thiet ke xuong sx con tuyet doi

122
1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HỮU CƠ – HÓA DẦU ======***====== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Néi dung : ThiÕt kÕ xëng s¶n xuÊt cån tuyÖt ®èi b»ng kü thuËt hÊp phô Giáo viên hướng dẫn : TS. Văn Đình Sơn Th095.33.59200 [email protected] Sinh viªn thùc hiÖn : Le Văn Trung Líp : HD2 – K48 Hµ Néi 5 - 2008

Upload: lac-mat-em

Post on 21-Jun-2015

334 views

Category:

Documents


4 download

TRANSCRIPT

Page 1: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HỮU CƠ – HÓA DẦU ======***======

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Néi dung :

ThiÕt kÕ x­ëng s¶n xuÊt cån tuyÖt ®èi b»ng kü thuËt hÊp phô

Giáo viên hướng dẫn : TS. Văn Đình Sơn Thọ 095.33.59200 [email protected] Sinh viªn thùc hiÖn : Le Văn Trung Líp : HD2 – K48

Hµ Néi 5 - 2008

Page 2: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

2

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG Như ta đã biết Việt Nam là một nước có nền kinh tế nông nghiệp là chủ yếu với thế mạnh chính là các ngành trồng trọt và chăn nuôi đặc biệt là ngành sản xuất lúa gạo. Hàng năm nước ta có sản lượng xuất khẩu lúa gạo rất lớn và đứng thứ 2 trên thế giới, những năm gần đây kim nghạch xuất khẩu gạo liên tục tăng. Năm 2007 vừa qua các doanh nghiệp trong nước đã xuất khẩu một lượng gạo rất lớn 4,5 triệu tấn gạo và giữ vững vị trí nhà cung cấp gạo đứng thứ 2 trên thế giới sau thái lan. Bên cạnh đó các ngành trồng trọt như rau, củ, quả, mía…Cũng phát triển không ngừng. Tất cả những yếu tố trên cho thấy đây là một nguồn nguyên liệu rất phong phú, rồi dào và dư thừa của Việt Nam. Tạo điều kiện rất thuận lợi cho các ngành công nghiệp sử dụng nguyên liệu là sản phẩm của ngành nông nghiệp đặc biệt là các ngành sản xuất nhiên liệu xăng dầu, cồn, nhiên liệu sinh học… Trong khi đó tình hình xăng dầu thế giới hiện nay có nhiều biến động. Trong những năm gần đây giá xăng dầu thế giới tăng với tốc độ chóng mặt. Các nước có nguồn tài nguyên dầu mỏ dồi dào đã hạn chế khai thác gây ra nhiều biến động xấu đến nền kinh tế toàn cầu. Đặc biệt là các nước có nền công nghiệp đang phát triển phải chịu nhiều hậu quả nặng lề, tình hình lạm phát tăng mạnh ảnh hưởng đến chất lượng của đời sống nhân dân. Đây là một mối lo ngại đối với chính phủ, các doanh nghiệp trong nước và toàn thể nhân dân ta. Song song với những khó khăn đó là tình hình về nguồn nhiên liệu dầu mỏ của nước ta ngày càng cạn kiệt theo thời gian do nước ta chỉ xuất khẩu dầu thô và nhập xăng dầu từ nước ngoài mà chưa có nhà máy lọc dầu nào chính thức đi vào hoạt động. Trước tình hình đó việc nghiên cứu sản xuất các nguồn nhiên liệu khác thay thế xăng dầu là một việc làm cấp bách và quan trọng. Bên cạnh việc xây dựng các nhà máy lọc dầu tại Việt Nam chúng ta cần nghiên cứu và xây dựng các nhà máy sản xuất nguyên liệu sạch như cồn tuyệt đối, nhiên liệu sinh học… Để tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu dư thừa của nền nông nghiệp, đảm bảo được an toàn về năng lượng cho phát triển nền kinh tế Việt Nam vẫn đang nằm trong vùng các nươc nghèo nhất thế giới. Đề tài của em là thiết kế phân xưởng sản xuất cồn tuyệt đối là một đề tài rất hay và có ý nghĩa thực tiễn và đáp ứng được phần nào về nhu cầu sử dụng năng lượng hiện nay của đất nước. Tuy nhiên, đây là một đề tài hết sức mới mẻ trong quá trình làm việc sẽ gặp rất nhiều khó khăn và không tránh

Page 3: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

3

khỏi những sai sót trong quá trình làm việc. Vì vậy em rất mong được sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn Ts. Văn Đình Sơn Thọ với những ý kiến đóng góp quý báu giúp em hoàn thành tốt đồ án này. Qua quá trình tìm hiểu về các phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối, các ưu và nhược điểm của mỗi phương pháp em đã lựa chọn Phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp hấp phụ bằng zeolite. Sau đây em xin trình bày bản đồ án như sau:

Page 4: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

4

PHẦN II: LÝ THUYẾT CHUNG

I. NGUYÊN LIỆU ETANOL I.1. Tính chất của Etanol + Tính chất vật lý: Etanol (C2H5OH) là chất lỏng không màu, mùi thơm, dễ cháy, dễ hút ẩm. Etanol tạo hỗn hợp đẳng phí với nước có thành phần 95,47% thể tích.

Hình 2.1 a: là điểm đẳng phí Nhiệt độ sôi của Etanol là 78,39 oC, tỷ trọng 15

4d = 0.79356, nhiệt dung riêng Cp(16÷21oC) = 2,415 J.g-1.K-1, nhiệt cháy ở thể tích cố định là 1370,82 kJ/mol. I.2. Cơ chế phụ gia của Etanol khi pha vào xăng Etanol có trị số octan cao RON = 120 ÷ 135, MON = 100 ÷ 106, thường được pha vào xăng với hàm lượng 10 ÷ 15% khối lượng. Khi pha Etanol vào xăng do bản than nó là chat có trị số octan cao do đó sẽ làm tăng trị số octan của xăng.

Mặt khác, do bản than quá trình cháy trong động cơ xăng là cháy cưỡng bức, việc tận dụng không khí trong buồng đốt sẽ không hoàn toàn. Do đó sẽ có những nhiên liệu cháy trong điều kiện thiếu oxy, dẫn đến sản phẩm

Page 5: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

5

cháy không hoàn toàn (sản phẩm cháy bẩn). Khi ta đưa Etanol vào ở dạng phụ gia thì quá trình cháy trong động cơ sẽ:

+ Cháy hoàn toàn nhờ có oxy sẵn có trong cồn nên ta giảm thiểu được quá trình sinh khí CO độc hại ra môi trường.

+ Giảm tiêu tốn nhiên liệu do động cơ không cháy hết nhiên liệu. + Oxy hóa các khí độc hại trong quá trình cháy gây ra thành hợp chất

có số oxy hóa cao nhất, ít gây ảnh hưởng tới môi trường. Chính sự bổ sung them oxy vào hỗn hợp cháy để đảm bảo quá trình

cháy hoàn toàn, sản phẩm cháy sạch hơn. Việc sử dụng Etanol pha vào xăng dang là hướng phát triển có triển vọng nhất vì nó có những ưu điểm sau:

+ Có trị số octan cao thay thế phụ gia chì và methanol là những phụ gia độc hại với con người.

+ Có hàm lượng oxy lớn hơn so với MTBE, TBA, TAME… + Động cơ sử dụng xăng pha cồn dễ khởi động, vận hành ổn định hơn

so với các loại phụ gia oxygen khác. + Công nghệ sản xuất đơn giản hơn và tạn dụng được nguồn nguyên

liệu sẵn có. Bên cạnh đó việc sử dụng phụ gia Etanol cúng có những nhược điểm đó là:

- Khả năng bảo quản phụ gia Etanol là rất khó (đây là nhược điểm quan trọng nhất).

- Giá thành của nhiên liệu là tương đối cao. I.3. Ứng dụng của Etanol Dùng để pha chế sản xuất các loại rượu, bia để uống, chế biến thức ăn. Dùng làm chất sát trùng, rửa vết thương trong y tế. Dùng làm dược phẩm chữa bệnh. Trong tổng hợp hóa học: Cồn được xem là chất trung gian để sản xuất các chất hóa học khác như: Acid axetic, Etyl Axetat… Ngoài ra người ta có thể dùng chúng làm dung môi hòa tan nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ khác. Ngày nay hướng nghiên cứu về nhiên liệu sạch, trong đó việc sử dụng cồn có nồng độ cao pha xăng được xem là một hướng đi hiệu quả và được chú ý rất nhiều. Một số nước trên thế giới hiện nay đã ứng dụng thành công nghiên cứu này và cho kết quả tốt. Điều này giúp giải quyết được vấn đề môi trường, giảm thiểu được ô nhiễm môi trường do các động cơ gây ra. I.4. Tình hình sản xuất Etanol trên thế giới hiện nay Trên thế giới, việc nghiên cứu sử dụng etanol để thay thế chất phụ gia MTBE trong xăng dầu đã được tiến hành trong nhiều năm qua. Ở Mỹ, chính phủ nước này đã công bố cấm sử dụng MTBE, vào đầu năm 2003, do nhiều

Page 6: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

6

công trình nghiên cứu về sự ô nhiễm nguồn nước, mối trường không khí, sức khỏe con người trong việc sử dụng MTBE. Etanol nhiên liệu là cồn tuyệt đối (hay còn gọi là cồn khan, có độ cồn từ 99,7÷ 100%), được sản xuất từ cồn công nghiệp (có hàm lượng etanol từ 92÷ 96%). Chương trình etanol nhiên liệu được nhiều nước quan tâm, đầu tư xây dựng chiến lược để xây dựng các nhà máy sản xuất etanol từ các loại ngũ cốc như: Ngô, sắn, mía đường… Để đáp ứng nhu cầu cung cấp nhiên liệu tái tạo trong tương lai. Đây là chương trình phát triển nông nghiệp nông thôn, nhằm khai thác tiềm năng sẵn có về lao động, đất đai, nguồn nông sản ở mỗi quốc gia. Mỹ là một trong 2 nước sản xuất etanol lớn nhất thế giới với một chương trình etanol nhiên liệu cụ thể. Tổng công suất sản xuất etanol nhiên liệu ở Mỹ đến năm 2003 đạt 3,5 tỷ gallon, tương đương 13 tỷ lít. Tương lai, Mỹ có thể vượt Braxin, nước sản xuất etanol lớn nhất thế giới hiện nay. Vào năm do lệnh cấm sử dụng MTBE sẽ làm tăng mạnh nhu cầu đối etanol nhiên liệu ở Mỹ hiện nay. Braxin là quốc gia sản xuất etanol tuyệt đối lớn nhất thế giới hiện nay. Từ 15 năm nay, tất cả xe cộ ở Braxin đều chạy bằng etanol tinh khiết, đây như là một ví dụ điển hình về việc khai thác năng lượng sinh khối (Biomas). Năm 1975, chính phủ Braxin đưa ra một chương trình sản xuất etanol từ mía để giải quyết vấn đề giá đường thế giới hạ giá và gánh nặng ngày càng tăng của ngành dầu mỏ sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973. Để giải quyết vấn đề này người ta tận dụng các nhà máy đường hiện có để sản xuất etanol. Chương trình này kéo theo mở rộng diện tích trồng mía và xây dựng thêm các nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối. Sản lượng nhiên liệu sinh học này tăng đều đặn, từ 0,6 tỷ lít năm 1975 đến 14 tỷ lít năm 1998. Từ cuối năm 1970 toàn bộ xe cộ ở Braxin dùng nhiên liệu có chứa 20% etanol để thay thế cho xăng và diesel mà không cần thay đổi động cơ. Từ năm 1984 đến 1988, tất cả số ôtô mới được bán ra thị trường đều chạy bằng cồn tuyệt đối. Năm 1988 các loại xe này đã tiêu thụ hết 7,6 tỷ lít cồn, trong đó 5,3 tỷ lít dùng để pha xăng, còn lại dùng cho ôtô.

Page 7: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

7

Thống kê về tỷ lệ sử dụng etanol và gasoline ở Braxin như sau:

Hình 2.2 Ngoài Braxin và Mỹ là 2 quốc gia có sả lượng cồn tuyệt đối lớn nhất thế giới còn phải kể đến một số quốc gia khác có tiềm lực cũng rất lớn đó là: Tây Ban Nha, Trung Quốc, Ấn Độ, Thái lan… Tình hình sản xuất etanol tuyệt đối ở nước ta hiện nay: Ở Việt Nam hiện nay chưa có nhà máy nào sản xuất cồn tuyệt đối ở quy mô công nghiệp, vì vậy việc nghiên cứu đầu tư công nghệ tiên tiến để xây dựng một nhà máy sản xuất etanol nhiên liệu là cần thiết, phù hợp với chương trình etanol nhiên liệu toàn cầu trong nền kinh tế thị trường như hiện nay. Mặt khác nó giải quyết được một số vấn đề yếu kém tồn tại của nước ta hiện nay là; - Nhiên liệu xăng và diesel đều phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu với tổng nhu cầu hàng triệu tấn một năm. Cùng với đà phát triển của nền kinh tế đất nước và quá trình hội nhập, nhu cầu sử dụng nguyên liệu sẽ tăng với tốc độ lớn. Theo dự báo, đến năm 2020, ở Việt Nam nhu cầu sử dụng nhiên liệu đạt 20 triệu tấn/ năm, trong đó sản xuất trong nước chỉ đáp ứng được khoảng 76% nhu cầu. - Vì thế việc nghiên cứu các phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối, kết hợp với nghiên cứu lựa chọn các hệ phụ gia phù hợp để sản xuất các loại nhiên liệu sinh học đáp ứng nhu cầu sử dụng nhiên liệu ở Việt Nam, đảm bảo giảm ô nhiễm môi trường, phát triển nguồn tài nguyên thực vật, đặc biệt

Page 8: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

8

là sử dụng nông sản và phế liệu công nghiệp chế biến nông sản đáp ứng được an ninh năng lượng quốc gia. II. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN CAO ĐỘ Để thu được sản phẩm là cồn có nồng độ cao trên thế giới hiện nay đã sử dụng nhiều phương pháp tách nước từ cồn công nghiệp, cụ thể có thể liệt kê các phương pháp điển hình như sau: + Phương pháp chưng cất: - Phương pháp chưng đẳng phí - Phương pháp chưng phân tử + Phương pháp dùng chất hấp phụ chọn lọc Zeolite. + Phương pháp dùng các chất hút ẩm. + Phương pháp thẩm thấu qua màng. + Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu qua màng và dây phân tử. II.1. Phương pháp chưng cất II.1.1. Chưng trích ly: Sơ đồ chưng trích ly như sau:

AB

A B

R

BR

RNöôùc ngöng

Hôi nöôùc Hôi nöôùc

Nöôùc ngöng

Nöôùc laøm maùt

Nöôùc laøm maùt

Nöôùc laøm maùt

Nöôùc laøm maùt

SÔ ÑOÀ NGUYEÂN LYÙ CHÖNG TRÍCH LY

Hình 2.3 Sơ đồ chưng trích ly Nguyên tắc: Hỗn hợp etanol – nước có nhiệt độ sôi gần nhau tạo thành dung dịch đẳng phí ở 78,15 oC áp suất 1,013 Bar. Với hỗn hợp này không thể dùng

Page 9: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

9

phương pháp chưng luyện thông thường để tách các phân tử ra ở dạng nguyên chất dù tháp vô cùng cao và lượng hồi lưu là rất lớn. Phương pháp chưng luyện trích ly thực hiện đưa thêm cấu tử phân ly có tác dụng phá vỡ hỗn hợp đẳng phí, làm tăng độ bay hơi tương đối của một phân tử trong hỗn hợp. Công nghệ thực tế áp dụng ở Braxin [10] sơ đồ công nghê như sau:

Ethanol 96%V

Ethanol 99,98%V

Nöôùc

Hôi nöôùc

6 44

12

4

3

5

Caáu töû loâi cuoán

Hoãn hôïp ñoàng soâi cuûa 3 caáu töû

Caáu töû loâi cuoán ( phaù ñaúng phí ):Benzen , Heptane, Cyclohexane

Hình 2.4 Sơ đồ sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp trích ly ở Brazil 1- Cột tách nước 2- Thùng lắng gạn 3- Thiết bị ngưng tụ 4- Thiết bị làm lạnh 5- Cột tách Hydrocacbon 6- Thùng chứa cấu tử lôi cuốn

Thực hiện đưa cấu tử phá đẳng phí (entrainer) là Benzen, Heptan, hoặc Cyclohexan. Etanol 96% thể tích được đưa vào cột tách nước ( De- hydrating Column) ở giữa tháp. Etanol 99,8% thể tích thu được ở đáy tháp, được đưa đi làm lạnh và tồn chứa, bảo quản. Hỗn hợp đồng sôi của 3 cấu tử thu được ở đỉnh tháp được ngưng tụ và phân tách trong thùng lắng gạn. Lớp trên của thùng lắng gạn là các hợp chất hữu cơ chứa cả cấu tử phá đẳng phí được đưa về cột tách hydrocacbon, tại đó hydrocacbon phá đẳng phí, etanol,

Page 10: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

10

một lượng hơi nước được đưa đi tuần hoàn về thiết bị ngưng tụ rồi đưa về thùng lắng gạn. Stillage thu được tuần hoàn về tháp chưng cất etanol. Một số trường hợp khác stillage được sử dụng trong sản xuất thức ăn cho động vật. Lượng hơi nước sử dụng: 1 ÷ 1,5 kg/lít etanol 99,98% II.1.2. Chưng phân tử [3] Nguyên tắc: Chưng phân tử thực hiện ở độ chân không cao ( tương đương với áp suất 0,01 ÷ 0,0001 mmHg). Ở áp suất này lực hút giữa các phân tử yếu đi và số lần va chạm giữa chúng giảm, làm khoảng cách chạy tự do của các phân tử tăng lên rất nhiều. Trên cơ sở đó, nếu làm khoảng cách giữa bề mặt bốc hơi và bề mặt ngưng tụ nhỏ hơn khoảng cách chạy tự do của các phân tử, thì khoảng cách phân tử của các cấu tử dễ bay hơi khi rời khỏi bề mặt bốc hơi sẽ va đập vào bề mặt ngưng tụ và ngưng tụ ở đó. Trong thực tế khoảng cách giữa các phân tử duy trì ở mức 200mm ÷ 30mm. Hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt duy trì ở mức 100oC. - Sơ đồ nguyên lý như sau:

10

6

7

41

23

8

5

Page 11: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

11

Hình 2.5 Tháp chưng phân tử 1- Bề mặt bốc hơi 2- Bề mặt ngưng tụ 3- Vỏ làm lạnh 4- Đĩa phân phối 5- Phễu hứng sản phẩm đáy 6- Cửa sản phẩm đỉnh 7- Cửa ra của nước làm lạnh 8- Cửa vào của nước làm lạnh 9- Cửa hút chân không 10- Cửa dẫn hỗn hợp đầu vào Phía trong phòng bốc hơi có một bộ phận đung nóng, phía ngoài là bộ phận ngưng tụ 2. Hệ thống có vỏ bọc 3 để làm lạnh. Hỗn hợp đầu (etanol + rươu) cho vào bộ phận tạo màng 4 để chạy thành màng theo bề mặt bốc hơi 1. Sản phẩm đáy ( nước) lấy ra ở phễu 5, sản phẩm đỉnh (etanol) được tập trung lại và đi ra cửa 5. Nước làm lạnh vào của 8 và ra cửa 7. Ống nối 9 nối với bơm chân không để giữ cho độ chân không cần thiết trong thiết bị. Do việc tạo áp suất và chế tạo thiết bị làm việc ở áp suất chân không đòi hỏi rất phức tạp và tốn kém, phương pháp này chỉ để nghiên cứu, không mở rộng được quy mô. II.2. Phương pháp dùng chất hấp phụ chọn lọc – Zeolite II.2.1. Giới thiệu về Zeolite [1] Hình 2.6 Cấu tạo phân tử zeolite

Zeolite là các Aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian 3 chiều với hệ thống lỗ xốp đồng đều và rất trật tự. Hệ thống mao quản (pore) này có kích cỡ phân tử, cho phép chia (rây) các phân tử theo hình dạng và kích thước. Vì vậy zeolite còn được gọi là chất rây phân tử.

Page 12: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

12

Thành phần hóa học của zeolite có thể biểu diễn như sau: Me2/nO.xAl2O3.ySiO2.zH2O Trong đó: + M+: là cation bù trừ điện tích khung. + z: là số phân tử nước kết tinh trong zeolite. + Đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolite là các tứ diện TO4, với T là Al hoặc Si. Có thể biểu diễn đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolite như sau:

O2-

Si4+

O

O

O2-

2-

2-

TÖÙ DIEÄN SiO4

2-

2-O

O

O

3+Al

2-O

-

-

TÖÙ DIEÄN [AlO4]

2-

Hình 2.7 Cấu trúc cơ bản của zeolite Việc thay thế đồng hình Si4+ bằng Al3+ trong các tứ diện SiO4 dẫn đến dư một điện tích âm ở [AlO4]-. Điện tích âm dư được cân bằng bởi sự có mặt của cation M+, gọi là cation bù trừ diện tích khung. Người ta tìm thấy 40 cấu trúc zeolite trong tự nhiên khác nhau. Trong khi đó sự phát triển của vật liệu này trong lĩnh vực như hấp phụ, phân tách, quá trình xúc tác… đem lại những khả năng lớn nhờ các phương pháp tổng hợp zeolite đang được thực hiện trong phòng thì nghiệm. Hiện nay có khoảng 200 loại zeolite tổng hợp, tuy nhiên mới chỉ có một lượng nhỏ trong số đó được sử dụng trong công nghiệp. Tính chất chính của zeolite được thể hiện bởi cấu trúc và hình thái của chúng, tức là sự sắp xếp trật tự của các tứ diện, phần thể tích rỗng, sự tồn tại của các mao quản và các lỗ, kích thước các lỗ và các mao quản. Ngoài ra tính chất của các zeolite còn phụ thuộc vào tỷ lệ Si/Al (hoặc SiO2/Al2O3) và các cation bù trừ điện tích (K+, Na+…). + Phân loại Zeolite: - Phân loại theo kích thước mao quản

* Zeolite có mao quản rộng: Dmq > 8 Ao * Zeolite có mao quản trung bình: Dmq = 5 ÷ 8 Ao * Zeolite có mao quản nhỏ: Dmq < 5 Ao

Trong đó: Dmq là đường kính mao quản. - Phân loại theo tỷ lệ Si/Al: Cách phân loại này cho ta biết biến đổi tính chất của zeolite.

Page 13: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

13

* Loại giàu Al: Theo quy tắc của Lowenstein thì hàm lượng Si trong zeolite luôn lớn hơn Al, có nghĩa là tỉ lệ Si/Al luôn lớn hơn bằng 1. Trong loại giàu Al thì tỉ lệ này bằng 1,1 ÷ 1,2. Mao quản của zeolite này tương đối lớn.

* Loại có hàm lượng Al trung bình: Với zeolite loại này tỷ lệ giữ Si/Al từ 1,2 ÷ 2,5.

* Loại giàu Si: Loại này có tỷ lệ Si/Al > 2,5 tương đối bền nhiệt nên được sử dụng nhiều trong quá trình xúc tác có điều kiện khắc nghiệt. - Zeolite A:

Là loại zeolite tổng hợp có cấu trúc dưới dạng lập phương đơn giản tương tự như kiểu liên kết trong tinh thể NaCl, với các nút mạng lưới là các bát diện cụt.

Đối với zeolite A tỷ lệ Si/Al = 1 nên số nguyên tử Si và Al trong mỗi đơn vị Sodalit bằng nhau. Vì vậy với mỗi bát diện cụt được tạo bởi 24 tứ diện có 48 nguyên tử Oxy làm cầu nối, vậy còn dư 12 điện tích âm. Để trung hòa 12 điện tích âm này ta phải có 12 cation hóa trị 1 hoặc 6 cation hóa trị 2. Trong trường hợp của zeolite A là 12 ion K+ hoặc 6 cation Ca2+. - Đặc tính kỹ thuật của zeolite 3A: * Là loại zeolite giàu nhôm, tỷ lệ Si/Al thấp. * Cation bù trừ điện tích K+: K12[(AlO2)12.(SiO2)12] * Kích thước mao quản: 3 Ao. II.2.2. Quá trình hấp phụ [4- 241] II.2.2.1. Các định nghĩa về hấp phụ Hấp phụ là quá trình hút các chất trên bề mặt các vật liệu xốp nhờ các lực bề mặt. Các vật liệu xốp được gọi là chất hấp phụ, chất bị hút được gọi là chất bị hấp phụ. Hấp phụ xảy ra do lực hút tồn tại ở trên và ở gần sát bề mặt trong các mao quản. + Hấp phụ hóa học: Lực hấp phụ mạnh nhất là lực hóa trị gây lên hấp phụ hóa học, tạo lên các hợp chất khá bền trên bề mặt, khó nhả hấp phụ hoặc chuyển các phân tử thành các nguyên tử. + Hấp phụ vật lý: Lực hấp phụ là lực vật lý Vanderwall tác dụng trong khoảng không gian gần sát bề mặt. Một hiện tượng thường xảy ra trong bề mặt khí – rắn là pha khí ngưng tụ thành chất lỏng trong mao quản nhỏ, điều này xảy ra dưới tác dụng của lực mao quản. Mỗi phân tử đã bị hấp phụ (dù dạng khí hay lỏng) đều giảm độ tự do, do đó quá trình hấp phụ luôn kèm theo sự tỏa nhiệt. + Hấp phụ vật lý: Nhiệt hấp phụ nhỏ.

Page 14: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

14

+ Hấp phụ hóa học: Nhiệt hấp phụ lớn hơn, có thể bằng nhiệt phản ứng. Do sự tỏa nhiệt, trong quá trình hấp phụ vấn đề tách nhiệt luôn được đề ra. Động học của quá trình hấp phụ: Quá trình hấp phụ từ pha lỏng hoặc pha khí lên bề mặt xốp của chất hấp phụ gồm 3 giai đoạn: + Chuyển chất từ lòng pha lỏng đến bề mặt ngoài của hạt chất hấp phụ + Khuyếch tán vào các mao quản của hạt. + Hấp phụ: Quá trình hấp phụ làm bão hòa dần từng phần không gian hấp phụ, đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử bị hấp phụ, kèm theo sự tỏa nhiệt. - Yêu cầu của các vật liệu hấp phụ: + Có bề mặt riêng lớn. + Có các mao quản đủ lớn để các phân tử hấp phụ lên bề mặt, nhưng cũng cần đủ nhỏ để loại các phân tử xâm nhập, có tính chọn lọc. + Có thể hoàn nguyên dễ dàng. + Bền năng lực hấp phụ, nghĩa là kéo dài thời gian làm việc. + Đủ bền cơ để chịu được rung động và va đập. II.2.2.2. Hấp phụ gián đoạn có lớp chất hấp phụ đứng yên [4 - 253] a. Sự thay đổi nồng độ trong pha rắn và pha khí theo thời gian và chiều cao lớp chất hấp phụ. Biểu diễn sơ đồ sự thay đổi nồng độ chất bị hấp phụ theo chiều cao của lớp chất hấp phụ và theo thời gian khi hấp phụ gián đoạn có lớp hấp phụ đứng yên như sau:

HH2

Hbh

H1

H'2

0 XC

H H H

00 Yc X Y U, KX1 Xbh

bh

bh

Yd

U = f(H)

K = f(H)

Yd

Yc

a a

Hình 2.8 Trong đó: Y1: Nồng độ chất bị hấp phụ trong pha khí đi vào thiết bị, kg khí bị hấp phụ/kg khí trơ.

Page 15: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

15

Yc: Nồng độ tối thiểu của chất khí mà ta có thể tách được, kg chất bị hấp phụ/kg khí trơ. Xc: Nồng độ chất bị hấp phụ trong pha rắn, Tương ứng với YC, kg chất bị hấp phụ/kg chất hấp phụ. Xbh: Nồng độ bão hoà của chất bị hấp phụ trong pha rắn, kg chất bị hấp phụ/kg chất hất phụ. Quá trình làm việc như sau: + Hỗn hợp khí có nồng độ Yd đi vào thiết bị. Trước khi làm việc chất hấp phụ trong thiết bị đã có nồng độ X XC. Sau thời gian hấp phụ 1 nồng độ chất hấp phụ ở mặt cắt a - a đạt được X1, còn ở độ cao H1 thì đạt được nồng độ Xc. Trong thời gian đó nồng độ khí thay đổi từ Yd đến Yc. Thời gian để chất hấp phụ ở mặt cắt a – a đạt được nồng độ bão hoà là

bh , khi đó nồng độ đạt tới giá trị Yc và chất hấp phụ đạt tới Xc tương ứng với độ cao Hbh. Trước thời điểm bh các đường cong biểu diễn U = f(H) và K= f(H) thay đổi liên tục theo chiều cao. Ở thời điểm bh trong lớp hấp phụ thực tế đã tạo thành những mặt đồng nồng độ, chúng dịch chuyển lên với vận tốc không đổi khi tăng thời gian hấp phụ. Ở một thời điểm nhất định chỉ có một lớp chất hấp phụ làm việc, lớp này nằm giữa hai mặt phẳng có nồng độ Xc và Xbh. II.2.3. Phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối bằng vật liệu hấp phụ chọn lọc - Nguyên tắc của phương pháp: + Dựa vào kích thước mao quản của zeolite 3A chất hấp phụ này có thể hấp phụ những phân tử có kích thước nhỏ hơn kích thước mao quản và không hấp phụ những phân tử có kích thước lớn hơn. + Khi sử dụng zeolite 3A để hấp phụ sản xuất cồn tuyệt đối, bản chất là chất hấp phụ chọn lọc nước trong hỗn hợp nước và etanol có nồng độ thấp hơn. + Kích thước động học của nước là 2,75Ao < 3Ao. + Kích thước động học của rượu là 3,95Ao > 3Ao. Như vậy: zeolite 3A hấp phụ nước nhưng không hấp phụ rượu etanol. - Quá trình hấp phụ có thể thực hiện theo hai dạng: + Hấp phụ lỏng – rắn. + Hấp phụ khí – rắn.

- Sơ đồ nguyên lý của quá trình:

Page 16: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

16

Quá trình hấp phụ với hỗn hợp etanol – nước ở dạng pha lỏng:

5

Khoâng khí

Nguyeân lieäu

Saûn phaåm

Vent

Doøng tuaàn hoaøn

1A 1B

2

3

45Nöôùc laøm maùt

Nöôùc laøm maùt

Nöôùc laøm maùt

Nöôùc laøm maùt

6

Hình 2.9 Sơ đồ hấp phụ cồn – nước dạng lỏng

Page 17: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

17

Quá trình hấp phụ với hỗn hợp etanol – nước ở dạng hơi:

7B

3

6

Nöôùc

Nöôùc laøm maùt

Khoâng khí

Doøng tuaàn hoaøn

7A

1C1B

2

8

5

4

5

5

1A

2

Saûn phaåm

Khoâng khí

Coàn 85-96%V

Vent

Hình 2.10 Sơ đồ hấp phụ cồn – nước dạng hơi - Mô tả quá trình làm việc:

+ Nguyên liệu (hỗn hợp etanol – nươc có nồng độ thấp) được đưa qua cột hấp phụ chứa zeolite 3A ở pha lỏng hoặc pha hơi. Nước sẽ bị hấp phụ và giữ lại trên cột, etanol không bị hấp phụ đi ra khỏi cột.

Page 18: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

18

Để quá trình làm việc liên tục, thông thường phải có ít nhất 2 tháp chứa chất hấp phụ. Khi tháp A tiến hành hấp phụ thì tháp B phải tiến hành tái sinh xúc tác và ngược lại. Với quá trình sử dụng 3 tháp: Tháp 1 thực hiện quá trình hấp, tháp 2 thực hiện quá trình nhả hấp và tháp 3 thực hiện quá trình làm mát chất hấp phụ. - Sơ đồ nguyên lý hấp phụ, nhả hấp và làm mát của hệ thống 3 tháp như sau:

Hình 2.11 Sơ đồ sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp hấp phụ với ba tháp Trong đó: Tháp 1 thực hiện hấp phụ, tháp 2 đang thực hiện nhả hấp phụ, tháp 3 đang thực hiện quá trình làm mát chất hấp phụ. 1a, 1b: Dòng khí thực hiện quá trình nhả hấp phụ. 2a, 2b: Dòng khí thực hiện làm mát. 3a, 3b: Dòng hới cồn 96%V vào tháp hấp phụ. + Các phương pháp nhả hấp phụ: Có thể thực hiện nhả hấp phụ bằng 3 phương pháp: II.2.3.1. Phương pháp 1:

Gia nhiệt cho cột và nhả khí sạch, nóng qua cột hấp phụ ở nhiệt độ phù hợp. Thời gian nhả hấp phụ tuỳ thuộc vào mức độ hấp phụ.

Page 19: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

19

Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong việc nhả hấp phụ, tái sinh chất hấp phụ. Sơ đồ nguyên tắc như sau: [10]

Hình 2.12 Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ này là cả tháp nhả và tháp hấp phụ làm việc song song. Khi tháp bên trái thực hiện hấp phụ thì tháp phải thực hiện quá trình nhả hấp. Trong quá trình nhả hấp này thì khí được gia nhiệt đến nhiệt độ yêu cầu rồi thực hiện quá trình nhả hấp có bổ xung nhiệt ở thân tháp nhả.

Page 20: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

20

Một số trường hợp sử dụng hơi nguyên liệu làm khí thực hiện quá trình nhả hấp [8 - 380]

Ta có các sơ đồ như sau:

Saûn phaåm

Boä phaän ngöng tuï

Tha

ùp ta

ùch p

ha

Hôi nguyeân lieäu

Tha

ùp ta

ùi sin

h

Tha

ùp ha

áp ph

Daàu

noùn

g

Daàu

noùn

g

Thieát bò gia nhieät

Tha

ùp la

øm m

aùt

Hình 2.13 Nguyên tắc: + hơi nguyên liệu được trích ra một phần và đi vào tháp làm mát để nâng nhiệt độ của dòng hơi nhả hấp sau đó được gia nhiệt bằng dầu nóng tới nhiệt độ nhả hấp tối ưu. Sau khi thực hiện quá trình nhả hấp thì dòng hơi này được ngưng tụ lại thành lỏng, rồi cho qua tháp tách pha để tách các hạt bụi zeolite ra. pha lỏng được quay trở lại đi vào tháp hấp phụ. + Ngoài ra còn một số sơ đồ khác tuy nhiên nguyên tắc hoạt động cũng tương tự sơ đồ công nghệ này. II.2.3.2. Phương pháp 2:

Giảm áp cột hấp phụ Cách này khó thực hiện vì đòi hỏi thiết bị phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật cao và tính an toàn trong sản xuất khi sử dụng thiết bị chịu áp.

Page 21: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

21

Sơ đồ nguyên tắc của phương pháp:

Hình 2.14 II.2.3.3. Phương pháp 3:

Dùng một số chất có ái lực với nước lớn hơn của chất hấp phụ (ví dụ: Amoniac NH3) để nhả hấp phụ. II.3. Phương pháp dùng các chất hút ẩm

Khi ta cho các chất hút ẩm vào trong hệ Etanol – nước thì chất hút ẩm sẽ hút nước trong cồn, nồng độ cồn thu được sẽ cao hơn nhưng chỉ đạt khoảng 98% và hiệu suất thu hồi cồn không cao. II.4. Phương pháp thẩm thấu qua màng

Hình 2.15 - Nguyên tắc:

Page 22: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

22

Sử dụng vật liệu rây phân tử Zeolite như ở phương pháp hấp phụ chọn lọc, nhưng tác dụng của vật liệu rây phân tử ở 2 phương pháp hoàn toàn khác nhau.

So sánh phương pháp thẩm thấu qua màng và phương pháp hấp phụ chọn lọc:

Bảng 2.1 Phương pháp hấp phụ chọn lọc Phương pháp thẩm thấu qua

màng - Hỗn hợp Etanol – nước đi và tháp có thể ở một trong dạng lỏng hoặc hơi - Nước bị giữ lại trong lớp chất hấp phụ trong tháp và được tách ra trong giai đoạn nhả hấp phụ - Để làm việc liên tục , yêu cầu phải có 2 tháp thiết kế song song với nhau

- Hỗn hợp Etanol – nước đi vào tháp ở dạng hơi - Nước và Etanol đều không bị giữ lại - Làm việc liên tục chỉ với 1 tháp

-Sơ đồ nguyên lý của quá trình :

Nöôùc ngöng

Hôi nöôùc 200kPa

6

2

Nöôùc laøm maùt

3

2

5

3

1

Nöôùc ngöng tuï

Etanol (99,9% V)

Etanol (23% V)

o

Nöôùc laøm maùt (20 C)

Etanol (96% theå tích)

Hình 2.16 sơ đồ sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp thẩm thấu qua màng

Page 23: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

23

Trong đó: 1- Thiết bị loại màng zeolite 2- Bơm tuye 3- Bơm ly tâm 4- Thiết bị tận dụng nhiệt 5- Thiết bị trao đổi nhiệt 6- Bơm chân không Để quá trình thu hồi Etanol được triệt để, người ta đã thực hiện ghép các thiết bị thành modules thẩm thấu. Nguyên tác của Modules thẩm thấu được thể hiện như sau: - Cấu tạo của màng:

+Lớp phân tách chọn lọc: dày 0,5 – 2 µm. +Lớp chất mang có cấu trúc xốp: dày 70-100 µm.

Hình 2.17 màng phân tách chọn lọc II.5. Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu và rây phân tử Theo phương pháp này thì nước được hấp phụ bằng bốc hơi thẩm thấu qua màng , sau đó qua rây phân tử để tiếp tục hấp phụ . Phương pháp này cho nồng độ cồn cao nhưng đòi hỏi đầu tư cơ bản lớn . II.6. Kết hợp chưng cất và thẩm thấu qua màng: Bản chất của phương pháp là sử dụng tháp chưng cất nâng cao nòng độ Etanol , đồng thời tạo hỗn hợp hơi đi vào thiết bị phân tách loại màng .Việc sử dụng kết hợp sẽ cho phép linh động hơn trong nguồn nguyên liệu đầu vào.

Page 24: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

24

Hình 2.18 II.7. So sánh đánh giá các phương pháp Ta lập bảng so đánh giá như sau: Bảng 2.2

Ưu nhược điểm Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm

Giá thành đầu tư

Năng lượng tiêu tốn

Phương pháp chưng cất

Giá thành đầu tư không quá cao

- Chưng đẳng phí : Nồng độ Etanol thu được không cao (tối đa 95,57% khối lượng ) - Chưng phân tử: Việc tạo áp suất chân không cao , chế tạo các thiết bị làm việc ở áp suất chân không đòi hỏi rất phức tạp , tốn kém

50%

100%

Phương pháp dùng chất hấp phụ chọn lọc

- Giá thành đầu tư ban đầu không quá cao (với năng suất nhỏ), chế tạo thiết bị không quá phức tạp . -Nồng độ cồn sản phẩm thu

- Do trở lực của tháp dạng đệm lớn , yêu cầu công suất của bơm cao . - Yêu cầu của hỗn hợp nguyên liệu vào tháp cao.

80%

-

Page 25: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

25

được khá cao (≥99,5% khối lượng) - Dễ dàng chuyển quy mô thiết bị sang quy mô công nghiệp

Phương pháp dùng chất hút ẩm

Đầu tư cơ bản thấp nhất trong các phương pháp.

- Nồng độ cồn sản phẩm chưa cao , chỉ khoảng 98% thể tích - Hiệu suất thu hồi cồn không cao

40%

50%

Phương pháp thẩm thấu qua màng

Tách nước hiệu quả , nồng độ cồn sản phẩm cao.

Đầu tư cơ bản cao

100%

20%

Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu và rây phân tử

Tách nước hiệu quả , nồng độ cồn sản phẩm cao.

Đầu tư cơ bản cao

> 120%

35%

Qua bảng so sánh các phương pháp trên ta thấy phương pháp sản xuất cồn theo phương pháp hấp phụ chọn lọc có nhiều yêu điểm hơn cả. Đặc biệt sản phẩm cồn thu được có nồng độ cồn cao, đầu tư kinh tế không quá tốn kém. Do đó ta có thể sản xuất cồn theo phương pháp này theo quy mô công nghiệp, có khả năng đáp ứng được nhu cầu về nhiên liệu ngày càng hạn hẹp của xăng dầu hiện nay. II.6. Thiết kế sơ đồ sản xuất và nguyên tắc hoạt động Qua quá trình tính toán lựa chọn các thiết bị cho quá trình sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp hấp phụ trên zeolite 3A ta thiết kế sơ đồ sản xuất như hình vẽ 2.19 (trang bên)

Page 26: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

26

9

Nu?c l?nh

Nu?c nóng

WRC

TCTCTC

FCF CFC

F C FC

N?i hoi

Nu?c l?nh

Nu?c nóng

Thùng ch?a ch?t th?i

9

11

SO Đ? DÂY CHUY? N S? N XU? T C? N TUY? T Đ? I B? NG PHUONG PHÁP H? P PH?

Không khí

FC

WRC WRC

WRC

FC FC F C

FC FCF C

F CF CFC

C?n v? tháp chung

Khí Nito tu?n hoàn

Khí Nito

C?n 96 %

TI

TI TI

TT

TIC

TI

TT

TT C

C

WRC WRC

C?n tuy?t d?i

FCFC FC

1 1 1

2

8

3

4

7 7 7

5

9

9

10

Page 27: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

27

Nguyên tắc: Sơ đồ làm việc với 3 tháp làm việc song song, tháp 1 thực hiện quá trình hấp phụ, tháp 2 thực hiện quá trình nhả hấp, tháp 3 thực hiện quá trình làm mát. Với sơ đồ trên ta có nguyên tắc làm việc cụ thể của từng tháp như sau: Tháp hấp phụ: Hơi cồn ở 107 oC được bơm lên đỉnh tháp hấp phụ nhờ bơm thổi khí kiểu hai cánh guồng, hơi cồn đi sâu vào trong và xuống dưới lớp zeolite 3A và bị hấp phụ vào trong lớp vật liệu. Do có tín hiệu của dòng (FC) nguyên liệu và dòng sản phẩm các van dẫn khí nhả và khí làm mát sẽ được đóng lại. Hơi cồn đi ra ở đáy tháp và được qua thiết bị lọc bụi zeolite sau đó được chuyển sang thiết bị ngưng tụ cồn sản phẩm.tất cả lớp hấp phụ đã đạt tới trạng thái bão hoà nồng độ cồn sản phẩm ở đầu ra giảm van cồn đầu vào sẽ tự động đóng nhờ bộ điều khiển tự động (WRC). Khi mất tín hiệu nhiệt độ ở (TC) thì van dẫn khí làm mát sẽ tự động mở và thực hiện quá trình làm mát. Tháp làm mát: Khí có tín hiệu dòng khí làm mát các van dẫn hơi cồn sản phẩm, cồn nguyên liệu, khí nhả hấp sẽ tự động đóng lại. Quá trình làm mát sẽ kết thúc khi tín hiệu nhiệt độ (TC) đầu ra của dòng khí làm mát giảm dưới mức cho phép van dẫn khí làm mát sẽ tự động đóng lại. Tín hiệu dòng khí làm mát mất ở (FC) thì van dẫn khí nhả hấp sẽ tự động mở và thực hiện quá trình nhả hấp. Tháp nhả hấp phụ: Quá trình nhả hấp được thực hiện ở nhiệt độ 350 oC. Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình này được lấy từ calorifier hơi nước với bộ chuyển tín hiệu nhiệt độ (χ c) dòng N2 đi vào tháp nhả. tốc độ dòng hơi đi vào calorifier sẽ được khống chế nhờ một van tự động. Quá trình nhả hấp phụ sẽ được kết thúc khi có sự thay đổi lớn về khối lượng riêng của dòng hơi khi nhả thông qua (WRC) ở đầu ra của dòng khí nhả hấp, các van đầu vào và ra dòng khí nhả sẽ tự động đóng lại kết thúc quá trình nhả hấp phụ. Để tận dụng nhiệt cho toàn bộ quá trình làm việc, dòng khí nitơ được xả ra từ bình nén khí và đi vào tháp thực hiện quá trình làm mát. Dòng khí nitơ ra tiếp tục được trao đổi nhiệt với hơi, khí nhả có nhiệt độ cao thông qua thiết bị tận dụng nhiệt khí – khí dạng tấm. Hơi cồn sau khi nhả được ngưng tụ qua thiết bị ngưng tụ. Khí Nitơ được nén trở lại bình chứa. Cồn lỏng có nồng độ thấp sẽ được hồi lưu quay lại tháp chưng tách cồn công nghiệp.

Page 28: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

28

III. MỘT SỐ CÁC THỰC NGHIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ SẢN XUẤT CỒN BẰNG ZEOLITE 3A III.1 Các tính chất và các đại lượng nhiệt động của quá trình hấp phụ nước: Theo thí nghiệm của E.Lalik và cộng sự [7]: Nhiệt độ hấp phụ: 107,6oC; Nhiệt độ phòng 25oC Lượng Zeolite trong mẫu khảo sát: 0,02 (g) Lượng chất mang (thạch anh) trong mẫu khảo sát: 0,2(g) Bảng 2.3

Giá trị

Đại lượng Nhiệt độ phòng 25oC

107,6oC

Diện tích bề mặt riêng SBET ( m2/g Zeolite)

410 410

Tổng nhiệt hấp phụ ∑∆Had ( mJ ) 5612,6 7426,4

Lượng nước bị hấp phụ ( µmol) 98,1 102,5

Entalpy hấp phụ ∆Had ( kJ /mol) 57,2 72,5

Tổng nhiệt nhả hấp phụ ∑∆Hdes ( mJ ) 2170 7572,7

Lượng nước nhả hấp phụ ( µmol)

35,2 100,1

Entalpy nhả hấp phụ ∆Hdes ( kJ /mol) 61,6 71,9

III.2 Các tính chất và các đại lượng nhiệt động của quá trình hấp phụ Etanol Theo thí nghiệm của E.Lalik và cộng sự [7]: Nhiệt độ hấp phụ: 98oC; Nhiệt độ phòng 25oC Lượng Zeolite trong mẫu khảo sát: 0,02 (g) Lượng chất mang ( thạch anh ) trong mẫu khảo sát: 0,2 (g)

Page 29: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

29

Giá trị

Đại lượng Nhiệt độ phòng 25oC

98oC

Diện tích bề mặt riêng SBET ( m2/g Zeolite)

410 410

Tổng nhiệt hấp phụ ∑∆Had ( mJ ) 180,7 160,4

Lượng Etanol bị hấp phụ ( µmol)

1.5 0.9

Entalpy hấp phụ ∆Had ( kJ /mol) 120,5 178,2

Tổng nhiệt nhả hấp phụ ∑∆Hdes ( mJ )

57,1 58,2

Lượng nước nhả hấp phụ ( µmol) 0,4 0,5

Entalpy nhả hấp phụ ∆Hdes ( kJ /mol) 142,7 116,4

Bảng 2.4 Cũng theo E.Lalik và cộng sự, nghiên cứu về độ chọn lọc hình dáng của Zeolite 3A theo nhiệt độ : Bảng 2.5

Nhiệt độ Độ chọn lọc hình dáng (SSI) Nhiệt độ phòng 61,3 98oC – 107,6oC 114,4

Page 30: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

30

PHẦN III: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG A. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT I. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ Toàn bộ etanol và nước vào tháp hấp thụ ở dạng hơi. Ký hiệu: Gv: Lưu lượng khối lượng của hỗn hợp vào tháp (kg/h) gv: Lưu lượng thể tích của hỗn hợp vào thạp (m3/h) vρ : Khối lượng riêng của hỗn hợp ở điều kiện hấp hấp phụ thp= 107 oC Ta có: Gv= gv. vρ [ kg/h] I.1. Tính vρ và rρ Tra bảng I.2: Khối lượng riêng của một số chất lỏng và dung dịch với nước thay đổi theo nhiệt độ [4- tr9] :

Khối lượng riêng (kg/m3) Chất 100oC 120oC

Rượu Etylic 100% 716 693

Rượu Etylic 80% 783

768

Bảng 3.1

Nội suy từ bảng ta có : vρ = 721,268 [kg/m3]

Giả thiết rằng: Nhiệt hấp phụ được tách hoàn toàn , thiết bị hấp phụ làm việc trong điều kiện đoạn nhiệt:

Nội suy từ bảng ta có: rρ = 707,9604 [kg/m3]

I.2. Tính lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu vào Gv= gv. vρ [ kg/h ]

Với : gv = 1000 [l/ngày]

= 4,1667.10-3 [ m3/h ]

Page 31: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

31

vρ = 721,268 [kg/m3] Vậy:

Gv= 41,667.10-3.721,268 =30,053 [ kg/h ] I. 3. Tính lượng nước bị hấp phụ trong một giờ Ký hiệu: Gr: Lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu ra [kg/h] GH2O: Lượng nước bị hấp phụ trong tháp [kg nước/h] GE: Lượng Etanol bị hấp phụ trong tháp [kg Etanol/h] Wv: Lượng nước đầu vào tháp [kg] Wr: Lượng nước đầu ra tháp [kg]

Nguyªn liÖu

S¶n phÈm

Gv , Wv , mv

Gr , Wr , mr

mzeolite

Hình 3.1 Dòng vào: - Cồn 96 %V - Nước 4 %V - Etanol 99,8 %V - Nước 0,2 % V I.4. Cân bằng vật chất lượng nước vào và ra khỏi tháp hấp phụ GH2O = (Gv. mv – Gr. mr )/100 [kg nước/h] Trong đó:

Page 32: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

32

mv, mr: Nồng độ % khối lượng nước trong nguyên liệu và sản phẩm [% khối lượng]

Đổi nồng độ % thể tích sang nồng độ phần trăm khối lượng:

mv = v

nv

ρ).ρv(100

Trong đó: vv: Nồng độ phần trăm thể tích của rượu trong nguyên liệu [%] nρ : Khối lượng riêng của nước ở 107,6 oC [kg/m3] Tra bảng I.5 Khối lượng riêng và thể tích riêng của nước phụ thuộc vào nhiệt độ [4 – tr12] ta được:

nρ = 952,7712 [kg/h] Thay số ta được: mv =

68,7217712,952).96100( = 5.2838 [% khối lượng]

Tương tự ta có

mr = r

nv.2

Trong đó: vr: Nồng độ phần trăm thể tích của nước trong sản phẩm vr = 100 – 99,8 = 0,2 [% thể tích] Vậy ta có: mr =

9604,7077712,952.2,0 = 0.2692 [% khối lượng]

GH2O = 30,053.

1002838,5 – (30,053 – GH2O – GE).

1002692.0

[kg nươc/h] Phương trình (1) thu được là:

GH2O = 1,511 + 0,002692.GE

Page 33: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

33

Giả thiết rằng khi Zeolite hấp phụ nước đạt x % của giá trị bão hòa thì lượng Etanol bị hấp phụ cũng đạt được tượng ứng là x % của giá trị bão hòa

Ký hiệu: gE , gH2O: Lượng Etanol và nước bị hấp phụ trong tháp [m3/h]

H2O

E

gg =

2

1

18.a46.a

Trong đó: a1: Lượng Etanol bị hấp phụ trên một đơn vị xúc tác a2: Lượng nước bị hấp phụ trên một đơn vị xúc tác Một đơn vị xúc tác tượng ứng với 0.02 (g) Zeolite. Theo thí nghiệm của E.Lalik và cộng sự ta có a1 = 0.9 (µmol) a2 = 102,5 (µmol) Vậy ta có:

H2O

E

gg =

18.102.546.0.9 = 0.0224

H2O

E

GG =

H2OH2O

EE

.gρ

.gρ

Trong đó: Eρ , H2Oρ : Lần lượt là khối lượng riêng của Etanol và nước ở 107.6 oC Tra bảng I.5 khối lượng riêng và thể tích riêng của nước [3 – tr12] ta có: Eρ = 707,26 [kg/m3] H2Oρ = 952,7712 [kg/m3] Thay số ta được:

H2O

E

GG =

8.102,5952,7712.10,9707,26.46. = 0,0167

Thay vào phương trình (1) ta có: GH2O = 1,511 + 0,002692.0,0167.GH2O GH2O = 1.512 [kg nước/h] GE = 1,512. 0,0167 = 0,0253 [kg Etanol/h]

Page 34: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

34

II. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH NHẢ HẤP Phương trình cân bằng vật chất của tháp hấp phụ: Gv = Gr + GH2O + GE Gr = Gv – GH2O – GE Thay số vào ta được Gr = 30.053 – 1,512 – 0.0253 = 28,5157 [kg/h] Lượng Etanol đầu vào là: GEv = Gv.(1 – m1/100) = 30,053.(1 – 0,052838) = 28,465 [kg/h] Nồng độ phần khối lượng của Etanol ở đầu ra thiết tháp là:

mE = r

E2

ρ).ρv(100

=707,9604

60,2).707,2(100 = 99,7

Lượng Etanol đầu ra là: GEr = Gr.mE

= 28,5157.0,997 = 28,459 [kg/h] Lượng nước trong nguyên liệu đầu vào là: GH2Ov = Gv – GEv = 30,053 – 28,465 = 1,588 [kg/h] Lượng nước trong nhiên liệu đầu ra là: GH2Or = Gr – GEr = 28,5157 – 28,465 [kg/h] = 0,05051 Ta có bảng thống kê số liệu sau: Bảng 3.2

Đại lượng Giá trị đầu vào Giá trị đầu ra Lưu lượng [ kg/h] 30,053 28,5157

Nhiệt độ [oC] 107,6 107,6

% thể tích Etanol 96 99,8

Lượng Etanol [ kg/h] 28,465 28,459

Lượng nước [ kg/h] 1,588 0,05051

Page 35: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

35

III. TÍNH LƯỢNG ZEOLITE CẦN THIẾT VÀ TỐC ĐỘ HỖN HỢP ĐẦU VÀO III.1 Tính lượng Zeolite cần thiết Chọn sơ đồ thiết bị loại 3 tháp làm việc đồng thời: + Tháp hấp phụ + Tháp nhả hấp phụ + Tháp làm mát Zeolite Các tháp làm việc luân phiên nhau: Theo báo cáo thí nghiệm số 74 của S.M. Ben- Sebil năm 1999 về sự phụ thuộc của nồng độ của nước vào thời gian hấp phụ ta có đồ thị:

Hình 3.2 Theo đồ thị ta thấy thời gian hấp phụ bão hòa nước của Zeolite khoảng 450 phút. Ta chọn thời gian hấp phụ là 8h. Theo thí nghiệm 7 ta chọn thời gian tái sinh là 6h. Như vậy ta chọn các thông số thời gian cho quá trình như sau: + Thời gian hấp phụ: 8h + Thời gian nhả hấp: 6h

Page 36: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

36

+ Thời gian làm mát: 8h + Thời gian dự trữ chuyển chế độ làm việc: 2h Lượng nước bị hấp phụ trong 8h là: MH2O = GH2O. 8 = 1,512.8 = 12,16 [kg nước] Lượng nước hấp phụ trong một ngày là: H2OM = 12,16. 24/8 = 36,48 [kg nước] Lượng Etanol bị hấp phụ trong 8h là:

MEtanol = GEtanol.8 = 0,0253.8 = 0,2024 [kg rượu] Lượng Etanol bị hấp phụ trong một ngày là: EtanolM = MEtanol.(24/8) = 0,2024.3 = 0,6072 [kg rượu] Quá trình hấp phụ thực hiện đến 100% dung lượng hấp phụ bão hòa của Etanol và của nước Lượng Zeolite cần dùng để hấp phụ lượng nước trên là:

Mzeolite= .18.10a

0,026

2

. MH2O

= .18102,5.10

0,026 .12,16

= 131,82 [kg] Lượng Zeolite cần dùng để hấp phụ lượng Etanol trên là:

M*

zeolite = .46.10a

0,026

1

. MEtanol

= .460,9.10

0,026 .0,2024

= 97,78 [kg] Tổng lượng Zeolite cần dùng trong một mẻ là: Mtổng = 131,82 + 97,78

= 229,6 [kg] Khối lượng của zeolite trong 3 tháp là: 229,6.3 = 688,8 kg

Page 37: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

37

Cứ 1 năm ta phải thay zeolite một lần do đó lượng zeolite sử dụng trong một năm là: MZ = 688,8.1 = 668,6 kg

Theo nhóm nghiên cứu sản xuất cồn tuyệt đối bằng chất hấp phụ zeolite ta có:

+ Mật độ đổ với zeolite 3A với đường kính hạt 2 mm là: zeoliteρ = 427 [kg/m3]

Thể tích lớp Zeolite trong tháp là:

Vzeolite =zeolite

zeolite

ρM

Vzeolite = 427229,6

Vzeolite = 0,537 [m3] B. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG Dựa vào số liệu ở trên ta có giản đồ nhiệt của toàn bộ quá trình như sau:

t (s)

T oC

(2)

(1)

(4)

(3)350

107,6

08 h 2h

Hình 3.3

Page 38: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

38

Giản đồ sự phụ thuộc của nhiệt độ khối vật liệu theo thời gian Trong đó: + (1): Là quá trình hấp phụ ở nhiệt độ 107,3 oC + (2): Là quá trình nâng nhiệt độ toàn bộ khối vật liệu lên tới nhiệt độ ổn định 350 oC + (3): Là quá trình nhả hấp phụ ở 350 oC + (4): Là quá trình làm mát về nhiệt độ ban đầu I. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ I.1. Tính nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình hấp phụ ở 107 oC trong một mẻ: Q1 = Q1N + Q1E Trong đó: Q1N: Nhiệt tỏa ra khi Zeolite hấp phụ nước. Q1E: Nhiệt tỏa ra khi Zeolite hấp phụ Etanol. Theo thí nghiệm của E.Lalik [7] ta có bảng nhiệt hấp phụ của nước và Etanol trên Zeolite 3A như sau: Bảng 3.3

Chất bị hấp phụ Nhiệt hấp phụ(0,02g Zeolite) [mJ]

Nước 7426,4 Etanol 160,4

Nhiệt nhả hấp phụ trên một đơn vị khối lượng Zeolite 3A Bảng 3.4

Chất bị hấp phụ Nhiệt hấp phụ(0,02g Zeolite) [kJ/kg]

Nước 371,32 Etanol 8,02

Ta có: Q1N = MZeolite.∆HadH2O

= MTổng .∆HadH2O = 229,6. 371,32 = 85255 [kJ] Q1E = MTổng. ∆HadE = 229,6. 8,02 = 1841,39 [kJ] Vậy:

Page 39: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

39

Q1 = 1841,39 + 85255 = 87096,39 [kJ]

I.2. Tính toán nhiệt độ trung bình của toàn bộ thiết bị trong quá trình thực hiện hấp phụ Theo Tính toán ở trên ta có nhiệt độ tối ưu để hấp phụ là 107oC ( 107,6), nhiệt lượng toả ra của quá trình là Q1. Nhiệt lượng này có thể làm cho nhiệt độ toàn thiết bị tăng lên. Do đó ta tính xem nhiệt độ này có đáng kể hay không để có thể chế tạo thiết bị có tận dụng nhiệt của quá trình này. Gọi nhiệt độ của toàn thiết bị tăng lên đến T*

1oC ta cần tính nhiệt độ

này với các giả thiết như sau: + Coi lượng nước bị hấp phụ trong lớp Zeolite là không đáng kể so với lượng rượu đi vào và ra khỏi thiết bị hấp phụ. + Coi nhiệt độ làm việc là 107oC. + Theo bảng cân bằng vật liệu 3.2 ở trên Ta có: Khối lượng của etanol đi vào tháp hấp phụ trong 1 h là mev = 30,053 [kg/h] Khối lượng của etanol đi vào tháp hấp phụ trong vòng 8h là: Mev = 30,053.8 = 240 [kg] Nhiệt lượng cần thiết để đưa khối rượu này từ 107oC đến T*

1 là:

Q1c = Mev. *

1

1

.T

TpE dTC [kJ]

Trong đó: C*

pE: là nhiệt dung riêng của rượu phụ thuộc vào nhiệt độ. + Nhiệt dung riêng của Etanol trong khoảng nhiệt độ từ 107÷ 350oC theo [11] ta có: CpE = 325,66 + 4,537.T [J/kg. oC] Thay số vào phương trình trên ta được:

Q1c = 240. *

1

1

)..537,466,325(T

T

dTT [kJ]

= 240. { 325,66.(T*1 – 107) + 4,537.( T*2

1 – 1072).21 } [kJ]

Nhiệt lượng cần thiết để nâng khối Zeolite từ 107oC đến T*1 là:

Q1zc = CpZ. (T*1 – T1)

Trong đó: CpZ: là nhiệt dung riêng của zeolite [j/kg. oC] Nhiệt dung riêng của Zeolite theo [8] ta có:

Page 40: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

40

Cp(zeolite) = 0,96 [kJ/kg.oC] Thay vào phương trình trên ta được: Q1zc = 0,96.(T*

1 – 107) Coi lượng nhiệt mất mát của quá trình này là 15% nên ta có lượng nhiệt thực tế mà Q1 truyền để làm tăng nhiệt độ thiết bị lên T*

1 là: Q1tt = (1 – 0,15). Q1 = 87096. 0,85 = 74031 [kJ] Cân bằng nhiệt lượng ta có phương trình sau: Q1tt = Q1c + Q1zc 74031 = 240. { 325,66.(T*

1 – 107) + 4,537.( T*21 – 1072).

21 } +

0,96.(T*1 – 107)

Như vậy ta có phương trình bậc 2 của T*1 như sau:

544,44.T*21 + 78399.T1 – 14622015 = 0

Giải phương trình bậc 2 ta được: T*

1 108oC. Vậy với quá trình này ta không thể tận dụng nhiệt vì nhiệt độ này chỉ để duy trì nhiệt độ ở vùng nhiệt độ tối ưu. II. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH LÀM NÓNG VẬT LIỆU (2) TỪ 107oC ÷ 350oC Thực hiện quá trình nhả hấp phụ dưới tác dụng của nhiệt của hơi cồn tuyệt đối sản phẩm. Quá trình thực hiện ở 350 oC trong khoảng 6h. Trạng thái của cồn sản phẩm như sau: + Nhiệt độ ban đầu: 25 oC. + Nồng độ Etanol theo thể tích: 99,8 % V. Giả thiết rằng: Hao tổn nhiệt do thành thiết bị và đường ống là 15 % lượng nhiệt cần thiết. Lượng nhiệt của quá trình này bao gồm bao gồm: + Nhiệt lượng cần thiết Q2Z nâng nhiệt độ của chất hấp phụ từ 107,6 ÷ 350 oC. + Nhiệt lượng Q2N để để nâng lượng nước bị hấp phụ từ 107,6 ÷ 350 oC. II.1. Tính nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ chất hấp phụ: Nhiệt dung riêng của Zeolite theo [8 - 192] ta có: Cp(zeolite) = 0,96 [kJ/kg.oC] Nhiệt độ cần thiết để nâng nhiệt độ chất hấp phụ từ 107,6 ÷ 350 oC là:

Page 41: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

41

Q2Z = Cp(zeolite). MTổng(zeolite). (T2 – T1) Với T2 = 350 oC; T1 = 107,7 oC Q2Z = 0,96. 229,6. (350 – 107,6) = 53428,84 [kJ] II.2. Nhiệt lượng Q2N để để nâng lượng nước bị hấp phụ từ 107 ÷ 350 oC + Tính nhiệt dung riêng của nước trong khoảng nhiệt độ từ 107,6 ÷ 350 oC. Theo bảng I.142 tính nhiệt dung riêng của các đơn chất ở nhiệt độ cao hơn 0oC [3 - 153] ta có: CpN = 1,67472. 103 + 6,28. 10-1T [J/kJ.oC] + Ta có:

Q2N = MH2O(hp). 2

1

.T

TNp dTC

= 12,16. 350

6,107

13 ).10.28,610.67472,1( dTT

= 12,16 1,67472.103.(350- 107,6)+ 12,16.0,628.(3502-107,62)/2

= 4936,377 + 439,36 [kJ] = 5375,74 [kJ] II.3. Nhiệt lượng Q2E để nâng nhiệt của Etanol bị hấp phụ từ 107 ÷ 350 oC + Nhiệt dung riêng của Etanol trong khoảng nhiệt độ từ 107,6 ÷ 350oC theo [3 - 157] ta có: CpE = 325,66 + 4,537.T [J/kg. oC] Ta có:

Q2E = ME(hp). 350

6,107

dTCEp

= 0,2024.325,66.(350 - 107,6) + 0,2024.4,54.(3502 – 107,62)/2 = 15,977 + 91,41 [kJ] = 107,39 [kJ] + Tổng nhiệt cần thiết cho quá trình này là: Q2 = Q2E + Q2N + Q2E = 5375,39 + 107,39 + 53428,7 = 58911 III. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH GIẢI HẤP (3)

Page 42: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

42

II.1. Tính nhiệt lượng cần thiết để thực hiện quá trình giải hấp phụ Q3 Theo E. lalik và cộng sự đã nghiên cứu [7] ta có giá trị nhiệt nhả hấp phụ với nước và Etanol tren Zeolite 3A như sau: Bảng 3.5

Chất bị hấp phụ Nhiệt nhả hấp phụ (0,02g Zeolite) [mJ]

Nước 7572,7 Etanol 58,2

Tính nhiệt nhả hấp phụ trên một đơn vị khối lượng Zeolite 3A: Bảng 3.6

Chất bị hấp phụ Nhiệt nhả hấp phụ (0,02g Zeolite) [mJ]

Nước 378,635 Etanol 2,91

+ Nhiệt lượng cần thiết thực hiện quá trình giải hấp phụ của nước trên

Zeolite 3A là: Q3N = Mtổng(zeolite). ∆HdesN [kJ]

Q3N = 378,635 . 229,6 = 86934,6 [kJ]

+ Nhiệt lượng cần thiết thực hiện quá trình giải hấp phụ của Etanol trên Zeolite 3A là: Q3E = Mtổng(zeolite). ∆HdesE = 229,6. 2,91 = 668,14 [kJ] + Tổng nhiệt lượng nhả hấp phụ là: Q3 = Q31 + Q32 = 86934,6 + 668,14 = 87602,74 [kJ] IV. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH LÀM MÁT VẬT LIỆU (4) Do quá trình làm mát khối vật liệu hấp phụ từ nhiệt độ 350oC về nhiệt độ 107,6oC nên ta có: Q4 = Q2Z = 53428,84 [kJ]

Page 43: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

43

Quy ước nhiệt cần thiết là dương, nhiệt lượng toả ra là âm ta có bảng số liệu nhiệt cho chu trình trên như sau: Bảng 3.7 Hấp phụ(1) Nâng nhiệt độ(2) Nhả hấp phụ(3) Làm mát(4) Q1N = -85255[kJ] Q2N = 5375 [kJ] Q3N= 86934 [kJ] Q1E=1841 [kJ] Q2E = 107 [kJ] Q3E= 668 [kJ] Q2Z = 53428 [kJ] Q1 = -83384 [kJ] Q2 =58911 [kJ] Q3 = 87602 [kJ] Q4 = -53428

[kJ] V. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CẤP NHIỆT NHẢ HẤP PHỤ Giả thiết rằng ta dùng khí N2 tính khiết để thực hiện quá trình nhả hấp phụ. Quá trình được tiến hành như sau: + Giai đoạn 1: khí N2 sau khi được gia nhiệt tới nhiệt độ 110 oC qua bơm được thổi vào thiết bị phản ứng (vừa bơm vừa nâng dần nhiệt độ của N2) để thực hiện quá trình vừa nhả vừa nâng nhiệt độ của khối thiết bị lên nhiệt độ tối ưu 350 oC. Giai đoạn này diễn ra trong vòng 2h. + Giai đoạn 2: Thực hiện quá trình nhả hấp phụ ở nhiệt độ ổn định 350 oC trong vòng 6h. Giả thiết khi quá trình nhả làm việc ở nhiệt độ ổn định: - Nhiệt độ của dòng khí N2 đầu vào là 350 oC. - Nhiệt độ của dòng khí nhả (N2 + hơi nước, rượu) là 300 oC. Thiết bị gia nhiệt cho N2 ta sử dụng calorifier khí – khói. V.1. Tính nhiệt lượng do lượng khí N2 mang vào trong quá trình làm nóng khối vật liệu lên nhiệt độ 350oC Theo giả thiết lượng nhiệt mất mát là 15% so với lượng nhiệt cần thiết nên ta có nhiệt lượng mất mát do quá trình này là: Q2m = 0,15.Q2 = 0,15. 58910 = 8837 [kJ] Lượng nhiệt thực tế mà khối khí Nitơ nóng đem vào là: Q2tt = Q2 + Q2m = 58910 + 8837 = 67747 [kJ] V.2. Tính lượng nhiệt do Nitơ mang vào trong quá trình thực hiện quá trình nhả hấp phụ ở 350oC

Page 44: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

44

Lượng nhiệt mất mát trong quá trình này là: Q3m = 0,15. Q3 = 0,15.87602 [kJ] Q3m = 13140 [kJ] Nhiệt lượng thực tế mà khí N2 nóng phải cấp cho quá trình này là: Q3tt = Q3Tổng + Q3m = 87602 + 13140 = 100702 [kJ] V.3. Tính toán lượng N2 cần thiết cho quá trình nâng nhiệt độ của khối vật liệu từ nhiệt độ 107 ÷ 350oC Ta có:

Q2C = mni. tb

v

T

TnidTC

2

2

Trong đó: + mni: Khối lượng của N2 thực hiện quá trình này trong 2h. + Cni: Nhiệt dung riêng của N2 theo nhiệt độ. + T2v: Nhiệt độ của khí N2 khi vào thiết bị là 350oC. Quy đổi ta được: T2v = 623oK. + T2tb: Nhiệt độ trung bình của khí N2 khi ra khỏi thiết bị nhả + dt: độ biến thiên nhiệt độ.

Tra bảng 1 [13- 190] ta có: Cni = 1,024 + 0,00008855.T [kJ/kg K] Nhiệt độ Trung bình được tính theo công thức:

T2tb = 2

rcrd TT

Trong đó: Trd: Nhiệt độ của dòng khí ra lúc đầu của quá trình. Chọn Trd = 120oC. Quy đổi ta được Trd = 393oK. Trc: Nhiệt độ của dòng khí ra lúc cuối của quá trình này. Ta có Trc = 300oC. Quy đổi ta có Trc = 573oK T2tb =

2573393 = 483 oK

Như vậy ta có:

Q2C = - M2ni. 623

483

).00008855,0024,1( dTT

= – M2ni. [ 1,024.(623 – 483) + 21 . 0,00008855(6232 –

4832)]

Page 45: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

45

= – 150,2.M2ni [kJ]

Cân bằng nhiệt lượng ta có phương trình:

Q2C = – Q2tt [kJ] 150,2.Mni = 67747 [kJ] M2ni =

2,15067747 = 451 [kg]

Vậy lượng khí N2 cần cung cấp trong một giờ là: m2ni = 451/2 = 225 [kg/h] V.4. Tính lượng N2 cần thiết để thực hiện quá trình nhả hấp phụ Cân bằng nhiệt lượng cho quá trình là:

Q3C =- Q3tt [kJ] (*)

Trong đó: Q3C được tính như công thức Q2C

Tương tự ta có:

Q3C = M3ni. r

v

T

Tni dTC

3

3

.

Trong đó T3v = 350oC. Quy đổi ta được T3v = 623oK.

T3r = 300oC. Quy đổi ta được T3r = 573oK.

Q3C = M3ni. 573

623

)..00008855,0024,1( dTT

=- M3ni. [ 1,024.(623 – 573) + 21 . 0,00008855(6232 – 5732)]

= - M3ni.53,85 [kJ]

Thay vào phương trình (*) ta được

M3ni = 85,53

10070285,58

3 ttQ = 1807 [kg]

Page 46: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

46

Lượng N2 cần thiết để cung cấp trong một giờ là:

m3ni = 6

1807 = 301 [kg/h]

Tổng lượng N2 cần dùng trong một giờ là:

mni = 301 + 225 = 526 [kg]

Tổng lượng N2 dùng trong một ngày là:

Mni = 526.24 = 16,6 [tấn/ ngày]

Do quá trình sản xuất N2 được nén quay trở lại thiết bị, mất mát do sản xuất được tính 1 năm/lần. Do đó lượng N2 dùng trong một năm là: 16,6 tấn/ năm.

V.5. Tính tốc độ khí N2 trong quá trình nhả hấp phụ và làm nóng khối vật liệu - Tính khối lượng riêng của N2 ở điều kiện làm việc: Tra bảng I.7 trong sổ tay hoá công 1 [3 –13] ta có khối lượng riêng của N2 ở điều kiện tiêu chuẩn là: 0 = 1,25 [kg/m3] Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng ta có:

1

11

0

00 .TVP

TVP

11

1

00

..m

TPm

TPo

10

0101 .

..TPTP

(2*)

-Trong đó: +P0 = 1 at: là áp suất của khí N2 ở điều kiện tiêu chuẩn. +V0: là thể tích của N2 ở điều kiện tiêu chuẩn. +T0= 273oK: là nhiệt độ của N2 ở điều kiện tiêu chuẩn. +P1: áp suất của N2 ở điều kiện làm việc. +V1: Thể tích của N2 ở điều kiện làm việc. +T1: Nhiệt độ làm việc của N2 trong quá trình này. +m: Khối lượng của khí N2. -Thay số vào (2*) ta được:

Page 47: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

47

)350273(

273.1.25,11

= 0,547 [kg/m3] - Tốc độ dòng khí N2 trong quá trình (2) là: v2 =

547,0225

1

2

nim [m3/h]

= 411 [m3/h] - Tốc độ dòng khí N2 trong quá trình (3) là: v3 =

547,0301

1

3

nim

= 550 [m3/h] VI. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN LƯỢNG N2 ĐỂ LÀM MÁT KHỐI VẬT LIỆU TRONG QUÁ TRÌNH (4) VI.1. Lựa chọn tốc độ dòng khí để thực hiện quá trình làm mát khối vật liệu Vì 3 tháp hấp phụ làm việc song song nên quá trình đưa khí N2 vào có thể coi là liên tục. Do đó dựa vào tốc độ dòng khí làm nóng khối vật liệu và tốc độ dòng khí trong quá trình nhả hấp phụ ta tính tốc độ quá trình làm mát này theo công thức sau: v4 =

8.6.2 32 vv

= 8

550.6411.2

= 515 [m3/h] VI.2. Tính toán nhiệt độ trung bình của dòng khí N2 sau khi ra khỏi tháp trong quá trình làm mát khối vật liệu Giả thiết khí N2 được đưa vào làm mát ở điều kiện nhiệt độ không khí là 25oC, với vận tốc dòng khí là 515 [m3/h], nhiệt mất mát trong quá trình này là 20% lượng nhiệt do khối vật liệu cung cấp cho dòng khí. Ta có sơ đồ khối như sau:

KhÝ N2 ë nhiÖt ®é T4rKhÝ N2 ë nhiÖt ®é T4v = 298 oK

Khèi vËt liÖu ë 350 oC

Page 48: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

48

Hình 3.4 VI.2.1. Tính Lượng khí N2 truyền qua thiết bị trong 8h + Khối lượng riêng của khí N2 ở nhiệt độ 25oC được tính theo công thức (2*):

40

0404 .

.TPTP

[kg/m3]

Trong đó: +P4: là áp suất dòng khí thổi vào làm mát chọn P4 = 1 at. +T4: là nhiệt độ dòng khí vào T4 = 298 oK. Thay số vào phương trình (3*) ta được:

298.1273.1.25,14

=1,15 [kg/m3] + Khối lượng của N2 làm mát đi qua thiết bị trong 1h là: m4ni = v4. 4 [kg/h] = 515.1.15 [kg/h] = 592 [kg/h] + Khối lượng của N2 làm mát đi qua thiết bị trong 8h là: M4mi = 8.m4ni M4ni = 8.592 = 4736 [kg] VI.2.2. Tính lượng nhiệt thực tế mà khối vật liệu truyền cho khối khí trong 8h Theo giả thiết ở trên lượng nhiệt mất mát là 20% nên ta có lượng nhiệt thực tế mà khối vật liệu truyền cho dòng khí N2 là: Q4tt = Q4 – Q4m -Trong đó: Q4m = 0,02. Q4m = 0,02.(-53428) = -10685 [kJ] Q4tt = -53428 – (-10685) = - 42743 [kJ] VI.2.3. Tính nhiệt độ dòng khí N2 sau khi ra khỏi thiết bị T4r Nhiệt lượng cần thiết để nâng khối khí từ T4v÷ T4r là:

Q4ni = M4ni r

v

T

Tpni dTC

4

4

. (3*)

Tra bảng 1 [6- 190] ta có: Cpni = 1,024 + 0,00008855.T [kJ/kg K]

Page 49: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

49

Thay số vào (3*) ta được:

Q4ni = 4736. rT

dTT4

298

)..00008855,0024,1(

= 4736.1,024.(T4r- 298) + 4736.0,00008855.(T24r – 2982).

21

= 0.42.T24r + 4481.T4r – 1463802 [kJ]

Cân bằng nhiệt lượng cho ta biểu thức sau: Q4ni = - Q4tt 0.21.T2

4r + 4850.T4r – 1463802 = 42743 0.21.T2

4r + 4850.T4r – 1506545 = 0 [kJ] Giải hệ phương trình bậc 2 đối với T4r ta được: T4r = 327oK VI.3. Tính toán nhiệt độ trung bình của dòng khí sau khi qua thiết bị trao đổi nhiệt dòng khí nhả hấp phụ Giả thiết rằng dòng hơi nhả hấp (N2, hơi nước, hơi rượu) qua thiết bị trao đổi nhiệt này thì nhiệt độ được làm lạnh về tới 120oC. Lượng hơi nước và rượu trong hơi nhả hấp là rất nhỏ so với lượng khí N2. Ta có sơ đồ nhiệt như sau:

T6v = 200 ®Õn 300 ®é

T6r = 120 dé

T5r = ? dé

T5v = 54 ®é

Page 50: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

50

Hình 3.5 VI.3.1. Tính nhiệt lượng dòng hơi nhả hấp truyền cho thiết bị trao đổi nhiệt trong giai đoạn (2) Theo tính toán ở trên lượng N2 vào thiết bị để thực hiện quá trình này là: M2ni = 451 [kg]

Nhiệt lượng toả ra của dòng khí nhả hấp hạ nhiệt độ từ T2tb = 483oK về 383oK (110oC) là:

Q2toả= M2ni. 393

483

.dTc pni (4*)

Từ trên ta đã có:

Cpni = 1,024 + 0,00008855.T [kJ/kgoK]

Thay vào phương trình (4*) ta được

Q2toả= M2ni. 393

483

)..00008855,0024,1( dTT

= - 451. {1,024.(483-393) + 0,00008855.(4832 – 3932) } = - 44712 [kJ ] VI.3.2. Tính lượng nhiệt dòng hơi nhả hấp truyền cho thiết bị trao đổi nhiệt trong giai đoạn (3) Theo tính toán ở trên lượng N2 vào thiết bị để thực hiện quá trình này trong 6 h là:

M3ni = 1807 [kg]

Nhiệt lượng toả ra khi dòng khí nhả hấp hạ nhiệt độ từ T3r = 573oK về 373oK là:

Q3toả = M3ni. 393

573

.dTC pni

Thay số ta được: Q3toả = -1807. {1,024.(573- 393) + 0.00008855(5732 -3932) } = - 360316 [kg]

Page 51: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

51

Vậy tổng nhiệt lượng nhiệt lượng toả ra do dòng khí nhả hấp truyền cho thiết bị trao đổi nhiệt trong 8h là: Q5toả = Q2toả + Q3toả = - 44712– 360316 = - 405028 [kJ] Giả sử nhiệt mất mát do quá trình này là 30% nhiệt lượng do dòng khí N2 cấp cho thiết bị trao đổi nhiệt. Do đó lượng nhiệt mất mát do quá trình này là: Q5m = 0,3. Qtoả = 0,3.(-405028) = -121508 [kJ] Nhiệt lượng thực tế mà thiết bị trao đổi nhiệt truyền cho dòng khí N2 tận dụng nhiệt sẽ là: Q5tt = Q5toả - Q5m = -405028+ 121508 = -283530 [kJ] VI.3.3. Tính nhiệt độ của dòng khí N2 tận dụng nhiệt sau khi đi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt Nhiệt độ dòng khí tận dụng nhiệt ở đầu vào thiết bị trao đổi nhiệt là: T5v = T4r = 327oK Gọi nhiệt độ dòng khí tận dụng nhiệt sau khi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt là T5r ta có: Nhiệt lượng cần thiết để đưa dòng khi N2 tận dụng nhiệt từ T5v đến T5r là:

Q5ct = M4ni. r

v

T

Tpni dTC

5

5

. (5*)

Thay số vào phương trình (5*) ta có

Q5ct = 4736. rT

dTT5

327

)..00008855.0024.1(

= 4736. {1,024.(T5r – 327) + 0,00008855.(T25r - 3272).

21 }

= 0,21.T25r + 4850.T5r – 1630860 [kJ]

Cân bằng nhiệt lượng cho ta phương trình sau Q5ct = - Q5tt 0,21.T2

5r + 4850.T – 1630860 = 283530 0,21.T2

5r + 4850.T – 1914380 = 0 Giải phương trình bậc 2 một ẩn ta được: T5r = 388oK = 115 oC

Page 52: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

52

VII. TÍNH TOÁN LƯỢNG NƯỚC LÀM MÁT Theo tính toán ở trên ta có lượng khí nhả hấp sau khi qua thiết bị tận dụng nhiệt có nhiệt độ là T7v = T6r = 120 oC. Giả thiết sau khi được làm mát thì hỗn hợp khí nhả có nhiệt độ là 90oC. Nước sử dụng làm mát ở đầu vào thiết bị có nhiệt độ là Tnv= 20oC. Gọi nhiệt độ của nước sau khi làm mát có nhiệt độ là Tnr. Gọi lượng nước làm mát trong 8h là Mn. VII.1.Tính nhiệt toả ra do hỗn hợp khí nhả toả ra sau khi làm lạnh Coi lượng rượu và nước trong hỗn hợp khí nhả hấp là rất nhỏ so với lượng khí N2. Nhiệt lượng toả ra do hỗn hợp khí nhả hấp sau khi làm lạnh là:

Q7t = Mnitơ. r

v

T

TpN dTC

7

7

.

Trong đó: + Mnitơ: là khối lượng của dòng N2 trong 8h. + CpN: là nhiệt dung riêng của N2 phụ thuộc vào nhiệt độ. Tra bảng 1 [6 - 191] ta có: Cpni = 1,024 + 0,00008855.T [kJ/kg K] Mnitơ = M2ni + M3ni = 451 + 1807 = 2258 [kg ] Thay số vào phương trình trên ta có

Q7t = 2258. 90

120

)..00008855,0024,1( dTT

= 2258. { 1,024.(90-120) + 0,00008855.(902 – 1202) = 70630 [kJ] Nhiệt lượng mất mát do quá trình này là: Q7m = 0,15.Q7t = 0.15.7030 = 10579,5 [kJ] Nhiệt lượng thực tế mà hỗn hợp khí nhả cung cấp cho khối nước làm mát là: Q7tt = Q7t – Q7m = 70630 – 10579,5 = 59950,5 [kJ] VII.2. Tính toán tốc độ dòng nước làm mát

Page 53: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

53

Nhiệt lượng mà khối nước nhận được trong quá trình làm này la: Q7n = Mn.Cn.(Tnr – Tnv) Trong đó: + Cn: là nhiệt dung riêng của nước. Tra bảng I.149 trong [4 – tr168] ta có: Cn = 4,186 [kJ/kg.độ] Thay vào công thức trên ta được:

Q7n = 4,186.Mn.(Tnr – 20) Cân bằng nhiệt lượng ta có: Q7n = - Q7tt

4,186.Mn.(Tnr – 20) = 59950,5 Mn.(Tnr – 20) = 14321,7

Ta có bảng các giá trị của Mn và Tnr như sau

Tnr 40 50 60 70 80 90 Mn 716 477 358 286 238 204

Ta chọn Tnr = 90oC và Mn = 204 kg. Vậy lượng nước làm mát trong một giờ sẽ là: mn =

8204 = 25,5 [kg/h]

Tra bảng I.1 trong [3 –9] ta có: n = 983 [kg/m3 ] Với: + n : là khối lượng riêng của nước. Tốc độ của dòng nước làm mát sẽ là: Vn =

9835,25

n

nm

= 0,025 [m3/h]

VII.3. Tính nồng độ của rượu ngưng tụ lấy ra từ thiết bị làm lạnh Giả sử quá trình nhả là hoàn toàn.

Theo kết quả tính ở phần cân bằng vật chất ta có: GH2O = 1.512 [kg nước/h] GE = 0,0253 [kg Etanol/h] Nồng độ phần khối lượng của rượu ngưng là: C%ngưng =

EOH

E

GGG2

.100%

Page 54: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

54

= %100.253,0512,1

0253,0

= 1,4 % VIII. TÍNH TOÁN NHIỆT LƯỢNG CALORIFIER CẦN CẤP Ta có sơ đồ nhiệt như sau:

h¬i nuíc 600 oCh¬i nuíc 360 oC

Q8t

N2

115

oC

N2

350

oC

calorifier

Hình 3.6 VIII.1. Tính toán lượng nhiệt cần thiết để đưa dòng khí N2 từ 115oC ÷ 350 oC

Page 55: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

55

Nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ dòng khí N2 từ 115 ÷ 350 oC trong 8h là:

Q8c = M8ni. r

v

T

Tpni dTC

8

8

.

Trong đó: + M8ni = M4ni = 4736 [kg] +Cpni = 1,024 + 0,00008855.T [kJ/kg độ K] Quy đổi nhiệt độ ta có: T8v = 115 oC = 388 oK T8r = 350 oC = 623 oK Thay lên phương trình trên ta được

Q8c = 4736. 623

388

)..00008855,0024,1( dTT

= 4736. { 1,024.(623-388) + 0,00008855. (6232 – 3882) } = 5002447 [kJ] Coi nhiệt lượng mất mát của quá trình này là 30% ta có Q8m = 0,3. Q8c = 0,3. 5002447 = 1500734 [kJ] Nhiệt lượng thực tế mà calorifier phải cấp cho khối khí là: Q8tt = Q8c + Q8m = 5002447 + 1500734 = 6503181 [kJ] VII.2.Tính toán lưu lượng dòng hơi nước quá nhiệt đi trong calorifier Với giả thiết rằng để đảm bảo nhiệt độ dòng khí N2 sau khi ra khỏi calorifier đạt được tới 350 oC thì nhiệt độ dòng hơi nước quá nhiệt sau khi ra khỏi calorifier là 360 oC. Nhiệt lượng toả ra khi hơi nước quá nhiệt hạ nhiệt độ từ T8vao về T8ra là:

Q8toả = Mhơi N. ra

vao

T

Tpn dTC

8

8

.

Trong đó: + Mhơi N: là khối lượng của hơi nước quá nhiệt cần để làm nóng dòng khí trong thời gian 8h. + Cpn: là nhiệt dung riêng của hơi nước phụ thuộc vào nhiệt độ. Tra bảng 1 [13 – tr190] ta có: Cpn = 1,833 + 0,0003.T [kJ/kg độ K]

Page 56: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

56

+ T8ra = 360 oC = 633 oK. Thay vào công thức trên ta được:

Q8toả = Mhơi N. 633

8

)..0003,0833,1(vaoT

dTT

= Mhơi N . { 1,833.(633 – T8vao ) + 0,0003.

21 . (6332 - T2

8vao)

= -(0,00015.T28vao + 1,833.T8vao – 1220,4).Mhơi N

Cân bằng nhiệt lượng cho ta công thức sau: Q8tt = - Q8toả 6503181 = (0,00015.T2

8vao + 1,833.T8vao – 1220,4).Mhơi N

Mhơi N = 6503181

1220,4) - 1,833.T (0,00015.T 28vao

28vao

- Lập bảng giá trị của T8vao và Mhơi N ta được bảng sau:

T8vao(độ K) 673 773 873 973 Mhơi N (kg) 80131 22726 13160 9222

- Từ bảng trên ta chọn T8vao = 873 oK (600oC) và Mhơi N = 13160 kg. Vậy lượng hơi nước quá nhiệt sử dụng trong một giờ là: mhơi N = Mhơi N/8 mhoi N =

813160

= 1645 [kg hơi/h] Số mol hơi nước là: nhơi N =

n

hoiN

Mm

Trong đó +Mn: là khối lượng phân tử của nước. Thay số ta được:

nhơi N = 18

1645 = 91,4 [Kmol/h]

Lưu lượng dòng hơi nước quá nhiệt là: Vhơi N =

PTRn ..

= 1

)600273.(082,0.4,91

= 6542 [m3 hơi/h]

Page 57: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

57

IX. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG NỒI HƠI CUNG CẤP IX.1. Tính lượng nước cần thiết để đun trong nồi hơi Theo tính toán ở trên ta có. +Quá trình cấp nhiệt bổ xung thực hiện trong thời gian 6h. +Quá trình nhả hấp thực hiện trong 8h. Lượng hơi nước dùng trong một mẻ 8h là: Mtổng = Mhơi nb + Mhơi n = 200 + 13160 = 13360 [kg hơi nước] Lượng hơi nước cần cung cấp cho quá trình trong 1h là:

mtổng = 8tongM =

813360

= 1670 [kg hơi/h] Vì quá trình cấp hơi nước là quá trình hoàn toàn kín, hơi nước được tuần hoàn trở lại nồi hơi. Coi lượng nước có trong nồi hơi gấp đôi lượng hơi nước cần cung cấp cho toàn bộ quá trình cấp nhiệt. Khối lượng của nước cần cho vào nồi hơi là: M = 2. mtổng = 2.1670 = 3340 [kg] IX.2. Tính toán nhiệt lượng cần thiết nồi hơi cung cấp cho hơi nước Giả thuyết rằng: Quá trình cấp nhiệt cho hơi nước gồm 2 giai đoạn + Giai đoạn 1: cấp nhiệt cho hơi nước ở nhiệt độ thường lên 600oC. + Giai đoạn 2: Bù nhiệt liên tục cho hơi nước khi trao đổi nhiệt qua calorifier. IX.2.1. Tính toán nhiệt lượng cần thiết đưa nước trong nồi hơi lên 600oC + Nhiệt lượng cần thiết đưa M kg hơi nước từ 25oC đến 100oC là: Q91 = M.Cn.(100 – 25) Trong đó: + M = 3340 kg + Cn = 4186 J/kg. độ Thay lên biểu thức trên ta được: Q91 = 3340.4186.75 = 1,04.106 [kJ] + Nhiệt lượng cần thiết để hoá hơi hoàn toàn lượng nước trong nồi hơi là:

Page 58: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

58

Q92 = Ln.M Trong đó: + Ln: nhiệt hoá hơi của nước ở 100oC, Tra bảng 4 [13 - 196] ta có nhiệt hoá hơi của nước ở 100 độ C là: Ln = 2258 [kJ/kg] Thay vào biểu thức trên ta có: Q92 = 2258.3340 = 7,5.106 [kJ] Nhiệt lượng cần thiết để đưa lượng hơi nước từ 100 độ C đến 600 độ C là:

Q93 = Mhơi N. 875

373

.dTC pn

Trong đó: + Cpm: là nhiệt dung riêng của hơi nước phụ thuộc vào nhiệt độ, Cpm = 1,833 + 0,0003.T Thay số vào ta được: Q93 = 3340. [1,833.(873-373) + 0,0003.(8732 – 3732) ] = 3,7.106 [kJ] Tổng nhiệt lượng cần cung cấp cho quá trình này sẽ là: Q9 = Q91 + Q92 + Q93 = (1,04 + 7,5 + 3,7).106 = 11,74.106 [kJ] IX.2.2. Tính nhiệt lượng cần thiết mà nồi hơi cần bù lại cho hơi nước khi trao đổi nhiệt qua calorifier Tổng nhiệt lượng mà 2 calorifier cần cấp cho dòng khí N2 là QCal =.Qb = 110772 [kJ] Theo tính toán ở trên ta có nhiệt lượng thực tế mà hơi nước cấp cho dòng khí N2 là: Q8tt = 6503181 [kJ] Vậy tổng nhiệt lượng mà hơi nước phải cấp cho dòng khí nhả là: Qcap = Qcal + Q8tt = 6503181 + 110772 = 6,6.106 [kJ] Nhiệt lượng hơi nước cần truyền cho khối khí N2 trong 1h là:

Page 59: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

59

Qcap(1h) = 810.6,6

8

6

capQ = 0,825.106 [kJ]

IX.3. Tính lượng than cần cung cấp để đốt nồi hơi Vì quá trình cấp nhiệt của than hiệu suất đốt rất thấp chỉ khoảng 40% Gọi nhiệt lượng than cung cấp cho nồi hơi trong một giờ là Qthan ta có nhiệt lượng thực tế mà than cung cấp cho nồi hơi là: Qthantt = 0,4.Qthan Cân bằng nhiệt lượng ta có: Qthantt = Qcap(1h) (*) Ta có: Qthan = Lthan.mthan Trong đó: + Lthan: là nhiệt cháy của than, kJ/kg than. + mthan: khối lượng than cần đốt trong 1h. Ta chọn than đốt là than đá ta có Lthan đá = 44.103 kJ/kg than Thay các số liệu vào phương trình (*) ta được biểu thức sau: 0,4.44.103.mthan = 0,825.106

mthan = 3

6

10.44.4,010.825,0 = 47 [kg than/h]

Lượng than đốt trong một ngày là: 47.24 = 1128 [kg/h] Lượng than dùng trong một năm là: Mt = 1128.336 = 379 [tấn]

PHẦN IV: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ I. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I.1. Chọn kích thước thiết bị Kích thước thiết bị phải đảm bảo thể tích lớn hơn thể tích chất hấp phụ. Ta chọn thân tháp hình trụ làm bằng thép không rỉ: Theo [5 –154] ta có:

Hzeolite=

4. 2

t

zeolite

DV

Với lượng zeolite cho một thiết bị là Vzeolite= 0.537 [m3] ta có bảng các giá trị tương ứng của Dt và Hzeolite như sau: Bảng 3.3

Dt [m3] 0,7 0,8 0,5 0.6 Hzeolite [m3] 1,4 1.1 2,7 2,0

Theo số liệu bảng trên ta chọn các thông số như sau:

Page 60: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

60

Hzeolite= 1,1 [m] Dt = 0,8 [m] I.1.1. Tính vận tốc cho phép của dòng khí

Vg = 5,0).(g

pDC

[8 – 391]

Trong đó: Vg: Vận tốc khí cho phép, m/phút. Dp: Đường kính hạt đệm. Dp = 2.10-3 m C: Hằng số, C = 1200. g : Khối lượng riêng của khí, Kg/m3. Tại 107oC, 1at ta có: + Khối lượng riêng của hơi nước là:

273)0,082.(110

1.18T.RP.M

R.T.VP.V.M

Vmρ n

n = 0,573 kg/m3

+ Khối lượng riêng của của Etanol là:

464.1)273110.(082,0

46.1.

.

TRMP e

e kg/m3

+ Khối lượng riêng của hỗn hợp là: g = x1. n + (1-x1). e [3 – 5] Trong đó: + x1: là nồng độ phần mol của hơi nước, bằng nồng độ phần thể tích g = 0,004.0,573 + (1- 0,004).1,464 = 1,434 [kg/m3] + Vậy vận tốc dòng khí cho phép là:

Vg = 1200. 5,03

)434,110.2(

= 44,8 [m/phut] I.1.2. Tính toán chiều cao của tháp Trong quá trình hấp phụ có sự phân chia thành các khu vực hấp phụ theo chiều cao của tháp:

- Vùng cân bằng, tại đó chất hấp phụ đã bão hoà và quá trình hấp phụ không còn tiếp tục xảy ra.

- Vùng hấp phụ tại đó diễn ra quá trình chính của hấp phụ, chất bị hấp phụ vào trong mao quản của chất hấp phụ.

- Vùng hoạt hoá chất hấp phụ: Chưa diễn ra quá trình hấp phụ. Chiều dài chất hấp phụ:

Page 61: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

61

hz =

2646,05506,0

7895,0

)..(.

SRVqA

g

[cm] [8 - 391]

Trong đó: A: Hằng số, A = 141. hz: Chiều dài vùng hấp phụ, m. q: Lượng nước trong pha hơi qua 1 m2 tiết diện tháp trong 1 h, Kg/m2.h R.S: % ẩm bão hoà trong pha hơi, R.S = 100%. Lượng nước tính theo công thức:

q =T.z

W.P.v. gE [kg/m2.h] [8 - 391]

Trong đó: E: Hằng số, E = 0,000173 P: Áp suất hấp phụ, Kpa, P = 1.100 = 100 Kpa z: Tỷ số nén: W: Lượng nước đi trong tháp, kg/ 106m3 Trong 1 m3 hỗn hợp hơi: vg: Vận tốc của dòng hơi vào tháp Theo nhóm nghiên cứu sản xuất cồn tuyệt đối của Ts. Văn Đình Sơn Thọ ta có vận tốc dòng hơi đi vào tháp hấp phụ là: Vg = 0,039 m/s Quy đổi: Vg = 2,34 m/phút

a. Tính lượng ẩm đi trong tháp Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp rượu etylic và nước là:

M =

18573,0.4

46464,1.96

573,0.4464,1.96....

n

nn

e

e

nnee

Mv

Mv

vv = 44,88

Nồng độ phần khối lượng của nước trong hỗn hợp là: a =

96.464,14.573,04.573,0

= 0,015 [Phần khối lượng]

Lượng ẩm đi trong tháp là: W = a. g .106 = 0,015.1,434.1000000 = 21500 [kg/106m3] = 1,63 [m/phút] q =

1.38034,2.100.21500.000173,0

= 1,61 [kg/h.m2]

Page 62: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

62

hz = 2646,05506,0

7895,0

100.34.261,1141

= 38 [cm] Từ hình 19.7 [8 – 389] ta có: xs = 16 Trong đó: + xs: là…….. Theo tính toán của nhóm nghiên cứu sản xuất cồn tuyệt đối của Thầy Văn Đình Sơn Thọ ta có mật độ đổ của zeolite 30 với hạt có đường kính Dp = 0.002 m là: d = 427 [kg/m3] Với đường kính d = 0.5 m ta có chiều cao của lớp hấp phụ trong tháp là:

hgel = 2...4

dM

d

zeolite

= 28,0.14,3.4276,229.4

= 1,1 [m] Theo công thức 19.1 [8 – 394] ta có:

x =gel

zgels

hhhx ).45.0.(

= 1,1

)8,0.45,01,1.(16 = 9,5kg H2O/100 kg gel

Trong đó: + x: là……. Theo tính toán cân bằng vật chất ở trên ta có: + Lượng nước bị hấp phụ trong một mẻ là: Gn(me) = 1,512.8 = 12 [kg/mẻ] Chiều cao vùng đệm là:

hb = 127,3.xd

G

e

men

.. 2)(

[8 – 391]

= 127,3.5,9.8,0.427

122

= 0,4 [m] Từ số liệu tính được ta lựa chọn cấu tạo của tháp hấp phụ như sau: + Chiều cao tháp Ht = 2,0m + Chiều cao lớp hấp phụ hz = 1,1m

Page 63: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

63

+ khoảng cách giữa lớp đệm đến bích trên ở hai mặt trên và dưới là 0,3 m + Chiều cao phần nắp trên và đáy là 0.6 m

HT = 20000 Hgel = 1100

Hb =400

1

10

8

6

3

7

9

2

II

I

Hình 4.1 Thiết bị hấp phụ I.1.3. Tính tổn thấp áp suất qua lớp hạt Tổng thất áp suất qua lớp hạt zeolite được tính theo công thức của Ergun theo phương trình sau:

Page 64: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

64

Δpbed = d

Lf 2...

Trong đó: + f: hệ số ma sát + L: chiều cao lớp hạt, m + : khối lượng riêng trung bình của dòng khí, kg/m3 + : độ xốp + : vận tốc trung bình của dòng khí, kg/m3 + d : đường kính trung bình của hạt zeolite 3A, m. Hệ số ma sát f được tính theo phương trình sau:

f =

75,1Re

)1.(150.1

Re: xác định dựa vào đường kính trung bình của zeolite Re =

d..

: là khối lượng riêng của hỗn hợp khí, = g =1,434 kg/m3 : là độ nhớt của hỗn hợp hơi được tính theo công thức:

n

n

e

ehh MyMyM

).1(.

Trong đó: + Mhh: khối lượng mol trung bình của hỗn hợp rượu và nước, Theo tính toán ở trên ta có Mhh = 42,4 kg/kmol. + y: nồng độ phần mol của rượu etylic

+ Me, Mn : khối lượng mol của rượu và nước, kg/kmol. + ne , : độ nhớt của etylic và nước, Ns/m2. Tại 107o C ta có độ nhớt của các cấu tử tra bảng I.101 [3 - 91] như

sau: e = 105,32.10-7 Ns/m2 n = 118,24.10-7 Ns/m2 Thay vào công thức trên ta có: 77 10.24,118

18).96,01(10.32,10546.96,04.42

= 106,12.10-7 Ns/m2 = 0,039 m/s d = 2 mm = 0,4 Vậy ta có:

Page 65: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

65

Re = 7

3

10.12,10610.2.039,0.434,1

= 10,5 Hế số ma sát là:

f =

75.1105

)4,01.(150.4,0

4,013 = 96,4

Tổn thấp qua lớp đệm là:

Δpbed = 3

2

10.2039,0.434,1.2,1.4,96

= 126 N/m3

I.2. Tính chiều dày thân tháp Tháp hấp phụ hình trụ đứng có đường kính trong d = 0,6 m làm việc ở áp suất 1 at. Ta chọn vật liệu là X18H10T. Tra bảng XII.4 [2 - 309] ta được thông số của thép X18H10T như sau: + Độ bền kéo Sk = 540.106 N/m2 + Độ bền uốn Sc = 220.106 N/m2 Chiều dày của thân hình trụ được tính theo công thức:

S = Cp

pDt ][2

. , m [4 – 360]

Trong đó: + p: Là áp suất trong thiết bị, N/m2 + Dt: Đường kính trong thiết bị, Dt = d = 0,6 m + : Hệ số bền hình trụ theo phương dọc Dùng hàn giáp nối hai bên bằng hồ quang điện. Tra bảng giá trị hệ số bền hàn của thân hình trụ [4 - 362] ta có: = 0,95 : Ứng suất cho phép, N/m2

= .n

, N/m2

Trong đó: : Hệ số hiệu chỉnh. Ta chọn thiết bị loại I. Theo bảng XIII.2 [4 - 356] được = 0,75. Tra bảng XIII.3 [4 - 356] ta được: nk = 2,6 nc = 1,5 nk,nc: Là hệ số an toàn theo giới hạn bền, giới hạn chảy

Page 66: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

66

k =

.k

k

n = 75,0.

6,210.540 6

= 155,77.106 N/m2

c =

.c

c

n = 75,0.

5,110.220 6

= 110.106 N/m2

Ta chọn ứng suất cho phép [ ] = c = 110.106 N/m2 C: số bổ sung cho ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m C = C1 + C2 + C3 C1: số bổ sung do ăn mòn, đối với vật liệu bền thời gian làm việc 15 ÷20 năm ta chọn: C1 = 1 mm C2: Đại lượng bổ sung bào mòn. Chọn C2 = 0. C3: Đại lượng bổ sung cho dung sai của chiều dày C3 phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu cho trong bảng XII.9 [4 - 364] Giả sử chiều dày của tháp là 5mm thì C3 = 0,5mm C = 1 + 0,5 = 1,5 mm Chiều dày của tháp là:

S = 346

4

10.5,110.81,9.195,0.10.110.2

10.81,9.1.6,0

= 1,75.10-3 m Ta chọn chiều dày của tháp là 3 mm * Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử Pth = 1,5.p = 1,5.1.9,81.104 = 147.103 N/m2 Ứng suất thử của thân thiết bị tho áp suất thử

[ ] = )..(2].([

CSpCSD tht

, N/m2

[4 - 386]

= 95,0).0015,0003,0.(2

147000)].0015,0003,0(6,0[

= 31,02.106 N/m2

< 2,1c =

2,1110 = 91,67 N/m2

Do vậy với chiều dày vỏ tháp S = 3 mm ứng suất của thân thiết bị nhỏ hơn giới hạn cho phép của vật liệu Ta chọn chiều dày của thân tháp là 3 mm. I.3. Tính đường kính ống dẫn hơi vào tháp Đường kính của ống dẫn hơi được tính theo công thức sau:

d =.785,0

V , m [5 – 84]

Trong đó:

Page 67: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

67

+ d: Đường kính ống, m + V: Lưu lượng hoặc dung dịch chảy qua ống, m3/s + ω: Tốc độ hơi hoặc dung dịch trong ống, m/s Chọn ω = 20 m/s Theo tính toán ở trên lượng hơi đi vào tháp là: V = 502,8 m3/ngày = 0,0058 m3/s Đường kính ống dẫn hơi vào tháp là:

d = .785,0

V = 20.785,0

0058,0 = 0,019 m

Quy chuẩn d = 30 mm ω = 8,2 m/s I.4. Tính đáy và nắp tháp Ta chọn đáy elip có gờ Chiều dày đáy nắp tháp được xác định theo công thức:

S = Ch

DpK

pD

b

t

kk

t 2

....8,3

, m [4- 385]

Trong đó: + hb: là chiều cao phần lồi của đáy(nắp), m Tra bảng XII.10 [4 - 382] với Dt = 0,6 m thì hb = 150 mm + h : hệ số bền của mối hàn hướng tâm h = 0,95 + K: hệ số không thứ nguyên K = 1 -

tDd XIII.48 [4 - 385]

d- đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng. C- đại lượng bổ sung lấy C = 1,4.10-3 + 2.10-3 =3,4.10-3, m + Nắp và đáy tháp: d = 0,05 m K = 0,9 Thay các giá trị vào ta được: S = 310.4,3

15,0.26,0.

14700095,0.9,0.110000000.8,3147000.6,0

, m

= 3,9.10-3, m Chọn S = 5 mm

*Kiểm tra ứng suất thành của nắp tháp theo áp suất thử thuỷ lực bằng công thưc:

Page 68: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

68

[ ] =).(...6,7

)..(.2 02

CShkpCShD

bh

bt

, N/m2 [4 -386]

= )10.4,310.5.(15,0.95,0.9,0.6,7

147000)].10.4,310.5.(15,0.26,0[33

332

= 33,88.108 <

2,1 = 91,67.106, N/m2

Ta chọn chiều dày của nắp và đáy tháp là S = 5 mm I.5. Chọn bích và chân đỡ tháp I.5.1. Ta chọn bích liền kiểu I Tra bảng XIII.27 [4 - 417] ta được các thông số trong bảng sau:

Hình 4.2

Bích nối thân thiết bị hấp phụ Dtnt = 600 mm D = 650 mm Db = 625 mm

DD

D

D

D

t

o

l

b

h

nt

Page 69: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

69

D1 = 620 mm D0 = 606 mm

Bu lông: db = M36 z = 52 cái h = 50 mm I.5.2. Chọn chân đỡ Tính khối lượng toàn tháp: mthan = .Vthan = 22003,0.2.

4ddH

= 7900.4 .3[(0,6 + 2.0,003)2 – 0,62]

= 134 kg mday+nap = 12,4.2 = 24,8 kg mzeolite = 229.6 kg Tổng khối lượng của tháp là: mthap = mthan + mday+ nap + mzeolite = 134 + 229,6 + 24,8 = 388,4 kg Với hệ số 1,2 ta tính được tải trọng cần nâng đỡ là: G = 388,4.1,2.9,81 = 4,57.103 N Theo tải trọng trên tra bảng XIII.35 [4- 437] ta được Bảng 3.4

Tải trọng cho phép

H (mm)

B (mm)

h (mm)

Bz (mm)

S1 (mm)

S2 (mm)

0,4.104 (N) 240 110 145 195 10 10

Page 70: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

70

S2

S1

Bz

h

B

H

Hình 4.3 II. TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHỤ II.1. Thiết bị trao đổi nhiệt Trong công nghệ hoá học thiết bị trao đổi nhiệt là một thiết bị không thể thiếu trong hầu hết các nhà máy hoá chất. Dựa vào cách thức truyền nhiệt người ta chia các loại thiết bị truyền nhiệt làm 2 loại chính: Thiết bị trao đổi nhiệt trực tiếp, Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp. Tuy nhiên với công nghệ sản xuất cồn tuyệt đối bằng phương pháp hấp phụ zeolite ta chỉ quan tâm đến loại thiết bị truyền nhiệt gián tiếp. II.1.1. Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc ngoài [2-113] Khi đung nóng hoặc làm lạnh các thiết bị phản ứng, đặc biệt là những thiết bị bên trong không đặt được ống xoắn, ta thường truyền nhiệt gián tiếp qua vỏ thiết bị. Một trong những thiết bị loại này là thiết bị vỏ bọc ngoài, vỏ ngoài được ghép chắc vào vỏ thiết bị bằng mặt bích, giữa hai lớp vở tạo thành khoảng trống kín.

Page 71: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

71

Hình 4.4 Chiều cao của vỏ ngoài không được thấp hơn mực chất lỏng trong thiết bị. Thông thường các loại thiết bị vỏ bọc ngoài có bề mặt thiết bị không lớn quá 10 m2 và áp suất không quá 10 at. Khi làm việc ở áp suất cao thì vỏ bọc ngoài cần có cấu tạo đặc biệt. vỏ bọc là tấm thép có khoét nhiều lỗ, các lỗ này được hàn liền vào vỏ như hình vẽ sau:

Hình 4.5 II.1.2. Thiết bị truyền nhiệt loại ống Loại này bề mặt truyền nhiệt loại hình ống, căn cứ vào tính chất làm việc và cấu tạo của thiết bị, có thể xếp thành các kiểu sau: + Ống xoắn kiểu tưới. + Ống lồng ống. + Ống chùm. II.1.2.1. Ống xoắn ruột gà

Page 72: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

72

Thiết bị ống xoắn ruột gà là một trong những loại thiết bị đơn giản nhất, nó gồm các ống uốn theo hình ren ốc gọi là ống xoắn ruột gà. Khi làm việc một chất tải đi trong ống, còn một chất tải nhiệt khác đi ngoài ống. Thiết bị ống xoắn ruột gà có ưu điểm là thiết kế đơn giản, có thể làm bằng những vật liệu chống ăn mòn, dễ kiểm soát và sửa chữa. Khuyết điểm của thiết bị kiểu này là cồng kềnh, hệ số truyền nhiệt nhỏ do hệ số cấp nhiệt phía ngoài bé, khó làm sạch phía trong ống, trở thuỷ lực lớn hơn ống thẳng. Vận tốc của chất lỏng trong ống xoắn thường 0,5 ÷ 1 m/s. đối với chất khí thường ở áp suất thường từ 5 ÷ 12 m/s. Đường kính ống không quá 100 mm vì lớn quá khó gia công. Đối với ống xoắn gấp khúc chiều dài mỗi đoạn phụ thuộc vào vật liệu.

Hình 4.6 . Thiết bị truyền nhiệt ống xoắn ruột gà 1- Thiết bị; 2- ống xoắn; 3- giá đỡ; 4- nẹp giữ ống 5- ống II.1.2.2. Loại ống tưới Loại này thường dung làm nguội và ngưng tụ, chất lỏng phun ở ngoài đường ống là nước lạnh nó gồm các ống thẳng nối với các khuỷu. Nước tưới ở ngoài ống chảy lần lượt từ trên xuống dưới ống rồi đi vào thùng chứa. Khi trao đổi nhiệt thì một phần ống nước bay hơi. Khi bay hơi nó sẽ lấy một phần nhiệt từ chất tải nhiệt nóng ra khỏi ống do đó khi dung thiết bị này lượng nước dùng làm nguội sẽ ít hơn khi dùng các thiết bị khác.

Page 73: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

73

Nuíc

1

2

3

4

Hình 4.7. Thiết bị trao đổi nhiệt loại tưới 1- máng nước; 2- ống truyền nhiệt; 3- khuỷu; 4- máng chứa nước II.1.2.3. Loại ống nồng ống Thiết bị truyền nhiệt loại ống lồng ống gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau mỗi đoạn có 2 ống lồng vào nhau. Để dễ dàng thay thế và rửa ống người ta nối khuỷu và ống nối bằng một mặt bích. Các ống được hàn kín bằng một mối hàn. Chất tải nhiệt I đi trong ống từ dưới lên còn chất tải nhiệt II đi trong ống ngoài từ trên xuống, khi năng suất lớn ta đặt nhiều dãy làm việc song song. Ưu điểm của loại này là hệ số truyền nhiệt lớn vì ta có thể tạo ra vận tốc lớn cho cả 2 chất tải nhiệt, cấu tạo đơn giản, nhưng có nhược điểm là cồng kềnh, giá thành cao vì tốn nhiều kim loại, khó làm sạch khoảng trống giữa 2 ống.

1 2

43

5II I

II I Hình 4.8. Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống 1- ống trong; 2- ống ngoài; 3- khuỷu nối

Page 74: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

74

4- ống nối; 5- mối hàn II.1.2.4. Loại ống chùm Thiết bị truyền nhiệt loại này được dùng phổ biến nhất trong công nghiệp hoá chất, nó có những ưu điểm là kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn. Thiết bị đơn giản của loại này là ống kiểu đứng. Gồm có thân hình trụ hai đầu hàn hai ống lưới, các ống truyền nhiệt được ghép chắc chắn, kín vào lưới. Đáy và náp nối với thân bằng mặt bích có 4 bulông ghép chắc. Thiết bị truyền nhiệt được đặt trên giá đỡ hoặc thiết kế thiết bị có chân đỡ. Chất tải nhiệt I đi từ dưới lên qua các ống và ra ngoài, còn chất tải nhiệt II đi từ cửa trên vào khoảng trống của vỏ thiết bị và ống rồi đi ra phía của dưới. Với thiết bị này thì chất tải nhiệt II phải là chất lỏng sạch không tạo cặn (thường là nước mềm) vì rất khó vệ sinh khoảng không giữa ống và vỏ thiết bị. Khi cần tăng vận tốc của chất tải nhiệt để tăng hiệu quả truyền nhiệt, người ta thường chia thiết bị ra làm nhiều ngăn. Vận tốc chất tải sẽ tăng lên theo số ngăn được chia. cấu tạo như hình vẽ sau:

. Hình 4.9 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm có vách ngăn: 1- vỏ; 2-ống dẫn khí; 3-vách ngăn

Trường hợp thiết bị làm việc ở nhiệt độ cao độ chênh lệch nhiệt độ lớn > 50oC thì biến dạng do sự dãn nở không đều nhau. Vì vậy người ta phải thiết kế thêm cho thiết bị bộ phận bù giãn nở nhiệt. Các chi tiết cầu tạo bộ phận bù giãn nở trong thiết bị ống chùm có thể xếp thành 2 loại: + Bù giãn nở ghép thêm bộ phận đàn hồi.

II

II

I

I

1

3

2

Page 75: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

75

+ Bù giãn nở theo kết cấu di chuyển tự do theo chiều dọc. Hai trường hợp này được mô tả như hình vẽ sau:

I

I

II

II

II II

I I1

22

1

3

3

a b Hình 4.10 Thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm có bù giản nở

a- bù giãn nở nhiệt bằng cách gắn thêm bộ giãn nở nhiệt 2 b- bù giãn nở theo dọc ống dẫn nhiệt

II.1.3. Thiết bị truyền nhiệt loại tấm Loại này bề mặt truyền nhiệt làm bằng tấm kim loại các khe giữa các tấm kim loại, các khe giữa các tấm tạo thành hai hệ thống không thông với nhau. Thiết bị trao đổi nhiệt loại này rất gọn, vận tốc chất tải nhiệt hai phía đều lớn. Nhưng có nhược điểm là không làm việc được ở áp suất cao, khó ghép kín do đó loại này dùng để trao đổi nhiệt ở áp suất thường, chủ yếu là truyền nhiệt giữa các chât khí và hơi.

Page 76: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

76

Hình 4.11 Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm. II.1.4. Thiết bị truyền nhiệt loại xoắn ốc Loại này bề mặt truyền nhiệt làm bằng những tấm kim loại cuốn theo dạng ống xoắn ốc. Thiết bị gồm hai tấm kim loại 1 và 2, đầu trong của hai tấm kim loại này được hàn vào tấm ngăn 3, giữa hai tấm 1 và 2 tạo thành một khe có tiết diện hình chữ nhật, chữ tải nhiệt sẽ đi trong các khe đó. Hai đầu thiết bị được ghép kín bằng nắp 4.

Page 77: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

77

Thiết bị truyền nhiệt kiểu xoắn ốc có ưu điểm là gọn và vận tốc lớn, hai chất tải nhiệt có thể chuyển động ngược chiều nhau hoàn toàn, trở thuỷ lực nhỏ hơn ống chùm. Khuyết điểm là chế tạo và sửa chữa phức tạp, không làm việc ở áp suất cao trên 6 at. II.1.5. Thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân Khi truyền nhiệt giữa hai chất tải nhiệt mà hệ số cấp nhiệt một phía thì rất nhỏ so với phía kia, ta cần tăng bề mặt truyền nhiệt ở phía có hệ số cấp nhiệt nhỏ để tăng hiệu quả truyền nhiệt bằng cách thêm các gân lên bề mặt truyền nhiệt. Khi đung nóng không khí hoặc khí bằng hơi nước bão hoà thì hệ số cấp nhiệt từ hơi lên bề mặt truyền nhiệt 1 =11600 W/m2. độ, cồn từ bề mặt tra không khí là 2 5,7 ÷ 58 W/m2. độ, nghĩa là 2 << 1 , khi đó ta cần gắn gân ở phía 2 ; Thiết bị như vậy gọi là thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân. Thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân thường có hai kiểu: gân dọc và gân ngang. Đôi khi truyền nhiệt giữa hai chất khí (hơi) 21, đều rất nhỏ, người ta cấu tạo gân ở cả hai bên, trường hợp này gân thường có dạng hình kim gọi là thiết bị truyền nhiệt loại hình kim. II.1.6. So sánh và lựa chọn thiết bị trao nhiệt Với công nghế sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp hấp phụ zeolite, do quá trình nhả hấp phụ là một quá trình thu nhiệt làm việc ở nhiệt độ cao 350oC nên vấn đề tận dụng nhiệt cho quá trình sản xuất là việc làm cần thiết và rất quan trọng để tiết kiệm nhiên liệu. Mặt khác, vấn đề cung cấp nhiệt cho quá trình ảnh hưởng lớn đến tính toán kinh tế của quá trình sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp này. Vì vậy việc lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt để tận dụng nhiệt cho quá trình này là một vấn đề tối ưu hoá cho dây truyền sản xuất theo công nghệ sản xuất này. Với quá trình nhả hấp hơi và khí N2 ra khỏi tháp nhả có nhiệt độ rất lớn 300oC ta cần phải lựa chọn thiết bị tận dụng nhiệt có sự trao đổi nhiệt giữa khí và khí. Để thoả mãn điều kiện này chỉ có các thiết bị truyền nhiệt kiểu sau đây là phù hợp. + Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm. + Thiết bị trao đổi nhiệt dạng xoắn. + Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống có gân. Bảng 3.5 Thiết bị Ưu điểm Nhược điểm Dạng tấm Thiết bị rất gọn, vận tốc

chất tải nhiệt hai phía đều lớn

Không làm việc ở áp suất cao khó ghép kín, chỉ làm việc ở áp suất

Page 78: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

78

thường Dạng xoắn Thiết bị kiểu này cũng rất

gọn, có vận tốc lớn, hai chất tải nhiệt có thể chuyển động ngược nhau, trở lực nhỏ.

Khó chế tạo và sửa chữa làm việc ở áp suất < 6 at. Giá thành của thiết bị là tương đối cao do tốn sắt thép và cấu tao phức tạp.

Dạng ống có gân Bề mặt truyền nhiệt lớn, cải thiện được đáng kể hệ số cấp nhiệt

Cấu tạo thiết bị phức tạp và giá thành cao, khó sửa chữa

* Qua việc so sánh về ưu nhược điểm ta thấy thiết bị truyền nhiệt dạng tấm là phù hợp với công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp này nhất vì các lý do sau: + Cấu tạo đơn giản, dễ dàng tháo, lắp, sửa chữa. + Giá thành không quá cao. + Quá trình nhả làm việc ở áp suất 1 at khắc phục được nhược điểm của thiết bị dạng này. + Bề mặt truyền nhiệt tương đối lớn, vận tốc dòng hơi hai phía đều lớn. II.2. Calorifier cấp nhiệt Calorifier là một thiết bị cấp nhiệt cho các quá trình cần cấp nhiệt từ bên ngoài vào như là các phản ứng thu nhiệt, quá trình nhả hấp phụ, đặc biệt là quá trình sấy thì calorifier là một thiết bị không thể thiếu trong các nhà máy, phân xưởng sấy. Dựa vào cách thức cấp nhiệt mà người ta chia calorife thành các loại như sau: + Calorifier điện. + Calorifier hơi nước- không khí. + Calorifier khí – khói. II.2.1. Calorifier điện Là loại thiết bị cấp nhiệt sử dụng năng lượng điện năng, biến điện năng thành nhiệt năng thông qua các dây đốt để để truyền nhiệt cho các quá trình khác. Quá trình truyền nhiệt của dây đốt có thể là quá trình bức xạ nhiệt hoặc quá trình tiếp xúc trực tiếp của chất tải nhiệt và dây đốt. Dây đốt thường làm bằng kim loại có điện trở lớn và khả năng chịu được nhiệt độ cao. Sơ đồ như hình vẽ sau:

Page 79: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

79

Hình 4.12 Calorifier điện Tuy nhiên với thiết bị kiểu này trong công nghiệp chủ yếu để đung nước có nhiệt độ đầu ra là không cao. Khi chất tải nhiệt là chất khí thì rất dễ xảy ra quá trình oxy hoá ngay sát bề mặt dây đốt có thể gây ra cháy nổ không an toàn cho nhà máy sản xuất. Ưu điểm của thiết bị kiểu này là gọn nhẹ, dễ dàng thay đổi nhiệt độ bằng cách thay đổi dòng điện vào dây đốt có thể tự động hoá quá trình truyền nhiệt một cách dễ dàng tuy nhiên với một nhà máy hoá chất làm ở nhiệt độ cao nó lại bộc lộ nhiều nhược điểm như: + Khả năng gây cháy nổ cao khi có mặt của oxy không khí. + Vật liệu làm dây đốt hiếm và giá thành khá cao. + Nhiệt độ đầu ra không cao. + Thiết bị loại này lĩnh vực chủ yếu là đun nước và cung cấp nước nóng cho các quá trình sản xuất vi sinh và nước nóng dùng tron sinh hoạt. Cấu tạo thiết bị như sau:

Page 80: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

80

Hình 4.13. cấu tạo thiết bị calorifier điện II.2.2. Calorifier hơi nước – không khí [12 – 86] Là loại thiết bị cấp nhiệt sử dụng hơi nước từ nồi hơi đi trong các ống truyền nhiệt, truyền nhiệt cho cho không khí. Không khí sau khi qua calorife có nhiệt độ cao được đưa vào các phòng sấy, thiết bị sấy hoặc không khí này được đưa đi cấp nhiệt cho các quá trình khác đòi hỏi không có sự có mặt của hơi nước như quá trình nhả hấp phụ của quá trình sản xuất cồn tuyệt đối bằng phương pháp hấp phụ. Ta có cấu tạo của calorifier loại này như sau:

8

5

3

2

4

1I II

Hình 4.14. Calorifier hơi nước – không khí 1- vỏ thiết bị; 2,3- cửa ra và vào của không khí cần làm nóng 4- cửa dẫn hơi nước vào; 5- của dẫn hơi nước ra;I- ống dẫn hơi

Page 81: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

81

Với thiết bị loại này thì ống dẫn hơi có cấu tạo tương đối đặc biệt, bên ngoài ống người ta hàn các cánh tản nhiệt để tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt, tăng hiệu quả truyền nhiệt cho thiết bị. Hơi nước được đi ở trong ống cấp nhiệt cho ống và cánh tản nhiệt, không khí được đi ở phần không gian giữa ống và vỏ thiết bị, không khí không những nhận nhiệt từ ống truyền nhiệt mà còn nhận được một lượng nhiệt lớn từ các cánh tản nhiệt mỏng và được xắp xếp dày đặc. sơ đồ đường đi của không khí được mô tả như hình vẽ sau:

2

1

H¬i nuíc

Kh«ng khÝ

Hình 4.15. Sơ đồ hướng đi của hơi nước và không khí 1-ống dẫn hơi nước; 2 – các cánh tản nhiệt Để tăng hệ số cấp nhiệt của thiết bị này lên người ta có thể chế tạo ống dẫn hơi có các gân ở phía trong ống để tăng cường hế số cấp nhiệt giữa ống dẫn và hơi nước. Tuy nhiên với các ống kiểu này rất khó có thể vệ sính được bề mặt phía trong của ống, để khắc phục nhược điểm này người ta phải dùng nước rất mềm ở trong nồi cấp hơi để tránh tạo cặn trong đường ống gây quá nhiệt cục bộ, giảm hệ số cấp nhiệt của thiết bị. Vì thiết bị làm việc ở nhiệt độ cao do đó người ta ghép 2 nắp với thân thiết bị bằng một mặt bích với 8 ốc vít xung quanh để có thể dễ dàng tháo và nắp tiện lợi cho quá trình sửa chữa và vệ sinh thiết bị. Ưu điểm của thiết bị này là bề mặt truyền nhiệt lớn, cấu tạo không quá phức tạp có thể dễ dàng sửa chữa và làm sạch thiết bị. Có thể tự động hoá điều chỉnh lượng hơi nước đi vào thiết bị để lấy ra lượng không khí ra có nhiệt độ theo yêu cầu.

Page 82: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

82

Nhược điểm của thiết bị này là giá thành thiết bị tương đối cao do sử dụng lượng cánh tản nhiệt tương đối lớn ảnh hưởng đến giá cả thiết bị. Tốc độ dòng khí đi trong thiết bị nhỏ do trở lực lớn. II.2.3. Calorifier khói – khí [12 -87] Là loại calorifier sử dụng khói lò để cấp nhiệt cho thiết bị, khói sử dụng chủ yếu là khói từ lò cao hoặc lò đốt than. Cấu tạo của thiết bị như sau:

Khãi lß

Khãi lß

Kh«ng khÝ

Kh«ng khÝ Hình 4.16. Calorifier khói – khí Nguyên tắc: Khói từ lò đốt có nhiệt độ rất cao khoảng 500 ÷ 600oC được đưa vào không gian ngoài ống và vỏ thiết bị truyền nhiệt, nhiệt từ khói lò sẽ được truyền gián tiếp qua các ống dẫn nhiệt. Không khí được đi trong ống đi từ dưới lên như hình vẽ. các ống truyền nhiệt này được cấu tạo là các ống nhẵn do khói lò đưa vào mang một lượng bụi rất lớn do đó ống phải được làm nhẵn cả phía trong và ngoài để chống bụi bám bẩn làm giảm hệ số truyền nhiệt. Với loại thiết bị này nó có ưu và nhược điểm như sau: + Ưu điểm: thiết bị có cấu tạo đơn giản, sử dụng nhiên liệu rẻ tiền, tận dụng nhiệt lãng phí của các quá trình sản xuất công nghiệp khác, Nhiệt độ của khói lò mang vào là tương đối cao đáp ứng được một số yêu cầu về nhiệt độ cao của một số quá trình. + Nhược điểm: Thiết bị rất cồng kềnh, lượng bụi mang vào khá lớn khó khăn trong việc làm sạch thiết bị. Mặt khác với khói lò ta rất khó có thể

Page 83: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

83

điều chỉnh được tốc độ dòng khói để đạt được nhiệt độ dòng khí ra theo ý muốn, không thể tự động hoá. Với thiết bị này nhược điểm lớn nhất là khó kiểm soat được nhiệt độ không khí đầu ra. II.2.4. Lựa chọn calorifier cấp nhiệt Qua sự so sánh ưu và nhược điểm của một số loại calorifier trên ta thấy với quá trình cấp nhiệt cho dòng khí N2 (để thực hiện quá trình nhả hấp phụ) phù hợp với thiết bị calorifier hơi nước – không khí vì các lý do sau: + Bề mặt truyền nhiệt của thiết bị lớn đáp ứng được yêu cầu làm việc ở nhiệt độ cao của dòng khí N2 đi vào tháp nhả hấp phụ là 350oC. + Với thiết bị này ta có thể tự động hoá được do điều chỉnh tốc độ dòng hơi quá nhiệt đi vào thiết bị. + Ta dễ dàng kiểm soát được nhiệt độ của dòng khí N2 sau khi ra khỏi calorifier. + Thiết bị gọn, không quá cồng kềnh, việc làm sạch là tương đối dễ dàng. Nói chung với quá trình nhả hấp bằng N2 ở 350oC thì sử dụng calorifier hơi nước – không khí sẽ khắc phục được một số các nhược điểm của hai loai calorifier ở trên. Hình ảnh minh hoạ:

Hình 4.17. Calorifier thực tế

Page 84: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

84

II.3. Nồi hơi Nồi hơi là một thiết bị cung cấp hơi nước quá nhiệt cho calorifier, là bộ phận duy nhất cấp nhiệt cho toàn bộ quá trình nhiệt của sơ đồ dây truyền sản xuất. Trong công nghiệp có rất nhiều loại lò đốt sinh hơi tuy nhiên với đồ án của em với năng suất 1000 lít/ngày. Đây chỉ là một mô hình sản xuất nhỏ mang đặc điểm của một nhà máy công nghiệp thiết bị sinh hơi ta chọn là một nồi hơi đơn giản có cấu tạo như sau:

14

8

8

7

1113

12

9

10

65

324

10

151

Hình 4.18. Nồi cung cấp hơi cho toàn bộ quá trình. 1- vỏ thiết bị; 2,3- đồng hồ đo áp suất và nhiệt độ; 4- cửa cung cấp hơi 5- cửa dẫn nước mềm vào; 6-nước chưa bay hơi; 8- ống dẫn hơi xuống dàn ống; 9- dàn ống bay hơi; 10- tường chịu nhiệt; 11- cửa dẫn không khí 12- than; 13- cửa tháo xỉ; 14-nền chịu nhiệt; 15- ống thoát khói

Với quy mô sản xuất công nghiệp người ta thường sử dụng cách lò đốt hơi có công suất lớn hơn như một số hình vẽ sau:

Page 85: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

85

Hình 4.19. Lò hơi công nghiệp sử dụng khí đốt đun bốc hơi II.4. Thiết bị ngưng tụ Ngưng tụ là quá trình chuyển hơi nước hoặc khí sang trạng thái lỏng bằng hai cách: + Làm nguội hơi hoặc khí + Nén và làm nguội hơi đồng thời. Ở đây chủ yếu ta chỉ xét quá trình ngưng tụ bằng cách làm nguội hơi hoặc khí dùng nước hoặc không khí lạnh để làm nguội. Dùng nước để lấy nhiệt cho hơi ngưng tụ có thể tiến hành theo hai cách sau: + Ngưng tụ gián tiếp hay còn gọi là ngưng tụ bề mặt, tức là quá trình tiến hành trong thiết bị trao đổi nhiệt có tường ngăn cách giữa hơi và nước. Hơi được ngưng tụ trên bề mặt truyền nhiệt.

Page 86: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

86

+ Ngưng tụ trực tiếp, hay còn gọi là ngưng tụ hỗn hợp, tức là quá trình tiến hành bằng cách cho hơi và nước tiếp xúc trực tiếp với nhau. Hơi cấp nhiệt ngưng tụ cho nước và ngưng tụ lại, nước lấy nhiệt của hơi và nóng dần lên cuối cùng ta thu được hỗn hợp chất lỏng đã ngưng tụ và nước. Tuy nhiên với quá trình sản xuất cồn tuyệt đối bằng phương pháp hấp phụ ta chỉ quan tâm đến phương pháp ngưng tụ gián tiếp. II.4.1. Ngưng tụ gián tiếp Trong thiết bị ngưng tụ gián tiếp người ta thường cho hơi và nước đi ngược chiều nhau, nước làm lạnh cho đi từ trên xuống, hơi đi từ dưới lên. Nếu như quá trình ngưng tụ thực hiện đối với hơi bão hoà và chất lỏng sau khi ngưng tụ không bị làm nguôii xuống thấp hơn nhiệt độ bão hoà thì tính toán bề mặt không hề khó khăn lắm. Nếu hơi ngưng tụ là hơi quá nhiệt và chất lỏng đã ngưng tụ cần làm lạnh thấp hơn nhiệt độ bão hoà thì việc tính toán bề mặt truyền nhiệt là hết sức khó khăn. Khi đó ta phải chia quá trình ra thành 3 giai đoạn sau: + Giai đoạn 1: làm nguội hơi quá nhiệt về nhiệt độ hơi bão hoà. + Giai đoạn 2: ngưng tụ hơi bão hoà ở nhiệt độ không đổi. + Giai đoạn 3 Làm nguội chất lỏng đã ngưng về nhiệt độ cần thiết. II.4.2. Lựa chọn thiết bị ngưng tụ Về nguyên tắc thì tất cả cách loại thiết bị trao đổi nhiệt đều có khả năng làm chức năng ngưng tụ. Thiết bị ngưng tụ chỉ khác với thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị ngưng tụ có thêm bộ phận vách ngăn chảy chàn của chất lỏng. Trong công nghiệp hoá dầu đặc biệt là công nghệ chế biến khí người ta thường sử dụng thiết bị ngưng tụ loại ống chùm có vách cấu tạo như sau:

I5

7

8910

4

6

12

3

Hình 4.20. Thiết bị ngưng tụ loại ống chùm chữ U có vách chảy tràn 1- vỏ; 2- ống thoát khí N2; 3- ống dẫn nước làm mát; 4- sàn ngăn lỏng: 6 - ống dẫn nước chữ U; 5- thanh đỡ; 7- vách ngăn; cửa tháo nước ngưng.

Page 87: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

87

Với sơ đồ sản xuất cồn tuyệt đối bằng phương pháp hấp phụ zeolite trong sơ đồ ta cần thiết phải có hai thiết bị ngưng tụ loại này: + Thiết bị 1: là thiết bị ngưng tụ hỗn hợp hơi khi thực hiện quá trình nhả bằng N2 hỗn hợp lỏng có chứa nồng độ cồn rất thấp này về nhiệt độ 90oC được đưa lại công đoạn chưng sản xuất cồn công nghiệp. + Thiết bị 2: Vai trò của thiết bị này rất quan trong cần thực hiện quá trình vừa ngưng tụ vừa làm lạnh cồn sản phẩm về nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ thường. Do đó đòi hỏi lượng nước làm mát ở thiết bị này là rất lớn. II.5. Lựa chọn thiết bị lọc bụi Trong công nghiệp hoá học thiết bị lọc, lắng bụi là một thiết bị phụ có vai trò tương đối quan trọng. Việc lựa chọn thiết bị lọc bụi cho dây truyền công nghệ sản xuất phụ thuộc vào một số chỉ tiêu sau. + Hiệu quả làm việc của thiết bị. + Khả năng làm việc trong các điều kiện khác nhau của dây truyền sản xuất. + Chỉ tiêu kinh tế… Sau đây ta xét một số các kiểu thiết bị lắng lọc trong công nghiệp hoá học. II.5.1. Thiết bị đường lắng Là một thiết bị lắng dựa vào trọng lực, khi cho dòng khí bụi đi qua một doạn đường dài loằn ngoằn và các vách ngăn, dưới tác dụng của trọng lực các hạt bụi bị lắng xuống dưới và không khí ra ngoài sẽ được làm sạch bụi. Cấu tạo thiết bị như hình vẽ sau:

Hình 4.21. Thiết bị buồng lắng Ưu điểm: Thiết bị là cấu tạo đơn giản, làm việc được ở nhiệt độ cao. Giá thành của thiết bị không quá cao. Nhược điểm: Khả năng lọc bụi của thiết bị này chưa cao chỉ dùng trong quá trình lắng sơ bộ.

Page 88: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

88

II.5.2. Thiết bị buồng lắng Buồng lắng cũng làm việc dựa theo thiết bị đường lắng tuy nhiên khí bụi sẽ được lắng trong điều kiện tĩnh dưới tác dụng của trọng lực thì các hạt bụi sẽ được lắng xuống các sàn lắng của thiết bị. Cấu tạo của buồng lắng như hình vẽ sau:

Hình 4.22. Thiệt bị buồng lắng Với thiết bị này thì khả năng lắng bụi là tương đối cao, cấu tạo thiết bị đơn giản, giá thành không cao…Tuy nhiên với thiết bị này nó có một số nhược điểm sau: + Thiết bị cồng kềnh, với sơ đồ sản xuất cồn cao độ bằng phương pháp hấp phụ nó sẽ làm ngưng tụ cồn khi cho cồng sản phẩm đi vào thiết bị này. Đây là do mà ta không thể lựa chọn thiết bị này.

Page 89: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

89

II.5.3 Xyclon lọc bụi Dựa vào thiết lực ly tâm người ta chế tạo thiết bị lắng kiểu xyclon có cấu tạo như sau:

KhÝ s¹ch

èng dÉn khÝ

Bé phËn th¸o bôi

KhÝ bôi

Hình 4.23. Xyclon lọc bụi Nguyên tắc: Dòng khí bụi được thổi đi tiếp tuyến với thành thiết bị và đi vào thiết bị thẹo một đường xoắn ốc. Các hạt bụi có trọng lượng lớn va chạm vào thành thiết bị vả rơi xuống dưới, khí được đi từ dưới lên và ra ngoài. Ưu điểm: Làm sạch tốt hơn hai thiết bị nói ở trên, làm việc được ở nhiệt độ cao, thiết bị gọn nhẹ. Nhược điểm: Cấu tạo thiết bị tương đối phức tạp. II.5.4. Thiết bị lọc tay áo Cấu tạo của thiết bị như hình vẽ sau:

Page 90: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

90

Hình 4.24. thiết bị lọc tay áo Nguyên tắc: Dòng khí bụi được đi vào phía dưới của thiết bị vào đi ngược vào trong các ống tay áo, khí đi qua lỗ của ống vải đi ra ngoài. Bụi được giữ lại trong ống tay áo và rơi xuống. Ưu điểm: Khí được lọc qua thiết bị này tương đối sạch, thiết bị tương đối đơn giản. Nhược điểm: Do bộ phận lọc chính là các ống vải do đó thiết bị không làm việc được ở nhiệt độ cao, khi độ ẩm của khí lọc lớn tạo thành mảng lớn trong ống tay áo khó rũ sạch, trọng lượng của lớp bụi lớn sẽ gây rách ống vải. II.5.4. Thiết bị lọc kiểu vách ngăn Cấu tạo thiết bị như hình vẽ:

Page 91: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

91

Hình 4.25. Thiết bị lọc kiểu vách ngăn Nguyên tắc: Khí đi vào không gian ngoài ống, khí chui qua các lỗ xốp của ống xứ đi vào trong ống và đi dọc lên trên và ra ngoài. Bụi có kích thước lớn sẽ giữ lại ở ngoài ống rồi rơi xuống đáy thiết bị. II.5.5 Một số thiết bị khác Ngoài các thiết bị đã giới thiệu ở trên còn rất nhiều các thiết bị lọc khác như thiết bị lọc ướt, thiết bị lọc điện… Với các thiết bị lọc kiểu ướt cho độ sạch bụi rất cao và có nhiều ưu điểm tuy nhiên với quá trình sản xuất cồn đòi hỏi không được tiếp xúc trực tiếp với nước do đó các thiết bị loại này không thể dùng trong dây truyền sản xuất này. Với các thiết bị lọc điện trường cũng cho độ sạch tương đối cao tuy nhiên cồn tuyệt đối rất dễ cháy nổ do đó ta không thể lựa chọn thiết bị loại này. II.5.6. Lựa chọn thiết bị Qua sự xem xét nghiên cứu ta thấy thiết bị lọc bụi kiểu xyclon là tốt nhất cho sơ đồ sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp này vì các lý do sau: + Thiết bị gọn nhẹ, không làm mất mát nhiều nhiệt trong quá trình tận dụng nhiệt khi giải hấp, không làm ngưng tụ hơi cồn sản phẩm. + Độ sạch của khí N2 và hơi rượu sau khi ra khỏi thiết bị là tương đối cao. + Thiết bị có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao thích hợp với sơ đồ sản xuất theo phương pháp này.

Page 92: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

92

II.6. Lựa chọn bơm II.6.1 Bơm vận chuyển chất lỏng. Trong công nghiệp hóa học bơm là một thiết bị không thể thiếu trong các sơ đồ dây sản xuất nào. Với các chất lỏng trong kỹ thuật có rất nhiều loại bơm chất lỏng khác nhau như: Bơm pittông, bơm hướng trục, ly tâm, xoắn ốc…Đối với việc vận chuyển chất lỏng hiện phần lớn các nhà máy công nghiệp thường lựa chọn bơm ly tâm, bởi vì nó có những ưu điểm sau đây: + Bơm làm việc một cách liên tục. + Có thể thay đổi tốc độ dễ dàng nhờ biến áp. + Cấu tạo bơm đơn giản, giá thành không quá cao. Một số nhược điểm của bơm loại này như: Áp suất của dòng chất lỏng không cao, trước khi khởi động phải mồi. Tuy nhiên những đặt điểm này được khắc phục một cách dễ dàng nhờ lắp đặt bơm theo các cấp khác nhau ta sẽ được áp suất dòng lỏng như ý muốn. Với sơ đồ sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp hấp phụ Zeolite việc lựa chọn bơm ly tâm để vận chuyển chất lỏng trong sơ đồ là rất hợp lý. Với sơ đồ sản xuất nhỏ như đồ án của em ta chỉ cần nắp đặt bơm ly tâm một cấp là đủ áp suất dòng lỏng chạy trong sơ đồ. II.6.2. Bơm vận chuyển chất khí Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm cũng như các ngành kinh tế khác, máy nén và thổi khí được dùng phổ biến. như tổng hợp NH3… Việc vận chuyển và nén khí là rất quan trọng. Để vận chuyển chất khí người ta có thể nén hoặc hút chân không để vận chuyển khí, với các đặc điểm này ta có một số kiểu máy hút và nén tiêu biểu sau: II.6.2.1. Máy nén kiểu pittông Là loại máy nén có bộ phận truyền động bằng cơ cấu tay quay. Máy nén tác dụng đơn có cấu tạo giống như bơm pittông, có xilanh, có pittong chuyển động qua lại. Trên xylanh có một van hút và van đẩy, chỉ khác là bên ngoài vỏ xylanh có thêm bộ phận làm lạnh bằng vỏ. Với loại máy nén này ta có thể có áp suất hơi (khí) rất cao nhờ cấu tạo của các máy nén nhiều cấp. II.6.2.1 Máy nén thổi khí kiểu cánh trượt Loại này có cấu tạo và nguyên tặc giống như bơm cánh trượt, có vỏ nước làm lạnh. Gồm roto có hình trụ lắp lệch tâm. Trên roto có nhiều rãnh để các tấm chuyển động tự do theo phương bán kính. Khi roto quay các tấm này trượt trên dãnh quét trên mặt phẳng trong vỏ tạo thành những buồng kín có thể tích thay đổi. Từ nhỏ đến lớn là giai đoạn hút và từ lớn đến nhỏ là giai đoạn nén. Loại này có năng suất từ 160 ÷ 4000 m3/h, với áp suất 5 ÷ 15 at. Có ưu điểm là cấu tạo gọn, làm việc đều đặn, nhưng yêu cầu phải chính xác, khó thao tác, tổn thất áp suất lớn do bộ phận không khít.

Page 93: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

93

II.6.2.3. Máy nén thổi khí kiểu cánh guồng Làm việc tương tự như bơm rãnh khía. Gồm vỏ làm băng gang, bên trong có hai cánh guồng hình củ lạc quay trên trục đặt song song. Khi quay hai cách guồng tiếp xúc nhau và vào vỏ, tạo thành những khoảng không gian kín. Qua đó khí được hút và nén. Loại này có cấu tạo đơn giản, năng suất có thể thay đổi theo một giới hạn rộng, làm việc hết sức đều đặn, dễ dàng thay đổi năng suất nhờ vào tốc độ vòng quay, không có van, cấu tạo đơn giản chi phí vận hành thấp. Tuy nhiên vẫn có nhược điểm trong khâu chế tạo đòi hỏi nắp giáp thật chính xác. II.6.2.4. Bơm chân không kiểu pittong Cấu tạo bơm chân không kiểu pittong giống cấu tạo của máy nén pittong. Giới hạn áp suất phụ thuộc vào độ khít giữa pittong và thành xylanh và hệ số khoảng hại. Sự khác nhau giữa hai kiểu thiết bị này là sự bố trí van hút và xả là khác nhau. Với kiểu bơm chân không này năng suất là khác cao từ 45 đến 3500 m3/h. Sự hoạt động của bơm chân không kiểu pittong giống như sự hoạt động của máy nén pittong. II.6.2.5. Bơm chân không kiểu roto Bơm chân không kiểu roto cũng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm. Ưu điểm của loại bơm này là làm việc đều đặn, cấu tạo gọn gang, không có van phức tạp, giá thành chế tạo rẻ, chi phí vận hành nhỏ. Bơm chân không có loại cánh trượt có năng suất trong khoảng 200 đến 6000 m3/h, áp suất đạt 0,1 đến 0,3 mmHg. Ngoài ra còn có các loại bơm chân không kiểu cánh guồng, có năng suất tương đối lớn và có nhiều ưu điểm như bơm cánh trượt. Ngoài hai kiểu bơm chân không loại này trong công nghiệp hóa học còn có rất nhiều các kiểu bơm chân không loại khác như: Bơm chân không kiểu phun tia, bơm khuyếch tán… Với sơ đồ sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp hấp phụ chọn lọc zeolite ta cần hai bơm vận chuyển khí. Qua những ưu và nhược điểm của các loại bơm và máy nén vận chuyển khí ở trên ta lựa chọn máy nén kiểu cánh guồng là phù hợp với quá trình bơm hơi cồn nguyên liệu vào thiết bị hấp phụ nhất vì nhưng đặc điểm làm việc phù hợp của loại bơm này với yêu cầu của sơ đồ dây chuyền.

Page 94: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

94

PHẦN V – XÂY DỰNG

I. XÁC ĐỊNH ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG NHÀ MÁY Nhìn lại quá trình phát triển kinh tế của mỗi nước, công nghệ đóng vai trò rất quan trọng để tạo nên cơ sở vật chất kỹ thuật cho xã hội, thể hiện trình độ phát triển chung của một nước. Chính vì vậy bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ của xây dựng dân dụng, ngày nay xây dựng công nghiệp đang được quan tâm hàng đầu trong chương trình phát triển kinh tế của mỗi nước. Sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó có sự đóng góp đặc biệt quan trọng của nền kinh tế công nghiệp. Điều quan trọng nhất là phải xác định được địa điểm xây dựng hợp lý, điều đó sẽ phát huy tốt khả năng hợp tác với các xí nghiệp lân cận tình hình các khu công nghiệp tập trung lớn, tận dụng tối đa các cơ sở hạ tầng kỹ thuật, tạo điều kiện tốt cho cơ sở sản xuất công nghiệp phát triển trước mắt cũng như lâu dài và hạn chế được tác nhân ảnh hưởng xấu đến môi trường xung quanh khu công nghiệp. Đây là điều kiện mấu chốt quyết định sự tồn tại phát triển của nhà máy trong quá trình phát triển sản xuất và kinh doanh. Việc làm tốt các lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy đòi hỏi các nhà thiết kế phải tập hợp phân tích ứng dụng được các kến thức về công nghệ sản xuất, kinh tế, xây dựng, kiến trúc, môi trường, pháp lý, văn hoá xã hội và kiến thức xã hội khác. Việc xác định các địa điểm xây dựng nhà máy, xí nghiệp công nghiệp thuộc một trong những nhiệm vụ quan trọng quy hoạch trong giai đoạn chuẩn bị đầu tư. Địa điểm được lựa chọn hợp lý hay không ảnh hưởng rất lớn đến xây dựng, sản xuất, kinh doanh của nhà máy. Ngoài ra còn có tác động rất lớn đến môi trường sống đô thị và khu dân cư lân cận, để làm tốt người ta thường dựa trên các cơ sở sau: I.1. Các cơ sở để xác định địa điểm xây dựng + Dựa vào mục tiêu kinh tế kỹ thuật của chương trình dự án đầu tư. + Dựa vào quy hoạch lãnh thổ, quy hoạch vùng kinh tế, phân bổ sức sản xuất của các cấp có thẩm quyền phê duyệt. + Các tài liệu hiện trên địa bàn dự kiến lựa chọn địa điểm xây dựng như: bản đồ quy hoạch phân khu công nghiệp của tỉnh, thành phố… + Dựa vào tài liệu giới thiệu chung về tình trạng khu đất bao gồm: vị trí, địa hình, đất đai công nghiệp… + Dựa vào khí hậu, độ ẩm… + Tình hình phát triển và khả năng sản xuất công nghiệp trong vùng.

Page 95: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

95

+ Tình hình cung cấp nguyên liệu, vật liệu, việc tiêu thụ thành phẩm, bán thành phẩm ở địa phương trong nước và nước ngoài. + Tình hình cung cấp và sử lý nước thải, cung cấp nguồn điện, và các nguồn năng lượng khác, cho sản xuất và phục vụ sinh hoạt. + Tình hình dân cư và các tập tục sinh hoạt của địa phương. I.2. Các yêu cầu đối với địa điểm xây dựng Các yêu cầu đối với địa điểm xây dựng của nhà máy được chia làm hai loại sau: I.2.1. Các yêu cầu chung a. Về quy hoạch. Địa điểm xây dựng được chọn phải phù hợp với quy hoạch lãnh thổ, quy hoạch vùng, quy hoạch cụm kinh tế công nghiệp đã được cấp thẩm quyền phê duyệt. Tạo điều kiện phát huy tối đa công suất của nhà máy và khả năng hợp tác sản xuất của nhà máy với các nhà máy lân cận. b. Về điều kiện tổ chức sản xuất. Địa điểm lựa chọn phải thoả mãn các điều kiện sau: Phải gần với nguồn cung cấp nguyên liệu cho sản xuất và gần nơi tiêu thụ sản phẩm của nhà máy. Gần các nguồn cung cấp năng lượng, nhiên liệu như: điện, nước, hơi, khí nén,… Như vậy sẽ hạn chế tối đa các chi phícho vận chuyển, hạ giá thành sản phẩm góp phần thúc đẩy sự phát triển của nhà máy. c. Về điều kiện về hạ tầng kỹ thuật. Địa điểm xây dựng, phải đảm bảo được sự hoạt động liên tục của nhà máy do vậy cần phải chú ý đến các yếu tố sau: + Phù hợp và tận dụng tối đa các hệ thống giao thông quốc gia bao gồm đường, đường sắt, đường sông, đường biển và kể cả đường hàng không. + Phù hợp và tận dụng tối đa các hệ thống mạng lướng cung cấp điện, thông tin liên lạc và các mạng lưới kỹ thuật khác. + Nếu ở địa phương chưa chắc có sẵn các điều kiện hạ tầng kỹ thuật trên thì phải xét đến khả năng xây dựng nó trước mắt cũng như tương lai. Nhiều nhà máy riêng khối lượng vận chuyển chiếm tới 40 ÷ 60% giá thành sản phẩm. d. Về điều kiện xây lắp và vận hành nhà máy. Địa điểm xây dựng được chọn cần lưu ý tới các điều kiện sau: + Khả năng nguồn cung cấp vật liệu, vật tư xây dựng. Để giảm chi phí giá thành đầu tư xây dựng cơ bản của nhà máy, hạn chế tối đa lượng vận chuyển vật tư xây dựng từ nơi xa đến. + Khả năng cung ứng nhân công trong quá trình xây dựng nhà máy cũng như vận hành nhà máy sau này. Do đó, trong quá trình thiết kế cần xác

Page 96: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

96

định số công nhân của nhà máy và khả năng cung cấp nhân công ở các địa phương lân cận trong quá trình đô thị hoá. I.2.2. Các yêu cầu về kỹ thuật xây dựng a. Về địa hình. Khu đất phải có kích thước và địa hình thuận lợi cho việc xây dựng trước mắt cũng như việc mở rộng nhà máy trong tương lai. Kích thước, hình dạng và quy mô diện tích của khu đất nếu không hợp lý sẽ gây rất nhiều khó khăn trong quá trình thiết kế bố trí dây truyền công nghệ, cũng như việc bố trí các hạng mục công trình trên mặt khu đất đó. Do vậy khu đất được lựa chọn phải đáp ứng được nhu cầu sau: + Khu đất phải cao ráo tránh ngập lụt trong mùa mưa lũ, có mực nước ngầm thấp tạo điều kiện tốt cho việc thoát nước thải và nước bề mặt dễ dàng. + Khu đất phải tương đối bằng phẳng và độ dốc tự nhiên tốt nhất là I = 0,5÷ 1 % để hạn chế tối đa kinh phí san lấp mặt bằng ( thông thường chi phí này chiếm 10 ÷ 15 % giá thành công trình). b. Về địa chất. Khu đất được lựa chọn phải chú ý đến các yêu cầu sau: + Không được nằm trên vùng mỏ, khoáng sản hoặc địa chất không ổn định (động đất, sói mòn..). + Cường độ xây dựng khu đất là 1,5 ÷ 2,5 KG/cm2. Nên xây dựng trên nền đất sét, sét pha cát, đất đá ong, đất đồi…Để giảm tối đa chi phí gia cố nền móng của các hạng mục công trình nhất là các hạng mục công trình có tải trọng bản thân và tải trọng động lớn. c. Các yêu cầu về vệ sinh công nghiệp. Khi chọn địa điểm xây dựng cần xét đến các môi liên hệ mật thiết giữa khu dân cư đô thị và khu công nghiệp. Điều đó là không tránh khỏi trong quá trình sản xuất do nhà máy thường thải ra khí thải, khói bụi, tiếng ồn… Để hạn chế tối đa ảnh hưởng xấu của môi môi trường công nghiệp tới khu dân cư, các nhà máy phải có khu cách ly theo tiêu chuẩn. Nếu nhà máy thải nhiều hơi độc, bụi… thì hệ thống thông gió hay ống khói phải chọn khu đất ở phía cuối gió thịnh hành trong năm so với khu dân cư phải có vùng cây xung quanh bảo vệ. Trong thực tế không có địa điểm nào thoả mãn toàn bộ những yêu cầu trên nên phải phân tích cân nhắc xem yêu cầu nào là cơ bản, chủ yếu để chú ý một cách thích đáng, vần đề nào thứ yếu có thể chiếu cố khắc phục được trong quá trình lựa chọn. II. THIẾT KẾ TỔNG MẶT BẰNG Thiết kế tổng mặt bằng nhà máy là một giai đoạn quan trọng, nhiệm vụ của nó là nghiên cứu, phân tích, tổng hợp mọi giữ liệu của dự án sang các

Page 97: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

97

giải pháp bố trí thực tế trên địa hình một khu đất cụ thể đã được lựa chọn làm cơ sở cho việc tổ chức xây dựng nhà máy công nghiệp. II.1. Các nhiệm vụ chính khi thiết kế tổng mặt bằng nhà máy Đánh giá điều kiện tự nhiên, nhân tạo của khu đất xây dựng nhà máy làm cơ sở cho các giải pháp bố trí xắp xếp các hạng mục công trình, các công trình kỹ thuật, biện pháp giải quyết các vấn đề về khí hậu nhà máy và các nhà sản xuất… Sao cho phù hợp tối đa với dây chuyền công nghệ của nhà máy cũng như nhà máy lân cận trong vùng công nghiệp. Xác định cơ cấu mặt bằng, hình khối kiến trúc của các hạng mục công trình, định hướng nhà, tổ chức mạng lưới công trình phục vụ công cộng, trồng cây xanh, hoàn thiện khu đất xây dựng, định hướng phân tích thời kỳ xây dựng, nghiên cứu khả năng mở rộng và phát triển của nhà máy. Giải quyết vấn đề có liên quan đến môi trường qua các giải pháp để đảm bảo yêu cầu vệ sinh công nghiệp, chống ồn, chống ô nhiễm mặt nước và khí quyển, cũng như các vấn đề liên quan đến an toàn sản xuất như hoả hoạn hoặc sự cố đặc biệt khác. Giải quyết các quan hệ về cảnh quan đô thị với môi trường xung quanh tạo khả năng hoà nhập của nhà máy với các nhà máy lân cận, phù hợp hài hoà không gian tự nhiên của vùng. Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của phương án thiết kế về các phương diện như hiệu quả sử dụng đất, các chỉ tiêu kỹ thuật chuyên ngành. II.2. Các yêu cầu thiết kế tổng mặt bằng nhà máy Để có được phương án tối ưu khi thiết kế tổng mặt bằng nhà máy công nghiệp cần phải thoả mãn các yêu cầu sau: + Giải pháp thiết kế tổng mặt bằng nhà máy phải đáp ứng được yêu cầu cao nhất của dây chuyền công nghệ sao cho chiều dài của dây chuyền không trùng lặp lộn xộn, hạn chế tối đa sự giao nhau. Bảo đảm mối quan hệ mật thiết giữa các hạng mục công trình với hệ thống giao thông, các mạng lưới cung cấp kỹ thuật khác bên trong và bên ngoài nhà máy. + Trên khu đất xây dựng nhà máy phải được phân thành các khu vực chức năng theo đặc điểm sản xuất, yêu cầu vệ sinh, đặc điểm sự cố, khối lượng phương tiện vận chuyển, mật độ nhân công… Tạo điều kiện tốt cho việc vận hành của các khu vực chức năng. + Diện tích khu đất được tính thoả mãn mọi yêu cầu đòi hỏi của dây chuyền công nghệ trên cơ sở bố trí hợp lý các hạng mục công trình, tăng cường vận dụng các khả năng hợp khối nâng tầng sử dụng tối đa các diện tích không xây dựng để trồng cây xanh tổ chức môi trường công nghiệp và định hướng phát triển mở rộng nhà máy trong tương lai.

Page 98: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

98

+ Tổ chức hệ thống giao thông vận chuyển hợp lý phù hợp với dây chuyền công nghệ, đặc tính hàng hoá đáp ứng được mọi yêu cầu sản xuấtvà quản lý, luồng người, luồng hàng phải ngắn nhất không trùng lặp hoặc cắt nhau. Ngoài ra còn phải chú ý khai thác phù hợp với mạng lưới giao thông quốc gia cũng như các cụm nhà máy lân cận. + Thoả mãn các yêu cầu về vệ sinh công nghiệp, hạn chế tối đa các sự cố sản xuất, đảm bảo vệ sinh môi trường bằng các biện pháp phân khu vực chức năng, bố trí hướng nhà hợp lý theo hướng gió chủ đạo của khu đất. Khoảng cách các hạng mục công trình phải tuân theo quy phạm thiết kế, tạo mọi điều kiện cho việc thông thoáng tự nhiên, hạn chế bức xạ nhiệt của mặt trời truyền vào trong nhà. + Khai thác triệt để các đặc điểm địa hình tự nhiên, đặc điểm khí hậu địa phương nhằm giảm có thể chi phí san nền, sử lý nền đất, tiêu huỷ, sử lý các công trình ngầm khi bố trí các hạng mục công trình. + Phải đảm bảo mật thiết mối quan hệ với các nhà máy lân cận trong khu công nghiệp với việc sử dụng chung các công trình đảm bảo kỹ thuật, xử lý chất thải, chống ô nhiễm môi trường cũng như công trình hành chính phục vụ công cộng… Nhằm mang lại hiệu quả kinh tế, hạn chế vốn đầu tư xây dựng. + Phân chia thời kỳ xây dựng hợp lý, tạo điều kiện thi công nhanh, sớm đưa nhà náy vào sản xuất, nhanh chóng hoàn vốn đầu tư. + Bảo đảm yêu các yêu cầu thẩm mỹ của tổng công trình, tổng thể nhà máy. Hoà nhập đóng góp cảnh quan xung quanh tạo thành khung cảnh kiến trúc công nghiệp đô thị. II.3. Nguyên tắc phân vùng trong nhà máy Đây là biện pháp có tính định hướng ban đầu để có thể đi đến giải pháp tổng quy hoạch mặt bằng nhà máy hợp lý. Thực chất của biện pháp này là phân chia các bộ phận chức năng của nhà máy thành các nhóm theo đặc điểm sản xuất, khối lượng và đặc điểm vận chuyển hàng hoá, đặc điểm phân bố nhân lực, đặc điểm về yêu cầu vệ sinh công nghiệp cũng như các đặc thù sự cố của công đoạn sản xuất. Những nhóm chức năng này sẽ được bố trí trên các khu đất của nhà máy công nghiệp trong mối quan hệ của công nghệ sản xuất cũng như các yêu cầu về quy phạm sự cố và vệ sinh công nghiệp. Tuỳ theo đặc thù sản xuất của nhà máy mà người thiết kế sẽ vận dụng nguyên tắc phân vùng cho hợp lý. Trong thực tiễn thiết kế theo biện pháp phân chia khu đất thành các vùng theo đặc điểm sử dụng là phổ biến nhất. Biện pháp này chia diện tích nhà máy thành bốn vùng chính sau: II.3.1. Vùng trước nhà máy Vùng trước nhà máy là nơi bố trí các nhà hành chính, quản lý, phục vụ sinh hoạt, cổng ra vào, gara… Đối với các nhà máy có quy mô nhỏ, vùng

Page 99: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

99

trước nhà máy hầu như được dành diện tích cho bãi đỗ xe, cổng bảo vệ, bảng tin và cây xanh cảnh quan. Diện tích tích vùng này tuỳ thuộc vào đặc tính sản xuất, quy mô của nhà máy có diện tích từ 4 ÷ 20% diện tích toàn nhà máy. II.3.2. Vùng sản xuất Vùng này bố trí các nhà và công trình nằm trong dây truyền sản xuất chính của nhà máy, như các phân xưởng sản xuất chính, phụ, sản xuất phụ trợ. Tuỳ theo đặc điểm sản xuất và quy mô của nhà máy diện tích vùng này chiểm từ 22 ÷ 52% diện tích toàn nhà máy. Đây là vùng quan trọng nhất của nhà máy nên khi bố trí cần lưu ý một số đặc điểm sau: + Khu đất được ưu tiên về điều kiện địa hình, địa chất cũng như về hướng. + Các nhà sản xuất chính, phụ, phụ trợ sản xuất có nhiều công nhân nên bố trí gần phía cổng hoặc gần trục giao thông công chính của nhà máy và đặc biệt ưu tiên về hướng. + Các nhà xưởng trong quá trình sản xuất gây ra các tác động xấu như: Tiếng ồn, lượng bụi, nhiệt thải ra nhiều hoặc dễ có sự cố cháy nổ nên đặt ở cuối hướng gió và tuân thủ chặt chẽ theo các quy phạm về vệ sinh công nghiệp. II.3.3. Vùng các công trình phụ Nơi đặt các nhà công trình cung cấp năng lượng bao gồm: các công trình cung cấp điện nước, sử lý nước thải và các công trình bảo quản kỹ thuật khác. Tuỳ theo mức độ của công nghệ yêu cầu vùng này có diện tích từ 14 ÷ 28% diện tích toàn nhà máy. Khi bố trí các công trình trên vùng này cần lưu ý một số điểm sau: + Hạn chế tối đa chiều dài của hệ thống cung cấp kỹ thuật bằng cách bố trí hợp lý giữa các nơi cung cấp và nơi tiêu thụ năng lượng. + Tận dụng các khu đất không lợi về hướng hoặc giao thông để bố trí các công trình phụ. + Các công trình có nhiều bụi, khói hoặc chất thải bất lợi đều phải bố trí cuối hướng gió chủ đạo. II.3.4. Vùng kho tàng và khu vực giao thông Trên đó bố trí các hệ thống kho tàng, bến bãi các cầu bốc dỡ hàng, sân ga, nhà máy… Tuỳ theo đặc điểm sản xuất và quy mô của nhà máy vùng này thường chiếm 23 ÷ 37% diện tích toàn nhà máy. Khi bố trí vùng này cần lưu ý một số các đặc điểm sau: + Cho phép bố trí các công trình trên vùng đất không ưu tiên về hướng. Nhưng phải phù hợp với nơi tập kết nguyên liệu và sản phẩm của nhà máy để dễ dàng cho việc nhập và xuất hàng của nhà máy.

Page 100: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

100

+ Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, do đặc điểm và yêu cầu của dây chuyền công nghệ hệ thông kho tàng có thể bố trí gắn liền trực tiếp với bộ phận sản xuất. Vì vậy có thể bố trí một hệ thống kho tàng nằm ngay trong khu vực sản xuất. II.3.5. Ưu nhược điểm của phương pháp phân vùng a. Ưu điểm + Dễ dàng quản lý theo ngành, theo các xưởng, theo các công đoạn của dây truyền sản xuất trong nhà máy. + Thích hợp với những nhà máy có những xưởng, những công đoạn sản xuất có đặc điểm và điều kiện khác nhau. + Đảm bảo được yêu cầu vệ sinh công nghiệp, dễ dàng sử lý các bộ phận phát sinh các điều kiện bất lợi trong quá trình sản xuất như: khí độc, bụi, cháy nổ… + Dễ dàng bố trí hệ thống giao thông bên trong nhà máy. + Thuận lợi trong quá trình mở rộng phát triển nhà máy. + Phù hợp với đặc điểm khí hậu xây dựng ở nước ta. b. Nhược điểm + Dây chuyền sản xuất phải kéo dài. + Hệ thống đường ống kỹ thuật và mạng lưới giao thông tăng. + Hệ thống xây dựng và hệ số sử dụng thấp. II.4. Những căn cứ để sản xuất phân xưởng sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp hấp phụ Zeolite + Dây chuyền công nghệ: Dây chuyền làm việc gián đoạn, khép kín. Thiết bị chính được bố trí trên cao phù hợp với yêu cầu và đặc điểm sản xuất. + Đặc điểm sản xuất của phân xưởng: Do cồn tuyệt đối là chất lỏng dễ bay hơi và khả năng gây cháy nổ rất cao do đó các đường ống phải kín, phân xưởng sản xuất phải đảm bảo thông gió tự nhiên là chính. + Điều kiện kinh tế kỹ thuật: Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật được ứng dụng ở nước ta hiện nay có thể đảm bảo kỹ thuật đối với một nhà máy hoá chất nói chung và phân xưởng sản xuất cồn tuyệt đối nói chung kể cả về trang bị và công nghệ kỹ thuật. Do kinh phí để xây dựng một phân xưởng sản xuất cồn tuyệt đối không lớn lắm cho nên có thể hoàn toàn xây dựng được nhà máy. II.5. Tính toán và xác định kích thước chính của các công trình trong nhà máy.

Page 101: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

101

Dựa vào các yêu cầu và nhiệm vụ, yêu cầu kỹ thuật và công nghệ, sửa chữa và thao tác, kích thước và chiều cao thiết bị ta thiết kế phân xưởng sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp hấp phụ zeolite là nhà một tầng bê tông cốt thép toàn khối. - Kích thước: chiều dài 15m, chiều rộng 9m, chiều cao 5,4m. Trong nhà được bố trí các khu vực như sau: + Khu vực điều khiển: được bố trí cạch của ra vào là phòng có kích thước: 3×4,5 (m). + Khu vực lò hơi: Do lò hơi ta dùng than đốt nên bộ phận lò hơi được bố trí cách ngăn với các khu vực khác bằng tường ngăn cách. Kích thước phòng sinh hơi là:4,5×4,5 (m). + Phòng đựng khí Nitơ nén được đặt cạnh phòng sinh hơi và có tường ngăn cách. Kích thước phòng là: 4,5×4,5 (m). + Các thiết bị khác được bố trí trong nhà theo các yêu cầu sau: Thiết bị calorifier được bố trí ở gần lò hơi. Thiết bị hấp phụ được bố trí gần calorifier. Thiết bị tận dụng nhiệt được bố trí gần thiết bị chính. Thiết bị ngưng tụ và làm mát được bố trí gần bộ phận chứa sản phẩm. II.6. Cấu tạo phân xưởng sản xuất. Do đây là một phân xưởng sản xuất với quy mô nhỏ ta chọn phân xưởng sản xuất nhỏ gọn nhà làm bằng khung thép zamil. II.6.1. Kết cấu móng Móng là kết cấu dưới cột, trực tiếp nhận tải trọng từ cột xuống và chuyền xuống nền móng. Móng cột được chọn là cột BTCT hỗn hợp có cấu tạo như sau

400 200 150

Hình 5.1 Kết cấu móng II.6.2. Cột Cột là kết cấu chịu lực chính của khung, nó chịu tải trọng chính của mái, tường, tải trọng mưa, gió chuyền vào và đưa xuống móng. Chọn cột vát I 300

Page 102: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

102

II.6.3. Mái Ta chọn kết cấu mái dầm làm bằng tôn. II.6.4. Cửa sổ Của sổ có kích thước: 1500×1500 (mm). II.6.5. Cửa ra vào phân xưởng Phân xưởng được bố trí với hai cửa ra vào. Cửa mặt tiền là cửa để vận chuyển khí N2 nén, than, nước mềm vào. cửa mặt ngang dùng để vận xuất và nhập hàng. Qua quá trình tính toán và lựa chọn ta thiết kế xưởng sản xuất cồn tuyệt có cấu tạo chi tiết như sau:

A

750 2

M? T B? NG XU? NG S? N XU? T C? N TUY? T Đ? I THEO PHUONG PHÁP H? P PH?

9

mÆt b»ng

1500

1 2 3 4 5

3000

750 1500 750750

15000

3000 3000 3000

5001500 750 500 1500 1500 750

2160

D

10

3000

4320

6

3000

750

4

1440

2160

C 4

7

9000

3000

1440

B

64

5

V =

3500

lít

V =

3500

lít

750 1

3000

1500 3 8

Page 103: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

103

1 2

3000

3 4

3000 3000

5 6

3000 3000

12

61 0

9

8

8

10 47

99

5400

1 2 3 4

3000 3000 3000

5 6

3000 3000

2,3 4

5400

M? T C? T D? C XU? NG S? N XU? T C? N TUY? T Đ? I THEO PHUONG PHÁP H? P PH?

Page 104: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

104

5400

5400

9

9000

A B

4

5

1 1 1 6

3

2

78 8

1500150015001500 1500

1500

M? T C? T NGANG XU? NG S? N XU? T C? N TUY? T Đ? I THEO PHUONG PHÁP H? P PH?

Page 105: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

105

PHẦN VI: ĐIỆN, NƯỚC

I.ĐIỆN Trong phân xưởng sản xuất sử dụng điện vào hai mục đích là chiếu

sáng và tạo động lực cho động cơ làm việc. Chi phí điện năng sẽ làm ảnh

hưởng đến giá thành sản phẩm. Do vậy phảI bố trí điện cho hợp lý, vừa tiết

kiệm, vừa đảm bảo phục vụ sản xuất.

I.1. Tính phụ tải chiếu sáng Xác định loại đèn.

Loại đèn sử dụng phụ thuộc vào chiều cao nhà, ở đây tẳ dụng hai loại

đèn: đèn dây tóc và đèn neong.

+ Bố trí đèn:

Việc bố trí đèn căn cứ vào các thông số sau:

H: Chiều cao đèn tính từ mặt sàn hoàn thiện đến vị trí treo đèn, yêu

cầu H> Hmin.

( Hmin = 3 4 (m) đối với đèn thông thường sử dụng công suất nhỏ

hơn 200 w ).

L: Khoảng cách giữa các đèn. Nếu chiếu sáng đồng đều thì đèn được

mắc khắp phòng tạo thành hình chữ nhật, khoảng cách L chọn theo tỷ lệ: L/h

có lợi nhất.

Trong đó h = H – Ho

h : chiều cao tính toán.

Ho : chiều cao của thiết bị cao nhất.

+ Nếu đặt một hàng đèn thì: L/h = 1,8 2 ( m ).

+ Nếu đặt nhiều hàng đèn thì L/h = 1,8 2,5 (m).

Khoảng cách từ đèn ngoàI cùng đến tường là I.

+ Nếu sát tường có người làm việc I = ( 0,25 0,32).L

Page 106: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

106

+Nếu sát tường không có người làm việc I = (0,4 0,5).L

Số lượng đèn và công suất tiêu thụ để chiếu sáng cho toàn phân xưởng

cho trong bảng sau:

TT Tên phòng Công suất

đèn, (w )

Số lượng Tổng

công suất

1. Toàn bộ mặt bằng sản xuất 100 30 3000

I.2. Tính phụ tải động lực Công suất động lực của dây chuyền được xác định theo bảng sau:

TT Tên động cơ Công suất

động cơ, (kw)

Số lượng Tổng công

suất, (kw)

1. Bơm kiểu cánh guồng 2,1 5 10,5

2. Bơm ly tâm 2,1 1 4,8

11. Tổng số 6 9

I.3.Lượng điện tiêu thụ hàng năm của nhà máy I.3.1. Điện năng thắp sáng Điện năng thắp sáng có thể tính theo công thức sau:

Acs = Pcs.T.K

Trong đó:

K - hệ số đồng thời (Lấy K = 0,7).

Pcs - công suất chiếu sáng.

Pcs = 3 (kw).

T - Thời gian chiếu sáng trong một năm

T = T1.T2

Với T1 – thời gian chiếu sáng trong một ngày.

Page 107: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

107

T1 = 20 h

T2 – Thời gian làm việc trong năm

T2 = 336 (ngày).

Acs - Điện năng dùng chiếu sáng.

Acs = 3.20.336.0,7 = 14112 (kwh).

I.3.2. Điện năng cho phụ tải động lực Ađl = Kc.Pđl.T

Trong đó:

Kc – hệ số cần dùng. Kc = 0,5.

T - số giờ máy móc làm việc trong năm

T = T1.T2

Với

T1 – Thời gian làm việc trong ngày, T1 = 20 (h).

T2 – Thời gian làm việc trong năm, T2 = 336 (ngày)

Acs = 0,5.9.20.336 = 30240 (kw).

I.3.3. Điện năng tiêu thụ toàn phân xưởng trong một năm A = Kn. (Acs + Ađl)

Trong đó:

Kn - hệ số tính đến tổn hao trên mạng điện hạ áp, Kc = 1,01

A = 1,01.( 14112 + 30240) = 44795 (kwh).

II. NƯỚC Nước sử dụng trong phân xưởng nhằm hai mục đích: nước sinh hoạt

và nước sản xuất.

II.1. Nước sinh hoạt Theo tiêu chuẩn nước sinh hoạt của người sản xuất là: 75 lít/người/ngày

Số công nhân sản xuất trong một ca: 3 người;

Nước sinh hoạt dùng trong một ngày: 3.75 = 225 (lít) = 0,225 (m3);

Page 108: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

108

Tiêu tốn nước dùng cho sinh hoạt trong một năm là:

Nsh = 0,225.336 = 7,56 (m3);

II.2. Nước sản xuất Lượng nước mà chúng ta sử dụng để sản xuất bao gồm nước làm mát

và nước mềm dùng trong lò hơi.

Lượng nước dùng để làm mát là: 51 kg/h.

Lượng nước dùng để sinh hơi là: 3340 kg/h.

Do lượng nước dùng cho các quá trình này có hồi lưu lại sử dụng. Do

đó lượng nước thực tế sử dụng cho một tháng cũng chính là lượng nước sử

dụng trong một ngày. Giả thiết mỗi tháng ta phải thay lượng nước mềm này

một lần.

Lượng nước sản xuất trong một năm là:

M = (51 + 3340).24.12 = 976608 kg Thể tích nước cần dùng trong một năm là: V =

n

M

= 1000

976608 = 976,6 m3

Page 109: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

109

PHẦN VII: KINH TẾ I.TÓM LƯỢC DỰ ÁN Dự án kinh tế phản ánh cơ cấu tổ chức sản xuất vốn đầu tư xây dựng, thiết bị

máy móc, giá thành sản phẩm và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. Thông qua

tính toán kinh tế cho ta biết tính hợp lý của dự án và hiệu quả kinh tế của nó

đồng thời quyết định xem xét việc xây dựng phân xưởng sản xuất đó có

đúng đắn không.

Trên cơ sở tính toán kinh tế thấy được hiệu quả kinh tế của toàn phân

xưởng để xây dựng, thiết kế nhằm xác định chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật từ đó

cho phép đầu tư các hạng mục trong giá thành sản phẩm.

Cồn tuyệt đối là một loại nhiên liệu không được sử dụng nhiều ở Việt Nam

nhưng vai trò của nó rất quan trọng trong việc làm tăng trị số octan của

xăng, với nồng độ cồn trong xăng 10% thể tích nó làm tăng đáng kể trị số

octan của xăng. Hơn nữa, việc nghiên cứu sản xuất cồn tuyệt đối với quy mô

công nghiệp là một bước đột phá cho các ngành sản xuất nhiên liệu sạch ở

Việt Nam. Sản xuất cồn nhiên liệu với quy mô công nghiệp còn giải quyết

được vấn đề lao động cho lượng nhân công dồi dào ở Việt Nam. II. KẾ HOẠCH SẢN XUẤT II.1. Kế hoạch sản xuất Với tình hình giá thành nhiên liệu thế giới gia tăng chóng mặt hiện

nay thì việc xây dựng một nhà máy sản xuất cồn ở Việt Nam là hết sức đúng

đắn, đáp ứng và khắc phục được những nhu cầu nhiên liệu hiện nay. Với

thực lực và kinh nghiệm của nước ta hiện nay chắc chắn phân xưởng sẽ

nhanh chóng phát huy được toàn bộ công suất và có khả năng mở rộng nhà

máy trong một thời gian ngắn.

II.2. Tính toán kinh tế II.2.1. Vốn cố định.

Page 110: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

110

Vốn cố định là giá trị các tài sản cố định như: nhà xưởng, máy móc, thiết bị,

phương tiện…

+ Vốn xây dựng:

Diện tích của phân xưởng là: 9.15 = 135 m2

Giá thuê đất: 420000 đ/m2.năm

Giá xây dựng: 3000000 đ/m2

Giá thành thuê đất trong một năm là: 135 . 420000 = 56000000 đ

Giá thành xây dựng phân xưởng là: 135.3000000 = 405000000đ

Tổng số vốn đầu tư xây dựng lý thuyết là:

405000000 + 56000000 = 461000000 đ

Khấu hao xây dựng XA lấy bằng 3% vốn xây dựng:

461000000.0,03 = 13891000 14000000 đ(đồng).

Tổng vốn xây dựng thực tế là:

461000000 + 140000000 = 475000000

+ Vốn đầu tư máy móc, thiết bị:

TT Tên thiết bị Số

lượng

Đơn giá Thành tiền

1 Tháp hấp phụ 3 300.000.000 900.000.000

2 Calorifier 1 100.000.000 200.000.000

3 Bơm ly tâm 1 3.400.000 3.400.000

4 Bơm cánh guồng 4 5.000.000 20.000.000

5 Thiết bị ngưng tụ 2 60.000.000 120.000.000

6 Bể chứa nguyên liệu 2 18.000.000 36.000.000

7 Thiết bị chứa nitơ nén 8 5.000.000 40.000.000

8 Quạt gió 5 500.000 30.000.000

Page 111: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

111

9 Hệ thống điều khiển 1 10.000.000 10.000.000

10 Máy nén khí Nitơ 1 5.000.000 5.000.000

10 Zeolite 668 (kg) 50.000/kg 34.430.000

10 nồi hơi 1 150.000.000 150.000.000

10 Tổng 1.549.000.000

Bảng 7.1

Vốn thiết bị: Vtb = 1.549.000.000(đồng)

+ Chi phí lắp đặt, vận chuyển bằng 20% vốn thiết bị.

+ Chi phí, dụng cụ đo, hệ thống dẫn lấy bằng 10% vốn thiết bị

Vậy vốn đầu tư máy móc, thiết bị là:

Vthm = 1549000000 + 0,2. 1549000000 + 0,1. 1549000000

Vthm = 2.013.000.000 (đồng)

Tổng vốn cố định là: Vcđ = Vxd + Vtbm

Vcđ =2013000000 + 475000000

Vcđ = 2.488.000.000 (đồng)

II.2.2. Vốn lưu động. IV.2.2.1. Chi phí nguyên liệu. TT Tên nguyên liệu Số lượng

(tấn, lít)

Đơn giá

(đồng /tấn,lít)

Chi phí một

năm(đồng)

1 Cồn công nghiệp 33600(l) 12.000/l 403.200.000

2 Khí Nitơ 16,6 7.000.000 121.000.000

3 Than đốt 379 3.000.000 1.137.000.000

4 Tổng cộng 1.661.200.000

Bảng 7.2

Page 112: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

112

Chi phí nguyên vật liệu ở trên là đã tính cả chi phí cho vận chuyển, bốc

rỡ….

IV.2.2.2. Chi phí về điện. Phần điện đã tính được lượng điện dùng trong một năm là:

44795 (kwh).

Giá thành: 1500 (đồng/kwh)

Chi phí cho nhu cầu về điện là:

Vđiện = 1500. 44795 = 67 190 000 (đồng/năm).

II.2.3. Chi phí nhu cầu về nước. Phần nước đẫ tính được một năm lượng nước cần là: 3951,32 (m3).

Giá nước 6000 (đồng/m3).

Vậy giá thành nước sản xuất là:

Vnước = 6000.977 =5 862 000 (đồng/năm)

II.2.4. Tính nhu cầu lao động + Bố trí nhân công tham gia trực tiếp cho từng thiết bị và từng ca trực như

sau:

Thiết bị phản ứng: 1 công nhân.

Kiểm tra nồng độ hơi cồn: 1 công nhân.

Nồi cấp hơi: 1 công nhân.

Kỹ sư: 1 kỹ sư

Quản đốc 1 người

Tổng: 5 người.

II.2.4.1. Tính quỹ lương trả cho công nhân trực tiếp + Lương trả cho mỗi công nhân: 3 000 000/tháng

Tổng số tiền phải trả lương cho công nhân trong một năm là:

3.3000000.12 = 108 000 000 đồng

+ Mức lương trả cho một kỹ sư hiện nay: 5000000 đồng/tháng

Page 113: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

113

Tổng lương phải trả cho kỹ sư là: 5000000.12 = 60 000 000 đồng

+ Mức lương trả cho quản đốc: 12 000 000 đồng

Tổng lương phải trả cho quản đốc trong một năng là:

12000000.12 = 144 000 000 đồng.

Tổng lương chi trả cho lao động trong năm là:

144 000 000 + 60 000 000 + 108 000 000 = 312 000 000 đồng

II.2.5. Giá thành sản phẩm. + Khấu hao tài sản hàng năm.

+ Khấu hao trung bình hàng năm về thiết bị:

A1 = 0,1.Vthiết bị = 0,1. 424900000 = 42490000 (đồng).

+ Khấu hao tài sản cố định bằng khấu hao xây dựng cộng khấu hao

máy móc:

28830000 + 42490000 = 71320000 (đồng).

Bảng tổng hợp chi phí chủ yếu:

TT Khoản mục chi phí chủ yếu Tiền

1 Nguyên liệu 1.661.200.000

2 Điện 67.190.000

3 Nước 5.862.000

4 Lương 312.000.000

6 Khấu hao tài sản cố định 14.000.000

7 Tổng 2.058.000.000 Bảng 7.3

+ Giá thành toàn bộ (Gtb).

Gtb = phÝ kh¸c chi c¸c % lÖ tû

100 yÕu. chñphÝ chi tæng

100

Trong đó các chi phí khác bao gồm:

Page 114: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

114

+ Chi phí phân xưởng chiếm 10% giá thành toàn bộ.

+ Chi phí quản lý nhà máy chiếm 3% giá thành toàn bộ.

+ Chi phí ngoài sản xuất chiếm 2% giá thành toàn bộ.

Do đó ta có:

Gtb = 15100

2058000000

.100 = 2417861000 (đồng).

+ Chi phí phân xưởng:

Ppx = 0,1.Gtb

Ppx = 0,1. 2417861000 = 241786100 (đồng).

+Suy ra giá thành phân xưởng:

Gpx = chi phí chủ yếu + Ppx

G px = 2417861000 + 241786100

Gpx = 2659647000 (đồng).

Bảng ước tính giá thành sản phẩm:

TT Khoản mục chi phí Tiền (đồng)

1 Nguyên liệu 1.661.200.000

2 Nước, điện 33.052.000

3 Lương 312.000.000

4 Khấu hao tài sản cố định 14.000.000

5 Chi phí phân xưởng 2659647000

6 Tổng 4.674.829.000 Bảng 7.4

+ Giá thành một tấn sản phẩm:

Gsp = c¶ n¨m l­îng ns¶

bé toµn thµnh gi¸ (đồng/l).

Gsp = 336000

4674829000 = 13.900 (đồng/ l)

II.2.6. Lãi và thời gian thu hồi vốn

Page 115: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

115

+ Thời gian thu hồi vốn: T = LA

V

Trong đó:

A – khấu hao tài sản cố định hàng năm.

L – lãi hàng năm.

V – vốn đầu tư xây dựng và thiết bị.

Ta chọn chỉ tiêu sau 5 năm thì vốn cố định sẽ được thu hồi.

L = TV - A

= 5

1549000000 - 14000000

= 295800000 đ

+ Lãi hàng năm:

L = S.(Gtp - B)

Gtp = SL + B

Trong đó:

L – lãi hàng năm của nhà máy.

S – sản lượng hàng năm của nhà máy.

Gtp – giá thành một đơn vị sản phẩm bán ra.

B – giá một đơn vị sản phẩm.

Gtp = 336000

2958000000 + 13900 đ

= 14.800 đ

+ Tỷ suất lãi:

Tỷ suất lãi = 46748290002958000000

GL = 0,06

= 6%

Page 116: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

116

Page 117: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

117

KẾT LUẬN Sau một thời gian học tập tại trường em đã cố gắng học tập và trau dồi

kiến thức. Em đã được giao nhiệm vụ thiết kế xưởng sản xuất cồn tuyệt đối

theo phương pháp hấp phụ chọn lọc trên chất hấp phụ zeolite 3A với năng

suất 1000l/ngày.Vận dụng những kiến thức đã được học và sự hướng dẫn tận

tình của thầy Văn Đình Sơn Thọ em đã hoàn thành được các nhiệm vụ chính

sau:

- Tổng quan của quá trình sản xuất cồn tuyệt đối.

- Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng.

- Tính toán thiết bị phản ứng chính

D = 0,8 (m) ; H = 2 (m)

- Lựa chọn các thiết bị trao đổi nhiệt phù hợp các quá trình truyền

nhiệt trong sơ đồ.

- Thiết kế xây dựng: Tổng diện tích 135m2.

- Tính toán kinh tế cho toàn phân xưởng.

Mặc dù em đã cố gắng rất nhiều song do còn thiếu những kinh nghiệm

thực tế nên bản đồ án không tránh khỏi những sai sót nhất định. Em rất

mong được sự góp ý chỉ bảo của các thầy cô để đồ án của em được hoàn

thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS. Văn Đình Sơn

Thọ và các thầy cô trong toàn khoa và bạn bè đã giúp đỡ em hoàn thành

quyển đồ án này.

Hà Nội, tháng 5 năm 2008

Sinh viên

Lê Văn Trung

Page 118: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Đinh Thị Ngọ. Hoá học dầu mỏ và khí. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. 2006 2.Nguyễn Bin . Tính toán quá trình và thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm . Tập 4 .Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật . 2001 3. Tập thể tác giả. Sổ tay quá trình và thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm. Tập 1. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. 2005 4. Tập thể tác giả. Sổ tay quá trình và thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm. Tập 2. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. 2005 5. Nguyễn Bin. Các quá trình thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm. Tập 4. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. 2002 6. Bùi Hải, Trần Thế Sơn. Kỹ thuật nhiệt. Đại học Bách Khoa Hà Nội - 1990 7.E.Lalik , R.Mirek , J.Rakocry , A.Groszek . Microcalorimetric study of sorption of water and etanol in Zeolites 3A and 5A .Catalysis today 114(2006) 242-247 . 8.John Cambell. Gas conditioning and processing.Cambell petroleum series USA.1984. 9. Nguyễn Hữu Tùng, Nguyễn Văn Cường. Nghiên cứu các phương pháp và chế độ tái sinh Zeolite dùng trong sản xuất cồn cao độ. 2007. 10.Ullmann’s Encyclopedia of industrial chemitry. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA. 2004 . 11.Tập thể tác giả. Sổ tay tóm tắt các đại lượng hoá lý. Tủ sách đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh. 1992. 12. Hoàng Văn Chước. Thiết kế hệ thống thiết bị sấy. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội – 2006. 13.Nguyễn Bin . Các quá trình thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm. Tập 1 . Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. 2002 14.Nguyễn Bin . Các quá trình thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm. Tập 2 . Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. 2002 15.Nguyễn Bin . Các quá trình thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm. Tập 3 . Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. 2002

Page 119: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

119

Mục lục

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG .................................................................. 1 PHẦN II: LÝ THUYẾT CHUNG ................................................................ 4

I. NGUYÊN LIỆU ETANOL ......................................................................................4 I.1. Tính chất của Etanol ..........................................................................................4 I.2. Cơ chế phụ gia của Etanol khi pha vào xăng ......................................................4 I.3. Ứng dụng của Etanol .........................................................................................5 I.4. Tình hình sản xuất Etanol trên thế giới hiện nay ................................................5

II. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN CAO ĐỘ ............................................................8 II.1. Phương pháp chưng cất ....................................................................................8

II.1.1. Chưng trích ly: ..........................................................................................8 II.1.2. Chưng phân tử [3]...................................................................................10

II.2. Phương pháp dùng chất hấp phụ chọn lọc – Zeolite ........................................11 II.2.1. Giới thiệu về Zeolite [1]........................................................................11 II.2.2. Quá trình hấp phụ [4- 241].....................................................................13 II.2.3. Phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối bằng vật liệu hấp phụ chọn lọc.........15

II.3. Phương pháp dùng các chất hút ẩm.................................................................21 II.4. Phương pháp thẩm thấu qua màng ..................................................................21 II.5. Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu và rây phân tử ..................................23 II.6. Kết hợp chưng cất và thẩm thấu qua màng: ....................................................23 II.7. So sánh đánh giá các phương pháp .................................................................24

III. MỘT SỐ CÁC THỰC NGHIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ SẢN XUẤT CỒN BẰNG ZEOLITE 3A .......................................................................................26

III.1 Các tính chất và các đại lượng nhiệt động của quá trình hấp phụ nước: ..........28 III.2 Các tính chất và các đại lượng nhiệt động của quá trình hấp phụ Etanol .........28 III.3 Đường cong biểu diễn quá trình nhiệt và quá trình hấp phụ , nhả hấp phụ nước trên chất hấp phụ [7]: ...............................................Error! Bookmark not defined.

PHẦN III: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG .........................................................................................30

A. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT ...............................................................30 I. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ .........................................................30

I.1. Tính vρ và rρ .................................................................................................30 I.2. Tính lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu vào ....................................................30 I. 3. Tính lượng nước bị hấp phụ trong một giờ ......................................................31 I.4. Cân bằng vật chất lượng nước vào và ra khỏi tháp hấp phụ ..............................31

II. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH NHẢ HẤP........................................................34 III. TÍNH LƯỢNG ZEOLITE CẦN THIẾT VÀ TỐC ĐỘ HỖN HỢP ĐẦU VÀO ....35

III.1 Tính lượng Zeolite cần thiết ...........................................................................35 B. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG ........................................................37 I. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ .........................................................38

I.1. Tính nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình hấp phụ ở 107 oC trong một mẻ: ..........38

Page 120: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

120

I.2. Tính toán nhiệt độ trung bình của toàn bộ thiết bị trong quá trình thực hiện hấp phụ ........................................................................................................................39

II. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH LÀM NÓNG VẬT LIỆU (2) TỪ 107oC ÷ 350oC..................................................................................................................................40

II.1. Tính nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ chất hấp phụ: ........................................40 II.2. Nhiệt lượng Q2N để để nâng lượng nước bị hấp phụ từ 107 ÷ 350 oC ..............41 II.3. Nhiệt lượng Q2E để nâng nhiệt của Etanol bị hấp phụ từ 107 ÷ 350 oC............41

III. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH GIẢI HẤP (3) .................................................41 II.1. Tính nhiệt lượng cần thiết để thực hiện quá trình giải hấp phụ Q3 ...................42

IV. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH LÀM MÁT VẬT LIỆU (4) ......................................42 V. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CẤP NHIỆT NHẢ HẤP PHỤ ...................................43

V.1. Tính nhiệt lượng do lượng khí N2 mang vào trong quá trình làm nóng khối vật liệu lên nhiệt độ 350oC...........................................................................................43 V.2. Tính lượng nhiệt do Nitơ mang vào trong quá trình thực hiện quá trình nhả hấp phụ ở 350oC...........................................................................................................43 V.3. Tính toán lượng N2 cần thiết cho quá trình nâng nhiệt độ của khối vật liệu từ nhiệt độ 107 ÷ 350oC .............................................................................................44 V.4. Tính lượng N2 cần thiết để thực hiện quá trình nhả hấp phụ............................45 V.5. Tính tốc độ khí N2 trong quá trình nhả hấp phụ và làm nóng khối vật liệu ......46

VI. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN LƯỢNG N2 ĐỂ LÀM MÁT KHỐI VẬT LIỆU TRONG QUÁ TRÌNH (4) .........................................................................................47

VI.1. Lựa chọn tốc độ dòng khí để thực hiện quá trình làm mát khối vật liệu .........47 VI.2. Tính toán nhiệt độ trung bình của dòng khí N2 sau khi ra khỏi tháp trong quá trình làm mát khối vật liệu .....................................................................................47

VI.2.1. Tính Lượng khí N2 truyền qua thiết bị trong 8h ......................................48 VI.2.2. Tính lượng nhiệt thực tế mà khối vật liệu truyền cho khối khí trong 8h ..48 VI.2.3. Tính nhiệt độ dòng khí N2 sau khi ra khỏi thiết bị T4r .............................48

VI.3. Tính toán nhiệt độ trung bình của dòng khí sau khi qua thiết bị trao đổi nhiệt dòng khí nhả hấp phụ.............................................................................................49

VI.3.1. Tính nhiệt lượng dòng hơi nhả hấp truyền cho thiết bị trao đổi nhiệt trong giai đoạn (2).......................................................................................................50 VI.3.2. Tính lượng nhiệt dòng hơi nhả hấp truyền cho thiết bị trao đổi nhiệt trong giai đoạn (3).......................................................................................................50 VI.3.3. Tính nhiệt độ của dòng khí N2 tận dụng nhiệt sau khi đi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt......................................................................................................51

VII. TÍNH TOÁN LƯỢNG NƯỚC LÀM MÁT ........................................................52 VII.1.Tính nhiệt toả ra do hỗn hợp khí nhả toả ra sau khi làm lạnh.........................52 VII.2. Tính toán tốc độ dòng nước làm mát............................................................52 VII.3. Tính nồng độ của rượu ngưng tụ lấy ra từ thiết bị làm lạnh ..........................53

VIII. TÍNH TOÁN NHIỆT LƯỢNG CALORIFIER CẦN CẤP ................................54 Hình 3.6.............................................................................................................54

VIII.1. Tính toán lượng nhiệt cần thiết để đưa dòng khí N2 từ 115oC ÷ 350 oC.......54 VII.2.Tính toán lưu lượng dòng hơi nước quá nhiệt đi trong calorifier ...................55

IX. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG NỒI HƠI CUNG CẤP ...................57 IX.1. Tính lượng nước cần thiết để đun trong nồi hơi.............................................57 IX.2. Tính toán nhiệt lượng cần thiết nồi hơi cung cấp cho hơi nước ......................57

Page 121: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

121

IX.2.1. Tính toán nhiệt lượng cần thiết đưa nước trong nồi hơi lên 600oC ..........57 IX.2.2. Tính nhiệt lượng cần thiết mà nồi hơi cần bù lại cho hơi nước khi trao đổi nhiệt qua calorifier .............................................................................................58

IX.3. Tính lượng than cần cung cấp để đốt nồi hơi .................................................59 PHẦN IV: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ...............................................................59

I. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH............................................................................59 I.1. Chọn kích thước thiết bị ..................................................................................59

I.1.1. Tính vận tốc cho phép của dòng khí ..........................................................60 I.1.2. Tính toán chiều cao của tháp .....................................................................60 I.1.3. Tính tổn thấp áp suất qua lớp hạt...............................................................63

I.2. Tính chiều dày thân tháp..................................................................................65 66

I.3. Tính đường kính ống dẫn hơi vào tháp.............................................................66 .......................................................................................................................

II. TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHỤ....................................................70 II.1. Thiết bị trao đổi nhiệt .....................................................................................70

II.1.1. Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc ngoài [4-113] ......................................70 II.1.2. Thiết bị truyền nhiệt loại ống ...................................................................71 II.1.4. Thiết bị truyền nhiệt loại xoắn ốc.............................................................76 II.1.5. Thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân ........................................................77 II.1.6. So sánh và lựa chọn thiết bị trao nhiệt......................................................77

II.2. Calorifier cấp nhiệt .........................................................................................78 II.2.3. Calorifier khói – khí ................................................................................82 II.2.4. Lựa chọn calorifier cấp nhiệt ...................................................................83

II.3. Nồi hơi ...........................................................................................................84 II.4. Thiết bị ngưng tụ ............................................................................................85

II.4.1. Ngưng tụ gián tiếp ...................................................................................86 II.5. Lựa chọn thiết bị lọc bụi.................................................................................87

II.5.1. Thiết bị đường lắng .................................................................................87 II.5.2. Thiết bị buồng lắng..................................................................................88 II.5.3 Xyclon lọc bụi ..........................................................................................89 II.5.4. Thiết bị lọc tay áo ....................................................................................89 II.5.4. Thiết bị lọc kiểu vách ngăn ......................................................................90 II.5.5 Một số thiết bị khác ..................................................................................91

II.6. Lựa chọn bơm ................................................................................................92 II.6.1 Bơm vận chuyển chất lỏng........................................................................92 II.6.2. Bơm vận chuyển chất khí ........................................................................92

PHẦN V – XÂY DỰNG ............................................................................94 I. XÁC ĐỊNH ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG NHÀ MÁY.................................................94

I.1. Các cơ sở để xác định địa điểm xây dựng ........................................................94 I.2. Các yêu cầu đối với địa điểm xây dựng............................................................95

I.2.1. Các yêu cầu chung ....................................................................................95 I.2.2. Các yêu cầu về kỹ thuật xây dựng .............................................................96

II. THIẾT KẾ TỔNG MẶT BẰNG ...........................................................................96 II.1. Các nhiệm vụ chính khi thiết kế tổng mặt bằng nhà máy ................................97 II.2. Các yêu cầu thiết kế tổng mặt bằng nhà máy ..................................................97

Page 122: Thiet ke xuong sx con tuyet doi

122

II.3. Nguyên tắc phân vùng trong nhà máy.............................................................98 II.3.1. Vùng trước nhà máy ................................................................................98 II.3.2. Vùng sản xuất..........................................................................................99 II.3.3. Vùng các công trình phụ ..........................................................................99 II.3.4. Vùng kho tàng và khu vực giao thông.....................................................99 II.3.5. Ưu nhược điểm của phương pháp phân vùng ......................................... 100

II.4. Những căn cứ để sản xuất phân xưởng sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp hấp phụ Zeolite ....................................................................................................100 II.5. Tính toán và xác định kích thước chính của các công trình trong nhà máy. ...100 II.6. Cấu tạo phân xưởng sản xuất. ....................................................................... 101

II.6.1. Kết cấu móng ........................................................................................ 101 II.6.2. Cột ........................................................................................................ 101 II.6.3. Mái........................................................................................................ 102 II.6.4. Cửa sổ ...................................................................................................102 II.6.5. Cửa ra vào phân xưởng .......................................................................... 102

PHẦN VI: ĐIỆN, NƯỚC .........................................................................105 I.ĐIỆN .................................................................................................................... 105

I.1. Tính phụ tải chiếu sáng .................................................................................. 105 I.2. Tính phụ tải động lực..................................................................................... 106 I.3.Lượng điện tiêu thụ hàng năm của nhà máy .................................................... 106

I.3.1. Điện năng thắp sáng................................................................................ 106 I.3.2. Điện năng cho phụ tải động lực ............................................................... 107 I.3.3. Điện năng tiêu thụ toàn phân xưởng trong một năm ................................ 107

II. NƯỚC ................................................................................................................ 107 II.1. Nước sinh hoạt ............................................................................................. 107 II.2. Nước sản xuất .............................................................................................. 108

PHẦN VII: KINH TẾ ...............................................................................109 I.TÓM LƯỢC DỰ ÁN ............................................................................................ 109 II. KẾ HOẠCH SẢN XUẤT ................................................................................... 109

II.1. Kế hoạch sản xuất ........................................................................................ 109 II.2. Tính toán kinh tế .......................................................................................... 109

II.2.1. Vốn cố định. .......................................................................................... 109 II.2.2. Vốn lưu động......................................................................................... 111 II.2.3. Chi phí nhu cầu về nước. ....................................................................... 112 II.2.4. Tính nhu cầu lao động ........................................................................... 112 II.2.5. Giá thành sản phẩm. .............................................................................. 113 II.2.6. Lãi và thời gian thu hồi vốn ...................................................................114