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

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 sảnphẩm cũng đòi hỏi cao hơn,đa dạng hơn,phong phú hơn theo đó công nghệ sảnxuất cũng phải nâng cao.trong công nghệ hóa học nói chung viêc sử dụng hóa chấtcó độ tinh khiết cao là yếu tố căn bản tạo ra sản phẩm có chất lượng cao.Có nhiềuphương pháp khác nhau để làm tăng nồng độ,độ tinh khiết:chưng cất,cô đặc.tríchli…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 đã hóa 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 bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần, kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp thu được một hỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi và nồng độ đạt yêu cầu, phương pháp chưng luyện cho hiệu suất phân 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 phân tách đa dạng như tháp chóp, tháp đĩa lỗ, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền, tháp đệm… Trong đồ án này em được giao thiết kế tháp chưng luyện liên tục dạng nhằm phân tách 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 liệu sản xuất các hợp chất và thực phẩm hiện nay.Giới thiệu về hỗn hợp chưng

II Giới thiệu về hỗn hợp chưng1.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

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.

• 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 = 1,75.10-5 Tính 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 đoạn trung 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 CH3COOH 3) 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 cồn meetylic qua xúc tác.

Nhiệt độ từ 200 ÷ 500oC, áp suất 100 ÷ 200 atm CH3OH + CO  CH3C

với 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), mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn, từ thùng cao vị dung dịch được đưa vào thiết bị đun nóng (4) qua lưu lượng kế (11), ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hoà, từ thiết bị gia nhiệt (4) dung dịch được đưa vào tháp chưng luyện (5) nhờ đĩa tiếp liệu, trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất nỏng đi từ trên xuống, nhiệt độ và nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của 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 hầu hết các cấu tử dễ bay hơi (Nước) Hơi đó đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6), ở đây nó được 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 độ sôi thấp được bốc hơi và do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng và cuối cùng ở đáy tháp ta thu dược hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi 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 sản phẩm 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 của hơi 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 CHÍNHI TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ

1 Tính toán cân bằng vật liệu:

Phương trình cân bằng vật liệu của toàn tháp

GW=W '= W

MW= 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 (Rmin)

Dựng đường cân bằng theo bảng:

Từ giá trị XF=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 Rx−N¿.(Rx+1) Qua đó ta thấy với Rx=3.728 thì

N¿.(Rx+1)=127.656 là nhỏ nhất hay thể tích tháp nhỏ nhất Vậy Rth=3.728

Với Rth=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:

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=

→ yl = 0,7885x + 0,2085

2.3 Phương trình làm việc đoạn chưng:

- Phương trình cân bằng vật liệu:

gtb: lượng hơi đi trong tháp( lượng trung bình) Kg/h ρy: khối lượng riêng trung bình Kg/m3

ωy: 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 hơi trung bình cho từng đoạn

1 Tính lưu lượng các dòng pha đi trong tháp: (có thể hiểu rằng P’=Gp)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 bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và đĩa dưới cùng của đoạn luyện gtb=gd+g1

gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện [ kmol/ h ] gđ: 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: gđ=GR+GP=GP.(Rx+1)

gđ=GR+GP=GP.(Rth+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 luyện được xác định theo phương trình cân bằng vật liệu: Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi:

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

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

Với rA : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất nước rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất axetic

Bảng cân bằng lỏng hơi của Nước và CH3COOH cần nội suy và từ tF = 103,289oC tra bảng I.212- STQTQB T1-trang 254 và trang 256:

x% x1 xP x2

Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (yđ = xP = 0,986): Từ bảng thành phần cân bằng lỏng-hơi (Nước - CH3COOH) ở 1at bảng IX2a (II-145), nội suy theo công thức (a) trang 28(với tF

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

 : 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 :

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 Ta có : GW = 65,561 (kmol/ h)

xW = 0,039 (phần mol) - Tính r1

Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng đoạn chưng bằng ẩn nhiệt hóa hơi đi vào đoạn luyện → r1 = 8321,535 (kcal/kmol)

-Tính r’1

r’1 = rA y’1 + ( 1 – y’1 ) rB

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 bằng

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 đối với 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) ρytb: 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 ]

ρxtb1, 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 = [ytbL.MA+(1− ytbL) MB]

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: 3 Đường kính đoạn luyện:

Đường kính đoạn luyện được tính theo công thức:

→điều giả sử là sai

4 Đường kính đoạn chưng

Đường kính đoạn chưng được tính theo công thức :

Với ytbC =0,3443(phần mol) và MA=Mnước=18; MB=MCH3COOH=60 ta có: Vì đường kính đoạn chưng và đường kính đoạn luyện đều không thuộc đoạn d=(0,6-1,2)m ta giả sử nên ta phải giả sử lại d

2.Giả sử đường kính tháp nằm trong khoảng 1,2 – 1,8 (m)  h = (0,350,45)

chọn: h= 0,35

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 √ gtb

(ρy wy)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 20oC:

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

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 = 14,8H = 3,7O = 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 )

μ : Độ nhớt của dung môi ở 20oC [ cp ]

ρ : ρCH3COOH,20ºC Khối lượng riêng của dung môi ở 20oC [ kg/m3 ]

Tra bảng I.2 STQTTBT1- 9 ta có ρCH3COOH,20ºC = 1048 kg/ m3