Đồ án hóa công: Thiết kế hệ thống chưng luyện

ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công 1 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................ 4 Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG .............................................................. 5 1.1: LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN: ................................................ 5 1.1.1: Phương pháp chưng luyện:........................................................... 5 1.1.2. Thiết bị chưng luyện: ................................................................... 6 1.2.GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG LUYỆN: ................................ 6 1.2.1.Axit propinic ................................................................................. 6 1.2.2. Nước (H2O) ................................................................................. 8 1.3. DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT ........................................................... 11 Chương 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH ........................................... 13 2.1. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ: ............. 13 2.1.1.Cân bằng vật liệu ......................................................................... 14 2.1.2.Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu ........................................................ 15 2.1.3.Tính chỉ số hồi lưu thích hợp ...................................................... 17 2.1.4.Số đĩa lý thuyết. .......................................................................... 27 2.1.5.Phương trình đường nồng độ làm việc: ....................................... 27 2.2. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP .......................................................... 28 2.2.1.Lượng hơi trung bình các dòng pha đi trong tháp. ...................... 28 2.2.2.Khối lượng riêng trung bình ........................................................ 33 2.2.3. Vận tốc hơi đi trong tháp ............................................................ 36 2.2.4. Tính đường kính tháp ................................................................. 36 2.3. TÍNH CHIỀU CAO THÁP .............................................................. 37 2.3.1. Hệ số khuếch tán ........................................................................ 37 2.3.2. Hệ số cấp khối ............................................................................ 39 2.3.3. Hệ số chuyển khối, đường cong động học, số đĩa thực tế: ......... 42 2.3.4. Hiệu suất tháp, chiều cao tháp .................................................... 47 2.4. TÍNH TRỞ LỰC THÁP ................................................................... 49 ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công 2 2.4.1. Trở lực của đĩa khô .................................................................... 49 2.4.2. Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt. ........................................... 50 2.4.3. Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa .............................................. 51 2.4.4. Trở lực của tháp ......................................................................... 51 2.5. TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG ............................................... 52 2.5.1. Tính cân bằng nhiệt trong thiết bị gia nhệt hỗn hợp đầu: ........... 52 2.5.2. Tính cân bằng nhiệt lượng toàn tháp chưng luyện ..................... 54 2.5.3. Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị ngưng tụ: .................... 57 2.5.4. Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị làm lạnh ..................... 58 Chương 3. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ ............................................................ 60 3.1. TÍNH TOÁN THÂN THÁP: ............................................................ 60 3.1.1. Áp suất trong thiết bị. ................................................................. 60 3.1.2. Ứng suất cho phép ...................................................................... 61 3.1.3 Tính hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc: ................... 61 3.1.4. Đại lượng bổ sung. ..................................................................... 62 3.1.5. Chiều dày thân tháp. ................................................................... 62 3.2. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN ......................................... 63 3.2.1. Đường kính ống chảy chuyền .................................................... 64 3.2.2. Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp................................ 64 3.2.3. Đường kính ống dẫn hơi đỉnh tháp. ............................................ 65 3.2.4. Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy. ........................................... 65 3.2.5.