đồ án môn học quá trình và thiết bị

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ MỤC LỤC trang LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I : TỔNG QUAN I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 3 II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU 4 III . CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID AXETIC– NƯỚC 6 CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU 8 II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY 8 III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU THÍCH HỢP 9 IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ THUYẾT 9 V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ 10 CHƯƠNG III :TÍNH TỐN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP 12 II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM 15 III . TÍNH TỐN CƠ KHÍ CỦA THÁP 19 CHƯƠNG IV : TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 27 II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ 38 III . TÍNH TỐN BƠM NHẬP LIỆU 39 CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ 45 II . KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO LỜI MỞ ĐẦU Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản. SVTH NGUYỄN BÁ DUY 1 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ acid axetic- Nước là 2 cấu tử tan lẫn hồn tồn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho acid axetic. Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ acid axetic - Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 5m 3 /h có nồng độ 8% mol acid axetic ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 0.5% mol acid axetic với nồng độ dung dịch đáy acid axetic là 30%. Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, các bạn sinh viên đã giúp em hồn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hồn thành đồ án không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn. SVTH NGUYỄN BÁ DUY 2 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ CHƯƠNG I : TỔNG QUAN. I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: 1 . Phương pháp chưng cất : Chưng cất là qua ùtrình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi. Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) .Đối với hệ acid axetic - nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm nước và một ít acid axetic , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid axetic và một ít nước. Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo: • Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử. • Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên tục. * Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các trường hợp sau: + Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau. + Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao. + Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi. + Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử. * Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn. • Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước . Vậy: đối với hệ acid axetic – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. SVTH NGUYỄN BÁ DUY 3 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ 2 . Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vaò lưu chất kia . Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hố dầu. Kích thước của tháp : đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. • Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: * Tháp mâm chóp : trên mâm có chóp dạng tròn hay một dạng khác,có rãnh xung quanh để pha khí đi qua va ống chảy chuyền có hình tron * Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính 3-12mm được bố trí trên các đỉnh tam giác,bước lổ bằng 2,5 đến 5 lần đường kính • Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. • So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp : Tháp chêm. Tháp mâm xuyên lo.ã Tháp mâm chóp. Ưu điểm: Đơn giản. Trở lực thấp. Hiệu suất tương đối cao. Hoạt động khá ổn định. Làm việc với chất lỏng bẩn. Hiệu suất cao. Hoạt động ổn định. Nhược điểm: Hiệu suất thấp Thiết bị nặng. Độ ổn định kém. Trở lực khá cao. Yêu cầu lắp đặt khắt khe -> lắp đĩa thật phẳng Cấu tạo phức tạp. Không làm việc với chất lỏng bẩn. Trở lực lớn. Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và tháp mâm chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ. Vậy: Chưng cất hệ acid axetic - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp. II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU : Nguyên liệu là hỗn hợp acid axetic - Nước. 1 . Acid acetic: Axit acetic là chất lỏng không màu , có mùi thơm đặc trưng , vị chua . Khối lượng riêng của axit acetic ở 20 o C là 1,0498 kg/cm 3 ,nhiệt độ sôi ở áp suất thường là 118 o C , tan vô hạn trong nước.Dung dịch axít acetic 2-15% được dùng làm giấm. Nhân dân ta thường làm giấm ăn bằng cách lên men nước mía, nước mật, chuối chín … Các chất đường trong mía, chuối lên men thành rượu rồi thành giấm. Điều kiện thuận lợi cho sự lên men giấm là nhiệt độ từ 25 đến 50 o C và men giấm phải được tiếp xúc với không khí. SVTH NGUYỄN BÁ DUY 4 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ * Ứng dụng : Nó là nguyên liệu dùng để sản suất nhiều mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp.Từ đó ta có thể điều chế 1 số dược phẩm, phẩm nhuộm, thuốc trừ cỏ, sợi nhân tao, chất dẻo, dung môi … 2 . 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 dạng tinh thể khác nhau: Khối lượng phân tử : 18 g / mol Khối lượng riêng d 4 0 c : 1 g / ml Nhiệt độ nóng chảy : 0 0 C Nhiệt độ sôi : 100 0 C Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống. Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hồ tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học. 3 . Hỗn hợp Acid acetic – Nước: Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Acid acetic - Nước ở 760 mmHg: x(%phân mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y(%phân mol) 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100 t(oC) 118.4 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100 III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID ACETIC – NƯỚC: * Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Acid acetic – nước: SVTH NGUYỄN BÁ DUY 5 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ Chú thích các kí hiệu trong qui trình: 1 . Bồn chứa nguyên liệu. 2 . Bơm. 3 . Bồn cao vị. 4 . Lưu lượng kế. 5 . Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy. 6 . Thiết bị gia nhiệt nhập liệu. 7 . Bẩy hơi. 8 . Tháp chưng cất. 9 . Nhiệt kế. 10 . Aùp kế. 11 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh. 12 . Nồi đun. 13 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh. 14 . Bồn chứa sản phẩm đáy. 15 . Bộ phận phân dòng. * Thuyết minh qui trình công nghệ: Hỗn hợp acid acetic – nước nhiệt độ khoảng 28 0 C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (5) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ). Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt(6)ù, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu. Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống. Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp SVTH NGUYỄN BÁ DUY 6 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi.Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất . Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (11) và được ngưng tụ hồn tồn. Một phần chất lỏng ngưng tụ được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (5) rồi vào bồn chứa sản phẩm đỉnh (13). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hồn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hồn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi acid acetic . Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy . CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT . I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU : • Năng suất nhập liệu: ( x =x 1 *M 1 /(x 1 *M 1 +(1-x 1 )*M 2 )=0.92*18/(0.92*18+0.08*60)=0.775 1/ antb xx ρρρ /)1(/ −+= =0.775/ +(1-0.775)/1039.6, tb ρ =1005.17kg/m 3 ) G F =Q F * tb ρ =5*1005.17=5025.86(kg/h). • Nồng độ nhập liệu : 8% mol acid axetic (x F =0.92) • Nồng độ sản phẩm đỉnh : 0.5% mol acid axetic( x D =0.995) • Nồng độ sản phẩm đáy : 30% mol acid axetic.(x W =0.7) • Khối lượng phân tử của acid axetic và nước : M A =60 kg/kmol , M N =18 kg/kmol . • Chọn : + Nhiệt độ nhập liệu : t’ F =28 o C . + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’ D =35 o C . + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’ W = 35 o C . +Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi . • Các kí hiệu : + G F , F : suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h , Kmol/h . + G D , D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h , Kmol/h . + G W ,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h , Kmol/h . + x i , i x : phân mol , phân khối lượng của cấu tử i . II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY : • Cân bằng vật chất cho tồn tháp : F = D + W (II.1) • Cân bằng cấu tử : F.x F = D.x D + W.x W (II.2) Với : Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu : M F = 60).1(.18 FF xx −+ = 21.36 (Kg/Kmol). SVTH NGUYỄN BÁ DUY 7 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ F = F F M G = 36.21 86.5025 =235.29 (Kmol/h) Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy : M W = 60).1(.18 WW xx −+ = 30.6 (Kg/Kmol). Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh : M D = 60).1(.18 DD xx −+ =18.21 (Kg/Kmol). Giải 2 phương trình (II.1),(II.2)ta có : D =175.47 (Kmol/h) W = 59.819 (Kmol/h) III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU THÍCH HỢP : 1 . Tỉ số hồn lưu tối thiểu: Tỉ số hồn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực .Do đó ,chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu ,nước và bơm…) là tối thiểu . R min = x y y x F F F D − − * * = 92.0945.0 945.0995.0 − − =2 Tỉ số hồn lưu thích hợp:R X =1.3R min +0.3=2.9 IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆCSỐ MÂM LÝ THUYẾT: 1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất : y = 1 . 1 . + + + R x x R R D = 19,2 995,0 . 19,2 9,2 + + + x =0,7436.x + 0.2551 2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng : y = W x R f x R fR . 1 1 . 1 + − + + + = 7.0. 19,2 1341.1 . 19,2 341.19,2 + − + + + x = 1.087x + 0.0612 Với : f = 47.175 29.235 = D F = 1.341 : chỉ số nhập liệu . 3 . Số mâm lý thuyết : Đồ thị xác định số mâm lý thuyết SVTH NGUYỄN BÁ DUY 8 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ số mâm lý thuyết là N lt = 27mâm .20 mâm cất,6 mâm chưng,1 mâm nhập liệu V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ: Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình : tb lt tt η N N = (st2/170) trong đó: η tb : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : η = f(α,µ). N tt : số mâm thực tế. N lt : số mâm lý thuyết. • Xác định hiệu suất trung bình của tháp η tb : + Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi : x x1 y1 y * * − − =α Với : x :phân mol của nước trong pha lỏng . y * : phân mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng. Lg hh =x 1 lg  + x 2 lg  tài liệu [4(tập 1) – trang 84] * Tại vị trí nhập liệu : x F = 0.92 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y * F = 0.945 t F = 100.52 o C + 92.0 92.01 . 945.01 945.0 x x1 y1 y α F F * * F − − = − − = F F = 1.494 + t F = 100.52 o C ,  a = 0.46.10 -3 Ns/m 2 ;  n =0.284.10 -3 Ns/m 2 (t2/91,92)  F =0.443.10 -3 (N.s/m 2 ) =0,443 (cP) Suy ra :  F . F = 1.494*0.443 =0.662 Tra tài liệu tham khảo [(tập 2) – trang 171] :  F = 0.55 SVTH NGUYỄN BÁ DUY 9 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ * Tại vị trí mâm đáy : x W = 0.7 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y * W = 0.795 t W = 102.1 o C + 7.0 7.01 . 795.01 795.0 x x1 y1 y α W W * * W − − = − − = W W = 1.662 + và t W =102.1 o C, a = 0.46.10 -3 Ns/m 2 ;  n =0.284.10 -3 Ns/m 2  W =0.443.10 -3 (N.s/m 2 ) =0,443 (cP) Suy ra :  W . W = 1.662*0.443 = 0.736 Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] :  W = 0.53 *Tại vị trí mâm đỉnh : x D = 0.995 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y * D = 0.997 t D = 100.22 o C + 995.0 995.01 . 997.01 997.0 x x1 y1 y α D D * * D − − = − − = D D = 1.67 + t D = 100.22 o C , , a = 0.46.10 -3 Ns/m 2 ;  n =0.284.10 -3 Ns/m 2  D =0.443.10 -3 (N.s/m 2 ) =0,443 (cP) Suy ra :  D . D = 1.67*0.443 = 0.74 Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] :  D = 0.53 Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :  tb = 537.0 3 55.053.053.0 3 = ++ = ++ DWF ηηη • Số mâm thực tế của tháp N tt : 537.0 27 = tt N =50.28 mâm Vậy chọn N tt = 50 mâm 37 mâm cất,12 mâm chưng 1 mam nhập liệu SVTH NGUYỄN BÁ DUY 10 . 19 CHƯƠNG IV : TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 27 II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ 38 III . TÍNH TỐN BƠM NHẬP LIỆU 39 CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ I . TÍNH SƠ. 30%. Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, các bạn sinh viên đã giúp em hồn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hồn thành đồ án không thể không có sai sót, em rất. pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. SVTH NGUYỄN BÁ DUY 3 ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ 2 . Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường