Đồ án môn học: Thiết kế tháp đĩa chưng cất rượu etylic từ hỗn hợp nước
Đồ án chưng cất tháp đĩa rượu etylic nước: Tìm hiểu quy trình, thiết kế và vận hành tháp chưng cất hiệu quả. Tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên kỹ thuật.
Trường đại học
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà NộiChuyên ngành
Quá Trình & Thiết Bị (QTTB)Người đăng
Ẩn danhThể loại
Đồ án môn họcPhí lưu trữ
35 PointMục lục chi tiết
Tóm tắt
I. Tổng Quan Đồ Án Chưng Cất Rượu Etylic Giới Thiệu Chung
Trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm và nhiều quy trình sản xuất khác, sự tiếp xúc giữa các pha và sự di chuyển vật chất là yếu tố then chốt. Quá trình truyền chất, nơi vật chất di chuyển từ pha này sang pha khác khi tiếp xúc, đóng vai trò quan trọng. Việc nghiên cứu quá trình này, quy trình công nghệ và thiết bị là nhiệm vụ thiết yếu của một kỹ sư công nghệ hóa học. Quá trình chưng cất được sử dụng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng hoặc khí lỏng dựa trên độ bay hơi khác nhau. Thay vì đưa một pha mới vào như trong quá trình hấp thụ, pha mới được tạo ra bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc có điểm tương đồng. Tuy nhiên, ranh giới cơ bản là trong chưng cất, cả dung môi và chất tan đều bay hơi, trong khi cô đặc chỉ có dung môi bay hơi. Khi chưng cất, ta thu được nhiều cấu tử, thường là bao nhiêu cấu tử thì có bấy nhiêu sản phẩm. Đối với hệ đơn giản có hai cấu tử, ta thu được hai sản phẩm: sản phẩm đỉnh (chủ yếu cấu tử có độ bay hơi lớn) và sản phẩm đáy (chủ yếu cấu tử có độ bay hơi nhỏ). Hỗn hợp Etylic - Nước là một ví dụ điển hình, với sản phẩm đỉnh chủ yếu là Etylic và sản phẩm đáy chủ yếu là Nước. Có nhiều cách phân loại chưng cất, như theo áp suất làm việc (áp suất thấp, áp suất thường), nguyên lý làm việc (gián đoạn, liên tục) và phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp (trực tiếp, gián tiếp).
1.1. Chưng Luyện Nguyên Tắc Hoạt Động và Ưu Điểm
Chưng luyện là một quá trình tách hỗn hợp dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi của các cấu tử. Trong quá trình này, hỗn hợp được đun nóng để tạo ra hơi, sau đó hơi được làm lạnh và ngưng tụ lại thành chất lỏng. Do các cấu tử có độ bay hơi khác nhau, thành phần của hơi và chất lỏng sẽ khác nhau. Bằng cách lặp lại quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần, ta có thể tách các cấu tử ra khỏi nhau. Ưu điểm của chưng luyện là có thể tách được các hỗn hợp có thành phần phức tạp, cho sản phẩm có độ tinh khiết cao. Ngoài ra, chưng luyện liên tục có thể được thực hiện ở quy mô lớn, phù hợp với các ngành công nghiệp sản xuất lớn.
1.2. Thiết Bị Chưng Luyện Tháp Đĩa và Tháp Đệm Phổ Biến
Trong sản xuất, có nhiều loại tháp chưng luyện khác nhau, nhưng chúng đều có yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn. Tháp đĩa và tháp đệm là hai loại tháp được sử dụng phổ biến nhất. Tháp đĩa có thân hình trụ, bên trong có gắn các đĩa để chia tháp thành các đoạn bằng nhau. Pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau trên các đĩa. Tháp đệm cũng có thân hình trụ, nhưng bên trong chứa vật liệu đệm để tăng diện tích bề mặt tiếp xúc. Sự lựa chọn giữa tháp đĩa và tháp đệm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm lưu lượng pha lỏng và pha khí, độ tinh khiết của sản phẩm và chi phí đầu tư.
II. Thuyết Minh Dây Chuyền Chưng Cất Etylic Lưu Trình Chi Tiết
Dây chuyền công nghệ chưng luyện liên tục thường bao gồm các thiết bị chính như bơm, thùng cao vị, thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu, tháp chưng luyện, thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh, thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, thùng chứa sản phẩm đỉnh, thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đáy, thiết bị tách nước ngưng và thùng chứa sản phẩm đáy. Lưu trình chưng cất bắt đầu khi hỗn hợp Etylic và Nước từ thùng chứa được bơm vào thùng cao vị, đảm bảo lượng hỗn hợp đầu vào tháp không dao động. Tại thiết bị đun nóng, dung dịch được đun đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa. Dung dịch sau đó đi vào tháp chưng luyện, nơi Etylic chuyển pha từ lỏng sang hơi và tiến về đỉnh tháp, trong khi Nước phân phối xuống dưới. Hơi Etylic đi từ dưới lên gặp lỏng Nước đi từ trên xuống, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại, và ở đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp giàu Etylic. Hơi Etylic vào thiết bị ngưng tụ, một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm lạnh rồi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh, phần khác hồi lưu về tháp để tăng mức độ tách. Ngược lại, Nước đi từ trên xuống gặp hơi Etylic có nhiệt độ cao hơn, cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bốc hơi, nồng độ Nước ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp giàu Nước, được làm lạnh và đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy. Để tiết kiệm hơi đốt, người ta có thể dùng hơi ở đỉnh tháp để đun nóng hỗn hợp ban đầu.
2.1. Sơ Đồ Công Nghệ Các Thiết Bị Chính và Chức Năng
Sơ đồ công nghệ của hệ thống chưng luyện liên tục bao gồm các thiết bị như bơm ly tâm, thùng cao vị (đảm bảo ổn định lưu lượng), thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (sử dụng hơi nước bão hòa), tháp chưng luyện (chia thành đoạn luyện và đoạn chưng), thiết bị ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh (sử dụng nước lạnh), thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, thùng chứa sản phẩm đỉnh, thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đáy, thiết bị tách nước ngưng và thùng chứa sản phẩm đáy. Mỗi thiết bị có một chức năng riêng, phối hợp với nhau để thực hiện quá trình chưng luyện một cách hiệu quả. Tháp chưng luyện là trái tim của hệ thống, nơi diễn ra quá trình tách các cấu tử.
2.2. Chế Độ Thủy Động Lực ẢNh Hưởng Đến Hiệu Suất Tháp Đĩa Lỗ
Chế độ thủy động lực trong tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền phụ thuộc vào vận tốc dòng khí. Ở vận tốc thấp, khí qua lỏng dưới dạng bong bóng (chế độ sủi bong bóng). Khi tăng vận tốc, khí đi qua lỏng thành tia liên tục (chế độ dòng). Tiếp tục tăng vận tốc, tháp chuyển sang chế độ bọt, nơi khí hòa với lỏng tạo thành bọt, cho hiệu suất làm việc tốt nhất. Nếu tiếp tục tăng vận tốc, sẽ xảy ra hiện tượng bắn chất lỏng. Chế độ dòng và chế độ bọt là hai chế độ vận hành phổ biến cho loại tháp này. Ưu điểm của tháp đĩa lỗ là hiệu suất cao, cấu tạo đơn giản, trở lực không lớn và giới hạn làm việc rộng. Nhược điểm là yêu cầu lắp đặt cao và phân phối chất lỏng không đều trên mâm với tháp đường kính lớn.
2.3. Ứng Dụng Thực Tế Chưng Cất Hỗn Hợp Etylic Nước
Trong bài toán này, phương pháp chưng luyện liên tục ở áp suất thường được sử dụng để tách hỗn hợp Etylic - Nước trong tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền. Hỗn hợp đầu có năng suất 9 tấn/giờ, nồng độ 0.32 phần khối lượng. Sản phẩm đỉnh có nồng độ 0.83 phần khối lượng, và sản phẩm đáy có nồng độ 0.005 phần khối lượng. Loại tháp được sử dụng là tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền, làm việc ở áp suất thường, hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi. Tổng tiết diện lỗ chiếm 8-15% tiết diện tháp, đường kính lỗ 3-8 mm. Tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền hoạt động hiệu quả và ổn định, khắc phục được nhược điểm của các loại tháp khác.
III. Cân Bằng Vật Liệu Trong Tháp Chưng Cất Hướng Dẫn Chi Tiết
Cân bằng vật liệu là bước quan trọng trong thiết kế tháp chưng cất. Nó giúp xác định lưu lượng và thành phần của các dòng vật chất trong tháp. Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp là F = P + W, trong đó F là lưu lượng hỗn hợp đầu, P là lưu lượng sản phẩm đỉnh và W là lưu lượng sản phẩm đáy. Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử nhẹ là F.aF = P.aP + W.aW, trong đó aF, aP và aW là nồng độ của cấu tử nhẹ trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, tương ứng. Từ hai phương trình này, ta có thể tính được lưu lượng của sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy. Để đơn giản hóa việc thiết lập đường làm việc, ta giả thiết dòng mol pha hơi và pha lỏng không đổi, nhiệt hóa hơi mol của các cấu tử bằng nhau, không có nhiệt hòa tan, sự sai khác về nhiệt lượng riêng được bỏ qua và hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi. Chất lỏng đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần đi ra khỏi đỉnh tháp, và hơi bốc lên từ đáy tháp có nồng độ bằng nồng độ sản phẩm đáy.
3.1. Xác Định Nồng Độ Mol Công Thức và Ví Dụ Tính Toán
Để xác định nồng độ mol của cấu tử Etylic, ta sử dụng công thức x = (a/ME) / (a/ME + (1-a)/MN), trong đó a là nồng độ phần khối lượng, ME là khối lượng phân tử của Etylic và MN là khối lượng phân tử của Nước. Ví dụ, với hỗn hợp đầu có nồng độ 0.32 phần khối lượng, nồng độ mol của Etylic là xF = 0.1555. Tương tự, với sản phẩm đỉnh có nồng độ 0.83 phần khối lượng, nồng độ mol của Etylic là xP = 0.6564, và với sản phẩm đáy có nồng độ 0.005 phần khối lượng, nồng độ mol của Etylic là xW = 0.00196. Các giá trị này rất quan trọng để tính toán cân bằng vật liệu và thiết kế tháp chưng cất.
3.2. Tính Lưu Lượng Sản Phẩm Áp Dụng Phương Trình Cân Bằng
Sử dụng các phương trình cân bằng vật liệu đã thiết lập, ta có thể tính toán lưu lượng sản phẩm đỉnh và đáy. Trong ví dụ này, với lưu lượng hỗn hợp đầu là 9000 kg/h, lưu lượng sản phẩm đỉnh được tính là 3436.3636 kg/h, và lưu lượng sản phẩm đáy là 5563.6364 kg/h. Việc xác định chính xác các lưu lượng này là cơ sở để thiết kế các thiết bị khác trong dây chuyền chưng cất, như thiết bị gia nhiệt, thiết bị ngưng tụ và thiết bị làm lạnh.
IV. Tính Toán Số Đĩa Lý Thuyết và Chỉ Số Hồi Lưu Thích Hợp
Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp và số đĩa lý thuyết là bước quan trọng để tối ưu hóa thiết kế tháp chưng cất. Phương trình đường làm việc của đoạn luyện là y = (R/(R+1))x + (xP/(R+1)), và phương trình đường làm việc của đoạn chưng được thiết lập dựa trên cân bằng vật liệu. Để xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin), ta dựng đường cân bằng và sử dụng công thức Rmin = (xP - yF)/(yF* - xF), trong đó yF* là nồng độ mol cân bằng của Etylic trong pha hơi tại nồng độ xF. Chỉ số hồi lưu thích hợp (Rth) thường được chọn lớn hơn Rmin, với Rth = β*Rmin, trong đó β là hệ số từ 1.2 đến 2.5. Việc chọn Rth ảnh hưởng đến chiều cao và đường kính tháp, cần cân bằng để đạt được thể tích tháp nhỏ nhất. Để xác định số đĩa lý thuyết, ta vẽ đồ thị đường làm việc và đếm số bậc thang cần thiết để đi từ nồng độ đáy đến nồng độ đỉnh.
4.1. Phương Trình Đường Làm Việc Cách Thiết Lập và Ứng Dụng
Phương trình đường làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng mô tả mối quan hệ giữa nồng độ cấu tử nhẹ trong pha lỏng và pha hơi trong từng đoạn của tháp. Việc thiết lập chính xác các phương trình này là cần thiết để vẽ đồ thị và xác định số đĩa lý thuyết. Các giả thiết đơn giản hóa như dòng mol không đổi và nhiệt hóa hơi bằng nhau giúp việc tính toán trở nên dễ dàng hơn. Tuy nhiên, trong các trường hợp phức tạp, cần sử dụng các mô hình chính xác hơn.
4.2. Xác Định Chỉ Số Hồi Lưu Tối Thiểu Phương Pháp Đồ Thị
Chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin) là chỉ số hồi lưu cần thiết để đạt được sự tách biệt mong muốn với số đĩa vô hạn. Phương pháp đồ thị là một cách đơn giản để xác định Rmin. Ta vẽ đường cân bằng và đường q, sau đó vẽ đường thẳng từ điểm (xP, xP) đến giao điểm của đường cân bằng và đường q. Độ dốc của đường thẳng này là Rmin/(Rmin+1). Việc xác định chính xác Rmin là quan trọng vì nó là cơ sở để chọn chỉ số hồi lưu thích hợp.
4.3. Số Đĩa Lý Thuyết Xác Định Bằng Đồ Thị McCabe Thiele
Đồ thị McCabe-Thiele là một công cụ đồ họa được sử dụng để xác định số đĩa lý thuyết cần thiết để đạt được sự tách biệt mong muốn. Ta vẽ đường cân bằng và đường làm việc, sau đó vẽ các bậc thang giữa hai đường này, bắt đầu từ điểm (xW, xW) và kết thúc tại điểm (xP, xP). Số bậc thang chính là số đĩa lý thuyết. Việc sử dụng đồ thị McCabe-Thiele giúp trực quan hóa quá trình tách và dễ dàng xác định số đĩa cần thiết.
V. Tính Toán Đường Kính Tháp Chưng Cất Rượu Etylic Cách Thực Hiện
Việc tính toán đường kính tháp là một phần quan trọng trong thiết kế tháp chưng cất. Đường kính tháp ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và hiệu quả của quá trình chưng cất. Đối với tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền, tốc độ hơi được tính theo công thức ωy = 0.05 * sqrt( (ρx - ρy) / ρy). Đường kính tháp được tính theo công thức D = sqrt(4*V / (π * ω)), trong đó V là lưu lượng hơi và ω là vận tốc hơi. Lưu lượng hơi thay đổi theo chiều cao tháp, nên đường kính đoạn chưng và đoạn luyện có thể khác nhau. Lượng hơi trung bình được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn. Việc xác định chính xác đường kính tháp giúp đảm bảo tháp hoạt động ổn định và hiệu quả.
5.1. Vận Tốc Hơi Ảnh Hưởng Đến Đường Kính Tháp
Vận tốc hơi là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến đường kính tháp. Vận tốc hơi quá cao có thể gây ra hiện tượng cuốn theo chất lỏng, làm giảm hiệu quả tách. Vận tốc hơi quá thấp có thể làm tăng kích thước tháp và chi phí đầu tư. Việc chọn vận tốc hơi thích hợp là cần thiết để tối ưu hóa thiết kế tháp chưng cất. Trong tháp đĩa lỗ, vận tốc hơi thường được giới hạn để tránh tạo bọt.
5.2. Tính Khối Lượng Riêng Pha Lỏng và Pha Hơi
Khối lượng riêng của pha lỏng và pha hơi là cần thiết để tính toán vận tốc hơi và đường kính tháp. Khối lượng riêng phụ thuộc vào thành phần và nhiệt độ của hỗn hợp. Ta có thể sử dụng các phương trình trạng thái hoặc tra cứu bảng số liệu để xác định khối lượng riêng. Việc xác định chính xác khối lượng riêng giúp đảm bảo tính chính xác của các tính toán thiết kế.
5.3. Chọn Đường Kính Tháp Tiêu Chí và Bảng Quy Chuẩn
Sau khi tính toán được đường kính lý thuyết, ta cần chọn đường kính tháp theo bảng quy chuẩn. Các bảng quy chuẩn thường có các giá trị đường kính tiêu chuẩn, giúp đơn giản hóa việc chế tạo và lắp đặt. Việc chọn đường kính tháp lớn hơn một chút so với đường kính lý thuyết có thể giúp đảm bảo tháp hoạt động ổn định và có khả năng chịu tải tốt hơn.
VI. Tính Toán Trở Lực Tháp Đĩa Chưng Cất Etylic Các Yếu Tố Quan Trọng
Việc tính toán trở lực của tháp là quan trọng để xác định áp suất cần thiết để vận hành tháp và chọn bơm phù hợp. Trở lực của tháp bao gồm trở lực của đĩa khô, trở lực do sức căng bề mặt và trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra. Trở lực của đĩa khô phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của lỗ đĩa. Trở lực do sức căng bề mặt phụ thuộc vào sức căng bề mặt của chất lỏng và đường kính lỗ đĩa. Trở lực thủy tĩnh phụ thuộc vào chiều cao chất lỏng trên đĩa. Việc tính toán chính xác trở lực của tháp giúp đảm bảo tháp hoạt động ổn định và tiết kiệm năng lượng.
6.1. Trở Lực Đĩa Khô Ảnh Hưởng Từ Cấu Tạo Đĩa
Trở lực đĩa khô là trở lực do dòng khí đi qua các lỗ trên đĩa tạo ra. Trở lực này phụ thuộc vào cấu tạo của đĩa, như đường kính lỗ, khoảng cách giữa các lỗ và hình dạng lỗ. Đĩa có tiết diện tự do lớn sẽ có trở lực nhỏ hơn. Việc thiết kế đĩa sao cho có trở lực phù hợp là cần thiết để đảm bảo hiệu quả tách và ổn định hoạt động của tháp.
6.2. Trở Lực Sức Căng Bề Mặt Liên Quan Đến Tính Chất Chất Lỏng
Trở lực sức căng bề mặt là trở lực do sức căng bề mặt của chất lỏng cản trở dòng khí đi qua các lỗ đĩa. Trở lực này phụ thuộc vào sức căng bề mặt của chất lỏng và đường kính lỗ đĩa. Với lỗ đĩa nhỏ, trở lực sức căng bề mặt có thể đáng kể. Việc lựa chọn chất lỏng và thiết kế lỗ đĩa phù hợp có thể giảm trở lực này.
6.3. Trở Lực Thủy Tĩnh Ảnh Hưởng Từ Chiều Cao Chất Lỏng
Trở lực thủy tĩnh là trở lực do trọng lượng của chất lỏng trên đĩa tạo ra. Trở lực này phụ thuộc vào chiều cao chất lỏng và khối lượng riêng của chất lỏng. Chiều cao chất lỏng được kiểm soát bởi chiều cao cửa chảy tràn. Việc điều chỉnh chiều cao cửa chảy tràn có thể điều chỉnh trở lực thủy tĩnh và ảnh hưởng đến hiệu quả tách.