Đường kính ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu .................................. 66 3.2.6. Đường kính ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu. ......................... 67 3.3. TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ ..................................................... 67 3.4 CHỌN MẶT BÍCH ........................................................................... 70 3.4.1. Chọn mặt bích để nối thân tháp và nắp, đáy ............................... 70 3.4.2. Chọn mặt bích để nối ống dẫn thiết bị: ...................................... 70 3.5. TÍNH VÀ CHỌN GIÁ ĐỠ, TAI TREO .......................................... 71 ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công 3 3.5.1. Tính khối lượng toàn bộ tháp ..................................................... 71 3.5.2. Tính tai treo ................................................................................ 74 Chương 4. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ ................................................ 77 4.1 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU ................... 77 4.1.1. Tính hiệu số nhiệt độ trung bình ................................................ 77 4.1.2. Tính lượng nhiệt trao đổi ............................................................ 78 4.1.3. Tính hệ số cấp nhiệt. .................................................................. 78 4.2. TÍNH BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ .................................................. 85 4.2.1. Tính các trở lực .......................................................................... 86 4.2.2. Tính chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu ......................... 94 4.2.3. Tính và chọn bơm ...................................................................... 95 KẾT LUẬN .............................................................................................. 99 ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công 4 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nền công nghiệp đã mang lại cho con người những lợi ích vô cùng to lớn về vật chất và tinh thần. Để nâng cao đời sống nhân dân, để hòa nhập chung với sự phát triển chung của các nước trong khu vực cũng như trên thế giới Đảng và Nhà nước ta đã đề ra mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Trong tiến trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước những ngành mũi nhọn như công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ điện tử tự động hóacông nghệ hóa giữ vai trò quan trọng trong việc sản xuất các sản phẩm phục vụ cho nền kinh tế quốc dân, tạo tiền đề cho nhiều ngành khác phát triển. Khi kinh tế phát triển thì nhu cầu của con người ngày càng tăng. Do vậy các sản phẩm cũng đòi hỏi cao hơn, đa dạng hơn, phong phú hơn, theo đó công nghệ sản xuất cũng phải nâng cao. Trong công nghệ hóa học nói chung việc sử dụng hóa chất có độ tinh khiết cao là yếu tố căn bản tạo ra sản phẩm có chất lượng cao. Có nhiều phương pháp khác nhau để làm tăng nồng độ, độ tinh khiết như: chưng cất, cô đặc, trích ly. Tùy vào tính chất của hệ mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp. ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công 5 Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1: LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN: 1.1.1: Phương pháp chưng luyện: Chưng luyện là một phương pháp nhằm để phân tách một hỗn hợp khí đã hóa lỏng dựa trên độ bay hơi tương đối khác nhau giữa các cấu tử thành phần ở cùng một áp suất. Phương pháp chưng luyện này là một quá trình trong đó hỗn hợp được bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần. Kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp ta thu được một hỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi và nồng độ đạt yêu cầu. Phương pháp chưng luyện cho hiệu suất phân tách cao, vì vậy nó được sử dụng nhiều trong thực tế. Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, người ta đưa ra nhiều thiết bị phân tách đa dạng như tháp chóp, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền, tháp đệm Cùng với các thiết bị ta có các phương pháp chưng cất là: a. Áp suất làm việc: - Chưng cất ở áp suất thấp. - Chưng cất ở áp suất thường. - Chưng cất ở áp suất cao. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên nhiệt độ sôi của các cấu tử: nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì giảm áp suất làm việc để giảm nhệt độ sôi của các cấu tử. b. Nguyên lý làm việc: có thể làm việc theo nguyên lý liên tục hoặc gián đoạn: • Chưng gián đoạn: phương pháp này được sử dụng khi: Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau. Không cần đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi. Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử. • Chưng liên tục: là quá trình được thực hiện liên tục nghịch dòng và nhiều đoạn. ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công 6 1.1.2. Thiết bị chưng luyện: Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp khác nhau nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích tiếp xúc bề mặt pha lớn. Tháp chưng cất phong phú về kích cỡ và ứng dựng. Các tháp lớn thường được sử dụng trong công nghệ lọc hóa dầu. Đường kính tháp phụ thuộc vào lượng pha lỏng và lượng pha khí, độ tinh khiết của sản phẩm. Mỗi loại tháp chưng lại có cấu tạo riêng, có ưu điểm và nhược điểm khác nhau, vậy ta phải chọn loại tháp nào cho phù hợp với hỗn hợp cấu tử cần chưng và tính toàn kích cỡ của thết bị cho phù hợp với yêu cầu. Trong đồ án này em được giao thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp hai cấu tử là Nước – axitpropionic, chế độ là việc ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi. 1.2.GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG LUYỆN: 1.2.1.Axit propinic Axít propinic là một axít cacboxylic có nguồn gốc tự nhiên với công thức hóa học CH3CH2COOH. Ở trạng thái tinh khiết và trong điều kiện thông thường, nó là một chất lỏng không màu có tính ăn mòn và mùi hăng. • Lịch sử: Axít propinic lần đầu tiên được Johann Gottlieb miêu tả năm 1844. Ông là người đã tìm thấy nó trong số các sản phẩm phân hủy của đường. Trong khoảng thời gian vài năm sau đó, các nhà hóa học khác cũng tạo ra axít propinic theo các cách khác nhau, nhưng không có ai trong số họ nhận ra rằng họ đã tạo ra cùng một hợp chất. Năm 1847, nhà hóa học người Pháp là Jean-Baptiste Dumas đã chứng minh được tất cả các axít trên đây chỉ là một hợp chất và ông gọi nó là axít propinic, lấy theo tiếng Hy Lạp protos = "đầu tiên" và pion = "béo", do nó là axít với công thức tổng quát H(CH2)nCOOH nhỏ nhất có các tính chất của một axít béo, chẳng hạn như sự tạo ra một lớp váng mỡ khi bị kết tủa bởi muối và có muối với kali có tính chất giống xà phòng. • Tính chất: Axít propinic có các tính chất vật lý trung gian giữa các tính chất của các axít cacboxylic nhỏ hơn như axít fomic và axít axetic, với các axít béo ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công 7 lớn hơn. Nó hòa tan trong nước với bất kì tỉ lệ nào nhưng có thể bị loại ra khỏi nước bằng cách cho thêm muối. Phân tử gam: 74,08 g/ml Tỉ trọng: 0,99 g/cm3 Điểm nóng chảy: -20,70C Điểm sôi: 141,10C Tính chất hóa học: axít propinic thể hiện các tính chất chung của axít cacboxylic, và tương tự như phần lớn các axít cacboxylic khác, nó tạo ra các hợp chất amit, este, anhyđrit và clorua. Nó cũng có thể tham gia phản ứng halôgen hóa pha alpha với brôm khi có mặt PBr3 làm chất xúc tác (phản ứng HVZ) để tạo ra CH3CHBrCOOH. • Sản xuất: Trong công nghiệp, axit propinic thông thường được sản xuất từ phản ứng ôxi hóa của propionalđehit bằng không khí. Phản ứng được tiến hành trong pha lỏng, có mặt các muối của mangan hoặc coban, xảy ra theo cơ chế gốc chuỗi, nhiệt độ 40 – 500C Một lượng lớn axít propionic đã từng được sản xuất như là phụ phẩm của việc sản xuất axit axetic, nhưng ngày nay thì nó chỉ là một nguồn rất nhỏ trong sản xuất axít propionic. Nhà sản xuất lớn nhất thế giới hiện nay là BASF, với công suất khoảng 80 ktpa. Axit propioic có thể được sản xuất bằng phương pháp cacbonyl hóa. Cho anken tác dụng với nước và CO. Axit propionic cũng được tạo ra theo phương pháp sinh học từ sự phân hủy do trao đổi chất của các axít béo chứa số lẻ các nguyên tử cacbon, cũng như từ sự phân hủy của một số axít amin. Các vi khuẩn thuộc chi Propionibacterium cũng tạo ra axít propionic như là sản phẩm cuối cùng trong hoạt động trao đổi chất kỵ khí của chúng. Các vi khuẩn này được tìm thấy rất phổ biến trong dạ dày của các động vật nhai lại, và hoạt động của chúng là một phần nguyên nhân tạo ra mùi vị của cả pho mát Thụy Sỹ và mồ hôi. • Ứng dụng: ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công 8 Axit propionic ngăn cản sự phát triển của mốc và một số vi khuẩn. Do vậy, phần lớn axit propionic được sản xuất để sử dụng làm chất bảo quản trong công nghiệp thực phẩm. Đối với thức ăn cho gia súc, nó dược sử dụng hoặc là trực tiếp hoặc dưới dạng muối amoni. Đối với thực phẩm dành cho con người, đặc biệt là bánh mì và các sản phẩm nướng khác, nó được dùng dưới dạng các muối natri hay canxi. Axit propionic cũng là một hóa chất trung gian có ích. Nó có thể sử dụng để thay đổi các sợi xenlulozo tổng hợp. Nó cũng được dùng để sản xuất một số thuốc trừ sâu và dược phẩm. Các este của axit propionic đôi khi được dùng làm dung môi hay các chất tạo mùi nhân tạo. 1.2.2. Nước (H2O) Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có công thức hóa học là H2O. Với các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết hiđrô và tính bất thường của khối lượng riêng) nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời sống; 70% diện tích của Trái Đất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3% tổng lượng nước trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước uống. • Cấu tạo: Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hidro và một nguyên tử oxy. Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45°. Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện. Chiều dài của liên kết O-H là 96,84 picomet. • Tính lưỡng cực: Oxy có độ âm điện cao hơn hidro. Việc cấu tạo thành hình ba góc và việc tích điện từng phần khác nhau của các nguyên tử đã dẫn đến cực tính dương ở các nguyên tử hiđrô và cực tính âm ở nguyên tử oxy, gây ra sự lưỡng cực. Dựa trên hai cặp điện tử đơn độc của nguyên tử ôxy, lý thuyết VSEPR đã giải thích sự sắp xếp thành góc của hai nguyên tử hiđrô, việc tạo thành mô men lưỡng cực và vì vậy mà nước có các tính chất đặc biệt. Vì ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công 9 phân tử nước có tích điện từng phần khác nhau nên một số sóng điện từ nhất định như sóng cực ngắn có khả năng làm cho các phân tử nước dao động, dẫn đến việc nước được đun nóng. Hiện tượng này được áp dụng để chế tạo lò vi sóng. • Liên kết hiđrô: Các phân tử nước tương tác lẫn nhau thông qua liên kết hiđrô và nhờ vậy có lực hút phân tử lớn. Đây không phải là một liên kết bền vững. Liên kết của các phân tử nước thông qua liên kết hidro chỉ tồn tại trong một phần nhỏ của một giây, sau đó các phân tử nước tách ra khỏi liên kết này và liên kết với các phân tử nước khác. Đường kính nhỏ của nguyên tử hidro đóng vai trò quan trọng cho việc tạo thành các liên kết hidro, bởi vì chỉ có như vậy nguyên tử hidro mới có thể đến gần nguyên tử oxy một chừng mực đầy đủ. Các chất tương đương của nước, thí dụ như dihidro sulfua (H2S), không tạo thành các liên kết tương tự vì hiệu số điện tích quá nhỏ giữa các phần liên kết. Việc tạo chuỗi của các phân tử nước thông qua liên kết cầu nối hidro là nguyên nhân cho nhiều tính chất đặc biệt của nước, thí dụ như nước mặc dù có khối lượng mol nhỏ vào khoảng 18 g/mol vẫn ở thể lỏng trong điều kiện tiêu chuẩn. Ngược lại, H2S tồn tại ở dạng khí cùng ở trong những điều kiện này. Nước có khối lượng riêng nhỏ nhất ở 4 độ Celcius và nhờ vào đó mà băng đá có thể nổi lên trên mặt nước; hiện tượng này được giải thích nhờ vào liên kết cầu nối hiđrô • Các tính chất hóa lý của nước: ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công 10 Cấu tạo của phân tử nước tạo nên các liên kết hiđrô giữa các phân tử là cơ sở cho nhiều tính chất của nước. Cho đến nay một số tính chất của nước vẫn còn là câu đố cho các nhà nghiên cứu mặc dù nước đã được nghiên cứu từ lâu. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nước đã được Anders Celsius dùng làm hai điểm mốc cho độ bách phân Celcius. Cụ thể, nhiệt độ nóng chảy của nước là 0 độ Celcius, còn nhiệt độ sôi (760 mm Hg) bằng 100 độ Celcius. Nước đóng băng được gọi là nước đá. Nước đã hóa hơi được gọi là hơi nước. Nước có nhiệt độ sôi tương đối cao nhờ liên kết hiđrô Dưới áp suất bình thường nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cao nhất là ở 4 °C: 1 g/cm³ đó là vì nước vẫn tiếp tục giãn nở khi nhiệt độ giảm xuống dưới 4 °C. Điều này không được quan sát ở bất kỳ một chất nào khác. Điều này có nghĩa là: Với nhiệt độ trên 4 °C, nước có đặc tính giống mọi vật khác là nóng nở, lạnh co; nhưng với nhiệt độ dưới 4 °C, nước lại lạnh nở, nóng co. Do hình thể đặc biệt của phân tử nước (với góc liên kết 104,45°), khi bị làm lạnh các phân tử phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác mở. Vì vậy mà tỉ trọng của nước đá nhẹ hơn nước thể lỏng. Khi đông lạnh dưới 4 °C, các phân tử nước phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác mở. Nước là một dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng cực. Các hợp chất phân cực hoặc có tính ion như axít, rượu và muối đều dễ tan trong nước. Tính hòa tan của nước đóng vai trò rất quan trọng trong sinh học vì nhiều phản ứng hóa sinh chỉ xẩy ra trong dung dịch nước. Nước tinh khiết không dẫn điện. Mặc dù vậy, do có tính hòa tan tốt, nước hay có tạp chất pha lẫn, thường là các muối, tạo ra các ion tự do trong dung dịch nước cho phép dòng điện chạy qua. Về mặt hóa học, nước là một chất lưỡng tính, có thể phản ứng như một axit hay bazơ. Ở 7 pH (trung tính) hàm lượng các ion hydroxyt (OH-) cân bằng với hàm lượng của hydronium (H3O+). Khi phản ứng với một axit mạnh hơn thí dụ như HCl, nước phản ứng như một chất kiềm: HCl + H2O ↔ H3O+ + Cl- Với ammoniac nước lại phản ứng như một axit: NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH- ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công 11 1.3. DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT Hình 1.1. Sơ đồ dây chuyền công nghê chưng luyện liên tục H ¬i ®èt N−íc ng−ng 12 3 4 5 10 6 7 8 9 H ¬i ® èt N−íc l¹nh N−íc N−íc ng−ng 11 11 N−íc l¹nh N−íc ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công 12 CHÚ THÍCH: 1. Thùng chứa hỗn hợp đầu 7. Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 2. Bơm 8. Thùng chứa sản phẩm đỉnh 3. Thùng cao vị 9. Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 4. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 10. Thùng chứa sản phẩm đáy 5. Tháp chưng luyện 11. Thiết bị tháo nước ngưng 6. Thiết bị ngưng tụ hồi lưu THUYẾT MINH: Dung dịch đầu ở thùng (1) được bơm (2) b