Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp axeton – nước
Đồ án Hóa công ĐH Công Nghiệp Hà Nội –Khoa CN Hóa Sv: Phạm Thị Hồng – Lớp LTCĐ-ĐH Hóa 5k4 1 Bộ Công Thương Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Đồ án môn học Quá trình thiết bị Số : ………………… Họ và tên HS-SV : Phạm Thị Hồng Lớp : CĐ-ĐH Hóa 5 Khóa: 4 Khoa : Công nghệ Hóa Giáo viên hướng dẫn : thầy Nguyễn Tuấn Anh Nội dung Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp Axeton – nước. Các số liệu ban đầu: Hỗn hợp đầu F=4200Kg/h. X F =40% khối lượng X P =98% khối lượng X w =3% khối lượng T Tên bản vẽ Khổ giấy Số lượng Vẽ dây chuyền sản xuất A 4 01 Vẽ tháp chưng luyện A 0 01 Phần thuyết m i nh LỜI MỞ ĐẦU MỤC LỤC Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG: 5 1.1: LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN: 5 1.1.1: Phương pháp chưng luyện: 5 1.1.2. Thiết bị chưng luyện: 5 1.2.GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG LUYỆN: 6 1.2.1.Axetone: 6 1.2.2. Nước (H 2 O): 8 1.3. DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT: 9 1.3.1. Sơ đồ công nghệ: 9 1.3.2. Thuyết minh dây chuyền sản xuất: 10 Chương 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH: 11 2.1 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT LIỆU CHO TOÀN THIẾT BỊ: 11 2.1.1. Thông số ban đầu: 11 2.1.2. Cân bằng vật liệu: 12 2.2. XÁC ĐỊNH SỐ ĐĨA LÝ THUYẾT: 14 2.2.1. Phương trình đường nồng độ làm việc của tháp: 14 2.2.2. Xác định số bậc thay đổi nồng độ: 15 2.3. ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG: 27 2.3.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp: 27 2.3.2. Khối lượng riêng trung bình trong tháp: 31 2.3.4. Đường kính tháp chưng luyện: 37 2.4. CHIỀU CAO THÁP CHƯNG LUYỆN: 38 2.4.1. Chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối: 38 2.4.2. Số đơn vị chuyển khối: 39 2.4.3. Tính m: 50 2.4.4. Xác định chiều cao tháp: 51 2.4.5. Chiều cao toàn tháp: 51 2.5. TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM: 52 2.5.1. Trở lực của đoạn chưng: 53 2.5.2. Trở lực đoạn luyện: 54 2.6. CÂN BẰNG VẬT LIỆU: 55 Chương 3: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN: 62 3.1. TÍNH TOÁN THÂN THÁP: 62 3.1.1. Vật liệu làm tháp: 62 3.1.2. Chiều dày thân tháp: 67 3.2. ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ: 68 3.2.1. Chiều dày nắp thiết bị: 66 3.2.2. Chiều dày đáy thiết bị: 67 3.3. ĐƯỜNG KÍNH ỐNG DẪN: 68 3.3.1. Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh: 68 3.3.2. Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu: 70 3.3.3. Đường kính sản phẩm đáy: 70 3.4. TRA BÍCH GHÉP: 71 3.5. LƯỚI ĐỠ ĐỆM, DẦM ĐỠ ĐỆM: 73 3.5.1. Đĩa phân phối chất lỏng: 73 3.5.2. Lưới đỡ đệm: 73 3.5.3. Dầm đỡ đệm: 73 3.6. GIÁ ĐỠ VÀ TAI TREO: 77 Chương 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ: 79 4.1. THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU: 79 4.2. THÙNG CAO VỊ: 86 4.3. BƠM: 96 KẾT LUẬN: 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO: 100 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nền công nghiệp đã mang lại cho con người những lợi ích vô cùng to lớn về vật chất và 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 nước những ngành mũi nhọn như công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ điện tử tự động hóa…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 thì 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 việc 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 như: chưng cất, cô đặc, trích ly. Tùy vào tính chất của hệ mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp.Với nhiệm vụ tách hỗn hợp hai cấu tử axeton-nước để có axeton nồng độ cao thì chưng cất là phương pháp hữu hiệu nhất. Tập đồ án này bao gồm 4 chương: 1: Giới thiệu chung 2: Tính toán thiết bị chính 3: Thiết bị phụ 4: Tính toán cơ khí và lựa chọn 5: Bản vẽ chi tiết tháp chưng luyện loại tháp đệm CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN 1.1.1. Phương pháp chưng luyện Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường có bao nhiêu cấu tử thì có bấy nhiêu sản phẩm. Phương pháp chưng luyện này là một quá trình trong đó hỗn hợp được bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần. Kết quả cuối cùng ta thu được ở đỉnh tháp là một hỗn hợp gồm các cấu tử dễ bay hơi có nồng độ đạt yêu cầu. Phương pháp chưng luyện cho hiệu suất cao nên nó được sử dụng nhiều trong thực tế. Các phương pháp chưng cất bao gồm: - Chưng đơn giản . - Chưng bằng hơi nước trực tiếp . - Chưng bằng hơi nước gián tiếp - Chưng chân không - Chưng ở áp suất thấp - Chưng ở áp suất cao Trong trường hợp này với yêu cầu axeton có độ tinh khiết cao khi sử dụng, cùng với hỗn hợp axeton- nước không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng liên tục là hiệu quả nhất. 1.1.2 Thiết bị chưng luyện Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp khác nhau nhưng chúng thường có một yêu cầu cơ bản là bề mặt tiếp xúc pha lớn. Tháp chưng cất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn thường được sử dụng trong công nghệ hóa lọc dầu. Đường kính tháp phụ thuộc vào lượng pha lỏng và pha khí, độ tinh khiết của sản phẩm. Các loại tháp thường sử dụng như: - Tháp đệm - Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền - Tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền - Tháp chóp Mỗi loại tháp chưng lại có cấu tạo riêng, ưu nhược điểm khác nhau vì vậy ta phải chọn loại tháp nào phù hợp với hỗn hợp cấu tử cần chưng và tính toán thiết bị phù hợp với yêu cầu. 1.2 GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG LUYỆN 1.2.1 Axeton CH 3 COCH 3 a. Tính chất vật lý Axeton là chất lỏng không màu, dễ bay hơi, có mùi đặc trưng và tan vô hạn trong nước. Khối lượng phân tử M = 58 Nhiệt độ nóng chảy: -95.3 o C Nhiệt độ sôi: 56.5 o C b. Tính chất hóa học Phản ứng khử với H 2 Axeton có phản ứng khử với H 2 giống Andehit: CH 3 -CO-CH 3 + H 2 CH 3 -CH(OH)-CH 3 Phản ứng oxi hóa: Axeton không bị oxi hóa bởi dung dịch bạc nitrat trong amoniac (không tráng gương), không khử đồng (II) hidroxit, mà bị oxi hóa bởi các chất oxi hóa mạnh như: KMnO 4 , K 2 Cr 2 O 7 , với H 2 SO 4 đặc. CH 3 COCH 3 + 4[O] CH 3 COOH + CO 2 + H 2 O Phản ứng cộng tạo rượu bậc 2 c. Điều chế Oxi hóa rượu bậc 2: Theo phương pháp Piria:nhiệt phân muối canxi của axit cacboxilic (CH 3 COO) 2 Ca CH 3 COCH 3 + CaCO 3 Thủy phân 2,2-điclo propan: Đi từ hợp chất cơ Magiê: CH 3 MgCl + CH 3 COCl CH 3 COCH 3 + MgCl d. Ứng dụng Sản xuất sơn và nhựa resin Aceton là dung môi hoà tan tốt nitrocellulose, cellulose acetate, cellulose ether, được dùng để làm giảm độ nhớt của sơn cóchứa nhựa này. Đặc biệt, nóthích hợp để sản xuất sơn mau khô vì có tốc độ bay hơi cao. Ngoài ra cũng dựng Acetone trong sản xuất sơn có hàm lượng chất rắn cao. Dược và mỹ phẩm Axeton dùng làm chất khử nước trong sản xuất thuốc và trong công nghiệp mỹ phẩm, sơn và rửa móng tay. Nén khí axetilen Axetilen là một chất khí công nghiệp quan trọng nhưng không thể nén một cách hiệu quả để đảm bảo trong có bình hình trụ mà không có nguy cơ bị nổ. Axeton có thể hòa tan lượng lớn khí Axetilen (khoảng 300 lần so với thể tích thực của nó) do đó axetilen được chứa trong bình kín cùng với axeton. Ngoài ra axeton còn được sử dụng làm chất tẩy rửa và khử nước cho các thành phần điện tử, dung môi trong ngành sản xuất cao su… 1.2.2. Nước H 2 O a. Tính chất vật lý Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có công thức hóa họclà H2O. Với các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kếthiđro và tính bất thường của khối lượng riêng) nước là một chất rất quantrọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời sống; 70% diện tích của TráiĐất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3% tổng lượng nước trên Trái Đất nằmtrong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước uống. 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 5 dạng tinh thể khác nhau Khối lượng phân tử: 18g/mol Khối lượng riêng d 4 o C: 1g/cm 3 Nhiệt độ nóng chảy: 0 o C Nhiệt độ sôi: 100 o C b. Tính chất hóa học Về mặt hóa học, nước là một chất lưỡng tính, có thể phản ứng như 1 axit hay bazơ. Ở pH 7 hàm lương OH - cân bằng với hàm lương H 3 O + Phản ứng với axit mạnh: H 2 O + HCl H 3 O + Cl - Phản ứng với amoniac: H 2 O + NH 3 NH 4 + + OH - Ứng dụng 1.3 DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 1.3.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất Chú t hí ch: Hình 1.1: Sơ đồ công nghệ chưng luyện 1: Thùng cao vị 5: Tháp chưng luyện 9: Bể chứa sản phẩm đáy 2: Bể chứa dung dịch đầu 6: Thiết bị ngưng tụ 10: Thiết bị gia nhiệt đáy 3: Thiết bị gia nhiệt đầu 7: Thiết bị làm lạnh 11: Thiết bị tháo nước 4: Lưu lượng kế 8: Bể chứa sản phẩm đỉnh 12: Bơm 1.3.2. Thuyết minh sơ đồ Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (2) và được bơm (12) bơm lên thùng cao vị (1) .Mức chất lỏng cao nhất được khống chế bởi ống chảy tràn trở lại bể chứa dung dịch đầu (2). Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị tự chảy xuống thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu (3). Lưu lượng được khống chế bằng cách điều chỉnh hệ thống van và lưu lượng kế (4) hơi nước bão hòa từ nồi hơi vào đun sôi hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi sau khi đạt tới nhiệt độ sôi hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện (5) loại đệm.Trong tháp hơi đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên xuống, tại đáy xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần.Theo chiều cao của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng đệm từ dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ. Quá trình tiếp xúc lỏng hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho trong pha hơi càng giầu cấu tử dễ bay hơi.Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (cụ thể ở đây là Axeton) và một phần cấu tử khó bay hơi (Nước). Hỗn hợp hơi này được đưa vào thiết bị ngưng tụ (6) và tại đây nó được ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh). Một phần chất lỏng sau khi ngưng tụ được đưa hồi lưu trở về tháp chưng luyện và cũng được khống chế bằng lưu lượng kế , phần còn lại đạt yêu cầu sẽ được đưa vào thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó được đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8). Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới lên , một phần cấu tử có nhiệt độ cao tiếp tục ngưng tụ thành lỏng đi xuống. Do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng ngày càng nhiều, cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi,hỗn hợp lỏng được đưa ra khỏi đáy tháp qua thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (9), một phần được đưa vào thiết bị đun sôi đáy tháp (10) và một phần được hồi lưu trở lại đáy tháp . Thiết bị này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi sản phẩm đáy (tạo dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp). Nước ngưng của thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng ( 11), Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu được đưa vào liên tục và sản phẩm được lấy ra liên tục. [...]... = 18(kg/kmol) c u cầu thiết bị - Thiết bị chưng luyện loại liên tục loại tháp đệm làm việc ở áp suất thường phân tách hỗn hợp Axeton - Nước - Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: GF=4200kg/h - aF: 40% khối lượng - aP: 98% khối lượng - aW: 3% khối lượng 2.1.2 Cân bằng vật liệu Hỗn hợp đầu vào F (axeton – nước) được phân tách thành sảnphẩm đỉnh P (axeton) , và sản phẩm đáy W (nước) Ở đĩa trên cùngcó... TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 2.1 TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT LIỆU CHO TỒN THIẾT BỊ 2.1.1.Thơng số ban đầu - a Giả thiết Số mol pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong mọi tiết diện của tháp Số mol chất lỏng khơng thay đổi theo chiều cao đoạn chưng và đoạn luyện Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sơi Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra từ đỉnh tháp Cấp nhiệt ở đáy tháp. .. thể tích tháp nhỏ nhất Vậy ta có Rth = 0,56 theo bảng trên xác định số đĩa lý thuyết Nlt = 8 đĩa Ta có phương trình đường làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện: Đoạn luyện: y = 0,359.x + 0,6015 Đoạn chưng: y = 4,036x –0 ,029 2.3 ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG LUYỆN Đường kính tháp được xác định theo cơng thức: D 0,0188 g tb ( y y )tb (m) [IX.90 STQTTB-II tr.181] Trong đó gtb: lượng hơi trung bình trong tháp (kg/h)... f R 1 xw 1 2.2.2 Xác định số bậc thay đổi nồng độ a Thành phần của hỗn hợp hai cấu tử axeton- nước x y t 0 0 100 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 60,3 72 80,3 82,7 84,2 85,5 86,9 88,2 90,4 94,3 100 77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59 58,2 57,5 56,9 Bảng 2.1: Thành phần cân bằng lỏng(x) – hơi (y) và nhiệt độ sơi của hỗn hợp axeton- nước ở 760mmHg Từ bảng số liệu trên ta vẽ đường cân bằng trên đồ thị... r1: ẩn nhiệt hố hơi đi của hỗn hợp vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kJ/kg) rđ: ẩn nhiệt hố hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp (kJ/kg) - Xác định ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện: r1 = rA y1 + ( 1- y1) rB o rA: ẩn nhiệt hóa hơi của axeton ở tF=65,41 C o rB: ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở tF=65,41 C Từ bảng số liệu [I.212 STQTTB-I tr.254] Dựa theo cơng thức nội suy: rA r 1 r1... khối lượng) r’1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào trong đĩa thứ nhất của đoạn chưng r'1 r Ay'1 ( 1 y'1 ) rB r A yw ( 1 yw )rB r’n: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng r'n r Ay'n (1 y'n )rB Từ bảng số liệu [I.212 STQTTB-I tr.254] Dựa theo cơng thức nội suy ta có: o rA: ẩn nhiệt hóa hơi của axeton ở tF=93,79 C o rB: ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở tF=93,79 C rA r 1 r1 r2 124... hơi đi vào đoạn luyện g1: Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình sau: g1 G1 GP g1 y1 G1 x1 GP x p (*)[STQTTB-II tr.182] g1r1 gđ rđ Trong các phương trình trên ta coi x1=xF (phần khối lượng) G1: lượng lỏng đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kg/h) r1: ẩn nhiệt hố hơi đi của hỗn hợp vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kJ/kg) rđ:... đoạn luyện Khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha hơi ytbAL M A ytbL (1 ytbA L)M B 273(kg / m 3 ) 22,4.T Trong đó MA, MB : khối lượng phần mol của cấu tử Axeton và nước o T : nhiệt độ làm việc trung bình của tháp ( K) ytbL: nồng độ phần mol của cấu tử Atrong đoạn luyện lấy theo giá trị trung bình yđA ytbL ycA y1 2 y *P 2 [STQTTB-II tr.183] yđA, ycA: nồng độ làm việc tại hai đầu đoạn luyện. .. hơi trong hỗn hợp đầu xP: Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh xW: Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy aF : nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu (phần khối lượng) - aP : nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh (phần khối lượng) - aw: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy (phần khối lượng) - Axeton: kí hiệu là A có MA = 58(kg/kmol) - Nước: kí hiệu... bình trong đoạn luyện : g tb g đ g1 = 2 b 2551,8324 1 955 , 956 2 2253,894 (kg/h) Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được xác định gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng và lượng hơi đi vào đoạn chưng g tb ' Trong đó: g ' n g '1 2 (kg/h) [IX.96 STQTTB-II tr.192] g’n: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn chưng g’1: lượng . : Công nghệ Hóa Giáo viên hướng dẫn : thầy Nguyễn Tuấn Anh Nội dung Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp Axeton – nước. Các số liệu ban đầu: Hỗn hợp đầu F=4200Kg/h Bản vẽ chi tiết tháp chưng luyện loại tháp đệm CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN 1.1.1. Phương pháp chưng luyện Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp khí lỏng thành. lượng) - Axeton: kí hiệu là A có M A = 58(kg/kmol) - Nước: kí hiệu là B có M B = 18(kg/kmol) c. Yêu cầu thiết bị - Thiết bị chưng luyện loại liên tục loại tháp đệm làm việc ở áp suất thường phân tách