luận văn công nghệ hóa học Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị để tách hỗn hợp Aceton – Benzen

Thiết bị này có khả năng tách hỗn hợp hai cấu tử có độ bay hơi khác nhau thành các cấu tử riêng biệt với độ tinh khiết cao.. Nhiệm vụ thiết kế: Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị để tá

MỞ ĐẦU

Ngày nay khoa học kỹ thuật luôn phát triển không ngừng nhằm đáp ứng tốt nhu cầu sản xuất, tiêu dùng và sinh hoạt của con người Trong đó cũng phải

kể đến sự đóng góp của ngành công nghiệp hóa chất

Trước đây với những phương pháp cổ điển và thiết bị lạc hậu người ta đã sản xuất ra những hóa chất phục vụ cho nhu cầu sản xuất, tiêu dùng của con người nhưng về chất lưỡng sản phẩm thì không đảm bảo là tốt nhất Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật con người đã chế tạo ra các thiết bị phục

vụ cho sản xuất nói chung và quá trình sản xuất trong ngành công nghiệp hóa chấ nói riêng nhằm sản xuất ra các sản phẩm đạt yêu cầu chất lượng phục vụ nhu cầu của con người

Trong nội dung đồ án này chúng tôi giới thiệu một phương án thiết kế thiết bị sản xuất hóa chất đó là thiết bị chưng cất Thiết bị này có khả năng tách hỗn hợp hai cấu tử có độ bay hơi khác nhau thành các cấu tử riêng biệt với độ tinh khiết cao

Nhiệm vụ thiết kế:

Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị để tách hỗn hợp Aceton – Benzen vớiNăng suất theo nguyên kiệu đầu: 3500kg/h

Nồng độ sản phẩm đỉnh: 98% khối lượng

Nồng độ nhập liệu: 35% khối lượng

Nồng độ sản phẩm đáy: 0.5% khối lượng

Áp suất làm việc: áp suất thường

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ QUY TRÌNH CHƯNG CẤT

Aceton được ứng dụng nhiều làm dung môi hữu cơ trong công nghiệp (ví

dụ cho vào vecni, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su…) Nó hòa tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol fomandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực

in ống đồng Aceton là nguyên liệu để tông hợp thủy tinh hữa cơ Từ aceton có thể tổng hợp ceten, sumfomat (thuốc ngủ), các holofom

I.2 Benzen:

Tính chất vật lý và hóa học:

Benzen là chất lỏng linh động, không màu, có mùi đặc trưng, khúc xạ mạng ánh sáng, nhiệt độ bốc cháy là 10.7oC, benzen hòa tan vô hạn trong các dung môi hữu cơ không phân cực

CTPT:C6H6

KLPT: 78.11đvC

Tỷ trọng: d20 = 0.8765

II.Đặc điểm của hệ Aceton – Benzen:

Aceton – Benzen là hai chất lỏng tan lẫn hoàn toàn vào nhau Nhiệt độ sôi của aceton (56.1oC ở 760mmHg) và benzen (80.1oC ở 760mmHg) cách nhau khá

xa nên dùng phương pháp chưng cất có thể thu được aceton có độ tinh khiết cao

Trong trường hợp ta không sử dụng phương pháp cô đặc vì cả hai cấu tử đều có khả năng bay hơi và không sử dụng phương pháp hấp thụ hay trích ly do phải đưa vào một pha mới để tách riêng 2 cấu tử làm cho quá trình tách phức tạp hơn

III Chọn phương pháp và loại tháp chưng cất:

III.1 Chọn phương pháp chưng cất:

Đối với chưng cất có hai phương pháp thực hiện:

Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kì) Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp sau:

- Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khá xa nhau:

- Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

- Khi tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

- Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

Chưng cất liên tục hỗn hợp nhiều cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục)

là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đọan

Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục

Trong trường hợp này do sản phẩm là aceton với yêu cầu có độ tinh khiết cao khi sử dụng va hỗ hợp aceton –benzen là hỗ hợp không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất

III.2 Chọn loại tháp:

Có nhiều loại tháp được sử dụng nhưng đều có chung một yêu cầu cơ bản

là diện tích bề mặt tiếp xúc pha lớn, hoạt động ổn định, hiệu suất cao, năng suất lớn, dễ chế tạo, lắp đặt,vận hành, sửa chữa và thay thế

Các loại tháp thường dùng:

- Tháp màng:

Bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt chất lỏng chảy thành màng theo bề mặt vật rắn thường là thẳng đứng Bề mặt vật rắn có thể là ống, tấm song song hoặc đệm tấm

Tháp màng có ưu điểm là trở lực thấp, sử dụng với vác chất có độ nhớt cao, thường được dùng trong tinh luyện dầu thực vật, tái chế dầu nhờn, chưng cất tinh dầu

-Tháp đệm: cấu tạo gồm một thân tháp rộng có lưới đỡ đệm, ống dẫn khí

và lỏng vào ra Trong có đổ đầy các đệm làm từ các vật liệu khác nhau (gỗ, nhựa, kim loại, gốm sứ….) với nhiều hình dạng khác nhau (trụ, cầu tấm, lò xo, yên ngựa…)

Tháp đệm có cấu tạo đơn giản, trở lực thấp nhưng có khối lượng lớn, hoạt động không ổn định, hiệu suất thấp do có hiệu ứng thành

- Tháp đĩa:

Thường cấu tạo gồm thân hình trụ thẳng đứng, bên trong có đặt các tấm ngăn cách nhau một khoảng xác định Trên mỗi đĩa hai pha chuyển động ngược hoặc chéo chiều: lỏng từ trên xuống, khí từ đưới lên hoặc xuyên qua chất l3ng chảy ngang Ở đây tiếp xúc pha xảy ra theo từng bậc là đĩa

Trong trường hợp này chọn tháp đĩa lỗ để thực hiện quá trình chưng cất vì các lý do sau:

Năng suất nhập liệu khá lớn 3500kg/h

Yêu cầu về độ tinh khiết cao 98% khối lượng

Tháp đĩa lỗ có kết cấu đơn giản, tiêu tốn ít vật tư chế tạo, trở lực thấp hơn

so với tháp chóp, cho năng suất, hiệu suất cao, hoạt động ổn định

IV Quy trình công nghệ:

IV.1 Sơ đồ quy trình công nghệ:

IV.2 Thuyết minh quy trình công nghệ:

Hỗn hợp Aceton – Benzen có nồng độ Aceton 35% (phần khối lượng), nhiệt độ 30oC tại bồn chứa nguyên liệu (11) được bơm (1) bơm lên bồn cao vị (2) rồi được đưa qua thiết bị gia nhiệt (3) để đun nóng đến nhiệt độ sôi 66.2oC Sau

đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (5) 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 và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (9) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Do đó thành phần cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi sẽ tăng dần theo chiều cao của tháp Nhiệt độ càng lên cao càng thấp nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là Benzen

sẽ ngưng tụ lại Cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp mà Aceton chiếm nhiều nhất (khoảng 98% khối lượng) va ở đáy tháp thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay hơi

Để tăng mức độ tách, ở đoạn cất được bổ sung bằng một lượng lỏng hồi lưu

từ đỉnh tháp, lượng lỏng hồi lưu được tạo ra nhờ ngưng tụ hơi đi ra từ đỉnh tháp trong thiết bị ngưng tụ (6), phần còn lại ở thiết bị ngưng tụ được đưa qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (8) Còn hỗn hợp lỏng ở đáy tháp được đưa ra khỏi tháp, một phần được dùng để đun bốc hơi ở nồi đun (9) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (7) để vào bể chứa sản phẩm đáy (14)

CHƯƠNG II CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Số liệu ban đầu:

Nồng độ nhập liệu: 35%(khối lượng)Nồng độ sản phẩm đỉnh: 98% (khối lượng)Nồng độ sản phẩm đáy: 0.5% (khối lượng)Năng suất sản phẩm:3500 (kg/h)

Áp suất hơi đốt: 3 atmTrạng thái nhập liệu: sôiTháp chưng cất loại: tháp đĩa không có ống chảy truyềnThiết bị phụ: bơm nhập liệu, thiết bị trao đổi nhiệt

Các kí hiệu:

F: lượng nhập liệu ban đầu (kmol/h)

D: Lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)

W:Lượng sản phẩm đáy (kmol/h)

xF: Nồng độ mol Axeton trong dòng nhập liệu

xD: Nồng độ mol Benzen trong sản phẩm đỉnh

xW: Nồng độ mol Benzen trong sản phẩm đáy

I Cân bằng vật chất:

- Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol:

I.1 Cân bằng pha hệ Aceton – Benzen:

Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng % mol va nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử ở 760 mmHg

y 0 14 24.3 40 51.2 59.4 65.5 73 79.5 86.3 93.2 100

t 80.1 78.3 76.4 72.8 69.6 66.7 64.3 62.4 60.7 59.6 58.8 56.1

I.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp:

- Chỉ số hồi lưu tối thiểu:

Do nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi nên:

(R+1)nlt ∞ 230.4 184.8 147 124 117 120 126.5

Trong đó nlt là số đĩa lý thuyết được xác định từ đồ thị

Vẽ đồ thị (R – (R+1)nlt) Từ đồ thị xác định được chỉ số hồi lưu thích hợp R

= 3.5

I.3 Phương trình đường làm việc:

- Phương trình đường làm việc đoạn cất:

- Hiệu suất của tháp:

tb f ,

η = α µ

y 1 x

−

α =

−:

α độ bay hơi tương đối

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

µ: độ nhớt của hỗn hợp tra theo nhiệt độ.

η η η hiệu suất ở mâm đỉnh, mâm nhập liệu và mâm đáy

Từ đồ thị (x – y) và (t – x,y) tìm nhiệt độ và nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng tại các vị trí

η = (tra theo hình IX.11/[II])

Tại mâm nhập liệu:

η = (tra theo hình IX.11/[II])

Tại mâm đáy:

η = (tra theo hình IX.11/[II])

- Hiệu suất trung bình của phần cất: 0.64 0.55 0.595

II Cân bằng năng lượng:

II.1 Cân bằng năng lượng cho thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:

Phương trình cân bằng năng lượng:

QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:

D1 1 1 1 1 1 1

Q =D λ =D (r +C t )D1: lượng hơi đốt (kg/h)

1

λ : nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)

r1: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

t1: nhiệt độ nước ngưng

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

Ta sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất 3 atm, tsôi = 132.9 oC, r1 = 2171 (kJ/kg) để đun nóng dòng nhập liệu

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:

Q =F.C t

tf = 30oC là nhiệt độ đầu của hỗn hợp

Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)

Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh lấy = 5% nhiệt lượng tiêu tốn: Qxq1 = 0.05.D1.r1 (J/h)

Lượng hơi nước cần để đun nóng dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi:

II.2 Cân bằng năng lượng cho tháp chưng cất:

Phương trình cân bằng năng lượng:

QF + QD2 + QR = Qy + Qng2 + Qxq1 + QW

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:

Q =D λ =D (r +C t )D2: lượng hơi đốt cần để đun bốc hơi dung dịch ở đáy tháp (kg/h)

2

λ : nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)

r2: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

t2: nhiệt độ nước ngưng

C2: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg độ)

Ta sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất 3 atm, tsôi = 132.9 oC, r1 = 2171 (kJ/kg) để đun bốc hơi dung dịch ở đáy tháp

Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào:

R R R R

Q =G C t

tR = 56.7oC là nhiệt độ của lỏng hồi lưu

CR: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)

λ : Nhiệt lượng hơi ở đỉnh tháp

652.10519.10

CW = 2035.9 (J/kg độ)

QW = 2261.5.2035.9.79.86 = 3.68.108 (J/h) = 102.14 (kw)

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:

Qng2 = Gng2.C2.t2 = D2.C2.t2Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh lấy = 5% nhiệt lượng tiêu tốn ở đáy tháp: Qxq2 = 0.05.D2.r2 (J/h)

Lượng hơi nước cần để làm bốc hơi hỗn hợp ở đáy tháp:

II.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ:

Phương trình cân bằng nhiệt lượng khi chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu:

D.R.r =G C (t −t )Chọn nhiệt độ vào và ra của nước lạnh:

II.4 Cân bằng năng lượng của thiệt bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:

Phương trình cân bằng năng lượng:

II.5 Cân bằng năng lượng của thiệt bị làm nguội sản phẩm đáy:

Phương trình cân bằng năng lượng:

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

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

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên phải tính đường kính đoạn chưng và đoạn cất riêng

I.1 Đường kính đoạn cất:

Nồng độ trung bình của pha lỏng:

xtb = 0.7 → tx = 60.67oCytb = 0.77 → ty = 61.48oCKhối lượng mol trung bình và khối lượng riêng trung bình pha hơi:

Mtb = ytb.MA + (1-ytb).MB = 0.77*58+(1-0.77).78 = 62.7 (kg/kmol)

+

=

gv: lượng hơi đi vào đĩa đầu tiên của phần cất

gr: lượng hơi đi ra đĩa cuối cùng của đoạn cất

Gx, Gy: lưu lượng lỏng và hơi đi trong tháp (kg/h)

dtd: đường kính tương đương của lỗ (m) Chọn dtd = 4 mm

Lưu lượng lỏng đi trong đoạn cất:

I.2 Đường kính đoạn chưng:

Nồng độ trung bình của pha lỏng:

xtb = 0.213 → tx = 72.37oCytb = 0.28 → ty = 75.61oCKhối lượng mol trung bình và khối lượng riêng trung bình pha hơi:

Mtb = ytb.MA + (1-ytb).MB = 0.27*58+(1-0.27).78 = 72.5 (kg/kmol)

+

Khối lượng riêng pha lỏng:

xtb = 0.213 (phần mol) → xtb =0.168 (phần khối lượng)

2

+

=

gv: lượng hơi đi vào đoạn chưng

gr: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn cất

Lượng hơi gv, hàm lượng yv, lượng lỏng Gv được xác định theo phương trình cân bằng vật chất và năng lượng sau:

Gx, Gy: lưu lượng lỏng và hơi đi trong tháp (kg/h)

dtd: đường kính tương đương của lỗ (m) Chọn dtd = 4 mm.Lưu lượng lỏng đi trong đoạn chưng:

2 td

ρ : khối lượng riêng của hơi (kg/m3)

wo: tốc độ hơi qua lỗ của đĩa

Chọn tổng diện tích lỗ bằng 10% tổng tiết diện đĩa:

σ

∆ =

σ: sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp

3 x

ρ : khối lượng riêng của hơi (kg/m3)

wo: tốc độ hơi qua lỗ của đĩa

Vận tốc khí đi trong phần chưng: Wtb = 0.73 (m/s)

P 86.53*9.81* 0.074 65.1(N / m )

Tổng trở lực qua mỗi đĩa của phần chưng:

- Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động của mâm.

Vận tốc tốc tối thiểu qua lỗ của pha hơi:

Hd = 0.3m là khoảng cách giữa các đĩa

(0.8÷1.0) khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp

H = 48(0.3+0.002)+0.9 = 15.4m

Vậy chiều cao tháp là 15.4m

Các thông số của đĩa:

Đường kính lỗ của đĩa là dl = 4mm

cạnh 101, tổng số lỗ không kể các lỗ trong các hình viên phân là 7651, mỗi hình viên phân có 7 dãy gồm 237 lỗ Vậy tổng số lỗ trên một đĩa là 9073 lỗ.

CHƯƠNG IV TÍNH KẾT CẤU THIẾT BỊ CHÍNH

I.Tính chi tiết ống dẫn:

I.1 Đường kính ống dẫn dòng nhập liệu:

1 1

chọn vận tốc dòng nhập liệu: v1 = 2 (m/s)

Q1: lưu lượng dòng nhập liệu (m3/s)

3 1

ρ : khối lượng riêng của dòng nhập liệu (kg/m3)

Chọn đường kính ống theo tiêu chuẩn d1 = 32mm

Chiều dài đoạn ống nối: l1 = 90mm (Theo bảng XIII.32 [II] )

Chọn vận tốc hơi đi qua ống: v2 = 20 (m/s)

Q1: lưu lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp (m3/s)

3 2

ρ : khối lượng riêng pha hơi trong đoạn cất (kg/m3)

Chọn đường kính ống theo tiêu chuẩn d2 = 100mm

Chiều dài đoạn ống nối: l2 = 100mm (Theo bảng XIII.32 [II] )Vận tốc thực của dòng hơi:

Chọn đường kính ống theo tiêu chuẩn d3 = 32mm

Chiều dài đoạn ống nối: l3 = 90mm (Theo bảng XIII.32 [II] )Vận tốc thực của dòng hoàn lưu:

W

ρ : khối lượng riêng của dòng sản phẩm đáy (kg/m3)

3 4

Chọn đường kính ống theo tiêu chuẩn d4 = 25mm

Chiều dài đoạn ống nối: l4 = 90mm (Theo bảng XIII.32 [II] )

Vận tốc thực của dòng sản phẩm đáy:

3 4

Chọn vận tốc dòng nhập liệu: v5 = 30 (m/s)

Q5: lưu lượng dòng hơi (m3/s)

3 5

Chọn đường kính ống theo tiêu chuẩn d5 = 130mm

Chiều dài đoạn ống nối: l5 = 150mm (Theo bảng XIII.32/[II] )

II.Tính bề dày thiết bị:

Thân tháp được chế tạo bằng phương pháp hàn hồ quang, thân tháp được ghép từ nhiều đoạn bằng mối ghép bích Chọn vật liệu làm thân là thép không gỉ X18H10T Tốc độ ăn mòn của tháp ≤ 0.02mm/năm

Áp suất bên trong tháp:

P = ρgH 813.6 *9.81*15.4 122471(N / m )= =

Khối lượng riêng trung bình hỗn hợp trong tháp:ρ= 813.6 (kg/m3)

η = : hệ số hiệu chỉnh xác định theo điều kiện làm việc của thiết bị.

[ ]σ =* 142(N / mm )2 : ứng suất cho phép tiêu chuẩn của thép X18H10T tại tw

(theo hình 1-2 [IV] )

ϕ = là hệ số bền của mối hàn thân tháp (tra bảng XIII.8 [II] ) với cách hàn: hàn tay bằng hồ quang điện, đuờng kính trong thiết bị là 1.2m, kiểu hàn: hàn giáp mối 2 bên

Bề dày thân tháp:

[ ]

h

1440.95 584.6 25

Cb = 0 : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường

Cc = 0 : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo lắp ráp

Co = 1.7mm : hệ số bổ sung để quy tròn kích thước

Công thức (*) chi đúng với đều kiện:

(thỏa điều kiện)

Áp suất cho phép trong thiết bị:

Đáy và nắp được chế tạo cùng loại vật liệu với thân thiết bị (thép không gỉ X18H10T) Chọn loại đáy và nắp hình elip có gờ.

Bề dày tối thiểu của đáy và nắp:

t '

t t

0.125 0.00225 0.125

(thỏa điều kiện)

Áp suất dư cho phép:

III.1 Bích và đệm để nối và bít kín thiết bị:

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

Chọn bích liền không cổ, vật liệu là thép không gỉ X18H10T (Theo bảng XIII.27 [II] ) ta có các kích thước của bích:

Đường kính bên trong thiết bị: Dt = 1200mmĐường kính bên ngoài thiết bị: Dn = 1806mmĐường kính tâm bulông: Db = 1290mmĐường kính mép vát: D1 = 1260mmĐường kính bích: D = 1340mm