Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế hệ thống tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp CCl4 –CHCl3
Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB NỘI DUNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ Lớp : ĐHCN Hóa1 – K4 Khoa : Công Nghệ Hóa Học Giáo viên hướng dẫn : Thầy Vũ Minh Khôi NỘI DUNG ĐỒ ÁN Thiết kế hệ thống tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp CCl4 –CHCl3 Các số liệu ban đầu: -Năng suất tính theo hỗn hợp đầu F = 15,1 tấn/giờ Nồng độ cấu tử dễ bay trong: +Hỗn hợp đầu : aF = 0,362 phần khối lượng +Sản phẩm đỉnh :aP = 0,96 phần khối lượng +Sản phẩm đáy :aW = 0,038 phần khối lượng -Tháp làm việc áp suất thường -Hỗn hợp đầu gia nhiệt đến nhiệt độ sôi GVHD: Vũ Minh Khôi Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật, công nghiệp mang lại cho người lợi ích vô to lớn vật chất tinh thần Để nâng cao đời sống nhân dân, để hòa nhập chung với phát triển chung nước khu vực giới Đảng Nhà nước ta đề mục tiêu công nghiệp hóa đại hóa đất nước Trong tiến trình công nghiệp hóa đại hóa đất nước ngành mũi nhọn công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ điện tử tự động hóa…công nghệ hóa giữ vai trò quan trọng việc sản xuất sản phẩm phục vụ cho kinh tế quốc dân, tạo tiền đề cho nhiều ngành khác phát triển Công nghệ hóa học nghành đóng góp lớn phát triển công nghiệp nước ta.Trong ngành sản xuất hóa chất sử dụng sản phẩm hóa học,nhu cầu sử dụng nguyên liệu có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản xuất mục đích sử dụng Trong thực tế,chúng ta sử dụng nhiều dạng hóa chất khác dạng hỗn hợp đơn chất,mà nhu cầu loại hóa chất tinh khiết lớn Trong công nghệ hóa học nói chung việc sử dụng hóa chất có độ tinh khiết cao yếu tố tạo sản phẩm có chất lượng cao Ngày nay,các phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết như:chưng cất,trích ly,cô đặc,hấp thụ…mỗi phương pháp có đặc thù riêng ưu điểm định.Việc lựa chọn phương pháp thiết bị cho phù hợp tùy thuộc vào hỗn hợp ban đầu,yêu cầu sản phẩm điều kiện kinh tế Đồ án môn Quá trình Thiết bị bước đầu giúp sinh viên làm quen với việc tính toán thiết kế dây chuyền sản xuất, mà cụ thể đồ án hệ thống chưng luyện liên tục GVHD: Vũ Minh Khôi Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1.Lý thuyết chưng luyện a) Khái niệm Chưng luyện phương pháp nhằm để phân tách hỗn hợp khí hóa lỏng dựa độ bay tương đối khác cấu tử thành phần áp suất Bằng cách thực trình chuyển pha trao đổi nhiệt hai pha khí lỏng ta thu sản phẩm đỉnh có nồng độ cấu tử dễ day cao phần cấu tử khó bay hơi.Sản phẩm đáy thu có nồng độ cấu tử khó bay cao phần cấu tử dễ bay Đối với hệ clorofom – cacbontetraclorua Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm clorofom CCl4 Sản phẩm đáy chủ yếu CCl4 clorofom Phương pháp chưng luyện trình hỗn hợp bốc ngưng tụ nhiều lần Phương pháp chưng luyện cho hiệu suất phân tách cao, sử dụng nhiều thực tế b)Phương pháp thiết bị chưng luyện Dựa phương pháp chưng luyện liên tục, người ta đưa nhiều thiết bị phân tách đa dạng tháp chóp, tháp đĩa lỗ ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền, tháp đệm… Các phương pháp chưng cất phân loại theo : - Áp suất làm việc : Áp suất thấp Áp suất thường Áp suất cao Nguyên tắc làm việc : dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, nhiệt độ sôi cấu tử cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử - Nguyên lí làm việc : Chưng bậc Chưng lôi theo nước Chưng cất GVHD: Vũ Minh Khôi Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB Cấp nhiệt đáy tháp : Cấp nhiệt trực tiếp Cấp nhiệt gián tiếp Đối với hệ CHCl3 – CCl4, ta sử dụng phương pháp chưng cất liên tục áp suất thường với thiết bị sử dụng tháp đệm Ưu điểm của tháp đệm : - Hiệu suất cao bề mặt tiếp xúc pha lớn - Cấu tạo tháp đơn giản - Trở lực tháp không lớn - Giới hạn làm việc tương đối rộng Nhược điểm : • Khó làm ướt đệm • Tháp cao phân phối chất lỏng không Vật liệu gia công ta sử dụng nhiều vật liệu khác tùy thuộc vào đặc trưng riêng loại hỗn hợp cần chưng cất : thép CT3, thép CT2, thép không gỉ Với hỗn hợp CHCl3 – CCl4 ta sử dụng vật liệu thép không gỉ hỗn hợp cần tách hệ ăn mòn mạnh, mặt khác giá thành sản xuất cao đáp ứng tiêu chuẩn thiết bị hóa chất là: chống ăn mòn, bền nhiệt, tính tốt, tuổi thọ làm việc lâu dài … 1.2.Giới thiệu hỗn hợp chưng luyện 1.2.1.Cacbon tetraclorua (CCl4) -Thuộc tính: + Là chất lỏng không màu điều kiện thường + Phân tử khối : MB =153,82 g/mol + Tỉ khối điều kiện thường : ρ =1,5842 g/cm3 + Nhiệt độ nóng chảy: t0nc =-22,92oC + Nhiệt độ sôi : t0s = 76,72oC + Ở 25oC hòa tan nước 785-800 mg/l GVHD: Vũ Minh Khôi Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB - Trong phân tử cacbon tetraclorua, bốn nguyên tử clo nằm vị trí đối xứng góc cấu hình tứ diện kết nối với nguyên tử cacbon tâm liên kết cộng hóa trị đơn Do phân bố đối xứng không gian nên phân tử cacbon tetraclorua momen lưỡng cực ròng; nghĩa CCl không phân cực Trong vai trò dung môi, hòa tan tốt hợp chất không phân cực khác, chất béo dầu mỡ Nó dễ bay hơi, tạo với mùi đặc trưng dung môi clo hóa khác, tương tự mùi tetracloroethylen dùng cửa hàng giặt khô.Tetraclorometan rắn có dạng thù hình: dạng kết tinh II -47,5 °C (225,6 K) dạng kết tinh I -47,5 °C Ở -47,3 °C có cấu trúc tinh thể đơn tà với nhóm không gian C2/c số lưới a = 20,3, b = 11,6, c = 19,9 (.10-1 nm), β = 111° - Ứng dụng : người ta sử dụng chủ yếu hợp chất làm chất phản ứng tổng hợp hữu Trước làm chất dập lửa làm chất làm lạnh Đây chất lỏng không màu có mùi "thơm".Tuy nhiên tính độc mà sử dụng CCl4 sử dụng để điều chế thuốc trừ sâu,trước có nghị định Montreal CCl4 sử dụng điều chế Freon -Cacbon tetraclorua tổng hợp nhờ phản ứng clorofom với clo chủ yếu tổng hợp từ mêtan: CH4 + Cl2 → CCl4 + 4HCl Việc sản xuất thường tận dụng phụ phẩm phản ứng clo hóa khác, chẳng hạn tổng hợp dicloroetan clorofom Các clorocacbon cao dùng để "phân hủy clo": C2Cl6 + Cl2 → CCl4 Trước năm 1950, CCl4 sản xuất : CS2 + 3Cl2 → CCl4 + S2Cl2 1.2.2.Clorofom (CHCl3) -Clorofom, hay gọi tricloromêtan mêtyl triclorua, hợp chất hóa học thuộc nhóm trihalometen có công thức CHCl Nó không cháy không khí, trừ tạo thành hỗn hợp với chất dễ bắt cháy Người ta sử dụng clorofom làm chất phản ứng dung môi Clorofom chất độc với môi trường GVHD: Vũ Minh Khôi Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB -Thuộc tính: + Công thức phân tử CHCl3 +Phân tử gam 119,38 g/mol +Bề chất lỏng không màu +Tỷ trọng 1,48 g/cm³, chất lỏng, +Điểm nóng chảy -63,5 °C +Điểm sôi 61,2 °C +Độ hòa tan nước 0,8 g/100 ml at 20 °C -Trong công nghiệp, người ta điều chế clorofom đốt nóng hỗn hợp clo clometan hay mêtan Ở nhiệt độ 400-500 °C, phản ứng halogen hóa gốc tự diễn ra, chuyển metan hay clometan thành hợp chất clo hóa CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl Tiếp tục phản ứng clo hóa, clorofom chuyển thành CCl4: CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HCl Hỗn hợp sản phẩm sau phản ứng gồm chất: clomêtan, diclomêtan, clorofom (triclomêtan), cácbon tetraclorua, chúng tách qua trình chưng cất -Ứng dụng: +Ngày clorofom sử dụng chủ yếu để tổng hợp chất làm lạnh R-22 cho máy điều hòa không khí Tuy nhiên, R-22 gây suy giảm ozon sử dụng cho mục đích +Từ kỷ 18, clorofom chủ yếu sử dụng làm chất gây mê Hơi clorofom ảnh hưởng đến người bệnh, gây chóng mặt, mỏi mệt ngất, cho phép bác sỹ phẫu thuật GVHD: Vũ Minh Khôi Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB +Clorofom dung môi phổ biến trơ, trộn hợp với hầu hết chất lỏng hữu cơ, dễ bay +Sử dụng làm dung môi sản xuất chất nhuộm 1.3.Vẽ thuyết minh dây chuyền sản xuất 1.3.1.Dây truyền sản xuất 12 GVHD: Vũ Minh Khôi Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB 1:Thùng 2:Bể chứa 3: Thiết bị 4:Lưu 5:Tháp 6:Thiết bị cao vị dung dịch đun sôi hỗn lượng kế chưng ngưng tụ 7:Thiết bị đầu 8:Bể chứa hợp đầu 9:Bể chứa 10:Thiết bị luyện 11 Cốc 12 : Bơm li làm lạnh sản phẩm sản phẩm đun sôi đáy tháo nước tâm đỉnh đáy tháp ngưng 1.3.2.Thuyết minh dây chuyền công nghệ Nguyên liệu đầu chứa thùng chứa (2) bơm (12) bơm lên thùng cao vị (1) Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị tự chảy xuống thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu (3) Lưu lượng khống chế cách điều chỉnh hệ thống van lưu lượng kế (4) nước bão hòa từ nồi vào đun sôi hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi sau đạt tới nhiệt độ sôi hỗn hợp đưa vào đĩa tiếp liệu tháp chưng luyện (5) loại đệm.Trong tháp từ lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ xuống, xảy trình bốc ngưng tụ nhiều lần Theo chiều cao tháp, lên cao nhiệt độ thấp nên qua tầng đệm từ lên , cấu tử có nhiệt độ sôi cao ngưng tụ.Quá trình tiếp xúc lỏng tháp diễn liên tục làm cho pha giầu cấu tử dễ bay Cuối đỉnh tháp ta thu hầu hết cấu tử dễ bay (cụ thể Clorofom) phần cấu tử khó bay (Cacbon tetraclorua) Hỗn hợp đưa vào thiết bị ngưng tụ (6) ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân nước lạnh) Một phần chất lỏng sau ngưng tụ đưa hồi lưu trở tháp chưng luyện khống chế lưu lượng kế , phần lại đạt yêu cầu đưa vào thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8) Chất lỏng hồi lưu từ xuống dưới, gặp có nhiệt độ cao từ lên, phần cấu tử có nhiệt độ cao tiếp tục ngưng tụ thành lỏng xuống.Do nồng độ cấu tử khó bay pha lỏng ngày nhiều , cuối đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay (cacbon tetraclorua) phần cấu tử dễ bay (clorofom), hỗn hợp lỏng đưa khỏi đáy tháp qua thiết bị phân dòng, phần đưa thùng chứa sản phẩm đáy (9) , phần GVHD: Vũ Minh Khôi Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB đưa vào thiết bị đun sôi đáy tháp (10) phần hồi lưu trở lại đáy tháp.Thiết bị có tác dụng đun sôi tuần hoàn bốc sản phẩm đáy (tạo dòng từ lên tháp) Nước ngưng thiết bị gia nhiệt tháo qua thiết bị tháo nước ngưng ( 11),Tháp chưng luyện làm việc chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào sản phẩm lấy liên tục * Chế độ động học tháp đệm : Trong tháp đệm có chế độ thủy động chế độ chảy dòng, chế độ độ chế độ chảy xoáy Khi vận tốc khí bé lực hút phân tử lớn vượt lực ỳ Lúc trình chuyển khối xác định dòng khuếch tán phân tử Tăng vận tốc lực lỳ trở lên cân với lực hút phân tử Quá trình chuyển khối lúc không định khuếch tán phân tử mà cả khuếch tán đối lưu Chế độ thủy động gọi chế độ độ Nếu ta tiếp tục tăng vận tốc khí lên chế độ độ chuyển sang chế độ chảy xoáy Trong giai đoạn trình khuếch tán định khuếch tán đối lưu Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến giới hạn xảy tượng đảo pha Lúc chất lỏng chiếm toàn chiều cao tháp trở thành pha liên tục, pha khí khuếch tán vào pha lỏng trở thành pha phân tán Vận tốc khí ứng với thời điểm gọi vận tốc đảo pha Khí sục vào lỏng tạo thành bọt khí giai đoạn chế độ làm việc tháp gọi chế độ sủi bọt Ở chế độ vận tốc chuyển khối nhanh đồng thời trở lực tăng nhanh Trong thực tế, ta thường cho tháp đệm làm việc chế độ màng có vận tốc nhỏ vận tốc đảo pha trình chuyển khối giai đoạn sủi bọt mạnh giai đoạn khó khống chế trình làm việc GVHD: Vũ Minh Khôi Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB CHƯƠNG : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 2.1.Tính toán cân vật liệu toàn thiết bị 2.1.1.Cân vật liệu a)Thông số ban đầu Gọi F lưu lượng hỗn hợp đầu (kg/h,kmol/h), F=15100(kg/h) P lưu lượng sản phẩm đỉnh(kg/h,kmol/h) W lưu lượng sản phẩm đáy(kg/h,kmol/h) aF :là nồng độ hỗn hợp đầu (% khối lượng),aF=0,362 aP : nồng độ sản phẩm đỉnh (% khối lượng),aP=0,96 aW :là nồng độ sản phẩm đáy (% khối lượng),aW=0,038 xP : nồng độ hỗn hợp đầu (% mol) xF : nồng độ hỗn hợp đầu (% mol) xW : nồng độ sản phẩm đáy (% mol) Để thuận tiện cho trình tính toán ta ký hiệu: Clorofom: A, MA=119,5 đvC Cacbon tetraclorua: B, MB=154 đvC b)Tính cân vật liệu toàn tháp Chuyển đổi từ phần khối lượng sang nồng độ phần mol: -Nồng độ phần mol hỗn hợp đầu: xF= aF MA aF − a F + MA MB 0,362 119,5 = 0, 42237 0,362 0, 638 + 119.5 154 phần mol = -Nồng độ phần mol hỗn hợp đỉnh: GVHD: Vũ Minh Khôi 10 Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB Do Re >10 nên dòng chảy ống dòng chảy xoáy, hệ số ma sát tính theo công thức sau: 6,81 0,9 ∆ = −2 lg + 3,7 λ Re [STQTTBT1-380] ∆ : độ nhám tương đối : ε ∆= d tđ Tra bảng II.15[STQTTBT1-381] với loại ống bê tông có bề mặt mài tốt ta ε =0,4 mm chọn L = 10m ε 0, 4.10−3 ⇒∆= = = 2, 67.10−3 dtd 0,15 6,81 0,9 2, 67.10 −3 ⇒ = −2.lg ÷ + 3, λ 50147,15 ⇒ λ = 0, 0282 ⇒ ∆Pm = λ L 10 ∆Pd = 0, 0282 .18, 254 = 34,32 [N/m2] dtd 0,15 * Tính ∆Pc: ∆ Pc = λ l ltd ω ρ = λ td ∆Pd d d Với : ltd = ∑ n.d Do ống dẫn có van chỗ cong 90 nên ta có n cửa van (van chắn chiều ) nv=75.Do đường kính d = 200 mm nên nc=40 ltd=(1.75+2.40).0,2=31 [m] ⇒ ∆Pc= 0, 0282 31 18, 254 = 106,384 [N/m2] 0,15 ⇒ ∆P2=∆Pđ + ∆Pm + ∆Pc =18,254+34,32+106,384=158,96 [N/m2] Chiều cao cột chất lỏng tương ứng là: H '2 = GVHD: Vũ Minh Khôi ∆P2 158,96 = = 0, 0105 [m] ρ g 1544, 713.9,81 99 Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB 4.3.1.3 Trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu * ∆Pđ : ∆Pd = ρ ω 2 ω= Ta có: F 3600 f ρ [m/s] Trong đó: F: khối lượng hỗn hợp [kg/h] ρ : khối lương riêng dung dịch n hiệt độ trung bình ρ= 1496,93 [kg/m3] (tính ρ xem phần tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu) f : tiết diện bề mặt truyền nhiệt [m2] f = π d n 3,14.0, 0242.61 = = 0, 009194 [m2] 4.m 4.3 Với n: số ống truyền nhiệt thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu n=61 [ống] m: số ngăn,m= [ngăn] d: đường kính ống truyền nhiệt,d= 0,024 [m] ⇒ ω= ⇒ ∆Pd = 15100 = 0,305 [m/s] 3600.0, 009194.1496,39 ρ hh ω 1496,93.0,3052 = = 69,52 [N/m ] 2 *∆Pm: ∆Pm = λ ltd ∆Pd d [N/m2] Độ nhớt dung dịch thiết bị gia nhiệt: μ = 0,5456.10-3 [Ns/m2] Chuẩn số Renold lưu thể: Re = ω.d ρ 0,305.0, 024.1496,93 = 20083, 445 >104 = µ 0,5456.10−3 GVHD: Vũ Minh Khôi 100 Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB Do Re > 10 Vậy dòng chảy ống chế độ chảy xoáy,khi hệ số ma sát tính theo công thức: 6,81 0,9 ∆ = −2 lg + 3,7 λ Re [STQTTBT1-380] ∆ : độ nhám tương đối : ε ∆= d tđ Tra bảng II.15[STQTTBT1-381] với loại ống bê tông có mài bề mặt tốt ta ε =0,4 mm chọn L = 10m ε 0, 4.10−3 ⇒∆= = = 0, 01667 dtd 0, 024 6,81 0,9 0, 01667 ⇒ = −2.lg ÷ + 3, λ 20083, 445 ⇒ λ = 0, 04813 lld : chiều dài ống truyền nhiệt ( có ngăn ) ,ltd=H.m=1,5.3= 4,5 (m) ⇒ ∆Pm = λ L 4,5 ∆Pd = 0, 04813 .69,52 = 627,3836 dtd 0, 024 [N/m2] * ∆Pc: ∆Pc = ξ ∆Pd [N/m2] Vì dung dịch chảy thiết bị ống chùm nên hướng dòng chảy vào khỏi ống truyền nhiệt đa dạng tồn nhiều đột mở, đột thu + Tiết diện ống dẫn dung dịch vào thiết bị: f1 = π d 3,14.0,152 = = 0, 01766 [m2] 4 + Tiết diện khoảng trống đầu thiết bị ngăn là: π D 3,14.0, 482 f2 = = = 0, 0603 m Với D: đường kính thiết bị trao đổi nhiệt, D = 0,48 [m] GVHD: Vũ Minh Khôi 101 [m2] Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB + Tiết diện 61 ống truyền nhiệt ngăn là: f3 = π d n 3,14.0, 0242 61 = = 9,19,10−3 [m2] m Trở lực cục tính theo bảng (PL.3) [TTQTTBT1-339] (XII.16) [STQTTBT1.382]: - Ở cửa vào(đột mở):khi chất lỏng chảy vào thiết bị(khoảng trống ngăn đột mở): 2 f 0, 01766 ξ1 = − ÷ = 1 − = 0,5 f2 0, 0603 ÷ - Ở đầu dung dịch chất lỏng chảy từ khoảng trống vào ngăn ống truyền nhiệt(đột thu): f 9,19.10−3 = = 0,1524 Nội suy từ bảng PL.3 f2 0, 063 [TTQTTBT1 - 339] ta có: ξ = 0, 449 - Ở đầu dung dịch chất lỏng chảy từ ngăn ống truyền nhiệt khoảng trống phần thiết bị(đột mở) 2 f 9,19.10−3 ξ = = 1 − ÷ = 1 − ÷ = 0, 7184 f2 0, 0603 - Ở dầu dung dịch chất lỏng chảy khỏi thiết bị (đột thu): f1 0, 01766 = = 0, 293 Tra bảng PL.3 [TTQTTBT1 f2 0, 0603 339] ta có: ξ = 0,3835 - Khi chất lỏng chuyển từ ngăn sang ngăn kia,dòng chảy chuyển dòng lần với góc chuyển 90 oC có trở lực cục bộ: ξ = 2.1,10 = 2,2 ∑ ξ = 0,5 + 3.0, 449 + 3.0, 7184 + 0,3835 + (3 − 1).2, = 8, 786 ⇒ ∆Pc = ∑ ξ ∆P d = 8, 786.69,52 = 610,8 [N/m2] * Trở lực thuỷ tĩnh: ∆PH: GVHD: Vũ Minh Khôi 102 Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB ∆PH = ρ g H = 1496,93.9,81.1,5 = 22027,32 [N/m2] ∑ ∆P = ∆P d +∆Pm + ∆Pc + ∆PH = 69,52 + 627,3836 + 610, 782 + 22027,32 = 23335, 01 N / m Chiều cao cột chất lỏng: H 3' = ∑ ∆P = ρ g 23335, 01 = 1,59 [m] 1496,32.9,81 4.3.1.4 Chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu _ Viết phương trình becnuly cho mặt cắt 1-1 2-2 Chọn mặt chuẩn 0-0: ω1 P P ω 22 + = H2 + + + ∑ hm g ρ g g ρ g H1 + 1 H1 H1 2 H2 0-0 Trong : GVHD: Vũ Minh Khôi 103 Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB o + ρ1: khối lượng riêng hỗn hợp 25 C,ρ1=1544,713 [kg/m3] + ρ 2: khối lượng riêng hỗn hợp nhiệt độ trung bình vào thiết bị gia nhiệt ; ρ2=1496,93 [kg/m3] + ω2= 0,1626 [m/s2] + ω1 = + P1= Pa= 10,133.104 [N/m2] + P2= Pa + ∆P2= 10,133.104 + 12412,144 = 113745,144 [N/m2] (∆P2 = 12412,144 [N/m2] lực đoạn luyện) ⇒ H1 − H = P2 P ω 22 − + + ∑ hm ρ g ρ1 g 2.g + ∑hm= H’1 + H’2 + H’3= 0,0153 + 0,0105 + 1,589 = 1,6148 [m] ⇒ H1 − H = 113745,144 10,133.104 0,16262 − + + 1, 6148 = 2, 675 [m] 1496,93.9,81 1544, 713.9,81 2.9,81 4.3.2.Tính toán bơm Bơm ly tâm làm việc áp suất thường chọn chiều cao hút bơm nhiệt độ 25 oC 0,5 [m], chiều cao bơm làm việc tuần hoàn đảm bảo không xảy tượng xâm thực - Chiều cao đẩy bơm: Hđ = HC + (H1- H2) +Hđáy + Hb = 4,9756 + 2,675 + 0,8 + 1=9,45 [m] + HC: chiều cao đoạn chưng [m] + Hb: chiều cao kê tháp Chọn Hb = [m] + Hđáy: chiều cao đáy tháp Chọn Hđáy= 0,8m - Chiều cao làm việc bơm: Hf = Hđ + Hh = 9,45 + 0,5 = 9,95 [m] GVHD: Vũ Minh Khôi 104 Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB Ta có: Htp = Hf + hm * Tính hm: - Tổn thất đường ống: ω = ω2 = 0,1626 [m] Pd = ρ ω2 1496,93.0,16262 = = 19, 788 [N/m2] 2 - Trở lực ma sát ∆Pm : tổn thất áp suất từ thùng chứa dến thùng cao vị: Re = 50147,15 → λ = 0, 0282 Chọn chiều dài lớn Hđ: L = 12[m]; dtđ= 0,1 [m] l 12 ⇒ ∆Pm = λ ∆Pd = 0, 0282 .19, 788 = 66,96 [m] d 0,1 - Trở lực cục ∆Pc : ltd ω ρ l ∆Pc = λ = λ td ∆Pd d d [N/m2] Với: λ = 0, 0282 Với : ltd = ∑ n.d Do ống dẫn có van chỗ cong 90 nên ta có n cửa van (van chắn chiều ) nv=75.Do đường kính d = 100 mm nên nc=40 ltd=(2.75+3.40).0,1=27 [m] ⇒ ∆Pc= λ ltd 27 ∆Pd = 0, 0282 .19, 788 = 150, 665 [N/m2] d 0,1 ⇒ ∆P=∆Pđ + ∆Pm + ∆Pc = 19,788 + 66,9 + 150,665 = 237,353 [N/m2] hm = ∆P 237,353 = = 0, 01616 [m] ρ g 1496,93.9,81 ⇒ Htp= 9,95 + 0,01616 = 9,966 [m] - Công suất yêu cầu bơm xác định theo CT (II.189) [1-439]: GVHD: Vũ Minh Khôi 105 Trường ĐHCN Hà Nội Nb = Đồ án môn học QT & TB H Q.g ρ [kw] 1000.η Trong đó: +Q: suất bơm: Q= F 15100 = = 2,802.10−3 [m3/s]= 10,087 [m3/h] 3600.ρ 3600.1496,93 + ρ : khối lượng riêng hỗn hợp nhiệt độ 250C, ρ = 1544,713 [kg/m3] + H: áp suất toàn phần bơm [m] + η : hiệu suấtchung bơm [m] Theo [1-439]: η = η o η tl η ck η o : hiệu suất thể tích tính đến hao hụt chát lỏng từ áp suất cao đến áp suất thấp chất lỏng rò rỉ qua khe hở η tl : hiệu suất thuỷ lực tính đến ma sát tạo dòng xoáy bơm η ck : hiệu suất khí tính đến ma sát khí bơm Chọn bơm ly tâm theo bảng (II.32) [STQTTBT1-439]: η o = 0,9 η tl = 0,82 ⇒ η = 0,7011 ηck = 0,95 ⇒ Nb = F g H 15100.9,81.9,966 = = 0,5849 [kw] 1000.3600.η 1000.3600.0, 7011 - Công suất động điện tính theo công thức (II.190) [STQTTBT1439]: N dc = Nb µ tr η dc [kw] + Nb: công suất trục bơm [kw] + η tr : hiệu suất truyền động,chọn η tr =1 + η dc : hiệu suất động điện,chọn η dc = 0,8 GVHD: Vũ Minh Khôi 106 Trường ĐHCN Hà Nội ⇒ Nd = Đồ án môn học QT & TB 0,5849 = 0, 731 [kw] 1.0,8 Thông thường người ta chọn động điện có công suất lớn so với công suất tính toán(lượng dự trữ phụ thuộc vào khả tải): N c dc = β N dc + β : hệ số dự trữ công suất Giá trị β tra theo bảng (II.33) [I-440] theo Ndc: Ta có: Ndc = 0,731 → β = 1,5 ÷ ; Chọn β = ⇒ N c dc = 2.0, 731 = 1, 462 [kw] Với Q = 10,087 [m3/h] ta chọn bơm theo bảng (II.39) [1-447]: - Loại bơm: X - Năng suất: 3÷288 [m3/h] - Áp suất toàn phần: 10÷143 [m] - Số vòng quay: 1450÷2900 [vòng/phút] - Nhiệt độ chất lỏng: 40÷90 [oC] - GVHD: Vũ Minh Khôi 107 Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB KẾT LUẬN Sau thời gian cố gắng tìm, đọc, tra cứu số tài liệu tham khảo, với giúp đỡ tận tình thầy cô giáo đặc biệt thầy Vũ Minh Khôi em hoàn thành nhiệm vụ thiết kế giao Qua trình tiến hành này, em rút số nhận xét sau: - Việc thiết kế tính toán hệ thống chưng luyện việc làm phức tạp, tỉ mỉ lâu dài Nó yêu cầu người thiết kế phải có kiến thức thực sâu trình chưng luyện mà phải biết số lĩnh vực khác như: cấu tạo thiết bị phụ khác, quy định vẽ kỹ thuật, … - Các công thức tính toán không gò bó môn học khác mà mở rộng dựa giả thiết điều kiện, chế độ làm việc thiết bị Bởi tính toán, người thiết kế tính toán đến số ảnh hưởng điều kiện thực tế, nên đem vào hoạt động, hệ thống làm việc ổn định Không có vậy, việc thiết kế đồ án môn học trình thiết bị giúp em củng cố thêm kiến thức trình chưng luyện nói riêng trình khác nói chung; nâng cao kỹ tra cứu, tính toán, xử lý số liệu; biết cách trình bầy theo văn phong khoa học nhìn nhận vấn đề cách có hệ thống Việc thiết kế đồ án môn học “quá trình thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm” hội cho sinh viên ngành hóa nói chung thân em nói riêng làm quen với công việc kỹ sư hóa chất Để hoàn thành nhiệm vụ thiết kế giao, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Vũ Minh Khôi người hướng dẫn em từ đầu đồ án tới em kết thúc giúp em hoàn thành tốt nhiệm vụ thiết kế Mặc dù cố gắng để hoàn thành tốt nhiệm vụ, song hạn chế tài liệu, kinh nghiệm thực tế, nên không tránh khỏi thiếu sót trình thiết kế Em mong thầy cô xem xét dẫn thêm Em xin chân thành cảm ơn GVHD: Vũ Minh Khôi Sinh Viên 108 Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB Tài liệu tham khảo: Tập thể tác giả Sổ tay trình & thiết bị Công nghệ hoá học Nhà xuất Khoa học - Kỹ thuật, 1974, tập Tập thể tác giả Sổ tay trình & thiết bị Công nghệ hoá học Nhà xuất Khoa học - Kỹ thuật, 1982, tập Tập thể tác giả Cơ sở trình & thiết bị Công nghệ hoá học Nhà xuất Khoa học - Kỹ thuật, 2000, tập 1,2,3 Tập thể tác giả Tính toán trình & thiết bị Công nghệ hoá học Nhà xuất Khoa học - Kỹ thuật, 2000, tập 1,2,3 GVHD: Vũ Minh Khôi 109 Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB Mục lục Lời mở đầu CHƯƠNG : TỔNG QUAN .3 1.1.Lý thuyết chưng luyện 1.2.Giới thiệu hỗn hợp chưng luyện 1.2.1.Cacbon tetraclorua 1.2.2.Clorofom 1.3.Vẽ thuyết minh dây truyền sản xuất 1.3.1.Dây truyền sản xuất .7 1.3.2.Thuyết minh dây truyền sản xuất CHƯƠNG : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 2.1.Tính toán thiết bị 10 2.1.1.Cân vật liệu 10 2.1.2.Chỉ số hồi lưu tối thiểu 12 2.1.3.Chỉ số hồi lưu thích hợp Rx 13 2.2.Tính đường kính tháp chưng luyện 24 2.2.1.Lượng trung bình dòng pha tháp .25 2.2.2.Khối lượng riêng trung bình 29 2.2.3.Vận tốc khí tháp 31 2.2.4.Tính đường kính tháp 34 2.3.Tính chiều cao tháp 35 2.3.1.Tính chiều cao đơn vị chuyển khối với pha lỏng 36 2.3.2.Tính số đơn vị chuyển khối 44 2.3.3.Tính chiều cao toàn tháp 46 2.4.Tính số đĩa thực tế 46 2.5.Tính trở lực tháp 48 GVHD: Vũ Minh Khôi 110 Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB 2.5.1.Tính trở lực tháp đệm đoạn chưng 49 2.5.2 Tính trở lực tháp đệm đoạn luyện 50 2.6.Tính cân nhiệt lượng 51 2.6.1.Cân nhiệt lượng thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu 51 2.6.2 Cân nhiệt lượng tháp chưng luyện 54 2.6.3 Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ 57 2.6.4 Cân nhiệt lượng thiết bị làm lạnh 58 CHƯƠNG : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN 3.1.Tính đường kính ống dẫn 60 3.1.1.Vật liệu làm thân tháp 60 3.1.2.Tính toán sức bền vật liệu 60 3.1.3.Tính chiều dày thân hình trụ hàn 61 3.2.Tính đường kính ống dẫn .63 3.2.1.Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh 64 3.2.2.Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh .64 3.2.3 Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu 65 3.2.4 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy 66 3.2.5 Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đáy 67 3.3.Tính chiều dày đáy nắp thiết bị .68 3.3.1.Chiều dày nắp .68 3.3.2.Chiều dày đáy .69 3.4.Tính bích Bulong .71 3.4.1.Chọn bích nối thân tháp nắp đáy .72 3.4.2.Bích nối thiết bị,bích nối ống dẫn 72 3.5.Tính lưới đỡ đệm,dầm đỡ đệm,đĩa phân phối chất lỏng 73 3.6.Tính chân đỡ tai treo 78 GVHD: Vũ Minh Khôi 111 Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB 3.6.1.Khối lượng đáy nắp 78 3.6.2.Khối lượng thân tháp .78 3.6.3.Khối lượng cột chất lỏng tháp .79 3.6.4.Khối lượng lớp đệm .80 3.6.5.Khối lượng Bulong,ống nối,đĩa tiếp liệu 80 3.6.6.Chọn chân đỡ tai treo 80 3.7.Chọn kính quan sát .82 CHƯƠNG : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 4.1.Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu .83 4.1.1.Hệ số nhiệt độ trung bình hai lưu thể 83 4.1.2.Tính nhiệt lượng trao đổi Q 84 4.1.3.Hệ số cấp nhiệt lưu thể 84 4.1.4.Bề mặt truyền nhiệt 88 4.1.5.Số truyền nhiệt .88 4.1.6.Đường kính thiết bị 88 4.1.7.Tính lại vận tốc chia ngăn .88 4.2.Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đáy .89 4.2.1 Hệ số nhiệt độ trung bình hai lưu thể 89 4.2.2 Tính nhiệt lượng trao đổi Q 89 4.2.3 Hệ số cấp nhiệt lưu thể .90 4.2.4 Bề mặt truyền nhiệt .93 4.2.5 Số truyền nhiệt 94 4.3.Tính bơm thùng cao vị 94 Kết luận .107 Tài liệu tham khảo 108 GVHD: Vũ Minh Khôi 112 Trường ĐHCN Hà Nội GVHD: Vũ Minh Khôi Đồ án môn học QT & TB 113 [...]... vào đoạn chưng( kg/h) - g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h) - x’1 : hàm lượng lỏng(phần khối lượng) - r’n : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng (KJ/kg) - r’1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào lớp đệm thứ nhất của đoạn chưng ( KJ/kg) - xw : thành phần cấu tử dễ bay hơi (Axeton ) trong sản phẩm đáy ; - r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào lớp đệm trên... học QT & TB 2.2.Tính đường kính tháp chưng luyện Công thức tính đường kính tháp chưng luyện loại đệm : D= 4G ρ ytb W ytb = 0,0188 g tb ρ ytb W ytb [STQTTBT2-181] Trong đó : Wytb: tốc độ của khí và hơi(m/s) gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h) ρ ytb W ytb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (kg/m2s) Vì lượng hơi đi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn... lỏng của đĩa thứ nhất của đoạn luyện G 1 được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và nhiệt lượng cho đoạn luyện : g1 = G1 + GP g1 y1 = G1a1 + GP a P (STQTTB T2-182) g r = g r d d 11 Trong đó a1=aF= 0,362 (phần khối lượng) r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ở đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kJ/kg) ; rđ : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp (kJ/kg) r1 = rAy1 + (1- y1)rB;... trung bình của pha lỏng và pha khí(kg/m3) - µ xtb : độ nhớt của hỗn hợp lỏng của đoạn chưng ở - µn - Gx Gy : Lưu lượng lỏng và lưu lượng hơi trung bình(Kg/s) - σ d : bề mặt riêng của đệm (m2/m3) - Vđ :thể tích tự do của đệm (m3/m3) t tbo : độ nhớt của nước ở 20oC 2.2.3.1.Tốc độ khí và lỏng đi trong đoạn chưng -Độ nhớt hỗn hợp lỏng của đoạn chưng : lg µxC = xtbC lg µA + (1 − xtbC ) lg µB ; [STQTTBT1- 84]... Trong đó: - a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm (đệm vòng a = 0,123) - µ x : độ nhớt của pha lỏng (N.s/m2) - Vđ: thể tích tự do của đệm (m3 /m3) - ρ x : Khối lượng riêng của lỏng(kg/m3) - ψ : hệ số thấm ướt của đệm, nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháo và mật độ tưới thích hợp 2.3.1.Tính chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối đối với pha hơi & pha lỏng của tháp 2 h1 = Vđ... thích hợp là rất quan trọng, vì khi chỉ số hồi lưu bé thì số bậc của tháp lớn nhưng tiêu tốn ít hơi đốt, ngược lại khi chỉ số hồi lưu lớn thì số bậc của tháp co ít hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt lại rất lớn - Với mỗi giá trị của R x > Rmin từ đồ thị cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp Clorofom và Cacbon tetraclorua ta xác định được một giá trị của Nlt tương ứng * Ở đây ta có phương trình đoạn luyện và đoạn chưng. .. đi trong tháp 2.2.1.1.Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện g tb = g đ + g1 , kg/s 2 (STQTTB T2-181) Trong đó: + gtb :lượng hơi trung bình của đoạn luyện (kg/h) + gđ : lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn luyện (kg/h);... lưu thích hợp là Rth = 5,249 số đĩa lý thuyết thu được là Nlt = 25 Số ngăn lý thuyết đoạn chưng là:16 Số ngăn lý thuyết đoạn luyện là:9 Ta có đồ thị t_x_y: GVHD: Vũ Minh Khôi 23 Trường ĐHCN Hà Nội Đồ án môn học QT & TB Dựa vào độ thị ta nội suy ta tính được: Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu t F ,sản phẩm đỉnh t P , sản phẩm đáy t W Nồng độ phần mol của pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hỗn hợp đầu y... vào hệ trên,giải hệ ta có: →g1 = 37148,565 ( kg/h ); → y1 = 0,4474 phần khối lượng =0,5106 (phần mol) → G1 = 31842,275 ( kg/h ); → lượng hơi trung bình của đoạn luyện : →gtbL= 37148,565 + 33158,79 = 35153,678 ( kg/h) 2 2.2.1.2 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng g tb' = g1' + g n' 2 [STQTTB T2-182] Trong đó : + g’tb: lượng hơi trung bình của đoạn chưng ( kg/h) + g’n: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng. .. m/s 2.2.4.Tính đường kính tháp *Đường kính đoạn chưng: DC = 0, 0188 gtbC ' 39069, 04 = 0, 0188 = 1,906 m ρ ytbC WC 5, 094.0, 7463 *Đường kính đoạn luyện: DL= 0, 0188 gtbL 35153, 768 = 0, 0188 = 1, 7413 m ρ ytbL WL 4, 632.0,8846 Dựa vào kết quả nhận được chọn đường kính theo bảng quy chuẩn cho tháp ( STQTTBT2-359) Ta có DL=1,8 (m) DC=2 (m) Khi đó vận tốc của hơi đi trong tháp sẽ là: 2 1, 7413 WL