Đang tải... (xem toàn văn)
ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CH4659 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ ETHANOLNƯỚC MỤC LỤC PHẦN I. GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................... 2 1.Tổng quan về quá trình chưng luyện .................................................................... 2 1.1.Khái niệm về chưng cất .......................................................................................... 2 1.2.Thiết bị chưng luyện ............................................................................................... 3 2. Hỗn hợp cần tách ................................................................................................... 4 2.1. Các tính chất của nước .......................................................................................... 4 2.2. Các tính chất của Etanol ....................................................................................... 4 2.3. Ứng dụng Ethanol trong công nghiệp .................................................................. 4 PHẦN II.SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC ............................... 6 1.Sơ đồ công nghệ (PFD) .............................................................................................. 6 2.Sơ đồ PI .................................................................................................................... 8 3.Sơ đồ mặt bằng hệ thống (Plant layout) ................................................................. 10 Phần III.TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH ............ 12 1.Tính cân bằng vật chất và chuyển đổi nồng độ .................................................. 12 1.1. Cân bằng vật chất ................................................................................................ 12 1.2.Chuyển đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol......................... 12 2.Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp ........................................................................ 14 2.1 Xác định chỉ số hồi lưu nhỏ nhất ......................................................................... 14 2.2. Xác định số đĩa lý thuyết tối thiểu N LTmin .......................................................... 16 2.3. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp R th ................................................................. 17 3.Tính toán đường kính tháp .................................................................................. 28 3.1. Tính toán lưu lượng các dòng pha đi trong từng đoạn tháp ............................ 28 3.1.1.Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện ................................................ 28 3.1.2.Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện .............................................. 31 3.1.3.Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng .............................................. 31 3.1.4.Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng ............................................. 32 3.2.Xác đinh tốc độ làm việc của pha hơi trong đoạn chưng,đoạn luyện............... 33 3.2.1. Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đi trong đoạn luyện ............... 33 3.2.2. Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng đi trong đoạn luyện ............. 33 3.2.3. Khối lượng riêng trung bình pha hơi đi trong đoạn chưng .................... 34 3.2.4. Khối lượng riêng pha lỏng trong đoạn chưng .......................................... 35 3.3.Vận tốc dòng hơi đi trong tháp ............................................................................ 36 3.3.1.Vận tốc hơi đi trong đoạn luyện ................................................................. 36 3.3.2.Vận tốc hơi đi trong đoạn chưng ................................................................ 36 3.4.Tính đường kính tháp ........................................................................................... 37 3.4.1. Đường kính đoạn luyện .............................................................................. 37 3.4.2. Đường kính đoạn chưng ............................................................................. 37 4.Tính chiều cao tháp ............................................................................................... 38 4.1.Xác định số đĩa thực tế của tháp .......................................................................... 38 4.2. Chiều cao của tháp ............................................................................................... 42 5. Tính trở lực của tháp ........................................................................................... 43 5.1. Chọn thông số đĩa ................................................................................................. 43 5.1.1. Chọn thông số đĩa ........................................................................................ 43 5.1.2.Tải trọng ngưỡng chảy tràn ........................................................................ 45 5.1.3.Tải trọng kênh chảy truyền ......................................................................... 47 5.1.4.Kiểm tra tốc độ rò rỉ lỏng qua lỗ đĩa .......................................................... 47 5.2.Trở lực của tháp .................................................................................................... 51 5.2.1.Trở lực đĩa khô ∆
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài: Tính toán, thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất khí quyển để tách hỗn hợp hai cấu tử Methanol-Nước Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Ngọc Lan MSSV: 20180793 Lớp : KTHH 04_K63 Giảng viên hướng dẫn: Đỗ Xuân Trường Hà Nội, 1-2022 1 VIỆN KỸ THUẬT HOÁ HỌC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MÔN QUÁ TRÌNH – THIẾT BỊ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC VÀ THỰC PHẨM NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ và tên: Nguyễn Thị Ngọc Lan MSSV: 20180793 Lớp: Công nghệ Điện Hóa Khóa : K63 I Đầu đề thiết kế: Tính toán, thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất khí quyển để tách hỗn hợp hai cấu tử methanol-Nước Loại tháp: tháp chưng luyện loại đĩa lỗ có kênh chảy chuyền II Các số liệu ban đầu: - Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: F = 4.0 (kg/s) - Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi: + Hỗn hợp đầu : aF = 14 (% khối lƣợng) + Sản phẩm đỉnh: aP = 97 (% khối lƣợng) + Sản phẩm đáy: aW = 1.8 (% khối lƣợng) III Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: 1 Phần mở đầu 2 Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4) 3 Tính toán kỹ thuật thiết bị chính 4 Tính và chọn thiết bị phụ 5 Kết luận 6 Tài liệu tham khảo IV Các bản vẽ Bản vẽ dây chuyền công nghệ: khổ A4 Bản vẽ lắp thiết bị chính: khổ A1 V Cán bộ hướng dẫn: Đỗ Xuân Trường VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày 18 tháng 10 năm 2021 2 DANH MỤC BẢNG Bảng 3 1 Cân bằng lỏng hơi nước-Methnol 16 Bảng 3 2 Tính toán X và 𝒀 ∗ 18 Bảng 3 3 Tổng hợp kết quả 22 Bảng 3 4 Tổng hợp kết quả 31 Bảng 3 5 Tổng hợp kết quả 31 3 DANH MỤC HÌNH Hình 3 1 Sơ đồ hệ thống chưng 15 Hình 3 2 Đồ thị YX xác định số đĩa lý thuyết 17 Hình 3 3 Đồ thị YX xác định 𝑿𝑭 và 𝒀 ∗ 𝑭 17 Hình 3 4 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết 19 Hình 3 5 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết 19 Hình 3 6 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết 20 Hình 3 7 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết 20 Hình 3 8 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết 21 Hình 3 9 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết 21 Hình 3 10 Đồ thị xác định chỉ số hồ lưu thích hợp 22 Hình 3 11 32 4 Mục Lục I Đầu đề thiết kế: 2 II Các số liệu ban đầu: 2 III Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: 2 IV Các bản vẽ 2 PHẦN 1 MỞ ĐẦU 8 1.1 Khái quát về chưng 8 1.2 Giới thiệu về hỗn hợp chưng 9 1.2.1 Rượu methanol 9 1.2.2 Nước 10 1.2.3 Hỗn hợp rượu methanol – nước: 10 PHẦN 2: SƠ ĐỒ, MÔ TẢ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 12 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 14 3.1 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ 14 3.1.1 Cân bằng vật liệu : 15 3.1.2 Tính chỉ số tối thiểu 16 3.1.3 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp 18 3.1.4 Số đĩa lý thuyết 22 3.1.5 Phương trình nồng độ làm việc 22 3.2 Tính đường kính tháp 23 3.2.1 Đường kính đoạn luyện 23 3.3 Đường kính của tháp 27 3.3.1 Khối lượng riêng trung bình 27 3.4.1 Tốc độ làm việc của pha hơi 28 3.5 Đường kính tháp 29 3.5.1 Đoạn luyện 29 3.5.2 Đoạn chưng 29 3.6 Xác định chiều cao của tháp chưng luyện 29 3.7 Cân bằng nhiệt lượng trong tháp chưng luyện 32 3.7.1 Cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị gia nhiệt hôn hợp đầu 33 3.7.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp 34 3.8 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn : 37 5 3.9 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh: 38 3.10 Trở lực tháp chưng luyện 38 3.10.1 Trở lực đĩa khô ( ∆Pk ) 𝝎2o 39 3.10.2 Trở lực của đĩa đo sức căng bề mặt: 39 3.10.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa: 40 3.10.4 Trở lực của toàn tháp 40 CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 41 4 Tính toán thân tháp: 41 4.1 Chiều dày thân tháp 41 4.2 Áp suất trong thiết bị: 41 4.3 Chiều dày thân tháp 42 4.4 Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp 43 4.5 Đường kính ống dẫn hơi đỉnh tháp: 43 4.6 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy tháp: 44 4.7 Đường kính ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu: 44 4.8 Đường kính ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu: 45 4.9 Tính đáy và nắp thiết bị: 46 4.10 Bích 47 4.10.1 Chọn bích để nối các ống dẫn thiết bị 48 4.11 Trụ đỡ 48 4.11.1 Tính khối lượng toàn bộ thân tháp 48 4.11.1.1 Khối lượng của đáy và nắp 49 4.11.1.2 Khối lượng của thân tháp: 49 4.11.1.3 Khối lượng cột chất lỏng trong tháp: 49 4.11.1.4 Khối lượng của bích 49 4.11.1.5 Khối lượng của các đĩa : ( khi chưa đục lỗ) 50 4.11.1.6 Tính tai treo 50 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 51 5.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 51 5.1.1 Tính lượng nhiệt trao đổi 52 5.1.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K 53 5.1.3 Xác định bề mặt của ống truyền nhiệt 57 6 5.1.4 Xác định ống truyền nhiệt của thiết bị gia nhiệt 57 5.1.5 Tính lại vận tốc, chia ngăn: 57 5.2 BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ 58 5.2.1 Tính các trở lực 59 5.2.2 Tính chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu 63 5.2.3 Tính toán các thông số của bơm li tâm 63 5.3 Tính toán thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp 64 5.3.1 Tính lượng nhiệt trao đổi 65 5.3.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K 65 5.3.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt 68 5.3.4 Xác định số ống, cách sắp xếp ống trong thiết bị trao đổi nhiệt 69 5.3.5 Đường kính trong của thiết bị 69 Kết Luận 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 7 PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1.1 Khái quát về chưng Đồ án này nhằm giúp sinh viên biết vận dụng các kiến thức của môn học “Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học” và các môn học khác vào việc tính toán và thiết kế thiết bị chính và một số thiết bị phụ trong hệ thông Các kĩ năng sử dụng tài liệu tham khảo (tìm, đọc tra cứu, ghi chép, ) cùng các kĩ năng tính toán trình bày kết quả, vận dụng các quy định để hoàn thiện bản vẽ kĩ thuật cũng được trau dồi từ đó giúp sinh viên nhìn nhận các vấn đề nói chung một cách có hệ thống và đặc biệt hiểu sâu sắc hơn các nội dung trình bày trong đồ án để bổ sung các kiến thức, cải thiện kĩ năng phục vụ cho công việc một kỹ sư tương lại Nhiệm vụ của đồ án là tính toán và thiết kế tháp chưng luyện loại đĩa lỗ có kênh chảy chuyền làm việc liên tục ở áp suất khí quyển tách các hỗn hợp gồm hai cấu tử nethanol- nước, với các yêu cầu: năng suất thiết bị tính theo hôn hợp đầu F= 4(kg/s), nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi trong: hỗn hợp đầu aF = 14 (% khối luợng), sản phẩm đỉnh aP = 97 (% khối luợng); sản phẩm đáy aW = 1.8 (% khối luợng) Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp 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 Hỗn hợp này có bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Có nhiều biện pháp chưng cất khác nhau như chưng cất gián đoạn, chưng cất liên tục, chưng cất đơn giản, chưng cất đặc biệt Trong đó, chưng luyện là phương pháp chưng phổ biến nhất đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế và đem lại hiệu quả kinh tế cao Phương pháp chưng luyện này là một quá trình mà trong đó hỗn hợp được bốc hơi một phần và ngưng tụ một phần nhiều lần Quá trình chưng luyện được thực hiện trong các tháp chưng luyện, có nhiều loại tháp chưng luyện như tháp chóp, tháp dĩa lỗ không có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ có kênh chảy truyền, tháp đệm với áp suất làm việc của thiết bị cũng có thể là áp suất cao, áp suất thường, áp suất thấp Do thiết bị rất đa dạng như vậy nên yêu cầu lựa chọn, thiết kế loại tháp phù hợp với các yêu cầu kĩ thuật, cũng như đảm bảo tính kinh kế là cần thiết Tháp chung luyện loại đĩa lỗ thuộc loại chéo dòng, lâu đời và truyền thống Tháp đĩa lỗ có kênh chảy chuyền làm việc theo nguyên tắc ngược chiều Nhờ ngưỡng chảy tràn lỏng vào được đĩa và được phân bố đều lớp chất lỏng bằng chiều cao của ngưỡng chảy tràn Khí đi từ dưới lên trên sục vào lỗ, sục vào lớp chất lỏng Do methanol dễ bay hơi hơn H2O nên khi chưng luyện ta sẽ thu được sản phẩm đỉnh giàu CH3OH và sản phẩm đáy giàu H2O hơn Ưu điểm của tháp đĩa là hiệu suất truyền khối khá cao, ổn định, ít tiêu tốn năng luợng Tuy nhiên thì nó khó vận hành Theo “Sổ tay quá trình thiết bị trong Công nghiệp hóa học, tập 2” [2], bảng XII.47 trang 350 và bảng XII.50 trang 351, thép CT3 đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật để chế tạo tháp chung luyện tách hỗn hợp Ch3Oh-H2O (để đảm bảo độ bền, có thể quét 8 thêm một lớp sơn chống gỉ bên ngoài với điều kiện không khí ẩm nhƣ ở Việt Nam) Tuy nhiên trong đồ án vật liệu được chọn để chế tạo tháp là thép X18H10T do đảm bảo cả các yêu cầu về kĩ thuật, tính thẩm mĩ, tính kinh tế, đảm bảo thời gian sử dụng lâu dài 1.2 Giới thiệu về hỗn hợp chưng 1.2.1 Rượu methanol Tính chất vật lý của Methanol Màu sắc: Không màu, trong suốt Có mùi đặc trưng Rất nhẹ và dễ bay hơi Tỷ trọng (so với nước): 0,799 ÷ 0,8 Tan vô hạn trong nước Rất dễ cháy, khi cháy có ngọn lửa màu xanh và không có khói Tính chất hóa học của Methanol Methanol là một chất lỏng phân cực và thường được sử dụng như một chất chống đông, dung môi, nhiên liệu, và làm biến tính ethanol CH3OH oxy hóa hoàn toàn sẽ tạo thành khí cacbonic và nước, oxy hóa không hoàn toàn sẽ tạo thành andehit formic 2 CH3OH + 3 O2 → 2 CO2 + 4 H2O CH3OH tác dụng với kim loại sẽ tạo ra muối ancolat CH3OH tác dụng với axit vô cơ sẽ tạo ra este Uống nhầm có thể gây mù hoặc chết Tiếp xúc với Methanol có thể gây viêm da, phát ban, vảy nến Khi cháy tạp khói CO, CO2 hàm lượng cao, thậm chí có thể gây nổ (nhất là đối với các thùng kín bị nung nóng) CÔNG DỤNG CỦA METHANOL Methanol được biết đến như một chất rất độc ảnh hưởng đến sức khỏe của con người Tuy nhiên trong cuộc sống đặc biệt là trong công nghiệp thì ta không thể phủ nhận được công dụng của nó như: Dung môi Methanol là nhiên liệu cho ngành giao thông vận tải, tạo metyl tert- butyl ete để pha vào làm tăng tỉ số octan thay cho tetraetyl chì là chất gây ô nhiễm cho môi trường Methanol là loại dung môi phổ biến sử dụng trong phòng thí nghiệm, đặc biệt dùng để chạy sắc ký lỏng, nâng cap HPLC, chaỵ phổ UV-VIS Methanol công nghiệp được dùng trong xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp Ứng dụng làm pin nhiên liệu cung cấp hydrogen Sử dụng phổ biến trong sản xuất formalin, andehit formic và axit axetic, 9 Methanol thường được dùng trong công nghiệp để làm chất chống đông lạnh, làm dung môi trong nước rửa kính xe, chất tẩy rửa sơn, mực in máy photo và làm nhiên liệu cho các bếp lò loại nhỏ… Nó cũng được sử dụng để sản xuất diesel sinh học thông qua phản ứng xuyên este hóa Methanol có nhiệt độ bốc hơi thấp hơn rượu Người làm rượu thường cho loại cồn khô này vào khi chưng cất, khi pha rượu (từ cồn) hay chế rượu thuốc để làm cho rượu chóng ra hơn, dậy mùi hơn, được gọi là “rượu biến tính” Tuy nhiên đây là phương pháp vô cùng nguy hiểm và độc hại cho người uống Điều chế Methanol là hóa chất lỏng và là nguồn năng lượng bắt nguồn từ khí thiên nhiên, than, chất thải sinh học, và CO2 Methanol là sản phẩm phụ của quá trình chưng cất rượu và là chất lỏng đầu tiên ngưng tụ khi rượu được nấu theo cách chưng cất truyền thống Sau đây là 2 phương trình điều chế methanol CH4 + O2 –Cu(200C,100atm) > CH3OH CO + H2 > CH3OH 1.2.2 Nước - Công thức phân tử: H2O - Khối lượng phân tử: 18,015 g/mol - Là chất lỏng, không màu, không mùi - Một số thông số vật lý quan trọng (ở nhiệt độ 20oC): + Khối lượng riêng: 998,2 kg/m3 + Nhiệt dung riêng: 0,99947 cal/kg.độ (ở áp suất khí quyển) + Độ nhớt động lực: 1,002.103 N.s/m2 + Nhiệt lượng riêng: 839.10-2 J/kg - Trong công nghiệp hóa học nước được dùng với nhiều mục đích khác nhau, vì vậy các nhà máy hóa chất thường được đặt cạnh những nguồn nước Có nhiều nguồn nước khác nhau để cung cấp cho nhà máy như là nước trời, nước ngầm và nước bề mặt Mỗi loại nước sẽ có cách xử lý khác nhau phù hợp với quá trình sản xuất, chủ yếu với các quá trình chính là lắng, lọc, làm mềm, trung hòa, giải khí độc và sát trùng nước 1.2.3 Hỗn hợp rượu methanol – nước: Dựa vào sổ tay hóa công (2-148) ta có thành phần cân bằng lỏng hơi của methanol- nước cho theo bẳng sau 10