1 LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ hóa học cũng như các sản phẩm của nó có ảnh hưởng rất lớn
đến nhiều ngành sản xuất khác. Trong đó methanol là một sản phẩm khá được
quan tâm. Trong quy trình sản xuất, methanol thường được chưng cất để đạt
được nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng và tiết kiệm chi phí vận chuyển,
lưu trữ.
Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế hệ thố
ng chưng cất methanol bằng
tháp đệm có năng suất 4000kg/h, nhập liệu ở nhiệt độ sôi với nồng độ 40% ,
sản phẩm đỉnh có nồng độ 98%, sản phẩm đáy có nồng độ 0.5% khối
lượng/khối lượng. Hệ thống được gia nhiệt bằng hơi nước có áp suất 2 at.
Việc thực hiện đồ án là một cơ hội tốt để sinh viên hệ thống hóa các kiến
thức đã học cũng như làm quen với việc lựa chọn tính toán các thiết bị thực tế.
Thực hiện đồ án là một bước để sinh viên làm quen với công việc của một kỹ
sư trong tương lai.
Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy
Nguyễn Văn Lục. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ củ
a
thầy trong thời gian qua để em có thể hoàn thành đồ án này.
2 MỤC LỤC

5.1.2. Chiều cao một đơn vị chuyển khối đoạn luyện 18
5.2. Chiều cao đoạn chưng 19
5.2.1. Số đơn vị chuyển khối đoạn chưng 19
5.2.2. Chiều cao một đơn vị chuyên khối đoạn ch
ưng 20
VI. TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM 21
VII. TÍNH BỀN THÁP ĐỆM 22
7.1. Tính bề dày thân tháp 22
7.2. Tính đáy, nắp 23
7.3. Tính mặt bích 23
7.4. Tính tai treo 25
7.5. Tính chân đỡ 26
VIII. TÍNH CÁC ỐNG DẪN 26
8.1. Ống nhập liệu 26
8.2. Ống hồi lưu sản phẩm đỉnh 26
8.3. Ống tháo sản phẩm đáy 27
8.4. Ống lấy hơi ở đỉnh 27
3

8.5. Ống hơi ở đáy 27
D. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 28
I. THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU 28
II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH 29
III. TÍNH THÙNG CAO VỊ VÀ BƠM 30
IV. THIẾT BỊ GIA NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY 33
E. AN TOÀN LAO ĐỘNG 34
I. PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ 34
1.1. Những nguyên nhân gây cháy nổ trực tiếp 36
1.2. Các biện pháp phòng chống cháy nổ 36
II. AN TOÀN ĐIỆN 36


A. GIỚI THIỆU
I. SƠ BỘ VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT

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 bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Thay
vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp
th
ụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất, pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu đực bấy
nhiêu sản phẩm. Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử
có độ bay hơi bé. Sản phẩm
đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có
độ bay hơi lớn.
Đối với hệ methanol – nước thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là methanol, sản phẩm đáy chủ yếu là
nước.
Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc ( áp suất thấp, áp
suất thường, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn gi
ản, chưng bằng hơi nước trực tiếp,
chưng cất) hay dựa vào phương pháp cấp nhiệt (trực tiếp hay gián tiếp). Việc lựa chọn các
phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của sản phẩm. Đối với hệ methanol nước ta
chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
Trong sản xuất thường dùng nhiề
u loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên
yêu cầu chung của các thiết bị vẫn giống nhau là bề mặt tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ
thuộc vào mức độ phân tán của pha này vào pha kia. Ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là
tháp mâm và tháp chêm.
• Tháp mâm: thân hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau
trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của mâm ta có tháp mâm
chóp hay tháp mâm xuyên lỗ.
5

II. SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU
2.1. Methanol

Methanol là chất lỏng không màu, tan vô hạn trong nước, có mùi đặc trưng, rất độc. Một
lượng nhỏ methanol có thể gây mù lòa, lượng lớn gây tử vong. Methanol có công thức phân tử
CH
3
OH, phân tử lượng 32.04 đvC. Methanol có các tính chất lý hóa sau:
- Nhiệt độ sôi: 64.5
o
C
- Khối lượng riêng ở 20
o
C: ρ = 791.7 kg/m
3

- Độ nhớt ở 20
o
C: μ = 0.6*10
-3
N.s/m
2
= 0.6 cP
- Hệ số dẫn nhiệt ở 20
o
C: λ = 0.179 kcal/m.h.độ = 0.2082 W/m.độ

o
C: C
p
= 4180 J/kg.độ
2.3. Ứng dụng của methanol

Methanol có thể hòa tan với nước, alcohol, ester, ether, ketol và hầu hết các dung môi hữu cơ.
Do đó, methanol thường được dùng làm dung môi và nguyên liệu để sản xuất những chất hữu cơ
khác với số lượng lớn.
Methanol có ái lực đặc biệt với Carbon dioxide và hydrogen sulfide, đây được xem là dung
môi trong quá trình làm ngọt khí Rectisol. Mang tính phân cực trong tự nhiên, methanol thường
tạo hỗn hợp cộng phị với nhiều hợp chất. Methanol làm giảm nhiệt độ hình thành của hydrate khí
tự nhiên, nên đượ
c sử dụng là chất chống đông trong đường ống.
Methanol được dùng để sản xuất formaldehyde, chiếm khoảng 40% lượng tiêu thụ methanol
trên thế giới. Tại Mỹ, vai trò của methanol được tăng cao do được sử dụng trong nhiên liệu
oxygenated với MTBE. Một ứng dụng quan trọng khác của methanol là sản xuất acid acetic;
ngoài ra, nó còn được dùng làm dung môi và hóa chất trung gian.
Ngoài ra methanol còn được dùng làm nguyên liệu sản xuất những hóa chất khác, như
dimethyl terephthalate (DMT), methyl methacrylate, methylamine, và methyl halogenur. Ứng
dụng mới đ
ây nhất là ứng dụng trong nông nghiệp, phun trực tiếp vào cây trồng để kích thích sự
phát triển của cây.

B. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

1 : Thùng chứa hỗn hợp đầu
2 : Bơm chất lỏng
3 : Thùng cao vị
4 : Lưu lượng kế

C. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Quy ước:
F, P, W: lần lượt là hỗn hợp đầu vào, đỉnh và đáy
G
F
: lưu lượng hỗn hợp đầu vào, kmol/h
G
P
: lưu lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h
G
W
: lưu lượng sản phẩm đáy, kmol/h
G
R
: lượng chất lỏng hồi lưu, kmol/h
x
f
: nồng độ phân mol hỗn hợp đầu vào theo methanol, kmol/kmol
x
p
: nồng độ phân mol hỗn hợp đỉnh theo methanol, kmol/kmol
x
w
: nồng độ phân mol hỗn hợp đáy theo methanol, kmol/kmol
a
f


Lưu lượng hỗn hợp đầu vào:

**(1)
f f
F
AB
F aF a
G
MM
−
=+

4000*0.4 4000*(1 0.4)
183.12
32.04 18.02
F
G
−
=+ =
kmol/h
Nồng độ phân mol của hỗn hợp đầu vào
*
*
4000*0.4
0.27
32.04*183.12
f
f
AF

−
+
==
−
+

Nồng độ phân mol của hỗn hợp đáy
1
0.005
32.04
0.0028
0.005 1 0.005
32.04 18.02
w
A
w
ww
AB
w
a
M
x
aa
MM
x
=
−
+
==
−

=
−
+
=
B
f
A
f
P
M
a
M
a
M
kg/kmol
06.18
02.18
005.01
04.32
005.0
1
1
1
=
−
+
=
−
+
=

−
−
== =
−−
kmol/h [2- 144]
0.96 0.27
* 183.12* 131.76
0.96 0.0028
pf
wF
pw
xx
GG
xx
−
−
== =
−−
kmol/h [2- 144]

II. PHƯƠNG
TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THÁP

Bảng 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol- nước
9 x
0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y

x
R
L
x
R
LR
y
1
1
1 +
−
+
+
+
=
[2- 158]
Với : R
x
= G
x
/G
P
: chỉ số hồi lưu
L=G
F
/G
P

Vì hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi nên ta có
ff

C; với x
w
=0.0028 thì t
w

=99.7
o
C
V
ậ
y ta có:
10

88.0
27.064.0
64.096.0
min
=
−
−
=
x
R

Dùng phương pháp thử ta cho các giá trị R
x
khác nhau để tính các giá trị m
y
khác nhau từ đó ta có
bảng sau:

0031.01.2 −= xyIII. CÂN BẰNG
NĂNG LƯỢNG
3.1.

Cân bằng nhiệt
lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu.
11

111
xqngFfD
QQQQQ ++=+
J/h [2- 196]
Trong đó:
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào Q
D1
, chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2at.
)(
1111111
θλ
CrDDQ
d
+==
J/kg [2- 196]
Với D
1
: lượng hơi đốt, kg/h. θ
1

F
= 79
o
C; C
F
= 3645J/kg.độ
Nhiệt lượng do nước ngưng tụ mang ra:
1111111
....
θθ
CDCGQ
ngng
==
J/h [2- 197]
Nhiệt độ mất ra môi trường xung quanh
111
05.0 rDQ
xq
=
J/h [2- 197]
Vậy lượng hơi nước cần thiết để đốt nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là:
84.344
5.2203303*95.0
)30*5.358379*3645(4000
95.0
)(
1
1
=
−

Q
R
= G
R
.C
R
.t
R
J/h, nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào. t
R
= 65
o
C, C
R
= 2813 J/kg.độ
Q
R
= 51.36*31.55*1.33*2813*65= 394069723.6 J/h
Q
y
= P(1+R
x
)λ
đ
; nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp. Với λ
đ
= λ
1
a
1

.t
w
. Với t
w
= 99.7
o
C, C
w
= 4212.48 J/kg.độ ta tính được Q
w

= 999387671 J/h.
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q
ngt
= G
ngt
.C
2
.θ
2
= D
2.
C
2
.θ
2

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Q
xq2
= 0.05D

.C
n
(t
2
– t
1
) [2- 198]
Với Gn : lượng nước lạnh tiêu tốn, kg/h; t
1
= 30
o
C, t
2
= 45
o
C là nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh.
C
n
= 4181.043 J/kg.độ : nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở nhiệt độ trung bình của t
1
và t
2
; ẩn
nhiệt ngưng tụ r = 1145634 J/kg.độ.
Vậy lượng nước làm lạnh tiêu tốn để ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh là:
43.68968
)3045(*043.4181
1145634*)133.1(*55.31*36.51
)(
)1(

(t
2
- t
1
)
Với C
p
= 2785 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ
t’
1
= 65
o
C , t’
2
= 30
o
C là nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh
t
1
= 10
o
C , t
2
= 30
o
C là nhiệt độ đầu và cuối của nước làm lạnh
C
n
= 4184.58 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của nước ở 20
o

tb
g
D
)(
0188.0
ωρ
=
(m)
Với g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h.
(ρ
y
ω
y
)
tb
: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m
2
.s.

4.1.

Lượng hơi trung bình đi trong tháp
4.1.1.

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng theo công thức sau:
2
lđ

theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:
đđll
pPllll
Pll
rgrg
xGxGyg
GGg
=
+=
+=
[2- 182]
13

bđđađ
bllal
ryyrr
ryyrr
)1(
)1(
−+=
−+=

Trong đó: x
l
= x
fr
l

C t
w
= 99.7
o
C
r
A
(kcal/kg)
259.6 267.5 246
r
A
(kcal/kmol)
8317.58 8570.70 7881.84
r
B
(kcal/kg)
551.76 559.7 539.4
r
B
(kcal/kmol)
9942.72 10085.79 9719.99

Với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đầu vào ta tính được r
l
. Với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở
nhiệt độ đỉnh ta tính được r
đ
. Với y
đ
là nồng độ hơi tương ứng với nồng độ pha lỏng x

2
=
+
=
+
=
lđ
tbl
gg
g
kmol/h
Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là:
83.65
2
34.6332.68
2
=
+
=
+
=
lR
tbl
GG
G
kmol/h

4.1.2.

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng

l
’
và hàm lượng lỏng x
l
’
được xác định theo hệ phương
trình sau:
14

llnnll
wwwlll
Wll
rgrgrg
xGygxG
GgG
***
***
''''
'''
''
==
+=
+=
[2- 182]
Trong đó y
l
’
= y
w
= 0.0028: tìm theo đường cân bằng ứng với x

g
l
’
=106.24 kmol/h
G
l
’
= 238 kmol/h
X
l
’
= 0.0028 kmol/h
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:
47.110
2
24.1027.114
2
''
=
+
=
+
=
ln
tbc
gg
g
kmol/h
Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là:
67.150

aa
ρρρ
−
+=
[2- 183]
Trong đó ρ
xtb
: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m
3
.
ρ
xtb1
, ρ
xtb2
: khối lượng riêng trung bình của methanol và nước của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung
bình, kg/m
3
.
a
tb
: phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng, kg/kg.
Phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn luyện a
tbl
và đoạn chưng a
tbc
là:
2025.0
2
05.04.0
2

0028.027.0
2
615.0
2
96.027.0
2
=
+
=
+
=
=
+
=
+
=
wf
tbc
pf
tbl
xx
x
xx
x

15

Từ phần mol trung bình của methanol trong pha lỏng ở đoạn chưng và đoạn luyện ta tra vào đồ thị
cân bằng lỏng hơi của methanol- nước ta được nhiệt độ trung bình của đoạn luyện t
tbl

3
,
ρ
xtb2
= 968.5 kg/m
3
.
Vậy khối lượng riêng trung bình của của pha lỏng trong đoạn luyện ρ
xtbl
và đoạn chưng ρ
xtbc
là:
82.801
06.742*)69.01(95.976*69.0
95.976*06.742
)1(
12
21
=
−+
=
−+
=
xtbtbztbtb
xtbxtb
xtbl
aa
ρρ
ρρ
ρ

BtbcAtbcxtbc
MxMxM
kg/kmol

4.2.2.

Khối lượng riêng trung bình của pha khí
Khối lượng riêng trung bình pha hơi được tính theo công thức:
T
MyMy
BtbAtb
ytb
4.22
273])1([ −+
=
ρ
kg/m
3

Với T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp hay của đoạn chưng, đoạn luyện, K.
y
tb
: nồng độ phân mol pha hơi trung bình của đoạn chưng, đoạn luyện. Được tính bằng trung bình
cộng nồng độ hai đầu đoạn tháp:
3214.0
2
64.00028.0
2
8.0
2

ρ
kg/m
3

77.0
)27385(*4.22
273*]02.18*)3214.01(04.32*3214.0[
=
+
−+
=
ytbc
ρ
kg/m
3

Khối lượng phân tử trung bình của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng:
27.2902.18*)8.01(04.32*8.0)1( =−+=−+=
BtblAtblytbl
MyMyM
kg/kmol
53.2202.18*)3214.01(04.32*3214.0)1( =−+=−+=
BtbcAtbcytbc
MyMyM
kg/kmol

4.3.

Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm
Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn kích thước đệm 25x25x3 mm. Tra bảng IX.8, sổ tay quá trình