đồ án thiết kế tháp đệm chưng cất các hỗn hợp lỏng

ĐỒ ÁN QTTB SV: Lê Thị Lương – LT Hoá3- K3 MỞ ĐẦU I. GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP ĐƯỢC CHƯNG LUYỆN Trong quá trình chế biến một sản phẩm từ sản phẩm thô ban đầu đến khi nó trở thành một sản phẩm có ích được ứng dụng rộng rãi trong đời sống thì công nghiệp hóa học đã đóng góp không nhỏ trong sự phát triển kinh tế nước nhà, các phương pháp khác nhau như: lắng, lọc, hấp thụ, kết tinh, Chưng cất … nhưng đặc biệt là phương pháp chưng luyện nó được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều ngành, lĩnh vực đặc biệt là ngành công nghệ lên men, công nghệ tổng hợp hữu cơ, lọc - hóa dầu, công nghệ sinh học. Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị cho phù hợp tùy thuộc vào hỗn hợp ban đầu, yêu cầu sản xuất và điều kiện kinh tế. Chưng là phương pháp dùng để tách riêng các hỗn hợp lỏng cũng như các hỗn hợp đã hóa 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. Riêng đối với phương pháp chưng luyện hai cấu tử thì sản phẩm đỉnh gồm chủ yếu là cấu tử dễ bay hơi còn sản phẩm đáy gồm chủ yếu là cấu tử khó bay hơi. Trong sản xuất ta thường gặp các phương pháp chưng khác nhau như : chưng đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng chân không và đặc biệt hơn là chưng luyện. Chưng luyện là phương pháp thông dụng dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau.Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao, các cấu tử dễ bay hơi và ngược lại. Trường ĐHCNHN GVHD:Nguyễn Thế Hữu ĐỒ ÁN QTTB SV: Lê Thị Lương – LT Hoá3- K3 Chưng đơn giản dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau .Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch cấu tử khỏi tạp chất. Chưng bằng hơi nước trực tiềp dùng tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi ,thường dùng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước Chưng chân không dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi cấu tử .Ví dụ như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao.Chưng nhất luyện là phương pháp phổ biến nhất để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hay hoàn toàn vào nhau theo bất kỳ tỷ lệ nào bằng các thiết bị khác nhau như: tháp đệm, tháp chóp, tháp đĩa…Đối với hỗn hợp Rượu etylic- nước là hỗn hợp 2 cấu tử hòa tan hoàn toàn vào nhau và có nhiệt độ sôi khác biệt nhau ở cùng điều kiện áp suất. Do đó phương pháp tối ưu để tách các hỗn hợp trên là chưng, ta nên dùng thiết bị chưng luyện loại tháp đệm. Phương pháp này dựa vào độ bay hơi khác nhau giữa các cấu tử bằng cách thực hiện quá trình chuyển pha và trao đổi nhiệt giữa 2 pha lỏng- khí. Sản phẩm đỉnh thu được gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần cấu tử có độ bay hơi thấp. Còn sản phẩm đáy thu được chủ yếu là cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi. Ngày nay tháp đệm được sử dụng rộng rãi vì nó có nhiều ưu điểm: Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc lớn, giới hạn làm việc tương đối rộng, thiết bị đơn giản, gọn nhẹ dễ tháo rời để sửa chữa, trở lực không cao nhưng làm việc ổn định và chưng được sản phẩm đòi hỏi có độ tinh khiết cao.Tháp đệm có thể làm việc ở áp suất thường và áp suất chân không, làm việc liên tục hoặc gián đoạn. Tuy nhiên tháp đệm cũng có những hạn chế sau: Khó làm ướt đều đệm,Nếu tháp cao thì phân phối chất lỏng không đều. Trường ĐHCNHN GVHD:Nguyễn Thế Hữu ĐỒ ÁN QTTB SV: Lê Thị Lương – LT Hoá3- K3 Để khắc phục nhược điểm trên, người ta chia đệm ra nhiều tầng và có đặt thêm đĩa phân phối chất lỏng đối với mỗi tầng đệm nếu tháp quá cao. Trong tháp đệm, chất lỏng chảy từ trên xuống phân bố đều trên bề mặt đệm, Khí đi từ dưới lên và tiếp xúc với chất lỏng và quá trình chuyển khối xảy ra. Vật liệu gia công là thép không gỉ bởi vì hỗn hợp cần tách là hệ ăn mòn mạnh, mặt khác tuy giá thành sản xuất còn cao nhưng đáp ứng được những tiêu chuẩn cơ bản của thiết bị hóa chất đó là: chống ăn mòn, bền nhiệt, cơ tính tốt, tuổi thọ làm việc lâu dài … Bài đồ án này bao gồm 6 nội dung chính: sơ đồ công nghệ sản xuất trong thực tế, tính toán thiết bị chính: Tính toán cân bằng vật liệu toàn thiết bị, chiều cao, đường kính tháp, trở lực của tháp đệm…, tính cân bằng nhiệt lượng, tính và chọn thiết bị phụ: thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, bơm.Tính toán cơ khí và lựa chọn: Tính bề dày, đường kính ống dẫn, Tính đáy và nắp, chọn bích ghép, tính giá đỡ tai treo… II. GIỚI THIỆU VỀ RƯỢU ETYLIC VÀ NƯỚC. 1 . Nước: -Nước là chất lỏng không màu,không mùi,không vị. - Nhiệt độ sôi ở áp suất 760mmHg là 100 0 C - Hoá lỏng ở 0 0 C - Khối lượng riêng là 997,08 kg/m 3 ở 25 0 C - Độ nhớt bằng 0,8937.10 N.s/ m 2 = 893,7 Cp ở 25 0 C - Nhiệt dung riêng Cp= 0,99892Kcal/kg.độ ở 25 0 C - Nhiệt hoá hơi ở áp suất khí quyển r = 540 Kcal/kg - Nước có công thức phân tử H 2 O ,công thức cấu tạo H-O-H -Nước có hợp chất phân cực mạnh,có thể hoà tan nhiều chất rắn,lỏng,khí Trường ĐHCNHN GVHD:Nguyễn Thế Hữu ĐỒ ÁN QTTB SV: Lê Thị Lương – LT Hoá3- K3 -Nước cần thiết cho sinh hoạt hằng ngày,sản xuất nông nghiệp,công nghiệp,xây dựng,giao thông vận tải - Nước dùng để điều chế oxy 2. Etylic : Rượu etylic có công thức C 2 H 5 OH, có nhiệt độ sôi là 78,4 0 C, khối lượng phân tử mol M= 46. Rượu Etylic được điều chế từ nhiều nguồn gốc khác nhau. Phổ biến nhất là phương pháp lên men. Nguyên liệu là gạo,ngô, khoai, sắn, đường của quả chín.Ngày nay người ta sử dụng xenlulozo có trong gỗ, như vở bào, mùn cưa, …làm nguyên liệu điều chế etylic. Ngoài ra trong công nghiệp người ta điều chế bằng cách hydrat hóa anken và thủy phân dẫn xuất halogen trong dung dịch kiềm.Trong thực tế rượu etylic được ứng dụng rộng rãi, nó làm nguyên liệu để sản xuất cao su tổng hợp, điều chế một số hợp chất hữu cơ như axit axetic.Rượu etylic là một dung môi hòa tan nhiều hợp chất hữu cơ như axit axetic.Rượu etylic là một dung môi hòa tan nhiều hợp chất hữu cơ, nó còn được sử dụng trong y tế làm cồn etylic, ngoài ra nó còn sử dụng làm thực phẩm. Trường ĐHCNHN GVHD:Nguyễn Thế Hữu ĐỒ ÁN QTTB SV: Lê Thị Lương – LT Hoá3- K3 PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG: I. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ : 1. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất ( hình 1): Hình 1. Chú thích: 1: thùng cao vị 2: bể chứa dung dịch đầu 3: thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 4: lưu lượng kế Trường ĐHCNHN GVHD:Nguyễn Thế Hữu ĐỒ ÁN QTTB SV: Lê Thị Lương – LT Hoá3- K3 5: tháp chưng luyện 6: thiết bị ngưng tụ 7: thiết bị làm lạnh 8: bể chứa sản phẩm đỉnh 9: bể chứa sản phẩm đáy 10: thiết bị đun sôi đáy tháp 11: cốc tháo nước ngưng 12: bơm pít tong 2 . Thuyết minh dây chuyền sản xuất: 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 được khống chế bởi ống chảy tràn trở lại bể chứa dung dịch đầu (2). Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (1) 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 đây 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 Rượu Etylic) 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). Trường ĐHCNHN GVHD:Nguyễn Thế Hữu ĐỒ ÁN QTTB SV: Lê Thị Lương – LT Hoá3- K3 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 (Nước ) và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (R.Etylic ) ,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 vào và sản phẩm được lấy ra liên tục. II. CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG CỦA THÁP ĐỆM Trong tháp đệm có 3 chế độ thủy động là chế độ chảy dòng, chế độ quá độ và chế độ chảy xoáy. Khi vận tốc khí bé lực hút phân tử lớn hơn và vượt lực ỳ. Lúc này quá trình chuyển khối được xác định bằng dòng khuếch tán phân tử. Tăng vận tốc lực lỳ trở lên cân bằng với lực hút phân tử. Quá trình chuyển khối lúc này không chỉ được quyết định bằng khuếch tán phân tử mà cả bằng cả khuếch tán đối lưu. Chế độ thủy động này gọi là chế độ quá độ. Nếu ta tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa thì chế độ quá độ chuyển sang chế độ chảy xoáy. Trong giai đoạn này quá trình khuếch tán sẽ được quyết định bằng khuếch tán đối lưu. Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện tượng đảo pha. Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ chiều cao tháp và trở thành pha liên tục, còn pha khí khuếch tán vào trong pha lỏng và trở thành pha phân tán. Vận tốc khí ứng với thời điểm này gọi là vận tốc đảo pha. Khí sục vảo lỏng và tạo thành bọt khí vì thế trong giai đoạn này chế độ làm việc Trường ĐHCNHN GVHD:Nguyễn Thế Hữu ĐỒ ÁN QTTB SV: Lê Thị Lương – LT Hoá3- K3 trong tháp gọi là chế độ sủi bọt. Ở chế độ này vận tốc chuyển khối nhanh đồng thời trở lực cũng tăng nhanh. Trong thực tế, ta thường cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận tốc nhỏ hơn vận tốc đảo pha một ít vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn sủi bọt là mạnh nhất nhưng vì giai đoạn đó khó khống chế quá trình làm việc. Ưu điểm của tháp đệm: -Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn . -Cấu tạo tháp đơn giản . -Trở lực trong tháp không lớn lắm . - Giới hạn làm việc tương đối rộng . Nhược điểm : -Khó làm ướt đều đệm . -Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều . III. BẢNG KÊ CÁC KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG TRONG BẢN ĐỒ ÁN NÀY: *. Rượu Etylic : Ký hiệu E M E = 46 (kg/kmol) *. Nước : Ký hiệu N M N = 18(kg/kmol) G F : Lưu lượng hỗn hợp đầu (kmol/h) G P : Lưu lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h) G W : Lưu lượng sản phẩm đáy(kmol/h) a F : Nồng độ phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu (% khối lượng). a P : Nồng độ phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh (% khối lượng). Trường ĐHCNHN GVHD:Nguyễn Thế Hữu ĐỒ ÁN QTTB SV: Lê Thị Lương – LT Hoá3- K3 a W : Nồng độ phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy (% khối lượng). x F : Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu (% mol) x P : Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh (% mol) x W : Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy (% mol) • F: lưu lượng hỗn hợp đầu, kg/h. • P: lưu lượng sản phẩm đỉnh, kg/h. • W: lượng sản phẩm đáy, kg/h. • M: khối lượng mol phân tử, kg/ kmol. • μ : độ nhớt động lực, N.s/m 2 . •  : khối lượng riêng, kg/m 3 . Trường ĐHCNHN GVHD:Nguyễn Thế Hữu N QTTB SV: Lờ Th Lng LT Hoỏ3- K3 PHN II: TNH TON THIT B CHNH Cỏc s liu ban u: -Nng sut tớnh theo hn hp u F = 7,5 tn/gi = 7500 kg/h -Nng cu t d bay hi trong: + Hn hp u : a F = 0,34 phn khi lng + Sn phm nh: a P = 0,86 phn khi lng + Sn phm ỏy : a W = 0,005 phn khi lng - Thỏp lm vic ỏp sut thng. - Hn hp u c gia nhit n nhit sụi I. TNH CN BNG VT LIU TON THIT B: 1. Tớnh toỏn cõn bng vt liu cho ton thỏp: f x f w x w p x p l x y v x l v y cân bằng vật liệu đối với toàn tháp và với tiết diện bất kì của đoạn chung và đoạn lyện. Trng HCNHN GVHD:Nguyn Th Hu [...]... trung bỡnh i trong thỏp (kg/h) (y.y)tb : tc hi trung bỡnh i trong thỏp ( kg/m.s2) gđ n gf gr gp xp xf 2 1 n g1 , y g1 x1 =xf 1 g1 , y =y 1 w 2 1 g1 , x1 gw xw Để xác định luợng hơi trung bình đi trong tháp chung luyện Vỡ lng hi v lng thay i theo chiu cao ca thỏp v khỏc nhau trong mi giai on nờn ta phi tớnh lng hi trung bỡnh cho tng on 1 Xỏc nh lu lng cỏc dũng pha i trong thỏp: 1.1 Lng hi trung bỡnh . pháp dùng để tách riêng các hỗn hợp lỏng cũng như các hỗn hợp đã hóa 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. trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao .Chưng nhất luyện là phương pháp phổ biến nhất để tách hoàn toàn hỗn hợp các. hoàn toàn vào nhau theo bất kỳ tỷ lệ nào bằng các thiết bị khác nhau như: tháp đệm, tháp chóp, tháp đĩa…Đối với hỗn hợp Rượu etylic- nước là hỗn hợp 2 cấu tử hòa tan hoàn toàn vào nhau và có