH đỉnh tháp chưng cất Rượu ngưng trang th lỏng, phần hồi lưu trở lại tháp, phần qua thiết bò làm nguội thu hồi sản phẩm Thiết bò ngưng tụ thiết bò nằm ngang, dòng lạnh nước ống, dòng nóng rượu ống Nhiệt lượng cần trao đổi: Qc = 4565857.5 kj/ h = 1268.3 kw Lượng nước tối thiểu cung cấp cho thiết bò ngưng tụ: Qc 1268.3 *10 Gn = = = 15.2 kg/ s C w (45 − 25) 4.18 *10 (45 − 27) Chênh lệch nhiệt độ vào: ∆t1= 78.6 – 25 = 53.6 o C Chênh lệch nhiệt độ vào: ∆t2 = 78.6 – 45 = 33.6 oC Chênh lệch nhiệt độ trung bình: 53.6 − 33.6 = 42.82 53.6 ∆log = ln 33.6 K: hệ số truyền nhiệt cuả thiết bò ngưng tụ K = 340÷870 W/ m2.độ bảng V-9 [3] Chọn sơ giá trò K, sau tính thử lại giá trò K cho sai lệch < 5% Sau tính lặp nhiều lần ta kết cuối Chọn Ksb = 500 W/m2.độ F: bề mặt truyền nhiệt sơ Fsb = Qc 1268.3 = = 59.2 m K∆t log 500 * 42.82 Chọn ống truyền nhiệt ống đồng có đường kính d = 25 x mm Nhiệt tải riêng : q = 500* 42.82 = 21465 W/ m2 µ: độ nhớt rượu µ = 0.546 * 10-3 Pa.s [1] r : ẩn nhiệt ngưng tụ r = 1040.4 kj/ kg [1] Chọn số ống thiết bò là: 2*130 ống, xếp theo kiểu hình tròn n = 130*2 πdzq π 0.025(2 *130)21465 Re m = = = 385.8 µr * 0.546 *10 −3 *1040.4 *10 Nu = 0.72*Ga*Pr*K Hoặc tính α theo: rρ λ3 α = 1.28 µ * ∆t * d với: λ =0.244 W/ m2.độ 1040.4 *10 3800 (0.244) = 2583.6 0.546 *10 −3 * 42.82 * 0.025 Tính hệ số cấp nhiệt nước ống: α = 1.284 • W/ m2.độ Nhiệt độ trung bình: t = 0.5 ( 25 + 45) = 35 oC Vận tốc nước vào ra: G 15.2 w= = = 0.34 m / s nSρ π 0.021 130 992 ω * d * ρ 0.34 * 0.021* 992 Re = = = 12977 µ 0.546 *10 −3 Tra bảng chuẩn số Prant: Pr = 5.25 Prw = 3.7 Pr 0.25 Nu = 0.021ε Re 0.8 Pr 0.43 ( ) = 91.3 Prw Nuα 91.3 * 0.244 = α2 = = 1060.8 w/m2 độ d 0.021 Trở lực lớp cáu nước rượu: Lớp bẩn nước: r2 = 2900-1 Chọn ống đồng thau, có hệ số dẫn nhiệt: λ = 93 W/m.độ Hệ số truyền nhiệt: 1 = δ 1 *10 −3 1 + r1 + + r2 + + + + + α1 λ α 2583.6 5800 93 2900 1060.8 = 535.2 K sb − K 500 − 535.2 = = 0.07 < 10% Xét: K sb 500 K= Vậy kết K chấp nhận được: K = 535.2 W/ m2.độ  Bề mặt truyền nhiệt: Q 1268.3 *10 F= = = 55.3 m K * ∆t log 535.2 * 42.82 Chọn: F = 56 m2 để bù tổn thất nhiệt Đường kính thiết bò trao đổi nhiệt: D = t ( 2no + ) t = ( 1.2 ÷ 1.5 ) d Chọn t = 1.4 d = 1.4*25 = 35 mm no: số vòng tròn ống chùm với n = 30 no = , [2]  D = 35 ( 2*9 + 1) = 665 mm Chiều cao ống chùm: F 55.3 L= = = 2.7 m π * d * n π * 0.025 * *130 Vậy chọn đường kính: D = 670 mm L = 2.7 m PHẦN 9: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ Tính bề dày thân trụ tháp chưng: * Thân t háp chưng chế tạo phương pháp hàn hồ quang Thân tháp ghép nhiều đoạn mối ghép bích * Vật liệu làm thân chọn loại thép không ghỉ để không ảnh hưởng lên chất lượng sản phẩm Tra bảng XII – 46a[3,439], cho thiết bò chòu ăn mòn, chọn thép không ghỉ OX18H125 • Điều kiện làm việc tháp chưng : - p suất: Môi trường làm việc tháp hỗn hợp khí-lỏng p suất bên tháp (tính đáy tháp) P = Ph + Pl + )P Ph : áp suất khí bên tháp Ph = at = 9.81*104 N/ m2 Pl = ∆gH = 9.81*990*14.5 = 14.08 *104 N/ m2 )P: tổng trở lực tháp: )P = 0.25*9.81*104 N/ m2 Vậy áp suất đáy tháp: P = 9.81*104 + 14.08*104 + 025*9.81*104 = 26.34*104 N/ m2 Xét điều kiện: [σ ]ϕ h P với : νh: hệ số bền mối hàn; tra bảng: νh = 0.8 [Φ]: ứng suất cho phép vật liệu tính thông qua: σk 540 *10 η= 0.9 = 187 N/ m2 [Φ]k = nk 2.6 σc 240 η= 0.9 = 144*106 N/ m2 [Φ]c = nc 1.5 nk, nc : hệ số an toàn bền ( bảng XIII – ) [3] Chọn: [Φ] = {[Φ]k;[Φ]c} = 144*106 N/ m2 [σ ]ϕ h 144 * 10 * 0.8 = = 437.35 > 50 Vậy: P 26.34 * 10 Bề dày thân tính: PDt +C S= 2[σ ]ϕ h Trong đó: C = C1 + C2 + C3 + C0 C1: hệ số bổ sung ăn mòn Chọn thiết bò làm việc 10 năm  C1 = 10*0.1 = 1.0 mm C2 : hệ số bổ sung bào mòn; C2 = C3: hệ số bổ sung sai lệch kích thước Co: hệ số bổ sung qui tròn 26.34 * 10 *1.2 S= + 0.001 + 0.00123 = mm * 144 *10 * 0.8 Kiểm tra điều kiện: S − C1 − = < 0.1 D 1200 Vậy điều kiện thoả p suất cho phép thiết bò: [ P] = 2[σ ]ϕ h ( S − C1 ) * 144 *10 * 0.8(4 − 1)10 −3 = = 57.456*104 N/ m2 Dt + ( S − C1 ) 1.2 + (0.004 − 0.001) [P] > P : Vậy thoả điều kiện cho phép áp suất Tính đáy & nắp thiết bò: Với điều kiện làm việc áp suất P = 39*104 N/ m2 Chiều dày đáy ( nắp) thiết bò: Dt P Dt S= +C 3.8[σ ]ϕ h 2hb với C chọn trên; hl: chiều cao phần lõi nắp elip hl = 0.25Dt = 0.25*1.2 =0.3 m k: hệ số không thứ nguyên 0.3 = 0.75 k = 1− 1.2 Bề dày đáy ( nắp): 1.2 * 26.34 * 10 1.2 S= + (0.001 + 0.0004 + C o ) 3.8 * 144 * 10 * 0.75 * 0.8 − 26.34 *10 * 0.3 S = 0.00139 + 0.001 + 0.0004 + 0.00067 = mm Trên đỉnh tháp khoét lỗ tâm để thoát hơi, đường kính lỗ: 4Qv dl = πv G hoi Qv = ρ y 3600 − Gd = GD + GR = D ( R + 1) = 1876.35 ( 2.5 + 0) = 6567.225 kg/ h 6567.225 = 1.7185 Qv = m/ s 1.065 * 3600 v: vận tốc ra, chọn v = 20 m/s * 1.7185 dl = = 0.33 m π * 20 Đáy có khoét lỗ tròn để tháo sản phẩm đáy, đường kính lỗ tháo liệu: 4Q d tl = πvtl − w 5277.5 Q= = = 0.00153 m3/ s ρ l 3600 958.28 * 3600 vtl: vận tốc tháo liệu, chọn vtl = 0.5 m/s  dtl = * 0.00153 = 0.0624 m/s π * Các cửa nhập liệu, hồi lưu, cửa hơi: Các cửa nhập liệu, hồi lưu, cửa hơi: Lưu lượng nhập