Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói
riêng và thếgiới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành hóa
chất cơbản.
Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng nhưsửdụng sản phẩm hóa học,
nhu cầu sửdụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độtinh khiết cao phải phù hợp với quy
trình sản suất hoặc nhu cầu sửdụng.
Ngày nay, các phương pháp được sửdụng đểnâng cao độtinh khiết: trích ly, chưng
cất, cô đặc, hấp thu Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sựlựa chọn
phương pháp thích hợp. Đối với hệEtanol - Nước là 2 cấu tửtan lẫn hoàn toàn, ta phải
dùng phương pháp chưng cất đểnâng cao độtinh khiết cho Etanol.
Đồán môn học Quá trình và Thiết bịlà một môn học mang tính tổng hợp trong
quá trình học tập của các kỹsưhoá- thực phẩm tương lai. Môn học giúp sinh viên
giải quyết nhiệm vụtính toán cụthểvề: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một
thiết bịtrong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên đểsinh viên vận
dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đềkỹthuật
thực tếmột cách tổng hợp.
64 trang |
Chia sẻ: lvbuiluyen | Lượt xem: 7111 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu: 1000 kg/h có nồng độ10% mol etanol, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol là 99%, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh
1
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: “thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt
động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1000 kg/h có nồng
độ 10% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ
85% mol etanol với độ thu hồi etanol là 99%.”
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh
2
MỤC LỤC
trang
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 . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP
1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu
2 . Tỉ số hoàn lưu thích hợp
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ THUYẾT
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng
3 . Số mâm lý thuyết
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 . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM
1 . Cấu tạo mâm lỗ
2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh
3
3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :
III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP
1 . Bề dày thân tháp :
2 . Đáy và nắp thiết bị :
3 . Bích ghép thân, đáy và nắp :
4 . Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :
5 . Tai treo và chân đỡ:
CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ
PHỤ
I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
1 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
2 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
3 . Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy
4 . Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy
5 . Thiết gia nhiệt nhập liệu
II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ
III . TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU
1 . Tính chiều cao bồn cao vị
2 . Chọn bơm
CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ
I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ
II . KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh
4
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 nhập liệu : 1000 kg/h có nồng độ 10% mol etanol ,thu được sản phẩm
đỉnh có nồng độ 85% 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.
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh
5
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.
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh
6
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. Tháp mâm xuyên lo. Tháp mâm chóp.
Ưu điểm: - Đơn giản.
- Hiệu suất tương đối
cao. - Hiệu suất cao.
- Trở lực thấp. - Hoạt động khá ổn định. - Hoạt động ổn định.
- Làm việc với chất lỏng
bẩn.
Nhược điểm: - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp.
- Độ ổn định kém.
- Yêu cầu lắp đặt khắt
khe -> lắp đĩa thật phẳng. - Trở lực lớn.
- Thiết bị nặng.
- Không làm việc với
chất lỏng bẩn.
Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và
tháp mâm chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ.
Vậy: Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở
áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
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.
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh
7
* Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:
CH3-CH2-OH CH3-CH2-O- + H+
Hằng số phân ly của etanol: 1810
23
−
−−
=OHCHCHK , 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):
CH3-CH2-OH + NaH CH3-CH2-ONa + H2
Natri etylat
Do 1410
223
−
−−
=< OHOHCHCH KK : 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.
CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O
CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 CH3-COO-C2H5 + H2O
* Phản ứng trên nhóm hydroxyl:
+ Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O
+ Tác dụng với Triclo Phốt pho:
CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl
+ Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 C2H5-NH2 + H2O
+ Phản ứng tạo eter và tách loại nước:
2CH3-CH2-OH (CH3-CH2)2O + H2O
CH3-CH2-OH CH2=CH2 + H2O
* Phản ứng hydro và oxy hoá:
CH3-CH2-OH 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. Nó 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.
Lạnh
H
+
Al2O3
t
o
H2SO4
>150
o
C
H2SO4
>150
o
C
Cu
200-300
o
C
+ Động lực.
+ Rượu mùi.
+ Dấm.
+ Dung môi hữu cơ:pha sơn..
+ Nguyên liệu.
+ Công nghiệp cao su tổng hợp
+ Động lực.
Nhiên liệu.
Etanol
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh
8
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 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 : 18 g / mol
Khối lượng riêng d40 c : 1 g / ml
Nhiệt độ nóng chảy : 00C
Nhiệt độ sôi : 1000 C
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) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y(%phân mol) 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100
t(oC) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4
Nấm men
Zymaza
+ Thuốc súng không khói.
+ Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay.
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh
9
Heä Etanol -Nöôùc
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
x(%mol)
y(%mol)
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh
10
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 . Lưu lượng kế.
5 . Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.
6 . Thiết bị gia nhiệt nhập liệu.
7 . Bẩy hơi.
8 . Tháp chưng cất.
9 . Nhiệt kế.
10 . Ap kế.
11 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
12 . Nồi đun.
13 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.
14 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
15 . Bồn chứa sản phẩm đáy.
16 . Bộ phận phân dòng.
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh
11
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh
12
* Thuyết minh qui trình công nghệ:
Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ khoảng
280C 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 (5) ( 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 đĩa 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 (12) 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 85%
phân mol). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (11) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một
phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (13), được làm nguội
đến 350C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14). 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, 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 (12). 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 (5)
(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 600C được thải bỏ.
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
Năng suất nhập liệu : GF = 1000 (Kg/h) .
Nồng độ nhập liệu : xF = 10%mol etanol.
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh
13
Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 85%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 =28oC .
+ 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 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 , ix : phân mol , phân khối lượng của cấu tử i .
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM
ĐÁY :
Cân bằng vật chất cho toàn tháp : F = D + W (II.1)
Cân bằng cấu tử etanol (cấu tử nhẹ) : F.xF = D.xD + W.xW (II.2)
Tỷ lệ thu hồi (h=99%) : F.xF . h= D.xD (II.3)
Với : * Phân mol nhập liệu : xF = 0,10 (phân mol etanol ).
18).1(.46
x.46
FF
F
F
xx
x
−+
=
=22,12%(theo khối lượng ) .
Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :
MF = 18).1(.46 FF xx −+ = 20,8 (Kg/Kmol).
F =
F
F
M
G
=
8.20
1000
=48,077 (Kmol/h)
* Phân mol sản phẩm đỉnh : xD =0,85 (phân mol etanol) .
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh :
MD = 18).1(.46 DD xx −+ =41,8 (Kg/Kmol).
Giải 3 phương trình (II.1),(II.2),(II.3),ta có :
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh
14
D = 5,600 (Kmol/h)
W = 42,477 (Kmol/h)
xW = 0,0011 (phân mol etanol )
Suy ra , khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy :
MW = 18).1(.46 WW xx −+ = 18,032 (Kg/Kmol).
III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP:
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 .
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 (0,85;0,85) ta kẻ một đường thẳng tiếp tuyến
với đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điểm có yo = 0,26 .
+Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi xo =0 thì
yo = 1min +R
xD
=0,26
Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : Rmin = 2,269
2. Tỉ số hoàn lưu thích hợp:
Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp ,thiết bị ngưng tụ ,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.
Nhận thấy ,tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp ,mà lượng hơi lại tỉ lệ với
lượng lỏng hồi lưu trong tháp ,do trong điều kiện làm việc nhất định thì GD sẽ không
đổi nên lượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1) ,do đó , tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với (R+1).
Ngoài ra ,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối mox hay số mâm lý thuyết Nlt
.Cho nên ,thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số mox*(R+1) .Như vậy, ta có thể
thiết lập quan hệ giữa R và Vtháp theo quan hệ R và mox*(R+1) .Từ đồ thị của quan hệ
này ,ta xác định được điểm cực tiểu của mox*(R+1) ứng với tỉ số hoàn lưu thích hợp R
.
R mox mox*(R+1)
2.496 47.818 167.173
2.723 37.733 140.480
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : Vũ Bá Minh
15
2.973 32.801 130.320
3.023 33.545 134.952
Vậy : Tỉ số hoàn lưu thích hợp là R= 2,973 .
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆCSỐ MÂM LÝ THUYẾT:
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :
y =
1
.
1
.
+
+
+ R
x
x
R
R D
=
1973,2
85,0
.
1973,2
973,2
+
+
+
x
=0,7483 .x + 0.2139
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
y = WxR
f
x
R
fR
.
1
1
.
1 +
−
+
+
+
= 0011,0.
1973,2
1586,8
.
1973,2
586,8973,2
+
−
+
+
+
x
= 2,9094 .x – 0.0022
Với : f =
99,0.1,0
85,0
.
==
ηF
D
x