tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp 2 cấu tử: acetone và nước

tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp 2 cấu tử: acetone và nước

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI MỤC LỤC Lời mở đầu CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ACETONE VÀ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ Giới thiệu sơ Sản xuất Aceton Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước Chọn loại tháp chưng cất phương pháp chưng cất .9 Sơ đồ qui trình công nghệ thuyết minh qui trình công nghệ 10 CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT – CÂN BẰNG NĂNG LƯNG 14 Cân vật chất 15 1.1 Đồ thị cân Acetone – Nước 16 1.2 Xác định số hồi lưu thích hợp .17 1.3 Vẽ đường làm việc 19 1.4 Xác định số mâm lý thuyết số mâm thực tế 19 Cân lượng 21 2.1 Cân nhiệt lượng tháp chưng cất 21 2.2 Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ .23 2.3 Cân nhiệt lượng thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 23 2.4 Cân nhiệt lượng thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (trao đổi nhiệt với nhập liệu ban đầu) 24 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 25 I Kích thước tháp 26 Đường kính đoạn caát 26 Đường kính đoạn luyện .28 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Chiều cao tháp .30 II Tính toán chóp ống chảy chuyền 31 A Tính cho phần cất 31 B Tính cho phần chưng 32 III Tính chi tiết oáng daãn 37 Đường kính ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ 37 Ống dẫn dòng chảy hoàn lưu 38 Ống dẫn dòng nhập liệu 38 Ống dẫn dòng sản phẩm đáy 38 Ống dẫn từ nồi đun qua tháp .39 IV Tính trở lực thaùp .39 A Tổng trở lực phần cất .39 Trở lực đóa khô Pk 39 Trở lực sức căng bề mặt 40 Trở lực lớp chất lỏng đóa ( Trở lực thủy tónh Pt ) 40 B Tổng trở lực phần chöng 41 Trở lực đóa khô Pk 41 Trở lực sức căng bề mặt 41 Trở lực lớp chất lỏng đóa ( Trở lực thủy tónh Pt ) 42 CHƯƠNG 4: TÍNH CƠ KHÍ 44 Tính bề dày thân trụ thaùp 45 Tính - chọn bề dày đáy nắp thiết bị 47 Chọn bích vòng đệm .48 Tính mâm 49 Chân đỡ tai treo thiết bị 50 Tính bảo ôn 53 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ .58 I Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu hay thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 59 Điều kiện nhiệt độ trình 59 Nhiệt tải 60 Chọn thiết bị 60 II Thieát bị làm nguội sản phẩm đỉnh 64 Điều kiện nhiệt độ trình 64 Nhiệt tải 65 Chọn thiết bị 65 III Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 69 Điều kiện nhiệt độ trình 69 Nhiệt tải 70 Choïn thiết bị 70 Xác định hệ số cấp nhiệt từ dòng sản phẩm đỉnh đến thành ống 70 Xác định hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nước 71 Nhiệt tải riêng 72 Heä số truyền nhiệt 72 Bề mặt truyền nhiệt .72 Chiều dài ống 72 IV.Thiết bị nồi đun 73 Điều kiện nhiệt độ trình 73 Nhiệt tải 74 Chọn thiết bị 74 Xác định hệ số cấp nhiệt từ dòng sản phẩm đỉnh đến thành ống 74 Tính hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy nồi 75 Hệ số truyền nhiệt 75 Bề mặt truyền nhiệt .75 Chiều dài ống 75 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI V Tính bồn cao vị- Bơm 76 Tính bồn cao vị .76 Tính bơm 79 CHƯƠNG 6: TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 LỜI MỞ ĐẦU SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Một ngành có đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng giới nói chung ngành công nghệ hoá học Đặc biệt ngành hóa chất Trong thực tế, sử dụng nhiều dạng hoá chất khác nhau: hỗn hợp nhiều chất hay đơn chất tinh khiết Mà nhu cầu loại hoá chất tinh khiết lớn Quá trình đáp ứng phần độ tinh khiết theo yêu cầu chưng cất: la trình tách cấu tử hỗn hợp lỏng – lỏng, hay hỗn hợp lỏng – khí thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác chúng Và hệ acetone – nước, khômg có điểm đẳng phí nên đạt độ tinh khiết theo yêu cầu nhờ trình chưng cất Nhiệm vụ thiết kế: tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử : acetone – nước với số liệu sau đây: Năng suất sản phẩm đỉnh : 1500 Kg/h Nồng độ sản phẩm đỉnh : 98% theo khối lượng Nồng độ nhập liệu : 30% p suất làm việc : áp suất thường CHƯƠNG SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI GIỚI THIỆU VỀ ACETONE VÀ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ Giới thiệu sơ : SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Acetone có công thức phân tử : CH 3COCH3 Khối lượng phân tử 58.079 đvC Là chất lỏng không màu, dễ lưu động dễ cháy, với cách êm dịu có mùi thơm Nó hòa tan vô hạn nước số hợp chất hữu : eter, metanol, etanol, diacetone alcohol… Ứng dụng : Acetone ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su … Nó hoà tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng Acetone nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu Từ Acetone tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), holofom Được tìm thấy vào năm 1595 Libavius, chưng cất khan đường, đến năm 1805 Trommsdorff tiến hành sản xuất Acetone cách chưng cất Acetat bồ tạt sa : phân đoạn lỏng nằm phân đoạn rượu eter Một số thông số vật lý nhiệt động Acetone :  Nhiệt độ nóng chảy : -94.6 0C ;  Nhiệt độ sôi : 56.9 0C ;  Tỷ trọng : d 20 ;  Nhiệt dung riêng Cp : 22 Kcal/mol (chuẩn 102 0C)  Độ nhớt  : 0.316 cp ( 250C)  Nhiệt trị : 0.5176 cal/g ( 200C) Tính chất hoá học : Cộng hợp với natri bisunfit: OH CH3COCH3 + H2O  CH3 - C - SO3Na CH3 ( 1-metyl-1-hydroxi etan sunfonát natri ) Cộng hợp axit HCN: OH CH3CO + HCN  CH3-C-CN CH3 ( pH= 4-8 ) Phản ứng ngưng tụ : OH O CH3-CO-CH3 + HCH2C=O  CH3-C-CH3-C-CH3 CH3 CH3 SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI ( 4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon) Acetone khó bị oxi hóa thuốc thử Pheling, Tôluen, HNO3đđ, KMnO4 ,… Chỉ bị oxi hóa hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfôcrômic K2Cr2O7 + H2SO4… Bị gãy mạch cacbon CH3-C-CH3  CH3-C-CH2-OH  CH3-C-CH=O  CH3COOH + HCOOH O O O Phản ứng khử hoá : CH3COCH3 + H2  CH3CHOH-CH3 Điều chế : Oxy hóa rượu bậc hai: CH3CHOH-CH3  CH3COCH3 + H2O Theo phương pháp Piria : nhiệt phân muối canxi axit cacboxylic: (CH3COO)2Ca  CH3COCH3 + CaCO3 Từ dẫn xuất magiê : O O CH3-C-Cl + CH3-MgBr  CH3-C-CH3 + Mg-Br Cl Sản xuất Acetone : Trong thời kỳ chiến tranh giới lần thứ nhất, nhu cầu nguồn Acetone lớn, tong có giới hạn việc thu dược Acetone từ chưng cất gỗ, nên để bổ sung nguồn Acetone Hoa Kỳ áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH3COO)2 – thu cách lên men rượu có mặt xúc tác vi khuẩn để chuyển carbohydrate thành Acetone Butyl Alcohol.Công nghệ ứng dụng chủ yếu suốt chiến tranh giới lần thứ năm 20 Tuy nhiên, đến năm 20 công nghệ thay công nghệ có hiệu (chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuất Acetone Hoa Kỳ) : Dehydro Isopropyl Alcol Ngoài ra, số qúa trình sản xuất Acetone khác : - Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol Acetone - Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan - Lên men Carbo hydrate vi khuẩn đặc biệt - Công ty Shell sử dụng sản phẩm phụ Tổng hợp Acetone cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc taùc:   CH3COCH3 + H2  CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 3270C )  xuctac  Xúc tác sử dụng : đồng hợp kim nó, oxit kim loại muối  Ở nhiệt độ khoảng 325 0C , hiệu suất khoảng 97% SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI  Dòng khí nóng sau phản ứng gồm có : Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản ứng, H2 phần nhỏ sản phẩm phụ ( Propylene, diisopropyl eter …) Hỗn hợp làm lạnh khí không ngưng lọc nước Dung dịch lỏng đem chưng cất phân đoạn, thu Acetone đỉnh hỗn hợp nước, Isopropyl Alcol ( ) đáy Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước : Ta có Acetone chất lỏng tan vô hạn nước nhiệt độ sôi Acetone ( 56.9 0C 760 mmHg) Nước ( 100 0C 760 mmHg) : cách xa nên phương pháp hiệu để thu Acetone tinh khiết chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp Trong trường hợp ta sử dụng phương pháp cô đặc cấu tử có khả bay hơi, không sử dụng phương pháp trích ly hấp thụ phải đưa vào pha để tách chúng, làm cho trình phức tạp hơn, hay trìng tách không hoàn toàn Chọn loại tháp chưng cất phương pháp chưng cất :  Chưng cất trình phân tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng ( hay nhiệt độ sôi ), cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay – ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại  Đối với chưng cất ta có hai phương pháp thực : Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ): Phương pháp sử dụng trường hợp sau : + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao + Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay + Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): trình thực liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn Ngoài có thiết bị hoạt động bán liên tục  Trong trường hợp này, sản phẩm Acetone – với yêu cầu có độ tinh khiết cao sử dụng , cộng với hỗn hợp Acetone – Nước hỗn hợp điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục hiệu  Chọn loại tháp chưng cất : Có nhiều loại tháp sử dụng, có chung yêu cầu diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào độ phân tán lưu chất vào lưu chất Ta khảo sát hai loại tháp chưng cất thường dùng tháp mâm tháp chêm: SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Gồm có : mâm chóp, mâm xuyên lỗ , mâm van Thường sử dụng mâm chóp - Tháp chêm tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn Vật chêm đổ đầy tháp theo hay hai phương pháp : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Chọn loại mâm chóp để thực trình chưng cất ưu điểm sau: - Dễ dàng làm vệ sinh thông qua cửa sữa chữa - Với chức năng, tổng khối lượng tháp mâm thường nhỏ so với tháp chêm - Hiệu suất mâm không đổi khoảng vận tốc dòng lỏng khí - Có thể lắp đặt ống xoắn giải nhiệt mâm cần thiết - Tháp mâm thích hợp trường hợp có số mâm lý thuyết số đơn vị truyền khối lớn - Tháp thiết kế để giữ lượng lỏng định mâm - Chi phí tháp mâm có đường kính lớn rẻ so với tháp đệm - Dễ dàng đưa vào loại bỏ dòng bên - Tính ổn định cao Sơ đồ qui trình công nghệ thuyết minh qui trình công nghệ : a Sơ đồ qui trình công nghệ (xem trang sau) - SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 10 ... đạt độ tinh khiết theo yêu cầu nhờ trình chưng cất Nhiệm vụ thiết kế: tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử : acetone – nước với số liệu sau đây: Năng suất sản phẩm... đoạn, thu Acetone đỉnh hỗn hợp nước, Isopropyl Alcol ( ) đáy Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone ? ?Nước : Ta có Acetone chất lỏng tan vô hạn nước nhiệt độ sôi Acetone ( 56.9 0C 760 mmHg) Nước ( 100... tinh khiết theo yêu cầu chưng cất: la trình tách cấu tử hỗn hợp lỏng – lỏng, hay hỗn hợp lỏng – khí thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác chúng Và hệ acetone – nước, khômg có điểm đẳng