THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT MÂM CHÓP HỆ ETHAOL-NƯỚC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC THỰC HÀNH TÍNH TỐN HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HỐ HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT MÂM CHÓP HỆ ETHAOL-NƯỚC Giảng viên hướng dẫn: ThS.Võ Thanh Hưởng Sinh viên thực hiện: VÕ THỊ HUYỀN TRANG MSSV: 18087891 Lớp: Khố: 2021-2022 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2022 BỘ CƠNG THƯƠNG CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHCN TP HỒ CHÍ MINH Độc lập – Tự – Hạnh phúc TÍNH TỐN HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC KHOA: CƠNG NGHỆ HỐ HỌC BỘ MƠN: MÁY & THIẾT BỊ HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN LÊ NGỌC MINH THÙY MSSV:18029881 LỚP HP: 420300324806 Tên nhiệm vụ: Tính tốn hệ thống thiết kế thiết bị tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp Aceton – Clorofom với suất nhập liệu 1800 kg/h Nhiệm vụ (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu) a Số liệu ban đầu: - Nồng độ nhập liệu 28 % phần mol aceton - Nồng độ sản phẩm đỉnh 85 % phần mol aceton - Nồng độ sản phẩm đáy % phần mol aceton - Các thống số khác tự chọn b Yêu cầu: - Tổng quan quy trình cơng nghệ PFD - Cân vật chất cân lượng cho toàn hệ thống cơng nghệ PFD - Tính tốn chi tiết cho thiết bị c Bản vẽ: - Bản vẽ qui trình cơng nghệ PFD (1 A1) - Bản vẽ chi tiết thiết bị (1 A1) Ngày giao nhiệm vụ tập lớn Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Họ tên người hướng dẫn: ThS Nguyễn Minh Tiến Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 08 năm 2021 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) Nguyễn Minh Tiến LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đưa mơn “Thực hành tính tốn hệ thống thiết kế thiết bị cơng nghệ hố học ” vào chương trình giảng dạy Với tình cảm sâu sắc chân thành nhất, em xin gửi đến q Thầy Cơ Khoa Cơng nghệ Hóa học truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em suốt thời gian học tập trường Nhờ có lời hướng dẫn, dạy bảo tận tình thầy giúp em có thêm nhiều kiến thức học quý giá sống Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến giảng viên môn- Ks.Nguyễn Minh Tiến, người dày công truyền đạt kiến thức hướng dẫn em Trong suốt trình học tập tìm hiểu em nhận giúp đỡ, hướng dẫn tận tình từ thầy Những kiến thức em học hỏi từ thầy tảng cho em hoàn thành báo cáo Tuy nhiên, kiến thức thời gian nghiên cứu có hạn nên báo cáo em khó tránh khỏi sai sót Do đó, em mong nhận nhận xét, ý kiến, phê bình từ phía thầy để kiến thức em lĩnh vực hoàn thiện hơn.Một lần em xin chân thành cảm ơn xin kính chúc thầy dồi sức khoẻ, hạnh phúc thành công đường nghiệp giảng dạy Em xin chân thành cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2021 Sinh viên thực (Ghi họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Phần đánh giá: (thang điểm 10)     Thái độ thực hiện: Nội dung thực hiện: Kỹ trình bày: Tổng hợp kết quả: Điểm số: …… … Điểm chữ: TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20.… Trưởng môn Giảng viên hướng dẫn Chuyên ngành (Ký ghi họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20… Giảng viên phản biện (Ký ghi họ tên) MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 12 1.1 Tổng quan chưng cất 12 1.1.2 Giới thiệu chưng cất 12 1.2 Các phương pháp thiết bị chưng cất 12 1.2.1 Các phương pháp chưng cất 12 1.2.2 Các thiết bị chưng cất .12 1.3 Nguyên liệu 14 1.3.1 Acetone 14 1.3.2 Etanol 14 CHƯƠNG SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 16 2.1 Thuyết minh quy trình 16 CHƯƠNG CÂN BẰNG VẬT CHẤT 18 3.1 Cân vật chất toàn hệ thống .18 3.1.1 Các thông số ban đầu 18 3.1.2 Nồng độ phần khối lượng aceton tháp 18 3.1.3 Suất lượng mol dòng 19 3.1.4 Xác định số hồi lưu: 19 3.1.5 Phương trình đường làm việc: 24 3.2 Cân vật chất cho thiết bị: 28 3.2.1 Cân vật chất cho thiết bị gia nhiệt E-101 .28 3.2.2 Cân vật chất thiết bị ngưng tụ E-102 .29 3.2.3 Cân vật chất cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh E- 103 31 3.2.4 Cân vật chất cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy E-105 32 3.2.5 Lượng khỏi đỉnh tháp 33 3.2.6 Lượng khỏi đáy tháp: 35 3.2.7 Cân vật chất cho thiết bị nồi đun Kettle E-104 36 CHƯƠNG CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 39 4.1 Cân nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu E-101 .39 4.2 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ E-102 40 4.3 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh E-103 41 4.4 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy E-105 42 4.5 Cân nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất 43 4.5.1 Nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào .44 4.5.2 Nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang 44 4.5.3 Nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang .44 4.5.4 Nhiệt lượng dịng hồn lưu mang vào 44 CHƯƠNG TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHƯNG CẤT 45 5.1 Đường kính tháp 45 5.2 Đường kính đoạn cất: .45 5.2.1 Tốc độ trung bình tháp đoạn cất: 45 5.3 Đường kính đoạn chưng: .47 5.3.1 Tốc độ trung bình tháp đoạn chưng 47 5.4 Chiều cao tháp .49 5.5 Tính tốn chóp ống chảy chuyền 49 5.6 Tổng trở lực phần cất .54 5.6.1 Trở lực đĩa khô Pk 54 5.6.2 Trở lực sức căng bề mặt .54 5.6.3 Trở lực lớp chất lỏng đĩa (trở lực thủy tĩnh Pt) .55 5.7 Tổng trở lực phần chưng: 55 5.7.1 Trở lực đĩa khô Pk 55 5.7.2.Trở lực sức căng bề mặt 56 5.7.3 Trở lực lớp chất lỏng đĩa (trở lực thủy tĩnh Pt) .56 CHƯƠNG TÍNH TỐN CƠ KHÍ 57 6.1 Bề dày thân tháp: 57 6.2 Đáy nắp thiết bị 58 6.3 Mặt bích: 59 6.4 Bích ghép ống dẫn 60 6.4.1 Ống dẫn dòng nhập liệu: 60 6.4.2 Ống đỉnh tháp: .61 6.4.3 Ống dẫn dịng hồn lưu: 62 6.4.4 Ống dẫn từ nồi đun qua tháp: 63 6.4.5 Ống dẫn lỏng đáy tháp: 63 6.5 Tai treo, chân đỡ: 64 CHƯƠNG KẾT LUẬN 69 CHƯƠNG TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Ưu nhược điểm loại tháp 13 Bảng 3.1: Số liệu cân lỏng hệ acentone Etanol .19 Bảng 3.2: Mối quan hệ số hồi lưu số đĩa lý thuyết 24 Bảng 5.1Tính tốn đường kính thực tế đoạn cất 46 Bảng 5.2 Tính tốn đường kính thực tế đoạn chưng 48 Bảng 6.1 Kích thước bích nối tháp 60 Bảng 6.2 Bảng kích thước bích ghép ống nhập liệu 61 Bảng 6.3 Bảng kích thước bích ghép ống 62 Bảng 6.4 Bảng kích thước bích ghép ống dẫn dịng hồn lưu 62 Bảng 6.5 Bảng kích thước bích ghép ống dẫn từ nồi đun qua tháp 63 Bảng 6.6 Bảng kích thước bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy 64 Bảng 6.7 Bảng kích thước chân đỡ tháp 67 Bảng 6.8 Bảng kích thước tai treo tháp 68 DANH MỤC ĐỒ THỊ Đồ thị 3.1: Đồ thị cân x-y hệ Acetone-Etanol 20 Đồ thị 3.2: Đồ thị thể số mâm lí thuyết b=1,2 .21 Đồ thị 3.3: Đồ thị thể số mâm lí thuyết b=1.4 .22 Đồ thị 3.4: Đồ thị thể số mâm lí thuyết b=1.6 22 Đồ thị 3.5: Đồ thị thể số mâm lí thuyết b=1.8 .23 Đồ thị 3.6: Đồ thị thể số mâm lí thuyết b=2 .23 Đồ thị 3.7: Đồ thi biểu diễn mối quan hệ giứa N N.(R+1) 24 Đồ thị 3.8: Đồ thị biểu diễn số mâm lý thuyết hệ Acetone- Etanol 25 10 60 CHƯƠNG TÍNH TỐN CƠ KHÍ 6.1 Bề dày thân tháp: Thân tháp thiết kế hình trụ phương pháp hàn giáp mối Thân tháp ghép với mối ghép bích Chọn vật liệu chế tạo thân tháp thép khơng gỉ mã X18H10T - Áp suất tính tốn: Ptt = Ph + Pthủy tĩnh + P (N/m2) o Ph: áp suất tháp = 1at = 9,81.104 (N/m2) o Pthủy tĩnh: áp suất thủy tĩnh (N/m2) P thủy tĩnh = x.g.H   - x: khối lượng riêng pha lỏng ❑ xtb+❑'xtb 746,864+741,301 = 744,083 (kg/m3) ❑x = = 2 H: chiều cao tháp chưng cất (m) H = 7(m) P thủy tĩnh = x.g.H = 744,083.9,81 = 51096,18 (N/m2) P: Tổng trở lực tháp (N/m2): P = 4615,02 (N/m2)  Ptt = Ph + P thủy tĩnh + P = 9,81.104 + 51096,18 + 4615,02 = 153811,2 (N/m2) = 0,154(N/mm2) Chọn áp suất tính tốn (N/mm2) - Nhiệt độ tính tốn Chọn nhiệt độ tính tốn: ttt = t đáy = 74,92℃ Chọn t = 74,92℃ Chọn hệ số hiệu chỉnh:  = Ứng suất cho phép thép X18H10T theo giới hạn bền xác đinh theo công thức σk 540.10 [❑k ]= η= 1=208 106 ( N / mm 2) nk 2,6 Ứng suất cho phép giới hạn chảy thép X18H10T theo giới hạn chảy: [❑k ]= σc 220.106 η= 1=147.10 ( N /mm ) nc 1,5 Ta lấy giá trị bé hai kết vừa tính ứng suất để tính tốn tiếp: Vì ta chọn phương pháp chế tạo thân phương pháp hàn hồ quang điện kiểu hàn hàn giáp mối hai bên nên: Chọn hệ số bền mối hàn φ h=0,95 61 [❑k ] 147 10 φ h= 0,95=930,83>50 Ptt 150026,5 Bề dày thực thân tính theo cơng thức: S= Dt P tt 0,65 153811,2 −4 +C= +C=3,58.10 +C( m) 2.[❑k ] φh 2.147 10 0,95 Ta có: C=C 1+C +C3 Trong đó: o C1: hệ số bổ sung ăn mịn hố học mơi trường Chọn tốc độ ăn mịn 0,06 (mm/năm), thiết bị hoạt động khoảng 20 năm, C1 ¿ 1.10−3 m o C2: hệ số bổ sung ăn mòn học, chọn C2 = o C3: hệ số bổ sung sai lệch chế tạo, lắp ráp, chọn C3 ¿ 0,8 10−3 m Vậy nên C=C 1+C +C3 =(1+0+ 0,8) 10−3=1,8 10−3 m  S=3,58.10−4 +C=3,58.10−4 +1,8 10−3=2,16 10−3 m Lấy S = 3mm Kiểm tra cơng thức tính tốn với S=3.10−3 m S t−C1 3−1 = =¿ 0,00308 < 0,1 Dt 650 6.2 Đáy nắp thiết bị Ta sử dụng thép không gỉ X18H10T dung làm vật liệu để chế tạo đáy nắp thiết bị Hình 6.9 Đáy, nắp elip Các kích thước đáy nắp elip tiêu chuẩn, có gờ (trang 382[2]) - Đường kính trong: Dt = 650 (mm) Chiều cao phần lồi đáy (đoạn khum đáy) hb = 162 (mm) Chiều cao gờ (đoạn trụ): h = 25 (mm) (Bảng XIII.1.1, trang 384[2]) Thể tích đáy: V = 44,2.10-3 (m3) Diện tích mặt đáy: Fđáy = 0,51 (m2) Chiều dày Sđn đáy nắp làm việc chịu áp suất trong: 62 Sđ n =  Sđ n = Dt P tt Dt +C (XIII.47, trang 385 [2]) 3,8 [ ❑k ] k ❑h h D t P tt Dt 0,65 153811,2 0,65 +1,8.10−3  2,04 10−3 +C = 3,8 [ ❑k ] k ❑h h 3,8.147 10 0,95 2.0,25 (m) Hệ số không thứ nguyên: k =1 Chọn loại đáy nắp có lỗ tăng cứng hoàn toàn Kiểm tra bề dày phần nắp đáy: −4 S−C=0,00204−0,0018=2,4 10 ( m )=0,24 ( mm )