ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC

MUÏC LUÏC trang LÔØI MÔÛ ÑAÀU CHÖÔNG I : TOÅNG QUAN I . LYÙù THUYEÁT VEÀ CHÖNG CAÁT 1 . Phöông phaùp chöng caát 2 . Thieát bò chöng caát: II . GIÔÙI THIEÄU SÔ BOÄ NGUYEÂN LIEÄU 1 . Etanol 2 . Nöôùc 3 . 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 : 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 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 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 : 1500 kg/h coù noàng ñoä 15% 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. CHÖÔNG I : TOÅNG QUAN. I . 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. 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.   Öu ñieåm:  - Ñôn giaûn.  - Hieäu suaát töông ñoái cao.  - Hieäu suaát cao.      - Trôû löïc thaáp.  - Hoaït ñoäng khaù oån ñònh.  - Hoaït ñoäng oån ñònh.         - Laøm vieäc vôùi chaát loûng baån.      Nhöôïc ñieåm:  - Hieäu suaát thaáp.  - Trôû löïc khaù cao.  - Caáu taïo phöùc taïp.      - Ñoä oån ñònh keùm.  - Yeâu caàu laép ñaët khaét khe -> laép ñóa thaät phaúng.  - Trôû löïc lôùn.      - Thieát bò naëng.     - Khoâng laøm vieäc vôùi 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. II . GIÔÙI THIEÄU SÔ BOÄ NGUYEÂN LIEÄU : Nguyeân lieäu laø hoãn hôïp Etanol - Nöôùc. 1 . Etanol: (Coøn goïi laø röôïu etylic , coàn eâtylic hay coàn thöïc phaåm). 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): 78.3oC. + 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+ Haèng soá phaân ly cuûa etanol:
, cho neân etanol laø chaát 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 Do
: tính acid cuûa röôïu nhoû hôn tính acid cuûa 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. CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 CH3-COO-C2H5 + H2O * Phaûn öùng treân nhoùm hydroxyl: + Taùc duïng vôùi HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O + Taùc duïng vôùi Triclo Phoát pho: CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl + Taùc duïng vôùi NH3: CH3-CH2-OH + NH3 C2H5-NH2 + H2O + Phaûn öùng taïo eter vaø taùch loaïi nöôùc: 2CH3-CH2-OH (CH3-CH2)2O + H2O CH3-CH2-OH CH2=CH2 + H2O * Phaûn öùng hydro vaø oxy hoaù: CH3-CH2-OH CH3-CHO + H2 ÖÙng duïng: etanol coù nhieàu öùng duïng hôn metanol, noù ñoùng moät vai troø quan troïng trong neàn kinh teá quoác daân. Noù laø nguyeân lieäu duøng ñeå saûn suaát hôn 150 maët haøng khaùc nhau vaø ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong caùc ngaønh: coâng nghieäp naëng, y teá vaø döôïc, quoác phoøng, giao thoâng vaän taûi, deät, cheá bieán goã vaø noâng nghieäp. Sô ñoà toùm taét vò trí cuûa etanol trong caùc ngaønh coâng nghieäp. Phöông phaùp ñieàu cheá: coù nhieàu phöông phaùp ñieàu cheá etanol: hydrat hoaù etylen vôùi xuùc taùc H2SO4; thuyû phaân daãn xuaát halogen vaø ester cuûa etanol khi ñun noùng vôùi nöôùc xuùc taùc dung dòch bazô; hydro hoaù aldyhyt aceâtic; töø caùc hôïp chaát cô kim… Trong coâng nghieäp, ñieàu cheá etanol baèng phöông phaùp leân men töø nguoàn tinh boät vaø ræ ñöôøng. Nhöõng naêm gaàn ñaây, ôû nöôùc ta coâng ngheä saûn suaát etanol chuû yeáu laø söû duïng chuûng naám men Saccharomyses cerevisiae ñeå leân men tinh boät: C6H6O6 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal Trong ñoù: 95% nguyeân lieäu chuyeån thaønh etanol vaø CO2. 