thiết kế tháp chóp chưng cất liên tục hệ hai cấu tử nước – acid acetic ở áp suất khí quyển, năng suất hỗn hợp đầu 20 000 tấn trên năm

Chưng luyện Acid acetic Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 1 Đại học Quốc gia TpHCM Trường Đại học Bách Khoa Khoa Công nghệ Hóa học Dầu khí BỘ MÔN MÁY THIẾT BỊ

 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Quá trình Thiết bị (MSMH: 605040) ĐỀ TÀI: “thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 500lh” GVHD : Thầy Hoàng Minh Nam SVTH : Văn Thị Ánh Minh MSSV : 60301693 Lớp : HC03 – TP2 Ngành : Hóa thực phẩm Năm học 20052006 Chưng luyện Acid acetic Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 2 MỤC LỤC Lời mở đầu ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU . ............................................................................................. 2 I. Lý thuyết về chưng cất ................................................................................................. 2 1. Khái niệm .................................................................................. 2 2. Các phương pháp chưng cất. ..................................................... 2 3. Thiết bị chưng cất ..................................................................... 3 II. Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu. .................................................................................. 3 1. Axit axetic ................................................................................. 3 2. Nước. ......................................................................................... 4 CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ .................................................................... 5 CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT ........................................................................ 8 I. Các thông số ban đầu. ...................................................................................... 8 II. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được ................... 8 III. Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc ...................................................................... 9 IV. Xác định suất lượng mol các dòng pha ......................................................... 10 CHƯƠNG IV: TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT ................................................................... 12 CHƯƠNG V: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH. ...................................................................... 14 I. Đường kính tháp…... ...................................................................................... 14 II. Chiều cao tháp ................................................................................................ 18 III. Trở lực tháp .................................................................................................... 19 IV. Bề dày tháp ...................................................................................................... 23 V. Bề dày mâm ..................................................................................................... 25 VI. Bích ghép thân – đáy và nắp .......................................................................... 26 VII. Chân đỡ tháp ................................................................................................... 27 VIII. Tai treo tháp .................................................................................................... 28 IX. Cửa nối ống dẫn với thiết bị – bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn……………. .............................................................................................. 29 1. Ống nhập liệu........................................................................ 30 2. Ống hơi ở đỉnh tháp. ............................................................. 30 3. Ống hoàn lưu ........................................................................ 31 4. Ống hơi ở đáy tháp. .............................................................. 31 5. Ống dẫn lỏng vào nồi đun..................................................... 31 6. Ống dẫn lỏng ra khỏi nồi đun. .............................................. 32 X. Lớp cách nhiệt ................................................................................................ 33 CHƯƠNG V: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ. ........................................................................... 34 I. Thiết bị đun sôi đáy tháp…... ......................................................................... 34 II. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy ................................................................... 37 III. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh ................................................................... 41 IV. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu ..................................................................... 44 V. Bồn cao vị ........................................................................................................ 48 VI. Bơm. ............................................................................................................. 51 Chưng luyện Acid acetic Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 3 CHƯƠNG VII: TÍNH KINH TẾ. .................................................................................. 53 Lời kết… ……………… ................................................................................................. 55 Tài liệu tham khảo ........................................................................................................... 55 Chưng luyện Acid acetic Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 4 Chương 1 LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp. Đối với hệ Nước – Axit axetic là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết. Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghê, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 500lh, nồng độ nhập liệu là 8%(kg axitkg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đỉnh là 95,5%(kg nướckg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đáy là 28%(kg axitkg hỗn hợp). Sử dụng hơi đốt có áp suất 2,5at. Chưng luyện Acid acetic Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 5 GIỚI THIỆU I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : 1. Khái niệm:  Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau).  Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.  Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi.  Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi lớn.  Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé. Đối với hệ Nước – Axit axetic thì:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước.  Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic. 2. Các phương pháp chưng cất: 2.1. Phân loại theo áp suất làm việc: Áp suất thấp Áp suất thường Áp suất cao 2.2. Phân loại theo nguyên lý làm việc: Chưng cất đơn giản Chưng bằng hơi nước trực tiếp Chưng cất 2.3. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: Cấp nhiệt trực tiếp Cấp nhiệt gián tiếp Vậy: đối với hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. 3. Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.  Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s… Chưng luyện Acid acetic Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 6 Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh  Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp: Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Ưu điểm Cấu tạo khá đơn giản. Trở lực thấp. Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có ρ ≈ ρ của chất lỏng. Trở lực tương đối thấp. Hiệu suất khá cao. Khá ổn định. Hiệu suất cao. Nhược điểm Do có hiệu ứng thành → hiệu suất truyền khối thấp. Độ ổn định không cao, khó vận hành. Do có hiệu ứng thành → khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng → khó tăng năng suất. Thiết bị khá nặng nề. Không làm việc được với chất lỏng bẩn. Kết cấu khá phức tạp. Có trở lực lớn. Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp. Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Nước – Axit axetic. II. GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU : 1. Axit axetic: 1.1. Tính chất:  Là 1 chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng, trọng lượng riêng 1,0497 (ở 20oC)  Khi hạ nhiệt độ xuống 1 ít đã đông đặc thành 1 khối tinh thể có Tonc = 16,635 – 0,002o, Tosôi = 118oC  Tan trong nước, rượu và ete theo bất kỳ tỷ lệ nào  Là 1 axit yếu, hằng số phân ly nhiệt động của nó ở 25oC là K = 1,75.10 5− Tính ăn mòn kim loại:  Axit axetic ăn mòn sắt.  Nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, nó đề kháng tốt đối với axit axetic đặc và thuần khiết. Đồng và chì bị ăn mòn bởi axit axetic với sự hiện diện của không khí.  Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối với axit axetic. 1.2. Điều chế: Axit axetic được điều chế bằng cách: 1) Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là một giai đoạn trung gian. Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic. CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O 2) Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ acetylen. Sự oxy hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban axetat. Người ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80oC để ngăn chặn sự hình thành peroxit. Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết. Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi chế axit axetic kết tinh được. CH3CHO + ½ O2  → C80ôûaxetatCoban o CH3COOH Chưng luyện Acid acetic Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 7 3) Tổng hợp đi từ cồn metylic và Cacbon oxit. Hiệu suất có thể đạt 50 – 60% so với lý thuyết bằng cách cố định cacbon oxit trên cồn metylic qua xúc tác. Nhiệt độ từ 200 – 500oC, áp suất 100 – 200atm: CH3OH + CO → CH3COOH với sự hiện diện của metaphotphit hoặc photpho – vonframat kim loại 2 và 3 hóa trị (chẳng hạn sắt, coban). 1.3. Ứng dụng: Axit axetic là một axit quan trọng nhất trong các loại axit hữu cơ. Axit axetic tìm được rất nhiều ứng dụng vì nó là loại axit hữu cơ rẻ tiền nhất. Nó được dùng để chế tạo rất nhiều hợp chất và ester. Nguồn tiêu thụ chủ yếu của axit axetic là:  Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic).  Làm đông đặc nhựa mủ cao su.  Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat – làm phim ảnh không nhạy lửa.  Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat.  Làm các phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp.  Axetat nhôm dùng làm chất cắn màu (mordant trong nghề nhuộm)  Phần lớn các ester axetat đều là các dung môi, thí dụ: izoamyl axetat hòa tan được nhiều loại nhựa xenluloza. 2. Nước: Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt. Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau. Tính chất vật lý:  Khối lượng phân tử : 18 g mol  Khối lượng riêng d40 c : 1 g ml  Nhiệt độ nóng chảy : 00C  Nhiệt độ sôi : 1000 C Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (34 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống. Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học. Chương 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Chú thích các kí hiệu trong qui trình: 1. Bồn chứa nguyên liệu. 2. Bơm. 3. Bồn cao vị. 4. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu. 5. Bẩy hơi. 6. Lưu lượng kế. 7. Nhiệt kế. 8. Tháp chưng cất. 9. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh. Chưng luyện Acid acetic Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 8 10. Áp kế. 11. Thiết bị đun sôi đáy tháp. 12. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy. 13. Bồn chứa sản phẩm đáy. 14. Bộ phận chia dòng. 15. Bồn chứa sản phẩm đỉnh. Chưng luyện Acid acetic Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 9 1 2 3 4 8 9 11 12 13 T T P T5 6 7 10 x = 92% t° = 25°C Hôi ñoát P = 2,5at Nöôùc ngöng Nöôùc la øm laïnh t° = 25°C t° = 40°C Hôi ñoát P = 2,5at Nöôùc ngöng Nöôùc laøm laïnh t° = 25°C t° = 35°C x =72% t° = 40°C Nöôùc 14 Chưng luyện Acid acetic Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 10 Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 92% (theo phần khối lượng), nhiệt độ khoảng 250C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (4), rồi được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu. Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là axit axetic sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất (có nồng độ 99,5% phần khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (9) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (axit axetic). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 72% phần khối lượng, còn lại là axit axetic. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (11). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (12), được làm nguội đến 400C, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (13). Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước được thải bỏ, sản phẩm đáy là axit axetic được giữ lại. Chương 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT I. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU : Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ. Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước. Chưng luyện Acid acetic Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 11 Hỗn hợp:    =⇒ =⇒ )molg(18MOH:Nöôùc )molg(60MCOOHCH:axeticAxit N2 A3  Năng suất nhập liệu: GF = 0.5 (m3h)  Nồng độ nhập liệu: xF = 92% (kg nước kg hỗn hợp)  Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 99.5% (kg nước kg hỗn hợp)  Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 72% (kg nước kg hỗn hợp)  Chọn:  Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 25oC  Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi. Đối với thiết bị đun sôi đáy tháp :  Ap suất hơi đốt : Ph = 2.5at Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy :  Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 40oC  Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 25oC  Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 35oC Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh :  Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 25oC  Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40oC  Các ký hiệu:  GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kgh, kmolh.  GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kgh, kmolh.  GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kgh, kmolh.  xi, xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i. II. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH và SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯỢC : Tra bảng 1.249, trang 310, 5 ⇒ Khối lượng riêng của nước ở 25oC: ρN = 996,5 (kgm3) Tra bảng 1.2, trang 9, 5 ⇒ Khối lượng riêng của axit axetic ở 25oC: ρAL = 1042,75 (kgm3) Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, 5: 75,1042 08.0 5,996 92,01 +=+= A FA N FN hh xx ρρρ ⇒ ρhh = 1000 (kgm3) Năng suất nhập liệu : GF = 0,5 (m3h) × 1000 (kgm3) = 500 (kgh) Đun gián tiếp :    += += WWDDFF WDF xGxGxG GGG ⇔ FD W WF D WD F xx G xx G xx G − = − = − Nên : GD = 64,363500725,99 7292 = − − = − − F WD WF G xx xx (kgh) Và: GW = GF – GD = 500 – 363,64 = 136,36 (kgh) III. XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC : 1. Nồng độ phần mol: Chưng luyện Acid acetic Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 12 = − + = − + = 60 92,01 18 92,0 18 92,0 1 A F N F N F F M x M x M x x 0,9746 (mol nước mol hỗn hợp) = − + = − + = 60 72,01 18 72,0 18 72,0 1 A W N W N W W M x M x M x x 0,8955 (mol nước mol hỗn hợp) = − + = − + = 60 955,01 18 995,0 18 995,0 1 A D N D N D D M x M x M x x 0,9985 (mol nước mol hỗn hợp) 2. Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu: 8955,09746,0 8955,09985,0 − − = − − = WF WD xx xxf = 1,30215 3. Tỉ số hoàn lưu làm việc: Chưng luyện Acid acetic Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 13 xF yF Hình 1: Đồ thị cân bằng pha của hệ Nước – Axit axetic Dựa vào hình 1 ⇒ yF = 0,9819 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: 9746,09819,0 9819,09985,0 min − − = − − = FF FD xy yx R = 2,274 Tỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 3,2562 IV. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA : Coi lưu lượng mol của các dòng pha đi trong mỗi đoạn tháp (chưng và luyện) là không đổi. 1. Tại đỉnh tháp: Vì tại đỉnh tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau. ⇒ Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đỉnh tháp là bằng nhau: MHD = MLD = xD. MN + (1 – xD). MA = 0,9985. 18 + (1 – 0,9985). 60 = 18,063 (kgmol) Suất lượng khối lượng của dòng hơi tại đỉnh tháp: GHD = (R +1)GD = (3,2562 + 1). 363,64 = 1547,71 (kgh) Suất lượng mol của dòng hơi tại đỉnh tháp: nHD = 063,18 71,1547 = HD HD M G = 85,684 (kmolh) L L nHD nHD Chưng luyện Acid acetic Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 14 Suất lượng khối l

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ, các ngànhcông nghiệp trên thế giới nói chung cũng như ở Việt Nam nói riêng rất cần nhữnghóa chất có tiêu chuẩn về chất lượng và độ tinh khiết cao Các phương pháp phổbiến được áp dụng rộng rải hiện nay để nâng cao độ tinh khiết như: chưng cất, trích

ly, cô đặc, hấp thụ….tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà có sự lựa chọnphương pháp phù hợp

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợptrong quá trình học tập của các kỹ sư hóa học tương lai Môn học giúp sinh viên giảiquyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về : yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của mộtthiết bị trong sản xuất hóa chất thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vậndụng những kiến thức đã học về nhiều môn để giải quyết những vấn đề thực tế về

kỹ thuật trong công nghiệp một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của đồ án môn học là thiết kế tháp chóp chưng cất liên tục hệ haicấu tử nước – acid acetic ở áp suất khí quyển, năng suất hỗn hợp đầu 20.000tấn/năm Đối với hệ nước – acid acetic là hệ hai cấu tử hòa lẫn vào nhau hoàn toàn,

có nhiệt độ sôi cách xa nhau nên ta dung phương pháp chưng cất để thu được sảnphẩm có độ tinh khiết cao

Hoàn thành đồ án môn học, chúng em chân thành gửi lời cảm ơn đến ban giámhiệu nhà trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu cùng khoa hóa hoc và công nghệ thựcphẩm đã tạo điều kiện cho chúng em thực hiện đồ án Chúng em xin gửi lời cảm ơnđến thầy Dương Khắc Hồng đã giúp đỡ chúng em trong quá trình tính toán để hoànthành đồ án này

Sau cùng chúng em xin kính chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe và tậntâm trong công việc

Nhóm sinh viên thực hiện

tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại Khác với cô đặc,chưng cất làquá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc làquá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử

và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơngiản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồmgồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu

tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn).Đối với hệ nước – acid acetic sản phẩm đỉnh lànước, sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid acetic và một ít nước

Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo

Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếunhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảmnhiệt độ sôi của các cấu tử

trường hợp sau:

được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn

 Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường

được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước

Vậy: đối với hệ nước – acid acetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp

nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

2 Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một

yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ

phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất

thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước của tháp : đường

kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ

tinh khiết của sản phẩm Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm

và tháp chêm

 Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có

cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha

lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

 Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt

bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp

ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

kém  Cấu tạo phức

tạp

Nhận xét: ta thấy tháp chop cho hiệu suất cao và làm việc ổn định hơn

Vậy: Chưng cất hệ nước – acid acetic ta dùng tháp chóp hoạt động liên tục ở áp suất

thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp, nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với thiết bị

gia nhiệt nhập liệu, sản phẩm đáy được làm nguội để thu sản phẩm chính, sản phẩm

đỉnh được dẫn vào nồi đun để tạo hơi nước quá nhiệt cấp nhiệt cho nhập liệu và nồi

đun đáy tháp

II GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU

1 Nước

Nước: là chất lỏng không màu, không mùi,là dung môi hòa tan tốt các hợp chất

phân cực,năng hơn dung môi hữu cơ, không hòa tan dung môi hữu cơ,…nước sôi ở

1000C và đông đặc ở 00C

2 Acid acetic

Acid acetic là một loại acid quan trọng trong các loại acid hữu cơ, nó rẻ hơn nên

được sử dụng rộng rải và là hoá chất cơ bản để điều chế nhiều hợp chất quan trọng

Acid acetic được ứng dụng trong các nghành:

3 Hỗn hợp Nước – Acid acetic

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Nước –Acid

113,8

110,1

107,5

105,8

104,4

103,3

102,1

101,3

100,6

100

Đồ thị 1: đồ thị t- x, y cho hệ Nước – Acid acetic

III CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT NƯỚC – ACID ACETIC

1 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ hai cấu tử Nước – Acid acetic

10 Thiết bị tách nước ngưng

11 Bồn chứa nguyên liệu

12 Bẩy hơi

13 Van xả khí không ngưng

14 Bồn chứa sản phẩm đáy

15 Thiết bị làm lạnh

2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp nước-acid acetic có nồng độ nước 35% ( Kgnuoc/KgHH) , nhiệt độ

Từ đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt (3) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy) Ở đây,

chưng cất (5) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của thápchảy xuống Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có

sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phầnchưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơitạo nên từ nồi đun (9) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp,nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếmnhiều nhất ( có nồng độ 95% theo khối lượng ) Hơi này đi vào thiết bị điều chỉnhdòng (7)sau đó một phần ngưng tụ được đưa qua thiết bị làm lạnh (15) và đưa đếnbồn chứa sản phẩm đỉnh (8) Phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp

ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp đượcbốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng

Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bayhơi ( acid acetic) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 4% theo khối lượng, cònlại là acid acetic Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần được đun, bốc hơi

ở nồi đun (9) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được đưa quathiết bị làm lạnh (15) trao đổi nhiệt với nước, nhiệt độ của sản phẩm đáy sau khitrao đổi nhiệt là 400C, sau đó đưa đến bồn chứa sản phẩm đáy

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước, sản phẩm đáy là acidacetic sau khi trao đổi nhiệt với nước làm mát được đưa vào bồn chứa

CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

 Năng xuất nhập liệu là: ´xF=0,35

 Nồng độ trong sản phẩm đỉnh là: ´xD= 0,95 (kmol nước/ hỗn hợp)

 Nồng độ trong sản phẩm đáy là: ´xw= 0,04 (kmol nước/ hỗn hợp)

Đổi 40000 tấn/năm = 4563,18 Kg/h

 Nhiệt độ nhập liệu: tF=101,550C

 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh: tD =101,020C

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: tw =111,870C

 Trạng thái nhập liệu: lỏng, sôi

Suất lượng dòng sản phẩm đỉnh và đáy (kg/h):

GD = D.MtbD = 83,32.18,672 = 1555,75(kg/h)

GW = W.MtbW = 54,802.54,876 = 3007,315(kg/h)

Xuất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu:

0,9845 0,122 1,6587 0,642 0,122

Suất lượng mol nhập liệu F= 138,127 (kmol/h)

Suất lượng sản phẩm đỉnh D= 83,325 (kmol/h)

Suất lượng sản phẩm đáy W= 54,082 (kmol/h)

1 Tỉ số hồi lưu tối thiểu

Tỉ số hồi lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lí thuyết

là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước, bơm…) là tối thiểu

Do nhập liệu ở trạng thái bão hòa, nên Rmin được xác định như sau:

x D: phần mol cấu tử dể bay hơi ở sản phẩm đỉnh

x F: phần mol cấu tử dể bay hơi trong hỗn hợp đầu

y F*: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân băng với x F

R R+1 x+

1

R+1 x D

= Phương trình nồng độ làm việc của đoạn chưng

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 0

Rx= 1,3.R =1,3.2,617

Ychưng= 1,172x – 0,021

Ycất = 0,631x + 0,349

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 0

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 0

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 0

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 0

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 0

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 0

Từ sơ đồ trên ta chọn chỉ

số hồi lưu thích hợp nhất là: Rth

=3,251Phương trình làm việc của đoạn cất:

N N

- Xác định hiếu suất trung bình của tháp tb

+ Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:

*

*

1

lt tt tb

N N

TLchung TTchung

TLcat TTcat

- Chọn hơi đốt là nước ở 2.5at

+ Trước khi vào nồi đun (lỏng):t s1 111,87(o C)

+ Sau khi đun sôi (hơi):t s  2 112( o C )

Cân bằng nhiệt cho toàn tháp:

Nhiệt dung riêng:

Tra bảng 1249, trang 310, [1]

Nhiệt dung riêng của nước ở 101,55 (oC) : 4,2201 (kJ/kg.K)

Nhiệt dung riêng của nước ở 100,10 (oC) : 4,2220 (kJ/kg.K)

Nhiệt dung riêng của nước ở 111,87 (oC) : 4,2365 (kJ/kg.K)

Tra bảng 1154, trang 172, [1]

Nhiệt dung riêng của acid axetic ở 101,55 (oC) : 2,4300 (kJ/kg.K).

Nhiệt dung riêng của acid axetic ở 100,10 (oC) : 2,4384 (kJ/kg.K)

Nhiệt dung riêng của acid axetic ở 111,87 (oC) : 2,4935 (kJ/kg.K)

0,958198753,56( / )

P P W WS FS P PS FS d

d N

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

Chọn theo bảng IX.4a, Trang 169,[2],

 



Trong đó :

tb

g : lượng hơi trung bình đi trong tháp(kg/h).

( )  y y tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp(m/s)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất là khác nhau Do

đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

a Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần cất

Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần cất

0,813( ) 2

b Khối lượng trung bình của pha hơi trong phần cất

Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm chóp có ống chảy chuyền:

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rFN  40617,05( kJ kmol / ).

Ẩn nhiệt hóa hơi của acid: rFA 24855,65( kJ kmol / )

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rDNuoc  40698,62( kJ kmol / )

Ẩn nhiệt hóa hơi của acid: rDAcid  24898,54( kJ kmol / )

Giải hệ phương trình ( 1 ) ta được:

x x

(molacid/mol hỗn hợp)Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng: TLC = 106,1(0C)

Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong phần chưng

W 0,35 0,04

0,195

F c

(kg acid/kg hỗn hợp)Tra bảng (1.249) trang 311 1

Khối lượng riêng của nước ở 106,1(0C):ρN=955,3 (kg/m3)

2.2

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm chóp có ống chảy chuyền:

' '

'

0,05. L gh

g : lượng hơi đi vào đoạn chưng(kg/h).

.Đường kính đoạn chưng:

Kết luận :Đường kính của đoạn chưng và cất có chênh lệch, để thuận tiện

trong thiết kế ta chọn đường kính tháp là: D1,5( )m

- Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp:

6953,31 8480,88 7423,85( 3 / ) 0,794 1,285

w b

Tiết diện cắt ngang của tháp: F=1,766(m2).

Cứ 1m2 chọn 4 cm2 lỗ tháo lỏng Do đó tổng diện tích lỗ tháo lỏng trên 1 mâm là:

1,766.4=7,064(cm2)

Chọn đường kính lỗ tháo lỏng là 7,5(mm)=0,75(cm)

Nên số lỗ tháo lỏng cần thiết trên 1 mâm là :

7,0642 16 0,75

2 Tính toán ống chảy chuyền.

- Lượng lỏng trung bình đi trong tháp:

- Bề dày của ống chảy chuyền: chọn  c 0,002( ) m

- Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến chóp gần nhất:

3 Tính toán tổn thất áp suất qua toàn tháp

3.1 Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm 

- Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn: L=1117(mm)

- Diện tích giữa hai gờ chảy tràn:

2

2. d 1,766 2.0,1766 1,413( )

1,34. L 1,34 7,5

m

V x

aj

S

3.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm:

- Chiều cao lớp chất lỏng trên lỗ chớp đến gờ chảy tràn hss:

Vậy khi tháp hoạt động không xảy ra hiện tượng ngập lụt

- Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền

Đại lượng này để kiểm tra chất lỏng chảy vào tháp có đều không và chất lỏng không va đập vào thành:

56,72

0,59

tw w

Vậy tổng trở lực toàn tháp:

2 946,22.9,81.3,3 30632( / ) 0,31( )

y

Q d

Tra bảng XIII-32 trang 434, [2] chọn l1=130(mm)( chiều dài đoạn nối ống)

- Ống dẫn chảy hồi lưu

4

Q d

3 2

Q d

3 3

Q d

4 4

Q d

5 4.0,491 0,13( ) 130( )

3,14.35

CHƯƠNG IV:TÍNH TOÁN CƠ KHÍ.

I TÍNH BỀ DÀY THÂN TRỤ CỦA THÁP.

Thân tháp được chế tạo bằng phương pháp hàn hồ quang Thân tháp được ghép từ nhiều đoạn bằng mối ghép bích

Tra bảng IX.5 ta chọn với đường kính trong của tháp D=1500(mm), khoảng

3000(mm), số đĩa giữa hai mặt nối bích nd = 6

Chọn vật liệu làm thân là thép không gỉ X18H10T, ở nhiệt độ làm việc t=0oC

XII.7( tính chất vật lý của kim loại đen và hợp kim của chúng), các thông số đặc

Giới hạn bền kéo:k  550.10 ( /6 N m2)

Giới hạn bền chảy:ch  220.10 ( /6 N m2)

Hệ số dãn khi kéo ở nhiệt độ 20100oC : 16,6.10-6(1/oC)

Khối lượng riêng:  7,9.10 (3 Kg m / 3)

- Điều kiện làm việc của tháp chưng cất:

+ Áp suất bên trong tháp (tính tại đáy tháp) với môi trường làm việc khí:

d là đường kính của lỗ quan sát, có 6 lỗ, d=240(mm).

+ Ứng suất cho phép kcủa vật liệu được tính:

N m n

N m n

139,33.10 0,922

419,81 253,06.10

P D S

- Kiểm tra bề dày của thân tháp:

+ Kiểm tra điều kiện:

Nên chiều dày của thân tháp: S = 4,44(mm)

II TÍNH - CHỌN BỀ DÀY ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ

Đáy và nắp cũng là một bộ phận thường được chế tạo cùng loại vật liệu với

thân thiết bị, sử dụng thép không gỉ X18H10T

Nên diện tích bề mặt trong 2,56(m2) tra bảng XIII.10, trang 382 sổ tay tập 2

+ Bán kính cong bên trong đáy-nắp tháp: R t = D = 1,5(m)

+ Bề dày đáy và nắp elip của thiết bị chịu áp suất trong:

1,5

d K

D

.(Đường kính lỗ ở nắp d=0,3m)

- Kiểm tra bề dày của đáy - nắp tháp:

+ tra điều kiện:

Mặt bích là bộ phận dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ

phận khác của thiết bị Chọn loại bích liền không cổ bằng thép CT3

Bảng VIII-27, trang 417 sổ tay tập 2 Cho các kiểu bích liền bằng CT3(kiểu I) với thiết bị đáy nắp như sau:

Đường kính bên trong của thiết bị: D=1500(mm)

(mm)

D(mm)

Theo bảng XIII-30 tương ứng với bảng XIII-26 : kích thước bề mặt đệm bít kín:

D1 tra theo bảng XIII-26

b1

(mm)

Z(rãnh)

F(mm)

IV CHÂN ĐỠ VÀ TAY TREO THIẾT BỊ

Khối lượng nắp bằng khối lượng đáy (giả sử đường ống dẫn vào nắp và đáy gần như nhau):

Với nắp đáy elip có D=1500(mm), chiều dày S=6,38(mm), chiều cao gờ

h=25(mm) Tra bảng XIII-11, trang 384 sổ tay tập 2, ta có :

Vậy tổng khối lượng chóp là: 6,5819.40=263.276(kg)

- Khối lượng thân tháp :

3 3,14.1,5.19,144.0,004.7,9.10 2849,32( )

- Khối lượng ống hơi:

3 3,14.0,075.0,08.40.38.0,002.7,9.10 452,46( )

- Khối lượng bích nối thân

Đường kính mặt bích của thân: D=1560(mm)

2 2 2 2 2 2

(0, 29 0, 2 ).0,016 (0,14 0, 05 ).0, 012 (0,13 0,04 0, 0123,14

Theo bảng XIII-36, sổ tay tập 2:

B(mm)

B1

(mm)

H(mm)

S(mm)

L(mm)

a(mm)

d(mm)

L(mm)

B(mm)

H(mm)

S(mm)

l(mm)

d(mm)