THIẾT KẾ THÁP CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC LOẠI THÁP ĐĨA CHÓP ĐỂ PHÂN TÁCH HỖN HỢP AXETON VÀ NƯỚC

CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU:+ Hỗn hợp cần tách: CH 3 COCH 3 –H 2 O+ Năng suất tính theo hỗn hợp đầu: F= 8,645 (tấnh)+ Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong: Hỗn hợp đầu: a F = 0,3 (phần khối lượng) Sản phẩm đỉnh: a p = 0,95 (phần khối lượng) Sản phẩm đáy: a w = 0,2 (phần khối lượng)+ Tháp làm việc ở áp suất thường.+ Hỗn hơp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi.III) NỘI DUNG CÁC PHẦN THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN:1 Giới thiệu chung: + Mở đầu và giải thích về hỗn hợp được chưng luyện.+ Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất.2 Tính toán thiết bị chính:+ Tính toán cân bằng vật liệu toàn thiết bị+ Tính đường kính tháp+ Tính chiều cao tháp+ Tính trở lực của tháp+ Tính cân bằng nhiệt3 Tính thiết bị phụ:+ Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu+ Tính bơm+ Tính thùng cao vị+ Tính toán cơ khí và lựa chọnBề dày thiết bịTính đường kính các ống dẫn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH -THIẾT BỊ



THIẾT KẾ THÁP CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC LOẠI THÁP ĐĨA CHÓP ĐỂ PHÂN TÁCH HỖN HỢP AXETON VÀ NƯỚC Giáo viên hướng dẫn: Thầy NGUYỄN VĂN HOÀN

Sinh viên:THIỀU THỊ YÊN

Mã sinh viên: 0941120162

Lớp: CÔNG NGHỆ HÓA 3 – K9

Hà Nội – 2017

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

+ Năng suất tính theo hỗn hợp đầu: F= 8,645 (tấn/h)

+ Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong:

- Hỗn hợp đầu: aF = 0,3 (phần khối lượng)

- Sản phẩm đỉnh: ap = 0,95 (phần khối lượng)

- Sản phẩm đáy: aw = 0,2 (phần khối lượng)

+ Tháp làm việc ở áp suất thường.

+ Hỗn hơp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi.

III) NỘI DUNG CÁC PHẦN THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN:

1/ Giới thiệu chung: + Mở đầu và giải thích về hỗn hợp được chưng luyện + Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất.

-Tính đáy và nắp thiết bị tan hoà -Chọn bích ghép

-Tính toán giá đỡ và tai treo 4/ Kết luận chung.

5/ Tài liệu tham khảo

IV) CÁC BẢN VẼ VÀ ĐỒ THỊ:

+ Bản vẽ dây chuyền sản xuất A4

+ Bản vẽ thiết bị chính và lắp giáp A0

Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn



Hà Nội, ngày … tháng … năm 2017.

Người nhận xét.

LỜI MỞ ĐẦU

Chúng ta đang sống trong thế giới với khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển Trong ngành công nghệ vật liệu mới không thể không nhắc đến ngành công nghiệp hóa học, bởi công nghệ hoá thuộc lĩnh vực công nghệ đòi hỏi kỹ thuật cao, mức độ phát triển công nghệ này được coi như một chỉ thị về trình độ phát triển của một đất nước.

Nhận thấy rõ sự phát triển như vũ bão của ngành công nghệ hóa học, với lối

tư duy nhạy bén và sáng tạo, khoa Công nghệ Hóa Trường Đại Học Công Nghiệp

Hà Nội đã đào tạo ra những sinh viên chuyên ngành Hóa Điều đó không chỉ cung cấp cho đất nước đội ngũ những công nhân lành nghề, thợ kỹ thuật có tay nghề cao

mà nó còn mở cơ hội việc làm cho giới trẻ trong lĩnh vực khá mới mẻ này.

Là một sinh viên khoa Công Nghệ Hóa, chúng em được trang bị rất nhiều kiến thức cơ bản về các quá trình thiết bị của công nghệ sản xuất những sản phẩm hóa học Nhận được bản đồ án này là một cơ hội tốt để chúng em được tìm hiểu về các quá trình công nghệ, được vận dụng những kiến thức đã được học và mở rộng vốn kiến thức của mình, từ đó giúp chúng em có cái nhìn cụ thể hơn về ngành nghề mình đã lựa chọn.

Công nghệ hóa học là một ngành giữ vị trí, vai trò quan trọng trong việc sản xuất phục vụ cho nhiều lĩnh vực, cho mọi nghành kinh tế quốc dân, tạo tiền đề cho nhiều ngành phát triển theo Với nhiều phương pháp sản xuất khác nhau như lắng, lọc, đun nóng, làm nguội, chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, trích ly, sấy khô, đông lạnh…đã tạo ra rất nhiều sản phẩm đa dạng, phong phú đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn của con người Đặc biệt được ứng dụng nhiều nhất là chưng luyện, nó được ứng dụng trong nhiều ngành, lĩnh vực, đặc biệt là công nghệ lên men, công nghệ tổng hợp hữu cơ, lọc - hóa dầu, công nghệ sinh học

Vậy chưng cất là gì?quy trình công nghệ của nó như thế nào.ứng dụng của nó ra sao,thiết bị vật sử dụng cho quy trình công nghệ này cần đảm bảo những yêu cầu nào và phải được tính toán ra sao?Vì vậy em xin đi sâu vào nghiên cứu về quá

trình công nghệ và vận hành quy trình công nghệ của quá trình chưng luyện tháp chóp để phân tách hỗn hợp axeton và nước.

Chưng là phương pháp dùng để tách hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Khi chưng 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 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 n 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.

ỨNG DỤNG

sinh học, thực phẩm, các quá trình lên men sản xuất các sản phẩm như: rượu, bia, nước ngọt…

Vì thế, đề tài ” Thiết kế hệ thống chưng cất Axeton –Nước “ của môn “Đồ

Án Quá Trình Thiết Bị” cũng là một bước giúp cho sinh viên tập luyện và chuẩn bị cho việc thiết kế quá trình và thiết bị công nghệ trong lĩnh vực này.Để hoàn thành

đồ án này , thực sự em đã cố gắng rất nhiều Song , vì đây là bước đầu làm quen với công tác thiết kế nên chắc hẳn không tránh khỏi những sai sót

Cuối cùng , em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Quá Trình Thiết

Bị , đặc biệt là thầy Nguyễn Văn Hoàn , người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ

em rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện đồ án thiết kế

PHẦN I GIỚI THIỆU CHUNG

I GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG:

Axeton và nước là hai loại hoá chất quan trọng trong nghành công nghiệp hóa chất.

1 Axeton:

chất lỏng không màu,có mùi đặc trưng,tan nhiều trong nước

* Một số thông số vật lý của axeton:

* Tính chất hóa học đặc trưng của axeton:

Phản ứng chính của axeton chủ yếu vào nhóm cacbonyl(-CO-), ngoài ra còn có

-phản ứng ở nhóm –CO- : Axeton rất nghèo phản ứng, Xeton có phản ứng khử giống andehit nhưng tạo ra ancol bậc II:

CH3-CO-CH3 + H2  > CH3-CH(OH)-CH3

Xeton khó bị oxi hóa vì các gốc hidrocacbon đã cản trở không gian.Tuy nhiên

nó có thể bị oxi hóa bởi dung dịch thuốc tím đun nóng với axit sunfuric tạo ra hỗn hợp các axit cacboxylic.

Phản ứng ở gốc hidrocacbon:

CH3-CO-CH3 + Br2  > CH3-CO-CH2Br + HBr.

Lưu ý:Phản ứng trên xảy ra khi dùng brom khan và có xúc tác axit axetic đun nóng

* Các phương pháp điều chế axeton:

1-oxi hóa hidrocacbon:khi đốt cháy chậm n-ankan ở pha khí ta có thể thu được axeton

2-oxi hóa ancol:đây là phương pháp quan trọng nhất để điều chế hợp chất

Trong điều kiện bình thường : nước là chất lỏng không màu , không mùi, không

vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt

 Khối lượng phân tử: 18 g/mol

 Khối lượng riêng d40c : 1 g/ml

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.

II SƠ ĐỒ CHƯNG :

1 Chú thích các kí hiệu trong quy trình:

Trong đó:

1- Thùng chứa hỗn hợp đầu 6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

2- Bơm 7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

3- Thùng cao vị 8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh

4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp

5- Tháp chưng luyện 10- Thùng chứa sản phẩm đáy

11- Lưu lượng kế

2 Thuyết minh dây chuyền sản xuất:

Dung dịch đầu ở thùng (1) được bơm (2) bơm liên tục lên thùng cao vị (3), mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn, từ thùng cao vị dung dịch được đưa vào thiết bị đun nóng (4) qua lưu lượng kế (11), ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hoà, từ thiết bị gia nhiệt (4) dung dịchđược đưa vào tháp chưng luyện (5) nhờ đĩa tiếp liệu, trên đĩa tiếp nhiên liệu chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì các cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp cấu tử axeton chiếm nhiều nhất Hơi đó đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6), ở đây nó được ngưng tụ lại

Một phần chất lỏng đi qua thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8), một phần khác hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng

Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt

độ sôi thấp được bốc hơi và do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng

tăng và cuối cùng ở đáy tháp ta thu dược hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi.Chất lỏng đi ra khỏi tháp được làm lạnh rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đáy (10) Như vậy với thiết bị làm việc liên tục thì hỗn hợp đầu được đưa vào liên tục và sản phẩm cũngđược tháo ra liên tục.

-Tháp chóp:

Ưu điểm : hiệu suất truyền khối cao , ổn định , ít tiêu hao năng lượng hơn nên có

số mâm ít hơn

Nhược điểm : chế tạo phức tạp , trở lực lớn

3 Các kí hiệu trước khi tính:

GF: Lượng hỗn hợp đầu đi vào tháp (Kg/h)

F: Lượng hỗn hợp đầu, (Kmol/h)

P: Lượng sản phẩm đỉnh, (Kmol/h)

W : Lượng sản phẩm đáy, (Kmol/h)

a : Nồng độ phần khối lượng, (Kg nước/Kg hỗn hợp)

x : nồng độ phần mol, ( Kmol nước/ Kmol hỗn hợp)

M : Khối lượng phân tử, (Kg/Kmol)

μ: Độ nhớt, (Ns/m2)

- Các chỉ số F,P,W : tương ứng chỉ đại lượng đo thuộc hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy của hỗn hợp Axeton-Nước.

- Các chỉ số A,B,x,y,hh : tương ứng chỉ đại lượng thuộc cấu tử Axeton-Nước, thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp.

- Ngoài ra còn nhiều ký hiệu khác được định nghĩa tại chỗ.

PHẦN II TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

I TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ

1 Tính toán cân bằng vật liệu:

Sơ đồ hệ thống tháp chưng.

Hỗn hợp đầu vào F(CH3COCH3-H2O) được tách thành sản phẩm đỉnh P(CH3COCH3)

và sản phẩm đáy W(H2O) ở đĩa trên cùng có một lượng lỏng hồi lưu, ở đáy tháp có thiết bị đun sôi, lượng hơi đi ra đỉnh tháp là D

+ Theo phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:

F = P + W

+ Phương trình cân bằng vật liệu cho riêng cấu tử dễ bay hơi (CH3COCH3):

F.aF = P.aP + W.aW

58 +1−0,218 = 0,072 (phần mol)

Đổi lượng F , P ,W ra (kmol/h):

* Khối lượng trung bình của hỗn hợp đầu vào, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy là:

- Công thức tính: M = x.MA + ( 1- x).MB

M: khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp (kg/kmol)

x: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp

MA, MB: lần lượt là khối lượng phân tử của Axeton và nước.

- khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp vào tháp là:

2 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu:

Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng tra ở đường cân bằng lỏng- hơi vànhiệt độ sôi của 2 cấu tử ở 760 mmHg ( tính theo % số mol ) của CH3COCH3-H2O(Bảng IX 2a_ 149_STQTTB tập II )

+ Đường cân bằng lỏng-hơi của Axeton-nước:

- Vẽ đường thẳng y =x , xác định xP, xF, xW trên đồ thị và vẽ đường cân bằng

y*= f(x)

Dựa vào bảng số liệu trên

- Từ xF kẻ đường thẳng song song với trục y và cắt đường cân bằng tại A từ A

kẻ đường song song với trục x cắt trục y tại B Xác định trên đồ thị có

đoạn luyện với đường xF = const và điểm (xw, yw) vẽ các tam giác như hình ta thu được số đĩa lý thuyết (Nlt).

+ β = 1,2→ Rx = 0,2352 Số đĩa lý thuyết Nlt = 4.

+ β = 1,4→ Rx = 0,2744 Số đĩa lý thuyết Nlt = 4.

+ β = 1,6→ Rx = 0,3136 Số đĩa lý thuyết Nlt = 3.

+ β = 1,8→ Rx = 0,3528 Số đĩa lý thuyết Nlt = 3.

+ β = 2,0→ Rx = 0,392 Số đĩa lý thuyết Nlt= 3.

+ β = 2,2→ Rx = 0,4312 Số đĩa lý thuyết Nlt = 3

+ β = 2,4→ Rx = 0,4704 Số đĩa lý thuyết Nlt= 3.

+ β = 2,5→ Rx = 0,49 Số đĩa lý thuyết Nlt = 3.

Ta có bảng số liệu sau:

R +1

Ta thấy Rx = 0,3136 có:

Nlt.(Rx+1) = 3,9408 có giá trị nhỏ nhất ( thể tích tháp nhỏ nhất ) → Rth = 0,3136 ( Số đĩa lý thuyết là 3 )

2.2 Phương trình làm việc của đoạn luyện :

- Phương trình cân bằng vật liệu:

D0 = L0 + PTrong đó : D0 : lượng hơi đi từ dưới lên

L0 : lượng lỏng hồi lưu đi từ trên xuống

- Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi là:

y : nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên

x : nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống

Rx : chỉ số hồi lưu

Thay số vào ta có :

y L= 0,3136 0,3136+1x+ 0,8550,3136+1

→ y L =0,239 x+0,651

2.3 Phương trình làm việc đoạn chưng:

- Phương trình cân bằng vật liệu:

f = F ' P '= 381,17322,082 =17,262

Thay vào biểu thức số(2) với xw=0,072 ta có :

y C= 0,3136+17,2620,3136+1 x−17,262−10,3136+1∗0,072

→ y C =13,38 x−0,891

G1 x1 = xF

GW xW g1, y1

II-TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP :

Đường kính của tháp được xác định theo công thức:

D = 0,0188.√ g tb

( ρ y ω y)tb m (STQTTB tập II-181)

gtb: lượng hơi đi trong tháp( lượng trung bình) Kg/h

ρy: khối lượng riêng trung bình Kg/m3

wy: tốc độ hơi đi trung bình trong tháp Kg/m2.s

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn

1 Tính lưu lượng các dòng pha đi trong tháp: (có thể hiểu rằng P’=G p )

1.1 Xác định lưu lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:

Lượng hơi trung bình đi trong tháp chưng luyện có thể tính gần đúng bằng trung bìnhcộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và đĩa dưới cùng của đoạn luyện

gtb =

gđ+g1

2

gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện [ kmol/ h ]

gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp [kmol/ h]

g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện [ kmol/ h]

+Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp: gđ = GR + GP = GP.(Rx +1)

+Lượng hơi đi vào đoạn luyện

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyệnđược xác định theo phương trình cân bằng vật liệu: Phương trình cân bằng vật liệu đốivới cấu tử dễ bay hơi:

g1 = G1 + GP ( 1 )

Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi:

Trong đó r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa

rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử hỗn hợp hơi ra đỉnh tháp

Với rA : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất axeton

rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất nước

Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (yđ = xP = 0,855): Từ bảng thành phần cân bằng

lỏng-hơi (CH3COCH3-H2O) ở 1at bảng IX2a ( STQTTB tập II-149), nội suy theo côngthức (a) trang 32 (với tF thay bằng tP) ta có:

F g’x g’1

( 1’ ) Phương trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi :

( 2’) Phương trình cân bằng nhiệt lượng :

r’1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

xW: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

Ta có : GW = 358,828 (kmol/ h)

xW = 0,072 (phần mol)

-Tính r1

Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng đoạn chưng bằng ẩn nhiệt hóa hơi

đi vào đoạn luyện → r1 = 8006,684 (kcal/kmol)

-Tính r’1

r’1 = rA y’1 + ( 1 – y’1 ) rB

rA, rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất ở to = tW

r’1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ra khỏi đoạn chưng

y’1 = yW xác định theo đường cân bằng ứng với xW = 0,072 nội suy theo bảng cân bằnglỏng hơi:

- Với tW = 74,248 oC ta sử dụng toán đồ I-65(trang 255- STQTTB Tập I ) đối với axeton và

sử dụng số liệu ở bảng I-213 trang 256 - STQTTB Tập I có:

- rA=rCH3COCH3 = 140 (kcal/kg) (theo toán đồ I-65 trang 255- STQTTB Tập I đối với axeton

là điểm 22 trong toán đồ)

- Sử dụng công thức nội suy ứng cho H2O sử dụng số liệu ở bảng I 213 trang 256 STQTTB Tập I ta có :

rA = rCH3COCH3 = 140 (kcal/kg)= 140 (kcal/kg).58 = 8120 (kcal/kmol)

rB = r H2O =120,082 (kcal/kg)= 120,082 (kcal/kg).18 = 2161,476 (kcal/kmol)

→r1' = rA y’1 + ( 1 – y’1 ) rB =( rA- rB) y’1 + rB

l=g l , y w +G w x w

G l , =86,014.0,654+358,828.0,072444,842 = 0,185 (phần mol)

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là

2 Vận tốc hơi đi trong tháp:

Tốc độ hơi ( khí ) trung bình đi trong tháp chóp xác định theo:

( ρy.wy)tb = 0,065 ϕδ √ h.ρxtb ρytb

Trong đó:

ρxtb: khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m3)

ρ ytb: khối lượng riêng của hơi (kg/ m3)

h: khoảng cách giữa các đĩa (m)

2.1 Tính khối lượng riêng trung bình của pha lỏng: