THIẾT kế hệ THỐNG CHƯNG cất để CHƯNG cất hỗn hợp METHANOL ETHANOL

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC THỰC HÀNH TÍNH TỐN HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HỐ HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN HỢP METHANOL - ETHANOL Giảng viên hướng dẫn: TS VÕ THANH HƯỞNG Sinh viên thực hiện: NGÔ NGỌC KIM THƯ MSSV: 18021071 Lớp: DHVC14 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2022 BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐHCN TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TÍNH TỐN HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC KHOA: CƠNG NGHỆ HỐ HỌC BỘ MƠN: MÁY & THIẾT BỊ HỌ VÀ TÊN: NGÔ NGỌC KIM THƯ MSSV: 18021071 LỚP: DHHD15 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất để chưng cất hỗn hợp Methanol - Ethanol Nhiệm vụ đề tài (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu)  Số liệu ban đầu: - Năng suất theo nhập liệu: 1800 (kg/h); - Nồng độ nhập liệu: 10 (% mol), sản phẩm đỉnh: 90 (% mol), sản phẩm đáy (% mol); - Các thông số khác tự chọn  Nội dung thực hiện: - Tổng quan hỗn hợp Methanol - Ethanol; - Thiết kế quy trình chưng cất hỗn hợp Methanol - Ethanol; - Tính tốn cân vật chất, cân lượng; - Tính tốn thiết kế tháp chưng cất; - Bản vẽ quy trình cơng nghệ (giấy A1); - Bản vẽ chi tiết tháp chưng cất (giấy A1) Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 20/10/2022 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 25/11/2022 Họ tên người hướng dẫn: ThS Võ Thanh Hưởng Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 10 năm 2022 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Trần Hoài Đức Võ Thanh Hưởng LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đưa mơn “Thực hành tính tốn hệ thống thiết kế thiết bị cơng nghệ hố học ” vào chương trình giảng dạy Với tình cảm sâu sắc chân thành nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô Khoa Công nghệ Hóa học truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em suốt thời gian học tập trường Nhờ có lời hướng dẫn, dạy bảo tận tình thầy giúp em có thêm nhiều kiến thức học quý giá sống Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến giảng viên môn- Thầy Võ Thanh Hưởng, người dày công truyền đạt kiến thức hướng dẫn em Trong suốt trình học tập tìm hiểu em nhận giúp đỡ, hướng dẫn tận tình từ thầy Những kiến thức em học hỏi từ thầy tảng cho em hoàn thành báo cáo Tuy nhiên, kiến thức thời gian nghiên cứu có hạn nên báo cáo em khó tránh khỏi sai sót Do đó, em mong nhận nhận xét, ý kiến, phê bình từ phía thầy để kiến thức em lĩnh vực hoàn thiện hơn.Một lần em xin chân thành cảm ơn xin kính chúc thầy dồi sức khoẻ, hạnh phúc thành công đường nghiệp giảng dạy Em xin chân thành cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2022 Sinh viên thực (Ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Phần đánh giá: (thang điểm 10) • • • • Thái độ thực hiện: Nội dung thực hiện: Kỹ trình bày: Tổng hợp kết quả: Điểm số: …… … Điểm chữ: TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20.… Trưởng môn Giảng viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20… Giảng viên phản biện Mục lục CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chưng cất: 1.1.1 Giới thiệu chưng cất: Chưng cất trình dùng để tiến hành phân tách hỗn hợp lỏng- lỏng, lỏngkhí khí- khí thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay cấu tử hỗn hợp Số lượng sản phẩm chưng cất phụ thuộc vào số cấu tử có hỗn hợp Đối với trường hợp hỗn hợp hai cấu tử ta có: sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay thấp, sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay thấp phần cấu tử có độ bay lớn Trong trình chưng cất, pha từ lên, pha lỏng chảy di chuyển từ xuống Nồng độ cấu tử thay đổi theo chiều cao tháp, nhiệt độ làm việc thay đổi tương úng với thay đổi nồng độ Trên đĩa xảy trình chuyển khối hai pha lỏng hơi, phần pha lỏng (phần lớn cấu tử dễ bay hơi) bốc di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi; phần pha (phần lớn cấu tử khó bay hơi) ngưng tụ di chuyển từ pha vào pha lỏng, trình lặp lại với nhiều lần bốc ngưng tụ đỉnh tháp ta thu phần lớn cấu tử dễ bay đáy tháp ta thu phần lớn cấu tử khó bay 1.2 Các phương pháp thiết bị chưng cất: 1.2.1 Các phương pháp chưng cất: Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ): Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa - Khi khơng địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao - Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay - Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): q trình thực liên tục, nghịch dịng, nhiều đoạn Ngồi cịn có thiết bị hoạt động bán liên tục 1.2.2 Các thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất.Tuy nhiên yêu cầu chung thiết bị giống nghĩa diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, … Ở ta khảo sát loại thường dùng tháp mâm tháp chêm − Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: − Tháp mâm chóp: mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ s… − Tháp mâm xun lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh − Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Ưu điểm Tháp mâm chêm Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ Cấu tạo đơn giản -Khá ổn định - Trở lực thấp - Hiệu suất cao Trở lực tương đối thấp - Làm việc với chất lỏng - Hiệu suất cao bẩn dùng đệm cầu có ρ ≈ ρ chất lỏng Nhược điểm Do có hiệu ứng thành → hiệu suất Có trở lực lớn truyền khối thấp - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu - Độ ổn định khơng cao, khó phức tạp vận hành - Do có hiệu ứng thành → tăng suất hiệu ứng thành tăng → khó tăng suất - Thiết bị nặng nề Bảng 1.1 Ưu nhược điểm loại tháp Vậy: ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Methanol – Ethanol Khơng làm việc với chất lỏng bẩn - Kết cấu phức tạp 1.3 Nguyên liệu: 1.3.1 Methanol: Methanol, gọi rượu methylic, alcohol methylic hợp chất hóa học với cơng thức phân tử CH3OH hay CH4O (thường viết tắt MeOH) Đây rượu đơn giản nhất, nhẹ, dễ bay hơi, không màu, dễ cháy chất lỏng với mùi đặc trưng, giống, ethanol Methanol cồn công nghiệp, độc, uống lượng nhỏ gây mù mắt, nhiều tử vong Cồn methanol điều chế từ gỗ nên gọi "cồn gỗ" Cồn dùng phịng thí nghiệm cồn cơng nghiệp có chứa nhiều methanol Tuyệt đối không uống cồn công nghiệp dùng cồn cơng nghiệp thay rượu uống Các tính chất vật lí Methanol: • • • Khối lượng phân tử: 32,04 g/mol Nhiệt độ sôi: 64,7 °C Nhiệt độ nóng chảy: -97,6 °C Ứng dụng Methanol: • • • • • Dung môi Methanol nhiên liệu cho ngành giao thông vận tải, tạo metyl tertbutyl ete để pha vào làm tăng tỉ số octan thay cho tetraetyl chì chất gây nhiễm cho mơi trường Methanol loại dung mơi phổ biến sử dụng phịng thí nghiệm, đặc biệt dùng để chạy sắc ký lỏng, nâng cap HPLC, chaỵ phổ UV-VIS Methanol công nghiệp dùng xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp Ứng dụng làm pin nhiên liệu cung cấp hydrogen Sử dụng phổ biến sản xuất formalin, andehit formic axit axetic, 1.3.2 Ethanol: Ethanol, biết đến rượu etylic, alcohol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, hợp chất hữu nằm dãy đồng đẳng alcohol, dễ cháy, không màu, rượu thơng thường có thành phần đồ uống chứa cồn Etanol alcohol mạch hở, cơng thức hóa học C₂H₆O hay C₂H₅OH Các phương pháp sản xuất: • • • Hydrate hoá ethylene Lên men Làm tinh khiết Ứng dụng etanol: • • Dùng làm xăng E5 Các chất hố học dẫn xuất từ Ethanol Các tính chất vật lý Acetone: • • • Khối lượng phân tử: 46,07 g/mol Nhiệt độ sơi: 78,37 °C Nhiệt độ nóng chảy: -114,1 °C Chương 4: Cân lượng 4.1 Cân nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu: Hình 4.6: Thiết bị gia nhiệt dịng nhập liệu Qnl = CF ( +Qmnl Trong đó: Qnl nhiệt lượng cần cung cấp để gia nhiệt nhập liệu lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu p nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu nhiệt dung riêng Methanol t= 50,75 nhiệt dung riêng Ethanol t= 50,75 nhiệt độ nhập liệu vào khỏi thiết bị Qmnl nhiệt mát thiết bị gia nhiệt nhập liệu XF = 10% = 0.28 Cho nhiệt độ nhập liệu 25 Nhiệt độ trung bình dòng nhập liệu = Nhiệt dung riêng Methanol Ethanol ta có: → (Bảng I.154, trang 172 [1]) p=+(1−)=0,072 + (1−0,072) = 2840,291 Qnl = GF p = 1800 (– 25) = 148074,99 4.2 Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ E-102: Hình 4.7: Thiết bị ngưng tụ dịng sản phẩm đỉnh Nếu q trình ngưng tụ khơng làm lạnh: Qnt (IX.165, trang 198 [2]) Trong đó: Qnt nhiệt lượng cần cung cấp để ngưng tụ sản phẩm đỉnh lưu lượng khối lượng hỗn hợp dòng sản phẩm đỉnh pP nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh CN nhiệt dung riêng nước nhiệt hoá Methanol t=65,2 nhiệt hoá Ethanol t=65,2 rD nhiệt hoá hỗn hợp sản phẩm đỉnh nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh Qmnt nhiệt mát thiết bị ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnh Chọn nhiệt độ nước giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ: Ta có: ) R= 24,65 Tại x=0,9 = 65,2oC Nhiệt hố Acetone Etanol ta có: → (Bảng I.212, trang 254 [1])  = + (1 − ) = 0,862 + (1 − 0,862) = 1065476,891 → (Bảng I.154, trang 172 [1]) Qnt = = (24,65 + 1) 79,158 = 2536713040 4.3 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh E-103: Hình 4.8: Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh Trong đó: Qlnđỉnh nhiệt lượng cần cung cấp để làm nguội sản phẩm đỉnh lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh pW nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh nhiệt dung riêng Methanol t= nhiệt dung riêng Etanol t= nhiệt độ sản phẩm đỉnh vào khỏi thiết bị Qmlnđ nhiệt mát thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Tại xD=0,9 tP = 65,2oC Chọn nhiệt độ dòng nước làm lạnh sản phẩm đỉnh: Chọn tPr=30oC Nhiệt độ trung bình dịng sản phẩm đỉnh = Nhiệt dung riêng Acetone Etanol ta có: → (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1]) P = + (1 − ) = 0,862 + (1 − 0,862) = 2718,63 Qlnđỉnh =CP ( –) =79,158 (65,2– 30) =7575086,237 4.4 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy E-105: Hình 4.9: Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy Qlnđ = CW.(tw – ) +Qmlnđ Trong đó: Qlnđ nhiệt lượng cần cung cấp để làm nguội sản phẩm đáy lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đáy pW nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đáy nhiệt dung riêng Methanol t= nhiệt dung riêng Ethanol t= nhiệt độ sản phẩm đáy vào khỏi thiết bị Qmlnđ nhiệt mát thiết bị làm nguội sản phẩm đáy Tại xW=0,9 tW = 77,92oC Chọn nhiệt độ dòng nước làm lạnh sản phẩm đỉnh: Chọn tWr=30oC Nhiệt độ trung bình dịng sản phẩm đáy = Nhiệt dung riêng Methanol Ethanol ta có: → (Bảng I.154, trang 172 [1]) W=.+(1−)=0,035 +(1–0,035) = 2828,99 ) =2828,99 1720,947 (77,92 –30) =233300525,6 4.5 Cân nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất: QF + QK + QLo = QW + QP + Qnt + Qm (IX.156, trang 197 [2]) QF + Qđ = QW + QP + Qnt + Qm Trong đó: QF nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào QP nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang QW nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang QLo nhiệt lượng dịng hồn lưu mang vào QK nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun 4.5.1 Nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào: 4.5.2 Nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang ra: (IX.159, trang 197 [2]) 4.5.3 Nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang ra: 4.5.4 Nhiệt lượng dịng hồn lưu mang vào: ... quan hỗn hợp Methanol - Ethanol; - Thiết kế quy trình chưng cất hỗn hợp Methanol - Ethanol; - Tính tốn cân vật chất, cân lượng; - Tính tốn thiết kế tháp chưng cất; - Bản vẽ quy trình cơng nghệ... TỐN HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC KHOA: CƠNG NGHỆ HỐ HỌC BỘ MƠN: MÁY & THIẾT BỊ HỌ VÀ TÊN: NGÔ NGỌC KIM THƯ MSSV: 18021071 LỚP: DHHD15 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất để. .. tháp mâm chóp để chưng cất hệ Methanol – Ethanol Không làm việc với chất lỏng bẩn - Kết cấu phức tạp 1.3 Nguyên liệu: 1.3.1 Methanol: Methanol, gọi rượu methylic, alcohol methylic hợp chất hóa