Thiết kế hệ thống chưng cất nước – acid axetic bằng tháp mâm xuyên lỗ

KHOA: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM1.Tên đề tài:Thiết kế hệ thống chưng cất nước – acid axetic bằng tháp mâm xuyên lỗ.2.Dữ kiện ban đầu: Dòng nguyên liệu vào GF= 3000kgh;Nồng độ (% khối lượng): xF = 30%; xD = 95,5%; xW = 0.5%.Sử dụng hơi đốt có áp suất 2,5at.3.Nhiệm vụ đồ án: Quy trình công ghệ. Cân bằng vật chất cho tháp và tính toán hệ thống Tính toán thiết kế tháp chưng cất: Đường kính,chiều cao tháp,trở lực. Tính toán tính cơ khí Tính toán các thiết bị truyền nhiệt – Thiết bị phụ: Các thiết bị truyền nhiệt Tính toán bơm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA -VŨNG TÀU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA HÓA HỌC & CNTP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

(Quá trình và thiết bị trong CNHH và Thực Phẩm)

Họ tên SV: Nguyễn Quốc Thiều Giới tính: Nam Nơi sinh: Nam Định Nguyễn Tấn Thịnh Giới tính: Nam Nơi sinh: Phú Yên

KHÓA: 2009-2013

GVHD: Nguyễn Thiện Thanh

KHOA: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

1 Tên đề tài:

Thiết kế hệ thống chưng cất nước – acid axetic bằng tháp mâm

xuyên lỗ.

2 Dữ kiện ban đầu:

Dòng nguyên liệu vào GF= 3000kg/h;

Nồng độ (% khối lượng): xF = 30%; xD = 95,5%; xW = 0.5%

Sử dụng hơi đốt có áp suất 2,5at

3 Nhiệm vụ đồ án:

- Quy trình công ghệ

- Cân bằng vật chất cho tháp và tính toán hệ thống

- Tính toán thiết kế tháp chưng cất:

*Đường kính,chiều cao tháp,trở lực

*Tính toán tính cơ khí

- Tính toán các thiết bị truyền nhiệt – Thiết bị phụ:

- Các thiết bị truyền nhiệt

- Tính toán bơm

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho

nền công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung Một trong nhữngngành có đóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hóa học, đặcbiệt đó là ngành sản xuất các hóa chất cơ bản,phục vụ cho đa số các ngànhcông nghiệp

Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hóa chất có

độ tinh khiết cao Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hóa chất sửdụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích

ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm

mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp Đối với hệ benzen – toluen

là hệ 2 cấu tử tan lẫn vô nhau, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục đểnâng cao độ tinh khiết cho benzen

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổnghợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học trong tươnglai Môn học này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình côngnghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất - thựcphẩm Đây là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng các kiến thức đại học đểgiải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp đệm để chưng cất hỗn hợp toluen có nổng độ 95% phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là0.5%, nồng độ nhập liệu là 40% khối lượng benzen,nhập liệu ở trạng tháilỏng sôi với năng suất nhập liệu là GF=1500 kg/h

benzen-Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Toàn trong thời gian dàivừa qua đã tận tình chỉ dẫn chúng em hoàn thành bài báo cáo này

CHƯƠNG I: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ.

1.2 Thuyết minh quy trình công nghệ.

Hỗn hợp benzen-toluen tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơmvào thiết bị gia nhiệt (3).Ở đây hỗn hợp được gia nhiệt sau đó hỗn hợp đượcđưa vào tháp chưng cất (5) ở đĩa phân phối

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất củatháp chảy xuống Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ởđây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển độngtrong 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 lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ cànglên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độsôi cao là toluen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp

có cấu tử bezen chiếm nhiều nhất Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ(6) và đượcngưng tụ 1 phần (chỉ ngưng tụ hồi lưu) Một phần chất lỏng ngưng được đưaqua thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh(7) trước khi đưa vào bồn chứa sản phẩmđỉnh(8) Phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trêncùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốchơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng

Cuối cùng ở đáy thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bayhơi (toluen) Hỗn hợp đáy có toluene và một phần benzen Dung dịch lỏng ởđáy đi ra khỏi tháp, 1 phần được đun, bốc hơi ở nồi đun kettle (9) cung cấp lạicho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được đưa vào bể chứa sản phẩm(11) sau khi đã được làm lạnh ở thiết bị (12).Hệ thống làm việc liên tục cho rasản phẩm đỉnh là bezen, sản phẩm đáy là toluene

1.3 Các thiết bị chính của quy trình.

- Tháp chưng luyện liên tục.

- Van

- Bồn chứa nhập liệu,sản phẩm đỉnh,sản phẩm đáy

- Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

- Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

- Nồi đun Kelte gia nhiệt sản phẩm đáy

- Bộ phận phân chia dòng

- Lưu lượng kế

- Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh và đáy

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN SƠ BỘ 2.1 Các thông số ban đầu

- Chọn loại thâp đệm thiết bị hoạt động liín tục.

- Khi chưng luyện hỗn hợp benzen-toluen thì cấu tử dễ bay hơi lă benzen

- Câc ký hiệu:

GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h

GP, P: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

GW, W: suất lượng sản phẩm đây tính theo kg/h, kmol/h

L : suất lượng dòng hoăn lưu, kmol/h

aF : nồng độ hỗn hợp đầu, % khối lượng

aP : nồng độ sản phẩm đỉnh, % khối lượng

aW : nồng độ sản phẩm đáy % lượng

xP : nồng độ hỗn hợp đầu (phần mol)

xF : nồng độ hỗn hợp đầu (phần mol )

xW : nồng độ hỗn hợp đầu (phần mol )

2 98,6

95,2

92,1

89,4

86,8

84,4

82,

3 80,2Ở đây:

x là thành phần lỏng;y là thành phần hơi

Từ số liệu của bảng 1 ta xây dựng đồ thị t-x,y cho hệ Benzen- Toluen:

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 80

2.2.1Suất lượng mol của các dòng

- Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp

GF = Gp + Gw

Lưulượng

Lưulượng

phầnmol

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

Hình 2: Đồ thị cân bằng pha của hệ Benzen- Toluen ở áp suất 1atm

- Với xF = 0,44 ta nội suy từ đồ thị 2 được y F

¿

= 0,66+ Tỉ số hoàn lưu tối thiểu

*

0,957 0,66

1,62 0,66 0, 44

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

Số ngăn lý thuyết đoạn luyện là : 9,2

Số ngăn lý thuyết đoạn chưng là: 4,8

- Phương trình đường lăm việc của phần chưng:

Hai phương trình cắt nhau tại x=xF

CHƯƠNG III:CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

3.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

Nhiệt dung riíng được xâc định ở nhiệt độ trung bình :T=

110,6 352

80,39 35 2

3.5 Nhiệt lượng cung cấp cho đây thâp:

Từ cđn bằng nhiệt lượng ta có:

QT =( Qnt + QW + QD – QF ).Qf=1,05.(236,9+35,79+14,83-52,09)= 247,2 KW

QF : lă lượng nhiệt tổn thất,lấy khoảng 5% tổng lượng nhiệt có ích cấp cho đây thâp

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÂN THIẾT BỊ CHÍNH

4.1 Đường kính thâp

Đường kính tháp được tính theo công thức:

D=√ 4 V tb π∗3600∗ω tb (m) (IX89.[II])

Vtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h)

tb : vận tốc hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên lượng hơi trung bình trong từng đoạn khác nhau và do đó đường kính đoạn chưng và đoạn luyện của tháp có thể khác

nhau

4.1 1 Đường kính phần luyện

Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn luyện : có thểxem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi rakhỏi phần trên cùng của tháp gđ và lượng hơi đi vào dướicùng g1 của đoạn luyện :

Được tính theo công thức sau :

Áp dụng phương trình cân bằng vật liệu, nhiệt

lượng cho đĩa thứ nhất của đoạn luyện:

g1 = G1 + GP (IX.93/182.[II ])

g1y1 = G1x1 + GPxP (IX.94/182.[II])

g1r1 = gđrđ (IX.95/182.[II]) Với :

- y1 : nồng độ của cấu tử nhẹ trong pha hơi của phần trín cùng đoạn luyện

- x1 : hàm lượng lỏng ở phần trín cùng đoạn

nguyên chất

tl=

085,62

0,957).375.103

=389,4 103(J/Kg)

Gd.rd=2131,8.389,4.103=830122920

Ta có: g1.y1=G1x1+GPxp=(g1-Gp).xp= > g1( y1-xF)=Gp(xp-xF) (1)

3 1

g g

g     

(Kg/h)3

 MB = 78 (kg/kmol) , MT = 92 (kg/kmol)

 ytb1 : nồng dộ phần mol cấu tử phân bố trongđoạn luyện

1 1

0,957 0,6

0,78

P tb

753,22( / )2,76

tb tb ytb

 ρ x1 , ρ x2 : khối lượng riêng của Benzen và

Toluen của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình là 86,4oC, được tra bảng I-2/9.[I ]:

ρ x 1=807 , 96(kg/m3)

ρ x 2=973 , 64( kg/m3)

 atb1 : phần khối lượng trung bình của cấu tử

A trong pha lỏng

a a

a     

(phần khối lượng )

Tìm vận tốc hơi trung bình đi trong đoạn luyện:

Vận tốc làm việc của dòng khí nhỏ hơn vận tốc đảo pha từ 10  20%

 σ d :Bề mặt riêng của đệm, (m2/m3)

 Vđ : Thể tích tự do của đệm m3/m3

Ở đây ta chọn đệm Rasiga, bằng sứ đổ lộn xộn có kích thước 30*30*3,5 (mm), bề mặt riêng σ d = 165 (m2/m3), thể tích tự do Vđ = 0,76 (m3/m3), số đệm trong 1m3 : 25.103, khối lượng riêng xốp ρ d=570(kg /m3)

 Gx , Gy : lưu lượng lỏng và hơi trung bình, kg/s

* Xác định độ nhớt μ x ,μ n :

 μ n : độ nhớt của nước ở 20oC tra trong bảng

I-102/94.[I] ta có :

μ n=1 , 005(Cp)=1 , 005∗10−3(Ns /m2)

 μ x: Độ nhớt của hỗn hợp lỏng trong đoạn luyện

ở 85,6oC, được tính theo công thức sau:

'S 1,062( / )m s



Vậy tốc độ làm việc : tb 0,8* ' S 0,85( / )m s

Vậy đường kính đoạn luyện :

0,56( ).3600 .3600.0,85

d tb

g g

g  

(IX.91/181.[II])

gđc : lượng hơi đi văo đoạn chưng (kg/h)

Áp dụng phương trình cân bằng vật liệu

y : Hàm lượng hơi trung bình cấu tử phân bố trong đoạn chưng

1 1

c

c tb

tb c ytb



790( / ) 782( / )

xB xT

Tính vận tốc hơi trung bình trong đoạn chưng:

Tương tự trong đoạn luyện ta có : ’tb = 0,8.,

* 005 , 1 ) (

W F tb

(phần mol),

tb tb

Vậy chọn đường kính tháp là 0,6 m (theo bảng qui

chuẩn cho đường kinh tháp, 359.II)

4.2 Chiều cao thâp chưng luyện:

Chiều cao tháp chưng luyện được tính theo công

thức IX-50/168.[II]

H = Nl htđ + H (m)

H : khoảng câch cho phĩp ở đỉnh và đáy tháp Ở đây tháp làm việc ở áp suất thường nên H = 0,8m (Nắp và đáy tháp có dạng hình elip)

Nl : Số bậc thay đổi nồng độ lý thuyết

htđ : chiều cao tương đương của bậc thay đổinồng đô, được tính theo công thức sau:

G x

Hoặc có thể tính theo công thức :

2275,75( / )2

2152,75( / )2

y tg

x m

Như vậy chiều cao toăn thâp lă:H=0,76.14+0,8=11,5(m)

Chọn số ngăn lă việc đoạn luyện vă đoạn chưng lă 13 thì khoảng câch mỗi

ngăn lă 760(m)

Chiều cao phần luyện lă:Hc=0,76.9,2=7 (m)

Chiều cao phần chưng lă:Hc=0,76.4,8=3,7 (m)

4.3 Tính trở lực của thâp:

Khi chất lỏng chuyển động từ trên xuống và chất

khí chuyển động từ dưới lên có thể xảy ra 4 chế độ thủy động: chế độ chảy màng ; chế độ chảy quá độ;chế độ chảy xoáy và chế độ chảy nhũ tương Sức cản thủy lực của tháp đệm đối với hệ hơi lỏng ở

điểm đảo pha có thể được xác định theo công thức 118/189.[II] :

ΔPP K : tổn thất áp suất khi đệm khô, N/m2

4.3.1 Đối với đoạn luyện

Tháp đệm làm việc ở chế độ thích hợp với tốc độpha khí được xác định theo công thức IX-116/168.[II ] :

y

y

y

d td

d

m s

kg m

Ns m V

Với :

 H = 7 m là chiều cao đoạn luyện

 ω y : tốc độ của khí ,  y 0,85( / )m s

 ω t : tốc độ thực của khí trong lớp đệm,

td

m s V



  : hệ số trở lực của đệm, bao gồm trở lực do

ma sát và trở lực cục bộ

 là hàm số phụ thuộc vào chuẩn số Râynôn

Ta có Re'y 4115,55 40  ở chế độ chảy xoáy

3,029 Re'y 4115,55

Vậy :

2

2 3

* Để xác định ΔPP U , ta cần xác định các hệ số A, m,

n, c dựa vào bảng IX.7/189.[II ]:

;

2 3

3,01.3,7.165.(0,75)

294,3 8.0, 76

U

P

Pa m H



CHƯƠNG V: TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ

Việc tính toân thiết bị đầu tiín dựa trín những điều kiện kinh tế , kĩthuật,bản chất của sản phẩm từ đó lựa chọn vật liệu thích hợp.Sau đó dựa văonhững tính chất vật liệu để tính toân thiết bị

5.1 Chọn vật liệu

Tháp chưng luyện ở áp suất khí quyển P = 760mmHg = 1,01.105 N/m2 là áp suất thấp và trung bình nênchọn thân tháp hình trụ hàn (theo 360.[II])

Dùa vµo b¶ng XII.37/341.[II] ta chôn vỊt liÖu chÕ t¹oth¸p lµ thÐp X18H10T.

5.2 Tính chiều dăy thâp

Benzen lµ mĩt hîp chÍt ®ĩc, dÔ ch¸y nư ị ¸p suÍt thíng, mƯt kh¸c trongqu¸ tr×nh vỊn hµnh cña th¸p c¸c hîp chÍt ®îc c¸ch ly víi nguơn nêng trùc tiÕp V× vỊy th¸p chng luyÖn trªn thuộc thiÕt bÞ nhêm 2, lo¹i II

Chiều dăy thđn hình trụ lăm việc dưới âp suất P được tính theo công thức XIII.8/360.II :

S= D t P

2[σ]ϕ−P+C (m)

Trong đó: _ Dt = 0,6 m : đường kính trong của tháp

_ ϕ : hệ số bền của thành hình trụ theophương dọc: ϕ=0,9

_C : hệ số bổ sung ăn mòn, bào mòn và dung sai bề dày

C được tính theo công thức sau : C = C1 + C2 +

C3

 C1 : bổ sung do ăn mòn, xuất phát từđiều kiện ăn mòn vật liệu của môitrường và thời gian làm việc của thiết bị

C3 = 0,22 mm = 0,22.10-3 m

⇒ C = 1+ 0 + 0,22 = 1,22mm = 1,22.10-3

σ c t

n c η (N/m2) (XIII.2/356.[ II])Trong đó: _: hệ số hiệu chỉnh, =1 (XIII.2/356.[II])

_ nb, nC: hệ số an toăn theo giới hạn bền,chảy (XIII.3/356.[II])

nb = 2,6 ; nC = 1,5_ t

k, t

C: giới hạn bền khi kĩo ,khi chảy ở nhiệt độ t được tra trong bảng (XII.4/310.[II]) tương ứng với chiều dăy tấm thĩp lă lµ 1  3 mm, t

k= 700.106 N/m2 , t

C = 400.106 N/m2Vậy ứng suất cho phĩp của thĩp không gỉ X18H10T lă:

c

c

c

N m n



Vậy [σ] nhận giá trị nhỏ hơn [σ c] = 266,67.106 (N/m2)

P = Pl+ Pmt Pl : áp suất thủy tĩnh cho toăn bộ thâp, Pl =

ρxgH

H = 11,5(m) : chiều cao tháp x: khối lượng riêng của chất lỏng trongtháp, kg/m3

3' 804, 4 783,59

0, 6 (2 1, 22).10 375868, 75 ( )

160,8.10 ( / ) 2( ) 2(2 1, 22).10 0,9

Hình 12:

Nắp vă đây thiết bị được chế tạo cùng loại vật liệu với thđn thiết bị,chọn đây

vă nắp dạng elip có gờ,dựa văo quan hệ giữa Dt (Dt = 0,6m) với đây vă nắp thiết bị cho trong bảng, XIII.10/382.[II] Ta có:

 Chiều cao phần lồi của đấy : ht=0,25*Dt =150mm

 Chọn chiều cao của gờ lă : h = 25 mm

 Chiều dăi đây vă nắp được xâc định theo công thức (XIII.47/385.[II]):

3,8[σ]kϕ h−P×

D t

Trong đó: - k lă hệ số không thứ nguyín, chọn k=1 (đây vă nắp có lỗ)

_h lă hệ số bền của mối hăn hướng tđm h=0,9 khi chọn đây, nắp hăn 1 bín có tđm lót, hăn tay bằng hồ quang điện (bảng XIII.8/362.[II])

Ta xét đại lượng :

  266,67.106

.1.0,9 1257, 4 30190877,5

h

k P

2 2 3

2 3

Để trânh tổn thất nhiệt cho môi trường xung quanh, đẩm bảo cho quâ trình

chưng luyện đạt hiệu suất cao nhất thì ta phải trang bị cho thâp chưng luyện 1

Chiều dày thân tháp δ=S=2mm=2×10−3( m)

 Nhiệt độ không khí : T2 = 25oC

100, 47 85,6

93,04

o tbC tbL

o

 Chấp nhận quá trình truyền nhiệt trên là quá trình

truyền nhiệt ổn định Xem nhiệt truyền từ bên

trong ra ngoài theo tường phẳng nhiều lớp

 Chấp nhận nhiệt độ mặt ngoài của lớp cách nhiệt

T1 = 35oC

 Tính tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh theo

công thức :

q2=α2ΔPt2 (W/m2)

α2 - hệ số cấp nhiệt bằng bức xạ và đối lưu từ bề mặt lớp cách nhiệt ra môi trường không khí, được tính theo công thức V-135 /41.[II ]

α2=9,3+0 ,058 ΔPt2 (W/m2độ)

t2 - hiệu số nhiệt độ giữa tường bên ngoài của

thiết bị với môi trường

K : hệ số truyền nhiệt, W/m2.độ

ΔPt1 : hiệu số nhiệt độ giữa nhiết độ trong thâp vă nhiệt độ mặt ngoăi thâp

Vì truyền nhiệt ổn định nên q1 = q2 = q

1 1

98,8

1,7

93, 4 35

q K t