Tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử Butano - nước

Tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử Butano - nước

ĐAMH Quá Trình Thiết bị GVHD: VŨ BÁ MINH MỤC LỤC Lời mở đầu CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ BUTANOL VÀ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ Giới thiệu sơ Sản xuất Butanol Công nghệ chưng cất hỗn hợp Butanol –Nước .9 Chọn loại tháp chưng cất phương pháp chưng cất Sơ đồ qui trình công nghệ thuyết minh qui trình công nghệ .10 CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT – CÂN BẰNG NĂNG LƯNG 14 Cân vật chất 15 1.1 Đồ thị cân Butanol – Nước 16 1.2 Xác định số hồi lưu thích hợp 17 1.3 Vẽ đường làm việc 19 1.4 Xác định số mâm lý thuyết số mâm thực tế 19 Cân lượng .21 2.1 Cân nhiệt lượng tháp chưng cất 21 2.2 Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tuï 23 2.3 Cân nhiệt lượng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh .23 2.4 Cân nhiệt lượng thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 23 2.5 Cân nhiệt lượng thiết bị làm nguội đun sôi dòng nhập liệu 24 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT 25 I Kích thước thaùp .26 Đường kính đoạn cất 26 Đường kính đoạn luyện 28 Chiều cao tháp 30 SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang ĐAMH Quá Trình Thiết bị II GVHD: VŨ BÁ MINH Tính toán chóp ống chảy chuyền 31 A Tính cho phần cất 31 B Tính cho phần chưng 32 III Tính trở lực tháp 39 A Tổng trở lực phần cất 39 Trở lực đóa khoâ Pk 39 Trở lực sức căng bề mặt 40 Trở lực lớp chất lỏng đóa ( Trở lực thủy tónh Pt ) 40 B Tổng trở lực phần chöng 41 Trở lực đóa khô Pk .41 Trở lực sức căng bề mặt 41 Trở lực lớp chất lỏng đóa ( Trở lực thủy tónh Pt ) 42 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY .44 Suất lượng nước cần duøng 45 Hiệu số nhiệt độ trung bình 47 Hệ số truyền nhiệt .48 Bề mặt truyền nhiệt 49 Cấu tạo thiết bị .50 Tính toán khí cho thiết bị làm nguội .53 6.1 Đường kính ống dẫn nước, tháo nước 24 6.2 Tổn thất áp lực phía dòng sản phẩm đáy 24 6.3 Toån thất áp lực phía dòng nước làm nguội 24 6.4 Chọn bích, bu lông nối đoạn ống 24 6.5 Tổng khối lượng thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 24 6.6 Khối lượng dàn giá đỡ thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 24 SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang ĐAMH Quá Trình Thiết bị GVHD: VŨ BÁ MINH CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 58 I Thiết bị đun sôi đáy tháp .59 Suất lượng đốt cần dùng 59 Hiệu số nhiệt độ trung bình .60 Heä số truyền nhiệt .60 Bề mặt truyền nhieät 61 Cấu tạo thiết bị 62 II Thiết bị ngựng tụ sản phẩm ñænh 64 Suất lượng nước làm lạnh cần dùng 64 Hiệu số nhiệt độ trung bình .65 Heä số truyền nhiệt .65 Bề mặt truyền nhieät 66 Cấu tạo thiết bị 67 III.Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 69 Suất lượng nước cần dùng 69 Hiệu số nhiệt độ trung bình .70 Hệ số truyền nhiệt .70 Bề mặt truyền nhiệt 70 Cấu tạo thiết bị 71 IV Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 73 Suất lượng đốt cần dùng .73 Hiệu số nhiệt độ trung bình .74 Hệ số truyền nhiệt 74 Bề mặt truyền nhiệt 74 Cấu tạo thiết bị 75 V Bồn cao vị 76 Tổn thất đường ống dẫn .76 Toån thất đường ống dẫn thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 79 SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang ĐAMH Quá Trình Thiết bị GVHD: VŨ BÁ MINH Chiều cao bồn cao vị 80 VI Bơm 76 Năng suất 76 Cột áp 80 Công suaát 81 CHƯƠNG 6: TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang ĐAMH Quá Trình Thiết bị GVHD: VŨ BÁ MINH LỜI MỞ ĐẦU Một ngành có đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng giới nói chung ngành công nghệ hoá học Đặc biệt ngành hóa chất Trong thực tế, sử dụng nhiều dạng hoá chất khác nhau: hỗn hợp nhiều chất hay đơn chất tinh khiết Mà nhu cầu loại hoá chất tinh khiết lớn Ngày nay, phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Butanol - Nước, ta nên dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Butanol, butanol tan có giới hạn nước hệ có điểm đẳng phí Đồ án môn học Quá trình Thiết bị môn học mang tính tổng hợp trình học tập kỹû sư hoá- thự c phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹû thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ thiết kế: tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử : Butanol – nước với số liệu sau đây: Năng suất nhập liệu : 2000 lít/h Nồng độ sản phẩm đáy : 5% mol nước Nồng độ nhập liệu : 20% mol nước p suất làm việc : áp suất thường SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang ĐAMH Quá Trình Thiết bị GVHD: VŨ BÁ MINH CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ BUTANOL VÀ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang ĐAMH Quá Trình Thiết bị GVHD: VŨ BÁ MINH GIỚI THIỆU SƠ BỘ : Butanol có công thức phân tử : CH3CH2CH2CH2OH Khối lượng phân tử 74 đvC Là chất lỏng không màu, có mùi hương chuối dễ cháy Nó không độc để lâu không khí gây kích ứng lên da mắt, nguy hiểm ngửi uống phải, chí dẫn đến tử vong Nó tan có giới hạn nước lại tan hoàn toàn số hợp chất hữu : glycol, ketone, alcohol, aldehyde, ete, hydrocacbon thơm, chất béo… Ứng dụng : Butanol sử dụng việc sản xuất chất hóa học khác, có thành phần mỹ phẩm dùng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ với vai trò dung môi, dùng làm vecni, sơn, sơn mài, kẹo cao su, thuốc nhuộm, long não, chất làm mềm … mỹ phẩm thành phần có son môi, kem cạo râu, kem nền, phấn lót, sản phẩm chăm sóc móng tay,….Và đặc biệt gần n-butanol dùng làm chất để thêm vào xăng, dầu hỏa tăng hoạt tính cháy nổ… Có nguồn gốc từ nguyên liệu chứa lignocellulosic, phần sinh khối thực vật gồm thân gỗ, rơm, bã nông nghiệp, xơ bắp vỏ trấu, tất chứa lượng lớn chất xơ vaø số chất gỗ Butanol coi nhiên liệu sinh học tốt ethanol bị hao mòn có giá trị calo cao nên cung cấp giá trị lượng cao Một số thông số vật lý nhiệt động butanol :  Nhiệt độ nóng chảy : -90C ;  Nhiệt độ sôi : 118C ;  Tỷ trọng : 0.810 (ở 20C);  Độ tan nước : 7.9g/100g nước Tính chất hoá học : Tính acid-base rượu: CH3CH2CH2CH2OH + Na  CH3(CH2)3ONa + 1/2H2 CH3CH2CH2CH2OH + NaNH2  CH3(CH2)3ONa + NH3 Phản ứng ester hóa: CH3(CH2)3OH + RCOOH H2SO4  RCOO(CH2)3CH3 Phản ứng hình thành ether : 2CH3(CH2)3OH Al2O3  SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH CH3(CH2)3O(CH2)3 Trang ĐAMH Quá Trình Thiết bị GVHD: VŨ BÁ MINH 350-400C Phản ứng nhóm –OH halogen xúc tác CH3(CH2)3OH + HX  CH3(CH2)3OX + H2 pyriddine CH3(CH2)3OH + SOCl2  CH3(CH2)3OCl + SO2 + Cl2 Phản ứng tách nước tạo ankene: xúc tác CH3(CH2)3OH  CH3 – CH2 – CH = CH2 + H2O tC Phản ứng oxy hóa: Các tác nhân oxy hóa thường sử dụng trường hợp KMnO 4, K2Cr2O7, CrO3, Na2Cr2O7 … mội trường axit H2SO4 PCC CH3(CH2)3OH  CH3 – CH2 – CH2 – CHO CH2Cl2 Điều chế : Phản ứng hydrobo hóa – oxy hóa hình thành rượu: B2H6 CH3 – CH2 – CH = CH2  CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – OH H2O2/NaOH Thuûy phân dẫn xuất halogen: H2O CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – Br + NaOH  CH3(CH2)3OH Đi từ hợp chất magnesium: ether khan CH3CH2CH2CH2MgBr + HCHO  CH3(CH2)3OH + H2O/H Khử hóa hợp chất carbonyl: LiAlH4/ ether CH3CH2CH2CHO  CH3(CH2)3OH + H3O SẢN XUẤT BUTANOL : Công ty BP, công ty dầu lớn châu Âu, hợp tác với công ty DuPont để phát triển, sản xuất kinh doanh loại nhiên liệu sinh học thay nhiên liệu dùng ngành giao thông vận tải Các công ty dự kiến đưa sản phẩm n-butanol (butanol sinh học) năm 2007 bán Anh thành phần xăng Các công ty làm việc với British Sugar – chi nhán công ty Associated British Foods – để chuyển đổi SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang ĐAMH Quá Trình Thiết bị GVHD: VŨ BÁ MINH nhà máy lên men etanol Anh, sử dụng củ cải đường để sản xuất 30.000 (hoặc triệu gal) butanol/năm Charle O.Holliday Jr., đại diện DuPont, cho biết họ kết hợp khoa học công nghệ với chuyên môn maketing BP để nhanh chóng cung cấp butanol thị trường DuPont cho nhiên liệu sinh học giúp loài người bớt phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch butanol thu từ trình lên men cạnh tranh giá dầu mỏ mức từ 30 đến 40 USD/ thùng Còn công ty BP tìm biện pháp để