ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HÓA ĐỒ ÁN THỰC TẬP QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ Đề tài Tính toán và thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp hai cấu tử Formic acid Acetic acid Giảng viên TS NGUYỄN T[.]
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HĨA ĐỒ ÁN THỰC TẬP Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ Đề tài: Tính tốn thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp hai cấu tử Formic acid - Acetic acid Giảng viên: TS NGUYỄN THANH BÌNH Sinh viên: VŨ NHƯ THIÊN NGUYỄN ĐỨC THỊNH NGÔ TRƯƠNG TIỆP PHAN THỊ THU TRÀ Lớp: 18KTHH1 Nhóm: Đà Nẵng, 2021 MỤC LỤC Thực tập Quá trình thiết bị Nguyễn Thanh Bình LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY BIO - ETHANOL DUNG QUẤT .5 I Sơ lược nhà máy .5 II Các Khu vực sản xuất Phân xưởng .5 Phân xưởng ngoại vi 14 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN 20 I Khái niệm chưng cất .20 II Hỗn hợp hai cấu tử 20 III Cân lỏng – 22 IV Tháp chưng cất 23 V Sơ đồ tổng quát dây chuyền công nghệ .24 Sơ đồ công nghệ 24 Nguyên lí làm việc tháp chưng luyện 26 Nguyên lí làm việc hỗn hợp Formic acid - Aceti acid 27 CHƯƠNG III: TÍNH TỐN CƠNG NGHỆ THIẾT BỊ CHƯNG 29 I Yêu cầu toán .29 II Cơ sở liệu 29 III Thông số ban đầu… .29 IV Tính tốn thiết kế… .30 Cân vật liệu 30 a Đổi số liệu 30 b Tính cân vật liệu 31 c Thành phần pha hỗn hợp hai cấu tử Formic acid - Acetic acid 31 Lớp 20KTHH2 Nhóm Thực tập Q trình thiết bị Nguyễn Thanh Bình d Đồ thị cân pha .32 Xác định số đĩa lý thuyết .34 a Giả thuyết Mc Cabe Thiele 34 b Các trạng thái nhiệt động hỗn hợp đầu 35 c Phương trình đường nồng độ làm việc .35 d Chỉ số hồi lưu tối thiểu 38 e Chỉ số hồi lưu thích hợp .47 Xác định số đĩa thực tế 48 Xác định đường kính tháp chưng luyện 51 a Đường kính D1 đoạn luyện 52 b Đường kính D2 đoạn chưng 54 Xác định chiều cao tháp chưng luyện 57 Cân nhiệt lượng 57 a Cân nhiệt lượng thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu 58 b Cân nhiệt lượng cho tháp chưng luyện .60 c Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ - hồi lưu hoàn toàn 63 d Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ - làm lạnh hoàn toàn 64 V Kết luận… .65 CHÚ THÍCH .66 LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập giảng đường, chúng em nhận nhiều quan tâm giúp đỡ quý thầy bạn bè Với lịng biết ơn sâu sắc chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Thanh Bình - người đồng hành Lớp 20KTHH2 Nhóm Thực tập Q trình thiết bị Nguyễn Thanh Bình chúng em suốt thời gian đồ án môn học Thầy giúp đỡ chúng em nhiều khơng nội dung mà cịn cách trình bày đồ án cho hợp lý Đây lần chúng em tiếp cận với đồ án nên làm khó tránh khỏi sai sót, mong thầy nhóm Q tình thiết bị bỏ qua dạy thêm cho chúng em Và nhóm gửi lời cảm ơn đến Cơng ty Cổ phần Nhiên liệu sinh học Dầu khí miền Trung (BSR-BF) hỗ trợ chúng em tham quan tìm hiểu nhà máy gian đoạn dịch Covid-19 diễn biến phức tạp, thời gian tham gian có giới hạn giúp chúng em có thêm nhiều kiến thức bổ ích thực tế vận hành thiết bị Một lần nữa, Nhóm xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Công ty Bio - Ethanol Dung Quất! NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN BAN CHỦ NHIỆM KHOA Ngày… tháng… năm 2021 