Tài liệu Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp methanol và ethanol

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM KHOA DẦU KHÍ ------------ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp Methanol và Ethanol GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHÓM SV THỰC HIỆN TS. Đàm Thị Thanh Hải 1.Lê Đức Tâm 2.Nguyễn Hoàng Thư 3.Vũ Ngọc Huy Lớp K4LHD Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do - Hạnh phúc KHOA DẦU KHÍ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ và tên SV: Lê Đức Tâm 04PPR110013 Nguyễn Hoàng Thư 04PPR110016 Vũ Ngọc Huy 04PPR110005 Ngành: Lọc Hóa Dầu Lớp: K4LHD 1. Tên Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp Methanol – Ethanol. 2. Nhiệm vụ (Nêu nội dung và dữ liệu ban đầu): Dữ liệu ban đầu:  Lưu lượng nhập liệu: 25 kmol/ h  Áp suất chưng cất: áp suất khí quyển  Nồng độ nhập liệu (tính theo methanol): 0,4 (mol/mol)  Nồng độ sản phẩm đỉnh (tính theo methanol): 0,95 (mol/mol)  Nồng độ sản phẩm đáy (tính theo methanol) : 0,05 (mol/mol) Nội dung:         Giới thiệu tính chất sản phẩm và quy trình sản xuất Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ Tính cân bằng vật chất và năng lượng Tính toán công nghệ thiết bị chính Tính toán cơ khí thiết bị chính Tính và chọn và các thiết bị phụ Kết luận Tài liệu tham khảo 3. Ngày giao Đồ án môn học: ngày 20 tháng 9 năm 2017 4. Ngày hoàn thành Đồ án môn học: ngày 15 tháng 12 năm 2017 5. Họ tên Người hướng dẫn: TS. Đàm Thị Thanh Hải. Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày tháng năm TRƯỞNG KHOA (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký và ghi rõ họ tên) NGƯỜI HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do - Hạnh phúc KHOA DẦU KHÍ PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN MÔN HỌC Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp Methanol – Ethanol. Tên sinh viên: Lê Đức Tâm, Nguyễn Hoàng Thư, Vũ Ngọc Huy Chuyên ngành: Lọc hóa dầu Khoá: 4 Họ và tên người phản biện: I. PHẦN NHẬN XÉT: 1) Về hình thức và kết cấu ĐAMH: 2) Về nội dung: 2.1. Nhận xét phần tổng quan tài liệu: 2.2. Nhận xét về phương pháp nghiên cứu: 2.3. Nhận xét về kết quả đạt được: 2.4. Nhận xét phần kết luận: 2.5. Những thiếu sót và tồn tại của ĐAMH: II. ĐIỂM: (ghi bằng chữ) Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày tháng NGƯỜI PHẢN BIỆN năm TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do - Hạnh phúc KHOA DẦU KHÍ PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN MÔN HỌC Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp Methanol – Ethanol. Tên sinh viên: Lê Đức Tâm, Nguyễn Hoàng Thư, Vũ Ngọc Huy Chuyên ngành: Lọc hóa dầu Khoá: 4 Họ và tên của GVHD: Đàm Thị Thanh Hải 1. Nhận xét về tinh thần thái độ làm việc và nghiên cứu của SV 2. Nhận xét về kết quả: 3. Những tồn tại nếu có: Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày tháng NGƯỜI HƯỚNG DẪN năm PHIẾU CHO ĐIỂM BẢO VỆ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Sinh viên:………………………….………………………………………………… ………………………………………………………………………………………. Khóa:……………………..Lớp:…..…….. Chuyên ngành:………………………………………………………………… Điểm:………………………………………………………………………….. Chữ ký, họ tên của UVHĐ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do - Hạnh phúc KHOA DẦU KHÍ TỔNG HỢP ĐIỂM BẢO VỆ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Khóa………………………………………………………………… Chuyên ngành:………………………………………………………. Lớp:…………………………………………………………………. TT Sinh Tên viên ĐAMH GVHD GVPB Điểm Điểm bảo vệ ĐAMH Ghi chú 1 2 3 (Tổng số SV: ) Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày… tháng…..năm THƯ KÝ CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI LỜI CÁM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô Đàm Thị Thanh Hải – người đã đồng hành cùng chúng em trong suốt thời gian làm đồ án môn học Quá trình và Thiết bị. Cô đã giúp đỡ chúng em rất nhiều không chỉ nội dung mà còn cách trình bày một đồ án sao cho hợp lý. Đây là lần đầu tiên em cũng như các bạn trong nhóm được tiếp cận với đồ án nên bài làm sẽ khó tránh khỏi sai sót, mong thầy cô Bộ môn Lọc – Hóa Dầu có thể chỉ dạy thêm cho chúng em. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn các thầy cô. I ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN ..................................................................................................................... I MỤC LỤC .......................................................................................................................... II DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................. V DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. VI MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ............................................................................................... 2 1.1. Methanol .................................................................................................................... 2 1.1.1. Tính chất vật lý ................................................................................................... 2 1.1.2. Tính chất hóa học ............................................................................................... 2 1.1.3. Ứng dụng ............................................................................................................ 3 1.2. Ethanol ....................................................................................................................... 3 1.2.1. Tính chất vật lý ................................................................................................... 3 1.2.2. Tính chất hóa học ............................................................................................... 4 1.2.3. Ứng dụng ............................................................................................................ 5 1.3. Chưng cất ................................................................................................................... 5 1.4. Sơ đồ công nghệ ........................................................................................................ 7 CHƯƠNG 2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT............................................................................ 9 2.1. Thông số đầu vào ....................................................................................................... 9 2.2. Xác định lượng sản phẩm đỉnh .................................................................................. 9 2.3. Xác định chỉ số hồi lưu ............................................................................................ 10 2.3.1. Chỉ số hồi lưu tối thiểu ..................................................................................... 10 II ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI 2.3.2. Chỉ số hồi lưu thích hợp ................................................................................... 12 2.4. Phương trình làm việc và số đĩa .............................................................................. 13 2.4.1. Phương trình đường làm việc của đoạn cất ...................................................... 13 2.4.2. Phương trình đường làm việc của đoạn chưng ................................................. 13 2.4.3. Số đĩa lý thuyết ................................................................................................. 13 2.4.4. Số đĩa thực tế .................................................................................................... 14 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG .................................................................. 19 3.1. Đường kính .............................................................................................................. 19 3.1.1. Đường kính đoạn cất ........................................................................................ 19 3.1.2. Đường kính đoạn chưng ................................................................................... 23 3.2. Chiều cao ................................................................................................................. 27 3.3. Trở lực của tháp ....................................................................................................... 27 CHƯƠNG 4. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG .................................................................. 31 4.1. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất ............................................................... 31 4.2. Nhiệt lượng cung cấp cho thiết bị ngưng tụ ............................................................ 36 4.3. Nhiệt lượng của thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu ................................................... 37 4.4. Nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy xuống 35oC .............................. 38 4.5. Nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh xuống 35oC ............................. 39 CHƯƠNG 5. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ .............................................................................. 41 5.1. Chọn vật liệu ........................................................................................................... 41 5.2. Tính chiều dày tháp ................................................................................................. 41 5.3. Tính toán chóp......................................................................................................... 44 5.4. Tính toán đáy và nắp thiết bị ................................................................................... 46 III ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI 5.5. Bích ghép thân và nắp ............................................................................................. 47 5.6. Đường kính các ống dẫn và bích ghép các ống dẫn ................................................ 49 5.7. Tính toán khối lượng ước tính của tháp, chân đỡ và tai treo .................................. 55 CHƯƠNG 6. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ .................................................................. 58 6.1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh............................................................................. 58 6.2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh ........................................................................... 65 6.3. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy ............................................................................ 71 6.4. Thiết bị đun sôi nhập liệu ........................................................................................ 77 6.5. Thiết bị đun sôi đáy tháp ......................................................................................... 83 6.6. Bồn cao vị ............................................................................................................... 89 6.7. Bơm ......................................................................................................................... 92 KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 100 IV ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1.Sơ đồ công nghệ của quá trình chưng cất hỗn hợp methanol và ethanol ............. 7 Hình 2.1. Giản đồ cân bằng lỏng – hơi của hỗn hợp methanol và ethanol ở 1 atm .......... 11 Hình 2.2. Đồ thị quan hệ giữa R và (R+1).Nlt ................................................................... 12 Hình 2.3. Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết của hỗn hợp methanol – ethanol ..................... 13 Hình 2.4. Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị ......................................................... 15 Hình 4.1. Tháp chưng cất ................................................................................................... 31 Hình 5.1. Nắp và đáy thiết bị .............................................................................................. 46 Hình 5.2. Bích ghép thân và nắp ........................................................................................ 48 Hình 5.3. Đường kính ống dẫn và bích ghép ống dẫn ....................................................... 49 Hình 5.4. Chân đỡ .............................................................................................................. 56 V ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng 1.1. So sánh ưu nhược điểm của hai loại tháp ........................................................... 6 2.1. Tóm tắt các thông số ......................................................................................... 10 2.2. Số liệu cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol – ethanol............................. 11 2.3. Quan hệ giữa R và Nlt....................................................................................... 12 4.1. Cân bằng nhiệt lượng........................................................................................ 36 5.1. Bảng thông số chọn bích ................................................................................... 48 5.2. Bảng chọn kích thước bích ................................................................................ 49 5.3. Thông số bích 1 ................................................................................................. 51 5.4. Thông số bích 2 ................................................................................................. 52 5.5. Thông số bích 3 ................................................................................................. 53 5.6. Thông số bích 4 ................................................................................................. 53 5.7. Thông số bích 5 ................................................................................................. 54 5.8. Thông số chân đỡ .............................................................................................. 57 VI ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công nghiệp toàn cầu. Một trong những ngành có đóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hóa học, đặc biệt là ngành sản xuất các hóa chất cơ bản. Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiêu hóa chất có độ tinh khiết cao. Do đó các nhà sản xuất cần sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như: chưng cất, trính ly, hấp thụ, ... Tùy theo từng yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp. Đối với hỗn hợp methanol – ethanol là hỗn hợp của 2 chất lỏng hòa tan vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho methanol và ethanol. Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế hệ thống chưng cất methanol – ethanol có lưu lượng dòng nhập liệu là 100kmol/h, nhập liệu ở nhiệt độ sôi với nồng độ 40% phần mol methanol, sản phẩm đỉnh có nồng độ 95% phần mol methanol, sản phẩm đáy có nồng độ 5% phần mol methanol. 1 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Methanol 1.1.1. Tính chất vật lý Methanol là chất lỏng không màu, trung tính, có tính phân cực, tan trong nước, benzene, rượu, este và hầu hết các dung môi hữu cơ. Methanol có khả năng hòa tan nhiều loại nhựa, ít tan trong các loại chất béo, dầu. Do có tính phân cực nên tan được trong một số chất hữu cơ. Methanol dễ tạo hỗn hợp cháy nổ với không khí (7-34 %), rất độc cho sức khỏe con người, với lượng 10 ml trở lên có thể gây tử vong. 1.1.2. Tính chất hóa học Methanol là hợp chất đơn giản đầu tiên trong dãy đồng đẳng các rượu no đơn chức, hóa tính của nó được quyết định bởi nhóm –OH. Các quá trình phản ứng của methanol đi theo hướng cắt đứt liên kết C-O hoặc nhóm OH và được đặc trưng bởi sự thay thế nguyên tử H hay nhóm OH trong phân tử. Một số phản ứng đặc trưng:  Phản ứng hydro hóa CH3OH + H2  CH4 + H2  Phản ứng tách nước CH3OH + H2  CH4 + H2O  Phản ứng oxy hóa Khi oxy hóa methanol trên xúc tác kim loại (Ag, Pt, Cu, O2) hay xúc tác oxide hoặc (FeMo, Ti-Mo) trong điều kiện thích hợp thu được fomandehyde và các sản phẩm phụ: 1 CH3OH + O2  HCHO + H2O, H = -159 KJ/mol 2 2 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI Nếu oxy hóa lâu hơn sẽ tạo ra fomandehyde: CH3OH + O2  HCHO + H2O Nếu oxy hóa hoàn toàn thu được CO, CO2 và H2O: 1 CH3OH + O2  CO2 + H2O 2  Phản ứng dehydro hóa Khi tham gia phản ứng dehydro hóa sẽ tạo thành sản phẩm là HCHO CH3OH ⇌ CH2O + H2 1.1.3. Ứng dụng Methanol thường được dùng làm dung môi và làm nguyên liệu cho sản xuất những hóa chất hữu cơ khác với lượng lớn (như formaldehyde). Tuy nhiên, sau năm 1990, nhu cầu methanol làm nguyên liệu sản xuất methyl tert-butyl ether (MTBE) tăng cao khi MTBE trở thành một thành phần thiết yếu trong nhiên liệu động cơ. Methanol không phải là thực phẩm. Vì vậy, việc sử dụng các loại rượu có nồng độ methanol vượt mức quy định (ngưỡng cho phép là <0.1%, nghĩa là trong 100 ml rượu chỉ có dưới 1 ml methanol) có thể gây ngộ độc methanol. Một số lượng lớn methanol được sử dụng để bảo vệ các đường ống dẫn khí thiên nhiên chống lại sự tạo thành khí hydrat ở nhiệt độ thấp, làm tác nhân hấp phụ trong các thiết bị làm sạch khí để loại bỏ CO2, H2S ở nhiệt độ thấp. Nói tóm lại, methanol dùng để sản xuất MTBE, acide axetic, làm dung môi, chất tải lạnh, chất chống đông, có trong thành phần của sơn và vecni, sản xuất fomandehyde, nhiên liệu /xăng. 1.2. Ethanol 1.2.1. Tính chất vật lý Ethanol gọi là rượu etylic, rượu ngũ cốc, rượu nguyên chất, là một chất lỏng không màu, dễ bay hơi, dễ cháy. Ethanol được biết đến phổ biến nhất là đồ uống có cồn, bên cạnh đó nó còn được dùng làm dung môi, nhiên liệu. 3 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI Ethanol có công thức phân tử: C2H5OH, là chất lỏng không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước. 1.2.2. Tính chất hóa học  Phản ứng thế với kim loại kiềm, kiềm thổ: 2 C2H5OH + 2 Na  2 C2H5ONa + H2  Phản ứng este hóa, phản ứng giữa rượu và axit trong môi trường: H 2SO4 đặc nóng tạo ra este. C2H5OH + CH3COOH  CH3COOC2H5 + H2O  Phản ứng tách loại nước trong môi trường axit sulfuric đặc ở 170 °C: C2H5OH  C2H4 + H2O  Tạo ete: C2H5OH + C2H5OH  C2H5-O-C2H5 + H2O  Phản ứng oxi hóa 3 mức thành aldehyt, axit, (đốt cháy) thành CO2 và H2O. Mức 1 (Tcao): CH3-CH2-OH + CuO  CH3-CHO + Cu + H2O Mức 2, có xúc tác: CH3-CH2-OH + O2  CH3-COOH + H2O Mức 3: C2H5OH + 3 O2  2 CO2 + 3 H2O  Phản ứng tạo butadien-1,4: xúc tác hỗn hợp Cu + Al2O3 ở 380-4000C, lúc đó xảy ra phản ứng tách loại nước 2C2H5OH  CH2=CH-CH=CH2 + 2 H2O + H2  Phản ứng lên men giấm: CH3-CH2-OH + O2 (kk) CH3-COOH + H2O (lên men trong môi trường hiếm khí). 4 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI 1.2.3. Ứng dụng - Ethanol được dùng để pha vào xăng để tăng trị số octan cho xăng. Hiện nay Việt Nam đang sản xuất xăng sinh học E5 với % ethanol. - Dùng làm dung môi cho ngành công nghiệp hóa chất, dùng trong ngành dược, … - Cồn thực phẩm: sản xuất rượu, đồ uống có cồn, nước ướp gia vị, chiết xuất dược liệu, pha chế thuốc, vệ sinh, sát trùng, mỹ phẩm, … - Cồn công nghiệp: dùng cho công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may, sản xuất mỹ phẩm, dược phẩm, … 1.3. Chưng cất Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Trong chưng cất, có hai loại: chưng cất đơn giản và chưng cất phức tạp. Với chưng cất đơn giản, số lượng cấu tử có thể đếm được, ví dụ như đối với hệ Etanol - Metanol là chưng cất 2 cấu tử, trong đó sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm metanol và một ít etanol, ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm etanol và một ít methanol. Chưng cất phức tạp thì số của rất nhiều, thường phải chia thành các phân đoạn. Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc (chân không, áp suất thường, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất) hay dựa vào phương pháp cấp nhiệt (trực tiếp hay gián tiếp). Việc lựa chọn các phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của sản phẩm. Đối với hệ Etanol - Metanol ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu chung của các thiết bị vẫn giống nhau là bề mặt tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của pha này vào pha kia. Ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp đệm. 5 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI  Tháp đĩa: thân hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của mâm ta có tháp mâm chóp hay tháp mâm xuyên lỗ.  Tháp đệm: tháp trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp bằng hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay có thứ tự. Bảng 1.1. So sánh ưu nhược điểm của hai loại tháp Tháp đệm - Cấu tạo đơn giản Ưu điểm - Trở lực thấp Tháp đĩa chóp - Khá ổn định - Hiệu suất cao - Làm việc được với Tháp đĩa xuyên lỗ - Trở lực tương đối thấp - Hiệu suất cao chất lỏng bẩn - Do có hiệu ứng thành nên hiệu suất Nhược điểm - Trở lực lớn - Kết cấu phức tạp truyền khối thấp -Độ ổn định không - Không làm việc được với chất lỏng bẩn - Kết cấu phức tạp. cao, khó vận hành. *Ở đây, để chưng cất hỗn hợp methanol và ethanol ta chọn tháp chưng cất loại đĩa chóp vì tháp hoạt động khá ổn định và hiệu suất cao. 6