Đang tải... (xem toàn văn)
ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNHTÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG CẤT HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN HỢP METANOL – NƯỚCMỤC LỤCCHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN11.1.Lý thuyết về chưng luyện11.2.Ưu, khuyết điểm của phương pháp chưng đĩa chóp:21.3.Dây chuyền công nghệ:5CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG72.2. Tính số đĩa82.2.1. Tính lượng hỗn hợp:82.2.2. Xác định số đĩa của tháp9 2.3. Tính đường kính thiết bị152.3.1. Đường kính đoạn luyện:152.3.2. Đường kính đoạn chưng:202.4. Tính kết cấu của tháp chưng luyện232.4.1. Tính kết cấu phần luyện232.4.2. Tính kết cấu phần chưng26Chương 3: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG303.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu303.2. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện:323.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tu hồi lưu:343.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh35CHƯƠNG 4: TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH374.1. Tính thân thiết bị chính:374.2. Tính đáy và nắp thiết bị404.3. Tính bề dày lớp cách nhiệt:414.4. Tính đường kính các loại ống dẫn:424.5. Chọn bích:444.6. Tính tải trọng của tháp:454.7. Chọn tai treo, chân đỡ:48CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ495.1. Tính toán thiết bị ngưng tụ hồi lưu:495.2. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu535.3. Nồi đun:555.4. Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:585.5.Bồn cao vị:605.6. Tính và chọn bơm:62
Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD: Ths. Phạm Văn Hưng TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG CẤT HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN HỢP METANOL – NƯỚC Giảng viên hướng dẫn : Ths. Phạm Văn Hưng Sinh viên thực hiện : Đỗ Quang Khả Mssv : 11371791 Lớp : DHH07BLT Khoá : 2011-2013 SVTH: Đỗ Quang Khả 1 Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD: Ths. Phạm Văn Hưng Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG CẤT HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN HỢP METANOL – NƯỚC GVHD : Ths. Phạm Văn Hưng SVTH : Đỗ Quang Khả Mssv : 11371791 SVTH: Đỗ Quang Khả 2 Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD: Ths. Phạm Văn Hưng Lớp : DHHO7BLT Khoá : 2011-2013 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN Họ và tên sinh viên: Đỗ Quang Khả Mssv : 11371791 Lớp: DHHO7BLT Chuyên ngành: Công nghệ Hóa hữu cơ Tên đồ án: Thiết kế hệ thống tháp chưng luyện tách hỗn hợp Methanol – nước Nhiệm vụ của đồ án: Yêu cầu về nội dung và Số liệu ban đầu - Số liệu ban đầu: 1. Nồng độ Methanol trong nhập liệu (khối lượng): 38%. 2. Nồng độ Methanol trong sản phẩm đỉnh (khối lượng): 97%. 3. Nồng độ Methanol trong sản phẩm đáy (khối lượng): 3,2%. 4. Lưu lượng hỗn hợp đầu vào tháp (kg/h): F= 2000 (kg/h) - Nội dung: 1. giới thiệu tổng quan về nguyên liệu và quy trình công nghệ 2. tính cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng. 3. tính toán và thiết kế thiết bị chính, phụ. 4. Bản vẽ(khổ A1):1 bản vẽ sơ đồ hệ thống thiết bị và 1 bản vẽ chi tiết thiết bị chính - Ngày giao đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: Họ tên giáo viên hướng dẫn: Chủ nhiệm bộ môn Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2013 Giáo viên hướng dẫn SVTH: Đỗ Quang Khả 3 Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD: Ths. Phạm Văn Hưng Trần Hoài Đức Phạn Văn Hưng SVTH: Đỗ Quang Khả 4 Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD: Ths. Phạm Văn Hưng LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ hóa học là một trong những ngành đóng góp rất lớn trong sự phát triển của nền công nghiệp nước ta. Trong ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu có độ tinh khiết cao phải phù hợp với qui trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng. Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết là: chưng cất, trích ly, cô đặc, hấp thu … Tùy theo đặc tính sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp. Hệ Methanol – nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Methanol. Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư hoá tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Em chân thành cảm ơn Thầy Phạm Văn Hưng và các Quí Thầy Cô bộ môn Máy & Thiết Bị đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án vẫn không tránh khỏi có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn. Em xin cám ơn Quý Thầy Cô! SVTH: Đỗ Quang Khả 5 Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD: Ths. Phạm Văn Hưng NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Phần đánh giá: • Ý thức thực hiện: • Nội dung thực hiện: • Hình thức trình bày: • Tổng hợp kết quả: Điểm bằng số: Điểm bằng chữ: Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2013 Giáo viên hướng dẫn SVTH: Đỗ Quang Khả 6 Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD: Ths. Phạm Văn Hưng NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Phần đánh giá: • Ý thức thực hiện: • Nội dung thực hiện: • Hình thức trình bày: • Tổng hợp kết quả: Điểm bằng số: Điểm bằng chữ: Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2013 Giáo viên phản biện SVTH: Đỗ Quang Khả 7 Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD: Ths. Phạm Văn Hưng MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1. Lý thuyết về chưng luyện Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp, nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ thì áp suất hơi của các cấu tử khác nhau. Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường bao nhiêu cấu tử sẻ có bấy nhiêu sản phẩm. Đối với trường hợp hỗn hợp chưng chỉ gồm hai cấu tử thì sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Trong sản xuất có rất nhiều phương pháp chưng như chưng đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng chân không và chưng luyện. Tùy thuộc vào điều kiện sẵn có, tính chất hỗn hợp, yêu cầu về độ tinh khiết sản phẩm mà ta chọn phương pháp chưng cho thích hợp. - Chưng đơn giản dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau. Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch cấu tử khỏi tạp chất. - Chưng bằng hơi nước trực tiềp dùng tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường dùng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước SVTH: Đỗ Quang Khả 8 Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD: Ths. Phạm Văn Hưng - Chưng chân không dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi cấu tử. Ví dụ như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao. - Chưng luyện là phương pháp phổ biến nhất để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau. - Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và hỗn hợp có nhiệt độ sôi cao. - Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường. - Chưng luyện ở áp suất thường (áp suất khí quyển ) dùng cho hỗn hợp không thuộc các trường hợp trên. Người ta tiến hành chưng luyện hỗn hợp cần chưng trong tháp chưng luyện, tháp gồm nhiều đĩa, trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi. Hơi đi từ dưới lên qua các lổ của đĩa, lỏng đi từ trên xuống theo các ống chảy chuyền, nồng độ các cấu tử và nhiệt độ sôi ở mỗi đĩa thay đổi theo chiều cao của tháp. Do đó một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng, lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như thế, hay nói một cách khác, với một số đĩa tương ứng, cuối cùng ở trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng nguyên chất và ở tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi ở dạng nguyên chất. Quá trình chưng luyện được thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tục hoặc gián đoạn. Ở đây ta sẽ thiết kế hệ thống chưng luyện tháp mâm chóp làm việc liên tục với hỗn hợp chưng là rượu mêtylic và nước. Khi chưng luyện liên tục, hỗn hợp đầu được đưa vào tháp ở đĩa tiếp liệu (nằm ở phần giữa thân tháp) một cách liên tục, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy cũng được lấy ra liên tục. SVTH: Đỗ Quang Khả 9 Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD: Ths. Phạm Văn Hưng 1.2. Ưu, khuyết điểm của phương pháp chưng đĩa chóp: Ưu điểm: Tách được sản phẩm có độ tinh khiết cao, dễ khống chế quá trình, bề mặt tiếp xúc pha tương đối lớn, trở lực không cao. Khuyết điểm: Tiếp xúc pha không liên tục, cấu tạo phức tạp. SVTH: Đỗ Quang Khả 10 [...]... nồi nung 9 Thiết bị ngưng tụ 3 bồn cao vị 10 .thiết bị phân tách hồi lưu 4 ống tuần hoàn 11 .thiết bị làm lạnh 5 lưu lượng kế 12 Bồn chứa sản phẩm đỉnh 6 thiết bị đun sôi 13 Bồn chứa sản phẩm đáy SVTH: Đỗ Quang Khả 13 Đồ án chưng cất Metanol – Nước 7 tháp chưng cất GVHD: Ths Phạm Văn Hưng 14 Bẫy hơi Hỗn hợp methanol – nước từ bồn chứa số 1 được bơm theo bơm số 2, lên bồn cao vị 3, đến lưu lượng kế 5, điều... H-O-H - Nước là hợp chất phân cực mạnh, có thể hòa tan nhiều chất rắn, lỏng, khí - Nước cần thiết cho sinh hoạt hằng ngày, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng, giao thông vận tải - Nước dùng để điều chế oxy SVTH: Đỗ Quang Khả 12 Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD: Ths Phạm Văn Hưng 1.3 Dây chuyền công nghệ: Thiết kế như hình vẽ Hình 1: Sơ đồ quy trình chưng cất hỗn hợp methanol – nước 1 bể... lớn hơn của C và H nên trong cả hai liên kết đó cặp electron góp chung đều lệch về phía O làm cho nguyên tử H trở nên linh động hơn Rượu mêtylic có khả năng tham gia các phản ứng sau: - Làm phá vỡ liên kết C-OH với sự tách đi của nhóm -OH - Làm phá vỡ liên kết -O-H với sự tách đi của -H SVTH: Đỗ Quang Khả 11 Đồ án chưng cất Metanol – Nước - GVHD: Ths Phạm Văn Hưng Bị oxy hóa thành fomanđêhit: CH3OH... Khối lượng riêng của pha hơi: Vậy tốc độ trung bình của hơi trong đoạn chưng: Đường kính đoạn chưng: D = 0,0188 D= ,m Chọn h = 0,3 m = > D = 0,76 m SVTH: Đỗ Quang Khả 32 Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD: Ths Phạm Văn Hưng 2.3 Tính kết cấu của tháp chưng luyện 2.3.1 Kết cấu đĩa phần luyện: 2.3.1.1 Tính toán: Các công thức có giá trị sau được tra ở trang 236, [2]: - Đường kính ống hơi của chóp dh... tháp ϕ[σ] : hệ số tính đến sức căng bề mặt *Tính ϕ[σ] ở nhiệt độ trung bình: Nhiệt độ trung bình trong đoạn luyện: ttb = (Theo bảng I.242, trang 300, [1]) ta có sức căng bề mặt của rượu và nước: Ơ 60oC: σa1 = 19,3.103 N/m = 19,3 dyn/cm (metylic) σb1 = 66,2 dyn/cm (nước) Ơ 80oC: σa2 = 17,6 dyn/cm (metylic) σb2 = 62,6 dyn/cm (nước) => dyn/cm dyn/cm SVTH: Đỗ Quang Khả 26 Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD:... 983 kg/m3 - (nước) ρa2 = 736 kg/m 3 ρb2 = 972 kg/m3 (metylic) (nước) kg/m3 => kg/m3 SVTH: Đỗ Quang Khả 27 Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD: Ths Phạm Văn Hưng kg/m3.độ => kg/m3.độ Theo phương pháp nội suy, tính khối lượng riêng của metylic và nước ở 72 oC: kg/m3 Khối lượng riêng của hỗn hợp (công thức I.2, trang 5, [1]): kg/m3 Với xa, xb: nồng độ phần khối lượng của các cấu tử trong hỗn hợp xa =... bề mặt *Tính ϕ[σ] ở nhiệt độ trung bình đoạn chưng ttb = Tra sức căng bề mặt của metylic và nước (bảng I.242, trang 300, [1], ta có : σa180 = 17,6 dyn/cm , σa2100 = 15,7 dyn/cm σb180 = 62,6 dyn/cm , σb2100 = 58,9 dyn/cm Tính tương tự như phần luyện: Sức căng bề mặt của hỗn hợp: => σhh = 13,16 dyn/cm *Tính khối lượng riêng trung bình pha lỏng: SVTH: Đỗ Quang Khả 31 : Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD:... phần mol cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu xD: nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong trong sản phẩm đỉnh xW: nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy Cấu tử dễ bay hơi A: rượu metylic, cấu tử khó bay hơi B: nước SVTH: Đỗ Quang Khả 15 Đồ án chưng cất Metanol – Nước GVHD: Ths Phạm Văn Hưng 2.1 TÍNH SỐ ĐĨA 2.1.1 Tính lượng hỗn hợp: 2.1.1.1 Nồng độ phần mol: Tính F theo kmol/h: Đổi nồng độ... tháp, methanol ( 97% ) và 1 phần nước (3%) sẽ được dẫn vào thiết bị ngưng tụ số 9 Tại đây, hỗn hợp metanol - nước đi bên ngoài ống, nước làm nguội đi bên trong ống, nước còn dư sẽ được ngưng tụ, đến bộ phận phân chia dòng 10, trở về tháp tháo ở trạng thái lỏng sôi Tiến hành đo lưu lượng hồi lưu về tháp ở mâm cao nhất của phần luyện, hơi methanol được dẫn đến thiết bị làm lạnh 11, ta thu được sản phẩm... chứa số 1 được bơm theo bơm số 2, lên bồn cao vị 3, đến lưu lượng kế 5, điều chỉnh van ,ổn định lưu lượng trước khi vào thiết bị gia nhiệt số 6, tại đây hỗn hợp metanol - nước đi bên trong ống, hơi đốt đi bên ngoài ống ( đây là thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm ), hỗn hợp ra khỏi thiết bị ở trạng thái lỏng sôi trước khi đi vào tháp ở mâm nhập liệu số 8 Tại đây chất lỏng đi từ trên xuống, hơi đốt đi từ