Thiệu thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp metylicnước để thu được metanol có nồng độ 96

Thành phần phần phần trăm của Metanol sử dụng trong công nghiệp được tổng hợp theo bản sau: Trong đó có những ngành công nghiệp đòi hỏi phải sử dụng Metanol có nồng độ tương đối cao.. C

Trang 2

PHẦN MỞ ĐẦU

trong nước , tan nhiều trong dung môi hữu cơ

Ngày nay, Metanol sử dụng rất rộng rải trong những ngành công nghiệp

Metanol được dùng để tổng hợp thuốc nhuộm, formaldehit, hương liệu, dùng làm dung môi pha sơn Metanol chủ yếu được dùng để sản xuất Andehit Fomic nguyên liệu cho công nghiệp chất dẻo Thành phần phần phần trăm của Metanol sử dụng trong công nghiệp được tổng hợp theo bản sau:

Trong đó có những ngành công nghiệp đòi hỏi phải sử dụng Metanol có nồng độ tương đối cao Sau đây em xin giới thiệu thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp Metylic- Nước để thu được Metanol có nồng độ 96%

LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com

Trang 3

MỤC LỤC

Phần mở đầu 1

Sơ đồ dây chuyền sản xuất 3

Phần 1: Tính các thiết bị chính 5

1/ Đổi thành phần khối lượng sang phần mol 5

2/ Phương trình cân bằng vật liệu toàn tháp 5

3/ Số liệu đường cân bằng lỏng(x)- hơi(y) của Metyl- Nước 5

4/ Tính Rmin 6

5/ Xác định số đĩa lí thuyết 6

6/ Giải phương trình cân bằng vật chất và tính đường kính 6

7/ Tính chiều cao tháp 12

8/ Tính trở lực của tháp 20

Phần 2: Tính toán cơ khí 24

1/ Chiều dày của thân 24

2/ Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử( dùng H2O) 26

3/ Tính đường kính ống dẫn 26

4/ Tính đáy và nắp thiết bị 29

5/ Chọn mặt bích 30

6/ Chọn chân đỡ và tai treo của thiết bị 32

Phần 3: Tính cân bằng nhiệt lượng 35

1/ Cân bằng nhiệt lượng thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 35

2/ Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 36

3/ Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ 37

Phần 4: Tính toán và chọn thiết bị phụ 39

1/ Tính toán và chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 39

2/Tính chọn bơm 44

Kết luận 53

Tài liệu tham khảo 54

Trang 4

CÁC KÍ HIỆU THƯỜNG DÙNG TRONG QUÁ

TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ:

ai: phần khối lượng của cấu tử thứ i

xi:phần mol của pha lỏng của cấu thứ i

yi:phần mol của pha hơi của cấu tử thứ i

Mi: trong lượng phân tử của hỗn hợp có n cấu tử F: lượng sản phẩm ban đầu (kg/h)

P: lượng sản phẩm định (kg/h) W: lượng sản phẩm đáy (kg/h)

R: chỉ số hồi lưu

Rth:chỉ số hồi lưu thích hợp N: số đĩa lí thuyết

Nth: số đĩa lí thuyết ứng với Rth

Trang 5

Ta xét tháp chưng luyện loại đĩa lỗ có ống chảy chuyền, làm việc ở áp suất thường Nguyên liệu đầu được chứa vào thùng chứa(1 ) vào được bơm ( 2) bơm lên thùng cao vị ( 3) Từ thùng cao vị, dung dịch hỗn hợp đầu đi vào thiết bị đun nóng dung dịch hỗn hợp đầu (4) Ở đây, dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bảo hòa

có nhiệt độ trung bình ttb=119,60C và P=2at rồi sau đó vào tháp chưng luyện(5) ở đĩa tiếp liệu

Tháp chưng luyện gồm hai phần:

+ Đoạn chưng: phần từ đĩa tiếp liệu trở xuống

+ Đoạn luyện: phần từ đĩa tiếp liệu trở lên

Ở đoạn chưng có bộ phận đun nóng bốc hơi (9) Bộ phận này được gia nhiệt bằng hơi nước bảo hòa ở ttb=119,60C và P=2at Như vậy trong tháp hơi đi từ dưới lên tiếp xúc với dòng lỏng đi từ trên xuống Vì theo chiều cao tháp nhiệt độ càng lên cao thì càng thấp nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên, cấu tử có nhiệt

độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùng ở trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết là các cấu tử dể bay hơi Ở đây hơi được ngưng tụ bằng thiết bị ống chùm (6), sau đó cho một phần hồi lưu về đĩa trên cùng của tháp, một phần khác vào thiết bị làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh

Trong quá trình chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, khi

đó một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp hơn( các cấu tử dể bay hơi) được bốc hơi lên và do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng

Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết các các cấu tử khó bay hơi là nước Thiết bị gia nhiệt (9) để đun sôi tuần hoàn và bốc hơi đáy tháp

Một phần chất lỏng tháo ra ở đáy nồi và được cung cấpvào phần dưới của đáy tháp Một phần khác được tháo ra liên tục Nước ngưng của các thiết bị gia nhiệt được tháo qua cốc tháo nước ngưng (11)

Trang 6

Phần 1: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

1/ Đổi thành phần khối lượng sang phần mol: [II-126]

/ ( )

xj:phần mol của cấu tử thứ j

aj:phần khối lượng cấu tử thứ j

j = 1,2,…n Phần mol của sản phẩm đầu:

GF.XF = GP.XP + GW.XW

Từ hai phương trình trên ta suy ra được:

w w

6162,8

3/ Số liệu đường cân bằng lỏng(x)- hơi(y) của Metyl- Nước:

Trang 7

x R

x m

x R

m

Từ số liệu của đường ta sẽ vẽ được đường cân bằng, và ta sẽ thu được

mmax = 41,62 từ đó ta suy được Rmin = 93,1/41,62 -1 = 1,237 theo đồ thị xác định

Trang 8

6/ Giải phương trình cân bằng vật chất và tính đường kính:

Đường kính được xác định theo công thức: [2 -181]

 

tb

(  y y tb) : tốc độ hơi khí trung bình đi trong tháp (kg/m2.s)

Do lượng hơi thay đổi theo chiều cao của tháp nên

ta phải tính lượng hơi trung bình cho riêng từng đoạn

6.1/ Tính lượng hơi đi trong tháp:

6.1.1/ Tính lượng hơi đi trong đoạn luyện:

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được tính dựa theo công thức [II-182]:

d 1

2

L tb

Với gd:lượng hơi đi vào đĩa trên cùng của tháp (kg/h)

1

- Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp :

- Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện:

Phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng của đoạn luyện:

Trang 9

o F

o P

265( / ) 242( / )

,60 ,100

579( / ) 539( / )

rH2O,tF = 553,5(kcal/kg) = 553,5.4,1868.103.18=41713,088.103 (J/kmol) Vậy r1= 33538,61.103 y1 + (1-y1)41713,088.103

r r y  y r với yd = xp = 0,93

rd= 35080,69.103 0,97 + (1-0,97).43220,33.103=35324,9.103(J/kmol) Thay các đại lượng đã tính trên vào hệ phương trình và với x1 = xF = 0,1369

Trang 10

Giải ra ta được

1 1 1

176, 085.27, 55 4852, 022

L tb

6.1.2 Tính lượng hơi đi trong đoạn chưng:

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được tính dựa theo công 182]:

12

1 1 168, 55.38484,169.10 6, 286.10 ( / )

n n

Trong đó y1’ = yw được tìm theo đường cân bằng ứng với xw Từ đồ thị của

Dựa vào công thức [II-182] ta có:

2

1 R 1 (1 1 )H O

Tra bảng [I-254] và nội suy ở tw=99oC ta được:

Trang 11

' , 1 ' , ,

1 1

1

342,38.0, 0331 342,38.0,00508.40423, 41.10 6, 4865.10

Phân tử lượng trung bình của hơi đi trong đoạn chưng:

M= 32.0,21405+ 18.(1-0,21405) = 20,996 Vậy lượng hơi trung bình chưng tính theo kg/h là:

164, 505.20, 996 3454, 06( / )

c tb

6.2 Tính khối lượng riêng trung bình:

6.2.1 Đối với pha khí:

Trang 12

Tính cho đoạn luyện:

1,80

756( /

751, 5( / )736( /

o

o o

í

=ïïî

3

2;75,5 3

2,80

983( /

974, 4( / )972( /

o

o o

í

=ïïî

821, 33( / )

740, 5 974, 4

L xtb L

xtb

kg m r

3

1,92.25 3

1,100

736( /

722, 5( / ) 714( /

o

o o

í

= ïïî

3

2,92.25 3

2,100

972( /

963, 4( / ) 958( /

o

o o

í

= ïïî

927, 97( / )

722, 5 963, 4

c xtb c

xtb

kg m r

r

6.3 Tốc độ hơi đi trong tháp đĩa lưới:

Theo công thức [II-186] ta có công thức sau:

gh

w 0, 05 x

y

r r

6.3.1 Xét cho đoạn luyện:

Trang 13

kg m

r r

927, 97( / )

0, 7006( / )

c xtb c ytb

kg m

r r

ïïî

tháp làm việc sẻ không có hiện tượng sặc

7/ Tính chiều cao tháp:

Tính chiều cao tháp bằng phương pháp đường cong động học

7.1 Đối với đoạn luyện:

7.1.1 Độ nhớt:

a/ Xét pha hơi:

Trang 14

m , m2:nồng độ phần thể tích của từng cấu tử trong pha hơi

Nhưng nồng độ phần thể tích của từng cấu tử trong pha hơi thì bằng nồng độ phần mol của từng cấu tử trong hỗn hợp

Do đó m1= y tb L = 0, 685Với M hh = 27, 59

Ở t o L = 75, 5o C ,ta tra toán đồ [I-117] ta được:

P: áp suất chung (at)

MA, MB :khối lượng mol của khí A,B

vA,vB: thể tích mol của khí A và B (cm3/mol) Thể tích mol tính theo công thức:

Trang 15

m s kmol

r : khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m3)

Dx: hệ số khuyết tán trung bình trong pha lỏng (m2/s) Theo công thức[II-134] ta được:

m: là độ nhớt của dung môi ở 20oC

2 2

(20 ) (20 )

m m

Trang 16

P r

.

x x

x D x

m r

Thay vào công thức ta có:

9

0,6238000.821, 33.3, 0917.10

120, 03 0, 0737

25, 46.1

x b

m s kmol

7.1.4 Hệ số chuyển khối:

1 1

i

Thay các số liệu vào công thức ta được:

1 1

Trang 17

7.1.5 Tính đường kính ống chảy chuyền:

Dựa vào công thức [II-236] ta được:

c

4

3600 .w

L xtb c

g d

z r

=

Trong đó:

x

L xtb

119, 97.27, 24 3267, 88

L xtb

c

Thay vào công thức tính đường kính ta có:

3600.d  z3600.0,1 821, 33.1   (m/s) Vậy ta chấp nhận được đường kính ống chảy chuyền là: 100 mm

7.1.6 Tính số đơn vị chuyển khối: [II-173]

.

y L L

yT

ytb

K f m

Trang 18

m m

Trang 19

b/ Hệ số cấp khối pha lỏng: theo công thức [II-165] ta được:

0,62

38000

P r

m s kmol

P r

x x

x D x

m r

=

P rx: chuẩn số Pran đối với pha lỏng:

3 9

Thay vào công thức ta có:

9 0,62

m s kmol

7.2.4 Hệ số chuyển khối:

1 1

i

Thay các số liệu vào công thức ta được:

1 1

7.2.5 Tính đường kính ống chảy chuyền:

Trang 20

g d

z r

0, 07099.32 (1 0, 07099).18 18, 99

506, 88.18, 99 9625, 65( / )

c xtb

x c xtb

Thường wcnằm trong khoảng (0,10,2) m/s, ta chọn wc=0,15 m/s

Ta giả thuyết rằng ta dùng 2 ống chảy chuyền ( z = 2) có đường kính như của đường kính ống chảy chuyền của đoạn chưng:

7.2.6 Tính số đơn vị chuyển khối:

Theo công thức tính số đơn vị chuyển khối [II-173]

.

y c c

yT

ytb

K f m

K

7.3 Xác định hệ số phân bố: (mi)

Vẽ đường cong cân bằng

Vẽ đường làm việc của đoạn luyện, đoạn chưng Dựng các đường thẳng vuông góc với Ox tại điểm có hoành độ 0,05; 0,1;

0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9 các đường này cắt đường làm việc tại A1,A2, A3,

A4, A5, A6, A7, A8, A9, A10 và cắt đường cân bằng tại C1,C2,C3,C4,…

Tại mỗi giá trị hoành độ x ta tìm tg góc nghiêng của đường cân bằng theo công thức:

cb i

Trang 21

7.4 Đường cong phụ và số đĩa thực tế:

- Tìm số đơn vị chuyển khối: theo công thức đã tính được ở trên:

Dựa vào bảng số liệu trên ta vẽ đường cong phụ, đường cong phụ đi qua các điểm Bi

Vẽ số bậc nằm giữa đường cong phụ và đường làm việc Số bậc là số đĩa thực tế

Từ đồ thị ta tìm được số đĩa thực tế là Nth=18 Trong đó có 10 đĩa chưng, 8 đĩa luyện

Trang 22

với đĩa tháp làm bằng thép và đường kính tháp 1,2 m; 1,1m nên ta chọn

d

d: bề dày của đĩa, chọn d=0,005 ( m )

(0, 8¸ 1): khoảng cách cho phép ở đáy và đỉnh thiết bị, chọn khoảng cách này là 0,8 m

Vậy:

d: đường kính của lỗ đĩa(m)

Số lỗ của đĩa luyện: n=13,3%.D2/d2

2 2

Trang 23

8.2 Trở lực của đĩa do sức căn bề mặt: DP s

Dựa vào công thức [II-194] ta được:

3 ,75.5

3 ,80

-

2 2

3

0,75.5 3

-

í

= ïïî

4.25, 46.10

19, 58

1, 3.0, 004 0, 08.0, 004

s P

d

d d

-

3

0;92.25 3

-

Trang 24

Vậy:

3 2

8.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa:

Dựa vào công thức [II-194]

2 3

Lc:chiều dài cửa chảy tràn, chọn Lc=0,8m m: hệ số lưu lượng qua cửa chảy tràn phụ thuộc Gx/Lc

a/ Đoạn luyện:

3 3

x

kg m r

x

kg m r

Trang 25

Phần 2: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

- Ở đây hỗn hợp cần chưng là rượu Metylic-Nước, thiết bị làm việc ở áp suất thường Chọn vật liệu làm thân là thép X18H10T là thép không rỉ Thân tháp hình trụ, làm việc chịu áp suất trong

Khi chế tạo loại tháp này cần chú ý:

+ Không khoang lỗ qua mối hàn

- Giới hạn bền của vật liệu tra theo [II-309] :

520.10 ( / ) 220.10 ( / )

=

- Hệ số bền mối hàn ta tra trong bảng [II-362]: j = j h = 0, 95

- Thiết bị thuộc nhóm loại II

- Giá trị có hệ số hiệu chỉnh tra trong bảng [II-356]: h = 1

1/ Chiều dày của thân:

Chiều dày của thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong được xác định theo công thức: [II-360]

dày(m) P:áp suất trong thiết bị (N/m2)

P=Pmt+PL

Pmt:áp suất làm việc thiết bị, Pmt =1at = 1,03.105 (N/m2)

PL: áp suất thủy tĩnh của nước

Theo công thức [II-360] ta được:P L = r1 .g H H: chiều cao của cột chất lỏng ( chiều cao lớn nhất) với: H = N h( d + d)

+ Hệ số bổ sung ăn mòn, bào mòn và dung sai âm về chiều dài (m)

C = C1 + C2 + C3

C2: bổ sung do ăn mòn trong, chọn C2 = 0

thép Tra [II-364] ta được C3= 0,8mm

Trang 26

ïï í

= ïî

1,5 550.10 [ ]= 1 211, 538.10 ( / )

Vậy dựa vào kết quả tính được và bảng [II-380] ta chọn S = 4 mm

Trang 27

Trang 28

Vs: lưu lượng hơi hoặc lỏng đi trong tháp( m3/s)

G V r

=

G: lưu lượng tính theo kg/s

r: khối lượng riêng (kg/m3)

3.1/ Đường kính ống dẫn hỗn hợp hơi sản phẩm đỉnh:

V d=

d ytb

g V r

Quy chuẩn d = 300 mm, chiều dài l = 140 mm

3.2/ Đường kính ống hồi lưu đáy:

Lượng hơi đi vào đĩa đầu tiên của đoạn chưng:

g V r

1,359

0,785.20 = m = (mm)

Quy chuẩn d = 300 mm, chiều dài l =140 mm

Trang 29

729, 9( / ) 968,15( / )

Trang 30

4.1 Tính chiều dày đáy và nắp:

Chiều dày S được xác định theo công thức: [II-385]

Trang 31

Pmt: áp suất làm việc thiết bị Pmt = 1,03.105 (N/m2)

PL: áp suất thủy tỉnh

PL =  c .g h c L .g h L = 821,33.9,81.4,35 + 927,97.9,81.3,64 = 0,412.105 (N/m2)

Do đó: P = 1,03.105 + 0,412.105 = 1,442.105 (N/m2)

Vì :[ ]

6 5

146, 667.10 .0, 72.0, 95 695, 7 30

1, 442.10

h k P

d

P ở mẫu số trong công thức tính S

Vậy

5 6

Do đó theo bảng [II-384] ta chọn bề dày đáy: S = 6 mm

4.2 Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thử thủy lực:

Kiểm tra ứng suất bằng công thức sau:[II-386]

Trang 32

5 Chọn mặt bích:

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị Ta chọn bích liền làm bằng thép để nối thiết bị(

dùng cho thân hình trụ hàn) theo kiểu 1

Bích nối thân tháp: vật liệu là thép Các thông số về bích nối như sau[II-421]

D (m)

D d

(mm)

D1(mm)

Db(mm)

z (cái)

Trang 33

6 Chọn chân đỡ và tai treo của thiết bị:

Thông thường người ta dùng tai treo hoặc chân đỡ hoặc cả hai để giữ thăng bằng cho thiết bị trong quá trình làm việc Để tính được tai treo hoặc chân đỡ người

ta phải tính tải trọng của thiết bị Trọng lượng của tháp gồm trọng lượng của:

- Lượng chất lỏng điền đầy tháp

6.1 Khối lượng thân tháp:

mtháp=Vtháp.r tháp

V=H.F H: chiều cao F:tiết diện cắt ngang của tháp (m2)

6.2/ Khối lượng đáy và nắp:

Tra bảng [II-384] ta được:

Khối lượng nắp: 36,0 kg Khối lượng đáy: 67,0 kg

Trang 34

Vậy khối lượng cả đáy và nắp là: 36,0 + 67,0 = 103,0 (kg)

6.3/ Khối lượng đĩa:

a/ Đoạn luyện:

+ Khối lượng đĩa khi chưa đục lỗ:

Khi chưa đục lỗ thì tiết diện của đĩa là:

2 2

, ( ) 4

D

d: chiều dày của đĩa (m) ,d = 0, 005( )m

Khối lượng của đĩa khi chưa đục lỗ:

1

2

.1, 2 0, 005.7900.8 357, 388( ) 4

L

b/ Đoạn chưng:

+ Khối lượng đĩa khi chưa đục lỗ:

Khi chưa đục lỗ thì tiết diện của đĩa là:

2 2

, ( ) 4

D

d: chiều dày của đĩa (m) ,d = 0, 005( )m

Khối lượng của đĩa khi chưa đục lỗ:

1

2

.1, 1 0, 005.7900.10 375, 381( ) 4

.

Định dạng
Số trang	55
Dung lượng	639,94 KB