Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp dung dịch axeton axit axetic dùng tháp chưng cất mâm xuyên lỗ có gờ chảy chuyền

Bộ Giáo Dục Đào Tạo Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc Khoa Hóa Học Công Nghệ Thực Phẩm    ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa học Chuyên Ngành : Hóa dầu 1. Tên Đề Tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp dung dịch axeton axit axetic dùng tháp chưng cất mâm xuyên lỗ có gờ chảy chuyền với các số liệu sau: • Năng suất hỗn hợp đầu: • Nồng độ nhập liệu: 38% (phần khối lượng). • Nồng độ sản phẩm đỉnh: 98% (Phần khối lượng). • Nồng độ sản phẩm đáy: 1,7% (Phần khối lượng). 2. Nhiệm vụ đồ án: • Cơ sở thiết kế quá trình. • Xây dựng dây chuyền công nghệ. • Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng. • Tính toán cơ khí cho thiết bị chính, thiết bị phụ. 3. Các bản vẽ:  01 Bản vẽ chí tiết thiết bị chính (bản A101 bản vẽ tay )  02 Bản vẽ sơ đồ quy trình công nghệ: 01bản A1, 01 bản A3. 4. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 15012014 5. Ngày bảo vệ và chấm đồ án: 052014 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TRƯỞNG BỘ MÔN KẾT LUẬN Sau quá trình tìm hiểu, thiết kế, tính toán. Nhóm đã thiết kế được quy trình công nghệ, tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, tính toán được thiết bị chính và phụ. Tất cả những thông số đó được trình bày ở phần trên. Với yêu cầu của nhiệm vụ đề tài, nhóm đã vận dụng hầu hết các kiến thức đã được học để thực hiện thiết kế, tính toán. Tuy nhiên, trong quá trình làm đồ án, do trình độ kinh nghiệm thực tiễn hạn chế nên nhóm còn gặp rất nhiều khó khăn. Nhóm cũng đã hoàn thành xong bài đồ án. Mong thầy, cô và bạn đọc đóng góp ý kiến để nhóm rút kinh nghiệm và thực hiện tốt hơn cho những lần sau. LỜI CẢM ƠN Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Toàn đã giúp đỡ, hướng dẫn tận tình để chúng em có thể hoàn thành đồ án. Cảm ơn nhà trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em trong quá trình làm đồ án. Đồng cảm ơn tất cả những bạn đã cùng nhóm mình trao đổi tài liệu cũng như giải quyết những thắc mắc để bài đồ án có thể hoàn thiện hơn. Do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp Thầy, Cô để chúng em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn trong những đồ án cũng như những bài báo cáo sắp tới. Em xin chân thành cảm ơn MỤC LỤC Lời mở đầu 1 Chương 1: Cơ sở thiết kế hệ thống thiết bị 1. Chưng luyện: 2 1.1 Phương pháp chưng luyện: 2 1.2 Thiết bị chưng cất: 3 1.3 Máy bơm: 4 1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt: 4 2 Sơ đồ công nghệ: 4 3. Thuyết minh quy trình công nghệ: 4 Chương 2: Cân bằng vật chất 5 1. Cân bằng vật chất: 5 1.1. Các số liệu ban đầu: 5 1.2. Các ký hiệu: 6 1.3. Xác định xuất lượng và sản phẩm đáy: 6 2. Xác định chỉ số hồi lưu 7 2.1. Đồ thị cân bằng Aceton – Axit axetic 7 2.2. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp 8 2.2.1. Chỉ số hồi lưu tối thiểu 8 2.2.2. Chỉ số hồi lưu thích hợp 8 2.3. Xác định số đĩa lý thuyết 10 2.4. Phương trình đường làm việc 10 2.5. Xác định số mâm thực tế 10 Chương 3 cân bằng năng lượng 13 1. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 13 1.1. Nhiệt dung riêng 13 1.2. ENTHAPY 13 Chương 4: tính thiết bị chính 15 1. Đường kính tháp (Dt): 15 1.1. Đường kính đoạn cất : 15 1.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp : 15 1.1.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : 16 1.2. Đường kính đoạn chưng: 17 1.2.1. Lưu lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng: 17 1.2.2. Tốc độ bay hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng 18 2. Chiều cao tháp 19 3. Trở lực của tháp 19 3.1.1. cấu tạo mâm xuyên lỗ 19 3.1.2. Trở lực của đĩa khô: 20 3.1.3. Trở lực do sức căng bề mặt 20 3.1.4. Thủy lực tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra 21 3.1.5. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 23 4. Tính toán cơ khí của tháp 24 4.1. Bề dày thân tháp 24 4.2. Đáy và nắp đậy 25 4.3. Bề dày mâm 26 4.4. Bích ghép thân – đáy và nắp 27 4.5. Chân đỡ tháp 28 4.5.1. Tính trọng lượng của toàn tháp 29 4.5.2. Tính chân đỡ tháp 29 4.6. Tai treo tháp: 30 4.7. Cửa nối ống dẫn với thiết bị bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn 30 4.7.1. Ống hơi ở đỉnh tháp 31 4.7.2. Ống hoàn lưu: 31 4.7.3. Ống hơi ở đáy tháp 32 4.7.4. ống dẫn lỏng vào nồi đun 32 4.7.5. ống dẫn lỏng ra khỏi nồi đun 33 4.8. Lớp cách nhiệt 33 Chương 5: Tính thiết bị phụ 35 1. Các thiết bị truyền nhiệt 35 1.1. Thiết bị đun sôi đáy tháp 35 1.1.1. Hệ số truyền nhiệt 35 1.1.2. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu 36 1.1.3. Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ống 36 1.1.4. Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi đốt trong ống: 37 1.1.5. Xác định hệ số truyền nhiệt 38 1.1.6. Bề mặt truyền nhiệt 38 1.1.7. Cấu tạo thiết bị 38 1.2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 38 1.2.1. suất lượng nước làm lạnh cần dùng 38 1.2.2. hiệu số nhiệt độ trung bình 39 1.2.3. Hệ số truyền nhiệt 39 1.2.4. Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống 39 1.2.5. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu 40 1.2.6. Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ống 40 1.2.7. xác định hệ số truyền nhiệt 42 1.2.8. Bề mặt truyền nhiệt 42 1.2.9. Cấu tạo của thiết bị 42 1.3. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 42 1.3.1. suất lượng nước làm lạnh cần dùng 42 1.3.2. hiệu số nhiệt độ trung bình 42 1.3.3. Hệ số truyền nhiệt 43 1.3.4. Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống 43 1.3.5. Nhiệt tải qua thành ống cà lớp cáu 44 1.3.6. Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước ngưng tụ ngoài ống 44 1.3.7. Xác định hệ số truyền nhiệt 45 1.3.8. Bề mặt truyền nhiệt 45 1.3.9. Cấu tạo thiết bị 45 1.4. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa dòng nhập liệu và sản phẩm đỉnh 46 1.4.1. nhiệt độ đầu ra của dòng nhập liệu 46 1.4.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình 46 1.4.3. Hệ số truyền nhiệt 47 1.4.4. Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống 47 1.4.5. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu 48 1.4.6. Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đỉnh ngoài ống 48 1.4.7. Xác định hệ số truyền nhiệt 50 1.4.8. Bề mặt truyền nhiệt 50 1.4.9. Cấu tạo thiết bị 50 1.5. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 50 1.5.1. suất lượng hơi đốt cần dùng 51 1.5.2. hiệu số nhiệt độ trung bình 51 1.5.3. Hệ số truyền nhiệt 51 1.5.4. Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống 51 1.5.5. Nhiệt tải qua thành óng và lớp cáu 52 1.5.6. Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ống 52 1.5.7. Xác định hệ số truyền nhiệt 53 1.5.8. Bề mặt truyền nhiệt 53 1.5.9. Cấu tạo thiết bị 54 2. Bồn cao vị 54 2.1. Tổn thất đường ống dẫn 54 2.2. Xác định vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn 54 2.3. Xác định hệ số ma sát trong đường ống 54 2.4. Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ 55 2.5. Tổn thất đường ống dẫn nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt giữa dòng nhập liệu và sản phẩm đỉnh 55 2.6. Vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn 56 2.7. Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ 56 2.8. Chiều cao bồn cao vị: 56 3. Bơm 57 3.1. Năng suất: 57 3.2. Cột áp: 57 3.3. Tính tổng trở lực trong ống: 58 3.4. Tính cột áp của bơm: 59 3.5. Công suất: 60 Kết luận: 63 Tài liệu tham khảo 624

Bộ Giáo Dục & Đào Tạo Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

Khoa Hóa Học & Công Nghệ Thực Phẩm

- 

 -ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Chuyên Ngành : Hóa dầu

1 Tên Đề Tài:

Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp dung dịch axeton - axit axetic dùng thápchưng cất mâm xuyên lỗ có gờ chảy chuyền với các số liệu sau:

 Năng suất hỗn hợp đầu: F 8 (kg/s).

2 Nhiệm vụ đồ án:

 Cơ sở thiết kế quá trình

 Tính toán cơ khí cho thiết bị chính, thiết bị phụ

3 Các bản vẽ:

 01 Bản vẽ chí tiết thiết bị chính (bản A1/01 bản vẽ tay )

4 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 15/01/2014

5 Ngày bảo vệ và chấm đồ án: /05/2014

KẾT LUẬN

Sau quá trình tìm hiểu, thiết kế, tính toán Nhóm đã thiết kế được quy trình công nghệ, tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, tính toán được thiết

bị chính và phụ Tất cả những thông số đó được trình bày ở phần trên.

Với yêu cầu của nhiệm vụ đề tài, nhóm đã vận dụng hầu hết các kiến thức đã được học để thực hiện thiết kế, tính toán Tuy nhiên, trong quá trình làm đồ án, do trình độ kinh nghiệm thực tiễn hạn chế nên nhóm còn gặp rất nhiều khó khăn Nhóm cũng đã hoàn thành xong bài đồ án Mong thầy, cô và bạn đọc đóng góp ý kiến để nhóm rút kinh nghiệm và thực hiện tốt hơn cho những lần sau.

LỜI CẢM ƠN

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Toàn đã giúp đỡ, hướng dẫn tận tình để chúng em có thể hoàn thành đồ án Cảm ơn nhà trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em trong quá trình làm đồ án Đồng cảm ơn tất cả những bạn đã cùng nhóm mình trao đổi tài liệu cũng như giải quyết những thắc mắc

để bài đồ án có thể hoàn thiện hơn.

Do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp Thầy,

Cô để chúng em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn trong những đồ án cũng như những bài báo cáo sắp tới.

Em xin chân thành cảm ơn !

MỤC LỤC

Lời mở đầu 1

Chương 1: Cơ sở thiết kế hệ thống thiết bị

1 Chưng luyện: 2

1.1 Phương pháp chưng luyện: 2

1.2 Thiết bị chưng cất: 3

1.3 Máy bơm: 4

1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt: 4

2 Sơ đồ công nghệ: 4

3 Thuyết minh quy trình công nghệ: 4

Chương 2: Cân bằng vật chất 5

1 Cân bằng vật chất: 5

1.1 Các số liệu ban đầu: 5

1.2 Các ký hiệu: 6

1.3 Xác định xuất lượng và sản phẩm đáy: 6

2 Xác định chỉ số hồi lưu 7

2.1 Đồ thị cân bằng Aceton – Axit axetic 7

2.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp 8

2.2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu 8

2.2.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp 8

2.3 Xác định số đĩa lý thuyết 10

2.4 Phương trình đường làm việc 10

2.5 Xác định số mâm thực tế 10

Chương 3 cân bằng năng lượng 13

1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 13

1.1 Nhiệt dung riêng 13

1.2 ENTHAPY 13

Chương 4: tính thiết bị chính 15

1 Đường kính tháp (Dt): 15

1.1 Đường kính đoạn cất : 15

1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp : 15

1.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : 16

1.2 Đường kính đoạn chưng: 17

1.2.1 Lưu lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng: 17

1.2.2 Tốc độ bay hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng 18

2 Chiều cao tháp 19

3 Trở lực của tháp 19

3.1.1 cấu tạo mâm xuyên lỗ 19

3.1.2 Trở lực của đĩa khô: 20

3.1.3 Trở lực do sức căng bề mặt 20

3.1.4 Thủy lực tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra 21

3.1.5 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 23

4 Tính toán cơ khí của tháp 24

4.1 Bề dày thân tháp 24

4.2 Đáy và nắp đậy 25

4.3 Bề dày mâm 26

4.4 Bích ghép thân – đáy và nắp 27

4.5 Chân đỡ tháp 28

4.5.1 Tính trọng lượng của toàn tháp 29

4.5.2 Tính chân đỡ tháp 29

4.6 Tai treo tháp: 30

4.7 Cửa nối ống dẫn với thiết bị - bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn 30 4.7.1 Ống hơi ở đỉnh tháp 31

4.7.2 Ống hoàn lưu: 31

4.7.3 Ống hơi ở đáy tháp 32

4.7.4 ống dẫn lỏng vào nồi đun 32

4.7.5 ống dẫn lỏng ra khỏi nồi đun 33

4.8 Lớp cách nhiệt 33

Chương 5: Tính thiết bị phụ 35

1 Các thiết bị truyền nhiệt 35

1.1 Thiết bị đun sôi đáy tháp 35

1.1.1 Hệ số truyền nhiệt 35

1.1.2 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu 36

1.1.3 Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ống 36

1.1.4 Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi đốt trong ống: 37

1.1.5 Xác định hệ số truyền nhiệt 38

1.1.6 Bề mặt truyền nhiệt 38

1.1.7 Cấu tạo thiết bị 38

1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 38

1.2.1 suất lượng nước làm lạnh cần dùng 38

1.2.2 hiệu số nhiệt độ trung bình 39

1.2.3 Hệ số truyền nhiệt 39

1.2.4 Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống 39

1.2.5 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu 40

1.2.6 Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ống 40

1.2.7 xác định hệ số truyền nhiệt 42

1.2.8 Bề mặt truyền nhiệt 42

1.2.9 Cấu tạo của thiết bị 42

1.3 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 42

1.3.1 suất lượng nước làm lạnh cần dùng 42

1.3.2 hiệu số nhiệt độ trung bình 42

1.3.3 Hệ số truyền nhiệt 43

1.3.4 Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống 43

1.3.5 Nhiệt tải qua thành ống cà lớp cáu 44

1.3.6 Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước ngưng tụ ngoài ống 44

1.3.7 Xác định hệ số truyền nhiệt 45

1.3.8 Bề mặt truyền nhiệt 45

1.3.9 Cấu tạo thiết bị 45

1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa dòng nhập liệu và sản phẩm đỉnh 46

1.4.1 nhiệt độ đầu ra của dòng nhập liệu 46

1.4.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình 46

1.4.3 Hệ số truyền nhiệt 47

1.4.4 Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống 47

1.4.5 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu 48

1.4.6 Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đỉnh ngoài ống 48

1.4.7 Xác định hệ số truyền nhiệt 50

1.4.8 Bề mặt truyền nhiệt 50

1.4.9 Cấu tạo thiết bị 50

1.5 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 50

1.5.1 suất lượng hơi đốt cần dùng 51

1.5.2 hiệu số nhiệt độ trung bình 51

1.5.3 Hệ số truyền nhiệt 51

1.5.4 Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống 51

1.5.5 Nhiệt tải qua thành óng và lớp cáu 52

1.5.6 Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ống 52

1.5.7 Xác định hệ số truyền nhiệt 53

1.5.8 Bề mặt truyền nhiệt 53

1.5.9 Cấu tạo thiết bị 54

2 Bồn cao vị 54

2.1 Tổn thất đường ống dẫn 54

2.2 Xác định vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn 54

2.3 Xác định hệ số ma sát trong đường ống 54

2.4 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ 55

2.5 Tổn thất đường ống dẫn nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt giữa dòng nhập liệu và sản phẩm đỉnh 55

2.6 Vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn 56

2.7 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ 56

2.8 Chiều cao bồn cao vị: 56

3 Bơm 57

3.1 Năng suất: 57

3.2 Cột áp: 57

3.3 Tính tổng trở lực trong ống: 58

3.4 Tính cột áp của bơm: 59

3.5 Công suất: 60

Kết luận: .63

Tài liệu tham khảo 624

Đ án quá trình thi t b GVHD: ThS Nguy n Vănễn Văn

Toàn

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nướcnhà, các ngành công nghiệp cần rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao Quá trình cóthể đáp ứng phần nào độ tinh khiết theo yêu cầu là chưng cất: là quá trình tách các cấu

tử trong hỗn hợp lỏng – lỏng, hay hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựavào độ bay hơi khác nhau của chúng

Vì thế, đề tài  Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton – Axit axetic  của môn 

Đồ Án Môn Học Quá Trình Thiết Bị  cũng là một bước giúp cho sinh viên tập luyện

và chuẩn bị cho việc thiết kế quá trình & thiết bị công nghệ trong lĩnh vực này

Nhiệm vụ thiết kế: tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp haicấu tử : acetone – Axit axetic với các số liệu sau đây:

Năng suất hỗn hợp đầu F : 8 Kg/sNồng độ sản phẩm đỉnh : 98% theo khối lượngNồng độ nhập liệu : 38% theo khối lượngNồng độ sản phẩm đáy: 1.7% theo khối lượng

Áp suất làm việc : áp suất thường

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ

1 Chưng luyện:

1.1 Phương pháp chưng luyện:

Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tửriêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ởcùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đóvật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất là quátrình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá 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 thuđược bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sảnphẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm 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 hệaxeton -axit axetic sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm axeton và một ít acid axetic, ngược lạisản phẩm đáy chủ yếu gồm acid axetic và một ít axeton

Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:

Áp suất làm việc: chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Nguyêntắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi củacác cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử.Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên tục

Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong cáctrường hợp sau:

+ Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

+ Không 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 cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình đượcthực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn

Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thườngđược áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước

Vậy: đối với hệ axeton – axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp

nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

1.2 Thiết bị chưng cất:

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêucầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này phụ thuộc vào độ phântán của lưu chất này vào lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thườngđược ứng dụng trong công nghiệp lọc hố dầu Kích thước của tháp: đường kính tháp vàchiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sảnphẩm 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 hơiđựơc cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

Tháp mâm chóp : trên mâm có chóp dạng tròn hay một dạng khác,có rãnh xung

quanh để pha khí đi qua va ống chảy chuyền có hình tròn

Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính 3-12mm được bố trí trêncác đỉnh tam giác, bước lổ bằng 2,5 đến 5 lần đường kính

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 hayxếp thứ tự

So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :

Nhược

điểm:

Hiệu suất thấpThiết bị nặng

Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và thápmâm chóp Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ

Vậy: Chưng cất hệ axeton – axit axetic ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động

liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp

1.3 Máy bơm:

Máy bơm ly tâm khá đa dạng nó có thể bơm nhiều chất lỏng khác nhau từ nướctới xăng dầu cho tới các hỗn hợp chất lỏng và chất rắn Hiêu suất làm việc của máybơm khá khỏe và tương đối cao, máy có chi tiết phù hợp với công việc di chuyển

1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt: dạng ống lồng ống

Ưu điểm: kết cấu ngắn gọn, chắc chắn, công nghệ chế tạo không phức tạp, bề mặt truyền nhiệt lớn, dễ dàng vệ sinh sửa chữa

Nhược điểm: khó chế tạo bằng vật liệu giòn, giá thành cao

2 Sơ đồ công nghệ:

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

2 Bơm

3 Bồn cao vị

4 Lưu lượng kế

5 Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy

6 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

3 Thuyết minh quy trình công nghệ:

Hỗn hợp axeton – axit axetic nhiệt độ khoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (1)được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (5)( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ) Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôitrong thiết bị gia nhiệt(6), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống.Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc vàtrao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuốngdưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12)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 axeton sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnhtháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử axeton chiếm nhiều nhất Hơi này đi vào thiết bịngưng tụ (11) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ được trao đổinhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (5) rồi vào bồn chứa sản phẩm đỉnh (13) Phầncòn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hồn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hồi lưutối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độsôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợplỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi acid acetic

Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đun dung dịchlỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại rakhỏi nồi đun được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

1 Cân bằng vật chất:

1.1 Các số liệu ban đầu:

Năng suất theo hỗn hợp đầu F: 8 kg/s

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi

: 38% khối lượng

W : lượng sản phẩm đáy ( Kmol/h )

x F :nồng độ mol Acetone trong nhập liệu

x D :nồng độ mol Acetone trong sản phẩm đỉnh

x W : nồng độ mol Acetone trong sản phẩm đáy

1.3 Xác định xuất lượng và sản phẩm đáy:

Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất

F= D + W (1)

F = D + W (2)Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol

0 80

0.98 1 0.981

0.017 1 0.0171

1

M M

 

W W 1 1 W 2 0.017 *58 (1 0.017) *60 59.964

tb

kg kmol

Sản phẩm đỉnh

28800 59.224 486.29

tbF

F FM

2.1 Đồ thị cân bằng Aceton – Axit axetic

Tra bảng IX 2.a (sổ tay QT và TBCNHH-2 trang 146)

Hình 1: đồ thị cân bằng x-y hệ axeton-axit axetic

Hình 2: đồ thị t-xy

2.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

2.2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu

Do dòng nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hòa nên, sẽ được xác định như sau

Rmin =

F F

F D

x y

y x

đường XF = const và điểm (XW,YW ) vẽ các tam giác ta được số đĩa lý thuyết Ta được bảng tổng kết sau:

Thiết lập đồ thị R-N(R+1) ta xác định được Rth tại giá trị nhỏ nhất của N(R+1) Kết quả là Rth = 0.54 tại βR = 1.6

2.3 Xác định số đĩa lý thuyết

Với Rth = 0.54 ta xác định được số đĩa lý thuyết Nlt = 11

Trong đó: số đĩa đoạn chưng: 8

Số đĩa đoạn luyện: 3

2.4 Phương trình đường làm việc

Phương trình đường làm việc làm cất :



 x - 1

1

L R

D D

x, y : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, pha hơi

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng  : tra theo nhiệt độ

tb = (1 + 2 + 3) / 3

1 , 2 , 3 : lần lượt là hiệu suất ở mâm đỉnh, mâm đáy, mâm nhập liệu

Từ giãn đồ x-y, t-x,y : tìm nhiệt độ tại các vị trí và nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng :

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất

Chọn hơi đốt là nước ở 2.5 atm

1.1 Nhiệt dung riêng

Tra bảng I.153 trang 171, [1]:

Nhiệt dung riêng của axeton ở 57.80C: 2298 (J/kg.K)

Nhiệt dung riêng của axeton ở 800C: 2370 (J/kg.K)

Nhiệt dung riêng của axeton ở 1180C: 2489 (J/kg.K)

Tra bảng I.154, trang 172, sổ tay QTTB 1

Nhiệt dung riêng của axetic ở 57.80C: 3180 (J/kg.K)

Nhiệt dung riêng của axetic ở 800C: 3270 (J/kg.K)

Nhiệt dung riêng của axetic ở 1180C: 3348 (J/kg.K)

1.2 ENTHAPY

0.38* 2298 (1 0.38)*3180 2844.84

FS

Nhiệt hóa hơi:

Tra bảng I.212 trang 254, [1]:

Nhiệt hóa hơi của axeton ở 800C = 496.14 kJ/kg

Nhiệt hóa hơi của axetic ở 800C = 481.48 kJ/kg

Nên rD 0.981*496.14 ((1 0.981)*481.48) 495.86    kJ/kg

Nhiệt lượng cần cung cấp:

2784174.33 0.995

Vậy hơi nước cần cung cấp là:

27841747.33

13056.11 2131

d n n

Q Q r

CHƯƠNG 4: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH

1 Đường kính tháp (D t ):

tb y y tb

g

) ω ( 0188 , 0 ω 3600.

π

4V D

tb

tb t





Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h)

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

gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

1.1 Đường kính đoạn cất :

1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp :

21

g g

tb



gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h)

g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h)

D

r g r g

x D x G y g

D G g

1 1

1 1 1 1

1 1

(III.1)

Với : G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất

rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp

tính r1 :

Với t1 = tF = 80oC , (Tra tài liệu tham khảo ) ta có :

Ần nhiệt hoá hơi của axetic : raxetic = 3832.54 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hoá hơi của aceton : raxeton = 494.04 (KJ/kmol)

Suy ra: r1 = raxeton.y1 + (1-y1).raxetic = 3832.54 - 3338.5y1 (KJ/kmol)

Tính r d :

Với tD = 57,8oC (Tra tài liệu tham khảo ) ta có :

Ẩn nhiệt hoá hơi của axetic : raxetic = 372.89 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hoá hơi của aceton : raxeton = 514.98 (KJ/kmol)

Suy ra: rd = raxeton.yD + (1-yD).raxetic = 514.98 *0,975+ (1- 0,975)*372.89

= 511.43 (KJ/kmol)

x1 = xF = 0,388

Giải hệ (III.1), ta được : G1 = 3304.3 (Kg/h)

y1 = 0,84 (phân mol aceton) _ M1= 58.32

1.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

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

Dựa vào đồ thị X,Y phụ thuộc vào T ta có

Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần cất: tL 87.50C

Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong phần cất:

0.38 0.98

0.68 2

L

Tra bảng I.2, trang 10, [1]: ta có:

Khối lượng riêng của axetic ở 87.50C: 1020 kg/m3

Khối lượng riêng của axeton ở 87.50C: 709.25 kg/m3

Dựa vào đồ thị X,Y phụ thuộc T ta có:

Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần cất: tH 950C

Khối lượng trung bình của pha hơi trong phần cất:

H H

H R

M T T

Suy ra:

787.4 0.05 0.05 1

1.95

L gh

1.95*0.8

C

1.2 Đường kính đoạn chưng:

1.2.1 Lưu lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

Với : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

Tính : = 0.018 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có: = 0.035

58 (1 ).60

y y

ẩn nhiệt hóa hơi của axeton: r 'axeton 563.75 (kJ/kg)

tra bảng I.213 trang 256, [1]: ta có

ẩn nhiệt hóa hơi của axetic: r 'axetic 389.53 (kj/kg)

suy ra: r '1 r 'axeton.yw (1  yw)r 'axetic 563.75*0.035 (1 0.035)*389.53 395.62    (kj/kg)tính r1 = raxeton.y1 + (1-y1 raxetic = 3832.54 - 3338.5y1 (KJ/kmol)

1.2.2 Tốc độ bay hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng

tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền

0.05 '

'

L gh

Với:  'L khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3)

 'H khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m3)

x

Tại t 'tb 900C ta tra bảng I.2 trang 9, [1]:

Khối lượng riêng của axeton axeton 706 kg/m3

Khối lượng riêng của axetic axetic 1002 kg/m3

Vậy khối lượng trung bình của pha lỏng ở đoạn chưng:

n: số mâm thực tế của tháp chưng cất

h: khoảng cách giữa các mâm

ta lấy h = 0.4 từ đó ta tính được H = (21-1)0.4 = 8 m

3 Trở lực của tháp

3.1.1 cấu tạo mâm xuyên lỗ

chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:

tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm

Đường kính lỗ dlo = 0.003 m

Chiều cao gờ chảy tràn: hgo = 0.05 m

Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm

Lỗ bố trí theo hình lục giác đều

Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 7 mm

Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T

Gọi a là số hình lục giác.

Áp dụng công thức (V.139),trang 48[6]: N = 3a(a+1)+1

Giải phương trình bậc 2 ta được: a = 45.77 ta lấy 46 => N = 6484 (lỗ)

Số lỗ trên đường chéo: b = 2a+1 = 93 lỗ

3.1.2 Trở lực của đĩa khô:

Áp dụng công thức (IX.140), trang 19, [6]:

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện Tl 87.50C

Tra bảng I.242, trang 300, [1]:

Sức căng bề mặt của axeton: axeton 15.3*10-3 (N/m)

Sức căng bề mặt của axetic: axetic 28.875*10-3 (N/m)

Áp dụng công thức (I.76), trang 299, [1]:

L

p

Phần chưng

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng Tc 900C

Tra bảng I.242 trang 300, [1]:

Sức căng bề mặt của axeton: axeton 15*10-3 N/m

Sức căng bề mặt của axetic: axetic 28.5*10-3N/m

Áp dụng công thức I.76 trang 299, [1]:

Q h

K L

Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện:

0.0062 3600*58.0387 *787.4

*

3600*

m vL

D LL

D R F M Q

3.1.5 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động

Khoảng cách giữa 2 mâm:  h 400 mm

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy

chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức (5.20), trang 120, truyền

được xác định theo biểu thức (5.10), trang 115, [4]:

2 ' 0.128

100.

d

l d

Q h

S

Ql lưu lượng của chất lỏng, m3/h

Sd tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm

Kết luận: khi hoạt động tháp sẽ không bị ngập lụt.

4 Tính toán cơ khí của tháp

4.1 Bề dày thân tháp

Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế than hình trụ bằng phương pháp hàn

hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía Than tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích

Vì tháp hoạt động ở nhiệt độ cao nên ta phải bọc cách nhiệt cho tháp

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòm của axit axetic đối với thiết

bị, ta chọn thiết bị than tháp là thép không rỉ mã X18H10T

Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán

Nhiệt độ tính toán: ttmax 20  100+20 = 1200C

Áp suất làm việc là áp suất thường nên: P = Pthủy tĩnh + P

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp:

Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường:

Vì môi trường có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị trong 20 năm nên:

 

2*133*0.95 2

Quy tròn theo chuẩn: S = 3 mm ( bảng XIII.9, trang 364, [2])

Bề dày tối thiểu: Smin = 3 mm ( bảng 5.1 trang 128, [5])

Điều kiện trên được thỏa như đã kiểm tra ở phần thân tháp

Kích thước của đáy và nắp:

Thể tích của gờ chảy tràn: V = 0.63(50+50+300 – 20) 2 10-6 = 4.78*10-4 (m3)

Tra bảng XII.7, trang 313, [2]:

Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường:

Vì môi trường axit có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị là trong 20 năm

Ca = 0.1*20 = 2 mm

ứng suất cho phép tiêu chuẩn:

vì vật liệu là X18H10T =>    * 141 N/m2 ( hình 1.1 trang 18, [5])

hệ số hiệu chỉnh:   1 (trang 26, [5])

hiệu suất cho phép:       * 141 N/m2

mô đun đàn hồi: E = 199824 (N/mm2) (bảng 2.12, trang 45, [5])

hệ số Poisson:   0.33 (bảng XII.7, trang 313, [2])

7

b

t d t

tính bề dày: đối với bản tròn đặc ngàm kẹp chặt theo chu vi.

ứng suất cực đại ở vòng chu vi:

2

3 16