TỔNG QUAN
Tổng quan về chưng cất
Chưng cất là phương pháp phân tách các hỗn hợp lỏng- lỏng, lỏng- khí và khí- khí thành các thành phần riêng biệt Quá trình này dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp, giúp tách biệt chúng một cách hiệu quả.
Số lượng sản phẩm chưng cất phụ thuộc vào số cấu tử trong hỗn hợp Đối với hỗn hợp hai cấu tử, sản phẩm đỉnh chứa các cấu tử có độ bay hơi cao và một lượng nhỏ các cấu tử có độ bay hơi thấp, trong khi sản phẩm đáy chủ yếu gồm các cấu tử có độ bay hơi thấp và một phần nhỏ các cấu tử có độ bay hơi cao.
Trong quá trình chưng cất, hơi đi từ dưới lên và pha lỏng chảy từ trên xuống, dẫn đến sự thay đổi nồng độ các cấu tử theo chiều cao của tháp Nhiệt độ làm việc cũng thay đổi tương ứng với nồng độ Trên mỗi đĩa, quá trình chuyển khối giữa hai pha lỏng và hơi diễn ra, trong đó một phần pha lỏng (chủ yếu là cấu tử dễ bay hơi) bốc hơi vào pha hơi, trong khi một phần pha hơi (chủ yếu là cấu tử khó bay hơi) ngưng tụ vào pha lỏng Quá trình này lặp lại nhiều lần, giúp thu được phần lớn cấu tử dễ bay hơi ở đỉnh tháp và phần lớn cấu tử khó bay hơi ở đáy tháp.
Các phương pháp và thiết bị chưng cất
Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ):
- Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.
- Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
- Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
- Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.
Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục.
Sản phẩm Acetone yêu cầu độ tinh khiết cao, và do Acetone – Etanol là hỗn hợp không có điểm đẳng phí, phương pháp chưng cất liên tục là lựa chọn hiệu quả nhất để đạt được mục tiêu này.
Hệ thống và thiết kế thiết bị công nghệ hóa học bao gồm việc thiết kế hệ thống chung cho quá trình cắt mâm chóp với acetone và ethanol Việc tối ưu hóa quy trình này không chỉ đảm bảo hiệu suất mà còn nâng cao tính bền vững trong sản xuất.
1.2.2 Các thiết bị chưng cất
Trong sản xuất, nhiều loại thiết bị được sử dụng để tiến hành chưng cất, nhưng yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán giữa các lưu chất Khi pha khí phân tán vào pha lỏng, ta sử dụng tháp mâm; ngược lại, khi pha lỏng phân tán vào pha khí, tháp chêm và tháp phun được áp dụng Bài viết này sẽ tập trung khảo sát hai loại thiết bị chưng cất phổ biến: tháp mâm và tháp chêm.
Tháp mâm là một thiết bị công nghiệp có thân hình trụ đứng, bên trong được trang bị các mâm với cấu trúc đa dạng, cho phép pha lỏng và pha hơi tiếp xúc hiệu quả Cấu tạo của các đĩa trong tháp sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và quá trình trao đổi nhiệt, tạo ra sự khác biệt trong hoạt động của tháp.
Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…
Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh
Tháp chêm, hay còn gọi là tháp đệm, là một cấu trúc hình trụ được thiết kế với nhiều bậc kết nối bằng mặt bích hoặc hàn Vật chêm được đưa vào tháp thông qua hai phương pháp chính: xếp ngẫu nhiên hoặc xếp theo thứ tự.
Bảng 1.1 Ưu nhược điểm của các loại tháp
Tháp mâm chêm Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ Ưu điểm Cấu tạo khá đơn giản
- Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có của chất lỏng
Trở lực tương đối thấp
Nhược điểm Do có hiệu ứng thành hiệu suất truyền khối thấp
- 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
- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp
Không làm việc được với chất lỏng bẩn
- Kết cấu khá phức tạp.
Vậy: ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Aceton – Etanol
Nguyên liệu
Axeton, hay còn gọi là Dimethyl Formadehyde, là một hợp chất hữu cơ với công thức hóa học (CH3)2CO Đây là một chất lỏng dễ cháy, không màu, bay hơi nhanh và có mùi đặc trưng.
Aceton là một dung môi tan trong nước, thường được sử dụng để làm sạch trong phòng thí nghiệm Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp các hợp chất hữu cơ và là thành phần chính trong các sản phẩm sơn móng tay.
Acetone được tổng hợp trong phòng thí nghiệm nhưng cũng có ở thiên nhiên như trong không khí, nước uống, ruộng đất.
Acetone là một hợp chất được sản xuất trong cơ thể con người thông qua quá trình trao đổi chất, thường xuất hiện trong máu và nước tiểu Nó được hình thành từ các cơ quan và quá trình chuyển hóa thực phẩm, sau đó được thải ra ngoài qua nước tiểu Nếu acetone không được đào thải đúng cách, nó có thể dẫn đến tình trạng choáng do nồng độ axit trong máu tăng cao.
Các tính chất vật lý của Acetone:
Khối lượng phân tử: 58,08 g/mol
Nhiệt độ nóng chảy: -95 °C Các phương pháp sản xuất:
Axeton được sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp từ propen.
Sản xuất trực tiếp bằng cách oxy hóa hay hidro hóa propen, sinh ra 2 – propanol (isopropanol) và khi oxi hóa isoprropanol sẽ được axeton.
Đôi khi được sản xuất dưới dạng sản phẩm phụ của công nghiệp chưng cất Ứng dụng của acetone:
Dùng làm dung môi công nghiệp để sản xuất chất dẻo, nhựa, plastic, sản xuất sơn,…
Dùng để pha loãng nhựa polyester và được dung trong một số chất tẩy rửa.
Dùng làm hoá chất trung gian để tổng hợp metyl metacrilat và bisphenol A
Dùng trong phòng thí nghiệm
Dùng trong y dược và kỹ thuật làm đẹp.
Etanol, hay còn gọi là rượu etylic, là một hợp chất hữu cơ thuộc nhóm alcohol, dễ cháy và không màu, thường có mặt trong các đồ uống có cồn Công thức hóa học của etanol là C₂H₅OH, và nó là một trong những loại rượu phổ biến nhất trong các sản phẩm tiêu thụ.
Các phương pháp sản xuất:
Làm tinh khiết Ứng dụng của etanol:
Các chất hoá học dẫn xuất từ Etanol Các tính chất vật lý của Acetone:
Khối lượng phân tử: 46,07 g/mol
SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Thuyết minh quy trình
Hỗn hợp Acetone-Etanol có năng suất nhập liệu 1800kg/h với nồng độ acetone ban đầu 28% phần mol và nhiệt độ dòng nhập liệu tại bể chứa là 25°C Hỗn hợp được bơm lên dòng số 1 và đi qua thiết bị gia nhiệt E-101, nơi được gia nhiệt bằng hơi nước khoảng 120°C cho đến khi đạt nhiệt độ sôi, sau đó được đưa vào tháp chưng cất tại đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, phần lỏng chứa chủ yếu cấu tử dễ bay hơi chảy xuống đáy tháp, trong khi pha hơi chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi bay lên đỉnh tháp Tại đây, pha hơi di chuyển từ dưới lên gặp pha lỏng đi từ trên xuống, tạo điều kiện cho sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha Khi pha lỏng di chuyển xuống, nồng độ cấu tử dễ bay hơi giảm dần Dòng lỏng sau đó sẽ đi qua ống số 10 vào nồi đun Kettle E-104, nơi hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ bay hơi.
Sau khi gia nhiệt ở 77,3 độ C, hỗn hợp trong nồi đun sẽ chuyển hóa thành hơi và di chuyển qua ống số 9 vào tháp Phần còn lại sẽ ra khỏi nồi đun Kettle, đi qua dòng số 12, vào thiết bị làm nguội E-105 và cuối cùng được dẫn đến bể chứa sản phẩm đáy V.
Bể chứa sản phẩm đáy V-104 có nồng độ Etanol 94%, trong khi pha hơi từ nồi đun kéo theo các cấu tử dễ bay hơi lên đỉnh tháp Khi di chuyển lên cao, nhiệt độ giảm, khiến cấu tử Etanol với nhiệt độ sôi cao hơn ngưng tụ và rơi xuống, trong khi phần còn lại tiếp tục lên đỉnh qua ống số 4 đến thiết bị ngưng tụ E-102, nơi dòng hơi được chuyển thành dòng lỏng Hỗn hợp ở đỉnh tháp sau đó được chuyển vào bể chứa hỗn hợp hoàn lưu V-102, từ đó một phần sẽ được hoàn lưu về tháp, còn phần còn lại di chuyển qua dòng số 7 đến thiết bị làm nguội E-103 để giảm nhiệt độ xuống 30°C Cuối cùng, dòng sản phẩm đỉnh được chuyển về bể chứa V-103, nơi nồng độ Acetone chiếm 90% trong hỗn hợp.
CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Cân bằng vật chất toàn bộ hệ thống
Nồng độ sản phẩm đỉnh: 90%
Nồng độ sản phẩm đáy: 6%
Chọn: Nhiệt độ nhập liệu: 25 C
F_Suất lượng nhập liệu kmol h x F _ phần mol nhập liệu kmol kmolhh
P_ Suất lượng sản phẩm đỉnh kmol h
W_Suất lượng sản phẩm đáy kmol h x D _ phần mol sản phẩm đỉnh kmol kmolhh x W _ phần mol sản phẩm đáy kmol kmolhh
3.1.2 Nồng độ phần khối lượng aceton trong tháp
A: aceton E: Etanol Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đính
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy:
3.1.3 Suất lượng mol của các dòng
Cân bằng vật chất toàn tháp: F= P+W (1) Cân bằng cấu tử aceton: F.x F = P.x D + W.x W (2)
Từ (1) và (2) ta suy ra được:
{ W P 29,056 D6,176 kg h kg h x F = x F M A x F M A + ( 1−x F ) M E = 0,28.58 0,28.58 +(1−0,28 ).46 =0,33 kghh kg x W = x W M A x W M A + ( 1−x W ) M E = 0,06.58 0,06.58 +(1−0,06 ) 46 =0,074 kghh kg x D = x D M A x D M A + ( 1−x D ) M E = 0,9.58+(1−0,9) 0,9.58 46 =0,92 kg kghh
3.1.4 Xác định chỉ số hồi lưu: a Đồ thị cân bằng Acetone – Etanol:
Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng %mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử ở 760 mmHg (Acetone – Etanol):
Bảng 3.2: Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ acentone và Etanol x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 15,5 26,2 41,7 52,4 60,5 67,4 73,9 80,2 86,5 92,9 100 t 78,4 75,4 73 69 65,9 63,6 61,8 60,4 59,1 58 57 56,1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 x y Đồ thị 3.1: Đồ thị cân bằng x-y hệ Acetone-Etanol b Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp:
Chỉ số hồi lưu tối thiểu
Do nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hòa, nên Rmin được xác định như sau:
R min = x D − y F ¿ y ¿ F −x F tra công thức IX.24 trang 158 [2]
Theo bảng cân bằng lỏng – hơi của hệ Acetone – Etanol:
Từ phương pháp nội suy ta suy ra được: x F −x 1 y F ¿ − y 1 = x 2 −x 1 y 2 − y 1
y F * = 0,5054Vậy chỉ số hồi lưu tối thiểu được xác định:
Nồng độ phần mol của Acetone trong pha lỏng ở sản phẩm đỉnh được tính bằng công thức 0.5054−0.28 Nồng độ phần mol của Acetone trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu được ký hiệu là x F Trong khi đó, nồng độ phần mol của Acetone trong pha hơi cân bằng với pha lỏng ở hỗn hợp đầu được biểu thị bằng y * F.
Để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, cần dựa vào điều kiện thể tích tháp nhỏ nhất, tương ứng với Ni (Rx+1) nhỏ nhất Trong đó, N l đại diện cho số bậc thay đổi nồng độ lý thuyết.
Để chọn chỉ số hồi lưu thích hợp, hệ số b i = 1,2 ψ 2 là rất quan trọng Nếu lượng hồi lưu quá nhỏ, tháp sẽ cao và khó thực hiện, trong khi nếu lượng hồi lưu quá lớn, tháp sẽ thấp nhưng đường kính sẽ lớn, dẫn đến hiệu suất sản phẩm đỉnh không cao Để xác định R X thích hợp theo số bậc thay đổi nồng độ, cần lần lượt cho các giá trị b i trong khoảng [1,2 ÷ 2] và tính R tương ứng theo công thức R X = b i R Xmin, từ đó thu được các giá trị N tương ứng.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 đường cân bằng đường phân giác đường cất đường nhập liệu đường chưng x% y% Đồ thị 3.2: Đồ thị thể hiện số mâm lí thuyết tại b=1,2
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Đường cân bằng Đường phân giác đường cất đường nhập liệu đường chưng mâm lý thuyết x% y% Đồ thị 3.3: Đồ thị thể hiện số mâm lí thuyết tại b=1.4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Đường cân bằng Đường phân giác Đường cất Đường nhập liệu Đường chưng mâm lý thuyết x% y% Đồ thị 3.4: Đồ thị thể hiện số mâm lí thuyết tại b=1.6
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Đường cân bằng Đường phân giác Đường cất Đường nhập liệu Đường chưng Mâm lý thuyết x% y% Đồ thị 3.5: Đồ thị thể hiện số mâm lí thuyết tại b=1.8
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 đường cân bằng đường phân giác đường cất đường nhập liệu đường chưng mâm lý thuyết
X% y% Đồ thị 3.6: Đồ thị thể hiện số mâm lí thuyết tại b=2
Bảng 3.3: Mối quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và số đĩa lý thuyết b R N N(R+1)
N* (R +1 ) Đồ thị 3.7: Đồ thi biểu diễn mối quan hệ giứa N và N.(R+1)
Từ Đồ thị 3 7 ta thấy được giá trị nhỏ nhất được thể hiện là 46,54, tương ứng với chỉ số hồi lưu tối ưu R= 2,58 và số mâm lý thuyết Nlt= 13
3.1.5 Phương trình đường làm việc:
Phương trình đường làm việc phần cất: y= R
Phương trình đường làm việc phần chưng: y= R +f
Đồ thị 3.8 minh họa số mâm lý thuyết của hệ Acetone- Etanol, bao gồm các đường cân bằng, đường phân giác, đường cất, và đường nhập liệu Để xác định số mâm thực tế, cần phân tích các yếu tố như tỷ lệ x% và y% trong quá trình chưng cất.
Sơ đồ 3.2: Xác định hiệu xuất trung bình của thiết bị
Xét vị trí mâm nhập liệu x F = 0,28 ( kmol kkmolhh ¿ { t y s F F ¿ f,52 =0,5054 ℃
Độ bay hơi tương đối: α= y F ¿
0,28 =2,63Tra độ nhớt của Acetone và Etanol tại sổ tay thiết bị tập 1 bảng I.101 ta có
Độ nhớt hỗn hợp: log μ hh =x F × log μ A + ( 1−x F ) ×logμE
= 0,28 × log 0,22 +(1-0,28) × log0,54 log μ hh =−0,377 cP μ hh = 0,42 N s m 2
Ta có α μ hh =1,04 tra giản đồ IX.11 trang 171 [2] ta có: η F ≈ 49,5%
Xét vị trí mâm cất x D = 0,9 ( kmol kkmolhh ¿ { y t s D ¿ P W =0,929 ℃
Độ bay hơi tương đối: α = y D ¿
0,9 =1,45 Tra độ nhớt của Acetone và Etanol tại sổ tay thiết bị tập 1 bảng I.101 ta có
Độ nhớt hỗn hợp: log μ hh =x D × log μ A + ( 1−x D ) ×logμ ¿0,9 × log 0,2348 +(1-0,9) ×log 0,624 log μ hh =−0,587 cP μ hh = 0,258 N s m 2
Ta có α μ hh =0,37 tra giản đồ IX.11 trang 171 [2] ta có: η D≈ 75%
Xét vị trí mâm chưng x W =0,06 ( kkmolhh kmol ) { t s y W ¿ w t,92 =0,1764 ℃
Độ bay hơi tương đối: α = y W ¿
0,06 =3,36 Tra độ nhớt của Acetone và Etanol tại sổ tay thiết bị tập 1 bảng I.101 ta có
Độ nhớt hỗn hợp: log μ hh =x W × log μ A + ( 1−x W ) ×log μ E =0,06 × log 0,208+(1−0,06 ) log0,474 log μ hh =−0,16 cP μ hh =0,69 N s m 2
Ta có α μ hh =2,32 tra giản đồ IX.11 trang 171 [2] ta có: η W ≈ 41% b Hiệu suất trung bình của thiết bị: η tb = η F +η D +η W
3 ≈ 55,17 % c Số đĩa thực tế của thiết bị
Bảng 3.1: Số mâm thực tế của tháp chưng cất mâm chóp hỗn hợp Acetone-Etanol
Cân bằng vật chất cho từng thiết bị
3.2.1 Cân bằng vật chất cho thiết bị gia nhiệt E-101
Hình 3.1: Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu
Dòng 1 + dòng 2 = dòng 3 + dòng nước ngưng ra + tổn thất Chọn dòng nước gia nhiệt có áp suất 2 bar ta có: r D "08 kJ kg Tra sổ thay thiết bị tập 1 bảng I.149
Dòng 1: x F A =0,28 kmol kmolhh x F E =0,72 kmol kmolhh x F A =0,33 kg kghh x F E =0,67 kg kghh
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t F % ℃ { C C F E F A %37,5 !95 kg ℃ kg J J ℃ (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Dòng 3: x F A = 0,28 kmol kmolhh x F E = 0,72 kmol kmolhh x F A =0,33 kg kghh x F E =0,67 kg kghh t s F f,52 ℃
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t s F f,52℃ { C C 66,52 A 66,52 E #26,19 051,5 kg.℃ kg J J ℃ (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Cho tổn thất ra môi trường bằng 5% nhiệt lượng dòng cung cấp Cân bằng vật chất:
3.2.2 Cân bằng vật chất thiết bị ngưng tụ E-102
Hình 3.2: Thiết bị ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnh
Dòng 4 + dòng nước lạnh vào = dòng 5 + dòng nước lạnh ra + tổn thất
Tại dòng 4: x P A =0,9 kmol kmolhh x P E =0,1 kmol kmolhh x P A =0,92 kg kghh x P E =0,08 kg kghh t s P W ℃
Nhiệt hoá hơi của Acetone và Etanol t s P W ℃ { r r E T57 T A 57 8487,28 Q9962,9 kg kg J J Q9,96 Q9,96 kJ kg kJ kg (Bảng I.216, trang 260 [1]) r D =r T A 57 x D +¿ x D ) r T E 57 = 519,96 0,92 +(1−0,92) 519,96 = 550,24 kJ kg
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol t s P W ℃ { C C T E 57 T A "95,25 57 )31 kg kg ℃ J ℃ J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
=0,1 kmol kmolhh x P A =0,92 kg kghh x P E =0,08 kg kghh t s P W ℃
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t s P W ℃ { C C T A 57 T E 57 "95,25 )31 kg kg ℃ J ℃ J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Chọn nhiệt độ nước giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ:
Cho tổn thất ra môi trường bằng 5% nhiệt lượng dòng cung cấp
G đỉnh =P× Lo=P × R+ P D6,176 × 2,58+446,17697,31 kg h Cân bằng vật chất
G đỉnh × h 4 +G n ×C n × t nv =G đỉnh ×C 57 P × t s P +G n × C n ×t nr +Q tt
3.2.3 Cân bằng vật chất cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh E- 103
Hình 3.3: Thiết bị làm lạnh dòng sản phẩm đỉnh
Dòng 7 + dòng nước lạnh vào = dòng 8 + dòng nước lạnh ra + tổn thất
Tại dòng 7: x P A = 0,9 kmol kmolhh x P E = 0,1 kmol kmolhh x P A =0,92 kg kghh x P E =0,08 kg kghh t s P W ℃
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t s P W ℃ { C C T A 57 T E 57 "95,25 )31 kg kg ℃ J ℃ J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Dòng 8: x P A = 0,9 kmol kmolhh x P E = 0,1 kmol kmolhh x P A =0,92 kg kghh x P E =0,08 kg kghh t Pr 0 ℃
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t Pr 0℃ { C C P A P E "10 %95 kg ℃ kg.℃ J J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Chọn nhiệt độ nước làm lạnh cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:
Cho tổn thất ra môi trường là 5% nhiệt lượng dòng nóng cung cấp
3.2.4 Cân bằng vật chất cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy E-105
Hình 3.4: Thiết bị làm lạnh dòng sản phẩm đáy
Dòng 12 + dòng nước lạnh vào = dòng 13 + dòng nước lạnh ra + tổn thất Tra bảng ta được
Tại dòng 12: x W A =0,06 kmol kmolhh x W E =0,94 kmol kmolhh x W A =0,074 kg kghh x W E =0,926 kg kghh t W v t,92℃
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t W v t,92 ℃ { C C T A T E 74,92 74,92 = 156,5 2353,49 kg kg J J ℃ ℃ (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Dòng 13: x W A =0,06 kmol kmolhh x W E =0,94 kmol kmolhh x W A =0,074 kg kghh x W E =0,926 kg kghh t Wr = 30 o C Nhiệt dung riêng của Acetone ta có: t Wr 0 ℃ { C C W W A E "10 %95 kg ℃ kg ℃ J J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Chọn nhiệt độ nước làm lạnh cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:
Cho tổn thất ra môi trường là 5% nhiệt lượng dòng nóng cung cấp
3.2.5 Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp g đỉ nh =P R+ P (IX.92 trang 181 [2]) ¿446,176 × 2,58+446,17697,31 kg h Tại vị trí hỗn hợp mâm nhập liệu
Nhiệt hoá hơi của Acetone và Etanol ta có: t s F f,52℃ { r r 66,52 A E 66,52 R8,440 7,79 kJ kg kJ kg (Bảng I.216, trang 260 [1]) r 1 =r 66,52 A × y 1 + ( 1− y 1 ) × r E 66,52 R8,440× y 1 + ( 1− y 1 ) ×887,79 7,79−359,35 y 1 kJ kg x F A =0,28 kmol kmolhh x F E =0,72 kmol kmolhh x F A =0,33 kg kghh x F E =0,67 kg kghh
Tại vị trí dòng hơi ra khỏi đỉnh tháp t s P W ℃ { r r E T T A 57 57 8,49 Q9,96 kJ kg kJ kg (Bảng I.216, trang 260 [1]) r đỉ nh =r T57 A × y đỉ nh + ( 1− y đỉ nh ) ×r E T57 Q9,96 ×0,92+(1−0,92) × 898,49U0,24 kJ kg
Do x p A = y đỉ nh nên ta có x P A = y đỉ nh =0,92 kg kghh
Thay số vào hệ phương trình (IX 93,94,95 ,trang182[2])
Trong đoạn cất, lượng hơi ở đĩa thứ nhất ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Cụ thể, lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h) và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng (kg/h) cần được cân nhắc kỹ lưỡng Để tối ưu hóa quá trình, cần xác định mối quan hệ giữa lượng hơi ra và lượng hơi vào, với công thức: g tb = g đỉnh + g 1 Việc này giúp đảm bảo rằng quá trình cất diễn ra hiệu quả và đạt được mục tiêu mong muốn.
3.2.6 Lượng hơi ra khỏi đáy tháp: Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng x W A =0,06 kmol kmolhh
Tra đồ thị cân bằng hệ Acetone-Etanol y W A =0,1764 kmol kmolhh y W = y W M A y W M A + ( 1− y W ) M E = 0,1764 58+(1−0,1764 0,1764.58 ).46 =0,213 kg kghh
Trong các phương trình trên, ta coi y ' 1 = y W =0,213 kg kghh
Theo sổ tay thiết bị tập 1 bảng I.216, nhiệt hoá hơi của Acetone và Etanol tại nhiệt độ 74,92 ℃ được xác định như sau: nhiệt độ r r T74,92 A là 3,035 kJ/kg và r E T74,92 là 5,18 kJ/kg Tính toán nhiệt hoá hơi của hỗn hợp tại đĩa thứ nhất cho thấy r 1 = r 66,52 A × y 1 + (1− y 1) × r E 66,52, với kết quả là 3,74 kJ/kg sau khi áp dụng các giá trị tương ứng cho y 1.
Thay số vào hệ phương trình ta có: (IX 98,99,100 ,trang 182[ 2])
{ x ' 1 =0,132 g G kghh ' 1 kg ' 91,454 1 &20,51 → x ' 1 =0,108 kg kg h h kmolhh kmol g ' 1 : Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn chưng kg h g’ n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng kg h g tb ' = g n ' + g 1 '
Để xác định g’ n trong quá trình chưng cất, chúng ta có thể sử dụng công thức g’ n = g 1 = 209,197 kg h Điều này dựa trên nguyên tắc rằng lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi vào đoạn cất Để tìm g’ 1, ta áp dụng hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng, trong đó x 1 = x 1 '.
3.2.7 Cân bằng vật chất cho thiết bị nồi đun Kettle E-104
Dòng 10 + dòng 11 = dòng 9+ dòng 12 + dòng nước lạnh ra + tổn thất
=0,892 kmol kmolhh x ' 1 A =0.132 kg kghh → x ' 1 E =0,868 kg kghh t s A V ° C ,t s E x,37 °C t s hh
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t s hh u,95 ℃ { C C T T E A 75,95 75,95 169,38 #56,84 kg ℃ kg.℃ J J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Tại dòng 9: x 9 A = x ' 1 A −x W A =0,108−0,06=0,048 kmol kmolhh →x 9 E =0,952 kmol kmolhh x 9 A =0,06 kg kghh → x 9 E =0,94 kg kghh t s A V ° C, t s E x,37 °C t s hh =t s A × x 9 A +t s E × x 9 E V × 0,048 +78,37 ×0,952w,3 ℃
Nhiệt hoá hơi của Acetone và Etanol ta có: t 9 w,3 ℃ { r r E T T A 77,3 77,3 1,189 T7,171 kJ kg kJ kg (Bảng I.216, trang 260 [1]) r 9 =r T77,51 A × x 9 A + x 9 E × r E T77,51 T7,171× 0,06+0,94 ×871,1891,75 kJ kg
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có:
Tại dòng 12: x W A =0,06 kmol kmolhh x W E =0,94 kmol kmolhh x W A =0,074 x W E =0,926 t Wr = 74,92 o C
Tra nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol tại sổ tay thiết bị tập 1 bảng I.153, I.154 ta có: t Wr = 74,92 o C { C C T A E T 74,92 74,92 #53,49 156,5 kg.℃ kg J J ℃ (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Ta cho { t t nv nr 0 E ℃ ℃ vì thế nên
h 1 $25,6× 10 3 J kg (hơi nước bão hoà ở nhiệt độ 30 ℃ )
h 2 #91,3× 10 3 J kg (hơi nước bão hoà ở nhiệt độ 45 ℃ )
Cho tổn thất ra môi trường là 5% nhiệt lượng cung cấp
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu E-101
Hình 4.6: Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu
Q nl nhiệt lượng cần cung cấp để gia nhiệt nhập liệu kJ h
F lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu kg h
𝐶 p𝐹 là nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu J kg ℃
C T A 45,76 là nhiệt dung riêng của Acetone ở tE,76 ℃ J kg.℃
C E T 45,76 là nhiệt dung riêng của Etanol ở tE,76℃ J kg ℃ t Fr ,t Fv nhiệt độ nhập liệu vào và ra khỏi thiết bị ℃
Q mnl nhiệt mất mát ở thiết bị gia nhiệt nhập liệu kJ h
Cho nhiệt độ nhập liệu là 25℃
Nhiệt độ trung bình của dòng nhập liệu t Ftb ¿ t Fr +t Fv
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t Ftb E,76 ℃ { C C T T A E 45,76 45,76 ℃ ℃ "58,72 '84,88 kg kg J J ℃ ℃ (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ E-102
Hình 4.7: Thiết bị ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnh
Nếu quá trình chỉ ngưng tụ không làm lạnh:
Q nt ¿ ( R +1) × P ×r P =G ×C × ( t nr −t nv ) +Q mnt (IX.165, trang 198 [2]) Trong đó:
Q nt nhiệt lượng cần cung cấp để ngưng tụ sản phẩm đỉnh kJ h
P lưu lượng khối lượng hỗn hợp dòng sản phẩm đỉnh kg h
𝐶 pP là nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh J kg ℃
Nhiệt dung riêng của nước là C N = J kg.℃, trong khi nhiệt hoá hơi của Acetone tại tW ℃ là r T A = 57 kJ kg, và nhiệt hoá hơi của Etanol tại tW ℃ là r T E = 57 kJ kg Ngoài ra, nhiệt hoá hơi của hỗn hợp sản phẩm đỉnh được ký hiệu là D = kJ kg, và nhiệt độ của dòng sản phẩm đỉnh là t P ℃.
Q mnt nhiệt mất mát ở thiết bị ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnh kJ h
Chọn nhiệt độ nước giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ:
Tại x=0,9 thì t P = 57 o C Nhiệt hoá hơi của Acetone và Etanol ta có: t s P W ℃ { r r E T57 T57 A 8487,28 Q9962,9 kg kg J J Q9,96 Q9,96 kJ kg kJ kg (Bảng I.216, trang 260 [1])
𝑟 𝐷 = r T A 57 × x D + (1 − x D ) × r T E 57 = 519,9629 × 0,92 + (1 − 0,92) × 898,48728= 550,24 kJ kg t s P W ℃ { C C T E 57 T A "95,25 57 )31 kg kg ℃ J ℃ J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh E-103
Hình 4.8: Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh
Q lnđỉnh nhiệt lượng cần cung cấp để làm nguội sản phẩm đỉnh kJ h
P lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh kg h
𝐶 pW là nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh J kg ℃
C T A 41 là nhiệt dung riêng của Acetone ở t= 41 ℃ J kg ℃
C E T41 là nhiệt dung riêng của Etanol ở tA℃ J kg.℃ t Pr ,t Pv nhiệt độ sản phẩm đỉnh vào và ra khỏi thiết bị ℃
Q mlnđ nhiệt mất mát ở thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh kJ h
Tại x D =0,9 thì t P = 57 o C Chọn nhiệt độ dòng nước làm lạnh sản phẩm đỉnh:
Chọn t Pr 0 o C Nhiệt độ trung bình của dòng sản phẩm đỉnh t Ptb = t P +t Pr
2 C,5Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t Ptb C,5℃ { C C T A T E 43,5 43,5℃ ℃ "51,38 '55,5 kg.℃ kg.℃ J J (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy E-105
Hình 4.9: Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy
Q lnđ nhiệt lượng cần cung cấp để làm nguội sản phẩm đáy kJ h
W lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đáy kg h
𝐶 pW là nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đáy J kg ℃
C T A 49,96 là nhiệt dung riêng của Acetone ở tI,96 ℃ J kg ℃
C E T 49,96 là nhiệt dung riêng của Etanol ở tI,96 ℃ J kg ℃ t Wr ,t Wv nhiệt độ sản phẩm đáy vào và ra khỏi thiết bị ℃
Q mlnđ nhiệt mất mát ở thiết bị làm nguội sản phẩm đáy kJ h
Tại x W =0,9 thì t W = 74,92 o CChọn nhiệt độ dòng nước làm lạnh sản phẩm đỉnh:
Chọn t Wr 0 o C Nhiệt độ trung bình của dòng sản phẩm đáy t Ftb = t Wv +t wr
Nhiệt dung riêng của Acetone và Etanol ta có: t Ptb R,46 ℃ { C C T E T A 52,46℃ 52,46℃ (71,98 "80,5 kg kg J J ℃ ℃ (Bảng I.153, I.154, trang 172 [1])
Cân bằng nhiệt lượng cho toàn bộ tháp chưng cất
Q F là nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào kJ h
Q P là nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang ra kJ h
Q W là nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang ra kJ h
Q Lo là nhiệt lượng dòng hoàn lưu mang vào kJ h
Q K là nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun kJ h
4.5.1 Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào
4.5.2 Nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang ra
4.5.3 Nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang ra
4.5.4 Nhiệt lượng dòng hoàn lưu mang vào
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHƯNG CẤT
Đường kính tháp
Đường kính tháp được xác định theo công thức sau:
D= √ π 3600 4 V tb ω tb ( IX 89 ,trang 181[ 2]) ¿ 0,0188 √ ( ρ y g ω tb y ) tb (IX 90 ,trang 181[2])
Trong tháp, lượng hơi (khí) trung bình được xác định bằng m³/h, trong khi tốc độ hơi (khí) trung bình được đo bằng m/s Lượng hơi (khí) trung bình trong tháp cũng có thể được biểu thị bằng kg/h Tốc độ hơi (khí) trung bình trong tháp có thể tính bằng kg/m².s, dựa trên mật độ khí và tốc độ dòng chảy.
Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng và đoạn cất có sự khác biệt, dẫn đến việc đường kính của hai đoạn này cũng không giống nhau Vì vậy, cần tính toán đường kính cho từng đoạn và so sánh để chọn ra kích thước phù hợp.
Đường kính đoạn cất
5.2.1 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp tại đoạn cất: ¿ √ h.❑ xtb ❑ ytb (kg/m 2 s) ( IX 105 ,trang 184 , [2])
Với nồng độ phần mol trung bình pha hơi: y tb = y 1 + y D
2 =0,7055 Nhiệt độ trung bình đoạn cất: t tb = t F +t D
ytb : khối lượng riêng trung bình pha hơi.
Nồng độ phân khối lượng trung bình pha lỏng: x tb = x F + x D
2 =0,625 Nhiệt độ trung bình đoạn cất t tb = 61,76 o C.
Khối lượng riêng của Acetone: A = 743,62 (kg/m 3 ) ( Bảng I 2, trang 9[1]) Khối lượng riêng của Etanol: E = 752,33 (kg/m 3 ) ( Bảng I 2,trang 9[1])
❑ xtb = ( ❑ x tb A + 1−x ❑ E tb ) -1 ( IX 104 a,trang 183 ,[2])
xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng
[]: hệ số tính đến sức căng bề mặtKhi