THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT METHANOL NƯỚC DÙNG THÁP MÂM CHÓP

CHƯƠNG I TỔNG QUAN I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT Khái niệm Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghóa nhiệt độ, áp suất bão hòa cấu tử khác nhau) Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha trình hấp thu nhả khí, trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ Giữa hai trình cô đặc chưng cất có ranh giới trình chưng cất dung môi chất tan bay (nghóa cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khác nhau), trình cô đặc có dung môi bay chất tan không bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có hệ cấu tử ta thu sản phẩm : - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ) - Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ Metanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước etanol Phân loại phương pháp chưng cất  Phân loại theo áp suất làm việc : - Áp suất thấp - Áp suất thường - Áp suất cao  Phân loại theo nguyên lý làm việc : - Chưng cất đơn giản - Chưng nước trực tiếp - Chưng cất liên tục  Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt đáy tháp : - Cấp nhiệt trực tiếp - Cấp nhiệt gián tiếp Thiết bò chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bò khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung thiết bò giống nghóa diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở ta khảo sát loại tháp thường dùng chưng cất tháp mâm tháp chêm  Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đóa, ta có: - Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chóp dạng tròn hay dạng khác… - Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh  Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự So sánh ưu nhược điểm loại tháp: Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Cấu tạo đơn giản, trở lực - Kết cấu đơn - Khá ổn đònh thấp giản - Hiệu suất cao Ưu - Làm việc với chất - Trở lực tương đối tháp mâm lỏng bẩn dùng đệm cầu thấp xuyên lỗ có    chất lỏng - Có thể làm việc với chất lỏng bẩn điểm - Do có hiệu ứng thành  - Có khoảng làm việc Có trở lực hiệu suất truyền khối thấp hẹp tháp chóp lớn tháp mâm Nhược điểm - Yêu cầu chế tạo - Tiêu tốn - Độ ổn đònh không cao, khó khắt khe nhiều vật tư, vận hành kết cấu phức - Chất lỏng phân bố tạp - Khi tăng suất hiệu không mâm ứng thành tăng - Thiết bò nặng nề có đường kính lớn ( > 2,4 m ) Nhận xét : Tháp mâm chóp có hiệu suất truyền khối cao so với loại tháp lại Vậy : để chưng cất hệ Methanol - Nước ta sử dụng tháp mâm chóp hoạt động liên tục áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp đáy tháp II TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU Methanol Methanol gọi rượu gỗ, có công thức hóa học CH3OH Là chất lỏng không màu, dễ bay độc Các thông số methanol: - Phân tử lượng: 32,04 g/mol Khối lượng riêng: 0,7918 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy: -97oC (176K) Nhiệt độ sôi: 64,5oC ( 337,8K) Độ nhớt: 0,59 Ns/m2 20oC 1.1 Ứng dụng Methanol dùng làm chất chống đông, làm dung môi, làm nhiên liệu cho động đốt trong, ứng dụng lớn làm nguyên liệu để sản xuất hóa chất khác Khoảng 40% metanol chuyển thành forml dehyde, từ sản xuất chất dẻo, sơn…Các hóa chất khác dẫn xuất từ metanol bao gồm dimeylete… 1.2 Sản xuất Methanol sinh từ trao đổi chất yếm khí vài loài vi khuẩn Kết lượng nhỏ methanol tạo thành không khí Và sau vài ngày không khí có chứa methanol bò oxy hoá O2 tác dụng ánh sáng chuyển thành CO2 H2O theo phương trình: 2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O Hiện methanol sản xuất cách tổng hợp trực tiếp từ H2 CO, gia nhiệt áp suất thấp có mặt chất xúc tác Nước - Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng không màu, không mùi, không vò khối nước dày có màu xanh nhạt - Nước hợp chất chiếm phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất Bảng 1.1 : Một số thông số vật lý nhiệt động đường bão hòa atm Nhiệt Khối lượng riêng, Hệ số Độ nhớt, Nhiệt Nhiệt hóa độ sôi , o C 100 kg/m3 Thể Thể lỏng 958,4 0,597 dẫn nhiệt, W/m.độ Pa.s dung riêng, kJ/kg.độ hơi, kJ/kg 0,682 0,282.10-3 4,22 2260 nước biển) cần thiết cho sống - Nước có tính phân cực mạnh, có khả hoà tan nhiều chất dung môi quan trọng kỹ thuật hóa học Hỗn hợp Methanol-nước Ta có bảng cân lỏng-hơi cho hỗn hợp methanol - nước atm Bảng toC 100 92,3 87,7 81,7 x y Ở 10 20 78 30 75,3 73,1 71,2 69,3 67,5 40 50 60 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 x thành phần lỏng y thành phần 70 87 80 66 64,5 90 100 91,5 95,8 100 y 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Đồ thị cân pha hệ Methanol – nước áp suất 1at 0.8 0.9 x CHƢƠNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ I BẢN VẼ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Chú thích kí hiệu hình – Bồn chứa nguyên liệu, – Bơm, – Bồn cao vò, – Lưu lượng kế, – Thiết bò đun sôi dòng nhập liệu, – Bẫy hơi, – Lưu lượng kế bơm – Bơm sản phẩm đỉnh, – Tháp chưng cất, 10 – Thiết bò ngưng tụ, 11 – Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh, 12 - Bồn chứa sản phẩm đỉnh, 13 – Thiết bò đun sôi đáy tháp, 14 – Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 15 – Bồn chứa sản phẩm đáy, 16 – Bơm sản phẩm đáy  Cw = 4159 (J/kg.độ) - Nhiệt độ vào nước làm nguội t1 = 30oC, t2 = 42oC  ttbn2 = 36oC  Cn = 4181 J/kg.độ Với Gw = 173,62 kg/h  Gn3 = 25857,8 (kg/h) Vậy : lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đáy 35oC 25857,8 kg/h Tổng lượng nước giải nhiệt cần cung cấp cho hệ thống 95062,9 kg/h CHƯƠNG TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I ĐƯỜNG KÍNH THÁP Đường kính tháp xác đònh theo công thức (CT IX.90, p.181,[II]) : D = 0,0188 g tb , m (  y  y ) tb Trong : g tb - lượng trung bình tháp (kg/h) (tb.y )tb - tốc độ trung bình tháp (kg/m2.s) Vì lượng lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp nên ta tính đường kính trung bình riêng cho đoạn : đoạn chưng đoạn cất Hình 4.1 : ân bằn v t c ất c t áp c ưn cất Đường kính đoạn cất  Nồng độ trung bình pha lỏng : xtb1 = ( xF + xD )/2 = (0,11 + 0,882 )/2 = 0,496 (kmol/kmol hỗn hợp) Nồng độ trung bình pha theo phương trình đường làm việc : ytb1 = 0,677xtb1 + 0,284 = 0,621 (kmol/kmol hỗn hợp) Nhiệt độ trung bình pha hơi, pha lỏng từ giãn đồ t-x,y: xtb1 = 0,496  tx1 = 73,2OC ytb1 = 0,621 ty1 = 70,8OC Khối lượng mol trung bình khối lượng riêng pha : y1 = M tb 273 = 0,9463 (kg/m3) 22, 4.Ty Phần khối lượng pha lỏng : 0,496.32 Xtb1 = =0, 6363 (kg/kg hỗn hợp) 0,496.32  (1  0,496).18 Khối lượng riêng pha lỏng tx1 = 73,2OC  n= 975,88 kg/m3; r = 742,81 kg/m3   x1 = X tb1 r + (1  X tb1 ) n  x1 = 813,47 (kg/m3)  Lượng trung bình đoạn luyện : gtb = ( gđ + g1 )/2 (kg/h) gđ - lượng khỏi đóa gđ = GR + GD = GD ( R + 1) = 1131,06.(2,096574+1) = 3502,4 (kg/h) g1 - lượng vào đóa đoạn cất g1 = G1 + GD = G1 + 1131,06 (kg/h) Lượng g1, hàm lượng Y , lượng lỏng G1 xác đònh theo hệ phương trình sau ( xét theo phần khối lượng) :  g1  G1  G D   g1Y1  G1 X  G D X D ( X1 = XF )  g r  g r D đ  1 Tại vò trí nhập liệu : tF = 87,1OC  rr = 2292 kJ/kg, rn = 1066,3 kJ/kg  r1 = rr Y + ( -Y )rn = 1066,3 + (1-Y1 ).2292(kJ/kg) Tại vò trí đỉnh tháp : tD = 66,3OC  rr = 1116,98 kJ/kg, rn = 2342 kJ/kg  rD = 1202,7(kJ/kg)  g  G1  1131,06    g Y1  G1 0,18  1131,06.0,93  g r  3502,4.1202,7  1   g1  2535,6kg / h  .Y1  0,515 G  1404,5   gtb = (g1 + gđ )/2 = (2535,6 + 0,515)/2 = 3019 (kg/h)  Vận tốc đoạn cất : ( y.y )tb = 0,065[σ] (kg/m2.s)√  (CT IX.106,p.184,[II] C – đại lượng phụ thuộc khoảng cách hai đóa sức căng bề mặt xác đònh theo đồ thò hình IX.20,p.184, [II] với hh = 20 đyn/cm h = 0,3m  [σ]=0,8  ( y.y )tb = 0,065.0,8√ = 0,790222 (kg/m2.s)   Đường kính đoạn cất : Dcất = 0,0188√ = 1,16 (m) Đường kính đoạn chưng  Nồng độ trung bình pha lỏng : xtb2 = ( xF + xW )/2 = (0,11 + 0,0125 )/2 = 0,06125 (kmol/kmol hỗn hợp) Nồng độ trung bình pha theo phương tr nh đoan chưng : ytb2 = 3,5596 xtb2 – 0,031995 = 0,186 (kmol/kmol hỗn hợp) Nhiệt độ trung bình pha hơi, pha lỏng từ giãn đồ t-x,y: xtb2 = 0,06125  tx2 = 91,3OC ytb1 = 0,186  ty2 = 94,7OC Khối lượng riêng pha : y2 = M tb 273 22, 4.Ty = =6829(kg/m3) Phần khối lương khối lượng riêng pha lỏng : Xtb2 = 0,06125.32 = 0,104 (kg/kg hỗn hợp) 0,06125.32  (1  0,06125).18 tx2 = 91,3OC  n= 964,39 kg/m3, r = 723,57 kg/m3  x2 =945,08kg/m3  Lượng trung bình đoạn chưng : g’tb = ( g’n + g’1 )/2 (kg/h) g’1: lượng vào đoạn chưng g’n : lượng khỏi đoạn chưng Vì lượng khỏi đoạn chưng lượng vào đoạn luyện nên g’n = g1 Hay g’tb = ( g1 + g’1 )/2 Lượng vào đoạn chưng g’1, lượng lỏng G’1 hàm lượng lỏng x’1 xác đònh theo hệ phương trình cân vật chất cân lượng : G1'  g1'  GW  ' ' ' G1 X  g1 YW  GW xW  ' '  g1 r1  g1 r1 Với GW = 5368,94 kg/h, XW = 0,022, từ đường cân bằng yW = 0,067 phần mol  YW = 0,113 phần khối lượng r’1 = rr.YW + (1 - YW).rn Tại đáy tháp : tW = 98,1 OC  rr = 1635,3 kJ/kg, rn = 2264,94kJ/kg  r’1 = 1660,76 kJ/kg  g '1  1980,73kg / h    X '1  0,0465 G '  7349,67   g’tb = ( g1 + g’1 )/2 = (2535,6 + 1980,73)/2 = 2258,165(kg/h)  Vận tốc tháp : ( y.y )tb = 0,065[σ]√  (kg/m2.s ) (CT IX.106,p.184,[II]) xtb – khối lượng riêng trung bình pha lỏng; xtb = 945,08 kg/m3 ytb – khối lượng riêng trung bình pha hơi; ytb = 0,6829 kg/m3 hh dtđ  fx = 3,6364 mm  Nhiệt độ trung bình lỏng đoạn cất 73,20C, Xtb = 0,6364 ph n khối lượng hh = 33 dyn/cm = 0,033 N/m  = 36,30 N/m2 =  Trở lực lớp chất lỏng đĩa : b Pt  b g (hb  ); N / m2 (CT IX.139, p.194,[II]) Tr n : b - khối lượng riêng bọt, b = 0,5ρx = 0,5 813,47 = 406,735 kg/m3 hb - chiều cao lớp bọt đĩa, m hb   hc  how  hx  F  f   x  hx b f   hch  hx  f b ; m F b (CT IX.110, p.185,[II]) Tr n : - hc - chiều cao gờ chảy tràn đĩa, hc = 47,3 mm - how - chiều cao lớp chất lỏng ống chảy chuyền, how = 12,7mm - hx - chiều cao lớp chất lỏng chóp hoạt động bình - F - ph n diện t ch bề mặt đĩa có gắn chóp, m2 F = 0,8Ft = 0,8 1131 = 0,9048m2 - f - tổng diện t ch chóp đĩa = d2ch.n/4 = 0,256 m2 hb = = 0,227 m b  Pt  b g (hb  ); N / m = 406,375 9,81 ( 0,227 – 0,015/2) = 865,008 N/m2 Tổng trở lực đĩa đ n cất Pđ : = 146,82 + 36,3 + 865,08 = 1048,2 N/m2 Tổng trở lực đo n cất : = 9.1048,2 = 9433,81 N/m2 ∑ Trơ lƣc đ n chƣng  Trở lực đĩa khơ : 0 = = V y 3600.niab gy 3600. y niab Pk    y02 = = 8,607 m/s ; N / m2 = 113,83 m/s2 = 4,5  Trở lực đĩa sức căng bề mặt : Nhiệt độ trung bình lỏng đoạn cất 91,30C : Xtb = 0,104 ph n khối lương hh = 47 dyn/cm = 0,047 N/m = = 51,7 N/m2  Trở lực lớp chất lỏng đĩa : b = 0,5.ρx = 0,5.945,08 =472,54kg/m hb   hc  how  hx  F  f  x  hx b f   hch  hx  f b F b = 0,0642 mm b  P   g ( h  ); N / m2  t b b = 472,54 9,81.( 0,0642.0,002/2) = 251,45 N/m2 Tổng trở lực đĩa đ n chưng Pđ : = 113,87 + 51,7 + 251,45 = 416,98N/m2 Tổng trở lực đo n chưng : = 2918,86 N/m2 ∑ Tổng trở lực tháp : ∑ ∑ ∑ = 9433,8 + 2918,86 = 12353,66 N/m2= 0,1259 at CHƢƠNG TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ [...]... NGHỆ Hỗn hợp Methanol - Nước có nồng độ Methanol 18% (theo khối lượng), nhiệt độ khoảng 27 0C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vò (3) Từ đó được đưa đến thiết bò gia nhiệt (5) Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi nhờ hơi nước bão hòa Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (9) ở đóa nhập liệu Trên đóa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp. .. thò, ta có số mâm lí thuyết là 8 – 1 = 7 mâm (nồi đun được xem là tương đương với một mâm lý thuyết) bao gồm : 3 mâm chưng 4 mâm cất Nhập liệu ở mâm số 4 tính từ dưới lên 5 Số mâm thực tế Số mâm thực tế được xác đònh theo hiệu suất trung bình : N N t  lt tb (CT IX.59, p.170,[II]) Trong đó Nt : số đóa thực tế , Nlt : số đóa lý thuyết tb : hiệu suất trung bình của thiết bò 1, 2, …n, : hiệu suất của... lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đáy về 35oC là 25857,8 kg/h Tổng lượng nước giải nhiệt cần cung cấp cho hệ thống là 95062,9 kg/h CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I ĐƯỜNG KÍNH THÁP Đường kính tháp được xác đònh theo công thức (CT IX.90, p.181,[II]) : D = 0,0188 g tb , m (  y  y ) tb Trong đó : g tb - lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h) (tb.y )tb - tốc độ hơi trung bình đi trong tháp. .. )  Đường kính đoạn cất : Dcất = 0,0188√ = 1,05 (m) Để thuận tiện trong tính toán và thiết kế, ta chọn đường kính cho toàn tháp là 1,2 m Với đường kính này, tốc độ thực của hơi đi trong từng đoạn đ u giam đi so vơi ban đâu II CHIỀU CAO THÁP H = Nt(h + ) + (0.8 ÷ 1) ,m p.169,[II]) (CT IX.54, Nt : số mâm thực tế, Nt = 16 mâm H : khoảng cách giữa các mâm, h = 0,3 m  : bề dày của mâm, chọn sơ bộ  =... Vậy : lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đỉnh về 35oC là 1990,3kg/h Tổng lượng nước giải nhiệt cần cung cấp cho hệ thống là95062,9 kg/h 5 Tại thiết bò làm nguội sản phẩm đáy Gw.Cw.(tw – trw) = Gn3.Cn.(t2-t1) - Ta có tw = 98,1oC, chọn nhiệt độ ra khỏi thiết bò làm nguội trD = 35oC  ttbw = 69,5oC - Cr = 2812,5 J/kg.độ, Cn =4189,25 J/kg.độ  Cw = 4159 (J/kg.độ) - Nhiệt độ vào ra của nước làm nguội... từ điều kiện tháp nhỏ nhất Để tính được tỉ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều hành),ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn Rth ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất - Trong bài toán thiết kế này, có thể lấy gần đúng theo kinh nghiệm : R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3.1,38198 + 0,3 = 2,096574 4 Phương trình đường làm việc, số mâm lý thuyết... ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi – nước (Methanol chỉ chiếm 2,2% theo khối lượng) Dung dòch ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (13) Dung dòch dược đun, bốc hơi ở nồi đun (nhờ hơi nước bão hòa) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc Phần còn lại chảy qua gờ chảy tràn ra ngoài về bồn chứa sản phẩm đáy (14) Hệ thống làm việc liên tục cho ra... xác đònh mâm lý thuyết : thh Mâm x y 66,3 0,882 0,95 liệu 87,1 0,11 Sát đáy 98,1 0,0125 (oC) Đỉnh Nhập r n hh (cP) (cP) (cP) 0,332 0,4275 0,34    2,542 0,8645 0,515 0,4341 0,272 0,3272 0,321 6,027 1,9924 0,420 0,067  0,245 0,2896 0,289 5,673 1,6395 0,445 0,515  0,42  0,445  0,46 3 4  9mâm 0,46 3   7mâm 0,46 N chung  N cat Như vậy, số mâm thực tế là 16 mâm, bao gồm : Số đóa phần cất : 7... phép ở đỉnh và đáy thiết bò H = Nt (h + ) + (0.8 ÷ 1)= 16(0,3 + 0,002) + (0,8 ÷ 1) = 5,832 m III TÍNH TOÁN CHÓP VÀ ỐNG CHẢY CHUYỀN  Chọn đường kính trong ống hơi của chóp : d’h = 50 mm  Chọn bề dày của ống hơi : h =2mm  Số chóp phân bố trên đóa : N = 0,1 2 Dt = 58 (chóp) d h2 (CT IX.212, p.236,[II])  Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi : h2 = 0,25dh = 12,5 mm  Đường kính chóp : dch = d h2 ... p.237,[II]) Trong đó : l2 - khỏang cách nhỏ nhất giữa các chóp, l2 = 12,5 + 0,25dch = 12,5 + 0,25.75 = 31,25mm, chọn l2 = 31 mm  tmin = 75 + 2.2 + 31 = 110 (mm)  y2  y  Chiều cao khe chóp : b  g x (CT IX.215, p.236,[II])  : hệ số trở lực của đóa chóp  = 1.5  2 , chọn  = 2 Lưu lượng hơi tối đa đi trong tháp là tại đỉnh tháp gđ = 3502,4 kg/h Tại đỉnh tháp : ρy = 0,8146 kg/m3, ρx = 879,275 kg/m3 4.g