Đồ án thiết kế tháp chưng cất mâm xuyên lỗ

Đồ án thiết kế kỹ thuật hóa học về tháp chưng cất mâm xuyên lỗ hệ nước axit axetic. Năng suất nhập liệu GF=0,5 m3h, nồng độ nhập liệu = 8% (% khối lượng axit axetic), nồng độ sản phẩm đỉnh = 25% (% khối lượng axit axetic), nồng độ sản phẩm đáy = 0,5% (% khối lượng axit axetic)

Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học GVHD: Hồng Minh Nam LỜI MỞ ĐẦU Một ngành có đóng góp to lớn đến ngành cơng nghiệp nước ta nói riêng giới nói chung ngành cơng nghệ hóa học Đặc biệt ngành hóa chất Trong thực tế, sử dụng nhiều dạng hóa chất khác nhau: hỗn hợp nhiều chất hay đơn chất tinh khiết Mà nhu cầu loại hóa chất tinh khiết lớn Q trình đáp ứng phần độ tinh khiết theo yêu cầu chưng cất: trình tách cấu tử hỗn hợp lỏng – lỏng, hay hỗn hợp lỏng – khí thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác chúng Và hệ nước – axit axetic, khơng có điểm đẳng phí nên đạt độ tinh khiết theo yêu cầu nhờ trình chưng cất Nhiệm vụ thiết kế: tính tốn hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử: nước – axit axetic với số liệu sau đây:     Năng suất nhập liệu: GF = 0,5m3/h Nồng độ nhập liệu: = 8% (% khối lượng acid acetic) Nồng độ sản phẩm đỉnh: =25 % (% khối lượng acid acetic ) Nồng độ sản phẩm đáy: = 0,5% (% khối lượng acid acetic) Vì chưa đủ kiến thức kinh nghiệm nên khơng tránh khỏi thiếu sót trình thực đồ án, em mong nhận nhận xét góp ý chân thành từ q thầy để em hồn thiện thân i Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học GVHD: Hồng Minh Nam MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU i CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Cơ sở lí thuyết chưng cất .1 1.1.1 Khái niệm 1.2 Các phương pháp chưng cất 1.2.1 Phân loại theo áp suất làm việc 1.2.2 Phân loại theo nguyên lí làm việc 1.3 Các loại tháp chưng cất .1 1.3.1 Tháp mâm 1.3.2 Tháp chêm (tháp đệm) .2 1.3.3 Ưu, nhược điểm loại tháp 1.4 Nguyên liệu 1.4.1 Axit axetic 1.4.2 Nước CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ 2.2 Thuyết minh quy trình cơng nghệ .5 CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Các số liệu ban đầu 3.2 Suất lượng nhập liệu, sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy .6 3.3 Xác định số hồi lưu .7 3.3.1 Đồ thị cân nước – axit axetic .7 3.3.2 Xác định số hồi lưu thích hợp 3.3.3 Phương trình đường làm việc 3.3.4 Xác định số hồi lưu thích hợp CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 11 4.1 Cân nhiệt lượng cho tháp chưng cất .11 4.2 Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ 12 ii Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học GVHD: Hoàng Minh Nam 4.3 Cân nhiệt lượng thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 12 4.4 Cân nhiệt lượng thiết bị đun sơi dịng nhập liệu .13 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH .14 5.1 Đường kính tháp (Dt) 14 5.1.1 Đường kính đoạn cất 14 5.1.2 Đường kính đoạn chưng 16 5.2 Chiều cao tháp (H) 18 5.3 Trở lực tháp 18 5.3.1 Cấu tạo mâm xuyên lỗ .18 5.3.2 Trở lực đĩa khô 18 5.3.3 Trở lực sức căng bề mặt 19 5.3.4 Trở lực thủy tĩnh chất lỏng đĩa tạo 19 5.3.5 Tổng trở lực thuỷ lực tháp: 21 5.3.6 Kiểm tra hoạt động mâm: 21 5.3.7 Kết luận 21 5.3.8 Kiểm tra ngập lụt tháp hoạt động .21 5.3.9 Kiểm tra tính đồng hoạt động mâm 22 5.4 Tính tốn khí 23 5.4.1 Bề dày tháp 23 5.4.2 Bề dày mâm .25 5.4.3 Bích ghép thân, đáy nắp 25 5.4.4 Đường kính ống dẫn – Bích ghép ống dẫn 26 5.4.5 Tai treo, chân đỡ tháp 29 5.4.6 Lớp cách nhiệt 30 CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 32 6.1 Thiết bị đun sôi đáy tháp 32 6.1.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 32 6.1.2 Hệ số truyền nhiệt K tính theo công thức 32 6.1.3 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu 32 iii Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học GVHD: Hồng Minh Nam 6.1.4 Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy ống 33 6.1.5 Xác định hệ số cấp nhiệt nước 34 6.1.6 Xác định hệ số truyền nhiệt: 34 6.1.7 Bề mặt truyền nhiệt 34 6.1.8 Cấu tạo thiết bị 35 6.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 35 6.2.