5% nguyeân lieäu chuyeån thaønh saûn phaåm phuï: glyxeârin, acid sucxinic, daàu fusel, metylic vaø caùc acid höõu cô(lactic, butylic…). 2 . Nöôùc: Trong ñieàu kieän bình thöôøng: nöôùc laø chaát loûng khoâng maøu, khoâng muøi, khoâng vò nhöng khoái nöôùc daøy seõ coù maøu xanh nhaït. Khi hoùa raén noù coù theå toàn taïi ôû daïng 5 daïng tinh theå khaùc nhau: Khoái löôïng phaân töû : 18 g / mol Khoái löôïng rieâng d40 c : 1 g / ml Nhieät ñoä noùng chaûy : 00C Nhieät ñoä soâi : 1000 C Nöôùc laø hôïp chaát chieám phaàn lôùn treân traùi ñaát (3/4 dieän tích traùi ñaát laø nöôùc bieån) vaø raát caàn thieát cho söï soáng. Nöôùc laø dung moâi phaân cöïc maïnh, coù khaû naêng hoaø tan nhieàu chaát vaø laø dung moâi raát quan troïng trong kyõ thuaät hoùa hoïc. 3 . Hoãn hôïp Etanol – Nöôùc: Ta coù baûng thaønh phaàn loûng (x) – hôi (y) vaø nhieät ñoä soâi cuûa hoãn hôïp Etanol - Nöôùc ôû 760 mmHg: x(%phaân mol)  0  5  10  20  30  40  50  60  70  80  90  100   y(%phaân mol)  0  33,2  44,2  53,1  57,6  61,4  65,4  69,9  75,3  81,8  89,8  100   t(oC)  100  90,5  86,5  83,2  81,7  80,8  80  79,4  79  78,6  78,4  78,4  
III. COÂNG NGHEÄ CHÖNG CAÁT HEÄ ETANOL – NÖÔÙC: Etanol laø moät chaát loûng tan voâ haïn trong H2O, nhieät ñoä soâi laø 78,30C ôû 760mmHg, nhieät ñoä soâi cuûa nöôùc laø 100oC ôû 760mmHg : hôi caùch bieät khaù xa neân phöông phaùp hieäu quaû ñeå thu etanol coù ñoä tinh khieát cao laø phöông phaùp chöng caát. Trong tröôøng hôïp naøy, ta khoâng theå söû duïng phöông phaùp coâ ñaëc vì caùc caáu töû ñeàu coù khaû naêng bay hôi, vaø khoâng söû duïng phöông phaùp trích ly cuõng nhö phöông phaùp haáp thuï do phaûi ñöa vaøo moät khoa môùi ñeå taùch, coù theå laøm cho quaù trình phöùc taïp hôn hay quaù trình taùch khoâng ñöôïc hoaøn toaøn. * Sô ñoà qui trình coâng ngheä chöng caát heä Etanol – nöôùc: Chuù thích caùc kí hieäu trong qui trình: 1 . Boàn chöùa nguyeân lieäu. 2 . Bôm. 3 . Boàn cao vò. 4 . Löu löôïng keá. 5 . Thieát bò trao ñoåi nhieät vôùi saûn phaåm ñaùy. 6 . Thieát bò gia nhieät nhaäp lieäu. 7 . Baåy hôi. 8 . Thaùp chöng caát. 9 . Nhieät keá. 10 . Aùp keá. 11 . Thieát bò ngöng tuï saûn phaåm ñænh. 12 . Noài ñun. 13 . Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh. 14 . Boàn chöùa saûn phaåm ñænh. 15 . Boàn chöùa saûn phaåm ñaùy. 16 . Boä phaän phaân doøng. * Thuyeát minh qui trình coâng ngheä: Hoãn hôïp etanol – nöôùc coù noàng ñoä etanol 15% ( theo phaân mol), nhieät ñoä khoaûng 280C taïi bình chöùa nguyeân lieäu (1) ñöôïc bôm (2) bôm leân boàn cao vò (3). Töø ñoù ñöôïc ñöa ñeán thieát bò trao ñoåi nhieät (5) ( trao ñoåi nhieät vôùi saûn phaåm ñaùy ). Sau ñoù, hoãn hôïp ñöôïc ñun soâi ñeán nhieät ñoä soâi trong thieát bò gia nhieät(6)ù, hoãn hôïp ñöôïc ñöa vaøo thaùp chöng caát (8) ôû ñóa nhaäp lieäu. Treân ñóa nhaäp lieäu, chaát loûng ñöôïc troän vôùi phaàn loûng töø ñoaïn caát cuûa thaùp chaûy xuoáng. Trong thaùp hôi, ñi töø döôùi leân gaëp chaát loûng töø treân xuoáng. ÔÛ ñaây, coù söï tieáp xuùc vaø trao ñoåi giöõa hai pha vôùi nhau. Pha loûng chuyeån ñoäng trong phaàn chöng caøng xuoáng döôùi caøng giaûm noàng ñoä caùc caáu töû deã bay hôi vì ñaõ bò pha hôi taïo neân töø noài ñun (12) loâi cuoán caáu töû deã bay hôi.Nhieät ñoä caøng leân treân caøng thaáp, neân khi hôi ñi qua caùc ñóa töø döôùi leân thì caáu töû coù nhieät ñoä soâi cao laø nöôùc seõ ngöng tuï laïi, cuoái cuøng treân ñænh thaùp ta thu ñöôïc hoãn hôïp coù caáu töû etanol chieám nhieàu nhaát (coù noàng ñoä 85% phaân mol). Hôi naøy ñi vaøo thieát bò ngöng tuï (11) vaø ñöôïc ngöng tuï hoaøn toaøn. Moät phaàn chaát loûng ngöng tuï ñi qua thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh (13), ñöôïc laøm nguoäi ñeán 350C , roài ñöôïc ñöa qua boàn chöùa saûn phaåm ñænh (14). Phaàn coøn laïi cuûa chaát loûng ngöng tuï ñöïôc hoaøn löu veà thaùp ôû ñóa treân cuøng vôùi tæ soá hoaøn löu toái öu. Moät phaàn caáu töû coù nhieät ñoä soâi thaáp ñöôïc boác hôi, coøn laïi caáu töû coù nhieät ñoä soâi cao trong chaát loûng ngaøy caøng taêng. Cuoái cuøng, ôû ñaùy thaùp ta thu ñöôïc hoãn hôïp loûng haàu heát laø caùc caáu töû khoù bay hôi ( nöôùc). Hoãn hôïp loûng ôû ñaùy coù noàng ñoä etanol laø 0,19 % phaân mol, coøn laïi laø nöôùc. Dung dòch loûng ñaùy ñi ra khoûi thaùp vaøo noài ñun (12). Trong noài ñun dung dòch loûng moät phaàn seõ boác hôi cung caáp laïi cho thaùp ñeå tieáp tuïc laøm vieäc, phaàn coøn laïi ra khoûi noài ñun ñöôïc trao ñoåi nhieät vôùi doøng nhaäp lieäu trong thieát bò (5) (sau khi qua boàn cao vò). Heä thoáng laøm vieäc lieân tuïc cho ra saûn phaåm ñænh laø etanol, saûn phaåm ñaùy sau khi trao ñoåi nhieät vôùi nhaäp lieäu coù nhieät ñoä laø 600C ñöôïc thaûi boû. CHÖÔNG II : CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT . I . CAÙC THOÂNG SOÁ BAN ÑAÀU : Naêng suaát nhaäp lieäu : GF = 1500 (Kg/h) . Noàng ñoä nhaäp lieäu : xF = 15%mol etanol. Noàng ñoä saûn phaåm ñænh : xD = 85%mol etanol . Tyû leä thu hoài etanol : 99%. Khoái löôïng phaân töû cuûa röôïu vaø nöôùc : MR =46 , MN =18 . Choïn : + Nhieät ñoä nhaäp lieäu : t’F =28oC . + Nhieät ñoä saûn phaåm ñænh sau khi laøm nguoäi : t’D =35oC . + Nhieät ñoä saûn phaåm ñaùy sau khi trao ñoåi nhieät : t’W = 60oC . +Traïng thaùi nhaäp lieäu laø traïng thaùi loûng soâi . Caùc kí hieäu : + GF , F : suaát löôïng nhaäp lieäu tính theo Kg/h , Kmol/h . + GD , D : suaát löôïng saûn phaåm ñænh tính theo Kg/h , Kmol/h . + GW ,W : suaát löôïng saûn phaåm ñaùy tính theo Kg/h , Kmol/h . + xi ,
: phaân mol , phaân khoái löôïng cuûa caáu töû i . II . XAÙC ÑÒNH SUAÁT LÖÔÏNG SAÛN PHAÅM ÑÆNH VAØ SAÛN PHAÅM ÑAÙY : Caân baèng vaät chaát cho toaøn thaùp : F = D + W (II.1) Caân baèng caáu töû etanol (caáu töû nheï) : F.xF = D.xD + W.xW (II.2) Tyû leä thu hoài (99%) : F.xF . D.xD (II.3) Vôùi : * Phaân mol nhaäp lieäu : xF = 0,15 (phaân mol etanol ).
=31.08%(theo khoái löôïng ) . Khoái löôïng phaân töû trung bình doøng nhaäp lieäu : MF =
= 22.2(Kg/Kmol). F =
=
=67.567 (Kmol/h) * Phaân mol saûn phaåm ñænh : xD =0,85 (phaân mol etanol) . Khoái löôïng phaân töû trung bình doøng saûn phaåm ñænh : MD =
=41,8 (Kg/Kmol). Giaûi 3 phöông trình (II.1),(II.2),(II.3),ta coù : D = 11.8 (Kmol/h) W = 55.767 (Kmol/h) xW = 0,0019 (phaân mol etanol ) Suy ra , khoái löôïng phaân töû trung bình doøng saûn phaåm ñaùy : MW =
= 18,053 (Kg/Kmol). III . XAÙC ÑÒNH TÆ SOÁ HOAØN LÖU THÍCH HÔÏP: 1 . Tæ soá hoaøn löu toái thieåu: Tæ soá hoaøn löu toái thieåu laø cheá ñoä laøm vieäc maø taïi ñoù öùng vôùi soá maâm lyù thuyeát laø voâ cöïc .Do ñoù ,chi phí coá ñònh laø voâ cöïc nhöng chi phí ñieàu haønh (nhieân lieäu ,nöôùc vaø bôm…) laø toái thieåu . Do ñoà thò caân baèng cuûa heä Etanol-Nöôùc coù ñieåm uoán ,neân xaùc ñònh tæ soá hoaøn löu toái thieåu baèng caùch : +Treân ñoà thò caân baèng y-x ,töø ñieåm (0,85;0,85) ta keû moät ñöôøng thaúng tieáp tuyeán vôùi ñöôøng caân baèng taïi ñieåm uoán , caét truïc Oy taïi ñieåm coù yo = 0,26 . +Theo phöông trình ñöôøng laøm vieäc ñoaïn caát , khi xo =0 thì yo =
=0,26 Vaäy : tæ soá hoaøn löu toái thieåu : Rmin = 2,269 2. Tæ soá hoaøn löu thích hôïp: Khi R taêng, soá maâm seõ giaûm nhöng ñöôøng kính thaùp ,thieát bò ngöng tuï ,noài ñun vaø coâng ñeå bôm cuõng taêng theo.Chi phí coá ñònh seõ giaûm daàn ñeán cöïc tieåu roài taêng ñeán voâ cöïc khi hoaøn löu toaøn phaàn ,löôïng nhieät vaø löôïng nöôùc söû duïng cuõng taêng theo tæ soá hoaøn löu . Toång chi phí bao goàm : chi phí coá ñònh vaø chi phí ñieàu haønh . Tæ soá hoaøn löu thích hôïp öùng vôùi toång chi phí laø cöïc tieåu . Tuy nhieân ,ñoâi khi caùc chi phí ñieàu haønh raát phöùc taïp ,khoù kieåm soaùt neân ngöôøi ta coù theå tính tæ soá hoaøn löu thích hôïp töø ñieàu kieän thaùp nhoû nhaát .Ñeå tính ñöôïc tæ soá hoaøn löu thích hôïp theo ñieàu kieän thaùp nhoû nhaát (khoâng tính ñeán chi phí ñieàu haønh),ta caàn laäp moái quan heä giöõa tæ soá hoaøn löu vaø theå tích thaùp ,töø ñoù choïn Rth öùng vôùi theå tích thaùp laø nhoû nhaát. Nhaän thaáy ,tieát dieän thaùp tæ leä vôùi löôïng hôi ñi trong thaùp ,maø löôïng hôi laïi tæ leä vôùi löôïng loûng hoài löu trong thaùp ,do trong ñieàu kieän laøm vieäc nhaát ñònh thì GD seõ khoâng ñoåi neân löôïng loûng hoài löu seõ tæ leä vôùi (R+1) ,do ñoù , tieát dieän thaùp seõ tæ leä vôùi (R+1). Ngoaøi ra ,chieàu cao thaùp tæ leä vôùi soá ñôn vò chuyeån khoái mox hay soá maâm lyù thuyeát Nlt .Cho neân ,theå tích laøm vieäc cuûa thaùp tæ leä vôùi tích soá mox*(R+1) .Nhö vaäy, ta coù theå thieát laäp quan heä giöõa R vaø Vthaùp theo quan heä R vaø mox*(R+1) .Töø ñoà thò cuûa quan heä naøy ,ta xaùc ñònh ñöôïc ñieåm cöïc tieåu cuûa mox*(R+1) öùng vôùi tæ soá hoaøn löu thíc