Chưng cất acetone, nước

Bộ Công Thương Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP Hồ Chí Minh  ĐỒ ÁN CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ Đề tài: Chưng cất Acetone - Nước Khoa: Công nghệ hóa học GVHD: Tiền Tiến Nam SVTH : Võ Văn Nguyên MSSV : 2004120219 TP.Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2015 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam MỤC LỤC Lời mở đầu CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ACETONE VÀ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ .6 Giới thiệu sơ Sản xuất Aceton Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước 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 13 Cân vật chất 14 1.1 Đồ thò cân Acetone – Nước 15 1.2 Xác đònh số hồi lưu thích hợp 15 1.3 Vẽ đường làm việc 16 1.4 Xác đònh số mâm lý thuyết số mâm thực tế 16 Cân lượng 18 2.1 Cân nhiệt lượng tháp chưng cất 18 2.2 Cân nhiệt lượng thiết bò ngưng tụ .20 2.3 Cân nhiệt lượng thiết bò làm lạnh sản phẩm đỉnh 20 2.4 Cân nhiệt lượng thiết bò gia nhiệt dòng nhập liệu 21 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 22 I Kích thước tháp 23 Đường kính đoạn cất 23 Đường kính đoạn chưng 25 Chiều cao tháp .27 SVTH: Võ Văn Nguyên Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam II Tính toán chóp ống chảy chuyền 28 A Tính cho phần cất 28 B Tính cho phần chưng 29 III Tính chi tiết ống dẫn 34 Đường kính ống dẫn vào thiết bò ngưng tụ 34 Ống dẫn dòng chảy hoàn lưu 35 Ống dẫn dòng nhập liệu 35 Ống dẫn dòng sản phẩm đáy 35 Ống dẫn từ nồi đun qua tháp .36 IV Tính trở lực tháp .36 A Tổng trở lực phần cất .36 Trở lực đóa khô ∆Pk 36 Trở lực sức căng bề mặt 37 Trở lực lớp chất lỏng đóa ( Trở lực thủy tónh ∆Pt ) 37 B Tổng trở lực phần chưng 38 Trở lực đóa khô ∆Pk 38 Trở lực sức căng bề mặt 38 Trở lực lớp chất lỏng đóa ( Trở lực thủy tónh ∆Pt ) 39 CHƯƠNG 4: TÍNH CƠ KHÍ 41 Tính bề dày thân trụ tháp 42 Tính - chọn bề dày đáy nắp thiết bò 44 Chọn bích vòng đệm .45 Tính mâm 46 Chân đỡ tai treo thiết bò 47 Tính bảo ôn 50 CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ .55 SVTH: Võ Văn Nguyên Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam I Thiết bò gia nhiệt hỗn hợp đầu hay thiết bò làm nguội sản phẩm đáy 56 Điều kiện nhiệt độ trình 56 Nhiệt tải 56 Chọn thiết bò 56 II Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh 61 Điều kiện nhiệt độ trình 61 Nhiệt tải 62 Chọn thiết bò 62 III Thiết bò ngưng tụ hồi lưu 66 Điều kiện nhiệt độ trình 66 Nhiệt tải 67 Chọn thiết bò 67 Xác đònh hệ số cấp nhiệt từ dòng sản phẩm đỉnh đến thành ống 67 Xác đònh hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nước 68 Nhiệt tải riêng 69 Hệ số truyền nhiệt 69 Bề mặt truyền nhiệt .69 Chiều dài ống 69 IV.Thiết bò đun nóng dòng nhập liệu 70 Điều kiện nhiệt độ trình 70 Nhiệt tải 70 Chọn thiết bò .71 V Thiết bò nồi đun 75 Điều kiện nhiệt độ trình 75 Nhiệt tải 76 Chọn thiết bò 76 Xác đònh hệ số cấp nhiệt từ dòng sản phẩm đỉnh đến thành ống 76 Tính hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy nồi 77 SVTH: Võ Văn Nguyên Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam Hệ số truyền nhiệt 77 Bề mặt truyền nhiệt .77 Chiều dài ống 77 VI.Tính bồn cao vò- Bơm 78 Tính bồn cao vò .78 Tính bơm 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 SVTH: Võ Văn Nguyên Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam 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 Quá trình đáp ứng phần độ tinh khiết theo yêu cầu chưng cất: la trình tách cấu tử hỗn hợp lỏng – lỏng, hay hỗn hợp lỏng – khí thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác chúng Và hệ acetone – nước, điểm đẳng phí nên đạt độ tinh khiết theo yêu cầu nhờ trình chưng cất Nhiệm vụ thiết kế: tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử : acetone – nước với số liệu sau đây: Suất lượng nhập liẹu : 1800 Kg/h Nồng độ sản phẩm đỉnh : 92% phần mol acetone Nồng độ nhập liệu : 25% phần mol acetone Nồng độ sản phẩm đáy : 4% phần mol acetone p suất làm việc : áp suất thường SVTH: Võ Văn Nguyên Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ ACETONE VÀ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SVTH: Võ Văn Nguyên Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam Giới thiệu sơ : Acetone có công thức phân tử : CH 3COCH3 Khối lượng phân tử 58.079 đvC Là chất lỏng không màu, dễ lưu động dễ cháy, với cách êm dòu có mùi thơm Nó hòa tan vô hạn nước số hợp chất hữu : eter, metanol, etanol, diacetone alcohol… Ứng dụng : Acetone ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su … Nó hoà tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng Acetone nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu Từ Acetone tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), holofom Được tìm thấy vào năm 1595 Libavius, chưng cất khan đường, đến năm 1805 Trommsdorff tiến hành sản xuất Acetone cách chưng cất Acetat bồ tạt sa : phân đoạn lỏng nằm phân đoạn rượu eter Một số thông số vật lý nhiệt động Acetone : • Nhiệt độ nóng chảy : -94.6 0C ; • Nhiệt độ sôi : 56.9 0C ; • Tỷ trọng : d 20 ; • Nhiệt dung riêng Cp : 22 Kcal/mol (chuẩn 1020C) • Độ nhớt µ : 0.316 cp ( 250C) • Nhiệt trò : 0.5176 cal/g ( 200C) Tính chất hoá học : Cộng hợp với natri bisunfit: OH CH3COCH3 + H2O → CH3 - C - SO3Na CH3 ( 1-metyl-1-hydroxi etan sunfonát natri ) Cộng hợp axit HCN: OH CH3CO + HCN → CH3-C-CN CH3 ( pH= 4-8 ) Phản ứng ngưng tụ : SVTH: Võ Văn Nguyên Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam OH O CH3-CO-CH3 + HCH2C=O → CH3-C-CH3-C-CH3 CH3 CH3 ( 4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon) Acetone khó bò oxi hóa thuốc thử Pheling, Tôluen, HNO3đđ, KMnO4 ,… Chỉ bò oxi hóa hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfôcrômic K2Cr2O7 + H2SO4… Bò gãy mạch cacbon CH3-C-CH3 → CH3-C-CH2-OH → CH3-C-CH=O → CH3COOH + HCOOH O O O Phản ứng khử hoá : CH3COCH3 + H2 → CH3CHOH-CH3 Điều chế : Oxy hóa rượu bậc hai: CH3CHOH-CH3 → CH3COCH3 + H2O