1. Phương pháp chưng cất. Chưng luyện là một phương pháp chưng cất nhằm để phân tách một hỗn hợp khí đã hóa lỏng dựa trên độ bay hơi tương đối khác nhau giữa các cấu tử thành phần ở cùng một áp suất. Phương pháp chưng luyện này là một quá trình chưng luyện trong đó hỗn hợp được bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần, kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp thu được một hỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi và nồng độ đạt yêu cầu, phương pháp chưng luyện cho hiệu suất phân tách cao, vì vậy nó được sử dụng nhiều trong thực tế. Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, người ta đưa ra nhiều thiết bị phân tách đa dạng như tháp chóp, tháp đĩa lỗ, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền, tháp đệm… Trong đồ án này em được giao thiết kế tháp chưng luyện liên tục dạng đĩa lỗ không có ống chảy truyền nhằm phân tách 2 cấu tử Nước – Axit Axetic , chế độ làm việc ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi. Nước – Axit Axetic là hỗn hợp lỏng thường gặp trong thực tế. việc tách riêng 2 cấu tử này có ý nghĩa quan trọng bởi cần Axit Axetic có nồng độ lớn dùng làm nguyên liệu sản xuất các hợp chất và thực phẩm hiện nay. Các phương pháp chưng cất. +) áp suất làm việc: Chưng cất áp suất thấp . Chưng cất áp suất thường . Chưng cất áp suất cao . Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên nhiệt độ sôi của các cấu tử nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử. +) Nguyên lý làm việc : liên tục ,gián đoạn Chưng gián đoạn : phương pháp này sử dụng trong các trừong hợp : + Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau . + Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao . + Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi . + Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử . Chưng liên tục :là quá trình được thực hiện liên tục nghịch dòng và nhiều đoạn .
Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa cơng nghệ Hố BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ Số :……… Họ tên HS-SV: Nguyễn Thu Hằng Lớp : ĐHCN Hóa 1- K10 Khóa : 10 Khoa : Cơng nghệ hóa Giáo viên hướng dẫn : Thầy Nguyễn Văn Mạnh NỘI DUNG Thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp Nước – Axit Axetic Các thông số ban đầu : - Năng suất tính theo hỗn hợp đầu : F = 7.26 tấn/giờ - Nồng độ cấu tử dễ bay : + Hỗn hợp đầu : a = 0,38 phần khối lượng + Sản phẩm đỉnh : a = 0,915 phần khối lượng + Sản phẩm đáy : a = 0,11 phần khối lượng Tháp làm việc áp suất thường - Hồn hợp đầu gia nhiệt tới nhiệt độ sôi stt Tên vẽ Vẽ dây chuyền sản xuất Vẽ hệ thống tháp chưng luyện Khổ giấy A4 A0 Số lượng 01 01 PHẦN THUYẾT MINH Ngày giao đề……………………Ngày hoàn thành ……………… Lời mở đầu GVHD: Nguyễn Văn Mạnh SVTH: Nguyễn Thu Hằng Lớp Hố – K10 Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa cơng nghệ Hố Ngày với phát triển khoa học kĩ thuật,nền công nghiệp mang lại cho người lợi ích vơ to lớn vật chất lẫn tinh thần.Để nâng cao đời sống nhân dân,để hòa nhập chung với phát triển chung nước khu vực giới.