THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT GIỮA SẢN PHẨM ĐÁY VÀ NHẬP LIỆU TRONG HỆ THỐNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN HỢP ETHANOL – NƯỚC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG. (Autocad + thuyết minh chi tiết)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.33 MB, 100 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
--------------------
ĐỒ ÁN MƠN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
TÊN ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT GIỮA SẢN PHẨM ĐÁY VÀ NHẬP LIỆU
TRONG HỆ THỐNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ
CHƯNG CẤT HỖN HỢP
ETHANOL – NƯỚC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG.
SVTH:
GVHD:
Huỳnh Kiều Trang
Nguyễn Thị Bích Trâm
Th.S, GVC Vũ Bá Minh
18128065
18128066
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
---oOo--NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY VÀ THIẾT BỊ
Giáo viên hướng dẫn: VŨ BÁ MINH
Họ và tên sinh viên thực hiện:
MSSV
1.
HUỲNH KIỀU TRANG
18128065
2.
NGUYỄN THỊ BÍCH TRÂM
18128066
1. Tên đồ án: THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
2. Nhiệm vụ của đồ án: Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt giữa sản
phẩm đáy và nhập liệu trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ họat động
liên tục để chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước ở áp suất thường.
3. Các số liệu ban đầu:
Năng suất nguyên liệu: 5.000 kg/h
Nhập liệu có nồng độ là 20% mol Ethanol
Nồng độ sản phẩm đỉnh là 85% mol Ethanol
Tỷ lệ thu hồi Ethanol là 98%
Các số liệu khác tự chọn
4. Yêu cầu về phần thuyết minh và tính tốn:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
Tổng quan về sản phẩm, tháp chưng cất, thiết bị trao đổi nhiệt.
Đề nghị qui trình chưng cât
Tính cân bằng vật chất-năng lượng
Tính tóan số mâm thực tế tháp chưng cất
Tính tóan cấu tạo THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT.
Tính các thiết bị phụ có trong qui trình
Lập bảng tính khối lượng vật tư và chi phí chế tạo thiết bị trao
đổi nhiệt.
8) Kết luận
5.
Yêu cầu về trình bày bản vẽ
01 bản vẽ qui trình khổ A1 (bản khổ A4 kẹp trong tập
thuyết minh)
01 bản vẽ cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt khổ A1
6.
Yêu cầu khác:
7.
Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 1/3/2021
8.
Ngày hồn thành đồ án: 14/6/2021. Các qui định theo
thơng cáo của bộ mơn.
TRƯỞNG BỘ MƠN
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 3
năm 2021
Giảng viên hướng dẫn
2
VŨ BÁ MINH
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
---------------------------------
MƠN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703
1. GVHD: Th.S, GVC Vũ Bá Minh
2. Sinh viên: Huỳnh Kiều Trang
3. MSSV: 18128065
4. Tên đề tài: Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt giữa sản phẩm đáy và nhập liệu trong hệ thống tháp
mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước ở áp suất thường.
5. Kết quả đánh giá:
STT
Nội dung
Thang
điểm
Điểm
số
1,0
2,0
0,5
0,5
2,0
0,75
0,5
0,75
9,0
1
Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế
0 – 1,0
2
Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị
0 – 2,5
3
Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế
0 – 0,75
4
Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế
0 – 0,75
5
Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng
0 – 2,5
6
Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic
0 – 1,0
7
Hồn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm
0 – 0,75
8
Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao
0 – 0,75
TỔNG ĐIỂM (Chín điểm……………………………………….)
10
Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm
6. Các nhận xét khác (nếu có): Cả nhóm tích cực hồn thành tốt nhiệm vụ được giao
7. Kết luận Được phép bảo vệ : X
Không được phép bảo vệ :
Ngày 16 tháng 8 năm 2021
3
Người nhận xét
(Ký &
ghi rõ họ tên)
Vũ Bá Minh
4
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
---------------------------------
MƠN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703
1. GVHD: Th.S, GVC Vũ Bá Minh
2. Sinh viên: Nguyễn Thị Bích Trâm
3. MSSV: 18128066
4. Tên đề tài: Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt giữa sản phẩm đáy và nhập liệu trong hệ thống tháp
mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước ở áp suất thường.
5. Kết quả đánh giá:
STT
Nội dung
Thang
điểm
Điểm
số
1,0
2,0
0,75
0,75
2,0
1,0
0,75
0,75
9,0
1
Xác định được đối tượng và u cầu thiết kế
0 – 1,0
2
Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị
0 – 2,5
3
Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế
0 – 0,75
4
Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế
0 – 0,75
5
Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng
0 – 2,5
6
Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic
0 – 1,0
7
Hồn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm
0 – 0,75
8
Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao
0 – 0,75
TỔNG ĐIỂM (Chín điểm……………………………………….)
10
Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm
6. Các nhận xét khác (nếu có) Cả nhóm tích cực hồn thành tốt nhiệm vụ được giao
7. Kết luận Được phép bảo vệ : X
Không được phép bảo vệ :
Ngày 16 tháng 8 năm 2021
Người nhận xét
(Ký &
ghi rõ họ tên)
5
Vũ Bá Minh
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
---------------------------------
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
MƠN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703
1. GVPB: ThS. Trần Tấn Đạt
2. Sinh viên: Huỳnh Kiều Trang
3. MSSV: 18128065
4. Tên đề tài: Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt giữa sản phẩm đáy và nhập
liệu trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ họat động liên tục để chưng
cất hỗn hợp Ethanol – Nước ở áp suất thường.
5. Kết quả đánh giá:
STT
Nội dung
Thang
Điểm
điểm
số
1
Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị
0 – 2,5
2
Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng
0 – 2,5
3
Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic
0 – 1,0
4
Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án
0 – 1,0
5
Trả lời được các câu hỏi phản biện
0 – 3,0
TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……………………………………….)
10
Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm
6. Các nhận xét khác (nếu có)
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Ngày …… tháng 08 năm 2021
Người phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)
6
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
---------------------------------
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
MƠN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703
1. GVPB: ThS. Trần Tấn Đạt
2. Sinh viên: Nguyễn Thị Bích Trâm
3. MSSV: 18128066
4. Tên đề tài: Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt giữa sản phẩm đáy và nhập
liệu trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ họat động liên tục để chưng
cất hỗn hợp Ethanol – Nước ở áp suất thường.
5. Kết quả đánh giá:
STT
Nội dung
Thang
Điểm
điểm
số
1
Lập qui trình cơng nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị
0 – 2,5
2
Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng
0 – 2,5
3
Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic
0 – 1,0
4
Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án
0 – 1,0
5
Trả lời được các câu hỏi phản biện
0 – 3,0
TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……………………………………….)
10
Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm
6. Các nhận xét khác (nếu có)
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Ngày …… tháng 08 năm 2021
Người phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)
7
LỜI CẢM ƠN
Đồ án mơn học có thể được coi là một cơng trình khoa học nhỏ. Do
vậy để hồn tất một đề tài đồ án là một công việc khơng phải dễ đối
với sinh viên chúng em.
Qua q trình thực hiện đồ án, chúng em đã được mở rộng tầm nhìn
và tiếp thu rất nhiều kiến thức thực tế. Từ đó em nhận thấy, việc cọ
sát thực tế là vơ cùng quan trọng – nó giúp sinh viên xây dựng nền
tảng lý thuyết được học ở trường vững chắc hơn. Tuy cịn gặp phải
rất nhiều khó khăn nhưng với sự giúp đỡ tận tình của q thầy cơ
của trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh và đặc
biệt là thầy Th.S, GVC Vũ Bá Minh đã tận tâm chỉ bảo hướng dẫn em
qua từng buổi học, từng buổi thảo luận về đề tài. Nhờ đó, đồ án này
của chúng em đã hoàn thành. Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân
thành nhất đến thầy.
Mặc dù chúng em đã rất cố gắng nhưng do thời gian, kiến thức và
kinh nghiệm có hạn nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót trong
việc trình bày, tính tốn và đánh giá. Chúng em rất mong nhận được
sự thông cảm và đóng góp ý kiến từ q thầy cơ và các bạn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
8
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.............................................................1
1.1. Tổng quan về sản phẩm.....................................................1
1.2. Sơ lược về thiết bị...............................................................3
CHƯƠNG 2. QUY TRÌNH CHƯNG CẤT.........................................15
CHƯƠNG 3. CÂN BẰNG VẬT CHẤT.............................................17
3.1. Số liệu đầu vào.................................................................17
3.2. Các kí hiệu sử dụng..........................................................17
3.3. Tính cân bằng vật chất.....................................................17
3.4. Xác định tỉ số hồi lưu thích hợp........................................19
3.5. Phương trình làm việc và số mâm thực tế........................20
CHƯƠNG 4. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG......................................25
4.1. Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất...............25
4.2. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ.....................26
4.3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 27
4.4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị trao đổi nhiệt sản phẩm đáy
................................................................................................27
4.5. Cân bằng nhiệt cho thiết bị đun sơi dịng nhập liệu.........28
CHƯƠNG 5. TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT GIỮA DÒNG SẢN
PHẨM ĐÁY VÀ NHẬP LIỆU............................................................30
5.1. Tính tốn..........................................................................30
CHƯƠNG 6. TÍNH TỐN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ CHÍNH...............46
6.1. Tính tốn bề dày thân thiết bị..........................................46
6.2. Nắp (đáy) nồi chưng cất...................................................47
6.3. Bích ghép thân và nắp (đáy)............................................49
6.4. Bích ghép các ống dẫn.....................................................51
6.5. Đệm..................................................................................53
6.6. Bulong..............................................................................53
6.7. Vỉ ống...............................................................................54
6.8. Chân đỡ............................................................................54
6.9. Tấm ngăn.........................................................................55
9
6.10. Tính tốn sơ bộ khối lượng thiết bị.................................57
CHƯƠNG 7. TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ.......................................59
7.1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.....................................59
7.2. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu...............................................63
7.3. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy.......................................67
7.4. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh....................................71
7.5. Bồn cao vị.........................................................................76
7.6. Bơm..................................................................................81
CHƯƠNG 8. GIÁ THÀNH THIẾT BỊ...............................................83
8.1. Tính tốn giá thành thiết bị..............................................83
TỔNG KẾT...................................................................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................86
10
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần cân bằng lỏng – hơi hệ hai cấu tử Ethanol – Nước.....2
Bảng 3.1. Cân bằng vật chất cho tháp chưng cất...............................................18
Bảng 4.1. Nhiệt dung riêng của cấu tử theo nhiệt độ.........................................25
Bảng 4.2. Nhiệt hóa hơi của cấu tử theo nhiệt độ..............................................26
Bảng 4.3. Nhiệt dung riêng của cấu tử theo nhiệt độ.........................................27
Bảng 4.4. Nhiệt dung riêng của cấu tử theo nhiệt độ.........................................28
Bảng 4.5. Nhiệt dung riêng của cấu tử theo nhiệt độ.........................................28
Bảng 4.6. Tổng kết sau khi tính cân bằng nhiệt.................................................29
Bảng 5.1. Thơng số vật lí của hỗn hợp sản phẩm đáy ở 74,5oC.........................31
Bảng 5.2. Thơng số vật lí của dịng nhập liệu ở 45,64 oC..................32
Bảng 5.3. Thơng số vật lí của dịng nhập liệu ở 53,4oC....................33
Bảng 5.4. Thơng số vật lí của dịng nhập liệu ở 54,72 oC.................37
Bảng 5.5. Thơng số vật lí của dịng nhập liệu ở 54,186oC...............41
Bảng 6.1. Thơng số của đáy và nắp thiết bị trao đổi nhiệt.................................49
Bảng 6.2. Các thông số của bích được chọn......................................................49
Bảng 6.3. Các thơng số cơ bản của mặt bích.....................................................52
Bảng 6.4. Khoảng cách tối đa giữa các tấm ngăn..............................................56
Bảng 6.5. Bề dày tối thiểu của tấm ngăn...........................................................56
Bảng 7.1. Thơng số vật lí của dịng nhập liệu ở 72,64oC...................................63
Bảng 7.2. Thơng số vật lí của dịng sản phẩm đỉnh ở 59,5oC............................71
Bảng 7.3. Thơng số vật lí của dịng sản phẩm đỉnh ở 55oC...............................75
Bảng 7.4. Thơng số vật lí của dịng nhập liệu ở 30oC........................................77
Bảng 8.1. Bảng đơn giá vật tư...........................................................................83
11
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc phân tử Ethanol............................................1
Hình 1.2. Cấu trúc phân tử Nước................................................2
Hình 1.3. Đồ thị cân bằng hệ lỏng – hơi hai cấu tử Ethanol – Nước 3
Hình 1.4. Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và thành phần của hệ Ethanol
– Nước.........................................................................................3
Hình 1.5. Thiết bị trao đổi nhiệt xi dịng.................................5
Hình 1.6. Thiết bị trao đổi nhiệt ngược dịng .............................5
Hình 1.7. Thiết bị trao đổi nhiệt chéo nhau................................6
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt ống
chùm...........................................................................................7
Hình 1.9. Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động tổng quát thiết bị
trao đổi nhiệt ống chùm.............................................................7
Hình 1.10. Cấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm. 7
Hình 1.11. Mặt sàng ống.............................................................9
Hình 1.12. Mặt sáng ống kép......................................................9
Hình 1.13. Tiết diện vỏ và sơ đồ bố trí tấm chắn dịng thiết bị trao
đổi nhiệt kiểu ống chùm.............................................................9
Hình 1.14. Các dạng tấm chia khoang......................................10
Hình 1.15. Một số kiểu hình dạng và cách bố trí vách ngắn, chùm
ống thơng dụng (dạng hình viên phân đơn).............................11
Hình 1.16. Một số kiểu hình dạng và cách bố trí vách ngắn, chùm
ống thơng dụng (dạng hình viên phân kép).............................11
Hình 1.17. Một số sơ đồ dòng chảy tương ứng với kiểu và cách bố trí
vách ngăn thơng dụng..............................................................12
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình chưng cất.........................................15
Hình 3.1. Xác định R tối thiểu theo phương pháp vẽ tiếp tuyến19
Hình 3.2. Đồ thị thể hiện số mâm lý thuyết..............................21
Hình 3.3. Giản đồ t theo x – y ..................................................22
Hình 5.1. Dịng nhiệt ra vào của thiết bị trao đổi nhiệt............30
Hình 5.2. Mơ hình lưu chất chuyển động ngang bên ngoài một chùm
ống............................................................................................34
12
Hình 5.3. Đồ thị biểu diễn q1 và q2............................................40
Hình 6.1. Đáy và nắp elip.........................................................48
Hình 6.2. Mặt bích.....................................................................49
Hình 6.3. Cấu tạo bích liền khơng có cổ chuyển tiếp................51
Hình 6.4. Chân đỡ.....................................................................55
Hình 6.5. Ngăn hình viên phân.................................................55
Hình 6.6. Ngăn hình trịn và vành khăn....................................55
Hình 6.7. Các cách lắp tấm ngăn ở nắp....................................56
13
MỞ ĐẦU
Trong xã hội hiện nay, ngành hóa đóng vai trị quan trọng hàng đầu
trong ngành cơng nghiệp của cả các nước phát triển và các nước
đang phát triển do nhu cầu sử dụng hóa chất nhằm sản xuất ra các
sản phẩm công nghiệp phục vụ cuộc sống con người ngày càng
nhiều.
Trong tất cả các loại hóa chất thì dung mơi là loại có nhu cầu sử dụng
nhiều nhất. Dung mơi được dùng cho những quy trình cơng nghệ
(trích ly, hấp thu,...) trong việc sản xuất thực phẩm, dược phẩm, hóa
chất,... phục vụ trong đời sống, nghiên cứu khoa học hay trong giảng
dạy. Độ tinh khiết của hóa chất cao hay thấp tùy vào mục đích sử
dụng, tuy nhiên, hóa chất có độ tinh khiết cao, giá thành rẻ ln là
lựa chọn hàng đầu của người sử dụng.
Để tăng độ tinh khiết cho hóa chất, có rất nhiều phương pháp được
sử dụng: hấp thu, chưng cất, trích ly, cơ đặc,... Tùy theo yêu cầu, bản
chất của hóa chất mà phương pháp cần được lựa chọn thích hợp. Đối
với hệ hai cấu tử tan vào nhau Ethanol và Nước thì ta sử dụng
phương pháp chưng cất để tăng độ tinh khiết cho Ethanol.
Nhiệm vụ đồ án: Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt giữa sản phẩm đáy
và nhập liệu trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục
để chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước ở áp suất thường
Năng suất sản phẩm đỉnh là 5.000 kg/h
Nhập liệu có nồng độ rượu là 20% mol Ethanol
Nồng độ sản phẩm đỉnh là 85% mol Ethanol
Tỷ lệ thu hồi Ethanol: 98%. Trong q trình thực hiện đồ án khơng
thể tránh khỏi những sai sót, chúng em mong q thầy cơ góp ý
hướng dẫn để đồ án được hoàn thiện hơn.
14
15
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về sản phẩm
Nguyên liệu của quá trình chưng cất là hỗn hợp Ethanol – Nước.
1.1.1. Ethanol
Ethanol (rượu ethylic) là một chất lỏng không màu, trong suốt, có mùi đặc trưng, dễ
bay hơi, nhẹ hơn nước và tan vô hạn trong nước.
Một số thông số hóa lí:
-
Cơng thức phân tử: C2H5OH
-
Khối lượng phân tử: 46,07 g/mol
-
Khối lượng riêng tại 250C: 0,789 g/cm3
-
Nhiệt độ nóng chảy tại 760 mmHg: -114,30C
-
Nhiệt độ sôi tại 760 mmHg: 78,50C
Ứng dụng: Ethanol đóng vai trị quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Đây là một
nguyên liệu dùng để sản xuất nhiều mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi
trong các ngành công nghiệp nặng, y tế, dược, quốc phịng, giao thơng vận tải, dệt, chế
biến gỗ, nơng nghiệp,...
Hình 1.1. Cấu trúc phân tử Ethanol
1.1.2. Nước
Nước là một chất lỏng không màu, không mùi, không vị. Đây là một hóa chất quan
trọng trong đời sống và sản xuất cơng nghiệp, chiếm ¾ diện tích Trái Đất.
Một số thơng số hóa lí:
-
Cơng thức phân tử: H2O
1
-
Khối lượng phân tử: 18g/mol
-
Khối lượng riêng tại 25oC: 0,997 g/cm3
-
Nhiệt độ nóng chảy tại 760 mmHg: 0oC
-
Nhiệt độ sơi tại 760 mmHg: 100oC
Ứng dụng: Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hịa tan nhiều hóa chất,
được sử dụng rộng rãi trong đời sống và là dung mơi quan trọng trong kỹ thuật hóa
học và sản xuất cơng nghiệp.
Hình 1.2. Cấu trúc phân tử Nước
1.1.3. Hỗn hợp Ethanol – Nước
Hỗn hợp Ethanol – Nước: Thể tích hỗn hợp nhỏ hơn tổng thể tích thành phần với một
tỷ lệ nhất định. Khi trộn lẫn cùng một thể tích ethanol và nước chỉ tạo thành 1,92 thể
tích hỗn hợp. Hỗn hợp khơng có điểm đẳng phí trong đó Ethanol là cấu tử dễ bay hơi.
Hỗn hợp Ethanol – Nước có thành lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp
Ethanol – Nước ở 760 mmHg như bảng (theo phần mol cấu tử nhẹ):
Bảng 1.1. Thành phần cân bằng lỏng – hơi hệ hai cấu tử Ethanol – Nước
x
0
0,05
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
y
0
0,332
0,442
0,531
0,576
0,614
0,654
0,699
0,753
0,818
0,898
1
t, 0C
100
90,5
86,5
83,2
81,7
80,8
80
79,4
79
78,6
78,4
78,4
Với:
x: mol thành phần lỏng của Ethanol
y: mol thành phần hơi của Ethanol
2
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
100
90
80
Nhiệt độ (oC)
70
60
50
40
30
20
10
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Phần mol Ethanol
Hình 1.3. Đồ thị cân bằng hệ
lỏng – hơi hai cấu tử Ethanol – Nước
Nhiệt độ - thành phần pha x
Nhiệt độ - thành phần pha y
Hình 1.4. Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và thành phần của hệ Ethanol – Nước
1.2. Sơ lược về thiết bị
1.2.1. Lý thuyết về chưng cất
3
Chưng cất là quá trình phân tách các cấu tử của một 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 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 cơ đặc, chưng
cất là q trình trong đó cả dung mơi và chất tan đều bay hơi, cịn cơ đặc là q trình
trong đó chỉ có dung mơi bay hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thông thường, bao nhiêu cấu tử sẽ thu
được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 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 sơi thấp)
và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé. Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ
bay hơi bé (nhiệt độ sơi cao) và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn.
Đối với hệ Ethanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm Ethanol và một ít nước, ngược
lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít Ethanol.
Do sản phẩm là Ethanol có u cầu độ tinh khiết cao khi sử dụng, đồng thời, hỗn hợp
Ethanol – Nước là hỗn hợp khơng có điểm đẳng phí nên ta chọn phương pháp chưng
cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun áp suất thường để đạt hiệu quả cao nhất.
1.2.2. Thiết bị trao đổi nhiệt
1.2.2.1. Khái niệm về thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện các quá trình trao đổi nhiệt giữa
các chất mang nhiệt. Thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng rộng rãi và đóng vai trị quan
trọng trong lĩnh vực cơng nghệ kỹ thuật.
1.2.2.2. Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt
Theo nguyên lý làm việc:
-
Thiết bị trao đổi nhiệt tiếp xúc: là loại thiết bị trao đổi nhiệt trong đó chất gia cơng
và mơi chất tiếp xúc nhau, thực hiện cả q trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất tạo
ra một hỗn hợp.
-
Thiết bị trao đổi nhiệt hồi nhiệt: là loại thiết bị trao đổi nhiệt có mặt trao đổi nhiệt
được quay, khi tiếp xúc chất lỏng 1 mặt nhận nhiệt, khi tiếp xúc chất lỏng 2 mặt tỏa
nhiệt. Quá trình trao đổi nhiệt là không ổn định và trong mặt trao đổi nhiệt có sự
dao động nhiệt.
4
-
Thiết bị trao đổi nhiệt vách ngăn: là loại thiết bị trao đổi nhiệt có vách rắn ngăn
cách chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh, 2 chất lỏng này trao đổi nhiệt theo nguyên lí
truyền nhiệt. Loại thiết bị trao đổi nhiệt cách ngăn đảm bảo độ kín tuyệt đối giữa
hai chất, làm cho chất gia công được tinh khiết, vệ sinh, an tồn. Do đó, thiết bị này
được sử dụng rộng rãi trong mọi công nghệ.
-
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt: là loại thiết bị trao đổi nhiệt dùng ống nhiệt
để truyền tải nhiệt từ chất lỏng nóng đến chất lỏng lạnh. Mơi chất trong các ống
nhiệt nhận nhiệt từ chất lỏng 1, sơi và hóa hơi thành hơi bão hịa khơ, truyền đến
vùng tiếp xúc chất lỏng 2, ngưng thành lỏng rồi quay về vùng nóng để lặp lại chu
trình. Trong ống nhiệt, mơi chất sơi, ngưng và chuyển động tuần hoàn, tải một
lượng nhiệt lớn từ chất lỏng 1 đến chất lỏng 2.
Theo sơ đồ chuyển động chất lỏng (thiết bị có vách ngăn)
-
Thiết bị trao đổi nhiệt xi dịng
Hình 1.5. Thiết bị trao đổi nhiệt xi dịng
-
Thiết bị trao đổi nhiệt ngược dịng
Hình 1.6. Thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng
-
Thiết bị trao đổi nhiệt giao dòng (chéo nhau)
5
Hình 1.7. Thiết bị trao đổi nhiệt chéo nhau
Nhằm đảm bảo tận dụng nhiệt ở sản phẩm đáy một cách an toàn và đảm bảo độ tinh
khiết cho nhập liệu, đồ án này sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ngược dòng.
1.2.3. Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
1.2.3.1. Giới thiệu
Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm có diện tích trao đổi nhiệt rất lớn, có thể tới hàng
trăm, hàng nghìn mét vng, hệ số trao đổi nhiệt cao. Vì vậy, thiết bị trao đổi nhiệt
dạng ống chùm được sử dụng rộng rãi trong cơng nghệ hóa chất và thực phẩm.
Cấu tạo chung: Chùm ống lắp vào vỉ ống, được bọc ngồi bằng vỏ hình trụ, hai đầu có
nắp đậy. Trong thiết bị có hai khơng gian riêng biệt: khoảng trống bên trong vỏ không
bị ống chiếm chỗ (khoảng không gian giữa các vỉ ống) và không gian gồm phần rỗng ở
trong các ống cùng hai không gian giới hạn giữa vỉ ống với nắp (không gian trong
ống). Lưu chất trong mỗi không gian chuyển động và trao đổi nhiệt với nhau qua thành
ống.
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt gián tiếp giữa
hai lưu chất chuyển động bên trong và bên ngoài ống trao đổi nhiệt. Để tăng cường
hiệu quả trao đổi nhiệt, người ta tạo ra chiều chuyển động của lưu thế trong và ngồi
ống theo phương vng góc hoặc chéo dòng. Để phân phối lưu chất trong và ngoài
ống, người ta tạo ra hai khoang để phân phối lưu chất trong và ngoài ống khác nhau.
Lưu chất chảy ngồi ống được chứa trong vỏ trụ cịn lưu chất chảy trong lòng ống
được chứa khoang đầu và trong lòng ống. Tồn bộ bó ống được đặt trong vỏ trụ.
6
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
Hình 1.9. Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
1.2.3.2. Cấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
Hình 1.10. Cấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
Ống trao đổi nhiệt:
7
Là thành phần cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, bề mặt của chúng
chính là bề mặt truyền nhiệt giữa hai lưu thể trong và ngoài ống. Các ống trao đổi nhiệt
được gắn vào mặt sang bằng phương pháp nong hay hàn. Ống trao đổi nhiệt thường
bằng đồng hoặc bằng thép hợp kim. Ngoài ra trong một số trường hợp ống trao đổi
nhiệt được chế tạo từ hợp kim Niken, Titanium hoặc hợp kim nhôm.
Khi một lưu chất có hệ số truyền nhiệt thấp hơn nhiều so với chất kia. Chọn thiết bị có
ống trao đổi nhiệt trơn hoặc ống được tăng cường bề mặt bằng các cánh. Với kết cấu
ống này có tăng bề mặt trao đổi nhiệt so với ống trơn từ 2 đến 4 lần cho phép bù lại hệ
số truyền nhiệt ở phía ngồi ống.
Mặt sàng ống:
Các ống được định vị cố định nhờ gắn chặt vào lỗ trên mặt sàng ống, gắn trên mặt
sàng bằng phương pháp làm biến dạng ống (nong ống) hoặc phương pháp hàn tùy theo
dạng vật liệu chế tạo ống và mặt sàng, điều kiện hoạt động của thiết bị. Mặt sàng ống
thường là một tấm kim loại phẳng hình trịn, được khoan lỗ theo kiểu bố trí thích hợp
và soi rãnh để cố định ống, lắp mặt đệm, bulong mặt bích …
Trong q trình gia cơng phải đảm bảo mối nối giữa ống và mặt sàng kín tránh rị rỉ
trộn lẫn hai lưu thể trong và ngoài ống để tránh hiện tượng này người ta thiết kế mặt
sàng kép. Theo thiết kế này phần không gian giữa hai mặt sàng được thơng với mơi
trường bên ngồi, khi xảy ra rị rỉ sẽ nhanh chóng được phát hiện trong trường hợp
ngay cả lưu chất rò rỉ ra bên ngồi cũng khơng được phép trộn lẫn vào nhau thì sử
dụng 3 mặt sàng nối tiếp nhau. Khi đó, các chất nếu các lưu chất rò rỉ là các chất độc
hại hay quý hiếm thì cần được thu hồi hay xử lý đúng quy trình.
Ngồi ra mặt sàng phải đáp ứng được yêu cầu chống mòn với cả lưu chất trong và
ngoài ống. Vật liệu chế tạo mặt sàng ống phải có tính chất tương đồng với vật liệu chế
tạo ống và khoang chứa lưu chất trong lòng ống nhằm giảm thiểu hiện tượng ăn mịn
điện hóa do sự khác biệt vật liệu chế tạo các bộ phận của thiết bị gây ra.
8
Hình 1.11. Mặt sàng ống
Hình 1.12. Mặt sàng ống kép
Vỏ và cửa lưu chất vào ra:
Vỏ thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là bộ phận chứa lưu chất bên ngoài ống trao đổi
nhiệt. Cửa lưu chất là nơi đưa lưu chất trao đổi nhiệt phía ngồi ống vào và ra khỏi
thiết bị, chúng thường có tiết diện trịn được chế tạo từ thép tấm. Các thiết bị trao đổi
nhiệt chúng có kích thước lớn, chế tạo từ thép có lượng C thấp nếu điều kiện cho phép
để giảm giá thành, vật liệu hợp kim cũng được sử dụng khi thiết bị họa động trong
điều liện ăn mòn và nhiệt độ cao. Tại cửa vào lưu chất, thường có 1 tấm chắn dịng đặt
sát ngay dưới cửa vào.
Mục đích: chuyển hướng chuyển động của dịng lưu thể vào có vận tốc lớn có
thể ảnh hưởng đến phần đầu của ống trao đổi nhiệt. các ảnh hưởng của dịng có vận tốc
lớn đập trực tiếp vào phần đầu ống trao đổi nhiệt gây ra hiện tượng xói mịn cơ học,
hiện tượng khí xâm thực và gây rung động thiết bị để đủ không gian lắp đặt tấm chắn
và không làm tổn thất áp suất dòng chảy lớn do việc lắp tấm chắn gây ra, một số ống ở
vị trí này có thể được loại bỏ để dành khơng gian thích hợp bố trí lắp đặt.
Hình 1.13. Tiết diện vỏ và sơ đồ bố trí tâm chắn dịng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu
ống chùm
Khoang đầu và đầu đưa chất lỏng vào ra phía trong ống:
9
Khoang đầu và các đầu dẫn lưu chất phía trong ống vào ra đơn giản là việc kiểm sốt
dịng lưu chất chảy chạy phía trong ống thường là các chất có tính ăn mịn cao hơn, vì
vậy khoang đầu và đầu dẫn lưu chất thường được chế tạo từ vật liệu hợp kim. Để giảm
chi phí chế tạo, có thể chỉ tráng 1 lớp hợp kim bên ngoài các bộ phận này mà khơng
nhất thiết phải chế tạo tồn bộ chi tiết bằng hợp kim.
Nắp:
Nắp của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là tấm hình trịn (có thể là 1 chỏm cầu) được
lắp với mặt bích của khoang đầu bằng bu long. Nắp có thể được tháo dễ dàng để kiểm
tra ống trao đổi nhiệt hoặc vệ sinh bảo dưỡng thiết bị định kỳ mà không làm ảnh
hưởng tới chất lượng chùm ống.
Tấm chia khoang:
Khi thiết bị dùng 2 ngăn trở lên ta dùng ống chia khoang
Yêu cầu: đảm bảo số lượng ống ở mỗi khoang là như nhau để giảm thiểu chênh lệch
áp giữa các khoang (giảm hiện tượng rò rỉ), đảm bảo bề mặt chịu nén là thích hợp lắp
đặt vịng đệm, khơng q gây khó khăn cho việc chế tạo và không làm ảnh hưởng đến
chi phí chế tạo, vận hành và bảo dưỡng.
Một số dạng tấm chia khoang tiêu biểu:
Hình 1.14. Các dạng tấm chia khoang
Vách ngăn:
Chức năng: Tạo cơ cấu để định vị ống trao đổi nhiệt ở vị trí thích hợp khi lắp đặt cũng
như khi vận hành, giữ cho bó ống khơng bị rung do chuyển động xoáy của lưu chất.
10
