Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị: Phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho methanol

Chia sẻ: meoancaran

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 sủ 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....

Bạn đang xem 20 trang mẫu tài liệu này, vui lòng download file gốc để xem toàn bộ.

Nội dung Text: Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị: Phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho methanol

 

  1. Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị " phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho methanol "
  2. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong LỜI MỞ ĐẦU Công ngh ệ 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 sủ dụng để nâng cao độ tinh khiết là: chưng cất, trích ly, cô đ ặc, hấp thu ….Tùy theo đ ặc tính sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp. Hệ methanol – nước là 2 cấu tử tan lẫn ho àn 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- thự c phẩm 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 đ ã 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 Mai Thanh Phong và các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn. Tp HCM, ngày 18.1.2010 Trang 3
  3. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong CHƯƠNG 1 Tổng quan I. Giới thiệu về nguyên liệu 1. Methanol Methanol còn gọi là rượu gỗ, có công thức hóa học CH3OH. Là chất lỏng không màu, dễ bay hơi và rất độc. Các thông số của methanol: - Phân tử lượng: 32,04 g/mol. - Khối lượng riêng: 0,7918 g/cm3. - Nhiệt độ nóng chảy: -97 oC (176K). - Nhiệt độ sôi: 64,5oC ( 337,8K). - Độ nhớt: 0,59 Ns/m2 ở 20 oC. 1.1. Ứng dụng Methanol được dùng làm chất chống đông, làm dung môi, làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, nhưng ứng dụng lớn nhất là làm nguyên liệu để sản xuất các hóa chất khác. Kho ảng 40% metanol được chuyển thành forml dehyde, từ đó sản xuất ra chất dẻo, sơn…Các hóa chất khác đ ược dẫn xuất từ metanol bao gồm dimeylete… 1.2. Sản xuất Methanol được sinh ra từ sự trao đổi chất yếm khí của 1 vài loài vi khu ẩn. Kết quả là 1 lượng nhỏ hơi methanol được tạo thành trong không khí. Và sau vài ngày không khí có chứa methanol sẽ bị oxy hoá bởi O2 dưới tác dụng của ánh sáng chuyển thành CO2 và H2O theo phương trình: 2CH3OH + 3 O2 2CO2 + 4H2O Hiện nay methanol được sản xuất bằng cách tổng hợp trực tiếp từ H2 và CO, gia nhiệt ở áp suất thấp có mặt chất xúc tác. 2. Nước Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước d ày sẽ có màu xanh nhạt. Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau. Tính chất vật lý: - Khối lượng phân tử : 18 g / mol - Khối lượng riêng d 4oC : 1 g / ml : 0 0C - Nhiệt độ nóng chảy : 100 0 C - Nhiệt độ sôi Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đ ất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống. Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng ho à tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọ ng trong kỹ thuật hóa học. 3. Hỗn hợp Methanol-nước Ta có b ảng cân bằng lỏng-hơi cho hỗn hợp methanol-nước ở 1 atm Bảng 1 Trang 4
  4. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong toC 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,5 66 64,5 x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100 Ở đ ây x là thành phần lỏng y là thành phần hơi II. Lý thuyết về chưng cất: 1. Khái niệm: Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng (cũng như hỗn hợp khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ b ay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau). Thay vì đ ưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi ho ặc ngưng tụ. Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đ ặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi. Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì hệ có bao nhiêu cấu tử sẽ thu được b ấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu đ ược 2 sản phẩm: + Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi bé. + Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi b é và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Vậy đối với hệ methanol - nước thì: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu là methanol. - Sản phẩm đáy chủ yếu là nước. 2. Các phương pháp chưng cất: 2.1. Phân lo ại theo áp suất làm việc - Áp su ất thấp - Áp su ất thường - Áp su ất cao 2.2. Phân lo ại theo nguyên lý làm việc - Chưng cất đơn giản - Chưng b ằng hơi nước trực tiếp - Chưng cất đa cấu tử 2.3. Phân lo ại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp - Cấp nhiệt trực tiếp - Cấp nhiệt gián tiếp Vậy đối với hệ methanol - nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp . 3. Thiết bị chưng cất: Trang 5
  5. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu cơ b ản 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. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đ ây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. - Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đ ĩa, ta có: - Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s… - Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh - Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp: Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Cấu tạo khá đ ơn giản. - Trở lực tương đối thấp. - Khá ổn định. Ưu - Trở lực thấp. - Hiệu suất khá cao. - Hiệu suất cao. điểm - Làm việc đ ược với chất lỏng bẩn. - Do có hiệu ứng thành nên hiệu - Không làm việc được - Có trở lực lớn. suất truyền khối thấp. với chất lỏng bẩn. - Tiêu tốn nhiều Nhược - Độ ổn định thấp , khó vận hành. - Kết cấu khá phức tạp. vật tư, kết cấu điểm - Khó tăng năng suất. p hức tạp. - Thiết bị khá nặng nề. Trong báo cáo này ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ methanol - nước. CHƯƠNG 2 Quy trình công nghệ 1 . Thuyết minh quy trình công nghệ: Hỗn hợp methanol - nước có nồng độ nhập liệu methanol 10 % (theo phần hối lượng), nhiệt độ khoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (13) được bơm (1) bơm lên bồn cao vị (2 ). Từ đó đ ược đ ưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy (12 ). Sau đó, hỗn hợp được Trang 6
  6. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi d òng nhập liệu (3), rồi được đưa vào tháp chưng cất (5 ) ở đĩa nhập liệu. Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xu ống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xu ống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đ ã bị pha hơi tạo nên từ hơi nước đ ược cấp trực tiếp vào đáy tháp lôi cu ốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đ ĩa từ d ưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu đ ược hỗn hợp có cấu tử methsanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 95 % phần khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (7) và được ngưng tụ ho àn toàn. Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng. Phần còn lại được làm nguội đến 400C, rồi đ ưa về b ình chứa sản phẩm đỉnh. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp đ ược bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đ áy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ methanol là 1 ,5% phần khối lượng, còn lại là nước. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp đi vào thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu, rồi được đ ưa qua bồn chứa sản pham đáy (11). Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là methanol. Sản phẩm đáy là nước sau khi trao khi trao đổi nhiệt với d òng nhập liệu được thải bỏ ở nhiệt độ 60 0C. Chú thích các kí hiệu trong qui trình: 1. Bồn chứa nguyên liệu 2. Bơm 3. Bồn cao vị 4. Thiết bị trao đổi nhiệt. 5. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 6. Lưu lượng kế. 7. Tháp chưng 8. Thiết bị đun sản phẩm đáy 9. Bồn chứa sản phẩm đỉnh. 10. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 11. Thiết bị làm ngu ội sản phẩm đỉnh 12. Bẩy hơi 13. Bồn chứa sản phẩm đáy Trang 7
  7. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN SƠ BỘ I. C ác thông số ban đầu: - Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ. Thiết bị hoạt động liên tục. - Khi chưng luyện dung dịch metanol thì cấu tử dễ bay hơi là metanol. - Hỗn hợp: + Methanol: CH3OH, MR = 32 (g/mol) + Nước: H2O, MN = 18 (g/mol)  Năng su ất nhập liệu : GF = 1000 (l/h)  Nồng độ nhập liệu : x F = 10% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)  Nồng đ ộ sản phẩm đỉnh: x P = 95% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)  Nồng dộ sản phẩm đáy: xW = 1,5% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)  Chọn: - Nhiệt độ nhập liệu b an đầu : tBĐ = 28oC - Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm ngu ội: tPR = 60oC - Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 28 oC - Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40oC - Trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi.  Các ký hiệu: GF, F: su ất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h. GP, P: su ất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h. GW, W: su ất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h. L : su ất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h. xi, xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i. II. C ân bằng vật chất: 1. Nồng độ phần mol của Methanol trong tháp xF / M R 0.1 / 32 xF    0.0588 x F / M R  (1  x F ) / M N 0.1 / 32  (1  0.1) / 18 xP / M R 0.95 / 32 xP    0.9144 x P / M R  (1  x P ) / M N 0.95 / 32  (1  0.95) / 18 xW / M R 0.0.15 / 32 xW    0.0085 xW / M R  (1  xW ) / M N 0.015 / 32  (1  0.015) / 18 Từ số liệu của bảng 1 ta xây dựng đồ thị t-x, y cho hệ Methnol- nước Trang 8
  8. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong 100 0 tC 95 90 hôi 85 loûng 80 75 70 65 60 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 x,y Đồ thị 1 đồ thị t-x,y cho h ệ Methnol- nước Do ta chọn trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi nên từ đồ thị 1 trên, tại xF = 0 .0588 ta nội suy ra nhiệt độ nhập liệu vào tháp chưng cất là TF = 91,5 0C Tra b ảng 1.249, trang 310, {1} ta được  N = 964,25 kg/m3 Tra b ảng 1.2, trang 9, {1} ta được  R = 722.19 kg/m3 Suy ra khối lượng riêng của hỗn hợp khi nhập liệu vào tháp 1  xF x 1  0.1 1 0.1  1,072.10 3  F   F R N 722,19 964,25   F  933.0 kg/m3 Suy ra GF = 933,0 kg/h Ta có M F  x F .M R  (1  x F ).M N  0,1.32  (1  0,1).18  19,4 kg/kmol GF 933,0 Nên F    48,093 kmol/h MF 19,4 Trang 9
  9. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong 2. Suất lượng mol của các dòng - Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp F=P+W F.xF = P.xP + W.xW - Thế các giá trị vào ta được hệ phương trình sau  P  W  48,093  0,9144P  0,0085W  48,093.0,0588  P = 2,67 kmol/h W= 45,42 kmol/h - Lại có M P  x P .M R  (1  x P ).M N  0,95.32  (1  0,95).18  31,30 kg/kmol M w  xW .M R  (1  xW ).M N  0,015.32  (1  0,015).18  18,21 kg/kmol - Suy ra GP = P.MP = 2,67.31,30 = 83,57 kg/h GW = W.MW = 45,42.18,21 = 827,1 kg/h 3. Các phương trình làm việc - Từ bảng số liệu 1 ta xây dựng đồ thì cân bằng pha của hệ Methanol-nước ở áp suất 1atm - Với xF = 0,0588 ta nội suy từ đồ thị 2 đ ược y * = 0,295 F + Tỉ số hoàn lưu tối thiểu x  y * 0,9144  0,295 Rmin  P F   2,62 * y F  x F 0,295  0,0588 + Tỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3.2,62 + 0.3 = 3,71 + Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu x  xW 0,9144  0,0085 f P   18,01 0,0588  0,0588 x F  xW Phương trình đ ường làm việc của phần chưng: R f 1 f 3,71  18,01 1  18,01 y x  xW  .x  .0,0085  4,61.x  0,031` R 1 R 1 3,71  1 3,71  1 Hay y  4,61.x  0,031` Phương trình đ ường làm việc của phần luyện: R 1 3,71 1 y x .x P  .x  .0,9144  0,788.x  0,194 R 1 R 1 3,71  1 3,71  1 Hay y  0,788.x  0,194 Trang 10
  10. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong 1 y 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 x 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Đồ thị 2: đồ thì cân bằng pha của hệ Methanol-nước ở áp suất 1atm CHƯƠNG 4: Trang 11
  11. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong Thiết kế chế tạo tháp chưng cất I. Đ ường kính tháp: 1. Phần luyện: a. Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần luyện: - Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện: x  x F 0,9144  0,0588 xL  P   0,4866 mol 2 2 - Nội suy từ đồ thị 1 ta được nhiệt độ trung b ình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 73,4 oC - Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện: x  x F 0,95  0,1 xL  P   0,525 2 2 - Tra bảng 1.249, trang 311, [1] Khối lượng riêng của nước ở 73,4oC:  N = 975,76 kg/m3 - Tra b ng 1.2, trang 9, [1] Khối lượng riêng của metanol ở 73,4oC:  R = 739,77 kg/m3 - Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [1] 1  xL x 0,525 1  0,525 1  1,196.10 3  L    LL  R N 739,77 957,76 Þ  LL = 835,78 kg/m3 b. Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện: - Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện: yL = 0,788xL + 0.194 = 0,788.0,4866 + 0.194 = 0,5775 Þ Nhiệt độ trung b ình của pha hơi trong phần luyện: THL = 81,6 oC - Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện: MHL = yL. MR + (1 – yL). MN = 0,5775.32 + (1 – 0 ,5775). 18 = 26,085 kg/kmol - Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện: PM HL 1.26,085  0,8965 kg / m 3  HL   22,4 RTHL  (81,6  273) 273 - Chọn khoảng cách mâm h = 250 mm - Tra hình 2.2, trang 42,[6]: C = 0 ,028 - Vận tốc pha hơi đi trong phần luyện  LL 835,78 L  C  0,028  0,855 m / s  HL 0,8965 Lưu lượng pha hơi đi trong phần luyện của tháp: G .(1  R ).22,4.THL 83,57.(1  3,71).22,4.(81,6  273)  0,102 m 3 / s QV  P  M P .To .3600 31,3.273.3600 Đường kính đoạn luyện 4.QV 4.0,102 DL    0,390 m  . L 3,14.0,855 Trang 12
  12. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong 2. Phần chưng: a. Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần chưng: - Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng: x  xW 0,0588  0,0085 xC  F  0,034 (mol metanol/mol hỗn hợp)  2 2 - Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng: TLC = 94,6 oC - Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện: x  xW 0,1  0,015 xC  F  0,0575 kg metanol/ kg hỗn hợp  2 2 - Tra bảng 1.249, trang 311, [1] Khối lượng riêng của nước ở 94,6 oC:  N = 962,78 kg/m3 - Tra b ng 1.2, trang 9, [1] Khối lượng riêng của metanol ở 94,6oC:  R = 719,18 kg/m3 - Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [1] 1  xC 0,0575 1  0,0575 x 1  1,059.10 3  C    LC  R N 719,18 962,78  LC = 941,39 (kg/m3). b. Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng - Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần chưng yC = 4,61xC - 0,031 = 4,61.0,034 – 0,031 = 0,126 Þ Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần chưng: THC = 96,4 oC - Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần chưng MHC = yC. MR + (1 – yC). MN = 0,126.32 + (1 – 0 ,126). 18 = 19,76 kg/kmol - Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng: PM HC 1.19,76  0,566 kg / m 3  HC   22,4 RTHC  (96,4  273) 273 - Chọn khoảng cách mâm h = 250 mm - Vận tốc pha hơi đi trong phần chưng: - Tra hình 2.2, trang 42,[6]: C = 0 ,028  LC 941,39 C  C  0,028  1,142 m / s  HC 0,566 - Lưu lượng pha hơi đi trong tháp: G .(1  R ).22,4.THC 83,57.(1  3,71).22,4.(96,4  273)  0,106 m 3 / s QV  P  M P .To .3600 31,3.273.3600 - Đường kính đoạn chưng 4.QV 4.0,106 DC    0,344 m  . C 3,14.1,142 Tra bảng IX.4a, trang 169, [2], ta chọn theo chuẩn D = 400 mm Kết luận: đường kính tháp là D = 0,4 m Trang 13
  13. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong Vận tốc pha hơi trong tháp theo thực tế: 4.QV 4.0,106 C    0,844 m / s 3,14.DC . 3,14.0,4 2 2 4.QV 4.0,102 L    0,812 m / s 3,14.DL . 3,14.0,4 2 2 II. C hiều cao tháp: 1. Số mâm lý thuyết Ta dựng đồ thị 2 đ ường làm việc vào trong đồ thị 2 (đồ thị cân bằng pha). Đồ thị 3: Đồ thị xác định số bậc lý thuyết của tháp Từ đồ thị 3 ở trên ta suy số mâm lý thuyết của tháp là Nlt = 10 mâm. Nhưng do ta dùng thiết bị đun nóng gián tiếp nên ta xem thiết bị này như là 1 mâm lý thuyết Vậy số mâm trong tháp là 9 mâm, trong đó + Số mâm phần chưng là 5 + Số mâm phần luyện là 4 2. Xác định số mâm thực tế của tháp Trang 14
  14. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong a. Hiệu suất trung bình của tháp + Vị trí đỉnh Nồng độ phần mol: xP = 0,9144  tsôi = 65,8 oC y * = 0,972 Độ bay hơi tương đối: y * .(1  x) 0,972.(1  0,9144)    3,250 (1  y*).x (1  0,972).0,9144 Tra bảng 1.104, trang 96, [1] Þ Độ nhớt của nước mN = 0 ,432 cP Dùng toán đồ 1.18, trang 90, [1] Þ Độ nhớt của metanol mR = 0,325 cP Công thức (I.12), trang 84, [1] Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lgm hh = x1lgm1 + x2lgm2 Nên: lgmhh = 0,9144.lg0,325 + (1 – 0,9144 ).lg0,432 = -0,478 Þ mhh = 0,333 cP Þ aLmL = 3 ,250.0,333 = 1,082 Tra hình IX, trang 171, [2] Þ E = 46% + Vị trí nhập liệu Nồng độ phần mol: xF = 0,0588 o  tsôi = 91,5 C y * = 0,305 Độ bay hơi tương đối: y * .(1  x) 0,305.(1  0,0588)    7,025 (1  y*).x (1  0,305).0,0588 Tra bảng 1.104, trang 96, [1] Þ Độ nhớt của nước mN = 0 ,312 cP Dùng toán đồ 1.18, trang 90, [1] Þ Độ nhớt của metanol mR = 0,245 cP Công thức (I.12), trang 8 4, [1] Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lgmhh = x1lgm1 + x2lgm2 Nên: lgmhh = 0,0588.lg0,245 + (1 – 0,0588 ).lg0,312 = -0,512 Þ mhh = 0,308 cP Þ aLmL = 7 ,025.0,308 = 2,161 Tra hình IX, trang 171, [2] Þ E = 41% + Vị trí đáy: Nồng độ phần mol: xP = 0,0085  tsôi = 98,5 oC y * = 0,052 Độ bay hơi tương đối: y * .(1  x ) 0,052.(1  0,0085)    6,40 (1  y*).x (1  0,052).0,0085 Tra bảng 1.104, trang 96, [1] Þ Độ nhớt của nước mN = 0 ,289 cP Dùng toán đồ 1.18, trang 90, [1] Þ Độ nhớt của metanol mR = 0,215 cP Công thức (I.12), trang 84, [1] Độ nhớt của hỗn hợp lỏng: lgmhh = x1lgm1 + x2lgm2 Nên: lgmhh = 0,0085.lg0,215 + (1 – 0,0085 ).lg0,289 = -0,541 Þ mhh = 0,288 cP Þ aLmL = 6 ,40.0,288 = 1,842 Trang 15
  15. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong Tra hình IX, trang 171, [2] Þ E = 43% + Hiệu suất trung b ình của tháp 46  41  43 E tb   43,3% 3 b. Chiều cao tháp - Số mâm thực tế của tháp N 9 N tt  lt   21 mâm Etb 0,433 Trong đó N 5 N ttC  C   12 mâm Etb 0,433 N 4 N ttL  L   9 mâm Etb 0,433 - Chiều cao to àn tháp: Sử dụng công thức IX.54, trang 169, [2] Htháp = Ntt.(hmâm + d ) = 21.( 0,25 + 0,002 ) + 0,8 = 6,092 m h - Chọn đáy (nắp) tiêu chu ẩn có t  0,25 suy ra ht = 0,25.D = 0,25.0,4 = 0,10 m Dt - Chọn chiều cao gờ: hg = 25 mm = 0,025 m - Chiều cao đáy (nắp): Hđn = ht + hg = 0,1 + 0,025 = 0,125 m Kết luận: Chiều cao to àn tháp: H = 6,34 m III. Trở lực tháp: Cấu tạo mâm lỗ: + Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với: - Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm. - Đường kính lỗ dl = 3 mm = 0,003 m - Chiều cao gờ chảy tràn: hgờ = 30mm = 0,03 m - Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm. - Lỗ bố trí theo hình lục giác đều. - Kho ảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 15 mm. - Bề dày mâm b ằng 2 mm - Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T. + Số lỗ trên 1 mâm: 2 2 D  8% S m  0,4   0,08 t   0,08.  = 1422 lỗ N= d  Sl  0,003   l Gọi a là số hình lục giác. Áp dụng công thức (V.139), trang 48, [2]: N = 3a(a-1) +1 Giải phương trình bậc 2 Þ a = 22,3 » 23 Þ N = 1519 lỗ Số lỗ trên đường chéo: b = 2a - 1 = 43 lỗ 2. Trở lực của đĩa khô: Áp dụng công thức (IX.140), trang 194, [2]: Trang 16
  16. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong ' 2 . H Pk   2 Đối với đĩa có tiết diện tự do bằng 10 % diện tích mâm thì x = 1,82 2.1. Phần luyện  0,812 Vận tốc hơi qua lỗ:  ' L  L   10,15 m/s 8% 0,08 10,15 2.0,8965  84,05 N/m2 Nên: DPkL = 1,82. 2 2.2. Phần chưng  C 0,844 Vận tốc hơi qua lỗ:  'C    10,55 m/s 8% 0,08 10,55 2.0,566  57,33 N/m2 Nên: PkC  1,82. 2 3. Trở lực do sức căng bề mặt Vì đĩa có đường kính lỗ > 1mm Þ Ap dụng công thức (IX.142), trang 194, [2]: 4 P  1,3d loã  0,08d 2 loã 3.1. Phần luyện Tại nhiệt độ trung b ình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 73,4oC thì: · Tra b ảng 1.249, trang 310, [1] Þ Sức căng bề mặt của nước sNL = 0,6334 N/m · Tra b ảng 1.242, trang 300, [1] Þ Sức căng bề mặt của rượu sRL = 0 ,0184 N/m Ap dụng công thức (I.76), trang 299, [1]: 11 1   1 2    1  2 1   2 0,6334.0,0184  LL   0,0179 N/m 0,6334  0,0184 4  0,0179  18,36 N/m2 PL  1,3  0,003  0,08  0,003 2 3.2. Phần chưng Tính toán tương tự như phần luyện Tại nhiệt độ trung b ình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 94,6oC thì: · Tra b ảng 1.249, trang 310, [1] Þ Sức căng bề mặt của nước sNL = 0,5964 N/m · Tra b ảng 1.242, trang 300, [1] Þ Sức căng bề mặt của rượu sRL = 0 ,0160 N/m Ap dụng công thức (I.76), trang 299, [1]: 11 1   1 2    1  2 1   2 0,5964.0,0160  LL   0,0126 N/m 0,5964  0,0160 4  0,0126  12,92 N/m2 PL  1,3  0,003  0,08  0,003 2 Trang 17
  17. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong 4. Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra: Ap dụng công thức trang 68, [3] DPb = 1,3hbKrLg Với: hb = hgờ + Dhl 2/ 3  QL  h l     1,85L K    gôø Trong đó: Lgờ : chiều d ài của gờ chảy tràn, m K = rb/rL : t ỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng của chất lỏng, lấ y gần bằng 0,5. n .M QL  L L : suất lượng thể tích của pha lỏng, m3/s. L Tính chiều dài g ờ chảy tràn : Ta có: Squạt - SD = Sbán nguyệt R2   20% 2 1  R  2. R sin R cos  2 2 2 2 2 a - sina = 0,2p Dùng phép lặp Þ a = 1,627 rad = 93,32 o  93,32 Nên Lgờ = Dt . sin( )  0,4. sin( )  0,290 m 2 2 4.1. Phần luyện: Khối lượng mol trung b ình của pha lỏng trong phần luyện: MLL = 0,4866.32 + (1 – 0,4866 ).18 = 24,81 kg/kmol Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện: G .R.M LL 83,57.3,71.24,81  8,17.10  5 m3/s QLL = P  M P . LL 31,30.835,78.3600 2/3  8,17.10 5  hlL    1,85.0,290.0,5   0,0045 m    Cho ta: DPbL = 1,3.(hgờ + DhlL).KrLLg = 1,3.(0,03 + 0,0045). 0,5. 835,78. 9,81 = 183,86 N/m2 4.2. Phần chưng Trang 18
  18. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong Tính toán tương tự như phần luyện Khối lượng mol trung b ình của pha lỏng trong phần luyện: MLC = 0,034.32 + (1 – 0,034).18 = 16,54 kg/kmol Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện: G .R.M LC 83,57.3,71.16,54  4,83.10 5 m3/s Q LC = P  M P . LC 31,30.941,39.3600 2/3  4,83.10 5  hlC    1,85.0,290.0,5   0,0032 m    Cho ta: DPbC = 1 ,3.(hgờ + DhlC).KrLCg = 1,3.(0,03 + 0,0032). 0,5. 941,39. 9,81 = 199,29 N/m2 5. Tổng trở lực thuỷ lực của tháp Tổng trở lực của 1 mâm trong phần luyện của tháp là: DPL = DPkL + DPsL + DPbL = 84,05 + 18,36 + 183,86 = 286,27 N/m2 Tổng trở lực của 1 mâm trong phần chưng của tháp là: DPC = DPkC + DPsC + DPbC = 57,33 + 12,92 + 199,29 = 269,54 N/m2 Kiểm tra hoạt động của mâm: - Kiểm tra lại khoảng cách mâm h = 0,25m đ ảm bảo cho điều kiện hoạt P động b ình thường của tháp: h > 1,8 ( trang 70, [3] ) L g Với các mâm trong phần luyện trở lực thuỷ lực qua 1 mâm lớn hơn trở lực thuỷ lực của mâm trong p hần chưng, ta có: PL 286,27  1,8  0,063 m 1,8  LL g 835,78.9,18 Þ Điều kiện trên được thỏa. - Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động của mâm. Từ công thức trang 70, [3] Ta có vận tốc tối thiểu qua lỗ của pha hơi vmin đủ để cho các lỗ trên mâm đ ều hoạt động: g LL hbL 9,81.835,78.(0,03  0,0045)  0,67  8,822 m/s < 10,15 m/s vmin = 0 ,67  HL 1,82.0,8965 Þ Các lỗ trên mâm đ ều hoạt động. Kết luận: Tổng trở lực thủy lực của tháp: DP = NttL.DPL + NttCDPC = 9 . 286,27 + 14. 269,54 = 6350,0 (N/m2) 6. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động : Khoảng cách giữa 2 mâm: Dh = 250 mm Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức (5.20), trang 120, [3]: ,mm.chất lỏng hd = hgờ + Dhl + DP + hd’ Trong đó: + hgờ : chiều cao gờ chảy tràn ,mm + Dhl : chiều cao lớp chất lỏng trên mâm ,mm + DP: tổng trở lực của 1 mâm ,mm.chất lỏng Trang 19
  19. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong + hd’ : tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được xác định theo biểu thức (5.10), trang 115, [3]: 2  QL  h d '  0,128.  100.S   d  ,mm.chất lỏng + QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h). + Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm.  Sd = 0,8 . Smâm = 0 ,8. .0,42 = 0,10 m2 4 1 Để tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì: hd £ Dh = 125 mm 2 6.1. Phần luyện DhlL = 0,0045 . 1000 = 4,5 mm 286,27 286,27  1000  34,92 mm.chất lỏng DPL =  1000   LL g 835,78.9,81 2 2  8,17.10 5.3600   QLL  4 hd 'L  0,128.   0,128. 100.0,10   1,11.10 mm.chất lỏng  100.S    d   Nên: hdL = 30 + 4,5 + 34,92 + 1,11.10 -4 = 69,42 mm < 125 mm Vậy: Khi hoạt động thì mâm ở phần luyện sẽ không bị ngập lụt. 6.2. Phần chưng DhlC = 0,0032 . 1000 = 3 ,2 (mm) 269,54 269,54  1000   1000  40,02 mm.chất lỏng DPC =  LC g 941,39.9,81 2 2  4,83.10 5.3600   QLC  5    0,128. 100.0,10   3,89.10 mm.chất lỏng hd 'C  0,128.    100.S d    -5 Nên: hdC = 30 + 3,2 + 40,02 + 3,89.10 = 73,22 mm < 125 mm Vậy: Khi hoạt động thì mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt. Kết luận: Khi ho ạt động tháp sẽ không bị ngập lụt. IV. Bề dày tháp : 1 . Thân tháp Vì tháp ho ạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía. Thân tháp đ ược ghép với nhau bằng các mối ghép bích. Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm ta chọn thiết bị thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T. 1.1. Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán Nhiệt độ tính toán: t = tmax= 100oC Áp suất tính toán: vì tháp ho ạt động ở áp suất thường nên: P = Pthủy tĩnh + DP Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp:    LC 941,39  835,78  888,85 kg/m3 rL = LL  2 2 Nên: P = rLgH + DP = 888,58. 9,81. 5,17 + 6350,0 = 51416.7 N/m2 = 0,0514 N/mm2 Trang 20
  20. Ñoà aùn moân hoïc GVHD: Thaày Mai Thanh Phong Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường : Vì môi trường có tính ăn mòn và thời gian sử dụng thiết bị là trong 20 năm Þ Ca = 1 mm Ứng suất cho phép tiêu chuẩn : Vì vật liệu là X18H10T Þ [s]* = 142 (N/mm2) (Hình 1.2, trang 16, [7]) Hệ số hiệu chỉnh : Vì thiết bị không bọc lớp cách nhiệt Þ h = 1 (trang 26, [7]) Ứng suất cho phép: [s] = h [s]* = 142 (N/mm2) Hệ số bền mối hàn: Vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía Þ jh = 0,95 (Bảng XIII.8, trang 362, [2]) 1.2. Tính bề dày [ ] 142 h   0,95  2443,84 > 25 Ta có: P 0,0552 Dt P 400  0,0514 Þ S’ =  0,077 mm Þ S’ + Ca = 0,077 + 1 = 1,077 mm  2[ ] h 2  142  0,95 Quy tròn theo chu ẩn: S = 2 mm (Bảng XIII.9, trang 364, [2]) Bề d ày tối thiểu: Smin = 2 mm (Bảng 5.1, trang 94, [7]) Þ Bề dày S = 2 mm 1.3. Kiểm tra độ bền S  Ca 2 1  2,5.10 3  0,1 (thỏa)  0,1 Điều kiện:  400 2[ ]Dt ( S  C a ) 2  142  0,95  (2  1)  0,673 > P = 0,09 (thỏa) Nên: [ P]   Dt  ( S  C a ) 400  (2  1) Kết luận: S = 2 mm 2 . Đáy và nắp: Chọn đáy và nắp có dạng hình ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10T Chọn bề d ày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp: S = 3 mm. Kiểm tra điều kiện:  S  Ca  D  0,125  t  2[] h (S  C a ) [P ]  P R t  (S  C a )   ht Vì đáy và nắp có hình ellip tiêu chuẩn với  0,25 Þ Rt = Dt Dt Þ Điều kiện trên được thỏa như đã kiểm tra ở phần thân tháp. Kết luận: Kích thước của đ áy và nắp: Đường kính trong: Dt = 400 mm ht = 100 mm Chiều cao gờ: hgờ = 25 mm Bề dày: S = 2 mm Diện tích bề mặt trong: Sbề mặt = 0,2 m2 (Bảng XIII.10, trang 382, [2]) Trang 21
Theo dõi chúng tôi
Đồng bộ tài khoản