Theo phương pháp Piria : nhiệt phân muối canxi axit cacboxylic: (CH3COO)2Ca → CH3COCH3 + CaCO3 Từ dẫn xuất magiê : O O CH3-C-Cl + CH3-MgBr → CH3-C-CH3 + Mg-Br Cl Sản xuất Acetone : Trong thời kỳ chiến tranh giới lần thứ nhất, nhu cầu nguồn Acetone lớn, tong có giới hạn việc thu dược Acetone từ chưng cất gỗ, nên để bổ sung nguồn Acetone Hoa Kỳ áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH3COO)2 – thu cách lên men rượu có mặt xúc tác vi khuẩn để chuyển carbohydrate thành Acetone Butyl Alcohol.Công nghệ ứng dụng chủ yếu suốt chiến tranh giới lần thứ năm 20 Tuy nhiên, đến năm 20 công nghệ thay công nghệ có hiệu (chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuất Acetone Hoa Kỳ) : Dehydro Isopropyl Alcol Ngoài ra, số qúa trình sản xuất Acetone khác : - Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol Acetone - Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan - Lên men Carbo hydrate vi khuẩn đặc biệt - Công ty Shell sử dụng sản phẩm phụ Tổng hợp Acetone cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác: → CH3COCH3 + H2 • CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 3270C ) xuctac SVTH: Võ Văn Nguyên Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam • Xúc tác sử dụng : đồng hợp kim nó, oxit kim loại muối • Ở nhiệt độ khoảng 325 0C , hiệu suất khoảng 97% • Dòng khí nóng sau phản ứng gồm có : Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản ứng, H2 phần nhỏ sản phẩm phụ ( Propylene, diisopropyl eter …) Hỗn hợp làm lạnh khí không ngưng lọc nước Dung dòch lỏng đem chưng cất phân đoạn, thu Acetone đỉnh hỗn hợp nước, Isopropyl Alcol ( ) đáy Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước : Ta có Acetone chất lỏng tan vô hạn nước nhiệt độ sôi Acetone ( 56.90C 760 mmHg) Nước ( 1000C 760 mmHg) : cách xa nên phương pháp hiệu để thu Acetone tinh khiết chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp Trong 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 Chọn loại tháp chưng cất 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 bò 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 bò hoạt động liên tục): trình thực liên tục, nghòch dòng, nhiều đoạn Ngoài có thiết bò 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 : SVTH: Võ Văn Nguyên Trang 10 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam λ = 0.165 W/m.độ: hệ số cấp nhiệt Acetone dtđ = D − n.d 0.52 − 37 *0.032 = 0.126 (m) = D + n.d 0.5 + 37 *0.032 + Chọn ∆t = 20C → tw1 = 57.3 – = 55.30C - Hệ số cấp nhiệt: r * ρ *λ3 α1 = 1.28* (V.111 Sổ tay tập 2) µ * ∆t * d td = 1.28* 521.42*103 *784.97 *0.1653 = 2859.33 (W/m2.độ ) 0.23*10−3 * 2*0.126 - Hệ số cấp nhiệt trung bình chùm ống : αch = ε * α1 (V.109 sổ tay tập 2) Tra đồ thò V.18 trang 29 Sổ tay tập : ε = 0.90 → αch = 0.90*2859.33 = 2573.4 ( W/m2.độ ) Xác đònh hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nước - Nhiệt độ trung bình dòng lạnh ttb2 = (40 + 27)/2 = 33.5 0C , tra thông số : ρnưóc =993.95 (Kg/m3) µnước = 0.75*10-3(Ns.m2) - Vận tốc nước ống : G 1.28 n w = ρ * n *0.785* d = 993.95*69*0.785*0.0262 n Trong Gn = 1.28 (Kg/s) → w = 0.0352 (m/s) - Tính chuẩn số Re : ω.d ρ Re = µ = 1212.884 10 < Re 50 nên chọn ε2 = 1) → Nu = 11.78 Nu.λ = 284.08 (W/m2.độ ) - Hệ số cấp nhiệt α2 = d ( λnước tra 33.5 C 0.627 W/m2.độ) Nhiệt tải riêng - q1 = αch* ∆t1 = 2573.4*2 = 5146.8 (W/m2) - q2 = α2* ∆t2 = 284.08*18 = 5113.4 (W/m2) Sai số q1 q2 : q2 − q1 = 0.0065 < 0.05 ( 5% ) q2 Hệ số truyền nhiệt δ K = [ α + r1 + λ + r2 + α ]-1 λ = λCu = 93 (W/m2.độ) δ = (mm)= 0.003 (m) α1 = 2573.4 (W/m2.độ ) α2 = 280.08 ( W/m2.độ) Hệ số nước bẩn r1 = 0.387*10-3 (W/m2.độ) Hệ số nước thường r2 = 0.464*10-3 (W/m2.độ) →K=[ 0.003 + 0.387 *10−3 + + 0.464*10−3 + ]-1 2573.4 93 280.08 = 230.1 (W/m2.độ ) Bề mặt truyền nhiệt Q 68827.776 F = K ∆t = 230.1* 23.20 = 12.9 (m2) log Chiều dài ống F 12.9 L = n.π d = 3.1416*0.032*37 = 3.5 (m) h SVTH: Võ Văn Nguyên Trang 72 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam Tóm lại : Thiết bò ngưng tụ hồi lưu – Thiết bò chùm ống có : Đường kính thiết bò D = 0.5 = 500(mm) Số ống n = 37 ống Chiều dài ống L = 3.5 (m), đường kính d = 32(mm) = 0.032 (m) Nước ống, dòng sản phẩm đỉnh ống, thiết bò đặt nằm ngang IV Thiết bò gia nhiệt dòng nhập liệu Điều kiện nhiệt độ trình 1000C 700C 63.55 C 270C Chênh lệch nhiệt độ đầu nhỏ : ∆tn = 100 – 63.55= 36.450C Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn : ∆tL = 70 – 27 = 43 0C ∆t 43 L Tỷ số ∆t = 36.45 = 1.18 < nên tính hiệu số nhiệt độ trung n bình : ∆ttb = ∆t L + ∆tn =39.7250C Nhiệt độ trung bình lưu thể : Do T1 - T2 < t2 - t1 nên : Ttb = ( T1 + T2)/2 = 850C ttb = Ttb - ∆tb = 85 - 39.725 = 45.2750C Nhiệt tải : Nhiệt lượng cần thiết đun nóng nhập liệu: QF = GF CF (t2 − t1 ) = 1800*3219.9*( 63.55 - 27) = 2.1184*108 (J/h) =58.84(KW) SVTH: Võ Văn Nguyên Trang 73 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam Lượng nước cần thiết để gia nhiêt: Gn = QF 2.1184*108 = Cn *(T1 − T2 ) 968.5*(100 − 70) = 7291 (kg/h) = 2.025 (kg/s) Chọn thiết bò : a Chọn loại thiết bò ống chùm, đặt nằm ngang vật liệu đồng thau, hệ số dẫn nhiệt λ = 93 W/m.độ Thiết bò gồm 91 ống, xếp thành hình sáu cạnh, số ống vòng 31 ống Chọn đường kính ống dh = 0.025m, loại ống 25x2mm Đường kính thiết bò : Dtr =T.(b –1) +4.dh t : bước ống, chọn t =1.2dh =1.2*0.025 = 0.03 (m) b = 2.a –1 =2.6 –1 =11 (a =6 :số ống cạnh hình sáu cạnh ⇒ Dtr = 0.03*(11-1) + 4*0.025 = 0.4(m) b Các lưu chất trạng thái lỏng Vì dòng nhập liệu có độ bẩn cao nên cho chảy bên ống, nước gia nhiệt cho ống c Xác đònh hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến dòng nhập liệu : - Tiết diện ngang khoảng ống : S = 0.785*(D2tr – n.d2) = 0.785*(0.42 – 91.0.0252) = 0.081 m2 - Tốc độ chảy dòng nhập liệu : GF w = 3600* ρ * S F Ở nhiệt độ trung bình cuả dòng nhập liệu t tb = 45.275 0C, ta tra thông số: ρacetone =759.48 (Kg/m3) ρnưóc =988.51 (Kg/m3) → ρF =855.445 ( Kg/m3) µacetone = 0.251*10-3(Ns.m2) µnước = 0.573*10-3(Ns.m2) → µF = 0.268*10-3(Ns.m2) → w = 0.0072 (m/s) - Đường kính tương đương khoảng ống : D − n.d 0.4 − 91 * 0025 dtđ = = = 0.038 (m) D + n.d 0.4 + 91 * 0025 SVTH: Võ Văn Nguyên Trang 74 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam - Tính chuẩn số Re : ϖ d td ρ Re = µ = 873.32 F - Tính chuẩn số Pr : + Chọn ∆t1 = 0C → tt1 = ttb + ∆t1 = 45.275 + = 49.275 0C Tra hình V.12 trang 12 Sổ tay tập hai : Pr45.275 = 3.65 Pr49.275 = 3.55  Pr  →  46.75   Pr51.75  0.25  3.55  =   3.45  0.25 = 1.007 - Chuẩn số Gr : Gr = g d td3 ρ β ∆t1 µ2 β : hệ số giãn nở thể tích, β = 0.574*10-3 (1/độ) (tra bảng 33 trang 420 tập 10) → Gr = 9.81 * 0.038 * 919.80 * 0.574 *10 −3 * = 3866978.92 (0.052 * 10 −3 ) → (Gr)0.1 = 4.56 - Chuẩn số Nu : Nu = 0.15* ε1* Re033 * Pr0.43 *Gr0.1(Pr/Prt )0.25 ε1 : hệ số hiệu chỉnh tra theo bảng V.2 trang 15 , sổ tay tập hai (l/d > 50 nên chọn ε1 = 1) → Nu = 0.15* 1* 1277.110.33*3.6560.43*4.56*1.007 = 11.00 Nu.λ 11.00 * 0.591 = 171.08 (W/m2.độ ) - Hệ số cấp nhiệt α1 = d = 0.038 td ( λ tra 47.75 C 0.591 W/m.độ) d Xác đònh hố cấp nhiệt từ dòng sản phẩm đáy đến thành ống : Ttb = 83 0C , tra thông số : ρacetone =571 (Kg/m3) ρnưóc =969.9 (Kg/m3) → ρw =964.8 ( Kg/m3) µacetone = 0.20*10-3(Ns.m2) µnước = 0.35*10-3(Ns.m2) → µw = 0.349*10-3(Ns.m2) - Vận tốc dòng ống : SVTH: Võ Văn Nguyên Trang 75 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam W' 2184.86 = w= ρ w * n * 0.785 * d 3600 * 960.86 * 91 * 0.785 * 0.0212 → w = 0.02 (m/s) - Tính chuẩn số Re : ϖ d ρ Re = µ = 1163.97 w 10 < Re 50 nên chọn ε2 = 1) → Nu = 0.15* 1* 1163.970.33*2.60.43*4.27*0.995 = 9.875 Nu.λ 9.875 * 0.673 = = 316.47 (W/m2.độ ) - Hệ số cấp nhiệt α2 = d 0.021 ( λ tra 47.75 C 0.673 W/m.độ) e Nhiệt tải riêng : q1 = α1* ∆t1 = 171.08*4 = 648.32 (W/m2) q2 = α2* ∆t2 = 361.47*4 = 1265.88 ( W/m2) Sai số q1 q2 : q − q1 1265.88 − 684.32 = = 0.495 > 0.05 ( 5% ) , Nên ta phải tính lặp q2 1265.88 o Tính lặp lần : SVTH: Võ Văn Nguyên Trang 76 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam Chọn ∆t1 = 4.(1 + 0.459) = 0C → tt1 = 47.75 + = 53.75 0C → Pr53.75 = 3.35 Pr47.75 = 3.55  Pr  →  47.75   Pr53.75  0.25  3.55  =   3.35  0.25 = 1.015 - (Gr)0.1 = 4.75 Nu = 13.2 α1 = 205.29 (W/m2.độ) q’1 = 205.26*6 = 1231.72 (W/m2) - q − q1' 1265.88 − 1231 = = 0.0265 < 0.05 (Hợp lý ) q2 1265.88 f Hệ số truyền nhiệt tổng quát : δ K = [ α + r1 + λ + r2 + α ]-1 λ = λCu = 93 (W/m2.độ) δ = (mm)= 0.002 (m) α1 = 205.29 (W/m2.độ ) α2= 316.47 ( W/m2.độ) Xem hệ số cáu bẩn nước bẩn r1 = 0.8455*10-3 (W/m2.độ) Xem hệ số cáu bẩn nước thường r2 = 0.5945*10-3 (W/m2.độ) K=[ 0.002 + 0.8455 * 10− + + 0.5945 * 10− + ]-1 205.29 93 316.47 = 105.11 g Bề mặt truyền nhiệt : Q 65.64 * 1000 F = K ∆t = 105.11 * 35.25 = 17.72 (m2) log h Chiều dài ống : F 17.72 L = π n.d = 3.1416 * 0.025 * 91 = 2.48 (m) h Chọn L = 2.5 (m) SVTH: Võ Văn Nguyên Trang 77 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam V Thiết bò nồi đun Điều kiện nhiệt độ trình Đáy tháp (hơi) Hơi N ước Đáy tháp Sản phẩm đáy 119.60C Nước 119.60C 1000C 82.320C Ta dùng nước bão hòa có áp suất tuyệt đối 2at, nhiệt độ sôi 119.6 0C, để cấp nhiệt cho dung dòch Dòng nóng 119.6 0C (hơi ) → 119.6 0C (hơi ) Dòng lạnh 82.32 0C (lỏng ) → 1000C (hơi ) (Tra nhiệt độ sôi Acetone áp suất 2at Bảng I.207 trang 246 Sổ tay tập 1) Chênh lệch nhiệt độ đầu vào : ∆tn = 37.28 0C Chênh lệch nhiệt độ đầu : ∆tL = 19.6 0C Hiệu số nhiệt độ trung bình : ∆tlog = 37.28 − 19.6 = 27.5  37.28  C ln  ÷  13.119.6  SVTH: Võ Văn Nguyên Trang 78 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam Nhiệt tải Nhiệt lượng nước cần cung cấp (tiếp theo phần cân nhiệt ): QD2 = Qy + Qw + Qxq2 + Qng2 – QF - QR = 226184.17 (W) Hay QD2 = 1.05 ( Qy + Qw – QF - QR ) = 1.05* ( 245.88*103 + 87319.28 - 102312.3225 -16996.69) = 224584.68 (W) Chọn thiết bò Đặt nồi đun Kette riêng biệt với tháp Nồi đun tiếp nhận dòng lỏng bên tháp Nhờ nước bão hòa có nhiệt độ cao nhiệt độ dòng lỏng giúp hóa phần lỏng đáy tháp mục đích tạo cho phần có điều kiện lên đỉnh tháp Ống dùng ttrong nồi có kích thước : đường kính ống d h = 0.032m, loại ống 32x3mm Thiết bò gồm 91 ống, xếp thành hình sáu cạnh, số ống vòng 31 ống Xác đònh hệ số cấp nhiệt từ dòng sản phẩm đỉnh đến thành ống - Xác đònh chuẩn số Re : Khi ngưng mặt ống nằm ngang : π d z.q Rem = 2.µ.r ( V.98 Trang 28 Sổ tay tập 2) Độ nhớt nước ngưng :µ = 0.233*10-3(Ns.m2) nhiệt độ 119.6 0C r = 2173*103 ( nhiệt hóa ) z : số ống dãy ống ( ống xếp lên ống ), z = ống Chọn Ksb = 800 (W/m2.độ ) qsb = K.∆tlog = 800*27.5 = 22000 (W/m2) → Rem = 3.14*0.032*8* 22000 = 13.1 < 50 2*0.233*10−3 * 2173*103 Và Pr119.6 = 2.5 > 0.5 Do hệ số cấp nhiệt α1 xác đònh theo công thức : r * ρ * λ3 2173 * 10 * 944 * 0.684 4 = 1.28 * α1 = 1.28* µ * ∆t * d td 0.208 *10 −3 * * 0.032 = 14952.27 (W/m2.độ ) Trong ρ1 = 944 (Kg/m3) λ = 0.684 (W/m.độ ) Chọn ∆t1 = 0C SVTH: Võ Văn Nguyên Trang 79 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam Tính hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy nồi - Xem sản phẩm đáy nước nồng độ Acetone nhỏ Khi tính hệ số cấp nhiệt theo công thức V.90 Sổ tay tập α2 = 0.56* q0.7 *p0.15 (W/m2.độ) Với p = 1.5 at : áp suất làm việc bề mặt thoáng dung dòch q = q1 :giả thiết truyền nhiệt ổn đònh q = q1 = α1 * ∆t1 =44856.81 ( W/m2) ⇒ α2 = 0.56* 44856.810.7 *1.50.15 = 1535.24(W/m2.độ) - Chọn ∆t2 = 28 0C ⇒ q2 = 1535.24*28 = 42986.72 (W/m2) Sai số q1 q2 : q2 − q1 = 0.04 < 0.05 ( 5% ) q2 Vậy thông số chọn phù hợp Hệ số truyền nhiệt δ K = [ α + r1 + λ + r2 + α ]-1 λ = λCu = 93 (W/m2.độ) δ = (mm)= 0.002 (m) α1 = 14952.27 (W/m2.độ ) α2 = 1535.24 ( W/m2.độ) Xem hệ số cáu bẩn nước bẩn r1 = 0.387*10-3 (W/m2.độ) Xem hệ số cáu bẩn nước thường r2 = 0.464*10-3 (W/m2.độ) →K=[ 0.002 + 0.387 *10−3 + + 0.464*10 −3 + ]-1 14952.27 93 1535.24 = 628.6 (W/m2.độ ) Bề mặt truyền nhiệt Q 224584.68 F = K ∆t = 628.6* 27.5 = 13 (m2) log Chiều dài ống F 13 L = n.π d = 3.1416*0.032*91 = 1.42 (m) h Chọn L = 1.5 (m) VI Tính bồn cao vò- Bơm Tính bồn cao vò: (xem trang sau) SVTH: Võ Văn Nguyên Trang 80 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam - Tính sơ z2 : ( chiều cao từ đế chân đỡ đến vò trí nhập liệu ) z2 = Ho – [ l1 + ht + h + 900 + 5*(H + δm ) + 200 ] (mm) Với Ho : chiều cao tháp so với đế chân đỡ, Ho = 7495 (mm) l1 : chiều cao ống dẫn đỉnh, l1 = 120 (mm) ht , h : chiều cao đáy gờ , ht = 150 (mm), h = 25(mm) 900 : chiều cao mâm thứ H, δm : khoảng cách mâm chiều dày mâm H = 400, δm = (mm) : số mâm (tính đến vò trí nhập liệu) 200 : khoảng cách từ mâm thứ đến vò trí nhập liệu ⇒ z2 = 7495 – [ 120 + 150 + 25 + 900 + 5( 400 + ) + 200] = 4890 (mm) - Xét phương trình Bernulli : P1 v 21 P v22 + = z2 + + + ∑ hw1−2 γ 2g γ 2g P2 − P1 v 2 − v 21 + + ∑ hw1− ⇒ z1= z2 + γ 2g z1 + Trong : v1 =0 (m/s) P2 − P1 ∆Pcat 5513.794 = = = 0.656 (m) = 656 (mm) γ γ 856.37 *9.81 C ρ = ρ F64.05 = 856.37 (Kg/m3 ) Chọn đường kính ống dẫn : d = 40 (mm) = 0.04 (m) 4QF 4*5.8386*10−4 = = 0.465 (m/s) v2 = π d 3.1416*0.042 Tổng trở lực đường ống : λ l v 22 ) d 2.g i =1 Chọn sơ chiều dài chiều dài ống dẫn l = 15 (m) + Tính hệ số λ : v2 d ρ F 0.465*0.04*856.37 = = 42172.3 > 104 Re = µ −4 3.777 *10 F 100 0.25 ) Nên λ = (1.46.∆ + Re Chọn ε = 0.2 (mm) ( độ nhám tuyệt đối ống dẫn ) ε 0.2 ∆= = = 0.005 d 40 100 0.25 ) = 0.31 ⇒ λ = (1.46*0.005 + 42172.3 24 ∑ hw1−2 = (∑ ξ i + SVTH: Võ Văn Nguyên Trang 81 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam + Các hệ số tổn thất cục :  Hệ số trở qua thiết bò gia nhiệt nhập liệu : ξ1 = (6 + * m)( S / d ) −0.03 * Re −0.26 Số dãy ống m = 11 dống = 0.025 (m) Khoảng cách hai tâm ống :S = t.cos30 = 26 (mm) −0.03 −0.26 = 4.79 ⇒ ξ1 = (6 + 9*11)(26 / 25) *118601.4  Hệ số trở lực qua đoạn uốn ống : ξ’ = ξ2 = ξ4 = ξ5 = ξ6 = ξ7 = ξ11 = ξ12 = ξ13 = ξ14 = ξ14 = ξ15 = ξ17 = A.B.C Góc uốn θ = 900 → A = a = 40 (mm) → a = → B = 0.21 d R =1→ C = d ' → ζ = * 0.21 * = 0.21  Hệ số trở lực lưu lượng kế không đáng kể : ξ20 =  Hệ số trở lực van côn ống tròn thẳng : ξ” = ξ3 = ξ18 = ξ19 = ξ21 = 0.05  Hệ số đột mở ξ24 = 0.57 : Re= 42172.3 > 104 F0 d 02 0.04 = = = 0.25 F1 d12 0.08  Hệ số đột mở trước vào thiết bò gia nhiệt : ξ7 = 0.31 : Re= 42172.3 > 104 F0 d 02 0.04 = = = 0.44 F1 d12 0.06 ( Chọn đường kính lỗ mở thiết bò gia nhiệt 60 (mm))  Hệ số đột thu sau thiết bò gia nhiệt : ξ10 = 0.32 : Re= 42172.3 > 104 F0 d 02 0.04 = = = 0.44 F1 d12 0.06  Chọn đường kính lỗ mở bồn cao vò : 100(mm) Hệ số đột thu ξ1 = 0.46 : Re= 42172.3 > 104 F0 d 02 0.04 = = = 0.16 F1 d12 0.12  Hệ số tổn thất ống ngã : SVTH: Võ Văn Nguyên Trang 82 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam ξ16 = ξ23 = ξn = A.ξ’ + ξo F Do F = 0.5 → A = 0.72 V Tỷ số lưu lượng V = 0.5 F3 = 0.5 F2 Và → ξ’ = 1.63 ξ0 = 0.53 ⇒ ξ16 = ξ23 = 0.72*1.63 + 0.53 = 1.70 ⇒ ∑ ξcb = ξ1 + ξ7 + ξ10 + 2.ξn + ξ + 11 ξ’ + ξ” = 0.46 + 0.31 + 0.32 + 2*1.7 + 4.79 + 11*0.21 + 4*0.05 = 11.79 0.31*0.465 0.4652 ) = 0.17(m) = 170(mm) 0.04 2*9.81 0.4652 + 0.17 = 5.64 (m) = 5640 (mm) ⇒ z1 = 4.890 + 0.568 + 2*9.81 ⇒ ∑ hw1−2 = (11.79 + Khoảng cách từ mâm nhập liệu đến đế chân thiết bò : 4890mm H1 = z2 = 4890 (mm) Vậy khoảng cách từ mực chất lỏng bồn cao vò đến bơm ( giả sử đặt đế chân đỡ ) Hcv = z1 = 5640 (mm) Tính bơm Áp dụng phương trình Bernulli: o o v32 P3 v12 P + + + ∑ h1−3 H b + z3 + = z1 + 2.g γ 2.g γ Trong : P1 = P3 = at γ1 = γ3 v1 = v3 : chọn đường kính ống hút đường kính ống đẩy ⇒ Hb = z1 – z3 + ∑h1-3 + Chọn chiều cao mực chất lỏng bồn chứa nguyên liệu cao đế chân đỡ 0.3 (m) = 300 (mm) 11 λ.l v ( ξ + ) h1-3 = ∑ i i =1 d 2.g Chọn chiều dài ống dẫn l= (m) Chọn đường kính ống dẫn d = 40 (mm) Vận tốc v= 1.5 (m/s) SVTH: Võ Văn Nguyên Trang 83 ĐỒ ÁN MÔN HỌC - GVHD: Tiền Tiến Nam Tính hệ số λ : v.d ρ 1.5*0.04*856.37 = = 65874.62 > 104 µ 0.78*10−3 100 0.25 ) Nên λ = (1.46.∆ + Re Re = Chọn ε = 0.2 (mm) ( độ nhám tuyệt đối ống dẫn ) ε 0.2 ∆= d = 40 = 0.005 ⇒ λ = (1.46*0.005 + - 100 )0.25 = 0.306 65874.62 Tương tự tính bồn cao vò ta có hệ số trở lực cục : ξ1 = 0.32 ; ξ2 = ξ4 = ξ6 = ξ7 = ξ9 = ξ10 = 0.21 ; ξ3 = ξ5 = 0.05 ; ξ8 = 1.7; ξ10 = 0.31 ⇒ ∑ξcb = 0.32 + 6*0.21 + 2*0.05 + 1.7 + 0.31 = 3.69 0.4652 )* = 0.715(m) = 715 (mm) ⇒ ∑h1-3 = ( 3.69 + 0.306* 0.04 2*9.81 ⇒ Hb= 5640 – 300 + 715 = 6055 (mm) = 6.055 (m) • Công suất bơm ly tâm : Q.H b ρ g Nt = 1000.η d2 0.042 *0.465 = 5.85*10 −4 (m3/s) Q = π v = 3.1416* 4 Hb = 6.055 (m) ρ = 856.37 (Kg/m3) η = 75% (Hiệu suất bơm) 5.85*10−4 *6.055*856.37 *9.81 ⇒ Nt = = 0.04( KW) 1000*0.75 • Công suất động điện : N 0.04 t Ndc = η η = 0.9*0.9 = 0.05 (KW) tr dc Với ηtr : hiệu suất truyền động ηđc : hiệu suất động Đề phòng tải, ta chọn bơm có công suất N = 2*N t = 2*0.05 = 0.1 (KW) SVTH: Võ Văn Nguyên Trang 84 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Tiền Tiến Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Văn Ban, Vũ Bá Minh,Giáo trình Quá trình thiết bò công nghệ hóa học Tập 3, ĐHBK Tp.HCM [2] Phạm Văn Bôn, Giáo trình Quá trình thiết bò công nghệ hóa học Tập 5, ĐHBK Tp.HCM [3] Giáo trình Quá trình thiết bò công nghệ hóa học Tập 10 – Ví dụ Bài tập , ĐHBK Tp.HCM [4] Sổ tay Quá trình thiết bò công nghệ hóa học Tập Tập 2, ĐHBK Hà Nội [5] Gs,Ts Nguễn Bin, Thiết bò công nghệ hoá chất thực phẩm, Tập Tập [6] Raymond E.KIPK and Donald F.Othmer, Volume 1, Encyclopedia of Chemcial technology SVTH: Võ Văn Nguyên Trang 85 ... TRÌNH CÔNG NGHỆ .6 Giới thiệu sơ Sản xuất Aceton Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước Chọn loại tháp chưng cất phương pháp chưng cất Sơ đồ qui trình công nghệ thuyết minh qui trình... làm cho trình phức tạp hơn, hay trìng tách không hoàn toàn Chọn loại tháp chưng cất phương pháp chưng cất : • Chưng cất trình phân tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay... nguồn Acetone lớn, tong có giới hạn việc thu dược Acetone từ chưng cất gỗ, nên để bổ sung nguồn Acetone Hoa Kỳ áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH3COO)2 – thu cách lên men rượu có mặt xúc tác