Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP- TỰ DO- HẠNH PHÚC
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
Họ và tên SV: Nguyễn Ngọc Minh
MSV: 0441120070
Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa 1 Khóa: IV
Khoa: Công nghệ hóa
Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thế Hữu
NỘI DUNG: Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ có ống
chảy truyền để phân tách hỗn hợp: Metylic- Nước với các số liệu ban đầu như
sau:
- Năng suất hỗn hợp đầu = 9988,7kg/giờ
- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi :
+ hỗn hợp đầu a
F
=32,7%
+ hỗn hợp đầu a
p
=92,2%
+ hỗn hợp đầu a
w
=1,0%
Tháp
làm việc
ở áp suất
thường, hỗn hợp được gia nhiệt trong đến nhiệt độ sôi
Nguyễn Ngọc Minh MSV:0441120070 1
B b
Nguyễn Ngọc Minh MSV:0441120070 2
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa
2.1.5 Phương trình đường nồng độ làm việc……………………………….31
2.2 Tính đường kính tháp……………………………………………… 31
2.2.1 Lượng hơi trung bình các dòng pha đi trong tháp………………… 32
2.2.2 Khối lượng riêng trung bình…………………………………………37
2.2.3 Vận tốc đi trong tháp……………………………………………… 40
2.2.4 Tính đường kính tháp……………………………………………… 40
2.3 Tính chiều cao tháp………………………………………………….41
2.3.1 Hệ số khuếch tán…………………………………………………….41
2.3.2 Hệ số cấp khối……………………………………………………….42
2.3.3 Hệ số chuyển khối, đường cong động học, số đĩa thực tế………… 47
2.3.4 Hiệu suất tháp, chiều cao tháp……………………………………….53
2.3.5 Chọn loại đĩa…………………………………………………………53
2.4 Tính trở lực tháp…………………………………………………… 54
2.4.1 Trở lực của đĩa khô………………………………………………… 54
2.4.2 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt………………………………….55
2.4.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa……………………………………56
2.4.4 Trở lực tháp………………………………………………………
2.5 Tính cân bằng nhiệt lượng ……………………………………… 57
2.5.1 Tính cân bằng nhiệt trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu…………58
2.5.2 Tính cân bằng nhiệt lượng toàn tháp chưng luyện……………… 60
2.5.3 Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị ngưng tụ……………….63
2.5.4 Tính cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị làm lạnh……………….64
Nguyễn Ngọc Minh MSV:0441120070 3
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa
PHẦN III: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ……………………………………66
3.1 Tính toán thân tháp…………………………………………………66
3.1.1 Áp suất trong thiết bị…………………………………………… 66
3.1.2 Ứng suất cho phép……………………………………………….67
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa
Lời Cảm Ơn
Chúng ta đang sống trong nền kinh tế hậu công nghiệp hay còn gọi là
kinh tế mới, nền kinh tế tri thức. Đặc trưng chủ yếu của nền kinh tế này là sự
xuất hiện của các ngành công nghệ cao, công nghệ tự động hóa và người máy,
công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới… Trong ngành công nghệ vật liệu
mới không thể không nhắc tới ngành công nghệ hóa học, bởi công nghệ hóa
học thuộc nghành công nghệ đòi hỏi kỹ thuật cao, mức độ phát triển khoa học
của một đất nước.
Khi mà khoa học kỹ thuật càng phát triển, nhu cầu về đồ dùng phương tiện
phục vụ càng lớn thì đòi hỏi đến sản phẩm hóa học càng nhiều. Nhận thấy rõ
sự phát triển như vũ bão của ngành công nghệ hóa học với lối tư duy nhạy
bén và sáng tạo, khoa Công Nghệ Hóa trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đã
đào tạo ra những sinh viên chuyên ngành hóa. Điều đó không chỉ cung cấp
cho đất nước đội ngũ những công nhân lành nghề, những thợ kỹ thuật có tay
nghề cao mà nó còn mở ra cơ hội việc làm cho giới trẻ trong lĩnh vực khá mới
mẻ này.
Là một sinh viên khoa Công Nghệ Hóa của trường, chúng em đã được trang
bị rất nhiều những kiến thức cơ bản về các quá trình thiết bị của công nghệ
sản xuất những sản phẩm hóa học, để củng cố những kiến thức đã học, cũng
như để phát huy trình độ độc lập sáng tạo giải quyết một vấn đề cụ thể của
sinh viên trong thực tế sản xuất, chinh vì vậy khi được nhận bản đồ án quá
trình thiết bị này là một cơ hội tốt để cho chúng em được tìm hiểu về các
quá trình công nghệ, được vận dụng những kiến thức đã được học và mở
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa
rộng vốn kiến thức của mình, từ đó cho chúng em cái nhìn cụ thể hơn về
ngành nghề mình đã lựa chọn.
Bản đồ án này không chỉ làm sáng tỏ thêm lý thuyết, nắm vững phương pháp
tính toán và nguyên lý vận hành thiết bị, mà đây chính là một cơ hội tốt để
sinh viên tập dượt giải quyết những vấn đề cụ thể trong thực tế sản xuất.
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.
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa
- Chưng liên tục: là quá trình được thực hiện liên tục nghịch dòng
và nhiều đoạn.
hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45°. Do các cặp điện tử tự do
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa
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
o 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 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.
- 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
(H
2
S), 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
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa
- 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 (H
3
O
+
).
Khi phản ứng với một axit mạnh hơn thí dụ như HCl, nước phản
ứng như một chất kiềm:
- HCl + H
2
O ↔ H
3
O
+
+ Cl
-
- Với ammoniac nước lại phản ứng như một axit:
3
−
N.s/m2 =0,6 cp
-Hệ số dẫn nhiệt ở 20
o
C
λ = 0,179kcal/m.h.độ = 0,2082 W/m.độ
-Nhiệt dung riêng ở 20
o
C
CP= 2570 J/kg.độ
-Nhiệt hóa hơi
r = 262,79 kcal/kg 64,5
o
C
-Nhiệt độ nóng chảy:
tnc= -97,8
o
C
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa
2.Tính chất hóa học:
Rượu mêtylic có công thức phân tử : CH3OH
công thức cấu tạo : H
H - C - O - H
H
phân tử lượng : 32 đvC
Trong phân tử rượu mêtylic có 3 loại liên kết : C - H , C - O , O - H ,trong đó
hai liên kết sau là liên kết cộng hóa trị phân cực ,đó là do độ âm điện của O
6
7
8
9
H¬i ®èt
N íc l¹nh
N íc
N íc ng ng
11
11
N íc l¹nh
N íc
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa
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) bơm liên tục lên thùng cao vị
(3), mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy
tràn, từ thùng cao vị dung dịch được đưa vào thiết bị đun nóng (4) qua lưu
lượng kế (11), ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi
nước bão hoà, từ thiét bi gia nhiệt (4) dung dịch được đưa vào tháp chưng
luyện (5) nhờ đĩa tiếp liệu, trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất nỏng đi từ
trên xuống, nhiệt độ và nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp.
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.
phần của hơi đi ra ở đỉnh tháp.
+ Cấp nhiệt ở đáy tháp băng hơi đốt gián tiếp.
o Yêu Cầu thiết bị:
F: Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu = 9988,7kg/giờ
Thiết bị làm việc ở áp suất thường (P = 1 at)
Tháp chưng loại: tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền.
o Điều kiện:
a
F
: Nồng độ nước trong hỗn hợp đầu = 32,7% (phần khối lượng)
a
P
: Nồng độ nước trong sản phẩm đỉnh = 92,2% (phần khối lưọng)
a
W
: Nồng độ nước trong sản phẩm đáy = 1% (phần khối lượng)
M
A
: Khối lượng phân tử của nước = 18 (kg/kmol)
M
B
: Khối lượng phân tử của metylic = 32 (kg/kmol)
o Đổi từ phần khối lượng sang phần mol:
x = = = 0,463 (phần mol)
x= = = 0,954 (phần mol)
x = = = 0,0176 (phần mol)
o Tính khối lượng mol trung bình:
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa
Áp dụng công thức: M = x.M + (1 - x).M
Ta có :
Trong đó:
- G là lượng hỗn hợp đầu đi vào tháp (kg / h)
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa
- G là lượng sản phẩm đỉnh (kg / h)
- G là lượng sản phẩm đáy (kg / h)
Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi (H
2
O):
G.a
F
= G.a
P
+ G.a
W
Theo đề bài:
-Lượng hỗn hợp đầu:
G
F
= 9988,7kg/giờ= = 391,437 ( kmol/ h)
-Lượng sản phẩm đỉnh:
G
p
=G . = 9988,7. = 3471,95 ( kg/h)
==>G
P
= = 186,223 (kmol/h)
-Lượng sản phẩm đáy:
G = F. = 9988,7. =6516,75 (kmol/h)
- G
W
cắt trục y tại B và ta xác định được giá trị y
*
= 0,7614. Từ đó ta tính được R:
R =
= = 0,6454
2.1.3.Tính chỉ số hồi lưu thích hợp:
Chỉ số hồi lưu làm việc thường được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối
thiểu:
min
.R R
β
=
Trong đó: β: hệ số dư hay hệ số hiệu chỉnh.
Tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu làm việc bằng:
min
(1, 2 2,5).R R
= ÷
X
F
X
X
w
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa
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
X
F
X
X
w
β
1
= 1,2; R= β.R = 0,77448; B = 0,5376; N =13
Hình 2.1. Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa
X
F
X
X
w
β
2
= 1,4; R= β.R = 0,90355; B = 0,501; N = 11
Hình 2.2. Đồ thị y – x xác định số đĩa lý thuyết
Copyright: Tài liệu đại học ©