Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị " phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho methanol " Đồ án môn học GVHD: Thầy Mai Thanh Phong Trang 3 LỜI MỞ ĐẦU Cơng nghệ hóa học là một trong những ngành đóng góp rất lớn trong sự phát triển của nền cơng nghiệp nước ta.Trong ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng ngun 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, cơ đặc, hấp thu ….Tùy theo đặc tính sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp. Hệ methanol – nước là 2 cấu tử tan lẫn hồn tồn, ta dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho methanol. Đồ án mơn học Q trình và Thiết bị là một mơn học mang tính tổng hợp trong q trình học tập của các kỹ sư hố- thự c phẩm tương lai. Mơn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: u cầu cơng nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hố chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều mơn 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 q thầy cơ bộ mơn Máy & Thiết Bị, các bạn sinh viên đã giúp em hồn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong q trình hồn thành đồ án khơng thể khơng có sai sót, em rất mong q thầy cơ góp ý, chỉ dẫn. Tp HCM, ngày 18.1.2010 Đồ án môn học GVHD: Thầy Mai Thanh Phong Trang 4 CHƯƠNG 1 Tổng quan I. Giới thiệu về ngun liệu 1. Methanol Methanol còn gọi là rượu gỗ, có cơng thức hóa học CH 3 OH. Là chất lỏng khơng màu, dễ bay hơi và rất độc. Các thơng số của methanol: - Phân tử lượng: 32,04 g/mol. - Khối lượng riêng: 0,7918 g/cm 3 . - Nhiệt độ nóng chảy: -97 o C (176K). - Nhiệt độ sơi: 64,5 o C ( 337,8K). - Độ nhớt: 0,59 Ns/m 2 ở 20 o C. 1.1. Ứng dụng Methanol được dùng làm chất chống đơng, làm dung mơi, làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, nhưng ứng dụng lớn nhất là làm ngun liệu để sản xuất các hóa chất khác. Khoảng 40% metanol được chuyển thành forml dehyde, từ đó sản xuất ra chất dẻo, sơn…Các hóa chất khác được 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 lồi vi khuẩn. Kết quả là 1 lượng nhỏ hơi methanol được tạo thành trong khơng khí. Và sau vài ngày khơng khí có chứa methanol sẽ bị oxy hố bởi O 2 dưới tác dụng của ánh sáng chuyển thành CO 2 và H 2 O theo phương trình: 2CH 3 OH + 3O 2 2CO 2 + 4H 2 O Hiện nay methanol được sản xuất bằng cách tổng hợp trực tiếp từ H 2 và CO, gia nhiệt ở áp suất thấp có mặt chất xúc tác. 2. Nước Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng khơng màu, khơng mùi, khơng vị nhưng khối nước dày 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 4 o C : 1 g / ml - Nhiệt độ nóng chảy : 0 0 C - Nhiệt độ sơi : 100 0 C Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống. Nước là dung mơi phân cực mạnh, có khả năng hồ tan nhiều chất và là dung mơi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học. 3. Hỗn hợp Methanol-nước Ta có bảng cân bằng lỏng-hơi cho hỗn hợp methanol-nước ở 1 atm Bảng 1 ẹo aựn moõn hoùc GVHD: Thay Mai Thanh Phong Trang 5 t o C 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 õy x l thnh phn lng y l thnh phn hi II. Lý thuyt v chng ct: 1. Khỏi nim: Chng ct l quỏ trỡnh dựng tỏch cỏc cu t ca mt hn hp lng (cng nh hn hp khớ lng) thnh cỏc cu t riờng bit da vo bay hi khỏc nhau ca cỏc cu t trong hn hp (ngha l khi cựng mt nhit , ỏp sut hi bóo hũa ca cỏc cu t khỏc nhau). Thay vỡ a vo trong hn hp mt pha mi to nờn s tip xỳc gia hai pha nh trong quỏ trỡnh hp thu hoc nh khớ, trong quỏ trỡnh chng ct pha mi c to nờn bng s bc hi hoc ngng t. Trong trng hp n gin nht, chng ct v cụ c khụng khỏc gỡ nhau, tuy nhiờn gia hai quỏ trỡnh ny cú mt ranh gii c bn l trong quỏ trỡnh chng ct dung mụi v cht tan u bay hi (ngha l cỏc cu t u hin din trong c hai pha nhng vi t l khỏc nhau), cũn trong quỏ trỡnh cụ c thỡ ch cú dung mụi bay hi cũn cht tan khụng bay hi. Khi chng ct ta thu c nhiu cu t v thng thỡ h cú bao nhiờu cu t s thu c by nhiờu sn phm. Nu xột h n gin ch cú 2 cu t thỡ ta thu c 2 sn phm: + Sn phm nh ch yu gm cu t cú bay hi ln v mt phn rt ớt cỏc cu t cú bay hi bộ. + Sn phm ỏy ch yu gm cu t cú bay hi bộ v mt phn rt ớt cu t cú bay hi ln. Vy i vi h methanol - nc thỡ: - Sn phm nh ch yu l methanol. - Sn phm ỏy ch yu l nc. 2. Cỏc phng phỏp chng ct: 2.1. Phõn loi theo ỏp sut lm vic - p sut thp - p sut thng - p sut cao 2.2. Phõn loi theo nguyờn lý lm vic - Chng ct n gin - Chng bng hi nc trc tip - Chng ct a cu t 2.3. Phõn loi theo phng phỏp cp nhit ỏy thỏp - Cp nhit trc tip - Cp nhit giỏn tip Vy i vi h methanol - nc, ta nờn chn phng phỏp chng ct liờn tc cp nhit giỏn tip. 3. Thit b chng ct: ẹo aựn moõn hoùc GVHD: Thay Mai Thanh Phong Trang 6 Trong sn xut thng dựng nhiu loi thit b khỏc nhau tin hnh chng ct. Tuy nhiờn yờu cu c bn chung ca cỏc thit b vn ging nhau ngha l din tớch b mt tip xỳc pha phi ln, iu ny ph thuc vo mc phõn tỏn ca mt lu cht ny vo lu cht kia. Nu pha khớ phõn tỏn vo pha lng ta cú cỏc loi thỏp mõm, nu pha lng phõn tỏn vo pha khớ ta cú thỏp chờm, thỏp phun, õy ta kho sỏt 2 loi thng dựng l thỏp mõm v thỏp chờm. - Thỏp mõm: thõn thỏp hỡnh tr, thng ng phớa trong cú gn cỏc mõm cú cu to khỏc nhau, trờn ú pha lng v pha hi c cho tip xỳc vi nhau. Tựy theo cu to ca a, ta cú: - Thỏp mõm chúp : trờn mõm b trớ cú chúp dng trũn, xupap, ch s - Thỏp mõm xuyờn l: trờn mõm cú nhiu l hay rónh - Thỏp chờm (thỏp m): thỏp hỡnh tr, gm nhiu bc ni vi nhau bng mt bớch hay hn. Vt chờm c cho vo thỏp theo mt trong hai phng phỏp: xp ngu nhiờn hay xp th t. So sỏnh u nhc im ca cỏc loi thỏp: Thỏp chờm Thỏp mõm xuyờn l Thỏp mõm chúp u im - Cu to khỏ n gin. - Tr lc thp. - Lm vic c vi cht lng bn. - Tr lc tng i thp. - Hiu sut khỏ cao. - Khỏ n nh. - Hiu sut cao. Nhc im - Do cú hiu ng thnh nờn hiu sut truyn khi thp. - n nh thp, khú vn hnh. - Khú tng nng sut. - Thit b khỏ nng n. - Khụng lm vic c vi cht lng bn. - Kt cu khỏ phc tp. - Cú tr lc ln. - Tiờu tn nhiu vt t, kt cu phc tp. Trong bỏo cỏo ny ta s dng thỏp mõm xuyờn l chng ct h methanol - nc. CHNG 2 Quy trỡnh cụng ngh 1. Thuyt minh quy trỡnh cụng ngh: Hn hp methanol - nc cú nng nhp liu methanol 10% (theo phn hi lng), nhit khong 28 0 C ti bỡnh cha nguyờn liu (13) c bm (1) bm lờn bn cao v (2). T ú c a n thit b trao i nhit vi sn phm ỏy (12). Sau ú, hn hp c ẹo aựn moõn hoùc GVHD: Thay Mai Thanh Phong Trang 7 gia nhit n nhit sụi trong thit b un sụi dũng nhp liu (3), ri c a vo thỏp chng ct (5) a nhp liu. Trờn a nhp liu, cht lng c trn vi phn lng t on luyn ca thỏp chy xung. Trong thỏp, hi i t di lờn gp cht lng t trờn xung. õy, cú s tip xỳc v trao i gia hai pha vi nhau. Pha lng chuyn ng trong phn chng cng xung di cng gim nng cỏc cu t d bay hi vỡ ó b pha hi to nờn t hi nc c cp trc tip vo ỏy thỏp lụi cun cu t d bay hi. Nhit cng lờn trờn cng thp, nờn khi hi i qua cỏc a t di lờn thỡ cu t cú nhit sụi cao l nc s ngng t li, cui cựng trờn nh thỏp ta thu c hn hp cú cu t methsanol chim nhiu nht (cú nng 95% phn khi lng). Hi ny i vo thit b ngng t (7) v c ngng t hon ton. Mt phn ca cht lng ngng t c hon lu v thỏp a trờn cựng. Phn cũn li c lm ngui n 40 0 C, ri a v bỡnh cha sn phm nh. Mt phn cu t cú nhit sụi thp c bc hi, cũn li cu t cú nhit sụi cao trong cht lng ngy cng tng. Cui cựng, ỏy thỏp ta thu c hn hp lng hu ht l cỏc cu t khú bay hi (nc). Hn hp lng ỏy cú nng methanol l 1,5% phn khi lng, cũn li l nc. Dung dch lng ỏy i ra khi thỏp i vo thit b trao i nhit vi dũng nhp liu, ri c a qua bn cha sn pham ỏy (11). H thng lm vic liờn tc cho ra sn phm nh l methanol. Sn phm ỏy l nc sau khi trao khi trao i nhit vi dũng nhp liu c thi b nhit 60 0 C. Chỳ thớch cỏc kớ hiu trong qui trỡnh: 1. Bn cha nguyờn liu 2. Bm 3. Bn cao v 4. Thit b trao i nhit. 5. Thit b un sụi dũng nhp liu 6. Lu lng k. 7. Thỏp chng 8. Thit b un sn phm ỏy 9. Bn cha sn phm nh. 10. Thit b ngng t sn phm nh 11. Thit b lm ngui sn phm nh 12. By hi 13. Bn cha sn phm ỏy Đồ án môn học GVHD: Thầy Mai Thanh Phong Trang 8 CHƯƠNG 3 TÍNH TỐN SƠ BỘ I. Các thơng số ban đầu: - Chọn loại tháp là tháp mâm xun lỗ. Thiết bị hoạt động liên tục. - Khi chưng luyện dung dịch metanol thì cấu tử dễ bay hơi là metanol. - Hỗn hợp: + Methanol: CH 3 OH, M R = 32 (g/mol) + Nước: H 2 O, M N = 18 (g/mol)  Năng suất nhập liệu: G F = 1000 (l/h)  Nồng độ nhập liệu: F x = 10% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)  Nồng độ sản phẩm đỉnh: P x = 95% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)  Nồng dộ sản phẩm đáy: W x = 1,5% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)  Chọn: - Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: t BĐ = 28 o C - Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t PR = 60 o C - Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: t V = 28 o C - Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: t R = 40 o C - Trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sơi.  Các ký hiệu: G F , F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h. G P , P: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h. G W , W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h. L : suất lượng dòng hồn lưu, kmol/h. x i , i x : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i. II. Cân bằng vật chất: 1. Nồng độ phần mol của Methanol trong tháp 0588.0 18/)1.01(32/1.0 32/1.0 /)1(/ /      NFRF RF F MxMx Mx x 9144.0 18/)95.01(32/95.0 32/95.0 /)1(/ /      NPRP RP P MxMx Mx x 0085.0 18/)015.01(32/015.0 32/15.0.0 /)1(/ /      NWRW RW W MxMx Mx x Từ số liệu của bảng 1 ta xây dựng đồ thị t-x,y cho hệ Methnol- nước Đồ án môn học GVHD: Thầy Mai Thanh Phong Trang 9 60 65 70 75 80 85 90 95 100 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 x,y t 0 C hơi lỏng Đồ thị 1 đồ thị t-x,y cho hệ Methnol- nước Do ta chọn trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sơi nên từ đồ thị 1 trên, tại x F = 0.0588 ta nội suy ra nhiệt độ nhập liệu vào tháp chưng cất là T F = 91,5 0 C Tra bảng 1.249, trang 310, {1} ta được N  = 964,25 kg/m 3 Tra bảng 1.2, trang 9, {1} ta được R  = 722.19 kg/m 3 Suy ra khối lượng riêng của hỗn hợp khi nhập liệu vào tháp 3 10.072,1 25,964 1.01 19,722 1.0 1 1       N F R F F xx   0.933 F  kg/m 3 Suy ra G F = 933,0 kg/h Ta có 4,1918).1,01(32.1,0).1(.  NFRFF MxMxM kg/kmol Nên 093,48 4,19 0,933  F F M G F kmol/h ẹo aựn moõn hoùc GVHD: Thay Mai Thanh Phong Trang 10 2. Sut lng mol ca cỏc dũng - Phng trỡnh cõn bng vt cht cho ton thỏp F = P + W F.x F = P.x P + W.x W - Th cỏc giỏ tr vo ta c h phng trỡnh sau 0588,0.093,480085,09144,0 093,48 WP WP P = 2,67 kmol/h W= 45,42 kmol/h - Li cú 30,3118).95,01(32.95,0).1(. NPRPP MxMxM kg/kmol 21,1818).015,01(32.015,0).1(. NWRWw MxMxM kg/kmol - Suy ra G P = P.M P = 2,67.31,30 = 83,57 kg/h G W = W.M W = 45,42.18,21 = 827,1 kg/h 3. Cỏc phng trỡnh lm vic - T bng s liu 1 ta xõy dng thỡ cõn bng pha ca h Methanol-nc ỏp sut 1atm - Vi x F = 0,0588 ta ni suy t th 2 c * F y = 0,295 + T s hon lu ti thiu R min 62,2 0588,0295,0 295,09144,0 * * FF FP xy yx + T s hon lu lm vic: R = 1,3R min + 0,3 = 1,3.2,62 + 0.3 = 3,71 + Sut lng mol tng i ca dũng nhp liu 01,18 0588,00588,0 0085,09144,0 WF WP xx xx f Phng trỡnh ng lm vic ca phn chng: `031,0.61,40085,0. 171,3 01,181 . 171,3 01,1871,3 1 1 1 xxx R f x R fR y W Hay `031,0.61,4 xy Phng trỡnh ng lm vic ca phn luyn: 194,0.788,09144,0. 171,3 1 . 171,3 71,3 . 1 1 1 xxx R x R R y P Hay 194,0.788,0 xy ẹo aựn moõn hoùc GVHD: Thay Mai Thanh Phong Trang 11 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 x y th 2: thỡ cõn bng pha ca h Methanol-nc ỏp sut 1atm CHNG 4: [...]... liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích này chủ yếu dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bị Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng... hoạt động tháp sẽ khơng bị ngập lụt IV Bề dày tháp : 1 Thân tháp Vì tháp hoạt 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 được ghép với nhau bằng các mối ghép bích Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm ta chọn thiết bị thân tháp là thép khơng gỉ mã X18H10T 1.1 Các thơng số cần tra và chọn phục vụ cho q trình tính tốn Nhiệt độ. .. là D = 0,4 m Trang 13 Đồ án môn học GVHD: Thầy Mai Thanh Phong Vận tốc pha hơi trong tháp theo thực tế: 4.QV 4.0,106 C    0,844 m / s 2 3,14.DC 3,14.0,4 2 L  II 4.QV 4.0,102   0,812 m / s 2 3,14.DL 3,14.0,4 2 Chiều cao tháp: 1 Số mâm lý thuyết Ta dựng đồ thị 2 đường 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... 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 Đồ án môn học GVHD: Thầy Mai Thanh Phong a Hiệu suất trung bình của tháp + Vị trí đỉnh Nồng độ phần mol: xP = 0,9144  tsơi = 65,8 oC y * = 0,972 Độ bay hơi tương đối: y... tai treo, tải trọng cho phép trên một tai treo: Gt = Gc = 1000 (N) Tra bảng XIII.36, trang 438, [2] Þ chọn tai treo có các thơng số sau: L B B1 H S Trang 24 l a d Đồ án môn học GVHD: Thầy Mai Thanh Phong 80 55 70 125 4 30 10 14 Khối lượng một tai treo: mtai treo = 0,53 kg IX Cửa nối ống dẫn với thiết bị- bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn: Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo... thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3: Trang 35 Đồ án môn học GVHD: Thầy Mai Thanh Phong - Đường kính ngồi: d n = 38 mm = 0,038 m - Bề dày ống: t = 3 mm = 0,003 m - Đường kính trong: d tr = 0,032 m Chọn - Nước làm lạnh đi trong ống trong với nhiệt độ vào tV = 28 oC và nhiệt độ ra tR = 40oC - Sản phẩm đáy đi trong ống ngồi với nhiệt độ vào tPS = 65,8oC và nhiệt độ ra tPR = o 35 C 1 Suất lượng nước làm lạnh...    0,390 m   L 3,14.0,855 Trang 12 Đồ án môn học GVHD: Thầy 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.. .Đồ án môn học GVHD: Thầy Mai Thanh Phong Thiết kế chế tạo tháp chưng cất I Đường 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 bình của pha lỏng trong phần luyện TLL = 73,4 oC - Nồng độ phần khối... phần thân tháp Vì đáy và nắp có hình ellip tiêu chuẩn với Kết luận: Kích thước của đáy 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 Đồ án môn học GVHD: Thầy Mai Thanh Phong V Bề dày mâm : 1 Các thơng số cần tra và chọn phục vụ cho q trình tính tốn Nhiệt độ tính tốn: t = tmax... XIII.26, trang 409, [6] Þ Các thơng số của bích ứng với P = 0,055 N/mm2 là: Dy 25 Dn 32 D Dd Dl h 100 (mm) 75 60 12 Trang 27 Bu lơng db M10 Z (cái) 4 Đồ án môn học GVHD: Thầy Mai Thanh Phong CHƯƠNG 5: Tính thiết bị phụ I THIẾT BỊ ĐUN SƠI ĐÁY THÁP : Chọn thiết bị đun sơi đáy tháp là nồi đun Kettle Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3: Đường kính ngồi: d n = 38 mm = 0,038 m Bề . Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị " phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho methanol " Đồ án môn học GVHD: Thầy Mai Thanh Phong. chọn phương pháp thích hợp. Hệ methanol – nước là 2 cấu tử tan lẫn hồn tồn, ta dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho methanol. Đồ án mơn học Q trình và Thiết bị là một mơn học. dụng ngun 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, cơ đặc,