Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp axeton nước ở áp suất thường
1 Mục lục Chương 1: Tổng quan 4 1.1 Giới thiệu đồ án 4 1.2 Tính chất về nguyên liệu 4 1.3 Quá trình và thiết bị chưng cất 5 1.3.1 Quá trình chưng cất 5 1.3.2 Thiết bị chưng cất 5 1.4 Quá trình và thiết bị ngưng tụ 6 1.4.1 Quá trình ngưng tụ 6 1.4.2 Thiết bị ngưng tụ 6 Chương 2: Đề nghị qui trình chưng cất 6 Chương 3: Cân bằng vật chất 7 3.1 Thông số ban đầu 7 3.2 Cân bằng vật chất 7 3.3 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp 8 3.3.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu 8 3.3.2 Xác định R thích hợp dựa theo tiêu chí thể tích tháp nhỏ nhất 9 Chương 4: Cân bằng năng lượng 11 4.1 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất 11 4.1.1 Phương trình cân bằng năng lượng 11 4.1.2 Tính lượng hơi nước cần dùng 12 4.2 Cân bằng nhiệt ở thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 13 4.3 Cân bằng nhiệt ở thiết bị ngưng tụ 14 4.4 Cân bằng nhiệt ở thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 14 Chương 5: Tính toán số mâm thực tế của tháp chưng cất 14 Chương 6: Tính toán thiết bị ngưng tụ 16 6.1 Tính toán cấu tạo thiết bị ngưng tụ 16 6.2 Tính toán đường kính cửa vào ra của thiết bị 20 6.3 Tính toán trở lực 21 6.3.1 Tính toán tổn thất do ma sát 22 6.3.2 Tính toán trở lực cục bộ 22 6.3.3 Tính tổn thất áp lực khi nước đi qua thiết bị 22 6.4 Tính bền cơ khí thiết bị ngưng tụ 22 6.4.1 Tính kiểm tra thân thiết bị 23 6.4.2 Tính toán bề dày đáy nắp 25 6.4.3 Tính bích, đệm, bulông, vỉ ống 25 6.3.4 Khối lượng thiết bị và chân đỡ 28 Chương 7: Tính toán thiết bị phụ 30 7.1 Thiết bị đun sôi sản phẩm đáy 30 7.2 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 33 7.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 36 7.4 Bồn cao vị 39 7.5 Bơm 41 Chương 8: TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH 42 Kết luận và đánh giá 44 Tài liệu tham khảo 45 2 Danh mục hình Hình 3.1 Xác định R tối thiểu theo phương pháp bình thường 8 Hình 3.2 Xác định R tối thiểu theo phương pháp vẽ tiếp tuyến 8 Hình 3.3 Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết 10 Hình 3.4 Đồ thị phóng to một phần phần chưng 10 Hình 6.1 Thông số chân đỡ 29 Danh mục bảng Bảng 3.1 Số liệu tính toán cân bằng vật chất 7 Bảng 3.2 Bảng giá trị tính R thích hợp 9 Bảng 4.1 Nhiệt dung riêng của Axeton nước tại nhiệt độ đỉnh, đáy, nhập liệu 11 Bảng 4.2 Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ đỉnh, đáy, nhập liệu 11 Bảng 4.3 Thông số dòng hơi sản phẩm đỉnh 13 Bảng 4.4 Thông số dòng nước làm mát 13 Bảng 4.5 Thông số dòng sản phẩm đỉnh ngưng tụ 14 Bảng 4.6 Thông số dòng nước giải nhiệt TB ngưng tụ 14 Bảng 4.7 Tổng kết sau khi tính cân bằng nhiệt 14 Bảng 5.1 Giá trị cần thiết để tính toán số mâm thực tế 15 Bảng 6.1 Thông số nhiệt vật lí của nước tại nhiệt độ trung bình 35 o C 16 Bảng 6.2 Các công thức xác định thông số nhiệt vật lí của hỗn hợp 17 Bảng 6.3 Các giá trị khi tính truyền nhiệt ở TB ngưng tụ 18 Bảng 6.4 Các thông số cơ bản của bích 25 Bảng 6.5 Khối lượng các chi tiết thiết bị ngưng tụ 28 Bảng 7.1 Thông số ban đầu của dòng sản phẩm đáy 30 Bảng 7.2 Thông số ban đầu của hơi đốt 30 Bảng 7.3 Công thức xác định sức căng bề mặt và khối lượng riêng của hơi 31 Bảng 7.4 Giá trị các thông số vật lí của hỗn hợp tại nhiệt độ sôi trung bình 31 Bảng 7.5 Thông số vật lí của dòng nhập liệu 33 Bảng 7.6 Các thông số nhiệt vật lí của nước tại nhiệt độ trung bình o 27,5 C 36 Bảng 7.7 Thông số vật lí của hỗn hợp sản phẩm đỉnh 37 Bảng 8.1 Bảng tính toán chi tiết 43 3 NHẬN XÉT ĐỒ ÁN Cán bộ hướng dẫn nhận xét : ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Điểm : ……………… Chữ ký : ……………. Cán bộ chấm hay Hội đồng bảo vệ nhận xét : ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Điểm :………… Chữ ký :………………. Điểm tổng kết: ……………………………. 4 Chương 1: Tổng quan 1.1 Giới thiệu đồ án Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Axeton - Nước ở áp suất thường với yêu cầu công nghệ như sau: Năng suất nguyên liệu: 1000 kg/h Nhập liệu có nồng độ là 25% mol Axeton Nồng độ sản phẩm đỉnh là 95% mol Axeton Tỷ lệ thu hồi Axeton là 99% 1.2 Tính chất về nguyên liệu Axetone có công thức phân tử : CH 3 COCH 3 .Khối lượng phân tử bằng 58 đvC Là một chất lỏng không màu, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm dịu và có mùi thơm. Nó hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như : eter, metanol, etanol, diacetone alcohol… Phần lớn được dùng làm dung môi nhất là trong công nghiệp sản xuất nhựa, vecni, chất dẻo. Axeton làm dung môi tốt đối với các nitro xeluloza, acetyl xenluloza. Nó ít độc nên được dùng làm dung môi cả trong công nghiệp dược phẩm và thực phẩm. Axeton còn được dùng làm nguyên liệu để tổng hợp một số lớn các hợp chất xeten, izopren, … Một số thông số hóa lý của Axeton : Nhiệt độ nóng chảy : -94,6 o C ; Nhiệt độ sôi : 56,9 o C ; Nhiệt dung riêng : 22 kcal/mol (ở 102 o C) Độ nhớt : 0,316 cp ( ở 25 o C) Nhiệt trị : 0,5176 cal/g ( ở 20 o C) 1.3 Quá trình và thiết bị chưng cất 1.3.1 Quá trình chưng cất Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành các cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Ngày nay, quá trình chưng được ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp: Dầu mỏ, tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng Không khí hóa lỏng được chưng cất ở nhiệt độ -190 o C để sản xuất oxy là nito Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng như etylic-nước từ quá trình lên men Phân loại: có thể phân biệt theo các tiêu chí sau Áp suất làm việc: chân không, áp suất thường hoặc áp suất cao 5 Số lượng cấu tử trong hỗn hợp: hệ hai cấu tử, hệ có ba hoặc số cấu tử ít hơn mười và hệ nhiều cấu tử (lớn hơn mười) Phương thức làm việc: liên tục, gián đoạn Ngoài ra còn nhiều phương pháp chưng đặc biệt khác: chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng trích ly hoặc chưng đẳng phí… 1.3.2 Thiết bị chưng cất Trong sản xuất, người ta dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu chung của các thiết bị này là có bề mặt tiếp pha lớn để tăng hiệu suất quá trình. Các thiết bị thường dùng là Thiết bị loại bề mặt Thiết bị loại màng Thiết bị loại phun Thiết bị loại đệm (tháp đệm) Thiết bị loại đĩa(tháp đĩa) Trong đó loại dùng phổ biến nhất trong chưng luyện là tháp đệm và tháp đĩa 1.4 Quá trình và thiết bị ngưng tụ 1.4.1 Quá trình ngưng tụ Là quá trình một hơi (hay hỗn hợp hơi) chuyển pha thành dạng lỏng tại một điều kiện nhất định. Quá trình này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, chủ yếu là tính tan lẫn các chất lỏng sau khi ngưng Người ta nhận thấy thường xảy ra hai dạng biến thiên nhiệt độ trong quá trình ngưng tụ đẳng áp là: dạng ngưng tụ đẳng nhiệt, dạng ngưng tụ với nhiệt độ ngưng tụ giảm dần 1.4.2 Thiết bị ngưng tụ Tùy theo các tính chất và điều kiện làm việc của hơi ngưng cũng như phụ thuộc vào chất tải ẩn nhiệt ngưng tụ (dòng lạnh) mà thiết bị ngưng tụ có cấu tạo rất đa dạng. Phân loại theo chất làm lạnh: thiết bị lạnh dùng NH 3 , các freon R-12, R-22 Phân loại theo điều kiện áp suất ngưng tụ: TBNT áp suất thấp( chân không), áp suất thường, áp suất cao Phân loại theo khả năng tiếp xúc của hai lưu chất: kiểu gián tiếp(hay kiểu bề mặt), kiểu trực tiếp(TBNT hơi nước kiểu baromet) 6 Chương 2: Đề nghị qui trình chưng cất Hỗn hợp Axeton- Nước có nồng độ Acetone 25% ( theo mol) , nhiệt độ khoảng 25 0 C tại bể chứa nguyên liệu được bơm bơm lên bồn cao vị . Từ đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt được đun nóng bằng hơi nước bão hòa 3 at. Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi . Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa nhập liệu. Trong tháp chưng cất, dòng hơi sẽ đi từ dưới lên, dòng lỏng sẽ chảy từ trên xuống. Khi tiếp xúc với nhau trên các đĩa, dòng lỏng và dòng hơi sẽ trao đổi nhiệt và trao đổi chất với nhau Như vậy, càng lên cao, thành phần cấu tử dễ bay hơi càng nhiều: phần dễ bay hơi nhất sẽ được làm ngưng tụ trong thiết bị ngưng ở đầu tháp và đưa ra ngoài, một phần phần ngưng được hồi lưu trở lại cột chưng để đảm bảo cho phần phía trên đầu cột chưng hoạt động bình thường. Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh được làm nguội đến 35 0 C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh Càng dưới đáy tháp, càng giàu cấu tử khó bay hơi. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần được đun bốc hơi ở nồi đun bằng cách trao đổi nhiệt kiểu bề mặt và tạo dòng hơi đi trong tháp, phần còn lại được đưa ra bồn chứa sản phẩm đáy. Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Axetone, sản phẩm đáy là nước được thải bỏ. Sơ đồ qui trình chưng cất được thể hiện trong trang sau 7 Chương 3: Cân bằng vật chất 3.1 Thông số ban đầu Hỗn hợp gồm: Axeton M A = 58 kg/kmol, Nước M B =18 kg/kmol Năng suất nguyên liệu: 1000 kg/h Nhập liệu có nồng độ axeton là 25 % mol Axeton Nồng độ sản phẩm đỉnh là 95% mol Axeton Tỷ lệ thu hồi Axeton là 99 % 3.2 Cân bằng vật chất Khối lượng mol trung bình dòng nhập liệu (1 ) 0,25 58 (1 0,25) 18 28 hh F A F B M x M x M kg/kmol Suất lượng mol dòng nhập liệu 1000 35,71 28 F hh G F M kmol/h Độ thu hồi 0,99 0,25 35,71 9,304 0,95 DF FD x D x F D x F x kmol/h 35,71 9,304 26,41F D W W F D kmol/h Nồng độ Axeton ở đáy Phương trình cân bằng vật chất cho cấu tử dễ bay hơi 35,71 0,25 9,304 0,95 0,00335 26,41 FD F D W W Fx Dx Fx Dx Wx x W Bảng 3.1. Số liệu tính toán cân bằng vật chất F, kmol/h 35,71 F x (% mol) 0,25 F x (% KL) 0,518 D, kmol/h 9,304 D x (% mol) 0,95 D x (% KL) 0,984 W, kmol/h 26,41 W x (% mol) 0,00335 W x (% KL) 0,0107 3.3 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp 3.3.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu Do đường cân bằng có khoảng lõm nên ta kiểm tra như sau Nếu vẽ như bình thường để xác định R min ta xác định được như sau 8 Hình 3.1. Xác định R tối thiểu theo phương pháp bình thường. Ta thấy rằng đường thẳng cắt qua điểm * FF ( ,y )x nhưng vượt qua đường cân bằng nên ta xác định bằng cách vẽ qua điểm (x D , x D ) đồng thời tiếp tuyến với đường cong ta được đồ thị sau Hình 3.2. Xác định R tối thiểu theo phương pháp vẽ tiếp tuyến. 9 Từ đồ thị ta xác định được đường thẳng cắt tại trục tung tại điểm có tung độ 0,65 Từ đây suy ra min min 0,65 0,462 1 D x R R 3.3.2 Xác định R thích hợp dựa theo tiêu chí thể tích tháp nhỏ nhất Đầu tiên ta chọn các R khác nhau chạy từ min R rồi tính toán ra phương trình đường chưng đường cất và đường cân bằng vẽ số đĩa lí thuyết N lt khác nhau theo các R Vẽ đồ thị sự phụ thuộc của R theo N lt (R+1) rồi tìm điểm cực trị R tại đó chính là R th Bảng 3.2. Bảng giá trị tính R thích hợp R 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,5 1,75 2 2,5 3 N lt 18 12 10 9 8 8 7 7 6 6 6 N lt (R+1) 27 19,2 17 16,2 15,2 16 17,5 19,25 18 21 24 Ta thấy N lt (R+1) min = 15,2 và N lt =8 nên chỉ số hồi lưu thích hợp là 0,9 Từ đây các phương trình đường làm việc ta xác định là Phương trình đường cất 0,9 0,95 1 1 0,9 1 0,9 1 0,474 0,5 D x R y x x RR yx Phương trình đường chưng Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu 0,95 0,00335 3,838 0,25 0,00335 DW FW xx f xx 1 0,9 3,838 3,838 1 1 1 0,9 1 0,9 1 2,494 1,494 W R f f y x x x RR yx Ta vẽ trên đồ thị như sau 10 Hình 3.3. Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết Phóng to phần Hình 3.4. Đồ thị phóng to một phần phần chưng [...]... đĩa của từng phẩn Phần chưng 2/0,42=4,76 lấy tròn 5 đĩa Phần cất: 6/0,42=14,28 lấy tròn 14 đĩa Số mâm của tháp là 19 Vị trí nhập liệu là mâm: mâm thứ 6 Phần chưng: 5 mâm Phần cất: 14 mâm Thêm 2 mâm: 1 mâm ở nồi đun và 1 mâm thiết bị ngưng tụ Tổng cộng 21 mâm Chương 6: Tính toán thiết bị ngưng tụ 6.1 Tính toán cấu tạo thiết bị ngưng tụ a) Thông số ban đầu Chọn thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm, đặt nằm... Tổng trở lực này dùng để tính bơm đẩy nước qua thiết bị Do dùng hơi bão hòa, nên không cần tính tổn thất trở lực ở vùng không gian giữa các ống truyền nhiệt 6.4 Tính bền cơ khí thiết bị ngưng tụ Chiều dài phần trụ: l= 2,452 m Đường kính trong trụ Dt=400 mm Áp suất tính toán P=1 atm, do khi hơi ngưng tụ thể tích giảm nên lúc này thân lúc này chịu áp suất ngoài Để tính toán an toàn ta lấy áp suất ngoài... đường kính trong của ống truyền nhiệt d = dtrong = 0,021 m Mặc khác ta tính được trị số w theo phương trình lưu lượng Gn wS wn 2 dtrong 4 w Gn 2 0, 785dtrong n (6.2) Vậy số ống n được xác định n Gn 3600.0, 785Re d (6.3) Với Gn: lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ, kg/h : độ nhớt của nước tại nhiệt độ trung bình, Pa.s d: đường kính trong của thiết bị, m n: số ống của thiết bị ngưng tụ Thế các... riêng, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng được tra tại nhiệt độ màng nước ngưng tụ tm (tn tw ) / 2, oC Bảng 6.2 Các công thức xác định thông số nhiệt vật lí của hỗn hợp 1 Thông số hh , Pa.s hh, kg/m3 Công thức xác định log(hh ) xAxeton log( Axeton ) (1 xAxeton ) log( Nuoc ) 1 nt xAxeton Axeton xNuoc Nuoc nt Axeton Nuoc xAxeton Nuoc (1 xAxeton ) Axeton nt xAxeton Axeton. .. có D=0,61 Bảng 5.1 Giá trị cần thiết để tính toán số mâm thực tế x, %mol y* ts Nhập liệu 0,25 0,821 63,41 13,76 Đáy tháp 0,0034 0,066 97,88 20,54 Đỉnh tháp 0,95 0,97 57,4 1,702 Nhập liệu Đáy tháp Đỉnh tháp axeton1 04 , Pa.s 2,23 1,732 2,383 nước 104 , Pa.s 4,46 2,905 4,953 hh 104, Pa.s 3,571 2,899 2,448 hh.103 5,161 5,957 0,416 Hiệu suất trung bình của thiết bị được xác định theo công thức IX.60... ngoài làm áp suất tính toán Mối hàn: hệ số bền mối hàn của thân, nắp đối với hàn giáp mối mỗi phía là h=0,95 Chọn vật liệu chế tạo là thép CT3 lấy hệ số an toàn là =1 Do vậy, ứng suất cho phép tính toán vật liệu chế tạo thiết bị ngưng tụ []*=[]= 1137,2=137,2 N/mm2 6.4.1 Tính kiểm tra thân thiết bị Kiểm tra bền theo áp suất Thông số làm việc: Dt = 400 mm L= 2,452 m Do khi hơi ngưng tụ thể tích... 0,0164= 0,1027 kg/s Tổng lưu lượng nước làm lạnh là 1,8195+0,356=2,1755 kg/s= 0,0022 m3/s = 7,92 m3/h Bảng 4.7 Tổng kết sau khi tính cân bằng nhiệt Lượng hơi đốt sử dụng (kg/s) Lượng nước cần để làm lạnh (m3/h) 0,1027 7,92 Chương 5: Tính toán số mâm thực tế của tháp chưng cất Tính toán hiệu suất trung bình mâm tại các vị trí nhập liệu, đỉnh, đáy, Vị trí đỉnh tháp Tại đỉnh tháp có xD=0,95, từ đường cân bằng... Tính toán trở lực cục bộ pc w2 2 Với : hệ số trở lực cục bộ do đột thu, đột mở 1 42 43 4 35 (6.18) (6.19) Bảng 387 [1] cho ta các giá trị 1: là trở lực do đột mở ở cửa vào : 1= 0,743 2: là trở lực do đột thu khi nước đi vào chùm ống: 2= 0,479 3: là trở lực đột mở khi nước từ ống chùm đi ra khoang nắp: 3= 0,899 4: trở lực đột thu ở cửa ra: 4= 0,467 5: trở lực do đổi... Đường kính trong thiết bị được tính theo công thức (V.140) [2] D=t(b1)+4dn = 0,033(91)+40,025=0,364 m Ta chọn thiết bị truyền nhiệt có đường kính 400 mm chiều dài cỡ 2,5 m là chuẩn và hợp lí Vậy cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt sau khi tính kết cấu như sau Bề mặt trao đổi nhiệt: 13,232 m2 Kết cấu ống truyền nhiệt Ống thép 252 mm Chiều dài ống 2,5 m 19 Đường kính trong thiết bị: 400 mm... xAxeton Nuoc (1 xAxeton ) Axeton nt xAxeton Axeton (1 xAxeton )Nuoc 0,72 xAxeton (1 x Axeton )(Nuoc Axeton ) hh, W/(m.K) Chh, J/(kg.K) Cnt xAxetonCAxeton (1 xAxeton )CNuoc rhh, kJ/kg rnt xAxeton rAxeton (1 xAxeton )rNuoc Hệ số cấp nhiệt tính cho cả chùm ống tính theo công thức V.109 [2] 1 = tb (6.8) Với tb: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào cách bố trí ống và số . kết: ……………………………. 4 Chương 1: Tổng quan 1.1 Giới thiệu đồ án Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Axeton - Nước ở áp suất. Quá trình và thiết bị chưng cất 5 1.3.1 Quá trình chưng cất 5 1.3.2 Thiết bị chưng cất 5 1.4 Quá trình và thiết bị ngưng tụ 6 1.4.1 Quá trình ngưng tụ 6 1.4.2 Thiết bị ngưng tụ 6 Chương. Thiết bị loại phun Thiết bị loại đệm (tháp đệm) Thiết bị loại đĩa (tháp đĩa) Trong đó loại dùng phổ biến nhất trong chưng luyện là tháp đệm và tháp đĩa 1.4 Quá trình và thiết bị ngưng tụ