Thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp chóp để phân tách hỗn hợp aceton ccl4

Chúng ta đang sống trong nền kinh tế hậu công nghiệp hay còn gọi là kinh tế mới, nền kinh tế tri thức. Đặc trưng chủ yếu của nền kinh tế này là sự xuất hiện của các ngành công nghệ cao, công nghệ tự động hóa và người máy, công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới… Trong ngành công nghệ vật liệu mới không thể không nhắc tới ngành công nghệ hóa học, bởi công nghệ hóa học thuộc nghành công nghệ đòi hỏi kỹ thuật cao, mức độ phát triển khoa học của một đất nước.Khi mà khoa học kỹ thuật càng phát triển, nhu cầu về đồ dùng phương tiện phục vụ càng lớn thì đòi hỏi đến sản phẩm hóa học càng nhiều. Nhận thấy rõ sự phát triển như vũ bão của ngành công nghệ hóa học với lối tư duy nhạy bén và sáng tạo, khoa Công Nghệ Hóa trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đã đào tạo ra những sinh viên chuyên ngành hóa. Điều đó không chỉ cung cấp cho đất nước đội ngũ những công nhân lành nghề, những thợ kỹ thuật có tay nghề cao mà nó còn mở ra cơ hội việc làm cho giới trẻ trong lĩnh vực khá mới mẻ này.Là một sinh viên khoa Công Nghệ Hóa của trường, chúng em đã được trang bị rất nhiều những kiến thức cơ bản về các quá trình thiết bị của công nghệ sản xuất những sản phẩm hóa học, để củng cố những kiến thức đã học, cũng như để phát huy trình độ độc lập sáng tạo giải quyết một vấn đề cụ thể của sinh viên trong thực tế sản xuất, chinh vì vậy khi được nhận bản đồ án quá trình thiết bị này là một cơ hội tốt để cho chúng em được tìm hiểu về các quá trình công nghệ, được vận dụng những kiến thức đã được học và mở rộng vốn kiến thức của mình, từ đó cho chúng em cái nhìn cụ thể hơn về ngành nghề mình đã lựa chọn.Bản đồ án này không chỉ làm sáng tỏ thêm lý thuyết, nắm vững phương pháp tính toán và nguyên lý vận hành thiết bị, mà đây chính là một cơ hội tốt để sinh viên tập dượt giải quyết những vấn đề cụ thể trong thực tế sản xuất.Để hoàn thành được bản đồ án này em xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến các thầy cô khoa Công Nghệ Hóa, đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Thế Hữu đã giành cho chúng em sự ưu đãi đặc biệt, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em làm đồ án.Do thời gian và kiến thức bản thân em còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi những thiếu sót em rất mong nhận được sự góp ý, những lời nhận xét và sửa chữa của thầy cô để bản đồ án của em được hoàn chỉnh hơn.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THÁP CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC LOẠI

Hà Nội, 2021

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI CẢM ƠN 4

LỜI NÓI ĐẦU 6

PHẦN 1 GIỚI THIỆU CHUNG 8

1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN 8

1.1 Phương pháp chưng luyện 8

1.2 Thiết bị chưng luyện 9

2 GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP ĐƯỢC CHƯNG LUYỆN 9

3 SƠ ĐỒ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 12

3.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ 12

3.2 Thuyết minh dây chuyền 14

4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 15

4.1 Kí hiệu các đại lượng như sau: 15

5 TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP : 26

5.1 Tính lưu lượng các dòng pha đi trong tháp: 26

5.2 Tính đường kính đoạn chưng 29

5.3 Đường kính đoạn chưng : 36

6 TÍNH CHIỀU CAO THÁP : 37

6.1 Hệ số khuếch tán: 37

6.2 Hệ số cấp khối: 39

6.3 Hiệu suất tháp - Chiều cao tháp: 51

7 TÍNH TRỞ LỰC CỦA THÁP: 52

7.1 Trở lực của đĩa khô: 52

7.2 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt: 54

8 TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG: 62

8.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: 62

Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện: 64

8.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ: 69

9 TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 72

9.1 THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU 72

9.2 Lượng nhiệt trao đổi: 73

9.3 Diện tích trao đổi nhiệt: 74

10 TÍNH BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ: 82

10.1 Các trở lực của quá trình cấp liệu : 82

11 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN: 96

11.1 Tính toán thân tháp: 96

11.2 Tính chóp và kích thước cơ bản của chóp: 99

11.3 Tính đáy và nắp thiết bị: 101

11.4 Chọn mặt bích : 104

KẾT LUẬN 116

TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

LỜI CẢM ƠN

Chúng ta đang sống trong nền kinh tế hậu công nghiệp hay còn gọi là kinh tế mới, nền kinh

tế tri thức Đặc trưng chủ yếu của nền kinh tế này là sự xuất hiện của các ngành công nghệ cao, côngnghệ tự động hóa và người máy, công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới… Trong ngành côngnghệ vật liệu mới không thể không nhắc tới ngành công nghệ hóa học, bởi công nghệ hóa học thuộcnghành công nghệ đòi hỏi kỹ thuật cao, mức độ phát triển khoa học của một đất nước

Khi mà khoa học kỹ thuật càng phát triển, nhu cầu về đồ dùng phương tiện phục vụ càng lớnthì đòi hỏi đến sản phẩm hóa học càng nhiều Nhận thấy rõ sự phát triển như vũ bão của ngành côngnghệ hóa học với lối tư duy nhạy bén và sáng tạo, khoa Công Nghệ Hóa trường Đại Học CôngNghiệp Hà Nội đã đào tạo ra những sinh viên chuyên ngành hóa Điều đó không chỉ cung cấp chođất nước đội ngũ những công nhân lành nghề, những thợ kỹ thuật có tay nghề cao mà nó còn mở ra

cơ hội việc làm cho giới trẻ trong lĩnh vực khá mới mẻ này

Là một sinh viên khoa Công Nghệ Hóa của trường, chúng em đã được trang bị rất nhiềunhững kiến thức cơ bản về các quá trình thiết bị của công nghệ sản xuất những sản phẩm hóa học, đểcủng cố những kiến thức đã học, cũng như để phát huy trình độ độc lập sáng tạo giải quyết một vấn

đề cụ thể của sinh viên trong thực tế sản xuất, chinh vì vậy khi được nhận bản đồ án quá trình thiết

bị này là một cơ hội tốt để cho chúng em được tìm hiểu về các quá trình công nghệ, được vận dụngnhững kiến thức đã được học và mở rộng vốn kiến thức của mình, từ đó cho chúng em cái nhìn cụthể hơn về ngành nghề mình đã lựa chọn

Bản đồ án này không chỉ làm sáng tỏ thêm lý thuyết, nắm vững phương pháp tính toán vànguyên lý vận hành thiết bị, mà đây chính là một cơ hội tốt để sinh viên tập dượt giải quyết nhữngvấn đề cụ thể trong thực tế sản xuất

Để hoàn thành được bản đồ án này em xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến các thầy côkhoa Công Nghệ Hóa, đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Thế Hữu đã giành cho chúng em sự ưu đãi đặcbiệt, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em làm đồ án

Do thời gian và kiến thức bản thân em còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi nhữngthiếu sót em rất mong nhận được sự góp ý, những lời nhận xét và sửa chữa của thầy cô để bản đồ áncủa em được hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cám ơn!

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triểnvượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước nhà,các ngành công nghiệp nhất là công nghiệp hóa chất và thực phẩm cần thiết nhiều hóa chấtcó độ tinh khiết cao Để đạt được điều này người ta thường tiến hành phân tách các cấu tử rakhỏi hỗn hợp đầu, trong đó chưng cất là một trong những phương pháp được sử dụng phổbiến hiện nay

Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách một phần hỗn hợp lỏng ra thành các cấu tửriêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng trong hỗn hợp ở cùng nhiệt độ đo.Phương pháp này ứng dụng để tách hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan hoàntoàn hoặc một phần vào nhau Hỗn hợp này có thể chỉ có hai cấu tử hoặc nhiều hơn Với hệhai cấu tử sẽ thu được sản phẩm đỉnh gồm phần lớn là cấu tử dễ bay hơi và sản phẩm đáychứa đa phần là cấu tử khó bay hơi

Trong sản xuất ta thường gặp các phương pháp chưng khác nhau như : chưng đơngiản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng chân không và đặc biệt hơn là chưng luyện

Chưng luyện là phương pháp thông dụng dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử

dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau.Chưng luyện ở ápsuất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao,các cấu tử dễ bay hơi vàngược lại

Vật liệu gia công là thép không gỉ bởi vì hỗn hợp cần tách là hệ ăn mòn mạnh, mặtkhác tuy giá thành sản xuất còn cao nhưng đáp ứng được những tiêu chuẩn cơ bản của thiết

bị hóa chất đó là: chống ăn mòn, bền nhiệt, cơ tính tốt, tuổi thọ làm việc lâu dài …

Đồ án môn Quá trình và Thiết bị bước đầu giúp sinh viên làm quen với việc tính toánvà thiết kế một dây chuyền sản xuất, mà cụ thể trong đồ án này là hệ thống chưng luyện liêntục

Với đề tài:

Thiết kế và tính toán hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất thường để tách hỗn hợp 2 cấu tử : Aceton - CCl4

PHẦN 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN

1.1 Phương pháp chưng luyện

Chưng luyện là một phương pháp nhằm để phân tách một hỗn hợp khí đã hóa lỏngdựa 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 trong đó hỗn hợp được bốc hơi vàngưng tụ nhiều lần Kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp ta thu được một hỗn hợp gồm hầu hết cáccấu tử dễ bay hơi và nồng độ đạt yêu cầu Phương pháp chưng luyện cho hiệu suất phân táchcao, 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 phântách đa dạng như tháp chóp, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ có ống chảytruyền, tháp đệm… Cùng với các thiết bị ta có các phương pháp chưng cất là:

a Áp suất làm việc:

- Chưng cất ở áp suất thấp

- Chưng cất ở áp suất thường

- Chưng cất ở áp suất cao

Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên nhiệt độ sôi của các cấu tử: nếu nhiệt độsôi của các cấu tử quá cao thì giảm áp suất làm việc để giảm nhệt độ sôi của các cấu tử

b Nguyên lý làm việc: có thể làm việc theo nguyên lý liên tục hoặc gián đoạn:

-Chưng gián đoạn: phương pháp này được sử dụng khi:

Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

Không cần 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 liên tục: là quá trình được thực hiện liên tục nghịch dòng và nhiều đoạn

1.2 Thiết bị chưng luyện

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp khác nhau nhưng chúng đều cómột yêu cầu cơ bản là diện tích tiếp xúc bề mặt pha lớn

Tháp chưng luyện phong phú về kích cỡ và ứng dựng Các tháp lớn thường được sửdụng trong công nghệ lọc hóa dầu Đường kính tháp phụ thuộc vào lượng pha lỏng và lượngpha khí, độ tinh khiết của sản phẩm Mỗi loại tháp chưng lại có cấu tạo riêng, có ưu điểm vànhược điểm khác nhau, vậy ta phải chọn loại tháp nào cho phù hợp với hỗn hợp cấu tử cầnchưng và tính toàn kích cỡ của thết bị cho phù hợp với yêu cầu

Trong đồ án này em được giao thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm đểphân tách hỗn hợp hai cấu tử là Axetandehit- Benzen, chế độ là việc ở áp suất thường vớihỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi

2 GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP ĐƯỢC CHƯNG LUYỆN

Cacbontetraclorua có cấu trúc phân tử là CCl 4 phân tử gam là 183,84g/mol Bề ngoàiChất lỏng không màu , khối lượng riêng là 1,5842 g/cm, dễ bay hơi ,tnc=-229,2 oC; ts =76,72 oC.Là một chất không phân cực Trong vai trò của một dung môi, nó hòa tan khá tốtcác hợp chất không phân cực khác, chất béo và dầu mỡ Sử dụng chủ yếu hợp chất này làmchất phản ứng trong tổng hợp hữu cơ Đây là một chất lỏng không màu có mùi "thơm".Nhưng nó hơi dễ bay hơi, tạo ra hơi với mùi đặc trưng như của các dung môi clo hóa khác,hơi tương tự như mùi của tetraclorthylen dùng trong các cửa hàng giặt là khô Nó được dùnglàm dung môi trong nghiên cứu hóa tổng hợp Đôi khi nó là hữu ích để làm dung môi chophổ hồng ngoại học do không có các dải hấp thụ đáng kể > 1.600 cm-1 Docacbontetraclorua không chứa bất kỳ nguyên tử hiđrô nào, nên trong quá khứ nó được dùngtrong phổ NMR proton Tuy nhiên, cacbon tetraclorua là độc hại và khả năng hòa tan của nólà thấp Nó đã bị thay thế phần lớn bởi các dung môi đơteri hóa, thường là có các thuộc tínhhòa tan tốt hơn và cho phép phổ kế giam giữ đơteri.Phơi nhiễm trước hàm lượng cao củacacbon tetraclorua (bao gồm cả thể hơi) có thể ảnh hưởng tới hệ thần kinh trung ương và làmsuy thoái gan và thận cũng như có thể gây ra (sau phơi nhiễm kéo dài) hôn mê và thậm chígây tử vong Phơi nhiễm kinh niên trước cacbontetraclorua có thể gây ra ngộ độc gan và tổnthương thận hay gây ra ung thư Đầu thế kỷ 20, cacbon tetraclorua được sử dụng rộng rãilàm dung môi tẩy rửa khô, cũng như làm chất làm đông lạnh hay trong các bình chữa cháy.Tuy nhiên, khi người nhận thấy dường như phơi nhiễm cacbon tetraclorua có ảnh hưởngnghiêm trọng tới sức khỏe thì các chất thay thế an toàn hơn như tetracloroethylen được dùng

cho các ứng dụng đó và việc sử dụng nó trong các ứng dụng này bị suy giảm từ khoảng năm

1940 trở đi Cacbon tetraclorua còn được dùng làm thuốc trừ dịch hại để giết sâu bọ trongngũ cốc đang lưu trữ, nhưng trong năm 1970, nó đã bị cấm dùng trong các sản phẩm tiêudùng tại Hoa Kỳ.Trước khi có nghị định thư Montreal một lượng lớn cacbon tetraclorua đãđược sử dụng để sản xuất các chất làm lạnh freon R-11(tricloroflorometan) và R-12(diclorodiflorometan) Tuy nhiên, các chất làm lạnh này hiện nay bị coi là đóng vai trò trong

sự suy giảm ôzôn và bị loại bỏ Cacbon tetraclorua hiện vẫn còn được dùng để sản xuất cácchất làm lạnh ít phá hủy hơn.Cacbon tetraclorua cũng được sử dụng để phát hiện nơtrino.Cacbon tetraclorua là một trong những chất độc mạnh nhất đối với gan và được sử dụngtrong nghiên cứu khoa học để đánh giá các chất bảo vệ gan Cacbon tetraclorua trên thực tếkhông cháy ở các nhiệt độ thấp Ở nhiệt độ cao trong không khí, nó tạo ra photgen (CCl 2O)độc hại Do không có liên kết C-H, cacbon tetraclorua không dễ dàng tham gia các phản ứnggốc tự do Vì thế nó là dung môi hữu ích trong các phản ứng halogen hóa bằng các halogennguyên tố hay bằng các chất phản ứng như n-bromosuccinimid

Aceton có công thức phân tử: CH3 –CO-CH3,khối lượng phân tử:58 đvC Là chấtlỏng không màu,có mùi đặc trưng,tan nhiều trong nước

Aceton (bắt nguồn từ từ tiếng Pháp acétone /asetɔn/), còn được viết là a-xê-tôn, làhợp chất hữu cơ, có công thức là (CH3)2CO Aceton là một chất lỏng dễ cháy, không màuvà là dạng keton đơn giản nhất Aceton tan trong nước,dễ bay hơi và là dung môi chủ yếudùng để làm sạch trong phòng thí nghiệm, đồng thời là một chất dùng để tổng hợp các chấthữu cơ và còn được sử dụng trong các thành phần hoạt chất của sơn móng tay 6,7 triệu tấnaceton được sản xuất trên toàn thế giới trong năm 2010, chủ yếu sử dụng làm dung môi vàsản xuất methyl metacrylat và bisphenol Aceton được sản xuất và thải ra trong cơ thể ngườithông qua quá trình trao đổi chất và thường có trong máu và nước tiểu Thử nghiệm độc tínhsinh sản cho thấy rằng nó có tiềm năng thấp gây ra vấn đề sinh sản Phụ nữ mang thai và chocon bú, trẻ em và những người mắc bệnh tiểu đường tiết nhiều aceton hơn những ngườikhác Đồng thời, khẩu phần ăn nhiều chứa nhiều keton làm tăng hàm lượng aceton, giúp trẻ

sơ sinh và trẻ nhỏ giảm những cơn động kinh nếu mắc bệnh động kinh đề kháng

Aceton được sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp từ propen Khoảng 83% aceton đượcsản xuất thông qua phương pháp Cumen, và vì sản phẩm từ phương pháp này mà sản xuấtaceton luôn gắn liền với sản xuất phenol Phương pháp Cumen gồm việc alkyl hoá benzenvới propen, sinh ra isopropylbenzene, được oxi hoá, sinh ra aceton và phenol

Aceton còn được sản xuất trực tiếp bằng cách oxi hay hydro hoá propen, sinh ra propanol (isopropanol), và khi oxi hoá isopropanol sẽ được aceton.

2-Ngoài ra, vì aceton là sản phẩm phụ của quá trình lên men, nên đôi khi cũng được sảnxuất dưới dạng sản phẩm phụ của công nghiệp chưng cất

Aceton là thành phần chính trong các chất tẩy rửa sơn móng tay, chất tẩy keo siêudính và chất tẩy cho đồ gốm sứ, thủy tinh Nghệ sĩ trang điểm dùng chất này để tẩy keo dántóc giả và ria mép bằng cách ngâm vào aceton lỏng, sau đó dùng chải đi phần keo còn dư

Aceton còn được sử dụng trong việc in ấn nghệ thuật Sau khi đổ một lượng vừa phảivào mặt sau của tấm ảnh được đặt úp xuống một bề mặt khác và chà, cào trên mặt sau mộtthời gian, mực của tấm ảnh ban đầu sẽ chuyển xuống bề mặt ấy

* Một số thông số vật lý của axeton:

-Nhiệt độ sôi:56,1o

-Nhiệt độ nóng chảy:-94,6o C

-Nhiệt dung riêng(Cp):22Kcal/mol(chuẩn ở 1020 C)

-Độ nhớt ():0,316 cp(ở 25o C)

- Nhiệt trị : 0.5176 cal/g ( ở 200 C)

Axeton là một dung môi tốt cho nhiều chất hữu cơ aceton làm dung môi tốt đối vớicác nitro xeluloza, acetyl xenluloza Nó ít độc nên được dùng làm dung môi cả trong côngnghiệp dược phẩm và thực phẩm.,nó được sử dụng để tổng hợp nhiều chất hưu cơ phần lớnđược dùng làm dung môi nhất là trong công nghiệp sản xuất nhựa, vecni, chất dẻo và nhiềusản phẩm tiêu dùng

* Tính chất hóa học đặc trưng của axeton:

Phản ứng chính của axeton chủ yếu vào nhóm cacbonyl(-CO-), ngoài ra còn có phảnứng thế vào nhóm -CH3 Dưới đây là một số ví dụ cụ thể:

-phản ứng ở nhóm –CO- : Axeton rất nghèo phản ứng, Xeton có phản ứng khửgiống andehit nhưng tạo ra ancol bậc II:

CH3-CO-CH3 + H2 > CH3-CH(OH)-CH3

Xeton khó bị oxi hóa vì các gốc hidrocacbon đã cản trở không gian.Tuy nhiên nócó thể bị oxi hóa bởi dung dich thuốc tím đun nóng với axit sunfuric tạo ra hỗn hợp các axitcacboxylic

Phản ứng ở gốc hidrocacbon:

CH3-CO-CH3 + Br2 > CH3-CO-CH2Br + HBr

Lưu ý:Phản ứng trên xảy ra khi dùng brom khan và có xúc tác axit axetic đun nóng

* Các phương pháp điều chế axeton:

1-oxi hóa hidrocacbon:khi đốt cháy chậm n-ankan ở pha khí ta có thể thu đượcaxeton

2-oxi hóa ancol:đây là phương pháp quan trọng nhất để điều chế hợp chất cacbonyl VD: CH3-CH(OH)-CH3 → CH3 –CO-CH3 +H2O

Propal-2-ol Axeton

3-oxi hóa cumen(chỉ riêng đối với của axeton)

C6H5-CH(CH3)2 +O2 → CH3 –CO-CH3 +C6H5-OH

C3H6O-CCl4 Aceton và Cacbontetraclorua trong công nghiệp hữu cơ ở dạng hỗn hợplà một trong những sản phẩm của ngành công nghiệp tổng hợp hữu cơ Chúng được sử dụngrộng rãi trong công nghiệp hoá học nói chung cũng như công nghiệp hữu cơ nói riêng nhưtrong công nghiệp hoá dầu, dược phẩm, phẩm nhuộm,…

3 SƠ ĐỒ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

3.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ

Hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi

Tháp loại: tháp chóp

Năng suất tính theo hỗn hợp đầu: 5,0 kg/s

Nồng độ theo cấu tử dễ bay hơi trong:

Hỗn hợp đầu: 36 % khối lượng

Sản phẩm đỉnh: 60 % khối lượng

Sản phẩm đáy: 0,5 % khối lượng

Trong đó:

Thùng chứa hỗn hợp đầu 6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

Bơm 7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh Thùng cao vị 8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp Tháp chưng luyện 10- Thùng chứa sản phẩm đáy

11- Lưu lượng kế

3.2 Thuyết minh dây chuyền

Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (2) và được bơm (12) bơm lên thùng cao vị (1).Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị tự chảy xuống thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu (3) lưu lượng được khống chế bằng cách điều chỉnh hệ thống van và lưu lượng

kế (4) hơi nước bão hòa từ nồi hơi vào đun sôi hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi sau khi đạt tới nhiệt độ sôi hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện (5) loại đệm.Trong tháp hơi đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên xuống, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần Theo chiều cao của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng đệm từ dưới lên , cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ.Quá trình tiếp xúc lỏng hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho trong pha hơi càng giầu cấu tử dễ bay hơi.Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (cụ thể ở đây là Metylic) và một phần cấu tử khó bay hơi (Etylic) Hỗn hợp hơi này được đưa vào thiết bị ngưng tụ (6) và tại đây nó được ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh) Một phần chất lỏng sau khi ngưng tụ được đưa hồi lưu trở về tháp chưng luyện và cũng được khống chế bằng lưu lượng kế , phần còn lại đạt yêu cầu sẽ được đưa vào thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt

độ cần thiết sau đó được đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8).

Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới lên, một phần cấu tử có nhiệt độ cao tiếp tục ngưng tụ thành lỏng đi xuống.Do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng ngày càng nhiều , cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (etylic) và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (Meylic),hỗn hợp lỏng được đưa ra khỏi đáy tháp qua thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (9) , một phần được đưa vào thiết bị đun sôi đáy tháp (10) và một phần được hồi lưu trở lại đáy tháp.Thiết bị này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi sản phẩm đáy (tạo dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp) Nước ngưng của thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng ( 11),Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm được lấy ra liên tục.

cân bằng với lực hút phân tử Quá trình chuyển khối lúc này không chỉ được quyết định bằng khuếch tán phân tử mà cả bằng cả khuếch tán đối lưu Chế độ thủy động này gọi là chế độ quá độ Nếu ta tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa thì chế độ quá độ chuyển sang chế độ chảy xoáy Trong giai đoạn này quá trình khuếch tán sẽ được quyết định bằng khuếch tán đối lưu.

Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện tượng đảo pha Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ chiều cao tháp và trở thành pha liên tục, còn pha khí khuếch tán vào trong pha lỏng và trở thành pha phân tán Vận tốc khí ứng với thời điểm này gọi là vận tốc đảo pha Khí sục vào lỏng và tạo thành bọt khí vì thế trong giai đoạn này chế độ làm việc trong tháp gọi là chế độ sủi bọt Ở chế độ này vận tốc chuyển khối nhanh đồng thời trở lực cũng tăng nhanh.

Trong thực tế, ta thường cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận tốc nhỏ hơn vận tốc đảo pha một ít vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn sủi bọt là mạnh nhất nhưng vì giai đoạn đó khó khống chế quá trình làm việc.

Ưu điểm của của tháp đệm :

• Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn

• Cấu tạo tháp đơn giản

• Trở lực trong tháp không lớn lắm

• Giới hạn làm việc tương đối rộng

Nhược điểm :

• Khó làm ướt đều đệm

• Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều

4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

4.1 Kí hiệu các đại lượng như sau:

F: Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu F = 5 kg/s = 18000 kg/h

Thiết bị làm việc ở áp suất thường

Tháp chưng loại: tháp chóp

aF: Nồng độ CCl4 trong hỗn hợp đầu = 0,36(phần khối lượng)

aP: Nồng độ CCl4 trong sản phẩm đỉnh = 0,6(phần khối lưọng)

aW: Nồng độ CCl4 trong sản phẩm đáy = 0,005(phần khối lượng)

MA: Khối lượng phân tử của C3H6O= 58(kg/kmol)

MB: Khối lượng phân tử của CCl4 = 154(kg/kmol)

+ Theo phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:

W’ = \f(W, =

7260,5 0,0132.58+(1−0,0132).153,82 = 47,5926 (kmol/h)

Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng tra ở đường cân bằng

lỏng-hơi và nhiệt độ sôi của 2 cấu tử ở 760 mmHg (tính theo % số mol) của Axêtôn - CCl4

(Bảng IX 2b_ 150_STQTTB tập II)

X

11,2

23,45

38,25

49,35

51,5

65,55

71,65

76,75

78,8

86,5

90,85

93,4

94,4

94,6Y

33

47

57,45

63,7

64,3

73,35

76,7

80,3

81,9

87,6

91,35

93,6

94,5

94,65T

0C

4

8,77

40,58

36,8

34,33

33,36

83,12

32,21

31,9

31,53

31,52

31,33

31,28

3

-Với giá trị xF = 0,5990 ta dóng lên đường cân bằng → yF* = 0,6935 Chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng luyện Rmin :

→ Số đĩa lý thuyết N = 14

β = 1,4 → R = 1,567 Phương trình đoạn luyện :

→ Số đĩa lý thuyết N = 12

β = 1,6 → R = 1,791 Phương trình đoạn luyện :

→ Số đĩa lý thuyết N = 11

β = 1,8 → R = 2,015 Phương trình đoạn luyện :

→ Số đĩa lý thuyết N = 10

β = 2,0 → R = 2,239 Phương trình đoạn luyện :

→ Số đĩa lý thuyết N = 10

β = 2,2 → R = 2,463 Phương trình đoạn luyện :

→ Số đĩa lý thuyết N = 10

β = 2,4 → R = 2,687 Phương trình đoạn luyện :

→ Số đĩa lý thuyết N = 10\

,2

1 ,4

1 ,6

1

2 ,2

2, 4

,344

1 ,567

1 ,791

2 ,015

2 ,239

2 ,463

2, 687

N 1

4

1 2

1 1

1 0

1 0

3 0,804

3 0,701

3 0,15

3 2,39

3 4,63

36 ,87

Xác định đồ thị quan hệ giữa Rx và Nlt.(R+1) Ta thấy Rx = 2,015 có N.(R+1) giá trị nhỏ nhất

y : nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên.

x : nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống.

Rx : chỉ số hồi lưu.

yl =

2,015 2,015+1 .x+ 0,7993 2,015+1

→ yl = 0,6683x + 0,2651

Phương trình làm việc đoạn chưng:

288,8009 139,0222 = 2,0774

Trong đó Số đĩa đoạn chưng = 5

Số đĩa đoạn luyện = 5

5.1 Tính lưu lượng các dòng pha đi trong tháp:

Xác định lưu lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:

Lượng hơi trung bình đi trong tháp chưng luyện có thể tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và đĩa dưới cùng của đoạn luyện

gtb =

gđ+g1

2

gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện [ kmol/ h ]

gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp [kmol/ h]

g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện [ kmol/ h]

+Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp: gđ = GR+GP = GP.(Rx+1)

GP: lượng sản phẩm đỉnh [ kmol/h ]

GR: lượng chất lỏng hồi lưu [ kmol/ h ]

Rx: chỉ số hồi lưu thích hợp

gđ = GP.(Rth+1) = 139,0222.(2,015+1) = 419,1519 kmol/ h

+Lượng hơi đi vào đoạn luyện

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo phương trình cân bằng vật liệu:

rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử hỗn hợp hơi ra đỉnh tháp

x1 = xF = 0,5990 phần mol.

Từ bảng cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ của hỗn hợp 2 cấu tử CCL4 và C3H6O

ở 1at (Bảng IX 2b_ 150_STQTTB tập II), ta có nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu bằng cách nội suy là

tF = 83,2444oC

r1 = rA.y1 + (1–y1).rB

rđ = rA yđ + (1–yđ) rB

rA: ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất CCL4

rB: ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất C3H6O

Từ tF = 83,2444oC tra bảng I.212- STQTQB T1-254, nội suy ta được:

5.2 Tính đường kính đoạn chưng

Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng : (có thể hiểu rằng W’=G w )

r’1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.

xW: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

Ta có : GW = 47,5926 (kmol/ h)

xW = 0,000132 (phần mol)

Tính r1

Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng đoạn chưng bằng ẩn nhiệt hóa hơi

đi vào đoạn luyện → r1 = 7966,6683 (kcal/kmol)

-Tính r’1

r’1 = rA y’1 + ( 1 – y’1 ) rB

rA, rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất ở to = tW

r’1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ra khỏi đoạn chưng

y’1 = yW xác định theo đường cân bằng ứng với xW = 0,0132 nội suy theo bảng cânbằng lỏng hơi

rB=rCCl4 51 rx =? 48,2

Sử dụng công thức nội suy ứng cho CCl4 và CH3COCH3 sử dụng số liệu ở bảng

I-212 trang 256 - STQTTB Tập I ta có : rB=rH2O =

Vận tốc hơi đi trong tháp:

Tốc độ hơi ( khí ) trung bình đi trong tháp chóp xác định theo:

( ρy.wy)tb = 0,065 ϕδ √ h.ρxtb ρytb

Trong đó:

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

ρ ytb: khối lượng riêng của hơi (kg/ m3)

h: khoảng cách giữa các đĩa (m)

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng:

ρxtbC : Khối lượng riêng trung bình pha lỏng ở đoạn chưng [kg/m3 ]

ρxtb1 ,ρxtb2: Khối lượng riêng trung bình của aceton và CCl4 trong pha

lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình [ kg/ m3 ]

atb1: Phần khối lượng trung bình của cấu tử aceton trong pha lỏng

atbC =

a F +a W

2 =0,36+0,62 = 0,48phần molNồng độ trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng

→ ρxtbC = ( 0,48759,1008+ 1−0,481540,4057)−1 = 1031,0336( kg/ m3 )

Tính khối lượng trung bình của pha hơi:

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi ở đoạn chưng:

Vì  =10,8908(dyn/cm)< 20 (dyn/cm)  φ[] = 0,8

Tốc độ khí của hơi đoạn chưng:

(.) = 0,065 φ[] (kg/ m.s) (II-184)

Thay số: ( .) = 0,065.0,8 √0,3.1031,0336 4,3622 =1,9101 (kg/ m.s)

5.3 Đường kính đoạn chưng :

Đường kính đoạn chưng được tính theo công thức :

DC = 0,0188 √ gtb

( ρy.wy)tbC [ m ]Trong đó

Khối lượng mol trung bình của pha hơi đoạn chưng

MyC = ytbC MA + (1 – ytbC ) MB (kg/ kmol)

Với ytbC =0,4061(phần mol) và MA=MCH3COCH3=58; MB=MCCl4=154 ta có:

MyC = y

tbC MA + (1 – ytbC ) MB = 0,4061 58+ (1 –0,4061) 154=115,0144 (kg/kmol)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng đổi sang kg/ h

Hệ số khuếch tán trong pha lỏng:

Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20 o C:

Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20oC theo STQTTB II _ 133

A, B : Hệ số liên hợp của chất tan và dung môi(A= CH3COCH3 và B= CCl4)

Tra bảng(VIIII-7 STQTTB-133) ta có: A = 1,15 ; B = 0,94

MA, MB : Khối lượng mol của CH3COCH3 và CCL4 [ kg/ kmol ]

μB : Độ nhớt của dung môi ở 20oC [ kg/ m3 ] :µCH3COOH

µB,20ºC = 1 cP

vA, vB : Thể tích mol của aceton và nước ( cm3/mol )

Tra bảng II-127 ta có thể tích nguyên tử của :

C = 14,8: H = 3,7; O trong xeton=7,4

-Với công thức tổng quát: CxHyOz

→ =x +y +z (x,y,z là hệ số tương ứng của C,H,O trong hợp chất cần tính)Thể tích mol các chất tính theo công thức: V =∑n.V i

Dt x = D20x [ 1+b ( t−20 ) ] (II-134)

Hệ số nhiệt độ được tính theo công thức:

b =

μ : Độ nhớt của dung môi ở 20oC [ cp ]

ρ : ρCCl4,20ºC Khối lượng riêng của dung môi ở 20oC [ kg/m3 ]

Tra bảng I.2 STQTTBT1- 9 ta có ρCCl4,20ºC = 1594 kg/ m3

Hệ số khuếch tán trong pha hơi:

Hệ số khuếch tán của khí trong khí, theo STQTTB II _ 127

P : Áp suất tuyệt đối của hỗn hợp P = Po = 1 ( at )

T : Nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp ( oK )

Với MA, MB : Khối lượng mol của CH3COCH3 và H2O [ kg/ kmol ]

Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn chưng: t = ttbC = 77,1032oC

μhh, μ1, μ2: Độ nhớt của hỗn hợp khí và các cấu tử thành phần.

Mhh : Trọng lượng phân tử của hỗn hợp khí

M1, M2 : Trọng lượng phân tử hỗn hợp khí thành phần

Từ t = ttbC = 48,371oCvà sử dụng toán đồ trang 117 hình 1.35 :

Ta có tọa độ trong toán đồ của CH3COCH3 là A(8,9 ;13)

Ta có tọa độ trong toán đồ của CCl4 là

Ta kẻ 1 đường thẳng d từ giá trị t = ttbC = 48,3371oC đi qua điểm A(8,9 ;13).giao điểmcủa đường thẳng d - A(8,9 ;13) và trục ở đâu.Đấy chính là giá trị cần tìm

CH3COCH3 ở t = ttbC = 48,3371o

C→ CH3COCH3 =0,009.10-3 ( Ns/m2 ) Với H2Ota làm tương tự → H2O =0,0116.10-3 ( Ns/m2 )

μhh, μ1, μ2: Độ nhớt động lực của hỗn hợp khí và các cấu tử thành phần.

x : Nồng độ mol của các cấu tử trong hỗn hợp

Đoạn chưng: x = xtbC = 0,0548 phần mol

Ta có t = ttbC =77,1032oC và bảng I.101 STQTTB I _91,92

Đoạn luyện : x = xtbL = 0,4815 phần mol

Ta có t = ttbL = 48,76oC và bảng I.101 STQTTB I _91: