ĐỒ án THIẾT kế kỹ THUẬT HOÁ học TÍNH TOÁN và THIẾT kế THÁP CHƯNG cất mâm CHÓP hệ METHANOL – nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MƠN: Q TRÌNH - THIẾT BỊ - ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT HOÁ HỌC TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT MÂM CHĨP HỆ METHANOL – NƯỚC GVHD: ThS Nguyễn Thị Như Ngọc SVTH: Nguyễn Mai Hiền Trinh MSSV: 1810608 TP.HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2021 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com LỜI NĨI ĐẦU Đồ án thiết kế kỹ thuật hố học mơn học mang tính tổng hợp tất kiến thức trình học tập kỹ sư hóa học nhằm củng cố nắm vững kiến thức học, thúc đẩy niềm đam mê, tìm tịi rèn luyện kỹ giải vấn đề Đồng thời, việc tiếp cận với quy trình thực tế thơng qua việc tính tốn, lựa chọn quy trình thiết bị với yêu cầu cụ thể, thách thức hội để sinh viên tìm hiểu, vận dụng cơng nghệ ngành kỹ thuật hóa học nhằm giải xử lý yêu cầu đặt cho kỹ sư Đề tài em đảm nhiệm Đồ án thiết kế kỹ thuật hoá học “ Tính tốn thiết kế tháp chưng cất mâm chóp hệ methanol – nước ” với suất nhập liệu 1500 kg/h, có nồng độ 30% khối lượng methanol, thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 98% khối lượng methanol sản phẩm đáy có nồng độ 1% khối lượng methanol Thơng qua đề tài này, phần giúp em có nhìn tổng quan vai trị tầm quan trọng độ tinh khiết sản phẩm, cụ thể methanol Bên cạnh đó, thân em làm quen với cơng việc tính tốn, thiết kế kỹ sư tương lai Thực đồ án tình hình dịch bệnh Covid - 19 diễn biến phức tạp, điều kiện học tập, làm việc có nhiều khó khăn Song, với tận tình hướng dẫn, chia sẻ kinh nghiệm tính tốn, thiết kế đầy q báu cô Nguyễn Thị Như Ngọc nguồn động lực to lớn giúp em hồn thành đồ án Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Nguyễn Thị Như Ngọc, thầy mơn Q Trình - Thiết bị giảng dạy cho chúng em kiến thức, kỹ vốn sống Mến chúc quý thầy cô thật nhiều sức khỏe thành công sống Đồng thời, em/mình cảm ơn anh, chị bạn ngồi nhóm góp ý để em/mình hồn thiện đồ án cách tốt khả thân Tuy nhiên, q trình thực chắn khơng tránh khỏi sai sót kiến thức cịn hạn hẹp, em mong q thầy xem xét, góp ý, dẫn để em hồn thành đồ án trọn vẹn TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com MỤC LỤC -CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN I Lý thuyết chưng cất 1 Khái niệm Các phương pháp chưng cất Thiết bị chưng cất II Nguyên liệu .3 Methanol Nước 3 Hệ methanol – nước CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ I Lựa chọn thiết bị II Sơ đồ quy trình cơng nghệ .6 CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG I Cân vật chất Các thông số Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy 10 Xác định số hồi lưu thích hợp 12 3.1 Xác định số hồi lưu tối thiểu Rmin 12 3.2 Xác định số hồi lưu thích hợp Rx 13 Xác định số mâm chưng cất thực tế 13 4.1 Xác định số mâm lý thuyết 13 4.2 Xác định số mâm thực tế 14 III Cân lượng 15 Cân nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dịng nhập liệu 15 Cân nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất 17 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 19 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 20 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 21 I Tính tốn đường kính tháp chưng 21 Đường kính đoạn cất 21 Đường kính đoạn chưng 23 II Tính chiều cao tháp 26 IV Tính kết cấu phần tháp chưng cất 26 Tính tốn chi tiết chóp trịn 26 Tính toán chi tiết ống chảy chuyền 28 Tính tốn lỗ tháo lỏng 29 V Kiểm tra hoạt động chóp 29 Độ mở chóp 29 Chiều cao mực chất lỏng gờ chảy tràn 30 Gradient chiều cao mực chất lỏng mâm 30 Độ giảm áp pha khí qua mâm 31 Chiều cao mực chất lỏng không bọt ống chảy chuyền 31 Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền 32 VI Tính trở lực tháp 32 Trở lực mâm khô 33 Trở lực mâm sức căng bề mặt 33 Trở lực chất lỏng mâm 34 Tổng trở lực tháp chóp 35 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN CƠ KHÍ 36 I Chiều dày thiết bị 36 Thân tháp chưng cất 36 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Đáy nắp thiết bị 38 II Tính toán ống dẫn 39 Ống dẫn sản phẩm đáy 39 Ống dẫn dòng nhập liệu 39 Ống dẫn khỏi đỉnh tháp 40 Ống dẫn vào đáy tháp 40 Ống dẫn lỏng hoàn lưu 40 III Chọn bích vịng đệm 41 Bích đệm để nối bít kín thiết bị 41 Bích để nối ống dẫn 42 IV Tai treo chân đỡ 43 Tính sơ khối lượng tháp 43 Tai treo 44 Chân đỡ 44 CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 46 I Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 46 II Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 49 III Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 53 IV Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 55 V Bồn cao vị 58 Tổn thất đường ống dẫn 58 1.1 Vận tốc dòng nhập liệu 59 1.2 Xác định hệ số ma sát đường ống 59 1.3 Xác định tổng hệ số tổn thất cục 59 Tổn thất đường ống dẫn thiết bị đun sơi dịng nhập liệu .59 2.1 Xác định hệ số ma sát đường ống 60 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 2.2 Xác định tổng h 2.3 Chiều cao bồn VI Bơm 1.Cột áp 1.1 Xác định hệ số 1.2 Xác định tổng t 1.3 Xác định tổng t Công suất TÀI LIỆU THAM KHẢO TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Lý thuyết chưng cất I Khái niệm Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hoà cấu tử khác nhau) Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha q trình hấp thu nhả khí, q trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ Chưng cất cô đặc giống nhau, nhiên khác hai trình trình chưng cất dung môi chất tan bay (nghĩa cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khác nhau), trình đặc có dung mơi bay cịn chất tan khơng bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có hai cấu tử ta thu hai sản phẩm: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sôi nhỏ) - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ Benzen – Toluen: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen toluen - Sản phẩm đáy chủ yếu toluen benzen Các phương pháp chưng cất Các phương pháp chưng cất phân loại theo: - - Áp suất làm việc: • Áp suất thấp (nhỏ áp suất khí quyển) • Áp suất thường (bằng áp suất khí quyển) • Áp suất cao (lớn áp suất khí quyển) Nguyên tắc làm việc: dựa vào nhiệt độ sơi cấu tử có hệ, nhiệt độ sơi cấu tử q cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi 1|Page TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp cấu tử có hệ, từ dẫn đến làm thay đổi giản đồ pha hệ theo hướng giảm nhiệt độ sơi hệ chưng cất - Ngun lí làm việc: • Chưng bậc • Chưng lơi theo nước • Chưng cất - Cấp nhiệt đáy tháp: • Cấp nhiệt trực tiếp • Cấp nhiệt gián tiếp Do hệ cần phân tách hệ methanol – nước, có nhiệt độ sơi cấu tử áp suất khí o o 65 C (với methanol nguyên chất) 100 C (với nước nguyên chất) dựa theo số liệu cân lỏng – – nhiệt độ sôi (T – x – y) hệ áp suất khí khơng có điểm đẳng phí, khoảng nhiệt độ sơi hỗn hợp dao o động khoảng 65 – 100 C tùy theo nồng độ cấu tử Khoảng nhiệt độ không cao để phải thực chưng cất chân khơng Vì vậy, để chưng cất hệ methanol – nước ta thực chưng cất áp suất khí (xem atm), tháp hoạt động liên tục (để ổn định suất, dễ giới hóa, tự động hóa giảm chi phí vận hành Thiết bị chưng cất Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu chung thiết bị giống nghĩa diện tích tiếp xúc pha phải lớn Điều phụ thuộc vào mức độ phân tán pha vào Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở ta khảo sát hai loại tháp thường dùng tháp mâm tháp chêm Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tuỳ theo cấu tạo mâm, ta có: - Tháp mâm chóp: mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ S,…và ống chảy chuyền có nhiều tiết diện khác phụ thuộc vào suất lượng pha lỏng 2|Page TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy BI Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp nồi đun Kettle Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 25x2, ống o Dòng sản phẩm đáy, trước vào nồi đun có nhiệt độ tw1 = 99,08 C, sau khỏi o nồi đun nhiệt độ tw2 = 100 C, ngồi o Dịng nước áp suất at ngưng tụ thơi = 132,7 C, ống Nhiệt hoá rh = 2171,29 (kJ/kg) Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính theo cơng thức: = ̅̅ (ST2_V.1/3) ∆ Hiệu số nhiệt độ trung bình: ̅̅ ∆ = Nhiệt lượng đốt cung cấp cho nồi đun: 2= 71603,52 (kJ/h) = 19889,87 (W) (đã tính cân lượng) Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức: Trong đó: : hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy ống (W/m2.K) ℎ: hệ số cấp nhiệt nước ngưng tụ (W/m2.K) ∑ : nhiệt trở thành ống lớp cáu (m2.K/W) * Hệ số cấp nhiệt nước xác định theo công thức: ℎ = 1,28 ( Với A hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ Nhiệt tải phía nước: = ℎ ℎ * Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy: Do nồng độ methanol dòng sản phẩm đáy nhỏ, nên ta xem dung dịch sản phẩm đáy nước: o Nhiệt độ trung bình sản phẩm đáy nồi: tStb = (99,08+100)/2 = 99,54 C Khi sủi bọt thể tích lớn, hệ số cấp nhiệt tính theo cơng thức: ′ = 7,77 10−2 ( 0,033 ℎ ) − ′ ( 53 | P a g e TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp → = 7,77 10−2 o Các thông số nước tStb = 99,54 C, 1at ( tra ST1) Khối lượng riêng pha lỏng: kg/m = 958,32 Khổi lượng riêng pha hơi, ta có: ′ = Độ nhớt động lực học: = 0,286 10−3 Hệ số dẫn nhiệt: Sức căng bề mặt: Nhiệt dung riêng: = 0,059 N/m Nhiệt hoá hơi: = 2258,61 kJ/kg Giả sử q = qt * Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: = 1− (W/m2) ∑ Trong đó: ∑ = +2 = mm: bề dày thành ống o = 17,5 (W/m K): hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ (ST3_Bảng 28/28) 2o r = 1/5000 (m K/W): Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống (ST2_V.1/4) = → 0,00217,5+2.50001 (t w1 −t w2) = 1944,44 (tw1 −t w2) (***) Từ (*), (**), (***), tính lặp để tìm tw1 tw2 o Chọn tw1 = 130,72 C Ta tra giá trị A = 191,216 → qh = 41195,37 (W/m2) Giả sử qt = qh → tw2 = 109,53 oC → qS = 41891,75 (W/m ) Kiểm tra sai số: = | − ℎ| 100% = 1,69% < 5% (thoả) ℎ o o Vậy tw1 = 130,72 C tw2 = 109,53 C Khi đó: ℎ= 20805,74 (W/m2.oC) = 4242,86 (W/m2.oC) 54 | P a g e TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com → = Diện tích bề mặt truyền nhiệt: Chiều dài ống truyền nhiệt: = → Vậy chọn L = 1,5 (m), thoả điều kiện L/d >50 tr ( + )/2 = 1,18 ( ) (ST2_V.1/3) IV Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu Chọn thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống đặt nằm ngang, gồm pass phía ống pass phía vỏ Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 16x2, 61 ống Các thơng số ống: Đường kính ngồi: dn = 16 mm = 0,016 m Bề dày ống: = mm = 0,002 m Đường kính trong: dtr = 0,012 m Hơi đốt nước at, ống 16x2 Ta thơng số: Nhiệt hố hơi: rnước = rn = 2171,29 kJ/kg o Nhiệt độ sôi: tnước = tn = 132,7 C Dịng nhập liệu có nhiệt độ: o - Trước vào nồi đun (lỏng): 25 C - Sau đun (hơi): 82,06 C o Suất lượng nước cần dùng: − 1= = 159,29 (kg/h) 0,95 Hiệu số nhiệt độ trung bình: Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: ̅ ∆ = ∆ ( Hệ số truyền nhiệt: = Trong đó: : hệ số cấp nhiệt dòng nhập2liệu (W/m2.K) : hệ số cấp nhiệt đốt (W/m K) ∑ : nhiệt trở thành ống lớp cáu (m2.K/W) 55 | P a g e TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp * Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: = 1− (W/m2) ∑ Trong đó: 1: nhiệt độ vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống) ∑ = + = mm: bề dày thành ống = 17,5 (W/m.oK): hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ (ST3_Bảng 28/28) 2o r = 1/5000 (m K/W): Nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống (ST2_V.1/4) = 5,14.10-4 (m2.oK/W) Vậy qt = 1944,44 ( Suy ra: ∑ − 2) (*) * Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống: o Tại nhiệt độ sơi trung bình dòng nhập liệu: tFtb = 53,53 C - Khối lượng riêng hỗn hợp: { ℎ = 761,82 / ướ = 985,91 / ℎℎ → ℎℎ = 905,96 kg/m3 Hệ số dẫn nhiệt: Độ nhớt hỗn hợp: { → →µ →µ ℎ = 0,38 10−3 N s/ ướ µℎℎ = µ ℎℎ ℎℎ ℎ 905,96 = 3,58 10−8 3748,87.905,96 √ 20,72 = 0,428 / = 0,52 10 −3 N s/ + (1 − ) µ ướ = 0,194 (0,38 10−3) + (1 − 0,194) = 0,489 10−3 / ( 0,52 10 −3) Nhiệt dung riêng hỗn hợp: { → = ℎℎ ℎ Áp dụng công thức ST2_V.35/12, ta được: = 0,428 = 3748,87.0,489 10−3 = 4,283 Vận tốc dòng nhập liệu ống: = 56 | P a g e TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chuẩn số Reynolds: → Chế độ chảy rối, chuẩn số Nusselt tính theo cơng thức: Chuẩn số Nusselt: * Xác định hệ số cấp nhiệt nước phía vỏ: = 0,725 4√ Hệ số cấp nhiệt thành ống có bị ảnh hưởng xếp ống Bố trí ống theo hình lục giác với 61 ống → số đường chéo đường cạnh ống Tra (ST2_Hình V.20/30), ta có = 0,85 Khi đó: = o Dùng phép lặp, chọn tF1 = 120,16 C o Nhiệt độ trung bình màng nước ngưng tụ: tm = 126,43 C Tại nhiệt độ này: =937,76 kg/m3; = 0,225.10-3 N.s/m2; = 12405,62 W/m2.K → qn = 2= − ∑ = 52,19 oC Tại nhiệt độ này: = 0,686 W/m.K (tn – tF1) = 132231,5 W/m2 → qt = qn =132231,5 W/m2 - Khối lượng riêng hỗn hợp: { = ℎℎ → ℎℎ = 906,83 kg/m3 - Hệ số dẫn nhiệt: 906,83 = 3,58 10−8 3746,36.906,83 √ 20,72 = 0,429 / → →µ →µ µℎℎ = µ ℎℎ ℎℎ ℎ = 0,194 = 0,386 10−3 N s/ ℎ Độ nhớt hỗn hợp: { + (1 − ) µ (0,386 10−3) + (1 − 0,194) = 0,5 10−3 / ướ = 0,531 10−3 N s/ ướ ( 0,531 10−3) Nhiệt dung riêng hỗn hợp: { → = ℎℎ ℎ 57 | P a g e TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp Áp dụng cơng thức ST2_V.35/12, ta = = 4,37 → NuF = 230,28 → = → ( = − 25) = 4704,29 (52,19 − 25) = 127909,65 W/m2 Kiểm tra sai số: = | − | 100% = 3,38% < 5% (thoả) o o Vậy tF1 = 120,16 C tF2 = 52,19 C Khi đó: = 2704,29 (W/m2.oC) = 10405,62 ( = Diện tích bề mặt truyền nhiệt: Chiều dài ống: → = ( + )/2 = 1,01 ( ) Vậy chọn L = 1,5 (m) Với cách bố trí ống vỉ theo hình lục giác, số ống truyền nhiệt cần thiết 61 ống, số ống đường chéo hình lục giác b = 9, số hình lục giác đồng tâm hình Chọn bước ngang hai ống: t = 1,25.dng = 1,25.0,016 = 0,02 (m) Đường kính vỏ thiết bị: Dtr = t.(b-1) + 4.dng = 0,224 (m) Vậy chọn chiều dài ống L = 1,5 m, đường kính vỏ tiêu chuẩn Dtr = 0,3 m Kiểm tra lại tỉ số L/Dtr: = V Bồn cao vị Tổn thất đường ống dẫn Chọn ống dẫn có đường kính dtr = 50 (mm) Tra ST1_II.15/381 → Độ nhám ống: Tổn thất đường ống dẫn: ℎ1 = ( 1 = 0,2 (mm)2 = 0,0002 (m) (ăn mịn ít) + ∑ 1) 1: hệ số ma sát đường ống 1: chiều dài đường ống dẫn, chọn 1: đường kính ống dẫn, = : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn = 30 (m) = 0,05 (m) ( ) 58 | P a g e TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp 1.1 Vận tốc dịng nhập liệu o Dòng nhập liệu dung dịch methanol 30% nhiệt độ 25 C có thơng số : Khối lượng riêng = 932,25 kg/m Độ nhớt động lực Năng suất nhập liệu F = 1500 kg/h = 1,605.10-3 N.s/m2 Vận tốc dòng nhập liệu ống: = 1.2 Xác định hệ số ma sát đường ống Chuẩn số Reynolds: = → Chế độ chảy độ, hệ số ma sát xác định theo công thức: = 1.3 Xác định tổng hệ số tổn thất cục *Chỗ uốn cong: Tra bảng ST1_II.16/382: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = Nên: ∑ -= Van: Chọn van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn: Lưu lượng kế: Vào tháp: ℎá 11 (1 ) = 0,15 Đường ống có chỗ uốn → = 0,15.4 = 0,6 = 5; van → = 5.2 = 10 = ( coi không đáng kể ) =1 + 1+ 11 = 0,6 + 10 + = 11,6 →ℎ Tổn thất đường ống dẫn thiết bị đun sơi dịng nhập liệu ℎ =( Trong đó: 2: 2: 2: hệ số ma sát đường ống chiều dài đường ống dẫn, chọn đường kính ống dẫn, = = (m) = 0,032 (m) 59 | P a g e TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp ∑ 2: 2: tổng hệ số tổn thất cục vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn, = 1,328 m/s 2.1 Xác định hệ số ma sát đường ống Chuẩn số Reynolds: Re2 = 51667,51 > 10000: chế độ chảy rối Độ nhám: = 0,0002 m Chuẩn số Reynolds giới hạn: = 6.( ℎ Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: = 220 ( Vì ℎ <