THỰC HÀNH TÍNH TOÁN hệ THỐNG và THIẾT kế THIẾT bị CÔNG NGHỆ HOÁ học THIẾT kế hệ THỐNG CHƯNG cất mâm hệ nước ACID ACETIC

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 MÂM HỆ NƯỚC - ACID ACETIC Giảng viên hướng dẫn: ThS VÕ THANH HƯỞNG Sinh viên thực hiện: NGUYỄN QUỐC VƯƠNG MSSV: 18068621 Lớp: DHVC14 Khoá: 2022 – 2023 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2022 BỘ CƠNG THƯƠNG CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHCN TP HỒ CHÍ MINH Độc lập – Tự – Hạnh phúc 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: NGUYỄN QUỐC VƯƠNG MSSV:18068621 Tên nhiệm vụ: Tính tốn hệ thống thiết kế thiết bị tháp chưng cất hỗn hợp Nước –Acid acetic với suất nhập liệu 1200 kg/h Nhiệm vụ (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu) a Số liệu ban đầu: - Nồng độ nhập liệu 10 % phần mol Nước - Nồng độ sản phẩm đỉnh 90 % phần mol Nước - Nồng độ sản phẩm đáy % phần mol Nước - Các thống số khác tự chọn b Yêu cầu: - Tổng quan quy trình cơng nghệ PFD - Cân vật chất cân lượng cho tồn hệ thống cơng nghệ PFD - Tính tốn chi tiết cho thiết bị c Bản vẽ: - Bản vẽ qui trình cơng nghệ PFD (1 A1) - Bản vẽ chi tiết thiết bị (1 A1) Ngày giao nhiệm vụ tập lớn Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Họ tên người hướng dẫn: Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 08 năm 2021 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) 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 q Thầy Cơ Khoa Cơng 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- Ts 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 thaiện 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 2021 Sinh viên thực (Ghi 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 Chuyên ngành (Ký ghi họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20… Giảng viên phản biện (Ký ghi họ tên) CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chưng cất 1.1.2 Giới thiệu chưng cất Chưng cất trình dùng để tiến hành phân tách hỗn hợp lỏng- lỏng, lỏng- khí 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): trình thực liên tục, nghịch dịng, nhiều đoạn Ngồi cịn có thiết bị hoạt động bán liên tục Trong trường hợp này, sản phẩm Nước – với yêu cầu có độ tinh khiết cao sử dụng, cộng với hỗn hợp Nước- Acid acetic hỗn hợp khơng có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục hiệu 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 xuyên 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 Bảng 1.1 Ưu nhược điểm loại tháp 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 bẩn dùng đệm cầu có    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 không cao, khó phức tạp vận hành - Do có hiệu ứng thành  tăng suất hiệu ứng thành tăng  khó tăng suất - Thiết bị nặng nề Vậy: ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Nước – Acid acetic - Hiệu suất cao Không làm việc với chất lỏng bẩn - Kết cấu phức tạp 1.3 Nguyên liệu 1.3.1 Acid acetic Acid acetic hay gọi axit ethanoic chất lỏng không màu axit hợp chất hữu với cơng thức hóa học CH3COOH Axeton chất lỏng dễ cháy, không màu, bay nhanh có mùi đặc trưng Nước tan nước dung môi chủ yếu dùng để làm phịng thí nghiệm, đồng thời chất dùng để tổng hợp chất hữu sử dụng thành phần hoạt chất sơn móng tay Acid acetic tổng hợp phịng thí nghiệm có thiên nhiên khơng khí, nước uống, ruộng đất Trong thể người Acid acetic sản xuất thải thông qua q trình trao đổi chất thường có máu nước tiểu Nó tạo từ quan q trình chuyển hóa thực phẩm nước tiểu thải ngồi Nếu Nước khơng đào thải lý gây choáng lúc này, axit máu lên cao Các tính chất vật lý Acid acetic:  Khối lượng phân tử: 58,08 g/mol  Nhiệt độ sơi: 56 °C  Nhiệt độ nóng chảy: -95 °C Các phương pháp sản xuất:  Axeton sản xuất trực tiếp gián tiếp từ propen  Sản xuất trực tiếp cách oxy hóa hay hidro hóa propen, sinh – propanol (isopropanol) oxi hóa isoprropanol axeton  Đôi sản xuất dạng sản phẩm phụ công nghiệp chưng cất Ứng dụng Acid acetic:  Dùng làm dung môi công nghiệp để sản xuất chất dẻo, nhựa, plastic, sản xuất sơn,…  Dùng để pha loãng nhựa polyester dung số chất tẩy rửa  Dùng làm hoá chất trung gian để tổng hợp metyl metacrilat bisphenol A  Dùng phịng thí nghiệm  Dùng y dược kỹ thuật làm đẹp 1.3.2 Nước Trong điều kiện bình thường, nước chất lỏng khơng màu, khơng mùi, khơng vị, khối nước dày dầy có màu xanh nhạt Khi hóa rắn tồn dạng tinh thể khác - Khối lượng phân tử: 18 (g/mol) - Khối lượng riêng: (g/mol) - Nhiệt độ nóng chảy: 0oC - Nhiệt độ sôi: - Nước hợp chất chiếm phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất nước biển) cần thiết cho sống Nước dung mơi phân cực mạnh, có khả hịa tan nhiều dung môi quan trọng kỹ thuật hóa học - 100oC CHƯƠNG SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 2.1 Thuyết minh quy trình Hỗn hợp Nước - Acid acetic có suất nhập liệu 1200kg/h có nồng độ Acid acetic ban đầu 10% phần mol, nhiệt độ dòng nhập liệu ban đầu bể chứa 25 oC Hỗn hợp bơm từ bể chứa lên dòng số 1- dòng nhập liệu, sau hỗn hợp qua thiết 10 Q10=W C sW t sW ( Jh )  Nhiệt lượng nước làm nguội mang vào thiết bị Q: Qnv 5=Gnv Cn t nv ( Jh ) Trong đó: Gnv5: lưu lượng nước làm lạnh (kg/h) Cn: nhiệt dung riêng nước làm lạnh (J/Kg.K) tnv: nhiệt độ nước làm lạnh vào thiết bị, 25 ℃  Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang sau làm nguội Q20: Qnr 5=W C W t W ( Jh ) Trong đó: W : lưu lượng sản phẩm đáy (Kg/h) C W : nhiệt dung riêng sản phẩm đáy nhiệt độ tW (J/kg.K) tw: Nhiệt độ sản phẩm đáy sau làm nguội (℃ )  Nhiệt lượng nước làm lạnh mang khỏi thiết bị : Qnr 5=G nr C n t nr ( Jh ) Trong đó: Gnr5: lưu lượng nước làm lạnh (kg/h) Cn: nhiệt dung riêng nước làm lạnh (J/Kg.K) tnr: nhiệt độ nước làm lạnh thiết bị, 40℃  Lượng nước làm nguội là: Gnr 5=G nv5= W ( C sW t sW −C W t W ) kg h C n × ( t nr −t nv ) ( ) Tính tốn số liệu: Tại tW = 30oC tra bảng I.154 trang 171, 172 sổ tay QTTB tập 1:  Nhiệt dung riêng Acid acetic: CA = 2047 (J/kg.K)  Nhiệt dung riêng Nước: CN = 4205 (J/kg.K) ⟶Nhiệt dung riêng hỗn hợp nhiệt độ tW = 30oC: C W =x W C A + ( 1−x W ) C N =0,016 4205+ ( 1−0,016 ) 2047 ¿ 2081,528(J/kg.K) Tại tsW = 92,2 C tra bảng I.154 trang 171,172 sổ tay QTTB tập 1: o  Nhiệt dung riêng Acid acetic: CA = 2385,54 (J/kg.K)  Nhiệt dung riêng Nước: CN = 4214,4 (J/kg.K) 36 ⟶Nhiệt dung riêng hỗn hợp nhiệt độ tsW = 85,41oC: C sW =x W C N + ( 1− xW ) C A=0,016 4214,4+ ( 1−0,016 ) 2385,54 ¿ 2414,8(J/kg.K) ⇒Lượng nước làm nguội là: Gnv 5=Gnr 5= ¿ W ( C sW t sW −C W t W ) C n ( t nr−t nv ) ( ) 1171,896 ( 2414,8 100,6−2081,528 30 ) kg =3374,938 h 4178 ( 40−25 ) 37 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHƯNG CẤT 5.1 Đường kính tháp Đường kính tháp xác định theo công thức sau: D= √ V tb ( IX 89 ,trang 181 [ ] ) π 3600 ω tb ¿ 0,0188 Trong đó: √ gtb ( ρ y ω y )tb ( IX 90 ,trang 181 [ ] ) Vtb: lượng (khí) trung bình tháp m3/h ω ytb : tốc độ (khí) trung bình tháp m/s gtb : lượng (khí) trung bình tháp kg/h ( ρ y ω y ) tb : tốc độ (khí) trung bình tháp kg/m2 s Lượng trung bình đoạn chưng đoạn cất khác nhau, vậy, đường kính đoạn chưng đoạn cất khác Do ta tính đường kính đoạn so sánh chọn kích thước phù hợp 5.2 Đường kính đoạn cất: 5.2.1 Tốc độ trung bình tháp đoạn cất: ¿.√ h ❑xtb ❑ ytb (kg/m2.s ) ( IX 105 , trang184 , [ ] ) Với nồng độ phần mol trung bình pha hơi: y tb = y 1+ y D 0,482+0,929 = =0,7055 2 Nhiệt độ trung bình đoạn cất: t tb = t F +t D 66,52+57 = =61,76 oC 2 ❑ ytb= ¿ ⌈ y tb 58+ ( 1− ytb ) 46 ⌉ 273 22,4 ( t tb +273 ) ( IX 102 ,trang 183 , [ ] ) ⌈ 0,7055.58+ ( 1−0,7055 ) 46 ⌉ 273 =¿ 1,98 (kg/m3) 22,4 ( 61,76+273 ) ytb: khối lượng riêng trung bình pha Nồng độ phân khối lượng trung bình pha lỏng: 38 x tb = x F + x D 0,33+ 0,92 = =0,625 2 Nhiệt độ trung bình đoạn cất ttb = 61,76oC Khối lượng riêng Acid acetic: A = 743,62 (kg/m3) ( Bảng I 2, trang [ ] ) Khối lượng riêng Etanol: E = 752,33 (kg/m3) ( Bảng I 2, trang [ ] ) ( ❑xtb = = ( x tb 1−x tb + ❑ A ❑E ) -1 ( IX 104 a , trang 183 , [ ] ) 0,625 1−0,625 + 743,624 752,328 ) −1 = 746,864 (kg/m3) xtb: khối lượng riêng trung bình pha lỏng []: hệ số tính đến sức căng bề mặt Khi 20 dyn/cm [] = 1 1 = + ❑ ❑E ❑A ( I 76 ,trang 299 , [ ] ) E, A: sức căng bề mặt Etanol Acid acetic nhiệt độ làm việc ttb = 61,76oC, tra bảng tính theo DIPPR sức căng bề mặt Acid acetic: A = 18,39 (dyn/cm) sức căng bề mặt Etanol: E = 18,85 (dyn/cm)   =9,31(dyn/cm) < 20 (dyn/cm)  [] = 0,8 Bảng 5.4Tính tốn đường kính thực tế đoạn cất D (m) lý thuyết ÷ 0,6 0,6 ÷ 1,2 1,2 ÷1,8 ¿ 1,8 h (m) lý thuyết 0,25 0,3 ÷ 0,35 0,35 ÷ 0,45 0,45 ÷ 0,6 h (m) 0,25 0,35 0,45 0,6 1,18 1,34 1,55 0,71 0,65 0,61 0,57 ( y.y) tb D (m) thực tế Theo bảng số liệu ta thấy h = 0,3 ÷ 0,35 thoả mãn u cầu đường kính theo tính tốn thực tế Vì nên ta chọn h= 0,35 m cho phần cất thiết bị tháp chưng cất mâm chóp hệ hai cấu tử Acid acetic – Etanol h: khoảng cách mâm (m), chọn h = 0,35 m 39 ( y.y) tb = 0,065.[ ]ư [ ĩ ] √ h ❑xtb ❑ ytb ( IX 105 , trang184 , [ ] ) = 0,065 0,8 √ 0,35 746,864 1,98 = 1,18 (kg/m2 s) y = 0,894/1,98 = 0,45 (m/s) o Đường kính đoạn cất: Dcất =0,0188 √ 1431,455 = 0,65(m) 1,183 5.3 Đường kính đoạn chưng: 5.3.1 Tốc độ trung bình tháp đoạn chưng - xác định ’xtb, ’ytb: ’xtb: khối lượng riêng trung bình pha lỏng (kg/m3) ’ytb: khối lượng riêng trung bình pha hơi(kg/m3) Xác định ’ytb: ⌈ y tb 58+ ( 1− y tb ) 46 ⌉ ' ' ytb ❑ = ' 22,4 ( t 'tb +273 ) Với: + Nồng độ phân mol trung bình: y 'tb = y 1+ y w 0,482+0,1764 = 0,33 = 2 + Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t 'tb = ' ❑ ytb= t F +t W 66,52+74,92 = 70,72 oC = 2 ⌈ 0,33.58+ ( 1−0,33 ) 46 ⌉ 273 = 1,77 (kg/m3) 22,4 ( 70,72+ 273 ) Xác định ’xtb: + nồng độ phân khối lượng trung bình pha lỏng: x 'tb = ' + Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t’tb = 70,72oC Tra tài liệu tham khảo Khối lượng riêng Acid acetic: ’A = 731,53 (kg/m3) Khối lượng riêng Etanol: ’E = 743,82 (kg/m3) ' 0,202 1−0,202 + = 741,301(kg/m ) ( 731,528 743,816 ) ❑xtb = -1 []: hệ số tính đến sức căng bề mặt 40 ' x F + x w 0,33+0,074 = 0,202 = 2 Khi 20 (dyn/cm) [] = : tính theo cơng thức sau: 1 = + ❑ ❑N ❑EG t’tb = 70,72oC tra bảng liệu DIPPR ta có Sức căng bề mặt Acid acetic: A = 17,31 (dyn/cm) Sức căng bề mặt Etanol: E = 18,09 (dyn/cm)  = 8,85 (dyn/cm)