thiết kế tháp chưng cất hệ Metylic- - nước hoạt động liên tục có năng suất tính theo suất lượng hỗn hợp vào 3000kgh

1 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6 I. Gi i thi u v nguyên li uớ ệ ề ệ 6 1. Metylic 6 1.1. ng d ngỨ ụ 6 1.2. S n xu t ả ấ 7 2. N cướ 7 3. H n h p Metylic-n cỗ ợ ướ 7 II. Lý thuy t v ch ng c t:ế ề ư ấ 8 1. Khái ni m:ệ 8 2. Các ph ng pháp ch ng c t:ươ ư ấ 9 3. Thi t b ch ng c t:ế ị ư ấ 9 1. Chú thích các ký hi u thi t b s d ng trong quy trìnhệ ế ị ử ụ 11 2. Thuy t minh quy trình công ngh :ế ệ 11 Chương 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 12 1. Các thông s ban đ uố ầ 12 1.1 Xác đ nh su t l ng s n ph m đ nh và s n ph m đáy thu đ cị ấ ượ ả ẩ ỉ ả ẩ ượ 13 1.2 N ng đ ph n molồ ộ ầ 13 1.3 Su t l ng mol t ng đ i c a dòng nh p li uấ ượ ươ ố ủ ậ ệ 14 1.4 T s hoàn l u làm vi cỉ ố ư ệ 14 2. Xác đ nh su t l ng mol c a các dòng phaị ấ ượ ủ 15 2.1 T i đ nh tháp:ạ ỉ 15 2.2 T i mâm nh p li uạ ậ ệ 16 2 2.3 T i đáy thápạ 16 Chương 4: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THÁP CHƯNG CẤT 18 1. Cân b ng nhi t l ng c a thi t b đun nóng h n h p đ uằ ệ ượ ủ ế ị ỗ ợ ầ 18 2. Cân b ng nhi t l ng cho tháp ch ng c tằ ệ ượ ư ấ 20 2.1 Nhi t l ng c a h i mang ra kh i đ nh thápệ ượ ủ ơ ỏ ỉ 20 2.2 Nhi t l ng c a s n ph m đáyệ ượ ủ ả ẩ 22 2.3 Nhi t l ng do l ng hoàn l u mang l i tháp:ệ ượ ỏ ư ạ 22 2.4 Cân b ng nhi t l ng cho thi t b ng ng tằ ệ ượ ế ị ư ụ 23 1. ng kính thápĐườ 25 1.1. Ph n c t:ầ ấ 25 1.1.1.Kh i l ng riêng trung bình c a pha l ng trong ph n c tố ượ ủ ỏ ầ ấ 25 1.1.2. Kh i l ng riêng trung bình c a pha h i trong ph n c tố ượ ủ ơ ầ ấ 25 1.1.3. Tính v n t c pha h i đi trong ph n c tậ ố ơ ầ ấ 26 1.1.4. Tính đ ng kính ph n c tườ ầ ấ 26 1.2. Ph n ch ngầ ư 26 1.2.1 Kh i l ng riêng trung bình c a pha l ng trong ph n ch ngố ượ ủ ỏ ầ ư 26 1.2.2Kh i l ng riêng trung bình c a pha h i trong ph n ch ngố ượ ủ ơ ầ ư 27 1.2.3Tính v n t c c a pha h i trong ph n ch ngậ ố ủ ơ ầ ư 27 1.2.4Tính đ ng kính ph n ch ngườ ầ ư 27 2. Chi u cao thápề 28 2.1. S mâm ph n c tố ầ ấ 29 2.2. S mâm ph n ch ngố ầ ư 29 2.3. Chi u cao thápề 30 3. Tr l c thápở ự 30 3.1 C u t o mâm lấ ạ ỗ 30 3.2 Tr l c c a đ a khôở ự ủ ĩ 31 3 3.2.1 Ph n c tầ ấ 31 3.2.2 Ph n ch ngầ ư 31 3.3 Tr l c do s c c ng b m tở ự ứ ă ề ặ 31 3.3.1 Ph n c tầ ấ 31 3.3.2 Ph n ch ngầ ư 32 3.4 Tr l c th y t nh do ch t l ng trên đ a t o raở ự ủ ĩ ấ ỏ ĩ ạ 33 3.4.1 Ph n c tầ ấ 34 3.4.2 Ph n ch ngầ ư 34 3.5 T ng tr l c th y l c c a thápổ ở ự ủ ự ủ 35 3.6 Ki m tra ng p l t khi tháp ho t đ ngể ậ ụ ạ ộ 35 3.6.1 Ph n c tầ ấ 36 3.6.2 Ph n ch ngầ ư 36 3.7 Ki m tra tính đ ng nh t ho t đ ng c a mâmể ồ ấ ạ ộ ủ 36 4. B dày thápề 37 4.1. Thân tháp 37 4.1.1.Các thông s c n tra và ch n ph c v cho quá trình tính toánố ầ ọ ụ ụ 37 4.1.2.Tính b dàyề 38 4.2. áy và n pĐ ắ 40 5. B dày mâmề 40 5.1. Các thông s c n tra và ch n trong quá trình tính toánố ầ ọ 40 5.2. Tính b dàyề 41 6. Bích ghép thân – đáy và n pắ 42 7. Chân đ thápỡ 44 7.1. Tính tr ng l ng c a toàn thápọ ượ ủ 44 7.2. Tính chân đ thápỡ 45 8. Tai treo tháp 45 4 9. C a n i ng d n v i thi t b - Bích n i các b ph n c a thi t b và ng d nử ố ố ẫ ớ ế ị ố ộ ậ ủ ế ị ố ẫ 46 9.1 ng nh p li uỐ ậ ệ 47 9.2 ng h i đ nh thápỐ ơ ở ỉ 47 9.3 ng hoàn l uỐ ư 48 9.4 ng h i đáy thápỐ ơ ở 49 9.5 ng d n l ng vào n i đunỐ ẫ ỏ ồ 49 9.6 ng d n l ng ra kh i n i đunỐ ẫ ỏ ỏ ồ 50 1. Thi t b ng ng t s n ph m đ nh (bo phan nay di, tinh toan va chon bom cho Thay)ế ị ư ụ ả ẩ ỉ 52 1. N ng su t c a b mă ấ ủ ơ 52 2. C t ápộ 52 2.1 Tính t ng tr l c trong ngổ ở ự ố 53 2.1.1Xác đ nh t ng t n th t c c b trong ng hútị ổ ổ ấ ụ ộ ố 54 2.1.2Xác đ nh t ng t n th t c c b trong ng đ yị ổ ổ ấ ụ ộ ố ẩ 54 2.2 Tính c t áp c a b mộ ủ ơ 55 3. Công su tấ 55 5 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước nhà, các ngành công nghiệp cần rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao. 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. Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp của tất cả các môn học như: quá trình và các thiết bị cơ học, quá trình và thiết bị truyền nhiệt, truyền khối, tính toán thiết kế thiết bị hóa chất…của các kĩ sư công nghệ hóa học tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá 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 môn học là thiết kế tháp chưng cất hệ Metylic- - nước hoạt động liên tục có năng suất tính theo suất lượng hỗn hợp vào 3000kg/h, nồng độ đầu 36% cấu tử khối lượng, nồng độ sản phẩm đỉnh 95% khối lượng, nồng độ sản phẩm đáy 1% khối lượng (tính theo cấu tử dễ bay hơi), áp suất hơi đốt là 4at. Trong quá trình chưng cất ta thu sản phẩm đáy với nồng độ nhỏ để phục vụ cho ngành công nghiệp sản xuất cao su. Chúng em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, thầy Lê Văn Nhiều, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Em rất mong sự góp ý, chỉ dẫn của quý Thầy Cô. 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN I. Giới thiệu về nguyên liệu 1. Metylic Metylic còn gọi là rượu gỗ, có công thức hóa học CH 3 OH. Là chất lỏng không màu, dễ bay hơi và rất độc. Các thông số của metylic: - Phân tử lượng: 32,04 g/mol. - Khối lượng riêng: 0,7918 g/cm 3 . - Nhiệt độ nóng chảy: -97 o C (176K). - Nhiệt độ sôi: 64,5 o C ( 337,8K). - Độ nhớt: 0,59 Ns/m 2 ở 20 o C. 1.1. Ứng dụng Metylic được dùng làm chất chống đông, làm dung môi, làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, nhưng ứng dụng lớn nhất là làm nguyên liệu để sản xuất các hóa chất khác. Khoảng 40% metylic được chuyển thành forml dehyde, từ đó sản xuất ra chất dẻo, sơn…Các hóa chất khác được dẫn xuất từ metanol bao gồm dimeylete… 7 1.2. Sản xuất Metylic được sinh ra từ sự trao đổi chất yếm khí của 1 vài loài vi khuẩn. Kết quả là 1 lượng nhỏ hơi metylic được tạo thành trong không khí. Và sau vài ngày không khí có chứa metylic sẽ bị oxy hoá bởi O 2 dưới tác dụng của ánh sáng chuyển thành CO 2 và H 2 O theo phương trình: 2CH 3 OH + 3O 2 2CO 2 + 4H 2 O Hiện nay metylic được sản xuất bằng cách tổng hợp trực tiếp từ H 2 và CO, gia nhiệt ở áp suất thấp có mặt chất xúc tác. 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. Tính chất vật lý: - Khối lượng phân tử : 18 g / mol - Khối lượng riêng d 4 o 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. 3. Hỗn hợp Metylic-nước Ta có bảng cân bằng lỏng-hơi cho hỗn hợp metylic-nước ở 1 atm ): tra bảng IX.2a, trang 150 Bảng 1 8 t o C 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,5 66 64,5 x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100 II. 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 hệ có 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 lớn và một phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi bé. + Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Vậy đối với hệ metylic - nước thì: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu là metylic. - Sản phẩm đáy chủ yếu là nước. 9 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 đa cấu tử 2.3. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp - Cấp nhiệt trực tiếp - Cấp nhiệt gián tiếp Vậy đối với hệ metylic - nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp. 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. - 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… 10 - 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. - Trở lực tương đối thấp. - Hiệu suất khá cao. - Khá ổn định. - Hiệu suất cao. Nhược điểm - Do có hiệu ứng thành nên hiệu suất truyền khối thấp. - Độ ổn định thấp, khó vận hành. - 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. Trong báo cáo này ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ metylic - nước. [...]... F: lượng hỗn hợp đầu, kg/h Cf : nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg.độ Tf : nhiệt độ đầu của hỗn hợp, 0C Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra QF: QF = F.CF.tF (J/h) Trong đó: CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí đi ra, (J/kg.độ) tF: nhiệt độ hỗn hợp hơi đi ra khỏi thiết bị đun nóng, ( 0C) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng1: Qngl = Gnl1 + C1.θ1 = D1.t1.C1 (J/h) Trong đó: lượng nước ngưng bằng lượng. .. GF, F: suất lượng dòng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h xi, : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i 1.1 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được Khối lượng riêng của nước ở 300C: ρN = 995,7 (kg/m3) Khối lượng riêng của metylic ở300C: ρM = 929.5 (kg/m3) Khối lượng riêng của hỗn hợp: + = + ⇒ρhh = 970,8 (kg/m3) Năng suất nhập... Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là metylic Sản phẩm đáy là nước Chương 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 1 Các thông số ban đầu Chọn loại tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ - Khi chưng cất hệ CH3OH – H2O thì cấu tử dễ bay hơi là metylic metylic (CH3OH): có MM = 32g/mol Nước (H2O): có: MN = 18g/mol Năng suất nhập liệu: GF = 3000 kg/h (cho nay GF = 3000) Nồng độ nhâp liệu: = 36% (kg metylic/ kg hỗn. .. hỗn hợp) - Nồng độ sản phẩm đỉnh: - Nồng độ sản phẩm đáy: = 1% (kg metylic / kg hỗn hợp) Áp suất hơi đốt( hơi nước bão hòa) là 4at Hỗn hợp đưa vào tháp ở trạng thái lỏng sôi Chọn: = 95% (kg metylic/ kg hỗn hợp) 13 - Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 300C Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 300C Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 250C Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 500C Các kí hiệu: - GF,... (J/h) Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh: Qxq1 = 0,05*693,26.106 = 3466,3.104 (J/h) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng1: Qngl = 600 (j/h) 2 Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất QD2+ Qf = Qn + Qw + Qxq2 - QR ⇒ QD2 = (J/h) Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp được xác định theo biểu thức sau: D2 = (kg/h) Trong đó D2 :lượng hơi đốt cần thiết (kg/h) Qn: Nhiệt lượng của hơi... đi trong phần cất: 1.1.4 Tính đường kính phần cất Suất lượng mol của pha hơi trong phần cất: nHC = nHD = 41,06 (kmol/h) Suất lượng thể tích của pha hơi trong phần cất: Đường kính phần cất: Áp dụng công thức IX.90, trang 181, [6]: 1.2 Phần chưng 1.2.1 Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần chưng Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng: (kmol nước/ kmol hỗn hợp) Nhiệt độ... 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 ( nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 1% (tính theo phần khối lượng) Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (11) 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 đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (12), được... 3,2.1 0-4 = 107,6 (mm) < 150 (mm) Vậy: khi hoạt động thì mâm ở phần cất sẽ không bị ngập lụt 3.6.2 Phần chưng ∆hLCh = 8,77.1 0-3 (m) = 8,77 (mm) ∆pCh = 1000 = 1000 = 55,14( mm.chất lỏng) (mm.chất lỏng) Nên: hdCh = 50 + 8,77 + 55,14 + 2,62.1 0-4 = 113,91 (mm) . tổng hợp. Nhiệm vụ của Đồ án môn học là thiết kế tháp chưng cất hệ Metylic- - nước hoạt động liên tục có năng suất tính theo suất lượng hỗn hợp vào 3000kg/h, nồng độ đầu 36% cấu tử khối lượng, . Phân loại theo nguyên lý làm việc - Chưng cất đơn giản - Chưng bằng hơi nước trực tiếp - Chưng cất đa cấu tử 2.3. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp - Cấp nhiệt trực tiếp - Cấp nhiệt. hỗn hợp) . - Nồng độ sản phẩm đỉnh: = 95% (kg metylic/ kg hỗn hợp) . - Nồng độ sản phẩm đáy: = 1% (kg metylic / kg hỗn hợp) . - Áp suất hơi đốt( hơi nước bão hòa) là 4at. - Hỗn hợp đưa vào tháp ở trạng