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN I Khái niệm chưng cất: Lớp 20KTHH2 Nhóm Thực tập Q trình thiết bị Nguyễn Thanh Bình Chưng cất trình dùng nhiệt để tách hỗn hợp chất lỏng (cũng hỗn hợp khí hóa lỏng) thành cấu tử riêng biệt, dựa 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 thụ nhả khí, trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ Để thu sản phẩm có độ tinh khiết cao, người ta tiến hành chưng nhiều lần gọi chưng luyện - Các phương pháp chưng cất thường gặp sản xuất: + Chưng đơn giản : dùng để tách sơ làm cấu tử khỏi tạp chất (yêu cầu cấu tử có độ bay khác xa nhau) + Chưng nước trực tiếp : tách hỗn hợp gồm chất khó bay tạp chất không bay (chất tách không tan nước) + Chưng chân không: trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi cấu tử + Chưng luyện : phương pháp phổ biến dùng để tách hoàn tồn hỗn hợp cấu tử dễ bay có tính chất hịa tan phần hay hịa tan hồn toàn vào Chưng luyện áp suất thấp: dùng cho hỗn hợp dễ bị phân huỷ nhiệt độ cao Chưng luyện áp suất cao: dùng cho hỗn hợp khơng hóa lỏng áp suất thường II - Hỗn hợp hai cấu tử: Phân loại hỗn hợp hai cấu tử: + Hỗn hợp lý tưởng hỗn hợp mà lực liên kết phân tử loại lực liên kết phân tử khác loại chúng hòa tan theo tỷ lệ nào, cân lỏng - tuân theo định luật Raoult: EA-B = EA-A = EB-B + Hỗn hợp thực hỗn hợp khơng hồn tồn tn theo định luật Raoult: Chúng hồn tồn tan lẫn vào nhau, có sai lệch dương với định luật Raoult: Lớp 20KTHH2 Nhóm Thực tập Quá trình thiết bị Nguyễn Thanh Bình P=a x Pbh với a>1 Trong trường hợp lực liên kết phân tử khác loại bé lực liên kết phân tử loại: EA-B < EA-A ( EB-B) Chúng hoàn toàn tan lẫn vào nhau, có sai lệch âm với định luật Raoult: p=a x Pbh với a EA-A ( EB-B) Chúng hoàn toàn tan lẫn vào nhau, tồn điểm đẳng phí Tại đó, áp suất đạt giá trị cực đại (ví dụ: hệ alcol etylic-nước) Chúng hồn tồn tan lẫn vào nhau, tồn điểm đẳng phí Tại đó, áp suất đạt giá trị cực tiểu (ví dụ: hệ axit nitric-nước) Chúng tan lẫn phần vào (ví dụ: hệ nước-n butanol) Chúng hồn tồn khơng tan lẫn vào (ví dụ: hệ benzen-nước) + + Khi chưng hỗn hợp hai cấu tử: bé Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay Sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn III Cân lỏng - hơi: Cân lỏng - trạng thái mà pha lỏng pha (pha khí) cân với nhau, tốc độ bay tốc độ ngưng tụ mức độ phân tử lúc đó, xem khơng có chuyển pha lỏng - Mặc dù, theo lý thuyết, trình chuyển pha ln đạt đến cân bằng, thực tế, cân thiết lập hệ tương đối kín, chất lỏng tiếp xúc với thời gian đủ dài khơng có tác động từ bên ngồi tác động từ từ Lớp 20KTHH2 Nhóm Thực tập Quá trình thiết bị Nguyễn Thanh Bình Nồng độ pha tiếp xúc với pha lỏng nó, đặc biệt trạng thái cân bằng, đặc trưng áp suất hơi, áp suất riêng phần hỗn hợp Áp suất cân chất lỏng thường phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Ở trạng thái cân lỏng - hơi, pha lỏng với cấu tử có nồng độ định có pha cân bằng, nồng độ hay áp suất riêng phần cấu tử đạt giá trị không đổi, phụ thuộc vào nồng độ cấu tử pha lỏng nhiệt độ Ngược lai, pha có nồng độ cấu tử hay áp suất riêng phần khơng đổi trạng thái cân bằng, pha lỏng có nồng độ khơng đổi, phụ thuộc vào nồng độ pha nhiệt độ Nồng độ cân cấu tử pha lỏng thường khác với nồng độ hay áp suất pha hơi, chúng có tương quan Nồng độ cân lỏng - thường xác định qua thực nghiệm cho hỗn hợp lỏng - có nhiều cấu tử Trong số trường hợp, số liệu cân lỏng - xác định nhờ Định luật Raoult, Định luật Dalton hay Định luật Henry Cân lỏng ứng dụng nhiều việc thiết kế tháp chưng cất, đặc biệt tháp đĩa IV Tháp chưng cất: - Tháp chưng cất hệ thống gồm nhiều đĩa, đĩa tháp ứng với nồi chưng trình chưng cất Bộ phận đun nóng đáy Hơi từ qua lỗ đĩa Chất lỏng chảy từ xuống qua ống chuyền Nồng độ cấu tử thay đổi theo chiều cao tháp, nhiệt độ sôi thay đổi tương ứng - Phân loại tháp chưng cất: Phân loại Tháp đĩa lưới Chế tạo đơn giản tiêu tốn kim loại tháp đĩa chóp Ưu điểm - Hiệu suất tương đối cao - Hoạt động ổn định lỏng bẩn Làm việc với chất Lớp 20KTHH2 Tháp đĩa chóp - Năng suất cao - Hoạt động ổn định Tháp đệm - Cấu tạo đơn giản - Trở lực thấp - Hiệu tách cao - Chi phí lắp đặt thấp Nhóm Thực tập Q trình thiết bị - Trở lực cao Nhược điểm - Yêu cầu lắp đặt khắt khe (lắp đĩa thật phẳng, lưu lượng làm việc phải phù hợp với kích thước lỗ) Lớp 20KTHH2 Nguyễn Thanh Bình - Chi tiết cấu tạo phức tạp - Trở lực lớn - Tiêu tốn nhiều vật liệu liệu kim loại - Thiết bị nặng, suất thấp, độ ổn định thấp - Vệ sinh khó khăn nên không sử dụng với chất lỏng bẩn Nhóm Thực tập Q trình thiết bị Nguyễn Thanh Bình Hình 14: Tháp đĩa chóp V Sơ đồ tổng quát dây chuyền công nghệ: Sơ đồ công nghệ: Hình 15: Hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục (1) Tháp chưng Gồm có phần : phần gồm từ đĩa tiếp liệu trở lên đỉnh gọi đoạn luyện, phần gồm từ đĩa tiếp liệu trở xuống gọi đoạn chưng Lớp 20KTHH2 Nhóm Thực tập Q trình thiết bị Nguyễn Thanh Bình (2) Thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu Mục đích: dùng để đun sơi hỗn hợp đầu nhằm tách cấu tử nhẹ có nhiệt độ sơi thấp bay lên đưa vào tháp chưng luyện Dùng nước bão hồ để đun nóng có hệ số cấp nhiệt lớn, ẩn nhiệt ngưng tụ cao Hơi nước bão hoà ống, lỏng ống (3) Thùng cao vị - Mục đích: điều áp điều chỉnh dung lượng vào thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu (4) Thiết bị đun sôi đáy tháp Thiết bị gia nhiệt dạng ống xoắn ruột gà, sử dụng nước bão hoà để đun với ống lỏng ống (5) Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn Giai đoạn hồi lưu: dùng để đảm bảo, tăng cường độ tinh khiết sản phẩm đỉnh cung cấp lỏng cho lò luyện (6) Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh - Mục đích: làm mát sản phẩm (7) Thùng chứa sản phẩm đỉnh (8) Thùng chứa sản phẩm đáy (9) Thùng chứa nguyên liệu Nguyên lí làm việc tháp chưng luyện liên tục: Hỗn hợp lỏng ban đầu bơm lên thùng cao vị để ổn định áp lực Từ thùng cao vị hỗn hợp lỏng chảy qua thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu nước nóng chảy vào đĩa tiếp nhận Nhiệt độ hỗn hợp lỏng sau qua thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu thường đạt đến nhiệt độ sôi Hơi từ lên, lỏng từ xuống Nồng độ cấu tử thay đổi theo chiều cao tháp, nhiệt độ sôi thay đổi tương ứng với thay đổi nồng độ chúng Cụ thể, đĩa chất lỏng có nồng độ cấu tử dễ bay x1, bốc lên có nồng độ y1 (y1 > x1) Hơi qua lỗ đĩa lên đĩa tiếp xúc với lỏng Nhiệt độ chất lỏng đĩa thấp đĩa 1, nên phần ngưng tụ lại, nồng độ cấu tử dễ bay đĩa x > x1 Hơi bốc lên từ đĩa có nồng độ cấu tử dễ bay y2 (y2 > x2) lên Lớp 20KTHH2 10 Nhóm