đồ án môn học quá trình thiết bị thiết kế hệ thống chưng cất tháp mâm xuyên lỗ hệ methanol nước nhập liệu ở áp suất thường

HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT THÁP MÂM XUYÊN LỖ HỆ METHANOL – NƯỚC NHẬP LIỆU... Đối với hệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT THÁP MÂM XUYÊN LỖ HỆ METHANOL – NƯỚC NHẬP LIỆU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

  

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY VÀ THIẾT BỊ

1 Giáo viên hướng dẫn: TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

3 Tên đồ án: Thiết kế hệ thống chưng cất tháp mâm xuyên lỗ hệ Methanol – Nước nhập

liệu ở áp suất thường

4 Nhiệm vụ của đồ án:

− Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng − Tính toán thiết kế hệ thống, thiết bị chính và phụ

5 Các số liệu ban đầu

− Năng suất nhập liệu: 2500 kg/h − Nồng độ Methanol nhập liệu: 25%kl − Nồng độ Methanol sản phẩm đỉnh: 95%kl − Tỉ lệ thu hồi Methanol: 98%kl

− Nhiệt độ nhập liệu: 28℃

6 Nội dung thực hiện

Mở đầu

Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ

Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng của hệ chưng cất Tính toán các thông số công nghệ của tháp chưng cất

Tính toán cơ cấu thiết bị chính

Tính toán và chọn các thiết bị phụ Tính toán giá thành thiết bị

Kết luận Phụ lục

Tài liệu tham khảo

7 Yêu cầu bản vẽ kỹ thuật

1 Bản vẽ qui trình công nghệ (file DWG) 1 Bản vẽ chi tiết thiết bị chính (file DWG) 1 Bản vẽ qui trình công nghệ (file PDF) 1 Bản vẽ chi tiết thiết bị chính (file PDF)

8 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 9 Ngày hoàn thành đồ án:

TP Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 06 năm 2023

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 DẪN

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

1 GVHD: TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

2 Sinh viên: Nguyễn Văn Thức 3 MSSV: 20128028

4 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất tháp mâm xuyên lỗ hệ Methanol – Nước nhập

liệu ở áp suất thường 5 Kết quả đánh giá:

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 và thực hiện đúng kế hoạch 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 làm việc 0 – 0,75

8 Thực hiện đúng các công việc được GVHD giao 0 – 0,75

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 03 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 DẪN

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

1 GVHD: TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

2 Sinh viên: Dương Gia Huy 3 MSSV: 20128118

4 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất tháp mâm xuyên lỗ hệ Methanol – Nước nhập

liệu ở áp suất thường 5 Kết quả đánh giá:

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 và thực hiện đúng kế hoạch 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 làm việc 0 – 0,75

8 Thực hiện đúng các công việc được GVHD giao 0 – 0,75

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 03 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 PHẢN BIỆN MÔN HỌC: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2022 – 2023 MÃ MÔN HỌC: PWPD3227031 GVPB:

2 Sinh viên: Nguyễn Văn Thức 3 MSSV: 20128028 4 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất tháp mâm xuyên lỗ hệ Methanol – Nước nhập liệu ở áp suất thường 5 Kết quả đánh giá: STT Nội dung Thang điểm Điểm số 1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 0,5 2 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 1,5 3 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 0,5 4 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,5 5 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0 6 Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án 0 – 1,0 7 Trả lời được các câu hỏi phản biện 0 – 3,0 TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……… ) 10

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

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 PHẢN BIỆN MÔN HỌC: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2022 – 2023 MÃ MÔN HỌC: PWPD3227031 GVPB:

2 Sinh viên: Dương Gia Huy 3 MSSV: 20128118 4 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất tháp mâm xuyên lỗ hệ Methanol – Nước nhập liệu ở áp suất thường 5 Kết quả đánh giá: STT Nội dung Thang điểm Điểm số 1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 0,5 2 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 1,5 3 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 0,5 4 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,5 5 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0 6 Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án 0 – 1,0 7 Trả lời được các câu hỏi phản biện 0 – 3,0 TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……… ) 10

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

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi, giảng viên khoa Công nghệ Hóa học – Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TPHCM Cảm ơn thầy đã luôn hướng dẫn rất tận tình và trang bị cho chúng em những kiến thức, kĩ năng cơ bản trong suốt quá trình thực hiện đồ án

Thông qua việc thực hiện đồ án, chúng em tìm hiểu thêm được nhiều kiến thức mới, đồng thời có thể hệ thống lại các kiến thức đã học và vận dụng vào việc tính toán, thiết kế thiết bị để áp dụng vào thực tiễn

Tuy nhiên, do kiến thức chuyên môn và điều kiện nghiên cứu tài liệu, thời gian còn hạn chế, chưa có nhiều kinh nghiệm trong thiết kế máy nên đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, chúng em chân thành cảm ơn và mong nhận được những ý kiến góp ý đánh giá từ phía thầy cô trong khoa Công nghệ hóa học & Thực phẩm để rút kinh nghiệm và giúp cho đề tài thiết kế của chúng em hoàn chỉnh hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

LỜI MỞ ĐẦU

Ngành công nghiệp hóa chất ở Việt Nam ngày càng phát triển mạnh mẻ và có nhiều bước tiến vượt trội Hiện nay, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hóa chất tinh khiết cao của các ngành công nghiệp ngày càng nâng cao để đáp ứng nhu cầu sử dụng hoặc những quy trình sản xuất khác nhau Có rất nhiều phương pháp được sử dụng để tăng độ tinh khiết của sản phẩm như: trích ly, chưng cất, hấp phụ, tùy theo yêu cầu sản phẩm mà ta chọn phương pháp thích hợp

Đối với hệ Methanol - nước là hai cấu tử hòa tan hoàn toàn, trong trường hợp này, ta sử dụng phương pháp chưng cất nhằm nâng cao độ tinh khiết cho Methanol, đây là một phương pháp cổ điển và được sử dụng phổ biến, rộng rãi trong việc sản xuất methanol có nồng độ cao

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học thực tiễn dựa trên các kiến thức tích lũy từ các môn học cơ sở ngành và chuyên ngành khác phục vụ cho một kỹ sư hóa học tương lai Môn học giúp sinh viên có được kỹ năng giải quyết các vấn đề tính toán cụ thể về quy trình của một hệ thống – thiết bị sản xuất hóa chất và giúp chúng em có được những kinh nghiệm đầu tiên trong việc ứng dụng những kiến thức đã học vào thực tể một cách tốt nhất

Đồ án này trình bày quy trình công nghệ và tính toán thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp Methanol – nước sử dụng tháp xuyên lỗ Thông qua đồ án này, chúng em sẽ giải quyết các nhiệm vụ tính toán thiết kế cụ thể về quy trình công nghệ, cân bằng vật chất, năng lượng, các thông số của thiết bị chính, thiết bị phụ, , đưa ra các bảng vẽ chi tiết của quy trình công nghệ và thiết bị của hệ thống chưng cất Methanol – nước ứng với các thông số ban đầu như trên

CHƯƠNG 2:QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 8

2.1.Sơ đồ quy trình công nghệ (file đính kèm) 8

2.2.Thuyết minh về quy trình công nghệ 8

CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 9

3.1.5.1.Phương trình đường làm việc phần cất 13

3.1.5.2.Phương trình đường làm việc phần chưng 13

3.2.Cân bằng năng lượng 18

3.2.1.Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất: 18

3.2.2.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 22

3.2.3.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 22

3.2.4.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 23

3.2.5.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 25

CHƯƠNG 4:TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 29

4.1.Đường kính tháp chưng cất 29

4.1.1.Đường kính đoạn cất 29

4.1.1.1.Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất 29

4.1.1.2.Vận tốc hơi trung bình đi trong đoạn cất 31

4.1.2.Đường kính đoạn chưng 32

4.1.2.1.Lượng hơi trung bình đi qua đoạn chưng 32

4.1.2.2.Vận tốc hơi trung bình đi trong đoạn chưng 34

4.2.Cấu tạo mâm xuyên lỗ 36

4.2.1.Trở lực của đĩa khô 36

4.2.2.Trở lực do sức căng bề mặt 37

4.2.3.Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên mâm tạo ra: 38

4.2.4.Tổng trở thủy lực của tháp ở phần cất và phần chưng 40

4.2.5.Kiểm tra hoạt động của mâm 40

4.3.Kiểm tra độ ngập lụt khi tháp hoạt động 41

4.3.1.Phần cất 42

4.3.2.Phần chưng 42

CHƯƠNG 5:TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 45

5.1.Bề dày tháp 45

5.1.1.Chiều cao của tháp 45

5.1.2.Chiều cao đáy (nắp) 45

6.7.Bơm hoàn lưu 92

CHƯƠNG 7:TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 96

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Nguyên liệu đầu vào

1.1.1 Methanol

1.1.1.1 Tổng quan về methanol

Methanol là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của alcohol Có công thức hóa học của nó là CH4O hay CH3OH ( một nhóm methyl liên kết với một nhóm hydroxyl phân cực, thường viết tắt là MeOH), mang tính chất của một alcohol đơn chức Methanol còn được biết đến như là rượu methylic, alcohol gỗ, naphtha gỗ hay rượu mạch gỗ

Methanol là cồn công nghiệp, rất độc, uống lượng nhỏ gây mù mắt, nhiều hơn có thể tử vong Khi uống vào, methanol gây tổn thương não, dây thân kinh thị giác, hoại tử não, tổn thương nội tạng Bình thường ở ngưỡng 10ml methanol nguyên chất có thể gây mù vĩnh viễn bằng cách phá hủy dây thần kinh thị giác, 30ml có khả năng gây tử vong

Bảng 1.1: Các thông số hóa lý của methanol Hình 1.1: Công thức cấu tạo của methanol

1.1.1.3 Ứng dụng

Methanol được sử dụng như chất chống đông, dung môi, nhiên liệu cho các động cơ đốt trong và như là một chất làm biến tính methanol Ứng dụng lớn nhất của methanol là dùng để sản xuất các hóa chất khác

Khoảng 40% methanol được chuyển thành formal dehyde, từ đó sản xuất ra chất dẻo, sơn, Các hóa chất khác được dẫn xuất từ methanol bao gồm dimethylete,

1.1.2 Nước

1.1.2.1 Tổng quan về nước

Nước (H2O) là hợp chất phân cực ở nhiệt độ phòng, một chất lỏng không mùi và không vị, gần như không màu Là hợp chất hóa học được nghiêng cứu nhiều nhất và được mô tả là “dung môi vạn năng” và “dung môi của sự sống” Nước là chất có nhiều trên Trái Đất và là chất phổ biến duy nhất tồn tại dưới dạng chất rắn, lỏng và khí trên bề mặt Trái Đất Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên Trái Đất (3/4 diện tích Trái Đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống

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 của nó gây ra những tính chất độc đáo, chẳng hạn như có dạng rắn ít đậm đặc hơn dạng lỏng, có điểm sôi tương đối cao là 100oC 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 đẽ 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 chiếm nhiều 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

Hình 1.2: Công thức cấu tạo của nước

1.1.2.2 Tính chất vật lý và thông số hóa lý

Tính dẫn điện: Thực chất thì nước tinh khiết (nước cất) không dẫn điện Nước thông thường thường chứa nhiều loại muối tan Tính dẫn điện của nước thông thường phụ thuộc vào tổng lượng muối trong nước, tính chất các muối và nhiệt độ của nước Nước khoáng hoá cao thường có tính dẫn điện mạnh

Tính dẫn nhiệt: nước có khả năng dẫn nhiệt tốt

Khối lượng phân tử, g/mol 18 Khối lượng riêng, kg/m3 (25℃) 997,08 Nhiệt độ nóng chảy, ℃ (760 mmHg) 0 Nhiệt độ sôi, ℃ (760 mmHg) 100 Nhiệt dung riêng, kJ/kg.℃ 4,187 Độ nhớt, Ns/m2 (25℃) 0,9005

Bảng 1.2: Các thông số hóa lý của nước 1.1.2.3 Ứng dụng

Hòa tan chất dinh dưỡng cho cơ thể sống

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 vận tải,…

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 + 6CO2

𝑞𝑢𝑎𝑛𝑔 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

Bảng 1.3: Cân bằng lỏng hơi cho hệ methanol – nước

Từ bảng 3 ta vẽ được giản đồ nhiệt độ - nồng độ cho hệ methanol – nước:

Hình 1.3: Đồ thị nhiệt độ - thành phần lỏng hơi của hệ methanol – nước

6065707580859095100105

Hình 1.4: Đồ thị mối quan hệ thành phần trong pha lỏng và hơi của hệ methanol – nước

1.2 Tổng quan lý thuyết chưng cất

1.2.1 Khái niệm

Chưng cất là quá trình phân riêng các cấu tử của một hỗn hợp lỏng (cũng như hỗn hợp hơi/khí - lỏng) ra thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau Khi chưng cất, ta thu được rất nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta chỉ thu được 2 sản phẩm:

0102030405060708090100

− Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm có cấu tử có áp suất hơi bão hòa lớn (nhiệt độ sôi nhỏ) − Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có áp suất hơi bão hòa nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ methanol - nước

− Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm methanol và một ít nước − Sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít methanol

1.2.2 Các phương pháp chưng cất

Phân loại theo áp suất làm việc:

− Áp suất thấp − Áp suất thường − Áp suất cao

Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

Phân loại theo nguyên lí làm việc:

− Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này được sử dụng trong các trường hợp sau: khi nhiệt độ sôi các cấu tử khác xa nhau, 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 hỗn hợp 2 cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình thực hiện liên

tục, nghịch dòng, nhiều đoạn

Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:

− Cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp bằng hơi nước: khi chưng cất hỗn hợp nhập liệu thu được nước ở đáy tháp chưng cất, cấu tử còn lại dễ bay hơi thì ta có thể sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp

− Sử dụng nồi đun để cấp nhiệt cho đáy tháp chưng cất (gián tiếp): nồi đun cho tháp chưng cất là thiết bị trao đổi nhiệt được đặt ở đáy tháp để cung cấp nhiệt cho hệ thống

Các loại nồi đun cho tháp chưng cất:

+ Thiết bị trao đổi nhiệt loại 2 vỏ: dùng cho tháp chưng cất năng suất nhỏ

+ Nồi đun đặt ngoài: dùng cho tháp chưng cất năng suất cao Chất tải nhiệt nóng đi trong ống hơi đi và tháp cân bằng với dòng sản phẩm đáy, do đó nối đun được xem là một mâm lí thuyết

+ Thiết bị trao đổi nhiệt đặt đứng: Chất tải nhiệt đi ngoài ống bốc hơi hoàn toàn phần lỏng đi và nồi đun Do đó hơi có chung thành phần với dòng sản phẩm đáy

+ Thiết bị trao đổi nhiệt nhận dòng lỏng từ mâm đáy và nó chỉ bốc hơi một phần

Đối với hệ methanol – nước, do sản phẩm là methanol yêu cầu độ tinh khiết cao với hỗn hợp methanol – nước là hỗn hợp không có điểm đẳng phí ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun đặt ngoài với áp suất thường

1.3 Thiết bị 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: 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

Ở đây, ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Methanol – Nước

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ (file đính kèm) 2.2 Thuyết minh về quy trình công nghệ

Hỗn hợp Methanol – nước có nổng độ nhập liệu Methanol 25% theo khối lượng, nhiệt độ khoảng 28oC tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng lống (3) để gia nhiệt ban đầu cho dòng nhập liệu Tại đây, dòng nhập liệu trao đổi nhiệt với hơi nước bão hòa có áp suất 2at, gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp 83,79oC Hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất số (7) ở mâm nhập liệu

Trong đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giửa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng cất càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp nên khi hơi đi qua các đĩa 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 Methanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ sản phẩm đỉnh là 95% khối lượng Methanol) Hơi này đi vào thiếp bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ được làm nguội đến 35oC, rồi đưa về bình chứa sản phẩm đỉnh Phần còn lại được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng 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 hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (nước) Dung dịch lỏng ở đáy tháp đi vào nồi đun (12) Trong thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để làm việc liên tục, phần còn lại ra khỏi thiết bị vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13) Sau đó, được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (14)

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 3.1 Cân bằng vật chất

3.1.1 Dữ kiện ban đầu

Chưng cất hỗn hợp Methanol – nước bằng tháp mâm xuyên lỗ với cấu tử dễ bay hơi hơn là methanol

Trạng thái nhập liệu là lỏng sôi ở áp suất thường P = 1 atm Năng suất nhập liệu: GF = 2500 (𝑘𝑔/ℎ)

Nồng độ nhập liệu (tính theo methanol): 25%kl Nồng độ sản phẩm đỉnh (tính theo methanol): 95%kl Tỉ lệ thu hồi methanol: 98%kl

Chọn:

− Nhiệt độ nhập liệu t’F = 28oC

− Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội t’D = 35oC − Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội t’W = 35oC Khối lượng phân tử Methanol: 𝑀𝐶𝐻3𝑂𝐻 = 32 𝑔/𝑚𝑜𝑙

Khối lượng phân tử nước: MH2O = 18 g/mol Tra sổ tay Hóa lý, TLTK [1]:

− Khối lượng riêng của methanol nguyên chất ở 25oC: ρMe = 791,8 kg/m3

− Khối lượng riêng của nước cất ở 25oC : ρN = 997,080 kg/m3

3.1.2 Các ký hiệu được sử dụng

F và GF: là lưu lượng của dòng nhập liệu lần lượt theo kmol/h và kg/h D và GD: là lưu lượng của dòng sản phẩm đỉnh lần lượt theo kmol/h và kg/h

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

xF và 𝑥̅̅̅: lần lượt là phần mol và phần khối lượng của Methanol trong dòng nhập liệu 𝐹xD và 𝑥̅̅̅: lần lượt là phần mol và phần khối lượng của Methanol trong dòng sản phẩm đỉnh 𝐷xW và 𝑥̅̅̅̅: lần lượt là phần mol và phần khối lượng của Methanol trong dòng sản phẩm đáy 𝑊

̅̅̅MMe +

1 − x̅̅̅FMN

=

32 +

1 − 0,2518

= 0,16 phần mol

Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:

MF = xF MMe+(1-xF).MN=0,16.32 + (1 - 0,16).18= 20,24 (kg/kmol) Suất lượng dòng nhập liệu tính theo kmol/h:

̅̅̅MMe +

1 − x̅̅̅DMN

=

32 +

1 − 0,9518

= 0,91 phần mol

Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh:

MD = xD MMe+(1-xD).MN=0,91.32 + (1 - 0,91).18= 30,74 (kg/kmol) Suất lượng sản phẩm đỉnh với tỉ lệ thu hồi là 98%

GD=GF.x̅̅̅ 0,98 F

̅̅̅ =2500.0,25.0,98

0,95 = 644,74(kg/h) Suất lượng dòng sản phẩm đỉnh tính theo kmol/h D = GD

GF.x̅̅̅F =0,02 → 1855,26.x̅̅̅̅W

2500.0,25 = 0,02 → x̅̅̅̅=6,7.10W -3 (pkl)Suất lượng dòng sản phẩm đáy tính theo kmol/h: W = F − D = 123,52 − 20,97 = 102,55 (kmol/h) Phân mol của Methanol trong dòng sản phẩm đáy:

xW =

x̅̅̅̅ WMMe x̅̅̅̅ WMMe+

1 − x̅̅̅̅ WMN

=

6,7 10−3326,7 10−3

Thông số

Dòng

Năng suất nguyên liệu, kg/h

Nồng độ phần mol,

phần mol

Phân khối lượng, pkl

Phân tử lượng trung bình,

kg/kmol

Năng suất, kmol/h

Chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin là tỷ số hoàn lưu ứng với chế độ làm việc khi số mâm lý thuyết nhiều vô cùng Do đó cần điều chỉnh để giảm số mâm, giảm chi phí cho tháp chưng cất Chỉ số hoàn lưu tối thiểu của tháp chưng cất:

Rmin= xD− yF

yF∗−xF (Công thức IX.24/158, TLTK [2]) Trong đó: y*

F là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng

xF của hỗn hợp ban đầu Dựa vào đồ thị hình 1.1.4, ta có: xF = 0,16 → y*F=0,53

Để tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu theo công thức: R= 1,3.Rmin+ 0,3 (Công thức IX.25b/159, TLTK [2]) → R = 1,3.1,03+ 0,3 = 1,64

3.1.5 Phương trình đường làm việc – Xác định số mâm lý thuyết

3.1.5.1 Phương trình đường làm việc phần cất

y= R

R+1 x + xD

R+1 (IX.20/144, TLTK [2]) y = 1,64

1,64+3,88.y + 3,88−1

1,64 + 3,88.0,0038 → x = 0,48y + 2.10-3

mâm nhập liệu: là mâm số 5mâm cất: 4 mâmmâm chưng: 3,3 mâm

nồi đun: 1 nồiTóm lại, số mâm lý thuyết là: Nlt= 8,3 mâm

0102030405060708090100

3.1.6 Xác định mâm thực tế

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình (công thức IX.59/169, TLTK [2])

Ntt=Nltη tbTrong đó :

Ntt : số mâm thực tế Nlt : số mâm lí thuyết

ηtb: hiệu suất trung bình của mâm ηtb=η1+η2+…+ηn

n (công thức IX.60/170, TLTK [2]) Trong đó:

η1, η2, η3,… - hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ; n - số vị trí tính hiệu suất

Trong trường hợp này ta tính:

Với ηD, ηW, ηF - lần lượt là hiệu suất ở mâm ở đỉnh, ở mâm đáy và ở mâm ở nhập liệu

Xác định hiệu suất trung bình của tháp ηtb

Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi α= y*

x Trong đó:

x là số mol của rượu trong pha lỏng

𝑦∗là phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

3.1.6.1 Tại vị trí mâm nhập liệu

xF = 0,16, ta tra đồ thị cân bằng của hệ yF∗= 0,53; tF = 83,79oC → αF= yF*

Độ nhớt của hỗn hợp (Công thức I.12/84, TLTK [1]) log μhh= xF log μM+(1- xF) log μN

log μhh= 0,16.log(0,32)+(1-0,16).log(0,34) → μhh = 0,34

log μhh= xD log μM+(1- xD) log μN

log μhh= 0,91.log(0,35)+(1-0,91).log(0,43) → μhh = 0,36

→ αD μhh = 2,37.0,36 = 0,85

Tra hình IX.11/171, TLTK [2] → ηD = 51,5%

3.1.6.3 Tại vị trí mâm đáy

xw =0,0038, ta tra đồ thị cân bằng của hệ y*w =0,02; tw = 99,36oC αW= y*W

xW =0,021-0,02.

Độ nhớt của hỗn hợp (công thức I.12/84, TLTK [1]) log μhh= xW log μE+(1- xW) log μN

log μhh= 0,0038.log(0,31)+(1-0,0038).log(0,29) → μhh = 0,29

→ αW μhh = 5,21.0,29 = 1,51

Tra hình IX.11/171 TLTK [2] → ηW = 45% Hiệu suất trung bình của mâm:

3 =42%+51,5%+45%

3.1.6.4 Xác định số mâm thực tế

Số mâm thực tế: Ntt=Nlt

η tb= 8,3

46,17% ≈ 18 mâm Trong đó:

Ncất tt=Ncất ltηtb =

46,17%= 8,66 mâm Nchưng tt =Nchưng lt

mâm chưng: 8 mâm

3.2 Cân bằng năng lượng

3.2.1 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất:

QF + QD2 + QR = Qy + QW + Qxq2 + Qng2 (I.156/197 TLTK [2]) Trong đó:

QF: Nhiệt lượng hỗn hợp nhập liệu mang vào QD2: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp

QR: Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào QW: Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra

Qy: Nhiệt lượng sản phẩm đỉnh mang ra

Qxq2: Nhiệt lượng tổn thất do môi trường xung quanh Qng2: Nhiệt lượng nước ngưng mang ra

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp QF

QF = GFCPFtF (I.151/196 TLTK [2])

Tra bảng I.154/172 TLTK [1] tại nhiệt độ tF=83,79oC

Nhiệt dung riêng của methanol: CPMe = 2,880 (kJ/kg.oC) Nhiệt dung riêng của nước: CPN = 4,194 (kJ/kg.oC)

Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy

→ Me = 1097,65 + 65,85.2,788 = 1281,24 (𝑘𝐽

𝑘𝑔) →N = 2408,16 + 65,85.4,189 = 2684 (𝑘𝐽

𝑘𝑔)

→ D = 1281,24.0,95 + 2684.0,05 = 1351,39 (kJ/kg) → Qy = 644,74.(1,64 + 1).1351,39 =2300219,3 kJ/h

Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra QW

QW = GW.CPW.tW

Tại 𝑥𝑤 = 0,0038 → 𝑡𝑤 = 99,36oC

Tra bảng I.154/172, TLTK [1] tại nhiệt độ 𝑡𝑊 = 99,36℃ Nhiệt dung riêng của methanol: 𝑐𝑚𝑒 = 2,96 (kJ/kg.oC) Nhiệt dung riêng của nước: 𝑐𝑁 = 4,23 (kJ/kg.oC) Ta có: cW= x̅̅̅̅ cW me+(1-x̅̅̅̅).cW N

cW = 6,7.10-3.2,96+(1-6,7.10-3).4,23 = 4,22(kJ/kg. oC) Nhiệt lượng do hỗn hợp methanol- nước nhập vào tháp QW:

→ Qng2 = 986,44.2,1185.119,62= 249978,66 (kJ/h) → Qxq2 = 0,05.986,44.2208 = 108902,98 (kJ/h)

Nhiệt lượng của dòng nhập liệu mang vào tháp QF = 809830,35 (kJ/h) Nhiệt lượng do hơi nước mang vào tháp QD2 = 2428038,183 (kJ/h) Nhiệt lượng của dòng hồi lưu QR = 199135,55 (kJ/h) Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy = 2300219,3 (kJ/h) Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp Qw = 777909,03 (kJ/h) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng2 = 249978,66 (kJ/h) Nhiệt lượng mất ra do môi trường xung quanh Qxq2 = 108902,98 (kJ/h)

Bảng 3.2: Tóm tắt cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất

3.2.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Qngưng tụ =(R + 1) GD rd (kJ/h) Ta có:

GD =644,74 kg/h; R =1,64

Tại tD = 65,85℃ tra bảng I.212/254, TLTK[1], ta có: Nhiệt hóa hơi của methanol: rMe = 1097,65 kJ/kg Nhiệt hóa hơi của nước: rN = 2408,16 kJ/kg Ta có: rD = x̅̅̅ rD me + (1- x̅̅̅) rD n

rD = 0,95 1097,65 + (1 - 0,95) 2408,16 = 1163,18 (kJ/kg)

Vậy: Qnt =( R + 1) GD rD = (1,64+1).644,74.1163,18 = 1979864,50 (kJ/h) Chọn nhiệt độ nước vào t1 = 20oC, nhiệt độ nước ra t2 = 40oC

Tra bảng I.250/312 TLTK [1]

tại tv = 20oC, ta có hv = 83,38 (kJ/kg) tại tr = 40oC, ta có hr = 167,6 (kJ/kg)

Vậy lượng nước lạnh cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh là: Gnt = Qnt

Tại xD=0,91 → tD=65,85oC Ta có: c'D= x̅̅̅ cD me+(1-x̅̅̅).cD N

Tra bảng I.154/172, TLTK [1] tại nhiệt độ 35oC

Nhiệt dung riêng của methanol: cMe = 2,645 (kJ/kg.oC) Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4,178 (kJ/kg.oC) Enthalpy của hỗn hợp ở nhiệt độ 35oC

h’D = c’D t’D = (0,95 2,645 + 0,05 4,178) 35 = 95,26 (kJ/kg) Tra bảng I.154/172, TLTK [1] tại nhiệt độ 65,85oC

Nhiệt dung riêng của methanol: cMe = 2,789 (kJ/kg.oC) Tra bảng I.249/310, TLTK [1] tại nhiệt độ 65,85oC Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4,184 (kJ/kg.oC) Enthalpy của hỗn hợp ở nhiệt độ 65,85oC

hD = cD tD = (0,95.2,789 + 0,05 4,184) 65,85 = 188,24 (kJ/kg) Nhiệt lượng do hỗn hợp methanol- nước nhập vào tháp QD:

Qn =644,74 (188,24 – 95,26) = 59947,92 (kJ/h)

Chọn nhiệt độ nước vào t1 = 20oC, nhiệt độ nước ra t2 = 40oC Tra bảng I.250/312 TLTK [1]

tại tv = 20oC, ta có hv = 83,38 (kJ/kg) tại tr = 40oC, ta có hr = 167,6 (kJ/kg)

Vậy lượng nước lạnh cần dùng để làm nguội sản phẩm đỉnh là: Gn = Qn

Tại xD=0,0038 → tD=99,36oC

Ta có: c'W= x̅̅̅̅ cW me+(1-x̅̅̅̅).cW N

Tra bảng I.154/172, TLTK [1] tại nhiệt độ 35oC

Nhiệt dung riêng của Methanol: cMe = 2,645 (kJ/kg.oC) Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4,178 (kJ/kg.oC) Enthalpy của hỗn hợp ở nhiệt độ 35oC

h’W = c’W t’W = (0,0067 2,645 + 0,9933 4,178) 35 = 145,87 (kJ/kg) Tra bảng I.154/172, TLTK [1] tại nhiệt độ 99,36oC

Nhiệt dung riêng của methanol: cMe = 2,961 (kJ/kg.oC) Tra bảng I.249/310, TLTK [1] tại nhiệt độ 99,36oC Nhiệt dung riêng của nước: cN = 4,219 (kJ/kg.oC) Enthalpy của hỗn hợp ở nhiệt độ 99,36oC

hW = cw tw = (0,0067.2,961 + 0,9933 4,219) 99,36 = 418,36 (kJ/kg) Nhiệt lượng do hỗn hợp methanol- nước nhập vào tháp QD:

Qn =1855,26 (418,36 – 145,87) = 505539,80 (kJ/h) Chọn nhiệt độ nước vào t1 = 20oC, nhiệt độ nước ra t2 = 40oC Tra bảng I.250/312 TLTK [1]

tại tv = 20oC, ta có hv = 83,38 (kJ/kg) tại tr = 40oC, ta có hr = 167,6 (kJ/kg)

Vậy lượng nước lạnh cần dùng để làm nguội sản phẩm đáy là: Gn = Qn

ℎ𝑟−ℎ𝑣 = 505539,80

167,6−83,38 = 6000,61 (kg

h)

3.2.5 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

Phương trình cân bằng năng lượng:

Qf2 + QD1 = QF + Qxq1 + Qng1 (Công thức IX.149/196 TLTK [2])

Qng1: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

Qng1 = Gng1.CP1t1 = D1.CP1.t1 (Công thức I.153/197 TLTK [2]) Trong đó: Gng1: Lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt, kg/h

QD1: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào

QD1 = D11 = D1(r1 + t1CP1) (Công thức I.150/196 TLTK [2]) Trong đó: D1: Lượng hơi đốt, kg/h

r1: ẩn nhiệt hóa hơi, kJ/kg

1: nhiệt lượng riêng của hơi đốt t1: Nhiệt độ nước ngưng, oC

Cp1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.oC

Qf2: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào

Qf2 = GF CPf2 tf2

Trong đó: GF: suất lượng nhập liệu, kg/h

tf2: Nhiệt độ hỗn hợp nhập liệu khi vào, oC

CPf2: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu, J/kg.oC