Tài liệu Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị chưng cất hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp metanol – nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG CẤT HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN HỢP METANOL – NƯỚC Giảng viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện : Lớp : Khoá : Ths. BÙI TẤN NGHĨA DHH07BLT TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG CẤT HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN HỢP METANOL – NƯỚC GVHD : Ths. BÙI TẤN NGHĨA SVTH : Lớp : DHHO7BLT Khoá : TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Độc lập – Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN Họ và tên sinh viên: Lớp: DHHO7BLT Chuyên ngành: Công nghệ Hóa hữu cơ Tên đồ án: Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị chưng cất hoạt động liên tục, để chưng cất hỗn hợp Methanol – Nước với năng suất 2500 kg/h theo nhập liệu. Nhiệm vụ của đồ án: Số liệu ban đầu và nội dung: - Số liệu ban đầu: 1. Nồng độ Methanol trong nhập liệu (khối lượng): 15%. 2. Nồng độ Methanol trong sản phẩm đỉnh (khối lượng): 90%. 3. Nồng độ Methanol trong sản phẩm đáy (khối lượng): 3%. 4. Thiết bị loại: Tháp mâm chóp, áp suất làm việc 1,5 at, trao đổi nhiệt. - Nội dung: Mở đầu, vẽ và thuyết minh quy trình công nghệ, tính toán công nghệ thiết bị chính, tính kết cấu thiết bị chính, tính và chọn thiết bị phụ, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục. Ngày giao đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: Họ tên giáo viên hướng dẫn: Chủ nhiệm bộ môn GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ hóa học là một trong những ngành đóng góp rất lớn trong sự phát triển của nền công nghiệp nước ta. Trong ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu có độ tinh khiết cao phải phù hợp với qui trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng. Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết là: chưng cất, trích ly, cô đặc, hấp thu … Tùy theo đặc tính sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp. Hệ Methanol – nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Methanol. Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư hoá tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Em chân thành cảm ơn Thầy Bùi Tấn Nghĩa và các Quí Thầy Cyô bộ môn Máy & Thiết Bị đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án vẫn không tránh khỏi có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn. Nhóm em xin cám ơn Quý Thầy Cô! GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:...............................................................................................  Nội dung thực hiện:...........................................................................................  Hình thức trình bày:..........................................................................................  Tổng hợp kết quả:............................................................................................. Điểm bằng số:....................................Điểm bằng chữ:....................................... Tp. Hồ Chí Minh, ngày ..... tháng ..... năm Giáo viên hướng dẫn GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:...............................................................................................  Nội dung thực hiện:...........................................................................................  Hình thức trình bày:..........................................................................................  Tổng hợp kết quả:............................................................................................. Điểm bằng số:....................................Điểm bằng chữ:....................................... Tp. Hồ Chí Minh, ngày ..... tháng ..... năm Giáo viên phản biện GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa MỤC LỤC PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1 I. Lý thuyết về chưng luyện 1 II. Ưu, khuyết điểm của phương pháp chưng đĩa chóp: III. Dây chuyền công nghệ: 4 PHẦN 2: TÍNH CÔNG NGHỆ 7 Chương 1: TÍNH SỐ ĐĨA 8 2 1.1. Tính lượng hỗn hợp:.........................................................................................8 1.2 Xác định số đĩa của tháp...................................................................................9 Chương 2: TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THIẾT BỊ 14 2.1. Đường kính đoạn luyện:.................................................................................15 2.2. Đường kính đoạn chưng:................................................................................20 Chương 3: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 24 3.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:.............................24 3.2. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện:.................................................26 3.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tu hồi lưu:......................................28 3.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:..................................................29 Chương 4: TÍNH KẾT CẤU CỦA THÁP CHƯNG LUYỆN 31 4.1. Kết cấu dĩa phần luyện:..................................................................................31 4.2. Kết cấu đĩa đoạn chưng :................................................................................34 PHẦN 3: TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH I. Tính thân thiết bị chính: 38 II. Tính đáy và nắp thiết bị: 41 III. Tính bề dày lớp cách nhiệt: 42 IV. Tính đường kính các loại ống dẫn: 43 V. Chọn bích: 45 VI. Tính tải trọng của tháp: 46 VII. Chọn tai treo, chân đỡ: 48 38 GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa PHẦN 4: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ50 I. Tính toán thiết bị ngưng tụ hồi lưu: 50 II. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu: 54 III. Nồi đun: 56 IV. Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh: V. Tính và chọn bơm: PHẦN 5: KẾT LUẬN 61 66 Các tài liệu tham khảo : 66 59 GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa PHẦN 1: MỞ ĐẦU I. Lý thuyết về chưng luyện Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp, nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ thì áp suất hơi của các cấu tử khác nhau. Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường bao nhiêu cấu tử sẻ có bấy nhiêu sản phẩm. Đối với trưòng hợp hỗn hợp chưng chỉ gồm hai cấu tử thì sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Trong sản xuất có rất nhiều phương pháp chưng như chưng đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng chân không và chưng luyện. Tùy thuộc vào điều kiện sẵn có, tính chất hỗn hợp, yêu cầu về độ tinh khiết sản phẩm mà ta chọn phương pháp chưng cho thích hợp. - Chưng đơn giản dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau. Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch cấu tử khỏi tạp chất. - Chưng bằng hơi nước trực tiềp dùng tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường dùng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước - Chưng chân không dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi cấu tử. Ví dụ như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao. - Chưng luyện là phương pháp phổ biến nhất để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau. SVTH: Đinh Hoàng Thảo Lê Nhật Tân 1 GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa - Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và hỗn hợp có nhiệt độ sôi cao. - Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường. - Chưng luyện ở áp suất thường (áp suất khí quyển ) dùng cho hỗn hợp không thuộc các trường hợp trên. Người ta tiến hành chưng luyện hỗn hợp cần chưng trong tháp chưng luyện, tháp gồm nhiều đĩa, trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi. Hơi đi từ dưới lên qua các lổ của đĩa, lỏng đi từ trên xuống theo các ống chảy chuyền, nồng độ các cấu tử và nhiệt độ sôi ở mỗi đĩa thay đổi theo chiều cao của tháp. Do đó một phàn cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng, lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như thế, hay nói một cách khác, với một số đĩa tương ứng, cuối cùng ở trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng nguyên chất và ở tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi ở dạng nguyên chất. Quá trình chưng luyện được thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tục hoặc gián đoạn. Ở đây ta sẽ thiết kế hệ thống chưng luyện tháp mâm chóp làm việc liên tục với hỗn hợp chưng là rượu mêtylic và nước. Khi chưng luyện liên tục, hỗn hợp đầu được đưa vào tháp ở đĩa tiếp liệu (nằm ở phần giữa thân tháp) một cách liên tục, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy cũng được lấy ra liên tục. II. Ưu, khuyết điểm của phương pháp chưng đĩa chóp: Ưu điểm: Tách được sản phẩm có độ tinh khiết cao, dễ khống chế quá trình, bề mặt tiếp xúc pha tương đối lớn, trở lực không cao. Khuyết điểm: Tiếp xúc pha không liên tục, cấu tạo phúc tạp. a. Tính chất lý hóa của rượu mêtylic 1.Tính chất lý học: SVTH: Đinh Hoàng Thảo 2 GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa Rượu mêtylic là chất lỏng không màu, tan vô hạn trong nước có mùi vị đặc trưng, rất độc, chỉ một lượng nhỏ xâm nhập vào cơ thể cũng có thể gây mù lòa, lượng lớn gây tử vong. -Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển t0s = 64,50C - Khối lượng riêng ở 200C  = 791,7 Kg/m3 -Độ nhớt ở 200C  = 0,6.103 N.s/m2 =0,6 cp -Hệ số dẫn nhiệt ở 200C  = 0,179kcal/m.h.độ = 0,2082 W/m.độ -Nhiệt dung riêng ở 200C CP= 2570 J/kg.độ -Nhiệt hóa hơi r = 262,79 kcal/kg ở 64,50C -Nhiệt độ nóng chảy tnc= -97,80C 2.Tính chất hóa học: Rượu mêtylic có công thức phân tử CH3OH công thức cấu tạo phân tử lượng: 32 đvC Trong phân tử rượu mêtylic có 3 loại liên kết: C - H, C - O, O - H, trong đó hai liên kết sau là liên kết cộng hóa trị phân cực, đó là do độ âm điện của O lớn hơn của C và H nên trong cả hai liên kết đó cặp electron góp chung đều lệch về phía O làm cho nguyên tử H trở nên linh động hơn. Rượu mêtylic có khả năng tham gia các phản ứng sau: - Làm phá vỡ liên kết C-OH với sự tách đi của nhóm -OH - Làm phá vỡ liên kết -O-H với sự tách đi của -H. - Bị oxy hóa thành fomanđêhit: CH3OH + CuO  HCHO + Cu SVTH: Đinh Hoàng Thảo 3 GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa Rượu mêtylic được ứng dụng để sản xuất anđêhytfomic làm nguyên liệu cho công nghệ chất dẻo. b. Tính chất lý hóa của nước - Nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị. - Nhiệt độ sôi ở 760mmHg là 100oC. - Hóa lỏng ở 00C. - Khối lượng riêng  = 997,08 kg/m3 ở 250C. - Độ nhớt  = 0,8937.103N.s/m2 = 893,7 Cp ở 250C - Nhiệt dung riêng CP = 0,99892 kcal/kg.độ ở 250C - Nhiệt hóa hơi ở áp suất khí quyển r = 540 kcal/kg - Nước có công thức phân tử H2O, công thức cấu tạo H-O-H - Nước là hợp chất phân cực mạnh, có thể hòa tan nhiều chất rắn, lỏng, khí - Nước cần thiết cho sinh hoạt hằng ngày, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng, giao thông vận tải. - III. Nước dùng để điều chế oxy. Dây chuyền công nghệ: Thiết kế như hình vẽ. Hỗn hợp đầu từ bể chứa 1 được bơm 2 bơm lên thùng cao vị 3 rồi theo ống dẫn qua lưu lượng kế 5 (điều chỉnh lượng hỗn hợp đầu vào tháp) đến thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu 6. Sự có mặt của thùng cao vị đảm bảo cho lượng hỗn hợp đầu vào tháp không dao động, trong trường hợp công suất bơm quá lớn hỗn hợp đầu sẽ theo ống tuần hoàn 4 tràn về bể chứa hỗn hợp đầu. Thiết bị đun sôi 6 là thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với tác nhân nóng là hơi nước bão hòa. Ra khỏi thiết bị đun sôi, hỗn hợp đầu ở nhiệt độ sôi đi vào tháp 7 ở đĩa nạp liệu. SVTH: Đinh Hoàng Thảo 4 GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa Sản phẩm đỉnh ở dạng hơi được ngưng tụ hoàn toàn khi đi qua thiết bị ngưng tụ 9 đến thiết bị phân tách hồi lưu 10, một phần sản phẩm đỉnh hồi lưu trở về đỉnh tháp, phần còn lại đi vào thiết bị làm nguội 11 được làm lạnh và đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh 12.Thiết bị ngưng tụ 9 là thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với tác nhân làm nguội là nước lạnh. Thiết bị làm nguội 11 là thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (tác nhân làm nguội là nước lạnh). Sản phẩm đáy đi ra khỏi tháp ở đáy được dẫn vào bể chứa sản phẩm đáy 13, được làm nguội tự nhiên. Sản phẩm đáy ở đây là nước có chứa một ít metylic nên được xủ lý rồi thải ra môi trường. 8 là lò đun. 14 là thiết bị bẫy hơi. SVTH: Đinh Hoàng Thảo 5 GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa SVTH: Đinh Hoàng Thảo 6 GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa PHẦN 2: TÍNH CÔNG NGHỆ Các ký hiệu sử dụng trong quá trình tính toán: GF: lượng hỗn hợp đầu. GD: lượng sản phẩm đỉnh. GW: lượng sản phẩm đáy. a F: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu. aD: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh. aW: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy. xF: nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu. xD: nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong trong sản phẩm đỉnh. xW: nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy. Cấu tử dễ bay hơi A: rượu metylic, cấu tử khó bay hơi B: nước. SVTH: Đinh Hoàng Thảo 7 GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa Chương 1: TÍNH SỐ ĐĨA 1.1. Tính lượng hỗn hợp: 1. Nồng độ phần mol: Tính F theo kmol/h: Đổi nồng độ khối lượng ra nồng độ mol: xA = aA MA aA a  B MA MB  xF = 15 32 15 32  85 18 = 0,09 phần mol  xD = 90 32 90 32  10 18 = 0,83 phần mol  xW = 3 32 3 32  97 18 = 0,017 phần mol 2. Lưu lượng hỗn hợp đầu và sản phẩm đáy: Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp: F = D + W (Công thức 3.52, trg 117, [3])  129,8 = W + D (1) Viết cho cấu tử dễ bay hơi: F.xF = D.xD + W.xW  (Công thức 3.53, trg 117, [3]) (2) Từ (1) và (2) suy ra: SVTH: Đinh Hoàng Thảo 8 GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa  Gọi MF M là phân tử lượng trung bình của hỗn hợp đầu F = xF.MA + (1-xF).MB = 0,09.32 + (1 – 0,09).18 = 19,26 (g) 1.2 Xác định số đĩa của tháp 1. Đường cong cân bằng - đồ thị t-x-y theo thực nghiệm: Gọi x,y là nồng độ mol phần của thành phần lỏng và hơi của rượu mêtylic (tính theo phần mol) t (0C) là nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử (ở 760 mmHg). Theo bảng IX.2a, trang 149, [2],ta có: X 0 5 10 20 30 40 Y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 T 92,3 87,7 81,7 78 100 50 60 70 80 90 100 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100 75,3 73,1 71,2 69,3 67,6 66 64,5 Dựa vào bảng số liệu này ta vẽ đồ thị đường cong cân bằng của hỗn hợp rươụ Metylic và nước (Hình 1) và đồ thị biểu diễn đường cong sôi (Hình 2). SVTH: Đinh Hoàng Thảo 9 GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa Hình 1: Đồ thị đường cong cân bằng của hỗn hợp rượu Metylic và nước. SVTH: Đinh Hoàng Thảo 10 GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa Hình 2: Đồ thị biểu diễn đường cong sôi Theo đồ thị đường cân bằng ta xác định được y *F = 0,4 phần mol là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hỗn hợp đầu ứng giá trị xF = 0,09. Theo đồ thị đường cong sôi ta xác định được nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu t sF =88oC, của sản phẩm đỉnh tsD = 67oC, của sản phẩm đáy tsW= 97oC. a(%khối lượng) x(phần mol) y(phần mol) Kmol/h aF = 15 xF = 0,09 yF = 0,4 129,8 88 aD = 90 xD = 0,83 yD = 0,93 11,65 67 aw = 3 xw =0,017 yw = 0,09 118,14 97 Nhiệt độ sôi Chỉ số hồi lưu thích hợp: ROPT Rx = .Rmin (Công thức IX.25, trg 158, [2]) : hệ số hiệu chỉnh;  = (1,2  2,5) SVTH: Đinh Hoàng Thảo 11 GVHD: Ths. Bùi Tấn Nghĩa Rmin: chỉ số hồi lưư tối thiểu Suy ra chỉ số hồi lưu tối thiểu là: Rxmin = Rmin = xP  y * F y * F  xF (Công thức IX.24, trg 158, [2]) 0,83  0,4 0,4  0,09 = 1,39 Để xác định số đĩa lý thuyết của tháp bằng cách dựa vào phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng. Phương trình làm việc của đoạn luyện x R y= .x + (Công thức IX.20, trg 144, [2]) 1  1 R R th D th th Phương trình làm việc của đoạn chưng: 1 R X= LR th .y + th Với: L = L 1 .(Công thức IX.22, trg 158, [2]) LR th 129,8 F = 11,65 1,7 D Mà: ROPT = .Rmin. Đặt B = x D Rx  1 ứng với mổi giá trị của  sẽ là một đĩa lý thuyết N ở bảng sau  ROPT N N(R+1) B 1,2 1,668 10 26,68 0,311 1,4 1,946 8,5 25,041 0,282 1,6 2,224 7,1 22,809 0,257 1,8 2,502 6,5 23,763 0,237 2,1 2,919 6,2 24,299 0,212 2,3 3,197 6 25,182 0,198 2,5 3,475 5,7 25,507 0,185 Lập biểu đồ biểu diển sự phụ thuộc N(R+1) và R . Điểm cực tiểu của giá trị N(R+1) ứng với R thích hợp nhất là Rth= 2,224. SVTH: Đinh Hoàng Thảo 12