thiết kế hệ thống tháp chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử clorofom – cacbontetraclorua (thuyết minh 77 trang)

Các phương pháp chế biến hoá học rất khác nhau nhưng nhìn chung cácquá trình chế biến hoá học đều trải qua một số quá trình vật lý, hoá học nói chungnhư lắng, lọc, đun nóng, làm nguội, c

PHẦN 1

MỞ ĐẦU

Kỹ thuật hiện đại có nhiệm vụ nghiên cứu các quá trình sản xuất sản phẩmhoá học mới, cải tiến quá trình cũ nhằm tăng năng suất chất lượng trong các ngànhhoá học Các phương pháp chế biến hoá học rất khác nhau nhưng nhìn chung cácquá trình chế biến hoá học đều trải qua một số quá trình vật lý, hoá học nói chungnhư lắng, lọc, đun nóng, làm nguội, chưng luyện…

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗnhợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu

tử trong hỗn hợp(ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau) Khi chưng

ta thu được nhiều sản phẩm, thường có bao nhiêu cấu tử sẽ có bấy nhiêu sản phẩm.Với trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử sẽ có: sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bayhơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé, sản phẩm đáy gồm cấu tử có độbay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn hơn

Trong sản xuất có nhiều phương pháp chưng: chưng đơn giản, chưng bằnghơi nước trực tiếp, chưng luyện,…

Chưng luyện là phương pháp chưng phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàncác cấu tử dẽ bay hơi có tính chất hoà tan một phần hoặc hoà tan hoàn toàn vàonhau

Clorofom và Cacbontetraclorua là một trong những sản phẩm của ngànhcông nghiệp tổng hợp hữu cơ Chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoáhọc nói chung cũng như công nghiệp hữu cơ nói riêng như trong công nghiệp hoádầu, dược phẩm, phẩm nhuộm,…

Thông thường trong công nghiệp hữu cơ CHCl3 và CCl4 ở dạng hỗn hợp nênmuốn sử dụng chúng người ta cần thiết phải tách riêng biệt chúng Để thực hiệnđiều này, người ta có thể tiến hành chưng luyện hỗn hợp trong các tháp chưng luyệnliên tục hoặc gián đoạn

Tháp chưng luyện liên tục có thể dùng loại tháp đệm, tháp chóp hoặc thápđĩa lỗ Trong đó loại tháp chóp được sử dụng khá rộng rãi và cho hiệu suất cao

PHẦN 2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

Ở đây dùng tháp chưng luyện liên tục loại đĩa chop ở áp suất thường Sơ đồ nguyên lý dây chuyền sản xuất được trình bày trên hình 1 Quá trình làm việc của dây chuyền như sau:

Nguyên liệu đầu được chứa vào thùng chứa 1 và được bơm 2 bơm lên thùngcao vị 3 Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị được khống chế tựđộng nhờ thiết bị TĐ thông qua việc chỉnh tự động bơm 2 Từ thùng cao vị, hỗn hợpđầu qua thiết bị đun nóng dung dịch đầu 4 Tại đây dung dịch được gia nhiệt bằnghơi nước bão hoà ở nhiệt độ sôi Sau đó vào tháp chưng luyện 5ở đĩa tiếp liệu

Tháp chưng luyện gồm hai phần: phần từ đĩa tiếp liệu trở lên gọi là đoạnluyện, phần từ đĩa tiếp liệu trở xuống gọi là đoạn chưng

Ở đoạn chưng có bộ phận đun bốc hơi 9 Bộ phận này được gia nhiệt bằnghơi nước

Như vậy trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống Vì theochiều cao tháp , nhiệt độ càng lên cao càng thấp nên hơi khi đi qua các đĩa từ dướilên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùngở trên đỉnh ta thu đượchỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi là CHCl3 Hơi này đi vào thiết bị ngưng

tụ hơi 6( hơi đi ngoài ống, nước lạnh đi trong ống và từ dưới lên) Ở đây hơi đượcngưng tụ lại Một phần chất lỏng sau khi ngưng tụ hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng,một phần khác đi qua thiết bị làm lạnh 8 để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết rồi đivào thùng chứa sản phẩm đỉnh

Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử cónhiệt độ sôi thấp( cấu tử dễ bay hơi ) được bốc hơi và do đó nồng độ cấu tử khó bayhơi trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏnggồm hầu hết cấu tử khó bay hơi là CCl4 .Thiết bị gia nhiệt 9 để đun sôi tuần hoàn vàbốc hơi hỗn hợp đáy tháp Một phần chất lỏng tháo ra ở đáy nồi và được cung cấp

sản phẩm đáy 11 khống chế bằng các van Nước ngưng tụ của các thiết bị gia nhiệtđược tháo qua các thiết bị tháo nước ngưng tự động 12.

Ở thiết bị chưng luyện này: hỗn hợp đầu vào liên tục và các sản phẩm đỉnh

và đáy lấy ra liên tục

PHẦN 3 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

I Tính toán cân bằng vật liệu

 Năng suất đầu: GF =4,75 kg/s

Áp dụng công thức trên ta tính được;

W = F – P =0,0337 – 0,0126 = 0,0211(kmol/s)

3 Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu.

Vẽ đường cân bằng y = f(x) theo số liệu từ bảng IX-2a

Đường nồng độ làm việc của đoạn luyện đi qua điểm x=y=xP=0,9844

Đường nồng độ làm việc của đoạn chưng đi qua điểm x=y= =0,0256

Giao điểm của 2 đường làm việc có toạ độ x=y=xF=0,3829

Một số giả thiết:

 Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi

 Số mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong mọi tiết diện của tháp

 Toàn bộ hơi đi ra khỏi tháp được ngưng tụ hoàn toàn

 Đun sôi ở đáy tháp bằng hơi gián tiếp

 Số mol chất lỏng không đổi theo chiều cao trong đoạn luyện và đoạnchưng

 Sản phẩm đáy đi ra khỏi tháp là hoàn toàn lỏng

(m) [II-181, IX.90]

Trong đó: gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)

: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (kg/m2.s)

1 Tính dường kính đoạn luyện

a Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện

(kg/h) [II-181, IX.91]

Trong đó: gd :lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)

:lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h)

Lượng hơi đi vào đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằngvật liệu và nhiệt lượng sau:

:hàm lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kg/kg)

: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất (kcal/kmol)

:ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi khỏi đỉnh tháp (kcal/kmol)

rCCl4,tP = =48,1143 (kcal/kg)

=(kcal/kg)

yd1,yc1:nồng độ tại hai đầu tháp

 Nồng độ phần mol trung bình của cấu tử CHCl3 trong pha lỏng

xtb= Ứng với xtb=0,68365 (tra từ đồ thị t-x-y) ta được ttb=64,11940C

:khối lượng riêng của chất lỏng

:khối lượng riêng trung bình của cấu tử CHCl3,CCl4 lấy theo nhiệt độtrung bình

atb1:phần khối lượng của CHCl3 trong lỏng

atb1=

Với ttb=64,11940C ta có

( kg/m3 ) [Bảng I.2]

h :khoảng cách giữa các đĩa (m)

Giá trị h chọn theo đường kính tháp, chọn h=0,6m

Với ttb=64,11940C tra bảng

(đyn/cm) (đyn/cm)

(đyn/cm) (đyn/cm)

= 0,0188 =2,01(m)

Quy chuẩn D=2m

f Tính lại tốc độ hơi

2 Tính đường kính đoạn chưng

a Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng

(kg/s) [IX-96]

:lượng hơi đi vào đoạn chưng(kg/s)

:lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng

=

Tính theo hệ phương trình:

[IX98,99,100]

:lượng lỏng đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng (kg/s)

Gw :lượng sản phẩm đáy(kg/s)

:hàm lượng lỏng đối với đĩa 1 của đoạn chưng

: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa 1 của đoạn chưng (kcal/kg)

kg/kg

(tw) =57,51.0,0445+(1-0,0445)46.6142=47,099 (kcal/kg)

:ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạnchưng(kcal/kg)

III Tính chiều cao tháp.

1.Chiều cao đoạn luyện.

