thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp Nước – Axeton

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 trưng 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 quá trình sản xuất Axeton thường kèm theo nhiều sản phẩm phụ là nước. Vì vậy, nồng độ cũng như độ tinh khiết của Axeton không được cao. Trong phần đồ án này em sẽ trình bày thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền để phân tách hỗn hợp Axeton – Nước.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT HĨA HỌC ĐỒ ÁN MƠN HỌC Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỀ TÀI Thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ khơng có ống chảy chuyền để phân tách hỗn hợp Axeton – Nước Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Văn Sinh viên: Vũ Thị Thu… Lớp: CNKT Hóa Khóa: K13 Mã sinh viên: 2018… Hà Nội, năm 2020 Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội Khoa Cơng nghệ Hóa BỘ CƠNG THƯƠNG CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐỒ ÁN MƠN HỌC Q TRÌNH THIẾT BỊ Số :……… Họ tên HS-SV: Vũ Thị Thu Lớp : ĐHCN Hóa 1- K13 Khóa : K13 Khoa : Cơng nghệ hóa Giáo viên hướng dẫn : Thầy Nguyễn Văn NỘI DUNG Thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ khơng có ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp Nước – Axeton Các thông số ban đầu : - Năng suất tính theo hỗn hợp đầu : F = 7,447 tấn/giờ - Nồng độ cấu tử dễ bay trong: + Hỗn hợp đầu : a = 0,28 phần khối lượng + Sản phẩm đỉnh : a = 0,96 phần khối lượng + Sản phẩm đáy : a = 0,02 phần khối lượng -Tháp làm việc áp suất thường - Hồn hợp đầu gia nhiệt tới nhiệt độ sôi stt Tên vẽ Khổ giấy Số lượng Vẽ dây chuyền sản xuất A4 01 Vẽ hệ thống tháp chưng luyện A0 01 PHẦN THUYẾT MINH Ngày giao đề: 10/09/2020 Ngày hoàn thành: 12/11/2020 NHẬN XÉT ĐỒ ÁN Giáo viên hướng dẫn nhận xét: GVHD: Nguyễn Văn SV: Vũ Thị Thu Page Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội Khoa Công nghệ Hóa Điểm: Chữ ký: Cán chấm hay Hội đồng bảo vệ nhận xét: Điểm: Chữ ký: Điểm tổng kết: Mục lục GVHD: Nguyễn Văn SV: Vũ Thị Thu Page Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội Khoa Cơng nghệ Hóa GVHD: Nguyễn Văn SV: Vũ Thị Thu Page Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội Khoa Cơng nghệ Hóa LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển khoa học kĩ thuật, công nghiệp mang lại cho người lợi ích vô 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: công nghệ thông tin, công nghệ sinh học cơng nghệ điện tử tự động hóa,cơng nghệ vật liệu mới… cơng nghệ hóa giữ vai trị 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 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 SV: Vũ Thị Thu Page Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội Khoa Cơng nghệ Hóa PHẦN I: TỔNG QUAN Lý thuyết chưng cất 1.1 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 q 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 trình sản xuất Axeton thường kèm theo nhiều sản phẩm phụ nước Vì vậy, nồng độ độ tinh khiết Axeton không cao Trong phần đồ án em trình bày thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ khơng có ống chảy chuyền để phân tách hỗn hợp Axeton – Nước Hỗn hợp đầu gồm cấu tử Axeton nước nên gọi chưng luyện hỗn hợp cấu tử Axeton – Nước phân tách thành hai cấu tử riêng biệt nhờ phương pháp chưng luyện liên tục với tháp chưng luyện loại tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền, làm việc với áp suất thường với hỗn hợp đầu vào gia nhiệt đến nhiệt độ sơi Sau q trình chưng luyện, ta thu sản phẩn đỉnh cấu tử có độ bay lớn (Axeton) phần nhỏ cấu tử khó bay (Nước) Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử bay (Nước) phần cấu tử dễ bay (Axeton) GVHD: Nguyễn Văn SV: Vũ Thị Thu Page Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội Khoa Công nghệ Hóa 1.2 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 phương pháp dựa nhiệt độ sôi cấu tử nhiệt độ sơi cấu tử q 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 địi 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 : q trình thực liên tục nghịch dịng nhiều đoạn 1.3 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 công nghệ lọc hóa dầu đường kính tháp phụ thuộc luơng GVHD: Nguyễn Văn SV: Vũ Thị Thu Page Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa Cơng nghệ Hóa 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 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 – Axeton Giới thiệt hỗn hợp chưng 2.1 Nước Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng khơng màu, không mùi, không vị khối nước dày có màu xanh nhạt Khi hóa rắn tồn dạng tinh thể khác • • • • • Khối lượng phân tử Khối lượng riêng d4oc Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ sơi Độ nhớt 25o C : 18g/mol : 1g/ml : 0o C : 100o 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 GVHD: Nguyễn Văn SV: Vũ Thị Thu