THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT HỖN HỢP ACETONE – NƯỚC LOẠI THÁP ĐỆMNĂNG SUẤT : 1500 (Kg/h)

Trong thực tế, chúng ta sử dụng rất nhiều dạng hoá chất khác nhau: hỗn hợp nhiều chất hay đơn chất tinh khiết. Nhu cầu về một loại hoá chất tinh khiết cũng 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 acetone – 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 : acetone – nước với các số liệu sau đây:Năng suất sản phẩm đỉnh : 1500 Kg/hNồng độ sản phẩm đỉnh : 95% theo khối lượngNồng độ nhập liệu : 30%Ap suất làm việc : áp suất thường

Trường Đại học Bách KhoaKhoa Công nghệ Hoá học & Dầu khí

BỘ MÔN MÁY & THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC Quá Trình & Thiết Bị

THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT HỖN HỢP ACETONE – NƯỚC LOẠI THÁP ĐỆM

NĂNG SUẤT : 1500 (Kg/h)

GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi SVTH : Võ Ngọc Tiệp MSSV : 69902203

Ngành : Công Nghệ Hoá Lý

Năm học 2002 – 2003

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG1 : GIỚI THIỆU CHUNG

CHƯƠNG2 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I CÂN BẰNG VẬT CHẤT:

1 Đồ thị cân bằng acetone- nước

2 Xác định chỉ số hồi lưua) Chỉ số hồi lưu tối thiểub) Chỉ số hối lưu thích hợp

II CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG:

1 Cân bằng năng lượng cho tháp chưng cất:

2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội

4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP:

1 Đường kính đoạn cất:

2 Đường kính đoạn chưng:

II CHIỀU CAO THÁP:

III TRỞ LỰC CỦA THÁP:

CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

I TÍNH CHIỀU DÀY THÂN THÁP

II TÍNH ĐÁY, NẮP THIẾT BỊ

1 Nắp

2 Đáy

III TÍNH ĐƯỜNG KÍNH VÀ BULON ỐNG DẪN

1 Ống dẫn hơi:

2 Ống nhập liệu:

3 Ống dẫn lỏng:

4 Ống hoàn lưu:

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

I THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH

II THIẾT BỊ GIA NHIỆT NHẬP LIỆU

III NỒI ĐUN

IV BƠM

CHƯƠNG 6 : TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI GIỚI THIỆU

Trong thực tế, chúng ta sử dụng rất nhiều dạng hoá chất khác nhau: hỗn hợp nhiều chất hay đơn chất tinh khiết Nhu cầu về một loại hoá chất tinh khiết cũng 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 acetone – 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 cấutử : acetone – nước với các số liệu sau đây:

Năng suất sản phẩm đỉnh : 1500 Kg/h

Nồng độ sản phẩm đỉnh : 95% theo khối lượng

Nồng độ nhập liệu : 30%

Aùp suất làm việc : áp suất thường

CHƯƠNG 1 :GIỚI THIỆU CHUNG

1.Giới thiệu sơ bộ :

Acetone có công thức phân tử : CH3COCH3 Khối lượng phân tử bằng 58 đvC

Acetone là chất lỏng sôi 56.10C, tan vô hạn trong nước, nó là dung môi cho nhiều chất hữu cơ… Nó hoà tan tốt tơ axetat, nitrô xenluloz, nhựa phenol

focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng Acetone là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ

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

Tính chất hoá học :

Cộng hợp với natri bisunfit:

Bị gãy mạch cacbon

2 Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước :

Ta có Acetone là một chất lỏng tan vô hạn trong nước và nhiệt độ sôi của Acetone ( 56.1 0C ở 760 mmHg) và Nước ( 100 0C ở 760 mmHg) : là khá cách xa nhau nên phương pháp hiệu quả nhất để thu được Acetone tinh khiết là chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp

Chọn loại tháp chưng cất 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 (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ):

Phương pháp này 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

Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục

Trong trường hợp này, do sản phẩm là Acetone – với yêu cầu có độ tinh khiết cao khi sử dụng , cộng với hỗn hợp Acetone – 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 đều 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 một lưu chất này vào lưu chất kia

Ta khảo sát hai loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm:

Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn cácmâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau.Gồm có : mâm chóp, mâm xuyên lỗ , mâm van Thường sử dụng mâm chóp

Tháp chêm là một tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một hay hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

Chọn loại tháp đệm để thực hiện quá trình chưng cất vì những 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

Thuyết minh quy trình công nghệ:

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 được đưa đến thiết bị đun nóng nhập liệu(6)bằng hơi nước bão hòa, ở đáy nhập liệu được đưa đến nhiệt độ sôi và được đưa vàotháp chưng cất(11) Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng 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 dưới càng giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì đã bị nồi đun lôi cuốn các cấu tử Nhiệt độ càng lên trên càng thấp , nên khi hơi đi từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử Aceton chiếm nhiều nhất ( 95% theo phần mol ) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ(14 ) Một phần lỏng ngưng được hồi lưu về tháp, một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (17 ) 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 đày tháp ta thu được hổn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay hơi (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Aceton là 3% theo phần mol, còn lại là nước Dung dịch lỏng ở đáy tháp được đun tại nồi đun (12 ) ,bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại trao đổi nhiệtvới nhâïp liệu

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Aceton, sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ

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

1 2 4

3

16

15 14

9

17 15

18 19 20

8 13

12 7

9 10 11

7 6

8 5

CHƯƠNG 2 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I Cân bằng vật chất:

Số liệu ban đầu: Năng suất 1500kg/h

Nồng độ dung dịch đầu: xF = 30% mol Nồng độ đỉnh: xD = 95% mol Nồng độ dung dịch 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 của acetone trong sản phẩm đáy

Phương trình cân bằng vật chất:

W 786 , 26 F

Giải hệ phương trình trên ta được:







h / kmol 485 , 64 W

h / kmol 27 , 91 F

hay 

 _ _

W F

) h / Kg ( 12 1238

) h / Kg ( 13 2738





1 Đồ thị cân bằng acetone- nước:

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

64,5

62,6

61,6

60,7

59,8

2

57,556,9

Vẽ đồ thị y-x:

Đồ thị cân bằng aceyone- nước

0 20 40 60 80 100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

a) Chỉ số hối 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 có tung độ góc là 0,65 Ta co ù: Rm= 

1 R

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

b) Chỉ số hồi lưu thích hợp:

Cho các giá trị Rxi > Rxmin để tìm các giá trị tung độ Bi tương ứng và vẽ cácđường nồng độ làm việc của đoạn luyện ứng với các giá trị Bi đó :

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

Ta có bảng sau :

Thể tích tháp là V = f * H

f : tiết diện tháp, m2

H : chiều cao làm việc của tháp, m

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

Tức là f  ( Rx + 1 ) * GDTrong một điều kiện làm việc nhất định thì GD là không đổi,

Vẽ đồ thị quan hệ giữa (mxi*(Rxi + 1) _ Rxi ) để tìm Rxth

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 0.5 1 1.5

Đường làm việc :

Phương trình đường làm việc của phần cất : y=RR1x + RxD1

 = 0.474x +0.5 Phương trình đường làm việc của phần chưng : y=RR 1f

II Cân bằng năng lượng:

1.Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất:

Phương trình cân bằng năng lượng :

_

F = 2783.13(Kg/h)

tF = 62.5OC (Nhiệt độ đi vào của hổn hợp đầu : ở trạng thái lỏng sôi)

CF : Nhiệt dung riêng:

 QF = 2738.13 x 3100.684 x 62.5 = 0.53 x 109 (J/h) = 147.395(kW)

 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp QD2(J/h)

QD2 = D22 = D2(r2 + C22)

Dùng hơi nước ở As 2at , r2 = 2208 (kJ/Kg) , tO = 119.6OC

T2,C2 : tO và Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/Kg.độ)

 Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang về:

Nước = rNước + tD x CNước

 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra QW:

Q Q

Q Q

2

RF

w

= 797.57 (Kg/h)

2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ:

Ngưng tụ hoàn toàn :

_

D(1 +R) x rD = Gnl x Cn x (t2 – t1)Trong đó :

t1,t2: Nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh

Chọn nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh là: t1 = 27OC

t2 = 40OC  _

 Gnl =

) t t(

x C

r x ) 1 R ( x D

1 2 n

D _



 = 1500x4180(0.9.941)x x(55140.96327)x1000 = 28940.87

(Kg/h)

3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:

Phương trình cân bằng năng lượng :

_

D(rD + CD x (t1’-t2’)) = Gn3 x Cn x (t2-t1)

t1’= 57.5OC  Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh

t2’= 30OC  Nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh

t1 = 27OC  Nhiệt độ vào của nước làm lạnh

t2 = 40OC  Nhiệt độ ra của nước làm lạnh

ttb = 33.5OC  Nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh

Cn = 4176.625 (J/Kg.độ) ở 33.5OC

CAcetone =2252.19(J/Kg.độ) ở t = 57 .52 30= 43.75OC

Cn = 4177.625 (J/Kg.độ) ở t=43.75OC 

) do Kg / J ( 2283 C

D D

Lượng nước cần dùng :

Gn3 =

) (

)) ' ' ( (

1 2

2 1 _

t t

r

x

x D

n

D D







= 17292.684(Kg/h)

4 Cân bằng năng lượng cho thiết bị gia nhiệt (tận dụng nhiệt sản phẩm đáy):

Dùng nhiệt sản phẩm đáy để gia nhiệt cho nhập liệu

Chọn nhiệt độ ra của sản phẩm đáy là 450C

Qw = Gw.Cw.(85-45) = 0.344x4034.05x(85-45) = 55508.825(W)Giả sử nhiệt độ mất mát ra môi trường là 40%

 Qw’ = 95%.Qw = 46131 (W)

Nhiệt độ ra của nhập liệu là :

QF = Qw’ = GF.CF.(t-27)  t = GQ.C' 27 0.7655508x3100.528.684 27 41.130C

F F

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

I Đường kính tháp:

Đường kính tháp được xác định theo công thức: D=

tb tb V

.3600

.4



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

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

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:

Nồng độ trung bình của pha lỏng: x’

2

95.03.02

M’

m=y’

m.Ma+(1-y’

m).Mn=49.84(kg/kmol) '

y

 = 1.797(kg/m )

T4.22

T

y '0

n

3 '

a

m / kg 45 983

m / kg 1 747

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất:

d

x r

g r

g

D x

G y

g

D G

g

1 1

1 1 1

1

1 1

) kg / kj ( 285 516 r

n a

) kg / kj ( 257 521 r

n a

Giải hệ trên ta được:

83

607 G

) kg /

kj ( 99

745 r

867

125 0 xtb ytb 25 0 y x 16

0 n

x xtb

3 d

ytb d 2 ' s

G

G 75 1 A

V g

.

 :Tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương(m/s); d:Bề mặt riêng của đệm(m2/

m3);Vd:Thể tích tự do của đệm(m3/m3); g: Gia tốc trọng trường(m/s2); Gx,Gy: Lượnglỏng và lượng hơi trung bình(kg/h); xtb, ytb:Khối lượng trung bình của lỏng và củahơi(kg/m3);x, n:Độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước

ở 200C(Ns/m2)

A = 0.125

ytb = 1.797 (Kg/m3)

sxtb = 776.39 (Kg/m3) Chọn đệm vòng Raschig bằng sứ, kích thước 25 x 25 x 3 (mm)

Các thông số đệm: 

) m / m 0.75(

V

) m / m 195(

3 d

3 3

d

3 2

d

ρ δ

/ 1 16

0 3 2

s

39 776

797 1 x 689 0

169 0 x 75 1 125 0 1000

10 x 2316 0 x 39 776 x 76

Chọn tốc độ làm việc w = 0.85.ws’=5.19 (m/s)

Đường kính đoạn cất:

Dcất =

tb

tb

xw3600x

xV4



Lượng hơi trung bình đi trong tháp:

Vtb (m3/h) = gtb (Kg/h) x ytb (Kg/m3) = 2478.915 x 1.797 = 1379.47 (m3/h)

ym” = 2.267 x 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” = 88OCKhối lượng mol trung bình và khối lượng riêng pha hơi:

Mm” = ym” x Macetone + (1 – ym”) x Mnước

= 0.336 x 58 + (1 – 0.336) x 18 = 31.44 (Kg/mol) y” =

"

x T 4

22

xT

"

M

y 0

) 273 88

3

"

nuoc 3

1 ( x

gtb’ = gn'2g1'

(Kg/h)Trong đó:

g1’: lượng hơi đi vào đoạn chưng

gn’: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng

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

n 1

1

w _ _ w

_ 1 1

1

_ 1

1

r g ' r '.

g ' r '.

g

x W y

' g ' x '.

G

W '

g ' G

) / ( 12 1238

_

h Kg

W 

xw = 0.03  _

xw = 0.091

yw = 0.4 (phần mol) dựa vào đường cân bằng

y_w  0 754 (phần khối lượng)

) Kg / KJ ( 893 501 r

b a

r1’= 501.893 x 0.754 + (1 – 0.754) x 2361.355 = 959.32 (kJ/Kg)

g1’ = 1572413959.32.4= 1639.09 (Kg/h)

G1’ = 1639.69 + 1238.12 = 2877.21 (Kg/h)

21 2877

091 0 12 1238 754

0 69 1639

1639

/ 1 16

0 3 3

2

s

93 869

061 1 x 52 0

799 0 x 75 1 125 0 1000

10 x 2225 0 x 93 869 x

xV4

 = x43600x1765x5.75.29

Vtb = 1873.46 x 1.061 = 1765.75 (m3/h)

 Chọn đường kính : D = 400 (mm)

II Chiều cao tháp:

* Chiều cao của tháp đệm (toàn tháp):

H = N1 x 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 các công thức sau:

htđ = K x

a y

G

Gm1mG

Glog



Trong đó: K : hệ số

a,b,c,d,e,f: các số mũ,tìm bằng thực nghiệm x,y : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi

(Kg/m3) x,y : Độ nhớt trung bình của pha lỏng và pha hơi (Ns/m2)

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

Gx,Gy: Lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp

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

Ta có : K = 176.4 d = 0.342

a = 0.2 e = 0.19

b = -1.2 f = 0.038

c = 1

= 65 288 = 76.5OC

lg hh = x1 x lg 1 + x2 x lg 2

Trong đó: 1,2:độ nhớt động lực của các cấu tử thành phần

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

tO

x = 62OC  1(Acetone) = 0.227.103 (Ns/m2), x1 = 0.03

2(Nước) = 0.4578.103 (Ns/m2), x2 = 0.97 lg x = 0.03 lg 0.227.10-3 + 0.97 lg 0.4578.10-3 = -3.348  x = 0.4483.10-3 (Ns/m2)

24 5 429 1

545 2244 83 3 1

545 2244 x 83 3

52 1742 lg

x 10

4483 0

10 2116 0 x 429

1

16 823 x 52

0 342

0

hđv : chiều cao của một đon vị chuyển khối (m)

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