 Ở phần đưòng kính ta có:

gytb=13,10645kg/s

ytb=0,7211kmol/kmol ,xtb=0,68365 kmol/kmol

[I-84]

: độ nhớt của từng cấu tử

x1,x2:nồng độ phần mol của các cấu tử trong hỗn hợp

ttb=64,1194 tra bảng I 101,trang 91 HCI ta được:

Nội suy:

a Hệ số cấp khối của pha hơi.

Tính cho 1 m2 diện tích làm việc của đĩa chóp

DAB: hệ số khuếch tán của khí trong lỏng (m2/s)

MA,MB: khối lượng mol của các cấu tử(kg/mol)

A,B: hệ số hiệu chỉnh của khí khuếch tán và của dung môi

:độ nhớt của dung môi ở 200C( cp)

VA,VB:thể tích mol (cm3/mol)

mi: hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, nồng độ.

1.5 Tính đường kính ống chảy chuyền

Gx: lượng lỏng hồi lưu

Gx=Rx.Gp=7,123.1,509=10,7486 kg/s

=1438,74 kg/m3

zc: số ống chảy chuyền phụ thuộc vào đường kính tháp, chọn zc=1

:tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền

F: diện tích mặt bề mặt cắt ngang của tháp

fch: diện tích mặt cắt ngang của ống chảy chuyền

dh: đường kính của ống hơi, chọn dh=0,1m

n: số ống hơi trên mỗi đĩa

[IX-212]

Quy chuẩn: n=40

m: số ống chảy chuyền trên mỗi đĩa, chọn m=1

 Độ nhớt của pha lỏng được tính theo công thức sau:

D20=DAB được xác định như sau:

Ky: hệ số chuyển khối (kmol/m2s)

fC=F-(fch.m+fh.n)

F: diện tích mặt bề mặt cắt ngang của tháp

fch: diện tích mặt cắt ngang của ống chảy chuyền

dh: đường kính của ống hơi, chọn dh=0,1m

n: số ống hơi trên mỗi đĩa

[ IX-212]

Quy chuẩn: n=40

m: số ống chảy chuyền trên mỗi đĩa, chọn m=1

IV Tính số đĩa thực tế của tháp (theo đường cong động học)

 Vẽ đường cong cân bằng ycb=f(x)

 Phương trình đoạn chưng: y=1,206x-0,0053

 Phương trình đoạn luyện: y=0,877x+0,121

 Dựng các đường thẳng vuông góc ox tai các điểm có hoành độ:0,0256; 0,05;

0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 ;0,9; 0,9844

 Các đường này cắt đường làm việc tại A1,A2,…A12

 Và cắt đường cân bằng tại C1,C2,…C12

Ta có:

Chọn khoảng cách từ nắp đến đĩa cuối cùng của đoạn luyện bằng 0,45m

 Chiều cao đoạn luyện:

dh: đường kính của ống hơi, chọn dh=0,1m

n:số chóp phân bố trên mỗi đĩa, n=40

(N/m2)

b Trở lực của đĩa do 2 sức căng bề mặt ( )

( N/m2 ) [IX-138]

:sức căng bề mặt (N/m)

dtd:đường kính tương đương của khe rãnh chóp (m) khi rãnh chóp mở hoàn toàn:

f(x): diện tích tiết diện tự do của rãnh

f(x)=hr.b,hr,b- chiều cao và chiều rộng rãnh(nếu rãnh chữ nhật)

b: chiều cao khe chóp,chọn b=0,02m

S: khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp,chọn S=10mm=0,01m

:chiều cao mức chất lỏng ở bên trên ống chảy chuyền:

[II-237]

V: thể tích chất lỏng chảy qua(m3/h)

dc: đường kính ống chảy chuyền (m)

:chiều cao của lớp chất lỏng trên ống chảy chuyền (m)

hx: chiều cao lớp chất lỏng (không lẫn bọt) trên đĩa(m)

F: phần bề mặt đĩa có gắn chóp (nghĩa là trừ hai phần diện tích đĩa để bố trí ốngchảy chuyền) (m2)

f: tổng diện tích các chóp trên đĩa (m2)

: khối lượng riêng của pha lỏng (kg/m3)

hch: chiều cao của chóp (m)

gxtb=41750,82kg/h

dc=0,2m

 Chiều cao của lớp chất lỏng không bọt trên đĩa:

 Tổng trở lực của một đĩa:

(N/m2 ) (N/m2 )

Ta có:

=20,535đyn/cm = 20,535.10-3 (N/m)

(N/m2 ) c.Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa.(trở lực thuỷ tĩnh)

VI Tính cân bằng nhiệt.

1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

QD1+Qf=QF+Qng1+Qxq1 (J/h) [IX-149]

QD1: là nhiệt lượng do hơi đốt mang vào (J/h)

(J/h) [IX-150]

Qf: là nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào (J/h)

QF: là nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang ra (J/h)

Qxq: là lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh (J/h)

Qng1: là nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

a.Tính Qf:

Qf=F.Cf.tf (J/h) [IX-151]F: lượng hỗn hợp đầu (kg/h); F=17100kg/h

Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu ở 250C (J/kg độ)

Chọn tf=250C (nhiệt độ của hỗn hợp đầu vào)

CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra khỏi tháp (J/kg độ)

tF: nhiệt độ của hỗn hợp ra khỏi thiết bị đun nóng (0C)

F=17100 kg/h

Với tF=68,92490C

Nội suy từ bảng I.153 ta được:

(J/kg độ) (J/kg độ)

=0,325.1093,9411+(1-0,325).932,70988

= 985,115 J/kg độ

(J/h)c.Tính Qxq1,Qng1,QD1:

 Tính QD1:

D1: lượng hơi đốt (kg/h)

r1: ẩn nhiệt hoá hơi J/kg của hơi đốt

: là nhiệt độ nước ngưng(0C)

C1: là nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg độ)

 Qxq1=0,05.Qtt=0,05.D1.r1 (J/h) [IX-154]

Qtt: là nhiệt lượng tiêu tốn

2.Cân b ằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

Tổng lượng nhiệt mang vào tháp bằng tổng lượng nhiệt mang ra

D2: lượng hỗn hợp cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp (kg/h)

r2: ẩn nhiệt hoá hơi của hơi nước, r2=2203,345.103 (kg/h)

: nhiệt độ của nước ngưng,

C2: nhiệt dung riêng của nước ngưng

Nội suy trong I-148, p=2at

r1,r2:là nhiệt hoá hơi của CHCl3,CCl4 ở tp=60,87890C

Nội suy theo bảng I-212 (I-T254) ta được:

tw: nhiệt độ của sản phẩm đáy, tw=76,26450C

Cw: nhiệt lượng riêng của sản phẩm đáy

 Qng2: nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

(J/h ) [IX-164]

Gng2: lượng nước ngưng tụ (kg/h)

Gng2=D2 (lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp đáy)

: nhiệt độ của nước ngưng,=119,60C

C2: nhiệt dung riêng của nước ngưng, C2=4,225.103 (J/kg độ)

 Qxq2: nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh

Vậy ta có: Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp là

3.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

Xét thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu

Với ap=0,98 phần khối lượng

r ,r : ẩn nhiệt hoá hơi của CHCl ,CCl ở t =60,87890C

rA=247,081.103 J/kg

rB=210,445.103 J/kg

t1: nhiệt độ của nước vào, t1=250C

t2: nhiệt độ ra của nước, chọn t2=400C

Rx: chỉ số hồi lưu, Rx=7,123

Cn: nhiệt dung riêng của nước ở ttb=32,50C

nội suy theo bảng I-153, Cn=4176,875 J/kg độ

4.Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh

Chỉ xét thiết bị làm lạnh một lượng hồi lưu

Cn: nhiệt dung riêng của nước, Cn=4176,875 (J/kg độ)

Cp: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ

Cp=CR=1079,09 (J/kg độ)

r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp sản phẩm đỉnh

r=246,16828.103 J/kg

Vậy: lượng nước cần thiết là

PHẦN 4 TÍNH THIẾT BỊ PHỤ

I Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu.

17100 kg/h

 Dung dịch có nhiệt độ đầu: td=250C, cần đem đun nóng đến nhiệt độ

tF=68,92490C

 Chọn thiết bị gia nhiệt ống chum loại thổi, đứng

 Chọn vật liệu làm bằng thép không gỉ 30X có hệ số dẫn nhiệt:

W/m độ (Trang 313- HCII)

 Dùng hơi nước bão hoà để đun nóng hỗn hợp đầu:

P=2at, t0=119,60C (Trang 314-HCII)

1 Xác định lượng nhiệt để đun sôi dung dịch đầu

 Hiệu số nhiệt độ trung bình được xác định theo công thức:

(độ) [V-8-T5-II]

Do:

 Nhiệt độ trung bình của dung dich được xác định theo công thức:

định theo cônh thức:

Q=G.C(t1-t2) W

G: lượng dung dịch cần đun nóng kg/s

G=4,75kg/s

C: Nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg độ)

t1,t2: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch (0C)

t1=250C

t2=68,92490C

Ta có: C=a1.C1+a2.C2 (I-42 trang 152-HCI)

a1,a2: nồng độ phần khối lượng của từng cấu tử trong dung dịch(%)

a1=0,325, a2=1-0,325=0,675

C1,C2: nhiệt dung riêng của từng cấu tử trong dung dịch ( J/kg độ)

Tra sổ tay hoá công tập I tại nhiệt độ ttb=46,9620C và nội suy ta có:

2.1 Khối lượng riêng của dung dịch tại nhiệt độ trung bình được xác định theocông thức:

[I-5]

Tại ttb=46,9620C ta có:

(kg/m3) (kg/m3)

Cp: nhiệt dung riêng của dung dịch ( J/kg độ)

: khối lượng riêng của dung dịch kg/m3

M: khối lượng phân tử của dung dịch

A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng

Đối với chất lỏng không liên kết CHCl , CCl: A=4,22.10-8

d: đường kính trong của ống (m)

: khối lượng riêng của dung dịch ở ttb (kg/m3)

: độ nhớt của dung dịch ở ttb (Ns/m2)

 Chọn ống chùm có:

chiều cao H=2m; đường kính trong d=35mm; =2,5mm

 Giả thiết chất lỏng chảy trong ống ở chế độ chảy xoáy thì >0,5m/s

Theo bảng V-2, trang 15 HCII

 Hệ số cấp nhiệt về phía hơi ngưng tụ đối với ống chùm:

W/m2 độ [V-101-T28-II]: hệ số cấp nhiệt W/m2 độ

tT1: nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ

t1: nhiệt độ của hơi bão hoà

Tra A ở nhiệt độ 118,950C, tra trang 28 HCII

tT2: nhiệt độ thành ống phía dung dịch (0C)

 Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch

 Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch

3 Xác định bề mặt truyền nhiệt F, số ống hơi n, số ngăn m và đường kính Dcủa thiết bị truyền nhiệt F:

d Số ngăn cảu thiết bị gia nhiệt

 Tốc độ chảy thực tế của hỗn hợp trong thiết bị gia nhiệt được xác định:

G: lượng hỗn hợp đầu, G=F=4,75 kg/s

: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp đầu

=1470,61 kg/m3

d: đường kính trong của ống truyền nhiệt, d=0,035m

 Tốc độ chảy giả thiết ứng với chế độ chảy xoáy Re=10000 là:

m/s

: độ nhớt của hỗn hợp đầu tại nhiệt độ trung bình, =4,775.10-4Ns/m2

d: đường kính trong của ống trao đổi nhiệt,m

=1470,61 kg/m3

So sánh thấy do vậy phải chia ngăn trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

Số ngăn được xác định theo công thức:

Quy chuẩn m=2

II.

Tính chọn bơm.

1.Trong quá trình sản xuất để tính toán đưa hỗn hợp đầu lên thùng cao vị

đảm bảo yêu cầu công nghệ thì ta phải tính các trở lực của đường ống dẫn liệucủa thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu từ đó tính chiều cao của thùng cao vị so với vịtrí đĩa tiếp liệu vào tháp

Từ đó tính công suất và áp suất toàn phần của bơm

thống khi dòng chảy đẳng nhiệt: