Acit acetic, hay axit ethanoic là một chất lỏng không màu và là axit hợp chất hữu cơ với công thức hóa học CH3COOH

TỔNG QUAN Giới thiệu nguyên liệu Axit axetic Acit acetic, hay axit ethanoic chất lỏng không màu axit hợp chất hữu với công thức hóa học CH3COOH (cũng viết CH3CO2H, C2H4O2, HC2H3O2) Đây chất lỏng khơng màu, có vị chua tan hoàn toàn nước, rượu, ete theo tỉ lệ Axit axetic chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy, độc hại tiếp xúc với da mắt Axit acetic sử dụng làm dung môi ngành công nghiệp như: dệt nhuộm, cao su, hóa chất xi mạ, cơng nghệ thực phẩm, Ngồi axit acetit cịn sử dụng phịng thí nghiệm nhằm định tính chất có tính kiềm yếu, làm chất tẩy cặn vơi từ vịi nước ấm đun nước Axit axetic chủ yếu sử dụng sản xuất cellulose acetate chủ yếu cho phim ảnh polyvinyl acetate gỗ keo Các phương pháp sản xuất axit axetic chủ yếu bao gồm: phương pháp cacbonyl hóa metanol, oxy hóa axetaldehyt, phương pháp lên men điều kiện hiếu khí Trong cơng nghiệp, người ta thường từ metanol để điều chế axit axetic Đây phương pháp sản xuất axit axetic Thị trường axit axetic Châu Á-Thái Bình Dương đạt giá trị 3,73 tỉ USD vào năm 2020 Trung Quốc quốc gia sản xuất axit axetic hàng đầu giới Nhu cầu axit axetic Trung Quốc đạt trung bình 400.000 tấn/năm Ứng dụng axit axetit -Trong lĩnh vực thực phẩm: sử dụng để làm nguyên liệu chế biến ăn gỏi gà, salad trộn, bị nhúng dấm, Axit acetic lên men từ trái cây, hoa đóng chai thành phẩm bán cửa hàng, siêu thị lớn nhỏ - Trong ngành sản xuất hóa chất: sử dụng để sản xuất monome vinyl axetat, nguyên liệu sản xuất polyvinyl axetat loại polyme khác dùng ngành sản xuất sơn polyme Ứng dụng chiếm tỉ trọng lớn nhất, từ 40 – 45% tổng lượng axit axetic tiêu thụ toàn cầu loại ete axetat quan trọng EEA, EBA PMA chiếm đến 15-20% lượng axit axetic sử dụng toàn giới Tuy nhiên ete axetat xem hóa chất độc hại người, ảnh hưởng đến khả sinh sản -Trong ngành hóa mỹ phẩm: Axit axetic ứng dụng để làm dung mơi hữu q trình sản xuất long não Axit axetic sản xuất để phục vụ cho nhu cầu tạo loại este axetat (như linalyl axetat, geranyl axetat, …) dùng để làm hương liệu cho nước hoa - Ứng dụng lĩnh vực khác : Axit axetic dùng để sản xuất aspirin (một loại dược phẩm), heroin dùng y tế Nó cịn dùng để sản xuất cellulose axetat sử dụng để tạo cuộn phim chụp ảnh Tính chất vật lý axit axetic: Axit axetic có cơng thức hóa học CH3CO2H, cơng thức phân tử CH3COOH Khối lượng phân tử 60 đvC Axit acetic chất lỏng khơng màu, có vị chua tan hồn tồn nước Sơi nhiệt độ 118,1oC ( 760mmHg) dễ cháy Tính chất hóa học axit acetit Axit axetic tác dụng với bazo, cacbonat bicacbonat để tạo axetat kim loại tương ứng, nước cacbonic (phổ biến natri bicacbonat với giấm ăn): NaHCO3 + CH3COOH → CH3COONa + CO2+ H2O Trừ crom (II) axetat, tất axetat khác tan nước Tác dụng với kiềm tạo nước ethanoat kim loại: NaOH + CH3COOH → CH3COONa + H2O Axit axetic phân hủy nhiệt độ lớn 440oC tạo thành cacbonic, metan ethenon nước Tác dụng với rượu tạo thành este: ROH + CH3COOH → CH3COOR + H2O Axit axetic làm ăn mịn kim loại tạo khí hydro muối axetat: Mg + 2CH3COOH → (CH3COO)2Mg + H2 Nhôm thụ động với axit axetic phản ứng, tạo lớp màng mỏng nhơm oxit bề mặt, ngăn chặn ăn mịn Vì vậy, nhà sản xuất thường dùng bình chứa nhơm để đựng dung dịch Phản ứng halogen vào gốc hydrocacbon ( 90 - 100oC): Cl2 + CH3COOH → ClCH2COOH + HCl Tác dụng với axetylen (xúc tác thủy ngân, nhiệt độ 70 - 80oC) thành etyl diaxetat: C2H2 + 2CH3COOH → CH3CH(OCOCH3)2 Tác dụng với amoniac tạo thành amid: NH3 + CH3COOH → NH3CH3COOHNH4 Phản ứng decacboxyl hóa thành axeton (Xúc tác mangan oxit, nhiệt độ): C2H2+ CH3COOH → CH2CHOCOCH3 Nước Nước hợp chất chiếm phần lớn bề mặt trái đất (3/4 diện tích bề mặt trái đất nước), nước cần thiết cho sống Trong điều kiện bình thường nước chất khơng màu, khơng mùi, khơng vị Các tính chất vật lý nước Khối lượng phân tử: 18 g/mol Nhiệt độ nóng chảy: ℃ (ở 760 mmHg) Nhiệt độ sôi: 100 ℃ (ở 760 mmHg) Nước dung mơi phân cực mạnh, có khả hịa tan nhiều chất dung môi quan trọng kỹ thuật hóa học Hỗn hợp nước- axit acetic Dựa vào tính chất vật lý axit acetic tan hoàn toàn nước, nhiệt độ sôi axit acetic (118,1℃ 760 mmHg) > nước (100 ℃ 760 mmHg), hệ khơng có điểm đẳng phí, nên phương pháp tách hỗn hợp chất phương pháp phù hợp với hệ axit acetic – nước phương pháp chưng cất Bảng : Số liệu cân lỏng hệ axit acetic- nước 760mmHg Đồ thị đường cân axit acetic- nước 760mmHg Lý thuyết chưng cất Khái niệm chưng cất Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp lỏng – khí thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hòa cấu tử khác nhau) Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha q trình hấp thu nhả khí, trình chưng cất, pha tạo nên từ bốc ngưng tụ Trong trình chưng cất, dung môi chất tan bay hơi, nghĩa cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khác Trong trường hợp chưng cất đơn giản hệ hai cấu tử, sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé Sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn Đối với hệ axit acetic – nước, sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm nước axit acetic, sản phẩm đáy chủ yếu axit acetic nước Các phương pháp chưng cất thường phân loại dựa vào áp suất làm việc (áp suất thường, áp suất thấp, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưng nước trực tiếp, chưng cất), dựa vào phương pháp cấp nhiệt (gián tiếp hay trực tiếp) Việc lựa chọn phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa hệ ngun liệu Đối với hệ axit acetic – nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường Tháp chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để thực trình chưng cất, Tuy nhiên, yêu cầu chung cho thiết bị giống nhau, nghĩa diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất lưu chất Nếu pha khí phân tán vào lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun… Hai loại tháp thường dùng tháp mâm tháp chêm, kích thước tháp, đường kính tháp, chiều cao tháp tùy thuộc vào suất lượng pha lỏng, pha khí độ tinh khiết sản phẩm Tháp chêm: hình trụ gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm đổ đầy tháp theo hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Vật chêm sử dụng gồm có nhiều loại khác nhau, phổ biến số loại vật chêm như: vòng Raschig, vật chêm vịng xoắn, vật chêm hình n ngựa, Tháp mâm: thân tháp hình trụ thẳng đứng, bên có gắn mâm có cấu tạo khác pha pha lỏng tiếp xúc với Hình dạng tháp mâm Tùy theo cấu tạo mâm ta có: Tháp mâm chóp: mâm có gắn chóp ống chảy chuyền, ống chảy chuyền có tiết diện hình trịn, viên phân, ống hay nhiều ống tùy suất lượng pha lỏng, Chóp hình tròn hay dạng khác, Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ ÷12 mm, tổng tiết diện lỗ mâm chiếm từ ÷ 15% tiết diện tháp, Trong tháp mâm xuyên lỗ pha khí từ lên qua lỗ mâm phân tán vào lớp chất lỏng chuyển động từ xuống theo ống chảy chuyền, ống chảy chuyền bố trí tháp mâm chóp Hình dạng mâm chóp ( a) mâm xuyên lỗ ( b) Ưu điểm Nhược điểm Ưu nhược điểm loại mâm tháp Đối với việc chưng cất hệ axit acetic – nước ta nên chọn tháp mâm xuyên lỗ, hệ có độ chênh lệch nhiệt độ sơi lớn hệ khơng có điểm đẳng phí, việc phân riêng hệ dễ nên không thiết yêu cầu tháp mâm chóp có hiệu suất lớn, Cấu tạo tháp mâm xuyên lỗ không phức tạp làm việc với chất lỏng bẩn CHƯƠNG 1: QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 2.1 Quy ước ký hiệu thông số F, D, W: Lần lượt hỗn hợp đầu vào, đỉnh đáy, (Kmol/h) GF: Lưu lượng hỗn hợp đầu vào, (Kg/m3) GD: lưu lượng sản phẩm đỉnh, (L/h), GW: lưu lượng sản phẩm đáy, (L/h), GR: lượng chất lỏng hoàn lưu, (L/h) MF: khối lượng phân tử trung bình hỗn hợp đầu vào, Kg/Kmol MD: khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đỉnh, Kg/Kmol MW: khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đáy, Kg/Kmol xF: nồng độ phần mol hỗn hợp đầu vào theo nước, Kg/Kmol xD: nồng độ phần mol hỗn hợp đỉnh theo nước, Kg/Kmol xW: nồng độ phần mol hỗn hợp đáy theo nước , Kg/Kmol xx̅F: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu vào theo nước, Kg/Kg, xx̅D: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đỉnh theo nước, Kg/Kg, xx̅W: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đáy theo nước, Kg/Kg yi: nồng độ phần mol pha ứng với nồng độ phần mol xi pha lỏng, Kmol/Kmol yi*: nồng độ phần mol cân pha ứng với nồng độ phần mol xi pha lỏng, Kmol/Kmol A, N: ký hiệu axit acetic nước MA, MN: khối lượng phân tử axit acetic nước, MA = 60; MN = 18 2.2 Các thông số ban đầu Năng suất nhập liệu 2200 Kg/m3 Nồng độ nhập liệu: xx̅F = 75% khối lượng Nồng độ sản phẩm đỉnh: xx̅D = 95% khối lượng Nồng độ sản phẩm đáy: xx̅W = 10% khối lượng 10 - : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN tỉ lệ chiều dài ống với đường kính ống ℜN ¿ 16185,9 : chuẩn số Prandlt nước 52.5 oC nên PrN = 3,404 (I.249, trang 310, - [2]) - : chuẩn số Pandlt nước tính theo nhiệt độ trung bình vách Suy ra: N uN Hệ số cấp nhiệt nước ống: α = N Nhiệt tải phía nước làm lạnh: Với nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (trong ống) Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: Trong đó: - : nhiệt độ vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống) (5-21) - Bề dày thành ống: mm m - Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: - Nhiệt trở lớp bẩn nước với nước sạch: W/m2.K (XII.7, trang 313, [3]) m2.độ/m - Nhiệt trở lớp cấu tử sản phẩm đỉnh với tường ống: m2.độ/m (m2.độ.W-1) 49 Vậy: 4.1.2.4.Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ Đặt: Nhiệt tải thành ống: Từ (5-19), (5-22), (5-24) sử dụng phương pháp lặp để xác định , Chọn tw 1=61oC Các tính chất lý học axit acetit ngưng tụ tra tài liệu tham khảo [2] ứng với nhiệt độ trung bình: - Ẩn nhiệt ngưng tụ (bảng I.250, trang 254, [2]): r A =663,469 (kJ/kg) Khối lượng riêng (bảng I.2, trang 9, [2]): ρA =1002.51 (kg/m3) Độ nhớt động học (bảng I.101, trang 91, [2]): μA =0,56.1 0−3 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt (bảng I.130, trang 134, [2]): λ A=0,45939 (W/m.K) Khi đó: Từ (5-5) ta có: q A=559,083 ¿ (W/m ) Xem nhiệt tải mát không đáng kể: q A=qt =8366,456 (W/m2) Từ (5-22) ta có: −4 o t w 2=tw 1−qt 5,227 =56,627 C Tra bảng I.249, trang 310, [2]: Prw ¿ 3,1789 Từ (5-19) ta có: qN = 3529,469 1,80050,25 (56.627−52.5)=8411,909 (W/m2) 50 Kiểm tra sai số: ε =| q −q N A |=|8411,909−8366,456|×100=0,54 % (thỏa điều kiện) qN8411,909 Vậy: tw 1=61 oC tw 2=56.627 oC Khi đó: αN= 3529,469 3529,469 = Pr0,25w4,2680,25 =2038,2624 (W /m2 độ) α = 559,083 A ¿¿ Hệ số truyền nhiệt: K= Bề mặt truyền nhiệt trung bình: F tb= 9260422,075 =0,3278(m2 3600 ×128.33 ×61.149 ) Chiều dài ống truyền nhiệt: L' = So với L=2 m số đường nước L ' L =0.223 lần Khi số ống tăng lên 0,223 lần: n=67 ×0,223=14,941 ống nên chọn n = 15 ống Kiểm tra hệ số cấp nhiệt acetone có kể để ảnh hưởng xếp, bố trí ống Chọn cách xếp ống xen kẻ, bố trí theo dạng lục giác đều, ta có số ống đường chéo lục giác b = ống Tra hình V.20, trang 30, [3] ta εtb=0,7 Khi đó: α A=0,7 ×147,512=103,259 (W/m2.độ) Tính lại hệ số truyền nhiệt K, ta có K=93,4777 (W/m2.độ) Bề mặt truyền nhiệt trung bình: Ftb= 51 Khi chiều dài ống truyền nhiệt: L' = π 67 Vậy thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống gồm n = 67 ống L = m Ống bố trí theo hình lục giác đều, nên ta có số ống đường chéo hình lục giác: b = ống Chọn bước ngang hai ống: t=1,4 × dng=0,0294 m (trang 49, [3]) Đường kính vỏ thiết bị: Dv=t (b−1)+4 dng=0,0294.(5−1)+4.0,025=0,378 m (V.140, trang 49, [3]) 4.1.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Ống truyền nhiệt làm inox SUS 304, kích thước ống trong: 16 x 16 kích thước ống ngồi 25 x 2,5 Chọn: o - Nước làm lạnh ống16 x 1.6 (ống trong) với nhiệt độ đầu t1 = 25 C, nhiệt độ cuối t2 = 60 oC o o - tD =117,717 C, nhiệt độ cuối t’D = 100 C Các tính chất lý học nước làm lạnh tra tài liệu [2] ứng với nhiệt độ trung bình: t +t t tbN = = 60+25 =42.5oC 22 - Nhiệt dung riêng: CN = 4,182 (kJ/kg.độ) (I.147, trang 156, [2]) - Khối lượng riêng: ρN = 990,865 (kg/m ) (I.5, trang 11, [2]) -3 - Độ nhớt động học: μN = 0,6263x10 (N.s/m ) (I.102, trang 94, [2]) - Hệ số dẫn nhiệt: N = 0,6452 (W/m.độ) (I.129, trang 133, [2]) Các thông số dòng sản phẩm đỉnh ứng với: t tbD=t D +t'D = 117.717+100 =108,859 ℃ 22 - Nhiệt dung riêng: CD =4,2375 (kJ/kg.độ) (bảng I.154, trang 172, [2]) 52 ρD=951,379 (kg/m ) (bảng I.2, trang 9, [2]) −3 μ D=0,2601×1 (N.s/m2) (bảng I.101, trang 91, [2]) =0,68228 (W/m.độ) (bảng I.130, trang 134, [2]) - Độ nhớt động học: Suất lượng dùng để làm mát sản phẩm đỉnh Khối lượng riêng: - Hệ số dẫn nhiệt: λD Suất lượng sản phẩm đỉnh: G D=1684,7kg/h = 0,46797 kg/s Lượng nhiệt cần tải: Q t =GD CD (t D−t'D )=0,46797 ×0,423758 ×(117,717−100)=126483 (kJ/h) Suất lượng nước cần dùng: G N 4.1.3.1.Xác định bề mặt truyền nhiệt Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: (V.1, trang 3, [3]) Với: - : hệ số truyền nhiệt : nhiệt độ trung bình logarit Xác định : Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: Δtlog= (V.8, tran g 5, [3]) Xác định hệ số truyền nhiệt K: (W/m2.K) (V.5, trang 4, [3]) 53 Với: - : hệ số cấp nhiệt nước ống W/m2.K - : hệ số cấp nhiệt ngưng tụ W/m2.K - : nhiệt trở thành ống lớp cáu  Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh ống ngoài: Vận tốc sản phẩm đỉnh ống ngồi: vD = Đường kính tương đương: υD dt đ ρD ℜD ¿ μD Xác định chuẩn số Nusselt: Trong đó: - : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReD tỷ lệ chiều dài với đường kính ống: ℜD ¿ 63631,14829 15, [3]) - : chuẩn số Prandlt sản phẩm đỉnh tính 108,859 oC nên PrD ¿ - : chuẩn số Prandlt sản phẩm đỉnh tính theo nhiệt độ trung bình vách Suy ra: Nu= 202,634 D Hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh ống ngoài: Pr0,25w 54 α = D (5-27) Nhiệt tải phía sản phẩm đỉnh: qD =αD (ttbD−tw 1)= Với : nhiệt độ vách Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: Trong đó: - : nhiệt độ vách tiếp (5-30) - Bề dày thành ống: t = 0,0016 m - Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: - Nhiệt trở lớp bẩn tường ống: - Nhiệt trở lớp bẩn tường ống: W/m-2.K-1 (XII.7, trang 313, [3]) m2.độ/W m2.độ/W →∑ rt = Vậy:  Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống nhỏ: Vận tốc nước ống: vN = GN ρN Với dtr = 16 – 2x1,6 = 12,8 mm Chuẩn số Reynolds: 55 ℜ ¿ N => (chế độ chảy rối) Công thức xác định chuẩn số Nusselt: (V.40, trang 14, [3]) (532) Trong đó: - : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ống tỉ lệ chiều dài ống với đường kính ℜN ¿ 38129,81 - - :chuẩn số Prandlt nước 42,5 oC nên 310, [2]) Pr ¿ 3,966 N (bảng I.249 trang : chuẩn số Pandlt nước tính theo nhiệt độ trung bình vách Suy ra: Nu= 247,805 N Pr0,25w2 Hệ số cấp nhiệt nước ống trong: Nhiệt tải phía nước làm lạnh: qN =αN (tW 2−ttbN )= Chọn tw 1=101,762 oC Các thông số axit acetit ngưng tụ ứng với nhiệt độ tw 1=101,762 oC tra tài liệu [2]: - Nhiệt dung riêng: C A=2,043 (kJ/kg.độ) (I.154, trang 172, [2]) - Độ nhớt động học: μA =0,103 ×1 0−3 (N.s/m ) (I.101, trang 91, [2]) - Hệ số dẫn nhiệt: λ A=0,4789 (W/m.K) (I,130, trang 134, [2]) 56 Khi xem: Prw ≈ Từ (5-28) ta có: 34563,281 qD = 4,4640,25 ×(108,859−100)=169246,9463(W /m ) Từ (5-31) ta có : tw 2=tw 1−qt × 0,498.1 0−3=100−169246,9463 × 0,498 ×1 0−3=17,477 oC ⇒ttbw= 101,762+17,477 =59,62 ℃ Tra bảng I.249, trang 310, [2] ta có: Prw ¿ 2,999 Từ (5-33) ta có: qN= 12490,92 ×(59,62−42,5)=162488(W /m2 ) Pr0,25w Kiểm tra sai số: ε =| q −q N D |=|162488−169246,9463|×100=3,99 % (thỏa điều kiện) qD169246,9463 Vậy: tw 1=101,762 oC tw 2=17,477 oC Khi đó: αN= αD= 12490,92 =8619,065(W /m2 0,25 độ) , 411 34563,281 2,9990,25 =26264,603 (W /m độ) Hệ số truyền nhiệt: K= Bề mặt truyền nhiệt trung bình: 126483000 F tb= = 0,365(m2) 1048,966 ×62,708 × 3600 57 Suy chiều dài ống truyền nhiệt: L= π Chọn L=10 m (dự trữ khoảng 20%) Kiểm tra: Vậy: thiết bị làm mát sản phẩm đỉnh thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L=10 m Chia thành dãy, dãy dài 1,5 m 4.1.4 Thiết bị đun chất lỏng đáy tháp 58 ... có cơng thức hóa học CH3CO2H, công thức phân tử CH3COOH Khối lượng phân tử 60 đvC Axit acetic chất lỏng khơng màu, có vị chua tan hồn tồn nước Sôi nhiệt độ 118,1oC ( 760mmHg) dễ cháy Tính chất. .. riêng chất lỏng vào nồi đun với tw=104,338 oC x''1=0,384947 Tra bảng Tra bảng ⇒ρ = L x''1 ( ρA Lưu lượng chất lỏng vào nồi đun: Q L= G''L =11,55 (m3/h) ρL Chọn vận tốc chất lỏng vào nồi đun (chất lỏng. .. để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp lỏng – khí thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hịa cấu tử khác nhau) Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên