Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
LỜI MỞ ĐẦU
Đồ án Quá trình & Thiết bị là cơ hội tốt cho sinh viên khoa Kỹ thuật Hoá học nắm
vững kiến thức đã học; tiếp cận với thực tế thông qua việc tính toán, lựa chọn quy trình &
các thiết bị với số liệu cụ thể. Đây là cơ sở để sinh viên dễ dàng nắm bắt công nghệ và giải
quyết những vấn đề kỹ thuật tổng hợp một cách nhanh chóng, phục vụ cho công việc sau
này.
Thiết kế tháp đệm hoạt động liên tục chưng cất hỗn hợp ethanol – nước, là đồ án được
thực hiện dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Bùi Ngọc Pha, bộ môn Quá trình và Thiết
bị - Khoa Kỹ thuật Hóa học, trường Đại học Bách Khoa TPHCM. Em xin chân thành cảm
ơn thầy Bùi Ngọc Pha đã chỉ dẫn tận tình trong quá trình em thực hiện đồ án. Đồng thời em
cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khác trong bộ môn cũng như các bạn đã giúp đỡ,
cho em những ý kiến tư vấn bổ ích trong quá trình hoàn thành đồ án này.
Vì đồ án này là một đề tài lớn đầu tiên của em và do kiến thức còn hạn hẹp nên trong
quá trình thực hiện còn khá nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp
chỉ dẫn của quý thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
i
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
BÁO CÁO TIẾN ĐỘ
Môn học:
Đồ án Kỹ thuật Hóa học – CH4007
GVHD:
BÙI NGỌC PHA
SVTH:
TRƯƠNG TIẾN ANH - 1710534
Đề tài: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC CHƯNG CẤT HỖN HỢP
ETHANOL – NƯỚC.
Tuần
Nội dung
1
Tổng quan về chưng cất, giới thiệu chung
2
Sơ đồ quy trình công nghệ
3
Cân bằng vật chất
4
Cân bằng năng lượng
5
Tính thiết bị chính (đường kính, chiều cao)
6
Tính toán thiết bị chính (trở lực, tính toán cơ khí)
7
Tính toán thiết bị chính (tính toán cơ khí)
8
Tính toán thiết bị chính (tính toán cơ khí)
9
Tính toán thiết bị phụ (thiết bị trao đổi nhiệt, bơm)
10
Tính toán thiết bị phụ (thiết bị trao đổi nhiệt, bơm)
11
Bản vẽ quy trình công nghệ
12
Bản vẽ chi tiết thiết bị chưng cất
13
Bản vẽ chi tiết thiết bị chưng cất
14
Bản vẽ chi tiết thiết bị chưng cất
15
Bản vẽ chi tiết thiết bị chưng cất
Duyệt
GVHD
BÙI NGỌC PHA
ii
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... i
BÁO CÁO TIẾN ĐỘ ...........................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG ..........................................................................................................vii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT ................................................................. 1
1.1. KHÁI NIỆM VỀ CHƯNG CẤT ............................................................................... 1
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT ..................................................................... 1
1.3. THIẾT BỊ CHƯNG CẤT .......................................................................................... 1
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................... 2
2.1. ETHANOL ................................................................................................................ 2
2.1.1. Tính chất vật lý ................................................................................................... 2
2.1.2. Tính chất hóa học ............................................................................................... 2
2.1.3. Ứng dụng ............................................................................................................ 3
2.1.4. Phương pháp điều chế ........................................................................................ 3
2.2. NƯỚC ........................................................................................................................ 3
2.3. ĐỒ THỊ CÂN BẰNG ETHANOL-NƯỚC ............................................................... 4
2.4. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ........................................................................ 4
CHƯƠNG 3. CÂN BẰNG VẬT CHẤT .............................................................................. 5
3.1. SỐ LIỆU BAN ĐẦU ................................................................................................. 5
3.2. XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU ................................................................................ 6
3.2.1. Chỉ số hồi lưu tối thiểu ....................................................................................... 6
3.2.2. Chỉ số hồi lưu thích hợp ..................................................................................... 6
3.3. XÁC ĐỊNH SỐ MÂM LÝ THUYẾT VÀ THỰC TẾ .............................................. 7
3.3.1. Số mâm lí thuyết ................................................................................................. 7
3.3.2. Số mâm thực tế ................................................................................................... 7
3.4. LƯU LƯỢNG CỦA CÁC DÒNG PHA ĐI TRONG THÁP .................................... 8
CHƯƠNG 4. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG ....................................................................... 9
4.1. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO THÁP CHƯNG CẤT ..................................... 9
4.1.1. Nhiệt lượng của nhập liệu mang vào tháp .......................................................... 9
4.1.2. Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra ............................................................... 9
iii
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
4.1.3. Nhiệt lượng của dòng sản phẩm đỉnh ................................................................. 9
4.1.4. Nhiệt lượng do lượng hồi lưu mang vào tháp .................................................. 10
4.1.5. Nhiệt độ của hơi đốt mang vào đáy tháp của thiết bị đun đáy tháp ................. 10
4.1.6. Nhiệt ngưng tụ hơi nước của thiết bị đun đáy tháp .......................................... 10
4.1.7. Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh ............................................... 10
4.2. CÂN BẰNG NHIỆT CHO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH.............. 10
4.3. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH
........................................................................................................................................ 11
4.4. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ TẬN DỤNG NHIỆT DÒNG ĐÁY
ĐỂ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU ........................................................................... 11
4.5. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU
TRƯỚC KHI ĐI VÀO THÁP ........................................................................................ 12
CHƯƠNG 5. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH ................................................................. 12
5.1. ĐƯỜNG KÍNH ....................................................................................................... 12
5.1.1. Đường kính tháp chưng .................................................................................... 12
5.1.2. Đường kính các ống dẫn ................................................................................... 15
5.2. CHIỀU CAO THÁP ................................................................................................ 18
5.2.1. Chiều cao đệm phần cất .................................................................................... 18
5.2.2. Chiều cao phần chưng ...................................................................................... 18
5.2.3. Chiều cao toàn tháp .......................................................................................... 18
5.3. TRỞ LỰC CỦA THÁP ........................................................................................... 19
5.3.1. Trở lực của phần luyện ..................................................................................... 19
5.3.2. Trở lực phần chưng .......................................................................................... 20
5.3.3. Trở lực toàn tháp .............................................................................................. 21
5.4. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ ............................................................................................. 21
5.4.1. Hình dáng thiết bị và phương thức gia công .................................................... 21
5.4.2. Chọn vật liệu..................................................................................................... 21
5.4.3. Bề dày tháp ....................................................................................................... 22
5.4.4. Đáy, nắp thiết bị ............................................................................................... 23
5.4.5. Mặt bích và bulong ........................................................................................... 24
5.4.6. Đĩa phân phối lỏng và lưới đỡ đệm .................................................................. 25
iv
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
5.4.7. Lớp cách nhiệt .................................................................................................. 26
5.4.8. Khối lượng tháp ................................................................................................ 27
5.4.9. Chân đỡ............................................................................................................. 28
5.4.10. Tai treo ............................................................................................................ 29
CHƯƠNG 6. TÍNH TOÁN CHO THIẾT BỊ PHỤ ............................................................ 29
6.1. THIẾT BỊ GIA NHIỆT CHO DÒNG NHẬP LIỆU TRƯỚC KHI VÀO THÁP ... 29
6.1.1. Hiệu số nhiệt độ trung bình .............................................................................. 29
6.1.2. Hệ số truyền nhiệt ............................................................................................. 30
6.1.3. Bề mặt truyền nhiệt .......................................................................................... 32
6.1.4. Cấu tạo thiết bị.................................................................................................. 32
6.2. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH .......................................................... 33
6.2.1. Hiệu số nhiệt độ trung bình .............................................................................. 33
6.2.2. Hệ số truyền nhiệt ............................................................................................. 33
6.2.3. Bề mặt truyền nhiệt .......................................................................................... 35
6.2.4. Cấu tạo thiết bị.................................................................................................. 35
6.3. THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP .......................................................................... 36
6.3.1. Hiệu số nhiệt độ trung bình .............................................................................. 36
6.3.2. Hệ số truyền nhiệt ............................................................................................. 37
6.3.3. Bề mặt truyền nhiệt .......................................................................................... 38
6.3.4. Cấu tạo thiết bị.................................................................................................. 38
6.4. THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH ........................................................ 39
6.4.1. Hiệu số nhiệt độ trung bình .............................................................................. 40
6.4.2. Hệ số truyền nhiệt ............................................................................................. 40
6.4.3. Xác định bề mặt truyền nhiệt............................................................................ 41
6.4.4. Chiều dài ống truyền nhiệt ............................................................................... 42
6.5. THIẾT BỊ TẬN DỤNG NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY CHO NHẬP LIỆU ............... 42
6.5.1. Hiệu số nhiệt độ trung bình .............................................................................. 43
6.5.2. Hệ số truyền nhiệt ............................................................................................. 43
6.5.3. Bề mặt truyền nhiệt .......................................................................................... 44
6.5.4. Chiều dài ống truyền nhiệt ............................................................................... 45
6.6. BƠM ........................................................................................................................ 45
v
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
6.6.1. Năng suất bơm .................................................................................................. 45
6.6.2. Cột áp của bơm ................................................................................................. 45
6.6.3. Công suất bơm .................................................................................................. 47
6.6.4. Kết luận ............................................................................................................ 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 48
vi
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. So sánh ưu, nhược điểm của các loại tháp chưng cất ............................................ 2
Bảng 2. Số liệu cân bằng hệ ethanol – nước ........................................................................ 4
Bảng 3. Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu ............................................................................. 6
Bảng 4. Lựa chọn ống nhập liệu ........................................................................................ 15
Bảng 5. Lựa chọn ống hơi ở đỉnh ....................................................................................... 16
Bảng 6. Lựa chọn ống hoàn lưu ......................................................................................... 16
Bảng 7. Lựa chọn ống hơi ở đáy tháp ................................................................................ 17
Bảng 8. Lựa chọn ống dẫn lỏng vào nồi đun ..................................................................... 18
Bảng 9. Lựa chọn mặt bích và bulong ................................................................................ 24
Bảng 10. Lựa chọn đĩa phân phối lỏng .............................................................................. 25
Bảng 11. Lựa chọn lưới đỡ đệm ......................................................................................... 25
Bảng 12. Lựa chọn chân đỡ................................................................................................ 28
Bảng 13. Lựa chọn tai treo ................................................................................................. 29
Bảng 14. Thông số ống chùm nằm ngang của thiết bị gia nhiệt cho dòng nhập liệu ........ 29
Bảng 15. Thông số ống chùm nằm ngang của thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh ............... 33
Bảng 16. Thông số ống chùm nằm ngang của thiết bị đun sôi đáy tháp ............................ 36
vii
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT
1.1. KHÁI NIỆM VỀ CHƯNG CẤT
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp
khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong
hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau),
bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha
lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dung
môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy
nhiêu sản phẩm. Nếu xét đơn giản hệ chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm
đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm
cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi lớn). Đối với hệ ethanol – nước thì sản phẩm đỉnh
chủ yếu gồm ethanol và một ít nước, ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít
ethanol.
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT
Theo áp suất làm việc:
• Chưng cất ở áp suất thấp: dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc
hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao.
• Chưng cất ở áp suất thường.
• Chưng cất ở áp suất cao: dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường.
Theo nguyên lí làm việc:
• Chưng đơn giản: dùng để tách các hỗn hợp gồm nhiều cấu tử có độ bay hơi rất khác
nhau và không yêu cầu sản phẩm có độ tinh khiết cao.
• Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp: dùng để tách hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi
và tạp chất không bay hơi.
• Chưng cất là phương pháp đơn giản để tách gần như hoàn toàn hỗn hợp cấu tử dễ
bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hoàn toàn vào nhau.
1.3. THIẾT BỊ CHƯNG CẤT
Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản
là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất
này vào lưu chất kia
Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường được ứng
dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thước của tháp: đường kính tháp và chiều cao
tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm.
1
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
Bảng 1. So sánh ưu, nhược điểm của các loại tháp chưng cất
Tháp mâm xuyên lỗ
Tháp mâm chóp
Ưu điểm
Chế tạo đơn giản.
Nhực điểm
Yêu cầu lắp đặt cao Cấu tạo phức tạp.
(mâm lắp phải rất Trở lực lớn.
phẳng).
Tháp đệm
Hiệu suất truyền Chế tạo đơn giản..
Trở lực thấp hơn khối cao, ổn định.
Trở lực thấp
tháp chóp.
Ít tiêu hao năng
lượng nên có ít số
Vệ sinh dễ dàng.
mâm.
Ít tốn vật liệu.
Tháp có đường kính
lớn (d>2,4m) thì
chất lỏng phân phối
không đều trên
mâm.
Hiệu suất thấp, kém
ổn định.
Khó chế tạo được
kích thước lớn, quy
mô công nghiệp.
Khó kiểm soát quá
trình chưng cất theo
không gian tháp.
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CHUNG
2.1. ETHANOL
2.1.1. Tính chất vật lý
Ethanol (hay còn gọi là rượu ethylic, ancol ethylic, cồn) là chất lỏng, không màu, dễ cháy,
nhẹ hơn nước, tan vô hạn trong nước, hòa tan được nhiều chất như iodine, benzene,…
Thuộc tính:
Công thức phân tử: C2H6O hay C2H5OH
Khối lượng phân tử: 46,07 g/mol
Tỷ trọng và pha: 0,789 g/cm3
Nhiệt độ sôi: 78,3oC (ở 760 mmHg)
Nhiệt độ nóng chảy: -114,3oC
Độ nhớt: 1,200 cP ở 20oC
2.1.2. Tính chất hóa học
Tất cả các phản ứng hóa học đa phần xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của ethanol
Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl
⎯⎯
→ CH3CH 2O − + H +
C2 H5OH ⎯
⎯
2
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
Hằng số phân ly của ethanol pKa=15,9 nên ethanol là chất gần như trung tính. Tính acid
của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, NaH, NaNH2:
K CH3CH2OH K H2O = 10−14 : tính acid của rượu nhỏ hơn tính acid của nước, nên khi muối
CH3CH2ONa tan trong nước sẽ bị phân hủy thành rượu trở lại.
Tác dụng với acid tạo ra ester: Ethanol có tính base tương đương với nước. Khi rượu tác
dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ tạo ra ester:
⎯⎯
→ CH3CH 2O − SO3H + H 2O
CH3CH 2OH + HSO3OH ⎯
⎯
⎯⎯
→ CH 3CO − OC 2 H 5 + H 2O
CH3CH 2OH + CH3COOH ⎯
⎯
Phản ứng trên nhóm hydroxyl:
⎯⎯
→ CH 3CH 2 X + H 2O
Tác dụng với HX: CH3CH 2OH + HX ⎯
⎯
⎯⎯
→ CH3CH 2Cl + POCl + HCl
Tác dụng với PCl3: CH3CH 2OH + PCl3 ⎯
⎯
Al2O3
⎯⎯⎯
→ CH3CH2 NH 2 + H 2O
Tác dụng với NH3: CH3CH 2OH + NH3 ⎯⎯
o ⎯
t
Phản ứng tạo eter và tách nước:
H2SO4
2CH3CH2OH ⎯⎯⎯
→(CH3CH2 )2 O + H 2O
150o C
H2SO4
CH3CH2OH ⎯⎯⎯
→ H2C = CH 2 + H 2O
150o C
200 C −300 C
→ CH3CHO + H 2
Phản ứng hydro và oxi hóa: CH3CH 2OH ⎯⎯⎯⎯⎯
o
o
2.1.3. Ứng dụng
Ethanol được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nặng, y tế và dược, giao thông
vận tải, dệt, chế biến gỗ, nông nghiệp,…
2.1.4. Phương pháp điều chế
Có nhiều phương pháp điều chế ethanol: hydrat hóa etylen với xúc tác H2SO4; thủy phân
dẫn xuất halogen và ester của ethanol khi đun nóng với nước, xúc tác dung dịch bazo; hydro
hóa aldehyde acetic; từ các hợp chất cơ kim,…
Trong công nghiệp, điều chế ethanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ
đường. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản xuất ethanol chủ yếu là sử dụng chủng
nấm men Saccharomyces cerevisiae để lên men tinh bột.
2.2. NƯỚC
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị.
Khi hóa tắn, nước có thể tồn tại ở các dạng tinh thể khác nhau.
3
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
Công thức phân tử: H2O
Phân tử lượng: 18,0.1528 g/mol
Khối lượng riêng: 1 kg/l (ở dạng lỏng), 917 kg/m3 (ở dạng rắn)
Nhiệt độ nóng chảy: 0oC
Nhiệt độ sôi: 100oC
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là dung môi rất quan
trọng trong ngành kỹ thuật hóa học.
2.3. ĐỒ THỊ CÂN BẰNG ETHANOL-NƯỚC
Bảng 2. Số liệu cân bằng hệ ethanol – nước
x
0
5
10
20
30
40
50
y
0
33,2 44,3 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,4
t,
o
C
100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80,0 79,4 79,0 78,6 78,15 78,4 78,4
Điểm đẳng phí:x = y = 89,4% tại t = 78,15oC.
2.4. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
(bản đính kèm)
4
60
70
80
89,4
90
100
89,8 100
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
CHƯƠNG 3. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
3.1. SỐ LIỆU BAN ĐẦU
Năng suất nhập liệu: 3000kg/h
Nồng độ nhập liệu: 15% mol ethanol
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi ở đỉnh tháp: 80% mol ethanol
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi ở đáy tháp: 2%e ethanol
Các ký hiệu:
F , F : lần lượt là lưu lượng nhâp liệu ban đầu theo kmol/h và kg/h
D , D : lần lượt là lưu lượng sản phẩm đỉnh theo kmol/h và kg/h
W , W : lần lượt là lưu lượng sản phẩm đáy theo kmol/h và kg/h
x F , x F : lần lượt là nồng độ phần mol và nồng độ khối lượng của ethanol nhập liệu
x D , x D : lần lượt là nồng độ phần mol và nồng dộ khối lượng của ethanol sản phẩm đỉnh
x W , x W : lần lượt là nồng độ phần mol và nồng dộ khối lượng của ethanol sản phẩm đáy
xF
xF
xD
xD
xW
xW
0,15
0,3108
0,8
0,9109
0.02
0,0496
Phương trình cân bằng vật chất:
F=D+W (1)
xF.F=xD.D+xW.W (2)
Ta có: Mhh=x1.M1+x2.M2
Methanol(g/mol)
Mnuoc(g/mol)
MtbF(g/mol)
MtbD(g/mol)
MtbW(g/mol)
46
18
22,2
40,4
18,56
Lưu lượng nhập liệu theo kmol/h: F =
F
3000
=
= 135,135
M tbF 22, 2
Từ (1), (2) ta được:
D (kmol/h)
D (kg/h)
W (kmol/h)
W (kg/h)
22,522
909,899
112,613
2090,1
5
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
3.2. XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU
3.2.1. Chỉ số hồi lưu tối thiểu
Từ xF=15% ta tra phần mol của ethanol trong pha hơi cân bằng với pha lỏng yF*=48,7%
Công thức IX.24, trang 158 , Sổ tay QTTB tập 2: R min =
x D − y F* 80 − 48,7
=
= 0,9288
y F* − x F 48,7 − 15
3.2.2. Chỉ số hồi lưu thích hợp
Theo cách tính chỉ số hồi lưu thích hợp và số đĩa lý thuyết theo Gilliland trang 99, sách
QTTB tập 4:
R = K.Rmin với K = 1,1…1,5
Khi đã biết chỉ số hồi lưu thích hợp, số đĩa lí thuyết được xác định theo đồ thị hình 2.48
• Từ R và Rmin xác định điểm trên trục hoành.
• Từ điểm trên trục hoành vừa xác định dựa vào đồ thị xác định được giá trị trên trục
N − N lt min
tung Co = lt
Nlt + 1
N
+ Co
• Từ giá trị Co trên trục hoành tính được Nlt: N lt = lt min
1 − Co
Tuy nhiên khi sử dụng cách này, lí thuyết vẫn sẽ đúng là với giá trị K nào sẽ cho ta được
giá trị R tối ưu, nhưng số đĩa lí thuyết sẽ bị sai nên sau khi xác định được hệ số K, ta tính
R và vẽ lại số mâm lí thuyết ra giản đồ để được số liệu chính xác nhất.
log
Ta có: N lt min =
=
x D (1 − x W )
x W (1 − x D )
; trong đó αtb là độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi
log tb
y*.(1 − x)
; tb = F + D + W
(1 − y* ).x
xD
xW
αF
αD
αW
Nltmin
0,8
0,02
5,380
1,124
7,504
3,425
Với mỗi giá trị K ta có được một giá trị R, dựa vào công thức và đồ thị ta tính ra được Nlt,
ta cần tìm giá trị nhỏ nhất của Nlt.(R+1). Ta có bảng sau:
Bảng 3. Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu
K
R=K.Rmin (R-Rmin)/(R+1)
Co
Nlt
Nlt.(R+1)
1.2
1.114
0.0878
0.5705
9.303
19.672
1.3
1.207
0.1262
0.5436
8.696
19.196
1.4
1.300
0.1615
0.5188
8.198
18.858
6
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
1.5
1.6
1.7
1.8
1.85
1.9
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
1.393
1.486
1.579
1.672
1.718
1.765
1.858
1.950
2.043
2.136
2.229
2.322
GVHD: Bùi Ngọc Pha
0.1940
0.2242
0.2521
0.2781
0.2904
0.3024
0.3250
0.3463
0.3662
0.3849
0.4026
0.4193
0.4960
0.4749
0.4554
0.4371
0.4285
0.4201
0.4043
0.3894
0.3754
0.3622
0.3498
0.3381
7.781
7.428
7.125
6.862
6.743
6.632
6.428
6.247
6.085
5.939
5.807
5.686
18.623
18.468
18.377
18.336
18.331
18.336
18.370
18.433
18.519
18.626
18.751
18.890
Vậy với K=1,85 ta có giá trị Nlt.(R+1) nhỏ nhất, và ta có chỉ số hồi lưu tối ưu R=1,7182
3.3. XÁC ĐỊNH SỐ MÂM LÝ THUYẾT VÀ THỰC TẾ
3.3.1. Số mâm lí thuyết
Phương trình đường làm việc đoạn cất: y =
R
x
x + D = 0,632x + 29,431
R +1
R +1
Phương trình đường làm việc đoạn chưng: y =
với f =
R +f
f −1
x−
x W = 2,839x − 3,679
R +1
R +1
xD − xW
=6
xF − xW
Từ đồ thị vẽ được 14 mâm lí thuyết, trong đó có 3 mâm phần chưng và 11 mâm phần luyện.
3.3.2. Số mâm thực tế
N lt
; với tb : hiệu suất trung bình của
tb
đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng = f ( , )
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: N tt =
Tại vị trí nhập liệu:
Từ x F = 15% , suy ra t F = 84,85o C
Từ x F = 0,311 và t F = 84,85o C , dùng toán đồ I.28 trang 107, Sổ tay QTTB tập 1, ta được
F = 0,000347N.s / m2 = 0.347cP
Suy ra: F F = 1,867 ; Tra đồ thị XI.11, trang 171, Sổ tay QTTB tập 2, được F = 0, 43
Tại vị trí đáy:
7
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
Từ x W = 2% , suy ra t W = 96, 2o C
Từ x W = 0,0496 và t W = 96, 2o C , dùng toán đồ I.28 trang 107, Sổ tay QTTB tập 1, ta tra
được W = 0,000297N.s / m2 = 0, 297cP
Suy ra: W W = 2, 225 ; Tra đồ thị XI.11, trang 171, Sổ tay QTTB tập 2, được W = 0, 41
Tại vị trí đỉnh:
Từ x D = 80% , suy ra t D = 78,6o C
Từ x D = 0,9109 và t D = 78,6o C , dùng toán đồ I.28 trang 107, Sổ tay QTTB tập 1, ta tra
được D = 0,000429N.s / m2 = 0, 429cP
Suy ra: D D = 0, 482 ; Tra đồ thị XI.11, trang 171, Sổ tay QTTB tập 2, được D = 0,59
Vậy hiệu suất trung bình của tháp: tb =
Số mâm thực tế của tháp: N tt =
F + W + D
= 0,4767
3
Nlt
= 29,37 , ta làm tròn thành 30 mâm.
tb
3.4. LƯU LƯỢNG CỦA CÁC DÒNG PHA ĐI TRONG THÁP
Gọi x tbC , x tbL lần lượt là thành phần mol trung bình trong đoạn chưng và đoạn luyện
x tbL =
x + xW
xD + xF
= 0,475 ; x tbC = F
= 0,085
2
2
Khối lượng mol trung bình ở đoạn chưng:
M tbC = M ethanol x tbC + M nuoc (1 − x tbC ) = 20,38g / mol
Khối lượng mol trung bình ở đoạn luyện:
M tbL = M ethanol x tbL + M nuoc (1 − x tbL ) = 31,3g / mol
Lưu lượng lỏng trong đoạn chưng và đoạn luyện:
Đoạn chưng: LC = DR
Đoạn luyện: LL = DR
M tbC
= 788,7kg / h
M tbD
M tbL
= 1211, 26kg / h
M tbD
Lưu lượng dòng hơi trong đoạn chưng và đoạn luyện:
Đoạn chưng: G C = D(R + 1)
M tbC
= 1247,67kg / h
M tbD
8
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
Đoạn luyện: G L = D(R + 1)
GVHD: Bùi Ngọc Pha
M tbL
= 1916, 2kg / h
M tbD
CHƯƠNG 4. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
4.1. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO THÁP CHƯNG CẤT
QF + QD2 + QR = QD + QW + Qxq2 + Qng2 , Công thức IX.156, trang 197, Sổ tay QTTB tập 2
4.1.1. Nhiệt lượng của nhập liệu mang vào tháp
Q F = FCF t F ; F = 3000kg / h
Tại nhiệt độ t F = 84,85o C , x F = 0,15 , bảng I.147 trang 165, Sổ tay QTTB tập 1 để tra nhiệt
dung riêng của nước và trang 154 để tra nhiệt dung riêng của ethanol.
Cnuoc = 4203,09J/kg.độ; Cethanol = 3292,75J/kg.độ; Suy ra nhiệt dung riêng của nhập liệu
CF = 3920,15J/kg.độ
Suy ra: QF = 997873803J / h
4.1.2. Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra
Q W = WC W t W ; W = 2090,097kg / h
Tại nhiệt độ t W = 96, 2o C , x W = 0,02 , bảng I.147 trang 165, Sổ tay QTTB tập 1 để tra nhiệt
dung riêng của nước và trang 154 để tra nhiệt dung riêng của ethanol.
Cnuoc = 4214,40J/kg.độ; Cethanol = 3463J/kg.độ; suy ra nhiệt dung riêng dòng sản phẩm đáy
mang ra CW = 4177,15J/kg.độ
Suy ra: Q W = 839889178J / h
4.1.3. Nhiệt lượng của dòng sản phẩm đỉnh
Q D = D(1 + R) D ; D = 909,889kg / h ; D : nhiệt lượng hơi riêng của sản phẩm đỉnh J/kg
Từ x D = 0,8 , suy ra y D = 0,818 , suy ra y D = 0,9109
Ở t D = 78,6o C , bảng I.250 trang 312, Sổ tay QTTB tập 1 để tra ẩn nhiệt hóa hơi của nước
và bảng I.147, trang 165, Sổ QTTB tập 1 để tra ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol:
rnuoc = 2313100 J/kg; Cnuoc = 4198,1J/kg.độ; rethanol = 869012 J/kg; Cethanol = 3202,5 J/kg.độ
ethanol = rethanol + t DCethanol = 1120729J / kg
nuoc = rnuoc + t DCnuoc = 2643049J / kg
D = y D ethanol + (1 − y D ) nuoc = 1256381J / kg
9
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
Suy ra: QD = 3107412885J / h
4.1.4. Nhiệt lượng do lượng hồi lưu mang vào tháp
QR = G R CR t R ; C R = C D ; t R = t D = 78,6o C
Tại nhiệt độ t R = t D = 78,6o C , x D = 0,8 ta có: Cnuoc = 4198,078 J/kg.độ;
Cethanol = 3202,5 J/kg.độ; suy ra nhiệt dung riêng dòng hồi lưu mang vào tháp
CR = 3291,215 J/kg.độ
G R = RD = 1563, 42kg / h ; suy ra QR = 404439236,3J / h
4.1.5. Nhiệt độ của hơi đốt mang vào đáy tháp của thiết bị đun đáy tháp
Q D2 = D 2 2 = D 2 (r2 + C 2 t 2 ) ; trong đó D 2 là lượng hơi đốt cần thiết để cấp vào kg/h
Dùng hơi nước ở 2 at, suy ra r2 = 2208000J / kg , bảng tra cứu truyền nhiệt, truyền khối
trang 40.
Ở 2at, được nhiệt độ t 2 = 119,6o C , tra bảng I.148, trang 166, Sổ tay QTTB tập 1 được
C2 = 4245, 415 J/kg.độ
Suy ra: Q D2 = 2715751,634D 2
4.1.6. Nhiệt ngưng tụ hơi nước của thiết bị đun đáy tháp
Qng = G ngC2 t 2 = D2C2 t 2 = 507751,634D2
4.1.7. Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh
Qxq2 = 0,05QD2 = 135787,582D2
Theo phương trình cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp:
QF + QD2 + QR = QD + QW + Qxq2 + Qng2 ; Suy ra: D 2 = 1228,151kg / h
4.2. CÂN BẰNG NHIỆT CHO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH
Ngưng tụ hoàn toàn: D(R + 1)r = G n C n (t n 2 − t n1 ) ; tn1, tn2(oC) lần lượt là nhiệt độ nước vào
và nước ra thiết bị ngưng tụ.
Tại t D = 78,6o C , x D = 0,8 ; bảng I.250 trang 312, Sổ tay QTTB tập 1 để tra ẩn nhiệt hóa
hơi của nước và bảng I.147, trang 165, Sổ QTTB tập 1 để tra ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol.
rethanol = 869012,208J/kg; rnuoc = 2313080J/kg; suy ra ẩn nhiệt của hơi ngưng tụ sản phẩm
đỉnh rD = 997691,516J/kg
Chọn t n1 = 25o C và t n 2 = 50o C , suy ra t tb = 37,5o C , ta có Cnuoc = 4181 J/kg.độ
10
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
Lượng nước cần làm mát cho thiết bị ngưng tụ Gn(kg/h):
Gn =
D(R + 1)r
= 23607, 458kg / h
Cn (t n 2 − t n1 )
4.3. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH
Sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn: DC D (t '1 − t ' 2 ) = G n 2C n 2 (t l2 − t l1 )
Nhiệt độ sản phẩm vào thiết bị làm mát: t1' = 78,6o C
Nhiệt độ sản phẩm ra khỏi thiết bị làm mát: t 2' = 40o C
Nhiệt độ nước làm mát vào thiết bị làm mát: t l1 = 25o C
Nhiệt độ nước làm mát ra khỏi thiết bị làm mát: t l2 = 50o C
Nhiệt độ trung bình của nước làm mát: t ltb =
t l1 + t l2
= 37,5o C
2
Tại tntb ta tra được Cltb = 4181,043 J/kg.độ
Lượng nước cần làm mát cho thiết bị làm mát Gn2(kg/h):
DCD (t1' − t 2' )
Gn2 =
= 1105,878kg / h
Cn 2 (t l2 − t l1 )
4.4. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ TẬN DỤNG NHIỆT DÒNG ĐÁY
ĐỂ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU
Phương trình cân bằng nhiệt: QF1 + Q W = Q F2 + Q W 2
Nhiệt lượng dòng nhập liệu ở tF1: Q F1 = FC F1t F1 J/h
Tại t F1 = 25o C , x F = 0,15 , tra nhiệt dung riêng ta được: Cethanol = 2537,5J/kg.độ; Cnuoc =
4182,287J/kg.độ; Suy ra nhiệt dung riêng dòng nhập liệu CF1 = 3671,063J/kg.độ
Suy ra: QF1 = 275329754, 449J / h ; Q W = 839889178, 464J / h
Nhiệt lượng dòng đáy ra khỏi thiết bị: Q W 2 = WC W 2 t W 2 (J/h)
Chọn nhiệt độ làm nguội dòng đáy t W2 = 45o C , ta có x W = 0,02 , tra nhiệt dung riêng:
Cethanol = 2775J/kg.độ; Cnuoc = 4182,195J/kg.độ; Suy ra nhiệt dung riêng dòng đáy ra khỏi
thiết bị CW2 = 4112,441J/kg.độ
Suy ra: Q W 2 = 386793111,967J / h
Nhiệt lượng dòng nhập liệu ra khỏi thiết bị:
11
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
Q F2 = FCF2 t F2 = Q F1 + Q W − Q W 2 = 728425821,946J / h
Ước lượng t F2 = 60o C , ta có: Cnuoc = 4187,093 J/kg.độ; Cethanol = 2970 J/kg.độ; Suy ra
CF2 = 3808,807 J/kg.độ
Suy ra nhiệt độ nước ra sau thiết bị tận dung nhiệt sản phẩm đáy: t F2 = 63,749o C
4.5. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU
TRƯỚC KHI ĐI VÀO THÁP
Phương trình cân bằng nhiệt: QD1 + QF2 = QF + Qng1 + Qxq1
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp: Q D1 = D11 = D1 (r1 + C1t1 ) , J/h
Trong đó:
D1: lượng hơi đốt, kg/h
1 : hàm nhiệt của hơi đốt, J/kg
t1: nhiệt độ của nước ngưng, oC
r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước ở nhiệt độ t1, J/kg
Chọn hơi đốt ở 2 at, suy ra t1 = 119,6o C , C1 = 4245, 415 J/kg; r1 = 2262340J / kg
Q F2
QF
Qng1 = D1C1t1
Qxq1 = 0,05D1r1
728425821,946J/h
997873802,5J/h
211605,059D1J/h
113117D1J/h
Suy ra: D1 =
QF − QF2
= 125,370kg / h
0,95r1
CHƯƠNG 5. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
5.1. ĐƯỜNG KÍNH
5.1.1. Đường kính tháp chưng
Đối với tháp đệm làm việc ở chế độ màng, ở áp suất khí quyển thường chọn vận tốc làm
việc trong khoảng 70%-80% vận tốc sặc. Theo công thức 5.40, trang 232, QTTB tập 10 ta
tính vận tốc v theo vận tốc pha khí vf ứng với điểm lụt theo phương trình:
log
vf 2g L 0.16
gVt 3l
L
= C − 1,75
G
0.25
g
l
0.125
;với C=0,125(Mục 10, trang 258,QTTB tập 10)
Trong đó: vf (m/s): tốc độ sặc; σ (m2/m3): bề mặt riêng của đệm; Vt (m3/m3): thể tích tự do
của đệm; g (m/s2): gia tốc trọng trường; G (kg/s): lượng lỏng trung bình; L (kg/s): lượng
hơi trung bình; ρl (kg/m3), ρg (kg/m3): lần lượt là khối lượng riêng trung bình của pha lỏng
và pha hơi
12
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị
GVHD: Bùi Ngọc Pha
1 x tb1 1 − x tb1
=
+
; trong đó: x tb1 : phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong
l xtb1 xtb2
pha lỏng; xtb1 (kg / m3 ) , xtb2 (kg / m3 ) : lần lượt là khối lượng riêng trung bình của cấu tử
1 và 2 trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình.
Pha lỏng:
[ytb1M1 + (1 − ytb1 )M2 ]273
(kg/m3); trong đó: ytb1: nồng độ phần mol trung
22.4(273 + t)
bình trong pha hơi của cấu tử 1; M1, M2: lần lượt là khối lượng mol của cấu tử 1 và 2
(g/mol); t (oC): nhiệt độ làm việc trung bình
Pha hơi: g =
L (N.s / m 2 ) : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình
5.1.1.1. Phần luyện
Pha lỏng:
x
1 − x tbL
1
= tbL +
lL e tan ol
nuoc
Ta có tính phần trước x tbL = 0, 475 , suy ra x tbL = 0,698 , theo giản đồ cân bằng lỏng hơi tra
được t xL = 80, 2o C
Tại t xL = 80, 2o C ta tra được: e tan ol = 735kg / m3 , nuoc = 972kg / m3 , suy ra:
lL = 793, 41kg / m3
Tại t xL = 80, 2o C theo giản đồ ta tra được y tbL = 0,644 , t xL = t yL = 80, 2o C
Suy ra: gL =
[y tbL Methanol + (1 − y tbL )M nuoc ]273
= 1, 2433kg / m3
22.4(273 + t yL )
Tại t xL = 80, 2o C , x tbL = 0, 475 , tra được độ nhớt của ethanol ở bảng I.101, trang 92, Sổ
tay QTTB tập 1: ethanol = 0,000435N.s / m2 , tra độ nhớt của nước ở bảng I.102, trang 94,
Sổ tay QTTB tập 1: nuoc = 0,00357N.s / m2
Suy ra độ nhớt hỗn hợp: L = 0,000394N.s / m2
Tốc độ sặc:
LL = 1211,26kg / h = 0,3365kg / s
GL = 1916,2kg / h = 0,5323kg / s
Độ nhớt của nước ở 20oC: nuoc = 0,001N.s / m2
Chọn đệm kích thước 25x25 ta có các thông số sau:
dem = 195 m2 / m3
13
- Xem thêm -
.PDF 
55 
1 
95 
