Tài liệu Tìm hiểu công nghệ và tính toán thiết bị chưng cất cồn, nồng độ ban đầu 8%, nồng độ cuối 80%, năng suất nhập liệu là 1500 líth

Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 Lời mở đầu Chưng cất là quá trình phân riêng các thành phần từ hỗn hợp lỏng dựa trên nhiệt độ bay hơi khác nhau của chúng. Chưng cất là một trong những quá trình được áp dụng từ lâu đời và đã được nghiên cứu rất kĩ lưỡng. Nó được áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, sinh học và hóa chất để chế biến rượu, cồn, tinh dầu, dầu thực vật, điều chế oxi, lọc dầu Cồn đóng vai trò rất quan trọng và có mặt ở khắp mọi nơi trên thế giới, ngoài mục đích sử dụng làm đồ uống, cồn có thể sử dụng trong công nghiệp hóa chất, làm dung môi cho các phản ứng hóa học, nguyên liệu. Đối với quốc phòng, cồn có thể làm thuốc súng không khói, nhiên liệu hỏa tiễn. Đối với y tế, cồn là chất sát trùng hoặc pha thuốc. Trong nông nghiệp, cồn dùng để sản xuất thuốc trừ sâu. Đối với ngành dệt, cồn làm thuốc nhuộm, tơ nhân tạo… Hiện nay, các ngành công nghiệp đều cần sử dụng cồn có độ tinh khiết cao. Do đó, các nhà máy thường sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như chưng cất bằng thiết bị mâm chóp, tháp đĩa xuyên lỗ, tháp đệm … Tùy theo từng yêu cầu của sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp phù hợp. Đối với cồn- nước là hỗn hợp của hai chất lỏng hòa tan vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất bằng thiết bị đĩa chóp để nâng cao độ tinh khiết cho cồn Trên cơ sở những kiến thức đã được học và sự hướng dẫn của thầy giáo Ths.Lê Ngọc Cương trong đồ án này, em xin trình bày về “ Tìm hiểu công nghệ và tính toán thiết bị chưng cất cồn, nồng độ ban đầu 8%, nồng độ cuối 80%, năng suất nhập liệu là 1500 lít/h” với nội dung bao gồm các phần sau: Phần 1: Tổng quan Phần 2: Tính toán thiết bị Phần 3: Tính toán cơ khí và lựa chọn Phần 4: Tính cân bằng nhiệt Do trình độ, kinh nghiệm nghiên cứu và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên em không tránh khỏi những sai sót trong quá trình nghiên cứu, tính toán, thiết kế đồ án này, rất mong được thầy cô và các bạn góp ý, chỉ bảo để em có thể bổ sung, củng cố kiến thức cho bản thân Em xin chân thành cảm ơn 1 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 Phần I: Tổng quan 1 Giới thiệu chung về cồn: - Ethanol có công thức phân tử là C2H5OH, là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước, dễ bay hơi và dễ cháy. Ứng dụng của cồn:  Ethanol được dùng để pha vào xăng để tăng trị số octan cho xăng. Hiện nay Việt Nam đang sản xuất xăng sinh học E5 với % ethanol  Dùng làm dung môi cho ngành công nghiệp hóa chất, dùng trong ngành dược  Cồn thực phẩm: sản xuất rượu, đồ uống có cồn, nước ướp gia vị, chiết xuất dược liệu, pha chế thuốc, vệ sinh, sát trùng, mỹ phẩm  Cồn công nghiệp: dùng cho công nghệ in, công nghệ điện tử, dệt may, sản xuất mỹ phẩm, dược phẩm 2 Tổng quan về quy trình sản xuất rượu cồn: 2.1 Nguyên liệu: - Công nghệ cồn etylic là khoa học về phương pháp và quá trình chế biến các nguyên liệu chứa tinh bột, đường, xenluloza, etylen thành sản phẩm etylic hay ethanol 2.2 Quy trình công nghệ sản xuất rượu cồn: Công nghệ sản xuất cồn sử dụng các kiến thức về lý hóa học, hóa keo, quá trình và thiết bị truyền nhiệt và chuyển khối, nhất là quá trình hóa sinh và vi sinh vật học - 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 đường thì chuẩn bị dịch lên men gồm pha loãng sơ bộ, xử lý mật rỉ, bổ sung dinh dưỡng, tách cặn rồi pha loãng tới nồng độ gây men và lên men - Gây men giống và lên men: Muốn lên men trước hết cần phát triển men giống tới chất lượng và số lượng cần thiết, thường bằng 10% thể tích thùng lên men. Sau đó đưa men giống và dịch đường vào thùng rồi khống chế ở điều kiện xác định để 2 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 - nấm men chuyển hóa đường thành rượu và CO2. Dịch nhận được sau lên men gọi là giấm chín Xử lý dịch lên men: Công đoạn này có liên quan đến kiến thức lí hóa và chuyển khối. Thực chất là dùng hệ thống chưng luyện phù hợp để tách rượu và các chất dễ bay hơi khỏi giấm 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 đầu, dầu fusel và ancol cao phân tử 3 Khái niệm chung về chưng: 3.1 Định nghĩa: Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng ( cũng như hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp - Chú ý: Chưng khác cô đặc: trong quá trình chưng, các cấu tử đều bay hơi, còn trong quá trình cô đặc chỉ có dung môi bay hơi mà chất tan không bay hơi - Khi chưng cất, ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Đối với chưng cất cồn sẽ cho:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm những cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé  Sản phẩm đấy chủ yếu gồm những cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn - Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết, sẽ tiến hành chưng nhiều lần ( chưng luyện). Khi tiến hành chưng hoặc chưng luyện cần phân biệt theo:  Áp suất làm việc: chân không, áp suất thường hoặc áp suất cao.  Số lượng cấu tử trong hỗn hợp: hệ hai cấu tử, hệ có ba hoặc số cấu tử ít hơn mười và hệ nhiều cấu tử lớn hơn.  Phương pháp làm việc: liên tục hoặc gián đoạn 3.2 Phân loại về phương pháp chưng cất: 3.2.1 - - Chưng cất đơn giản: Là quá trình có một giai đoạn trong đó pha lỏng được bốc hơi, pha hơi tạo nên luôn luôn ở trạng thái cân bằng với pha lỏng, còn lại ở trong nồi và sau đó đến thiết bị ngưng tụ Quá trình có thể thực hiện gián đoạn hoặc liên tục. Nếu thực hiện gián đoạn, nồng độ pha hơi thu được sẽ giảm dần theo thời gian chưng cất, do đó sản phẩm thường 3 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 - 3.2.2 - - - 3.2.3 - - được chứa trong từng bình riêng biệt. Sau khi hoàn thành, chất lượng trong nồi được tháo ra chứa nhiều cấu tử khó bay hơi. Nếu quá trình thực hiện liên tục, thành phần sản phẩm sẽ không đổi Dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau. Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất, không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao Chưng bằng hơi nước trực tiếp: Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan trong nước Phương pháp này được dùng để tách các hỗn hợp gồm chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường ứng dụng trong trường hợp phân chia các chất lỏng không hoàn tan trong nước Hơi nước được phun trực tiếp vào chất lỏng có chứa thành phần cần chưng cất, làm nó sôi, hơi bay lên hòa tan cùng hơi nước để đến thiết bị ngưng tụ. Sau khi ngưng tụ, ta thu được hỗn hợp lỏng từ nước và chất dễ bay hơi thể lỏng không hòa tan vào nước. Việc tách sản phẩm lỏng ra khỏi nước được thực hiện lắng phân lớp hoặc ly tâm Ưu điểm chính của chưng cất bằng hơi nước là tiến hành quá trình với nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của chất lỏng chưng cất ở cùng áp suất, đặc biệt quan trọng với chất lỏng chịu nhiệt kém Chưng cất: Chưng cất là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau Xuất phát từ những yêu cầu công nghệ: chưng cất đơn giản một lần thì sản phẩm có nồng độ không cao, còn chưng cất đơn giản nhiều lần liên tục thì tuy có sản phẩm có nồng độ cao nhưng tốn chi phí, vậy nên người ta đã phát minh ra hệ thống thiết bị chưng cất liên tục từ các thiết bị chưng cất đơn giản ghép lại với nhau Tuy nhiên, hệ thống chưng cất đơn giản liên tục có nhiều nhược điểm như hệ thống bao gồm nhiều thiết bị ( chưng cất và ngưng tụ) phức tạp và tốn kém, hiệu suất thu hồi thấp, chiếm nhiều diện tích. Trên cơ sở đó, người ta đã phát minh ra tháp chưng luyện liên tục 4 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 3.3 Nguyên lí hoạt động của tháp chưng luyện liên tục: - Dung dịch chưng cất được chứa trong bể chứa 1, được bơm 2 bơm lên thùng cao vị 3. Thùng này có tác dụng ổn định áp suất dung dịch vào tháp, trong quá trình làm việc - Từ thùng cao vị dung dịch đi qua định lượng 4 rồi chảy vào thiết bị gia nhiệt 5, khi đi qua gia nhiệt dung dịch được đốt nóng lên nhiệt độ theo yêu cầu bằng hơi đốt bão hòa trước khi đi vào tháp chưng cất 6 ở vị trí đĩa tiếp liệu - Trong tháp chưng cất xảy ra quá trình chuyển khối. Với một số đĩa nhất định cuối cùng trên đỉnh tháp, ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng nguyên chất. Hơi này đi ra khỏi tháp vào thiết bị ngưng tụ 7 được hóa lỏng nhờ nước làm lạnh chảy ngoài ống từng dưới lên. Lỏng này ra khỏi thiết bị ngưng tụ một phần đực hồi lưu về tháp, một phần được lấy ra làm sản phẩm - Để giảm tổn thất cho sản phẩm, người ta cho sản phẩm chảy tiếp qua thiết bị làm lạnh 8 để giảm nhiệt độ xuống trước lúc cho vào thùng 9 - Trong hệ thống còn có thùng 11 để chứa sản phẩm (các cấu tử khó bay hơi). Nếu sản phẩm đáy không có giá trị thì có thể xả ra ngoài. - Để hệ thống làm việc liên tục thì phải cho nguyên liệu vào liên tục và sản phẩm được lấy ra liên tục. Nồng độ sản phẩm cao hay thấp được điều chỉnh bởi lượng hồi lưu về tháp ít hay nhiều 1. Nguyên tắc chuyển khối xảy ra trong tháp chưng luyện liên tục Sơ đồ tháp chưng cất dạng đĩa - - - Tháp gồm nhiều đĩa, một đĩa của tháp ứng với một thiết bị chưng cất đơn giản. Ở đáy tháp có bộ phận cấp nhiệt đun sôi dịch Hơi đi từ dưới lên qua các lỗ của đĩa, chất lỏng chảy từ trên xuống theo các ống chảy truyền. Nồng độ cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ Trên đĩa 1 của tháp chứa cấu tử dễ bay hơi nồng độ x1, hơi bốc lên từ đĩa có nồng độ cân bằng 5 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 - - với x1 là y1 trong đó y1>x1, hơi đó đi qua các lỗ đi lên đĩa 2 tiếp xúc với chất lỏng ở đó. Nhiệt độ của đĩa 2 thấp hơn đĩa 1 nên một phần hơi nước được ngưng lại, do đó nồng độ x2>x1 Hơi bốc lên từ đĩa 2 có nồng độ tương ứng cân bằng với y2, trong đó y2>x2. Hơi từ đĩa 2 đi lên đĩa 3 và nhiệt độ ở đĩa 3 thấp hơn, hơi ngưng tụ một phần, do đó, chất lỏng trên đĩa 3 có nồng độ x3>x2 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 như thế, hay nói cách khác với mỗi số đĩa tương ứng, cuối cùng ở đỉnh tháp ra 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 3.4 Các thiết bị chưng luyện: - Trong sản xuất thường dùng nhiều thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu chung của các thiết bị vẫn giống nhau là bề mặt tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của pha này vào pha kia. Ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp đệm  Tháp mâm: thân hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của mâm, ta có tháp mâm chóp hay tháp mâm xuyên lỗ  Tháp đệm: tháp trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp bằng hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hoặc theo thứ tự - Tháp đệm Tháp đĩa chóp Tháp đĩa xuyên lỗ Ưu điểm Cấu tạo đơn gian Khá ổn định Trở lực tương đối Trở lực thấp Hiệu suất cao thấp Làm việc được Hiệu suất cao với chất lỏng bẩn Nhược điểm Do có hiệu ứng Trở lực lớn Không làm việc thành nên hiệu Kết cấu phức tạp được với chất suất truyền khối lỏng bẩn thấp Độ ổn định không cao, khó vận hành Ở đây, để chưng cất cồn, ta chọn tháp chưng cất loại đĩa chóp vì tháp hoạt động khá ổn định và hiệu suất cao 6 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 4 Thiết bị chưng cất tháp đĩa chóp (mâm chóp): 4.1 Cấu tạo chung: - Trên đĩa có gắn chóp và ống chảy truyền. Ống chảy truyền có tiết diện khác nhau: tròn, viên phân, một ống hay nhiều ống tùy lượng pha lỏng - Chóp có thể hình tròn hoặc một dạng khác. Ở chóp có rãnh xung quanh để pha khí đi qua - Rãnh chóp có thể là hình chữ nhật hay hình tam giác, tròn và rãnh không ảnh hưởng nhiều đến quá trình chuyển khối. Nếu đĩa chóp được thiết kế tốt, pha khí sẽ thổi qua toàn bộ chóp, khi đó chóp mở toàn bộ. Nếu pha khí có lưu lượng lớn thì nó sẽ thổi qua dưới mép chóp. Nếu quá nhỏ thì hiệu quả sử dụng lỗ chóp không cao - Chóp được lắp vào đĩa bằng nhiều cách khác nhau. - Chất lỏng chảy từ trên xuống, từ đĩa trên xuống đĩa dưới nhờ ống chảy truyền. Khí đi từ dưới lên qua ống khí rồi xuyên qua các rãnh chóp để sục vào lớp chất lỏng trên đĩa. - Hiệu quả của quá trình sục khí vào lỏng phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc khí và chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa: Nếu vận tốc khí quá nhỏ thì phạm vi sục khí nhỏ hoặc không sục vào lỏng được nhưng nếu vận tốc khí quá lớn thì quá trình sục khí cũng không tốt vì lúc đó có thể xảy ra hiện tượng hoặc là chất lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí hoặc là chất lỏng bị dạt ra một vùng 4.2 Cấu tạo chi tiết các bộ phận chính: 4.2.1 - - Nồi đun cho tháp chưng cất: Nồi đun cho tháp chưng cất là thiết bị trao đổi nhiệt được đặt ở đáy thùng để cấp nhiệt cho dung dịch trong tháp khi tháp thực hiện quá trình chưng cất. Nồi đun có nhiều loại, tuy nhiên với chưng cất cồn thì có hai loại chủ yếu:  Nồi hai vỏ: Năng lượng được sử dụng ở đây là hơi nước đi vào vỏ ngoài đun nóng dung dịch trong nồi. Thường nồi có cấu tạo hình trụ đáy cầu hoặc elip  Nồi đun dung dịch bằng ống xoắn ruột gà đi phía trong nồi: Hơi nước bão hòa hoặc dầu có nhiệt độ cao đi trong ống để cấp nhiệt đun sôi dung dịch Cả hai loại nồi đun đều được trang bị đầy đủ các thiết bị để đo nhiệt độ, áp suất, van xả nước ngưng, ống đo mức dịch, cửa và đèn quan sát cũng như bảo ôn, chân đỡ cho toàn bộ tháp 7 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 4.2.2 - - 4.2.3 - 4.2.4 - - Thân tháp: Thân tháp là bộ phận chính trên đó có gá lắp hầu hết các bộ phận còn lại của tháp. Tiết diện ngang của tháp có thể là hình tròn, hình vuông hoặc hình chữ nhật Thân tháp gồm ba phần chính là đáy, phần giữa và đỉnh Phần đáy phải có dung tích phù hợp với quá trình chuyển khối là gián đoạn hay liên tục: Ở phần này phải có các cửa để đưa nguyên liệu vào, lấy sản phẩm đáy tháp ra, đưa hơi nước nóng (hơi đốt) vào, lấy nước ngưng ra, cửa lắp áp kế, nhiệt kế, lấy mẫu nếu cần. Phần đáy còn phải đủ bền để chịu tải toàn bộ trọng lượng của tháp và ngoại lực nếu có Phần thân tiếp theo được chế tạo bằng phương pháp phân đọa, các đoạn gắn với nhau nhờ bích và bu lông Phần đỉnh tháp có lắp các cửa để hơi đi thiết bị hồi lưu và cửa nhận chất hồi lưu trở về, cửa lắp áp kế, nhiệt kế, kính quan sát Các kiểu chóp: Trong sản xuất cồn thường dùng nhất là đĩa chóp, với tháp khô có năng suất vừa và nhỏ, người ta dùng đĩa kiểu chóp. Với năng suất lớn, tháp thô hay dùng đĩa lỗ, đĩa lưới Ống chảy truyền: Ống chảy truyền có nhiệm vụ hướng chất lỏng chảy từ đĩa chóp nọ xuống đĩa chóp kia, đồng thời khống chế cho mức chất lỏng dàn đều trên mỗi đĩa. Trường hợp chất lỏng giãn không đều do bố trí ống chảy truyền không phù hợp hoặc do chất lỏng chảy qua các ống hơi, sẽ dẫn tới hiện tượng pha hơi dồn lại và đi qua các chóp ở vùng có mức chất lỏng mỏng, làm giảm hiệu suất chuyển khối của tháp đĩa chóp Các yếu tố gây nên sự chênh lệch chiều cao của chất lỏng trên đĩa chóp là số ống chảy truyền và chiều chảy của chất lỏng trên đĩa Để thực hiện chảy truyền từ đĩa nọ sang đĩa kia, ta có thể dùng ống hoặc tấm chảy truyền. Ống chảy truyền của đĩa cuối cùng phải có khóa thủy lực để hơi không đi qua nó lên trên 8 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 Phần 2 : Tính toán thiết bị *). Bảng các ký hiệu Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị Cân bằng vật chất F Năng suất nhập liệu theo khối lượng kg/h F Năng suất nhập liệu theo số mol kmol/h D Suất lượng sản phẩm đỉnh theo khối lượng kg/h D Suất lượng sản phẩm đỉnh theo số mol kmol/h W Suất lượng sản phẩm đáy theo khối lượng kg/h W Suất lượng sản phẩm đáy theo số mol kmol/h xF Nồng độ phần mol nhập liệu trong pha lỏng % mol xF Nồng độ phần khối lượng nhập liệu trong pha lỏng % khối lượng xD Nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh trong pha lỏng % mol xD Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh trong pha lỏng % khối lượng xW Nồng độ phần mol dòng sản phẩm đáy trong pha lỏng % mol xW Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy trong pha lỏng % khối lượng yF Nồng độ phần mol nhập liệu trong pha hơi % mol yF Nồng độ phần khối lượng dòng nhập liệu trong pha hơi % khối lượng yD Nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh trong pha hơi % mol yD Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh trong pha hơi % khối lượng yW Nồng độ phần mol sản phẩm đáy trong pha hơi % mol yW Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy trong pha hơi % khối lượng x Nồng độ phần mol trong pha lỏng % mol x Nồng độ phần khối lượng trong pha lỏng % khối lượng 9 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 y* Nồng độ phần mol trong pha hơi cân bằng với pha lỏng % mol y* Nồng độ phần khối lượng trong pha hơi cân bằng với pha lỏng % khối lượng Khối lượng mol phân tử nước kg/kmol Ma Khối lượng mol phân tử cồn kg/kmol M tb Khối lượng mol phân tử trung bình kg/kmol G Suất lượng theo số mol kmol/h G Suất lượng theo khối lượng kg/h MF Khối lượng mol phân tử trung bình nhập liệu kg/kmol MD Khối lượng mol phân tử trung bình sản phẩm đỉnh kg/kmol MW Khối lượng mol phân tử trung bình sản phẩm đáy kg/kmol tS Nhiệt độ sôi của dung dịch o tFS Nhiệt độ sôi của nhập liệu o tDS Nhiệt độ sôi của sản phẩm đỉnh o tWS Nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy o tFv Nhiệt độ nhập liệu vào o tDr Nhiệt độ sản phẩm đỉnh ra o tWr Nhiệt độ sản phẩm đáy ra o t Nr Nhiệt độ nước ra o t Nv Nhiệt độ nước vào o Mn C C C C C C C C C Tính số đĩa thực Rmin Chỉ số hoàn lưu tối thiểu Rth Chỉ số hoàn lưu thích hợp f Chỉ số nhập liệu 10 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834  Độ bay hơi tương đối  Độ nhớt cP hh Độ nhớt của hỗn hợp cP a Độ nhớt của cồn cP n Độ nhớt của nước cP  Hiệu suất đĩa D Hiệu suất đĩa ở đỉnh W Hiệu suất đĩa ở đáy F Hiệu suất đĩa ở vị trí nhập liệu tb Hiệu suất đĩa trung bình Ntt Số đĩa thực tế Đĩa NttC Số đĩa thực tế đoạn chưng Đĩa NttL Số đĩa thực tế đoạn luyện Đĩa NttT Số đĩa thực tế cả tháp Đĩa Nlt Số đĩa lí thuyết Đĩa 1. Các thông số ban đầu: - Năng suất nhập liệu: F = 1,5 (m3/h) - Khối lượng phân tử nước và ancol etylic: MN = 18, MA = 46 - Trạng thái nhập liệu: Lỏng 2. Xác định suất lượng của sản phẩm đỉnh – sản phẩm đáy: - Suất lượng dòng lưu chất theo khối lượng: G = G . M tb (kg/h) 11 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 - Suất lượng dòng lưu chất theo mol: G G = M tb (kmol/h) - Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol: 0 . 08 46 0 . 08 (1−0 .08 ) + 46 18 = 0.033 (phần mol) xF = ¿D ¿ ¿ x ¿ = xW - 0.8 46 0 . 8 (1−0 .8 ) + 46 18 = 0.6102 (phần mol) 0 . 001 46 0 . 001 (1−0. 001 ) + 18 = 46 = 0.0004 (phần mol) Tính Mtb:  Mtb F = xF . Ma + (1- xF ) .Mb = 0.033x46+(1-0.033)x60 = 18.924 (kg/kmol)  Mtb D = xD . Ma + (1- xD ) . Mb = 0.6102x46 + (1 – 0.6102)x18 = 35.0856 (kg/kmol)  Mtb W = xW .Ma + (1- xW ).Mb = 0.0004x46 + (1 – 0.0004 )x18 = 18.0112 (kg/kmol) 12 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 - Khối lượng riêng của hỗn hợp nhập liệu: ρb=958.2231(kg/m3 ) ρa=789 .000(kg/m3 ) ρ hh=944 .685 (kg/m3 ) - Lượng nhập liệu tính theo kg/h là:  GF = N. ρ = 1.5×944.685 = 1417.0275kg/h Lượng nhập liệu tính theo kmol/h là: G 1417.0275  F = M = 18.924 = 74.88 kmol/h - Phương trình cân bằng vâ ̣t liê ̣u của toàn tháp: F = P+W Phương tình cân bằng vâ ̣t liê ̣u cho cấu tử dễ bay hơi F.xF =P.xP + W.xW (1) GF.aF=GP.aP+Gw.aw - Thay W=F-P vào phương trình (1) ta có F ( x F −xW ) 74.88(0.033−0.0004) x −x P W  P= = 0.6102−0.0004 = 4 (Kmol/h). a F- aW  GP = G F - 0.08−0.001 aP −aW = 1417.0275 x 0.8−0.001 = 140.107 (Kg/h ) Lượng sản phẩm đáy xả ra: W = F – P = 74.88 – 4= 70.88 (Kmol/h ) GW = GF - GP = 1417.0275 –140.107 = 1276.9205 (Kg/h) Hỗn hợp Nồng độ khối lượng Nồng độ phần Lưu lượng Lưu lượng khối lượng ( phần khối lượng) mol mol (kg/h) ( phần mol) ( kmol/h) Nhập aF = 0.08 xF= 0.033 F =74.88 GF= 1417.0275 liệu Sản aP= 0.8 xP= 0.6102 P =4 GP = 140.107 phẩ m đỉnh Sản aW=0.001 xW = 0.0004 W=70.88 GW= 1276.9205 phẩ m đáy 13 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 3. Chỉ số hồi lưu thích hợp: Từ bảng số liệu IX.2a(Sổ tay QT&TBCNHC-trang 148) có thành phần cân bẳng lỏnghơi của rượu etylic-nước được cho như bảng sau : X (% phần mol) Y (% phần mol) 0 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 33.2 44.2 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.8 100 3.1. Chỉ số hồi lưu tối thiểu: - Tỷ số hồi lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lí thuyết là vô cực. - Rmin = x D− y ¿F y ¿F −x F 0. 6102−0. . 2577 = = 0 . 2577−0. 033 1.569 Vậy: Tỷ số hồi lưu tối thiểu là: Rmin = 1.569 3.2. Chỉ số hồi lưu thích hợp: - Trong kĩ thuật, chỉ số hồi lưu không thể quá bé vì tháp không thể quá cao cũng như không thể quá lớn. Tháp có thể thấp đi nhưng đường kính to ra và sản phẩm đỉnh thu được không được bao nhiêu. Muốn thuận lợi về mặt kinh tế và mặt năng suất, cần phải chọn Rx thích hợp với Rx=bRxmin - Cách tính chỉ số hồi lưu thích hợp  Rx=b.Rmin xác định qua hệ số điều chỉnh b. Theo thực nghiệm b ∈ (1.2-2.5)  Với mỗi giá trị b ta sẽ xác định được R x . Có mỗi quan hệ giữa RX và số đĩa lý thuyết Rx ~ (Rx+1).N. Với (Rx+1).N nhỏ nhất thì Rx là thích hợp  Cách xác định số đĩa 14 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 + Vẽ đường làm việc đoạn luyện: đi qua (x p,yp) và