Page Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội Khoa Công nghệ Hóa Nước dung mơi phân cực mạnh, có khả hịa tan nhiều chất dung mơi quan trọng kỹ thuật hóa học Nước hợp chất hóa học oxy hidro, có cơng thức hóa học H2O Với tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ tính lưỡng cực, liên kết hiđrơ tính bất thường khối lượng riêng) nước chất quan trọng nhiều ngành khoa học đời sống; 70% diện tích Trái Đất nước che phủ 0,3% tổng lượng nước Trái Đất nằm nguồn khai thác dùng làm nước uống Cấu tạo: Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hidro nguyên tử oxy Về mặt hình học phân tử nước có góc liên kết 104,45° Do cặp điện tử tự chiếm nhiều chỗ nên góc sai lệch so với góc lý tưởng hình tứ diện Chiều dài liên kết O-H 96,84 picomet • Tính lưỡng cực: Oxy có độ âm điện cao hidro Việc cấu tạo thành hình ba góc việc tích điện phần khác nguyên tử dẫn đến cực tính dương ngun tử hiđrơ cực tính âm ngun tử oxy, gây lưỡng cực Dựa hai cặp điện tử đơn độc nguyên tử ôxy, lý thuyết VSEPR giải thích xếp thành góc hai nguyên tử hiđrô, việc tạo thành mô men lưỡng cực mà nước có tính chất đặc biệt Vì phân tử nước có tích điện phần khác nên số sóng điện từ định sóng cực ngắn có khả làm cho phân tử nước dao động, dẫn đến việc nước đun nóng Hiện tượng áp dụng để chế tạo lị vi sóng • Liên kết hiđrơ: Các phân tử nước tương tác lẫn thông qua liên kết hiđrơ nhờ có lực hút phân tử lớn Đây liên kết bền vững Liên kết phân tử nước thông qua liên kết hidro tồn phần nhỏ giây, sau phân tử nước tách khỏi liên kết liên kết với phân tử nước khác Đường kính nhỏ nguyên tử hidro đóng vai trị quan trọng cho việc tạo thành liên kết hidro, có GVHD: Nguyễn Văn SV: Vũ Thị Thu Page Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa Cơng nghệ Hóa ngun tử hidro đến gần nguyên tử oxy chừng mực đầy đủ Các chất tương đương nước, thí dụ dihidro sulfua (H2S), khơng tạo thành liên kết tương hiệu số điện tích q nhỏ phần liên kết Việc tạo chuỗi phân tử nước thông qua liên kết cầu nối hidro nguyên nhân cho nhiều tính chất đặc biệt nước, thí dụ nước có khối lượng mol nhỏ vào khoảng 18 g/mol thể lỏng điều kiện tiêu chuẩn Ngược lại, H2S tồn dạng khí điều kiện Nước có khối lượng riêng nhỏ độ Celcius nhờ vào mà băng đá lên mặt nước; tượng giải thích nhờ vào liên kết cầu nối hiđrơ • Các tính chất hóa lý nước: Cấu tạo phân tử nước tạo nên liên kết hiđrô phân tử sở cho nhiều tính chất nước Cho đến số tính chất nước câu đố cho nhà nghiên cứu nước nghiên cứu từ lâu Nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi nước Anders Celsius dùng làm hai điểm mốc cho độ bách phân Celcius Cụ thể, nhiệt độ nóng chảy nước độ Celcius, cịn nhiệt độ sơi (760 mm Hg) 100 độ Celcius Nước đóng băng gọi nước đá Nước hóa gọi nước Nước có nhiệt độ sơi tương đối cao nhờ liên kết hiđrơ Dưới áp suất bình thường nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cao °C: g/cm³ nước tiếp tục giãn nở nhiệt độ giảm xuống °C Điều không quan sát chất khác Điều có nghĩa là: Với nhiệt độ °C, nước có đặc tính giống vật khác nóng nở, lạnh co; với nhiệt độ °C, nước lại lạnh nở, nóng co Do hình thể đặc biệt phân tử nước (với góc liên kết 104,45°), bị làm lạnh phân tử phải dời xa để tạo liên kết tinh thể lục giác mở Vì mà tỉ trọng nước đá nhẹ nước thể lỏng Khi đông lạnh °C, phân tử nước phải dời xa để tạo liên kết tinh thể lục giác mở Nước dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng cực Các hợp chất phân cực GVHD: Nguyễn Văn SV: Vũ Thị Thu Page 10 Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa Cơng nghệ Hóa 2.4 Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đáy W = 5387,191 (kg/h) ρW – khối lượng riêng sản phẩm đáy Từ t0 = tW = 97,21540C nội suy theo bảng I.2 (I-9) ta có: Áp dụng cơng thức với a1 = aw = 0,02(phần khối lượng) Thay vào công thức: Chọn vận tốc lượng hồi lưu ω = 0,2(m/s) sản phẩm đáy hỗn hợp tự chảy ω = 0,1 ÷ 0,5 (II-370), thay vào cơng thức (II-369) ta có đường kính ống dẫn ngun liệu đầu là: Quy chuẩn d =100(mm),l=120mm, theo bảng XIII-32 (II-434) 2.5 Tính đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đáy GVHD: Nguyễn Văn SV: Vũ Thị Thu Page 110 Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội Khoa Công nghệ Hóa Trong ρ – khối lượng riêng đáy tháp (kg/m3) y – hỗn hợp hồi lưu đáy hỗn hợp có y = xw = 0,0063(phần mol) nhiệt độ t = tw = 97,21540C Lượng sản phẩm đáy hồi lưu = 0,365 (m3/s) = Chọn tốc độ ω = 50 (m/s) tháp làm việc áp suất thường với nhiệt ω = 10 ÷30 (m/s) (II-370), thay vào cơng thức (II-369) ta có đường kính ống hồi lưu sản phẩm đáy là: Quy chuẩn d = 100(mm),l=120mm, theo bảng XIII-32 (II-434) 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 GVHD: Nguyễn Văn SV: Vũ Thị Thu Page 111 Trường ĐH Cơng nghiệp Hà Nội Khoa Cơng nghệ Hóa Trong đó: Pn = P= 163400,3679 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