Tài liệu Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp etanol – nước ở áp suất thường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ -------o0o------- ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT HÓA HỌC MSMH: CH4007 THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ TRONG HỆ THỐNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN HỢP ETANOL – NƯỚC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG GVHD : Thầy VŨ BÁ MINH SVTH : NGUYỄN PHÚC HOÀNG PHỤNG MSSV : 1612678 Lớp : HC16HLY TP.HỒ CHÍ MINH, 12/2019 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập- Tự do- Hạnh phúc NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và Tên: Nguyễn Phúc Hoàng Phụng MSSV: 1612678 Lớp: HC16HLY Nhận xét của giáo viên hướng dẫn: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Vũ Bá Minh MỤC LỤC CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU ...........................................................................................1 CHƯƠNG II. TỔNG QUAN ........................................................................................2 2.1 Tổng quan nguyên liệu .............................................................................................. 2 2.1.1 Etanol ...............................................................................................................2 2.1.3 Hệ Etanol – Nước ............................................................................................3 2.2 Chưng cất ................................................................................................................... 4 2.2.1 Quá trình chưng cất..........................................................................................4 2.2.3 Thiết bị chưng cất ............................................................................................4 2.3.1 Quá trình ngưng tụ ...........................................................................................5 2.3.2 Thiết bị ngưng tụ.............................................................................................. 5 CHƯƠNG IV. CÂN BẰNG VẬT CHẤT ....................................................................8 4.1 Cân bằng vật chất ...................................................................................................... 8 4.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp.............................................................................. 9 4.2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin .............................................................. 9 4.2.2 Phương trình đường làm việc và số mâm lí thuyết ........................................10 4.2.3 Xác định số mâm lý thuyết ............................................................................10 CHƯƠNG V. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG ............................................................. 14 5.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dòng nhập liệu: ................................. 14 5.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất ....................................................... 15 5.3 Cân bằng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh .............................................. 17 5.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh .................................. 17 5.5 Cân bằng nhiệt lượng cho nồi đun đáy tháp ............................................................ 18 CHƯƠNG VI. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH .....................................................19 6.1 Tính toán cấu tạo thiết bị ngưng tụ .......................................................................... 19 6.2 Tính toán cơ khí thiết bị .......................................................................................... 22 6.2.1. Bề dày thân ...................................................................................................22 6.2.2. Bề dày nắp (đáy: ...........................................................................................23 6.2.3. Bích ghép thân và nắp (đáy) .........................................................................24 6.2.4. Đường kính các ống dẫn – bích ghép các ống dẫn .......................................26 6.2.5. Vỉ ống ...........................................................................................................27 6.2.6. Vách ngăn lưu chất phía vỏ ..........................................................................28 6.2.7. Thanh giằng ..................................................................................................28 6.2.8. Chân đỡ .........................................................................................................28 6.2.9. Trọng lượng của thiết bị ...............................................................................29 CHƯƠNG VII. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ.........................................................31 7.1 Thiết bị đun nóng dòng nhập liệu ............................................................................ 31 7.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh ........................................................................... 34 7.3 Nồi đun đáy tháp ..................................................................................................... 37 7.4 Bơm ......................................................................................................................... 39 7.4.1 Năng suất .......................................................................................................39 7.4.2 Cột áp .............................................................................................................39 7.4.3. Công suất ......................................................................................................41 CHƯƠNG VIII. SƠ BỘ GIÁ THÀNH THIẾT BỊ ...................................................42 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................43 CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU *Nhiệm vụ đồ án môn học: Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Etanol – Nước ở áp suất thường. *Các ký hiệu: GF , F : suất lượng nhập liệu tính theo kg/h , kmol/h . GD , D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h , kmol/h . GW ,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h , kmol/h . xi , x i : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i. *Các thông số ban đầu: Hỗn hợp: • Ethanol: C2H5OH, MR = 46 (g/mol) • Nước: H2O, MN = 18 (g/mol) - Năng suất nhập liệu: GF = 5000 kg/h - Nhập liệu có nồng độ rượu: 300GL (% thể tích) - Nồng độ sản phẩm đỉnh: 900GL - Tỷ lệ thu hồi rượu: 99% *Lựa chọn các thông số để tính toán: - Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: 300C - Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: 300C - Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: 300C - Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi. 1 CHƯƠNG II. TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan nguyên liệu 2.1.1 Etanol Etanol hay còn được gọi là rượu etylic, ancol etylic là một ancol no, đơn chức, mạch hở, có công thức phân tử là C2H5OH (thường viết tắt là EtOH). Là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước và tan vô hạn trong nước. Có tính hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời. Một số thông số vật lý: Khối lượng phân tử: 46 đvC Khối lượng riêng: 0,7936 g/ml (150C) Nhiệt độ sôi: 78,390C Nhiệt độ nóng chảy: -114,150C Độ nhớt: 1,2 cP (200C) Ứng dụng: làm nguyên liệu sản xuất các hợp chất khác như: dietyl ete, acid acetic, etyl acetate,...; pha chế vecni, dược phẩm, nước hoa; dùng làm nguyên liệu đốt; điều chế ra các loại nước uống... Về mặt y dược, etanol là thuốc ngủ, mặc dù nó ít độc hại hơn so với các rượu khác. Cái chết thường xảy ra nếu nồng độ cồn trong máu vượt quá khoảng 5%. Có thể giảm thị lực, bất tỉnh sẽ xảy ra ở nồng độ thấp hơn. Điều chế: Etanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, thông qua phương pháp hydrat hóa etylen bằng xúc tác acid. Ngoài ra, etanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn được sản xuất bằng cách lên men đường hay ngũ cốc với men rượu. 2.1.2 Nước Nước có công thức phân tử là H2O, là chất lỏng không màu, không mùi, không vị. Một số thông số vật lý: Khối lượng phân tử: 18 g/mol Khối lượng riêng: 997,08 kg/m3 (250C) Nhiệt độ sôi: 1000C (760mmHg) Nhiệt độ nóng chảy: 00C Độ nhớt: 1,0.103 Ns/m2 (250C) Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên Trái Đất (hơn ¾ diện tích trái đất được bao phủ bằng nước) và rất cần thiết cho sự sống. Nước là hợp chất phân cực mạnh, vì vậy được dùng làm dung môi hòa tan nhiều chất rắn, lỏng, khí và là một dung môi quan trọng trong ngành Hóa. 2 2.1.3 Hệ Etanol – Nước Bảng cân bằng lỏng – hơi cho hỗn hợp etanol – nước ở 1 atm ToC 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,15 78,4 78,4 x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 89,4 90 100 y 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,4 89,8 100 Trong đó: x là thành phần pha lỏng (%mol) y là thành phần pha hơi (%mol) Hình 1: Đồ thị quan hệ giữa thành phần pha và nhiệt độ của hệ Etanol – Nước 3 Hình 2: Đồ thị quan hệ giữa thành phần x – y của hệ Etanol – Nước 2.2 Chưng cất 2.2.1 Quá trình chưng cất Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một 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). 2.2.2 Các phương pháp chưng cất * Phân loại theo áp suất làm việc: áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao. * Phân loại theo nguyên lý làm việc: chưng cất đơn giản, chưng cất bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất đa cấu tử. * Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp và gián tiếp. 2.2.3 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 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. 4 - 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. Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có: + Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ S,…và ống chảy chuyền có nhiều tiết diện khác nhau phụ thuộc vào suất lượng pha lỏng. + Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh - Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp nhau bằng mặt bích hay hàn.Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. * So sánh ưu – nhược điểm của các loại tháp: Ưu điểm Tháp mâm chóp Hiệu suất cao Hoạt động ổn định Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chêm Hiệu suất tương đối cao Hoạt động khá ổn định Làm việc với chất lỏng bẩn Đơn giản Trở lực thấp Nhược điểm Cấu tạo phức tạp Trở lực lớn Không làm việc với chất lỏng bẩn Trở lực khá cao Yêu cầu lắp đặt khắt khe (lắp đĩa thật phẳng) Hiệu suất thấp Độ ổn định kém Thiết bị nặng Do sản phẩm là ethanol với yêu cầu độ tinh khiết cao khi sử dụng cùng với hỗn hợp ethanol – nước là hỗn hợp không có điểm đẳng khí nên đồ án lựa chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp, sử dụng tháp mâm xuyên lỗ. 2.3 Ngưng tụ 2.3.1 Quá trình ngưng tụ Là quá trình một hơi (hay hỗn hợp hơi) chuyển pha thành dạng lỏng tại một điều kiện nhất định. Quá trình này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, chủ yếu là tính tan lẫn các chất lỏng sau khi ngưng. Người ta nhận thấy rằng thường xảy ra hai dạng biến thiên nhiệt độ trong quá trình ngưng tụ đẳng áp là: dạng ngưng tụ đẳng nhiệt, dạng ngưng tụ với nhiệt độ ngưng tụ giảm dần. 2.3.2 Thiết bị ngưng tụ Là một thiết bị trao đổi nhiệt, tùy theo các tính chất và điều kiện làm việc của hơi ngưng cũng như phụ thuộc vào chất tải ẩn nhiệt ngưng tụ (dòng lạnh) mà thiết bị ngưng tụ có cấu tạo rất đa dạng.  Phân loại theo chất làm lạnh: thiết bị lạnh dùng NH3, các freon R-12, R-22... 5  Phân loại theo điều kiện áp suất ngưng tụ: TBNT áp suất thấp (chân không), áp suất thường, áp suất cao.  Phân loại theo khả năng tiếp xúc của hai lưu chất: kiểu gián tiếp (hay kiểu bề mặt), kiểu trực tiếp (TBNT hơi nước kiểu baromet). Đối với các thiết bị trao đổi nhiệt nói chung phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Đáp ứng yêu cầu côn nghệ, hiệu suất truyền nhiệt cao, thiết bị càng có khả năng tự điều chỉnh càng tốt. - Thiết bị làm việc ổn định, an toàn, kết cấu gọn nhẹ, dễ vận hành, lắp đặt, sửa chữa, lau chùi, vệ sinh thuận tiện. Một số loại thiết bị ngưng tụ thường gặp như: thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới, kiểu vỏ – ống nằm ngang, kiểu vỏ – ống thẳng đứng... và một số loại thiết bị truyền nhiệt khác. Sơ lược về thiết bị truyền nhiệt ống chùm: - Có diện tích trao đổi nhiệt lớn, có thể đến hàng nghìn mét vuông, hệ số trao đổi nhiệt cao, thích hợp dùng làm thiết bị truyền nhiệt lỏng – lỏng, lỏng – khí và khí – khí, thiết bị ngưng tụ. Vì vậy, loại thiết bị này được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm. - Ưu điểm: hiệu quả trao đổi nhiệt khá ổn định, ít phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường; cấu tạo chắc chắn, gọn và rất tiện lợi trong việc lắp đặt trong nhà, có suất tiêu hao kim loại nhỏ; dễ chế tạo, lắp đặt, vệ sinh, bảo dưỡng và vận hành; có thể sử dụng một phần của bình để làm bình chứa; ít hư hỏng và tuổi thọ cao... - Nhược điểm: khó chế tạo bằng vật liệu không nong và hàn như gang hoặc thép silic; quá trình bám bẩn trên bề mặt đường ống tương đối nhanh, đặc biệt là khi chất lượng nguồn nước kém... 6 CHƯƠNG III. QUY TRÌNH CHƯNG CẤT (1) (2) (3) (4) (5) (6) *Chú thích: Bồn chứa nguyên liệu Bơm Thiết bị gia nhiệt nhập liệu Tháp chưng cất Lưu lượng kế Thiết bị ngưng tụ (7) (8) (9) (10) (11) (12) Thiết bị phân phối lỏng Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Bồn chứa sản phẩm đỉnh Thiết bị đun sôi đáy tháp Bẫy hơi Bồn chứa sản phẩm đáy *Thuyết minh quy trình: Hỗn hợp đầu từ bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm qua lưu lượng kế (5) đến thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu (3). Thiết bị gia nhiệt (3) là thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với tác nhân nóng là hơi nước bão hòa. Sau khi được gia nhiệt, hỗn hợp đầu ở nhiệt độ sôi đi vào tháp (4) ở mâm nhập liệu. Trên mâm nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên, gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới các cấu tử dễ bay hơi càng giảm nồng độ vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (10) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các mâm từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp mà cấu tử etanol chiếm hàm lượng lớn nhất. Một phần chất lỏng ngưng tụ sau khi qua thiết bị ngưng tụ (6) sẽ đi qua tiếp thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (8), rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (9). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về đỉnh tháp. Thiết bị ngưng tụ (6) và thiết bị làm nguội (8) cũng là thiết bị trao đổi nhiệt với tác nhân làm nguội là nước lạnh. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (nước). Sản phẩm đáy khi ra khỏi tháp vô nồi đun (10). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc. Phần còn lại được dẫn vô bồn chứa sản phẩm đáy (12), được làm nguội tự nhiên. Do còn chứa một ít etanol nên sản phẩm đáy sẽ được xử lý trước khi thải ra môi trường. 7 CHƯƠNG IV. CÂN BẰNG VẬT CHẤT 4.1 Cân bằng vật chất: Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F = D + W (2.1) Cân bằng cho cấu tử dễ bay hơi: F × xF = D × xD + W × xW (2.2) Tỷ lệ thu hồi: F × xF ×  = D × xD (2.3) • Dòng nhập liệu: Tra bảng I.2, trang 9, [1]: Khối lượng riêng của Ethanol ở 300C: ρC2H5OH = 0,781 (kg/l) Khối lượng riêng của nước ở 300C: ρH2O = 0,995 (kg/l) Phân mol nhập liệu: orượu × ρC H OH 2 5 46 orượu × ρC H OH (100−orượu ) × ρH O 2 5 2 + 46 18 xF = = 30 × 0,781 46 30 × 0,781 (100−30) × 0,995 + 46 18 = 0,116 (kmol C2H5OH/ kmol hỗn hợp) Phân khối lượng nhập liệu: xF = ̅̅̅ xF × MC2 H5OH xF × MC2H5 OH + (1−xF ) × MH2O = 0,116 × 46 0,116 × 46 + (1−0,116) × 18 = 0,251 Khối lượng mol của hổn hợp nhập liệu: MF = xF × MC2H5OH + (1 − xF ) × MH2O = 0,116 × 46 + (1 − 0,116) × 18 = 21,25 (kg/kmol) Suất lượng nhập liệu: F= GF MF = 5000 21,25 = 235,3 (kmol/h) • Sản phẩm đỉnh: Phân mol sản phẩm đỉnh: orượu × ρC H OH 2 5 46 orượu × ρC H OH (100−orượu ) × ρH O 2 5 2 + 46 18 xD = = 90 × 0,781 46 90 × 0,781 (100−90) × 0,995 + 46 18 = 0,734 (kmol C2H5OH/ kmol hỗn hợp) Phân khối lượng sản phẩm đỉnh: x̅̅̅ D = xD × MC2 H5 OH xD × MC2 H5 OH + (1−xD ) × MH2 O = 0,734 × 46 0,734 × 46 + (1−0,734) × 18 = 0,876 Khối lượng mol của hổn hợp sản phẩm đỉnh: MD = xD × MC2H5 OH + (1 − xD ) × MH2O = 0,734.46 + (1 − 0,734) × 18 = 38,55 (kg/kmol) Từ phương trình (2.3), suất lượng nhập liệu: D= F × xF ×  xD = 235,3 × 0,116 × 0,99 0,734 = 36,81 (kmol/h) • Sản phẩm đáy: Từ phương trình (2.1), suất lượng sản phẩm đáy: 8 W = F – D = 235,3 – 36,81 = 198,49 (kmol/h) Từ phương trình (2.2), phân mol sản phẩm đáy: F × xF − D × xD xW = W = 235,3 × 0,116 − 36,81 × 0,734 198,49 = 0,0014 (kmol C2H5OH/ kmol hỗn hợp) Phân khối lượng sản phẩm đáy: x̅̅̅̅ W = xW × MC2 H5 OH xW × MC2 H5 OH + (1−xW ) × MH2 O = 0,0014 × 46 0,0014 × 46+(1−0,0014) × 18 = 0,0036 Khối lượng mol của sản phẩm đáy: MW = xW × MC2 H5OH + (1 − xW ) × MH2O = 0,0014 × 46 + (1 − 0,0014) × 18 = 18,04 (kg/kmol) Dòng F D W Khối lượng mol (kg/kmol) 21,25 38,55 18,04 Suất lượng mol (kmol/h) 235,3 36,81 198,49 Suất lượng khối lượng (kg/h) 5000 1419,03 3580,76 Phân mol (kmol/kmol) 0,116 0,734 0,0014 Phân khối lượng (kg/kg) 0,251 0,876 0,0036 4.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp 4.2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chỉ số mà chế độ làm việc tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực. Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nguyên liệu, nước, bơm…) là tối thiểu. Với y0 = 0,465 ta có: y0 = xD Rmin +1 = 0,465  R min = 0,578 Xác định chỉ số hoàn lưu làm việc theo công thức thực nghiệm IX.24 trang 159 [2], ta được : R = 1,3R min + 0,3 = 1,3.0,578 + 0,3 = 1,0514 9 Hình 3: Đồ thị xác định Rmin của hệ Etanol- Nước 4.2.2 Phương trình đường làm việc và số mâm lí thuyết: *Phương trình đường làm việc của đoạn cất: y= R R+1 x+ xD R+1 = 1,0514 1,0514 + 1 x+ 0,734 1,0514 + 1 = 0,513𝑥 + 0,358 *Phương trình đường làm việc của đoạn chưng y= R+f R+1 x+ 1−f R+1 xW = với chỉ số nhập liệu: f = 1,0514 + 6,392 1,0514 + 1 F 235,3 D = 36,81 x+ 1 − 6,392 .0,0014 = 3,628𝑥 – 0,00368 1,0514 + 1 = 6,392 4.2.3 Xác định số mâm lý thuyết Dựa vào đồ thị ta xác định được số mâm lý thuyết: 10 Hình 3: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của hệ Etanol- Nước Ta có 11 mâm lí thuyết bao gồm: 1 mâm nhập liệu, 4 mâm chưng, 6 mâm cất. Nhập liệu tại mâm thứ 5. 4.2.4 Xác định số mâm thực tế *Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: Ntt = Nlt tb (Công thức IX.59, trang 170, [2]) Trong đó: 𝑡𝑏 - hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng 𝑡𝑏 = f (𝛼, 𝜇) Ntt - số mâm thực tế Nlt - số mâm lý thuyết *Hiệu suất trung bình của tháp chưng cất: tb = 1 +2 +3 +⋯+n n (Công thức IX.60, trang 171, [2]) 11 Trong đó: 1 , 2 , … - hiệu suất của các mâm n - số vị trí tính hiệu suất *Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp: α= y∗ 1−y∗ × 1−x x (Công thức IX.61, trang 171, [2]) Trong đó: x – phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng y ∗ - phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng α – độ bay hơi tương đối của hỗn hợp μ – độ nhớt của hỗn hợp lỏng (N.s/m2) • Hiệu suất mâm nhập liệu, 𝐅 Từ đồ thị t - x,y (hình 1): xF = 0,116  t F = 85,8oC Từ đồ thị x - y (hình 2): xF = 0,116  yF∗ = 0,46 Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp nhập liệu: αF = y∗F 1 − y∗F × 1 − xF xF = 0,46 1 − 0,46 × 1 − 0,116 0,116 = 6,492 Tra bảng I.101, trang 91, [1] tại nhiệt độ t F = 85,8oC - Độ nhớt động lực của H2O: μH2O = 0,3323 cP - Độ nhớt động lực của C2H5OH: μC2H5 OH = 0,403 cP Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu: công thức I.12, trang 84, [1]: 𝑙ogμF = xF logμC2 H5OH + (1 − xF )logμH2O  μF = 0,340 cP Suy ra: αF × μF = 6,492 × 0,340 = 2,207 Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2]  F = 41% • Hiệu suất mâm sản phẩm đỉnh, 𝐃 Từ đồ thị t - x,y (hình 1): xD = 0,734  t D = 78,8oC Từ đồ thị x - y (hình 2): xD = 0,734  yD∗ = 0,773 Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp sản phẩm đỉnh: αD = ∗ yD 1 − y∗D × 1 − xD xD = 0,773 1 − 0,773 × 1 − 0,734 0,734 = 1,234 Tra bảng I.101, trang 91, [1] tại nhiệt độ t D = 78,8oC - Độ nhớt động lực của H2O: μH2O = 0,3619 cP - Độ nhớt động lực của C2H5OH: μC2H5 OH = 0,444 cP Độ nhớt của hỗn hợp sản phẩm đỉnh: công thức I.12, trang 84, [1]: logμD = xD logμC2 H5OH + (1 − xD )logμH2O  μD = 0,420 cP Suy ra: αD × μD = 1,234 × 0,420 = 0,518 Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2]  D = 58% • Hiệu suất mâm sản phẩm đáy, 𝐰 Từ đồ thị t - x,y (hình 1): xW = 0,0014  t W = 99,8oC ∗ Từ đồ thị x - y (hình 2): xW = 0,0014  yW = 0,008 12 Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp sản phẩm đáy: αW = y∗W 1 − y∗W × 1 − xW xW = 0,008 1 − 0,008 × 1 − 0,0014 0,0014 = 5,752 Tra bảng I.101, trang 91, [1] tại nhiệt độ t W = 99,8oC - Độ nhớt động lực của H2O: μH2O = 0,2844 cP - Độ nhớt động lực của C2H5OH: μC2H5 OH = 0,327 cP Độ nhớt của hỗn hợp sản phẩm đáy: công thức I.12, trang 84, [1]: logμW = xW logμC2 H5OH + (1 − xW )logμH2O  μw = 0,284 cP Suy ra: αw × μw = 5,752 × 0,284 = 1,634 Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2]  w = 43% Vậy, suy ra hiệu suất trung bình của tháp chưng cất, tb là: tb = F + D + W 3 = 41% + 58% + 43% 3 = 47,33%. Số mâm thực tế tháp chưng cất: Ntt = Nlt tb = 11 48,33% = 22,76%. Vậy, chọn số mâm thực tế Ntt = 23 mâm, trong đó: Dòng Phần mol Ethanol pha lỏng Phần mol Ethanol pha hơi Nhiệt độ (oC) Độ nhớt động lực của H2O (cP) Độ nhớt động lực của C2H5OH (cP) Độ nhớt của hỗn hợp Độ bay hơi tương đối Hiệu suất mâm (%) Hiệu suất trung bình của tháp F 0,116 0,46 85,8 0,3323 0,403 0,340 6,492 41 13 D 0,734 0,773 78,8 0,3619 0,444 0,420 1,234 58 47,33% W 0,0014 0,001 100 0,2838 0,326 0,284 5,752 43 CHƯƠNG V. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 5.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dòng nhập liệu: Q D1 + Q f = Q F + Q ng1 + Q xq1 (J/h) (Công thức IX.149, trang 196, [2]) * Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng 𝐐𝐃𝟏 : Q D1 = D1 × 1 = D1 (r1 + t1 × C1 ) (J/h) (Công thức IX.150, trang 196, [2]) Trong đó: D1 – lượng hơi đốt (kg/h) r1 - ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg) 1 – hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng của hơi đốt) (J/kg) t1 – nhiệt độ nước ngưng (0C) C1 – nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ) Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 2 at. Tra bảng I.197, trang 230, [1], nhiệt độ của hơi nước là t1 = 119,620 C Tra bảng 49, trang 45, [3], nhiệt hóa hơi của nước ở 119,620 C là r1 = 2204,98 kJ/kg * Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun nóng 𝐐𝐟 : Q f = GF × Cf × t f (J/h) (Công thức IX.151, trang 196, [2]) Trong đó: GF – lượng hỗn hợp đầu (kg/h) Cf - nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ) t f – nhiệt độ đầu của hỗn hợp (0C) Chọn nhiệt độ đầu của hỗn hợp là t f = 300C CC H OH = 2595(J/kg. độ) Tra bảng I.154, trang 172, [1]: { 2 5 CH2O = 4177,5 (J/kg. độ) Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu: Cf = ̅̅̅ xF × CC2H5 OH + (1 − ̅̅̅ x F ) × C H2 O = 0,251 × 2595 + (1 - 0,251) × 4177,5 = 3780,29 (J/kg.độ) Suy ra: Q f = 5000 × 3780,29 × 30 = 567,04.106 (J/h) * Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng 𝐐𝐅 : Q F = GF × CF × t F (J/h) (Công thức IX.152, trang 196, [2]) Trong đó: CF - nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra (J/kg.độ) t F – nhiệt độ của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng (0C) Với thành phần hỗn hợp đầu: xF = 0,116  tF = 85,80C CC H OH = 3307 J/kg. độ Tra bảng I.153, trang 172, [1]: { 2 5 CH2O = 4202 J/kg. độ Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng tại 85,80C: CF = ̅̅̅ xF × CC2H5OH + (1 − ̅̅̅ x F ) × C H2 O = 0,251 × 3307 + (1 - 0,251) × 4202 = 3977,36 (J/kg.độ) Suy ra: Q F = 5000 × 3977,36 × 85,5 = 1700,32 × 106 (J/h) 14 * Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra 𝐐𝐧𝐠𝟏 : Q ng1 = Gng1 × C1 × t1 = D1 × C1 × t1 (J/h) (Công thức I.153, trang 197, [2]) Trong đó: Q ng1 – lượng hơi nước ngưng, bằng lượng hơi đốt (kg/h) *Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh Q xq1 lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn: Q xq1 = 0,05 × D1 × r1 (J/h) (Công thức I.154, trang 197, [2]) Vậy, lượng hơi nóng cần thiết để đun nóng hỗn hợp đến nhiệt độ sôi: Q D1 + Q f = Q F + Q ng1 + Q xq1 Suy ra: D1 = QF + Qng1 + Qxq1 − Qf 1 = QF − Qf 0,95 × r1 = 1700,32 × 106 − 567,04 × 106 0,95 × 2204,98 × 1000 = 541,01 (kg/h) 5.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất *Tổng nhiệt lượng mang vào tháp bằng tổng nhiệt lượng mang ra: Q D2 + Q F + Q R = Q Y + Q W + Q ng2 + Q xq2 (Công thức I.156, trang 197, [2]) * Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng 𝐐𝐃𝟐 : Q D2 = D2 × 2 = D2 (r2 + t 2 × C2 ) (J/h) (Công thức IX.157, trang 197, [2]) Trong đó: D2 – lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp (kg/h) r2 - ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg) 2 – hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng của hơi đốt) (J/kg) t 2 – nhiệt độ nước ngưng (0C) C2 – nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ) Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 2 at. Tra bảng I.97, trang 230, [1] ta được nhiệt độ của hơi nước là t1 = 119,60 C Tra bảng 49, trang 45, [3] nhiệt hóa hơi của nước ở 119,620 C là r2 = 2204,98 kJ/kg *Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào tháp Q R : Q R = GR × CR × t R (J/h) (Công thức IX.158, trang 197, [2]) Trong đó: GR – lượng lỏng hồi lưu (kg/h) GR = GD × R = 1419,03 × 1,0514 = 1491,97 (kg/h) Với thành phần sản phẩm đỉnh: xD = 0,734  t D = 78,80C CC H OH = 3205 J/kg. độ Tra bảng I.153, trang 172, [1]: { 2 5 CH2O = 4190 J/kg. độ Nhiệt độ dòng hồi lưu: t R = t D = 78,80C Nhiệt dung riêng của dòng hồi lưu: CR = CD = x̅̅̅ ̅̅̅ D × CC2 H5 OH + (1 − x D ) × CH2 O = 0,876 × 3205 + (1 - 0,876) × 4190 = 3327,14 (J/kg.độ) Suy ra: Q R = 1491, 97 × 3327,14 × 78,8 = 391,16 × 106 (J/h) 15 *Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp 𝐐𝐘 : Q Y = GD × (1 + R) × D (J/h) (Công thức IX.159, trang 197, [2]) Trong đó: D là nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp D = ̅̅̅ yD × C2H5OH + (1 − ̅̅̅ yD ) × H2O Với thành phần sản phẩm đỉnh: xD = 0,734  yD = 0,773  ̅̅̅ yD = yD × MC2H5 OH yD × MC2H5 OH + (1 − yD ) × MH2 O = 0,773 × 46 0,773 × 46 + (1 − 0,773) × 18 Tại t D = 78,80C tra bảng I.212, trang 254, [1]: { = 0,897 rC2H5 OH = 848,41 kJ/kg rH2O = 2311,72 kJ/kg Ta có: C2 H5OH = rC2 H5OH + t D × CC2 H5OH = 848,41 × 103 + 78,8 × 3205 = 1100964 (J/kg) H2 O = rH2O + t D × CH2 O = 2311,72 × 103 + 78,8 × 4190 = 2641892 (J/kg)  D = 0,897 × 1100964 + (1 – 0,897) × 2641892 = 1259679,584 (J/kg) Suy ra: Q Y = 1419,03 × (1 + 1,0514) × 1259679,584 = 3666,92 × 106 (J/kg) *Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp 𝐐𝐖 : Q W = GW × CW × t W (J/h) (Công thức IX.160, trang 197, [2]) Trong đó: GW – lượng sản phẩm đáy (kg/h) CW – nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ) t W – nhiệt độ của sản phẩm đáy (0C) Với thành phần sản phẩm đáy: xW = 0,0014  t W = 99,80C CC H OH = 3517 J/kg. độ Tra bảng I.153, trang 172, [1]: { 2 5 CH2O = 4229,6 J/kg. độ Nhiệt dung riêng của hỗn hợp sản phẩm đáy tại 1000C: CW = x̅̅̅̅ ̅̅̅̅ W × CC2 H5 OH + (1 − x W ) × C H2 O = 0,0036 × 3517 + (1 - 0,0036) × 4229,6 = 4227,03 (J/kg.độ) Suy ra: Q W = 3580,76 × 4227,03 × 99,8 = 1513,60 × 106 (J/h) *Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra 𝐐𝐧𝐠𝟐 : Q ng2 = Gng2 × C2 × t 2 = D2 × C2 × t 2 (J/h) (Công thức IX.161, trang 198, [2]) Trong đó: Gng2 – lượng nước ngưng (kg/h) t 2 – nhiệt độ nước ngưng (0C) C2 – nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ) *Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh Q xq2 lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp: Q xq2 = 0,05 × D2 × r2 (J/h) (Công thức I.162, trang 198, [2]) Vậy, lượng hơi nóng cần thiết để cấp nhiệt cho tháp là: D2 = = QY + QW + Qng2 + Qxq2 − QF − QR = QY + QW − QF − QR 2 0,95r2 6 6 6 3666,92 × 10 +1513,60 × 10 −1700,32 × 10 −391,16 × 106 0,95 × 2204,98 × 1000 16 = 1474,67 (kg/h)