Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước

-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


1

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN

 _________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________

m:_________________________

 _____________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________

m:_________________________

________________________________________
-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


2

MỤC LỤC

CHƢƠNG I : TỔNG QUAN … 5
1.  7
2. .6
3. - 9
CHƢƠNG II : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT - NĂNG LƢỢNG 12
1.  12
2.  17
CHƢƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƢNG CẤT 20
1.  20
2.  26
3.  26
4.  31
CHƢƠNG IV : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP 36
1 .  38
2 .  38

 36
  40
5 .  45
CHƢƠNG V : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ 52
 52
  52
1.2  57
1.3  65
1.4  70
 73
2.  77
 77
 82
-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


3

CHƢƠNG VI : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 85
CHƢƠNG VII : KẾT LUẬN 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO 88




-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh

4

-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


5

CHƢƠNG I : TỔNG QUAN
1. Tổng quan về sản phẩm
- 
1.1 Etanol:

3
-CH
2
-



78.3
o
C.

4
20
= 810 Kg/m

3
.


 

1.2 Nƣớc:
- ,  H
2
O. 
trái 
-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


6



- thì
  
h-H là 96,84 picomet.
-

o


o


1.3 Hỗn hợp Etanol – Nƣớc:
 - 
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(
o
C)
100
90,5
86,5
83,2
81,7
80,8
80
79,4
79
78,6
78,4
78,4
-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


7

--
2. Phƣơng pháp và thiết bị chƣng cất:
2.1 . Phƣơng pháp chƣng cất :

 
- 

dung môi và ch



- 

etanol.

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)
-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


8

 Áp suất làm việc


 Nguyên lý làm việc
Chưng cất đơn giản(gián đoạn)



xa nhau.



Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình
, nhi
 Phƣơng pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:
Sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp: 


Sử dụng nồi đun để cấp nhiệt cho tháp chưng cất



- Thiết bị trao đổi nhiệt loại hai vỏ
.
- Thiết bị trao đổ nhiệt dạng ốm chùm.
- Nồi đun đặt ngoài. 


- Thiết bị trao đổi nhiệt đặt đứng. 
 

- Thiết bị trao đổi nhiệt nhận dòng lỏng từ mâm đáy và nó chỉ bốc hơi
một phần.
-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


9

Vậy 
   
2.2 . Thiết bị chƣng cất:



Tháp 



Tháp mâm: 



 
 -12) mm.
Tháp chêm(tháp đệm): 
h



THÁP CHÊM
THÁP MÂM XUYÊN
LỖ
THÁP MÂM
CHÓP
Ƣu điểm
- 
- 
- Hi
- 

- Hi
Nhƣợc điểm
- Hi
- 
- 
- Tr
- C

 -.
3. Công nghệ chƣng cất Etanol-Nƣớc:


2

0


o


-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


10





* Sơ đồ qui trình công nghệ chƣng cất hệ Etanol – nƣớc:


2 . 

4 . Baãy hôi

6 

8 . 
9 . 

10 .  

* Thuyết minh qui trình công nghệ:
 11,6
0
C
  (1) vào (3) 
,
 
 
 


 

78,1
 (7) và 
-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


11

 

0
(10); p
  
ethanol   

sôi cao trong  
0,1367%
phân m  (6) . Trong

 

0

-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


12


CHƢƠNG II :TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT NĂNG LƢỢNG

1. Tính cân bằng vật chất
1.1 Các thông số ban đầu :
 
3

 
 
 
Ta có:
o 
R
=46 , M

N
=18 .
o 
0
C
ethanol
= 784,75 (kg/m
3
)
o 
0


= 997,08 (kg/m
3
)
1.2. Tính toán các dòng:
 Tính toán dòng sản phẩm đỉnh:


3

3
ethanol + 0,08 m
3

 0,3 m
3

 0,7 m

3

 u có 721,97 kg ethanol +79,77 kg






=


= 0,901



=




























ướ
=







= 0,781


D
= 






ethanol
+ (1- 






= 0,901 . 784,75 + (1  0,901) . 997,08
= 805,771 (kg/m
3
)

3
G
D
= 805,771 (kg/h)
-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


13


M
D

=





















 =






= 39,861 (kg/kmol).


D =




=


= 20,215 (kmol/h)

 Tính toán dòng nhập liệu:
tích.
m
3
m
3
ethanol + 0,7 m
3

 0,3 m
3
ethanol nguyê
 0,7 m
3

 T ethanol + 697,956 kg







=


= 0,252



=


























=







= 0,116


















= 0,99 

F
=


= 2910,052 (kg/h)
:
M
F
=




















 =






= 21,261 (kg/kmol).
dòng  tính tính theo kmol/h:
F =




=


= 137,163 (kmol/h)
-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


14


 Tính toán dòng sản phẩm đáy:
o ng vt cht cho toàn tháp : G

F
= G
D
+ G
W
(II.1)
o ng cu t etanol G
F
.





= G
D
.




+ G
W
.






(II.2)
G
W
= 2104,281 kg/h






= 3,485 . 





=




























ƣớ
=










= 1,367 . 


► 

M
W
=





















 =









= 18,038 (kg/kmol).

W =




=


= 116,658 (kmol/h)

Thông
số
Dòng

l/h

Phần
thể tích


Phần
khối lƣợng


Phần mol

kmol/h

kg/h

M
tb

F

0,30
0,252
0,116
137,163
2910,025
21,261
D
1000
0,92
0,901
0,781
20,215
805,771
39,86
W


3,485 . 


1,367 . 


116,658
2104,281
18,038

 
 
F
=28
o
C
 
D
=35
o
C .
 
W
= 60
o
C .
 
→ 
F
= 86
o
C .
-

SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


15


1.3 Tỉ số hoàn lƣu:
1.3.1 Tỉ số hoàn lƣu tối thiểu:
 .


-

-x ,1

o
= 0,43.

o
= 0 thì
y
o
=
1
min
R
x
D
= 0,43


min
= 0,82
1.3.2 Tỉ số hoàn lƣu thực:
Công thức 6.12 trang 255 [2]
R = 1,3 . R
min
+ 0,3 = 1,3 . 0,82 + 0,3 = 1,366
1.4 Phƣơng trình đƣờng làm việc. Xác định số mâm.
1.4.1 Phƣơng trình đƣờng nồng độ làm việc của đoạn cất :
y =
1
.
1 

 R
x
x
R
R
D
=
1 1,366
781,0
.
1 1,366
1,366




x

 y = 0,577.x + 0,33
1.4.2. Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế:

lt
= 15 mâm


tb
lt
tt
η
N
N 


tb

 = f(,).
N
tt

-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


16

N
lt

 Xác định hiệu suất trung bình của tháp

tb
:


x
x1
y1
y
α
*
*





y
*

*  :
x
F
= 0,116 ty
*
F

= 0,46
t
F
= 86
o
C
116,0
116,01
.
46,01
46,0
x
x1
.
y1
y
α
F
F
*
*
F






F
F

= 6,492

252,0
F
x
và t
F
= 86
o
C, [4(tập 1) – trang 107] :
 
F
= 200 . 10
-6
. 9,81 = 1,962 . 10
-3
= 1,962 (cP)
Suy ra : 
F

F
= 6,492 . 1,962 = 12,737
Tra hình IX.11- : 
F
= 0,3
* :
x
W
= 0,001367 
*

W
= 0,01
t
W
= 100
o
C

001367,0
001367,01
.
01,01
01,0
x
x1
y1
y
α
W
W
*
*
W






W

W
= 7,379

003485,0
W
x
và t
W
= 100
o
C, [4(tập 1) – trang
107]:

W
= 29 . 10-6 . 9,81 = 2,845 . 10
-4
= 0,2845 (cP)
Suy ra : 
W

W
= 7,379 . 0,2845 = 2,099
Tra hình IX.11- : 
W
= 0,41
* :
x
D
= 0,781 
*

D
= 0,8
t
D
= 79
o
C
-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


17

+
781,0
781,01
.
8,01
8,0
x
x1
.
y1
y
α
D
D
*
*

D






D
D
= 1,122

901,0
D
x
và t
D
= 79
o
C,  trang 107] :

D
= 58.10
-6
.9,81= 0,569.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,569 (cP)
Suy ra : 

D

D
= 1,049.0,569 = 0,5969
Tra hình IX.11- ] : 
D
= 0,55


tb
=
42,0
3
55,041,03,0
3




DWF


 Số mâm thực tế của tháp N
tt
:
42,0
15

tt
N

= 35,71 mâm

tt
= 36 
22 
14 14.
2. Tính cân bằng năng lƣợng:

Q
F
+ Q
đ
= Q
nt
+ Q
W
+ Q
D
+ Q
m
(IV.1)

Q
nt


Q
nt
= G
D

. (R+1) . r
D
(kJ/h).

D

Tra ([7] – trang 38) 
D
= 79 ta có:

N
= 2316,245 (kJ/kg).

R
= 848,075 (kJ/kg).
Suy ra: r
D
= r
R
.
D
x
+ r
N
. (1-
D
x
) = 848,075. 0,901 + 2316,245. (1-0,901)
= 993,424 (kJ/kg).
-

SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


18

 Q
nt
= G
D
. (R+1) . r
D

= 805,771 . (1,366 + 1) . 993,424
= 1893917,343 (kJ/h).
Q
F
: 
Q
F
= G
F
. H
F
=G
F
. c
F
. (t
F

–t
o
) (kJ/h).

o
= 20
o
C.

53
2
2086
2




oF
tt
o


R
= 2879 

N

Suy ra: c
F
=

F
x
. c
R
+ (1-
F
x
) . c
N

= 0,252 . 2879 + (1-0,252) . 4183,414 = 3854,702 
 Q
F
= G
F
. H
F
= G
F
. c
F
. (t
F
t
o
)
= 2910,025 . 3854,702 . (86 - 20) = 740340426 (J/h)
= 740340,426 (kJ/h)
► Q
W

: 
Q
W
= G
W
. H
W
= G
W
. c
W
. (t
W
–t
o
) (kJ/h).

o
= 20
o
C.






=



= 60
o
trang 172+165]

R
= 2760 

N
= 4186,093 
Suy ra: c
W
=
W
x
. c
R
+ (1-
W
x
) . c
N

= 0,003485 . 2760 + (1 - 0,003485) . 4186,093
= 4181,957 
 Q
W
= G
W
. H
W

= G
W
. c
W
. (t
W
t
o
)
= 2104,281 . 4181,957 . (100 - 20) = 704001012 (J/h)
= 704001,012 (kJ/h)


-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


19

► Q
D
: 
Q
D
= G
D
. H
D
= G

D
. c
D
. (t
D
–t
o
) (kJ/h).

o
= 20
o
C.

5,49
2
2079
2




oD
tt
o
trang 172+165]

R
= 2833,5 


N
= 4182,263 
Suy ra: c
D
=
D
x
. c
R
+(1-
D
x
) . c
N

= 0,901 . 2833,5+(1 - 0,901). 4182,263 = 2967,064 
 Q
D
= G
D
. H
D
= G
D
. c
D
. (t
D
t
o

)
= 805,771 . 2967,064 . (79 - 20) = 141055674 (J/h)
= 141055,674 (kJ/h)
► Q
m
: N
Q
m
= 0,05.Q
đ

► Q
đ
: N
Q
F
+ Q
đ
= Q
nt
+ Q
W
+ Q
D
+ Q
m
(IV.1)
 Q

=

95,0
1
.( Q
nt
+ Q
W
+ Q
D
 Q
F
)
=
95,0
1
(1893917,343 + 704001,012 + 141055,674 - 740340,426)
= 2103824,846 (kJ/h) = 584,396 (kW).


-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


20


CHƢƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƢNG CẤT .

1. Đƣờng kính tháp (D
t

)

tbyy
tb
g
)ω.(
0188,0
ω.3600.π
4V
D
tb
tb
t


(m)
V
tb

3
/h).

tb

g
tb



1.1 Đƣờng kính đoạn cất :

1.1.1 Lƣợng hơi trung bình đi trong tháp :
2
1
gg
g
d
tb


(Kg/h)
g
d
(Kg/h).
g
1

 Xác định g
d
: g
d
= D . (R+1) = 20,215 . (1,366+1) = 46,804 (kmol/h)
x
D
= 0,781


D
= 0,805






=















=






= 0,913


=






















 =






= 40,517 (kg/kmol)


d
= 46,804 (kmol/h) = 1896,358 (kg/h)



-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


21

 Xác định g
1
: 
g
1
= G
1
+ G
D

g
1
. 




= G

1
. 




+ G
D
. 




(III.1)
g
1
. r
1
= g
d
. r
d


1

r
1

r

d

* Tính r
1
: t
1
= t
F
= 86
o
C , tra bảng 45 [7]-trang 38
 
N1
= 2293,61 (kJ/kg)

R1
= 836,35 (kJ/kg)

1
= r
R1
.





+ (1-





) . r
N1
= 836,35

.





+ (1-




) . 2293,61
= 2293,61  1457,26 .




(kJ/kg)
* Tính r
d
: t
D
= 79
o

-trang 38

Nd
= 2311,215 (kJ/kg) .

Rd
= 848,075 (kJ/kg) .

d
= r
Rd
. 





+ (1 - 




) . r
Nd
= 848,075 . 0,913 + (1- 0,913) . 2311,215
= 975,368 (kJ/kg)
* Ta coi: 





= 




= 0,252

G
1
= 1661,515 (kg/h)









=


























=







= 0,625 (phân mol ethanol)
g
1
= 2467,286 (kg/h)



2
1
gg
g
d
tb



=
822,2181
2
2467,286358,1896


(kg/h)
-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


22

1.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
(

y
.

y

)
tb
= 0,065 ..





(kg/m
2
.s) - Công thức IX.105 trang 184 [4]
 
ytb
: 
 
 
 
273.4,22
273.18.146.



tb
tbtb
ytb
t
yy




tb
=
2
1 D
yy 
=
2
805,0625,0 
= 0,715

tb
=
2
DF
tt 
=
2
7986
= 82,5
o
C

 
 
 
273.4,22
273.18.146.




tb
tbtb
ytb
t
yy

=











= 1,303 (kg/m
3
).
 
xtb
: 








=














=


= 0,5765

tb
=
2
DF
tt 
=
2
7986
= 82,5

o
C
-trang 9]

N
= 970,25 (kg/m
3
)

R
= 732,625 (kg/m
3
)

xtb
=
1
1











N

tb
R
tb
xx

=









= 817,406 (kg/m
3
)
  
-Khi

 < 20 dyn/cm thì  = 0,8
-Khi  > 20 dyn/cm thì  = 1
 - 













-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


23


r

n



 t
tb
= 82,5
0
- 

N
= 60,925 (dyn/cm).

R

= 16,85 (dyn/cm).
 =13,119 dyn/cm < 20 dyn/cm
 = 0,8
 
 ( 
y
.
y
)
tb
= 0,065 ..






= 0,065 . 0,8 .


= 0,93 (kg/m
2
.s)

y
= 0,93/ 1,303 = 0,714 (m/s)
Đƣờng kính đoạn cất :
D
cất
=

93.0
822,2181
.0188,0
= 0,911 (m).


1.2 Đƣờng kính đoạn chƣng :
1.2.1 Lƣợng hơi trung bình đi trong tháp :
2
1
,,
,
gg
g
n
tb


(kg/h)

n


1

 Xác định g’
n

n
= g

1
= 2467,286 (kg/h)
 Xác định g’
1
: 








1111
1
'
1
1
'
1
'
1
'
.'.''.'
'.
rgrgrg
xWygxG
WgG
nn
WW

(III.2)


1


1

-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


24


1
: x
W

y
W






=













=






= 0,0252

1
= t
W
= 100
o
-trang 38

N1
= 2258 (kJ/kg) .


R1
= 812,9 (kJ/kg) .

1

R1
.






+ (1 - 






N1
= 812,9. 0,0252+ (1  0,0252) . 2258
= 2221,583 (kJ/kg)

* Tính r
1
: r
1
= 2293,61  1457,26 .





= 2293,61  1457,26 . 0,81
= 1118,089 (kJ/kg)
* G
W
= 2104,281 (kg/h)










=























=







= 0,00421 (phân mol ethanol)
G

1
= 3346,029 (kg/h)

1
= 1241,748 (kg/h)

2
1

,,
,
gg
g
n
tb


=
2
748,1241286,2467 

517,1854
(kg/h)
1.2.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
'
xtb,
'
ytb:

'
xtb

3
) .
'
ytb

3
) .

 Xác định ’
ytb
:
 
 
 
273'.4,22
273.18.'146.'
'



tb
tbtb
ytb
t
yy


-
SVTH: Tô Thị Thanh Loan
GVHD: Vũ Bá Minh


25


tb
=
2

1 W
yy 
=
2
02,0625,0 
=0,323

tb
=
2
WF
tt 
=
2
10086
= 93
o
C

 
 
 
273'.4,22
273.18.'146.'
'



tb
tbtb

ytb
t
yy

=










= 0,901 (kg/m
3
).
 Xác định ’
xtb
:










=


















=
2
003485,0252,0 
= 0,128

tb
=
2
WF
tt 
=

2
10086
= 93
o
C
-trang 9], ta có :

N
= 962,9(kg/m
3
)

R
= 722,65(kg/m
3
)

xtb
=
1
'
'1
'
'












N
tb
R
tb
xx

=









= 923,597 (kg/m
3
)
  
-Khi

 < 20 dyn/cm thì  = 0,8
-Khi  > 20 dyn/cm thì  = 1
 - 













 
tb
= 93
0
- 

N
= 57,7 (dyn/cm).

R
= 14,87 (dyn/cm).
 = 11,823 (dyn/cm) < 20 (dyn/cm)
 = 0,8
 