Thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp Acetone - Nước loại tháp đệm năng suất 1500 (Kgh)

Thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp Acetone - Nước loại tháp đệm năng suất 1500 (Kgh).

Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí MinhTrường Đại học Bách KhoaKhoa Công nghệ Hoá học & Dầu khíBỘ MÔN MÁY & THIẾT BỊĐỒ ÁN MÔN HỌCQuá Trình & Thiết BòTHIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT HỖN HP ACETONE – NƯỚC LOẠI THÁP ĐỆMNĂNG SUẤT : 1500 (Kg/h)GVHD : Võ Thò Ngọc TươiSVTH : Võ Ngọc TiệpMSSV : 69902203Lớp : HC99HL,Ngành : Công Nghệ Hoá LýNăm học 2002 – 2003 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi MỤC LỤC LỜI MƠÛ ĐẦU CHƯƠNG1 : GIỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG2 : CÂN BẰNG VẬT CHẤTI. CÂN BẰNG VẬT CHẤT:1. Đồ thò cân bằng acetone- nước2. Xác đònh chỉ số hồi lưua) Chỉ số hồi lưu tối thiểub) Chỉ số hối lưu thích hợpII. CÂN BẰNG NĂNG LƯNG:1. Cân bằng năng lượng cho tháp chưng cất:2. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bò ngưng tụ3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bò làm nguội4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bò gia nhiệtCHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNHI. ĐƯỜNG KÍNH THÁP:1. Đường kính đoạn cất:2. Đường kính đoạn chưng:II. CHIỀU CAO THÁP:III. TRƠÛ LỰC CỦA THÁP:CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN CƠ KHÍI. TÍNH CHIỀU DÀY THÂN THÁPII. TÍNH ĐÁY, NẮP THIẾT BỊ1. Nắp2. ĐáyIII. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH VÀ BULON ỐNG DẪN1. Ống dẫn hơi:2. Ống nhập liệu:3. Ống dẫn lỏng:4. Ống hoàn lưu:CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤI. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNHII. THIẾT BỊ GIA NHIỆT NHẬP LIỆUIII. NỒI ĐUNIV. BƠMCHƯƠNG 6 : TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ TÀI LIỆU THAM KHẢOSVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 2- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi LỜI GIỚI THIỆUTrong thực tế, chúng ta sử dụng rất nhiều dạng hoá chất khác nhau: hỗn hợp nhiều chất hay đơn chất tinh khiết. Nhu cầu về một loại hoá chất tinh khiết cũng rất lớn. Quá trình có thể đáp ứng phần nào độ tinh khiết theo yêu cầu là chưng cất: là quá trình tách các cấu tử trong hỗn hợp lỏng – lỏng, hay hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng.Và đối với hệ acetone – nước, do không có điểm đẳng phí nên có thể đạt được bất kỳ độ tinh khiết theo yêu cầu nhờ quá 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 các số liệu sau đây:Năng suất sản phẩm đỉnh : 1500 Kg/hNồng độ sản phẩm đỉnh : 95% theo khối lượngNồng độ nhập liệu : 30%p suất làm việc : áp suất thường.SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 3- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi CHƯƠNG 1 :GIỚI THIỆU CHUNG1. Giới thiệu sơ bộ :Acetone có công thức phân tử : CH3COCH3 .Khối lượng phân tử bằng 58 đvCAcetone là chất lỏng sôi 56.10C, tan vô hạn trong nước, nó là dung môi cho nhiều chất hữu cơ… Nó hoà tan tốt tơ axetat, nitrô xenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng. Acetone là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ. Từ Acetone có thể tổng hợp xeten, sumfonal (thuốc ngủ), các halofom….Tính chất hoá học : Cộng hợp với natri bisunfit:1OH CH3COCH3 + NaHSO3→ CH3 - C - SO3Na 31HC ( 1-metyl-1-hydroxi etan sunfonát natri ) Cộng hợp axit HCN 1OH CH3COCH3 + HCN → CH3 - C - CN 31HC ( pH= 4 -8 ) Phản ứng ngưng tụ : 1OH 11O CH3-CO-CH3 + HCH2C=O → CH3-C-CH2-C-CH3 31HC 31HC ( 4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon) Acetone khó bò oxi hóa bởi thuốc thử Pheling, Tôluen, HNO3đđ, KMnO4 ,…Chỉ bò oxi hóa bởi hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfôcrômic K2Cr2O7 + H2SO4…Bò gãy mạch cacbon. 