THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT HỖN HỢP ACETONE – NƯỚC LOẠI THÁP ĐỆM NĂNG SUẤT 1500 (Kg-h)

THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT HỖN HỢP ACETONE – NƯỚC LOẠI THÁP ĐỆM NĂNG SUẤT 1500 (Kg-h)

Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách Khoa Khoa Công nghệ Hố học & Dầu khí BỘ MƠN MÁY & THIẾT BỊ ĐỒ ÁN MƠN HỌC Q Trình & Thiết Bị THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT HỖN HỢP ACETONE – NƯỚC LOẠI THÁP ĐỆM NĂNG SUẤT : 1500 (Kg/h) GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi SVTH : Võ Ngọc Tiệp MSSV : 69902203 Lớp : HC99HL, Ngành : Công Nghệ Hố Lý Năm học 2002 – 2003 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG1 : GIỚI THIỆU CHUNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi CHƯƠNG2 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I CÂN BẰNG VẬT CHẤT: Đồ thị cân acetone- nước Xác định số hồi lưu a) Chỉ số hồi lưu tối thiểu b) Chỉ số hối lưu thích hợp II CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG: Cân lượng cho tháp chưng cất: Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội Cân nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt CHƯƠNG : TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH I ĐƯỜNG KÍNH THÁP: Đường kính đoạn cất: Đường kính đoạn chưng: II CHIỀU CAO THÁP: III TRỞ LỰC CỦA THÁP: CHƯƠNG : TÍNH TỐN CƠ KHÍ I TÍNH CHIỀU DÀY THÂN THÁP II TÍNH ĐÁY, NẮP THIẾT BỊ Nắp Đáy III TÍNH ĐƯỜNG KÍNH VÀ BULON ỐNG DẪN Ống dẫn hơi: Ống nhập liệu: Ống dẫn lỏng: Ống hồn lưu: CHƯƠNG : TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ I THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH II THIẾT BỊ GIA NHIỆT NHẬP LIỆU III NỒI ĐUN IV BƠM CHƯƠNG : TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO LỜI GIỚI THIỆU SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 2- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi Trong thực tế, sử dụng nhiều dạng hố chất khác nhau: hỗn hợp nhiều chất hay đơn chất tinh khiết Nhu cầu loại hố chất tinh khiết lớn Quá trình đáp ứng phần độ tinh khiết theo yêu cầu chưng cất: 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, khơng có điểm đẳng phí nên đạt độ tinh khiết theo yêu cầu nhờ trình chưng cất Nhiệm vụ thiết kế: tính tốn 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 : 95% theo khối lượng Nồng độ nhập liệu : 30% Aùp suất làm việc : áp suất thường CHƯƠNG :GIỚI THIỆU CHUNG Giới thiệu sơ : Acetone có công thức phân tử : CH3COCH3 Khối lượng phân tử 58 đvC Acetone chất lỏng sôi 56.10C, tan vơ hạn nước, dung mơi cho nhiều chất hữu cơ… Nó hồ tan tốt tơ axetat, nitrô xenluloz, 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 xeten, sumfonal (thuốc ngủ), halofom… Tính chất hố học : Cộng hợp với natri bisunfit: OH CH3COCH3 + NaHSO3 CH3 - C - SO3Na C H3 ( 1-metyl-1-hydroxi etan sunfonát natri ) Cộng hợp axit HCN SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 3- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi OH CH3COCH3 + HCN  CH3 - C - CN C H3 ( pH= -8 ) Phản ứng ngưng tụ : OH O 11 CH3-CO-CH3 + HCH2C=O  CH3-C-CH2-C-CH3 C H3 C H3 ( 4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon) Acetone khó bị oxi hóa thuốc thử Pheling, Tơluen, HNO3đđ, KMnO4 ,… Chỉ bị oxi hóa hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfôcrômic K2Cr2O7 + H2SO4… Bị gãy mạch cacbon Phản ứng khử hố: 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 magie: Br / CH3-C-Cl + CH3-MgBr CH3-C-CH3 + Mg 11 11 \ O O Cl Phản ứng Kucherôv: HgSO4 / H CH3-C-CH3 CH3-CCH + H2O      11 O Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước : Ta có Acetone chất lỏng tan vô hạn nước nhiệt độ sôi Acetone ( 56.1 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 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 khơng địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 4- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi 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 Ngồi cịn 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 khơng có 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: 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 tháp đệm để thực trình chưng cất ưu điểm sau: Cấu tạo đơn giản Trở lực thấp Tuy nhiên tháp đệm có nhược điểm là: Hiệu suất thấp Độ ổn định Thuyết minh quy trình cơng nghệ: Hỗn hợp Aceton – nước có nồng độ Aceton 30% (theo số mol), nhiệt độ khoảng 270C bồn chứa nguyên liệu (1), bơm qua thiết bị gia nhiệt ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy)(5) Sau đưa đến thiết bị đun nóng nhập liệu(6) nước bão hòa, đáy nhập liệu đưa đến nhiệt độ sôi đưa vào tháp chưng cất(11) Trong tháp, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở có tiếp xúc trao đổi nhiệt hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị nồi đun lôi cấu tử Nhiệt độ lên thấp , nên từ lên cấu tử có nhiệt độ sôi cao nước ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử Aceton chiếm nhiều ( 95% theo phần mol ) Hơi vào thiết bị ngưng tụ(14 ) Một phần lỏng ngưng hồi lưu tháp, phần chất lỏng ngưng qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (17 ) Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp bốc hơi, cịn lại cấu tử có nhiệt độ sơi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đày tháp ta thu hổn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay (nước) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ Aceton 3% theo phần mol, lại nước Dung dịch lỏng đáy tháp đun nồi đun (12 ) ,bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại trao đổi nhiệt với nhâïp liệu Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh Aceton, sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt với nhập liệu thải bỏ SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 5- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất hỗn hợp Aceton – nước: SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 6- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi 11 14 15 16 10 17 15 12 18 19 13 12 20 CHƯƠNG : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I Cân vật chất: SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 7- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi Số liệu ban đầu: Năng suất 1500kg/h Nồng độ dung dịch đầu: xF = 30% mol Nồng độ đỉnh: xD = 95% mol Nồng độ dung dịch đáy: xW = 3% mol Các ký hiệu: F , F :lượng nhập liệu ban đầu (kmol/h), (kg/h) D, D : lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h), (kg/h) W, W : lượng sản phẩm đáy (kmol/h), kg/h) xF: nồng độ mol acetone nhập liệu xD: nồng độ mol acetone sản phẩm đỉnh xW: nồng độ mol acetone sản phẩm đáy Phương trình cân vật chất: F = D + W (1) F xF = D xD + W xW (2) Tính khối lượng trung bình: MtbF =xF M1 + (1-xF) M2 =0,3x58+(1-0,3)18=30kg/kmol MtbD =xD M1 + (1-xD) M2 =0,95x58+(1-0,95)18=56kg/kmol MtbW =xW M1+ (1-xW) M2 =0,03x58+(1-0,03)18=19,2kg/kmol Suất lượng sản phẩm đỉnh:  1500 D= D = 26,786 (kmol/h) M tbD 56 Từ (1) (2) ta có: F * 0,3 26,786 * 0,95  W * 0,03 F 26,786  W F 91,27kmol / h  Giải hệ phương trình ta được: W 64,485kmol / h hay   W _  F _ 2738.13(Kg / h) 1238.12(Kg / h) Đồ thị cân acetone- nước: Thành phần cân lỏng (x)- (y) tính phần % mol nhiệt độ sôi hỗn hợp cấu tử 760 mmHg x 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 60,3 72 80,3 82,7 84,2 85,5 86,9 88,2 90,4 94,3 100 t 100 77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59 58,2 57,5 56,9 Vẽ đồ thị y-x: SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 8- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi Đồ thị cân aceyone- nước 100 80 Thành phần pha 60 40 20 20 40 60 80 100 Thành phần pha lỏng Đồ thị T- xy Đồ thị T-xy Xác T 100 định 90 số 80 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 hồi lưu 70 xy thích 60 hợp: 50 40 a) 30 Chỉ 20 số 10 hối lưu tối thiểu: SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 9- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi Đường cân vẽ theo số liệu thực nghiệm có khoảng lõm nên để xác định Rm, từ A(0,95;0,95) vẽ AB tiếp xúc đường cân cắt trục tung điểm có tung độ góc 0,65 Ta co ù: Rm= xD  0,65  Rm = 0,462 Rm 1 Rm 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 b) Chỉ số hồi lưu thích hợp: Cho giá trị Rxi > Rxmin để tìm giá trị tung độ Bi tương ứng vẽ đường nồng độ làm việc đoạn luyện ứng với giá trị Bi : Bi = xD Rxi 1 Tìm điểm a ( y= x= xD ), b( y= x= xW ) đường x = xF ( song song với trục tung ) Cứ giá trị Bi ta vẽ đường nồng độ làm việc đoạn luyện đoạn chưng Như ứng với giá trị Rxi ta có số đơn vị chuyển khối chung tương ứng mxi Ta có bảng sau : Rxi Bi mx mx(Rxi+1) 0.600 0.594 11.139 7.2834 0.785 0.532 8.595 7.5321 0.878 0.506 5.934 6.0881 0.970 0.482 5.94 6.7318 1.063 0.460 6.313 7.7737 1.155 0.441 5.928 8.0018 Thể tích tháp V = f * H f : tiết diện tháp, m2 SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 10- MSSV:69902203 ... khiết cao sử dụng , cộng với hỗn hợp Acetone – Nước hỗn hợp khơng có 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... để thu Acetone tinh khiết chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp Chọn loại tháp chưng cất phương pháp chưng cất : Chưng cất trình phân tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng... Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone ? ?Nước : Ta có Acetone chất lỏng tan vô hạn nước nhiệt độ sôi Acetone ( 56.1 0C 760 mmHg) Nước ( 100 0C 760 mmHg) : cách xa nên phương pháp hiệu để thu Acetone