Đồ án tính toán thiết kế hệ thống chưng luyện hỗn hợp hai cấu tử cs 2 – ccl

Chưng luyện là phương pháp dùng nhiệt dé tách hỗn hợp các cầu tử có nhiệt độ sôi khác nhau có hồi lưu trở lại một lượng sản ở sản phẩm đỉnh.. Ở đây hỗn hợp đầu được đun nóng đến nhiệt đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC NGANH QUA TRINH - THIET BI TRONG CONG NGHE HOA HOC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BO MON QT - TB CONG NGHE HOA THUC PHAM

NHIEM VU THIET KE MON HOC

Ho va tén: Dau Van Vién

II Các số liệu ban đầu

- _ Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu:

- _ Nông độ tính theo cấu tử dễ bay hơi:

a Tinh can bang vat liệu toàn thiết bị

b Tín đường kính và chiều cao tháp

c Tính trở lực

d Tính toán cơ khí

4 Tính và chọn thiết bị phu

V Cán bộ hướng dẫn: Nguyễn Hữu Tùng

VI Ngày giao nhiệm vụ thiết kế:

VI, Ngày hoàn thành: 19/ 11/2007

Loi mé dau

Trong lịch sử loài người việc chưng tách các câu tử được ứng dụng từ rất sớm

để tách các loại tỉnh dau, khi axit sunfuric, axit nitric và đặc biệt là từ khi rượu được khám phá thì chưng cất trở thành phương pháp hết sức quan trọng Ngày nay chưng cất phát triển rất mạnh được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sông Đặc biệt đối với nhiều ngành trong công nghệ hóa chất thì chưng cất là một khâu quan trọng không thẻ thiếu

Đối với nhiều quá trình công nghệ yêu cầu tách hỗn hợp các chất với nồng độ cao, năng suất lớn do đó người ta sử dụng phương pháp chưng luyện liên tục

Chưng luyện là phương pháp dùng nhiệt dé tách hỗn hợp các cầu tử có nhiệt độ sôi

khác nhau có hồi lưu trở lại một lượng sản ở sản phẩm đỉnh Do đó chỉ số hồi lưu là thông số quan trọng nhất quyết định tính kinh tế và kĩ thuật của quá trình chưng luyện

Đồ án này tính toán và thiết kế tháp chưng luyện liên tục ở áp suất khí quyên

hỗn hợp hợp gồm hai cấu tử CS; —- CCl¿ Thông thường người ta điều chế CCI¿ bằng

cách clo hóa CS; nên việc chưng tách hỗn hợp này là rất quan trọng và có ý nghĩa

lớn trong thực tế Đây là hỗn hợp hai cấu tử ở dạng lỏng tan lẫn vào nhau có nhiệt

độ sôi cách xa nhau CS; có nhiệt độ sôi là 42,2”C, rất độc nên dùng làm thuốc trừ sâu trong nông nghiệp, là dung môi rất tốt cho nhiều chất như brom, iot, lưu huỳnh, photpho, chất béo, sáp, nhựa, cao su v.v Trên thực tế CS; thường dùng được làm dung môi và chất chiết Phần lớn lượng CS; được sản xuất là để dùng vào công nghiệp sợi CCl¿ có nhiệt độ sôi là 77°C thường được dùng để làm dung môi không cháy đối với các chất béo và dùng để dập tắt lửa

Đồ án tính toán, thiết kế này nhằm giúp thành thạo và ngày càng hoàn thiện hơn

các kỹ năng tính toán, khả năng tra cứu tài liệu Đồng thời giúp hiệu sâu sắc hơn về

phương pháp chưng cất nói chung và phương pháp chưng luyện nói riêng bỗ sung vào kiến thức môn hóa công cũng như các môn học liên quan

vị sẽ đi qua thiết gia nhiệt hỗn hợp đầu Ở đây hỗn hợp đầu được đun nóng đến

nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa sau đó đi và tháp chưng luyện (5) tai dia tiép liệu Trong tháp chưng luyện hơi đi từ dưới lên và lòng đi từ trên xuống quá trình chuyển khối xảy ra trong các lớp đệm của thiết bi Theo chiều cao tháp thì càng lên cao nhiệt độ càng giảm do đó CC, có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ ngưng tụ lại thành lỏng đi xuống phía đáy tháp đồng thời nhiệt tỏa ra khi ngưng tụ sẽ giúp làm bay hơi

CS; Do đó hơi đi lên từ đáy tháp chứa chủ yếu là CS; và ở đáy tháp là hỗn hợp giàu

CCI¿ Hơi ở đỉnh tháp chứa một ít CCl¿ đi qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (6) ngưng tụ thành lỏng và nhờ thiết bị phân chia dòng (7) thì một phần sản đỉnh được hồi lưu trở lại tháp dé tăng độ tỉnh khiết của sản phẩm đỉnh Phân còn lại nông độ đạt yêu cầu được đưa qua thiết bị làm lạnh (8) để làm lạnh đến nhiệt độ thường trước khi đi vào thiết bị chứa sản phẩm đỉnh (10) Hỗn ở sản phẩm lỏng ở đáy tháp một phần cũng được hồi lưu trở lại, được đun bốc hơi nhờ thiết bị (9) và đi vào đáy thiết bị chưng luyện Phần còn lại được đưa vào thiết bị chứa sản phẩm day (11).

Phần III TÍNH TOÁN KĨ THUẬT VÀ THIẾT BỊ CHÍNH

I.Đỗi nông độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol

Ta có nông độ mol của cấu tử dễ bay hơi:

Nông độ mol của CS; trong hỗn hợp sản phẩm đáy:

HI Giải cân bằng vật liệu

IIT.1 Tinh theo phan khéi lwong (kg/s)

- Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:

IV.Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu và chỉ số hồi lưu thích hợp

IV.1 Tính chỉ số hồi lưu toi thiếu

Chỉ số hôi lưu tối thiểu được xác định theo công thức:

Yr Xe

y,: Phan mol cau tir dé bay hoi 6 trang thái cân bằng, phần mol

Xp, Xp: Phan mol ctia cau tir dé bay hơi ở hỗn hợp đầu và sản phẩm đỉnh

Từ số liệu thành phần cân bằng lỏng-hơi của bảng L.X.2a[2-145] ta vẽ được đồ thị đường cân băng như hình IV.1 và từ đô thị ta xác định được y;„ = 0,61

— 0,98-0,61

mm 061-0,36

IV.2.Xác định chỉ số hôi lưu thích hợp

Tính chỉ số hồi lưu thích hợp ( R„„) dựa vào hệ số hồi lưu ( hệ số hiệu chỉnh):

Thông thường Ø có giá trị từ l- 2,5

Chỉ số hồi lưu thích hợp ứng với giá trị cực tiêu trên đường cong biểu quan hệ giữa N„(R+1) và R Trong đó: N„: Sô đĩa lí thuyêt,

R: Chỉ số hồi lưu Bằng phương pháp đồ thị ta xác định được số bậc thay đổi nồng độ (N) khác nhau tương Ứng với các giá trị 8 khác nhau theo đô thị từ hình IV.2.1 - IV.2.6

min

Kết quả được tông hợp đưới bảng sau:

Đồ thị IV.2.8 biểu điễn quan hệ y — x, đường làm việc đoạn chưng, đoạn luyện

và số bậc thay đổi nồng độ ứng với R„= 2,4 và N„ = 16,Nj¿=9,N£ =7

IY.3 Phương trình dường làm việc của dụan chưng và đoạn luyện

* Phương trình đường làm việc đoạn luyện

R„ +1 R„ +1

D = 0,0188 |2“— , m

(pyØ,) Trong đó:

D: Đường kính tháp

V„: Lượng hơi (khi) trung bình đi trong tháp, mÌ/h

z„ : Tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp, m⁄s

G„: Lượng hơi ( khí) trung bình di trong thap, kg/h

(8,05) :Tốc độ hơi (khí) trung bình di trong thap, kg/m’s

V.1 Tính lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện và đoạn chưng của tháp

G, G,: Luong dòng lỏng và dòng hơi trong đoạn luyện, kg/s;

G,, Œ;: Lượng dong lỏng và dòng hơi trong đoạn chưng, kg/s;

M, Khối lượng mol của sản phẩm đỉnh, kg/kmol;

M,,M ,: Khối lượng mol trung bình của lỏng trong đoạn luyện và đoạn chưng của tháp, kg/mol

Ta có:

M,= Mẹ, x„ + M u„ (1— x„) (III — 118]

M, = Mos, -X_ + Mca, d- Xp) [II — 118]

x‡,x¿ : Phần mol trung bình của đoạn luyện và đoạn chung, phan mol

Є›Ðy : Khối lượng riêng của pha lỏng và pha hơi, kg/mỷ;

a„ u„: Độ nhớt của pha lỏng và độ nhớt của nước ở 20°C, N.s/m”;

G,, Gy: Luong long và lượng hơi trung bình, kg/s

V.2.]1 Nhiệt độ trung bình của đoạn luyện và đoạn chưng

Từ số liệu trong bang I.X.2a[2-145] ta xây dựng được đồ thị quan hệ t-x,y như

hình V.21 Qua đồ thị ta xác định được: t„ = 76,08°C, tp = 60,29°C, tp= 46,62°C.Ta

Pres, : Khối lượng riêng của CS; lở đoạn luyện;

Øcạ, : Khối lượng riêng của CCl¿ ở đoạn luyện;

ĐQs, : Khối lượng riêng của CC; ở đoạn chung;

10

Pect, ' Khối lượng riêng của CCL¿ ở đoạn chưng

Khối lượng riêng của hỗn hợp CS,- CCl, 6 đoạn luyện và đoạn chưng được xác

định theo công thức sau:

XỊ X2: Nong độ phần khối lượng của C5; và CCl¿ ở đoạn luyện;

x¡, xạ : Nồng độ phần khối lượng của CS; và CCl¿ ở đoạn chưng

Dựa vào số liệu quan hệ ¿ -trong bảng I.101[I-91] và bằng phương pháp nội suy

trên đồ thị V.2.3 ta xác định được:

uạ, = 0,263.10” Ns/m”

Mig, = 0,627.10° Ns/mử

Mcs, : DO nhét cua CS, ở đoạn luyện, N.sm7

Hee, ' Độ nhớt của CCl¿ ở đoạn luyên, N.s/m7

#cs, : Độ nhớt của CS; ở đoạn chưng, N.s/m?

Mic, 1 DO nhét cua CCl, 6 đoạn chưng, N.s/m”

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng được xác định như sau:

Ig uw, = x„lg uy + (Ì— x„)ÌE Hee,

V.2.4 Chon loai đệm(Thể tích tự do va bé mat riêng của đệm)

Chọn loại đệm vòng Rasiga làm bằng thép có kích thước 35x35x4,0mm Tra số liệu trong bảng [II - 193] ta có:

Ig0,072.(ø!Ÿ = - 0,90

o! = 1,32 mis

VI Tính chiều cao tháp chưng luyện

Đối với tháp chưng luyện loại đệm chiều cao tháp thường được tính theo số đơn

vị chuyên khôi:

H, =h,,.m ! y>M;

Hay:

hay: chiéu cao ca 1 don vi chuyén khối, m;

m,, My: Số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha lỏng và pha

hơi

VI.] Xác định số đơn vị chuyển khối

- Số đơn vị chuyên khối được xác định bằng phương pháp tích phân đồ thị:

y„ : Thành phần mol của pha hơi;

y: Thành phần làm việc của pha hơi

- Phương pháp xác định:

Cho nhiều giá trị của x, theo đồ thị đường cân bằng và đường làm việc ở R„ xác

định được các giá trị của y„ và y Tính được giá trị , xây dựng đồ thị quan

Y„p —Ỳ

hệ giữa và y (hình V,1) Giá trị m chính là diện tích giới hạn bởi đường

X„p ~ y

cong, trục hoành và các đường y= y„; y =ÿy,

- _ Kết quả được tổng hợp dưới bảng sau:

yy

ms=|—“ —= 6,48

w Jcb —}

VI.2 Xác định chiều cao của 1 đơn vi chuyén khé

Chiều cao của 1 đơn vị chuyên khối được xác định như sau:

mG

x

Trong do:

h,: Chiều cao cua 1 don vi churyén khối đối với pha hơi, m;

h,: Chiều cao của 1 đơn vị chuyền khối đối với pha lỏng, m;

Ớ, : Lưu lượng pha hoi, kg/s;

G,: Luu lugng pha long, kg/s;

m : Giá trị tg của góc nghiêng đường cân bằng tạo với mặt phẳng ngang;

Va

ayo,

15

ø„: Khối lượng riêng của lỏng, kg/m?

u,,: D6 nhét cia pha long, Ns/m7;

Re,, Rey: Chuẩn số Reynon của pha lỏng và pha hơi;

Pr,, Pry: Chuẩn số Pran của pha lỏng và pha hơi;

VI2.1 Xác định giả trị m

Đề xác định giá trị hệ số phân bố m ta chia đường cân bằng ra làm nhiều đoạn

va tim giá trị tg góc nghiêng của những đoạn đã chia, khi đó m được xác định theo công thức:

i: S6 doan duoc chia (i = 3 — 6)

Từ hình VI.2.1 cho ta các giá trị góc m như sau:

Hệ số thâm ướt phụ thuộc vào tỉ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp

Mật độ tưới thực tế:

V U,=—, m*/m*h;

F,

Mật độ tưới thích hợp:

U„, =B.ơ, , m nh;

: Diện tích mặt cắt ngang của tháp; m7;

B: Hắng số, đối với chưng luyện lấy giá trị 8 = 0,065

Dựa vào đồ thị hình IX.16[I-178] ta xác định duoc y = 0,96

VI.2.3 Xác định chiêu cao của 1 đơn vị chuyển khối ở đoạn luyện

e_ Xác định chuẩn số Reynon:

- Chuẩn số Reynon pha hơi:

=0,94

- Chuẩn số Reynon pha lỏng:

" (v2 tvs ) Mes, Mca, s, + Veci,

T,: Nhiệt độ trung bình của đoạn luyện, K

Pr‘ = spe [11-178]

yy Trong do:

VI.2.5 Chiêu cao toàn tháp

Chiều cao làm việc của đoạn luyện:

Chiều cao đệm đoạn luyện của tháp là 9,77 do đó:

“ = Tác = 6,08 > 5Š nên ta chia đoạn làm 2 ngăn.khoảng cách giữa hai ngăn là 0.9 m

Khoảng cách từ đỉnh tháp đến lớp đệm đoạn luyện là 0.9 m

Khoảng cách từ đáy tháp đến lớp đệm đoạn chưng là 0.9m

khoảng cách giữa lớp đệm đoạn chưng và đoạn luyện là 1m

Vậy chiêu cao của tháp là:

1: Hé s6 tro luc cha đệm(gồm trở lực ma sát và trở lực cục bộ);

O,: Tốc độ của khí tinh trên toàn bộ tiết diện tháp(vận tốc làm việc của khí

trong tháp);

O,: Bé mặt riêng của đệm, mm;

V„: Thẻ tích tự do của đệm, mÌ/m

a/ Đi với đoạn luyện

Chuẩn số Reynon đoạn luyện:

ape = 4 HeFa PoP _ 483 6 yo 139 _ 9:94 498 _ 490497 Nim? 4 VỆ 2 4 0,78 2

Trở đối với 1m đệm đoạn chưng là:

AP2 = 7 = 755,77 N/m?

c

VIIL2 Trở lực dêm ướt

Trở lực đệm ướt được xác định theo công thức sau:

K: Hệ số đặc trưng cho mật độ tưới

a/ Trở lực ướt đoạn luyện:

Thông số tưới đoạn luyện A :

A, < 0,3 nén hé số K duoc xác định theo công thức sau:

b/ Trở lực ướt đoạn chưng

Thông số tưới đoạn chưng:

u? =0,465.102Ns/m7

be = L4 _ L4 -0348

(Re: |’ 212,98"

Phần IV: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

Tính toán cơ khí là nhằm thiết kế được tháp chưng luyện phù hợp với các thông

sô công nghệ của quá trình Vật liệu chê tạo được chọn cho thiệt kê toàn bộ tháp chưng là thép CT3 với các ưu điệm và nhược điêm sau:

© Uudiém:

- Rẻ tiền, dễ gia công chế tạo

- Phù hợp với điều kiện làm việc(hỗn hợp chưng là CS; - CCl)

e© Nhược điểm:

- Là thép bị ăn mòn trong môi trường không khí â âm đặc biệt là khi tháp để ngoài

trời với nhiêu biến đổi của thời tiết và độ âm không khí

de khac phuc nhuge điểm này thì ta sơn bên ngoài bề mặt của các chỉ tiết và thiệt bị một lớp son chong gi

D,: Duong kinh trong cua thiét bi, m;

o: Hé s6 bén cua thanh hinh tru theo phuong doc, m;

C: Hằng số đo ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m

P: Áp suất trong của thiết bị, N/m”;

[o]: Ung suat cho phép của vật liệu chế tạo, N/m’

- Duong kinh thap:

p,: Khối lượng riêng của lỏng, kg/m?

C¡: Bồ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi

trường và thời gian làm việc của thiết bị, mm Chọn C¡ = 1mm

C¿: Bồ sung do ăn mòn(Nguyên liệu chứa các hạt rắn chuyển động)

Chon C, = 0

C: Bố sung do dung sai chiều dày phụ thuộc vào chiều dày của tâm thép

Theo bang XIII.9[II-364] ta chon C3; = 0,5mm

- Ứng suất cho phép của thép CT:;

Do tháp làm việc chỊu tác dụng của tải trọng đọc trục nền ta có:

+ Ứng suất cho phép của vật liệu theo giới hạn bền:

lơ, ]= “En ny

ơ, : Giới hạn bền khi kéo, N/m”;

Theo bảng XII4[IH-309] ta có ơ,= 380.10” N/m”;

n, : Hệ số an toàn theo giới hạn bền

Lay chiều dày của thân thiết bị là ý = 4mm

1.2 Kiểm tra ứng suất thử của thành theo áp suất thử(dùng nước):

Ấp suất thử được xác định như sau:

Po = Py +P,

P„: Áp suất thử thủy luc, N/m?

Theo bang XIIL.5[II-358] ta chon P, = 1,25 P = 1,25.3,75.10° = 4,69.10°

œ: Vận tốc thích hợp của khí(hơi) hoặc lỏng di trong thap, m/s;

Đối với chất lỏng tự chảy œ= 0,1 — 0,5m/s;

Hơi bão hòa đi trong ống dẫn khí áp suất lớn hơn lat ø= 15 — 20m/s;

V,: Lưu lượng hơi hoặc lỏng di trong thap, m’/s;

y= p

G : Lưu lượng tính theo kg/S;

o: Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng hoặc hơi đi trong ống, kg/mỶ

II.1 Đường kính Ống dẫn hỗn hợp dầu

d, — Vir , m

0,7850, Trong do:

Gr , m°/s

F Vor —

Quy chu4n theo bang PL.8[I - 343] ta có:

Duong kinh trong: 158mm

Duong kinh ngoai: 168mm

Pp =

273 = 2,96kg/m°*

f„ +t„ = 46,62”C, Nội suy từ bảng L.2[I - 9] ta có:

II Tính đáy và nắp thiết bi

Ấp suất làm việc của thiết bị P = 3,82.10”N/mỂ > 7.10 N/mỸ nên ta chọn đáy và nap dang elip có gờ, chiêu cao của gờ A= 50mm

HI.1 Chiều dày đáy tháp

a/ Chiều dày của đáy được xác định theo công thức sau:

d,: Đường kính lớn nhất(hay kích thước lớn nhất của lỗ không phải hình

tròn) lỗ không tăng cứng của đáy

Chọn chiều dày của đáy S = 7mm

b/ Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thử thủy lực

_ [D7 +2.4,(S-O)]P) _ ø, _ 240.101 7,6.4.9h,(S—C) ` 1⁄2 < € 12 = 200.10° N/m?

_ |I400?+2.350(7-3,5)|7,57.10

7,6.0,90.0,95.350.(7 — 3,5)

Vậy chiều dày của đáy S = 7mm là thỏa mãn

III.2 Chiều dày nắp tháp

=186,63.105< 200N/mZ