Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền để phân tách hỗn hợp

Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

BỘ CÔNG THƯƠNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ĐỘC LẬP- TỰ DO- HẠNH PHÚC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
Họ và tên SV
MSV
Lớp
Khóa
Khoa
Giáo viên hướng dẫn
NỘI DUNG: Thiết kế

: Nguyễn Hải Đăng
: 0941440064
: ĐH Công Nghệ Kỹ Thuật Môi Trường 1
: 9
: Công nghệ hóa
: Nguyễn Văn Mạnh
hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ có ống

chảy chuyền để phân tách hỗn hợp: Metylic- etylic với các số liệu ban đầu như
sau:

- Năng suất hỗn hợp đầu = 5,78 tấn/h

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi :
+ hỗn hợp đầu aF= 32,8% khối lượng
+ hỗn hợp đỉnh ap=79,1% khối lượng
+ hỗn hợp đáy aw= 1,1% khối lượng
STT Tên bản vẽ
1
Vẽ dây chuyền sản xuất
2
Vẽ hệ thống tháp chưng luyện

1

Khổ giấy
A0
A0

Số lượng
01
01


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển không ngừng nghỉ của khoa học kỹ thuật, máy móc
công nghệ không ngừng được nâng cao tạo ra các sản phẩm thỏa mãn các nhu
cầu khắt khe nhất của thị trường. Nghành công nghiệp hóa chất cũng không
nằm ngoài xu thế đó, càng ngày sản phẩm của ngành công nghiệp này càng đòi

hỏi sự tinh khiết, chất lượng hoàn hảo phù hợp với nhu cầu sản xuất sử dụng
của con người.
Để tạo ra loai sản phẩm hóa chất có tính tinh khiết cao, đảm bảo tăng nồng độ
chất tan trong dung dịch, phù hợp yêu cầu người ta có rất nhiều cách để tạo ra
chúng, một trong những cách đó là sử dụng phương pháp chưng luyện, tạo ra
tăng nồng độ sản phẩm mong muốn. Chưng là phương pháp dùng để tách các
hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử
riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Chúng
ta có thể thực hiện nhiều phương pháp chưng khác nhau như chưng gián đoạn,
chưng liên tục, chưng đơn giản, và chưng đặc biệt (chưng luyện hỗn hợp đẳng
phí, chưng phân tử, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng trích ly).
Ngày nay, chưng luyện được ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp:
+ Dầu mỏ, các tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng.
+ Không khí hóa lỏng.
+ Quá trình tổng hợp hữu cơ thường cho sản phẩm ở dạng hỗn hợp chất lỏng. Ví
dụ: sản xuất metanol, etylen…
+ Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng như etylicnước từ quá trình lên men.
Khi chưng, hỗn hợp đầu chứa bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử
sản phẩm. Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết ta tiến hành chưng nhiều
lần hay còn gọi là chưng luyện.

2


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Là một kỹ sư hóa chất trong tương lai, 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 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.
Để hoàn thành được bản đồ án này em xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến
các thầy cô khoa Công Nghệ Hóa, đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Văn Mạnh đã
tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em làm đồ án.
Do thời gian và kiến thức bản thân em còn hạn chế nên bản đồ án không tránh
khỏi những thiếu sót em rất mong nhận được sự góp ý, những lời nhận xét và
sửa chữa của thầy cô để bản đồ án của em được hoàn chỉnh hơn.
Một lần nữa em xin chân thành cám ơn.

3


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG
1. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN:
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.
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 luyện 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

4


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

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 metylic – etylic, chế độ
làm việc ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi.

2. GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP ĐƯỢC CHƯNG LUYỆN:
Metylic là chất lỏng linh động và không màu, hòa tan trong nước theo bất cứ tỷ
lệ nào. Nhiệt độ sôi 67.40C , Metylic là chất độc đói với cơ thể, nếu uống từ 8
đến 10g thì có thể bị ngộ độc, mát bị rối loạn và có thể mù lòa.
Etylic cũng là chất lỏng linh động không màu và có thể hòa tan vô hạn
trong nước. Nhiệt độ sôi của nó là 78.40C, Etylic được ứng dụng rất nhiều trong
công nghiệp, đời sống hàng ngày. Metylic – Etylic là sản phẩm của quá trình lên
men hoặc quá trình tổng hợp khác, 2 chất này ở trạng thái bình thường là chất
lỏng không liên kết, có độ bay hơi khác nhau. ở đây metylic bay hơi trước do
nhiệt độ sôi của nó thấp hơn của etylic. Hỗn hợp ăn mòn yếu nên trong quá trình
lựa chọn thiết bị để chưng luyện thì ta nên sử dụng loại thép các bon thường để
tránh lãng phí.
2.3. Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất:
2.3.1.Dây chuyền sản xuất:

5


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Hình 1.1. Sơ đồ dây chuyền công nghê chưng luyện liên tục
CHÚ THÍCH:

1. Thùng chứa hỗn hợp đầu
2. Bơm
3. Thùng cao vị
4. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
5. Tháp chưng luyện
6. Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

7. Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh
8. Thùng chứa sản phẩm đỉnh
9. Thiết bị gia nhiệt đáy tháp
10. Thùng chứa sản phẩm đáy
11. Thiết bị tháo nước ngưng

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

6


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

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.
Chất 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

7


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

PHẦN II: 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)
xF: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu
xP: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh
xW: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.
•

Giả thiết:

+ Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp.
+ Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chưng và đoạn luyện.
+ Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi.
+ Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của
hơi đi ra ở đỉnh tháp.
+ Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.
•

Yêu Cầu thiết bị:

F: Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu = 5870 kg/h
Thiết bị làm việc ở áp suất thường (P = 1 at)
Tháp chưng loại: tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền.
Điều kiện:
aF : Nồng độ Metylic trong hỗn hợp đầu = 32,8% (phần khối lượng)
ap: Nồng độ Metylic trong sản phẩm đỉnh = 79,1% (phần khối lưọng)
aw: Nồng độ Metylic trong sản phẩm đáy = 1,1% (phần khối lượng)
MA: Khối lượng phân tử của Metylic = 32 (kg/kmol)

8


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

MB: Khối lượng phân tử của Etylic = 46 (kg/kmol)

- Theo phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:
F= P + W

(1)

- Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi:
F.aF = P. aP + W.a(2)
Từ (1) và (2) ta suy ra được lượng sản phẩm đỉnh là:
kg/h
*Đổi từ khối lượng sang phần mol:
x = = = 0,412(phần mol)
x= = =0,845(phần mol)
x = = =0,0157(phần mol)
*Tính khối lượng mol trung bình:

Áp dụng công thức:M = x.M + (1 - x).M
Ta có :
MF= 0,412.32 + ( 1- 0,412).46= 40,232(kg / kmol)
MP=0,845.32 + (1- 0,845).46= 34,17(kg / kmol)
Mw=0,0157.32+(1-0,0157).46=45,7802(kg / kmol)

 Lượng hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy tính theo phần mol là:

2.1.1. Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu:
Từ số liệu bảng IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-2 trang 150) ta có thành phần
cân bằng lỏng hơi của metylic – etylic được cho theo bảng sau :

9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

X

0

5

10

20

Y

0

7,4

14,3

T

78,3 77,2 76,5

30

40

50

60

70

80

90

100

27,1 39,6 51,5 62,6

72,3

79,8

86,6

83,2

100

75

69,4

68,2

66,9

65,9

64,4

73,6 72,2 70,8

10


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

X

XF

XP

11


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

- Tính yF* có xF= 0,412 ( phần mol)
Với giá trị xF = 0,412 ta dóng lên đường cân bằng → yF* = 0,53

- Chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng luyện Rmin :

xP − y
y F* − xF

0,845 − 0, 53
0, 53 − 0, 412

*
F

Rmin =

=

= 2,67

- Tính chỉ số hồi lưu thích hợp
Vấn đề chọn chỉ số hồi lưu thích hợp rất quan trọng, vì khi chỉ số hồi lưu bé thì
số bậc của tháp lớn hơn nhưng tiêu tốn lượng hơi đốt ít, ngược lại khi chỉ số hồi
lưu lớn thì số bậc tháp ít hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt lớn
Rth : chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tính chất thể tích tháp nhỏ nhất
Nlt : số bậc thay đổi nồng độ ( số đĩa lý thuyết )
→ Chỉ số hồi lưu thích hợp
β : hệ số hiệu chỉnh (

Rx = β. Rmin

)

Ứng với mỗi giá trị R > R min, ta dựng một đường làm việc tương ứng và tìm
được một giá trị Nlt

12


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

β = 1,2 → Rx =3,204 B= 0,2

XW

XF

XP

→ Số đĩa lý thuyết N = 34

13


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

β = 1,4→ Rx =3,738

B= 0,178

XW

XF

XP

→ Số đĩa lý thuyết N = 28

14
→ Số đĩa lý thuyết N = 24
Xw

XF

XP


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

β = 1,5→ Rx =4,005

B= 0,169

XW

XF

XP

→ Số đĩa lý thuyết N = 26

15
→ Số đĩa lý thuyết N = 24
Xw

XF

XP


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

β = 1,6→ Rx =4,272

B= 0,1603

XW

XF

XP

Số đĩa lý thuyết N = 24

16


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

β = 1,7→ Rx =4,539 B= 0,153

XW

XF

XP

→ Số đĩa lý thuyết N = 23

17
→ Số đĩa lý thuyết N = 24

Xw

XF

XP


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

β = 1,8 → Rx =4,806

B= 0,14554

XW

XF

XP

→ Số đĩa lý thuyết N = 22

18


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

β = 2,0 → Rx =5,34 B= 0,1333

XW

XF

XP

→ Số đĩa lý thuyết N = 21

19


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

β = 2,2 → Rx =5,874

B= 0,123

XW

XF

XP

→ Số đĩa lý thuyết N = 20

20


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

β = 2,4 → Rx =6,408 B= 0,114

XW

XF

XP

→ Số đĩa lý thuyết N = 19

21


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

β = 2,5 → Rx =6,675 B= 0,11

XW

XF

XP

→ Số đĩa lý thuyết N = 19

22


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

β

R

B

N

N.(R+1)

1,2

3,204

0,2

34

142,936

1,4

3,738

0,178

28

132,664

1,5

4,005

0,169

26

130,13

1,6

4,272

0,1603

24

126,528

1,7

4,539

0,152

23

127,397

1,8

4,806

0,14554

22

127,732

2,0

5,34

0,1333

21

133,14

2,2

5,874

0,123

20

137,48

2,4

6,408

0,114

19

140,752

2,5

6,675

0,11

19

145,825

Thiết lập quan hệ N(R+1) – R ta xác định được R th tại giá trị nhỏ nhất của
N(R+1). Kết quả được Rth = 4,272 tại β = 1,6

2.1.4.Số đĩa lý thuyết.
Với Rth = 4,272 xác định được số đĩa lí thuyết Nlt = 24
Trong đó: Số đĩa đoạn chưng là 18
Số đĩa đoạn luyện là 6

2.1.5.Phương trình đường nồng độ làm việc:
Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện:

23

Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội
y=

R
x
x+ P
R +1
R +1

Thay số ta được:
y= x+

=> y =0,81x + 0,16

Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng:
y=x- x
Trong đó:
Trong đó:

Thay số ta được
y = x+xw
=>y= 1,206x-0,207
2.2. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP
Đường kính tháp được xác định theo công thức:

Trong đó:
Vtb: lượng hơi khí trung bình đi trong tháp (m3/h)
ωtb: tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (m/s)

gtb: lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/h)
(ρ yω y )tb

: tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/m3.s)

2.2.1.Lượng hơi trung bình các dòng pha đi trong tháp.

24


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay
đổi theo chiều cao tháp và khác
nhau trong mỗi đoạn cho nên phải
tính lượng hơi trung bình cho từng
đoạn

Hỉnh 2.18.Để xác định lượng hơi trung bình đi trong tháp chưng luyện

1 Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng bằng trung bình
cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa
dưới cùng của đoạn luyện:

gtbL =

g d + g1
2

Trong đó:
gtbL: lượng hơi (khí) trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h hay kmol/h)
gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h hay kmol/h)
g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h hay kmol/h)
Lượng hơi ra khỏi tháp gđ:
gđ = GR + GP =GP(R+ 1)
Trong đó:
GP: lượng sản phẩm đỉnh (P): GP = 2385 (kg /h)
GR: lượng hồi lưu:

25