đồ án chưng cất hệ acetone nước

- Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol và Acetone.- Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan.- Lên men Carbo hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt.- Công ty Shell sử dụng nó như một sản phẩm phụ.T

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: 3

TỔNG QUAN 3

1 Giới thiệu sơ bộ : 3

2 Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước : 5

3 Sơ đồ qui trình công nghệ và thuyết minh qui trình công nghệ: 8

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN

1.1 Khái niệm:

Acetone được tìm thấy đầu tiên vào năm 1595 bởi Libavius, bằng phương

pháp chưng cất khan đường, và đến năm 1805 Trommsdorff tiến hành sản xuất

Acetone bằng cách chưng cất Acetat của bồ tạt và sođa: là một phân đoạn lỏng

nằm giữa phân đoạn rượu và eter

1.2 Tính chất vật lý:

Acetone có công thức phân tử : CH3COCH3

Khối lượng phân tử bằng 58.079 đvC

Là một chất lỏng không màu, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm

dịu và có mùi thơm

Nó hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như : eter,

metanol, etanol, diacetone alcohol…

CH3CO + HCN  CH3-C-CN

CH3 ( pH= 4-8 )Phản ứng ngưng tụ :

OH O

CH3-CO-CH3+HCH2C=O  CH3-C-CH3-C-CH3 (4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon)

CH3 CH3Acetone khó bị oxi hóa bởi thuốc thử Pheling, Toluen, HNO3đđ, KMnO4…

Chỉ bị oxi hóa bởi hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfôcrômic K2Cr2O7 + H2SO4…

(CH3COO)2Ca  CH3COCH3 + CaCO3

Từ dẫn xuất cơ magiê :

O O

CH3-C-Cl + CH3-MgBr  CH3-C-CH3 + Mg-Br

Cl

Trong thời kỳ chiến tranh thế giới lần thứ nhất, do nhu cầu về nguồn

Acetone rất lớn, trong khi có sự giới hạn trong việc thu dược Acetone từ sự

chưng cất gỗ, nên để bổ sung nguồn Acetone Hoa Kỳ đã áp dụng phương pháp

chưng cất khan Ca(CH3COO)2 – thu được bằng cách lên men rượu có mặt xúc

tác vi khuẩn để chuyển carbohydrate thành Acetone và Butyl Alcohol.Công

nghệ này được ứng dụng chủ yếu trong suốt chiến tranh thế giới lần thứ nhất và

những năm 20

Tuy nhiên, đến giữa những năm 20 và cho đến nay công nghệ trên được

thay bằng công nghệ có hiệu quả hơn (chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuất

Acetone của Hoa Kỳ): Dehydro Isopropyl Alcol

Ngoài ra, còn một số qúa trình sản xuất Acetone khác :

- Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol và Acetone.

- Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan

- Lên men Carbo hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt

- Công ty Shell sử dụng nó như một sản phẩm phụ

Tổng hợp Acetone bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác:

 CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 3270C ) ⃗xuctac CH3COCH3 + H2

 Xúc tác sử dụng ở đây : đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và

muối

 Ở nhiệt độ khoảng 325 0C , hiệu suất khoảng 97%

Dòng khí nóng sau phản ứng gồm có : Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa

phản ứng, H2 và một phần nhỏ sản phẩm phụ ( như Propylene, diisopropyl eter

…) Hỗn hợp này được làm lạnh và khí không ngưng được lọc bởi nước Dung

dịch lỏng được đem đi chưng cất phân đoạn, thu được Acetone ở đỉnh và hỗn

hợp của nước, Isopropyl Alcol ( ít ) ở đáy

1.5 Ứng dụng :

Acetone được ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ cho

vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su … Nó hoà tan tốt tơ acetate,

nitroxenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in

ống đồng Acetone là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ

Từ Acetone có thể tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), các holofom

Ta có Acetone là một chất lỏng tan vô hạn trong nước và nhiệt độ sôi của

Acetone (56.9 0C ở 760 mmHg) và Nước ( 100 0C ở 760 mmHg) : là khá cách

xa nhau nên phương pháp hiệu quả nhất để thu được Acetone tinh khiết là

chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn

hợp

Trong trường hợp này ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các

cấu tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng

như hấp thụ do phải đưa vào một pha mới để tách chúng, có thể làm cho quá

trình phức tạp hơn, hay quá trìng tách không được hoàn toàn

Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng

biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng ( hay nhiệt độ sôi ), bằng

cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ, trong đó vật chất đi

từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại

2.1 Phương pháp thực hiện :

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

Trong trường hợp này, do sản phẩm là Acetone – với yêu cầu có độ tinh

khiết cao khi sử dụng , cộng với hỗn hợp Acetone – Nước là hỗn hợp không có

điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất

2.2 Loại tháp chưng cất :

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành

chưng cất Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau

nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ

phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha

lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp

chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp

chêm

 Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có

cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy

theo cấu tạo của đĩa, ta có:

s…

 Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng

mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương

pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

- Hiệu suất khá cao

tăng năng suất thì hiệu ứng

thành tăng  khó tăng năng

Vậy: ta sử dụng tháp đệm để chưng cất hệ Aceton – Nước.

3 Sơ đồ qui trình công nghệ và thuyết minh qui trình công nghệ:

3.1 Sơ đồ qui trình công nghệ

Hình: Sơ đồ công nghệ chưng cất Aceton – nước

3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp Acetone- Nước có nồng độ Acetone 30% ( theo khối lượng) ,

nhiệt độ khoảng 27 0C tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm qua thiết bị gia

nhiệt (trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy)(5) Sau đó được đưa đến thiết bị đun

nóng nhập liệu(6) bằng hơi nước bão hòa, ở đáy nhập liệu được đưa đến nhiệt

độ sôi và được vào tháp chưng cất (11) Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất

lỏng từ trên xuống Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi nhiệt giữa hai pha với

nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm

nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì đã bị nồi đun lôi cuốn các cấu tử Nhiệt độ càng

lên trên càng thấp, nên khi hơi đi từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là

nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử

Aceton chiếm nhiều nhất (98% theo khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng

tụ (14) Một phần lỏng ngưng được hồi lưu về tháp, một phần chất lỏng ngưng

đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (17) Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi

thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng

tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó

bay hơi (nước) Dung dịch lỏng ở đáy tháp được đun lại nồi đun (12), bốc hơi

cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại trao đổi nhiệt với nhập

liệu

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Acetone, sản phẩm

đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ

CHƯƠNG 2:

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

3.3 Các số liệu ban đầu :

Năng suất sản phẩm đỉnh thu được :2000 ( Kg/h )

Sản phẩm có nồng độ Acetone : 98% theo khối lượng

Nhập liệu có nồng độ Acetone : 30% theo khối lượng

Thiết bị hoạt động liên tục

3.4 Các ký hiệu :

F : suất lượng mol dòng nhập liệu ban đầu ( Kmol/h )

D : suất lượng mol dòng sản phẩm đỉnh ( Kmol/h )

W : suất lượng mol dòng sản phẩm đáy ( Kmol/h )

x F : nồng độ phần mol Acetone trong nhập liệu (pmol)

x D :nồng độ phần mol Acetone trong sản phẩm đỉnh (pmol)

G F : suất lượng khối lượng dòng nhập liệu ban đầu ( Kg/h )

G D : suất lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh ( Kg/h )

x F : nồng độ phần khối lượng Acetone trong nhập liệu (pkl)

x D :nồng độ phần khối lượng Acetone trong sản phẩm đỉnh (pkl)

3.5 Xác định suất lượng nhập liệu và sản phẩm đáy:

Gọi Macetone = M1 = 58

M = M = 18

Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất :

M

x M

x

M x

F F

30

30.0

M

x M

x M x

D D

M

x M

x M x

w w

D ¿ G D

M tbD=

200055.532 = 36.0513 (Kmol/h )

*D x

*

F

WDF

F

 {F∗0.117 39=36.0153∗0.9383+W∗6.2937 10 F=36.0153+ W −3

 {F=302,14 ( Kmol

h )W=266,12( Kmol

h )

GF = F * MtbF = 302,14* 22.6956 =6857,25 (Kg/h)

GW = W * MtbW = 266,12 * 18.2517 = 4857,14(Kg/h)

4.1 Đồ thị cân bằng Acetone – Nước :

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 – nước ):

9

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.20.40.60.81

x y

1.1 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp :

Phương pháp dựa vào đồ thị cân bằng:

Đường cân bằng vẽ theo số liệu thực nghiệm có khoảng lõm nên xác

định Rmin từ A(0.93830, 0.93830) vẽ AB tiếp xúc đường cân bằng cắt trục tung

tại điểm có tung độ 0,71

x y

y x

R = 1.3 * Rmin + 0,3 = 1.3 * 0,32275 + 0,3 = 0,71958

5 Phương trình đường làm việc :

Phương trình đường làm việc làm cất :

y= R

R+1 x +

x D R+1=

0,719580,71958+1x+

0 938300,71958+1=0.41846 x +0,54566

Phương trình đường làm việc phần chưng:

−3

¿5,2922 x −¿0,02701

CHƯƠNG 3:

CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Phương trình cân bằng năng lượng :

QF+QD2+QR=Qy+QW+QXq2+QNg2

 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào QF(J/h)

QF=GF*CF*tF Trong đó:

QD2= D2 *hơi = D2 * (rhơi + Chơi* thơi)Dùng hơi nước ở áp suất 2at , rhơi = 2208 (Kj/Kg), thơi= 119,6 oC

hơi : nhiệt lượng riêng của hơi đốt ( J/Kg)

rhơi : ẩn nhiệt hóa hơi ( J/Kg)

thơi , Chơi : nhiệt độ oC và nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/Kg.độ)

QR = GR * CR * tR

CR = CD :nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh :

D = acetone.y D

+ nước ( 1 - y D)Với y D = 0.98 (phần khối lượng )

acetone , nước :: nhiệt lượng riêng của acetone, nước :

acetone = racetone + tD Cacetone

nước = rnước + tD Cnước

rnước, racetone , Cacetone , C nước ở tD=57.50C

Qng2 = Gng2 Chơi thơiVậy lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp:

2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

Ngưng tụ hoàn toàn:

GD (1 +R) x rD = Gnl x Cn x (t2 – t1)

Trong đó:

- t1, t2: Nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh

- Chọn nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh là: t1 = 270C, t2 = 400C. t¿

3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh

Phương trình cân bằng năng lượng (trường hợp ngưng tụ hoàn toàn):

GD* CD * (t1’-t2’) = Gn3 *Cn* (t2-t1)

t1’= 57,5 OC  Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh

t2’= 30OC  Nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh

t1 = 27OC  Nhiệt độ vào của nước làm lạnh

t2 = 40OC  Nhiệt độ ra của nước làm lạnh

ttb = 33.5OC  Nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh

= 2290,70 (J/Kg.độ ) Suy ra lượng nước cần dùng:

t'tb= (85 + 45 )/2 = 65 0C

 Cacetone = 2321,25( J/Kg.độ )

Cnước = 4181,75(J/Kg.độ )  C w=´x w∗C acetone+(1−´xw)∗C nước

= 0.02 * 2321,25+ (1 – 0.02) * 4181,75

= 4144,54( J/Kg.độ ) Nhiệt lượng Q’F= QW = G w C W (t W−t '

w)

¿4857,14∗4144,54∗(85−45)=805224,44(KJ

h )

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

I Đường kính tháp:

Đường kính tháp được xác định theo công thức: D= √ 4 V tb

Π 3600 ω tb

Trong đó: Vtb lượng hơi trung bình đi trong tháp(m3/h)

ω tb tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau

trong mỗi đoạn nên ta phải tính đường kính trung bình riêng cho từng đoạn:

x’

m=0.52785 → ´x ' m= x ' m∗M A

x ' m∗M A+(1−x'

m)∗M B=0,78272 phầnkhối lượng

Do đó: gtb=g d+g1

2 =3439,16+2391,472 =2915,315(kg

h ) Vận tốc hơi đi trong tháp:

Lg [ω s¿.σ d ρ ytb

g V d3 ρ xtb(μ x

s' : Tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương (m/s); σ d :Bề mặt riêng của đệm

(m2/m3);Vd:Thể tích tự do của đệm (m3/m3); g: Gia tốc trọng trường(m/s2);

Gx,Gy: Lượng lỏng và lượng hơi trung bình (kg/h); Khối lượng trung bình của

lỏng và của hơi (kg/m3); μx,μn :Độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt đ6ọ trung bình

 Dcất =

5115, 214

ym” = 5,2922 xm” – 0,02701 = 5,2922 *0,06184 – 0,02701 = 0,3

Nồng độ trung bình của pha lỏng, pha hơi từ giản đồ Txy:

xm” = 0,06184 tx” = 75OC

ym” = 0,3 ty” = 89OCKhối lượng mol trung bình và khối lượng riêng pha hơi:

Mm” = ym” x Macetone + (1 – ym”) x Mnước = 0,3x 58 + (1 – 0,3)x 18 = 30 (Kg/mol)

gtb’ =

g n '+g1'

2 (Kg/h)Trong đó:

g1’: lượng hơi đi vào đọan chưng

gn’: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng

Vì lượng hơi ra khỏ đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạnluyện nên

gn’ = g1

Hay gtb’ =

g1+g1'

2

Lượng hơi đi vào đọan chưng g1’ ,lượng hơi lỏng G1’ và hàm lượng

lỏng x1’ được xác định theo phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng

tw = 85OC  { r a =501.893(KJ/Kg) ¿¿¿¿

r1’=501.893x0.76315 + (1-0.76315) x 2361.355 =942,31(kJ/Kg)

1 1 1

Vtb = Vtb (m3/h) = g’tb (Kg/h) x ’ytb (Kg/m3) = 2216,45 * 1,01 = 2238,62(m3/h)

* Chiều cao của tháp đệm (toàn tháp):

H = N1 x htđ + (0.8  1) (m)Trong đó: N1: Số đĩa lý thuyết

0.8  1 : Khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp(m)

htđ: Chiều cao tương đương của bậc thay đổi nồng độ, có thểtính theo công thức sau:

x y y x

G mG G m G



Trong đó: K : hệ số

a,b,c,d,e,f: các số mũ, tìm bằng thực nghiệm

x,y : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi (Kg/m3)

x,y : Độ nhớt trung bình của pha lỏng và pha hơi(Ns/m2) (khối lượng

riêng, độ nhớt lấy theo nhiệt độ trung bình

Gx,Gy: Lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp

m hệ số góc cân bằng y= f(x) với mặt phẳng ngang (Kg/h)

= 1,3823 (Kg/m3) đ = 195 (m2/m3)



= 77OC

lg hh = x1 x lg 1 + x2 x lg 2Trong đó: 1,2:độ nhớt động học của các cấu tử thành phần

x1,x2: nồng độ phần mol của các cấu tử trong hỗn hợp

tO

x = 67OC  1(Acetone) = 0.2195.10-3 (Ns/m2), x1 = 6.2937.10-3

2(Nước) = 0.4298.10-3 (Ns/m2), x2 = 0,99371 lg x = 6.2937.10-3 lg 0.2195.10-3 + 0,99371lg 0.4298.10-3= -3,36858

1.3823*5, 27850.2123.10

 H = N1 x htđ + (0.8 1) = 8 *1,19 + (0.8 1) =10,32  10,4

(m)

* Chiều cao làm việc của tháp:

H’ = hđv x mx (m)

Hđv : chiều cao của một đơn vị chuyển khối (m)

mx: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ pha lỏng

h2 : chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng

h1 =

V d aψδ d Re0 25y Pr2/3y (m)

h2 = 256 (μ x

ρ x)2/3 Re0 25x Prx0 5(m)

a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm : đệm vòng a = 0.123 x : độ nhớt pha lỏng (Ns/m2) ( x = 0.4483.10-9 (Ns/m2)

MB = Mhơi nước = 18 (g/mol)

VA,VB :thể tích mol của khí A,B

Dx :hệ số khuếch tán trong pha lỏng:

0.2123.10

9,539411.3823*1.61.10

tt th

U

Từ bảng IX.16,[5]   = 1

0.25 2/3 0.25 2/31

0,75

y y d

0 5

2/3 3

CHƯƠNG 4 :TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

I Tính chiều dày thân tháp:

Chọn vật liệu làm thân tháp là thép không gỉ X18H10T để thiết kế thân, đáy

và nắp

Các thông số đặc trưng của thép không gỉ là :

Giới hạn bền kéo : k = 550 x 106 (N/m2)

Giới hạn bền chảy : ch = 220 x 106 (N/m2)

Hệ số giãn khi kéo 16.6 x 10-6 (1/OC)

Khối lượng riêng của thép :  = 7.9 x 103 (Kg/m3)

Hệ số dẫn nhiệt :  = 16.3 (W/mOC)

Hệ số an toàn bền kéo : nk = 2.6

Hệ số an toàn bền chảy : nch = 1.5 Môdun đàn hồi : E 85 0 C = 2.01875 x 105 (N/mm2)

Nhiệt độ nóng chảy : tO

nc = 1400OC