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 của axit cacboxylic: (CH3COO)2Ca → CH3COCH3 + CaCO3 Từ dẫn xuất cơ magie: SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 4- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi /Br CH3-C-Cl + CH3-MgBr→ CH3-C-CH3 + Mg 11O 11O \Cl Phản ứng Kucherôv: CH3-C≡CH + H2O  →+H/4HgSO CH3-C-CH3 11O 2. Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước :Ta có Acetone là một chất lỏng tan vô hạn trong nước và nhiệt độ sôi của Acetone ( 56.1 0C ở 760 mmHg) và Nước ( 100 0C ở 760 mmHg) : là khá cách xa nhau nên phương pháp hiệu quả nhất để thu được Acetone tinh khiết là chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.Chọn loại tháp chưng cất và phương pháp chưng cất :Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng ( hay nhiệt độ sôi ), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Đối với chưng cất ta có hai phương pháp thực hiện : Chưng cất đơn giản (dùng thiết bò hoạt động theo chu kỳ):Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp sau :Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau .Khi 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 cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bò hoạt động liên tục): là quá trình được thực hiện liên tục, nghòch dòng, nhiều đoạn.Ngoài ra còn có thiết bò hoạt động bán liên tục .Trong trường hợp này, do sản phẩm là Acetone – với yêu cầu có độ tinh khiết cao khi sử dụng , cộng với hỗn hợp Acetone – Nước là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất.Chọn loại tháp chưng cất :Có rất nhiều loại tháp được sử dụng, nhưng đều có chung một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia .Ta khảo sát hai loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm:Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau.Gồm có : mâm chóp, mâm xuyên lỗ , mâm van. Thường sử dụng mâm chóp .Tháp chêm là một tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn . Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một hay hai phương pháp : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự .SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 5- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi Chọn loại tháp đệm để thực hiện quá trình chưng cất vì những ưu điểm sau:Cấu tạo đơn giản Trở lực thấpTuy nhiên tháp đệm cũng có nhược điểm là: Hiệu suất thấp Độ ổn đònh kém. Thuyết minh quy trình công nghệ:Hỗn hợp Aceton – nước có nồng độ Aceton 30% (theo số mol), nhiệt độ khoảng 270C tại bồn chứa nguyên liệu (1), được bơm qua thiết bò gia nhiệt ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy)(5). Sau đó được đưa đến thiết bò đun nóng nhập liệu(6) bằng hơi nước bão hòa, ở đáy nhập liệu được đưa đến nhiệt độ sôi và được đưa vào tháp chưng cất(11). Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. ƠÛ đây có sự tiếp xúc và trao đổi nhiệt giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì đã bò nồi đun lôi cuốn các cấu tử. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp , nên khi hơi đi từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử Aceton chiếm nhiều nhất ( 95% theo phần mol ). Hơi này đi vào thiết bò ngưng tụ(14 ). Một phần lỏng ngưng được hồi lưu về tháp, một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh (17 ). Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đày tháp ta thu được hổn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay hơi (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Aceton là 3% theo phần mol, còn lại là nước. Dung dòch lỏng ở đáy tháp được đun tại nồi đun (12 ) ,bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại trao đổi nhiệt với nhâïp liệu.Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Aceton, sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ. SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 6- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp Aceton – nước:124316151491715181920813127910117685 SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 7- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi CHƯƠNG 2 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I. Cân bằng vật chất: Số liệu ban đầu: Năng suất 1500kg/h Nồng độ dung dòch đầu: xF = 30% mol Nồng độ đỉnh: xD = 95% mol Nồng độ dung dòch đáy: xW = 3% mol Các ký hiệu: F ,−F:lượng nhập liệu ban đầu (kmol/h), (kg/h) D,−D: lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h), (kg/h) W,−W: lượng sản phẩm đáy (kmol/h), kg/h) xF: nồng độ mol acetone trong nhập liệu xD: nồng độ mol acetone trong sản phẩm đỉnh xW: nồng độ mol của acetone trong sản phẩm đáy Phương trình cân bằng vật chất: F = D + W (1) F xF = D xD + W xW (2)Tính khối lượng trung bình: MtbF =xF M1 + (1-xF) M2 =0,3x58+(1-0,3)18=30kg/kmol MtbD =xD M1 + (1-xD) M2 =0,95x58+(1-0,95)18=56kg/kmol MtbW =xW M1+ (1-xW) M2 =0,03x58+(1-0,03)18=19,2kg/kmol Suất lượng sản phẩm đỉnh: D =tbDMD−==56150026,786 (kmol/h)Từ (1) và (2) ta có:+=+=03,0*W95,0*786,263,0*FW786,26F Giải hệ phương trình trên ta được:==h/kmol485,64Wh/kmol27,91F hay __WF)h/Kg(12.1238)h/Kg(13.2738==1. Đồ thò cân bằng acetone- nước: Thành phần cân bằng lỏng (x)- hơi (y) tính bằng phần % mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử ở 760 mmHg SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 8- MSSV:69902203x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100y 0 60,372 80,382,784,285,586,988,290,494,3100t 100 77,969,664,562,661,660,759,859 58,257,556,9 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi Vẽ đồ thò y-x:Đồ thò cân bằng aceyone- nước0204060801000 20 40 60 80 100Thành phần pha lỏngThành phần pha hơi Đồ thò T- xySVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 9- MSSV:69902203Đồ thò T-xy01020304050607080901000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100xyT ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi 2. Xác đònh chỉ số hồi lưu thích hợp:a) Chỉ số hối lưu tối thiểu:Đường cân bằng vẽ theo số liệu thực nghiệm có khoảng lõm nên để xác đònh Rm, từ A(0,95;0,95) vẽ AB tiếp xúc đường cân bằng cắt trục tung tại điểm có tung độ góc là 0,65. Ta co ù: Rm= =+1RxmD 0,65 → Rm = 0,462 Rm00.10.20.30.40.50.60.70.80.910 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1b) Chỉ số hồi lưu thích hợp: Cho các giá trò Rxi > Rxmin để tìm các giá trò tung độ Bi tương ứng và vẽ các đường nồng độ làm việc của đoạn luyện ứng với các giá trò Bi đó :Bi = 1RxxiD+Tìm các điểm a ( y= x= xD ), b( y= x= xW ) và đường x = xF ( song song với trục tung ). Cứ mỗi giá trò Bi ta vẽ được đường nồng độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng .Như vậy ứng với mỗi giá trò Rxi ta có số đơn vò chuyển khối chung tương ứng là mxi.Ta có bảng sau : RxiBi mxmx(Rxi+1)0.600 0.594 11.139 7.28340.785 0.532 8.595 7.53210.878 0.506 5.934 6.08810.970 0.482 5.94 6.73181.063 0.460 6.313 7.77371.155 0.441 5.928 8.0018SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 10- MSSV:69902203 [...]... riêng của hơi ở đỉnh tháp _ _ λD = Acetone x y D + Nước x (1 - y D) _ y D = 0.984 Acetone = rAcetone + tD x CAcetone Nước = rNước + tD x CNước ở tD = 57.5OC rAcetone = 523.35 (kJ/Kg) rNước = 2426.77 (kJ/Kg) ⇒ Nước = 2667.59 x 103 (J/Kg) Acetone = 655.42 x 103 (J/Kg) ⇒ λD = 687.614 (kJ/Kg) SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 1 2- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi ⇒ Qy = 1.96 x 109 (J/h) = 544.361... trong hổn hợp O t x = 62OC  µ1 (Acetone) = 0.227.103 (Ns/m2), x1 = 0.03 µ2 (Nước) = 0.4578.103 (Ns/m2), x2 = 0.97 ⇒lg µx = 0.03 lg 0.227.1 0-3 + 0.97 lg 0.4578.1 0-3 = -3 .348 SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 1 9- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi ⇒ µx = 0.4483.1 0-3 (Ns/m2) tOy = 76.5OC  µ1 = 0.2053.1 0-3 (Ns/m2), x1 = 0.95 µ2 = 0.3766.1 0-3 (Ns/m2), x2 = 0.05 ⇒ lg µy = 0.95 x lg 0.2053.1 0-3 + 0.05... CƠ KHÍ I Tính chiều dày thân