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 35 6.2.2 Hệ số truyền nhiệt 35 6.2.3 Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống 35 6.2.4 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu 36 6.2.5 Xác định hệ số cấp nhiệt dịng sản phẩm đáy ngồi ống 36 6.2.6 Xác định hệ số truyền nhiệt .38 6.2.7 Bề mặt truyền nhiệt 39 6.2.8 Cấu tạo thiết bị 39 6.3 Thiết vị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 39 6.3.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình: .39 6.3.2 Hệ số truyền nhiệt: 39 6.3.3 Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống 40 6.3.4 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu 40 6.3.5 Xác định hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ống: .41 6.3.6 Xác định hệ số truyền nhiệt .42 6.3.7 Bề mặt truyền nhiệt 42 6.3.8 Cấu tạo thiết bị: 42 6.4 Thiết bị đun sôi nhập liệu .42 6.4.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 43 6.4.2 Hệ số truyền nhiệt 43 6.4.3 Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống 43 6.4.4 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu 44 6.4.5 Xác định hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ống 44 iv Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học GVHD: Hoàng Minh Nam 6.4.6 Xác định hệ số truyền nhiệt .45 6.4.7 Bề mặt truyền nhiệt 45 6.4.8 Cấu tạo thiết bị 46 6.5 Bồn cao vị 46 6.5.1 Tổn thất đường ống dẫn 46 6.5.2 Tổn thất đường ống dẫn thiết bị đun sôi nhập liệu 47 6.5.3 Chiều cao bồn cao vị 48 6.6 Bơm 49 6.6.1 Năng suất 49 6.6.2 Cột áp 49 6.6.3 Công suất 51 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 v Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học GVHD: Hoàng Minh Nam CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Cơ sở lí thuyết chưng cất 1.1.1 Khái niệm Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng (cũng hổn hợp khí lỏng) thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cùa cấu tử hỗn hợp Ở nhiệt độ cấu tử có áp suất lớn dễ bay hay áp suất cấu tử có nhiệt độ sơi thấp dễ bay Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha trình hấp thu nhả khí, q trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có cấu tử ta thu sản phẩm:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé  Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn 1.2 Các phương pháp chưng cất 1.2.1 Phân loại theo áp suất làm việc Có thể chưng cất áp suất khác nhau:  Áp suất thường  Áp suất thấp  Áp suất cao 1.2.2 Phân loại theo nguyên lí làm việc Chưng cất đơn giản Chưng cất nước trực tiếp Chưng cất đa cấu tử 1.3 Các loại tháp chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung thiết bị giống nghĩa diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học GVHD: Hồng Minh Nam tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở ta khảo sát loại thường dùng tháp mâm tháp chêm 1.3.1 Tháp mâm Gồm: thân tháp hình trụ thẳng đứng có gắn mâm có cấu tạo khác pha lỏng pha cho tiếp xúc với Chất lỏng vào tháp đỉnh mâm thích hợp chảy xuống trọng lực qua mâm ống chảy chuyền 1.3.1.1 Tháp mâm chóp Trên mâm có gắn chóp ống chảy chuyền, ống chảy chuyền có tiết diện trịn, viên phân, ống hay nhiều ống tùy suất lượng pha lỏng Chóp hình trịn hay dạng khác Ở chóp có rãnh xung quanh để pha khí qua, rãnh chóp hình chữ nhật, tam giác hay hình trịn 1.3.1.2 Tháp mâm xun lỗ Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ 3÷12 mm, tổng tiết diện lỗ mâm chiếm từ 8÷15% tiết diện tháp Các lỗ bố trí đỉnh tam giác đều, khoảng cách hai tâm lỗ 2,5÷5 lần đường kính Bề dày mâm thường 4/10 ÷ 8/10 đường kính lỗ làm thép khơng gỉ, làm thép cacbon hay hợp kim đồng bề dày lớn tỉ lệ 1.3.2 Tháp chêm (tháp đệm) Tháp chêm tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm đổ đầy tháp theo hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự 1.3.3 Ưu, nhược điểm loại tháp Tháp chêm Ưu điểm - Cấu tạo đơn giản Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Trở lực tương đối - Khá ổn định thấp - Trở lực thấp - Hiệu suất cao - Hiệu suất cao - Làm việc với chất lỏng Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học GVHD: Hồng Minh Nam bẩn dùng đệm cầu có    chất lỏng Nhược điểm - Do có hiệu ứng thành  hiệu - Khơng làm việc - Có trở lực lớn suất truyền khối thấp với chất lỏng bẩn - Tiêu tốn nhiều - Độ ổn định không cao, khó vật tư, kết cấu vận hành - Kết cấu phức phức tạp tạp - Do có hiệu ứng thành  tăng suất hiệu ứng thành tăng  khó tăng suất - Thiết bị nặng nề Quá trình chưng cất thực dựa vào nhiều loại tháp có cấu tạo khác nhau, nhiên tùy vào mục đích, hiệu suất chưng cất điều kiện không gian điều kiện kinh tế mà ta lựa chọn tháp chưng cất phù hợp Yêu cầu chế tạo thiết bị chưng cất mâm xuyên lỗ nước – axit axetic Tháp mâm xuyên lỗ có ưu điểm sau:     Chế tạo đơn giản Vệ sinh dễ dàng Trở lực tháp thấp tháp chóp Ít tốn kim loại tháp chóp 1.4 Nguyên liệu 1.4.1 Axit axetic Axit axetic hệ thống có tên axit ethanoic hợp chất hữu với cơng thức hóa học CH3COOH Nó chất lỏng khơng màu, có mùi thơm đặc trưng, vị chua, dễ bay nhiệt độ môi trường Tan vơ hạn nước, rượu, ete theo tỉ lệ Axit axetic thành phần giấm axit pyroligneous  Phân tử lượng: 60 g/mol Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học      GVHD: Hoàng Minh Nam Khối lượng riêng: 1,049 g/cm3 25oC Nhiệt độ nóng chảy: 16,6oC Nhiệt độ sôi: 1180C Độ nhớt: 0,59Ns/m2 200C Tỉ trọng so với nước trạng thái lỏng 1,049kg/cm 20oC trạng thái rắn 1,226kg/cm3 Điều chế Axit axetic điều chế theo phản ứng sau: Trong công nghiệp, từ butan C4H10: 2C4H10 + 3O2 → 4CH3COOH + 2H2O Sản xuất giấm ăn, thường dùng phương pháp lên men dung dịch rượu etylic loãng CH3CH2OH + O2men → CH3COOH + 2H2O Ứng dụng: Axit axetic nguyên liệu dùng để sản xuất nhiều mặt hàng khác ứng dụng rộng rãi ngành: cơng nghiệp nặng, y tế, dược, giao thơng vận tải…Vì loại axit rẻ tiền Axit axetic ứng dụng quan trọng loại axit hữu Nguồn tiêu thụ chủ yếu:      Làm giấm ăn ( chứa 4,5% axit axetic ) Làm đông đặc nhựa mủ cao su Làm chất dẻo sợi celluloza acetat – làm phim ảnh khơng nhạy lửa Làm chất kết dính polyvinyl acetat Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp 1.4.2 Nước Trong điều kiện thường: nước chất lỏng không màu, khơng mùi, khơng vị Khi hóa rắn tồn dạng tinh thể khác     Khối lượng phân tử: 18g/mol Khối lượng riêng d 4oC: 1g/ml Nhiệt độ nóng chảy: 0oC Nhiệt độ sôi: 100oC Nước dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng cực Các hợp chất phân cực có tính ion axit, rượu muối dễ tan nước Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học GVHD: Hồng Minh Nam CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH 1.5 Sơ đồ quy trình cơng nghệ Chú thích kí hiệu qui trình: Bồn chứa nguyên liệu; Bơm; Bồn cao vị; Lưu lượng kế; Bẩy hơi; Thiết bị đun sôi nhập liệu; Nhiệt kế; Tháp chưng cất; Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh; 10 Áp kế; 11 Thiết bị đun sôi đáy tháp; 12 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy; 13 Bồn chứa sản phẩm đáy; 14 Bồn phân chia dòng; 15 Bồn chứa sản phẩm đỉnh 1.6 Thuyết minh quy trình cơng nghệ Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 92% (theo phần khối lượng), nhiệt độ khoảng 25oC bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Sau đó, hỗn hợp gia nhiệt đến nhiệt độ sôi thiết bị đun sơi dịng nhập liệu (6), đưa vào tháp chưng cất (8) đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn luyện tháp chảy xuống Trong tháp, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (11) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sơi cao axit axetic ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều (có nồng độ 99,5% phần khối lượng) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (9) ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ hoàn lưu tháp đĩa Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp bốc hơi, cịn lại cấu tử có nhiệt độ sơi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay (axit axetic) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ nước 5% phần khối lượng, lại axit axetic Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (11) Trong nồi đun dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm