TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ BENZEN TOLUE[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH - THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA VÀ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN MƠN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ BENZEN - TOLUEN Người thiết kế Lớp, khóa Người hướng dẫn : Lê Tuấn Linh : CTTN Hóa Dược K64 : PGS.TS Trần Trung Kiên HÀ NỘI 2022 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .6 PHẦN I: PHẦN MỞ ĐẦU I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN Phương pháp chưng luyện Thiết bị chưng luyện II GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG LUYỆN Etanol (C2H5OH) Nước (H2O) .10 III VẼ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ .11 Dây chuyền sản xuất 11 Thuyết minh dây chuyền công nghệ 12 PHẦN II: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 13 I TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ 13 Tính tốn số hồi lưu thích hợp .14 Số đĩa lý thuyết phương trình đường nồng độ làm việc 19 II TÍNH TỐN ĐƯỜNG KÍNH THÁP 20 Tính đường kính tháp 20 Lượng trung bình dòng pha tháp .20 Xác định lượng trung bình đoạn luyện: 20 Xác định lượng trung bình đoạn chưng: 24 III TÍNH CHIỀU CAO THÁP .29 Hệ số khuếch tán .29 Hệ số cấp khối 30 Hệ số chuyển khối, đường cong động học, số đĩa thực tế: .34 Hiệu suất tháp, chiều cao tháp .37 IV Chọn loại đĩa .38 TÍNH TRỞ LỰC THÁP .39 Trở lực đĩa khô 40 Trở lực đĩa sức căng bề mặt .40 Trở lực lớp chất lỏng đĩa .41 Trở lực tháp 41 V TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 42 Tính cân nhiệt thiết bị gia nhệt hỗn hợp đầu: 42 Tính cân nhiệt lượng toàn tháp chưng luyện 44 Tính cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ 46 Tính cân nhiệt lượng thiết bị làm lạnh 46 PHẦN III: TÍNH TỐN CƠ KHÍ .48 I TÍNH TỐN THÂN THÁP: 48 Áp suất thiết bị .48 Ứng suất cho phép 48 Tính hệ số bền thành hình trụ theo phương dọc: .49 Đại lượng bổ sung 49 Chiều dày thân tháp .49 II TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ 50 III CHỌN MẶT BÍCH 51 IV TÍNH ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN 52 Đường kính ống chảy chuyền 52 Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp 52 Đường kính ống dẫn đỉnh tháp 53 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy .53 5.Đường kính ống dẫn ngưng tụ hồi lưu .54 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy hồi lưu .54 Chọn mặt bích để nối ống dẫn thiết bị 55 V TÍNH VÀ CHỌN GIÁ ĐỠ, TAI TREO 55 Tính khối lượng tồn tháp 55 Tính tai treo 58 PHẦN IV: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 61 I TÍNH TỐN THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU 61 Tính hiệu số nhiệt độ trung bình 61 Tính lượng nhiệt trao đổi .61 Tính hệ số cấp nhiệt .62 Số ống truyền nhiệt 66 Đường kính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu .66 Tính lại vận tốc chia ngăn 66 II TÍNH BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ 67 Tính trở lực từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt 68 2.Trở lực ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt tới tháp đĩa tiếp liệu: 70 Trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu .71 KẾT LUẬN .74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 BẢN KÊ CÁC CHỮ KÝ HIỆU Kí hiệu GF F GD D Gw W xF yF aF xD yD aD xW yW aW MB MT MF MD ts Rmin R L gtb gđ g1 r1 rđ rb rt ρy ρx ω ωs σd Vd g Gx Gy μx μn Hc N¿ tb tb Ý nghĩa Năng suất nhập liệu theo khối lượng Năng suất nhập liệu theo số mol Năng suất sản phẩm đỉnh theo khối lượng Năng suất sản phẩm đỉnh theo số mol Năng suất sản phẩm đỉnh theo khối lượng Năng suất sản phẩm đỉnh theo số mol Nồng độ phần mol nhập liệu pha lỏng Nồng độ phần mol nhập liệu pha Nồng độ phần khối lượng nhập liệu pha lỏng Nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh pha lỏng Nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh pha Nồng độ phận khối lượng sản phẩm đỉnh pha lỏng Nồng độ phần mol sản phẩm đáy pha lỏng Nồng độ phần mol sản phẩm đáy pha Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy pha lỏng Khối lượng mol phân tử benzene Khối lượng mol phân tử toluene Khối lượng mol phân tử trung bình nhập liệu Khối lượng mol phân tử trung bình sản phẩm đỉnh Nhiệt độ sôi dung dịch Chỉ số hồi lưu tối thiểu Chỉ số hồi lưu thích hợp Tỉ số nhập liệu/sản phẩm đỉnh Lượng trung bình đoạn luyện Lượng khỏi đĩa tháp Lượng vào đĩa đoạn luyện Ẩnnhiệt hóa hỗnhợp vào đĩa thứ Ẩnnhiệt hóa hỗnhợp khỏi đỉnh tháp Ẩn nhiệt hóa cấu tử nguyên chất Benzene Ẩn nhiệt hóa cấu tử nguyên chất Toluene Khối lượng riêng trung bình pha Khối lượng riêng trung bình pha lỏng Tốc độ tháp đệm Tốc độ sặc Bề mặt riêng đệm Thể tích tự đệm Gia tốc trọng trường Lượng lỏng trung bình Lượng trung bình Độ nhớt pha lỏng theo nhiệt độ trung bình Độ nhớt nước 20oC Chiều cao tháp Số đĩa lý thuyết (số bậc thay đổi nồng độ) Đơn vị kg/h kmol/h kg/h kmol/h kg/h kmol/h % mol % mol % khối lượng % mol % mol % khối lượng % mol % mol % khối lượng Kg/kmol Kg/kmol Kg/kmol Kg/kmol o C kg/h kg/h kg/h kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg kg/m3 kg/m3 m/s m/s m2/m3 m3/m3 m2/s kg/s kg/s N.s/m2 N.s/m2 m Đĩa LT LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển không ngừng nghỉ khoa học kỹ thuật, máy móc cơng nghệ khơng ngừng nâng cao tạo sản phẩm thỏa mãn nhu cầu khắt khe thị trường Ngành cơng nghiệp hóa chất khơng nằm ngồi xu đó, ngày sản phẩm ngành cơng nghiệp địi hỏi tinh khiết, chất lượng hồn hảo phù hợp với nhu cầu sản xuất sử dụng người Để tạo loai sản phẩm hóa chất có tính tinh khiết cao, đảm bảo tăng nồng độ chất tan dung dịch, phù hợp yêu cầu người ta có nhiều cách để tạo chúng, cách sử dụng phương pháp chưng luyện, tạo tăng nồng độ sản phẩm mong muốn Chưng phương pháp dùng để tách hỗn hợp chất lỏng (cũng hỗn hợp khí hóa lỏng) thành cấu tử riêng biệt, dựa độ bay khác cấu tử hỗn hợp Chúng ta thực nhiều phương pháp chưng khác chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, chưng đặc biệt (chưng luyện hỗn hợp đẳng phí, chưng phân tử, chưng nước trực tiếp, chưng trích ly) Ngày nay, chưng luyện ứng dụng rộng rãi để tách hỗn hợp: + Dầu mỏ, tài nguyên khai thác dạng lỏng + Khơng khí hóa lỏng + Q trình tổng hợp hữu thường cho sản phẩm dạng hỗn hợp chất lỏng Ví dụ: sản xuất metanol, etylen… + Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm hỗn hợp chất lỏng etylic-nước từ trình lên men Khi chưng, hỗn hợp đầu chứa cấu tử ta thu nhiêu cấu tử sản phẩm Để thu sản phẩm đỉnh tinh khiết ta tiến hành chưng nhiều lần hay gọi chưng luyện Là kỹ sư hóa chất tương lai, chúng em trang bị nhiều kiến thức trình thiết bị cơng nghệ sản xuất sản phẩm hóa học, để củng cố kiến thức học, để phát huy trình độ độc lập sáng tạo giải vấn đề cụ thể sinh viên thực tế sản xuất, chinh nhận đồ án trình thiết bị hội tốt chúng em tìm hiểu q trình cơng nghệ, vận dụng kiến thức học mở rộng vốn kiến thức mình, từ cho chúng em nhìn cụ thể ngành nghề lựa chọn Bản đồ án không làm sáng tỏ thêm lý thuyết, nắm vững phương pháp tính tốn nguyên lý vận hành thiết bị, mà hội tốt để sinh viên tập dượt giải vấn đề cụ thể thực tế sản xuất Để hoàn thành đồ án em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy cô môn, đặc biệt thầy giáo Trần Trung Kiên tận tình hướng dẫn, bảo, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em làm đồ án Do thời gian kiến thức thân em hạn chế nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót em mong nhận góp ý, lời nhận xét sửa chữa thầy cô để đồ án em hoàn chỉnh Một lần em xin chân thành cám ơn PHẦN I: PHẦN MỞ ĐẦU I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN Phương pháp chưng luyện Chưng luyện phương pháp nhằm để phân tách hỗn hợp khí hóa lỏng dựa độ bay tương đối khác cấu tử thành phần áp suất Phương pháp chưng luyện q trình hỗn hợp bốc ngưng tụ nhiều lần Kết cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp gồm hầu hết cấu tử dễ bay nồng độ đạt yêu cầu Phương pháp chưng luyện cho hiệu suất phân tách cao, sử dụng nhiều thực tế Dựa phương pháp chưng luyện liên tục, người ta đưa nhiều thiết bị phân tách đa dạng tháp chóp, tháp đĩa lỗ khơng có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền, tháp đệm… Cùng với thiết bị ta có phương pháp chưng cất là: a Áp suất làm việc: - Chưng cất áp suất thấp - Chưng cất áp suất thường - Chưng cất áp suất cao Nguyên tắc phương pháp dựa nhiệt độ sôi cấu tử: nhiệt độ sơi cấu tử q cao giảm áp suất làm việc để giảm nhệt độ sôi cấu tử b Nguyên lý làm việc: làm việc theo nguyên lý liên tục gián đoạn: - Chưng gián đoạn: phương pháp sử dụng khi: Nhiệt độ sôi cấu tử khác xa Khơng cần địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử - Chưng liên tục: trình thực liên tục nghịch dịng nhiều đoạn Thiết bị chưng luyện Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp khác chúng có u cầu diện tích tiếp xúc bề mặt pha lớn Tháp chưng luyện phong phú kích cỡ ứng dựng Các tháp lớn thường sử dụng cơng nghệ lọc hóa dầu Đường kính tháp phụ thuộc vào lượng pha lỏng lượng pha khí, độ tinh khiết sản phẩm Theo khảo sát thường có loại tháp chưng: tháp đĩa tháp đệm Tháp đĩa: thân tháp hình trụ thẳng đứng bên có gắn đĩa, phân chia thành đoạn Trên đĩa pha lỏng pha khí tiếp xúc với Tùy thuộc vào cấu tạo đĩa mà ta có loại tháp đĩa: Tháp đĩa chóp Tháp đĩa: o Tháp đĩa lỗ khơng có ơng chảy truyền o Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền Tháp đệm Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền có yêu điểm khắc phục nhược điểm loại tháp khác như: Với chức năng, tổng khối lượng tháp đĩa thường nhỏ táp đệm tháp đĩa có bề mặt tiếp xúc pha lớn hiệu suất làm việc cao Tháp đĩa thích hợp trường hợp có số đĩa lý thuyết số đơn vị truyền khối lớn Cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh, sửa chữa làm Trở lực thiết bị không lớn Làm việc với chất lỏng bẩn, khí bẩn vận tốc khí lớn II a) - GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG LUYỆN Etanol (C2H5OH) Tên gọi khác: rượu etylic, alcohol ethylic, rượu ngũ cốc hay cồn CTPT: C2H5OH Phân tử khối: 46kg/kmol Tính chất vật lí Là chất lỏng, khơng màu, suốt, không mùi, tan vô hạn nước dễ bay - Khối lượng riêng: 0.7936 g/ml 15oC - Nhiệt độ sơi: 78,39oC - Điểm nóng chảy: -114.15oC b) Tính chất hóa học - Phản ứng - Phản ứng este hóa - Phản ứng tách loại nước c) Ứng dụng - Ethanol sử dụng nhiên liệu cồn (thông thường trộn lẫn với xăng) hàng loạt quy trình cơng nghiệp khác Ethanol sử dụng sản phẩm chống đơng lạnh điểm đóng băng thấp - Ethanol tinh chất ethanol 95% dung mơi tốt, phổ biến so với nước chút sử dụng loại nước hoa, sơn cồn thuốc - Dung dịch chứa 70% ethanol chủ yếu sử dụng chất tẩy uế Ethanol sử dụng gel vệ sinh kháng khuẩn phổ biến nồng độ khoảng 62% Khả khử trùng tốt ethanol dung dịch khoảng 70%; nồng độ cao hay thấp ethanol có khả kháng khuẩn a) b) - Nước (H2O) CTPT: H2O Phân tử khối: 18kg/kmol Tính chất vật lí Nước hợp chất vô cơ, suốt, không vị, không mùi không màu Khối lượng riêng: 1g/ml Nhiệt độ sơi: 100oC Điểm nóng chảy: 0oC Ứng dụng Nước dung môi tuyệt vời cho nhiều loại chất vơ hữu cơ; sử dụng rộng rãi quy trình cơng nghiệp, nấu ăn giặt giũ ... phương pháp chưng khác chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, chưng đặc biệt (chưng luyện hỗn hợp đẳng phí, chưng phân tử, chưng nước trực tiếp, chưng trích ly) Ngày nay, chưng luyện ứng... VỀ CHƯNG LUYỆN Phương pháp chưng luyện Chưng luyện phương pháp nhằm để phân tách hỗn hợp khí hóa lỏng dựa độ bay tương đối khác cấu tử thành phần áp suất Phương pháp chưng luyện trình hỗn hợp. .. phẩm đáy (10) Như với thiết bị làm việc liên tục hỗn hợp đầu đưa vào liên tục sản phẩm tháo liên tục PHẦN II: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH I TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT LIỆU TỒN THIẾT BỊ Kí hiệu đại lượng