đồ án môn học quá trình thiết bị tên đề tài thiết kế tháp chưng cất dạng mâm xuyên lỗ cho hệ nước acid acetic

Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC- ACID ACETIC BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI2.. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Nước - Acid Acetic bằng

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCMKHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC -oOo -

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊTên đề tài:

THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT DẠNG MÂM XUYÊN LỖ CHO HỆ NƯỚC –ACID ACETIC

GVHD: ThS Phạm Văn Hưng

SVTH: Hồ Nguyễn Minh Quang MSSV: 20128022

Trang 2

Họ và tên sinh viên thực hiện:MSSV

1 Hồ Nguyễn Minh Quang 20128022

1 Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC- ACID ACETIC BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI2 Số liệu ban đầu:

- Năng suất nhập liệu: 1700 kg/h

- Nồng độ cấu tử nhập liệu: 36% phần mol nước- Nồng độ sản phẩm đỉnh: 91% phần mol nước- Nồng độ sản phẩm đáy: 10% phần mol nước- Áp suất làm việc khí quyển

3 Nội dung thực hiện:

- Mở đầu

- Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ- Tính cân bằng vật chất và năng lượng- Tính toán công nghệ thiết bị chính- Tính toán kết cấu thiết bị chính- Tính và chọn thiết bị phụ- Kết luận

- Tài liệu tham khảo- Phụ lục (nếu có)

4 Bản vẽ:

Trang 3

- Bản vẽ quy trình công nghệ: 01 bản in khổ A1 (gấp lại, kẹp trong quyển thuyết minh đồ án) và 01 bản in khổ A3 đóng chung quyển thuyết minh.

- Bản vẽ thiết bị chính: 01 bản in khổ A1 (gấp lại, kẹp trong quyển thuyết minh đồ án) và 01 bản in khổ A3 đóng chung quyển thuyết minh.

5 Ngày giao nhiệm vụ: 11/02/20236 Ngày nộp đồ án: 07/06/2023

TRƯỞNG BỘ MÔN Tp Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 06 năm 2023

Trang 4

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINHKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC -

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦAGIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

MÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2022 – 2023MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1.GVHD: ThS Phạm Văn Hưng

2 Sinh viên: Hồ Nguyễn Minh Quang 3 MSSV: 20128022

4.Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Nước - Acid Acetic bằng tháp mâm xuyên lỗ5 Kết quả đánh giá:

1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 1,02 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết

thiết bị

0 – 2,5

3 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 0,754 Lập được kế hoạch và thực hiện đúng kế hoạch 0 – 0,755 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,56 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và

Ghi chú: GV cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

6 Các nhận xét khác (nếu có)

7 Kết luận

Được phép bảo vệ :  Không được phép bảo vệ : 

Ngày …… tháng 06 năm 2023

Người nhận xét

(Ký & ghi rõ họ tên)

Trang 5

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦAGIÁO VIÊN HƯỚNG DẪNMÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2022 – 2023

MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1.GVHD: ThS Phạm Văn Hưng

2 Sinh viên: Ao Văn Đức Thành 3 MSSV: 20128151

4 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Nước - Acid Acetic bằng tháp mâm xuyên lỗ5 Kết quả đánh giá:

1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 1,02 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết

thiết bị

0 – 2,5

3 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 0,754 Lập được kế hoạch và thực hiện đúng kế hoạch 0 – 0,755 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,56 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và

7 Kết luận

Được phép bảo vệ :  Không được phép bảo vệ : 

Người nhận xét

Trang 6

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦAGIÁO VIÊN PHẢN BIỆNMÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2022 – 2023

MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1 GVPB: .2 Sinh viên: Hồ Nguyễn Minh Quang 3 MSSV: 20128022

4 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Nước - Acid Acetic bằng tháp mâm xuyên lỗ5 Kết quả đánh giá:

1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 0,52 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết

0 – 1,5

3 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 0,54 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,55 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,06 Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án 0 – 1,0

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……….)

Trang 7

Người phản biện

Trang 8

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCMKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC-THỰC

BỘ MÔN CN HÓA HỌC -

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập – Tự do – Hạnh phúc

-PHIẾU TRẢ LỜI GÓP Ý NỘI DUNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY-THIẾT BỊI Thông tin chung

- Họ và tên sinh viên: Hồ Nguyễn Minh Quang Lớp: 20128V1

- Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Nước - Acid Acetic bằng tháp mâm xuyên lỗ- GVHD: ThS Phạm Văn Hưng

II.Nội dung trả lời

Trang 9

Tp.HCM, ngày tháng năm

GV PHẢN BIỆN

(Ký và ghi rõ họ tên)

SINH VIÊN THỰCHIỆN

Trang 10

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

-PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦAGIÁO VIÊN PHẢN BIỆNMÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2022 – 2023MÃ MÔN HỌC: PWPD3227031 GVPB: .

2 Sinh viên: Ao Văn Đức Thành 3 MSSV: 201281514 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Nước - Acid Acetic bằng tháp mâm xuyên lỗ5 Kết quả đánh giá:STTNội dungThangđiểmĐiểmsố1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 0,52 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiếtbị0 – 1,53 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 0,54 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,55 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,06 Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án 0 – 1,07 Trả lời được các câu hỏi phản biện 0 – 3,0TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……….)

10Ghi chú: GV cho điểm lẻ tới 0,25 điểm6 Các nhận xét khác (nếu có)

Trang 12

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCMKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC-THỰC

BỘ MÔN CN HÓA HỌC -

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập – Tự do – Hạnh phúc

-PHIẾU TRẢ LỜI GÓP Ý NỘI DUNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY-THIẾT BỊI Thông tin chung

- Họ và tên sinh viên: Ao Văn Đức Thành Lớp: 20128V2

- Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Nước - Acid Acetic bằng tháp mâm xuyên lỗ- GVHD: ThS Phạm Văn Hưng

II.Nội dung trả lời

Trang 13

Tp.HCM, ngày thángnăm

GV PHẢN BIỆN

SINH VIÊN THỰCHIỆN

Trang 14

LỜI CẢM ƠN

Xuyên suốt quá trình thực hiện đồ án này, bản thân chúng em đã không ngừng nhận được sựhỗ trợ, sự giúp đỡ không chỉ từ thầy cô mà còn với cả các cá nhân, tổ chức khác trong việc tạo điều kiện thuận lợi để cho chúng em thực hiện nghiên cứu đồ án này.

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giảng viên trường Đại học Sư Phạm Kỹ ThuậtTP.HCM thuộc khoa Công nghệ Kỹ Thuật Hoá học và Thực phẩm Đồng thời chúng em cũng muốn gửi đến thầy Phạm Văn Hưng lời cảm ơn sâu sắc vì đã truyền đạt tận tình kiến thức cho chúng em để chúng em có thể hoàn thành được đồ án này.

Cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng phản biện và hội đồng chấm điểm vì những góp ý vànhận xét của quý thầy cô trong việc nhận xét và giúp đỡ chúng em tìm ra những lỗi sai trongđồ án của mình.

Tuy có thể còn sai sót trong quá trình hoàn thiện nhưng chúng em mong thầy cô có thể lượng thứ cho chúng em Qua đó chúng em cũng rất mong mỏi nhận những đóng góp ý kiến, nhận xét của các thầy cô để chúng em trau dồi kiến thức hơn trong quá trình học vấn này.

Trang 15

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH 8

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 8

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 9

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 10

3.1 Cân bằng vật chất 10

3.1.1 Tính cân bằng vật chất 10

3.1.2 Xác định chỉ số hoàn lưu 11

3.1.3 Phương trình làm việc đoạn cất 11

3.1.4 Phương trình làm việc đoạn chưng 11

3.1.5 Xác định số mâm lý thuyết 12

3.1.6 Xác định số mâm thực tế 12

3.2 Cân bằng năng lượng 15

3.2.1 Cân bằng năng lượng cho toàn tháp chưng cất 15

Trang 16

3.2.2 Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ 17

3.2.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 18

3.2.4 Cân bằng nhiệt cho thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 19

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 21

4.1 Đường kính tháp (Dt) 21

4.1.1 Đường kính đoạn cất 21

4.1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp 21

4.1.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp 23

4.1.2 Đường kính đoạn chưng 24

4.1.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp 24

4.1.2.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp 26

4.2 Mâm lỗ - trở lực của mâm 27

4.2.1 Cấu tạo mâm lỗ 27

4.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm 28

4.2.2.1 Độ giảm áp qua mâm khô 28

4.2.3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 32

4.3 Tính toán cơ khí của tháp 33

4.3.5.4 Ống dẫn hơi từ nồi đun qua đáy tháp: 41

4.3.5.5 Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun: (sản phẩm đáy) 42

4.3.5.6 Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp 42

4.3.6 Tính toán lớp cách nhiệt 43

4.3.7 Chân đỡ và tai treo 44

4.3.7.1 Tính trọng lượng của toàn tháp 44

4.3.7.2 Chân đỡ tháp 45

4.3.7.3 Tai treo 46

4.3.8 Kính quan sát: 46

Trang 17

5.1.2.5 Cấu tạo thiết bị: 58

5.1.3 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 58

5.1.3.1 Suất lượng hơi nước cần dùng: 59

5.1.3.2 Xác định ∆ tlog : 59

5.1.3.3 Xác định hệ số truyền nhiệt K: 59

5.1.3.4 Xác định bề mặt truyền nhiệt: 63

5.1.4 Thiết bị nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 63

5.1.4.1 Lượng hơi đốt cần thiết để thực hiện quá trình đun sôi sản phẩm đáy là:645.1.4.2 Xác định ∆ tlog : 64

5.1.5 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 68

5.1.5.1 Lượng nước lạnh cần thiết để thực hiện quá trình làm nguội dòng sản phẩm đáy 69

5.1.5.2 Xác định ∆ tlog : 69

5.2 Tính toán bơm nhập liệu 73

Trang 18

5.2.1 Bồn cao vị 73

5.2.1.1 Tổn thất đường ống dẫn 74

5.2.1.2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu 75

5.2.2 Chiều cao bồn cao vị 76

5.3 Bơm 77

Trang 19

DANH MỤC BẢ

Bảng 1 1: Bảng so sánh ưu nhược điểm của các loại tháp 7Y

Bảng 3 1: Thành phần cân bằng lỏng hơi của hệ nước – acid acetic 10

Bảng 3 2: Nhiệt dung riêng của nước và acid acetic theo nhiệt độ 16

Bảng 3 3: Nhiệt hóa hơi của nước và acid acetic theo nhiệt độ 17

Bảng 3 4: Nhiệt dung riêng của nước và acid acetic tại 65,27 oC 18

Bảng 3 5: Nhiệt dung riêng của nước và acid acetic tại nhiệt độ 66,9 oC 19

Bảng 3 6: Bảng tổng kết cân bằng năng lượng 20

Bảng 4 1: Thông số bích ghép thân – đáy – nắp 37

Bảng 4 8: Thông số kích thước của chân đỡ 46

Bảng 4 9: Thông số kích thước của tai treo 46

DANH MỤC H

Trang 20

Hình 2 1: Sơ đồ quy trình công nghệ 8

Hình 3 1: Giản đồ cân bằng lỏng – hơi và số mâm lý thuyết của hệ nước – acid acetic.12Hình 3 2: Đồ thị xác định hiệu suất trung bình của thiết bị 13

Trang 21

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

dòng nhập liệu

kmol /h

dòng sản phẩmđỉnh

kg /h

lượng dòng sảnphẩm đỉnh

kg /h

lượng dòng sảnphẩm đáy

mol /mol

Trang 22

xW Phần mol dòng sảnphẩm đáy

đối của hỗn hợplỏngCân bằng năng

lượng

Trang 23

F Diện tích bề mặttruyền nhiệt

Trang 24

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Giới thiệu sơ lược về nguyên liệu và sản phẩm

Nguyên liệu là hỗn hợp bao gồm Acid Acetic – Nước

1.1 Acid Acetic

1.1.1 Tổng quan

Là hợp chất hữu cơ có công thức là CH3COOH Là một carboxylic acid bao gồm một gốc methyl và 1 nhóm chức carboxyl Tên IUPAC của acetic acid là ethanoic acid và công thức hóa học của nó cũng có thể được viết là C2H4O2 Acetic acid còn có tên gọi khác là giấm, chứa từ 5% đến 20% acid ethanoic theo thể tích Mùi hăng và vị chua là đặc trưng của aceticacid.

Ngoài ra thì Acid Acetic có tính chất lý hoá sau:− Nhiệt độ sôi: 118 °C

− Khối lượng phân tử/ khối lượng mol: 60,052 g/mol− Nhiệt độ nóng chảy: 16,6 oC

Tác dụng với rượu tạo thành ester:

Trang 25

ROH + CH3COOH → CH3COOR + H2O

Acetic acid làm ăn mòn các kim loại và tạo ra khí hydro và các muối acetate:Mg + 2CH3COOH → (CH3COO)2Mg + H2

Nhôm thụ động với acetic acid do khi phản ứng, nó tạo ra lớp màng mỏng nhôm oxit trên bềmặt, ngăn chặn sự ăn mòn Vì vậy, các nhà sản xuất vẫn thường dùng bình chứa bằng nhôm để đựng dung dịch này.

Phản ứng thế halogen vào gốc hydrocacbon (90 – 100 oC):Cl2 + CH3COOH → ClCH2COOH + HCl

Tác dụng với acetylen (xúc tác thủy ngân, nhiệt độ 70 – 80oC) thành etyl diacetate:C2H2 + 2CH3COOH → CH3CH(OCOCH3)2

Tác dụng với amoniac tạo thành amid:NH3 + CH3COOH → NH3CH3COOHNH4

Phản ứng decarboxyl hóa thành aceton (Xúc tác manganese oxide, nhiệt độ):C2H2 + CH3COOH → CH2CHOCOCH3

1.1.3 Ứng dụng:

Trong công nghiệp

Acetic acid được sử dụng trong nhiều quy trình công nghiệp để sản xuất chất nền và làm thuốc thử hoá học như Anhydrid Acetic, Estic, Vinyl Acetate Monome, giấm và các vật liệupolymer Ngoài ra còn được sử dụng để tinh chế các hợp chất hữu cơ do có khả năng làm dung môi để kết tinh lại.

Trong y tế

Axit axetic có rất nhiều công dụng trong lĩnh vực y tế như:

1 Nó có thể được sử dụng như một chất khử trùng chống lại pseudomonas, enterococci, streptococci, staphylococci và những người khác.

2 Nó cũng được sử dụng trong tầm soát ung thư cổ tử cung và điều trị nhiễm trùng.3 Nó được sử dụng như một tác nhân để lyse (phá hủy các tế bào thông qua lysin) các tế

Trang 26

bào hồng cầu trước khi các tế bào bạch cầu được kiểm tra.

4 Giấm cũng được cho là làm giảm nồng độ đường trong máu cao.Công nghiệp thực phẩm

1 Trong ngành công nghiệp thực phẩm, acetic acid được sử dụng phổ biến nhất trong các hoạt động ngâm thương mại và trong các gia vị như mayonnaise, mù tạt và sốt cà chua.2 Nó cũng được sử dụng để nêm các mặt hàng thực phẩm khác nhau như salad, v.v.

3 Ngoài ra, giấm có thể phản ứng với các thành phần kiềm như baking soda và khi điều đó xảy ra, nó tạo ra một loại khí giúp làm cho bánh nướng trở nên phồng hơn.

Sử dụng trong gia đình

Acetic acid là một dung dịch loãng được sử dụng rộng rãi như giấm Và như chúng ta đã quen thuộc, giấm được sử dụng rộng rãi để làm sạch, giặt giũ, nấu ăn và nhiều mục đích sử dụng khác trong gia đình Nông dân thường phun acetic acid lên thức ăn ủ chua của vật nuôiđể chống lại sự phát triển của vi khuẩn và nấm.

Ngoài ra, acid acetic được sử dụng để sản xuất mực và thuốc nhuộm và nó cũng được sử dụng trong sản xuất nước hoa Nó cũng tham gia vào việc sản xuất các ngành công nghiệp cao su và nhựa.

1.1.4 Sản xuất

Acid Acetic được sản xuất bằng 2 phương pháp là sinh học và tổng hợp

Carbonyl hoá methanol: Đa phần Acetic acid được sản xuất bằng quy trình cho methanol và carbon monoxide phản ứng với nhau theo phương trình:

CH3OH + CO  CH3COOH

Trong quy trình còn có sử dụng chất xúc tác là iodomethan và diễn ra theo 3 bước Chất xúctác, thường là phức chất kim loại, được dùng trong bước 2.

1 CH3OH + HI  CH3I + H2O2 CH3I + CO  CH3COI

3 CH3COI + H2O  CH3COOH + HI

Oxy hoá acetaldehyde: Acetaldehyde có thể được sản xuất bằng cách oxy hoá butan hoặc naphtha nhẹ, hoặc hydrat hoá ethylen

Trang 27

Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau

Các phân tử nước hình thành liên kết hydro với nhau và phân cực mạnh, cho phép nó tách các ion trong muối và liên kết với các phân tử phân cực khác như rượu và acid, do đó hòa tan chúng Liên kết hydro làm cho nước có dạng rắn ít đậm đặc hơn dạng lỏng, có điểm sôi tương đối cao là 100 oC và khả năng tỏa nhiệt cao.

Nước là chất lưỡng tính, có nghĩa là nó có thể thể hiện các tính chất của acid hoặc base, tùy thuộc vào pH của dung dịch mà nó có trong đó; nó dễ dàng tạo ra cả ion H+ và OH-

Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45° Do các cặp điện tử tự do chiếmnhiều chỗ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện Chiều dài của liên kết O-H là 96,84 picomet.

1.2.2 Tính chất vật lý:

− Khối lượng phân tử: 18g / mol− Khối lượng riêng ở 4 oC: 1g / ml− Nhiệt độ nóng chảy: 0 oC

Trang 28

Tham gia vào quá trình hóa học trong cơ thể người và động vật.

Có vai trò rất quan trọng trong đời sống: sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vậntải,…

Nước là thành phần quan trọng của các tế bào sinh học và là môi trường của các quá trình sinh hóa cơ bản như quang hợp tạo thành khí oxi:

6H2O + 6CO2quang hợp

→ C6H12O6 + 6O2

Nước rất cần thiết cho đời sống hàng ngày, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng, giao thông vận tải Sự sống trên Trái Đất đều bắt nguồn từ nước và phụ thuộc vào nước Nước có ảnh hưởng quyết định đến khí hậu một khu vực, là nguyên nhân tạo ra thời tiết.

1.3 Phương pháp chưng cất

1.3.1 Chưng cất là gì?

Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng bao gồm hai cấu tử khác nhau trở lên thànhcác cấu tử riêng dựa trên điểm sôi khác nhau của chúng trong hỗn hợp (ở cùng một nhiệt độ,áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác).

Hỗn hợp có bao nhiêu cấu tử thì khi chưng cất sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Ở đây, xétđơn giản ở hệ 2 cấu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phẩm:

Sản phẩm bay hơi lên đỉnh tháp gọi là sản phẩm đỉnh, chủ yếu bao gồm cấu tử có điểm sôithấp hơn

Sản phẩm đáy chủ yếu bao gồm các cấu tử có điểm sôi cao hơn có xu hướng ngưng tụ với tỷlệ lớn hơn vật liệu dễ bay hơi.

Bản chất của chưng cất chính là dựa vào nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bay hơi khác nhau để táchcác cấu tử bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ

Trang 29

- Áp suất thường- Áp suất cao

* Phân loại theo nguyên lý làm việc- Chưng cất đơn giản

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp- Chưng cất đa cấu tử

*Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp- Cấp nhiệt trực tiếp

- Cáp nhiệt gián tiếp

Vậy đối với hệ Acid Acetic - Nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp ở áp suất thường.

1.3.3 Thiết bị chưng cất

Trong chưng cất, có nhiều loại thiết bị khác nhau để có thể sử dụng tuỳ thuộc vào từng trường hợp nhất định và tất cả đều được dựa trên các yếu tố như diện tích tiếp xúc pha, 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,…Vậy ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.

Tháp mâm: thân tháp có hình trụ, thẳng đứng ở phía trong, có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có:

- 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 (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.

Trang 30

BẢNG 1 1: BẢNGSOSÁNHƯUNHƯỢCĐIỂMCỦACÁCLOẠITHÁP.

- Cấu tạo đơn giản- Trở lực thấp

- Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có  của chất lỏng.

- Trở lực tương đối thấp- Hiệu suất khá cao

- Khá ổn định- Hiệu suất cao

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.Thiết bị khá nặng nề

- Không làm việc được với chất lỏng bẩn.- Kết cấu khá phức tạp.

- Có trở lực lớn- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp

Vậy, ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Nước – Acid Acetic.

Trang 31

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệHÌNH 2 1: SƠĐỒQUYTRÌNHCÔNGNGHỆ.

Trang 32

Chú thích quy trình công nghệ:

V-101: Bồn chứa nhập liệu E-101: Thiết bị gia nhiệt nhập liệuV-102: Bồn cao vị E-102: Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnhV-103: Bồn chứa sản phẩm đáy E-103: Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnhV-104: Bồn chứa sản phẩm đỉnh E-104: Nồi đun Kettle

P-101 A/B: Bơm E-105: Thiết bị làm nguội sản phẩm đáyT-101: Tháp chưng cất

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp Acid Acetic và nước có nồng độ nhập liệu là 36% phần mol nước, nhiệt độ ở bồn chứa nguyên liệu là 27 oC, sau đó được bơm vào bồn cao vị và được đưa vào thiết bị gia nhiệt nhập liệu Tại thiết bị gia nhiệt, hỗn hợp được đun sôi từ 27 oC lên đến 106,8 oC và sauđó đưa qua tháp chưng cất ở mâm nhập liệu Ở mâm nhập liệu, hỗn hợp được trộn cùng phần lỏng của đoạn cất chảy trong tháp.

Hơi đi lên từ các mâm ở dưới gặp dòng hỗn hợp chảy từ trên xuống Khi đó sẽ xảy ra sự trao đổi nhiệt giữa hai pha với nhau Acid Acetic mất dần năng lượng và sẽ ngưng tụ lại thành pha lỏng chảy xuống dưới, còn nước sẽ nhận thêm phần năng lượng đã mất đó mà chuyển sang trạng thái hơi, bay lên trên.

Nồng độ nước trong pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm vìđã tạo thành pha hơi và bị lôi cuốn đi lên phần đỉnh tháp Các mâm trên đỉnh tháp, càng đi lên nhiệt độ sẽ càng giảm nên khi hơi có nhiệt độ sôi cao hơn là Acid Acetic đi qua các mâmtừ dưới lên sẽ ngưng tụ lại Cuối cùng, trên đỉnh tháp sẽ thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất.

Hơi ra từ đỉnh tháp sẽ tiếp tục đi qua thiết bị ngưng tụ, một phần được ngưng tụ sẽ tiếp tục qua thiết bị làm nguội và sau đó đi vào bồn chứa sản phẩm đỉnh Phần còn lại thì được đưa lại hoàn lưu lại tháp.

Còn dung dịch lỏng ở đáy tháp sẽ bao gồm phần nhiều cấu tử Acid Acetic có nhiệt độ sôi cao hơn và một lượng nhỏ nước Dung dịch sau đó được đi đun nóng cho bốc hơi ở nồi đun Kettle cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại sẽ đi qua thiết bị làm nguội đén bồn chứa sản phẩm đáy Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước, sản phẩm đáy là Acid acetic.

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Trang 33

3.1 Cân bằng vật chất

Hỗn hợp Acid acetic và nướcNăng suất nhập liệu F=1700(´ kg

h )xF=36 % phần mol nước

BẢNG 3 1: THÀNHPHẦNCÂNBẰNGLỎNGHƠICỦAHỆNƯỚC – ACIDACETIC.

Hệ Nước – Acid Acetic

Trang 34

3.1.2 Xác định chỉ số hoàn lưu

Tỉ số hoàn lưu là chỉ số mà chế độ làm việc tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nguyên liệu, nước…) là tối thiểuTừ bảng ta sử dụng phương pháp nội suy ta có:

3.1.3 Phương trình làm việc đoạn cất (IX.20/144 [1])

y=RR+1x +

4,594,59+1x +

4,59+1=0,821 x+ 16,28

3.1.4 Phương trình làm việc đoạn chưng (IX.22/158 [1])

y=R+LR+1x +

R+1xW=¿y =4,59+3,12

4,59+1 x +

y=1,379 x−3,792

Trang 35

phương trình làm việc đoạn chưngmâm lý thuyết

Trong đó:

Ntt: số mâm thực tếNlt: số mâm lý thuyết

ηtb: hiệu suất trung bìnhVới:

3

Trang 36

ηD, ηF,ηW lần lượt là hiệu suất của mâm trên cùng, hiệu suất của mâm nhập liệu và hiệu suất của mâm dưới cùng

Xác định ηi: Ta xác định ηi dựa vào hình (IX.11/171 [1]):

HÌNH 3 2: ĐỒTHỊXÁCĐỊNHHIỆUSUẤTTRUNGBÌNHCỦATHIẾTBỊ.

Sau khi tính được tích số giữa độ bay hơi tương đối α và độ nhớt của hỗn hợp lỏng μhh ta tra đồ thị trên để tìm ηi

Xác định độ nhớt của hỗn hợp theo công thức (I.12/84 [2]):

log μhh=xD×log μnước+(1−xD)× log μacid acetic

Trong đó:

μhh: độ nhớt của hỗn hợp lỏng

μnước: độ nhớt của nước

μacid acetic: độ nhớt của acid aceticXét tại vị trí nhập liệu:

Độ bay hơi tương đối α=yF

1− y¿F×1−xF

xF =

1−0,360,36 =1,69

tF=106,8oC tra bảng I.101/91 [2] ta có:+ μacid acetic=0,46 (cP ) , μnước=0,26 (cP)

Độ nhớt hỗn hợp:

lg(μhh)=xF× lg(μnước)+(1−xF)× lg(μacid acetic)→ μhh=0,37 (cP)

Trang 37

Ta có: α × μhh=1,69 ×0,37=0,62 (cP)

Tra đồ thị (IX.11/171 [1]): ta có ηF=56 %

Xét tại vị trí mâm đỉnh

Độ bay hơi tương đối α=yD

1− y¿D×1−xDxD =

1−0,910,91 =1,47

tD=100,54oC tra bảng I.101/91 [2] ta có:+ μacid acetic=0,46 (cP ) , μnước=0,28 (cP)

Độ bay hơi tương đối α=yW

1− yW¿ ×1−xWxW =

1−0,10,1 =1,8

tW=114oC tra bảng I.101/91 [2] ta có:+ μacid acetic=0,46 (cP ) , μnước=0,24 (cP )

57% =8,8 chọn 9 mâm

Trang 38

Ntt=16+9+1=26 mâm

3.2 Cân bằng năng lượng

3.2.1 Cân bằng năng lượng cho toàn tháp chưng cất

QĐ: Nhiệt đun nóng thápchưng cất

QD: Nhiệt lượng sản phẩm đỉnhmang ra

QW: Nhiệt lượng sản phẩmđáy mang ra

QF:Nhiệt lượng hỗnhợp nhập liệu mang vào

QC: Nhiệt lượng ngưngtụ sản phẩmđỉnh

QL:Nhiệt lượngtổn thất

Tra bảng I.154/172 [2] và bảng I.249/310 [2]

BẢNG 3 2: NHIỆTDUNGRIÊNGCỦANƯỚCVÀACIDACETICTHEONHIỆTĐỘ.

Nhiệt dung riêngNhiệt độ

c nước (kJ/kg.độ) c acid acetic (kJ/kg.độ)

¿[0,752 ×4,224 +(1−0,752) ×2,433]×100,54=380 kJ /kgHWs=cW× tWs=[x´W× cnước+(1− ´xW)×cacid acetic]× tWs

¿[0,032 ×4,237+ (1−0,032) ×2,504]× 114=291,8 kJ /kg

Bảng: Nhiệt hóa hơi

Trang 39

BẢNG 3 3: NHIỆTHÓAHƠICỦANƯỚCVÀACIDACETICTHEONHIỆTĐỘ.

Nhiệt độNhiệt hóa hơi

r nước (kJ/kg) r acid acetic (kJ/kg)

rD= ´xD×rnước+(1− ´xD)×racid acetic=0,752× 2258,70+(1−0,752) ×389,86=1795,23kJ

Nếu dùng hơi nước bão hòa ở 2at để cấp nhiệt thì: QĐ=Gnước×rnước

3.2.2 Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ

Ngưng tụ hồi lưu hoàn toàn

Lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh là:

D ×rD×(R +1)cn×(40−30) =

264,84 ×1795,23 ×(4,59+1)

4,178 ×(40−30) =63666,8(kgh )=63,67 (m3

h )

3.2.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Phương trình cân bằng năng lượng

Trang 40

Bảng: Nhiệt dung riêng

BẢNG 3 4: NHIỆTDUNGRIÊNGCỦANƯỚCVÀACIDACETICTẠI 65.27 OC.

Nhiệt dung riêng

nước (kJ/kg.độ) cacid acetic (kJ/kg.độ)

Nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh

cD= ´xD× cnước+(1− ´xD)×cacid acetic=0,752 ×4,183+ (1−0,752) ×2,236=3,70( kJ

kg h)

Nhiệt lượng cần cung cấp cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Q= ´D × cD×(tDv−tDr)=264,84 ×3,70 ×(100,54−30)=69,12× 103(kJh )Lượng nước cần dùng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

3.2.4 Cân bằng nhiệt cho thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

Phương trình cân bằng năng lượng

Qm+ ´F × cF×(tFr−tFv)=Gr×rh

Nhiệt độ dòng nhập liệu vào 27 oC, nhiệt độ dòng nhập liệu ra 106,8 oC

BẢNG 3 5: NHIỆTDUNGRIÊNGCỦANƯỚCVÀACIDACETICTẠINHIỆTĐỘ 66.9OC.

Nhiệt dung riêng