thiết kế tháp chưng cất trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ họat động liên tục để chưng cất hỗn hợp acetone nước ở áp suất thường

Với hệ Acetone và nước, cả hai đều là chấtlỏng, tan hoàn toàn vào nhau, có cách biệt nhiệt độ sôi khá lớn 100oC với nước và 56,9 oCvới Acetone, do đó, sử dụng phương pháp chưng cất để nâ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINHKHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

GVHD: TS.Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

Tp Hồ Chí Minh, ngày… tháng 6 năm 2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.

HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA

HỌC

- -NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY VÀ THIẾT BỊ

Giáo viên hướng dẫn: TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

Họ và tên sinh viên thực hiện: MSSV

1 Huỳnh Diễm Quy 20128145

2 Đỗ Xuân Hiếu 20128114

1.Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Acetone – Nước bằng tháp mâm xuyên lỗ

nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi.

2 Số liệu ban đầu:

 Năng suất nhập liệu: 2000 kg/h

 Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: 20%

 Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: 90%

 Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: 1.8%

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

Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG

1 GV hướng dẫn: TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

Điểm số

1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 1,0

2 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 – 0,75

4 Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế 0 – 0,75

5 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,5

6 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0

7 Hoàn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm 0 – 0,75

8 Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao 0 – 0,75

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: Chính điểm chẵn) 10

5 Các nhận xét khác (nếu có)

Ghi chú: GV HƯỚNG

DẪN cho điểm lẻ tới 0,25

điểm

6 Kết luận

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

Ngày tháng 06 năm 2023

Người nhận xét

(Ký & ghi rõ họ tên)

TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

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

MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1 GV hướng dẫn: TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

Điểm số

1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 1,0

2 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 – 0,75

4 Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế 0 – 0,75

5 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,5

6 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0

7 Hoàn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm 0 – 0,75

8 Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao 0 – 0,75

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: Chính điểm chẵn) 10

7 Các nhận xét khác (nếu có)

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

6 Kết luận

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

Ngày tháng 06 năm 2023

Người nhận xét

(Ký & ghi rõ họ tên)

TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

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

MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1 GV phản biện:

3 Tên đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ ACETONE – NƯỚC BẰNG THÁP MÂM

XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI

4 Kết quả đánh giá:

Thang điểm

Điểm số

1 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 2,5

2 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,5

3 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0

4 Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án 0 – 1,0

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ ) 10

5 Các nhận xét khác (nếu có)

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

Ngày …… tháng…… năm 2023

GV phản biện

( Ký & ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

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

MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1 GV phản biện:

3 Tên đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ ACETONE – NƯỚC BẰNG THÁP MÂM

XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI

6 Kết quả đánh giá:

Thang điểm

Điểm số

1 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 2,5

2 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,5

3 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0

4 Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án 0 – 1,0

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ ) 10

7 Các nhận xét khác (nếu có)

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

Ngày …… tháng…… năm 2023

GV phản biện

( Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị, chúng em luôn nhậnđược sự quan tâm, hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của quý thầy cô trong bộ môn và đặc biệt

là thầy TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi, là người đã trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn chúng

em hoàn thành đồ án môn học này Dù rằng thầy làm việc tại Bách Khoa nhưng thầy vẫn

bỏ công bỏ sức, lặn lội đường xa để đến hỗ trợ chúng em Nhờ có sự chỉ dẫn của thầy màchúng em tích lũy được thêm nhiều kiến thức, kinh nghiệm và các kỹ năng cần thiết đểphục vụ không những cho đồ án môn học này mà còn cho công việc cũng như cuộc sốngcủa chúng em sau này nữa Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cùng với quý thầy

cô trong bộ môn

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy, cô phản biện Cảm ơn quý thầy, cô

đã dành thời gian để xem xét và chỉ ra những thiếu sót của chúng em trong thực hiện đồ ángiúp chúng em tích lũy thêm kinh nghiệm, kiến thức để có thể tiến bộ hơn trong tương lai.Cảm ơn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, nơi đã tạo điều kiện cho chúng em được họctập, và hoạt động với cơ sở vật chất, trang thiết bị hiện đại

Trong quá trình hoàn thành đồ án không thể tránh khỏi những sai sót, chúng em rất mongnhận được sự góp ý và chỉ dạy từ quý thầy, cô

Chúng em xin một lần nữa chân thành cảm ơn!