Đảng nhà nước ta đề mục tiêu: cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước Trong tiến trình cơng nghiệp hóa đại hóa đất nuớc ngành kinh tế mũi nhọn:cơng nghệ thông tin ,công nghệ sinh học công nghệ điện tử tự động hóa,cơng nghệ vật liệu mới…cơng nghệ hóa giữ vai trò quan trọng việc sản xuất sản phẩm phục vụ cho kinh tế quốc dân.Tạo tiền đề cho nhiều ngành khác phát triển Khi kinh tế phát triển nhu cầu người ngày tăng.Do sản phẩm đòi hỏi cao hơn,đa dạng hơn,phong phú theo cơng nghệ sản xuất phải nâng cao.trong cơng nghệ hóa học nói chung viêc sử dụng hóa chất có độ tinh khiết cao yếu tố tạo sản phẩm có chất lượng cao.Có nhiều phương pháp khác để làm tăng nồng độ,độ tinh khiết:chưng cất,cơ đặc.trích li…tùy vào tính chất hệ mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp GVHD: Nguyễn Văn Mạnh SVTH: Nguyễn Thu Hằng Lớp Hố – K10 Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa cơng nghệ Hố PHẦN I: TỔNG QUAN I: LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT Phương pháp chưng cất Chưng luyện phương pháp chưng cất nhằm để phân tách hỗn hợp khí hóa lỏng dựa độ bay tương đối khác cấu tử thành phần áp suất Phương pháp chưng luyện trình trưng luyện hỗn hợp bốc ngưng tụ nhiều lần, kết cuối đỉnh tháp thu hỗn hợp gồm hầu hết cấu tử dễ bay nồng độ đạt yêu cầu, phương pháp chưng luyện cho hiệu suất phân tách cao, sử dụng nhiều thực tế Dựa phương pháp chưng luyện liên tục, người ta đưa nhiều thiết bị phân tách đa dạng tháp chóp, tháp đĩa lỗ, tháp đĩa lỗ khơng có ống chảy truyền, tháp đệm… Trong đồ án em giao thiết kế tháp chưng luyện liên tục dạng đĩa lỗ khơng có ống chảy truyền nhằm phân tách cấu tử Nước – Axit Axetic , chế độ làm việc áp suất thường với hỗn hợp đầu vào nhiệt độ sôi Nước – Axit Axetic hỗn hợp lỏng thường gặp thực tế việc tách riêng cấu tử có ý nghĩa quan trọng cần Axit Axetic có nồng độ lớn dùng làm nguyên liệu sản xuất hợp chất thực phẩm Các phương pháp chưng cất +) áp suất làm việc: Chưng cất áp suất thấp Chưng cất áp suất thường Chưng cất áp suất cao GVHD: Nguyễn Văn Mạnh SVTH: Nguyễn Thu Hằng Lớp Hoá – K10 Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội Khoa cơng nghệ Hố - Ngun tắc phương pháp dựa nhiệt độ sôi cấu tử nhiệt độ sôi cấu tử cao giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử +) Nguyên lý làm việc : liên tục ,gián đoạn * Chưng gián đoạn : phương pháp sử dụng trừong hợp : + Nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Khơng 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 liên tục :là trình thực liên tục nghịch dòng nhiều đoạn Thiết bị chưng cất Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp khác chúng có yêu cầu diện tích tiếp xúc bề mắt pha lớn ,điều phụ thuộc độ phân tán lưu chất vào Tháp chưng cất phong phú kích cỡ ứng dụng tháp lớn thường sủ dụng cơng nghệ lọc hóa dầu đường kính tháp phụ thuộc luơng pha lỏng luợng pha khí ,độ tinh khiết sản phẩm theo khảo sát thường có loại tháp chưng:tháp đĩa tháp đệm Tháp đĩa ; thân tháp hình trụ thẳng đứng bên có gắn đĩa phân chia thân tháp thành đoạn đĩa pha lỏng pha khí tiếp xúc với tùy thuộc vào loại đĩa ta có + Tháp đĩa chóp : + Tháp đĩa lỗ :trên đĩa có lỗ có đường kính (2-12 mm) có loại tháp đĩa lỗ - Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền - Tháp đĩa lỗ khơng có ống chảy truyền GVHD: Nguyễn Văn Mạnh SVTH: Nguyễn Thu Hằng Lớp Hoá – K10 Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội Khoa công nghệ Hố Tháp đệm :tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn * Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền hoạt động với hiệu suất cao ổn định Khắc phục nhược điểm loại tháp khác ; làm việc với chất lỏng bẩn … Vậy : chọn tháp đĩa lỗ khơng có ống chảy chuyền để chưng hệ Nước – Axit Axetic GVHD: Nguyễn Văn Mạnh SVTH: Nguyễn Thu Hằng Lớp Hố – K10 Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa cơng nghệ Hố II GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG 1.Nước: Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng không màu, không mùi, không vị khối nước dày có màu xanh nhạt Khi hóa rắn tồn dạng tinh thể khác Khối lượng phân tử : 18g/mol o Khối lượng riêng d4 c : 1g/ml Nhiệt độ nóng chảy : 0o C Nhiệt độ sôi : 100o C Độ nhớt 25o C : 1,005.10-3 N.s/m2 Nước hợp chất chứa phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất nước biển) cần thiết cho sống Nước dung mơi phân cực mạnh, có khả hòa tan nhiều chất dung môi quan trọng kỹ thuật hóa học Axit Axetic 2.1 Tính chất: Là chất lỏng khơng màu, có mùi sốc đặc trưng, trọng lượng riêng 1,0497 (ở 20o C) Khi haj nhiệt độ xuống đơng đặc thành khối tinh thể có Tonc = 16,635 – 0,002o ,Tosôi = 118o C Tan nước, rượu ete theo tỷ lệ Là axit yếu, số phân ly nhiệt động 25o C K = 1,75.10-5 Tính ăn mòn kim loại: Axit Axetic ăn mòn sắt Nhơm bị ăn mòn axit lỗng, đề kháng tốt với axit axetic đặc khiết Đồng chì bị ăn mòn axit axetic với diện khơng khí Thiếc số loại thép Nikel – Crom đề kháng tốt với axit axetic 2.2 Điều chế: Axit axetic điều chế cách: 1) Oxy hóa có xúc tác cồn etylic để biến thành anđêhit axetic, giai đoạn trung gian Sự oxy hóa kéo dài tiếp tục oxy hóa ânđêhit axetic thành axit axetic CH3CHO + O2 = CH3COOH C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O GVHD: Nguyễn Văn Mạnh SVTH: Nguyễn Thu Hằng Lớp Hoá – K10 Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội Khoa công nghệ Hố 2)Oxy hóa andehit axetic tạo thành cách tổng hợp từ axetylen coban axetat Người ta thao tác andehit axetic nhiệt độ gần 80oC để ngăn chặn hình thành peoxit Hiệu suất đạt 95 ÷ 98 % so với lý thuyết Người ta đạt dễ dàng sau điều chế axit axetic kết tinh CH3CHO + O2 Coban axetat 80oC CH3COOH 3)Tổng hợp từ cồn metylic Cacbon oxit Hiệu suất đạt 50 ÷ 60% so với lý thuyết cách cố định cacbon oxit cồn meetylic qua xúc tác Nhiệt độ từ 200 ÷ 500oC, áp suất 100 ÷ 200 atm CH3OH + CO = CH3C với diện metaphotphit photpho – vonframat kim loại hóa trị (chẳng hạn sắt, coban) 2.3 Ứng dụng Axit axetic axit quan trọng loại axit hữu Axit axetic tìm nhiều ứng dụng loại axit hữu rẻ tiền Nó dung để chế tạo nhiều hợp chất este Nguồn tiêu thụ chủ yếu axit axetic ; Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic) Làm đông đặc nhựa mủ cao su Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat, làm phim ảnh không nhạy lửa Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat Làm phẩm máu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp Axetat nhôm dung làm chất cắn màu (mordant nghề nhuộm) Phần lớn este axetat dung mơi, ví dụ: izoamyl axetat hòa tan nhiều loại nhựa GVHD: Nguyễn Văn Mạnh SVTH: Nguyễn Thu Hằng Lớp Hoá – K10 Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa cơng nghệ Hố III SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ: Dây chuyền sản xuất : Hệ thống thiết bị công nghệ chưng luyện liên tục tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền tổng quát gồm có : (1) : Bơm ly tâm (2) : Thùng cao vị (3) : Thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu dùng để đưa hỗn hợp đầu tới nhiệt độ làm việc Sử dụng thiết bị loại ống chùm, dùng nước bão hồ để đun nóng có hệ số cấp nhiệt lớn, ẩn nhiệt ngưng tụ cao Hơi nước bão hoà ống, lỏng ống (4) : Lưu lượng kế (5): Tháp chưng luyện: gồm có phần : phần gồm từ đĩa tiếp liệu trở lên đỉnh gọi đoạn luyện, phần gồm từ đĩa tiếp liệu trở xuống gọi đoạn chưng (6): Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh, nước lạnh ống (7) : Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh (8) : Thùng chứa sản phẩm đỉnh (9) : Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đáy Bộ phận đun bốc đáy tháp, đặt hay tháp (10) : Thiết bị tách nước ngưng (11) : Thùng chứa hỗn hợp đầu (12) : Bộ phận phân phối lỏng (13) : Van xả khí khơng ngưng (14) : Thùng chứa sản phẩm đáy GVHD: Nguyễn Văn Mạnh SVTH: Nguyễn Thu Hằng Lớp Hố – K10 Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa cơng nghệ Hố THUYẾT MINH SƠ ĐỒ 13 P T NƯỚ C NÓ NG NƯỚ C NÓ NG 12 NƯỚ C HO I NU ? C HƠI NƯỚ C NƯỚ C T 10 NƯỚC NGƯNG 14 11 Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ tháp đĩa lỗ khơng có ống chảy truyền Hỗn hợp chứa thùng chứa(11),được bơm ly tâm (1)bơm lên thùng cao vị có cửa chảy tràn dùng để khống chế mức chất lỏng thùng, hỗn hợp đầu từ thùng cao vị tự chảy xuống thiết bị gia nhiệt(3) trình theo dõi đồng hồ lưu lượng (4) dùng nước bão hòa Sau hỗn hợp đầu gia nhiệt tới nhiệt độ sôi đưa vào đĩa tiếp liệu tháp chưng luyện(5) Trong tháp từ lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng từ xuống xảy trình bốc ngưng tụ nhiều lần, nồng độ cấu tử thay đổi theo chiều cao tháp nhiệt độ hỗn hợp thay đổi theo Khi bay lên đĩa có GVHD: Nguyễn Văn Mạnh SVTH: Nguyễn Thu Hằng Lớp Hố – K10 Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa cơng nghệ Hố thành phần cấu tử dễ bay y1 sục trực tiếp vào lớp lỏng đĩa có thành phần cấu tử dễ bay x1 ( x1x1; y2>y1 dẫn đến đĩa sục vào đĩa Quá trình xảy tương tự nhiều lần cuối đỉnh tháp thu hầu hết cấu tử dễ bay phần cấu tử khó bay Hơi từ đỉnh tháp vào thiết bị hồi lưu ngưng tụ , phần ngưng tụ quay trở lại tháp Phần lại đưa vào thiết bị làm nguội cho vào thùng chứa sản phẩm đỉnh Chất lỏng hồi lưu từ xuống dưới, gặp có nhiệt độ cao từ lên, phần cấu tử có nhiệt độ cao tiếp tục ngưng tụ thành lỏng xuống Do nồng độ cấu tử khó bay pha lỏng ngày nhiều, cuối đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu rử khó bay phần cấu tử dễ bay hơi, hỗn hợp lỏng đưa khỏi đáy tháp qua thiết bị phân dòng, phând đươcj đưa thùng chứa sản phẩm đáy phần hồi lưu đáy tháp Thiết bị có tác dụng đun sơi tuần hồn bà bốc sản phẩm đáy( tạo dòng từ lên tháp) Nước ngưng thiết bị gia nhiệt tháo qua thiết bị nước ngưng Tháp chưng luyện làm việc chế độ liên tục, hỗn hợp đầu sản phẩm lấy liên tục GVHD: Nguyễn Văn Mạnh 10 SVTH: Nguyễn Thu Hằng Lớp Hố – K10 Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa cơng nghệ Hố Vây chiều dày tháp mm 2.Tính đường kính ống dẫn: Ta có : Trong đó: V: lưu lượng ống (m3/s) w: vận tốc lỏng ống (m/s) 2.1.Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh Hình biểu diễn ống dẫn sản phẩm đỉnh Tra sách tính tốn q trình thiết bị tập Trong ống có áp suất thường chọn (m/s) Tính V V = gđ = P.(Rx + 1) = 1157,11 (kmol/h) Tại đỉnh tháp tP = 100,40C tra bảng I.2 ta có khối lượng riêng hỗn hợp Với xP = 0,9923 Vậy : (m) GVHD: Nguyễn Văn Mạnh 97 SVTH: Nguyễn Thu Hằng Lớp Hố – K10 Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa cơng nghệ Hố Quy chuẩn d = 0,2 m = 200 mm Chiều dài ống nối là: 130 mm 2.2.Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh Hình biểu diễn ống hồi lưu sản phẩm đỉnh Khối lượng riêng hỗn hợp lỏng hồi lưu đỉnh tháp là: Ta có : aP = 0,975 (phần khối lượng) Tại = 100,40C tra bảng I.2 Nội suy khối lượng riêng cấu tử :, Kg/m3 957,69 (Kg/m3) Do sản phẩm đỉnh tự chảy hồi lưu lên vận tốc tra theo II-2 STQTVTB (370-1) (m/s) ta chọn (m/s) Lượng lỏng hồi lưu đỉnh tháp V = = (m3/s) m Quy chuẩn d= 0,1 m = 100 mm Chiều dài ống nối 120 mm GVHD: Nguyễn Văn Mạnh 98 SVTH: Nguyễn Thu Hằng Lớp Hố – K10 Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa cơng nghệ Hố 2.3.Đường kính ống dẫn ngun liệu đầu Hình biểu diễn ống nhập liệu Ống nối thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu với tháp đĩa tiếp liệu F= 13500(Kg/h) = 3,75 Kg/s Hỗn hợp dầu vào hỗn hợp lỏng aF = 0,31 (Kg/Kg) Chất lỏng tự chảy ống (m/s) Tại tF = 103,3oC tra bảng I.2 Nội suy 955,525 (kg/m3) (Kg/m3) Vậy 953,1314 (kg/m3) V= (m3/s) Vậy : (m) Quy tròn d = 0,1m = 100 mm Chiều dài ống nối 120 mm GVHD: Nguyễn Văn Mạnh 99 SVTH: Nguyễn Thu Hằng Lớp Hố – K10 Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa cơng nghệ Hố 2.4.Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy Hình biểu diễn ống dẫn sản phẩm đáy - Lưu lượng sản phẩm đáy w= 9303,1 (kg/h) - Sản phẩm đáy hỗn hợp lỏng tự chảy (m/s) Có aw = 0,01 Kg/Kg Tại tw =116,7 0C Nội suy ta có: 945,475 (kg/m3) (Kg/m3) Vậy : 928,112 (kg/m3) Vậy: (m) Quy tròn d = 0,1 m = 100 mm Chiều dài ống nối 120 mm 2.5.Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đáy - Ta có yw = 0,065 (kmol/kmol) - Lượng hồi lưu đáy tháp g1’ = 1,3968 Kg/s Tại tw = 116,70C (kg/m3) GVHD: Nguyễn Văn Mạnh 100 SVTH: Nguyễn Thu Hằng Lớp Hố – K10 Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa cơng nghệ Hố Vậy : (m) Quy chuẩn d = 0,2 m = 200 mm Chiều dài ống nối 130 mm Tính đáy nắp thiết bị: Đáy nắp thiết bị bộn phận quan trọng thiết bị thường chế tạo loại vật liệu với thân tháp Vì tháp làm việc áp suất thường thân trụ hàn nên ta chọn đáy nắp thiết bị hình elip có gờ thiết bị thẳng đứng có P> 7.104 3.1 Chiều dày nắp Trong đó: Pn = P= 264089,71 N/m2 : hệ số bền mối hàn; k: hệ số hiệu chỉnh hb: chiều cao nắp C: hệ số hiệu chỉnh C= 1,5.10-3 m Và có tăng thêm chút tùy thuộc chiều dày: Thêm 2mm S-C < 10mm Thêm 1mm 0< S-C