Tính toán thiết kế tháp đệm chưng luyện liên tục hổn hợp hai cấu tử là CH3COOH và H2O

Tính toán thiết kế tháp đệm chưng luyện liên tục hổn hợp hai cấu tử là CH3COOH và H2O.

Axít CH3OOH là một tronh những hợp phần không thể thiếu trông công nghệ thực phẩm cũng như trong một số ngành công nghiệp khác, CH3COOH cũng chiếm một vai trò quan trọng trong cuộc sống.

Để sản xuất axit CH3COOH thì có nhiều phương pháp khác nhau nhưng trong công nghiệp thực phẩm thì nó được sản xuất bằng phương pháp lên men bởi tác nhân vi sinh vật Để thu được CH3COOH tinh khiết có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng như các phương pháp hoá học, hoá lý…trong công nghiệp để thu được lượng lớn CH3COOH với độ tinh khiết theo yêu cầu thì người ta thường sửdụng phương pháp chưng cất.

Có nhiều phương pháp chưng cất khác nhau nhưng trong công nghiệp thực phẩm thường sử dụng phương pháp chưng cất liên tục.

Nguyên tắc phương pháp là dựa vào nhiệt độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hổn hợp.Về thiết bị thì có nhiều loại khác nhau, tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà người ta chọn loại thiết bị phù hợp.Trông công nghệ thực phẩm thiết bị chưng cất thường dùng là thiết bị loại tháp.

Nội dung của đồ án này là tính toán thiết kế tháp đệm chưng luyện liên tục hổn hợp hai cấu tử là CH3COOH và H2O.

Các số liệu ban đầu :

Năng suất theo hổn hợp đầu: 1800(l/h).

Gw :lưu lượng sản phẩm đáy Cân bằng vật liệu cho cấu tử dể bay hơi

GF.xF = GP.xp+Gw.xw (kg/h) xF:phần mol hổn hợp đầu xp:phần mol sản phẩm đỉnh xw:phần mol sản phẩm đáy Theo giả thiết ta có :

aF = 0,75: nồng độ của hổn hợp đầu (phần mol) ap = 0,9:nồng độ của sản phẩm đỉnh (phần mol) aw =0,1:nồng độ phần mol khối lượng sản phẩm đáy Suy ra các giá trị của xF, xp, xw:

MH2O:phân tử lượng của nước MA= 60 :Phân tử lượng của CH3COOH.

Gọi :M là phân tử lượng trung bình của hổn hợp (Kmol/Kg)

2 Xác định chỉ số hồi lưu - số đĩa lý thuyết

Gọi x: nồng độ cấu tử dể bay hơi trong pha lỏng y: nồng độ cấu tử dể bay hơi trong pha hơi.

t: nhiệt độ sôi của hổn hợp hai cấu tử ở áo suất 760 mmHg

a(% khối lượng) x(phần mol) y(phần mol) Kg/h Kmol/h Nhiệt độ sôi Rmin : chỉ số hồi lưư tối thiểu

Dựa vào bảng (IX 2a, trang 148- T2) kết hợp với nội suy ta suy ra : yF = 0,937

Để xác định số đĩa lý thuyết của tháp bằng cách dựa vào phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chung.

Pương trình làm việc của đoạn luyện:

Đoạn chưng 6 đĩa (11,3) Đoạn luyện 11 đĩa (5,7)

Phương trình làm việc đoạn luyện

:hiệu suất của tháp (%) : độ bay hơi của hổn hợp.

:độ nhớt của hổn hợp: (10-3 N.S/m2 ) = yy.1xx

Vì hiệu suất thay đổi theo chiều cao tháp nên để xác định hiệu xuất của toàn tháp ta xac định hiệu xuất trung của tháp.

Hiệu xuất trung bình của tháp được xác định:  =1323 (%) (13-53-QH-TBVNHH II) 1: hiệu suất đĩa trên cùng (%)

2: hiệu suất đĩa tiếp liệu (%) 3: hiệu suất đĩa dưới cùng (%) a)Hiệu suất đĩa trên cùng: Các số liệu đã có

Xp=0,968 ; yp=0,9776 ; tp =100,2oC

Độ nhớt của CH3COOH ở nhiệt độ t1 40oC là 1=0,9 (10-3.N.S/m3)

Như vậy số đĩa thực tế là 32 đĩa Trong đó: Chưng :Nc = 21 đĩa

Luyện: Nl =11 đĩa

CHƯƠNG IITÍNH KÍCH THƯỚCTHIẾT BỊ

I.Tính đường kính thiết bị: Dchưng  Dluyện

Đường kính của thiết bị được xác định theo công thức

 (m) (IX.90-sô tay TII)

Trong đó : gtb lượng hơi trung bình đi trong tháp

y khối lượng riêng trung bình của pha hơi đi trong tháp (Kg/m3) wy vận tốc trung bình của hơi đi trong tháp(m/s)

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi đoạn của tháp nên phải tính lượng hơi lỏng cho từng đoạn.

1 Đường kính đoạn luyện.

gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h, kmol/h) gd : lượng hơi đi ra khỏi điã trên cùng của đoạn luyện g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện a)Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp b)Lượng hơi đi vào đoạn luyện.

Giữa lượng hơi g1 hàm lượng hơi y1 và lượng hơi G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

r1=ra.y1+(1-y1).rb (đĩa thứ nhất) rd= ra.yd+(1-y1).rb (đĩa trên cùng)

trong đó: ra,rb ẩn nhiệt hóa hơi của H2O và CH3COOH nguyên chất yd nồng độ của H2O trong hổn hợp đầu.

y1 hàm lượng hơi đối với đĩa 1 của đoạn luyện.

Dựa vào phương pháp nội suy xác định ẩn nhiệt hóa hơi của nước và của CH3COOH ở các nhiệt độ khác nhau:

Vậy với nhiệt độ tF=100,6 suy ra r3b=96,96 (kcal/kg) Với tp =100,2 suy ra r4b= 96,98(kcal/kg) c) Vận tỗc hơi đi trong đoạn luyện

Vận tốc hơi được xác định theo công thức

wx: vận tốc đặc pha (m/s).

d :Bề mặt tự do của đệm (m2/m3) Vd: Thể tích tự do của đệm (m3/m3).

ytb :khối lượng riêng trung bình của hơi.(kg/m3) xtb : Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m3).

x: Độ nhớt của hổn hợp lỏng ở điều kiện trung bình (N.S/m2) n : Độ nhớt của nước ở 20oC (N.S/m2).

Gy :Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h) Gx : Lượng lỏng trung bình đi trong doạn luyện (kg/h) Chọn loại đệm vòng có kích thước chưa có và d =310(m2/m3),

(phần khối lượng ứng với to trung bình).

Với xtb1: nồng độ trung bình của pha lỏng tương ứng với ytbl =0,9573

xtb1 : Khối lượng riêng của H2O tại 100,8 oC (kg/m3).

xtb2 : Khối lượng riêng của CH3COOH tại 100,8 oC (kg/m3) Dựa vào phương pháp nội suy

Ở 120oC khối lượng riêng của là 2 = 922(kg/m3) Suy ra khối lượng riêng của CH3COOH ở 100,8oC là

xtb2 =(922-958):20.0,8+958 =956,56 Vậy 1 9570,775,799560,225,56

xtb

gn' : lượng hơi đi ra khỏi đọan chưng (kg/h) gn' : Lượng hơi đi vào đọa chưng (kg/h) g1 :lượng đi vào đoạn chưng trừ GF

rb : ẩn nhiệt hóa hơi của CH3COOH ở 108,3 0C , rb = 96,46 [kcal/kg]

GW : lượng sản phẩm đáy [kmol/h] Giãi hệ phương trình trên ta có:

= 6325,867 [kg/h] lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng xác định khối lượng riêng của hổn hợplỏng và hơi

Khối lượng riêng của CH3COOH là ,xtb2= 943,58 [kg/m3]

y:Khối lượng riêng của hơi [kg/m3]

x :khối lượng riêng của lỏng [kg/m3] wy : Vận tốc hơi đi trong tháp

d : bề mặt riêng của đệm[m2/m3] V d : thể tích tự do của đệm [m3/m3]

Gy,Gx: lượng lỏng và hơi trung bình đi trong tháp [kg/h]

x y : độ nhớt của hơi và lỏng đi trong tháp theo nhiệt độ trung bình [N.s/m2] m : giá trị tg trung bình trên đường cân bằng

1 Chiều cao đệm của đoạn luyện

Suy ra chiều cao đoạn luyện là H1 = 0,3178.11 = 3,496 [m]

2 Chiều cao đoạn chưng và toàn tháp

Chiều cao của đoạn nhưng là Hc = 0,31166.21 = 6,545 (m)

Vậy chiều cao của toàn tháp là H = Hc +HL +h = 6,545 + 3,496 +0,8=10,84 (m) Chọn h=0,8 :chiều cao cho phép ở đỉnh và đáy H=10,84(m).

 : tổn thất áp suất của đệm khô[ N/m2]

Gx,Gy: lượng lỏng, hơi trung bình đi trong tháp [kg/s]

x y: độ nhớt trung bình của lỏng, hơi [N.S/m2]

x,y:khối lượng riêng trung bình của lỏng,hơi [kg/m3] Tổn thât áp suất của đệm kho tính theo công thức :

(IX.120_sổ tay II) Trong đó H : chiều cao tháp đệm [m]

,:hệ số trở lực của đệm bao gồm cả trở lực ma sát và trở lực cục bộ,với các loại đệm khác nhau thì xác định theo công thức thực nghiệm khác nhau

[N/m2] (IX.121_sổ tay II).

I Trở lực cho đoạn luyện

II Trở lực của đoạn chung

Vận tốc thực của hơi trong đệm w1'= 4,46[m/s]

CÂN BẰNG NHIỆT LUYỆN CHO QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆNI Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hổn hợp

QD Qf QF QnglQxql

Trong đó :

* Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1D1.1D1.r11.C1 [J/h] D1: lượng hơi đốt [kg/h]

r1 : Ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt [J/kg]

1 : hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt [J/kg] 1 : nhiệt độ nước nhưng [0C]

C1 : nhiệt dung riêng của nước ngưng [J/kg.âäü]

* Nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang ra QF F.CF.tF [J/h] F : lượng hổn hợp đầu [kg/h]

CF : nhiệt dung riêng của hổn hợp khí đi ra [J/kg độ]

tF : nhiệt độ của hổn hợp khí ra khỏi hổn hợp khí đun nóng [0C] * Nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang vào Qf F.Cf.tf [J/h]

Cf : nhiệt dung rieng của hổn hợp đầu [J/kg độ] tf : nhiệt độ đầu của hổn hợp [0C]

* Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qngl Gngl.C1.1D1.C1.1 [J/h]

Gngl : lượng nước ngưng ,bằng lượng hơi đốt [kg/h]

* Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn

Để đảm bảo đun nóng ở đáy tháp được liên tụcvới hiệu suất cao,ta chọn hơi đốt là hơi nước bảo hoà có nhiệt độ là125 0C và ở áp suất 2,37 atm

Nhiệt dung riêng của CH3COOH ở 100,6 0C C100,6

Chọn nhiệt độ của hổn hợp đẩu trước khi vào thiết bị đun nóng là 28 0C , ta có : Nhiệt dung riêng của nước ở 28 0C là (áp suất kq) C28

Vậy lượng hơi đốt cần để đun hổn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là :

II Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng luyện

Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hổn hợp ở đáy tháp được xác định theo biểu

D2 :lượng hơi đốt cần thiết [kg/h]

Qn: Nhiệt lượng của hơi mang ra khỏi đỉnh tháp [J/h]

QW : nhiệt lượng của sản phẩm đáy [J/h]

Qm: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh , Qw= 5%.Qm2 [J/h]

Qx: nhiệt lượng của lỏng hồi lưu [J/h]

Qf : nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang vào [J/h]

r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt [J/kg]

1 Nhiệt lượng của hơi mang ra khỏi đỉnh tháp

Hơi ra khỏi đỉnh có nhiêt độ là tp = 100,2 0C

a1,1: là nồng độ phần khối và nhiệt lượng riêng của H2O trong hơi 2: nhiệt lượng riêng của CH3COOH trong hơi [J/kg] ở 100,20C

3 Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào tháp

Ta xem quá trình ngưng tụ của sản phẩm đỉnh là đẳng nhiệt (nghĩa là nhiệt độ của lỏng hồi lưu vào tháp là100,1 0C ) CF :nhiệt dung riêng của hổn hợp ra khỏi thiết bị đun nóng Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hổn hợp ở đáy tháp

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD2 = 3560,3.2194.103 = 7811,24.106 [J/h]

III Cân băng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

Dùng chất tải nhiệt là nước lạnh

Gn : Lượng hơi nước tiêu tốn [kg/h].

r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước

I Tính thiết bị gia nhiệt đầu :

Chọn thiết bị gia nhiệt hổn hợp loại ống chùm và thẳng đứng có cấu tạo như hình

Trong thiết bị thì hơi nước đi ngoài ống, chất lỏng chuyển động trong ống; sau khi gia nhiệt thì chất lỏng được bơm vận chuyển vào tháp

Tính toán thiết bị

* Nhiệt lượng cần cung cấp cho chất lỏng sôi : Q = G.t.C [J/h]

G : Lượng hổn hợp đầu [kg/h]

t : Biến thiên nhiệt độ đầu và cuối [0C] C : Nhiệt dung riêng của chất lỏng [J/kg độ] Q = 1853,1.(100,8 - 28).3660,55 [J/h]

t =tF -td :

tF =100,8oC : Nhiệt độ của hổn hợp sau khi dược gia nhiệt td =28oC : Nhiệt độ của hổn hợp trước khi vào gia nhiệt.

C = 3660,55[J/kg đô.] :Nhiệt dung riêng của hổn hợp chất lỏng ở 28oC Q = 493,83.106 [J/h]

* Nhiệt độ trung bình của chất lỏng và của hơi đốt t1 = t2d- t1d= 125 - 28 = 97 [0C]

t2 = t2c - t1c = 125 - 100,6 = 24,4 [0C]

Với t1d, t1c : Nhiệt đọ trước và sau khi đun nóng.

t2d, t2c : Nhiệt độ của hơi đôt và hơi ngưng ( xem quá trình truyền nhiệt là đẳng nhiệt nên nhiệt độ hơi ngưng bằng nhiệt độ hơi nước bảo hoà)

Hiệu số nhiệt trung bình của hai môi trường :

Nhiệt độ trung bình của chất lỏng t1tb= 100,6 - 52,6 = 48 [0C] Nhiệt độ trung bình của hơi ngưng t2tb = 125 - 52,6 = 72,4 [0C] * Tính hệ số cấp nhiệt từ hơi bảo hoà đến thành ống:1

Đây là quá trình cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi bảo hoà khô không chứa không khí và nước ngưng tạo thành thành màng phủ kín bề mặt truyền nhịêt đứng, trong trường hợp này nước ngưng chuyển động trên bề mặt màng ở chế độ chảy dòng Ta có :

t bh : Nhiệt độ hơi bảo hoà,tbh = 25 [0C]

r : ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ngưng lấy theo nhiệt hơi độ báo hoà, r = 2195,47.103 [J/kg]

t = tn - t = 125 - 120 = 5 [0C]

tn : Nhiệt độ nước ngưng (nhiệt độ bảo hoà) t : Nhiệt độ phía thành ống tiếp xúc với hơi ngưng H : Chiều cao ống truyền nhiệt, ta chọn H = 1,2 [m]

C1 : nhiệt dung riêng của H2O ở 48 0C , C1 = 4182,9 [J/kg độ]

C2 : nhiệt dung riêng của CH3COOH ở 48 0C , C2 = 2072,5 [J/kg độ] C = 0,75.4182,9 + 0,25.2072,5 = 3655,3 [J/kg độ]

 : khối lượng riêng của chất lỏng ở 48 0C

 được xác định theo công thức (IX.104a_sổ tay II) với 1: khối lượng của H2O ở 48 0C , 1= 988,96 [kg/m3]

2: khối lượng riêng của CH3COOH ở 48 0C , 2= 1018,37 [kg/m3]

N0: chuẩn số Nuyxen của chất lỏng

1 : hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều cao H và đường kính d của ống , ta chọn ống có đường kính là d = 30 [mm]

H/d = 40 , tra bảng (V.2-sổ tay II) với Re =10000 ta được 1= 1,03

Pr : chuẩn số Pran của dòng tính theo nhiệt độ trung bình của dòng tức là 48 0C

Prt : chuẩn số Pran tính theo nhiệt độ trung bình của thành ống

Vì chênh lệch nhiệt độ giữa thành và dòng chất lỏng nhỏ nên ta có thể xem tỉ số

tT3 : nhiệt độ bề mặt tường tiếp xúc với chất lỏng [0C] t3 : nhiệt độ trung bình của chất lỏng [0C]

Hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt tường

r2 : nhiệt trở của cặn ở tường phía chất lỏng chủ yếu lă nước sạch , ở nhiệt độ cao nín :r2= 0,464.10-3 [m2 độ/W ] (tra bảng V.1_sổ tay I)

2 : chiều dăy của thănh ống , chọn 2= 0,002 [m]

2 : hệ số dẩn nhiệt của tường , chọn vật liệu lăm ống lă đồng có

Q : lượng nhiệt truyền qua tường phẳng trong một giđy [ W ] qtb : nhiệt tải riíng trung bình [ W/m2 ]

F = 30185493,65,83.3600.106 = 4,544 [m2] * Tính số ống truyền nhiệtiệt

dn : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt [m] H : chiều cao ống truyền nhiệt [m]

n = 3,14.40,,544032.1,2 = 37,69 =38 (ống).

Để cho thiết bị làm việc tốt, với hiệu suất cao ta chọn số ống trong thiết bị là 37 ống theo bảng (V.11_ sổ tay II) chọn cách sắp xếp các ống theo kiểu bàn cờ ta có: b : số bước trên đường chéo của hình sáu cạnh b = 2.a - 1 (V.139_sổ tay II)

a : số ống trên một cạnh của hình sáu cạnh ở ngoài cùng , a = 4 D = 0,048.6 + 1,5.6.0.032 = 0,576[m]

II Tính các đường kính dẩn

1 Đường kính ống dẩn hơi thiết bị gia nhiệt hổn hợp đầu:

Sử dụng hơi đốt là hơi nước bảo hoà có nhiệt độ là 125 0C và có áp suất là 2,37 atm Với: lượng hơi đốt sử dụng [kg/h]

w : vận tốc hơi đi trong ống , ta chọn w= 20 m/s  : khối lượng riêng của hơi đốt ,  = 1,296 (kg/m3)

Vậy đường kính của ống dẩn hơi là d1 = 0,0188. 20334.1,,193296 = 0,0675 [m] Ta chọn d1 = 67,5 (mm)

2 Đường kính ống dẩn hơi đun sôi ở đáy tháp

Hơi dùng để đun sôi hổn hợp ở đáy tháp vẩn là hơi dùng trong thiết bị gia nhiệt

(hơi nước bảo hoà) có nhiệt độ là 125 0C và áp suất là 2,37 atm Chọn vận tốc hơi đi trong ống là 20 m/s , ta xác định được đường kính ống đẩn hơi đun sôi hổn hợp đáy là d2 = 0,0188 203560.1,296,3 = 0,2203 [m]

Ta chọn d2 = 0,22(m)

3 Đường kính ống dẩn hổn hợp đầu tưf thiết bị gia nhiệt vào tháp

Xem sự thay đổi nồng độ các cấu tử trong hổn hợp là không đáng kể sau khi gia

Khối lượng riêng của H2O ở 100,6 0C là 1= 957,93 [kg/m3] Khối lượng riêng của CH3COOH ở 100,6 0C là 2= 956,92 [kg/m3]

1 Khối lượng riêng của H2O ở 108,3 0C [kg/m3] 2Khối lượng riêng của CH3COOH ở 108,3 0C [kg/m3]

6 Đường kính ống hồi lưu

Lượng hồi lưu Gx = Rx.P= 1050,64.1,378 = 2074,772 [kg/h]

Chọn vận tốc hồi lưu wX = 0,5 [m/s]

Khối lượng riêng của lỏng hồi lưu ở 90oC là  = 958,3 [kg/m3] Suy ra d6 = 0,0188 02074,5.958,772,3 = 0,039[m]

7 Đĩa phân phối chất lỏng và hơi đở đệm*Đĩa phân phối chất lỏng.

Tra bảng IX.22_sổ tay II ta có :

Đường kính đĩa phân phối loại I Dd =750 mm.

1 Hình dáng thiết bị và phương thức gia công

Thiết bị làm việc ở áp suất thấp (< 1,6.106 N/m2) nên chọn thiết bị hình trụ đúng; thiết bị được chế tạo bằng thép tấm , các tấm được hàn với nhau Yêu cầu mối hàn :

+ độ bền hoá học, độ bền nhiệt, khả năng chịu mài mòn cao + độ bền cơ học, độ dẻo lớn, độ giòn thấp

3 Chiều dày của tháp

Chiều dày của thân tháp chịu áp suất trong được tính theo công thức sau:

[m] (XIII.8_sổ tay II) Trong đó S : bề dày của vỏ thân tháp [m]

Dt : đường kính trong của thân tháp [m]  : hiệu suất cho phép [N/m2]

 : hệ số bền của thân trụ theo phương dọc , chọn  =0,95 ( XIII.8_sổ tay II)

C :hệ số bổ sung do ăn mòn và dung sai âm về chiều dày P : áp suất làm việc của tháp [N/m2]

P = Pmt + P1 (XIII.10 sổ tay II ) Pmt : áp suất của hơi trong tháp [N/m2]

P1 : áp suất của cột chất lỏng trong tháp [N/m2] P1 = g.1.H1

g : gia tốc trọng trường , g = 9,81 [m/s2]

1: khối lượng riêng của chất lỏng [kg/m3]