Đang tải... (xem toàn văn)
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN3I. Lý thuyết về chưng cất3II. Giới thiệu sơ bộ về tính chất nguyên liệu4CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ10CHƯƠNG 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT13I.Các thông số ban đầu13II. Xác định lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được14III. Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp151. Tỉ số hoàn lưu tối thiểu152. Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu163. Tỉ số hoàn lưu làm việc164. Số mâm lý thuyết26IV. Xác định số mâm thực tế26V. Xác định suất lượng mol của các dòng pha281. Tại đỉnh tháp282. Tại mâm nhập liệu293. Tại đáy tháp30CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG31CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH34I. Đường kính tháp341. Đường kính đoạn cất342. Đường kính đoạn chưng37II. Mâm lỗ Trở lực của mâm391. Cấu tạo mâm lỗ392. Độ giảm áp của pha khí qua một mâm403. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động44III. Tính toán cơ khí tháp441. Bề dày thân tháp442. Đáy và nắp thiết bị483. Bích ghép thân, đáy và nắp484. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn495. Tai treo và chân đỡ55CHƯƠNG 6. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ58I. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh581. Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh582. Xác định bề mặt truyền nhiệt58II. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy62III. Thiết bị trao đổi nhiệt sản phẩm đáy và nhập liệu65IV. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu71
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 1 - ACID AXIT AXETIC : Chính Quy Ngành : Hóa : DH11H1 : ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 2 1 2 3 3 4 10 13 I. 13 14 15 1. Tỉ số hoàn lưu tối thiểu 15 2. Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu 16 3. Tỉ số hoàn lưu làm việc 16 4. Số mâm lý thuyết 26 26 ng pha 28 1. Tại đỉnh tháp 28 2. Tại mâm nhập liệu 29 3. Tại đáy tháp 30 31 ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 3 34 34 1. Đường kính đoạn cất 34 2. Đường kính đoạn chưng 37 - 39 1. Cấu tạo mâm lỗ 39 2. Độ giảm áp của pha khí qua một mâm 40 3. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 44 44 1. Bề dày thân tháp 44 2. Đáy và nắp thiết bị 48 3. Bích ghép thân, đáy và nắp 48 4. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn 49 5. Tai treo và chân đỡ 55 58 58 1. Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh 58 2. Xác định bề mặt truyền nhiệt 58 62 65 71 ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 4 Đề tài này được hoàn thành là kết quả của một quá trình làm việc miệt mài và thực sự nghiêm túc của tất cả các thành viên trong nhóm “Thiết kế tháp chưng cất”, cùng với sự giúp đỡ tận tình của các giảng viên Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu và các thầy cô đã tạo điều kiện cho sinh viên được mở rộng vốn kiến thức còn hạn hẹp trong sách vở bằng những kiến thức thức quí báu. Đặc biệt nhóm thực hiên báo cáo xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Dương Khắc Hồng đã dành nhiều thời gian để động viên, hướng dẫn nhóm trong suốt thời gian làm bài và giúp nhóm hoàn thành đề tài này. Khả năng tiếp thu kiến thức và kinh nghiệm bản thân có giới hạn, thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đề tài không nhiều, cho nên bài báo cáo này không tránh khỏi những thiếu sót ngoài ý muốn. Chúng em rất mong muốn nhận được sự nhận xét, chỉ bảo chân thành từ các thầy cô nhằm giúp cho bài báo cáo này trở nên hoàn thiện hơn, bên cạnh đó giúp cho kiến thức của nhóm được củng cố hơn, tạo điều kiện tốt cho công tác của chúng em sau này. Chúng em xin chân thành cảm ơn! ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 5 LI M U Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp. Đối với hệ Nước – Axit axetic là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết. Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất – thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 3,8m 3 /h, nồng độ nhập liệu là 0,5 (kg nước / kg hỗn hợp), nồng độ đỉnh là 0.9 (kg nước/ kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đáy là 0,05 (kg nước/ kg hỗn hợp), tháp làm việc ở áp suất thường. ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 6 1 I. 1: 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 (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau). Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi. Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các 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 Nước – Axit axetic thì: Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước. Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic. ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 7 2. 2.1. Phân loại theo áp suất làm việc: - Áp suất thấp - Áp suất thường - Áp suất cao 2.2. Phân loại theo nguyên lý làm việc: - Chưng cất đơn giản - Chưng bằng hơi nước trực tiếp - Chưng cất 2.3. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: - Cấp nhiệt trực tiếp - Cấp nhiệt gián tiếp đối với hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. 3. Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 8 Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: o Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…, có rãnh xung quanh để pha khí đi qua và ống chảy chuyền có hình tròn. o Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh. Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp: Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Ưu điểm - Cấu tạo khá đơn giản. - Trở lực thấp. - Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có của chất lỏng. - Trở lực tương đối thấp. - Hiệu suất khá cao. - Làm việc được với chất lỏng bẩn. - Khá ổn định. - Hiệu suất cao Nhược điểm - Do có hiệu ứng thành hiệu suất truyền khối thấp. - Kết cấu khá phức tạp. - Có trở lực lớn. ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 9 Vậy ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hỗn hợp Nước – Axit axetic. II. : 1. Axit axetic: 1.1. Tính chất: Axit axetic nóng chảy ở 16,6 o C, điểm sôi 118 o C, hỗn hợp trong nước với mọi tỷ lệ. Trong quá trình hỗn hợp với nước có sự co thể tích, với tỷ trọng cực đại, chứa 73% axit axetic (D : 1,078 và 1,0553 đối với axit thuần khiết). Người ta không thể suy ra được hàm lượng axit axetic trong nước từ tỷ trọng của nó, ngoại trừ đối với các hàm lượng dưới 43%. Tính ăn mòn kim loại: Axit axetic ăn mòn sắt. Nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, nó đề kháng tốt đối với axit axetic đặc và thuần khiết. Đồng và chì bị ăn mòn bởi axit axetic với sự hiện diện của không khí. Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối với axit axetic. - Độ ổn định không cao, khó vận hành. - Do có hiệu ứng thành khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng khó tăng năng suất. - Thiết bị khá nặng nề. - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp. ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 10 Axit axetic thuần khiết còn gọi là axit glaxial bởi vì nó dễ dàng đông đặc kết tinh như nước đá ở dưới 17 o C, được điều chế chủ yếu bằng sự oxy hóa đối với andehit axetic. Không màu sắc, vị chua, tan trong nước và cồn etylic. 1.2. Điều chế: Axit axetic được điều chế bằng cách: Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là một giai đoạn trung gian. Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic. o CH 3 CHO + ½ O 2 = CH 3 COOH o C 2 H 5 OH + O 2 = CH 3 COOH + H 2 O Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ acetylen. Sự oxy hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban axetat. Người ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80 o C để ngăn chặn sự hình thành peroxit. Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết. Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi chế axit axetic kết tinh được. o CH 3 CHO + ½ O 2 CH 3 COOH Tổng hợp đi từ cồn metylic và Cacbon oxit. Hiệu suất có thể đạt 50 – 60% so với lý thuyết bằng cách cố định cacbon oxit trên cồn metylic qua xúc tác. Nhiệt độ từ 200 – 500 o C, áp suất 100 – 200atm: o CH 3 OH + CO CH 3 COOH với sự hiện diện của metaphotphit hoặc photpho – vonframat kim loại 2 và 3 hóa trị (chẳng hạn sắt, coban). C80ôûaxetatCoban o [...]... liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước được thải bỏ, sản phẩm đáy là axit axetic được giữ lại KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 12 Đồ án môn học GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG CHƯƠNG 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU Chọn loại tháp là tháp chưng cất đĩa lỗ có ống chảy chuyền Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước Hỗn hợp: Nước: H2O => MN = 18 (g/mol) Axit axetic: ... ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (axit axetic) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 5% phần khối lượng, còn lại là axit axetic Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (10) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy... VÀ THIẾT BỊ GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG 1.3 Ứng dụng: Axit axetic là một axit quan trọng nhất trong các loại axit hữu cơ Axit axetic tìm được rất nhiều ứng dụng vì nó là loại axit hữu cơ rẻ tiền nhất Nó được dùng để chế tạo rất nhiều hợp chất và ester Nguồn tiêu thụ chủ yếu của axit axetic là: Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic) Làm đông đặc nhựa mủ cao su Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat –. .. - y của hệ Axit axetic - Nước KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 12 ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Các ký hiệu trong sơ đồ: 1 Bồn chứa nguyên liệu 2 Bơm 3 Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy 4 Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 5 Lưu lượng kế 6 Nhiệt kế 7 Tháp chưng cất 8 Thiết bị làm lạnh ngưng tụ sản phẩm đỉnh 9 Áp kế 10 Thiết bị đun... HỒNG Thuyết minh sơ đồ công nghệ: Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 90% (theo phần khối lượng), nhiệt độ khoảng 250C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm đến thiết bị trao đổi nhiệt (3) và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (4), rồi được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu Lưu lượng được chỉnh bởi lưu lượng kế (5) Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng... cấu tử có nhiệt độ sôi cao là axit axetic sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất (có nồng độ 90% phần khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng... Số mâm lý thuyết: Số mâm lý thuyết là Nlt = 17 mâm IV XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: N tt N lt η tb [2 – trang 170] Trong đó: tb: hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: = f(,) Ntt: số mâm thực tế Nlt: số mâm lý thuyết Xác định hiệu suất trung bình của tháp tb: + Độ bay tương đối của cấu tử dễ... tháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (10) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là axit. .. mD = 1,67*0,443 = 0,74 Tra tài liệu tham khảo [2 – trang 171]: hD = 0,53 Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp: htb = F W D 3 0,53 0,53 0,55 0,537 3 KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 27 Đồ án môn học GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG Số mâm thực tế của tháp Ntt: 17 = 50,28 mâm Ntt 0,537 Vậy chọn Ntt = 50 mâm 37 mâm cất, 12 mâm chưng 1 mâm nhập liệu V XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG... nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 11 ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ 3 Hỗ GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG ợp Axi ace ic – Nước: Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Nước – Axit axetic ở 760 mmHg: x (% phần 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 9,2 16,7 30,3 42,5 53 62,6 71,6 79,5 86,4 93 100 103, 102, 101, 100, . Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán. Đồ án môn học GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 11 Đồ án môn học GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang. chứa sản phẩm đáy ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: DƯƠNG KHẮC HỒNG KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 14 ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: DƯƠNG