Đồ án môn quá trình thiết bị thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp chóp để phân tách hỗn hợp nước ch3cooh

Nội dung đề tài:Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp chóp để phân tách hỗn hợp: Nước- CH3COOH Năng suất hỗn hợp đầu 5,6 Tấn/giờ Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong... Phương pháp

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA

ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp chóp để

Hà nội 01/ 2020

Nội dung đề tài:

Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp chóp để phân tách hỗn hợp: Nước-

CH3COOH

Năng suất hỗn hợp đầu 5,6 Tấn/giờ

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong

Lời mở đầu

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật,nền công nghiệp đã mang lại cho con người những lợi ích vô cùng to lớn về cả vật chất lẫn tinh thần.Để nâng cao đời sống nhân dân,để hòa nhập chung với sự phát triển chung của các nước trong khu vực cũng như trên thế giới.Đảng và nhà nước ta đã đề ra mục tiêu: công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước.

Trong tiến trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nuớc những ngành kinh tế mũi nhọn:công nghệ thông tin ,công nghệ sinh học công nghệ điện tử tự động hóa,công nghệ vật liệu mới…công nghệ hóa giữ vai trò quan trọng trong việc sản xuất các sản phẩm phục vụ cho nền kinh tế quốc dân.Tạo tiền đề cho nhiều ngành khác phát triển.

Khi kinh tế phát triển nhu cầu của con người ngày càng tăng.Do vậy các sản phẩm cũng đòi hỏi cao hơn,đa dạng hơn,phong phú hơn theo đó công nghệ sản xuất cũng phải nâng cao.trong công nghệ hóa học nói chung viêc sử dụng hóa chất

có độ tinh khiết cao là yếu tố căn bản tạo ra sản phẩm có chất lượng cao.Có nhiều phương pháp khác nhau để làm tăng nồng độ,độ tinh khiết:chưng cất,cô đặc.trích li…tùy vào tính chất của hệ mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp.

PHẦN I TỔNG QUAN

I Giới thiệu về chưng cất

Chưng luyện là một phương pháp chưng cất nhằm để phân tách một hỗn hợp khí đãhóa lỏng dựa trên độ bay hơi tương đối khác nhau giữa các cấu tử thành phần ở cùng một

áp suất

Phương pháp chưng luyện này là một quá trình trưng luyện trong đó hỗn hợp được bốchơi và ngưng tụ nhiều lần, kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp thu được một hỗn hợp gồm hầuhết các cấu tử dễ bay hơi và nồng độ đạt yêu cầu, phương pháp chưng luyện cho hiệu suấtphân tách cao, vì vậy nó được sử dụng nhiều trong thực tế

Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, người ta đưa ra nhiều thiết bị phântách đa dạng như tháp chóp, tháp đĩa lỗ, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền, thápđệm… Trong đồ án này em được giao thiết kế tháp chưng luyện liên tục dạng nhằm phântách 2 cấu tử Nước – Axit Axetic , chế độ làm việc ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào

ở nhiệt độ sôi

Nước – Axit Axetic là hỗn hợp lỏng thường gặp trong thực tế việc tách riêng 2 cấu

tử này có ý nghĩa quan trọng bởi cần Axit Axetic có nồng độ lớn dùng làm nguyên liệusản xuất các hợp chất và thực phẩm hiện nay.Giới thiệu về hỗn hợp chưng

II Giới thiệu về hỗn hợp chưng

1.Nước

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt

Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 tinh thể khác nhau

• Khối lượng phân tử : 18g/mol

• Khối lượng riêng d4oc : 1g/ml

sôi = 118o C

• Tan trong nước, rượu và ete theo bất kỳ tỷ lệ nào

• Là một axit yếu, hằng số phân ly nhiệt động của nó ở 25o C là K = 1,75.10-5Tính ăn mòn kim loại:

• Axit Axetic ăn mòn sắt

• Nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, nó đề kháng tốt với axit axetic đặc và thuần khiết Đồng và chì bị ăn mòn bởi axit axetic với sự hiện diện của không khí

• Thiếc và một số loại thép Nikel – Crom đề kháng tốt với axit axetic

2.2 Điều chế:

Axit axetic điều chế bằng cách:

1) Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành anđêhit axetic, là một giai đoạntrung gian Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa ânđêhit axetic thành axit axetic

CH3CHO + O2  CH3COOH

C2H5OH + O2  CH3COOH + H2O 2) Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ axetylen coban axetat Người ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80oC để ngăn chặn sự hình thành peoxit Hiệu suất đạt 95 ÷ 98 % so với lý thuyết Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi điều chế axit axetic kết tinh được

CH3CHO + O2 Coban axetat ở 80oC CH3COOH3) Tổng hợp đi từ cồn metylic và Cacbon oxit

Hiệu suất có thể đạt 50 ÷ 60% so với lý thuyết bằng cách cố định cacbon oxit trên cồnmeetylic qua xúc tác

Nhiệt độ từ 200 ÷ 500oC, áp suất 100 ÷ 200 atm

CH3OH + CO  CH3Cvới sự hiện diện của metaphotphit hoặc photpho – vonframat kim loại 2 và 3 hóa trị (chẳng hạn sắt, coban)

III Sơ đồ công nghệ

1.Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

Trong đó:

1- Thùng chứa hỗn hợp đầu 6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

2- Bơm 7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

3- Thùng cao vị 8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh

4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp

5- Tháp chưng luyện 10- Thùng chứa sản phẩm đáy

11- Lưu lượng kế

2 Thuyết minh dây chuyền sản xuất:

Dung dịch đầu ở thùng (1) được bơm (2) bơm liên tục lên thùng cao vị (3), mứcchất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn, từ thùng cao vịdung dịch được đưa vào thiết bị đun nóng (4) qua lưu lượng kế (11), ở đây dung dịchđược đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hoà, từ thiết bị gia nhiệt (4) dungdịch được đưa vào tháp chưng luyện (5) nhờ đĩa tiếp liệu, trong tháp hơi đi từ dưới lêngặp chất nỏng đi từ trên xuống, nhiệt độ và nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều caocủa tháp Vì vậy hơi từ đĩa phía dưới lên đĩa phía trên, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao(CH3COOH) sẽ được ngưng tụ lại và cuối cùng trên đỉnh ta thu được hỗn hợp gồm hầuhết các cấu tử dễ bay hơi (Nước) Hơi đó đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6), ở đây nóđược ngưng tụ lại

Một phần chất lỏng đi qua thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết rồi

đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8), một phần khác hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng.Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độsôi thấp được bốc hơi và do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng ngày càngtăng và cuối cùng ở đáy tháp ta thu dược hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bayhơi Chất lỏng đi ra khỏi tháp được làm lạnh rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đáy (10).Như vậy với thiết bị làm việc liên tục thì hỗn hợp đầu được đưa vào liên tục và sảnphẩm cũng được tháo ra liên tục

-Tháp chóp

Ưu điểm : hiệu suất truyền khối cao , ổn định , ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số

mâm ít hơn Nhược điểm : chế tạo phức tạp , trở lực lớn

3 Các kí hiệu trước khi tính:

Giả thiết

+ Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp.+ Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chưng và đoạn luyện.+ Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi

+ Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần củahơi đi ra ở đỉnh tháp

+ Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp

Yêu Cầu thiết bị:

F: Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu F = 5,6(tấn/h)

Thiết bị làm việc ở áp suất thường

Tháp chưng loại: tháp chóp

Điều kiện:

aF : Nồng độ H2O trong hỗn hợp đầu = 0,311(phần khối lượng)

aP : Nồng độ H2O trong sản phẩm đỉnh = 0,956(phần khối lưọng)

aW : Nồng độ H2O trong sản phẩm đáy = 0,012(phần khối lượng)

MA: Khối lượng phân tử của H2O = 18(kg/kmol)

MB: Khối lượng phân tử của CH3COOH= 60(kg/kmol)

PHẦN 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

I TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ

1 Tính toán cân bằng vật liệu:

Phương trình cân bằng vật liệu của toàn tháp

G F =G P +G w (1)Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi

W =F−P=5600−1773.73=3826.27 Kg/h a.Chuyển đổi nồng độ phần khối lượng sang phần mol

G W =W '= W

M W= 3826.2758.362 =65.561 (Kmol/h)

2 Xác định số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)

2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu (R min)

Dựng đường cân bằng theo bảng:

100

Từ số liệu trong bảng ta vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng (x) – hơi (y)

Từ giá trị X F=0.601 dóng lên đường cân bằng y*- x ta được y*F =0.7168

Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với β=1.2, N¿=39,B=0.26

Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với β=1.4 ,N¿=31,B=0.231

Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với β=1.5 , N¿=29,B=0.219

Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với β=1.6, N¿=27 ,B=0.209

Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với β=1.7, N¿=26,B=0.198

Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với β=1.8, N¿=25,B=0.19

Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với β=2.0, N¿=24, B=0.174

Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với β=2.2, N¿=22, B=0.161

Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với β=2.4 ,N¿=22,B=0.149

Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với β=2.5, N¿=21,B=0.144

Từ các đồ thị xác định số đĩa lý thuyết ta được bảng trên.

Lập đồ thị quan hệ giữa R x −N¿.(R x+1) Qua đó ta thấy với R x=3.728 thì

N¿.(R x+1)=127.656 là nhỏ nhất hay thể tích tháp nhỏ nhất Vậy R th=3.728

Với R th=3.728 thì số đĩa lý thuyết : N¿=27 đĩa

3 Phương trình đường nồng độ làm việc

2.2 Phương trình làm việc của đoạn luyện :

- Phương trình cân bằng vật liệu

D0 = L0 + P Trong đó : D0 : lượng hơi đi từ dưới lên

L0 : lượng lỏng hồi lưu đi từ trên xuống

- Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi là:

Biến đổi phương trình (1) theo Rx ta được:

Với :

y : nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên

x : nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống

Rx : chỉ số hồi lưu

Thay số vào ta có :

Yl=

→ y l = 0,7885x + 0,2085

2.3 Phương trình làm việc đoạn chưng:

- Phương trình cân bằng vật liệu:

(2) Trong đó:

g tb: lượng hơi đi trong tháp( lượng trung bình) Kg/h

ρ y: khối lượng riêng trung bình Kg/m3

ω y: tốc độ hơi đi trung bình trong tháp Kg/m2s

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơitrung bình cho từng đoạn

1 Tính lưu lượng các dòng pha đi trong tháp: (có thể hiểu rằng P’=G p )

1.1 Xác định lưu lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:

Lượng hơi trung bình đi trong tháp chưng luyện có thể tính gần đúng bằng trung bìnhcộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và đĩa dưới cùng của đoạn luyện

g tb=g d +g1

2

g tb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện [ kmol/ h ]

g đ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp [kmol/ h]

g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện [ kmol/ h]

+ Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp: g đ =G R +G P =G P .(R x+1)

g đ =G R +G P =G P .(R th+1)=95.423(3.728+1)=451.16 (kmol/h)

+ Lượng hơi đi vào đoạn luyện

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyệnđược xác định theo phương trình cân bằng vật liệu: Phương trình cân bằng vật liệu đối vớicấu tử dễ bay hơi:

g1=G1+G P (1)Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi:

g1 y1=G1+G P( 2 ) Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

g1.r1=g đ .r đ ( 3)+Lượng hơi đi vào đoạn luyện

Ta có hệ phương trình:

{ g 1 =G 1 +G P ¿ { g 1 .y 1 =G 1 .x 1 +G P x P ¿¿¿¿

Trong đó r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa

r đ: ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử hỗn hợp hơi ra đỉnh tháp

rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất axeticBảng cân bằng lỏng hơi của Nước và CH3COOH cần nội suy và từ tF = 103,289oC trabảng I.212- STQTQB T1-trang 254 và trang 256:

1.2 Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng : (có thể hiểu rằng W’=G w )

 : lượng hơi đi vào đoạn chưng ( kmol/ h )

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện gn ' = g1 , nên ta có

Lượng hơi đi vào đoạn chưng, lượng lỏng G’1 và hàm lượng lỏng x’1 được xác định theo

hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng như sau :

g’xF

xW: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

rA, rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất ở to = tW

r’1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ra khỏi đoạn chưng

y’1 = yW xác định theo đường cân bằng ứng với xW = 0,039 nội suy theo bảng cân bằnglỏng hơi

Với tW = 115,994 oC ta sử dụng toán đồ I-65(trang 255- STQTTB Tập I )đối với nước

và sử dụng số liệu ở bảng I-213 trang 256 - STQTTB Tập I  và công thức nội suy đốivới axit axetic ta có :

r1' = 9514,854.y’1+ (1– y’1) 5554,8 = (kcal/kmol)

2 Vận tốc hơi đi trong tháp:

Tốc độ hơi ( khí ) trung bình đi trong tháp chóp xác định theo:

( ρy.wy)tb = 0,065 ϕδ √ h.ρxtb ρytb

Trong đó:

ρxtb: khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m3)

ρ ytb: khối lượng riêng của hơi (kg/ m3)

h: khoảng cách giữa các đĩa (m)

2.1 Tính khối lượng riêng trung bình của pha lỏng:

ρxtb: khối lượng riêng trung bình của lỏng [ kg/ m3 ]

ρ xtb1, ρxtb2 : khối lượng riêng trung bình của nước và axit acetic trong pha

lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình [ kg/ m3 ]

atb1: phần khối lượng trung bình của nước trong pha lỏng:

ρaxit acetic =ρxtb(axit acetic)= = 955,566( kg/ m3 )

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện:( = )

ρxtb1 ,ρxtb2: Khối lượng riêng trung bình của aceton và axit acetic trong pha

lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình [ kg/ m3 ]

atb1: Phần khối lượng trung bình của cấu tử nước trong pha lỏng

ρnước =ρxtb(nước)= =952,63( kg/ m3 )

ρaxit acetic =ρxtb(axit acetic)= =944,968( kg/ m3 )

→ Khối lượng riêng của lỏng trong đoạn chưng là:

2.2 Tính khối lượng trung bình của pha hơi:

a Khối lượng trung bình pha hơi ở đoạn luyện:

ADCT STQTTB II – 183

ρtbL = [y tbL M A+(1− y tbL) M B]

22,4.T .273 [ kg/ m3 ]

Trong đó

MA, MB : khối lượng phân tử của rượu aceton và axit axetic

T : nhiệt độ làm việc trung bình của tháp ( oK )

ytbL: Nồng độ trung bình pha hơi trong đoạn luyện

Sức căng bề mặt tính theo công thức:

Sử dụng công thức nội suy ta có:

Thay số vào ta được :  =14,367(dyn/cm)

Vì  =14,367(dyn/cm)< 20 (dyn/cm)  φ[] = 0,8

Tốc độ khí của hơi đoạn chưng:

(.) = 0,065 φ[] (kg/ m.s) (II-184)

Thay số: ( .) = 0,065.0,8 =1,045 (kg/ m.s)

3 Đường kính đoạn luyện:

Đường kính đoạn luyện được tính theo công thức:

thay số ta có:

MyL = [ y

tbL MA + ( 1- ytbL ) MB ]=[ 0,8287.18 + ( 1 - 0,8287).60 ]

= 25,1946(kg/ kmol)Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện đổi sang kg/ h

gtb = gtbL MyL = 486,686 ( kmol / h ) 25,1946 (kg/ kmol)= 12261,8591 (kg/h)

Thay các giá trị vào công thức :

DL = 0,0188 √ g tb

(ρ y w y)tbL = 0,0188 = 2,336 ( m )>d=(0,6-1,2)m

→điều giả sử là sai

4 Đường kính đoạn chưng

Đường kính đoạn chưng được tính theo công thức :

DC = 0,0188 √ gtb

( ρy.wy)tbC [ m ]Trong đó

Khối lượng mol trung bình của pha hơi đoạn chưng

MyC = ytbC MA + (1 – ytbC ) MB (kg/ kmol)

Với ytbC =0,3443(phần mol) và MA=Mnước=18; MB=MCH3COOH=60 ta có:

Làm tương tự như trên ta có:

+Tốc độ khí của hơi đoạn luyện:

( .)tb = 0,065 φ[] (kg/m.s ) (II-184)

Thay số: (  )tbL = 0,065.0,8 = 0,857 (kg/m.s)

DL = 0,0188 √ g tb

(ρ y w y)tbL = 0,0188 = 2,265 ( m ) ϵ d=(1,2-1,8)m

→điều giả sử là sai

+Tốc độ khí của hơi đoạn chưng:

(.) = 0,065 φ[] (kg/ m.s) (II-184)

Thay số: ( .) = 0,065.0,8 = 1,129 (kg/ m.s)

DC = 0,0188 √ gtb

( ρy wy)tbC = 0,0188 = 3,116 ( m ) > d=(1,2-1,8)m

3.Giả sử đường kính tháp nằm trong khoảng > 1,8 (m)  h = (0,45)

chọn: h= 0,45

Làm tương tự như trên ta có :

+Tốc độ khí của hơi đoạn luyện:

III TÍNH CHIỀU CAO THÁP :

1.Hệ số khuếch tán:

1.1 Hệ số khuếch tán trong pha lỏng:

a Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20 o C:

Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20oC theo STQTTB II _ 133

A, B : Hệ số liên hợp của chất tan và dung môi(A= Nướcvà B= CH3COOH)

Tra bảng(VIIII-7 STQTTB-133) ta có: A = 1,27 ; B = 1

MA, MB : Khối lượng mol của Nước và CH3COOH [ kg/ kmol ]e

μB : Độ nhớt của dung môi ở 20oC [ kg/ m3 ] :µCH3COOH

µB,20ºC = 1,21 cP

vA, vB : Thể tích mol của aceton và axit acetic ( cm3/mol )

Tra bảng II -127 ta có thể tích nguyên tử của :

C = 14,8 H = 3,7 O = 12 -Với công thức tổng quát: CxHyOz

→ = x +y +z (x,y,z là hệ số tương ứng của C,H,O trong hợp chất cần tính)

A: Nước=H2O và B: CH3COOH=C2H4O2

→ = 2.3,7 + 12 = 19,4 ( cm3/mol )

→ = 2.14,8+4.3,7 + 12.2 = 68,4( cm3/mol )