Thiết kế tháp chưng cấp hệ aceton và nước hoạt động liên tục 2000 kgh, có nồng độ 30% khối lượng aceton sản phẩm đỉnh có khối lượng 95% khối lượng aceton sản phẩm đáy có nồng độ 3% khối lượng aceton.

Chủ đề : Thiết kế tháp chưng cấp hệ aceton và nước hoạt động liên tục 2000 kg/h, có nồng độ 30% khối lượng aceton, sản phẩm đỉnh có khối lượng 95% khối lượng aceton, sản phẩm đáy có nồng

Chủ đề : Thiết kế tháp chưng cấp hệ aceton và nước hoạt động liên tục 2000 kg/h, có nồng độ 30% khối

lượng aceton, sản phẩm đỉnh có khối lượng 95% khối lượng aceton, sản phẩm đáy có nồng độ 3% khối lượng aceton.

MỤC LỤC:

Lời mở đầu

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về thiết bị chưng cất hệ aceton- nước………4

I Giới thiệu về acetone……….4

1 Tính chất vật lý………4

2 Tính chất hóa học………4

II Chưng cất và thiết bị chưng cất……… 5

III Quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp Aceton – nước……… 7

1 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp Aceton – nước……… 7

2 Thuyết minh quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp Aceton – nước………… 7

Chương 2: Cân bằng vật chất……….9

I Cân bằng vật chất………9

II Xác định chỉ số hồi lưu………12

1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu………12

2 Chỉ số hồi lưu thích hợp……….13

Chương 3: Tính toán thiết bị chính……… …15

I.Đường kính tháp……….……….15

1 Đường kính đoạn cất……….18

2 Đường kính đoạn chưng………21

II Chiều cao tháp………21

1 Chiều cao của tháp đệm (toàn tháp) ……….21

2 Chiều cao làm việc của tháp ……….23

III Phần tính trở lực của tháp: ……… 26

1 Phần cất………26

2 Phần chưng………27

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thực tế, chúng ta sử dụng rất nhiều dạng hóa chất khác nhau: hỗn hợp nhiều chất hay đơn chất tinh khiết Nhu cầu về một loại hóa chất tinh khiết rất lớn Quá trình có thể 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 dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng

Và đối với hệ aceton – nước, do không có điểm đẳng phí nên có thể đạt được bất kỳ độ tinh khiết theo yêu cầu nhờ quá trình chưng cất

Nhiệm vụ thiết kế: Tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử aceton – nước với các số liệu sau:

Năng suất sản phẩm đỉnh: 2000 kg/h

Nồng độ sản phẩm đỉnh: 95% theo khối lượng aceton

Nồng độ nhập liệu: 30% theo khối lượng aceton

Nồng độ sản phẩm đáy: 3% theo khối lượng aceton

Áp suất làm việc: áp suất thường

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT HỆ

ACETONE- NƯỚC

I Giới thiệu về acetone:

1.Tính chất vật lý:

Aceton có công thức phân tử: CH3COCH3

Khối lượng phân tử: 58 đvC

Aceton là chất lỏng sôi 56.1 oC, tan vô hạn trong nước là dung môi cho nhiều chất hữu cơ…Nó hòa tan tốt tơ axetat Nitro-xenluloz, nhựa phenol formandehyte, chất béo….Aceton là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ

Từ aceton có thể tổng hợp xeten, sumfonal( thuốc ngủ), các halofom…

Aceton khó bị oxy hóa bởi thuốc thử phelin, toluene, HNO3DD, KMnO4…

Chỉ bị oxy hóa bởi hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, K2Cr2O7 + H2SO4…

Theo phương pháp Piria: nhiệt phân muối canxi của axit cacboxylic

(CH3COO)2Ca = CH3COCH3+ CaCO3

Từ dẫn xuất của magie

II.Chưng cất và thiết bị chưng cất

Ta có aceton là một chất lỏng tan vô hạn trong nước và nhiệt độ sôi của aceton ( 56,1 0C ở 760mmHg) và nước ( 1000C ở 760mmHg) là khá cách xa nhau nên phương pháp hiệu quả nhất để thu được aceton tinh khiết là chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp

Chọn loại tháp và phương pháp chưng cất:

Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng ( hay nhiệt độ sôi ), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại.

Đối với chưng cất ta có hai phương pháp thực hiện:

+Chưng cất đơn giản ( dung thiết bị hoạt động theo chu kỳ) sử dụng trong các trường hợp sau:

Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

Khi 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 liên tục hỗn hợp hai cấu tử ( dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện liên tục nghịch dòng, nhiều đoạn

Trong trường hợp này, do sản phẩm lad aceton với yêu cầu độ tinh khiết cao và hỗn hợp aceton – nước là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất

Chọn loại tháp chưng cất:

Có rất nhiều loại tháp được sử dụng, nhưng có chung 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

Ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp chem.:

Tháp mâm gồm 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 Gồm có mâm chop, mâm xuyên lỗ, mâm van Thường sử dụng mâm chop

Tháp chem Là một loại tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nói với nhau bằng mặt bíchhay hàn Vật chem Được đổ đầy trong tháp theo một hay hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay xếp theo thứ tự

Chọn loại tháp đệm để thực hiện quá trình chưng cất ưu điểm sau:

-Cấu tạo đơn giản

-Trở lực thấp

Tuy nhiên tháp đệm cũng có nhược điểm là:

-Hiệu suất thấp

-Độ ổn định kém

III Quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp Aceton – nước:

1 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp Aceton – nước:

2 Thuyết minh quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp Aceton – nước:

Hỗn hợp Aceton – nước có nồng độ Aceton 30%( theo số mol), nhiệt độ khoảng 270C tại bồn chứa nguyên liệu(1), được bơm qua thiết bị gia nhiệt (trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy)(5) Sau đó đuược đưa đến thiết bị đun nóng nhập liệu (6) bằng hơi nước hão hòa, ở đáy nhập liệu đươch đưa đén nhiệt độ sôi và được đưa vào tháp chưng cất(11) Trong tháp, hơi đi từ duwois lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống Ở đây có sự

tiếp xúc và trao đổi nhiệt giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống duwois càng giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì đã bị nồi đun lô cuốn các cấu từ Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi tới từ dưới lên thì các cấu từ có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng ta thu được trên đỉnh tháphỗn hợp có cấu tử Aceton nhiều nhất (95% theo phần mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ(14) Một phần lỏng hồi ngưng được và lưu về tháp, một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh(17) Một phần cấu từ có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu từ có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày cảng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hộn hợp lỏng hầu hết các chất lỏng khó bay hơi Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Aceton là 3% theophần mol, với nhập liệu còn lại là nước Dung dịch lỏng ở đáy tháp được đun lại bằng nồi đun(12), bốc hơi cung cấp chotháp sseer tiếp tục làm việc, phần còn lại trao đổi nhiệt Hệ thống làm việc liên tục cho

ra sản phẩm đỉnh là Aceton, sản phẩm sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I Cân bằng vật chất

Số liệu ban đầu: Năng suất 2000 kg/h

Nồng độ dung dịch ban đầu: xF = 30% mol

Nồng độ dung tích đáy: xW = 3% mol

Các ký hiệu: F, F : lượng nhập liệu ban đầu (kmol/h) , (kg/h)

D, D : lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h) , (kg/h)

W, W lượng sản phẩm đáy (kmol/h) , (kg/h)

xF nồng độ mol acetone trong nhập liệu

xD nồng độ mol acetone trong sản phẩm đỉnh

xW nồng độ mol acetone trong sản phẩm đáy Phương trình cân bằng vật chất:

F xF = D xD + W.xW(2)Tính khối lượng trung bình:

Ta có :→ {F 0,3=35,714.0,95+W 0,03 F=35,714+W

Giải hệ phương trình trên ta được:

{F=121,69 kmol/h W=85,98 kmol/h

Đồ thị cân bằng acetone – nước

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

t 100 77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59 58,2 57,5 56,1

Vẽ đồ thị y-x

Đồ thị T-xy

II.Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp:

1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu:

Đường cân bằng vẽ theo số liệu thực nghiệm có khoảng lõm nên để xác định

Rm , từ A(0,95;0,95)

vẽ AB tiếp xúc đường cân bằng cắt trục tung tại điểm cótung độ góc là 0,65

Ta có :

m’=R x D

min+1=0,65→ Rmin=0,462

Tìm các điểm a ( y=x=xD), b (y= x= xw) và đường x=xF (song song với trục tung) Cứ mỗi giá trị

Bi ta vẽ được đường nồng độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng

Như vậy ứng với mỗi giá trị Rxi ta có số đơn vị chuyển khối chung tương ứng là mxi

H: chiều cao làm việc của tháp, m

Ta biết tiết diện của tháp tỉ lệ thuận với lượng hơi đi trong tháp, mà lượng hơi lại tỉ lệ thuận với lượng lỏng hồi lưu trong tháp, như vậy tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hồi lưu

Tức là f ~ ( Rx +1) GD

Trong một điều kiện làm việc nhất định thì GD là hằng số nên f ~ (Rx +1)

Còn chiều cao tháp tỉ lệ với đơn vị chuyển khối H ~ mx , nên cuối cùng ta có thể viết V=f H

~ mx ( Rx+1)

Từ đó ta sẻ lập được sự phụ thuộc giữa Rx với mx (Rx+1) Mối quan hệ này sẻ chi ta tìm đượcmột giá trị Rx mà thể tích của thiết bị chưng cất ứng với nó là tối ưu Rxth.vẽ đồ thị quan hệ giữa mxj ( Rxi +1) với Rxi để tìm ra Rxth

f =

F

D =

121,69 35,714 → y= 2,276x- 0,038

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

I.Đường kính tháp

Đường kính tháp được xây dựng theo công thức: D= √ 4 V tb

π 3600 ω tb

Trong đó: Vtb lượng hơi trung bình trong tháp

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên ta phải tính đường kính trung bình riêng cho từng đoạn: chưng và cất

1 Đường kính đoạn cất

x’m= x F+x D

2 =0,3+0,952 = 0,625Nồng độ trung bình của pha lỏng nồng

Nồng độ trung bình của pha hơi theo phương trình đường làm việc: y’m=0,474xm + 0,5

= 0,796

Nhiệt độ trung bình của pha lỏng, pha hơi theo giản đồ T-x

x’m= 0,625 → t’x= 590C

y’m= 0,796 → t’y = 650C

khối lượng mol trung bình, khối lượng riêng của pha hơi

M’m= y’m.Ma + (1-y’m).Mn= 49,84( kg/kmol)

ρ'y =

Mm.To

22,4 T 'y =1,797 (kg/m3)Khối lượng riêng của pha lỏng

x’m = 0,625→ x 'm =0,834 phần khối lượng

t’x = 590 C → {¿

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất

ωs : tốc độ ban đầu tạo nhũ tương(m/s) σd : bề mặt riêng của đệm(m2/

m3)

Vd: thể tích tự do của đệm(m3) g: gia tốc trọng trường(m/s2)

Gx, Gy lượng lỏng và lượng hơi trung bình(kg/h)

ρxtb , ρytb khối lượng trung bình của lỏng và của hơi(kh/m3)

μx , μn độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 200C(Ns/

x m= {{x} rsub {F} + {x} rsub {W}} over {2} =0,3+0,032 = 0,165

Nồng độ trung bình pha hơi theo phương trình đường làm việc:

Ym” = 2,267 xm” – 0,038 = 0,336

Nhiệt độ trung bình của pha lỏng, pha hơi từ giản đồ Txy:

xm” = 0,165  tx” = 65oC

ym” = 0.336  ty” = 88oC

Khối lượng mol trung bình và khối lượng riêng pha hơi:

Mm” = ym” Maxeton + (1 - ym”) Mnước = 0,336 58 + (1 – 0.336) 18 = 31, 44 (Kg/mol)

y = {{M} rsub {m} T0 ¿

22,4 T y¿ = 22,4 (88+273) 31,44 273 = 1,061 (Kg/m3)Khối lượng riêng pha lỏng:

xm ” = 0,165  x m” = 0,389

tx” = 65oC  {ρ axeton =739,25 (Kg/m 3 ) # {ρ} rsub {nước} } rsub {nước} =980,25(Kg /m3)

ρ x ¿ = x m} over {{ρ} rsub {nước} } rsub {axeton}} + {( 1- overline {{x} rsub {m} ¿

ρ nước¿  ρ x” = 869,93 (Kg/m3)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

gtb’ = g n ' +g1'

2 (Kg/h)

Trong đó :

g1’: lượng hơi đi vào đoạn chưng

gn’: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên

g1’= g1 Hay gtb’ = g1+g1'

2 Lượng hơi đi vào đoạn chưng g1’, lượng hơi lỏng G1’ và hàm lượng lỏng x1’ được xác định theo phương trình cân bằng và cân băng năng lượng:

Ta lại có: xw=0,03 với mọi xw = 0,091

yw=0,4 dựa vào đường cân bằng

yw =0,754

g1.r1 =1572413,4

r1’ = ra yw +(1- yalignl ¿ w ¿¿¿ ) r

b

Tại tháp đáy tw=85 oC với mọi ra =501,89 kj/kg và rb=2361,36 kj/kg

II Chiều cao tháp:

1 Chiều cao của tháp đệm:

H=N1.htđ+(0,8 ¿ 1) m

Trong đó: N1 số đĩa lý thuyết

0,8-1: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp (m)

htđ: chiều cao tương đương của bậc thay đổi nồng độ, có thể tính theo công thức sau

µx, µy: độ nhớt trung bình của pha lỏng và pha hơi (Ns/m2)

(khối lượng riêng, độ nhớt lấy theo nhiệt đô trung bình)

ρx ,ρy khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi (kg/m3)

m: hệ số góc cân bằng y= f(x) với mặt phẳng ngang (kg/h)

 htd = 176,4 (0,2116 10 1,429 5,24−3)0.2 195−1,2 0,751 (2244,5451742,52 )0,342 (823,161,429 )0,19

(0,2116 10 0,4483 10−3−3)0,038

lg 1742,52

3,83 2244,5451−3,832244,545

Hđv : chiều cao của một đơn vị chuyển khối (m)

mx : số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ pha lỏng

Trong đó: h1 : chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi

h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng

x : độ nhớt pha lỏng (Ns/m2) (x= 0,4483.10-9(Ns/m2)

Vd : thể tích tự do của đệm (Vd= 0,75 (m2/m3))

x = khối lượng riêng pha lỏng (x = 823,16Kg/m3)

 : hệ số thấm ướt của đệm, nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực

tế lên tiết diện ngang của thép và mật độ tưới thích hợp, xác định bằng đồ thị

Pr x =

μ x

δ x D x =

0,4483.10−3823,16.2,8.10−9

=194,59 NXác định hệ số thấm ướt φ

=0,065(m3/m.h) 195(m2/m3)=12,675(m3/m2.h)

III/ Phần tính trở lực của tháp:

Đường kính tương đương:

dtd = 4 V σ đ

đ = 4.0,75195 = 0,015Chuẩn số Renoy:

(1−0,796 ).180,44.10−3  μ yc = 0,228