Phương pháp chưng cất rượu etylic
Phương pháp chưng cất rượu etylic
phÇn I. MỞ ĐẦU
• Giới thiệu chung về dây chuyền sản xuất.
Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏng còng nh các
hỗn hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dùa vào độ bay hơi khác nhau
của các cấu tử trong hỗn hợp. Khi chưng cất, hỗn hợp đầu có bao nhiêu cấu tử
thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản phẩm. Theo đề bài thì hỗn hợp đầu gồm 2
cấu tử là RượuEtylic và Nước nên được gọi là chưng cất hỗn hợp 2 cấu tử.
Sau quá trình chưng cất, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay
hơi lớn hơn(RượuEtylic) và một phần rất Ýt cấu tử có độ bay hơi bé hơn
(Nước). Sản phẩm đáy gồm hầu hết các cấu tử khó bay hơi (Nước) và một
phần rất Ýt cấu tử dề bay hơi (RươuEtylic).
Trong trường hợp này ta dùng tháp chưng luyện loại tháp đệm, làm việc
ở áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi.
PHẦN II. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ.
I.
SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT. (HÌNH 1)
II.
THUYẾT MINH SƠ ĐỒ.
Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm
lên thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị được
khống chế bởi của chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống
thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), quá trình tự chảy này được theo dõi bằng
đồng hồ lưu lượng. Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão
hoà), hỗn hợp đầu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt tới nhiệt độ sôi,
hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm
3
(5). Trong tháp, hơi đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên
xuống, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần. Theo chiều cao
của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng đệm
từ dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ. Quá trình tiếp xúc lỏng –
hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giầu cấu tử dễ bay
hơi, pha lỏng ngày càng giầu cấu tử khó bay hơi. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta
sẽ thu được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (RượuEtylic) và một phần rất Ýt cấu
tử khó bay hơi(Nước). Hỗn hợp hơi này được đi vào thiết bị ngưng tụ (6) và
tại đây nó được ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh). Một phần chất
lỏng sau ngưng tụ chưa đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng (7) để hồi
lưu trở về đỉnh tháp, phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (8) để làm
lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (10).
Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ
dưới lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu
tử khó bay hơi trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi xuống. Do đó nồng độ cấu tử khó
bay hơi trong pha lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn
hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Nước) và một phần rất Ýt cấu tử
dễ bay hơi (RượuEtylic), hỗn hợp lỏng này được đưa ra khỏi đáy tháp, qua
thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (11), một
phần được tận dụng đưa vào nồi đun sôi đáy tháp (9) dùng hơi nước bão hoà.
Thiết bị (9) này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo
dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp). Nước ngưng của thiết bị gia nhiệt được
tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (12).
Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản
phẩm được lấy ra liện tục.
III.
CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP ĐỆM.
Trong tháp đệm có 3 chế độ thuỷ động là chế độ chảy dòng, chế độ quá
độ và chế độ xoáy.
4
Khi vận tốc khí bé, lực hót phân tử lớn hơn và vượt lực lỳ. Lúc này quá
trình chuyển khối được xác định bằng dòng khuyếch tán phân tử. Tăng vận
tốc lên lực lỳ trở nên cân bằng với lực hót phân tử. Quá trình chuyển khối lúc
này không chỉ được quyết định bằng khuyếch tán phân tử mà cả bằng
khuyếch tán đối lưu. Chế độ thuỷ động này gọi là chế độ quá độ. Nếu ta tiếp
tục tăng vận tốc khí lên nữa thì chế độ quá độ sẽ chuyển sang chế độ xoáy.
Trong giai đoạn này quá trình khuyếch tán sẽ được quyết định bằng khuyếch
tán đối lưu.
Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện
tượng đảo pha. Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ tháp và trở thành pha liên
tục, còn pha khí phân tán vào trong chất lỏng và trở thành pha phân tán. Vận
tốc khí ứng với thời điểm này gọi là vận tốc đảo pha. Khí sục vào lỏng và tạo
thành bọt vì thế trong giai đoạn này chế độ làm việc trong tháp gọi là chế độ
sủi bọt. Ở chế độ này vận tốc chuyển khối tăng nhanh, đồng thời trở lực cũng
tăng nhanh.
Trong thực tế, ta thường cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận
tốc nhỏ hơn vận tốc đảo pha mét Ýt vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn
sủi bọt là mạnh nhất, nhưng vì trong giai đoạn đó ta sẽ khó khống chế quá
trình làm việc.
Ưu điểm của tháp đệm:
+ Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn.
+ Cấu tạo tháp đơn giản.
+ Trở lực trong tháp không lớn lắm.
+ Giới hạn làm việc tương đối rộng.
Nhược điểm.
+ Khó làm ướt đều đệm.
+ Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều.
IV.
BẢNG KÊ CÁC KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG TRONG BẢN ĐỒ
ÁN.
5
- F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- P: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- W: Lượng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
-
Các chỉ sè
F, P, W, A, B
: tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp
đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy củaRượuEtylic và Nước.
-
a: nồng độ phần khối lượng, RượuEtylic kg /kg hỗn hợp
-
x: nồng độ phần mol, kmol RượuEtylic /kmol hỗn hợp
-
M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol
-
µ: độ nhít, Ns/m2
-
ρ: khối lượng riêng, kg/m3
-
Các chỉ sè
A, B, x, y, hh
: tương ứng chỉ đại lượng thuộc về cấu tử
RượuEtylic, Nước, thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp.
-
Ngoài ra các ký hiệu cụ thể khác được định nghĩa tại chỗ.
6
Phần IIi. Tính toán thiết bị chính
I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU.
I.1. Tính toán cân bằng vật liệu.
I.1.1. Hệ phương trình cân bằng vật liệu.
- Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp.
F=P+W
[II – 144]
[II – 144]
- Đối với cấu tử dễ bay hơi
FaF = Pap + Waw
[II – 144]
[II – 144]
- Lượng sản phẩm đỉnh là:
P = F.
aF − aw
a p − aw
Trong đó:
F: năng suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h
aF, ap, aw: lần lượt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm
đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lượng
Đầu bài cho F = 3200(kg/h).
Vậy ta có lượng sản phẩm đỉnh là:
P = F.
aF − aw
0,42 − 0,03
= 3200
= 1386,67 (kg/h)
a p − aw
0,93 − 0,03
- Lượng sản phẩm đáy là:
W = F -P = 3200-1386,67= 1813,33 (kg/h)
I.1.2. Đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol của aF, ap, aw.
Áp dụng công thức
7
x=
aA
MA
[II – 126]
aA
a
+ B
MA MB
Trong đó:
aA, aB: nồng độ phần khối lượng của RượuEtylic và Nước.
Ma, MB: khối lượng mol phân tử củaRượuEtylic và Nước.
Với M A = M C2 H 6 o = 46 (kg/kmol)
M B = M H 2O = 18
(kg/kmol)
Thay số liệu vào ta có:
aF
0,42
MA
46
=
= 0,221 (phần mol)
xF =
0
,
42
1 − 0,42
(
)
aF
1 − aF
+
+
46
18
MA
MB
aP
0,93
MA
46
=
= 0,839 (phần mol)
xP =
a P (1 − a P ) 0,93 + 1 − 0,93
+
46
18
MA
MB
aw
0,03
MA
46
=
= 0,012 (phần mol)
xw =
a w (1 − a w ) 0,03 1 − 0,03
+
+
46
18
MA
MB
I.1.3. Tính khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm
đỉnh, sản phẩm đáy.
Theo công thức: M = x.MA + (1 – x)MB
Trong đó:
M: khối lượng phân tử trung bình, kg/kmol
x: nồng độ phần mol
- Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh.
Mp = xp.MA + (1 – xp)MB
Mp = 0,839.46+(1- 0,839).18
Mp = 41,482 kg/kmol
8
- Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu.
MF = xF.MA + (1 – xF)MB
MF = 0,221.46 +(1- 0,221).18
MF = 24,188(kg/kmol)
- Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy.
Mw = xw.MA + (1 – xw)MB
Mw = 0,012.46 +(1- 0,012).18
Mw = 18,336 (kg/kmol)
I.1.4. Đổi đơn vị của F, P, W từ kg/h sang kmol/h
F=
F ( kg / h )
3200
=
= 132,297(kmol / h)
MF
24,188
P=
P( kg / h ) 1386,67
=
= 33,43(1kmol /
Mp
41,48
W =
W ( kg / h ) 1813,33
=
= 98,89( kmol / h)
Mw
18,336
I.1.5. Lượng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh:
f =
F 132,297
=
= 3,957
P
33,43
I.2. Xác định số bậc thay đổi nồng độ.
I.2.1. Xác định Rmin dùa trên đồ thị y – x.
Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng sau: [II – 145]
Bảng 1.
x 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
33,
44,
53.
57.
61.
65.
69.
75.
81.
89.
10
2
1
86. 83.
6
81.
4
80.
4
4
79.
3
10
2
90.
8
78.
8
78.
0
78.
0
5
7
8
6
4
4
y 0
t
5
10
5
.2
80
4
79
Hỗnhợ
p đẳng
phí
89.4
78.15
9
- Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đường nồng độ cân bằng lỏng(x)_
hơi(y) ta có:Bm ax=0.44 (kẻ tiếp tuyến với đường nồng độ cân bằng cắt trục
tung ở đâu đó là Bm ax).mà
Bmax =
xp
Rmin + 1
Rmin=0,906
-Cho các giá trị từ 1đến 7 của B r’1 = 37320,01.0,012 + (1 – 0,012).40571,66
r’1 = 40532,64 kJ/kmol
Thay vào hệ phương trình trên ta được:
G’1 = g’1 + 98,89
G’1. x’1 = g’1.0,01202 + 98,89.0,012
g’1.40532,64=145,588.40686,78
Giải hệ phương trình trên ta được:
g’1 = 146,14 kmol/h
G’1 = 245,03 kmol/h
x’1 = 0,01201 phan mol
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:
g1 + g '1 145,588 + 146,14
g tbC = =
= 145,864
2
2
'
kmol/h.
II.2.2. Tính khối lượng riêng trung bình
• Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo
ρ ytb =
ytb1 .M A + (1 − ytb1 ).M B
22,4.T
.273 , kg/m3.
[II - 183]
[II - 183]
Trong đó:
MA MB: khối lượng phần mol của cấu tử Rượu Etylic và Nước
20
T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K.
ytbc: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình
ytbC =
y d1 + yc1
[II - 183]
2
[II - 183]
Với y d1 , y c1 : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol.
y d1 = y’1 = yw = 0,01202 phần mol
yc1 = y1 = 0,359 phần mol
⇒ ytbC =
y d1 + yc1
=
2
0,01202 + 0,359
= 0,1855 phần mol
2
Với ytbC = 0,1855 phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta
được ttb0 C = 94,69 0 C
T = 94,69 + 273 = 367,69 0K.
Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng là:
ρ ytb =
ρ ytb =
ytb1 .M 1 + (1 − ytb1 ).M 2
22,4.T
.273
0,1855.46 + (1 − 0,1855).18
.273 = 0,7687 kg/m3.
22,4.367,69
• Khối lượng riêng trung bình đối với pha láng
atb 1 − atb1
1
3
= 1 +
ρ xtb ρ xtb
ρ xtb , kg/m
1
[II - 183]
2
[II - 183]
Trong đó:
ρ x : khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3.
tb
ρ xtb , ρ xtb : khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo
1
2
nhiệt
độ trung bình, kg/m3.
atb1 : phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha láng.
21
atb1 =
a F + a1'
2
Với a’1: nồng độ phần khối lượng của pha lỏng ở đĩa dưới cùng của đoạn
chưng.
Ta có: a’1 = x’1 = 0,03 phần khối lượng
⇒ atb1 =
o
t tb
:
aF + a1' 0,42 + 0,03
=
= 0,225 phần khối lượng
2
2
nhiệt độ trung bình của đoạn chưng theo pha láng
xtb1 =
x F + x1'
2
Với xtbC = 0,1165 phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta
được t x0tb = 99,780 C
Ứng với t0 = 91,315 0C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được:
ρ xtb = 724,25 kg/m3.
1
ρ xtb = 964,079
kg/m3.
2
Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chưng là:
atb
1 − atb1
1
= 1 +
= 0,225 + 1 − 0,225
724,25
964,079
ρ xtb ρ xtb
ρ xtb
1
⇒ ρ xtb = 897,23
2
kg/m3
II.2.3. Tính tốc độ hơi đi trong đoạn chưng
-
Các công thức còng nh ý nghĩa các ký hiệu có trong các công thức
tính tốc độ hơi đi trong đoạn chưng tương tù nh trong đoạn luyện, chỉ khác về
trị số nên trong phần này không giải thích lai.
• Tính Gx, Gy.
Ta có Gy = g’tb.Mytbc = 145,864.23,194=3383,17 kg/h
⇒ G yC =
G xC =
3383,17
= 0,93977
3600
kg/s
G1 + F + G1' 112,158 + 132,297 + 237,846
=
= 241,150
2
2
kmol/h
22
- Xem thêm -