Tài liệu Đồ án chưng cất Ethanol - Nước

ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I : TỔNG QUAN I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 1 . Phương pháp chưng cất 2 . Thiết bị chưng cất: II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU 1 . Etanol 2 . Nước 3 . Hỗn hợp Etanol – Nước III . CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY III . NHIỆT LƯỢNG DÒNG NHẬP LIỆU IV . TÍNH TOÁN THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu 2 . Tỉ số hoàn lưu thích hợp 3 . Nhiệt lượng cần phải lấy ở thiết bị ngưng tụ 4 . Lượng hơi nước cần thiết cho thiết bị 5 . Năng lượng nồi đun V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP 1 . Đường kính đoạn cất 2 . Đường kính đoạn chưng II . TÍNH TRỞ LỰC CỦA THÁP 1 . Trở lực phần cất 2 . Trở lực phần chưng 3 . Tổng trở lực toàn tháp CHƯƠNG IV : TÍNH CHÓP VÀ ĐƯỜNG ỐNG I . TÍNH CHÓP II . TÍNH ỐNG DẪN HƠI 1 . Ống dẫn lỏng nhập liêu 2 . Ống dẫn dòng ra khỏi đáy Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 1 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh 3 . Ống dẫn hơi sản phẩm đỉnh 4 . Ống dẫn dòng hoàn lưu 5 . Ống dẫn hơi vào đáy tháp CHƯƠNG V : THIẾT BỊ PHỤ I . THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH 1 . Điều kiện nhiệt độ của quá trình 2 . Chọn sơ bộ cấu tạo 3 . Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh III. BỒN CAO VỊ CHỌN BƠM CHƯƠNG VI : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH I . TÍNH BỀ DÀY THÂN TRỤ CỦA THÁP 1 . Điều kiện làm việc của tháp chưng cất 2 . Tính hệ số bền của thân hình trụ II . TÍNH ĐƯỜNG KÍNH VÀ BULONG CÁC ỐNG DẪN III . TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ VI . TÍNH BÍCH NỐI V . TÍNH KHỐI LƯỢNG THÁP 1 . Khối lượng tháp 2 . Khối lượng ống hơi 3 . Khối lượng mâm VI . CHÂN ĐỠ TAI TREO 1 . Chân đỡ 2 . Tai treo CHƯƠNG VII : TÍNH BẢO ÔN CHƯƠNG VIII : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ II . KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 2 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh LỜI MỞ ĐẦU Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản. Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản suất hoặc nhu cầu sử dụng. Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ Etanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol. 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 hoá- thự c phẩm tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá 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. Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất sản phẩm đỉnh : 1000 lít/h, nhập liệu có nồng độ rượu là 300 GL(% thể tích),thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 92% mol etanol với độ thu hồi etanol là 99%. Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn. Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 3 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh CHƯƠNG I : TỔNG QUAN. I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: 1 . Phương pháp chưng cất : - Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), 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 hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm 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 Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol và một ít nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít etanol. Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:  Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử.  Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên tục. * Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các trường hợp sau: + Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau. + Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao. + Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi. + Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử. * Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn.  Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước . Vậy: đối với hệ Etanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 4 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh 2 . 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 vaò 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. Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất 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 để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: * Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s… * Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm.  Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. * So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp : Tháp chêm. Ưu điểm: - Đơn giản. - Trở lực thấp. Nhược điểm: Tháp mâm xuyên lo. - Hiệu suất tương đối cao. - Hoạt động khá ổn định. - Làm việc với chất lỏng bẩn. - Trở lực khá cao. - Yêu cầu lắp đặt khắt khe -> lắp đĩa thật - Độ ổn định kém. phẳng. Tháp mâm chóp. - Hiệu suất cao. - Hoạt động ổn định. - Hiệu suất thấp. - Cấu tạo phức tạp. - Thiết bị nặng. - Trở lực lớn. - Không làm việc với chất lỏng bẩn. Nhận xét: tháp mâm chóp trạng thái cuối của tháp chêm và tháp mâm xuyên lỗ. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm chóp. Vậy: Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm chóp hoạt động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp. Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 5 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU : Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol - Nước. 1 . Etanol: (Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm). - Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC. Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước.  Một số thông số vật lý và nhiệt động của etanol: + Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78.3oC. + Khối lượng riêng: d420 = 810 (Kg/m3).  Tính chất hóa học: Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của etanol là thể hiện tính chất hoá học của nó. * Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl: CH3-CH2-OH CH3-CH2-O- + H+ 18 Hằng số phân ly của etanol: K CH CH OH  10 , cho nên etanol là chất trung tính. + Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua(NaH), Natri amid(NaNH2): 3 CH3-CH2-OH + NaH 2 CH3-CH2-ONa + H2 Natri etylat 14 Do K CH CH OH  K H O  10 : tính acid của rượu nhỏ hơn tính acid của nước, nên khi muối Natri etylat tan trong nước sẽ bị thuỷ phân thành rượu trở lại. + Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với nước. Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ đều tạo ra ester. 3 2 2 CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 * Phản ứng trên nhóm hydroxyl: + Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX Lạnh H+ CH3-CH2O-SO3-H + H2O CH3-COO-C2H5 + H2O CH3-CH2-X + H2O + Tác dụng với Triclo Phốt pho: CH3-CH2-OH + PCl3 Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl 6 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh + Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 Al2O3 to C2H5-NH2 + H2O + Phản ứng tạo eter và tách loại nước: 2CH3-CH2-OH CH3-CH2-OH H2SO4 >150oC H2SO4 >150oC (CH3-CH2)2O + CH2=CH2 + H2O H2O * Phản ứng hydro và oxy hoá: CH3-CH2-OH Cu 200-300oC CH3-CHO + H2  Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Đây là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150 mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp. + Công nghiệp cao su tổng hợp + Động lực. Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 + Dung môi hữu cơ:pha sơn.. + Nguyên liệu. 7 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh + Rượu mùi + Dấm. Nhiên liệu. + Thuốc súng không khói. + Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay. Eta nol + Động lực. + Thuốc trừ sâu. + Đồ nhựa. + Keo dán. + Hương liệu. + Thuốc nhuộm. + Tơ nhân tạo. + Sát trùng. + Pha chế thuốc. + Sơn. + Sơ đồ tóm tắt vị trí của etanol trong các ngành công nghiệp. - Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ kim… - Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ đường. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột: C6H6O6 Nấm men Zymaza 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO2. 5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ(lactic, butylic…). 2 . Nước: - Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt. - Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau: Khối lượng phân tử: Khối lượng riêng d40 c: Nhiệt độ nóng chảy : Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 18 1 00C g / mol g / ml 8 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh 1000 C Nhiệt độ sôi : - Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống. - Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học. 3 . Hỗn hợp Etanol – Nước: - Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol - Nước ở 760 mmHg: x(%phân mol) y(%phân mol) 0 0 5 33,2 10 44,2 20 53,1 30 57,6 40 61,4 50 65,4 60 69,9 70 75,3 80 81,8 90 89,8 100 100 t(oC) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4 Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 9 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC: -Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,30C ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg : hơi cách biệt khá xa nên phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất. - Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn. * Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – nước: Chú thích các kí hiệu trong qui trình: 1 . Bồn chứa nguyên liệu. 2 . Bơm. 3 . Bồn cao vị. 4 . Thiết bị gia nhiệt nhập liệu. 5 . Bẩy hơi. 6 . Lưu lượng kế. 7 . Nhiệt kế. 8 . Tháp chưng cất. 9 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh. 10 . Ap kế. 11 . Thiết bị đun sôi đáy tháp 12 . Bồn chứa sản phẩm đáy. 13 . Bộ phận phân dòng. 14 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh. 15 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh. 16 . Van xả khí không ngưng. Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 10 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 GVHD : Vuõ Baù Minh 11 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh * Thuyết minh qui trình công nghệ: - Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ khoảng 25 0C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (4) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ). Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt(6), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa 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 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 càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi.Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa 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 có cấu tử etanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 92% phân mol). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (9) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (14), được làm nguội đến 350C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (15). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi tại van xã khí (16), còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ etanol là 0,11 % phân mol, còn lại là nước. Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (11). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (4) (sau khi qua bồn cao vị). - Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 860C được thải bỏ. Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 12 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT . I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :  Năng suất nhập liệu : GF = 1000 (l/h) .  Nồng độ nhập liệu : xF = 30%mol etanol.  Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 92%mol etanol .  Tỷ lệ thu hồi etanol : h= 99%.  Khối lượng phân tử của rượu và nước : MR =46 , MN =18 .  Chọn : + Nhiệt độ nhập liệu : t’F =25oC . + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’D =35oC . + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’W = 35oC . +Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi .  Các kí hiệu : + GF , F : suất lượng nhập liệu tính theo l/h , Kmol/h . + GD , D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo l/h , Kmol/h . + GW ,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo l/h , Kmol/h . + xi , xi : phân mol , phân khối lượng của cấu tử i . II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY : Ta có: *Ở 790C -klr ethanol: 0,736 -klr nước : 0,972 *Ở 250C -klr ethanol: 0,784 -klr nước: 0,999 GD= lưu lượng. (độ rượu. KLRH 2 0 KLRe ) + (100 – 92) . 46 18 0 ruou.KLRe 46 xF = 0 ruou.KLRe 100  0 ruou  46 18 Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 13 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh 0 ruou.KLRe 46 xF = 0 ruou.KLRe 100  0 ruou  46 18 GF = GD . x D 0,99.xF Từ công thức: GF = GD+GW GW = GF-GD ð Độ thu hồi =  G D .XD  (G F .X F ) =0,99  GF = GD . x D 0,99.xF  G W .X W  ð ð  (1- độ thu hồi) (G F .XF )  0.01.G F .XF  XW =  GW Suất lượng (kmol/h) phân mol dòng nhập nhập liệu đỉnh đáy liệu đỉnh đáy GF GD GW (xF) (xD) (xW) 127,896 19,041 108,855 0,116 0,773 0,001 Đổi từ phân mol sang khối lượng: (nhân với khối lượng trung bình). Suất lượng (kg/h) phân khối lượng dòng nhập nhập liệu đỉnh đáy liệu đỉnh đáy GF GD GW (xF) (xD) (xW) 2718,435 754,885 1963,550 0,252 0,897 0,003 Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 14 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh III . NHIỆT LƯỢNG DÒNG NHẬP LIỆU: Q1=GF.CP.∆t -Chọn nhiệt độ ban đầu của dòng nhập liệu: tF= 250 -Nhiệt độ lỏng sôi của nguyên liệu: tF’= 860. Nhiệt độ trung bình: tFTB : 55,50 ð - Nhiệt độ lỏng sôi của dòng sản phẩm đỉnh: tD= 790. - Nhiệt độ của dòng sản phẩm đáy: tW= 99,90. - Nhiệt độ dung riêng của dung dịch: CP CP(dd)=CP(e).XD+(1-X).CP(H20) Nhiệt dung riêng của nước và rượu tra ở nhiệt độ trung bình. CP(e)=2908,766 CP(H20)= 4178,415 CP(dd)= 3858,984 J/kg.độ J/kg.độ J/kg.độ Q1= 639914341,4 J/h = 177753,984 W. Lượng hơi nước cần dùng: Q1= r + h1 -r : ẩn nhiệt chuyển pha (J/kg) Tra ở nhiệt ngưng tụ của hơi nước bảo hòa, chọn nhiệt ngưng tụ là 1200 (hơi nước bảo hòa ở áp suất 2atm). r = 2202 kJ/kg. h1 = 290,606 kg/h. IV . TÍNH TOÁN THIẾT BỊ NGƯNG TỤ: 1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: - Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà 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 (nhiên liệu ,nước và bơm…) là tối thiểu . Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 15 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh - Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol-Nước có điểm uốn ,nên xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu bằng cách : +Trên đồ thị cân bằng y-x ,từ điểm (0,77;0,77) ta kẻ một đường thẳng tiếp tuyến với đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điểm có yo = 0,40 . +Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi xo =0 thì yo = xD Rmin  1 =0,40 Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : Rmin = 0,957 2. Tỉ số hoàn lưu thích hợp: -Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp ,nồi đun và công để bơm cũng tăng theo.Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần ,lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu . - Tổng chi phí bao gồm : chi phí cố định và chi phí điều hành . Tỉ số hoàn lưu thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu . - Tuy nhiên ,đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp ,khó kiểm soát nên người ta có thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất .Để tính được tỉ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều hành),ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn Rth ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất. Chọn : R = 2 Rmin. R = 1,91. ð Suất lượng hơi ra khỏi mâm đỉnh: GH kg/h ð GH = (R+1).GD GH = 2199,78 kg/h. 3. Nhiệt lượng cần phải lấy ở TBNT: QC = GH . rhh W rhh : ẩn nhiệt chuyển pha của hổn hợp hơi ở nhiệt độ hơi bảo hòa, ở phân mol của dòng đỉnh ( tra trên đồ thị). -r(e) = 866,519 kJ/kg. Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 16 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh -r(H2O) = 2309,706 kJ/kg. rhh = r(e).XD(tb)+(1-XD(tb)). r(H2O) rhh = 1015,245 kJ/kg QC = 2233311,914 kJ/h. = 620,364 kW. 4. Lượng nước cần thiết cho TBNT: Chọn nhiệt độ nước vào là 250. Chọn nhiệt độ nước ra là 400. QC = Gn.∆t.CP(H2O). - CP(H2O): nhiệt dung riêng của nước tra ở nhiệt độ trung bình. CP(H2O) = 4174 J/kg.độ. Gn = 35670,211 ð kg/h. 5. Năng lượng cho nồi đun: QD = GD.HD+GW.HW+QC+QL-GF.HF Chọn Qtt = 1,05 ÷ 1,1 Ta có: HD = CpD (tb)(tD-tO).MTBD HF = CpF (tb) (tF-tO).MTBF HW = CpW (tb) tW-tO).MTBW (1) (2) (3) Mà: CpD (tb) = XD (tb).Cp(e)+(1-XD(tb)).Cp(H2O) CpF (tb) = XF (tb).Cp(e)+(1-XF(tb)).Cp(H2O) (5) CpW (tb) = XW (tb).Cp(e)+(1-XW(tb)).Cp(H2O) ð CpD (tb) = 3314,544 CpF (tb) = 3977,857 Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 (4) (6) J/kg.độ J/kg.độ 17 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh CpW (tb) = 4216,977 J/kg.độ Thay vào (1), (2), (3) ta có: HD = 10381 kJ/kmol HF = 7271,25 kJ/kmol HW = 7599,08 kJ/kmol QD = 2329284,33 = 647,02 ð kJ/h kW. V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ: Hiệu suất mâm là hàm số theo độ bay hơi tương đối (α), và độ nhớt của hổn hợp lỏng (µ). E = f(.).  Xác định hiệu suất của mâm: + Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi : α y* 1  x * 1  y* x* Với : x*:phân mol của rượu trong pha lỏng . y* : phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng. * Tại vị trí mâm 1: x*= 0,01 y*=0,04  1= 4,125 * Tại vị trí mâm 2: x*= 0,02 y*=0,155  2= 8,99 * Tại vị trí mâm 3: (Mâm nhập liệu) Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 18 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh x*= 0,055 y*=0,36  3= 9,665 * Tại vị trí mâm 5: x*= 0,36 y*=0,595  2= 2,612 * Tại vị trí mâm 7: x*= 0,605 y*=0,695  7= 1,15 * Tại vị trí mâm 9: x*= 0,72 y*=0,76  9= 1,23  Xác định độ nhớt tại mâm đỉnh theo To, TD: Ta có công thức: µ= (x*. µ(e))+(1- x*). µ(H2O)  µ9= 0,38 µ7= 0,37 µ5= 0,35 µ3= 0,28 µ2= 0,2 Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 19 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh µ1= 0,2 Vậy hiệu xuất tại mỗi mâm: 1.1= 0,825 => E1=0,52 2.2= 1,798 => E2=0,42 3.3= 2,71 => E3=0,39 5.5= 0,91 => E5=0,51 7.7= 0,43 => E7=0,61 9.9= 0,47 => E9=0,62  ETB= E1  E2  E3  E5  E7  E9 = 0,51 6 Với .= E hình 5.24 (GTTK Tập 3). Theo giản đồ x-y ta có số mâm lý thuyết: NLT = 9 mâm Vậy số mâm thực tế (NTT): NTT = N LT 9   17, 65 ETB 0,51 Chọn : NTT = 18 mâm Lê Thị Minh -MSSV:608T1400 20