Nguyên Lý Hóa Công Nghiệp - Các quá trình và thiết bị chuyển khối docx

MÔN HỌC NGUYÊN LÝ HÓA CÔNG NGHIỆP 30 tiết (15 LT + 7,5 BT + 7,5 TH) TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. J.P. MOULIN, Génie des procédés, tập 1 & 2, Technip, 1999. 2. Đỗ Văn Đài - Nguyễn Trọng Khuôn - Trần Quang Thảo - Võ Thị Ngọc Tươi - Trần Xoa, Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, Tập 1 & 2, Nhà xuất bản Đại Học và Trung học chuyên nghiệp 3. P. TRAMBOUZE - H. VAN LANDEGHEM - J.P. WAUQUIER, Les réacteurs chimiques, Technip, 1984. 4. Vũ Bá Minh, Kỹ thuật phản ứng, Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, 1999. 5. R.E TREYBAL, Mass transfer operations, 1980. Nguyên lý hóa công nghiệp Chương I: Chương II: Chương III: Chương IV: Chương V: NỘI DUNG MÔN HỌC Lý thuyết và bài tập Mở đầu Chưng luyện Trích ly Thiết bị phản ứng – Bài tập áp dụng Thiết bị trao đổi nhiệt 2 Thực hành Vận dụng phần mềm PROII để mô phỏng một số sơ đồ trong công nghiệp hóa học Nguyên lý hóa công nghiệp 3 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 5 1.1. 1.2. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC 5 NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI 6 1.2.1. Định nghĩa 6 1.2.2. Phân loại 6 CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN 7 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. ĐỊNH NGHĨA CHƯNG 7 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG 7 PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ 8 CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỖN HỢP 2 CẤU TỬ 9 2.4.3. Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y 9 2.4.4. Giản đồ đẳng áp T-x-y 10 2.4.5. Giản đồ phần mol x-y 11 2.5. THÁP CHƯNG LUYỆN 12 2.5.1. Nguyên tắc hoạt động 12 2.5.2. Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp (Condenser) 13 2.5.3. Thiết bị đun sôi đáy tháp (Reboiler) 14 2.5.4. Cân bằng vật chất 16 2.5.5. Xác định chỉ số hồi lưu r f và số đĩa lý thuyết tối thiểu N min 17 2.5.6. Xác định số đĩa thực tế N TT 19 THỰC HÀNH VẬN DỤNG PHẦN MỀM PROII ĐỂ MÔ PHỎNG MỘT SỐ SƠ ĐỒ TRONG CÔNG NGHIỆP HÓA HỌC I- GIớI THIệU TổNG QUAN 21 1- M ụC ĐÍCH , VAI TRÒ CủA THIếT Kế MÔ PHỏNG 21 2- C ÁC PHầN MềM MÔ PHỏNG TRONG CÔNG NGHệ HÓA HọC 22 II- PHầN MềM PRO/II 22 1- L ĨNH VựC Sử DụNG 22 2- Q UÁ TRÌNH MÔ PHỏNG BằNG PHầN MềM PRO/II 23 III- LÝ THUYếT NHIệT ĐộNG HọC 24 IV- CƠ Sở LựA CHọN MÔ HÌNH NHIệT ĐộNG 25 V- CÁC PHầN CƠ BảN CủA PROII 28 1- G IAO DIệN CủA PROII- Q UI ƯớC BAN ĐầU 28 2- Cửa sổ PRO/II 29 VI- CÁC THAO TÁC THƯờNG DÙNG TRONG MÔ PHỏNG BằNG PRO/II 30 1- M ở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG MớI (O PENING A N EW S IMULATION ) 30 2- M ở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG ĐÃ CÓ (O PENING AN E XISTING S IMULATION ) 30 3- G HI MộT FILE MÔ PHỏNG ĐANG HIệN HÀNH (S AVING THE C URRENT S IMULATION ) 30 a- Ghi một file mô phỏng đang hiện hành 30 b- Ghi một file mô phỏng với một tên khác 31 4- X ÓA MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG (D ELETING A S IMULATION ) 31 5- S AO CHÉP MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG (C OPY A S IMULATION ) 31 Nguyên lý hóa công nghiệp 4 6- T HAY ĐổI DạNG ĐƯờNG VIềN CÁC DÒNG (M ODIFYING THE F LOWSHEET S TREAM B ORDER S TYLE ) 32 7- H IểN THị TÍNH CHấT CủA DÒNG TRÊN SƠ Đồ MÔ PHỏNG 32 8- S ử DụNG F LASH H OT -K EY T OOL 33 9- X UấT MộT SƠ Đồ MÔ PHỏNG RA CửA Sổ LƯU TRữ TạM (E XPORTING THE PFD TO THE W INDOWS C LIPBOARD ) 34 10- N HậP MộT FILE PRO/II CÓ SẳN (I MPORTING A PRO/II K EYWORD I NPUT F ILE ) 34 11- X ÁC ĐịNH CÁC TÍNH CHấT Về CÂN BằNG LỏNG - HƠI CủA CÁC Hệ 2 CấU Tử (D ISPLAY BVLE) 34 VII- BÀI TẬP ÁP DỤNG 36 B ÀI TOÁN 1: M Ô PHỏNG SƠ Đồ CÔNG NGHệ CủA PHÂN XƯởNG TÁCH M ÉTHANE 36 B ÀI TOÁN 2: M Ô PHỏNG THIếT Bị TÁCH KHÍ - LỏNG 38 B ÀI TOÁN 3: T ÍNH NHIệT Độ SÔI CủA MộT HỗN HợP HAI PHA ở MộT ÁP SUấT NHấT ĐịNH 39 B ÀI TOÁN 4: M Ô PHỏNG THÁP TÁCH PROPANE 40 B ÀI TOÁN 5: X ÁC ĐịNH ĐĨA NạP LIệU TốI ƯU CHO THÁP TÁCH PROPANE BằNG CÔNG Cụ O PTIMISER 42 B ÀI TOÁN 6: X ÁC ĐịNH Số ĐĨA LÝ THUYếT TốI THIểU VÀ CHỉ Số HồI LƯU TốI THIểU CHO THÁP TÁCH PROPANE BằNG PHƯƠNG PHÁP SHORTCUT 44 CHƯƠNG 3: TRÍCH LY 46 3.1. 3.2. 3.3. N GUYÊN TắC 46 S Ơ Đồ 46 Ứ NG DụNG 46 CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 47 4.1. ĐẠI CƯƠNG 47 4.1.1. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 47 a- Theo pha của hệ 47 b- Điều kiện tiến hành quá trình 47 c- Theo điều kiện thủy động 47 4.1.2. PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THEO PHƯƠNG THỨC LÀM VIỆC 48 a- Thiết bị phản ứng gián đoạn : 48 b- Thiết bị phản ứng liên tục : 49 c- Thiết bị phản ứng bán liên tục : 50 4.1.3. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 50 4.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT TỔNG QUÁT 51 4.2.4. Cân bằng vật chất 51 4.2.5. Cân bằng nhiệt 51 4.3. MÔ TẢ MỘT SỐ DẠNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ CƠ BẢN 52 Thiết bị phản ứng liên tục 52 a- Thiết bị phản ứng dạng ống : 52 b- Thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn lý tưởng 55 c- Thiết bị phản ứng nhiều ngăn (étagé) 59 4.4. ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ 60 4.4.7. SO SÁNH CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐƠN 60 4.4.8. HỆ NHIỀU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 67 Nguyên lý hóa công nghiệp CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 5 1.1. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Nhìn chung các quá trình trong công nghệ hóa học được phân thành 4 loại sau: 1. rắn. 2. Các quá trình cơ học: gồm các quá trình: đập, nghiền, sàng, … các vật liệu Các quá trình thuỷ lực: nghiên cứu về: − Các định luật về thủy tĩnh, thủy động, chuyển động của chất lỏng, chất khí. − Các thiết bị vận chuyển khí, lỏng (bơm, quạt, máy nén, …) − Các phương pháp và thiết bị phân riêng các hệ khí, lỏng không đồng nhất (lắng, lọc, ly tâm, …) 3. Các quá trình nhiệt: nghiên cứu về: − Các định luật về truyền nhiệt (dẫn nhiệt, cấp nhiệt, bức xạ nhiệt, …) − Các quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt (đun nóng, làm nguội, ngưng tụ, cô đặc) − Các quá trình làm lạnh. 4. Các quá trình chuyển khối: nghiên cứu về: − Các định luật về sự di chuyển vật chất giữa các pha với nhau − Các thiết bị chuyển khối (chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, sấy, trích ly, kết tinh, …) Nguyên lý hóa công nghiệp 6 1.2. NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI 1.2.1. Định nghĩa - Là quá trình di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc trực tiếp với nhau; - Đây là quá trình đóng vai trò quan trọng trong nền công nghiệp hóa học vô cơ, hữu cơ, lọc hóa dầu, thực phẩm, … 1.2.2. Phân loại Tuỳ theo đặc trưng của sự di chuyển vật chất và tính chất của 2 pha → phân loại: - Chưng: là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, trong đó vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại. Đây là quá trình rất phổ biến (quá trình chưng cất cồn, chưng cất dầu thô, …) - Hấp thụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha lỏng (điều chế oléum bằng cách cho H 2 SO 4 đậm đặc hấp thụ khí SO 2 ; tách khí acide bằng dung dịch alkanolamine); - Hấp phụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha rắn (tách khí acide ra khỏi hỗn hợp khí tự nhiên hay khí đồng hành bằng rây phân tử); - Trích ly: là quá trình tách hoàn toàn hay một phần chất hòa tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng một chất lỏng khác; - Kết tinh: là quá trình tách chất rắn trong dung dịch, trong đó vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha rắn (kết tinh đường, kết tinh phân lân, …); - Sấy khô: là quá trình tách nước ra khỏi vật chất ẩm, trong đó vật chất (hơi nước) di chuyển từ pha lỏng hay pha rắn vào pha khí (sấy nông sản thực phẩm); - Hòa tan: là quá trình vật chất di chuyển từ pha rắn vào pha lỏng (hòa tan muối hoặc đường vào nước); Nguyên lý hóa công nghiệp CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN 7 2.1. ĐỊNH NGHĨA 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; - Trong trường hợp đơn giản nhất thì chưng và cô đặc gần như nhau, nhưng giữa chúng có một ranh giới cơ bản: • Chưng: Dung môi và chất tan đều bay hơi; • Cô đặc: Chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi; - Khi chưng → thu được nhiều sản phẩm và thường có bao nhiêu cấu tử ta sẽ được bấy nhiêu sản phẩm; - Đối với trường hợp 2 cấu tử : • sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn + ∑ cấu tử có độ bay hơi bé; • sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé + ∑ cấu tử có độ bay hơi lớn; 2.2. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG Trong sản xuất, thường gặp các phương pháp chưng sau: 1. Chưng đơn giản: - dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau - thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất 2. Chưng bằng hơi nước trực tiếp: - dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi Nguyên lý hóa công nghiệp - thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước 8 3. Chưng chân không: Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử (đối với các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao hay có nhiệt độ sôi quá cao) 4. Chưng luyện: - Là phương pháp phổ biến nhất dùng 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 huỷ ở nhiệt độ cao; - Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường; 2.3. PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ 1. Dung dịch lý tưởng: - là dung dịch mà trong đó lực liên kết giữa các phân tử cùng loại và lực liên kết giữa các phân tử khác loại bằng nhau. - Khi đó các cấu tử hòa tan vào nhau theo bất cứ tỷ lệ nào. cân bằng lỏng-hơi hoàn toàn tuân theo định luật Raout; 2. Dung dịch thực: - Là những dung dịch hoàn toàn không tuân theo định luật Raout; - Sự sai lệch với định luật Raout là dương nếu lực liên kết giữa các phân tử khác loại < lực liên kết giữa các phân tử cùng loại; - Sự sai lệch với định luật Raout là âm nếu lực liên kết giữa các phân tử khác loại > lực liên kết giữa các phân tử cùng loại; - Trường hợp lực liên kết giữa các phân tử khác loại << lực liên kết giữa các phân tử cùng loại → dung dịch sẽ phân lớp. Nguyên lý hóa công nghiệp ⇒ Ta xét trường hợp phổ biến nhất: chất lỏng hòa tan vào nhau theo bất cứ tỷ lệ nào Hình 2-1: Quan hệ giữa áp suất và thành phần của dung dịch 2 cấu tử 2 1 9 1. 2. 3. Tuân theo định luật Raout; Sai lệch dương Sai lệch âm 3 2.4. CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỖN HỢP 2 CẤU TỬ 2.4.3. Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y P P M P 0B Lỏng T = const Lỏng - Hơi Hơi P 0A 0 x M y M 1 Trong đó: A : cấu tử dễ bay hơi → P 0A > P 0B Nguyên lý hóa công nghiệp 10 x M , y M : thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất P M → Thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất P M là: 1-x M , 1-y M ⇒ Biểu đồ này ít sử dụng vì trong thực tế P rất ít thay đổi ⇒ Sử dụng biểu đồ T-x-y 2.4.4. Giản đồ đẳng áp T-x-y T P = const T 0B Hơi Lỏng - Hơi T M Lỏng T 0A B x M y M A Trong đó: A : cấu tử dễ bay hơi → T 0A < T 0B x M , y M : thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở P và T M → thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất P M là: 1-x M , 1-y M [...]... độ và áp suất - Tính sẳn có của các thông số hoạt động của các thiết bị • Cụ thể, ta có thể dựa vào sơ đồ sau : 25 Nguyên lý hóa công nghiệp 26 Nguyên lý hóa công nghiệp 27 Nguyên lý hóa công nghiệp V- Các phần cơ bản của PROII 1- Giao diện của PROII- Qui ước ban đầu Khi khởi động PROII, đầu tiên sẽ xuất hiện một cửa sổ giao diện qui ước ban đầu: Các nút hoặc các biểu tượng trong một vài trường hợp... cứ một quá trình mô phỏng nào là lượng hóa các mục tiêu càng nhiều càng tốt Các kết quả đạt được thường phụ thuộc vào các Nguyên lý hóa công nghiệp yêu cầu đặt ra Như vậy, trước khi mô phỏng một quá trình nên đặt ra các câu hỏi sau : - Mục đích sử dụng công cụ mô phỏng trong trường hợp này để làm gì ? - Quá trình mô phỏng sẽ thực hiện những việc gì ? - Sự phức tạp có cần thiết không ? - Cần thiết phải... ta có thể tự động hóa quá trình tính toán các sơ đồ công nghệ để tránh việc phải thực hiện các phép tính lặp không có cơ sở hoặc mò mẫm • Thiết kế mô phỏng thường được sử dụng để : - Thiết kế (Designing) một quá trình mới - Thử lại, kiểm tra lại (Retrofitting) các quá trình đang tồn tại - Hiệu chỉnh (Troubleshooting) các quá trình đang vận hành - Tối ưu hóa (Optimizing) các quá trình vận hành • Để xây... gồm các nguồn dữ liệu phong phú : thư viện các cấu tử hóa học, các phương pháp xác định các tính chất nhiệt động, các kỹ xảo vận hành các thiết bị hiện đại để cung cấp cho các kỹ sư công nghệ các kỹ năng để biểu diễn tất cả các tính toán cân bằng vật chất và năng lượng cần thiết khi mô phỏng các trạng thái dừng của các sơ đồ công nghệ • Phần mềm PRO/II được sử dụng theo nhằm 2 mục đích chính: - Thiết. .. các kết quả nào từ quá trình mô phỏng ? • Cần nhớ rằng các giá trị thu được từ kết quả mô phỏng phụ thuộc rất nhiều vào những lựa chọn ban đầu mà chúng ta đã nhập vào 2- Các phần mềm mô phỏng trong công nghệ hóa học • Trong công nghệ hóa học, người ta sử dụng rất nhiều các phần mềm mô phỏng : - DESIGN II (WINSIM) : sử dụng trong công nghiệp hóa học nói chung - PRO/II (SIMSCI) : sử dụng trong công nghiệp. .. của thiết bị ; 23 Nguyên lý hóa công nghiệp - Lựa chọn các dòng nguyên liệu và sản phẩm : xác định thành phần, trạng thái nhiệt của các dòng; - Xác định các dữ liệu về thiết bị và điều kiện vận hành cho các thiết bị • Hơn nữa, trong nhiều trường hợp chúng ta phải thay đổi sơ đồ công nghệ thực tế sang mục đích mô phỏng Mặc dù có sự tương ứng giữa sơ đồ công nghệ thực tế và sơ đồ mô phỏng nhưng vẫn có... nghiệp hóa học, công nghiệp lọc hóa dầu - PROSIM : sử dụng trong công nghiệp hóa học - HYSIM (HYSYS) : sử dụng trong công nghiệp chế biến khí • Trong các phần mềm kể trên, phần mềm PRO/II là phần mềm nổi tiếng nhất, được sử dụng rộng rãi nhất trong nhiều lĩnh vực công nghiệp II- Phần mềm PRO/II 1- Lĩnh vực sử dụng • Phần mềm PRO/II là phần mềm tính toán chuyên dụng trong các lĩnh vực công nghệ hóa học... dầu, hóa dầu, polymer, hóa dược, Đây là phần mềm tính toán rất chính xác các quá trình chưng cất Là sản phẩm của SIMSCI, hình thành từ năm 1967 và được chính thức sử dụng vào 22 Nguyên lý hóa công nghiệp năm 1988 sau nhiều lần được cải tiến Hiện nay, chúng ta đang sử dụng phiên bản PRO/II 7.0 • PRO/II vận hành theo các modul liên tiếp, mỗi thiết bị được tính riêng lẽ và lần lượt tính cho từng thiết bị. .. phép tính các thông số sau : - Hằng số cân bằng pha K : thể hiện sự phân bố cấu tử giữa các pha ở điều kiện cân bằng - Enthapie của các pha lỏng và pha hơi : xác định năng lượng cần thiết để chuyển một hệ từ trạng thái nhiệt động này sang trạng thái khác - Enthapie của các pha lỏng và pha hơi : nhằm phục vụ việc tính toán các máy nén, giản nở và năng lượng tự do tối thiểu ở các thiết bị phản ứng - Tỉ trọng... lỏng và pha hơi : để tính toán quá trình truyền nhiệt, trở lực và xác định kích thước tháp chưng cất • Để lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp, nên dựa vào các yếu tố sau : - Bản chất của các đặc trưng nhiệt động của hệ như : Hằng số cân bằng lỏng-hơi (VLE : Vapor Liquid Equilibrium) của các quá trình chưng cất, cô đặc hoặc bốc hơi, quá trình trích ly, - Thành phần của hỗn hợp - Phạm vi nhiệt độ và . trong công nghiệp hóa học Nguyên lý hóa công nghiệp 3 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 5 1.1. 1.2. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC 5 NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI 6 1.2.1 60 4.4.8. HỆ NHIỀU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 67 Nguyên lý hóa công nghiệp CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 5 1.1. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Nhìn chung các quá trình trong công nghệ hóa học được phân thành. Thảo - Võ Thị Ngọc Tươi - Trần Xoa, Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, Tập 1 & 2, Nhà xuất bản Đại Học và Trung học chuyên nghiệp 3. P. TRAMBOUZE - H. VAN LANDEGHEM - J.P.