THỰC HÀNH TÍNH TOÁN hệ THỐNG và THIẾT kế THIẾT bị CÔNG NGHỆ HOÁ học THIẾT kế hệ THỐNG CHƯNG cất mâm CHÓP hệ ACETONE ETANOL

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 ACETONE- ETANOL Giảng viên hướng dẫn: ThS.NGUYỄN MINH TIẾN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN LÊ NGỌC MINH THUỲ MSSV: 18029881 Lớp: DHVC14 Khoá: 2020 – 2021 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2021 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 u cầu: - Tổng quan quy trình cơng nghệ PFD Cân vật chất cân lượng cho tồn 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 Cơng 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 quý Thầy Cô 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: Trưởng môn Chuyên ngành 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 1.1.Tổng quan chưng cất 1.1.2 Giới thiệu chưng cất 1.2.Các phương pháp thiết bị chưng cất 1.2.1Các phương 1.2.2 Các thiết bị chưng cất 1.3.Nguyên liệu 1.3.1 Acetone 1.3.2 Etanol CHƯƠNG SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 2.1.Thuyết minh quy trình CHƯƠNG CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1.Cân vật chất toàn hệ thống 3.1.1 Các thông số ban đầu 3.1.2 Nồng độ phần khối lượng aceton tháp 3.1.3 Suất lượng mol dòng 3.1.4 Xác định số hồi lưu: 3.1.5 Phương trình đường làm việc: 3.2.Cân vật chất cho thiết bị: 3.2.1 Cân vật chất cho thiết bị gia nhiệt E-101 3.2.2 Cân vật chất thiết bị ngưng tụ E-102 3.2.3 Cân vật chất cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh E- 103 3.2.4 Cân vật chất cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy E-105 3.2.5 Lượng khỏi đỉnh tháp 3.2.6 Lượng khỏi đáy tháp: 3.2.7 Cân vật chất cho thiết bị nồi đun Kettle E-104 CHƯƠNG CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 4.1.Cân nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt dò 4.2.Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ E6 4.3.Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh sản 4.4.Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh sản 4.5.Cân nhiệt lượng cho toàn tháp chưng 4.5.1 Nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào 4.5.2 Nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang 4.5.3 Nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang 4.5.4 Nhiệt lượng dòng hoàn lưu mang vào CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHƯNG CẤT 5.1.Đường kính tháp 5.2.Đường kính đoạn cất: 5.2.1 Tốc độ trung bình tháp đoạn cất: 5.3.Đường kính đoạn chưng: 5.3.1 Tốc độ trung bình tháp đoạn chưng 5.4.Chiều cao tháp 5.5.Tính tốn chóp ống chảy chuyền 5.6.Tổng trở lực phần cất 5.6.1 Trở lực đĩa khô Pk 5.6.2 Trở lực sức căng bề mặt 5.6.3 Trở lực lớp chất lỏng đĩa (trở lực thủy tĩnh Pt) 5.7.Tổng trở lực phần chưng: 5.7.1 Trở lực đĩa khô Pk 5.7.2.Trở lực sức căng bề mặt 5.7.3 Trở lực lớp chất lỏng đĩa (trở lực thủy tĩnh Pt) CHƯƠNG TÍNH TỐN CƠ KHÍ 6.1.Bề dày thân tháp: 6.2.Đáy nắp thiết bị 6.3.Mặt bích: 6.4.Bích ghép ống dẫn 6.4.1 Ống dẫn dòng nhập liệu: 6.4.2 Ống đỉnh tháp: 6.4.3 Ống dẫn dịng hồn lưu: 6.4.4 Ống dẫn từ nồi đun qua tháp: 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 hoàn 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 - Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu ống nối: 62 vF = 0,4 (m/s) √ - Đường kính ống nhập liệu: dF =  chọn đường kính ống nhập liệu: dF = 0,05 (m) = 50(mm) Tra bảng XIII.33 trang 435[2] chiều dài ống nối lF = 85 (mm) Tra bảng XIII.26 – trang 412[2] ứng với Dt = 650 (mm) áp suất tính tốn Ptt = 0,16 (N.mm2) Các thơng số bích ghép ống nhập liệu: Ptt (N/mm2) 0,16 6.4.2 Ống đỉnh tháp: - Suất lượng đỉnh tháp: gd = 1597,31 (kg/h) xD = 0,9 ( Khối lượng riêng đỉnh tháp: ❑ [58 yD= y D +(1− y D ) 46 ]273 ) [ +( − ] = 58.0,929 0,929 46 273 = 2,11 (kg/m3) 22,4.(tD +273)22,4(57+273) Lưu lượng khỏi tháp: Q h - Chọn vận tốc đỉnh tháp: vh = 25 (m/s) - Đường kính ống dẫn hơi: dD = √  chọn đường kính ống dẫn hơi: dD = 0,1 (m) = 100 (mm) Tra bảng XIII.33 trang 435[2] chiều dài ống nối lD = 100 (mm) Tra bảng XIII.27- trang 409[2] ứng với Dt = 650 (mm) áp suất tính tốn Ptt = 0,16 (N.mm2) 63 Các thơng số bích ghép ống đỉnh tháp: Bảng 6.8 Bảng kích thước bích ghép ống Ptt (N/mm2) 0,16 6.4.3 Ống dẫn dịng hồn lưu: - Suất lượng hoàn lưu: Ghl = GD R = 446,176 × 2,58 = 1151,13 (kg/h) xD = 0,92 thl = 57oC Tra bảng khối lượng riêng Acetone Etanol nhiệt độ này: Khối lượng riêng Acetone: A = 749,3 (kg/m3) Khối lượng riêng Etanol: E = 748,1 (kg/m3)  xhl = ❑ ( xD A + 1−xD ❑ )-1 = ¿)-1 = 749,2 (kg/m3) E - Lưu lượng dịng hồn lưu: Q G 1151,13 = hl = = 1,54 (m3/h) hl ❑hl 749,2 - Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu ống nối: vhl = 0,25 (m/s) - Đường kính ống hồn lưu: dhl =  √ chọn đường kính ống hồn lưu: dhl = 0,05 (m) = 50 (mm) Tra bảng XIII.33-trang 435[2]: Chọn chiều dài ống nối dịng hồn lưu lhl = 85(mm) Tra bảng XIII.27 – trang 409[2] ứng với Dt =650(mm) áp suất tính tồn Ptt = 0,16(N/mm2) Các thơng số bích ghép ống dẫn dịng hồn lưu: 64 Bảng 6.9 Bảng kích thước bích ghép ống dẫn dịng hồn lưu Ptt (N/mm2) 0,16 - Khối lượng riêng vào tháp: ❑ - Lưu lượng vào tháp: Q nd ❑yW = g' =1091,454 = 537,66 (m3/h) 2,03 - Chọn vận tốc vào v = 40 (m/s) - Đường kính ống dẫn: dn =  chọn đường kính ống dẫn: dn = 0,07 (m) = 70 (mm) Tra bảng XIII.33-trang 435[2]: Chọn chiều dài ống nối dịng hồn lưu lhl = 85(mm) Tra bảng XIII.27 – trang 409[2] ứng với Dt =650(mm) áp suất tính tồn Ptt = 0,16(N/mm2) Các thơng số bích ghép ống dẫn từ nồi đun qua tháp: Bảng 6.10 Bảng kích thước bích ghép ống dẫn từ nồi đun qua tháp Ptt (N/mm2) 0,16 6.4.5 Ống dẫn lỏng đáy tháp: suất lượng sản phẩm đáy: G’1 = 2620,51(kg/h) Dòng sản phẩm đáy: 65 x W= 0,074 thl = 74,92oC Tra bảng khối lượng riêng Acetone Etanol nhiệt độ này: Khối lượng riêng Acetone: A = 725,9 (kg/m3) Khối lượng riêng Etanol: E = 739,8 (kg/m3) xW 1−xW 0,074 1−0,074 xw = ( + )-1 = ( + )-1 = 738,75 (kg/m3) ❑ 739,8 A❑E725,9  - Lưu lượng sản phẩm đáy: Q G 2620,51 = '1 = = 3,55 w (m3/h) ❑xw 738,75 - Chọn vận tốc sản phẩm đáy ống nối vw = 0,5 (m/s) - Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: dw = √  chọn đường kính ống dẫn: dw = 0,05 (m) = 50 (mm) Tra bảng XIII.33 trang 435[2]: Chọn chiều dài ống nối sản phẩm đáy lw =85 (mm) Tra bảng XIII.26- sổ tay tập 2[2] ứng với Dt = 650 (mm) áp suất tính tốn Ptt = 0,16(N/mm2) Các thơng số bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy: Bảng 6.11 Bảng kích thước bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy Ptt (N/mm2) 0,16 6.5 Tai treo, chân đỡ: 6.5.1 Tính khối lượng tồn tháp - Khối lượng bích ghép thân: m1=Nb ❑ 2 ( D −D t ) h ❑CT D: đường kính ngồi bích D = 0,825 (m) Dt: Đường kính thân tháp, Dt = 0,65 (m) h: chiều cao bích, h = 0,025 (m) CT3: khối lượng riêng thép CT3 CT3 = 7850 (kg/m3) Số đĩa mặt bích nd= đĩa Khoảng cách mâm Hđ = 250 mm 66 Số bích tháp Nb = Ta tính bích ghép thân tức 14 mặt bích ❑ m1=14 Khối lượng mâm: Đường kính tháp Dt = 0,65 (m) Bề dày mâm S = m = 0,003 (m) Đường kính ống dh = 0,05 (m) Số chóp phân bố đĩa n = 17 Diện tích ống chảy chuyền: Sd = 0,072 F =0,072.0,332 = 0,024 (m 2) Số ống chảy chuyền mâm: z = Số mâm Ntt = 24 mâm Khối lượng riêng thép X18H10T d  X18H10T = 7900 (kg/m3) m2 = Ntt (F-z.Sd – n 4h ) m X18H10T = 24(0,65 – 1.0,024 - 17 0,05 ).0,003.7900 = 369,26 (kg) Khối lượng chóp mâm tồn tháp: m3 = Ntt.n.( ❑ 4.(dch+ 2.❑ch ¿¿ ¿2 (hch+❑ch)−i b a❑ch).❑X 18 H 10T Số mâm Ntt =24 Số chóp phân bố đĩa n = 17 Đường kính chóp dch = 0,075 (m) Chiều cao chóp: hch = 0,0725 (m) Chiều dày chóp ch = 0,003 (m) Số khe chóp i = 34 khe Chiều cao khe chóp b = 0,0195 (m) Chiều rộng khe chóp a = 0,007 (m) m = Ntt.n.( ❑ 4.(dch+ 2.❑ch ¿¿ ¿2 (hch+❑ch)−i b a❑ch).❑X 18 H 10T ❑ =24.17.( (0,075+2.0,003) (0,0725+0,003)– 34.0,0195.0,007 0,003 ¿ 7900 =835,41 kg Khối lượng thân tháp 67 m4 = ❑ = ❑ D2 −D2 t ) H thân X18H10T 4( n 2 4.(0,656 – 0,65 ).7.7900 = 340,34 (kg) Trong Dn = Dt + 2.S = 0,65 + 2.0,003 = 0,656 (m) Khối lượng đáy nắp: Khối lượng đáy nắp (giả sử đường ống dẫn vào đáy nắp nhau) Với đáy nắp elip có Dt = 650 (mm), chiều dày S = (mm), chiều cao gờ h = 25 (mm) Tra bảng XIII.11 trang 384[2] Bề mặt đáy nắp Fđáy=Fnắp=0,51 Tra bảng XIII.10 trang 382[2] m đáy =mnắp=Fđáy Sđáy ❑X 18 H 10T =0,51.0,003 7900=¿12,1 m đáy-nắp =m5= 12,1= 24,2 (kg) Khối lượng bích nối ống dẫn: mống dẫn=m6= π ∑ (D2i−D2yi ) hi ρCT : khối lượng riêng thép CT3 CT3 = 7850 (kg/m3) Dy: đường kính bích nối ống dẫn D: đường kính ngồi bích nối ống dẫn CT3 i thứ tự bích nối ống dẫn từ xuống ❑ 2 2 2 = 4.[(0,160 – 0,05 ).0,022 + (0,215 – 0,01 ).0,026+(0,160 – 0,05 ).0,022 + (0,1802 – 0,072).0,024 + (0,1602 – 0,052).0,022].7850 = 20,86 (kg) Khối lượng dung dịch tháp(lấy V dung dịch = 0,5 thể tích tháp) Nhiệt độ dịng nhập liệu tSF = 66,52oC Khối lượng riêng Acetone: Khối lượng riêng Etanol: ( ❑xtb = ❑ = xF A −x + ❑ E F ) E -1 A = 737,2(kg/m3) (Bảng I 2, trang 9[1]) = 747,81 (kg/m3) ( Bảng I 2,trang 9[1]) (IX 104 a,trang 183 ,[2]) (743,6240,625 + 1752,328−0,625 ) mdd=0,5( D2t −1 H +V đáy ) ❑x=0,6( 0,652 = 744,28 (kg/m3) −3 + 44,2 10 ).744,28=880.86 (kg) Khối lượng toàn tháp: m tháp=m1 +m2 +m3 +m4 +m5 +m6+ mdd 68 =779,8+369,26+1209.11+340,34+24,2+20,86+880.86=3624,43(kg) 6.5.2 Tính chân đỡ tháp Ta chọn thiết bị làm chân đỡ thép CT3 Hình 6.13 Chân đỡ tháp Tải trọng lên chân đỡ (4 chân đỡ) g m G= tháp = 3624,43 9,81 = 8888,91 (N) Tải trọng cho phép lên chân đỡ G = 10000(N) Tra bảng XIII.35, trang 437 [2] Bảng 6.12 Bảng kích thước chân đỡ tháp Tải trọng cho phép Bề mặt đỡ chân F.104,m2 G.10-4.N 811 6.5.3 Tính tai treo tháp Tải cho phép tai treo tải trọng cho phép chân đỡ G = 10000(N) 69 Hình 6.14 Tai treo tháp Bảng 6.13 Bảng kích thước tai treo tháp Tải trọng cho phép tai Bề mặt đỡ F.104,m2 treo G.10-4.N 89,5 CHƯƠNG KẾT LUẬN Thiết bị chưng cất hỗn hợp Acetone- Etanol bẳng mâm chóp có nhiều ưu điểm như: có hiệu suất cao ổn định, nhiên bên cạnh ưu điểm có nhược điểm : có trở lực lớn tiêu tốn nhiều vật tư xây dựng có kết cấu phức tạp Vì thiết kế hệ thống chi tiết tháp chưng cất mâm chóp, cần phải nghiên cứu kỹ ưu nhược điểm hệ thống để đạt hiệu tối ưu sử dụng Phụ lục Hệ thống chưng cất Acetone- Etanol sử dụng tháp mâm chóp theo u cầu đồ án ta tính tốn thơng số sau: Chỉ số hồn lưu tối ưu: R=2,58 Số mâm thực tế: 24 mâm Bề dày mâm: 3mm Đường kính tháp chưng cất: 650 mm Chiều cao tháp chưng cất: 7378,5 mm Tổng trở lực toàn tháp: 4615,02 N/m2 Đường kính chóp: 75 mm 70 Số chóp mâm: 17 chóp Các thơng số lưu lượng dòng nhập liệu sản phẩm đỉnh đáy, nồng độ suất sản phẩm đỉnh, đáy yếu tố để hoàn chỉnh thiết kế hệ thống chưng cất mâm chóp hệ Acetone- Etanol Nhằm hoàn thiện vẽ chi tiết tháp chưng cất mâm chóp để phù hợp với yêu cầu, ta cần thay đổi số thơng số tính tốn: Các thơng số thay đổi: Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần : t1= 135,5 mm t'1=89 mm Số chóp mâm thay đổi: n= 17 chóp n’ = 19 chóp Khoảng cách nhỏ chóp : tmin= 111,25 mm t'min=90 mm 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tập thể tác giả, Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất-tập 1, Nhà xuất Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [2] Tập thể tác giả, Sổ tay Quá trình Thiết bị hóa chất – tập 2, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật,Hà Nội, 2006 [3].Võ Văn Bang- Vũ Bá Minh, Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học-tập 3: Truyền Khối, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2004 72 ... 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. .. 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... Số mâm thực tế tháp chưng cất mâm chóp hỗn hợp Acetone- Etanol 3.2 Cân vật chất cho thiết bị: 3.2.1 Cân vật chất cho thiết bị gia nhiệt E-101 Hình 3.1: Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu ∑ Dòng vào=∑