Đang tải... (xem toàn văn)
THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN THÔ VỚI NĂNG XUẤT THEO NGUYÊN LIỆU ĐẦU VÀO 5000 K/GH
z TÀIĐỀ THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN THÔ VỚI NĂNG XUẤT THEO NGUYÊN LIỆU ĐẦU VÀO 5000 KG/H Giáo viên th c hi nự ệ : Sinh viên th c hi nự ệ : Phần 1: giới thiệu sơ lược về etanol Phần 2: Thuyết minh quy trình Phần 3: Cân bằng vật chất Phần 4: Tính kích thước tháp Phần 5: Tính cơ khí Phần 6: Tính cân bằng năng lượng Phần 7: Tính các thiết bị phụ Kết luận Tài liệu tham khảo MỞ ĐẦU Trong nhiều ngành sản xuất hoá học cũng như sử dụng, nguyên liệu cần có độ tinh khiết cao .Để có được sản phẩm có độ tinh khiết cao, ta cần tách chúng từ hỗn hợp nguyên liệu, thường hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí Các phương pháp phổ biến để tách riêng hỗn hợp cũng như nâng cao nồng độ gồm: chưng cất , trích ly ,cô đặc ,hấp thu … Tuỳ theo đặc tính của hỗn hợp cũng như yêu cầu của ssản phẩm mà ta chọn phương pháp tách phù hợp .Đối với hệ etanol-nước để tách cồn và nước , nâng cao nồng độ cồn ta dùng phương pháp chưng cất. Chưng cất là quá trình tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí thành những cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng trong hỗn hợp. Có nhiều phương pháp chưng cất khác nhau: • Chưng cất đơn giản • Chưng bằng hơi nước trực tiếp • Chưng gián đoạn … Thiết bị chưng cất có nhiều loại: • Tháp mâm chóp • Tháp đệm • Tháp mâm xuyên lỗ Qúa trinh chưng cất được ứng dụng rộng rãi và có ý nghĩa quan trọng trong kĩ thuật hóa học. Tuỳ theo tính chất của hệ cấu tử đem chưng cất, độ tinh khiết của sản phẩm, hiệu suất chưng cất, … mà ta chọn phương pháp và thiết kế tháp cho phù hợp. Vì vậy việc thiết kế tháp chưng cất cho phù hợp với yêu cầu sản xuất, đáp ứng yêu cầu kĩ thuật và quan tâm đến tính kinh tế là vấn đề quan trọng. Đồ án môn học này thiết kế tháp chưng cất cồn thô với năng xuất theo nguyên liệu đầu vào 5000 kg/h. Nồng độ dung dịch đầu 35% (khối lượng), sản phẩm đỉnh có độ thu hồi 99.5% Tháp chưng loại mâm chóp tròn , đun bằng cách sục hơi nước trực tiếp, đáy chủ yếu là nước. Áp suất hơi đốt :2.5 at PHẦN 1: SƠ LƯỢC VỀ ETANOL (hỏi thằng Trí thêm) 1. Tính chất vật lý cơ bản của Etanol: Hệ số bay hơi K của etylic % khối lượng rượu Hệ số bay hơi % khối lượng rượu Hệ số bay hơi 10 8 6 4 2 5.16 5.78 6.63 7.80 9.25 0.9 0.7 0.5 0.3 0.1 10.6 11.1 11.3 11.2 11.0 Quan hệ giữa nồng độ rượu và nhiệt độ sôi % khối lượng Nhiệt độ sôi o C 99.8 99.3 98.75 91.3 89.0 87 85.7 84.7 83.1 81.9 80.96 80.2 79.5 78.5 % phân tử Thể lỏng Thể hơi Thể lỏng Thể hơi 0.1 0.5 1.0 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 1.3 6.1 10.75 52.2 60 65 68.7 71.3 74.6 77 79.5 82.1 85.8 91.3 0.04 0.19 0.39 4.16 6.46 8.92 11.55 14.35 20.68 28.12 36.98 47.72 61.02 77.8 0.51 2.48 4.51 29.92 36.98 42.09 46.08 49.16 53.46 56.71 60.29 64.21 70.09 80.42 Khối lượng riêng và thể tích riêng của hỗn hợp etilic-nước ở áp suất P= 1 & 1.1 at % khối Nhiệt Khối Thể Nhiệt Khối Thể tích lượng trong hơi độ sôi, o C lượng 1 m 3 ở P=1.1 at tích của 1 Kg , m 3 độ sôi, o C lượng 1 m 3 ở P=1.0 at của 1 Kg , m 3 0 5 10 25 50 75 100 100.0 99.5 99.0 98.0 92.4 84.5 78.4 0.638 0.670 0.693 0.768 0.95 1.247 1.75 1.567 1.492 1.443 1.302 1.052 0.802 0.571 100.0 95.0 91.5 85.8 81.9 79.7 78.2 0.589 0.620 0.643 0.722 0.887 1.145 1.592 1.697 1.513 1.555 1.385 1.127 0.812 0.622 2. Các nguồn điều chế Etanol : a. Hidrat hóa anken: Đun nóng anken với nước CH 2 =CH 2 + H-OH CH 3 -CH 2 -OH Phương pháp này được dùng phổ biến trong sản xuất công nghiệp b. Thuỷ phân dẫn xuất halogen trong dung dich kiềm C 2 H 5 -Br + NaOH C 2 H 5 -OH + NaBr Phương pháp này chỉ dùg trong phòng thí nghiệm. 3. Ứng dụng của Etanol: - Là nghuyên liệu để sản xuất cao su tổng hợp . - Rượu etylic dùng để điều chế một số hợp chất hữu cơ như acid acetic, dietyl ete, etylacetat… - Do có khả năng hoà tan tốt một số chất hữu cơ nên rượu etylic dùng để pha vecni, dược phẩm , nước hoa… - Khi cháy toả nhiều nhiệt nên rượu etylic còn được dùng làm nhiên liệu PHẦN 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Chưng cất được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học và có khả năng tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hoàn toàn. Hỗn hợp cần chưng cất là etanol-nước. Để cho qúa trình chưng cất được liên tục cần cho hỗn hợp đi vào phân li tiếp xúc trực tiếp với luồng hơi có nộng độ cấu tử khó bay hơi lớn hơn so với dung dịch. Do đó trong hệ thống thiết bị để chưng cất liên tục, tháp gồm hai phần đoạn chưng và đoạn luyện. Ơ đoạn chưng của tháp xảy ra: cấu tử dễ bay hơi được tách ra khỏi chất lỏng chảy ở trên xuống, còn ở đoạn cất thì hơi đi lên càng giàu cấu tử dễ bay hơi. Hệ thống thiết bị chưng cất (xem sơ đồ) : Hỗn hợp etanol-nước có nồng độ 35%(khối lượng) etanol tại bình chứa 3 có nhiệt độ 25 0 C được bơm vào thiết bị gia nhiệt 2. Ở đó hỗn hợp được làm nóng lên đến nhiệt độ sôi của nhập liệu (t F =83.8 o C), sau đó được đưa vào tháp chưng cất. Từ thiết bị gia nhiệt, hỗn hợp đi vào tháp chưng cất 1, ở đĩa nhập liệu (đĩa trên cùng của đoạn chưng). Tại đây qúa trình chưng cất xảy ra. Trên đĩa nhập liệu , chất lỏng được trộn lẫn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống. Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Hơi từ đĩa dưới đi vào các ống hơi của các chóp, vào trục qua lớp chất lỏng, một phần chóp ngập vào chất lỏng , chóp có răng cưa , hơi đi qua đó, tạo thành những tia rất nhỏ để làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa hơi và lỏng. Vì nhiệt độ càng lên trên càng thấp nên phần dưới là cấu tử có nhiệt độ bay hơi cao. Trên đỉnh, ta thu được hỗn hợp hơi gồm etanol chiếm tỉ lệ cao. Hơi đó đi vào thiết bị ngưng tụ 5 và được ngưng tụ hoàn toàn, thiết bị ngưng tụ với chất làm lạnh là nước, nhiệt độ vào là 25 o C , nhiệt độ ra là 45 o C Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm 4, phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với chỉ số hồi lưu R= 2.5 Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn , một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp : etanol được bốc hơi ra do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng và cuối cùng ở đáy thápthu được hỗn hợp lỏng hầu hết là nước. Dung dịch lỏng ở đáy tháp ra khỏi tháp một phần dược đưa vào thiết bị nồi hơi để đung bốc hơi cung cấp cho tháp, một phần qua thết bị làm nguội sau đó đưa vào bình chứa. Hệ thống làm việc liên tục cho etanol ở đỉnh tháp PHẦN 1: TÍNH TOÁN THÁP Cân bằng vật chất và năng lượng cho toàn tháp trong trường hợp đun bằng hơi nước trực tiếp: Cồn loại 1 theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN-71) > = 96%(tt) Chọn x D = 96%(tt) . Đổi ra 92.8% (khối lượng) F + G n+1 = D + W Fx F + 0 = Dx D + Wx W Fh F +G n+1 H G n+1 = DH D + WH W + Q C Q C = (R+1)D (H G – H D ) R = 1.3 R m + 0.3 Lượng Etanol có trong nhập liệu: 5000* 0.35= 1750 kg/h Lượng Etanol có trong sản phẩm đỉnh: 0.995*1750=1741.25 kg/h Suất lượng sản phẩm đỉnh: D= 928.0 25.1741 kg/h Đổi ra phân mol: x F = nuoc F olE F olE F M x M x M x )1( tan tan − + = 18 65.0 46 35.0 46 35.0 + = 0.174 x D = 18 072.0 46 928.0 46 928.0 + =0.834 x F = 0.174 từ đồ thị T-x,y => y F * = 0.51 Từ đồ thị, kẻ tiếp tuyến => y o = 0.31 Ta có )1( +R xD = y o => Rmin = 1.69 R = 1.3 R m + 0.3 = 1.3* 1.69 + 0.3 = 2.4974 , lấy Rmin = 2.5 Mtb F = xF* M etanol + (1- x F ) Mnước = 0.174*46 + (1- 0.174)*18 = 22.872 kg/ kmol F = F/Mtb,F = 5000/ 22.872 = 218.6 kmol/h D = D/ Mtb,D= 1876.35/ 41.352= 45.375 kmol/h Mtb,D = 0.834 *46 +(1-0.834) *18 = 41.352 kg/kmol Mtb,W= 18.02 kg/kmol Từ giản đồ (T-xy) x F = 0.174 => t F,L = 83.8 o C x D = 0.834 => t D,L = 78.6 o C C F = 3.81 kj/kg o C C D = 3.325 kj/kg o C C w = 4.18 kj/kg o C (Sản phẩm đáy xem như là nước nguyên chất ). Hơi nước bão hoà ở P t d = 2 at. Có H G h = 2710 kj/kg. Qui về t o = 20 o C : H G h = [2710 kj/kg -4.18 kj/kg(20 o C -0 O C) ]-18kg/kmol = 47275.2 kj/kmol. Sản phẩm đáy xem như là nước nguyên chất , sôi ở 1 at => H w =415,2 kj/kg H w = 415.2 kj/kg ×18 kg/kmol =7473.6 kj/kmol (t chuẩn = 20 o C) Quy về 20 o C : H w =7473.6 -18×4.18×20 = 5968.8kj/kmol. • H F = C F ( t F -t o )×M tb,F + ∆H s Xem C F = const , ∆H s = 0, H F = 3.81 kj/kg o C×(83.8 o C -20 o C)×22.872 kg/kmol = 4640.36 kj/kmol. • H D = 3.325 kj/kg o C×(78,6 o C – 20 o C)× 40.344 kg/kmol = 7860.8 kj/kmol Như vậy hệ phương trình (I) được viết lại : 218.6 + G n+1 = 45.375 +W 218.6 *0.174 = 45.375*0.834 + W 218.6*4640.36 + 45275.2 G n1 = 45.375*7860.8 + 5968.8*W+4565857.7 • Q C = (R+1)*D*(H G – H D ) = (2.4974 +1)*45.375*(47275.2-7860.8) = 4565857.7 kj/kmol. Giải hệ phương trình trên ta được : G n = 119.645 kmol/h W = 292.87 kmol/h X W = 0.00066 Nồng độ Suất lượng Đỉnh Nhập liệu Phần mol Phần khối lượng Phần mol Phần khối lượng 0.834 0.9277 45.375 1876.35 0.174 0.35 218.6 5000 0.00066 0.00168 292.87 5277.5 - Phương trình đường làm việc phần luyện biểu thị quan hệ giữa nồng độ của cấu tử có nhiệt độ sôi thấp; trong hơi đi lên (y) ,trong chất lỏng chảy xuống (x), trong sản phẩm (x D ) chỉ số hổi lưu R và được biểu diễn bằng phương trình: Y m+1 = 1+R R x M + 1+R xD = 0.714 x M + 0.238 Phương trình đường làm việc phần chưng : Y m+1 = 1+ + R fR x + xW R f 1 1 + − Phương trình đường làm việc biểu diễn sự ra , vào khỏi một mâm trên tháp. Việc xác định phương trình hai đường làm việc giúp ta xác định số mâm lý thuyết & vị trí mâm nhập liệu . - Số mâm lý thuyết : - Vẽ hai đường làm việc trên đồ thị xy. Hai đường này cắt nhau tại một điểm chính là vị trí mâm nhập liệu. Vẽ các đường bậc thang tạo bởi hai đường làm việc và đường can bằng (hình vẽ) , ta xác định được số mâm lý thuyết cũng là số bậc thang :15 mâm - Xác định số mâm thực tế Công thức xác định số mâm thực tế : N t = N lt /η η: hiệu suất trung bình của đãi N tt : số mâm thực tế N lt : số mâm lý thuyết Hiệu suất mâm η phụ thuộc vào độ bay hơi tương đối & độ nhớt µ của hỗn hợp : η = f(α,µ) Độ bay hơi tương đối : α = = *1 * y y − x x−1 • vị trí mâm nhập liệu : t o = 83.8 o C [1] x o = x F = 0.174 y o * = 0.31 α = 31.01 31.0 − 174.0 174.01− = 2.133 độ nhớt µ = 0.6 Ns / m 2 α*µ= 2.133*0.6 = 1.28 tra đồ thị ta được η o = 0.47 [3] đồ thị IX-11 • tại đỉnh tháp : t D = 78.6 o C x D = 0.834 o C y D = 0.835 o C µ = 0.5025 o C α = 835.01 835.0 − 835.0 834.01− = 1 => α*µ = 0.505 η D = 0.585 [3] • tại đáy tháp : t W = 99.2 o C x W = 0.00066 y W = 0.06 µ = 0.284 Ns/ m 2 α = `06.01 06.0 − 00066.0 00066.01− = 96.65 ηµ = 27.448 η W = 0.3 hiệu suất trung bình: η = (η o + η D +η W )*1/3 = (0.47 + 0.585 + 0.3) *1/3= 0.452 số mâm thực tế : N tt = N lt / η = 15 / 0.452 = 33.21 Chọn N t = 34 mâm Tính riêng cho phần cất : N t cất = 452.0 13 = 28.7 Tính riêng cho phần cất : N t chưng = 452.0 2 = 4.4 Vị trí mâm nhậo liệu tại giao điểm đường làm việc phần chưng & phần cất. Đối với mâm lý thuyết, vị trí mâm nhập liệu là mâm thứ 14. Đối với thực tế nhập liệu ở mâm thứ 30 đếm từ trên xuống Vậy: số mâm thực là 33 mâm (trừ 1 mâm làm nồi đun) Vị trí nhập liệu trên mâm thứ 30 (tính từ trên xuống) Phần cất có 28 đĩa [...]... t2) 4787.7 3700.3 Chiều dài của ống: F 23.44 l= = =4 m nπd n 6 *19 * 3.14 * 0.016 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ: Thiết bị ngưng tụ có tác dụng ngưng tụ hơi C2H5OH đi ra ở đỉnh tháp chưng cất Rượu ngưng ra ở trang thaí lỏng, một phần được hồi lưu trở lại tháp, một phần qua thiết bị làm nguội thu hồi sản phẩm Thiết bị ngưng tụ là thiết bị nằm ngang, dòng lạnh là nước đi trong ống, dòng nóng là rượu đi ngoài ống... bề dày thân trụ tháp chưng: * Thân của t háp chưng được chế tạo bằng phương pháp hàn hồ quang Thân tháp được ghép nhiều đoạn bằng mối ghép bích * Vật liệu làm thân chọn loại thép không ghỉ để không ảnh hưởng lên chất lượng sản phẩm Tra bảng XII – 46a[3,439], cho thiết bị chịu ăn mòn, chọn thép không ghỉ OX18H125 • Điều kiện làm việc của tháp chưng : - Ap suất: Môi trường làm việc của tháp là hỗn hợp... kg + Tính cho toàn tháp: mc = Nt.z.m’c = 33*2*0.186 kg = 12.285 kg Tổng khối lượng toàn tháp: M = ∑mi = 3800.8 kg Tải trọng tháp: - Đối với tháp khô: Gk = M.g = 3800.8*9.81 = 37278 N - Đối với tháp ướt: Giả sử tháp chứa đầy lỏng: πDt2 G ướt = Gkhô + H th gρ 4 π *1.2 2 = 37278 + *14.365 * 9.81* 875 4 = 176733.3 N Các loại chân đỡ: [3,437] Chọn 3 chân đờ; khi đó chọn G = 6.0*104 N Các thông số của chân... tháp (tính tại đáy tháp) P = Ph + Pl + )P Ph : áp suất khí bên trong tháp Ph = 1 at = 9.81*104 N/ m2 Pl = ∆gH = 9.81*990*14.5 = 14.08 *104 N/ m2 )P: tổng trở lực của tháp: )P = 0.25*9.81*104 N/ m2 Vậy áp suất tại đáy tháp: P = 9.81*104 + 14.08*104 + 025*9.81*104 = 26.34*104 N/ m2 Xét điều kiện: [σ ]ϕ h P với : νh: hệ số bền mối hàn; tra bảng: νh = 0.8 [Φ]: ứng suất cho phép của vật liệu được tính thông... để ghép đáy, nắp với thân & các đọan thân tháp nối với nhau Vì Dt = 1.2 m nên chọn lọai bích liền Các thông số tra ở bảng XIII-27, [3,420] (hình vẽ) P 10 Dt (mm) D Db D1 Do db 6 (N/m2) 0.3 1200 1340 1290 1260 1213 M 20 Khoảng cách giữa hai mặt bích liền nhau là 800 mm Số mâm giữa hai mặt bích là 4 mâm Mâm tháp với tháp bằng vành 5 Tính chân đỡ, tai treo: Tính khối lượng sơ bộ của tháp: - Khối lượng...Phần chưng có 5 đĩa PHẦN III: KÍCH THƯỚC THÁP Đường kính tháp được xác định theo công thức sau: 4Vtb D= ,m 3.14 * 3600 * wtb = 0.0188 gtb ,m ( ρy * wy )tb trong đó : Vtb: lượng hơi (khí ) trung bình đi trong tháp , m3/h wtb: tốc độ hơi (khí ) trung bình đi trong tháp , m/s gtb: lượng hơi (khí ) trung bình đi trong tháp , kg/h (ρy wy )tb : tốc độ (khí ) trung bình đi trong tháp , m3/h lượng... đi qua tháp luyện có thể tính gần đúng b82ng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp & lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện gtb = 0.5(g1+gd) - lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp: gD = GR + GD = GD + (1+ R) = 1876.35(1+2.5) = 6557.225 kg/h - lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện: g1 = G1+ GD Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 & lượng lỏng G1 đối với đĩa... trong phần cất xtb = 0.5(xF + xD ) = 0.5(0.35 + 0.9277)= 0.693 Ở ttb = 81.2 oC: ρetanol = 897 kg/m3 ρnước = 972 kg/m3 1− 0.693 1 0.693 = + 972 ρ 897 ρL = 922.7 kg/m3 Vậy (ρywy)tb = 0.065*1* 0.4 * 922.7 *1.268 = 1.406 (kg/m3.h) Dluyện = 0.0188 5502.5 = 1.176 m 1.406 2 Phần chưng: gtb ( ρw)tb Lượng hơi trung bình: gtb = 0.5(g’1 + g’c) Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng với lượng hơi vào đoạn cất g’c =... 441 r’1 = y’1retanol + (1- y’1) rnước y’1: phần khối lượng của hơi tại đáy tháp y’1 = yw = Metanolyw / Mtb,M = 46*0.055/18.02 = 0.14 yc = y1= 0.594 (Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng với lượng hơi vào đoạn cất) r’1= 0.14*823.46 +(1-0.14) 2260 = 2059.2 kj/kg Gnước rnước = (119.465*18)2207 = 4745866.6 kj/h Ap suất hơi nước sục vào là 2.5 at (tuyệt đối) t = 120 oC [4]/427 , rnước = 2207 kj/kg G’1 + 2150.37... tốc tháo liệu, chọn vtl = 0.5 m/s 4 * 0.00153 dtl = = 0.0624 m/s π * 0 5 3 Các cửa nhập liệu, hồi lưu, cửa hơi: Các cửa nhập liệu, hồi lưu, cửa hơi: Lưu lượng nhập liệu: _ F QF = ρF _ _ ρ F = ρ E tan ol * x F + ρ nước *(1 – x F ) = 897*0.35 + 972*(1 – 0.35) = 945.75kg/m3 5000 QF = = 5.287 m3/h 945.75 4QF 4 *1.469 *10 −3 = 0.11165 m/s dF = = π v π * 0.15 v = 0.15 m/s (chọn): tốc độ nhập liệu * Cửa . trọng. Đồ án môn học này thiết kế tháp chưng cất cồn thô với năng xuất theo nguyên liệu đầu vào 5000 kg/h. Nồng độ dung dịch đầu 35% (khối lượng), sản. z TÀIĐỀ THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN THÔ VỚI NĂNG XUẤT THEO NGUYÊN LIỆU ĐẦU VÀO 5000 KG/H Giáo viên th c hi nự ệ : Sinh
![Tra bảng XII – 46a[3,439], cho thiết bị chịu ăn mịn, chọn thép khơng ghỉ OX18H125. - THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN THÔ VỚI NĂNG XUẤT THEO NGUYÊN LIỆU ĐẦU VÀO 5000 K/GH](https://media.store123doc.com/figures/002/437/bang-thiet-chiu-min-chon-thep-khong-ghi-2437331.png)
![Các thông số tra ở bảng XIII-27, [3,420] (hình vẽ) - THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN THÔ VỚI NĂNG XUẤT THEO NGUYÊN LIỆU ĐẦU VÀO 5000 K/GH](https://media.store123doc.com/figures/002/437/thong-tra-bang-xiii-hinh-ve-2437332.png)