cắt trục tung tại điểm có tung độ B= xP R x +1 + Vẽ đường làm việc đoạn chưng: đi qua ( x w, yw) và giao điểm của dường làm việc đoạn luyện với đường thẳng x=xF Vẽ các đường song song với trục x và y đếm số tam giác và suy ra được số đĩa lý thuyết b Rx B N N(Rx+1) b Rx B N N(Rx+1) - 1.2 1.88 0.2116 12 34.56 1.9 2.981 0.153 8 31.848 1.3 2.04 0.200 11 33.44 2.0 3.138 0.147 8 33.104 1.4 2.197 0.191 11 35.167 2.1 3.295 0.142 8 34.36 1.5 2.353 0.182 12 40.236 2.2 3.452 0.137 8 35.616 1.6 2.510 0.174 10 35.1 2.3 3.609 0.132 9 41.481 1.7 2.667 0.166 10 36.67 2.4 3.767 0.128 7 33.369 1.8 2.824 0.160 10 38.24 2.5 3.923 0.124 7 34.496 Vậy N(Rx+1)min = 31.848 với Rx=2.981 và b=1.9 Kết luận, chỉ số hồi lưu thích hợp Rx=2.981 4. Phương trình đường nồng độ làm việc: - Để đơn giản cho việc thiết lập đường làm việc của tháp chưng luyện, cần chấp nhận những giả thiết sau: Dòng mol pha hơi đi từ dưới lên không đổi trên toàn bộ chiều cao của tháp. Dòng mol pha lỏng đi từ trên xuống không đổi trong đoạn luyện và đoạn chưng, tức là phải thỏa mãn các điều kiện r -  Nhiệt hóa hơi mol của các cấu tử bằng nhau: T ≃ 88 = const  Không có nhiệt hòa tan  Sự sai khác về nhiệt lượng riêng của chất lỏng sôi trên các tiết diện khác nhau của tháp được bỏ qua Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi Chất lỏng đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi đi ra ở đỉnh tháp 15 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 - Hơi bốc lên từ đáy tháp có nồng độ bằng nồng độ sản phẩm đáy Đun sôi đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp 4.1. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện: - Cân bằng vật liệu: Do = Lo +P và Do.y = Lo.x + P.xP - Từ đó rút ra phương trình: Lo P  y= P+ Lo .x + P+ Lo .xp -  - Lo là chỉ số hồi lưu, ta có phương trình làm việc của đoạn luyện: P R 1 y= R +1 .x + R +1 .xp Gọi R= Phương trình làm việc của đoạn luyện có dạng đường thẳng và góc nghiêng α1 với Tan α1 = - R Lo = R +1 Do Vậy, phương trình đoạn luyện có dạng: Rx XP 2.981 0.6102  Y= R +1 x + R +1 = 1+ 2.981 × x + 1+2.981 = 0.749x +0.153 x x 4.2. Phương trình làm việc của đoạn chưng: - Xuất phát từ phương trình cân bằng vật liệu của đoạn chưng: Du= Lu – W - Mặt khác Lu= Lo +F, W=F-P 16 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 - Thay f= F , sau khi biến đổi, ta có phương trình làm việc của đoạn chưng: P Y= Rx + L L−1 x− x R x +1 R x +1 w - Vậy, phương trình làm việc của đoạn chưng: Rx +L L−1  Y= R x +1 x− R x +1 x w  Y= 2.981+ 18.72 18.72−1 x− × 4 ×10−4=¿ 5.451x – 0.00178 2.981+1 2.981+1  Với F 74.88 L= = =18.72 P 4 - Từ giá trị Rx, xác định được tổng số đĩa lí thuyết là 8. Trong đó, số đĩa lí thuyết đoạn luyện là 3 , số đĩa lí thuyết đoạn chưng là 5 5 Xác định số đĩa thực tế: Ntt  Nlt tb 5.1 Ta đã có số đĩa lý thuyết : tb  : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương Trong đó :   f , đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : N tt  : số đĩa thực tế N lt  : số đĩa lý thuyết - ηtb=(η1+η2+η3+...+ηn)/n Trong đó: η1,η2,η3,ηn là hiệu suất tại các vị trí (thường lấy giá trị ở đỉnh, đáy và ở vị trí tiếp liệu) và n là số vị trí xét. 5.2 Xác định hiệu suất trung bình của tháp: - Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:  y * 1 x 1 y * x Trong đó : x là phần mol của rượu trong pha lỏng y* là phần mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng - Độ nhớt hỗn hợp lỏng: Lg µhh= x.lg µe+ (1-x)lg µn Trong đó: x là nồng độ mol C2H5OH trong hỗn hợp 17 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 độ nhớt động lực của C2H5OH và nước µe; µn 5.2.1 - Tại vị trí nhập liệu: Có: xF = 0.033, yF = 0.2577, aF = 8% Suy ra từ bảng I.102-sổ tay 1- trang 95 và hình XI.11 sổ tay 2- trang 171 αF= 10.173 tF = 93.73°C µF= 0.3058 αF×μF=3.11 µn=0.3036,µe=0.3796 ηF =0.38 5.2.1.1 Tại vị trí mâm đáy: xW =0.0004, y* = 0.005144, - Có: - Suy ra từ bảng I.102- sổ tay 1- trang 95 và hình XI.11 sổ tay 2 – trang 171 αW = 12.921 µw= 0.284 aW = 0.01% tw= 99.924°C µn= 0.284; µe= 0.352 αW×μW = 3.670 ηW = 0.335 5.2.1.2 Tại vị trí mâm đỉnh: - Có: xP = 0.6102, y* =0.7031, aP = 80% Suy ra từ bảng I.102- sổ tay – trang 95 và hình XI.11 sổ tay 2 – trang 171 αP= 1.5128 tP= 79.3592℃ µP= 0.4796 αP × μP = 0.725 µn= 0.359; µe= 0.577 ηp=0.32 5.2.1.3 Tính toán: - Hiệu suất trung bình của đoạn luyện là: ηP +η F 2  ηtbl = = 0.35  Vậy: Nttl = 3/0.35 = 9 đĩa 18 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 - Hiệu suất trung bình của đoạn chưng là: ηW +η F - 2  ηtbc = = 0.33  Vậy: Nttc = 5/0.33= 16 đĩa Vậy tổng số đĩa thực tế của tháp là 25 đĩa, trong đó:  Đoạn luyện: 9 đĩa  Đoạn chưng : 16 đĩa 6 Xác định đường kính tháp: - Đường kính tháp được xác định theo công thức: √ g tb ( ρ y ×ω y )tb D = 0.018 (m)  Trong đó :  ωytb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s)  gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg /h)  (ρy×ωy)tb là tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (kg/m2.s)  Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp nên ta phải tính lượng hơi trung bình riêng cho từng đoạn. 6.1 Tính lượng hơi trung bình đi trong tháp: 6.1.1 - Đoạn luyện: 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: gtbL = g đ + g1 2  Trong đó:   gtbL : lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h hay kmol/h) gđ : lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h hay kmol/h) g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h hay kmol/h)  - Lượng hơi đi ra khỏi tháp:  gđ = GR + GP = GP(Rx+1) = 140.107(2.981+1) = 557.766 (kg/h) - Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện :  Hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng cho đoạn luyện: 19 Phạm Nguyễn Khánh Linh – 20174834 g1=G1 +G P g1 . y1 =G1 . x1 +GP .a P g1 . r 1=g d .r d (*)  Trong đó:  G1: lượng lỏng đi vào đoạn luyện (kg/h)  GP: lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)  y1: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi của đoạn luyện (phần khối lượng)  x1: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng của đoạn luyện (phần khối lượng)  Coi x1=aF=0.08, có:  r1 :ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kcal/mol)  r1=re.y1 + (1-y1).rn  rđ  :ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi tháp (kcal/mol)  rđ=re.yd + (1-yd).rn  yd= yP= aP= 0.8  Từ bảng số liệu IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-2trang 148): X 0 5 Y 0 33.2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 44.2 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.8 100 100 T 100 90.85 86.5 83.2 81.7 80.8 80.0 79.4 79.0 78.6 78.4 78.4  Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu tF =93.73 C  Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh tp =79.3592 C  Nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy tW =99.924 C  Xác định ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp:  Áp dụng phương pháp nội suy theo bảng I.212 (Sổ tay 1-trang 255) với tp=79.3592 C vậy re=202.256 kcal/kg và rn=559.6408 kcal/kg  rđ=re.yd + (1-yd).rn=202.256×0.8+(1-0.8)×559.6408=273.733 kcal/kg 20