Mục lục

LỜI MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 10

1.1 Chưng cất là gì 10

1.2 Acetone 1.2.1 Tính chất vật lý, hoá học 10

1.2.1.1 Điều chế 13

1.2.1.2 Ứng dụng 13

1.2.2. Nước 14

1.2.3 Hỗn hợp Acetone - nước 14

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 18

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 18

2.2 Thuyết minh về quy trình công nghệ 18

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 20

3.1 Giả thuyết: 20

3.1.1.Yêu cầu thiết bị 20

3.1.2.Các thông số ban đầu: 20

3.1.3.Các ký hiệu được sử dụng: 21

3.1.4.Tính toán các dòng cân bằng vật chất 21

3.2 Xác định chỉ số hồi lưu 23

3.2.1 Chỉ số hoàn lưu tối thiểu: 23

3.2.2.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất 25

3.2.2.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng: 25

3.2.2.3 Xác định số mâm lý thuyết và thực tế 25

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 29

4.1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 29

4.1.1 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp QF 29

4.1.2 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp QD2 30

4.1.3 Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào 30

4.1.4 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Qw 31

4.1.5 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng2 32

4.1.6 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qxq2 28

4.2. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 32

4.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 33

4.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi dòng nhập liệu: 34

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 38

5.1 Kích thước tháp chưng cất 38

5.1.1 Đường kính của tháp Dt 39

5.1.2 Đường kính đoạn cất 39

5.1.3 Đường kính đoạn chưng 43

5.2 Cấu tạo mâm lỗ 46

5.2.1 Trở lực của đĩa khô 47

5.2.2 Trở lực do sức căng bề mặt: 48

5.2.3 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra: 49

5.2.4 Tổng trở lực thuỷ lực của tháp: 52

5.2.5 Kiểm tra hoạt động của mâm: 52

5.3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động: 53

5.4 Tính toán cơ khí của tháp 54

5.4.1 Chiều cao thân tháp 54

5.4.2 Chiều cao đáy (nắp) 55

5.4.3 Tính toán cơ khí của tháp: 55

5.4.4 Bích ghép thân, đáy và nắp: 58

5.4.5 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn 60

5.5 Chân đỡ 68

5.5.1 Tính trọng lượng của toàn tháp: 68

5.5.2 Chân đỡ tháp 69

5.5.4 Kính quan sát 70

CHƯƠNG 6 : TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 71

6.1 Thiết bị nhiệt 71

6.1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 71

6.1.1.1 Suất lượng nước làm lạnh cần dùng 71

6.1.1.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit 72

6.1.1.3 Hệ số truyền nhiệt K 72

6.1.1.4 Bề mặt truyền nhiệt trung bình 76

6.1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 77

6.1.2.1 Xác định bề mặt truyền nhiệt: 84

6.1.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị 84

6.1.3 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 85

6.1.3.1 Xác định hệ số truyền nhiệt 86

6.1.3.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị 86

6.1.4 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 92

6.1.4.1 Xác định hệ số truyền nhiệt 92

6.1.4.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị 93

6.2 Bồn cao vị 97

6.2.1 Tổn thất đường ống dẫn 97

6.3.2.Tổn thất đường ống dẫn đoạn qua thiết bị đun sôi nhập liệu 100

6.3.3 Chiều cao bồn cao vị 102

6.4 Bơm 103

6.4.1 Năng suất 103

6.4.2 Cột áp 104

6.4.2 Công suất 107

6.4.3 Tính bảo ôn của thiết bị 107

KẾT LUẬN 109

PHỤ LỤC 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

Phụ lục Bảng

Bảng 1.1 Một số thông số vật lý của Acetone 11

Bảng 1.2 Một số tính chất vật lý của nước 14

Bảng 1.3 Bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ của hỗn hợp Acetone - Nước ở P=1atm 15

Bảng 3.1 Tóm tắt các số liệu tính toán cân bằng vật chất 23

Bảng 4.1 Bảng tóm tắt cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 32

Bảng 4.2 Bảng tóm tắt cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 36

Bảng 4.3 Tổng kết các giá trị cần xác định Chương 3 38

Bảng 5.1 Thông số bích ghép thân đáy và nắp 59

Bảng 5.2 Thông số bích ghép ống nhập liệu 61

Bảng 5.3 Thông số bích ghép ống dẫn hơi đỉnh tháp 62

Bảng 5.4 Thông số bích ghép ống hoàn lưu 64

Bảng 5.5 Thông số bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp 65

Bảng 5.6 Thông số bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp 66

Bảng 5.7 Thông số bích ghép ống dẫn chất lỏng từ nồi đun sản phẩm đáy 68

Bảng 5.8 Các kích thước của chân đỡ 69

Bảng 6.1 Thông số của hệ ở ttb D = 47,5 oC 75

Bảng 6.2 Thông số của hệ ở ttb D = 48,75 oC 78

Bảng 6.3 Thông số của hệ ở tw1 = 42,5 oC 82

Bảng 6.4 Thông số của hệ ở ttb F = 44,75 oC 86

Bảng 6.5 Thông số của hệ ở ttb W = 91,05 oC 90

Bảng 6.6 Thông số của hệ ở ts = 94,8 oC 94

Bảng 6.7 Thông số của hệ ở ttb F = 44,75 oC 98

Bảng 6.8 Thông số của hệ ở tF = 30 oC 103

Phụ lục hình

Hình 1.1 Công thức cấu tạo acetone 10

Hình 1.2 Đồ thị x-y của hệ Acetone nước 15

Hình 3.1 Giản đồ x – y của hệ Acetone – Nước và tiếp tuyến 24

Hình 3.2 Giản đồ cân bằng lỏng hơi và số mâm lý thuyết của hệ Acetone – Nước 25

Hình 4.1 Sơ đồ thiết bị chưng luyện 29

Hình 5.1 Gờ chảy tràn 50

Hình 5.2 Bề dày đáy, nắp thiết bị 58

Hình 5.3 Bích ghép thân và đáy, nắp 59

Hình 5.4 Bích ghép các ống dẫn 60

Hình 5.5: Chân đỡ 69

LỜI MỞ ĐẦU

Ngành công nghiệp Hoá học đã và đang chiếm một vị trí quan trọng trong cơ cấu ngànhcông nghiệp Việt Nam Cụ thể hơn, qua các giai đoạn phòng chống dịch bệnh Covid 19,ngành Hoá học càng thêm khẳng định vị thế của chính mình, với nhiều ứng dụng thựctiễn Trong sản xuất Hoá học, việc sử dụng các chất tinh khiết, các dung môi nồng độ cao

là cực kì quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm Vì vậy, việc tạo racác dung môi, các chất Hoá học có độ tinh khiết cao đang được thúc đẩy mạnh mẽ để tạo

ra các sản phẩm phù hợp với nhu cầu sản xuất, cũng như sử dụng của con người

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp dùng để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm, phải kể đếnnhư: phương pháp chưng cất (chưng cất đơn, chưng cất phân đoạn), phương pháp trích ly,phương pháp hấp thu, cô đặc, Và việc áp dụng từng phương pháp khác nhau sẽ phụthuộc vào tính chất của chất cần thực hiện Với hệ Acetone và nước, cả hai đều là chấtlỏng, tan hoàn toàn vào nhau, có cách biệt nhiệt độ sôi khá lớn (100oC với nước và 56,9 oCvới Acetone), do đó, sử dụng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết củaAcetone là hoàn toàn phù hợp, và được sử dụng phổ biến hiện nay

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là môn học là một hình thức để đánh giá một cáchtổng quan nhất các kiến thức tích luỹ, cũng như khả năng hiểu biết của sinh viên ngànhCNKT Hoá học trong quá trình học tập và tìm hiểu Qua đó, sinh viên có thể nắm đượccác kiến thức chuyên ngành, cũng như giải quyết được các vấn đề tính toán trong thực tếsản xuất như: áp dụng được các quá trình thiết bị, nắm được các yêu cầu công nghệ, cấutạo, giá thành của một hệ thống thiết bị sản xuất hóa chất quy mô công nghiệp Bước đầuxây dựng khả năng tư duy, hệ thống kiến thức của các Kỹ sư tương lai về thực tế sản xuất

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Chưng cất là gì?

Trong các ngôn ngữ châu Âu, từ chưng cất bắt nguồn từ tiếng La tinh destillare có nghĩa

là nhỏ giọt xuống Chưng cất là một phương pháp tách dùng nhiệt để tách hỗn hợp đồngthể (dung dịch) của các chất lỏng khác nhau dựa vào có cách biệt về độ bay hơi của chúngtrong hỗn hợp

Xét cho hệ 2 cấu tử, thì khi chưng cất sẽ thu được 2 cấu tử tương ứng riêng biệt, cấu tửnặng sẽ đi về sản phẩm đáy, và cấu tử nhẹ hơn sẽ đi về sản phẩm đỉnh

Có nhiều phương pháp chưng cất Tuỳ vào điều kiện nhiệt độ, áp suất,… ta lựa chọnphương pháp chưng cất sao cho phù hợp

1.2 Acetone

1.2.1 Tính chất vật lý, hóa học

Acetone, có nhiều tên gọi như: propanone, dimethyl ketone,… đây là hợp chất hữu cơ

có công thức phân tử C3H6O Acetone là một chất lỏng trong suốt, không màu, dễ bayhơi và rất dễ cháy với mùi và vị ngọt đặc trưng ở điều kiện thường

Acetone có khả năng tan vô hạn trong nước và một số dung môi hữu cơ khác như: eter,metanol, etanol, diacetone alcohol…

Cấu trúc của Acetone:

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của acetone.

Dưới đây, là một số thông số hoá lý cơ bản của Acetone.

Bảng 1.1 Một số thông số vật lý của acetone

Khối lượng phân tử, g/mol 58,079

Khối lượng riêng, kg/m3 (25 oC) 784,85

Nhiệt dung riêng, Kcal/mol ở 100 oC 22

OHCH3CO + HCN → CH3-C-CN

Phản ứng ngưng tụ:

CH3COCH3 + RMgX CH3C(OH)(R)CH3 + Mg(OH)X

(trong ether khan, xúc tác H+)

CH3COCH3 + NaHSO3 → CH3C(OH)(CH3)SO3Na

1.2.1.1 Điều chế

Quá trình cumen:

Oxy hóa propan-2-ol:

Nhiệt phân muối Calcium acetate:

(CH3COO)2Ca  CaO + CO2 + CH3COCH3

Khối lượng phân tử, g/mol 18,01528

Khối lượng riêng, kg/m3 (25 oC) 996,9

Nước chiếm diện tích lớn nhất trái đất (3/4 diện tích) và rất cần cho sự sống của conngười và sinh vật Nước là dung môi quan trọng, có độ phân cực mạnh nên hòa tan tốtnhiều chất phân cực khác nhau Nước rẻ, an toàn Vì thế, nước là dung môi quan trongtrong công nghiệp, đặc biệt là ngành kỹ thuật hóa học

1.2.3 Hỗn hợp acetone - nước

Acetone tan vô hạn trong nước.Ở áp suất khí quyển, nhiệt độ sôi của acetone (56,9 oC)

và nước (100 oC) cách nhau một khoảng nhiệt độ tương đối lớn Để tách acetone ra khỏihỗn hợp không thể dùng cô đặc, trích ly hay hấp thụ vì acetone và nước đều có khảnăng bay hơi Khi thêm một cấu tử vào hệ, quá trình tách trở nên phức tạp hơn vàkhông thể tách hoàn toàn Vì thế, ta dùng phương pháp chưng cất để tách acetone vànước

Bảng 1.3 Bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ của hỗn hợp acetone - nước

ở P=1atm (Đơn vị: x, y % phần mol, T: oC)

T 100 73,62 69,6 64,5 64,5 61,6 60,7 59,8 59,0 58,2 57,5 56,9

Hình 1.2 Đồ thị x-y của hệ acetone – nước

Hình 1.3 Đồ thị T-x,y của hệ acetone – nước

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ (đính kèm)

2.2 Thuyết minh về quy trình công nghệ

Quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone – nước được diễn đạt như sau:

Tại bồn chứa nguyên liệu (1), hỗn hợp acetone – nước có nồng độ 20% theo số mol củaacetone ở nhiệt độ 25oC được bơm (2) bơm vào bồn cao vị (3)

Từ bồn cao vị, dòng nhập liệu được đưa vào thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu [ống lồngống] (5) để bước đầu nâng nhiệt độ cho dòng nhập liệu Tại đây, dòng nhập liệu thực hiệnquá trình trao đổi nhiệt với hơi nước bão hòa ở 2at, và được gia nhiệt đến nhiệt độ lỏngsôi, 64,5 oC

Dòng nhập liệu sau khi được gia nhiệt sẽ được đo, xác định cũng như điều khiển lưulượng của chúng qua lưu lượng (4) để đảm bảo duy trì được lưu lượng dòng nhập liệu ở

2000 kg/h

Sau đó, dòng nhập liệu được dẫn vào tháp chưng cất (8) tại vị trí nhập liệu, mâm số 3.Khi vào tháp chưng cất (8), phần lỏng được hệ thống phân phối lỏng phân phối đềuxuống phần chưng Dòng lỏng và hơi chuyển động ngược chiều nhau bên trong tháp, lỏng

đi từ trên xuống dưới tiếp xúc và trao đổi nhiệt với hơi đi từ dưới lên Acetone còn tồn tại

ở pha lỏng sẽ được nồi đun Kettle (13) đun nóng đến nhiệt độ sôi sau đó bay hơi, hoànlưu lại tháp chưng cất Đồng thời, khi pha lỏng chuyển động từ trên xuống trong phầnchưng, acetone bị pha hơi lôi cuốn làm cho nồng độ acetone trong pha lỏng càng giảm.Càng lên cao, nhiệt độ sẽ thấp dần, khi đó, các cấu tử có nhiệt độ cao hơn (nước) sẽ bịngưng tụ khi đi qua các đĩa, và rơi xuống đáy tháp Vì thế, phần đỉnh tháp sẽ thu đượchỗn chỉ chứa chủ yếu acetone (có nồng độ 90% theo số mol)

Dòng hơi sản phẩm đỉnh đi ra khỏi tháp sau đó được đưa vào thiết bị ngưng tụ (9) để tiếnhành ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh Các khí không ngưng tụ được xả qua van xả.Sau khi ngưng tụ, sản phẩm đỉnh được chứa trong bồn phân phối lỏng (10) Tại đây, sảnphẩm đỉnh được phân phối hợp lý để tiến hành hồi lưu về tháp chưng cất và được phân

phối điều ở đĩa trên cùng với tỷ số hồi lưu 0,509

Phần còn lại của sản phẩm đỉnh sẽ được làm nguội đến 40 oC qua thiết bị làm nguội sảnphẩm đỉnh (11), và được đưa vào bồn chưa sản phẩm đỉnh (12)

Acetone sau khi hồi lưu sẽ được lôi cuốn bởi pha hơi trong tháp, tiến hành đi lên vàngược lại, nước lầ cấu tử nặng sẽ tách ra khỏi hỗn hợp và rơi xuống đáy tháp

Cuối cùng, sản phẩm đáy chứa ở bồn chứa sản phẩm đáy (15) Hệ thống hoạt động liêntục thu được acetone ở phần đỉnh, còn sản phẩm đáy sau khi được trao đổi hệ với dòngnhập liệu được thải bỏ

Chương 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Giả thuyết.

Hỗn hợp nhập liệu Acetone – nước vào tháp ở trạng thái lỏng sôi, có:

- Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp

- Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chưng và đoạn cất

- Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của pha hơi đi ra khỏi đỉnh tháp

Khi chưng cất, cấu tử dễ bay hơi là hơi Acetone, được thu ở phần sản phẩm đỉnh còn nước sẽ là sản phẩm đáy

3.1.1 Yêu cầu thiết bị.

Áp suất làm việc ổn định của thiết bị: 1 atm

Loại tháp chưng cất: Tháp mâm xuyên lỗ

Thiết bị hoạt động liên tục

Khi chưng cất, cấu tử dễ bay hơi là hơi Acetone, nước là cấu tử nặng và rơi xuống đáy tháp

3.1.2 Các thông số ban đầu.

Hỗn hợp ban đầu: Acetone – Nước ở 25 độ C (MAcetone = 58 g/mol; MH2O = 18 g/mol) Suất lượng nhập liệu: 2000 kg/h

Nồng độ phần mol của Acetone trong hỗn hợp nhập liệu: 20%

Nồng độ phần mol của Acetone trong sản phẩm đỉnh: 90%

Nồng độ phần mol của Acetone sản phẩm đáy: 1,8%

Các thông số khác:

Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t’D = 400C

Với thiết bị ngưng tụ:

Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 30oC

Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40oC

3.1.3 Các kí hiệu

F và GF: là lưu lượng của dòng nhập liệu theo kmol/h và kg/h

D và GD: là lưu lượng của sản phẩm đỉnh theo kmol/h và kg/h

W và GW: là lưu lượng của sản phẩm đáy theo kmol/h và kg/h

- Phân mol Acetone trong dòng nhập liệu: xF = 0,2

- Phân mol Acetone trong dòng sản phẩm đỉnh: xD = 0,9

- Phân mol Acetone trong dòng sản phẩm đáy: xW= 0,018

Ta tính toán được các đại lượng sau:

- Phân khối lượng Acetone trong dòng nhập liệu:

´

x F= x F M A

x F M A+(1−x F) M B=

0,2.580,2.58+(1−0,2) 18=0,446(kg/ kg)

- Phân khối lượng Acetone của dòng sản phẩm đỉnh:

´

x D= 58 x D

58 x D+(1−xD).18=

0,9.580,9.58+(1−0,9) 18=0,967(kg/kg)

- Phân khối lượng Acetone của dòng sản phẩm đáy:

´

x D= 58 x W

58 x W+(1−x W).18=

0,018.580,018.58+(1−0,018).18=0,0558(kg /kg)

- Phân tử lượng trung bình:

ρAcetone: Khối lượng riêng của Acetone nguyên chất ở 25 oC

ρH2O: Khối lượng riêng của nước cất ở 25oC

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

{F x F=F=D+W D x bD+W x W

↔{76,923.0,2=D 0,9+W 0,018 76,923=D+W

↔{W =61,050 D=15,873

Các số liệu tính toán được tổng hợp ở bảng 3.1 như sau:

Bảng 1.1 Suất lượng nhập liệu, đỉnh, đáy

Năng suất nguyên liệu (kg/h)

Nồng độ

x (mol/mol)

Phân tử lượng trungbình Mtb (kg/kmol)

Năng suất(kmol/h)

Phân khốilượng(kg/kg)

3.2 Xác định chỉ số hồi lưu.

3.2.1 Xác định chỉ số hoàn lưu tối thiểu.

Tỷ số hoàn lưu tối thiểu là tỷ số hoàn lưu mà tại đó số mâm lý thuyết là vô cực, ứng với lượng hoàn lưu nhỏ nhất mà có thể đảm bảo được năng suất và hiệu suất của thiết bị lí tưởng Hoặc có thể nói tỷ số hoàn lưu tối thiểu là tỷ số hoàn lưu ứng với lượng hoàn lưu nhỏ nhất mà có thể đảm bảo được năng suất và hiệu suất của thiết bị lí tưởng

Với hệ Acetone - Nước, đường cân bằng có điểm uốn, nên ta xác định Rmin bằng cách:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Hình 3.1

Trên giản đồ xy, đường làm việc phần cất AB qua giao điểm của đường nhập liệu và đường cân bằng (không vượt qua đường cân bằng) sẽ ứng với tỉ số hoàn lưu tối thiểu Cách xác định với các dạng đường cân bằng cho thấy trên hình 3.1

3.2.2 Phương trình làm việc và xác định số mâm

3.2.2.1 Phương trình đường làm việc của đoạn cất:

3.2.2.2 Phương trình đường làm việc của đoạn chưng:

Phương trình đoạn chưng có dạng:

Suy ra: y= 0,509+1

0,509+ 4,682x+

4,682−10,509+4,682.0,018=0,417 x +0,010.

3.2.2.3 Xác định số mâm lý thuyết và thực tế.

Từ đồ thị xác định đươc số mâm lý thuyết:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

f(x) = 3.2 x − 3.95

f(x) = 0.43 x + 51.4 f(x) = 10.84 ln(x) + 44.93

Chart Title

Từ đồ thị, ta xác định được số mâm lý thuyết: Nlt = 4,5 mâm

Trong đó, có 2 mâm cất, 1 mâm nhập liệu tại vị trí mâm số 3 và 1 mâm chưng.

1−0,803.

1−0,20,2 =¿16,305

Từ tF = 64,50C, tra tài liệu tham khảo [1], trang 92 - 91, bảng I.101, ta có:

μ Acetone=0,223.10−3 N.s/m2

μ nước=0,444.10− 3N.s/m2

Ta có: log μ =x log μ +(1−x ) log μ

¿ 0,2.log(0,223 10−3) + (1 - 0,2).log(0,444 10−3)

→ μ F=0,387 cP

 η=f (α , μ) = 16,305 0,387 = 6,310s

Ta có: η F=32,5 ([2], tr.171, hình IX.11)

Tại vị trí mâm nhập đáy:

Với xW = 0,018 tra đồ thị cân bằng của hệ, ta có: y W¿

1−0,0180,018 =¿ ¿

¿15,209

Từ tW = 90,4960C, tra tài liệu tham khảo [1], trang 92 - 91, bảng I.101, ta có:

1−0,90,9 =¿¿

¿1,838

Từ tD = 57,50C, tra tài liệu tham khảo [1], trang 92 - 91, bảng I.101, ta có: