Đang tải... (xem toàn văn)
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ, các ngành công nghiệp trên thế giới nói chung cũng như ở Việt Nam nói riêng rất cần những hóa chất có tiêu chuẩn về chất lượng và độ tinh khiết cao. Các phương pháp phổ biến được áp dụng rộng rải hiện nay để nâng cao độ tinh khiết như: chưng cất, trích ly, cô đặc, hấp thụ….tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà có sự lựa chọn phương pháp phù hợp. 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 hóa học 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 hóa chất thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học về nhiều môn để giải quyết những vấn đề thực tế về kỹ thuật trong công nghiệp một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của đồ án môn học là thiết kế tháp chóp chưng cất liên tục hệ hai cấu tử nước – acid acetic ở áp suất khí quyển, năng suất hỗn hợp đầu 40.000 tấnnăm. Đối với hệ nước – acid acetic là hệ hai cấu tử hòa lẫn vào nhau hoàn toàn, có nhiệt độ sôi cách xa nhau nên ta dung phương pháp chưng cất để thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao.
Đồ án môn học Quá trình thiết bị GVHD: Ths. Nguyễn Văn Toàn Bộ Giáo Dục & Đào Tạo Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc Khoa Hóa Học & Công Nghệ Thực Phẩm ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa học Chuyên Ngành : Hóa dầu 1. Tên Đề Tài: Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục tách 2 cấu tử Acetone – Benzen với các số liệu sau: • Năng suất hỗn hợp đầu: )./(7 3 hmF = • Nồng độ nhập liệu: (phần khối lượng). • Nồng độ sản phẩm đỉnh: (Phần khối lượng). • Nồng độ sản phẩm đáy: (Phần khối lượng). 2. Nhiệm vụ đồ án: • Cơ sở thiết kế quá trình. • Xây dựng dây chuyền công nghệ. • Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng. • Tính toán cơ khí cho thiết bị chính, thiết bị phụ. 3. Các bản vẽ: 01 Bản vẽ chí tiết thiết bị chính (bản A1/01 bản vẽ tay ) 02 Bản vẽ sơ đồ quy trình công nghệ: 01bản A1, 01 bản A3. 4. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 15/01/2013 5. Ngày bảo vệ và chấm đồ án: 10/05/2013 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TRƯỞNG BỘ MÔN Đồ án môn học Quá trình thiết bị GVHD: Ths. Nguyễn Văn Toàn LỜI CẢM ƠN Chúng em chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu đã tạo cho chúng em một môi trường học tập thật tốt, trang bị cho chúng em đầy đủ các thiết bị học tập hiện đại. Đặc biệt, là quý Thầy Cô khoa Hóa – Công nghệ thực phẩm đã tạo điều kiện tốt nhất và giải quyết mọi vấn đề một cách tận tình. Và chúng em xin gửi lời cảm ơn tới thầy Th.S Nguyễn Văn Toàn đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và những kinh nghiệm quý báu để chúng em có thể làm tốt bài báo cáo này. Trong thời gian hoàn thành báo cáo này, chúng em đã có nhiều sự cố gắng nỗ lực. Kính mong sự phê bình và đóng góp ý kiến của quý thầy, cô Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu để báo cáo của chúng em được hoàn thiện và tốt hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Mục Lục Đồ án môn học Quá trình thiết bị GVHD: Ths. Nguyễn Văn Toàn Đồ án môn học Quá trình thiết bị GVHD: Ths. Nguyễn Văn Toàn CHƯƠNG I: CƠ SỞ THIẾT KẾ I.1. Thiết bị chính Trong công nghiệp hóa học có nhiều phương pháp để phân riêng hỗn hợp hai hay nhiều cấu tử tan một phần hay hoàn toàn vào nhau như: hấp thụ, hấp phụ, ly tâm, trích ly, chưng cất… Mỗi phương pháp đều có những đặc thù riêng và những ưu nhược điểm nhất định. Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị cho phù hợp tùy thuộc vào hỗn hợp ban đầu, yêu cầu sản phẩm và điều kiện kinh tế. Đối với hỗn hợp Axeton và Benzen là hỗn hợp hai cấu tử tan hoàn toàn vào nhau theo bất kỳ tỷ lệ nào có nhiệt độ sôi khác biệt nhau thì phương pháp tối ưu để tách hỗn hợp trên là chưng cất. Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau, nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia. Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các loại tháp lớn thường được ứng dụng cho công nghiệp lọc hóa dầu. Kích thước của tháp: đường kính tháp và chiều cao tháp tùy thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Ta khảo sát loại tháp chưng cất dùng cho quá trình là tháp đĩa lưới. Cấu tạo tháp: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: Tháp đĩa lưới: trên mâm bố trí các lỗ hay rãnh, có đường kính (3-12)mm. -Ưu điểm: Hiệu suất tương đối cao. Hoạt động khá ổn định. Trang 4 Đồ án môn học Quá trình thiết bị GVHD: Ths. Nguyễn Văn Toàn -Nhược điểm: Trở lực khá cáo Yêu cầu lắp đặt khắt khe lắp đĩa thật phẳng. Không làm việc được với chất lỏng bẩn. Vậy: Chưng cất hệ Axeton-Benzen ta dùng tháp đĩa lỗ hoạt động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp. I.2. Thiết bị phụ Để đạt được hiệu suất sản phẩm là cao nhất và tiết kiệm được công cụ, máy móc, không lãng phí kinh tế nhóm chúng em chọn những thiết bị tối ưu cho quá trình chưng cất Axeton và Benzen. I.2.1. Thiết bị gia nhiệt Cũng nhằm mục đích tiết kiệm chi phí lắp đặt (gọn gàng, ít tốn kim loại), dễ dàng vệ sinh, nhưng phải đáp ứng được các thông số làm việc: hệ số truyền nhiệt, do nguyên liệu khi đưa vào tháp phải được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi, thiết bị chắc chắn. Thì thiết bị gia nhiệt kiểu ống chùm đáp ứng được các yêu cầu trên với cấu tạo gồm có vỏ hình trụ, hai đầu lắp lưới ống, các ống truyền nhiệt được lắp chặt vào lưới ống. Một chất tải nhiệt đi trong các ống truyền nhiệt, còn chất tải nhiệt kia đi vào khoảng trống giữa ống và vỏ. Hơi bão hoà truyền nhiệt ngưng tụ chảy thành màng ra ngoài. I.2.2. Thiết bị ngưng tụ Với yêu cầu của thiết bị ngưng tụ là hiệu quả trao đổi nhiệt phải lớn, do sản phẩm đỉnh sau khi chưng cất có nhiệt độ cao. Bên cạnh đó chúng phải đáp ứng yêu cầu về kinh tế (gọn gàng, lượng kim loại sử dụng). Nên ta chọn thiết bị ống lồng ống. Chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học, thiết bị dùng nước để ngưng tụ, có cấu tạo gồm hai ống lồng vào nhau thường được cuộn lại để tiết kiểm diện tích. Nước chuyển động ở bên trong, môi chất lạnh chuyển động ngược lại ở Trang 5 Đồ án môn học Quá trình thiết bị GVHD: Ths. Nguyễn Văn Toàn phần không gian giữa ống, thường sử dụng là ống đồng. Do môi chất chỉ chuyển động chỉ chuyển động vào ra một ống duy nhất nên lưu lượng nhỏ, thích hợp để thu hồi Axeton. I.2.3. Thiết bị đun sôi đáy tháp Là thiết bị dùng để cung cấp nhiệt ở đáy tháp nhằm tăng hiệu quả tách cho quá trình. Nên yêu cầu của thiết bị này là có khả năng cung cấp nhiệt cao. Do đó nên sử dụng lò hơi ống nước. Vì chúng có khả năng cung cấp một lượng nhiệt cao, tốt cho quá trình chưng cất Axeton và Benzen, nước được cấp qua các ống vào lò hơi rồi được đun nóng bằng khí được đốt cháy chuyển nước thành hơi, lò hơi này được lựa chọn khi nhu cầu sử dụng hơi tối đa cần để cung cấp một lượng nhiệt lớn. Nhờ sự thông gió cưỡng bức giúp nâng cao hiệu suất cháy tạo hơi. I.2.4. Bơm ly tâm Động cơ được thiết kế rất mạnh mẽ với cánh quạt lớn tốt cho việc cung cấp lưu chất với lượng lớn và thuận tiện cho việc sữa chữa. Công suất 1m 3 khoảng 20phút, giá thành không cao lắm, kết cấu nhỏ gọn làm việc tin cậy thích hợp cho quá trình chưng cất Axeton và Benzen. CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Trang 6 Đồ án môn học Quá trình thiết bị GVHD: Ths. Nguyễn Văn Toàn I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT Gọi: • F: lưu lượng hỗn hợp đầu, kmol/h; : kg/h • P: lưu lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h; : kg/h • W: lưu lượng sản phẩm đáy, kmol/h; : kg/h • : nồng độ hỗn hợp đầu, % khối lượng • : nồng độ sản phẩm đỉnh, % khối lượng • : nồng độ sản phẩm đáy, % khối lượng • : nồng độ hỗn hợp đầu, % mol • : nồng độ sản phẩm đỉnh, % mol • : nồng độ sản phẩm đáy, % mol • : A, M A = 58 (đvC) • Benzen: B, M B = 78 (đvC) I.1. Số liệu ban đầu: Ta có: F= 7 (m 3 /h)= 5388,8 (kg/h) I.2 Tính cân bằng vật chất Phương trình cân bằng vật liệu của toàn tháp: (1) Đối với cấu tử dễ bay hơi: (2) Lượng sản phẩm đỉnh: Trang 7 Đồ án môn học Quá trình thiết bị GVHD: Ths. Nguyễn Văn Toàn Lượng sản phẩm đáy: = 3694,4 (kg/h) I.2.1. Tính nồng độ phần mol của cấu tử nhẹ (Axeton) Thành phần mol trong hỗn hợp đầu: Thành phần mol trong sản phẩm đỉnh: Thành phần mol trong sản phẩm đáy: I.2.2. Tính lưu lượng mol trung bình Trong hỗn hợp đầu: 70,25 kg/kmol Trong sản phẩm đỉnh: 58,22 kg/kmol Trong sản phẩm đáy: 77,60 kg/kmol Ta có bảng tổng kết thành phần sản phẩm: Bảng 1: Thành phần sản phẩm % khối lượng % mol Lưu lượng (kg/h) Lưu lượng (kmol/h) Hỗn hợp đầu 0,3876 5388,8 76,71 Sản phẩm đỉnh 0,985 0,9888 1694,4 29,10 Sản phẩm đáy 0,015 0,0201 3694,4 3694,4 I.3. Thành phần pha của hỗn hợp 2 cấu tử Axeton-Benzen Trang 8 Đồ án môn học Quá trình thiết bị GVHD: Ths. Nguyễn Văn Toàn Bảng thành phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của 2 cấu tử ở áp suất 760mmHg (% mol) (bảng IX.2a/146.II) x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 14 24. 3 40 51.2 59. 4 65.5 73 79.5 86. 3 93. 2 100 t o 80. 1 78. 3 76. 4 72. 8 69.6 66. 7 64.3 62. 4 60. 7 59.6 58. 8 56.1 Bảng 2. Thành phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của Axeton-Benzen Bằng phương pháp nội suy ta tính được t o s như bảng sau: II. XÁC ĐỊNH SỐ BẬC THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ. II.1. Xác định chỉ số hồi lưu Rmin. Trong đó: là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng của hỗn hợp đầu. II.2. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Việc chọn chỉ số hồi lưu thích hợp rất quan trọng, vì khi chỉ số hồi lưu bé thì số bậc của tháp lớn nhưng tiêu tốn hơi đốt ít, ngược lại khi chỉ số hồi lưu lớn thì số bậc của tháp có ít hơn, nhưng tiêu tốn hơi đốt lại rất lớn. Trang 9 Sản phẩm x(%mol) y(%mol) Nhiệt độ sôi F 38,76 58,38 67 P 98,88 99,23 56.4 W 2,01 5,63 79.4 Đồ án môn học Quá trình thiết bị GVHD: Ths. Nguyễn Văn Toàn Xác định chỉ số hồi lưu từ điều kiện thể tích tháp nhỏ nhất, tức là N(R+1) là nhỏ nhất.( Với N là số bậc thay đổi nồng độ hay số đĩa lý thuyết). R=b.Rmin Với: b là hệ số dư (1,2 2,5) Ta có : b 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,5 R 2,48 2,89 3,30 3,72 4,13 4,54 4,95 5,16 B 0,28 0,25 0,23 0,21 0,19 0,18 0,17 0,16 N 53 36 30 27 24 23 22 21 N(R+1) 184 140 129 127 123 127 131 129 Bảng 3: Bảng số đĩa lý thuyết ứng với b Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa N(R+1) và R Từ đồ thị trên ta tìm được giá trị N(R+1) nhỏ nhất tại R=4,13 tương ứng với b=2. Vậy ta tính được chỉ số hồi lưu thích hợp R=4,13. Số đĩa lý thuyết đoạn luyện là: 19 Số đĩa lý thuyết đoạn chưng là: 5 II.3. Phương trình đường làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng Để tính toán chưng cất hệ hai cấu tử, ta phải xác định phương trình đường làm việc đoạn luyện và đoạn chưng. Ta có: Tỉ số hồi lưu làm việc Trang 10 [...]... D1 ,mm db ,mm Z (cái) 148 M16 4 14 100 108 20 5 Dδ ,mm 170 (d=90) Sản phẩm 27 0 27 5 28 0 28 5 28 5 M16 8 14 133 23 5 20 0 178 M16 8 14 159 26 0 22 5 20 2 M16 8 16 26 0 300 28 0 27 0 M16 8 16 Sản phẩmđáy đỉnh (d =26 8) Hỗn hợp 125 đầu (d=110) Lỏng hồi 150 lưu (d=130) Hơi hồi 25 0 lưu VII Kích thước đĩa phân phối Theo bảng IX .22 /23 0.II, với đường kính trong tháp của tháp chưng luyện (m) ta chọn kích thước sau: Đường kính... bảng I .22 4, st QTTB I, ta có: (N/m) (N/m) Suy ra (N/m) Trở lực đĩa ướt: N/m2 Trang 26 Đồ án môn học Quá trình thiết bị 0 ,2 GVHD: Ths Nguyễn Văn Toàn ,m = 4.0,003( 0 ,2 =0,02m 0, 325 .(0,18.()0,036.ρx , ( kg/m3 ) 0, 325 .(0,18.(0,036.7 72, 99= 160,66 kg/ VI .2 Trở lực của phần chưng N/m2 (IX.135.1 92) [II] N/m3 (IX.136.19) [II] Trong đó: N/m3 Suy ra: N/m3 N/m2 0 ,2 ,m =4.0,003( 0, 325 0,18 ( 0 ,2 0,036 () =0, 021 m... và Benzen ở nhiệt độ Tra bảng I -21 2 /25 4.I ta có: (J/kg) (J/kg) (J/kg) Vậy: (3) => (kg/h)= 3 ,21 92( kg/s) (1) => (kg/h)=4 ,24 54(kg/s) => (kg/kg) =0,048 (mol/mol) (2) Vậy lượng hơi trung bình trong đoạn chưng: (kg/h) IV .2. 2 Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi đoạn chưng: Khối lượng riêng đoạn chưng được tính theo công thức sau: ρ' ytb = [ y'tb1 M A + (1 − y'tb1 )M B ]27 3 22 ,4.T ' Ta có: Trang 23 ... IX.5/170[II] Ta chọn khoảng cách giữa 2 mặt nối bích và số đĩa giữa 2 mặt bích Khoảng cách giữa 2 mặt bích: 20 00mm=2m Số đĩa giữa 2 mặt bích là 5 Như vậy chiều cao đoạn luyện: (m) V .2 Chiều cao đoạn chưng: Tương tự ta có chiều cao đoạn chưng: (m) Như vậy chiều cao toàn tháp: H=17 ,2+ 4,9 =22 ,1 (m) VI TÍNH TRỞ LỰC CỦA THÁP VI.1 Trở lực của phần luyện N/m2 (IX.135.1 92) [II] N/m3 (IX.136.1 92) [II] Trong đó: Trở lực... : 2, 89 Biểu đồ xác định số đĩa lí thuyết Biểu đồ xác định số đĩa lí thuyết Biểu đồ đồ ta có : số đĩa lí thuyết N : 23 Từ biểu xác định Số Biểu đồ xác có : số đĩa lí thuyết Từ biểu đồ tađịnh Số đĩa lí thuyết N :22 Từ biểu đồ ta có : Số đĩa lí thuyết N : 30 Hệ biểu 2, 2 số b xác Từ số b đồ ta : Số đĩa lí lí thuyết Hệ Biểu:: 2, 4 cóđịnh số đĩathuyết N : 27 Hệ số b : 1,6 R 4,54 Hệsố biểulưu số hồi đồ Hệ. .. (m) IV .2 Đường kính đoạn chưng IV .2. 1 Lưu lượng hơi trung bình đoạn chưng : Được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi ta khỏi đoạn chưng và lượng hơi đi vào đoạn chưng: g′ = tb ′ gn + g′ g + g′ 1= 1 1 2 2 Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện do đó: (kg/h) Lượng hơi đi vào đoạn chưng , lượng lỏng , và hàm lượng lỏng trong đoạn chưng được xác định bằng hệ phương... Trang 23 (kg/) (IX-1 02/ 1 82. II) Đồ án môn học Quá trình thiết bị GVHD: Ths Nguyễn Văn Toàn T= : phần mol của axeton trong hỗn hợp hơi ở đoạn chưng (phần mol) (kg/) Vậy: ( IV .2. 3 Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng đoạn chưng x' 1 − x' tb1 = tb1 + ρ' ρ ρ x1 x2 xtb 1 (phần khối lượng) : khối lượng của Axeton và Benzen ở nhiệt độ trung bình của đoạn chưng 73 ,2 Tra bảng I -2/ 9/I 726 kg/m3 kg/m3 Suy... dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào bề dày tấm vật liệu, theo bảng XIII-9/364.II chọn: Trang 28 Đồ án môn học Quá trình thiết bị GVHD: Ths Nguyễn Văn Toàn C =1,5+0 ,22 =1,72mm=1, 72 []: ứng suất cho phép của thép không gỉ (N/m2 ) N/m2 (XIII.1/355 II) (XIII .2/ 356 II) η là hệ số hiệu η=1 (XIII .2/ 356.II) : là hệ số an toàn theo giới hạn bền giới hạn chảy (XIII.3/356.II) : giới hạn bền khi kéo, giới hạn... Benzen theo nhiệt độ dựa vào bảng I.101 trang 91 stQTTB I Nhiệt độ oC tF= 67 tP= 56,4 tW= 79,4 Độ nhớt Axeton (µ.103 Ns/m2) 0 ,21 0 ,23 0 ,2 Trang 12 Độ nhớt Benzen (µ.103 Ns/m2) 0,38 0,4 0,316 Đồ án môn học Quá trình thiết bị GVHD: Ths Nguyễn Văn Toàn Bảng 4: độ nhớt của Axeton và Benzen theo nhiệt độ Độ nhớt của hỗn hợp được xác định theo công thức I. 12 trng 84 st QTTB I Do đó ta có: Như vậy ta có kết... môn học Quá trình thiết bị GVHD: Ths Nguyễn Văn Toàn I-153/171.IJ/Kg.độJ/Kg.độ == >20 20, 025 (J/Kg.độ) Vậy:3694,4.79,4=5 92, 55 (J/h) III.3.5 Lượng nhiệt do nồi đun mang vào (J/h) III.3.6 Lượng hơi nước cần cung cấp là: G =20 94,01(Kg/h) III.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ Lượng nước làm mát đơể ngưng tụ sản phẩm đỉnh là: G =4 327 2,03404 (kg/h) III.5 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh . là hệ số dư (1 ,2 2,5) Ta có : b 1 ,2 1,4 1,6 1,8 2 2 ,2 2,4 2, 5 R 2, 48 2, 89 3,30 3, 72 4,13 4,54 4,95 5,16 B 0 ,28 0 ,25 0 ,23 0 ,21 0,19 0,18 0,17 0,16 N 53 36 30 27 24 23 22 21 N(R+1) 184 140 129 127 . HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa học Chuyên Ngành : Hóa dầu 1. Tên Đề Tài: Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục tách 2 cấu tử Acetone – Benzen với các. độ sôi của 2 cấu tử ở áp suất 760mmHg (% mol) (bảng IX.2a/146.II) x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 14 24 . 3 40 51 .2 59. 4 65.5 73 79.5 86. 3 93. 2 100 t o 80. 1 78. 3 76. 4 72. 8 69.6