Thiết kế dây chuyền tinh chế sản xuất cồn từ nguyên liệu rỉ đường, năng xuất 5 triệu lít/năm

Mục lục Trang Lời Cám Ơn B¶n ®å ¸n nµy ®­îc hoµn thµnh nhê sù cè g¾ng nç lùc cña b¶n th©n vµ sù gióp ®ì tËn t×nh cña c¸c thÇy c« gi¸o, gia ®×nh vµ bÌ b¹n. Qua ®©y em xin ch©n thµnh c¶m ¬n GS.TS. Ph¹m Xu©n To¶n ®· tËn t×nh gióp ®ì em trong thêi gian thùc hiÖn b¶n ®å ¸n tèt ngiÖp nµy. B¶n ®å ¸n này ®­îc hoµn thµnh nhê sù gióp ®ì cña c¸c thÇy c« gi¸o thuéc bé m«n Qu¸ tr×nh thiÕt bÞ c«ng nghÖ ho¸ häc vµ thùc phÈm, cïng c¸c b¹n trong líp QTTB. Do thêi gian thùc hiÖn ®å ¸n cã h¹n, mÆt kh¸c do h¹n chÕ vÒ kinh nghiÖm nªn b¶n ®å ¸n nµy kh«ng thÓ tr¸nh khái nh÷ng sai sãt, kÝnh mong c¸c thÇy c« gi¸o vµ c¸c b¹n nhËn xÐt, ®ãng gãp ý kiÕn ®Ó b¶n ®å ¸n nµy hoµn thiÖn h¬n. Hà Nội, ngày tháng năm 2006. Sinh viên Bùi Mạnh Hùng MỞ ĐẦU Công nghệ cồn etylic là khoa học về phương pháp và quá trình chế biến các nguyên liệu chứa tinh bột, đường, xenluloza, etylen thành sản phẩm etylic hay etanol. Trong quá trình sản xuất đường từ cây mía, một lượng lớn thứ phẩm (khoảng từ 3 – 5% lượng mía đưa vào sản xuất) được thải ra gọi là rỉ đường hay mật rỉ. Hiện tại ở nước ta có trên 40 nhà máy đường đang hoạt động với tổng công suất trên 12 triệu tấn mía/năm. Nếu tỉ lệ mật rỉ chiếm 3,5 % thì hiện tại các nhà máy đường thải ra lượng mật rỉ là 420 000 tấn/năm. Vì vậy yêu cầu cấp thiết là phải xây dựng các nhà máy để chế biến hết lượng thứ phẩm này, trong đó có nhà máy sản xuất rượu-cồn. Với đề tài “Thiết kế dây truyền tinh chế sản xuất cồn từ nguyên liệu rỉ đường, năng suất 5 Triệu lít/năm.” Căn cứ vào đề tài được giao, quá trình tính toán thiết kế dây truyền sản xuất cồn được thực hiện nhằm mục đích tìm hiểu: Về tình hình sử dụng và sản xuất cồn trong nước và trên thế giới. Quy trình công nghệ và các phương pháp sản xuất rượu cồn đang được áp dụng trong thời gian hiện nay. Tính toán thiết kế hệ thống tháp chưng luyện nhằm thu được cồn thương phẩm loại I. Trên cơ sở khảo sát tìm hiểu quá trình - công nghệ sản xuất của “Công ty cổ phần mía đường Lam Sơn-Thanh Hoá”. Trên cơ sở tham khảo các tài liệu kĩ thuật về công nghệ sản xuất cồn etylic ta gặp rất nhiều kiểu chưng khác nhau như: chưng bằng hơi nước trực tiếp, gián tiếp chưng đơn giản, chưng luyện…Chưng luyện là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách các hỗn hợp hoa tan lẫn vào nhau. Đồ án này em xin được trình bày phương pháp thiết kế dây truyền tinh chế cồn thương phẩm loại I đi từ nguyên liệu đầu là rỉ đường, theo TCVN ở áp suất thường với loại tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền.. CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RƯỢU CỒN I. Sơ lược về tình hình sản xuất rượu etylic ở nước ta và trên thế giới. 1. Sơ lược về lịch sử phát triển cồn ở nước ta và trên thế giới. Rượu là tên gọi chung cho những hợp chất hữu cơ nhóm định chức hydroxyl (-OH) đính trực tiếp vào gốc alkyl (-R). Như vậy tên gọi và tính chất của rượu phụ thuộc vào gốc alkyl, tên gọi và số lượng nhóm hydroxyl đính vào gốc alkyl. Rượu etylic có tên khoa học là Spiritus_Vini (tính chất của vang), có công thức phân tử C2H5OH. Nhiều tài liệu nghiên cứu và di tích lịch sử cổ đại để lại người ta có thể đoán biết từ xa xưa vào khoảng 9000 năm trước công nguyên, con người đã làm được nước uống có rượu bằng phương pháp lên men từ các nguyên liệu chứa hydro cacbon. Mãi đến thế kỉ XII người ta mới phát triển ra rượu etylic-sản phẩm chưng cất được từ rượu vang. Đến thế kỉ XIII, lần đầu tiên rượu etylic mới được coi như một sản phẩm hàng hoá, được ứng dụng vào ngành dược tại Ý. Ở thế kỉ XIV, việc sản xuất rượu etylic được phát triển mạnh ở các nước Trung Cận Đông và Tây Âu như Ai Cập, Hy Lạp, La Mã, Tây Ban Nha…. Đến thế kỉ XVI, sản xuất rượu etylic mới trở thành một ngành công nghiệp, nó ứng dụng những thành tựu khoa học kĩ thuật hiện đại của các ngành hoá học, vật lí, vi sinh vật…Khoảng năm 1800 Hà Lan xây dựng nhà máy rượu đầu tiên trên thế giới. Ở Việt Nam, nghề nấu rượu cũng có từ lâu đời trong nhân dân. Ở miền núi, đồng bào các dân tộc dùng gạo, ngô, khoai, sắn nấu chín rồi cho lên men. Men này được lấy từ trong một số lá cây hoặc được nuôi cấy thuần khiết hơn. Sản phẩm nổi tiếng là rượu cần. Ở đồng bằng, nhân dân biết nuôi cấy và phát triển nấm mốc, nấm men trong thiên nhiên trên môi trường thích hợp (gạo, các nguyên liệu khác nhau có chứa tinh bột đã được nấu chín). Đó gọi là men thuốc bắc. Mãi đến cuối thế kỉ XIX (khoảng năm 1885) các nhà sinh vật học Pháp Calmette Boidin đã phân lập được một loài nấm mốc trong bánh men thuốc bắc, đặt tên là Mucor Roxui. Loài nấm mốc này phát triển tốt trên môi trường có gluxit, nhất là gạo, có nhiệt độ thích hợp là 33-35oC, tích luỹ phức hệ men tương đối phân giải tinh bột đạt hiệu suất cao mà còn khả năng lên men một phần thành rượu. Từ đó một loạt các nhà máy sản xuất rượu từ tinh bột (chủ yếu là gạo) được thành lập ở Hà Nội, Nam Định, Hải Dương, Sài Gòn… Sau ngày miền Nam hoàn toàn giải phóng các nhà máy sản xuất cồn rượu từ mật rỉ được xây dựng rất nhiều như: Nhà máy cồn rượu Quảng Ngãi, Việt Trì, Nghệ An, mơi đây co thêm nhà máy cồn Lam Sơn-Thanh Hóa. 2. Tình hình sản xuất và sử dụng cồn trên thế giới: Cồn được con người xem là sản phẩm thực phẩm nhưng cũng lại là sản phẩm có nguy cơ độc hại đối với cơ thể con người. Tuy nhiên sản lượng vẫn ngày càng tăng thêm. Hầu hết các nước trên thế giới đều dùng cồn để pha chế rượu và các nhu cầu khác nhau như: Y tế, nguyên liệu và nhiên liệu cho các ngành công nghiệp khác. Tuỳ theo tình hình phát triển ở mỗi nước, tỉ lệ cồn dùng cho các ngành rất đa dạng và khác nhau. Ở các nước công nghiệp rượu vang phát triển như: Ý, Pháp, Tây Ban Nha, Mônđôva… Cồn đựơc dùng để tăng thêm nồng độ rượu. Một lượng lớn cồn dùng để pha chế các loại rượu như: Whisky, Barty, Barldy, Napoleon, Rhum… Trong thời gian 1945-1955 nước Nhật chỉ có 19,1% cồn được đưa vào để pha chế rượu, ở Đan Mạch chỉ có 11,6%, Bỉ cồn đưa vào pha chế rượu mạnh chiếm 39% sản lượng/năm, Liên Xô (cũ) đưa vào sản xuất đồ uống chiếm tới 40%, 60% còn lại được dùng vào các ngành kinh tế khác. Ở Mỹ cồn được sử dụng rất đa dạng, tỷ lệ sử dụng vào các ngành cũng thay đổi theo thời kì. Bảng: Tình hình sản xuất rượu etylic ở một số nước (thống kê 1985) [4] Nước sản xuất Lượng cồn sản xuất (106lít) Bình quân đầu người (lít/người) Mỹ 887,000 6,6 Anh 151,000 3,3 Pháp 240,000 6,8 CHLB Đức 169,000 3,2 Italya 102,000 1,5 Bỉ 6,000 1,2 Đan Mạch 13,000 3,3 Achentina 120,000 3,3 Braxin 246,000 3,9 Nhật 27,000 0,3 Canada 108,000 6,3 Phần Lan 17,000 3,6 Liên Xô (cũ) 1323,000 6,0 Ấn Độ 50,000 0,1 Tiệp Khắc (cũ) 190,000 0,1 Rượu và các đồ uống có rượu chiếm một phần lớn trong công nghệ thực phẩm. Chúng rất đa dạng tuỳ theo truyền thống và thị hiếu của người tiêu dùng mà các nhà sản xuất ra nhiều loại rượu mang tên khác nhau. Tuy nhiên có thể chia thành ba loại chính: Rượu mạnh có nồng độ từ trên 30 % V, rượu thông thường có nồng độ từ 15-:-30% V và rượu nhẹ có nồng độ dưới 15%V. Bảng: Tình hình tiêu thụ cồn ở một số nước (Số liệu năm 1975). [4] Tên nước Đồ uống có rượu quy ra cồn 100% (lít/người) Trong đó Rượu mạnh Rượu vang Bia Pháp 17,4 0,82 15,32 0,9 Italia 15,09 0,64 14,34 0,11 Anh 4,11 0,08 0,30 2,97 CHLB Đức 3,24 0,94 1,45 0,85 Bỉ 4,99 0,56 0,23 4,20 Bắc Ailen 3,09 0,42 0,24 2,43 Đan Mạch 2,81 0,46 0,41 1,94 Áo 4,84 0,47 1,08 3,25 Thuỵ Sĩ 2,58 1,96 0,31 0,31 Mỹ 3,99 1,62 0,58 1,97 II. Những tính chất cơ bản của rượu etylic: 1. Tính chất vật lý: Rượu etylic nguyên chất là chất lỏng không màu, nhẹ hơn nước, có mùi thơm đặc trưng, có vị cay, sức hút ẩm mạnh, dễ bay hơi. Rượu hoà tan trong nước bất cứ ở tỉ lệ nào, kèm theo các hiện tượng toả nhiệt và co thể tích. Rượu hoà tan đựơc nhiều chất vô cơ: như CaCl2, MgCl2, SiCl4,KOH…và nhiều chất khí : H2,N2,O2,SO2,H2S,CO…nhưng không hoà tan được tinh bột dissaccaric… Các thông số vật lí của rượu etylic nguyên chất: + Tỉ trọng: d204= 0,7894, d154= 0,7942, d04= 0,8060. + Phân tử lượng: 46,03 + Nhiệt lượng sôi: 78,32oC ở áp su ất 760 mmHg + Nnhiệt độ bắt lửa: 20C + Nnhiệt dung riêng : 0,548 kJ/kg. độ (ở 20oC) + Năng suất toả nhiệt: 0,642 ÷ 7,100 kcal/kg. 2. Tính chất hoá học của rượu etylic: Rượu etylic có công thức phân tử là: C2H5OH hay CH3-CH2-OH. Do phân tử của rượu gồm hai thành phần gốc etyl và nhóm hydroxyl, nên tính chất hoá học của rượu phụ thuộc vào bản chất của hai thành phần hoá học đó. a. Tác dụng với oxy: Tuỳ theo cường độ oxy tác dụng với rượu mà cho nhưng sản phẩm khác nhau: 2C2H5OH + O2 nhẹ 2C2H5CHO + 2H2O C2H5OH + 2O2  vừa đủ C2H5COOH + 2H2O C2H5OH + 3O2  mãnh liệt 2CO2 + 3H2O b. Tác dụng với kim loại kiềm và kiềm thổ: Trong trường hợp này rượu etylic được coi như một axit yếu và có những phản ứng với các kim loại kiềm và kiềm thổ tạo thành muối alcolat. 2C2H5OH + 2M → 2C2H5OM + 3H2↑ (alcolat kiềm) C2H5OH + Na → C2H5ONa + 1/2 H2↑ (Natri alcolat ) Phản ứng này kém mãnh liệt hơn so với H2O và Na. c. Tác dụng NH3: Ở nhiệt độ 2500C và có xúc tác, rượu etylic tác dụng với NH3 tạo thành amin: C2H5OH + NH3 → CH3 CH2NH2 + H2O↑ (etyl amin) d. Tác dụng axít: Rượu etylic tác dụng với axít tạo thành este. Tuỳ theo từng loại axít khác nhau tạo thành những este khác nhau. Trong trường hợp này rượu đóng vai trò một kiềm yếu. + Đối với axít hữu cơ : Rượu tác dụng với axít hữu cơ tạo thành este thơm. C2H5OH + CH3 COOH → CH3 CH2COOCH3 + H2O (etyl axetal) + Đối với axít vô cơ :Rượu tác dụng với axít vô cơ tạo thành este (muối) phức tạp. C2H5OH + HNO3 → C2H5 NO3 + H2O (etyl nitrat) A.C.Egorov và P.A.Colovanov đã phát hiện phản ứng giữa rượu etylic và oxít sắt tạo thành andehyt axetic.Phản ứng xảy ra như sau: 2FeO + O2 + C2H5OH = Fe2O3 + CH3CHO + H2O Fe2O3 + CH3CH2OH = FeO + CH3CHO + H2O Do vậy chất lượng rượu bị giảm đi rõ rệt nếu chưng cất tinh thể hoặc bảo quản rượu bằng các thiết bị chế tạo bằng sắt. 3. Tính chất sinh hoá: Rượu etylic có tính chất sát trùng mạnh vì rượu hút nước sinh lý của tế bào làm khô chất albumin. Cường độ sát trùng tỉ lệ thuận với nồng độ rượu. Nhưng tác dụng sát trùng mãnh liệt nhất của rượu là dung dịch có nồng độ 70% V. Vì nồng độ này rượu dễ thấm qua màng tế bào hơn rượu cao độ. Đối với nhiều loại nấm men và nấm mốc thì nồng độ rượu từ 5% ÷ 10% V đã có tác dụng ức chế sự phát triển và làm yếu đi sự hoạt động của nấm men, nấm mốc. Ngược lại, dưới tác dụng của các vi khuẩn mycoderma axeeti, microcucus axeeti, bactenun axeeti dung dịch rượu ≤ 15% V sẽ bị lên men dấm. Rượu etylic nguyên chất có tác dụng kích thích đối với tế bào da, nhất là đối với bộ phận niêm mạc, có tác dụng rõ rệt đến hệ hô hấp và tuần hoàn , hệ thần kinh và bộ máy tiêu hoá. Sự kích thích gây mê hưng phấn gọi là say rượu, ngoài ra người ta dùng rượu để kích thích hồi tỉnh người bị ngất đột ngột. III: Nguyên liệu dùng trong sản xuất rượu Mật rỉ hay rỉ đường là thứ phẩm của công nghệ sản xuất đường chiếm 3¸5% so với lượng mía đưa vào sản xuất ,tỷ lệ này phụ thuộc vào lượng mía và công nghệ sản xuất . 1. Thành phần mật rỉ Thành phần mật của mật rỉ phụ thuộc vào giống mía đất trồng trọt và điều kiện canh tác cũng như công nghệ sản xuất đường .Bình thường lượng chất khô trong mật rỉ chiếm 80¸85% ,nước chiếm 15¸20% . Trong số các chất khô thì đường chiếm tới 60% ,gồm 35¸40% là saccaroza và 20¸25% là đường khử .Số chất khô còn lại gọi chung là chất phi đường và gồm 30¸32% là hợp chất hữu cơ và 8¸10% là chất vô cơ. Hợp chất hữu cơ gồm các chất chứa nitơ ,cacbon , oxy và hydro ,chất hữu cơ không chứa nitơ gồm có : pectin ,chất nhầy furfurol và oxymetyl furol , axit v.v… Ngoài ra còn chứa các chất khử nhưng không lên men được như caramen ,chất màu v.v…Hợp chất hữu cơ chứa nitơ phần lớn là dạng amin như glutamic ,lơxin ,alanin v.v…Lượng nitơ trong rỉ đường mía chỉ khoảng 0,5¸1% , ít hơn so với rỉ trong củ cải(1,2¸2,2) .Do chứa ít nitơ nên khi lên men rỉ đường chúng ta phải bổ xung lượng nitơ từ ure hoặc amoni sunfat. 2. PH của mật rỉ Bình thường pH của mật rỉ từ 6,8¸7,2; rỉ mới sản xuất ra có thể có pH=7,2¸8,9 ; độ kiềm của rỉ khoảng 0,5¸2o (1o kiềm tương đương 1ml dung dich H2SO4 1N trung hoà hết 100 g rỉ ) . Độ kiềm gây ra bởi các muối canxi của axit cacbonic và các axit hữu cơ khác. 3. Vi sinh vật trong mật rỉ Mật rỉ nhận được từ sản xuất luôn chứa một lượng vi sinh vật trong đó nguy hiểm nhất là vi khuẩn lactic và axit axetic .Mức độ nhiễm khuẩn được xác định bằng sự tăng độ chua khi để mật rỉ “tự lên men” ,mức tăng độ chua (khi tự lên men sau 24 giờ) trong phạm vi 0,2¸0,3o được xem là bình thường . Thực tế trong 1 gram mật rỉ chứa tới 100000 vi sinh vật không nha bào và 15000 có khả năng tạo bào tử . Ỏ mật rỉ bị nhiễm nặng con số vi sinh vật có thể đạt 500000 và 50000 .Tuy nhiên , đối với rỉ đường có nồng độ trên 70% hầu hết các vi sinh vật trong mật rỉ đều chịu nằm yên ,nhưng pha loãng chúng bắt đầu hoạt động trở lại và làm giảm lượng đường nhanh ,dẫn đến tổn thất .Trong quá trình sản xuất cần có biện pháp xử lý phù hợp nhằm diệt bớt và hạn chế hoạt động của tạp khuẩn . IV. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cồn thương phẩm: Chương II: Chưng cất và tinh chế cồn Etylic Chưng cất rượu là quá trình tách C2H5OH và tạp chất dễ bay hơi khỏi dấm chín, kết quả ta nhận được là rượu thô hoặc cồn thô. Tinh chế hay tinh luyện là quá trình tách các tạp chất khỏi cồn thô và nâng cao nồng độ cồn. Sản phẩm thu được gọi là cồn tinh chế hay cồn thực phẩm có nồng độ 95,5¸96,5%V .Cồn thực phẩm chứa rất ít tạp chất. I. Lý thuyết về lý thuyết tinh chế cồn Cồn thô nhận được sau khi chưng cất còn chứa rất nhiều tạp chất (trên 50 chất), có cấu tạo và tính chất khác nhau. Trong đó gồm các nhóm chất như: aldehyt, este, alcol cao phân tử và axit hưu cơ, hàm lượng chung của tạp chất không vượt quá 0,5% so với khối lượng cồn etylic. Theo số liệu của Viện nghiên cứu Ucrain, hàm lượng tạp chất trong cồn thô nhận được từ mật rỉ dao động trong giới hạn khá lớn. Axit từ 20¸200 mg/l, este từ 150¸550 mg/l, aldehyt từ 90¸900 mg/l, alcol cao phân tử từ 0,2¸0,5% khối lượng và hợp chất chưa nitơ tính theo amoniac chiếm từ 8¸18 mg/l. Bằng phân tích sắc ký khí người ta nhận thấy rằng trong thành phần của axit gồm có : axit axetic 75¸85%, axit butylic 5¸10% và còn lại 10¸15 là các axit khác. Trong số các aldehyt thì aldehyt axetic chiếm 75¸90%, còn lại 5¸10% aldehyt propylic, 2¸8% butyric. Trong số các este thì 75¸85% là este của axit axetic, 5¸10% gồm este của axit propylic, valeric v.v…Hàm lượng các alcol cao phân tử cũng rất khác nhau nhưng chứa chủ yếu là alcol amylic và alcol izobitylic. Một số tạp chất mang tính đặc thù của từng nguyên liệu như cồn nhận từ mật rỉ chứa ít furfurol nhưng lại chứa nhiều các tạp chất gây mùi mía nhất là cồn nhận được từ mật rỉ mới sản xuất. Theo quan điểm tinh chế cồn, người ta chia tạp chất thành ba loại chính chính : tạp chât đầu, tạp chất trung gian và tạp chất cuối. Chia như vậy chỉ là tương đối và qui ước vì tính chất của tạp chất có thể thay dổi tuỳ theo