liệu: _ F QF = ρF _ _ ρ F = ρ E tan ol * x F + ρ nước *(1 – x F ) = 897*0.35 + 972*(1 – 0.35) = 945.75kg/m3 5000  QF = = 5.287 m3/h 945.75 4QF *1.469 *10 −3 dF = = = 0.11165 m/s π v π * 0.15 v = 0.15 m/s (chọn): tốc độ nhập liệu * Cửa hồi lưu: − GR = D* R = 1876.35*25 = 4690.875 kg/h ρR = 766*0.972 + ( – 0.972 )*972 = 771.768 kg/m3 với tD = 78.6 oC ρetanol = 766 kg/m3 [2,93] ρnước = 972 kg/ m [2,93] − G 4690.875 = 6.078 m3/s QR = R = ρR 771.786 v ≈ 0.15 m/ s 4QR * 6.078 = = 0.12 m π v π * 0.15 • Cửa hơi: Cung cấp nước để đốt nóng lượng lỏng đáy tháp: Ghơi = 21536 kg/h ρhơi = 958 kg/m3 G 21536 Qh = h = = 6.24 *10 −3 m3/s ρ h 958 * 3600 dR = vh = 20 m/s (chọn) dh = 4Qh * 6.24 *10 −3 = = 0.02 m π v π * 20 Tính bích: Bích để ghép đáy, nắp với thân & đọan thân tháp nối với Vì Dt = 1.2 m nên chọn lọai bích liền Các thông số tra bảng XIII-27, [3,420] (hình vẽ) P 10 Dt (mm) D Db D1 Do db Số lượng (N/m ) 0.3 1200 1340 1290 1260 1213 M 20 32 Khoảng cách hai mặt bích liền 800 mm Số mâm hai mặt bích mâm Mâm tháp với tháp vành Tính chân đỡ, tai treo: Tính khối lượng sơ tháp: - Khối lượng nắp: mn = F.ρ.s ρthép = 7.9*103 kg/m3 π mn = ( 1.22 – 0.332 ) * *7.9*103*4*10-3 = 33 kg - Khối lượng đáy: π mn = ( 1.22 – 0.0622 ) * *7.9*103*4*10-3 = 35.65 kg - Khối lượng thân trụ hàn: mt = π.Dt.Hth.ρ.S = π*1.2*14.365*7.9*103*4*10-3 = 1711.3 kg - Khối lượng mâm: mm = Nt.Fm.s.ρ π = 33 (1.22 )5*10-3*7.9*103 = 1474.2 kg - Khối lượng chóp : + Đối với chóp: mch = π.dch.hch.ρ.5*10-3 = π*0.12*0.11125*7.9*103*5*10-3 = 1.6566 kg/chóp h 25 + Toàn tháp: Mch = 1.65*26*33 = 1421 kg - Khối lượng ống dẫn hơi: + Tính cho ống: mch = π.dh.hh.ρ.s = π*75*10-3*111.25*10-3*7.9*103*3*10-3 = 0.62 kg + Tính cho toàn tháp: mh = Nt.n.mh = 33*26*0.62 = 533 kg - Khối lượng ống chảy chuyền: + Tính cho ống: m’c = π.dc.h.ρ.s = π*0.1*25*10-3*7.9*103*3*10-3 = 0.186 kg + Tính cho toàn tháp: mc = Nt.z.m’c = 33*2*0.186 kg = 12.285 kg Tổng khối lượng toàn tháp: M = ∑mi = 3800.8 kg Tải trọng tháp: - Đối với tháp khô: Gk = M.g = 3800.8*9.81 = 37278 N - Đối với tháp ướt: Giả sử tháp chứa đầy lỏng: πDt2 H th gρ G ướt = Gkhô + π *1.2 *14.365 * 9.81* 875 = 37278 + = 176733.3 N Các loại chân đỡ: [3,437] Chọn chân đờ; chọn G = 6.0*104 N Các thông số chân đỡ loại này: Tải trọng cho phép chân: G = 6.0*10 Bề mặt đỡ: F = 711*10-4 m2 Tải trọng cho phép bề mặt đỡ: q = 0.84*106 N/m2 L = 300 mm B = 240 mm B1 = 260 mm B2 = 370 H = 450 h = 226 s = 18 l = 110 d = 34 mm mm mm mm mm mm Chọn tai treo; chọn G = 6.0*10 N Các thông số tai treo loại này: Tải trọng cho phép tai: G = 6.0*104 Bề mặt đỡ: F = 451*10-4 m2 Tải trọng cho phép bề mặt đỡ: q = 1.33*106 N/m2 L = 230 mm B = 200 mm B1 = 205 mm H = 350 mm s = 12 mm l = 100 mm a = 25 mm d = 34 mm [...]... phương pháp h n h quang Thân tháp được ghép nhiều đoạn bằng mối ghép bích * Vật liệu làm thân chọn loại thép không ghỉ để không ảnh h ởng lên chất lượng sản phẩm Tra bảng XII – 46a[3,439], cho thiết bò chòu ăn mòn, chọn thép không ghỉ OX1 8H1 25 • Điều kiện làm việc của tháp chưng : - p suất: Môi trường làm việc của tháp là h n h p khí-lỏng p suất bên trong tháp (tính tại đáy tháp) P = Ph + Pl + )P Ph :... chóp Chiều rộng khe chóp Khoảng cách giữa các khe Đường kính ống chảy chuyền Khoảng cách từ đóa đến chân ống chảy chuyền Chiều cao ống chảy chuyền trên đóa Chiều cao mực chất lỏng trên ống chảy chuyền Bước tối thiểu của chóp trên đóa Số lượng ống chảy chuyền K/c từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất Chiều dày chóp Kí hiệu dh n dch hl h2 h hso i a c dc hc Kích Số lượng thước(mm) (cái) 75 26 120... 110.39 mm chọn dch = 120 mm 3.5 Khoảng cách từ mặt đóa đến mép dưới của chân chóp: h = 0÷25 mm Chọn = 12.5 mm 3.6 Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp: hl = 15÷40 mm ; chọn hl = 40 mm 3.7 Chiều cao khe chóp : 2 wy ρ h hSO = ξ gρ tb ξ: h số trở lực của đóa chóp; ξ= 1.5÷2 ; chọn ξ= 2 h, ρl: khối lượng riêng trung bình của pha h i & pha lỏng, kg/ m3 h: vận tốc pha h i trong tháp, m/s 4 *Vh h= 3600 *... *150 = 0.349 m Thấy rằng trong cả hai phần, Hmin < 400 mm (thỏa) 3 Tính chóp: 3.1 Đường kính ống h i: Chọn: dh = 75 mm 3.2 Số chóp phân bố trên đóa: n = 0.1D2/ d 2h = 0.1*1.22 /0.0752 = 25.6 chọn : n = 26 chóp 3.3 Chiều cao chóp phía trên ống dẫn h i: h2 = 0.25dh = 0.25*75 = 18.75 mm 3.4 Đường kính chóp: dch = 2 (d h + (d h + 2δ ch ) 2 ) δch: chiều dài của chóp 2÷3 mm chọn : δch = 3 mm dch = 2 (75 + (75... 0.15 • Cửa h i: Cung cấp h i nước để đốt nóng lượng lỏng ở đáy tháp: Ghơi = 21536 kg/ h h i = 958 kg/ m3 G 21536 Qh = h = = 6.24 *10 −3 m3/s ρ h 958 * 3600 dR = vh = 20 m/s (chọn) dh = 4Qh 4 * 6.24 *10 −3 = = 0.02 m π v π * 20 4 Tính các bích: Bích để ghép đáy, nắp với thân & các đọan thân tháp nối với nhau Vì Dt = 1.2 m nên chọn lọai bích liền Các thông số tra ở bảng XIII-27, [3,420] (h nh vẽ) P 10... = 1711.3 kg - Khối lượng mâm: mm = Nt.Fm.s.ρ π = 33 (1.22 )5*10-3*7.9*103 4 = 1474.2 kg - Khối lượng chóp : + Đối với một chóp: mch = π.dch.hch.ρ.5*10-3 = π*0.12*0.11125*7.9*103*5*10-3 = 1.6566 kg/ chóp h 25 + Toàn tháp: Mch = 1.65*26*33 = 1421 kg - Khối lượng ống dẫn h i: + Tính cho 1 ống: mch = π.dh.hh.ρ.s = π*75*10-3*111.25*10-3*7.9*103*3*10-3 = 0.62 kg + Tính cho toàn tháp: mh = Nt.n.mh = 33*26*0.62... Nt.n.mh = 33*26*0.62 = 533 kg - Khối lượng ống chảy chuyền: + Tính cho 1 ống: m’c = π.dc .h. ρ.s = π*0.1*25*10-3*7.9*103*3*10-3 = 0.186 kg + Tính cho toàn tháp: mc = Nt.z.m’c = 33*2*0.186 kg = 12.285 kg Tổng khối lượng toàn tháp: M = ∑mi = 3800.8 kg Tải trọng tháp: - Đối với tháp khô: Gk = M.g = 3800.8*9.81 = 37278 N - Đối với tháp ướt: Giả sử tháp chứa đầy lỏng: πDt2 H th gρ G ướt = Gkhô + 4 π *1.2 2 *14.365... hmam hd= 181.6 ≤ = 400/ 2 → tháp làm việc không ngập lục 2 BẢNG TÓM TẮT: STT Tên gọi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Đường kính trong của ống h i của chóp Số chóp phân bố trên mâm Đường kính trong của chóp Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp Chiều cao chóp phía trên ống dẫn h i Khoảng cách từ mặt đóa đến mép dưới chân chóp Chiều cao khe chóp Số lượng khe h của mỗi chóp Chiều rộng khe...Xác đònh vận tốc h i đi trong phần cất : (ρywy)tb = 0.065 ϕσ H ρ Do σhh > 20 dyn/ cm => ϕσ = 1 Chọn chiều cao moat đóa (khoảng cách giữa hai mâm ) H = 400 mm Tính h : [ ytbMe tan ol + (1 − ytb) Mnuoc]273 22.4T ytb: phân mol pha h i trung bìmh trong phần cất T: nhiệt độ tuyệt đối (oK) ytb = 0.5(ydt + ytl) ydt , ytl : nồng độ phần mol của pha h i tại đỉnh tháp và đóa tiếp liệu h = 0.835 + 0.51... M 20 32 Khoảng cách giữa hai mặt bích liền nhau là 800 mm Số mâm giữa hai mặt bích là 4 mâm Mâm tháp với tháp bằng vành 5 Tính chân đỡ, tai treo: Tính khối lượng sơ bộ của tháp: - Khối lượng nắp: mn = F.ρ.s ρthép = 7.9*103 kg/ m3 π mn = ( 1.22 – 0.332 ) * *7.9*103*4*10-3 4 = 33 kg - Khối lượng đáy: π mn = ( 1.22 – 0.0622 ) * *7.9*103*4*10-3 4 = 35.65 kg - Khối lượng thân trụ h n: mt = π.Dt.Hth.ρ.S = ...cho phù h p Vì việc thiết kế tháp chưng cất cho phù h p với yêu cầu sản xuất, đáp ứng yêu cầu kó thuật quan tâm đến tính kinh tế vấn đề quan trọng Đồ án môn h c thiết kế tháp chưng cất cồn thô. .. bình chứa có nhiệt độ 25 0C bơm vào thiết bò gia nhiệt Ở h n h p làm nóng lên đến nhiệt độ sôi nhập liệu (tF =83.8oC), sau đưa vào tháp chưng cất Từ thiết bò gia nhiệt, h n h p vào tháp chưng cất. .. kính: D = 670 mm L = 2.7 m PHẦN 9: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ Tính bề dày thân trụ tháp chưng: * Thân t h p chưng chế tạo phương pháp h n h quang Thân tháp ghép nhiều đoạn mối ghép bích * Vật liệu làm thân