tháp: Chọn thiết kế thân trụ bằng phương pháp hồ quang Thân tháp được ghép với nhau bằng nhiều mối ghép bích Chiều cao đệm đoạn chưng :1.752 x 2 =3.5 (m) Chiều cao đoạn cất : 10.5 – 3.5 = 7.0(m) Chia tháp làm 3 đoạn : * Phần chưng: 3.5(m) * Phần cất chia làm 2 đoạn mỗi đoạn là : 3.5(m) Khoảng cách giữa 2 tầng đệm là :0.35 (m) Chiều cao toàn thân tháp : H’ = 0.4+ 3.5+0.35+3.5... nước làm lạnh Chọn nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh là: t1 = 27OC t2 = 40OC _ ⇒ t 1,2 = t1 + t 2 = 33.5OC ⇒ rAcetone = 521.46 (kJ/Kg) 2 rNước = 2425.60 (kJ/Kg) _ _ ⇒ rD = x D x rAcetone + (1 - x D) x CNước = 551.93 x 103 (J/Kg) Suất lượng nước cần tiêu tốn: _ 1500 x (0.9 + 1) x551.963x1000 D x(R + 1)x r D ⇒ Gnl = = = 28940.87 (Kg/h) 4180.94 x(40 − 27) Cn x(t 2 − t1) 3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết. .. (J/Kg.độ) CNước = 4188.125 (J/Kg.độ) _ _ CD = CR = x D x CAceton + (1 - x D) x CNước = 0.984 x 2296.875 + (1 - 0.984) x 4188.125 = 2327.135 (J/KG.độ) _ GR = D x R = 1500 x 0.9 = 1350 (Kg/h) tR = tD = 57.5OC ⇒ QR = 1.806 x 108 (J/h) = 50.18(kW) • Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy : _ Qy = D (1 +R) x λD Trong đó: λD : Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp _ _ λD = Acetone x y D + Nước x (1 - y D)... lượng cho tháp chưng cất: Phương trình cân bằng năng lượng : QF+QD2+QR=Qy+QW+QXq2+QNg2 • Nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang vào QF(J/h) _ QF= F CFtF SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 1 1- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi Trong đó: _ F = 2783.13(Kg/h) tF = 62.5OC (Nhiệt độ đi vào của hổn hợp đầu : ở trạng thái lỏng sôi) CF : Nhiệt dung riêng: tF = 62.5OC  CNước = 4188.265(J/Kg.độ) CAcetone = 2313.125(J/Kg.độ)... 1400OC Hệ số Poatxong : µ = 0.33 Ở giữa mỗi đoạn đệm có hai cửa để nhập đệm, tháo đệm và làm vệ sinh Đường kính cửa là 100 (mm), các cửa này phân bố dọc theo hai đường sinh của tháp Điều kiện làm việc của tháp: p suất bên trong tháp tính (tại đáy tháp ): P = Plv + Ptt + ∆Pcư Ptt = ρhh.g.H _ _ 1 x' (1 − x' ) 0.091 (1 − 0.091) + = + = ⇒ ρhh = 937.84 ρhh ρ' acetone ρ 712.5 968.5 H 2O 0.261(N/mm2) ⇒ P = 9.81... Đường kính tháp : Dt = 400 (mm) Đường kính đóa : Dđ = 250 (mm) Ống dẫn chất lỏng : 19 ống loại 25 x 2 (mm) Bước ống dẫn lỏng trên đóa : 48 (mm) Đóa được làm bằng thép CT3 có bề dày là 5 (mm) Lưới đỡ đệm Đường kính lưới : Dl = 369 (mm) Chiều rộng bước : b = 23 (mm) Bề rộng thanh đỡ đệm : 5 (mm) Xác đònh bề dày lưới đỡ đệm : Khối lượng trên lưới : m = mđệm khô + mnước SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 2 8- MSSV:69902203... Tiệp - Trang 3 0- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Tải trọng cho phép trên 1 chân đỡ : G.1 0-4 2.5 Bề mặt đỡ F.104 (m2) 444 SVTH: Võ Ngọc Tiệp GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi Tải trọng cho phép Trên bề mặt đỡ q.1 0-6 (N/m2) 0.56 L B B1 B2 H l1 S l d 250 180 215 290 350 185 16 90 27 - Trang 3 1- MSSV:69902203 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ I Thiết bò ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Dòng nước. .. của thiết bò chưng cất ứng với nó là tối ưu Rxth Vẽ đồ thò quan hệ giữa (mx i *(Rxi + 1) _ Rxi ) để tìm Rxth 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0.5 1 1 5 Đường làm việc : R xD x+ = 0.474x +0.5 R +1 R +1 f −1 R+f Phương trình đường làm việc của phần chưng : y= xxW R +1 R +1 F 91.271 f= = D 26.786 Phương trình đường làm việc của phần cất : y= II ⇒y= 2.267x -0 .038 Cân bằng năng lượng: 1 Cân bằng nhiệt lượng cho tháp . khíBỘ MÔN MÁY & THIẾT BỊĐỒ ÁN MÔN HỌCQuá Trình & Thiết BòTHIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT HỖN HP ACETONE – NƯỚC LOẠI THÁP ĐỆMNĂNG SUẤT : 1500 (Kg/h)GVHD :. được Acetone tinh khiết là chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Chọn loại tháp chưng cất và phương pháp chưng cất