đồ_án_i_chưng_cất_nskt.docx

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

MỤC LỤC PHẦN I: MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 5 PHẦN II: NỘI DUNG ....................................................................................................... 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN ........................ 6 1.1 Giới thiệu về cồn ..................................................................................................... 6 1.2 Các phương pháp chưng luyện ............................................................................... 7 1.3 Các thiết bị chưng cất ............................................................................................. 8 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN ........................................................ 9 2.1. Nguyên liệu ........................................................................................................... 9 2.2. Các phương pháp lên men cồn ........................................................................... 10 2.3. Sơ đồ quy trình sản xuất ...................................................................................... 10 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ ..................................................................... 13 3.1 Kí hiệu và thông số ban đầu. ................................................................................ 13 3.2 Tính toán cân bằng vật liệu trong tháp chưng cất liên tục .................................... 15 3.2.1 Tính cân bằng vật liệu .................................................................................... 15 3.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp và số đĩa lý thuyết .................................... 16 3.3 Tính đường kính tháp............................................................................................ 30 3.3.1 Tính lượng hơi trung bình đi trong tháp ......................................................... 30 3.3.2 Tính khối lượng riêng trung bình ................................................................... 34 3.3.3 Tốc độ hơi đi qua trong tháp đĩa chóp............................................................ 37 3.3.4 Đường kính đoạn chưng đoạn luyện .............................................................. 38 3.5 Vận tốc thực tế của hơi đi trong tháp .................................................................... 39 3.6 Chiều cao của tháp ................................................................................................ 39 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN .......................................... 40 4.1 Tính số chóp và kích thước cơ bản của chóp........................................................ 40 4.1.2 Kích thước chóp ............................................................................................. 40 4.2 Chọn mặt bích và vòng đệm ................................................................................. 46 4.3. Tính đường kính các ống dẫn .............................................................................. 47

6/8/2016

4.1.1 Số chóp phân bố trên đĩa ................................................................................ 40

3

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

4.3.1 Ống chảy chuyền ............................................................................................ 47 4.3.2 Ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp ....................................................................... 47 4.3.3 Ống dẫn hơi đỉnh tháp .................................................................................... 48 4.3.4 Ống dẫn sản phẩm đáy ................................................................................... 49 4.3.5 Ống sản phẩm đỉnh hồi lưu ............................................................................ 50 4.3.6 Diện tích làm việc của đĩa .............................................................................. 51 4.4 Tính bề dày thân trụ của tháp, bề dày đáy và nắp thiết bị ................................. 52 CHƯƠNG 5: TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT ................................................................ 52 5.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hơp đầu .............................................................................. 52 5.1.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào ................................................................... 52 5.1.2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào .......................................................... 53 5.1.3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra ............................................................. 53 5.1.4 Lượng hơi đốt cần thiết .................................................................................. 54 5.1.5 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra ............................................................. 54 5.1.6 Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh ................................................... 54 5.2 Tháp chưng luyện ................................................................................................. 54 5.2.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp ........................................................... 55 5.2.2 Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào ................................................ 55 5.2.3 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp ........................................................ 56 5.2.4 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra ........................................................... 57 5.2.5 Lượng hơi đốt cần thiết .................................................................................. 57 5.2.6 Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh ................................................... 57 5.2.7 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra ............................................................. 57 5.3 Thiết bị ngưng tụ................................................................................................... 57

6/8/2016

5.4 Thiết bị làm lạnh ................................................................................................... 58

4

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

PHẦN I: MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển khoa học kĩ thuật, nền công nghiệp đã mang lại cho con người những lợi ích vô cùng to lớn về vật chất và tinh thần. Để nâng cao đời sống của nhân dân, để hòa nhập với sự phát triển chung của các nước trong khu vực cũng như trên thế giới, Đảng và nhà nước ta đã đề ra mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Trong tiến trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, những nghành mũi nhọn như Công Nghệ Thông Tin, Công nghệ Sinh học, Công nghệ điện tử tự động hóa,….Công nghệ Thực Phẩm giữ vai trò quan trọng trong việc sản suất các thực phẩm phục vụ cho nền kinh tế quốc dân, tạo tiền đề cho nhiều nghành khác phát triển. Khi nền kinh tế phát triển thì nhu cầu con người ngày càng tăng. Do vậy các phẩm cũng đòi hỏi cao hơn, đa dạng hơn, phong phú hơn, theo đó công nghệ sản xuất cũng nâng cao. Có nhiều phương pháp khác nhau để làm tăng nồng độ, độ tinh khiết như: Chưng cất, cô đặc, trích ly. Tùy vào tính chất của hệ mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp. Do nhu cầu sử dụng sản phẩm có độ tinh khiết lớn như vậy nên chúng ta đã sử dụng quá trình chưng cất. Chưng khác cô đặc khác nhau như thế nào?. Thực ra chưng và cô đặc đều là quá trình bay hơi nhưng trong quá trình chưng, các cấu tử đều bay hơi, còn trong cô đặc chỉ có dung môi bay hơi mà chất tan không bay hơi. Quá trình chưng bắt đầu với việc sản xuất rượu từ thế kỉ XI. Ngày nay được ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp như: +Dầu mỏ, tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng; +Không khí hóa lỏng được chưng cất ở nhiệt độ -190℃ để sản xuất oxy và Nitơ; +Quá trình tổng hợp hữu cơ. VD: metanol, etylen, butadiene, propylen;

Chưng cất là một phương pháp dung để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp chất khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử thành phần ở cùng nhiệt độ. Hay cũng chính là dựa trên nhiệt độ sôi khác nhau của các cấu tử ở cùng một áp suất. Có rất nhiều phương pháp chưng, trong đó chưng luyện là phương pháp phổ biến và hiệu quả trong việc tách các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hoàn

6/8/2016

+Công nghệ sinh học và thực phẩm cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng như: etylic- nước từ quá trình lên men.

5

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau, vì vậy nó được sử dụng nhiều trong thực tế. Phương pháp chưng luyện này là một quá trình trong đó hỗn hợp được bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần. Kết quả cuối cùng là ở đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi (cấu tử có nhiệt độ sôi thấp hơn) và nồng độ đạt yêu cầu. Còn ở đáy thu được một hỗn hợp được gồm hầu hết các cấu tử khó bay hơi (cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn). Đồ án này có đề bài là: Tính toán, thiết kế tháp đĩa chưng luyện cồn năng suất 1000kg/h, nồng độ sản phẩm đỉnh là 70% khối lượng, nồng độ sản phẩm đáy đáy là 0.05% khối lượng, nồng độ nguyên liệu 10% khối lượng. Đồ án này đi sâu vào các nội dung chính, đưa ra các bước thực hiện, giải quyết việc tính toán kĩ thuật và thiết kế tháp chưng luyện. Còn việc tính toán thiết bị phụ chưa đi sâu vào được. Vấn đề chính cho nội dung đồ án em xây dựng gồm 3 phần: + Phần mở đầu + Phần nội dung - Tổng quan về công nghệ sản xuất cồn; - Công nghệ sản xuất cồn; - Tính toán thiết bị; - Tính toán cơ khí và lựa chọn; - Tính cân bằng nhiệt;

PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN 1.1 Giới thiệu về cồn Tùy theo cách sử dụng lượng cồn mà mỗi nước trên thế giới có các loại rượu, bia khác nhau. Cồn dùng để tăng nồng độ rượu, bia. Trong đó rượu Vodka là một trong những loại rượu tiêu biểu. Đó là loại rượu nổi tiếng là niềm tự hào cho người dân nước Nga. Vodka được sản xuất ở Nga từ thế kỷ XII, ngay tên gọi của nó cũng có nghĩa là rượu mạnh, từ vodka theo tiếng Nga nghĩa là “ít nước” mà nhiều cồn. Rượu Vodka có độ cồn khá cao từ 35% đến 50%. Một số loại rượu mạnh khác như: Brandy, Whisky, Martin, Brandy, Napoleon, Rhum… Ngoài ra còn có các loại rượu nhẹ và rượu thông thường.

6/8/2016

+Phần Kết luận.

6

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

Rượu sản xuất thủ công được sản xuất ở các làng nghề hay những hộ gia đình ở đồng bằng hay miền núi. Họ lấy lúa, gạo, ngô, khoai, sắn nấu chín, làm nguội rồi rắc men và đem đi ủ. Trong quá trình ủ nấm mốc phát triển trên cơm gạo nếp và tự tạo cho khối gạo ủ mùi thơm đặc trưng, hấp dẫn. Đặc biệt để có được rượu nếp ngon và vẫn giữ được hương thơm, khi chưng cất không sử dụng tháp cao cất cồn mà dùng thiết bị chưng cất rượu để thu hoạch, lúc này rượu nếp đạt khoảng 40 - 50 độ rượu. Ngày nay do nhu cầu sử dụng và chạy đua với nền Thực Phẩm thế giới. Đã có rất nhiều các nhà máy sản xuất rượu được xây dựng như ở Hà Nội, Phú Thọ, Nam Định,… Ứng dụng của cồn chiếm một vị trí đáng kể trong Công nghiệp thực phẩm. Ngoài việc làm tăng nồng độ cho rượu, bia, cồn còn nhiều ứng dụng khác: Ví dụ như: chế biến thức ăn, khử mùi cho thực phẩm (nhiều loại thực phẩm có mùi không mong muốn), làm tăng mùi thơm đặc trưng cho món ăn. Cồn còn có ứng dụng để sát trùng, sản xuất dược phẩm, để chữa bệnh trong ngành Y Tế. Trong công nghiệp ứng dụng làm chất đốt, làm dung môi hòa tan các chất vô cơ và hữu cơ. Cồn có khả năng thay xăng sản xuất từ dầu mỏ Tóm lại: Cồn có một hướng phát triển tốt để xây dựng nền công nghiệp. Nó có rất nhiều ứng dụng, nên việc khai thác cồn hiệu quả là công việc rất cần thiết không ở riêng nghành thực phẩm và nó còn là niềm quan tâm đáng kể với các nghành khác. Nhưng hiện nay máy móc, công nghệ, năng xuất để tinh chế cồn (tách bỏ các tạp chất ra khỏi cồn) vẫn chưa được nâng cao, chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ. Do vậy đồ án này thực hiện để nâng cao trình độ chuyên môn về công nghệ, yêu cầu năng xuất thiết kế ra máy móc phù hợp: chi phí thấp nhất, hiệu quả cao nhất. 1.2 Các phương pháp chưng luyện - Theo áp suất làm việc +Áp suất cao; +Áp suất thường;

- Theo nguyên lý làm việc

6/8/2016

+Áp suất thấp.

7

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

+Chưng cất đơn giản; +Chưng cất liên tục. 1.3 Các thiết bị chưng cất Trong sản xuất 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 bề mặt 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 chêm, tháp phun…Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa ta có: Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí chóp có dạng tròn, xupap, chữ s… Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh. Tháp đệm: tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng các mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.

Nhược điểm

Tháp đĩa xuyên lỗ - Trở lực tương đối thấp. - Hiệu suất khá cao. - Chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng. - Ít tốn kim loại hơn tháp chóp

-Do có hiệu ứng thành do đó hiệu suất truyền khối thấp. -Độ ổn định không cao do sự phân bố các pha theo tiết diện tháp không đều, khó vận hành. -Do có hiệu ứng thành do đó khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng vì vậy khó tăng năng suất. -Thiết bị khá nặng nề.

- Kết cấu khá phức tạp. - Yêu cầu lắp đặt cao: đĩa lắp phải phẳng, chất lỏng khó phân phố đều trên mâm nếu đường kinh quá lớn.

Tháp đĩa chóp - Khá ổn định. - Hiệu suất truyền khối cao - Ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số đĩa ít hơn. - Có trở lực lớn. - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp.

6/8/2016

Ưu điểm

Tháp đệm - Cấu tạo khá đơn giản. - Trở lực thấp. - Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có của chất lỏng

8

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

Nhược điểm

-Do có hiệu ứng thành do đó hiệu suất truyền khối thấp. -Độ ổn định không cao do sự phân bố các pha theo tiết diện tháp không đều, khó vận hành. -Do có hiệu ứng thành do đó khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng vì vậy khó tăng năng suất. -Thiết bị khá nặng nề.

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

- Kết cấu khá phức tạp. - Yêu cầu lắp đặt cao: đĩa lắp phải phẳng, chất lỏng khó phân phố đều trên mâm nếu đường kinh quá lớn.

- Có trở lực lớn. - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp.

Sử dụng tháp đệm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cất theo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâm một cách rõ ràng, tháp đệm khó chế tạo được kích thước lớn ở quy mô công nghiệp. Sử dụng tháp đĩa xuyên lỗ, hiệu suất đạt được không bằng tháp chóp, chế độ làm việc không ổn định bằng tháp chóp, với tháp đường kính quá lớn cũng không sử dụng hiệu quả. Vậy với đồ án chưng cất cồn, em chọn tháp chóp có ống chảy chuyền. CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN 2.1. Nguyên liệu Sản xuất cồn etylic về nguyên tắc có thể dung bất cứ nguyên liệu nào chứa đường hoặc Polysaccarit sau thủy phân sẽ biến thành đường và lên men được. Do đó ta có thể dung nguyên liệu giàu Xenluloza để thủy phân thành đường. Tuy nhiên dung nguyên liệu này sẽ kém hiệu quả kinh tế. Trong thực tế điều kiện sản xuất ở nước ta chỉ dung tinh bột và mật rỉ. - Nguyên liệu chứa tinh bột gồm có: +Tinh bột được sản xuất từ ngũ cốc hoặc củ; +Các lọai ngũ cốc như gạo, bắp, lúa mạch , đại mạch,…;

6/8/2016

+Các loại củ như khoai tây,khoai mì,…

9

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

- Nguyên liệu chứa đường: bao gồm saccharose dạng tinh thể hoặc dạng dung dịch, nước ép mía, dịch chiết từ củ cải đường, các loại syrup glucose, maltose có nguồn gốc từ tinh bột, mật rỉ. - Nguyên liệu chứa cellulose như bã mía, dăm bào, mạt cưa,.. - Nguồn nguyên liệu khác: huyết thanh sữa, waste sulphite (phụ phẩm của công nghiệp sản xuất giấy). 2.2. Các phương pháp lên men cồn - Phương pháp lên men truyền thống (bổ xung bánh men); - Phương pháp lên men bổ xung nấm mốc; - Phương pháp lên men cồn bằng phương pháp cố định tế bào. * Quy trình công nghệ sản xuất cồn etylic có thể chia thành các công đoạn chính: + Giai đoạn 1: Chuẩn bị dịch lên men, nếu nguyên liệu chứa tinh bột thì công đoạn này gồm: nghiền, nấu, đường hóa và làm lạnh đến nhiệt độ lên men. Nếu nguyên liệu là mật rỉ thì chuẩn bị dịch lên men gồm pha loãng sơ bộ, xử lý mật rỉ, bổ xung nguồn dinh dưỡng, tách cặn rồi pha loãng tới nồng độ gây men và lên men. + Giai đoạn 2: Gây men giống và lên men, muốn lên men trước hết phải phát triển men giống tới chất lượng và số lượng cần thiết, thường bằng 10% thể tích dung dịch lên men. Sau đó đưa men giống và dịch đường vào thùng rồi khống chế ở điều kiện xác định để nấm men chuyển hóa đường thành rượu và CO2. Dịch nhận được sau lên men gọi là giấm chín. + Giai đoạn 3: Xử lý dịch lên men, công đoạn này có liên quan tới kiến thức lý học và quá trình thiết bị công nghệ hóa (đó chính là quá trình chuyển khối). Thực chất là dung hệ thống chưng luyện phù hợp để tách rượu và các chất dễ bay hơi khỏi dấm chín, sau đó đem tinh luyện để nhận được cồn sản phẩm, thỏa mãn tiêu chuẩn và yêu cầu tiêu dùng. Sản phẩm thu được sau xử lý bao gồm cồn thực phẩm, cồn dầu, dầu fusel. Ngoài ra còn thu được một số sản phẩm khác…

6/8/2016

2.3. Sơ đồ quy trình sản xuất

10

1. Thùng chưa dấm 3. Bình tách CO2 5. Bình chống phụt giấm 7. Bình làm lạnh ruột gà 9,10. Bình ngưng tụ 12. Bình ngưng tụ hồi lưu

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

2. Bình hâm giấm 4. Tháp thô 6. Bình ngưng thụ cồn thô 8. Tháp aldehyt 11. Tháp tinh chế 13. Bình làm lạnh sản phẩm

2.3.1 Thuyết minh dây chuyền sản xuất Giấm chín được bơm lên thùng cao vị 1, sau đó tự chảy vào bình hâm giấm 2. Ở đây giấm chín được hâm nóng đến nhiệt độ 70-80°C rồi chảy qua bình tách CO2 số 3 vào tháp 4. Khí CO2 và hơi rượu bay lên ngưng tụ ở 6 qua 7 rồi ra ngoài. Tháp thô được đun bằng hơi trực tiếp, hơi rượu đi từ dưới lên, giấm chảy từ trên xuống nhờ đó quá trình

6/8/2016

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

11

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

chuyển khối được thực hiện. Ở dưới đáy nồng độ rượu trong giấm còn khoảng 0.0150.03% V được thải ra ngoài gọi là bã rượu, nhiệt độ đáy 103-105°C. Phần lớn rượu thô (90-95%) liên tục đi vào tháp tách aldehyt 8. Tháp này cũng dùng hơi trực tiếp , hơi rượu bay lên được ngưng tụ và hồi lưu đến 95%, chỉ điều chỉnh lượng nước làm lạnh và lấy ra khoảng 3-5% gọi là cồn đầu. Một phần rượu thô (5-10%) ở 6 hồi lưu vào đỉnh tháp aldehyt vì chứa nhiều tạp chất. Sau khi tách bớt tạp chất , rượu thô từ đáy tháp aldehyt đi liên tục vào tháp tinh 11 với nồng độ 35-45%V. Tháp tinh 11 cũng được cấp nhiệt bằng hơi nước trực tiếp (có thể gián tiếp), hơi bay lên được nâng dần nồng độ sau đó ngưng tụ ở 12 rồi hồi lưu lại tháp. Bằng cách điều chỉnh lượng nước làm lạnh ta lấy ra 1.5-2% cồn đầu rồi cho hồi lưu về đỉnh 8. Cồn sản phẩm lấy ra ở dạng lỏng cách đĩa hồi lưu 3-6 đĩa và đoạn làm lạnh ở 13. Nhiệt độ đáy tháp luôn đảm bảo 103-105°C . nhiệt độ đỉnh tháp 4 phụ thuộc vào nồng độ cồn trong giấm và thường vào khoảng 93-97°C. Nhiệt độ đỉnh tháp tinh 11 vào khoảng 78.378.5°C. nhiệt độ tân tháp tinh ở vị trí cách đĩa tiếp iệu về phía trên 3-4 đĩa khống chế ở 82-83°C. Dầu fusel ấy ra ở dạng hơi từ đĩa thứ 6 đến 11(tính từ dưới lên) sau đó đi vào thiết bị phân ly dầu. * Nguyên lý của quá trình chuyển khối xảy ra trong tháp Hơi đi từ dưới lên qua các ống hơi, lỏng đi từ trên xuống theo các ống chảy truyền. Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay dổi tương ứng vơi sự thay đổi nồng độ. Cụ thể là trên đĩa 1, chất lỏng có nồng độ cấu tử dễ bay hơi (etanol) là, bốc hơi lên nồng độ. Hơi này lên đĩa 2 và được sục qua lỏng ở trên đĩa này. Tức là các bọt khí sẽ đi vào lỏng, do tại đây nhiệt độ đĩa 2 thấp hơn ở đĩa 1 nên một phần hơi sẽ được ngưng tụ lại, do đó nồng độ x2 > x1. Hơi bốc lên từ đĩa 2 có nồng độ tương ứng cân bằng với x2, trong đó y2 > y1. Hơi từ đĩa 2 đi lên đĩa 3 và nhiệt độ đĩa 3 thấp hơn, hơi ngưng tụ một phần do đó chất lỏng trên đĩa 3 có nồng độ x3 > x2.

6/8/2016

Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi. Một phần cấu tử dễ bốc hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng, lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ nhu thế cuối cùng ở trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng gần nguyên chất và ở đáy tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi ở dạng gần nguyên chất.

12

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 3.1 Kí hiệu và thông số ban đầu. * Giả thiết: + Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp; + Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chưng và đoạn luyện; + Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi; + Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra ở đỉnh tháp; + Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp; + Thiết bị làm việc ở áp suất thường; + Tháp chưng loại tháp tinh. * Số liệu ban đầu: + Năng suất thiết bị: GF = 1000 (Kg/h); + 𝑎𝐹 = 10% khối lượng; + 𝑎𝐷 = 70% khối lượng; + 𝑎𝑊 = 0.05% khối lượng; + Khối lượng phân tử etylic: M₁ = 46 kg/kmol; + Khối lượng phân tử nước: M2 = 18 kg/kmol. * Các ký hiệu MF: khối lượng mol trung bình của hỗn hợp ban đầu (kg/mol); MD: khối lượng mol trung bình của sản phẩm đỉnh (kg/mol); MW: khối lượng mol trung bình của sản phẩm đáy (kg/mol);

GD, D: lượng sản phẩm đỉnh (kg/h, kmol/h); GW, W: lượng sản phẩm đáy (kg/h, kmol/h);

6/8/2016

GF, F: lượng hỗn hợp ban đầu (kg/h, kmol/h);

13

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

a: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng (kg/kg); x: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng (kmol/kmol). * Quy đổi đơn vị + Nồng độ phần mol: 𝑎 𝑀 𝓍= 𝑎 1−𝑎 + 𝑀 𝑀′ Ta có: 𝒳𝐹 =

𝑎𝐹 𝑀1 𝑎𝐹 1−𝑎𝐹 + 𝑀1 𝑀2

𝒳𝐷 =

𝑎𝐷 𝑀1 𝑎𝐷 1−𝑎𝐷 + 𝑀1 𝑀2

𝒳𝑊 =

=

0.1 46 0.1 1−0.1 + 46 18

= 0.0417 (kmol/kmol)

=

0.7 46 0.7 1−0.7 + 46 18

= 0.477 (kmol/kmol)

𝑎𝑊 𝑀1 𝑎𝑊 1−𝑎𝑊 + 𝑀1 𝑀2

=

0.0005 46 0.0005 1−0.0005 + 46 18

= 0.000196 (kmol/kmol)

+ Khối lượng mol: M = 𝑥 × 𝑀1 + (1 − 𝑥) × 𝑀2 MF = 𝒳𝐹 × 𝑀1 + (1 − 𝒳𝐹 ) × 𝑀2 = 0.0417 × 46 + (1 − 0.0417) × 18 = 19.17 (kg/kmol) MD = 𝒳𝐷 × 𝑀1 + (1 − 𝒳𝐷 ) × 𝑀2 = 0.477 × 46 + (1 − 0.477) × 18 = 31.36 (kg/kmol) MW = 𝒳𝑊 × 𝑀1 + (1 − 𝒳𝑊 ) × 𝑀2 =0.000196 × 46 + (1 − 0.000196) × 18 = 18 (kg/kmol)

F=

𝐺 𝑀

6/8/2016

+ Lưu lượng mol:

14

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

F=

𝐺𝐹 𝑀𝐹

D= W=

=

1000 19.17

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

= 52.16 (Kmol/h)

𝐺𝐷 𝑀𝐷 𝐺𝑤 𝑀𝑤

3.2 Tính toán cân bằng vật liệu trong tháp chưng cất liên tục 3.2.1 Tính cân bằng vật liệu D,yD

F,XF

D0

L0 P,Xp

DU

LU

W,Xw Hỗn hợp đầu vào F (C2H5OH, H2O) được tách thành sản phẩm đỉnh P (C2H5OH) và sản phẩm đáy là W (H2O) ở đĩa trên cùng có một lượng lỏng hồi lưu, ở đáy tháp có thiết bị đun sôi, lượng hơi đi ra đỉnh tháp là P. - Phương trình cân bằng vật liệu của toàn tháp: F=D+W

GF = GD + GW (kg/h)

(1)

F = D + W (kmol/h)

(2)

* Tính theo cấu tử dễ bay hơi (cồn) GF × aF = GD × aD + GW × aW (kg/h)

(3)

6/8/2016

* Tính theo năng suất

15

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

F × 𝑥𝐹 = D × 𝑥𝐷 + W × 𝑥𝑊 (kmol/h) (4) Từ phương trình (2) & (4) ta có hệ phương trình: D + W = 52.16 & 0.477D + 1.96× 10−4 W = 52.16× 0.0417 → 𝐷 = 4.54 (kmol/h) & W = 47.62 (kmol/h) → 𝐺𝐷 = 𝐷 × 𝑀𝐷 = 4.54 × 31.36 = 142.37 (kg/h) → 𝐺𝑊 = 𝑊 × 𝑀𝑊 = 47.62 × 18 = 857.16 (kg/h) 3.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp và số đĩa lý thuyết * Chỉ số hồi lưu Chỉ số hồi lưu 𝑅𝑥 là tỉ số giữa lượng hồi lưu và lượng sản phẩm đỉnh thu được. - Vẽ đường cân bằng và tính chỉ số hồi lưu tối thiểu 𝑅𝑚𝑖𝑛 Dựa vào bảng thành phần lỏng – hơi của hỗn hợp Etanol – Nước ở 760 mmHg X% 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Y% 0 33.2 44.2 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.8 100 Từ ta bảng số liệu trên vẽ được đồ thị x-y, từ đó xác định được chỉ số hồi lưu tối 𝑥 −𝑦∗ thiểu dựa vào công thức: Rmin = 𝐷 𝐹 𝑦∗𝐹 −𝑥𝐹

𝑦𝐹∗ :

6/8/2016

Với nồng độ phần mol cân bằng với xF Với giá trị xF = 0.0417 (kmol/kmol) ta kẻ đường song song với trục y và cắt đường cân bằng, từ đó ta kẻ song song với trục x cắt trục y tại B đó chính là giá trị 𝑦𝐹∗ .

16

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

𝑦𝐹∗ = 0.27 (kmol//kmol)

27

4.17

Từ đó ta tính được: Rmi n=

𝑥𝐷 −𝑦∗𝐹 𝑦∗𝐹 −𝑥𝐹

=

0.477−0.27 0.27−0.0417

= 0.91

- Tính chỉ số hồi lưu thích hợp Chỉ số hồi lưu thích hợp được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu 𝑅𝑥 =b.Rmin (b: hệ số dư hay hệ số điều chỉnh) Tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu thích hợp bằng:

Biết Rmin cho b biến thiên trong khoảng (1.2÷2.5) ta tính được ra 𝑅𝑥 tương ứng.

6/8/2016

𝑅𝑥 = (1.2÷2.5)Rmin

17

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

Mà mỗi 𝑅𝑥 tương ứng ta vẽ được các đường làm việc và vẽ bậc thay đổi của nồng độ lý thuyết N.  Cách vẽ đồ thị xác định số đĩa lý thuyết trên cơ sở đường cân bằng: + Đoạn luyện: đường làm việc của đoạn luyện đi qua (xP, yP) và cắt trục tung tại 𝑥 điểm có tung độ: B = 𝐷 𝑅𝑥 +1

+ Đoạn chưng: đường làm việc của đoạn chưng đi qua giao điểm của đường làm việc đoạn luyện với đường x = xF và điểm (xw, yw)

R = 1.09

6/8/2016

Từ đó vẽ các đường song song với trục x và y liên tiếp ta được số đĩa lý thuyết.

18

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

R = 1.27

6/8/2016

R = 1.18

19

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

R = 1.46

6/8/2016

R = 1.36

20

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

R = 1.64

6/8/2016

R = 1.55

21

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

R = 1.82

6/8/2016

R = 1.73

22

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

R = 2.0

6/8/2016

R = 1.91

23

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

R = 2.18

6/8/2016

R= 2.09

24

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

R = 2.27

b 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Rx 1.09 1.18 1.27 1.36 1.46 1.55 1.64 1.73 1.82 1.91 2.0 2.09 2.18 2.27

B 0.23 0.22 0.21 0.20 0.19 0.19 0.18 0.17 0.17 0.16 0.16 0.15 0.15 0.14

N 37 29 24 21 18 18 16 15 15 14 14 12 12 12

N(Rx+1) 77.33 63.22 54.48 49.56 44.28 45.90 42.24 40.95 42.30 40.74 42.00 37.08 38.16 39.24

6/8/2016

Bảng kết quả:

25

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp 90 80

70 60 50 40 30 20 10 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

 Chỉ số hồi lưu thích hợp Rx= 2.09 tại giá trị N(Rx+1) nhỏ nhất. * Phương trình đường nồng độ làm việc - Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện: y=

𝑅𝑥 𝑅𝑥 +1

𝑥+

𝑥𝐷 𝑅𝑥 +1

=

2.09 2.09+1

𝑥+

0.477 0.477+1

= 0.68𝑥 + 0.32

- Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng: y=

𝑅𝑥 +𝑓 𝑅𝑥 +1

𝑥−

𝑓−1

𝑥 𝑅𝑥 +1 𝑤 𝐹 52.16

Trong đó: f = y =

𝐷

2.09+11.49 2.09+1

=

4.54

𝑥−

= 11.49

11.49−1 2.09+1

× 1.96 × 10−4 = 4.39𝑥 − 6.65 × 10−4

* Số đĩa lý thuyết Với Rx = 2.09 xác định được số đĩa lý thuyết N = 12 Trong đó:

Số đĩa đoạn chưng là 9. 3.2.3 Xác định số đĩa thực tế

6/8/2016

Số đĩa đoạn luyện là 3;

26

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

Ta đã có số đĩa lý thuyết: Ntt =

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

𝑁𝑙𝑡 𝜂𝑡𝑏

Trong đó: 𝜂𝑡𝑏 : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của đọ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : 𝜂 = 𝑓(𝛼, 𝜇); Ntt: số đĩa thực tế; Nlt: số đĩa lý thuyết. * Xác định hiệu suất trung bình của tháp 𝜂𝑡𝑏 + Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi: 𝑦∗ 1−𝑥 𝛼= × 1 − 𝑦∗ 𝑥 Với: x là phần mol của rượu trong pha lỏng; y* phần mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng. + Độ nhớt hỗn hợp lỏng lg 𝜇ℎℎ = 𝑥. 𝑙𝑔𝜇1 + (1 − 𝑥). 𝑙𝑔𝜇2 ; x: nồng độ mol của (C2H5OH) trong hỗn hợp; 𝜇1, 𝜇2 : độ nhớt động lực của (C2H5OH) và nước.

6/8/2016

Khi tính được tích số (𝛼. 𝜇) ta tra đồ thị để tìm hiệu suất trung bình: tra hình dưới đây (IX.11-trang 171-T2)

27

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

 Tại vị trí tiếp liệu 𝑥𝐹 = 0.0417 (kmol/kmol) => 𝑦𝐹∗ =0.27 (kmol/kmol) =>𝛼𝐹 =

𝑦𝐹∗ 1−𝑦𝐹∗

.

1−𝑥𝐹 𝑥𝐹

=

0.27 1−0.27

.

1−0.0417 0.0417

= 8.5

Theo bảng số liệu IX.2a sổ tay QT&TBCNHC2 tr.148 => 𝑡𝐹 = 91.46℃ Theo bảng I.101 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.92, ta có: 𝜇1 =4.2× 10−4 (Ns/m2); 𝜇2 = 3.1× 10−4 (Ns/m2); Độ nhớt hỗn hơp tại vị trí nạp liệu: lg(𝜇𝐹 )=0.0417.lg(4.2× 10−4 )+(1-0.0417).lg(3.1× 10−4 ) => 𝜇𝐹 = 3.14× 10−4 (Ns/m2) = 0.314 Cp => 𝛼𝐹 . 𝜇𝐹 =8.5 × 0.314= 2.67 Tra hình IX.11 sổ tay QT&TBCNHC2 tr.171, ta có: 𝜂𝐹 = 0.39  Tại vị trí đỉnh: 𝑥𝐷 = 0.477 (kmol/kmol) => 𝑦𝐷∗ = 0.65 (kmol/kmol) =>𝛼𝐷 =

∗ 𝑦𝐷 ∗ 1−𝑦𝐷

.

1−𝑥𝐷 𝑥𝐷

=

0.65 1−0.65

.

1−0.477 0.477

= 2.04

Theo bảng số liệu IX.2a sổ tay QT&TBCNHC2 tr.148 => 𝑡𝐷 = 80.18℃ Theo bảng I.101 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.92, ta có:

Độ nhớt hỗn hơp tại vị trí đỉnh: lg(𝜇𝐷 )=0.477.lg(5.1× 10−4 )+(1-0.477).lg(3.6× 10−4 )

6/8/2016

𝜇1 =5.1× 10−4 (Ns/m2); 𝜇2 = 3.6× 10−4 (Ns/m2);

28

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

=> 𝜇𝐷 = 4.25× 10−4 (Ns/m2) = 0.425 Cp => 𝛼𝐷 . 𝜇𝐷 =2.04 × 0.425= 0.87 Tra hình IX.11 sổ tay QT&TBCNHC2 tr.171, ta có: 𝜂𝐷 = 0.52  Tại vị trí đáy 𝑥𝑊 = 1.96 × 10−4 (kmol/kmol) ∗ => 𝑦𝑊 = 1.3 × 10−3 (kmol/kmol)

=>𝛼𝑊 =

∗ 𝑦𝑊 ∗ 1−𝑦𝑊

.

1−𝑥𝑊 𝑥𝑊

=

1.3×10−3

. −3

1−1.3×10

1−1.96×10−4 1.96×10−4

= 6.64

Theo bảng số liệu IX.2a sổ tay QT&TBCNHC2 tr.148 => 𝑡𝑊 = 99.92℃ Theo bảng I.101 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.92, ta có: 𝜇1 =3.8× 10−4 (Ns/m2); 𝜇2 = 2.84× 10−4 (Ns/m2); Độ nhớt hỗn hơp tại vị trí đỉnh: lg(𝜇𝑊 )=1.96× 10−4 .lg(3.8× 10−4 )+(1-1.96× 10−4 ).lg(2.84× 10−4 ) => 𝜇𝑊 = 2.84× 10−4 (Ns/m2) = 0.284 Cp => 𝛼𝑊 . 𝜇𝑊 =6.64 × 0.284= 1.89 Tra hình IX.11 sổ tay QT&TBCNHC2 tr.171, ta có: 𝜂𝑊 = 0.43 Từ đó ta có: + Hiệu suất trung bình của đoạn chưng 𝜂𝑡𝑏𝐶 =

𝜂𝑊 +𝜂𝐹 2

=

0.43+0.39 2

= 0.41

+ Hiệu suất trung bình của đoạn luyện 𝜂𝐷 +𝜂𝐹 2

=

0.52+0.39 2

= 0.46

* Số đĩa thực tế + Số đĩa thực tế đoạn chưng

6/8/2016

𝜂𝑡𝑏𝐿 =

29

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

𝑁𝑡𝑡𝐶 =

𝑁𝑙𝑡𝐶 𝜂𝑡𝑏𝐶

=

9 0.41

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

= 21.95  Lấy 22 đĩa.

+ Số đĩa thực tế đoạn luyện 𝑁𝑡𝑡𝐿 =

𝑁𝑙𝑡𝐿 𝜂𝑡𝑏𝐿

=

3 0.46

= 6.52  Lấy 7 đĩa.

=> 𝑁𝑡𝑡 = 𝑁𝑡𝑡𝐶 + 𝑁𝑡𝑡𝐿 = 29 đĩ𝑎. Vị trí đĩa nhập liệu tại giao điểm đường làm việc phần chưng và phần luyện. Tức là đĩa thứ 22 từ dưới lên. Như vậy: Số đĩa thực tế là 29 đĩa; Đoạn luyện có 7 đĩa; Đoạn chưng có 22 đĩa; Vị trí nhập liệu ở đĩa thứ 22. 3.3 Tính đường kính tháp Đường kính tháp tính theo công thức: 𝑔𝑣𝑡𝑏 3600𝜌𝑦

= 𝜔𝑦𝑡𝑏 .

𝜋∅2 4

=>∅ = 0.0188√

𝑔𝑡𝑏

𝜌𝑦 ∙𝜔𝑦𝑡𝑏

Trong đó: 𝑔𝑡𝑏 : lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h); 𝜔𝑦𝑡𝑏 : vận tốc hơi trung bình trong tháp (m/s); 𝜌𝑦

: khối lượng riêng trung bình của pha hơi.

Vì lượng hơi và lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau ở mỗi đoạn cho nên phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn.

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện:

6/8/2016

3.3.1 Tính lượng hơi trung bình đi trong tháp * Đoạn luyện

30

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

𝑔𝑡𝑏𝐿 =

𝑔𝑑 + 𝑔1 2

Trong đó: 𝑔𝑡𝑏𝐿 : lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h); 𝑔𝑑 : lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h); 𝑔1 : lượng hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kg/h). + Lượng hơi đi ra khỏi tháp 𝑔𝑑 = GR+GD= GD(R+1) = 142.37×(2.09+1) = 439.92 (kg/h) + Lượng hơi đi vào đĩa thứ nhất đọan luyện Hệ phương trình cân bằng vật liệu và phương trình cân bằng nhiệt lượng cho đoạn luyện: 𝑔1 = 𝐺1 + 𝐺𝐷 {𝑔1 𝑏1 = 𝐺1 𝑎1 + 𝐺𝐷 𝑎𝐷 (*) 𝑔1 𝑟1 = 𝑔𝑑 𝑟𝑑 Với 𝑎1 = 𝑎𝐹 = 0.1(kg/kg) G1: lượng lỏng đi vào đĩa 1 của đoạn luyện (kg/h); GD: lượng sản phẩm đỉnh (kg/h); 𝑏1 : hàm lượng hơi đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kg/kg); 𝑎1 : hàm lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kg/kg); 𝑟1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kcal/kg); 𝑟𝑑 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi tháp (kcal/kg). Dựa vào bảng IX.2a sổ tay QT&TBCNHC2 tr.148, ta có: Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh: 𝑡𝐷 = 80.18℃;

Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đáy tháp: 𝑡𝑊 = 99.92℃.  Xác định ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi tháp 𝑟𝑑

6/8/2016

Nhiệt độ sôi của hỗn hợp ban đầu: 𝑡𝐹 = 91.46℃;

31

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

Dựa vào bảng I.212 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.254 với tD= 80.18℃ 𝑟etylic = 203.04 (kcal/kg) 𝑟nước = 563.13 (kcal/kg) Có 𝑟d = 𝑟etylic. 𝑏𝑑 + (1- 𝑏𝑑 ). 𝑟nước Tại đỉnh, 𝑥𝐷 = 0.477 (kmol/kmol) => 𝑦𝐷∗ = 0.65 (kmol/kmol) => 𝑏𝑑 = 𝑏𝐷 =

0.65×46 0.65×46+(1−0.65)×18

= 0.83 (kg/kg)

=> 𝑟𝑑 = 203.04 × 0.83 + (1 − 0.83) × 563.13 = 264.26 (kcal/kg)  Xác định nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn luyện 𝑟1 Dựa vào bảng I.212 sổ tay QT&TBCNHC1 với tF = 91.46°𝐶 𝑟etylic = 198.17 (kcal/kg) 𝑟nước = 548.85 (kcal/kg)  𝑟1 = 𝑟etylic.𝑏1 + (1- 𝑏1 ). 𝑟nước = 198.17× 𝑏1 + (1-𝑏1 )× 548.85 = 548.85 – 386.68𝑏1 Thay toàn bộ các đại lượng trên vào hệ phương trình (*), ta có: 𝑔1 = 𝐺1 + 142.37 𝑔1 𝑏1 = 0.1 × 𝐺1 + 142.37 × 0.7 { 𝑔1 (548.85 − 386.68𝑏1 ) = 439.92 × 264.26

=> 𝑔1 = 292.61 (kg/h) 𝐺1 = 150.24 (kg/h) 𝑏1 = 0.44 (kg/kg)

6/8/2016

 𝑟1 = 378.71 (kcal/kg)

32

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: 𝑔𝑡𝑏𝐿 =

𝑔𝑑 +𝑔1 2

=

439.92+292.61 2

= 366.27 (kg/h)

* Đoạn chưng Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng có thể tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng và lượng hơi đi vào đoạn chưng: ′ 𝑔𝑡𝑏

𝑔𝑛′ + 𝑔1′ = 2

Ta có lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện 𝑔𝑛′ = 𝑔1 nên:

′ 𝑔𝑡𝑏 =

𝑔1 + 𝑔1′ 2

Hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng cho đoạn chưng: 𝐺1′ = 𝑔1′ + 𝐺𝑊 {𝐺1′ 𝑎1′ = 𝑔1′ 𝑏1′ + 𝐺𝑊 𝑎𝑊 𝑔1′ 𝑟1′ = 𝑔1 𝑟1

(**)

Với 𝑏1′ = 𝑏𝑊 , theo đường cân bằng ứng với 𝑥𝑊 = 1.96× 10−4 (kmol/kmol) ta được: ∗ 𝑦𝑊 = 1.3 × 10−3 (kmol/kmol)

Đổi 𝑦𝑊 từ phần mol sang phần khối lượng: 𝑏𝑊 = 𝑏1′ =

1.3×10−3 .46 1.3×10−3 .46+(1−1.3×10−3 ).18

= 3.31 × 10−3 (kg/kg)

𝑔1′ : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h); 𝑔𝑛′ : lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng (kg/h); 𝐺1′ : lượng lỏng đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng (kg/h);

𝑏1′ : hàm lượng hơi đối với đĩa thứ nhất của đạn chưng (kg/kg); 𝑟1′ : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng (kcal/kg);

6/8/2016

𝑎1′ : hàm lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn chưng (kg/kg);

33

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

𝑟1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng (kJ/kmol). 𝑟1 = 378.71 (kcal/kg)  Xác định nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng 𝑟1′ Dựa vào bảng I.212 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.254 với tW = 99.92℃ 𝑟𝑒𝑡𝑦𝑙𝑖𝑐 = 197.03 (kcal/kg) 𝑟𝑛ướ𝑐 = 539.08 (kcal/kg) => 𝑟1′ = 𝑟etylic 𝑏1′ + (1- 𝑏1′ )𝑟nước = 197.03 × 3.31 × 10−3 + (1 − 3.31 × 10−3 ) × 539.08 = 537.95 (kcal/kg) Thay toàn bộ các đại lượng trên vào hệ phương trình (**): 𝐺1′ = 𝑔1′ + 857.16 {𝐺1′ 𝑎1′ = 𝑔1′ × 3.31 × 10−3 + 857.16 × 5 × 10−4 𝑔1′ × 537.95 = 292.61 × 378.71  𝑔1′ = 205.99 (kg/h) 𝐺1′ = 1063.15 (kg/h) 𝑎1′ = 1.04 × 10−3 (kg/kg) Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng: ′ 𝑔𝑡𝑏𝐶 =

𝑔1 +𝑔1′ 2

=

292.61+205.99 2

= 298.31 (kg/h)

3.3.2 Tính khối lượng riêng trung bình * Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi 𝜌𝑦𝑡𝑏 =

[𝑦𝑡𝑏 . 𝑀1 + (1 − 𝑦𝑡𝑏 ). 𝑀2 ]. 273 (𝑘𝑔/𝑚3 ) 22.4. 𝑇

M1, M2: khối lượng phân tử của rượu, nước; 𝑦𝑡𝑏 : nồng độ phần mol của cấu tử etylic lấy theo giá trị trung bình

6/8/2016

T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp (°𝐾);

34

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

𝑦𝑡𝑏 =

𝑦đ +𝑦𝑐 2

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

với 𝑦đ , 𝑦𝑐 : nồng độ tại 2 đầu luyện (chưng)

+ Đoạn luyện Đổi 𝑏1 sang nồng độ phần mol: 𝑦1 =

0.44 46 0.44 1−0.44 + 46 18

𝑦𝑡𝑏𝐿 =

𝑦đ +𝑦𝑐 2

=

= 0.24 (kmol/kmol) 𝑦1 +𝑥𝐷 2

=

0.24+0.477 2

= 0.36 (kmol/kmol)

Dựa vào bảng IX.2a sổ tay QT&TBCNHC2 tr.148 với 𝑦𝑡𝑏𝐿 = 0.36 (kmol/kmol) => T = 89.6+273 = 362.6K Khối lượng riêng rung bình của pha hơi đối với đoạn luyện: 𝜌𝑦𝑡𝑏𝐿 =

[𝑦𝑡𝑏𝐿 . 𝑀1 + (1 − 𝑦𝑡𝑏𝐿 ). 𝑀2 ]. 273 [0.36 × 46 + (1 − 0.36 ) × 18] × 273 = 22,4. 𝑇 22.4 × 362.6 3 = 0.94 (𝑘𝑔/𝑚 )

+ Đoạn chưng 𝑦𝑡𝑏𝐶 =

𝑦đ +𝑦𝑐 2

=

𝑦1 +𝑥𝑤 2

=

0.24+1,96×10−4 2

= 0.12 (kmol/kmol)

Dựa vào bảng IX.2a sổ tay QT&TBCNHC2 tr.148 với 𝑦𝑡𝑏𝐶 = 0.12 (kmol/kmol) => T = 96.5+273 = 369.5K Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng: 𝜌𝑦𝑡𝑏𝐶 =

[𝑦𝑡𝑏𝐶 × 𝑀1 + (1 − 𝑦𝑡𝑏𝐶 ) × 𝑀2 ] × 273 22.4 × 𝑇 [0.12 × 46 + (1 − 0.12 ) × 18] × 273 = = 0.7 (𝑘𝑔/𝑚3 ) 22.4 × 369.5

1 𝜌𝑎𝑡𝑏

=

𝑎𝑡𝑏 1 − 𝑎𝑡𝑏 + 𝜌𝑎𝑡𝑏1 𝜌𝑎𝑡𝑏2

6/8/2016

* Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng

35

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

Trong đó: 𝜌𝑎𝑡𝑏 : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (𝑘𝑔/𝑚3 ) 𝜌𝑎𝑡𝑏1 , 𝜌𝑎𝑡𝑏2 : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng đối với etylic, nước theo nhiệt độ rung bình (𝑘𝑔/𝑚3 ) 𝑎𝑡𝑏 : khối lượng trung bình của cấu tử etylic trong pha lỏng + Đoạn luyện 𝑎𝑡𝑏𝐿 = 𝑥𝑡𝑏𝐿 =

𝑎𝐹 +𝑎𝐷 2 𝑥𝐹 +𝑥𝐷

= =

2

0.1+0.7 2

= 0.4 (kg/kg)

0.0417+0.477

= 0.26 (kmol/kmol)

2

Dựa vào bảng IX.2a sổ tay QT&TBCNHC2 tr.148 với 𝑥𝑡𝑏𝐿 = 0.26 (kmol/kmol) => 𝑡𝑡𝑏𝐿 = 82.09℃ Dựa vào bảng I.2 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.9 với 𝑡𝑡𝑏𝐿 = 82.09℃ => 𝜌𝑎𝑡𝑏1 = 733 (𝑘𝑔/𝑚3 ); 𝜌𝑎𝑡𝑏2 = 969.47 (𝑘𝑔/𝑚3 ) Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha lỏng 1 𝜌𝑎𝑡𝑏𝐿

=

𝑎𝑡𝑏𝐿 𝜌𝑎𝑡𝑏1

+

1−𝑎𝑡𝑏𝐿 𝜌𝑎𝑡𝑏2

=

0.4 733

+

1−0.4 969.47

= 1.16 × 10−3

=> 𝜌𝑎𝑡𝑏𝐿 = 858.67 (𝑘𝑔/𝑚3 ) + Đoạn chưng 𝑎𝑡𝑏𝐶 = 𝑥𝑡𝑏𝐶 =

𝑎𝐹 +𝑎𝑤 2 𝑥𝐹 +𝑥𝑤 2

= =

0.1+5×10−4 2

= 0.05 (kg/kg)

0.0417+1.96×10−4 2

= 0.021 (kmol/kmol)

Dựa vào bảng IX.2a sổ tay QT&TBCNHC2 tr.148 với 𝑥𝑡𝑏𝐶 = 0.021(kmol/kmol) => 𝑡𝑡𝑏𝐶 = 94.52℃

=> 𝜌𝑎𝑡𝑏1 = 722.3 (𝑘𝑔/𝑚3 ); 𝜌𝑎𝑡𝑏2 = 961.41 (𝑘𝑔/𝑚3 ) Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng đối với pha lỏng

6/8/2016

Dựa vào bảng I.2 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.9 với 𝑡𝑡𝑏𝐶 = 94.52℃

36

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối 1 𝜌𝑎𝑡𝑏𝐶

=

𝑎𝑡𝑏𝐶 𝜌𝑎𝑡𝑏1

+

1−𝑎𝑡𝑏𝐶 𝜌𝑎𝑡𝑏2

=

0.05 722.3

+

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

1−0.05 961.41

= 1.06 × 10−3

=> 𝜌𝑎𝑡𝑏𝐶 = 945.76 (𝑘𝑔/𝑚3 ) 3.3.3 Tốc độ hơi đi qua trong tháp đĩa chóp Tốc độ hơi đi trong tháp đĩa chop được xác định theo công thức: (𝜌𝑦 𝜔𝑦 )

𝑡𝑏

= 0.065. 𝜑[𝜎]. √ℎ. 𝜌𝑎𝑡𝑏 . 𝜌𝑦𝑡𝑏 (𝑘𝑔⁄𝑚2 . 𝑠)

𝜌𝑎𝑡𝑏 , 𝜌𝑦𝑡𝑏 : khối lượng riêng của pha lỏng và pha hơi tính theo nhiệt độ trung bình (kg/𝑚3 ); ℎ: khoảng cách giữa các đĩa (m) (chọn theo đường kính của tháp); (𝜌𝑦 𝜔𝑦 ) : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (kg/m².s); 𝑡𝑏 𝜑[𝜎]: hệ số tính đến sức căng bề mặt 𝜎 < 20 𝑑𝑦𝑛/𝑐𝑚 𝑡ℎì 𝜑[𝜎] =0,8 𝜎 > 20 𝑑𝑦𝑛/𝑐𝑚 𝑡ℎì 𝜑[𝜎] = 1 * Đoạn luyện 𝜌𝑦𝑡𝑏𝐿 = 0.94(𝑘𝑔/𝑚3 ); 𝜌𝑎𝑡𝑏𝐿 = 858.67(𝑘𝑔/𝑚3 ) Dựa vào bảng I.242 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.301 với 𝑡𝑡𝑏𝐿 = 82.09℃ ta có: 𝜎𝑒𝑡𝑦𝑙𝑖𝑐 = 19.79𝑑𝑦𝑛/𝑐𝑚 𝜎𝑛ướ𝑐 = 62.21𝑑𝑦𝑛/𝑐𝑚 1 𝜎𝑡𝑏𝐿

=

𝑎𝑡𝑏𝐿 𝜎𝑒𝑡𝑦𝑙𝑖𝑐

+

1−𝑎𝑡𝑏𝐿 𝜎𝑛ướ𝑐

=

0.4 19.79

+

1−0.4 62.21

= 0.03

=> 𝜎𝑡𝑏𝐿 = 33.33 𝑑𝑦𝑚/𝑐𝑚 > 20 => 𝜑[𝜎] = 1 Vậy (𝜌𝑦 𝜔𝑦 )𝑡𝑏𝐿 = 0.065√ℎ × 858.67 × 0.94 6/8/2016

= 1.85√ℎ (𝑘𝑔⁄𝑚2 . 𝑠)

37

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

* Đoạn chưng 𝜌𝑦𝑡𝑏𝐶 = 0.7 (𝑘𝑔/𝑚3 ); 𝜌𝑎𝑡𝑏𝐶 = 945.76 (𝑘𝑔/𝑚3 ) Dựa vào bảng I.242 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.301 với 𝑡𝑡𝑏𝐶 = 94.52℃ ta có: 𝜎𝑒𝑡𝑦𝑙𝑖𝑐 = 29.55 𝑑𝑦𝑛/𝑐𝑚 𝜎𝑛ướ𝑐 = 59.61 𝑑𝑦𝑛/𝑐𝑚 1 𝜎𝑡𝑏𝐶

=

𝑎𝑡𝑏𝐶 𝜎𝑒𝑡𝑦𝑙𝑖𝑐

1−𝑎𝑡𝑏𝐶

+

𝜎𝑛ướ𝑐

=

0.05 29.55

+

1−0.05 59.61

= 0.018

=> 𝜎𝑡𝑏𝐶 = 55.56 𝑑𝑦𝑛/𝑐𝑚 > 20 => 𝜑[𝜎] = 1 Vậy (𝜌𝑦 𝜔𝑦 )𝑡𝑏𝐶 = 0.065√ℎ × 0.7 × 945.76 = 1.69√ℎ (𝑘𝑔⁄𝑚2 . 𝑠) 3.3.4 Đường kính đoạn chưng đoạn luyện * Đường kính đoạn luyện 𝑔𝑡𝑏𝐿 = 366.27 (kg/h) (𝜌𝑦 𝜔𝑦 )

𝑡𝑏𝐿

=1.91√ℎ (𝑘𝑔⁄𝑚2 . 𝑠)

∅𝐿 = 0.0188√

𝑔𝑡𝑏𝐿 (𝜌𝑦 𝜔𝑦 )

= 0.0188√ 𝑡𝑏𝐿

366.27 1.85√ℎ

Chọn h = 0.25 (m) theo bảng IX.4a Sổ tay QT&TBCNHC2 tr.169 𝑔𝑡𝑏𝐿

∅𝐿 = 0.0188. √

(𝜌𝑦 𝜔𝑦 )

366.27

= 0.0188√

1.85√0.25

𝑡𝑏𝐿

= 0.37 (m)

*Đường kính của đoạn chưng ′ 𝑔𝑡𝑏𝐶 = 298.31 (kg/h)

𝑡𝑏𝐶

= 1.69√ℎ (𝑘𝑔⁄𝑚2 . 𝑠)

∅𝐶 = 0.0188√

′ 𝑔𝑡𝑏𝐶

(𝜌𝑦 𝜔𝑦 )

298.31

= 0.0188√ 𝑡𝑏

1.69√ℎ

6/8/2016

(𝜌𝑦 𝜔𝑦 )

38

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

Chọn h = 0.25 (m) theo bảng IX.4a Sổ tay QT&TBCNHC2 tr.169 ∅𝐿 = 0,0188. √

′ 𝑔𝑡𝑏𝐶

(𝜌𝑦 𝜔𝑦 )

298.31

= 0.0188√

1.69√0.25

𝑡𝑏

= 0.35 (m)

Lấy chuẩn đường kính tháp: ∅ = 0.35 m 3.5 Vận tốc thực tế của hơi đi trong tháp * Đoạn luyện 𝜔𝐿 =

𝑔𝑡𝑏𝐿 𝜌𝑦𝑡𝑏𝐿

(

0.0188 2 ∅

) =

366.27 0.0188 2 0.94

(

0.35

) = 1.12 (m/s)

* Đoạn chưng 𝜔𝐶 =

𝑔𝑡𝑏𝐶 𝜌𝑦𝑡𝑏𝐶

(

0.0188 2 ∅

) =

298.31 0.0188 2 0.7

(

0.35

) = 1.23 (m/s)

3.6 Chiều cao của tháp Chiều cao của tháp được xác định theo công thức IX.50 sổ tay QT&TBCNHC2 tr.168 𝐻 = 𝑁𝑡𝑡 (𝐻đ + 𝛿 ) + (0.8 ÷ 1) (𝑚) Với: 𝑁𝑡𝑡 : số đĩa thực tế là 29 trong đó NttC = 22, NttL = 7; 𝛿: chiều dày của đĩa, chọn 𝛿 = 2 (mm) = 0.002 (m); 𝐻đ : khoảng cách giữa các đĩa (m) chọn theo bảng IX.4a sổ tay tr.169 chọn Hđ = 0.25 (m);

QT&TBCNHC2

(0.8 ÷ 1): là khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp.  Chiều cao của đoạn chưng: 𝐻𝐶 = 𝑁𝑡𝑡𝐶 . (𝐻đ + 𝛿 ) + 0.8 = 22 × (0.25 + 0.002) + 0.8 = 6.34(m)

 Chiều cao của đoạn luyện: 𝐻𝐿 = 𝑁𝑡𝑡𝐿 (𝐻đ + 𝛿 ) + 0.8 = 7 × (0.25 + 0.002) + 0.8 = 2.56 (m)

6/8/2016

Quy chuẩn: 6 (m)

39

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

Quy chuẩn: 3 (m) => Chiều cao tháp: 𝐻 = 𝐻𝐿 + 𝐻𝐶 = 3+6 = 9 (m) CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN 4.1 Tính số chóp và kích thước cơ bản của chóp Chọn đường kính ống hơi: dh = 50 mm = 0.05 m Chiều dày của đĩa là: 𝛿 = 2 (mm) = 0.002 (m) 4.1.1 Số chóp phân bố trên đĩa 𝐷2 𝑛 = 0.1 × 2 𝑑ℎ D: Đường kính trong của tháp bằng 0.35 m dh: Đường kính ống hơi 0.05 m. Thay vào: 𝑛 = 0.1 ×

0.352 0.052

= 4.9 (ố𝑛𝑔)

Quy chuẩn: n = 5 ống 4.1.2 Kích thước chóp * Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi h2 = 0.25×dh = 0.25×0.05 = 0.0125 m = 12.5 mm Quy chuẩn: 13 mm. * Đường kính chóp 𝑑𝑐ℎ = √𝑑ℎ2 + (𝑑ℎ + 2. 𝛿𝑐ℎ )2 𝛿𝑐ℎ : chiều dày chóp, δch = 2 ÷ 3 mm, chọn: δch = 2 (mm) = 0.002 (m).

Quy chuẩn: 75 mm

6/8/2016

𝑑𝑐ℎ = √0.052 + (0.05 + 2 × 0.002)2 = 0.074(𝑚)

40

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

* Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp S = 0÷ 25 (mm) Chọn S = 20 mm * Chiều cao chất lỏng trên khe chóp hl = 15÷ 40 mm, chọn hl = 20 mm * Chiều cao khe chóp 𝜉. 𝜔𝑦2 . 𝜌𝑦 𝑏= 𝑔. 𝜌𝑥 Trong đó: 𝜔𝑦 =

4.𝑉𝑦 2 .𝑛 𝜋.3600.𝑑ℎ

3

𝑉𝑦 : Lưu lượng hơi đi trong tháp (𝑚 ⁄ℎ); 𝜉: Trở lực đĩa chóp, 𝜉 =1.5÷2, chọn 𝜉 =2; g: Gia tốc trọng trường, g = 9.81 m/𝑠 2 𝜌𝑦 , 𝜌𝑥 : Khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng (Kg/𝑚3 ) 𝑉𝑦 = 𝜋. 3600. 𝜔𝑡𝑏 .

𝐷2 4

+ Đoạn chưng 𝑉𝑦 = 𝜋 × 3600 × 1.23 × 𝜔𝑦𝑡𝑏 =

4×425.81 3600×𝜋×0.052 ×5

0.352 4

= 425.81 (m3/h)

= 12.05 (𝑚⁄𝑠)

𝜌𝑎𝑡𝑏𝐶 = 961.54 (𝑘𝑔/𝑚3 )

Chiều cao khe chóp đoạn chưng: 𝑏=

2×12.052 ×0.7 9.81×961.54

= 0.022 (𝑚)

6/8/2016

𝜌𝑦𝑡𝑏𝐶 = 0.7(𝑘𝑔/𝑚3 )

41

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

Quy chuẩn: b = 25 (mm) + Đoạn luyện 𝑉𝑦 = 𝜋 × 3600 × 1.12 × 𝜔𝑦𝑡𝑏 =

4×387.73 3600×𝜋×0.052 ×5

0.352 4

= 387.73(m3/h)

= 10.98 (𝑚⁄𝑠)

𝜌𝑎𝑡𝑏𝐿 = 917.43 (𝑘𝑔/𝑚3 ) 𝜌𝑦𝑡𝑏𝐿 = 0.94 (𝑘𝑔/𝑚3 ) Chiều cao khe chóp đoạn luyện: 𝑏=

2×10.982 ×0.94 9.81×917.43

= 0.025 (𝑚)

Quy chuẩn: b = 25 (mm)

Ta chọn: Chiều rộng các khe chóp: a = 5 (mm) Khoảng cách giữa các khe: c = 3÷4 (mm), chọn c = 4 (mm) *Số lượng khe hở mỗi chóp 𝜋 𝑑ℎ2 𝑖 = . (𝑑𝑐ℎ − ) 4 4𝑏 + Đoạn chưng 𝜋

502

4

4×25

𝑖 = . (75 −

) =39.25  Quy chuẩn: 𝑖 = 39

+ Đoạn luyện 𝜋

502

4

4×25

) = 39.25  Quy chuẩn: 𝑖 = 39

*Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền

6/8/2016

𝑖 = . (75 −

42

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

+ Đoạn chưng 𝑆1 = 0.25 × 𝑑𝑐𝐶

Đường kính ống chảy chuyền: 4×𝐺𝑡𝑏𝐶

𝑑𝑐𝐶 = √

(m)

3600×𝜋×𝜌𝑎𝑡𝑏𝐶 ×𝜔𝐶 ×𝑧

𝐺𝑡𝑏𝐶 : Lượng lỏng trung bình đi trong đoạng chưng; 𝜌𝑎𝑡𝑏𝐶 : Khối lượng riêng trung bình pha lỏng trong đoạn chưng; Z : số ống chảy chuyền, z = 1; 𝜔𝐶 : tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền, 𝜔𝐶 = 0.1÷0.2 (m/s), lấy 𝜔𝐶 = 0.15 (m/s); 𝐺𝑡𝑏𝐶 =

(𝐺1 +𝐺𝐹 )+𝐺1′ 2

=

(150.24+1000)+1063.15 2

4×1106.7

 𝑑𝑐𝐶 = √

3600×𝜋×945.76×0.15×1

= 1106.7 (kg/h)

= 0.052 (m)

Quy chuẩn: 𝑑𝑐𝐶 = 0.05 (m) Thay số: 𝑆1 = 0.25×50 = 12.5 (mm) Quy chuẩn: 𝑆1 = 12 (mm) + Đoạn luyện 𝑆1 = 0.25 × 𝑑𝑐𝐿 Đường kính ống chảy chuyền

𝑎𝑡𝑏𝐿

𝐶 ×𝑧

(m)

𝐺𝑡𝑏𝐿 : Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện; 𝜌𝑎𝑡𝑏𝐿 : Khối lượng riêng trung bình pha lỏng trong đoạn luyện;

6/8/2016

4×𝐺

𝑡𝑏𝐿 𝑑𝑐𝐿 = √ 3600×𝜋×𝜌 ×𝜔

43

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

Z : số ống chảy chuyền, z = 1; 𝜔𝐶 : độ chất lỏng trong ống chảy chuyền, 𝜔𝐶 = 0.1÷0.2 (m/s), lấy 𝜔𝐶 = 0.15 (m/s); 𝐺𝑅 +𝐺1

𝐺𝑡𝑏𝐿 =

2

=

𝐺𝐷 ×𝑅+𝐺1 2

142.37×2.09+150.24

=

2

= 223.9 (kg/h)

4×223.9

𝐿  𝑑𝑐 = √3600×𝜋×858.67×0.15×1 = 0.024 (𝑚)

Quy chuẩn: 𝑑𝑐𝐿 = 0.025 (m) Thay số: 𝑆1 = 0.25×25 = 6.25 (mm) Quy chuẩn: 𝑆1 = 6 (mm) *Chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa ℎ𝑐 = (ℎ1 + 𝑏 + 𝑆) − ∆ℎ (mm) 2 𝑉 ) ∆ℎ = √( 3600 × 1.85 × 𝜋 × 𝑑𝐶 3

∆ℎ: chiều cao mức chất lỏng ở bên trên ống chảy chuyền. V: thể tích trung bình chất lỏng chảy qua đoạn chưng (luyện). + Đoạn chưng Thể tích chất lỏng chảy qua 𝐺𝑡𝑏𝐶 𝜌𝑎𝑡𝑏𝐶 3

=

 ∆ℎ = √( 3

= √(

1106.7 945.76

= 1.17 (m3/h)

𝑉𝐶

𝐶)

2

3600×1.85×𝜋×𝑑𝑐 1.17

3600×1.85×𝜋×0.05

2

) = 0.01(𝑚) = 10 (𝑚𝑚)

 ℎ𝐶 = (20 + 25 + 12) − 10 = 47 (𝑚𝑚) Quy chuẩn: ℎ𝐶 = 50 (𝑚𝑚)

6/8/2016

𝑉𝑐 =

44

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

+ Đoạn luyện Thể tích chất lỏng chảy qua 𝑉𝐿 =

𝐺𝑡𝑏𝐿 𝜌𝑎𝑡𝑏𝐿

3

∆ℎ = √(

223.9

= 0.26 (m3/h)

858.67

𝑉𝐿 3600×1.85×𝜋×𝑑𝑐𝐿

3

= √(

=

)

2

2

0.26 3600×1.85×𝜋×0.025

) = 0.006 (𝑚) = 6(𝑚𝑚)

 ℎ𝐿 = (20 + 25 + 6) − 6 = 45 (𝑚𝑚) *Bước tối thiểu của chóp trên đĩa 𝑡𝑚𝑖𝑛 = 𝑑𝑐ℎ + 2. 𝛿𝑐ℎ + 𝑙2 𝑙2 : là khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp 𝑙2 = 12.5 + 0.25 × 𝑑𝑐ℎ = 12.5 + 0.25 × 75 = 31.25(𝑚𝑚) Quy chuẩn: 𝑙2 = 31 (mm)  𝑡𝑚𝑖𝑛 = 75 + 2 × 2 + 31 = 110 (mm) *Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất 𝑡1 =

𝑑𝑐 2

+ 𝛿𝑐 +

𝑑𝑐ℎ 2

+ 𝛿𝑐ℎ + 𝑙1 (mm)

𝛿𝐶 : bề dày ống chảy chuyền, thường lấy 𝛿𝐶 = 2 ÷ 4𝑚𝑚, chọn 𝛿𝐶 = 2𝑚𝑚; 𝑙1 :khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền. thường chọn: 𝑙1 = 75 (mm) + Đoạn chưng

Quy chuẩn: 𝑡1𝐶 = 140 𝑚𝑚

50 2

+2+

75 2

+ 2 + 75 = 141.5 (mm) 6/8/2016

𝑡1𝐶 =

45

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

+ Đoạn luyện 𝑡1𝐿 =

25 2

+2+

75 2

+ 2 + 75 = 129 (mm)

Quy chuẩn: 𝑡1𝐿 = 130 𝑚𝑚 4.2 Chọn mặt bích và vòng đệm Bích để ghép đáy, nắp với thân và các đoạn thân tháp nối với nhau. Tháp có 29 đĩa nên cần 15 đoạn tháp, ứng với 15 đoạn tháp ta sẽ có 15 cặp bích, cần 1 cặp bích để nối đáy và đỉnh tháp với thân tháp. Vì vậy ta cần tổng cộng 16 cặp bích. Vì 𝐷𝑡 = 0.35 𝑚 nên ta chọn bích kiểu I, là loại bích liền làm từ kim loại đen. Các thông số được tra ở bảng XIII.26 Sổ tay QT&TBCNHC2 tr.416.

𝑁 𝑃𝑦 . 106 2 𝑚

Kích thước nối

𝐷𝑦

Kiểu bích 1

Bu lông 𝐷𝑛

𝐷𝛿

D

𝐷1 𝑑𝑏

mm

z

h

cai

mm

0,25 350 377 485 445 415 M20 12 * Theo bảng XIII.30 tương ứng với bảng XIII.26, kích thước bề mặt đệm bít kín:

22

6/8/2016

Ống

46

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

𝑃𝑦 . 106

𝑁 𝑚2

𝐷𝑦

𝑏

𝑏𝐼

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

𝐷1

𝐷2

𝐷3

𝐷4

𝐷5

ℎ

𝑓

𝑚𝑚

𝑍

cái

0,25 350

5

1

415

406

407

386 385

22

5

3

4.3. Tính đường kính các ống dẫn Chọn vật liệu ống dẫn cùng loại vật liệu tháp, dày 2 (mm) 𝑑=√

4×𝐺𝑥 3600×𝜋×𝜌𝑥 ×𝜔𝑐×𝑧

𝑉

↔𝑑=√

0.785×𝜔

V: lưu lượng thể tích (m3/h) 𝜔: vận tốc trung bình (m/s) 4.3.1 Ống chảy chuyền Chọn vận tốc lỏng qua ống chảy chuyền là: 𝜔 = 0.15 (m/s) Chọn ống chảy chuyền với mỗi đĩa: Z = 1 (ống) → đoạn luyện là: 𝑑𝑐𝐿 = 24 𝑚𝑚 quy chuẩn chọn 𝑑𝑐𝐿 = 25 𝑚𝑚

4.3.2 Ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp Lượng hỗn hợp đầu vào tháp là: 𝐺𝐹 = 1000 (kg/h)

6/8/2016

→ đoạn chưng là: 𝑑𝑐𝐶 = 52 𝑚𝑚 quy chuẩn chọn 𝑑𝑐𝐶 = 50 𝑚𝑚

47

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

Nhiệt độ của hỗn hợp đầu: 𝑡𝐹 = 91.46℃ → Khối lượng riêng của rượu và nước theo bảng I.2 Sổ tay QT&TBCNHC1 tr.9 với 𝑡𝐹 = 91.46℃ ta có: 𝜌1 = 724.11 (

𝑘𝑔 𝑚3

), 𝜌2 = 963.98 (

𝑘𝑔 𝑚3

)

Nồng độ khối lượng hỗn hợp đầu: 𝑎𝐹 = 0.1 (kg/kg) Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu là: 𝜌𝐹 = (

𝑎𝐹 𝜌1

+

1−𝑎𝐹 −1 𝜌2

)

=(

0.1 724.11

+

1−0.1 −1

)

963.98

= 933.07 (

𝑘𝑔 𝑚3

)

→Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu là: 𝑉=

𝐺𝐹 𝜌𝐹

=

1000 933.07

= 1.07 (

𝑚3 ℎ

) = 2.98 × 10−4 (

𝑚3 𝑠

)

Do hỗn hợp tự động chảy vào tháp qua thùng cao vị nên tra bảng II.2 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.370 Chọn tốc độ hỗn hợp đầu là: 𝜔 = 0.1 (m/s) → Đường kính của ống dẫn hỗn hợp đầu là: 𝑑=√

𝑉 2.98 × 10−4 √ = = 0.06 (𝑚) 0.785 × 𝜔 0.785 × 0.1

Chọn chiều dài của đoạn ống nối ℓ: ℓ = 100 𝑚𝑚

 Tốc độ thực tế của hỗn hợp đầu: 𝑉 2.89 × 10−4 𝑚 𝜔𝑡𝑡 = = = 0.1 ( ) 2 2 0.785 × 𝑑 0.785 × 0.06 𝑠 4.3.3 Ống dẫn hơi đỉnh tháp Lượng sản phẩm đỉnh 𝐷 = 4.54 (kmol/h);

𝐺𝑅 : Lượng hồi lưu (kg/h), 𝐺𝑅 = 𝐷 × 𝑅 = 4.54 × 2.09 = 9.5 (kmol/h);

6/8/2016

R: Hệ số hồi lưu thích hợp bằng 2.09;

48

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp 𝑔𝑑 = 𝐺𝑅 + 𝐷 = 9.5 + 4.54 = 14.04 (kmol/h); Nhiệt độ của hơi đỉnh tháp: 𝑡𝐷 = 80.18℃ →Lưu lượng thể tích của hơi đỉnh tháp là: 𝑉=

𝑔𝑑 × 22.4 × (273 + 𝑡𝐷 ) 14.04 × 22.4 × (273 + 80.18) = = 406.86 𝑚3 /ℎ 273 273 = 0.11 𝑚3 /𝑠

Do hỗn hợp tự động chảy vào tháp nên tra bảng II.2 sổ tay QT&TBCNHC1 tr. 370, nên ta chọn tốc độ hơi: w = 10 (m/s) →Đường kính của ống dẫn hơi đỉnh tháp là: 𝑑=√

𝑉 0.785×𝑤

0.11

=√

0.785×10

= 0.12 (𝑚)

Quy chuẩn: d = 120 (mm) Tra sổ tay QT&TBCNHC2 bảng XIII.32 trang 434, ta chọn chiều dài của đoạn ống nối là: ℓ =120 (mm) → Tốc độ thực tế của hơi đỉnh tháp: 𝑤𝑡𝑡 =

𝑉 0.11 = = 9.73 (𝑚⁄𝑠) 0.785 × 𝑑 2 0.785 × 0.122

4.3.4 Ống dẫn sản phẩm đáy Lượng hỗn hợp đáy tháp là: 𝐺𝑊 = 857.16 (kg/h) Nhiệt độ của hỗn hợp đáy: 𝑡𝑊 = 99.92°C Theo bảng I.2 Sổ tay QT&TBCNHC1 tr. 9, ta có: →Khối lượng riêng của rượu và nước ở hỗn hợp đáy là: 𝜌1 = 716 (

𝑘𝑔 𝑚3

), 𝜌2 = 958 (

𝑘𝑔 𝑚3

)

Khối lượng riêng của hỗn hợp đáy là:

6/8/2016

Nồng độ khối lượng hỗn hợp đáy: aw = 0.0005 (kg/kg)

49

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

𝑎𝑤 1 − 𝑎𝑤 −1 0.0005 1 − 0,0005 −1 ) =( ) = 957.84 (𝑘𝑔⁄𝑚3 ) 𝜌𝑤 = ( + + 𝜌1 𝜌2 716 958 →Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đáy là: 𝑉=

𝐺𝑊 𝜌𝑤

=

857.16 957.84

= 0.89 (

𝑚3 ℎ

) = 2.47 × 10−4 (

𝑚3 𝑠

)

Do hỗn hợp tự động chảy vào tháp nên tra bảng II.2 tang sổ tay QT&TBCNHC1 tr.370, Ta chọn tốc độ hỗn hợp đầu là: w = 0.1 (m/s) → Đường kính của ống dẫn hỗn hợp đáy là: 𝑑=√

𝑉 0.785×𝑤

2.47×10−4

=√

0.785×0.1

= 0.056(𝑚)

Quy chuẩn: d = 50 (mm) Tra sổ tay QT&TBCNHC2 bảng XIII.32 trang 434, ta chọn chiều dài của đoạn ống nối là: l =100 (mm)

 Tốc độ thực tế của hỗn hợp đáy: 𝑉 2.47 × 10−4 𝑤𝑡𝑡 = = = 0.12 (𝑚⁄𝑠) 0785. 𝑑 2 0.785 × 0.052 4.3.5 Ống sản phẩm đỉnh hồi lưu Lượng hơi ngưng tụ hồi lưu là: 𝐺𝑅 = 𝐺𝐷 . 𝑅 = 142.37 × 2.09 = 297.55 (kg/h) Nhiệt độ của hơi ngưng tụ hồi lưu: 𝑡𝑅 = 𝑡𝐷 = 80.18°C →Khối lượng riêng của rượu và nước theo bảng I.2 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.9, ta có: 𝜌1 = 734.84 (

𝑘𝑔 𝑚3

), 𝜌2 = 971.87 (

𝑘𝑔 𝑚3

)

→Khối lượng riêng của hơi ngưng tụ hồi lưu là:

6/8/2016

Nồng độ khối lượng của hơi ngưng tụ hồi lưu: 𝑎𝑅 = 𝑎𝐷 = 0.7 𝑘𝑔/𝑘𝑔

50

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

𝑎𝐷 1 − 𝑎𝐷 −1 0.7 1 − 0.7 −1 ) =( ) = 792.84 (𝑘𝑔⁄𝑚3 ) 𝜌𝐷 = ( + + 𝜌1 𝜌2 734.84 971.87 →Lưu lượng thể tích của hơi ngưng tụ hồi lưu là: 𝐺𝑅 297.55 𝑚3 𝑚3 −4 ) = 1.03 × 10 ( ) 𝑉= = = 0.37 ( 𝜌𝐷 792.84 ℎ 𝑠 Do hỗn hợp tự động chảy vào tháp nên tra bảng II.2 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.370, ta chọn tốc độ hơi ngưng tụ hồi lưu là: w = 0.1(m/s) → Đường kính của ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu là: 𝑑=√

𝑉 0.785×𝑤

1.03×10−4

=√

0.785×0.1

= 0.036 (𝑚)

Quy chuẩn d = 40 (mm). Tra sổ tay QT&TBCNHC2 bảng XIII.32 tr.434: Ta có chiều dài của đoạn ống nối là: ℓ = 100 (mm) → Tốc độ thực tế của hơi đỉnh tháp: 𝑤𝑡𝑡 =

𝑉 1.03 × 10−4 = = 0.082 (𝑚⁄𝑠) 0.785 × 𝑑 2 0.785 × 0.042

4.3.6 Diện tích làm việc của đĩa 𝑓𝐿 = 𝐹 − (𝑓𝑐ℎ . 𝑧 + 𝑓ℎ . 𝑛) Trong đó: F: diện tích mặt cắt ngang của tháp; 𝜋. 𝐷𝐿2 𝜋 × 0.352 𝐹= = = 0.096 (𝑚2 ) 4 4

𝑓𝑐ℎ =

𝜋. (𝑑𝑐𝐿 )2 𝜋 × 0.0252 = = 4.9 × 10−4 (𝑚2 ) 4 4

6/8/2016

𝑓𝑐ℎ : diện tích mặt cắt ngang của ống chảy truyền;

51

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

𝑓ℎ : diện tích mặt cắt ngang của ống hơi; 𝜋. 𝑑ℎ2 𝜋 × 0.052 𝑓ℎ = = = 1.96 × 10−3 (𝑚2 ) 4 4 z: Số ống chảy truyền trên mỗi đĩa, chọn: z = 1. Vậy: 𝑓𝐿 = 0.096 − (4.9 × 10−4 × 1 + 1.96 × 10−3 × 10) = 0.076 (𝑚2 ) 4.4 Tính bề dày thân trụ của tháp, bề dày đáy và nắp thiết bị - Khi tháp chưng luyện làm việc ở điều kiện thường thì áp suất trong của tháp sẽ xấp xỉ với áp suất khí quyển. - Do trở lực của tháp xấp xỉ áp suất khí quyển và theo khảo sát các tháp chưng cất cồn trên thị trường. Chọn bề dày S = 3mm để đảm bảo được cả vấn đề kỹ thuật và vấn đề kinh tế cho việc chế tạo, lắp đặt và vận hành thiết bị.

CHƯƠNG 5: TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT 5.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hơp đầu Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 𝒬𝐷1 + 𝒬𝑓 = 𝒬𝐹 + 𝒬𝑛𝑔1 + 𝒬𝑥𝑞1 (J/h) 𝒬𝐷1 : nhiệt lượng do 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 do môi trường xung quanh (J/h). Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 2 atm, (sổ tay QT&TBCNHC1-bảng I.97 tr.230) - có nhiệt độ sôi bằng 119.62℃

(J/h)

𝐷1 : lượng hơi đốt (kg/h); 𝜆1 : hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng ) của hơi đốt (J/kg);

6/8/2016

5.1.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào 𝒬𝐷1 = 𝐷1 × 𝜆1 = 𝐷1 × (𝑟1 + 𝜃1 × 𝐶1 )

52

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

𝜃1 : nhiệt độ nước ngưng (℃) , 𝜃1 = 119.62℃; 𝑟1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg). Nội suy từ bảng số liệu (sổ tay QT&TBCNHC1 bảng I.212 tr.254), ta có: 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝐽 ) = 2199.7 × 103 ( ) 𝑟1 = 526.27 ( 𝑘𝑔 𝑘𝑔 𝐶1 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ). 5.1.2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào 𝒬𝑓 = 𝐹. 𝐶𝑓 . 𝑡𝑓 (𝐽⁄ℎ) F: Lượng hỗn hợp đầu (kg/h), F= 4.372 (kg/h); 𝑡𝑓 : Nhiệt độ đầu của hỗn hợp (℃); Hỗn hợp vào ở nhiệt độ thường: 𝑡𝑓 = 20℃; 𝐶𝑓 : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ). Theo bảng số liệu nhiệt dung riêng: bảng I.153 và bảng I.154 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.172 ở nhiệt độ 20℃, ta có: C1 = 2480 (J/kg.độ) C2 = 4180 (J/kg.độ) Nồng độ khối lượng hỗn hợp đầu: 𝑎𝐹 = 0.1 kg/kg 𝐶𝐹 = 𝐶1 . 𝑎𝑓 + 𝐶2 . (1 − 𝑎𝑓 ) = 2480 × 0.1 + 4180 × (1 − 0.1) = 4010 (𝐽⁄𝑘𝑔. độ) 𝒬𝑓 = 𝐹. 𝐶𝑓 . 𝑡𝑓 = 52.16 × 4010 × 20 = 4.18 × 106 (J/h) 5.1.3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra 𝒬𝐹 = 𝐹. 𝐶𝐹 . 𝑡𝐹 (J/h) 𝑡𝐹 : Nhiệt độ của hỗn hợp đầu sau khi đun nóng (℃): 𝑡𝐹 = 91.46℃;

Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng: bảng I.153 và bảng I.154 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.172 ở nhiệt độ t = 91.46℃, ta có:

6/8/2016

𝐶𝐹 : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra (J/kg.độ);

53

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

C1 = 3391.9 (J/kg.độ) C2 = 4212.92 (J/kg.độ) Nồng độ hỗn hợp đầu: af = aF = 0.1 kg/kg 𝐶𝐹 = 𝐶1 . 𝑎𝐹 + 𝐶2 . (1 − 𝑎𝐹 ) = 3391.9 × 0.1 + 4212.92 × (1 − 0.1) = 4130.82 (𝐽⁄𝑘𝑔. độ) 𝒬𝐹 = 𝐹. 𝐶𝐹 . 𝑡𝐹 = 52.16 × 4130.82 × 91.46 = 19.7 × 106 (J/h) 5.1.4 Lượng hơi đốt cần thiết 𝐷1 =

𝒬𝐹 +𝒬𝑛𝑔1 +𝒬𝑥𝑞1 −𝒬𝐹 𝜆1

=

𝒬𝐹 −𝒬𝑓 0.95×𝑟1

=

19.7×106 −4.18×106 0.95×2199.7×103

= 7.43 (kg/h)

5.1.5 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra 𝒬𝑛𝑔1 = 𝐺𝑛𝑔1 . 𝐶1 . 𝜃1 = 𝐷1 . 𝐶1 . 𝜃1 (𝐽⁄ℎ) 𝐺𝑛𝑔1 : Lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt 𝐷1 (kg/h) 5.1.6 Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh Lượng nhiệt mất ra môi trường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn: 𝒬𝑥𝑞1 = 0.05 × 𝐷1 × 𝑟1 = 0.05 × 7.43 × 2199.7 × 103 = 81.72 × 104 (𝐽⁄ℎ) 5.2 Tháp chưng luyện Phương trình cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện: 𝒬𝐹 + 𝒬𝐷2 + 𝒬𝑅 = 𝒬𝑦 + 𝒬𝑊 + 𝒬𝑥𝑞2 + 𝒬𝑛𝑔2 (𝐽⁄ℎ) 𝒬𝐹 : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h); 𝒬𝐷2 : Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp (J/h); 𝒬𝑅 : Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào (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). Chọn hơi đốt là nước bão hòa ở áp suất 2 atm, có nhiệt độ sôi t =119.62℃

6/8/2016

𝒬𝑥𝑞2 : Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh (J/h);

54

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

5.2.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp 𝒬𝐷2 = 𝐷2 . 𝜆2 = 𝐷2 (𝑟2 + 𝐶2 . 𝜃2 ) (J/h) 𝐷2 : Lượng hơi đốt (kg/h); 𝜆2 : Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg); 𝜃2 : Nhiệt độ nước ngưng (℃), 𝜃2 = 119.62℃; 𝑟2 : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg) 𝑟2 = 𝑟1 = 2199.7 × 103 (J/kg); 𝐶2 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ). 5.2.2 Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào 𝒬𝑅 = 𝐺𝑅 . 𝐶𝑅 . 𝑡𝑅 (J/h) 𝐺𝑅 : Lượng lỏng hồi lưu (kg/h) 𝐺𝑅 = 𝐷. 𝑅𝑥 ; D: Lượng sản phẩm đỉnh (kg/h), D = 4.54 (kg/h); 𝑅𝑥 : Chỉ số hồi lưu, 𝑅𝑥 = 2.09 => 𝐺𝑅 = 4.54 × 2.09 = 9.49 (kg/h); 𝑡𝑅 : Nhiệt độ của lượng sản phẩm đỉnh hồi lưu (℃) 𝑡𝑅 = 𝑡𝐷 = 80.18°C; 𝐶𝑅 : Nhiệt dung riêng của lượng hơi lỏng hồi lưu (J/kg.độ). Lượng lỏng hồi lưu (sau khi thiết bị ngưng tụ) ở trạng thái sôi, có nồng độ phần mol bằng nồng độ hơi ở đỉnh tháp: 𝑥 = 𝑦𝐷 = 0.477

C1 = 3222.7 (J/kg.độ) C2 = 4430.9 (J/kg.độ)

6/8/2016

Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng: bảng I.153 và bảng I.154 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.172 ở nhiệt độ t = 80.18°C ta có:

55

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

Nồng độ lượng sản phẩm đỉnh hồi lưu bằng nồng độ sản phẩm đỉnh: aR = aD = 0.7 (kg/kg) =>𝐶𝑅 = 𝐶1 . 𝑎𝑅 + 𝐶2 . (1 − 𝑎𝑅 ) = 3222.7 × 0.7 + 4430.9 × (1 − 0.7) = 3585.16 (J/kg.độ) 𝒬𝑅 = 𝐺𝑅 . 𝐶𝑅 . 𝑡𝑅 = 9.49 × 3585.16 × 80.18 = 2.73 × 106 (J/h) 5.2.3 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp 𝒬𝑦 = 𝐷. (1 + 𝑅𝑥 ). 𝜆𝑑 (J/kg) 𝜆𝑑 : Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi ở đỉnh tháp (J/kg) 𝜆𝑑 = 𝜆1 . 𝑎 + 𝜆2 . (1 − 𝑎) (J/kg); +𝜆1 , 𝜆2 : Nhiệt lượng riêng của rượu và nước (J/kg) {

𝜆1 = 𝑟1 + 𝐶1 . 𝜃1 𝜆2 = 𝑟2 + 𝐶2 . 𝜃2

Mà: 𝜃1 = 𝜃2 = 𝑡𝑅 = 80.18°C Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng: bảng I.153 và bảng I.154 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.172 ở nhiệt độ t = 80.18℃, ta có: C1 = 3222.7 (J/kg.độ) C2 = 4430.9 (J/kg.độ) → Theo bảng số liệu bảng I.250 và bảng I.263 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.312-324 Nội suy ta có: 𝑟1 = 823.29 (kJ/kg) {

𝜆1 = 823.29 × 103 + 3222.7 × 80.18 𝜆2 = 2309.53 × 103 + 4430.9 × 80.18

𝑟2 = 2309.53 (kJ/kg) =>{

𝜆1 = 1.08 × 106 (J/kg) 𝜆2 = 2.66 × 106

+ 𝑎: Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh: 𝑎 = 𝑎𝐷 = 0.7 (kg/kg)

𝒬𝑦 = 𝐷. (1 + 𝑅𝑥 ). 𝜆𝑑 = 4.54 × (1 + 2.09) × 1.55 × 106 = 21.74 × 106 (kg/h)

6/8/2016

𝜆𝑑 = 1.08 × 106 × 0.7 + 2.66 × 106 × (1 − 0.7) = 1.55 × 106 (J/kg)

56

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

5.2.4 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra 𝒬𝑤 = 𝑊. 𝐶𝑤 . 𝑡𝑤 (𝐽⁄ℎ) W: Lượng sản phẩm đáy (kg/h), W = 47.42 (kg/h); 𝑡𝑤 : Nhiệt độ của lượng sản phẩm đáy (℃), 𝑡𝑤 = 99.92°C; 𝐶𝑤 : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ); Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng: bảng I.153 và bảng I.154 (sổ tay QT&TBCNHC1) trang 172 ở nhiệt độ t = 99.92℃, ta có: 𝐶1 = 3520 (J/kg. độ) 𝐶2 = 4229.75(J/kg. độ) Nồng độ sản phẩm đáy: 𝑎 w = 0.0005 (kg/kg) =>𝐶𝑤 = 𝐶1 . 𝑎𝑤 + 𝐶2 . (1 − 𝑎𝑤 ) = 3520 × 0.0005 + 4229.75 × (1 − 0.0005 ) = 4229.4 (J/kg.độ) 𝒬𝑤 = 𝑊. 𝐶𝑤 . 𝑡𝑤 = 47.42 × 4229.4 × 99.92 = 20.04 × 106 (J/h) 5.2.5 Lượng hơi đốt cần thiết 𝒬𝑦 + 𝒬𝑤 + 𝒬2 + 𝒬𝑥𝑞2 − 𝒬𝐹 − 𝒬𝑅 𝒬𝑦 + 𝒬𝑤 − 𝒬𝐹 − 𝒬𝑅 𝐷2 = = 𝜆2 0.95 × 𝑟2 21.74 × 106 + 20.04 × 106 − 19.7 × 106 − 2.73 × 106 = = 9.26 (𝑘𝑔⁄ℎ) 0.95 × 2199.7 × 103 5.2.6 Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh Lượng nhiệt mất ra môi trường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp: 𝒬𝑥𝑞1 = 0.05 × 𝐷2 × 𝑟2 = 0.05 × 9.26 × 2199.7 × 103 = 1.63 × 106 (J/h) 5.2.7 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra 𝒬𝑛𝑔2 = 𝐺𝑛𝑔2 . 𝐶2 . 𝜃2 = 𝐷2 . 𝐶2 . 𝜃2 (𝐽⁄ℎ)

5.3 Thiết bị ngưng tụ Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ (ngưng tụ hoàn toàn): 𝐷. (𝑅𝑥 + 1). 𝑟 = 𝐺𝑛 . 𝐶𝑛 . (𝑡2 − 𝑡1 )

6/8/2016

𝐺𝑛𝑔2 : Lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt (kg/h)

57

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

+r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đỉnh tháp (J/kg) Nhiệt của hơi đỉnh tháp là: 𝑡đ = 𝑡𝐷 = 80.18℃ →Theo bảng số liệu bảng I.250 và bảng I.263 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.312-324 Nội suy ta có: 𝑟1 = 823.29 (kJ/kg) 𝑟2 = 2309.53 (kJ/kg) Nồng độ phần khối lượng của hơi đỉnh tháp là: 𝑎 D = 0.7 =>𝑟 = 𝑟1 . 𝑎𝐷 + 𝑟2 . (1 − 𝑎𝐷 ) = 823.29 × 103 × 0.7 + 2309.53 × (1 − 0.7) = 577 × 103 (J/kg) +𝐺𝑛 : lượng nước lạnh tiêu tốn (kg/h); +𝑡1 , 𝑡2 : nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh (℃); Nhiệt độ vào của nước lạnh lấy là nhiệt độ thường: 𝑡1 = 20℃ Nhiệt độ ra của nước lạnh, chọn: 𝑡2 = 40℃ => 𝑡𝑡𝑏 = 30℃ +𝐶𝑛 : Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình 𝑡𝑡𝑏 (J/kg.độ). Theo bảng số liệu nhiệt dung riêng: bảng I.153 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.172 ở nhiệt độ t = 30℃, ta có: 𝐶𝑛 = 4177.5(J/kg.độ) →Lượng nước lạnh cần thiết là: 𝐺𝑛 =

𝐷.(𝑅𝑥 +1).𝑟 𝐶𝑛 (𝑡2 −𝑡1 )

=

4.54×(2.09+1)×577×103 4177.5×(40−20)

= 96.88 (𝑘𝑔⁄ℎ)

𝐷. 𝐶𝐷 . (𝑡1′ − 𝑡2′ ) = 𝐺𝑛2 . 𝐶𝑛 . (𝑡1 −𝑡2 ) +𝐺𝑛2 : Lượng nước lạnh tiêu tốn (kg/h);

6/8/2016

5.4 Thiết bị làm lạnh Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:

58

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

+𝑡1′ , 𝑡2′ : Nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (℃) Sản phẩm đỉnh sau ngưng tụ ở trạng thái sôi: →Nhiệt độ vào bằng nhiệt độ sôi ở đỉnh tháp: 𝑡1′ = 80.18℃ Nhiệt độ ra của sản phẩm lấy là: 𝑡2′ = 25℃ ′ => 𝑡𝑡𝑏 = 52.6℃;

+𝐶𝐷 : Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (J/kg.độ). Theo bảng số liệu nhiệt dung riêng: bảng I.153 và bảng I.154 sổ tay QT&TBCNHC1 tr.172 ở nhiệt độ t = 52.6℃,ta có: 𝐶1 = 2873.8 (J/kg.độ) 𝐶2 = 4184.45 (J/kg.độ) Nồng độ sản phẩm đỉnh: 𝑎 D = 0.7 =>𝐶𝐷 = 𝐶1 . 𝑎𝐷 + 𝐶2 . (1 − 𝑎𝐷 ) = 2873.8 × 0.7 + 4184.45 × (1 − 0.7) = 3267 (J/kg.độ)  Lượng nước lạnh cần thiết là:

𝐷. 𝐶𝐷 . (𝑡1′ − 𝑡2′ ) 4.54 × 3267 × (80.18 − 25) = = 9.79 (𝑘𝑔⁄ℎ) 𝐶𝑛 . (𝑡2 − 𝑡1 ) 4177.5 × (40 − 20)

6/8/2016

𝐺𝑛2 =

59

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

KẾT LUẬN Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly, … Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp. Đối với hệ Nước – Cồn là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết. 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 Công nghệ Thực phẩm tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa 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. Như vậy với hệ thống chưng cất Cồn-Nước dùng tháp đĩa chóp như đã thiết kế, ta thấy bên cạnh những ưu điểm còn có nhiều nhược điểm. Thiết bị có ưu điểm là năng suất và hiệu suất cao nhưng thiết bị còn cồng kềnh, độ trễ tương đối lớn, đòi hỏi phải có sự vận hành với độ chính xác cao. Khi lắp đặt thực tế, cần tính toán thêm về kinh tế sao cho vật liệu và công lắp đặt là tối ưu. Bên cạnh đó khi vận hành thiết bị này cùng cần phải hết sức chú ý đến vấn đề an toàn lao động để tránh mọi rủi ro có thể xảy ra, gây thiệt hại về người và của. Việc thiết kế đồ án môn học này đã giúp em củng cố kiến thức về quá trình chưng cất hay chính là phần riêng của môn học Qúa trình chuyển khối. Giúp chúng nâng cao kĩ năng tra cứu, thiết kế, tính toán, biết cách trình bày, trình bày bản vẽ autocad về máy. Mặc dù đã cố gắng tỉ mỉ để hoàn thiện nhiệm vụ của mình, nhưng vẫn không thể tránh được những thiếu xót trong quá trình thiết kế. Mong thầy xem xét và chỉ bảo giúp em.

6/8/2016

Em xin trân trọng cảm ơn!

60

Đồ án quá trình và thiết bị chuyển khối

GVHD: GVCC.TS Nguyễn Minh Hệ

Tài liệu tham khảo I-

Tập thể tác giả, 1992. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 Nxb KHKT-Hà Nội;

II-

Hiệu đính Pts Trần Xoa, Pts Nguyễn Trọng Khuông, Pts Phạm Xuân Toản, 1999. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 Nxb KHKT Hà Nội;

III-

Bộ môn máy hóa, 1975. Hướng dẫn thiết kế thiết bị quá trình chuyển khối Trường Đại học Bách Khoa xuất bản - Hà Nội;

IV-

Đỗ Văn Đài, Nguyễn Trọng Khuông, Trần Quang Thảo, Võ Thị Ngọc Tươi, Trần Xoa, 1982. Hiệu đính Trần Quang Thảo. Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học tập 2 Trường Đại học Bách Khoa xuất bản-Hà Nội;

VI-

PGS.TS. Tôn Thất Minh, 2015. Giáo trình Các quá trình và thiết bị trong công nghệ thực phẩm – Công nghệ sinh học. Tập I: Các quá trình và thiết bị chuyển khối. NXB Bách khoa Hà Nội; Nguyễn Thanh Hằng và Nguyễn Đình Thưởng, 2015. Công nghệ sản xuất và kiểm tra cồn etylic. Nxb KHKT-Hà Nội;

Họ tên sinh viên Nguyễn Sơn Kiên

6/8/2016

V-

61