giảm phát thải khí nhà kính John Browne, chuyên gia thuộc BP cho biết, vận tải lãnh vực quan trọng, chiếm khoảng 20% phát thải toàn cầu Trong tương lai gần, việc tăng tỉ lệ thành phần sinh học nhiên liệu lựa chọn thực tế để phát triển lónh vực nhiên liệu tr6en phạm vi toàn cầu DuPont cho biết cấu trúc hóa học n-butanol làm cho có số lợi etanol áp suất riêng phần thấp, hòa hợp với tạp chất nước hỗn hợp xăng dễ dàng sử dụng đường ống phân phối Còn etanol lại hấp thụ phân tử nước ăn mòn đường ống Một lợi khác butanol trộn với xăng nồng độ cao etanol, tạo hỗn hợp nhiên liệu kinh tế hỗn hợp xăng - etanol Dean Oestreich, chủ tịch chi nhánh công ty DuPont, cho biết butanol sản xuất nhờ trình lên men tương tự với trình lên men etanol Một số công nghiệp dùng để sản xuất butanol sinh học như: ngô, lúa mì, củ cải đường, mía, lúa miến tương lai hy vọng sử dụng xenlulô thân ngô vỏ vào mục đích Trong giai đoạn dự án,các ngành nghiên cứu DuPont phát triển vi khuẩn lên men với công nghệ để tăng tốc độ chuyển đổi trình chế biến nghuyên liệu thành nhiên liệu, theo tăng sản lượng nồng độ butanol thu nhà máy lên men Ngoài ra, n-butanol sản xuất theo quy trình sau với nguyên liệu ban đầu propylene: CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỖN HP BUTANOL –NƯỚC : Ta có Butanol chất lỏng tan có giới hạn nước nhiệt độ sôi Butanol( 118 C 760 mmHg) Nước ( 100 C 760 mmHg) : gần Tuy SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang ĐAMH Quá Trình Thiết bị GVHD: VŨ BÁ MINH nhiên, trường hợp ta sử dụng phương pháp cô đặc cấu tử có khả bay hơi, không sử dụng phương pháp trích ly hấp thụ phải đưa vào pha để tách chúng, làm cho trình phức tạp hơn, hay trìng tách không hoàn toàn Vì phương pháp hiệu để thu butanol tương đối tinh khiết chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp CHỌN LOẠI THÁP CHƯNG CẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT :  Chưng cất trình phân tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng ( hay nhiệt độ sôi ), cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay – ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại  Đối với chưng cất ta có hai phương pháp thực : Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ): Phương pháp sử dụng trường hợp sau : + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao + Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay + Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): trình thực liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn Ngoài có thiết bị hoạt động bán liên tục  Trong trường hợp này, sản phẩm Acetone – với yêu cầu có độ tinh khiết cao sử dụng , cộng với hỗn hợp Acetone – Nước hỗn hợp điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục hiệu  Chọn loại tháp chưng cất : Có nhiều loại tháp sử dụng, có chung yêu cầu diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào độ phân tán lưu chất vào lưu chất Ta khảo sát hai loại tháp chưng cất thường dùng tháp mâm tháp chêm: - Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Gồm có : mâm chóp, mâm xuyên lỗ , mâm van Thường sử dụng mâm chóp - Tháp chêm tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn Vật chêm đổ đầy tháp theo hay hai phương pháp : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Chọn loại mâm chóp để thực trình chưng cất ưu điểm sau: - Dễ dàng làm vệ sinh thông qua cửa sữa chữa - Với chức năng, tổng khối lượng tháp mâm thường nhỏ so với tháp chêm SVTH: PHAN THỊ VAÂN ANH Trang 10 ... vào giải vấn đề kỹû thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ thiết kế: tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử : Butanol – nước với số liệu sau đây: Năng suất nhập liệu... khiết cao + Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay + Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) : trình thực liên tục, nghịch dòng,... để thu butanol tương đối tinh khiết chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp CHỌN LOẠI THÁP CHƯNG CẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT :  Chưng cất trình phân tách hỗn hợp lỏng thành cấu