nồng độ cồn trong tháp. · Tạp chất đầu gồm các chất dễ bay hơi hơn alcol etylic ở nồng độ bất kỳ, nghĩa là hệ số bay hơi lớn hơn hệ số bay hơi của rượu. Các chất có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ sôi của alcol etylic gồm: aldehyt axetic, axetat etyl, axetat metyl, formiat etyl, aldehyt butyric. · Tạp chất cuối bao gồm các alcol cao phân tử như acol amylic, alcol izoamylic, izobutylic, propylic,izopropylic. Ở khu vực nồng độ cao của alcol etylic, các tạp chất cuối có độ bay hơi nhỏ hơn so với độ bay hơi của alcol etylic. Ở khu vực nồng độ etylic thấp, độ bay hơi của tạp chất cuối có thể lớn hơn so với alcol etylic. Tạp chất cuối điển hình nhất là axit axetic, vì rằng độ bay hơi của nó kém hơn alcol etylic ở tất cả mọi nồng độ. · Tạp chất trung gian có hai tính chất, vừa có thể là tạp chất đầu vừa có thể là tạp chất cuối. Ở nồng độ cao của alcol etylic nó là tạp chất cuối, ở nồng độ alcol thấp chúng có thể là tạp chất đầu. Đó là các chất izobutyrat etyl, izovalerat etyl, izovalerat, izoamyl và axetat izoamyl. Độ bay hơi của các tạp chất phụ thuộc vào nồng độ alcol etylic trong dung dịch, nếu hàm lượng tạp chất không lớn thì có thể xem như độ bay hơi của từng chất riêng biệt không phụ thuộc vào hàm lượng của các tạp chất khác trong dung dịch. Thực nghiệm cho biết rằng khi tăng nồng độ alcol etylic thì hệ số bay hơi của tất cả các tạp chất đều giảm và trong khoảng nồng độ alcol nhỏ hơn 55%V, hệ số bay hơi của tất cả các tạp chất đều lớn hơn 1, trong đó có một số tạp chất luôn có hệ số bay hơi lớn hơn 1 ở nồng độ bất kỳ. Đó là những tạp chất điển hình thuộc tạp chất đầu như: aldehyt axetic, axetat etyl, axetat metyl. II. Các sơ đồ chưng cất và tinh chế cồn 1. Chưng luyện rượu gián doạn a) Chưng cất rượu Trong chưng gián đoạn dấm chín được bơm vào thùng chưng cất 1, sau đó mở hơi dun cho tới sôi. Hơi rượu bay lên theo chiều cao tháp 2 được nâng cao nồng độ ra khỏi tháp vào thiết bị ngưng tụ và làm lạnh 3 rồi vào thùng chứa. Chưng gián đoạn có ưu điểm là đơn giản, dễ thao tác nhưng bộc lộ nhiều nhược điểm. Do thời gian cất phải mất 6¸8 giờ nên thùng chứa lớn, tốn vật liệu chế tạo mà năng suất lại thấp. Mặt khác dấm chín đưa vào không được dun nóng bằng nhiệt ngưng tụ của cồn thô nên tốn hơi. Nồng độ cồn không ổn định và giảm dần theo gian, lúc đầu có thể đạt 75¸80% V cuối chỉ còn 5¸6% V, tổn thất rượu theo bã nhiều gấp 3 lần so với chưng liên tục. Chưng liên tục cho phép khắc phục các nhược điểm kể trên và được bảo đảm hiệu quả kinh tế cao, hiện nay ở nước tiên tiến không tồn tại sơ đồ chưng gián đoạn. Ở nước ta nhiều xí nghiệp nhỏ và các xưởng tư nhân cũng đang bỏ dần kiểu chưng lạc hậu và kém hiệu quả này. 2 Dấm 1 Hơi Bã rượu Hình 1 - Sơ đồ chưng gián đoạn cồn thô 3 b Tinh chế cồn Cồn thô nhận được sau khi chung cất còn chứa nhiều tạp chất, do đó cần tinh chế nhằm tách các tạp chất để nâng cao chất lượng và đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Đối với cồn thô nhận được sau chưng cất, nếu đem tinh chế gián đoạn thì cần xử lý bằng hoá chất và dựa trên phản ứng sau: RCOOC2H5 + NaOH ® RCOONa + C2H5OH Ngoài các axit tự do trong cồn thô cũng phản ứng với NaOH để tạo thành các muối không bay hơi và nước: R1COOH + NaOH ® R1COONa + H2O Để giám bớt aldehyt và các chất không no khác người ta dùng KMnO4 làm chất oxy hoá ,Phản ứng này có thể xảy ra trong môi trường kiềm yếu có pH=8¸9 trong điều kiện đó hai phân tử KMnO4 sẽ giải phóng ra ba nguyên tử oxy sau đố oxy sẽ tham gia vào phản ứng oxy hoá: 2KMnO4 + 3CH3CHO + NaOH ® 2CH3COOK + CH3COONa + 2MnO2 + 2H2O Lượng NaOH và KMnO4 chỉ nên đủ vì nếu thừa thì dễ dẫn đến alcol etylic bị oxy hoá thành axit và gây tổn thất .Muốn tránh hiện đó xảy ra ta cần phải xác định lượng tạp chất và tính toán cụ thể lượng hoá chất đưa vào. Sơ đồ chế gián đoạn tuy cho phép mhận được cồn có chất lượng nhưng hiệu suất thu hồi thấp, tốn hơi và công sức lao động do phải cất lại và do đó cũng được ít sử dụng hiên nay. Để khăc phục các nhược điểm của chưng cất và tinh luyên gián đoạn ta có thể sử dụng sơ đồ bán liên tục. I II III IV Nước lạnh 4 Cồn thô Hơi Nước thải Nước ngưng 1 Hình 2 - Sơ đồ tinh chế gián đoạn 1. Thùng cất; 2 Thân tháp; 3 Bình ngưng tụ hồi lưu 4 bình ngưng tụ làm lạnh I cồn đầu; II Cồn 2a+2b; III Sản phẩm chính; IV fusel 3 2 2. Sơ đồ chưng luyên bán liên tục Lên men xong dấm chín được bơm vào thùng m vì làm việc gián đoạn nên phải bố trí hai thùng song song làm việc so le để ổn định phần nào nồng độ cồn cho trước khi vào tháp tinh. Cồn cất thô được đun trực tiếp bằng hơi nước có áp suất 0,8¸1 kg/cm2. Hơi rượu bay lên ngưng tụ rồi vào thùng chứa ,tiếp đó liên tục vào thùng tinh chế . Ở thùng tinh chế cũng được đun bằng hơi trực tiếp từ đĩa tiếp liệu, xuống đến dấy nồng độ cồn giảm xuống dần dần đến đáy tháp còn 0,015¸0,03% rồi ra ngoài. Hơi rượu bay lên được tăng nồng độ dần, phầm lớn ngưng tụ rồi hồi lưu trở lại tháp. Một phần nhỏ chưa kịp ngưng tụ còn chưa nhiều tạp chất đầu được đưa ngưng tự tiếp và lấy ra ở dạng cồn. Cồn đầu chỉ dùng để pha vecni, làm cồn đốt, sát trùng và đem di xử lý và cất lại Cồn sản phẩm lấy ra ở dạng lỏng cách đĩa hồi lưu (từ trên xuống) khoảng 3 đến 6 đĩa được làm lạnh, rồi vào thùng chứa và vào kho. Cồn lấy ra ở đây tuy có nồng độ thấp hơn (0,3¸0,5%) so vơi hơi ở đỉnh nhưng chứa ít este và aldehyt. 3. Chưng luyện liên tục Chưng luyện liên tục có thể thực hiện theo nhiều sơ đồ khác nhau: 2 tháp ,3 tháp hoặc 4 tháp. Trên sơ đồ này ngươi ta lại chia hệ thống chưng luyện một dòng (gián tiếp) hoặc hai dòng (vừa gián tiếp vừa trực tiếp). a ) Sơ đồ hai tháp gián tiếp – 1 dòng 1. Thùng cao vi; 2. Bình hâm dấm; 3.Bình tách CO2 và khí không ngưng; 4. Tháp cất thô; 5.Bình chống phụt dấm; 6.Bình ngưng tụ cồn; 7. Bình làm lạnh ruột gà; 8. tháp tinh chế; 9.Bình ngưng tự hồi lưu; 10. Bình làm lạnh cồn sản phẩm; 11 Bình ngưng và làm lạnh dầu fusel. Dấm chín được bơm lên thùng cao vị 1 sau đó đi vào bình hâm dấm 2. Ở đây dấm chín được hâm nóng tới 70¸80oC bằng ẩn nhiệt hoá hơi của cồn thô,sau quá trình tách CO2 3 rồi vào tháp 4.Hơi cồn bay lên toàn bộ ngưng tụ ở 2, phần chưa ngưng tụ tiếp tục sang ngưng ở 6. Toàn bộ cồn thô ngưng tụ ở 2,6 và 7 đi vào tháp tinh chế 8 ở đĩa thứ 16¸18 tính từ dưới lên, tháp tinh chế cũng được cấp nhiệt bằng hơi nước có áp suất p=0,2¸1 kg/cm2 .Hơi rượu bay lên được nâng cao dần nồng độ ra khỏi ngoài tháp đi vào 9. Tại đây ta điều chỉnh lượng nước làm lạnh để lấy cồn ra ở 7 khoảng 3¸5% so với toàn bộ lượng cồn vào hệ thống tháp. Số ngưng ở 9 được hồi lưu trở lại tháp. Cồn thành phẩm lấy ra ở dạng lỏng cách đĩa hồi lưu đến 6 đĩa và đoạn làm lạnh ở 10. Nhiệt độ đáy của hai tháp luôn đảm bảo 103¸105oC, nhiệt độ đỉnh tháp 4 phụ thuọcc nồng độ cồn trong dấm và thường vào khoảng 93¸97oC, nhiệt độ tháp tinh 8 vào khoảng 78,3¸78,5oC , nhiệt độ thân đỉnh tháp ở vị trí cách đĩa tiếp liệu về phía trên 3¸4 đĩa khống chế ở 82¸83oC. Dầu fursel lấy ra dạng hơi từ đĩa thứ 6¸11 (tính từ dưới lên) được ngưng tụ và làm loạnh ở 11 sau đó đi vào thiết bị phân ly dầu hoặc cho vào dấm chín cất lại ,loại ra ở đáy tháp thô. Hệ thống chưng luyên hai tháp tuy có tiên tiến hơn so với chưng luyện gián đoạn và bán liên tục nhưng chất lượng còn vẫn chưa cao, muốn thu nhận được cồn tốt thì phải lấy tăng lượng cồn đầu. b) Hệ thống ba tháp làm việc gián tiếp Hệ thống làm việc ba tháp cho phép khắc phục được nhược điểm của sơ đồ hai tháp nói trên, hệ thống cho phép nhận được 70¸80% cồn loại I theo TCVN-71, 30¸20% cồn loại II và 3¸5% cồn đầu. Sơ đồ được tiến hành như sau : dấm chín dược bơm lên thùng cao vị 1,sau đó tự chảy vào bình hâm dấm 2. Ở đây dấm chín được hâm nóng bằng hơi rượu ngưng tụ đến nhiệt độ 70¸80oC rồi chảy qua bình tách CO2 số 3 rồi vào tháp 4. Khí CO2 và hơi rượu bay lên được ngưng tụ ở 6 và qua 7 rồi ra ngoài. Tháp thô được đun bằng hơi trực tiếp, hơi rượu đi từ dưới lên ,dấm chảy từ trên xuống nhờ đó quá trình chuyển khối diễn ra , sau đó hơi rượu ra khỏi tháp và được ngưng tụ tại 2 và 6 rồi qua 7 ra ngoài. Chảy xuống tới đáy nồng độ rượu trong dấm còn khoảng 0,015¸0,030% V được thải ra ngoài gọi là bã rượu. Muốn kiểm tra rượu sót trong bã ta phải ngưng tụ dạng hơi cân bằng với pha lỏng, Hơi ngưng tụ có nồng độ 0,4¸0,6% là đạt yêu cầu và nhiệt độ đáy 103¸105oC. Phần lớn rượu thô (90¸95) liên tục đi vào tháp aldehyt số 8, tháp này cũng dùng hơi trực tiếp , hơi rượu bay lên được ngưng tụ và hồi lưu đến 95%, chỉ điều chỉnh lượng nước lạnh và lấy khoảng 3¸5% gọi là cồn đầu. Một phần rượu thô (5¸10%) ở 6 hồi lưu vào đỉnh tháp aldehyt vì chứa nhiều tạp chất. Sau khi tách bớt tạp chất, rượu thô từ đáy tháp aldehyt số 8 liên tục đi vào tháp tinh 11 với nồng độ 35¸45% V. Tháp tinh chế 11 cũng được cấp nhiệt bằng hơi trực tiếp (có thể gián tiếp) , hơi bay lên được nâng dần nồng độ sau đó ngưng tụ ở 12 rồi hổi lưu lại tháp..Nhiệt độ đáy tháp thô và tháp tinh khống chế tương tự như sơ đồ hai tháp. Nhiệt độ đáy tháp aldehyt duy trì ở 80¸85oC, nhiệt độ dỉnh duy trì ở nhịêt độ 78¸79oC. Sơ đồ trên được gọi là gián tiếp một dòng vì sản phẩm đi vào các tháp chỉ có một dòng chất lỏng duy nhất. Còn gọi là gián tiếp vì bản thân dòng chất lỏng không chứa hơi ẩn nhiệt bay hơi. Sơ đồ trên có ưu điểm là dễ thao tác, chất lượng cồn tốt và ổn định, nhưng tốn hơi. Còn sơ đồ vừa gián tiếp vừa trực tiếp hai dòng có ưu diểm là tiết kiệm năng lượng hơi nhưng đòi hỏi tự động hoá tốt và chính xác, nếu không có thể hơi ở đáy tháp tinh 11 sẽ đẩy ngược lên đỉnh tháp 4 làm cho mất ổn đỉnh và chất lượng cồn kém đồng đều. 1.Thùng chưa giấm; 2.Bình hâm giấm; 3.Bình tách CO2; 4.Tháp thô; 5.Bình chông phụt giấm; 6.Bình ngưng tụ cồn thô; 7.Bình làm lạnh ruột gà; 8.Tháp aldehyt; 9,10. Bình ngưng tụ; 11.Tháp tinh chế; 12. Bình ngưng tụ hồi lưu; 13. Bình làm lạnh sản phẩm c) Sơ đồ chưng luyện ba tháp+ tháp làm sạch Trường hợp muốn nâng cao chất lượng cồn hơn nữa thì người ta tiến hành chưng luyên theo sơ đồ bốn tháp (có thêm tháp làm sạch). Sự khác biệt giữa sơ đồ ba tháp và bốn tháp là ở chỗ còn tinh chế lấy ra ở dạng lỏng không đưa đi làm lạnh mà đi vào tháp làm sạch nhằm loại bỏ tạp chất đầu và cuối . Cồn đầu cho quay lại tháp aldehyt cồn cuối ở đáy tháp làm sạch đi vào đĩa tiếp liệu của tháp tinh. Cấp nhiệt cho tháp làm sạch phải thực hiện bằng truyền nhiệt gián tiếp. III: Sơ đồ dây truyền công nghệ tinh chế cồn 1. Sơ đồ dây truyền công nghệ 1.Thùng cao vị chưa giấm;2 Bình hâm dấm; 3.Bình tách CO2; 4.Bình chống phụt dấm 5. Bình ngưng tự; Thiết bị làm lạnh ruột gà; 7. Tháp thô; 8. Tháp aldehut 9. Tháp tinh; 10. Tháp làm sạch SƠ ĐỒ DÂY TRUYỀN TINH CHẾ CỒN 2. Thuyết minh sơ đồ dây truyền công nghệ Dấm chín được đưa lên thùng cao vị (1) sau đó chảy vào bình hâm dấm (2) , ở đây giấm được hâm nóng bằng hơi ngưng tụ đến nhiệt độ sôi, rồi chảy vào bình tách CO2 số (3) rồi vào tháp thô (4) khí CO2 và hơi rượu bay lên ngưng tụ qua thiết số (5) .Tháp thô được đun nóng bằng hơi gián tiếp, hơi rượu từ dưới đi lên, dấm từ trên chảy xuống nhờ đó quá trình chuyển khối được thực hiện. Sau đó hơi rượu ra khỏi tháp và được ngưng tụ tại (2) và (5) một phần hơi sau khi ngưng tụ được đưa quay lai tháp thô, phần còn lại được đưa vào tháp aldehyt. Dấm chảy xuống tới đáy nồng độ còn khoảng ~0,02% được thải ra ngoài gọi là bã rượu. Muốn kiểm tra rượu sót trong bã ta phải ngưng tụ dạng hơi cân bằng với pha lỏng. Hơi ngưng tụ có nồng độ 0,4¸0,6% là đạt yêu cầu(khoảng 10¸15% lần so với pha lỏng ) .Nhiệt độ đáy khoảng ~103oC. Rượu thô sau khi ra khỏi tháp số (7) được đưa liên tục vào tháp aldehyt (8) ,tháp được đun nóng bằng hơi gián tiếp. Hơi bay lên được ngưng tụ và hồi lưu đến 95% quay về tháp , ta chỉ điều chỉnh lượng nước làm lạnh và lương sản phẩm lấy ra khỏi tháp chỉ chiếm khoảng 3-5% gọi là cồn đầu (tùy theo chất lượng nguyên liệu). Lương cồn đầu thu hồi được cô đặc sản phẩm để phục vụ nghành kinh tế khác. Sau khi tách bớt tạp chất, rượu thô từ đáy tháp aldehyt (8) được đưa liên tục vào tháp tinh số (9) . Tháp tinh chế cũng được cấp nhiệt bằng hơi nước gián tiếp ,hơi cồn bay từ dưới lên tiếp xúc với dấm chảy tử trên xuống tại bề măt của đĩa tháp xảy ra sự chuyển khối giữa hai pha lỏng và hơi từ đó cồn được nâng dần nồng độ qua từng đĩa của tháp, càng lên cao hơi có nồng độ càng cao và nhiệt độ sôi ngày càng thấp .Sau khi ra khỏi tháp cồn có nồng độ khoảng ~95%V và được ngưng tụ tại thiết bi làm lạnh số (5) rồi hồi lưu lại về tháp. Cồn tinh chế được lấy ở gần đỉnh tháp cách đỉnh tháp khoảng từ 3¸6 đĩa nhằm loại bớt tạp chất Cồn timh chế được lấy ra ở dạng lỏng được đưa vao tháp làm sạch. Tháp làm sạch có cấu tạo tương tự tháp aldehyt, tháp làm sạch đươc cấp nhiệt bằng hơi nước gián tiếp ,nhăm loại bỏ tạp chất cuối . Hơi trong tháp bay lên tiếp xúc vớí pha lỏng di từ trên xuống, sau khi ra khỏi tháp hơi được ngưng tụ và hồi lưu từ 5-10% quay lại tháp, Lương cồn đầu cho quay lai tháp aldehyt (8) , cồn ở đáy được đưa quay trở lại tháp tinh.Cồn sản phẩm đạt yêu cầu được làm lạnh và đem di cất kho và bảo quản. Chương III: Tính toán thiết bị lên men I.Tính lượng dịch đường hoá cho một ca sản xuất 1. Lượng cồn tinh chế trong một ca Sản xuất C¸c th«ng sè ban ®Çu N¨ng suÊt 5.000.000 lit/n¨m ® 13698,63 lit/1ngµy ®ªm. HiÖu suÊt lªn men chän 82% HiÖu suÊt ch­ng cÊt 90% Nång ®é ®­êng trong mật rỉ : 50% Nång ®é chất khô: 83,3%. L­îng cån tinh chÕ cho mét ca s¶n xuÊt. GC = = 4566,21 lit/ca. Theo ph­¬ng tr×nh: C6H12O6 ® 2C2H5OH + 2CO2 180,1 92,1 88 Cø 180,1 kg ®­êng glucoza nhËn ®­îc 92,1 kg cån 100% Suy ra: 100kg ®­êng cho 51,14 kg cån etylic 100% Ta cã khèi l­îng riªng cña cån ë 200C lµ: d20 = 0,789 kg/lit. Do ®ã 100 kg ®­êng cho ra thÓ tÝch cån 100% lµ: Vcån = = 64,82 lÝt Ta ®­îc 64,82 lÝt cån 100% t­¬ng ®­¬ng víi 67,5 lÝtcån 96% Vậy lượng đường theo tính toán cần cho mọtt ca sản xuất: G®lt = = 6764,7556 kg/ca. L­îng ®­êng thùc tÕ cÇn cho mét ca s¶n xuÊt lµ: G®tt = kg/ca. Víi: hT : HiÖu suÊt thùc tÕ. hT =hlm. hcc hlm : HiÖu suÊt lªn men hlm= 82% hcc : HiÖu suÊt ch­ng cÊt hcc = 90% ht =0,82.0,9 = 0,738 VËy: G®lt = = 9166,3347 kg/ca. 2. Thể tích dịch đường cần cho một ca Sản xuất Theo phương trình : P.Ckh = V.d.Cd Trong đó P - Lượng mật rỉ Ckh - Nồng độ chất khô trong mật rỉ, Ckh =83,3% d- Khối lượng riêng dịch pha loãng ,d=1,1133 kg/lit cd - Nồng độ pha loãng, Cd =22% V - Thể tích dấm chín (lít/ca) =7800,745 (lít/h) Lượng dấm chín: F =V.d =7800,745.1,1123 =8676,78 (kg/h) Giả sử lượng dấm chín mất mát do quá trình lên men là 1% thì khối lượng dấm vào tháp là: F1 =F.101% =8676,78.101% =8763,54 (kg/h) II.Thể tích thùng lên men 1. Thể tích thùng lên men câp III Thêi gian lªn men 1 mÎ lµ 72giê t­¬ng ®­¬ng víi 9 ca s¶n xuÊt víi hÖ sè ®iÒn ®Çy lµ 0,85 th× thÓ tÝch thïng lµ : VIII = = = 73418,78 (lÝt) = 73,42 (m3). + TÝnh ®­êng kÝnh vµ chiÒu cao thïng. §­êng kÝnh thïng: Ta cã: VIII = Trong ®ã: D: §­êng kÝnh thïng, m. H: ChiÒu phÇn trô cña thïng, H = 1,2.D (m). hn: ChiÒu cao phÇn nãn, hn = 0,1.D (m). hd: ChiÒu cao phÇn ®¸y, hd = 0,2.D (m). Suy ra: VIII = VËy: = 4,18 (m). Quy chuẩn lên ta có: D=5 (m) hn = 0,1.4,18= 0,42 (m). hd = 0,2.0,418 = 0,84 (m). H = 1,2.4,18 = 5 (m). 2.Thể tích thùng lên men. Ta cã thÓ tÝch thïng lªn men cÊp II. VII = 0,1.VIII = 0,1.73,42 = 7,34 ( m3). DII = = 2,0 (m). VËy: H = 1,2.2 = 2,4 (m) hn = 0,1.2 = 0,2 (m). hd = 0,2.2= 0,4 (m) 3.Thể tích thùng lên men cấp I Ta cã thÓ tÝch thïng lªn men cÊp I: VI = 0,25.VII =0,1.7,34 = 0,734 (m3). Þ DI = = 0,9 (m). VËy H = 1,2. 0,9 = 1.08 (m). hn = 0,1. 0,9 = 0,09 (m). hd = 0,2. 0,9 = 0,18 (m). 4.Tính Lương urê. a) Lượng urê bổ xung Theo [2-108] l­îng urê cÇn bæ sung ®Ó n©ng cao hµm._. l­îng dinh d­ìng lµ 0,59 g/lÝt. Þ Trong mét ca s¶n xuÊt l­îng urê cÇn bæ sung lµ: Gure = 62405,96.2.0,5.10-3 = 31,2 (kg/ca) b) Lượng fluosilicat cần thiết: ( 20/00) Gflu = 62405,96 . = 124,8 (lÝt/ca) c) Lượng urê cần thiết để pha loãng Gnc =V.dd - P Trong dố: V - Thể tíchdấm chín Dd - KHối lượng dấm chín P - Khối lượng mật rỉ . Chương IV: Tính toán thiết kế hệ thống tháp A.Tính toán thiết kế tháp thô * Các số liệu tính toán ban đầu Chọn tháp loại đĩa lỗ có ống chảy chuyền , với các thông số đầu vào chọn như sau: X1w =0,02%V =0.01584% khối lượng =0,00619 %mol X1f =10%V =0.8082% khối lượng =3,326 %mol X1p =50%V =44,1769% khối lượng =23,6441 %mol Coi dấm là hỗn hợp của hai cấu tử etylic-nước với năng xuất F=8763.53 Kg/h I. Xác định bậc thay đổi nồng độ: a) Tính Rmin + [5-158] · : Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng của hỗn hợp đầu · Với =0,003326 suy ra =0,2208 Suy ra b) Tính Rth + Chỉ số hồi lưu thích hợp được xá định từ điều kiện thể tích nhỏ nhất của tháp (không xét đến các điều kiện kinh tế vận hành) và được các định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu như sau: Rx = b.Rmin Với b được gọi là hệ số dư + Cho các giá trị của b>1 vơi mỗi giá trị của b ta tìm được một giá trị Rx và dựa vào đồ thị N(R+1)-R từ đó ta xác định được chỉ số hồi lưu thích hợp tương ứng với thể tích nhỏ nhất của thiết bị : R =0,415 + Số đĩa lý thuyết là : N =23 + Phương trình làm việc đoạn luyện Suy ra : y = 0,2932.x + 0,1668 + Phương trình làm việc đoạn chưng mp =xp.Mr + (1-xp).Mn =38,6036 mF =xF.Mr + (1-xF).Mn =18,9313 Suy ra : y = 5,32.x - 0,000026 II. Cân bằng vật chất của tháp Phương trình cân bằng vật chất của tháp: F1 = W1 + P1 F1.X1F =W1.xw1 + P1.xp1 Giải ra ta được P1 =1600,7592 kg/h W1 =7162,7707 III.Tính đường kính tháp Để xác định được tốc độ hơi và đường kính tháp ta phải tính lưu lượng hơi trung bình và vận tốc làm việc của tháp. 1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp Khi tháp làm việc lượng lỏng và hơi thay đổi theo chiều cao tháp dẫn đến sự sai khác các thông số làm việc nên ta phải tính toán các đại lượng theo giá trị trung bình cho từng đoạn tháp. a) Trong đoạn luyện -Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào dưới cùng của đoạn luyện (Kg/h) [6-181] Trong đó : - g1 : Lượng hơi thứ đi trong đoạn luyện - gđ : Lượng hơi đi ra khỏi tháp gđ =Gp(Rx + 1) - Để tính lượng hơi đi vào đoạn luyện g1 , hàm lượng hơi y1 , lượng lỏng của đĩa thứ nhất ta dựa vào phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lương g1 =G1 + Gp g1.y1 =G1.x1 + Gp.xP g1.r1 =gđ.rđ Trong đó : · x1 = xF · r1 : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất r1 =rr.y1 + (1 - y1).rN =rN - y1(rN - rr) · rđ : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi tháp rđ = rr.yđ + (1 - yđ).rr · rN ,rr : Ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử nguyên chất + Tại x =xF =0,03326 phần mol và t0 =93,680C Nội suy từ bảng I.212 trang (5-310) ta có : rN = 41.0966.106 (J/kmol) rr = 37.8499.106 (J/kmol) + Tại x =xp =0,2364 (phần mol) và t0 =82,650C rN = 41.9276.106 (J/kmol) rr = 38.6993.106 (J/kmol) + Thay số vào ta được · rđ =38.6993.106.0,2364 + (1-0,2364).41.9276.106 Suy ra : rđ =41.1643.106 (J/Kmol) · r1 =41,9276.106 – 3,2283.106.y1 + Thay số vào hệ phương trình và giải ra ta được g1 =G1 + 65,0172 g1.y1 =0,03326.G1 + 0,2364.65,0172 g1.( 41,9276 – 3.2283.y1) =41,1643. 92.0165 Suy ra : g1 =93,4574 (Kmol/h) G1 =28,4401 (Kmol/h) y1 =0,1746 (Phần Mol) + Khối lượng mol trung bình trong đoạn luyện ML =46.ytb + (1 - ytb).18 Suy ra : ML =23,7858 (Kmol/h) + Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện (Kmol/h) (Kg/h) a) Trong đoạn chưng -Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng có thể được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi vào và đi ra khỏi đoạn chưng. (Kg/h) Trong đó : - g’1 : Lượng hơi đi vào đoạn chưng - g’h : Lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng - Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên : g’h =g1 - Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’1 ,hàm lượng hơi x’1 ,lượng lỏng G’1 được xác định dựa vào phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng . g1 =G1 + Gp g1.y1 =G1.x1 + Gp.xP g1.r1 =gđ.rđ Trong đó : · Với xw =0,6194.10-4 (phần mol) từ đường cong cân bằng lỏng hơi ta tìm được : yw =0,4119.10-4 · r’1 : Ẩn nhiệt hóa hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng r’1 =rr.y’1 + (1 - y’1).rN + Tại x =xw =0,6194.10-4 (phần mol) và t0 =99,9528 0C Nội suy từ bảng I.212 trang (5-310) ta có : rN = 40,6212.106 (J/kmol) rr = 37,369.106 (J/kmol) Suy ra : r’1 =37,369.106. 0,6194.10-4 + (1 - 0,6194.10-4).40,6212.106 r’1 =40,621.106 (J/kmol) + Thay số vào hệ phương trình và giải ra ta được G’1 =g1 + 397,8933 G’1.x’1 =0,4119.10-4.g1 + 0,6194.10-4. 397,8933 g’1.40,621.106 =92.0165. 41.1643.106 Suy ra : g’1 =93,2498 (Kmol/h) G’1 =115,3528 (Kmol/h) X’1 =5,4164.10-4 (Phần Mol) + Khối lượng mol trung bình trong đoạn luyện ML =46.y’tb + (1 - y’tb).18 =46. 0,6194.10-4+ (1 - 0,6194.10-4).18 Suy ra : ML =20,4764 (Kmol/h) + Lượng hơi trung bình trong đoan luyện (Kmol/h) (Kg/h) 2. Tính khối lượng riêng - Khối lượng riêng trung bình trong pha khí được tính bằng công thức theo trang [6-183] (Kg/m3) - khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng (Kg/m3) a) Đoạn luyện : * Với pha hơi + ytb =0,2066 ttb =273 + 85,3497=358,3497 0C + Thay số ta được Suy ra : (Kg/m3) * Với pha lỏng + Với ttb =85,3497 0C ta nội suy từ bảng I.2 khối lượng riêng của một số chất lỏng và dung dịch trang [2-10] rxN =968,2551 (Kg/m3) rxR =729,2551 (Kg/m3) + Phần khối lượng trung bình của Etylic trong đoạn luyện (Phần khối lượng) + Thay số vào ta được Suy ra : (Kg/m3) b) Đoạn chưng * Với pha hơi + y’tb =0,08844 ttb =273 + 96,8341=369,8341 0C + Thay số ta được Suy ra : (Kg/m3) * Với pha lỏng + Với t’tb =96,8341 0C ta nội suy từ bảng I.2 khối lượng riêng của một số chất lỏng và dung dịch trang (2-10) r’xN =960,2161 (Kg/m3) r’xR =719,0076 (Kg/m3) + Phần khối lượng trung bình của Etylic trong đoạn luyện (Phần khối lượng) + Thay số vào ta được Suy ra : (Kg/m3) 3. Tốc độ hơi đi trong tháp Công thức tính tốc độ hơi theo công thức: [6-184] a) Tốc độ hơi trong đoạn luyện (m/s) b) Tốc độ hơi trong đoạn chưng (m/s) 4. Tính đường kính tháp a) Đoạn luyện (m) b) Đoạn chưng (m) Quy chuẩn đường kính đoạn luyện và đoạn chưng ta có : D =0,8 (m) 5. Vận tốc hơi theo đường kính tháp quy chuẩn a) Đoạn luyện (m/s) b) Đoạn chưng (m/s) IV. Xác định số đĩa thực tế và chiều cao tháp Chiều cao tháp được xác định theo phương pháp đường cong động học, do đó ta phải xác dịnh các thông số vật lý sau dây: 1. Xác định độ nhớt a) Với pha lỏng - Độ nhớt của hỗn hợp được tính theo công thức: [5-9] log mhh =x1.log m1 + x2.log m2 + ×××× - Với hệ Etylic - Nước log mhh =xtb.log mr + (1 - xtb).log mN mhh - Độ nhớt của hỗn hợp Etylic - Nước mr , mN - Độ nhớt của hỗn hợp Etylic - Nước xtb - Hàm lượng trung bình của Etylic * Đoạn luyện - xtb =0,1348 (phần mol) và ttb =85,397 0C Nội suy từ bảng I.101 trang [5-105] ta có mN =0,3507.10-3 (Ns/m2) mr =0,4057.10-3 (Ns/m2) - Thay số vào ta được log mhh =0,1348.log 0,3507.10-3 + (1 - 0,1348).log 0,4057.10-3 Suy ra : mhh =0,3576.10-3 (Ns/m2) * Đoạn chưng - x’tb =0,0166 (phần mol) và t’tb =96,83 0C Nội suy từ bảng I.101 trang (1-105) và toán đồ ta có m’N =0,2984.10-3 (Ns/m2) m’r =0,3432.10-3 (Ns/m2) - Thay số vào ta được log m’hh =0,0166.log 0, 3432.10-3+ (1 - 0,0166).log 0,2984.10-3 Suy ra : m’hh =0,2991.10-3 (Ns/m2) b Với pha hơi - Độ nhớt của hỗn hợp được tính theo công thức: [5-94] - Với hệ 2 cấu tử Etylic - Nước thì Trong đó: ytb - Nồng độ mol trung bình Mhh ,Mr ,MN -Trọng lượng phân tử của hỗn hợp Etylic và Nước mhh ,mr ,mN - Độ nhớt của hỗn hợp Etylic và Nước * Đoạn luyện - ytb =0,2066 (Phần mol) và ttb =85,816 0C Dựa vào toán đồ xác định độ nhớt của các chất khí ở áp suất khí quyển trang [5-135] ta được mN =11,86.10-6 (Ns/m2) mr =10,6.10-6 (Ns/m2) - Ta có: Suy ra : mhh =11,33.10-6 (Ns/m2) * Đoạn chưng - y’tb =0,08844 (Phần mol) và t’tb =96,83 0C Dựa vào toán đồ xác định độ nhớt của các chất khí ở áp suất khí quyển trang [5-135] ta được m’N =12,345.10-6 (Ns/m2) m’r =10,905.10-6 (Ns/m2) - Ta có: Suy ra : m’hh =12,02610-6 (Ns/m2) 2. Hệ số khuếch tán a) Hệ số khuếch tán trong pha hơi * Trong đoạn luyện - Hệ số khuếch toán được tính theo công thức : [6-127] Trong đó : T : Nhiệt dộ 0K P : Áp suất at Vr ,vN : Thể tích mol của Etylic-Nước theo bảng (2-127) ta có vN =18,9 (cm3/mol) (cm3/mol) - Trong đoạn luyện ta có t =85,3497+273=358,3497 0C tại p =1 at - Hệ số khuếch tán trong đoạn luyện (m2/s) * Trong đoạn chung - Trong đoạn chưng ta có t’ =96,8341+273=369,8341 0C tại p =1 at - Hệ số khuếch tán trong đoạn luyện (m2/s) b) Trong pha lỏng - Đối với dung dịch loãng ở 20 0C ta có Trong đó : A.B - Hệ số liên hợp kể đến ảnh hưởng của 2 cấu tử etylic-nước A =1,24 và B =4,7 bảng VIII.6,7 trang [5-133] và [5-134] vA ,vB - Thể tích mol của Etylic và nước vA =59,2 (cm3/mol) vB =18,9 (cm3/mol) mB - Độ nhớt của nước ở 20 0C theo bảng I.102 trang [5-105] mB =1,005.10-3 (Ns/m2) - Ta được (m2/s) - Ở nhiệt độ bất kỳ có Dt =D20(1 + b(t - 20)) Với (2-135) m : Độ nhớt của nước ở 20 0C theo bảng I.102 trang [5-105] ta có m =1,005.10-3 (Ns/m2) r : Khối lương riêng của ở 20 0C r =998 kg/m3 Suy ra: * Hệ số khuếch tán trong đoạn luyện - t =85,34970C - Dx =1,0915.10-9(1 + 0,02(85,3497-20)) =2,518.10-9 (m2/s) * Hệ số khuếch tán trong đoạn chưng - t =96,83410C - Dx =1,0915.10-9(1 + 0,02..( 96,8341-20)) =2,7687.10-9 (m2/s) 3. Hệ số cấp khối Hệ số cấp khối là lượng vật chất chuyển qua một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian khi hiệu số nồng độ là một đơn vị . a) Trong pha hơi * Công thức chung [6] Trong đó : DL : Hệ số khuyếch tán trong pha hơi (m2/s) Re : Chuẩn số Reynol đối với pha hơi wy : Tốc độ hơi tính theo mặt cắt tự do của tháp h : Kích thước dài chấp nhận, h=1(m) ry : Khối lượng riêng trung bình của hơi my : Độ nhớt của hơi * Đoạn luyện - wy =1,4991 (m/s) - Dy =1,8601.10-5 (m2/s) - my =11,32.10-6 (Ns/m2) - ry =0,8125 (Kg/m3) Ta có : Suy ra : * Đoạn chưng - w’y =1,5574 (m/s) - D’y =1,9503.10-5 (m2/s) - m’y =12,0261.10-6 (Ns/m2) - r’y =0,6778 (Kg/m3) Ta có : Suy ra : b) Hệ số cấp khối trong pha lỏng - Hệ số cấp khối cấp khối trong pha lỏng Trong đó : Pr : Chuẩn số Pran với pha lỏng rx : Khối lượng riêng của pha lỏng mx : Độ nhớt trung bình của pha lỏng Dx : Hệ số khuyếch tán trung bình trong pha lỏng Mx : Khối lượng mol trung bình trong pha lỏng h : Kích thước dài , h=1m rx : Khối lượng riêng của pha lỏng, kg/kmol a) Đoạn luyện: - Dx =2,518.10-9 (m2/s) - mx =0,35673.10-3 (Ns/m2) - rx =892,1377 (kg/m3) - Mx =46.xtb+(1 - xtb).18=21,7759(kg/kmol) Ta có : Suy ra : b) Đoạn chưng: - D’x =2,7687.10-9 (m2/s) - m’x =0,2991.10-3 (Ns/m2) - r’x =947,3776 (kg/m3) - M’x =46.xtb+(1 - xtb).18=18,466 (kg/kmol) Ta có : Suy ra : 4. Hệ số chuyển khối - Công thức: [5-162] Trong đó : m- Hệ số phân bố vật chất x,x*,y,y* :Được tìm trên đường cân bằng 5. Xây dựng đường cong động học - Để xây dựng đường cong động học ,từ đồ thị ta dựng các điểm A1C1 ,A2C2 … tại các điểm có hoành độ x ta tìm được các điểm Bi ứng với mỗi đoạn AiCi ,kết hơp sử dụng phần mềm Visual Basic ở phụ lục để trợ giúp việc tính toán. Trong đó : Cy =emyt myt : Số đơn vị chuyển khối Ky : Hệ số chuyển khối F : Diện tích làm việc của đĩa với tháp đĩa ta có f = F - m.fch F : Diện tích mặt cắt tự do của tháp fch : Diện tích mặt cắt ngang của ống chảy chuyền m: Số ồng hơi và số ống chảy chuyền - Tính đường kính ống chảy chuyền: +Ống chảy truyền đươc tính theo công thức [6-236] z - Số ống chảy chuyền ,chọn z =2 wc - Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền chọn wc =0,15 (m/s) Gx - Lưu lượng trung bình đi trong tháp + Đoạn luyện (kmol/h) (m) + Đoạn chưng (kmol/h) (m) Chon đường kính ống chảy truyền Dc=0,04 (m) - Diện tích làm việc của đĩa · Đoạn luyện (m2) · Đoạn chưng (m2) - Gy lượng hơi lỏng đi trong tháp · Gy =1911,5531 (Kg/h) = 0,02593 (Kmol/s) · G’y =2205,8303 (Kg/h) = 0,02576 (Kmol/s) - Từ đó ta xác định được số đĩa thực tế : NL =9 (đĩa) Ntt =34 (đĩa) NC =25 (đĩa) - Vậy chiều cao của tháp là : H =NttHđ + (0,8¸1) Trong đó: Hđ - Khoảng cách giữa các đĩa Hd =0,25 (m) Ntt - Số đĩa thực tế 0,8¸1 - Khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp, chọn =1(m) H=34.0,25 + 2 =10,5 (m) Suy ra: H =10,5 (m) V. Tính cơ khí tháp thô 1. Tính thân hình trụ - Thân hình trụ là một bộ phận chủ yếu của thiết bị, do tháp làm việc ở áp suất thường nên ta chế tạo thân hình trụ theo phương pháp hàn ,nhiệt độ làm việc không quá lớn ta chọn vật liệu làm tháp là vật liệu dẻo chịu nhiệt .Đối với hệ rượu etylic và nước ta chọn vật liệu làm thép là X18H10T - Khi chế tạo cần phải chú ý: · Tổng chiều dài các mối hàn là bé nhất · Chỉ hàn giáp mối. · Bố trí các đường hàn dọc cách nhau ít nhất 100mm. · Bố trí mối hàn ở chỗ dễ quan sát. · Không khoan lỗ qua mối hàn · Thiết bị hàn bằng hồ 2quang tay · Kiểu hàn giáp mối hai bên a) Tính chiều dày thân hình trụ - Chiều dày của thân hình trụ được tính theo công thức [6-360] trong đó: Dt - Đường kính trong của tháp j - Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc C - Số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày P - Áp suất trong của thiết bị, N/m2. - Do môi trường làm việc là hỗn hợp lỏng-hơi nên: P=Pmt+ Ptt (N/m2 ) Pmt - Áp suất môi trường, Pmt =105 (N/m2) Ptt - Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng (N/m2) Ptt =r1.g.H (N/m2) H - Chiều cao cột chất lỏng, H =21,5 (m) r1 - Khối lượng riêng của chất lỏng, (kg/m3) g - Gia tốc trọng trường, g=9,81 (m/s2) - Áp suất trong của thiết bị P =105 + 9,81.10,5.103 =203005 (N/m2) - Đại lượng bổ xung do ăn mòn phụ thuộc vào độ ăn mòn ,bào mòn và dung sai chiều dày C =C1+C2+C3 (m) Trong đó: C1 - Hệ số bổ sung do ăn mòn vật liệu của môi trường C1=2,5 (mm) C2 - Bổ sung do hao mòn, chọn C2=0 C3 - Bổ sung do dung sai của chiều dày, chọn C3=0,5 (mm) - Vậy đại lượng bổ sung là : C =2,5 + 0 + 0,5 =3 (mm) -Ứng suất cho phép của thép X18H10T được xác định theo công thức nk, nc - Là hệ số an toàn theo giới hạn bền và giới hạn chảy; sk, sc - Giới hạn bền khi kéo và khi chảy h - Hệ số hiệu chỉnh, chọn h=1do thiết bị không bị đốt nóng trực tiếp ,không chứa chất cháy nổ độc hại (bảng XIII.2 trang [6-356] nb - Hệ số an toàn , nb =2,6 theo bảng XIII.8 trang [6-356] nc - Hệ số an toàn , nc =1,5 theo bảng XIII.8 trang [6-356] + Ứng suất cho phép với giới hạn chảy (N/m2) + Ứng suất cho phép với giới hạn uốn (N/m2) - Tính chiều dày của tháp (mm) Ta chọn chiều dày của thiết bị, S =3 (mm) b) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử - Công thức kiểm tra Trong đó : Po - Áp suất thử thuỷ lực tính toán Po =Pth+P1 (N/m2) Pth - Áp suất thử thủy lực Pth=1,5.P=1,5. 203005=3,045.105 (N/m2) P1 - Áp suất thủy tĩnh, P1 =210915 (N/m2) (N/m2) Vậy : Po =3,045.105 + 203005=5,0751.105 (N/m2) - Ứng suất khi thử bằng áp suất thuỷ lực (N/m2) Vậy chiều dày của tháp thỏa mãn điều kiện bền. 2. Tính đường kính ống dẫn - Đường kính của ống dẫn được tính theo công thức sau: (m) v - Là lưu lượng của các chất chuyển động trong ống, (m3/s) w - Vận tốc của các chất trong ống, (m/s) a) Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh - Đường kính của ống dẫn được tính theo công thức sau: (m) w - Vận tốc thích hợp hơi trong ống, chọn w =15 (m/s) vp - Là lưu lượng thể tích hơi chuyển động trong ống, (m3/s) Gd - Lượng hơi ra khỏi tháp Gd =2263,7899 (kg/h) =0,6288 (kg/s) rd - Khối lượng riêng của hơi ở nhiệt độ đỉnh tháp (Kg/m3) yp - Nồng độ sản phẩm đỉnh, yp =0,5515 (phần mol) t - Nhiệt độ sản phẩm đỉnh T=273 + 51,50 =324,50oK Suy ra : (kg/m3) - Đường kính trong của ống dẫn sản phẩm đỉnh là (m) Chọn dp =200 (mm) theo bảng XIII.26 trang [6-416] và bảng XIII.32 trang [6-345] kích thước l =150 (mm) b) Đường kính ống sản phẩm đáy - Lượng hơi sản phẩm đáy Gw =6838,4592 (kg/h) =1,8995 (kg/s) - Khối lượng riêng của hỗn hợp ở nhiệt độ đáy tháp - Chọn vận tốc chảy w=0,2 - Đường kính trong của ống dẫn sản phẩm đáy là: (m) Chọn dw =125 (mm) theo bảng XIII.26 trang [6-416] và bảng XIII.32 trang [6-345] kích thước l =120(mm) c) Đường kính ống hỗn hợp đầu - Vận tốc thích hợp của dung dịch trong ống, chọn w =0,2 (m/s) - Lượng dung dịch trong hỗn hợp đầu GF =8763,53 (kg/h) =2,4343 (kg/s) - Khối lượng riêng của hơi ở nhiệt độ hỗn hợp đầu - Đường kính trong của ống dẫn hỗn hợp là: (m) Chọn dw =125 (mm) theo bảng XIII.26 trang [6-416] và bảng XIII.32 trang [6-345] kích thước l =120 (mm) d) Ống hồi lưu sản phẩm đỉnh - Vận tốc thích hợp của dung dịch trong ống, chọn w =0,2 (m/s) - Lượng lỏng hồi lưu về GR =R.Gp =0,2611 (kg/s) - Khối lượng riêng của sản phẩm hồi lưu đỉnh ở nhiệt độ đỉnh - Đường kính trong của ống hồi lưu sản phẩm đỉnh là: (m) Chọn dr =100 (mm) theo bảng XIII.26 trang [6-416] và bảng XIII.32 trang [6-4345] kích thước l =120 (mm) e) Ống hồi lưu sản phẩm đáy - Vận tốc thích hợp của dung dịch trong ống, chọn w =0,2 (m/s) - Lượng hơi hồi lưu về G’R = 1,8995 (kg/s) - Khối lượng riêng của sản phẩm hồi lưu đáy ở nhiệt độ đỉnh (kg/m3) - Đường kính trong của ống hồi lưu sản phẩm đỉnh là: (m) Chọn drw =250 (mm) theo bảng XIII.26 trang [6-416] và bảng XIII.32 trang [6-445] kích thước l =150 (mm) 3. Tính đáy và nắp a) Xác định chiều dày của đáy và nắp - Chiều dày của đáy và nắp được tính theo công thức: [6-385] (m) Trong đó: C - Đại lượng bổ sung được tính theo công thức, C =3 (mm) hb - Chiều cao phần lồi của đáy và nắp, chọn theo bảng XIII.10 trang (2-384) ta có hb =350 (mm) jh - Hệ số bền hàn của mối hàn hướng tâm, jh =0,95 Dt - Đường kính trong của thiết bị , Dt =1400 (mm) P - Áp suất trong của thiết bị, P=173327,927 (N/m2) [s] - Ứng suất cho phép của giới hạn bền, [s] =146.106 (N/m2) K - Hệ số không thứ nguyên - Chiều dày của đáy và nắp tháp ta chọn chiều dày đáy tháp bằng chiều dày thân tháp S =5 (mm) b) Kiểm tra ứng suất thành ở áp suất thử thủy lực - công thức: - Nhận xét rằng do đường kính và chiều dày của đáy và nắp giống nhau nên ta chỉ kiểm tra ứng suất thử của đáy. + Po áp suất thử thuỷ lực P0=Pth+P1, N/m2 Po =3,045.105 + 203005=5,0751.105 (N/m2) - Ứng suất thử: 3. Chọn bích nối thiết bị - Chọn bích nối đáy nắp và thân tháp bằng thép kiểu I theo bảng XII.27 trang [6-421] - Chọn bích liền nối các ống dẫn kiểu I theo bảng XII.27 trang [6-421] B.Tính toán tháp Aldehyt * Các số liệu tính toán ban đầu Chọn tháp tháp loại đĩa lỗ có ống chảy chuyền: X1w =45%V =39,3% khối lượng =20,21%mol X1f =50%V =44,17% khối lượng =23,64 %mol X1p =95%V =93,45% khối lượng =84,8 %mol Hỗn hợp đầu vào với năng xuất F=1600,7593 Kg/h I. Xác định bậc thay đổi nồng độ: a) Tính Rx + [6-158] · Gx Lượng lỏng hồi lưu về tháp · Gp Lượng sản phẩm đỉnh + Trong tháp andehyt lượng sản phẩm đỉnh lấy ra chỉ chiếm từ 3¸5% [4] lượng sản phẩm đỉnh, do đó Gx =(100- pd2).X Gp =pd2.X X : Lượng sản phẩm đỉnh pd2 : % lượng sản phẩm đỉnh lấy ra từ đỉnh tháp, Pd2=10% [4-197] + Vậy ta có b) Phương trình nồng độ làm việc + Phương trình làm việc đoạn luyện y = 0,9.x + 0,0849 + Phương trình làm việc đoạn chưng y = 1,94.x – 0,01543 II. Cân bằng vật chất của tháp Ta có phương trình cân bằng vật chất của tháp F2 = W2 + P2 Viết cho cấu tủ phân bố : F2.X2F =W2.xw1 + P2.xp2 Giải ra ta được P =140,1222 (kg/h) W =1460,637 (kg/h) III.Tính đường kính tháp 1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp a) Trong đoạn luyện -Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đia trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào dưới cùng của đoạn luyện (Kg/h) [6-181] Trong đó : - g1 : Lượng hơi thứ đi vao đĩa dưới cùng đoạn luyện - gđ : Lượng hơi đi ra khỏi tháp - Để tính lượng hơi đi vào đoạn luyện g1 , hàm lượng hơi y1 , lượng lỏng của đĩa thứ nhất ta dựa vào phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lương g1 =G1 + Gp g1.y1 =G1.x1 + Gp.xP g1.r1 =gđ.rđ Trong đó : · x1 = xF · r1 : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất r1 =rr.y1 + (1 - y1).rN =rN - y1(rN - rr) · rđ : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi tháp rđ = rr.yđ + (1 - yđ).rr · rN ,rr : Ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử nguyên chất + Tại x =xF =0,03326 phần mol và t0 =82,65320C Nội suy từ bảng I.212 [5-310] ta có : rN = 41,9276.106 (J/kmol) rr = 38,699106 (J/kmol) + Tại x =xp =0,2364 (phần mol) và t0 =78,4371C rN = 42,2453.106 (J/kmol) rr = 39,02.106 (J/kmol) + Thay số vào ta được · rđ =39,02.106.0,8814 + (1-0,8814).42,2453.106 Suy ra : rđ =39,406.106 (J/Kmol) · r1 =41,9276.106 – 38,02.106.y1 + Thay số vào hệ phương trình và giải ra ta được g1 =G1 + 3,2831 g1.y1 =0,2021.G1 + 0,8814.3,2831 g1.( 41,9276.106 – 38,02.106.y1) =39,405. 61,734 Suy ra : g1 =63,0243 (Kmol/h) G1 =59,741 (Kmol/h) y1 =0,27 (Phần Mol) + Khối lượng mol trung bình trong đoạn luyện ML =46.ytb + (1 - ytb).18 Suy ra : ML =34,1014 (Kmol/h) + Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện (Kg/h) b) Trong đoạn chưng -Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng có thể được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi vào và đi ra khỏi đoạn chưng. (Kg/h) Trong đó : - g’1 : Lượng hơi đi vào đoạn chưng - g’h : Lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng - Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên : g’h =g1 - Lượng hơi đi vào đoạn chưng g1 ,hàm lượng hơi x1 ,lượng lỏng G1 được xác định dựa vào phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng . g1 =G1 + Gp g1.y1 =G1.x1 + Gp.xP g1.r1 =gđ.rđ Trong đó : · Với xw =0,2021 (phần mol) từ đường cong cân bằng lỏng hơi ta tìm được : yw =0,5319 · r’1 : Ẩn nhiệt hóa hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng r’1 =rr.y’1 + (1 - y’1).rN + Tại x =xw =0,2021 (phần mol) và t0 =83,1677 0C Nội suy từ bảng I.212 trang (1-310) ta có : rN = 41,8888.106 (J/kmol) rr = 38,659.106 (J/kmol) Suy ra : r’1 =38,659.106. 0,5319 + (1 - 0,5319).41,8888.106 r’1 =40,7027.106 (J/kmol) + Thay số vào hệ phương trình và giải ra ta được G’1 =g1 + 3,2831 G’1.x’1 =0,5319.g1 + 0,5319. 61,7304 g’1.40,7027.106 =65,6628. 39,406.106 Suy ra : g’1 =64,4125 (Kmol/h) G’1 =126,1466 (Kmol/h) X’1 =0,3705 (Phần Mol) + Khối lượng mol trung bình trong đoạn luyện ML =46.y’tb + (1 - y’tb).18 Suy ra : Mc =24,5918 (Kmol/h) + Lượng hơi trung bình trong đoan luyện (Kg/h) 2. Tính khối lượng riêng - Khối lượng riêng trung bình trong pha khí được tính bằng công thức theo [6-183] (Kg/m3) - khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng (Kg/m3) a) Đoạn luyện : * Với pha hơi + ytb =0,575 ttb =273 + 79,6464=352,6464 0C + Thay số ta được Suy ra : (Kg/m3) * Với pha lỏng + Với ttb =79,6464 0C ta nội suy từ bảng I.2 khối lượng riêng của một số chất lỏng và dung dịch trang [5-10] rxN =972,1944 (Kg/m3) rxR =735,3358 (Kg/m3) + Phần khối lượng trung bình của Etylic trong đoạn luyện (Phần khối lượng) + Thay số vào ta được Suy ra : (Kg/m3) b) Đoạn chưng * Với pha hơi + y’tb =0,2354 ttb =273 + 82,91=355,91 0C + Thay số ta được Suy ra : (Kg/m3) * Với pha lỏng + Với t’tb =82,91 0C ta nội suy từ bảng I.2 khối lượng riêng của một số chất lỏng và dung dịch trang [5-10] r’xN =969,9620 (Kg/m3) r’xR =732,2349 (Kg/m3) + Phần khối lượng trung bình của Etylic trong đoạn luyện (Phần khối lượng) + Thay số vào ta được Suy ra : (Kg/m3) 3. Tốc độ hơi đi trong tháp a) Tốc độ hơi trong đoạn luyện (m/s) b) Tốc độ hơi trong đoạn chưng (m/s) 4. Tính đường kính tháp a) Đoạn luyện (m) b) Đoạn chưng (m) Quy chuẩn đường kính đoạn luyện và đoạn chưng ta có : D =0,7 (m) 5. Vận tốc hơi theo đường kính tháp quy chuẩn a) Đoạn luyện (m/s) b) Đoạn chưng (m/s) IV. Xác định số đĩa thực tế và chiều cao tháp 1. Xác định độ nhớt a) Với pha lỏng * Đoạn luyện - xtb =0,5589 (phần mol) và ttb =79,64640C Nội suy từ bảng I.101 trang [5-105] ta có mN =0,3766.10-3 (Ns/m2) mr =0,4377.10-3 (Ns/m2) - Thay số vào ta được log mhh =0,5589.log 0,3766.10-3 + (1 - 0,5589).log 0,4377.10-3 Suy ra : mhh =0,4096.10-3 (Ns/m2) * Đoạn chưng - x’tb =0,2192 (phần mol) và t’tb =82,91 0C Nội suy từ bảng I.101 trang (5-105) và toán đồ ta có m’N =0,3617.10-3 (Ns/m2) m’r =0,4191.10-3 (Ns/m2) - Thay số vào ta được log m’hh =0,2192.log 0,4191.10-3+ (1 – 0,2192).log 0,3617.10-3 Suy ra : m’hh =0,3736.10-3 (Ns/m2) b Với pha hơi - Độ nhớt của hỗn hợp được tính theo công thức: [1-94] * Đoạn luyện - ytb =0,5589 (Phần mol) và ttb =79,64640C Dựa vào toán đồ xác định độ nhớt của các chất khí ở áp suất khí quyển trang [5-135] ta được mN =11,8693.10-6 (Ns/m2) mr =10,4893.10-6 (Ns/m2) - Ta có: Suy ra : mhh =10,7366.10-6 (Ns/m2) * Đoạn chưng - y’tb =0,2354 (Phần mol) và t’tb =82,91 0C Dựa vào toán đồ xác định độ nhớt của các chất khí ở áp suất khí quyển trang [5-135] ta được m’N =11,7873.10-6 (Ns/m2) m’r =10,5582.10-6 (Ns/m2) - Ta có: Suy ra : m’hh =11,2125.10-6 (Ns/m2) 2. Hệ số khuếch tán a) Hệ số khuếch tán trong pha hơi * Trong đoạn luyện - Trong đoạn luyện ta có t =79,6464+273=352,64640C tại p =1 at - Hệ số khuếch tán trong đoạn luyện (m2/s) * Trong đoạn chưng - Trong đoạn chưng ta có t’ =82,91+273=355,91 0C tại p =1 at - Hệ số khuếch tán trong đoạn luyện (m2/s) b) Trong pha lỏng - Ở nhiệt độ bất kỳ có Dt =D20(1 + b(t - 20)) vớí b = 0,02 * Hệ số khuếch tán trong đoạn luyện - t =79,64640C - Dx =1,0915.10-9(1 + 0,02(79,6464-20)) =2,3935.10-9 (m2/s) * Hệ số khuếch tán trong đoạn chưng - t =82,91050C - Dx =1,0915.10-9(1 + 0,02.( 82,9105-20)) =2,4648.10-9 (m2/s) 3. Hệ số cấp khối a) Trong pha hơi * Đoạn luyện Ta có : Suy ra : * Đoạn chưng Ta có : Suy ra : b) Hệ số cấp khối trong pha lỏng a) Đoạn luyện: Ta có : Suy ra : b) Đoạn chưng: Ta có : Suy ra : 4. Hệ số chuyển khối - Công thức: [5-162] Trong đó : m- Hệ số phân bố vật chất x,x*,y,y* :Được tìm trên đường cân bằng lỏng-hơi 5. Xây dựng đường cong động học - Để xây dựng đường cong động học ,ta dựng các điểm A1C1 ,A2C2 … tại các điểm có hoành độ x ta tìm được các điểm Bi ứng với mỗi đoạn AiCi ,kết hơp sử dụng phần mềm Visual Basic ở phụ lục để trợ giúp việc tính toán. Trong đó : Cy =emyt myt : Số đơn vị chuyển khối Ky : Hệ số chuyển khối tính theo nồng độ pha hơi trên 1m2 của 1 đĩa. F : Diện tích làm việc của đĩa với tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền: f = F - m.fch F : Diện tích mặt cắt tự do của tháp fch : Diện tích mặt cắt ngang của ống chảy chuyền m: Số ồng hơi và số ống chảy chuyền - Tính đường kính ống chảy chuyền: +Ống chảy truyền đươc tính theo công thức [6-236] z - Số ống chảy chuyền ,chọn z =2 wc - Tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền chọn wc =0,15 (m/s) Gx - Lưu lượng trung bình đi trong tháp + Đoạn luyện (m) + Đoạn chưng (m) Chon đường kính ống chảy truyền Dc=0,04 (m) - Diện tích làm việc của đĩa · Đoạn luyện (m2) · Đoạn chưng (m2) - Gy lượng hơi lỏng đi trong tháp · Gy =1566,952 (Kg/h) · G’y =2194,2975 (Kg/h) - Từ đó ta tính ra được: : NL =25 (đĩa) Ntt =28 (đĩa) NC =3 (đĩa) - Vậy chiều cao của tháp là : H =NttHđ + (0,8¸1) Trong đó: Hđ - Khoảng cách giữa các đĩa Hd =0,25 (m) Ntt - Số đĩa thực tế 0,8¸1 - Khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp, chọn =1(m) H=28.0,25 + 2 = 9 (m) Suy ra: H =9 (m) V. Tính cơ khí tháp aldehyt Chọn vật liêu làm tháp la thép X18H10T. 1. Tính thân hình trụ a) Tính chiều dày thân hình trụ - Áp suất trong của thiết bị P =105 + 9,81.9.103 =188290 (N/m2) - Đại lượng bổ xung do ăn mòn phụ thuộc vào độ ăn mòn ,bào mòn và dung sai chiều dày C =C1+C2+C3 =2 (mm) - Tính chiều dày của tháp (mm) Ta chọn chiều dày của thiết bị, S =3(mm) b) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử - Công thức kiểm tra Trong đó : Po - Áp suất thử thuỷ lực tính toán Po =Pth+P1 (N/m2) Pth - Áp suất thử thủy lực Pth=1,5.P=1,5. 188290=282435 (N/m2) P1 - Áp suất thủy tĩnh, P1 =188290 (N/m2) Vậy : Po =282435+ 188290=470725 (N/m2) - Ứng suất khi thử bằng áp suất thuỷ lực (N/m2) Vậy chiều dày của tháp thỏa mãn điều kiện bền. 2. Tính đường kính ống dẫn a) Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh - Đường kính của ống dẫn được tính theo công thức sau: (m) w - Vận tốc thích hợp hơi trong ống, chọn w =15 (m/s) vp - Là lưu lượng thể tích hơi chuyển động trong ống, (m3/s) Gd - Lượng hơi ra khỏi tháp Gd =0,7784 (kg/s) rd - Khối lượng riêng của hơi ở nhiệt độ đỉnh tháp (Kg/m3) yp - Nồng độ sản phẩm đỉnh, yp =0,8831 (phần mol) t - Nhiệt độ sản phẩm đỉnh T=273 + 78,4372 =351,4372oK Suy ra : (kg/m3) - Đường kính trong của ống dẫn sản phẩm đỉnh là (m) Chọn dp =200 (mm) theo bảng XIII.26 trang [6-416] và bảng XIII.32 trang [6-345] kích thước l =150 (mm) b) Đường kính ống sản phẩm đáy - Lượng hơi sản phẩm đáy Gw =0,4057 (kg/s) - Khối lượng riêng của hỗn hợp ở nhiệt độ đáy tháp - Chọn vận tốc chảy w=0,2 - Đường kính trong của ống dẫn sản phẩm đáy là: (m) Chọn dw =70 (mm) theo bảng XIII.26 trang [6-416] và bảng XIII.32 trang [6-4345] kích thước l =100 (mm) c) Đường kính ống hỗn hợp đầu - Vận tốc thích hợp của dung dịch trong ống, chọn w =0,2 (m/s) - Lượng dung dịch trong hỗn hợp đầu GF =0,4446 (kg/s) - Khối lượng riêng của hơi ở nhiệt độ hỗn hợp đầu - Đường kính trong của ống dẫn hỗn hợp là: (m) Chọn dw =70 (mm) theo bảng XIII.26 trang [6-416] và bảng XIII.32 trang [6-4345] kích thước l =100 (mm) d) Ống hồi lưu sản phẩm đỉnh - Vận tốc thích hợp của dung dịch trong ống, chọn w =0,2 (m/s) - Lượng lỏng hồi lưu về GR =0,7395(._.