CHƯNG CẤT AXETON-NỨƠC

Trang 1

1

Mục lục

Chương 1: Tổng quan 4

1.1 Giới thiệu đồ án 4

1.2 Tính chất về nguyên liệu 4

1.3 Quá trình và thiết bị chưng cất 5

1.3.1 Quá trình chưng cất 5

1.3.2 Thiết bị chưng cất 5

1.4 Quá trình và thiết bị ngưng tụ 6

1.4.1 Quá trình ngưng tụ 6

1.4.2 Thiết bị ngưng tụ 6

Chương 2: Đề nghị qui trình chưng cất 6

Chương 3: Cân bằng vật chất 7

3.1 Thông số ban đầu 7

3.2 Cân bằng vật chất 7

3.3 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp 8

3.3.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu 8

3.3.2 Xác định R thích hợp dựa theo tiêu chí thể tích tháp nhỏ nhất 9

Chương 4: Cân bằng năng lượng 11

4.1 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất 11

4.1.1 Phương trình cân bằng năng lượng 11

4.1.2 Tính lượng hơi nước cần dùng 12

4.2 Cân bằng nhiệt ở thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 13

4.3 Cân bằng nhiệt ở thiết bị ngưng tụ 14

4.4 Cân bằng nhiệt ở thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 14

Chương 5: Tính toán số mâm thực tế của tháp chưng cất 14

Chương 6: Tính toán thiết bị ngưng tụ 16

6.1 Tính toán cấu tạo thiết bị ngưng tụ 16

6.2 Tính toán đường kính cửa vào ra của thiết bị 20

6.3 Tính toán trở lực 21

6.3.1 Tính toán tổn thất do ma sát 22

6.3.2 Tính toán trở lực cục bộ 22

6.3.3 Tính tổn thất áp lực khi nước đi qua thiết bị 22

6.4 Tính bền cơ khí thiết bị ngưng tụ 22

6.4.1Tính kiểm tra thân thiết bị 23

6.4.2 Tính toán bề dày đáy nắp 25

6.4.3 Tính bích, đệm, bulông, vỉ ống 25

6.3.4 Khối lượng thiết bị và chân đỡ 28

Chương 7: Tính toán thiết bị phụ 30

7.1 Thiết bị đun sôi sản phẩm đáy 30

7.2 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 33

7.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 36

7.4 Bồn cao vị 39

7.5 Bơm 41

Chương 8: TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH 42

Kết luận và đánh giá 44

Tài liệu tham khảo 45

Trang 2

2

Danh mục hình

Hình 3.1 Xác định R tối thiểu theo phương pháp bình thường 8

Hình 3.2 Xác định R tối thiểu theo phương pháp vẽ tiếp tuyến 8

Hình 3.3 Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết 10

Hình 3.4 Đồ thị phóng to một phần phần chưng 10

Hình 6.1 Thông số chân đỡ 29

Danh mục bảng Bảng 3.1 Số liệu tính toán cân bằng vật chất 7

Bảng 3.2 Bảng giá trị tính R thích hợp 9

Bảng 4.1 Nhiệt dung riêng của Axeton nước tại nhiệt độ đỉnh, đáy, nhập liệu 11

Bảng 4.2 Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ đỉnh, đáy, nhập liệu 11

Bảng 4.3 Thông số dòng hơi sản phẩm đỉnh 13

Bảng 4.4 Thông số dòng nước làm mát 13

Bảng 4.5 Thông số dòng sản phẩm đỉnh ngưng tụ 14

Bảng 4.6 Thông số dòng nước giải nhiệt TB ngưng tụ 14

Bảng 4.7 Tổng kết sau khi tính cân bằng nhiệt 14

Bảng 5.1 Giá trị cần thiết để tính toán số mâm thực tế 15

Bảng 6.1 Thông số nhiệt vật lí của nước tại nhiệt độ trung bình 35 o C 16

Bảng 6.2 Các công thức xác định thông số nhiệt vật lí của hỗn hợp 17

Bảng 6.3 Các giá trị khi tính truyền nhiệt ở TB ngưng tụ 18

Bảng 6.4 Các thông số cơ bản của bích 25

Bảng 6.5 Khối lượng các chi tiết thiết bị ngưng tụ 28

Bảng 7.1 Thông số ban đầu của dòng sản phẩm đáy 30

Bảng 7.2 Thông số ban đầu của hơi đốt 30

Bảng 7.3 Công thức xác định sức căng bề mặt và khối lượng riêng của hơi 31

Bảng 7.4 Giá trị các thông số vật lí của hỗn hợp tại nhiệt độ sôi trung bình 31

Bảng 7.5 Thông số vật lí của dòng nhập liệu 33

Bảng 7.6 Các thông số nhiệt vật lí của nước tại nhiệt độ trung bình o 27,5 C 36

Bảng 7.7 Thông số vật lí của hỗn hợp sản phẩm đỉnh 37

Bảng 8.1 Bảng tính toán chi tiết 43

Trang 3

3

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN

Cán bộ hướng dẫn nhận xét :

………

Điểm : ……… Chữ ký : ………

Cán bộ chấm hay Hội đồng bảo vệ nhận xét : ………

………

Điểm :………… Chữ ký :………

Điểm tổng kết: ………

Trang 4

1.2 Tính chất về nguyên liệu

Axetone có công thức phân tử : CH3COCH3 Khối lượng phân tử bằng 58 đvC

Là một chất lỏng không màu, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm dịu và

có mùi thơm Nó hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như : eter, metanol, etanol, diacetone alcohol…

Phần lớn được dùng làm dung môi nhất là trong công nghiệp sản xuất nhựa, vecni, chất dẻo Axeton làm dung môi tốt đối với các nitro xeluloza, acetyl xenluloza Nó ít độc nên được dùng làm dung môi cả trong công nghiệp dược phẩm và thực phẩm Axeton còn được dùng làm nguyên liệu để tổng hợp một số lớn các hợp chất xeten, izopren, …

Một số thông số hóa lý của Axeton :

Ngày nay, quá trình chưng được ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp:

Dầu mỏ, tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng

Không khí hóa lỏng được chưng cất ở nhiệt độ -190 oC để sản xuất oxy là nito Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng như etylic-nước từ quá trình lên men

Phân loại: có thể phân biệt theo các tiêu chí sau

Trang 5

5

 Số lượng cấu tử trong hỗn hợp: hệ hai cấu tử, hệ có ba hoặc số cấu tử ít hơn mười và hệ nhiều cấu tử (lớn hơn mười)

Ngoài ra còn nhiều phương pháp chưng đặc biệt khác: chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng trích ly hoặc chưng đẳng phí…

1.3.2 Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất, người ta dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung của các thiết bị này là có bề mặt tiếp pha lớn để tăng hiệu suất quá trình Các thiết bị thường dùng là

 Thiết bị loại bề mặt

 Thiết bị loại màng

 Thiết bị loại phun

 Thiết bị loại đệm (tháp đệm)

 Thiết bị loại đĩa(tháp đĩa)

Trong đó loại dùng phổ biến nhất trong chưng luyện là tháp đệm và tháp đĩa

1.4 Quá trình và thiết bị ngưng tụ

1.4.1 Quá trình ngưng tụ

Là quá trình một hơi (hay hỗn hợp hơi) chuyển pha thành dạng lỏng tại một điều kiện nhất định Quá trình này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, chủ yếu là tính tan lẫn các chất lỏng sau khi ngưng

Người ta nhận thấy thường xảy ra hai dạng biến thiên nhiệt độ trong quá trình ngưng tụ đẳng áp là: dạng ngưng tụ đẳng nhiệt, dạng ngưng tụ với nhiệt độ ngưng

 Phân loại theo chất làm lạnh: thiết bị lạnh dùng NH3, các freon R-12, R-22

không), áp suất thường, áp suất cao

 Phân loại theo khả năng tiếp xúc của hai lưu chất: kiểu gián tiếp(hay kiểu

bề mặt), kiểu trực tiếp(TBNT hơi nước kiểu baromet)

Trang 6

6

Chương 2: Đề nghị qui trình chưng cất

Hỗn hợp Axeton- Nước có nồng độ Acetone 25% ( theo mol) , nhiệt độ khoảng

25 0C tại bể chứa nguyên liệu được bơm bơm lên bồn cao vị Từ đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt được đun nóng bằng hơi nước bão hòa 3 at Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa nhập liệu

Trong tháp chưng cất, dòng hơi sẽ đi từ dưới lên, dòng lỏng sẽ chảy từ trên xuống Khi tiếp xúc với nhau trên các đĩa, dòng lỏng và dòng hơi sẽ trao đổi nhiệt

và trao đổi chất với nhau

Như vậy, càng lên cao, thành phần cấu tử dễ bay hơi càng nhiều: phần dễ bay hơi nhất sẽ được làm ngưng tụ trong thiết bị ngưng ở đầu tháp và đưa ra ngoài, một phần phần ngưng được hồi lưu trở lại cột chưng để đảm bảo cho phần phía trên đầu cột chưng hoạt động bình thường Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết

bị làm nguội sản phẩm đỉnh được làm nguội đến 35 0C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh

Càng dưới đáy tháp, càng giàu cấu tử khó bay hơi Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần được đun bốc hơi ở nồi đun bằng cách trao đổi nhiệt kiểu bề mặt

và tạo dòng hơi đi trong tháp, phần còn lại được đưa ra bồn chứa sản phẩm đáy

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Axetone, sản phẩm đáy

là nước được thải bỏ

Sơ đồ qui trình chưng cất được thể hiện trong trang sau

Trang 7

7

Chương 3: Cân bằng vật chất

3.1 Thông số ban đầu

3.3.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu

Do đường cân bằng có khoảng lõm nên ta kiểm tra như sau

Nếu vẽ như bình thường để xác định Rmin ta xác định được như sau

Trang 8

8

Hình 3.1 Xác định R tối thiểu theo phương pháp bình thường

F F (x ,y )nhưng vượt qua đường cân bằng nên ta xác định bằng cách vẽ qua điểm (xD, xD) đồng thời tiếp tuyến với đường cong ta được đồ thị sau

Hình 3.2 Xác định R tối thiểu theo phương pháp vẽ tiếp tuyến

Trang 9

9

Từ đồ thị ta xác định được đường thẳng cắt tại trục tung tại điểm có tung độ 0,65

Từ đây suy ra

min min

0, 65 0, 462 1

3.3.2 Xác định R thích hợp dựa theo tiêu chí thể tích tháp nhỏ nhất

 Đầu tiên ta chọn các R khác nhau chạy từ Rminrồi tính toán ra phương trình đường chưng đường cất và đường cân bằng vẽ số đĩa lí thuyết Nltkhác nhau theo các R

 Vẽ đồ thị sự phụ thuộc của R theo Nlt(R+1) rồi tìm điểm cực trị

Ta thấy Nlt(R+1)min= 15,2 và Nlt=8 nên chỉ số hồi lưu thích hợp là 0,9

Từ đây các phương trình đường làm việc ta xác định là

 Phương trình đường chưng

Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu

Trang 10

10

Hình 3.3 Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết Phóng to phần

Hình 3.4 Đồ thị phóng to một phần phần chưng

Trang 11

11

Chương 4: Cân bằng năng lượng

4.1 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất

4.1.1 Phương trình cân bằng năng lượng

Bảng 4.2 Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại các nhiệt độ đỉnh, đáy và nhập liệu

Nhiệt dung riêng hỗn hợp, J/(kg.K)

Trang 12

12

Tra bảng I.212, [1]

 Nhiệt hóa hơi của nước ở 57,4 oC rnước = 2429,089 kJ/kg

 Nhiệt hóa hơi của axeton ở 57,4 oC raxeton = 521,686 kJ/kg

Tra bảng I.251, [1]

 Nhiệt hóa hơi của nước ở 3 at rH2O= 2171 kJ/kg

4.1.2 Tính lượng hơi nước cần dùng

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

4.2 Cân bằng nhiệt ở thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu

Ở đây nhiệt tổn thất lấy bằng 5%, nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu được lấy ở

(63, 4 25) / 2 40, 7 C

Tra bảng I.153, [1]

 Nhiệt dung riêng của nước ở 40,7 oC = 4175,5 J/(kg.K)

 Nhiệt dung riêng của axeton ở 40,7 oC =2242,64 J/(kg.K)

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu tại nhiệt độ trung bình 40,7 oC

Trang 13

4.3 Cân bằng nhiệt ở thiết bị ngưng tụ

số Nhiệt dung riêng, J/(kg.K)

Nhiệt độ đầu vào

tv, oC

Nhiệt độ đầu ra

tr, oC

Tính lưu lượng nước lạnh cần thiết

Phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ

4.4 Cân bằng nhiệt ở thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Ta cần làm nguội sản phẩm đỉnh xuống nhiệt độ là 35 oC

Ở đây, nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đỉnh được lấy ở nhiệt độ trung

(57, 4 35) 41, 21 C

Tra bảng I.153, [1]

 Nhiệt dung riêng của nước ở 41,21 oC = 4180 J/(kg.K)

 Nhiệt dung riêng của axeton ở 41,21 oC =2259,7 J/(kg.K)

Nhiệt dung riêng tính bằng công thức

(J/(kg.K))

Nhiệt độ đầu vào

tv (oC)

Nhiệt độ đầu ra tr(oC)

Trang 14

14

Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy lấy tại nhiệt đô trung bình (25+30)/2=27,5 oC

Bảng 4.6 Thông số dòng nước giải nhiệt TB ngưng tụ

Lượng hơi đốt được sử dụng là 0,0863 + 0,0164= 0,1027 kg/s

Tổng lưu lượng nước làm lạnh là

Tại đỉnh tháp có xD=0,95, từ đường cân bằng ta có giá trị y*D=0,97 do đó

Theo công thức IX.61 [2]

1 1

Độ nhớt trung bình của hỗn hợp ở 57,4 oC tính theo công thức I.12 [1]

log(nt) x Axetonlog(Axeton) (1  x Axeton) log(Nuoc) (5.2) Thế vào công thức (5.2)

log(nt)  0,95 log(2,383 10 ) (1 0,95) log(4,953 10 )        

nt = 2,44810-4 Pa.s

Trang 15

Chương 6: Tính toán thiết bị ngưng tụ

6.1 Tính toán cấu tạo thiết bị ngưng tụ

a) Thông số ban đầu

Chọn thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm, đặt nằm ngang

Ống truyền nhiệt được làm bằng thép 25x2 mm với các kích thước ống là

Dòng hơi tại đỉnh đi bên ngoài ống với nhiệt đô ngưng tụ là 57,4 oC

Giả sử quá trình ngưng tụ trong thiết bị là hoàn toàn

b) Tính toán chênh lệch nhiệt độ trung bình

Trang 16

16

log

( ) ( ) (57, 4 45) (57, 4 25)

57, 4 45 ln

c) Xác định thông số vật lí của nước

Bảng 6.1 Thông số nhiệt vật lí của nước tại nhiệt độ trung bình 35 o

C

kg/m3

, W/(m.K)

C, J/(kg.K)

d) Xác định cấp nhiệt bên trong ống

Nước lạnh đi trong ống với lưu lượng là 6550,2 kg/h

Giả thiết nước đi trong ống chảy ở trạng thái chảy rối đạt tới Re =20000

Mặc khác ta tính được trị số w theo phương trình lưu lượng

3600.0, 785 Re

n

G n

d





(6.3)Với

Gn: lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ, kg/h

: độ nhớt của nước tại nhiệt độ trung bình, Pa.s

d: đường kính trong của thiết bị, m

n: số ống của thiết bị ngưng tụ

G w

S





(6.4)Với Gn: lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ, kg/h

: khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ trung bình, kg/m3

Trang 17

l: phụ thuộc vào tỉ số chiều dài và đường kính ống l/d

Prw lấy nhiệt độ của tường tiếp xúc với dòng lưu chất (tw2)

e) Xác định hệ số cấp nhiệt cho bên ngoài ống

Do kết cấu là loại ống chùm đặt nằm ngang nên 1 được tính toán theo công thức

1.110 [6]

3 2 4

hh, W/(m.K) nt x AxetonAxeton  (1 x Axeton)Nuoc 0, 72x Axeton(1 x Axeton)(NuocAxeton)

Hệ số cấp nhiệt  tính cho cả chùm ống tính theo công thức V.109 [2]

1 = tb (6.8) Với tb: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào cách bố trí ống và số ống trên 1 hàng thẳng đứng

f) Xác định tổng nhiệt trở của thành ống thép và lớp cáu

Tổng nhiệt trở tính toán theo công thức

Trang 18

18

Hệ số dẫn nhiệt của thép là 46,5 W/(m.K) tra ở bảng 28 [4]

g) Xác định nhiệt tải riêng

Ta thấy rằng ngung  f t( w1)vànuoc  f t(w2), nhưng nhiệt độ tường tw1 và tw2 là các đại lượng chưa biết, nên ta xác định chúng bằng phương pháp gần đúng

Ta giả sử rằng quá trình truyền nhiệt xảy ra trong thiết bị trao đổi nhiệt là quá trình

ổn định nên q ngung q w q nuoc

Ta giả sử t1=9 oCrồi từ đó tính toán theo trình tự trên ta được bảng sau

Bảng 6.3 Các giá trị khi tính truyền nhiệt ở TB ngưng tụ

2: hệ số cấp nhiệt phía ống 2 = 1709,78 W/(m2.K)

r: tổng nhiệt trở thành ống thép và lớp cáu, r = 3,01610-4 (m2.K)/W

Thế vào (6.11)

2 4

1

766, 661 W/(m K)

3, 016 10 1888,1 2113, 78

K



  

Trang 19

19

h) Xác định bề mặt trao đổi nhiệt

 log log

1 D

Q F

rD: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp sản phẩm đỉnh rD= 552205 J/kg

K: hệ số truyền nhiệt tổng quát, K = 791,891 W/(m2.K)

tlog: chênh lệch nhiệt độ trung bình, tlog= 20,836 oC

i) Xác định chiều dài ống truyền nhiệt

Chiều dài ống truyền nhiệt tính toán theo công thức I.55 [11]

td

F L

Với n: tổng số ống trong thiết bị truyền nhiệt

a: Số ống trên một cạnh của hình lục giác lớn nhất

Vậy cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt sau khi tính kết cấu như sau

 Bề mặt trao đổi nhiệt: 13,232 m2

 Ống thép 252 mm

 Chiều dài ống 2,5 m

Trang 20

20

6.2 Tính toán đường kính cửa vào ra của thiết bị

Dùng để nối thiết bị với đường ống công nghệ, là đoạn ống có bích chế tạo bằng vật liệu giống vật liệu vỏ và được hàn liền với vỏ hoặc đúc liền với thân

v





(6.14) Khối lượng riêng của hỗn hợp hơi tính theo phương trình khí lí tường

PM RT



v: vận tốc dòng hơi, chọn cỡ 20 m/s

4 0,132

0, 092 m 20

Vậy tiết diện ngang của ống hơi lấy cỡ 100 mm

 Ống tháo nước ngưng

4 l

l

Q d

v





(6.15)

Với v: chọn cỡ 0,1 m/s đối với nước tự chảy không có áp lực [12]

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng tại đỉnh là 756,91 kg/m3

Ql: lưu lượng thể tích dòng lỏng, m3/s

4 3 ( 1) 521, 024 (0,9 1)

Chọn chiều dài đoạn ống nối cỡ 110 mm Bảng XIII.32 [2]

4 n

n

Q d

v





(6.16)

Trang 21

Chọn chiều dài đoạn ống nối cỡ 100 mm Bảng XIII.32 [2]

6.3 Tính toán trở lực

6.3.1 Tính toán tổn thất do ma sát

2'2

L’:chiều dài một ống truyền nhiệt nhân với số chặng

L’=2,54=10 m

dt: đường kính trong của ống truyền nhiệt, dt=21 mm

: khối lượng riêng của nước tại nhiệt độ 35 o

C, =994 kg/m3W: vận tốc dòng nước đi trong ống, w=0,352 m/s

2: là trở lực do đột thu khi nước đi vào chùm ống: 2= 0,479

3: là trở lực đột mở khi nước từ ống chùm đi ra khoang nắp: 3= 0,899

4: trở lực đột thu ở cửa ra: 4= 0,467

5: trở lực do đổi chiều 180o giữa các lối: 5=2,5

Từ (6.19)

1 4 2 4 3 4 3 5 0, 765 4 0, 479 4 0,899 0, 468 3 2,5 14, 245

               

Trang 22

6.3.3 Tính tổn thất áp lực khi nước đi qua thiết bị

Tổn thất trở lực tổng cộng P của nước (tổng sức cản thủy lực trên suốt đường đi của nước qua thiết bị) tính cụ thể như sau

2'

2

n n t

v P l

Tổng trở lực này dùng để tính bơm đẩy nước qua thiết bị

Do dùng hơi bão hòa, nên không cần tính tổn thất trở lực ở vùng không gian giữa các ống truyền nhiệt

6.4 Tính bền cơ khí thiết bị ngưng tụ

Chiều dài phần trụ: l= 2,452 m

Áp suất tính toán P=1 atm, do khi hơi ngưng tụ thể tích giảm nên lúc này thân lúc này chịu áp suất ngoài Để tính toán an toàn ta lấy áp suất ngoài làm áp suất tính toán

Mối hàn: hệ số bền mối hàn của thân, nắp đối với hàn giáp mối mỗi phía là

h=0,95

Chọn vật liệu chế tạo là thép CT3 lấy hệ số an toàn là =1 Do vậy, ứng suất cho phép tính toán vật liệu chế tạo thiết bị ngưng tụ

[]*=[]= 1137,2=137,2 N/mm26.4.1 Tính kiểm tra thân thiết bị

L: chiều dài tính toán thân thiết bị, mm

Vì thân thiết bị ngưng tụ là thân trụ lắp với 2 mặt bích nên L bằng khoảng cách giữa 2 mặt bích

Trang 23

0,4 5

0,1013 2452 ' 1,18 400 ( ) 2,973 mm

2, 01.10 400

Bề dày thực của thân trụ tính theo công thức 5.9 [5]