Đề tài Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton –Acid Acetic pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOĐỀ TÀI : Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton –Acid Acetic... Chưng cất là một trong các quá trình hay dùng để làm sạch các chất lỏng.Việc thiết kế hệ thống chưng cấ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐỀ TÀI : Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton –Acid

Acetic

Mục lục

MỞ ĐẦU 3

I-TỔNG QUAN: 3

II-THUYẾT MINH QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ: 5

III CÂN BẰNG VẬT CHẤT NĂNG LƯỢNG 5

V-TÍNH CHÓP VÀ TRỞ LỰC CỦA THÁP : 11

VI-TÍNH TOÁN CƠ KHÍ : 17

VII-TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT: 24

VIII-TÍNH CHIỀU CAO BỒN CAO VỊ: 34

MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thếgiới và nước nhà, các ngành công nghiệp cần rất nhiều hoá chất có độ tinhkhiết cao

Chưng cất là một trong các quá trình hay dùng để làm sạch các chất lỏng.Việc thiết kế hệ thống chưng cất, với mục đích là tách aceton ra khỏi hỗnhợp Aceton – Acid Acetic là một trong các nhiệm vụ của kỹ sư ngành côngnghệ hóa học

Vì thế, đề tài Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton –Acid Acetic  Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton –Acid Acetic   Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton –Acid Acetic của môn Đồ An Môn Học Quá Trình Thiết Bị cũng là một bước giúp cho Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton –Acid Acetic   Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton –Acid Acetic sinh viên tập luyện và chuẩn bị cho việc thiết kế quá trình & thiết bị côngnghệ trong lĩnh vực này

Tập thuyết minh đồ án môn học này gồm 7 phần :

Phần I : Tổng quan

Phần II : Thuyết minh qui trình công nghệ

Phần III : Cân bằng vật chất và năng lượng

Phần IV : Tính toán các kích thước cơ bản của tháp

Phần V : Tính chóp và trở lực của tháp

Phần V I : Tính toán cơ khí

Phần VII : Tính thiết bị truyền nhiệt

Phần VIII : Tính chiều cao bồn cao vị

Phần IX : Tính cách nhiệt

Phần X : Tính toán giá thành cho thiết bị

Tài liệu tham khảo

Để hoàn thành đồ án này , thực sự em đã cố gắng rất nhiều Song , vìđây là bước đầu làm quen với công tác thiết kế nên chắc hẳn không tránhkhỏi những sai sót

Cuối cùng , em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Máy– Thiết Bị , đặc biệt là thầy Trần Tấn Việt , người đã trực tiếp hướng dẫn vàgiúp đỡ em rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện đồ án thiết kế này

Acid acetic: là một loại acid quan trọng nhất trong các loại acid hữu

cơ Nó rẻ nên được ứng dụng rộng rãi và là hoá chất cơ bản để điều chếnhiều hợp chất quan trọng Acid acetic được ứng dụng trong các nghành :

+ Làm dấm ăn

+ Đánh đông mủ cao su

+ Làm chất dẻo tơ lụa xeluloza acetat

+ Làm phim ảnh không nhạy lửa

+ Làm chất kết dính polyvinyl acetat

+ Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp

Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách một hỗn hợp lỏng ra thànhcác cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗnhợp ở cùng một nhiệt độ

Về thiết bị : có thể sử dụng các loại tháp chưng cất sau :

-Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới

-Tháp chưng cất dùng mâm chóp

-Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật chêm )

Nhận xét về ưu khuyết điểm của từng loại tháp :

-Tháp mâm xuyên lỗ

Ưu điểm : chế tạo đơn giản , vệ sinh dễ dàng , trở lực thấp hơn tháp chóp ,

ít tốn kim loại hơn tháp chóp

Nhược điểm : yêu cầu lắp đặt cao : mâm lắp phải rất phẳng , đối với nhữngtháp có đường kính quá lớn (>2.4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chấtlỏng phân phối không đều trên mâm

Ưu điểm :chế tạo đơn giản , trở lực thấp

Nhược điểm :hiệu suất thấp , kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiếtdiện tháp không đều , sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quátrình chưng cất theo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trìnhthể hiện qua từng mâm một cách rõ ràng , tháp chêm khó chế tạo được kíchthước lớn ở qui mô công nghiệp

Đề tài của đồ án môn học :

Đề tài của đồ án môn học là :Thiết kế tháp chưng cất dùng mâm chóp vớinhững dữ kiện cơ bản sau:

Nguyên liệu đầu vào (nhập liệu ) là hỗn hợp Aceton – Acid acetic

Nồng độ Aceton trong nhập liệu là 30% khối lượng

Năng suất nhập liệu là 3000 kg /h

Nồng độ Aceton trong sản phẩm đỉnh là 97% khối lượng

Nồng độ Aceton trong sản phẩm đáy là 0,5 % khối lượng

Tháp hoạt động liên tục , chưng cất ở áp suất thường

II-THUYẾT MINH QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ:

Nhập nguyên liệu là hỗn hợp Aceton – Acide acetic được đưa vào bồnchứa nguyên liệu Sau đó nhập liệu được bơm đưa lên bồn cao vị Từ đâynhập liệu qua thiết bị gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đưa nhiệt độ nhập liệu

từ 30oC lên nhiệt độ sôi 85,8oC và đưa vào tháp chưng cất tại mâm nhậpliệu

-Hơi ra ở đỉnh tháp được dẫn qua thiết bị ngưng tụ, tại đây hơi được ngưng

tụ hoàn toàn thành lỏng bão hòa , được hoàn lưu vào tháp với tỷ số hoàn lưu

R và phần còn lại đưa đi làm nguội bằng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh -Lỏng ở đáy tháp được dẫn qua nồi đun kiểu Kettle được đun nóng gián tiếpbằng hơi nước bão hòa, hơi ở nồi đun dẫn vào tháp để cấp nhiệt cho tháp.Lượng lỏng đi ra khỏi nồi đun được làm nguội làm sản phẩm đáy

-Trong tháp, có quá trình tiếp xúc pha và truyền khối giữa hai pha lỏng vàhơi Thiết bị ngưng tụ, làm nguội được dùng nước để trao đổi nhiệt giántiếp

-Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Aceton và sản phẩm đáy

-Suất lượng dòng nhập liệu

F = = =50,505 (kmol/h)

Cân bằng vật chất cho toàn tháp ta có hệ sau:

F = D + W

Sử dụng công thức thực nghiệm : R =1,3.Rmin + 0,3 (CT IX-25b STT2)

Với Rmin= (CT IX-24 Tr 149 STT2)

Với yF* là phân mol Aceton trong pha hơi cân bằng với xF Từ số liệubảng tra IX-2a /tr135 STT2 , thành phần lỏng – hơi cân bằng ta có : xF = 0,3thì y*F = 0,725 Do đó

Rmin= =0,576

Vậy R=1,3 Rmin + 0,3 =1,3.0,576 + 0,3 = 1,049

b-Xác định số mâm lý thuyết :

Việc xác định số mâm lý thuyết được tiến hành trên đồ thị y-x

-Phương trình đường làm việc của phần cất

B-CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG:

a-Nhiệt trao đổi ở thiết bị ngưng tụ

• Nhiệt dung riêng của nhập liệu tra ở nhiệt độ trung bình T= =57,9oCtại nhiệt độ này ta có CA =2,298 (kj/kgđộ) , CB=2,196 (kj/kgđộ) (BảngI.153 TR171-STT1).

Ta có CF=xFCAMA + (1-xF)CBMB = 0,3.2,298.58 + (1-0,3).2,196.60 =132,217 (kj/kmolđộ)

Nên CW = xWMACA + xW)MBCB = 0,005.58.2,349 + 0,005).60.2,281 = 136,857 (kj/kmolđộ)

e-Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp

Từ cân bằng nhiệt lượng ta có

Qđ = DCDTD + WCWTW + QD – FCFTF=15,439.130,455.56,96 +35,066.136,857.117,3 + 2,049.15,437.30047,376 – 50,505.132,217.85,8 =293,1 (kw)

Tuy nhiên nếu coi tổn thất nhiệt chiếm khoảng 10% nhiệt lượng ta có Qđ =1,1.293,1 = 322,41 (kw)

IV TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA THÁP

a-Khối lượng riêng trung bình của pha hơi

Phần cất : gọi xpcất là nồng độ phần mol trung bình của cấu tửA(benzen) trong pha lỏng của phần cất

Ta có : xpcất = = =0,635 (phân mol)

Từ đường làm việc của phần cất ta có nồng độ của pha hơi tương ứng là ypcất = 0,512 xpcất + 0,473 = 0,512 x 0,635 + 0,473 = 0,798(phân mol)

Phần chưng : gọi xpchưng là nồng độ phân mol trung bình của cấu tử

A trong pha lỏng của phần chưng

Ta có : xpchưng = = =0,153 (phân mol)

Do đó ypchưng=2,108xpchưng – 0,0055 = 2,108 x 0,153 – 0,0055 =0,317(phân mol)

Tra đồ thị T-xy ta có nhiệt độ của pha hơi tương ứng là

Từ ypcất = 0,798 (phân mol) TG(cất) = 82oC

Từ ypchưng = 0,317 (phân mol) TG(chưng) = 103,3oC

Khối lượng phân tử trung bình của pha hơi trong phần chưng và phần cất là Mpcất = ypcấtMA + (1-ypcất)MB = 0,798.58 +(1-0,798)60 = 58,404 (kg/kmol)

Mpchưng = ypchưngMA + (1-ypchưng)MB =0,317.58 + (1-0,317)60 =59,366 (kg/kmol)

Giả thiết rằng hơi trong tháp là khí lý tưởng , khối lượng riêng trung bìnhcủa pha hơi trong phần chưng và phần cất là :

Ở đỉnh : ứng với xD= 0,97 tra đồ thị T-xy ta có TD = 56,96oC Ở nhiệt độnày , khối lượng riêng của aceton và axit acetic là: A=749,3 (kg/m3) và B =807,2(kg/m3) Khối lượng riêng của sản phẩm đỉnh là

L(đỉnh) = xD A + (1- xD) B = 0,97.814,2 + (1-0,97)807,2 = 1083,95(kg/m3)

Ở đáy : ứng với xW= 0,005 tra đồ thị T-xy ta có TW = 117,3oC Ở nhiệt độnày , khối lượng riêng của aceton và acid acetic là: A=668,78 (kg/m3) và B

= 926,86(kg/m3) Khối lượng riêng của sản phẩm đáy là

L(đáy) = xW A + (1- xW) B = 0,005 668,78 + (1-0,005) 926,86=925,57 (kg/m3)

Do đó khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp tính gầnđúng là :

L =( L(đỉnh) + L(đáy))/2=(1083,95 + 925,57)/2=1004,76 (kg/m3) c-Vận tốc hơi trung bình trong toàn tháp

Theo sổ tay tập II trang 175 công thức (IX-105) ta có

( G y)tb =0,065 [ ]  y)tb =0,065[] [] ]

Trong đó

y : vận tốc trung bình của pha hơi (m/s)y)tb =0,065[]

G , L: khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng (kg/m3) 

h: khoảng cách giữa các mâm (m) Giá trị h được chọn sao cho để giảmđến mức thấp nhất lượng lỏng bị hơi cuốn theo

[ ] là hệ số có tính đến sức căng bề mặt [] ]

Khi < 20 (dyn/cm) thì [ ] = 0,8 ] [] ]

> 20 (dyn/cm) thì [ ] = 1] [] ]

Ở đây ta tra bảng có được = 18,99 (dyn/cm) < 20 nên [ ] = 0,8] [] ]

Chọn khoảng cách giữa các mâm là h=0,35 (m)

Do đó

( G y)tb =0,065 [ ]  y)tb =0,065[] [] ]

(1,958 y) = 0,065 0,8 y)tb =0,065[]

y = 0,697 (m/s)y)tb =0,065[]

d-Lưu lượng hơi qua tháp :

Phương trình cân bằng vật chất cho bao hình ta có:

(1-Tóm lại ta có hệ phương trình sau :

e-Lượng hơi vào phần chưng :

Cân bằng vật chất và năng lượng ta có hệ sau :

Lđáy = gđáy + W

Lđáyxđáy = gđáyyđáy + WxW

gtlrtl = gđáyrđáy

Với rđáy = yđáyrAMA + yđáy)rBMB = 0,005.522,146.58 + 0,005)373,023.60 = 22420,9 (kj/kmol)

f-Lưu lượng hơi trung bình trong toàn tháp :

-Lưu lượng hơi trung bình trong phần cất :

yD* = 0,998(phân mol)

-Độ bay hơi tương đối :

D = = =15,433

D = = =15,433

-Độ nhớt động học

Tại nhiệt độ đỉnh ta có : A = 0,235 (Cp) , B = 0,727 (Cp)A = 0,235 (Cp) , B = 0,727 (Cp) A = 0,235 (Cp) , B = 0,727 (Cp)

lg = xDlg A + (1-xD)lg BA = 0,235 (Cp) , B = 0,727 (Cp) A = 0,235 (Cp) , B = 0,727 (Cp) A = 0,235 (Cp) , B = 0,727 (Cp)

Độ bay hơi tương đối : F = 6,152D = = =15,433

-Chọn đường kính trong của ống hơi theo tiêu chuẩn là: dh= 50(mm )

-Số chóp phân bố trên một mâm : Trong thực tế thường chọn tổng tiết diệnống hơi trên mỗi mâm =10% tiết diện tháp nên ta có:

-Khoảng cách từ chân chóp đến mặt mâm hsc : chọn hsc = 12,5(mm)

-Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp hts = 15-40(mm) chọn hts=29(mm)-Chiều cao hình học của khe chóp :

hso =

Trong đó :

Với c:khoảng cách giữa các khe (3-4mm) Chọn c=3 mm

-Chiều rộng khe chóp được xác định từ liên hệ :

Qv : lưu lượng pha hơi (m3/s)

Ss : tổng diện tích các lỗ chóp trên một mâm , m2

-Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn :

Bm: bề rộng trung bình của mâm

Bm = Với A: phần diện tích mâm nằm giữa hai hình viên phân chảychuyền

-Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn l = Dt – 2dw = 0,8 – 2.0,08 = 0,64 (m)

Tra đồ thị trang 83 truyền khối –Tập 3 ta có : K=0,65

K: hệ số tổn thất áp suất cho tháp khô

hss = hw – ( hso + hsr + hsc ) = hm – ( how + /2 + hso + hsr +h + hsrhsc )

hss = 60 - (9,07 + 5,25/2 + 15,5 +5 +12,5) = 20,31 (mm)

Do đó :

ht =hfv + hs + hss + how + /2 = 11 + 14,9 +20,31 + 9,07 + 5,25/2 =h + hsr57,9 (mm)

-Kiểm tra sự hoạt động ổn định của mâm

Điều kiện : ( hfv + hs )/2 h + hsr  ( hfv + hs )/2

Ta có : (hfv + hs )/2 = (11+14,9)/2 =13 > Chứng tỏ mâm hoạt động ổnh + hsrđịnh

-Chiều cao gờ chảy tràn :

Vì H/2 = 175 > hd nên mâm hoạt động bình thường

-Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền : Để kiểm tra xem chất lỏng chảy vàoống chảy chuyền có đều hay không và chất lỏng không va đập vào thànhbình ta tính thông số

Trong đó : e: lượng chất lỏng bị lôi cuốn (mol/h)

L :lượng chất lỏng chảy xuống (mol/h)

được xác định theo công thức thực nghiệm :

Trong đó : : hệ số trở lực thường = 4,5-5 Chọn = 5 : hệ số trở lực thường  = 4,5-5 Chọn  = 5  : hệ số trở lực thường  = 4,5-5 Chọn  = 5  : hệ số trở lực thường  = 4,5-5 Chọn  = 5

y: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m3)

wo: vân tốc khí qua rãnh chóp được xác định theo công thức : = = 5,59 (m/s)

hc:chiều cao phần chảy chuyền viên phân trên mâm ,m

hx : chiều cao lớp chất lỏng không bọt trên mâm , m

: chiều cao mực chất lỏng trên mâm , mh + hsr

VI-TÍNH TOÁN CƠ KHÍ :

a-Tính bề dày thân thiết bị :

-Nhiệt độ tính toán trong tháp lấy bằng nhiệt độ cao nhất trong thiết bị : T =117,3oC

-Ap suất tính toán : tính cho trường hợp xấu nhất là chất lỏng dâng lên đầytháp

p= pmt + p +pcl = 105 + 16163 + 10,7.1004,76.9,81 = 221629,643 N/h + hsrm2 = 0,222 N/mm2

-Điều kiện làm việc của thân tháp : chịu áp suất trong

-Chọn vật liệu làm tháp là thép không gỉ với mác thép X18H10T

Ở nhiệt độ 117,3oC tra giản đồ 1-2 trang 22-Chế tạo máy hóa chất ta có : [ ]*=140 (N/mm2 )]

-Ứng suất cho phép của vật liệu :

[ ] = [ ]* = 0,9.140 = 126 (N/mm2)] []* = 0,9.140 = 126 (N/mm2) ]

Với = 0,9 là hệ số hiệu chỉnh ( chọn cho thiết bị loại I-nhóm II) trang 26 –[]* = 0,9.140 = 126 (N/mm2)Chế tạo máy hóa chất –Thiết bị làm việc với chất độc hại , dễ cháy nổ , dễcháy , khôngtiếp xúc trực tiếp với nguồn đốt nóng

-Chọn đáy nắp ellipse tiêu chuẩn , loại có gờ và làm bằng thép không gỉX18H10T

Tra sổ tay tập II trang 370 với Dt = 800 (mm) ta có :

Ta tính bích theo phương pháp tải trọng giới hạn :

-Chọn vật liệu làm bích là thép CT3 , vật liệu làm bulông là CT4

Dựa vào sổ tay tập II-trang 408 ta chọn các thông số bích như sau :

m : hệ số áp suất riêng

Chọn đệm loại paronit có bề dày o = 3 mm theo bảng 7-2 Hồ Lệ Viên trang + (0,8-1)

-Kiểm tra việc chọn đường kính bulong:

+ Đường kính bulong được xác định theo công thức :

db = 1,13

Với [ ] = ko [ ’]] ]

[ ’] : ứng suất cho phép của vật liệu làm bulong , được xác định theo] bảng 7-5-Hồ Lệ Viên trang 194 ở T=117,3oC có giá trị là : [ ’] = 86] (N/mm2)

ko: hệ số làm giảm ứng suất chọn theo bảng trang 193 –Hồ Lệ Viên –Chế tạo máy hoá chất ta có ko = 0,8

[ bi] = ko [ bi’] = 0,8.107,3 = 85,84 (N/mm2) ] ]

với [ bi’] : ứng suất cho phép của vật liệu làm bích (tra ở bảng 7-6 –Hồ]

db Z Ống dẫn hơi ra ở đỉnh 150 159 260 225 202 16 M16 8

Ống dẫn hơi vào ở đáy 100 108 205 170 148 14 M16 4

e-Tính tai đỡ , chân treo :

e1-Tính khối lượng tháp :

G = Gthân + Gđáy + Gnắp + Gmâm + Gchóp + Gbích + Glỏng

-Khối lượng thân tháp :

Glỏng,max =

-Khối lượng bích :

Gbích = số mặt bích .(D2-Dt2).2.h CT3 = 5 .(0,932-0,82).2.0,02.7850=277,5 kg

-Tổng khối lượng của toàn tháp :

trên 1 tai treo(N)

Bề mặt đỡ ,m2 Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ,q.10-6 N/m2

L

B

B1

H

-Vật liệu chế tạo chân đỡ là CT3

-Chọn chân đỡ có các thông số sau:(chọn theo sổ tay tâp II bảng XIII-35trang 425)

Tải trọng cho phép

trên 1 tai treo(N)

Bề mặt đỡ ,m2 Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ,q.10-6 N/m2

L

B

B1

m-Kiểm tra khả năng tăng cứng cho các lỗ :

-Đường kính lớn nhất cho phép không cần tăng cứng được xác định theocông thức sau:

dmax =2[ )]

dmax = 2.[

dmax là đường kính lớn nhất không cần tăng cứng Ta nhận thấy rằng các lỗtrên thân đều có đường kính nhỏ hơn đường kính dmax , vì thế nên ta khôngcần tăng cứng

Riêng đối với ống dẫn hơi đỉnh và ống dẫn dòng lỏng đáy nếu không cầntăng cứng thì phải thỏa mãn điều kiện sau:

Đối với ống dẫn hơi có dngoài = 0,159 m , S = 4mm thì hai điều kiện trênhiển nhiên thỏa , do đó đối với ống dẫn lỏng có đường kính nhỏ hơn đườngkính ống dẫn hơi nên cũng thỏa mãn hai điều kiện trên Do vậy ta không cầntăng cứng