LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly, Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp. Đối với hệ Nước – Axit axetic là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết. Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghêä, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 3000 kgh, nồng độ nhập liệu là 30% khối lượng, nồng độ sản phẩm đỉnh là 95,5% khối lượng, nồng độ sản phẩm đáy là 0,5% khối lượng. Sử dụng hơi đốt có áp suất 2,5at. MỤC LỤC Lời mở đầu1 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU .2 I.Lý thuyết về chưng cất2 1.Khái niệm2 2.Các phương pháp chưng cất.2 3.Thiết bị chưng cất3 II.Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu.3 1.Axit axetic3 2.Nước.4 CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ5 CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT8 I.Các thông số ban đầu.8 II.Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được8 III. Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc9 IV. Xác định suất lượng mol các dòng pha10 CHƯƠNG IV: TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT12 CHƯƠNG V: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH.14 I. Đường kính tháp .14 II.Chiều cao tháp18 III. Trở lực tháp19 IV. Bề dày tháp23 V. Bề dày mâm25 VI.Bích ghép thân – đáy và nắp26 VII.Chân đỡ tháp27 VIII.Tai treo tháp28 IX.Cửa nối ống dẫn với thiết bị – bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn .29 1.Ống nhập liệu30 2.Ống hơi ở đỉnh tháp.30 3.Ống hoàn lưu31 4.Ống hơi ở đáy tháp.31 5.Ống dẫn lỏng vào nồi đun.31 6.Ống dẫn lỏng ra khỏi nồi đun.32 X.Lớp cách nhiệt33 CHƯƠNG V: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ.34 I. Thiết bị đun sôi đáy tháp .34 II.Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy37 III. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh41 IV. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu44 V.Bồn cao vị48 VI.Bơm.51 CHƯƠNG VII: TÍNH KINH TẾ.53
Đồ án môn học MỤC LỤC Lời mở đầu CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I. Lý thuyết về chưng cất 1. Khái niệm 2. Các phương pháp chưng cất 3. Thiết bị chưng cất II. Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu 4. Axit axetic 5. Nước CHƯƠNG II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT Các thông số ban đầu. 7 II. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được 8 III. Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc IV. Phương trình đường làm việc –số mâm lý thuyết 11 V. Xác định số mâm thực tế 11 CHƯƠNG III:TÍNH TOÁN THẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 14 I. Đường kính tháp… 14 1. Đường kính đoạn cất: 14 2. Đường kính đạon chưng: 16 II. Mâm lỗ - trở lực của mâm 18 1. Cấu tạo mâm lỗ: 18 2. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 23 III. Tính toán cơ khí của tháp 24 1. Bề dày của tháp: 24 2. Đáy và lắp: 26 IV. BÍCH GHÉP THÂN – ĐÁY VÀ NẮP: 26 V. CỬA NỐI ỐNG DẪN VỚI THIẾT BỊ - BÍCH NỐI CÁC BỘ PHẬN CỦA THIẾT BỊ VÀ ỐNG DẪN: 28 1. Ống nhập liệu: 28 2. Ống hơi ở đỉnh tháp: 29 3. Ống hoàn lưu: 29 4. Ống hơi ở đáy tháp: 30 5. Ống dẫn lỏng vào nồi đun: 31 6. Ống dẫn lỏng vào đáy tháp: 31 CHƯƠNG V: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ- THIẾT BỊ PHỤ 34 CHƯƠNG VII: TÍNH KINH TẾ 53 I, Các thiết bị truyền nhiệt. [Type text] Page 1 Đồ án môn học II, tính toán bơm nhập liệu Lời kết… ……………… 55 Tài liệu tham khảo 55 [Type text] Page 2 LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp. Đối với hệ Nước – Axit axetic là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết. Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghêä, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 500l/h, nồng độ nhập liệu là 8%(kg axit/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đỉnh là 95,5%(kg nước/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đáy là 28%(kg axit/kg hỗn hợp). Sử dụng hơi đốt có áp suất 2,5at. Đồ án môn học Chương 1 GIỚI THIỆU I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : 1. Khái niệm: Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau). Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không 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 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi lớn. [Type text] Page 3 Đồ án môn học Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé. Đối với hệ Nước – Axit axetic thì: Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước. Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic. 2. Các phương pháp chưng cất: 2.1. Phân loại theo áp suất làm việc: - Áp suất thấp - Áp suất thường - Áp suất cao 2.2. Phân loại theo nguyên lý làm việc: - Chưng cất đơn giản - Chưng bằng hơi nước trực tiếp - Chưng cất 2.3. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: - Cấp nhiệt trực tiếp - Cấp nhiệt gián tiếp Vậy: đối với hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. 3.Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. [Type text] Page 4 Đồ án môn học Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: - Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s… - Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc 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 nhược điểm của các loại tháp: Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Ưu điểm - Cấu tạo khá đơn giản. - Trở lực thấp. - Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có ρ ≈ ρ của chất lỏng. - Trở lực tương đối thấp. - Hiệu suất khá cao. - Khá ổn định. - Hiệu suất cao. Nhượ c điểm - Do có hiệu ứng thành → hiệu suất truyền khối thấp. - Độ ổn định không cao, khó vận hành. - Do có hiệu ứng thành → khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng → khó tăng năng suất. - Thiết bị khá nặng nề. - Không làm việc được với chất lỏng bẩn. - Kết cấu khá phức tạp. - Có trở lực lớn. - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp. Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Nước – Axit axetic. [Type text] Page 5 Đồ án môn học II. GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU : 1. Axit axetic: 1.1. Tính chất: Là 1 chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng, trọng lượng riêng 1,0497 (ở 20 o C) Khi hạ nhiệt độ xuống 1 ít đã đông đặc thành 1 khối tinh thể có T o nc = 16,635 – 0,002 o , T o sôi = 118 o C Tan trong nước, rượu và ete theo bất kỳ tỷ lệ nào Là 1 axit yếu, hằng số phân ly nhiệt động của nó ở 25 o C là K = 1,75.10 5− Tính ăn mòn kim loại: Axit axetic ăn mòn sắt. Nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, nó đề kháng tốt đối với axit axetic đặc và thuần khiết. Đồng và chì bị ăn mòn bởi axit axetic với sự hiện diện của không khí. Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối với axit axetic. 1.2. Điều chế: Axit axetic được điều chế bằng cách: 1) Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là một giai đoạn trung gian. Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic. CH 3 CHO + ½ O 2 = CH 3 COOH C 2 H 5 OH + O 2 = CH 3 COOH + H 2 O 2) Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ acetylen. Sự oxy hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban axetat. Người ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80 o C để [Type text] Page 6 Đồ án môn học ngăn chặn sự hình thành peroxit. Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết. Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi chế axit axetic kết tinh được. CH 3 CHO + ½ O 2 → C80ôûaxetatCoban o CH 3 COOH 3) Tổng hợp đi từ cồn metylic và Cacbon oxit. Hiệu suất có thể đạt 50 – 60% so với lý thuyết bằng cách cố định cacbon oxit trên cồn metylic qua xúc tác. Nhiệt độ từ 200 – 500 o C, áp suất 100 – 200atm: CH 3 OH + CO → CH 3 COOH với sự hiện diện của metaphotphit hoặc photpho – vonframat kim loại 2 và 3 hóa trị (chẳng hạn sắt, coban). 1.3. Ứng dụng: Axit axetic là một axit quan trọng nhất trong các loại axit hữu cơ. Axit axetic tìm được rất nhiều ứng dụng vì nó là loại axit hữu cơ rẻ tiền nhất. Nó được dùng để chế tạo rất nhiều hợp chất và ester. Nguồn tiêu thụ chủ yếu của axit axetic là: Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic). Làm đông đặc nhựa mủ cao su. Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat – làm phim ảnh không nhạy lửa. Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat. Làm các phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp. Axetat nhôm dùng làm chất cắn màu (mordant trong nghề nhuộm) Phần lớn các ester axetat đều là các dung môi, thí dụ: izoamyl axetat hòa tan được nhiều loại nhựa xenluloza. 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. [Type text] Page 7 Đồ án môn học Tính chất vật lý: 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 hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học. CHƯƠNG II:CÂN BẰNG VẬT CHẤT I. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU : Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ. Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước. Hỗn hợp: =⇒ =⇒ )mol/g(18MOH:Nöôùc )mol/g(60MCOOHCH:axeticAxit N2 A3 Năng suất nhập liệu: G F = 3.5 (m 3 /h) Nồng độ nhập liệu: x F = 0.92 (mol nước/ mol hỗn hợp) Nồng độ sản phẩm đỉnh: x P = 0.995 (mol nước/ mol hỗn hợp) Nồng độ sản phẩm đáy: x W = 0.70 (mol nước/ mol hỗn hợp) Chọn: Nhiệt độ nhập liệu: t FV = 25 o C Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi. Đối với thiết bị đun sôi đáy tháp : Áp suất hơi đốt : P h = 2.5at Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy : Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: t WR = 40 o C Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: t V = 25 o C Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: t R = 35 o C [Type text] Page 8 Đồ án môn học Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh : Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: t V = 25 o C Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: t R = 40 o C Các ký hiệu: G F , F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h. G P , P: 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 , x i : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i. II. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH và SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯỢC : 1. Phần khối lượng cấu tử: 775.0 60*08.018*92.0 18*92.0 ).1(. . = + = −+ = AfNf Nf f MxMx Mx x (kg nước/ kg hỗn hợp) 412.0 60*3.018*7.0 18*7.0 ).1(. . = + = −+ = AwNw Nw W MxMx Mx x (kg nước/ kg hỗn hợp) 9835.0 60*005.018*995.0 18*995.0 ).1(. . = + = −+ = ApNp Np p MxMx Mx x (kg nước/ kg hỗn hợp) Tra bảng 1.249, trang 310, [5] ⇒ Khối lượng riêng của nước ở 25 o C: ρ N = 996,5 (kg/m 3 ) Tra bảng 1.2, trang 9, [5] ⇒ Khối lượng riêng của axit axetic ở 25 o C: ρ AL = 1042,75 (kg/m 3 ) Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [5]: 6,1039 225.0 6,995 775,01 +=+= A FA N FN hh xx ρρρ ⇒ ρ hh = 1005.17 (kg/m 3 ) Năng suất nhập liệu : G F = 3.5 (m 3 /h) × 1005.17(kg/m 3 ) = 3518.095 (kg/h) [Type text] Page 9 Đồ án môn học Đun gián tiếp : += += WWppFF WpF xGxGxG GGG ⇔ Fp W WF p Wp F xx G xx G xx G − = − = − Nên : G p = 59.2234095.3518 412.09835.0 412.0775.0 = − − = − − F Wp WF G xx xx (kg/h) Và: G W = G F – G p = 3518.095 – 2234.59 = 1283.505 (kg/h) III. XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC . 1 .Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu: 7,092,0 7,0995,0 − − = − − = WF Wp xx xx f = 1.341 2. Tỉ số hoàn lưu làm việc: Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: 92,0945,0 945,0995,0 * * min − − = − − = FF Fp xy yx R = 2 Tỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3R min + 0,3 = 2.9 [Type text] Page 10 [...]... phỏp hn h quang in, kiu hn giỏp mi 2 phớa Thõn thỏp c ghộp vi nhau bng cỏc mi ghộp bớch Vỡ thỏp hot ng nhit cao (>100 oC) nờn ta phi bc cỏch nhit cho thỏp m bo cht lng ca sn phm v kh nng n mũn ca axit axetic i vi thit b, ta chn thit b thõn thỏp l thộp khụng g mó X18H10T 1.2 Cỏc thụng s cn tra v chn phc v cho quỏ trỡnh tớnh toỏn: Nhit tớnh toỏn: Chn nhit tớnh toỏn : ttt=tỏy= 102,1oC Tra ti liu . hợp. Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 500l/h, nồng độ nhập liệu là 8%(kg axit/ kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đỉnh là 95,5%(kg nước/ kg hỗn hợp), nồng. với hệ Nước – Axit axetic thì: Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước. Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic. 2. Các phương pháp chưng cất: 2.1. Phân loại theo áp suất làm việc: - Áp suất thấp - Áp suất. trực tiếp - Cấp nhiệt gián tiếp Vậy: đối với hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. 3 .Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất