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 THI
ẾT 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 lượ
ng 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
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 THIẾ
T 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 li
ệu 94
4.2.3. Tính và chọn bơm 95
KẾT LUẬN 99
vậy các sản phẩm cũng đòi hỏi cao hơn, đa d
ạng 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 l
ỗ có ống chảy truyền, tháp đệm… Cùng với các thiết bị ta
có các phương pháp chưng cất là:
a. Áp suất làm việc:
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 c
ấu 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 CH
3
CH
2
COOH. 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 ch
ất. 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(CH
2
tác (phản ứng HVZ) để tạo ra CH
3
CHBrCOOH.
• 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 – 50
0
C
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 l
ại, 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
• 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 đ
ã 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 lớ
n. 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
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 tạ
o 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 r
ất 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,
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
1
2
3
4
5
10
6
7
8
9
H¬i ®èt
N−íc l¹nh
N−íc
Vì vậy hơi từ đĩa phía dưới lên đĩa phía trên, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao
sẽ được ngưng tụ lại và cuối cùng trên đỉnh ta thu được hỗn hợp gồm hầu
hết các cấu tử dễ bay hơi. Hơi đó đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6), ở đây
nó được ngưng tụ lại.
Một phần chất lỏng đi qua thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt
độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8), một phần khác hồi lưu
về tháp ở đĩa trên cùng.
Chấ
t lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu
tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi và do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi
trong chất lỏng ngày càng tăng và cuối cùng ở đáy tháp ta thu dược hỗn hợp
lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi. Chất lỏng đi ra khỏi tháp được làm
lạnh rồi
đi vào thùng chứa sản phẩm đáy (10). Như vậy với thiết bị làm việc
liên tục thì hỗn hợp đầu được đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được tháo
ra liên tục.
ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa
Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công
13
Chương 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
2.1. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ:
• Kí hiệu các đại lượng như sau:
F : lượng nguyên liệu đầu (kmol/h)
P : lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)
W: lượng sản phẩm đáy (kmol/h)
x
a
W
: Nồng độ nước trong sản phẩm đáy = 0,02 (phần khối lượng)
M
A
: Khối lượng phân tử của nước = 18 (kg/kmol)
M
B
: Khối lượng phân tử của axit propinic = 74 (kg/kmol)
ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa
Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công
14
• Đổi từ phần khối lượng sang phần mol:
x
F
=
a
F
/M
A
a
F
/M
) / M
B
=
80 / 18
80 /18 + 20 / 72
= 0,94267(phần mol)
x
W
=
a
W
/ M
A
a
W
/ M
A
+ (100 - a
W
) / M
B
=
.
Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống chưng
DU
D0
F,xF
D, yD
P,xP
L0
LU
W,x W
ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa
Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công
15
Phương trình cân bằng vật liệu:
G
F
= G
P
+ G
W
Trong đó:
- G
G
F
= 15.10
3
(kg / h)=
15.10
3
39,5488
= 379,378 (kmol / h)
Lượng sản phẩm đỉnh:
G
P
=G
F
.
a
F
- a
W
a
P
- a
W
=15.10
3
.
0,80 - 0,28
0,80 - 0,02
= 10000 (kg / h)
=> G
W
=
10000
69,6656
= 143,543 (kmol / h)
2.1.2.Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu
Từ số liệu bảng IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-2 trang 148) ta có thành
phần cân bằng lỏng hơi của nước - axitpropionic được cho theo bảng sau
Từ bảng số liệu trên ta vẽ được đồ thị y - x, từ đó xác định được chỉ số hồi
lưu tối thiểu:
x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y 0 22 37 54,5 66 74,9 80,5 84,4 87,5 90,3 93,2 100
t 141,4 117,2 109,0 104,2 102,2 101,1 100,4 100,0 99,7 99,1 99,6 100
ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa
Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công
16
F
= 0,848956. Từ đó ta tính được R
min
:
R
min
=
x
P
- y
*
F
y
*
F
- x
F
=
0,94267 - 0,848956
0,848956 - 0,6152
= 0,4009
Tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu làm việc bằng:
min
(1, 2 2,5).
R
R=÷
Ta biết R
min
, cho β biến thiên bất kì trong khoảng (1,2÷2,5), tính được
R tương ứng. Ở mỗi R tương ứng ta vẽ đường làm việc và vẽ các bậc thay
đổi nồng độ lý thuyết N.
Dưới đây là các đồ thị xác định số đĩa lí thuyết trên cơ sở đường cân
bằng,
P
x
,
F
x
,
W
x
. Đường làm việc đoạn luyện đi qua điểm (
P
x
,
P
y
) và cắt
trục tung tại điểm có tung độ B =
x
ĐH Công nghiệp Hà Nội – Khoa CN Hóa
Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công
18
Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công
19
Lê Thị Hiền – Lớp Đại học công nghệ Hóa 1-k3. Đồ án hóa công
20 β = 1,8; R
β = 2,0; R
th
= 0,8018; B
β = 2,2; R
th
= 0,88198; B
11
= 0,50089; N = 9
Hình 2.7. Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết
β = 2,3; R
th
= 0,92207; B
12
= 0,590445; N = 9
Hình 2.8. Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết
x
P
x
W
β = 2,4; R
th
= 0,96216; B
13
= 0,480402; N = 9
Hình 2.9. Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết x
x
W
B
13 β = 2,5; R
th
= 1,00225; B
14
= 0,470805; N = 9
Hình 2.10. Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết
x
P
x
F
x
W
B
14
y*
F
Copyright: Tài liệu đại học ©