Thiết kế tháp đệm làm việc ở áp suất thường chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử acetone – nước

Cùng với sự phát triển của khoa học nói chung và ngành công nghệ thực phẩm nói riêng có sử dụng hóa chất, con người ngày càng có những đòi hỏi cao về các hợp chất tinh khiết để sử dụng trong những thí nghiệm mô phỏng hay ngành công nghiệp của riêng nó. Vì thế các phương pháp để có thể nâng cao được độ tinh khiết của sản phẩm và phù hợp với yêu cầu sử dụng được chú trọng. Các phương pháp như cô đặc, chưng cất, hấp thu được sử dụng để phân tách các chất với mức độ tinh khiết cao. Tuy nhiên, tùy theo đặc tính của sản phẩm mà ta chọn phương pháp thích hợp để sử dụng. Đối với hệ 2 cấu tử acetone – nước là hệ 2 cấu tử lỏng tan hoàn toàn vào nhau, nên ta dùng phương pháp chưng cất để phân riêng và làm tăng độ tinh khiết cho acetone. Đồ án môn học Các quá trình và thiết bị trong Công nghệ thực phẩm là một môn học mang tính tổng hợp các kiến thức trong suốt quá trình học tập, đặc biệt là Cơ học – Thủy lực – Khí nén, Truyền nhiệt, Truyền khối và kết hợp với kiến thức vẽ kỹ thuật mà sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm đã được tìm hiểu. Môn học này giúp sinh viên hiểu được các phương pháp tính toán về kết cấu, công nghệ và hướng đi trong cách thức xây dựng mô hình máy móc hay nhà xưởng. Đồng thời, đây cũng là bước đầu giúp sinh viên vận dụng những kiến thức đã học để vận dụng tính toán một cách tổng hợp và khai thác những khả năng yêu cầu về việc tự học, phân bổ thời gian, và chịu đựng áp lực dưới hạn nộp bài của sinh viên. Nhiệm vụ của đồ án Các quá trình và thiết bị trong Công nghệ thực phẩm là: Thiết kế tháp đệm làm việc ở áp suất thường để chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử Acetone- nước với năng suất tính theo sản phẩm 5000 kg/h có nồng độ đầu là 37% , nồng độ đỉnh là 99.5% và sản phẩm đáy là 0.5% khối lượng acetone.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CNTP Đề tài: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM LÀM VIỆC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG CHƯNG CẤT LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ ACETONE – NƯỚC GVHD: PGS.TS TRỊNH VĂN DŨNG Tp Hồ Chí Minh ngày 20 tháng 12 năm 2019 Nội dung LỜI MỞ ĐẦU Mở đầu Thuyết minh quy trình cơng nghệ Tính tốn cân vật chất 3.1 Cân vật chất 3.2 Tìm số hồi lưu tối thiểu 10 3.3 Chỉ số hồi lưu thích hợp 11 Tính tốn thiết kế thiết bị 21 4.1 Tính tốn đường kính tháp 21 4.1.1 Đường kính đoạn cất 21 4.1.2 Đường kính đoạn chưng 25 4.2 Chiều cao 26 4.3 Tính trở lực cho tháp 28 Chọn thiết kế kết cấu thiết bị 31 5.1 Tính đường kính ống 31 5.1.1 Tính đường ống dẫn sản phẩm đỉnh 31 5.1.2 Tính đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh 31 5.1.3 Ống nhập liệu 32 5.1.4 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy 32 5.1.5 Đường ống hồi lưu sản phẩm đáy 32 5.2 Tính bề dày thiết bị 33 5.3 Tính đáy nắp thiết bị 35 5.4 Tra bích 36 5.5 Tính lưới đỡ đệm, dầm đỡ đệm, đĩa phân phối chất lỏng 38 5.6 Tính chân đỡ 39 5.7 Tính lớp cách nhiệt: 40 Tính tốn thiết bị phụ 41 6.1 Bồn cao vị 41 6.1.1 Hệ số ma sát đường ống 42 6.1.2 Trở lực cục bộ 43 6.1.3 Tổn thất đường ống dẫn qua thiết bị đun sôi nhập liệu 43 6.1.4 Trở lực 44 6.2 Bơm 45 6.3 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 48 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 DAH MỤC BẢNG Bảng 1: : Một số đặc điểm đặc trưng acetone Bảng 2: Nồng độ pha lỏng theo đổi theo nhiệt độ 10 Bảng 3: Số đĩa lý thuyết tương ứng với số bậc thay đổi nồng độ 12 Bảng 4: Các thông số kỹ thuật bề dày thiết bị 33 Bảng 5: Thơng số bích nối 37 Bảng 6: Thơng số bích nối ống 37 Bảng 7: Kích thước đoạn ống nối 37 Bảng 8: Thông số đĩa phân phối lỏng 38 Bảng 9: Thơng số kích thước chân đỡ 40 LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển khoa học nói chung ngành cơng nghệ thực phẩm nói riêng có sử dụng hóa chất, người ngày có địi hỏi cao hợp chất tinh khiết để sử dụng thí nghiệm mơ hay ngành cơng nghiệp riêng Vì phương pháp để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm phù hợp với yêu cầu sử dụng trọng Các phương pháp cô đặc, chưng cất, hấp thu sử dụng để phân tách chất với mức độ tinh khiết cao Tuy nhiên, tùy theo đặc tính sản phẩm mà ta chọn phương pháp thích hợp để sử dụng Đối với hệ cấu tử acetone – nước hệ cấu tử lỏng tan hoàn toàn vào nhau, nên ta dùng phương pháp chưng cất để phân riêng làm tăng độ tinh khiết cho acetone Đồ án mơn học Các q trình thiết bị Công nghệ thực phẩm môn học mang tính tổng hợp kiến thức suốt trình học tập, đặc biệt Cơ học – Thủy lực – Khí nén, Truyền nhiệt, Truyền khối kết hợp với kiến thức vẽ kỹ thuật mà sinh viên ngành Cơng nghệ thực phẩm tìm hiểu Môn học giúp sinh viên hiểu phương pháp tính tốn kết cấu, cơng nghệ hướng cách thức xây dựng mơ hình máy móc hay nhà xưởng Đồng thời, bước đầu giúp sinh viên vận dụng kiến thức học để vận dụng tính tốn cách tổng hợp khai thác khả yêu cầu việc tự học, phân bổ thời gian, chịu đựng áp lực hạn nộp sinh viên Nhiệm vụ đồ án Các q trình thiết bị Cơng nghệ thực phẩm là: Thiết kế tháp đệm làm việc áp suất thường để chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử Acetone- nước với suất tính theo sản phẩm 5000 kg/h có nồng độ đầu 37% , nồng độ đỉnh 99.5% sản phẩm đáy 0.5% khối lượng acetone Mở đầu Acetone hợp chất hữu có cơng thức CH 3COCH3 Nó chât lỏng dễ cháy, khơng màu, có mùi thơm dạng acetone đơn giản Acetone tan vô hạn nước dễ dàng giải phóng khỏi dung dịch nên dùng làm dung mơi để tổng hợp nhiều loại hóa chất, kể số polyme Ngồi cịn chất dùng để làm phịng thí nghiệm ứng dụng để tổng hợp chất hữu clorofom, idofom, bisphenol-A, có thành phần sơn móng tay Acetone tìm thấy vào năm 1595 Libavius, chưng cất khan đường đến năm 1805 Trommsdorff tiến hành sản xuất Acetone cách chưng cất Acetate bồ tạt soda: phân đoạn lỏng nằm phân đoạn rượu eter Bảng 1: : Một số đặc điểm đặc trưng acetone Điểm nóng chảy - 94.7°C Nhiệt độ sôi 56.05°C Tỷ trọng 0.7845 g/cm3 (25°C) Khối lượng phân tử 58.08 g/mol Nhiệt dung riêng Cp 22 Kcal/mol (chuẩn 102°C) Nhiệt trị 0.5176 cal/g (ở 20°C) Do acetone chất lỏng tan nước, nhiệt độ sôi (56.1 ℃ 760 mmHg) nước (100℃ 760 mmHg), khoảng nhiệt độ cách xa đồng thời hỗn hợp khơng có điểm đẳng phí nên phương pháp hiệu để thu Acetone tinh khiết chưng cất liên tục dựa vào nhiệt độ bay khác cấu tử hỗn hợp Có nhiều thiết bị chưng cất sử dụng để tách cấu tử hỗn hợp acetone-nước, thiết bị có đặc điểm khác Tháp đệm thiết bị dùng phổ biến với cấu tạo đơn giản có ưu điểm đặc điểm sau: - Ưu điểm: Hiệu suất cao, chế tạo đơn giản, trở lực thấp diện tích bề mặt riêng lớn Vật liệu đệm cần có khối lượng riêng nhỏ bền hóa học - Nhược điểm: Sự phân bố pha theo tiết diện khơng (có thể tháp cao) nên khó làm ướt đệm Chưng trình tách hỗn hợp chất lỏng (hỗn hợp khí hóa lỏng) thành cấu tử riêng biệt dựa độ bay khác cấu tử hỗn hợp Chưng khác với cô đặc trình bay hơi, cấu tử bay hơi, cịn đặc dung mơi bay hơi, chất tan khơng bay Qúa trình chưng làm tăng nồng độ cấu tử khó bay (nằm vị trí đưa nguyên liệu vào xuống đáy tháp) Cất có tác dụng làm tăng nồng độ cấu tử dễ bay (nằm vị trí đưa ngun liệu vơ lên đỉnh tháp) Người ta thường gọi chung chưng cất phương pháp tách (chiết) dùng nhiệt để tách hỗn hợp đồng thể (dung dịch) chất lỏng khác Trong sản phẩm đỉnh cấu tử có độ bay lớn lượng nhỏ cấu tử có độ bay bé, sản phẩm đáy cấu tử có độ bay bé phần cấu tử bay lớn Đối với hệ aceton – nước sản phẩm đỉnh chủ yếu acetone, sản phẩm đáy chủ yếu nước Thuyết minh quy trình cơng nghệ Hỗn hợp acetone- nước ban đầu có nồng độ 37% (theo khối lượng) từ thùng chứa nguyên liệu (2) bơm (1) bơm lên thùng cao vị (3) Mức chất lỏng cao thùng cao vị giới hạn cửa chảy tràn Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (5), trình kiểm sốt van khóa tự động lưu lượng kế (4) Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (dùng nước bão hòa), hỗn hợp gia nhiệt để đạt đến nhiệt độ sơi Tiếp hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất khu vực nhập liệu tháp chưng cất dạng tháp đệm (9) Ở tháp, pha lỏng xuống tiếp xúc với tạo thành thiết bị gia nhiệt đáy tháp (11) từ lên Ở có tiếp xúc trao đổi hai pha với nhau, trình bốc ngưng tụ diễn nhiều lần Theo chiều cao tháp, lên cao nhiệt độ thấp nên qua tầng đệm từ cấu tử có nhiệt độ sơi cao ngưng tụ, thành phần cấu tử dễ bay pha tăng dần theo chiều cao tháp Cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp mà Aceton chiếm nhiều (99.5% khối lượng) va đáy tháp thu hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay (nước) Hỗn hợp vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (12) ngưng tụ hồn tồn (tác nhân nước lạnh) Một phần chất lỏng sau trình ngưng tự khơng đạt hồi lưu trở lại đỉnh tháp, phần lại làm lạnh thiết bị làm lạnh (13) để làm lạnh tới nhiệt độ cần thiết đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (10) Chất lỏng hồi lưu từ xuống gặp nhiệt có nhiệt độ cao từ lên trên, phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp (acetone) lại bốc lên, phần khó bay (nước) pha ngưng tụ xuống Do đó, nồng độ cấu tử khó bay ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay hơi(nước), phần cấu tử dễ bay (acetone) Hỗn hợp đưa khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, phần đưa thùng chứa sản phẩm đáy (10), phần tận dụng đưa vào thiết bị gia nhiệt đáy tháp (11) Thiết bị có tác dụng đun sơi tuần hồn bốc hỗn hợp đáy Nước ngưng thiết bị tháo qua thiết bị tháo nước ngưng để đem xử lý Tháp chưng cất làm việc liên tục, hỗn hợp đầu sản phẩm cung cấp lấy liên tục Tính tốn cân vật chất 3.1 Cân vật chất Số liệu ban đầu: - Năng suất tạo thành sản phẩm: 5000 kg/h - Nồng độ nguyên liệu đầu :37% khối lượng - Nồng độ sản phẩm đỉnh: 99.5% khối lượng - Nồng độ sản phẩm đáy: 0.5% khối lượng Kí hiệu đại lượng: - GF , GF’ : lượng nguyên liệu đầu vào, kmol/h, kg/h; - GP, GP’: lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h, kg/h; - GW ,GW’: lượng sản phẩm đáy, kmol/h, kg/h; - xF, xF’: nồng độ phần mol acetone nhập liệu (phần mol), (phần khối lượng) - xP, xP’: nồng độ phần mol acetone sản phẩm đỉnh (phần mol), (phần khối lượng) - xW, xW’ : nồng độ phần mol acetone sản phẩm đáy (phần mol), (phần khối lượng) Các thông số tự chọn: - Nhiệt độ nhập liệu: t’F = 25°C - Áp suất nước đun sôi đáy tháp: p = 2.5 at - Nhiệt độ vào, dòng nước làm nguội sản phẩm: tV = 25°C, tR = 40°C - Nhiệt độ sản phẩm đáy sau làm nguội: tWR = 40°C Phương trình cân vật chất toàn tháp: GF = GP + GW Đối với cấu tử dễ bay (Acetone): GFxF = GPxP + GWxW Lượng sản phẩm đáy: GW = GF − GP Chuyển đổi từ phần khối lượng sang phần mol: x = M1 1− + x′ M1 M2 x = M1 xMW′ x = xW′ M1 + 0.995 58 = 1− + xP′ M1 M2 = 0.154 (Phần mol acetone) 0.37 58 − + 0.37 18 x P′ x P′ P 0.37 58 = XF ′ F F xF′ 0.995 + = 1− 0.995 18 0.005 58 0.005 58 + 1− x W′ M2 = 0.984 (Phần mol acetone) = 0.002 (Phần mol acetone) 1− 0.005 18 Khối lượng mol sản phẩm trung bình : MtbG F = xFM1 = 0.154 × 58 + (1 − 0.37) × 18.24.16 ( + (1 − ) kmol M2 xF MtbGP = xPM1 + (1 − xP)M2 = 0.984 × 58 + (1 − 0.984) × 18 kg = 57.36 ( ) kmol MtbGW = XWM1 + (1 − XW)M2 = 0.002 × 58 + (1 − 0.002) × 18 = 18.08 kg ) ( kmol Lượng sản phẩm đỉnh: G P′ 5000 kmol ) GP = = = 87.17 MtbGP ( 57.36 h ′ kg ) ... hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất khu vực nhập liệu tháp chưng cất dạng tháp đệm (9) Ở tháp, pha lỏng xuống tiếp xúc với tạo thành thiết bị gia nhiệt đáy tháp (11) từ lên Ở có tiếp xúc trao đổi hai. .. ? ?acetone, ? ?nước nhiệt lượng riêng acetone nước đỉnh tháp (J/kg) y′ , y′ : phần khối lượng cấu tử acetone nước đỉnh tháp p1 p2 Ta có: ? ?acetone = racetone + tPcacetone ? ?nước = rnước + tPcnước Ở. .. cầu việc tự học, phân bổ thời gian, chịu đựng áp lực hạn nộp sinh viên Nhiệm vụ đồ án Các trình thiết bị Công nghệ thực phẩm là: Thiết kế tháp đệm làm việc áp suất thường để chưng cất liên tục hỗn