Đồ án: Tính toán thiết kế tháp chưng cất mâm xuyên lỗ hệ Etanol – Nước

Đồ án môn học tính toán, thiết kế tháp chưng cất mâm xuyên lỗ dùng để phân tách hệ Etanol - Nước. Tài liệu cung cấp lý thuyết và quy trình chi tiết.

• Người hướng dẫn: Vũ Bá Minh
• Chuyên ngành: Quá trình và Thiết bị
• Đề tài: Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ chưng cất hệ Etanol - Nước
• Loại tài liệu: Đồ án môn học

Tóm tắt

I. Khái Niệm Cơ Bản Về Thiết Kế Tháp Mâm Xuyên Lỗ Chưng Cất

Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ chưng cất là một trong những công nghệ quan trọng trong ngành công nghiệp hoá chất. Tháp chưng cất được sử dụng để tách chiết các hỗn hợp dựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của các thành phần. Hệ etanol - nước là một ứng dụng điển hình của công nghệ này. Quá trình chưng cất hoạt động bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ, giúp nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm. Mâm xuyên lỗ là thành phần chính của tháp, cho phép tiếp xúc hiệu quả giữa pha lỏng và pha khí. Thiết kế này có ưu điểm vượt trội so với các phương pháp phân tách khác như trích ly hay cô đặc.

1.1. Nguyên Lý Chưng Cất Hệ Etanol Nước

Chưng cất hệ etanol - nước dựa trên sự khác nhau về nhiệt độ sôi. Etanol có nhiệt độ sôi 78°C trong khi nước là 100°C. Quá trình phân tách xảy ra khi pha khí giàu etanol được ngưng tụ thành pha lỏng, sau đó lại bay hơi ở mâm tiếp theo. Phương pháp này cho phép thu được sản phẩm đỉnh chứa 85% mol etanol từ nguyên liệu ban đầu chỉ có 10% mol etanol.

1.2. Ứng Dụng Trong Công Nghiệp

Trong công nghiệp hoá chất và thực phẩm, tháp chưng cất mâm xuyên lỗ được sử dụng rộng rãi để nâng cao độ tinh khiết nguyên liệu hoặc sản phẩm. Đối với hệ etanol - nước với suất nạp liệu 1000 kg/h và độ thu hồi etanol 99%, thiết kế tháp phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cao về cân bằng vật chất, truyền nhiệt và cơ khí.

II. Thông Số Kỹ Thuật Thiết Kế Tháp Chưng Cất

Thiết kế tháp chưng cất hiệu quả yêu cầu xác định chính xác các thông số kỹ thuật. Các yếu tố quan trọng bao gồm đường kính tháp, số mâm lý thuyết, số mâm thực tế, và tỷ số hoàn lưu. Cân bằng vật chất là bước đầu tiên để xác định lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy. Từ dữ liệu cân bằng, ta có thể tính toán được tỷ số hoàn lưu tối thiểu - điều kiện cần thiết để tháp hoạt động ổn định. Đường làm việc của tháp được xác định dựa trên dữ liệu cân bằng, giúp tính toán số mâm lý thuyết cần thiết để đạt mục tiêu tách chiết.

2.1. Cân Bằng Vật Chất Và Thành Phần Sản Phẩm

Cân bằng vật chất hệ etanol - nước với nguyên liệu 1000 kg/h chứa 10% mol etanol phải xác định được khối lượng sản phẩm đỉnh (85% mol etanol) và sản phẩm đáy. Công thức cân bằng: Nạp = Sản phẩm đỉnh + Sản phẩm đáy. Với độ thu hồi 99%, ta có thể tính được lượng etanol cần tách chiết và các thành phần còn lại trong mỗi dòng sản phẩm.

2.2. Tỷ Số Hoàn Lưu Và Số Mâm Thực Tế

Tỷ số hoàn lưu là tỷ số giữa lượng sản phẩm được làm lạnh và tái chứng cất với lượng sản phẩm đỉnh lấy ra. Tỷ số hoàn lưu tối thiểu đảm bảo tháp hoạt động với hiệu quả cơ bản. Số mâm thực tế luôn lớn hơn số mâm lý thuyết do hiệu suất từng mâm không đạt 100%, thường đạt 60-80% tùy vào thiết kế mâm xuyên lỗ.

III. Thiết Kế Cơ Khí Tháp Mâm Xuyên Lỗ

Thiết kế cơ khí tháp chưng cất bao gồm tính toán đường kính tháp, chiều cao, độ dày thành tháp, và các chi tiết mâm xuyên lỗ. Đường kính đoạn cắt (nơi khí lên từ dưới) khác với đường kính đoạn chưng (nơi lỏng chảy xuống) do yêu cầu xử lý lưu lượng khí-lỏng khác nhau. Mâm loã là thiết bị chính cho phép tiếp xúc giữa khí và lỏng, với độ giảm áp qua mâm là thông số quan trọng. Kiểm tra ngập lụt đảm bảo tháp không bị ngập nước hay khô khí khi hoạt động. Ngoài ra, phải tính toán độ dày bích ghép, đường kính ống dẫn, và cơ cấu giá đỡ để đảm bảo an toàn cơ học.

3.1. Tính Toán Đường Kính Tháp Và Mâm Xuyên Lỗ

Đường kính tháp được tính dựa trên lưu lượng khí tối đa mà mâm có thể xử lý, thông qua hệ số tốc độ khí. Công thức tính: D = √(4Q/(πv)), trong đó Q là lưu lượng khí, v là vận tốc cho phép. Mâm xuyên lỗ cần được thiết kế với khoảng cách mâm phù hợp (thường 0.3-0.5m) để đảm bảo hiệu quả tách chiết và không bị ngập lụt hoặc khô.

3.2. Bào Bản Và Cơ Cấu Hỗ Trợ

Bào bản tháp (thân tháp) phải chịu được áp lực nội bộ và trọng lượng chất lỏng. Bích ghép giữa các phần của tháp phải đảm bảo không rò rỉ. Tai treo và chân đỡ được thiết kế để hỗ trợ toàn bộ trọng lượng tháp và nội dung bên trong. Tính toán cơ học phải tuân theo tiêu chuẩn ASME hoặc DIN để đảm bảo độ an toàn.

IV. Thiết Bị Phụ Trợ Và Tính Toán Kinh Tế

Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống chưng cất không chỉ giới hạn ở tháp mà còn bao gồm các thiết bị truyền nhiệt. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh được dùng để làm lạnh khí etanol-nước giàu etanol thành dạng lỏng. Thiết bị làm nóng sản phẩm đỉnh (nếu cần) giúp tái chứng cất một phần sản phẩm. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy (reboiler) cung cấp nhiệt để bay hơi ở đáy tháp. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nạp liệu và sản phẩm đáy giúp tiết kiệm năng lượng. Bôm nạp liệu phải được chọn với công suất phù hợp dựa trên chiều cao cột chất lỏng. Tính toán bảo ôn thiết bị đảm bảo giữ nhiệt độ ổn định. Cuối cùng, tính giá thành thiết bị giúp đánh giá tính kinh tế của dự án.

4.1. Hệ Thống Truyền Nhiệt Và Điều Khiển Nhiệt Độ

Ngưng tụ trên đỉnh tháp sử dụng nước lạnh hoặc dung dịch làm lạnh để ngưng tụ hoàn toàn pha khí. Reboiler (nồi đun) ở đáy tháp cung cấp nhiệt tiềm ẩn vốn giúp bay hơi sản phẩm. Trao đổi nhiệt giữa nạp và đáy là phương pháp tích hợp nhiệt giúp giảm tiêu hao năng lượng lên tới 30-50% so với hệ thống thông thường.

4.2. Lựa Chọn Bôm Và Tính Giá Thành

Bôm nạp liệu phải có công suất đủ để đẩy 1000 kg/h lỏng lên cao. Chiều cao boàn cao vị tính từ mực chất lỏng đến điểm nạp. Giá thành thiết bò bao gồm chi phí tháp, thiết bị phụ, bôm, và ống dẫn. Phân tích kinh tế giúp xác định tính khả thi của dự án và thời gian thu hồi vốn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh MUÏC LUÏC trang LÔØI MÔÛ ÑAÀU CHÖÔNG I : TOÅNG QUAN. LYÙù THUYEÁT VEÀ CHÖNG CAÁT 1. Phöông phaùp chöng caát 2. Thieát bò chöng caát: II.

GIÔÙI THIEÄU SÔ BOÄ NGUYEÂN LIEÄU 1. Hoãn hôïp Etanol – Nöôùc III. COÂNG NGHEÄ CHÖNG CAÁT HEÄ ETANOL – NÖÔÙC CHÖÔNG II : CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT I. CAÙC THOÂNG SOÁ BAN ÑAÀU II.

XAÙC ÑÒNH SUAÁT LÖÔÏNG SAÛN PHAÅM ÑÆNH VAØ SAÛN PHAÅM ÑAÙY III. XAÙC ÑÒNH TÆ SOÁ HOAØN LÖU THÍCH HÔÏP 1. Tæ soá hoaøn löu toái thieåu 2. Tæ soá hoaøn löu thích hôïp IV.

PHÖÔNG TRÌNH ÑÖÔØNG LAØM VIEÄC – SOÁ MAÂM LYÙ THUYEÁT 1. Phöông trình ñöôøng noàng ñoä laøm vieäc cuûa ñoaïn caát 2. Phöông trình ñöôøng noàng ñoä laøm vieäc cuûa ñoaïn chöng 3. Soá maâm lyù thuyeát V.

XAÙC ÑÒNH SOÁ MAÂM THÖÏC TEÁ CHÖÔNG III :TÍNH TOAÙN –THIEÁT KEÁ THAÙP CHÖNG CAÁT I. ÑÖÔØNG KÍNH THAÙP 1. Ñöôøng kính ñoaïn caát 2. Ñöôøng kính ñoaïn chöng II.

MAÂM LOÃ – TRÔÛ LÖÏC CUÛA MAÂM 1. Caáu taïo maâm loã 2. Ñoä giaûm aùp cuûa pha khí qua moät maâm 3. Kieåm tra ngaäp luït khi thaùp hoaït ñoäng : 1 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh III.

TÍNH TOAÙN CÔ KHÍ CUÛA THAÙP 1. Beà daøy thaân thaùp : 2. Ñaùy vaø naép thieát bò : 3. Bích gheùp thaân, ñaùy vaø naép : 4.

Ñöôøng kính caùc oáng daãn – Bích gheùp caùc oáng daãn : 5. Tai treo vaø chaân ñôõ: CHÖÔNG IV : TÍNH TOAÙN THIEÁT BÒ TRUYEÀN NHIEÄT- THIEÁT BÒ PHUÏ I. CAÙC THIEÁT BÒ TRUYEÀN NHIEÄT 1. Thieát bò ngöng tuï saûn phaåm ñænh 2.

Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh 3. Noài ñun gia nhieät saûn phaåm ñaùy 4. Thieát bò trao ñoåi nhieät giöõa nhaäp lieäu vaø saûn phaåm ñaùy 5. Thieát gia nhieät nhaäp lieäu II.

TÍNH BAÛO OÂN CUÛA THIEÁT BÒ III. TÍNH TOAÙN BÔM NHAÄP LIEÄU 1. Tính chieàu cao boàn cao vò 2. Choïn bôm CHÖÔNG V : GIAÙ THAØNH THIEÁT BÒ I.

TÍNH SÔ BOÄ GIAÙ THAØNH CUÛA THIEÁT BÒ II. KEÁT LUAÄN TAØI LIEÄU THAM KHAÛO 2 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh 3 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh LÔØI MÔÛ ÑAÀU Moät trong nhöõng ngaønh coù söï ñoùng goùp to lôùn ñeán ngaønh coâng nghieäp nöôùc ta noùi rieâng vaø theá giôùi noùi chung, ñoù laø ngaønh coâng nghieäp hoùa hoïc. Ñaëc bieät laø ngaønh hoùa chaát cô baûn. Hieän nay, trong nhieàu ngaønh saûn suaát hoùa hoïc cuõng nhö söû duïng saûn phaåm hoùa hoïc, nhu caàu söû duïng nguyeân lieäu hoaëc saûn phaåm coù ñoä tinh khieát cao phaûi phuø hôïp vôùi quy trình saûn suaát hoaëc nhu caàu söû duïng.

Ngaøy nay, caùc phöông phaùp ñöôïc söû duïng ñeå naâng cao ñoä tinh khieát: trích ly, chöng caát, coâ ñaëc, haáp thu… Tuøy theo ñaëc tính yeâu caàu cuûa saûn phaåm maø ta coù söï löïa choïn phöông phaùp thích hôïp. Ñoái vôùi heä Etanol - Nöôùc laø 2 caáu töû tan laãn hoaøn toaøn, ta phaûi duøng phöông phaùp chöng caát ñeå naâng cao ñoä tinh khieát cho Etanol. Ñoà aùn moân hoïc Quaù trình vaø Thieát bò laø moät moân hoïc mang tính toång hôïp trong quaù trình hoïc taäp cuûa caùc kyõû sö hoaù- thöï c phaåm töông lai. Moân hoïc giuùp sinh vieân giaûi quyeát nhieäm vuï tính toaùn cuï theå veà: yeâu caàu coâng ngheä, keát caáu, giaù thaønh cuûa moät thieát bò trong saûn xuaát hoaù chaát - thöïc phaåm.

Ñaây laø böôùc ñaàu tieân ñeå sinh vieân vaän duïng nhöõng kieán thöùc ñaõ hoïc cuûa nhieàu moân hoïc vaøo giaûi quyeát nhöõng vaán ñeà kyõû thuaät thöïc teá moät caùch toång hôïp. Nhieäm vuï cuûa ÑAMH laø thieát keá thaùp chöng caát heä Etanol - Nöôùc hoaït ñoäng lieân tuïc vôùi naâng suaát nhaäp lieäu : 1000 kg/h coù noàng ñoä 10% mol etanol ,thu ñöôïc saûn phaåm ñænh coù noàng ñoä 85% mol etanol vôùi ñoä thu hoài etanol laø 99%. Em chaân thaønh caûm ôn caùc quí thaày coâ boä moân Maùy & Thieát Bò, caùc baïn sinh vieân ñaõ giuùp em hoaøn thaønh ñoà aùn naøy. Tuy nhieân, trong quaù trình hoaøn thaønh ñoà aùn khoâng theå khoâng coù sai soùt, em raát mong quí thaày coâ goùp yù, chæ daãn.

4 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh CHÖÔNG I : TOÅNG QUAN. LYÙù THUYEÁT VEÀ CHÖNG CAÁT: 1. Phöông phaùp chöng caát : Chöng caát laø qua ùtrình phaân taùch hoãn hôïp loûng (hoaëc khí loûng) thaønh caùc caáu töû rieâng bieät döïa vaøo söï khaùc nhau veà ñoä bay hôi cuûa chuùng (hay nhieät ñoä soâi khaùc nhau ôû cuøng aùp suaát), baèng caùch laëp ñi laëp laïi nhieàu laàn quaù trình bay hôi - ngöng tuï, trong ñoù vaät chaát ñi töø pha loûng vaøo pha hôi hoaëc ngöôïc laïi. Khaùc vôùi coâ ñaëc, chöng caát laø quaù trình trong ñoù caû dung moâi vaø chaát tan ñeàu bay hôi, coøn coâ ñaëc laø quaù trình trong ñoù chæ coù dung moâi bay hôi.

Khi chöng caát ta thu ñöôïc nhieàu caáu töû vaø thöôøng thì bao nhieâu caáu töû seõ thu ñöôïc baáy nhieâu saûn phaåm. Neáu xeùt heä ñôn giaûn chæ coù 2 heä caáu töû thì ta thu ñöôïc 2 saûn phaåm: saûn phaåm ñænh chuû yeáu goàm goàm caáu töû coù ñoä bay hôi lôùn (nhieät ñoä soâi nhoû ), saûn phaåm ñaùy chuû yeáu goàm caáu töû coù ñoä bay hôi beù(nhieät ñoä soâi lôùn) .Ñoái vôùi heä Etanol - Nöôùc saûn phaåm ñænh chuû yeáu goàm etanol vaø moät ít nöôùc , ngöôïc laïi saûn phaåm ñaùy chuû yeáu goàm nöôùc vaø moät ít etanol. Caùc phöông phaùp chöng caát: ñöôïc phaân loaïi theo: • AÙp suaát laøm vieäc : chöng caát aùp suaát thaáp, aùp suaát thöôøng vaø aùp suaát cao. Nguyeân taéc cuûa phöông phaùp naøy laø döïa vaøo nhieät ñoä soâi cuûa caùc caáu töû, neáu nhieät ñoä soâi cuûa caùc caáu töû quaù cao thì ta giaûm aùp suaát laøm vieäc ñeå giaûm nhieät ñoä soâi cuûa caùc caáu töû.

• Nguyeân lyù laøm vieäc: lieân tuïc, giaùn ñoaïn(chöng ñôn giaûn) vaø lieân tuïc. * Chöng caát ñôn giaûn(giaùn ñoaïn): phöông phaùp naøy ñuôïc söû duïng trong caùc tröôøng hôïp sau: + Khi nhieät ñoä soâi cuûa caùc caáu töû khaùc xa nhau. + Khoâng ñoøi hoûi saûn phaåm coù ñoä tinh khieát cao. + Taùch hoãn hôïp loûng ra khoûi taïp chaát khoâng bay hôi.

+ Taùch sô boä hoãn hôïp nhieàu caáu töû. * Chöng caát hoãn hôïp hai caáu töû (duøng thieát bò hoaït ñoäng lieân tuïc) laø quaù trình ñöôïc thöïc hieän lieân tuïc, nghòch doøng, nheàu ñoaïn. • Phöông phaùp caát nhieät ôû ñaùy thaùp: caáp nhieät tröïc tieáp baèng hôi nöôùc: thöôøng ñöôïc aùp duïng tröôøng hôïp chaát ñöôïc taùch khoâng tan trong nöôùc. Vaäy: ñoái vôùi heä Etanol – Nöôùc, ta choïn phöông phaùp chöng caát lieân tuïc caáp nhieät giaùn tieáp baèng noài ñun ôû aùp suaát thöôøng.

5 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh 2. Thieát bò chöng caát: Trong saûn xuaát thöôøng söû duïng raát nhieàu loaïi thaùp nhöng chuùng ñeàu coù moät yeâu caàu cô baûn laø dieän tích beà maët tieáp xuùc pha phaûi lôùn ,ñieàu naøy phuï thuoäc vaøo ñoä phaân taùn cuûa löu chaát naøy vaoø löu chaát kia. Thaùp chöng caát raát phong phuù veà kích côõ vaø öùng duïng ,caùc thaùp lôùn nhaát thöôøng ñöôïc öùng duïng trong coâng nghieäp loïc hoaù daàu. Kích thöôùc cuûa thaùp : ñöôøng kính thaùp vaø chieàu cao thaùp tuyø thuoäc suaát löôïng pha loûng, pha khí cuûa thaùp vaø ñoä tinh khieát cuûa saûn phaåm.

Ta khaûo saùt 2 loaïi thaùp chöng caát thöôøng duøng laø thaùp maâm vaø thaùp cheâm. • Thaùp maâm: thaân thaùp hình truï, thaúng ñöùng phía trong coù gaén caùc maâm coù caáu taïo khaùc nhau ñeå chia thaân thaùp thaønh nhöõng ñoaïn baèng nhau, treân maâm pha loûng vaø pha hôi ñöïôc cho tieáp xuùc vôùi nhau. Tuøy theo caáu taïo cuûa ñóa, ta coù: * Thaùp maâm choùp : treân maâm boá trí coù cheùp daïng:troøn ,xuù baép ,chöõ s… * Thaùp maâm xuyeân loã: treân maâm boá trí caùc loã coù ñöôøng kính (3-12) mm. • Thaùp cheâm(thaùp ñeäm): thaùp hình truï, goàm nhieàu ñoaïn noái vôùi nhau baèng maët bích hay haøn.

Vaät cheâm ñöôïc cho vaøo thaùp theo moät trong hai phöông phaùp: xeáp ngaãu nhieân hay xeáp thöù töï. * So saùnh öu vaø nhöôïc ñieåm cuûa caùc loaïi thaùp : Thaùp cheâm. Thaùp maâm xuyeân lo.ã Thaùp maâm choùp. - Hieäu suaát töông ñoái Öu ñieåm: - Ñôn giaûn.

- Hieäu suaát cao. - Hoaït ñoäng khaù oån - Trôû löïc thaáp. - Hoaït ñoäng oån ñònh. - Laøm vieäc vôùi chaát loûng baån.

Nhöôïc ñieåm: - Hieäu suaát thaáp. - Trôû löïc khaù cao. - Caáu taïo phöùc taïp. - Yeâu caàu laép ñaët khaét khe -> laép ñóa thaät - Ñoä oån ñònh keùm.

- Trôû löïc lôùn. - Khoâng laøm vieäc vôùi - Thieát bò naëng. chaát loûng baån. Nhaän xeùt: thaùp maâm xuyeân loã laø traïng thaùi trung gian giöõa thaùp cheâm vaø thaùp maâm choùp.

Neân ta choïn thaùp chöng caát laø thaùp maâm xuyeân loã. Vaäy: Chöng caát heä Etanol - Nöôùc ta duøng thaùp maâm xuyeân loã hoaït ñoäng lieân tuïc ôû aùp suaát thöôøng, caáp nhieät giaùn tieáp ôû ñaùy thaùp. GIÔÙI THIEÄU SÔ BOÄ NGUYEÂN LIEÄU : Nguyeân lieäu laø hoãn hôïp Etanol - Nöôùc. 6 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh 1.

Etanol coù coâng thöùc phaân töû: CH3-CH2-OH, khoái löôïng phaân töû: 46 ñvC. Laø chaát loûng coù muøi ñaëc tröng, khoâng ñoäc, tan nhieàu trong nöôùc. • Moät soá thoâng soá vaät lyù vaø nhieät ñoäng cuûa etanol: + Nhieät ñoä soâi ôû 760(mmHg): 78. + Khoái löôïng rieâng: d420 = 810 (Kg/m3).

• Tính chaát hoùa hoïc: Taát caû caùc phaûn öùng hoaù hoïc xaûy ra ôû nhoùm hydroxyl (-OH) cuûa etanol laø theå hieän tính chaát hoaù hoïc cuûa noù. * Phaûn öùng cuûa hydro trong nhoùm hydroxyl: CH3-CH2-OH CH3-CH2-O- + H+ −18 Haèng soá phaân ly cuûa etanol: K CH −CH −OH = 10 , cho neân etanol laø chaát 3 2 trung tính. + Tính acid cuûa röôïu theå hieän qua phaûn öùng vôùi kim loaïi kieàm, Natri hydrua(NaH), Natri amid(NaNH2): CH3-CH2-OH + NaH CH3-CH2-ONa + H2 Natri etylat −14 Do K CH −CH −OH < K H O = 10 : tính acid cuûa röôïu nhoû hôn tính acid cuûa 3 2 2 nöôùc, neân khi muoái Natri etylat tan trong nöôùc seõ bò thuyû phaân thaønh röôïu trôû laïi. + Taùc duïng vôùi acid taïo ester: Röôïu etanol coù tính bazô töông ñöông vôùi nöôùc.

Khi röôïu taùc duïng vôùi acid voâ cô H2SO4, HNO3 vaø acid höõu cô ñeàu taïo ra ester.