Tháp đệm acetone nuoc

D6 én QIFB L1 SOTH: PHAN 1: GIGI THIEU CHUNG 1.1 Mở Đầu Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Chúng ta có thể thực hiện nhiều phương pháp chưng khác nhau như chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, và chưng đặc biệt (chưng luyện hỗn hợp đẳng phí, chưng phân tử, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng trích ly) Ngày nay, chưng được ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp: + Dầu mỏ, các tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng + Không khí hóa lỏng + Quá trình tổng hợp hữu cơ thường cho sản phẩm ở dạng hỗn hợp chất lỏng Ví dụ: sản xuất metanol, etylen + Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng như etylic-nước từ quá trình lên men Khi chưng, hỗn hợp đầu chứa bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản phẩm Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết ta tiến hành chưng nhiều lần hay còn gọi là chưng luyện Trong quá trình sản xuất Axeton thường kèm theo rất nhiều sản phẩm phụ là Nước Vì vậy, nồng độ cũng như độ tinh khiết của Axeton không được cao Trong phần đồ án này sẽ trình bày thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp Axeton —- Nước Hỗn hợp đầu gồm 2 cấu tử là Axeton và Nước nên được gọi là chưng luyện hỗn hợp 2 cấu tử Axeton — Nước được phân tách thành hai cấu tử riêng biệt nhờ phương pháp chưng Khoa Céng Nghé Téa 1 ⁄29ồ án Q22 SOTH: luyện liên tục với tháp chung luyện là loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi Sau quá trình chưng luyện, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi lớn hơn (Axeton) và một phần rất nhỏ cấu tử khó bay hơi hơn (Nước) Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi (Nước) và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (Axeton) Trong suốt quá trình tính toán và thiết kế, được sự hướng dẫn trực tiếp và sự giúp đỡ nhiệt tình của cũng như với sự nỗ lực và cố gắng của bản thân bản đồ án thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách Axeton - Nước với các thông số như nội dung đề tài được giao của em đã được hoàn thành với nội dung sau: Phan 1 Giới thiệu chung Phần 2 Tính toán, thiết kế thiết bị chính Phan 3 Tính toán, thiết kế thiết bị phụ Phần 4 Kết luận chung Phần 5 Tài liệu tham khảo Khoa Cong Xghệ 20óa 2 D6 én QIFB L1 SOTH: 1.2 Thuyét minh day chuyén san xuat Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bom lên thùng cao vị (3) Mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế bởi cửa chảy tràn Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), quá trình tự chảy này được theo dõi bằng van và đồng hồ đo lưu lượng Tại thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão hoà), hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi Sau khi đạt đến nhiệt độ sôi, hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm (5) Trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với hơi được tạo thành ở thiết bị đun sôi đáy tháp (9) đi từ dưới lên, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần Theo chiều cao của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng đệm từ dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ Quá trình tiếp xúc lỏng — hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giàu cấu tử dễ bay hơi, pha lỏng ngày càng giàu cấu tử khó bay hơi Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (Axeton) và một phần rất nhỏ cấu tử khó bay hơi (Nước) Hỗn hợp hơi này được đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6) và tại đây nó được ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh) Một phần chất lỏng sau ngưng tụ chưa đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng để hồi lưu trở về đỉnh tháp; phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8) Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp (Axeton) lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử khó bay hơi (Nước) trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi xuống Do đó, nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Nước), một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (Axeton) Hỗn hợp lỏng này được đưa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân Khoa Céng Nghé Téa 3 29ồ áu Q22 co SOTH: dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (10), một phần được tận dụng đưa vào thiết bị gia nhiệt đáy tháp (9) dùng hơi nước bão hòa Thiết bị gia nhiệt (9) này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp) Nước ngưng của các thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (11) đi xử lý Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm được cung cấp và lấy ra liên tục Khoa Cong Nghe Fa 4 Dé án Q22 en SOTH: 1.3 Sơ đô dây chuyền công nghệ 2| @ Khoa Cony Wghé Joba 5 D6 én QIFB L1 SOTH: * Chú thích: 2- Bơm 1- Thùng chứa hỗn hợp đầu 4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 3- Thùng cao vị 6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 5- Tháp chưng luyện 8§- Thùng chứa sản phẩm đỉnh 10- Thùng chứa sản phẩm đáy 7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 11- Thiết bị tháo nước ngưng 1.4 Chế độ làm việc của tháp đệm Tùy thuộc vào vận tốc khí mà chế độ thủy động trong tháp đệm là chế độ dòng, xoáy hay sủi bọt Chế độ dòng, vận tốc khí còn bé, lực hút phân tử lớn hơn lực ỳ nên chuyển khối được quyết định bằng khuếch tán phân tử Tăng dần vận tốc đến khi lực ỳ bằng lực phân tử quá trình chuyển khối được quyết định không chỉ bằng khuếch tán phân tử mà còn có khuếch tán đối lưu Chế độ thủy động chuyển sang chế độ quá độ Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, ta có chế độ xoáy và quá trình chuyển khối được quyết định bởi khuếch tán đối lưu Đến một giới hạn nào đó của vận tốc khí sẽ xảy ra hiện tượng đảo pha Lúc này chất lỏng sẽ choán toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, còn khí phân tán vào lỏng và trở thành pha phân tán Vận tốc khí ứng với điểm đảo pha gọi là vận tốc đảo pha Do khí sục vào lỏng nên tạo bọt Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, song trong thực tế tháp đệm chỉ làm việc ở vận tốc đảo pha, vì nếu tăng nữa sẽ rất khó đảm bảo quá trình ổn định Chế độ này, chất lỏng chảy thành màng bao quanh đệm, nên còn gọi là chế độ màng Do đó, trong thực tế tháp làm việc ở chế độ màng Khoa Céng Nghé Téa 6 ⁄29ồ án Q22 SOTH: 1.5 Ưu, nhược điểm của tháp đệm 1.5.1 Ưu điểm của tháp đệm + Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn + Cấu tạo tháp đơn giản + Trở lực trong tháp không lớn lắm + Giới hạn làm việc của tháp tương đối rộng 1.5.2 Nhược điểm của tháp đệm + Khó làm ướt đều đệm + Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều 1.6 Bảng kê các ký hiệu thường dùng trong đồ án - E: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - P: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - W: Luong san pham đáy, kg/h (hoac kg/s, kmol/h) - Các chỉ số ; p : tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc vé hén hop dau, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy - a: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi, kg nước/kg hỗn hợp - x: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi, kmol nước/kmol hỗn hợp - M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol - w: độ nhớt, Ñs/m? - p: khối lượng riéng, kg/m? - Các chỉ sỐ 4 x,„.y,¡n: tương ứng chỉ đại lượng thuộc về cấu tử axeton, nước, thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp - Ngoài ra, các ký hiệu cụ thể khác được định nghĩa tại chỗ Khoa Céng Nghé Téa 7 ⁄29ồ án Q22 SOTH: PHẦN 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 2.1 Tính toán cân bằng vật liệu toàn tháp [IX-.H11464] 2.1.1 Tính cân bằng vật liệu [[X.17 - I.144] - Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp F=P+W - Đối với cấu tử dễ bay hơi: F.a, = P.a,+ W.a, - Lượng sản phẩm đỉnh là: p=r.“~“ [IX.18 — 11.144] a4, — a, (IX—.111.1944] - Lượng sản phẩm đáy là: W=F-P Dau bai cho: F = 5.8 tấn/h hay F = 5800 Kg/h Vậy ta có lượng sản phẩm đỉnh là: p=r.SE— = 5800* 05007 =1734 Kg/h a, -4, 0.98—0 - Luong san phẩm đáy là: W =F -P =5800 — 1734 = 4066 Kg/h # Đổi nông độ phần khối lượng sang nông độ phần mol: Áp dụng công thức: a [VIIL.1 — 11.126] Khoa Cong Xghệ 20óa 8 ⁄9ồ án Q22 co SOT: Với: M„,= M,.„„ =58§ Kg/Kmol My = M„„ =18 Kg/Kmol Thay số liệu vào ta có: ap 0.3 XpTP = Gáec M, =——58-°_=_0._117 phanầ mol M, 9~039 E1-9093 P N(anaar, ) 58 18 My, ap 0.98 _ 0,938 P pha4 n mol Xp= ay |M (ay) =———°5°8 _ M, My 098 1-0498 58 18 ay 0.01 x, = M, : =————5—8 -=0.003 P pầh:ần mol xa, ca) M, My 091 1=0.01 58 18 *# Tính khối lượng phan tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy - Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu: My = XM, + (1 - X;).My M; = 0.117*58 + (1- 0.117)*18 M; = 22.68 Kg/Kmol - Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh: M, = XM, + (1 -x,).My M, = 0.938*58 + (1- 0.938)*18 M,= 55.52 Kg/Kmol Khoa Cong Wghé WHéa 9 29ồ áu Q22 co SOTH: - Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy: M, = x,-M, + (1 -x,).My M,, = 0.003*58 + (1- 0.003)*18 M,, = 18.12 Kg/Kmol # Đổi đơn vị của F, P, W từ Kg/h sang Kmol⁄h F= Flkg/h) = 5800 = 255.73Kmol/h M, 22.68 P _ Plkg/h) =_ 21“734 ~31.23Kmol!h M, 55.52 yy - Wg() _ 4066 _ 494 s9K mol /h M, 1812 2.1.2 Xác định số bậc thay đổi nông độ 2.1.2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu (R,,,,) Theo số liệu Bảng IX.2a (IH.145) thành phần cân bằng lỏng (x) — hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử Axeton - Nước ở 760 mmHg (% mol) ta có bảng sau: Bảng 1 X 0 5 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 |100 y 0 | 60.3 | 72 | 80.3 | 82.7 | 84.2 | 85.5 | 86.9 | 88.2 | 90.4 | 94.3 | 100 tC | 100 | 77.9 | 69.6 | 64.5 | 62.6 | 61.6 | 60.7 | 59.8 | 59 | 58.2 | 57.5 | 56.9 Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng (x) — hơi (y) [Hình 1], với giá trị xy = 0.117 ta dóng lên đường cân bằng và tìm được giá trị yy = 0.743 Khoa Cong ghệ 20óa 10